JP3809346B2

JP3809346B2 - スイッチング回路

Info

Publication number: JP3809346B2
Application number: JP2001181345A
Authority: JP
Inventors: 良英新居; 尚彦平野
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2021-06-15
Also published as: US20030001438A1; KR100482399B1; JP2003009507A; DE10226387B4; KR20020096905A; TW567513B; US6884953B2; DE10226387A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング素子を電源あるいは負荷に接続するための導体としてのバスバーを備えたスイッチング回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、インバータモータ用のスイッチング回路等の電力回路においては、回路素子間、あるいは回路素子と電源または負荷との間で電流を流すのに十分広い断面積を備えた導体として、金属製のバスバーが用いられている。ここで従来のスイッチング回路について図８および図９を参照して説明する。図８は、インバータとして構成したスイッチング回路４０の回路図、また図９は、従来のスイッチング回路４０の平面図である。
【０００３】
図８に示すように、スイッチング回路４０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６やこれらスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のそれぞれに並列に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６を有する三相インバータである。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６は、図示しない制御装置からの制御信号によってそれぞれ開閉する。このスイッチング回路４０では、これらの開閉により直流電源４２からの直流が三相交流に変換され、負荷としての三相インバータモータ４４に供給される。
【０００４】
図９に示すように、このスイッチング回路４０は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６と電源（図示せず）との間には電源側バスバー４６（４６Ｐ，４６Ｎ）を、またスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６と負荷側の各相（Ｕ相，Ｖ相およびＷ相）との間には負荷側バスバー４８（４８Ｕ，４８Ｖ，４８Ｗ）を備える。電源側バスバー４６は、それぞれ、縦部材４６Ｃと横部材４６Ｒとを備えた方形の枠状に構成されている。このうち縦部材４６Ｃは、インサートされた状態で基台５０が樹脂成型されることで、基台５０中に埋め込まれる。また横部材４６Ｒも縦部材４６Ｃ同様に基台５０中に一部埋め込まれるが、その上面は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６に接続するワイヤとの接合面として、基台５０上に露出している。このように基台５０中に電源側バスバー４６Ｐ，４６Ｎを埋め込むことで、スイッチング回路４０の曲げ合成および強度の向上が図られるとともに、隣接するバスバー（例えば、電源側バスバー４６Ｐ，４６Ｎ同士、あるいは電源側バスバー４６Ｐ，４６Ｎと負荷側バスバー４８Ｕ，４８Ｖ，４８Ｗ）間の絶縁が確保されている。
【０００５】
負荷側バスバー４８は、それぞれ基台５０上で横方向に伸びる短冊状の部材として構成されている。そしてスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６は、電源側バスバー４６の横部材４６Ｃと負荷側バスバー４８との間の基台５０上に配置され、それぞれ、縦方向の両側にそれぞれ隣接する横部材４６Ｒと負荷側バスバー４８とにワイヤ５２を介して接続される。
【０００６】
各バスバー４６，４８とワイヤ５２との接続は、超音波ボンディングによって行われる。すなわち、金属製のワイヤがバスバー４６，４８の上面に押しつけられた状態で接触部に超音波振動が印加され、これによりワイヤ５２がバスバー４６，４８上面に接合される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のスイッチング回路では、バスバー（電源側バスバー）を基台中にインサート成型していたため、さまざまな問題が生じていた。まず、インサート成型の際に樹脂流動が複雑となり変形や割れが発生したり、樹脂成型時の温度上昇によりインサートしたバスバーが変形してしまうという問題があった。
【０００８】
また、絶縁性の樹脂中にバスバーをインサートすること、すなわち換言すればバスバーの周囲に樹脂を肉付けすることによって、隣接するバスバーの絶縁を確保していたため、その分、基台が大型化してしまうという問題があった。
【０００９】
さらに、樹脂成型された基台の、インサートされたバスバーの横部材（例えば図９の４６Ｒ）と当接する位置に、樹脂成型不良による空隙（すき）が発生することがあり、絶縁確保が困難となったり、空隙の生じた位置と生じていない位置とで超音波ボンディング時の振動状態あるいは温度上昇に差が生じ、結果としてワイヤの接合強度あるいは抵抗値が接合位置によってばらついてしまうという問題が生じていた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるスイッチング回路は、スイッチング素子と、スイッチング素子を電源側あるいは負荷側へ接続するための導体としてのバスバーと、を備え、異なる複数のバスバーが絶縁体を挟んで締結保持された状態で基台上に固定され、絶縁体は、それを挟むバスバーを上側バスバー及び下側バスバーとした場合に、上側バスバーと下側バスバーをともに収容するよう上下に突出した突出部を有する。また、本発明にかかるスイッチング回路は、スイッチング素子と、スイッチング素子を電源側あるいは負荷側へ接続するための導体としてのバスバーと、を備え、バスバーは、そのワイヤボンディング領域にてスイッチング素子とワイヤを介して接続され、異なる複数のバスバーが絶縁体を挟んで締結された状態で基台上に固定され、基台は、その上に固定されるバスバーのワイヤボンディング領域との間に空隙が設けられるよう該バスバーを支持する。また、本発明にかかるスイッチング回路は、スイッチング素子と、スイッチング素子を電源側あるいは負荷側へ接続するための導体としてのバスバーと、を備え、異なる複数のバスバーが絶縁体を挟んで締結された状態で基台上に固定され、絶縁体を挟むバスバーが湾曲している。このような構成によれば、バスバーをインサート成型しないので、その分製造の手間を減らし、製造時間の短縮および製造コストの削減を図ることができる。また、余分な樹脂部分を低減し、スイッチング回路をより小型軽量に構成することができる。また、複数のバスバーを絶縁体を介して締結したことで、バスバー自体の変形を抑制するとともに、一体化されたバスバーおよび絶縁体を基台の補強部材として、スイッチング回路の曲げ剛性および強度を確保することができる。
【００１１】
また本発明では、絶縁体を挟んで締結される二つのバスバーには、互いに逆向きの電流が流れるのが好適である。バスバーを備えたスイッチング回路では、バスバーに分布するインダクタンスによってスイッチング時の誘起電圧（フライバック電圧）が高くなり、高速スイッチングが行えなくなってしまうことがある。本発明では、バスバーを流れる電流によってバスバーの周囲に生じた磁界を相殺することができるので、この部分のインダクタンスを低減することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態にかかるスイッチング回路について図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、本実施形態にかかるスイッチング回路１０の構成について説明する。図１は、スイッチング回路１０の要部を示した平面図である。なお、以下の説明では、便宜上、図１の上下方向を縦方向、同左右方向を横方向として説明する。
【００１３】
本実施形態にかかるスイッチング回路１０も、図６に示したインバータと等価な回路であり、直流電流を三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）交流に変換する。図１に示すように、スイッチング回路１０は、樹脂製の基台１２上に、電源（図示せず）に接続される電源側バスバー１４（１４Ｐ，１４Ｎ）と、負荷（図示せず）に接続される負荷側バスバー１６（１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗ）と、を備える。電源側バスバー１４は、それぞれ縦方向に伸びる縦部材１４ＰＣ，１４ＮＣと横方向に伸びる横部材１４ＰＲ，１４ＮＲとからなり、また負荷側バスバー１６は横方向に伸びる短冊状に構成されている。そして、電源側バスバーの横部材１４ＰＲ，１４ＮＲと負荷側バスバー１６とが、所定間隔で平行に配置されている。図１の例では、図の紙面上側から下側に向けて順に、電源正極側バスバー１４Ｐの横部材１４ＰＲ，負荷Ｕ相側バスバー１６Ｕ，電源負極側バスバー１４Ｎの横部材１４ＮＲ，負荷Ｖ相側バスバー１６Ｖ，電源正極側バスバー１４Ｐの横部材１４ＰＲ，負荷Ｗ相側バスバー１６Ｗ，および電源負極側バスバー１４Ｎの横部材１４ＮＲが、配置されている。なお、電源正極側バスバー１４Ｐの縦部材１４ＰＣと電源負極側バスバー１４Ｎの縦部材１４ＮＣとは、絶縁体１８を介して、図１の紙面に垂直な方向に重なっている。これらの積層構成については後に詳しく述べる。また、上記バスバー１４，１６は金属部材例えば銅からなり、また絶縁体１８は、例えばＰＰＳ：PolyPhenyleneSulfide［ポリフェニレンサルファイド］またはＰＢＴ：PolyButyleneTerephthalate［ポリブチレンテレフタレート］等からなる。
【００１４】
スイッチング素子２０は、電源側バスバーの横部材１４ＰＲ，１４ＮＲと負荷側バスバー１６との間隙に配置されている。例えば図１の例では、各間隙において、図の紙面上側から下側に向けて順に、電源正極−負荷側Ｕ極間のスイッチング素子２０ＰＵ，電源負極−負荷側Ｕ極間のスイッチング素子２０ＮＵ，電源負極−負荷側Ｖ極間のスイッチング素子２０ＮＶ，電源正極−負荷側Ｖ極間のスイッチング素子２０ＰＶ，電源正極−負荷側Ｗ極間のスイッチング素子２０ＰＷ，および電源負極−負荷側Ｗ極間のスイッチング素子２０ＮＷが、配置されている。
【００１５】
各スイッチング素子２０とそれに縦方向に隣接するバスバー１４，１６とは、それぞれワイヤ２２を介して接続される。ワイヤ２２は、バスバー１４，１６上で、超音波ボンディングによって接合される。本実施形態では、各バスバー１４，１６の裏面（基台１２側の面）は、それぞれ基台１２上に密着される。より具体的には、バスバー１４，１６の下面（基台１２上に当接する面）および基台１２の上面（バスバー１４，１６に当接する面）はそれぞれ平面として形成され、これら当接面の例えばほぼ全面に塗布された接着剤により接着される。このような構成により、各接合位置において、バスバー１４，１６と基台１２との接触状態をより均一化し、超音波ボンディングによる振動状態および温度上昇をより均一化することができるので、ワイヤ２２とバスバー１４，１６との接合状態のばらつきを抑制することができる。
【００１６】
なお、図１に示すように、バスバー１４，１６上には、スイッチング素子２０およびボンディング位置の上部を開口とする細い枠状の樹脂からなる制御端子ベース２４（破線で示す）が載置され、各スイッチング素子２０は、この制御端子ベースに設けられる制御端子（図示せず）にワイヤ（図示せず）を介して接続される。各スイッチング素子２０の開閉は、制御装置（図示せず）から前記制御端子およびワイヤを介して入力される制御信号に基づいて制御される。
【００１７】
次に、図２乃至図４を参照して、電源側バスバー１４および絶縁体１８の基台１２への組み付けおよび、電源側バスバー１４および絶縁体１８のより詳細な構成について説明する。図２は、電源側バスバー１４および絶縁体１８の基台への組み付けを示す斜視図、図３は、図１のＡ−Ａ断面におけるバスバーおよび絶縁体の断面図、また図４は、図１のＢ−Ｂ断面におけるバスバーおよび絶縁体の断面図である。
【００１８】
図２に示すように、複数のバスバー（本実施形態では二つの電源側バスバー１４Ｐ，１４Ｎ）は、基台１２上で絶縁体１８を間に挟んで一体的に締結された状態となるよう、基台１２に固定される。この例では、基台１２上面の複数箇所に位置決め用ピン２８Ｍが設けられており、電源側バスバー１４側に設けられた固定用貫通孔２８Ｆにこの位置決め用ピン２８Ｍが挿入されることでこれらが基台１２に位置合わせされる。また上述したように、基台１２上の当接面には接着剤が塗布され、電源側バスバー１４は基台１２上に接着される。
【００１９】
図３に示すように、本実施形態では、上側の電源負極側バスバー１４Ｎの縦部材１４ＮＣと、下側の電源正極側バスバー１４Ｐの縦部材１４ＰＣとによって、絶縁体１８が狭持される。このように絶縁体１８により、二つの電源側バスバー１４Ｐおよび１４Ｎの導通が防止されている。なお、バスバー１４Ｐおよび１４Ｎは、例えば絶縁体１８に嵌挿された絶縁体からなる位置決めピン３０によって位置合わせされている。また、バスバー１４Ｐ，１４Ｎおよび絶縁体１８は、接着剤によって接合されている。また図４に示すように、絶縁体１８は短手方向の両端においてそれぞれ上下に突出したＨ字型の断面を備え、両端の突出部１８Ｅの間に電源正極側バスバー１４Ｐと電源負極側バスバー１４Ｎが収容される形に構成されており、この突出部１８Ｅによってもバスバー１４Ｐ，１４Ｎが位置合わせされている。
【００２０】
絶縁体１８を介して締結保持される二つのバスバー１４Ｐ，１４Ｎは、その電流の方向が互いに逆方向となるように設けられる。本実施形態では、これらバスバー１４Ｐ，１４Ｎをいずれも同じ方向（縦方向）に伸張するように設け、これらバスバー１４Ｐ，１４Ｎが同じ側の端部（図３では左側；図１では下側）で電源に接続されるように構成している。このため、図３に示すように、電源負極側バスバー１４Ｎを流れる電流は矢印ｎに示すように図の右から左に流れ、また電源正極側バスバー１４Ｐを流れる電流は矢印ｐに示すように図の左から右に流れることとなり、これら電流により電源側バスバー１４Ｐ，１４Ｎの周囲にそれぞれ生じる磁界の方向は互いに逆の回転方向となる。すなわちこのような構成により電源側バスバー１４Ｐ，１４Ｎのインダクタンスを低減することができるので、スイッチング時のフライバック電圧が低減され、より高速なスイッチングが可能となる。
【００２１】
なお、本発明は上記実施形態には限定されない。上記実施形態では二つのバスバーの間に、これらが重なり合う部分の全域に亘って伸びる一つの絶縁体を介在させたが、これに替えて、絶縁体を部分的に介在させるような構成としてもよいし、またこの部分的な絶縁体を複数介在させるような構成としてもよい。
【００２２】
また、上記実施形態では複数のバスバーを絶縁体を介して基台上面に垂直な方向に重ねる構成としたが、これに替えて、例えば図５に示すように、バスバー１４Ｐ，１４Ｎを絶縁体１８を介して基台上面に平行な方向に重ねる構成としてもよい。なお、この例のように、バスバーの断面をＬ字型とするなどしてバスバーの断面２次モーメントを増大させ、曲げ剛性および強度を向上させることができる。
【００２３】
また、上記実施形態では、超音波ボンディングを行うバスバー（１４ＰＲ，１４ＮＲ，１６Ｕ，１６Ｖ，または１６Ｗ）の裏面を基台１２上面に密着固定したが、これに替えて、例えば図６に示すように、例えばバスバー３２のワイヤボンディング領域でない部分（例えばその両端）を基台１２によって支持するなどして、この領域においてバスバー３２と基台１２との間に空隙を設けるように構成してもよい。このような構成によっても、複数の接合位置において超音波ボンディングにおける振動状態あるいは温度上昇をより均一化することができ、ワイヤの接合強度および抵抗値のばらつきを抑制することができる。なお、図６の構成は、上記実施形態にかかるスイッチング回路１０のバスバー（１４ＰＲ，１４ＮＲ，１６Ｕ，１６Ｖ，または１６Ｗ）に置き換えて適用可能である。
【００２４】
また、上記実施形態では、電源側バスバー１４においてワイヤボンディングされる部分（縦部材１４ＰＣ，１４ＮＣ）と、絶縁体を介して締結される部分（横部材１４ＰＲ，１４ＮＲ）とが異なっていたが、締結される部分の近傍の同じ部材上でワイヤボンディングが行われるように構成してもよい。図７を参照してその一例について説明する。図７の（ａ）は二つのバスバー３４Ｌ，３４Ｒを絶縁体３６を挟んで締結した一例を示す平面図、また図７の（ｂ）はその側面図である。この例では、ワイヤボンディングの実施される平面部（ワイヤボンディング領域）に隣接する位置において、絶縁体３６を貫通するボルト３７とナット３８によって、二つのバスバー３４Ｌ，３４Ｒが締結されている。なお、絶縁体からなるワッシャ３９と、バスバー３４Ｌ，３４Ｒのボルト用穴に挿入され同じく絶縁体からなる図示しないスペーサと、が設けられ、これらにより、ボルト３７およびナット３８がバスバー３４Ｌ，３４Ｒに接触してこれらバスバー３４Ｌおよび３４Ｒが導通するのが、防止されている。この例では、バスバー３４Ｌ，３４Ｒの平面部は同一平面上にあり、かつ両平面部の基台（スイッチング素子を載置する面）１２からの高さがほぼ同じとなるように構成されている。このような構成とすることで、両バスバー３４Ｌおよび３４Ｒについてほぼ同じ条件でワイヤボンディングを実施することができ、接合状態のばらつきを抑制することができる。また、この例では、バスバー３４Ｌ，３４Ｒをそれぞれ湾曲させて構成しており、長手方向の曲げに対する断面２次モーメントを増大させている。また、この例においてもバスバー３４Ｌおよび３４Ｒに流れる電流の方向を互いに逆方向とすることで、インダクタンスを低減することができる。なお、上記各例に示した構成は適宜組み合わせ可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、バスバーを樹脂中に埋め込むことなく、バスバーの絶縁を図ることができるとともに、スイッチング回路の曲げ合成および強度を確保することができる。このため、バスバーをより小型軽量に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるスイッチング回路の全体構成を示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態にかかるスイッチング回路の電極側バスバーおよび絶縁体の基台への組み付けを示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態にかかるスイッチング回路の電極側バスバーの断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。
【図４】本発明の実施形態にかかるスイッチング回路の電極側バスバーの断面図（図１のＢ−Ｂ断面）である。
【図５】本発明の別の実施形態にかかるスイッチング回路のバスバーおよび絶縁体の断面図である。
【図６】本発明の別の実施形態にかかるスイッチング回路のバスバーにおいてワイヤボンディングの行われる部分の側面図である。
【図７】本発明の別の実施形態にかかるスイッチング回路のバスバーおよび絶縁体を示す図である。
【図８】インバータとして構成したスイッチング回路の回路図である。
【図９】従来のスイッチング回路の全体構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１０スイッチング回路、１２基台、１４電源側バスバー、１４Ｐ電源正極側バスバー、１４Ｎ電源負極側バスバー、１４Ｃ縦部材、１４Ｒ横部材、１６負荷側バスバー、１６Ｕ負荷Ｕ相側バスバー、１６Ｖ負荷Ｖ相側バスバー、１６Ｗ負荷Ｗ相側バスバー、１８絶縁体、２０スイッチング素子、２２ワイヤ、２８Ｍ位置決め用ピン。

Claims

スイッチング素子と、
スイッチング素子を電源側あるいは負荷側へ接続するための導体としてのバスバーと、
を備え、
異なる複数のバスバーが絶縁体を挟んで締結された状態で基台上に固定され、
絶縁体は、それを挟むバスバーを上側バスバー及び下側バスバーとした場合に、上側バスバー及び下側バスバーをともに収容するよう上下に突出した突出部を有することを特徴とするスイッチング回路。
スイッチング素子と、
スイッチング素子を電源側あるいは負荷側へ接続するための導体としてのバスバーと、
を備え、
バスバーは、そのワイヤボンディング領域にてスイッチング素子とワイヤを介して接続され、
異なる複数のバスバーが絶縁体を挟んで締結された状態で基台上に固定され、
基台は、その上に固定されるバスバーのワイヤボンディング領域との間に空隙が設けられるよう該バスバーを支持することを特徴とするスイッチング回路。
絶縁体を挟むバスバーが湾曲していることを特徴とする請求項１、２のいずれか１に記載のスイッチング回路。
絶縁体を挟んで締結される二つのバスバーには、互いに逆向きの電流が流れることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載のスイッチング回路。