JP4667476B2 - 電気部品の接続方法及び接続構造、並びにその接続構造を用いた電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電気部品と導通バスバーとの接続、特に大電流を流す電気部品と導通バスバーとを溶融接合により接続する電気部品の接続方法及び接続構造、並びにその接続構造を用いた電力変換装置に関するものである。

従来、数百Ａからの大電流を導通させる導体同士の接続手段としてねじによる締結が行われている。しかし、大電流経路に用いられる導体同士の接続には大きな径のねじが必要となり、大きな締結スペースを要する。このため、機器の小型化が進むにつれてねじによる締結が小型化の制約になる場合が出てきている。

例えば、従来の電力変換装置においては、外部接続導体と電力半導体モジュールの主端子がねじで締結されているため、主端子の端子台、及び端子台と外部接続導体とをボルトあるいはナットで締結するための面積が必要で、コンパクト化の阻害要因となっている。また、ねじによる締結は接触接続方式であるため、大きな電流を制御する電力変換装置では、締結部の接触抵抗を低減する必要があり、このためにも大きな締結面積が必要となっている。

更に、ねじを締結するために、ドライバーやラチェットなどの締め付け工具をねじの軸方向からアプローチさせて作業する必要があり、工具がアプローチする方向に対して干渉しないように装置に大きな空間を確保する必要がある。このため、機器の小型化が進むにつれてねじによる接続が小型化の制約になる問題が出てきている。

そこで、かかる問題に着目し、導体同士のねじによる締結に変わる方法として、アーク溶接などの溶融接合が適用されることが増えてきている。

例えば、電気部品のリード足と導通バスバーとを接続する電気部品の接続構造として、導通バスバーの先端部に突起を設け、この突起と電気部品のリード足とをアーク溶接することにより、電気部品と導通バスバーとを電気接続することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、車載用の電力変換装置の大電力化に際しては、個々の半導体モジュールの大電力化を図る方法が考えられているが、半導体素子の大電力化には限界があるため、複数の半導体モジュールを電気的に並列接続して大電力化を図ることが行われている。

半導体モジュールを並列接続するには、並列接続される半導体モジュールの同極性を有する主端子相互間を接続する必要があり、その半導体モジュールから突き出た主端子を、半導体モジュール近傍で直角に曲げ、半導体モジュール上方において多点で溶接をはじめとする金属接合により接続する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−１３４９５６号公報（要約の欄、図１） 特開２００７−１１０８７０号公報（段落００１９、図６）

上記特許文献１に開示された電気部品の接続構造は、電気部品と導通バスバーとの電気
接続にアーク溶接法が採用されており、このアーク溶接法では一般的に高さ方向の空間を利用して接合できる構造にでき、電気的正極となるチャックを挟み込むスペースさえ設ければよいため、ねじによる締結にくらべて床面積を縮小できる利点がある。

しかし、ここに開示されているのは、導通バスバーの先端部に一点の突起を設け、この一点の突起に電気部品のリード足を接合し、その接合部を点溶接する構造であり、大電流を流すためには突起を一点設けるのみでは足りず、数箇所設けてその数箇所を点溶接する必要がある。即ち、特許文献１による電気部品の接続構造には、大電流を流すための考慮がなされていない。

また、並列接続されるコンデンサの同電位の電極相互間を、導通バスバーを介して接続するものであり、溶接点数が増えてラインタクトが長くなる問題がある。

また、上記特許文献２は、半導体モジュールを並列接続するときに、並列接続されるそれぞれの半導体モジュールから突き出した主端子を半導体モジュール近傍で直角に曲げ、半導体モジュール上方において多点で溶接する方法を提案するもので、半導体モジュールの主端子と導通バスバーとの接続方法については開示されていない。

この発明は上記課題に鑑みてなされたもので、ラインタクトを伸ばすことなく、良好な溶接結果が得られ、安定して量産できる電気部品の接続方法及び接続構造、並びにその接続構造を用いた電力変換装置を提供することを目的とするものである。

この発明は、電気部品の接続端子の先端部に導通バスバーの先端部を接続する電気部品の接続方法であって、上記接合部先端に複数個の突起部を形成し、上記突起部を同じ溶接条件で連続的に溶融接合する電気部品の接続方法において、上記突起部の接合順序に従って上記突起部を異なる高さとし、上記突起部の溶融量を制御するものである。

この発明によれば、ラインタクトを伸ばすことなく、良好な溶接結果が得られ、安定して量産できる電気部品が提供できる。

以下、この発明に係る電気部品の接続方法及び接続構造、並びにその接続構造を用いた電力変換装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。なお、これらの実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電気部品の接続構造を説明する模式図で、電力変換装置へ適用した実施の形態を示す模式図である。図１において、（ａ）は電力変換装置に用いられる半導体モジュールと導通バスバーとの溶融接合部を側面から見た断面模式図で、（ｂ）は図１（ａ）の一部を正面から見た部分断面模式図である。

実施の形態１に係る電気部品の接続構造は、図１に示すように２個の半導体モジュール１，２と、１個の導通バスバー３からなる合計３個の端子を、図１において上方から図示しない非消耗性電極により一括してアーク溶接（ＴＩＧ溶接）するものである。これにより、２個の半導体モジュール１，２と、１個の導通バスバー３からなる合計３個の端子が、ナゲット４により一括して溶融接合されることになる。即ち、半導体モジュール１，２の端子１ａ，２ａをそれぞれの半導体モジュール１，２の近傍で直角に曲げて接合すると共に、導通バスバー３の先端部３ａを半導体モジュール１，２の端子１ａ，２ａと同様に直角に曲げて接合し、半導体モジュール１，２の端子１ａ，２ａの先端部と導通バスバー３の先端部３ａとをナゲット４により一括して溶融接合するものである。

以上のように、実施の形態１に係る電気部品の接続構造によれば、２個の半導体モジュール１，２と、１個の導通バスバー３との合計３個の端子をナゲット４により一括して溶融接合するため、溶接点数を減少でき、ラインタクトを短くすることが可能となる。

また、実施の形態１に係る電気部品の接続構造を電力変換装置に用いることにより、大電力化に伴って必要とされる半導体モジュール１，２の並列化が省スペースで可能になると共に、安定した大電力通電を可能とする電力変換装置を得ることができる。

なお、上記においては３端子の場合について図示説明したが、突起の個数、形状はこれに限られるものではない。また、半導体モジュール１，２の端子１ａ，２ａをそれぞれの半導体モジュール１，２の近傍で直角に曲げると共に、導通バスバー３の先端部３ａを半導体モジュール１，２の端子１ａ，２ａと同様に直角に曲げて溶接する、所謂、拝み溶接する場合について図示説明したが、この形態に限られるものでもない。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る電気部品の接続構造について説明する。実施の形態１においては、２個の半導体モジュール１，２と、１個の導通バスバー３との合計３個の端子をナゲット４により一括して溶融接合する実施の形態について説明した。この実施の形態１によれば、上述した効果を得ることはできるが、溶接部における溶接結果が十分でない課題が残る。以降で説明する実施の形態２は、実施の形態１の効果を得ると共に、溶接部における溶接結果を向上させるものである。

実施の形態２を説明するにあたり、便宜上、まず、発明者らの実験に基づくアーク溶接部の熱解析結果について説明する。図２（ａ）（ｂ）は、溶接箇所が３点、即ち、端部にある突起（以下、端部突起といい、両端の端部突起を両端突起という。）と中央部にある突起（以下、中央突起という。）に同一条件で溶接した場合に所定時刻における最高到達点温度を解析した熱解析結果である。この解解析結果から明らかなように、同じ条件による溶接では中央突起と両端突起の温度差が大きく、結果として溶融量も中央突起が両端突起に比べ少なくなることが理解できる。

図２（ａ）（ｂ）の熱解析結果について、図３、図４、図５、および図６を用いて更に説明する。図３は半導体モジュールの端子と導通バスバーの先端接続部を示す模式図で、（ａ）は半導体モジュールの端子と導通バスバーとの溶融接合部の正面図、（ｂ）は図３（ａ）の側面図である。なお、ここでは簡略化のため、半導体モジュールの端子と導通バスバーをそれぞれ１個ずつの合計２個を拝み溶接する場合について図示している。

一般に、半導体モジュールの端子３０ａと導通バスバー３１の母材の材質は銅であり、必要な場合は腐食防止のために、ニッケル（Ｎｉ）や錫（Ｓｎ）のメッキをすることもある。この端子３０ａと導通バスバー３１に対し、実施の形態１と同様に非消耗性電極３２をその上部から図のように配置し、半導体モジュールの端子３０ａと導通バスバー３１を溶接する。このとき、端子３０ａと導通バスバー３１は図示しないチャックにより紙面に対し平行な方向に挟まれて固定されている。このチャックは溶接電源のアースに接続されており、非消耗性電極３２の先端に高電圧を印加することにより、端子３０ａと導通バスバー３１のそれぞれの先端部との間にアーク放電が発生し、端子３０ａと導通バスバー３１が溶接される。

図４は、端子３０ａ（図示せず）と導通バスバー３１の右側端部突起３３を所定電流、かつ所定通電時間のプロファイルで溶接したときの通電終了瞬間における温度分布を模式的に示した図である。図２に示した解析の結果から類推して、導通バスバー３１の右側端
部突起３３は、図４に示す高温部が約１５００℃〜１７００℃、中温部が約１０００℃〜１５００℃、低温部が約３００℃〜１０００℃の温度分布を示している。右側端部突起３３は中央突起３４に比べ、その形状から供給された熱量が放熱しにくく熱がこもりやすいため、図に示すように突起全体がかなり高温になる。そのため、右側端部突起３３は十分に溶融する。

図５は、図４と同様の条件で中央突起３４を溶接し、同様に通電が終了した瞬間の温度分布を模式的に示した図である。中央突起３４を溶接する場合は、その形状から供給された熱が放熱されやすくこもりにくいため、熱が端子全体に分散してしまう。このため、右側端部突起３３の溶接の場合よりも全体的に突起部の温度は低い温度分布となり、中央突起３４の温度も右側端部突起３３の溶接より低い温度分布となる。そのため図６に示すように、中央突起３４のナゲット３５は両端突起のナゲット３６よりも小さく、強度も弱くなってしまう。

なお、上記においては、溶接箇所が３点、即ち、右側端部突起３３と中央突起３４を同一条件で溶接した場合について説明したが、この現象は２点の突起、即ち、中央突起がない場合においても、端部突起、例えば図４の右側端部突起３３において、その右側部分と左側部分の間で上記現象と同様の現象が生じる。

上記の結果および解析により、全ての突起を同条件で溶接したのでは、中央突起において溶融強度が弱くなる課題があり、以下、この課題を解決する電気部品の接続構造について説明する。

図７は、この発明の実施の形態２を示す半導体モジュール端子と導通バスバーの先端接続部を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。また、図８は、図７の突起部を適正な条件で溶接したときの溶接ナゲットを示す模式図である。

実施の形態２に係る電気部品の接続構造は、図７に示すように、半導体モジュール端子７０の先端接続部と導通バスバー７２の先端接続部の端部突起７３、７４の根元に放熱部７５、７６を設けた形状になっている。これにより、端部突起７３、７４と中央突起７７の放熱性がほぼ同等となり、図８に示すように同条件で溶接しても同様な溶接ナゲット８０を得ることができる。このときの溶接条件は図４、図５で説明した溶接条件よりも高めの設定にすることができ、十分な溶融量のナゲット８０を得ることができる。なお、本実施の形態では半導体モジュール端子７０と導通バスバー７２の両方に放熱部７５、７６を設けているが、形状はこれに限られず、放熱部７５、７６は半導体モジュール端子７０及び導通バスバー７２のいずれか片方だけに設けてもよい。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る電気部品の接続構造について説明する。図９は、実施の形態３を示す半導体モジュール端子と導通バスバーの先端接続部を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

この実施の形態の特徴は、半導体モジュール端子９０あるいは導通バスバー９１に設けられる中央突起９３の高さを、端部突起９４、９５に比べて高くしていることである。図１０は、図９の形状において、図４、図５で説明した溶接条件で中央突起９３を溶接したときの通電終了時の温度分布を模式的に示した図である。中央突起９３の先端から熱の拡散が大きくなる根元までの距離が遠くなるため、放熱しにくく熱がこもりやすい構造となっている。よって、中央突起９３の先端部ではかなり高温の状態となるため、中央突起９３が十分に溶融し、図１１に示すように端部突起９４、９５とほぼ均質のナゲット９６を得ることができる。なお、実施の形態３の考え方を、実施の形態２で説明した電気部品の接続構造に適用することも考えられ、一層良好な効果を得ることが可能になる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４に係る電気部品の接続構造について説明する。図１２は、実施の形態４を示す半導体モジュール端子と導通バスバーとの先端接続部の正面模式図である。製品の製造において、複数の突起部を連続的に溶接する場合、溶接工程は往々にしてネック工程になりやすく、溶接間隔はできるだけ短くする必要がある。一方、溶接ではごく短時間に小さな突起部に大きな熱量を供給するため、図４、図５に示すように周辺部の温度上昇、特に隣接する突起も温度上昇する。そのため、溶接間隔が短くなり隣接する突起を連続で溶接するほど、最初の溶接箇所に供給された熱が残った状態で次の溶接を行うことになる。このような場合、全く初期の熱がない状態で条件設定を行った溶接条件で溶接すると、トータルの入熱量が増えてしまい、過溶融による形状異常、溶融部の溶け落ちなどが起こりやすくなる。

図１２に示す実施の形態４においては、図中左から順に同じ溶接条件、つまり同じ入熱量で溶接を行った場合を示している。十分に溶接間隔がある場合には図６のようになるはずである。つまり端部突起１２０、１２１は同じ形状のナゲット１２２、１２３で、中央突起１２４のナゲット１２５は放熱しやすいことから端部突起１２０、１２１のナゲット１２２、１２３に比べ小さくなる。

一方、実際の製造時に連続的に溶接すると、２発目の溶接点では先に述べた放熱のしやすさからナゲット１２５が左端のナゲット１２２よりも小さくなり、右側端部突起１２１の溶接部では左側端部突起１２０と中央突起１２６の２回の溶接による熱量が残っているため、トータルの入熱量が多くなり、左側端部突起１２０に比べて過溶融になる。また、最悪の場合形状不良や溶融部崩落などが起こる。

そこで、２番目以降に溶接される突起部について、それまでの溶接による残留熱量を考慮して各突起の高さを変えることで、溶け量不足、過溶融といった不良を回避することができ、また各溶接部で均質な溶接部を得ることができる。

具体的には図１３に示すように突起部の高さをＨｂ＞Ｈａ＞Ｈｃとする。なお、Ｈａは左側端部突起１２０の高さ、Ｈｂは中央突起１２６の高さ、Ｈｃは右側端部突起１２０の高さをそれぞれ示している。これにより、溶け量不足気味の中央突起１２６は入熱量が増え溶融部は大きくなり、左側端部突起１２０、中央突起１２６の残留熱の影響を受け過溶融気味となる右側端部突起１２１は放熱性がよくなるため、熱がこもるのを抑制することで溶融量を少なくし、各溶接部の溶融量をほぼ均質にすることができる。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５に係る電気部品の接続構造について説明する。図１４は、実施の形態５を示す半導体モジュール端子と導通バスバーとの先端接続部の正面模式図である。実施の形態５は先に述べた実施の形態３の考え方と同様であって、突起間の谷間の深さで突起毎の放熱性を制御する実施の形態を示すものである。まず、図１４の左側端部突起１４０を溶接するが、左側端部突起１４０と中央突起１４１の谷間が深くなっているため、左側端部突起１４０の溶接による熱影響は、中央突起１４１および右側端部突起１４２に及びにくい。

一方、中央突起１４１は、左側端部突起１４０との間の谷間が深くなったことで放熱性が悪くなるため、溶け量が少ない点が解消される。また、最後の右端端部突起１４２の溶接では、左側端部突起１４０の熱影響が少なく、中央突起１４１の熱影響のみを受けるようになるため過溶融が改善される効果がある。これにより、左側端部突起１４０、中央突
起１４１、右端端部突起１４２の３個の突起とも均一のナゲット１４３を形成し、溶け量不足、過溶融が改善されるため、各溶接部の溶融量をほぼ均質にすることができる。

以上、この発明の各実施の形態について説明したが、この発明はこれらの実施の形態を適宜組み合わせた実施形態としてもよく、諸種の設計的変更をも包摂するものである。

また、この発明の溶融接合は特に溶融方法を制限するものではないが、特に、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接など、ごく短時間に突起部に大量の熱量を供給する方法においては、これまで述べた残留熱や溶接間隔による熱影響が顕著になるため、よりこの発明の効果が顕著に現れることになり有効である。

この発明は、複数の半導体モジュールを電気的に並列接続して大電力化を図る電力変換装置、例えばハイブリッド自動車や電気自動車に使用される電力変換装置に利用できる。

実施の形態１に係る電気部品の接続構造を説明する模式図である。 実施の形態２に係る電気部品の接続構造を説明するための発明者らの試験によるアーク溶接部の熱解析結果を示す図である。 実施の形態２に係る電気部品の接続構造を説明するための模式図である。 実施の形態２に係る電気部品の接続構造を説明するための模式図である。 実施の形態２に係る電気部品の接続構造を説明するための模式図である。 実施の形態２に係る電気部品の接続構造を説明するための模式図である。 実施の形態２を示す半導体モジュール端子と導通バスバーの先端接続部を示す模式図である。 実施の形態２を示す半導体モジュール端子と導通バスバーの先端接続部に得られる溶接ナゲットを示す模式図である。 実施の形態３を示す半導体モジュール端子と導通バスバーの先端接続部を示す模式図である。 実施の形態３に係る電気部品の接続構造を説明する図で、半導体モジュール端子と導通バスバーを溶接したときの通電終了時の温度分布を模式的に示した図である。 実施の形態３に係る電気部品の接続構造の効果を説明する模式図である。 実施の形態４に係る電気部品の接続構造を説明するための半導体モジュール端子と導通バスバーとの先端接続部の正面模式図である。 実施の形態４を示す半導体モジュール端子と導通バスバーとの先端接続部の正面模式図である。 実施の形態５を示す半導体モジュール端子と導通バスバーとの先端接続部の正面模式図である。

符号の説明

１、２ 半導体モジュール
１ａ、２ａ、 ３０ａ、７０、９０ 端子
３、３１、７２、９１ 導通バスバー
３ａ 導通バスバーの先端部
４、３５、３６、８０、９６、１２２、１２３、１２５、１４３ ナゲット
３２ 非消耗性電極
３３、７３、７４、９４、９５、１２０、１２１、１４０、１４２ 端部突起
３４、７７、９３、１２４、１４１ 中央突起
７５、７６ 放熱部

Claims (6)

1. 電気部品の接続端子の先端部に導通バスバーの先端部を接続する電気部品の接続方法であって、上記接続部先端に複数個の突起部を形成し、上記突起部を同じ溶接条件で連続的に溶融接合する電気部品の接続方法において、
   上記突起部の接合順序に従って上記突起部を異なる高さとし、上記突起部の溶融量を制御することを特徴とする電気部品の接続方法。
2. 電気部品の接続端子の先端部に導通バスバーの先端部を接続する電気部品の接続方法であって、上記接続部先端に複数個の突起部を形成し、上記突起部を同じ溶接条件で連続的に溶融接合する電気部品の接続方法において、
   上記突起部の接合順序に従って上記突起部間の谷間を異なる深さとし、上記突起部の溶融量を制御することを特徴とする電気部品の接続方法。
3. 電気部品の接続端子の先端部に導通バスバーの先端部が溶融接合される電気部品の接続構造において、
   上記接合部先端に少なくとも３個の突起部を並列に形成し、中央部に配置された突起部の高さを両端部に配置された突起部の高さよりも高くしたことを特徴とする電気部品の接続構造。
4. 電気部品の接続端子の先端部に導通バスバーの先端部が溶融接合される電気部品の接続構造において、
   上記接合部先端に少なくとも４個の突起部を並列に形成し、中央部に配置された突起部間の谷間を両端部に配置された突起部間の谷間より深くしたことを特徴とする電気部品の接続構造。
5. 上記両端部に配置された突起部の他の突起部と隣接しない側部に熱拡散部を形成したことを特徴とする請求項３または４に記載の電気部品の接続構造。
6. 上記請求項３〜５の何れか一項に記載の電気部品の接続構造を備えたことを特徴とする電力変換装置。

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