JP6312228B2

JP6312228B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6312228B2
Application number: JP2016570580A
Authority: JP
Inventors: 陽成原; 桑野　盛雄; 盛雄桑野
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2018-04-18
Anticipated expiration: 2036-01-12
Also published as: WO2016117403A1; DE112016000235T5; CN107210680B; US20170331406A1; CN107210680A; JPWO2016117403A1; US10122313B2

Description

本発明は、電力変換装置に係り、特に直流電流を交流電流に変換する電力変換装置に係る。

ハイブリッド自動車や電気自動車に用いられる車両駆動用のモータの大出力化が求められており、それに伴い、電力変換装置が大出力に対応することが求められている。大出力に対応するために、電力変換装置に設けられる、電力変換用のパワー半導体モジュール及び電力平滑化のためのコンデンサモジュールに接続される導体部材との接続信頼性の向上が求められる。

特許文献１（特開２００８−２５２９６２号公報）には、樹脂体２４が、リアクタ１４の端子とコンデンサ１３の端子を中継するように接続されている。

特開２００８−２５２９６２号公報

本発明の課題は、組立性を向上させながら、端子の接続信頼性を向上させることである。

上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、パワー端子と交流端子とを有するパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールに平滑化された電力を供給するコンデンサモジュールと、前記パワー半導体モジュールと前記コンデンサモジュールとを電気的に接続する導体部が樹脂材により封止されたモールドバスバーと、を備え、前記コンデンサモジュールは、正極コンデンサ端子及び負極コンデンサ端子を有し、前記パワー端子と前記交流端子と前記正極コンデンサ端子と前記負極コンデンサ端子は、これらの主面が同一方向を向くように形成され、前記モールドバスバーは、前記パワー端子及び前記交流端子の主面に接触する第１端子と、前記正極コンデンサ端子の主面と接触する第２端子と、前記負極コンデンサ端子の主面と接触する第３端子を有し、前記パワー端子は、第１正極側パワー端子と、第１負極側パワー端子と、第２正極側パワー端子と、第２負極側パワー端子と、により構成され、これらの主面が同一方向を向くように形成され、前記第１端子は、前記第１正極側パワー端子と接続される第１正極側導体端子と、前記第１負極側パワー端子と接続される第１負極側導体端子と、前記第２正極側パワー端子と接続される第２正極側導体端子と、前記第２負極側パワー端子と接続される第２負極側導体端子と、前記交流端子と接続される交流導体端子と、により構成され、かつこれらの主面が同一方向を向くように形成され、前記第１端子は、前記第１正極側導体端子の主面と前記第１負極側導体端子の主面と前記第２正極側導体端子の主面と前記第２負極側導体端子の主面と前記交流導体端子の主面が当該第１正極側導体端子と当該第１負極側導体端子と当該第２正極側導体端子と当該第２負極側導体端子と当該交流導体端子の配列方向と平行な仮想平面と重なるように、形成される。

本発明によれば、組立性を向上させながら、端子の接続信頼性を向上させることができる。

電力変換装置の主回路部９００の斜視図である。電力変換装置の主回路部９００の分解斜視図である。図２に示される範囲Ａであって、パワー半導体モジュール１００ａのパワー端子１０１および信号端子１０２の部分拡大図である。図２に示される面Ｂの矢印方向から見たパワー半導体モジュール１００ａの断面図である。図２の面Ｃの矢印方向から見たコンデンサモジュール２００の断面図である。モールドバスバー５００の全体斜視図である。モールドバスバー５００の分解斜視図である。図６に示される平面Ｄの矢印方向から見たモールドバスバー５００の断面図である。図６に示される平面Ｅの矢印方向から見たモールドバスバー５００の断面図である。図６に示される範囲Ｃのモールドバスバー５００の第１端子５０６の部分拡大図である。図６の範囲Ｂのモールドバスバー５００の第２端子５１２および第３端子５１４の部分拡大図である。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１は、電力変換装置の主回路部９００の斜視図である。ここで主回路部９００とは、車両に搭載されたバッテリから直流電力を受け、車両駆動用モータに交流電力を出力するまでの、回路部のことである。図２は、電力変換装置の主回路部９００の分解斜視図である。図３は、図２に示される範囲Ａであって、パワー半導体モジュール１００ａのパワー端子１０１および信号端子１０２の部分拡大図である。図４は、図２に示される面Ｂの矢印方向から見たパワー半導体モジュール１００ａの断面図である。図５は、図２の面Ｃの矢印方向から見たコンデンサモジュール２００の断面図である。

図１及び図２に示されるパワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆは、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を有する。本実施形態では、一つのパワー半導体モジュール１００ａは、３相交流電流を出力するインバータ回路のうち１つの相を出力するための上下アーム回路を構成する。例えば、パワー半導体モジュール１００ａがＵ相の上下アーム回路であり、パワー半導体モジュール１００ｂがＶ相の上下アーム回路であり、パワー半導体モジュール１００ｃがＷ相の上下アーム回路である。そしてパワー半導体モジュール１００ａないし１００ｃは、第１インバータ回路を構成する。
同様に、パワー半導体モジュール１００ｄがＵ相の上下アーム回路であり、パワー半導体モジュール１００ｅがＶ相の上下アーム回路であり、パワー半導体モジュール１００ｆがＷ相の上下アーム回路である。そしてパワー半導体モジュール１００ｄないし１００ｆは、第２インバータ回路を構成する。つまり本実施形態では、一つの電力変換装置に２つのインバータ回路を備える。これら２つのインバータ回路は、それぞれ別々のモータを駆動してもよく、一つのモータを駆動してもよい。

図１及び図２に示されるコンデンサモジュール２００は、バッテリから供給される直流電力を平滑化する。図２及び図５に示されるコンデンサモジュール２００は、例えばフィルムコンデンサのようなコンデンサセル２０１と、このコンデンサセル２０１と後述するモールドバスバー５００を電気的に接続する正極側コンデンサ端子２０３および負極側コンデンサ端子２０４と、コンデンサセル２０１を収納するコンデンサケース２０２と、コンデンサケース２０２内に充填される封止材２０５と、を有する。

図３に示されるパワー端子１０１は、コンデンサモジュール２００から供給される直流電力を受ける。

負極を構成するパワー端子１０１は、第１負極側パワー端子１０１ａと第２負極側パワー端子１０１ｃにより分岐される。正極を構成するパワー端子１０１は、第１正極側パワー端子１０１ｂと第２正極側パワー端子１０１ｄにより分岐される。これにより、端子に流れる電流の集中を避け低インダクタンス化を図ることが出来る。交流端子１０１ｅは、車両駆動用モータに出力される交流電流を伝達し、第１負極側パワー端子１０１ａの側部に配置される。

図３に示されるように、パワー端子１０１の主面１０３は、第１負極側パワー端子１０１ａと第１正極側パワー端子１０１ｂと第２負極側パワー端子１０１ｃと第２正極側パワー端子１０１ｄの配列方向１０５と略平行な仮平面１０６と重なる面である。

図４に示されるように、パワー端子１０１の側面１０４は、仮平面１０６に対して略垂直に形成される。言い換えると、パワー端子１０１の側面１０４は、仮平面１０６と交わる平面と重なる。

図６は、モールドバスバー５００の全体斜視図である。図７は、モールドバスバー５００の分解斜視図である。図８は、図６に示される平面Ｄの矢印方向から見たモールドバスバー５００の断面図である。図９は、図６に示される平面Ｅの矢印方向から見たモールドバスバー５００の断面図である。図１０は、図６に示される範囲Ｃのモールドバスバー５００の第１端子５０６の部分拡大図である。図１１は、図６の範囲Ｂのモールドバスバー５００の第２端子５１２および第３端子５１４の部分拡大図である。

図８に示されるように、モールドバスバー５００は、負極導体板５０１と、正極導体板５０２と、樹脂材５１６と、交流バスバー５０４及び交流バスバー５０５と、により構成される。

図７及び図８に示されるように負極導体板５０１は、負極導体板５０１の主面が正極導体板５０２の主面と対向するように、正極導体板５０２と積層状態で配置される。

図７に示される交流バスバー５０４は、パワー半導体モジュール１００ａと接続される交流バスバー５０４ａと、パワー半導体モジュール１００ｂと接続される交流バスバー５０４ｂと、パワー半導体モジュール１００ｃと接続される交流バスバー５０４ｃと、により構成される。

図７に示される交流バスバー５０５は、パワー半導体モジュール１００ｄと接続される交流バスバー５０５ａと、パワー半導体モジュール１００ｅと接続される交流バスバー５０５ｂと、パワー半導体モジュール１００ｆと接続される交流バスバー５０５ｃと、により構成される。

図７及び図８に示されるように樹脂材５１６は、正極導体板５０２と負極導体板５０１と交流バスバー５０４及び交流バスバー５０５のそれぞれの一部を封止する。また樹脂材５１６は、負極導体板５０１の主面と正極導体板５０２の主面の間にも挿入され、負極導体板５０１と正極導体板５０２の絶縁を保っている。

本実施形態のモールドバスバー５００は、負極導体板５０１と正極導体板５０２の他に、交流バスバー５０４及び交流バスバー５０５を一緒に成形され、樹脂材５１６にて封止され、一体構造となっている。これにより、モールドバスバー５００は、樹脂材５１６にて封止された強電配線とし、一つの部品となったことで組付向上が見込める。

図７及び図１０に示されるように、第１端子５０６は、第１負極側導体端子５０７ａ〜５０７ｆと、第１正極側導体端子５０８ａ〜５０８ｆと、第２負極側導体端子５０９ａ〜５０９ｆと、第２正極側導体端子５１０ａ〜５１０ｆと、交流導体端子５０３ａ〜５０３ｆと、により構成される。

第１負極側導体端子５０７ａ〜５０７ｆと第２負極側導体端子５０９ａ〜５０９ｆは、負極導体板５０１からそれぞれ分岐しており、電流がそれぞれに分配される。第１正極側導体端子５０８ａ〜５０８ｆと第２正極側導体端子５１０ａ〜５１０ｆは、正極導体板５０２からそれぞれ分岐しており、電流がそれぞれに分配される。

第１負極側導体端子５０７ａはパワー半導体モジュール１００ａの第１負極側パワー端子１０１ａと接続され、第１正極側導体端子５０８ａはパワー半導体モジュール１００ａの第１正極側パワー端子１０１ｂと接続され、第２負極側導体端子５０９ａはパワー半導体モジュール１００ａの第２負極側パワー端子１０１ｃと接続され、第２正極側導体端子５１０ａはパワー半導体モジュール１００ａの第２正極側パワー端子１０１ｄと接続され、交流導体端子５０３ａはパワー半導体モジュール１００ａの交流端子１０１ｅと接続される。他のモールドバスバー５００の端子も、同様にパワー半導体モジュール１００ｂ〜１００ｆの端子と同様に接続される。

また、第１端子５０６は、第２負極側導体端子５０９ａ〜５０９ｆが第１正極側導体端子５０８ａ〜５０８ｆと第２正極側導体端子５１０ａ〜５１０ｆとの間に配置されるように、それぞれの端子が並べられる。

図８及び図１０に示されるように、第１負極側導体端子５０７ａと第１正極側導体端子５０８ａと第２負極側導体端子５０９ａと第２正極側導体端子５１０ａと交流導体端子５０３ａは、それぞれの主面が同一方向を向くように形成される。ここで、主面とはパワー半導体モジュール１００ｂ〜１００ｆの端子と接続される面である。つまり、第１端子５０６の主面５１７は、同一方向に向くように形成される。第１端子５０６の側面５１８は、主面５１７を横切るように形成される。

図７に示されるように、本実施形態の第２端子５１２は、それぞれの負極側コンデンサ端子２０４と接続される９つの負極側導体端子により構成される。また本実施形態の第３端子５１４は、それぞれの正極側コンデンサ端子２０３と接続される９つの正極側導体端子により構成される。

図９及び図１１に示されるように、第２端子５１２と第３端子５１４は、第２端子５１２の主面５２１と第３端子５１４の主面５２５が同一方向を向くように形成される。主面５２１は負極側コンデンサ端子２０４と接続され、主面５２５は正極側コンデンサ端子２０３と接続される。第２端子５１２の側面５２２は、主面５２１を横切るように形成される。第３端子５１４の側面５２６は、主面５２１を横切るように形成される。

さらに図７に示されるように、第３端子５１４は、第３端子５１４の主面５２５と第１端子５０６の主面５１７が同一方向を向くように形成される。したがって、第１端子５０６と第２端子５１２と第３端子５１４は、第１端子５０６の主面５１７と第２端子５１２の主面５２１と第３端子５１４の主面５２５が同一方向を向くように形成される。

図１及び図２に示されるようにパワー半導体モジュール１００ａ〜１００ｆは、パワー端子１０１が第１端子５０６の主面５１７と面するように配置される。またコンデンサモジュール２００は、正極側コンデンサ端子２０３が第２端子５１２の主面５２１と面するようにかつ負極側コンデンサ端子２０４が第３端子５１４の主面５２５と面するように配置される。

パワー半導体モジュール１００ａ〜１００ｆ及びコンデンサモジュール２００に対してモールドバスバー５００の位置を合わせようとする際には、第１端子５０６の主面５１７と第２端子５１２の主面５２１と第３端子５１４の主面５２５のいずれかがパワー端子１０１又は正極側コンデンサ端子２０３又は負極側コンデンサ端子２０４と接触し、その接触位置を中心にモールドバスバー５００の位置を補正させ、他の端子を接触させることができる。

第１端子５０６と第２端子５１２と第３端子５１４を備えかつ樹脂材５１６により一部品となったモールドバスバー５００の位置補正によって、大電流を要するパワー端子１０１と正極側コンデンサ端子２０３と負極側コンデンサ端子２０４の複数の端子が、モールドバスバー５００に対する接合のバラツキを低減させ組付け易くすることができる。ここで接合とは、溶接やクリップ接続等である。

特に本実施形態においては低インダクタンス化を図るために、パワー半導体モジュール１００ａ〜１００ｆのパワー端子１０１は第１負極側パワー端子１０１ａと第１正極側パワー端子１０１ｂと第２負極側パワー端子１０１ｃと第２正極側パワー端子１０１ｄにより構成され、これらの端子の主面が同一方向を向いている。端子の数が増加すると、それぞれ端子に応じた位置補正が難しくなる。しかしながら本実施形態のように、モールドバスバー５００の第１端子５０６もパワー端子１０１に応じて複数設け、第１端子５０６の主面５１７が同一方向を向くように形成されることにより、低インダクタンス化を図りながら、接合のバラツキを低減させ組付け易くすることができる。

なおパワー半導体モジュール１００ａ〜１００ｆのパワー端子１０１が正極側に１つと負極側に１つであっても、本実施形態に係る技術思想を適用できる。また、パワー端子１０１が正極側に２つと負極側に１つであっても、又は正極側に１つと負極側に２つであっても、本実施形態に係る技術思想を適用できる。

また図８及び図１０に示されるように、第１端子５０６を構成するそれぞれ端子の主面５１７は、第１負極側導体端子５０７ａと第１正極側導体端子５０８ａと第２負極側導体端子５０９ａと第２正極側導体端子５１０ａの配列方向５１９と略平行な仮平面５２０と重なる面である。これにより、低インダクタンス化を図りながら、接合のバラツキをさらに低減させ組付け易くすることができる。

図６及び図１１に示されるように、複数の第２端子５１２のそれぞれの主面５２１は、複数の第２端子５１２の配列方向５２３と略平行な仮平面５２４と重なる面である。同様に複数の第３端子５１４のそれぞれの主面５２５は、複数の第３端子５１４の配列方向５２７と略平行な仮平面５２８と重なる面である。これにより、接合のバラツキをさらに低減させ組付け易くすることができる。

また本実施形態においては、モールドバスバー５００は、樹脂材５１６により交流バスバー５０４及び交流バスバー５０５も保持している。そして交流導体端子５０３ａ〜５０３ｆの主面も、第１端子５０６の主面５１７と同一方向を向くように形成され、パワー半導体モジュール１００ａの交流端子１０１ｅと接続される。これにより、主回路系の接合のバラツキをさらに低減させ組付け易くすることができる。

なお図８に示される５２９は、第１端子５０６の主面５１７とパワー半導体モジュール１００ａのパワー端子１０１の主面１０３との対向する向きであり、パワー半導体モジュール１００ａとモールドバスバー５００の接続時におけるモールドバスバー５００を移動方向でもある。また図９に示される５３０は、第２端子５１２の主面５２１と負極側コンデンサ端子２０４の主面との対向する向きであり、コンデンサモジュール２００とモールドバスバー５００の接続時におけるモールドバスバー５００を移動方向でもある。

１００ａ〜１００ｆ…パワー半導体モジュール、１０１…パワー端子、１０１ａ…第１負極側パワー端子、１０１ｂ…第１正極側パワー端子、１０１ｃ…第２負極側パワー端子、１０１ｄ…第２正極側パワー端子、１０１ｅ…交流端子、１０２…信号端子、１０３…主面、１０４…側面、１０５…配列方向、１０６…仮平面、２００…コンデンサモジュール、２０１…コンデンサセル、２０２…コンデンサケース、２０３…正極側コンデンサ端子、２０４…負極側コンデンサ端子、２０５…封止材、５００…モールドバスバー、５０１…負極導体板、５０２…正極導体板、５０３ａ〜５０３ｆ・・・交流導体端子、５０４…交流バスバー、５０５…交流バスバー、５０４ａ〜５０４ｃ…交流バスバー、５０５ａ〜５０５ｃ…交流バスバー、５０６…第１端子、５０７ａ〜５０７ｆ…第１負極側導体端子、５０８ａ〜５０８ｆ・・・第１正極側導体端子、５０９ａ〜５０９ｆ…第２負極側導体端子、５１０ａ〜５１０ｆ・・・第２正極側導体端子、５１２…第２端子、５１４…第３端子、５１６…樹脂材、５１７…主面、５１８…側面、５１９…配列方向、５２０…仮平面、５２１…主面、５２２…側面、５２３…配列方向、５２４…仮平面、５２５…主面、５２６…側面、５２７…配列方向、５２８…仮平面、５２９…対向する向き、５３０…対向する向き、９００…主回路部

Claims

パワー端子と交流端子とを有するパワー半導体モジュールと、
前記パワー半導体モジュールに平滑化された電力を供給するコンデンサモジュールと、
前記パワー半導体モジュールと前記コンデンサモジュールとを電気的に接続する導体部が樹脂材により封止されたモールドバスバーと、を備え、
前記コンデンサモジュールは、正極コンデンサ端子及び負極コンデンサ端子を有し、
前記パワー端子と前記交流端子と前記正極コンデンサ端子と前記負極コンデンサ端子は、これらの主面が同一方向を向くように形成され、
前記モールドバスバーは、前記パワー端子及び前記交流端子の主面に接触する第１端子と、前記正極コンデンサ端子の主面と接触する第２端子と、前記負極コンデンサ端子の主面と接触する第３端子を有し、
前記パワー端子は、第１正極側パワー端子と、第１負極側パワー端子と、第２正極側パワー端子と、第２負極側パワー端子と、により構成され、これらの主面が同一方向を向くように形成され、
前記第１端子は、前記第１正極側パワー端子と接続される第１正極側導体端子と、前記第１負極側パワー端子と接続される第１負極側導体端子と、前記第２正極側パワー端子と接続される第２正極側導体端子と、前記第２負極側パワー端子と接続される第２負極側導体端子と、前記交流端子と接続される交流導体端子と、により構成され、かつこれらの主面が同一方向を向くように形成され、
前記第１端子は、前記第１正極側導体端子の主面と前記第１負極側導体端子の主面と前記第２正極側導体端子の主面と前記第２負極側導体端子の主面と前記交流導体端子の主面が当該第１正極側導体端子と当該第１負極側導体端子と当該第２正極側導体端子と当該第２負極側導体端子と当該交流導体端子の配列方向と平行な仮想平面と重なるように、形成される
電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記正極コンデンサ端子は、複数形成され、
さらに前記複数の正極コンデンサ端子は、当該複数の正極コンデンサ端子の主面が当該複数の正極コンデンサ端子の配列方向平行な仮想平面と重なるように、形成される
電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記負極コンデンサ端子は、複数形成され、
さらに前記複数の負極コンデンサ端子は、当該複数の負極コンデンサ端子の主面が当該複数の負極コンデンサ端子の配列方向平行な仮想平面と重なるように、形成される
電力変換装置。