JP2017139935A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールを収容するケースからカバーを取外す際に、外部コネクタと制御回路基板との間の電気的な接続部が応力を受けるのを抑制できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置１は、半導体素子１１を内蔵した半導体モジュール１０と、半導体モジュール１０に電気的に接続された制御回路基板２０と、半導体モジュール１０を収容するケース３と該ケース３を覆うカバー５とを有する収容体２と、外部機器である車両制御部５０との接続のためにカバー５とケース３との間に介装された状態で収容体２から外部へ突出するように構成され、制御回路基板２０と一体化され且つ制御回路基板２０に電気的に接続された外部コネクタ３０と、を備え、外部コネクタ３０は、被固定体であるカバー５に締結部材によって固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールに電気的に接続された制御回路基板を備える電力変換装置に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両は、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置を搭載している。例えば、下記の特許文献１には、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、この半導体モジュールを制御する制御回路基板と、この制御回路基板と外部機器とを電気的に接続する接続経路上に設けられた外部コネクタと、を備えた電力変換装置が開示されている。半導体モジュール及びそれに付随する複数の電子部品はケースに収容されている。外部機器のプラグが外部コネクタの筒内に挿入されることによって、制御回路基板と外部機器との間での信号の伝送が可能になる。また、下記の特許文献１には、この外部コネクタと制御回路基板とを一体化させた基板付コネクタが開示されている。このような基板付コネクタは、外部コネクタと制御回路基板との間の接続経路を短くでき電力変換装置の小型化を図るのに有効である。

特開２０１２−１３９０４１号公報

上記の電力変換装置を組み立てる場合、先ず、カバーに設けられた略Ｕ字形状の切り欠き部を用いて基板付コネクタをカバーに組み付ける。この場合、外部コネクタの外周面にシール材が塗布された状態でカバーの切り欠き部に嵌め込まれるとともに、制御回路基板がカバーに固定される。これにより、カバーに基板付コネクタが組み付けられたコネクタ付カバーが形成される。その後、コネクタ付カバーとケースは、それぞれのフランジ部において締結ボルトによって締結固定される。このとき、外部コネクタの対向面とカバーのフランジ面との双方によって構成されるカバー側のシール面は、シール材が塗布された状態でケースのフランジ面にシール材を介して接着される。

ところで、上記の電力変換装置においては、ケースからカバー（コネクタ付カバー）を取外して、ケースに収容されている半導体モジュール及び電子部品を点検したり交換したりするメンテナンス作業が行われる。このとき、外部コネクタは、カバーに対してはシール材によって接着されているのみであり、ケースからカバーが取り外される際に外部コネクタがケースから引っ張られる。これにより、外部コネクタと制御回路基板との間の電気的な接続部が応力を受ける。そして、この接続部が一旦応力を受けると、基板付コネクタをメンテナンス作業後に引き続いて使用することができないという問題が生じ得る。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、半導体モジュールを収容するケースからカバーを取外す際に、外部コネクタと制御回路基板との間の電気的な接続部が応力を受けるのを抑制できる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
半導体素子（１１）を内蔵した半導体モジュール（１０）と、
上記半導体モジュールに電気的に接続された制御回路基板（２０）と、
上記半導体モジュールを収容するケース（３）と上記ケースを覆うカバー（５）とを有する収容体（２）と、
外部機器（５０）との接続のために上記カバーと上記ケースとの間に介装された状態で上記収容体から外部へ突出するように構成され、上記制御回路基板と一体化され且つ上記制御回路基板に電気的に接続された外部コネクタ（３０）と、
を備え、
上記外部コネクタは、上記カバー及び上記ケースのいずれか一方である被固定体（５，３）に締結部材（２５）によって固定されている、電力変換装置（１）にある。

上記電力変換装置によれば、ケースからカバーを取外す際に、外部コネクタはカバー或いはケースである被固定体に締結部材による締結力を利用して固定された状態で取外される。即ち、外部コネクタは、カバーに固定されている場合には該カバー及び制御回路基板と一体となってケースから取外され、或いはケースに固定されている場合には該ケース及び制御回路基板と一体となってカバーから取外される。このとき、外部コネクタと制御回路基板が一体的に動くため、外部コネクタと制御回路基板との間の電気的な接続部が応力を受けにくい。

以上のごとく、上記態様によれば、半導体モジュールを収容するケースからカバーを取外す際に、外部コネクタと制御回路基板との間の電気的な接続部が応力を受けるのを抑制できる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１の電力変換装置の概略構造を示す断面図。 図１中の電力変換装置におけるコネクタ付カバーの斜視図。 図２中のコネクタ付カバーの側面図。 図２中のコネクタ付カバーの分解斜視図。 図２中のコネクタ付カバーをフランジ面側から視た斜視図。 実施形態２の電力変換装置におけるコネクタ付カバーの側面図。 実施形態３の電力変換装置におけるコネクタ付ケースの側面図。 実施形態４の電力変換装置におけるコネクタ付ケースの側面図。

以下、電力変換装置に係る複数の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

なお、複数の実施形態における同一の要素には同一の符号を付している。また、本明細書の図面では、特に断わらない限り、半導体モジュールの長手方向である第１方向を矢印Ｘで示し、半導体モジュールの幅方向である第２方向を矢印Ｙで示し、第１方向及び第２方向の双方と直交する第３方向を矢印Ｚで示すものとする。

（実施形態１）
図１に示されるように、本実施形態の電力変換装置１は、半導体モジュール１０及び制御回路基板２０を含む複数の電子部品を備えている。これら複数の電子部品は収容体２によって区画された内部空間に収容されている。この電力変換装置１は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載され、直流の電源電力を駆動用モータの駆動に必要な交流電力に変換するインバータとして用いられる。

収容体２は、ケース３と、ケース３の一方の開口３ａを覆うカバー５と、ケース３の他方の開口３ｂを覆うカバー９と、を有する。ケース３は、第３方向Ｚについて内部空間を仕切る仕切壁３ｃを備えている。収容体２に収容された複数の電子部品を点検したり交換したりするメンテナンス作業時には、ケース３からカバー５，９が取外される。収容体２を構成するケース３及びカバー５，９はいずれもアルミニウムを主体としたアルミニウム系材料からなる。

半導体モジュール１０は、直流電力を交流電力に変換するＩＧＢＴ等の半導体素子１１を内蔵している。半導体モジュール１０は、複数の制御端子１２及びパワー端子（図示省略）を備えている。この半導体モジュール１０には、半導体素子１１の冷却のための冷却器（図示省略）が組み込まれている。

制御回路基板２０は、半導体モジュール１０をスイッチング駆動させるための駆動回路を有する高電圧系の制御回路基板（「電子回路基板」ともいう。）である。この目的のために、制御回路基板２０は、半導体モジュール１０の複数の制御端子１２に電気的に接続されている。複数の制御端子１２は、ケース３の仕切壁３ｃに設けられた開口３ｄを通じて半導体モジュール１０から制御回路基板２０まで延在している。

外部コネクタ（以下、単に「コネクタ」ともいう。）３０は、制御回路基板２０と外部機器である車両側の車両制御部（ＥＣＵ）５０とを電気的に接続する機能を有する。このコネクタ３０は、車両制御部５０との接続のためにカバー５とケース３との間に介装された状態で収容体２から該収容体２の外部へ突出するように構成されている。このコネクタ３０は、ターミナル２２を介して制御回路基板２０に電気的に接続され、且つプラグ５１が着脱可能となるように構成されている。

ターミナル２２は、その一端部２２ａがコネクタ３０に保持され、その他端部２２ｂがはんだによって制御回路基板２０に接続されている。プラグ５１は、導電部材５２を介して車両制御部５０に電気的に接続されている。コネクタ３０にプラグ５１が装着されると、ターミナル２２と導電部材５２とが電気的に接続され、制御回路基板２０と車両制御部５０との間で信号を伝送可能な伝送経路が形成される。

コネクタ３０は、制御回路基板２０と一体化されている。従って、このコネクタ３０は、制御回路基板２０が一体化された基板付コネクタ３０ａを形成している。この基板付コネクタ３０ａは、コネクタ３０と制御回路基板２０との間の接続経路を短くでき電力変換装置１の小型化を図るのに有効である。そして、この基板付コネクタ３０ａの制御回路基板２０は、カバー５のカバー内面から立設したボス部５ａに締結ボルト２４によって締結固定されている。

図２及び図３に示されるように、コネクタ３０を含む基板付コネクタ３０ａは、カバー５に固定されている。これにより、カバー５は、基板付コネクタ３０ａが一体化されたコネクタ付カバー８を形成している。そして、このコネクタ付カバー８は、フランジ部６のフランジ面６ａを、ケース３のフランジ部４のフランジ面４ａと接合させた後、締結ボルト（図示省略）によってケース３と締結固定されるように構成されている。このとき、フランジ部６のフランジ面６ａにシール材が塗布され、フランジ部６のフランジ面６ａとフランジ部４のフランジ面４ａとがシール材によって接着されシールされる。このシール材として、常温硬化性を有し、硬化後にゴム弾性体になるシリコン系シール材を用いるのが好ましい。

図４に示されるように、基板付コネクタ３０ａの固定のために、カバー５のうちフランジ部６の一部が分断された位置に切り欠き部７が設けられている。切り欠き部７は、コネクタ３０が嵌め込まれる凹状の開口７ａを有する。また、挟み込み部材としてのステー４０が準備される。このステー４０は、カバー５との間に切り欠き部７の開口７ａに嵌め込まれたコネクタ３０を挟み込んだ状態で締結部材としての締結ボルト２５によって被固定体であるカバー５に締結固定されるように構成されている。即ち、基板付コネクタ３０ａのコネクタ３０は、ステー４０を介してカバー５に締結ボルト２５によって固定されるように構成されている。これにより、基板付コネクタ３０ａとカバー５とが一体化されたコネクタ付カバー８が形成される。

コネクタ３０は、固定片３１、係合片３２及びホルダ部３３を備えている。これら固定片３１、係合片３２及びホルダ部３３は一体化されており、且ついずれも絶縁性を有する樹脂材料からなる。

固定片３１は、コネクタ３０を半田によって制御回路基板２０に固定するために平板状に構成されている。このため、コネクタ３０は、固定片３１において制御回路基板２０に固定されて一体化されている。係合片３２は、切り欠き部７の内壁面７ｂに設けられた係合溝７ｃに係合可能な平板状の部位である。この係合片３２は、第１方向Ｘの板厚が係合溝７ｃの溝幅と同一或いは該溝幅を若干下回るように構成されている。このため、コネクタ３０が切り欠き部７の開口７ａへ挿入されるときに、係合片３２の外周部が切り欠き部７の係合溝７ｃにスライドしながら係合する。このとき、係合片３２と係合溝７ｃとの間に上記のシール材が塗布されるのが好ましい。ホルダ部３３は、前記のプラグ５１を収容可能な筒形状を有する。ターミナル２２は、固定片３１及び係合片３２を貫通した後、その一端部２２ａがホルダ部３３の筒内に配置されている。

図４及び図５が参照されるように、ステー４０は、互いに平行に延在する延在面４１及び延在面４３と、延在面４１に対して段差状に設けられた延在面４２と、を備えている。延在面４１は、ステー４０の固定時にコネクタ３０の固定片３１を支持するように構成されている。延在面４２は、ステー４０の固定時にコネクタ３０の係合片３２の外周部を支持するように構成されている。延在面４３は、ステー４０とカバー５の切り欠き部７との間にコネクタ３０を挟み込んだ状態でカバー５のフランジ面６ａと面一をなすように構成されている。従って、この延在面４３は、カバー５のフランジ面６ａとともにケース３（カバー５に対する他方の部材）のフランジ面４ａに接合される平坦なシール面Ｓ（図５において斜線を付した領域）を形成する。

ステー４０は、第２方向Ｙの両端部からそれぞれ延在面４１に沿って第１方向Ｘに延出する延出片４４を備えている。この延出片４４は、締結ボルト２５の雄ねじ軸２５ａが挿入される挿入孔４４ａを有する。挿入孔４４ａは、延出片４４の第３方向Ｚに貫通形成されている。締結ボルト２５は、延出片４４の挿入孔４４ａに挿入された雄ねじ軸２５ａがカバー５側のボス部５ｂに螺合するように構成されている。これにより、ステー４０は、被締結部としての延出片４４においてカバー５に締結固定される。ステー４０の延出片４４は、延在面４３から外れた位置に設けられている。即ち、本実施形態では、締結ボルト２５による締結固定点を延在面４３に設けないようにしている。

次に、実施形態１の電力変換装置１の作用効果について説明する。

上記の電力変換装置１によれば、上記のメンテナンス作業時にケース３からカバー５を取外す際、コネクタ３０はカバー５に締結ボルト２５による締結力を利用して固定された状態で取外される。即ち、コネクタ３０は、カバー５及び制御回路基板２０と一体となってケース３から取外される。このとき、ステー４０の延在面４３とフランジ面６ａとからなるシール面Ｓに塗布されたシール材が剥離する一方で、締結ボルト２５によってカバー５に強固に固定されたコネクタ３０は制御回路基板２０と一体的に動く。この場合、コネクタ３０に該コネクタ３０を制御回路基板２０から引き離す方向の荷重が作用しにくい。このため、コネクタ３０と制御回路基板２０との間の電気的な接続部（典型的には、ターミナル２２のうちはんだによって制御回路基板２０に接続された他端部２２ｂ）が応力を受けにくい。その結果、制御回路基板２０及びコネクタ３０が一体化された基板付コネクタ３０ａをメンテナンス作業後に引き続いて使用することが可能になる。

特に、この電力変換装置１では、カバー５とステー４０との間にコネクタ３０を挟み込む構造を採用しているため、ステー４０は、ケース３からカバー５を取外す際にケース３側からコネクタ３０に及ぶ引っ張り荷重を緩和する機能を発揮する。このため、コネクタ３０と制御回路基板２０との間の電気的な接続部が応力を受けるのをより確実に抑制できる。

また、上記の電力変換装置１によれば、ステー４０の延在面４３がカバー５のフランジ面６ａと面一をなして平坦なシール面Ｓを形成するため、シール面Ｓにシール材を塗布し易くできるとともに、シール材によるシール性及び接合性を高めることができる。

更に、上記の電力変換装置１によれば、ステー４０の延出片４４を延在面４３から外れた位置に設けることによって、シール面Ｓの第１方向Ｘの所望のシール幅（図５中のシール幅Ｄ）を確保することができる。

（実施形態２）
図６に示されるように、実施形態２の電力変換装置１０１は、実施形態１の電力変換装置１とは、ステー４０のような部材を備えていない点について構成が異なる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

この電力変換装置１０１において、基板付コネクタ３０ａのコネクタ３０は、被固定体であるカバー５に締結ボルト２５によって直に締結固定されるように構成されている。これにより、基板付コネクタ３０ａとカバー５とが一体化されたコネクタ付カバー１０８が形成される。このとき、コネクタ３０の係合片３２には、カバー５のフランジ面６ａと面一をなす延在面３２ａが設けられている。従って、この延在面３２ａは、カバー５のフランジ面６ａとともにケース３のフランジ面４ａに接合される平坦なシール面Ｓを形成するように構成されている。

上記の電力変換装置１０１によれば、上記のメンテナンス作業時にケース３からカバー５を取外す際、コネクタ３０の延在面３２ａとフランジ面６ａとからなるシール面Ｓに塗布されたシール材が剥離する一方で、締結ボルト２５によってカバー５に強固に固定されたコネクタ３０は制御回路基板２０と一体的に動く。この場合、コネクタ３０に該コネクタ３０を制御回路基板２０から引き離す方向の荷重が作用しにくい。このため、コネクタ３０と制御回路基板２０との間の電気的な接続部が応力を受けにくい。
また、コネクタ３０の延在面３２ａがカバー５のフランジ面６ａと面一をなして平坦なシール面Ｓを形成するため、シール面Ｓにシール材を塗布し易くできるとともに、シール材によるシール性及び接合性を高めることができる。
更に、ステー４０のような部材を省略することによって、部品点数を少なく抑えることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を奏する。

（実施形態３）
図７に示されるように、実施形態３の電力変換装置２０１は、実施形態１の電力変換装置１とは、コネクタ３０を含む基板付コネクタ３０ａがケース３に固定されている点について構成が異なる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

この電力変換装置２０１において、基板付コネクタ３０ａの固定のために、ケース３のうちフランジ部４の一部が分断された位置に切り欠き部７が設けられている。そして、ステー４０は、ケース３との間に切り欠き部７の開口７ａに嵌め込まれたコネクタ３０を挟み込んだ状態で締結ボルト２５によって延出片４４においてケース３に締結固定されるように構成されている。即ち、基板付コネクタ３０ａのコネクタ３０は、ステー４０を介して被固定体であるケース３に締結ボルト２５によって固定されるように構成されている。これにより、基板付コネクタ３０ａとケース３とが一体化されたコネクタ付ケース２０３が形成される。

ステー４０の延在面４３は、ステー４０とケース３の切り欠き部７との間にコネクタ３０を挟み込んだ状態でケース３のフランジ面４ａと面一をなす。従って、この延在面４３は、ケース３のフランジ面４ａとともにカバー５（ケース３に対する他方の部材）のフランジ面６ａに接合される平坦なシール面Ｓを形成するように構成されている。

上記の電力変換装置２０１によれば、上記のメンテナンス作業時にケース３からカバー５を取外す際、ステー４０の延在面４３とフランジ面４ａとからなるシール面Ｓに塗布されたシール材が剥離する一方で、締結ボルト２５によってケース３に強固に固定されたコネクタ３０は制御回路基板２０が一体的に動く。この場合、コネクタ３０に該コネクタ３０を制御回路基板２０から引き離す方向の荷重が作用しにくい。このため、コネクタ３０と制御回路基板２０との間の電気的な接続部が応力を受けにくい。
また、ステー４０の延在面４３がケース３のフランジ面４ａと面一をなして平坦なシール面Ｓを形成するため、シール面Ｓにシール材を塗布し易くできるとともに、シール材によるシール性及び接合性を高めることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を奏する。

（実施形態４）
図８に示されるように、実施形態４の電力変換装置３０１は、実施形態３の電力変換装置２０１とは、ステー４０のような部材を備えていない点について構成が異なる。
その他の構成は、実施形態３と同様である。

この電力変換装置３０１において、基板付コネクタ３０ａのコネクタ３０は、被固定体であるケース３に締結ボルト２５によって直に締結固定されるように構成されている。これにより、基板付コネクタ３０ａとケース３とが一体化されたコネクタ付ケース３０３が形成される。このとき、コネクタ３０の係合片３２には、ケース３のフランジ面４ａと面一をなす延在面３２ａが設けられている。従って、この延在面３２ａは、ケース３のフランジ面４ａとともにカバー５のフランジ面６ａに接合される平坦なシール面Ｓを形成するように構成されている。

上記の電力変換装置３０１によれば、上記のメンテナンス作業時にケース３からカバー５を取外す際、コネクタ３０の延在面３２ａとフランジ面４ａとからなるシール面Ｓに塗布されたシール材が剥離する一方で、締結ボルト２５によってケース３に強固に固定されたコネクタ３０は制御回路基板２０と一体的に動く。この場合、コネクタ３０に該コネクタ３０を制御回路基板２０から引き離す方向の荷重が作用しにくい。
このため、コネクタ３０と制御回路基板２０との間の電気的な接続部が応力を受けにくい。
また、コネクタ３０の延在面３２ａがケース３のフランジ面４ａと面一をなして平坦なシール面Ｓを形成するため、シール面Ｓにシール材を塗布し易くできるとともに、シール材によるシール性及び接合性を高めることができる。
更に、ステー４０のような部材を省略することによって、部品点数を少なく抑えることができる。
その他、実施形態３と同様の作用効果を奏する。

本発明は、上記の典型的な実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記の実施形態を応用した次の各形態を実施することもできる。

上記の実施形態１，２では、ステー４０の延在面４３或いはコネクタ３０の延在面３２ａとカバー５のフランジ面６ａとによって平坦なシール面Ｓが形成され、上記の実施形態３，４では、ステー４０の延在面４３或いはコネクタ３０の延在面３２ａとケース３のフランジ面４ａとによって平坦なシール面Ｓが形成される場合について例示したが、シール面Ｓは必要に応じて段差状に構成されてもよい。

上記の実施形態では、締結ボルト２５による締結固定点をシール面Ｓ（ステー４０の延在面４３或いはコネクタ３０の延在面３２ａ）に設けない場合について例示したが、シール面Ｓにおける所望のシール幅を確保できる場合には、締結ボルト２５による締結固定点をシール面Ｓに設けた構成を採用することもできる。

１，１０１，２０１，３０１ 電力変換装置
２ 収容体
３ ケース
４ａ フランジ面
５ カバー
６ａ フランジ面
７ 切り欠き部
７ａ 開口
１０ 半導体モジュール
１１ 半導体素子
２０ 制御回路基板
２５ 締結ボルト（締結部材）
２５ａ 雄ねじ軸
３０ 外部コネクタ
４０ ステー（挟み込み部材）
４３ 延在面
４４ 延出片（被締結部）
４４ａ 挿入孔
５０ 車両制御部（外部機器）
Ｓ シール面

Claims (4)

1. 半導体素子（１１）を内蔵した半導体モジュール（１０）と、
   上記半導体モジュールに電気的に接続された制御回路基板（２０）と、
   上記半導体モジュールを収容するケース（３）と上記ケースを覆うカバー（５）とを有する収容体（２）と、
   外部機器（５０）との接続のために上記カバーと上記ケースとの間に介装された状態で上記収容体から外部へ突出するように構成され、上記制御回路基板と一体化され且つ上記制御回路基板に電気的に接続された外部コネクタ（３０）と、
   を備え、
   上記外部コネクタは、上記カバー及び上記ケースのいずれか一方である被固定体（５，３）に締結部材（２５）によって固定されている、電力変換装置（１，１０１，２０１，３０１）。
2. 上記被固定体との間に上記外部コネクタを挟み込んだ状態で上記締結部材によって上記被固定体に締結固定される挟み込み部材（４０）を備え、上記外部コネクタは、上記挟み込み部材を介して上記被固定体に固定されている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記被固定体は、上記外部コネクタが嵌め込まれる開口（７ａ）を有する切り欠き部（７）を備え、上記挟み込み部材は、上記切り欠き部の上記開口に嵌め込まれた上記外部コネクタを該切り欠き部との間に挟み込んだ状態で上記被固定体のフランジ面（６ａ，４ａ）と面一をなす延在面（４３）を備え、上記延在面が上記被固定体の上記フランジ面とともに上記カバー及び上記ケースのうち上記被固定体に対する他方の部材（３，５）のフランジ面（４ａ，６ａ）に接合されるシール面（Ｓ）を形成するように構成されている、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 上記挟み込み部材は、上記締結部材の雄ねじ軸（２５ａ）が挿入される挿入孔（４４ａ）を有する被締結部（４４）を備え、上記被締結部が上記延在面から外れた位置に設けられている、請求項３に記載の電力変換装置。

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