JP4269535B2 - パワーモジュール型インバータ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール型インバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車の開発が進展しており、従来のエンジン車でも、エンジン始動と発電とを同一の交流発電電動機で行う試みがなされている。これら各種車両では、大出力の交流回転電機の搭載が通常であるため、その駆動制御のためにインバータ装置が必要となる。
【０００３】
また、これら各種車両において、高圧のメイン電池と低圧のサブ電池とを搭載し、これら両電池間で電力を融通しあうためのＤＣーＤＣコンバータ装置を搭載することも提案されているが、このＤＣーＤＣコンバータ装置は、周知のひょうにインバータ回路を内蔵しているので、この明細書ではインバータ装置の一形態とみなすものとする。
【０００４】
この大出力が要求される電力用のインバータ装置は、基幹回路部品として直交電力変換を行うカード状で大電流出力可能で発熱が他の回路素子に比較して格段に大きいパワーモジュールと、その他の小電力回路素子が実装された配線基板とを有しており、このパワーモジュールは、インバータ回路を構成するパワースイッチング素子の一部又はすべてを内蔵している。
【０００５】
上記パワーモジュールは、冷却及び過渡的な熱吸収性能向上のために配線基板から独立するヒートシンクに良好に密着させる必要がある。かつ、パワーモジュールは、制御用又は内部状態出力用などの信号端子を複数有するので、これら信号端子を配線基板に締結する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パワーモジュールと配線基板とは、できるだけ近接配置するように工夫したとしても、パワーモジュールを配線基板上に直接実装する場合と異なり、パワーモジュールの各信号端子と、これらの信号端子に接続されるべき配線基板上の各導体パターンとがどうしてもある程度の空間位置ずれをもつため、パワーモジュールの信号端子を配線基板のビヤホールに直接挿入してはんだ付けする通常の回路部品実装手法を採用することが困難であった。特に、信号端子を長く伸ばすと、その剛性が低下して曲がり易くなるので配線基板の接続用ビヤホールへの自動挿入に失敗する確率が増大し、実現が困難であるという問題があった。
【０００７】
この問題は、パワーモジュールをヒートシンクに良好に密着するために、ヒートシンクとともにパワーモジュールを挟圧するモジュール押さえ部材を用い、モジュール押さえ部材の上に配線基板を設ける場合において、特に深刻となる。すなわち、パワーモジュールと配線基板との間にモジュール押さえ部材が介在することになり、パワーモジュールと配線基板との間の距離短縮、つまり、信号端子の短縮が困難となる。
【０００８】
この問題を解決するために、従来では、パワーモジュールの各信号端子と配線基板の導体パターンとの間に、ケーブルやブスバーなどの信号中継部材を設けざるを得なかった。しかし、多数のケーブルの両端をそれぞれはんだ付けするのは工数が多くかつケーブルの始末が面倒であり、コネクタの使用も面倒であり、ブスバーを一本一本、パワーモジュールの信号端子に接続するのも簡単でなかった。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、パワーモジュールと配線基板との接続の簡素化が可能なパワーモジュール型インバータ装置を提供することを、その目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のパワーモジュール型インバータ装置は、直交電力変換を行って交流回転電機を駆動するインバータ回路を構成する電力スイッチング素子の一部又は全部が収容された板状のパワーモジュールと、前記パワーモジュールの一主面に密着する金属製のヒートシンクと、前記ヒートシンクと別の位置に配設されてインバータ装置の前記パワーモジュール以外の他の回路部品が実装される配線基板と、前記パワーモジュールの信号端子を前記配線基板の所定部分に接続する信号中継部材とを備えるパワーモジュール型インバータ装置において、
前記配線基板と前記ヒートシンクとの間に介設されるとともに、両端部が前記ヒートシンクに固定されて前記ヒートシンクとともに前記パワーモジュールを挟圧する電気絶縁性のモジュール押さえ部材を有し、前記信号中継部材は、前記モジュール押さえ部材に一体成形されていることを特徴としている。
【００１１】
すなわち、本構成によれば、多数の信号中継部材がモジュール押さえ部材に一体成形されているので、モジュール押さえ部材をパワーモジュールにセットするだけで、各信号中継部材の信号端子側の一端部を、その適正な位置に適正な姿勢で一斉にセットすることができ、各信号中継部材の位置調整及び接続時の姿勢保持作業が極めて容易となる。
【００１２】
また、長い信号端子の代わりに実質長さ（モジュール押さえ部材から配線基板側へ突出した長さ）を短縮できるので、信号中継部材はパワーモジュールの長い信号端子に比較して格段に曲がりにくくなり、しかも高剛性化することも容易であるので、上記曲がりによる配線基板側の接続失敗確率を大幅に低減することができる。
【００１３】
また、モジュール押さえ部材の製造工程は信号中継部材のインサート工程だけが追加されるが、この種の構造はいわゆるＩＣリードフレーム構造として周知であり、金属平板の打ち抜き、インサート樹脂成形、露出する端子同士を接続する接続片部の切り落としにより実施でき、コスト増大を抑止することができる。
【００１４】
更に、信号中継部材はモジュール押さえ部材中を自由に配線できるので、配線基板側の任意の部位に最小露出長さの信号中継部材を接続することができ、配線基板の回路部品配置自由度を向上することができる。
【００１５】
請求項２記載の構成は請求項１記載のパワーモジュール型インバータ装置において更に、前記信号中継部材の一端部は、前記モジュール押さえ部材の側面又は下面から外部に突出して前記パワーモジュールの側面近傍まで垂下し、前記パワーモジュールの側面から突出する前記信号端子に達することを特徴としている。
【００１６】
本構成によれば、パワーモジュールの小断面積の信号端子をモジュール押さえ部材の側方に上昇させるのではなく、容易に大断面積化することができる信号中継部材をパワーモジュールの側方に降下させるので、電気抵抗を減らすとともに、信号端子の曲がりによる接続作業の困難化を防止することができる。
【００１７】
請求項３記載の構成によれば請求項１又は２記載のパワーモジュール型インバータ装置において更に、前記モジュール押さえ部材は、前記配線基板を位置合わせする位置合わせ部を有し、前記信号中継部材の他端部は、前記モジュール押さえ部材の側面又は上面から外部に突出して前記配線基板に達することを特徴としている。
【００１８】
請求項４記載の構成は請求項１乃至３のいずれか記載のパワーモジュール型インバータ装置において更に、前記モジュール押さえ部材に固定されて前記モジュール押さえ部材のパワーモジュール側の表面に露出するとともに前記パワーモジュールを前記ヒートシンクに弾性付勢する金属製の弾性部材を有し、前記弾性部材は、前記モジュール押さえ部材と一体成形されていることを特徴としている。
【００１９】
本構成によれば、インサート成形により剛性が強化されたため、モジュール押さえ部材をヒートシンクに固定した際にモジュール押さえ部材がパワーモジュールに与える付勢力を良好に所定値未満に調節することができる。
【００２０】
請求項５記載のパワーモジュール型インバータ装置は、請求項１乃至４のいずれか記載のパワーモジュール型インバータ装置において更に、前記配線基板は、前記モジュール押さえ部材に載置されていることを特徴としている。
【００２１】
本構成によれば、回路支持構造や位置合わせを簡素化することができ、取り付け作業も簡素となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明のパワーモジュール型インバータ装置の好適な実施態様を図面を参照して以下説明する。このパワーモジュール型インバータ装置は、直交電力変換を行って交流回転電機を駆動するものであり、パワーモジュールはこのインバータ装置の三相インバータ回路部分を収容している。
【００２３】
図１はこの装置の平面図、図２はそのＸ矢視断面図である。ただし、図１において後述の配線基板４はその輪郭を二点鎖線でのみ示し、図２において主電極端子２２の図示を省略している。
【００２４】
１はヒートシンク、２はパワーモジュール、３はモジュール押さえ部材、４は配線基板、５は絶縁シート、６は信号中継部材、７はパワーモジュール２の信号端子、８は弾性部材である。
【００２５】
ヒートシンク１はアルミ厚平板からなり、パワーモジュール２は絶縁シート５を介して複数（図１では２個のみ図示）のパワーモジュール２を搭載している。
【００２６】
パワーモジュール２は、三相インバータ回路の上、下アームを構成する合計６つの電力スイッチング素子のうちの１乃至複数を収容している。パワーモジュール２の上面及び下面には主電極が露出しており、各主電極から図１に示すように主電極端子２１、２２が側方（図１における上下）に突出している。また、各パワーモジュール２の一側端面から所定複数本のピン状の信号端子７が突出している。各信号端子７は、図１、図２に示すようにパワーモジュール２の一側端面からそれに直角に突出した後、上方へ向けて直角に屈曲され、先端がモジュール押さえ部材３の側方に達している。各信号端子７は互いに所定間隔を隔てて配置されている。
【００２７】
モジュール押さえ部材３は、合計６本の信号中継部材６の中央部、及び、２個の弾性部材８の両端部がインサート成形された樹脂成形品である。モジュール押さえ部材３は、ヒートシンク１から所定間隔離れてヒートシンク１と平行に延在する中央部３１と、この中央部３１の前後方向両端部から垂下してヒートシンク１に締結された一対の脚部（一方のみ図示）３２と、中央部３１の前後方向両端部から立設されて配線基板４を載置する一対の柱部（一方のみ図示）３３とを有している。これにより、モジュール押さえ部材３の中央部３１は、弾性部材８を介してパワーモジュール２をヒートシンク１の上面に所定押圧力で押圧している。
【００２８】
配線基板４は、プリント基板であって、上記説明したように、モジュール押さえ部材３の柱部３３の頂面に載置、固定されている。配線基板４には、インバータ装置のうち、パワーモジュール２により構成されるインバータ回路以外の種々の回路部品が実装されている。これら回路部品としては、平滑コンデンサ、コントローラなどがあるが、この種のインバータ装置の回路構成自体は公知であるので、説明を省略する。
【００２９】
リードとも呼称される信号中継部材６は、銅平板をプレス成形し、中央部をモジュール押さえ部材３にインサート成形にて埋設した合計６本のブスバーからなり、上記成形後、各ブスバーをつなぐタイバーを切り離して各ブスバーすなわち各信号中継部材６を互いに独立させたものである。この種のリード付き絶縁樹脂成形品は、ＩＣリードフレーム技術として広く知られているので、詳細説明は省略する。
【００３０】
各信号中継部材６の一端部６１はモジュール押さえ部材３の一側端面から突出している。信号中継部材６の一端部６１にはそれぞれ一個の孔が設けられ、信号端子７の先端部が各孔を個別に貫通し、はんだ付けされている。各信号中継部材６の他端部６２はモジュール押さえ部材３の柱部３３の頂面から突出し、配線基板４の図示しないビヤホールを貫通している。配線基板４の各ビヤホール周りには不図示の導体パターンが形成されており、ビヤホールを囲んではんだ付けすることにより、各導体パターンは各信号中継部材６の他端部６２に接続される。
【００３１】
弾性部材８は、弓状に湾曲しりん青銅薄板からなり、その中央部がパワーモジュール２の上面をヒートシンク１へ向けて弾性付勢している。なお、信号中継部材の接続ははんだ付けに限られることなく、たとえば溶接でもよいことはもちろんである。
【００３２】
（実施例効果）
上記説明したこの実施例のパワーモジュール型インバータ装置によれば、次の効果を奏することができる。
【００３３】
まず、多数の信号中継部材６がモジュール押さえ部材３と一体成形されているので、モジュール押さえ部材３をパワーモジュール２に位置合わせ（セット）するだけで、各信号中継部材６の信号端子側の一端部６１を、その適正な位置に適正な姿勢で一斉にセットすることができ、各信号中継部材６の位置調整及び接続時の姿勢保持作業が極めて容易となる。また、各信号端子７の長さを短縮することができるので、その曲がりによる接続失敗確率を大幅に低減することができる。また、信号中継部材６はモジュール押さえ部材３中を自由に配線できるので、配線基板４側の任意の部位に最小露出長さの信号中継部材６を接続することができ、配線基板４の回路部品配置自由度を向上することができる。また、配線基板４をモジュール押さえ部材３の柱部３３に位置合わせするだけで、信号中継部材６の端部６２と配線基板４のビヤホールとの位置を合わせることができる。更に、信号中継部材６の端部６２をモジュール押さえ部材３の配線基板搭載用の柱部３３に内蔵するので、信号中継部材６の露出長さを短縮することができ、その曲がりによる接続失敗確率を低減することができる。
【００３４】
（変形態様１）
変形態様１を図３を参照して以下に説明する。
【００３５】
この態様では、弾性部材８はその一端部のみがモジュール押さえ部材３に埋設され、他端部はモジュール押さえ部材３の下面に密接している。このようにしても上記と同様の効果を奏することができる。
【００３６】
（変形態様２）
変形態様２を図４を参照して以下に説明する。
【００３７】
この態様では、弾性部材８は、モジュール押さえ部材３と一体に樹脂成形により形成されている。このようにすれば、構造、工程を簡素化することができる。
【００３８】
（変形態様３）
変形態様３を以下に説明する。
【００３９】
この態様では、弾性部材８は、信号中継部材６と一体のプレス成形品からなる。このようにすれば、構造、工程を簡素化することができる。
【００４０】
（変形態様４）
変形態様４を以下に説明する。
【００４１】
この態様は、実施例１とは逆に、信号中継部材６の端部６１をパワーモジュール２の側方へ垂下させた点をその特徴としている。端部６１は図６に示すように信号端子７が収容される溝６４を有しており、信号端子７と端部６１とははんだ付けされている。
【００４２】
このようにすれば、パワーモジュール２の小断面積の信号端子７をモジュール押さえ部材３の側方に上昇させるのではなく、容易に大断面積化することができる信号中継部材６側をパワーモジュール２の側方に降下させるので、電気抵抗を減らすとともに、信号端子の曲がりによる接続作業の困難化を防止することができる。
【００４３】
（変形態様５）
上記実施例では、モジュール押さえ部材３の柱部３３の頂面と配線基板４の下面とを当接させることにより、配線基板４の高さ方向の位置合わせを行ったが、更に、柱部３３を配線基板４の側端縁に沿って立ち上げることにより配線基板４の前後又は左右の位置合わせを行うこともでき、かつ、それにより信号中継部材６の端部６２と配線基板４のビヤホールとの位置合わせを行うこともできる。
【００４４】
（変形態様６）
上記実施例では、信号中継部材６の端部６２は配線基板４のビヤホールに挿入したが、配線基板４に設けたコネクタに接続してもよい。
【００４５】
（変形態様７）
図７は、モジュール押さえ部材３の柱部３３に更にストッパ部３３１を設けたものである。このストッパ部３３１は、配線基板４のＹ方向の変位を規制するので配線基板４のビヤホールと信号中継部材６の端部６２との位置合わせをアシストするため、更に接続作業が簡素となる。もちろん、同様に、モジュール押さえ部材３の柱部３３に更に、配線基板４のＸ方向の変位を規制する（位置合わせを行う）ストッパ部３３１を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の装置の平面図である。
【図２】図１の装置のＸ矢視断面図である。
【図３】変形態様を示す部分側面図である。
【図４】変形態様を示す部分側面図である。
【図５】変形態様を示す部分正面図である。
【図６】変形態様を示す部分側面図である。
【図７】変形態様を示す部分側面図である。
【符号の説明】
１ ヒートシンク
２ パワーモジュール
３ モジュール押さえ部材
４ 配線基板
５ 絶縁シート
６ 信号中継部材
７ 信号端子
８ 弾性部材

Claims (5)

1. 直交電力変換を行って交流回転電機を駆動するインバータ回路を構成する電力スイッチング素子の一部又は全部が収容された板状のパワーモジュールと、
   前記パワーモジュールの一主面に密着する金属製のヒートシンクと、
   前記ヒートシンクと別の位置に配設されてインバータ装置の前記パワーモジュール以外の他の回路部品が実装される配線基板と、
   前記パワーモジュールの信号端子を前記配線基板の所定部分に接続する信号中継部材と、
   を備えるパワーモジュール型インバータ装置において、
   前記配線基板と前記ヒートシンクとの間に介設されるとともに、両端部が前記ヒートシンクに固定されて前記ヒートシンクとともに前記パワーモジュールを挟圧する電気絶縁性のモジュール押さえ部材を有し、
   前記信号中継部材は、前記モジュール押さえ部材に一体成形されていることを特徴とするパワーモジュール型インバータ装置。
2. 請求項１記載のパワーモジュール型インバータ装置において、
   前記信号中継部材の一端部は、前記モジュール押さえ部材の側面又は下面から外部に突出して前記パワーモジュールの側面近傍まで垂下し、前記パワーモジュールの側面から突出する前記信号端子に達することを特徴とするパワーモジュール型インバータ装置。
3. 請求項１又は２記載のパワーモジュール型インバータ装置において、
   前記モジュール押さえ部材は、前記配線基板を位置合わせする位置合わせ部を有し、
   前記信号中継部材の他端部は、前記モジュール押さえ部材の側面又は上面から外部に突出して前記配線基板に達することを特徴とするパワーモジュール型インバータ装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか記載のパワーモジュール型インバータ装置において、
   前記モジュール押さえ部材に固定されて前記モジュール押さえ部材のパワーモジュール側の表面に露出するとともに前記パワーモジュールを前記ヒートシンクに弾性付勢する金属製の弾性部材を有し、
   前記弾性部材は、前記モジュール押さえ部材と一体成形されていることを特徴とするパワーモジュール型インバータ装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか記載のパワーモジュール型インバータ装置において、
   前記配線基板は、前記モジュール押さえ部材に載置されていることを特徴とするパワーモジュール型インバータ装置。

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