JP5885773B2

JP5885773B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5885773B2
Application number: JP2014093236A
Authority: JP
Inventors: 将司酒井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2034-04-29
Also published as: JP2015211600A

Description

本発明は、電力変換を行う機器に搭載される電力変換機装置の構造に関するもので、特に電気自動車やハイブリッド車など、モータを駆動源の一つとする電動自動車に搭載されるインバータに関する。

電動自動車に搭載される電力変換装置には、モータを駆動し、高圧バッテリからＡＣ１００Ｖを生成する電力変換装置が搭載されている。
昨今の電動自動車を取り巻く環境においては、小型、低コスト化の要求が非常に強く、電動車両のエンジンやトランスミッションの上面や側面に搭載される各種電力変換機装置も例外ではない。このため、電力変換装置にエンジンやトランスミッションからの強い振動が加わるため、耐振動性の向上が必要となっている。また、従来、半導体モジュール内使用される素子はＳｉが主流であったが、エンジン冷却水を使用し、ポンプやラジエータの数を減らし、車両の軽量化のためＳｉＣを使用する電力変換装置の開発が加速している。

電力変換装置の耐振動性の向上を実現する手段の有力は手法の一つに半導体モジュールの上部に配置される制御基板を電力変換装置のカバーの天井部から吊り下げて支持した手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１０５４１８号公報

上述の特許文献１について、制御基板の耐振動性は向上が認められるが、制御基板に支柱を配置するため、スペースが必要となり、制御基板の電子部品有効実装面積が従来に比べて小さくなる。制御基板に支柱を配置するためには、実装する電子部品やパターンとの絶縁距離が必要となり、同等数の電子部品を制御基板に実装するためには制御基板面積を従来の物より広げる必要がある。

また、カバーに支柱を固定するためには、ねじや溶接等が必要となり、ねじを用いて固定した場合には、部品点数、組み立て工数の増加、溶接を用いて固定した場合には、カバーのひずみ、溶接機の導入、溶接条件での設計制約が発生する。カバーに支柱をねじで固定した場合においては、防水が必要な条件下では、制御基板に良好なシール性能を担保しなければならない。特に、半導体モジュールの直上の空間には、強い振動が加わらない箇所に設置される電力変換装置のサイズと同等以下に小型化させる観点から制御基板を支持する支柱を設けることができない。

また、強い振動が加わらない箇所に設置される電力変換装置のサイズより大型化を許容して、冷却器が支柱を有する構成とすると、冷却器のコストが上昇する上、冷却機自体の剛性を上げることが必要となる。加えて、半導体モジュールの直上の空間は、半導体モジュールの発熱による影響を受けるため、特に、ＳｉＣを高温動作（例えば８５℃以上）させるときなど、耐振性だけでなく熱的に分離しなければならないといった課題もある。

従来の電力変換装置には、一般的に上述のような課題があるが、具体的な問題点としては、以下に説明する課題がある。図１０を用いてこれについて説明する。
図１０（ａ）は、一般的な電力変換装置を示す斜視図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の電力変換装置の平面図である。図１０（ｃ）、図１０（ｄ）は、図１０（ａ）の電力変換装置の分解斜視図であり、図１０（ｃ）は制御基板であり、図１０（ｄ）は電力変換装置からこの制御基板を取り除いたものである。

この電力変換装置１は、電力変換（直流／交流変換、すなわち、直流と交流との間の変換）する電気回路を構成する半導体モジュール２と半導体モジュール２を冷却する冷却器３と、半導体モジュール２と接続され、この半導体モジュールのスイッチング素子を駆動制御する制御基板４と、半導体モジュール２と制御基板４を接続する端子５と、半導体モジュール２とその入力端子(図示ぜず)、出力端子６を接続するバスバー７を有している。
冷却器３の上に入力端子台(図示せず)と出力端子台８を配置し、冷却器３の上に半導体モジュール２を複数個配置し、半導体モジュール２は、入力端子にバスバーで接続されるモジュール入力端子９と、出力端子６にバスバー７で接続されるモジュール出力端子１０と、上記制御基板４と接続される端子５を有し、冷却器３とは半導体モジュール２の裏面にある放熱板との間にグリス等を塗布されている。この制御基板４は冷却器３にある支柱１１に固定されている。

この場合、制御基板４は基板の四隅にしか固定箇所がなく、電力変換装置にエンジンやトランスミッションからの強い振動が加わると、激しい振動が起こり、基板に実装されている電子部品や、端子５のはんだ等にダメージを与える結果、断線が発生したりして、製品としての性能を満たさなくなってしまう。

耐振動性を向上させるためには、制御基板４のねじ等による固定箇所を増やす必要があるが、制御基板４の四隅を固定する支柱１１の数を増やすことは、制御基板４の真下の空間に半導体モジュール２が配置されており、支柱１１を配置する箇所にある半導体モジュール２を移動させスペースを作り、支柱１１を増やすと電力変換装置１が大きくなり、決められたスペースに配置することができない。電力変換装置１が大きくなると、材料使用料が増えるため、製品の低コスト化が実現できなくなる。

また、制御基板４の真下の空間に半導体モジュール２を配置しない電力変換装置１のレイアウトも考えられるが、結果的に半導体モジュール２と制御基板４が配置上遠のく。半導体モジュール２と制御基板４が配置上遠のくと、半導体モジュール２と制御基板４を接続する端子５が長くなり、インダクタンス等により電力変換装置の機能劣化の要因となる。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、電力変換装置の小型化、低コスト化、および制御基板の耐振動性向上が図れる電力変換装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電力変換装置は、
直流／交流変換する電気回路を構成する半導体モジュールと、
前記半導体モジュールを冷却する冷却器と、
前記半導体モジュールと電気的に接続され、前記半導体モジュールのスイッチング素子を駆動制御し、前記半導体モジュールに固定されていない制御基板と、
前記半導体モジュールと前記制御基板を電気的に接続する端子と、
前記半導体モジュールと前記半導体モジュールの入力端子、または前記半導体モジュールと前記半導体モジュールの出力端子を電気的に接続するバスバーと、
前記制御基板に固定箇所が接触した状態で、前記冷却器に設けた支柱であって前記半導体モジュールの真上の空間には構成されない支柱に、前記制御基板とともに固定され、前記制御基板の強度を補強する補強部材と、
を備えた電力変換装置であって、
前記制御基板の部品実装面であるＣ面、配線面であるＳ面、または側面のうち、少なくとも１つの面が前記補強部材と接触していることを特徴とするものである。

この発明に係る電力変換装置によれば、制御基板に固定箇所が接触した状態で、冷却器に設けた支柱であって半導体モジュールの真上の空間には構成されない支柱に、制御基板とともに固定され、制御基板の強度を補強する補強部材を備え、この制御基板のＣ面（component side。部品実装面）、Ｓ面（solder side。配線面であるはんだ面）、または側
面のうち、少なくとも１つの面が前記補強部材と接触しているものであるので、制御基板の耐振動性向上が可能となる。特に、半導体モジュールの直上の空間に支柱が無くても制御基板の剛性を向上させ、耐振性向上が可能となる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の一例を示す図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の分解斜視図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の一例を示す図である。本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の補強部材を示す図である。本発明の実施の形態４に係る電力変換装置の一例を示す図である。本発明の実施の形態５に係る電力変換装置の補強部材を示す図である。本発明の実施の形態５に係る電力変換装置の分解斜視図である。本発明の実施の形態６に係る電力変換装置の一例を示す図である。本発明の実施の形態６に係る電力変換装置の補強部材を示す図である。従来の電力変換装置の一例を示す図である。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明する。なお、各図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付す。
実施の形態１．
図１、図２は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す図である。図１（ａ）〜（ｂ）、及び図２（ａ）〜（ｃ）は、従来の課題を解決した、本発明の実施の形態１における電力変換装置の構成の一例を示す図である。図１（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の電力変換装置の平面図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、図１（ａ）の電力変換装置の分解斜視図であり、図２（ａ）は制御基板、図２（ｂ）はこの制御基板の補強部材、図２（ｃ）は図１（ａ）の電力変換装置から制御基板と補強部材を取り払った部分、の分解斜視図をそれぞれ示す図である。

この電力変換装置１は、半導体モジュール２と半導体モジュール２を冷却する冷却器３と、半導体モジュール２と接続される制御基板４と、半導体モジュール２と制御基板４を接続する端子５と半導体モジュール２と入力端子(図示ぜず)、出力端子６を接続するバスバー７を有している。
冷却器３の上に入力端子台(図示せず)と出力端子台８を配置し、冷却器３の上に半導体モジュール２を複数個配置し、半導体モジュール２は、入力端子にバスバー(図示せず)で接続されるモジュール入力端子９と出力端子６にバスバー７で接続されるモジュール出力端子１０と制御基板４と接続される端子５を有し、冷却器３とは半導体モジュール２の裏面にある放熱板との間にグリス等を塗布されている。制御基板４は冷却器３にある支柱１１で固定されている。
制御基板４は、耐振動性向上のための補強部材１２の固定箇所１３によって接触した状態で固定され、冷却器３にある支柱１１で共に固定されている。固定箇所１３は例えば、補強部材１２を板金とし、固定箇所１３をプレスによる突起形状とする。また、軽量化のため、例えば格子状に肉抜きを施している。突起形状の部分を制御基板４の穴に圧入し、固定をする。他の構成は図１０に示した従来の構成例と同様である。

このような構成にすることで、半導体モジュール２の直上で支柱１１が無くても制御基板４の剛性を向上させ、耐振性向上か可能となる。また、小型化することが可能となる。

また、この実施の形態では、補強部材１２の固定箇所１３を突起形状としたが、プレスフィット形状やスナップフィット等の接触固定、接着剤等での接着固定でも同様な効果が得られる。
さらに、補強部材１２を板金で構成し、バスバー７と平行に配置をしているため、インダクタンスを低減することが可能となる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２における電力変換装置を示す図である。制御基板４は、補強部材１２の固定箇所１３によって接触した状態で固定され、冷却器３にある支柱１１で共に固定されている。固定箇所１３は、例えば、補強部材１２を板金とし、固定箇所１３をバーリング加工とし、ねじを制御基板４の穴に圧入し、補強部材１２で固定をする。他の構成は図１と同様である。

このような構成にすることで、図１、及び図２で示した実施の形態１と同様の効果が得られる。また、補強部材１２に制御基板４をねじで固定することによって、実施の形態１よりも制御基板４の固定力が向上し、耐振動性の向上が可能となる。

この実施の形態では、補強部材１２の固定箇所１３をバーリング加工としたが、タッピンネジや熱かしめ等でも同様な効果が得られる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３における電力変換装置を示す図である。図４（ａ）は、実施の形態３における補強部材の斜視図であり、図４（ｂ）は、実施の形態３における補強部材の平面図であり、図４（ｃ）は、実施の形態３における補強部材の右側面図である。

図４において、補強部材１２は、樹脂の成形品であり、バスバー７をインサートしたものである。この補強部材１２を実施の形態１、２の電力変換装置１に使用することによって、バスバー７と制御基板４等との配置を近接することができ、実施の形態１、２よりも電力変換装置の小型化が可能となる。また、補強部材１２とバスバー７が一体化しているので組み立て時間が短縮でき、組み立て性向上が可能となる。
また、補強部材を樹脂で構成した絶縁物にすることによって、補強部材と基板実装部品および基板パターンとの絶縁距離(空間距離、沿面距離の双方)が、補強部材が金属である場合（実施の形態１、２参照）より短くでき、より小型化、軽量化、低コスト化が可能となる。
また、補強部材にバスバーを保持する機能を有することで補強部材と基板実装部品および基板パターンとの絶縁距離(空間距離、沿面距離の双方)が金属の補強部材である場合より短くでき、さらなる小型化、軽量化、組立性向上、低コスト化が可能となる。

この実施の形態では、バスバー７を補強部材１２にインサートしたが、補強部材１２による挟み込み形状(アウトサート)等でも同様な効果が得られる。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４における電力変換装置の分解斜視図である。図５（ａ）は、実施の形態４における電力変換装置の制御基板を示す斜視図であり、図５（ｂ）は、実施の形態４における電力変換装置の補強部材を示す図である。また、図５（ｃ）は実施の形態４における電力変換装置の制御基板と補強部材を取り除いた部分の斜視図であり、図５（ｄ）は、補強部材のＡ−Ａ断面図である。この補強部材１２は、成形した樹脂等の絶縁部材で構成し、軽量化のため肉抜きを施した箇所に成形ができる程度の薄肉（１ｍｍ程度）のある薄肉部材１４を備えた構成となっている。なお、肉抜きを施しておらずこの薄肉部材と比較して厚肉の部分を厚肉部材と呼ぶ（以下同様）。

このような構成とすることで、前記薄肉部材１４は遮熱板の役割を果たすことができる。そのため、半導体モジュール２の発熱による温度上昇を防止でき、制御基板４の温度上昇による損傷防止が可能となる。また、薄肉部材１４は、厚肉部材と一体化して補強部材１２となっているため、半導体モジュールからの熱を遮断することが可能となる。特に、ＳｉＣなど用いた半導体モジュールを高温駆動させる場合には、極めて有効である。このように、薄肉部材１４を設けることで、従来の半導体モジュールの発熱による温度上昇を防止する遮熱板と耐振動性向上のための補強部材を個別に有する電力変換装置よりも低背化、小型化が可能となる。

この実施の形態では、補強部材１２を成形した樹脂等の絶縁部材で構成したが、板金等による構成（この場合には薄肉の板金と厚肉の板金を一体化して構成する）でも同様な効果が得られる。

実施の形態５．
図６、図７は、本発明の実施の形態５における電力変換装置を示す図である。詳細に言えば、図６は、本発明の実施の形態５に係る電力変換装置の補強部材を示す斜視図である。図７は、本発明の実施の形態５に係る電力変換装置の分解斜視図である。
図６（ａ）は、実施の形態５における補強部材の斜視図であり、図６（ｂ）は、この補強部材のＢ−Ｂ断面図である。また、図７（ａ）は、本発明の実施の形態５における電力変換装置の制御基板の図であり、図７（ｂ）は本発明の実施の形態５における電力変換装置の補強部材の図である。図７（ｃ）は本発明の実施の形態５における電力変換装置の制御基板と補強部材を取り除いた部分の斜視図である。

半導体モジュール２と制御基板４の間に配置した、補強部材１２は、成形した樹脂等の絶縁部材で板金をインサートしており、支柱１１を固定する箇所は絶縁物がなく、ＧＮＤ電位である冷却器３とねじ等で固定する構成となっている。

このような構成にすることによって、半導体モジュール２から発生した不要電波を制御基板４に伝えることを防止することが可能となる。

この実施の形態では、補強部材１２を板金等によって構成した場合でも同様な効果が得られる。つまり、絶縁距離が確保できれば、樹脂等の絶縁部材により構成した補強部材に換えて板金等による金属にした場合でも不要電波に対する同様な効果が得られ、インサートを行わない分、低コスト化が可能となる。すなわち、補強部材が金属板または金属板が絶縁物に覆われた(例えばプラスチック成型品にインサート)もので、その金属板がＧＮＤ(ground)電位を有する電力制御装置の部位と電気的に接続されることにより、半導体モジュールから発生する不要電波を遮断するシールドとなり、ＥＭＣ(Electro-Magnetic Compatibility)対策が可能となる。

また、図７（ｂ）に示すように、補強部材１２に端子をガイドする端子挿入穴１５を有することで、制御基板４に端子５を挿入するガイドができ、組立て性向上が可能となる。

実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６における電力変換装置を示す図である。図８（ａ）は、実施の形態６における電力変換装置の斜視図であり、図８（ｂ）〜（ｄ）は、実施の形態６における電力変換装置の分解斜視図である。図８（ｂ）は、本発明の実施の形態６における電力変換装置の制御基板の斜視図であり、図８（ｃ）は本発明の実施の形態６における電力変換装置の補強部材の斜視図である。図８（ｄ）は本発明の実施の形態６における電力変換装置の制御基板と補強部材を取り除いた部分の斜視図である。図９は、本発明の実施の形態６における補強部材の裏面図である。

半導体モジュール２と制御基板４の間に配置した補強部材１２は、成形した樹脂等の絶縁部材で板金をインサートしており、補強部材の一部は図９に示す絶縁物が無い箇所の冷却部１７を有しており、冷却器の一部である冷却部材１６（図８（ｄ）参照）と接触している構成となっている。

このような構成にすることによって、半導体モジュール２の発熱を遮熱することが可能となり、さらに、補強部材の冷却部１７から冷却器３に放熱することにより、電力変換装置全体の温度を低減することが可能となる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１電力変換装置、２半導体モジュール、３冷却器、４制御基板、５端子、６出力端子、７バスバー、８出力端子台、９モジュール入力端子、１０モジュール出力端子、１１支柱、１２補強部材、１３固定箇所、１４薄肉部材、１５端子挿入穴、１６冷却部材、１７冷却部。

Claims

直流／交流変換する電気回路を構成する半導体モジュールと、
前記半導体モジュールを冷却する冷却器と、
前記半導体モジュールと電気的に接続され、前記半導体モジュールのスイッチング素子を駆動制御し、前記半導体モジュールに固定されていない制御基板と、
前記半導体モジュールと前記制御基板を電気的に接続する端子と、
前記半導体モジュールと前記半導体モジュールの入力端子、または前記半導体モジュールと前記半導体モジュールの出力端子を電気的に接続するバスバーと、
前記制御基板に固定箇所が接触した状態で、前記冷却器に設けた支柱であって前記半導体モジュールの真上の空間には構成されない支柱に、前記制御基板とともに固定され、前記制御基板の強度を補強する補強部材と、
を備えた電力変換装置であって、
前記制御基板の部品実装面であるＣ面、配線面であるＳ面、または側面のうち、少なくとも１つの面が前記補強部材と接触していることを特徴とする電力変換装置。
前記補強部材は前記制御基板とともに、ねじで固定されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記補強部材は絶縁物で構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
前記補強部材は前記バスバーと一体化して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記補強部材は、薄肉部材と厚肉部材とを一体化して構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
前記補強部材は、前記半導体モジュールと前記制御基板の間に配置され、前記補強部材の少なくとも一部がＧＮＤ電位を有する部位と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
前記補強部材は、絶縁物に覆われていることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
前記補強部材は、前記端子をガイドする端子挿入穴を設けたことを特徴とする請求項４または請求項７に記載の電力変換装置。
前記補強部材は、少なくとも一部が前記冷却器に電気的に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
前記半導体モジュールは、ＳｉＣ素子を構成要素として含むことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。