JP7031521B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した本体部と、該本体部から突出したパワー端子とを有する半導体モジュールを備えた電力変換装置に関する。

従来から、ＩＧＢＴ等の半導体素子を内蔵した本体部と、該本体部から突出したパワー端子とを有する半導体モジュールを備えた電力変換装置が知られている（下記特許文献１参照）。上記パワー端子には、バスバーが接続している。このバスバーを介して、半導体モジュールを、直流電源や交流負荷等に電気接続してある。パワー端子とバスバーとは、例えば溶接やはんだ付け等によって接続される。

上記電力変換装置は、上記半導体素子をスイッチング動作させることにより、上記直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するよう構成されている。

上記パワー端子等にはインダクタンスが寄生しており、半導体素子をスイッチング動作させると、このインダクンタスが原因となってサージが発生する。そのため、近年、パワー端子の長さを短くして、このパワー端子に寄生したインダクタンスを低減することが検討されている。

特開２００５－４５１８５号公報

しかしながら、パワー端子の長さを短くすると、パワー端子の熱抵抗が小さくなりやすい。そのため、電力変換装置の製造工程において、パワー端子をバスバーに溶接等する際に、熱がパワー端子を通って、上記半導体素子に伝わりやすい。したがって、半導体素子の特性が変動する可能性が考えられる。そのため、接続工程を行った際に生じた熱が半導体素子に伝わりにくい電力変換装置が望まれている。

また、パワー端子を短くすると、パワー端子の剛性が高くなりやすい。そのため、外部から振動が加わったときに、パワー端子が撓みにくくなり、パワー端子とバスバーとの接続部に応力が加わりやすい。そのため、パワー端子とバスバーとの接続部に応力が加わりにくい電力変換装置が望まれている。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、パワー端子とバスバーとの接続工程を行った際に生じた熱が半導体素子に伝わりにくく、かつ振動が加わっても接続部に大きな応力が加わりにくい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（２０）を内蔵した本体部（２１）と、該本体部から突出した複数のパワー端子（２２）とを有する半導体モジュール（２）と、
個々の上記パワー端子に接続した複数のバスバー（３）とを備え、
上記複数のパワー端子のうち少なくとも一部の該パワー端子は、
該パワー端子の突出方向（Ｚ）と厚さ方向（Ｘ）との双方に直交する幅方向（Ｙ）における長さが部分的に短い幅狭部（２３）と、
上記幅狭部よりも上記突出方向における先端側に形成され、上記幅方向における長さが上記幅狭部より長い先端幅広部（２４）と、
を備える幅狭パワー端子（２２_W）であり、上記先端幅広部に上記バスバーを接続してある、電力変換装置（１）にある。

上記電力変換装置では、複数のパワー端子のうち少なくとも一部のパワー端子を、上記幅狭部及び上記先端幅広部を有する幅狭パワー端子としてある。
そのため、幅狭部において幅狭パワー端子の熱抵抗を高くすることができる。したがって、電力変換装置の製造工程において、先端幅広部とバスバーとを溶接等する際、熱が幅狭パワー端子を通って半導体素子に伝わりにくくなる。そのため、半導体素子の特性が変動する不具合を抑制できる。

また、上記幅狭部は上記幅方向における長さが短いため、剛性が低い。したがって、外部から振動が加わったとき、幅狭部が撓みやすくなり、幅狭パワー端子とバスバーとの接続部に大きな応力が加わりにくくなる。

以上のごとく、上記態様によれば、パワー端子とバスバーとの接続工程を行った際に生じた熱が半導体素子に伝わりにくく、かつ振動が加わっても接続部に大きな応力が加わりにくい電力変換装置を提供することができる。
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における、電力変換装置の断面図であって、図５のI-I断面図。 図１の要部拡大図。 図２のIII矢視図。 図３から幅狭パワー端子を取り除いた図。 図１のV-V断面図。 図５から負極バスバー及び交流バスバーを取り除いた図。 図６から正極バスバーを取り除いた図。 実施形態１における、電力変換装置の回路図。 実施形態２における、電力変換装置の要部拡大断面図。 実施形態３における、電力変換装置の要部拡大断面図。 実施形態４における、電力変換装置の要部拡大断面図。 実施形態５における、電力変換装置の要部拡大断面図。 実施形態６における、電力変換装置の断面図。 実施形態７における、電力変換装置の要部拡大平面図。

（実施形態１）
上記電力変換装置に係る実施形態について、図１～図８を参照して説明する。図１に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、半導体モジュール２と、複数のバスバー３とを備える。半導体モジュール２は、半導体素子２０（図８参照）を内蔵した本体部２１と、該本体部２１から突出した複数のパワー端子２２とを有する。個々の上記バスバー３（３_P，３_N，３_A）は、それぞれパワー端子２２に接続している。

上記複数のパワー端子２２のうち一部のパワー端子２２は、幅狭部２３と先端幅広部２４とを備える幅狭パワー端子２２_Wである。図２に示すごとく、幅狭部２３は、パワー端子２２の突出方向（Ｚ方向）と厚さ方向（Ｘ方向）との双方に直交する幅方向（Ｙ方向）における長さが部分的に短い。

先端幅広部２４は、幅狭部２３よりもＺ方向における先端側に形成されており、Ｙ方向における長さが幅狭部２３よりも長い。この先端幅広部２４に、バスバー３を接続してある。

本形態の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置である。図８に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２を備える。個々の半導体モジュール２は、半導体素子２０（ＩＧＢＴ）を内蔵している。これら複数の半導体モジュール２を用いて、インバータ回路１００を形成してある。このインバータ回路１００では、半導体素子２０をスイッチング動作させ、これにより、直流電源８から供給される直流電力を交流電力に変換している。そして、得られた交流電力を用いて三相交流モータ８１を駆動し、上記車両を走行させている。

図１に示すごとく、半導体モジュール２は、上記本体部２１とパワー端子２２の他に、制御端子２９を備える。制御端子２９は、制御回路部１９に接続している。この制御回路部１９を用いて、半導体素子２０の動作制御を行っている。

パワー端子２２には、直流電源８（図８参照）に電気接続した正極パワー端子２２_P及び負極パワー端子２２_Nと、三相交流モータ８１に電気接続した交流パワー端子２２_Aとがある。本形態では、正極パワー端子２２_P及び負極パワー端子２２_Nを、幅狭パワー端子２２_Wとしてある。交流パワー端子２２_Aには、幅狭部２３は形成されていない。

図１に示すごとく、バスバー３には、正極パワー端子２２_Pに接続した正極バスバー３_Pと、負極パワー端子２２_Nに接続した負極バスバー３_Nと、交流パワー端子２２_Aに接続した交流バスバー３_Aとがある。また、電力変換装置１のケース１６内には、直流電圧を平滑化するためのコンデンサ５が配されている。正極バスバー３_P及び負極バスバー３_Nは、コンデンサ５に接続している。

図７に示すごとく、本形態では、複数の半導体モジュール２と複数の冷却管４とを積層して、積層体１０を構成してある。複数の冷却管４のうち、Ｘ方向における一端に位置する端部冷却管４_ａには、冷媒１４を導入するための導入管１１と、冷媒１４を導出するための導出管１２とが接続している。また、Ｘ方向に隣り合う２本の冷却管４の間には、連結管１３が介在している。連結管１３は、冷却管４の、Ｙ方向における両端に配されている。冷媒１４を導入管１１から導入すると、冷媒１４は連結管１３を通って全ての冷却管４内を流れ、導出管１２から導出される。これにより、個々の半導体モジュール２を冷却している。

また、ケース１６の壁部１６１と積層体１０との間には、加圧部材１５（板ばね）が配されている。この加圧部材１５を用いて、積層体１０をＸ方向に加圧している。これにより、冷却管４と半導体モジュール２との接触圧を確保しつつ、積層体１０をケース１６内に固定している。

図２に示すごとく、本形態の幅狭パワー端子２２_Wは、第１切欠部２５_Aと第２切欠部２５_Bとの、一対の切欠部２５を有する。個々の切欠部２５は、矩形状に切り欠かれている。第１切欠部２５_Aは、Ｙ方向における一方側に開放している。また、第２切欠部２５_Bは、Ｙ方向における他方側に開放している。これら２個の切欠部２５_A，２５_Bの間の部位が、上記幅狭部２３とされている。

上述したように、本形態では、先端幅広部２４をバスバー３に接続している。より詳しくは、先端幅広部２４をバスバー３に溶接している。Ｚ方向における先端幅広部２４の長さｈは、先端幅広部２４に接続したバスバー３の厚さｄよりも長い。

図３、図４に示すごとく、幅狭パワー端子２２_Wに接続したバスバー３（すなわち、正極バスバー３_P及び負極バスバー３_N）には、Ｚ方向に貫通した端子挿入孔３０を形成してある。この端子挿入孔３０に先端幅広部２４を挿入して、バスバー３に溶接してある。

また、バスバー３（正極バスバー３_P及び負極バスバー３_N）には、凸状部３２を形成してある。凸状部３２は、端子挿入孔３０の内面３１からＸ方向における先端幅広部２４側へ突出している。この凸状部３２の先端面３２０を先端幅広部２４に溶接してある。先端幅広部２４の幅ａは、凸状部３２の幅ｂよりも長い。また、Ｙ方向において、先端幅広部２４の２つの端部２４１，２４２の間に、凸状部３２の２つの端部３２１，３２２が両方とも存在している。

また、図３に示すごとく、先端幅広部２４は、Ｘ方向における一方側に形成された第１凸状部３２_Aと、Ｘ方向における他方側に形成された第２凸状部３２_Bとの、一対の凸状部３２の間に介在している。

先端幅広部２４と凸状部３２との間には、溶接工程を行う前の状態では、図示しない隙間が存在している。これにより、一対の凸状部３２の間に先端幅広部２４を挿入できるようにしてある。溶接工程を行うと、先端幅広部２４の一部が溶融し、上記隙間が充填される。なお、本形態では、第１凸状部３２_Aと第２凸状部３２_Bとのうち、いずれか一方にのみ、溶接工程を行う。

次に、本形態の作用効果について説明する。図１、図２に示すごとく、本形態では、複数のパワー端子２２のうち少なくとも一部のパワー端子２２を、幅狭部２３及び先端幅広部２４を有する幅狭パワー端子２２_Wとしてある。
そのため、幅狭部２３において幅狭パワー端子２２_Wの熱抵抗を高くすることができる。したがって、電力変換装置１の製造工程において、先端幅広部２４とバスバー３とを溶接等する際、熱が幅狭パワー端子２２_Wを通って半導体素子２０に伝わりにくくなる。そのため、半導体素子２０の特性が変動する不具合を抑制できる。

また、幅狭部２３はＹ方向における長さが短いため、剛性が低い。したがって、外部から振動が加わったとき、幅狭部２３が撓みやすくなり、幅狭パワー端子２２_Wとバスバー３との接続部７（図３参照）に大きな応力が加わりにくくなる。

このように、幅狭部２３を形成することにより、幅狭パワー端子２２_WのＺ方向長さを短くしつつ、溶接工程等を行った際の熱が半導体素子２０に伝わることを抑制でき、かつ振動が加わったときに接続部７に大きな応力が加わることを抑制できる。そのため、幅狭パワー端子２２_Wに寄生するインダクタンスを低減でき、半導体素子２０をスイッチング動作させたときに大きなサージが発生することを抑制できる。

なお、本形態では、半導体モジュール２のパワー端子２２のうち、正極パワー端子２２_Pと負極パワー端子２２_Nのみ幅狭部２３を形成し、交流パワー端子２２_Aには幅狭部２３を形成していない。図１に示すごとく、交流パワー端子２２_Aは正極パワー端子２２_Pや負極パワー端子２２_Nと比較してＺ方向長さが長いため、溶接時の熱が半導体素子２０に伝わりにくい。また、交流パワー端子２２_Aは、Ｚ方向長さが長いため、振動が加わったときに撓みやすく、バスバー３との接続部７に大きな応力が加わりにくい。

また、図２に示すごとく、本形態では、バスバー３のうち、先端幅広部２４に接続した部位は、その板厚方向がＺ方向と一致している。Ｚ方向における先端幅広部２４の長さｈは、バスバー３のうち先端幅広部２４に接続した部位の厚さｄよりも長い。
このようにすると、先端幅広部２４とバスバー３との接触面積を十分に確保できるため、溶接工程を容易に行うことができる。

また、図３に示すごとく、本形態では、バスバー３に凸状部３２を形成してある。この凸状部３２の先端面３２０を先端幅広部２４に溶接してある。Ｙ方向において、先端幅広部２４の２つの端部２４１，２４２の間に、凸状部３２の２つの端部３２１，３２２が両方とも存在している。
このようにすると、凸状部３２の先端面３２０と、先端幅広部２４との接触面積を大きくすることができる。そのため、溶接工程を容易に行うことができる。また、振動が加わったときに、接続部７に応力が集中することを抑制できる。
すなわち、図１４に示すごとく、Ｙ方向において、先端幅広部２４の２つの端部２４１，２４２の間に、凸状部３２の片方の端部３２１のみ存在させることも可能であるが、この場合、凸状部３２と先端幅広部２４との接触面積が小さくなるため、溶接工程を行いにくくなる可能性が考えられる。また、振動が加わったときに、接続部７に応力が集中する可能性も考えられる。これに対して、図３に示すごとく、本形態のように、Ｙ方向において、先端幅広部２４の２つの端部２４１，２４２の間に、凸状部３２の２つの端部３２１，３２２が両方とも存在するよう構成すれば、凸状部３２と先端幅広部２４との接触面積を大きくすることができ、溶接工程を容易に行うことができる。また、振動が加わったときに、接続部７に大きな応力が集中することを抑制できる。

また、図３に示すごとく、バスバー３は、第１凸状部３２_Aと第２凸状部３２_Bとの、一対の凸状部３２を備える。これら一対の凸状部３２_A，３２_Bの間に、先端幅広部２４が介在している。
このようにすると、一対の凸状部３２_A，３２_Bによって先端幅広部２４を挟持できるため、溶接工程をより容易に行うことができる。

また、図２に示すごとく、本形態では、幅狭パワー端子２２_Wに、第１切欠部２５_Aと第２切欠部２５_Bとの、一対の切欠部２５を形成してある。これら一対の切欠部２５の間の部位を、幅狭部２３としてある。
このようにすると、切欠部２５のＹ方向長さを調整することにより、幅狭部２３のＹ方向長さを容易に制御できる。そのため、幅狭パワー端子２２_Wの熱抵抗および剛性を調整しやすい。
また、図１２に示すごとく、切欠部２５を形成せず、スリット２７を形成することにより、幅狭部２３を形成することも可能であるが、この場合は、幅狭パワー端子２２_Wの表面積が大きく、溶接熱が放熱されやすいため、若干、溶接しにくくなる可能性が考えられる。しかしながら、本形態のように切欠部２５を形成することにより、幅狭部２３を形成すれば、表面積の増加を抑制できるため、溶接熱が放熱されることを抑制できる。そのため、溶接工程をより行いやすい。

以上のごとく、本形態によれば、パワー端子とバスバーとの接続工程を行った際に生じた熱が半導体素子に伝わりにくく、かつ振動が加わっても接続部に大きな応力が加わりにくい電力変換装置を提供することができる。

なお、本形態では、幅狭パワー端子２２_Wとバスバー３とに溶接工程を行うことにより、これらを接続したが、本発明はこれに限るものではなく、はんだ付けにより、接続してもよい。

以下の実施形態においては、図面に用いた符号のうち、実施形態１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態１と同様の構成要素等を表す。

（実施形態２）
本形態は、幅狭パワー端子２２_Wの形状を変更した例である。図９に示すごとく、本形態では、幅狭パワー端子２２_Wのうち、Ｚ方向において、切欠部２５と本体部２１との間に存在する部位（以下、基端部２３０とも記す）に、Ｘ方向に貫通した貫通孔２６を形成してある。

このようにすると、基端部２３０の熱抵抗を高めることができる。そのため、溶接工程等を行ったときの熱が幅狭パワー端子２２_Wをより伝わりにくくなり、この熱によって半導体素子２０の特性が変動する問題をより抑制することができる。また、基端部２３０の剛性を低減できるため、外部から振動が加わったときに基端部２３０を撓ませることができる。そのため、接続部７に大きな応力が加わることをより抑制できる。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態３）
本形態は、幅狭パワー端子２２_Wの形状を変更した例である。図１０に示すごとく、本形態の幅狭パワー端子２２_Wは、第１補助切欠部２８_Aと、第２補助切欠部２８_Bとの、一対の補助切欠部２８を備える。これら一対の補助切欠部２８は、幅狭パワー端子２２_Wのうち、Ｚ方向において、切欠部２５と本体部２１との間に存在する部位（すなわち基端部２３０）に形成されている。

第１補助切欠部２８_Aは、Ｙ方向における一方側に開放している。また、第２補助切欠部２８_Bは、Ｙ方向における他方側に開放している。これらの補助切欠部２８は、矩形状に切り欠かれている。Ｙ方向における、一対の補助切欠部２８_A，２８_Bの間の部位が、補助幅狭部２８０とされている。

このようにすると、基端部２３０の熱抵抗をより高くすることができる。そのため、溶接工程等を行ったときに生じた熱が、幅狭パワー端子２２_Wをより伝わりにくくなる。したがって、この熱によって半導体素子２０の特性が変動する等の不具合をより抑制できる。

また、補助切欠部２８_A，２８_Bを形成すると、基端部２３０の剛性をより低減できる。そのため、振動が加わったときに基端部２３０を撓ませることができ、接続部７に大きな応力が加わることをより抑制できる。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態４）
本形態は、幅狭パワー端子２２_Wの形状を変更した例である。図１１に示すごとく、本形態では、実施形態１と同様に、幅狭パワー端子２２_Wに、一対の切欠部２５（２５_A，２５_B）を形成してある。これら一対の切欠部２５の間の部位を、幅狭部２３としてある。個々の切欠部２５は、Ｙ方向において幅狭パワー端子２２_Wの中心部Ｍに近づくほど、Ｚ方向における間隔Ｌ_Zが次第に狭くなるように、切り欠かれている。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態５）
本形態は、幅狭パワー端子２２_Wの形状を変更した例である。図１２に示すごとく、本形態では、幅狭パワー端子２２_Wに、複数のスリット２７を形成してある。個々のスリット２７は、Ｚ方向に長い長尺形状を呈する。個々のスリット２７の間の部位を、幅狭部２３としてある。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態６）
本形態は、幅狭パワー端子２２_Wの本数を変更した例である。図１３に示すごとく、本形態では、半導体モジュール２のパワー端子２２を、全て幅狭パワー端子２２_Wとしてある。すなわち、本形態では、正極パワー端子２２_Pと、負極パワー端子２２_Nと、交流パワー端子２２_Aとに、それぞれ幅狭部２３を形成してある。これにより、これらのパワー端子２２を全て幅狭パワー端子２２_Wとしてある。

このようにすると、交流パワー端子２２_Aにも幅狭部２３が形成されているため、交流パワー端子２２_Aの剛性を低くすることができる。そのため、外部から振動が加わったときに、交流パワー端子２２_Aと交流バスバー３_Aとの接続部７に、大きな応力が加わることを抑制できる。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態７）
本形態は、先端幅広部２４と凸状部３２との位置関係を変更した例である。図１４に示すごとく、本形態では、Ｙ方向において、先端幅広部２４の２つの端部２４１，２４２の間に、凸状部３２の２つの端部３２１，３２２のうち一方の端部３２１のみが存在している。他方の端部３２２は、Ｙ方向における、先端幅広部２４の２つの端部２４１，２４２の間に存在していない。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用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
２０ 半導体素子
２１ 本体部
２２ パワー端子
２２_W 幅狭パワー端子
２３ 幅狭部
２４ 先端幅広部
３ バスバー

Claims (6)

1. 半導体素子（２０）を内蔵した本体部（２１）と、該本体部から突出した複数のパワー端子（２２）とを有する半導体モジュール（２）と、
   個々の上記パワー端子に接続した複数のバスバー（３）とを備え、
   上記複数のパワー端子のうち少なくとも一部の該パワー端子は、
   該パワー端子の突出方向（Ｚ）と厚さ方向（Ｘ）との双方に直交する幅方向（Ｙ）における長さが部分的に短い幅狭部（２３）と、
   上記幅狭部よりも上記突出方向における先端側に形成され、上記幅方向における長さが上記幅狭部より長い先端幅広部（２４）と、
   を備える幅狭パワー端子（２２_W）であり、上記先端幅広部に上記バスバーを接続してある、電力変換装置（１）。
2. 上記バスバーのうち上記先端幅広部に接続した部位は、その板厚方向が上記突出方向と一致しており、上記突出方向における上記先端幅広部の長さ（ｈ）は、上記バスバーのうち上記先端幅広部に接続した部位の厚さ（ｄ）よりも長い、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記幅狭パワー端子に接続した上記バスバーは、上記突出方向に貫通し上記先端幅広部が挿入された端子挿入孔（３０）を有し、該端子挿入孔の内面（３１）から上記厚さ方向における上記先端幅広部側へ突出した凸状部（３２）が形成され、上記厚さ方向における上記凸状部の先端面（３２０）を上記先端幅広部に溶接してあり、上記幅方向において、上記先端幅広部の２つの端部（２４１，２４２）の間に、上記凸状部の２つの端部（３２１，３２２）が両方とも存在している、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 上記先端幅広部は、上記厚さ方向における一方側に形成された第１凸状部（３２_A）と、上記厚さ方向における他方側に形成された第２凸状部（３２_B）との、一対の上記凸状部の間に介在している、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 上記幅狭パワー端子は、上記幅方向における一方側に開放した第１切欠部（２５_A）と、上記幅方向における他方側に開放した第２切欠部（２５_B）との、２個の切欠部（２５）を備え、上記幅方向における上記２個の切欠部の間の部位が上記幅狭部とされている、請求項１～４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 上記幅狭パワー端子のうち、上記突出方向において、上記切欠部と上記本体部との間に存在する部位に、上記厚さ方向に貫通した貫通孔（２６）が形成されている、請求項５に記載の電力変換装置。

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