【技術分野】

【0001】

【背景技術】

【0002】

【先行技術文献】

【発明の概要】

第１バスバと第２バスバは、夫々の板状の基部が重なっているとともに、夫々が複数の枝部を備えている。そのような２個のバスバが近接配置されていると、両者が短絡するおそれがある。本明細書は、第１バスバと第２バスバの間に高い絶縁性を確保する技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、積層ユニットと、コンデンサと、板状の第１バスバと、板状の第２バスバと、第１絶縁板と、第２絶縁板と、複数の筒部材を備えている。積層ユニットは、複数の冷却器が並んで配置されており、隣り合う冷却器の間に、スイッチング素子を収容している半導体モジュールが挟まれている。コンデンサは、積層ユニットの隣りに配置されている。第１バスバは、複数の半導体モジュールの夫々の一側面から延びている第１端子と接合しているとともに、コンデンサの一方の電極と接続している。第２バスバは、板状の第１バスバと対向配置されている。第２バスバは、夫々の半導体モジュールの一側面から延びている第２端子と接合しているとともに、コンデンサの他方の電極と接続している。第１絶縁板は、第１バスバと第２バスバの間に挟まれている。第２絶縁板は、第２バスバの第１絶縁板の側とは反対側で第２バスバに重なっている。 板状の第１バスバは、複数の第１端子の夫々が通過する複数の第１孔を有している。夫々の第１孔の縁から夫々の第１端子と接合される第１枝部が延びている。板状の第２バスバは、第１バスバの積層ユニットとは反対側に位置しており、複数の第２端子の夫々が通過する複数の第２孔を有している。夫々の第２孔の縁から夫々の第２端子と接合される第２枝部が延びている。第２バスバは、第１端子の夫々と第１枝部の夫々が通過する複数の第３孔を備えている。第１絶縁板は、夫々の第１端子と第１枝部が通過する複数の第４孔を備えているとともに、第２端子が通過する複数の第５孔を備えている。第２絶縁板は、夫々の第１端子と第１枝部が通過する複数の第６孔を備えている。複数の筒部材の夫々は、第２バスバの第３孔を通過しているとともにその内部を第１端子と前記第１枝部が通過している。また、複数の筒部材の夫々は、その一端が第１絶縁板の第４孔の周囲に接合されており、他端が第２絶縁板の第６孔の周囲に接合されている。 第２絶縁板が、第１バスバの基部と第２バスバの基部の間を絶縁する。また、筒部材の内側を第１端子とそれに対応する第１枝部が通過するとともに、筒部材そのものは第２バスバの第３孔を通過している。この構造により第２バスバと第１端子及び第１枝部の間の絶縁が確保される。さらに、筒部の一端が第１絶縁板に接合されており、他端が第２絶縁板に接合されている。この構造により、第１バスバと第２バスバの間に高い絶縁性を確保することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】電力変換装置を含む電気自動車の電力系のブロック図である。

【図2】積層ユニットとバスバとコンデンサユニットのアセンブリの斜視図である。

【図3】積層ユニットとバスバとコンデンサユニットの分解斜視図である。

【図4】図２のIV−IV線に沿った断面図である。

【図5】図２のV−V線に沿った断面図である。

【発明を実施するための形態】

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は、電気自動車に搭載され、バッテリの電力を走行用モータの駆動電力に変換するデバイスである。図１に、電力変換装置２を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。電気自動車１００は、２個の走行用モータ８３ａ、８３ｂを備える。それゆえ、電力変換装置２は、２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを備える。なお、２個のモータ８３ａ、８３ｂの出力は、ギアボックス８５で合成／分配されて車軸８６（即ち駆動輪）へと伝達される。

電力変換装置２は、システムメインリレー８２を介してバッテリ８１と接続されている。電力変換装置２は、バッテリ８１の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路１２と、昇圧後の直流電力を交流に変換する２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを備えている。

電圧コンバータ回路１２は、バッテリ側の端子に印加された電圧を昇圧してインバータ側の端子に出力する昇圧動作と、インバータ側の端子に印加された電圧を降圧してバッテリ側の端子に出力する降圧動作の双方を行うことが可能な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。インバータ側の端子に印加される電圧とは、モータ８３ａ、８３ｂが生成した回生電力の電圧である。説明の便宜上、以下では、バッテリ側（低電圧側）の端子を低圧端１８と称し、インバータ側（高電圧側）の端子を高圧端１９と称する。また、低圧端１８の正極端と負極端を夫々、低圧正極端１８ａと低圧負極端１８ｂと称する。高圧端１９の正極端と負極端を夫々、高圧正極端１９ａと高圧負極端１９ｂと称する。

電圧コンバータ回路１２は、２個のスイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路、リアクトル７、フィルタコンデンサ５、各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードで構成されている。２個のスイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路は、高圧正極端１９ａと高圧負極端１９ｂの間に接続されている。リアクトル７は、一端が低圧正極端１８ａに接続されており、他端は直列回路の中点に接続されている。フィルタコンデンサ５は、低圧正極端１８ａと低圧負極端１８ｂの間に接続されている。低圧負極端１８ｂは、高圧負極端１９ｂと直接に接続されている。直列回路の低電位側のスイッチング素子９ｂが主に昇圧動作に関与し、高電位側のスイッチング素子９ａが主に降圧動作に関与する。図１の電圧コンバータ回路１２はよく知られているので詳細な説明は省略する。なお、符号８ａが示す破線矩形の範囲の回路が、後述する半導体モジュール８ａに対応する。符号２５ａ、２５ｂは、半導体モジュール８ａから延出している端子を示している。符号２５ａは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の高電位側と導通している端子（正極端子２５ａ）を示している。符号２５ｂは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の低電位側と導通している端子（負極端子２５ｂ）を表している。次に説明するように、正極端子２５ａ、負極端子２５ｂという表記は、他の半導体モジュールでも用いる。

インバータ回路１３ａは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。スイッチング素子９ｃと９ｄ、スイッチング素子９ｅと９ｆ、スイッチング素子９ｇと９ｈがそれぞれ直列回路を構成している。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。３セットの直列回路の高電位側の端子（正極端子２５ａ）が電圧コンバータ回路１２の高圧正極端１９ａに接続されており、３セットの直列回路の低電位側の端子（負極端子２５ｂ）が電圧コンバータ回路１２の高圧負極端１９ｂに接続されている。３セットの直列回路の中点から３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。３セットの直列回路の夫々が、後述する半導体モジュール８ｂ、８ｃ、８ｄに対応する。

インバータ回路１３ｂの構成はインバータ回路１３ａと同じであるため、図１では具体的な回路の図示を省略している。インバータ回路１３ｂもインバータ回路１３ａと同様に、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。３セットの直列回路の高電位側の端子が電圧コンバータ回路１２の高圧正極端１９ａに接続されており、３セットの直列回路の低電位側の端子が電圧コンバータ回路１２の高圧負極端１９ｂに接続されている。各直列回路に対応するハードウエアを半導体モジュール８ｅ、８ｆ、８ｇと称する。

インバータ回路１３ａ、１３ｂの入力端に平滑コンデンサ６が並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、別言すれば、電圧コンバータ回路１２の高圧端１９に並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、電圧コンバータ回路１２とインバータ１３ａ、１３ｂの間を流れる電流の脈動を除去する。

スイッチング素子９ａ−９ｈは、トランジスタであり、典型的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。また、ここでいうスイッチング素子は、電力変換に用いられるものであり、パワー半導体素子と呼ばれることもある。

図１において、破線８ａ−８ｇの夫々が半導体モジュールに相当する。電力変換装置２は、２個のスイッチング素子の直列回路を７セット備えている。直列回路を構成する２個のスイッチング素子、および各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードが一つのパッケージ（半導体モジュールの本体）に収容されている。以下では、半導体モジュール８ａ−８ｇのいずれか一つを区別なく示すときには半導体モジュール８と表記する。

７個の半導体モジュール（７セットの直列回路）の高電位側の端子（正極端子２５ａ）が平滑コンデンサ６の正極電極に接続され、低電位側の端子（負極端子２５ｂ）が平滑コンデンサ６の負極電極に接続される。図１において、符号３０が示す破線内の導電経路は、複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａと平滑コンデンサ６の正極電極を相互に接続するバスバ（正極バスバ）に対応する。符号４０が示す破線内の導電経路は、複数の負極端子２５ｂと平滑コンデンサ６の負極電極を相互に接続するバスバ（負極バスバ）に対応する。次に、複数の半導体モジュール８と正極バスバ３０、負極バスバ４０の構造について説明する。

図２に電力変換装置２のハードウエアの斜視図を示す。なお、図２では、電力変換装置２のハウジングと一部の部品の図示を省略している。複数の半導体モジュール８（８ａ−８ｇ）は、複数の冷却器２２とともに積層ユニット２０を構成している。半導体モジュール８ａ−８ｇは全て同じ形状であるので、図２と後述する図３では、代表して左端の半導体モジュールにのみ、符号８を付し、他の半導体モジュールには符号を省略した。また、図２と後述する図３では、左端の２個の冷却器にのみ、符号２２を付し、他の冷却器には符号を省略した。

図２は、電力変換装置２の斜視図であるが、積層ユニット２０、正極バスバ３０、負極バスバ４０、及び、コンデンサユニット６０のアセンブリのみを描いてあり、他の部品は図示を省略した。積層ユニット２０は、複数のカードタイプの冷却器２２が平行に配置されているとともに、隣り合う冷却器２２の間にカードタイプの半導体モジュール８が挟まれているデバイスである。カードタイプの半導体モジュール８は、その幅広面を冷却器２２に対向させて積層されている。各半導体モジュール８の一つの側面８０ａから３個の端子（正極端子２５ａ、負極端子２５ｂ、中点端子２５ｃ）が延びている。図２と後述する図３では、積層ユニット２０の左端に位置する半導体モジュール８の端子にのみ符号２５ａ、２５ｂ、２５ｃを付し、残りの半導体モジュール８には端子を示す符号を省略した。

正極端子２５ａと負極端子２５ｂは、先に述べたように、半導体モジュール８に収容されている直列回路の高電位側の端子と低電位側の端子である。中点端子２５ｃは、直列回路の中点と導通している端子である。別言すれば、３個の端子２５ａ−２５ｃは、いずれも、半導体モジュール８の内部でスイッチング素子と導通している。３個の端子２５ａ−２５ｃは、半導体モジュール８の幅広面と交差する一側面８０ａから図中のＺ軸正方向に延びている。一側面８０ａの反対側の側面から複数の制御端子が図中のＺ軸負方向に延びている。制御端子は、半導体モジュール８に内蔵されているスイッチング素子のゲート電極と導通しているゲート端子、及び、半導体モジュール８に内蔵されている温度センサや電流センサと導通している信号端子などである。

以下、説明の便宜上、積層ユニット２０における冷却器２２と半導体モジュール８の積層方向を単純に「積層方向」と称する。図中のＸ方向が積層方向に相当する。

図中の右端の冷却器２２には、冷媒供給口２８と冷媒排出口２９が設けられている。隣接する冷却器２２同士は、２個の連結管で接続されている。一方の連結管は、積層方向からみて冷媒供給口２８と重なるように位置している。他方の連結管は、積層方向からみて冷媒排出口２９と重なるように位置している。冷媒供給口２８と冷媒排出口２９には、不図示の冷媒循環装置が接続される。冷媒供給口２８から供給される冷媒は、一方の連結管を通じて全ての冷却器２２に分配される。冷媒は冷却器２２を通る間に隣接する半導体モジュール８から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、他方の連結管と冷媒排出口２９を通じて積層ユニット２０から排出される。各半導体モジュール８は、その両側から冷却されるので、積層ユニット２０は冷却性能が高い。

各半導体モジュール８の３個の端子２５ａ−２５ｃはいずれも平板状である。複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａは、隣接する半導体モジュール８の正極端子２５ａの平坦面と対向するように、積層方向に一列に並んでいる。複数の半導体モジュール８の負極端子２５ｂも、隣接する半導体モジュール８の負極端子２５ｂの平坦面と対向するように、積層方向に一列に並んでいる。複数の半導体モジュール８の中点端子２５ｃも同様である。複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａ、負極端子２５ｂ、中点端子２５ｃは、３列に並んでいる。

図３に、正極バスバ３０と負極バスバ４０と積層ユニット２０とコンデンサユニット６０（コンデンサ素子６１）のアセンブリの分解斜視図を示す。なお、図２のコンデンサユニット６０には、２個のコンデンサ素子６１が収容されている。図３では、コンデンサユニット６０のケースを省略し、内部のコンデンサ素子６１を描いてある。詳しくは後述するが、コンデンサユニット６０のケースの中でコンデンサ素子６１の周囲は充填材で満たされている。コンデンサ素子６１は、図１の平滑コンデンサ６に相当する。

複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａとコンデンサ素子６１の正極電極６１ａが正極バスバ３０で接続され、複数の負極端子２５ｂとコンデンサ素子６１の負極電極６１ｂが負極バスバ４０で接続される。

正極バスバ３０は、板状の電極部３９、板状の基部３１、及び、複数の枝部３３を備えている。電極部３９が、コンデンサ素子６１の正極電極６１ａに接続される。正極バスバ３０の基部３１には、複数の第１孔３２が設けられており、各第１孔３２の縁から枝部３３がＺ方向に延びている。各第１孔３２を各半導体モジュール８の正極端子２５ａが通過し、その正極端子２５ａと枝部３３が接合される。

負極バスバ４０は、板状の電極部４９、板状の基部４１、及び、複数の枝部４３を備えている。電極部４９が、コンデンサ素子６１の負極電極６１ｂに接続される。負極バスバ４０の基部４１には、複数の第２孔４２が設けられており、各第２孔４２の縁から枝部４３がＺ方向に延びている。各第２孔４２を各半導体モジュール８の負極端子２５ｂが通過し、その負極端子２５ｂと枝部４３が接合される。

負極バスバ４０は、正極バスバ３０の積層ユニット２０とは反対側に位置している。負極バスバ４０には、複数の第３孔４５が設けられており、各第３孔４５を、半導体モジュール８の正極端子２５ａと、正極バスバ３０の枝部３３が通過する。正極バスバ３０の板状の基部３１と、負極バスバ４０の板状の基部４１が近接対向する。

正極バスバ３０と負極バスバ４０の間に第１絶縁板５０が挟まれている。第１絶縁板５０は、正極バスバ３０の基部３１と負極バスバ４０の基部４１の間を絶縁する。第１絶縁板５０には、複数の第４孔５３と、複数の第５孔５４が設けられている。複数の第４孔５３の夫々を、正極端子２５ａと正極バスバ３０の枝部３３が通過する。複数の第５孔５４の夫々を、負極端子２５ｂが通過する。第１絶縁板５０の積層方向（Ｘ方向）の両側には、Ｙ方向に延びているリブ５１が設けられている。一対のリブ５１の間に、負極バスバ４０の基部４１が収まる。

負極バスバ４０の第１絶縁板５０の側とは反対側で負極バスバ４０と重なるように、第２絶縁板７０が配置されている。第２絶縁板７０には、複数の第６孔７３が設けられている。複数の第６孔７３の夫々を、正極端子２５ａと、正極バスバ３０の枝部３３が通過する。第２絶縁板７０は、第１絶縁板５０の一対のリブ５１の間に収まる。

第１絶縁板５０と第２絶縁板７０の間に、複数の筒部材８０が配置されている。複数の筒部材８０の夫々は、負極バスバ４０の第３孔を通過するとともに、筒部材８０の内部を正極端子２５ａと正極バスバ３０の枝部３３が通過する。複数の筒部材８０の夫々は、その一端が第１絶縁板５０の第４孔５３の周囲に接合され、他端が第２絶縁板７０の第６孔７３の周囲に接合される。なお、図３では、左端の筒部材にのみ符号８０を付し、他の筒部材へは符号を省略した。

図４を参照して正極バスバ３０、負極バスバ４０、第１絶縁板５０、第２絶縁板７０、筒部材８０の関係を説明する。図４は、図２のIV−IV線に沿った断面図であり、正極端子２５ａを横断する断面である。なお、図４では、積層ユニット２０と正極バスバ３０と負極バスバ４０と第１絶縁板５０と第２絶縁板７０と筒部材８０のアセンブリの一部の断面のみを示した。

正極バスバ３０、負極バスバ４０、第１絶縁板５０、筒部材８０、第２絶縁板７０は、この順序で重なっている。先に述べたように、第１絶縁板５０は、正極バスバ３０と負極バスバ４０に挟まれており、両者の間を絶縁する。正極バスバ３０、負極バスバ４０、第１絶縁板５０、筒部材８０、第２絶縁板７０のうち、正極バスバ３０が最も半導体モジュール８の近くに位置する。その正極バスバ３０に、第１絶縁板５０が重なり、その上に負極バスバ４０が重なり、その上に第２絶縁板７０が重なる。筒部材８０は、第１絶縁板５０と第２絶縁板７０に挟まれており、負極バスバ４０の第３孔４５を通過している。正極端子２５ａの先端側からみると、第２絶縁板７０は、負極バスバ４０を覆う配置となる。

正極バスバ３０の枝部３３の一端は、正極バスバ３０の基部３１の半導体モジュール側に溶接されている。枝部３３は、基部３１の第１孔３２の縁から延びている。正極バスバ３０に設けられた第１孔３２と、第１絶縁板５０に設けられた第４孔５３と、負極バスバ４０に設けられた第３孔４５と、筒部材８０と、第２絶縁板７０に設けられた第６孔７３は、正極バスバ３０と負極バスバ４０の積層方向（図中のＺ方向）からみて重なる。それらの孔及び筒部材８０を半導体モジュール８の正極端子２５ａと、正極バスバ３０の枝部３３が通過している。筒部材８０の内側を、正極端子２５ａと正極バスバ３０の枝部３３が通過しており、筒部材８０そのものは、負極バスバ４０の第３孔４５を通過している。筒部材８０の一端は第１絶縁板５０の第４孔５３の縁に接合されており、他端は第２絶縁板７０の第６孔７３の縁に接合されている。第１絶縁板５０と第２絶縁板７０と筒部材８０は、絶縁性の樹脂で作られている。筒部材８０と第１絶縁板５０は、レーザ溶着により接合される。筒部材８０と第２絶縁板７０もレーザ溶着により接合される。

上記の構造により、正極端子２５ａの近傍では、負極バスバ４０が、正極バスバ３０の枝部３３と正極端子２５ａから隔離される。まず、筒部材８０が負極バスバ４０の第３孔４５を通過し、その筒部材８０の内側を正極端子２５ａと枝部３３が通過する。この構造によって、負極バスバ４０の第３孔４５の周囲が正極端子２５ａと枝部３３から隔離される。また、筒部材８０の一端が第１絶縁板５０の第４孔５３の縁に接合されることで、負極バスバ４０の基部４１の表面が正極端子２５ａと枝部３３から隔離される。さらに、筒部材８０の他端が第２絶縁板７０の第６孔７３の縁に接合されることで、正極端子２５ａと正極バスバ３０の枝部３３が折れ曲がっても負極バスバ４０に接触することが回避される。第１絶縁板５０と第２絶縁板７０とそれらに溶着される筒部材８０により、正極バスバ３０と負極バスバ４０の間に高い絶縁性が確保される。なお、正極端子２５ａと正極バスバ３０の枝部３３は、第２絶縁板７０から突き出た箇所（図４における箇所Ｐ）でレーザ溶接される。

図５に、図２のV−V線に沿った断面を示す。図５は、筒部材８０を横断する断面を示している。図５においても、負極バスバ４０の第３孔４５の縁と、正極端子２５ａ及び枝部３３の間を筒部材８０が隔離しているとともに、正極端子２５ａの周囲では、第２絶縁板７０が負極バスバ４０を覆っていることが理解される。

図５を参照して、コンデンサユニット６０の内部構造を説明する。コンデンサ素子６１は、コンデンサユニット６０のケース６８の中に収容されている。ケース６８は、絶縁性の樹脂で作られている。ケース６８の内部でコンデンサ素子６１の周囲には充填材６９が充填されている。充填材６９は、例えば、シリコーン含有のポッティング材である。ケース６８の内部で、正極バスバ３０の電極部３９がコンデンサ素子６１の正極電極６１ａに接続されており、負極バスバ４０の電極部４９がコンデンサ素子６１の負極電極６１ｂに接続されている。

図４と図５から理解されるように、筒部材８０と、その両端の夫々に接合される第１絶縁板５０と第２絶縁板７０が、負極バスバ４０の第３孔４５の周囲を、正極バスバ３０と正極端子２５ａからしっかりと隔離する。実施例の電力変換装置２の上記構造は、近接配置される正極バスバ３０と負極バスバ４０の間に高い絶縁性を確保することができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の正極バスバ３０が「第１バスバ」の一例に相当し、負極バスバ４０が「第２バスバ」の一例に相当する。実施例の正極端子２５ａが「第１端子」の一例に相当し、実施例の負極端子２５ｂが「第２端子」の一例に相当する。実施例の正極バスバ３０の枝部３３が「第１枝部」の一例に相当し、負極バスバ４０の枝部４３が「第２枝部」の一例に相当する。実施例の「正極」と「負極」が逆転していてもよい。

実施例の電力変換装置２では、筒部材８０は、第１絶縁板５０及び第２絶縁板７０とは別の部材である。筒部材８０は、第１絶縁板５０と一体成型されているものであってもよいし、第２絶縁板７０と一体成型されているものであってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0043】

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】