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公開番号2021129381
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210902
出願番号2020022091
出願日20200213
発明の名称電力変換器
出願人株式会社アイシン
代理人特許業務法人サカモト・アンド・パートナーズ
主分類H02M 7/48 20070101AFI20210806BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】チップ-バスバー間の接合部の信頼性を高める。
【解決手段】半導体素子(Q1、D11等)をそれぞれ含む1つ以上の半導体チップ(11)と、1つ以上のチップに接合される第1バスバー(14、14B)とを備え、第1バスバーは、その長手方向で1つ以上のチップのうちの少なくとも1つを挟む位置に、該位置に隣接する周辺部位よりも剛性が低い低剛性部位(144、144B)を有する、電力変換器(10)が開示される。
【選択図】図7A
特許請求の範囲【請求項1】
1つ以上の半導体チップと、
前記1つ以上の半導体チップに接合される第1バスバーとを備え、
前記第1バスバーは、その長手方向で前記1つ以上の半導体チップのうちの少なくとも1つを挟む位置に、該位置に隣接する周辺部位よりも剛性が低い低剛性部位を有する、電力変換器。
続きを表示(約 620 文字)【請求項2】
前記剛性は、前記長手方向を含む面内の曲げ剛性である、請求項1に記載の電力変換器。
【請求項3】
前記低剛性部位は、前記周辺部位よりも板厚が低減された部位、又は、前記周辺部位には存在しない切り欠き又は孔を有する部位である、請求項2に記載の電力変換器。
【請求項4】
前記低剛性部位は、前記長手方向で、前記1つ以上の半導体チップのそれぞれを1つずつ挟む態様で設けられる、請求項1から3のうちのいずれか1項に記載の電力変換器。
【請求項5】
前記第1バスバーは、厚み方向の一方に第1凹部を有し、かつ、他方に第2凹部を有し、
前記第1凹部と前記第2凹部は、前記低剛性部位となる、請求項1から4のうちのいずれか1項に記載の電力変換器。
【請求項6】
前記第1凹部及び前記第2凹部の少なくともいずれか一方は、前記第1バスバーの幅方向に視て、半円状の形態である、請求項5に記載の電力変換器。
【請求項7】
前記長手方向に交差する方向にそれぞれ延在し、前記1つ以上の半導体チップのそれぞれに別々に接合する1つ以上の第2バスバーを更に備え、
前記第1バスバーは、前記1つ以上の半導体チップの一方側の面に接合され、前記1つ以上の第2バスバーは、前記1つ以上の半導体チップの他方側の面に接合される、請求項1から6のうちのいずれか1項に記載の電力変換器。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、電力変換器に関する。
続きを表示(約 6,000 文字)【背景技術】
【0002】
半導体素子を含むチップにバスバーを接合してなる電力変換器が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
国際公開公報WO2019/065184号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、電力変換器の製造工程では、半導体素子を含むチップにバスバーを接合する工程中やその後の各種の工程において、チップ−バスバー間の接合部等に、温度変化に起因した熱応力が発生しやすい。このため、チップ−バスバー間の接合部の信頼性を高めることが難しい。
【0005】
そこで、1つの側面では、本発明は、チップ−バスバー間の接合部の信頼性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
1つの側面では、1つ以上の半導体チップと、
前記1つ以上の半導体チップに接合される第1バスバーとを備え、
前記第1バスバーは、その長手方向で前記1つ以上の半導体チップのうちの少なくとも1つを挟む位置に、該位置に隣接する周辺部位よりも剛性が低い低剛性部位を有する、電力変換器が提供される。
【発明の効果】
【0007】
1つの側面では、本発明によれば、チップ−バスバー間の接合部の信頼性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
電動車両用モータ駆動システムの全体構成の一例を示す図である。
インバータモジュールの斜視図である。
インバータモジュールの内部(樹脂モールド部が除去された状態)の斜視図である。
一のチップと負極バスバー、出力バスバーとの間の接合箇所の断面図である。
図4のP1部の拡大図である。
インバータモジュールの実装状態の一例の説明図である。
実施例1による正極バスバーのZ方向Z1側から視た平面図である。
実施例1による正極バスバーの図7AのラインB−Bに沿った断面図である。
比較例による正極バスバーの変形状態の説明図である。
応力集中の発生原理の説明図である。
本実施例による正極バスバーの変形状態の説明図である。
実施例2による正極バスバーを示す断面図である。
実施例1による正極バスバーにおける電流の流れの説明図である。
実施例2による正極バスバーにおける電流の流れの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。
【0010】
以下では、本実施例による電力変換器の説明に先立って、まず、本実施例による電力変換器が適用されるのが好適な電動車両用モータ駆動システム1について説明する。なお、電動車両用モータ駆動システム1に関する図1の説明において、特に言及しない限り、各種の要素間の“接続”という用語は、“電気的な接続”を意味する。
【0011】
図1は、電動車両用モータ駆動システム1の全体構成の一例を示す図である。モータ駆動システム1は、高圧バッテリ2の電力を用いて走行用モータ5を駆動することにより車両を駆動させるシステムである。なお、電動車両は、電力を用いて走行用モータ5を駆動して走行するものであれば、その方式や構成の詳細は任意である。電動車両は、典型的には、動力源がエンジンと走行用モータ5であるハイブリッド自動車や、動力源が走行用モータ5のみである電気自動車を含む。以下、車両とは、特に言及しない限り、モータ駆動システム1が搭載される車両を指す。
【0012】
モータ駆動システム1は、図1に示すように、高圧バッテリ2、平滑コンデンサ3と、インバータ4、走行用モータ5、及びインバータ制御装置6を備える。
【0013】
高圧バッテリ2は、電力を蓄積して直流電圧を出力する任意の蓄電装置であり、ニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリや電気2重層キャパシタ等の容量性素子を含んでよい。高圧バッテリ2は、典型的には、定格電圧が100Vを超えるバッテリであり、定格電圧が例えば288Vである。
【0014】
インバータ4は、正極ラインと負極ラインとの間に互いに並列に配置されるU相、V相、W相の各アームを含む。U相アームはスイッチング素子(本例ではIGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)Q1、Q2の直列接続を含み、V相アームはスイッチング素子(本例ではIGBT)Q3、Q4の直列接続を含み、W相アームはスイッチング素子(本例ではIGBT)Q5、Q6の直列接続を含む。また、各スイッチング素子Q1〜Q6のコレクタ−エミッタ間には、それぞれ、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すようにダイオードD11〜D16が配置される。なお、スイッチング素子Q1〜Q6は、MOSFET(metal oxide semiconductor field−effect transistor)のような、IGBT以外の他のスイッチング素子であってもよい。
【0015】
走行用モータ5は、例えば3相の交流モータであり、U、V、W相の3つのコイルの一端が中性点で共通接続される。U相コイルの他端は、スイッチング素子Q1、Q2の中点M1に接続され、V相コイルの他端は、スイッチング素子Q3、Q4の中点M2に接続され、W相コイルの他端は、スイッチング素子Q5、Q6の中点M3に接続される。スイッチング素子Q1のコレクタと負極ラインとの間には、平滑コンデンサ3が接続される。
【0016】
インバータ制御装置6には、走行用モータ5を流れる電流を検出する電流センサ(図示せず)等の各種センサが接続される。インバータ制御装置6は、各種センサからのセンサ情報に基づいて、インバータ4を制御する。インバータ制御装置6は、例えばCPU、ROM、メインメモリ(全て図示せず)などを含み、インバータ制御装置6の各種機能は、ROM等に記録された制御プログラムがメインメモリに読み出されてCPUにより実行されることによって実現される。インバータ4の制御方法は、任意であるが、基本的には、U相に係る2つのスイッチング素子Q1、Q2が互いに逆相でオン/オフし、V相に係る2つのスイッチング素子Q3、Q4が互いに逆相でオン/オフし、W相に係る2つのスイッチング素子Q5、Q6が互いに逆相でオン/オフする。
【0017】
なお、図1に示す例では、モータ駆動システム1は、単一の走行用モータ5を備えているが、追加のモータ(発電機を含む)を備えてもよい。この場合、追加のモータ(複数も可)は、対応するインバータと共に、走行用モータ5及びインバータ4と並列な関係で、高圧バッテリ2に接続されてもよい。また、図1に示す例では、モータ駆動システム1は、DC/DCコンバータを備えていないが、高圧バッテリ2とインバータ4の間にDC/DCコンバータを備えてもよい。
【0018】
高圧バッテリ2と平滑コンデンサ3との間には、図1に示すように、高圧バッテリ2から電力供給を遮断するための遮断用スイッチSW1が設けられる。遮断用スイッチSW1は、半導体スイッチやリレー等で構成されてもよい。遮断用スイッチSW1は、常態でオン状態であり、例えば車両の衝突検出時等にオフとされる。なお、遮断用スイッチSW1のオン/オフの切換はインバータ制御装置6により実現されてもよいし、他の制御装置により実現されてもよい。
【0019】
次に、図2から図6を参照して、インバータ4に関連するモジュール構成(以下、「インバータモジュール10」と称する)について概説する。なお、図2以降では、見易さのために、複数存在する同一属性の部位には、一部のみしか参照符号が付されていない場合がある。
【0020】
図2は、インバータモジュール10(電力変換器の一例)の斜視図であり、図3は、インバータモジュール10の内部(樹脂モールド部19が除去された状態)の斜視図である。なお、図2及び図3等には、Z方向(及びZ方向Z1側、Z方向Z2側)が定義されている。図2及び図3には、制御配線13(図6参照)に係る端子等の図示が省略されている。
【0021】
インバータモジュール10は、インバータ4に係るモジュールである。なお、本実施例では、一例として、スイッチング素子Q1(スイッチング素子Q2〜Q6についても同様)はダイオードD11を内蔵したチップの形態で実現され、「チップ11」とも称する。
【0022】
インバータモジュール10は、図2及び図3に示すように、正極バスバー14(第1バスバーの一例)と、負極バスバー15(第1バスバーの一例)と、複数の出力バスバー16、17、18(第2バスバーの一例)とを備える。正極バスバー14、負極バスバー15、及び出力バスバー16、17、18は、それぞれ、板金部材等により形成される。正極バスバー14は、高圧バッテリ2の正極側からの正極ラインを形成し、負極バスバー15は、負極ラインを形成する。また、出力バスバー16、17、18は、インバータ4と走行用モータ5との間を接続する(図1参照)。
【0023】
本実施例では、一例として、正極バスバー14は、上アームに係る3つのチップ11にわたって直線状に延在する本体部141と、本体部141の両側に端部142とを含む。なお、図3に示す例では、端部142は、本体部141から略90度Z方向Z1側に屈曲してZ方向Z1側へと延在し、Z方向Z1側の端面が樹脂モールド部19から露出する。これは、負極バスバー15についても同様である。なお、負極バスバー15は、端部152が本体部151から略90度Z方向Z2側に屈曲してZ方向Z2側へと延在し、Z方向Z2側の端面が樹脂モールド部19から露出する。なお、負極バスバー15の本体部151は、チップ11と接合しない側の表面が樹脂モールド部19におけるZ方向Z1側表面から露出される。
【0024】
また、本実施例では、一例として、正極バスバー14の本体部141と負極バスバー15の本体部151は、平行に同一方向に延在し、出力バスバー16、17、18は、正極バスバー14の本体部141(及びそれに伴い負極バスバー15の本体部151)に交差する態様で延在する。出力バスバー16、17、18は、それぞれ、長手方向の一端側でZ方向Z1側から正極バスバー14にZ方向で対向する。Z方向で出力バスバー16、17、18のそれぞれと正極バスバー14との間には、上アームに係る3つのチップ11が設けられる。上アームに係る3つのチップ11は、正極バスバー14のZ方向Z1側の表面と、出力バスバー16、17、18のうちの対応する1つのZ方向Z2側の表面とに、面沿いに接合される。同様に、出力バスバー16、17、18は、それぞれ、長手方向の他端側でZ方向Z2側から負極バスバー15にZ方向で対向する。Z方向で出力バスバー16、17、18のそれぞれと負極バスバー15との間には、下アームに係る3つのチップ11が設けられる。下アームに係る3つのチップ11は、負極バスバー15のZ方向Z2側の表面と、出力バスバー16、17、18のうちの対応する1つのZ方向Z1側の表面とに、面沿いに接合される。
【0025】
なお、スイッチング素子Q1〜Q6のそれぞれに係るチップ11、正極バスバー14、負極バスバー15、及び出力バスバー16、17、18は、図2に示すように、例えばモールド樹脂からなる樹脂モールド部19に少なくとも部分的に埋め込まれた状態で一体化されてよい。樹脂モールド部19からは、各チップ11からの制御配線13(図2及び図3には図示せず、図6参照)と、正極バスバー14、負極バスバー15、及び出力バスバー16、17、18のそれぞれの接続端子部分とが突出される。
【0026】
図4は、一のチップ11と負極バスバー15、出力バスバー18との間の接合箇所の断面図であり、図3のラインA−Aに沿った断面の一部を示す。図5は、図4のP1部の拡大図である。なお、代表として、一のチップ11と負極バスバー15、出力バスバー18との間の接合に関する構成を説明するが、他のチップ11についても同様であってよい。
【0027】
図4及び図5に示すように、負極バスバー15及び出力バスバー18は、それぞれ、チップ11に接合材(接合層90により図示)を介して接合される。接合材は、任意の導電性材料であってよいが、例えば銀ナノ粒子を含む接合材であってよい。
【0028】
図6は、インバータモジュール10の実装状態の一例の説明図である。なお、図6は、模式図であり、インバータモジュール10との関係で、他の要素(コンデンサケース30等)をZ方向で離して図示している。
【0029】
インバータモジュール10は、例えば、図6に示すように、コンデンサケース30のZ方向Z1側に支持されてもよい。コンデンサケース30は、コンデンサモジュール20を収容する。なお、コンデンサモジュール20は、平滑コンデンサ3を構成する複数のコンデンサ素子を有する。コンデンサケース30は、例えば、熱伝導率が高い材料(例えば銅やアルミニウム等)で形成されてよい。コンデンサケース30は、冷媒流路を形成する流路形成部38を一体的に含んでもよい。流路形成部38は、コンデンサケース30のZ方向Z1側に形成される。この場合、流路形成部38のZ方向Z1側の表面上にインバータモジュール10が支持されることで、インバータモジュール10を効果的に冷却できる。
【0030】
なお、図6に示す例においては、インバータモジュール10は、コンデンサモジュール20(平滑コンデンサ3に係るモジュール)やコンデンサケース30とともに一体化されたユニットとして構成されてもよい。
(【0031】以降は省略されています)

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