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公開番号2021145104
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210924
出願番号2020044401
出願日20200313
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坂本国際特許商標事務所
主分類H01L 25/07 20060101AFI20210827BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】複数のバスバー間で必要な沿面距離を確保しつつ、電力変換器の小型化を図る。
【解決手段】車載電源(2)と回転電機(5)との間に電気的に接続される電力変換器(10)であって、複数のバスバー(14〜18)と、複数のバスバーに電気的に接続される半導体チップ(11)と、複数のバスバーと半導体チップを封止する絶縁部であって、第1方向(Z)の第1側(Z1)に、第1方向に垂直な平面状の第1表面領域(191)を有する絶縁部(19、19A、19B、19C、19D)とを含み、複数のバスバーは、第1方向に視て第1表面領域に重なる領域において、絶縁部における第1方向の中心よりも第1側で、0より大きい予め規定された第1距離(Δ1)まで互いに近接する第1バスバー(18、18A、18B、18C、18D)と第2バスバー(15)とを含む、電力変換器が提供される。
【選択図】図7
特許請求の範囲【請求項1】
車載電源と回転電機との間に電気的に接続される電力変換器であって、
複数のバスバーと、
前記複数のバスバーに電気的に接続される半導体チップと、
前記複数のバスバーの一部と前記半導体チップを覆うように設けられる絶縁部であって、第1方向の第1側に、前記第1方向に垂直な平面状の第1表面領域を有する絶縁部とを含み、
前記複数のバスバーは、前記第1方向に視て前記第1表面領域に重なる領域において、前記絶縁部における前記第1方向の中心よりも前記第1側で、0より大きい予め規定された第1距離まで互いに近接する第1バスバーと第2バスバーとを含む、電力変換器。
続きを表示(約 1,300 文字)【請求項2】
前記第1バスバーと前記第2バスバーとは、前記絶縁部の表面に沿った沿面距離であって前記第1距離よりも大きな沿面距離で、互いに対して電気的に絶縁される、請求項1に記載の電力変換器。
【請求項3】
前記絶縁部は、前記第1側とは逆側の前記第1方向の第2側に、前記第1方向に視て前記第1表面領域に重なる平面状の第2表面領域を有し、
前記第2表面領域は、当該電力変換器が冷却装置に熱的に接続される際の境界面を形成する、請求項1に記載の電力変換器。
【請求項4】
前記第1バスバーと前記第2バスバーは、前記第1距離まで近接する位置において、前記第1方向の前記第1側のそれぞれの表面が、前記絶縁部における前記第1側の表面に対して、同一の距離だけ前記第2側にオフセットされる、請求項3に記載の電力変換器。
【請求項5】
前記第1バスバーは、前記第1方向に対して直交する第2方向に延在し、
前記第2バスバーは、前記第1方向及び前記第2方向の双方に対して直交する第3方向に延在し、
前記第1バスバーと前記第2バスバーは、前記第1方向に視て交差しつつ、前記第1方向で一の前記半導体チップを互いの間に挟む、請求項4に記載の電力変換器。
【請求項6】
前記第1バスバーは、前記第2方向の一方側かつ前記第1方向の前記第1側で前記絶縁部から露出し、かつ、前記第2方向の他方側かつ前記第1方向の前記第2側で前記絶縁部から露出し、
前記第2バスバーは、前記第3方向の両側又はいずれかの側かつ前記第1方向の前記第1側又は前記第2側で前記絶縁部から露出する、請求項5に記載の電力変換器。
【請求項7】
前記第1バスバーは、更に、前記第2方向の前記一方側かつ前記第1方向の前記第2側で前記絶縁部から露出する、請求項6に記載の電力変換器。
【請求項8】
前記第1バスバーは、前記回転電機の各相に対応付けて設けられ、
前記第2バスバーは、前記車載電源の負極側に対応付けて設けられ、
前記車載電源の正極側に対応付けて設けられる第3バスバーを更に含み、
前記第3バスバーは、前記第2バスバーと前記第2方向に並んで前記第3方向に延在し、かつ、前記第1方向に視て前記第1表面領域に重なる領域において、前記第1方向の前記第2側で前記絶縁部から露出し、
前記第1バスバーと前記第3バスバーは、前記第1方向に視て交差しつつ、前記第1方向で他の一の前記半導体チップを互いの間に挟む、請求項6又は7に記載の電力変換器。
【請求項9】
前記第1バスバー及び前記第3バスバーは、前記絶縁部における前記第1方向の中心よりも前記第2側で、0より大きい予め規定された第2距離まで互いに近接しつつ、前記絶縁部から露出し、
前記第2距離は、前記第1距離よりも大きい、請求項8に記載の電力変換器。
【請求項10】
前記第1距離は、前記絶縁部の表面に沿った沿面距離であって前記第1バスバーと前記第2バスバーとの間で確保されるべき沿面距離に関する下限値よりも、小さい、請求項1〜9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、車載電源と回転電機との間に電気的に接続される電力変換器に関する。
続きを表示(約 6,800 文字)【背景技術】
【0002】
この種の電力変換器において、複数のバスバーに半導体チップを接合し、バスバー及び半導体チップを樹脂の絶縁部で封入する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2001−308263号公報
【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、上記のような従来技術では、絶縁部からの複数のバスバーの露出部分が多いので、露出部分間で電気的な絶縁のために必要な沿面距離を確保しつつ、電力変換器(モジュール)の小型化を図ることが難しい。
【0005】
そこで、1つの側面では、本開示は、複数のバスバー間で必要な沿面距離を確保しつつ、電力変換器の小型化を図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、車載電源と回転電機との間に電気的に接続される電力変換器であって、
複数のバスバーと、
前記複数のバスバーに電気的に接続される半導体チップと、
前記複数のバスバーの一部と前記半導体チップを覆うように設けられる絶縁部であって、第1方向の第1側に、前記第1方向に垂直な平面状の第1表面領域を有する絶縁部とを含み、
前記複数のバスバーは、前記第1方向に視て前記第1表面領域に重なる領域において、前記絶縁部における前記第1方向の中心よりも前記第1側で、0より大きい予め規定された第1距離まで互いに近接する第1バスバーと第2バスバーとを含む、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、複数のバスバー間で必要な沿面距離を確保しつつ、電力変換器の小型化を図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。
Z方向Z1側からのインバータモジュールの斜視図である。
Z方向Z2側からの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。
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)の平面図である。
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5A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。
図2AのラインA0−A0に沿った断面図である。
出力バスバーと外部バスバーとの接続例を概略的に示す同様の断面図である。
第1比較例によるインバータモジュールの斜視図である。
図9AのラインA2−A2に沿った断面図である。
第2比較例によるインバータモジュールの斜視図である。
図10AのラインA3−A3に沿った断面図である。
第1変形例によるインバータモジュールを概略的に示す断面図である。
第2変形例によるインバータモジュールを概略的に示す断面図である。
第3変形例によるインバータモジュールを概略的に示す断面図である。
第4変形例によるインバータモジュールを概略的に示す断面図である。
第5変形例によるインバータモジュールを概略的に示す断面図である。
【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(車載電源の一例)の電力を用いて走行用モータ5(回転電機の一例)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2A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2A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。また、以下の説明において、用語「所定」は、「あらかじめ規定された」という意味で使用される。
図2A及び図2Bは、それぞれ異なる方向から視た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。図4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)の平面図である。なお、図2A及び図3等には、互いに直交する3つの方向であるX方向(第3方向の一例)、Y方向(第2方向の一例)、及びZ方向(第1方向の一例)、各方向に係る側(例えば、Z方向については、Z方向Z1側、Z方向Z2側)が定義されている。
【0020】
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(半導体チップの一例)」とも称する。
【0021】
インバータモジュール10は、図2A、図2B、及び図3に示すように、正極バスバー14(第3バスバーの一例)と、負極バスバー15(第2バスバーの一例)と、複数の出力バスバー16、17、18(第1バスバーの一例)と、フレキシブルプリント基板(FPC:Flexible Printed Circuits)91、92とを備える。
【0022】
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(以下、これらを総称して単に「バスバー」とも称する)は、それぞれ、板金部材のプレス加工や切削加工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との間を電気的に接続する(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。なお、バスバーの構成の更なる詳細は、後述する。
【0024】
フレキシブルプリント基板91、92は、各チップ11と制御基板40とを電気的に接続する制御配線13(図6参照)を実現する。フレキシブルプリント基板91は、負極バスバー15上の3つのチップ11(すなわち下アームに係る3つのチップ11)のそれぞれに対して設けられる。フレキシブルプリント基板92は、正極バスバー14上の3つのチップ11(すなわち上アームに係る3つのチップ11)のそれぞれに対して設けられる。
【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2A及び図2Bに示すように、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。なお、樹脂モールド部19は、例えば、溶融した樹脂材料を注型して硬化させることで形成される。
樹脂モールド部19からは、フレキシブルプリント基板91、92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。図2A及び図2Bに示す例では、フレキシブルプリント基板91とフレキシブルプリント基板92は、互いに対してインバータモジュール10の逆側の側面から引き出される態様で、樹脂モールド部19から外側へと延在する。
【0026】
図5A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A1−A1に沿った断面の一部を示す。図5Bは、図5A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。なお、図5Aでは、樹脂モールド部19の図示は省略されている。
【0027】
図5A及び図5B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(冷却装置の一例)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38A上にインバータモジュール10が支持(当接)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。すなわち、インバータモジュール10のZ方向Z2側の表面は、流路形成部38に熱的に接続される際の境界面190を形成する。ただし、変形例では、流路形成部38は、コンデンサケース30とは別に形成され、コンデンサケース30内に配置されてもよい。
【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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