特開 2024-122711 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024122711

(43)【公開日】2024-09-09

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240902BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20240902BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

H01L25/04 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023030400

(22)【出願日】2023-02-28

(71)【出願人】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 慶

(72)【発明者】

【氏名】藤野 伸一

(72)【発明者】

【氏名】久保木 誉

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770AA05

5H770AA21

5H770DA10

5H770DA44

5H770QA28

5H770QA35

(57)【要約】

【課題】インダクタンスを低減できる。
【解決手段】電力変換装置は、直流電力と交流電力との変換が可能であり複数の端子を有する本体部と、複数の端子に取り付けられる絶縁性の端子カバーと、を備え、端子カバーには、導電性の導電板が埋設され、導電板は、複数の端子のそれぞれの延在方向に沿って配置された対向領域、および対向領域から複数の端子に向かって立ち上がる突起部、を有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電力と交流電力とを変換する半導体素子を内蔵し複数の端子を有する本体部と、
前記複数の端子に取り付けられる絶縁性の端子カバーと、を備え、
前記端子カバーには、導電性の導電板が埋設され、
前記導電板は、前記複数の端子のそれぞれの延在方向に沿って配置された対向領域、および前記対向領域から前記複数の端子に向かって立ち上がる突起部、を有する電力変換装置。

【請求項2】

請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記突起部は、前記対向領域のうち前記複数の端子の間の空間に対向する領域を切り起こして形成される電力変換装置。

【請求項3】

請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記複数の端子は、前記半導体素子の主電流電極に接続される主電流端子と、前記半導体素子の制御電極に接続される制御端子と、を含み、
前記導電板の前記対向領域は、前記主電流端子および前記制御端子を跨って対向するように、配置される電力変換装置。

【請求項4】

請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記導電板は、前記複数の端子の突出方向先端に対向する上面領域をさらに有する電力変換装置。

【請求項5】

請求項４に記載された電力変換装置であって、
前記上面領域と前記対向領域とは、屈曲部を介して互いに連結して形成されている電力変換装置。

【請求項6】

請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記対向領域は、前記複数の端子の一方面側に配置された第一の対向領域と、前記複数の端子の他方面側に配置された第二の対向領域と、を含む電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力変換装置は、高効率、小型、および低発熱など様々な要求がされている。特許文献１には、一面上に配列された複数の入出力端子を有するパワー半導体モジュールと、前記入出力端子間に配置される絶縁性部材で形成された仕切り部を有する端子カバーと、前記パワー半導体モジュールを制御する回路基板と、前記回路基板を支持する基板支持部材と、を備え、前記端子カバーは、前記基板支持部材に一体的に設けられている電力変換装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－１１２６５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載されている発明では、インダクタンスの低減に改善の余地がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の第１の態様による電力変換装置は、直流電力と交流電力との変換が可能であり複数の端子を有する本体部と、前記複数の端子に取り付けられる絶縁性の端子カバーと、を備え、前記端子カバーには、導電性の導電板が埋設され、前記導電板は、前記複数の端子のそれぞれの延在方向に沿って配置された対向領域、および前記対向領域から前記複数の端子に向かって立ち上がる突起部、を有する。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、インダクタンスを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】電力変換装置の正面図

【図2】電力変換装置の分解斜視図

【図3】図１におけるＩＩＩ－ＩＩＩ断面図

【図4】導電板の展開図

【図5】展開領域の折り曲げ工程を説明する図

【図6】展開領域の位置を示す図

【図7】インダクタンス低減の原理を示す回路図

【図8】インダクタンス低減の原理を示す斜視図

【図9】変形例１における展開領域の折り曲げ工程を説明する図

【図10】変形例２における間隙部の形状および突起部の位置を示す図

【発明を実施するための形態】

【0008】

―第１の実施の形態―
以下、図１～図８を参照して、電力変換装置の第１の実施の形態を説明する。本実施の形態では、図面間の関連性を明示するために相互に直交するＸＹＺ軸を定義する。

【0009】

図１は、電力変換装置１００の正面図である。電力変換装置１００は、直流電力と交流電力とを変換する。電力変換装置１００は、直流電力と交流電力とを相互に変換してもよいし、直流電力から交流電力への変換のみを行ってもよいし、交流電力から直流電力への変換のみを行ってもよい。電力変換装置１００は、本体部４００と、端子カバー２００とを備える。

【0010】

本体部４００は、直流電力と交流電力とを変換する。本体部４００は、Ｚ軸方向に延びる第１制御端子群１５１および第２制御端子群１５２を有する。端子カバー２００は、樹脂製であり絶縁性を有する。端子カバー２００は、第１制御端子群１５１および第２制御端子群１５２に取り付けられる。

【0011】

図２は、電力変換装置１００の分解斜視図である。図２では導電板３００を端子カバー２００と分離して記載しているが、実際には導電板３００は端子カバー２００の内部に埋設される。導電板３００は、電力変換装置１００の複数の端子の延在方向、すなわちＸ軸方向に沿って配置される。導電板３００は、主面３１０ａと、上面３３０と、副面３１０ｂと、から構成される。主面３１０ａおよび副面３１０ｂはＸＺ平面に広がる。ただし、主面３１０ａと副面３１０ｂの名称は便宜的なものであり、両者に構成や機能の差はない。主面３１０ａと副面３１０ｂのそれぞれは、「第１面」と「第２面」と呼ぶこともできる。

【0012】

図２では、図１において端子カバー２００に隠れていた埋設端子群１０５も図示されている。埋設端子群１０５は、第１制御端子群１５１と第２制御端子群１５２の間に配される。第１制御端子群１５１、第２制御端子群１５２、および埋設端子群１０５は、Ｘ軸方向に並んでいる。以下では、第１制御端子群１５１、第２制御端子群１５２、および埋設端子群１０５をまとめて「端子列」１９０と呼ぶことがある。

【0013】

Ｙ軸のマイナス側からプラス側にかけて、主面３１０ａ、端子列１９０、副面３１０ｂの順番に並んでいる。上面３３０はＸＹ平面に広がっている。上面３３０は、主面３１０ａのＺ軸プラス側端部におけるＸ軸方向中央部と、副面３１０ｂのＺ軸プラス側端部におけるＸ軸方向中央部とを連結する。

【0014】

図３は、図１におけるＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。図３では主に端子カバー２００の内部構造と、端子カバー２００と端子列１９０の相関関係が示されている。端子カバー２００は内部に複数の空間を有し、その空間内に端子列１９０が収められる。以下では、端子カバー２００の内部に設けられた空間であって、端子列１９０を除く空間を間隙部２１０と呼ぶ。Ｘ軸方向に延びる導電板３００は、Ｙ軸マイナス側が主面３１０ａであり、Ｙ軸プラス側が副面３１０ｂである。

【0015】

前述のように、端子列１９０は、第１制御端子群１５１、第２制御端子群１５２、および埋設端子群１０５を含む。第１制御端子群１５１は、符号１５１ａ～１５１ｃで示す３つの端子を含む。第２制御端子群１５２は、符号１５２ａ～１５２ｅで示す５つの端子を含む。符号１５１ｃおよび符号１５２ｃで示す端子は、不図示のスイッチング素子のゲート電極に接続される。埋設端子群１０５は、第１正極端子１１０ａと、第１負極端子１２０ａと、第２正極端子１１０ｂと、第２負極端子１２０ｂと、交流端子１３０と、を含む。第１正極端子１１０ａ、第１負極端子１２０ａ、第２正極端子１１０ｂ、および第２負極端子１２０ｂは、不図示のバスバ回路に接続される。

【0016】

導電板３００の主面３１０ａおよび副面３１０ｂは、複数の突起部３４０を有する。突起部３４０のそれぞれは折り曲げなどの加工により形成され、端子列１９０の側に突出する。具体的には、主面３１０ａに形成される突起部３４０はＹ軸プラス方向に突出し、副面３１０ｂに形成される突起部３４０はＹ軸マイナス方向に突出する。なお、本図では突起部３４０はＹ軸に平行に、すなわち主面３１０ａや副面３１０ｂに９０度として図示しているが、この角度は９０度に限定されず任意である。

【0017】

突起部３４０は、端子カバー２００の内部に埋設される。突起部３４０は、端子と端子カバー２００の間隙部２１０に導電板３００が飛び出さないに配置される。導電板３００と端子カバー２００の相対的位置関係は、端子カバー２００に用いられる樹脂の流動性に依存する成形条件により決定される。導電板３００は、端子カバー２００の射出成形時に、インサート成形にて埋設される。

【0018】

図４は、導電板３００の展開図、換言すると作成中の導電板３００を示す図である。図２や図３に示した導電板３００とは形状が異なるので、ＸＹＺ軸は記載していない。図４では突起部３４０は図示奥側に延びており、図面には表れていない。

【0019】

導電板３００は、１枚の導電性の平板を加工して作成される。具体的には、まず導電板３００の外形を金型にて打ち抜く。次に、突起部３４０を形成するために展開領域３５０に切れ込みを入れる。展開領域３５０とは、主面３１０ａおよび副面３１０ｂに形成される領域であって加工により突起部３４０となる領域である。すなわち導電板３００が完成した状態では、展開領域３５０は「貫通孔」、「開口部」、「切り欠かれた領域」とも言える。図４では主面３１０ａおよび副面３１０ｂのそれぞれに符号３５０を１つずつしか記載していないが、矩形は全て展開領域３５０である。すなわち主面３１０ａおよび副面３１０ｂのそれぞれは、６つの展開領域３５０を有する。

【0020】

そして、切れ込みに沿って展開領域３５０を折り曲げる。この展開領域３５０の折り曲げは、次の図５で改めて説明する。ここまでの工程が完了した、作成途中の導電板３００が図４に示すものである。最後に、主面３１０ａと上面３３０の境界および副面３１０ｂと上面３３０の境界である屈曲部３００Ｒを折り曲げることで導電板３００が形成される。このように、主面３１０ａと上面３３０、および副面３１０ｂを連結することで、導電板３００を一枚の板材から形成することが可能となり、安価に製作できる。

【0021】

図５は、展開領域３５０の折り曲げ工程を説明する図である。ただし図５では、１つの展開領域３５０のみを示している。図５では図示上から下に向かって加工が進み、それぞれの状態における正面視および上面視を図示している。状態１では、主面３１０ａおよび副面３１０ｂに切れ込みＰが形成される。具体的には下部切れ込みＰ１、中央切れ込みＰ２、および上部切れ込みＰ３が形成される。中央切れ込みＰ２は、展開領域３５０となる領域の中央に存在する。状態１では、展開領域３５０である貫通孔はまだ形成されておらず、上面視では変化がない。

【0022】

次の状態２は、切れ込みに沿って展開領域３５０が折り曲げられている途中である。状態２では、中央切れ込みＰ２のあった付近に展開領域３５０が形成され、上面視では突起部３４０が確認できる。最後の状態３では、展開領域３５０が下部切れ込みＰ１および上部切れ込みＰ３の幅全体まで広がり、突起部３４０は図３に示したように主面３１０ａおよび副面３１０ｂと９０度の角度をなしている。

【0023】

図６は、展開領域３５０の位置を示す図である。図６は主面３１０ａおよび端子列１９０を示しており、説明の都合により主面３１０ａを透過させて図示している。また図６では展開領域３５０はハッチングを施している。展開領域３５０は端子列１９０を構成する端子同士の間に位置する。具体的には図６では、端子１５１ｂと端子１５１ｃの間、第１正極端子１１０ａと第１負極端子１２０ａの間、第１負極端子１２０ａと第２正極端子１１０ｂの間、第２正極端子１１０ｂと第２負極端子１２０ｂの間、第２負極端子１２０ｂと交流端子１３０の間、および端子１５２ｂと端子１５２ｃの間、に対応する位置に展開領域３５０が設定される。

【0024】

図７は、電力変換装置１００におけるインダクタンス低減の原理を示す回路図である。電力変換装置１００は、スイッチング素子１４０と、第１正極端子１１０ａと、第１負極端子１２０ａ、と制御端子１５１ｃおよび制御端子１５２ｃを有し、それぞれの端子が接続される配線にインダクタンスを含む。電力変換装置１００は、スイッチング時に磁束が発生する。第１正極端子１１０ａおよび第１負極端子１２０ａは、スイッチング素子１４０の主電流電極に接続される。制御端子１５１ｃおよび制御端子１５２ｃは、スイッチング素子１４０の制御電極に接続される。

【0025】

符号Ｌ１およびＬ２で示す、第１正極端子１１０ａや第１負極端子１２０ａのインダクタンスは、スイッチング時のサージ電圧の上昇とスイッチング損失増加の要因となる。これは、電力変換装置１００の信頼性の低下を招く。符号Ｌ３およびＬ４で示す、制御端子１５１ｃおよび制御端子１５２ｃのインダクタンスは、ゲートドライブ回路の応答性や動作安定性を低減する要因となる。これは、設計値の範囲を狭小化させ、製品性能の実現性、すなわちロバスト性の低減を生じさせる。

【0026】

導電板３００の主面３１０ａおよび副面３１０ｂは、埋設端子群１０５を構成する各端子で発生した磁束を、導電板３００にて渦電流として消費することで、インダクタンスの低減を図ることができる。渦電流は、導電板内の配線抵抗３７０で、ジュール熱として消費される。

【0027】

なお、図７ではスイッチング素子１４０をＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）として図示しているが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）などのスイッチングデバイス（パワー半導体デバイス）であればよく、特に限定されない。さらに、本図ではダイオードがスイッチング素子１４０に対して並列に接続しているが、スイッチング素子内にダイオードの機能が含まれる場合には、スイッチング素子１４０に対して並列に接続しているダイオードは不要となる。

【0028】

図８は、電力変換装置１００におけるインダクタンス低減の原理を示す斜視図である。図８の視点は図２と同一であり、説明の便宜のために主面３１０ａと副面３１０ｂとを分離して図示している。第１正極端子１１０ａ、第１負極端子１２０ａ、第２正極端子１１０ｂ、および第２負極端子１２０ｂを流れる電流６００は直流なので、それぞれが図面で破線の矢印で示す方向に流れる。この電流が主面３１０ａおよび副面３１０ｂに渦電流６１０を誘起する。

【0029】

渦電流６１０の多くは、展開領域３５０の周囲に誘起される。展開領域３５０のＸ軸方向の端部に設けられる突起部３４０により、主面３１０ａおよび副面３１０ｂは多くの磁束をとらえることができる。誘起された渦電流６１０は、導電板３００において熱として消費される。図８では記載していないが、副面３１０ｂでも同様に渦電流６１０が熱として消費される。

【0030】

上述した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電力変換装置１００は、直流電力と交流電力とを変換するスイッチング素子１４０を内蔵し複数の端子である端子列１９０を有する本体部４００と、端子列１９０に取り付けられる絶縁性の端子カバー２００と、を備える。端子カバー２００には、導電性の導電板３００が埋設される。導電板３００は、複数の端子のそれぞれの延在方向に沿って配置された対向領域である主面３１０ａや副面３１０ｂ、および対向領域から複数の端子に向かって立ち上がる突起部３４０、を有する。そのため、端子列１９０と突起部３４０とが近接することでスイッチング時に発生する磁束を捕捉しやすくなり、端子列１９０に生じるインダクタンスを主面３１０ａや副面３１０ｂにおいて渦電流６１０として励起して熱として消費することでインダクタンスを低減できる。また、突起部３４０とそれぞれの端子との距離、突起部３４０の幅などを調整することで、インダクタンを調整できるので、上下アームのインダクタンスのアンバランスを低減することが可能となり、設計の自由度、すなわち端子配置やドライブ回路の自由度を向上できる。

【0031】

（２）突起部３４０は、図６を参照して説明したように、主面３１０ａや副面３１０ｂにおいて端子列１９０を構成する端子同士の間に相当する展開領域３５０を切り起して形成される。そのため、突起部３４０を安価かつ効率的に形成できる。

【0032】

（３）端子列１９０には、スイッチング素子１４０の主電流電極に接続される第１正極端子１１０ａや第１負極端子１２０ａと、スイッチング素子１４０の制御電極に接続される制御端子１５１ｃおよび制御端子１５２ｃと、を含む。主面３１０ａおよび副面３１０ｂのそれぞれは、図３に示したように第１制御端子群１５１、第２制御端子群１５２、および埋設端子群１０５を跨って対向するように配置される。たとえば、第１制御端子群１５１、第２制御端子群１５２、および埋設端子群１０５のそれぞれに対応するように主面３１０ａを別々に設けることも可能である。しかし、本実施の形態のように第１制御端子群１５１、第２制御端子群１５２、および埋設端子群１０５に跨る一体の主面３１０ａを設けることで、構造を簡略化できる。

【0033】

（４）導電板３００は、端子列１９０の突出方向先端に対向する上面３３０を有する。そのため、スイッチング時に主電流端子に発生する電磁ノイズを遮蔽し、外部へのノイズの放射を抑制できる。

【0034】

（５）上面３３０と主面３１０ａおよび副面３１０ｂとは、屈曲部３００Ｒを介して互いに連結して形成される。そのため、３面を覆う導電板３００を１枚の板材から形成できる。

【0035】

（６）導電板３００は、主面３１０ａおよび副面３１０ｂを含む。そのため、端子列１９０をＹ軸の両側から挟み込むことができる。

【0036】

（変形例１）
図９は、変形例１における展開領域３５０の折り曲げ工程を説明する図である。上述した実施の形態では、図５を参照して説明したように展開領域３５０の中央から両開きにした。しかし図９に示すように片開きにしてもよい。すなわち、切れ込みＰをアルファベットの「Ｃ」のような形状とし、一端のみを移動させて突起部３４０を形成してもよい。なお、突起部３４０の形成において両開きと片開きを混在させてもよい。

【0037】

（変形例２）
図１０は、変形例２における間隙部２１０の形状および突起部３４０の位置を示す図である。ただし実施の形態との差異を明示するために、図１０の上部に実施の形態における端子カバー２００を示し、図１０の下部に変形例２における端子カバー２００Ａを示している。端子列１９０は実施の形態から変更ない。

【0038】

実施の形態における間隙部２１０は、外形が矩形であった。しかし本変形例では、間隙部２１０の角を落として、いわゆる面取りをしている。そして本変形例では、突起部３４０を端子同士の隙間に配している。本変形例では実施の形態よりも突起部３４０を長くでき、主面３１０ａ、副面３１０ｂおよび突起部３４０により端子の周囲を取り囲むことができる。なお本変形例における突起部３４０の形成には、実施の形態のように展開領域３５０両開きを用いてもよいし、変形例１のように片開きを用いてもよいし、他の手法を用いてもよい。

【0039】

（変形例３）
上述した実施の形態では、導電板３００は主面３１０ａ、副面３１０ｂ、および上面３３０から構成された。しかし導電板３００は少なくとも主面３１０ａおよび副面３１０ｂの少なくとも一方を含めばよい。また、上面３３０と主面３１０ａおよび副面３１０ｂは一体に成形されなくてもよく、たとえば別々に形成された主面３１０ａ、副面３１０ｂ、および上面３３０が端子カバー２００に埋設されてもよい。

【0040】

（変形例４）
上述した実施の形態では、主面３１０ａおよび副面３１０ｂの両方が突起部３４０を備えたが、主面３１０ａおよび副面３１０ｂのいずれか一方のみが突起部３４０を備えてもよい。また、上面３３０が突起部３４０を備えてもよい。

【0041】

（変形例５）
上述した実施の形態では、突起部３４０は展開領域３５０を切り起して形成された。しかし突起部３４０は他の手法により形成されてもよい。たとえば、プレス加工などにより折り曲げることで突起部３４０を形成してもよいし、別途形成した突起を溶接などで付加することで突起部３４０を形成してもよい。

【0042】

上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0043】

１００ ：電力変換装置
１１０ａ ：第１正極端子
１２０ａ ：第１負極端子
１４０ ：スイッチング素子
１５１ｃ ：制御端子
１９０ ：端子列
２００ ：端子カバー
３００ ：導電板
３１０ ：突起部
３１０ａ ：主面
３１０ｂ ：副面
３３０ ：上面
３４０ ：突起部
３５０ ：展開領域
４００ ：本体部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】