(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータジェネレータと伝達ギヤとを有するトランスアクスルに搭載された電力変換装置において、
モータジェネレータを駆動する複数のトランジスタを有するパワーモジュールと、
パワーモジュールの上に取付けられ、パワーモジュールに駆動信号を供給するドライブ基板と、
ドライブ基板を制御する制御基板と、
パワーモジュールの上に取付けられ、主面に設けられた複数の取付け足と固定具によりドライブ基板を挟んでパワーモジュールに固定する共に、裏面に設けられた複数の取付け足と固定具により制御基板を固定する基板ブラケットと、
を備え、
基板ブラケットの主面及び裏面の取付け足は、モータジェネレータ又は伝達ギヤからの励起振動による各基板の振幅を低減するため、各基板の大きさ及び各基板の振動特性に基づいて取付け足の位置が設定されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
基板ブラケットは、モータジェネレータ又は伝達ギヤからの励起振動によるドライブ基板及び制御基板の変位が他の変位より大きくなる基板中央部の振幅を低減するようにそれぞれ個別に主面と裏面に取付け足が配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換装置において、
基板ブラケットの取付け足及び基板ブラケットのリブは、各基板の部品実装領域を避けて配線領域に予め決められた質量を付加する感度解析によって配置場所が決定されたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項２に記載の電力変換装置において、
基板ブラケットは、ドライブ基板又は制御基板に接続されたコネクタを係止するコネクタクランプを有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項２に記載の電力変換装置において、
ドライブ基板と制御基板とを接続するケーブルは、基板ブラケット縁部の外側を通るように上下方向に配線されたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項２に記載の電力変換装置において、
各基板は、励起振動による腹の振幅が低減するようにそれぞれ基板の板厚が設定されたことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータジェネレータと伝達ギヤとを有するトランスアクスルに搭載された電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境に優しい自動車として、バッテリの電力によって走行する電気自動車やエンジンの駆動力とバッテリの電力によって走行するハイブリッド自動車が知られている。このような車両に搭載される電力変換装置は、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）とも呼ばれ、バッテリの直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータに駆動電力を供給するために、バッテリの電力を制御するインバータ、昇圧コンバータなどを内蔵している。
【０００３】
近年、ハイブリッド自動車の普及に伴い、電力変換装置の小型化の一環として、専用の取付け台を用いることなく、電力変換装置をトランスアクスルの上部、側面部などに直接取り付けることが検討されている。このため、電力変換装置を構成する部材であるケーブル、配線、基板、電子部品及び構造部材には、トランスアクスルからの強い振動が加わるようになり、振動対策が必要となっている。この振動対策は、大電流が流れるパワーモジュールとドライブ回路などのバスバだけでなく、パワーモジュールからドライブ基板に延びるトランジスタの駆動ピン、バッテリやモータジェネレータと電力変換装置とを接続するコネクタなどに及ぶことになる。
【０００４】
そこで、特許文献１には、省スペースでありながら、強度、特に耐振性が高い電力変換装置（インバータ装置）に関する技術が開示されている。図１１は、従来構成のインバータ装置１００の断面図を示している。インバータ装置１００は、カバー１０２によって覆われ、ベース１０１上に配置された駆動回路及びカバー１０２の外に一部露出したＵ相端子１０５を有し、Ｕ相端子１０５からドライブボード１１２まで延びるバスバ１３４で接続され、ドライブボード１１２とＩＭＳボード１１１は導電性のスペーサ１３３によって保持されている。これらのボードは、インバータ出力段が搭載されＩＭＳボード１１１を形成する絶縁金属基板１１３と、絶縁金属基板１１３の主面に接合され、かつ、インバータ出力段に電気的に接続された導電性のスタッド１３１Ｕであって、裏面がスタッド１３１に接合されることによってスタッド１３１とで支持され、これらのスタッド１３１とスペーサ１３３はインバータ出力段に接続される回路が主面に形成されたプリント配線基板であるドライブボード１１２と、接続されている。
【０００５】
ここで、スタッド１３１及びスペーサ１３３は、配線部材として各基板を電気的に接続すると共に、各基板の振動を低減すべく各基板を連結接続している。インバータ装置は複数のスタッドボルト１１３によってＩＭＳボード１１１とドライブボード１１２が相互に接続されることから、振動に対する耐振性を確保できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２３８６５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したインバータ装置をモータジェネレータと伝達ギヤとを有するトランスアクスルに直接取付ける場合、ＩＭＥボードとドライブボードとが同様の大きさ，形状を有する場合には上述した構造で対応が可能となる。しかし、ボードの小型化や高密度実装によりＩＭＥボードとドライブボードの大きさが異なる場合、スタッドとスペーサによる連結接続ではそれぞれのボードがモータやエンジン振動由来の起振力により異なる周波数で振動し、ＩＧＢＴ駆動ピンやコネクタが破損する場合があった。
【０００８】
そこで、本発明では、モータジェネレータと伝達ギヤとを有するトランスアクスルに搭載された電力変換装置において、電力変換装置の基板の振動を低減することのできる基板接続構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上のような目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、モータジェネレータと伝達ギヤとを有するトランスアクスルに搭載された電力変換装置において、モータジェネレータを駆動する複数のトランジスタを有するパワーモジュールと、パワーモジュールの上に取付けられ、パワーモジュールに駆動信号を供給するドライブ基板と、ドライブ基板を制御する制御基板と、パワーモジュールの上に取付けられ、主面に設けられた複数の取付け足と固定具によりドライブ基板を挟んでパワーモジュールに固定する共に、裏面に設けられた複数の取付け足と固定具により制御基板を固定する基板ブラケットと、を備え、基板ブラケットの主面及び裏面の取付け足は、モータジェネレータ又は伝達ギヤからの励起振動による各基板の振幅を低減するため、各基板の大きさ及び各基板の振動特性に基づいて取付け足の位置が設定されていることを特徴とする。なお、取付け足は、基板を保持するネジ付きボスのようなものであり、固定具はボルトである。
【００１０】
また、本発明に係る電力変換装置において、基板ブラケットは、モータジェネレータ又は伝達ギヤからの励起振動によるドライブ基板及び制御基板の変位が他の変位より大きくなる基板中央部の振幅を低減するようにそれぞれ個別に主面と裏面に取付け足が配置されていることを特徴とする。振幅が大きいのは低周波数における１次曲げだからである。
【００１１】
また、本発明に係る電力変換装置において、基板ブラケットの取付け足及び基板ブラケットのリブは、各基板の部品実装領域を避けて配線領域に予め決められた質量を付加する感度解析によって配置場所が決定されたことを特徴とする。感度解析を行うことにより、振幅の大きな腹の部分に所定の質量を追加することで振幅を低減し、振幅の小さい節の部分には重量を軽減するように肉抜きを施すことが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係る電力変換装置において、基板ブラケットは、ドライブ基板又は制御基板に接続されたコネクタを係止するコネクタクランプを有することを特徴とする。コネクタは基板に取り付けられているものの、コネクタの変位を規制するために基板ブラケットを利用することでコネクタクランプを実現している。
【００１３】
また、本発明に係る電力変換装置において、ドライブ基板と制御基板とを接続するケーブルは、基板ブラケット縁部の外側を通るように上下方向に配線されたことを特徴とする。ケーブルを基板ブラケット縁部の外側を通すことにより、基板ブラケットとケーブルの干渉を低減することが可能となる。
【００１４】
また、本発明に係る電力変換装置において、各基板は、励起振動による腹の振幅が低減するようにそれぞれ基板の板厚が設定されたことを特徴とする。基板ブラケットの取付け足の配置場所や個数には限界があるため、不足分を基板の板厚により補うことで更なる振幅の低減が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る電力変換装置を用いることにより、トランスアクスルから伝達される振動に対し、各基板の共振モードに合わせたボルト配置が基板ブラケットにより可能になり、各基板の振動を低減することができるという効果がある。また、基板の大きさ、基板の部品レイアウト及び振動低減に関する設計自由度が増えるという効果がある。また、ケーブルコネクタの変位を基板ブラケットに取付けたコネクタクランプにより抑制することで、ケーブルコネクタの耐震性が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るトランスアクスルの構成を示す構成図である。
【図２】図１に示したトランスアクスルの車両後方側に取付けられた電力変換装置の斜視図である。
【図３】図２に示したパワーモジュールと制御基板とを接続するコネクタケーブルの拡大図である。
【図４】図２に示した電力変換装置の分解図である。
【図５】図４に示したドライブ基板を有するパワーモジュールの構成を示す構成図である。
【図６】図５に示したパワーモジュールからドライブ基板を取外した状態を示す斜視図である。
【図７】図４に示したパワーモジュールに基板ブラケットを固定する固定穴の配置を説明する説明図である。
【図８】パワーモジュールの上に基板ブラケットを固定した状態を説明する説明図である。
【図９】図４に示した基板ブラケットに制御基板を固定する固定穴の配置を説明する説明図である。
【図１０】基板ブラケットの上に固定する制御基板を説明する説明図である。
【図１１】従来のインバータ装置の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１８】
図１はトランスアクスル１０の構成を示している。トランスアクスル１０は、モータジェネレータ１１，１２（ＭＧ１，ＭＧ２）と、車両後方に縦置き搭載されている電力変換装置２０と、電力変換装置２０とモータジェネレータ１１，１２とを接続するパワーケーブル３１と，電力変換装置２０と高圧バッテリとを接続するパワーケーブル３２と、エンジン及びモータジェネレータ１１，１２の駆動力を車輪に伝達するための伝達ギヤ群と、を有している。ここで、伝達ギヤ群は、動力分配機構を介して接続されているエンジン、モータジェネレータ１１及びモータジェネレータ１２によって駆動されるインプットシャフト１３からの入力をドライブシャフト１９に伝達する各種ギヤを含んでいる。
【００１９】
インプットシャフト１３からの入力は、カウンタドライブギヤ１４によりカウンタ軸のカウンタドリブンギヤに伝達され、さらに、ファイナルドライブピニオンギヤを介してドライブシャフトのファイナルリングギヤ１８に伝達され、ドライブシャフトを駆動する。ここで、図１に示したハイブリッド車両のトランスアクスル１０は、従来の内燃機関には無いハイブリッドシステム特有の駆動系の振動が発生し、特に、モータジェネレータ１１，１２による動力アシスト状態において、ギヤ群の近傍に配置された電力変換装置２０に影響を及ぼすことになる。電力変換装置２０には、エンジンの周波数である約３００Ｈｚ前後までの周波数と、モータジェネレータ回転数とギヤ比の積に同期した周波数である約数百Ｈｚから数ｋＨｚの振動が加わることになる。ここで、ギヤ群の近傍に電力変換装置を配置する理由は、近年の電力変換装置２０の小型化により、従来、使用していなかったエンジンコンパートメントの隔壁とトランスアクスルとの間の空間を利用できるようになったからである。次に、電力変換装置２０について概説する。
【００２０】
図２は図１に示したトランスアクスル１０の車両後方側に取付けられた電力変換装置２０を示している。電力変換装置２０は下からパワーモジュール２１、ドライブ基板２２、基板ブラケット２３及び制御基板２４がボルト２７，２８とスペーサ２６によって接続されている。また、ＩＧＢＴを駆動するドライブ基板２２と、電力変換装置２０の制御を司るＥＣＵを内蔵した制御基板２４とは、基板ブラケット２３の縁部をまたぐようにしてケーブル接続され、制御基板２４のコネクタ２５とドライブ基板２２のコネクタとを接続している。また、高圧バッテリからの電力（正極、負極）とモータジェネレータ１１，１２（ＭＧ１，ＭＧ２）への電力供給（Ｕ１相，Ｖ１相，Ｗ１相，Ｕ２相，Ｖ２相，Ｗ２相）はパワーモジュール２１の８本の高圧端子２９により接続されている。
【００２１】
また、パワーモジュール２１は冷却ジャケットに接続され、冷却ジャケット取付け穴と固定具であるボルトによって固定されている（図示せず）。ここで、電力変換装置２０はパワーモジュール２１を車両前方に向けて９０度回転した状態でトランスアクスルに接続されることになる。これは、車室側に搭載されている高圧バッテリと接続するケーブル長さの短縮の為と、上述した電力変換装置の小型化の為である。
【００２２】
図３は図２に示したパワーモジュール２１と制御基板２４とを接続するコネクタケーブル部（Ａ）の拡大図を示している。ドライブ基板２２に固定されているコネクタ３８の受入れ部にはコネクタ３６の横方向の変位を防止する１組の突起状のコネクタサポート３７が配置されている。同様に、制御基板２４のコネクタ２５の受入れ部となる基板ブラケット２３のコネクタ受入れ部にはコネクタクランプ３３がボルト止めされており、コネクタ３４の横方向の変位を防止している。このように、コネクタ３４，３６の横方向の変位を防止することにより、耐振性を高めることができる。なお、図２では、説明の都合上コネクタケーブル３５を一部だけ記載したが、図２に示すようにコネクタ２５は３方向に配置されており、これら全てのコネクタが同様に接続されている。
【００２３】
図４は図２に示した電力変換装置２０を分解した状態を示している。電力変換装置２０は下からパワーモジュール２１、ドライブ基板２２、基板ブラケット２３及び制御基板２４がボルト２７，２８とスペーサ２６によって接続されている。基板ブラケット２３は、ドライブ基板２２と制御基板２４とをそれぞれ異なる位置で接続することができ、大きさの異なる基板であっても振幅を低減可能なように基板毎に適切な接続位置を設定し、固定することができる。また、図４のＢ，Ｃ，Ｄ領域においてコネクタにクランプを設けることにより、振動によるコネクタの変位を抑制する。従来、基板の小型化、高密度実装によりドライブ基板２２と制御基板２４の大きさが異なる場合には、２つの基板を同じ位置にて接続する連結接続ではそれぞれの基板がモータやエンジン振動由来の起振力により異なる周波数で振動し、ＩＧＢＴ駆動ピンやコネクタが破損する場合があった。これは、大きさが異なるボード（基板）を連結接続することにより基板中央での固定点と連結接続点が一致しないため、振幅が大きい腹の振幅を十分低減できず、結果的に基板１次共振点の周波数が低くなり、基板が波のように振動することでコネクタやＩＧＢＴ駆動ピンに応力がかかり、破損に至ると考えられている。そこで、本実施形態に係る電力変換装置２０では、基板毎に適切な接続位置を設定して固定することにした。
【００２４】
図５は図４に示したドライブ基板２２を有するパワーモジュール２１の構成を示している。パワーモジュール２１は、ドライブ基板２２を固定するために、外周部と内周部とにスペーサ２６が取り付けられている。なお、スペーサ２６の数が多いことから全てに符号を付与していないが、断りの無い限り同一のスペーサ２６である。また、コネクタ３８の近傍には、コネクタサポート３７が設けられている。ここで、ドライブ基板２２の中央部のスペーサ２６の領域（Ｅ領域）の下部にはＩＧＢＴが配置されているが、ドライブ基板を強固に固定するために、内部にＩＧＢＴサポート部材が取り付けられている。次に、パワーモジュール２１について説明する。
【００２５】
図６は図５に示したパワーモジュール２１からドライブ基板２２を取外した状態を示している。パワーモジュール２１は、最下層に金属ベース４４が設けられ、金属ベースの上に絶縁層及び複数のＩＧＢＴが固定されている。しかしながら、ＩＧＢＴはトランジスタのＩＧＢＴ駆動ピンと電極とを溶接により固定しているため強度が十分ではないことから、金属ベースの上に樹脂製の枠と、その枠に嵌り込む樹脂製のＩＧＢＴサポート部材４１をはめ込み、ＩＧＢＴサポート部材４１と金属ベース４４とをボルト固定することによりドライブ基板２２の中央部の振幅が低減するようにしている。なお、枠とＩＧＢＴサポート部材４１には複数のネジ穴４３が設けられておりドライブ基板２２等を固定可能である。
【００２６】
図７は図４に示したパワーモジュール２１に基板ブラケット２３を固定する固定穴の配置を示している。図中下向きの三角印は基板ブラケット２３の固定穴からボルトを差し込み、下側のドライブ基板をパワーモジュール２１に固定する際の固定穴を示している。本実施形態における特徴事項の一つは、低周波数における１次曲げに対応できるように、ドライブ基板の中央部を十文字に固定するように固定穴を設けている。また、図中Ｂ，Ｃ及びＤ領域は、上述したコネクタをクランプするコネクタクランプ取り付けボルト穴を示している。ここで、基板ブラケット２３の固定穴において、パワーモジュール２１と接続する固定穴にリブ４５を配置していない。これは、樹脂製のＩＧＢＴサポート部材によって振幅を低減することがでるため、重複してリブ４５を設ける必要がないためである。
【００２７】
図８はパワーモジュール２１の上に基板ブラケット２３を固定した状態を示している。ここで、特徴的な事項は、基板ブラケット２３の上に固定する制御基板の振幅を低減させるため、制御基板との接続部にリブ４５が集中するハブ４６を設け、強度を増やすと共に、質量増加により腹の振幅を低減させるようにリブ４５及びハブ４６を配置したことである。次に、基板ブラケット２３と制御基板とを接続する際のボルト穴の位置を示す。
【００２８】
図９は図４に示した基板ブラケット２３に制御基板２４を固定する固定穴の配置を示し、上向きの三角印は制御基板の固定穴からボルトを差し込み、下側の基板ブラケット２３と接続する際の固定穴を示している。また、図中Ｂ，Ｃ及びＤ領域は、コネクタをクランプする領域である。なお、上向きの三角印の穴には、リブ４５及びリブ４５が集中するハブ４６が設けられている。このリブ４５とハブ４６により、制御基板２４の振幅を低減すべく、基板中央部に固定穴が増えるように配置したものである。なお、固定穴を決定するに当たり、質量を付与することにより周波数が変化する度合いを解析する感度解析を行い、変化する度合いの大きい場所に固定穴を設定した。一般的に、振動において、振幅が大きい腹の部分と振幅が小さい節とが発生する。ここで、腹の部分に所定の質量を付加することにより振動の周波数や振幅を低減することができるが、節の部分は質量を追加しても振動の特性に影響を与えず、逆に肉抜きをする事が可能である。
【００２９】
図１０は基板ブラケットの上に固定する制御基板２４を示している。一般に、ＬＳＩであるＩＣチップを基板上にレイアウトする際、ＩＣチップと配線領域の配置が重要となる。ＩＣチップの位置を何らかの事情により移動させることは、基板全体のレイアウトに影響を与えるからである。そこで、本実施形態では、上述した感度解析により、基板ブラケットと制御基板２４との固定点（穴）を予め決定し、ＩＣチップのレイアウトがその接続点上に来ないように配置をすると共に、配線のレイアウトを検討した。その結果、図１０に示すように、固定点を避けるようにしてＩＣチップがレイアウトされ、基板の振幅が大きくなる場所においては、ボルト、ハブ、リブなどを配置することにより質量を増加させて振幅を低減させることが可能となった。さらに、基板の板厚を例えばｔ＝１．６ｍｍからｔ＝２．０ｍｍに変更することや基板同士の固定位置をそれぞれ最適な位置に配置することで各基板の共振モードに合わせてボルトを配置することができるという利点もある。
【００３０】
なお、図１０の制御基板２４の四隅にあるボルト３８は、基板ブラケット、ドライブ基板及びパワーモジュールの振動モードを検討した結果、基板ブラケット２３に制御基板２４を固定するためだけではなく、制御基板２４をパワーモジュール２１に固定するようにしたことで、電力制御装置全体の振動の低下を実現している。
【００３１】
以上、上述したように、本実施形態に係る電力変換装置を用いることにより、トランスアクスルから伝達される振動に対し、各基板の共振モードに合わせたボルト配置が基板ブラケットにより可能になり、各基板の振動を低減することができる。また、基板の大きさ、基板の部品レイアウト及び振動低減に関する設計自由度が増える。また、ケーブルコネクタの変位を基板ブラケットに取付けたコネクタクランプにより抑制することで、ケーブルコネクタの耐震性が向上する。なお、本実施形態で固定穴に用いる固定具は、ボルトを使用したが、これに限定するものではなく、リベット、金属カシメ、溶着カシメなどにより固定してもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１０  トランスアクスル、１１，１２  モータジェネレータ、１３  インプットシャフト、１４  カウンタドライブギヤ、１８  ファイナルリングギヤ、１９  ドライブシャフト、２０  電力変換装置、２１  パワーモジュール、２２  ドライブ基板、２３  基板ブラケット、２４  制御基板、２５，３４，３６，３８  コネクタ、２６，１３３  スペーサ、２７，２８  ボルト、２９  高圧端子、３１，３２  パワーケーブル、３３  コネクタクランプ、３５  コネクタケーブル、３７  コネクタサポート、３８  ボルト、４１  ＩＧＢＴサポート部材、４４  金属ベース、４５  リブ、４６  ハブ、１００  インバータ装置、１０１  ベース、１０２  カバー、１０５  Ｕ相端子、１１１  ＩＭＳボード、１１２  ドライブボード、１１３  絶縁金属基板、１１３  スタッドボルト、１３１  スタッド、１３４  バスバ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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