(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を内蔵してなる半導体モジュール（２）と、
該半導体モジュールと共に積層配置されて半導体積層ユニット（１０）を構成する複数の冷却管（３）と、
上記半導体積層ユニットの積層方向（Ｘ）及び上記冷却管の長手方向である横方向（Ｙ）の双方に直交する高さ方向（Ｚ）から上記半導体積層ユニットに対向するように配置された制御回路基板（４）と、
上記半導体モジュールと外部出力端子（５１）との間の電流経路を構成する出力バスバ（５）と、
該出力バスバを流れる電流を測定する電流センサ（６）と、
上記半導体積層ユニット、上記制御回路基板、上記出力バスバ、及び上記電流センサを収容するケース（７）と、を有し、
上記電流センサは、上記冷却管に対して積層方向に重なる位置であって、上記制御回路基板に対して高さ方向に重なる位置に配されており、
上記電流センサは、高さ方向における上記制御回路基板側である下側に突出したセンサ端子（６１）を有し、
該センサ端子は、上記制御回路基板に接続されており、
上記電流センサは、積層方向における上記半導体積層ユニットの一方側に配されている、電力変換装置（１）。
【請求項２】
上記ケースは、高さ方向における上記半導体積層ユニットと上記制御回路基板との間に配される基壁部（７１）と、該基壁部の端縁から高さ方向の両側に立設された側壁部（７２）と、上記基壁部から高さ方向における下側と反対側である上側に向って立設された隔壁（７３）とを有し、
該隔壁は、上記側壁部の一部に横方向に対向して配された対向隔壁部（７３１）を有し、
上記隔壁の上端は、上記側壁部の上端よりも下側に位置しており、
上記出力バスバ及び上記電流センサは、モールド部材（８０）によって互いに一体化されて、積層方向に長尺な一体モジュール（８）を構成しており、
該一体モジュールは、横方向の一方の端面が上記側壁部の一部に横方向に隣接して対向すると共に、横方向の他方の端面が上記対向隔壁部に横方向に隣接して対向するように、上記側壁部と上記対向隔壁部との間に配されており、
上記基壁部は、上記電流センサと高さ方向に対向する領域の少なくとも一部に、高さ方向に貫通形成された孔部（７６）を有し、
上記センサ端子は、上記基壁部の上記孔部内を通って、上記制御回路基板に接続されている、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
上記対向隔壁部の一部には、該対向隔壁部の他の部位よりも上側に向って突出した突出部（７４）が形成されている、請求項２に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流センサを有する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、例えば直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと冷媒流路とを積層して積層体を構成したものが開示されている。また、上記電力変換装置は、半導体モジュールのスイッチング動作を制御する制御回路基板と、半導体モジュールと交流負荷とを接続するための出力バスバと、出力バスバに流れる電流を測定する電流センサとを有する。
【０００３】
上記電力変換装置は、電流センサと制御回路基板とが、冷媒流路の長手方向と、積層体の積層方向との双方に直交する高さ方向において、互いに積層体の反対側に配されている。そして、電流センサと制御回路基板とは、ケーブルを介して接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５３４４０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記電力変換装置においては、電流センサと制御回路基板とを接続するために、ケーブル等の別部材が必要となる。そのため、上記電力変換装置においては、コスト低減が図り難い。
【０００６】
また、電力変換装置内に、ケーブルを引き回すためのスペースが必要となる。そのため、電力変換装置が大型化しやすい。さらに、上記電力変換装置は、電流センサと制御回路基板とが、高さ方向において、互いに積層体の反対側に配されている。そのため、上記電力変換装置は、高さ方向にも大型化しやすい。
【０００７】
また、電流センサと制御回路基板とを、ケーブルを介して接続しているため、組立工数が増加しやすく、電力変換装置の生産性を向上させ難い。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、コスト低減、小型化、及び生産性向上を図ることができる電力変換装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、半導体素子を内蔵してなる半導体モジュール（２）と、
該半導体モジュールと共に積層配置されて半導体積層ユニット（１０）を構成する複数の冷却管（３）と、
上記半導体積層ユニットの積層方向（Ｘ）及び上記冷却管の長手方向である横方向（Ｙ）の双方に直交する高さ方向（Ｚ）から上記半導体積層ユニットに対向するように配置された制御回路基板（４）と、
上記半導体モジュールと外部出力端子（５１）との間の電流経路を構成する出力バスバ（５）と、
該出力バスバを流れる電流を測定する電流センサ（６）と、
上記半導体積層ユニット、上記制御回路基板、上記出力バスバ、及び上記電流センサを収容するケース（７）と、を有し、
上記電流センサは、上記冷却管に対して積層方向に重なる位置であって、上記制御回路基板に対して高さ方向に重なる位置に配されており、
上記電流センサは、高さ方向における上記制御回路基板側である下側に突出したセンサ端子（６１）を有し、
該センサ端子は、上記制御回路基板に接続されており、
上記電流センサは、積層方向における上記半導体積層ユニットの一方側に配されている、電力変換装置（１）にある。
【発明の効果】
【００１０】
上記電力変換装置においては、センサ端子が、制御回路基板に接続されている。それゆえ、電流センサと制御回路基板とを接続するために、ケーブル等の別部材を用いなくてもよい。それゆえ、コスト低減を図ることができる。
【００１１】
また、電流センサと制御回路基板とをケーブル等を介して接続する場合に必要となる、ケーブルを引き回すためのスペースを削減できる。それゆえ、電力変換装置の小型化を図ることができる。
【００１２】
また、電流センサと制御回路基板とを、ケーブル等を介して接続するよりも、組立工数を削減でき、電力変換装置の生産性を向上させやすい。
【００１３】
また、電流センサは、冷却管に対して積層方向に重なる位置であって、制御回路基板に対して高さ方向に重なる位置に配されている。それゆえ、電力変換装置全体の一層の小型化を図ることができる。
【００１４】
以上のごとく、本態様によれば、コスト低減、小型化、及び生産性向上を図ることができる電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態１における、電力変換装置の上面図。
【図２】実施形態１における、モールド部材を透視した電力変換装置の上面図。
【図３】図２の、III−III線矢視断面図。
【図４】図２の、IV−IV線矢視断面図。
【図５】実施形態１における、電力変換装置の下面図。
【図６】実施形態１における、電力変換装置の側面図。
【図７】実施形態１における、ケースの上面図。
【図８】実施形態１における、側壁部及び隔壁が、一体モジュールの傾きを規制している様子を示す図面。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施形態１）
電力変換装置に係る実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
本実施形態の電力変換装置１は、図２、図３に示すごとく、半導体モジュール２と複数の冷却管３と制御回路基板４と出力バスバ５と電流センサ６とケース７と、を有する。半導体モジュール２は、半導体素子を内蔵してなる。複数の冷却管３は、半導体モジュール２と共に積層配置されて半導体積層ユニット１０を構成する。図３、図５に示すごとく、制御回路基板４は、高さ方向Ｚから半導体積層ユニット１０に対向するように配置されている。ここで、高さ方向Ｚは、半導体積層ユニット１０の積層方向Ｘ及び冷却管３の長手方向である横方向Ｙの双方に直交する方向として定義される。図２に示すごとく、出力バスバ５は、半導体モジュール２と外部出力端子５１との間の電流経路を構成する。電流センサ６は、出力バスバ５を流れる電流を測定する。図１〜図６に示すごとく、ケース７は、半導体積層ユニット１０、制御回路基板４、出力バスバ５、及び電流センサ６を収容する。
【００１７】
図２、図３に示すごとく、電流センサ６は、冷却管３に対して積層方向Ｘに重なる位置であって、制御回路基板４に対して高さ方向Ｚに重なる位置に配されている。図３、図４に示すごとく、電流センサ６は、高さ方向Ｚにおける制御回路基板４側である下側に突出したセンサ端子６１を有する。センサ端子６１は、制御回路基板４に接続されている。図１、図２に示すごとく、本実施形態において、出力バスバ５及び電流センサ６は、モールド部材８０によって互いに一体化された一体モジュール８を構成している。一体モジュール８は、積層方向Ｘに長尺な形状を有する。なお、図２、図３においては、モールド部材８０を破線にて示している。
【００１８】
本実施形態の電力変換装置１は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載され、電源電力を駆動用モータの駆動に必要な駆動用電力に変換するインバータとして用いることができる。
なお、以下において、高さ方向Ｚにおける、電流センサ６に対する制御回路基板４側を下側、その反対側を上側という。また、積層方向Ｘの一方を前方、その反対側を後方という。
【００１９】
図１〜図４、図７に示すごとく、ケース７は、基壁部７１と側壁部７２と隔壁７３とを有する。図３に示すごとく、基壁部７１は、高さ方向Ｚにおける半導体積層ユニット１０と制御回路基板４との間に配される。また、図１〜図４、図７に示すごとく、側壁部７２は、基壁部７１の端縁から高さ方向Ｚの両側に立設されている。隔壁７３は、基壁部７１から上側に向って立設されている。隔壁７３は、側壁部７２の一部に横方向Ｙに対向して配された対向隔壁部７３１を有する。図３、図４に示すごとく、隔壁７３の上端は、側壁部７２の上端よりも下側に位置している。
【００２０】
図１、図２、図５、図７に示すごとく、基壁部７１は、矩形板状を呈している。基壁部７１は、厚み方向を高さ方向Ｚにしている。側壁部７２は、矩形枠体形状を有する。側壁部７２は、高さ方向Ｚにおける両側が開口している。図６に示すごとく、側壁部７２における高さ方向Ｚの両端部は、カバー１６によって閉塞されている。図６以外においては、カバー１６の図示を適宜省略している。
【００２１】
図１、図２、図７に示すごとく、ケース７内における基壁部７１の上側に形成された上側空間７０は、隔壁７３によって複数に分割されている。すなわち、隔壁７３は、対向隔壁部７３１の他に、対向隔壁部７３１の前後において、積層方向Ｘに直交するようにそれぞれ形成された前方隔壁部７３２及び後方隔壁部７３３を有する。前方隔壁部７３２は、ケース７の横方向Ｙの全体にわたって形成されている。後方隔壁部７３３は、対向部７３１の後端と、横方向Ｙの一方側の側壁部７２とをつなぐように形成されている。
【００２２】
そして、ケース７内の上側空間７０は、ユニット配置空間７０１、モジュール配置空間７０２、及びコンデンサ配置空間７０３に分割されている。ユニット配置空間７０１は、側壁部７２と前方隔壁部７３２と基壁部７１とによって囲まれて形成されている。モジュール配置空間７０２は、側壁部７２と前方隔壁部７３２と対向隔壁部７３１と基壁部７１とによって囲まれて形成されている。コンデンサ配置空間７０３は、側壁部７２と前方隔壁部７３２と対向隔壁部７３１と後方隔壁部７３３と基壁部７１とによって囲まれて形成されている。
【００２３】
ユニット配置空間７０１は、上側空間７０における前端部に位置している。図１、図２に示すごとく、ユニット配置空間７０１は、半導体積層ユニット１０が配置されている。ユニット配置空間７０１の後側に、モジュール配置空間７０２とコンデンサ配置空間７０３とが位置している。モジュール配置空間７０２とコンデンサ配置空間７０３とは、横方向Ｙに並んでいる。本実施形態において、モジュール配置空間７０２は、コンデンサ配置空間７０３よりも、横方向Ｙの寸法が小さい。モジュール配置空間７０２には、一体モジュール８が配置されており、コンデンサ配置空間７０３には、コンデンサ１１が配置されている。なお、コンデンサ１１は、電力変換装置１に入力される直流電圧を平滑化するものである。
【００２４】
図４、図５に示すごとく、ケース７内における基壁部７１の下側に形成された下側空間７００に、制御回路基板４が配されている。制御回路基板４は、半導体モジュール２のスイッチング動作を制御する。制御回路基板４は、矩形板状を呈しており、基壁部７１の下側から基壁部７１に対向するよう配されている。図３、図４に示すごとく、制御回路基板４は、少なくとも半導体積層ユニット１０及び電流センサ６と高さ方向Ｚに重なるように配されている。本実施形態において、制御回路基板４は、半導体積層ユニット１０、一体モジュール８、及びコンデンサ１１と高さ方向Ｚに重なる位置に配されている。
【００２５】
図１〜図３に示すごとく、半導体積層ユニット１０は、３つの半導体モジュール２を有する。半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子やＦＷＤ等のダイオードを内蔵してなる。図３に示すごとく、各半導体モジュール２は、下側に向って突出した制御端子２１と、上側に向って突出した正極端子２２、負極端子２３、及び交流端子２４を有する。制御端子２１は、基壁部７１におけるユニット配置空間７０１の下側の領域に設けられた制御端子挿通孔７５を通って、制御回路基板４のスルーホールにはんだ付けされている。また、図１〜図３に示すごとく、正極端子２２及び負極端子２３は、半導体モジュール２とコンデンサ１１とを接続するバスバ１２に接続されており、交流端子２４は、出力バスバ５に接続されている。
【００２６】
半導体モジュール２は、積層方向Ｘの両側面から、一対の冷却管３によって挟持されている。積層方向Ｘに隣り合う冷却管３同士は、横方向Ｙの両端部付近において、連結管３１によって連結されている。複数の冷却管３の前端に配された冷却管３の前端面は、側壁部７２の内周面に当接している。また、複数の冷却管３の前端に配された冷却管３は、冷却媒体を導入するための冷媒導入管３２と、冷却媒体を排出するための冷媒排出管３３とが前方に向って突出形成されている。冷媒導入管３２及び冷媒排出管３３は、側壁部７２を積層方向Ｘに貫通しており、ケース７の外側に突出している。
【００２７】
ユニット配置空間７０１における半導体積層ユニット１０の後方には、加圧部材１３が配されている。加圧部材１３は、例えば弾性変形可能な板バネとすることができる。加圧部材１３は、後端部において前方隔壁部７３２に支承されている。そして、加圧部材１３は、積層方向Ｘに圧縮された状態で配されている。これにより、加圧部材１３は、半導体積層ユニット１０を前方に向って押圧している。
【００２８】
図１〜図３に示すごとく、一体モジュール８は、出力バスバ５の一部及び電流センサ６を、樹脂等の絶縁材料からなるモールド部材８０に埋設してなる。一体モジュール８は、３つの半導体モジュール２の交流端子２４にそれぞれ接続される、３つの出力バスバ５を有する。各出力バスバ５は、金属の板材からなる。そして、図１、図２に示すごとく、本実施形態においては、出力バスバ５における交流端子２４に接続された側と反対側の端部が、上述の外部出力端子５１である。すなわち、本実施形態において、外部出力端子５１は、出力バスバ５の一部である。外部出力端子５１は、電力変換装置１と、モータ等の外部機器とを接続するための端子である。外部出力端子５１は、モールド部材８０から露出している。また、図６に示すごとく、ケース７の側壁部７２には、外部出力端子５１に向って開口した出力側開口孔７７が形成されている。
【００２９】
図２、図３に示すごとく、３つの出力バスバ５のうちの２つの出力バスバ５は、電流センサ６をそれぞれ貫通している。すなわち、電流センサ６は、出力バスバ５を、出力バスバ５の長手方向に直交する方向から囲むよう環状に形成されている。図２、図３に示すごとく、電流センサ６は、その一部が冷却管３に対して積層方向Ｘに重なる位置に配されている。また、電流センサ６は、その全体が制御回路基板４に対して高さ方向Ｚに重なる位置に配されている。
【００３０】
図３、図４に示すごとく、電流センサ６は、下側に突出したセンサ端子６１を有する。センサ端子６１は、金属の芯材からなるピン端子である。センサ端子６１の一部は、モールド部材８０から下側に露出している。ここで、図３、図４、図７に示すごとく、基壁部７１は、電流センサ６と高さ方向Ｚに対向する領域の少なくとも一部に、高さ方向Ｚに貫通形成された孔部７６を有する。そして、図３、図４に示すごとく、センサ端子６１は、基壁部７１の孔部７６内を通って、制御回路基板４に接続されている。センサ端子６１は、制御回路基板４のスルーホールにはんだ付けされている。すなわち、センサ端子６１は、制御回路基板４に直接接合されている。
【００３１】
図１、図２、図４に示すごとく、一体モジュール８は、横方向Ｙの一方の端面が側壁部７２の一部に横方向Ｙに隣接して対向している。また、一体モジュール８は、横方向Ｙの他方の端面が対向隔壁部７３１に横方向Ｙに隣接して対向している。このような状態で、一体モジュール８は、側壁部７２と対向隔壁部７３１との間に配されている。
【００３２】
図３に示すごとく、対向隔壁部７３１は、高さが一定の第一対向隔壁部７３１ａと、第一対向隔壁部７３１ａから後方に向かうにつれて高さが減少する第二対向隔壁部７３１ｂと、第二対向隔壁部７３１ｂから後方に延設され、高さが一定の第三対向隔壁部７３１ｃとを有する。また、対向隔壁部７３１の一部には、対向隔壁部７３１の他の部位よりも上側に向って突出した突出部７４が形成されている。本実施形態において、突出部７４は、第一対向隔壁部７３１ａの一部に形成されている。また、突出部７４は、積層方向Ｘの寸法が、各電流センサ６よりも小さい。図８に示すごとく、突出部７４の高さは、一体モジュール８が、積層方向Ｘに延びる軸を中心とした回転方向に傾いた状態でモジュール配置空間７０２に配設されようとしても、制御端子２１がケース７に干渉しないような高さとなるよう設計されている。なお、図３、図４に示すごとく、突出部７４の上端は、側壁部７２の上端よりも下側に位置している。
【００３３】
図１〜図３に示すごとく、一体モジュール８の後端部は、電力変換装置１に直流電源を接続するための外部入力端子１４を載置する端子台８１となっている。外部入力端子１４は、バスバ１５を介してコンデンサ１１と接続されている。また、図６に示すごとく、ケース７の側壁部７２には、外部入力端子１４に向って開口した入力側開口孔７８が形成されている。
【００３４】
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
電力変換装置１においては、センサ端子６１が、制御回路基板４に接続されている。それゆえ、電流センサ６と制御回路基板４とを接続するために、ケーブル等の別部材を用いなくてもよい。それゆえ、コスト低減を図ることができる。
【００３５】
また、電流センサ６と制御回路基板４とをケーブル等を介して接続する場合に必要となる、ケーブルを引き回すためのスペースを削減できる。それゆえ、電力変換装置１の小型化を図ることができる。
【００３６】
また、電流センサ６と制御回路基板４とを、ケーブル等を介して接続するよりも、組立工数を削減でき、電力変換装置１の生産性を向上させやすい。
【００３７】
また、電流センサ６は、冷却管３に対して積層方向Ｘに重なる位置であって、制御回路基板４に対して高さ方向Ｚに重なる位置に配されている。それゆえ、電力変換装置１全体の一層の小型化を図ることができる。
【００３８】
また、一体モジュール８は、積層方向Ｘに長尺な形状を有する。それゆえ、一体モジュール８をケース７に組み付ける際、一体モジュール８が横方向Ｙに延びる軸を中心とした回転方向に傾き難い。さらに、一体モジュール８は、横方向Ｙの一方の端面が、側壁部７２の一部に横方向Ｙに隣接して対向すると共に、横方向Ｙの他方の端面が対向隔壁部７３１に横方向Ｙに隣接して対向するように側壁部７２と対向隔壁部７３１との間に配されている。それゆえ、一体モジュール８をケース７に組み付ける際、一体モジュール８が積層方向Ｘに延びる軸を中心とした回転方向に傾き難い。すなわち、図８に示すごとく、たとえ一体モジュール８が積層方向Ｘに延びる軸を中心とした回転方向に傾いた状態で、ケース７のモジュール配置空間７０２に配設されようとしても、側壁部７２と対向隔壁部７３１とによって、この傾きを規制できる。
【００３９】
上述のように、組み付け時におけるケース７に対する一体モジュール８の傾きを抑制することができることにより、ケース７に対する一体モジュール８の組み付け時におけるセンサ端子６１の先端位置がずれることを抑制できる。これにより、組み付け時に、センサ端子６１が、基壁部７１に干渉し、変形することを防ぐことができる。
さらに、組み付け時におけるケース７に対する一体モジュール８の傾きを抑制することができることにより、基壁部７１の孔部７６を小さくしても、センサ端子６１が孔部７６周囲の基壁部７１に干渉することを抑制できる。それゆえ、孔部７６を必要最小限の大きさにしやすい。これにより、孔部７６を介して、基壁部７１の一体モジュール８側から制御回路基板４側へ電磁ノイズが伝播することを抑制しやすい。
【００４０】
また、対向隔壁部７３１の一部には、突出部７４が形成されている。それゆえ、突出部７４にて、一体モジュール８の積層方向Ｘに延びる軸を中心とした回転方向の傾きを抑制できると共に、対向隔壁部７３１における突出部７４以外の部位の高さを低くすることができる。それゆえ、ケース７に電力変換装置１の構成部品を組み付ける際、電力変換装置１の構成部品を対向隔壁部７３１に干渉させることなく、スムーズに組み付けることができる。それゆえ、電力変換装置１の製造効率を向上させることができる。
【００４１】
以上のごとく、本実施形態によれば、コスト低減、小型化、及び生産性向上を図ることができる電力変換装置を提供することができる。
【００４２】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、上記実施形態においては、電流センサの一部が、冷却管に対して積層方向に重なる位置に配されている形態を示したが、電流センサの全体が、冷却管に対して積層方向に重なる位置に配されていても良い。また、上記実施形態においては、電流センサの全体が、制御回路基板に対して高さ方向に重なる位置に配されている形態を示したが、電流センサの一部が、制御回路基板に対して高さ方向に重なる位置に配されていても良い。そして、電力変換装置の小型化の観点から、電流センサは、その全体が、冷却管に対して積層方向に重なる位置であって、制御回路基板に対して高さ方向に重なる位置に配されていることが好ましい。
【符号の説明】
【００４３】
１  電力変換装置
１０  半導体積層ユニット
２  半導体モジュール
３  冷却管
４  制御回路基板
５  出力バスバ
５１  外部出力端子
６  電流センサ
６１  センサ端子
７  ケース
Ｘ  積層方向
Ｙ  横方向
Ｚ  高さ方向
【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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