(57)【要約】【目的】ハイブリッド自動車及び電気自動車が走行時に於ける加速と減速により温度変化が伴うパワーサイクルや温度サイクルに対して高寿命で且つ高信頼性を確保でき、また、小型で軽く低コストを実現できるインバータ装置を提供する。【解決手段】モータ駆動用のインバータパワーユニットには大電流基板を備え、当該大電流基板にはパワーデバイスと当該パワーデバイスのゲートを駆動するドライバＩＣとモータの相間電流と直流電流検出用電流センサと外部負荷とバスバーとが実装され、前記パワーデバイスとコンデンサを冷却する水冷熱交換器を備え、前記パワーデバイスを駆動する大電流基板とは別の制御基板を前記コンデンサ固定台に固定することで大電流基板とコンデンサと制御基板とを一体化し、これらを筐体に埋設する。【選択図】図１
2007020238.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ駆動用のインバータパワーユニットには大電流基板を備え、当該大電流基板にはパワーデバイスと当該パワーデバイスのゲートを駆動するドライバＩＣとモータの相間電流と直流電流検出用電流センサと外部負荷とバスバーとが実装され、前記パワーデバイスとコンデンサを冷却する水冷熱交換器を備え、前記パワーデバイスを駆動する大電流基板とは別の制御基板を前記コンデンサ固定台に固定することで大電流基板とコンデンサと制御基板とを一体化し、これらを筐体に埋設することを構造を特徴とする自動車用インバータユニット。
【請求項２】
バスバーは、電源への強電端子への接続を行うバスバーの一部と一体化して構成していることを特徴とする請求項１に記載の自動車用インバータユニット。
【請求項３】
モータ駆動用のインバータパワーユニットはハイブリッド自動車或いは電気自動車のモータ制御であることを特徴とする請求項１に記載の自動車用インバータユニット
【請求項４】
パワーデバイスを直接冷却する水冷熱交換器の裏面にコンデンサを直接配置し、パワーデバイスとコンデンサを同時に冷却可能な構造としたことを特徴とする請求項１に記載の自動車用インバータユニット。
【請求項５】
コンデンサを熱交換器に設置するコンデンサ固定バンドを用いてコンデンサ胴体部の固定と熱交換部分への押さえ込み固定を併用すると共に、前記固定バンドを金属成形により形成し、当該固定バンドに平面部を設けることでパワーデバイスからの高周波スイッチングノイズを遮蔽することを特徴とする請求項１に記載の自動車用インバータユニット。
【請求項６】
パワーデバイスと直流電源平滑用コンデンサの発熱を熱交換器の温度に均一化することで、制御基板に搭載されるマイクロプロセッサなどへの発熱による影響を遮断可能な如く熱交換器とコンデンサ固定バンドを用いることを特徴とする請求項１に記載の自動車用インバータユニット。
【請求項７】
強電端子台を銅系バスバー材と熱可塑性樹脂にて製作し、筐体用金属ケースに設置。筐体用金属ケースの開口部を極力端子接続部分の形状に合わせて小さくすることを特徴とする請求項１に記載の自動車用インバータユニット。
【請求項８】
不活性炉にて熱処理を施し応力緩和を行った強電端子を備えることを特徴する請求項１に記載の自動車用インバータユニット。
【請求項９】
強電端子へ接続される強電ハーネスのシールドと筐体を接地すると共に端子接続部を金属遮断し放射ノイズの抑制ができるシールド一体型カバーを備えることを特徴とする請求項１に記載の自動車用インバータユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインバータユニットに関し、特にハイブリッド自動車用モータに使用される高出力モータを制御するインバータユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ハイブリッド自動車用モータ等の高出力モータにおいてはパワーデバイスが使用されたインバータユニットが知られている。このインバータユニットの構造は、例えば特開平１１−３４６４８０号公報に開示されているように、半導体デバイス（以下「パワーデバイス」）と窒化アルミニウム(AlN)絶縁基板が高温ハンダにより接合され、また、窒化アルミニウム絶縁基板と材質が主にAl-SiCまたはCu-Mo等にて使用されたヒートシンクとが低温ハンダにより接合され、ヒートシンクが熱グリス等によりヒートシンク等の専用の冷却器に接合され、このヒートシンクにパワーデバイスが搭載されている他方面に冷却水を流しパワーデバイスを冷却している。更に、電気接続部材である大量のバスバーが必要であり、パワーデバイスとバスバー及び絶縁基板を大量にAlワイヤボンディングにて電気的接続された構造となっている。
【特許文献１】特開平１１−３４６４８０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら上述した従来のインバータユニットにおいては次のような問題が生じている。すなわち、１点目に大型化及び高熱抵抗がある。これは、パワーデバイスと窒化アルミニウム絶縁基板及びヒートシンクとがハンダ接合され、このヒートシンクが専用の冷却器に接合されると、パワーデバイスからヒートシンクまでの部品が多数存在することで、パワーデバイスからヒートシンクまでの熱抵抗Rthを低減させるために、パワーデバイスの寸法サイズを大きくする必要がある。さらに、Al-SiCまたはCu-Mo等を使用しヒートシンクサイズを大きくすることで熱容量が高く、過渡熱損失を緩和（パワーデバイスの接合部温度が飽和するまでに達する熱時定数τが大）されるため、モジュール全体サイズが大型になる。またパワーデバイスにAlワイヤボンディング接合されているパワーモジュールは、パワーモジュールからの接続に膨大なバスバーを空中配線しており、バスバー接続部の強電部と周辺部品への絶縁などを施すため、空間距離や絶縁シートなどを駆使し絶縁を確保しているため、形状が大きくなっている。また、強電端子を接続する部位は一般的に１０ｓｑmm〜２０ｓｑｍｍ程度のハーネス（シールド用編組線）を用い、パワーユニット側は防水を保つためと、且つ電波シールドを行えるコネクタを用いているが、投影的にも途出量が大きく外観上大きくなっていた。
【０００４】
２点目に信頼性が低い。これは、パワーデバイスと窒化アルミニウム絶縁基板とがハンダ接合され、また、パワーデバイスにAlワイヤボンディング接合されているため、パワーサイクル試験において、接続されているAlワイヤが電流集中により溶断される可能性があることから信頼性が低い。一方、配線のインダクタンスが高くオーバーシュート電圧が高くなりパワーデバイスが発熱、破壊を起こし信頼性が低い。
【０００５】
３点目に重量が重くなる。これは、パワーデバイスと窒化アルミニウム絶縁基板及びヒートシンクとがハンダ接合され、ヒートシンクと窒化アルミニウム絶縁基板及びパワーデバイスの熱膨張係数の差によりヒートシンクの材質にはAl-SiCまたはCu-Mo等を使用されている。また、Al-SiCまたはCu-Mo等を使用することで熱容量が高く、過渡熱損失を緩和（パワーデバイスの接合部温度が飽和するまでに達する熱時定数τが大）された役割を果たしている構造のため、重量が重くなりコストも高くなる。また、パワーデバイスと窒化アルミニウム絶縁基板及びヒートシンクとがハンダ接合され、更にAlワイヤボンディング接続されていることからリワーク性が困難である。更に、ヒートシンクの材質やパワーデバイスを冷却する専用の冷却器への配管が必要であることからも高コストとなっている。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑み、ハイブリッド自動車及び電気自動車が走行時に於ける加速と減速により温度変化が伴うパワーサイクルや温度サイクルに対して高寿命で且つ高信頼性を確保でき、また、小型で軽く低コストを実現できるインバータ装置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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明では次のような構成とする。すなわち、請求項１では、モータ駆動用のインバータパワーユニットには大電流基板を備え、当該大電流基板にはパワーデバイスと当該パワーデバイスのゲートを駆動するドライバＩＣとモータの相間電流と直流電流検出用電流センサと外部負荷とバスバーとが実装され、前記パワーデバイスとコンデンサを冷却する水冷熱交換器を備え、前記パワーデバイスを駆動する大電流基板とは別の制御基板を前記コンデンサ固定台に固定することで大電流基板とコンデンサと制御基板とを一体化し、これらを筐体に埋設することを構造を特徴とする自動車用インバータユニットとする。前記バスバーは、電源への強電端子への接続を行うバスバーの一部と一体化して構成してもよい。モータ駆動用のインバータパワーユニットはハイブリッド自動車或いは電気自動車のモータ制御に使用されるものであってもよい。
【０００８】
パワーデバイスを直接冷却する水冷熱交換器の裏面にコンデンサを直接配置し、パワーデバイスとコンデンサを同時に冷却可能な構造としたことを特徴とする請求項１に記載の自動車用インバータユニットとしてもよい。
【０００９】
コンデンサを熱交換器に設置するコンデンサ固定バンドを用いてコンデンサ胴体部の固定と熱交換部分への押さえ込み固定を併用すると共に、前記固定バンドを金属成形により形成し、当該固定バンドに平面部を設けることでパワーデバイスからの高周波スイッチングノイズを遮蔽することを特徴とする請求項１に記載の自動車用インバータユニットとしてもよい。
【００１０】
パワーデバイスと直流電源平滑用コンデンサの発熱を熱交換器の温度に均一化することで、制御基板に搭載されるマイクロプロセッサなどへの発熱による影響を遮断可能な如く熱交換器とコンデンサ固定バンドを用いることを特徴とする請求項１に記載の自動車用インバータユニットとしてもよい。
【００１１】
強電端子台を銅系バスバー材と熱可塑性樹脂にて製作し、筐体用金属ケースに設置。筐体用金属ケースの開口部を極力端子接続部分の形状に合わせて小さくすることを特徴とする請求項１に記載の自動車用インバータユニットとしてもよい。
【００１２】
不活性炉にて熱処理を施し応力緩和を行った強電端子を備えることを特徴する請求項１に記載の自動車用インバータユニットとしてもよい。
【００１３】
強電端子へ接続される強電ハーネスのシールド（編祖部位）部位と筐体を接地し、且つ、ボルトなどによって接続された端子接続部を金属遮断し、放射ノイズの抑制ができるシールド一体型カバーを備えることを特徴とする請求項１に記載の自動車用インバータユニットとしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
パワーデバイスを直接冷却する水冷熱交換器の裏面を用いて直流電源平滑用コンデンサを同時に冷却する構造によって冷却構造を簡素化でき、小型化が可能になる。また、コンデンサを熱交換器に設置するコンデンサ固定バンドを用いて、コンデンサ胴体部の固定と熱交換部分への押さえ込み固定を併用すると共に、その金属部品の形状に平面部を設けることで、パワーデバイスのＰＷＭ制御などによって発生する高周波スイッチングノイズの影響を制御基板への金属遮蔽が可能になる。また、熱交換器とコンデンサ固定バンドを用いることによって、パワーデバイス、直流電源平滑用コンデンサの発熱を熱交換器の温度に均一化する事で、制御基板に搭載されるマイクロプロセッサなどへの発熱による影響を遮断する。また、強電端子台（例えば３相モータ各相の端子や直流電源の入力端子）を銅系バスバー材と熱可塑性樹脂にて製作し、筐体用金属ケースに設置、筐体用金属ケースの開口部を極力端子接続部分の形状に合わせて小さくすることで外部へのノイズ漏洩を抑えられる。また、不活性炉にて熱処理を施し、応力緩和を行った強電端子を使用することで、強電端子台に同時成型された端子は側面部厚さを考慮し、成型後、相手側端子のネジ止め用ナットを端子で蓋をする形状になっているが、端子を上下に曲げる際の端子に施したメッキが曲げ部にて亀裂発生するため、端子打ち抜き後の歪み及びメッキの異種金属歪みが緩和できる。また、強電端子へ接続される強電ハーネスのシールド（編祖部位）部位と筐体を接地し、且つ、ボルトなどによって接続されたシールド一体型カバーを設けることで、端子接続部を金属遮断することで放射ノイズの抑制ができる。
【実施例】
【００１５】
次に本発明の実施例について述べる。本発明の自動車用インバータユニットの各方向から見た組み立て図を図１から図６に示す。当該自動車用インバータユニットはハイブリッド自動車或いは電気自動車のモータ駆動用に使用されている。これらの図において、モータを駆動するパワーデバイス１は、熱抵抗が小さく且つ熱容量が小さい絶縁されたアルミワイヤを施さないパッケージであり、当該パッケージ両端から出力されるリードフレームに大電流を流すために必要なバスバー３を内蔵した大電流基板２に均等配置され実装される。
【００１６】
また、パワーデバイス１を駆動するためのゲート駆動用ＩＣや外部強電端子へ出力するために必要なバスバー３、モータの相間電流及び直流電源電流測定用電流センサ（以下「電流センサ」）４を大電流基板２に配置して一括のはんだ接合をフロー方式等で行う。実装されたパワーデバイス１の表面は後に述べる熱交換器５と均一に接触させるため、はんだ接合時には平面均衡化を行うための治具などによる固定を行い、パワーデバイス１表面を大電流基板２表面に対し均等化している。
【００１７】
はんだ接合を施した大電流基板２上のパワーデバイス１表面には高放熱性グリスまたは高放熱性接着剤（以下「グリス類」）を均一に薄く塗布し、熱交換器５を大電流基板２にネジによって固定する。グリス類は１Ｗ／ｍ・Ｋ〜１０Ｗ／ｍ・Ｋと幅広く使用が可能である。この際、パワーデバイス１のリードフレームは熱交換器５と大電流基板３によって機械的に押さえ込まれるため、スプリングバックが可能なようにリードフレーム根本に曲げを施している。この機械的にパワーデバイス１表面を押さえ込むことによって熱抵抗の高いグリス類の厚さは、グリス類に含まれる放熱用フィラーの最大サイズ迄押さえ込まれる。この厚さは２０ｕｍ〜５０ｕｍまでが望ましい。
【００１８】
大電流基板２の熱交換器固定部分６は、一般的多層ガラスエポキシ基板に０．８ｍｍ程度のバスバーを内蔵しており、バスバー部位をガラスエポキシ部位より露出する事で、強固なネジ締めが可能である。
【００１９】
大電流基板２に固定された熱交換器５のパワーデバイス１接触裏面側には、直流電源平滑用コンデンサ（以下「コンデンサ」）７を固定する形状になっており、そこへパワーデバイス１と熱交換器５を接続した際に用いたグリス類を塗布して、コンデンサ７を配置する。
【００２０】
また、コンデンサ７の上面にコンデンサ固定バンド８によって機械的にコンデンサ７を固定する事で、熱交換機５に均一に密着させる。コンデンサ固定バンド８は熱交換器５にネジによって固定される。当該行為によって熱交換器５の両面のパワーデバイス１とコンデンサ７を冷却することが可能である。当該コンデンサ固定バンド８はコンデンサ胴体部固定部と平面部を有し、平面部は可能な限りの拡大を行うことでパワーデバイス１のＰＷＭ制御などによって発生するスイッチングノイズを電磁遮へいすると共に、コンデンサ７やパワーデバイス１で発生した熱を熱交換器５に両面設置することで、輻射熱による温度上昇を抑制する。コンデンサ固定バンド８上へはパワーデバイスを制御する制御基板９がネジによって取り付けられ、大電流基板２と制御基板９は信号の入出力に必要なハーネス群１０で接続される。
【００２１】
次に外装部に関して説明する。先に述べた大電流基板２に実装された強電端子１７への接続用バスバー３を取り付けるための外部端子台は、図４と図５に示す如く、当該パワーユニットの内部接続と外部接続を行うため、強電端子台１７を成型した後、端子１６の両端１６ａと１６ｂとを上下に端子を折り曲げることによって側面よりの距離を極限に抑制している。成型後の端子１６折り曲げの際は、各端子１６への固定を行う際に必要なナット１９ａと１９ｂとを成型時に形成したナット挿入部位へ挿入後に端子１６を上下に折り曲げることで、ナット１９の固定及び落下を防止する。また、当該強電端子台１７は筐体１２側面に開口する開口部１８に取り付けられる。
【００２２】
同時成型する端子１６には、相手側の端子に施してある表面処理に近似した合金で表面処理されている。端子１６は、高圧プレス等によって切断されるため、プレス時の残留応力があり、成型後の上下への端子折り曲げ時に残留応力の解放によって、端子１６に割れを生じる。併せて先に述べた表面処理を行ったメッキ部も端子の曲げ時に発生する割れに同調し、割れを生じるため、メッキ処理後、窒素置換炉によって焼き鈍しを約２００〜３００℃で行うことで、端子１６の曲げ時に端子本体及びメッキとも割れを抑制することが可能である。窒素還元炉は表面に施したメッキの酸化防止に封入する程度のため、変色無き程度の酸素濃度例えば５，０００ｐｐｍ〜２０，０００ｐｐｍ程度が望ましい。
【００２３】
外装ケースとする筐体１２はアルミニュームなどダイカストで製作され、先に製作された電気回路部と強電端子台１７及び熱交換器５への外部配管取り付け部、筐体１２密閉時の呼吸弁取り付け部、車両コンピュータよりの制御信号入出力線取り出し部分、筐体密閉用蓋とその間のパッキンから構成される。
【００２４】
端子台１７の端子１６にナット１９を挿入し、曲げた物を、筐体１２の側面に設けた開口部１８に接着剤などで接続及び固定する。接着後にシールド一体カバー１４をボルト１３を端子台四隅に設置することで、接着部へのシール性劣化の防止を図る。前記電気回路部を筐体１２内に挿入し、側面の熱交換器の外部配管取り出し部分にパッキンを返して強固にネジ止めする。大電流基板２に実装されたバスバー３と端子台筐体内部側端子へ強固にネジ止めすることで、電気回路部を筐体１２と固定する。通常は大電流基板を筐体内部底面へネジ固定するが、熱交換器５の外部配管取り出し方向によっては当該締め付けを行う方が締め付けによる歪みを残すことなく、車両の振動などによる共振で部品破壊することも防止できる。
【００２５】
電気回路部から出力される車両コンピュータへの制御信号入出力線取り出しは、ハーネスにゴム製ワイヤブッシングを貫通させた物で、筐体１２側面にブッシングによって固定される。
【００２６】
全内容物が挿入固定された後、筐体上面へパッキンを施し、蓋を搭載しネジ止めを行うことで密閉されたインバータパワーユニットとなる。
【００２７】
熱交換器５への配管は、中継パイプを用いて熱交換器に挿入し、中継パイプフランジ部をパッキンを返して筐体に固定する。中継パイプの熱交換器挿入部にはＯリングが有り、中継パイプと熱交換器嵌合部よりの水漏れを防止する。本インバータパワーユニットは過酷な自動車環境下での使用されるため、ゴム製パッキンとＯリング及びハーネスブッシングについては耐オイル性を考慮したシリコーンゴムを使用している。
【００２８】
また、車両側からくる強電ハーネスは高周波スイッチングされる大電流を流すため、１０〜２０ｓｑｍｍの同軸シールド線を一般的に用いる。同軸ハーネスの編組部分をハーネス端子取り付け部より約１５ｍｍ程度手前にて折り返し編組部分を露出しておき、当該パワーユニットの強電端子部へフランジボルト等を用いて強豪に接続する。前記同軸ケーブルの折り返した編組部分は当該ユニットの外装部ハーネス着座位置に設置される。同類の強電ハーネスを全て強電端子へ固定の後、シールドカバーにて端子接続部を金属でカバーする。その際、先に述べた編組部位をシールドカバーのハーネス固定部によって押さえ込み、筐体１２との安定した同電位を確保できる。当然筐体１２は車両の金属部（エンジンやトランスミッション）に固定されるため、車両での接地を十分に確保でき、ハーネス、端子接続部のシールドを確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のインバータユニットの斜視図を示す
【図２】本発明のインバータユニットの斜視図を示す
【図３】本発明のインバータユニットの斜視図を示す
【図４】図３の矢印Ａ方向から見た図である
【図５】図３の矢印Ｂ方向から見た図である
【図６】本発明のインバータユニットの斜視図を示す
【符号の説明】
【００３０】
１  パワーデバイス
２  大電流基板
３  バスバー
４  電流センサ
５  熱交換器
６  熱交換器固定部
７  コンデンサ
８  固定バンド
９  制御基板
１０  ハーネス群
１１  シールド
１２  筐体
１３  ボルト
１４  シールド一体カバー
１５  端子接続部
１６  端子
１７  強電端子台
１８  開口部
【図１】
2007020238.tif 000003
【図２】
2007020238.tif 000004
【図３】
2007020238.tif 000005
【図４】
2007020238.tif 000006
【図５】
2007020238.tif 000007
【図６】
2007020238.tif 000008