(57)【要約】【課題】接合のためのビームを半導体モジュール又はバスバーの端子の斜め方向から走査して照射した場合でも、これらの端子間の接合が安定した電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、隣接して配置された複数の半導体モジュール１０と、複数の半導体モジュール１０の端子１１にそれぞれ接合された端子２１を有するバスバーとを備え、半導体モジュール１０の端子１１又はバスバーの端子２１は接合のためのビーム６０が照射される領域２２に凹凸部２３を有し、凹凸部２３表面の傾斜は、接合のためのビーム６０のビーム源からの距離が大きくなるほど大きくなるように形成されているものである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣接して配置された複数の半導体モジュールと、
前記複数の半導体モジュールの端子にそれぞれ接合された端子を有するバスバーとを備え、
前記半導体モジュールの端子又は前記バスバーの端子は前記接合のためのビームが照射される領域に凹凸部を有し、
前記凹凸部表面の傾斜は、前記接合のためのビームのビーム源からの距離が大きくなるほど大きくなるように形成されている
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】
電力の交流／直流間の変換、電圧の変換などを行う電力変換装置がハイブリッド車両に用いられている。特許文献１には、電力変換装置において、インバータ及び昇圧コンバータの複数の半導体モジュールの端子と、バスバーの端子とを接続することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２４９４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
背景技術に係る電力変換装置では、複数の半導体モジュールの板状の端子を隣接して配置している。このため、これらの端子とバスバーの板状の端子とを接触させてレーザ光で溶接により接合するときに、バスバーの端子に対してレーザ光を斜め上方向から走査しながら照射する必要があった。
【０００５】
そして、レーザ光の入射方向と端子表面の法線とがなす角度（以下、「レーザ入射角」という。）がバスバーの端子表面上の照射位置によって異なり、この照射位置によってレーザ光の反射率も異なるため、レーザ光の照射光量が一定である場合には照射位置によって端子間の未接合やレーザ光が端子を貫通するなどの接合不良が発生することが考えられた。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、接合のためのビームを半導体モジュール又はバスバーの端子の斜め方向から走査して照射した場合でも、これらの端子間の接合が安定した電力変換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】
本発明に係る電力変換装置は、隣接して配置された複数の半導体モジュールと、当該複数の半導体モジュールの端子にそれぞれ接合された端子を有するバスバーとを備え、半導体モジュールの端子又はバスバーの端子は接合のためのビームが照射される面に凹凸部を有し、凹凸部表面の傾斜は、接合のためのビームのビーム源からの距離が大きくなるほど大きくなるように形成されているものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、接合のためのビームを半導体モジュール又はバスバーの端子の斜め方向から走査して照射した場合でも、これらの端子間の接合が安定した電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る電力変換装置１の端子１１、２１間の接合を説明するための図である。
【図２】実施の形態１に係る電力変換装置１の端子１１、２１間の接合を説明するための別の図である。
【図３】実施の形態１に係るレーザ照射領域２２の断面形状を説明するための図である。
【図４】実施の形態１に係るレーザ光６０の照射位置と、角度α、βとの関係を示す図である。
【図５】実施の形態２に係るレーザ光６０の照射位置と表面状態に基づく反射との関係を示す図である。
【図６】実施の形態２に係るレーザ光の照射位置とレーザ光の反射率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して各実施の形態に係る電力変換装置について説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態１に係る電力変換装置は、バスバーの端子の表面におけるレーザ光を走査して照射する領域（以下、「レーザ照射領域」という。）に略三角波形状の凹凸部を設け、レーザ照射領域のどの部分においてもレーザ入射角が略０度になるようにし、レーザ光の照射光量が一定である場合に、レーザ照射領域の全領域においてレーサ光の反射光量が略一定になるようにして、端子間の安定した接合を得るようにしたものである。
【００１１】
本実施の形態１に係る電力変換装置は、インバータ又は昇圧コンバータを構成する複数の半導体モジュール、コンデンサ、複数の半導体モジュールとコンデンサとを電気的に接続するバスバーなど、背景技術に係る電力変換装置と概略同等の構成を備えており、本明細書では、本実施の形態１に係る電力変換装置の各構成の詳細についての図示及び説明を省略する。電力変換装置の各構成の詳細については、例えば、特許文献１を参考にされたい。
【００１２】
図１は、本実施の形態１に係る電力変換装置１の端子１１、２１間の接合を説明するための図である。
電力変換装置１の筐体（ケース）４０の中には複数の半導体モジュール（半導体カード）１０が隣接して配置されており、また、半導体モジュール１０の間には半導体モジュール１０を冷却するための冷却器３０がそれぞれ配置されている。すなわち、電力変換装置１の筐体４０中には半導体モジュール１０が冷却器３０を介して多段に積層されている。
【００１３】
そして、半導体モジュール１０の板状のパワー端子（電極）１１と、この端子１１に通電するためのバスバー（図示せず）の板状の端子（電極）２１とを溶接により接合するときには、端子１１と端子２１とを接触させ、固定レーザ光源（図示せず）が出力したレーザ光６０をガルバノレンズのようなレーザ光レンズ６１を介して端子２１の斜め上方向から照射して端子２１表面で走査する。
【００１４】
図２は、本実施の形態１に係る電力変換装置１の端子１１、２１間の接合を説明するための別の図である。図１の楕円形の破線で囲んだ部分を中心に拡大した図である。バスバーの端子２１の一部がハッチングで示されているが、これはレーザ照射領域２２を分りやすくするためのものであり、この部分が別の部品や材料で構成されていることを意味するものではない。なお、半導体モジュール１０の端子１１及びバスバーの端子２１は、銅、アルミ、鉄などで構成される。
【００１５】
図２からも明らかなように、仮にレーザ照射領域２２の表面が平坦ならば、レーザ光６０をレーザ照射領域２２の上側部分（Ａ部）で走査したときのレーザ入射角θは小さく、また、レーザ光６０をレーザ照射領域２２の下側部分（Ｃ部）で走査したときのレーザ入射角θは大きく、照射位置（Ａ部〜Ｃ部）によりレーザ入射角θが大きく変化する。このため、レーザ光６０の照射位置によってレーザ光６０の反射率も大きく変化して、溶接による接合の安定性（均一性）が失われることがある。そこで、本実施の形態１に係るレーザ照射領域２２は、次に説明する略三角波状の凹凸部を有して、レーザ入射角θができるだけ０度に近くなるように、すなわち、レーザ光６０が端子２１の表面に対してできるだけ垂直に入射するようにしている。
【００１６】
図３は、本実施の形態１に係るレーザ照射領域２２の断面形状を説明するための図である。図２のハッチング部分を拡大した図である。図３（ａ）はレーザ照射領域２２の上側部分（すなわち、図２のＡ部）の断面を示し、図３（ｂ）はレーザ照射領域２２の中央部分（図２のＢ部）の断面を示し、図３（ｃ）はレーザ照射領域２２の下側部分（図２のＣ部）の断面を示す。
【００１７】
なお、本明細書では説明を分りやすくするために、仮にレーザ照射領域２２に凹凸部がなく表面が平坦であった場合の、当該レーザ照射領域２２を含むような平面を「仮想端子平面」と呼び、当該仮想端子平面の法線を「仮想端子法線」と呼ぶ。例えば、図３（ａ）中の一点鎖線ａは仮想端子平面と平行な面の位置を示し、一点鎖線ｂは仮想端子法線の方向を示す。
【００１８】
図３（ａ）に示すように、レーザ照射領域２２の上側部分では、凹凸部（微細構造部）２３Ａの表面は、単位面積当たりの凹凸数が少なく、仮想端子法線となす角度β１が大きく、仮想端子平面に対して傾斜が小さく形成されている。
また、図３（ｂ）に示すように、レーザ照射領域２２の中央部分では、凹凸部２３Ｂの表面は、単位面積当たりの凹凸数が少し多く、仮想端子法線となす角度β２が角度β１よりも小さく、仮想端子平面に対して傾斜が少し大きく形成されている。
【００１９】
更に、図３（ｃ）に示すように、レーザ照射領域２２の下側部分では、凹凸部２３Ｃの表面は、単位面積当たりの凹凸数が多く、仮想端子法線となす角度β３が角度β２よりも更に小さく、仮想端子平面に対して傾斜が大きく形成されている。
このような凹凸部２３の構成により、レーザ光６０の入射方向と凹凸部２３の表面とがなす角度α１〜α３はそれぞれ９０度近くになり、レーザ入射角θ１〜θ３はそれぞれ０度に近くなる。
【００２０】
なお、凹凸部２３は、バスバーの端子２１に機械加工、プレス加工、レーザ加工、エッチングなどの処理を行い、表面の凹凸の高低差が数μｍ〜数ｍｍ程度になるように成型されている。
【００２１】
図４は、本実施の形態１に係るレーザ光６０の照射位置と角度α、βとの関係を示す図である。
レーザ光６０の照射位置が下側になる（Ａ部→Ｃ部）に従って、レーザ光６０の入射方向と仮想端子法線となす角度βを小さくして、レーザ光６０の入射方向と凹凸部２３表面とがなす角度αを９０度近くに維持している。
【００２２】
このように、レーザ照射領域２２の上側から下側にかけて、凹凸部２３表面を仮想端子平面に対して徐々に傾斜が大きくなるように形成することで、レーザ照射領域２２内のどの位置においてもレーザ入射角θを略０度にして、レーザ反射率を略同等にし、端子１１、２１間の安定した接合を得ることができるようになる。
つまり、本実施の形態１に係る電力変換装置１は、レーザ照射領域２２において、レーザ光６０の反射を抑制でき、レーザ光６０の仮想端子平面への入射角θが大きくなっても端子１１、２１間の接合が可能になり、半導体モジュール１０間の配列のピッチを小さくでき、電力変換装置を小型化することができる。
【００２３】
なお、本実施の形態１に係る電力変換装置１では、凹凸部２３を略三角波形状としたが、レーザ照射領域２２の上側から下側にかけてレーザ光６０の入射方向と凹凸部２３表面とがなす角度αを９０度近くにできるのであれば、どのような形状であっても良く、例えば、凹凸部２３を略正弦波形状としても良い。
また、本実施の形態１に係る電力変換装置１では、バスバーの端子２１の表面を加工して凹凸部２３を設けたが、初めから表面に凹凸部２３又は凸部（隆起部）があるようにバスバーを製造しても良い。
【００２４】
また、本実施の形態１に係る電力変換装置１では、バスバーの端子２１の表面に凹凸部２３を設け、レーザ光６０を凹凸部２３に照射したが、半導体モジュール１０の端子１１の表面に凹凸部を設け、レーザ光６０を半導体モジュール１０の端子１１の凹凸部に照射するようにしても良い。
また、本実施の形態１に係る電力変換装置１では、レーザ光６０を用いて端子１１、２１間の接合を行ったが、電子ビームを用いて端子１１、２１間の接合を行っても良い。すなわち、レーザ光、電子ビームなどの接合のためのビームを用いて端子１１、２１間の接合を行っても良い。
【００２５】
以上、説明したように、本実施の形態１に係る電力変換装置１は、隣接して配置された複数の半導体モジュール１０と、複数の半導体モジュール１０の端子１１にそれぞれ接合された端子２１を有するバスバーとを備え、半導体モジュール１０の端子１１又はバスバーの端子２１は接合のためのビーム６０が照射される領域２２に凹凸部２３を有し、凹凸部２３表面の傾斜は、接合のためのビーム６０のビーム源からの距離が大きくなるほど大きくなるように形成されているものである。
【００２６】
このような構成により、接合のためのビームを半導体モジュール又はバスバーの端子の斜め方向から走査して照射した場合でも、これらの端子間の接合が安定した電力変換装置を提供することができる。
【００２７】
（実施の形態２）
実施の形態１に係る電力変換装置１は、レーザ照射領域２２に略三角波形状の凹凸部２３を設けて、端子１１、２１間の接合を安定させるものであったが、本実施の形態２に係る電力変換装置は、レーザ照射領域に表面処理を施し、レーザ照射領域の上側部分から下側部分にかけてレーザ光の入射角が変化してもレーザ光の反射率が変化しないように、すなわち、レーザ光の照射光量が一定である場合に、レーザ照射領域全領域においてレーサ光の反射光量が略一定になるようにして、端子間の安定した接合を得るようにするものである。
本実施の形態２に係る電力変換装置も、背景技術に係る電力変換装置と概略同等の構成を備えており、本明細書では、本実施の形態２に係る電力変換装置の各構成の詳細についての図示及び説明を省略する。
【００２８】
図５は、本実施の形態２に係るレーザ光６０の照射位置と表面状態に基づく反射との関係を示す図である。図５（ａ）はレーザ照射領域１２２の上側部分（Ａ’部（図２のＡ部に相当する部分））を示し、図５（ｂ）はレーザ照射領域１２２の中央部分（Ｂ’部（図２のＢ部に相当する部分））を示し、図５（ｃ）はレーザ照射領域１２２の下側部分（Ｃ’部（図２のＣ部に相当する部分））を示す。
【００２９】
レーザ照射領域１２２は表面処理が施されているが、レーザ照射領域１２２の表面に凹凸はなく、略平坦になっている。
図５（ａ）に示すように、レーザ照射領域１２２の上側部分では入射角θ１は小さいが、この入射角度にしてはレーザ光が多く反射するように表面処理が施されており、入射したレーザ光６０の一部が反射されている。
【００３０】
また、図５（ｂ）に示すように、レーザ照射領域１２２の中央部分では、入射角θ２は入射角θ１よりも大きいが、この入射角度にしてはレーザ光を少し反射するように表面処理が施されており、やはり入射したレーザ光６０の一部が反射されている。
更に、図５（ｃ）に示すように、レーザ照射領域１２２の下側部分では、入射角θ３は入射角θ２よりも更に大きいが、この入射角度にしてはレーザ光をあまり反射しないように表面処理が施されており、やはり入射したレーザ光６０の一部が反射されている。
【００３１】
このように、バスバーの端子に表面処理を施すことにより、レーザ光６０の反射光量、すなわち、レーザ光６０の反射率が、レーザ照射領域１２２の上側部分から下側部分にかけて、略同等になるようにしている。
【表１】
2017077140.tif 000003
【００３２】
表１は、本実施の形態２に係る電力変換装置の表面処理を説明するための表である。
レーザ光６０の照射位置が下側になる（Ａ’部→Ｃ’部）に従って、表面状態に基づくレーザ光の反射が小さくなるように、バスバーの端子に表面処理を施している。
表面処理方法としては、酸化、メッキ、塗装などを採用することができる。例えば、酸化度合が大きくなると、レーザ光の反射率が低下することを用いる。また、染料にはアゾ系金属錯塩、フタロシアニンなどを、顔料にはカーボンブラック、有機顔料などを用いることができる。
【００３３】
図６は、本実施の形態２に係るレーザ光の照射位置とレーザ光の反射率との関係を示す図である。
表面処理がない場合には、レーザ光６０の照射位置が下側になる（Ａ’部→Ｃ’部）に従って、レーザ光の反射率が大きくなり、反射されるレーザ光の光量も多くなるが、表面処理がある場合には、レーザ光６０の照射位置が下側になってもレーザ光の反射率は略一定であり、反射されるレーザ光の光量も略一定である。
【００３４】
このように、レーザ照射領域１２２の上側から下側にかけて、表面状態に基づくレーザ光の反射が小さくなっていくように少なくともレーザ照射領域１２２に対して表面処理を施すことで、レーザ照射領域１２２内のどの位置においても入射角θの変化にもかかわらずレーザ光の反射率を略一定とし、端子間の安定した接合を得ることができるようになる。
【００３５】
つまり、本実施の形態２に係る電力変換装置は、レーザ照射領域１２２において、レーザ光６０の反射率を一定でき、レーザ光６０の仮想端子平面への入射角θが大きくなっても端子１１、２１間の安定した接合が可能になり、半導体モジュール間の配列のピッチを小さくでき、電力変換装置を小型化することができる。
【００３６】
なお、本実施の形態２に係る電力変換装置では、バスバーの端子に表面処理を施し、レーザ光をバスバーの端子に照射したが、半導体モジュールの端子に表面処理を施し、レーザ光を半導体モジュールの端子に照射するようにしても良い。
【符号の説明】
【００３７】
１    電力変換装置
１０    半導体モジュール
１１    半導体モジュールの端子
２１    バスバーの端子
２２、１２２    レーザ照射領域
２３    凹凸部
６０    レーザ光
【図１】
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【図２】
2017077140.tif 000005
【図３】
2017077140.tif 000006
【図４】
2017077140.tif 000007
【図５】
2017077140.tif 000008
【図６】
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