JP7585353B2 - 電気インバータシステム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンクと、半導体パワーモジュールと、電気コンデンサとを含む、電気インバータシステムに関する。電気インバータシステムは、直流を交流に変換する機能を果たす。

実際の電気インバータは、半導体パワーモジュールの形態で作製されている。

通常、そのようなシステムは、ボトムアップ設計され、その結果、第１のステップにおいて、個々の必要な機能構成要素が設計され、続いて、これらの構成要素が、電気インバータシステムへと組み立てられる。

特許文献１は、そのようなシステムを開示している。

特許文献２は、更に、電気インバータを開示している。

組み立てのために、個々の構成要素は、組み合わされ、種々の溶接接合及び／又はネジ連結を用いて固定される。

個々の構成要素の電気的な接触のために、通常、バスバーが使用される。

そのようなシステムの組み立ては、多くの機械的な連結要素及び電気的な接触要素が必要とされ、これらの要素を固定するために多くの作業ステップが実行されなければならないため、多大な労力を要する。

そのようなシステムの複雑な設計は、組み立てプロセス中のエラーに対する高い脆弱性と、システム内の機械的な又は電気的な欠陥に対する高い脆弱性との両方をもたらす。

欧州特許出願公開第３４９３３８７号明細書 欧州特許第１６５０８５９号明細書

したがって、本発明の課題は、従来技術と比較して簡略化された構造を有する電気インバータシステムを提供することである。

この課題は、少なくとも部分的に、請求項１による電気インバータシステムによって解決される。

少なくとも、第１のヒートシンク、第２のヒートシンク及び電気コンデンサを構成要素として含む、電気インバータシステムが開示される。これら３つの構成要素は、上述した順序で積み重ねられている。

更に、システムは、固定手段を含む。３つの上述した構成要素は、互いに移動可能ではなく、少なくとも部分的に平面的に互いに接触するよう、固定手段によって固定されている。

第１のヒートシンクによって終端するシステムの面は、以下において上面と呼ばれる。第２のヒートシンクは、第１のヒートシンクと電気コンデンサとの間に配置されており、２つの上述した構成要素と直接的に接触している。

電気コンデンサによって終端するシステムの面は、下面と呼ばれる。しかしながら、システムの種々の実施形態において、上面が下向きに、下面が上向きに、それぞれ配向されていてもよい。

更に、システムは、第１及び第２のヒートシンクの間に配置された半導体パワーモジュールを含む。半導体パワーモジュールは、そこで、隣接するヒートシンクの圧力によってクランプされ、それにより固定されている。そこには、複数の半導体パワーモジュールがクランプされ得る。

ヒートシンクの間に、１つ又は複数の半導体パワーモジュールが埋め込まれた、１つ又は複数の凹部が形成され得る。

凹部は、半導体パワーモジュールが正確にヒートシンクの間に挿入され得るよう、第１若しくは第２のヒートシンクに又は両方のヒートシンクに、形成され得る。

電気接触要素が、半導体パワーモジュールを電気コンデンサと電気的に接続する。

一実施形態では、システムは、複数の固定手段を備え、当該固定手段の一つ一つが既に、構成要素を、互いに移動可能ではなく、少なくとも部分的に平面的に互いに接触するよう、固定している。複数の固定手段を使用することにより、構成要素は、互いに対して更にひねられ得ないように固定される。更に、このようにして、固定の安定性及び信頼性が向上する。

ヒートシンクは、良好な熱伝導性を有する材料、例えばアルミニウムのような熱伝導性の金属から成るハウジングを含む。ハウジングは、一実施形態では、例えば水のような冷却液を収容するための空洞を含む。例えば、温められた水又は冷却液をシステムから放出し、冷たい水又は冷却液をシステムに供給することにより、ヒートシンクを介して熱がシステムから放出され得る。

更なる実施形態では、ヒートシンクは中実に作製されている。これは、製造及び運転コストを低下させる。

ヒートシンクは、電気構成要素、特に半導体パワーモジュールを冷却するために、熱を放出する機能を果たす。このために、ヒートシンクは、好ましくは表面積が最も大きい表面で、互いに積み重ねられている。積層方向におけるヒートシンクの寸法は、ヒートシンクの最大表面の寸法と比較して小さい。半導体パワーモジュールは、ヒートシンクの間にクランプされている。

インバータシステムが、一実施形態において、外部のヒートシンクに又は十分に冷たい装置の上に直接的に取り付けられる場合、外部のヒートシンク又は十分に冷たい装置は、既にシステムのヒートシンクのうちの１つとしての機能を果たし得る。この例として、モータの冷却ジャケット上でのインバータシステムの取り付けを挙げることができる。

一実施形態では、半導体パワーモジュール及び電気コンデンサの外面に金属製の舌部（複数）が形成されており、当該舌部は、金属製のネジのような電気接触要素を介して又は溶接によって、互いに機械的及び電気的に連結されている。

電気コンデンサは、直流コンデンサとして作製され得る。コンデンサは、少なくとも１つの実施形態では、ハウジングと、その中に固定されたコンデンサ素子とを含む。コンデンサ内の孔（複数）は、例えば、専らハウジング内に、若しくは、ハウジング及びコンデンサ素子内に、又は、特にハウジングの無い実施形態ではコンデンサ素子内にのみ、形成されている。

コンデンサハウジングは、例えば、その内部に孔が形成された外側の取り付け部を含む。取り付け部は、補強され広げられたコンデンサハウジングの外壁であり得る。

システムの開示された構造は、機械的な連結要素及び電気的な接触要素の数が最小限に削減され得るという利点を有する。これは、取り付けプロセスを容易にし、それにより時間及びコストを節約する。更に、そのようにして、構成要素の組み立ての際の誤り、構成要素の誤った取り付け、又は、個々の欠陥のある構成要素に起因する誤動作が、容易に回避又は排除され得る。

更に、構成要素の数の削減により、システム全体のサイズを小さくすることができ、その結果、コンパクトで省スペースな設計が可能となる。

一実施形態では、固定手段はネジである。第１のヒートシンク、第２のヒートシンク及び電気コンデンサは、ネジ接続部を形成するために上下に配置された穿孔を備える。

ネジを固定するために、有利にはカウンタースレッドが用いられる。そのようなカウンタースレッドは、例えばナットのような別個の部材に形成され得る。

一実施形態では、構成要素（第１のヒートシンク、第２のヒートシンク及びコンデンサ）のうちの少なくとも１つは、ネジを固定するためのカウンタースレッドを備える。

カウンタースレッドにより、ネジを強固に締め付けることができ、その結果、３つの上述した構成要素を互いに強固に固定するネジ接続部が形成される。

例えば第１のヒートシンクがシステムの上面を形成する場合、ネジは、第１のヒートシンクの方向から、上下に配置された穿孔内へ、挿入され得る。ネジ頭部は、次いで、第１のヒートシンクの表面上に載置される。ネジ首部は、第１のヒートシンク全体、第２のヒートシンク全体を通って延び、電気コンデンサの孔内に達する。その場合、少なくとも電気コンデンサの孔は、ネジを固定するためのカウンタースレッドを含む。

好ましくは、孔は、コンデンサハウジングの取り付け部に形成されている。一実施形態では、ネジ接続部は、取り付け部全体を貫通し、システムに属さない更なる構成要素まで延び、その結果、上述したシステムは更なる構成要素上に固定されている。

更なる例では、電気コンデンサは、システムの上面を形成することができ、ネジは、相応して、コンデンサの方向から、上下に配置された穿孔内へ、挿入され得る。

カウンタースレッドは、例えば、穿孔内に埋め込まれた圧入ナットによって提供され得るか、又は、直接的に穿孔の中に刻まれ得る。

一実施形態では、圧入ナットは、コンデンサハウジングの穿孔内に埋め込まれている。更なる実施形態では、圧入ナットは、第１のヒートシンクの穿孔内に埋め込まれている。更なる実施形態では、カウンタースレッドは、穿孔のうちの少なくとも１つの中に刻まれている。

十分な固定を保証するために、一実施形態では、少なくとも６つのそのようなネジ接続部が設けられ、好ましい実施形態では、少なくとも８つのそのようなネジ接続部が設けられている。ネジ接続部は、均一な間隔で配置されている。

しかしながら、ネジ接続部は既に、システムの構成要素を、それらがもはや互いに対して移動可能ではないように、互いに固定している。

上述した配置により、システムの主要構成要素は、容易にかつ付加的な支持部材を使用することなく、互いに機械的に固定され得る。

第１及び第２のヒートシンクの間に配置された半導体パワーモジュールは、ネジが締め付けられると、ヒートシンクの間にクランプされ、それにより機械的に固定される。これは、取り付けのための更なる構成要素を半導体パワーモジュールに取り付けることが必要とされない、という利点を有する。

一実施形態では、電気コンデンサは、電磁干渉（ＥＭＩ）フィルタを含む。ＥＭＩフィルタは、電気コンデンサに直接的に一体化されるか、又は、付加的な部材として電気コンデンサに直接的に組み付けられ得る。ＥＭＩフィルタは、電気コンデンサのハウジング内に組み込まれ得る。

いずれの場合も、電気コンデンサは、コンデンサ素子及びＥＭＩフィルタの両方を含む。コンデンサ素子及びＥＭＩフィルタは、連結された構成要素として存在する。付加的なＥＭＩフィルタが取り付けられる必要がないため、取り付けにおいて複数の付加的なステップが省略される。ＥＭＩフィルタは、パワーモジュール、コンデンサ及びシステム要件（ＥＭＩ技術に関わる接続、接地、互いに対する構成要素の位置など）に適合されているため、ＥＭＩフィルタの開発及び試験のための付加的なコストも省略される。

ＥＭＩフィルタは、電磁干渉放射を防止し、電磁適合性（ＥＭＶ）のガイドライン及び電磁放射に関する特定用途向けの制限の遵守に寄与する。

電気コンデンサのサイズは、変化し得る。比較的高いコンデンサ出力が必要とされる場合、ハウジング並びにその内部にある電気コンデンサ及びＥＭＩフィルタは、相応して拡大され得る。

一実施形態では、電気コンデンサは、少なくとも１５０ｋＷのコンデンサ出力を有するように寸法が決められている。

ＥＭＩフィルタは、接地を必要とする。一実施形態では、ＥＭＩフィルタの接地は、システムを機械的に固定する機能を果たすのと同一のネジによって実施されている。このために、ＥＭＩフィルタの電気接触面は、電気コンデンサの孔の外壁に露出している。金属製のネジは、それによりＥＭＩフィルタと電気的に接触している。ネジは、更にヒートシンクと接触しており、そのようにして必要な接地を確立する。

一実施形態では、半導体パワーモジュールの表面は、当該半導体パワーモジュールとヒートシンクとの間の熱輸送が改善されるよう、ヒートシンクに平面的に接触している。

更なる実施形態では、ヒートシンクと平面的に接触する半導体パワーモジュールの表面は、熱伝導層によって被覆されている。

代替的に又は付加的に、平面的に半導体パワーモジュールに接触するヒートシンクの表面には、熱伝導層が取り付けられている。

上述した実施形態では、層は、例えば、熱伝導性固体発泡体又は熱伝導性ペーストを含み得る。

そのような熱伝導層は、２つの機能を有する。一方では、冷却されるべき半導体パワーモジュールと２つのヒートシンクとの間の熱伝達が改善される。他方では、場合によっては表面上にあり得る凹凸がならされる。

一実施形態では、ヒートシンクのうちの少なくとも１つは、半導体パワーモジュールの配向を予め定めるラグを含む。

一実施形態では、半導体パワーモジュールは、その外周に溝を含む。溝は、例えば半円形状であり、モジュールの外周に沿って等間隔に形成されている。少なくとも１つの実施形態では、溝は、パワーモジュールの全高にわたって延びる。

ヒートシンクは、半導体パワーモジュールが埋め込まれた後に溝内で接触するラグ又はスタッドを含む。

溝及びラグ若しくはスタッドは、半導体パワーモジュールの埋め込みが所望の配向においてのみ可能であるように、配置されている。このために、溝は、少なくとも１つの実施形態では、外周に沿って非対称に配置されている。

ラグ又はスタッドは、ヒートシンクの一部である。

この場合、凹部の側周に沿った隆起部が、ラグと呼ばれる。凹部の下部又は上部の表面上の隆起部が、スタッドと呼ばれる。ラグ又はスタッドは、正確に溝内に嵌るように成形されている。

そのようにして、構成要素が所望の配向で組み込まれ、半導体パワーモジュールが更に所望の配向で電気的に接触されることが、構成要素の構成によって既に保障される。

更に、溝及びラグ若しくはスタッドは、半導体パワーモジュールの機械的な固定に寄与する。

一実施形態では、半導体パワーモジュールは、第２のヒートシンクの上部の表面と半導体パワーモジュールとが同一平面上に配置されるよう、第２のヒートシンクの凹部内に埋め込まれている。

この実施形態では、半導体パワーモジュールを収容するための凹部は、完全に第２のヒートシンク内に形成されている。凹部をヒートシンクのうちの１つに完全に形成することにより、ヒートシンクの製造プロセス及びシステムの組み立てが容易になる。

半導体パワーモジュールは、上述した実施形態では、第２のヒートシンクの凹部内に容易に入れることができる。好ましい実施形態では、半導体パワーモジュールは、正確に凹部内に適合する。溝及びラグ若しくはスタッドは、付加的に機械的な固定に寄与し得る。

半導体パワーモジュールと第２のヒートシンクの上部の表面が同一平面上にあることにより、第１のヒートシンクは、これらの表面上に容易に載置され、ネジ接続部によって固定されることができ、その結果、半導体パワーモジュールは、ヒートシンクの間に容易にクランプされる。

更なる実施形態では、凹部は、第１及び第２のヒートシンク内に対称的に形成されている。それにより、１つのタイプのヒートシンクが製造されるだけでよい。これは、取り付けプロセスを容易にし、必要とされる工具の数を削減する。それにより、取り付け中の時間及びコストが低減される。半導体パワーモジュールをヒートシンクに又はヒートシンクを互いに接触した状態で容易に配置し取り付けるために、ここでも、上述したラグ若しくはスタッドのような簡易な組み立て補助具が意図され得る。

一実施形態では、半導体パワーモジュールは、電気接触要素との電気的な接触のための接触面を含む。

これらの接触面は、導電性の材料を含み、半導体パワーモジュールの下面に配置されている。

半導体パワーモジュールは、接触面が、コンデンサの接触のための電気接触要素の上方に正確に位置決めされるように配置される。

好ましい実施形態では、半導体構成要素と電気コンデンサとの間の確実な電気的接触を保障するために、複数の接触面及び対応する電気的接触要素が存在する。一実施形態では少なくとも２つの、別の実施形態では少なくとも３つの、接触面及び対応する接触要素が存在する。

一実施形態では、半導体パワーモジュールは、近似的に矩形の底面を有する本体を含む。接触面は、半導体パワーモジュールの本体から突出する舌部上に配置され得る。その場合、各舌部上に接触面が配置されている。舌部は、半導体パワーモジュールの背面に配置されている。舌部全体は、導電性の材料、例えば金属を含み得る。

舌部は、システムの背面で露出し得る。したがって、それらは、ネジ又は溶接のような電気接触要素を介して、システムの背面の電気コンデンサの対応する舌部と接続され得る。舌部は、このために、半導体パワーモジュールとコンデンサとの間に配置された第２のヒートシンクの背面に対して平行に配向されるよう、相応して曲げられ得る。

上述した接触により、半導体パワーモジュールの電気的な接触のための付加的なバスバーを省略することができ、これは、システムの構造及び複雑さ、並びに、その取り付けプロセスを簡易化する。加えて、例えば（接触）部分の固定のためのドームのような、付加的な機械的部材も省略され、これによってもコストが低減される。

半導体パワーモジュールの本体は、この実施形態では、本体の表面上に形成された冷却面を含み得る。冷却面は、熱伝導層と平面的に接触している。冷却面を介して、好ましくは熱がヒートシンクへ放出され得る。

一実施形態では、半導体パワーモジュールは、システムの第１の面で外向きに露出している。

それにより、外部への電気的な接触が容易に可能となる。

一実施形態では、半導体パワーモジュールは、第１の面に、少なくとも１つの交流接続部を含む外部への電気接点を含む。交流接続部は、半導体パワーモジュールが所望の方向にのみ配向され得るように作製されている。

一実施形態では、交流接続部は、半導体パワーモジュールの第１の面でシステムから突出する金属製の舌部として作製されている。

一実施形態では、半導体パワーモジュールは、システムの第１の面に接触するピンを含む。ピンは、半導体パワーモジュールの埋め込みが所望の配向においてのみ可能であるように作製されている。

一実施形態では、ピンは、半導体パワーモジュールの第１の面に対して垂直に、当該半導体パワーモジュールから離れるように突出する。

更なる実施形態では、ピンは、半導体パワーモジュールの第１の面の前で９０°の角度で曲がり、第２のヒートシンクの第１の面に対して平行に延びる。それにより、半導体パワーモジュールの取り付けは、予め定められた配向においてのみ可能である。

少なくとも１つの実施形態では、ピンは、導電性の材料、例えば金属を含み、更に、半導体パワーモジュールのコントローラボードとの電気的な接触の機能を果たす。

コントローラボードは、半導体パワーモジュールを制御する機能を果たし、例えばゲートドライバボードによって制御され得る。

一実施形態では、半導体パワーモジュールは、出力電流センサを含む。出力電流センサは、好ましくは、半導体パワーモジュールの第１の面に配置されている。出力電流センサは、出力される交流電流を測定する。

出力電流センサは、好ましくは、電流がシステムから流出する交流接続部に取り付けられている。

一実施形態では、交流接続部は、外部への接触のための電気接触面を備える舌部を含む。この実施形態では、出力電流センサは、上述した舌部に取り付けられている。

一実施形態では、コンデンサの第１の面に、ゲートドライバボードが取り付けられている。ゲートドライバボードは、インバータシステム内の半導体パワーモジュールを制御する機能を果たす。

ゲートドライバボードは、コンデンサハウジングの第１の面上に直接的に差し込まれ得るか、又は、コンデンサハウジングの第１の面上にネジ接続によって固定され得る。

一実施形態では、ゲートドライバボードには少なくとも１つのコントローラボードが取り付けられており、当該コントローラボードは、電気接触要素を介して、半導体パワーモジュールの第１の面と電気的に接触している。

コントローラボードは、ゲートドライバボード内に直接的に埋め込まれ得るか、又は、その第１の面上に取り付けられ得る。

一実施形態では、存在する各半導体パワーモジュールについて１つのコントローラボードが、ゲートドライバボードに取り付けられている。コントローラボードは、半導体パワーモジュールに電気的に接触している。

コントローラボードは、上述したピンを介して、半導体パワーモジュールと電気的に接続され得る。コントローラボードは、半導体パワーモジュールを制御する機能を果たす。

ゲートドライバボード及びコントローラボード並びに任意の（出力）電流センサの接触は、システム内へのコンデンサの取り付けと同時に、上述した構成要素の配置を通じて行われる。

更なる実施形態では、電気コンデンサは、高電圧直流プラグを含む。このようにして、電気コンデンサは、容易に外部から電気的に接触させることができ、それにより、インバータシステムは、回路内に組み込まれ得る。

高電圧直流プラグは、コンデンサハウジングから突出する金属製の舌部の形態で作製され得る。

一実施形態では、電気コンデンサは、入力電流センサを含む。入力電流センサは、入力される交流を測定する。したがって、それは直流電流センサである。

一実施形態では、少なくとも１つのヒートシンクは通気開口を含む。そのような通気開口は、ヒートシンクと環境との熱交換を向上させる。それにより、より多くの熱を放出することができ、冷却を向上させることができる。

一実施形態では、ヒートシンクのうちの１つは、電気接触要素として圧力接点が埋め込まれた貫通孔を含む。

圧力接点は、電気コンデンサの上面上に直接的に配置され固定され得る。圧力接点は、種々の実施形態において、例えば、コンデンサの上面上のバネ、コンパクトスタッド、又は、半球形若しくは円板形の隆起として、作製され得る。積層方向における圧力接点の高さは、第２のヒートシンクの、下面から凹部の下部の表面までの高さに対応する。

圧力接点は、導電性の材料、好ましくは金属を含む。圧力接点は、半導体パワーモジュールの接触面に接触し、それにより当該接触面と電気的に接触する。したがって、圧力接点を介して、半導体パワーモジュールと電気コンデンサとの間の電気的な接触が提供される。

圧力接点を使用することにより、半導体パワーモジュールの電気的な接触のための付加的なバスバーが省略され得る。この場合、電気的な接触のために代替的に可能なネジ連結又は溶接接合も省略され、これは、取り付けプロセスを更に簡易化する。

一実施形態では、第２のヒートシンクは、圧力接点が挿入され得る貫通孔を含む。貫通孔は、半導体パワーモジュールの接触面の下方に配置されるように、位置付けられている。

貫通孔及び圧力接点の上述した配置は、電気コンデンサ及び第２のヒートシンクが所望の配向においてのみ組み立てられることを可能にする。更に、上述した構造により、個々の構成要素の機械的な固定が支援される。

更なる実施形態では、圧力接点は付加的な部材として作製されており、当該部材は、貫通孔内に埋め込まれていると共に、そのために設けられたコンデンサの上面の接触面を、半導体パワーモジュールの下面上の対応する接触面に電気的に接続するように、寸法が決められている。

ネジ接続部を締め付けることにより、圧力接点は、貫通孔内でクランプされ、圧力によって、隣接する接触面と電気的に接触する。

本発明は、更に、複数のステップを含む、電気インバータシステムを組み立てるための方法を開示する。ステップは、以下のように実施される：

- 第１のヒートシンク、第２のヒートシンク及び電気コンデンサを準備するステップ

- 半導体パワーモジュール及び固定手段を準備するステップ

複数の半導体パワーモジュールも使用され得る。列挙された構成要素は、上述した構成要素に対応し得る。

- 半導体パワーモジュールを、ヒートシンクのうちの１つの上に配置するステップ半導体パワーモジュールは、そこに存在する凹部内に埋め込まれ得る。凹部は、第１のヒートシンクにおいても、第２のヒートシンクにおいても、又は、両方のヒートシンクにおいて、形成され得る。

半導体パワーモジュールは、正確に凹部内に挿入され得る。このために、半導体パワーモジュールの外周は溝を備えることができ、凹部は、半導体パワーモジュールが埋め込まれた後に溝内で接触するラグ又はスタッドを含む。

それにより、取り付け中に半導体パワーモジュールが滑って位置ずれする可能性は、もはやない。

- 第１のヒートシンク及び半導体パワーモジュールを、第２のヒートシンクによって覆うステップ

半導体パワーモジュールは、２つのヒートシンクの間にクランプされている。

- その間に配置された半導体パワーモジュールを有するヒートシンクと、電気コンデンサとを、重ね合わせて配置するステップ

第２のヒートシンクは、コンデンサ及び半導体パワーモジュールの電気接触面が互いに上下に位置し、電気接触要素によって接触され得るように、電気コンデンサ上に又はその逆に配置されている。

- 少なくとも１つの固定手段を取り付けるステップであって、当該固定手段は、２つのヒートシンク及びコンデンサを、それらが互いに対して移動可能ではなく、少なくとも部分的に互いに平面的に接触するように固定する、ステップ

更に、２つのヒートシンク及びコンデンサを固定することにより、半導体パワーモジュールはヒートシンクの間にクランプされる。

一実施形態では、固定手段はネジであり、上述した構成要素のうちの少なくとも１つは、ネジを固定するためのカウンタースレッドを備える。

この実施形態では、上述した構成要素は、ネジを収容するための孔を含む。

孔は、ネジを固定するためのカウンタースレッドを備える。このために、例えば、圧入ナットが孔内に挿入され得る。

単一のネジが、第１のヒートシンク、第２のヒートシンク及び電気コンデンサにわたって延び、これらの構成要素を、それらが部分的に互いに平面的に接触し、もはや互いに対して移動可能ではないように、互いに固定する。

一実施形態では、少なくとも６つのそのようなネジが、好ましい実施形態では少なくとも８つのそのようなネジが、構成要素を固定するために、そのために設けられた孔内に挿入される。

複数の固定手段を使用することにより、構成要素は、互いに対してもはやひねられ得ないように固定されている。更に、固定の強度及び信頼性が向上する。

ネジを固定するために、当該ネジは、カウンタースレッドにねじ込まれ、強固に締め付けられる。上述した構成要素を固定する際、半導体パワーモジュールは、ヒートシンクの間に固定される。例えば、モジュールは、凹部内の機械的な圧力によって、ヒートシンクの間にクランプされる。

一実施形態では、上述した圧力接点は、電気接触要素として使用される。ネジが固定された後、圧力接点は、半導体パワーモジュール及びコンデンサが電気的に接触するよう、それらの接触面に押し付けられる。

更なる実施形態では、半導体パワーモジュール及びコンデンサの電気接触面の間に、電気接触要素として、溶接又はネジ接続部が取り付けられる。これは、更なるプロセスステップを必要とする。

一実施形態では、更に、ゲートドライバボードが、電気コンデンサの第１の面に固定される。ゲートドライバボードは、コンデンサハウジングの第１の面上に差し込まれ得るか、又は、これとネジ止めされ得る。

開示された方法により、電気インバータシステムを組み立てる際、機械的な連結要素及び電気的な接触要素の数が、最小限に低減され得る。それにより、取り付けステップの数を削減することができ、取り付けプロセスを迅速かつ安価に実行することができる。

更に、そのようにして、構成要素の組み立ての際の誤り、構成要素の誤った取り付け、又は、個々の欠陥のある構成要素に起因する誤動作が、容易に回避又は排除され得る。

以下において、本発明が、実施例及びこれに付随する図面に基づいて、詳細に説明される。本発明は、これらの実施例に限定されない。

電気インバータシステムの第１の実施形態の前面からの斜視図である。 電気インバータシステムの第１の実施形態の背面からの斜視図である。 半導体パワーモジュール及び付属する接触要素の第１の実施形態の下面からの斜視図である。 ヒートシンクの第１の実施形態の斜視図である。 電気インバータシステムの第２の実施形態の側面からの分解斜視図である。 半導体パワーモジュールの第２の実施形態の下面図である。

図面において類似の又は明らかに同一の要素には、同一の参照符号が付されている。図面及び図面中の大きさの比率は、縮尺どおりではない。

図１は、電気インバータシステム１の第１の実施例を、斜視図で示す。電気インバータシステム１は、上下に重なり合って配置され、互いに機械的に固定され、互いに電気的に接続された、複数の構成要素を含む。

構成要素は、第１のヒートシンク２及び第２のヒートシンク３並びにコンデンサ４を含む。コンデンサ４は、外へ向かってコンデンサハウジング４Ａによって閉じられている。

本実施形態において、第１のヒートシンク２は、別のアセンブリの上に固定され得る最も下の構成要素であり、その上には、第２のヒートシンク３及びコンデンサ４が装着されている。例えば、構造全体はモータに固定され得る。

第１のヒートシンク２と第２のヒートシンク３との間に、本実施例では３つの半導体パワーモジュール５が配置されている。半導体パワーモジュール５は、ヒートシンク２とヒートシンク３との間にそのために設けられた凹部内に正確に埋め込まれている。

凹部は、ヒートシンクの前面３Ａに開口６を備える。開口６は、半導体パワーモジュール５が電気的な接触のために外部に到達できることを保証する。

このために、半導体パワーモジュール５は、それぞれ１つの前側舌部７を含む。前側舌部７を介して、出力される交流電流は、意図された用途に導かれ得る。用途は、例えばモータ、特に自動車用モータである。

電気的な接触のために、舌部７は、例えば、そのために設けられた外部接点８Ａに、金属ネジ８Ｂによってネジ止めされている。支持部８Ｃは、単に支持体としての機能を果たし、外部接点８Ａの機械的な固定を支援する。

舌部７は、導電性材料、好ましくは高い導電性を有する金属を含む。

舌部７に加えて、半導体パワーモジュール５は、更に、モジュール５を所属するコントローラボード１０Ａと接触させるための金属製のピン９を含む。各半導体パワーモジュール５は、それぞれ固有のコントローラボード１０Ａを有する。本実施例では、半導体パワーモジュール５ごとに７本のピン９が設けられているので、半導体パワーモジュール５は、コントローラボード１０Ａを介して制御され得る。

ゲートドライバボード１０Ｂが、本実施形態では、コンデンサハウジング４Ａの前面上に直接的に固定されており、このために、コンデンサハウジング４Ａは、４本の取り付けスタッド４Ｂを備える。ゲートドライバボード１０Ｂは、これらの取り付けスタッド４Ｂに差し込まれている。

代替的に、ゲートドライバボード１０Ｂは、コンデンサハウジング４Ａの前面に、ネジ接続によって固定され得る。

ゲートドライバボード１０Ｂは、コントローラボード１０Ａを制御し、当該コントローラボード１０Ａは、ゲートドライバボード１０Ｂ内に直接的に埋め込まれているか、又は、本実施例のようにその外面に取り付けられている。コントローラボード１０Ａは、上述したように、ピン９を介して半導体パワーモジュール５に接触している。

半導体パワーモジュール５の背面には、当該半導体パワーモジュール５が背面３Ｂにおいても電気的に接触され得るよう、凹部が、図２に示されているように、同様にヒートシンク２若しくは３内の開口６によって開けられている。

本実施形態では、半導体パワーモジュール５は、このために、それぞれ３つの金属製の舌部１１を備える。舌部は、コンデンサ４の対応する接触要素を電気的に接触させるために、第２のヒートシンクの外面に対して平行に、コンデンサ４の方向に９０°だけ曲げられている。

対応する接触要素は、例えば、コンデンサハウジング４Ａの外面に露出しているコンデンサ４のバスバー１２の接触面である。

接触のために、金属製の舌部１１は、バスバー１２に溶接されている。

接触の代替的な形態は、ネジ接続部（図示せず）である。このために、バスバー１２の接触面及び金属製の舌部１１に孔が開けられる。金属製の導電性のネジを挿入することにより、コンデンサ４と半導体パワーモジュール５は、電気的に接続され得る。

コンデンサハウジング４Ａは、プラスチック材料を含む。第２のヒートシンク３と対向する側において、コンデンサハウジング４Ａは、ヒートシンク２／３をコンデンサハウジング４Ａに取り付けるための取り付け部４Ｃを備える。

本実施形態では、取り付け部４Ｃの底面は、コンデンサハウジング４Ａの残りに比べて、広げられている。それにより、コンデンサ４の取り付け部４Ｃの底面は、ヒートシンク４と同じ寸法を有する。

代替的な実施形態では、コンデンサハウジング４Ａ全体の底面は、ヒートシンク２若しくは３と同じ寸法を有し得る。更なる実施形態では、取り付け部４Ｃは、ヒートシンク２／３よりも小さい寸法を有する。

取り付け部４Ｃは、コンデンサ４を第２のヒートシンク３に固定する機能を果たす。このために、取り付け部４Ｃには、８つ（コンデンサ４の前面及び背面にそれぞれ４つ）の孔１３が、コンデンサの底面に対して垂直に開けられている。孔１３は、カウンタースレッドを備え得る。

孔１３は、第２及び第１のヒートシンク２の対応する孔１３の上方に、共線的に配置されている。少なくとも第１のヒートシンク２の孔１３は、本実施形態では、カウンタースレッドを備える。それにより、ネジ１３Ａによって、上述した構成要素は、容易に連結され、互いに固定され得る。

第１のヒートシンク２の孔１３は、同一のネジ１３Ａによってシステム１全体が別の部材に取り付けられ得るよう、一貫したものとして作製され得る。そのような部材は、例えばモータであり得る。

更なる実施形態では、システム１全体は、逆の順序で積み重ねられ得る。その場合、ネジ１３Ａは、第１のヒートシンク２の側から孔１３に挿入され、コンデンサ４の取り付け部４Ｃの孔１３内のカウンタースレッドに固定される。

代替的な実施形態では、上述した構成要素を固定するために、より少ない又はより多いネジ接続部が用いられ得る。ネジ接続部は、構成要素（第１のヒートシンク２、第２のヒートシンク３、コンデンサ４）上で可能な限り均一な圧力分布を達成するために、等間隔で配置されている。

コンデンサ４は、コンデンサハウジング４Ａの内部に、例えば直流コンデンサ素子のような少なくとも１つのコンデンサ素子と、更に電磁干渉（ＥＭＩ）のためのフィルタと、を含む。

ＥＭＩフィルタは、コンデンサ素子に直接的に一体化されているか、又は代替的に、独立した構成要素として作製されているものの直接的にコンデンサ素子と共に組み込まれている。いずれの場合も、２つの構成要素は、共にコンデンサハウジング４Ａ内に配置されている。それにより、ＥＭＩフィルタを別個に取り付けることは不要である。この付加的な取り付けステップを省略することにより、取り付け方法及び取り付け中のエラーに対する脆弱性が簡易化される。取り付けプロセスのコスト及び時間は低減され得る。

ＥＭＩフィルタの必要な接地には、コンデンサ４を機械的に固定する機能を果たすのと同一のネジ１３Ａが使用される。このために、ＥＭＩフィルタの電気接触面は、コンデンサハウジング４Ａの取り付け部４Ｃの孔１３の側壁に露出している。接触面は、金属ネジ１３Ａによって接触されると共に、ヒートシンク２又は３と電気的に接続される。

コンデンサ４は、入力及び出力電流接続部を有する。

入力電流接続部としては、高電圧直流プラグ４Ｄが用いられる。これは、本実施例では、コンデンサハウジング４Ａからその側面４Ｅにおいて突出する２つの金属製の導電性の舌部４Ｄの形態である。舌部４Ｄは、対応する電流接続部に連結され得る。

出力電流接続部としては、上述したバスバー１２が用いられる。

入力又は出力電流を測定するために、いくつかの実施例では、適切なセンサが取り付けられている。

好ましくは、出力電流センサが使用される。出力電流センサは、例えば、半導体パワーモジュール５の外部接点である舌部１１に取り付けられている。

図３には、半導体パワーモジュール５が詳細に示されている。半導体パワーモジュール５は、半導体エレクトロニクスを含む本体５Ａを含む。

更に、半導体パワーモジュール５の下面５Ｂ上には、熱伝導層５Ｃが塗布されている。これらは、例えば、ＴＩＭ（Thermal Interface Material）ペースト又は熱伝導性発泡体である。熱伝導層５Ｃは、高粘性状態を有し、半導体パワーモジュール５と隣接するヒートシンク２／３との間の熱伝導を向上させる。モジュール５の上面５Ｄ上には、同様に、熱伝導層５Ｃが塗布され得る。

半導体パワーモジュール５の背面には、コンデンサ４との電気的な接触のために、それぞれ３つの舌部１１が存在する。舌部の第１の部分１１Ａは、モジュール５の本体５Ａに対して平行に作製されている。第２の部分１１Ｂは、９０°の角度で上方へ曲げられている。それにより、舌部１１は、そのために設けられたコンデンサ４のバスバー１２の接触面に、容易に溶接され得る。

モジュール５の前面には、それぞれ、外部への電気的な接触のための舌部７と、コントローラボード１０の接触のための金属製のピン９とが取り付けられている。更に、モジュール５は、本体５Ａの下面５Ｂの前面付近に取り付けられた、出力電流センサ１４を含む。

更に、モジュール５は、前面及び背面に溝５Ｅを備える。溝５Ｅは、モジュール５の外周に半円形の凹部として形成されている。モジュール５の前面及び背面に対称的に取り付けられたそれぞれ２つの溝５Ｅの位置は異なる。

溝５Ｅは、ヒートシンク２若しくは３の凹部の周縁面の対応するラグに適合する。それにより、溝５Ｅによって、凹部への挿入の際のモジュール５の所望の配向が達成され得る。しかしながら、更に、所望の配向は、舌部７若しくは１１及びピン９のような既存の接触要素によっても、予め定められる。

ラグに代えて、ヒートシンクの凹部は、溝５Ｅに適合するスタッドも含むことができ、その結果、モジュール５は、凹部内で正確に取り付けられ得る。

半導体パワーモジュール５は、ヒートシンク２／３の付属する凹部に正確に埋め込まれ、ネジ１３Ａが締め付けられる際に押圧されることによって、ヒートシンクの間に機械的に固定される。それにより、半導体パワーモジュール５を機械的に取り付けるための付加的な部材は不要である。これにより、取り付けプロセスが簡略化される。

図４は、第１の実施例で使用されるヒートシンクの実施形態を示す。第１の実施例では、第１のヒートシンク２及び第２のヒートシンク３は、同じように作製されている。それにより、１つの製造プロセスで、２つのヒートシンクが製造され得る。

半導体パワーモジュール５を収容するための凹部２３が存在する内側２１と、外側２２とは区別される。

本発明のヒートシンク２は、その内側２１に３つの凹部２３を含み、これらの凹部は、半導体パワーモジュール５が凹部のうちの１つに正確に適合するように成形されている。凹部２３の外周には、モジュール５の外側の対応する溝に挿入されるラグ２４が設けられている。ラグ及び溝は、一方では、モジュール５を機械的に固定する機能を果たし、他方では、モジュール５が正しい配向で凹部２３内に組み込まれることを確実にする。

ヒートシンクは、例えばアルミニウム部品である。ヒートシンク２／３は、例えば水のような冷却液が貫流することができ、それにより熱をシステムから放出する、流路を含む。

更に、ヒートシンク２及び３の両方は、ヒートシンク２／３を互いに及びコンデンサ４に機械的に固定するネジ１３Ａを受容するための孔１３を含む。

図５は、インバータシステム１の第２の実施例を示す。

第２の実施例は、ここでも、第１のヒートシンク２、第２のヒートシンク３及びコンデンサ４を含む。

第１の実施例のものと同様の第２の実施例の特徴は、新たに説明されない。

本実施形態において、コンデンサ４は、別のアセンブリの上に固定され得る最も下の構成要素であり、その上には、ヒートシンク２／３が装着されている。例えば、構造全体はモータの上に固定され得る。

第１の実施例とは異なり、第２実施例のコンデンサ４は、底面が広げられた取り付け部４Ｃを備えていない。コンデンサハウジング４Ａ全体の底面は、ヒートシンク２若しくは３の底面と同一の寸法を有する。

更に、第１の実施例とは異なり、ネジ１３Ａは、第１のヒートシンク２の側から挿入されている。少なくともコンデンサ４の取り付け部４Ｃの孔１３は、その中にネジ１３が締め付けられ固定され得るカウンタースレッドを含む。

高電圧直流プラグ４は、本実施形態では、ヒートシンク２／３に対向するコンデンサハウジング４Ａの下面に取り付けられている。ここに、直接的に入力電流が接続され得る。

コンデンサ素子若しくはＥＭＩフィルタと半導体パワーモジュール５との間の電気的な接触は、ここでは、圧力接点１５によって達成される。

そのために、コンデンサ４の上面上に圧力接点１５が取り付けられており、当該圧力接点は、導電性の材料、好ましくは導電性の金属を含む。接点１５は、例えばバネ又はコンパクトなスタッドとして作製され得る。

インバータシステム１を組み立てる際、第２のヒートシンク３は、コンデンサハウジング４Ａの上面上に配置される。第２のヒートシンク３は、その中に圧力接点１５が挿入され得る貫通孔１６を含む。その際、圧力接点１５とヒートシンク３との間の電流を回避するために、圧力接点１５は、絶縁性のプラスチックジャケットによって囲まれている。代替的に、貫通孔１６の内壁は、絶縁性のプラスチックジャケットで被覆されていてもよい。

半導体パワーモジュール５を、そのために設けられた凹部２３内に埋め込む際、モジュール５は、接触面１７が直接的に圧力接点１５上に載置されるように位置決めされている。接触面１７は、金属舌部１１の表面であってもよいし、モジュール５の本体５Ａ上に直接的に配置されていてもよい。その場合、金属舌部１１は必要とされない。

その接触面１７が本体５Ａ上に直接的に配置された、そのようなモジュール５は、図６に示されている。

半導体パワーモジュール５を収容するための凹部２３は、ここでは、完全に第２のヒートシンク３内に作製されている。これにより、半導体パワーモジュールは、容易に凹部２３内に埋め込まれ得る。それに反して、第１のヒートシンク３には、凹部が設けられていない。

１ 電気インバータシステム
２ 第１のヒートシンク
２１ ヒートシンクの内側
２２ ヒートシンクの外側
２３ 凹部
２４ ラグ
３ 第２のヒートシンク
３Ａ ヒートシンクの前面
３Ｂ ヒートシンクの背面
４ コンデンサ
４Ａ コンデンサハウジング
４Ｂ 取り付けスタッド
４Ｃ 取り付け部
４Ｄ 高電圧直流プラグ
４Ｅ コンデンサの側面
５ 半導体パワーモジュール
５Ａ パワーモジュールの本体
５Ｂ パワーモジュールの下面
５Ｃ 熱伝導層
５Ｄ パワーモジュールの上面
５Ｅ 溝
６ ヒートシンクの間の開口
７ 前側の金属舌部
８Ａ 外部接点
８Ｂ 金属ネジ
８Ｃ 支持部
９ ピン
１０Ａ コントローラボード
１０Ｂ ゲートドライバボード
１１ 後側の金属舌部
１１Ａ 第１の部分
１１Ｂ 第２の部分
１２ バスバー
１３ 孔
１３Ａ ネジ
１４ 出力電流センサ
１５ 圧力接点
１６ 貫通孔
１７ 接触面

Claims (18)

1. 電気インバータシステム（１）であって、
   少なくとも、第１のヒートシンク（２）、第２のヒートシンク（３）及び電気コンデンサ（４）の３つの構成要素を含み、
   前記構成要素は、上述した順序で積み重ねられており、
   少なくとも１つの固定手段（１３Ａ）を更に含み、
   前記３つの構成要素は、互いに移動可能ではなく、前記３つの構成要素の各々が少なくとも部分的にそれぞれ隣接する構成要素に平面的に接触するよう、前記固定手段によって固定されており、
   前記第１のヒートシンク（２）と前記第２のヒートシンク（３）との間にクランプされた半導体パワーモジュール（５）を更に含み、前記電気コンデンサと前記半導体パワーモジュールを電気的に接続する電気接触要素（１５）を更に含む、電気インバータシステム。
2. 前記固定手段はネジ（１３Ａ）であり、 前記構成要素のうちの少なくとも１つは、前記ネジを固定するためのカウンタースレッドを備える、請求項１に記載の電気インバータシステム。
3. 前記第１のヒートシンク（２）、前記第２のヒートシンク（３）及び前記電気コンデンサ（４）は、ネジ接続部を形成するために上下に配置された孔（１３）を備える、請求項２に記載の電気インバータシステム。
4. 前記電気コンデンサは電磁干渉フィルタを含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の電気インバータシステム。
5. 前記半導体パワーモジュールの表面（５Ｂ，５Ｄ）は、前記半導体パワーモジュールと前記第１のヒートシンク（２）及び前記第２のヒートシンク（３）との間の熱輸送が改善されるよう、前記第１のヒートシンク（２）及び前記第２のヒートシンク（３）に平面的に接触している、請求項１～４のいずれか１項に記載の電気インバータシステム。
6. 前記半導体パワーモジュールは、予め定められた配向においてのみ、前記第１のヒートシンク（２）と前記第２のヒートシンク（３）との間にクランプされ得る、請求項１～５のいずれか１項に記載の電気インバータシステム。
7. 前記第１のヒートシンク（２）及び前記第２のヒートシンク（３）のうちの少なくとも１つは、前記半導体パワーモジュールの前記配向を予め定めるラグ（２４）を備える、請求項６に記載の電気インバータシステム。
8. 前記半導体パワーモジュールは、前記電気インバータシステムの第１の面（３Ａ）において外向きに露出している、請求項１～７のいずれか１項に記載の電気インバータシステム。
9. 前記半導体パワーモジュールは、前記第１の面に、前記半導体パワーモジュールの前記配向を予め定める交流接続部を備える、請求項７を引用する請求項８に記載の電気インバータシステム。
10. 前記半導体パワーモジュールは出力電流センサ（１４）を含む、請求項９に記載の電気インバータシステム。
11. 前記電気コンデンサの前記第１の面にゲートドライバボード（１０Ｂ）が取り付けられている、請求項８～１０のいずれか１項に記載の電気インバータシステム。
12. 前記半導体パワーモジュールと電気的に接触された少なくとも１つのコントローラボード（１０Ａ）をさらに備え、前記ゲートドライバボード（１０Ｂ）には、前記コントローラボード（１０Ａ）が取り付けられている、又は、前記コントローラボード（１０Ａ）は、前記ゲートドライバボード（１０Ｂ）に埋め込まれている、請求項１１に記載の電気インバータシステム。
13. 前記電気コンデンサは高電圧直流プラグ（４Ｄ）を含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載の電気インバータシステム。
14. 前記電気コンデンサは入力電流センサを含む、請求項１～１３のいずれか１項に記載の電気インバータシステム。
15. 前記第１のヒートシンク（２）及び前記第２のヒートシンク（３）のうちの１つは貫通孔（１６）を含み、前記貫通孔内には電気接触要素としての圧力接点（１５）が埋め込まれている、請求項１～１４のいずれか１項に記載の電気インバータシステム。
16. 電気インバータシステムの組立方法であって、
    - 第１のヒートシンク、第２のヒートシンク及び電気コンデンサの３つの構成要素を準備するステップ、
    - 半導体パワーモジュール及び固定手段を準備するステップ、
    - 前記半導体パワーモジュールを、前記第１のヒートシンク（２）及び前記第２のヒートシンク（３）のうちの一方の上に配置するステップ、
    - 前記第１のヒートシンク（２）及び前記第２のヒートシンク（３）のうちの一方並びに前記半導体パワーモジュールを、前記第１のヒートシンク（２）及び前記第２のヒートシンク（３）のうちの他方によって覆うステップ、
    - 前記電気コンデンサと前記半導体パワーモジュールの電気接触面が重なり合って位置し、電気接触要素によって接触され得るよう、その間に配置された半導体パワーモジュールを有する前記第１のヒートシンク（２）及び前記第２のヒートシンク（３）と、前記電気コンデンサとを、重ね合わせて配置するステップ、及び、
    -少なくとも１つの固定手段を取り付けるステップであって、前記固定手段は、前記第１のヒートシンク（２）及び前記第２のヒートシンク（３）並びに前記電気コンデンサを、それらが互いに対して移動可能ではなく、前記３つの構成要素の各々が少なくとも部分的にそれぞれ隣接する構成要素に平面的に接触するように固定し、前記３つの構成要素を固定することにより、前記半導体パワーモジュールは前記第１のヒートシンク（２）と前記第２のヒートシンク（３）との間にクランプされる、ステップ
    を含む方法。
17. 前記固定手段はネジであり、前記３つの構成要素のうちの少なくとも１つは前記ネジを固定するためのカウンタースレッドを備える、請求項１６に記載の方法。
18. 更に、ゲートドライバボードが前記電気コンデンサの第１の面に固定される、請求項１６又は１７に記載の方法。

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