CN101960707A - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力转换装置。连接上臂控制端子(320UU～320UW)的连接部(225UP～225WP)配置在驱动电路基板(22)的第1基板边缘部；连接下臂控制端子(320LU～320LW)的连接部(225UN～225WN)配置在驱动电路基板(22)的第2基板边缘部。在由这些基板边缘部夹着的基板区域形成弱电图案区域(228)，在弱电图案区域(228)安装上臂安装区(227UP～227WP)、下臂安装区(227UN～227WN)、光电耦合器(221U～221W)。在下臂安装区域，将形成在比安装下臂用驱动器电路的导体层还要下层的导体层上，该信号布线(40U)从光电耦合器(221U)向安装区域(227UN)传输信号。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明涉及在直流电力与交流电力之间进行转换的电力转换装置。
背景技术
例如，在车辆用电力转换装置的情况下，逆变器电路由电力用半导体芯片和散热基板等构成，并被模块化。用来驱动逆变器电路的驱动器电路基板，为了最小限度地抑制半导体模块与驱动器电路基板间的布线，而搭载在半导体模块附近，通过焊接等，与半导体模块的控制端子电连接。
一般，在电池电压为42V以上的高电压的情况下，为了安全，就用光电耦合器等信号传输元件，使控制器与驱动器电路之间分离。此外，为了确保正极侧输入与负极侧输入的绝缘，需要在上下臂之间确保一定以上的距离，以确保绝缘。
另外，与上臂用功率半导体连接的上臂用驱动器电路部的电压每逢上臂用功率半导体开关一次，就从正变成负，所以，正极电位部位、负极电位部位都需要确保绝缘。此外，在需要通大电流驱动电动机的情况下，与下臂用功率半导体连接的下臂驱动器电路部的各相间的电位会因电流变化而变动，所以，需要确保电位变动部分的绝缘。
如上所述，驱动器电路基板具有如下不同电位的电路部，即连接在控制器上的弱电电位的电路部；连接在电池的正电位、负电位的电路部；每开关一次就有正负变化的输出端子的电位的电路部。各部之间需要彼此隔开必要的距离，以确保绝缘。
例如，专利文献1所述的技术是设法将信号绝缘用光电耦合器搭载在驱动器电路基板的外周部，在确保各部件间绝缘的同时，实现驱动电路基板的小型化。
专利文献1：特开2007-336793号公报
但是，在半导体模块的控制端子处于模块外周部的情况下，为了确保去往光电耦合器的信号线与处于高电位的半导体模块的控制端子之间绝缘，需要使光电耦合器与控制端子之间确保一定距离地进行搭载。因此，驱动器电路基板需要大于半导体模块，于是导致以下问题：电力转换装置变大。
发明内容
本发明的第1方式的电力转换装置，具备：功率模块，具有每相都配备上臂用开关元件和下臂用开关元件的逆变器电路；和驱动电路基板，对于每相都安装有上臂用驱动器电路和下臂用驱动器电路，上臂用驱动器电路将驱动信号输出至上臂用开关元件，下臂用驱动器电路将驱动信号输出至下臂用开关元件，在电力转换装置中驱动电路基板由交替层叠了多个导体层和多个绝缘层的叠层基板构成，其具有：第1基板边缘部，连接上臂用开关元件控制端子；第2基板边缘部，连接下臂用开关元件控制端子；以及由第1和第2基板边缘部夹着的基板区域，在基板区域，对于每相都形成有安装上臂用驱动器电路的上臂安装区域、和安装下臂用驱动器电路的下臂安装区域，并且形成有弱电系统区域，在弱电系统区域分别安装将控制信号电绝缘地传输至各驱动器电路的信号传输元件，在比安装下臂用驱动器电路的导体层还要下层的导体层形成信号布线，使其通过下臂用驱动器电路的下方，信号布线使控制信号从信号传输元件传输至对应的驱动器电路。
本发明的第2方式的电力转换装置，具备：功率模块，具有每相都配备上臂用开关元件和下臂用开关元件的逆变器电路；和驱动电路基板，对于每相都安装有上臂用驱动器电路和下臂用驱动器电路，上臂用驱动器电路将驱动信号输出至上臂用开关元件，下臂用驱动器电路将驱动信号输出至下臂用开关元件，在该电力转换装置中驱动电路基板由交替层叠了多个导体层和多个绝缘层的叠层基板构成，其具有：第1基板边缘部，连接上臂用开关元件控制端子；第2基板边缘部，连接下臂用开关元件控制端子；以及由第1和第2基板边缘部夹着的基板区域，在基板区域，对于每相都形成有安装上臂用驱动器电路的上臂安装区域、和安装下臂用驱动器电路的下臂安装区域，并且形成有弱电系统区域，在弱电系统区域分别安装将控制信号电绝缘地传输至各驱动器电路的信号传输元件，将向上臂用驱动器电路以及下臂用驱动器电路提供电源电压的电源电路用变压器安装在基板区域，使得与上臂安装区域以及下臂安装区域的至少一方的一部分区域重叠。
另外，也可以具备半桥型预驱动器元件，该半桥型预驱动器元件与上臂驱动器电路和下臂驱动器电路连接，具有将输入至下臂驱动器电路的控制信号转换成上臂用信号的电平转换电路。
本发明的第3方式的电力转换装置，具备：功率模块，具有每相都配备上臂用开关元件和下臂用开关元件的逆变器电路；驱动电路基板，对于每相都安装有上臂用驱动器电路和下臂用驱动器电路，上臂用驱动器电路将驱动信号输出至上臂用开关元件，下臂用驱动器电路将驱动信号输出至下臂用开关元件；和半桥型预驱动器元件，与上臂驱动器电路和下臂驱动器电路连接，具有将输入至下臂驱动器电路的控制信号转换成上臂用信号的电平转换电路，在该电力转换装置中，驱动电路基板由交替层叠了多个导体层和多个绝缘层的叠层基板构成，其具有：第1基板边缘部，连接上臂用开关元件控制端子；第2基板边缘部，连接下臂用开关元件控制端子；以及由第1和第2基板边缘部夹着的基板区域，在基板区域，对于每相都形成有安装上臂用驱动器电路的上臂安装区域、和安装下臂用驱动器电路的下臂安装区域，并且形成有弱电系统区域，在弱电系统区域分别安装将控制信号电绝缘地传输至各驱动器电路的信号传输元件，在导体层形成用于向驱动器电路提供电源电压的电源布线，且以使其通过预驱动器元件正下方的叠层基板。
另外，也可以在比安装下臂用驱动器电路的导体层还要下层的导体层，形成向下臂用驱动器电路提供电源电压的电源布线。
本发明的第4方式的电力转换装置，具备：功率模块，具有每相都配备上臂用开关元件和下臂用开关元件的逆变器电路；驱动电路基板，对于每相都安装有上臂用驱动器电路和下臂用驱动器电路，上臂用驱动器电路将驱动信号输出至上臂用开关元件，下臂用驱动器电路将驱动信号输出至下臂用开关元件；和半桥型预驱动器元件，与上臂驱动器电路和下臂驱动器电路连接，具有将输入至下臂驱动器电路的控制信号转换成上臂用信号的电平转换电路，在电力转换装置中，驱动电路基板由交替层叠了多个导体层和多个绝缘层的叠层基板构成，其具有：第1基板边缘部，连接上臂用开关元件控制端子；第2基板边缘部，连接下臂用开关元件控制端子；以及由第1和第2基板边缘部夹着的基板区域，在基板区域，对于每相都形成有安装上臂用驱动器电路的上臂安装区域、和安装下臂用驱动器电路的下臂安装区域，并且形成有弱电系统区域，在弱电系统区域分别安装将控制信号电绝缘地传输至各驱动器电路的信号传输元件，在导体层，以通过预驱动器元件正下方的叠层基板的方式形成信号布线，该信号布线使控制信号从信号传输元件传输到对应的驱动器电路。
本发明的第5方式的电力转换装置，具备：功率模块，具有每相都配备上臂用开关元件和下臂用开关元件的逆变器电路；驱动电路基板，对于每相都安装有上臂用驱动器电路和下臂用驱动器电路，上臂用驱动器电路将驱动信号输出至上臂用开关元件，下臂用驱动器电路将驱动信号输出至下臂用开关元件；和半桥型预驱动器元件，与上臂驱动器电路和下臂驱动器电路连接，具有将输入至下臂驱动器电路的控制信号转换成上臂用信号的电平转换电路，在电力转换装置中，驱动电路基板由交替层叠了多个导体层和多个绝缘层的叠层基板构成，其具有：第1基板边缘部，连接上臂用开关元件控制端子；第2基板边缘部，连接下臂用开关元件控制端子；以及由第1和第2基板边缘部夹着的基板区域，在基板区域，对于每相都形成有安装上臂用驱动器电路的上臂安装区域、和安装下臂用驱动器电路的下臂安装区域，并且形成有弱电系统区域，在弱电系统区域分别安装将控制信号电绝缘地传输至各驱动器电路的信号传输元件，在导体层，以通过信号传输元件正下方的叠层基板方式形成电源布线，该电源布线用于向驱动器电路提供电源电压。
根据本发明，能够确保驱动电路基板内的各部件的绝缘，同时实现驱动电路基板尺寸的小型化。
附图说明
图1是表示混合动力汽车的控制模块图。
图2是逆变器装置的电路结构的说明图。
图3是本发明的实施方式所涉及电力转换装置的外观立体图。
图4是表示电力转换装置的内部结构的分解立体图。
图5是电力转换装置的截面图。
图6是表示功率模块的立体图。
图7是功率模块的截面图。
图8是表示V相的上下臂串联电路图。
图9是组装状态下的电容器模块、直流侧导体板和功率模块的示图。
图10是表示驱动电路主要部分的框图。
图11是表示驱动电路基板上的电路和布线的配置图。
图12是驱动电路基板的截面示意图。
图13是表示驱动电路基板的电源布线部分的截面图。
图14是表示预驱动器IC的概略结构的电路图。
图15是变形例的示图。
图16是变形例的预驱动器IC部分的截面图。
图17是表示按照信号布线和电源布线不与上下臂安装区重叠的方式进行布局时的一例。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的最佳实施方式进行说明。本发明的实施方式下的电力转换装置可适用于混合动力汽车和纯粹的电动汽车。这里，利用图1和图2，对作为代表例的本发明实施方式下的电力转换装置用于混合动力汽车时的控制结构和电力转换装置的电路结构进行说明。
对于本发明的实施方式所涉及的电力转换装置，举例说明应用于汽车搭载的车载电机系统中的车载用电力转换装置、特别是应用于车辆驱动用电机系统的、对搭载环境和工作环境等要求苛刻的车辆驱动用逆变器装置。车辆驱动用逆变器装置作为控制车辆驱动用电动机驱动的控制装置，被配备在车辆驱动用电机系统中，它将构成车载电源的车载电池或车载发电装置提供的直流电力转换成规定的交流电力，将得到的交流电力提供给车辆驱动用电动机，控制车辆驱动用电动机的驱动。此外，由于车辆驱动用电动机具有发电机的功能，所以车辆驱动用逆变器装置也具有根据运转模式将车辆驱动用电动机产生的交流电力转换为直流电力的功能。转换后的直流电力供给车载电池。
另外，本实施方式的结构虽然最适合汽车或卡车等车辆驱动用电力转换装置，但除它们以外的电力转换装置也可以适用。例如，可以适用于电车、船舶、飞机等的电力转换装置、作为驱动工厂设备的电动机的控制装置而使用的工业用电力转换装置、或者驱动家庭太阳能发电系统或电器产品的电动机的控制装置上使用的家庭用电力转换装置。
图1是表示混合动力汽车的控制模块图。在图1中，混合动力汽车(下记为“HEV”)110是电动车辆的一种，配备了2个车辆驱动用系统。其中一个是作为内燃机的将发动机120作为动力源的发动机系统。发动机系统主要被用作HEV110的驱动源。另一个是将电动机/发电机192、194作为动力源的车载电机系统。车载电机系统主要被用作HEV110的驱动源和HEV110的电力发生源。电动机/发电机192、194是例如同步电机或感应电机，根据运转方法的不同，有时作为电动机工作，有时作为发电机工作，所以，在此决定：将其记为电动机/发电机。
车体前部可旋转地轴支有前轮车轴114。前轮车轴114的两端设有一对前轮112。车体后部可旋转地轴支有后轮车轴(图示省略)。后轮车轴的两端设有一对后轮。本实施方式的HEV110采用了所谓的前轮驱动方式，前轮112是由动力驱动的主动轮，后轮是被带动的从动轮。反之，也可以采用后轮驱动方式。
前轮车轴114的中央部设有前轮侧差动齿轮(下记为“前轮侧DEF”)116。前轮车轴114与前轮侧DEF116的输出侧机械连接。变速机118的输出轴与前轮侧DEF116的输入侧机械连接。前轮侧DEF116是差动动力分配机构，它将因变速机118变速而传导的旋转驱动力分配至左右前轮车轴114。电动机/发电机192的输出侧与变速机118的输入侧机械连接。发动机120的输出侧以及电动机/发电机194的输出侧经由动力分配机构122，与电动机/发电机192的输入侧机械连接。另外，电动机/发电机192、194和动力分配机构122被容纳在变速机118的壳体内部。
在本实施方式中，电动机/发电机192、194是转子上配备了永久磁体的同步电机。由逆变器装置140、142控制供给定子的电枢线圈的交流电力，以此控制电动机/发电机192、194的驱动。电池136与逆变器装置140、142连接，电池136与逆变器装置140、142之间可以交换电力。
逆变器装置140、142控制提供给电动机/发电机192、194的交流电的相位、频率和功率。例如，一方面对电动机/发电机192、194的转子旋转提供相位超前的交流电力，使电动机/发电机192、194发生转矩；另一方面，对电动机/发电机192、194的转子旋转提供相位滞后的交流电力，使电动机/发电机192、194起到发电机的作用，在再生制动的状态下运转。
在本实施方式中，HEV110包括2个电动发电单元，分别是：由电动机/发电机192和逆变器装置140组成的第一电动发电单元；和由电动机/发电机194和逆变器装置142组成的第二电动发电单元。HEV110根据运转状态，对它们区别使用。也就是说，在利用发动机120的动力驱动车辆的状况下，在增加车辆驱动转矩的情况下，将第二电动发电单元作为发电单元，利用发动机120的动力使其工作、发电，利用其发电得到的电力使第一电动发电单元作为电动单元工作。此外，有时在同样的状况下，在增加车辆车速的情况下，将第一电动发电单元作为发电单元，利用发动机120的动力使其工作、发电，利用其发电得到的电力使第二电动发电单元作为电动单元工作。
此外，本实施方式中，通过电池136的电力，使第一电动发电机单元作为电动单元工作，从而仅凭电动机/发电机192的动力就可以驱动车辆。另外，本实施方式中，将第一电动发电单元或第二电动发电单元作为发电单元，利用发动机120的动力或来自车轮的动力使它们工作、发电，以此可以对电池136充电。
电池136还进一步作为驱动辅机用电动机195的电源被使用。作为辅机，例如有驱动空调压缩机的电动机、或驱动控制用油压泵的电动机。电源136提供给逆变器装置43的直流电力被逆变器装置43转换为交流电力，提供给电动机195。逆变器装置43具有与逆变器装置140、142同样的功能，其控制提供给电动机195的交流电的相位、频率和功率。由于电动机195的容量比电动机/发电机192、194的容量小，所以逆变器装置43的最大转换电力比逆变器装置140、142小。但是，逆变器装置43的电路结构基本上与逆变器装置140、142的电路结构相同。
逆变器装置140、142以及43与电容器模块500存在紧密的电性关系。而且共通点是必需应对发热。还有，优选装置的体积尽量压缩。基于这些点，以下详述的电力转换装置200将逆变器装置140、142和43以及电容器模块500内置于电力转换装置200的壳体内。通过上述结构，可以实现小型的可靠性高的装置。
此外，将逆变器装置140、142和43以及电容器模块500内置于电力转换装置200的壳体内，就会具有简化布线和抗噪声的效果。此外，还可以降低电容器模块500与逆变器装置140、142和43之间的连接电路的电感，降低尖峰电压，同时，减少发热，提高散热效率。
下面，利用图2，对逆变器装置140和142或逆变器装置43的电路结构进行说明。另外，举例说明在图1～图2所示的实施方式中，逆变器装置140和142或逆变器装置43各自单独构成的情况。逆变器装置140、142和43具有相同的构成、作用和功能，这里，以逆变器装置140为代表例进行说明。
如图2所示，电力转换装置200包括：逆变器装置140和电容器模块500。逆变器装置140具有逆变器电路144和控制部170。逆变器电路144由三相桥电路构成，包括：与U相、V相和W相对应的三个上下臂串联电路150(150U～150W)。上下臂串联电路150U、150V、150W分别在电连接电池136的正极侧和负极侧的直流正极端子314、与直流负极端子316之间电并联。
各个上下臂串联电路150具有作为上臂动作的IGBT328(绝缘栅型双极晶体管)和二极管156；和作为下臂动作的IGBT330和二极管166。去往电动机/发电机192的交流电力线(交流母线)186与各个上下臂串联电路150的中点部分(中间电极169)的交流端子159连接。交流电力线186经由交流连接器188，与对应电动机/发电机192的电枢线圈的相线圈电连接。控制部170包括：驱动控制逆变器电路144的驱动器电路174；和经由信号线176向驱动器电路174提供控制信号的控制电路172。
上臂和下臂的IGBT328、330是功率半导体开关元件，接收控制部170输出的驱动信号并进行动作，将电池136提供的直流电力转换成三相交流电力。该转换之后的电力提供给电动机/发电机192的电枢线圈。如上所述，逆变器装置140也能够将电动机/发电机192发生的三相交流电力转换成直流电力。
在本实施方式中，IGBT328、330被作为功率半导体开关元件使用。IGBT328、330具有：集电极153、163、发射极(信号用发射电极端子155、165)、栅极(栅极端子154、164)。如图所示，二极管156、166电连接在IGBT328、330的集电极153、163与发射极之间。二极管156、166具有阴极和阳极两个电极，为了使IGBT328、330的发射极向集电极的方向为正向，阴极电连接在IGBT328、330的集电极上，阳极电连接在IGBT328、330的发射极上。
作为功率半导体开关元件，也可以使用MOSFET(金属氧化物半导体型场效应晶体管)。另外，由于MOSFET在源极与漏极之间具有从漏极到源极的方向为正向的寄生二极管，所以，无需像IGBT那样另设二极管(二极管156和二极管166)。
上下臂串联电路150与电动机/发电机192的电枢线圈的各相线圈对应，设置了3个相的电路(150U～150W)。3个上下臂串联电路150U、150V、150W分别经由连接IGBT328的发射极与IGBT330的集电极163的中间电极169、交流端子159，与电动机/发电机192的U相、V相、W相连接。上下臂串联电路之间以并联方式电连接。上臂的IGBT328的集电极153经由正极端子(P端子)157，与电容器模块500的正极侧的电容器电极电连接(以直流母线连接)。下臂的IGBT330的发射极经由负极端子(N端子)158，与电容器模块500的负极侧的电容器电极电连接(以直流母线连接)。相当于各臂的中点部分(上臂的IGBT328的发射极与下臂的IGBT330的集电极的连接部分)的中间电极169经由交流连接器188，与对应电动机/发电机192的电枢线圈的相线圈电连接。
电容器模块500构成了平滑电路，用来抑制因IGBT328、330的开关动作而产生的直流电压的变动。电容器模块500的正极侧电容器电极经由直流连接器138与电池316的正极侧电连接；电容器模块500的负极侧电容器电极经由直流连接器138与电池316的负极侧电连接。由此，电容器模块500在上臂IGBT328的集电极153与电池136的正极侧之间、下臂IGBT330的发射极与电池136的负极侧之间连接，电池136相对于上下臂直流电路150电并联。
控制部170用来使IGBT328、330进行动作，其包括：控制电路172和驱动器电路174。控制电路172根据其他控制装置和传感器等的输入信息，生成控制IGBT328、330开关定时的定时信号。驱动器电路174根据控制电路172输出的定时信号，生成使IGBT328、330进行开关动作的驱动信号。
控制电路172包括对IGBT328、330的开关定时进行运算处理的微型计算机(下记为“微机”)。作为输入信息，要求电动机/发电机192的目标转矩值、上下臂串联电路150提供给电动机/发电机192的电枢线圈的电流值、和电动机/发电机192的转子的磁极位置被输入微机。目标转矩值是基于未图示的上位控制装置输出的指令信号的值。电流值是基于电流传感器180输出的检测信号检测出来的值。磁极位置是基于设在电动机/发电机192上的旋转磁极传感器(未图示)输出的检测信号检测出来的。本实施方式虽然以检测3个相的电流值为例进行说明，但也可以检测2个相的电流值。
控制电路172内的微机根据目标转矩值，计算电动机/发电机192的d、q轴的电流指令值。然后，微机根据该计算出来的d、q轴电流指令值与检测出来的d、q轴电流值的差分，计算d、q轴的电压指令值。微机根据检测出来的磁极位置，将上述计算出来的d、q轴的电压指令值转换成U相、V相、W相的电压指令值。然后，微机根据基于U相、V相、W相电压指令值的基波(正弦波)与载波(三角波)之间的比较，生成脉冲状调制波，将该生成的调制波作为PWM(脉冲宽度调制)信号输出至驱动器电路174。
驱动器电路174在驱动下臂的情况下，放大PWM信号，将其作为驱动信号输出至下臂的IGBT330的栅极；在驱动上臂的情况下，将PWM信号的基准电位电平移至上臂的基准电位电平，然后放大PWM信号，将其作为驱动信号输出至上臂的IGBT328的栅极。由此，各IGBT328、330根据输入的驱动信号进行开关动作。
此外，控制部170还对异常(过电流、过电压、过温度等)进行检测，保护上下臂串联电路150U～150W。为此，对控制部170输入传感信息。例如，从各臂的信号用发射极端子155、165流入各IGBT328、330的发射极的电流信息被输入对应的驱动部(IC)。由此，各驱动部(IC)进行过电流检测，在检测到过电流的情况下，停止对应的IGBT328、330的开关动作，保护对应的IGBT328、330不受过电流的影响。上下臂串联电路150U～150W的温度信息由设置在上下臂串联电路150U～150W上的温度传感器(未图示)输入微机。此外，上下臂串联电路150U～150W的直流正极侧的电压信息被输入微机。微机根据这些信息，进行过温度检测和过电压检测，在检测到过温度或过电压的情况下，停止所有IGBT328、330的开关动作，保护上下臂串联电路150U～150W不受过温度或过电压的影响。
如图2所示，上下臂串联电路150U～150W是上臂的IGBT328以及上臂的二极管156与下臂的IGBT330以及下臂的二极管166的串联电路。逆变器电路144的上下臂的IGBT328、330的导通和关断动作按照固定的顺序切换，在进行该切换时，电动机/发电机192的定子线圈的电流流过由二极管156、166组成的电路。
如图所示，上下臂串联电路150U～150W包括：Positive端子(P端子、正极端子)157、Negative端子(N端子、负极端子)158、从上下臂中间电极169出来的交流端子159、上臂的信号用端子(信号用发射极端子)155、上臂的栅极端子154、下臂的信号用端子(信号用发射极端子)165、和下臂的栅极端子164。此外，电力转换装置200在输入侧具有直流连接器138；在输出侧具有交流连接器188。电力转换装置200通过各个连接器138、188，分别与电池136和电动机/发电机192连接。此外，作为产生向电动机/发电机输出的3相交流的各相输出的电路，也可以是电路构成为各相上2个上下臂串联电路进行并联连接的电力转换装置。
图3是本发明的实施方式所涉及的电力转换装置200的外观立体图。此外，图4是将电力转换装置200的整体结构分解为各结构要素的立体图。如图3所示，本实施方式所涉及的电力转换装置200的外观部件包括：上面或底面大致为长方形的壳体12；用来覆盖壳体12上部开口的上部外壳10；和用来覆盖壳体12下部开口的下部外壳16。通过使壳体12的底面侧或上面侧的形状大致为长方形，从而容易安装到车辆上，此外还有容易制造的效果。另外，图3中未表示，冷却水入口配管13和冷却水出口配管14被设置在壳体12短边侧的一个外周面上(参照图4)。
在电力转换装置200的长边侧的外周面，设有用来连接各电动机/发电机192、194的交流端子外壳17。设在交流端子外壳17内的交流端子18用来电连接图4所示的功率模块300与电动机/发电机192、194。后述的功率模块300输出的交流电流经由交流端子18，传输至电动机/发电机192、194。
在壳体12短边侧的外周面的一侧，设有直流(电池)负极侧连接端子部510和直流(电池)正极侧连接端子部512。直流(电池)负极侧连接端子部510和直流(电池)正极侧连接端子部512，与电池136和电容器模块500电连接。另一方面，如图4所示，在壳体12短边侧的外周面的另一侧，即设置配管13、14的一侧，设有连接器21。来自外部的各种信号经由连接器21，传送至内置于壳体12的控制电路基板20。这样，端子部510、512与连接器21被设置在壳体12的相对的短边侧的外周面上。因此，能够减少从直流(电池)负极侧连接端子部510侵入壳体12、再传播至连接器21的噪声，能够提高控制电路基板20对电动机的控制性。
如图4所示，内部形成冷却水流路19的冷却套19A被设置在壳体12的大致中央处，在冷却套19A的上部沿水流方向并排地形成2组开口。2组功率模块300被固定在冷却套19A的上面，盖住这些开口。在功率模块300与冷却套19A之间设有防止冷却水漏出的密封材料(例如，O形密封环)。各功率模块300设有用来散热的冷却片305(参照图5)，各功率模块300的冷却片305分别从冷却套19A的开口，伸到冷却水流路19中。
冷却套19A的下面形成有易进行铝铸造的开口，开口被下盖420封住。下盖420与壳体12之间设有防止冷却水漏出的密封材料。此外，在冷却套19A的下面安装有辅机用逆变器装置43。辅机用逆变器装置43设有逆变器电路，该逆变电路具有与图2所示的逆变器电路144相同的结构。辅机用逆变器装置43被固定在冷却套19A的下面，使得内置的功率模块的散热金属面与冷却套19A的下面相对。
另外，冷却套19A的下方设有下部外壳16。下部外壳16上设有电容器模块500。电容器模块500被固定在下部外壳16的底板内面，使其金属制外壳的散热面与下部外壳16的底板内面相接。这种结构能够利用冷却套19A的上面和下面，高效地冷却功率模块300和逆变器装置43，可使电力转换装置整体小型化。
来自冷却水入出口配管13、14的冷却水流过冷却水流路19，从而并设的2个功率模块300具有的散热面(冷却片)被冷却，这样2个功率模块300的整体就被冷却。设置在冷却套19A下面的辅机用逆变器装置43也同样被冷却。
进而，设置了冷却套19A的壳体12被冷却，所以，使得设置于壳体12下部的下部外壳16冷却。其结果，电容器模块500的热量经由下部外壳16和壳体12，热传导至冷却水，从而电容器模块500被冷却。
功率模块300的上方配置了用来电连接功率模块300和电容器模块500的叠层导体板700。该叠层导体板700在2个功率模块300并列配置的方向上宽幅构成，跨越2个功率模块300。而且，叠层导体板700与电容器模块500的正极侧和负极侧的电容器端子504、506连接。
叠层导体板700的上方配置有控制电路基板20和驱动电路基板22。驱动电路基板22上搭载了图2所示的驱动器电路174；控制电路基板20上搭载了图2所示的具有CPU的控制电路172。此外，驱动电路基板22与控制电路基板20之间配置有金属底板11。金属底板11具有使搭载在两基板22、20上的电路群电磁屏蔽的功能，同时，具有使驱动电路基板22和控制电路基板20产生的热量散开、对其进行冷却的作用。
驱动电路基板22上设有穿过金属底板11、从而连接控制电路基板20电路群的基板间连接器23。此外，连接器21与控制电路基板20连接，利用连接器21，与设于电力转换装置外部的车载电池136、也就是锂电池模块之间进行信号传送。表示电池状态的信号和锂电池充电状态等信号从锂电池模块送往控制电路基板20。图2所示的信号线176(图4中未图示)与基板间连接器23连线。逆变器电路的开关定时信号从控制电路基板20经由信号线176，被传送至驱动电路基板22。驱动电路基板22根据开关定时信号来产生栅极驱动信号，并施加到功率模块300的各个栅极上。
壳体12的上端部和下端部形成有开口。通过例如螺丝和螺栓等结合部件分别将上部外壳10和下部外壳16固定在壳体12上，从而这些开口会被堵住。如上所述，冷却套19A形成在壳体12在高度方向的大致中央处。通过由功率模块300覆盖形成在冷却套19A的冷却水流路19的上面侧开口，由下盖420覆盖下面开口，这样在冷却套19A内部，就形成连接冷却水入口配管13和冷却水出口配管14的冷却水流路19。对正在组装的冷却水流路19进行漏水试验。并且，在漏水试验合格后，从壳体12的上部和下部的开口，进行安装基板和电容器模块500的作业。这样，采用将冷却套19A配置在壳体12的中央、然后可从壳体12的上端部和下端部的开口进行必要部件的固定作业的构造，可提高生产效率。此外，还可以最先完成冷却水流路19，在漏水试验后安装其它部件，使生产效率和可靠性两方面得到提高。
图5是电力转换装置200的截面图。如上所述，冷却套19A以上下隔开壳体内部空间的形态，一体地形成在壳体12在上下方向的大致中央处。冷却套19A中形成有冷却水流路19，图示左侧的水路是从冷却水入口配管13开始的去路，右侧的水路是与冷却水出口配管14连接的回路。板状交流电力线186的一端与功率模块300的交流端子159连接。交流电力线186的另一端从电力转换装置200的内部伸出，形成交流连接器。
功率模块300以跨越去路和回路方式固定在冷却套19A上。功率模块300上设有散热用金属基底304，功率模块300的IGBT328、330和二极管156、166搭载在绝缘基板(未图示)上，绝缘基板固着于金属基底304。在金属基底304下面形成有多个冷却片305。另外，本实施方式的冷却片305虽然由针状冷却片构成，但是，并不限于针状冷却片，也可以是平直翅片等。
在金属基底304上，上臂用IGBT328和二极管156设置在冷却水流路19的回路侧；下臂用IGBT330和二极管166设置在冷却水流路19的去路侧。此外，冷却片305被分成两个区域，分别是：设置上臂用IGBT328和二极管156区域的下面；设置下臂用IGBT330和二极管166区域的下面。形成在各区域的冷却片305从冷却水流路19上形成的开口，伸入冷却水流路19内，被流路内的冷却水直接冷却。此外，辅机用逆变器装置43被固定在冷却套19A的下面。
在功率模块300的上方配置有安装了图2所示的驱动器电路174(未图示)的驱动电路基板22。驱动电路基板22的上方设置有用来提高散热和电磁屏蔽效果的金属底板11，其上方进一步配置有控制电路基板20。另外，在控制电路基板20搭载图2所示的控制电路172(未图示)。功率模块300的上臂控制端子320U(后述的图6中是320UU～320UW)和下臂控制端子320L(图6中是320UL～320UW)从功率模块300的外壳向上方延伸，贯通形成在驱动电路基板22的端子部的孔。控制端子320U、320L通过焊接或熔接等，与驱动电路基板22上的端子部接合。
利用图6～图8，对功率模块300的详细内容进行说明。图6是表示本实施方式的功率模块300的立体图。图7是功率模块300的截面图。图8是表示配置在金属基底304上的V相的上下臂串联电路150V的示图。
功率模块300主要包括：功率模块外壳302；设置在功率模块外壳302内的半导体模块部；金属基底304；和与外部进行连接的连接端子。功率模块外壳302由树脂材料等电绝缘材料形成。金属基底304使用例如Cu、Al、AlSiC等金属材料。作为连接端子，例如包括：与驱动电路进行连接的控制端子320U、320L；与电容器模块500进行连接的直流正极端子314以及直流负极端子316；和与电动机/发电机进行连接的交流端子159等。功率模块外壳302是被固定在金属基底304上的框架构造体，如图7所示，中央具有梁状部。由具有梁状部的框架构造体所包围的两个矩形区域中，分别设有构成上下臂的各半导体模块部的半导体元件和布线等。
图8是表示搭载在金属基底304上的V相的上下臂串联电路150V，U相和W相的上下臂串联电路150U、150W也具有相同结构。上下臂串联电路150V包括上臂电路151和下臂电路152。上臂电路151和下臂电路152通过端子370连接。上述的功率模块外壳302的梁状部位于上臂电路151与下臂电路152之间，端子370被设置为跨越梁状部。
在上臂电路151和下臂电路152分别设有载置IGBT328、330和二极管156、166的绝缘基板334。绝缘基板334由热传导性良好的电绝缘材料形成，例如，可以是陶瓷基板，也可以是薄的绝缘片。在本实施方式中，绝缘基板334由热传导性良好的陶瓷形成。
在绝缘基板334的上面和下面形成有金属图案。下面侧的金属图案是在整个下面形成的Beta图案。通过焊接等，将该Beta图案接合在金属基底304上，绝缘基板334固定在金属基底304上。另一方面，上面侧的金属图案形成了布线电路图案334k，该布线电路图案334k上装有IGBT328、 330和二极管156、166。在安装IGBT328、330和二极管156、166时，其背面侧所形成的电极通过焊接与布线电路图案334k接合。
在本实施方式中，上臂电路151构成为：将并联连接IGBT328和二极管156的电路部作为1组，对2组该电路部并联连接。并联连接几组该电路，由电动机192所通的电流量决定。例如，在需要比本实施方式的电动机192所通的电流大的电流的情况下，并联连接3组或3组以上的电路部。相反，在用小电流就可驱动电动机的情况下，各相的各臂由1组电路部构成。下臂电路152也是同样地构成为：将并联连接IGBT330和二极管166的电路部作为1组，对2组该电路部并联连接。用来输出交流电力的交流端子159V设置在下臂电路152上。
在图6中，314a和316a是直流正极端子314和直流负极端子316的端子部，设在功率模块外壳302的上面。另外，直流正极端子314和直流负极端子316被上下重合配置，它们之间设有绝缘纸318。各上下臂串联电路150(150U、150V、150W)的交流端子159(159U、159V、159W)并排配置在功率模块外壳302的矩形框的一边上。如图8所示，在下臂电路151和上臂电路152中，元件排列相对于端子314、416对称。因此，各相的下臂电路的控制端子(栅极端子)320LU～320LW被设置在与交流端子159同侧的框架部分，各相的下臂电路的控制端子(栅极端子)320UU～320UW被设置在与交流端子159相反侧的框架部分。被功率模块外壳302包围的半导体模块部中填充有树脂或硅胶(未图示)，以保护半导体模块部中设置的半导体元件和布线。
如图7所示，金属基底304的下面形成有冷却片305。既可以将冷却片305钎焊在金属基底304上，也可以通过锻造使金属基底304和冷却片305一体成型。通过锻造使金属基底304和冷却片305一体成型，可提高功率模块300的生产效率，同时，提高从金属基底304向冷却片305的热传导率，从而提高IGBT和二极管的散热性。
此外，将金属基底304的维氏硬度(Vickers Hardness)设为60以上，可以由于抑制温度循环而产生的金属基底304的逐渐变形，提高金属基底304与壳体12之间的密封性。
图9是本实施方式的电力装换装置200中仅将电容器模块500、直流侧导体板700和2个功率模块300抽出的立体图。如图9所示，2个功率模块300的各自的交流端子159被并排设置，使其朝向一个方向。在这些交流端子159相反的一侧，具有电连接2个功率模块300和电容器模块500的连接部。该2个功率模块300和电容器模块500之间的电连接由平板上的叠层导体板700进行。
在下部外壳16上固定的电容器外壳502内，容纳了多个电容器单元514(未图示)。电容器模块500的正极侧电容器端子504和负极侧电容器端子506沿电容器外壳502的一侧排列。与功率模块300连接的叠层导体板700，以覆盖2个功率模块300的方式配置。正极侧电容器端子504和负极侧电容器端子506形成L字结构，从电容器外壳502的开口面立起。该L字结构的正极侧电容器端子504和负极侧电容器端子506通过螺栓与叠层导体板700连接。
该叠层导体板700由平板状正极侧导体板和负极侧导体板以及夹在这些导体板中的绝缘片构成。其结果，可以降低功率模块300到电容器模块500的寄生电感。从功率模块300向上方延伸的多个上臂控制端子320U穿过形成在叠层导体板700上的开口，向上方突出。
此外，在叠层导体板700的上方，如图5所示，配置有驱动电路基板22。叠层导体板700在驱动电路基板22侧具备负极侧导体板；在功率模块300侧具备正极侧导体板。由此，在高电压的正极导体板与驱动电路基板22之间，存在低电压的负极导体板和绝缘片，能够防止驱动电路基板22与高电压接触。
在功率模块外壳302的上面，形成有多个固定驱动电路基板22的轮毂321(参照图6、9)。将装有驱动器电路174的驱动电路基板22固定在该轮毂321上，同时，使上臂控制端子320U(320UU、320UV、320UW)贯穿形成在驱动电路基板22上的端子部的孔。然后，通过焊接或熔接等，使驱动电路基板22的端子部与臂控制端子320U接合。由于轮毂321被形成在上臂控制端子320U附近，所以车辆行走时的抗震性得到提高。
下面，对驱动电路基板22进行详细说明。图11是表示图2所示的驱动器电路174的主要部分的框图。构成驱动器电路174的各部件安装在驱动电路基板22上。驱动IGBT328、330的驱动器电路174上设有：具有短路保护功能、低电压保护等保护功能的预驱动器IC5U、5V、5W；上臂用驱动电路部7UP、7VP、7WP；下臂用驱动电路部7UN、7VN、7WN；进行电绝缘并传输信号的光电耦合器221U、221V、221W；和向各驱动电路部7UP～7WP、7UN～7WN提供被绝缘的电源的多相输出电源部220等。来自控制电路172的控制指令经由光电耦合器221U～221W，输入至各预驱动器IC5U、5V、5W。预驱动器IC5U是半桥式预驱动器IC，与构成预驱动器IC5U周边电路的上臂驱动电路部7UP和下臂驱动电路7UN连接。预驱动器IC5U根据来自控制电路172的控制指令，用上下臂的驱动电路部7UP、7UN，上下臂的半导体功率元件IGBT328、330进行开关控制。同样，IC5V和IC5W是与U相和W相相关的预驱动器IC。
多相输出电源部220包括：后述的电源电路220a和电源变压器220b。电源部220与电池的N导线和P导线连接。电池电压由电源变压器220b变换至规定电压(例如，电压15V)，该被绝缘的电源电压经由电源布线222U～222W、223U～223W，供给上下臂的驱动电路部7UP～7WP、7UN～7WN。
驱动器电路174的连接于上臂侧IGBT328(参照图2)的栅极端子154(参照图2)的栅极控制布线224U的电位与功率模块300的输出导线同电位。因此，驱动器电路174的电位会由于IGBT328反复进行开关的开闭而在P导线电位(若电池136的电压为400V，则电位就为400V)与N导线电位(零伏)之间上下变化。另一方面，连接于下臂侧IGBT330(参照图2)的栅极端子164(参照图2)的栅极控制布线224U的电位与N导线同电位，基本为零伏，由于电流流过时的电压下降会有几十伏左右变化。
由于电池电源导线(N，P)与电源布线222U～222W、223U～223W因电源变压器220b而绝缘，所以连接于上臂驱动电路部7UP～7WP的电源布线222U～222W的电位电平与栅极控制布线224U的情况相同，与输出导线同电位。另一方面，连接于下臂驱动电路部7UN～7WN的电源布线223U～223W与N导线同电位。控制信号从弱电系统的控制电路172输入至这种强电系统的上下臂驱动电路部的情况下，经由进行电绝缘并传输信号的光电耦合器221U～221W输入。
图11是表示驱动电路基板22上的电路和布线的配置图。图11是从控制电路基板20侧观察驱动电路基板22的平面图，表示与两个电池模块300的一方对应的部分(符号A所示范围)。另外，对于与电池模块300的另一方对应的部分(符号B所示范围)为相同的结构，图11中省略图示。下面，以符号A所示部分为例，对驱动电路基板22的布局结构进行说明。另外，驱动电路基板22的基板材料中使用多层基板，本实施方式中使用具有4个导体层的4层构造的多层基板。
在图11中，符号227UP、227VP、227WP所示的区域分别表示上臂驱动电路7UP、7VP、7WP的安装区域，形成电路图案，同时安装电路部件。另一方面，符号227UN、227VN、227WN所示区域分别表示下臂驱动电路部7UN、7VN、7WN的安装区域。在上臂安装区域227UP与下臂安装区域227UN之间，在图示的上下方向上，配置有用来绝缘的空隙。在该空隙区域，以跨越上臂安装区域227UP和下臂安装区域227UN的方式设有预驱动器IC5U。同样，在上臂安装区域227VP与下臂安装区域227VN之间，设有预驱动器IC5N。在上臂安装区域227WP与下臂安装区域227WN之间，设有预驱动器IC5W。
如图4所示，壳体12内，在驱动电路基板22的下方配置有与双点划线所示对应的功率模块300。功率模块300上的上臂用IGBT328和二极管156(参照图8)的安装区域对应图11所示的驱动电路基板22的中央靠上边侧的区域。另一方面，下臂用的IGBT330、二极管166(参照图8)的安装区域对应驱动电路基板22的中央靠下边侧的区域。因此，图6所示的上臂控制端子320UU～320UW位于驱动电路基板22的图示上侧的基板边缘部分，下臂控制端子320LU～320LW位于驱动电路基板22的下侧的基板边缘部分。
在上臂安装区域227UP、227VP、227WP的图示上端部分，也就是上侧的基板边缘部分设有端子部225UP、225VP、225WP。这些端子部225UP～225WP与功率模块300的各相的上臂控制端子320UU～320UW连接。各个上臂控制端子320UU～320UW从驱动电路基板22的背面侧贯穿至表面侧，通过焊接或熔接等，与端子部225UP～225WP接合。
此外，在下臂安装区域227UN、227VN、227WN的图示下端部分，也就是下侧的基板边缘部分设有连接各相的下臂控制端子320LU～320LW的端子部225UN、225VN、225WN。各个下臂控制端子320LU～320LW从驱动电路基板22的背面侧贯穿至表面侧，通过焊接或熔接等，与端子部225UN～225WN接合。
在与驱动电路基板22的上臂安装区域227UP相邻的左上角区域，安装有构成图10的多相输出电源部220的电源电路220a的部件。从P导线和N导线引出的电源电缆与电源连接器234连接。以与上臂安装区域227UP、227VP的一部分重合的方式，搭载电源变压器220b。230UP～230WN是电源变压器220b的输出端子。
图10图示了用来连接多相输出电源部220与上臂驱动电路部7UP、VP的电源布线220U、220V，在图11中，以与上臂安装区域227UP、227VP重合的方式搭载电源变压器220b，所以，各输出端子230UP、230VP直接与上臂驱动电路部7UP、7VP连接。因此，可以省略电源布线222U、222V。其他的输出端子230WP、230UN、230VN、230WN经由电源布线222W、223U～223W，与配置在各上下臂安装区域227WP、227UN～227WN的上下臂驱动电路部7WP、7UN～7WN连接。
符号228所示的区域是弱电图案区域，是配置弱电系统的部件和电路图案的区域。弱电图案区域228以外的区域是与电池电压相同电位电平的强电系统区域。来自图4所示的控制电路基板20的控制信号输入至设在弱电图案区域228的信号连接器229。如双点划线所示，信号电缆的连接器232可装卸地安装在信号连接器229上。在弱电图案区域228的周边部分设有多个光电耦合器221U～221W。在弱电图案区域228形成有从连接器229到各光电耦合器221U～221W的布线图案，在此省略图示。
如上所述，光电耦合器221U是用来向U相输送控制信号的光电耦合器，同样，光电耦合器221V、221W分别是用来向V相和W相输送控制信号的光电耦合器。点划线40U、40V、40W是用于从光电耦合器221U、221V、221W向对应的预驱动器IC5U、5V、5W传输控制信号的信号布线。
例如，在驱动U相的上臂用IGBT328的情况下，来自控制电路172(参照图2、10)的控制信号，经由信号连接器229→弱电图案→光电耦合器221U→信号布线40U，输入预驱动器IC5U内的下臂侧。预驱动器IC5U中内置有将控制信号电压转换为上臂侧驱动电路7UP的电压电平的电平转换电路，根据电平转换之后的控制信号，由上臂侧驱动电路7UP驱动上臂用IGBT328。另一方面，在驱动下臂用IGBT330的情况下，控制信号与上臂同样，经由信号连接器229→弱电图案→光电耦合器221U→信号布线40U，输入至预驱动器IC5U内的下臂侧。然后，通过下臂侧驱动电路7UN驱动下臂用IGBT330。
图12是驱动电路基板22的截面示意图，是说明从光电耦合器221U到预驱动器IC5U的信号布线40U的图。另外，由于下臂安装区域227WN的截面与下臂安装区域227VN相同，所以图12中省略图示。驱动电路基板22是绝缘体22a～22c与导体层(铜图案)交互重叠的多层构造的环氧玻璃基板，具有4层导体层。
在图12中，P1、P3是第1层图案；P2、P4是第2层图案；P5是第3层图案。此外，图案P6是由连接于光电耦合器221U的强电侧端子的第1层图案P61、连接于预驱动器电路5U的下臂侧端子的第1层图案P62、形成在基板背面侧的第4层图案P63、和贯通驱动电路基板22并连接第1层图案和第4层图案的贯通图案P64、P65组成。
第1、2层图案P1～P4内的图案P1、P2形成在U相的下臂安装区域227UN上；图案P3、P4形成在V相的下臂安装区域227VN上。此外，图案P5、P6构成信号布线40U，第3层图案P5是具有接地图案功能的beta图案。光电耦合器221U和预驱动器IC5U的接地端子与该接地图案P5连接。233是设置在下臂安装区域227VN上的电路部件。
如图12所示，在本实施方式中，连接光电耦合器221U和预驱动器IC5U的信号布线40U设置在驱动电路基板22的3、4层上，绕开形成有V相的下臂驱动电路7VN的电路图案的第1、2层的下侧。其结果，可以提高光电耦合器和信号布线的布局自由度，同时，使下臂间的电位独立。此外，使信号布线通过3、4层，还可以减少因下臂电位变动而产生的噪声的影响。在此，为了尽可能减少电磁噪声的影响，使信号布线绕开电压变动小的下臂的下方，而不是P导线电位与N导线电位之间电压变动很大的上臂。另外，在图11所示的平面图上，虽然看上去U相的信号布线40U与V相的下臂安装区域227VN重叠，但如图12所示，在基板厚度方向上，它们在1、2层与3、4层上分离，所以U相与V相是分离的。
连接光电耦合器221V与V相的预驱动器IC5V的信号布线40V也是同样，信号布线40V设置在驱动电路基板22的3、4层上。另一方面，光电耦合器221W以跨越弱电系统区域228和下臂安装区域227WN的方式配置，下臂安装区域227WN的信号布线40W形成在1、2层上。
另外，本实施方式在2、3层之间进行相的分离。其原因是：在4层基板的构成中，一般2、3层间的距离是1、2层间和3、4层间距离的3倍左右。此外，本实施例虽然使用了4层基板，但6层以上的多层基板也可以，优选在层间距离长的层间进行相的分离。
下面，对连接电源变压器220b的输出端子和上下臂驱动电路的电源布线222U～222W、223U～223W进行说明。图13是配置在预驱动器IC5V下方的电源布线222W的说明图，是将图11的预驱动器IC5V的部分在图示上下方向上截断的截面图。
图案P1、P2表示下臂安装区域227VN的电路图案，图案P3～P6表示上臂安装区域227VP的电路图案。233b是下臂驱动电路部7VN的电路部件，它利用第1、2层的图案P1、P2，被安装在基板22的表面侧。此外，233a、233c是安装在上臂安装区域227VP上的上臂驱动电路部7VP的电路部件。电路部件233a利用第1、2层的图案P3、P4，安装在基板22的表面侧。电路部件233c利用第3、4层的图案P5、P6，安装在基板22的背面侧。这样，基板背面侧也安装有一部分电路部件。
在上下臂安装区域227VN、227VP之间安装有预驱动器IC5V，上述信号布线40V与下臂侧的端子连接。预驱动器IC5V的正下方什么也没有配置，上下臂安装区域227VN、227VP以超出规定的绝缘距离进行分离。如上所述，信号布线40V设置在第3、4层上，在下臂安装区域227VN中从第3、4层贯通至第1、2层，并与预驱动器IC5V连接。预驱动器IC5V的内部被分为上臂侧块5VP和下臂侧块5VN。从电源变压器220b向上臂安装区域227WP的上臂驱动电路7WP传送电源电压的电源布线222W被布局成通过预驱动器IC5V的下方。电源布线222W由正极侧和负极侧的2个布线图案构成，在3、4层上形成。
图14是表示预驱动器IC5V的概略结构的电路图。在图14中，虚线的下侧对应块5VN，虚线的上侧对应块5VP。在块5VN上设置由下臂用IC241、nMOSFET和pMOSFET构成的驱动电路。同样，在块5VP上设置由上臂用IC242、nMOSFET和pMOSFET构成的驱动电路。在预驱动器IC5V中，这些电路被收纳在一个封装体内。
下臂用IC241根据下臂控制信号，控制下臂侧的驱动电路。另一方面，输入至预驱动器IC5V的上臂用控制信号由下臂用IC241输入至电平转换电路240，在电平转换电路240中，控制信号的基准电位电平被转换至上臂的基准电位电平。上臂用IC242根据该电平转换之后的的控制信号，控制上臂侧的控制电路。
在预驱动器IC5V的封装体内，为了确保块5VN的电路与块5VP的电路绝缘，也就是确保上下臂间绝缘(例如绝缘耐压为1200V)，块5VN、5VP被隔开以虚线部分(封装体的大致中央)为中心的一定空间(绝缘区域)而配置。所以，只要是在封装体的背面形成了球栅阵列端子的预驱动器IC，在包含虚线部分的带状绝缘区域的更外侧(上臂侧和下臂侧)，就会形成球栅阵列端子。上臂电位的电源布线222W被布局成通过该带状绝缘区域的下层(图13中的3、4层)。是否通过2～4层中的一个是任意的，此外，只要预驱动器IC5V的下层有足够的空间，也可以在同一层形成多个布线图案。此外，也可以使下臂的电源布线而不是上臂的电源布线在预驱动器IC5V之下通过。在这种情况下，由于电源布线与下臂之间的电位差小，所以只要是下臂侧，都可以形成在第1层图案上。
如图13所示，因为在预驱动器IC5V的下侧没有配置V相的电路图案和部件，所以将W相的电源布线222W形成在该区域，就可以确保它与作为另一相的V相的上下臂之间的绝缘，同时，还能以较短的距离进行直至W相的上臂安装区域227WP的布线。此外，使电源布线222W通过包含虚线部分的带状绝缘区域的下侧的3、4层，就会使预驱动器IC5V的块5VN、5VP尽可能地分开，减少因开关时上下臂电位变动而引起的电磁波的影响。
另一方面，下臂用的电源布线223W通过相同电位电平的下臂安装区域227VN的下层，导出至W相侧，与下臂安装区域227WN连接。在这种情况下，为了抑制相间影响，优选尽量使用下侧的层。对电源布线应考虑的要点是，力争使电位电平与上臂相同的上臂用电源布线不通过上下臂安装区域的下层，而是通过预驱动器IC的下层。此外，力争使下臂用电源布线不通过上臂安装区域的下层，而是通过电位电平相同的下臂安装区域的下层。
另外，对布线和安装区域布局时，空开规定的绝缘距离，对它们进行配置。例如，P电位区域-输出电位区域间、输出电力区域-输出电位区域间、N电位区域-P电位区域间、和N电位区域-输出电位区域间需要同等程度的绝缘距离(例如，3mm)，在弱电区域-P电位区域间需要更大的绝缘距离(例如，5mm)。
如上所述，本实施方式的要点是降低噪声，同时实现驱动电路基板22的小型化。如图6所示，在配置于驱动电路基板22下侧的功率模块300中，与电路基板22连接的控制端子320LU～320LV、320UU～320UW被配置在功率模块外壳302的外框部分。以往，一般是将光电耦合器配置在控制端子外侧的区域，从而使信号导线不在上下臂安装区域交叉。但缺点是，由于光电耦合器配置在控制端子的外侧区域，因此导致驱动电路基板22变大，电力转换装置自身变大。
因此，在本实施方式中，力争将弱电系统配置在下臂控制端子320LU～320LW与上臂控制端子320UU～320UW之间的区域。在这种情况下，如图11所示，弱电系统区域集中在一个区域(弱电图案区域228)，离开高电位电平的上臂安装区域配置。
此外，为了实现驱动电路基板22的小型化，需要减少驱动器IC的数量，同时减少控制信号的布线，由此，使用了半桥型预驱动器IC5U～5W。以往，在每个上下臂中都使用驱动器IC时，上下臂分别需要光电耦合器。而预驱动器IC5V中设有将控制信号的基准电位电平转换至上臂电平的电平转换电路240，所以，对于一相来说采用一个信号绝缘用光电耦合器就够了。其结果，可以减少光电耦合器的配置空间和信号布线的引导空间，增加布局的自由度，同时实现驱动电路基板22的小型化。
但是，在使用预驱动器IC5U～5W、如图11那样将弱电系统区域配置在控制端子间区域的情况下，很难对信号布线进行布局，使其从设置于弱电图案区域228周边的光电耦合器221U～211W布线到各相。以往，为了避免输出电位电平的上臂安装区域的影响，需要暂时将信号布线引导到控制端子间区域的外侧，将上臂安装区域间的空间设定的较大，在那里配置信号布线，但在本实施方式中，采用的布线结构无需那样的结构。也就是说，利用基板22的下层(例如3、4层)，使信号布线通过，从而使得控制信号导线可以直线通过下臂安装区域。
另外，通过电源变压器220b与上臂安装区域227UP、227VP重叠配置，从而能够省略其与上臂安装区域227UP、227VP之间的电源布线。由于上臂用电源布线是输出电位电平，所以很难横穿其他相的区域。因此，可以省略上臂用电源布线，极大减轻布线的困难性。此外，使上臂用电源布线220W通过预驱动器IC5V的绝缘区域下层，不会增大布线长度和布线空间，使电源布线222W对上臂安装区域227WP的连接变得容易。另外，在图11所示的例子中，在上臂安装区域227UP、227VP的上方重叠配置电源变压器220b，但也可以在下臂安装区域的上方重叠配置。
图17表示信号布线以及电源布线不与上下臂安装区域重叠的布局的一例。另外，图17与上述实施方式同样，表示了使用预驱动器IC5U、5V、5W的情况。为了使布线不与上下臂安装区域重叠，如图17所示，将弱电系统与电源变压器220b配置在控制端子间区域的外侧这是最简单的方法。在图17中，弱电系统配置在图示中控制端子间区域的下侧，作为强电系统的电源变压器220b、电源电路220a配置在相反一侧的外侧区域。
当以图17的方式配置时，虽然可确保绝缘，同时使布线容易布局，但是驱动电路基板22会变大。因此，在本实施方式中，通过采用如上所述的布线结构，从而可以将弱电系统和电源系统配置在控制端子间区域内，可应对噪声的同时，实现基板的小型化。
[变形例]
图15是表示上述实施方式的变形例。另外，图15是用来说明电路部件布局的图，简化表示图11所示的部分电路部件，同时，省略了一部分的图示。在变形例中，将多相输出电源部(电源电路220a、电源变压器220b)配置在驱动电路基板22的中央附近，并且，将弱电图案区域228也配置在中央部分。通过这样进行布局，能够实现驱动电路基板22的小型化。另外，为了实现这种布局，采用了如下结构。
通过将V相的上臂安装区域227VP的一部分配置在电源变压器220b的下部，省略电源布线222V。此外，通过使电源布线223W绕开弱电图案区域228，从而使其与图13的电源布线222W的情况相同，通过光电耦合器221W的下层(2、3、4层)，与下臂安装区域227WN连接。这样，对控制信号的影响就会得到极大程度的抑制。
图16是预驱动器IC5V部分的截面图。将控制信号用图案P7～P9形成在驱动电路基板22的2～4层，以便使其通过预驱动器IC5V的下方。另外，如图15所示，这些图案P7～P9通过光电耦合器221V、221W，与设在下臂安装区域227VN、227WN的电路图案连接，将控制信号传输至下臂安装区域227VN、227WN。例如，使用3、4层的图案P7～P8。另外，由于光电耦合器221V、221W安装在基板表面，所以与图12的情况相同，形成从3、4层贯通到1层的图案，从而与光电耦合器221V、221W的端子连接。
采用这种结构，可以确保处于弱电电位的控制信号导线与处于高电压电位的上下臂绝缘，同时，完成到相应相的布线。此外，通过使弱电图案通过预驱动器IC5V以下的2～4层，从而尽量离开预驱动器IC5V，能够减少开关时上臂电位变动所引起的电磁波的影响。当然，如果可能，也可以将信号布线形成在第1层图案上。
此外，如图15所示，通过将弱电图案区域228配置在基板中央部，从而能与下臂的安装区域227UN～227WN重叠地配置将光电耦合器221V～221W的高压侧。
以上说明的实施方式具有如下作用效果。
在本实施方式中，连接功率模块300的上臂控制端子320UU～320UW的连接部225UP～225WP被配置在驱动电路基板22的基板边缘部。此外，连接功率模块300的下臂控制端子320LU～320LW的连接部225UN～225WN被配置在驱动电路基板22的另一方的基板边缘部。在这种结构中，在由这些基板边缘部夹着的基板区域上，形成上臂安装区域227UP～227WP、下臂安装区域227UN～227WN、安装将控制信号电绝缘地传输至驱动器电路的光电耦合器221U～221W的弱电图案区域228。
(1)如图12所示，从光电耦合器221U将控制信号传输至搭载了对应的驱动器电路的安装区域227UN的信号布线40U，在下臂安装区域227VN中，形成在比安装下臂用驱动器电路的导体层P3、P4还要下层的导体层P5、P6。因此，能以横穿下臂安装区域227VN方式对信号布线40U进行布局，在提高光电耦合器和信号布线的布局自由度的同时，使下臂间的电位独立。其结果，可以使驱动电路基板22的大小(外形尺寸)减小到大致与功率模块300相同程度，实现电力转换装置的小型化。此外，使信号布线通过3、4层，能够减少下臂电位变动引起的噪声的影响。
(2)此外，如图11所示，将对上臂用驱动器电路以及下臂用驱动器电路提供电源电压的电源变压器220b与上臂安装区域227UP、227VP的一部分重叠配置，可以省去电源变压器220b与驱动器电路之间的电源布线，实现驱动电路基板22的小型化。
(3)如图11所示，通过使用半桥型预驱动器IC5U～5W，能够减少光电耦合器和信号布线，能够实现驱动电路基板22的小型化。此外，使电源布线222W通过预驱动器IC5U的下方进行布线，可以确保它与作为另一相的V相的上下臂之间绝缘，同时，能以较短的距离布线至W相的上臂安装区域227WP，可提高电源布线的布局自由度。此外，如图15、16所示，也可以代替电源布线，将信号布线和弱电图案配置在预驱动器IC的下方。
(4)此外，如图15所示，也可以将电源布线223W配置在光电耦合器221W的下方。这样，电源布线222W的布局就会变得容易。
也可以将一个或多个的实施方式和变形例组合起来。能以任意方式组合变形例
以上的说明终归仅是一例，本发明不限于上述实施方式的结构。例如，使信号布线通过下臂下层的结构，也能够在对每个上下臂都设置驱动器IC的现有结构中采用。由此，就可以将光电耦合器配置在由上下臂控制端子夹着的区域，提高布局自由度，实现驱动电路基板的小型化。此外，在上述实施方式中，虽然说明的是3相输出型的逆变器装置43和功率模块300的逆变器电路，但并不限于是3相。
这里，将以下优先权基础申请的公开内容作为引文编入说明书。
日本国专利申请2008年第253660号(2008年9月30日申请)

Claims (7)

1.一种电力转换装置，具备：
功率模块，具有每相都配备上臂用开关元件和下臂用开关元件的逆变器电路；和
驱动电路基板，对于每相都安装有上臂用驱动器电路和下臂用驱动器电路，所述上臂用驱动器电路将驱动信号输出至所述上臂用开关元件，所述下臂用驱动器电路将驱动信号输出至所述下臂用开关元件，
所述电力转换装置特征在于，
所述驱动电路基板由交替层叠了多个导体层和多个绝缘层的叠层基板构成，其具有：第1基板边缘部，连接所述上臂用开关元件的控制端子；第2基板边缘部，连接所述下臂用开关元件的控制端子；以及由所述第1和第2基板边缘部夹着的基板区域，
在所述基板区域，对于每相都形成有安装所述上臂用驱动器电路的上臂安装区域、和安装所述下臂用驱动器电路的下臂安装区域，并且形成有弱电系统区域，在所述弱电系统区域分别安装将控制信号电绝缘地传输至所述各驱动器电路的信号传输元件，
在比安装所述下臂用驱动器电路的导体层还要下层的导体层形成信号布线，使其通过所述下臂用驱动器电路的下方，所述信号布线使控制信号从所述信号传输元件传输至对应的所述驱动器电路。
2.一种电力转换装置，具备：
功率模块，具有每相都配备上臂用开关元件和下臂用开关元件的逆变器电路；和
驱动电路基板，对于每相都安装有上臂用驱动器电路和下臂用驱动器电路，所述上臂用驱动器电路将驱动信号输出至所述上臂用开关元件，所述下臂用驱动器电路将驱动信号输出至所述下臂用开关元件，
所述电力转换装置特征在于，
所述驱动电路基板由交替层叠了多个导体层和多个绝缘层的叠层基板构成，其具有：第1基板边缘部，连接所述上臂用开关元件的控制端子；第2基板边缘部，连接所述下臂用开关元件的控制端子；以及由所述第1和第2基板边缘部夹着的基板区域，
在所述基板区域，对于每相都形成有安装所述上臂用驱动器电路的上臂安装区域、和安装所述下臂用驱动器电路的下臂安装区域，并且形成有弱电系统区域，在所述弱电系统区域分别安装将控制信号电绝缘地传输至所述各驱动器电路的信号传输元件，
在所述基板区域，安装向所述上臂用驱动器电路以及所述下臂用驱动器电路提供电源电压的电源电路用变压器，使其与所述上臂安装区域以及所述下臂安装区域的至少一方的一部分区域重叠。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，
具备：半桥型预驱动器元件，该半桥型预驱动器元件与所述上臂驱动器电路和所述下臂驱动器电路连接，具有将输入至所述下臂驱动器电路的控制信号转换成上臂用信号的电平转换电路。
4.一种电力转换装置，具备：
功率模块，具有每相都配备上臂用开关元件和下臂用开关元件的逆变器电路；
驱动电路基板，对于每相都安装有上臂用驱动器电路和下臂用驱动器电路，所述上臂用驱动器电路将驱动信号输出至所述上臂用开关元件，所述下臂用驱动器电路将驱动信号输出至所述下臂用开关元件；和
半桥型预驱动器元件，与所述上臂驱动器电路和所述下臂驱动器电路连接，具有将输入至所述下臂驱动器电路的控制信号转换成上臂用信号的电平转换电路，
所述电力转换装置特征在于，
所述驱动电路基板由交替层叠了多个导体层和多个绝缘层的叠层基板构成，其具有：第1基板边缘部，连接所述上臂用开关元件的控制端子；第2基板边缘部，连接所述下臂用开关元件的控制端子；以及由所述第1和第2基板边缘部夹着的基板区域，
在所述基板区域，对于每相都形成有安装所述上臂用驱动器电路的上臂安装区域、和安装所述下臂用驱动器电路的下臂安装区域，并且形成有弱电系统区域，在所述弱电系统区域分别安装将控制信号电绝缘地传输至所述各驱动器电路的信号传输元件，
在所述导体层形成用于向所述驱动器电路提供电源电压的电源布线，并且使其通过所述预驱动器元件正下方的叠层基板。
5.根据权利要求4所述的电力转换装置，其特征在于，
在比安装所述下臂用驱动器电路的导体层还要下层的导体层，形成用于向所述下臂用驱动器电路提供电源电压的电源布线。
6.一种电力转换装置，具备：
功率模块，具有每相都配备上臂用开关元件和下臂用开关元件的逆变器电路；
驱动电路基板，对于每相都安装有上臂用驱动器电路和下臂用驱动器电路，所述上臂用驱动器电路将驱动信号输出至所述上臂用开关元件，所述下臂用驱动器电路将驱动信号输出至所述下臂用开关元件；和
半桥型预驱动器元件，与所述上臂驱动器电路和所述下臂驱动器电路连接，具有将输入至所述下臂驱动器电路的控制信号转换成上臂用信号的电平转换电路，
所述电力转换装置特征在于，
所述驱动电路基板由交替层叠了多个导体层和多个绝缘层的叠层基板构成，其具有：第1基板边缘部，连接所述上臂用开关元件的控制端子；第2基板边缘部，连接所述下臂用开关元件的控制端子；以及由所述第1和第2基板边缘部夹着的基板区域，
在所述基板区域，对于每相都形成有安装所述上臂用驱动器电路的上臂安装区域、和安装所述下臂用驱动器电路的下臂安装区域，并且形成有弱电系统区域，在所述弱电系统区域分别安装将控制信号电绝缘地传输至所述各驱动器电路的信号传输元件，
在所述导体层，以通过所述预驱动器元件正下方的叠层基板的方式形成信号布线，该信号布线使控制信号从所述信号传输元件传输到对应的所述驱动器电路。
7.一种电力转换装置，具备：
功率模块，具有每相都配备上臂用开关元件和下臂用开关元件的逆变器电路；
驱动电路基板，对于每相都安装有上臂用驱动器电路和下臂用驱动器电路，所述上臂用驱动器电路将驱动信号输出至所述上臂用开关元件，所述下臂用驱动器电路将驱动信号输出至所述下臂用开关元件；和
半桥型预驱动器元件，与所述上臂驱动器电路和所述下臂驱动器电路连接，具有将输入至所述下臂驱动器电路的控制信号转换成上臂用信号的电平转换电路，
所述电力转换装置特征在于，
所述驱动电路基板由交替层叠了多个导体层和多个绝缘层的叠层基板构成，其具有：第1基板边缘部，连接所述上臂用开关元件的控制端子；第2基板边缘部，连接所述下臂用开关元件的控制端子；以及由所述第1和第2基板边缘部夹着的基板区域，
在所述基板区域，对于每相都形成有安装所述上臂用驱动器电路的上臂安装区域、和安装所述下臂用驱动器电路的下臂安装区域，并且形成有弱电系统区域，在所述弱电系统区域分别安装将控制信号电绝缘地传输至所述各驱动器电路的信号传输元件，
在所述导体层，以通过所述信号传输元件正下方的叠层基板的方式形成电源布线，该电源布线用于向所述驱动器电路提供电源电压。
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