JP2008199788A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電力変換器間におけるサージ電圧の干渉を抑制可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】昇圧パワーモジュール１３０およびインバータ１５１は半導体モジュールを構成し、平滑用コンデンサ１４０は、該半導体モジュールの外部に配置される。電源ラインを構成するバスバーは、バスバー１７３ａとバスバー１７３ｂとに分離され、それらの間には、半導体モジュール外部に引き出された導線部材１７５が結合される。導線部材１７５には、半導体モジュール外部に配置されたコンデンサ１４０の一方端子との電気的接点Ｎ１が設けられる。また、アースラインを構成するバスバーは、バスバー１７４ａとバスバー１７４ｂとに分離され、それらの間には、半導体モジュールの外部に引き出された導線部材１７６が結合される。導線部材１７６には、コンデンサ１４０の他方端子との電気的接点Ｎ２が設けられる。
【選択図】図５

Description

この発明は、電力変換装置に関し、より特定的には、複数の電力変換器を備えた電力変換装置に関する。

最近、環境に配慮した自動車として、ハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）および電気自動車（Electric Vehicle）が注目されている。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、インバータを介して直流電源により駆動されるモータを動力源とする自動車である。つまり、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力源を得るものである。また、電気自動車は、インバータを介して直流電源によって駆動されるモータを動力源とする自動車である。

このようなハイブリッド自動車または電気自動車に搭載されるインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチング素子（パワー半導体素子）を高速スイッチングすることにより、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換してモータを駆動するものである。

たとえば、特開２００５−１９２２９６号公報（特許文献１）は、直交三相電力変換できるモジュールからなるパワーデバイスを用いたインバータ装置を複数有するインバータ装置を開示する。これによれば、複数のインバータ装置の各々は、負極が一体平面状の導体（バスバー）に共通に接続され、かつ、正極が他の一体平面状のバスバーに共通に接続される。そして、負極が接続されたバスバーと正極が接続されたバスバーとは、絶縁物を挟んで重なり合うように配置される。
特開２００５−１９２２９６号公報 特開２００５−９４８８２号公報 特開２００３−１１６２８１号公報 特開２００５−２８７２７３号公報

しかしながら、上述した特開２００５−１９２２９６号公報によれば、複数のインバータ装置の間でバスバーを共通化した構成としたことによって、インバータ装置の各々においてスイッチング動作時に発生したサージ電圧が、バスバーを介在して相互に干渉するという問題が起こり得る。

すなわち、電源と複数のインバータ装置との間で行なわれる電力授受の媒体となるバスバーでは、本来授受されるべき直流電圧に対して、各インバータ装置において発生したサージ電圧が重畳される。そのため、一方のインバータ装置からのサージ電圧が重畳された直流電圧が、バスバーを介して他方のインバータ装置に入力されると、当該他方のインバータ装置では、装置外部から入力されたサージ電圧と内部で発生したサージ電圧とが干渉することによって、サージ電圧のレベルが増幅される可能性が生じる。しかしながら、上述した特開２００５−１９２２９６号公報は、このようなサージ電圧の干渉に対する解決手段を開示していない。

なお、このようなサージ電圧の増幅を抑えるためには、各インバータ装置におけるスイッチング素子の開閉速度に相当するスイッチング速度を遅くしてサージ電圧自体を低減することが好ましいが、スイッチング速度を遅くすると、スイッチング動作時に生じる損失電力を増加させることとなる。

それゆえ、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の電力変換器間におけるサージ電圧の干渉を抑制可能な電力変換装置を提供することである。

この発明によれば、電力変換装置は、各々が、電力変換を行なうためのスイッチング素子を含んで構成された第１および第２の電力変換器と、第１および第２の電力変換器間を電気的に接続するための第１および第２の導体部材と、第１および第２の導線部材間の電圧を平滑化するための第１のコンデンサとを備える。第１の導線部材上では、第１の電力変換器との電気的接点と第２の電力変換器との電気的接点との区間に、第１のコンデンサとの電気的接点が設けられる。第２の導線部材上では、第１の電力変換器との電気的接点と第２の電力変換器との電気的接点との区間に、第１のコンデンサとの電気的接点が設けられる。

上記の電力変換装置によれば、第１および第２の電力変換器の各々で発生し、第１および第２の導線部材間に出力されたサージ電圧は、第１および第２の導線部材に設けられた電気的接点を介して第１のコンデンサに吸収される。そのため、第１および第２の電力変換器間でサージ電圧が干渉するのを抑制することができる。その結果、サージ電圧の大きさを決定するスイッチング速度に対する制約が緩和されるため、スイッチング素子の損失電力を低減することができる。

好ましくは、第１の電力変換器は、電源からの直流電圧を昇圧して第１および第２の導線部材間に出力するコンバータである。第２の電力変換器は、スイッチング素子を各相のアームとして含んで構成され、コンバータによって昇圧された直流電力および電気負荷との間で授受される交流電力の間での電力変換を行なうインバータである。

上記の電力変換装置によれば、コンバータから出力される昇圧電圧に重畳したサージ電圧が第１のコンデンサに吸収されるため、該サージ電圧とインバータで発生するサージ電圧とが干渉するのが抑えられる。また、インバータから第１および第２の導線部材の間に出力される直流電圧に重畳したサージ電圧が第１のコンデンサに吸収されるため、該サージ電圧とコンバータで発生するサージ電圧とが干渉するのが抑えられる。

好ましくは、第２の電力変換器は、各相が、第１および第２の導線部材間に直列接続された第１および第２のスイッチング素子を含んで構成され、かつ、第１および第２の導線部材間の電圧を平滑化するための第２のコンデンサを含む。第１の導線部材上では、第１の相の第１のスイッチング素子との電気的接点と第２の相の第１のスイッチング素子との電気的接点との区間に、第２のコンデンサとの電気的接点が設けられる。第２の導線部材上では、第１の相の第２のスイッチング素子との電気的接点と第２の相の第２のスイッチング素子との電気的接点との区間に、第２のコンデンサとの電気的接点が設けられる。

上記の電力変換装置によれば、さらに、インバータにおいて、各相を構成するスイッチング素子の間でサージ電圧が干渉するのが抑えられる。

好ましくは、第１の電力変換器は、スイッチング素子を各相のアームとして含んで構成され、電源からの直流電力および第１の電気負荷を駆動する交流電力の間で電力変換を行なう第１のインバータである。第２の電力変換器は、スイッチング素子を各相のアームとして含んで構成され、電源からの直流電力および第２の電気負荷を駆動する交流電力の間で電力変換を行なう第２のインバータである。

上記の電力変換装置によれば、共通の電源から第１および第２の導線部材を介して電力の供給を受ける複数のインバータの間でサージ電圧が干渉するのが抑えられる。

好ましくは、第１のコンデンサは、スイッチング素子が搭載された基板とは独立に設けられる。第１の導線部材は、基板上に配設され、かつ、第１の電力変換器との電気的接点と第２の電力変換器との電気的接点との区間内で分離されて第１のコンデンサとの電気的接点を形成するように前記基板の外部に引出される。第２の導線部材は、基板上に配設され、かつ、第１の電力変換器との電気的接点と第２の電力変換器との電気的接点との区間内で分離されて第１のコンデンサとの電気的接点を形成するように基板の外部に引出される。

上記の電力変換装置によれば、各々が、基板上に搭載されたスイッチング素子からなる複数の電力変換器と、該基板とは独立に設けられた第１のコンデンサとを備える構成において、簡易にサージ電圧の干渉を抑制することができる。

この発明によれば、複数の電力変換器間におけるサージ電圧の干渉を抑制することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

図１は、この発明に従う電力変換装置の搭載例として示されるハイブリッド自動車の全体構成を示す概略ブロック図である。

図１を参照して、ハイブリッド自動車５は、バッテリ１０と、ＰＣＵ（Power Control Unit）２０と、動力出力装置３０と、ディファレンシャルギア（ＤＧ：Differential Gear）４０と、前輪５０Ｌ，５０Ｒと、後輪６０Ｌ，６０Ｒと、フロントシート７０Ｌ，７０Ｒと、リアシート８０とを備える。

バッテリ１０は、リアシート８０の後方部に配置される。そして、バッテリ１０は、ＰＣＵ２０に電気的に接続される。ＰＣＵ２０は、たとえば、フロントシート７０Ｌ，７０Ｒの下部領域、すなわちフロア下領域を利用して配置される。動力出力装置３０は、ダッシュボード９０よりも前側のエンジンルームに配置される。ＰＣＵ２０は、動力出力装置３０と電気的に接続される。動力出力装置３０は、ＤＧ４０と連結される。

直流電源であるバッテリ１０は、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池から成り、直流電圧をＰＣＵ２０へ供給するとともに、ＰＣＵ２０からの直流電圧によって充電される。

ＰＣＵ２０は、バッテリ１０からの直流電圧を昇圧し、その昇圧した直流電圧を交流電圧に変換して動力出力装置３０に含まれるモータを駆動制御する。また、ＰＣＵ２０は、動力出力装置３０に含まれるジェネレータが発電した交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ１０を充電する。すなわち、ＰＣＵ２０は、バッテリ１０によって供給される直流電力と、モータを駆動制御する交流電力およびジェネレータによって発電される交流電力との間で電力変換を行なう「電力変換装置」に相当する。

動力出力装置３０は、エンジンおよび／またはモータによる動力をＤＧ４０を介して前輪５０Ｌ，５０Ｒに伝達して前輪５０Ｌ，５０Ｒを駆動する。また、動力出力装置３０は、前輪５０Ｌ，５０Ｒの回転力によって発電し、その発電した電力をＰＣＵ２０へ供給する。あるいは、モータおよびジェネレータの機能を併せ持つモータジェネレータを動力出力装置３０に設けることも可能である。

ＤＧ４０は、動力出力装置３０からの動力を前輪５０Ｌ，５０Ｒに伝達するとともに、前輪５０Ｌ，５０Ｒの回転力を動力出力装置３０へ伝達する。

図２は、図１に示されたＰＣＵ２０の主要部を示す電気回路図である。
図２を参照して、ＰＣＵ２０は、昇圧コンバータ１００と、コンデンサ１４０と、インバータモジュール１５０とを含む。

非絶縁型の昇圧チョッパを構成する昇圧コンバータ１００は、リアクトル１２０および昇圧パワーモジュール１３０を含む。昇圧パワーモジュール１３０は、電力スイッチＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。この実施の形態において、電力スイッチとしては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）などが適用可能である。

電力スイッチＱ１，Ｑ２は、電源ライン１０３とアースライン１０２との間に直列に接続される。電力スイッチＱ１は、コレクタが電源ライン１０３に接続され、エミッタが電力スイッチＱ２のコレクタに接続される。また、電力スイッチＱ２のエミッタはアースライン１０２に接続される。また、ダイオードＤ１，Ｄ２は、各電力スイッチＱ１，Ｑ２の逆並列ダイオードとして設けられる。

リアクトル１２０は、一方端が電源ライン１０１に接続され、他方端が各電力スイッチＱ１およびＱ２の接続ノードに接続される。コンデンサ１４０は、電源ライン１０３とアースライン１０２との間に接続される。

インバータモジュール１５０は、２つのインバータ１５１，１５２から構成される。インバータ１５１は、Ｕ相アーム１５３、Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５５からなる。Ｕ相アーム１５３、Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５５は、電源ライン１０３とアースライン１０２との間に並列に接続される。

Ｕ相アーム１５３は、直列に接続された電力スイッチＱ３，Ｑ４からなり、Ｖ相アーム１５４は、直列に接続された電力スイッチＱ５，Ｑ６からなり、Ｗ相アーム１５５は、直列に接続された電力スイッチＱ７，Ｑ８からなる。また、各電力スイッチＱ３〜Ｑ８には、逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。

各相アームの中間点に相当する出力導体１６０ｕ，１６０ｖ，１６０ｗは、モータジェネレータＭＧ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ１は、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端が出力導体１６０ｕに、Ｖ相コイルの他端が出力導体１６０ｖに、Ｗ相コイルの他端が出力導体１６０ｗにそれぞれ接続されている。

インバータ１５２は、インバータ１５１と同じ構成からなる。そして、インバータ１５２の各相アームの中間点に相当する出力導体１６５ｕ，１６５ｖ，１６５ｗは、モータジェネレータＭＧ２の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ２も、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端が出力導体１６５ｕに、Ｖ相コイルの他端が出力導体１６５ｖに、Ｗ相コイルの他端が出力導体１６５ｗにそれぞれ接続されている。

昇圧コンバータ１００は、電源ライン１０１とアースライン１０２との間にバッテリ１０から供給された直流電圧を受け、電力スイッチＱ１，Ｑ２がスイッチング制御されることにより直流電圧を昇圧してコンデンサ１４０に供給する。

コンデンサ１４０は、昇圧コンバータ１００からの直流電圧を平滑化してインバータ１５１，１５２へ供給する。インバータ１５１は、コンデンサ１４０からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１を駆動する。インバータ１５２は、コンデンサ１４０からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ２を駆動する。

また、インバータ１５１は、モータジェネレータＭＧ１が発電した交流電圧を直流電圧に変換してコンデンサ１４０に供給する。インバータ１５２は、モータジェネレータＭＧ２が発電した交流電圧を直流電圧に変換してコンデンサ１４０に供給する。

コンデンサ１４０は、モータジェネレータＭＧ１またはＭＧ２からの直流電圧を平滑化して昇圧コンバータ１００へ供給する。昇圧コンバータ１００は、コンデンサ１４０からの直流電圧を降圧してバッテリ１０または図示しないＤＣ／ＤＣコンバータへ供給する。

以上に示した構成において、電力スイッチで構成される昇圧パワーモジュール１３０およびインバータモジュール１５０は、一体化されてこの発明による半導体モジュールを構成する。なお、昇圧コンバータ１００に含まれるリアクトル１２０および平滑用のコンデンサ１４０は、比較的大きな部品であるため、半導体モジュールの外部に別途配置される。

［この発明による半導体モジュールの構成］
この発明による半導体モジュールの全体構成を説明するにあたっては、最初に比較のために、従来より一般的に採用されている半導体モジュールの構成例について説明する。

図３は、図２における半導体モジュールの一般的なレイアウトを説明するための図である。なお、以下の説明では、便宜上、図３の上下方向を縦方向、同左右方向を横方向として説明する。

図３を参照して、半導体モジュールは、絶縁基板２１０上に延在するバスバー１７１〜１７４と、バスバー１７３，１７４を挟んでその上下に配置される電力スイッチＱ１〜Ｑ８およびダイオードＤ１〜Ｄ８とを備える。

絶縁基板２１０は、例えばポリイミドからなる。なお、絶縁基板２１０をポリイミドとした場合は、窒化アルミニウムとした場合と比較して熱膨張などにより基板に発生する応力に対する耐久性が向上するため、大面積化に有利である。

さらに、絶縁基板２１０の下面には、放熱板２００が取り付けられている。放熱板２００は、半導体モジュールの冷却を行なうものである。

バスバー１７３は、図２の昇圧コンバータ１００−インバータ１５１，１５２間を結ぶ電源ライン１０３を構成し、バスバー１７４は、図２の昇圧コンバータ１００−インバータ１５１，１５２間を結ぶアースライン１０２を構成する。バスバー１７３とバスバー１７４とは、図示しない絶縁部材を介在して絶縁基板２１０の法線方向（紙面垂直方向に相当）に積層されてなる。

さらに、バスバー１７３は、電力スイッチＱ１を介してバスバー１７１に接続され、バスバー１７２は、電力スイッチＱ２を介してバスバー１７２に接続される。バスバー１７１，１７２はそれぞれ、図２の電源ライン１０１およびアースライン１０２を構成し、図示しないバッテリ１０の正極および負極に接続される。すなわち、バスバー１７１が図２の電源ライン１０１を構成し、バスバー１７３が図２の電源ライン１０３を構成し、バスバー１７２とバスバー１７４とが一体となって図２のアースライン１０２を構成する。

そして、バスバー１７３，１７４の上側に配置される電力スイッチＱ３〜Ｑ８およびダイオードＤ３〜Ｄ８は、図２のインバータ１５２を構成する。バスバー１７３，１７４の下側に配置される電力スイッチＱ３〜Ｑ８およびダイオードＤ３〜Ｄ８は、図２のインバータ１５１を構成する。そして、バスバー１７３，１７４の上下にそれぞれ配置される電力スイッチＱ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２は、図２の昇圧パワーモジュール１３０を構成する。

例えば図３の例では、紙面右側から左側に向けて順に、インバータ１５１，１５２のＵ相アーム１５３（電力スイッチＱ３，Ｑ４およびダイオードＤ３，Ｄ４）、インバータ１５１，１５２のＶ相アーム１５４（電力スイッチＱ５，Ｑ６およびダイオードＤ５，Ｄ６）、およびインバータ１５１，１５２のＷ相アーム１５５（電力スイッチＱ７，Ｑ８およびダイオードＤ７，Ｄ８）が配置される。

そして、各電力スイッチＱ３〜Ｑ８および各ダイオードＤ３〜Ｄ８は、２個ずつのスイッチング素子およびダイオード素子の並列接続によって構成される。例えば、Ｖ相上アームの電力スイッチＱ５は、２つのスイッチング素子１８３，１８４の並列接続によって構成され、ダイオードＤ５は、ダイオード素子１９３，１９４の並列接続によって構成されている。このような構成としたことにより、通過電流の増大によってスイッチング素子に過大な負荷がかかるのが防止される。

これらのスイッチング素子およびダイオード素子が搭載された絶縁基板２１０上には、金属電極２２０，２３０，２４０が形成される。金属電極２２０は、Ｎ電極であり、一方端がアースライン１０２を構成するバスバー１７４に結合される。金属電極２３０は、Ｐ電極であり、一方端が電源ライン１０３を構成するバスバー１７３に結合される。金属電極２４０は、図２に示した出力導体１６０ｕ〜１６０ｗ，１６５ｕ〜１６５ｗとそれぞれ電気的に接続される出力電極である。これらのＮ電極２２０、Ｐ電極２３０および出力電極２４０は、インバータ１５１，１５２の各々について、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ対応して３個ずつ繰返し配置されている。

各スイッチング素子およびダイオード素子は、図２に示した電気的接続を実現するように、Ｎ電極２２０、Ｐ電極２３０および出力電極２４０と、ワイヤボンディング等によって電気的に接続される。絶縁基板２１０は、下部アルミ電極（図示せず）を介して放熱板２００へ半田付けされる。

図３に示したように、従来の半導体モジュールでは、昇圧パワーモジュール１３０およびインバータモジュール１５０を共通の絶縁基板２１０上に一体化して形成することにより、半導体モジュール全体の実装面積の縮小を実現している。このようなモジュール構成は、インバータ１５１，１５２および昇圧パワーモジュール１３０の間で冷却系統を共通化できるため、半導体モジュール全体を小型化できるという利点を有する。

しかしながら、その一方で、バッテリ１０とモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２との間で行なわれる電力授受の媒体となる電源ライン１０３およびアースライン１０２を、バスバー１７３，１７４で共通化したことによって、昇圧パワーモジュール１３０およびインバータモジュール１５０にそれぞれ含まれる電力スイッチで発生したサージ電圧が相互に干渉し、その電圧レベルが増幅されてしまうという問題が起こる。

このようなサージ電圧の干渉は、例えば、昇圧パワーモジュール１３０の電力スイッチで発生したサージ電圧が、半導体モジュールの外部に配置されたコンデンサ１４０によって吸収される間もなく、バスバー１７３，１７４を介してインバータモジュール１５０に入力されることによって起こり得る。

詳細には、図２の構成において、昇圧コンバータ１００は、電源ライン１０１およびアースライン１０２の間にバッテリ１０（図示せず）から供給された直流電圧を受けて、電力スイッチＱ１，Ｑ２のスイッチング動作によって、入力電圧を昇圧してコンデンサ１４０に供給する。昇圧コンバータ１００での昇圧比は、電力スイッチＱ１およびＱ２のオン期間比（デューティ比）に応じて決まる。

このとき、昇圧パワーモジュール１３０では、スイッチング動作の際にサージ電圧が発生する。図４は、昇圧パワーモジュール１３０のスイッチング動作を説明するための図である。図４では、電力スイッチＱ１について代表的に説明するが、電力スイッチＱ２についても同様である。

図４を参照して、時刻ｔ１以前においては、電力スイッチＱ１のコレクタ−エミッタ間のスイッチング電圧Ｖｓｗ≠０である一方でスイッチング電流Ｉｓｗ＝０である。

時刻ｔ１において、電力スイッチＱ１のターンオン動作が開始されると、スイッチング電流Ｉｓｗが流れ始めるとともに、スイッチング電圧Ｖｓｗは低下する。

一方時刻ｔ２において、電力スイッチＱ１のターンオフ動作が開始されると、スイッチング電流Ｉｓｗが下降し始めるとともに、スイッチング電圧Ｖｓｗは上昇する。完全にターンオフされた状態では、スイッチング電流Ｉｓｗ＝０となる。

実際のスイッチング動作時には、電力スイッチＱ１のゲート電位の変化速度に対応する一定レートに従って、スイッチング電流Ｉｓｗおよびスイッチング電圧Ｖｓｗが変化する。なお、ゲート電位の変化速度に対応する一定レートは、電力スイッチＱ１の開閉速度に相当し、「スイッチング速度」とも呼ばれる。

このとき、電力スイッチＱ１には、スイッチング電流Ｉｓｗの変化速度（ｄＩｓｗ／ｄｔ）に比例したサージ電圧が発生する（Ｖ＝Ｌ・ｄＩｓｗ／ｄｔ）。但し、Ｌは昇圧パワーモジュール１３０の内部配線やバスバーのインダクタンスを示す。

さらに、電力スイッチＱ１には、スイッチング電流Ｉｓｗおよびスイッチング電圧Ｖｓｗの積に相当するスイッチング時の損失電力Ｐｌｏｓｓが発生する。損失電力Ｐｌｏｓｓを抑制するにはスイッチング速度を高めることが好ましいが、スイッチング速度を高めると、スイッチング電流Ｉｓｗの変化速度が大きくなり、サージ電圧を増大させる結果となる。

そして、スイッチング動作時に発生したサージ電圧は、昇圧後の直流電圧に重畳されて電源ライン１０３およびアースライン１０２の間に出力される。コンデンサ１４０は、昇圧後の直流電圧からサージ電圧を吸収するように設けられている。

しかしながら、実際の半導体モジュールのレイアウト上では、図３に示したように、電源ライン１０３およびアースライン１０２が、バスバー１７３，１７４でそれぞれ共通化されている。そのため、昇圧パワーモジュール１３０からバスバー１７３および１７４の間に出力されたサージ電圧が、半導体モジュールの外部に設けられたコンデンサ１４０に吸収されることなく、直接的に、インバータモジュール１５０に入力される可能性が高くなる。

これにより、インバータ１５１，１５２では、入力された直流電圧を交流電圧に変換するためのスイッチング動作を行なうことにより、各電力スイッチＱ３〜Ｑ８で発生するサージ電圧と、昇圧パワーモジュール１３０からのサージ電圧とが干渉する。特に、昇圧パワーモジュール１３０とインバータ１５１，１５２との間でスイッチング動作のタイミングが重なった場合には、サージ電圧を増幅させる結果となる。

このような昇圧パワーモジュール１３０およびインバータモジュール１５０の間におけるサージ電圧の干渉は、インバータ１５１（または１５２）が、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）が発電した交流電圧を直流電圧に変換してコンデンサ１４０に供給する場面においても起こり得る。

ここで、サージ電圧の干渉を抑えるためには、図４で示したように、電力スイッチにおけるスイッチング速度を遅くすることによってサージ電圧自体の発生を抑制することが好ましいとされる。しかしながら、スイッチング速度を遅くすると、損失電力Ｐｌｏｓｓが増加するため、電力スイッチからの発熱量を増やすことになる。そのため、従来の半導体モジュールでは、電力スイッチを、電流容量の余裕度が大きい大型のスイッチング素子で構成する、あるいは、半導体パワーモジュールの冷却性能を高めることが必要となり、半導体パワーモジュールの体格およびコストを増加させるといった不具合が生じる。

そこで、この発明による半導体モジュールでは、サージ電圧を吸収するためのコンデンサ１４０とバスバー１７３，１７４との電気的接続を実現するための電気的接点を、昇圧パワーモジュール１３０とバスバー１７３，１７４との電気的接点と、インバータモジュール１５０とバスバー１７３，１７４との電気的接点との間に設ける構成とする。

図５は、この発明による半導体モジュールの構成を説明するための概略図である。なお、図５では、簡単のため、図２に示したＰＣＵ２０から、昇圧パワーモジュール１３０、コンデンサ１４０、およびインバータ１５１のみを抽出して図示するとともに、インバータ１５１と同様の構成からなるインバータ１５２についてはその図示および説明を省略する。

図５を参照して、電源ライン１０３（図２）を構成するバスバーは、バスバー１７３ａとバスバー１７３ｂとに分離される。そして、その分離されたバスバー１７３ａおよび１７３ｂの間には、半導体モジュールの外部に引き出された導線部材１７５が結合される。導線部材１７５には、半導体モジュール外部に配置されたコンデンサ１４０の一方端子との電気的接点Ｎ１が設けられる。すなわち、電気的接点Ｎ１は、昇圧パワーモジュール１３０とバスバー１７３ａとの電気的接点ＮＣ１と、インバータ１５１とバスバー１７３ｂとの電気的接点ＮＩ１との間に設けられる。

また、アースライン１０２（図２）を構成するバスバーは、バスバー１７４ａとバスバー１７４ｂとに分離される。そして、分離されたバスバー１７４ａおよび１７４ｂの間には、半導体モジュールの外部に引き出された導線部材１７６が結合される。導線部材１７６には、コンデンサ１４０の他方端子との電気的接点Ｎ２が設けられる。すなわち、電気的接点Ｎ２は、昇圧パワーモジュール１３０とバスバー１７４ａとの電気的接点ＮＣ２と、インバータ１５１とバスバー１７４ｂとの電気的接点ＮＩ２との間に設けられる。

このような構成とすることにより、昇圧パワーモジュール１３０において発生したサージ電圧は、電気的接点ＮＣ１，ＮＣ２を介してバスバー１７３ａおよび１７４ａの間に出力されると、電気的接点Ｎ１およびＮ２の間に接続されるコンデンサ１４０によって吸収される。したがって、昇圧後の直流電圧からサージ電圧が除去された電圧が、電気的接点ＮＩ１，ＮＩ２を介してインバータ１５１に入力される。その結果、インバータ１５１の電力スイッチＱ３〜Ｑ８では、上述したようなサージ電圧の干渉が抑制される。

次に、図５で示される電気的接続を、半導体モジュールのレイアウト上で実現するための具体的な構成例について説明する。

図６は、この発明による半導体モジュールのレイアウト図である。なお、図６に示すレイアウトは、図３に示した従来の半導体モジュールのレイアウトに対して、電源ライン１０３を構成するバスバー１７３を、バスバー１７３ａおよびバスバー１７３ｂに分離するとともに、アースライン１０２を構成するバスバー１７４を、バスバー１７４ａおよびバスバー１７４ｂに分離したものである。

詳細には、バスバー１７３ａは、一方端が電力スイッチＱ１を介してバスバー１７１に接続され、他方端が半導体モジュールの外部に設けられたコンデンサ１４０の一方端子との電気的接点Ｎ１（図５）を形成するための導線部材１７５に結合される。

同様に、バスバー１７４ａは、一方端が電力スイッチＱ２を介してバスバー１７２に接続され、他方端がコンデンサ１４０の他方端子との電気的接点Ｎ２（図５）を形成するための導線部材１７６に結合される。

また、バスバー１７３ｂは、インバータ１５１，１５２の各相のＰ電極２３０に結合されるとともに、一方端がコンデンサ１４０の一方端子との電気的接点Ｎ１（図５）を形成するための導線部材１７５に結合される。

さらに、バスバー１７４ｂは、インバータ１５１，１５２の各相のＮ電極２２０に結合されるとともに、一方端がコンデンサ１４０の他方端子との電気的接点Ｎ２（図５）を形成するための導線部材１７６に結合される。

以上に述べたように、この発明による半導体モジュールでは、従来の半導体モジュールでは一体平面状とされていたバスバー１７３，１７４の各々を分離することによって、昇圧パワーモジュール１３０とインバータモジュール１５０との間に、コンデンサ１４０とバスバー１７３，１７４との電気的接点Ｎ１，Ｎ２を確保している。これによれば、昇圧パワーモジュール１３０およびインバータモジュール１５０の間では、スイッチング動作時に発生するサージ電圧が干渉するのが抑えられる。したがって、スイッチング動作時のスイッチング速度を高めることができるため、損失電力Ｐｌｏｓｓを低減できる。その結果、電力スイッチからの発熱量を抑えることが可能となり、半導体パワーモジュールの小型化および低廉化を図ることができる。

なお、バスバーを介在したサージ電圧の干渉は、上述したような、昇圧パワーモジュール１３０とインバータモジュール１５０との間で生じるものの他に、インバータモジュール１５０の内部におけるインバータ１５１とインバータ１５２との間でも起こり得る。さらには、インバータ１５１，１５２の各々を構成する、Ｕ相アーム１５３、Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５５の間でも起こり得る。

そこで、以下では、第１の変更例として、インバータ１５１およびインバータ１５２の間におけるサージ電圧の干渉を抑えるための構成について説明する。また、第２の変更例として、Ｕ相アーム１５３，Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５５の間におけるサージ電圧の干渉を抑えるための構成について説明する。

［第１の変更例］
図７は、この発明による半導体モジュールの構成の第１の変更例を説明するための概略図である。なお、図７では、簡単のため、図２に示したＰＣＵ２０のインバータモジュール１５０から、インバータモジュール１５０のみを抽出して図示する。

図７を参照して、インバータ１５１とインバータ１５２との間には、サージ電圧を吸収するためのコンデンサ１４２が設けられる。

電源ライン１０３（図２）を構成するバスバーは、バスバー１７３ｃとバスバー１７３ｄとに分離される。そして、その分離されたバスバー１７３ｃおよび１７３ｄの間には、半導体モジュールの外部に引き出された導線部材１７７が結合される。導線部材１７７には、半導体モジュール外部のコンデンサ１４２の一方端子との電気的接点Ｎ３が設けられる。すなわち、電気的接点Ｎ３は、インバータ１５１とバスバー１７３ｄとの電気的接点ＮＩ１と、インバータ１５２とバスバー１７３ｃとの電気的接点ＮＩ３との間に設けられる。

また、アースライン１０２（図２）を構成するバスバーは、バスバー１７４ｃとバスバー１７４ｄとに分離される。そして、分離されたバスバー１７４ｃおよび１７４ｄの間には、半導体モジュールの外部に引き出された導線部材１７８が結合される。導線部材１７８には、コンデンサ１４２の他方端子との電気的接点Ｎ４が設けられる。すなわち、電気的接点Ｎ４は、インバータ１５１とバスバー１７４ｄとの電気的接点ＮＩ２と、インバータ１５２とバスバー１７４ｃとの電気的接点ＮＩ４との間に設けられる。

このような構成とすることにより、インバータ１５１では、スイッチング動作時に発生したサージ電圧が、電気的接点ＮＩ１，ＮＩ２を介してバスバー１７３ｄおよび１７４ｄの間に出力されると、電気的接点Ｎ３およびＮ４の間に接続されるコンデンサ１４２が、このサージ電圧を吸収する。インバータ１５２においても同様に、スイッチング動作時に発生したサージ電圧が、電気的接点ＮＩ３，ＮＩ４を介してバスバー１７３ｃおよび１７４ｃの間に出力されると、電気的接点Ｎ３およびＮ４の間に接続されるコンデンサ１４２が、このサージ電圧を吸収する。その結果、インバータ１５１およびインバータ１５２の間でサージ電圧が干渉するのが抑えられる。

なお、図７の構成を実際のレイアウト上で実現するにあたっては、上記の実施の形態で示したのと同様に、インバータ１５１とインバータ１５２との間に配設されるバスバー１７３，１７４の各々を分離することによって、インバータ１５１とインバータ１５２との間に、コンデンサ１４２とバスバー１７３，１７４との電気的接点Ｎ３，Ｎ４を確保することができる。

［第２の変更例］
図８は、この発明による半導体モジュールの第２の変更例を説明するための概略図である。なお、図８では、簡単のため、図２に示したＰＣＵ２０のインバータモジュール１５０から、インバータ１５１のみを抽出して図示するとともに、これと同様の構成からなるインバータ１５２についてはその図示および説明を省略する。

図８を参照して、インバータ１５１において、Ｕ相アーム１５３とＶ相アーム１５４との間には、サージ電圧を吸収するためのコンデンサ１４３が設けられる。また、Ｖ相アーム１５４とＷ相アーム１５５との間には、サージ電圧を吸収するためのコンデンサ１４４が設けられる。

電源ライン１０３（図２）を構成するバスバーは、バスバー１７３ｅ、バスバー１７３ｆおよびとバスバー１７３ｇに分離される。そして、その分離されたバスバー１７３ｅおよび１７３ｆの間には、半導体モジュールの外部に引き出された導線部材１７９が結合される。導線部材１７９には、半導体モジュール外部のコンデンサ１４３の一方端子との電気的接点Ｎ５が設けられる。すなわち、電気的接点Ｎ５は、Ｕ相アーム１５３とバスバー１７３ｅとの電気的接点ＮＵ１と、Ｖ相アーム１５４とバスバー１７３ｆとの電気的接点ＮＶ１との間に設けられる。

さらに、バスバー１７３ｆおよび１７３ｇの間には、半導体モジュールの外部に引き出された導線部材１７９が結合される。導線部材１７９には、半導体モジュール外部のコンデンサ１４４の一方端子との電気的接点Ｎ７が設けられる。すなわち、電気的接点Ｎ７は、Ｖ相アーム１５４とバスバー１７３ｆとの電気的接点ＮＶ１と、Ｗ相アーム１５５とバスバー１７３ｇとの電気的接点ＮＷ１との間に設けられる。

また、アースライン１０２（図２）を構成するバスバーは、バスバー１７４ｅ、バスバー１７４ｆおよびバスバー１７４ｇに分離される。そして、その分離されたバスバー１７４ｅおよび１７４ｆの間には、半導体モジュールの外部に引き出された導線部材１８０が結合される。導線部材１８０には、コンデンサ１４３の他方端子との電気的接点Ｎ６が設けられる。すなわち、電気的接点Ｎ６は、Ｕ相アーム１５３とバスバー１７４ｅとの電気的接点ＮＵ２と、Ｖ相アーム１５４とバスバー１７４ｆとの電気的接点ＮＶ２との間に設けられる。

さらに、バスバー１７４ｆおよび１７４ｇの間には、半導体モジュールの外部に引き出された導線部材１８０が結合される。導線部材１８０には、コンデンサ１４４の他方端子との電気的接点Ｎ８が設けられる。すなわち、電気的接点Ｎ８は、Ｖ相アーム１５４とバスバー１７４ｆとの電気的接点ＮＶ２と、Ｗ相アーム１５５とバスバー１７４ｇとの電気的接点ＮＷ２との間に設けられる。

このような構成とすることにより、Ｕ相アーム１５３では、スイッチング動作時に発生したサージ電圧が、電気的接点ＮＵ１，ＮＵ２を介してバスバー１７３ｅおよび１７４ｅの間に出力されると、電気的接点Ｎ５およびＮ６の間に接続されるコンデンサ１４３が、このサージ電圧を吸収する。Ｖ相アーム１５４においても同様に、スイッチング動作時に発生したサージ電圧が、電気的接点ＮＶ１，ＮＶ２を介してバスバー１７３ｆおよび１７４ｆの間に出力されると、電気的接点Ｎ５およびＮ６の間に接続されるコンデンサ１４３が、このサージ電圧を吸収する。その結果、Ｕ相アーム１５３およびＶ相アーム１５４の間でサージ電圧が干渉するのが抑えられる。

さらに、Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５５の間でも、コンデンサ１４４によって同様の効果が得られる。

なお、図８の構成を実際のレイアウト上で実現するにあたっては、上記の実施の形態で示したのと同様に、各相アームのＰ電極２３０およびＮ電極２２０がそれぞれ接続されるバスバー１７３，１７４を分離することによって、Ｕ相アーム１５３とＶ相アーム１５４との間に、コンデンサ１４３とバスバー１７３，１７４との電気的接点Ｎ５，Ｎ６を確保することができる。また、Ｖ相アーム１５４とＷ相アーム１５５との間に、コンデンサ１４４とバスバー１７３，１７４との電気的接点Ｎ７，Ｎ８を確保することができる。

また、上述した実施の形態およびその変更例については、適宜組合せることも可能である。すなわち、図５、図７および図８に示されるコンデンサ１４０，１４２，１４３，１４４の少なくとも１つを設ける構成としてもよい。

さらに、この発明の実施の形態に用いられるコンデンサとしては、アルミ電界コンデンサ、フィルムコンデンサなどを適用することができる。特に、インダクタンスが相対的に小さいフィルムコンデンサの適用は、サージ電圧の低減に有効である。

また、この発明の実施の形態では、実装時のスペース制約から半導体モジュールの小型化の要求が強い用途の代表例として、ハイブリッド自動車の電源装置（ＰＣＵ）にこの発明による半導体モジュールが用いられる構成例を示した。しかしながら、この発明の適用は、このような構成に限定されるものではなく、各々が電力スイッチを有する複数の電力変換器が備えられた構造の半導体モジュールにおいて、この発明を共通に適用することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、複数の電力変換器を備えた電力変換装置に適用することができる。

この発明に従うパワーモジュールの搭載例として示されるハイブリッド自動車の全体構成を示す概略ブロック図である。 図１に示されたＰＣＵの主要部を示す電気回路図である。 図２における半導体モジュールの一般的なレイアウトを説明するための図である。 昇圧パワーモジュールのスイッチング動作を説明するための図である。 この発明による半導体モジュールの構成を説明するための概略図である。 この発明による半導体モジュールのレイアウト図である。 この発明による半導体モジュールの構成の第１の変更例を説明するための概略図である。 この発明による半導体モジュールの第２の変更例を説明するための概略図である。

符号の説明

５ ハイブリッド自動車、１０ バッテリ、３０ 動力出力装置、５０Ｌ，５０Ｒ 前輪、６０Ｌ，６０Ｒ 後輪、７０Ｌ，７０Ｒ フロントシート、８０ リアシート、９０ ダッシュボード、１００ 昇圧コンバータ、１０１，１０３ 電源ライン、１０２ アースライン、１２０ リアクトル、１３０ 昇圧パワーモジュール、１４０，１４２，１４３，１４４ コンデンサ、１５０ インバータモジュール、１５１，１５２ インバータ、１５３ Ｕ相アーム、１５４ Ｖ相アーム、１５５ Ｗ相アーム、１６０ｕ，１６０ｖ，１６０ｗ，１６５ｕ，１６５ｖ，１６５ｗ 出力導体、１７１〜１７４，１７３ａ〜１７３ｇ，１７４ａ〜１７４ｇ バスバー、１７５〜１８０ 導線部材、１８３，１８４ スイッチング素子、１９３，１９４ ダイオード素子、２００ 放熱板、２１０ 絶縁基板、２２０，２３０，２４０ 金属電極、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、Ｑ１〜Ｑ８ 電力スイッチ。

Claims (5)

1. 各々が、電力変換を行なうためのスイッチング素子を含んで構成された第１および第２の電力変換器と、
   前記第１および第２の電力変換器間を電気的に接続するための第１および第２の導体部材と、
   前記第１および第２の導線部材間の電圧を平滑化するための第１のコンデンサとを備え、
   前記第１の導線部材上では、前記第１の電力変換器との電気的接点と前記第２の電力変換器との電気的接点との区間に、前記第１のコンデンサとの電気的接点が設けられ、
   前記第２の導線部材上では、前記第１の電力変換器との電気的接点と前記第２の電力変換器との電気的接点との区間に、前記第１のコンデンサとの電気的接点が設けられる、電力変換装置。
2. 前記第１の電力変換器は、電源からの直流電圧を昇圧して前記第１および第２の導線部材間に出力するコンバータであり、
   前記第２の電力変換器は、前記スイッチング素子を各相のアームとして含んで構成され、前記コンバータによって昇圧された直流電力および電気負荷との間で授受される交流電力の間での電力変換を行なうインバータである、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第２の電力変換器は、前記各相が、前記第１および第２の導線部材間に直列接続された第１および第２のスイッチング素子を含んで構成され、かつ、前記第１および第２の導線部材間の電圧を平滑化するための第２のコンデンサを含み、
   前記第１の導線部材上では、第１の相の前記第１のスイッチング素子との電気的接点と第２の相の前記第１のスイッチング素子との電気的接点との区間に、前記第２のコンデンサとの電気的接点が設けられ、
   前記第２の導線部材上では、前記第１の相の前記第２のスイッチング素子との電気的接点と前記第２の相の前記第２のスイッチング素子との電気的接点との区間に、前記第２のコンデンサとの電気的接点が設けられる、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１の電力変換器は、前記スイッチング素子を各相のアームとして含んで構成され、電源からの直流電力および第１の電気負荷を駆動する交流電力の間で電力変換を行なう第１のインバータであり、
   前記第２の電力変換器は、前記スイッチング素子を各相のアームとして含んで構成され、前記電源からの直流電力および第２の電気負荷を駆動する交流電力の間で電力変換を行なう第２のインバータである、請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記第１のコンデンサは、前記スイッチング素子が搭載された基板とは独立に設けられ、
   前記第１の導線部材は、前記基板上に配設され、かつ、前記第１の電力変換器との電気的接点と前記第２の電力変換器との電気的接点との区間内で分離されて前記第１のコンデンサとの電気的接点を形成するように前記基板の外部に引出され、
   前記第２の導線部材は、前記基板上に配設され、かつ、前記第１の電力変換器との電気的接点と前記第２の電力変換器との電気的接点との区間内で分離されて前記第１のコンデンサとの電気的接点を形成するように前記基板の外部に引出される、請求項１に記載の電力変換装置。

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