JP2010104135A

JP2010104135A - 電力変換装置及び車載用電機システム

Info

Publication number: JP2010104135A
Application number: JP2008272716A
Authority: JP
Inventors: Takuro Kanazawa; 拓朗金澤; Akira Mishima; 彰三島; Kentaro Ochi; 健太郎越智
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2010-05-06
Also published as: WO2010047366A1; US20110221268A1

Abstract

【課題】パワー半導体モジュールとバスバが形成された多層基板がモジュール化された電力変換装置において小型・低コスト化と入出力回路の低インダクタンス化とを実現する。
【解決手段】主回路電流を流すための正極側バスバ１１および負極側バスバ１２が、制御部１０ａの搭載された多層基板１００の表面に設置され、正極側バスバ１１，負極側バスバ１２は多層基板１００の各層の金属配線よりも厚く形成されている。ビアを介して、正極側バスバ１１は多層基板１００の正極側表層配線から第２ｎ層配線（ｎは正の整数）に、負極側バスバ１２は多層基板１００の第２ｎ層配線と対向する第２ｎ＋１層配線に、それぞれ電気的に接続されている。パワー半導体モジュール５００に流入する電流は、第２ｎ層配線と第２ｎ＋１層配線で逆向きである。よって、主回路が低インダクタンス化されて、大電流通電による高出力な電力変換装置を小型化・低コスト化することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、家電製品、車両、及び産業用機器などに幅広く用いられている、パワー半導体素子及び制御素子などが搭載されたインバータ装置などに代表される電力変換装置、及びその電力変換装置を用いた車載用電機システムに関する。

従来、この種の電力変換装置は、パワー半導体素子や制御素子などを一体にモジュール化して、樹脂モールドケースや金属ケースなどに収納したものである。したがって、小型でコンパクトな電源装置として車載用電機システムなどに容易に搭載することができる。このような電力変換装置にあっては、外部機器との間で大電流を入出力するための導体配線（バスバ）の取付け方法や取出し方法に様々な工夫がなされている。例えば、パワー半導体素子が搭載されたパワー半導体モジュールの上に大電流配線基板が搭載された電源装置において、主電流を供給する大電流配線基板に形成された導体配線（バスバ）とパワー半導体モジュールの主回路端子とを直接ネジで接続して、大電流配線基板とパワー半導体モジュールとを固着すると共に、大電流配線基板に貫通するようにパワー半導体モジュールに制御端子やガイドピンを立てることにより、電力変換装置の組立やメンテナンスを容易にする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、リードフレーム上にパワー半導体素子を実装し、絶縁接着シートを狭持させた状態で金属ベースとリードフレームを固着し、金属ベースに外装樹脂モールドケースを接着剤などで固着するとともに、この外装樹脂モールドケース内に樹脂封止材を充填し、外装樹脂モールドケースと内部に搭載した半導体素子などの回路部品を一体封止するように構成された樹脂モールド型の電力変換装置の技術も開示されている（例えば、特許文献２参照）。この技術によれば、金属ベースの上側にはマイコンやドライバＩＣが搭載された制御基板があり、さらに、制御基板の上側には電解コンデンサや入出力端子台が搭載された配線基板が設置された構成となっているので、厚いリードフレームを用いることによってモジュール化された電力変換装置を小型化することが可能である。

特開平５−９４８５４号公報特開２０００−２４５１７０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、大電流配線基板上に形成されたバスバが横方向に並列的に配置された実装方法となっているので、バスバの長さやバスバ間の相互インダクタンスなどの影響によって、バスバの配線インダクタンスを低減することが困難である。
また、特許文献２に記載の技術は、金属ベース・リードフレーム・制御基板・配線基板・外装樹脂モールドケースと構成要素が多く、コスト低減を図ることが困難であるとともに、各構成要素を実装する際の工程数も増加してしまう。さらに、配線基板は薄い配線層と絶縁層が積層された構造となっているため、電気抵抗と熱抵抗の双方が大きくなり、電力変換装置として大電流を通電することが困難である。

すなわち、半導体素子が実装されたパワー半導体モジュールと、ドライバＩＣなどが実装された制御部が搭載された多層基板と、電解コンデンサやインダクタなどが実装された配線部とで構成される電力変換装置においては、大電流通電による高出力と低インダクタンス実装を実現するためには、配線部の電気配線には大きな断面積が必要になると共に、ラミネートなどの複雑な構造が必要となる。そのため、従来の電力変換装置においては、主回路電流経路を低インダクタンス化して装置全体を小型・低コスト化することは困難である。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、パワー半導体モジュールとバスバが形成された多層基板とが一体的にモジュール化された構成において、小型・低コスト化と入出力回路の低インダクタンス化とを実現することができる電力変換装置、及びその電力変換装置を用いた車載用電機システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による電力変換装置は、パワー半導体素子が実装されたパワー半導体モジュールと、パワー半導体モジュールを制御する制御素子と、制御素子を搭載する多層基板と、パワー半導体モジュールへ電力を入出力するための正極側バスバおよび負極側バスバと、を備えた電力変換装置であって、正極側バスバおよび負極側バスバは多層基板配線の一方の面に実装され、正極側バスバは、パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と多層基板に実装された面の正極側表層配線とに接続され、かつ、正極側表層配線は第１のビアまたは第１のスルーホールを介して多層基板の配線層の第２ｎ層（ｎは正の整数）と接続され、負極側バスバは、パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と多層基板に実装された面の負極側表層配線とに接続され、かつ、負極側表層配線は第２のビアまたは第２のスルーホールを介して多層基板の第２ｎ層と対向する第２ｎ＋１層と接続され、パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と正極側バスバとが第１の固定部材（例えば、ネジ）で電気的に接続され、パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と負極側バスバとが第２の固定部材（例えば、ネジ）で電気的に接続されている、ことを特徴とする。

また、本発明による電力変換装置は、パワー半導体素子が実装されたパワー半導体モジュールと、パワー半導体モジュールを制御する制御素子と、制御素子を搭載する多層基板と、パワー半導体モジュールへ電力を入出力するための正極側バスバおよび負極側バスバと、を備えた電力変換装置であって、正極側バスバは多層基板配線の一方の面に、負極側バスバは多層基板の他方の面に、それぞれ対向して実装され、正極側バスバは、パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と多層基板に実装された面の正極側表層配線とに接続され、かつ、正極側表層配線は第１のビアまたは第１のスルーホールを介して多層基板の配線層の第２ｎ層（ｎは正の整数）と接続され、負極側バスバは、パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と多層基板に実装された面の負極側表層配線とに接続され、かつ、負極側表層配線は第２のビアまたは第２のスルーホールを介して多層基板の第２ｎ層と対向する第２ｎ＋１層と接続され、パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と正極側バスバとが第１の固定部材で電気的に接続され、パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と負極側バスバとが第２の固定部材で電気的に接続されている、ことを特徴とする。

また、本発明は、前記各発明の電力変換装置を用いた車載用電源システムを提供することもできる。すなわち、各発明の電力変換装置を用い、パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と負極側主回路端子に供給された直流電力を交流電力に変換し、交流側主回路端子からモータへ交流電力を供給するように構成された車載用電機システムを提供することもできる。

本発明によれば、電力制御を行うパワー半導体モジュールと、主回路電流を流すためのバスバおよび制御素子が搭載された多層基板と、を備えた電力変換装置において、多層基板の内層における偶数層の配線と奇数層の配線に、それぞれ、正極側バスバと負極側バスバを接続して、パワー半導体モジュールに直流電流を供給している。これにより、多層基板の隣接する層で逆方向の電流が流れるので、磁気エネルギが相殺されて配線インダクタンスを低減することができる。よって、入出力回路を低インダクタンス化し且つバスバを用いることで、大電流通電による高出力化が可能な電力変換装置を小型化かつ低コストで提供することができる。

以下、本発明による各実施形態について、添付した各図を参照し詳細に説明する。
本発明による実施形態の電力変換装置（１００１〜１００６）は、パワー半導体モジュール５００とその上に搭載された多層基板（プリント基板）１００とを備えている。多層基板１００の表面配線層（第１層）には、主回路電流を流すためのバスバが接続されているとともに、制御用素子を含む制御部（１０ａ〜１０ｆ）が設置されている。また、バスバは多層基板１００の配線（パターン）よりも厚く形成されている。さらに、多層基板１００に形成されたビア（１１１，１１２）またはスルーホールを用いて、バスバの正極側電極（正極側バスバ１１）が多層基板１００の例えば偶数層のパターンに接続され、バスバの負極側電極（負極側バスバ１２）が多層基板１００の奇数層のパターンに接続されている。もちろん、バスバの正極側電極（正極側バスバ１１）が多層基板１００の例えば奇数層のパターンに接続され、バスバの負極側電極（負極側バスバ１２）が多層基板１００の偶数層のパターンに接続されるようにしてもよい。これにより、大電流を通電する電力変換装置（１００１〜１００６）の小型化・低コスト化と低インダクタンス化を実現することができる。

《第１実施形態》
まず、図１から図６までを参照して、本発明による第１実施形態の電力変換装置１００１について説明する。
図１は、本発明による第１実施形態の電力変換装置１００１を示す分解斜視図である。なお、この図では、電力変換装置１００１は、パワー半導体モジュール５００と多層基板１００からなる制御部１０ａとに分解して表示する。また、電力変換装置１００１は、下部および側面を覆う金属筐体４００の上部の開口をふさぐカバーを有するが、その内部構造を示すため、図１ではカバーを省略して図示する。

図２は、図１に示す電力変換装置１００１の要部を示す回路図である。図２に示す回路図において、白丸で表示する部分は溶接による接合箇所を示し、黒丸で表示する部分はネジ止めによる固定箇所を示す。
なお、図２では、バッテリなどの直流電源８０の直流電力を、パワー半導体モジュール５００によって交流電力（正弦波電力のほか、スイッチングによる矩形波電力及び台形波電力でもよい。以下同じ。）に変換して、負荷であるモータ９０に電力を供給する電力変換装置１００１を示している。しかし、本発明による実施形態は直流−交流変換に限定されるものではなく、直流−直流変換、交流−直流変換など、他の形式の電力変換装置においても、図１と同様の構成とすることで、図２に示す直流−交流変換の電力変換装置と同様の作用・効果を奏する。

図１及び図２において、直流電力を交流電力に変換するパワー半導体モジュール５００の入出力端子は、正極側直流電力を扱う正極側主回路端子５０１と負極側直流電力を扱う負極側主回路端子５０２、三相交流主電力を扱う交流側主回路端子５４０、および主電力以外の信号や電力を扱う制御端子５５０によって構成されている。

図３は、図２に示すパワー半導体モジュール５００の内部回路を示す回路図である。図３に示すように、パワー半導体モジュール５００の回路構成は、６個のＭＯＳＦＥＴ５８０が３アームでブリッジ構成された三相インバータの回路となっている。なお、パワー半導体モジュール５００の回路構成としては、ＭＯＳＦＥＴ５８０に限定されるものではなく、他の半導体素子、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor; 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＳＣＲ（Silicon Controlled Rectifier）などのようにスイッチング制御が可能なパワー半導体素子であればよい。

本実施形態の電力変換装置１００１では、パワー半導体モジュール５００は、スイッチングなどを行う６個の素子（ＭＯＳＦＥＴ５８０）を１個のパッケージに収めた、いわゆる“６ｉｎ１”形である。しかし、後記するように、パワー半導体モジュール５００は、２個の素子を１パッケージに収めた、いわゆる“２ｉｎ１”形のものを３個組で用いてもよいし、あるいは、６個のディスクリートの素子を用いて構成してもよい。

図１に示すように、パワー半導体モジュール５００の上部には制御部１０ａが備えられている。制御部１０ａの多層基板１００には、パワー半導体モジュール５００の内部のスイッチング素子（例えば、図３に示すようなインバータ回路のＭＯＳＦＥＴ５８０）を駆動するための制御ＩＣなどを含む集積回路６０および集積回路周辺部品７０、ならびに、パワー半導体モジュール５００に電力を入出力するための、銅などの電気抵抗の小さな金属からなる正極側バスバ１１、負極側バスバ１２および交流側バスバ１４などが搭載される。

また、多層基板１００には、これらの正極側バスバ１１、負極側バスバ１２、および交流側バスバ１４とパワー半導体モジュール５００とを固定するためのバスバ接続用穴３０と、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２と電解コンデンサ２００やインダクタ３００を接続するための部品接続用穴２０と、多層基板１００の制御部１０ａとパワー半導体モジュール５００の制御端子５５０を接続するためのスルーホール５０と、制御部１０ａを含む多層基板１００をアルミニウムなどの熱容量が大きく熱伝導率の大きい金属筐体４００に固定するための基板取付穴５５とが用意されている。

なお、図１に示す例では、制御部１０ａの集積回路６０を多層基板１００の表面配線層（第１層）に実装した片面実装であるが、多層基板１００の裏面配線層にも実装する両面実装としてもよい。また、電解コンデンサ２００の代わりに、十分な静電容量を有する他の形式のコンデンサを用いてもよい。

図４は、図１に示す電力変換装置１００１における電解コンデンサ２００およびパワー半導体モジュール５００の部分を直線的に切断して示す部分断面図である。
図４に示すように、パワー半導体モジュール５００の下部に備えられている金属筐体４００には、溝２５０が形成されて電解コンデンサ２００が位置決めされている。また、電解コンデンサ２００は、固定用接着剤２１０によって金属筐体４００の底部に固定されている。
なお、特に図示しないが、インダクタ３００も、電解コンデンサ２００の場合と同様に、金属筐体４００に溝が形成されて固定用接着剤によって金属筐体４００の底部に固定されている。

また、図２に示すように、直流電力側における正極側バスバ１１および負極側バスバ１２のパワー半導体モジュール５００が接続される側の反対側の端部には、整流・平滑回路やバッテリなどからなる直流電源８０が取り付けられる。さらに、交流電力側の交流側バスバ１４のパワー半導体モジュール５００が接続される側の反対側の端部には、モータ９０などの負荷や制御対象が取り付けられる。

図５は、図１に示す電力変換装置１００１における多層基板１００を示す部分断面図であり、図５（ａ）は正極側バスバ１１のバスバ接続用穴３０近傍における多層基板１００の断面を示し、図５（ｂ）は負極側バスバ１２のバスバ接続用穴３０近傍における多層基板１００の断面を示す。
そこで、まず、図５（ａ）および図５（ｂ）を参照し、図１に示す電力変換装置１００１の組立工程について説明する。

図１に示す電力変換装置１００１の組立工程では、まず、パワー半導体モジュール５００が熱伝導グリースなどを介して（接合面に熱伝導グリースを塗布するか、熱伝導シートを挟むなどして）金属筐体４００の底部にネジ止めされる。
次に、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、集積回路６０などがリフローソルダリングなどによって半田付けされた多層基板１００のバスバ接続用穴３０に、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２が、ネジ４０およびナット４５によってネジ止めされ、固定される。

図１に戻り、パワー半導体モジュール５００と、正極側・負極側バスバ１１,１２および交流側バスバ１４と、多層基板１００の制御部１０ａとが、パワー半導体モジュール５００の正極側主回路端子５０１、負極側主回路端子５０２、および交流側主回路端子５４０のネジ穴（あらかじめ雌ネジを切っておく）にネジ４０をねじ込んで固定される。さらに、多層基板１００は、金属筐体４００に、基板取付穴５５を通してネジ止めされる。また、パワー半導体モジュール５００の制御端子５５０と、制御部１０ａのスルーホール５０とが、スポットハンダ付けなどで電気的に接続される。接続後、金属筐体４００にあらかじめ固定しておいた電解コンデンサ２００およびインダクタ３００が、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２のバスバ端子１３に、ＴＩＧ溶接（ティグ溶接; Tungsten Inert Gas welding）などによって接続される。

次に、図５を参照し、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２と多層基板１００の各層の配線との接続構成について説明する。ここで、多層基板１００が４層構成である場合について例示し、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２が接続される面側から順に（つまり、上方から下方に向かって）、第１層、第２層、第３層、第４層と呼ぶことにする。なお、図５において、多層基板１００の導電部分を網掛けで示す。

図５（ａ）に示すように、正極側バスバ１１は、多層基板１００の第１層の正極側表層配線１０１と直接接触することによって、電気的に接続されている。また、多層基板１００には正極側ビア１１１が設けられ、正極側表層配線１０１は正極側ビア１１１を介して第２層の第２層配線１０３と接続されている。すなわち、正極側バスバ１１と多層基板１００の内層配線である第２層配線１０３とは、正極側バスバ１１→正極側表層配線１０１→正極側ビア１１１→内層配線の第２層配線１０３という順序で接続されている。

また、図５（ｂ）に示すように、負極側バスバ１２は多層基板１００の第１層の負極側表層配線１０２と直接接触することによって電気的に接続されている。また、多層基板１００には負極側ビア１１２が備わっており、負極側表層配線１０２は負極側ビア１１２を介して第３層の第３層配線１０４と接続されている。すなわち、負極側バスバ１２と多層基板１００の内層配線である第３層配線１０４とは、負極側バスバ１２→負極側表層配線１０２→負極側ビア１１２→内層配線の第３層配線１０４という順序で接続されている。

なお、正極側ビア１１１の代わりに、正極側表層配線１０１と第２層配線１０３とを接続するスルーホールを、バスバ接続用穴３０の内壁に設けてもよい。同様に、負極側ビア１１２の代わりに、負極側表層配線１０２と第３層配線１０４とを接続するスルーホールを、バスバ接続用穴３０の内壁に設けてもよい。

また、交流側バスバ１４は、特に図示しないが、多層基板１００のいずれかの直流側と独立した層と接続されているか、もしくは多層基板１００の各層配線には接続されない状態で実装されている。

図６は、図１に示す電力変換装置１００１における破線領域Ａ内の正極側バスバ１１、負極側バスバ１２および多層基板１００を層ごとに示す分解平面図である。図６（ａ）はバスバ領域（層）を示し、図６（ｂ）は多層基板１００の表層配線領域（層）を示し、図６（ｃ）は多層基板１００の第２層配線領域（層）を示し、図６（ｄ）は多層基板１００の第３層配線領域（層）を示す。

図６（ａ）に示すように、電解コンデンサ２００をバスバ端子１３に接続するための部品接続用穴２０の両脇に、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を多層基板１００に接続して固定するためのバスバ接続用穴３０が形成されている。また、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２のそれぞれのバスバ接続用穴３０の周辺には、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）に示すように、複数のビア（正極側ビア１１１および負極側ビア１１２）が形成されている。正極側バスバ１１のバスバ接続用穴３０の周辺に形成された正極側ビア１１１は、図６（ｂ）に示す第１層の正極側表層配線１０１から同図（ｃ）に示す第２層の第２層配線１０３へ接続されている。また、負極側バスバ１２のバスバ接続用穴３０の周辺に形成された負極側ビア１１２は、図６（ｂ）に示す第１層の負極側表層配線１０２から図６（ｄ）に示す第３層の第３層配線１０４へ接続されている。

すなわち、図６（ｃ）の第２層配線１０３は、負極側バスバ１２を固定するためのバスバ接続用穴３０および負極側ビア１１２を囲むように絶縁材１５０（図５参照）の領域が設けられ、それ以外の領域にベタパターンが形成されている。これにより、図６（ａ）の正極側バスバ１１と図６（ｂ）の正極側表層配線１０１と図６（ｃ）の第２層配線１０３とが接続される。また、図６（ｄ）の第３層配線１０４は、正極側バスバ１１を固定するためのバスバ接続用穴３０および正極側ビア１１１を囲むように絶縁材１５０の領域が設けられ、それ以外の領域にベタパターンが形成されている。これにより、図６（ａ）の負極側バスバ１２と図６（ｂ）の負極側表層配線１０２と図６（ｄ）の第３層配線１０４とが接続される。

なお、ベタパターンとは、プリント基板上の一般的な導電体のパターンが所定幅の細帯状に形成されるのと異なり、他の極性のパターンとの接触を避けつつ、これらのパターンが使用していない領域などに一様な面状に広く形成したパターンをいう。

図６（ｃ）、図６（ｄ）に示すような多層基板１００の内層に設けられた絶縁材１５０は、数百μｍ程度の厚みで十分な絶縁耐圧を得ることができる。例えば、絶縁材１５０の厚さが７０μｍ程度のとき、数ｋＶの絶縁耐圧が得られる。この絶縁材１５０が薄いほど、また、その比誘電率が高いほど、絶縁材１５０を挟んで対向する極性の異なる配線間に分布するキャパシタンスが大きくなる。配線に分布するインダクタンスによって生じる正のリアクタンス分が、この配線間に分布するキャパシタンスによって生じる負のリアクタンス分によって打ち消され、これらの配線に流れる電流の高周波成分に対するインピーダンスが小さくなる。

また、図６（ｃ）の第２層配線１０３と図６（ｄ）の第３層配線１０４は、それぞれ、広い領域でパターンが形成されたベタパターンによって、互いに広い面積で対向して近接した状態で配置されている。さらに、パワー半導体モジュール５００に流入する正極側と負極側の主回路電流は互いに逆方向に流れるように、第２層配線１０３と第３層配線１０４が隣接して配置されている。多層基板１００をこのような構成にすることにより、内層配線である第２層配線１０３と第３層配線１０４の直流電流は逆方向に流れるため（すなわち、磁場を打ち消すように流れるため）、電解コンデンサ２００からパワー半導体モジュール５００までの配線インダクタンスを極限まで小さくすることが可能である。これにより、高周波電流は低インダクタンスの内層配線に流れやすくなる。言い換えると、パワー半導体モジュール５００が動作した際に流れる高周波成分の電流、すなわち、ピーク値の小さい電流は、低インダクタンスの内層配線（すなわち、第２層配線１０３および第３層配線１０４）を流れることになる。

また、一般的に、多層基板１００の各層のパターン配線（すなわち、正極側表層配線１０１、負極側表層配線１０２、第２層配線１０３、および第３層配線１０４）の厚みは数十〜数百μｍ程度である。一方、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２の厚みは多層基板１００の各パターン配線より数十〜数百倍程度まで厚くすることが可能である。これにより、パワー半導体モジュール５００が動作した際に流れる低周波成分の電流は、大部分、電気抵抗（レジスタンス）の小さい正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を流れることとなる。

電力変換装置１００１を前記した構造とすることで、絶縁材１５０が積層されて放熱が難しい多層基板１００には電流値の小さい高周波成分の電流が主に流れるので、配線損失によるジュール発熱を小さくすることが可能である。また、電気抵抗（レジスタンス）の小さい正極側バスバ１１および負極側バスバ１２に電流値の大きな低周波成分の大部分が流れるので、その部分の配線損失によるジュール発熱を抑制および放熱することが容易となる。このように、正極側バスバ１１，負極側バスバ１２と多層基板１００の各層のパターン配線とを併用して主回路電流経路として用いることにより、大電流を通電しても制御部１０ａの温度上昇を抑制することができるので、電力変換装置１００１の小型化と、構成部材削減による低コスト化とを実現することが可能となる。

また、電解コンデンサ２００からパワー半導体モジュール５００の内部のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ５８０）までのインダクタンスが実質的に小さくなるので、パワー半導体モジュール５００の各ＭＯＳＦＥＴ５８０がターンオフした際のスイッチング素子のサージ電圧が抑制される。これにより、インバータ回路のスイッチング損失による発熱を低減することができるので、電力変換装置１００１を小型化および低コスト化することが可能である。さらに、配線インダクタンスを低減することで、スパイク電圧を抑制するために用意するスナバ回路などを不要とすることができるので、この面からも構成部品を削減して小型化および低コスト化に寄与することができる。

さらに、主回路電流経路の配線インダクタンスを低減することによって電解コンデンサ２００が吸収すべきリップル電流を低減することができる。これにより、電解コンデンサ２００の発熱を抑制し、また、電解コンデンサ２００を小容量化（小型化）することが可能である。この面からも電力変換装置１００１の小型化および低コスト化を実現することが可能である。このように、本実施形態による電力変換装置１００１の発熱抑制と実装の容易性を実現することで、小型かつ低コストの大電流通電可能な高出力の電力変換装置１００１を提供することが可能となる。

なお、本実施形態では多層基板１００に集積回路６０や集積回路周辺部品７０が実装される場合について説明したが、多層基板１００に集積回路６０が実装されない場合には、その多層基板１００の配線層は２層以上あれば本実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である。また、第１層の正極側表層配線１０１と負極側表層配線１０２が互いに接続しない範囲で、第２層以下の各層をベタパターンとすることによって、主電流が流れる回路の低インダクタンス実装を実現することができる。この場合には、正極側表層配線１０１と負極側表層配線１０２にそれぞれ正極側バスバ１１と負極側バスバ１２が接触する箇所以外は、レジスト材などによって絶縁を施しておく。

以上、第１実施形態の電力変換装置１００１は、主回路電流を流すための正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を多層基板１００と制御用素子を含む制御部１０ａに設置し、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２は少なくとも多層基板１００の各層の金属配線パターンよりも厚くする。そして、ビアまたはスルーホールを介して、正極側バスバ１１を多層基板１００の第２ｎ層配線（偶数層配線）に接続し、負極側バスバ１２を多層基板１００の第２ｎ層配線と対向する第２ｎ＋１層配線（奇数層配線）に接続する。これによって、多層基板１００の第２ｎ層配線（偶数層配線）と第２ｎ＋１層配線（奇数層配線）に流れる電流の向きが逆になるので、大電流通電による高出力の電力変換装置１００１の小型化・低コスト化と低インダクタンス化とを実現することが可能となる。なお、正極側バスバ１１を多層基板１００の第２ｎ＋１層配線（奇数層配線）に接続し、負極側バスバ１２を多層基板１００の第２ｎ＋１層配線と対向する第２ｎ層配線（偶数層配線）に接続しても、隣接する相互の層の配線に流れる電流は逆方向となるので、前記と同様に、電力変換装置１００１の小型化及び低コスト化と、低インダクタンス化とを実現することができる。

《第２実施形態》
図７は、本発明による第２実施形態の電力変換装置１００２を示す分解斜視図である。
なお、以降の説明において、前記した構成要素と実質同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略するものとする。

正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を含む直流電流側の主回路電流経路は、前記した理由（高周波電流を流れやすくする）ためにインダクタンスを小さくする必要があるが、交流側バスバ１４を含む交流電流側の主回路電流経路は直流電流側の主回路電流経路ほどインダクタンスを低減する必要がない場合もある。すなわち、電力変換装置１００２のインバータ周波数がそれ程高くない場合（例えば、インバータ周波数が商用周波数程度の場合）は、パワー半導体モジュール５００の交流側出力からの高周波成分はごく小さく、実質的に無視できるので、パワー半導体モジュール５００の出力電流を低インダクタンスの内層配線に流す必要はない。

そこで、交流側バスバ１４は、制御部１０ｂの多層基板１００の各層配線を経由することなく、図７に示すように、パワー半導体モジュール５００の交流側主回路端子５４０（図７では交流側バスバ１４の下に隠れて図示されず）と直接接続させる。これにより、制御部１０ｂの多層基板１００に交流側バスバ１４が搭載されなくなるので、多層基板１００に、制御部１０ｂの各構成要素を実装するために有効な面積を多く確保することができる。これによって、さらに多くの集積回路６０などの素子を多層基板１００に搭載することが可能となる。

《第３実施形態》
図８は、本発明による第３実施形態の電力変換装置１００３を示す分解斜視図である。
図８に示すように、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２は、それぞれの先端部分において、制御部１０ｃの多層基板１００の面に対し垂直に立っている。正極側バスバ１１および負極側バスバ１２は銅やアルミニウムなどの加工性の良い材料でできているため、レイアウトや形状の自由度が極めて高い。そこで、外部機器に合わせて電力変換装置１００３の入出力端子（例えば、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２）の位置や形状を自由に決めることができる。すなわち、外部機器の端子取り付け状態に合わせて、図８に示すように、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を多層基板１００の面に対して垂直に立てることができる。これにより、電力変換装置１００３を実装する外部装置の空間を有効に利用することが可能となる。また、交流電流側の出力をコネクタ（端子台ともいう）により構成することで、電力変換装置１００３の実装性や保守性がさらに改善される。

《第４実施形態》
図９は、本発明による第４実施形態の電力変換装置１００４を示す分解斜視図である。
図９に示すように、多層基板１００に正極側バスバ１１が実装される面とは反対の面に負極側バスバ１２が実装されている。つまり、多層基板１００を挟んで正極側バスバ１１と負極側バスバ１２が対向して実装されている。このため、正極側バスバ１１の電極と負極側バスバ１２の電極は多層基板１００の厚み分だけ隔てて対向する形となっている。この場合、図１に示した電解コンデンサ２００およびインダクタ３００は、図９に示すように多層基板１００の領域にはなく、電解コンデンサ２００およびインダクタ３００は、多層基板１００の領域の外側に実装することが好ましい。
本発明による第４実施形態によれば、直流電流側の配線インダクタンスをさらに低減することができるので、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、正極側バスバ１１と負極側バスバ１２を対向させる箇所は多層基板１００の外側のみでよいため、電力変換装置１００４の低コスト化と軽量化を図ることが可能となる。また、直流電源を、誘電体を挟んで対向する２枚のバスバ（図示せず）で導入する場合、接続が容易であり、また、接続部の電力損失がより少なくなる。

《第５実施形態》
図１０は、本発明による第５実施形態の電力変換装置１００５を示す分解斜視図である。
また、図１１は、図１０に示す電力変換装置１００５における正極側バスバ１１、負極側バスバ１２と多層基板１００の各層を分解した上面図である。図１１（ａ）は正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を示し、図１１（ｂ）は多層基板１００における第１層の表層配線（正極側表層配線１０１および負極側表層配線１０２）を示し、図１１（ｃ）は多層基板１００における第２層の第２層配線１０３を示し、図１１（ｄ）は多層基板１００における第３層の第３層配線１０４を示す。

図１に示した第１実施形態の電力変換装置１００１がいわゆる“６ｉｎ１”形のパワー半導体モジュール５００を有していることと比較すると、図１０に示す第５実施形態の電力変換装置１００５は、パワー半導体モジュール５００を、２素子を１パッケージに収めた“２ｉｎ１”形のモジュールの３個組で構成している点で異なる。それに伴って、図１１に示す正極側バスバ１１、負極側バスバ１２および多層基板１００の構成は、図６に示す構成とは異なっている。

具体的には、図１０および図１１（ａ）に示すように、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２は、３個のパワー半導体モジュール５００のそれぞれの正極側主回路端子５０１，負極側主回路端子５０２と多層基板１００に設けられたバスバ接続用穴３０を通してネジ４０で接続される。

また、図１１（ｂ）に示す表層配線のように、制御部１０ｅの多層基板１００の第１層において、バスバ接続用穴３０の周辺の正極側表層配線１０１および負極側表層配線１０２は露出している。したがって、正極側バスバ１１と正極側表層配線１０１は直接接触することによって電気的に接続される。また、負極側バスバ１２と負極側表層配線１０２は直接接触することによって電気的に接続される。さらに、バスバ接続用穴３０の周辺には正極側ビア１１１および負極側ビア１１２が多数形成されている。したがって、図１１（ｂ）に示す正極側表層配線１０１は正極側ビア１１１を介して図１１（ｃ）に示す第２層配線１０３と電気的に接続され、かつ、図１１（ｂ）に示す負極側表層配線１０２は負極側ビア１１２を介して図１１（ｄ）に示す第３層配線１０４と電気的に接続される。

このようにして、直流電流側の正極側バスバ１１，負極側バスバ１２と多層基板１００の第２層配線１０３，第３層配線１０４と、３つのパワー半導体モジュール５００の直流電流側の正極側主回路端子５０１，負極側主回路端子５０２とをそれぞれ接続させる構成とする。この構成により、本発明による第５実施形態によれば、３個の“２ｉｎ１”モジュールからなるパワー半導体モジュール５００の直流側の正極側主回路端子５０１，負極側主回路端子５０２と電解コンデンサ２００との間の配線インダクタンスを低減することができ、その結果、電力変換装置１００５の損失低減を実現することが可能である。

《第６実施形態》
図１２は、本発明による第６実施形態の電力変換装置１００６を示す分解斜視図である。
第６実施形態の電力変換装置１００６の、第５実施形態の電力変換装置１００５との相違点は、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２が、制御部１０ｆにおいて、回路部品（が実装される領域）を跨いで立体的に構成されている点である。
本発明による第６実施形態によれば、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を実装する前に、多層基板１００の集積回路実装領域１４０に集積回路６０などを実装することが可能となる。また、多層基板１００の面積を有効に活用できるので、結果的に電力変換装置１００６の小型化が可能となる。

《第７実施形態》
図１３は、本発明による第７実施形態の電力変換装置における多層基板１００のバスバ近傍を示す部分断面図である。図１３（ａ）は正極側バスバ１１のバスバ接続用穴３０近傍のおける多層基板１００の断面を示し、図１３（ｂ）は負極側バスバ１２のバスバ接続用穴３０近傍における多層基板１００の断面を示す。
図５に示す第１実施形態の多層基板１００と比較すると、図１３に示す第７実施形態の多層基板１００は、６層基板で構成されている点で異なる。

図１３（ａ）に示すように、正極側バスバ１１は、第１層の正極側表層配線１０１と接触し、正極側ビア１１１を介して、第２層配線１０３および第４層配線１０５と電気的に接続されている。また、図１３（ｂ）に示すように、負極側バスバ１２は、第１層の負極側表層配線１０２と接触し、負極側ビア１１２を介して、第３層配線１０４および第５層配線１０６と電気的に接続されている。

これらの内層配線（第２層配線１０３〜第５層配線１０６）は、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を固定するためのバスバ接続用穴３０と、図示しない絶縁材（例えば、図１１（ｂ）に示す絶縁材１５０）とによって、自身の極とは逆の極性の配線を避ける形でベタパターンとして備わっている。例えば、図６（ｃ）に示すように、正極側バスバ１１および正極側表層配線１０１と接続される第２層配線１０３は、正極とは逆の極性の配線（負極側表層配線１０２）を絶縁材１５０によって避けるようにベタパターンが形成されている。また、図６（ｄ）に示すように、負極側バスバ１２および負極側表層配線１０２と接続される第３層配線１０４は、負極とは逆の極性の配線（正極側表層配線１０１）を絶縁材１５０によって避けるようにベタパターンが形成されている。

本発明による第７実施形態によれば、電力変換装置における配線の、さらなる低インダクタンス化と高出力化とを実現することが可能となり、電力変換装置の損失低減および放熱改善による小型化・低コスト化を実現することができる。また、本実施形態では、正極および負極にそれぞれ内層配線を２層以上用いることにより、配線のインダクタンスと電気抵抗とをさらに小さくして、前記した各実施形態の電力変換装置よりもさらに大きな電流を通電することが可能となる。これにより、幅広い出力範囲の電力変換装置へ本実施形態の電力変換装置を適用することが可能となる。さらに、多層基板１００に６層配線を用いることによって、制御のための集積回路６０（図１参照）などの、配線レイアウトの自由度が高くなり、部品実装が容易でかつ小型・低コスト化が可能となる。

《まとめ》
以上述べたように、本発明による各実施形態の電力変換装置（１００１〜１００６）によれば、多層基板１００の互いに近接して対向している２層以上の配線層を主回路電流の経路として用いる場合、ラミネートによる効果を利用して隣接する２層を貼り合わせているので、多層基板１００の配線層によって低インダクタンス実装を実現できる。また、多層基板１００の一面、または両面に対向して、主回路電流を流すための正極側バスバ１１および負極側バスバ１２が形成されているので、これらの正極側バスバ１１および負極側バスバ１２と電解コンデンサ２００やインダクタ３００などの素子とを、スポット溶接やネジ止めなどで固定することが可能であるので、部品の実装が極めて容易となる。

また、パワー半導体モジュール５００に電極（正極側主回路端子５０１および負極側主回路端子５０２）を固定するためのネジ４０が、多層基板１００に正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を固定するためにも利用できるので、電力変換装置の組立工数を低減することができる。さらに、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２が実装されない多層基板１００の空き領域に、ドライバＩＣなどの制御用素子を実装して制御部として利用することもできるので、電力変換装置における実装効率を向上させることができ、結果的に、電力変換装置の更なる小型化を実現することが可能となる。

また、多層基板１００上に設置されたコネクタを利用することにより、モータ９０などの制御対象との接続を容易に行うことができるので、メンテナンス上の使い勝手が極めて向上する。さらに、金属筐体４００内に位置決め用の穴を設けることによって、電解コンデンサ２００やインダクタ３００などの素子の位置決めを容易に行うことができると共に、電解コンデンサ２００やインダクタ３００などの発熱を金属筐体４００に逃がすことができるので、電力変換装置の高放熱実装を行うことが可能となる。また、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を３次元構造とすることによって、多層基板１００の空きスペースをさらに有効に活用することができ、この面からも電力変換装置の小型化、低コスト化を実現することができる。

本発明による第１実施形態の電力変換装置を示す分解斜視図である。図１に示す電力変換装置の要部を示す回路図である。図２に示すパワー半導体モジュールの内部回路を示す回路図である。図１に示す電力変換装置における電解コンデンサおよびパワー半導体モジュールの部分を直線的に切断して示す部分断面図である。図１に示す電力変換装置における多層基板を示す部分断面図であり、（ａ）は正極側バスバのバスバ接続用穴近傍における多層基板の断面を示し、（ｂ）は負極側バスバのバスバ接続用穴近傍における多層基板の断面を示す。図１に示す電力変換装置における破線領域Ａ内の正極側バスバ、負極側バスバおよび多層基板を層ごとに示す分解平面図であり、（ａ）はバスバ領域（層）を示し、（ｂ）は多層基板の表層配線領域（層）を示し、（ｃ）は多層基板の第２層配線領域（層）を示し、（ｄ）は多層基板の第３層配線領域（層）を示す。本発明による第２実施形態の電力変換装置を示す分解斜視図である。本発明による第３実施形態の電力変換装置を示す分解斜視図である。本発明による第４実施形態の電力変換装置を示す分解斜視図である。本発明による第５実施形態の電力変換装置を示す分解斜視図である。図１１は、図１０に示す電力変換装置における正極側バスバ、負極側バスバと多層基板の各層を分解した上面図であり、（ａ）は正極側バスバおよび負極側バスバを示し、（ｂ）は多層基板１００における第１層の表層配線（正極側表層配線および負極側表層配線）を示し、（ｃ）は多層基板における第２層の第２層配線を示し、（ｄ）は多層基板における第３層の第３層配線を示す。本発明による第６実施形態の電力変換装置を示す分解斜視図である。本発明による第７実施形態の電力変換装置における多層基板のバスバ近傍を示す部分断面図であり、（ａ）は正極側バスバのバスバ接続用穴近傍のおける多層基板の断面を示し、（ｂ）は負極側バスバのバスバ接続用穴近傍における多層基板の断面を示す。

符号の説明

１０ａ〜１０ｆ制御部
１１正極側バスバ
１２負極側バスバ
１３バスバ端子
１４交流側バスバ
２０部品接続用穴
３０バスバ接続用穴
４０ネジ
４５ナット
５０スルーホール
５５基板取付穴
６０集積回路
７０集積回路周辺部品
８０直流電源
９０モータ
１００多層基板
１０１正極側表層配線
１０２負極側表層配線
１０３第２層配線
１０４第３層配線
１０５第４層配線
１０６第５層配線
１１１正極側ビア
１１２負極側ビア
１４０集積回路実装領域
１５０絶縁材
２００電解コンデンサ
３００インダクタ
４００金属筐体
５００パワー半導体モジュール
５０１正極側主回路端子
５０２負極側主回路端子
５４０交流側主回路端子
５５０制御端子
５８０ＭＯＳＦＥＴ
１００１電力変換装置（第１実施形態）
１００２電力変換装置（第２実施形態）
１００３電力変換装置（第３実施形態）
１００４電力変換装置（第４実施形態）
１００５電力変換装置（第５実施形態）
１００６電力変換装置（第６実施形態）

Claims

パワー半導体素子が実装されたパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールを制御する制御素子と、前記制御素子を搭載する多層基板と、前記パワー半導体モジュールへ電力を入出力するための正極側バスバおよび負極側バスバと、を備えた電力変換装置であって、
前記正極側バスバおよび前記負極側バスバは前記多層基板配線の一方の面に実装され、
前記正極側バスバは、前記パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と前記多層基板に実装された面の正極側表層配線とに接続され、かつ、前記正極側表層配線は第１のビアまたは第１のスルーホールを介して前記多層基板の配線層の第２ｎ層（ｎは正の整数）と接続され、
前記負極側バスバは、前記パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と前記多層基板に実装された面の負極側表層配線とに接続され、かつ、前記負極側表層配線は第２のビアまたは第２のスルーホールを介して前記多層基板の第２ｎ層と対向する第２ｎ＋１層と接続され、
前記パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と前記正極側バスバとが第１の固定部材で電気的に接続され、
前記パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と前記負極側バスバとが第２の固定部材で電気的に接続されている、
ことを特徴とする電力変換装置。
パワー半導体素子が実装されたパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールを制御する制御素子と、前記制御素子を搭載する多層基板と、前記パワー半導体モジュールへ電力を入出力するための正極側バスバおよび負極側バスバと、を備えた電力変換装置であって、
前記正極側バスバは前記多層基板配線の一方の面に、前記負極側バスバは前記多層基板の他方の面に、それぞれ対向して実装され、
前記正極側バスバは、前記パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と前記多層基板に実装された面の正極側表層配線とに接続され、かつ、前記正極側表層配線は第１のビアまたは第１のスルーホールを介して前記多層基板の配線層の第２ｎ層（ｎは正の整数）と接続され、
前記負極側バスバは、前記パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と前記多層基板に実装された面の負極側表層配線とに接続され、かつ、前記負極側表層配線は第２のビアまたは第２のスルーホールを介して前記多層基板の第２ｎ層と対向する第２ｎ＋１層と接続され、
前記パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と前記正極側バスバとが第１の固定部材で電気的に接続され、
前記パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と前記負極側バスバとが第２の固定部材で電気的に接続されている、
ことを特徴とする電力変換装置。
コンデンサとインダクタとをさらに備え、前記コンデンサは、前記正極側バスバと前記負極側バスバとの間に並列に接続され、前記インダクタは、前記正極側バスバまたは前記負極側バスバに直列に挿入されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
前記多層基板の第２ｎ層配線と第２ｎ＋１層配線の双方、または、前記多層基板の表面に形成された表層配線と内層に形成された内層配線の双方が、広いエリアで配線が形成されたベタパターンで構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電力変換装置。
前記正極側バスバおよび前記負極側バスバの厚みは、前記多層基板の各層に形成された配線の厚みより厚いことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電力変換装置。
パワー半導体素子が実装されたパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールを制御する制御素子と、前記制御素子を搭載する多層基板と、前記パワー半導体モジュールへ電力を入出力するための正極側バスバおよび負極側バスバと、を備えた電力変換装置であって、
前記正極側バスバおよび前記負極側バスバは、前記多層基板の一方の面に、または両面に対向して実装され、
前記正極側バスバは、前記パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と前記多層基板に実装された面の正極側表層配線とに接続され、前記正極側表層配線は、第１のビアまたは第１のスルーホールを介して、前記多層基板の配線層の偶数層または奇数層のいずれかに接続され、
前記負極側バスバは、前記パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と前記多層基板に実装される面の負極側表層配線とに接続され、前記負極側表層配線は、第２のビアまたは第２のスルーホールを介して、前記偶数層および前記奇数層のうち、前記正極側表層配線が接続されていないものに接続され、
前記パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と前記正極側バスバとが第１の固定部材で電気的に接続され、
前記パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と前記負極側バスバとが第２の固定部材で電気的に接続されている、
ことを特徴とする電力変換装置。
コンデンサとインダクタとをさらに備え、前記コンデンサは、前記正極側バスバと前記負極側バスバとの間に並列に接続され、前記インダクタは、前記正極側バスバまたは前記負極側バスバに直列に挿入されていることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
前記多層基板の表面に形成された前記正極側表層配線および前記負極側表層配線と内層に形成された内層配線の双方、または前記内層配線のみが、広いエリアで配線が形成されたベタパターンで構成されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の電力変換装置。
前記正極側バスバおよび前記負極側バスバの厚みは、前記多層基板の各層に形成された配線の厚みより厚いことを特徴とする請求項６から請求項８のいずれかに記載の電力変換装置。
金属筐体に収納されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の電力変換装置。
請求項１から請求項１０のいずれかに記載の電力変換装置を用いた車載用電機システムであって、
前記パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と負極側主回路端子に供給された直流電力を交流電力に変換し、交流側主回路端子からモータへ前記交流電力を供給するように構成されたことを特徴とする車載用電機システム。