JP2010273479A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の大型化および回路特性の悪化を防止し、トランス部の作製コストを低く抑えられる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置は、トランスＴ１，Ｔ２（トランス部）と、電力変換回路と、制御回路とを備える。一以上の第１群と、一以上の第２群とからなる上アーム群Ａｕ（混成部）を、複数の端子を配置する方向と交差する方向に並べて配置する。トランスＴ１，Ｔ２に備える端子対ＴＰ１〜ＴＰ４（複数の端子）は、複数の第１群を並列配置するのに必要な第１ピッチと、複数の第２群を配置するのに必要な第２ピッチとに基づいて、配線距離が最小となる端子間ピッチ「ｘ」で形成する。この構成によれば、上アーム群Ａｕに対して共通のトランスＴ１，Ｔ２を用いることができるので、その作製コストが低く抑えられる。また、配線距離が短く済むので、基板の大型化および回路特性の悪化を防止できる。
【選択図】図６

Description

本発明は、トランス部、電力変換回路、制御回路を有する電力変換装置に関する。

従来では、装置体格及び製造費用の増大を抑止しながらも、制御電力給電線に重畳するスイッチングサージ電圧を低減することを目的とするインバータ装置に関する技術の一例が開示されている（例えば特許文献１を参照）。

この技術によれば、制御電力給電トランスを面方向において各半導体モジュールの間に介在させている。制御電力給電トランス（Ｔ１〜Ｔ３，３０）は、上アームの半導体モジュール（１０１〜１０９）を駆動する素子駆動回路（１２１〜１２９）に給電する端子台（３０１）と、下アームの半導体モジュール（１１１〜１１９）を駆動する素子駆動回路（１３１〜１３９）に給電する端子台（３０２）とを有する。

上記端子台（３０１）に備える複数の端子は、素子駆動回路（１２１〜１２９）の設置間隔、すなわち上アームの半導体モジュール（１０１〜１０９）の設置間隔と同じピッチで形成される。このように１種類の半導体モジュールを用いる場合には、１種類の制御電力給電トランス（Ｔ１〜Ｔ３，３０）だけで配線距離を最小限に抑えることができる。

特開２００８−１１８８１５号公報（段落００５３−００５５，図３，図６）

しかし、制御電力給電トランスは、半導体モジュールとの絶縁距離を考慮して配置する必要がある。この絶縁距離を確保するにあたって制御電力給電トランスの配置に制約が生じ、双方の距離を所定以上確保するために基板が大型化してしまう。基板が大型化すると配線距離も長くなるため、電気抵抗や配線インダクタンスの増加により回路特性が悪化してしまうという問題がある。

また、一枚の基板には、例えば複数の端子を一列状に配置した半導体モジュールと、同じく二列状に並列して配置した半導体モジュールとを配置する場合がある。制御電力給電トランスと半導体モジュールとの配線距離を最小限に抑えるには、各半導体モジュールの設置間隔ごとに合わせたピッチで端子台に備える複数の端子を形成した制御電力給電トランスを作製すればよい。ところが、端子間ピッチが異なる二種類の制御電力給電トランスを製作するにはコストが嵩むという問題がある。

一方、コストを低く抑えるには、一方の半導体モジュールの設置間隔と同じピッチで端子台に備える複数の端子を形成した制御電力給電トランスを製作せざるを得ない。例えば図６に示すように、一列状に配置した複数の端子を有する半導体モジュールの設置間隔と同じピッチで形成すると仮定する。この仮定では、二列状に配置した複数の端子を有する半導体モジュールへの配線距離が長くなり、配線抵抗に伴う電圧低下等の影響を受けて回路特性が悪化するという問題がある。なお、二列状に配置した複数の端子を有する半導体モジュールの設置間隔と同じピッチで形成しても同じ問題が生じる。

本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、基板の大型化および回路特性の悪化を防止し、トランス部の作製コストを低く抑えられる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、第１電源から供給される電圧を昇降圧するトランス部と、前記第１電源とは異なる第２電源から供給される電力を変換して出力する電力変換回路と、前記電力変換回路を構成するスイッチング素子群を駆動制御する制御回路とを有する電力変換装置において、前記スイッチング素子群および前記スイッチング素子群に接続可能な接続部群のうち一方または双方であって、一列状に配置された複数の端子を有する第１群と、二列状に並列して配置された複数の端子を有する第２群とを有し、少なくとも一以上の前記第１群と、少なくとも一以上の前記第２群とからなる混成部を、前記複数の端子を配置する方向と交差する方向に並べて配置し、前記トランス部に備える複数の端子は、複数の前記第１群を並列配置するのに必要な第１ピッチと、複数の前記第２群を配置するのに必要な第２ピッチとに基づいて、前記第１群および前記第２群との接続に必要な配線距離が最小となるピッチで形成することを特徴とする。

「第１電源」と「第２電源」とでは供給される電圧が異なる。「トランス部」は第１電源から供給される電圧を昇降圧できれば、その構成や素子等は任意である。「スイッチング素子群」は二以上のスイッチング素子によって構成される。「スイッチング素子」にはスイッチング機能を有する任意の半導体素子を用いることができ、例えばＩＧＢＴやパワートランジスタ等が該当する。「接続部群」は二以上の接続部によって構成される。「接続部」にはスイッチング素子群に接続可能な任意の接続用部品を用いることができ、例えばソケット，コネクタ，端子ピン等が該当する。「第１群」は、スイッチング素子や接続部が有する複数の端子が一列状に配置されたもので構成される。「第２群」は、スイッチング素子や接続部が有する複数の端子が二列状に並列して配置されたもので構成される。「混成部」は一以上で基板等に配置可能な数を備えてよく、各混成部は第１群および第２群がそれぞれ一以上を有する。「配線距離が最小となるピッチ」は、ピッチの大きさを色々変えたとき、第１群とトランス部との接続に必要な配線の距離と、第２群とトランス部との接続に必要な配線の距離とを合わせた全ての配線距離が最小となるピッチである。

この構成によれば、トランス部に備える複数の端子は、第１群および第２群との接続に必要な配線距離が最小となるピッチで形成される。このピッチは第１ピッチと第２ピッチとに基づいて決定され、第１群および第２群を有する混成部に対して共通のトランス部を用いることができるので、トランス部の作製コストを低く抑えることができる。また、配線距離が短いので、基板の大型化および回路特性の悪化を防止することができる。

請求項２に記載の発明は、同一構成または異なる構成からなる二の前記混成部を有し、前記トランス部は、一方の前記混成部と他方の前記混成部との間に介在して配置することを特徴とする。

この構成によれば、トランス部を中央側に配置し、二の混成部をトランス部の両側にそれぞれ配置する。全ての配線に必要な配線距離を最小限に抑えることができるとともに、各混成部との相互間における電気絶縁性能を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、前記トランス部の一方側端子と、前記混成部を構成する前記第１群または前記第２群の一方側端子との配線距離が最短となるように配置するとき、前記トランス部の他方側端子と、前記混成部を構成する前記第１群または前記第２群の他方側端子との距離が所定の絶縁距離を満たすことを特徴とする。

この構成によれば、トランス部の一方側端子側で配線距離を最短にしたとき、トランス部の他方側端子側では所定の絶縁距離を満たすように、トランス部に備える複数の端子のピッチを決定する。そのため、トランス部の他方側端子と、混成部を構成する第１群または第２群の他方側端子との間における電気絶縁性能を維持することができる。

なお「配線距離が最短」とは、絶縁に必要な距離を確保したうえで、トランス部の一方側端子と混成部（第１群または第２群の一方側端子）とを接続するのに必要な配線の距離が最短となることである。

請求項４に記載の発明は、絶縁距離をβとし、前記トランス部と前記混成部を構成する前記第１群または前記第２群との直線距離をｂとし、前記トランス部に備える端子間のピッチをｘとし、前記混成部を構成する前記第１群または前記第２群を前記交差する方向に一列状に配置するのに必要な距離をａとするとき、式｛（β²−ｂ²）^1/2＋２ａ｝／３≦ｘ≦ａを満たすｘのピッチで前記トランス部に備える複数の端子を形成することを特徴とする。

この構成によれば、上記式を満たすｘを求めるだけでよいので、簡単にトランス部に備える複数の端子にかかるピッチを決定することができる。

請求項５に記載の発明は、前記電力変換回路は複数相の電力変換回路からなり、前記二の前記混成部のうち、一方の前記混成部は上アームの前記スイッチング素子群に接続し、他方の前記混成部は下アームの前記スイッチング素子群に接続し、前記トランス部は、前記上アームおよび前記下アームのスイッチング素子群に電力を供給するのに必要な数以上の二次コイルを有することを特徴とする。

この構成によれば、配線距離が最小になって、上下アームのスイッチング素子群に供給する電圧のばらつきを低減することができる。また、上下アームのスイッチング素子群のスイッチングタイミングのばらつき低減ことができる。

請求項６に記載の発明は、前記トランス部は、前記上アームのスイッチング素子群に電力を供給する上アーム用端子を備える面と、前記下アームのスイッチング素子群に電力を供給する下アーム用端子を備える面とを別個に有することを特徴とする。

この構成によれば、上アーム用端子を備える面と、下アーム用端子を備える面とが別個にある。各面を上アームまたは下アームのスイッチング素子群に近い位置に設定することで配線距離をより短くできる。したがって、基板の大型化および回路特性の悪化をより確実に防止することができる。

請求項７に記載の発明は、前記第２電源と前記電力変換回路との間に接続されるコンバータ回路を有し、前記コンバータ回路は、前記トランス部から出力される電圧を受けて駆動するスイッチング素子を備え、前記スイッチング素子の駆動に従って前記第２電源から供給される電圧を昇降圧して前記電力変換回路に出力することを特徴とする。

この構成によれば、スイッチング素子の駆動に必要な電圧をコンバータ回路から得ることができるので、トランス部の数と二次コイルの数とを低減することができる。

電力変換装置の構成例を示す模式図である。 制御電源の構成例を示す回路図である。 トランス部の端子対の配置例を示す平面図である。 端子間距離を算出するための参考図である。 端子間距離を算出するための参考図である。 基板の配置例を示す平面図である。 基板の配置例を示す平面図である。 基板の配置例を示す平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的な接続を意味する。

〔基本回路構成〕
まず図１には、発電電動機４０に対して電力を供給する電力変換装置の構成例を模式図で示す。この電力変換装置は、コンバータ回路１０，電力変換回路２０，制御電源６０，コントローラ７０等を有する。コンバータ回路１０と電力変換回路２０との間には、平滑用のコンデンサＣ２が接続される。このコンデンサＣ２は、コンバータ回路１０から入力される直流電源電圧の電位変動を低減する。

コンバータ回路１０は、第１電源Ｅ１から平滑用のコンデンサＣ１を介して供給される直流電圧Ｖ１（例えば１５ボルト等）を、電力変換回路２０で必要とする電圧に変換して出力する機能を有する。第１電源Ｅ１には、例えばバッテリを用いる。

上記コンバータ回路１０は、駆動回路Ｍ１１，Ｍ１２、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２、ダイオードＤ１１，Ｄ１２、コイルＬ１などを有する。駆動回路Ｍ１１，Ｍ１２はトランジスタ等を有し、コントローラ７０からの制御信号に従ってスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２を駆動する。スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２には、スイッチング機能を有する半導体素子（例えばＩＧＢＴやパワートランジスタ等）を用いる。本例のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２は、直列接続されてハーフブリッジを構成している。ダイオードＤ１１，Ｄ１２は、それぞれスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２に並列接続され、いずれもフリーホイールダイオードとして機能する。コイルＬ１には例えばチョークコイルを用いる。

スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２の接続点は、コイルＬ１を介して第１電源Ｅ１のプラス電極に接続する。コンバータ回路１０の出力端子は、電力変換回路２０の直流電源端に接続する。具体的には、スイッチング素子Ｑ１１の高電位側端子（図面上側端子）を電力変換回路２０の高電位側に接続し、スイッチング素子Ｑ１２の低電位側端子（図面下側端子）を電力変換回路２０の低電位側に接続する。また、スイッチング素子Ｑ１２の低電位側端子は第１電源Ｅ１のマイナス電極に接続する。

駆動回路Ｍ１１，Ｍ１２は、制御電源６０から電圧の供給を受けて作動する。ただし、駆動回路Ｍ１１が端子対Ｐ４を介して受ける電圧と、駆動回路Ｍ１２が端子対Ｐ５を介して受ける電圧とでは基準電位が異なる。これは、半導体スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）のエミッタ端子を基準としてゲート電圧（制御電圧）を形成するためである。また、コントローラ７０から入力される制御信号（例えばＰＷＭ信号）をトランジスタ等で増幅してスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２の駆動端子（例えばゲート端子）に伝達する。

コントローラ７０から入力される制御信号に基づいてスイッチング素子Ｑ１１，１２を所定周波数でオン／オフのスイッチングを断続すると、昇圧された直流電圧がコンバータ回路１０の出力端子から出力される。なお、コンバータ回路１０の作動については周知であるので、他の説明は省略する。

電力変換回路２０は、給電機能と送電機能とを切り換え可能に備える。給電機能は、第１電源Ｅ１からコンバータ回路１０を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換し、発電電動機４０に供給する機能である。送電機能は、発電電動機４０が発電した三相交流電力を整流し、コンバータ回路１０を介して第１電源Ｅ１に還流する機能である。

上記電力変換回路２０は、駆動回路Ｍ２１〜Ｍ２６、スイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２６、ダイオードＤ２１〜Ｄ２６などを有する。駆動回路Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３、スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３、ダイオードＤ２１，Ｄ２２，Ｄ２３などは上アーム側に配置される。また、駆動回路Ｍ２４，Ｍ２５，Ｍ２６、スイッチング素子Ｑ２４，Ｑ２５，Ｑ２６、ダイオードＤ２４，Ｄ２５，Ｄ２６などは下アーム側に配置される。

駆動回路Ｍ２１〜Ｍ２６は、上述した駆動回路Ｍ１１，Ｍ１２と同様に、制御電源６０から電圧の供給を受けて作動する。基準電位も同様であり、駆動回路Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３がそれぞれ端子対Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を介して受ける電圧と、駆動回路Ｍ２４，Ｍ２５，Ｍ２６がいずれも端子対Ｐ５を介して受ける電圧とで異なる。スイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２６は、上述したスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２と同様に、スイッチング機能を有する半導体素子を用いる。ダイオードＤ２１〜Ｄ２６は、それぞれスイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２６に並列接続され、いずれもフリーホイールダイオードとして機能する。

電力変換回路２０内の回路や素子等は、一点鎖線で囲って示すように三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）に分けられ、コントローラ７０によって相ごとに作動が制御される。Ｕ相は、駆動回路Ｍ２１，Ｍ２４、スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２４、ダイオードＤ２１，Ｄ２４などで構成される。Ｖ相は、駆動回路Ｍ２２，Ｍ２５、スイッチング素子Ｑ２２，Ｑ２５、ダイオードＤ２２，Ｄ２５などで構成される。Ｗ相は、駆動回路Ｍ２３，Ｍ２６、スイッチング素子Ｑ２３，Ｑ２６、ダイオードＤ２３，Ｄ２６などで構成される。Ｕ相のスイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２４は、直列接続されてハーフブリッジを構成する。Ｖ相のスイッチング素子Ｑ２２，Ｑ２５と、Ｗ相のスイッチング素子Ｑ２３，Ｑ２６とについても同様に、直列接続されてハーフブリッジを構成する。これらのハーフブリッジの接続点（中点）は、発電電動機４０の三相端子に対して個別に接続されている。

制御電源６０は、第２電源Ｅ２から供給される直流電圧Ｖ２（例えば５ボルト等）を、駆動回路Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ２１〜Ｍ２６等で必要とする電圧に変換して出力する機能を有する。この制御電源６０の具体的な構成例や機能等については後述する（図２を参照）。第２電源Ｅ２には、第１電源Ｅ１と同様に、例えばバッテリを用いる。

「制御回路」に相当するコントローラ７０は、入力される信号情報に基づいて、コンバータ回路１０および電力変換回路２０を制御するための制御信号（例えばＰＷＭ（パルス幅変調）信号等）を出力する。入力される信号情報には、例えば発電電動機４０側に備えられた電流センサ３０や回転角センサ５０等の検出信号や、外部ＥＣＵ（すなわち外部の制御装置）から伝達される指令信号（例えばトルク指令等）などが該当する。このコントローラ７０は、第２電源Ｅ２および制御電源６０のうち一方または双方から電力の供給を受けて作動するが、上記制御信号を出力可能であれば任意に構成してよい。例えば、ＣＰＵ（ワンチップマイコンを含む）を中心にソフトウェア制御を行う構成としてもよく、ＩＣ（ＬＳＩやゲートアレイ等を含む）やトランジスタ等の電子部品を用いてハードウェア制御を行う構成としてもよい。

電流センサ３０は各相の電流を検出可能な任意のセンサを用いることができ、例えば磁気比例型センサ，電磁誘導型センサ，ファラデー効果型センサ，変流器型センサなどが該当する。電力変換装置による電力の供給対象として、図１の例ではエンジン始動および発電の双方が行える車両用の発電電動機４０を用いる。回転角センサ５０は、回転体（例えばロータ等）の回転角や回転位置等を検出可能な任意のセンサを用いることができ、例えばレゾルバやロータリエンコーダ（光電検出器）等が該当する。

〔制御電源の構成例〕
次に、制御電源６０の具体的な構成例や機能等について、図２を参照しながら説明する。制御電源６０は、トランスＴ，インバータ回路Ｔａ，電圧安定化回路Ｔｂ，整流回路Ｓ１〜Ｓ６などを有する。トランスＴは「トランス部」に相当し、一次コイルまたは二次コイルに接続された端子対ＴＰ１〜ＴＰ７を有する（図３を参照）。端子対ＴＰ１には整流回路Ｓ１が接続される。同様にして、端子対ＴＰ２〜ＴＰ６にはそれぞれ整流回路Ｓ２〜Ｓ６が接続される。端子対ＴＰ７にはインバータ回路Ｔａが接続される。

インバータ回路Ｔａは、第２電源Ｅ２から供給される直流電圧Ｖ２を変換し、端子対ＴＰ７を介してトランスＴに出力する。このインバータ回路Ｔａは、ダイオードＤおよびコンデンサＣ（整流機能）や、スイッチング素子Ｑ（スイッチング機能）などを有する。電圧安定化回路Ｔｂは、フィードバック制御によりインバータ回路Ｔａが出力する交流電圧を安定化させる役割を担う。具体的には、インバータ回路Ｔａから出力された一次交流電圧をトランスＴが二次交流電圧に変換し、当該二次交流電圧を整流回路Ｓ６が直流電圧に整流する。電圧安定化回路Ｔｂは、整流回路Ｓ６で整流された直流電圧を入力し、当該入力した直流電圧が目的電圧となるようにインバータ回路Ｔａ内のスイッチング素子Ｑを制御する。すなわち、デューティ比を調整した制御信号（例えばＰＷＭ信号等）をスイッチング素子Ｑの制御端子（例えばゲート端子等）に伝達してスイッチングを行わせる。

整流回路Ｓ１〜Ｓ６は、整流に用いるダイオードＤと、平滑に用いるコンデンサＣとで構成される。整流回路Ｓ４から出力される直流電圧は、端子対Ｐ４を介して駆動回路Ｍ１１に供給する（図１を参照）。また、整流回路Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３から出力される直流電圧は、それぞれ端子対Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を介して駆動回路Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３に供給する（図１を参照）。さらに、整流回路Ｓ５から出力される直流電圧は、端子対Ｐ５を介して駆動回路Ｍ１２，Ｍ２４，Ｍ２５，Ｍ２６に並列して供給する（図１を参照）。

〔トランスにおける端子対の配置例〕
次に、トランスＴの所定面（後述する基板１００に装着する面であって、例えば底面）に備える端子対ＴＰ１〜ＴＰ７の配置例について、図３を参照しながら説明する。図３に示す配置例では、上アーム用のスイッチング素子に対応するため、端子対ＴＰ１〜ＴＰ４を一辺側（図中の左側）の端子台ｔｕに備える。また、下アーム用のスイッチング素子や電源に対応するため、端子対ＴＰ５，ＴＰ６，ＴＰ７を他辺側（図中の右側）の端子台ｔｄに備える。端子対ＴＰ１〜ＴＰ４はそれぞれが「トランス部に備える複数の端子」に相当し、等間隔の端子間ピッチ「ｘ」で配置する。端子間ピッチ「ｘ」の算出法については後述する（図４，図５を参照）。端子対ＴＰ５，ＴＰ６，ＴＰ７の間隔は任意に設定してよいため、不均一に配置している。

端子対ＴＰ１，ＴＰ２，ＴＰ３は、それぞれ整流回路Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３および端子対Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を介して（図２を参照）、駆動回路Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３に個別に電力を供給するために用いる（図１を参照）。端子対ＴＰ４は、整流回路Ｓ４および端子対Ｐ４を介して（図２を参照）、駆動回路Ｍ１１に電力を供給するために用いる（図１を参照）。端子対ＴＰ５は、整流回路Ｓ５および端子対Ｐ５を介して（図２を参照）、駆動回路Ｍ１２，Ｍ２４，Ｍ２５，Ｍ２６に並列して電力を供給するために用いる（図１を参照）。端子対ＴＰ６は、電圧安定化回路Ｔｂに変換電圧を入力させるために用いる（図２を参照）。端子対ＴＰ７は、インバータ回路Ｔａから出力される交流電圧の供給を受けるために用いる（図２を参照）。

〔端子間ピッチの算出法〕
次に、端子対ＴＰ１〜ＴＰ４の端子間ピッチ「ｘ」を算出する方法について、図４および図５を参照しながら説明する。図４には、一列状に配置された複数（本例は５本）の端子を有する接続部の例を示す。図２には、二列状に並列して配置された複数（本例は５本）の端子を有する接続部の例を示す。なお、例えば電磁感受性（EMS：Electro Magnetic Susceptibility）等で必要な絶縁抵抗を確保するための絶縁距離を「β」と仮定する。

図４に示す接続部Ｋ１〜Ｋ４は「第１群」に相当し、例えばスイッチング素子を交換可能にするためのソケットやコネクタ等が該当する。接続部Ｋ１〜Ｋ４はいずれも一列状に配置された複数（本例は５本）の端子を有し、これらの端子間距離を「ａ」と仮定する。この端子間距離「ａ」は「第１ピッチ」に相当する。接続部Ｋ１〜Ｋ４の一端（図面下側端面）と、トランスＴ（Ｔ１，Ｔ２）の一端（図面上側端面）との隔離距離を「ｂ」と仮定する。接続部Ｋ１と端子対ＴＰ１との配線距離が最短（具体的には直線）となるようにトランスＴを配置し、図面左右方向における位置を基準位置Ｐｓと仮定する。すなわち「最短距離」は、接続部Ｋ１と端子対ＴＰ１とを配線するにあたって、絶縁に必要な隔離距離「ｂ」を確保して最短になる距離である。端子対ＴＰ１〜ＴＰ４と接続部Ｋ１〜Ｋ４とを接続するとき、接続しない端子対と接続部とを特定する。図４の例では、端子対ＴＰ４と接続部Ｋ３とを特定する。こうして特定した相互間の直線距離を「ｃ」と仮定する。

図５に示す接続部Ｋ５，Ｋ６，Ｋ７は「第２群」に相当し、上述した接続部Ｋ１〜Ｋ４と同様に、例えばスイッチング素子を交換可能にするためのソケットやコネクタ等が該当する。接続部Ｋ５，Ｋ６，Ｋ７はいずれも二列状に並列して配置された複数（本例は５本）の端子を有し、これらの端子間距離を「２ａ」と仮定する。この端子間距離「２ａ」は「第２ピッチ」に相当する。接続部Ｋ５，Ｋ６，Ｋ７の一端（図面下側端面）と、トランスＴ（Ｔ１，Ｔ２）の一端（図面上側端面）との隔離距離を「ｂ」と仮定する。接続部Ｋ５と端子対ＴＰ１との配線が直線（最短距離）となるようにトランスＴを配置して、図面左右方向における位置を基準位置Ｐｓと仮定する。端子対ＴＰ１〜ＴＰ４と接続部Ｋ５，Ｋ６，Ｋ７とを接続するとき、接続しない端子対と接続部とを特定する。図５の例では、端子対ＴＰ３と接続部Ｋ６とを特定する。こうして特定した相互間の直線距離を「ｃ」と仮定する。

上述した図４および図５に示した仮定に基づいて、以下のようにして端子間ピッチ「ｘ」の算出式を設定する。まず、端子間ピッチ「ｘ」は端子間距離「ａ」以下とする必要があるので、式１が条件となる。直線距離「ｃ」は絶縁距離「β」以上とする必要があるので、式２が条件となる。式２を端子間ピッチ「ｘ」について整理すると式３になる。よって式１と式３とを合わせると、端子間ピッチ「ｘ」は式４を満たす長さ（間隔）であればよい。

〔算出式〕
ｘ≦ａ……（式１）
ｃ＝｛（３ｘ−２ａ）²＋ｄ²｝^1/2≧β……（式２）
ｘ≧｛（β²−ｄ²）^1/2＋２ａ｝／３……（式３）
｛（β²−ｂ²）^1/2＋２ａ｝／３≦ｘ≦ａ……（式４）

〔基板の配置例〕
図１〜図３に示す電力変換回路２０および制御電源６０を一組とし、複数組（例えば二組）を配置（実装）した基板１００の一例について、図６，図７を参照しながら説明する。図６，図７に示す基板１００は、図面の上側から下側に向かって順に、上アーム群Ａｕ，トランス群Ａｔ，下アーム群Ａｄを配置している。上アーム群Ａｕは「混成部」に相当する。なお図６と図７の違いは、｛第１半導体モジュール１０１，１０２，１０３、昇圧モジュール１０４、トランスＴ１｝の組と、｛第２半導体モジュール１０５，１０６，１０７、トランスＴ２｝の組とで図面上における左右の位置が逆になっている点である。なお、本発明に関連する素子等を図示し、詳細な配線等については省略する。

上アーム群Ａｕは、第１半導体モジュール１０１，１０２，１０３、昇圧モジュール１０４、第２半導体モジュール１０５，１０６，１０７などで構成される。各半導体モジュールは、例えば両面に放熱板を露出させて、液冷ラジエータの各冷却フィンと交互にサンドイッチされた積層構造体とする。上アーム群Ａｕを構成する各モジュールは、図中に「○」で示す複数の端子を配置する方向（図面では縦方向）と交差する方向（図面では横方向）に並べて配置する。言い換えれば、各モジュールの面が並行となるように配置する。第１半導体モジュール１０１，１０２，１０３および第２半導体モジュール１０５，１０６，１０７の構成例は後述する。昇圧モジュール１０４は、図１に示すコンバータ回路１０を一以上有するとともに、図４に示す接続部Ｋ４を有する。トランス群Ａｔは、トランスＴ１，Ｔ２などで構成される。当該トランスＴ１，Ｔ２は、ともにトランスＴと同一の構成や機能等を有する（図２，図３を参照）。下アーム群Ａｄは、複数のスイッチング素子Ｑなどで構成される。

第１半導体モジュール１０１，１０２，１０３は、それぞれＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各半導体を一体化したモジュールであって、図４に示す接続部Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３を有する。第１半導体モジュール１０１は、駆動回路Ｍ２１、スイッチング素子Ｑ２１、ダイオードＤ２１、整流回路Ｓ２などを有する（図１，図２を参照）。第１半導体モジュール１０２は、駆動回路Ｍ２２、スイッチング素子Ｑ２２、ダイオードＤ２２、整流回路Ｓ３などを有する（図１，図２を参照）。第１半導体モジュール１０３は、駆動回路Ｍ２３、スイッチング素子Ｑ２３、ダイオードＤ２３、整流回路Ｓ４などを有する（図１，図２を参照）。

第２半導体モジュール１０５，１０６，１０７は、それぞれＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各半導体を一体化したモジュールであって、図５に示す接続部Ｋ５，Ｋ６，Ｋ７を有する。第２半導体モジュール１０５は、駆動回路Ｍ２１、スイッチング素子Ｑ２１、ダイオードＤ２１、整流回路Ｓ２などを一組として、複数組（具体的には二組）有する（図１，図２を参照）。第２半導体モジュール１０６は、駆動回路Ｍ２２、スイッチング素子Ｑ２２、ダイオードＤ２２、整流回路Ｓ３などを一組として、複数組（具体的には二組）有する（図１，図２を参照）。第２半導体モジュール１０６は、駆動回路Ｍ２３、スイッチング素子Ｑ２３、ダイオードＤ２３、整流回路Ｓ４などを一組として、複数組（具体的には二組）有する（図１，図２を参照）。

上述した基板１００では、トランスＴ２の端子対ＴＰ１と第１半導体モジュール１０１（具体的には接続部Ｋ１）とが直線的な配線Ｌによって接続される。また、トランスＴ２の端子対ＴＰ２，ＴＰ３と第１半導体モジュール１０２，１０３（具体的には接続部Ｋ２，Ｋ３）とがそれぞれ直線的な配線Ｌによって接続される。さらに、トランスＴ１の端子対ＴＰ１，ＴＰ２，ＴＰ４と第２半導体モジュール１０５，１０６，１０７（具体的には接続部Ｋ５，Ｋ６，Ｋ７）とがそれぞれ直線的な配線Ｌによって接続される。トランスＴ２の端子対ＴＰ３は空き端子（未接続）となる。なお、トランスＴ１，Ｔ２の各端子対ＴＰ５と下アーム群Ａｄの各スイッチング素子Ｑとを接続する配線は図示を省略する。

〔効果〕
上述した実施の形態によれば、以下に示す各効果を得ることができる。

請求項１に対応し、電力変換装置は、第１電源Ｅ１から供給される電圧を昇降圧するトランスＴと、第２電源Ｅ２から供給される電力を変換して出力する電力変換回路２０と、電力変換回路２０を構成するスイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２６（スイッチング素子群）を駆動制御するコントローラ７０とを備えた（図１を参照）。基板１００は、一列状に配置された複数の端子を有する接続部Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３（第１群）と、二列状に並列して配置された複数の端子を有する接続部Ｋ５，Ｋ２，Ｋ３（第２群）とからなる上アーム群Ａｕ（混成部）を複数の端子を配置する方向と交差する方向に並べて配置した（図６を参照）。トランスＴに備える複数の端子対ＴＰ１〜ＴＰ４は、接続部Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３を並列配置するのに必要な端子間距離を「ａ」（第１ピッチ）と、接続部Ｋ５，Ｋ２，Ｋ３を配置するのに必要な端子間距離を「２ａ」（第２ピッチ）とに基づいて、接続に必要な配線距離が最小となる端子間ピッチ「ｘ」で形成した（図６，図７を参照）。この構成によれば、上アーム群Ａｕに対して共通のトランスＴ１，Ｔ２を用いることができるので、トランスＴの作製コストを低く抑えることができる。また、配線距離が最小になるので、基板１００の大型化および回路特性の悪化を防止することができる。

請求項２に対応し、基板１００は上アーム群Ａｕと下アーム群Ａｄとの二の混成部を有し、トランスＴは上アーム群Ａｕ（一方の混成部）と下アーム群Ａｄ（他方の混成部）との間に介在して配置する構成とした（図６を参照）。この構成によれば、全ての配線Ｌに必要な配線距離を最小限に抑えることができるとともに、各混成部との相互間における電気絶縁性能を向上させることができる。

請求項３に対応し、トランスＴの端子対ＴＰ１（一方側端子）と、混成部を構成する第１半導体モジュール１０１の接続部Ｋ１（一方側端子）との配線距離が最短となるように基準位置Ｐｓに配置した（図４，図５を参照）。トランスＴの端子対ＴＰ４（他方側端子）と、第１半導体モジュール１０３の接続部Ｋ３（他方側端子）との距離が所定の絶縁距離「β」を満たすように端子間ピッチ「ｘ」を設定した（式４を参照）。この構成によれば、トランスＴの端子対ＴＰ４と、接続部Ｋ３との間における電気絶縁性能を維持することができる。

請求項４に対応し、絶縁距離を「β」とし、トランスＴと上アーム群Ａｕ（混成部）との直線距離を「ｂ」とし、トランスＴに備える端子対ＴＰ１〜ＴＰ４の端子間ピッチを「ｘ」とし、接続部Ｋ１〜Ｋ４（混成部）を交差する方向に一列状に配置するのに必要な距離を「ａ」とするとき、式４を満たす「ｘ」のピッチでトランスＴに備える端子対ＴＰ１〜ＴＰ４を形成した（図４，図５を参照）。この構成によれば、上記式を満たす「ｘ」を求めるだけでよいので、簡単にトランスＴに備える端子対ＴＰ１〜ＴＰ４にかかる端子間ピッチを決定することができる。

請求項６に対応し、トランスＴは、上アームのスイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３（スイッチング素子群）に電力を供給する上アーム用端子を備える端子台ｔｕ（部位）と、下アームのスイッチング素子Ｑ２４，Ｑ２５，Ｑ２６（スイッチング素子群）に電力を供給する下アーム用端子を備える端子台ｔｄ（部位）とを別個に有する構成とした（図３を参照）。この構成によれば、端子台ｔｕと端子台ｔｄとが別個にあるので、各端子台を上アームまたは下アームのスイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２６（スイッチング素子群）に近い位置に設定することで配線距離をより短くできる。したがって、基板１００の大型化および回路特性の悪化をより確実に防止することができる。

請求項７に対応し、第２電源Ｅ２と電力変換回路２０との間に接続するコンバータ回路１０は、トランスＴから出力される電圧を受けて駆動するスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２を備え、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２の駆動に従って第２電源Ｅ２から供給される電圧を昇降圧して電力変換回路２０に出力する構成とした（図１を参照）。この構成によれば、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２の駆動に必要な電圧をコンバータ回路１０から得ることができるので、トランスＴの数と二次コイルの数とを低減することができる。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

上述した実施の形態では、基板１００は一の混成部（上アーム群Ａｕ）のみを備える構成とした（図６，図７を参照）。この形態に代えて、二の混成部を備える構成としてもよい。例えば図８に示すように、上アーム群Ａｕだけでなく、下アーム群Ａｄも混成部として構成する。図８に示す下アーム群Ａｄは、第１半導体モジュール１１１，１１２，１１３、昇圧モジュール１１４、第２半導体モジュール１１５，１１６，１１７で構成する。また、トランスＴ（Ｔ１，Ｔ２）は、端子対ＴＰ１〜ＴＰ４と同等の端子間ピッチ「ｘ」で形成した端子対ＴＰ１１〜ＴＰ１４を備える。この例に従えば、上アーム群Ａｕ（一の混成部）と下アーム群Ａｄ（他の混成部）は同じ構成になるが、配線Ｌの距離が最小になれば異なる構成であってもよい。

図８に示す配置によれば、請求項５に対応する作用効果が得られる。すなわち、複数相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の電力変換回路２０を有し（図１を参照）、上アーム群Ａｕと下アーム群Ａｄ（二の混成部）のうち、上アーム群Ａｕ（一方の混成部）は上アームのスイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３（スイッチング素子群）に接続し、下アーム群Ａｄ（他方の混成部）は下アームのスイッチング素子Ｑ２４，Ｑ２５，Ｑ２６（スイッチング素子群）に接続した（図８を参照）。トランスＴは、上アームおよび下アームのスイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２６に電力を供給するのに必要な数以上の二次コイルを有する構成とした（図２を参照）。この構成によれば、配線距離が最小になって、上下アームのスイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２６に供給する電圧のばらつきを低減できる。また、上下アームのスイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２６のスイッチングタイミングのばらつきを低減できる。

上述した実施の形態では、端子対ＴＰ１，ＴＰ２，ＴＰ３は駆動回路Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３への電力供給に用い、端子対ＴＰ４は駆動回路Ｍ１１への電力供給に用い、端子対ＴＰ５は駆動回路Ｍ１２，Ｍ２４，Ｍ２５，Ｍ２６への電力供給に用いた（図１，図２を参照）。端子対ＴＰ１〜ＴＰ５の出力電圧は同等であるので、上述した駆動回路に限定されず、他の駆動回路への電力供給に用いてもよい。さらには、駆動回路以外の回路やモジュール等への電力供給に用いてもよい。すなわち、電力供給の対象を選ばない。このように構成したとしても確実に電力供給を行えるので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、発電電動機４０の相数に対応して、電力変換回路２０は三相のインバータ回路を適用した（図１を参照）。この形態に代えて、上下アームを有する三相以外の相数（単相，二相，四相以上の多相）のインバータ回路を適用してもよい。すなわち発電電動機４０の相数に対応する電力変換回路を適用できる。単に相数の違いであるので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、第１電源Ｅ１と第２電源Ｅ２にはそれぞれバッテリを用いる構成とした（図１を参照）。この形態に代えて、第１電源Ｅ１および第２電源Ｅ２のうち一方または双方について、他の直流電源を用いる構成としてもよい。他の直流電源は、例えば燃料電池やソーラーパネル等が該当する。単に電源の違いであるので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、電力変換回路２０に電力を供給するために昇圧する手段としてコンバータ回路１０を用いる構成とした（図１を参照）。この形態に代えて、コンバータ回路１０自体を省略してもよく、他の昇圧回路を適用してもよい。コンバータ回路１０を省略する場合は、駆動回路Ｍ１１，Ｍ１２が不要になる。そのため、制御電源６０は駆動回路Ｍ２１〜Ｍ２６の駆動に必要な電力のみを出力すればよい。他の点については、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、電力変換装置から電力を供給する対象として車両用の発電電動機４０を適用した（図１を参照）。この形態に代えて、他の対象（例えば電動機や交流回転電機等）を適用してもよい。単に供給対象の違いであるので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、整流回路Ｓ１〜Ｓ６は整流用のダイオードＤと平滑用のコンデンサＣとで半波整流を行う構成とした（図２を参照）。この形態に代えて、複数のダイオードＤと一以上のコンデンサＣとで全波整流を行う構成としてもよい。この構成によれば素子が増える分だけコストが増すものの、脈動が少なくなって出力電圧が安定する。また整流機能を果たすので、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態では、駆動回路Ｍ２１〜Ｍ２６を個別に構成した（図１を参照）。この形態に代えて、駆動回路Ｍ２１〜Ｍ２６のうち二以上の駆動回路を任意に組み合わせて一体化（集積化を含む）する構成としてもよい。例えば、上アーム用の駆動回路Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３を一体化したり、下アーム用の駆動回路Ｍ２４，Ｍ２５，Ｍ２６を一体化する等が該当する。一体化によってサイズをコンパクトにできるので基板１００の小型化することができ、製造コストを低く抑えることができる。他の点については、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

１０ コンバータ回路
２０ 電力変換回路
３０ 電流センサ
４０ 発電電動機
５０ 回転角センサ
６０ 制御電源
７０ コントローラ（制御回路）
１００ 基板
１０１，１０２，１０３ 第１半導体モジュール
１０４ 昇圧モジュール
１０５，１０６，１０７ 第２半導体モジュール
Ｅ１ 第１電源
Ｅ２ 第２電源
Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３，Ｍ２４，Ｍ２５，Ｍ２６ 駆動回路
Ｑ，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４，Ｑ２５，Ｑ２６ スイッチング素子
ＴＰ４，ＴＰ１，ＴＰ２，ＴＰ３，ＴＰ５，ＴＰ６，ＴＰ７，ＴＰ８ 端子対
Ｔ（Ｔ１，Ｔ２） トランス（トランス部）
Ａｄ 下アーム群（混成部）
Ａｕ 上アーム群（混成部）
ａ 端子間距離
ｂ 隔離距離
ｃ 直線距離
ｘ 端子間ピッチ
β 絶縁距離

Claims (7)

1. 第１電源から供給される電圧を昇降圧するトランス部と、前記第１電源とは異なる第２電源から供給される電力を変換して出力する電力変換回路と、前記電力変換回路を構成するスイッチング素子群を駆動制御する制御回路とを有する電力変換装置において、
   前記スイッチング素子群および前記スイッチング素子群に接続可能な接続部群のうち一方または双方であって、一列状に配置された複数の端子を有する第１群と、二列状に並列して配置された複数の端子を有する第２群とを有し、
   少なくとも一以上の前記第１群と、少なくとも一以上の前記第２群とからなる混成部を、前記複数の端子を配置する方向と交差する方向に並べて配置し、
   前記トランス部に備える複数の端子は、複数の前記第１群を並列配置するのに必要な第１ピッチと、複数の前記第２群を配置するのに必要な第２ピッチとに基づいて、前記第１群および前記第２群との接続に必要な配線距離が最小となるピッチで形成することを特徴とする電力変換装置。
2. 同一構成または異なる構成からなる二の前記混成部を有し、
   前記トランス部は、一方の前記混成部と他方の前記混成部との間に介在して配置することを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記トランス部の一方側端子と、前記混成部を構成する前記第１群または前記第２群の一方側端子との配線距離が最短となるように配置するとき、
   前記トランス部の他方側端子と、前記混成部を構成する前記第１群または前記第２群の他方側端子との距離が所定の絶縁距離を満たす請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 絶縁距離をβとし、前記トランス部と前記混成部を構成する前記第１群または前記第２群との直線距離をｂとし、前記トランス部に備える端子間のピッチをｘとし、前記混成部を構成する前記第１群または前記第２群を前記交差する方向に一列状に配置するのに必要な距離をａとするとき、式
   ｛（β²−ｂ²）^1/2＋２ａ｝／３≦ｘ≦ａ
   を満たすｘのピッチで前記トランス部に備える複数の端子を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記電力変換回路は複数相の電力変換回路からなり、
   前記二の前記混成部のうち、一方の前記混成部は上アームの前記スイッチング素子群に接続し、他方の前記混成部は下アームの前記スイッチング素子群に接続し、
   前記トランス部は、前記上アームおよび前記下アームのスイッチング素子群に電力を供給するのに必要な数以上の二次コイルを有することを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記トランス部は、前記上アームのスイッチング素子群に電力を供給する上アーム用端子を備える面と、前記下アームのスイッチング素子群に電力を供給する下アーム用端子を備える面とを別個に有することを特徴とする請求項５に記載のインバータ装置。
7. 前記第２電源と前記電力変換回路との間に接続されるコンバータ回路を有し、
   前記コンバータ回路は、前記トランス部から出力される電圧を受けて駆動するスイッチング素子を備え、前記スイッチング素子の駆動に従って前記第２電源から供給される電圧を昇降圧して前記電力変換回路に出力することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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