JP2013143812A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の発熱部分との間の熱干渉を低減させる電力変換装置を提供する。
【解決手段】マルチレベルインバータを備えた電力変換装置において、電源の正極と出力側の出力線との間及び電源の負極と出力側の出力線との間に、１相あたり複数のスイッチング素子１０１、１０３、１０５、１０７及びそれぞれ逆並列に接続された複数のダイオード１０２、１０４、１０６、１０８を有し、それぞれ直列接続された複数の半導体素子と、電源の中性点と正極側に接続された複数のスイッチング素子１０１、１０５間の第１の接続点との間、及び、電源の中性点と負極側に接続された複数のスイッチング素子１０３、１０７間の第２の接続点との間にそれぞれ接続された複数のクランプダイオード１０９、１１０とを備え、出力側の半導体素子と負荷の発熱部分との間の距離が、他の半導体素子と負荷の発熱部分との間の距離より大きくなる位置で基板１３０に配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

一方に出力軸を備えた全閉自冷式電動機、ケース内に収納された電動機の可変速制御を行う制御ユニットを備え、ケース内に収納された制御ユニットは電動機の反出力軸側に取付けられ、制御ユニットが収納されたケースと電動機との間に空気層を確保し、制御ユニットに対して、空気層が熱抵抗となって電動機の熱影響を軽減する可変速電動機が知られている（特許文献１）。

特開平１０−１１７４６４号公報

しかしながら、上記の可変速電動機の制御ユニットを構成する複数のパワーユニット間で発熱量が異なり、電動機と発熱量の高い方のパワーユニットとの間の距離が短い場合には、電動機と発熱量の高い方のパワーユニットとの間における熱干渉が十分に低減できないという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、負荷の発熱部分との間の熱干渉を低減させる電力変換装置を提供することである。

本発明は、複数の半導体素子のうちマルチレベルインバータの出力側に接続された一の半導体素子と当該出力側に電気的に接続される負荷の発熱部分との間の距離が、複数の半導体素子のうち他の半導体素子と負荷の発熱部分との間の距離より大きくなる位置で、複数の半導体素子を基板に配置することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、マルチレベルインバータに含まれる複数の半導体素子のうち、発熱量の大きい半導体素子が、負荷の発熱部分に対して離れた位置に配置されるため、当該発熱部分と発熱量の大きい半導体素子との間の熱干渉を低減させることができるという効果を奏する。

本発明の実施形態に係る電力変換装置のマルチレベルインバータの回路図である。 図１のマルチレベルインバータのＵ相の回路図であり、各スイッチング素子のオン及びオフ状態に応じた電流経路を説明するための図である。 図１のマルチレベルインバータを含むインバータ及びモータの側面の概要図である。 図３のパワーモジュールの平面図である。 図３のパワーモジュールのＵ相の等価回路である。 図４のパワーモジュールの矢視Ａ側面図である。 図４のパワーモジュールの矢視Ｂ側面図である。 本発明の他の実施形態に係る電力変換装置に含まれるパワーモジュールの平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１は本発明の実施形態に係る電力変換装置に含まれるマルチレベルインバータの回路図である。本例の電力変換装置は、負荷に接続される装置であり、例えば、モータと直流電源との間に接続されるインバータとして用いられる。

図１に示すように、本例のマルチレベルインバータの回路は、三相のインバータ回路であって、直流電源２０の正極と負極との間に、電源ライン３０を介して、３つのブリッジ回路が接続されている。３つのブリッジ回路のうち、Ｕ相に相当するブリッジ回路は、直列接続された４つのトランジスタＱ１１〜Ｑ１４と、直列接続されたダイオードＤ１１〜Ｄ１４と、クランプダイオードＤ１５、Ｄ１６とを有している。トランジスタＱ１１〜Ｑ１４は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子により形成されている。トランジスタＱ１１のコレクタ端子は、正極側（Ｐ側）の電源ライン３１に接続され、トランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ１３のエミッタ端子はトランジスタＱ１２、Ｑ１３、Ｑ１４のコレクタ端子にそれぞれ接続され、トランジスタＱ１４のエミッタ端子は、負極側（Ｎ側）の電源ライン３２に接続されている。

ダイオードＤ１１〜Ｄ１４は、フライホイールダイオード（ＦＷＤ）であって、トランジスタＱ１１〜Ｑ１４に逆並列にそれぞれ接続されている。クランプダイオードＤ１５は、トランジスタＱ１１とトランジスタＱ１２との接続点と、直流電源２０の中性点との間に接続されている。クランプダイオードＤ１５のアノード端子は直流電源２０の中性点に接続され、クランプダイオードＤ１５のカソード端子はトランジスタＱ１１とトランジスタＱ１２との接続点（または、ダイオードＤ１１とダイオードＤ１２との接続点）に接続されている。また、クランプダイオードＤ１６は、トランジスタＱ１３とトランジスタＱ１４との接続点と、直流電源の中性点との間に接続されている。クランプダイオードＤ１６のカソード端子は直流電源２０の中性点に接続され、クランプダイオードＤ１６のアノード端子はトランジスタＱ１３とトランジスタＱ１４との接続点に接続されている。

電源ライン３１と電源ライン３２との間に接続される、トランジスタＱ１１〜Ｑ１４及びダイオードＤ１１〜Ｄ１４のうち、Ｐ側のトランジスタＱ１１、Ｑ１２及びダイオードＤ１１、Ｄ１２と、Ｎ側のトランジスタＱ１３、Ｑ１４及びダイオードＤ１４、Ｄ１４との接続点に、Ｕ相の出力線４０が接続されている。

Ｖ相のブリッジ回路は、トランジスタＱ２１〜Ｑ２４と、ダイオードＤ２１〜Ｄ２４と、クランプダイオードＤ２５、Ｄ２６とを有している。Ｗ相のブリッジ回路は、トランジスタＱ３１〜Ｑ３４と、ダイオードＤ３１〜Ｄ３４と、クランプダイオードＤ３５、Ｄ３６とを有している。Ｖ、Ｗ相の各トランジスタ、各ダイオード、及び、クランプダイオードの接続は、Ｕ相のトランジスタＱ１１〜Ｑ１４、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４及びクランプダイオードＤ１５、Ｄ１６の接続と同様であるため、説明を省略する。また、Ｕ相と同様に、Ｖ相及びＷ相にも、Ｖ相及びＷ相の各出力線４０が、トランジスタＱ２１、Ｑ２２とトランジスタＱ２３、Ｑ２４との接続点及びトランジスタＱ３１、Ｑ３２とトランジスタＱ３３、Ｑ３４との接続点にそれぞれ接続されている。

直流電源２０は、直列接続された電池等の複数の電源２１、２２により構成され、直流電源２０の正極の電位と負極の電位との間の電位がとれるように形成されている。言い換えると、直流電源２０は、電源２１の正極電位、電源２２の負極電位、及び、当該正極電位と当該負極電位との間の中間電位をもっている。また、電源２１の負極電位及び電源２２の正極電位は、同電位であり、直流電源２０の中性点の電位である。

電源ライン３０は、直流電源２０とマルチレベルインバータの回路とを接続する給電配線である。電源ライン３０のうち、電源ライン３１は、高電圧側の給電配線であり、直流電源３０の正極と各ブリッジ回路の高電位側の端子に接続されている。また、電源ライン３０のうち、電源ライン３２は、低電圧側の給電配線であり、直流電源３０の負極と各ブリッジ回路の低電位側の端子に接続されている。

上記のように構成されるマルチレベルインバータは、図示しないコントローラの制御信号に基づき、トランジスタＱ１１〜Ｑ１４、Ｑ２１〜Ｑ２４、Ｑ３１〜Ｑ３４のオン及びオフを切り替えることで、直流電源２０の出力電力を交流電力に変換し、各相の出力線４０に接続されるモータに電力を出力する。また、マルチレベルインバータは、３値以上の端子電圧を出力できるインバータである。

次に、本例のマルチレベルインバータの動作フローについて説明する。なお、以下ではＵ相に流れる電流経路について説明するが、Ｖ相及びＷ相を流れる電流経路も同様であるため、詳細な説明を省略する。図２は、図１のマルチレベルインバータの回路のうち、Ｕ相のブリッジ回路と直流電源２０との接続回路を示す回路図である。

図２において、（ａ）、（ａ１）及び（ａ２）はトランジスタＱ１１、Ｑ１２をオンにトランジスタＱ１３、Ｑ１４をオフにした場合の電流経路を説明する回路図であり、（ｂ）、（ｂ１）及び（ｂ２）はトランジスタＱ１２、Ｑ１３をオンにトランジスタＱ１１、Ｑ１４をオフにした場合の電流経路を説明する回路図であり、（ｃ）、（ｃ１）及び（ｃ２）はトランジスタＱ１３、Ｑ１４をオンにトランジスタＱ１１、Ｑ１２をオフにした場合の電流経路を説明する回路図である。また、図２（ｄ）に示すように、図２において、トランジスタＱ１１〜Ｑ１４を円で囲う場合にはオンを示し、トランジスタＱ１１〜Ｑ１４を円で囲っていない場合にはオフを示している。

Ｕ相の出力線４０から、直流電源２０の中性点に対して、３値の出力電圧をとるために、トランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ１３及びＱ１４は、それぞれ｛オン、オン、オフ、オフ（図２（ａ）に相当）｝、｛オフ、オン、オン、オフ（図２（ｂ）に相当）｝、及び、｛オフ、オフ、オン、オン（図２（ｃ）に相当）｝に、一定の周期で、切り替えられる。

そして、トランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ１３及びＱ１４が｛オン、オン、オフ、オフ｝である場合には、図２（ａ１）に示すように、直流電源２０からの電流はＰ側からトランジスタＱ１１、Ｑ１２を通ってＵ相の出力線４０に流れ、図２（ａ２）に示すように、負荷からの電流はＵ相の出力線４０からダイオードＤ１１、Ｄ１２を通ってＰ側に流れる。

また、トランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ１３及びＱ１４が｛オフ、オン、オン、オフ｝である場合には、図２（ｂ１）に示すように、直流電源２０からの電流は中性点からクランプダイオードＤ１５及びトランジスタＱ１２を通ってＵ相に流れ、図２（ｂ２）に示すように、負荷からの電流はＵ相の出力線４０からトランジスタＱ１３及びクランプダイオードＤ１６を通って中性点に流れる。

また、トランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ１３及びＱ１４が｛オフ、オフ、オン、オン｝である場合には、図２（ｃ１）に示すように、直流電源２０からの電流はＮ側からダイオードＤ１３、Ｄ１４を通ってＵ相の出力線４０に流れ、負荷からの電流はＵ相の出力線４０からトランジスタＱ１３、Ｑ１４を通ってＮ側に流れる。

図２に示すように、マルチレベルインバータの動作の特性上、マルチレベルインバータの出力側に接続された一の半導体素子であるトランジスタＱ１２、Ｑ１３及びダイオードＤ１２、Ｄ１３の電流導通期間は、他の半導体素子である、トランジスタＱ１１、Ｑ１４及びダイオードＤ１１、Ｄ１４よりも電流導通期間が長くなる。そのため、トランジスタＱ１２、Ｑ１３及びダイオードＤ１２、Ｄ１３の発熱量は、トランジスタＱ１１、Ｑ１４及びダイオードＤ１１、Ｄ１４の発熱量よりも大きくなる。

ところで、マルチレベルインバータでは、発熱部品である複数の半導体素子間で、発熱量に差異が生じるため、負荷とインバータとを一体構造にする場合に、インバータの半導体素子と負荷の発熱部分との距離を空けるだけでは、互いの熱干渉を十分に低減することができない。本例は、以下のように、負荷の発熱部分に対して、半導体素子のレイアウトを規定することで、当該発熱部分と当該半導体素子との間の熱干渉を低減させる。

図３〜図７を用いて、本例の電力変換装置を説明する。図３は本例の電力変換装置の側面の概要図であり、図４はパワーモジュールの平面図を、図５はパワーモジュール内におけるＵ相の等価回路を、図６はパワーモジュールの図４矢視Ａ方向視側面図を、図７はパワーモジュールの図４矢視Ｂ方向視側面図を示す。なお、以下、Ｕ相のレイアウトについて主に説明し、図４〜図７にはＵ相を構成する素子のレイアウトを示しているが、Ｖ相及びＷ相のレイアウトは、Ｕ相のレイアウトと同様であるため、説明及び図示を省略する。

図３に示すように、本例は、ケース４内にインバータ１及びモータ３を一体にした構造をとっている。なお、インバータ１の出力側に接続される負荷として、モータ３を例に説明するが、モータ３以外の発熱部分を有する負荷であってもよい。インバータ１には、ケース４内に、図１に示すマルチレベルインバータと、当該マルチレベルインバータを駆動させるための駆動回路や当該マルチレベルインバータを制御するための制御回路が含まれている。またインバータ１は、パワーモジュール１００を有している。パワーモジュール１００は、図１に示した、マルチレベルインバータのトランジスタＱ１１等の回路素子をモジュール化したものである。パワーモジュール１００は、インバータ１を駆動させた場合に、発熱の大きい部分となるため、モータ３の出力軸方向（図３中Ｃ方向）に沿って配置された、ケース４の側面４Ａに取り付けられている。

モータ３はインバータ１の出力電力で駆動する、例えば誘導性の電動機である。モータ３は、ステータコア３０１及び巻線３０２の他に、図示しない、ステータコア３０１に対し平行（図３中Ｃ方向）に設けられた出力軸（モータ軸）及び回転子等を備えており、インバータ１を一方の出力軸端側（図３中右端側）に配置させている。ステータコア３０１は鉄芯であり、巻線３０２はステータコア３０１の外周に巻かれるコイルである。巻線３０２はパワーモジュール１００の出力側に接続されている。ステータコア３０１及び巻線３０２は、モータ３のケース４の側面４Ａに設けられている。なお、図３では完全には図示していないが、ステータコア３０１及び巻線３０２は、モータ３の出力軸周りにおけるケース４３の側面４３Ａ全体に設けられている。出力軸は、モータ３の回転軸であって回転子の軸となり、本例の電力変換装置を車両に搭載する場合には、減速機及びドライブシャフトを介して、当該車両の車輪の駆動軸に連結されている。

インバータ１からの出力電流は巻線３０２に流れ、巻線３０２及びステータコア３０１と、回転子との磁気的な作用により、回転軸が回転する。モータ３を運転させると、ステータコア３０１及び巻線３０２の発熱量が、出力軸などの他の部材と比較して大きくなるため、ステータコア３０１及び巻線３０２が主要な発熱部分となる。そして、ステータコア３０１及び巻線３０２は、主要な発熱部分となるため、ケース４３の側面４３Ａに取り付けられている。

インバータ１のケース４１の側面４１Ａ及びモータ３のケース４３の底面４３Ａは面一になっており、インバータ１のケース４１の、モータ３出力軸に対し略垂直な底面４１Ｂと、モータ３のケース４３の、モータ３出力軸に対し略垂直な底面４３Ｂとは対向しつつ取り付けられている。

図４〜図７に示すように、パワーモジュール１００は、スイッチング素子１０１、１０３、１０５、１０７と、ダイオード１０２、１０４、１０６、１０８と、クランプダイオード１０９、１１０と、電極１２１〜１２６と、基板１３０と、配線１４１〜１４６を有している。スイッチング素子１０１、１０３、１０５、１０７は、図１のトランジスタＱ１２、Ｑ１３、Ｑ１１、Ｑ１４にそれぞれ対応し、ダイオード１０２、１０４、１０６、１０８は図１のダイオードＤ１２、Ｄ１３、Ｄ１１、Ｄ１４にそれぞれ対応し、クランプダイオード１０９、１１０は図１のクランプダイオードＤ１５、１６にそれぞれ対応する。

基板１３０は主面を四角形とした板状の基板であって、ケースの底面上に設けられている。電極１２１〜１２６は、パワーモジュールを構成する半導体素子の端子に接続されて、各素子の導通をとるための電極である。また電極１２１〜１２６は、各素子をひと纏めにしてレイアウトする電極でもある。電極１２１〜１２６は基板１３０上に設けられている。

電極１２１はマルチレベルインバータのＰ側に接続される電極である。電極１２３はマルチレベルインバータの中性点に接続される電極である。電極１２４はモータ３の巻線３０２に電気的に接続される電極である。電極１２６はマルチレベルインバータのＮ側に接続される電極である。なお、マルチレベルインバータの出力からは交流電力が出力されるため、図４〜図７において、マルチレベルインバータの出力側をＡＣと表示している。

電極１２１、電極１２３及び電極１２６は、モータ３の発熱部分と対向する側で、基板上に設けられている。また電極１２４は、当該発熱部分と反対側で、基板上に設けられている。すなわち、基板１３０のエッジを構成する辺の一辺に沿うように、電極１２１、１２３、１２６が配置され、当該一辺の対辺に沿うように、電極１２４が配置されている。そして、電極１２１、１２３、１２６のうち、当該一辺に沿う部分が、Ｐ側の端子、中性点に接続される端子、及び、Ｎ側の端子に相当する。また、電極１２４のうち、当該一辺の対辺に沿う部分が、出力側の端子に相当する。これにより、基板１３０上において、マルチレベルインバータの出力端子は、入力端子と対向する位置に配置される。

電極１２２は、電極１２１と電極１２４との間で基板上に配置されている。電極１２５は、電極１２４と電極１２６との間で基板上に配置されている。また電極１２３は、電極１２１と電極１２５、１２６との間、及び、電極１２２と電極１２４との間に配置されている。

また電極１２１はスイッチング素子１０５及びダイオード１０６の共通電極となり、電極１２２はスイッチング素子１０１、ダイオード１０２及びクランプダイオード１０９の共通電極となる。電極１２４はスイッチング素子１０３、ダイオード１０４及びクランプダイオード１１０の共通電極となり、電極１２５はスイッチング素子１０７及びダイオード１０８の共通電極となる。

スイッチング素子１０５及びダイオード１０６は電極１２１上に配置されている。スイッチング素子１０１、ダイオード１０２及びクランプダイオード１０９は電極１２２上に配置されている。またクランプダイオード１０９は、スイッチング素子１０１及びダイオード１０２より、電極１２３に近い方に配置されている。スイッチング素子１０３、ダイオード１０４及びクランプダイオード１１０は電極１２４上に配置されている。またクランプダイオード１１０は、スイッチング素子１０３及びダイオード１０４より、電極１２３に近い方に配置されている。スイッチング素子１０８及びダイオード１０７は電極１２５上に配置されている。

スイッチング素子１０５とダイオード１０６と電極１２２は配線１４１で接続され、ダイオード１０２とスイッチング素子１０１と電極１２４は配線１４２で接続されている。クランプダイオード１０９と電極１２３は配線１４３に接続され、クランプダイオード１１０と電極１２３は配線１４４で接続されている。また、スイッチング素子１０３とダイオード１０４と電極１２５は配線１４５で接続され、ダイオード１０８とスイッチング素子１０７と電極１２６は配線１４６で接続されている。

上記のように、本例では、各相のブリッジを構成する半導体素子の、基板上のレイアウトの領域を、電極１２１〜１２６を用いることで、６つの領域に分けて、モータ３の発熱部分に近い領域と、モータ３の発熱部分から遠い領域に分ける。また、電極１２３を境界とした二つの領域に分ける。さらに、モータ３の発熱部分に近い領域では、モータ３の発熱部分からの放射熱を受けやすいため、インバータの半導体素子のうち、発熱量の低い素子を配置する。一方、モータ３の発熱部分から遠い領域では、モータ３の発熱部分からの距離が大きく、発熱部分からの放射熱を受け難いため、インバータの半導体素子のうち発熱量の高い素子を配置する。

マルチレベルインバータでは、出力側（ＡＣ）に接続された半導体素子の発熱量が大きいため、図４及び図５に示すように、出力側（ＡＣ）に接続されたスイッチング素子１０１及びダイオード１０２と、クランプダイオード１０９とを電極１２２に配置し、出力側（ＡＣ）に接続されたスイッチング素子１０３及びダイオード１０４と、クランプダイオード１１０とを電極１２２に配置する。これにより、出力側（ＡＣ）に接続されたスイッチング素子１０１、１０３及びダイオード１０２、１０４とモータ３の発熱部分との距離が、入力側（Ｐ側、Ｎ側、中性点側）に接続されたスイッチング素子１０４、１０７及びダイオード１０６、１０８とモータ３の発熱部分との距離より大きくなる。言い換えると、スイッチング素子１０１、１０３及びダイオード１０２、１０４は、スイッチング素子１０５、１０７及びダイオード１０６、１０８と比較して、モータ３の発熱部分に対して遠い位置に配置される。

また、マルチレベルインバータは、スイッチング素子１０１、１０３、１０５、１０７のスイッチング動作により電力を変換しており、当該スイッチング動作に伴い発生するサージ電圧を抑制することが好ましい。そして、このサージ電圧を低減するためには、パワーモジュール１００の各素子間を接続する配線１４１〜１４６を短くし、配線インダクタンスを低減させる必要がある。本例では、上記のレイアウトに加えて、電極１２３を境に、直流電源２０の正極と出力線４０との間に接続されるスイッチング素子１０１、１０５、ダイオード１０２、１０６及びクランプダイオード１０９を基板１３０上の一方に、直流電源２０の負極と出力線４０との間にスイッチング素子１０３、１０７、ダイオード１０４、１０８及びクランプダイオード１１０を基板１３０上の他方に配置する。これにより、配線１４１〜１４６の配線長が短くなるため、サージ電圧を抑制することができる。

上記のように、本例は、スイッチング素子１０１、１０３及びダイオード１０２、１０４とモータ３の発熱部分との間の距離が、スイッチング素子１０５、１０７及びダイオード１０６、１０８と当該発熱部分との間より大きくなるように、スイッチング素子１０１、１０３、１０５、１０７及びダイオード１０２、１０４、１０６、１０８を基板１３０に配置している。これにより、基板１３０上において、発熱量の大きい半導体素子及び発熱量の小さい半導体素子がそれぞれまとめてレイアウトされ、発熱量の大きい半導体素子が、モータ３の発熱部分に対して、発熱量の小さい半導体素子より遠い位置に配置されるため、当該発熱部分と発熱量の大きい半導体素子との間の熱干渉を低減させることができる。また、モータ３の発熱部分から発熱量の大きい半導体素子までに、熱が伝わる距離（伝熱距離）が、モータ３の発熱部分から発熱量の小さい半導体素子までの伝熱距離より大きくなるため、当該発熱部分と発熱量の大きい半導体素子との間の熱干渉を低減させることができ、その結果として、マルチレベルインバータの信頼性を向上させることができる。

また本例は、マルチレベルインバータの出力側の出力端子を、マルチレベルインバータの入力側の入力端子と対向しつつ、モータ３の発熱部分に対して当該入力端子より遠い位置で基板１３０上に配置している。これにより、発熱量の高い半導体素子が発熱部分から遠い位置に配置され、発熱量の低い半導体素子が発熱部分から近い位置に配置されるため、発熱部分と発熱量の大きい半導体素子との間の熱干渉を低減させることができる。また、出力端子から入力端子に向かって、インバータの出力に電気的に近い順で、半導体素子が配列されるため、各素子を接続する配線の配線長を短くし、配線インダクタンスを低減させることができる。その結果として、スイッチング動作に伴うサージ電圧を抑制し、インバータ電気特性悪化を抑えつつ、インバータの信頼性を向上させることができる。

また、本例は、クランプダイオード１０９を、電極１２３を境にして基板１３０の一方に配置し、クランプダイオード１１０を、電極１２３を境にして基板１３０の一方に配置している。これにより、配線１４３及び配線１４４の配線長を短くすることができるため、配線インダクタンスを低減させることができる。

また、本例は、クランプダイオード１０９を、スイッチング素子１０１、１０５及びダイオード１０２、１０６より電極１２３に近い方に配置し、クランプダイオード１１０を、スイッチング素子１０３、１０７及びダイオード１０４、１０８より電極１２３に近い方に配置している。これにより、配線１４３及び配線１４４の配線長を短くすることができるため、配線インダクタンスを低減させることができる。

また、本例は、基板上において、電極１２１、１２３、１２６をモータ３の発熱部分と対向する位置に配置し、電極１２２を電極１２１と電極１２４との間に配置し、電極１２３を電極１２１と電極１２６との間に配置し、電極１２４をモータ３の発熱部分に対して反対側に配置し、電極１２５を電極１２４と電極１２６との間に配置している。また、スイッチング素子１０５及びダイオード１０６を電極１２１上に配置し、スイッチング素子１０１、ダイオード１０２及びクランプダイオード１０９を電極１２２上に配置し、スイッチング素子１０３、ダイオード１０４及びクランプダイオード１１０を電極１２４上に配置し、スイッチング素子１０７及びダイオード１０８を電極１２５上に配置している。これにより、発熱量の大きい半導体素子を発熱部分から遠ざけ、かつ、各素子の配線長を短くするための電極及び素子のレイアウトを実現することができるため、発熱部分と発熱量の大きい半導体素子との間の熱干渉を低減させつつ、配線インダクタンスを低減させることができる。

なお本例は、モータ３の発熱部分を、ステータコア３０１及び巻線３０２としたが、ステータコア３０１又は巻線３０２のいずれか一方でもよい。

上記スイッチング素子１０１、１０３、１０５、１０７及びダイオード１０２、１０４、１０６、１０８が本発明に係る「半導体素子」に相当し、電極１２１が本発明の「第１の電極」に、電極１２２が本発明の「第２の電極」に、電極１２３が本発明の「第３の電極」に、電極１２４が本発明の「第４の電極」に、電極１２５が本発明の「第５の電極」に、電極１２６が本発明の「第６の電極」に相当する。また、クランプダイオード１０９が本発明の「第１のクランプダイオード」に、クランプダイオード１１０が本発明の「第２のクランプダイオード」に相当する。

《第２実施形態》
図５は、発明の他の実施形態に係る電力変換装置のパワーモジュールの平面図である。本例では上述した第１実施形態に対して、電極１２２及び電極１２４の形状と、これらの電極に配置されるスイッチング素子１０１、１０３及びクランプダイオード１０９、１１０のレイアウトが異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載を適宜、援用する。

図８に示すように、電極１２２は、主面を六角形の形状に形成されている。スイッチング素子１０１及びクランプダイオード１０９は、六角形の電極の対角線（図８の点ａ、ｂを結ぶ線）の両端にそれぞれ配置され、クランプダイオード１０９は電極１２３に近い方に、スイッチング素子１０１は電極１２３から遠い方に配置されている。

また、電極１２４は、主面を八角形の形状に形成されている。スイッチング素子１０３及びクランプダイオード１１０は、八角形の電極の対角線（図８の点ｃ、ｄを結ぶ線）の両端にそれぞれ配置され、クランプダイオード１１０は電極１２３に近い方に、スイッチング素子１０３は電極１２３から遠い方に配置されている。

図２の（ｂ）、（ｂ１）、（ｂ２）に示すように、電流がクランプダイオード１０９に流れる時には、電流がスイッチング素子１０１にも同時に流れる。すなわち、スイッチング素子１０１及びクランプダイオード１０９は、同時に発熱する場合があるため、本例は相互の熱干渉を防ぐように、電極１２２の対角線の両端にスイッチング素子１０１及びクランプダイオード１０９をそれぞれ配置し、スイッチング素子１０１とクランプダイオード１０９との間で距離を確保している。

同様に、また電流がクランプダイオード１１０に流れる場合には、電流がスイッチング素子１０３にも同時に流れる。スイッチング素子１０３及びクランプダイオード１１０は、同時に発熱する場合があるため、本例は相互の熱干渉を防ぐように、電極１２２の対角線の両端にスイッチング素子１０３及びクランプダイオード１１０をそれぞれ配置し、スイッチング素子１０３とクランプダイオード１１０との間で距離を確保している。

ＣＬ４
上記のように本例は、スイッチング素子１０１及びクランプダイオード１０９を電極１２２の対角線の両端に配置し、スイッチング素子１０３及びクランプダイオード１１０を電極１２４の対角線の両端に配置する。これにより、スイッチング素子１０１とクランプダイオード１０９に、同時に電流が流れた場合に、これらの素子間の熱干渉を低減することができる。また、スイッチング素子１０３とクランプダイオード１１０に、同時に電流が流れた場合に、これらの素子間の熱干渉を低減することができる。その結果として、インバータの信頼性を向上させることができる。

Ｑ１１〜Ｑ１４、Ｑ２１〜Ｑ２４、Ｑ３１〜Ｑ３４…トランジスタ
Ｄ１１〜Ｄ１４、Ｄ２１〜Ｄ２４、Ｄ３１〜Ｄ３４…ダイオード
Ｄ１５、Ｄ１６、Ｄ２５、Ｄ２６、Ｄ３５、Ｄ３６…クランプダイオード
１…インバータ
２０、２１、２２…直流電源
３０、３１、３２…電源ライン
４０…出力線
１００…パワーモジュール
１０１、１０３、１０５、１０７…スイッチング素子
１０２、１０４、１０６、１０８…ダイオード
１０９、１１０…クランプダイオード
１２１〜１２６…共通電極
１３０…基板
１４１〜１４６…配線
３…モータ
３０１…ステータコア
３０２…巻線
４、４１、４３…ケース

Claims (7)

1. 入力側に電源を、出力側に負荷を電気的に接続するマルチレベルインバータを備えた電力変換装置において、
   前記マルチレベルインバータは、
   前記電源の正極と前記出力側の出力線との間及び前記電源の負極と前記出力側の出力線との間に、１相あたり複数のスイッチング素子及び前記複数のスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された複数のダイオードを有し、それぞれ直列接続された複数の半導体素子と、
   前記電源の中性点と前記正極側に接続された前記複数のスイッチング素子間の第１の接続点との間、及び、前記電源の中性点と前記負極側に接続された前記複数のスイッチング素子間の第２の接続点との間にそれぞれ接続された複数のクランプダイオードとを備え、
   前記複数の半導体素子は、
   前記複数の半導体素子のうち前記出力側に接続された一の半導体素子と前記負荷の発熱部分との間の距離が、前記複数の半導体素子のうち他の半導体素子と前記負荷の発熱部分との間の距離より大きくなる位置で基板に配置されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記発熱部分は、前記負荷を構成するモータのモータ巻線又はステータコアの少なくとも一方を含む
   ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記出力側の出力端子は、前記入力側の入力端子と対向し、かつ、前記発熱部分に対して前記入力端子より遠い位置で前記基板に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。
4. 前記一の半導体素子のうち前記正極側に接続された前記スイッチング素子、及び、前記複数のクランプダイオードのうち前記第１の接続点に接続された第１のクランプダイオードは、基板上に設けられた四角形以上の多角形形状の電極上で、前記多角形の対角線の両端にそれぞれ配置され、
   前記一の半導体素子のうち前記負極側に接続された前記スイッチング素子、及び、前記複数のクランプダイオードのうち前記第２の接続点に接続された第２のクランプダイオードは、前記基板に設けられた四角形以上の多角形形状の電極上で、前記多角形の対角線の両端にそれぞれ配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記正極と前記出力線との間に接続された前記複数のスイッチング素子と前記第１の接続点に接続された第１のクランプダイオードは、前記中性点に接続される電極を境にして、前記基板上の一方に配置され、
   前記負極と前記出力線との間に接続された前記複数のスイッチング素子と前記第２の接続点に接続された第２のクランプダイオードは、前記中性点に接続される電極を境にして、前記基板上の他方に配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記第１のクランプダイオードは、前記正極と前記出力線との間に接続された前記複数のスイッチング素子より、前記電極に近い方に配置され、
   前記第２のクランプダイオードは、前記負極と前記出力線との間に接続された前記複数のスイッチング素子より、前記電極に近い方に配置されている
   ことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
7. 前記正極に接続される第１の電極、第２の電極、前記中性点に接続される第３の電極、前記負荷に接続される第４の電極、第５の電極、及び、前記負極に接続される第６の電極を前記基板上にさらに備え、
   前記第１の電極、第３の電極及び前記第６の電極は、前記基板上で前記発熱部分と対向する側に配置され、
   前記第２の電極は前記第１の電極と前記第４の電極との間に配置され、
   前記第３の電極は、前記第１の共通電極と前記第６の共通電極との間に配置され、
   前記第４の電極は、前記基板上で前記発熱部分に対して反対側に配置され、
   前記第５の電極は、前記第４の電極と前記第６の電極との間に配置され、
   前記一の半導体素子のうち前記正極側に接続された前記半導体素子、及び、前記複数のクランプダイオードのうち前記第１の接続点に接続された第１のクランプダイオードは、前記第２の電極上に配置され、
   前記一の半導体素子のうち前記負極側に接続された前記半導体素子、及び、前記複数のクランプダイオードのうち前記第２の接続点に接続された第２のクランプダイオードは、前記第４の電極上に配置され、
   前記他の半導体素子のうち前記正極側に接続された前記半導体素子は、前記第１の電極上に配置され、
   前記他の半導体素子のうち前記負極側に接続された前記半導体素子は、前記第５の電極上に配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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