JP2016092864A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置のノイズを低減する。【解決手段】変換した電力を出力する出力配線部に多層基板７を有する電力変換装置１である。多層基板７は、グランド層８と出力配線層９（Ｕ，Ｖ，Ｗ）とを有し、各出力配線層９間にビア１０を設ける。出力配線層９は扁平形状の板であり、各出力配線層９を広い面積をグランド層８に対向させて並設する。ビア１０は、各出力配線層９の間であって、グランド層８から多層基板７表面に貫通して複数形成する。多層基板７の表面に露出したビア１０（グランド電位）の端部に導電性のシート１１を設ける。【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、電力変換装置で発生するノイズを低減する構造に関する。

電力変換装置は、例えば、スイッチング素子（ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子）を有するパワーモジュールと、パワーモジュールの直流電源端子に並列接続される複数の平滑コンデンサと、有する。

近年、スイッチング素子は、スイッチング素子のゲート制御の高速化、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体材料からなる新デバイスの採用により、ますますスイッチング時間の短縮化、スイッチング時の電圧波形の急峻化が進んでいる。これに伴い、スイッチング時の瞬間的な電圧振動（サージ電圧）、ダイオード（ＦＷＤ）が発する逆回復電流等のノイズ発生源の発生レベルが増大している。ノイズは、インピーダンスが低いループ、特にグランドとの容量（対地容量）の大きい箇所を介してグランドに漏れ、グランドラインを経由して近接する他機器に影響をもたらすこととなる。

インバータ等の電力変換機器からグランドに漏れるノイズ電流を低減する技術として、インバータ内のパワーモジュールの基板のインピーダンスを高めるため、誘電損失が大きい材料から成る絶縁基板を用いることが提案されている（例えば、特許文献１）。

また、パワーモジュールの絶縁基板を２層構造にし、そのうち１層には絶縁基板容量に対し並列にインダクタンスとして寄与する配線層等を設け、ＬＣ並列共振により、特定の周波数でのインピーダンスを高め、グランドへの漏れ電流を軽減する技術が報告されている（例えば、特許文献２）。

また、インバータの出力ケーブルとグランドパターン間の容量（電気的結合）を高めることで入力ケーブルと出力ケーブル間の電気的結合を低減する構成が提案されている（例えば、特許文献３）。この構成によれば、入力ケーブルと出力ケーブルとの間の電気的結合が低減され、出力ケーブルに重畳される高周波ノイズ信号が入力ケーブルや入力側の電源へ伝達、誘導されることが抑制される。

また、主なノイズ源であるインバータのスイッチング素子とヒートシンク（グランド電位）間の電気的結合（容量）を広い周波数で高めるために、コンデンサとして働く容量素子（インピーダンス回路）をヒートシンク上に作成して高周波ノイズを（ヒートシンクを介して）グランドに積極的に逃がし、入力側の電源に高周波電流が流れにくくなる構成が開示されている（例えば、特許文献４）。

つまり、特許文献３，４では、システムの大型化、コストアップにつながるノイズ部品（フェライトコアやノイズ抑制シート、ＬＣフィルタ）の使用を最小限にするため、システム内の各部位間の電気的、磁気的結合を制御し、ノイズの伝搬ルートを制御する技術が開示されている。

また、特許文献５では、出力配線部材の導体部に対して接地導体部を設け、高周波漏れ電流の電流経路が形成するループ面積を狭くし、高周波漏れ電流に起因する誘導ノイズを低減している。

特開２００８−３５６５７号公報 特開２０１１−１７２３２９号公報 特開２０１２−１１００９２号公報 特開２０１２−１９６１１３号公報 特開２０１４−５０２６０号公報 特開平９−２９８８８９号公報

しかしながら、特許文献２のように、パワーモジュール内の絶縁基板を多層基板とし、絶縁層内に配線パターンを設けることやチップインダクタを配置すること等により、電力変換装置の製造工程の複雑化や製造コストの増大を招くおそれがある。また、所望のインピーダンスを得るためには、配線パターンの長さ、太さ、位置等に詳細な制約が生ずるおそれがある。

また、パワーモジュールでは、スイッチング素子のゲート制御条件により発生するノイズの周波数も異なり、スイッチング素子の使用条件毎にインピーダンスを高めるべき周波数帯も本来変動するものである。したがって、絶縁回路基板の設計をスイッチング素子の特性、使用条件（ゲート制御、動作温度等）毎に設計しなおす必要が生じるおそれがあり、コストアップにつながる。

また、特許文献３〜５のように、主回路電位（例えば、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）とグランド間の結合容量を大きくすると、特定の相で発生した高周波ノイズが、他の相に伝搬されてしまうおそれがある。

上記事情に鑑み、本発明は、電力変換装置のノイズを低減する構造を提供することを目的としている。

上記目的を達成する本発明の電力変換装置の一態様は、スイッチング素子を有する電力変換装置であって、前記スイッチング素子により変換された電力が出力される複数の出力配線部材と、前記出力配線部材の並設面に対して、前記出力配線部材から離間して設けられる接地された第１導電部材と、前記出力配線部材間に設けられる接地された第２導電部材と、を有し、前記第１導電部材と前記出力配線部材との静電容量を、前記第２導電部材と前記出力配線部材との静電容量よりも大きくすることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置の他の態様は、上記電力変換装置において、前記第１導電部材に、前記第２導電部材の一端を接続し、前記第２導電部材の他端に、接地された第３導電部材を設けることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置の他の態様は、上記電力変換装置において、前記出力配線部材は、絶縁基板に形成された出力配線層であり、前記第１導電部材は、前記絶縁基板に形成されたグランド層であり、前記第２導電部材は、前記絶縁基板に形成されたビアであることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置の他の態様は、上記電力変換装置において、前記ビアの一端を前記グランド層に接続し、且つ前記ビアの他端部が前記絶縁基板の表面に露出するようにビアを形成し、当該絶縁基板表面に露出したビアに導電性のシートまたは導電性のブロックを設けることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置の他の態様は、上記電力変換装置において、前記シートまたはブロックの最大寸法は、７．５ｃｍ以下であることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置の他の態様は、上記電力変換装置において、前記出力配線部材は、バスバーであることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置の他の態様は、上記電力変換装置において、前記出力配線部材と前記第１導電部材との間に絶縁層を設けることを特徴としている。

以上の本発明によれば、電力変換装置のノイズの低減に貢献することができる。

高周波ノイズ信号の伝搬経路を説明する回路図である。 本発明の電力変換装置を有する電力変換システムの構成例を示す図である。 （ａ）本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の要部断面図、（ｂ）本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の要部上面図である。 （ａ）本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の要部断面図、（ｂ）本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の要部上面図である。 （ａ）本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の要部断面図、（ｂ）本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の要部上面図である。 本発明の第４実施形態に係る電力変換装置の要部断面図である。 本発明の第４実施形態に係る電力変換装置の浮遊容量を説明する回路図である。

本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照して説明する。なお、図面は本発明の実施形態に係る電力変換装置の概略を示す図であり、各構成部材の寸法は説明のため誇張されたものとなっている。

発明者らは、本発明に先だって、電力変換装置（例えば、インバータ）における入力側の電源（例えば、商用電源）に伝搬される伝導ノイズの低減に対して鋭意検討を行った。

図１は、電力変換装置の回路の一例を示す図であり、高周波信号（電流、電圧）が流れる主な容量結合部を示す。例えば、インバータ部のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ）及びこのスイッチング素子と逆並列に配置されたダイオード（ＦＷＤ）のスイッチング時に発生するサージ電圧が主なノイズ源となる。これらが起源の高周波電圧は、それぞれの周波数において、インピーダンスの低いルートを伝導する。

周波数１ＭＨｚ以上のノイズ電流は、主にグランド（対地）を介した伝導ループが支配的となる。よって、電力変換装置及び誘導機、それらを結合するケーブル内の各部位の対グランド容量の制御が、ノイズ伝搬ルートをコントロールし、入力側の電源に高周波電流が伝達されない環境とするために重要である。しかしながら、実際には、誘導機の定格、インバータと誘導機とをつなぐケーブルの長さ等により、誘導機のグランド間に対する容量（対地容量）、ケーブルの対地容量が変化するため、誘導機及びケーブルの仕様により最適なノイズ対策が異なることとなる。

また、入力側の電源に高周波のノイズ信号が伝搬されないように、あるいは空間にノイズが放射されないように、ノイズ源のできるだけ近傍でグランドとできるだけ大きな結合を形成し、意図的にノイズ源周囲の狭い領域の伝導ループに高周波信号を閉じ込めることが考えられる。

ノイズ源（例えば、ＩＧＢＴ、ＦＷＤ）の近傍で、グランドとの容量が存在する箇所として、（１）ＩＧＢＴモジュールの絶縁基板、（２）入力配線（Ｐ，Ｎ）とグランド配線（パターン）間の容量、（３）出力配線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）とグランド電位（パターン）間の容量の３箇所が挙げられる。

（１）に関しては、ＩＧＢＴモジュールのエミッタセンス配線は、通常主回路のエミッタ電位と同電位であるため、上アームのＩＧＢＴ、ＦＷＤのエミッタセンス（ゲート制御回路のエミッタ配線部）の電位は、主回路の出力配線（Ｕ，Ｖ，Ｗ電位）と同じ対地容量を有し、下アームのＩＧＢＴ、ＦＷＤのエミッタセンスは、主回路のＮ電位と同じ対地容量を有する。その結果、ＩＧＢＴの絶縁基板を介して主回路から高周波ノイズ信号をグランドに逃がそうとした場合、グランドを介してゲート制御回路との容量結合も大きくなり、制御信号へのグランドからのインピーダンスが共振周波数より低周波側で低下し、ノイズ信号が入り易くなる。すなわち、インバータのゲート制御回路のエミッタ配線は、主回路のエミッタ配線と電位が共通であるため、主回路電位（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｎ）とグランド間の容量結合を大きくすると、必然的にゲート制御回路とグランド間との容量も増大することとなる。その結果、グランドを介してゲート制御回路の高周波ノイズ信号が入り込み、制御回路の誤動作、ＩＧＢＴの誤ターンオン、あるいは誤ターンオフにつながる。ゆえに、（１）のＩＧＢＴモジュールの絶縁基板の容量を積極的に利用してノイズ電流を逃がす方法は得策ではないとの知見を得た。

また、（２）の入力配線側の容量を高める方法に関しては、部品配置上、設計上容易ではないとの知見を得た。つまり、ＤＣ電位の配線部には、サージ電圧の発生を抑えるため、ＩＧＢＴ、ＦＷＤ直近にスナバコンデンサ、さらに平滑用のコンデンサ等が配置されること、サージ電圧を抑えるためＰ電位とＮ電位をラミネート（近接対向配置にしてインダクタンスを低減する）配置とすることが多いため、プリント基板内配線あるいはバスバーの配置の自由度が制限されること等の理由が挙げられる。よって、これらＰ，Ｎ電位配線部とグランド電位間で、高い容量を持たせる配置を実現することは容易ではないとの知見を得た。これらの理由により、平滑コンデンサ近傍に、グランドに電流をバイパスさせる「バイパスコンデンサ」を配置して、入力側の電源への高周波電流の回り込みを抑える方法が現実的と考えられている。

（３）の出力配線部に関しては、受動部品、センサも電流センサ（ホールＣＴ）等のみで少なく、入力側配線と比較して（配線での発熱を抑えるよう配線断面積を適切に確保する等の考慮を行えば）配線パターンに設計の自由度が高く、グランドとの容量を大きくする改良は、高価なノイズ部品、コンデンサ等を用いることなく、配線パターンや配置の工夫が実現可能であると思われる。

一方、出力配線部において、相間（例えば、ＵとＶとの相間）の電気的結合（容量結合）が大きいと、特定の相のスイッチングで発生した高周波電圧サージを他の相に伝搬してしまうことが考えられる。よって、相間の容量結合はできるだけ低減することが求められる。

以上の知見に基づいて、さらに鋭意検討を行った結果、発明者らは、本発明の完成に至ったものである。

本発明の電力変換装置は、出力配線部（特にノイズ源（デバイス）近傍）で、グランドとの容量を高める一方で、配線間の容量結合を減らすことにより、相間の容量結合を介したノイズの伝搬（クロストーク）を低減し、低周波帯域からノイズ電流がグランドに逃げる構成を有する。例えば、電力配線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）近傍にビアを有するグランド電位パターンを設けることで、低周波帯域からノイズ電流をグランドに逃がすことができる。

［第１実施形態］
図２に示すように、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１は、系統電源２（商用電源）及び誘導機３（負荷）に接続される。系統電源２から入力された電力は、コンバータ４及びインバータ５で変換されて３相交流電力となり、この３相交流電力が誘導機３に供給される。

すなわち、系統電源２から入力された交流電力は、コンバータ４により直流電力に変換され、この直流電力がインバータ５に供給される。インバータ５は、例えば、スイッチング素子（ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等）を、各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）上下アームにより成るブリッジに接続した三相出力構成を有するパワーモジュールであり、スイッチング素子の動作により任意の周波数で任意の電圧の交流電力を生成する。インバータ５から出力される交流電力は、出力配線６（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を介して誘導機３に供給され誘導機３が駆動される。出力配線６は、例えば、一般的な４芯シールドケーブル（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｇ線、外部に網目シールド線）が用いられる。

第１実施形態に係る電力変換装置１は、出力配線部のインバータ５近傍に、図３（ａ）に示すような多層基板７を有する。

多層基板７は、グランド層８と出力配線層９（Ｕ，Ｖ，Ｗ）とを有し、各出力配線層９間にはビア１０が設けられる。

グランド層８は、出力配線層９とは別層に形成され、インバータ５のグランド電位に配線等により接続（接地）される。

出力配線層９は、例えば、断面が細長い長方形状の板であり、各相の出力配線層９同士は、面積の狭い面を対向させた状態で並設される。また、各出力配線層９の面積が広い面（すなわち、出力配線層９の並設面）に対して、グランド層８が所定の間隔離間した状態で設けられる。なお、図３（ｂ）に示すように、各相の出力配線層９の一端部は、パワーモジュール（図示せず）の出力端子９ａと接続され、各相の出力配線層９の他端部は、端子台（図示せず）等を介してシールドケーブル等の出力配線６（外部配線）と接続される。

ビア１０は、各出力配線層９間に設けられる。図３（ａ）に示すように、例えば、複数のビア１０が、各出力配線層９の間であって、グランド層８から多層基板７表面に貫通するように形成される。また、多層基板７の表面に露出したビア１０（グランド電位）の端部には、はんだや導電性接着剤等の接合部１０ａを介して導電性のシート１１（若しくは、導電性の板）が設けられる。ビア１０と出力配線層９との間の静電容量は、グランド層８と出力配線層９との静電容量より小さい方が好ましい。

シート１１は、例えば、金属製のシートであり、インバータ５のグランド電位に配線等により接続（接地）される。シート１１の大きさは、例えば、出力配線層９の最外部とほぼ同一の面積（言い換えると、３つの出力配線層９を覆う最小の面積）の大きさであり、パワーモジュールの出力端子９ａと出力配線６との間であって、出力配線層９の並設面に対して離間して設けられる。また、シート１１の長辺を７．５ｃｍ（周波数１ＧＨｚの電磁波の波長の１／４）以下とすると、シート１１から空間に放射されるノイズが抑制され好ましい。よって、必要に応じてシート１１を分割し、分割されたシート１１間を電線で接続して同電位に保つことで、シート１１からのノイズの放射を抑制することができる。なお、シート１１は、パワーモジュールのスイッチング素子を制御するゲート制御回路部や系統電源２の入力配線部に近接する場所には設けず、必要とされる最少の大きさとする。これは、シート１１をゲート制御回路部や入力配線部の近傍に設けると、シート１１とゲート制御回路部（若しくは、入力配線部）との容量結合が大きくなり、ゲート制御回路部の誤動作や入力配線部側のノイズレベルの増大につながるおそれがあるためである。

以上のような本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１によれば、グランド電位に接続されたグランド層８（あるいは、グランド層８とシート１１）を出力配線層９に近接して対向配置させることで、出力配線層９とグランドとを大きい容量（例えば、１００ｐＦ以上５０００ｐＦ以下、より好ましくは５００ｐＦ以上２０００ｐＦ以下）で結合することができる。その結果、グランド層８と出力配線層９との間の容量を経由して高周波信号が流れることとなり、ノイズ源近傍のノイズが伝搬する主要な循環ルートのループインダクタンスを、従来より１／５程度の物理的に狭い領域を循環させることができる。すなわち、ノイズ信号の伝搬領域をノイズ源近傍のグランド電位を含む領域に限定することができ、入力側の電源への伝導ノイズや周辺機器に及ぼす放射ノイズのレベルを低減することができる。

具体的には、各相の出力配線層９の幅を２ｃｍ、シート１１の出力パターンの長さ方向の長さ５ｃｍ、出力配線層９とグランド層８との間の距離０．１ｍｍ、出力配線層９とシート１１との間の距離０．１ｍｍ、多層基板７の比誘電率を４（例えば、ガラスエポキシ基板（ＦＲ４））とすると、グランド層８と各出力配線層９との容量結合値は７００ｐＦとなり、従来の手法（出力ケーブル内の容量結合等）で得られる容量値（例えば、２０〜５０ｐＦ）と比較して、２０〜３０倍大きくなる。なお、特許文献３のように出力ケーブルに対して接地導体を設けた場合、出力ケーブルとグランド間の容量は、出力各電線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）とグランド電位パターン間の絶縁部材の厚み、ケーブル内の対向表面積（最近接で向かい合った部位の表面積）等で決まるので、通常の絶縁材料（比誘電率３程度以下）を用いた場合、両者間の結合容量は大きくても１００ｐＦ以下であり、１０ＭＨｚ以下の周波数ノイズ成分を逃がす伝搬ルートとしては十分に低いインピーダンスとはならないものと考えられる。

また、出力配線層９間にビア１０を設けることにより、各相の出力配線層９間に形成される電気力線がビア１０（グランド部）を横切るようになり、各相の出力配線層９間の電気的結合（容量）が減少する。その結果、出力配線層９間において、別の相のスイッチング素子が原因で発生するノイズが他の相に入りにくくなり、出力配線層９とグランド層８との結合がより増大する。すなわち、出力配線層９をグランド層８（若しくは、シート１１）に近接させた場合でも、出力配線層９間を跨る高周波電圧の伝搬が起きにくくなり、電力変換装置１における誤作動の発生を抑制することができる。なお、出力配線層９間に設けられるビア１０の個数を増やすことで、出力配線層９間の電気的結合をより低下させることができる。

また、出力配線層９近傍にビア１０を有するグランド層８（及びシート１１）を設けることで、低周波帯域からノイズ電流をグランド層８（及びシート１１）に逃がすことができる。

また、シート１１を出力配線層９に対して離間して設けることで、シート１１（すなわち、グランド電位）と出力配線層９との間の静電容量が増加する。シート１１は、多層基板７面から放射される磁界も低減する効果があり、出力配線層９とゲート制御回路部（若しくは、入力配線部）との磁気的結合（相互インダクタンス：Ｍ）を低減することができる。よって、シート１１を設けることにより、ゲート制御回路部や入力配線部を出力配線部の近傍に配置することができ、電力変換装置１の小型化が実現できる。

また、シート１１をノイズ対策部品として、後付けで任意のサイズ、形状のものを追加的に取り付け可能とすることで、電力変換装置１のノイズ発生状況に応じた対策を行うことができる。例えば、電力変換装置１と接続する誘導機３や電力変換装置１と誘導機３とを接続する出力配線６の仕様に応じて、ノイズの周囲への影響を抑える目的でシート１１のサイズ、形状を選択できることとなる。つまり、ノイズ低減のための対策、調整がその場で容易にできる。

また、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１によれば、ノイズ源近傍の出力配線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）部でグランド電位と高い容量結合を持たせることを配線パターンの工夫、シート１１の追加のみで実現することができる。すなわち、高価なノイズ対策部品、寸法が大きい受動部品（コンデンサ）等を新たに設置する必要がないので、電力変換装置１のコストやサイズの増大を抑制することができる。より具体的に説明すると、一般的な多層基板の層数を増やすことなく、各出力配線層９間にビア１０を数か所新たに設けるのみで多層基板７とすることができるので、多層基板７を製作するコストは上がらない。また、出力配線層９のサイズは、誘導機３の負荷、動作に応じて特定の周波数のノイズ信号が問題とならないよう、適宜選択することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る電力変換装置１２について、図４を参照して詳細に説明する。本発明の第２実施形態に係る電力変換装置１２は、多層基板７の表面に露出したビア１０の端部に金属ブロック１３（冷却器）を設けたことが第１実施形態に係る電力変換装置１と異なる。よって、第１実施形態の電力変換装置１と同様の構成については同じ符号を付し、異なる部分について詳細に説明する。

図４（ａ）に示すように、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置１２は、グランド層８と出力配線層９が形成された多層基板７を有する。多層基板７の各相の出力配線層９間にはビア１０が設けられる。

ビア１０は、各相の出力配線層９間であって、グランド層８から多層基板７表面に貫通するように形成される。すなわち、ビア１０の一端はグランド層８に接続され、ビア１０の他端は多層基板７の表面に露出した状態となっている。多層基板７の表面に露出したビア１０の端部には、はんだや導電性接着剤等の接合部１０ａを介して金属ブロック１３が設けられる。

金属ブロック１３は、例えば、アルミニウム製の冷却器である。金属ブロック１３にフィン１３ａを設けると、金属ブロック１３の放熱性が向上する。また、金属ブロック１３の厚さが厚いほど、金属ブロック１３による磁気シールド効果が大きくなり、出力配線層９とゲート制御回路部（若しくは、入力配線部）との磁気結合が低下する。ただし、第１実施形態に係る電力変換装置１のシート１１と同様に、金属ブロック１３がモノポールアンテナとならないよう、最も長い辺の寸法を７．５ｃｍ以下とすることが好ましい。よって、必要に応じて金属ブロック１３を分割して多層基板７上に配置し、分割された複数の金属ブロック１３をそれぞれインバータのグランドと配線等で接続する。

以上のような本発明の第２実施形態に係る電力変換装置１２によれば、第１実施形態に係る電力変換装置１の有する効果に加えて、出力配線層９とゲート制御回路部（若しくは、入力配線部）との磁気結合を低減することができる。その結果、出力配線層９から放射されるノイズをさらに低減することができる。

つまり、第２実施形態に係る電力変換装置１２によれば、入力配線部、ゲート制御回路配線パターン等の配線パターンの物理的な位置の制約が低減する。その結果、出力配線層９に対して物理的に近い位置にこれら配線が存在しても、電気的結合（Ｃ）、磁気的結合（Ｍ）が小さく、スイッチング素子の誤動作、入力側の電源へのノイズの伝搬が起こりにくくなり、電力変換装置１２を小型化することができる。

また、ビア１０に金属ブロック１３を設けることで、出力配線層９の放熱性が向上する。この放熱性が向上する効果は、ビア１０の数が多いほど大きくなる。出力配線の放熱性が向上することで、主要な発熱部（例えば、スイッチング素子）に取り付けるヒートシンクを小型化することができ、インバータに接続される出力配線の体積を低減することができる。その結果、出力配線層９の小型化、電力変換システムの全体の小型化及び低コスト化を実現することができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態に係る電力変換装置１４について、図５を参照して詳細に説明する。第３実施形態に係る電力変換装置１４は、系統電源２及び誘導機３に接続され、系統電源２から入力された電力を変換して、変換された電力を誘導機３に供給する（図２参照）。

図５（ａ）に示すように、第３実施形態に係る電力変換装置１４は、出力配線部のインバータ（図示せず）近傍に、バスバー１５（例えば、銅製のバスバー）を有する。

バスバー１５は、出力配線の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）にそれぞれ接続される。バスバー１５は、断面が細長い長方形状の板であり、その外周部は、耐熱性を有する絶縁材１６（例えば、アラミド絶縁紙、商品名：ノーメックス、デュポン社製）で被覆される。各相のバスバー１５は、面積の小さい面同士を対向させて並設される。そして、バスバー１５の並設面に対して、一対の金属ブロック１７がバスバー１５から離間して設けられる。

金属ブロック１７は、第２実施形態の金属ブロック１３と同様に、出力配線部と制御回路部（若しくは入力回路部）との磁気的結合を低減し、出力配線部の放熱性を向上させる。金属ブロック１７にフィン１７ａを設けると、金属ブロック１７の放熱性が向上する。各金属ブロック１７は、バスバー１５の広い面積を有する面に対して、所定の間隔（例えば、絶縁材１６の厚さ分）離間して設けられ、グランド等と配線により接続される。そして、金属ブロック１７間は、金属板１８（若しくは金属製のボルト）で接続される。すなわち、金属ブロック１７間にバスバー１５が並設され、各バスバー１５の間に金属板１８（若しくは、金属製のボルト）が設けられる。なお、金属ブロック１７の代わりに、第１実施形態で説明したシート１１を設けることもできる。

金属板１８は、例えば、一辺の長さが絶縁材１６で被覆されたバスバー１５の厚みと同じ長さの板が用いられる。

以上のような本発明の第３実施形態に係る電力変換装置１４によれば、金属ブロック１７をバスバー１５（出力配線部）近傍に設けることにより、第１実施形態に係る電力変換装置１と同様に、バスバー１５とグランドとの間に、高い結合容量を持たせることができ、高周波ノイズ信号の伝搬を狭い領域に制限することができる。また、第２実施形態に係る電力変換装置１２と同様に、インバータに設けられる冷却器の小型化、バスバー１５の断面積（体積）を小さくすることができる。すなわち、高周波電流の伝搬や高周波成分の放射特性を悪化させることなく、電力変換装置１４を小型化することができる。

例えば、バスバー１５（２ｃｍ×５ｃｍ）をノーメックス紙（厚さ：０．１ｍｍ、耐圧：１ｋＶ程度、比誘電率：３）で被覆した場合、バスバー１５と金属ブロック１７との容量結合値は５００ｐＦ程度となり、グランドと各相のバスバー１５間で、従来より高い結合容量が実現できる。その結果、従来より低インダクタンスの（狭い限定した領域の）ルートを高周波信号の伝導パスとして利用することができる。

また、各相のバスバー１５間に金属板１８を設けることで、各相のバスバー１５間（すなわち、出力配線間）の電気的結合が低減される。また、金属板１８は、金属ブロック１７の位置関係を固定する機能を有する。金属板１８は、バスバー１５の長手方向（図の奥行方向）の長さをできるだけ広範囲でカバーする方が、各相のバスバー１５間の容量結合を低減でき、望ましい。同様に、各相のバスバー１５間にボルトを設ける場合でも、配置されるボルトの間隔を短くすることで、各相のバスバー１５間の容量結合を低減することができる。

［第４実施形態］
図６に本発明の第４実施形態に係る電力変換装置１９の概略図を示す。本発明の第４実施形態に係る電力変換装置１９は、ＩＧＢＴモジュールの絶縁基板２１ａを介したグランドへの容量（Ｃ）を可変にするものである。なお、図示省略しているが、第４実施形態の電力変換装置１９の出力配線部は、第１実施形態〜第３実施形態に係る電力変換装置のいずれかの構成を有している。

図６に示すように、本発明の第４実施形態に係る電力変換装置１９は、スイッチング素子２０が設けられた基板２１が、ベース２２を介して冷却器２３上に配設された構成を有する。

基板２１は、絶縁基板２１ａ上に、配線層２１ｂ，２１ｃが設けられたものであり、配線層２１ｂには、接合層を介してスイッチング素子２０等が設けられ、配線層２１ｃには、接合層を介してベース２２が設けられる。

冷却器２３は、ベース２２の基板２１が設けられた面の反対側の面に設けられ、ベース２２（すなわち、スイッチング素子２０）の冷却を行う。冷却器２３には、フィン２３ａが設けられており、冷却器２３における冷却効率の向上が図られている。冷却器２３の端部には、誘電体材料からなるスペーサ２４を介して断面Ｌ字状の金属板２５（例えば、ステンレス製の板材）の一端部が設けられる。このスペーサ２４及び金属板２５は、絶縁コーティングされたボルト２６等により固定される。金属板２５は、ＩＧＢＴモジュールのベース２２の外周部近傍に設けられる。

金属板２５の他端部は、電力変換装置１９の筐体２７にボルト２８により固定される。つまり、金属板２５を筐体２７に接続することで、金属板２５がグランドと短絡することとなる。

スペーサ２４は、例えば、シリコンゴムやエポキシ樹脂製の弾性部材であり、その他、絶縁性のゲルやゴム等の絶縁材料（柔軟性を有し、任意の厚みを有する絶縁性のシートあるいは流動体等）が用いられる。スペーサ２４として、外部からの圧力により形状が変化する絶縁材料を用いることで、ボルト２６の締結具合（すなわち、ボルト２６の圧接力の変化）に応じて、冷却器２３とスペーサ２４との接触面積及び冷却器２３と金属板２５との距離が変化することとなる。つまり、スペーサ２４の形状を変化させることで、冷却器２３と金属板２５との間の容量（Ｃ）が変化することとなる。

以上のような本発明の第４実施形態に係る電力変換装置１９によれば、ノイズ源（例えば、ＩＧＢＴやＦＷＤ等）の近傍でグランドに高周波電流を逃がすルートを選択することができる。

スペーサ２４の厚み、上下面で接触する部材（冷却器２３や金属板２５）との接触領域を変えることで、スペーサ２４により形成される容量が可変となり、図７に示すように、絶縁基板２１ａの配線層（Ｐ，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗ）とグランドとの間でできる容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３（Ｐ，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗ電位でそれぞれ異なる値を有する）に直列に可変容量が追加されることとなる。

その結果、絶縁基板２１ａの容量を介したルートを積極的に利用したい場合には、表面が絶縁処理されたボルトの代わりに金属ボルトを用いることで、可変容量をなくし、電気的に短絡することができる。一方で、スペーサ２４に誘電率の小さい材料を用いる、スペーサ２４と金属（例えば、冷却器２３）との接触面積を減らす、あるいはスペーサ２４の厚みを厚くすることで、絶縁基板２１ａからグランドへ漏れるルートの容量値を低減することができる。その結果、ゲート制御回路への高周波ノイズ信号の入り込みを抑制することができ、絶縁基板２１ａを介した漏れ電流を低減することができる。具体的に説明すると、スペーサ２４部での容量をＣ_A、（スペーサ２４がないときの）可変容量部の容量をＣ_Bとすると、スペーサ２４を設けることで、容量をＣ_BからＣ_A×Ｃ_B／（Ｃ_A＋Ｃ_B）に変更することができる。その結果、半導体モジュールのベース電位と冷却器２３（グランドに落とす場合が多い）間の容量を低減することができる。

つまり、第４実施形態に係る電力変換装置１９は、第１実施形態〜第３実施形態で示した電力変換装置のいずれかの構成を有することにより、電力変換装置１９の出力電位（Ｕ，Ｖ，Ｗ）とグランドとの間の静電容量を一定値（例えば、数１００ｐＦ以上）確保することができ、ノイズ源の近傍でグランドに高周波電流を流すルートが形成されることとなる。よって、パワーモジュールが設けられた絶縁基板２１ａを介して冷却器２３からグランドに電位を落とす伝導ループの必要性が低下することとなる。特に、ゲート制御回路のエミッタ電位は、主回路のエミッタパターンと共通であるため、スイッチング素子２０近傍に設けられるベース２２（あるいは、ベース２２と電気的に結合した冷却器２３）をグランドに落とした場合、必然的にゲート制御回路のエミッタ電位もグランド電位と一定の容量（例えば、１００ｐＦ以下の容量）を有することとなる。グランド電位は高周波電流のバイパスルートであり、グランドから絶縁基板２１ａの容量を介してゲート制御回路のエミッタ電位に高周波が入ると、ゲート制御回路の誤動作を引き起こすおそれがある。

そこで、ベース２２（及び冷却器２３）とグランドとの間の容量が可変となるようなスペーサ２４を設けることで、スペーサ２４部における容量を変化させて、電力変換装置１９をノイズ規格に適合させるように調整することができる。その結果、誘導機３の対地容量（Ｃ）、インバータと誘導機３とをつなぐインダクタンス（Ｌ）等が変化、周囲への伝導、放射するノイズが規格値を満たさない場合等に、臨機応変にノイズのピーク位置、ピーク強度を変化させることができる。

このように、本発明の第４実施形態に係る電力変換装置１９によれば、スイッチング素子２０が設けられた絶縁基板２１ａを介しての入力側電位（Ｐ，Ｎ）やゲート制御（エミッタ）電位とグランド電位との電気的結合（容量）を制御、低減できるため、ゲート制御回路に入り込む高周波信号のレベル、周波数を制御、抑制できる。その結果、ゲート制御回路への高周波信号が入り込むことによる電力変換装置１９の誤動作を低減できる。

各電位面（Ｐ，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗ）のグランドに対する容量は、各電位の配線パターン、絶縁基板２１ａの材質、厚み、サイズによりモジュール毎に異なる。また同一モジュールにおいても、電位毎にグランドに対する容量は異なる。これらの要因により電力変換装置１９が発するノイズの伝導、放射特性が変動する。つまり、スイッチング素子２０前後の各主回路電位（Ｐ，Ｎ，Ｕ，Ｖ，Ｗ）とグランド間の容量は、各電位で異なるため、各電位からグランドへ漏れるルート間で、インピーダンス特性（インピーダンスが低下する共振周波数）が異なる。ゆえに、従来は、広い周波数帯において全電位からグランドまでのインピーダンスを低下させるためには、各主回路電位とグランド間の容量（インピーダンス）のバラつきを考慮したうえで、最適な定数（容量）を持つ複数の容量素子を設ける必要があった。これに対して、第４実施形態に係る電力変換装置１９では、ボルト２６の圧接力を変えることで各主回路電位とグランド間の容量を容易に調整することができる。すなわち、各主回路電位面に対して可変の容量を追加することで、各主回路電位面での容量の変動の影響を低減でき、ＩＧＢＴモジュールの仕様によらず汎用的にノイズを低減する設計を行うことができる。

以上、本発明の電力変換装置について、好ましい形態を例示して説明したが、本発明の電力変換装置は、実施形態に限定されるものではなく、発明の技術的特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、設計変更された形態も本発明の技術的範囲に属する。

例えば、実施形態では、電力変換装置としてインバータを例示して説明したが、本発明の電力変換装置は、各種産業で用いられる電力変換装置（インバータやコンバータ等）内で用いられるパワーモジュール内の半導体素子（ＩＧＢＴやＦＷＤ）が発生する高周波の電圧、電流振幅（ノイズ）の周辺機器への伝導、放射を低減、抑制し、電力変換装置の電磁環境適合性を高めることができる。よって、電力変換装置の回路構成は、実施形態に限定されるものではなく、スイッチング素子の数及び回路構成等は、用途に応じて適宜変更可能である。

１，１２，１４，１９…電力変換装置
２…系統電源、３…誘導機、４…コンバータ、５…インバータ
６…出力配線、７…多層基板（絶縁基板）、８…グランド層（第１導電部材）
９…出力配線層（出力配線部材）、１０…ビア（第２導電部材）
１０ａ…接合部、１１…シート（第３導電部材）
１３…金属ブロック（第３導電部材）、１３ａ，１７ａ…フィン
１５…バスバー（出力配線部材）、１６…絶縁材（絶縁層）
１７…金属ブロック（第２，３導電部材）、１８…金属板（第２導電部材）
２０…スイッチング素子
２１…基板、２１ａ…絶縁基板、２１ｂ，２１ｃ…配線層
２２…ベース、２３…冷却器、２４…スペーサ
２５…金属板、２６…ボルト、２７…筐体、２８…ボルト

Claims (7)

1. スイッチング素子を有する電力変換装置であって、
   前記スイッチング素子により変換された電力が出力される複数の出力配線部材と、
   前記出力配線部材の並設面に対して、前記出力配線部材から離間して設けられる接地された第１導電部材と、
   前記出力配線部材間に設けられる接地された第２導電部材と、を有し、
   前記第１導電部材と前記出力配線部材との静電容量を、前記第２導電部材と前記出力配線部材との静電容量よりも大きくする
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第１導電部材に、前記第２導電部材の一端を接続し、
   前記第２導電部材の他端に、接地された第３導電部材を設ける
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記出力配線部材は、絶縁基板に形成された出力配線層であり、
   前記第１導電部材は、前記絶縁基板に形成されたグランド層であり、
   前記第２導電部材は、前記絶縁基板に形成されたビアである
   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。
4. 前記ビアの一端を前記グランド層に接続し、且つ前記ビアの他端部が前記絶縁基板の表面に露出するようにビアを形成し、当該絶縁基板表面に露出したビアに導電性のシートまたは導電性のブロックを設ける
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記シートまたはブロックの最大寸法は、７．５ｃｍ以下である
   ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記出力配線部材は、バスバーである
   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。
7. 前記出力配線部材と前記第１導電部材との間に絶縁層を設ける
   ことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。

Images