JP2016163497A - 電力変換装置及び基板の取付構造 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置を小型化し、制御基板に対する誘導ノイズを低減する。【解決手段】半導体パワーモジュール２と、半導体パワーモジュール２を駆動する主回路基板３と、主回路基板３を制御する制御基板４と、平滑コンデンサ５と、を有する電力変換装置１である。半導体パワーモジュール２上に主回路基板３を設け、主回路基板３上に平滑コンデンサ５を設け、積層体を構成する。半導体パワーモジュール２の交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗ及び平滑コンデンサ５の直流入力端子５ｐ，５ｎを、積層体の一端部側に設ける。制御基板４を、積層体の他端部側であって、主回路基板３と制御基板４とが垂直となるように設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。特に、電力変換装置の基板の取付構造に関する。

インバータ等の電力変換装置では、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子やＦＷＤ等の素子を複数組み合わせて一つのパッケージに収めた半導体パワーモジュールが用いられる。この半導体パワーモジュールには、半導体パワーモジュール内のスイッチング素子を駆動する主回路基板や主回路基板に制御信号を送信する制御基板が設けられる。

例えば、特許文献１，２では、主回路基板（特許文献１，２で記載のパワー基板に相当）に対して、主回路基板を制御する制御基板が垂直に配置されている。

特許文献１では、制御基板を金属製のＵ字ガイドの底辺と金属製の下部ケースの上面及び側面に挟まれた空間に配置し、主回路基板から制御基板に不要なノイズが輻射されることを防止している。

また、特許文献２では、制御基板を主回路基板に垂直に連結し、ワイヤハーネスを介することなく制御基板と主回路基板とを接続することで、電流センサと制御回路とを最短距離に接続し、誘導ノイズの影響を低減している。

特開２００１−２６０４６６号公報 特開２００９−３３８８２号公報

しかしながら、特許文献１では、制御基板と主回路基板とを垂直に配置して主回路基板からのノイズを低減し、主回路基板と制御基板との間に金属製部材を設けてノイズ輻射を防止している。

すなわち、制御基板と主回路基板とを垂直に配置するだけでは、ノイズ対策が必ずしも十分でないおそれがある。また、ノイズ対策のために金属製部材を設けると、金属製部材を設けるためのコストや金属部材を設けるスペースが必要となる。

上記事情に鑑み、本発明は、電力変換装置の小型化及び制御基板に対する誘導ノイズの低減に貢献する技術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は、スイッチング素子を有する半導体モジュールと、前記半導体モジュールを駆動する主回路基板と、該主回路基板を制御する制御基板と、前記半導体モジュールに設けられる平滑コンデンサと、を有し、前記半導体モジュールの端子を、前記半導体モジュールの一端部側に設け、前記主回路基板を、前記半導体モジュールの端子が設けられた面と平行に設け、前記平滑コンデンサを前記主回路基板に対向して設け、当該平滑コンデンサの端子を、前記半導体モジュールの一端部と同じ側の前記平滑コンデンサの端部に設け、前記制御基板を、前記半導体モジュールの他端部側であって、前記主回路基板と前記制御基板とが垂直となるように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基板の取付構造は、スイッチング素子を有する半導体モジュールと、前記半導体モジュールを駆動する主回路基板と、該主回路基板を制御する制御基板と、前記主回路基板に対向して設けられる平滑コンデンサと、を有する電力変換装置における基板の取付構造であって、前記主回路基板を前記平滑コンデンサと前記半導体モジュールとの間に設け、前記平滑コンデンサと直流電圧源とを接続する端子と前記半導体モジュールと外部の負荷とを接続する端子を、前記半導体モジュールと前記主回路基板と前記平滑コンデンサとを積層した積層体の一端部側に設け、前記制御基板を、前記積層体の他端部側であって、前記主回路基板に対して前記制御基板が垂直となるように設けることを特徴としている。

以上の発明によれば、電力変換装置を小型化し、制御基板に対する誘導ノイズを低減することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の要部を示す概略図である。 図１に示した電力変換装置の回路図である。

本発明の実施形態に係る電力変換装置及び基板の取付構造について、図面を参照して詳細に説明する。なお、実施形態の説明では、便宜上、半導体パワーモジュールの主回路基板が設けられる面を上面として説明するが、上下方向は本発明をなんら限定するものではない。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る電力変換装置１は、半導体パワーモジュール２と、主回路基板３と、制御基板４と、平滑コンデンサ５と、を有する。

半導体パワーモジュール２は、単数または複数の半導体スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等）やＦＷＤ等の素子を複数組み合わせて一つのパッケージに収めた素子である。例えば、半導体パワーモジュール２は、図２に示すような、半導体スイッチング素子とＦＷＤを搭載した６アームのインバータブリッジ構成とした６ｉｎ１モジュールである。図１に示すように、半導体パワーモジュール２の上面の一端部には、交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗが設けられる。交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗは、半導体パワーモジュール２で変換された３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）交流電圧を出力する。

主回路基板３は、半導体スイッチング素子をＯＮ、ＯＦＦ制御するためのゲート信号等を生成する。主回路基板３は、半導体パワーモジュール２の上面に設けられる。すなわち、主回路基板３は、半導体パワーモジュール２の上面（つまり、交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗが設けられた面）と平行に設けられる。

制御基板４は、主回路基板３を制御する基板である。制御基板４上には、制御用ＣＰＵ等が配置される。制御基板４は、半導体パワーモジュール２の交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗが設けられた側と反対側であって、制御基板４と主回路基板３とが垂直となるように配置される。すなわち、主回路基板３の側端面と制御基板４の部品搭載面（または部品搭載面の裏面）が対向するように、主回路基板３に対して制御基板４が配置される。例えば、制御基板４は、半導体パワーモジュール２の交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗが設けられた側と反対側の半導体パワーモジュール２の側面と対向して、図示しない電力変換装置１の筐体底面から固定具等によって垂直方向に固定される。つまり、交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗは主回路基板３の一端部側に設けられ、制御基板４は、その反対側に配置される。そして、制御基板４上の回路と主回路基板３上の回路とは、フレキシブルプリント配線板６（ＦＰＣ）等により接続される。

フレキシブルプリント配線板６は、ベースフィルム上に導体箔を形成した構造を有し、端子部やはんだ付け部以外には絶縁体が被覆されている。すなわち、フレキシブルプリント配線板６は、薄い絶縁材のプラスチックフィルムを使った折り曲げ可能なプリント配線板である。

平滑コンデンサ５は、主回路基板３の上面に配置される。平滑コンデンサ５は、例えば、直方体形状のフィルムコンデンサや筒形状の電解コンデンサ等であり、半導体パワーモジュール２に入力される直流電圧を平滑化する。平滑コンデンサ５には、図示省略の直流電圧源が接続される直流入力端子５ｐ，５ｎが設けられる。直流入力端子５ｐ，５ｎは、半導体パワーモジュール２の交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗが設けられている端部側と同じ側の平滑コンデンサ５の端部に設けられる。また、図示していないが、平滑コンデンサ５と半導体パワーモジュール２は、平滑コンデンサ５の下面と半導体パワーモジュール２の上面で接続されている。

電力変換装置１がインバータとして動作する場合、図示省略の直流電圧源から直流電力が入力される。そして、制御基板４から主回路基板３に所定の制御信号が入力され、入力された制御信号に基づいて主回路基板３にて駆動信号が生成される。半導体パワーモジュール２は、駆動信号に応じて直流電力から交流電力の変換を行い、変換された交流電力が交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗからモータ７に出力され、モータ７が駆動される。なお、電力変換装置１がコンバータとして動作する場合は、交流入力端子（図１の交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗに相当）から交流電力が入力され、半導体パワーモジュール２で交流電力が直流電力に変換され、直流出力端子（図１の直流入力端子５ｐ，５ｎに相当）から直流電力が出力されることとなる。

以上のような、本発明の電力変換装置１及び基板の配置方法によれば、誘導ノイズの発生源となる交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗ（または、交流入力端子）や直流入力端子５ｐ，５ｎ（または、直流出力端子）を半導体パワーモジュール２、主回路基板３及び平滑コンデンサ５を積層した積層体の一端部側に設け、積層体の他端部側に制御基板４を配置することで、交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗや直流入力端子５ｐ，５ｎから制御信号や制御基板４上に誘導されるノイズを低減することができる。

また、制御基板４を主回路基板３に対して垂直に配置することで、制御基板４が半導体パワーモジュール２の交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗが設けられた側と反対側の側面、主回路基板３の端面及び平滑コンデンサ５の直流入力端子５ｐ，５ｎが設けられた側と反対側の側面に対向して配置されることとなる。その結果、主回路基板３と制御基板４との間に金属部材等の遮蔽部材を追加することなく、主回路基板３から制御基板４へのノイズ輻射を抑制することができる。すなわち、金属部材等を追加することなく制御基板４への誘導ノイズを低減することができるので、電力変換装置１のコストを増大することなく制御基板４への誘導ノイズを低減することができる。

さらに、制御基板４を主回路基板３に対して垂直に配置することで、空間を無駄なく利用して電力変換装置１を構成することができるので、電力変換装置１を小型化することができる。

つまり、従来の電力変換装置では、ノイズ発生源となる主回路端子と制御基板との配置が考慮されておらず、ノイズ対策が必ずしも十分でなかった。また、電子機器に組み込むインバータの場合、駆動するモータ（負荷）の容量が小さいので、各種主回路部品が大きくなく、主回路部品や主回路端子の配置が考慮されていなかった。これに対して、産業用モータの場合、数ｋＷ以上の定格のモータを駆動することや制御精度や脈動抑制の観点から平滑コンデンサ等の主回路部品も大型化し、主回路基板と制御基板の配置以外にも主回路部品や主回路端子の配置を考慮しなければならない。

そこで、本発明の実施形態に係る電力変換装置１は、交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗ（または、交流入力端子）及び直流入力端子５ｐ，５ｎ（または、直流出力端子）の配置と制御基板４の配置を考慮し、電力変換装置１の小型化を実現しつつ、制御基板４に対する誘導ノイズを抑制した。

以上、本発明の電力変換装置及び基板の取付構造について、具体的な実施形態を示して詳細に説明したが、本発明の電力変換装置及び基板の取付構造は、実施形態に限定されるものではなく、発明の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含まれる。

例えば、半導体パワーモジュールの構成は、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や構成等は、電力変換装置の使用目的に応じて適宜設計変更される。

また、制御基板４は、電力変換装置１の筐体底面から固定具等によって固定される形態に限定されるものではない。つまり、主回路基板３を基準として、直流入力端子５ｐ，５ｎ及び交流出力端子２ｕ，２ｖ，２ｗが設けられた側と反対側であって、主回路基板３に対して制御基板４が垂直となるように制御基板４が設けられる形態であれば、制御基板４が固定される場所は任意に設定することができる。例えば、半導体パワーモジュール２または平滑コンデンサ５の側面部に制御基板４を固定する態様や、主回路基板３上に制御基板４を固定する態様も本発明の技術的範囲に属する。

１…電力変換装置
２…半導体パワーモジュール（半導体モジュール）
２ｕ，２ｖ，２ｗ…交流出力端子
３…主回路基板
４…制御基板
５…平滑コンデンサ
５ｐ，５ｎ…直流入力端子
６…フレキシブルプリント配線板
７…モータ（負荷）

Claims (2)

1. スイッチング素子を有する半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールを駆動する主回路基板と、
   該主回路基板を制御する制御基板と、
   前記半導体モジュールに設けられる平滑コンデンサと、を有し、
   前記半導体モジュールの端子を、前記半導体モジュールの一端部側に設け、
   前記主回路基板を、前記半導体モジュールの端子が設けられた面と平行に設け、
   前記平滑コンデンサを前記主回路基板に対向して設け、当該平滑コンデンサの端子を、前記半導体モジュールの一端部と同じ側の前記平滑コンデンサの端部に設け、
   前記制御基板を、前記半導体モジュールの他端部側であって、前記主回路基板と前記制御基板とが垂直となるように設ける
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. スイッチング素子を有する半導体モジュールと、前記半導体モジュールを駆動する主回路基板と、該主回路基板を制御する制御基板と、前記主回路基板に対向して設けられる平滑コンデンサと、を有する電力変換装置における基板の取付構造であって、
   前記主回路基板を前記平滑コンデンサと前記半導体モジュールとの間に設け、
   前記平滑コンデンサと直流電圧源とを接続する端子と前記半導体モジュールと外部の負荷とを接続する端子を、前記半導体モジュールと前記主回路基板と前記平滑コンデンサとを積層した積層体の一端部側に設け、
   前記制御基板を、前記積層体の他端部側であって、前記主回路基板に対して前記制御基板が垂直となるように設ける
   ことを特徴とする基板の取付構造。

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