JP2017073920A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書が開示する技術は、スイッチング素子を収容している複数の半導体モジュールを有する電力変換装置に関し、スイッチング素子と導通している導電経路のインダクタンスを低減する。【解決手段】電力変換装置は、複数の半導体モジュール８と積層冷却ユニット２０とバスバ３０を備える。積層冷却ユニット２０は、複数の冷却器２２が平行に配置されており隣接する冷却器２２の間に夫々の半導体モジュール８を挟んでいる。バスバ３０は、各半導体モジュール８の平板状の端子２５ａの平坦面から距離を隔てて端子２５ａと対向している対向部３３を備えているとともに対向部３３以外で端子２５ａと接続されている。端子２５ａの表面を伝わる高周波電流と対向部３３の表面を伝わる高周波電流の夫々の電流に起因して生じる磁界が相殺し、端子２５ａとバスバ３０のインダクタンスが低減される。【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換装置に関する。特に、複数の半導体モジュールと、複数の冷却器が平行に配置されており隣接する冷却器の間に夫々の半導体モジュールを挟んでいる積層冷却ユニットを備えた電力変換装置に関する。

電圧コンバータやインバータなどの電力変換装置は発熱量の大きい複数のスイッチング素子を備える。複数のスイッチング素子は、一つあるいは数個ずつ半導体モジュールに収容されている。複数の半導体モジュールを効率よく冷却する構造として、複数の冷却器が平行に配置された積層冷却ユニットが知られている。積層冷却ユニットは、隣接する冷却器の間に各半導体モジュールを挟んでいる。そのような積層冷却ユニットを備えた電力変換装置が例えば特許文献１―４に開示されている。

大電力が流れる電力変換装置では、半導体モジュールの端子と他の部品は、バスバと呼ばれる細長金属板（細長金属棒）で接続される。スイッチング素子のスイッチングスピードの高速化に伴い、サージ電圧の抑制が課題となっている。サージ電圧は、スイッチング素子と導通している導電経路のインダクタンスを低減することで抑制できる。特許文献１、２では、バスバのインダクタンスを抑制する技術も提案されている。特許文献１の技術では、各半導体モジュールの正極端子に接続される平板状のバスバ（正バスバ）と、負極端子に接続される平板状のバスバ（負バスバ）を対向させる。正バスバと負バスバには互いに反対方向の電流が流れる。夫々のバスバの電流に起因する磁界が相殺し、インダクタンスが抑制される。特許文献２の技術では、正バスバが負極端子と接触せずに交差した後に正極端子と接続するように配置される。あるいは、負バスバが正極端子と接触せずに交差した後に負極端子と接続するように配置される。正極端子と負極端子と正バスバ（負バスバ）と半導体モジュール本体内のスイッチング素子によって、電流の高周波成分にとっての閉ループが形成される。電流の高周波成分の経路を短くすることで、スイッチング素子と導通している導電経路（バスバと端子）のインダクタンスを低減する。

特開２０１５−１３９２７０号公報 特開２０１３−１９２４０３号公報 特開２０１４−１１０４００号公報 特開２０１４−０６０３０４号公報

特許文献１の技術は正バスバと負バスバを接近させてインダクタンスを低減する。特許文献２の技術は、正極端子と負バスバ（あるいは、負極端子と正バスバ）を接近させてインダクタンスを低減する。いずれの技術も、極性の異なる導電部品（バスバまたは端子）を接近させてインダクタンスを低減する。極性の異なる導電部品を接近させると、短絡防止の配慮が必要となる。極性の異なる導電部品の間には、それらの間の電圧に応じた沿面距離を確保しなければならない。本明細書は、極性の同じ導電部品を使ってスイッチング素子と導通している導電経路（バスバと端子）のインダクタンスを低減する技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、複数の半導体モジュールと、それらを冷却する積層冷却ユニットと、バスバを備える。各半導体モジュールは、スイッチング素子を収容している本体と、本体内でそのスイッチング素子と導通しており本体の外へ延びている平板状の端子を備えている。積層冷却ユニットは、複数の冷却器が平行に配置されており、隣接する冷却器の間に各半導体モジュールを挟んでいる。バスバは、夫々の半導体モジュールの端子に接続されている。そのバスバは、夫々の半導体モジュールの端子の平坦面から距離を隔てて平坦面に対向している導電性の対向部を備えているとともに対向部以外で端子に接続されている。この電力変換装置では、対向部はバスバを介して端子と導通しているので対向部とバスバは同電位である。しかし、対向部自体は、端子と距離を隔てて対向している。高周波の電流は導体の表面を伝わる性質があるため、互いに対向している端子と対向部の夫々の表面を電流が流れる。それらの電流に起因する磁界が相殺し、バスバと端子のインダクタンスが低減される。本明細書が開示する技術は、端子に接続されているバスバにその端子と対向する対向部を設けることで、同電位の端子と対向部の間でインダクタンスを低減する。本明細書が開示する技術は、異極の導電部材同士を近接させることなくスイッチング素子に導通している導電経路（バスバと端子）のインダクタンスを低減する。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換装置を含む電気自動車の電力系のブロック図である。 電力変換装置のケース内レイアウトを示す平面図である（カバーを外した状態）。 積層ユニットと平滑コンデンサユニットとバスバのアセンブリの斜視図である。 バスバの斜視図である。 バスバと端子の接続部分の断面図である。 変形例のバスバと積層ユニットとコンデンサユニットのアセンブリの斜視図である。 変形例のバスバと積層ユニットとコンデンサユニットのアセンブリの斜視図である（バスバを分解）。 変形例のバスバの拡大斜視図である。 変形例のバスバと端子の接続部分の断面図である。 変形例のバスバと端子の接続部分の断面図である（第２変形例）。 変形例のバスバと端子の接続部分の断面図である（第３変形例）。 変形例のバスバと端子の接続部分の断面図である（第４変形例）。

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は電気自動車に搭載されており、走行用モータの駆動電力を出力する。図１に、電力変換装置２を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。電気自動車１００は、２個の走行用モータ８３ａ、８３ｂを備える。それゆえ、電力変換装置２は、２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを備える。なお、２個のモータ８３ａ、８３ｂの出力は、動力分配機構８５で合成／分配されて車軸８６（即ち駆動輪）へと伝達される。

電力変換装置２は、システムメインリレー８２を介してバッテリ８１と接続されている。電力変換装置２は、バッテリ８１の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路１２と、昇圧後の直流電力を交流に変換する２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを含む。

電圧コンバータ回路１２は、一方の端子（低電圧端）に印加された電圧を昇圧して他方の端子（高電圧端）に出力する昇圧する動作と、他方の端子（高電圧端）に印加された電圧を降圧して一方の端子（低電圧端）に出力する降圧動作の双方を行うことできるいわゆる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。説明の便宜上、以下では、低電圧端を入力端１８と称し、高電圧端を出力端１９と称する。また、入力端１８の正極と負極を夫々、入力正極端１８ａと入力負極端１８ｂと称する。出力端１９の正極と負極を夫々、出力正極端１９ａと出力負極端１９ｂと称する。「入力端１８」、「出力端１９」との表記は説明の便宜を図るためのものであり、先に述べたように、電圧コンバータ回路１２は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであるので、出力端１９から入力端１８へ電力が流れる場合がある。

電圧コンバータ回路１２は、２個のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８の直列回路、リアクトル７、フィルタコンデンサ５、各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードで構成されている。直列回路の高電位側は出力正極端１９ａに接続されており、低電位側は出力負極端１９ｂに接続されている。リアクトル７は、一端が入力正極端１８ａに接続されており、他端は直列回路の中点に接続されている。フィルタコンデンサ５は、入力正極端１８ａと入力負極端１８ｂの間に接続されている。入力負極端１８ｂは、出力負極端１９ｂと直接に接続されている。

先に述べたように、電圧コンバータ回路１２は、昇圧動作と降圧動作の双方を行うことができる。電圧コンバータ回路１２の昇圧動作とは、バッテリ８１の電圧を昇圧してインバータ回路１３ａ、１３ｂへ供給する動作である。電圧コンバータ回路１２の降圧動作とは、インバータ回路１３ａ、１３ｂから入力される直流電力（モータ８３ａ又は８３ｂが発生する回生電力）を降圧する動作である。なお、降圧された回生電力はバッテリ８１の充電に使われる。昇圧動作にはスイッチング素子Ｔ８が主に貢献し、降圧動作の場合はスイッチング素子Ｔ７が主に貢献する。図１の電圧コンバータ回路１２はよく知られているので詳細な説明は省略する。なお、符号８ｇが示す破線矩形の範囲の回路が、後述する半導体モジュール８ｇに対応する。符号２５ａ、２５ｂは、半導体モジュール８ｇから延出している端子を示している。符号２５ａは、スイッチング素子Ｔ７、Ｔ８の直列回路の高電位側の電極と接続されている端子（正極端子２５ａ）を示している。符号２５ｂは、スイッチング素子Ｔ７、Ｔ８の直列回路の低電位側の電極と接続されている端子（負極端子２５ｂ）を表している。次に説明するように、正極端子２５ａ、負極端子２５ｂという表記は、他の半導体モジュールでも用いる。

インバータ回路１３ａは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している（Ｔ１とＴ４、Ｔ２とＴ５、Ｔ３とＴ６）。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。３セットの直列回路の高電位側の端子（正極端子２５ａ）が電圧コンバータ回路１２の出力正極端１９ａに接続されており、３セットの直列回路の低電位側の端子（負極端子２５ｂ）が電圧コンバータ回路１２の出力負極端１９ｂに接続されている。３セットの直列回路の中点から３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。３セットの直列回路の夫々が、後述する半導体モジュール８ａ、８ｂ、８ｃに対応する。

インバータ回路１３ｂの構成はインバータ回路１３ａと同じであるため、図１では具体的な回路の図示を省略している。インバータ回路１３ｂもインバータ回路１３ａと同様に、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。各直列回路に対応するハードウエアを半導体モジュール８ｄ、８ｅ、８ｆと称する。

インバータ回路１３ａ、１３ｂの入力端に平滑コンデンサ６が並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、別言すれば、電圧コンバータ回路１２の出力端１９に並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、電圧コンバータ回路１２の出力端１９から出力される電流の脈動を除去する。

スイッチング素子Ｔ１−Ｔ８は、トランジスタであり、典型的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。また、ここでいうスイッチング素子は、電力変換に用いられるものであり、パワー半導体素子と呼ばれることもある。

図１において、破線８ａ−８ｇの夫々が半導体モジュールに相当する。電力変換装置２は、２個のスイッチング素子の直列回路を７セット備えている。ハードウエアとしては、２個のスイッチング素子の直列回路、およびこれに付随するダイオードが一つの半導体モジュールに収容されている。以下では、半導体モジュール８ａ−８ｇのいずれか一つを区別なく示すときには半導体モジュール８と表記する。

図１において、符号３０が示す破線内の導電経路は、複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａと平滑コンデンサ６を接続するバスバ（Ｐバスバ）に対応する。符号４０が示す破線内の導電経路は、複数の負極端子２５ｂと平滑コンデンサ６を接続するバスバ（Ｎバスバ）に対応する。Ｐバスバ３０、Ｎバスバ４０については後述する。

次に、電力変換装置２のハードウエア構成を説明する。図２に、電力変換装置２の平面図を示す。図２は、カバーを外した電力変換装置２の平面図であり、ケース９０の内部に収容された部品のレイアウトが示されている。ケース９０の中には、フィルタコンデンサユニット１０５、リアクトルユニット１０７、積層冷却ユニット２０、平滑コンデンサユニット１０６などが収容されている。積層冷却ユニット２０は複数の半導体モジュール８を収容している。これらの部品のほか、図示は省略するが、積層冷却ユニット２０の下方には回路基板が収容されている。ケース９０の中には他の部品も収容されているが、それらの図示と説明は省略する。

フィルタコンデンサユニット１０５の中に、図１で示したフィルタコンデンサ５に相当するコンデンサ素子が収容されている。リアクトルユニットと１０７の中に、図１で示したリアクトル７に相当するリアクトルデバイスが収容されている。平滑コンデンサユニット１０６の中に、図１で説明した平滑コンデンサ６に相当するコンデンサ素子が収容されている。フィルタコンデンサ５、平滑コンデンサ６、リアクトル７には大電流が流れるため、それらに対応するハードウエアの体格が大きい。

平滑コンデンサユニット１０６に隣接して積層冷却ユニット２０が配置されている。積層冷却ユニット２０は、複数の冷却器２２が平行に配置されたユニットであり、隣接する冷却器２２の間に各半導体モジュール８を挟んでいる。図２、及び、以降の図では、複数の半導体モジュールのうち、一つのみに符号８を付し、他の半導体モジュールへは符号を省略した。冷却器２２についても同様である。

各半導体モジュール８には２個のスイッチング素子（半導体素子）が収容されている。積層冷却ユニット２０は、ケース９０に設けられた支持壁８９と、２本の支持柱８７の間に挿入されている。図示を省略しているが、支持柱８７と積層冷却ユニット２０の間には板バネが挿入されており、その板バネにより、積層冷却ユニット２０はその積層方向に加圧されつつ、ケース９０に支持される。積層方向の加圧によって半導体モジュール８と冷却器２２の密着性が高まり、冷却性能が向上する。また、積層冷却ユニット２０の一端には冷媒供給管２３と冷媒排出管２４が接続されており、それらの管の先端はケース９０を貫通し、ケース９０の外に開いている。冷媒供給管２３から供給された冷媒は全ての冷却器２２に分配される。冷媒は冷却器２２の内部を通過する間に隣接する半導体モジュール８から熱を吸収する。冷却器２２を通過した冷媒は、冷媒排出管２４を通じて電力変換装置２の外へと排出される。半導体モジュール８は平板型（カード型）であり、それぞれの平坦面が冷却器２２によって冷却される。積層冷却ユニット２０は、隣接する冷却器２２の間に半導体モジュール８を挟み込む構造によって、各半導体モジュール８に収容されているスイッチング素子を効率よく冷却することができる。

各半導体モジュール８の本体２１に収容されている２個のスイッチング素子は、本体２１の内部で直列に接続されている。本体２１は、樹脂で作られたパッケージである。スイッチング素子の直列接続の高電位側の端子（正極端子２５ａ）、低電位側の端子（負極端子２５ｂ）、及び、中点の端子（中点端子２５ｃ）が、本体２１からＺ方向に延びている。正極端子２５ａ、負極端子２５ｂ、中点端子２５ｃはいずれも平板状である。正極端子２５ａ、負極端子２５ｂ、及び、中点端子２５ｃは、半導体モジュール８の本体２１の内部でスイッチング素子と導通している。また、正極端子２５ａ、負極端子２５ｂ、及び、中点端子２５ｃは、半導体モジュール８の本体２１の外へ延びている。複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａは、積層冷却ユニット２０の冷却器２２の積層方向に並んでいる。積層方向は、図の座標系におけるＸ方向である。複数の半導体モジュール８の負極端子２５ｂ、中点端子２５ｃも同様に積層方向（Ｘ方向）に並んでいる。

図１の回路図を参照して説明したように、１個の半導体モジュール８は昇圧回路に用いられ、６個の半導体モジュール８は２セットのインバータ回路に用いられる。図１を参照して説明したように、複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａは、Ｐバスバ３０により平滑コンデンサ６の一方の電極と接続され、負極端子２５ｂはＮバスバ４０により平滑コンデンサ６の他方の電極と接続される。半導体モジュール８の中点端子２５ｃには、交流出力を外部へ伝達するためのバスバが接続されているが、そのバスバと、そのバスバの先端に接続されているコネクタ端子台の図示は省略している。

先に述べたように、平滑コンデンサ６は、電圧コンバータ回路１２とインバータ回路１３ａ、１３ｂの間に並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、全ての半導体モジュール８と接続されることになる。Ｐバスバ３０とＮバスバ４０が、平滑コンデンサ６（平滑コンデンサユニット１０６）と複数の半導体モジュール８を電気的に接続している。Ｐバスバ３０は、ベース板３１と複数の枝部３２で構成されている。Ｐバスバ３０の構造については後に詳しく説明する。

なお、各半導体モジュール８は、本体２１の端子２５ａ、２５ｂ、２５ｃとは反対側に制御端子を備えており、その制御端子は不図示の回路基板と接続されている。制御端子は、スイッチング素子のゲート電極につながっており、回路基板は、スイッチング素子に与えるゲート信号を生成する。

図３を参照して平滑コンデンサユニット１０６と積層冷却ユニット２０とＰバスバ３０の関係を説明する。なお、図３は、電力変換装置２において、平滑コンデンサユニット１０６と積層冷却ユニット２０とバスバのアセンブリを取り出した斜視図である。図３では、Ｎバスバ４０の図示は省略した。さらに、図４に、平滑コンデンサユニット１０６から露出している部分のＰバスバ３０の斜視図を示す。

Ｐバスバ３０を、説明の都合上、ベース板３１と複数の枝部３２に分ける。ベース板３１は、平滑コンデンサユニット１０６から積層冷却ユニット２０へ向けて延びており、図中の座標系でＸＹ平面に広がっている板部材である。複数の枝部３２は、ベース板３１の積層冷却ユニット２０に近い端から延びており、途中でＹＺ平面と平行になるように折れ曲がっている。複数の枝部３２は、図中の座標系においてＸ方向に並んでいる。複数の枝部３２の夫々の先端が、対応する半導体モジュール８の正極端子２５ａに接合されている。図４では、夫々の半導体モジュール８から延びている正極端子２５ａを仮想線で描いてある。正極端子２５ａも平板状であり、その平坦面が平板状のＰバスバ３０の枝部３２の先端と接続されている。

Ｐバスバ３０の各枝部３２の先端から対向部３３が延びている。対向部３３は、各半導体モジュール８の正極端子２５ａに対して設けられている。対向部３３は、枝部３２の正極端子２５ａと接合している面とは反対の面に接合されている。対向部３３は、正極端子２５ａの延設方向に沿って、Ｐバスバ３０から半導体モジュール８の本体２１に向かって延びている。対向部３３は平板状であり、正極端子２５ａの平坦面に近接してこれと対向している。対向部３３は、正極端子２５ａの平坦面から距離を隔てて平坦面に対向している。対向部３３はＰバスバ３０と同じく銅で作られており、導電性である。従って、対向部３３は、Ｐバスバ３０を介して正極端子２５ａと導通しており、正極端子２５ａと同電位である。ただし、対向部３３は、距離を隔てて正極端子２５ａと対向しており、対向部３３自体は正極端子２５ａに直接には触れていない。次に、対向部３３の機能について説明する。

対向部３３は、Ｐバスバ３０と正極端子２５ａが有するインダクタンス（寄生インダクタンス）を低減する目的で備えられている。対向部３３には、近接している正極端子２５ａを流れる電流が発する磁界によって渦電流が発生する。その渦電流に起因する磁界は正極端子２５ａを流れる電流に起因する磁界を相殺する。この相殺によってインダクタンスが低減される。これに加えて、渦電流とは別に、対向部３３の表面を流れる電流に起因する磁界が、対向部３３と対向する正極端子２５ａの表面を流れる電流に起因する磁界を相殺することによってもインダクタンスが低減される。図５に、一つの半導体モジュール８の正極端子２５ａとそれに接続するＰバスバ３０（枝部３２）のＸＺ平面における断面を示す。スイッチング素子のスイッチング動作に起因して生じる高周波電流は導体の表面を伝わることが知られている。図５に示した矢印は高周波電流の伝播経路を示している。半導体モジュール８の本体２１の内部で生じた高周波電流は、正極端子２５ａの表面を伝わり、Ｐバスバ３０の表面を介して対向部３３の表面へと伝わる。対向部３３の表面へと伝播した高周波電流は図の紙面奥側でＰバスバ３０の表面へと戻り、さらには平滑コンデンサ６へと伝わる。図５の矢印Ａ１とＡ２が示すように、正極端子２５ａの表面を伝わる高周波電流の向きＡ１と対向部３３の表面を伝わる高周波電流の向きＡ２は互いに逆方向である。なお、電流の向きは紙面に垂直な方向の成分、及び、対向部３３からＰバスバ３０に戻る成分も有するが、高周波電流の少なくとも一部は対向部３３の表面と正極端子２５ａの表面で互いに逆向きとなる。電流が互いに逆向きであるので、互いの電流に起因して生じる磁界の向きも逆向きとなり、磁界の一部は相殺される。電流に起因して生じる磁界の一部が相殺されることで、Ｐバスバ３０と正極端子２５ａのインダクタンスが低減される。別言すれば、対向部３３は、半導体モジュール８の近傍でスイッチング素子に導通している導電経路（Ｐバスバ３０と正極端子２５ａ）の寄生インダクタンスを低減する。Ｎバスバ４０も同様の対向部を備えており、Ｐバスバ３０に関する上記の説明は、Ｎバスバ４０についても成立する。枝部の構成や平滑コンデンサユニット１０６との接続関係についても、Ｎバスバ４０はＰバスバ３０と同様の構造を備えている。

渦電流の発生によるインダクタンス低減効果は、対向部３３と正極端子２５ａが導通していなくとも得られる。一方、スイッチング動作に起因して生じる高周波電流が正極端子２５ａの表面と対向部３３の表面を流れることによって得られるインダクタンス低減効果は、正極端子２５ａと対向部３３が導通していることで得られる。

次に、図６−図９を参照してバスバの変形例（第１変形例）を説明する。図６は、変形例のＰバスバ１３０とＮバスバ１４０と積層冷却ユニット２０と平滑コンデンサユニット１０６のアセンブリを示している。図７は、変形例のＰバスバ１３０とＮバスバ１４０を積層冷却ユニット２０及び平滑コンデンサユニット１０６から分離した分解図を示している。なお、図７において、Ｐバスバ１３０の電極接続部１３９、及び、Ｎバスバ１４０の電極接続部１４９は、本来は平滑コンデンサユニット１０６の中に挿通される部分である。これらの電極接続部１３９、１４９が、平滑コンデンサユニット１０６の中でコンデンサ素子の電極と接続している。図８は、アセンブリの部分拡大図である。図９は、図中の座標系におけるＸＺ平面と平行な平面で正極端子２５ａとその周辺をカットした断面図である。

Ｐバスバ１３０の平板状のベース板１３１には複数の貫通孔１３１ａが設けられている。各貫通孔１３１ａに各半導体モジュール８の正極端子２５ａが貫通している。各貫通孔１３１ａの縁から接続部１３２が延びている。接続部１３２は、正極端子２５ａに沿って、半導体モジュール８の本体２１から遠ざかる方向に延びている。Ｐバスバ１３０の各接続部１３２が、対応する正極端子２５ａと接続される。また、各貫通孔１３１ａの縁から対向部１３３が延びている。対向部１３３は、接続部１３２とは反対に、半導体モジュール８の本体２１へ向かう方向へ延びている（図９参照）。図９によく示されているように、対向部１３３はＰバスバ１３０を介して正極端子２５ａと導通しているが、対向部１３３は距離を隔てて正極端子２５ａと対向しており、対向部１３３そのものは正極端子２５ａと直接には接していない。対向部１３３は、正極端子２５ａと直接に接することなく、正極端子２５ａの平坦面に近接してこれと対向している。図９のレイアウトにおいても、正極端子２５ａの表面を流れる高周波電流のＺ方向成分（端子延設方向成分）と対向部１３３の表面を流れる高周波電流のＺ方向成分は互いに逆向きとなる。夫々の高周波電流に起因する磁界の一部が相殺する。その結果、Ｐバスバ１３０と正極端子２５ａのインダクタンスが低減される。

Ｎバスバ１４０にも対向部１４３が備えられており、その役割は、Ｐバスバ１３０の対向部１３３と同様である。Ｎバスバ１４０について概説する。Ｎバスバ１４０のベース板１４１には複数の貫通孔１４１ａが設けられており、各貫通孔１４１ａに各半導体モジュール８の負極端子２５ｂが貫通している。貫通孔１４１ａの周囲の構造はＰバスバ１３０の貫通孔１３１ａの周囲の構造と同じである。即ち、貫通孔１４１ａの縁から接続部１４２が延びており、その接続部１３２が負極端子２５ｂと接続している。また、貫通孔１４１ａの縁から対向部１４３が延びている。対向部１４３は負極端子２５ｂの延設方向（図中のＺ方向）に沿って、半導体モジュール８の本体２１に向かって延びている。対向部１４３は、距離を隔てて負極端子２５ｂと近接して対向している。Ｎバスバ１４０の対向部１４３も、Ｐバスバ１３０の対向部１３３と同様に、Ｎバスバ１４０と負極端子２５ｂのインダクタンスの低減に貢献する。

図８、図９に示されているように、Ｎバスバ１４０の平板状のベース板１４１には別の貫通孔１４１ｂが設けられており、その貫通孔１４１ｂを正極端子２５ａが貫通している。Ｐバスバ１３０のベース板１３１とＮバスバ１４０のベース板１４１も対向している。Ｐバスバ１３０とＮバスバ１４０には互いに逆向きの電流が流れるので、夫々のバスバのベース板１３１、１４１が対向していることで、互いの電流に起因する磁界が相殺する。夫々のバスバのベース板１３１、１４１が対向していることもインダクタンス低減に貢献する。

また、前述したように、接続部１３２は、正極端子２５ａに沿って、半導体モジュール８の本体２１から遠ざかる方向に延びており、対向部１３３は、接続部１３２とは反対に、本体２１へ向かう方向へ延びている（図９参照）。接続部１３２と正極端子２５ａは溶接により接続される。接続部１３２が本体２１から遠ざかる方向に延びていることは、接続部１３２が本体２１へ向かう方向に延びている場合と比較して、接続部１３２を正極端子２５ａに溶接する作業が容易である。また、接続部１３２が本体２１から遠ざかる方向に延びており、対向部１３３が本体２１へ向かう方向へ延びているので、接続部１３２の溶接の際に対向部１３３が邪魔をすることがない。

図１０−図１２を参照して、バスバのさらに別の変形例を説明する。図１０−図１２は、バスバと端子の接続部分の断面図である。図１０の変形例（第２変形例）は、図９のＰバスバ１３０に絶縁層１３５を加えたものである。絶縁層１３５は、対向部１３３と正極端子２５ａの間に挟まれている。絶縁層１３５は、対向部１３３と正極端子２５ａの間の隙間を一定に保つために挿入されている。先に述べたように、対向部１３３と正極端子２５ａは同電位であるが、対向部１３３と正極端子２５ａが直接に接触してしまうと、夫々の表面に互いに逆向きの電流が流れなくなるのでインダクタンス低減効果が低下してしまう。絶縁層１３５は、対向部１３３と正極端子２５ａが直接に接することなく、狭い間隔を保持して対向するように備えられている。Ｎバスバ１４０の対向部と負極端子の間にも絶縁層が挟まれていてもよい。

極性の異なる導電部材を対向させてインダクタンスを低減する構造との対比を説明する。今、正極端子２５ａと極性の異なる導電部材、例えば、Ｎバスバ１４０から延びている対向部が正極端子２５ａと絶縁層を隔てて対向している構造を想定する。絶縁層を隔てているので、正極端子２５ａとＮバスバ１４０の対向部が短絡することはない。ただし、極性の異なる部材が近接配置される場合には、両者の電位差に応じた沿面距離を両者の間に確保しなければならない。実施例の電力変換装置の場合には、同電位の部材同士を近接させるので、沿面距離を考慮しないで済むという利点がある。

図１１の変形例（第３変形例）のＰバスバ２３０は、対向部２３３の構造が第１変形例のＰバスバ１３０と異なる。Ｐバスバ２３０は、ベース板１３１を有している。ベース板１３１には、複数の貫通孔１３１ａが設けられており、各貫通孔１３１ａに各半導体モジュール８の正極端子２５ａが通じている。各貫通孔１３１ａの縁から接続部１３２が延びている。接続部１３２は、半導体モジュール８の本体２１から遠ざかる方向に延びている。また、各貫通孔１３１ａの縁から対向部２３３が延びている。対向部２３３は、正極端子２５ａの延設方向に沿って、Ｐバスバ２３０のベース板１３１から本体２１へ向かって延びている。対向部２３３は、正極端子２５ａに直接に接することなく、距離を隔てて正極端子２５ａと対向している。

対向部２３３も、第１変形例の対向部１３３と同様に、インダクタンスを低減する。対向部２３３は、ベース板１３１の貫通孔１３１ａを塞いでいた部分の一部が折り曲げられて形成されている。貫通孔１３１ａと対向部２３３は、ベース板１３１の材料である金属板をプレス加工して作られる。貫通孔１３１ａと対向部２３３を１回のプレス加工で形成することができるので、第３変形例のＰバスバ２３０は低コストで製造することができる。図示は省略しているが、Ｎバスバ１４０の対向部も同様に作られている。

図１２の変形例（第４変形例）のＰバスバ３３０は、対向部３３３の構造が第１変形例のＰバスバ１３０と異なる。Ｐバスバ３３０は、ベース板１３１を有している。ベース板１３１には、複数の貫通孔１３１ａが設けられており、各貫通孔１３１ａに各半導体モジュール８の正極端子２５ａが貫通している。各貫通孔１３１ａの縁から接続部１３２が延びている。接続部１３２は、半導体モジュール８の本体２１から遠ざかる方向に延びている。また、各貫通孔１３１ａの縁から対向部３３３が延びている。対向部３３３は、正極端子２５ａの延設方向に沿って延びている。対向部３３３は、先の第１変形例と異なり、半導体モジュール８の本体２１から遠ざかる方向に延びている。対向部３３３は、正極端子２５ａに直接に接することなく、距離を隔てて正極端子２５ａに近接してこれと対向している。

先に述べたように、高周波電流は導体の表面を伝播する。正極端子２５ａと対向する対向部３３３の表面を流れる高周波電流の一部の成分は、正極端子２５ａの表面を伝播する高周波電流の向きと異なる。向きが異なる電流が発生する磁界の一部が相殺する。電流に起因して発生する磁界の一部が相殺されることで、正極端子２５ａとＰバスバ３３０のインダクタンスが低減される。半導体モジュール８の本体２１から遠ざかる方向に延びている対向部３３３は、第１−第３実施例の対向部ほどではないが、インダクタンス低減効果が期待できる。図示は省略しているが、Ｎバスバ１４０の対向部も同様に作られている。

実施例で説明した構造の特徴のいくつかを列挙する。対向部３３（１３３−３３３）は、正極端子２５ａの延設方向に沿って、半導体モジュール８の本体２１へ向かって延びているとよい。電流の高周波成分は、正極端子２５ａの表面では本体２１から先端に向かって伝わる。一方、正極端子２５ａと対向している対向部３３（１３３―３３３）の表面においては、電流の高周波成分は本体２１へ向かう方向に流れる。即ち、正極端子２５ａの表面を伝わる電流の方向と対向部３３（１３３―３３３）の表面を伝わる電流の方向が互いに逆向きとなる。従って、端子表面を伝わる電流に起因する磁界と対向部の表面を伝わる電流に起因する電流が効果的に相殺し、インダクタンスが低減される。Ｎバスバに備えられている対向部と負極端子についても同様である。

さらにＰバスバ２３０は、次の構造を備えている。Ｐバスバ２３０は、ベース板１３１と、接続部１３２を備える。ベース板１３１は、複数の貫通孔１３１ａを有しているとともに各貫通孔に正極端子２５ａが貫通している。接続部１３２は、各貫通孔の縁から正極端子２５ａに沿って本体２１から遠ざかる方向に延びているとともに正極端子２５ａと接続されている。対向部２３３は貫通孔の縁から端子の延設方向に沿って本体へ向かって延びている。その対向部２３３は、ベース板の貫通孔を塞いでいた部分が折り曲げられて形成されている。この構造は、対向部を低コストで実現できる利点がある。

実施例とその変形例の技術に関する留意点を述べる。実施例の電力変換装置は、半導体モジュール８の正極端子２５ａ（負極端子２５ｂ）と同電位の対向部３３（１３３−３３３）を使ってバスバと正極端子２５ａ（負極端子２５ｂ）のインダクタンス（寄生インダクタンス）を低減する。正極端子（あるいはＰバスバ）と異なる電位の導電体を近接させてインダクタンスを低減する場合、短絡が生じないように、正極端子（あるいはＰバスバ）とその導電体が接触しないようは配慮が必要である。本明細書が開示する技術は、正極端子（あるいはＰバスバ）と同電位の導電体（対向部）を用いる。それゆえ、仮に接触しても、インダクタンス低減効果は小さくなるが、極性の異なる部材の短絡を生じることはない。本明細書が開示する技術は、正極端子（あるいはＰバスバ）と異なる電位の導電体を使ってインダクタンスを低減する技術と比較して、実現が容易である。

また、本明細書が開示する技術は、バスバから対向部を延ばすという簡単な構造で実現できる。その構造は、狭い空間で実現できる。それゆえ、本明細書が開示する技術は、隣接する半導体モジュールの端子間の隙間が狭い積層冷却ユニットを有する電力変換装置に好適な技術である。

第１−第４変形例のバスバは、ベース板に設けられた貫通孔の縁から接続部が延びており、接続部が延びている縁とは反対側の縁から対向部が延びている。対向部は、接続部と同じ側で縁から延びていても良い。

実施例では中点端子２５ｃに接続されるバスバについては説明を省略した。中点端子２５ｃに接続されるバスバに対向部を設けてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換装置
５：フィルタコンデンサ
６：平滑コンデンサ
７：リアクトル
８、８ａ−８ｇ：半導体モジュール
１２：電圧コンバータ回路
１３ａ、１３ｂ：インバータ回路
２０：積層冷却ユニット
２１：本体
２２：冷却器
２５ａ：正極端子
２５ｂ：負極端子
２５ｃ：中点端子
３０、１３０、２３０、３３０：Ｐバスバ
３１、１３１：ベース板
３２：枝部
３３、１３３、１４３、２３３、３３３：対向部
４０、１４０：Ｎバスバ
１００：電気自動車
１０５：フィルタコンデンサユニット
１０６：平滑コンデンサユニット
１０７：リアクトルユニット
１３１ａ：貫通孔
１３２、１４２：接続部
１３５：絶縁層
１３９、１４９：電極接続部
１４１：ベース板
１４１ａ、１４１ｂ：貫通孔
Ｔ１−Ｔ８：スイッチング素子

Claims (3)

1. スイッチング素子を収容している本体と、前記本体内で前記スイッチング素子と導通しており前記本体の外へ延びている平板状の端子を備えている複数の半導体モジュールと、
   複数の冷却器が平行に配置されており、隣接する冷却器の間に前記半導体モジュールを挟んでいる積層冷却ユニットと、
   夫々の前記半導体モジュールの前記端子に接続されているバスバと、
   を備えており、
   前記バスバは、夫々の前記半導体モジュールの前記端子の平坦面から距離を隔てて前記平坦面に対向している導電性の対向部を備えているとともに前記対向部以外で前記端子に接続されている、電力変換装置。
2. 前記バスバは、前記端子の延設方向に沿って前記本体から遠ざかる方向に延びているとともに前記端子に接続されている接続部を備えており、前記対向部は、前記延設方向に沿って前記バスバから前記本体へ向かって延びている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記バスバは、複数の貫通孔を有しているとともに各貫通孔に各半導体モジュールの前記端子が貫通しているベース板を備えており、
   前記接続部と前記対向部は前記貫通孔の縁から延びており、
   前記対向部は、前記ベース板の前記貫通孔を塞いでいた部分が折り曲げられた部分である、請求項２に記載の電力変換装置。
   

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