JP2020092518A

JP2020092518A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2020092518A
Application number: JP2018228274A
Authority: JP
Inventors: 徹柴; Toru Shiba
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2020-06-11
Anticipated expiration: 2038-12-05
Also published as: JP7403220B2

Abstract

【課題】小型化が可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、電源の負極側と接続される負極側コンデンサと、パワー半導体素子５が実装される絶縁基板４と、を備える。絶縁基板４は、一方の面に形成されると共にパワー半導体素子５と電気的に接続される正極側金属層４ｂと、他方の面において正極側金属層４ｂと対応する位置に形成されると共に接地部材と電気的に接続される接地側金属層４ｃとを備える。正極側金属層４ｂと接地側金属層４ｃとの間に形成されるコンデンサの静電容量は、負極側コンデンサの静電容量と等しく設定される。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

例えば、特許文献１には、３相インバータ回路に対してノイズ除去のためのフィルタコンデンサが接続された構成が開示されている。この特許文献１では、２つのフィルタコンデンサを直列に接続している。このうち、一方のフィルタコンデンサの端子を正極側に接続し、他方のフィルタコンデンサの端子を負極側に接続し、２つのフィルタコンデンサの中点電位をグランドへと接続している。

特開２００８−４９５３号公報

しかしながら、このような特許文献１の構成においては、正極側と負極側とのそれぞれにフィルタコンデンサを設ける必要がある。したがって、電力変換装置が備える部材が多く、大型化することが課題となっている。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、電力変換装置を小型化することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、電力変換装置に係る第１の手段として、電源の負極側と接続される負極側コンデンサと、パワー半導体素子が実装される絶縁基板とを備える電力変換装置であって、前記絶縁基板は、一方の面に形成されると共に前記パワー半導体素子と電気的に接続される正極側金属層と、他方の面において前記正極側金属層と対応する位置に形成されると共に接地部材と電気的に接続される接地側金属層とを備え、前記正極側金属層と前記接地側金属層との間に形成されるコンデンサの静電容量は、前記負極側コンデンサの静電容量と等しく設定される、という構成を採用する。

電力変換装置に係る第２の手段として、前記接地部材は、前記絶縁基板と接合される冷却器である、という構成を採用する。

電力変換装置に係る第３の手段として、直流電力を多相交流電力へと変換する変換回路を備え、前記正極側金属層及び前記接地側金属層は、交流電力の各相に対応する複数のスイッチング素子ごとに設けられている、という構成を採用する。

本発明によれば、絶縁基板において正極側金属層と負極側金属層との間のコンデンサ容量を用い、正極側のコンデンサの静電容量の合計と、負極側コンデンサの静電容量とを等しくしている。これにより、正極側おいて別途接続されるコンデンサの個数を削減することが可能である。したがって、電力変換装置を小型化することが可能である。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の一部を示す模式的な部分断面図である。本発明の一実施形態における変換回路を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る電力変換装置の変形例を示す模式的な部分断面図である。本発明の一実施形態に係る電力変換装置の変形例を示す変換回路の模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の一実施形態について説明する。

電力変換装置１は、図１及び図２に示すように、ケーシング２と、冷却器３（接地部材）と、絶縁基板４と、複数のパワー半導体チップ５と、接続導体６ａ、６ｂと、平滑用コンデンサ７と、負極側フィルタコンデンサ８と、はんだ層９と、電力線１０ｎ、１０ｐ、１０ｗ、１０ｖ、１０ｗとを備えている。

ケーシング２は、複数のパワー半導体チップ５を収容する樹脂製部材である。ケーシング２は、冷却器３に絶縁基板４が設けられ、さらに絶縁基板４上にパワー半導体チップ５が設置された状態で、絶縁基板４を保持する容器である。

冷却器３は、絶縁基板４と一面が接触した状態で設けられている。冷却器３は、例えば水冷式とされ、内部に冷却水が流通することにより、絶縁基板４及びパワー半導体チップ５を冷却する。また、冷却器３は、外部部材（例えばアルミ筐体、図示せず）と電気的に接続されることにより、グランドとして機能する。すなわち、冷却器３は、グランドと同電位である。

絶縁基板４は、図２に示す変換回路Ａが形成されると共に、一方の面にパワー半導体チップ５が接合され、他方の面が冷却器３に接合されている。この絶縁基板４は、セラミック等の絶縁素材で構成された基板本体４ａと、パワー半導体チップ５が接合される面に複数設けられる正極側銅層４ｂ（正極側金属層）と、冷却器３に対して接合される面において、正極側銅層４ｂと対応する位置に複数設けられる接地側銅層４ｃ（接地側金属層）とを備えている。これにより、絶縁基板４は、正極側銅層４ｂと接地側銅層４ｃとの間がコンデンサＣとして機能する。このため、正極側銅層４ｂ及び接地側銅層４ｃは、それぞれ表面積が等しい同形状とされ、コンデンサＣの静電容量がコモンノードノイズの除去に必要となる静電容量、すなわち、負極側フィルタコンデンサ８の静電容量と同等となるように、表面積Ｓが設定されている。表面積Ｓは、基板本体４ａの厚さＬとして、下式に基づいて算出される。なお、εは誘電率を示す。

パワー半導体チップ５は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）にＦＷＤ（Free Wheeling Diode）を内蔵したＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、絶縁基板４に対してはんだ層９により接合されている。このようなパワー半導体チップ５は、複数個組み合わせて直流を交流に変換することを目的として実装されている。

接続導体６ａは、一端が正極側銅層４ｂにはんだ層９により接合され、他端がケーシング２に埋設された電力線１０ｐに接続された導電部材である。
接続導体６ｂは、一端がパワー半導体チップ５にはんだ層９により接合され、他端がケーシング２に埋設された電力線１０ｕに接続された導電部材である。接続導体６ｂに対して外部端子が接続されることにより、パワー半導体チップ５が電気的に外部（モータ、バッテリなど）と接続される。

平滑用コンデンサ７は、図２に示すように、絶縁基板４上に形成された変換回路Ａに並列接続されている。平滑用コンデンサ７は、一端が変換回路Ａにおける正極側と接続され、他端が変換回路Ａにおける負極側と接続されている。

負極側フィルタコンデンサ８は、一端が負極側に接続され、他端がグランドへと接続されている。この負極側フィルタコンデンサ８の静電容量は、絶縁基板４において形成されるコンデンサＣと同等とされる。

電力線１０ｐは、図１及び２に示すように、バッテリの正極側Ｐと、複数のパワー半導体チップ５とを電気的に接続する配線である。電力線１０ｎは、バッテリの負極側Ｎと、複数のパワー半導体チップ５とを電気的に接続する配線である。電力線１０ｕ、１０ｖ、１０ｗは、それぞれ、後述するモータＭの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）と絶縁基板４内の変換回路Ａとを電気的に接続する配線である。

このような電力変換装置１において、図２に示すように、変換回路Ａは、交流Ｕ相、交流Ｖ相、交流Ｗ相のそれぞれがモータＭの各相に電気的に接続されている。また、変換回路Ａは、各相に対して複数のスイッチング素子を備えている。そして、変換回路Ａは、一端がバッテリ（電源）の正極側Ｐに接続され、他端がバッテリの負極側Ｎに接続されている。すなわち、電力変換装置１は、バッテリから供給される直流電力を、３相交流電力へと変換し、モータＭへと供給する。

また、変換回路Ａにおいては、各相に対して１つずつコンデンサＣが設けられると共に、負極側と接続される負極側フィルタコンデンサ８が設けられている。このような静電容量の等しいコンデンサＣと負極側フィルタコンデンサ８とを用いることにより、変換回路Ａにおけるコモンモードノイズを除去している。

本実施形態に係る電力変換装置１は、絶縁基板４において正極側銅層４ｂ及び接地側銅層４ｃにより形成されたコンデンサＣの静電容量を、負極側フィルタコンデンサ８と等しくすることにより、正極側にフィルタコンデンサを設けることなくノイズを除去することが可能である。したがって、フィルタコンデンサの容量を減らすことが可能であり、電力変換装置１を小型化することができる。

また、本実施形態に係る電力変換装置１によれば、接地側銅層４ｃが冷却器３に電気的に接続されることにより、グランドと接続されている。したがって、正極側にフィルタコンデンサを設けることなくコモンモードノイズを除去することが可能である。

また、本実施形態に係る電力変換装置１は、各相の複数のスイッチング素子に対して１個ずつコンデンサＣが設けられている。したがって、絶縁基板４のサイズを均等とすることができ、絶縁基板４の実装が容易となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、図３及び４に示すように、電力変換装置１は、コンデンサＣが、負極側に配置されたパワー半導体チップ５と接続されることで、負極側の電力線１０ｎと電気的に接続されるものとしてもよい。なお、正極側のパワー半導体チップ５において銅層間に形成されるコンデンサＣの静電容量と、負極側のパワー半導体チップ５において銅層間に形成されるコンデンサＣの静電容量とが等しくなるように設定されている。このとき、電力変換装置１は、負極側フィルタコンデンサ８を備えない。この場合、図４に示すように、負極側の各相に対してコンデンサＣが形成されることとなるため、負極側フィルタコンデンサ８の容量を減らすことが可能であると共に、絶縁基板４のサイズを均等とすることができ、絶縁基板４の実装が容易となる。

上記実施形態においては、絶縁基板４を冷却器３に接合することにより、接地側銅層４ｃを接地するものとしたが、本発明はこれに限定されない。接地側銅層４ｃは、別途外部の接地部材へと電気的に接続されるものとしてもよい。

上記実施形態においては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対して１つずつコンデンサＣが形成されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。絶縁基板４上の配置によって、コンデンサＣが設けられる数は異なっていてもよい。

１電力変換装置
３冷却器
４絶縁基板
４ｂ正極側銅層
４ｃ接地側銅層
５パワー半導体チップ
８負極側フィルタコンデンサ

Claims

電源の負極側と接続される負極側コンデンサと、パワー半導体素子が実装される絶縁基板とを備える電力変換装置であって、
前記絶縁基板は、一方の面に形成されると共に前記パワー半導体素子が接合される正極側金属層と、他方の面において前記正極側金属層と対応する位置に形成されると共に接地部材と電気的に接続される接地側金属層とを備え、
前記正極側金属層と前記接地側金属層との間に形成されるコンデンサの静電容量は、前記負極側コンデンサの静電容量と等しく設定されることを特徴とする電力変換装置。
前記接地部材は、前記絶縁基板と接合される冷却器であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
直流電力を多相交流電力へと変換する変換回路を備え、
前記正極側金属層及び前記接地側金属層は、交流電力の各相に対応する複数のスイッチング素子ごとに設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。