JP4565001B2 - 電力変換装置及びそれを備えた移動体 - Google Patents

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Description

本発明は、電動機に供給される電力を制御する電力変換装置及びそれを備えた移動体に関するものである。
従来の電力変換装置としては、例えば特開平8−140363号公報,特開平11−89247号公報に記載されたものが知られている。前者の公報に記載されたものでは、半導体素子,スナバコンデンサ,直流母線,平滑コンデンサを順次、冷却体上に積層状に配置して配線距離の短縮し、配線インダクタンスを低減している。後者の公報に記載されたものでは、コンデンサとインバータ部との間の配線部を、第1乃至第3の板状導体と第1,第2の絶縁シートが交互に積層された構造とし、配線インダクタンスを低減している。
特開平8−140363号公報 特開平11−89247号公報
近年、電動機を駆動源とする移動体、例えば電気自動車,ハイブリッド自動車などの電動車両においては、低価格化,燃費向上,一充電あたりの走行距離の向上,装置の実装スペースの縮小化などのために、バッテリから供給された直流電力を交流電力に変換して電動機に供給する電力変換装置の小型化の検討が進められており、前述した従来の電力変換装置よりも更に小型化した電力変換装置の実現が望まれている。
また、電動車両においては、電動機のみによる車輪駆動時,電動機によるトルクアシスト時などの大トルク出力要求時に必要とされる大電流制御のために、電力変換装置のインダクタンスの低減の検討が進められており、前述した従来の電力変換装置よりも更にインダクタンスを低減することができる電力変換装置の実現が望まれている。しかも、上述した電力変換装置の小型化の観点から、小さな実装面積でインダクタンスを低減することができる電力変換装置の実現が望ましい。
本発明の代表的な目的は、小型化が図られた電力変換装置及びそれを備えた移動体を提供することにある。また、本発明の別の代表的な目的は、小型化及び低インダクタンス化の両立が図られた電力変換装置及びそれを備えた移動体を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係るパワーモジュールは、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置、あるいは直流電力を所望の直流電力に変換するDC−DCコンバータ装置、に使用するパワーモジュールであって、前記パワーモジュールは、内部に収納室を有するパワーモジュールケースと、前記パワーモジュールケースの底部に設けられ、かつ電気伝導性を有し渦電流が流れる放熱板と、直流電力を供給するための正極接続部を備える正極直流端子と、直流電力を供給するための負極接続部を備える負極直流端子と、前記正極直流端子の正極接続部および前記負極直流端子の負極接続部との間に接続され、第1半導体スイッチと第2半導体スイッチとを備える直列回路を複数個有してなる前記パワーモジュールケースの内部に設けられたブリッジ回路と、を備えており、前記パワーモジュールケースが有する収納室は四角形状を成しており、前記四角形状の一つの辺の側を一方、前記四角形状の前記一つの辺に対向する側を他方、前記一方と他方とを結ぶ線を横切る方向の一つの側を左側、その反対側を右側として定義した場合、前記複数の直列回路は左右方向に並べて配置されており、前記それぞれの直列回路において、前記第1と第2半導体スイッチは左右方向にずれて、前記第1の半導体スイッチは第1列に配置され、前記第2の半導体スイッチは第2列に配置され、前記正極直流端子の正極接続部および負極直流端子の負極接続部は、前記第1半導体スイッチと第2半導体スイッチより前記収納室の前記一方の方であって、さらに前記収納室の左右方向において第1列の方にずれて配置されており、さらに前記第1半導体スイッチは、前記第2列の第2の半導体スイッチより前記収納室の前記他方側にずれて配置され、前記第2列に配置された前記第2半導体スイッチのさらに他方側の位置に、電気的な接続のための接続用導体板が設けられ、前記接続用導体板は、前記第1列および前記第2列の列に沿う方向において、前記第1半導体スイッチと部分的に重なっており、前記第1半導体スイッチと前記接続用導体板との間に左右方向の電気回路が設けられ、前記接続用導体板において第2列に沿った方向の電気回路が形成され、前記第2列に沿った方向の電気回路を介して前記接続用導体板は前記第2半導体スイッチと接続されている、ことを特徴とする。
本発明に係るパワーモジュールは、好ましくは、前記複数の直列回路は、3相交流電力を発生するためのU相用直流回路とV相用直流回路とW相用直流回路とを有しており、前記U相用直流回路とV相用直流回路とW相用直流回路は左右方向に並べて配置され、各相の直流回路は、前記直流回路を構成する第1半導体スイッチが第1列に、また前記第2半導体スイッチが第2列にそれぞれ配置され、前記正極直流端子と前記負極直流端子は積層状態で配置され、前記正極直流端子と前記負極直流端子は前記U相用直流回路と前記V相用直流回路と前記W相用直流回路とにそれぞれ接続するためのU相用とV相用とW相用の正極接続部および負極接続部を有しており、各相の正極接続部および負極接続部はそれぞれの相における第1列の一方にずれて配置されていることを特徴とする。
本発明に係るパワーモジュールは、好ましくは、前記パワーモジュールは交流電力を出力するための出力端子を有しており、前記出力端子は前記他方側であって、さらに左右方向において第2列の方にずれて配置されており、前記出力端子は前記接続用導体板と電気的に接続されていることを特徴とする。
本発明に係るパワーモジュールは、好ましくは、前記第1列に第1半導体スイッチ用導体板が設けられ、前記第1半導体スイッチ用導体板に前記第1半導体スイッチが固定され、前記正極直流端子の正極接続部から前記第1半導体スイッチ用導体板に電流が供給され、前記第1半導体スイッチ用導体板に固定された前記第1半導体スイッチから左右方向の回路を介して前記接続用導体板に電流が導かれ、前記接続用導体板に形成された第2列に沿う方向の前記電気回路を介して前記第2半導体スイッチに電流が導かれ、前記第2半導体スイッチから前記負極直流端子の負極接続部に電流が供給されることにより、前記放熱板に渦電流が誘起され、この渦電流により前記第1と第2半導体スイッチを有する直流回路を流れる電流に対するインダクタンスが低減されることを特徴とする。
本発明に係るパワーモジュールは、好ましくは、前記接続用導体板と前記第1半導体スイッチとの間の前記左右方向の電気回路は、左右方向を向くように設けられたワイヤボンディングであることを特徴とする。
本発明に係るパワーモジュールは、好ましくは、前記正極直流端子および前記負極直流端子は互いに積層状態で形成され、さらに前記第1半導体スイッチと前記第2半導体スイッチより一方の方に配置されていることを特徴とする。
本発明に係るパワーモジュールは、好ましくは、前記放熱板の前記第1半導体スイッチと第2半導体スイッチが保持されている面の反対の面に冷却フィンが設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、主回路配線面積を縮小することができるので、電力変換装置を小型化することができる。また、本発明によれば、環状の電気的な経路と対向する渦電流を伝導性部材に流すことができるので、電力変換装置のインダクタンスを低減することができる。従って、本発明の電力変換装置が搭載された駆動システムを備えた移動体によれば、低価格化,燃費向上,一充電あたりの走行距離の向上,装置の実装スペースの縮小化を図ることができる。また、電動機のみによる車輪駆動時,電動機によるトルクアシスト時などの大トルク出力要求時に必要とされる大電流制御が可能となり、発進時などにおいて移動体をスムーズに走行させることができる。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。電力変換装置には、例えば交流電力を直流電力に変換する整流装置,直流電力を交流電力に変換するインバータ装置,整流装置とインバータ装置の組み合わせであって、入力された直流電力を所望の直流電力に変換するDC−DCコンバータ装置などがある。本発明の実施例では、電動機を唯一の駆動源とする電気自動車,電動機及び内燃機関を駆動源とするハイブリッド自動車,前後輪の一方を内燃機関で駆動し、前後輪の他方を電動機で駆動する電動四駆式自動車において、バッテリから出力された直流電力を交流電動機に変換して電動機に供給するインバータ装置を例にとり説明する。尚、以下に説明する本発明の実施例の構成は、インバータ装置に限らず、整流装置及びDC−DCコンバータなどにも適用できる。
図7は、本発明の実施例であるインバータ装置が適用される自動車の構成例を示す。本例の自動車100は、内燃機関であるエンジン53と、誘導電動機や同期電動機などの交流電動機54を駆動源とするハイブリッド自動車である。車体50の前部には、前輪51a,51bを端部に設けた車軸51eが回転可能に取り付けられている。車体50の後部には、後輪51c,51dを端部に設けた車軸51fが回転可能に取り付けられている。車軸51eには伝達機構を介してエンジン53が機械的に接続されている。エンジン53には、交流電動機54が機械的に接続されている。
交流電動機54には、バッテリ57から出力された直流電力がインバータ装置55によって三相交流電力に変換され、電力線59を介して供給されている。インバータ装置55には、例えばエンジン制御装置(ECU)などの制御装置55から出力されたトルク指令信号や電流指令信号などが入力されている。制御装置55は、信号端子58を介して入力された自動車の運転状態信号,運転者からの発進,加速,減速,停止の各指令信号などに基づいてトルク指令値や電流指令値などを演算し、トルク指令信号や電流指令信号などとして出力する。トルク指令信号や電流指令信号を受けたインバータ装置55は、半導体素子のスイッチング動作(オン・オフ動作)を制御すべくPWM(Pluse Width Modulation)信号を発生して半導体素子のスイッチング動作を制御し、バッテリ57から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、交流電動機54に供給する。これにより、交流電動機54は駆動される。
ハイブリッド自動車では、発進時及び低速走行時などの低負荷走行時、エンジン53による車輪駆動を停止し、交流電動機54のトルク(出力)のみで車輪駆動する。このため、交流電動機54のトルクはエンジン53,伝達装置52を介して車軸51eに駆動力として伝達され、前輪51a,51bを駆動する。加速時などの高負荷走行時では、エンジン53と交流電動機54の両方で車輪駆動する。このため、交流電動機54のトルクはエンジン53にトルクアシスト用として伝達される。減速時及び停止時では、エンジン53によって交流電動機54を駆動する。このため、交流電動機54は交流電力を発生する。発生した交流電力はインバータ装置55によって直流電力に変換され、バッテリ57に供給され充電される。
本例では、ハイブリッド自動車について説明したが、図7の構成において、エンジン53を取り除き、駆動源を交流電動機54のみとすることにより、電動機を唯一の駆動源とする電気自動車とすることができる。また、図7の構成において、交流電動機54を車軸51fに伝達機構を介して機械的に接続する或いは電動機をもう一台用意し、その電動機を車軸51fに伝達機構を介して機械的に接続することにより、前輪をエンジン及び/又は交流電動機54で駆動し、後輪を交流電動機54或いはもう一台の電動機で駆動する電動四駆式自動車とすることができる。
図5は、図7の自動車100に搭載されたインバータ装置55の回路構成を示す。インバータ装置55は、電解コンデンサ29を含むパワーモジュール部30と、パワーモジュール部30の備えた半導体素子のスイッチング動作(オン・オフ動作)を制御する制御部(図示省略)から構成されている。パワーモジュール部30の入力側には、直流電源であるバッテリ57が主回路配線33を介して電気的に接続されている。主回路配線33には、半導体素子のスイッチング動作による直流電圧の変動を抑制するための容量素子である電解コンデンサ29が電気的に並列接続されている。本例では、電解コンデンサについて例示したが、上記機能を果たすことができる容量素子であれば、電解コンデンサに限定される必要はない。パワーモジュール部30の出力側には、U相,V相,W相からなる三相の出力配線59を介して交流電動機54が電気的に接続されている。インバータ装置55では、バッテリ57から主回路配線33を介して供給された直流電力がパワーモジュール部30の半導体素子のスイッチング動作によって可変周波数及び可変電圧の三相交流電力に変換し、この三相交流電力を三相の出力配線59を介して交流電動機54に供給する。
図6は、図5のパワーモジュール部30の回路構成を示す。バッテリと電気的に接続された正極直流端子3と負極直流端子2との間には、半導体スイッチ18aとダイオード19aとを並列接続した第1の回路と、半導体スイッチ18bとダイオード19bとを並列接続した第2の回路との直列回路が、半導体スイッチ18cとダイオード19cとを並列接続した第3の回路と、半体スイッチ18dとダイオード19dとを並列接続した第4の回路との直列回路が、半導体スイッチ18eとダイオード19eとを並列接続した第5の回路と、半導体スイッチ18fとダイオード19fとを並列接続した第6の回路との直列回路がそれぞれ接続されており、三相ブリッジ回路が構成されている。第1の回路と第2の回路との間にはU相の出力端子4が、第3の回路と第4の回路との間にはV相の出力端子5が、第5の回路と第6の回路との間にはW相の出力端子6がそれぞれ電気的に接続されている。
尚、20aは半導体スイッチ18aに設けられた制御端子、20bは半導体スイッチ18bに設けられた制御端子、20cは半導体スイッチ18cに設けられた制御端子、20dは半導体スイッチ18dに設けられた制御端子、20eは半導体スイッチ18eに設けられた制御端子、20fは半導体スイッチ18fに設けられた制御端子である。また、半導体スイッチ18a〜18fにおいては、上記制御端子と半導体スイッチの負極側の端子間電圧がスイッチグ動作をさせるべく動作信号になる。このため、半導体スイッチ18a〜18fには、上記制御端子に加えて制御部のドライブ回路に接続するための負極側端子が設けられているが、本例では図示省略している。
半導体スイッチ18a,18b,18c,18d,18e,18fは、例えばMOS−FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)或いはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)に代表されるパワー半導体素子によって構成されている。ここで、MOS−FETは素子構造にダイオードを含んでいるので、半導体スイッチとダイオードを1チップで構成することができる。このため、半導体スイッチをMOS−FETで構成した場合、別部品としてのダイオードの実装を省略することができる。また、MOS−FETでは、上述した制御端子をゲート端子と呼ぶ。
半導体スイッチ18a〜18fの制御端子20a〜20fそれぞれには、半導体スイッチ18a〜18fのスイッチング動作を制御すべくPWM制御信号電圧が制御部のドライブ回路から印加される。この印加されたPWM制御信号電圧により、半導体スイッチ18a〜18fのそれぞれはスイッチング動作時間、すなわちオン・オフ動作時間が制御される。この制御により、バッテリから供給された直流電力は各ブリッジ回路、すなわち第1,第2の回路からなるブリッジ回路においてU相の交流電力に、第3,第4の回路からなるブリッジ回路においてV相の交流電力に、第5,第6の回路からなるブリッジ回路においてW相の交流電力にそれぞれ変換される。この変換されたU相の交流電力はU相の出力端子4を介して、V相の交流電力はV相の出力端子5を介して、W相の交流電力はW相の出力端子6を介してそれぞれ交流電動機54に供給される。これにより、交流電動機54は駆動される。
尚、前述したように、交流電動機54はエンジンによって駆動される場合がある。この場合、交流電動機54はその駆動により三相交流電力を発生する。この発生した三相交流電力は回生電力として、各相に対応する出力端子を介してブリッジ回路に供給され、半導体スイッチ18a〜18fのスイッチング動作によって直流電力に変換される。変換された交流電力は正極直流端子3及び負極直流端子2を介してバッテリに供給される。バッテリは、供給された直流電力を充電する。
図4は、図5のインバータ装置55の回路構成を適用した実際のインバータ装置55の外観構成を示す。本例のインバータ装置55は、同一の密閉容器内にパワーモジュール部(電解コンデンサ29を除く)と制御部が収納され構成されている。密閉容器であるインバータケース1は、伝導性を有する放熱板7から形成された底壁のねじ止めによって、放熱部材である冷却フィン36の導体面上に固定されている。インバータケース1の対向する側壁の一方からは、板棒状の出力端子4〜6が突出しており、インバータケース1の外方に延伸している。出力端子4〜6は出力配線59(電力ケーブル)を介して交流電動機54と電気的に接続されている。
インバータケース1の対向する側壁の他方からは平面板状の入力端子が突出しており、インバータケース1の外方に延伸している。入力端子は正極直流端子3と負極直流端子2が平面板状の絶縁部材9を介して積層されたものであり、その下層側に負極直流端子2が、その上層側に正極直流端子3がそれぞれ配置されている。負極直流端子2は正極直流端子3よりもインバータケース1の外方に延伸している。入力端子には、平面板状の導体板21と平面板状の導体板22とを平面板状の絶縁部材23を介して積層した積層体がねじ止めによって固定されている。導体板21,22と絶縁部材23の積層体には電解コンデンサ29が取り付けられており、導体板21,22それぞれに電気的に接続されている。また、導体板21,22と絶縁部材23の積層体には、バッテリ57が電気的に接続されている。
インバータケース1の上壁からは、インバータケース1内の制御部を構成する回路と電気的に接続された補助制御端子26が複数突出し、インバータケース1の外方に延伸している。補助制御端子26は、エンジン制御装置(ECU)などの上位制御装置と電気的に接続され、上位制御装置から出力されたトルク指令信号や電流指令信号などの受信或いは信号送信用として用いられるものである。制御部は、信号を入出力するインターフェース回路、例えば交流電動機54に供給される三相交流電力などを検出するセンサ回路,上位制御装置から出力されたトルク指令信号や電流指令信号などに基づいて演算処理を行い、PWM制御信号を出力する計算機,計算機から出力されたPWM制御信号を昇圧或いは降圧し、半導体スイッチをスイッチング動作させるべくドライブ信号として出力するドライブ回路,センサ回路,計算機及びインターフェース回路に駆動電力を供給する制御電源のそれぞれを構成する複数の電子部品が回路基板に実装され構成されている。
図1乃至図3は、本発明の第1実施例であるインバータ装置55のパワーモジュール部30内の配置構成を示す。インバータケース1の底壁は、伝導性を有する銅製或いはAl−SiC合金製の放熱板7によって形成されている。放熱板7の両端部の4箇所にはねじ止め用の穴が形成されている。インバータケース1の対向する側壁の一方からは出力端子4〜6がインバータケース1内に突出しており、インバータケース1の内方に延伸している。インバータケース1の対向する側壁の他方からは入力端子がインバータケース1内に突出しており、インバータケース1の内方に延伸している。
入力端子は、正極直流端子3と負極直流端子2が絶縁部材9を介して積層されたものであり、図3に示す如く櫛形状に構成されている。このため、インバータケース1内には櫛形状の入力端子の3つの櫛歯部が、インバータケース1外には櫛形状の入力端子の櫛本体部がそれぞれ突出している。入力端子の3つの櫛歯部の下層側に位置する負極直流端子2は、上層側に位置する正極直流端子3よりもインバータケース1の内方に延伸している。後述するワイヤ配線との接続部を確保するためである。
インバータケース1内に突出した出力端子4〜6及び入力端子の3つの櫛歯部は、放熱板7上にインバータケース1によって電気的に絶縁支持されて対角状に配設されている。インバータケース1の左側に位置する入力端子の櫛歯部の延伸方向側と対向すると共に、出力端子4と隣り合う部分には絶縁基板15aが配設されている。出力端子4の延伸方向側と対向すると共に、インバータケース1の左側及び中央に位置する入力端子の櫛歯部と隣り合う部分には絶縁基板15bが配設されている。インバータケース1の中央に位置する入力端子の櫛歯部の延伸方向側と対向すると共に、出力端子4,5と隣り合う部分には絶縁基板15cが配設されている。出力端子5の延伸方向側と対向すると共に、インバータケース1の中央及び右側に位置する入力端子の櫛歯部と隣り合う部分には絶縁基板15dが配設されている。インバータケース1の右側に位置する入力端子の櫛歯部の延伸方向側と対向すると共に、出力端子5,6と隣り合う部分には絶縁基板15eが配設されている。出力端子6の延伸方向側と対向すると共に、インバータケース1の右側に位置する入力端子の櫛歯部と隣り合う部分には絶縁基板15fが配設されている。
絶縁基板15a上には基板導体パターン12aが形成されている。基板導体パターン12a上には半導体スイッチ13aが実装され、基板導体パターン12aと電気的に接続されている。基板導体パターン12aには、ワイヤ配線14aを介してインバータケース1の左側に位置する入力端子の櫛歯部の負極直流端子2が電気的に接続されている。半導体スイッチ13aにはワイヤ配線14bを介して出力端子4が電気的に接続されている。
絶縁基板15b上には基板導体パターン12bが形成されている。基板導体パターン12b上には半導体スイッチ13bが実装され、基板導体パターン12bと電気的に接続されている。基板導体パターン12bには、ワイヤ配線14cを介して出力端子4が電気的に接続されている。半導体スイッチ13bには、ワイヤ配線14dを介してインバータケース1の左側に位置する入力端子の櫛歯部の正極直流端子3が電気的に接続されている。
半導体スイッチ13a,13b、基板導体パターン12a,12b、ワイヤ配線14a,14b,14c,14dによる電気的な接続は、U相分のブリッジ回路を構成しており、インバータケース1の左側に位置する入力端子の櫛歯部から供給された直流電力が、半導体スイッチ13a,13bのスイッチング動作によりU相の交流電力に変換され、出力端子4から出力され、交流電動機54のU相に供給される。
絶縁基板15c上には基板導体パターン12cが形成されている。基板導体パターン12c上には半導体スイッチ13cが実装され、基板導体パターン12cと電気的に接続されている。基板導体パターン12cには、ワイヤ配線14eを介してインバータケース1の中央に位置する入力端子の櫛歯部の負極直流端子2が電気的に接続されている。半導体スイッチ13cにはワイヤ配線14fを介して出力端子5が電気的に接続されている。
絶縁基板15d上には基板導体パターン12dが形成されている。基板導体パターン12d上には半導体スイッチ13dが実装され、基板導体パターン12dと電気的に接続されている。基板導体パターン12dには、ワイヤ配線14gを介して出力端子5が電気的に接続されている。半導体スイッチ13dには、ワイヤ配線14hを介してインバータケース1の中央に位置する入力端子の櫛歯部の正極直流端子3が電気的に接続されている。
半導体スイッチ13c,13d、基板導体パターン12c,12d、ワイヤ配線14e,14f,14g,14hによる電気的な接続は、V相分のブリッジ回路を構成しており、インバータケース1の中央に位置する入力端子の櫛歯部から供給された直流電力が、半導体スイッチ13c,13dのスイッチング動作によりV相の交流電力に変換され、出力端子5から出力され、交流電動機54のV相に供給される。
絶縁基板15e上には基板導体パターン12eが形成されている。基板導体パターン12e上には半導体スイッチ13eが実装され、基板導体パターン12eと電気的に接続されている。基板導体パターン12eには、ワイヤ配線14iを介してインバータケース1の右側に位置する入力端子の櫛歯部の負極直流端子2が電気的に接続されている。半導体スイッチ13eにはワイヤ配線14jを介して出力端子6が電気的に接続されている。
絶縁基板15f上には基板導体パターン12fが形成されている。基板導体パターン12f上には半導体スイッチ13fが実装され、基板導体パターン12fと電気的に接続されている。基板導体パターン12fには、ワイヤ配線14kを介して出力端子6が電気的に接続されている。半導体スイッチ13fには、ワイヤ配線14lを介してインバータケース1の右側に位置する入力端子の櫛歯部の正極直流端子3が電気的に接続されている。
半導体スイッチ13e,13f、基板導体パターン12e,12f、ワイヤ配線14i,14j,14k,14lによる電気的な接続は、W相分のブリッジ回路を構成しており、インバータケース1の右側に位置する入力端子の櫛歯部から供給された直流電力が、半導体スイッチ13e,13fのスイッチング動作によりW相の交流電力に変換され、出力端子6から出力され、交流電動機54のW相に供給される。
尚、本実施例では、半導体スイッチとしてMOS−FETを用いた場合について説明したが、半導体スイッチとしてIGBTを用いた場合においても上述したように構成することができる。また、半導体スイッチとしてMOS−FETを用いた場合、ワイヤ配線が接続されている面がソース電極面、基板導体パターンと接続されてる面がドレイン電極面である。ソース電極面と同じ面上には、半導体スイッチのスイッチング動作信号(オン・オフ動作信号)などを受信するゲート電極面が形成されている。
絶縁基板15aと対向するインバータケース1の側面には、図示省略した制御部のドライブ回路に電気的に接続されたドライブ回路基板接続端子24aが設けられており、ワイヤ配線16aを介して半導体スイッチ13aのゲート電極面と電気的に接続されている。絶縁基板15bと対向するインバータケース1の側面には、図示省略した制御部のドライブ回路に電気的に接続されたドライブ回路基板接続端子24bが設けられており、ワイヤ配線16bを介して半導体スイッチ13bのゲート電極面と電気的に接続されている。
絶縁基板15cと対向するインバータケース1の側面には、図示省略した制御部のドライブ回路に電気的に接続されたドライブ回路基板接続端子24cが設けられており、ワイヤ配線16cを介して半導体スイッチ13cのゲート電極面と電気的に接続されている。絶縁基板15dと対向するインバータケース1の側面には、図示省略した制御部のドライブ回路に電気的に接続されたドライブ回路基板接続端子24dが設けられており、ワイヤ配線16dを介して半導体スイッチ13dのゲート電極面と電気的に接続されている。
絶縁基板15eと対向するインバータケース1の側面には、図示省略した制御部のドライブ回路に電気的に接続されたドライブ回路基板接続端子24eが設けられており、ワイヤ配線16eを介して半導体スイッチ13eのゲート電極面と電気的に接続されている。絶縁基板15fと対向するインバータケース1の側面には、図示省略した制御部のドライブ回路に電気的に接続されたドライブ回路基板接続端子24fが設けられており、ワイヤ配線16fを介して半導体スイッチ13fのゲート電極面と電気的に接続されている。
尚、本実施例では、半導体スイッチのゲート電極面を2個、ドライブ回路基板接続端子を3個とした場合について説明したが、半導体スイッチに電流検出,温度検出等の機能が付加されている場合、ゲート電極面の数は増える。また、電圧検出,温度検出などを実施する場合、ゲート電極面数の増加に応じてドライブ回路基板接続端子の数も増える。
本実施例によれば、絶縁基板15a〜15f,櫛形状の入力端子の3つの櫛歯部及び出力端子4〜6を市松模様状となるように交互に並べてインバータケース1内の放熱板7上に配設したので、絶縁基板15a〜15f上に余分な基板導体パターンを設けることなく、半導体スイッチ13a〜13fと櫛形状の入力端子の3つの櫛歯部及び出力端子4〜6との間を直接、ワイヤ配線で電気的に接続することができ、ワイヤ配線接続箇所を削減することができる。これにより、主回路配線面積を縮小し、パワーモジュール部30を小型化することができる。従って、インバータ装置55を小型化することができる。
ここで、主回路配線とは、入力端子と、電解コンデンサと、入力端子の負極直流端子と正極直流端子との間に半導体スイッチによるブリッジ回路を構成する配線と、入力端子の負極直流端子と正極直流端子との間に電解コンデンサを接続する配線で構成される回路配線をいう。
半導体スイッチとして低オン抵抗な半導体スイッチを使用する場合、主回路配線における損失と半導体スイッチのオン抵抗値による損失が同じ程度になる。このため、上述のように主回路配線抵抗で大きな割合を占めるワイヤ配線接続箇所を削減することは、電力変換の高効率化に効果がある。また、ワイヤ配線接続箇所の削減は、ワイヤ配線の接続工数の削減にもつながるので、生産コストの削減にも効果がある。
また、本実施例では、負極直流端子2,正極直流端子3及び出力端子4〜6と基板導体パターン12a〜12fとの接続をワイヤ配線14a,14c,14e,14g,14i,14kで行ったが、それを半田接合或いは超音波接合を用いて薄い板状導体で行ってもよい。薄い板状導体による接続によれば、接続工数をワイヤ配線接続よりも更に削減することができる。また、薄い板状導体による接続面積をワイヤ配線総断面積より大きくすることができるので、配線抵抗を低減することができる。
また、本実施例によれば、負極直流端子2と正極直流端子3との間に挟まれる絶縁部材9を、負極直流端子2のワイヤ配線との接合面の前まで挟み込むようにしたので,負極直流端子2と正極直流端子3における配線インダクタンスを低減することができる。
また、本実施例によれば、インバータケース1内における出力端子4〜6,櫛形状の入力端子及び絶縁基板15a〜15fの配置構成によって、インダクタンスを低減している。すなわちインバータ装置においては、半導体スイッチのスイッチング動作(オン・オフ動作)の切り替わりの際、主回路配線の電流値が大きく変化する。このため、主回路配線には、主回路配線と電解コンデンサの合計のインダクタンスと主回路配線における電流量の時間微分値の積によって決定される電圧(跳ね上り電圧)が生じる。この跳ね上り電圧は、半導体スイッチのスイッチング動作の切り替わりの際、半導体スイッチに電源電圧と共に瞬時的に印加される。跳ね上り電圧が増加し、半導体スイッチのスイッチング動作の切り替わりの際に印加される電圧が素子耐圧を越えると、絶縁破壊に至る可能性があるので、インバータ装置の正常動作には、跳ね上り電圧を抑制する必要がある。従って、跳ね上り電圧の要因となるインダクタンスの低減が必要になる。このインダクタンスの低減は、インバータ装置の大電流化するにあたっては特に重要な課題となる。
そこで、本実施例では、例えばインバータケース1の左側に位置する入力端子の櫛歯部の正極直流端子3→ワイヤ配線14d→半導体チップ13b→基板導体パターン12b→ワイヤ配線14c→出力導体4→ワイヤ配線14b→半導体チップ13a→基板導体パターン12a→ワイヤ配線14a→インバータケース1の左側に位置する入力端子の櫛歯部の負極直流端子2のように、放熱板7上にループ状の電流経路を形成している。これにより、電流量が時間変化した際、放熱板7にループ状の電流経路に対向した渦電流が流れるので、渦電流との電磁干渉によって電流経路のインダクタンスを低減することができる。
また、電流経路のインダクタンスは、電流経路のループ面積が小さい程低減される。本実施例では、絶縁基板15a〜15f,櫛形状の入力端子の3つの櫛歯部及び出力端子4〜6を市松模様状となるように交互に並べてインバータケース1内の放熱板7上に配設し、各相毎に放熱板7上にループ状の電流経路が形成されるように電気的に接続したので、ループ状の電流経路の面積を最小にすることができる。
また、跳ね上り電圧の問題に対して、耐圧の高い半導体スイッチを使用する対策があるが、耐圧を高くした場合、半導体スイッチはオン状態での抵抗値が大きくなる傾向がある。特に電源電圧が低く、半導体スイッチに大電流が流れるシステムでは、オン状態での半導体スイッチでの損失の割合が大きくなるため、インダクタンスの低減による跳ね上り電圧を抑制を、耐圧のより低い半導体スイッチで可能にすることができる。その効果、発熱低減による温度上昇の抑制に伴う寿命信頼性向上、或いは冷却コストの低減及び冷却装置の小型化などの効果を得ることができる。
また、上述した本実施例の配置構成によれば、半導体スイッチのゲート電極面と接続するワイヤ配線、例えばワイヤ配線16aの配線方向と、その近傍にあるワイヤ配線14bの配線方向をほぼ90度、すなわち直交させることができるので、ワイヤ配線14bに流れる電流によって生じる電磁ノイズを軽減させることができる。
図8は、本発明の第2実施例であるインバータ装置のパワーモジュール部内の配置構成を示す。前例においては三相交流電力変換用のインバータ装置について説明した。本実施例のインバータ装置は単相交流電力変換用のものであり、前例の三相交流電力変換用のインバータ装置の1相分(U相)の構成と全く同様に構成されている。従って、前例と同様の符号を付し、その説明を省略する。尚、本実施例においては、入力端子を構成する正極直流端子3及び負極直流端子2の形状が、出力端子と同様の板棒状のもので形成されている。本実施例によれば、前例と同様にインバータ装置を小型化することができると共に、インダクタンスを低減することができる。
本発明の第1実施例であるインバータ装置のパワーモジュール部内の配置構成を示す平面図。 図1のII−II矢視断面図。 図1のインバータ装置のパワーモジュール部内の配置構成を示す平面図であって、インバータケースを取り除いたときにおける配置構成を示す。 図1のインバータ装置の外観構成を示す斜視図。 インバータ装置の回路構成を示すブロック図。 図5のインバータ装置のパワーモジュール部の回路構成を示すブロック図。 ハイブリッド自動車の概略構成を示すブロック図。 本発明の第2実施例であるインバータ装置のパワーモジュール部内の配置構成を示す平面図。
符号の説明
1…インバータケース、2…負極直流端子、3…正極直流端子、4〜6…出力端子、7…放熱底板、8…ネジ穴、9…絶縁部材、12a〜12f…導体パターン、13a〜13f…半導体スイッチ、14a〜14l…ワイヤ配線、15a〜15f…絶縁基板、16a〜16f…ワイヤ配線、18a〜18f…半導体スイッチ、19a〜19f…ダイオード、20…制御端子、21,22…導体板、23…絶縁部材、24a〜24f…ドライブ回路基板接続端子、26…制御補助端子、29…電解コンデンサ、30…パワーモジュール部。

Claims (7)

  1. 直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置、あるいは直流電力を所望の直流電力に変換するDC−DCコンバータ装置、に使用するパワーモジュールであって、
    前記パワーモジュールは、
    内部に収納室を有するパワーモジュールケースと、
    前記パワーモジュールケースの底部に設けられ、かつ電気伝導性を有し渦電流が流れる放熱板と、
    直流電力を供給するための正極接続部を備える正極直流端子と、
    直流電力を供給するための負極接続部を備える負極直流端子と、
    前記正極直流端子の正極接続部および前記負極直流端子の負極接続部との間に接続され、第1半導体スイッチと第2半導体スイッチとを備える直列回路を複数個有してなる前記パワーモジュールケースの内部に設けられたブリッジ回路と、を備えており、
    前記パワーモジュールケースが有する収納室は四角形状を成しており、前記四角形状の一つの辺の側を一方、前記四角形状の前記一つの辺に対向する側を他方、前記一方と他方とを結ぶ線を横切る方向の一つの側を左側、その反対側を右側として定義した場合、
    前記複数の直列回路は左右方向に並べて配置されており、
    前記それぞれの直列回路において、
    前記第1と第2半導体スイッチは左右方向にずれて、前記第1の半導体スイッチは第1列に配置され、前記第2の半導体スイッチは第2列に配置され、
    前記正極直流端子の正極接続部および負極直流端子の負極接続部は、前記第1半導体スイッチと第2半導体スイッチより前記収納室の前記一方の方であって、さらに前記収納室の左右方向において第1列の方にずれて配置されており
    さらに前記第1半導体スイッチは、前記第2列の第2の半導体スイッチより前記収納室の前記他方側にずれて配置され、
    前記第2列に配置された前記第2半導体スイッチのさらに他方側の位置に、電気的な接続のための接続用導体板が設けられ、
    前記接続用導体板は、前記第1列および前記第2列の列に沿う方向において、前記第1半導体スイッチと部分的に重なっており、前記第1半導体スイッチと前記接続用導体板との間に左右方向の電気回路が設けられ、前記接続用導体板において第2列に沿った方向の電気回路が形成され、前記第2列に沿った方向の電気回路を介して前記接続用導体板は前記第2半導体スイッチと接続されている、ことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 請求項1に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記複数の直列回路は、3相交流電力を発生するためのU相用直流回路とV相用直流回路とW相用直流回路とを有しており、前記U相用直流回路とV相用直流回路とW相用直流回路は左右方向に並べて配置され、
    各相の直流回路は、前記直流回路を構成する第1半導体スイッチが第1列に、また前記第2半導体スイッチが第2列にそれぞれ配置され、
    前記正極直流端子と前記負極直流端子は積層状態で配置され、前記正極直流端子と前記負極直流端子は前記U相用直流回路と前記V相用直流回路と前記W相用直流回路とにそれぞれ接続するためのU相用とV相用とW相用の正極接続部および負極接続部を有しており、各相の正極接続部および負極接続部はそれぞれの相における第1列の一方にずれて配置されていることを特徴とするパワーモジュール。
  3. 請求項1あるいは請求項2に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記パワーモジュールは交流電力を出力するための出力端子を有しており、
    前記出力端子は前記他方側であって、さらに左右方向において第2列の方にずれて配置されており、前記出力端子は前記接続用導体板と電気的に接続されていることを特徴とするパワーモジュール。
  4. 請求項1乃至請求項3の内の一に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記第1列に第1半導体スイッチ用導体板が設けられ、前記第1半導体スイッチ用導体板に前記第1半導体スイッチが固定され、
    前記正極直流端子の正極接続部から前記第1半導体スイッチ用導体板に電流が供給され、前記第1半導体スイッチ用導体板に固定された前記第1半導体スイッチから左右方向の回路を介して前記接続用導体板に電流が導かれ、前記接続用導体板に形成された第2列に沿う方向の前記電気回路を介して前記第2半導体スイッチに電流が導かれ、前記第2半導体スイッチから前記負極直流端子の負極接続部に電流が供給されることにより、前記放熱板に渦電流が誘起され、この渦電流により前記第1と第2半導体スイッチを有する直流回路を流れる電流に対するインダクタンスが低減されることを特徴とするパワーモジュール。
  5. 請求項1乃至請求項4の内の一に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記接続用導体板と前記第1半導体スイッチとの間の前記左右方向の電気回路は、左右方向を向くように設けられたワイヤボンディングであることを特徴とするパワーモジュール。
  6. 請求項1乃至請求項5の内の一に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記正極直流端子および前記負極直流端子は互いに積層状態で形成され、さらに前記第1半導体スイッチと前記第2半導体スイッチより一方の方に配置されていることを特徴とするパワーモジュール。
  7. 請求項1乃至請求項5の内の一に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記放熱板の前記第1半導体スイッチと第2半導体スイッチが保持されている面の反対の面に冷却フィンが設けられていることを特徴とするパワーモジュール。
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