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

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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