JP4859443B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

近年、大電流のスイッチング可能なパワー半導体素子の開発が進み、これを用いた電力変換装置は、スイッチングにより効率よくモータ等の負荷に電力を供給することができる。このため、電車，自動車等の車載用電機システムのモータ駆動に幅広く利用され、特にハイブリッド自動車ではエンジンと電気モータを組み合わせて、モータの低回転からの高トルク、電池への回生エネルギーの貯蔵、アイドル・ストップシステムを加えることで、高燃費、CO2の削減を実現している。

この電力変換装置に用いるパワー半導体素子は、スイッチング時に損失を発生する。このスイッチング損失を下げることが出来れば、電力変換装置の発熱を下げることができ、パワー半導体素子量の削減、電力変換装置を小型化、高密度化することができる。

このスイッチング損失を低減するためには、スイッチング時間を短くすることが必要で、電流の時間変化di/dtの大きくし、早いスイッチングをする方がよい。しかし、大電流のスイッチング時には、その急激な電流の時間変化di/dtと、配線の寄生インダクタンスＬのため、パワー半導体にＬ・di/dtによる跳ね上がり電圧、すなわち、電源電圧以上の過電圧が加わる。この跳ね上がり電圧のため、電力変換装置のパワー半導体素子は、電源電圧以上の耐圧素子を用いている。この跳ね上がり電圧の低減、損失の低減には、配線の寄生インダクタンスの低減が必要である。

電力変換装置の低インダクタンスとすべき部品は、スイッチング時に瞬時に電流が変化する回路上の部品で、平滑コンデンサ、パワー半導体素子を用いたパワー半導体モジュール、この間の接続用導体の部品である。これらの部品はもちろん、部品の接続部分を含めたトータルのインダクタンスを低くすることが重要となる。

コンデンサの低インダクタンス化に関する従来技術としては、特許文献１、２に示されるように、絶縁物を介して対向した平板状の正極、負極導体上に複数のコンデンサを配置し、近接するコンデンサの電極の極性が異なる接続すること、また、コンデンサとパワー半導体モジュールを近接接続し、距離を近づけることで、低インダクタンス化を図ったものがある。

特開２００１−２６８９４２号公報 特開２００４−１６５３０９号公報

しかしながら、複数のコンデンサを組み合わしたコンデンサモジュールは大きく重い。このため、HEV用インバータの温度差が激しい環境、段差乗り越え時の厳しい振動環境では、従来のコンデンサを近接接続した場合、電気接続部に応力が集中し、破断するという問題が生じる。このため、コンデンサモジュールとパワー半導体モジュールとの間に、第３の接続部材を介して接続し、応力緩和していた。このため、接続部でインダクタンスが増加し、十分な低インダクタンスを実現できなかった。

また、コンデンサはリップル電流による発熱が生じ、冷却に適した構造とすることが必要である。特に、HEV用インバータでは、使用環境温度が100℃以上となる閉空間に設置されることが多く、内部空気の対流による冷却が期待できないため、熱伝導のよい、放熱のための熱接触のよい形状とすることが必要となる。

また、背景技術では、コンデンサとパワー半導体モジュールが平面上に並ぶ配置となり、HEV用インバータで要求されるような省スペースな設置、低インダクタンスな配線、パワー半導体モジュールの上にコンデンサを設置する階層構造に適していない。

本発明は、低インダクタンスで応力緩和した接続構造を持ち、冷却構造を兼ね備えた、省スペースなコンデンサモジュールを提供する。

ここに、本発明は、前記フィルムコンデンサと直接接触する第１の幅広導体と、前記第１の幅広導体と絶縁シートと第２の幅広導体とが積層されて構成された積層体を備え、前記積層体は、前記コンデンサモジュールと電気的に接続され、前記コンデンサモジュールのケースから外に積層状態のまま引き出されて前記パワーモジュールに接続されており、前記フィルムコンデンサはそれぞれ両端面に電極を有しており、前記第１及び第２の幅広導体それぞれに前記フィルムコンデンサと電気的に接続するための接続端子部が形成されており、前記フィルムコンデンサの電極の一方は、前記第１の幅広導体面の一部を切り抜きして立ち上がるように形成された接続用端子部と直接接続されており、前記フィルムコンデンサの電極の他方は、前記第２の幅広導体面の一部を切り抜きして立ち上がるように形成された接続用端子部と直接接続されている。

以上説明した本発明によれば、電力変換装置のスイッチング時のサージ電圧を低減するに好適な、低インダクタンスで応力緩和した接続構造をもつコンデンサモジュール，これを用いた小型、高パワー密度の電力変換装置及び車載用電機システムを提供できる。

以下、図１〜図１２を用いて、本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュール，電力変換装置及び車載用電機システムについて説明する。

以下に説明する実施形態では、本発明のコンデンサモジュールが用いられる電力変換装置として、車載用電力変換装置を例にあげる。

なお、以下に説明する構成は、ＤＣ／ＤＣコンバータや直流チョッパなどの直流−直流電力変換装置にも適用可能である。また、以下に説明する構成は、産業用や家庭用などの電力変換装置にも適用可能である。

図１は、本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールを使用した電力変換装置INVを用いて構成した車載用電機システムと、内燃機関のエンジンシステムを組み合わせたハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と称する）のブロック図である。

本実施形態のHEVは、前輪FRW、FLW、後輪RPW、RLW、前輪車軸ＦＤＳ、後輪車軸ＲＤＳ、デファレンシャルギアＤＥＦ、変速機Ｔ／Ｍ、エンジンＥＮＧ、電動機ＭＧ１、ＭＧ２、電力変換装置ＩＮＶ、バッテリＢＡＴ、エンジン制御装置ＥＣＵ，変速機制御装置ＴＣＵ，電動機制御装置ＭＣＵ、バッテリ制御装置ＢＣＵ、車載用ローカルエリアネットワークＬＡＮを備える。

本実施例では、駆動力は、エンジンＥＮＧと２つの電動機ＭＧ１，ＭＧ２で発生し、変速機Ｔ／Ｍ、デファレンシャルギアＤＥＦ、前輪車軸ＦＤＳを通じて前輪FRW、FLWに伝わる。

変速機Ｔ／Ｍは、複数のギアから構成され、速度等の運転状態に応じてギア比を変えることができる装置である。

デファレンシャルギアＤＥＦは、カーブなどで左右の車輪FRW、FLWに速度差があるときに、適切に左右に動力を分配する装置である。

エンジンＥＮＧは、インジェクタ，スロットバルブ，点火装置，吸排気バルブ（いずれも図示省略）などの複数のコンポーネントで構成される。インジェクタは、エンジンＥＮＧの気筒内に噴射する燃料を制御する燃料噴射弁である。スロットバルブは、エンジンＥＮＧの気筒内に供給される空気の量を制御する絞り弁である。点火装置は、エンジンＥＮＧの気筒内の混合気を燃焼させる火源である。吸排気バルブは、エンジンＥＮＧの気筒の吸気及び排気に設けられた開閉弁である。

電動機ＭＧ１，ＭＧ２は、三相交流同期式、つまり永久磁石回転電機である。

尚、電動機ＭＧ１，ＭＧ２としては、三相交流誘導式回転電機やリラクタンス式回転電機などのものを用いてもよい。

電動機ＭＧ１，ＭＧ２は、回転する回転子と、回転磁界を発生する固定子からなる。回転子は、鉄心の内部に複数の永久磁石を埋め込んだもの、もしくは、鉄心の外周表面に複数の永久磁石を配置して構成する。固定子は、電磁鋼板に銅線を巻回して構成する。固定子の巻線に三相交流電流を流すことにより、回転磁界が発生し、回転子生じるトルクにより電動機ＭＧ１，ＭＧ２を回転させることができる。

電力変換装置ＩＮＶは、パワー半導体のスイッチングにより、電動機ＭＧ１，ＭＧ２の電力を制御するものである。簡単に言えば、高圧バッテリＢＡＴの直流源を、電動機ＭＧ１，ＭＧ２に繋いだり（オン）、切ったり（オフ）することで、電動機ＭＧ１，ＭＧ２を制御する。本実施例では、電動機ＭＧ１、ＭＧ２が三相交流モータであるので、スイッチング（オン、オフ）の時間幅の粗密により、三相交流電圧発生させ、電動機ＭＧ１、ＭＧ２の駆動力を制御する。

電力変換装置ＩＮＶは、スイッチング時に瞬時に電力を供給するコンデンサモジュールＣＭ，スイッチングするパワーモジュールＰＭＵ，パワーモジュールのスイッチングを駆動回路装置ＤＣＵ及び、スイッチングの時間幅の粗密を決める電動機制御装置ＭＣＵから構成する。

尚、コンデンサモジュールＣＭ、パワーモジュールＰＭＵは、図３以降に詳しく説明する。

電動機制御装置ＭＣＵは、総合制御装置ＧＣＵからの回転数指令ｎ*、トルク指令値τ*を電動機ＭＧ１，ＭＧ２で実現するため、パワーモジュールＰＭＵのスイッチングを決定する。このため演算するためのマイコン、データマップなどのメモリを搭載している。

駆動回路装置ＤＣＵは、電動機制御装置ＭＣＵで決定されたパワーモジュールＰＭＵのスイッチングに従い、パワーモジュールＰＭＵを駆動する。このため、パワーモジュールＰＭＵを駆動に必要な、数Ａ、数十Ｖの駆動能力を持つ回路を搭載する。また、高電位側のパワー半導体素子を駆動するために、制御信号を絶縁分離する回路を搭載している。

バッテリＢＡＴは、直流電源で、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの電力密度の高い２次電池で構成する。電力変換装置ＩＮＶを介して、電動機ＭＧ１，ＭＧ２に電力を供給し、または、逆に、電動機ＭＧ１，ＭＧ２の発電力を電力変換装置ＩＮＶで変換して貯蔵する。

変速機Ｔ／Ｍ、エンジンＥＮＧ、電力変換装置ＩＮＶ，バッテリーＢＡＴは、各々、変速機制御装置ＴＣＵ、エンジン制御装置ＥＣＵ、電動機制御装置ＭＣＵ、バッテリ制御装置ＢＣＵで制御する。これらの制御装置は、車載用ローカルエリアネットワークＬＡＮにより、総合制御装置ＧＣＵに接続し、総合制御装置からの指令値に基づき統括するとともに、双方向の通信も可能である。各制御装置は、総合制御装置ＧＣＵの指令信号（指令値）、各種センサ、他の制御装置の出力信号（各種パラメータ値）、予め記憶装置に記憶されているデータやマップなどをもとに、機器を制御する。

例えば、総合制御装置ＧＣＵは、運転者の加速要求に基づいたアクセルの踏み込み量に応じて車両の必要トルク値を算出し、この必要トルク値を、エンジンＥＮＧの運転効率が良くなるように、エンジンＥＮＧ側の出力トルク値と第１の電動機ＭＧ１側の出力トルク値とに分配する。分配されたエンジンＥＮＧ側の出力トルク値はエンジントルク指令信号としてエンジン制御装置ＥＣＵに、分配された第１の電動機ＭＧ１側の出力トルク値はモータトルク指令信号として電動機制御装置ＭＣＵに伝達され、各々、エンジンＥＮＧ、電動機ＭＧ１を制御する。

次に、ハイブリッド自動車の運転モードを説明する。

まず、車両の発進時や低速走行時においては、主に電動機ＭＧ１を電動機として動作させ、電動機ＭＧ１で発生した回転駆動力を、変速機Ｔ／Ｍ及びデファレンシャルギアＤＥＦを介して前輪車軸ＦＤＳに伝達する。これにより、前輪車軸ＦＤＳが電動機ＭＧ１の回転駆動力によって回転駆動されて前輪FRW、FLWが回転駆動し、車両が走行する、この時、電動機ＭＧ１には、バッテリＢＡＴからの出力電力（直流電力）が電力変換装置ＩＮＶによって三相交流電力に変換し供給する。

次に、車両の通常走行時（中速，高速走行時）においては、エンジンＥＮＧと電動機ＭＧ１を併用し、エンジンＥＮＧで発生した回転駆動力と、電動機ＭＧ１で発生した回転駆動力とを、変速機Ｔ／Ｍ及びデファレンシャルギアＤＦＦを介して前輪車軸ＦＤＳに伝達する。これにより、前輪車軸ＦＤＳがエンジンＥＮＧと電動機ＭＧ１の回転駆動力によって回転駆動されて前輪FRW、FLWが回転駆動し、車両が走行する。また、エンジンＥＮＧで発生した回転駆動力の一部は、電動機ＭＧ２に供給する。この動力の分配により、電動機ＭＧ２は、エンジンＥＮＧで発生した回転駆動力の一部によって回転駆動され、発電機として動作し、発電する。電動機ＭＧ２によって発電された三相交流電力は電力変換装置ＩＮＶに供給され、一旦直流電力に整流された後、再び三相交流電力に変換し、電動機ＭＧ１に供給する。これにより、電動機ＭＧ１１は回転駆動力を発生する、
次に、車両の加速時、特にエンジンＥＮＧに供給される空気量を制御するスロットル弁の開度が全開になる急加速時（例えば急勾配坂の登坂時で、アクセルの踏み込み量が大きい時）においては、前述した通常走行時の動作に加え、バッテリＢＡＴからの出力電力を電力変換装置ＩＮＶによって三相交流電力に変換して電動機ＭＧ１に供給し、電動機ＭＧ１によって発生する回転駆動力を増加する。

次に、車両の減速・制動時においては、前輪FRW、FLWの回動による駆動車軸ＤＳＦの回絵駆動力をデファレンシャルギアＤＦＦ、変速機Ｔ／Ｍを介して電動機ＭＧ１に供給して、電動機ＭＧ１を発電機として動作させ、発電させる、発電によって得られた三相交流電力（回生エネルギー）は、電力変換装置ＩＮＶによって直流電力に整流され、バッテリＢＡＴに供給する。これにより、バッテリＢＡＴを充電する。車両の停止時は、基本的にはエンジンＥＮＧ及び電動機ＭＧ１，ＭＧ２の駆動は停止するが、バッテリＢＡＴの残量が少ない場合には、エンジンＥＮＧを駆動して電動機ＭＧ２を発電機として動作させ、得られた発電電力を電力変換装置ＩＮＶを介してバッテリＢＡＴを充電する。

なお、ＭＧ１,ＭＧ２の発電、駆動の役割は、特に限定されず、効率によっては、上述と逆の役割で動作する。

本発明の第１の実施形態による車載用電機システムの電力変換装置ＩＮＶの大電流が流れる主回路の回路図を図２に示す。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態の電力変換装置ＩＮＶは、スイッチング時に瞬時に電力を供給するコンデンサモジュールＣＭ、スイッチングするパワーモジュールＰＭＵ，パワーモジュールPMUのスイッチング電力を供給する駆動回路装置ＤＣＵ、電動機を制御するためにスイッチング波形を制御する電動機制御装置ＭＣＵから構成する。なお、図２では、第１の電動機ＭＧ１に対する電力変換装置ＩＮＶの構成のみを示しているが、図１の電力変換装置ＩＮＶは、第２の電動機ＭＧ２に対するパワーモジュールPMU，駆動回路装置DCUも備えており、それらの構成は、図２に示すものと同様である。

パワーモジュールＰＭＵは、スイッチング（オン、オフ）するパワー半導体素子Ｍpu，Ｍnu、Ｍpv，Ｍnv、Ｍpw，Ｍnwを用いて、３相交流出力のため３個（Au、Av、Aw）のブリッジ回路を構成する。

ブリッジ回路の両端は、接続する接続部３a、４aを通じて、コンデンサモジュールＣＭの接続部3b、4bと接続する。

ブリッジ回路の中点は、接続部２４U、２４V、２４Wを通じて、電動機ＭＧ１の３相入力接続部（Ｕ接続部、Ｖ接続部、Ｗ接続部）に接続する。

ブリッジ回路は、各相毎に２つのパワー半導体素子を電気的に直列に接続した直列回路から構成されたものであり、アームともよばれ、高電位を出力するパワー半導体素子を上アーム、低電位を出力するパワー半導体素子を下アームと呼ぶ。

３個のブリッジ回路（Au、Av、Aw）のパワー半導体素子は、３相交流電圧を発生するように120°の位相差を持たせてスイッチング（オン、オフ）し、高電位側（上アーム）、低電位側（下アーム）の接続を切り替える。これにより、時間幅に粗密のあるパルス電圧波形の３相交流電圧を発生する。

パワー半導体素子（Ｍpu，Ｍnu、Ｍpv，Ｍnv、Ｍpw，Ｍnw）は、大電流をスイッチングするために、外部からスイッチングを駆動電源が必要となる。このため、パワー半導体モジュールPMUに、スイッチングを駆動する駆動回路ＤＣＵを接続する。

また、駆動回路ＤＣＵには、電動機制御装置ＭＣＵを接続し、電動機制御装置ＭＣＵから、電動機の回転数、トルク応じたスイッチング時間幅、タイミング（パルス電圧の粗密幅）の信号を受ける。

本実施例の回路図では、パワー半導体素子（Ｍpu，Ｍnu、Ｍpv，Ｍnv、Ｍpw，Ｍnw）として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いている。このため、スイッチング時に電流が還流するパワー半導体素子のダイオードDpu，Dnu、Dpv，Dnv、Dpw，DnwをＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間に逆並列（エミッタからコレクタに向かう方向が順方向になるように）接続する。

また、本実施例の回路図では、各相の上（下）アームのパワー半導体素子は、１つで構成している（ダイオード入れると２つ）が、電流容量にあわせて、パワー半導体素子を並列接続する。

本実施例の回路図では、パワー半導体素子としてＩＧＢＴを用いたが、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。この場合は、ＭＯＳＦＥＴの場合、還流用のダイオートが内臓されているため、特にダイオードは必要としない。

パワーモジュールＰＭＵは、ケースによって囲われ、ベースと呼ばれる金属板上に絶縁基板を介してパワー半導体素子を実装し、三相ブリッジ回路を形成するように、半導体チップ間、半導体チップと入力端子との間、半導体チップと出力端子との間をアルミワイヤや板状導体などの接続導体によって電気的に接続して構成する。ベースは、銅やアルミニウムなどの熱伝導性部材で構成し、スイッチングによるパワー半導体素子の発熱の冷却する。ベースの下面は空気或いは冷却水などの冷却媒体によって冷却する。冷却効率を向上させるために、冷媒との接触面積を増やすフィンなどを設ける。絶縁基板は、窒化アルミニウムなどの高熱伝導の絶縁部材を用いる。ベースと絶縁基板の間、絶縁基板とパワー半導体素子の間は、はんだなどの接合部材によって接合する。

パワーモジュールＰＭＵは、大電流をスイッチングする。このため、スイッチング時に、瞬時に電流が変化できる低インピーダンス回路が必要となる。高圧バッテリーBATは、内部インピーダンスや、接続ケーブルのインダクタンスがあるため、インピーダンスが高く、パワーモジュールPMUと低インピーダンスの回路を構成することはできない。

そこで、コンデンサモジュールCMは、電力変換装置INV内のパワーモジュールPMU近傍に設置、接続し、パワーモジュールPMUのスイッチング時に低インピーダンスの回路を構成する。つまり高周波では、コンデンサ自体は、コンデンサ容量C、周波数ｆとするとインピーダンスZ=１／（２×π×ｆ×C）により、低インピーダンスとなる。しかし、コンデンサモジュール内部やパワーモジュール内部の配線の寄生インダクタンス、コンデンサモジュールとパワーモジュールの接続部の寄生インダクタンスは、瞬時に電流変化する高周波では、寄生インダクタンスL、周波数ｆでは、インピーダンスZ＝２×π×ｆ×Lで大きくなる。また、電流変化dI/dtが大きくなると、この寄生インダクタンスLで発生する跳ね上がり電圧V＝L×dI/dtで大きくなる。

本実施例のコンデンサモジュールCMは、内部の配線が低インダクタンスで、かつ、パワーモジュールPMUとの接続部も、応力緩和構造をもつ低インダクタンス接続を実現している。このため、パワー半導体モジュールのスイッチングを早く（dI/dtを大きく）することができ、スイッチング時間が短い。つまり、大電流Iと大電圧Vがクロスする時間ｔが短く、発熱Q=I×V×ｔが小さい。この発熱Qが小さくなることで、パワー半導体素子の温度を下げることができ、パワー半導体素子の数を少なくすることができ、電力変換装置の小型化、低コスト化を実現できる。

本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールＣＭについて図3〜図１２を用いて説明する。
本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールＣＭの外観斜視図を図3に示す。コンデンサモジュールＣＭは、ナットが埋め込んだ固定用穴１７がある樹脂モールド用のケース１２で覆い、高圧バッテリＢＡＴからの接続部３ｃ、４ｃ、パワーモジュールＰＭＵとの接続部３ｂ、４ｂを備える。また、コンデンサセルＣＤＳを載置し、絶縁シート１０を介して積層した幅広導体８，９の積層体（後述）を、樹脂モールドケース１２から、そのまま、樹脂モールド外へ引き出し、パワーモジュールＰＭＵの接続部３ｂ、４ｂを形成する。

本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールの断面図、及び、一部拡大図を図４（a）、（ｂ）に示す。

コンデンサセルCDSは、絶縁シート１０を介して積層した幅広導体８，９の積層体の上に載置し、幅広導体８，９の端部に形成した接続部で電気的に接続する。このコンデンサセルCDSと積層体の一部を開口部のあるケース１２で覆い、樹脂１３でモールドする。樹脂モールドしない積層体（８，９，１０）に応力緩和用のベンド構造を設け、端部にパワーモジュールPMU接続部３ｂ（４ｂ）を形成する。

モールド１３に用いる樹脂１３は、熱伝導がよく、耐湿性のある絶縁材料であればよい。積層幅広導体に、穴や、凹凸を設けることで、モールド樹脂との密着がよくなり、コンデンサの発熱が幅広導体に伝わり放熱性がよくなる。

モールド用のケース１２は、ＰＰＳ等の耐湿性、耐熱性のあるものが好ましい。積層幅広導体８，９を樹脂モールドすることで、モールド用ケース１２によって蓋を被せる形となり、コンデンサセルCDSの耐湿性を高めることができる。

このように、樹脂モールドすることで、コンデンサCDSと積層幅広導体の接続箇所の信頼性、コンデンサCDSと積層幅広導体の密着によるコンデンサの冷却性、耐湿性の向上することができる。

積層体のベンド部の拡大図を図４（ｂ）を用いて、ベンド構造、これによるインダクタンス低減、応力緩和の効果を説明する。

幅広導体８と幅広導体９が絶縁シート１０を介して積層した積層体をU字にベンドした構造で、紙面上の方向で上下、左右の応力が加わっても、応力緩和できる。この幅広導体８、幅広導体を流れる電流方向、経路は８０、８１となる。この積層体のベンド構造により、ベンド部で幅広導体の長さが増すにもかかわらず、電流８０、８１が打ち消しあい、低インダクタンスが実現できる。このため、ベンド部の幅広導体８，９のインダクタンス６７−N、６７−Pに、インダクタンスの結合が起こり、電流８０，８１が同時に流れる場合に、インダクタンスを小さくすることができる。

本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールCMの分解図を図５に示す。
図５に示すように、樹脂モールド用のケース１２の内部には、複数のコンデンサからなるコンデンサセルＣＤＳを配置する。ここで、本実施形態では、コンデンサセルＣＤＳとして、金属を蒸着したフィルムを積層巻きし、金属吹き付けにより巻き軸方向の両面に電極１１を形成したフィルムコンデンサを用いている。つまり、本実施形態のコンデンサでは、電極１１が両側面に対向するようなコンデンサである。

コンデンサセルＣＤＳの下部には、幅広導体８、絶縁シート１０、幅広導体９の積層体が配置する。

幅広導体８は、複数のコンデンサセルＣＤＳを全て載置できる面積を有している。すなわち、幅広導体８は、円筒形状の複数のコンデンサを並置した場合は、その長手方向の幅、以上の幅広の導体となる。幅広導体８の上面には、コンデンサセルＣＤＳの電極１１と接続するための立ち上がり部１４が設ける。例えば、図示のように、６個のコンデンサセルＣＤＳから構成する場合、立ち上がり部１４は、６個形成する。また、その配置は、図示のように、一番手前のコンデンサセルＣＤＳ-Aに接続される立ち上がり部１４-Aは、コンデンサセルＣＤＳ-Aの紙面の左側の電極１１に接続する位置に設け、手前から２番目のコンデンサセルＣＤＳ-Bに接続される立ち上がり部１４Bは、コンデンサセルＣＤＳ-Bの紙面の右側の電極１１に接続する位置に設ける。このように、立ち上がり部１４を千鳥状とする。

幅広導体９も、幅広導体８と同様に、複数のコンデンサセルＣＤＳを全て載置できる面積を有している。すなわち、幅広導体９は、円筒形状の複数のコンデンサセルＣＤＳを並置した場合のその長手方向の幅以上の幅広の導体とする。幅広導体９の上面にも同様に、コンデンサセルＣＤＳの電極１１と接続するための立ち上がり部１５を設ける。幅広導体８と幅広導体９を積層した状態では、立ち上がり部１５は、幅広導体８に形成された貫通穴１６を貫通して、幅広導体８の上部に突出する。図示のように、６個のコンデンサセルＣＤＳでは、立ち上がり部１５は、立ち上がり部１４と同様に６個形成する。また、その配置は、図示のように、一番手前のコンデンサセルＣＤＳ-Aに接続する立ち上がり部１５Aは、コンデンサセルＣＤＳの右側電極１１に接続する位置に設け、手前から２番目のコンデンサＣＤＳ-Bに接続する立ち上がり部１５-Bは、コンデンサセルＣＤＳの左側電極１１に接続する位置に設けられ、立ち上がり部１５を千鳥状に設ける。したがって、１個のコンデンサセルＣＤＳについてみると、一方の端面の電極１１に幅広導体８の立ち上がり部１４を接続し、他方の端面の電極１１には幅広導体９の立ち上がり部１５を接続する。コンデンサモジュールＣＭを構成する複数のコンデンサＣＤＳは、幅広導体８と幅広導体９に対して並列接続する。積層幅広導体８，９とコンデンサセルＣＤＳの側面電極１１は、はんだ等により電気的に固着する。

コンデンサセルＣＤＳの接続用端子である立ち上がり部１４，１５は、積層幅広導体８，９の一部を切り抜き、幅広導体面から立体的に立ち上げて形成する。これにより、接続部材を新たに用いることなく、コンデンサセルＣＤＳと幅広積層導体８，９の接続ができ、はんだ付け箇所を減らし、工数低減、コスト低減になるほか、接続部の信頼性向上、電気抵抗低減、放熱性向上になる。

積層幅広導体８，９は、抵抗が低く、熱伝導が低い銅材を用いる。なお、軽量化が要求される場合は、アルミ材を用い、その表面にニッケル等をメッキすれば、はんだ接続が可能となる。積層幅広導体８，９の厚さは１ｍｍとしている。

絶縁シート１０としては、可能な限り薄いものが望ましく、電力変換装置内の環境温度が最大１２０℃であれば、ポリプロピレン（ＰＰ）や、ポリエチレン（ＰＥＴ）の１ｍｍ以下の０．２ｍｍ、０．４ｍｍ程度で、容易に形状が変形でき、モールド樹脂と密着性がいいものを用いる。絶縁シート１０が薄いほど幅広導体８，９を近接して積層することができるため、インダクタンスを小さくすることができる。電流容量が低い電力変換装置ＩＮＶであれば、積層幅広導体８，９の代わりに、絶縁シート１０の両面に金属をプリントしたものを用いることで、プリントした金属を幅広導体としてもよい。この場合は、接続導体を別途用意し接続する。

幅広導体８及び幅広導体９は、コンデンサセルＣＤＳを載置する第１の平面部と、この第１の平面部に対して、直角に折り曲げられた第２の平面部とを備えている。幅広導体８及び幅広導体９の第２の平面部の中央付近には、図４に示すように、平面部の長手方向に延在するU字状のベント部８ｃ，９ｃが設けられている。ベント部８ｃ，９ｃは、接続部の応力を緩和する。ベンド部の構造としては、U字ベンド以外にも、V字ベンドなど、接続部への応力を緩和する構造であればよい。

本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールの主要部の斜視図および電流経路の説明図を図６に示す。

幅広導体８の端部には、１個の接続部４ｃと、３個の接続部４ｂが形成されている。また、幅広導体９の端部には、１個の接続部３ｃと、３個の接続部３ｂが形成されている。接続部３ｃ，４ｃは、高圧バッテリーBATからのバスバー、ケーブル接続するために用いる。接続部３ｂ，４ｂは、それぞれ、パワーモジュールのＵ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アームと接続するために用いる。

接続部３ｂ，４ｂは、上方向からネジを挿入し締め付ける必要がある。そこで、ベント部８ｃ，９ｃは、第２の平面部に対して、接続部３ｂ，４ｂが突出している方向とは反対方向に設ける。

幅広導体８、絶縁シート１０、幅広導体９の積層体の上に、コンデンサCDSを接続固定した状態を示している。コンデンサセルCDS-Aの右側面の電極１１-Aには、幅広導体9の立ち上がり部15-Aが接続され、コンデンサセルCDS-Bの右側面の電極１１-Bには、幅広導体8の立ち上がり部14-Bが接続される。

このように、コンデンサセルCDSを配置接続することにより、積層体に電流が打ち消しあうように流れ低インダクタンスを実現することができる。

例えば、コンデンサセルＣＤＳ−A、ＣＤＳ−Ｂに流れる電流を考える。

コンデンサセルＣＤＳ−Aに流れる電流は６８−A、同じくコンデンサセルＣＤＳ−Ｂに流れる電流は６８−Ｂとなる。この２つの電流は、紙面に対して、反時計回り、時計回りと逆になる。

本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールの主要部の側面図及び電流経路の説明図を図７に示す。

先ほどの図６の電流６８−A、電流６８−Ｂは、幅広導体８，９で逆方向となる。つまり、コンデンサセルCDS直下の、幅広導体８のインダクタンス６１−A、幅広導体９のインダクタンス６１−Bに対して、電流６８−A、電流６８−Ｂが逆方向に流れ、インダクタンスが結合により、低インダクタンスとなる。

また、電流６８−A、電流６８−Ｂが作る磁束は、それぞれ、６９−A、電流６９−Ｂとなり、紙面から飛び出す方向、紙面に突き刺さる方向となり打ち消しあい、低インダクタンスとなる。

次に、本発明の第１の実施形態による電力変換装置INVのコンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUの接続を示す分解図を図８に示す。

図８の上側に示すコンデンサモジュールＣＭは、図３〜図７にて説明したものである。コンデンサモジュールＣＭの下側に、パワーモジュールＰＭＵを配置する。パワーモジュールＰＭＵは、Ｕ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アームがあり、それぞれに両端電極（４a-U、３a-U、４a-V、３a-V、４a-W、３a-W）をもつ構成である。このため、本実施例のコンデンサモジュールCMの接続部は、３対の４ｂ、３ｂの接続部をもつ。

コンデンサモジュールＣＭの接続部３ｂ，４ｂは、ネジを挿入可能な貫通穴を設け、この穴位置をパワーモジュールＰＭＵの接続部３ａ，４ａと同じにし、ネジで電気的、機械的に接続する。なお、コンデンサモジュールCMの接続部数は、パワーモジュールＰＭＵの接続部数に合わせて変更ができ、特に３対にこだわらないことは、言うまでもない。

本発明の第１の実施形態による電力変換装置INVのコンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUの接続断面図を図９に示す。

本発明の第１の実施形態による電力変換装置INVに用いるパワーモジュールPMUの上面図を図１０に示す。

図９及び図１０に示すように、パワーモジュールＰＭＵは、冷却用の銅ベース２０と、その上面の外周に接着したケース２１と、銅ベース２０の上面の中央部付近にはんだ付けした絶縁基板１９、その絶縁基板の回路パターンの上にはんだ付けしたＩＧＢＴ(M)、ダイオードと、ケース２１の内部から外部に向けて引き出された外部接続導体２２とを有している。外部接続導体２２−Ｃは、Ｕ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アームの各６個の両端電極を構成し、端部がコンデンサモジュールとの接続部（４a-U、３a-U、４a-V、３a-V、４a-W、３a-W）となる。また、外部接続導体２２−Ｍは、Ｕ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アームの中点で、３相電圧を出力する電極を構成し、端部が電動機ＭＧ１へ３相交流を出力する接続部（２４U、２４V、２４W）となる。ＩＧＢＴ(M)やダイオードと外部接続導体２２−Ｃの接続、三相出力の外部接続導体２２−Ｍと絶縁基板上の回路パターンの接続、絶縁基板上のパターン間の接続は、複数本のアルミワイヤ１８により電気的に接続する。

本実施例のパワーモジュールPMUでは、各相の上アーム、下アームには、パワー半導体素子IGBT、ダイオードを３並列接続しているが、特に、これにとらわれる必要はなく、電流容量に合わせて、素子寸法、素子数を変更できることは言うまでもない。また、本実施例では１つのモジュールで３相出力する６イン１モジュールを用いているが、１つのモジュールで1相出力する２イン１モジュールを３個並べて用いてもよい。なお、本実施例では、コンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUの大電流が流れる接続部について説明するため、パワー半導体素子のスイッチングする配線（ゲート配線）や、外部に取り出せる端子、配線パターンは図示していない。

ここで、本実施例のコンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUの接続構造を説明する。

図９に示すように、パワーモジュールＰＭＵの接続部３ａ，４ａがその手前の折り曲げ部から延在する方向（図示のＥ方向）と、コンデンサモジュールＣＭの接続部３ｂ，４ｂがその手前の折り曲げ部から延在する方向（図示のＦ方向）とは同一方向としている。
本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUとの接続部の拡大断面図と電流経路を図１１にて説明する。

ここで、図１１に示すように、幅広導体８を流れる電流は、接続部４b、４ａを通り、矢印２２のように流れる。このとき、接続部４b、４ａ上の電流をみると、電流方向が逆方向となり、打ち消しあっていることがわかる。つまり、コンデンサモジュールCMの接続部４ｂのインダクタンス６２−Pと、パワーモジュールPMUの接続部のインダクタンス５７−Nに、上述の互いに逆方向に電流が流れることで、インダクタンスが結合し、低インダクタンスとなる。

上記の３つのインダクタンス低減効果を、回路図でまとめて説明する。

本発明の第１の実施形態による電力変換装置INVのインダクタンス回路図を図１２に示す。

ここでは、急激に変化する電流、それにより発生する電圧を説明するため、抵抗成分は省略し、インダクタンス成分を主に記述する。また、パワーモジュールPMUは、U相の１アーム（Au）のみを記述し、上アーム、下アームのパワー半導体スイッチング素子Mpu、Dpuは、代表して１素子とする。

寄生インダクタンスの同一符号は、図4、図７、図１１と同一部分を示している。

寄生インダクタンス５３は、高圧バッテリBATと電力変換装置INVの間を接続するケーブルやバスバーのインダクタンスを示している。

寄生インダクタンス５５は、電力変換装置INVとMG1の間の接続するケーブルとバスバーの寄生インダクタンスを示している。

インダクタンス５４は、電動機MG１の界磁巻き線の一部のインダクタンスを示している。

パワーモジュールPMUには、内部の寄生インダクタンス５６の他に、高電位側と低電位側の電源の接続部に、絶縁距離のために生じる寄生インダクタンス５７−P、５７−Nがある。

コンデンサモジュールCMには、瞬時に電力を供給、吸収する複数のコンデンサセルCDS-A、CDS-B、各々のコンデンサセルCDSが載置された幅広導体の寄生インダクタンス６１−A、６１−B、樹脂モールド外の積層された幅広導体の寄生インダクタンス６７−P、６７−Nがあり、接続部には寄生インダクタンス６２―P、６２―Nがある。なお、ここでは、コンデンサはCDS-A、CDS-Bの２つのみを記載する。

今、パワーモジュールPMUの上アームのパワー半導体素子Mpuがオンからオフになるときの電流変化を考える。上アームのパワー半導体素子Mpuがオンのときに流れる電流経路は、電流経路６４となる。インダクタンス５４、５５は大きいため、ここを流れる電流は、スイッチング時に急激に変化できない。そのため、オフ時は下アームのパワー半導体素子（Dnu）を通る電流経路６５となる。ここで、急激に電流変化した回路を考えると、電流経路６６で電流が流れたことと同じになる。この電流経路６６の閉回路に存在する寄生インダクタンスを低くすることで、スイッチング時の跳ね上がり電圧低減、スイッチングスピードアップによるパワー半導体素子の発熱低減することができる。なお、本説明のスイッチングは、上アームのパワー半導体素子（Mpu）がオンからオフとなる場合を説明したが、上アームのパワー半導体素子（Mpu）がオフからオンの場合でも、下アームのパワー半導体素子（Dnu）は逆にオンからオフになるため、電流方向は逆となるが電流経路６６で電流が流れる。また、下アームのパワー半導体素子（Mnu）のスイッチング時でも、同様に、電流方向は逆になるときもあるが電流経路６６が流れることがわかる。

まず、第１の低インダクタンスの効果は、図４（ｂ）に示した積層体のベンド部による。

ベンド構造により接続部の応力緩和し、ベンド部の積層体の幅広導体８，９に逆に電流が流れることにより、インダクタンス６７−N、６７−Pに、インダクタンスの結合が起こり、インダクタンスを小さくすることができる。つまり、図１２の寄生インダクタンス６７−P、６７−Nを結合させ、インダクタンスを小さくすることができる。

第２の低インダクタンスの効果は、図７に示したコンデンサセルCDSと積層幅広導体８，９の千鳥接続による。

図７のように、コンデンサセルCDS-A、CDS-Bが載置された、幅広導体８、９の電流６８−A、電流６８−Ｂは、互いに逆方向となる。このことで、コンデンサセルCDS-A、CDS-B直下の幅広導体８のインダクタンス６１−A、幅広導体９のインダクタンス６１−Bに対して、電流６８−A、電流６８−Ｂが逆方向に流れ、インダクタンスが結合により、低インダクタンスとなる。つまり、図１２の寄生インダクタンス６１−A、６１−Bが結合し低インダクタンスとなる。

第３の低インダクタンスの効果は、図１１に示したコンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUの接続構造による。

図１１に示すように、コンデンサモジュールCMの接続部４b、パワーモジュールPMUの接続部４ａに、電流方向が逆方向に打ち消しあい、コンデンサモジュールCMの接続部４ｂのインダクタンス６２−Pと、パワーモジュールPMUの接続部4aのインダクタンス５７−Nのインダクタンスが結合し、低インダクタンスとなる。

以上、本実施例のコンデンサモジュールCMを用いて、接続部の応力緩和に加え、上記３つの低インダクタンスの効果により、図１２の電流経路６６上の低インダクタンスが実現できる。

また、従来HEV用インバータの温度差が激しい環境、段差乗り越え時の厳しい振動環境のため、従来の重いコンデンサを近接接続することができず、電気接続部の破断を防ぐため、コンデンサモジュールとパワー半導体モジュールとの間に、第３の接続導体、つまり、コンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUの間に、応力を緩和する別の低インダクタンスの接続導体が用いる場合があった。その場合、接続箇所が、コンデンサモジュールと接続導体、接続導体とパワーモジュールの２箇所の接続となる。接続箇所が増えると、外部からネジ止め等のアクセスが必要で、剥き出し状態となるため、絶縁距離が必要となり、インダクタンスが増加する。

本実施例では、コンデンサモジュールCMに積層体のベンド構造を設け、パワーモジュールPMUと直接接続を実現しているため、応力を緩和し、接続箇所の低減によるインダクタンスを低減している。例えば仮に、耐圧６００Ｖの電源接続部の絶縁距離が沿面距離で８ｍｍ必要であった場合、１ｍｍは約１ｎＨのインダクタンス増加となるため、１箇所の接続をなくすことで、８ｎＨのインダクタンスを低減することができる。

次に、図１３〜図２０を用いて、本発明の第２の実施形態によるコンデンサモジュールＣＭ及び電力変換装置INVの構成について説明する。

本実施例により、図１の電動機システムにおいて、２つの電動機MG1、MG2を制御する電力変換装置INVを、低インダクタンスかつ応力緩和構造で小型に実現できる。

図１３は、本発明の第２の実施形態によるコンデンサモジュールの構成を示す斜視図である。図１６は、本発明の第２の実施形態によるパワーモジュールの構成を示す平面図である。図１７は、本発明の第２の実施形態による電力変換装置の構成を示す断面図である。図１８は、本発明の第２の実施形態による電力変換装置の全体構成を示す断面図である。なお、図４〜図１４と同一符号は、同一部分を示している。

コンデンサモジュールＣＭ１、CM2の基本的な構成は、図４〜図１２に示したコンデンサモジュールＣＭと同様である。本実施例の特徴は、コンデンサモジュールＣＭ１に２つのパワーモジュールPMU1、PMU2が取り付けることができる接続穴を設け、これと対になるコンデンサモジュールＣＭ２にも同様に図１３に示すように、２つのパワーモジュールPMU1、PMU2が取り付けることができる接続穴を設け、さらに、コンデンサモジュールＣＭ１とコンデンサモジュールＣＭ２と２つのパワーモジュールPMU1、PMU2の接続部の穴位置を合わせ、すべて共締め接続できるところにある。このため、コンデンサモジュールＣＭ１、ＣＭ２は、図４に示したコンデンサモジュールＣＭの接続の穴の２倍の数を備えている。

本発明の第２の実施形態による電力変換装置INVのパワーモジュールPMUの配置図を図１４に示す。２つのパワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２は、図１０と同一の構成をとる。パワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２を、同極のコンデンサモジュール用の接続部が近接するように平面配置を示している。すなわち、パワーモジュールPMU1のＷ相の負極接続部PMU1-3a-WとパワーモジュールPMU2のU相の負極接続部PMU2-3a-U、パワーモジュールPMU1のＷ相の正極接続部PMU1-４a-ＷとパワーモジュールPMU2のＶ相の負極接続部PMU2-４a-Ｖというように、正極、負極が近接するように配置する。パワーモジュールPMU1、PMU2は同一構成のため、コンデンサモジュール用の接続部を同極が近接するように対向配置すると、パワーモジュールPMU2のU相の正極接続部PMU2-4a-U、パワーモジュールPMU１のU相の正極接続部PMU１-4a-Uは、対向するパワーモジュールの電極がない。このため、図１３のコンデンサモジュールＣＭ１のパワーモジュール接続部数は、正極が負極の数より１つ多い。

本発明の第２の実施形態による電力変換装置INVのコンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUの接続を示す分解図を図１５に示す。

図１５に示すように、コンデンサモジュールとの接続部を対向配置した２つのパワーモジュールPMU１、PMU２の上に、コンデンサモジュールＣＭ１、コンデンサモジュールＣＭ２を上から友締め接続する。つまり、コンデンサモジュールＣＭ２の接続部ＣＭ２-４b-２U、コンデンサモジュールＣＭ１の接続部ＣＭ１-４b-２U、パワーモジュールＰＭU２の接続部ＰＭU２-４a-Uが１つのネジ等で接続する。また、同様に、ＣＭ２-３b-２U、ＣＭ１-３b-２U、ＰＭU２-３a-Uが１つのネジで、ＣＭ２-３b-１W、ＣＭ１-３b-１W、ＰＭU１-３a-Ｗが１つのネジで、ＣＭ２-4b-1W、ＣＭ１-4b-１W、ＰＭU１-4a-Ｗが１つのネジで、ＣＭ２-4b-2V、ＣＭ１-4b-2V、ＰＭU2-4b-Vが１つのネジで、というように接続する。

本発明の第２の実施形態による電力変換装置INVのコンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUと駆動制御回路DCUとDCバスバーの組図を図１６に示す。

２つのパワーモジュールPMU１、PMU2の上に、それぞれ、駆動回路ＤＣU１、ＤＣU２を配置し、その上部に上述のコンデンサモジュールＣＭ１、ＣＭ２を接続する。２つのコンデンサモジュールＣＭ１、ＣＭ２は、ＤＣバスバーＤＣ−Busにより接続し、高圧バッテリBATの電圧を加える。ＤＣバスバーDC-Busは、高電位側（正極）、低電位側（負極）の２種類の導体を絶縁シート（図示せず）を介して部分的に積層したもので、高圧バッテリBATからの接続部DC-Bus-P、DC-Bus-Ｎを備える。また、外部へのノイズ防止のため、コモンモードチョークフィルタCFをコンデンサモジュールCM1,CM2と接続部DC-Bus-P、DC-Bus-Ｎ間に搭載している。また、HEV動作停止時のコンデンサモジュールCM1,CM2の緊急放電用抵抗、自然放電抵抗を接続する接続部DC-Bus-ＰＲ１、DC-Bus-ＮＲ１、DC-Bus-ＰＲ２、DC-Bus-ＮＲ２を備える。

本発明の第２の実施形態による電力変換装置INVのコンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUの接続断面図を図１７(a)に、拡大図を(b)に示す。図１７は、パワーモジュールPMU1、PMU2の接続部ＰＭU１-4a-W、ＰＭU２-4a−Vが近接した場所の断面である。

２つのネジ２３により、２つのコンデンサモジュールＣＭ１、ＣＭ２と２つのパワーモジュールPMU1、PMU2が電気的に接続している。この接続により、パワーモジュールPMU1とコンデンサモジュールＣＭ１、パワーモジュールPMU２とコンデンサモジュールＣＭ２というように１つのパワーモジュール上に１つのコンデンサモジュールが必ず低インダクタンスで接続される。

つまり、拡大図（ｂ）に示すように、パワーモジュールPMU1のスイッチング時のオンからオフへの過渡的な電流66-Aは、コンデンサモジュールCM1の接続部CM1-4b-1W、パワーモジュールPMU1の接続部PMU１-4a-Wを互いに逆方向に流れ、これらの接続部の寄生インダクタンスCM1-62-P、PMU1-57-Pが結合し、低インダクタンスな配線が実現できる。また、パワーモジュールPMU2のスイッチング時のオンからオフへの過渡的な電流66-Bは、コンデンサモジュールCM2の接続部CM2-4b-2V、パワーモジュールPMU2の接続部PMU2-4a-Vを互いに逆方向に流れ、これらの接続部の寄生インダクタンスCM2-62-P、PMU 2-57-Pが結合し、低インダクタンスな配線が実現できる。

さらに、本実施例の接続構造では、パワーモジュールPMU1のスイッチング時のオンからオフの過渡的な電流がコンデンサモジュールCM2の接続部CM1-4b-2VからパワーモジュールPMU1-4a-Wに流れようとしても、各接続部での電流が互いに逆方向にならないため、各接続部の寄生インダクタンスCM2-62-P、PMU 1-57-Pに磁気的に結合せず、低インダクタンスな配線とならない。つまり、パワーモジュールPMU1に対し、コンデンサモジュールCM2は、コンデンサモジュールCM1よりも大きな寄生インダクタンスをもち、スイッチング時の瞬時に変化する高周波の電流に対しては、高インピーダンスとなる。このため、パワーモジュールPMU1のスイッチング時のオンからオフへの過渡的な電流が、パワーモジュールPMU2とコンデンサモジュールCM2の低インダクタンスの経路に流れ込むことは少ない。

また、パワーモジュールPMU2のスイッチング時のオンからオフへの過渡的な電流も、上記と同様に、パワーモジュールPMU1とコンデンサモジュールCM1の低インダクタンスの経路に流れ込むことは少ない。

よって、パワーモジュールPMU1、PMU2の同時にスイッチングしたときでも、相互に跳ね上がり電圧が２重加わり、パワー半導体素子の耐圧を超えるような悪影響がなくなる。

一方、パワーモジュールPMU1にとって、コンデンサモジュールＣＭ２は、スイッチング後のオン状態の低周波電流に対しては、並列接続と同じになり、電流を供給することができる。つまり、拡大図（ｂ）でオン状態では、低周波電流はコンデンサモジュールCM1から電流6４-A、コンデンサモジュールCM２から電流64-Bを供給する。

また、パワーモジュールPMU２にとっても、低周波電流は、同様にコンデンサモジュールCM1,CM2から供給できる。

このように、各コンデンサモジュールは、直下のパワーモジュールに対して、跳ね上がり電圧を低減する低インダクタンス配線の直近コンデンサとして働き、斜め隣下のパワーモジュールに対しては、容量を増やすコンデンサとなる。２つのパワーモジュールをもつ電力変換装置に対して、跳ね上がり電圧低減などの余分なコンデンサが必要ない。つまり、図１の電動機システムにおいて、２つの電動機MG1、MG2を制御する電力変換装置INVを、低インダクタンスで応力緩和構造をもつコンデンサモジュールを用いて、小型に実現することができる。

本発明の第２の実施形態による電力変換装置INVの回路図を図１８に示す。

２つの電動機MG1、MG2を制御するため２つのパワーモジュールPMU1、PMU2、２つのコンデンサモジュールCM1、CM2で構成した図１５〜図１７の電力変換装置INVの回路図を示している。

なお、コンデンサモジュールCM1,CM2とパワーモジュールPMU1、PMU2の共締め接続部の寄生インダクタンスを主に記述し、その他の寄生インダクタンスは省略する。パワーモジュール内のパワー半導体素子のブリッジ回路で構成した３相アームAu、Av、Awは、ボックスで表示する。また、駆動回路DCUなどの制御回路は省略する。その他の同一符号は、同一部分を示している。

コンデンサモジュールCM1、CM２には、高圧バッテリBATから、図16に示したDCバスバーDC-busにより、電圧を加える。回路図上の寄生インダクタンスDC-bus-LP 、DC-bus-LNは、DCバスバーDC-busの高電位側（正極）、低電位側（負極）のバスバーの寄生インダクタンスを示している。ノイズ防止用のコモンモードチョークフィルタCFは、DCバスバーのコンデンサモジュールCM1、CM2と入力接続部DC-bus-P、DC-bus-Nの間にある。また、放電抵抗DRは、DCバスバーのコンデンサモジュールCM1、CM2とコモンモードチョークフィルタCFの間にある。

コンデンサモジュールCM1とパワーモジュールPMU１の接続部には、高電位側の寄生インダクタンスCM1-62P、PMU1-57P、低電位側の寄生インダクタンスCM1-62N、PMU1-57Nがあり、スイッチング時に流れる電流66-Aに対して、高電位側、低電位側で各々が磁気的に結合し、低インダクタンス配線を実現している。

また、コンデンサモジュールCM2とパワーモジュールPMU2の接続部には、高電位側の寄生インダクタンスCM2-62P、PMU2-57P、低電位側の寄生インダクタンスCM2-62N、PMU2-57Nがあり、スイッチング時に流れる電流66-Bに対して、高電位側、低電位側で各々が磁気的に結合し、低インダクタンス配線を実現している。

２つのコンデンサモジュールCM1,CM2とパワーモジュールPMU1,2の共締め接続部を渡る電流経路64Bに対しては、高電位側の接続部の寄生インダクタンスCM2-62P、PMU1-57Pがこの電流方向に対しては磁気的に結合せず低インダクタンスとならない。同様に、低電位側の接続部に対しても、同様となる。このため、パワーモジュールPMU1、PMU2のスイッチング時の過渡的な電流66-A、66-Bは互いに影響を与えない。ちなみに、１つの接続部の長さを15mmとすると、高電位側の２つの接続部では30mmとなり、1mmあたりインダクタンス1nHとすると、高電位側（正極）でインダクタンス30nHとなる。高電位側（正極）、低電位側（負極）の両方を合わせるとインダクタンス60nHとなる。

この渡り接続部のインダクタンスに比べて、本実施例のコンデンサモジュールCM1、CM2は、寄生インダクタンスが１桁小さくすることができる。このため、渡り接続部を、スイッチング時の過渡的な電流（数ギガA/ｓ）は、ほとんど流れない。このため、パワーモジュールPMU1のスイッチング時の電流経路66-A、パワーモジュールPMU2の電流経路66-Bが互いに干渉することない。これにより、互いの跳ね上がり電圧が重なりパワー半導体素子の耐圧を超えることはなくなる。

一方、スイッチング後のオン状態、つまり、電動機MG１に流れる数百Hz程度の低周波ｆの電流に対しては、渡り接続部のインダクタンスL（例えば60nH）は、インピーダンスZ=2×π×ｆ×Lで数μΩとなり、ほとんど抵抗がない。このため、パワーモジュールPMU1にとって、コンデンサモジュールＣＭ２は、コンデンサモジュールCM１と同様に低インピーダンスで並列接続した状態となり、電流を供給することができる。つまり、オン状態では、この低周波電流はコンデンサモジュールCM1から電流6４-A、コンデンサモジュールCM２から電流64-Bを供給する。

また、パワーモジュールPMU２にとっても、低周波電流は、同様にコンデンサモジュールCM1,CM2から供給できる。

本発明の第２の実施形態による電力変換装置INVのパワー半導体素子IGBTに流れる電流、電圧の概略波形を図１９に示す。

図１９のように、電流波形はオンスイッチングで急激に（数ギガA/s）立ち上がり、数十マイクロ秒のほぼ平坦な電流（数１００Hz）が流れ、オフスイッチングで急激に（数ギガA/s）立下る。

図１９で平坦に見える電流は、数１００Hzの低周波であるが、数十マイクロ秒を拡大して見ているため、平坦に見える。

図１９の波形を、図１８のパワーモジュールPMU１の上アームのIGBTの波形とする。
上アームのオンスイッチング（TR）の期間は、パワーモジュールPMU１の下アームのダイオードがオフするため、ダイオードのオフ時に発生する高周波のリカバリー電流が、図１８の回路図の電流経路66-Aで流れる。このリカバリー電流により、通電した電流以上の貫通電流がIGBTに流れる。上アームのIGBTの電圧は、このオンスイッチング（TR）に、ほぼゼロ（実際は導通損失があるため数V）となる。一方、下アームのダイオード、はオフするため、このダイオードのオフ時のリカバリー電流による跳ね上がり電圧が下アームのダイオード、IGBTに生じる（ダイオードの波形は図示せず）。本実施例の構造では、電流経路66-Aは、低インダクタンス回路であるため、このダイオードのリカバリー電流による下アームの跳ね上がり電圧も低減できる。

上アームが完全にオン状態（TP）の期間は、コンデンサモジュールCM1,CM２から低周波の電流が、図１８の回路図の電流経路64-A、64-Bで流れる。この電流は、数百Hｚ程度の低周波のため、コンデンサモジュール、パワーモジュールの接続部の寄生インダクタンス（30nH）は、この低周波では影響しない。このため、２つのコンデンサモジュールCM1、CM2は、ほぼ間にインピーダンスを挟まない並列回路となり、２つのコンデンサモジュールCM1、CM2から、ほぼ均等に電流が流れ込む。スイッチング時間（TR,TS）の１μｓ未満に比べ、オン期間（TP）は数10usと長いため、コンデンサモジュールCM1、CM2の発熱は、このオン期間（TP）に流れる電流量により決まる。このため、このオン期間（TP）の電流が、ほぼ均等に２つのコンデンサモジュールCM1、CM2から供給することで、２つのコンデンサモジュールCM1,CM2の発熱が均等に分担され、コンデンサモジュールCM1、CM2の寿命が向上する。

上アームがオフスイッチング（TS）の期間は、パワーモジュールPMU１の電流が急激にゼロになる。これまで、説明してきたように、図１８の回路図の電流経路66-Aで高周波の電流がながれる。このため、図１９の波形のように、上アームには、この電流変化により、電源電圧以上の跳ね上がり電圧が生じる。本実施例の構造では、電流経路66-Aは、低インダクタンス回路を実現しているため、ほとんど電圧は跳ね上がらない。

次に、本実施形態による電力変換装置の全体構成について説明する。

本発明の第２の実施形態による電力変換装置INVの断面構成図を図２０に示す。

電力変換装置INVの筐体２７は、熱伝導がよく、軽いアルミニウム等の材料で構成し、底面に冷却水流路２８を設けて、筐体全体と冷却し、外部雰囲気の温度から内部を断熱する。冷却流路２８に最も近い場所に、大電流の通電、スイッチングで最も発熱するパワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２を配置し、冷却する。コンデンサモジュールＣＭ１，ＣＭ２は、図３に示した固定穴１７を用いて、ネジ等により上面を電力変換装置の内部の筐体２７-Inの下面に接触するように、筐体２７-Inに固定する。これにより、コンデンサモジュールＣＭ１，ＣＭ２の熱は筐体２７-Inに伝達され、筐体２７を介して冷却媒体に放熱或いは筐体２７を介して外気に放熱される。放電抵抗DRはコンデンサモジュールCM1，CM2に蓄えられた電荷を放電するためのものであり、コンデンサモジュールCM1，CM2の間に配置され、電力変換装置INVの内部の筐体２７−Ｉｎの下面に接触するように、筐体２７−Ｉｎに固定されている。これにより、放電時、放電抵抗DRの熱は筐体２７-Inに伝達され、筐体２７を介して冷却媒体に放熱或いは筐体２７を介して外気に放熱される。

駆動回路装置ＤＣＵ１，ＤＣＵ２は、パワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２とコンデンサモジュールCM1，CM2との間で、かつパワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２の上部に配置し、電動機制御装置ＭＣＵは筐体２７−Ｉｎの上面に配置する。

なお、コンデンサモジュールCM1、CM2の固定方法は、穴にネジ山を設けてもよいし、ネジを樹脂に埋め込み出っ張りを設けてもよい。このように、樹脂モールドしたコンデンサモジュールCM1の１面を冷却することで、リップル電流によるコンデンサセルCDSの温度の上昇を防ぎ、長寿命化できる。

また、本実施形態では、コンデンサモジュールCM1,CM2の冷却面を上面としたが、筐体２７に接続する面を変更することで、側面や、複数箇所にしてもよい。この場合、本実施形態では、固定箇所が増えても、ベンド構造のため接続部への応力が緩和できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、２つの電動機MG1、MG2を制御する電力変換装置INVを用いた車載電機システムにおいて、２つのパワーモジュールPMU1,PMU2用いるコンデンサを、２つの低インダクタンスのコンデンサモジュールCM1,CM2で構成し、パワーモジュール１つに必ず低インダクタンスなコンデンサモジュール１つを組み合わせることで、跳ね上がり電圧の低減と干渉を防ぐことができ、かつ、低インダクタンスで接続されていない残りの１つコンデンサモジュールも電流供給するためのコンデンサ容量を増やす役割をし、電力変換装置INVを小型で実現することができる。
次に、本発明の第３の実施形態によるコンデンサモジュールの構成を図２１に示す。
図２１は、本発明の第３の実施形態によるコンデンサモジュールの構成を示す分解斜視図である。なお、図４と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、コンデンサモジュールＣＭの基本的な構成は、図４〜図１０に示したコンデンサモジュールＣＭと同様である。ただし、積層幅広導体８，９の第２の平面部には、図４に示したようなＵ字状のベント部は設けていない。

本実施形態によれば、ベント部をほどの接続部の応力緩和は期待できないものの、引き出し部が積層幅広導体の積層体となっていることで、応力緩和と低インダクタンスを実現できる。

次に、本発明の第４の実施形態によるコンデンサモジュールの断面図を図２２に示す。

本実施形態では、コンデンサモジュールＣＭの基本的な構成は、図４〜図１０に示したコンデンサモジュールＣＭと同様である。本実施例の特徴は、図４に比べ、コンデンサセルCDSの載置方向を変えた点である。コンデンサセルCDSは、蒸着したフィルムを巻回して製作しているため、熱伝導に異方性がある。つまり、巻回する軸方向CDS-Axが、径方向CDS-Radより熱伝導がよい。このため本実施例では、ケース１２の上面が、コンデンサセルCDS軸方向CDS-Aｘとなり、上面で伝熱のよい接続ができる。このため、コンデンサセルCDSの寿命を向上することができる。

次に、本発明の第５の実施形態によるコンデンサモジュールの構成を図５に示す。
本実施形態では、コンデンサモジュールＣＭの基本的な構成は、図４〜図１０に示したコンデンサモジュールＣＭと同様である。本実施例の特徴は、２つの電動機を制御する車載電機システムの電力変換装置のコンデンサモジュールCMにおいて、パワーモジュール１つに必ず低インダクタンスなコンデンサモジュール１つを接続できる配置で、かつ、低インダクタンスで接続していない残りの１つコンデンサモジュールも電流供給するためのコンデンサ容量を増やす役割を維持しつつ、コンデンサモジュールを１つにまとめた点である。コンデンサモジュールCMは、絶縁シートを介して２枚の幅広導体を積層した積層体の両端に、複数個のコンデンサセルCDSを載置配置し、中心位置でパワーモジュールと接続する構造である。これにより、２つのコンデンサモジュールのときに生じた組み立て時にコンデンサモジュールのネジ止めの位置あわせ不要になる。また、本実施例では、２つのパワーモジュールと接続する構造のため接続穴が複数あるが、２つのパワーモジュールが１つになったパワーモジュールを用いる場合は、接続部の穴を減らすことができ、底面積をさらに小さくできる。

以上説明したように、本実施例によれば、低インダクタンスでかつ接続部の応力を緩和したコンデンサモジュールが得られる。

さらに、本実施例によれば、小型な電力変換装置INVを実現することができる。

さらに、本実施例によれば、２つの電動機MG1、MG2を制御する電力変換装置INVを小型で実現することができる。

さらに、本実施例によれば、２つの電動機MG1、MG2を制御する電力変換装置を備えた車載電機システムを小型に提供できる。

本発明の第１の実施形態による車載用電機システム搭載した車両の構成を示すシステム構成図である。 本発明の第１の実施形態による車載用電機システムに用いる電力変換装置ＩＮＶの主回路図である。 本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールの外観斜視図である。 本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールの断面図（a）、及び、一部拡大図(b)である。 本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールの分解図である。 本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールの主要部の斜視図および電流経路の説明図である。 本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールの主要部の側面図及び電流経路の説明図である。 本発明の第１の実施形態による電力変換装置INVのコンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUの接続を示す分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態による電力変換装置INVのコンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUの接続を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による電力変換装置INVに用いるパワーモジュールPMUの上面図である。 本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUとの接続部の拡大断面図と電流経路の説明図である。 本発明の第１の実施形態による電力変換装置INVのインダクタンス回路図である。 本発明の第２の実施形態によるコンデンサモジュールCMの外観斜視図である。 本発明の第２の実施形態による電力変換装置INVのパワーモジュールPMUの配置図である。 本発明の第２の実施形態による電力変換装置INVのコンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUの接続を示す分解図である。 本発明の第２の実施形態による電力変換装置INVのコンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUと駆動制御回路DCUとDCバスバーの組図である。 本発明の第２の実施形態による電力変換装置INVのコンデンサモジュールCMとパワーモジュールPMUの接続断面図である。 本発明の第２の実施形態による電力変換装置INVの回路図である。 本発明の第２の実施形態による電力変換装置INVのパワー半導体素子IGBTに流れる電流、電圧の概略波形である。 本発明の第２の実施形態による電力変換装置INVの断面構成図である。 本発明の第３の実施形態によるコンデンサモジュールの構成を示す分解斜視図である。 本発明の第４の実施形態によるコンデンサモジュールの構成を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態によるコンデンサモジュールの構成を示す断面図である。

符号の説明

MG1,MG2…電動機
ＩＮＶ…電力変換装置
ＭＣＵ…電動機制御装置
ＣＭ、ＣＭ１、ＣＭ２…コンデンサモジュール
ＰＭＵ,ＰＭＵ1,ＰＭＵ2…パワーモジュール
ＤＣＵ、ＤＣＵ１、ＤＣＵ２…駆動回路装置
M、Ｍpu，Ｍnu、Ｍpv，Ｍnv、Ｍpw，Ｍnw…パワー半導体素子
3a,4a, 3a-U,4a-U, 3a-V,4a-V, 3a-W,4a-W, 24U, 24V, 24W, 24U-1, 24V-1, 24W-1, 24U-2, 24V-2, 24W-2,PMU1-3a-U, PMU1-3a-V, PMU1-3a-W, PMU1-4a-U, PMU1-4a-V, PMU1-4a-W,PMU2-3a-U, PMU2-3a-V, PMU2-3a-W, PMU2-4a-U, PMU2-4a-V, PMU2-4a-W,…パワーモジュール接続部
3b,4b,3c,4c,CM1-3b-1U,CM1-3b-2U,CM1-3b-1V,CM1-3b-2V,CM1-3b-1W,CM1-3b-1W,CM1-4b-1U,CM1-4b-2U,CM1-4b-1V, CM1-4b-2V ,CM1-4b-1W,CM1-4b-1W,CM2-3b-1U,CM2-3b-2U,CM2-3b-1V,CM2-3b-2V,CM2-3b-1W,CM2-3b-1W,CM2-4b-1U,CM2-4b-2U,CM2-4b-1V, CM2-4b-2V,CM2-4b-1W,CM2-4b-1W…コンデンサモジュール接続部
８、９、CM1-８、CM1-９、CM２-８、CM２-９…幅広導体
１０、CM1-10、CM2-10…絶縁シート
１１、１１-A、１１-B…コンデンサセル電極
CDS、CDS-A、CDS-B…コンデンサセル
１２…樹脂モールドケース
１３…モールド樹脂
１４，１５、１４-A，１５-A、１４-B，１５-B…立ち上がり部

Claims (4)

1. 直流電流を平滑するためのフィルムコンデンサを複数有するコンデンサモジュールと、
   バッテリからの直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子を有するパワーモジュールとを備えた電力変換装置において、
   前記フィルムコンデンサと直接接触する第１の幅広導体と、
   前記第１の幅広導体と絶縁シートと第２の幅広導体とが積層されて構成された積層体を備え、
   前記積層体は、前記コンデンサモジュールと電気的に接続され、前記コンデンサモジュールのケースから外に積層状態のまま引き出されて前記パワーモジュールに接続されており、
   前記フィルムコンデンサはそれぞれ両端面に電極を有しており、
   前記第１及び第２の幅広導体それぞれに前記フィルムコンデンサと電気的に接続するための接続端子部が形成されており、
   前記フィルムコンデンサの電極の一方は、前記第１の幅広導体面の一部を切り抜きして立ち上がるように形成された接続用端子部と直接接続されており、
   前記フィルムコンデンサの電極の他方は、前記第２の幅広導体面の一部を切り抜きして立ち上がるように形成された接続用端子部と直接接続されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記第２の幅広導体にある前記接続用端子部は、前記第１の幅広導体に設けられた貫通穴を貫通して前記第１の幅広導体の上部に突出することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記接続用端子部は、前記第１及び第２の幅広導体面上に千鳥状に構成されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記第１および第２の幅広導体の接続用端子部同士が接触しないように構成されていることを特徴とする電力変換装置。

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