JP5017970B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置に関し、特に、半導体素子、冷却器及びコンデンサを一体的に組み込んだ電力変換装置に関する。

従来、冷却効率を向上すると共に小型化した「半導体装置及びインバータ装置」（特許文献１参照）が知られている。
この「半導体装置及びインバータ装置」は、半導体装置の冷却器の主面上に、内部に半導体素子を実装した電力基板を有する樹脂製パッケージを乗せて形成されており、この樹脂製パッケージの内部において、半導体素子の電極は、樹脂製パッケージの内部の電極に電気的に接続される。

樹脂製パッケージの主面上に設けた電極端子と半導体素子の電極は、樹脂製パッケージの内部の電極により接続されている。そして、樹脂製パッケージの上にコンデンサを配置すると共に、コンデンサの電極を電極端子に接続する。この接続は、ネジ止めにより行なうことが一般的である。
特開２００１−０７７２６０号公報

しかしながら、従来の電力変換装置の場合、コンデンサの電極と樹脂製パッケージの電極端子の接続等、各構成部品の取り付けや接続固定に広いスペースを必要としていたため、電力変換装置の大型化が避けられなかった。
この発明の目的は、各構成部品の取り付けスペースの拡大を防いで装置全体を小型化することができる電力変換装置を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る電力変換装置は、半導体素子を実装した電力変換回路と、前記電力変換回路を載置した冷却器と、前記電力変換回路を覆って前記冷却器に装着固定され、内面に装着保持したコンデンサを前記電力変換回路に対向配置するケースと、前記電力変換回路と前記コンデンサの間に配置され、主面を絶縁物を介して前記コンデンサに接合し裏面を前記電力変換回路に接合した、前記電力変換回路のバスバ電極又はベースプレートとを有している。

この発明によれば、半導体素子を実装した電力変換回路が冷却器に載置されると共に、ケースが電力変換回路を覆って冷却器に装着固定されることにより、ケースの内面に装着保持したコンデンサが電力変換回路に対向配置され、電力変換回路とコンデンサの間に、主面を絶縁物を介してコンデンサに接合し裏面を電力変換回路に接合した、電力変換回路のバスバ電極又はベースプレートが配置される。このため、各構成部品の取り付けスペースの拡大を防いで装置全体を小型化することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
図１は、この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の回路構成を示す回路説明図である。図１に示すように、電力変換装置１０は、電力変換回路１１と、電力変換回路１１の直流入力側に接続された平滑用のコンデンサ１２を有している。コンデンサ１２は、直流電源１３に並列接続されている。電力変換回路１１の交流出力側には、電動機１４が接続されている。この電力変換回路１１により、入力電力である、直流電源１３の直流電力を、所望の周波数や電圧、電流の交流電力に変換し、この交流電力を駆動電力として電動機１４に供給する。

電力変換回路１１は、半導体素子１５を２個一組として形成したスイッチ回路１６を電気的に直列接続し、更に、それを電気的に３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）分並列接続することにより、３相インバータ回路として形成されている。この例では、半導体素子１５として、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）１７と、高速整流ダイオード（Ｆａｓｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｄｉｏｄｅｓ：ＦＲＤ）１８を用いている。なお、抵抗１７ａは、ＩＧＢＴ１７のゲート抵抗である。

図２は、図１の電力変換装置の側面構造を示す説明図である。図３は、図２のＡ−Ａ線の下方側に位置する構成部品の配置構成を示す説明図である。図４は、図２のＡ−Ａ線の上方側に位置する構成部品の配置構成を示す説明図である。図５は、図３の上方から見た平面説明図である。図６は、図４の下方から見た平面説明図である。図７は、図３と図４に示す構成部品を組み合わせた状態における図５と図６のＢ−Ｂ線に沿う断面説明図である。図８は、図３と図４に示す構成部品を組み合わせた状態における図５と図６のＣ−Ｃ線に沿う断面説明図である。

図２から図８に示すように、電力変換装置１０は、半導体素子１５（ＩＧＢＴ１７、ＦＲＤ１８）を実装した（図５参照）電力変換回路１１の主面（表面）を、略直方体形状を有するコンデンサ１２に対向配置して、電力変換回路１１の主面上方にコンデンサ１２を位置させている。コンデンサ１２は、複数個配置され、ケース１９の蓋部１９ａの裏面側に接合されている。このケース１９を、電力変換装置１０を冷却する主冷却器２０に接合することにより、電力変換回路１１を、ケース１９を介して主冷却器２０に熱結合させている。
つまり、蓋部１９ａは、コンデンサ１２を支持する支持板として機能しており、コンデンサ１２は、直接、蓋部１９ａに接合する他、別部材としての支持板（図示しない）を介して蓋部１９ａに接合してもよく、或いは支持板を、直接、主冷却器２０に接合しても良い。

ケース１９は、平板状の蓋部１９ａの周縁に、裏面側に突出する側壁１９ｂを有する箱状に形成されており、側壁１９ｂの下端には、内側に向けて突出する係止爪１９ｃが形成されている。なお、蓋部１９ａには、副冷却器（図示しない）を備えていても良い。
複数のコンデンサ１２は、押さえ金具２１により、蓋部１９ａ、即ち、ケース１９に保持されている。押さえ金具２１は、絶縁材２２を介して各コンデンサ１２の電力変換回路１１に対向する面に接触すると共に、端部を蓋部１９ａに接合しており（図７参照）、これにより、後述する支柱２７若しくはフレーム３０（図３参照）を接合させている。
即ち、電力変換装置１０は、半導体素子１５を実装した電力変換回路１１と、電力変換回路１１を載置した主冷却器２０と、電力変換回路１１を覆って主冷却器２０に装着固定され、内面に装着したコンデンサ１２を電力変換回路１１に対向配置するケース１９とを有している。

このような構成を有することにより、コンデンサ１２を電力変換回路１１に接続するスペース、及び電力変換回路１１をケース１９若しくは主冷却器２０に接続するスペースを大幅に低減することができる。特に、大電流を扱う電力変換装置１０においては、コンデンサ１２も必然的に大きくなるが、そのコンデンサ１２を、電力変換装置１０の主面に配置固定するのは困難ではない。
また、コンデンサ１２と電力変換回路１１を一体化することができる。一体化後、大きなコンデンサ１２自体又はコンデンサ１２を支持する支持板を、電力変換装置１０のケース１９又は主冷却器２０に接合すれば、電力変換回路１１を、主冷却器２０に確実、且つ、容易に熱結合することができる。

よって、コンデンサ１２を電力変換回路１１に接続するための構造体や空間、及び電力変換回路１１をケース１９若しくは主冷却器２０に接続する構造体や空間を、削減することできるので、装置サイズを大幅に小型化することができる。
また、押さえ金具２１を有することにより、大電流を変換する電力変換装置においてコンデンサ１２を単一でなく複数個並列接続する場合に、複数のコンデンサ１２を保持した上に、蓋部１９ａに接合できるので、大型化することなく電流容量に合わせたコンデンサ１２を設置することができる。この押さえ金具２１に対し、電力変換回路１１の支柱２７若しくはフレーム３０は容易に接合することができる。

また、電力変換回路１１は、回路主面側に突出して形成された高電位側直流端子２３と低電位側直流端子２４（図２，３，５参照）を有し、コンデンサ１２は、第１端子２５と第２端子２６（図２，４，６参照）を有している。そして、高電位側直流端子２３の上に第１端子２５を、低電位側直流端子２４の上に第２端子２６を、それぞれ配置すると共に電気的に接続する。つまり、電力変換回路１１の主面上にコンデンサ１２が配置される。
これにより、以下の効果を得ることができる。
第１に、コンデンサ１２の下側においてコンデンサ１２と電力変換回路１１の電気的な接続ができることにより、電気的に接続するためのサイズを小型化することができる。即ち、従来の、樹脂パッケージ内部の電極を介し、更に、コンデンサ１２の外側で電極接続をする場合のように、大きなコンデンサ１２の更に外側に接続領域や接続のための配線領域を設ける必要が無いので、サイズの小型化を図ることができる。

この効果は、次に述べる構成によって可能になる。
コンデンサ１２の第１端子２５と第２端子２６の上に、電力変換回路１１の高電位側直流端子２３と低電位側直流端子２４を載せた状態で電気的な接続を行なえば、コンデンサ１２の外側に接続のための配線領域を設ける必要が無い。即ち、コンデンサ１２に対し電力変換回路１１を引っくり返した状態で、コンデンサ１２の端子上に電力変換回路１１を載せる。このコンデンサ１２の第１端子２５と第２端子２６、及び電力変換回路１１の高電位側直流端子２３と低電位側直流端子２４を、電力変換回路１１の外側に位置させれば、両端子を容易に接続することができる。

特に、大電力変換装置では、半導体素子１５を実装した電力変換回路１１よりもコンデンサ１２の方が大きい場合が多いので、本構成により、大きなコンデンサ１２に干渉することなく、コンデンサ１２と電力変換回路１１の電気的接続を行うことができ、電力変換装置１０の小型化を図ることができる。
第２に、電力変換回路１１の内部の半導体素子１５とコンデンサ１２との電気的接続距離を著しく短縮することができる。

即ち、電力変換回路１１において半導体素子１５の近傍に高電位側直流端子２３と低電位側直流端子２４を設けることは容易である。高電位側直流端子２３と低電位側直流端子２４の上に、コンデンサ１２の第１端子２５と第２端子２６を配置するので、接続距離を短くすることができる。これにより、接続に係る寄生インダクタンスを著しく低減することができ、サージ電圧低下による電気的動作の安定化とコンデンサ１２の小型化を図ることができる。

従来の電力変換装置では、配線の寄生インダクタンスを低減させるため、電力変換回路１１とコンデンサ１２の間の直流側接続配線において、高電位側配線と低電位側配線を積層する構成が多く採用されている。しかし、電力変換回路１１の内部の半導体素子１５において、高電位側配線に接続される部位と低電位側配線に接続される部位は離れている。このため、両配線を積層するために電力変換回路１１の内部で一方の配線を引き回している部分があるのが通例であり、更に、両配線を積層したとしても寄生インダクタンスが完全に消失するものでも無い。

本構成では、半導体素子１５からコンデンサ１２迄の配線を積層するために引き回すことも無く、前述した最短経路で接続でき、また、最短経路で接続できるため、配線を積層する必要も無い。よって、従来構成では成し得ない配線の低インダクタンス化が可能になる。
特に、コンデンサ１２としてフィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサを用いる場合は、下記理由により、この寄生インダクタンス低減効果が更に際立つ。

フィルムコンデンサやセラミックコンデンサは、特に、薄い誘電体膜を用いる構造上の都合によって、コンデンサの２つの端子がコンデンサ本体の両端側に配置する構造が合理的になる。しかし、従来の電力変換装置においては、前述の積層されて引き回される高電位側配線と低電位側配線にコンデンサを接続するため、コンデンサ内部又は近傍において、一方の電位のコンデンサ配線をコンデンサ他端側の端子に引き回す構造となりがちであった。よって、この部分での寄生インダクタンスの増加は避けられなかった。
本構成では、コンデンサ１２の第１端子２５及び第２端子２６と、電力変換回路１１内部での高電位側直流端子２３及び低電位側直流端子２４の、位置を合わせることは容易である。そのため、コンデンサ部分での配線引き回し領域も必要とせず、更に、寄生インダクタンスを低減することができる。

なお、高電位側直流端子２３と第１端子２５の接続、及び低電位側直流端子２４と第２端子２６の接続は、断続的に複数箇所で、或いは電力変換装置１０の横方向に沿った線状や面状に、はんだ付け又は溶接により行なう。
この構成を有することにより、電力変換回路１１とコンデンサ１２との間の電気的接続部分の寄生インダクタンスを、更に低減することができ、また、接続部分の発熱も低減することができる。その上、コンデンサ１２の温度上昇も一層下げることができる。
これらの効果は下記の理由による。
本構成では、電力変換回路１１の内部で配線を引き回す必要が無いので、幅広い配線を電力変換回路１１のサイズを大きくすることなく、主面側に突出させて直流端子として形成することは容易である。

ここで、接続領域を広くするために複数箇所の接続、或いは面状の接続にすべく多数箇所の接続をネジ止めで行なうと、製造工程が増え、コストアップに繋がる。
本構成では、更に、コンデンサ１２の端子に、電力変換回路１１の高電位側直流端子２３と低電位側直流端子２４を載せているので、従来のネジ止めによらず、はんだ付けや溶接技術によって接合することは容易である。即ち、例えば、蓋部１９ａ側を下にしてコンデンサ１２上に電力変換回路１１が配置されている状態で、上記接続工程を行なうならば、抵抗加熱溶接やはんだ付け技術或いはレーザ溶接技術等を用いて、これらの接続箇所を複数個又は面状に広く形成することができる。

よって、接続を幅広く、また、短い経路で行なえるので、寄生インダクタンスを低減することができ、更に、配線が広い、特に接続箇所の面積が広いので、電流集中を防止することができ、ジュール発熱を低減することができる。特に、端子同士の接続の接触抵抗によるジュール発熱が大きい場合がよくあるが、本構成では、その接触抵抗も低減することができ、ジュール発熱を著しく小さくすることができる。また、コンデンサ１２に対しても、電流密度を下げた状態で電気的に接続することができるので、配線部分からの伝熱量も小さくなる。
以上より、電力変換装置１０の大電力動作に対する余裕が大きくなる。また、コンデンサ１２を温度上昇抑制のために過大にする必要が無いので、電力変換装置１０を、更に小型化することができる。

また、電力変換回路１１は、回路主面側に突出して形成された支柱２７を有する。この支柱２７を、コンデンサ１２に接合することにより、電力変換回路１１とコンデンサ１２を固定する。
この構成を有することにより、コンデンサ１２を裏返した状態で、コンデンサ１２の第１端子２５及び第２端子２６の上に電力変換回路１１の高電位側直流端子２３と低電位側直流端子２４を載せる際、必ずしもこれらの端子の位置が電力変換回路１１の重心に対して適切な位置にあるとは限らない。この場合でも、本構成により、電力変換回路１１の支柱２７（図３参照）をコンデンサ１２に接合することにより、電力変換回路１１の高電位側直流端子２３と低電位側直流端子２４をコンデンサ１２の第１端子２５及び第２端子２６に容易に接合することができる。

この構成によっても、電力変換回路１１とコンデンサ１２の間隔を広くすることは無いので、前述した電気的特性改善の効果は等しく生じる。また、コンデンサ１２の保持はコンデンサ１２側での蓋部１９ａで行ない、電力変換回路１１の固定は主冷却器２０に接合することで行なうことができる。よって、この支柱２７による接合に大きな機械的強度は必要なく、電力変換装置１０の全体サイズに影響を与えるような大きさにはならない。
特に、コンデンサ１２としてアルミ電解コンデンサを用いる場合のように、コンデンサの２つの端子２５，２６を、コンデンサの側面の同じ側に出す構造においては、単に、コンデンサの端子に電力変換回路１１の直流端子を載せるだけでは、電力変換回路１１を安定させ難い。しかし、本構成によって、両端子の接合に係る工程を、確実、且つ、容易に行なうことができる。

また、ケース１９の側壁１９ｂに対応して、主冷却器２０の主面には、主面周縁に沿って周縁の内側に、蓋部１９ａの裏面に対向して突出する壁部２０ａが形成されている。この壁部２０ａには、ケース１９の側壁１９ｂに形成された係止爪１９ｃに対応して、係止爪１９ｃが係止する被係止溝２０ｂが形成されている。従って、主冷却器２０に、主面側を覆うようにケース１９を装着することにより、ケース１９の係止爪１９ｃを主冷却器２０の被係止溝２０ｂに係止させ、例えば、接着剤２８により接合する。これにより、ケース１９は主冷却器２０に接合状態に固定される。
この構成を有することにより、電力変換装置１０を、更に小型化することができる。即ち、電力変換装置１０のケース１９又は主冷却器２０に対して蓋部１９ａを固定する際に、ネジ止めする必要がない。このため、従来のネジ止めに要していたスペースを削減することができる。

特に、本構成では、主冷却器２０から蓋部１９ａまでの間に電力変換回路１１とコンデンサ１２が配置されているので、この側壁１９ｂと壁部２０ａの重なり部分、所謂、糊代に相当する部分の長さを、十分に確保することは容易である。
よって、コンデンサ１２を接合している蓋部１９ａを、十分な強度をもって主冷却器２０に固定することができるので、ネジ止めスペース削減による効果に加え、更に、電力変換装置の小型化を図ることができる。
なお、本構成では、電力変換回路１１とコンデンサ１２を電気的に接続する工程は、コンデンサ１２に蓋部１９ａを接合した後に、コンデンサ１２を裏返した状態、即ち、蓋部１９ａの開口部が上を向く状態で行なう。よって、接続工程において、側壁１９ｂが障害となることは無い。

また、ケース１９の蓋部１９ａの内部に副冷却器又は上面冷却器を設けておけば、コンデンサ１２の冷却を、更に効果的、且つ、容易に行うことができるので、コンデンサ１２を更に、小型化することができる。
更に、主冷却器２０の壁部２０ａと蓋部１９ａの側壁１９ｂを、確実に固定した状態で接合することができる。特に、この接合、及び電力変換回路１１と主冷却器２０の接合を同時に行なう際は、電力変換回路１１と主冷却器２０の間に加圧力を維持した状態で接合工程を実施することが望ましいが、本構成では、係止爪１９ｃによって特別な治具等を用いなくても接合工程を実施することができる。
電力変換回路１１は、複数個の電力基板２９又はベースプレート（図示しない）を有している。各電力基板２９（又はベースプレート）は、枠状のフレーム３０で固定されており、フレーム３０は、主面若しくは一部分を、コンデンサ１２に接合している。

大電力の電力変換装置では、半導体素子１５を実装した電力変換回路１１が複数の電力基板２９又はベースプレートから構成される場合があるが、本構成では、複数の電力基板２９又はベースプレートを枠状のフレーム３０で固定している。そして、このフレーム３０をコンデンサ１２に接合させることにより、コンデンサ１２と電力変換回路１１を容易に固定することができる。これにより、大電力の電力変換装置でも、前述した効果を容易、且つ、確実に得ることができる。
また、電力変換回路１１の高電位側直流端子２３と低電位側直流端子２４は、撓み変形を可能にする屈曲部を有するように折り曲げて形成されており、コンデンサ１２の第１端子２５と第２端子２６は、それぞれの端部がＬ字型形状に折り曲げて形成されると共に、端子端部の折り曲げ部分を、直接又は絶縁材３１を介して蓋部１９ａに接合している。

この構成を有することにより、コンデンサ１２と電力変換回路１１を接合固定する部分と、コンデンサ１２の第１端子２５及び第２端子２６と電力変換回路１１の高電位側直流端子２３及び低電位側直流端子２４を接続する部分の寸法精度にばらつきを生じた場合に、高電位側直流端子２３及び低電位側直流端子２４が、第１端子２５及び第２端子２６との接続時に容易に撓み変形するので、寸法ばらつきにより電力変換装置の製造に支障を来たす事態を防止することができる。
また、大電流を変換する電力変換装置の場合、コンデンサ１２の第１端子２５及び第２端子２６と、電力変換回路１１の高電位側直流端子２３と低電位側直流端子２４との接続部の抵抗によって、ジュール熱が発生することがあり、この発熱によりコンデンサ１２自体が過熱され、コンデンサ１２の寿命に悪影響を与える可能性は否定できない。

この場合も、本構成にあっては、Ｌ字型の折り曲げた端子２５，２６から蓋部１９ａを経て、ジュール熱を放熱することは容易であることから、コンデンサ１２の温度上昇を効果的に抑止することができる。
図９は、この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の製造工程(その１)を示す説明図である。図１０は、この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の製造工程(その２)を示す説明図である。図１１は、この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の製造工程(その３)を示す説明図である。

図９から図１１に示すように、電力変換装置１０を製造する場合、先ず、蓋部１９ａにコンデンサ１２を、絶縁接着シート３１等により接合する。コンデンサ１２には、第１端子（電極）２５及び第２端子（電極）２６を設けておく（図９参照）。次に、半導体素子１５を実装した電力基板２９をフレーム３０で保持固定したものを、コンデンサ１２に載置する。その際、第１端子２５の上に高電位側直流端子２３を、第２端子２６の上に低電位側直流端子２４を載せて接合する。これにより、コンデンサ１２の上の電力変換回路１１を仮固定する（図１０参照）。

そして、電力基板２９の裏面に、例えば、接着剤３２を介して主冷却器２０を接合すると共に、主冷却器２０と蓋部１９ａを、壁部２０ａと側壁１９ｂにより結合する。これにより、大きなコンデンサ１２に対し、電力変換回路１１を構成する電力基板２９を近接して配置しても、各電極同士の接続を容易に行うことができる。即ち、コンデンサ１２の裏側から接続することができるので、接続に係る作業を容易に実施することができ、電気的な接続距離を短くすることができる。
また、電力基板２９を主冷却器２０に接合固定すると共に、コンデンサ１２も、壁部２０ａと側壁１９ｂにより主冷却器２０に接合固定できるので、電力基板２９やコンデンサ１２の固定に係るスペースを削減することができる。また、これらの作業は、容易、且つ、簡略に行うことができる。

また、バスバ電極若しくは電流センサ（図示しない）を、ケース１９の蓋部１９ａのコンデンサ１２の近傍に、例えば、樹脂材料３３を用いたインサートモールド構造による一体構造として固定してもよい。これにより、バスバ電極や電流センサも、特別な固定用部品を用いることなく、容易、且つ、省スペースで固定することができるので、電力変換装置１０を、更に小型化することができる。なお、バスバ電極や電流センサに限らず、樹脂材料３３により、コンデンサ１２を蓋部１９ａに接合すれば、更に、確実にコンデンサ１２を保持固定することができる。
（第２実施の形態）

図１２は、この発明の第２実施の形態に係る電力変換装置の側面構造を示す説明図である。図１２に示すように、電力変換装置４０は、電力変換回路１１とコンデンサ１２の間に金属板４１を設けており、金属板４１の主面を、例えば、絶縁接着剤等の絶縁物４２を介してコンデンサ１２に、裏面を、電力変換回路１１に、それぞれ接合する。ここで、金属板４１の裏面と、電力変換回路１１を構成する電力基板２９及び半導体素子１５との接合に、絶縁接着剤を用いれば良い。この金属板４１は、電力変換回路１１の直流バスバ電極又はベースプレートであるとする。その他の構成及び作用は、電力変換装置１０と同様である。

この電力変換装置４０により、第１実施の形態で得られる効果に加えて、以下の効果も得ることができる。
第１に、半導体素子１５の温度上昇を抑制することができる。従来は、半導体素子１５を実装した電力基板２９を、ベースプレートという支持基板上に実装保持している場合が多かったが、この場合、ベースプレートと電力基板の間の絶縁領域やベースプレート自体の熱抵抗が大きく、半導体素子１５の温度上昇に与える影響も大きい。
これに対し、本構成では、電力基板２９を、その上面側から保持するので、半導体素子１５から電力基板２９を介して主放熱器１０４迄の経路における熱抵抗を、著しく低減することができる。

本構成では、電力変換回路１１をコンデンサ１２に接合した後に主冷却器２０に接合することにより、電力変換回路１１を接合した金属板４１をコンデンサ１２に接合すること、或いは事前にコンデンサ１２に設けられた金属板４１に電力変換回路１１を接合することは、容易である。よって、上記効果を容易に生じさせることができる。
第２に、金属板４１を直流バスバ電極とするならば、直流バスバ電極等の配線領域の寄生インダクタンスを顕著に低減することができる。一般に、バスバ電極の寄生インダクタンスは、バスバ電極を幅広く短く直線形状で形成すれば小さくできるが、従来の電力変換装置では、半導体素子への干渉を防ぐため、直流バスバ電極を細長く曲げ形状で形成せざるを得ない場合が多かった。

これに対し、本構成では、電力基板２９の上面側に、平板状の電力基板２９と同等の広さを有する直流バスバ電極を設けることは容易であり、しかも干渉物が無いので、この直流バスバ電極は、直線状で短く形成することができる。よって、直流バスバ電極の寄生インダクタンスを顕著に低減することができ、電力変換装置４０の大電力動作に対する安定性を著しく向上させることができる。なお、ベースプレートと直流バスバ電極の双方の機能をこの金属板４１が兼ねても良い。
更に、本構成は、３相インバータ回路等の電力変換装置のように、電位が異なる複数の電力基板２９で構成される場合、上述した第１と第２の効果に加えて、次の効果も得ることができる。

第３の効果として、半導体素子１５の放熱性能を良くした状態で、電力変換装置４０を、更に容易に製造することができる。従来、これら複数の電力基板２９は、ベースプレートという共通の支持基板上に実装保持されているが、この構成では、上述したように、ベースプレートと電力基板２９の間の絶縁領域やベースプレート自体の熱抵抗が大きく、半導体素子１５の温度上昇に与える影響も大きい。
これに対し、本構成では、電位の異なる電力基板２９のそれぞれ上面側を、電気的な絶縁を取った上で、直流バスバ電極又はベースプレートという電力変換装置全体に渡る金属板４１に固定することは容易である。よって、３相インバータ回路のように電位が異なる複数の電力基板２９を用いる電力変換回路１１においても、半導体素子１５から主冷却器２０迄の熱抵抗路を、顕著、且つ、容易に小さくすることができる。

第４の効果として、直流バスバ電極の寄生インダクタンスを顕著に低減することができる。電位が異なる電力基板２９を複数有する電力変換回路１１、例えば、３相インバータ回路においては、直流バスバ電極が他電位の基板等配線部分に接触しないように、細長く曲げ形状で形成せざるを得ない場合が多い。
これに対し、本構成では、この場合も幅広い形状の直流バスバ電極、例えば、平板状で電力基板２９全体と同等の広さを有する直流バスバ電極を設けることは、容易である。よって、直流バスバ電極の寄生インダクタンスを顕著に低減することができ、電力変換装置４０の大電力動作に対する安定性を著しく向上させることができる。
（第３実施の形態）

図１３は、この発明の第２実施の形態に係る電力変換装置の側面構造を示す説明図である。図１３に示すように、電力変換装置４５は、電力変換回路１１が、半導体素子１５の上に上面冷却器４６を配置し、この上面冷却器４６と半導体素子１５を低熱抵抗材料からなる接着剤４７で接合する。なお、半導体素子１５の上面電極側の電気接続は、例えば、半導体素子１５上面に、電極４８を、例えばはんだ付け実装しても良く、その際、電極４８と上面冷却器４６との接合を、接着剤４７で行なえば良い。また、上面冷却器４６とコンデンサ１２又は押さえ金具２１との接合に、接着剤４７を用いても良い。その他の構成及び作用は、電力変換装置４０と同様である。
この電力変換装置４５により、第２実施の形態で得られる効果に加えて、以下の効果も得ることができる。

第１に、半導体素子１５を裏面側からだけでなく上面側から冷却する際に、半導体素子１５と上面冷却器４６との接合が容易になる。例えば、コンデンサ１２の側面に予め接合された上面冷却器４６に対し、半導体素子１５を実装している電力変換回路１１或いは電力基板２９を被せるように接合すればよい。
第２に、半導体素子１５と上面冷却器４６の固定に必要とするサイズを低減することができる。即ち、上面冷却器４６は、コンデンサ１２側に固定されており、電力変換回路１１も、一旦、上面冷却器４６側に固定された後、コンデンサ１２をケース１９又は主冷却器２０に接続することにより、主冷却器２０に密着固定される。よって、半導体素子１５と上面冷却器４６を固定するための特別な固定用部品を必要とせず、更に、この部品を設けるためのスペースも必要としない。

第３に、半導体素子１５の冷却性能を、更に向上させることができる。一般に、電力変換装置は、電位の異なる複数の半導体素子１５或いは電力基板２９を、絶縁領域を介してベースプレートという共通の基板に実装している。この構造では、ベースプレート自体及びベースプレートと半導体素子１５或いは電力基板２９の間の絶縁領域の熱抵抗が介在してしまう。
これに対し、本構造では、複数の半導体素子１５或いは電力基板２９を、上面冷却器４６で保持することができるので、ベースプレートや絶縁領域を廃止することができ、熱抵抗が、更に下がることになる。

なお、この接合に、例えば、接着剤４７を用いれば、製造工程は容易である。また、半導体素子１５の主面電極の電気接続を、ワイヤボンディング或いは金属板をはんだ付け実装した場合にも、同様の効果を得ることができる。
（第４実施の形態）
図１４は、この発明の第４実施の形態に係る電力変換装置の側面構造を示す説明図である。図１４に示すように、電力変換装置５０は、電力変換回路１１として、第１の電力変換回路５１と第２の電力変換回路５２の２つの電力変換回路を有する。そして、コンデンサ１２の一面側に、第１の電力変換回路５１を配置すると共に、コンデンサ１２の他面側に、第２の電力変換回路５２を配置する。また、第１の電力変換回路５１を冷却する第１の主冷却器５３と、第２の電力変換回路５２を冷却する第２の主冷却器５４が、それぞれ電力変換装置５０のケースを兼ねて設けられている。その他の構成及び作用は、電力変換装置４５と同様である。

この電力変換装置５０により、第３実施の形態で得られる効果に加えて、以下の効果も得ることができる。
電力変換装置５０を、例えば、電動ハイブリッド自動車に用いる場合、発電機側の電力変換回路と、駆動輪側、即ち、力行側の電力変換回路の２つを組み合わせ、これら２つの電力変換回路の直流端子を共通の平滑コンデンサに接続して、電力変換装置を構成することがある。
この場合も、中央にコンデンサ１２を配置し、そのコンデンサ１２の両側に、電力変換回路５１と電力変換回路５２を設ければ良い。これにより、電力変換回路を２つ有する場合でも、前述した効果を全て得ることができる上に、装置全体をより小型化することができる。

また、第１の主冷却器５３と第２の主冷却器５４は、コンデンサ１２を挟んで両側に向き合う配置構成となるため、これら主冷却器５３，５４とケースを兼用する形状にすれば、第１に、主冷却器５３，５４とケースの接合に係る部品や空間が不要となるので、小型化を図ることができ、第２に、主冷却器５３，５４の水路の接合面、即ち、合わせ面をケースの外側に出すことが容易である。つまり、例えば、主冷却器５３と冷却水路のカバー５３ａの接合面、及び主冷却器５４と冷却水路のカバー５４ａの接合面を、本発明に係る電力変換装置５０の外側に位置させることが容易である。このため、冷却水漏れに対するフェールセーフ構造を容易に採用することができる。

ここで、複数のコンデンサ１２は、２個の押さえ金具２１を対向配置して一体化した形状を有するように形成された、押さえ部５５により保持固定されている。押さえ部５５は、両端部が、ケース１９の側壁１９ｂ側部分を背中合わせにした形状を有するように形成された、支持部５６により、ケースを兼ねる主冷却器５３，５４に保持固定されている。この支持部５６は、側壁１９ｂの係止爪１９ｃ及び壁部２０ａの被係止溝２０ｂに対応して形成された、支持部５６の両端に位置する側壁５７の両端部の係止爪５７ａ，５７ａ及び主冷却器５３，５４の壁部５３ａ，５４ａの被係止溝５３ｂ，５４ｂを、それぞれ相互に係止させて、例えば、接着剤２８により接合されている。

なお、上述した各実施の形態は、３相インバータ回路に限らず、多相インバータ回路、Ｈブリッジ回路、電源回路、或いはその他の３相インバータ回路とは異なる回路構成からなる電力変換を行なう電力変換装置においても、等しく適用することができ、同様の効果を得ることができる。

この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の回路構成を示す回路説明図である。 図１の電力変換装置の側面構造を示す説明図である。 図２のＡ−Ａ線の下方側に位置する構成部品の配置構成を示す説明図である。 図２のＡ−Ａ線の上方側に位置する構成部品の配置構成を示す説明図である。 図３の上方から見た平面説明図である。 図４の下方から見た平面説明図である。 図３と図４に示す構成部品を組み合わせた状態における図５と図６のＢ−Ｂ線に沿う断面説明図である。 図３と図４に示す構成部品を組み合わせた状態における図５と図６のＣ−Ｃ線に沿う断面説明図である。 この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の製造工程(その１)を示す説明図である。 この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の製造工程(その２)を示す説明図である。 この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の製造工程(その３)を示す説明図である。 この発明の第２実施の形態に係る電力変換装置の側面構造を示す説明図である。 この発明の第２実施の形態に係る電力変換装置の側面構造を示す説明図である。 この発明の第４実施の形態に係る電力変換装置の側面構造を示す説明図である。

符号の説明

１０，４０，４５，５０ 電力変換装置
１１ 電力変換回路
１２ コンデンサ
１３ 直流電源
１４ 電動機
１５ 半導体素子
１６ スイッチ回路
１７ ＩＧＢＴ
１７ａ 抵抗
１８ ＦＲＤ
１９ ケース
１９ａ 蓋部
１９ｂ，５７ 側壁
１９ｃ，５７ａ 係止爪
２０ 主冷却器
２０ａ，５３ａ，５４ａ 壁部
２０ｂ，５３ｂ，５４ｂ 被係止溝
２１ 押さえ金具
２２ 絶縁材
２３ 高電位側直流端子
２４ 低電位側直流端子
２５ 第１端子
２６ 第２端子
２７ 支柱
２８ 接着剤
２９ 電力基板
３０ フレーム
３１ 絶縁接着シート
３２，４７ 接着剤
４１ 金属板
４２ 絶縁物
４６ 上面冷却器
４８ 電極
５１ 第１の電力変換回路
５２ 第２の電力変換回路
５３ 第１の主冷却器
５３ａ，５４ａ カバー
５４ 第２の主冷却器
５５ 押さえ部
５６ 支持部

Claims (15)

1. 半導体素子を実装した電力変換回路と、
   前記電力変換回路を載置した冷却器と、
   前記電力変換回路を覆って前記冷却器に装着固定され、内面に装着保持したコンデンサを前記電力変換回路に対向配置するケースと、
   前記電力変換回路と前記コンデンサの間に配置され、主面を絶縁物を介して前記コンデンサに接合し裏面を前記電力変換回路に接合した、前記電力変換回路のバスバ電極又はベースプレートと
   を有する電力変換装置。
2. 前記コンデンサは、前記ケースに直接或いは前記ケースに接合した支持板を介して、装着保持されている請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電力変換回路は、前記電力変換回路の主面側に突出する高電位側直流端子及び低電位側直流端子を有し、
   前記コンデンサは、前記高電位側直流端子の上に配置されて電気的に接続された第１端子、及び前記低電位側直流端子の上に配置されて電気的に接続された第２端子を有する請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記高電位側直流端子と前記第１端子を、前記低電位側直流端子と前記第２端子を、それぞれはんだ付け又は溶接により接続した請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記高電位側直流端子及び前記低電位側直流端子は、撓み変形を可能にする屈曲部を有するように折り曲げて形成されている請求項３または４に記載の電力変換装置。
6. 前記第１端子及び前記第２端子は、それぞれの端部がＬ字型形状に折り曲げて形成されると共に、端子端部の折り曲げ部分を前記ケースに接合している請求項３から５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記半導体素子の上に、前記半導体素子と低熱抵抗材料で接合した上面冷却器を配置した請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記電力変換回路は、前記電力変換回路の主面側に突出して形成され、前記コンデンサに接合して前記コンデンサを固定する支柱を有する請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
9. 前記電力変換回路は、前記コンデンサに接合されたフレームにより固定される、複数個の電力基板又は前記ベースプレートを有する請求項１から８のいずれか一項に記載の電力変換装置。
10. 前記コンデンサは、前記コンデンサの前記電力変換回路に対向する面及び前記ケースに接触させると共に、前記支柱に接合した押さえ金具により装着保持された複数個を有する請求項８に記載の電力変換装置。
11. 前記コンデンサは、前記コンデンサの前記電力変換回路に対向する面及び前記ケースに接触させると共に、前記フレームに接合した押さえ金具により装着保持された複数個を有する請求項９に記載の電力変換装置。
12. 前記ケースは、蓋部の裏面側に突出する側壁の下端に形成された係止爪を、前記蓋部の裏面に対向する前記冷却器の主面に突出する壁部に形成された被係止溝に係止させて、前記冷却器に固定される請求項１から１１のいずれか一項に記載の電力変換装置。
13. 前記電力変換回路のバスバ電極或いは電流センサを、前記ケースに固定した請求項１から１２のいずれか一項に記載の電力変換装置。
14. 前記電力変換回路は、前記コンデンサの一面側に配置した第１の電力変換回路と他面側に配置した第２の電力変換回路の２個からなる請求項１から１３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
15. 前記第１の電力変換回路を冷却する第１の冷却器と、該第２の電力変換回路を冷却する第２の冷却器を有し、前記第１の冷却器及び前記第２の冷却器は前記ケースを兼ねている請求項１４に記載の電力変換装置。

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