JP5035626B2

JP5035626B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5035626B2
Application number: JP2008055475A
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Inventors: 洋稲村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2008-03-05
Publication date: 2012-09-26
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Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電源、インバータおよびモータジェネレータ（ＭＧ）からなる電力変換装置は、インバータを構成するスイッチング素子のゲート端子に接続され、電源からの入力電力を調整し、スイッチング素子のスイッチング動作などを調整するゲート駆動回路を有する。ゲート駆動回路において、例えばゲート端子に入力されるゲート信号のスイッチングスピードを調整するターンオン抵抗及びターンオフ抵抗（調整部材）の抵抗値をそれぞれ変えることで、スイッチング動作に影響がある。抵抗値を変えてスイッチング動作を早くするとサージ電圧が大きくなり、スイッチング動作を遅くすると損失が大きくなる。このように、スイッチング素子のスイッチング動作はゲート信号によって一義的に決定されるため、設置環境や運転条件などを考慮して、抵抗を調整してスイッチング動作を調整する必要がある。

例えば、電力変換装置を生産ラインで製造する前の段階である試作段階において、ゲート信号のスイッチングスピードを調整し、決定する必要がある。試作段階では、ゲート信号のスイッチングスピードを調整するための調整部材を基板上に付け替えながら、ゲート信号のスイッチングスピードを調整する。しかし、ゲート端子等のスイッチング素子の端子を電気的に接続する基板の一方面には、調整部材を配置するスペースがあまりなく、他方面にはスイッチング素子の素子本体が林立されているため、その間にある調整部材を繰り返し付け替える作業が大変手間がかかる。つまり、調整部材を付け替えやすい一方面には調整部材を全て配置することはできず、他方面では調整部材の付け替え作業が非常に困難であるため、ゲート信号のスイッチングスピードを調整する作業が効率よく行えないという実状がある。

特許文献１では、絶縁回路（フォトカプラ）、指令選択回路、トランジスタ、ＩＧＢＴ（スイッチング素子）オン用／オフ用ゲート抵抗及び電源によって構成されるゲート抵抗値（ゲート信号）を外部から変更可能なゲート駆動回路が提示されている。このゲート駆動回路は、各ＩＧＢＴに対してオン用・オフ用の調整部材をそれぞれ複数有しており、選択信号と指令信号とが絶縁回路を介して指令選択回路に入力されると、どの調整部材に切り替えるかをリアルタイムで行える。
特開平１０−７０８７８号公報

しかし、上述した特許文献１のゲート駆動回路は、外部からリアルタイムにゲート抵抗値を変更できるが、ゲート抵抗値をリアルタイムに選択できるように調整部材を複数実装する必要がある。そのため、実装するための面積が広くなり、またコストもアップする。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、インバータまたはコンバータで用いられるスイッチング素子のスイッチング動作などを調整するためのゲート信号のスイッチングスピードが調整しやすく、調整部材を実装する面積が拡大しない小さい基板の電力変換装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するための請求項１に係る発明の構成上の特徴は、
基板と、
前記基板の第１面側に位置する素子本体と、前記素子本体に電気的に接続され前記基板の前記第１面側から前記第１面の裏面側である第２面側へ貫通して配置されると共に入力されるゲート信号に応じてスイッチング動作を行うゲート端子と、を備える電力変換用スイッチング素子と、
前記ゲート端子に電気的に接続されるように前記基板に実装される調整部材を備え、ゲート信号のスイッチングスピードを調整することにより前記電力変換用スイッチング素子のスイッチング動作を調整する調整回路と、
を備える電力変換装置であって、
前記調整部材は複数からなり、
複数の前記調整部材のうち少なくとも１つである第１の調整部材は、前記基板の前記第１面に配置され、
複数の前記調整部材のうち残りである第２の調整部材は、前記基板の前記第２面に配置されることである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記電力変換用スイッチング素子は、インバータを構成すると共に、直列接続された高圧側の上アーム用スイッチング素子及び高圧ＧＮＤ側の下アーム用スイッチング素子を備え、前記上アーム用スイッチング素子及び前記下アーム用スイッチング素子における前記調整回路の回路定数は、同一であり、前記第１の調整部材は、複数の前記スイッチング素子のうち何れかの前記調整回路を構成する前記調整部材であり、前記第２の調整部材は、複数の前記スイッチング素子のうち残りの前記調整回路を構成する前記調整部材であることである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記電力変換用スイッチング素子は、多相インバータを構成すると共に、それぞれ並列接続された各相において、直列接続された高圧側の上アーム用スイッチング素子及び高圧ＧＮＤ側の下アーム用スイッチング素子からなり、前記上アーム用スイッチング素子及び前記下アーム用スイッチング素子における前記調整回路の回路定数は、同一であり、前記第１の調整部材は、複数の前記スイッチング素子のうち何れかの前記調整回路を構成する前記調整部材であり、前記第２の調整部材は、複数の前記スイッチング素子のうち残りの前記調整回路を構成する前記調整部材であることである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項３項において、前記第１の調整部材は、多相のうち何れか１相を構成する前記スイッチング素子の前記調整回路を構成する前記調整部材であり、前記第２の調整部材は、多相のうち残りの相を構成する前記スイッチング素子の前記調整回路を構成する前記調整部材であることである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項３又は４において、前記多相インバータに並列接続され、前記基板上において相毎に並列に配置される前記電力変換用スイッチング素子と並列に配置されるサージ電圧吸収用コンデンサを備え、前記第１の調整部材は、前記基板上において前記サージ電圧吸収用コンデンサから最も遠い位置に配置される相の前記電力変換用スイッチング素子の前記調整回路を構成する前記調整部材を含むことである。

また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項２〜５の何れか１項において、前記調整回路は、前記電力変換用スイッチング素子のターンオン抵抗及びターンオフ抵抗、並びに、他の素子を含むことである。

また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項６において、前記調整回路は、さらに、調整用コンデンサを含むことである。

また請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記調整回路は、１つの前記電力変換用スイッチング素子の前記ゲート信号のスイッチングスピードを調整すると共に並列接続される複数の前記調整部材を備え、前記第１の調整部材は、１つの前記調整回路を構成する前記複数の前記調整部材のうち何れかであり、前記第２の調整部材は、１つの前記調整回路を構成する前記複数の前記調整部材のうちの残りであることである。

また請求項９に係る発明の特徴は、請求項８において、前記電力変換用スイッチング素子は、多相インバータを構成すると共に、それぞれ並列接続された各相において、直列接続された高圧側の上アーム用スイッチング素子及び高圧ＧＮＤ側の下アーム用スイッチング素子からなり、前記電力変換装置は、さらに、前記多相インバータに並列接続され、前記基板上において相毎に並列に配置される前記電力変換用スイッチング素子と並列に配置されるサージ電圧吸収用コンデンサを備え、前記第１の調整部材は、前記基板上において前記サージ電圧吸収用コンデンサから最も遠い位置に配置される相の前記電力変換用スイッチング素子の前記調整回路を構成する複数の前記調整部材のうち何れかを含み、前記第２の調整部材は、前記基板上において前記サージ電圧吸収用コンデンサから最も遠い位置に配置される相の前記電力変換用スイッチング素子の前記調整回路を構成する複数の前記調整部材のうち残りを含むことである。

また請求項１０に係る発明の特徴は、請求項１において、前記調整回路は、前記電力変換用スイッチング素子のターンオン抵抗及びターンオフ抵抗、並びに、他の素子を含み、前記第１の調整部材は、少なくとも前記ターンオン抵抗及び前記ターンオフ抵抗を含み、前記第２の調整部材は、前記他の素子の一部を含むことである。

また請求項１１に係る発明の特徴は、請求項１０において、前記調整回路は、さらに、調整用コンデンサを含み、前記第１の調整部材は、さらに、前記調整用コンデンサを含むことである。

また請求項１２に係る発明の特徴は、請求項１〜１１の何れか１項において、前記電力変換用スイッチング素子は、さらに、昇圧した直流電圧を前記インバータに出力すると共に前記インバータから出力される直流電圧を降圧する昇降圧コンバータを構成するコンバータ用スイッチング素子を含み、前記第１の調整部材は、前記コンバータ用スイッチング素子の前記調整部材を含むことである。

請求項１に係る発明においては、本発明の電力変換装置は、電力変換用スイッチング素子のスイッチング動作を調整する調整回路が備える調整部材が、基板の第１面に配置される第２の調整部材と第２面に配置される第１の調整部材とを有する。つまり、基板の第１面か第２面かのどちらかに調整部材が配置されるのではなく、第１面と第２面とに調整部材が分配される。そのため、基板の２つの面を有効に使い、基板の拡張を抑制し、縮小を可能とすることができる。

請求項２に係る発明においては、本発明の電力変換装置は直列接続された高圧側の上アーム用スイッチング素子及び高圧ＧＮＤ側の下アーム用スイッチング素子を備えており、各スイッチング素子の調整回路の回路定数が同一である。よって、各スイッチング素子の調整回路毎に調整部材を第１の調整部材又は第２の調整部材として、基板の第１面又は第２面に配置し、調整しやすい面の調整回路を調整後、残りの面の調整回路を同一の回路定数にすることができるため、調整回路の調整の効率がよくなる。

請求項３に係る発明においては、本発明の電力変換装置で用いられる電力変換用スイッチング素子が多相インバータを構成し、相毎に上下アーム用スイッチング素子を有しており、各スイッチング素子における調整回路の回路定数は同一である。そして、複数のスイッチング素子のうち何れかの調整回路を構成する調整部材を第１の調整部材として第２面に配置し、残りの調整部材を第２の調整部材として第１面に配置する。よって、調整回路のうちの一何れかを調整しやすい面に配置し、残りを調整後同じ調整回路とすることができるため、ゲート信号のスイッチングスピードの調整が効率よく行える。

請求項４に係る発明においては、多相のうち何れかの１相のためのスイッチング素子の調整回路の調整部材を第１の調整部材とし、基板の第２面に配置する。そして、残りの相のための調整回路の調整部材を基板の第１面に配置する。これにより、調整しやすい面で１相の調整回路の回路定数を調整でき、その後、残りの相を同じ回路定数とすることができるため、相単位の調整回路の調整が効率的に行える。

請求項５に係る発明においては、上下アーム用スイッチング素子は、回路の接続と同様に、基板上においても各相の上アーム用スイッチング素子が並列配置され、その並列方向の直角方向に対応する（直列接続される）下アーム用スイッチング素子が配置され、サージ電圧吸収用コンデンサは、各相が並列に配列される並びで並列に配置される。そのため、サージ電圧吸収用コンデンサと近い相と遠い相とが存在する。そこで、サージ電圧吸収用コンデンサから物理的に遠い相の調整回路の調整部材を第１の調整部材として第２面に配置することで、原理的にサージ電圧吸収効果が最も低い場所のスイッチング特性を評価することができるため、スイッチング時に発生する最大サージ電圧で調整することが可能となる。また、基板の両面を有効に使うことで高密度実装となり基板の大きさを小さくすることが可能となる。

請求項６に係る発明においては、調整回路がターンオン抵抗及びターンオフ抵抗を含み、第１の調整部材として第２面に配置されることにより、ゲート信号のスイッチングスピードを調整しやすくなるため、電力変換装置の設置環境や運転条件などを考慮した電力変換用スイッチング素子のスイッチング動作（ゲート信号のスイッチングスピード）の調整が効率的に行える。

請求項７に係る発明においては、調整回路がターンオン抵抗及びターンオフ抵抗に加えて調整用コンデンサを含み、第１の調整部材として第２面に配置されることで、ゲート信号のスイッチングスピードを調整することができるため、電力変換装置の設置環境や運転条件などを考慮した電力変換用スイッチング素子のスイッチングの調整が行える。

請求項８に係る発明においては、電力変換用スイッチング素子のゲート信号のスイッチングスピードを調整する調整回路を構成する調整部材のうち、並列に接続される調整部材の何れかを第１の調整部材として第２面に配置するため、スペースの少ない第２面に最低限の調整部材を配置することができる。

請求項９に係る発明においては、上下アーム用スイッチング素子は、回路の接続と同様に、基板上においても各相の上アーム用スイッチング素子が並列配置され、その並列方向の直角方向に対応する（直列接続される）下アーム用スイッチング素子が配置され、サージ電圧吸収用コンデンサは、各相が並列に配列される並びで並列に配置される。そのため、サージ電圧吸収用コンデンサと近い相と遠い相とが存在する。そこで、サージ電圧吸収用コンデンサから物理的に遠い相の調整回路の調整部材のうち、並列に接続されている調整部材の何れかを第１の調整部材として第２面に配置する。これにより、調整しやすい面に最低限の調整部材を配置でき、かつサージ電圧吸収用コンデンサの効果を十分に得られる電圧変換装置とすることができる。

請求項１０に係る発明においては、調整部材のうちターンオン抵抗及びターンオフ抵抗を第１の調整部材として第２面に配置することにより、ゲート信号のスイッチングスピードを調整しやすくなるため、電力変換装置の設置環境や運転条件などを考慮した電力変換用スイッチング素子のスイッチング動作の調整が効率的に行える。

請求項１１に係る発明においては、調整回路のうちターンオン抵抗及びターンオフ抵抗に加えて調整用コンデンサを第１の調整部材として第２面に配置することで、ゲート信号のスイッチングスピードを調整することができるため、電力変換装置の設置環境や運転条件などを考慮した電力変換用スイッチング素子のスイッチングの調整が効率的に行える。

請求項１２に係る発明においては、本発明の電力変換装置が昇降圧用のコンバータを有する場合に、この昇降圧コンバータのためのコンバータ用スイッチング素子の調整部材が第１の調整部材として第２面に配置されるため、コンバータのスイッチング動作も調整しやすい電力変換装置とすることができる。

以下、実施形態を用いて本発明を具体的に説明する。

（実施形態１）
本実施形態１の電力変換装置１の回路図を図１に示す。本実施形態１の電力変換装置１は、バッテリー１１、昇降圧コンバータ１２、モータジェネレータＭＧ１、モータジェネレータＭＧ２、ＭＧ１用インバータ１３、ＭＧ２用インバータ１４及びサージ電圧吸収用コンデンサ１７を備える。

バッテリー１１は、昇降圧コンバータ１２に接続されており、昇降圧コンバータ１２に直流電力を供給し、また昇降圧コンバータ１２から回生される直流電力を蓄電する。

昇降圧コンバータ１２は、バッテリー１１から供給された直流電力を昇圧して後述するインバータ１３及び１４に出力し、またインバータ１３及び１４から出力された直流電力を降圧してバッテリー１１に出力する。昇降圧コンバータ１２は、コンデンサ１２３、リアクトル１２４、高圧側の半導体素子である上アーム用スイッチング素子１２１及び高圧ＧＮＤ側の半導体素子である下アーム用スイッチング素子１２２、ダイオードＤ１、Ｄ２を含む。バッテリー１１の正極側にコンデンサ１２３及びリアクトル１２４の一端が接続され、負極側にコンデンサ１２３の他端と下アーム用スイッチング素子１２２のエミッタ端子が接続されている。上アーム用スイッチング素子１２１と下アーム用スイッチング素子１２２とは直列に接続されており、リアクトル１２４の他端は、その間、つまり上アーム用スイッチング素子１２１のエミッタ端子及び下アーム用スイッチング素子１２２のコレクタ端子に接続されている。上アーム用スイッチング素子のコレクタ端子は、後述するＭＧ１用インバータ１３及びＭＧ２用インバータ１４の一端側に接続されている。下アーム用スイッチング素子１２２のエミッタ端子は、ＭＧ１用インバータ１３及びＭＧ２用インバータ１４の他端側に接続されている。スイッチング素子１２１、１２２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードＤ１、Ｄ２が配置されている。

モータジェネレータＭＧ１及びモータジェネレータＭＧ２は、それぞれＭＧ１用インバータ１３、ＭＧ２用インバータ１４に接続されており、バッテリー１１から供給される電力により駆動する。そして、発電機として働く場合は、交流電力をそれぞれに接続されるインバータ１３及び１４に出力する。

ＭＧ１用インバータ１３及びＭＧ２用インバータ１４は、並列に接続されており、昇降圧コンバータ１２によって昇圧された直流電力を三相交流に変換して、モータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２に出力する。そして、モータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２が発電機として働く場合は、モータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２から出力される交流電力を直流に変換して昇降圧コンバータ１２に出力する。

ＭＧ１用インバータ１３は、Ｕ相１３１とＶ相１３２とＷ相１３３とからなり、Ｕ相１３１、Ｖ相１３２及びＷ相１３３は、昇降圧コンバータ１２に並列に接続されている。Ｕ相１３１は、高圧側の半導体素子の上アーム用スイッチング素子１３４と高圧ＧＮＤ側の半導体素子の下アーム用スイッチング素子１３５とが直列に接続されている。同様に、Ｖ相は上アーム用スイッチング素子１３６と下アーム用スイッチング素子１３７、Ｗ相は上アーム用スイッチング素子１３８と下アーム用スイッチング素子１３９が直列に接続されている。そして、各スイッチング素子１３４〜１３９のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜８がそれぞれ接続されている。各相の中間点は、モータジェネレータＭＧ１の各相コイル（図示略）の各相端に接続されている。

ＭＧ２用インバータ１４は、Ｕ相１４１とＶ相１４２とＷ相１４３とからなり、Ｕ相１４１、Ｖ相１４２及びＷ相１４３は、昇降圧コンバータ１２及びＭＧ１用インバータ１４に並列に接続されている。Ｕ相１４１は、高圧側の半導体素子の上アーム用スイッチング素子１４４と高圧ＧＮＤ側の半導体素子の下アーム用スイッチング素子１４５とが直列に接続されている。同様に、Ｖ相は上アーム用スイッチング素子１４６と下アーム用スイッチング素子１４７、Ｗ相は上アーム用スイッチング素子１４８と下アーム用スイッチング素子１４９が直列に接続されている。そして、各スイッチング素子１４４〜１４９のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ９〜１４がそれぞれ接続されている。各相の中間点は、モータジェネレータＭＧ２の各相コイル（図示略）の各相端に接続されている。ここで、昇降圧コンバータ１２及びインバータ１３、１４にそれぞれ含まれるスイッチング素子は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のパワー素子を用いる。

本発明の電力変換装置１は、バッテリー１１の直流電力を昇降圧コンバータ１２で昇圧してインバータ１３及び１４で三相交流に変換し、モータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２を駆動する。そして、モータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２が発電機として働く場合は、モータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２から出力される交流電力がインバータ１３及び１４で直流電力に変換され、昇降圧コンバータ１２で降圧し、バッテリー１１に回生される。

本発明の電力変換装置１において、昇降圧コンバータ１２、インバータ１３及び１４で用いられる上下アーム用スイッチング素子１３４〜１３９及び１４４〜１４９には、図２に示されるように、１つのスイッチング素子に対してそれぞれ調整回路３が配されている。通常、モータジェネレータを駆動する３相のうち１相毎あるいはスイッチング素子毎に調整回路３は、同一定数の素子で構成される。例えば、単相チョッパ回路を用いた簡易ベンチテストでは、３相のうち１相分についてサージ／損失の調整を行い、残りの相については、調整した１相についての調整回路３を他の相に実装することになる。そこで、ＭＧ１用インバータ１３のＵ相１３１の下アーム用スイッチング素子１３５とその調整回路３について説明する。

スイッチング素子１３５のゲート端子は、主端子間（コレクタ−エミッタ間）の電流を制御するための制御信号を送信する駆動ＰＷＭ信号出力部４とゲート駆動回路ＩＣ５及び調整回路３を介して接続されている。また、ゲート端子の駆動源としての電源部６も必要である。ゲート駆動回路ＩＣ５は、ゲート端子に入力されるゲート信号のスイッチングスピードを調整するための回路を含み、上下アーム用スイッチング素子１３４及び１３５が同時にＯＮにならないように、スイッチングタイミングに必要なデッドタイムが設定されるように調整している。スイッチング素子を使用するためには、駆動ＰＷＭ信号出力部４とゲート駆動回路ＩＣ５と電源部６とが必須であるが、スイッチング素子の設置される環境、運転条件などにより更にゲート信号のスイッチングスピードを調整するために、抵抗などから構成される調整回路３がゲート端子に接続される。

図２は、スイッチング素子１３５とそれを駆動するための回路についての等価回路図であり、スイッチング素子１３５のコレクタ端子が上アーム用スイッチング素子１３４のエミッタ端子と接続されており、更にスイッチング素子１３４のコレクタ端子が６５０Ｖ系の主電源に接続されている状態も表している。スイッチング素子１３５のコレクタ−ゲート間、エミッタ−ゲート間のコンデンサＣｃｇ及びＣｇｅは、いわゆる寄生容量を示している。エミッタは高圧ＧＮＤ（基準電位）に接続されるラインに接続されている。駆動ＰＷＭ信号出力部４は、ゲート駆動回路ＩＣ５に接続されており、ＰＷＭ信号を出力する。ゲート駆動回路ＩＣ５は、Ｎ−ＦＥＴ５１（ＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ）とＰ−ＦＥＴ５２（ＰチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ）が直列に接続され、ゲート端子が駆動ＰＷＭ信号出力部４側に接続され、Ｎ−ＦＥＴ５１のドレイン端子が電源６と接続され、Ｐ−ＦＥＴ５２のソース端子がＧＮＤに接続されるラインに接続されている。そして、Ｎ−ＦＥＴ５１のソース端子とＰ−ＦＥＴ５２のドレイン端子とが直列に接続され、その直列接続の間に調整回路３が配置する。

調整回路３は、ゲート駆動回路ＩＣ５のＮ−ＦＥＴ５１のソース端子とＰ−ＦＥＴ５２のドレイン端子との間に、直列に接続されているターンオン抵抗Ｒ１とターンオフ抵抗Ｒ２とを含む。そして、ターンオン抵抗Ｒ１とターンオフ抵抗Ｒ２との間に一端が接続され、他端がＧＮＤに接続されるラインに接続する調整用コンデンサＣを有する。更に、一端がスイッチング素子１３５のゲート端子に接続され、他端がターンオン抵抗Ｒ１とターンオフ抵抗Ｒ２との間及び調整用コンデンサＣの一端と接続される調整抵抗Ｒ３を含んでいる。ターンオン抵抗Ｒ１及びターンオフ抵抗Ｒ２はゲート信号のスイッチングスピードを調整するために必須の要素であり、調整用コンデンサＣ及び調整抵抗Ｒ３は配置しない場合もある。調整用コンデンサＣは、配置することでスイッチングの立ち上がりあるいは立ち下がり時間が変わるため、スイッチングスピードを調整できる。調整抵抗Ｒ３は、１相分の下アームのスイッチング素子１３５が並列に複数設けられている場合に、回路配線抵抗が異なることによる影響を排除するために必要であるため、本実施形態においては必ずしも必要ではない。

本発明の電力変換装置１は、図３に示されるように、基板７の両面（第１面７１、第２面７２）にスイッチング素子、ゲート駆動回路ＩＣなどの各構成要素が配置され、はんだなどで電気的に接続される。本発明の電力変換装置１は、基板７の第１面７１側に各スイッチング素子１３４〜１３９及び１４４〜１４９の素子本体８０が位置し、端子の一部が第１面７１側から第２面７２側に貫通し、局所フローやレーザはんだなどにより、第２面７２に固定される。基板７上に配置されるスイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などが使用される。図４に示されるように、本実施形態ではスイッチング素子の素子本体８０とスイッチング素子の温度検出用のダイオードとが１つのカード状に作製されているいわゆるパワーカード８が第１面７１に位置する。パワーカード８は、スイッチング素子のゲート端子８１、エミッタ端子８２、センスエミッタ端子８３及びダイオードのアノード端子８４、カソード端子８５の５つの端子が側面一方から直列に出ており、逆側面からスイッチング素子のコレクタ端子８６及びエミッタ端子８７が出ている。第２面７２には、パワーカード８の５つの端子が第１面７１側から貫通して電気的に接続され、図５に示されるように、第１面７１にパワーカード８が位置する。よって、本実施形態１では、基板７の第１面７１に、パワーカード８の５つの端子が直列に配置する方向に２枚、端子の直列方向の直角方向に７枚、合計１４枚のパワーカード８が林立する。

図３に戻って、第２面７２には、各端子の周りにパワーカード毎に他の素子が実装することができない実装禁止エリア７３が存在する。なお、端子の基板７への固定は、はんだではなくコネクタが予め基板７に設置されており、端子を嵌め込むことで固定されるものでもよい。

第２面７２において、図面上の左上側に昇降圧コンバータ１２の上アーム用スイッチング素子１２１の端子、その下側に下アーム用スイッチング素子１２２の端子が位置する。そして、それらの右隣にＭＧ１用インバータ１３の上アーム用スイッチング素子１３４、１３６、１３８の端子、下側に下アーム用スイッチング素子１３５、１３７、１３９の端子が左から右にＵ相１３１、Ｖ相１３２、Ｗ相１３３の順で配置される。そして、Ｗ相１３３の右隣にＭＧ２用インバータ１４の上アーム用スイッチング素子１４４、１４６、１４８の端子、下側に下アーム用スイッチング素子１４５、１４７、１４９の端子がＵ相１４１、Ｖ相１４２、Ｗ相１４３の順に配置する。

そして、スイッチング素子毎の調整回路３の調整部材（ターンオン抵抗Ｒ１、ターンオフ抵抗Ｒ２、調整用コンデンサＣ、調整抵抗Ｒ３）が第１面７１と第２面７２とに配置される。基板７の第１面７１に第２の調整部材７４、第２面７２に第１の調整部材７５がそれぞれ配置される。第１の調整部材７５は、モータジェネレータＭＧ１用インバータ１３のＵ相１３１、Ｖ相１３２の上下アーム用スイッチング素子１３４〜１３７の調整回路３の調整部材、Ｗ相１３３の下アーム用スイッチング素子１３９の調整回路３の調整部材、ＭＧ２用インバータ１４のＵ相１４１及びＶ相１４２の上下アーム用スイッチング素子１４４〜１４７の調整回路３の調整部材、Ｗ相１４３の下アーム用スイッチング素子１４９の調整回路３の調整部材が含まれる。第２の調整部材７４は、昇降圧コンバータ１２の上下アーム用スイッチング素子１２１及び１２２の調整回路３の調整部材、ＭＧ１用インバータ１３及びＭＧ２用インバータ１４のＷ相１３３、１４３の上アーム用スイッチング素子１３８、１４８の調整回路３の調整部材が含まれる。

各スイッチング素子の調整回路３を構成する調整部材は、対応するスイッチング素子の近くに配置される。ターンオン抵抗Ｒ１、ターンオフ抵抗Ｒ２、調整用コンデンサＣ及び調整抵抗Ｒ３は、パワーカード８の端子の直列方向と同じ方向に直列で、対応するスイッチング素子の左隣か右隣に配置される。よって、第２面７１では、昇降圧コンバータ１２のスイッチング素子１２１、１２２の端子の左側に、Ｗ相１３３、１４３の右側に、それぞれの調整部材が配置される。第１面７１も同様に、林立するパワーカード８の間で、各スイッチング素子の近くに調整部材が配置される。

本発明の電圧変換装置１によれば、基板７の第１面７１に第２の調整部材７４、第２面７２に第１の調整部材７５を配置することで基板７の２面を有効に使い、基板７の拡張を抑制し、縮小も可能とすることができる。そして、３相交流インバータ１３、１４のスイッチング素子のための調整回路３は、相毎で同一定数の調整部材を実装し、また上下アームでも同一定数の調整部材を配置することができるため、１相の上下アームのどちらかのスイッチング素子のための調整回路３の調整部材を第１の調整部材７５として第２面７２に配置する。これにより、スイッチング素子の素子本体８０を含むパワーカード８が林立する第１面７１の第２の調整部材７４は、抵抗値を変えたりするなどの調整をするために基板７上で付け替えたりせず、第２面７２の第１の調整部材７５を取り替えることで、１つのスイッチング素子のゲート信号のスイッチングスピードを調整できるため、効率的にゲート信号のスイッチングスピードを調整できる。そして、１つを調整後は、他のスイッチング素子の調整回路３も同じゲート信号のスイッチングスピードになるように同一の抵抗値などの調整部材を用いることで、３相同じスイッチングスピードのゲート信号のインバータとすることができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２について具体的に説明する。本実施形態２は実施形態１と基本的には同様の構成及び同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心に説明する。

本実施形態２の電力変換装置１は、第１の調整部材７５及び第２の調整部材７４が実施形態１と異なる。第２面７２に配置される第１の調整部材７５は、図６に示されるように、昇降圧コンバータ１２の上下アームスイッチング素子１２２、１２２の調整回路３の調整部材、ＭＧ１用インバータ１３のＵ相１３１の上下アーム用スイッチング素子１３４、１３５の調整回路３の調整部材、ＭＧ２用インバータ１４のＷ相１４３の上下アーム用スイッチング素子１４８、１４９の調整回路３の調整部材である。第１面７１に配置される第２の調整部材７４は、残りのスイッチング素子の調整回路３のための調整部材である。

本発明の電力変換装置１は、スイッチング素子や調整回路３などの各構成要素を図１に示される回路図を基に基板７上に配置するため、ＭＧ１用インバータ１３はＵ相１３１及びＭＧ２用インバータ１４のＷ相１４３は、ＭＧ１用インバータ１３とＭＧ２用インバータ１４とに並列に接続されるサージ電圧吸収用コンデンサ１７から最も遠い相となる。そこで、Ｕ相１３１及びＷ相１４３についての調整部材を第２面７２でかつサージ電圧吸収用コンデンサ１７に近く配置することで、サージ電圧吸収効果が最も低いＵ相１３１及びＷ相１４３のスイッチング特性を評価することができるため、スイッチング時に発生する最大サージ電圧で調整することができる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３について具体的に説明する。本実施形態３は実施形態１と基本的には同様の構成及び同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心に説明する。

本実施形態３の電力変換装置１は、第１の調整部材７５及び第２の調整部材７４が実施形態１と異なる。第２面７２に配置される第１の調整部材７５は、図７に示されるように、昇降圧コンバータ１２の上下アームスイッチング素子１２２、１２２の調整回路３の調整部材、ＭＧ１用インバータ１３のＷ相１３３の上アーム用スイッチング素子１３８の調整回路３の調整部材のうちターンオン抵抗Ｒ１及びターンオフ抵抗Ｒ２、ＭＧ２用インバータ１４のＷ相１４３の上アーム用スイッチング素子１４８の調整回路３の調整部材のうちターンオン整抵抗Ｒ１及びターンオフ抵抗Ｒ２である。第１面７１に配置される第２の調整部材７４は、残りの調整部材である。

スイッチング素子１３４〜１３９、１４４〜１４９のゲート信号のスイッチングスピードを調整するために重要な調整部材は、ターンオン抵抗Ｒ１とターンオフ抵抗Ｒ２である。そのため、ＭＧ１用インバータ１３及びＭＧ２用インバータ１４のうちの１つのスイッチング素子について、重要な調整部材であるターンオン／オフ抵抗Ｒ１、Ｒ２のみを調整しやすい第２面７２に配置することで、スイッチング素子のゲート信号のスイッチングスピードの調整は十分できる。よって、試作段階における調整後、同様の同一定数になるように各スイッチング素子についての調整部材を配置すれば電圧変換装置を実現できるため、効率的にゲート信号のスイッチングスピードの調整ができる。

（実施形態３の変形例）
本変形例は、実施形態３と基本的には同様の構成及び同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心に説明する。

第２面７２に配置される第１の調整部材７５は、昇降圧コンバータ１２の上下アームスイッチング素子１２２、１２２の調整回路３の調整部材、ＭＧ１用インバータ１３のＷ相１３３の上アーム用スイッチング素子１３８の調整回路３の調整部材のうちターンオン抵抗Ｒ１の１つ及びターンオフ抵抗Ｒ２の１つ、ＭＧ２用インバータ１４のＷ相１４３の上アーム用スイッチング素子１４８の調整回路３の調整部材のうちターンオン抵抗Ｒ１の１つ及びターンオフ抵抗Ｒ２の１つである。各スイッチング素子の調整回路３において、ターンオン／オフ抵抗Ｒ１、Ｒ２について、図２に示されるように、並列に複数の抵抗が接続されている場合があり、それらの抵抗は基本的には同一の抵抗値を用いる。しかし、調整しやすい第２面７２に、並列接続されている抵抗の１つか２つを配置し、第２面７２に配置した抵抗値のみを変更してゲート信号のスイッチングスピードを調整することもできる。経験上、ゲート信号のスイッチングスピードを調整する抵抗値はある程度予想できるため、微調整のためにいくつかを調整しやすい面に配置することで、効率的にデート電圧を調整することが可能となる。

以上、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。例えば、基板７の第２面７２における昇降圧コンバータ１２、ＭＧ１用インバータ１３、ＭＧ２用インバータ１４の電力変換用スイッチング素子の端子及びその調整回路３は、左から昇降圧コンバータ１２用、ＭＧ１用、ＭＧ２用の順ではなく、ＭＧ２用、昇降圧コンバータ用、ＭＧ１用の順でも良い。

本実施形態１の電力変換装置１の回路図である。本実施形態１の電力変換装置１で用いられるスイッチング素子のゲート信号調整回路の等価回路図である。本実施形態１の電力変換装置１を構成する構成要素が配置される基板の模式図である。本実施形態１の電力変換装置１で用いられるスイッチング素子の素子本体８０を含むパワーカード８を模式的に表した斜視図である。本実施形態１の電力変換装置１を基板７の第１面７１側からみた模式的に表した斜視図である。本実施形態２の電力変換装置１を構成する構成要素が配置される基板の模式図である。本実施形態３の電力変換装置１を構成する構成要素が配置される基板の模式図である。

符号の説明

１：電力変換装置、１１：バッテリー、１２：昇降圧コンバータ、
１３：ＭＧ１用インバータ、１４：ＭＧ２用インバータ、
１７：サージ電圧吸収用コンデンサ、
１２１，１２２，１３４〜１３９，１４４〜１４９：スイッチング素子、
１２３：コンデンサ、１２４：リアクトル、
３：調整回路、４：駆動ＰＷＭ信号出力部、
５：ゲート駆動回路ＩＣ、５１：Ｎ−ＦＥＴ、５２：Ｐ−ＦＥＴ、
６：電源部、
７：基板、７１：第１面、７２：第２面、７３：実装禁止エリア、
７４：第２の調整部材、７５：第１の調整部材、
８：パワーカード、８０：素子本体、８１：ゲート端子、８２：エミッタ端子、
８３：センスエミッタ端子、８４：アノード端子、８５：カソード端子、
８６：コレクタ端子、８７：エミッタ端子、
Ｄ１〜Ｄ１４：ダイオード、ＭＧ１，ＭＧ２：モータジェネレータ、
Ｒ１：ターンオン抵抗、Ｒ２：ターンオフ抵抗、Ｃ：調整用コンデンサ、Ｒ３：調整抵抗。

Claims

基板と、
前記基板の第１面側に位置する素子本体と、前記素子本体に電気的に接続され前記基板の前記第１面側から前記第１面の裏面側である第２面側へ貫通して配置されると共に入力されるゲート信号に応じてスイッチング動作を行うゲート端子と、を備える電力変換用スイッチング素子と、
前記ゲート端子に電気的に接続されるように前記基板に実装される調整部材を備え、ゲート信号のスイッチングスピードを調整することにより前記電力変換用スイッチング素子のスイッチング動作を調整する調整回路と、
を備える電力変換装置であって、
前記調整部材は複数からなり、
複数の前記調整部材のうち少なくとも１つである第１の調整部材は、前記基板の前記第２面に配置され、
複数の前記調整部材のうち残りである第２の調整部材は、前記基板の前記第１面に配置されることを特徴とする電力変換装置。
前記電力変換用スイッチング素子は、インバータを構成すると共に、直列接続された高圧側の上アーム用スイッチング素子及び高圧ＧＮＤ側の下アーム用スイッチング素子を備え、
前記上アーム用スイッチング素子及び前記下アーム用スイッチング素子における前記調整回路の回路定数は、同一であり、
前記第１の調整部材は、複数の前記スイッチング素子のうち何れかの前記調整回路を構成する前記調整部材であり、
前記第２の調整部材は、複数の前記スイッチング素子のうち残りの前記調整回路を構成する前記調整部材である請求項１に記載の電力変換装置。
前記電力変換用スイッチング素子は、多相インバータを構成すると共に、それぞれ並列接続された各相において、直列接続された高圧側の上アーム用スイッチング素子及び高圧ＧＮＤ側の下アーム用スイッチング素子からなり、
前記上アーム用スイッチング素子及び前記下アーム用スイッチング素子における前記調整回路の回路定数は、同一であり、
前記第１の調整部材は、複数の前記スイッチング素子のうち何れかの前記調整回路を構成する前記調整部材であり、
前記第２の調整部材は、複数の前記スイッチング素子のうち残りの前記調整回路を構成する前記調整部材である請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１の調整部材は、多相のうち何れか１相を構成する前記スイッチング素子の前記調整回路を構成する前記調整部材であり、
前記第２の調整部材は、多相のうち残りの相を構成する前記スイッチング素子の前記調整回路を構成する前記調整部材である請求項３に記載の電力変換装置。
前記多相インバータに並列接続され、前記基板上において相毎に並列に配置される前記電力変換用スイッチング素子と並列に配置されるサージ電圧吸収用コンデンサを備え、
前記第１の調整部材は、前記基板上において前記サージ電圧吸収用コンデンサから最も遠い位置に配置される相の前記電力変換用スイッチング素子の前記調整回路を構成する前記調整部材を含む請求項３又は４に記載の電力変換装置。
前記調整回路は、前記電力変換用スイッチング素子のターンオン抵抗及びターンオフ抵抗、並びに、他の素子を含む請求項２〜５の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記調整回路は、さらに、調整用コンデンサを含む請求項６に記載の電力変換装置。
前記調整回路は、１つの前記電力変換用スイッチング素子の前記ゲート信号のスイッチングスピードを調整すると共に並列接続される複数の前記調整部材を備え、
前記第１の調整部材は、１つの前記調整回路を構成する前記複数の前記調整部材のうち何れかであり、
前記第２の調整部材は、１つの前記調整回路を構成する前記複数の前記調整部材のうちの残りである請求項１に記載の電力変換装置。
前記電力変換用スイッチング素子は、多相インバータを構成すると共に、それぞれ並列接続された各相において、直列接続された高圧側の上アーム用スイッチング素子及び高圧ＧＮＤ側の下アーム用スイッチング素子からなり、
前記電力変換装置は、さらに、前記多相インバータに並列接続され、前記基板上において相毎に並列に配置される前記電力変換用スイッチング素子と並列に配置されるサージ電圧吸収用コンデンサを備え、
前記第１の調整部材は、前記基板上において前記サージ電圧吸収用コンデンサから最も遠い位置に配置される相の前記電力変換用スイッチング素子の前記調整回路を構成する複数の前記調整部材のうち何れかを含み、
前記第２の調整部材は、前記基板上において前記サージ電圧吸収用コンデンサから最も遠い位置に配置される相の前記電力変換用スイッチング素子の前記調整回路を構成する複数の前記調整部材のうち残りを含む請求項８に記載の電力変換装置。
前記調整回路は、前記電力変換用スイッチング素子のターンオン抵抗及びターンオフ抵抗、並びに、他の素子を含み、
前記第１の調整部材は、少なくとも前記ターンオン抵抗及び前記ターンオフ抵抗を含み、
前記第２の調整部材は、前記他の素子の一部を含む請求項１に記載の電力変換装置。
前記調整回路は、さらに、調整用コンデンサを含み、
前記第１の調整部材は、さらに、前記調整用コンデンサを含む請求項１０に記載の電力変換装置。
前記電力変換用スイッチング素子は、さらに、昇圧した直流電圧を前記インバータに出力すると共に前記インバータから出力される直流電圧を降圧する昇降圧コンバータを構成するコンバータ用スイッチング素子を含み、
前記第１の調整部材は、前記コンバータ用スイッチング素子の前記調整部材を含む請求項１〜１１の何れか１項に記載の電力変換装置。