JP5250442B2

JP5250442B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5250442B2
Application number: JP2009025488A
Authority: JP
Inventors: 建前田; 壮志松尾; 英世鈴木
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-02-06
Also published as: JP2010183748A

Description

本発明は、電気自動車用の電力変換装置に関するものである。

ハイブリッド自動車用のインバータにおいて、小型化は重要な課題であり、部品のモジュール化等によって小型化を実現する例が多く存在する。部品のモジュール化として、例えば、特開２００７−１４３２７２号公報に示す例では、平滑用コンデンサとバスバーをモジュール化してパワーモジュールに直接接続するモジュールについて述べている。一方、電力変換装置の組み立て時には、更なる組み立て性の向上が求められる。

特開２００７−１４３２７２号公報

電力変換装置の組み立て性を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、直流電力と交流電力を相互に変換する複数のパワーモジュールと、直流電流を平滑化するためのコンデンサモジュールと、前記複数のパワーモジュールと前記コンデンサモジュールとを接続する接続導体とを備え、前記複数のパワーモジュールは、前記接続導体板と前記コンデンサモジュールの間に設けられ、前記接続導体板は、前記複数のパワーモジュールを跨ぐように構成され、前記複数のパワーモジュールを電気的に接続する。

これにより、複数のパワーモジュールを用いる電力変換装置であっても、コンデンサモジュールと接続するための接続導体板の接続工程を簡素化でき、電力変換装置の組み立て性を向上させることができる。

本発明により、電力変換装置の組み立て性が向上し、形状の簡素化と寸法管理の容易性によって歩留まりも改善する。

ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。インバータ装置，インバータ装置あるいはインバータ装置の電気回路構成を説明するための図である。本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成の外観斜視図である。本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。冷却水流路を有する筐体のアルミ鋳造品に冷却水位入口配管と出口配管を取り付けた図であり、（ａ）は筐体の斜視図、（ｂ）は筐体の上面図、（ｃ）は筐体の下面図である。電力変換装置の断面図である。（ａ）は、本実施形態に係るパワーモジュール３００の上方斜視図であり、（ｂ）は、パワーモジュールの上面図である。パワーモジュール３００と積層導体板７００とコンデンサモジュール５００のみを示した分解斜視図である。正極接続端子５０６ｃと積層導体板７００との接続部の拡大図である。パワーモジュール３００と積層導体板７００とコンデンサモジュール５００のみを示した組立構成図である。他の実施形態に係るパワーモジュール３００と積層導体板７００とコンデンサモジュール５００のみを示した分解斜視図である。

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。本実施形態のインバータは、電動機を車輌の唯一の駆動源とする電気自動車や、内燃機関であるエンジンと電動機とを車輌の駆動源とするハイブリッド電気自動車等の電動車輌に搭載されるものであって、車載電源であるバッテリから供給された直流電力を三相交流電力に変換して電動機に供給する電力変換装置である。

本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図１と図２を用いて説明する。図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。

本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。

図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。

車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支されている。前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸（図示省略）が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている。本実施形態のＨＥＶでは、動力によって駆動される主輪を前輪１１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。

前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪車軸１１４は前輪側ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機１１８によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１１４に分配する差動式動力分配機構である。変速機１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ１９２，１９４及び動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。

モータジェネレータ１９２，１９４は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置１４０，１４２によって制御されることによりモータジェネレータ１９２，１９４の駆動が制御される。インバータ装置１４０，１４２にはバッテリ１３６が電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４０，１４２との相互において電力の授受が可能である。

本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ装置１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ装置１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。

また、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。

バッテリ１３６はさらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては例えばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータであり、バッテリ１３６からインバータ４３装置に直流電力が供給され、インバータ装置４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。前記インバータ装置４３はインバータ装置１４０や１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数，電力を制御する。例えばモータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このようなインバータ装置４３の制御機能はインバータ装置１４０や１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２や１９４の容量より小さいので、インバータ装置４３の最大変換電力がインバータ装置１４０や１４２より小さいが、インバータ装置４３の回路構成は基本的にインバータ装置１４０や１４２の回路構成と同じである。

インバータ装置１４０や１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００は電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳述する電力変換装置は、インバータ装置１４０や１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００を電力変換装置の筐体内に内蔵している。この構成により、小型で信頼性の高い装置が実現できる。

またインバータ装置１４０や１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００を一つの筐体に内蔵することで、配線の簡素化やノイズ対策で効果がある。またコンデンサモジュール５００とインバータ装置１４０や１４２およびインバータ装置４３との接続回路のインダクタンスを低減でき、スパイク電圧を低減できると共に、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。

次に、図２を用いてインバータ装置１４０や１４２あるいはインバータ装置４３の電気回路構成を説明する。尚、図１，図２に示す実施形態では、インバータ装置１４０や１４２あるいはインバータ装置４３をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明する。インバータ装置１４０や１４２あるいはインバータ装置４３は同様の構成で同様の作用を為し、同様の機能を有しているので、ここでは、代表例としてインバータ装置１４０の説明を行う。

本実施形態に係る電力変換装置２００は、インバータ装置１４０とコンデンサモジュール５００とを備え、インバータ装置１４０はインバータ回路１４４と制御部１７０とを有している。また、インバータ回路１４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６と、からなる上下アーム直列回路１５０を複数有し（図２の例では３つの上下アーム直列回路１５０，１５０，１５０）、それぞれの上下アーム直列回路１５０の中点部分（中間電極１６９）から交流端子１５９を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６と接続する構成である。また、制御部１７０はインバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。

上アームと下アームのＩＧＢＴ３２８や３３０は、スイッチング用パワー半導体素子であり、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。

インバータ回路１４４は３相ブリッジ回路により構成されており、３相分の上下アーム直列回路１５０，１５０，１５０がそれぞれ、バッテリ１３６の正極側と負極側に電気的に接続されている直流正極端子３１４と直流負極端子３１６の間に電気的に並列に接続されている。

本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴ３２８や３３０を用いることを例示している。ＩＧＢＴ３２８や３３０は、コレクタ電極１５３，１６３，エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子１５５，１６５），ゲート電極（ゲート電極端子１５４，１６４）を備えている。ＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極１５３，１６３とエミッタ電極との間にはダイオード１５６，１６６が図示するように電気的に接続されている。ダイオード１５６，１６６は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としては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、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。

上下アーム直列回路１５０は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相分設けられている。３つの上下アーム直列回路１５０，１５０，１５０はそれぞれ、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極とＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極１６３を接続する中間電極１６９，交流端子１５９を介してモータジェネレータ１９２へのＵ相，Ｖ相，Ｗ相を形成している。上下アーム直列回路同士は電気的に並列接続されている。上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子（Ｐ端子）１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続（直流バスバーで接続）されている。各アームの中点部分（上アームのＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と下アームのＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極との接続部分）にあたる中間電極１６９は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の対応する相巻線に交流コネクタ１８８を介して電気的に接続されている。

コンデンサモジュール５００は、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の正極側が、コンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の負極側がそれぞれ直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサモジュール５００は、上アームＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３とバッテリ１３６の正極側との間と、下アームＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極とバッテリ１３６の負極側との間で接続され、バッテリ１３６と上下アーム直列回路１５０に対して電気的に並列接続される。

制御部１７０はＩＧＢＴ３２８，３３０を作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する制御回路１７２と、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成するドライブ回路１７４とを備えている。

制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値，上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。

制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。

ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各ＩＧＢＴ３２８，３３０は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。

また、制御部１７０は、異常検知（過電流，過電圧，過温度など）を行い、上下アーム直列回路１５０を保護している。このため、制御部１７０にはセンシング情報が入力されている。例えば各アームの信号用エミッタ電極端子１５５，１６５からは各ＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，３３０を過電流から保護する。上下アーム直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路１５０（引いては、この回路１５０を含む半導体モジュール）を過温度或いは過電圧から保護する。

インバータ回路１４４の上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時のモータジェネレータ１９２の固定子巻線の電流は、ダイオード１５６，１６６によって作られる回路を流れる。

上下アーム直列回路１５０は、図示するように、Positive端子（Ｐ端子，正極端子）１５７，Negative端子（Ｎ端子１５８，負極端子），上下アームの中間電極１６９からの交流端子１５９，上アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）１５５，上アームのゲート電極端子１５４，下アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）１６５，下アームのゲート端子電極１６４、を備えている。また、電力変換装置２００は、入力側に直流コネクタ１３８を有し、出力側に交流コネクタ１８８を有して、それぞれのコネクタ１３８と１８８を通してバッテリ１３６とモータジェネレータ１９２にそれぞれ接続される。また、モータジェネレータへ出力する３相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に２つの上下アーム直列回路を並列接続する回路構成の電力変換装置であってもよい。
図３〜図６において、２００は電力変換装置、１０は上部ケース、１１は金属ベース板、１２は筐体、１３は冷却水入口配管、１４は冷却水出口配管、４２０はカバー、１６は下部ケース、１７は交流ターミナルケース、１８は交流ターミナル、１９は冷却水流路、２０は制御回路基板で制御回路１７２を保持している。２１は外部との接続のためのコネクタ、２２は駆動回路基板でドライバ回路１７４を保持している。３００はパワーモジュール（半導体モジュール部）で２個設けられており、それぞれのパワーモジュールにはインバータ回路１４４が内蔵されている。７００は積層導体板、８００はＯリング、３０４は金属ベース、１８８は交流コネクタ、３１４は直流正極端子、３１６は直流負極端子、５００はコンデンサモジュール、５０２はコンデンサモジュールケース、５０４は正極側コンデンサ端子、５０６は負極側コンデンサ端子、５１４はコンデンサセル、をそれぞれ表す。

図３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成の外観斜視図を示す。本実施形態に係る電力変換装置２００の外観は、上面あるいは底面が略長方形の筐体１２と、前記筐体１２の短辺側の外周の１つに設けられた冷却水入口配管１３および冷却水出口配管１４と、前記筐体１２の上部開口を塞ぐための上部ケース１０と、前記筐体１２の下部開口を塞ぐための下部ケース１６とを固定して形成されたものである。筐体１２の底面図あるいは上面図の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また生産し易い効果がある。
前記電力変換装置２００の長辺側の外周にはモータジェネレータ１９２や１９４との接続を助けるための２組の交流ターミナルケース１７が設けられる。交流ターミナル１８は、パワーモジュール３００とモータジェネレータ１９２，１９４とを電気的に接続して、該パワーモジュール３００から出力される交流電流を該モータジェネレータ１９２，１９４へ伝達する。

コネクタ２１は、筐体１２に内蔵された制御回路基板２０に接続されており、外部からの各種信号を該制御回路基板２０に伝送する。直流（バッテリ）電源側正極端子５１０と直流（バッテリ）電源側負極端子５１２は、バッテリ１３６とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続する。ここで本実施形態では、コネクタ２１は、前記筐体１２の短辺側の外周面の一方側に設けられる。一方、直流（バッテリ）電源側正極端子５１０と直流（バッテリ）電源側負極端子５１２は、前記コネクタ２１が設けられた面とは反対側の短辺側の外周面に設けられる。つまり、コネクタ２１と直流（バッテリ）電源側正極端子５１０が離れた配置となっている。これにより、直流（バッテリ）電源側正極端子５１０から筐体１２に侵入し、さらにコネクタ２１まで伝播するノイズを低減することでき、制御回路基板２０によるモータの制御性を向上させることができる。

図４は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。

図４に示すように、筐体１２の中ほどに冷却水流路１９が設けられ、該冷却水流路１９の上部には流れの方向に並んで２組の開口４００と４０２が形成されている。前記２組の開口４００と４０２がそれぞれパワーモジュール３００で塞がれる様に２個のパワーモジュール３００が前記冷却水流路１９の上面に固定されている。各パワーモジュール３００には放熱のためのフィン３０５が設けられており、各パワーモジュール３００のフィン３０５はそれぞれ前記冷却水流路１９の開口４００と４０２から冷却水の流れの中に突出している。

前記冷却水流路１９の下側にはアルミ鋳造を行いやすくするための開口４０４が形成されており、前記開口４０４はカバー４２０で塞がれている。また前記冷却水流路１９の下側には補機用のインバータ装置４３が取り付けられている。前記補機用のインバータ装置４３は、図２に示すインバータ回路１４４と同様の回路が内蔵されており、前記インバータ回路１４４を構成しているパワー半導体素子を内蔵したパワーモジュールを有している。補機用のインバータ装置４３は前記内蔵している前記パワーモジュールの放熱金属面が前記冷却水流路１９の下面に対向するようにして、前記冷却水流路１９の下面に固定されている。また、パワーモジュール３００と筐体１２との間には、シールをするためのＯリング８００が設けられ、さらにカバー４２０と筐体１２との間にもＯリング８０２が設けられる。本実施形態ではシール材をＯリングとしているが、Ｏリングの代わりに樹脂材・液状シール・パッキンなどを代用しても良く、特に液状シールを用いた場合には電力変換装置２００の組立性を向上させることができる。
さらに前記冷却水流路１９の下部に放熱作用を為す下部ケース１６が設けられ、前記下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００が、コンデンサモジュール５００の金属材からなるケースの放熱面が前記下部ケース１６の面に対向するようにして前記下部ケース１６の面に固定されている。この構造により冷却水流路１９の上面と下面とを利用して効率良く冷却することができ、電力変換装置全体の小型化に繋がる。

冷却水入出口配管１３，１４からの冷却水が冷却水流路１９を流れることによって、併設されている２個のパワーモジュール３００が有する放熱フィンが冷却され、前記２個のパワーモジュール３００全体が冷却される。冷却水流路１９の下面に設けられた補機用のインバータ装置４３も同時に冷却する。

さらに冷却水流路１９が設けられている筐体１２が冷却されることにより、筐体１２の下部に設けられた下部ケース１６が冷却され、この冷却によりコンデンサモジュール５００の熱が下部ケース１６および筐体１２を介して冷却水に熱的伝導され、コンデンサモジュール５００が冷却される。

パワーモジュール３００の上方には、該パワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続するための積層導体板７００が配置される。この積層導体板７００は、２つのパワーモジュール３００に跨って、２つのパワーモジュール３００の幅方向に幅広に構成されている。さらに、積層導体板７００は、コンデンサモジュール５００の正極側端子と接続される正極側導体板７０２と、負極側端子と接続される負極側導体板７０４と、該正極側端子と該負極側端子と間に配置される絶縁部材によって構成される。これにより積層導体板７００の積層面積を広げることができるので、パワーモジュール３００からコンデンサモジュール５００までの寄生インダクタンスの低減を図ることができる。また、一つの積層導体板７００を２つのパワーモジュール３００に載置した後、積層導体板７００とパワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００との電気的な接続を行うことが出来るので、パワーモジュール３００を２つ備える電力変換装置であっても、その組立工数を抑えることができる。

積層導体板７００の上方には制御回路基板２０と駆動回路基板２２とが配置され、駆動回路基板２２には図２に示すドライバ回路１７４が搭載され、制御回路基板２０には図２に示すＣＰＵを有する制御回路１７２が搭載される。また、駆動回路基板２２と制御回路基板２０の間には金属ベース板１１が配置され、金属ベース板１１は両基板２２，２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共に駆動回路基板２２と制御回路基板２０とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。このように筐体１９の中央部に冷却水流路１９を設け、その一方の側に車両駆動用のパワーモジュール３００を配置し、また他方の側に補機用のパワーモジュール４３を配置することで、少ない空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。また筐体中央部の冷却水流路１９の主構造を筐体１２と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、冷却水流路１９は冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造で作ることで筐体１２と冷却水流路１９とが一体構造となり、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。

駆動回路基板２２には、金属ベース板１１を通り抜けて、制御回路基板２０の回路群との接続を行う基板間コネクタ２３が設けられている。また、制御回路基板２０には外部との電気的接続を行うコネクタ２１が設けられている。コネクタ２１により電力変換装置の外の、例えばバッテリ１３６として車に搭載されているリチウム電池モジュールとの信号の伝送が行われ、リチウム電池モジュールから電池の状態を表す信号やリチウム電池の充電状態などの信号が送られてくる。前記制御回路基板２０に保持されている制御回路１７２との信号の授受を行うために前記基板間コネクタ２３が設けられており、図示を省略しているが図２に示す信号線１７６が設けられ、この信号線１７６と基板間コネクタ２３を介して制御回路基板２０からインバータ回路のスイッチングタイミングの信号が駆動回路基板２２に伝達され、駆動回路基板２２で駆動信号であるゲート駆動信号を発生し、パワーモジュールのゲート電極にそれぞれ印加される。

筐体１２の上部と下部には開口が形成され、これら開口はそれぞれ上部ケース１０と下部ケース１６が例えばネジ等で筐体１２に固定されることにより塞がれる。筐体１２の中央に冷却水流路１９が設けられ、前記冷却水流路１９にパワーモジュール３００やカバー４２０を固定する。このようにして冷却水流路１９を完成させ、水路の水漏れ試験を行う。水漏れ試験に合格した場合に、次に前記筐体１２の上部と下部の開口から基板やコンデンサモジュール５００を取り付ける作業を行うことができる。このように中央に冷却水流路１９に配置し、次に前記筐体１２の上部と下部の開口から必要な部品を固定する作業が行える構造を為しており、生産性が向上する。また冷却水流路１９を最初に完成させ、水漏れ試験の後その他の部品を取り付けることが可能となり、生産性と信頼性の両方が向上する。
図５は冷却水流路１９を有する筐体１２のアルミ鋳造品に冷却水入口配管と出口配管を取り付けた図であり、図５（ａ）は筐体１２の斜視図、図５（ｂ）は筐体１２の上面図、図５（ｃ）は筐体１２の下面図である。図５に示す如く筐体１２と前記筐体１２の内部に設けられた冷却水流路１９が一体に鋳造されている。筐体１２の上面あるいは下面は略長方形の形状を為し、長方形の短辺の一方側筐体側面に冷却水を取り入れるための冷却水入口配管１３が設けられ、同じ側面に冷却水入口配管１４が設けられている。

前記冷却水入口配管１３から冷却水流路１９に流入した冷却水は、矢印４１８の方向である長方形の長辺に沿って流れ、長方形の短辺の他方側の側面の手前近傍で矢印４２１ａ及び４２１ｂのように折り返し、再び長方形の長辺に沿って矢印４２２の方向に流れ、不図示の出口孔から流出する。冷却水流路１９の行き側と帰り側にそれぞれ２個ずつの開口４００と４０２とが形成されている。前記開口にはパワーモジュール３００がそれぞれ固定され、各パワーモジュール３００の放熱のためのフィンがそれぞれの開口から冷却水の流れの中に突出する構造となっている。前記筐体１２の流れの方向すなわち長辺の沿った方向にパワーモジュール３００が並べて固定され、この固定により前記各パワーモジュール３００により冷却水流路１９の開口を例えばＯリング８００などで完全に塞ぐことができるように、支持部４１０が筐体と一体成形されている。この支持部４１０は、筐体１２の略中央に位置し、支持部４１０に対して冷却水の出入り口側の方に１つのパワーモジュール３００が固定され、また前記支持部４１０に対して冷却水の折り返し側の方に他の１つのパワーモジュール３００が固定される。図５（ｂ）に示す螺子穴４１２は前記出入り口側のパワーモジュール３００を冷却水流路１９に固定するために用いられ、この固定により開口４００が密閉される。また螺子穴４１４は前記折り返し側のパワーモジュール３００を冷却水流路１９に固定するために用いられ、この固定により開口４０２が密閉される。このように冷却水流路１９の行き側と帰り側両方を跨ぐようにパワーモジュール３００を配置することで、インバータ回路１４４を金属ベース３０４の上に高密度で集積できるため、パワーモジュール３００の小型化が可能となり電力変換装置２００の小型化にも大きく寄与する。

前記出入り口側のパワーモジュール３００は冷却水入口配管１３からの冷たい冷却水と、出口側に近く発熱部品からの熱によって暖められた冷却水とにより冷やされることとなる。一方、前記折り返し側のパワーモジュール３００は、少し温められた冷却水及び、出口孔４０３近くの冷却水よりは少し冷えた状態の冷却水によって冷却される。結果として折り返し冷却通路と２つのパワーモジュール３００の配置関係は、２つのパワーモジュール３００の冷却効率が均衡した状態となるメリットがある。

前記支持部４１０はパワーモジュール３００の固定のために使用され、開口４００や４０２の密閉のために必要である。さらに前記支持部４１０は筐体１２の強度の強化に大きな効果がある。冷却水流路１９は上述の通り折り返し形状であり、行き側流路と帰り側流路を隔てる隔壁４０８が設けられ、この隔壁４０８が前記支持部４１０と一体に作られている。隔壁４０８は単に行き側流路と帰り側流路を隔てる作用の他に、筐体の機械的な強度を高める作用をしている。また折り返し通路間の熱の伝達通路としての作用を為し、冷却水の温度を均一化する作用を為す。冷却水の入口側と出口側との温度差が大きいと冷却効率のムラが大きくなる。ある程度の温度差は仕方ないが、この隔壁４０８が前記支持部４１０と一体に作られていることで冷却水の温度差を抑える効果が有る。

図５（ｃ）は前記冷却水流路１９の裏面を示しており、前記支持部４１０に対応した裏面に開口４０４が形成されている。この開口４０４は、筐体の鋳造により形成する前記支持部４１０と筐体１２一体構造の歩留まりを向上するためのものである。開口４０４の形成により、鋳造品では、前記支持部４１０と冷却水流路１９の底部との二重構造が無くなり、鋳造し易く、生産性が向上する。

また、前記冷却水流路１９の側部には貫通穴４０６が形成される。前記冷却水流路１９を挟んで両側に設置される電気部品（パワーモジュール３００及びコンデンサモジュール５００）同士を、この貫通穴４０６を介して接続される。

また、筐体１２は、冷却水流路１９と筐体１２との一体構造として製造できるので、鋳造生産特にアルミダイキャスト生産に適している。

図６は、電力変換装置２００の断面図であり、基本的な構造は図３から図５に基づいて、既に説明したとおりである。

筐体１２の断面における上下方向の中央部には筐体１２と一体にアルミダイキャストで作られた冷却水流路１９（図６の点線部）が設けられ、冷却水流路１９の上面側に形成された開口にパワーモジュール３００（図６の一点鎖線部）が設置されている。図６の紙面に対して左側が冷却水の行き側の往路１９ａであり、紙面に対して右側が水路の折り返し側の復路１９ｂである。往路１９ａおよび復路１９ｂは、上述のとおりそれぞれ開口が設けられ、前記開口は、パワーモジュール３００の放熱のための金属ベース３０４により往路１９ａおよび復路１９ｂの両方に跨るように塞がれ、前記金属ベース３０４に設けられた放熱のためのフィン３０５が冷却水の流れのなかに前記開口から突出する。また、冷却水流路１９の下面側には補機用のインバータ装置４３が固定されている。

略中央が屈曲した板状の交流電力線１８６は、その一端がパワーモジュール３００の交流端子１５９と接続され、その他端が、電力変換装置２００内部から突出して交流コネクタを形成している。正極側コンデンサ端子５０４及び負極側コンデンサ端子５０６は、貫通孔４０６（図６の２点鎖線部）を介して、正極側導体板７０２及び負極側導体板７０４にそれぞれ電気的及び機械的に接続される。筐体１２の略中央を長方形の長辺方向に往復する冷却水流路１９が配置され、前記冷却水の流れ方向と略垂直の方向に、交流コネクタ１８８と正極側コンデンサ端子５０４及び負極側コンデンサ端子５０６が配置される。そのため電気配線が整然と配置され、電力変換装置２００の小型化に繋がっている。積層導体板７００の正極側導体板７０２及び負極側導体板７０４、さらに交流側電力線１８６がパワーモジュール３００の外に突出して接続端子を形成しているため構造がたいへん簡単で、また他の接続導体が使用されていないため小型化になっている。この構造により生産性が向上し、信頼性も向上する。

さらに前記貫通孔４０６は前記冷却水流路１９とは筐体１２内部の枠体で隔絶しており、かつ正極側導体板７０２及び負極側導体板７０４と正極側コンデンサ端子５０６及び負極側コンデンサ端子５０４との接続部が該貫通孔４０６内に存在するため、信頼性が向上する。

発熱量の大きいパワーモジュール３００を冷却水流路１９の一方の面に固定すると共にパワーモジュール３００のフィン３０５が冷却水流路１９の開口から水路内に突出するようにして効率良く冷却し、次に放熱量の大きい補機用インバータ装置４３を冷却水流路１９の他方の面で冷却し、さらに次に発熱量が大きいコンデンサモジュール５００を筐体１２および下部ケース１６を介して冷却する構造としている。このように放熱量の多さにあわせた冷却構造としているので、冷却効率や信頼性が向上すると共に、電力変換装置２００をより小型化することができる。

さらに補機用インバータ装置４３を冷却水流路１９のコンデンサモジュール５００側面に固定しているので、補機用インバータ装置４３の平滑用コンデンサとしてコンデンサモジュール５００を使用でき、この場合配線距離が短くなる効果がある。また配線距離が短いことからインダクタンスを小さくできる効果がある。

パワーモジュール３００の上方には、ドライバ回路１７４を実装した駆動回路基板２２が配置され、さらに駆動回路基板２２の上方には放熱および電磁シールドの効果を高める金属ベース板１１を介在させて制御回路基板２０が配置されている。なお制御回路基板２０には図２に示した制御回路１７２が搭載されている。上部ケース１０を筐体１２に固定することによって、本実施形態に係る電力変換装置２００が構成される。

上述のように、制御回路基板２０とパワーモジュール３００との間に駆動回路基板２２を配置しているので、制御回路基板２０からインバータ回路の動作タイミングが駆動回路基板２２に伝えられ、それに基づいて駆動回路基板２２でゲート信号が作られ、パワーモジュール３００のゲートにそれぞれ印加される。このように電気的な接続関係に沿って制御回路基板２０や駆動回路基板２２を配置しているので、電気配線が簡素化でき、電力変換装置２００の小型化に繋がる。また、駆動回路基板２２は、制御回路基板２０に対して、パワーモジュール３００やコンデンサモジュール５００よりも近い距離に配置される。そのため駆動回路基板２２から駆動回路基板２０までの配線距離は、他の部品（パワーモジュール３００等）と制御回路基板２０との配線距離よりも短くなる。よって電源側正極端子５１０から伝わる電磁ノイズやＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作による電磁ノイズが、駆動回路基板２２から駆動回路基板２０までの配線に侵入することを抑えることができる。

冷却水流路１９の一方の面にパワーモジュール３００を固定し、他方の面に補機用インバータ装置４３を固定することで、冷却水流路１９でパワーモジュール３００と補機用インバータ装置４３を同時に冷却する。この場合、パワーモジュール３００は放熱のためのフィンが冷却水流路１９の冷却水と直接、接するのでより冷却効果が大きい。さらに冷却水流路１９で筐体１２を冷却し、筐体１２に下部ケース１６や金属ベース板１１を固定することで下部ケース１６や金属ベース板１１を介して冷却する。下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００の金属ケースが固定されるので下部ケース１６と筐体１２を介してコンデンサモジュール５００が冷却される。さらに金属ベース板１１を介して制御回路基板２０や駆動回路基板２２を冷却する。さらに、下部ケース１６も熱伝導性の良い材料でできていて、コンデンサモジュール５００からの発熱を受け、筐体１９に熱を伝導し、冷却水流路１９の冷却水で放熱される。また、冷却水流路１９の下部カバー１５側である他方の側には、車内用エアコン，オイルポンプ，他用途のポンプ用として用いる、比較的小容量の補機用インバータ装置４３を設置する。この補機用インバータ装置４３からの発熱は、前記筐体１２の中間枠体を通して冷却水流路１９の冷却水で放熱される。このように中央に冷却水流路１９を設け、一方に金属ベース板１１を設け、他方に下部ケース１６を設けることで、電力変換装置２００を構成するのに必要な部品を発熱量に応じ、効率良く冷却することができる。また電力変換装置２００の内部に部品が整然と配置されることとなり、小型化が可能となる。

電力変換装置の放熱機能を果たす放熱体は、第１に冷却水流路１９であるが、この他にも金属ベース板１１がその機能を奏している（放熱機能を果たすために金属ベース板１１を設けている）。金属ベース板１１は、電磁シールド機能を果たすとともに、制御回路基板２０や駆動回路基板２２からの熱を受けて、筐体１２に熱を伝導し、冷却水流路１９の冷却水で放熱される。

このように、本実施形態に係る電力変換装置は、放熱体が３層の積層体を形成しており、すなわち、金属ベース板１１，冷却水流路１９，下部ケース１６という積層構造であり、これらの放熱体はそれぞれの発熱体（パワーモジュール３００，制御回路基板２０，駆動回路基板２２，コンデンサモジュール５００）に隣接して階層的に設置される。階層構造の中央部には、主たる放熱体である冷却水流路１９が存在し、金属ベース板１１と下部ケース１６は筐体１２を通して冷却水流路１９の冷却水に熱を伝える構造となっている。筐体１２内に３つの放熱体（冷却水流路１９，金属ベース板１１，下部ケース１６）が収容されて、放熱性を向上させるとともに薄型化，小型化に寄与している。
図７（ａ）は、本実施形態に関するパワーモジュール３００の上方斜視図であり、図７（ｂ）は、当該パワーモジュール３００の上面図である。３０２はパワーモジュールケース、３０４は金属ベース、３１４は直流正極端子、３１６は直流負極端子、３１８は直流正極端子３１４と直流負極端子３１６との間に介装された絶縁紙、３２０Ｕ／３２０Ｌはパワーモジュールの制御端子、３２８は上アーム用のＩＧＢＴ、３３０は下アーム用のＩＧＢＴ，１５６／１６６はダイオード、をそれぞれ表す。なお、不図示のピンフィン又はストレートフィンが、ＩＧＢＴが搭載された側とは反対側の金属ベース３０４の面上に設けられる。

パワーモジュール３００は、大きく分けて、例えば樹脂材料のパワーモジュールケース３０２内の配線を含めた半導体モジュール部と、金属材料例えばＣｕ，Ａｌ，ＡｌＳｉＣなどからなる金属ベース３０４と、外部との接続端子（直流正極端子３１４や制御端子３２０Ｕ等）と、から構成される。そして外部と接続する端子として、パワーモジュール３００は、モータと接続するためのＵ，Ｖ，Ｗ相の交流端子１５９と、コンデンサモジュール５００と接続する直流正極端子３１４及び直流負極端子３１６とを有している。

また、前記半導体モジュール部は、絶縁基板３３４の上に上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０，ダイオード１５６／１６６等が設けられて、レジン又はシリコンゲル（不図示）によって保護されている。絶縁基板３３４はセラミック基板であっても良いし、さらに薄い絶縁シートであってもよい。

図７（ｂ）は、金属ベース３０４に固着された熱伝導性の良いセラミックからなる絶縁基板３３４の上に、上下アーム直列回路が具体的にどのような配置で設置されているかを示す配置構成図とその機能を示す説明図である。図７（ｂ）に示すＩＧＢＴ３２８，３３０とダイオード３２７，３３２はそれぞれ２つのチップを並列接続して上アーム，下アームを構成し、上下アームに通電可能な電流容量を増やしている。
本実施形態に係るコンデンサモジュールと、その接続相手部品について、図８，図９及び図１０を参照しながら説明する。図８に示すように、コンデンサモジュール５００は、外部直流電源との接続用に電源側正極端子５１０，電源側負極端子５１２を樹脂などの充填材５２２から突出するように備える。さらに、電源側正極端子５１０及び電源側負極端子５１２は、コンデンサモジュールケース５０２の一辺側近傍であり、かつ当該一辺の略中央に配置される。

コンデンサモジュールケース５０２の内部には、複数のコンデンサセルが収納されている。本実施形態は、コンデンサセルとして、フィルムコンデンサを用いている。

充填材５２２は、前述のコンデンサセル同士の隙間に入り込み、コンデンサセルをコンデンサモジュールケース５０２に固定している。電源側正極端子５１０はコンデンサセルの一端と接続されており、電源側負極端子５１２はコンデンサセルのもう一端に接続されている。

コンデンサモジュール５００は、電源側正極端子５１０が備えられた辺と対向する辺側に、正極接続端子５０６ａ〜５０６ｃ，負極端子５０４ａ，５０４ｂを備える。正極接続端子５０６ａ〜５０６ｃ及び負極端子５０４ａ，５０４ｂは、積層導体板７００と接続するための端子である。

正極接続端子５０６ａ〜５０６ｃ及び負極端子５０４ａ，５０４ｂは、充填材５２２の上面から上方に突出した導体板５５１の先端付近に設けられる。導体板５５１は、コンデンサモジュール５００の長辺とほぼ同じ長さを持った幅広の導体板である。言い換えると、導体板５５１は、２つのパワーモジュール３００ａ及び３００ｂを跨ぐように、コンデンサモジュール５００の長手方向に広がっている。導体板５５１は、充填材５２２の内部で水平に折れ曲がり、コンデンサセルと接続されている。積層された２つの導体板の間には絶縁材５１７を挟むことにより、導体板５５１の絶縁沿面距離が確保されている。正極接続端子５０６ａ〜５０６ｃは、接続相手部品である積層導体板７００と機械的且つ電気的にネジで締結するための貫通孔５１１ａ，５１１ｂを持つ。同様の理由で負極端子５０４ａ，５０４ｂは貫通孔５０９ａ，５０９ｂを持つ。

積層導体板７００は、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂに跨ぐように、かつパワーモジュール３００ａ及び３００ｂの上方に配置される。積層導体板７００は、正極導体板７０２と負極導体板７０４、さらに正極導体板７０２と負極導体板７０４の間に挟んだ絶縁材５１９で構成される。正極導体板７０２は、その一方側の長辺に沿ってコンデンサモジュール５００との接続端子７０２ａ〜７０２ｃを有する。接続端子７０２ａ〜７０２ｃは、コンデンサモジュール５００とのネジ締結のため、貫通孔７０７ａ〜７０７ｄを有する。

一方、積層導体板７００は、その他方側の長辺に沿ってパワーモジュール３００ａ及び３００ｂとの接続端子７０２ｄ〜７０２ｆを備える。接続端子７０２ｄ〜７０２ｆは、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂとネジ締結するための貫通孔７１１ａ〜７１１ｄを持つ。負極導体板７０４は、その一方側の長辺に沿ってコンデンサモジュール５００とのネジ締結用に貫通孔７０９ａ〜７０９ｄを持つ。また、負極導体板７０４は、その他方側の長辺に沿ってパワーモジュール３００ａ及び３００ｂとの接続端子７１３ｄ〜７１３ｆを有する。

パワーモジュール３００ａ及び３００ｂは、コンデンサモジュール５００と積層導体板７００の間に位置し、積層導体板７００を介してコンデンサモジュール５００から平滑された電圧，電流を得る。２つのパワーモジュール３００ａと３００ｂは、コンデンサモジュール５００及び積層導体板７００の長辺を二等分する略中央線に対して線対称に配置される。

電力変換装置の組み立てにおいて、作業の簡易化による作業時間短縮は、コスト面，生産性、更には信頼性向上のために大きな課題である。ネジによる締結作業においては一般的に、締結部を作業者若しくは組み立て機器と対面するようにしてから、ネジ締めを行う。このため、締結部が部品に対して複数方向に存在する場合は、部品の各方向でのネジ締めが完了する度に、部品を回転させて作業者等に向き直し後にネジ締めを行う必要がある。つまり、この部品を回転させる作業を削減することが課題となっている。

そこで、本発明の実施形態では、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂのネジ穴３１４ａ〜３１４ｄ，３１６ａ，３１６ｂ，３１６ｄが開いている方向に合わせて、コンデンサモジュール５００側の貫通孔５０９ａ〜５０９ｄ，５１１ａ〜５１１ｄが形成されている。

コンデンサモジュール５００側の貫通孔５０９ａ〜５０９ｄ，５１１ａ〜５１１ｄが、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂのネジ穴３１４ａ〜３１４ｄ，３１６ａ，３１６ｂ，３１６ｄと同一方向に向いていることで、ネジ締め方向を一方向に集約できる。ネジ締め方向が一方向に集約されることで、部品を回転させる作業を削減できる。

また、ネジ締結による電気的接続部は、その接続部の温度上昇を抑えるために十分な接触面積を確保する必要がある。接触面積を確保するためには、基準穴から締結穴までの寸法と、又は基準面から締結面までの寸法に精度が要求される。ここで基準穴及び基準面とは、ネジ締結をする際に、コンデンサモジュール５００を所定の位置に固定するための目印であり、例えば本実施形態では、貫通孔５５３ａが基準穴であり、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂの上面が基準面である。特に大電流が流れるＨＥＶ用コンデンサモジュールにおいては電気的接続部の温度上昇が問題となり、この寸法精度の確保が課題となっている。

そこで、本発明の実施形態では、コンデンサモジュール５００の正極導体板５０５，負極導体板５０７は、例えば二箇所のみに曲げを持つような簡素化された形状を採っている。充填材５２２内で折り曲げられて形成された第一の折り曲げ部５５５と、正極接続端子５０６ａ〜５０６ｃを形成するための第二の折り曲げ部５５７が、空間内で略平行に形成される。

これにより、正極導体板５０５及び負極導体板５０７は、複数方向に対して曲げを持つ場合に比べて寸法精度の確保が容易である。さらに、図８に示すように負極端子５０４ｂには二つの貫通孔５０９ｃ，５０９ｄが設けられている。これにより、複数の貫通孔を一端子に集約することで管理すべき寸法を低減することができる。例えば、貫通孔５０９ａと貫通孔５０９ｂを負極端子５０４ａに集約すると、管理する寸法は、貫通孔５０９ａと貫通孔５０９ｂを別々の端子に設ける場合の半分となる。

パワーモジュール３００ａ及び３００ｂの大電流化と小型化の傾向から、電力変換装置の低インダクタンス化が課題となっている。パワーモジュール３００ａ及び３００ｂは、大電流化により発熱量が多くなるのに対し、小型化により放熱性能に制限を受ける可能性がある。よって、パワーモジュール内のＩＧＢＴは、そのスイッチング損失を抑えるために高速スイッチングにより制御されることが求められる。したがって、高速スイッチングは大きなサージ電圧を発生させるため、サージ電圧の原因であるインダクタンスの低減が課題となる。

正極導体板５０５及び負極導体板５０７は、端子部を除き積層構造であり、極めて薄い絶縁層を介して近接している。正極導体板５０５及び負極導体板５０７は、コンデンサモジュール５００の長辺方向に拡がっている。正極導体板５０５及び負極導体板５０７は、図９に示されるように、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂから遠ざかる方向に折り曲げられて構成された正極接続端子５０６ａ〜５０６ｃ及び負極端子５０４ａ，５０４ｂを備える。正極接続端子５０６ａ〜５０６ｃ及び負極端子５０４ａ，５０４ｂは、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂのネジ穴３１４ａ〜３１４ｄ，３１６ａ〜３１６ｄに積層導体板７００を介して接続される。

正極導体板５０５に流れる電流と負極導体板５０７に流れる電流は、その方向が逆になっている。正極導体板５０５と負極導体板５０７が近接しているため、それぞれに流れる電流が発生する磁束を相殺することができ、磁束に起因するインダクタンスが低減する。また、正極導体板５０５と負極導体板５０７との幅を可能な限り広くすることで電流経路を広げられ、インダクタンスが低減する。

正極接続端子５０６ａ〜５０６ｃ，負極端子５０４ａ，５０４ｂがパワーモジュール３００ａ及び３００ｂから遠ざかる方向に折り曲がっていることにより、積層導体板７００との接続部ではＵターン電流が形成され、曲げ部を除いて、発生する磁束を相殺できる。これによりインダクタンス低減を図る。

電力変換装置の小型化傾向に伴い、コンデンサモジュールの小型化も課題となっている。コンデンサモジュールの小型化は、複数のパワーモジュールに対して１個のコンデンサモジュールで電流，電圧の平滑化を行うことにより達成できる。ここで、複数のパワーモジュール用に電流，電圧の平滑化を行う大型コンデンサモジュールをインバータに収納するための効率的な接続方法の発案が新たな課題となっている。

パワーモジュール３００ａ及び３００ｂは、コンデンサモジュール５００の上方に位置し、コンデンサモジュール５００の長手方向に沿って並べて配置される。パワーモジュール３００ａ及び３００ｂの配列位置を上方から見ると、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂの２個ともコンデンサモジュール５００が存在する平面内に収まっている。積層導体板７００は、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂの間を跨って、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂの配列方向に広がり、コンデンサモジュール５００の長辺と略同一の長さを持つ。一方、積層導体板７００の短手方向の長さは、コンデンサモジュール５００の短手方向よりも短くなっている。積層導体板７００の貫通孔７１１ａ〜７１１ｄ，７１３ａ〜７１３ｄは、ネジによりパワーモジュール３００ａ及び３００ｂのネジ穴３１４ａ〜３１４ｄ，３１６ａ〜３１６ｄに締結される。

本実施形態に係る導体板５５１と積層導体板７００を用いることで、２つのパワーモジュール３００ａ及び３００ｂに対して１個のコンデンサモジュール５００を高さ方向へ積み上げて配置させ、それぞれを接続させることができる。導体板５５１と積層導体板７００組の長手方向長さは、コンデンサモジュール５００の長辺と略同一であることから、組み立て後の形状における長手方向の長さは、コンデンサモジュール５００の長辺と略同一となる。一方、コンデンサモジュール５００の短手方向において、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂと積層導体板７００は、上方から見てコンデンサモジュール５００が存在する平面内に配置されている。よって、組み立て後の電力変換装置の短手方向の長さは、コンデンサモジュール５００の短辺と略同一となる。つまり、本実施形態では、部品組み立てによって電力変換装置の水平方向の形状が拡大することを抑制できる。

前記パワーモジュール３００ａ及び３００ｂの放熱が課題となっている。さらに、小型化されたコンデンサモジュール５００が有する導体板５５１の放熱の対策も課題となっている。つまり、コンデンサモジュール５００が有する正極導体板５０５，負極導体板５０７は、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂの動作時に発生するリップル電流が流れるために発熱するからである。

正極導体板５０５及び負極導体板５０７は、コンデンサモジュールケース５０２内に収納された複数のコンデンサセルを覆うように形成される。電源側正極端子５１０及び電源側負極端子５１２は、コンデンサモジュール５００の長辺の略中心付近に位置している。積層導体板７００と接続される正極接続端子５０６ａ〜５０６ｃ及び負極端子５０４ａ，５０４ｂは、コンデンサモジュール５００の長辺を二等分する直線Ａ−Ａに対して線対称に位置している。また、積層導体板７００の接続端子も、コンデンサモジュール５００の長辺を二等分する直線Ａ−Ａに対して線対称となる。パワーモジュール３００ａ及び３００ｂは、コンデンサモジュール５００の長辺を二等分する直線Ａ−Ａに対して互いに線対称に配置され、積層導体板７００との接続ネジ穴３１４ａ，３１４ｂ，３１６ａ〜３１６ｄも前記直線に対して線対称に配置されている。

コンデンサモジュール５００の正極接続端子５０６ａ〜５０６ｃ，負極端子５０４ａ，５０４ｂが線対称であることから、２つのパワーモジュール３００ａ及び３００ｂが動作して発生するリップル電流は、コンデンサモジュール５００の長辺を二等分する直線Ａ−Ａに対して線対称となる電流経路をとる。前記直線に対して線対称に流れる電流は、コンデンサモジュール５００の有する正極導体板５０５，負極導体板５０７上を均等に分散するため、局部的な発熱を避けることができる。パワーモジュール３００ａ及び３００ｂのうち１個が動作する場合であっても、垂直に立ち上がった正極導体板５５１と、正極導体板５５１と積層関係にあるもう１枚の負極導体板を流れる電流が分散し、コンデンサモジュール５００内部に広がる正極導体板５０５，負極導体板５０７上を流れる電流の偏りがなくなる。この結果、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂのうち１個のみが動作する場合であっても、コンデンサモジュール５００の局部的発熱を避けることが可能である。

本実施形態は、コンデンサモジュール５００とパワーモジュール３００ａ及び３００ｂの位置関係を変えず、コンデンサモジュール５００の接続部形状をさらに簡素化し、寸法管理の簡易性を向上させる構成について説明する。実施例１と同様な符号を付した部品は、実施例１と同様な機能を有する。

図１１に示されるように、コンデンサモジュール５００は、積層導体板７００との接続のために、コンデンサモジュールケース５０２の側壁から突出した正極接続端子５０６ｄ〜５０６ｇ及び負極接続端子５０４ｃ〜５０４ｆを有する。正極接続端子５０６ｄ〜５０６ｇ及び負極接続端子５０４ｃ〜５０４ｆは、コンデンサモジュール５００内部の正極導体板５０５及び負極導体板５０７の略同一平面内に形成される。好ましくは、正極接続端子５０６ｄ〜５０６ｇ及び負極接続端子５０４ｃ〜５０４ｆは、平板で形成された正極導体板５０５及び負極導体板５０７の端部に形成される。正極接続端子５０６ｄ〜５０６ｇ及び負極接続端子５０４ｃ〜５０４ｆは、積層導体板７００の貫通孔７０７ｅ〜７０７ｈ，７０９ｅ〜７０９ｈとネジ締結するために、貫通孔５０９ｅ〜５０９ｈ，５１１ｅ〜５１１ｈを有する。

積層導体板７００の貫通孔７０７ｅ〜７０７ｈ，７０９ｅ〜７０９ｈは、正極端子７０２ｇ〜７０２ｊ，負極端子７０４ｂ〜７０４ｅに設けられる。

積層導体板７０４ａは、正極端子７０２ｇ〜７０２ｊ及び負極端子７０４ｂ〜７０４ｅの面に対して略垂直方向に、かつ２個のパワーモジュール３００ａ及び３００ｂに跨るように形成される。また、積層導体板７０４ａは、正極端子７０２ｇ〜７０２ｊの折れ曲がる方向とは逆方向に折り曲げられる。さらに、積層導体板７０４ａは、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂの上面まで延設され、パワーモジュール３００ａ及び３００ｂと接続される。

積層導体板７００の全長を長く、かつ折れ曲がった形状とすることにより、垂直方向への弾性変形による接続面のずれを吸収させることができる。ここでいうずれとは、例えば正極接続端子５０６ｄ〜５０６ｇからパワーモジュール３００ａまでの寸法公差や、車両の振動によって発生したずれのことを示す。

積層導体板７００が弾性変形によって前述のずれを吸収することにより、接続部の接触面積が小さくなることを抑制して、電流による発熱を抑えることができる。さらに、正極接続端子５０６ｄ〜５０６ｇ及び負極接続端子５０４ｃ〜５０４ｆが、正極導体板５０５及び負極導体板５０７と同一面に位置することで、正極導体板５０５及び負極導体板５０７に曲げ加工の必要がなく、寸法精度の確保が容易となる。

３００ａ及び３００ｂパワーモジュール
５００コンデンサモジュール
５０２コンデンサモジュールケース
５０４ａ，５０４ｂ負極端子
５０６ａ〜５０６ｃ正極接続端子
５０９ａ，５０９ｂ，７０７ａ〜７０７ｄ，７１１ａ〜７１１ｄ貫通孔
５１０電源側正極端子
５１２電源側負極端子
５１７絶縁材
５２２充填材
５５１導体板
７００積層導体板
７０２ａ〜７０２ｃ接続端子

Claims

直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子を有する第１パワーモジュールと、
直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子を有する第２パワーモジュールと、
前記第１パワーモジュール及び前記第２パワーモジュールに供給される前記直流電力を平滑化するためのコンデンサセルを有するコンデンサモジュールと、
前記コンデンサセルと接続し、前記コンデンサモジュールの内部から延びており、かつ端部に接続端子を有する第１接続導体板と、
前記接続端子と前記第１パワーモジュール及び前記第２パワーモジュールとを接続するための第２接続導体板と、
冷却冷媒を流すための流路を形成する流路形成体と、を備え、
前記第１パワーモジュールは、前記コンデンサモジュールと対向する位置に配置され、
前記第２パワーモジュールは、前記第１パワーモジュールの側部であって、前記コンデンサモジュールと対向する位置に配置され、
前記流路形成体は、前記第１パワーモジュールと前記コンデンサモジュールとの間の空間及び前記第２パワーモジュールと前記コンデンサモジュールとの間の空間に配置され、
前記第１接続導体板は、前記流路形成体の側部を通って、前記第１パワーモジュールの側部及び前記第２パワーモジュールの側部まで延ばされ、
前記第１パワーモジュールは、前記第１パワーモジュールと前記第２パワーモジュールの配列方向に垂直な方向と平行な辺の略中央に第１直流端子を有し、
前記第２パワーモジュールは、前記第１パワーモジュールと前記第２パワーモジュールの配列方向に垂直な方向と平行な辺の略中央に第２直流端子を有し、
前記第１直流端子は、前記第２接続導体板との接続面が前記接続端子の接続面と同一方向を向くように形成され、
前記第２直流端子は、前記第２接続導体板との接続面が前記接続端子の接続面と同一方向を向くように形成され、
前記第２接続導体板は、前記第１パワーモジュール及び前記第２パワーモジュールを挟んで前記流路形成体と対向する位置に配置され、
さらに前記第２接続導体板は、前記第１直流端子の前記接続面と前記第２直流端子の前記接続面と前記接続端子の接続面とを覆うように形成される電力変換装置。
請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記第１パワーモジュールの辺のうち前記接続端子に最も近い辺を第１辺と定義し、
前記第１パワーモジュールの辺のうち前記接続端子に最も遠い辺を第２辺と定義し、
前記第１パワーモジュールは、インバータ回路の上アームを構成する第１パワー半導体素子と、前記インバータ回路の下アームを構成する第２パワー半導体素子とを有し、
前記第１パワー半導体素子は、前記第１パワーモジュールの中央部と前記第１辺との間の領域に配置され、
前記第２パワー半導体素子は、前記第１パワーモジュールの中央部と前記第２辺との間の領域に配置される電力変換装置。
請求項１又は２に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第１接続導体板は、前記コンデンサモジュール内部で折り曲げられ、かつ前記コンデンサモジュールの前記所定の一面から前記第１パワーモジュール及び前記第２パワーモジュールの側部まで延びる電力変換装置。
請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記第２接続導体板は、略平板状に形成され、
前記第１接続導体板は、前記第２接続導体板まで延びており、その先端が当該第２接続導体板と略平行になるように折り曲げられ、さらに当該折り曲げられた面が当該第２接続導体板と接続される電力変換装置。
請求項３に記載された電力変換装置であって、
前記第１接続導体板の前記折り曲げられた面の折り曲げ方向は、前記第１パワーモジュールと前記第２パワーモジュールの配置方向とは反対方向である電力変換装置。
請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記第１パワーモジュール及び前記第２パワーモジュールは前記コンデンサモジュールの一辺に沿って設けられ、
前記第１接続導体板の主面を２等分する線が前記第１パワーモジュールと前記第２パワーモジュールの対向面上と一致するように、当該第１接続導体板が構成される電力変換装置。
請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記第１パワーモジュール及び前記第２パワーモジュールは前記コンデンサモジュールの一辺に沿って設けられ、
前記第２接続導体板の主面を２等分する線が前記第１パワーモジュールと前記第２パワーモジュールの対向面上と一致するように、当該第２接続導体板が構成される電力変換装置。
請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記第１接続導体板は、第１正極導体板と、第１負極導体と、当該第１正極導体板と当該第１負極導体板と間に設けられる板絶縁部材を備え、かつ当該第１正極導体板と当該板絶縁部材と当該第１負極導体とにより構成される積層部を備える電力変換装置。
請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記第２接続導体板は、第２正極導体板と、第２負極導体と、当該第２正極導体板と当該第２負極導体板と間に設けられる板絶縁部材を備え、かつ当該第２正極導体板と当該板絶縁部材と当該第２負極導体とにより構成される積層部を備える電力変換装置。