JP5745995B2 - スイッチング素子装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子装置に関し、詳しくは、Ｐ型およびＮ型の半導体により形成されたスイッチング素子を含むカード状の素子部と、Ｐ型およびＮ型の半導体の各々に接続されて素子部から互いに対面した状態で延出するバスバであるＰバスバおよびＮバスバと、少なくともスイッチング素子を冷却するために素子部とＰバスバおよびＮバスバとを間に挟んで両側に配置され導体により形成された２つの冷却部と、を備えるスイッチング素子装置に関する。

従来、この種の装置としては、インバータとモータ等の電気機器との間にコモンモードチョークコイルを接続し、コモンモードチョークコイルとモータ間の三相の各線にコンデンサと抵抗との直列接続体の一方を接続し、その直列接続体の他方を共通接続し、共通接続された直列接続体の他端を交流電源より高い周波数成分に対して接地と同等の電位を持つ仮想接地電位部に接続するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、これにより、比較的小型のコモンモードチョークコイルとコンデンサを使用し、インバータのスイッチング素子のスイッチングによる高周波ノイズを低減すると共に、モータ等の電気機器の漏洩電流を低減するフィルタを構成している。

特開２００１−６９７６２号公報

しかしながら、上述の装置では、スイッチング素子のスイッチングによる高周波ノイズ（コモンモードノイズ）を低減するためにコモンモードチョークコイルやコンデンサを追加するため、スイッチング素子を含む装置の部品点数の増加や装置の大型化，電気的なシステムの複雑化などの不都合が生じたり、システムのインダクタンスや電気容量の変化により対策すべきノイズの周波数帯にＬＣ共振が発生する可能性が生じたり、インバータの出力側（モータ等の電気機器側）のインピーダンスが変化した場合にその都度コモンモードチョークコイルやコンデンサの定数調整の必要が生じたりしてしまう。

本発明のスイッチング素子装置は、スイッチング素子のスイッチングによりコモンモードノイズが発生するのをより適正に抑制することを主目的とする。

本発明のスイッチング素子装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のスイッチング素子装置は、
Ｐ型およびＮ型の半導体により形成されたスイッチング素子を含むカード状の素子部と、前記Ｐ型およびＮ型の半導体の各々に接続されて前記素子部から互いに対面した状態で延出するバスバであるＰバスバおよびＮバスバと、少なくとも前記スイッチング素子を冷却するために前記素子部と前記Ｐバスバおよび前記Ｎバスバとを間に挟んで両側に配置され導体により形成された２つの冷却部と、を備えるスイッチング素子装置において、
前記２つの冷却部は、前記Ｐバスバおよび前記Ｎバスバの間に配置され前記導体により形成された板状の接続部によって接続されており、
前記２つの冷却部を接地し、前記Ｐバスバ，前記Ｎバスバにおける前記素子部から前記接続部に対面する所定位置までのインダクタンスをそれぞれＬｐ，Ｌｎとし、前記Ｐバスバ，前記Ｎバスバと前記接続部との間のキャパシタンスをそれぞれＣｐ，Ｃｎとしたときに、Ｌｎ・Ｃｎ−Ｌｐ・Ｃｐ＝０の関係式が成立するように前記Ｐバスバおよび前記Ｎバスバと前記接続部とを形成かつ配置する、
ことを特徴とする。

この本発明のスイッチング素子装置では、Ｐ型およびＮ型の半導体により形成されたスイッチング素子を含むカード状の素子部と、Ｐ型およびＮ型の半導体の各々に接続されて素子部から互いに対面した状態で延出するバスバであるＰバスバおよびＮバスバと、を間に挟んで両側に配置され導体により形成された２つの冷却部は、ＰバスバおよびＮバスバの間に配置され導体により形成された板状の接続部によって接続されており、２つの冷却部を接地し、Ｐバスバ，Ｎバスバにおける素子部から接続部に対面する所定位置までのインダクタンスをそれぞれＬｐ，Ｌｎとし、Ｐバスバ，Ｎバスバと接続部との間のキャパシタンスをそれぞれＣｐ，Ｃｎとしたときに、Ｌｎ・Ｃｎ−Ｌｐ・Ｃｐ＝０の関係式が成立するようにＰバスバおよびＮバスバと接続部とを形成かつ配置する。これにより、装置の等価回路においてスイッチング素子のスイッチングにより生じるコモンモード電流を理想的に値０とすることができるから、コモンモードチョークコイルやコンデンサを追加することなくコモンモードノイズの発生を抑制することができる。即ち、スイッチング素子のスイッチングによりコモンモードノイズが発生するのをより適正に抑制することができる。ここで、所定位置は、接続部の素子部側の端部に向かい合う位置と接続部の素子部側とは反対側の端部に向かい合う位置との間の位置などとすることができる。

本発明の一実施例としてのスイッチング素子装置２０の構成の概略を示す構成図である。 図１のスイッチング素子装置２０をＡ方向からみた正面図である。 図１のスイッチング素子装置２０をＢ方向からみた側面図である。 スイッチング素子装置２０の構造の等価回路を示す説明図である。 スイッチング素子装置２０の構造に適用する基本原理を示す説明図である。 従来例のスイッチング素子装置に対して接続部３６を取り付けて実施例のスイッチング素子装置２０を構築する際の様子を説明する説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのスイッチング素子装置２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、図１のスイッチング素子装置２０をＡ方向から（正面から）みた正面図であり、図３は、図１のスイッチング素子装置２０をＢ方向から（側面から）みた側面図である。実施例のスイッチング素子装置２０は、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載された三相交流電動機としての走行用モータを駆動するために車載バッテリからの直流電力を交流電力に変換するスイッチング機器であるインバータの一部（三相のうち一相に相当）を構成している。このインバータは、車体に固定されたインバータケースに収納されている。

スイッチング素子装置２０は、Ｐ型半導体およびＮ型半導体により形成された例えばＩＧＢＴとして構成された２つのスイッチング素子２４（図２参照）を含むカード状（平らな直方体形状）の素子部２２と、２つのスイッチング素子２４のＰ型半導体およびＮ型半導体の各々に接続されてカード状の素子部２２の一端（図１中、平らな直方体形状の６面のうち最も広い２面を除いた４面の１つ）から垂直に且つ互いに対面した状態で延出する２つのバスバであるＰバスバ２６ｐおよびＮバスバ２６ｎと、素子部２２のスイッチング素子２４やＰバスバ２６ｐ，Ｎバスバ２６ｎを冷却するために素子部２２とＰバスバ２６ｐおよびＮバスバ２６ｎとを間に挟んで両側に配置された２つの冷却器３１，３２と、を備える。即ち、スイッチング素子装置２０は、カード状の素子部２２を両面から冷却する両面冷却構造を採用している。図１中、冷却器３２は、見やすさを考慮して輪郭のみを点線で示した。また、実施例では、Ｐバスバ２６ｐとＮバスバ２６ｎとは同一形状であるものとした。

素子部２２は、２つのスイッチング素子２４や、２つのスイッチング素子２４と電気的には逆方向に並列に接続された図示しない２つのダイオードが、図示しない基板に実装されて絶縁体である樹脂によりモールドされた状態で、カード状に形成されている。図２および図３では、見やすさを考慮して、素子部２２内のスイッチング素子２４を破線により示した。

Ｐバスバ２６ｐおよびＮバスバ２６ｎは、例えば銅などの導体により形成されており、素子部２２とは反対側の端部が車載バッテリと走行用モータとを接続する電力ラインの正極母線および負極母線にそれぞれ接続されている。

冷却器３１，３２は、走行用モータなどを冷却する冷却系における冷却水の循環経路の一部を構成すると共に、内部に複数のフィンが形成された例えばアルミニウムなどの導体によって形成されており、この内部を冷却水が通過することによって素子部２２のスイッチング素子２４やＰバスバ２６ｐ，Ｎバスバ２６ｎを冷却する。また、冷却器３１，３２は、Ｐバスバ２６ｐおよびＮバスバ２６ｎの各々に対面するようＰバスバ２６ｐとＮバスバ２６ｎとの中間位置に配置された接続部３６によって接続されている。冷却器３１，３２は、電気的には車体を介して接地されており、接続部３６は、冷却器３１，３２と一体に同じ導体によって形成されている。

図４は、上述のように構成されたスイッチング素子装置２０の構造の等価回路（ノーマルモード的な等価回路）を示し、図５は、スイッチング素子装置２０の構造に適用される基本原理を示す説明図である。図４中、スイッチング素子２４のスイッチングにより発生するコモンモードノイズのノイズ源となる素子部２２側を「素子部側」として示し、このコモンモードノイズの出力側を「出力側」として示した。図４に示すように、スイッチング素子装置２０の構造の等価回路では、素子部側と出力側とがＰバスバ２６ｐとＮバスバ２６ｎとによって接続され、Ｐバスバ２６ｐにおける素子部２２から接続部３６に対面する所定位置Ｐ１までの（長さＬ１に相当する）インダクタンス（寄生インダクタンス）を「Ｌｐ」とすると共に、Ｎバスバ２６ｎにおける素子部２２から接続部３６に対面する所定位置Ｐ２までの（同じく長さＬ１に相当する）インダクタンス（寄生インダクタンス）を「Ｌｎ」とし、Ｐバスバ２６ｐと接続部３６との間のキャパシタンス（静電容量）を「Ｃｐ」とすると共に、Ｎバスバ２６ｎと接続部３６との間のキャパシタンス（静電容量）を「Ｃｎ」とし、さらに、接続部３６は、接地されている。また、この等価回路では、素子部側に最も近い位置でＰバスバ２６ｐとＮバスバ２６ｎとがコンデンサ（いわゆるＸコンデンサ）を介して接続されている。なお、この等価回路では、出力側に最も近い位置でＰバスバ２６ｐとＮバスバ２６ｎとがコンデンサ（いわゆるＸコンデンサ）を介して接続されており、インダクタンス成分「Ｌｐ」とキャパシタンス成分「Ｃｐ」との接続点と出力側との間には、Ｐバスバ２６ｐの「Ｌｐ」以外のインダクタンス成分を示すと共に、インダクタンス成分「Ｌｎ」とキャパシタンス成分「Ｃｎ」との接続点と出力側との間には、Ｎバスバ２６ｎの「Ｌｎ」以外のインダクタンス成分を示した。ここで、所定位置Ｐ１は、図２に示すように、Ｐバスバ２６ｐにおいて、接続部３６の素子部２２側の端部に向かい合う位置Ｐ１ａと接続部３６の素子部２２側とは反対側の端部に向かい合う位置Ｐ１ｂとのちょうど中間の位置であるものとした。また、所定位置Ｐ２も、同様に図２に示すように、Ｎバスバ２６ｎにおいて、接続部３６の素子部２２側の端部に向かい合う位置Ｐ２ａと接続部３６の素子部２２側とは反対側の端部に向かい合う位置Ｐ２ｂとのちょうど中間の位置であるものとした。

図４の等価回路は、高周波的にはブリッジ回路を用いて図５に示す等価回路として表現することができる。即ち、スイッチング素子装置２０は、キャパシタンス成分「Ｃｐ」とキャパシタンス成分「Ｃｎ」との接続点を接地すると共に、インダクタンス成分「Ｌｐ」とインダクタンス成分「Ｌｎ」との接続点を図４の出力側に対応するインピーダンス成分「Ｚｃ」に接続し、さらに、キャパシタンス成分「Ｃｐ」およびインダクタンス成分「Ｌｐ」の接続点とキャパシタンス成分「Ｃｎ」およびインダクタンス成分「Ｌｎ」の接続点とにノイズ源によるコモンモード電圧の変動成分「Ｖｄ」を接続したブリッジ回路として表現することができる。図５中、キャパシタンス成分「Ｃｐ」とキャパシタンス成分「Ｃｎ」との接続点の接地は、接続部３６の接地（即ち、冷却器３１，３２の接地）によって実現されており、インダクタンス成分「Ｌｐ」とインダクタンス成分「Ｌｎ」との接続は、図４の素子部側のコンデンサ（いわゆるＸコンデンサ）によってこれらの接続点が高周波的には同電位になることに基づいている。また、図５のノイズ源の位置は、回路上どの位置を起点としてノイズの伝播が開始すると考えてもよいことに基づいている。こうして表現された図５のブリッジ回路の出力側のコモンモード電圧「Ｖｃ」については、次式（１）の関係が成立する。したがって、式（２）の関係が成立すれば、コモンモード電圧「Ｖｃ」を値０とすると共に、ブリッジ回路の出力側に流れるコモンモード電流「Ｉｃ」を値０とすることができる。

Vc=Vd・(Ln・Cn-Lp・Cp)/[(Lp+Ln)・(Cp+Cn)] (1)
Ln・Cn-Lp・Cp=0 (2)

そこで、実施例のスイッチング素子装置２０では、上述の式（２）が成立するようにＰバスバ２６ｐ，Ｎバスバ２６ｎ，接続部３６を形成かつ配置するものとした。具体的には、実施例では、接続部３６をＰバスバ２６ｐとＮバスバ２６ｎとの間のちょうど中間位置にＰバスバ２６ｐ，Ｎバスバ２６ｎと平行に配置することによって式（２）の成立を実現するものとした。

また、式（２）の成立の実現は、以下のように行なってもよい。まず、接続部３６を除いた両面冷却構造のスイッチング素子装置を従来例として考えた場合、図６に示すように、この従来例のＰバスバ２６ｐとＮバスバ２６ｎとの中間位置に、Ｐバスバ２６ｐ，Ｎバスバ２６ｎと同一の厚さで表面積Ｓをもつように形成した接続部３６を、Ｐバスバ２６ｐにおける素子部２２から前述の所定位置Ｐ１までの長さが長さＬａとなるように（Ｎバスバ２６ｎにおける素子部２２から前述の所定位置Ｐ２までの長さが同じく長さＬａとなるように）配置して取り付ける。このとき、Ｐバスバ２６ｐとＮバスバ２６ｎとは予め長さＬｂだけ離れて配置されている。そして、装置外部の計測器（アナライザ）を用いてスイッチング素子装置２０における前述のキャパシタンス成分「Ｃｐ」「Ｃｎ」と前述のインダクタンス成分「Ｌｐ」「Ｌｎ」とを計測することによって、式（２）の関係式が成立するように必要に応じて長さＬａ，Ｌｂや表面積Ｓを変更した装置を構築する。こうした手法によっても、Ｐバスバ２６ｐ，Ｎバスバ２６ｎ，接続部３６の形成と配置とを行なうことができる。なお、こうして実施例のスイッチング素子装置２０を構築する際に接続部３６の形状（例えば、スリット状にするなど）や厚みを変更するものとしてもよい。

ハイブリッド自動車や電気自動車では、インバータなどのスイッチング素子のスイッチングにより発生するコモンモード電流が車体を通じて大きな閉ループを構成すると、ラジオノイズ性能が悪化することが知られている。これに対し、実施例のようにスイッチング素子装置２０を構築することによって、コモンモードチョークコイルやコンデンサなどの追加部品のために部品点数を増加させることなく且つ装置の大型化による車載スペースの確保に困難さを生じさせることなく、コモンモードノイズを低減することができる。さらに、出力側のインピーダンス成分「Ｚｃ」が変化しても、コモンモード電圧「Ｖｃ」を値０とすることによってコモンモード電流「Ｉｃ」を値０とすることができるから、出力側の構成によらずにコモンモードノイズを低減することができる。しかも、素子部２２のスイッチング素子２４直近のＰバスバ２６ｐ，Ｎバスバ２６ｎを利用してキャパシタンス成分「Ｃｐ」「Ｃｎ」を構成するから、調整すべきインダクタンス成分「Ｌｐ」「Ｌｎ」を小さな値とすることができ、「Ｃｐ」「Ｃｎ」を小さな値とする、即ちＰバスバ２６ｐ，Ｎバスバ２６ｎと接続部３６との間のスペースを小さくすることができる。また、Ｐバスバ２６ｐとＮバスバ２６ｎとに接続部３６が並んで配置されるため、Ｐバスバ２６ｐおよびＮバスバ２６ｎ全体のインダクタンス成分Ｌによる磁界の一部が打ち消され、両バスバ全体のインダクタンス成分Ｌが低減したとみなすことができ、出力側へのサージ電圧（低減したとみなされた後のインダクタンス成分と電流の時間微分値との積）を抑制することもできる。

以上説明した実施例のスイッチング素子装置２０によれば、Ｐ型半導体およびＮ型半導体により形成されたスイッチング素子２４を含むカード状の素子部２２と、Ｐ型半導体およびＮ型半導体の各々に接続されて素子部２２から互いに対面した状態で延出するＰバスバ２６ｐおよびＮバスバ２６ｎと、を間に挟んで両側に配置され導体により形成された２つの冷却器３１，３２は、Ｐバスバ２６ｐおよびＮバスバ２６ｎの間に配置され導体により形成された板状の接続部３６によって接続されており、２つの冷却器３１，３２を接地し、Ｐバスバ２６ｐ，Ｎバスバ２６ｎにおける素子部２２から接続部３６に対面する所定位置Ｐ１，Ｐ２までのインダクタンスをそれぞれＬｐ，Ｌｎとし、Ｐバスバ２６ｐ，Ｎバスバ２６ｎと接続部３６との間のキャパシタンスをそれぞれＣｐ，Ｃｎとしたときに、Ｌｎ・Ｃｎ−Ｌｐ・Ｃｐ＝０の関係式が成立するようにＰバスバ２６ｐおよびＮバスバ２６ｎと接続部３６とを形成かつ配置するから、装置の等価回路においてスイッチング素子２４のスイッチングにより生じるコモンモード電流を理想的に値０とすることができ、コモンモードチョークコイルやコンデンサを追加することなくコモンモードノイズの発生を抑制することができる。即ち、スイッチング素子２４のスイッチングによりコモンモードノイズが発生するのをより適正に抑制することができる。

実施例のスイッチング素子装置２０では、同一形状のＰバスバ２６ｐとＮバスバ２６ｎとを用いるものとしたが、ＰバスバとＮバスバとは異なる形状であってもよい。

実施例のスイッチング素子装置２０は、走行用モータを駆動するインバータの一部を構成するものとしたが、車載バッテリからの電力を昇圧して走行用モータに供給する昇圧コンバータの一部を構成するものなど、如何なるスイッチング機器を構成するためのものとしても構わない。

実施例のスイッチング素子装置２０では、Ｐバスバ２６ｐとＮバスバ２６ｎとは銅などの導体により形成されると共に、冷却器３１，３２と接続部３６とはアルミニウムなどの導体により形成されるものとしたが、Ｐバスバ２６ｐとＮバスバ２６ｎとは銅以外の導体により形成されるものとしてもよいし、冷却器３１，３２と接続部３６とはアルミニウム以外の導体により形成されているものとしてもよい。

実施例では、本発明をハイブリッド自動車や電気自動車に搭載されるものに適用して説明したが、自動車以外の移動体に搭載されるものに適用してもよいし、移動しない設備に組み込まれるものに適用してもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、素子部２２が「素子部」に相当し、Ｐバスバ２６ｐが「Ｐバスバ」に相当し、Ｎバスバ２６ｎが「Ｎバスバ」に相当し、冷却器３１，３２が「冷却部」に相当し、接続部３６が「接続部」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、スイッチング素子装置の製造産業などに利用可能である。

２０ スイッチング素子装置、２２ 素子部、２４ スイッチング素子、２６ｎ Ｎバスバ、２６ｐ Ｐバスバ、３１，３２ 冷却器、３６ 接続部。

Claims (1)

1. Ｐ型およびＮ型の半導体により形成されたスイッチング素子を含むカード状の素子部と、前記Ｐ型およびＮ型の半導体の各々に接続されて前記素子部から互いに対面した状態で延出するバスバであるＰバスバおよびＮバスバと、少なくとも前記スイッチング素子を冷却するために前記素子部と前記Ｐバスバおよび前記Ｎバスバとを間に挟んで両側に配置され導体により形成された２つの冷却部と、を備えるスイッチング素子装置において、
   前記Ｐバスバと前記Ｎバスバとは異なる形状に形成されており、
   前記２つの冷却部は、前記Ｐバスバおよび前記Ｎバスバの間に配置され前記導体により形成された板状の接続部によって接続されており、
   前記２つの冷却部を接地し、前記Ｐバスバ，前記Ｎバスバにおける前記素子部から前記接続部に対面する所定位置までのインダクタンスをそれぞれＬｐ，Ｌｎとし、前記Ｐバスバ，前記Ｎバスバと前記接続部との間のキャパシタンスをそれぞれＣｐ，Ｃｎとしたときに、Ｌｎ・Ｃｎ−Ｌｐ・Ｃｐ＝０の関係式が成立するように前記Ｐバスバおよび前記Ｎバスバと前記接続部とを形成かつ配置する、
   ことを特徴とするスイッチング素子装置。
   

Images