JP5851666B1

JP5851666B1 - 電力変換装置

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Publication number: JP5851666B1
Application number: JP2015545964A
Authority: JP
Inventors: 慶多 ▲高▼橋; 阪田　一樹; 一樹阪田; 善行出口; 拓人矢野; 瀧北　守; 守瀧北; 和俊粟根; 中島　浩二; 浩二中島; 貴夫三井; 公輔中野; 正佳田村; 将司酒井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2035-06-12
Also published as: JPWO2016027557A1

Abstract

ベース導体と、このベース導体に設置された電気的発熱部材と、絶縁体を介して第１電極と第２電極とを交互に複数積層して一面に最外層の第１電極が露出し他面に最外層の第２電極が露出した平板型のノイズ除去コンデンサと、電気的発熱部材からノイズ除去コンデンサを経由して他の部材に電気接続する板状の中継導体とを備えた電力変換装置において、ノイズ除去コンデンサは、最外層の第２電極が、ベース導体の電気的発熱部材が設置されている側の面に面接合されてベース導体に固着されるとともに、最外層の第１電極と中継導体とが面接合されるようにした。

Description

本発明はノイズ除去用のコンデンサを備える電力変換装置に関する。

半導体モジュールのスイッチング動作に伴い発生するノイズを低減することを目的として、半導体モジュールの直近で半導体モジュールの端子と、放熱器を兼ねるベース導体との間をノイズ除去コンデンサで接続する場合がある。特に、半導体素子としてＳｉＣ素子を用いた場合、一般的に半導体モジュールの発生するノイズが増加するため、半導体モジュール外部にノイズが伝導しないように半導体モジュールの直近でノイズを低減する必要性が高くなる。

特許文献１には、半導体モジュール内部にフィルタコンデンサを搭載し、ヒートシンクを兼ねるベースに接続することでノイズを除去できることが記載されている。特許文献２には半導体モジュールが搭載されるアース導体を延設し、正極導体とアース導体の間に第１の絶縁体を挟み、負極導体とアース導体の間に第２の絶縁体を挟むことでＹコンデンサを形成し、ノイズを除去できることが記載されている。

また、半導体モジュールの発熱により、半導体モジュールに接続される平滑コンデンサの温度上昇を抑制することを目的として、半導体モジュール端子を放熱器に熱接触させる場合がある。通常半導体モジュールはＳｉ素子の耐熱温度１５０℃程度を超過しない条件で熱設計されるが、半導体素子としてＳｉＣ素子を用いた場合、半導体モジュールが２００℃以上の高温となる条件で熱設計される場合がある。平滑コンデンサの温度は高くとも１２５℃程度であることから、半導体モジュールの熱設計が成立していても、半導体モジュールから平滑コンデンサに熱が伝導し、平滑コンデンサの温度が上限温度を超過してしまう問題があり、半導体モジュールと平滑コンデンサの接続部分を十分に冷却する必要性が高くなる。特許文献３には、絶縁体を介して半導体モジュール端子と平滑コンデンサ端子の接続部を冷却器に固定することで、平滑コンデンサの温度上昇を抑制できることが記載されている。

特開２００８−４９５３号公報特開２０１３−２１９９１９号公報特開２０１０−２５２４６０号公報

特許文献１に記載の電力変換装置では、フィルタコンデンサがヒートシンクを兼ねるベース上に載置されているが、特許文献１の図面に記載されているように、フィルタコンデンサと半導体モジュール内部のリードフレームとの間は通常アルミワイヤ等のリード線で接続されるため、リード線のインダクタンスによりフィルタコンデンサのノイズ除去性能が低下してしまう問題がある。また、通常リードフレームの熱抵抗よりもアルミワイヤの熱抵抗の方が高いため、リードフレームの熱をベースに放熱することができず、リードフレーム用の放熱材を別途設ける必要があり、装置が大型化してしまう問題がある。

特許文献２に記載の電力変換装置では、モジュールに接続される正極導体および負極導体と、モジュールが搭載されるアース導体との間に絶縁体を挟むことでリードレスのコンデンサを形成し、リード線のインダクタンスによるノイズ除去性能の低下を防いでいるが、十分なノイズ除去性能を得るためコンデンサ容量を増やそうとすると正極導体、負極導体、アース導体を延設する必要があるため装置が大型化する。また、正極導体および負極導体の冷却については考慮されていないため、正極導体および負極導体用の放熱材を別途設ける必要があり、装置が更に大型化してしまう問題がある。

特許文献３に記載の電力変換装置では、半導体モジュールからの熱の放熱のため、半導体モジュール端子と平滑コンデンサ端子の接続部を、絶縁体を介してこの絶縁体を貫通するねじで加圧して冷却器に固定する構成となっている。特許文献３では、絶縁体は放熱のみに着目しており、ノイズ除去が必要な回路に適用する場合、ノイズ除去コンデンサを別途設ける必要があり、装置が大型化してしまう問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ノイズ除去コンデンサと中継導体の冷却用の冷却部材を別々に設けるよりも小型で、ノイズの低減と中継導体の冷却を実現させる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明は、ベース導体と、このベース導体に設置された電気的発熱部材と、絶縁体を介して第１電極と第２電極とを交互に複数積層して一面に最外層の第１電極が露出し他面に最外層の第２電極が露出した平板型のノイズ除去コンデンサと、電気的発熱部材からノイズ除去コンデンサを経由して他の部材に電気接続する板状の中継導体とを備えた電力変換装置において、ノイズ除去コンデンサは、最外層の第２電極が、ベース導体の電気的発熱部材が設置されている側の面に面接合されてベース導体に固着されるとともに、最外層の第１電極と中継導体とが面接合されたものである。

この発明によれば、ノイズ除去コンデンサにノイズ除去の機能のみならず、中継導体からの放熱の機能を持たせたため、ノイズ除去コンデンサと中継導体の冷却用の冷却部材を別々に設けるよりも小型で、ノイズの低減と中継導体の冷却を同時に実現させる電力変換装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１による電力変換装置の一例を示す回路図である。この発明の実施の形態１による電力変換装置のノイズ除去コンデンサの構造の一例を示す断面図である。この発明の実施の形態１による電力変換装置のノイズ除去コンデンサの一例を示す斜視図である。この発明の実施の形態１による電力変換装置のノイズ除去コンデンサの内部構造の一例を示す斜視図である。この発明の実施の形態１による電力変換装置のノイズ除去コンデンサの内部構造の他の例を示す斜視図である。この発明の実施の形態１による電力変換装置のノイズ除去コンデンサの構造のさらに他の例を示す断面図である。この発明の実施の形態１による電力変換装置の構造の一例を示す断面図である。この発明の実施の形態１による電力変換装置の構造の他の例を示す断面図である。この発明の実施の形態１による電力変換装置の構造の一例を一部省略して示す斜視図である。この発明の実施の形態２による電力変換装置の構造の一例を一部省略して示す斜視図である。この発明の実施の形態２による電力変換装置のノイズ除去コンデンサの構造の一例を示す、ノイズ除去コンデンサの位置での断面図である。この発明の実施の形態３による電力変換装置の構造を示す断面図である。この発明の実施の形態４による電力変換装置の構造を示す断面図である。この発明の実施の形態５による電力変換装置の構造を示す断面図である。この発明の実施の形態５による電力変換装置の一例を示す回路図である。この発明の実施の形態６による電力変換装置の構造を示す断面図である。この発明の実施の形態７による電力変換装置の構造を示す断面図である。この発明の実施の形態７による電力変換装置の構造を一部省略して示す斜視図である。この発明の実施の形態８による電力変換装置の構造を示す断面図である。この発明の実施の形態９による電力変換装置の構造を一部省略して示す斜視図である。この発明の実施の形態１０による電力変換装置の構造を一部省略して示す斜視図である。この発明の実施の形態１０による電力変換装置の回路の一例を示す回路図である。この発明の実施の形態１１による電力変換装置の回路の一例を示す回路図である。この発明の実施の形態１１による電力変換装置の構造を示す断面図である。この発明の実施の形態１２による電力変換装置のノイズ除去コンデンサの構造の一例を示す断面図である。この発明の実施の形態１３による電力変換装置のノイズ除去コンデンサの構造の一例を示す断面図である。

従来、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３の記載のように、ノイズ除去コンデンサはノイズ除去機能、発熱体から取り出す配線部材としての導体の放熱は放熱機能、として別々に考慮し、設計されていた。この発明では、別々に考慮されていたノイズ除去機能と配線部材からの放熱機能を兼ねる、という新しいアイデアに基づいて、ノイズ除去コンデンサに積極的に放熱の機能を備えさせる構成とした。以下、このアイデアに基づいた本発明の実施の形態を説明する。

実施の形態１．
まず図１〜図５を参照して、本発明の実施の形態１による電力変換装置について説明する。はじめに、図１を参照して、実施の形態１による電力変換装置９１の回路図の一例を説明する。実施の形態１による電力変換装置９１は直流電源９２から入力された直流電力を交流化して、モータ９３等に供給することができる。ここで、平滑コンデンサ２は電力変換装置９１の動作に伴い変動する正極と負極の間の電圧を平滑化する機能をもち、直流電源９２と並列に接続される。電力変換装置９１は例えばインバータとして、３つのセミブリッジ回路が並列に接続されて構成されている。具体的には、上アームの半導体素子９５ａ、９５ｂ、９５ｃ（９５ａ、９５ｂ、９５ｃをまとめて９５、あるいは９５ａ、９５ｂ、９５ｃのいずれか一つを９５と表すこともある。以下のアルファベットを付した符号についても同様である。）、および下アームの半導体素子９６ａ、９６ｂ、９６ｃを備える。半導体素子９５ａと半導体素子９６ａとは直列接続されて第１のセミブリッジ回路を構成している。半導体素子９５ｂと半導体素子９６ｂとは直列接続されて第２のセミブリッジ回路を構成している。半導体素子９５ｃと半導体素子９６ｃとは直列接続されて第３のセミブリッジ回路を構成している。これら第１のセミブリッジ回路、第２のセミブリッジ回路、第３のセミブリッジ回路は並列に接続されて、３相のインバータ回路を構成している。

各半導体素子９５、９６は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタなど任意の半導体素子とすることができるが、例えばＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。各半導体素子には、それぞれ並列にダイオードが接続されている。ダイオードはＰＮ接合型のダイオードやショットキーバリア型のダイオードとすることができ、ＭＯＳＦＥＴ内部の寄生ダイオードを利用してもよい。上アームの半導体素子９５のドレイン側は直流電源９２の正極側および平滑コンデンサ２の正極側端子に接続され、下アームの半導体素子９６のソース側は直流電源９２の負極側および平滑コンデンサ２の負極側端子に接続されている。上アームの半導体素子９５と下アームの半導体素子９６の接続部はモータ５３に接続されている。電力変換装置９１の各セミブリッジ回路は半導体モジュール１として構成されている。各セミブリッジ回路の正極側と接地の間には、ノイズ除去コンデンサ６ａ、６ｂ、６ｃが接続されている。また、各セミブリッジ回路の負極側と接地の間にはノイズ除去コンデンサ６ｄ、６ｅ、６ｆが接続されている。

また、本発明は、半導体モジュール１に備える半導体素子として、ＳｉＣなど、Ｓｉ（珪素）に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成された半導体モジュールに特に有効である。ワイドバンドギャップ半導体の材料としては、例えば、ＳｉＣ（炭化珪素）のほか、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。これらワイドバンドギャップ半導体を電力変換装置の電力変換用素子として使用した場合、一般的にスイッチング速度が速いため半導体モジュールの発生するノイズが大きく、ノイズ除去コンデンサのノイズ除去効果をできるだけ高める必要がある。さらに、ワイドバンドギャップ半導体はＳｉ半導体に比較してより高温まで動作が可能であるため、他の部品に対する熱影響がより大きく、放熱設計が重要になる。このように、ワイドバンドギャップ半導体で形成された半導体素子を電力変換装置に用いた場合、ノイズ除去と放熱を共に高めることが重要となる。

図２は電力変換装置９１内に搭載されるノイズ除去コンデンサ６の内部構成を説明するための概略断面図である。図３はノイズ除去コンデンサ６の斜視図である。図２に示すように、ノイズ除去コンデンサ６は絶縁体１０３を介して第１電極１０１と第２電極１０２を交互に複数積層した構成となっている。具体的には第１電極１０１はノイズ除去コンデンサ６の上面に１層配置され、ノイズ除去コンデンサ６の内部にも１層配置される。第２電極１０２は底面に１層配置され、ノイズ除去コンデンサ６の内部にも１層配置される。図３に示すように、ノイズ除去コンデンサ６は平板型の形状をしており、上面に第１電極１０１が露出するように配置されている。ここで、冷却能力を確保するため、第１電極１０１の１層当たりの面積を、好ましくは５０ｍｍ²以上とする。また、この面積に対してノイズ除去コンデンサの厚さが厚いと熱抵抗が大きくなるため、第１電極１０１の１層当たりの面積に対するノイズ除去コンデンサ全体の厚さの比率が０．０２ｍｍ／ｍｍ²以下となる平板型としている。

ノイズ除去コンデンサ６内部の絶縁体１０３を省略して描いた斜視図を図４に示す。図４に示すように、第１電極１０１同士は層間接続導体１０４により層間で互いに接続され、第２電極１０２同士も層間接続導体１０４により層間で互いに接続される。ノイズ除去コンデンサ６は例えばプリント基板であり、絶縁体１０３としてエポキシ樹脂やＰＰＥ樹脂を用いて、第１電極１０１および第２電極１０２として銅パターンを用いて、層間接続導体１０４としてビア等を用いればよい。ここでは層間の接続に層間接続導体１０４を用いているが、図５に示すように第１電極１０１および第２電極１０２をコの字型にして同一電極を電気的に接続してもよい。

以上では、第１電極１０１、第２電極１０２をそれぞれ２層ずつ有するノイズ除去コンデンサ６を挙げて説明しているが、ノイズ除去コンデンサ６は図６に示すように第１電極１０１、第２電極１０２をそれぞれ３層ずつ有していてもよい。この場合、第１電極１０１はノイズ除去コンデンサ６の上面に１層配置され、ノイズ除去コンデンサ６の内部に２層配置される。第２電極１０２はノイズ除去コンデンサ６の底面に１層配置され、ノイズ除去コンデンサ６の内部に２層配置される。図６に示すように第１電極１０１と第２電極１０２を３層ずつ有することで、図２のノイズ除去コンデンサ６と同じ面積でより大容量のコンデンサを形成することが可能となり、ノイズ低減効果を向上させることができる。また、第１電極１０１と第２電極１０２の層数は２層ずつ、３層ずつに限らず、更に多くの層を有していてもよい。ただし、冷却能力を確保するため、第１電極１０１の１層当たりの面積を、好ましくは５０ｍｍ²以上とする。また、この面積に対してノイズ除去コンデンサの厚さが厚いと熱抵抗が大きくなるため、第１電極１０１の１層当たりの面積に対するノイズ除去コンデンサ全体の厚さの比率が０．０２ｍｍ／ｍｍ²以下となる平板型としている。

以上のように、ノイズ除去コンデンサ６は、絶縁体を介して第１電極と第２電極とを交互に複数積層して一面に最外層の第１電極が露出し他面に最外層の第２電極が露出した平板型のノイズ除去コンデンサとして構成されている。

ノイズ除去コンデンサ６の静電容量を大きくしてノイズ低減効果を向上させるため、絶縁体１０３として高誘電率の材料を用いることが好ましく、樹脂以外では酸化チタン、チタン酸バリウムなどのセラミックを用いても良い。また、セラミックのフィラーを添加した高誘電率の樹脂を用いても良い。さらには、ノイズ除去コンデンサ６の熱抵抗を低減させるため、絶縁体１０３として高熱伝導率の材料を用いることが好ましく、熱伝導フィラーを添加した樹脂を用いても良い。

図７、および図８は、電力変換装置の内部構成を説明するための概略断面図である。図７に示すように、半導体モジュール１および平滑コンデンサ２は放熱器を兼ねるベース導体３に搭載され、中継導体４により半導体モジュール１と平滑コンデンサ２が接続される。中継導体４はノイズ除去コンデンサ６の上面の第１電極１０１とはんだで接続され、ベース導体３はノイズ除去コンデンサ６の底面の第２電極１０２とはんだで接続される。なお、図８に示すように、ベース導体３が段差を有し、半導体モジュール１とノイズ除去コンデンサ６と平滑コンデンサ２との間に段差が生じていてもよい。

図９は電力変換装置におけるノイズ除去コンデンサを実装した状態を示す斜視図である。構造を見易くするため、平滑コンデンサ２が搭載されている部分を省略して記載している。正極側中継導体４ａ、負極側中継導体４ｂ、正極側ノイズ除去コンデンサ６ａ、負極側ノイズ除去コンデンサ６ｄを備えており、正極側中継導体４ａと正極側ノイズ除去コンデンサ６ａの上面に露出した正極側第１電極とが面接合により電気接続され、負極側中継導体４ｂと負極側ノイズ除去コンデンサ６ｄの上面に露出した負極側第１電極とが面接合により電気接続されている。なお、図７、図８では正極側中継導体４ａと負極側中継導体４ｂのうち、片方を中継導体４として記載しており、正極側ノイズ除去コンデンサ６ａと負極側ノイズ除去コンデンサ６ｄのうち、片方をノイズ除去コンデンサ６として記載している。

ベース導体３は例えばアルミニウムであり、空冷の放熱フィンあるいは水冷の冷却経路を備えており、ベース導体３上に搭載された部材の熱を冷却する機能をもつ。中継導体４は例えば銅の板状の平角線であるが、板状の導体を積層した平角線や、網線を板状に形成した平角線など、可とう性に優れた線を用いても良い。ここで、板状の中継導体４と第１電極とは面接合される。またベース導体３と第２電極１０２とも面接合される。以上では、中継導体４と第１電極１０１との接続、およびベース導体３と第２電極１０２との接続の方法をはんだによる接続としたが、ろう付接合などのはんだ以外の接続方法を用いてもよい。また、中継導体４とノイズ除去コンデンサ６を半導体モジュール１内部に搭載し、一体化してもよい。

本実施の形態１の構成では、ノイズ除去コンデンサ６の電極を多層積層することで、ノイズ除去コンデンサ６の静電容量を小面積で大容量化し、ノイズ除去コンデンサ６の表面に中継導体４およびベース導体３を直接接続している。これにより、半導体モジュール１の直近でリードレスのノイズ除去コンデンサ６を接続することができる。図１を参照するとノイズ除去コンデンサ６ａ〜６ｆが半導体素子９５ａ〜９５ｃ、９６ａ〜９６ｃそれぞれの直近に搭載されることとなる。

ノイズ除去機能の観点では、ノイズ除去コンデンサ６はリード線をもたないため、リード線のインダクタンスの影響を受けずに、ノイズを効果的に低減できる。チップコンデンサなどのリード線を持たないコンデンサ部品は従来から存在するが、従来のチップコンデンサは通常、複数積層した第１電極同士を電気的に接続する第１の外部電極と、複数積層した第２電極同士を電気的に接続する第２の外部電極を有し、これら外部電極は第１電極および第２電極に対して垂直な面に配置されている。外部電極は外部に露出しているが、複数積層した第１電極および第２電極は絶縁物に覆われており外部に露出していない。外部電極は第１電極および第２電極に対して垂直な面に配置されるため、コンデンサ容量を増やすために電極面積が増えるほど第１の外部電極と第２の外部電極の間の距離が離れてインダクタンスが増加してしまいノイズ除去機能が低下してしまう課題がある。本発明のノイズ除去コンデンサ６は第１電極と第２電極とを交互に複数積層し、１面に最外層の第１電極が露出して第１の外部電極として機能し、他面に最外層の第２電極が露出して第２の外部電極として機能する。これら外部電極は第１電極および第２電極と平行になるため、コンデンサ容量を増やすために電極面積が増えても外部電極間の距離が離れずインダクタンスは増加しない。そのため、チップコンデンサなどのリード線を持たない従来のコンデンサ部品と比べてもインダクタンスを小さくでき、ノイズ除去機能を向上させることができる。

冷却性能の観点では、ノイズ除去コンデンサ６は平板型であり厚み方向の熱抵抗が小さく、中継導体４および放熱器を兼ねるベース導体３に直接、面で接続されるため、中継導体４を効果的に冷却し、平滑コンデンサ２の温度上昇を抑制することができる。熱伝導シートなどの発熱材と放熱器とを面接続して放熱する放熱材は従来から存在するが、本発明のノイズ除去コンデンサ６は熱伝導シートなどの絶縁体よりも熱抵抗が小さい電極（例えば銅）を内部に備えており、更に第１電極１０１は互いに内部で接続され、第２電極１０２は互いに内部で接続されているため、内部に電極を備えていない従来の放熱材に比べて、電極を経由した熱抵抗の低い冷却経路を設けることで熱抵抗を小さくでき、冷却機能を向上させることができる。

また、本発明のノイズ除去コンデンサは、冷却能力を確保するために、好ましくは第１電極１０１は１層当たり５０ｍｍ²以上の面積を有し、またこの面積に対する厚みの比率が０．０２ｍｍ／ｍｍ²以下の平板型としている。このように、ノイズ除去コンデンサ６はノイズ除去機能と中継導体４の冷却機能を両方保有し、ノイズ除去機能と冷却機能を従来のコンデンサ部品および放熱材よりも向上させているため、ノイズ除去コンデンサ６と別に中継導体４用の放熱部材を設ける必要が無く、装置を小型化することができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２による電力変換装置について説明する。図１０は電力変換装置におけるノイズ除去コンデンサを実装した状態を示す斜視図である。図１１は電力変換装置内に搭載されるノイズ除去コンデンサの内部構成を説明するための概略断面図である。実施の形態２に係る電力変換装置は、基本的には実施の形態１に係る電力変換装置と同様の構成を備えるが、図１の回路図に示す、正極側ノイズ除去コンデンサ６ａと負極側ノイズ除去コンデンサ６ｄが一体化されたノイズ除去コンデンサ６０内部に、第１電極１０１ａ、１０１ｂが配置されない部分を設け、第１電極１０１ａ、１０１ｂが配置されない部分に穴をあけて、ノイズ除去コンデンサ６をねじ１０でベース導体３に締結固定し、ノイズ除去コンデンサ６の底面の第２電極１０２をベース導体３に接触させている点で異なる。

このように、第１電極１０１ａ、１０１ｂが配置されていない箇所であれば、ノイズ除去コンデンサ６をねじで締結固定しても第１電極１０１ａ、１０１ｂと第２電極１０２の間の絶縁体は加圧されない。そのため、絶縁体１０３を薄くすることで、ノイズ除去コンデンサ６の静電容量を増やしてノイズ低減効果を向上させるとともに、絶縁体１０３の熱抵抗を低減し、中継導体４ａ、４ｂの冷却性能を向上させることができる。ここで、ノイズ除去コンデンサ６は正極側と負極側で一体化された構成となっているが、実施の形態１のように、正極側と負極側で分離し、それぞれをねじで固定するようにしてもよい。

実施の形態３．
次に、実施の形態３による電力変換装置について説明する。図１２は実施の形態３による電力変換装置の内部構成を説明するための概略断面図である。実施の形態３に係る電力変換装置は、基本的には実施の形態１に係る電力変換装置と同様の構成を備えるが、平滑コンデンサ２が平滑コンデンサ端子５を有し、中継導体４と平滑コンデンサ端子５は、ねじ８とナット９により締結固定される。中継導体４をコの字に曲げることで、中継導体４と平滑コンデンサ端子５との締結部を、ノイズ除去コンデンサ６から離している。中継導体４とノイズ除去コンデンサ６とナット９は樹脂７でモールドして一体化した部材としている。

実施の形態３の構成により、平滑コンデンサ端子５を中継導体４から簡易に着脱することが可能となり、組み付け性およびメンテナンス性が向上する。また、中継導体４と平滑コンデンサ端子５との締結部をノイズ除去コンデンサ６から離しているため、締結による加圧力がノイズ除去コンデンサ６に加わらず、ノイズ除去コンデンサ６内部の絶縁体１０３を薄くしても絶縁体１０３が劣化しない。そのため、絶縁体１０３を薄くすることで、ノイズ除去コンデンサ６の静電容量を増やしてノイズ低減効果を向上させることができるとともに、絶縁体１０３の熱抵抗を低減し、中継導体４の冷却性能を向上させることができる。

実施の形態４．
次に、実施の形態４による電力変換装置について説明する。図１３は実施の形態４による電力変換装置の内部構成を説明するための概略断面図である。実施の形態４に係る電力変換装置は、基本的には実施の形態３に係る電力変換装置と同様の構成を備えるが、図１３に示すように、平滑コンデンサ２がベース導体３上に搭載されず、半導体モジュール１の上部に配置され、中継導体４をＬ字型に曲げることで、中継導体４と平滑コンデンサ端子５との締結部を、ノイズ除去コンデンサ６から離している点で異なる。このように、平滑コンデンサ２がベース導体３上に搭載されていない場合でも、本構成により実施の形態３で得られる効果と同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
次に、実施の形態５による電力変換装置について説明する。図１４は実施の形態５による電力変換装置の内部構成を説明するための概略断面図である。図１５は本実施の形態５による電力変換装置９１の構成を説明するための回路図である。実施の形態５による電力変換装置は、基本的には実施の形態３に係る電力変換装置と同様の構成を備えるが、図１５に示すように電力変換装置９１の正極側、負極側だけでなく、モータ側にもノイズ除去コンデンサ６ｇ、６ｈ、６ｉを備えている点で異なる。モータ側ノイズ除去コンデンサ６ｇの実装構造を例にとると、具体的には図１４に示すように半導体モジュール１とモータ側導電部材１５を接続するモータ側中継導体１４を備えており、モータ側中継導体１４はモータ側ノイズ除去コンデンサ６ｇの上面の第１電極１０１とはんだで接続され、ベース導体３はモータ側ノイズ除去コンデンサ６ｇの底面の第２電極１０２とはんだで接続される。モータ側中継導体１４とモータ側導電部材１５とは、ねじ１８とナット１９により締結固定している。モータ側中継導体１４をコの字に曲げることで、モータ側中継導体１４とモータ側導電部材１５との締結部をモータ側ノイズ除去コンデンサ６ｇから離している。モータ側中継導体１４とノイズ除去コンデンサ６ｇとナット１９は樹脂１７でモールドして一体化した部材としている。ここで、モータ側導電部材１５とは、例えば図１５における電力変換装置９１とモータ９３の間を接続するケーブルであるが、電力変換装置９１の内部配線部材であってもよい。

実施の形態５の構成により、半導体モジュール１の正極側および負極側から発生するノイズだけでなく、半導体モジュール１のモータ側から発生するノイズも低減することができるため、実施の形態３に係る電力変換装置よりもノイズ低減効果を向上させることができる。

実施の形態６．
次に、実施の形態６による電力変換装置について説明する。図１６は本発明の実施の形態６による電力変換装置の内部構成を説明するための概略断面図である。実施の形態６に係る電力変換装置は、基本的には実施の形態３に係る電力変換装置と同様の構成を備えるが、半導体モジュール１が半導体モジュール端子３１を有し、ノイズ除去コンデンサ６上面の第１電極１０１は中継導体４とはんだで接続され、中継導体４の両端をコの字に曲げて、中継導体４の一方の端と平滑コンデンサ端子５とを締結固定し、中継導体４の他方の端と半導体モジュール端子３１とを締結固定し、中継導体４と平滑コンデンサ端子５との締結部および中継導体４と半導体モジュール端子３１との締結部を、ノイズ除去コンデンサ６から離す点で異なる。

実施の形態６により、半導体モジュール端子３１を、中継導体４から簡易に着脱することが可能となり、組み付け性およびメンテナンス性が向上する。

実施の形態７．
次に、実施の形態４による電力変換装置について説明する。図１７は本発明の実施の形態７による電力変換装置の内部構成を説明するための概略断面図である。図１８は電力変換装置におけるノイズ除去コンデンサを実装した状態を示す斜視図である。構造を見易くするため、図１８では、平滑コンデンサ２、平滑コンデンサ端子５、ねじ８、ナット９および樹脂７を省略して図示している。実施の形態７に係る電力変換装置は、基本的には実施の形態３に係る電力変換装置と同様の構成を備えるが、図１７、図１８に示すように、ノイズ除去コンデンサ６の底面の第２電極１０２と導体板２１がはんだで接続され、導体板２１とベース導体３がねじ２２により締結固定されている点で異なる。ここで、第２電極１０２と導体板２１との接続方法をはんだによる接続としたが、ろう付接合などのはんだ以外の接続方法を用いてもよい。また、導体板２１およびベース導体３の表面が粗く、導体板２１とベース導体３の接触面に微小な隙間が生じて放熱性が低下してしまう場合は、放熱性が低下しないように導体板２１とベース導体３との間に熱伝導グリスなどの放熱材を塗布してもよい。このように構成することにより、最外層の第２電極１０２とベース導体３とが間接的に面接合されることになる。

実施の形態７の構成により、導体板２１と共にノイズ除去コンデンサ６をベース導体３から簡易に着脱することが可能となり、組み付け性およびメンテナンス性が向上する。

実施の形態８．
次に、実施の形態８による電力変換装置について説明する。図１９は実施の形態８による電力変換装置の内部構成を説明するための概略断面図である。実施の形態８による電力変換装置は、基本的には実施の形態７に係る電力変換装置と同様の構成を備えるが、導体板２１がベース導体３に埋め込まれている点で異なる。

実施の形態８の構成により、導体板２１の厚み分のインダクタンスを低減することができ、ノイズ低減効果を向上させることができる。また、小型低背化することができる。

実施の形態９．
次に、実施の形態９による電力変換装置について説明する。図２０は本発明の実施の形態９による電力変換装置におけるノイズ除去コンデンサを実装した状態を示す斜視図である。実施の形態９に係る電力変換装置は、基本的には実施の形態３に係る電力変換装置と同様の構成を備えるが、正極側ノイズ除去コンデンサ６ａ上面の正極側第１電極１０１ａと正極側中継導体４ａとの接続部、および負極側ノイズ除去コンデンサ６ｄ上面の負極側第１電極１０１ｂと負極側中継導体４ｂとの接続部を覆う導電性のシールド部材４１を備え、シールド部材４１はベース導体３にねじで締結固定される点で異なる。実施の形態７および８で説明したように、導体板を設けて、シールド部材４１を導体板にねじで固定するようにしてもよい。

実施の形態９の構成により、ベース導体３とシールド部材４１で中継導体４の周りを覆うことで、中継導体４のインダクタンスを低減することができ、ノイズ低減効果を向上させることができる。

実施の形態１０．
次に、実施の形態１０による電力変換装置について説明する。図２１は本発明の実施の形態１０による電力変換装置におけるノイズ除去コンデンサを実装した状態を示す斜視図である。図２２は実施の形態１０による電力変換装置の構成を説明するための回路図である。実施の形態１０による電力変換装置は、基本的には実施の形態３による電力変換装置と同様の構成を備えるが、実施の形態２のように正極側と負極側のノイズ除去コンデンサ６を一体化しており、ノイズ除去コンデンサ６の上面のうち、正極側第１電極１０１ａと負極側第１電極１０１ｂが配置されていない箇所にスナバ部品実装電極５１を備え、ノイズ除去コンデンサ６上面の正極側第１電極１０１ａとスナバ部品実装電極５１にスナバ抵抗５２をはんだで接続し、ノイズ除去コンデンサ６上面の負極側第１電極１０１ｂとスナバ部品実装電極５１にスナバコンデンサ５３をはんだで接続している点で異なる。この構成を回路図でみると図２２に示すようになる。

ここでは、スナバ抵抗５２とスナバコンデンサ５３同士を直接接続せず、スナバ部品実装電極５１を介して接続しているが、スナバ部品実装電極５１を設けずにスナバ抵抗５２とスナバコンデンサ５３同士を直接接続してもよい。また、第１電極１０１ａ、１０１ｂにスナバ抵抗５２およびスナバコンデンサ５３を接続しているが、中継導体４ａ、４ｂに直接接続してもよい。また、スナバ抵抗５２を正極側に配置し、スナバコンデンサ５３を負極側に配置しているが、スナバ抵抗５２を負極側に配置し、スナバコンデンサ５３を正極側に配置してもよい。また、スナバ抵抗５２の抵抗値を０Ωとする際は、スナバ抵抗５２を用いずに、スナバ部品実装電極５１を設けず、スナバコンデンサ５３のみを正極側第１電極１０１ａ、１０１ｂに接続してしまってもよい。

スナバ抵抗５２、スナバコンデンサ５３によるスナバ回路は通常、ノイズ源である半導体モジュールから離れるほどノイズ低減効果が低下するが、実施の形態１０の構成により半導体モジュール１の直近にスナバ抵抗５２およびスナバコンデンサ５３などのスナバ部品を搭載することができるため、ノイズ低減効果を向上させることができ、またスナバ抵抗５２、スナバコンデンサ５３の実装用の基板を別途設ける必要が無いため、装置を小型化することができる。

実施の形態１１．
次に、実施の形態１１による電力変換装置について説明する。図２３は本発明の実施の形態１１による電力変換装置９１の構成を示す回路図である。図２４は実施の形態１１による電力変換装置の内部構成を示す概略断面図である。実施の形態１１に係る電力変換装置は、基本的には実施の形態３に係る電力変換装置と同様の構成を備えるが、正極、負極にノイズ除去用のコモンモードコイル２０１を備え、コモンモードコイル２０１の直近にノイズ除去コンデンサ２０２、２０３を備えている点で異なる。正極側のノイズ除去コンデンサ２０２ａ、２０３ａと、負極側のノイズ除去コンデンサ２０２ｂ、２０３ｂについて、構造は正極と負極で同様であるため、図２４の断面図では、ノイズ除去コンデンサ２０２ａ、２０２ｂのうちいずれか一方のみを図示し、ノイズ除去コンデンサ２０３ａ、２０３ｂのいずれか一方のみを図示している。コモンモードコイルとは、正極と負極とで逆方向に電流が流れる場合は磁性体内で磁束が打ち消し合って小さいインダクタンスを生じ、正極と負極で同方向に電流が流れる場合は磁性体内で磁束が強め合って大きいインダクタンスを生じるように、単一の磁性体に正極と負極との２つの巻線を施したものである。ここではコモンモードコイルを用いているが、正極と負極でコイルをそれぞれ別々の磁性体に巻線したコイルを用いてもよい。

図２４に示すように、コモンモードコイル２０１および平滑コンデンサ２は放熱器を兼ねるベース導体３に搭載され、中継導体４によりコモンモードコイル２０１と平滑コンデンサ２が接続される。中継導体４はノイズ除去コンデンサ２０２の上面の第１電極１０１とはんだで接続され、ベース導体３はノイズ除去コンデンサ２０２の底面の第２電極１０２とはんだで接続される。中継導体４と平滑コンデンサ端子５は、ねじ８とナット９により締結固定される。中継導体４をコの字に曲げることで、中継導体４と平滑コンデンサ端子５との締結部を、中継導体４とノイズ除去コンデンサ２０２の上面の第１電極１０１との接続部から離している。中継導体４とノイズ除去コンデンサ２０２とナット９は樹脂７でモールドして一体化した部材としている。コモンモードコイル２０１の直流電源９２側も同様の構成でノイズ除去コンデンサ２０３を有しており、電源側中継導体２０５と電源側導電部材２０４がねじで締結固定される。ここで、電源側導電部材２０４とは例えば図２３における電力変換装置９１と直流電源９２の間を接続するケーブルであるが、電力変換装置９１の内部配線部材であってもよい。

次に実施の形態１１において得られる効果について説明する。実施の形態１〜１０では発熱源が半導体モジュール１であるが、電力変換装置の発生するノイズを低減させるため、コモンモードコイル２０１を用いた場合、通電時のジュール損失によりコモンモードコイル２０１も発熱して平滑コンデンサ２に伝導し、平滑コンデンサ２の温度が上昇してしまう問題がある。実施の形態１１の構成により、発熱源であるコモンモードコイル２０１の直近でリードレスのノイズ除去コンデンサ２０２、２０３を接続できるため、コモンモードコイル２０１の発熱を効果的に冷却でき、かつコモンモードコイル２０１によるノイズ除去性能を向上させることができる。

本実施の形態１１ではコモンモードコイル２０１の端子全てにノイズ除去コンデンサ２０２、２０３を設けたが、ノイズ除去コンデンサ２０２、２０３のいずれか一方のみを用いてもコモンモードコイル２０１を冷却することが可能である。また、ノイズ除去コンデンサ２０２、２０３の実装構造については、実施の形態１〜１０において示したいずれの実装構造も適用可能である。

実施の形態１２．
次に、実施の形態１２による電力変換装置について説明する。図２５は実施の形態１２による電力変換装置のノイズ除去コンデンサの構造の一例を示す断面図である。実施の形態１２に係る電力変換装置は、基本的には実施の形態１に係る電力変換装置と同様の構成を備えるが、中継導体４がノイズ除去コンデンサ６の上面に配置される第１電極、すなわち最外層の第１電極を兼ねるようにした。層間接続導体１０４により中継導体４がノイズ除去コンデンサ６の内部の第１電極１０１と電気接続される。

実施の形態１２の構成により、中継導体４と、ノイズ除去コンデンサ６の上面に配置される第１電極との間の面接合部の熱抵抗を無くし、中継導体４の冷却性能を向上させることができる。また、実施の形態１２のノイズ除去コンデンサの構造については、実施の形態１〜１１において示したいずれのノイズ除去コンデンサに対しても適用可能である。

実施の形態１３．
次に、実施の形態１３による電力変換装置について説明する。図２６は実施の形態１３による電力変換装置のノイズ除去コンデンサの構造の一例を示す断面図である。実施の形態１３に係る電力変換装置は、基本的には実施の形態７に係る電力変換装置と同様の構成を備えるが、ベース導体に固着された導体板２１がノイズ除去コンデンサ６の底面に配置される第２電極、すなわち最外層の第２電極を構成している。層間接続導体１０４により導体板２１がノイズ除去コンデンサ６の内部の第２電極１０２と電気接続される。

実施の形態１３の構成により、導体板２１と、ノイズ除去コンデンサ６の底面に配置される第２電極との間の面接合部の熱抵抗を無くし、中継導体４の冷却性能を向上させることができる。

以上の各実施の形態により説明したように、本発明は、半導体モジュールやコイルなど電力損失により発熱する発熱源、すなわち電気的発熱部材を備えた電力変換装置に適用可能である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、組み合わせたり、変形、省略したりすることが可能である。

１半導体モジュール（電気的発熱部材）、２平滑コンデンサ、３ベース導体、４中継導体、４ａ正極側中継導体、４ｂ負極側中継導体、６ノイズ除去コンデンサ、６ａ、６ｂ、６ｃ正極側ノイズ除去コンデンサ、６ｄ、６ｅ、６ｆ負極側ノイズ除去コンデンサ、６ｇ、６ｈ、６ｉモータ側ノイズ除去コンデンサ、１４モータ側中継導体、２１導体板、５２スナバ抵抗、５３スナバコンデンサ、９１電力変換装置、９３モータ、９５、９５ａ、９５ｂ、９５ｃ、９５ｄ、９５ｅ、９５ｆ上アームの半導体素子、９６、９６ａ、９６ｂ、９６ｃ、９６ｄ、９６ｅ、９６ｆ下アームの半導体素子、１０１第１電極、１０１ａ正極側第１電極、１０１ｂ負極側第１電極、１０２第２電極、１０２ａ正極側第２電極、１０２ｂ負極側第２電極、１０３絶縁体、２０１コモンモードコイル（電気的発熱部材）、２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａ、２０３ｂノイズ除去コンデンサ

Claims

ベース導体と、このベース導体に設置された電気的発熱部材と、絶縁体を介して第１電極と第２電極とを交互に複数積層して一面に最外層の前記第１電極が露出し他面に最外層の前記第２電極が露出した平板型のノイズ除去コンデンサと、前記電気的発熱部材から前記ノイズ除去コンデンサを経由して他の部材に電気接続する板状の中継導体とを備えた電力変換装置において、
前記ノイズ除去コンデンサは、前記最外層の第２電極が、前記ベース導体の前記電気的発熱部材が設置されている側の面に面接合されて前記ベース導体に固着されるとともに、前記最外層の第１電極と前記中継導体とが面接合されたことを特徴とする電力変換装置。
前記電気的発熱部材は半導体モジュールであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記電気的発熱部材はコイルであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記ベース導体に固着された導体板を備え、この導体板に前記最外層の第２電極を面接合することにより、前記最外層の第２電極と前記ベース導体とが間接的に面接合されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記ベース導体に固着された導体板を備え、この導体板が前記最外層の第２電極を構成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記最外層の第１電極と前記中継導体とが面接合されることに代えて、前記中継導体が前記最外層の第１電極を兼ねることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記半導体モジュールは、電力変換回路に接続されるセミブリッジ回路を構成する正極側の半導体素子と負極側の半導体素子を備え、前記正極側の半導体素子の正極側端子と前記負極側の半導体素子の負極側端子とにそれぞれ前記中継導体が接続され、それぞれの前記中継導体にそれぞれ前記ノイズ除去コンデンサが接続され、それぞれの前記ノイズ除去コンデンサ間、またはそれぞれの前記中継導体間にスナバ部品が接続されたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記半導体モジュールに備えられた半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドのいずれかの半導体であることを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。