JP6197607B2 - インバータ装置およびインバータ一体形モータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子を用いて構成したインバータ装置、およびこのインバータ装置をモータに一体的に組み込んだインバータ一体形モータ装置に関する。

近年、走行用駆動源としてエンジンおよびモータを備えたハイブリッド車両や、モータのみを備えた電気自動車が急速に普及しつつあり、各種方式の駆動装置が実用化されている。モータは、三相同期電動発電機が多用され、力行時には車載のバッテリからの給電で駆動輪を駆動し、制動時には回生発電を行ってバッテリを充電する。ここで、モータに給電する駆動電圧を可変に調整するために、インバータ装置を用いることが一般的になっている。インバータ装置は、ＩＧＢＴ素子（ゲート絶縁型バイポーラトランジスタ）などのスイッチング素子（パワー半導体モジュール）をブリッジ接続し、整流素子やコンデンサ、リアクトルなどを組み合わせて構成する場合が多い。

本願出願人は、車載の用途に好適なパワー半導体チップ、パワー半導体モジュール、およびインバータ装置の技術を特許文献１に開示している。このパワー半導体チップは、ダイの表面形状が正三角形になっている。そして、複数のパワー半導体チップの同一端子同士を接続することでパワー半導体モジュールを構成する。複数のパワー半導体チップは、ハニカム構造に配置することができ、パワー半導体モジュールは、例えば正六角形状や等脚台形状に構成する。さらに、このパワー半導体モジュールを複数用いてインバータ装置を構成する。これにより、回路要素の実装密度を高くしてインバータ装置を小形軽量化できる。加えて、インバータ装置を回転対称形状に構成でき、かつ、高圧側と低圧側とを同軸内外に配置できて、サージ（ノイズ）の発生を顕著に抑制できる。

特開２００９−８８４６６号公報

ところで、特許文献１に開示したインバータ装置において、サージ（ノイズ）を抑制するＥＭＣ（Electro-Magnetic Compatibility）対策と、スイッチング素子の低損失化の両立が課題となっている。ここで、サージとは、浮遊インダクタンスが発生する電圧と考える。また、浮遊インダクタンスは、リードインダクタンスを含む自己インダクタンスと空間的に結合している相互インダクタンスと考える。空間的結合で生じる相互インダクタンスは、クロストーク問題を引き起こすため極力低減する必要がある。

ＥＭＣ対策に関して、スイッチング素子とバスバーの間などを接続するボンディングワイヤには、一般的に長さ１ｍｍ当たり１ｎＨ（ナノヘンリー）程度のリードインダクタンス（浮遊インダクタンス）が存在する。このため、電流が流れるとリードインダクタンスにエネルギが蓄積され、スイッチング素子のターンオフ時にエネルギが放出されてサージ電圧が発生する。さらに、リードインダクタンスの大きさによっては、スイッチング素子のゲート容量やノイズ低減用コンデンサ（通称パスコン）との組合せにより定まる自己共振周波数でリンギングが生じ、伝導エミッションが発生する。この浮遊インダクタンスの低減対策として、リボン配線や千鳥足配線による並列接続化を行っても、抵抗値ほど顕著に浮遊インダクタンスは減少しない。

また、特許文献１では、三相の正負のスイッチング素子を平面内で環状に回転対称に配置し、内周側に高圧電極を設け、外周側に低圧電極を設けて、配置の対称性によりサージ電流の外部への影響を相殺している。しかしながら、高圧電極と低圧電極とが離れすぎているため、完全な電流相殺は難しい。さらに、平面内の配置では小形化に限界があり、ボンディングワイヤの配線長が必要となるため、リードインダクタンスのさらなる低減は難しい。同時に、スイッチング素子の導通状態を制御する制御回路の配置やノイズ低減用コンデンサの配置も、サージの低減および装置の小形化を実現する際の実装上の問題となっている。

サージ電流は、ＩＧＢＴ素子がターンオンに転じるときにフリーホイールダイオードの蓄積電荷の移動によって発生する短絡電流である。また、サージ電流は、半導体そのものに起因する非線形特性（アバランシェ特性）や重畳現象などを含む高周波の現象であるため、伝導ノイズの一部は放射ノイズに変化する。リードインダクタンスがエネルギを放出するときの現象もサージ電圧発生の原因のひとつであるので、電流の放出峻度を緩和するＥＭＣ対策が考えられる。具体的なＥＭＣ対策として、スイッチング素子のゲート抵抗を高めたり、ゲート容量を調整したり、電圧変化率を下げたりしている。しかしながら、これらのＥＭＣ対策は発生損失の増大を伴うため、冷却対策の強化が必要になる。加えて、スイッチング素子のサージに対する電圧余裕の減少、高温動作などに起因する寿命低下、および寿命低下を回避するためのヒートシンクの熱抵抗の低減などに伴う大形化などの弊害を招いている。このため、有効なＥＭＣ対策が必要とされている。

一方、冷却対策に関して、特許文献１の技術では、発熱するスイッチング素子と冷却用の金属製ヒートシンクとの位置関係に制約がある。つまり、一部のスイッチング素子は、最小限の絶縁物だけを介して金属製ヒートシンクに接触させることができるが、残りのスイッチング素子は、絶縁物だけでなく高圧電極や低圧電極をも介して金属製ヒートシンクに接触する。このため、熱抵抗が大きくなって冷却性能が低下している。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、従来よりも浮遊インダクタンスを低減してサージ電圧の発生を抑制しつつ、スイッチング素子および装置の小形化を可能とし、さらには冷却性能の優れたインバータ装置を提供することを解決すべき課題とする。また、このインバータ装置を一体的に組み込んで従来よりもサージ電圧の発生を抑制しつつ装置の小形化を実現したインバータ一体形モータ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請求項１に係るインバータ装置の発明は、直流電源の正側端子に接続される三相の正側スイッチング素子と、前記直流電源の負側端子に接続される三相の負側スイッチング素子と、各相の前記正側スイッチング素子と前記負側スイッチング素子とを接続した途中にそれぞれ設けられた三相の出力端子と、前記三相の正側スイッチング素子および前記三相の負側スイッチング素子の導通状態を個別に制御する制御回路と、を備えたインバータ装置であって、前記三相の正側スイッチング素子は、中心軸線の周りに回転対称に配設され、前記三相の負側スイッチング素子は、前記三相の正側スイッチング素子の前記中心軸線の軸長方向に離間して配置され、かつ前記中心軸線の周りに回転対称に配設されている。

これによれば、正側スイッチング素子を配設した層と、負側スイッチング素子を配設した層とを中心軸線の軸長方向に離間して配置した２層構造を採用できる。各層で、三相のスイッチング素子は中心軸線の周りに回転対称に配設されており、電気回路の平衡性は良好である。そして、スイッチング素子と入出力バスバーとの間を接続する接続長は、一平面内に正負の全スイッチング素子を配設した従来の単層構造における接続長よりも短くできる。したがって、従来よりも浮遊インダクタンスを低減できる。結果として、電気回路の平衡性および浮遊インダクタンスの低減の作用により、サージ電圧およびノイズの発生を抑制できる。

また、サージ電圧の抑制に対応して耐電圧の余裕や発熱量の余裕が生じるので、スイッチング素子を小形化でき、一層の低インダクタンス化が図れる。加えて、各層のスイッチング素子の個数は従来の６個を半減した３個でよいので、２層化で厚くなるとはいえ、インバータ装置の小形化が可能である。

請求項２に係るインバータ装置の発明は、前記中心軸線の周りに同軸内外に配置されてそれぞれの一端部が前記直流電源の前記正側端子および前記負側端子に接続される内側バスバーおよび外側バスバーをさらに備え、前記内側バスバーおよび前記外側バスバーは、径方向外向きに延伸して展開された三相の電極板を他端部に有し、かつ、前記内側バスバーの電極板と前記外側バスバーの電極板とが周方向に交互に配置されており、前記内側バスバーおよび前記外側バスバーのうち前記正側端子に接続される一方の電極板は前記正側スイッチング素子に接続され、前記内側バスバーおよび前記外側バスバーのうち前記負側端子に接続される他方の電極板は前記負側スイッチング素子に接続されている。

これによれば、電極板をスイッチング素子の至近まで延在させることができるので、接続長を確実に短くでき、浮遊インダクタンスの低減効果およびサージ電圧の抑制効果が顕著になる。

請求項３に係るインバータ装置の発明では、前記一方の電極板と前記他方の電極板との間、ならびに、前記一方の電極板または前記他方の電極板とフレームグラウンドとの間の少なくとも１箇所にノイズ低減用コンデンサが接続されている。

これによれば、ノーマルモードノイズやコモンモードノイズを低減するためのノイズ低減用コンデンサを短いボンディングワイヤで実装でき、あるいはボンディングワイヤ無しで直接実装でき、浮遊インダクタンスが極めて小さくなる。したがって、コンデンサ容量値および浮遊インダクタンス値から定まる自己共振周波数が増加して伝導エミッションが低減され、放射エミッションが抑制されるので、効果的にノイズを低減できる。

請求項４に係るインバータ装置の発明は、前記一方および前記他方の電極板に熱伝導性絶縁物を介して配設されたヒートシンクをさらに備えた。

これによれば、スイッチング素子の発熱は、広い面積で接触してかつ伝熱方向に薄い電極板および熱伝導性絶縁物を介してヒートシンクで放散されるので、冷却性能が優れている。

請求項５に係るインバータ装置の発明では、前記一方の電極板と前記正側スイッチング素子との接続、ならびに前記他方の電極板と前記負側スイッチング素子との接続は、他の部材を用いない直結接続、あるいは前記中心軸線の軸長方向に延在する直線電極を用いた接続とされている。

これによれば、電極板上に直接スイッチング素子を配設し、あるいは、電極板からわずかに離間してスイッチング素子を配設して直線電極により最短距離で接続することができる。したがって、従来使用していたボンディングワイヤは不要となり、浮遊インダクタンスの低減効果およびサージ電圧の抑制効果がさらに一層顕著になる。

請求項６に係るインバータ装置の発明では、前記制御回路のうち少なくとも前記三相の正側スイッチング素子および前記三相の負側スイッチング素子の導通状態を個別に制御するゲート制御信号の生成回路は、前記三相の正側スイッチング素子と前記三相の負側スイッチング素子との間に配置されている。

これによれば、正側スイッチング素子を配設した層、ゲート制御信号の生成回路（ゲート制御回路）の層、および負側スイッチング素子を配設した層からなる３層構造を採用できる。したがって、スイッチング素子とゲート制御回路との間を接続する接続長が短くなって、サージの抑制に寄与できる。また、ゲート生成回路を正側および負側スイッチング素子と同じ平面上に配置しないので、３層の各層をコンパクトに形成でき、インバータ装置のさらなる小形化に寄与できる。

請求項７に係るインバータ装置の発明は、前記中心軸線の軸長方向の両側にそれぞれ熱伝導性絶縁物を介して配設され、電磁シールド材料を用いて形成されるとともに径方向外縁が前記軸長方向に延びて前記正側スイッチング素子および前記負側スイッチング素子を覆うヒートシンクをさらに備えた。なお、電磁シールド材料は、磁束変化に対して渦電流を生じればよいので、高透磁率の磁性材料に限定されず、導電材料を含むものとする。

これによれば、電磁シールド材料を用いて形成されたヒートシンクで、正側および負側スイッチング素子を覆うことができる。つまり、ヒートシンクは、放射エミッションを低減する電磁シールドボックスを兼ねる。したがって、簡易な構成でありながら、冷却性能および電磁シールド性能の両面で優れている。

請求項８に係るインバータ装置の発明は、前記正側スイッチング素子および前記負側スイッチング素子に並列に整流素子をさらに備え、前記正側スイッチング素子および前記負側スイッチング素子と前記直流電源との間に並列にコンデンサをさらに備え、前記コンデンサは、内周筒部および該内周筒部の一方の端部から外周側に延在する一側面部を有する一方極接続部と、前記内周筒部と前記中心軸線上に同軸に配置された外周筒部および該外周筒部の他方の端部から内周側に延在する他側面部を有する他方極接続部と、前記一方極接続部に接続される一方電極板、該一方電極板と対向し前記他方極接続部に接続される他方電極板、および前記一方電極板と前記他方電極板との間に介在される誘電体を有する静電容量部とを備え、前記内周筒部、前記一側面部、前記外周筒部、および前記他側面部の間に形成される環状空間内に前記静電容量部が高密度に収容されている中空筒型コンデンサである。

これによれば、整流素子および中空筒型コンデンサをさらに備えることで、インバータ装置に逆方向の整流平滑作用を付与できる。したがって、発電モードで動作可能なモータ（モータジェネレータ）の電源用に好適であり、インバータ装置は、モータが発電モード時に出力する交流電力を整流してバッテリを充電できる。また、整流素子および中空筒型コンデンサを含めて回転対称形状を維持でき、加えて、接続長も短くて済むので、サージ電圧の抑制効果を維持できる。

請求項９に係るインバータ一体形モータ装置の発明は、ハウジングに前記中心軸線回りに回転可能に軸承されたロータ、および三相の電機子巻線が前記ロータの回りに配置されて前記ハウジングに固定されたステータを備えた三相同期モータと、請求項１〜８のいずれか一項に記載のインバータ装置と、が前記中心軸線上に配置され一体化されている。

これによれば、三相同期モータおよびインバータ装置を中心軸線の回りに回転対称に構成できるので、電気回路の平衡性が良好になる。また、三相同期モータとインバータ装置とを一体化することで、接続長を短くして浮遊インダクタンスを低減できる。この２点により、サージ電圧の発生を抑制できる。さらに、一体化によるモータ装置の小形化が可能となる。

請求項１０に係るインバータ一体形モータ装置の発明は、前記正側スイッチング素子および前記負側スイッチング素子と前記直流電源との間に昇圧用コンデンサおよび昇圧用リアクトルをさらに備え、前記昇圧用コンデンサは、内周筒部および該内周筒部の一方の端部から外周側に延在する一側面部を有する一方極接続部と、前記内周筒部と前記中心軸線上に同軸に配置された外周筒部および該外周筒部の他方の端部から内周側に延在する他側面部を有する他方極接続部と、前記一方極接続部に接続される一方電極板、該一方電極板と対向し前記他方極接続部に接続される他方電極板、および前記一方電極板と前記他方電極板との間に介在される誘電体を有する静電容量部とを備え、前記内周筒部、前記一側面部、前記外周筒部、および前記他側面部の間に形成される環状空間内に前記静電容量部が高密度に収容されている中空筒型コンデンサであり、前記昇圧用リアクトルは、絶縁被覆された導体を巻回したコイルを前記中心軸線の周りに有するインダクタンス素子を往路に備え、リターン導体を復路に備えたリアクトル装置であって、前記インダクタンス素子は、前記中心軸線が中空の筒状または環状であり、前記リターン導体は、前記中心軸線を共通とする筒状であって前記インダクタンス素子の同軸外周側に配置されている中空筒型リアクトル装置である。

これによれば、構成要素としてインバータ装置に中空筒型コンデンサおよび中空筒型リアクトル装置を組み合わせることで、昇圧機能を付与できる。したがって、例えば車載用に好適であり、車載のバッテリの直流電源電圧を昇圧してモータを駆動でき、また、バッテリの消耗などで直流電源電圧が変動しても安定してモータを駆動できる。さらに、全ての構成要素を含むモータ装置全体を回転対称形状に構成できるので、電気回路の平衡性が極めて良好になる。また、構成要素間を接続する接続長を短くして浮遊インダクタンスを低減できる。この２点により、モータ装置全体で総合的にサージ電圧の発生を抑制できる。

第1実施形態のインバータ装置の回路図である。 第1実施形態のインバータ装置の構成を示す断面図である。 、第1実施形態のインバータ装置の５層構造を模式的に説明する分解斜視図である。 インバータ装置を構成する第１層の下側ヒートシンクの平面図である。 インバータ装置を構成する第２層の電極板および正側スイッチング素子の平面図である。 インバータ装置を構成する第３層のゲート回路基板の平面図である。 インバータ装置を構成する第４層の出力側電極板および負側スイッチング素子を下側から見た平面図である。 インバータ装置を構成する第５層の上側ヒートシンクの平面図である。 第２実施形態のインバータ装置を構成する第１層の下側ヒートシンク、ならびに第２層の電極板および正側スイッチング素子の平面図である。 第３実施形態のインバータ装置の回路図である。 第３実施形態のインバータ装置の構成を模式的に示した断面図である。 第４実施形態のインバータ一体形モータ装置を模式的に示した断面図である。 第５実施形態のインバータ一体形モータ装置の回路図である。 第５実施形態のインバータ一体形モータ装置を模式的に示した断面図である。

本発明の第1実施形態のインバータ装置１について、図１〜図８を参考にして説明する。図１は、第1実施形態のインバータ装置１の回路図である。図示されるように、インバータ装置１は、三相の正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗ、および三相の負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗをブリッジ接続した一般的な回路構成となっている。第1実施形態では、スイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗとして、特許文献１で開示した正六角形の板状のパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴ素子）を用いる。

図１に示されるように、回路構成はＵ相、Ｖ相、およびＷ相で同じであるので、Ｕ相を例にして詳細に説明し、Ｖ相およびＷ相の説明は省略する。Ｕ相正側スイッチング素子２１Ｕのコレクタ電極Ｃ１は、後述する内側バスバー３１を経由して直流電源の正側端子に接続される。Ｕ相正側スイッチング素子２１Ｕのエミッタ電極Ｅ１は、Ｕ相出力バスバー６１Ｕに接続されている。また、Ｕ相負側スイッチング素子２２Ｕのコレクタ電極Ｃ２も、Ｕ相出力バスバー６１Ｕに接続されている。Ｕ相負側スイッチング素子２２Ｕのエミッタ電極Ｅ２は、後述する外側バスバー３２を経由して直流電源の負側端子に接続される。

Ｕ相正側スイッチング素子２１Ｕのゲート電極Ｇ１は、後述するＵ相正側ゲート制御回路５１Ｕに接続され、Ｕ相負側スイッチング素子２２Ｕのゲート電極Ｇ２は、後述するＵ相負側ゲート制御回路５２Ｕに接続されている。ゲート電極Ｇ１およびゲート電極Ｇ２にゲート制御信号が入力されると、コレクタ電極Ｃ１、Ｃ２とエミッタ電極Ｅ１、Ｅ２との間の導通状態が制御される。Ｕ相出力バスバー６１Ｕは、インバータ装置１から引き出されて、三相交流負荷に接続される。

インバータ装置１は、内側バスバー３１および外側バスバー３２から入力された直流電力を周波数可変の交流電力に変換して、三相の出力バスバー６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗから出力する。この電力変換機能は一般的なものであるので、これを実現するゲート制御信号の形態ならびに電力変換動作の詳細な説明は省略する。

図２は、第1実施形態のインバータ装置１の構成を示す断面図である。インバータ装置１は、中心軸線ＣＬの周りに概ね回転対称に構成されている。また、インバータ装置１は、中心軸線ＣＬの軸長方向に５層を成している。図３は、第1実施形態のインバータ装置１の５層構造を模式的に説明する分解斜視図である。なお、図３で、スイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗなどが図示省略されている。図２および図３で、最も下側が第１層であり、上側へと順番に第２層〜第５層が配設されている。

第１層は、主に下側ヒートシンク４１で形成されている。図４は、インバータ装置１を構成する第１層の下側ヒートシンク４１の平面図である。下側ヒートシンク４１は、中心軸線ＣＬの部分が中空で回転対称なトーラス形状に形成されている。下側ヒートシンク４１は、強磁性および高い導電率を有する電磁シールド材料、例えば鉄などを用いて形成され、フレームグラウンドに接地されて用いられる。下側ヒートシンク４１の径方向外縁４３は、軸長方向上向きに延びている。

下側ヒートシンク４１は、中心軸線ＣＬを通る平面で切った断面が矩形であり、内部空間４２を有している（図２示）。内部空間４２には、冷却媒体が封入されて強制的に循環される。冷却媒体は、下側ヒートシンク４１で熱を受け取って外部の放熱器に流出し、放熱器で熱を放散すると下側ヒートシンク４１に戻る。例えば、冷却媒体として冷却水、強制循環手段として送水ポンプ、放熱器として熱交換器をそれぞれ用いることができる。ただし、下側ヒートシンク４１の冷却媒体、強制循環手段、および放熱器は必須でなく、別の構成を採用してもよい。例えば、複数の放熱フィンを備えた自然冷却方式のヒートシンクを採用してもよい。

図４に示されるように、下側ヒートシンク４１の上面には、６枚の熱伝導性絶縁物４４が中心軸線ＣＬの周りに環状に布設されている。６枚の熱伝導性絶縁物４４は、互いに同形同大であり、後述する電極板３１Ｕ〜３２Ｗと同じ大きさかわずかに大きめの正六角形の薄板に形成されている。熱伝導性絶縁物４４は、高い熱伝導率および高い電気絶縁性を有する材料、例えばアルミナ（酸化アルミニウム）などを用いて形成される。熱伝導性絶縁物４４は、電極板３１Ｕ〜３２Ｗから下側ヒートシンク４１への熱伝導の役割、ならびに、電極板３１Ｕ〜３２Ｗと下側ヒートシンク４１との間の電気絶縁の役割を担っている。

図２および図３に示されるように、第１層の中心部分を貫通し下方に向けて、内側バスバー３１および外側バスバー３２が配設されている。内側バスバー３１および外側バスバー３２は、中心軸線ＣＬの周りに同軸内外に配置されている。内側バスバー３１と外側バスバー３２との間には、筒状の絶縁物３３が介挿され、絶縁が確保されている。さらに、外側バスバー３２と下側ヒートシンク４１との間にも、筒状の絶縁物３４が介挿され、絶縁が確保されている。内側バスバー３１の下側の一端部は、直流電源の正側端子に接続される。外側バスバー３２の下側の一端部は、直流電源の負側端子に接続される。

内側バスバー３１は、三相の正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗを上側の他端部に有している。各正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗは、径方向外向きに延伸されており、かつ径方向外側が展開されて周方向に拡がっている。外側バスバー３２も、三相の負側電極板３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗを上側の他端部に有している。各負側電極板３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗも、径方向外向きに延伸されており、かつ径方向外側が展開されて周方向に拡がっている。第２層は、主にこれらの電極板３１Ｕ〜３２Ｗおよび正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗで形成されている。図５は、インバータ装置１を構成する第２層の電極板３１Ｕ〜３２Ｗおよび正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗの平面図である。

図５に示されるように、合計６個の電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ、３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗは、互いに同形同大であり、スイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗの正六角形よりも一回り大きい正六角形状に形成されている。内側バスバー３１の三相の正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗと、外側バスバー３２の三相の負側電極板３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗとは、周方向に６０°ピッチで交互に配置され、かつ、相互間に所定の絶縁距離が確保されている。具体的には、図５の左手前から反時計回りに順番に、Ｕ相正側電極板３１Ｕ、Ｕ相負側電極板３２Ｕ、Ｖ相正側電極板３１Ｖ、Ｖ相負側電極板３２Ｖ、Ｗ相正側電極板３１Ｗ、およびＷ相負側電極板３２Ｗが配置されている。合計６個の電極板３１Ｕ〜３２Ｗと下側ヒートシンク４１との間には、前述した６枚の熱伝導性絶縁物４３が介挿されている。

三相の正側電極板３１Ｕ〜３１Ｗの上面に、三相の正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗが中心軸線ＣＬの周りに１２０°ピッチで回転対称に配設されている。特許文献１で詳述しているように、正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗは、正六角形の板状の裏面にコレクタ電極Ｃ１を有し、板状の表面の中央にエミッタ電極Ｅ１を有し、板状の表面の縁寄りにゲート電極Ｇ１を有している。そして、正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗの上面に正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗの裏面が接触するように配設することで、ボンディングワイヤを用いずに、コレクタ電極Ｃ１を内側バスバー３１に直接的に接続している。また、広い接触面を介して、正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗの発熱を正側電極板３１Ｕ、３２Ｖ、３１Ｗに良好に伝導させることができる。

第３層は、主にゲート回路基板５で形成されている。図６は、インバータ装置１を構成する第３層のゲート回路基板５の平面図である。ゲート回路基板５は、基板材５０および合計６個のゲート制御回路５１Ｕ〜５２Ｗからなる。基板材５０は、円板状の絶縁部材であり、その材質としてポリカーボネート樹脂を例示できる。６個の電極板３１Ｕ〜３２Ｗの中央位置に対応する基板材５０の６箇所に、それぞれ貫通孔５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗ、５４Ｕ、５４Ｖ、５４Ｗが穿設されている。貫通孔５３Ｕ〜５４Ｗは、直線電極を通す部位である（詳細後述）。

基板材５０の下面で第２層の正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗの真上の位置に、３相の正側ゲート制御回路５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗが配設されている。同様に、基板材５０の上面で後述する第４層の負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗの真下の位置に、３相の負側ゲート制御回路５２Ｕ、５２Ｖ、５２Ｗが配設されている。正側ゲート制御回路５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗおよび負側ゲート制御回路５２Ｕ、５２Ｖ、５２Ｗは、基板材５０の表裏交互に６０°ピッチの配置となる。

合計６個のゲート制御回路５１Ｕ〜５２Ｗは、三相の正側および負側に対応するゲート制御信号を生成して出力する。ゲート制御信号の立ち上がりおよび立ち下がりのタイミングは、ゲート回路基板５内で決定してもよく、外部で決定して例えば光ファイバを経由して指令するようにしてもよい。ゲート制御回路５１Ｕ〜５２Ｗとして、例えば、ＢＧＡチップ（ボールグリッドアレイを有するＩＣ素子）を用いることができる。これによれば、ボンディングワイヤを用いずに、ＢＧＡチップのゲート制御信号の出力グリッドをスイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗのゲート電極Ｇ１、Ｇ２に直接的に接続できる。

図２および図３に示されるように、第４層の中心部分から上方に向けて、出力端子に相当する三相の出力バスバー６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗが配設されている。三相の出力バスバー６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗは、中心軸線ＣＬの軸長方向に延在しており、その断面は中心角が１２０°弱の円弧形状になっている。三相の出力バスバー６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗは、三相の出力側電極板６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗを下側の端部に有している。各出力側電極板６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗは、径方向外向きに延伸されており、かつ径方向外側が展開されて周方向に拡がっている。

第４層は、主にこれらの出力側電極板６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗおよび負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗで形成されている。図７は、インバータ装置１を構成する第４層の出力側電極板６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗおよび負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗを下側から見た平面図である。図７は下から見た平面図であるので、相順が時計回りに反転している。

図示されるように、三相の出力側電極板６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗは、互いに同形同大であり、スイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗの正六角形よりも一回り大きな正六角形を円周方向に２個並べた形状とされている。そして、Ｕ相出力側電極板６２Ｕは、第２層のＵ相正側電極板３１ＵおよびＵ相負側電極板３２Ｕの真上に配置される。同様に、Ｖ相出力側電極板６２Ｖは、Ｖ相正側電極板３１ＶおよびＶ相負側電極板３２Ｖの真上に配置され、Ｗ相出力側電極板６２Ｗは、Ｗ相正側電極板３１ＷおよびＷ相負側電極板３２Ｗの真上に配置される。

Ｕ相出力側電極板６２Ｕの下面のＵ相負側電極板３２Ｕの真上の位置に、Ｕ相負側スイッチング素子２２Ｕが配設されている。同様に、Ｖ相出力側電極板６２Ｖの下面のＶ相負側電極板３２Ｖの真上の位置に、Ｖ相負側スイッチング素子２２Ｖが配設されている。Ｗ相出力側電極板６２Ｗの下面のＷ相負側電極板３２Ｗの真上の位置に、Ｗ相負側スイッチング素子２２Ｗが配設されている。これにより、三相の負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗは、中心軸線ＣＬの周りに１２０°ピッチで回転対称配置となる。

そして、出力側電極板６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗの下面に負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗの裏面が接触するように配設することで、ボンディングワイヤを用いずに、コレクタ電極Ｃ２を出力側電極板６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗに直接的に接続している。なお。負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗと、正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗとでは、配設姿勢が上下逆になっている。また、広い接触面を介して、負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗの発熱を出力側電極板６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗに良好に伝導させることができる。

さらに、第３層のゲート回路基板５の貫通孔５３Ｕ〜５４Ｗを通り中心軸線ＣＬの軸長方向に延在する図略の直線電極を用いて、第２層と第４層の間を最短距離で接続している。具体的に、３つの貫通孔５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗを通る直線電極は、三相の正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗのエミッタ電極Ｅ１と、出力側電極板６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗとを接続している。また、３つの貫通孔５４Ｕ、５４Ｖ、５４Ｗを通る直線電極は、三相の負側電極板３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗと、三相の負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗのエミッタ電極Ｅ２とを接続している。これにより、ボンディングワイヤが不要になっている。

第５層は、主に上側ヒートシンク４５で形成されている。図８は、インバータ装置１を構成する第５層の上側ヒートシンク４５の平面図である。上側ヒートシンク４５は、下側ヒートシンク４１と同一品であり、上下を逆にして配設されている。上側ヒートシンク４５の内部空間４６の冷却媒体は、下側ヒートシンク４１と共通の強制循環手段により循環される。上側ヒートシンク４５の径方向外縁４７は、軸長方向下向きに延びている。図８に破線で示されるように、上側ヒートシンク４５の下面には、６枚の熱伝導性絶縁物４８が布設されている。６枚の熱伝導性絶縁物４８は、下側ヒートシンク４１の熱伝導性絶縁物４４と同一品である。熱伝導性絶縁物４８は、出力側電極板６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗから上側ヒートシンク４５への熱伝導の役割、ならびに、出力側電極板６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗと上側ヒートシンクへ４５との間の電気絶縁の役割を担っている。

図２に示されるように、下側ヒートシンク４１の径方向外縁４３と、上側ヒートシンク４５の径方向外縁４７とが接することで、電磁シールドボックスが形成されている。電磁シールドボックスは、正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗおよび負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗを覆い、スイッチング動作時に発生するサージ電圧を抑制する。

第1実施形態のインバータ装置１は、直流電源の正側端子に接続される三相の正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗと、直流電源の負側端子に接続される三相の負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗと、各相の正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗと負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗとを接続した途中にそれぞれ設けられた三相の出力端子（出力バスバー６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗ）と、三相の正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗおよび三相の負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗの導通状態を個別に制御するゲート回路基板５（制御回路）と、を備えたインバータ装置１であって、三相の正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗは、中心軸線ＣＬの周りに回転対称に配設され、三相の負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗは、三相の正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗの中心軸線ＣＬの軸長方向に離間して配置され、かつ中心軸線ＣＬの周りに回転対称に配設されている。

これによれば、正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗを配設した第２層と、負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗを配設した第４層とを中心軸線ＣＬの軸長方向に離間して配置した層構造を採用できる。各層で、三相のスイッチング素子（２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗ）（２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ）は中心軸線ＣＬの周りに回転対称に配設されており、電気回路の平衡性は良好である。そして、スイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗと入出力バスバー（３１、３２、６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗ）との接続長は、一平面内に正負の全スイッチング素子を配設した従来の単層構造における接続長よりも短くできる。したがって、従来よりも浮遊インダクタンスを低減できる。結果として、電気回路の平衡性および浮遊インダクタンスの低減の作用により、サージ電圧およびノイズの発生を抑制できる。

また、サージ電圧の抑制に対応して耐電圧の余裕や発熱量の余裕が生じるので、スイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗを小形化でき、一層の低インダクタンス化が図れる。加えて、各層のスイッチング素子（２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗ）（２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ）の個数は従来の６個を半減した３個でよいので、多層化で厚くなるとはいえ、インバータ装置１の小形化が可能である。

さらに、第1実施形態のインバータ装置１は、中心軸線ＣＬの周りに同軸内外に配置されてそれぞれの一端部が直流電源の正側端子および負側端子に接続される内側バスバー３１および外側バスバー３２をさらに備え、内側バスバー３１および外側バスバー３２は、径方向外向きに展開された三相の電極板（３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ）（３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗ）を他端部に有し、かつ、内側バスバー３１の正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗと外側バスバー３２の負側電極板３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗとが周方向に交互に配置されており、内側バスバー３１の正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗは正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗに接続され、外側バスバー３２の負側電極板３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗは、負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗに接続されている。

これによれば、電極板３１Ｕ〜３２Ｗをスイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗの至近まで延在させることができるので、接続長を確実に短くでき、浮遊インダクタンスの低減効果およびサージ電圧の抑制効果が顕著になる。

さらに、第1実施形態のインバータ装置１は、正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗに熱伝導性絶縁物４４を介して配設された下側ヒートシンク４１をさらに備えた。

これによれば、正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２２Ｗの発熱は、広い面積で接触してかつ伝熱方向に薄い正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗおよび熱伝導性絶縁物４４を介して下側ヒートシンク４１で放散されるので、冷却性能が優れている。

さらに、第1実施形態のインバータ装置１では、正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗと正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗとの接続は、他の部材を用いない直結接続とされ、負側電極板３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗと負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗとの接続は、中心軸線ＣＬの軸長方向に延在する直線電極を用いた接続とされている。

これによれば、正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ上に直接正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗを配設し、かつ、負側電極板３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗからわずかに離間して負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗを配設して直線電極により最短距離で接続することができる。したがって、従来使用していたボンディングワイヤは不要となり、浮遊インダクタンスの低減効果およびサージ電圧の抑制効果がさらに一層顕著になる。

さらに、第1実施形態のインバータ装置１では、制御回路のうち少なくとも三相の正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗおよび三相の負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗの導通状態を個別に制御するゲート回路基板５（ゲート制御信号の生成回路）は、三相の正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗ（第２層）と三相の負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ（第４層）との間の第３層に配置されている。

これによれば、正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗを配設した第２層、ゲート回路基板５（ゲート制御回路）の第３層、および負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗを配設した第４層からなる多層構造を採用できる。したがって、スイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗとゲート回路基板５との間を接続する接続長が短くなって、サージ電圧の抑制に寄与できる。また、ゲート回路基板５を正側および負側スイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗと同じ平面上に配置しないので、３層の各層をコンパクトに形成でき、インバータ装置１のさらなる小形化に寄与できる。

さらに、第1実施形態のインバータ装置１は、中心軸線ＣＬの軸長方向の両側にそれぞれ熱伝導性絶縁物４４、４８を介して配設され、電磁シールド材料を用いて形成されるとともに径方向外縁４３、４７が軸長方向に延びて正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗおよび負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗを覆う下側および上側ヒートシンク４１、４５をさらに備えた。

これによれば、電磁シールド材料を用いて形成された下側および上側ヒートシンク４１、４５で、正側および負側スイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗを覆うことができる。つまり、下側および上側ヒートシンク４１、４５は、放射エミッションを低減する電磁シールドボックスを兼ねる。したがって、簡易な構成でありながら、冷却性能および電磁シールド性能の両面で優れている。

次に、ノイズ低減用コンデンサ２７１〜２７６、２８１〜２８６を付加した第２実施形態のインバータ装置１Ａについて、第１実施形態と異なる点を主に説明する。図９は、第２実施形態のインバータ装置１Ａを構成する第１層の下側ヒートシンク４１、ならびに第２層の電極板３１Ｕ〜３２Ｗおよび正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗの平面図である。第２実施形態において、図９に示された以外の構成は、第１実施形態と同じである。

第２実施形態では、第２層で周方向に交互に配置された正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗと負側電極板３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗとの間の６箇所に、それぞれノイズ低減用コンデンサ２７１〜２７６が橋設されている。例えば、Ｕ相正側電極板３１ＵとＵ相負側電極板３２Ｕとの間にコンデンサ２７１が橋設され、Ｖ相負側電極板３２ＶとＷ相正側電極板３１Ｗとの間にコンデンサ２７４が橋設されている。ノイズ低減用コンデンサ２７１〜２７６は、線間に発生するノーマルモードノイズを低減するものである。

また、正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗおよび負側電極板３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗと、下側ヒートシンク４１との間の６箇所に、それぞれノイズ低減用コンデンサ２８１〜２８６が橋設されている。例えば、Ｕ相正側電極板３１Ｕと下側ヒートシンク４１との間にコンデンサ２８１が橋設され、Ｖ相負側電極板３２Ｖと下側ヒートシンク４１との間にコンデンサ２８４が橋設されている。前述したように下側ヒートシンク４１はフレームグラウンドに接地されており、したがって、ノイズ低減用コンデンサ２８１〜２８６は対地間に発生するコモンモードノイズを低減するものである。合計１２個のノイズ低減用コンデンサ２７１〜２７６、２８１〜２８６は、橋設する離間距離が小さいので、ボンディングワイヤ無しで直接的に実装されている。

第２実施形態のインバータ装置１Ａでは、正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗと負側電極板３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗとの間の６箇所、ならびに、正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗおよび負側電極板３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗと下側ヒートシンク４１との間の６箇所に、それぞれノイズ低減用コンデンサ２７１〜２７６、２８１〜２８６が接続されている。

これによれば、ノーマルモードノイズやコモンモードノイズを低減するためのノイズ低減用コンデンサ２７１〜２７６、２８１〜２８６をボンディングワイヤ無しで直接実装でき、浮遊インダクタンスが極めて小さくなる。したがって、コンデンサ容量値および浮遊インダクタンス値から定まる自己共振周波数が増加して伝導エミッションが低減され、放射エミッションが抑制されるので、効果的にノイズを低減できる。

次に、逆方向の整流機能を有する第３実施形態のインバータ装置１Ｂについて、第１および第２実施形態と異なる点を主に説明する。図１０は、第３実施形態のインバータ装置１Ｂの回路図である。図１の第１実施形態の回路図と比較すれば分かるように、図１０の第３実施形態の回路図では、６個の整流素子２３Ｕ〜２４Ｗおよびコンデンサ７が追加されている。

三相の正側整流素子２３Ｕ、２３Ｖ、２３Ｗは、それぞれ正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗに並列接続されている。Ｕ相正側整流素子２３ＵのカソードＫ１は、Ｕ相正側スイッチング素子２１Ｕのコレクタ電極Ｃ１に接続され、アノードＡ１は、Ｕ相正側スイッチング素子２１Ｕのエミッタ電極Ｅ１に接続されている。同様に、三相の負側整流素子２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗは、それぞれ負側スイッチング素子２２Ｕ、２２、２２Ｗに並列接続されている。Ｕ相負側整流素子２４ＵのカソードＫ２は、Ｕ相負側スイッチング素子２２Ｕのコレクタ電極Ｃ２に接続され、アノードＡ２は、Ｕ相負側スイッチング素子２２Ｕのエミッタ電極Ｅ２に接続されている。Ｖ相およびＷ相も同様の回路構成であるので、説明は省略する。

コンデンサ７は、正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗおよび負側スイッチング素子２２Ｕ、２２、２２ＷとバッテリＢａｔ（直流電源）との間に並列に接続されている。第３実施形態では、コンデンサ７として、本願出願人が特願２０１２−０１５５７１号に出願済みの中空筒型コンデンサ７を用いる。

図１１は、第３実施形態のインバータ装置１Ｂの構成を模式的に示した断面図である。インバータ装置１Ｂを５層構造で構成する点は第１実施形態と同様である。各整流素子２３Ｕ〜２４Ｗは、スイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗと比較すると小形でよい。したがって、第２層の正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗの傍らにそれぞれ正側整流素子２３Ｕ、２３Ｖ、２３Ｗを配設し、第４層の負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗの傍らにそれぞれ負側整流素子２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗを配設する。また、中空筒型コンデンサ７は、第１層の下側ヒートシンク４１の軸長方向の隣に配設する。

中空筒型コンデンサ７は、内周筒部７１１および該内周筒部７１１の一方の端部から外周側に延在する一側面部７１２を有する一方極接続部７１と、内周筒部７１１と中心軸線ＣＬ上に同軸に配置された外周筒部７２１および該外周筒部７２１の他方の端部から内周側に延在する他側面部７２２を有する他方極接続部７２と、を備えている。そして、一方極接続部７１に接続される一方電極板と、他方極接続部７２に接続される他方電極板とが対向して環状空間内に静電容量部７３が高密度に収容されている。中空筒型コンデンサ７に関しては、出願済みの明細書に開示しているので、詳細な説明は省略する。

図１１に示されるように、第３実施形態で、内側バスバー３１Ｂと正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗとは別体とされ、外側バスバー３２Ｂと負側電極板３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗとは別体とされている。そして、中空筒型コンデンサ７の内周筒部７１１の一端（図１１の上側）が正側電極板３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗに接続され、内周筒部７１１の他端（図１１の下側）が内側バスバー３１Ｂに接続されている。また、他側面部７２２が負側電極板３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗに接続され、外周筒部７２１が外側バスバー３２Ｂに接続されている。これらの接続は、最短距離で行われている。内側バスバー３１Ｂおよび外側バスバー３２Ｂは、図略のバッテリＢａｔに接続されている。

第３実施形態のインバータ装置１Ｂにおいて、バッテリＢａｔから入力された直流電力を周波数可変の交流電力に変換して出力する電力変換機能は一般的なものである。また、逆方向の整流機能を使用する場合には、６個全てのスイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗを断状態として、合計６個の整流素子２３Ｕ〜２４Ｗにより三相全波整流回路を構成する。これにより、出力バスバー６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗに入力された三相交流電力を直流電力に変換し、中空筒型コンデンサ７で平滑して、バッテリＢａｔを充電できる。

第３実施形態のインバータ装置１Ｂは、正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗおよび負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗに並列に整流素子２３Ｕ〜２４Ｗをさらに備え、正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗおよび負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２ＷとバッテリＢａｔ（直流電源）との間に並列にコンデンサ７をさらに備え、コンデンサ７は、特願２０１２−０１５５７１号に開示した中空筒型コンデンサ７である。

これによれば、整流素子２３Ｕ〜２４Ｗおよび中空筒型コンデンサ７をさらに備えることで、逆方向の整流平滑作用を付与できる。したがって、発電モードで動作可能なモータジェネレータの電源用に好適であり、インバータ装置１Ｂは、モータジェネレータが発電モード時に出力する交流電力を整流してバッテリＢａｔを充電できる。また、整流素子２３Ｕ〜２４Ｗおよび中空筒型コンデンサ７を含めて回転対称形状を維持でき、加えて、接続長も短くて済むので、サージの抑制効果を維持できる。

次に、第４実施形態のインバータ一体形モータ装置１０について説明する。図１２は、第４実施形態のインバータ一体形モータ装置１０を模式的に示した断面図である。インバータ一体形モータ装置１０は、三相同期モータ８と第３実施形態のインバータ装置１Ｂとが、大きな円筒状のハウジング８９内で中心軸線ＣＬ上に配置され、一体化されて構成されている。

三相同期モータ８は、内周側のロータ８１および外周側のステータ８５で構成されている。ロータ８１は、ロータコア８２、出力軸８３、および図略の磁極などで構成されている。ロータコア８２は、多数枚の環状の電磁鋼板が中心軸線ＣＬ方向に積層されて円筒状に形成されている。出力軸８３は、ロータコア８２の円筒状の中心に挿通されて固定され、ロータコア８２と一体的に回転する。出力軸８３の前方側および後方側の２箇所は、ハウジング８９側の軸受部材８９１、８９２により回転自在に軸承されている。さらに、ロータコア８２の外周面寄りには、周方向に等ピッチでＮ極およびＳ極が交互に配置されるように磁極が埋め込まれている。

ステータ８５は、ロータ８２の周りにわずかな間隙を有してハウジング８９に固設されている。ステータ８５は、ステータコア８６および電機子巻線８８などで構成されている。ステータコア８６は、ロータコア８２側よりも大径の多数枚の環状の電磁鋼板が積層されて円筒状に形成されている。ステータコア８６は、周方向に等ピッチで配置されて中心方向に突出する磁極ティース８７を有している。電機子巻線８８は、各磁極ティース８７の周りのスロットに導体が巻回されて形成されている。

インバータ装置１Ｂは、一体化のために出力バスバー６４が変形されている。すなわち、図１１に示される第３実施形態で、出力バスバー６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗは、上側ヒートシンク４５の中央の中空部分を通って引き出されていた。これに対して、図１２に示される第４実施形態で、出力バスバー６４は、上側ヒートシンク４５Ｂの外周寄りに設けられた貫通孔を通り、絶縁を確保しつつ引き出されている。これにより、電機子巻線８８への最短距離での接続が実現されている。また、中空筒型コンデンサ７を含むインバータ装置１Ｂは、符号略の絶縁物を用いて、ハウジング８９に絶縁取り付けされている。

第４実施形態のインバータ一体形モータ装置１０は、ハウジング８９に中心軸線ＣＬ回りに回転可能に軸承されたロータ８１、および三相の電機子巻線８８がロータ８１の回りに配置されてハウジング８９に固定されたステータ８５を備えた三相同期モータ８と、第３実施期待のインバータ装置１Ｂと、が中心軸線上ＣＬに配置され一体化されている。

これによれば、三相同期モータ８およびインバータ装置１Ｂを中心軸線ＣＬの回りに回転対称に構成できるので、電気回路の平衡性が良好になる。また、三相同期モータ８とインバータ装置１Ｂとを一体化することで、接続長を短くして浮遊インダクタンスを低減できる。この２点により、サージ電圧の発生を抑制できる。さらに、一体化によるモータ装置１０の小形化が可能となる。

次に、直流電源電圧の昇圧機能を有する第５実施形態のインバータ一体形モータ装置１１について、第４実施形態と異なる点を主に説明する。図１３は、第５実施形態のインバータ一体形モータ装置１１の回路図である。第５実施形態では、直流電源となるバッテリＢａｔから負荷となる三相同期モータ８までの間に、入力コンデンサ７Ｄ、昇圧用リアクトル９、昇圧駆動回路９６、昇圧用コンデンサ７Ｅ、およびインバータ装置１Ｄが接続されている。

入力コンデンサ７Ｄおよび昇圧用コンデンサ７Ｅには、第４実施形態で説明した中空筒型コンデンサ７の構造を適用する。入力コンデンサ７Ｄおよび昇圧用コンデンサ７Ｅは、必要とされる静電容量の大きさに応じて、適宜設計することができる。入力コンデンサ７Ｄの正側端子７Ｄｐは、内側バスバー３１Ｂを用いてバッテリＢａｔの正極に接続され、負側端子７Ｄｎは、外側バスバー３２Ｂを用いてバッテリＢａｔの負極に接続されている。さらに、入力コンデンサ７Ｄの正側端子７Ｄｐは、昇圧用リアクトル９の一方端子９ｐに接続されている。

昇圧駆動回路９６は、直列接続された２個のスイッチング素子９６１、９６２、および２個の整流素子９６３、９６４で構成されている。２個のスイッチング素子９６１、９６２としてＧＩＢＴ素子を例示でき、これに限定されない。２個の整流素子９６３、９６４は、それぞれスイッチング素子９６１、９６２に並列接続されている。昇圧用リアクトル９の他方端子９ｎは、スイッチング素子９６１のエミッタ電極Ｅ５およびスイッチング素子９６２のコレクタ電極Ｃ６に接続されている。入力コンデンサ７Ｄの負側端子７Ｄｎは、スイッチング素子９６２のエミッタ電極Ｅ６に接続されている。スイッチング素子９６１のコレクタ電極Ｃ５は昇圧用コンデンサ７Ｅの正側端子７Ｅｐに接続され、スイッチング素子９６２のエミッタ電極Ｅ６は昇圧用コンデンサ７Ｅの負側端子７Ｅｎに接続されている。

そして、昇圧用コンデンサ７Ｅの正側端子７Ｅｐおよび負側端子７Ｅｎがインバータ装置１Ｄに接続されている。インバータ装置１Ｄは、回路構成が第１実施形態のインバータ装置１に類似し、さらに第３実施形態で説明した整流素子２３Ｕ〜２４Ｗを備えている。インバータ装置１Ｄの三相の出力バスバー６５は、三相同期モータ８の電機子巻線８８に接続されている。

昇圧駆動回路９６で、２個のスイッチング素子９６１、９６２を開閉制御することにより、昇圧機能が生じる。これにより、バッテリＢａｔの直流電源電圧よりも高い電圧をインバータ装置１Ｄに供給できる。この昇圧機能は公知のものであるので、スイッチング素子９６１、９６２の制御方法ならびに昇圧動作の詳細な説明は省略する。また、第５実施形態のインバータ一体形モータ装置１１は、逆方向の整流平滑機能も兼ね備えている。

図１４は、第５実施形態のインバータ一体形モータ装置１１を模式的に示した断面図である。図示されるように、内側バスバー３１Ｂおよび外側バスバー３２Ｂに続いて、入力コンデンサ７Ｄ、昇圧用リアクトル９、昇圧用コンデンサ７Ｅ、昇圧駆動回路９６、およびインバータ装置１Ｄが記載した順番に配置されている。これらの構成要素７Ｄ、９、７Ｅ、９６、１Ｄは全て、中心軸線ＣＬの周りに回転対称形状に構成されている。また、これらの構成要素７Ｄ、９、７Ｅ、９６、１Ｄの間は、同軸内側において正側の接続が最短距離で行われ、同軸外周側において負側の接続が最短距離で行われている。また、これらの構成要素７Ｄ、９、７Ｅ、９６、１Ｄは全て、符号略の絶縁物を用いて、ハウジング８９に絶縁取り付けされている。

第５実施形態では、昇圧用リアクトル９として、本願出願人が特願２０１３−０９２１７２号に出願済みの中空筒型リアクトル装置９を用いる。中空筒型リアクトル装置９は、絶縁被覆された導体を巻回したコイルを中心軸線ＣＬの周りに有するインダクタンス素子９１を往路に備え、リターン導体９２を復路に備えている。インダクタンス素子９１は、中心軸線ＣＬが中空の筒状または環状であり、リターン導体９２は、中心軸線ＣＬを共通とする筒状であってインダクタンス素子９１の同軸外周側に配置されている。中空筒型リアクトル装置９に関しては、出願済みの明細書に開示しているので、詳細な説明は省略する。

また、インバータ装置１Ｄの構成は、次の３点で第１実施形態と異なっている。すなわち、第５実施形態に用いるインバータ装置１Ｄは、内側バスバー３１および外側バスバー３２を備えず、別体の電極板３１Ｕ〜３２Ｗを備えている。また、インバータ装置１Ｄの下側ヒートシンク４１Ｄおよび上側ヒートシンク４５Ｄは、延在する周方向外縁４３、４７を有さず、代わりにこのスペースを用いて負側の接続が行われている。また、第４実施形態と同様に、インバータ装置１Ｄの三相の出力バスバー６５は、上側ヒートシンク４５Ｄの外周寄りに設けられた貫通孔を通り、絶縁を確保しつつ引き出されている。三相同期モータ８は、第４実施形態と同一品である。

第５実施形態のインバータ一体形モータ装置１１は、正側スイッチング素子２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗおよび負側スイッチング素子２２Ｕ、２２Ｖ、２２ＷとバッテリＢａｔ（直流電源）との間に昇圧用コンデンサ７Ｅおよび昇圧用リアクトル９をさらに備え、昇圧用コンデンサ７Ｅは、特願２０１２−０１５５７１号に開示した中空筒型コンデンサであり、昇圧用リアクトル９は、特願２０１３−０９２１７２号に開示した中空筒型リアクトル装置９である。

これによれば、構成要素としてインバータ装置１Ｄに中空筒型コンデンサ（入力コンデンサ７Ｄ、昇圧用コンデンサ７Ｅ）および中空筒型リアクトル装置９を組み合わせることで、昇圧機能を付与できる。したがって、例えば車載用に好適であり、車載のバッテリＢａｔの直流電源電圧を昇圧して三相同期モータ８を駆動でき、また、バッテリＢａｔの消耗などで直流電源電圧が変動しても安定して三相同期モータ８を駆動できる。さらに、全ての構成要素を含むモータ装置１１全体を回転対称形状に構成できるので、電気回路の平衡性が極めて良好になる。また、構成要素間を接続する接続長を短くして浮遊インダクタンスを低減できる。この２点により、モータ装置１１全体で総合的にサージ電圧の発生を抑制できる。

なお、各実施形態において、スイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗは正六角形である必要はなく、市販の汎用素子を中心軸線ＣＬの周りに三相回転対称に配置してもよい。また、スイッチング素子２１Ｕ〜２２Ｗの発熱が少なく温度上昇が小さい回路構成では、下側ヒートシンク４１および上側ヒートシンク４５を省略した３層構造としてもよい。さらに、第４および第５実施形態で、回転対称形状を逸脱しない範囲で、各構成要素の配置を変更してもよい。例えば、第５実施形態で、入力コンデンサ７Ｄおよび中空筒型リアクトル装置９を軸長方向に長くかつ径方向に薄く形成して、中空筒型リアクトル装置９の外周側に入力コンデンサ７Ｄを配置してもよい。本発明は、その他にも様々な応用や変形などが可能である。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｄ：インバータ装置
２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相正側スイッチング素子
２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相負側スイッチング素子
２３Ｕ、２３Ｖ、２３Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相正側整流素子
２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相負側整流素子
２７１〜２７６、２８１〜２８６：ノイズ低減用コンデンサ
３１：内側バスバー
３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相正側電極板
３２：外側バスバー
３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相負側電極板
４１：下側ヒートシンク ４４：熱伝導性絶縁物
４５：上側ヒートシンク ４８：熱伝導性絶縁物
５：ゲート回路基板
５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相正側ゲート制御回路
５２Ｕ、５２Ｖ、５２Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相負側ゲート制御回路
６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相出力バスバー（出力端子）
６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相出力側電極板
６４、６５：出力バスバー
７：中空筒型コンデンサ ７Ｄ：入力コンデンサ ７Ｅ：昇圧用コンデンサ
８：三相同期モータ ８８：電機子巻線
９：中空筒型リアクトル装置 ９６：昇圧駆動回路
１０、１１：インバータ一体形モータ装置
ＣＬ：中心軸線 Ｂａｔ：バッテリ

Claims (10)

1. 直流電源の正側端子に接続される三相の正側スイッチング素子と、前記直流電源の負側端子に接続される三相の負側スイッチング素子と、各相の前記正側スイッチング素子と前記負側スイッチング素子とを接続した途中にそれぞれ設けられた三相の出力端子と、前記三相の正側スイッチング素子および前記三相の負側スイッチング素子の導通状態を個別に制御する制御回路と、を備えたインバータ装置であって、
   前記三相の正側スイッチング素子は、中心軸線の周りに回転対称に配設され、
   前記三相の負側スイッチング素子は、前記三相の正側スイッチング素子の前記中心軸線の軸長方向に離間して配置され、かつ前記中心軸線の周りに回転対称に配設されているインバータ装置。
2. 前記中心軸線の周りに同軸内外に配置されてそれぞれの一端部が前記直流電源の前記正側端子および前記負側端子に接続される内側バスバーおよび外側バスバーをさらに備え、
   前記内側バスバーおよび前記外側バスバーは、径方向外向きに延伸して展開された三相の電極板を他端部に有し、かつ、前記内側バスバーの電極板と前記外側バスバーの電極板とが周方向に交互に配置されており、
   前記内側バスバーおよび前記外側バスバーのうち前記正側端子に接続される一方の電極板は前記正側スイッチング素子に接続され、前記内側バスバーおよび前記外側バスバーのうち前記負側端子に接続される他方の電極板は前記負側スイッチング素子に接続されている請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記一方の電極板と前記他方の電極板との間、ならびに、前記一方の電極板または前記他方の電極板とフレームグラウンドとの間の少なくとも１箇所にノイズ低減用コンデンサが接続されている請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記一方および前記他方の電極板に熱伝導性絶縁物を介して配設されたヒートシンクをさらに備えた請求項２または３に記載のインバータ装置。
5. 前記一方の電極板と前記正側スイッチング素子との接続、ならびに前記他方の電極板と前記負側スイッチング素子との接続は、他の部材を用いない直結接続、あるいは前記中心軸線の軸長方向に延在する直線電極を用いた接続とされている請求項２〜４のいずれか一項に記載のインバータ装置。
6. 前記制御回路のうち少なくとも前記三相の正側スイッチング素子および前記三相の負側スイッチング素子の導通状態を個別に制御するゲート制御信号の生成回路は、前記三相の正側スイッチング素子と前記三相の負側スイッチング素子との間に配置されている請求項１〜５のいずれか一項に記載のインバータ装置。
7. 前記中心軸線の軸長方向の両側にそれぞれ熱伝導性絶縁物を介して配設され、電磁シールド材料を用いて形成されるとともに径方向外縁が前記軸長方向に延びて前記正側スイッチング素子および前記負側スイッチング素子を覆うヒートシンクをさらに備えた請求項１〜６のいずれか一項に記載のインバータ装置。
8. 前記正側スイッチング素子および前記負側スイッチング素子に並列に整流素子をさらに備え、
   前記正側スイッチング素子および前記負側スイッチング素子と前記直流電源との間に並列にコンデンサをさらに備え、
   前記コンデンサは、内周筒部および該内周筒部の一方の端部から外周側に延在する一側面部を有する一方極接続部と、前記内周筒部と前記中心軸線上に同軸に配置された外周筒部および該外周筒部の他方の端部から内周側に延在する他側面部を有する他方極接続部と、前記一方極接続部に接続される一方電極板、該一方電極板と対向し前記他方極接続部に接続される他方電極板、および前記一方電極板と前記他方電極板との間に介在される誘電体を有する静電容量部とを備え、前記内周筒部、前記一側面部、前記外周筒部、および前記他側面部の間に形成される環状空間内に前記静電容量部が高密度に収容されている中空筒型コンデンサである請求項１〜７のいずれか一項に記載のインバータ装置。
9. ハウジングに前記中心軸線回りに回転可能に軸承されたロータ、および三相の電機子巻線が前記ロータの回りに配置されて前記ハウジングに固定されたステータを備えた三相同期モータと、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載のインバータ装置と、が前記中心軸線上に配置され一体化されたインバータ一体形モータ装置。
10. 前記正側スイッチング素子および前記負側スイッチング素子と前記直流電源との間に昇圧用コンデンサおよび昇圧用リアクトルをさらに備え、
    前記昇圧用コンデンサは、内周筒部および該内周筒部の一方の端部から外周側に延在する一側面部を有する一方極接続部と、前記内周筒部と前記中心軸線上に同軸に配置された外周筒部および該外周筒部の他方の端部から内周側に延在する他側面部を有する他方極接続部と、前記一方極接続部に接続される一方電極板、該一方電極板と対向し前記他方極接続部に接続される他方電極板、および前記一方電極板と前記他方電極板との間に介在される誘電体を有する静電容量部とを備え、前記内周筒部、前記一側面部、前記外周筒部、および前記他側面部の間に形成される環状空間内に前記静電容量部が高密度に収容されている中空筒型コンデンサであり、
    前記昇圧用リアクトルは、絶縁被覆された導体を巻回したコイルを前記中心軸線の周りに有するインダクタンス素子を往路に備え、リターン導体を復路に備えたリアクトル装置であって、前記インダクタンス素子は、前記中心軸線が中空の筒状または環状であり、前記リターン導体は、前記中心軸線を共通とする筒状であって前記インダクタンス素子の同軸外周側に配置されている中空筒型リアクトル装置である請求項９に記載のインバータ一体形モータ装置。

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