JP6232315B2

JP6232315B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6232315B2
Application number: JP2014040534A
Authority: JP
Inventors: 信治大岡; 脩央原田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2034-03-03
Also published as: JP2015167428A

Description

本発明は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器とを備える電力変換装置に関する。

例えば、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、ＩＧＢＴ素子等のスイッチング素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続した一対の直流バスバー（正極バスバーおよび負極バスバー）と、該一対の直流バスバー間の電圧を平滑化等する入力コンデンサとを備えるものが知られている（下記特許文献１参照）。この電力変換装置では、上記一対の直流バスバーを介して、直流電源の直流電力を上記半導体モジュールに供給している。そして、上記スイッチング素子をオンオフ動作させることにより、上記直流電力を交流電力に変換し、得られた交流電力を用いて、交流負荷を駆動するよう構成されている。

スイッチング素子をオンオフ動作させると、ノイズ電流が発生する。このノイズ電流は、充分に除去しないと、直流バスバーを通って、上記直流電源等の外部機器へ伝わってしまうことがある。そのため、ノイズ電流を充分に除去する工夫が検討されている。

例えば、電力変換装置内にバイパスコンデンサを設け、このバイパスコンデンサを介して、直流バスバーとグランドとを接続する。このようにすると、スイッチング素子から発生したノイズ電流が直流バスバーを流れ、バイパスコンデンサを通ってグランドに流れる。そのため、ノイズ電流が外部機器へ伝わる不具合を抑制することが可能となる。

特開２００９−２４００３７号公報

しかしながら、上記バイパスコンデンサを設けても、除去できるノイズ電流の周波数帯域が狭いという問題がある。すなわち、ノイズ電流の発生源となるスイッチング素子と、バイパスコンデンサとを繋ぐ直流バスバー等には、比較的大きなインダクタンスＬが寄生している。バイパスコンデンサの静電容量をＣとし、ノイズ電流の周波数をｆとした場合、スイッチング素子からグランドまでのインピーダンスＺは、下記式によって表される。
Ｚ＝２πｆＬ＋１／（２πｆＣ）

この式から分かるように、インダクタンスＬが大きいときは、ノイズ電流の周波数ｆが低い場合であれば、２πｆＬの項を小さくすることができる。また、周波数ｆが低くても、バイパスコンデンサの静電容量Ｃを充分に大きくしておけば、１／（２πｆＣ）の項も小さくすることができる。そのため、周波数ｆが低いノイズ電流に対しては、全体のインピーダンスＺを小さくすることができ、このノイズ電流を、バイパスコンデンサを介してグランドへ流すことができる。

しかし、ノイズ電流の周波数ｆが高くなると、２πｆＬの項が大きくなるため、全体のインピーダンスＺが大きくなる。そのため、周波数ｆが高いノイズ電流はグランドへ流れにくくなる。したがって、周波数ｆが低いノイズ電流だけでなく、高いノイズ電流も除去できる電力変換装置、すなわち、より広い周波数帯域のノイズ電流を除去できる電力変換装置が望まれている。

また、電力変換装置は、上記半導体モジュール、直流バスバー、入力コンデンサ、バイパスコンデンサ等の、多くの部品によって構成されている。そのため、部品点数が多く、電力変換装置の製造コストが高いという問題がある。したがって、部品点数を低減でき、製造コストを低減できる電力変換装置が望まれている。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、広い周波数帯域のノイズ電流を除去でき、かつ部品点数を低減できる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の第１の態様は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールと、
該半導体モジュールを冷却する冷却器と、
上記半導体モジュールに電気接続し、直流電源と上記スイッチング素子との間の電流経路になる正極バスバー及び負極バスバーと、
上記正極バスバーと上記負極バスバーとの間に電気接続された、少なくとも１個の入力コンデンサとを備え、
上記冷却器は金属製であり、グランドに電気接続されており、
上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子に電気接続した金属製の放熱板を有し、該放熱板と上記冷却器との間に、これらを絶縁する絶縁層が介在し、上記放熱板と上記絶縁層と上記冷却器とによって、上記スイッチング素子に近接した近接バイパスコンデンサが形成されており、
該近接バイパスコンデンサよりも静電容量が大きく、上記正極バスバーと上記負極バスバーとの少なくとも一方とグランドとを電気接続し、上記スイッチング素子までの電流経路の長さが上記近接バイパスコンデンサよりも長い遠方バイパスコンデンサを設けてあり、
上記入力コンデンサと上記遠方バイパスコンデンサとを一体化してコンデンサモジュールを構成してあり、
上記直流電源の電圧を昇圧する昇圧回路と、該昇圧回路によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路とを備え、上記正極バスバーには、上記直流電源の正電極と上記昇圧回路に含まれるリアクトルとを繋ぐ昇圧用正極バスバーと、上記インバータ回路を構成する複数の上記半導体モジュールを互いに電気接続するインバータ用正極バスバーとがあり、
上記入力コンデンサには、上記昇圧用正極バスバーと上記負極バスバーとを電気接続する昇圧用入力コンデンサと、上記インバータ用正極バスバーと上記負極バスバーとを電気接続するインバータ用入力コンデンサとがあり、上記昇圧用入力コンデンサは上記インバータ用入力コンデンサよりも単位時間当たりの発熱量が少なく、上記昇圧用入力コンデンサと上記遠方バイパスコンデンサとを一体化して上記コンデンサモジュールを形成し、上記インバータ用入力コンデンサと上記コンデンサモジュールとを別部材にしてあることを特徴とする電力変換装置にある。
また、本発明の第２の態様は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールと、
該半導体モジュールを冷却する冷却器と、
上記半導体モジュールに電気接続し、直流電源と上記スイッチング素子との間の電流経路になる正極バスバー及び負極バスバーと、
上記正極バスバーと上記負極バスバーとの間に電気接続された、少なくとも１個の入力コンデンサとを備え、
上記冷却器は金属製であり、グランドに電気接続されており、
上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子に電気接続した金属製の放熱板を有し、該放熱板と上記冷却器との間に、これらを絶縁する絶縁層が介在し、上記放熱板と上記絶縁層と上記冷却器とによって、上記スイッチング素子に近接した近接バイパスコンデンサが形成されており、
該近接バイパスコンデンサよりも静電容量が大きく、上記正極バスバーと上記負極バスバーとの少なくとも一方とグランドとを電気接続し、上記スイッチング素子までの電流経路の長さが上記近接バイパスコンデンサよりも長い遠方バイパスコンデンサを設けてあり、
上記入力コンデンサと上記遠方バイパスコンデンサとを一体化してコンデンサモジュールを構成してあり、
上記直流電源の電圧を昇圧する昇圧回路と、該昇圧回路によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路とを備え、上記正極バスバーには、上記直流電源の正電極と上記昇圧回路に含まれるリアクトルとを繋ぐ昇圧用正極バスバーと、上記インバータ回路を構成する複数の上記半導体モジュールを互いに電気接続するインバータ用正極バスバーとがあり、
上記入力コンデンサには、上記昇圧用正極バスバーと上記負極バスバーとを電気接続する昇圧用入力コンデンサと、上記インバータ用正極バスバーと上記負極バスバーとを電気接続するインバータ用入力コンデンサとがあり、上記昇圧用入力コンデンサと上記インバータ用入力コンデンサと上記遠方バイパスコンデンサとを一体化して上記コンデンサモジュールを形成してあり、
上記昇圧用入力コンデンサは上記インバータ用入力コンデンサよりも単位時間当たりの発熱量が少なく、
上記昇圧用入力コンデンサと上記インバータ用入力コンデンサと上記遠方バイパスコンデンサとは、上記コンデンサモジュール内において、互いに離間した状態で配されていることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置においては、上記近接バイパスコンデンサと上記遠方バイパスコンデンサとの、２種類のバイパスコンデンサを設けてある。
このようにすると、除去できるノイズ電流の周波数帯域を広げることが可能になる。すなわち、近接バイパスコンデンサは、半導体モジュール内の放熱板と、上記冷却器と、これらの間に介在する絶縁層とによって形成されている。そのため、近接バイパスコンデンサは、ノイズ電流の発生源であるスイッチング素子の直近に存在している。したがって、スイッチング素子から近接バイパスコンデンサまでの間に寄生するインダクタンスＬは、無視できるほど小さい。ここで、近接バイパスコンデンサの静電容量をＣ_１とすると、スイッチング素子からグランドまでの間のインピーダンスＺ_１は、以下の式によって近似的に表すことができる。
Ｚ_１＝１／（２πｆＣ_１）
インダクタンスＬは無視できるほど小さいため、ノイズ電流の周波数ｆが高くても、インダクタンスＬによる項（２πｆＬ）は大きくならず、インピーダンスＺ_１は小さな値となる。そのため、近接バイパスコンデンサを介して、周波数ｆの高いノイズ電流を、グランドに流すことができる。

一方、遠方バイパスコンデンサは、スイッチング素子までの電流経路の長さが近接バイパスコンデンサよりも長いため、この電流経路に、比較的大きなインダクタンスＬが寄生している。したがって、遠方バイパスコンデンサの静電容量をＣ_２とした場合、スイッチング素子からグランドまでの間のインピーダンスＺ_２は、以下の式によって表される。
Ｚ_２＝２πｆＬ＋１／（２πｆＣ_２）
遠方バイパスコンデンサは、近接バイパスコンデンサと異なり、専用の電子部品を用いて形成できるため、その静電容量Ｃ_２を大きくすることができる。そのため、ノイズ電流の周波数ｆが低くても、１／（２πｆＣ_２）の項を小さくすることができる。また、周波数ｆが低いノイズ電流に対しては、２πｆＬの項も小さくなるため、全体のインピーダンスＺ_２を小さくすることができる。そのため、遠方バイパスコンデンサを介して、周波数ｆが低いノイズ電流を、グランドに流すことができる。

以上説明したように、周波数ｆが高いノイズ電流は近接バイパスコンデンサによって除去でき、周波数ｆが低いノイズ電流は遠方バイパスコンデンサによって除去することができる。そのため、広い周波数帯域のノイズ電流を除去することが可能となる。

また、上記電力変換装置では、遠方バイパスコンデンサと上記入力コンデンサとを一体化してコンデンサモジュールを構成してある。そのため、遠方バイパスコンデンサと入力コンデンサとを別部材にした場合と比べて、電力変換装置を構成する部品の数を少なくすることができる。したがって、電力変換装置の製造コストを低減することが可能になる。

以上のごとく、本発明によれば、広い周波数帯域のノイズ電流を除去でき、かつ部品点数を低減できる電力変換装置を提供することができる。

参考例１における、電力変換装置の回路図。参考例１における、電力変換装置の断面図であって、図３のII-II断面図。図２のIII-III断面図。図２のIV-IV断面図。図２のV-V断面図。参考例１における、コンデンサモジュール内部の分解斜視図。参考例１における、コンデンサモジュールの斜視図。図３のVIII-VIII断面図。参考例１における、半導体モジュールの斜視図。参考例１における、遠方バイパスコンデンサを昇圧用正極バスバーに接続した電力変換装置の回路図。実施例１における、電力変換装置の回路図。実施例１における、コンデンサモジュール内部の分解斜視図。実施例２における、電力変換装置の回路図。実施例３における、電力変換装置の回路図。実施例４における、電力変換装置の回路図。

上記電力変換装置は、例えば電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載される、車両用電力変換装置とすることができる。

（参考例１）
上記電力変換装置に係る参考例について、図１〜図１０を用いて説明する。図１、図２に示すごとく、本例の電力変換装置１は、半導体モジュール２と、冷却器３と、正極バスバー７ｐ及び負極バスバー７ｎと、入力コンデンサ４とを備える。半導体モジュール２は、スイッチング素子２１を内蔵している。冷却器３は、半導体モジュール２を冷却するために設けられている。正極バスバー７ｐ及び負極バスバー７ｎは、半導体モジュール２のパワー端子２３に電気接続している。正極バスバー７ｐと負極バスバー７ｎとは、直流電源１０とスイッチング素子２１との間の電流経路をなしている。入力コンデンサ４は、正極バスバー７ｐと負極バスバー７ｎとの間に電気接続されている。

冷却器３は金属製であり、グランドに電気接続されている。図４に示すごとく、半導体モジュール２は、スイッチング素子２１に電気接続した金属製の放熱板２４（図９参照）を有する。放熱板２４と冷却器３との間に、これらを絶縁する絶縁層１１が介在している。放熱板２４と絶縁層１１と冷却器３とによって、スイッチング素子２１に近接した近接バイパスコンデンサ５が形成されている。

また、図１、図４に示すごとく、本例の電力変換装置１は、スイッチング素子２１までの電流経路の長さが近接バイパスコンデンサ５よりも長い遠方バイパスコンデンサ６を備える。遠方バイパスコンデンサ６は、近接バイパスコンデンサ５よりも静電容量が大きい。図１に示すごとく、遠方バイパスコンデンサ６は、負極バスバー７ｎとグランドとを電気接続している。
図４〜図６に示すごとく、本例では、入力コンデンサ４と遠方バイパスコンデンサ６とを一体化してコンデンサモジュール８を構成してある。

本例の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載される、車載用電力変換装置である。

図１に示すごとく、本例では、複数の半導体モジュール２によって、インバータ回路１４を構成してある。インバータ回路１４を構成するスッチング素子２１をオンオフ動作させることにより、直流電源１０の直流電力を交流電力に変換し、得られた交流電力を使って、交流負荷１５（三相交流モータ）を駆動している。

入力コンデンサ４は、２枚の直流バスバー７（正極バスバー７ｐ、負極バスバー７ｎ）間の直流電圧を平滑化している。入力コンデンサ４の一方の電極４９ｐは正極バスバー７ｐに電気接続し、他方の電極４９ｎは負極バスバー７ｎに電気接続している。また、遠方バイパスコンデンサ６の一方の電極４８ｇはグランドに電気接続し、他方の電極４８ｎは負極バスバー７ｎに電気接続している。

スイッチング素子２１がオンオフ動作すると、ノイズ電流が発生する。周波数ｆが高いノイズ電流ｉ_１は、近接バイパスコンデンサ５を介してグランドに流れ、周波数ｆが低いノイズ電流ｉ_２は、遠方バイパスコンデンサ６を介してグランドに流れる。

スッチング素子２１には、上アームを構成する上アームスイッチング素子２１ｐと、下アームを構成する下アームスイッチング素子２１ｎとがある。上アームスイッチング素子２１ｐから発生した低周波数のノイズ電流ｉ_２は、正極バスバー７ｐ、入力コンデンサ４を通り、さらに遠方バイパスコンデンサ６を通って、グランドに流れる。また、下アームスイッチング素子２１ｎから発生した低周波数のノイズ電流ｉ_２は、負極バスバー７ｎ、遠方バイパスコンデンサ６を通って、グランドに流れる。

図２、図３に示すごとく、コンデンサモジュール８は、コンデンサケース８０と、該コンデンサケース８０に収容された複数のコンデンサ素子８１と、該コンデンサ素子８１を封止する封止部材８６と、コンデンサ素子８１の電極４９ｐ，４９ｎに接続した電極板８４，８５とを備える。コンデンサ素子８１は、フィルムコンデンサである。コンデンサケース８０は固定部８０１を備える。この固定部８０１にボルトを挿入することにより、コンデンサケース８０を、電力変換装置１のケース１２に固定してある。

図６に示すごとく、入力コンデンサ４を構成するコンデンサ素子８１の一方の電極４９ｐには、正電極板８４が接続している。また、遠方バイパスコンデンサ６を構成するコンデンサ素子８１の一方の電極４８ｇには、グランド電極板８７が接続している。全てのコンデンサ素子８１の他方の電極４９ｎ，４８ｎには、負電極板８５が接続している。

図６、図７に示すごとく、電極板８４，８５，８７の一部は封止部材８６から突出して、正端子８４０、負端子８５０、グランド接続端子８７０となっている。図２に示すごとく、正端子８４０は正極バスバー７ｐに接続し、負端子８５０は負極バスバー７ｎに接続している。また、図５に示すごとく、グランド接続端子８７０は、ケース１２のケース突部１２２に締結されている。ケース１２は金属製であり、グランドに接続している。

図２に示すごとく、半導体モジュール２は、スイッチング素子２１（図４参照）を封止した本体部２０と、該本体部２０から突出した制御端子２２およびパワー端子２３を備える。制御端子２２には制御回路基板１６が接続している。この制御回路基板１６によって、スイッチング素子２１のスイッチング動作を制御している。また、パワー端子２３には、正極バスバー７ｐに接続した正極パワー端子２３ｐと、負極バスバー７ｎに接続した負極パワー端子２３ｎと、交流負荷１５（図１参照）に電気接続される交流端子２３ｃとがある。

図３に示すごとく、本例では、複数の半導体モジュール２と冷却器３とを積層して積層体１７を形成してある。半導体モジュール２と冷却器３との間には、セラミックからなる絶縁層１１が介在している。

図４に示すごとく、半導体モジュール２は、スイッチング素子２１（ＩＧＢＴ素子）と、このスイッチング素子２１に逆並列接続したフリーホイールダイオード２５とを内蔵している。これらスイッチング素子２１とフリーホイールダイオード２５とは、２枚の放熱板２４に挟まれている。スイッチング素子２１とフリーホイールダイオード２５とは、放熱板２４に電気的に接続している。放熱板２４は、本体部２０（図９参照）の表面から露出している。
上述したように、本例では、放熱板２４と絶縁層１１と冷却器３とによって、スイッチング素子２１に近接した近接バイパスコンデンサ５を構成してある。

図３に示すごとく、積層体１７の積層方向（Ｘ方向）に隣り合う２つの冷却器３は、Ｙ方向（冷却器３の長手方向）における両端にて、連結管３０によって連結されている。また、複数の冷却器３のうち、Ｘ方向における一方の端部に位置する端部冷却器３ａには、冷媒１９を導入する導入管３１と、冷媒１９を導出する導出管３２とが接続している。導入管３１から冷媒１９を導入すると、冷媒１９が連結管３０を通って全ての冷却器３内を流れ、導出管３２から導出する。これにより、個々の半導体モジュール２を冷却している。

端部冷却器３ａは、ケース１２の壁部１２１に接触している。そのため、端部冷却器３ａとケース１２とは電気的に接続している。また、複数の冷却器３は、連結管３０によって互いに電気接続されている。これにより、個々の冷却器３をケース１２に電気接続し、このケース１２を介して冷却器３をグランドに接続するよう構成してある。

また、積層体１７に対してＸ方向に隣り合う位置に、加圧部材１８が設けられている。この加圧部材１８を用いて、積層体１７を壁部１２１へ向けて加圧している。これにより、積層体１７をケース１２内に固定すると共に、半導体モジュール２と冷却器３との接触圧を確保している。

図５に示すごとく、正極バスバー７ｐは、板状のバスバー本体部７０と、該本体部７０に形成された複数の切欠部７９と、該切欠部７９とはＹ方向における反対側に形成されたコンデンサ接続部７８とを備える。切欠部７９内に、半導体モジュール２の正極パワー端子２３ｐを挿入し、溶接してある。コンデンサ接続部７８は、コンデンサモジュール８の正端子８４０に締結されている。また、負極バスバー７ｎ（図２参照）も、同様の構造になっている。

ケース１２の壁部１２１には、ケース突部１２２が突出形成されている。このケース突部１２２に、遠方バイパスコンデンサ６のグランド接続端子８７０を締結してある。これにより、遠方バイパスコンデンサ６を、ケース１２を介してグランドに電気接続すると共に、コンデンサモジュール８をケース１２に固定してある。

本例の作用効果について説明する。図１に示すごとく、本例の電力変換装置１は、近接バイパスコンデンサ５と遠方バイパスコンデンサ６との、２種類のバイパスコンデンサを備える。
このようにすると、除去できるノイズ電流の周波数帯域を広げることが可能になる。すなわち、図４に示すごとく、近接バイパスコンデンサ５は、半導体モジュール２内の放熱板２４と、冷却器３と、これらの間に介在する絶縁層１１とによって形成されている。そのため、近接バイパスコンデンサ５は、ノイズ電流の発生源であるスイッチング素子２１の直近に存在している。したがって、スイッチング素子２１から近接バイパスコンデンサ５までの間に寄生するインダクタンスは、無視できるほど小さい。ここで、近接バイパスコンデンサ５の静電容量（図１参照）をＣ_１とすると、スイッチング素子２１からグランドまでの間のインピーダンスＺ_１は、以下の式によって近似的に表すことができる。
Ｚ_１＝１／（２πｆＣ_１）
インダクタンスは無視できるほど小さいため、ノイズ電流の周波数ｆが高くても、インダクタンスＬによる項（２πｆＬ）は大きくならず、インピーダンスＺ_１は小さな値となる。そのため、近接バイパスコンデンサ５を介して、周波数ｆの高いノイズ電流ｉ_１を、グランドに流すことができる。

一方、図１に示すごとく、遠方バイパスコンデンサ６は、スイッチング素子２１までの電流経路の長さが近接バイパスコンデンサ５よりも長いため、この電流経路に、比較的大きなインダクタンスＬが寄生している。したがって、遠方バイパスコンデンサ６の静電容量をＣ_２とした場合、スイッチング素子２１からグランドまでの間のインピーダンスＺ_２は、以下の式によって表される。
Ｚ_２＝２πｆＬ＋１／（２πｆＣ_２）
遠方バイパスコンデンサ６は、近接バイパスコンデンサ５と異なり、専用の電子部品を用いて形成できるため、その静電容量Ｃ_２を大きくすることができる。そのため、ノイズ電流の周波数ｆが低くても、１／（２πｆＣ_２）の項を小さくすることができる。また、周波数ｆが低いノイズ電流ｉ_２に対しては、２πｆＬの項も小さくなるため、全体のインピーダンスＺ_２を小さくすることができる。そのため、遠方バイパスコンデンサ６を介して、周波数ｆが低いノイズ電流ｉ_２を、グランドに流すことができる。

以上説明したように、周波数ｆが高いノイズ電流ｉ_１は近接バイパスコンデンサ５によって除去でき、周波数ｆが低いノイズ電流ｉ_２は遠方バイパスコンデンサ６によって除去することができる。そのため、広い周波数帯域のノイズ電流を除去することが可能となる。

また、図３、図６に示すごとく、本例では、遠方バイパスコンデンサ６と入力コンデンサ４とを一体化してコンデンサモジュール８を構成してある。そのため、遠方バイパスコンデンサ６と入力コンデンサ４とを別部材にした場合と比べて、電力変換装置１を構成する部品の数を少なくすることができる。したがって、電力変換装置１の製造コストを低減することが可能になる。

また、図１に示すごとく、本例では、２つの直流バスバー７（７ｐ，７ｎ）のうち、一方の直流バスバー７（負極バスバー７ｎ）にのみ遠方バイパスコンデンサ６を接続してある。そのため、２つの直流バスバー７ｐ，７ｎにそれぞれ遠方バイパスコンデンサ６を接続した場合と比べて、遠方バイパスコンデンサ６の数を少なくすることができる。したがって、部品点数をより低減でき、電力変換装置１の製造コストを低減することが可能になる。

また、図５に示すごとく、本例では、遠方バイパスコンデンサ６のグランド接続端子８７０を、ケース１２のケース突部１２２に締結してある。そのため、遠方バイパスコンデンサ６をグランドに電気接続できると共に、コンデンサモジュール８をケース１２に固定することができる。

なお、本例では、図１に示すごとく、遠方バイパスコンデンサ６を負極バスバー７ｎに接続したが、本発明はこれに限るものではない。例えば図１０に示すごとく、遠方バイパスコンデンサ６を正極バスバー７ｐに接続してもよい。また、図示しないが、正極バスバー７ｐと負極バスバー７ｎとにそれぞれ遠方バイパスコンデンサ６を接続してもよい。

（実施例１）
以下の実施例においては、図面に用いた符号のうち、参考例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、参考例１と同様の構成要素等を表す。

本例は、電力変換装置１の回路構成を変更した例である。図１１に示すごとく、本例の電力変換装置１は、昇圧回路１３と、インバータ回路１４とを備える。昇圧回路１３は、直流電源１０の直流電圧を昇圧する回路である。インバータ回路１４は、昇圧回路１３によって昇圧した直流電圧を交流電圧に変換する回路である。

昇圧回路１３は、リアクトル１３０と、２個のスイッチング素子２１と、各スイッチング素子２１に逆並列接続したフリーホイールダイオード２５とによって構成されている。本例の電力変換装置１は、正極バスバー７ｐとして、昇圧用正極バスバー７１ｐと、インバータ用正極バスバー７２ｐとを備える。昇圧用正極バスバー７１ｐは、直流電源１０の正電極１０１とリアクトル１３０との間の電流経路となるバスバーである。また、インバータ用正極バスバー７２ｐは、インバータ回路１４を構成する複数の半導体モジュール２を互いに接続するバスバーである。負極バスバー７ｎは、全ての半導体モジュール２に接続している。

また、本例の電力変換装置１は、昇圧用入力コンデンサ４ａと、インバータ用入力コンデンサ４ｂとの、２個の入力コンデンサ４を備える。昇圧用入力コンデンサ４ａは、昇圧用正極バスバー７１ｐと負極バスバー７ｎとを接続する入力コンデンサ４である。昇圧用入力コンデンサ４ａは、直流電源１０から供給される直流電流に混入したノイズ電流を除去するために設けられている。インバータ用入力コンデンサ４ｂは、インバータ用正極バスバー７２ｐと負極バスバー７ｎとを接続する入力コンデンサ４である。インバータ用入力コンデンサ４ｂは、昇圧した電圧を平滑化するために設けられている。本例では、これら昇圧用入力コンデンサ４ａと、インバータ用入力コンデンサ４ｂと、遠方バイパスコンデンサ６とを一部品化して、１つのコンデンサモジュール８を構成している。

コンデンサモジュール８の内部の構造について説明する。図１２に示すごとく、コンデンサモジュール８は複数のコンデンサ素子８１を備える。これら複数のコンデンサ素子８１は、参考例１と同様に、コンデンサケース８０（図示しない）に収容され、封止部材８６によって封止されている。この複数のコンデンサ素子８１を用いて、遠方バイパスコンデンサ６と、昇圧用入力コンデンサ４ａと、インバータ用入力コンデンサ４ｂとを形成してある。

遠方バイパスコンデンサ６の一方の電極４８ｇにはグランド電極板８７が接続しており、昇圧用入力コンデンサ４ａの一方の電極４７ｐには昇圧用正電極板８８が接続している。また、インバータ用入力コンデンサ４ｂの一方の電極４９ｐには、インバータ用正電極板８４が接続している。全てのコンデンサ素子８１の他方の電極には、負電極板８５が接続している。電極板８４，８５，８７，８８の一部はＹ方向に突出しており、インバータ用正端子８４０、負端子８５０、昇圧用正端子８８０、グランド接続端子８７０となっている。

インバータ用正端子８４０は、インバータ用正バスバー７２ｐ（図１１参照）に接続し、負端子８５０は、負極バスバー７ｎに接続する。また、昇圧用正端子８８０は、昇圧用正極バスバー７１ｐに接続し、グランド接続端子８７０はケース１２（グランド）に接続する。

本例の作用効果について説明する。図１１に示すごとく、本例では、昇圧用入力コンデンサ４ａと、インバータ用入力コンデンサ４ｂと、遠方バイパスコンデンサ６とを一部品化して、１つのコンデンサモジュール８を構成している。これらのコンデンサ４ａ，４ｂ，６を別部品にすると、合計でコンデンサの数が３個になってしまうが、本例では１個にすることができる。そのため、部品点数を低減でき、電力変換装置１の製造コストを低減できる。

また、図１１に示すごとく、本例では、遠方バイパスコンデンサ６を、負極バスバー７ｎに接続している。そのため、スイッチング素子２１から発生した、周波数ｆが低いノイズ電流ｉ_２を、効率的にグランドへ流すことができる。すなわち、図１５に示すごとく、遠方バイパスコンデンサ６を、昇圧用正極バスバー７ｐに接続することも可能であるが、この場合、リアクトル１３０が大きなインダクタンスを有するため、ノイズ電流ｉ_２はリアクトル１３０を流れにくくなる。そのため、ノイズ電流ｉ_２は、リアクトル１３０を迂回する経路、すなわち昇圧用入力コンデンサ４ａを通る経路を流れることになる。したがって、ノイズ電流ｉ_２が流れる電流経路がより長くなり、より大きなインダクタンスＬが寄生しやすくなる。そのため、ノイズ電流ｉ_２がグランドへ流れにくくなる場合が考えられる。しかしながら、本例のように、遠方バイパスコンデンサ６を負極バスバー７ｎに接続すれば、ノイズ電流ｉ_２は昇圧用入力コンデンサ４ａを流れる必要がないため、電流経路をより短くすることができる。そのため、寄生するインダクタンスＬの量を低減でき、ノイズ電流ｉ_２がグランドへ流れやすくなる。
その他、参考例１と同様の構成および作用効果を有する。

（実施例２）
本例は、遠方バイパスコンデンサ６の接続位置を変更した例である。図１３に示すごとく、本例では、遠方バイパスコンデンサ６を、インバータ用正極バスバー７２ｐに接続してある。そして、遠方バイパスコンデンサ６と、インバータ用入力コンデンサ４ｂと、昇圧用入力コンデンサ４ａとを一部品化して、一つのコンデンサモジュール８を構成してある。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、２個の入力コンデンサ４ａ，４ｂを別部材にした例である。図１４に示すごとく、本例では、昇圧用入力コンデンサ４ａとインバータ用入力コンデンサ４ｂとを別部材にしてある。そして、昇圧用入力コンデンサ４ａと遠方バイパスコンデンサ６とを一体化して、コンデンサモジュール８を構成してある。

本例では、昇圧用入力コンデンサ４ａの方が、インバータ用入力コンデンサ４ｂよりも、単位時間当たりの発熱量が少ない。すなわち、インバータ回路１４を構成するスイッチング素子２１をオンオフ動作させると、インバータ用入力コンデンサ４ｂに大きなリップル電流Ｉ_Ｌが流れる。そのため、インバータ用入力コンデンサ４ｂの発熱量は大きい。これに対して、昇圧用入力コンデンサ４ａは、リップル電流の量が比較的少ない。そのため昇圧用入力コンデンサ４ａは、インバータ用入力コンデンサ４ｂよりも、単位時間当たりの発熱量が少ない。

本例では、昇圧用入力コンデンサ４ａと遠方バイパスコンデンサ６とを一体化し、インバータ用入力コンデンサ４ｂは別部材としてある。そのため、インバータ用入力コンデンサ４ｂから熱が発生しても、遠方バイパスコンデンサ６や昇圧用入力コンデンサ４ａの温度は上昇しにくい。したがって、遠方バイパスコンデンサ６や昇圧用入力コンデンサ４ａの寿命を長くすることができる。
その他、実施例１と同様の構成及び作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、遠方バイパスコンデンサ６の接続位置を変更した例である。図１５に示すごとく、本例では、遠方バイパスコンデンサ６を昇圧用正極バスバー７１ｐに接続してある。そして、遠方バイパスコンデンサ６と、昇圧用入力コンデンサ４ａと、インバータ用入力コンデンサ４ｂとを一体化して、一つのコンデンサモジュール８を形成してある。
その他、実施例１と同様の構成及び作用効果を有する。

１電力変換装置
１０直流電源
１１絶縁層
２半導体モジュール
２１スイッチング素子
２４放熱板
３冷却器
４入力コンデンサ
５近接バイパスコンデンサ
６遠方バイパスコンデンサ
７直流バスバー
７ａ正極バスバー
７ｂ負極バスバー
８コンデンサモジュール

Claims

スイッチング素子（２１）を内蔵した半導体モジュール（２）と、
該半導体モジュール（２）を冷却する冷却器（３）と、
上記半導体モジュール（２）に電気接続し、直流電源（１０）と上記スイッチング素子（２１）との間の電流経路になる正極バスバー（７ｐ）及び負極バスバー（７ｎ）と、
上記正極バスバー（７ｐ）と上記負極バスバー（７ｎ）との間に電気接続された、少なくとも１個の入力コンデンサ（４）とを備え、
上記冷却器（３）は金属製であり、グランドに電気接続されており、
上記半導体モジュール（２）は、上記スイッチング素子（２１）に電気接続した金属製の放熱板（２４）を有し、該放熱板（２４）と上記冷却器（３）との間に、これらを絶縁する絶縁層（１１）が介在し、上記放熱板（２４）と上記絶縁層（１１）と上記冷却器（３）とによって、上記スイッチング素子（２１）に近接した近接バイパスコンデンサ（５）が形成されており、
該近接バイパスコンデンサ（５）よりも静電容量が大きく、上記正極バスバー（７ｐ）と上記負極バスバー（７ｎ）との少なくとも一方とグランドとを電気接続し、上記スイッチング素子（２１）までの電流経路の長さが上記近接バイパスコンデンサ（５）よりも長い遠方バイパスコンデンサ（６）を設けてあり、
上記入力コンデンサ（４）と上記遠方バイパスコンデンサ（６）とを一体化してコンデンサモジュール（８）を構成してあり、
上記直流電源（１０）の電圧を昇圧する昇圧回路（１３）と、該昇圧回路（１３）によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路（１４）とを備え、上記正極バスバー（７ｐ）には、上記直流電源（１０）の正電極（１１０）と上記昇圧回路（１３）に含まれるリアクトル（１３０）とを繋ぐ昇圧用正極バスバー（７１ｐ）と、上記インバータ回路（１４）を構成する複数の上記半導体モジュール（２）を互いに電気接続するインバータ用正極バスバー（７２ｐ）とがあり、
上記入力コンデンサ（４）には、上記昇圧用正極バスバー（７１ｐ）と上記負極バスバー（７ｎ）とを電気接続する昇圧用入力コンデンサ（４ａ）と、上記インバータ用正極バスバー（７２ｐ）と上記負極バスバー（７ｎ）とを電気接続するインバータ用入力コンデンサ（４ｂ）とがあり、上記昇圧用入力コンデンサ（４ａ）は上記インバータ用入力コンデンサ（４ｂ）よりも単位時間当たりの発熱量が少なく、上記昇圧用入力コンデンサ（４ａ）と上記遠方バイパスコンデンサ（６）とを一体化して上記コンデンサモジュール（８）を形成し、上記インバータ用入力コンデンサ（４ｂ）と上記コンデンサモジュール（８）とを別部材にしてあることを特徴とする電力変換装置（１）。
スイッチング素子（２１）を内蔵した半導体モジュール（２）と、
該半導体モジュール（２）を冷却する冷却器（３）と、
上記半導体モジュール（２）に電気接続し、直流電源（１０）と上記スイッチング素子（２１）との間の電流経路になる正極バスバー（７ｐ）及び負極バスバー（７ｎ）と、
上記正極バスバー（７ｐ）と上記負極バスバー（７ｎ）との間に電気接続された、少なくとも１個の入力コンデンサ（４）とを備え、
上記冷却器（３）は金属製であり、グランドに電気接続されており、
上記半導体モジュール（２）は、上記スイッチング素子（２１）に電気接続した金属製の放熱板（２４）を有し、該放熱板（２４）と上記冷却器（３）との間に、これらを絶縁する絶縁層（１１）が介在し、上記放熱板（２４）と上記絶縁層（１１）と上記冷却器（３）とによって、上記スイッチング素子（２１）に近接した近接バイパスコンデンサ（５）が形成されており、
該近接バイパスコンデンサ（５）よりも静電容量が大きく、上記正極バスバー（７ｐ）と上記負極バスバー（７ｎ）との少なくとも一方とグランドとを電気接続し、上記スイッチング素子（２１）までの電流経路の長さが上記近接バイパスコンデンサ（５）よりも長い遠方バイパスコンデンサ（６）を設けてあり、
上記入力コンデンサ（４）と上記遠方バイパスコンデンサ（６）とを一体化してコンデンサモジュール（８）を構成してあり、
上記直流電源（１０）の電圧を昇圧する昇圧回路（１３）と、該昇圧回路（１３）によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路（１４）とを備え、上記正極バスバー（７ｐ）には、上記直流電源（１０）の正電極（１１０）と上記昇圧回路（１３）に含まれるリアクトル（１３０）とを繋ぐ昇圧用正極バスバー（７１ｐ）と、上記インバータ回路（１４）を構成する複数の上記半導体モジュール（２）を互いに電気接続するインバータ用正極バスバー（７２ｐ）とがあり、
上記入力コンデンサ（４）には、上記昇圧用正極バスバー（７１ｐ）と上記負極バスバー（７ｎ）とを電気接続する昇圧用入力コンデンサ（４ａ）と、上記インバータ用正極バスバー（７２ｐ）と上記負極バスバー（７ｎ）とを電気接続するインバータ用入力コンデンサ（４ｂ）とがあり、上記昇圧用入力コンデンサ（４ａ）と上記インバータ用入力コンデンサ（４ｂ）と上記遠方バイパスコンデンサ（６）とを一体化して上記コンデンサモジュール（８）を形成してあり、
上記昇圧用入力コンデンサ（４ａ）は上記インバータ用入力コンデンサ（４ｂ）よりも単位時間当たりの発熱量が少なく、
上記昇圧用入力コンデンサ（４ａ）と上記インバータ用入力コンデンサ（４ｂ）と上記遠方バイパスコンデンサとは、上記コンデンサモジュール（８）内において、互いに離間した状態で配されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
グランドに電気接続された金属製のケース（１２）を備え、該ケース（１２）に上記半導体モジュール（２）と上記冷却器（３）と上記コンデンサモジュール（８）と上記正極バスバー（７ｐ）と上記負極バスバー（７ｎ）とを収容してあり、上記遠方バイパスコンデンサ（６）をグランドに電気接続するためのグランド接続端子（８７０）を上記ケース（１２）に締結することにより、上記遠方バイパスコンデンサ（６）をグランドに電気接続すると共に、上記コンデンサモジュール（８）を上記ケース（１２）に固定してあることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）。
上記遠方バイパスコンデンサ（６）は、上記負極バスバー（７ｎ）とグランドとを電気接続していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。