JP6341971B2 - トーテムポール回路のパワー素子接続構造 - Google Patents

Description

本発明は、３端子型ディスクリート部品のパワー素子を、上段と下段とに複数ずつ並列に備えるトーテムポール回路のパワー素子接続構造に関する。

この種のトーテムポール回路を備えるものとして、例えば、自動車に搭載されるインバータ装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１３−０７０５３０号公報（段落［００５７］参照）

ところで、上記したようなトーテムポール回路には、一般に大電流が流される。このため、電路回りに大きな磁界が発生すると共に大きな電圧降下により放射ノイズが発生し、リンギングノイズが発生する。また、大電流を流すために多数のパワー素子が使用され、それらをコンパクトに収めるために高密度に配置される場合が多く、そのため発熱が問題になることも多い。さらには、パワー素子をスイッチングするためのＰＷＭ制御の周波数や、ＰＷＭ制御によって生成される交流自体の基本周波数等による磁界の変化に起因し、渦電流や磁歪効果による不愉快な音が発生して音が問題になることもある。この問題は、自動車において顕著であり、自動車の電動化を阻害する大きな要因になっている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、従来よりノイズ、熱及び音の発生を抑えることが可能なトーテムポール回路のパワー素子接続構造の提供を目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１の発明は、３端子型ディスクリート部品のパワー素子を、上段と下段とに複数ずつ並列に備えるトーテムポール回路のパワー素子接続構造において、各前記パワー素子に対して少なくとも１つずつのゲート抵抗を実装した絶縁基板と、前記絶縁基板と平行に配置され、厚さ１［ｍｍ］以上の銅板で構成される前記トーテムポール回路の１対の電源入力電極板と出力電極板とからなる複数の電極板と、前記絶縁基板及び各前記電極板のそれぞれに形成されて、前記パワー素子の３端子の一部の端子がろう付け又は半田付けにより直に接続される導通孔と、前記絶縁基板及び各前記電極板のそれぞれに形成されて、前記パワー素子の３端子の残りの端子が絶縁状態で挿通された絶縁孔と、前記絶縁基板に対して垂直な板状をなして、各前記パワー素子の放熱面が絶縁性シートを介して重ねられる主平面を有する放熱板と、前記絶縁基板、前記複数の電極板、前記放熱板及び前記複数のパワー素子を収容する回路ケースと、前記回路ケースに充填されて前記絶縁基板と前記電極板との間及び前記電極板同士の間を埋めるポッティング材と、を備えるトーテムポール回路のパワー素子接続構造である。

本発明の第１実施形態に係るインバータ装置の回路図 放熱板にパワー素子が取り付けられた状態の斜視図 インバータ装置の平面図 図３のＡ−Ａ切断面におけるインバータ装置の側断面図 図３のＢ−Ｂ切断面におけるインバータ装置の側断面図 トーテムポール回路の回路図 スイッチ制御回路の回路図 第２実施形態に係るインバータ装置の平面図 図８のＣ−Ｃ切断面におけるインバータ装置の側断面図 第３実施形態に係るインバータ装置の斜視図

［第１実施形態］
以下、本発明のトーテムポール回路のパワー素子接続構造を適用したインバータ装置１０の一実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。図１に示すように、このインバータ装置１０は、例えば、自動車に搭載されている三相交流モータを駆動するためのものであって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相用の３つのトーテムポール回路１５を備え、各トーテムポール回路１５の上段と下段のそれぞれに例えば６つずつのパワー素子１４を並列に備えている（図１には、１つずつのパワー素子１４のみが示されている）。

パワー素子１４は、例えば、３端子型のディスクリート部品であるＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であって、図２に示すように、扁平直方体状の素子本体部１４Ｈの一側面からコレクタ端子Ｃ、エミッタ端子Ｅ、ゲート端子Ｇ（以下、これらを区別しないときには、単に「端子Ｃ，Ｅ，Ｇ」という）が横並びとなって平行に延びた構造をなしている。また、素子本体部１４Ｈは、一方の主平面に金属が露出した放熱面１４Ｋ（図４参照）を有し、放熱面１４Ｋ以外の全体が樹脂でパッケージされている。そして、各パワー素子１４が、支持ベース８０に放熱面１４Ｋを重ねた状態にして固定されている。

支持ベース８０は、平面形状が長方形の支持板部８２から３つの放熱板８３が上方に直立した構造をなしている。それら３つの放熱板８３は、支持板部８２の長手方向（図２の左右方向）に延びた帯板状をなして、支持板部８２の短手方向に間隔を空けて並べられている。また、支持ベース８０は、例えば、銅、アルミ等の非磁性体の金属ブロックから削り出しにより形成され、各放熱板８３と支持板部８２とが一体になっている。そして、図４に示すように、支持板部８２側から放熱板８３内に空洞部８７が形成されて、各放熱板８３全体が中空構造をなしている。また、支持板部８２の下面全体には平板８１が重ねて固定されて、空洞部８７の下面開口が閉塞されている。さらに、平板８１には、図５に示すように各放熱板８３の長手方向の両端部に対応する位置に貫通孔８６，８６が形成されて空洞部８７と連通している。

支持ベース８０は、ケース９１（本発明の「回路ケース」に相当する）に収容されている。ケース９１は、樹脂の成形品であって、上面が開放した直方体状になっている。そして、支持ベース８０が、平板８１の下面をそのケース９１の底面に重ねた状態にして固定されて、ケース９１内の底部に位置している。また、ケース９１の底壁には、図５に示すように、平板８１の各貫通孔８６に重なる貫通孔１０１（本発明の「流入孔」及び「流出孔」に相当する）が形成されている。これにより、冷却液を、ケース９１外から各放熱板８３内の長手方向の一端部へと供給し、他端部からケース９１外へと排出する流路８７Ｒが構成されている。

図２に示すように、各放熱板８３の表裏の両面８３Ａ，８３Ａには、略全体に絶縁性シート８５が敷設されている。絶縁性シート８５は、比較的熱伝導率が高いマイカ等の絶縁部材で構成されている。そして、各放熱板８３の表裏の両面８３Ａ，８３Ａに、それぞれ６つずつのパワー素子１４が、一定間隔を空けて横並びに配置されかつ、放熱面１４Ｋを絶縁性シート８５に重ねた状態にしてボルト（図示せず）により固定されている。これにより、３６個のパワー素子１４が６行６列に並べられている。

これら６行６列のパワー素子１４のうち、図２の左から１行目には、Ｕ相のトーテムポール回路１５における６つの高電位側のパワー素子１４が配置され、左から２行目には、Ｕ相のトーテムポール回路１５における６つの低電位側のパワー素子１４が配置されている。これと同様に、左から３行目にＶ相の６つの高電位側のパワー素子１４が配置され、左から４行目にＶ相の低電位側の６つのパワー素子１４が配置され、左から５行目にＷ相の高電位側のパワー素子１４が配置され、最も右側の行にＷ相の低電位側のパワー素子１４が配置されている。

以下、高電位側と低電位側のパワー素子１４，１４を区別する場合には、高電位側のパワー素子１４の符号の末尾に「Ａ」を付して「パワー素子１４Ａ」といい、低電位側のパワー素子１４の符号の末尾に「Ｂ」を付して「パワー素子１４Ｂ」ということとする。

図２に示すように、全てのパワー素子１４の端子Ｃ，Ｅ，Ｇは、放熱板８３群から上方に突出している。そして、それら端子Ｃ，Ｅ，Ｇ群が、図４に示すように絶縁基板７０を貫通している。具体的には、絶縁基板７０は、平面形状が長方形の平板状をなし、放熱板８３群から上方に僅かに離れた位置に配置され、各パワー素子１４の端子Ｃ，Ｅ，Ｇが貫通する複数の端子挿通孔（図示せず）を有する。そして、それら端子挿通孔（図示せず）のうちパワー素子１４のゲート端子Ｇが貫通している端子挿通孔が本発明に係る「導通孔」になっていて、それら各導通孔を貫通するゲート端子Ｇが絶縁基板７０上の回路にろう付け又は半田付けされている。また、絶縁基板７０の残りの端子挿通孔は本発明に係る「絶縁孔」になっていて、それら絶縁孔の近傍に絶縁基板７０の回路が位置せず、ゲート端子Ｇ以外の端子Ｃ，Ｅは、絶縁基板７０の回路から絶縁された状態で絶縁孔を貫通している。

また、絶縁基板７０には、各パワー素子１４につき１つずつのゲート抵抗７２（図６参照）が実装されている。そして、各ゲート抵抗７２の一方の端末に各パワー素子１４のゲート端子Ｇが接続され、ゲート抵抗７２の他方の端末に接続されたプリント配線が絶縁基板７０の一側縁部に集められている。その絶縁基板７０の一側縁部は、支持ベース８０より側方に張り出していて、その上面にはコネクタ７１が実装されている。そして、全ゲート抵抗７２から延びたプリント配線がコネクタ７１の図示しない端子金具に接続されている。また、図４に示すように、コネクタ７１は、ケース９１の上面寄り位置まで延び、上方に向かって開口している。

絶縁基板７０から上方に僅かに離れた位置には、低電位側の電源入力電極板１３が配置されている。この電源入力電極板１３は、平面形状が長方形の平板状をなし、その短辺側の一外縁部に接続舌片１３Ａを備えている（図３参照）。この電源入力電極板１３には、絶縁基板７０と同様に、各パワー素子１４の端子Ｃ，Ｅ，Ｇが貫通する端子挿通孔（図示せず）が形成されている。そして、それら端子挿通孔のうち下段側のパワー素子１４Ｂのエミッタ端子Ｅが貫通した端子挿通孔が本発明に係る「導通孔」をなし、それら導通孔を貫通したエミッタ端子Ｅが電源入力電極板１３にろう付け又は半田付けされている。さらに、残りの端子挿通孔は、本発明に係る「絶縁孔」になっている。この電源入力電極板１３の「絶縁孔」には、例えば、絶縁パイプが嵌合されているか、或いは、電源入力電極板１３の内面及び上下の開口縁が絶縁被膜で覆われた構造をなしている。次述する出力電極板１６及び高電位側の電源入力電極板１２の絶縁孔も同様になっている。そして、絶縁孔を、下段側のパワー素子１４Ｂのエミッタ端子Ｅ以外の端子Ｃ，Ｅ，Ｇが電源入力電極板１３から絶縁された状態で貫通している。これらにより、図１に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各トーテムポール回路１５における低電位側の末端が電源入力電極板１３に共通接続されている。

低電位側の電源入力電極板１３から上方に僅かに離れた位置には、Ｕ相用、Ｖ相用、Ｗ相用の３つの出力電極板１６が横並びに配置されている。各出力電極板１６は、放熱板８３の長手方向と直交する方向に延びた帯板状をなしている。そして、Ｕ相用の出力電極板１６が、Ｕ相用のパワー素子１４Ａ，１４Ｂ群の上方に位置し、Ｖ相用の出力電極板１６が、Ｖ相用のパワー素子１４Ａ，１４Ｂ群の上方に位置し、さらには、Ｗ相用の出力電極板１６が、Ｗ相用のパワー素子１４Ａ，１４Ｂ群の上方に位置している。

また、各出力電極板１６には、各パワー素子１４の端子Ｃ，Ｅ，Ｇが貫通する端子挿通孔（図示せず）が形成され、それらのうち上段側のパワー素子１４Ａのエミッタ端子Ｅを貫通した端子挿通孔と、下段側のパワー素子１４Ｂのコレクタ端子Ｃが貫通した端子挿通孔とが本発明に係る「導通孔」をなし、残りの端子挿通孔が、本発明に係る「絶縁孔」になっている。そして、各出力電極板１６に、その下方に位置する上段側のパワー素子１４Ａのエミッタ端子Ｅと下段側のパワー素子１４Ｂのコレクタ端子Ｃがろう付け又は半田付けされ、それら以外の端子Ｃ，Ｅ，Ｇは、出力電極板１６から絶縁された状態で絶縁孔を貫通している。これらにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各トーテムポール回路１５における上段のパワー素子１４Ａ群と下段のパワー素子１４Ｂ群との共通接続部分に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の出力電極板１６がそれぞれ接続されている。

出力電極板１６群から上方に僅かに離れた位置には、高電位側の電源入力電極板１２が配置されている。高電位側の電源入力電極板１２は、低電位側の電源入力電極板１３と同様に、平面形状が長方形の平板状をなし、図３に示すように、短辺側の一外縁部に接続舌片１２Ａを備えている。また、高電位側の電源入力電極板１２の接続舌片１２Ａと低電位側の電源入力電極板１３の接続舌片１３Ａとは、上方から見て重ならないように配置されている。

高電位側の電源入力電極板１２にも、低電位側の電源入力電極板１３と同様に、各パワー素子１４の端子Ｃ，Ｅ，Ｇが貫通する端子挿通孔（図示せず）が形成されている。そして、それらのうち上段側のパワー素子１４Ａのコレクタ端子Ｃが貫通した端子挿通孔が本発明に係る「導通孔」をなし、残りの端子挿通孔が、本発明に係る「絶縁孔」になっている。そして、上段側のパワー素子１４Ａのコレクタ端子Ｃのみが高電位側の電源入力電極板１２にろう付け又は半田付けされ、それら以外の端子Ｃ，Ｅ，Ｇは、高電位側の電源入力電極板１２から絶縁された状態で絶縁孔を貫通している。これらにより、図１に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各トーテムポール回路１５における高電位側の末端が電源入力電極板１２に共通接続されている。

なお、図６には、上記した高電位側の電源入力電極板１２によって構成される配線部分が実線で示され、低電位側の電源入力電極板１３によって構成される配線部分が一点鎖線で示され、出力電極板１６で構成される配線部分が二点鎖線で示され、絶縁基板７０によって構成される配線部分が点線で示されている。また、高電位側の電源入力電極板１２，低電位側の電源入力電極板１３，出力電極板１６は、例えば、厚さ２［ｍｍ］の銅板製であり、絶縁基板７０は、例えばガラスエポキシ製である。

高電位側の電源入力電極板１２から上方に僅かに離れた位置には、例えば６つのフィルムコンデンサ２０が縦横に３行２列に並べられている。その３行２列の列方向は、放熱板８３の長手方向に相当し、それと直交する方向が行方向に相当する。そして、その行方向（即ち、フィルムコンデンサ２０が２つずつ並ぶ方向）に、各フィルムコンデンサ２０のフィルムの巻回軸が向けられて、各フィルムコンデンサ２０の１対の電極が並んでいる。また、フィルムコンデンサ２０は、上下方向に押し潰された偏平形状をなしている。

これらフィルムコンデンサ２０の一方の電極を高電位側の電源入力電極板１２に接続するために、一方の列のフィルムコンデンサ２０群と他方の列のフィルムコンデンサ２０群との間には、６つの第１接続電極２１が３行２列に並べられている。各第１接続電極２１は、銅板をＬ字形に折り曲げて、そのＬ字の一辺に相当する取付片２１Ｂに１対の取付孔を形成してなる。そして、一方の列の第１接続電極２１の取付片２１Ｂと、他方の列の第１接続電極２１の取付片２１Ｂとが突き合わされた状態で、各取付片２１Ｂが高電位側の電源入力電極板１２の上面に重ねられて高電位側の電源入力電極板１２に螺子止めされている。そして、第１接続電極２１のうち高電位側の電源入力電極板１２から直立した接続片２１Ａが各フィルムコンデンサ２０の一方の電極に重ねられて半田付け又はろう付けされている。これにより全てのフィルムコンデンサ２０の一方の電極が高電位側の電源入力電極板１２に接続されている。

各フィルムコンデンサ２０の他方の電極には、端子台６２に支持された第２接続電極２２が宛がわれている。第２接続電極２２は、第１接続電極２１の接続片２１Ａより短い接続片２２Ａを有する点以外は、第１接続電極２１と同一形状をなしている。また、端子台６２は、例えば、上下方向に延びた銅製のパイプであって内側に雌螺子孔を備えている。そして、第２接続電極２２の取付片２２Ｂの下面に１対の端子台６２の上端面が宛がわれて、取付片２２Ｂの取付孔に通した螺子にて固定されている。また、高電位側の電源入力電極板１２及び出力電極板１６には、端子台６２が絶縁状態に貫通した絶縁孔が形成されている。そして、端子台６２の下端面が低電位側の電源入力電極板１３の上面に宛がわれた状態で、低電位側の電源入力電極板１３の図示しない取付孔に通した螺子を端子台６２に締め付けて端子台６２が低電位側の電源入力電極板１３に固定されている。そして、第２接続電極２２の接続片２２Ａが各フィルムコンデンサ２０の他方の電極に重ねられて半田付け又はろう付けされている。これにより全てのフィルムコンデンサ２０の他方の電極が低電位側の電源入力電極板１３に接続されている。つまり、図１に示すように、１対の電源入力電極板１２，１３の間に複数のフィルムコンデンサ２０が並列接続された状態になっている。

図３に示すように、ケース９１の一側壁には、１対の入力端子８８，８８が固定され、ケース９１の別の一側壁には、３つの出力端子８９，８９，８９が固定されている。これら入力端子８８及び出力端子８９は、長方形の平板状における長手方向の両端寄り位置に取付孔を形成してなり、ケース９１に形成されたスリットを貫通した状態で接着剤にて固定されている。

１対の入力端子８８，８８は、横並びに配置されている。そして、一方の入力端子８８の上に高電位側の電源入力電極板１２の接続舌片１２Ａが重ねられて、それらを貫通したボルトにて固定されている。また、低電位側の電源入力電極板１３の接続舌片１３Ａは、基端部をクランク状に曲げられて、これにより高電位側の電源入力電極板１２の接続舌片１２Ａと同じ高さに配置されている。そして、高電位側の電源入力電極板１２の接続舌片１２Ａと同様に、他方の入力端子８８上に低電位側の電源入力電極板１３の接続舌片１３Ａが重ねられて同様にボルトにて固定されている。また、３つの出力端子８９も、横並びに配置され、各出力電極板１６の一端部が、それぞれ各出力端子８９に上方から重ねられてボルトにて固定さている。

ケース９１内には、フィルムコンデンサ２０の上方に位置するケース９１の上端寄り位置までポッティング材Ｐが充填されて、部品間の隙間が埋め尽くされている。また、コネクタ７１の上端部は、ケース９１内でポッティング材Ｐより上方に突出している。ポッティング材としては、ウレタン、シリコン、エポキシ等が上げられる。

ポッティング材Ｐの上面は内蓋９２によって覆われている。内蓋９２は、ポッティング材Ｐの固化前にポッティング材Ｐ上に被せられて、これにより内蓋９２がポッティング材Ｐに固定されている。また、コネクタ７１は、内蓋９２に形成された貫通孔を通して内蓋９２の上方まで突出している。

本実施形態のインバータ装置１０の構成に関する説明は以上である。次に、このインバータ装置１０の作用効果について説明する。インバータ装置１０は、例えば、電気自動車に搭載され、その電気自動車の走行用の駆動源である三相交流モータの電源として使用される。そのために、車両に搭載されている直流電源９０の正負の電極が、インバータ装置１０の１対の入力端子８８，８８に接続され、三相交流モータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電力ケーブルがそれぞれインバータ装置１０の３つの出力端子８９に接続される。なお、直流電源９０は、例えばＤＣ−ＤＣコンバータであって、車両のバッテリーの出力を例えば４００［Ｖ］まで昇圧して出力する。

また、インバータ装置１０の各放熱板８３毎に備えた流路８７Ｒ（図５参照）の両端部には、車両のラジエターに繋がる冷却液の循環パイプが接続される。これにより、車両の走行中は、冷却水が各放熱板８３の内部を長手方向の一端から他端へと流れる。

さらに、インバータ装置１０のケース９１のうち内蓋９２の上方部分には、プリスイッチ制御回路９５が収容され、そのプリスイッチ制御回路９５に備えた第１コネクタ９８にコネクタ７１が接続される。さらに、プリスイッチ制御回路９５に備えた第２コネクタ９９に、ＥＣＵ１８（エンジンコントロールユニット）から延びたハーネスのコネクタ９７が接続される。なお、ＥＣＵ１８には、三相交流モータが有する回転位置センサの検出結果や、走行速度の検出結果が取り込まれようになっている。そして、ＥＣＵ１８からのオンオフ制御信号が、プリスイッチ制御回路９５に実装されたレベル変換回路１７によりレベル変換されかつアイソレーションされ、さらに、絶縁基板７０のゲート抵抗７２を通して、各パワー素子１４のゲート端子Ｇに付与される。

その際、ＥＣＵ１８は、車両のアクセルの操作や走行速度に応じて三相交流モータの目標の回転速度又は回転トルクを決定し、その目標通りに三相交流モータが動作するようにオンオフ制御信号のパルス幅を変更するＰＷＭ制御を行う。これにより、インバータ装置１０の１対の電源入力電極板１２，１３の間に付与されている直流の電力が、運転状況に応じた三相交流の電力に変換されて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の出力電極１６から三相交流モータへと給電される。このとき、三相交流モータの負荷が急増しても、１対の電源入力電極板１２，１３の間に並列接続されている複数のフィルムコンデンサ２０が、三相交流モータの負荷の急増に対する交流出力を補償するので、三相交流モータのトルク不足を抑えることができる。なお、フィルムコンデンサ２０は、直流電源９０の出力電圧を平滑化する役割も果たす。

また、三相交流モータへの給電中は、インバータ装置１０の電力ラインに、例えば、４００［Ｖ］で１００［Ａ］の大電流が流れ得る。このため、電力ラインの寄生インダクタンスが大きいと、電力を大きく損失し、交流波形の劣化も顕著になる。しかしながら、本実施形態のインバータ装置１０では、上記したように１対の電源入力電極板１２，１３と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の出力電極１６と絶縁基板７０とを平行に配置してそれらに複数の端子挿通孔を貫通形成し、所定の端子挿通孔に各パワー素子１４の所定の端子Ｃ，Ｅ，Ｇを導通接続されたことで、パワー素子１４同士を接続する配線部分が、従来のインバータ装置に比べて極めて短くかつ幅広になっている。つまり、本実施形態のインバータ装置１０では、従来よりパワー素子１４に係る配線部分の寄生インダクタンスが小さくなり、従来より電力損失及び交流波形の劣化を抑えることができる。

ところで、上記したインバータ装置１０が有する「トーテムポール回路のパワー素子接続構造」とは別の構造として、１対の電源入力電極板１２，１３、出力電極１６を構成する銅板をガラスエポキシ樹脂層を挟んで積層した多層基板とし、その多層基板にディスクリート品であるパワー素子を実装しかつ放熱板を備えた構造が考えられる。

しかしながら、そのような多層基板では、電磁界、及び、静電界の変化による音の発生を抑えることができない。即ち、ガラスエポキシ樹脂のような硬度が高い絶縁体は、共振周波数が高く、そのため、パワー素子のオンオフのスイッチングによる高周波周波数の変動を減衰させる効果を有さず、共振さえも起こしてしまう。この音による振動は、ディスクリート品であるパワー素子と多層絶縁基板とを電気的に接続する半田等の金属疲労による亀裂をもたらし、接続不良を起こす恐れも生じる。

これに対し、本実施形態のインバータ装置１０では、電源入力電極板１２，１３と出力電極１６の銅板間、及び銅板と絶縁基板７０との間を、ガラスエポキシ樹脂に比べて極めて柔軟なポッティング材Ｐで絶縁しているので、高い共振周波数を有さず、防音性と接続部の耐久性を改善することができる。また、フィルムコンデンサ２０群も電圧変化によって振動し得るが、それらフィルムコンデンサ２０群もポッティング材Ｐに埋設したので、フィルムコンデンサ２０群による音の発生も抑えることができる。さらに、ガラスエポキシ樹脂層の代わりに空気層とした場合、銅板間には高電位差があり、空気の絶縁性は比較的低いので、放電や電食の危険性が生じる。よって、ポッティング材Ｐを施すことにより、音、放熱以外にも優位性がある。

また、フィルムコンデンサは、一般的には、複数個を纏めて樹脂でパッケージしたモールド製品としてメーカーから供給される。しかしながら、モールド製品は、個々に配置する自由度が少なくなる。これに対し、本実施形態のインバータ装置１０では、モールドされていないフィルムコンデンサ２０に直接、第１及び第２の接続電極２１，２２を半田付け等によって取り付け、それら第１及び第２の接続電極２１，２２を１対の電源入力電極板１２，１３に直接又は間接的に螺子止めしたので、個々に配置する自由度が高い。また、銅板は熱伝導性が高いので、１対の電源入力電極板１２，１３のように大きな銅板では、熱引け分の加熱量が極めて大きく、半田付けに必要な温度まで銅板を加熱することが困難である。また、その半田付けに必要な温度まで銅板を加熱するために、銅板を広範囲に亘って加熱すると、そのことによる金属劣化が問題になると共に、冷却時に発生する歪みに起因した内部応力により、半田接続部に亀裂等が発生し易くなる。これらに対し、本実施形態のインバータ装置１０では、フィルムコンデンサ２０に第１及び第２の接続電極２１，２２を半田付け等し、第１及び第２の接続電極２１，２２を１対の電源入力電極板１２，１３に螺子止めする構造としたので、上記問題が発生し難いという優位性がある。

また、螺子止めによれば半田付けに比べて、第１及び第２の接続電極２１，２２と１対の電源入力電極板１２，１３との間の接続部分を大きくしてインピーダンスを下げることにより、電圧降下による影響を抑制することができる。

また、本実施形態のインバータ装置１０では、パワー素子１４の放熱面１４Ｋが絶縁性シート８５を介して放熱板８３に宛がわれている。この絶縁性シート８５を介在させたことで、パワー素子１４の放熱面１４Ｋに導通するコレクタ端子Ｃと放熱板８３との間の絶縁が図られる。そして、その絶縁性シート８５が熱伝導率が高いマイカ等で構成されているので、効率よくパワー素子１４の熱を放熱面１４Ｋから放熱板８３へと放熱することができる。しかも、放熱板８３内は、循環される冷却液の流路８７Ｒになっていて、パワー素子１４群の放熱面１４Ｋと平行に冷却液が流れるので効率よく排熱することができる。また、放熱板８３内に大きな冷却水が存在することは、冷却効果の他に、機械的な共振周波数を下げる効果もあり、トーテムポール回路のようにスイッチングを行う構成においては、音の発生を抑制する効果もある。さらには、パワー素子１４はポッティング材Ｐによって覆われているので、パワー素子１４の熱が放熱面１４Ｋからのみならず、全方向から放熱され、ポッティング材Ｐから放熱板８３にも放熱される。これらにより高い放熱効果を奏する。また、冷却水は、ケース９１のうちパワー素子１４、電源入力電極板１２，１３等を収容している領域を通らずに、ケース９１外から放熱板８３内へと流出入するので、仮に冷却水が漏れても漏電が発生することはない。また、それ以外に、放熱板８３に対するパワー素子１４の取り付けが容易になるという効果もある。

また、パワー素子１４の端子Ｃ，Ｅ，Ｇは、１対の電源入力電極板１２，１３及び出力電極板１６に垂直に接続されているので、パワー素子１４の熱を端子Ｃ，Ｅ，Ｇから１対の電源入力電極板１２，１３及び出力電極板１６へと放熱することができ、１対の電源入力電極板１２，１３及び出力電極板１６を放熱部位として利用することができる。つまり、本実施形態のインバータ装置１０では、銅、アルミ等の金属ブロックから放熱板８３と支持板部８２とを削り出し、その削り出した部分にパワー素子１４が支持板部８２、放熱板８３、１対の電源入力電極板１２，１３及び出力電極板１６によって３方向から囲まれるように構成したので、放熱性に優れている。また、放熱板８３を複数備え、パワー素子１４が放熱板８３同士の間に挟まれるように配置したので、高い放熱効果を奏する。さらに、ケース９１内をポッティング材Ｐで充填したので、ケース９１内の温度が全体的に均一になり、熱がパワー素子１４に集中することを防ぐことができる。即ち、全体に熱を伝達することで、熱容量を増加させ、短時間の過度の温度上昇を防ぐことができる。これら構成により、放熱性及び冷却性を高め、熱容量を増加させることができ、パワー素子１４の高密度実装が可能になり、大電力を駆動する回路をコンパクトに構成することができる。

ところで、トーテムポール回路に大電流が流れると、電路回りに大きな磁界が発生すると共に大きな電圧降下により放射ノイズが発生し、リンギングノイズが発生するという問題がある。これに対し、本実施形態のインバータ装置１０では、多数個（本実施形態では、３６個）のパワー素子１４を用い、パワー素子１４の１個当たりの電流を下げることで、磁界の範囲を小さくすると共に磁力を小さくして、ノイズの発生を抑制することができる。また、パワー素子１４を非磁性体の放熱板８３に取り付けたので、相互インダクタンスの発生を抑制することができ、パワー素子１４が他のパワー素子１４に及ぼす影響を抑えることができる。しかも、放熱板８３内は、非磁性体で電気伝導率が低い冷却水が流れているので、冷却水を挟んだ反対側のパワー素子１４への磁力の伝達を妨げることができ、上記問題が発生し難いという優位性がある。

また、パワー素子１４の端子Ｃ，Ｅ，Ｇと１対の電源入力電極板１２，１３及び出力電極板１６によるコイル成分によって発生した磁界は、１対の電源入力電極板１２，１３及び出力電極板１６の面内、即ち、板厚方向で発生するので、渦電流の発生を小さくでき、電磁ノイズの影響を抑えることができる。

［第２実施形態］
本実施形態のインバータ装置１０Ｖは、図８及び図９に示されており、支持ベース８０の両側方にフィルムコンデンサ２０が配置されている点が第１実施形態と異なる。具体的には、電源入力電極板１２，１３には、側方に延びるコンデンサ挟持部１２Ｂ，１３Ｂが設けられている。コンデンサ挟持部１２Ｂ，１３Ｂは、図８に示すように、上方から見て重なる位置に配置され、コンデンサ挟持部１２Ｂは、電源入力電極板１２から真っ直ぐ延びているのに対し、コンデンサ挟持部１３Ｂはクランク状に曲げられている。そして、電源入力電極板１２のコンデンサ挟持部１２Ｂと電源入力電極板１３のコンデンサ挟持部１３Ｂとの間にそれぞれコンデンサ２０が上下方向から挟持されて、各フィルムコンデンサ２０の電極面がコンデンサ挟持部１２Ｂ，１３Ｂに半田付けされている。また、電源入力電極板１２，１３の接続舌片１２Ａ，１３Ａは、出力電極板１６が出力端子８９と接続する側と反対側の側縁部に配置されている。なお、図８には、電源入力電極板１２に形成された複数の端子挿通孔と端子挿通孔を挿通したパワー素子１４の端子Ｃ，Ｅ，Ｇが省略して示されている。

本実施形態のインバータ装置１０Ｖによれば、電源入力電極板１２，１３から張り出したコンデンサ挟持部１２Ｂ，１３Ｂで複数のフィルムコンデンサ２０を挟んで接続しているので、パワー素子１４同士を接続する配線部分のみならず、フィルムコンデンサ２０に係る配線部分も短くかつ幅広になり、この点においても従来より電力損失及び交流波形の劣化を抑えることができる。また、複数のパワー素子１４の側方にフィルムコンデンサ２０群が配置されているのでインバータ装置１０全体を上下方向にコンパクトすることができる。

［第３実施形態］
本実施形態のインバータ装置１０Ｗは、図１０に示されており、パワー素子１４が水冷管４０に固定されると共に、パワー素子１４の下方に電源入力電極板１２，１３、出力電極板１６、絶縁基板７０が配置されている点が第２実施形態と異なる。具体的には、水冷管４０は、４つの吸熱管４１の両端部が、それぞれ１つの幹管４２Ａ，４２Ｂに纏められた構造をなしている。各吸熱管４１及び幹管４２Ａ，４２Ｂは、断面四角形のパイプ状をなし、各吸熱管４１の長手方向の３箇所にクリップ４１Ｃが備えられている。クリップ４１Ｃは、吸熱管４１の一側面上部から側方に張り出して下方に屈曲した構造をなしている。そして、パワー素子１４群の端子Ｃ，Ｅ，Ｇが下方に延びた状態でパワー素子１４と吸熱管４１とが交互に並び、各素子本体部１４Ｈの主平面に各吸熱管４１の一側面が上述の如く宛われかつ素子本体部１４Ｈの下面が吸熱管４１の下面と略面一になるようにクリップ４１Ｃにて固定されている。

水冷管４０から下方に僅かに離れた位置には、水冷管４０側から順に高電位側の電源入力電極板１２、出力電極板１６、低電位側の電源入力電極板１３、絶縁基板７０が隙間を空けて配置されている。電源入力電極板１２は、水冷管４０の幹管４２Ａ，４２Ｂを除いた部分と対向する大きさの長方形をなし、短辺側の両側縁部に複数のコンデンサ挟持部１２Ｂを備えている。コンデンサ挟持部１２Ｂは、上方に立ち上がりかつ側方に屈曲したクランク形状に形成されている。低電位側の電源入力電極板１３は、電源入力電極板１２に比べて長手方向に長い長方形をなし、その電源入力電極板１２より側方に張り出した両側方部分がコンデンサ挟持部１２Ｂになっている。そして、電源入力電極板１２の各コンデンサ挟持部１２Ｂと電源入力電極板１３のコンデンサ挟持部１３Ｂとの間にそれぞれフィルムコンデンサ２０が上下方向から挟持されて、各コンデンサ２０の電極面がコンデンサ挟持部１２Ｂ，１３Ｂに半田付けされている。

複数のコンデンサ挟持部１２Ｂのうち、１つのコンデンサ挟持部１２Ｂは、先端部がフィルムコンデンサ２０の電極面を超えた位置まで延び、そのフィルムコンデンサ２０の電極面から張り出した部分が接続舌片１２Ａになっている。また、電源入力電極板１３には、上方からみて電源入力電極板１２の接続舌片１２Ａと重なる位置に接続舌片１３Ａが設けられている。

また、水冷管４０の幹管４２Ａ，４２Ｂは、ケースの長手方向の長さより僅かに長くなっていて、ケース内に収容されると、幹管４２Ａ，４２Ｂの先端部がケースに形成されたスリットを挿通した状態となる。

なお、図１０には、計１２個のパワー素子１４を配置した例が示されているが、パワー素子１４の個数は、これに限るものではなく、第１実施形態及び第２実施形態と同じ個数であってもよい。また、フィルムコンデンサ２０の個数についても同様である。

本実施形態のインバータ装置１０Ｗによれば、前記第２実施形態のインバータ装置１０Ｖと同様の効果を奏することができる。

［他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）前記実施形態のインバータ装置１０は、三相交流を出力するものであったが、二相交流を出力するインバータ装置に本発明を適用してもよい。

（２）前記実施形態のインバータ装置１０は、パワー素子１４としてＩＧＢＴを備えていたが、ＩＧＢＴ以外のパワー素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ）を備えたインバータ装置に本発明を適用してもよい。

（３）前記実施形態のインバータ装置１０では、１対の電源入力電極板１２，１３の内側に複数の出力電極板１６を備えていたが、１対の電源入力電極板１２，１３の外側に複数の出力電極板１６を備えた構成としてもよい。

（４）前記実施形態のインバータ装置１０，１０Ｖ，１０Ｗでは、パワー素子１４の個数が３６個又は１２個の場合を説明したが、パワー素子１４の個数はこれに限るものではない。また、フィルムコンデンサ２０の個数についても同様である。

１０，１０Ｖ，１０Ｗ インバータ装置
１２，１３ 電源入力電極板
１４ パワー素子
１４Ｋ 放熱面
１５ トーテムポール回路
１６ 出力電極板
２０ フィルムコンデンサ
２１ 第１接続電極
２２ 第２接続電極
７０ 絶縁基板
８０ 支持ベース
８３ 放熱板
８５ 絶縁性シート
１０１ 貫通孔（流入孔、流出孔）
Ｐ ポッティング材

Claims (5)

1. ３端子型ディスクリート部品のパワー素子を、上段と下段とに複数ずつ並列に備えるトーテムポール回路のパワー素子接続構造において、
   各前記パワー素子に対して少なくとも１つずつのゲート抵抗を実装した絶縁基板と、
   前記絶縁基板と平行に配置され、厚さ１［ｍｍ］以上の銅板で構成される前記トーテムポール回路の１対の電源入力電極板と出力電極板とからなる複数の電極板と、
   前記絶縁基板及び各前記電極板のそれぞれに形成されて、前記パワー素子の３端子の一部の端子がろう付け又は半田付けにより直に接続される導通孔と、
   前記絶縁基板及び各前記電極板のそれぞれに形成されて、前記パワー素子の３端子の残りの端子が絶縁状態で挿通された絶縁孔と、
   前記絶縁基板に対して垂直な板状をなして、各前記パワー素子の放熱面が絶縁性シートを介して重ねられる主平面を有する放熱板と、
   前記絶縁基板、前記複数の電極板、前記放熱板及び前記複数のパワー素子を収容する回路ケースと、
   前記回路ケースに充填されて前記絶縁基板と前記電極板との間及び前記電極板同士の間を埋めるポッティング材と、を備えるトーテムポール回路のパワー素子接続構造。
2. 前記放熱板は、帯板状をなしてその長手方向に前記複数のパワー素子が並べて配置されると共に、前記長手方向に延びる流路を内部に備える中空構造をなして、前記流路に冷却液が流される請求項１に記載のトーテムポール回路のパワー素子接続構造。
3. 前記放熱板のうち前記電極板と反対側の面が前記回路ケースの内面に水密状態に重ねて固定され、前記流路の両端部に連通する冷却液の流入孔と流出孔とが前記回路ケースに形成されている請求項２に記載のトーテムポール回路のパワー素子接続構造。
4. 前記１対の電源入力電極板の間に並列接続される複数のフィルムコンデンサが前記回路ケースに収容され、前記ポッティング材にて前記複数のフィルムコンデンサの少なくとも一部が埋まっている請求項１乃至３の何れか１の請求項に記載のトーテムポール回路のパワー素子接続構造。
5. 一方の前記電源入力電極板が、他方の前記電源入力電極板及び前記出力電極板及び前記絶縁基板より前記放熱板から離れた位置に配置され、
   前記一方の電源入力電極板に螺子止めされて導通すると共に、前記複数のフィルムコンデンサの一方の電極にそれぞれ半田付けされた複数の第１接続電極と、
   前記他方の電源入力電極板に螺子止めされて導通すると共に、前記複数のフィルムコンデンサの他方の電極にそれぞれ半田付けされた複数の第２接続電極とを備える請求項４に記載のトーテムポール回路のパワー素子接続構造。

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