JP6440772B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体スイッチング素子のオン・オフ操作を繰り返して交流（ＡＣ）−直流（ＤＣ）間の電力変換を行う、電力変換装置に関する。

この種の電力変換装置では、小型かつ高効率であることが求められるため、電子回路を実装した複数の配線層から成る多層配線基板において、低損失な基板パターン、すなわち配線設計を行う必要がある。具体的には、配線のインダクタンスと抵抗を低減するために、配線は一つ一つを太くし、配線同士は基板を平面視した時に極力重ねることが一般的である。

すなわち、従来より、電子回路を構成する導体の近くに他の導体を配置することで、配線インダクタンスの低減を実現しており、具体的には、電力変換回路の多層基板の配線設計時に、配線同士は平面視で極力重ね、一つ一つの配線は配線インダクタンス及び寄生抵抗を無くすために極力太く配線することで、小型で高効率の電力変換装置を実現している（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−１１２５３０号公報

近年、スイッチング速度が速い、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体を用いたスイッチング素子による高周波化により、電力変換装置の小型化が実現可能となっている。
しかしながら、高周波化を行うと、スイッチング素子のオン・オフにより電位差が変化する配線の浮遊容量に、電荷が高周波で充電され、そして放電される。放電された電荷は電流経路にあるスイッチング素子やトランス等で消費されるため、効率の低下、スイッチング素子及びトランス等の冷却器のコスト増加、並びに大型化に繋がり、電力変換装置の小型化を阻害するという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、ワイドギャップ半導体のスイッチング素子を用いた電力変換装置において、配線間の浮遊容量による損失を抑制し、小型で高効率な電力変換を実現することを目的とする。

上記の目的を達成する為、本発明では、複数の配線層から成る多層配線基板上に、ワイドギャップ半導体を使用したスイッチング素子を配線した電力変換装置において、前記スイッチング素子の一方の端子に接続され、電源線を構成する第１の配線と、前記スイッチング素子の他方の端子に接続され、前記スイッチング素子のスイッチングにより前記第１の配線との電位差が変化する第２の配線とを有し、前記第１の配線及び前記第２の配線は、前記基板に対し平面視で、互いに平行又は離隔されて重ならないように配置されている電力変換装置が提供される。

上記の目的を達成する為、本発明では、複数の配線層から成る多層配線基板上に、ワイドギャップ半導体を使用したスイッチング素子と、コンデンサとを配線した電力変換装置において、前記基板の前記スイッチング素子の一端に接続された第１の配線と、前記スイッチング素子の他端に接続され、前記スイッチング素子のスイッチングにより前記第１の配線との電位差が変化する第２の配線とを有し、前記第２の配線は、２つ設けられ、前記コンデンサの一端は、前記第２の配線の一方に接続され、前記コンデンサの他端は、前記第２の配線の他方に接続され、前記第２の配線の一方及び前記第２の配線の他方は、前記基板に対し平面視で、互いに交差する部分を有するように配置され、前記スイッチング素子は、２つ設けられ、前記第１の配線は、前記スイッチング素子で構成される直列回路の接続点に接続された単一の配線であり、前記第２の配線の各々は、前記スイッチング素子の前記接続点とは反対側の端子に接続され、前記第１の配線と前記第２の配線の各々とは、前記基板に対し平面視で、互いに平行又は離隔されて重ならないように配置され、前記第２の配線の一方は、一端が前記コンデンサの一端に接続され、他端が前記スイッチング素子の一方に接続され、前記第２の配線の他方は、一端が前記コンデンサの他端に接続され、他端が前記スイッチング素子の他方に接続され、前記基板上には、前記スイッチング素子の直列回路と並列にダイオードの直列回路が配線されてトーテムポール型のＡＣ／ＤＣコンバータ回路を構成する電力変換装置であって、前記第２の配線の一方は、前記ダイオードのカソードに接続され、前記第２の配線の他方は、前記ダイオードのアノードに接続され、前記ダイオードの直列回路の接続点に接続された第３の配線をさらに有し、前記第３の配線と前記第１の配線及び前記第２の配線の各々とは、前記基板に対し平面視で、互いに平行又は離隔されて重ならないように配置されている電力変換装置が提供される。

本発明の電力変換装置では、基板の電源線を構成する第１の配線と、スイッチング素子のスイッチングにより第１の配線との電位差が変化するとともに電源線を構成する第２の配線とは、基板に対し平面視で、互いに平行又は離隔されて重ならないように配置されているので、配線間の浮遊容量を削減し、浮遊容量に充放電されることによるスイッチング素子及びトランス等の発熱を抑制できる。このため、効率の低下を抑制し、冷却器の低コスト化や小型化が可能となり、小型で高効率な電力変換装置が実現可能となる。

本発明の実施の形態１による電力変換装置の回路図である。 本発明の実施の形態１による電力変換装置を構成する昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路の動作を説明する回路図であり、同図（ａ）は交流電源が正電圧の時の電流経路を示し、同図（ｂ）は交流電源が負電圧の時の電流経路を示している。 本発明の実施の形態１による電力変換装置を構成する昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路の配線構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態１による電力変換装置を構成する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の動作を説明する回路図であり、同図（ａ）は一方の対のスイッチング素子がＯＮとなり、他方の対のスイッチング素子がＯＦＦとなる場合の電流経路を示し、同図（ｂ）はその逆にスイッチング素子がＯＦＦ／ＯＮとなる場合の電流経路を示している。 本発明の実施の形態１による電力変換装置を構成する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路のトランス１次側回路の配線構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態１による電力変換装置を構成する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路のトランス２次側回路の配線構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態２による電力変換装置を構成する昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路の配線構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態２による電力変換装置を構成する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路のトランス１次側回路の配線構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態２による電力変換装置を構成する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路のトランス２次側回路の配線構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態３による電力変換装置の回路図である。 本発明の実施の形態３による電力変換装置の動作を説明する回路図であり、同図（ａ）は交流電源が正電圧の時の電流経路を示し、同図（ｂ）は交流電源が負電圧の時の電流経路を示している。 本発明の実施の形態３による電力変換装置の配線構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態３による電力変換装置の周辺の一部に配線できないことを想定した配線構成例を示す回路図である。

以下、本発明に係る電力変換装置の種々の実施の形態を、上記の添付図面を参照して説明する。

実施の形態１．
本実施の形態１の電力変換装置１０００は、図１に示すように、昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路３０１と絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路３０２とを直列接続して構成される。すなわち、電力変換装置１０００は、交流電源１０６からの入力電圧を昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路３０１で直流に変換し、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路３０２で絶縁しつつ負荷１０７に電力を供給する。

昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路３０１は、トーテムポール型の力率改善及び昇圧用のＡＣ／ＤＣコンバータ回路であり、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路３０２のトランスの１次側はフルブリッジ型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路であり、トランスの２次側はブリッジ形の全波整流回路で構成されている。

昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路３０１は、ワイドギャップ半導体として窒化ガリウム材料を用いたスイッチング素子１０１ａ及び１０１ｂとダイオード１０２ａ及び１０２ｂとコンデンサ１０３とリアクトル１０４ａ及び１０４ｂとを備えている。

この昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路３０１は、スイッチング素子１０１ａのソースにスイッチング素子１０１ｂのドレインが接続された第１の母線と、ダイオード１０２ａのアノードにダイオード１０２ｂのカソードが接続された第２の母線とを有する。また、スイッチング素子１０１ａのドレインとダイオード１０２ａのカソードとを接続した配線がコンデンサ１０３の正極に接続され、スイッチング素子１０１ｂのソースとダイオード１０２ｂのアノードとを接続した配線がコンデンサ１０３の負極に接続される。スイッチング素子１０１ａのソースに一端を接続したリアクトル１０４ａの他端は交流電源１０６のＬＩＶＥ端子に、ダイオード１０２ａのアノードに一端を接続したリアクトル１０４ｂの他端は交流電源１０６のＮＥＵＴＲＡＬ端子に接続される。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路３０２は、ワイドギャップ半導体として窒化ガリウム材料を用いたスイッチング素子１０１ｃ〜１０１ｆとダイオード１０２ｃ〜１０２ｆとリアクトル１０４ｃとトランス１０５とを備えている。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路３０２のトランス１０５の１次側は、スイッチング素子１０１ｃ及び１０１ｄを直列接続した母線と、スイッチング素子１０１ｅ及び１０１ｆを直列接続した母線とのフルブリッジ回路になっている。トランス１０５の２次側は、ダイオード１０２ｃ及び１０２ｄを直列接続した母線と、ダイオード１０２ｅ及び１０２ｆを直列接続した母線とのブリッジ形の全波整流回路になっている。ダイオード１０２ｃ及び１０２ｅのカソードを接続した配線２１１に一端が接続されたリアクトル１０４ｃは、電流平滑用のリアクトルであり、リアクトル１０４ｃの他端は負荷１０７に接続されている。

電力変換装置１０００は大電力を扱う装置であり、ワイドギャップ半導体として窒化ガリウム材料を用いたスイッチング素子を１００ｋＨｚ以上の高周波で駆動させて、入力の交流電圧を絶縁して直流に変換するものである。１００ｋＨｚ以上としたのは、Ｓｉ等の半導体と比べて高価なワイドギャップ半導体を用いると、１００ｋＨｚ以上の高周波で低損失な駆動が可能になるとともに、リアクトル１０４ａ〜１０４ｃの小型化が可能になるためと、高周波であればあるほど配線間の浮遊容量に高頻度で電荷が充放電されるため、浮遊容量が損失に大きく影響するためである。

次に、昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路３０１の動作及び配線構成について説明する。
交流電源１０６が正負それぞれの時のスイッチング素子１０１ａ及び１０１ｂのスイッチングによる電流経路を図２に示す。

図２（ａ）より交流電源１０６が正の時、スイッチング素子１０１ｂがＯＮであれば、電流は、図２（ａ）中の実線で示すように、リアクトル１０４ａ→スイッチング素子１０１ｂ→ダイオード１０２ｂ→リアクトル１０４ｂの経路で流れる。スイッチング素子１０１ｂがＯＦＦの時は、電流は、図２（ａ）中の点線で示すように、リアクトル１０４ａ→スイッチング素子１０１ａ→コンデンサ１０３→ダイオード１０２ｂ→リアクトル１０４ｂの経路で流れる。

そのため、電位差が変動する配線は、スイッチング素子１０１ａのソース−ドレイン間、及びスイッチング素子１０１ｂのソース−ドレイン間の配線であり、従って配線２０１−２０３間及び配線２０４−２０１間において電位差が変動することになる。

一方、図２（ｂ）より交流電源１０６が負の時、スイッチング素子１０１ａがＯＮであれば、電流は、図２（ｂ）中の実線で示すように、リアクトル１０４ｂ→ダイオード１０２ａ→スイッチング素子１０１ａ→リアクトル１０４ａの経路で流れる。スイッチング素子１０１ａがＯＦＦの時は、電流は、図２（ｂ）中の点線で示すように、リアクトル１０４ｂ→ダイオード１０２ａ→コンデンサ１０３→スイッチング素子１０１ｂ→リアクトル１０４ａの経路で流れる。

そのため、電位差が変動する配線は、交流電源１０６が正の時と同様に、スイッチング素子１０１ａのソース−ドレイン間、及びスイッチング素子１０１ｂのソース−ドレイン間の配線であり、従って配線２０１−２０３間及び配線２０４−２０１間において電位差が変動することになる。

次に、電位差が変動する配線がスイッチング素子のソース−ドレイン間である場合の、浮遊容量による損失を考えるための一例として、スイッチング素子１０１ａに接続される配線２０１−２０３間に浮遊容量がある場合を考える。

配線２０１−２０３間に浮遊容量がある場合、スイッチング素子１０１ａがＯＦＦのときには、スイッチング素子１０１ａのドレイン側が正の電荷となるように浮遊容量に電荷が充電される。その後、スイッチング素子１０１ａがＯＮとなった時には充電されていた電荷が放電され、通常の電流に加えてスイッチング素子１０１ａに流れ、消費され、損失となる。

浮遊容量は小さいため、１回で浮遊容量に充電される電荷は微小であるが、高速でスイッチングするために単位時間当たりの充放電回数が多いこと、スイッチング素子のオン抵抗をＲ、流れる電流をＩとしたときに損失はＲ×Ｉ^２であり、電流の２乗で影響するため、ワイドギャップ半導体を用いたスイッチング素子で構成される電力変換装置では無視できない損失となる。

浮遊容量に蓄えられるエネルギーＥは静電容量をＣ、配線間に掛かる電位差をＶとすると下記の式（１）で表わされる。更に、誘電率をε、重なる配線の面積をＳ、配線間の距離をｄとすると静電容量Ｃは下記の式（２）で表わされる。誘電率ε及び配線間距離ｄは基板材料で決まっており、配線間に掛かる電位差Ｖは電力変換装置の仕様に依るため、浮遊容量に蓄えられるエネルギーを減らすためには配線が重なる面積Ｓを小さくする必要があることが分かる。

Ｅ＝ＣＶ^２／２ ・・・式（１）
Ｃ＝ε（Ｓ／ｄ） ・・・式（２）

昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路３０１の電位差が変動する配線は、上述の通り、配線２０１と２０３、配線２０４と２０１であるため、それぞれの配線を重ねないように構成することで浮遊容量を低減させる必要がある。

昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路３０１の配線構成例を図３に示す。なお、図３中のスイッチング素子１０１ａ及び１０１ｂの「Ｓ」はソース、「Ｄ」はドレインを示し、ダイオード１０２ａ及び１０２ｂの「Ａ」はアノード、「Ｋ」はカソードをそれぞれ示す。

図３より、配線２０１と２０３、配線２０４と２０１はそれぞれ重ねずに配置できることが分かる。配線２０３−２０４間にはコンデンサ１０３があることからも分かるように、配線間に容量があった方が良い配線であるため、層間で重ねて配線するために、図３に示す交差した配線を含む構成としている。

配線は基板上の限られた面積で配線する必要があるため、配線を層間で重ねずに配置する場合、一つ一つの配線が細くなる。そのため多層基板を使用する場合には一つの配線に多層使用して配線するものとする。

次に、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路３０２の動作及び配線構成について説明する。
図４（ａ）は、一対のスイッチング素子１０１ｃ及び１０１ｆがＯＮ、別の一対のスイッチング素子１０１ｄ及び１０１ｅがＯＦＦの時の電流経路を示し、図４（ｂ）は、一対のスイッチング素子１０１ｃ及び１０１ｆがＯＦＦ、別の一対のスイッチング素子１０１ｄ及び１０１ｅがＯＮの時の電流経路を示す。

スイッチング素子１０１ｃ及び１０１ｆがＯＮ，スイッチング素子１０１ｄ及び１０１ｅがＯＦＦの時、電流は、図４（ａ）中の点線で示されるように、トランス１次側では、スイッチング素子１０１ｃ→トランス１０５→スイッチング素子１０１ｆ→コンデンサ１０３の経路で流れ、トランス２次側では、ダイオード１０２ｆ→トランス１０５→ダイオード１０２ｃ→リアクトル１０４ｃ→負荷１０７の経路で流れる。

また、スイッチング素子１０１ｃ及び１０１ｆがＯＦＦ，スイッチング素子１０１ｄ及び１０１ｅがＯＮの時、電流は、図４（ｂ）中の点線で示されるように、トランス１次側では、スイッチング素子１０１ｅ→トランス１０５→スイッチング素子１０１ｄ→コンデンサ１０３の経路で流れ、トランス２次側では、ダイオード１０２ｄ→トランス１０５→ダイオード１０２ｅ→リアクトル１０４ｃ→負荷１０７の経路で流れる。

従って、図４よりスイッチング素子１０１ｃ〜１０１ｆのスイッチングによって電位差が変化する配線は、スイッチング素子１０１ｃ〜１０１ｆのそれぞれのソース−ドレイン間、トランス１０５の１次側の端子間、２次側の端子間、及びダイオード１０２ｃ〜１０２ｆのそれぞれのアノード−カソード間であることが分かる。

そのため、配線を平面視で重ならない配線の組み合わせは、配線２０７−２０５間、配線２０６−２０７間、配線２０８−２０５間、配線２０６−２０８間、配線２０７−２０８間、配線２０９−２１０間、配線２０９−２１１間、配線２１２−２１０間、配線２１０−２１１間、及び配線２１２−２１０間である。

ここで、電位差が変動する配線がトランスの端子間である場合の浮遊容量による損失を考えるための一例として、トランス１次側の配線２０７−２０８間に浮遊容量がある場合を考える。

配線２０７−２０８間に浮遊容量がある場合、スイッチング素子１０１ｃ及び１０１ｆがＯＮ，スイッチング素子１０１ｄ及び１０１ｅがＯＦＦの時（図４（ａ））、トランス１０５に接続される配線２０７側に正の電荷が充電される。
次にスイッチング素子１０１ｃ及び１０１ｆがＯＦＦ、スイッチング素子１０１ｄ及び１０１ｅがＯＮの時（図４（ｂ））、充電されていた電荷は放電され、スイッチング素子１０１ｄ及び１０１ｅの抵抗成分等で消費されると共に、配線２０８側が正となるように電荷が充電される。従って、トランス１次側の配線２０７−２０８間の浮遊容量の電荷は損失となる。

上述したように、浮遊容量は小さいため１回で浮遊容量に充電される電荷は微小であるが、高速でスイッチングするので、単位時間当たりの充放電回数が多いと、スイッチング素子のオン抵抗をＲ、流れる電流をＩとしたときに損失はＲ×Ｉ^２であり、電流の２乗で影響するため、ワイドギャップ半導体を用いたスイッチング素子で構成される電力変換装置では無視できない損失となる。

電位差が変動する配線がダイオードのアノード−カソード間である場合の浮遊容量による損失を考えるための一例としてダイオード１０２ｃに接続される配線２０９−２１１間に浮遊容量がある場合を考える。

この配線２０９−２１１間に浮遊容量がある場合、スイッチング素子１０１ｃ及び１０１ｆがＯＦＦ、スイッチング素子１０１ｄ及び１０１ｅがＯＮの時（図４（ｂ））、配線２１１側が正となるように浮遊容量に電荷が充電される。
次に、スイッチング素子１０１ｃ及び１０１ｆがＯＮ、スイッチング素子１０１ｄ及び１０１ｅがＯＦＦとなるため（図４（ａ））、電荷は放電され、ダイオード１０２ｃ及び１０２ｆの抵抗成分等で消費される。従って、ダイオード１０２ｃに接続される配線２０９−２１１間の浮遊容量の電荷は損失となる。

電位差が変動する配線がスイッチング素子のソース−ドレイン間である場合の浮遊容量による損失の考え方は、上記の昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路３０１で述べた考え方と同様である。

次に、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路３０２におけるトランス１次側の配線の構成例を図５に示し、トランス２次側の配線構成例を図６に示す。なお、図５中のスイッチング素子１０１ｃ〜１０１ｆの「Ｓ」はソース、「Ｄ」はドレインをそれぞれ示す。また、図６中のダイオード１０２ｃ〜１０２ｆの「Ａ」はアノード、「Ｋ」はカソードをそれぞれ示す。

図５より、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路３０２のトランス１０５の１次側において、浮遊容量を削減すべき配線である、配線２０７−２０５間、配線２０６−２０７間、配線２０８−２０５間、配線２０６−２０８間、及び配線２０７−２０８間は重ならずに配線できることが分かる。

また、図６より、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路３０２のトランス１０５の２次側において、浮遊容量を削減すべき配線である、配線２０９−２１０間、配線２０９−２１１間、配線２１２−２１０間、配線２１０−２１１間、及び配線２１２−２１０間は平面視で重ならずに配線できることが分かる。

実施の形態２．
本実施の形態２は、スイッチング素子の駆動回路（図示せず）の基板上での配置等も考慮した場合の配線を特徴とする。なお、本実施の形態２の電力変換装置１０００の構成は、図１に示した実施の形態１と同様である。

昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路３０１におけるスイッチング素子の駆動回路の配置も考慮した本実施の形態２による配線の構成例を図７に示す。図７中のスイッチング素子１０１ａ及び１０１ｂの上側はスイッチング素子１０１ａ及び１０１ｂの駆動回路を配置する領域等を想定して配線させている。なお、図７中のスイッチング素子１０１ａ及び１０１ｂの「Ｓ」はソース、「Ｄ」はドレインをそれぞれ示し、ダイオード１０２ａ及び１０２ｂの「Ａ」はアノード、「Ｋ」はカソードをそれぞれ示す。

上記の実施の形態１で説明したように、昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路３０１の電位差が変化する配線はスイッチング素子１０１ａ及び１０１ｂのソース−ドレイン間の配線であり、従って、重なることを避けたい配線の組み合わせは、配線２０１−２０３、及び配線２０４−２０１である。

図７からも分かるように、配線２０１と２０３は重ならずに配線できるが、配線２０４と２０１は重なる部分が生じることが分かる。
図７では電源１０６を左側に、コンデンサ１０３を右側に配置することで配線２０４−２０１間に重なりが発生するが、逆に電源１０６を右側に、コンデンサ１０３を左側に配置すると、配線２０４−２０１間ではなく配線２０１−２０３間に重なりが発生するため、スイッチング素子の駆動回路の基板上での配置を考慮すると、少なくとも１点は配線の交差点が生じることが分かる。

そのため、浮遊容量配線間の浮遊容量を低減するため、交差する箇所は電流が平行に流れないように少なくとも４５度以上で交差させるように配線する。４５度はコンピュータで配線を設計する上で設定し得る値である。

なお、図７は、スイッチング素子の駆動回路を電源線と同一基板に配置することを想定した配線構成であり、駆動回路を別基板で構成するなどを行い、スイッチング素子１０１ａ及び１０１ｂの周辺に駆動回路等を配置しなくてよい場合には図３の配線構成が望ましいことは言うまでもない。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路３０２におけるスイッチング素子の駆動回路等の基板上での配置も考慮したトランス１次側の配線の構成例を図８に、トランス２次側の配線の構成例を図９に示す。なお、図８中のスイッチング素子１０１ｃ〜１０１ｆの上側はスイッチング素子１０１ｃ〜１０１ｆの駆動回路を配置する領域として配線することを避けている。また、図８中のスイッチング素子１０１ｃ〜１０１ｆの「Ｓ」はソース、「Ｄ」はドレインをそれぞれ示す。また、図９中のダイオード１０２ｃ〜１０２ｆの「Ａ」はアノード、「Ｋ」はカソードをそれぞれ示す。

また、図９中のダイオード１０２ｃ〜１０２ｆの上側は、電力変換装置の小型化や、他の回路が占有する等でダイオード１０２ｃ〜１０２ｆに接続する配線の領域として使えないと想定して、配線構成を避けている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ回路３０２において、浮遊容量削減のために配線が重なることを避けたい配線の組み合わせは、上記の実施の形態１で説明したように、配線２０７−２０５間、配線２０６−２０７間、配線２０８−２０５間、配線２０６−２０８間、配線２０７−２０８間、配線２０９−２１０間、配線２０９−２１１間、配線２１２−２１０間、配線２１０−２１１間、及び配線２１２−２１０間である。

図８からも分かるように、配線２０６−２０７間、及び配線２０７−２０８間は重ならずに配線できるが、配線２０７−２０５間、配線２０８−２０５間、及び配線２０６−２０８間は重なる部分が生じることが分かる。

図８ではコンデンサ１０３を左側に、トランス１０５を右側に配置することで上記の重なりが発生するが、逆にコンデンサ１０３を右側に、トランス１０５を左側に配置すると、配線２０８−２０５間が重ならなくなる代わりに、配線２０６−２０７間に重なりが発生するため、スイッチング素子の駆動回路の基板上での配置を考慮すると少なくとも３点は配線の交差点が発生することが分かる。

図９より、配線２０９−２１０間、及び配線２１０−２１１間は重ならずに配線できるが、配線２０９−２１１、配線２１２−２１０間、及び配線２１２−２０９間は重なる部分が発生することが分かる。

図９ではトランス１０５を左側に、負荷１０７を右側に配置することで上記の重なりが発生するが、逆にトランス１０５を右側に、負荷１０７を左側に配置すると、配線２０９と２１１が重ならなくなる代わりに、配線２１０と２１１に重なりが発生するため、少なくとも３点は配線の交差点ができることが分かる。
そのため、浮遊容量配線間の浮遊容量を低減するために、交差する箇所は電流が平行に流れないように、少なくとも４５度以上で交差させるように配線する。

また、上記の式（２）に示すとおり、浮遊容量は配線間の距離ｄに反比例するため、浮遊容量を削減するために配線が交差する箇所は隣接する層では重ねないように配線する。

図８及び図９は、スイッチング素子の駆動回路を電源線と同一基板に配置することや、ダイオードの周辺に電源線を配線できないことを想定した配線構成であり、駆動回路を別基板で構成することで駆動回路を配置しなくてよい場合や、ダイオードの周辺に電源線を配線できる場合には図５及び図６の配線構成が望ましい。配線は基板上の限られた面積で配線する必要があるため、層間で重ねずに配線した場合、一つ一つの配線が細くなる。そのため多層基板を使用する場合には一つの配線に多層使用して配線するものとする。

実施の形態３．
以下、本発明に係る実施の形態３の電力変換装置３０３の回路構成について、図１０を参照して説明する。

電力変換装置３０３はセミブリッジレス型の昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路であり、ワイドギャップ半導体として窒化ガリウム材料を用いたスイッチング素子１０１ｇ及び１０１ｈと、ダイオード１０２ｇ及び１０２ｈと、コンデンサ１０８と、リアクトル１０４ｄ及び１０４ｅと、交流電源１０９と、負荷１１０とを備えている。
この電力変換装置３０３は大電力を扱う電力変換装置であり、窒化ガリウム材料を用いたスイッチング素子は、上記のとおり、１００ｋＨｚ以上で駆動させて、入力の交流電圧を直流に変換するものである。

図１０では、スイッチング素子１０１ｇのドレインにダイオード１０２ｇのアノードが接続された母線と、スイッチング素子１０１ｈのドレインにダイオード１０２ｈのアノードが接続された母線とがある。また、ダイオード１０２ｇと１０２ｈのカソードを接続した配線がコンデンサ１０８の正極及び負荷１１０に接続され、スイッチング素子１０１ｇと１０１ｈのソースを接続した配線がコンデンサ１０８の負極及び負荷１１０に接続されている。

ダイオード１０２ｇのアノードに一端を接続したリアクトル１０４ｄの他端は交流電源１０９のＬＩＶＥ端子に、ダイオード１０２ｈのアノードに一端を接続したリアクトル１０４ｅの他端は交流電源１０９のＮＥＵＴＲＡＬ端子に接続されている。
ここで、交流電源１０９の電圧Ｖｉｎが正の時のスイッチング素子１０１ｇ及び１０１ｈのスイッチングによる電流経路を図１１（ａ）に、負の時の電流経路を図１１（ｂ）にそれぞれ示す。

図１１（ａ）において、交流電源１０９が正の時、スイッチング素子１０１ｇがＯＮであれば、電流は、図１１（ａ）中の実線で示すように、リアクトル１０４ｄ→スイッチング素子１０１ｇ→スイッチング素子１０１ｈ→リアクトル１０４ｅの経路で流れる。スイッチング素子１０１ｇがＯＦＦの時は、電流は、１１（ａ）中の点線で示すように、リアクトル１０４ｄ→ダイオード１０２ｇ→負荷１１０→スイッチング素子１０１ｈ→リアクトル１０４ｅの経路で流れる。

そのため、電位差が変動する配線は、スイッチング素子１０１ｇのソース−ドレイン間、及びダイオード１０２ｇのアノード−カソード間に接続される配線であり、配線２１５−２１２間、及び配線２１２−２１４間である。

一方、図１１（ｂ）において、交流電源１０９が負の時、スイッチング素子１０１ｈがＯＮであれば、電流は、図１１（ｂ）中の実線で示すように、リアクトル１０４ｅ→スイッチング素子１０１ｈ→スイッチング素子１０１ｇ→リアクトル１０４ｄの経路で流れる。スイッチング素子１０１ｈがＯＦＦの時は、電流は、１１（ｂ）中の点線で示すように、リアクトル１０４ｅ→ダイオード１０２ｈ→負荷１１０→スイッチング素子１０１ｇ→リアクトル１０４ｄの経路で流れる。

そのため、電位差が変動する配線は、スイッチング素子１０１ｈのソース−ドレイン間、及びダイオード１０２ｈのアノード−カソード間に接続される配線であり、従って配線２１５−２１３間及び配線２１３−２１４間において電位差が変動する。
従って、電位差が変化する配線の組み合わせは配線２１５−２１２間、配線２１２−２１４間、配線２１５−２１３間、及び配線２１３−２１４間である。

電力変換装置３０３の配線構成例を図１２及び図１３に示す。
図１２及び図１３中のスイッチング素子１０１ｇ、１０１ｈの「Ｓ」はソース、「Ｄ」はドレインをそれぞれ示し、ダイオード１０２ｇ及び１０２ｈの「Ａ」はアノード、「Ｋ」はカソードをそれぞれ示す。

図１２は、スイッチング素子１０１ｇ及び１０１ｈの周辺全ての領域が配線２１２〜２１５の配線で使用できる場合の配線構成であり、図１３は、スイッチング素子１０１ｇ及び１０１ｈ、ダイオード１０２ｇ及び１０２ｈの上側にスイッチング素子１０１ｇ及び１０１ｈの駆動回路等の領域が必要な場合の配線構成である。

図１２より、配線２１５−２１２間、配線２１２−２１４間、及び配線２１３−２１４間はそれぞれ重ならずに配線できているが、配線２１５−２１３間には基板の平面視で交差箇所が有ることが分かる。

図１２の配線例では、配線２１５−２１３間に基板の平面視で交差箇所があるが、部品配置や配線によってはその他の配線間の層間で交差箇所が発生するため、同一基板で電源線を配置する場合、少なくとも１点は交差箇所が存在する。

また、図１３より、配線２１３−２１４間は重ねずには配線配置できているが、配線２１５−２１２間、配線２１２−２１４間、及び配線２１５−２１３間に交差箇所が存在することが分かる。

図１３の配線例では、上記のとおり、配線２１５−２１２間、配線２１２−２１４間、及び配線２１５−２１３間に交差箇所があるが、部品配置や配線によっては異なる組み合わせの配線間に交差箇所が発生するため、同一基板で電源線を配線する場合、少なくとも３点は交差箇所が存在する。

なお、上記の実施の形態１〜３では、大電力を電力変換する用途として説明しているが、これに限らず、小電力の電力変換回路でもよい。
上記の実施の形態１〜３では、スイッチング素子を１００ｋＨｚ以上で駆動する形態として説明しているが、スイッチング周波数は１００ｋＨｚ未満でもよい。

上記の実施の形態１及び２では、多層基板を使用した場合、一つ一つの配線に多層使用するものとして説明しているが、多層使用せずに配線しても良い。
上記の実施の形態２では、配線が基板平面視で交差する箇所は隣接する層では重ねないようにするものと説明しているが、隣接する層では重ねて配線しても良い。

上記の実施の形態１〜３では、ワイドギャップ半導体として窒化ガリウムを使用する形態として説明しているが、これに限らず炭化珪素等を材料としたワイドギャップ半導体から成る素子を用いてもよい。
上記の実施の形態１〜３では、一つの基板上で電源線を構成する形態で説明しているが、これに限らず、ジャンパー端子等で電源線を飛ばしたり、別基板で配線しても良く、またそうすることで基板の平面視で交差する箇所を無くしてもよい。

上記の実施の形態１〜３では、配線構成の一例として部品及び配線を行なっているが、部品配置や配線構成は、上記実施の形態１〜３以外の構成でもよい。
上記の実施の形態１及び２の絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路３０２のトランス１０５の２次側はダイオードを用いたブリッジ形の全波整流回路で構成しているが、同期整流や双方向整流のような場合にダイオードの代わりにスイッチング素子等で構成してもよい。

上記の実施の形態１及び２の絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路３０２のトランス１０５の２次側はブリッジ形の全波整流回路で構成しているが、センター・タップ方式等の整流回路を使用しても良い。
上記の実施の形態１、２の絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路３０２のトランス１０５の１次側はスイッチング素子を４つ使用したフルブリッジ方式の回路構成で説明しているが、ハーフブリッジ方式や共振型のＬＬＣ方式等で構成しても良い。

上記の実施の形態１及び２では、昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路に絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路を組み合わせた回路構成で説明しているが、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路またはＤＣ／ＤＣコンバータ回路のみの構成でもよい。
さらに、上記の実施の形態１〜３では、合計２種類の昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路を挙げて説明しているが、これに限らず、インターリーブ方式や、リアクトルとアノードを前記リアクトルに接続させたダイオードを第１の母線に備え、前記ダイオードのアノードと第２の母線との間に半導体スイッチ素子を備えた昇圧チョッパ回路と整流器によって構成される一般的な昇圧コンバータ回路等を用いてもよい。

１０１ａ〜１０１ｈ スイッチング素子、１０２ａ〜１０２ｈ ダイオード、１０３ コンデンサ、１０４ａ リアクトル、１０４ｂ リアクトル、１０４ｃ リアクトル、１０４ｄ リアクトル、１０４ｅ リアクトル、１０５ トランス、１０６ 交流電源、１０７ 負荷、１０８ コンデンサ、１０９ 交流電源、１１０ 負荷、２０１〜２１５ 配線、３０１ 昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータ回路、３０２ 絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、３０３ 電力変換装置、１０００ 電力変換装置。

Claims (11)

1. 複数の配線層から成る多層配線基板上に、ワイドギャップ半導体を使用したスイッチング素子と、コンデンサとを配線した電力変換装置において、
   前記基板の前記スイッチング素子の一端に接続された第１の配線と、
   前記スイッチング素子の他端に接続され、前記スイッチング素子のスイッチングにより前記第１の配線との電位差が変化する第２の配線とを有し、
   前記第２の配線は、２つ設けられ、前記コンデンサの一端は、前記第２の配線の一方に接続され、前記コンデンサの他端は、前記第２の配線の他方に接続され、
   前記第２の配線の一方及び前記第２の配線の他方は、前記基板に対し平面視で、互いに交差する部分を有するように配置され、
   前記スイッチング素子は、２つ設けられ、
   前記第１の配線は、前記スイッチング素子で構成される直列回路の接続点に接続された単一の配線であり、
   前記第２の配線の各々は、前記スイッチング素子の前記接続点とは反対側の端子に接続され、
   前記第１の配線と前記第２の配線の各々とは、前記基板に対し平面視で、互いに平行又は離隔されて重ならないように配置され、
   前記第２の配線の一方は、一端が前記コンデンサの一端に接続され、他端が前記スイッチング素子の一方に接続され、
   前記第２の配線の他方は、一端が前記コンデンサの他端に接続され、他端が前記スイッチング素子の他方に接続され、
   前記基板上には、前記スイッチング素子の直列回路と並列にダイオードの直列回路が配線されてトーテムポール型のＡＣ／ＤＣコンバータ回路を構成する電力変換装置であって、
   前記第２の配線の一方は、前記ダイオードのカソードに接続され、前記第２の配線の他方は、前記ダイオードのアノードに接続され、
   前記ダイオードの直列回路の接続点に接続された第３の配線をさらに有し、
   前記第３の配線と前記第１の配線及び前記第２の配線の各々とは、前記基板に対し平面視で、互いに平行又は離隔されて重ならないように配置されている
   電力変換装置。
2. 複数の配線層から成る多層配線基板上に、ワイドギャップ半導体を使用したスイッチング素子と、コンデンサとを配線した電力変換装置において、
   前記基板の前記スイッチング素子の一端に接続された第１の配線と、
   前記スイッチング素子の他端に接続され、前記スイッチング素子のスイッチングにより前記第１の配線との電位差が変化する第２の配線とを有し、
   前記第２の配線は、２つ設けられ、前記コンデンサの一端は、前記第２の配線の一方に接続され、前記コンデンサの他端は、前記第２の配線の他方に接続され、
   前記第２の配線の一方及び前記第２の配線の他方は、前記基板に対し平面視で、互いに交差する部分を有するように配置され、
   前記スイッチング素子は、２つ設けられ、
   前記第１の配線は、前記スイッチング素子で構成される直列回路の接続点に接続された単一の配線であり、
   前記第２の配線の各々は、前記スイッチング素子の前記接続点とは反対側の端子に接続され、
   前記第１の配線と前記第２の配線の各々とは、前記基板に対し平面視で、互いに平行又は離隔されて重ならないように配置され、
   前記第２の配線の一方は、一端が前記コンデンサの一端に接続され、他端が前記スイッチング素子の一方に接続され、
   前記第２の配線の他方は、一端が前記コンデンサの他端に接続され、他端が前記スイッチング素子の他方に接続され、
   前記基板上には、前記スイッチング素子の直列回路と並列にダイオードの直列回路が配線されてトーテムポール型のＡＣ／ＤＣコンバータ回路を構成する電力変換装置であって、
   前記第２の配線の一方は、前記ダイオードのカソードに接続され、前記第２の配線の他方は、前記ダイオードのアノードに接続され、
   前記ダイオードの直列回路の接続点に接続された第３の配線をさらに有し、
   前記第３の配線と前記第１の配線及び前記第２の配線の各々とは、前記基板に対し平面視で、互いに平行又は離隔されて重ならない部分と、交差する部分とを有するように配置されている
   電力変換装置。
3. 複数の配線層から成る多層配線基板上に、ワイドギャップ半導体を使用したスイッチング素子と、コンデンサとを配線した電力変換装置において、
   前記基板の前記スイッチング素子の一端に接続された第１の配線と、
   前記スイッチング素子の他端に接続され、前記スイッチング素子のスイッチングにより前記第１の配線との電位差が変化する第２の配線とを有し、
   前記第２の配線は、２つ設けられ、前記コンデンサの一端は、前記第２の配線の一方に接続され、前記コンデンサの他端は、前記第２の配線の他方に接続され、
   前記第２の配線の一方及び前記第２の配線の他方は、前記基板に対し平面視で、互いに交差する部分を有するように配置され、
   前記スイッチング素子にダイオードを接続した直列回路が２つ並列に設けられてセミブリッジレス型の昇圧ＡＣ／ＤＣコンバータを構成する電力変換装置であって、
   前記第１の配線は、前記直列回路の一方における接続点に接続された単一の配線であり、
   前記第２の配線は、前記直列回路における接続点とは反対側の端子にそれぞれ接続された２つの配線であり、
   前記直列回路の他方における接続点に接続された第４の配線をさらに有し、
   前記第１の配線と前記第２の配線の各々と前記第４の配線とは、前記基板に対し平面視で、互いに平行又は離隔されて重ならない部分と、交差する部分とを有するように配置されている
   電力変換装置。
4. 複数の配線層から成る多層配線基板上に、ワイドギャップ半導体を使用したスイッチング素子と、コンデンサとを配線した電力変換装置において、
   前記基板の前記スイッチング素子の一端に接続された第１の配線と、
   前記スイッチング素子の他端に接続され、前記スイッチング素子のスイッチングにより前記第１の配線との電位差が変化する第２の配線とを有し、
   前記第２の配線は、２つ設けられ、前記コンデンサの一端は、前記第２の配線の一方に接続され、前記コンデンサの他端は、前記第２の配線の他方に接続され、
   前記第２の配線の一方及び前記第２の配線の他方は、前記基板に対し平面視で、互いに交差する部分を有するように配置され、
   前記スイッチング素子を含むスイッチング回路から出力される交流電圧を入力して絶縁を行うトランスと、前記トランスから出力される交流電圧を整流する整流回路とを有する絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路を構成する電力変換装置であって、
   前記スイッチング回路は、直流電流の方向を変えるブリッジ回路を構成し、
   前記第１の配線は、２つ設けられ、
   前記第１の配線の各々は、前記ブリッジ回路における前記スイッチング回路の接続点と前記トランスの一次巻線の両端子との間に接続されており、
   前記第２の配線の各々は、前記スイッチング回路の前記接続点とは反対側の端子に接続され、
   前記第１の配線の各々と前記第２の配線の各々、又は前記第１の配線同士間は、前記基板に対し平面視で、互いに平行又は離隔されて重ならないように配置されている
   電力変換装置。
5. 複数の配線層から成る多層配線基板上に、ワイドギャップ半導体を使用したスイッチング素子と、コンデンサとを配線した電力変換装置において、
   前記基板の前記スイッチング素子の一端に接続された第１の配線と、
   前記スイッチング素子の他端に接続され、前記スイッチング素子のスイッチングにより前記第１の配線との電位差が変化する第２の配線とを有し、
   前記第２の配線は、２つ設けられ、前記コンデンサの一端は、前記第２の配線の一方に接続され、前記コンデンサの他端は、前記第２の配線の他方に接続され、
   前記第２の配線の一方及び前記第２の配線の他方は、前記基板に対し平面視で、互いに交差する部分を有するように配置され、
   前記スイッチング素子を含むスイッチング回路から出力される交流電圧を入力して絶縁を行うトランスと、前記トランスから出力される交流電圧を整流する整流回路とを有する絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路を構成する電力変換装置であって、
   前記スイッチング回路は、直流電流の方向を変えるブリッジ回路を構成し、
   前記第１の配線は、２つ設けられ、
   前記第１の配線の各々は、前記ブリッジ回路における前記スイッチング回路の接続点と前記トランスの一次巻線の両端子との間に接続されており、
   前記第２の配線の各々は、前記スイッチング回路の前記接続点とは反対側の端子に接続され、
   前記第１の配線の各々と前記第２の配線の各々とは、前記基板に対し平面視で、互いに平行又は離隔されて重ならない部分と、交差する部分とを有するように配置されている
   電力変換装置。
6. 前記整流回路はブリッジ型整流回路であり、前記ブリッジ型整流回路を構成するダイオードの直列回路の接続点と前記トランスの二次巻線の両端子との間に接続された第５の配線及び第６の配線と、
   前記第５の配線及び前記第６の配線からそれぞれダイオードを介して接続された第７の配線及び第８の配線とをさらに含み、
   前記第５の配線及び前記第６の配線と、前記第７の配線又は前記第８の配線、又は前記第５の配線と前記第６の配線とは、前記基板に対し平面視で、互いに平行又は離隔されて重ならないように配置されている
   請求項４又は５に記載の電力変換装置。
7. 前記整流回路はブリッジ型整流回路であり、前記ブリッジ型整流回路を構成するダイオードの直列回路の接続点と前記トランスの二次巻線の両端子との間に接続された第５の配線及び第６の配線と、
   前記第５の配線及び前記第６の配線からそれぞれダイオードを介して接続された第７の配線及び第８の配線とをさらに含み、
   前記第５の配線及び前記第６の配線と、前記第７の配線又は前記第８の配線とは、前記基板に対し平面視で、互いに平行又は離隔されて重ならない部分と、交差する部分とを有するように配置されている
   請求項４又は５に記載の電力変換装置。
8. 前記第７の配線と前記第８の配線との間は、前記基板に対し平面視で、互いに交差する部分を有するように配置されている
   請求項６又は７に記載の電力変換装置。
9. 前記交差する部分を有する前記第７の配線と前記第８の配線は、前記基板において、互いに、同一配線層以外の配線層に配置されている
   請求項８に記載の電力変換装置。
10. 前記交差する部分は、電流が平行に流れないように、前記平面視で少なくとも４５度以上で交差している
    請求項２、３、５、及び７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
11. 前記交差する部分を有する配線同士は、隣り合う配線層以外の配線層に配置されている
    請求項２、３、５、及び７のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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