JP6493751B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子およびスナバ回路素子を備えた電力変換装置に関する。

特許文献１は、２つのスイッチング素子からなる直列回路と、当該２つのスイッチング素子の直列回路に並列接続され、スナバコンデンサ（スナバ回路素子）およびスナバ抵抗体（スナバ回路素子）の直列回路からなるスナバ回路とを含むパワーモジュールを開示している。２つのスイッチング素子は、多層基板に埋め込まれている。一方のスイッチング素子は、多層基板内に形成された複数のビア導体および複数の配線層を介して多層基板上に配置された一の導体に電気的に接続されている。他方のスイッチング素子は、多層基板内に形成された複数のビア導体および複数の配線層を介して多層基板上に配置された他の導体に電気的に接続されている。一の導体および他の導体は、多層基板内に配置されたスナバ抵抗体（スナバ回路素子）を介して多層基板上に配置されたスナバコンデンサ（スナバ回路素子）に接続されている。

特許文献２は、互いに対向して配置された金属基板および誘電体基板と、金属基板にブリッジ接続されたＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）と、ＭＯＳＦＥＴの上方で当該ＭＯＳＦＥＴに対向するように誘電体基板に接続されたスナバコンデンサ（スナバ回路素子）とを含むインバータ装置を開示している。このインバータ装置において、スナバコンデンサ（スナバ回路素子）は、金属基板から誘電体基板に向けて延びる板状の引き回し配線によってＭＯＳＦＥＴに接続されている。

特開２０１２−１２９３０９号公報 特開２０１１−６７０４５号公報

スイッチング素子およびスナバ回路素子を備えた電力変換装置では、スイッチング素子およびスナバ回路素子間の配線経路に存在する寄生インダクタンスに起因して発生するサージ電圧の問題がある。たとえば、特許文献１および特許文献２に開示された構成では、スイッチング素子とスナバ回路素子との間の配線経路が長いので、寄生インダクタンスが大きくなり、サージ電圧が高くなるという問題がある。

したがって、スイッチング素子およびスナバ回路素子を備えた電力変換装置では、サージ電圧を低減するために、スイッチング素子およびスナバ回路素子間に存在する寄生インダクタンスを低減することが望まれる。
そこで、本発明は、スイッチング素子とスナバ回路素子との間の配線経路を短縮し、サージ電圧を低減できる電力変換装置を提供することを一つの目的とする。

請求項１に記載の発明は、所定の配線パターン（２２，２８，２９，３０）が形成されたパターン面（２３）を有する配線基板（２１）と、互いに間隔を空けて形成された第１電極（１２）および第２電極（１３）を有する一方表面（３１）と、その反対の他方表面（３２）とを有し、前記一方表面を前記配線基板の前記パターン面に対向させた状態で前記配線基板上に接合されたスイッチング素子（１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ）と、前記第１電極と前記第２電極との間に電気的に接続されるスナバ回路素子（１７）とを含み、前記スナバ回路素子が、前記配線基板と前記スイッチング素子との間に介在するように配置されている、電力変換装置（１，５１）である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、特許請求の範囲を実施形態に限定する趣旨ではない。以下、この項において同じ。

この構成によれば、配線基板とスイッチング素子との間に介在するようにスナバ回路素子が配置されている。これにより、スイッチング素子とスナバ回路素子との間の距離が短くなるので、スイッチング素子とスナバ回路素子との間の配線経路を短縮できる。その結果、スイッチング素子とスナバ回路素子との間に存在する寄生インダクタンスを低減できるので、サージ電圧を低減できる。

請求項２に記載の発明は、前記スイッチング素子の前記一方表面は、前記第１電極および前記第２電極間の電流を制御する信号が入力される制御電極（１４）を有している、請求項１に記載の電力変換装置である。
請求項３に記載の発明は、前記第１電極と前記配線パターンとの間に介在するように配置され、前記第１電極と前記配線パターンとを電気的に接続する第１導電部材（４１）と、前記第２電極と前記配線パターンとの間に介在するように配置され、前記第２電極と前記配線パターンとを電気的に接続する第２導電部材（４２）とをさらに含む、請求項１または２に記載の電力変換装置である。

スイッチング素子および配線基板間にスナバ回路素子を介在させると、スイッチング素子は、スナバ回路素子の厚さに応じて、配線基板のパターン面から離間して配置される。そこで、この構成では、スイッチング素子および配線基板間に、スイッチング素子の第１電極および第２電極と配線パターンとを電気的に接続する第１導電部材および第２導電部材を介在させている。これにより、スイッチング素子が配線基板から離間して配置されていても、スイッチング素子と配線パターンとを良好に接続できる。

また、この構成では、配線基板とスイッチング素子との間に第１導電部材および第２導電部材が介在されているので、スイッチング素子で発生した熱を第１導電部材および第２導電部材を介して配線基板側に良好に伝達できる。これにより、放熱性を向上でき、スイッチング素子の温度上昇を抑制できる。
請求項４に記載の発明は、前記第１導電部材および前記第２導電部材は、板状またはブロック状に形成されている、請求項３に記載の電力変換装置である。

請求項５に記載の発明は、前記第１導電部材は、前記スナバ回路素子から間隔を空けて前記スナバ回路素子の一端部（１７ａ）側に配置され、前記第２導電部材は、前記スナバ回路素子から間隔を空けて前記スナバ回路素子の他端部（１７ｂ）側に配置されており、前記スナバ回路素子の一端部と前記第１導電部材との間に入り込み、前記第１電極、前記スナバ回路素子の一端部および前記第１導電部材を電気的に接続する第１導電性接合材（４５）と、前記スナバ回路素子の他端部と前記第２導電部材との間に入り込み、前記第２電極、前記スナバ回路素子の他端部および前記第２導電部材を電気的に接続する第２導電性接合材（４６）とをさらに含む、請求項３または４に記載の電力変換装置である。

この構成では、第１導電性接合材および第２導電性接合材は、スイッチング素子が配線基板に対して押圧された状態で加熱されて、溶融させられる。溶融した第１導電性接合材の一部は、スイッチング素子の押圧によってスナバ回路素子の一端部と第１導電部材との間に入り込んだ後、凝固する。同様に、溶融した第２導電性接合材の一部は、スイッチング素子の押圧によってスナバ回路素子の他端部と第２導電部材との間に入り込んだ後、凝固する。

これにより、第１導電部材上および第２導電部材上で第１導電性接合材および第２導電性接合材が互いに異なる厚さで凝固するのを抑制できるので、スイッチング素子が傾いた状態で配線基板上に接合されるのを抑制できる。つまり、スイッチング素子の一方表面が配線基板のパターン面に対して平行になるように、スイッチング素子を配線基板上に接合できる。また、第１導電性接合材および第２導電性接合材によって、スナバ回路素子、第１導電部材および第２導電部材に対するスイッチング素子の密着性を高めることができるので、配線基板に対するスイッチング素子の接続強度を向上できる。

請求項６に記載の発明は、前記第１導電部材および前記第２導電部材は、平面視において互いに対向する対向面（４１ａ，４２ａ）を有しており、前記第１導電部材および前記第２導電部材のうちの少なくとも一方の対向面に、他方の対向面から離間する方向に窪んだ凹部（４１ｂ，４２ｂ）が形成されており、前記凹部内に、前記スナバ回路素子の一部が配置されている、請求項５に記載の電力変換装置である。

この構成によれば、第１導電部材および第２導電部材のうちの少なくとも一方に形成された凹部内にスナバ回路素子の一部が配置されているので、第１導電部材および／または第２導電部材とスナバ回路素子との対向面積を増加させることができる。これにより、第１導電部材および／または第２導電部材に形成された凹部とスナバ回路素子との間に入り込む第１導電性接合材および／または第２導電性接合材を増加させることができるので、スイッチング素子の接続強度を一層向上できる。

請求項７に記載の発明は、複数の前記スナバ回路素子を含み、前記配線基板の前記パターン面に対して垂直な方向に関して、複数の前記スナバ回路素子の厚さは、同一であり、かつ、前記第１導電部材および前記第２導電部材の各厚さよりも大きい、請求項３〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置である。
この構成によれば、スイッチング素子は、同一厚さの複数のスナバ回路素子上に配置される。これにより、スイッチング素子が傾いた状態で配線基板上に接合されるのを抑制できる。つまり、スイッチング素子の一方表面が配線基板のパターン面に対して平行になるように、スイッチング素子を配線基板上に接合できる。

請求項８に記載の発明は、前記配線パターンは、前記スイッチング素子の前記第１電極に電気的に接続されるように前記配線基板の前記パターン面上に形成された第１配線（２８）と、前記スイッチング素子の前記第２電極に電気的に接続されるように、前記第１配線から間隔を空けて前記配線基板の前記パターン面上に形成された第２配線（２９）とを含み、前記第１配線および前記第２配線は、平面視において互いに対向する対向面（２８ａ，２９ａ）を有しており、前記第１配線および前記第２配線のうちの少なくとも一方の対向面に、他方の対向面から離間する方向に窪んだ凹部（２８ｂ，２９ｂ）が形成されており、前記凹部内に、前記スナバ回路素子の一部が配置されている、請求項１または２に記載の電力変換装置である。

請求項８に記載の電力変換装置において、前記スナバ回路素子の一端部（１７ａ）と前記第１配線との間に入り込み、前記スナバ回路素子の一端部、前記第１電極および前記第１配線を電気的に接続する第１導電性接合材（４５）と、前記スナバ回路素子の他端部（１７ｂ）と前記第２配線との間に入り込み、前記スナバ回路素子の他端部、前記第２電極および前記第２配線を電気的に接続する第２導電性接合材（４６）とをさらに含むことが好ましい。

請求項９に記載の発明は、複数の前記スナバ回路素子を含み、前記配線基板の前記パターン面に対して垂直な方向に関して、複数の前記スナバ回路素子の厚さは、同一であり、かつ、前記第１配線および前記第２配線の各厚さよりも大きい、請求項８に記載の電力変換装置である。
請求項１０に記載の発明は、前記スイッチング素子および前記スナバ回路素子を一括封止するように前記配線基板上に形成された封止樹脂（４７）をさらに含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電力変換装置である。この構成によれば、スイッチング素子およびスナバ回路素子が配線基板から剥離したり、配線基板に対して位置ずれしたりするのを封止樹脂によって抑制できる。つまり、スイッチング素子およびスナバ回路素子の配線基板に対する接続強度を封止樹脂によって向上できる。

請求項１１に記載の発明は、前記スイッチング素子の前記他方表面に形成された金属膜（３４）をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電力変換装置である。この構成によれば、スイッチング素子で発生した熱を金属膜を介して外部に放散させることができる。これにより、放熱性を向上できるので、スイッチング素子の温度上昇を抑制できる。

請求項１２に記載の発明は、前記金属膜に接続される放熱機（３６）をさらに含む、請求項１１に記載の電力変換装置である。この構成によれば、金属膜に接続される放熱機によって放熱性をより一層向上できるので、スイッチング素子の温度上昇を効果的に抑制できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の電気回路を示す回路図である。 図２は、前記電力変換装置を示す斜視図である。 図３は、Ｕ相アームの第１スイッチング素子が配置された、Ｕ相アーム形成領域内の素子配置領域を示す分解斜視図である。 図４は、前記第１スイッチング素子の要部を示す底面図である。 図５は、図３に示すV-V線に沿う断面図である。 図６は、前記素子配置領域に配置された導電パターンを示す平面図である。 図７は、変形例に係る電力変換装置の素子配置領域の要部を示す平面図である。

以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置１の電気回路を示す回路図である。
以下では、電力変換装置１が三相モータ２に電力を供給する三相インバータ回路である例について説明する。電力変換装置１は、直流電源３と、電源スイッチ４と、電源スイッチ４を介して直流電源３に接続され、直流電源３の直流電圧を平滑する平滑コンデンサ５と、平滑コンデンサ５に並列接続されたインバータ部６とを含む。

インバータ部６は、平滑コンデンサ５により平滑された直流電圧を交流電圧に変換する。インバータ部６は、三相モータ２のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相に対応したＵ相アーム７、Ｖ相アーム８およびＷ相アーム９を含む。
Ｕ相アーム７は、平滑コンデンサ５に並列接続され、ハイサイド側の第１スイッチング素子１０Ｕおよびローサイド側の第２スイッチング素子１１Ｕの直列回路を含む。Ｖ相アーム８は、Ｕ相アーム７に並列接続され、ハイサイド側の第１スイッチング素子１０Ｖおよびローサイド側の第２スイッチング素子１１Ｖの直列回路を含む。Ｗ相アーム９は、Ｖ相アーム８に並列接続され、ハイサイド側の第１スイッチング素子１０Ｗおよびローサイド側の第２スイッチング素子１１Ｗの直列回路を含む。

図１では、各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１ＷとしてＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が採用された例を示している。つまり、各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗは、ドレイン電極１２（第１電極）、ソース電極１３（第２電極）およびゲート電極１４（制御電極）をそれぞれ含む。各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの直列回路は、第１スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗのソース電極１３と、第２スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗのドレイン電極１２とが接続されることにより形成されている。各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの各ゲート電極１４には、ドレイン電極１２およびソース電極１３間の電流を制御する信号が入力される。

各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗのドレイン電極１２およびソース電極１３の各間には、ダイオード１５が逆並列接続されている。各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗのドレイン電極１２およびソース電極１３の各間には、さらに、スナバ回路１６を構成するスナバ回路素子１７が並列接続されている。つまり、スナバ回路１６は、ダイオード１５に並列接続されている。本実施形態では、スナバ回路素子１７がコンデンサからなる例を示している。なお、各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗに対して、実際には、複数（本実施形態では、４つ）のスナバ回路素子１７からなる並列回路が並列接続されているが、図１では、説明の便宜上、それらのうちの１つのスナバ回路素子１７のみを示している。

各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗのターンオフ時には、電力変換装置１内の寄生インダクタンスによってサージ電圧が発生するとともに、リンギング（ノイズ）が発生する。このサージ電圧およびリンギングは、各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗに並列接続されたスナバ回路素子１７により抑制される。

Ｕ相アーム７の第１スイッチング素子１０Ｕと第２スイッチング素子１１Ｕとの接続部は、Ｕ相配線１８を介して、三相モータ２のＵ相に接続されている。Ｖ相アーム８の第１スイッチング素子１０Ｖと第２スイッチング素子１１Ｖとの接続部は、Ｖ相配線１９を介して、三相モータ２のＶ相に接続されている。Ｗ相アーム９の第１スイッチング素子１０Ｗと第２スイッチング素子１１Ｗとの接続部は、Ｗ相配線２０を介して、三相モータ２のＷ相に接続されている。

図２は、電力変換装置１を示す斜視図である。
図２を参照して、電力変換装置１は、配線基板２１を含む。配線基板２１は、たとえば多層配線基板である。多層配線基板は、複数の絶縁層と、複数の配線層と、絶縁層を挟んで上下に配置された配線層を電気的に接続するビアとを有していてもよい。多層配線基板の最上層には、所定の配線パターン２２（図３参照）が形成されている。以下では、配線パターン２２が形成された面をパターン面２３という。

配線基板２１は、パターン面２３の法線方向から見た平面視（以下、単に「平面視」という。）において、一方向に長い矩形状に形成されている。配線基板２１のパターン面２３には、三相モータ２のＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応したＵ相アーム形成領域２４、Ｖ相アーム形成領域２５およびＷ相アーム形成領域２６が設定されている。Ｕ相アーム形成領域２４、Ｖ相アーム形成領域２５およびＷ相アーム形成領域２６は、平面視矩形状であり、配線基板２１の長手方向に沿ってこの順で並んで配置されている。

Ｕ相アーム形成領域２４に、Ｕ相アーム７の第１スイッチング素子１０Ｕおよび第２スイッチング素子１１Ｕが配置されている。Ｖ相アーム形成領域２５に、Ｖ相アーム８の第１スイッチング素子１０Ｖおよび第２スイッチング素子１１Ｖが配置されている。Ｗ相アーム形成領域２６に、Ｗ相アーム９の第１スイッチング素子１０Ｗおよび第２スイッチング素子１１Ｗが配置されている。

つまり、各アーム形成領域２４，２５，２６は、第１スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗが配置された素子配置領域と、第２スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗが配置された素子配置領域とを有している。各素子配置領域における各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの接合形態はほぼ同様である。以下では、第１スイッチング素子１０Ｕの接合形態を例にとって説明する。

図３は、Ｕ相アーム７の第１スイッチング素子１０Ｕが配置された、Ｕ相アーム形成領域２４内の素子配置領域２７を示す分解斜視図である。図４は、第１スイッチング素子１０Ｕの要部を示す底面図である。図５は、図３に示すV-V線に沿う断面図である。なお、図４では、明瞭化のため、スナバ回路素子１７の配置も示している。
図３を参照して、配線パターン２２には、互いに間隔を空けて形成されたドレイン配線２８（第１配線）、ソース配線２９（第２配線）およびゲート配線３０が含まれる。本実施形態では、ドレイン配線２８、ソース配線２９およびゲート配線３０は、配線基板２１のパターン面２３から露出するように配線基板２１内に形成（埋設）されている。ドレイン配線２８、ソース配線２９およびゲート配線３０の各表面は、パターン面２３に対して面一であってもよい。

図３〜図５を参照して、第１スイッチング素子１０Ｕは、略直方体形状であり、互いに間隔を空けて形成されたドレイン電極１２、ソース電極１３およびゲート電極１４（図示せず）を有する一方表面３１と、その反対の他方表面３２と、一方表面３１および他方表面３２を接続する４つの側面３３とを有している。第１スイッチング素子１０Ｕの一方表面３１において、ドレイン電極１２、ソース電極１３およびゲート電極１４（図示せず）は、互いに間隔を空けて形成されている。

図４を参照して、ドレイン電極１２は、所定の方向にストライプ状に延びる複数の帯状部分１２ａを含む。同様に、ソース電極１３は、所定の方向にストライプ状に延びる複数の帯状部分１３ａを含む。ドレイン電極１２の帯状部分１２ａおよびソース電極１３の帯状部分１３ａは、互いに平行になるように交互に配置されている。ドレイン電極１２およびソース電極１３は、第１スイッチング素子１０Ｕの一方表面３１において、互いに噛み合う櫛歯状に設けられていてもよい。図示はしないが、ゲート電極１４は、第１スイッチング素子１０Ｕの一方表面３１において、一つの角部または４つの側面３３のいずれかに沿う一つの辺部に形成されている。

第１スイッチング素子１０Ｕは、一方表面３１を配線基板２１のパターン面２３に対向させた状態で配線基板２１上に接合されている。第１スイッチング素子１０Ｕが配線基板２１に接合された状態で、ドレイン電極１２はドレイン配線２８に電気的に接続され、ソース電極１３はソース配線２９に電気的に接続され、ゲート電極１４はゲート配線３０に電気的に接続されている。一方、第１スイッチング素子１０Ｕの他方表面３２には、電極は形成されていない。つまり、第１スイッチング素子１０Ｕは、ドレイン電極１２およびソース電極１３との間で一方表面３１（および他方表面３２）と平行な横方向に電流経路が形成される横型のスイッチング素子である。

図３および図５を参照して、第１スイッチング素子１０Ｕの他方表面３２には、その全域を被覆するように金属膜３４が形成されている。金属膜３４は、たとえば、銅メッキであってもよい。この金属膜３４上には、半田３５を介して放熱機３６が接続されている。放熱機３６は、たとえばアルミニウム、鉄、銅等の熱伝導率の比較的高い金属材料からなる金属板である。

図３〜図５を参照して、配線基板２１上には、配線基板２１と第１スイッチング素子１０Ｕとの間に介在するように、複数（本実施形態では、４つ）のスナバ回路素子１７が配置されている。４つのスナバ回路素子１７は、平面視において素子配置領域２７と相似形でかつ互いに合同な４つの領域に素子配置領域２７を４分割したとすると、各分割領域にスナバ回路素子１７が１つずつ含まれるように配置されている。各スナバ回路素子１７は、たとえば略直方体形状のセラミック製の微小なチップ部品である。図５を参照して、各スナバ回路素子１７は、たとえば絶縁性接着剤３８によって配線基板２１上に固定されている。配線基板２１のパターン面２３に対して垂直な方向に関して、複数のスナバ回路素子１７の厚さは、同一である。

各スナバ回路素子１７は、第１スイッチング素子１０Ｕの互いに隣り合うドレイン電極１２およびソース電極１３に跨るように配線基板２１上に配置されている。各スナバ回路素子１７は、第１スイッチング素子１０Ｕのドレイン電極１２に電気的に接続された一端部１７ａと、第１スイッチング素子１０Ｕのソース電極１３に電気的に接続された他端部１７ｂとを有している。より具体的には、各スナバ回路素子１７は、一端部１７ａ側に設けられた第１端子電極３７ａを介してドレイン電極１２に電気的に接続され、他端部１７ｂ側に設けられた第２端子電極３７ｂを介してソース電極１３に電気的に接続されている。これにより、４つのスナバ回路素子１７からなる並列回路がドレイン電極１２とソース電極１３との間に接続されている。各スナバ回路素子１７の一端部１７ａ（第１端子電極３７ａ）は、ドレイン電極１２に接していてもよい。また、各スナバ回路素子１７の他端部１７ｂ（第２端子電極３７ｂ）は、ソース電極１３に接していてもよい。

図３および図５を参照して、各スナバ回路素子１７の周囲には、導電パターン４０が配置されている。各導電パターン４０は、板状またはブロック状（本実施形態では板状）の第１導電部材４１および第２導電部材４２を含む。
各導電パターン４０の第１導電部材４１は、スナバ回路素子１７から間隔を空けてスナバ回路素子１７の一端部１７ａ側に配置されている。第１導電部材４１は、平面視において、ドレイン配線２８（ドレイン電極１２）に沿って延びる矩形状に形成されている。第１導電部材４１は、第１スイッチング素子１０Ｕのドレイン電極１２とドレイン配線２８との間に介在するように配線基板２１上に配置されている。より具体的には、第１導電部材４１は、たとえば金属ペーストや半田等の導電性接着剤４３等によって、ドレイン配線２８上に接合されている。各第１導電部材４１は、ドレイン電極１２およびドレイン配線２８に電気的に接続されている。

一方、各導電パターン４０の第２導電部材４２は、スナバ回路素子１７から間隔を空けてスナバ回路素子１７の他端部１７ｂ側に配置されている。第２導電部材４２は、平面視において、ソース配線２９（ソース電極１３）に沿って延びる矩形状に形成されている。第２導電部材４２は、第１スイッチング素子１０Ｕのソース電極１３とソース配線２９との間に介在するように配線基板２１上に配置されている。より具体的には、第２導電部材４２は、たとえば金属ペーストや半田等の導電性接着剤４３等によって、ソース配線２９上に接合されている。各第２導電部材４２は、ソース電極１３およびソース配線２９に電気的に接続されている。

配線基板２１のパターン面２３に対して垂直な方向に関して、第１導電部材４１および第２導電部材４２の厚さは、いずれも同一であり、かつ、スナバ回路素子１７の厚さよりも小さい。つまり、複数のスナバ回路素子１７の厚さは、第１導電部材４１および第２導電部材４２の各厚さよりも大きい。
以下、図６を参照して、導電パターン４０の具体的な構成について説明する。図６は、素子配置領域２７に配置された導電パターン４０を示す平面図である。

第１導電部材４１および第２導電部材４２は、スナバ回路素子１７を挟んで互いに対向するように配置されている。第１導電部材４１は、第２導電部材４２に対向する対向面４１ａを有しており、第２導電部材４２は、第１導電部材４１に対向する対向面４２ａを有している。第１導電部材４１の対向面４１ａには、第２導電部材４２の対向面４２ａから離間する方向に窪んだ第１凹部４１ｂが形成されている。第１凹部４１ｂは、第１導電部材４１の長手方向中間部に形成されている。同様に、第２導電部材４２の対向面４２ａには、第１導電部材４１の対向面４１ａから離間する方向に窪んだ第２凹部４２ｂが形成されている。第２凹部４２ｂは、第２導電部材４２の長手方向中間部に形成されている。

第１凹部４１ｂおよび第２凹部４２ｂは、互いに向かい合う位置に形成されており、第１凹部４１ｂ、第２凹部４２ｂおよびそれらの間の領域により平面視略長方形状のスナバ回路素子収容領域４４が形成されている（図６の一点鎖線参照）。このスナバ回路素子収容領域４４内に、スナバ回路素子１７が配置されている。スナバ回路素子１７の一端部１７ａは、第１導電部材４１から間隔を空けて第１凹部４１ｂ内に配置されている。つまり、第１凹部４１ｂは、スナバ回路素子１７の一端部１７ａ側において、スナバ回路素子１７の３つの側面に対向している。一方、スナバ回路素子１７の他端部１７ｂは、第２導電部材４２から間隔を空けて第２凹部４２ｂ内に配置されている。つまり、第２凹部４２ｂは、スナバ回路素子１７の他端部１７ｂ側において、スナバ回路素子１７の３つの側面に対向している。

図５を再度参照して、ドレイン電極１２、スナバ回路素子１７の一端部１７ａおよび第１導電部材４１は、第１導電性接合材４５によって電気的に接続されている。一方、ソース電極１３、スナバ回路素子１７の他端部１７ｂおよび第２導電部材４２は、第２導電性接合材４６によって電気的に接続されている。第１導電性接合材４５および第２導電性接合材４６は、たとえば、導電性フィラーを含有する樹脂（たとえばエポキシ樹脂）や半田等であってもよい。

第１導電性接合材４５は、スナバ回路素子１７の一端部１７ａと第１導電部材４１との間に入り込むように設けられている。さらに、第１導電性接合材４５は、ドレイン電極１２と第１導電部材４１との間に介在するように設けられている。図示はしないが、第１導電性接合材４５は、スナバ回路素子１７の一端部１７ａ（第１端子電極３７ａ）とドレイン電極１２との間に介在していてもよい。

一方、第２導電性接合材４６は、スナバ回路素子１７の他端部１７ｂと第２導電部材４２との間に入り込むように設けられている。さらに、第２導電性接合材４６は、ソース電極１３と第２導電部材４２との間に介在するように設けられている。図示はしないが、第２導電性接合材４６は、スナバ回路素子１７の他端部１７ｂ（第２端子電極３７ｂ）とソース電極１３との間に介在していてもよい。

そして、配線基板２１上には、第１スイッチング素子１０Ｕ、スナバ回路素子１７および導電パターン４０（第１導電部材４１および第２導電部材４２）を一括封止するように封止樹脂４７が形成されている。封止樹脂４７は、たとえばエポキシ樹脂である。封止樹脂４７は、第１スイッチング素子１０Ｕと配線基板２１との間に充填され、かつ、第１スイッチング素子１０Ｕの側面３３全体を被覆するように形成されている。第１スイッチング素子１０Ｕが封止樹脂４７により封止された状態で、放熱機３６は封止樹脂４７から露出している。つまり、封止樹脂４７は、配線基板２１と放熱機３６との間に充填されている。

以上、本実施形態では、配線基板２１と第１スイッチング素子１０Ｕとの間に介在するようにスナバ回路素子１７が配置されている。スナバ回路素子１７は、配線基板２１と第１スイッチング素子１０Ｕとの間において、第１スイッチング素子１０Ｕのドレイン電極１２に電気的に接続された一端部１７ａと、第１スイッチング素子１０Ｕのソース電極１３に電気的に接続された他端部１７ｂとを有している。

この構成によれば、第１スイッチング素子１０Ｕとスナバ回路素子１７との間の距離が短くなるので、第１スイッチング素子１０Ｕとスナバ回路素子１７との間の配線経路を短縮できる。これにより、第１スイッチング素子１０Ｕとスナバ回路素子１７との間に存在する寄生インダクタンスを低減できるので、サージ電圧を低減できる。
また、本実施形態では、配線基板２１および第１スイッチング素子１０Ｕ間に、第１スイッチング素子１０Ｕのドレイン電極１２およびソース電極１３と、配線パターン２２とを電気的に接続する第１導電部材４１および第２導電部材４２が介在している。これにより、第１スイッチング素子１０Ｕが配線基板２１から離間して配置されていても、第１スイッチング素子１０Ｕと配線パターン２２とを良好に接続できる。

また、本実施形態では、配線基板２１と第１スイッチング素子１０Ｕとの間に第１導電部材４１および第２導電部材４２が介在されているので、第１スイッチング素子１０Ｕで発生した熱を第１導電部材４１および第２導電部材４２を介して配線基板２１に良好に伝達できる。これにより、放熱性を向上でき、第１スイッチング素子１０Ｕの温度上昇を抑制できる。

また、本実施形態では、スナバ回路素子１７の一端部１７ａと第１導電部材４１との間に入り込む第１導電性接合材４５と、スナバ回路素子１７の他端部１７ｂと第２導電部材４２との間に入り込む第２導電性接合材４６とを含む。第１導電性接合材４５および第２導電性接合材４６は、第１スイッチング素子１０Ｕが配線基板２１に対して押圧された状態で加熱されて、溶融させられる。溶融した第１導電性接合材４５の一部は、第１スイッチング素子１０Ｕの押圧によってスナバ回路素子１７の一端部１７ａと第１導電部材４１との間に入り込んだ後、凝固する。同様に、溶融した第２導電性接合材４６の一部は、第１スイッチング素子１０Ｕの押圧によってスナバ回路素子１７の他端部１７ｂと第２導電部材４２との間に入り込んだ後、凝固する。

これにより、第１導電部材４１上および第２導電部材４２上で第１導電性接合材４５および第２導電性接合材４６が互いに異なる厚さで凝固するのを抑制できる。しかも、本実施形態によれば、第１スイッチング素子１０Ｕは、同一厚さの複数のスナバ回路素子１７上に配置される。これにより、第１スイッチング素子１０Ｕが傾いた状態で配線基板２１上に接合されるのを抑制できる。つまり、第１スイッチング素子１０Ｕの一方表面３１（および他方表面３２）が配線基板２１のパターン面２３に対して平行になるように第１スイッチング素子１０Ｕを配線基板２１上に接合できる。

また、第１導電性接合材４５および第２導電性接合材４６によって、スナバ回路素子１７、第１導電部材４１および第２導電部材４２に対する第１スイッチング素子１０Ｕの密着性を高めることができるので、配線基板２１に対する第１スイッチング素子１０Ｕの接続強度を向上できる。とりわけ、本実施形態によれば、第１導電部材４１および第２導電部材４２に形成された第１凹部４１ｂ内および第２凹部４２ｂ内に、スナバ回路素子１７の一端部１７ａおよび他端部１７ｂが配置されている。これにより、第１導電部材４１および第２導電部材４２とスナバ回路素子１７との対向面積が増加するので、第１凹部４１ｂおよび第２凹部４２ｂとスナバ回路素子１７との間に入り込む第１導電性接合材４５および第２導電性接合材４６を増加させることができる。その結果、第１スイッチング素子１０Ｕの接続強度を一層向上できる。

また、本実施形態では、配線基板２１のパターン面２３上に、第１スイッチング素子１０Ｕ、スナバ回路素子１７および導電パターン４０を一括封止する封止樹脂４７が形成されている。この構成によれば、封止樹脂４７によって、第１スイッチング素子１０Ｕ、スナバ回路素子１７および導電パターン４０が配線基板２１から剥離したり、配線基板２１に対して位置ずれしたりするのを効果的に抑制できる。つまり、封止樹脂４７によって、第１スイッチング素子１０Ｕ、スナバ回路素子１７および導電パターン４０の配線基板２１に対する接続強度をより一層向上できる。

また、本実施形態では、第１スイッチング素子１０Ｕの他方表面３２に金属膜３４が形成され、当該金属膜３４上に放熱機３６が接続されている。これにより、第１スイッチング素子１０Ｕで発生した熱を、金属膜３４および放熱機３６によって外部に放散させることができる。その結果、放熱性を向上できるので、第１スイッチング素子１０Ｕの温度上昇を効果的に抑制できる。

ここで、第１スイッチング素子１０Ｕが配線基板２１のパターン面２３に対して傾いた状態で接合された場合について考える。この場合、放熱機３６を接続する際の押圧によって、第１スイッチング素子１０Ｕの一部が配線基板２１から剥離する虞がある。これに対して、本実施形態によれば、前述のように、第１スイッチング素子１０Ｕの一方表面３１（および他方表面３２）が、配線基板２１のパターン面２３に対して平行になるように、第１スイッチング素子１０Ｕを配線基板２１上に接続できる。したがって、第１スイッチング素子１０Ｕが配線基板２１から剥離するのを抑制しつつ、第１スイッチング素子１０Ｕ上に放熱機３６を接続できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの一例としてＭＯＳＦＥＴが採用された例について説明した。しかし、各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗは、ＭＯＳＦＥＴに代えて、バイポーラトランジスタまたはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であってもよい。

各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗがバイポーラトランジスタからなる場合、各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗは、コレクタ電極（第１電極）、エミッタ電極（第２電極）およびベース電極（制御電極）を含む。この場合、図１を参照して、Ｕ相アーム７、Ｖ相アーム８およびＷ相アーム９の各直列回路は、第１スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗのエミッタ電極と、第２スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗのコレクタ電極とが接続されることにより形成される。

一方、各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１ＷがＩＧＢＴからなる場合、各スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ，１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗは、コレクタ電極（第１電極）、エミッタ電極（第２電極）およびゲート電極（制御電極）を含む。この場合、図１を参照して、Ｕ相アーム７、Ｖ相アーム８およびＷ相アーム９の各直列回路は、第１スイッチング素子１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗのエミッタ電極と、第２スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗのコレクタ電極とが接続されることにより形成される。

また、前述の実施形態では、スナバ回路１６がコンデンサからなる複数のスナバ回路素子１７を含む例について説明した。しかし、スナバ回路１６は、抵抗からなる１つまたは複数のスナバ回路素子１７を含んでいてもよい。また、スナバ回路１６は、コンデンサからなるスナバ回路素子１７と、抵抗からなるスナバ回路素子１７とによって構成された１つまたは複数の直列回路および／または並列回路を含んでいてもよい。

また、前述の実施形態では、第１導電部材４１および第２導電部材４２を含む一つの導電パターン４０が、一つのスナバ回路素子１７の周囲に配置された例について説明した。しかし、一つの導電パターン４０が、複数のスナバ回路素子１７の周囲に跨って配置されるようにしてもよい。
また、前述の実施形態では、ドレイン配線２８、ソース配線２９およびゲート配線３０が、配線基板２１のパターン面２３から露出するように配線基板２１内に形成された例について説明した。この構成において、導電パターン４０を設けずに、スナバ回路素子１７がドレイン配線２８およびソース配線２９に直接電気的に接続されるように、当該スナバ回路素子１７を配線基板２１上に配置してもよい。つまり、スナバ回路素子１７は、ドレイン配線２８に直接電気的に接続された一端部１７ａと、ソース配線２９に直接電気的に接続された他端部１７ｂとを有していてもよい。

また、前述の実施形態において、ドレイン配線２８、ソース配線２９およびゲート配線３０は、所定の厚さ（たとえば、スナバ回路素子１７の厚さよりも０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度小さい厚さ）で、配線基板２１のパターン面２３上に形成されていてもよい。この場合、図７に示す構成を採用してもよい。図７は、変形例に係る電力変換装置５１の素子配置領域２７の要部を示す平面図である。

図７を参照して、電力変換装置５１は、前述の電力変換装置１の構成と異なり、導電パターン４０（第１導電部材４１および第２導電部材４２）を含まない。電力変換装置５１において、ドレイン配線２８およびソース配線２９は、スナバ回路素子１７を挟んで互いに対向するように形成されたストライプ状の部分を含む。ドレイン配線２８は、ソース配線２９に対向する対向面２８ａを有しており、ソース配線２９は、ドレイン配線２８に対向する対向面２９ａを有している。

ドレイン配線２８の対向面２８ａには、ソース配線２９の対向面２９ａから離間する方向に窪んだ第１凹部２８ｂが形成されている。同様に、ソース配線２９の対向面２９ａには、ドレイン配線２８の対向面２８ａから離間する方向に窪んだ第２凹部２９ｂが形成されている。第１凹部２８ｂおよび第２凹部２９ｂは、互いに向かい合う位置に形成されており、第１凹部２８ｂ、第２凹部２９ｂおよびそれらの間の領域により平面視略長方形状のスナバ回路素子収容領域５２が形成されている（図７の一点鎖線参照）。

このスナバ回路素子収容領域５２内に、スナバ回路素子１７が配置されている。スナバ回路素子１７の一端部１７ａは、ドレイン配線２８から間隔を空けて第１凹部２８ｂ内に配置されている。つまり、第１凹部２８ｂは、スナバ回路素子１７の一端部１７ａ側において、スナバ回路素子１７の３つの側面に対向している。一方、スナバ回路素子１７の他端部１７ｂは、ソース配線２９から間隔を空けて第２凹部２９ｂ内に配置されている。つまり、第２凹部２９ｂは、スナバ回路素子１７の他端部１７ｂ側において、スナバ回路素子１７の３つの側面に対向している。

電力変換装置５１では、スナバ回路素子１７の一端部１７ａ、ドレイン電極１２およびドレイン配線２８は、第１導電性接合材４５（図５参照）によって電気的に接続される。一方、スナバ回路素子１７の他端部１７ｂ、ソース電極１３およびソース配線２９は、第２導電性接合材４６（図５参照）によって電気的に接続される。
第１導電性接合材４５は、スナバ回路素子１７の一端部１７ａとドレイン配線２８との間に入り込むように設けられる。さらに、第１導電性接合材４５は、ドレイン電極１２とドレイン配線２８との間に介在するように設けられる。第１導電性接合材４５は、スナバ回路素子１７の一端部１７ａ（第１端子電極３７ａ）とドレイン電極１２との間に介在していてもよい。

一方、第２導電性接合材４６は、スナバ回路素子１７の他端部１７ｂと第２導電部材４２との間に入り込むように設けられる。さらに、第２導電性接合材４６は、ソース電極１３と第２導電部材４２との間に介在するように設けられる。第２導電性接合材４６は、スナバ回路素子１７の他端部１７ｂ（第２端子電極３７ｂ）とソース電極１３との間に介在していてもよい。

以上、この例では、配線基板２１のパターン面２３上に設けられたドレイン配線２８およびソース配線２９を利用して形成されたスナバ回路素子収容領域５２（第１凹部２８ｂおよび第２凹部２９ｂ）にスナバ回路素子１７が配置されている。この構成によれば、比較的簡素な構成を実現しつつ、前述の実施形態において述べた効果と同様の効果を奏することができる。

また、前述の実施形態において、ドレイン電極１２（帯状部分１２ａ。図４参照）およびソース電極（帯状部分１３ａ、図４参照）のうちの少なくとも一方の対向面に、他方の対向面から離間する方向に窪んだ凹部が形成されており、当該凹部内に、スナバ回路素子１７の一部が配置されるようにしてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１…電力変換装置、１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ…第１スイッチング素子、１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ…第２スイッチング素子、１２…ドレイン電極（第１電極）、１３…ソース電極（第２電極）、１４…ゲート電極（制御電極）、１７…スナバ回路素子、１７ａ…スナバ回路素子の一端部、１７ｂ…スナバ回路素子の他端部、２１…配線基板、２２…配線パターン、２３…配線基板のパターン面、２８…ドレイン配線（第１配線）、２８ａ…ドレイン配線の対向面、２８ｂ…ドレイン配線の第１凹部（凹部）、２９…ソース配線（第２配線）、２８ａ…ソース配線の対向面、２８ｂ…ソース配線の第２凹部（凹部）、３１…第１スイッチング素子の一方表面、３２…第１スイッチング素子の他方表面、３４…金属膜、３６…放熱機、４１…第１導電部材、４１ａ…第１導電部材の対向面、４１ｂ…第１導電部材の第１凹部（凹部）、４２…第２導電部材、４２ａ…第２導電部材の対向面、４２ｂ…第２導電部材の第２凹部（凹部）、４５…第１導電性接合材、４６…第２導電性接合材、４７…封止樹脂、５１…電力変換装置

Claims (12)

1. 所定の配線パターンが形成されたパターン面を有する配線基板と、
   互いに間隔を空けて形成された第１電極および第２電極を有する一方表面と、その反対の他方表面とを有し、前記一方表面を前記配線基板の前記パターン面に対向させた状態で前記配線基板上に接合されたスイッチング素子と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に電気的に接続されるスナバ回路素子とを含み、
   前記スナバ回路素子が、前記配線基板と前記スイッチング素子との間に介在するように配置されている、電力変換装置。
2. 前記スイッチング素子の前記一方表面は、前記第１電極および前記第２電極間の電流を制御する信号が入力される制御電極を有している、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１電極と前記配線パターンとの間に介在するように配置され、前記第１電極と前記配線パターンとを電気的に接続する第１導電部材と、
   前記第２電極と前記配線パターンとの間に介在するように配置され、前記第２電極と前記配線パターンとを電気的に接続する第２導電部材とをさらに含む、請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１導電部材および前記第２導電部材は、板状またはブロック状に形成されている、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記第１導電部材は、前記スナバ回路素子から間隔を空けて前記スナバ回路素子の一端部側に配置され、前記第２導電部材は、前記スナバ回路素子から間隔を空けて前記スナバ回路素子の他端部側に配置されており、
   前記スナバ回路素子の一端部と前記第１導電部材との間に入り込み、前記第１電極、前記スナバ回路素子の一端部および前記第１導電部材を電気的に接続する第１導電性接合材と、
   前記スナバ回路素子の他端部と前記第２導電部材との間に入り込み、前記第２電極、前記スナバ回路素子の他端部および前記第２導電部材を電気的に接続する第２導電性接合材とをさらに含む、請求項３または４に記載の電力変換装置。
6. 前記第１導電部材および前記第２導電部材は、平面視において互いに対向する対向面を有しており、前記第１導電部材および前記第２導電部材のうちの少なくとも一方の対向面に、他方の対向面から離間する方向に窪んだ凹部が形成されており、
   前記凹部内に、前記スナバ回路素子の一部が配置されている、請求項５に記載の電力変換装置。
7. 複数の前記スナバ回路素子を含み、
   前記配線基板の前記パターン面に対して垂直な方向に関して、複数の前記スナバ回路素子の厚さは、同一であり、かつ、前記第１導電部材および前記第２導電部材の各厚さよりも大きい、請求項３〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記配線パターンは、前記スイッチング素子の前記第１電極に電気的に接続されるように前記配線基板の前記パターン面上に形成された第１配線と、前記スイッチング素子の前記第２電極に電気的に接続されるように、前記第１配線から間隔を空けて前記配線基板の前記パターン面上に形成された第２配線とを含み、
   前記第１配線および前記第２配線は、平面視において互いに対向する対向面を有しており、前記第１配線および前記第２配線のうちの少なくとも一方の対向面に、他方の対向面から離間する方向に窪んだ凹部が形成されており、
   前記凹部内に、前記スナバ回路素子の一部が配置されている、請求項１または２に記載の電力変換装置。
9. 複数の前記スナバ回路素子を含み、
   前記配線基板の前記パターン面に対して垂直な方向に関して、複数の前記スナバ回路素子の厚さは、同一であり、かつ、前記第１配線および前記第２配線の各厚さよりも大きい、請求項８に記載の電力変換装置。
10. 前記スイッチング素子および前記スナバ回路素子を一括封止するように前記配線基板上に形成された封止樹脂をさらに含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
11. 前記スイッチング素子の前記他方表面に形成された金属膜をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
12. 前記金属膜に接続される放熱機をさらに含む、請求項１１に記載の電力変換装置。

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