JP6498370B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両に用いて好適な電力変換装置に関する。

鉄道車両用途の電力変換装置（以下、単に「電力変換装置」と称する）では、ゲート駆動回路からの駆動信号によって、電力変換装置に具備される半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」と称する）が駆動される。スイッチング素子はオンオフのスイッチング動作により、大電圧及び大電流の電力を負荷に供給する。このとき、電力変換装置の内部では、電力変換装置に具備される電気配線に電磁ノイズが発生する。

近年、ＳｉＣ（Silicon Carbide）に代表されるワイドバンドギャップ半導体素子の実用化により、また、従来からあるＳｉ（Silicon）を素材とするＳｉスイッチング素子の高性能化により、スイッチング素子のスイッチング速度が高速化している。スイッチング速度の高速化により、電力変換装置に具備される電気配線から発生する電磁ノイズの問題が無視できなくなっている。

上記のような背景技術の下、下記特許文献１では、電力変換装置に具備される電気配線のうち、モジュール内部の電気配線に注目している。下記特許文献１に示されるパワー半導体モジュール（以下、単に「パワーモジュール」と称する）は、正極端子につながるモジュール内部の電気配線、負極端子につながるモジュール内部の電気配線、モジュール内部のゲート信号線及びエミッタ信号線のそれぞれに、積層して平行に配される部位を設け、平行に配される当該部位において、正極端子に流れる電流の向きと、正極端子に隣接するゲート信号線に流れる制御電流の向きとが逆になるように構成し、スイッチング素子のターンオン時とターンオフ時の両方でオンオフを繰り返す誤動作のおそれを小さくする技術が開示されている。

特開２０１５−２１３４０８号公報

上記特許文献１は、パワーモジュールを配置した電力変換装置に言及しており、パワーモジュール内部の電気配線の電磁ノイズに起因する電力変換装置の誤動作を防ぐことができる。ただし、パワーモジュールと電力変換装置の部品とを結ぶ電気配線、すなわちパワーモジュール外部の電気配線に関する詳細な記述は無い。よって、パワーモジュール外部の電気配線の電磁ノイズに起因する電力変換装置の誤動作を防ぐことができないという課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力変換装置において、パワーモジュール外部の配線の電磁ノイズに起因する電力変換装置の誤動作を抑止することができる電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、正側スイッチング素子の正極が第１端子に電気的に接続され、正側スイッチング素子の負極と負側スイッチング素子の正極とが第２端子に電気的に接続され、負側スイッチング素子の負極が第３端子に電気的に接続されたパワーモジュールを備えた電力変換装置において、パワーモジュールの第１端子は、並行平板導体における第１導体を介してコンデンサの正極に電気的に接続されると共に、パワーモジュールの第３端子は、並行平板導体における第２導体を介してコンデンサの負極に電気的に接続され、並行平板導体はＬ字形状を成し、さらに、パワーモジュールの第２端子は、並行平板導体とは物理的に異なる導体バーを介して負荷に電気的に接続される。

本発明によれば、電力変換装置において、パワーモジュール外部の配線の電磁ノイズに起因する電力変換装置の誤動作を抑止することができる、という効果を奏する。

本実施の形態に係る電力変換装置の構成例を示す図 本実施の形態に係る電力変換装置に用いて好適なパワーモジュールの概略形状を示す斜視図 本実施の形態のパワーモジュールを適用した主回路の回路図 本実施の形態に係る電力変換装置を鉄道車両に搭載した場合の構成例を示す図 本実施の形態に係るブスバーの構造を模式的に示す図 従来のパワーモジュールを適用した主回路の回路図 本実施の形態に係る電力変換装置の内部を図４の矢視Ａ方向から視認したときの側面図 従来の電力変換装置における典型的なモジュール配置例を示す図 従来の電力変換装置におけるラミネートブスバーの積層状態を示す図 本実施の形態に係る電力変換装置における主回路の構成を示す斜視図 従来の電力変換装置におけるゲート駆動基板の取り付け状態を示す斜視図 ２ｉｎ１モジュールにおける端子配置のバリエーションを示す図 対向型パワーモジュールを本実施の形態に係る電力変換装置に適用した場合の構成例を示す図 １列型パワーモジュールを本実施の形態に係る電力変換装置に適用した場合の構成例を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。図１において、本実施の形態に係る電力変換装置１は、少なくともスイッチ、フィルタコンデンサ、フィルタリアクトルを含む入力回路２、スイッチング素子４ａ，５ａ，６ａ，４ｂ，５ｂ，６ｂを具備し、電気車を駆動するための少なくとも１台以上のモータ８を接続してなるインバータ主回路（以下、単に「主回路」と称する）３、及びスイッチング素子４ａ，５ａ，６ａ，４ｂ，５ｂ，６ｂを制御するためのＰＷＭ信号を生成して出力する制御部７を備えて構成される。なお、主回路３に接続されるモータ８としては、誘導電動機又は同期電動機が好適である。

また、図１において、入力回路２の一端は集電装置５１を介して架線５０に接続され、他端は車輪５３を介して大地電位であるレール５２に接続されている。架線５０から供給される直流電力または交流電力は、集電装置５１を介して入力回路２の入力端に供給されると共に、入力回路２の出力端に生じた電力が主回路３に供給される。

主回路３において、正側スイッチング素子であるスイッチング素子４ａと、負側スイッチング素子であるスイッチング素子４ｂとは直列に接続されてＵ相のレグを構成する。正側スイッチング素子は正側アーム又は上側アームとも称され、負側スイッチング素子は負側アーム又は下側アームとも称される。Ｖ相及びＷ相のレグも同様であり、スイッチング素子５ａとスイッチング素子５ｂとが直列に接続されてＶ相のレグを構成し、スイッチング素子６ａとスイッチング素子６ｂとが直列に接続されてＷ相のレグを構成する。このようにして、主回路３には、３組（Ｕ相分、Ｖ相分、Ｗ相分）のレグを有する三相ブリッジ回路が構成される。なお、スイッチング素子４ａ，５ａ，６ａ，４ｂ，５ｂ，６ｂとしては、逆並列ダイオードが内蔵されたＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が好適である。

制御部７は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号によって主回路３のスイッチング素子４ａ，５ａ，６ａ，４ｂ，５ｂ，６ｂをＰＷＭ制御する。制御部７のＰＷＭ制御により、主回路３は、入力回路２から印加された直流電圧を任意周波数及び任意電圧の交流電圧に変換してモータ８を駆動する。なお、図１の例では、１つのレグを構成するスイッチング素子の数が２の場合を例示しているが、１つのレグが２を超えるスイッチング素子を有していてもよい。

図２は、本実施の形態に係る電力変換装置に用いて好適なパワーモジュールの概略形状を示す斜視図であり、図３は、図２に示したパワーモジュールを図１に示した主回路３に適用した回路図である。

図３において、Ｕ相に適用されたパワーモジュール１２Ｕは、トランジスタ素子の例示であるＭＯＳＦＥＴ４ａ１と、所謂フライホイールダイオードとして動作するダイオード（以下「ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）」と表記）４ａ２とが逆並列に接続されたスイッチング素子４ａと、ＭＯＳＦＥＴ４ｂ１とＦＷＤ４ｂ２とが逆並列に接続されたスイッチング素子４ｂとを有する。スイッチング素子４ａとスイッチング素子４ｂとは直列に接続され、モジュール筐体であるパッケージ３０内に収容され、パワーモジュール１２Ｕにおけるスイッチング素子対を構成している。Ｖ相及びＷ相に適用されたパワーモジュール１２Ｖ，１２Ｗも、パワーモジュール１２Ｕと同様に構成される。このように、図３に示されるパワーモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗは、直列接続された２つのスイッチング素子が収容された２ｉｎ１モジュールである。

また、図３において、スイッチング素子４ａの正極であるドレインは第１端子Ｍ１に電気的に接続され、スイッチング素子４ａの負極であるソース及びスイッチング素子４ｂの正極であるドレインは第２端子Ｍ２に電気的に接続され、スイッチング素子４ｂの負極であるソースは第３端子Ｍ３に電気的に接続される。

第１端子Ｍ１、第２端子Ｍ２及び第３端子Ｍ３のそれぞれには、図２に示すように、３つの穴３２が設けられ、これらの穴３２のそれぞれには締結手段であるナット３４が形成されている。これら穴３２及びナット３４は、パワーモジュール１２の電極端子である第１端子Ｍ１、第２端子Ｍ２及び第３端子Ｍ３における締結点を構成する。すなわち、第１端子Ｍ１、第２端子Ｍ２及び第３端子Ｍ３のそれぞれには３つの締結点が設けられ、３つの締結点によって１つの締結部が構成される。第１端子Ｍ１及び第３端子Ｍ３の各締結部には、後述するブスバーが締結される。また、第２端子Ｍ２の締結部には、後述する導体バーが締結される。

また、図２に示すように、第１端子Ｍ１、第２端子Ｍ２及び第３端子Ｍ３の各締結部は長方形状又は横長形状に形成され、パッケージ３０における一方の表面側に設けられている。第１端子Ｍ１及び第３端子Ｍ３は、パッケージ３０の中央部において、横長の各締結部の長手方向がパッケージ３０の長手方向に平行となり、第１端子Ｍ１及び第３端子Ｍ３の配列の並びが長手方向に直交する方向に配列されている。一方、第２端子Ｍ２は、パッケージ３０の長手方向における一方の端部側に配置され、横長の締結部の長手方向がパッケージ３０の長手方向に直交する方向に配列されている。

第１端子Ｍ１、第２端子Ｍ２及び第３端子Ｍ３を上記のように構成することにより、フィルタコンデンサとの電気的接続及び負荷であるモータとの電気的接続が容易となる。また、第１端子Ｍ１及び第３端子Ｍ３をパッケージ３０の中央部に配置しているので、第１端子Ｍ１及び第３端子Ｍ３に流れる電流について、モジュール内でのチップ間の分流がよくなり、モジュール内での発熱の偏りが小さくなるので、冷却器を小型化できるという利点がある。

なお、図２では、第１端子Ｍ１、第２端子Ｍ２及び第３端子Ｍ３の各締結部における穴３２の数、すなわち締結点の数を３としているが、１又は２又は４以上であってもよい。また、第１端子Ｍ１、第２端子Ｍ２、及び第３端子Ｍ３は必要となる電流容量に応じてそれぞれ複数設けられることとしてもよい。

図３の説明に戻り、図３に示す主回路の構成では、正極（Ｐ）及び負極（Ｎ）の電位を有するフィルタコンデンサ１０の直流端子間に３つのパワーモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗが並列に接続されている。パワーモジュール１２Ｕの第２端子Ｍ２はＵ相交流端子として、モータ８のＵ相端子に電気的に接続される。以下同様に、パワーモジュール１２Ｖの第２端子Ｍ２はＶ相交流端子として、モータ８のＶ相端子に電気的に接続され、パワーモジュール１２Ｗの第２端子Ｍ２はＷ相交流端子として、モータ８のＷ相端子に電気的に接続される。

なお、図３では、パワーモジュール１２Ｕに搭載されるスイッチング素子４ａ，４ｂとして、ＭＯＳＦＥＴを例示しているが、ＭＯＳＦＥＴ以外であってもよい。ＭＯＳＦＥＴ以外の素子としては、ＩＧＢＴ、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）素子が例示される。

また、本実施の形態による効果は、スイッチング動作の速いワイドバンドギャップ半導体素子、あるいは高速で動作するＳｉスイッチング素子が搭載される電力変換装置に用いた場合に効果的である。なお、ワイドバンドギャップ半導体素子としては、ＳｉＣ又は窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを素材とする半導体素子が例示される。

図４は、本実施の形態に係る電力変換装置を鉄道車両に搭載した場合の構成例を示す図であり、鉄道車両に搭載される電力変換装置１の内部を車両上部側からレール側に向けて視認したときの正視図である。

電力変換装置１は、放熱器３５、ゲート制御ユニット３７、断流器及びＩ／Ｆユニット３８、並びに主回路３９を備えて構成される。また、主回路３９は、ゲート駆動回路基板４０、フィルタコンデンサ４１、素子部４２、ブスバー４３、導体バー４４及び出力コア４５を有して構成される。なお、実際の車両搭載状態では、放熱器３５を除く、ゲート制御ユニット３７、断流器及びＩ／Ｆユニット３８、並びに主回路３９は、筐体３６の内部に収容されて外気から遮蔽される。一方、放熱器３５は、外気に触れるように筐体３６の外部に取り付けられ、冷却風にて冷却可能に構成される。

素子部４２は、図２に示したパワーモジュール１２を複数含む構成部である。ゲート駆動回路基板４０は、素子部４２のパワーモジュール１２をＰＷＭ駆動するのに必要な駆動信号を生成するゲート駆動回路４０ａを搭載した基板である。断流器及びＩ／Ｆユニット３８は、主回路３９に流れる電流を遮断する機能、及びゲート制御ユニット３７とゲート駆動回路４０ａとの間の信号授受を行う機能を有する構成部である。フィルタコンデンサ４１は、電力変換に必要な直流電力を蓄積する構成部であり、電力変換装置１における電力供給源である。

フィルタコンデンサ４１と素子部４２を構成するパワーモジュール１２とは、Ｌ字形状に形成されたブスバー４３によって結ばれる。ブスバー４３としては、薄板金属板を絶縁物を介して重ねて低インダクタンスで構成した積層ブスバー、又は、積層ブスバーの外部面を例えば樹脂製のフィルムであるラミネート材で被覆したラミネートブスバーが代表的である。なお、ラミネートブスバーは、下述する並行平板導体の一例であり、寄生インダクタンスが小さいという特徴がある。また、ラミネートブスバーは、薄板金属板、絶縁物がラミネート材で既に一体に被覆されている部品のため、電力変換装置の製造の手間を抑えられるという特徴がある。

ブスバー４３は、Ｌ字形状の一部を成す第１の部位４３ａがパワーモジュール１２の表面に設けられた各電極端子から後述する導体バー４４とは反対側のゲート駆動回路基板４０側に延び、ゲート駆動回路基板４０の手前でゲート駆動回路基板４０の基板面に平行に折り曲げられる。すなわち、第２の部位４３ｂは導体バー４４とは反対側に折り曲げられ、Ｌ字形状の他の一部を成すように第１の部位４３ａの導体バー４４とは反対側の端部から突出して設けられている。また、第２の部位４３ｂが突出する方向は、パワーモジュール１２の表面から上方側、略垂直に突出している。図４においては、パワーモジュールの表面が下方側に向いているため、第２の部位４３ｂが突出する方向も下方側になる。詳細は後述するが、ブスバー４３では、絶縁フィルムを介し、２つの平板導体が並行して積層された並行平板導体である。また、ゲート駆動回路基板４０は、第２の部位４３ｂの導体バー４４とは反対側の面に取り付けられている。ここでは、２つの平板導体のうちの一方を第１導体とし、もう一方を第２導体とする。なお、電力変換装置１が動作するとき、第１導体と第２導体には、異なる電位が印加される。また、スイッチング素子のオンオフのスイッチング動作により、第１導体と第２導体にはスイッチング電流が通流し、電磁ノイズが発生する。

ブスバー４３の第１の部位４３ａにおける第１導体は、パワーモジュール１２における一方の直流端子である第１端子Ｍ１に電気的に接続され、ブスバー４３の第１の部位４３ａにおける第２導体は、パワーモジュール１２における他方の直流端子である第３端子Ｍ３（図４では不図示）に電気的に接続される。

フィルタコンデンサ４１には、正極端子を成すＰ端子４１ａ及び負極端子を成すＮ端子４１ｂが設けられている。ブスバー４３の第２の部位４３ｂにおける第１導体は、フィルタコンデンサ４１のＰ端子４１ａに電気的に接続され、ブスバー４３の第２の部位４３ｂにおける第２導体は、フィルタコンデンサ４１のＮ端子４１ｂに電気的に接続される。このようにして、Ｌ字形状に形成されたブスバー４３によって、フィルタコンデンサ４１とパワーモジュール１２とが電気的に接続される。また、フィルタコンデンサ４１は、パワーモジュール１２から見て、パワーモジュール１２の各端子が設けられた表面の上部側に配置されることで、電力変換装置１全体の載置面積を低減することができる。

一方、パワーモジュール１２における交流端子である第２端子Ｍ２と、負荷であるモータ８との電気的接続は、ブスバー４３とは物理的に異なる導体バー４４を用いる。なお、導体バー４４は、ブスバー４３のような並行平板導体である必要はなく、単なる導体でよい。但し、スイッチング素子のオンオフのスイッチング動作により、導体バー４４の電位は変動し、電磁ノイズが発生する。

導体バー４４は、ブスバー４３と同様にＬ字形状に折り曲げられて形成されている。ただし、導体バー４４の延びる方向は、ブスバー４３とは逆方向である。具体的に説明すると、導体バー４４は、Ｌ字形状の一部を成す第１の部位４４ａが、ブスバー４３が延びる方向とは反対方向に延び、フィルタコンデンサ４１の底面を過ぎたところで折り曲げられ、第２の部位４４ｂとしてＬ字形状の他の一部を成す。第２の部位４４ｂは、出力コア４５に挿入される。出力コア４５は、モータ８と電力変換装置１とを接続するための端子部である。なお、図４では、導体バー４４の一つを示しているが、交流端子はＵＶＷの３端子あり、他の２つの導体バー４４も同様に接続される。

図５は、本実施の形態に係るブスバー４３の構造を模式的に示す図である。図５では２つの平板導体を示しているが、一方の平板導体が上述した第１の導体であり、他方の平板導体が上述した第２の導体である。ここで、図示のように、第１の導体及び第２の導体の幅（以下「導体幅」と称する）をａとし、第１の導体と第２の導体との間の空隙距離（以下「導体間距離」と称する）をｂとし、第１の導体及び第２の導体の厚さ（以下「導体厚」と称する）をｃとすると、これらの間には、以下の関係があるものとする。

ａ／ｃ≧５ …（１）
ａ／ｂ≧５ …（２）

すなわち、導体断面における導体幅ａと導体厚ｃの比は５以上であり、且つ、導体幅ａが導体間距離ｂの５倍以上であるとする。一方の平板導体である第１の導体と、他方の平板導体である第２の導体とが、上記（１）及び（２）式の関係を満たすとき、第１の導体及び第２の導体は、後述する本実施の形態の効果を得ることができる。このため、第１の導体及び第２の導体が上記（１）及び（２）式の関係を満たすとき、両者は並行平板導体であると定義する。

次に、本実施の形態に係る電力変換装置における構造上の特徴と当該特徴によって生じる固有の効果について説明する。なお、説明に際し、従来から存在する１ｉｎ１のパワーモジュール（以下「１ｉｎ１モジュール」と称する）を用いて構成した電力変換装置を比較例として使用する。

図６は、１ｉｎ１モジュールを図１に示した主回路３に適用した場合の回路図である。１ｉｎ１モジュールを用いる場合、図６に示すように、Ｕ相正側スイッチング素子１０２Ｕ、Ｕ相負側スイッチング素子１０２Ｘ、Ｖ相正側スイッチング素子１０２Ｖ、Ｖ相負側スイッチング素子１０２Ｙ、Ｗ相正側スイッチング素子１０２Ｗ、及びＷ相負側スイッチング素子１０２Ｚからなる６個のモジュールが必要となる。

（第１の効果−電気配線間の電磁ノイズ伝搬の防止）
第１の効果については、図７から図９の図面を参照して説明する。図７は、図４に示した電力変換装置の内部を矢視Ａ方向から視認したときの側面図である。図７では、２ｉｎ１モジュールを用いて構成した電力変換装置におけるモジュール配置を示している。図８は、１ｉｎ１モジュールを用いて構成した電力変換装置における典型的なモジュール配置例を示す図である。図９は、１ｉｎ１モジュールを用いて構成した電力変換装置におけるラミネートブスバーの積層状態を示す図である。なお、煩雑さを避けるため、図７では、ゲート駆動回路基板４０及びゲート駆動回路４０ａの図示は省略している。

まず、１ｉｎ１モジュールを用いた場合、インバータの主回路を構成するには６つのモジュールが必要となる。ここで、限られた空間の中で、６つの１ｉｎ１モジュールを一列で配置すると、列方向について電力変換装置が大型化してしまう。このため、図８に示すように、主回路の回路構成に合わせて複数列で配置することが一般的に行われていた。

図８の配置の場合、モジュール間の接続、モジュールとコンデンサとの接続、及び主回路とモータとの接続に用いるブスバー１０４としては、図９に示すように、絶縁フィルム（図９では不図示）を介して積層される３つの導体部１０４Ｐ，１０４Ｎ，１０４ＡＣが必要となる。なお、スイッチング素子のオンオフのスイッチング動作により、導体部１０４Ｐ、１０４Ｎにはスイッチング電流が通流し、電磁ノイズが発生する。また、スイッチング素子のオンオフのスイッチング動作により、導体部１０４ＡＣの電位は変動し、電磁ノイズが発生する。１ｉｎ１モジュールの主回路構造では、直流電流が流れる導体部１０４Ｐ，１０４Ｎと、交流電流が流れる導体部１０４ＡＣとは物理的に離間されておらず、絶縁フィルムの異常による絶縁破壊のリスクは、２ｉｎ１モジュールに比して大きくなっていた。そのため、絶縁フィルムを厚くしていたが、そのことで電力変換装置が大型化してしまっていた。あるいは、厚さは薄いものの、絶縁性能の高い絶縁フィルムを用いていたが、電力変換装置が高コストとなってしまっていた。このように、絶縁フィルムの異常による絶縁破壊を防止する対策を施した場合でも、導体部１０４Ｐ，１０４Ｎ，１０４ＡＣが近接しているため、導体部１０４Ｐ，１０４Ｎと導体部１０４ＡＣの間で相互に電磁ノイズが伝搬し、電力変換装置が誤動作する可能性が高くなる構造であった。よって、例えば、電力変換装置の部品の１つであるゲート駆動回路について誤動作対策を行うには、スイッチング電流に起因する電磁ノイズと電圧変動に起因する電磁ノイズの双方への誤動作対策が必要であった。

一方、２ｉｎ１モジュールを用いた場合、図７に示すように、冷却風の風上側に直流端子である第１端子Ｍ１及び第３端子Ｍ３を集めることができると共に、冷却風の風下側に交流端子である第２端子Ｍ２を集めることができる。これにより、直流端子と交流端子との間には物理的な空間が確保され、物理的な空間によって直流端子と交流端子との間の絶縁を確保することができる。また、図７に示すように、直流部位と交流部位とが空間１８で分離されるので、両者の電位が安定化する。このため、ブスバー４３としてラミネートブスバーを使用した場合において、ラミネートブスバーの外装絶縁フィルムに異常があった場合でも、直流電流が流れる導体部位と、交流電流が流れる導体部位とは物理的に離間されることで、必要な絶縁耐力を維持することが可能になる。さらに、導体部１０４Ｐ，１０４Ｎと導体部１０４ＡＣの間で電磁ノイズが相互に伝搬することを防止することが可能となる。

以上の説明のように、本実施の形態に係る電力変換装置は、１ｉｎ１モジュールを用いた従来の電力変換装置に比して、層間絶縁の安定性が高くなり、さらにはパワーモジュール外部の配線の電磁ノイズに起因する電力変換装置の誤動作を抑止できるという効果を奏する。

ここで、フィルタコンデンサ４１と素子部４２を構成するパワーモジュール１２が、Ｌ字形状に形成されたブスバー４３によって結ばれることの効果を説明しておく。第１導体と第２導体にはスイッチング電流が通流し、電磁ノイズが発生することは先に述べた通りである。同様に、フィルタコンデンサ４１の端子にもスイッチング電流が通流し、フィルタコンデンサ４１の端子に電磁ノイズが発生する。そして、パワーモジュール１２の端子にもスイッチング電流が通流し、パワーモジュール１２の端子にも電磁ノイズが発生する。本構成であれば、ブスバー４３がＬ字形状に形成されていることから、フィルタコンデンサ４１の端子に発生する電磁ノイズの方向とパワーモジュール１２の端子に発生する電磁ノイズの方向が異なる。よって、フィルタコンデンサ４１の端子に発生する電磁ノイズとパワーモジュール１２の端子に発生する電磁ノイズが強め合うことは無い。よって、パワーモジュール外部の配線の電磁ノイズに起因する電力変換装置の誤動作を抑止できる。さらに、Ｌ字形状のブスバー４３の第２の部位４３ｂが導体バー４４側に設けられてしまうと直流端子と交流端子とが近接してしまうため、導体バー４４とは反対側にブスバー４３の第２の部位４３ｂを設けることで、直流側と交流側の物理的な分離をより確実に実現している。

（第２の効果−構造の簡略化）
第２の効果については、図４、図６から図８、並びに図１０及び図１１の図面を参照して説明する。図１０は、ゲート駆動回路基板４０が取り付けられた状態の本実施の形態に係る電力変換装置における主回路の構成を示す斜視図である。図１１は、１ｉｎ１モジュールを用いた場合におけるゲート駆動基板の取り付け状態を示す斜視図である。

まず、１ｉｎ１モジュールを用いた従来の電力変換装置は、図８に示すように、直流部位と交流部位とが絶縁物を介して共存する構造である。この構造により、直流部位を介してコンデンサを通流するスイッチング電流が作る電磁ノイズと、電位が変動する交流部位が作る電磁ノイズとが強め合い、ゲート駆動回路基板１０６（図１１参照）が電磁ノイズの影響を受け易くなっていた。このため、図１１に示すように、ゲート駆動回路基板１０６とブスバー１０４との間にシールドフレーム１０８を設けると共に、シールドフレーム１０８に絶縁スペーサ１１０を設けてゲート駆動回路基板１０６を取り付けていた。

これに対し、本実施の形態に係る電力変換装置１は、図４に示すように、電力変換装置内で直流部位と交流部位とが分離される構造である。これにより、図１０に示すように、ゲート駆動回路基板４０を絶縁スペーサ４８という簡易な部品を用いて、ブスバー４３に直接的に取り付けることが可能となり、構造が簡略化されている。

以上の説明のように、本実施の形態に係る電力変換装置は、１ｉｎ１モジュールを用いた従来の電力変換装置に比して、部品点数を少なくすることができ、構造が簡略化できるという効果を奏する。

（第３の効果−冷却器の小型化及び冷却効率の改善）
第３の効果については、図７及び図８の図面を参照して説明する。図７及び図８には、冷却風の方向が示されている。

まず、１ｉｎ１モジュールを用いた場合、前述の通り、インバータの主回路を構成するには６つのモジュールが必要となるので、２ｉｎ１モジュールのように一列で配置することは困難であり、必然的に、冷却風に沿う方向に１ｉｎ１モジュールが並ぶ配置であった。その結果、風上側のモジュールと風下側のモジュールとで冷却性能の差異が大きくなり、風下側のモジュールに合わせて冷却性能を確保する必要があった。これにより、冷却器の体積及びコストが増大し、冷却効率に改善の余地があった。

一方、本実施の形態に係る電力変換装置では、前述の通り、３つの２ｉｎ１モジュールで構成できるので、図７に示すように、３つのパワーモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗを冷却風に直交する方向に配列することが可能である。本構成により、冷却器を小型化することが可能となる。また、冷却器の小型化により、冷却効率の改善も可能となる。また、電力変換装置全体の電力容量とパワーモジュール１２の電力容量との関係によってはそれぞれパワーモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗを並列に接続する必要が生じ、２ｉｎ１モジュールの場合でも複数列となる場合があるが、かかる場合においても１ｉｎ１モジュールを用いる場合と比較すればパワーモジュールが配置される列数が低減されるため、冷却器全体の小型化を実現することができる。

以上の説明のように、本実施の形態に係る電力変換装置は、１ｉｎ１モジュールを用いた従来の電力変換装置に比して、冷却器を小型化し、冷却効率を改善できるという効果を奏する。

次に、２ｉｎ１モジュールに設けられる第１端子Ｍ１、第２端子Ｍ２及び第３端子Ｍ３の配置と、当該配置がもたらす効果について、図１２から図１４の図面を参照して説明する。図１２は、２ｉｎ１モジュールにおける端子配置のバリエーションを示す図である。図１２には、（ａ）〜（ｃ）の３つのバリエーションが示されており、それぞれを巾着型パワーモジュール、対向型パワーモジュール及び１列型パワーモジュールと呼称する。

図１２（ａ）に示す巾着型パワーモジュールは図２にも示した本実施の形態のパワーモジュールである。ここで、各パワーモジュールにおいて、第１端子Ｍ１における長辺の中心と第２端子Ｍ２における短辺の中心との距離をｄ１とし、第１端子Ｍ１における長辺の中心と第２端子Ｍ２とは逆側のモジュール筐体の短辺との距離をｄ２とし、モジュール筐体の長辺の長さをＬとする。

まず、巾着型パワーモジュールでは、図１２（ａ）に示すように、ｄ１とｄ２との間に、ｄ１＜ｄ２の関係がある。また、対向型パワーモジュールは、巾着型パワーモジュールとは逆の関係にあり、ｄ１＞ｄ２の関係がある。さらに、１列型パワーモジュールは、ｄ１＝０、ｄ２＝Ｌ／２であり、各端子における締結部の向きが、３つ共に同じ向きに揃っているという特徴がある。

ここで、対向型パワーモジュールを本実施の形態に係る電力変換装置に適用した場合、図１３に示すように構成される。対向型パワーモジュールの場合、第１端子Ｍ１及び第３端子Ｍ３がモジュール筐体の端部側に配置されているので、Ｌ字形状の一部を成す第１の部位４３ａの長さを短くする必要がある。しかしながら、第１の部位４３ａの長さが短くなるので、破線４９で示す曲げ部位を作るための曲げ強度が大きく、曲げ作業が困難となる。一方、巾着型パワーモジュールの場合には、第１の部位４３ａの長さを長くすることができるので、曲げ部位を作るための曲げ強度が小さく、曲げ作業が容易になるという利点がある。

また、１列型パワーモジュールの場合、各端子における締結部の向きが、３つ共に同じ向きに揃っているため、図１４に示すような構成となる。すなわち、１列型パワーモジュールの場合、３つの導体が並行配列された並行平板導体であるブスバー１０４が用いられる。このようなブスバー１０４を用いる場合、上述した電磁ノイズが強め合う問題がある。このため、ブスバー１０４とゲート駆動回路基板４０との間には、１ｉｎ１モジュールの場合と同様に、シールドフレーム１０８を設ける必要があり、部品点数が増加し、コスト及びサイズの増加を余儀なくされる。一方、巾着型パワーモジュールの場合には、１列型パワーモジュールのような不利益は生じない。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 電力変換装置、２ 入力回路、３，３９ 主回路、４ａ，５ａ，６ａ，４ｂ，５ｂ，６ｂ スイッチング素子、７ 制御部、８ モータ、１０，４１ フィルタコンデンサ、１２，１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗ パワーモジュール、３０ パッケージ、３２ 穴、３４ ナット、３５ 放熱器、３６ 筐体、３７ ゲート制御ユニット、３８ 断流器及びＩ／Ｆユニット、４０，１０６ ゲート駆動回路基板、４０ａ ゲート駆動回路、４１ａ Ｐ端子、４１ｂ Ｎ端子、４２ 素子部、４３，１０４ ブスバー、４３ａ 第１の部位、４３ｂ 第２の部位、４４ 導体バー、４５ 出力コア、４８，１１０ 絶縁スペーサ、５０ 架線、５１ 集電装置、５２ レール、５３ 車輪、１０２Ｕ Ｕ相正側スイッチング素子、１０２Ｖ Ｖ相正側スイッチング素子、１０２Ｗ Ｗ相正側スイッチング素子、１０２Ｘ Ｕ相負側スイッチング素子、１０２Ｙ Ｖ相負側スイッチング素子、１０２Ｚ Ｗ相負側スイッチング素子、１０４Ｐ，１０４Ｎ，１０４ＡＣ 導体部、１０８ シールドフレーム、Ｍ１ 第１端子、Ｍ２ 第２端子、Ｍ３ 第３端子。

Claims (10)

1. コンデンサと、
   第１の部位と第２の部位とを有し、前記第１の部位と前記第２の部位とがＬ字形状を成す並行平板導体と、
   導体バーと、
   第１端子、第２端子、及び第３端子を表面に有し、正側スイッチング素子の正極が前記第１端子に電気的に接続され、前記正側スイッチング素子の負極と負側スイッチング素子の正極とが前記第２端子に電気的に接続され、前記負側スイッチング素子の負極が前記第３端子に電気的に接続されたパワーモジュールとを備え、
   前記パワーモジュールの前記第１端子は、前記並行平板導体を介してコンデンサの正極に電気的に接続されると共に、前記パワーモジュールの前記第３端子は、前記並行平板導体を介して前記コンデンサの負極に電気的に接続され、前記パワーモジュールの第２端子は、前記導体バーを介して負荷に電気的に接続され、
   前記並行平板導体の前記第１の部位と前記パワーモジュールとが電気的に接続され、
   前記並行平板導体の前記第２の部位と前記コンデンサとが電気的に接続され、
   前記並行平板導体の前記第２の部位は、前記第１の部位の前記導体バーとは反対側の端部から前記パワーモジュールの表面の上方に突出して設けられる
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第１端子及び前記第３端子は、モジュール筐体における一方の表面側に設けられ、且つ、前記第１端子及び前記第３端子の配列の並びが長手方向に直交する方向に配列され、前記第２端子は、前記モジュール筐体の長手方向における一方の端部側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１端子、前記第２端子及び前記第３端子の各締結部は横長に形成され、
   前記第１端子及び前記第３端子は、横長に形成された各締結部の長手方向が前記モジュール筐体の長手方向に平行となり、
   前記第２端子は、横長に形成された締結部の長手方向が前記モジュール筐体の長手方向に直交する方向に配列されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１端子及び前記第３端子は、前記一方の表面側の中央部に設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電力変換装置。
5. 前記第１端子、前記第２端子及び前記第３端子の各締結部には、複数の締結点が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記並行平板導体及び前記導体バーは、それぞれがＬ字形状を成し、前記並行平板導体が延びる方向と、前記導体バーが延びる方向とは互いに逆方向であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記並行平板導体がラミネートブスバーであることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記パワーモジュールを制御するゲート駆動回路を備え、
   前記ゲート駆動回路は、前記並行平板導体の前記第２の部位における前記導体バーとは反対側の面に設けられる、
   ことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記正側スイッチング素子及び前記負側スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子であることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の電力変換装置。
10. 前記ワイドバンドギャップ半導体素子は、ＳｉＣ、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを素材とする半導体素子であることを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。

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