JP6999777B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の平面方向の小型化を図るとともに、振動によるたわみを抑制し耐振動性を向上させる。【解決手段】電力変換装置１は、冷却器１０の冷却面１１に搭載されたパワーモジュール２０と、プリント基板４０のＣ面４０ａとＳ面４０ｂにそれぞれ搭載された第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂとを備えている。第一のコンデンサ３０ａは第二のコンデンサ３０ｂよりも冷却要求が高い種類のものである。プリント基板４０は、Ｃ面４０ａを冷却面１１の側として冷却面１１と対向配置され、第一のコンデンサ３０ａは冷却面１１と熱的に接続される。これにより、全てのコンデンサを冷却面１１と熱的に接続する場合と比較して冷却面１１の面積及びプリント基板４０の面積を低減することができる。【選択図】図３

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。

電力変換装置は、一般的に、電力を変換するためのスイッチング素子あるいはそれらスイッチング素子をモジュール化したパワーモジュールと、パワーモジュールに入力される直流電圧の変動を抑制するための平滑コンデンサとを備えている。

近年の電力変換装置の小型化及び高出力化に伴い、パワーモジュールからの熱を効率よく冷却器へ放熱するための冷却構造が開発されている。一方、平滑コンデンサも自身の発熱あるいはパワーモジュールからの受熱によって温度上昇が大きく、コンデンサ定格温度を超過しないように冷却する必要がある。このため、パワーモジュールだけでなく平滑コンデンサも冷却可能な冷却構造が求められている。

パワーモジュールと平滑コンデンサの双方を冷却可能な冷却構造として、例えば特許文献１には、冷媒流路が形成された水路筐体にコンデンサモジュール挿入部を設け、コンデンサモジュール挿入部を挟んで両側に半導体モジュール挿入部を設けることが開示されている。

特許第５２４７７４５号

近年開発が盛んな電気自動車においては、より高出力で小型化された高耐久の電力変換装置の要求が高まっている。小型化の要求の中には、装置全体の体積とは別に、一平面方向に対する制限が課されることがある。上記特許文献１のような冷却構造では、平滑コンデンサを全て冷却面へ配置しているため、装置が冷却面方向に拡大するという課題がある。また、冷却面方向が拡大することで、自動車が走行する際に生じる振動によるたわみが大きくなり、装置が破損し易くなるという課題がある。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、電力変換装置の平面方向の小型化を図るとともに、振動によるたわみを抑制し耐振動性を向上させることを目的とする。

本願に係る電力変換装置は、冷媒流路を有し少なくとも一つの面が冷却面として形成された冷却器と、冷却面に搭載されたパワーモジュールと、配線パターンが形成された配線層を２層以上有するプリント基板と、プリント基板に搭載されたコンデンサとを備え、コンデンサは第一のコンデンサと第二のコンデンサとを含み、第一のコンデンサ及び第二のコンデンサは平滑コンデンサであり、第一のコンデンサは第二のコンデンサよりも冷却要求が高い種類のものであり、プリント基板は冷却面と対向配置され、プリント基板の冷却面の側の面を第一面、第一面と反対側の面を第二面とするとき、第一のコンデンサは第一面に搭載されて冷却面と熱的に接続され、第二のコンデンサは第二面に搭載されるものである。

本願に開示される電力変換装置によれば、冷却要求の異なる第一のコンデンサと第二のコンデンサとを備え、より冷却要求の高い第一のコンデンサのみを冷却面と熱的に接続することにより、全てのコンデンサを冷却面と熱的に接続する場合と比較して冷却面の面積及びプリント基板の面積を低減することができる。従って、平面方向の小型化が図られるとともに、振動によるたわみが抑制され耐振動性が向上する。

実施の形態１に係る電力変換装置の回路の一例を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の上面図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の側面断面図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の正面断面図である。 実施の形態１に係る電力変換装置のプリント基板の配線パターン例を示す図である。 実施の形態２に係る電力変換装置の側面断面図である。 実施の形態２に係る電力変換装置の正面断面図である。 実施の形態２に係る電力変換装置の冷却器の三面図である。 実施の形態３に係る電力変換装置の正面断面図である。 実施の形態３に係る電力変換装置の冷却器の三面図である。 実施の形態４に係る電力変換装置の正面断面図である。 実施の形態４に係る電力変換装置の側面断面図である。 実施の形態５に係る電力変換装置の上面図である。 実施の形態５に係る電力変換装置の正面断面図である。 実施の形態６に係る電力変換装置の上面図である。 実施の形態６に係る電力変換装置を説明する図である。 実施の形態６に係る電力変換装置の側面断面図である。 実施の形態６に係る電力変換装置の正面断面図である。 実施の形態６に係る電力変換装置のプリント基板の１層目と４層目の配線パターン例を示す図である。 実施の形態６に係る電力変換装置のプリント基板の２層目と３層目の配線パターン例を示す図である。 実施の形態７に係る電力変換装置のプリント基板の１層目と６層目の配線パターン例を示す図である。 実施の形態７に係る電力変換装置のプリント基板の２層目と５層目の配線パターン例を示す図である。 実施の形態７に係る電力変換装置のプリント基板の３層目と４層目の配線パターン例を示す図である。 実施の形態８に係る電力変換装置の上面図である。 実施の形態８に係る電力変換装置の側面断面図である。 実施の形態８に係る電力変換装置の正面断面図である。

実施の形態１．
以下に、実施の形態１による電力変換装置について、図面に基づいて説明する。図１は、実施の形態１による電力変換装置の回路の一例を示す図、図２は、実施の形態１による電力変換装置の上面図、図３は、図２中Ａ－Ａで示す部分を矢印方向から見た側面断面図、図３は、図２中Ｂ－Ｂで示す部分を矢印方向から見た正面断面図である。また、図５は、実施の形態１による電力変換装置のプリント基板に形成される配線パターンの例を示している。なお、各図において、同一、相当部分には同一符号を付している。

実施の形態１による電力変換装置１は、例えば電気自動車に搭載されるものであり、図１に示すインバータ回路を備えている。インバータ回路は、電力変換部２、電力平滑部３、Ｐ側配線４ａ及びＮ側配線４ｂ（総称して配線４）、及び制御回路部５を含む。

電力変換部２は、スイッチング素子２０ａを含むパワーモジュール２０を備えている。パワーモジュール２０は、スイッチング素子２０ａをスイッチングすることで直流電流を交流電流へと変換し、交流配線を通してモータ６を駆動させる。また、回生ブレーキ等でモータ６に生じた交流電流を、交流配線を通してパワーモジュール２０で整流し、平滑コンデンサ３０にて平滑してバッテリ７に蓄える。

電気自動車を駆動するモータ６は、三相交流型のフルブリッジ回路によって駆動されることが多いため、３個のパワーモジュール２０で構成される。スイッチング素子２０ａは、例えばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅａｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、またはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等である。

電力平滑部３は、電力変換部２の入力段に配置された平滑コンデンサ３０を備え、数十Ｖから数百Ｖのリチウムイオンバッテリであるバッテリ７の入力電圧を平滑する。平滑コンデンサ３０は、バッテリ７から長い配線を経るため振動し易いパワーモジュール２０の入力電圧、またはモータ６で発電しパワーモジュール２０で整流したリップルのある電圧を平滑する。平滑コンデンサ３０は、例えばアルミ電解コンデンサ、フィルムコンデンサ、セラミックコンデンサ、電気二重層コンデンサ等である。

制御回路部５は、パワーモジュール２０へ適切な信号を出力し、目標のモータ駆動周波数及びトルクが得られるようパワーモジュール２０のスイッチングを制御する。制御回路部５の電圧は２０Ｖ以下であることが多く、数十Ｖから数百Ｖが印加されるパワーモジュール２０と回路的に絶縁されることが多い。

パワーモジュール２０と平滑コンデンサ３０は、配線４によって電気的に接続される。配線４には大電流が流れ高温になる場合が多いため、被覆付きのケーブルではなく、導体部が露出したバスバーまたはプリント基板４０の配線パターンが用いられる。配線４は、バッテリ７の高電圧部と回路上で同電位となるＰ側配線４ａと、バッテリ７の低電圧部と回路上で同電位となるＮ側配線４ｂとを含む。配線４の材料は、例えば銅、アルミニウム、スズ、金、銀、鉄、あるいはそれらを含む合金、ニッケル合金等の金属から選択される。

図１に示す電力変換装置１において、平滑コンデンサ３０は、自身の等価直列抵抗（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｓｅｒｉｅｓ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：以下、ＥＳＲと記す）によるジュール発熱と、配線４及びパワーモジュール２０からの受熱とによって温度上昇する。このため、平滑コンデンサ３０が定格温度を超過しないようにする必要がある。

電力変換装置１を構成する冷却器１０、パワーモジュール２０、プリント基板４０、及び平滑コンデンサ３０について、図２から図５を用いて詳細に説明する。冷却器１０は、図３に示すように、冷媒１３が通る冷媒流路１２を有し、流路入口１２ａにて電力変換装置１の外部から冷媒１３を流入させ、流路出口１２ｂにて電力変換装置１の外部へ流出させる。冷媒１３には、水、エチレングリコール等の液体、またはフルオロカーボン系、プロパン、プロピレン、ブタン、二酸化炭素、アンモニア等の気体が用いられる。

冷却器１０は、少なくとも一面が冷却面１１として形成されている。冷却面１１は、冷却面１１から冷媒流路１２までの熱抵抗を、冷却器１０の他の面から冷媒流路１２までの熱抵抗よりも小さくことにより形成される。具体的には、冷却面１１から冷媒流路１２までの構造体の厚さを小さくしたり、冷却面１１から冷媒流路１２までの構造体の材質を熱伝導率の高いものとしたり、冷却面１１側の冷媒流路１２にフィンを設けて熱伝導率を高くしたりする。

冷却器１０の材質は、アルミニウム、銅、スズ、金、銀、鉄、あるいはそれらを含む合金、ニッケル合金等の金属、あるいは窒化アルミニウム、炭化珪素等のセラミック、あるいは炭素系の複合素材等から選択される。冷却器１０は、例えば冷媒流路１２の下面を含む平面にて上部と下部に分離できる構造である。

冷却器１０の成形方法としては、金型を用いた押し出し成形の他、型に液状材料を流し込み固化させる方法、あるいはブロック状の材料を削り出す方法等がある。上部と下部をそれぞれ成形した後、流路入口１２ａ及び流路出口１２ｂを含めてねじ止め、溶接、または接着等で固定する。あるいは、３Ｄプリンタのような機械を用いて造形することも可能である。

パワーモジュール２０は、Ｐ側端子２１ａ、Ｎ側端子２１ｂ、交流配線と接続される交流端子２３、及びインバータ制御部と接続される信号端子２２等の端子を備えている。パワーモジュール２０は、冷却器１０の冷却面１１に搭載され、押しばね、ねじ止め等によって冷却器１０に固定される。パワーモジュール２０と冷却面１１との間には、必要に応じてＴＩＭ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）、放熱グリス、熱伝導性の高い接着剤等が配置される。

プリント基板４０は、Ｐ側配線パターン４１ａ及びＮ側配線パターン４１ｂ等の配線パターンが形成された配線層を２層以上有するものであり、実施の形態１ではＣ面４０ａとＳ面４０ｂの２層を有している。配線パターンの材質は、例えば銅、銀、金、スズ、ニッケル等である。またプリント基板４０の材質は、例えば紙フェノール、紙エポキシガラスコンポジット、ガラスエポキシ、ポリイミド、及び金属等である。

プリント基板４０に搭載されるコンデンサは平滑コンデンサ３０であり、第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂとを含む。なお、これらを特に区別する必要のない場合は総称して平滑コンデンサ３０という。第一のコンデンサ３０ａは第二のコンデンサ３０ｂよりも冷却要求が高い種類のものである。

プリント基板４０は、冷却器１０の冷却面１１と対向配置される。実施の形態１では、プリント基板４０と冷却面１１は、スペーサ１４を介して対向配置されている。プリント基板４０の冷却面１１の側の面を第一面、第一面と反対側の面を第二面とするとき、第一のコンデンサ３０ａは第一面（すなわちＣ面４０ａ）に搭載されて冷却面１１と熱的に接続され、第二のコンデンサ３０ｂは第二面（すなわちＳ面４０ｂ）に搭載される。

なお、熱的に接続とは、２つの物体が直接接触している状態、あるいは伝熱部材（図１４参照）を介して接触している状態をいう。すなわち、第一のコンデンサ３０ａと冷却面１１との間には、伝熱部材が配置されていてもよい。伝熱部材の熱伝導率は、０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、好ましくは１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、さらに好ましくは１０．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。

伝熱部材は、例えばＴＩＭ、放熱グリス、接着剤、及びポッティング等であり、それらの材質はシリコン系、エポキシ系、ウレタン系、及びアクリル系等の樹脂である。伝熱部材は、弾性あるいは熱硬化性を有し、２つの物体の間を隙間なく埋めることが好ましい。また、伝熱部材は絶縁性を有することが好ましい。

プリント基板４０は、複数の固定機構によって冷却器１０に固定される。実施の形態１において、固定機構はスペーサ１４及びねじ１５である。スペーサ１４は冷却器１０に固定され、ねじ１５はスペーサ１４に形成されたねじ穴（図示省略）に固定されている。スペーサ１４及びねじ１５の熱伝導率は、０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、好ましくは１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、さらに好ましくは１０．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。これにより、プリント基板４０の熱がスペーサ１４及びねじ１５を介して冷却器１０へ伝達される。

スペーサ１４及びねじ１５の材質は、例えばアルミニウム、銅、スズ、金、銀、鉄、あるいはそれらを含む合金、ニッケル合金等の金属、あるいは窒化アルミニウム、炭化珪素等のセラミック、あるいはエンジニアリングプラスチック（例えばＰＣ、ＰＯＭ、ＰＡ、ＰＥＴ、ＡＳ）、スーパーエンジニアリングプラスチック（例えばＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ＰＴＦＥ、ＰＥＳ）等の樹脂から選択される。スペーサ１４とねじ１５の材質は同じであっても異なっていてもよい。

実施の形態１では、図２に示すように、複数本のねじ１５がプリント基板４０の周縁部に設置され、１本のねじ１５はプリント基板４０の周縁部以外の箇所に設置されている。なお、プリント基板４０の周縁部以外に設置されるねじ１５は、複数本であってもよく、プリント基板４０の中心部に設置されていなくてもよい。

また、プリント基板４０を冷却器１０に固定するための固定機構は、ねじ１５に限定されるものではなく、接着剤を用いた接着、またはプリント基板４０の金属部との溶接、リベット等であってもよい。いずれの場合も、固定機構の少なくとも一つは、プリント基板４０の周縁部以外の箇所に配置されることが好ましい。

第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂは、それぞれ一個のコンデンサであってもよいし、複数個のコンデンサを含んでいてもよい。第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂの容量は、合計でおおよそ１μＦから１００ｍＦであり、コンデンサ一個当たり０．１μＦ以上であることが好ましい。

第一のコンデンサ３０ａは、第二のコンデンサ３０ｂよりも冷却要求が高い種類のものであり、第二のコンデンサ３０ｂよりも積極的に冷却する必要がある。第一のコンデンサ３０ａは冷却面１１と熱的に接続されているため、第二のコンデンサ３０ｂよりも積極的に冷却される。第二のコンデンサ３０ｂは、プリント基板４０、ねじ１５、スペーサ１４、及び第一のコンデンサ３０ａを冷却器１０までの伝熱経路として冷却される。

第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂの冷却要求の違いがそれらの発熱量の差に起因する場合、第一のコンデンサ３０ａは、第二のコンデンサ３０ｂよりも発熱量が大きい。また、発熱量の差がそれらの容量の差に起因する場合、第一のコンデンサ３０ａは、第二のコンデンサ３０ｂよりも容量が大きい。

第一のコンデンサ３０ａの容量をＣ１、第二のコンデンサ３０ｂの容量をＣ２とするとき、Ｃ２＜Ｃ１の関係が成立している。また、理想的なコンデンサのインピーダンスＺは、Ｚ＝１／ωＣ（ω：角周波数）で表されることから、第一のコンデンサ３０ａのインピーダンスＺ１と第二のコンデンサ３０ｂのインピーダンスＺ２についてＺ１＜Ｚ２が成立する。

さらに、上記のインピーダンスの関係から、平滑コンデンサ３０に対するバッテリ７からの電力供給時またはモータ６への電力供給時に第一のコンデンサ３０ａに流れる電流Ｉ１及び第二のコンデンサ３０ｂに流れる電流Ｉ２は、Ｉ２＜Ｉ１が成立する。第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂのＥＳＲが同程度である場合、第一のコンデンサ３０ａで生じる発熱Ｐ１と第二のコンデンサ３０ｂで生じる発熱Ｐ２についてＰ２＜Ｐ１が成立する。従って第一のコンデンサ３０ａの温度上昇は、第二のコンデンサ３０ｂの温度上昇よりも大きくなる。

また、発熱量の差がそれらの誘電正接の差に起因する場合、第一のコンデンサ３０ａは第二のコンデンサ３０ｂよりも誘電正接が大きい。第一のコンデンサ３０ａの誘電正接をｔａｎδ１、第二のコンデンサ３０ｂの誘電正接をｔａｎδ２とするとき、ｔａｎδ２＜ｔａｎδ１の関係が成立している。誘電正接は端的にはコンデンサの容量ＣとＥＳＲとの比を表す指標なので、第一のコンデンサ３０ａのＥＳＲをＥＳＲ１、第二のコンデンサ３０ｂのＥＳＲをＥＳＲ２とするとき、Ｃ１＝Ｃ２の条件においてＥＳＲ２＜ＥＳＲ１が成立する。このとき、Ｉ１＝Ｉ２であればＰ２＜Ｐ１が成立する。従って第一のコンデンサ３０ａの温度上昇は、第二のコンデンサ３０ｂの温度上昇よりも大きくなる。

また、第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂの冷却要求の違いが、それらの寿命に起因する場合、第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂは、同条件で使用したときの寿命に差があるものである。例えば任意の温度における第一のコンデンサ３０ａの寿命をＬ１、第二のコンデンサ３０ｂの寿命をＬ２とするとき、Ｌ１＜Ｌ２が成立する。ただし、コンデンサの寿命には、定格温度と実際のコンデンサ温度との差(大きいほど長寿命)、及び実際のコンデンサ温度と周辺温度との差(大きいほど短寿命)が影響するため、同条件で使用したときの寿命が長いものを第一のコンデンサ３０ａとする場合もある。いずれの場合も、第一のコンデンサ３０ａがＣ面４０ａに搭載されて冷却面１１と熱的に接続されると共に第二のコンデンサ３０ｂがＳ面４０ｂに搭載されることにより、第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂの寿命の差は、同条件で使用したときの寿命の差よりも小さくなる。

実施の形態１におけるプリント基板４０は２層で構成されており、図５（ａ）はＳ面の配線パターン例、図５（ｂ）はＣ面の配線パターン例を示している。なお、これらの図では、配線パターンが分かり易いように、平滑コンデンサ３０と重なっている部分の配線パターンも示している。層間を電気的に接続するビア４２が形成された部分あるいはその周辺を除いて、Ｓ面とＣ面におけるＰ側配線パターン４１ａとＮ側配線パターン４１ｂは対称の形となることが好ましい。

プリント基板４０は、パワーモジュール２０と電気的に接続される接続部４４を有するとともに、接続部４４と平滑コンデンサ３０とを電気的に接続する配線パターンを有する。パワーモジュール２０が備えるＰ側端子２１ａ、Ｎ側端子２１ｂは、接続部４４によってそれぞれＰ側配線パターン４１ａ、Ｎ側配線パターン４１ｂと電気的に接続される。

また、平滑コンデンサ３０は、コンデンサ端子３１によってＰ側配線パターン４１ａ、Ｎ側配線パターン４１ｂと電気的に接続される。コンデンサ端子３１は、プリント基板４０のスルーホールに差し込めるようなストレート形状であってもよいし、プリント基板４０のパターンと表面実装で接続できるような折れ曲がった形状であってもよい。

接続部４４は、パワーモジュール２０が備えるＰ側端子２１ａ及びＮ側端子２１ｂを差し込むことが可能なスルーホール、またはプリント基板４０上に実装された金具等である。上記端子と金具は、ねじ１５止め、溶接、導電性接着剤を用いた接着等により接続、固定される。

プリント基板４０に接続部４４が形成されていない場合は、プリント基板４０上に、Ｐ側配線パターン４１ａ及びＮ側配線パターン４１ｂとそれぞれ電気的に接続されたバスバーまたはハーネス等の配線部材が実装される。それらの配線部材は、直接、または別の導電性の構造体を介して上記端子と接続される。

以上のように構成された実施の形態１による電力変換装置１によれば、冷却要求の異なる第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂとを備え、より冷却要求の高い第一のコンデンサ３０ａをプリント基板４０のＣ面４０ａに搭載して冷却器１０の冷却面１１と熱的に接続することにより、全ての平滑コンデンサ３０を冷却面１１と熱的に接続する場合と比較して冷却面１１の面積及びプリント基板４０の面積を低減することができる。

また、発熱量の異なる第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂを用い、発熱量が小さい第二のコンデンサ３０ｂよりも発熱量が大きい第一のコンデンサ３０ａを積極的に冷却することにより、それらの温度差を抑制することができ、効率のよい冷却が行える。

比較例として、発熱量が同程度のコンデンサをプリント基板４０のＣ面４０ａとＳ面４０ｂに配置した場合、Ｓ面４０ｂに搭載されたコンデンサが定格温度を超過しないようにするために、Ｃ面４０ａ側のコンデンサを過剰に冷却する必要がある。

また、容量、誘電正接等の仕様が異なる第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂを用いることにより、同種のコンデンサのみを用いる場合と比較して、装置全体のサイズまたはコストに対する設計の自由度が向上する。

また、同条件で使用したときの寿命に差がある第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂを用い、第二のコンデンサ３０ｂよりも第一のコンデンサ３０ａを積極的に冷却することにより、それらの寿命の差を小さくすることができる。これにより、同経過年数におけるコンデンサ合計容量が増加するため、初期コンデンサ容量が小さいコンデンサを選定することが可能となる。一般にコンデンサ容量が小さいほどコンデンサのサイズも小さくなるため、冷却面１１の面積及びプリント基板４０の面積を低減することができる。

別の比較例として、寿命が同程度のコンデンサをプリント基板４０のＣ面４０ａとＳ面４０ｂに配置した場合、Ｓ面４０ｂに搭載されたコンデンサはＣ面４０ａに搭載されたコンデンサよりも寿命が短くなるため、Ｓ面４０ｂに搭載されたコンデンサに合わせた設計をする必要がある。

また、第一のコンデンサ３０ａと冷却面１１との間に伝熱部材を配置することにより、第一のコンデンサ３０ａに対する冷却効果が向上するとともに、第一のコンデンサ３０ａを伝熱経路としたプリント基板４０及び第二のコンデンサ３０ｂに対する冷却効果も向上する。これにより、平滑コンデンサ３０をより密集させて配置することが可能となり、プリント基板４０をさらに小型化することができる。

また、プリント基板４０のＰ側配線パターン４１ａとＮ側配線パターン４１ｂを層間で対向するように形成しているので、これらの配線パターンで生じるインダクタンスを低減することができる。これにより、パワーモジュール２０のスイッチング損失を低減することができ、パワーモジュール２０からの平滑コンデンサ３０の受熱を低減することができる。

また、プリント基板４０が接続部４４を有しているため、平滑コンデンサ３０とパワーモジュール２０とを電気的に接続するためのバスバー等の配線部材、または配線部材とプリント基板４０を接続するための端子部、または配線部材とパワーモジュール２０を接続するための端子部等の構造体が不要である。

従って、これらの構造体を用いた場合に比べ、構造体に存在する配線抵抗と構造体を流れる電流によって生じる発熱による平滑コンデンサ３０の受熱を低減することができる。また、上記構造体を有する場合に比べ配線インダクタンスを低減することができるため、パワーモジュール２０のスイッチング損失を低減することができ、平滑コンデンサ３０の受熱を低減することができる。

また、プリント基板４０をスペーサ１４とねじ１５で冷却器１０に固定することにより、第二のコンデンサ３０ｂとプリント基板４０は周辺の気相による冷却以外に冷却器１０への伝熱経路を有するため、温度上昇が低減される。これにより、第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂとの間の特性差をより大きくすることが可能となる。また、第一のコンデンサ３０ａの数を低減し第二のコンデンサ３０ｂの数を増加することが可能となり、装置全体のサイズまたはコストに対する設計の自由度が向上する。

また、スペーサ１４を銅等の高熱伝導率の材質とし、溶接等で冷却器１０と一体とすることにより熱抵抗をさらに小さくすることができ、第二のコンデンサ３０ｂとプリント基板４０の温度上昇をさらに低減することができる。これにより、第一のコンデンサ３０ａの熱がプリント基板４０及び第二のコンデンサ３０ｂに伝わり易くなり、第一のコンデンサ３０ａの温度上昇をさらに低減することができる。

また、プリント基板４０を冷却器１０に固定するねじ１５を、プリント基板４０の周縁部以外の箇所に設置することにより、プリント基板４０の周縁部以外に冷却器１０への伝熱経路が形成されるため、プリント基板４０の中心部近傍に搭載された平滑コンデンサ３０の温度上昇を低減することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂの配置に加え、ねじ１５及びスペーサ１４の配置と材質、及びプリント基板４０の配線パターン及び接続部４４等の工夫によって、平滑コンデンサ３０の温度上昇を低減することが可能である。これにより、平滑コンデンサ３０をより密集させて配置することが可能となり、冷却面１１の面積及びプリント基板４０の面積を低減することができる。

また、プリント基板４０が小型化されることにより、電力変換装置１に振動が発生したときにプリント基板４０に生じる曲げ応力が減少し、プリント基板４０が破損し難くなる。プリント基板４０の周縁部以外の箇所をねじ１５で固定することにより、さらにプリント基板４０の振動によるたわみが抑制される。これらのことから、電力変換装置１の平面方向の小型化が図られるとともに耐振動性が向上する。

実施の形態２．
実施の形態２による電力変換装置の上面図は、上記実施の形態１と同様であるため図２を流用する。図６及び図７は、実施の形態２による電力変換装置を示し、図６は、図２中Ａ－Ａで示す部分を矢印方向から見た側面断面図、図７は、図２中Ｂ－Ｂで示す部分を矢印方向から見た正面断面図である。また、図８は、実施の形態２による冷却器の三面図である。

実施の形態２による電力変換装置の冷却器１０は、冷却面に形成された凹部１６を備えている。実施の形態２では、凹部１６は一つであるが、複数の凹部１６を備えていてもよい。凹部１６の側壁部１６ａは、図７に示すように、冷却器１０と一体成型されていることが好ましい。

冷却器１０は、凹部１６の底部である第二の冷却面１１ｂと、凹部１６の側壁部１６ａの頂部である第三の冷却面１１ｃとを有している。以下の説明では、パワーモジュール２０が搭載されている箇所を第一の冷却面１１ａとし、第一の冷却面１１ａ、第二の冷却面１１ｂ、及び第三の冷却面１１ｃを総称して冷却面という。

図７に示すように、プリント基板４０は第三の冷却面１１ｃにねじ１５で固定され、第三の冷却面１１ｃと熱的に接続されている。第一のコンデンサ３０ａは、凹部１６の内部に配置され、第二の冷却面１１ｂと熱的に接続されている。

また、複数の第一のコンデンサ３０ａが凹部１６の内部に配置される場合、それらの一部または全部は第二の冷却面１１ｂ及び側壁部１６ａの側面と熱的に接続される。実施の形態２では、図７に示すように、凹部１６の端に配置された第一のコンデンサ３０ａは側壁部１６ａの側面と接触している。また、第一のコンデンサ３０ａと第二の冷却面１１ｂとの間、及び第一のコンデンサ３０ａと側壁部１６ａとの間には、絶縁性の伝熱部材が配置されていてもよい。

冷却器１０の冷却面に対して垂直な方向を高さ方向とするとき、プリント基板４０のＣ面４０ａは、第二の冷却面１１ｂに対して第一のコンデンサ３０ａの高さ寸法とほぼ同じ距離だけ離隔している。また、プリント基板４０のＣ面４０ａは、第一の冷却面１１ａに対してパワーモジュール２０の高さ寸法とほぼ同じ距離、あるいは高さ寸法に加えて数ミリメートルの距離だけ離隔している。

側壁部１６ａの高さ寸法は、第二の冷却面１１ｂからプリント基板４０のＣ面４０ａまでの距離、すなわち第一のコンデンサ３０ａの高さ寸法とほぼ同じである。プリント基板４０は、複数のねじ１５によって第三の冷却面１１ｃに固定される。図８に示すように、凹部１６の内部には、円柱状のねじ止め部１６ｃが二箇所に設けられている。これにより、プリント基板４０の周縁部の三方と周縁部以外の箇所とを、冷却器１０に固定することができる。なお、その他の構成については実施の形態１と同様であるためここでは説明を省略する。

実施の形態２による電力変換装置によれば、冷却器１０の冷却面１１に形成された凹部１６の内部に第一のコンデンサ３０ａを配置することにより、第一のコンデンサ３０ａの一部が凹部１６の側壁部１６ａと熱的に接続され、第一のコンデンサ３０ａをさらに効率よく冷却することができる。

また、パワーモジュール２０が搭載された第一の冷却面１１ａと、第一のコンデンサ３０ａが配置された第二の冷却面１１ｂの高さが異なっており、パワーモジュール２０と第一のコンデンサ３０ａが離隔されているため、パワーモジュール２０で生じた熱が第一のコンデンサ３０ａに伝わり難い。従って、実施の形態１と比較して第一のコンデンサ３０ａの温度上昇をより低減することができる。さらに、実施の形態１と比較して冷却器１０の底面と第二のコンデンサ３０ｂの上面との距離が短くなるため、平面方向のみならず高さ方向のサイズも低減することができる。

また、パワーモジュール２０からプリント基板４０までの距離をゼロないし数ミリメートルとすることができるため、実施の形態１と比較してＰ側端子２１ａ及びＮ側端子２１ｂを短くすることが可能となり、各端子で生じる配線インダクタンスを低減することができる。これにより、パワーモジュール２０でのスイッチング損失を低減することができ、パワーモジュール２０の温度上昇及びパワーモジュール２０からの受熱による平滑コンデンサ３０の温度上昇を低減することができる。よって、第一の冷却面１１ａ及び第二の冷却面１１ｂの面積を低減することが可能となる。また端子が短くなるため、振動による端子の折れを低減することができる。

また、プリント基板４０は第三の冷却面１１ｃと直接ねじ１５で固定されるため、スペーサ１４を介した場合よりも熱抵抗が減少し、プリント基板４０と第二のコンデンサ３０ｂの熱を冷却器１０へ伝え易くなる。これにより、プリント基板４０と第二のコンデンサ３０ｂの温度上昇をより低減することができる。さらに、プリント基板４０を第三の冷却面１１ｃに固定することにより、スペーサ１４に固定する場合に比べて振動によるたわみが抑制され、耐振動性が向上する。

これらのことから、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果に加え、実施の形態１よりもさらに平滑コンデンサ３０及びパワーモジュール２０の温度上昇を低減することができるため、それらをさらに密集させて配置することが可能となる。これにより、プリント基板４０の面積及び冷却器１０の冷却面の面積を低減することが可能となり、電力変換装置の平面方向及び高さ方向の小型化が図られるとともに耐振動性が向上する。

実施の形態３．
実施の形態３による電力変換装置の上面図は、上記実施の形態１と同様であるため図２を流用する。図９は、実施の形態３による電力変換装置を示し、図２中Ｂ－Ｂで示す部分を矢印方向から見た正面断面図である。また、図１０は、実施の形態３による冷却器の三面図である。なお、実施の形態３による電力変換装置の側面断面図は、上記実施の形態２と同様である（図６参照）。

実施の形態３による電力変換装置の冷却器１０は、冷却面に冷媒１３の流れ方向に延びた複数の凹部１６を備えている。複数の第一のコンデンサ３０ａは冷媒１３の流れ方向に整列され、それぞれの列が凹部１６に収納される。これにより、全ての第一のコンデンサ３０ａが、第二の冷却面１１ｂ及び側壁部１６ａの側面と直接または絶縁性の伝熱部材を介して熱的に接続される。

実施の形態３では、プリント基板４０の周縁部以外の箇所に設置されたねじ１５は、冷却器１０の端部以外の第三の冷却面１１ｃに固定される。その他の構成については実施の形態１及び実施の形態２と同様であるためここでは説明を省略する。

実施の形態３による電力変換装置によれば、上記実施の形態１及び２と同様の効果に加え、プリント基板４０の内側に搭載された第一のコンデンサ３０ａに対しても凹部１６の側壁部１６ａを利用した冷却が可能となるため、全ての第一のコンデンサ３０ａの冷却効果を向上させることができ、第一のコンデンサ３０ａの温度上昇をさらに低減することができる。

加えて、上記実施の形態２と比較してプリント基板４０と熱的に接続される第三の冷却面１１ｃの面積が増加するため、上記実施の形態２よりもさらにプリント基板４０と第二のコンデンサ３０ｂの熱を冷却器１０へ伝え易くなる。従って、プリント基板４０と第二のコンデンサ３０ｂの温度上昇をより低減することができる。これらのことから、平滑コンデンサ３０をより密集させて配置することが可能となり、プリント基板４０の面積を低減することでき、耐振動性が向上する。

また、プリント基板４０の周縁部以外の箇所でも第三の冷却面１１ｃとねじ１５による固定が可能であるため、プリント基板４０の温度上昇によるたわみを低減することができる。これにより、プリント基板４０の内側に搭載された第一のコンデンサ３０ａが第二の冷却面１１ｂと熱的に接続された状態を担保、維持することができる。よって、第一のコンデンサ３０ａの冷却に対する信頼性が向上する。

さらに、回路の動作及び停止のヒートサイクルでの熱応力によるプリント基板４０の搭載部品またはプリント基板４０の破損を防止することができる。同様に、外部振動に対するプリント基板４０の搭載部品またはプリント基板４０の破損も防止することができ、プリント基板４０の耐久性及び耐振動性が向上する。

実施の形態４．
実施の形態４による電力変換装置の上面図は、上記実施の形態１と同様であるため図２を流用する。図１１及び図１２は、実施の形態４による電力変換装置を示し、図１１は、図２中Ｂ－Ｂで示す部分を矢印方向から見た正面断面図、図１２は、図１１中Ｃ－Ｃで示す部分を矢印方向から見た側面断面図である。

実施の形態４による電力変換装置の冷却器１０は、複数の凹部１６を有し、さらに凹部１６の側壁部１６ａの内部に冷媒流路である側壁流路１２ｃを有している。これにより、冷媒１３が側壁部１６ａを流れるため、第三の冷却面１１ｃ及び側壁部１６ａの側面における冷却効果が上記実施の形態３よりも向上する。その他の構成については実施の形態３と同様であるためここでは説明を省略する。

実施の形態４によれば、上記実施の形態３と同様の効果に加え、上記実施の形態３よりもさらに平滑コンデンサ３０及びプリント基板４０の冷却効果を向上させることができ、それらの温度上昇を低減することができる。

実施の形態５．
図１３は、実施の形態５による電力変換装置の上面図、図１４は、図１３中Ｄ－Ｄで示す部分を矢印方向から見た正面断面図である。なお、実施の形態５による電力変換装置の側面断面図は、上記実施の形態４と同様である（図１２参照）。

実施の形態５による電力変換装置の冷却器１０は、上記実施の形態４と同様に、複数の凹部１６と側壁流路１２ｃを有している。ただし、第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂの位置関係、及びプリント基板４０に形成されるビア４２の位置関係が上記実施の形態４とは異なっている。その他の構成については実施の形態４と同様であるためここでは説明を省略する。

図１３の上面図では、プリント基板４０の裏側に搭載されている第一のコンデンサ３０ａを点線で示している。図１３に示すように、第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂは、冷却器１０の冷却面に対して垂直方向に重ならない位置に配置されている。また、図１４に示すように、第二のコンデンサ３０ｂは、プリント基板４０を挟んで第三の冷却面１１ｃと対向配置されている。

第三の冷却面１１ｃとプリント基板４０との間の少なくとも一部には、伝熱部材５０が配置され、プリント基板４０と第三の冷却面１１ｃは伝熱部材５０によって熱的に接続されている。伝熱部材５０は弾性を有するものであることが好ましく、プリント基板４０の配線と冷却器１０との間に絶縁性が必要な場合、絶縁性を有するものが用いられる。

また、プリント基板４０は、伝熱部材５０を介して第三の冷却面１１ｃと対向する箇所に、層間を電気的に接続するビア４２を有している。ビア４２はプリント基板４０のＣ面、Ｓ面、あるいは内層に形成されるＰ側配線パターン４１ａ同士、あるいはＮ側配線パターン４１ｂ同士を電気的に接続する導電経路であることが好ましい。第一のコンデンサ３０ａの温度が第二のコンデンサ３０ｂの温度を下回る場合、ビア４２の一部、できれば多くが、第二のコンデンサ３０ｂの周囲１０ｍｍ以内に配置されることが好ましい。ただし、ビア４２の配置はこれに限定されるものではない。

第二のコンデンサ３０ｂは、第一のコンデンサ３０ａと比較すると冷却要求は低いが、自己発熱の他、第一のコンデンサ３０ａ、配線パターン、パワーモジュール２０からの受熱、または雰囲気温度等によって少なからず温度上昇する。プリント基板４０も同様に、配線パターンでの自己発熱等により温度上昇する。特に大電流を扱う電力変換装置においては、並列数を増やして電流を分散可能な平滑コンデンサ３０よりも、それらの電流が集中するプリント基板４０の配線パターンの方が高温となる可能性がある。よって、第二のコンデンサ３０ｂ及びプリント基板４０の温度上昇を低減する手段も必要になる場合がある。

実施の形態５では、第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂは、冷却器１０の冷却面に対して垂直方向に重ならないように配置されているので、第一のコンデンサ３０ａから第二のコンデンサ３０ｂへの受熱を低減することができる。従って、第一のコンデンサ３０ａを要因とする第二のコンデンサ３０ｂの温度上昇を低減することができる。

また、第二のコンデンサ３０ｂがプリント基板４０を介して第三の冷却面１１ｃと対向配置されているため、第二のコンデンサ３０ｂの熱を冷却器１０へ伝え易くなる。また、プリント基板４０と第三の冷却面１１ｃとの間に伝熱部材５０を配置することにより、プリント基板４０がより確実に第三の冷却面１１ｃと熱的に接続され、冷却効果を向上させることができる。

また、第二のコンデンサ３０ｂの温度上昇を低減することができるため、第二のコンデンサ３０ｂの容量または個数を増加させ、第一のコンデンサ３０ａの容量または個数を減らすことが可能となる。さらに、弾性を有する伝熱部材５０を用いることにより、プリント基板４０の振動を低減することができ、耐振動性が向上する。

また、プリント基板４０の特に内側の配線パターンの熱を、伝熱部材５０を介して第三の冷却面１１ｃへ伝えることができるので、プリント基板４０から第一のコンデンサ３０ａへ伝わる熱が低減し、結果的に第一のコンデンサ３０ａの温度上昇を低減することができる。

さらに、プリント基板４０にビア４２を有することにより、ビア４２を経由した熱輸送が可能となり、Ｃ面とＳ面、あるいは第一のコンデンサ３０ａと第二のコンデンサ３０ｂの温度を均等化する効果が得られる。特に第一のコンデンサ３０ａに対する冷却効果が十分であり、第一のコンデンサ３０ａの温度が第二のコンデンサ３０ｂの温度を下回る場合には、第二のコンデンサ３０ｂの熱をＳ面からビア４２を経由してＣ面、第一のコンデンサ３０ａ、及び冷却器１０へと伝える伝熱経路ができ、第二のコンデンサ３０ｂを効率よく冷却することができる。

実施の形態５によれば、上記実施の形態４と同様の効果に加え、上記実施の形態４よりもさらに第二のコンデンサ３０ｂ及びプリント基板４０の冷却効果を向上させることができ、それらの温度上昇を低減することができる。

実施の形態６．
図１５は、実施の形態６による電力変換装置の上面図、図１６は、図１５からプリント基板を除いた上面図、図１７は、図１５中Ｅ－Ｅで示す部分を矢印方向から見た側面断面図、図１８は、図１５中Ｆ－Ｆで示す部分を矢印方向から見た正面断面図である。また、図１９及び図２０は、実施の形態６による電力変換装置のプリント基板に形成される配線パターンの例を示している。

実施の形態６による電力変換装置は、図１５に示すように、冷却器１０の冷却面のほぼ全域がプリント基板４０によって覆われている。プリント基板４０を除去すると、図１６に示すように、冷却器１０には複数の凹部１６が形成されている。複数の凹部１６は、底部すなわち第二の冷却面１１ｂが長方形であり、該長方形の長辺が互いに対向するように並んで配置されることにより、複数の細長い第三の冷却面１１ｃが形成されている。

パワーモジュール２０は、三相交流インバータ回路を構成するスイッチング素子２０ａを含む。実施の形態６では、１つのパワーモジュール２０に２つのスイッチング素子２０ａを含んでおり、それらは図１に示すインバータ回路図におけるブリッジ回路部の上アームと下アームに相当する。このようなパワーモジュール２０を３つ使用することで、三相交流インバータの電力変換部２を構成している。

Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相を構成する複数のパワーモジュール２０は、互いの長辺が対向するように並んで配置され、パワーモジュール２０の長辺方向に延在する複数の凹部１６がパワーモジュール２０に隣接して形成されている。なお、実施の形態６では、凹部１６の側壁部１６ａの頂部は、第三の冷却面１１ｃであるとともにパワーモジュール２０を搭載する第一の冷却面１１ａでもある。

凹部１６に収納される第一のコンデンサ３０ａは、パワーモジュール２０の長辺方向に整列している。各々の凹部１６に収納される第一のコンデンサ３０ａの数、すなわち、各々のパワーモジュール２０に隣接する第一のコンデンサ３０ａの数は、均等であることが好ましい。第二のコンデンサ３０ｂの配置は特に限定されるものではないが、各々のパワーモジュール２０とプリント基板４０を介して近接する第二のコンデンサ３０ｂの数は、均等であることが好ましい。

プリント基板４０とパワーモジュール２０との間には、両者の絶縁性を確保するための距離が必要であるが、Ｐ側端子２１ａ及びＮ側端子２１ｂが長くなり過ぎないように、具体的には０．５ｍｍから２０ｍｍ程度の距離で近接していることが望ましい。パワーモジュール２０の上面は、端子部を除いて放熱面となっており、プリント基板４０とパワーモジュール２０の放熱面は、絶縁性を有する伝熱部材を挟んで接触していてもよい。

プリント基板４０は、図１５に示すように、パワーモジュール２０から延びる信号端子２２及び交流端子２３を通すための長穴４５が形成されている。ただし、プリント基板４０に搭載されたコネクタ等で制御回路部５またはモータ６とパワーモジュール２０とを接続する方法もある。その場合、プリント基板４０には穴の側面が銅等でメッキされたスルーホールが形成され、信号端子２２あるいは交流端子２３ははんだまたは溶接等で電気的に接続され固定される。

実施の形態６におけるプリント基板４０は４層で構成されており、図１９（ａ）は１層目の配線パターン例、図１９（ｂ）は４層目の配線パターン例、図２０（ａ）は２層目の配線パターン例、及び図２０（ｂ）は３層目の配線パターン例をそれぞれ示している。１層目（Ｓ面）と４層目（Ｃ面）には、Ｐ側配線パターン４１ａ及びＮ側配線パターン４１ｂが同じように形成され、１層目には第二のコンデンサ３０ｂ、２層目には第一のコンデンサ３０ａが搭載されている。

また、２層目はＮ側配線パターン４１ｂであり、３層目はＰ側配線パターン４１ａであることを除いて、２層目と３層目はほぼ同じパターンである。ただし、プリント基板４０の構成はこれに限定されるものではなく、２層目、３層目が無く２層で構成されたプリント基板４０であってもよいし、さらに多層のプリント基板４０であってもよい。

実施の形態６によれば、複数の凹部１６を備えた冷却器１０を用い、第一のコンデンサ３０ａを第二の冷却面１１ｂと側壁部１６ａの側面で冷却しながら、パワーモジュール２０を第三の冷却面１１ｃで冷却するようにしたので、上記実施の形態３から実施の形態５における第一の冷却面１１ａに相当する面積を低減することができる。

また、パワーモジュール２０が冷却器１０と確実に固定されている場合、パワーモジュール２０から延びるＰ側端子２１ａ及びＮ側端子２１ｂは、プリント基板４０の接続部４４に挿入されることにより、プリント基板４０を冷却器１０に固定する固定機構として働く。これにより、ねじ１５を用いることなくプリント基板４０の周縁部以外の箇所を固定することができるため、振動によるたわみが抑制され耐振動性が向上する。

また、各々のパワーモジュール２０に隣接する第一のコンデンサ３０ａの数、及び各々のパワーモジュール２０に近接する第二のコンデンサ３０ｂの数を均等にすることにより、第一のコンデンサ３０ａ及び第二のコンデンサ３０ｂからパワーモジュール２０までの配線抵抗及び配線インダクタンスを均等にすることができる。よって、各々の第一のコンデンサ３０ａ、及び各々の第二のコンデンサ３０ｂに流れる電流がほぼ均等になり、温度上昇もほぼ均等になる。

これにより、最も温度上昇する平滑コンデンサ３０に合わせた冷却面積または冷却構造の設計をする必要がなくなるため、冷却面の面積の低減もしくは冷却構造の簡易化が可能となり、低コスト化が図られる。

また、上記実施の形態１から実施の形態５と比較して、プリント基板４０の中心に対する各パワーモジュール２０の距離が短く、配線抵抗及び配線インダクタンスを低減することができるため、配線の温度上昇及びパワーモジュール２０でのスイッチング損失を低減することができる。これにより配線及びパワーモジュール２０から平滑コンデンサ３０への受熱を低減することができ、平滑コンデンサ３０の温度上昇を抑制することができる。

また、放熱面であるパワーモジュール２０の上面が伝熱部材を介してプリント基板４０と熱的に接続された場合、パワーモジュール２０の熱がプリント基板４０を経由してねじ１５または第一のコンデンサ３０ａ、さらに冷却器１０へ伝わる伝熱経路が形成される。この伝熱経路は、プリント基板４０及び平滑コンデンサ３０の定格温度に余裕があり、対してパワーモジュール２０の定格温度に余裕がない場合に適用され、パワーモジュール２０の温度上昇を抑制することができる。

また、プリント基板４０は、２層目と３層目においてＰ側配線パターン４１ａとＮ側配線パターン４１ｂが広い面積で平行に対向しているため、Ｐ側配線パターン４１ａとＮ側配線パターン４１ｂに生じる配線インダクタンスを低減することができる。よって、パワーモジュール２０でのスイッチング損失を低減することができ、パワーモジュール２０から第一のコンデンサ３０ａへの受熱を低減することができ、第一のコンデンサ３０ａの温度上昇を低減することができる。

さらに、２層目と３層目のように広い配線パターンを形成することで基板全体に熱が広がり易くなり、プリント基板４０の周縁部に配置されたねじ１５から冷却器１０へ熱を伝え易くなる。よって、プリント基板４０の冷却効果を向上させることができ、プリント基板４０の温度上昇を低減することができる。

実施の形態７
実施の形態７による電力変換装置は、プリント基板４０の配線パターン以外は上記実施の形態６と同様であるため、ここでは配線パターンについてのみ説明する。実施の形態７によるプリント基板４０は６層で構成されており、図２１（ａ）は１層目の配線パターン例、図２１（ｂ）は６層目の配線パターン例、図２２（ａ）は２層目の配線パターン例、図２２（ｂ）は５層目の配線パターン例、及び図２３は３層目と４層目の配線パターンをそれぞれ示している。

プリント基板４０の３層目と４層目は放熱層、その他は配線層である。１層目（Ｓ面）及び６層目（Ｃ面）は、周縁部に放熱パターン４３を有すること以外は上記実施の形態６の１層目及び４層目（図１９参照）と同様の配線パターンを有している。また、２層目及び５層目は、周縁部に放熱パターン４３を有すること以外は上記実施の形態６の２層目及び３層目（図２０参照）と同様の配線パターンを有している。

図２３に示す放熱層は、主にプリント基板４０の熱を輸送するため放熱パターン４３がほぼ全面に形成されている。放熱パターン４３はプリント基板４０の周縁部のねじ穴まで広がっている。配線層の周縁部に形成された放熱パターン４３は、ビア４２によって放熱層の放熱パターン４３と電気的且つ熱的に接続される。放熱層は、Ｃ面またはＳ面に形成された放熱パターン４３によって、ねじ１５及び冷却器１０と電気的且つ熱的に接続される。

実施の形態７によれば、プリント基板４０が放熱層を有するため、プリント基板４０の熱を冷却器１０へ伝え易くなり、プリント基板４０の温度上昇を低減することができる。プリント基板４０の温度が第一のコンデンサ３０ａよりも低くなれば、第一のコンデンサ３０ａの熱をプリント基板４０から冷却器１０へ伝えることが可能となり、第一のコンデンサ３０ａを冷却する第二の冷却面１１ｂの面積を低減することができる。

また、放熱層は冷却器１０と電気的に接続され同電位であるため、放熱層よりも上面の領域に対して、パワーモジュール２０がスイッチング時に放射するノイズを低減するシールドとなる。よって放熱層がない場合と比較して、スイッチングのノイズの影響を受け易い制御回路部５を、パワーモジュール２０のより近くに配置することができ、電力変換装置の小型化が図られる。また、薄い金属板である放熱層を備えることにより、放熱層がない場合と比較してプリント基板４０がたわみ難くなり、耐振動性が向上する。

実施の形態８．
図２４は、実施の形態８による電力変換装置の上面図、図２５は、図２４中Ｇ－Ｇで示す部分を矢印方向から見た側面断面図、図２６は、図２４中Ｈ－Ｈで示す部分を矢印方向から見た正面断面図である。

実施の形態８による電力変換装置は、上記実施の形態４による電力変換装置（図１１及び図１２参照）と同様の構成に加え、プリント基板４０の第二面であるＳ面４０ｂと対向するカバーケース６０を備えている。カバーケース６０は、プリント基板４０及び第二のコンデンサ３０ｂの上部を覆うカバー主面６１と、カバー主面６１を支持するカバー脚６２とを含む。

カバーケース６０の材質は、アルミニウム、銅、スズ、金、銀、鉄、あるいはそれらを含む合金、ニッケル合金等の金属、あるいは窒化アルミニウム、炭化珪素等のセラミック、あるいは炭素系の複合素材等から選択され、熱伝導率が１０．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。カバーケース６０の作製方法としては、板金をプレスして成形してもよいし、溶融また変形可能な状態の材料を型に入れて固めてもよい。

カバーケース６０は、カバー主面６１にて第二のコンデンサ３０ｂの天面と、必要に応じて伝熱部材を介し、熱的に接続されている。また、図２６に示すように、カバー脚６２は、カバー主面６１の端部から冷却面１１に垂直な方向に延びており、ねじ１５によってプリント基板４０及び冷却器１０に固定される。これにより、カバーケース６０、ねじ１５、及び冷却器１０は熱的に接続され、カバーケース６０が導電性の部材であれば電気的にも接続される。

なお、図２４から図２６に示す例では、カバーケース６０はプリント基板４０の上部だけを覆う構造としているが、パワーモジュール２０の上部まで覆うようにしてもよい。その場合、カバーケース６０がパワーモジュール２０の各端子部と干渉しないように、カバーケース６０の範囲及び形状を決定する必要がある。

実施の形態８によれば、上記実施の形態４と同様の効果に加え、第二のコンデンサ３０ｂはカバーケース６０の側からも冷却器１０への熱経路を有するので、第二のコンデンサ３０ｂの温度上昇を低減することができる。これに伴い第一のコンデンサ３０ａの温度上昇も低減することができ、冷却面の面積をさらに低減することができる。

また、カバーケース６０をパワーモジュール２０側にも広げることにより、パワーモジュール２０はカバーケース６０側からの冷却器１０への熱経路を有するようになるので、パワーモジュール２０の温度上昇を低減することができる。これにより、第一の冷却面１１ａの面積を低減することができる。

また、カバーケース６０によって上側から第二のコンデンサ３０ｂ及びプリント基板４０全体を冷却器１０へ押さえることにより、振動によるたわみが抑制され耐振動性が向上する。さらに、カバーケース６０を導電性とすることにより、パワーモジュール２０がスイッチング時に放射するノイズを低減するシールドとしての効果を奏する。これにより、制御回路部５をパワーモジュール２０のより近くに配置することができ、電力変換装置の小型化が図られる。

本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

本願は、電力変換装置、特に電気自動車に搭載される車載電源としての電力変換装置として利用することができる。

１ 電力変換装置、２ 電力変換部、３ 電力平滑部、４ 配線、４ａ Ｐ側配線、４ｂ Ｎ側配線、５ 制御回路部、６ モータ、７ バッテリ、１０ 冷却器、１１ 冷却面、１１ａ 第一の冷却面、１１ｂ 第二の冷却面、１１ｃ 第三の冷却面、１２ 冷媒流路、１２ａ 流路入口、１２ｂ 流路出口、１２ｃ 側壁流路、１３ 冷媒、１４ スペーサ、１５ ねじ、１６ 凹部、１６ａ 側壁部、１６ｃ ねじ止め部、２０ パワーモジュール、２０ａ スイッチング素子、２１ａ Ｐ側端子、２１ｂ Ｎ側端子、２２ 信号端子、２３ 交流端子、３０ 平滑コンデンサ、３０ａ 第一のコンデンサ、３０ｂ 第二のコンデンサ、３１ コンデンサ端子、４０ プリント基板、４０ａ Ｃ面（第一面）、４０ｂ Ｓ面（第二面）、４１ａ Ｐ側配線パターン、４１ｂ Ｎ側配線パターン、４２ ビア、４３ 放熱パターン、４４ 接続部、４５ 長穴、５０ 伝熱部材、６０ カバーケース、６１ カバー主面、６２ カバー脚

Claims (17)

1. 冷媒流路を有し少なくとも一つの面が冷却面として形成された冷却器と、
   前記冷却面に搭載されたパワーモジュールと、
   配線パターンが形成された配線層を２層以上有するプリント基板と、
   前記プリント基板に搭載されたコンデンサと、を備え、
   前記コンデンサは第一のコンデンサと第二のコンデンサとを含み、前記第一のコンデンサ及び前記第二のコンデンサは平滑コンデンサであり、前記第一のコンデンサは前記第二のコンデンサよりも冷却要求が高い種類のものであり、
   前記プリント基板は前記冷却面と対向配置され、前記プリント基板の前記冷却面の側の面を第一面、前記第一面と反対側の面を第二面とするとき、
   前記第一のコンデンサは前記第一面に搭載されて前記冷却面と熱的に接続され、前記第二のコンデンサは前記第二面に搭載されることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第一のコンデンサは、前記第二のコンデンサよりも発熱量が大きいことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記第一のコンデンサは、前記第二のコンデンサよりも容量が大きいことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記第一のコンデンサは、前記第二のコンデンサよりも誘電正接が大きいことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
5. 前記第一のコンデンサと前記第二のコンデンサは、同条件で使用したときの寿命に差があるものであり、
   前記第一のコンデンサが前記第一面に搭載されて前記冷却面と熱的に接続されると共に前記第二のコンデンサが前記第二面に搭載されることにより、前記第一のコンデンサと前記第二のコンデンサの寿命の差は、同条件で使用したときの寿命の差よりも小さくなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記冷却器は、前記冷却面に形成された凹部を備え、
   前記冷却面は、前記凹部の底部である第二の冷却面と、前記凹部の側壁部の頂部である第三の冷却面とを含み、
   前記プリント基板は前記第三の冷却面に固定されて前記第三の冷却面と熱的に接続され、
   前記第一のコンデンサは前記凹部の内部に配置されて前記第二の冷却面と熱的に接続されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記冷却器は、前記側壁部の内部に前記冷媒流路を有することを特徴とする請求項６記載の電力変換装置。
8. 複数の前記第一のコンデンサが前記凹部の内部に配置され、前記複数の第一のコンデンサの一部または全部は、前記第二の冷却面及び前記側壁部の側面と熱的に接続されることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記プリント基板と前記第三の冷却面との間に配置された伝熱部材を備えたことを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の電力変換装置。
10. 前記プリント基板は、前記第三の冷却面と対向する箇所に、層間を電気的に接続するビアを有することを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
11. 前記パワーモジュールは、三相交流インバータ回路を構成するスイッチング素子を含み、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相を構成する複数の前記パワーモジュールが互いの長辺が対向するように並んで配置され、前記パワーモジュールの長辺方向に延在する複数の前記凹部が前記パワーモジュールに隣接して形成されていることを特徴とする請求項６から請求項１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
12. 各々の前記パワーモジュールに隣接する前記第一のコンデンサの数が均等であることを特徴とする請求項１１記載の電力変換装置。
13. 前記第一のコンデンサと前記第二のコンデンサは、前記冷却器の前記冷却面に対して垂直方向に重ならない位置に配置されることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の電力変換装置。
14. 前記プリント基板は、前記パワーモジュールと電気的に接続される接続部を有するとともに、前記接続部と前記コンデンサとを電気的に接続する配線パターンを有することを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
15. 前記プリント基板は、前記配線層とは別の放熱層を１層以上有し、前記放熱層は前記冷却器と熱的及び電気的に接続されることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
16. 前記プリント基板を前記冷却器に固定する複数の固定機構を備え、前記固定機構の少なくとも一つは、前記プリント基板の周縁部以外の箇所に設置されることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
17. 前記プリント基板の前記第二面と対向するカバーケースを備え、前記カバーケースは前記第二のコンデンサ及び前記冷却器と熱的に接続されることを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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