WO2010047366A1 - 電力変換装置及び車載用電機システム - Google Patents

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拓朗 金澤
三島　彰
越智　健太郎
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Definitions

  • the present invention uses a power conversion device typified by an inverter device equipped with a power semiconductor element and a control element, and the power conversion device, which are widely used in home appliances, vehicles, and industrial equipment.
  • the present invention relates to an in-vehicle electrical system.
  • a power semiconductor element, a control element, and the like are integrated into a module and stored in a resin mold case or a metal case. Therefore, it can be easily mounted as a small and compact power supply device in an in-vehicle electric system.
  • various devices have been devised for attaching and removing conductor wiring (bus bar) for inputting / outputting a large current to / from an external device.
  • the conductor wiring (bus bar) formed on the large current wiring board that supplies the main current and the power semiconductor module By connecting the main circuit terminals directly with screws, the large current wiring board and the power semiconductor module are fixed, and the control terminals and guide pins are set up on the power semiconductor module so as to penetrate the large current wiring board.
  • a technique for facilitating assembly and maintenance of a conversion device is disclosed (for example, see Patent Document 1).
  • the power semiconductor element is mounted on the lead frame, the metal base and the lead frame are fixed with the insulating adhesive sheet sandwiched therebetween, and the exterior resin mold case is fixed to the metal base with an adhesive or the like.
  • Resin mold type power converter technology that is configured to fill the exterior resin mold case with a resin sealing material and integrally seal the exterior resin mold case and circuit components such as semiconductor elements mounted inside. It is disclosed (for example, see Patent Document 2).
  • a control board on which a microcomputer and a driver IC are mounted on the upper side of the metal base, and a wiring board on which an electrolytic capacitor and an input / output terminal block are mounted on the upper side of the control board. Since it is configured, it is possible to reduce the size of the modularized power converter by using a thick lead frame.
  • Patent Document 1 is a mounting method in which bus bars formed on a large current wiring board are arranged in parallel in the horizontal direction, the length of the bus bars, the mutual inductance between the bus bars, etc. Due to the influence, it is difficult to reduce the wiring inductance of the bus bar.
  • the technology described in Patent Document 2 has many components such as a metal base, a lead frame, a control board, a wiring board, and an exterior resin mold case, and it is difficult to reduce costs, and each component is mounted. The number of processes will also increase.
  • the wiring board has a structure in which a thin wiring layer and an insulating layer are laminated, both the electric resistance and the thermal resistance are increased, and it is difficult to pass a large current as a power conversion device.
  • a power conversion device including a power semiconductor module on which a semiconductor element is mounted, a multilayer board on which a control unit on which a driver IC or the like is mounted, and a wiring unit on which an electrolytic capacitor, an inductor, or the like is mounted.
  • a large cross-sectional area is required for the electrical wiring of the wiring portion, and a complicated structure such as a laminate is required. For this reason, in the conventional power conversion device, it is difficult to reduce the inductance of the main circuit current path to reduce the size and cost of the entire device.
  • the present invention has been made in view of such problems, and in a configuration in which a power semiconductor module and a multilayer substrate on which a bus bar is formed are integrated into a module, a small size, low cost, and an input / output circuit are provided. It is an object of the present invention to provide a power conversion device capable of realizing a low inductance and a vehicle-mounted electric machine system using the power conversion device.
  • a power conversion device includes a power semiconductor module on which a power semiconductor element is mounted, a control element for controlling the power semiconductor module, a multilayer board on which the control element is mounted, and a power semiconductor module.
  • a power conversion device including a positive-side bus bar and a negative-side bus bar for inputting and outputting power to the positive-side bus bar, the positive-side bus bar and the negative-side bus bar being mounted on one surface of the multilayer substrate wiring,
  • the positive-side main circuit terminal of the power semiconductor module is connected to the positive-side surface layer wiring on the surface mounted on the multilayer substrate, and the positive-side surface layer wiring is connected to the multilayer substrate through the first via or the first through hole.
  • the wiring layer is connected to the second n layer (n is a positive integer), and the negative side bus bar is mounted on the negative side main circuit terminal of the power semiconductor module and the multilayer substrate.
  • the negative electrode side surface layer wiring is connected to the second n + 1 layer facing the second n layer of the multilayer substrate through the second via or the second through hole, and the power semiconductor module.
  • the positive-side main circuit terminal and the positive-side bus bar are electrically connected by a first fixing member (for example, a screw), and the negative-side main circuit terminal and the negative-side bus bar of the power semiconductor module are electrically connected to a second fixing member (for example, , And screws).
  • a power conversion device inputs and outputs power to and from a power semiconductor module on which a power semiconductor element is mounted, a control element that controls the power semiconductor module, a multilayer board on which the control element is mounted, and a power semiconductor module.
  • a positive-side bus bar and a negative-side bus bar wherein the positive-side bus bar faces one side of the multilayer board wiring, and the negative-side bus bar faces the other side of the multilayer board.
  • the positive-side bus bar is connected to the positive-side main circuit terminal of the power semiconductor module and the positive-side surface wiring on the surface mounted on the multilayer substrate, and the positive-side surface wiring is the first via or first
  • the through-hole is connected to the second n layer (n is a positive integer) of the wiring layer of the multilayer board, and the negative side bus bar is connected to the negative side main circuit terminal of the power semiconductor module and the multilayer.
  • the positive side main circuit terminal of the power semiconductor module and the positive side bus bar are electrically connected by the first fixing member, and the negative side main circuit terminal and the negative side bus bar of the power semiconductor module are connected by the second fixing member. It is electrically connected.
  • the present invention can also provide an in-vehicle power supply system using the power conversion device of each of the above inventions. That is, using the power conversion device of each invention, the DC power supplied to the positive side main circuit terminal and the negative side main circuit terminal of the power semiconductor module is converted into AC power, and the AC power is transferred from the AC side main circuit terminal to the motor. It is also possible to provide an in-vehicle electric machine system configured to supply
  • a power conversion device including a power semiconductor module that performs power control, and a multilayer board on which a bus bar and a control element for flowing a main circuit current are mounted
  • an even number of layers in an inner layer of the multilayer board A positive electrode side bus bar and a negative electrode side bus bar are connected to the wiring and the odd layer wiring, respectively, to supply a direct current to the power semiconductor module.
  • a reverse current flows in adjacent layers of the multilayer substrate, so that the magnetic energy is offset and the wiring inductance can be reduced. Therefore, it is possible to provide a power converter that can reduce the inductance of the input / output circuit and increase the output by energizing a large current by using a bus bar in a small size and at a low cost.
  • FIG. 1 It is a disassembled perspective view which shows the power converter device of 1st Embodiment by this invention. It is a circuit diagram which shows the principal part of the power converter device shown in FIG. It is a circuit diagram which shows the internal circuit of the power semiconductor module shown in FIG. It is a fragmentary sectional view which cut
  • FIG. 2 is an exploded plan view showing, for each layer, a positive bus bar, a negative bus bar, and a multilayer board in a broken line area A in the power conversion device shown in FIG. 1, (a) showing a bus bar area (layer), (b) A surface layer wiring region (layer) of the multilayer substrate is shown, (c) is a second layer wiring region (layer) of the multilayer substrate, and (d) is a third layer wiring region (layer) of the multilayer substrate.
  • It is a disassembled perspective view which shows the power converter device of 2nd Embodiment by this invention. It is a disassembled perspective view which shows the power converter device of 3rd Embodiment by this invention.
  • FIG. 11 is a top view in which each layer of the positive electrode bus bar, the negative electrode bus bar, and the multilayer substrate in the power conversion device shown in FIG. 10 is disassembled, (a) shows the positive electrode bus bar and the negative electrode bus bar, (b) The first layer surface wiring (positive surface layer wiring and negative surface layer wiring) in the multilayer substrate 100 is shown, (c) shows the second layer second layer wiring in the multilayer substrate, and (d) shows the second layer wiring in the multilayer substrate. A three-layer third-layer wiring is shown.
  • FIG. 6 It is a disassembled perspective view which shows the power converter device of 6th Embodiment by this invention. It is a fragmentary sectional view which shows the bus bar vicinity of the multilayer board
  • the power converters (1001 to 1006) include a power semiconductor module 500 and a multilayer substrate (printed substrate) 100 mounted thereon.
  • a bus bar for flowing a main circuit current is connected to the surface wiring layer (first layer) of the multilayer substrate 100, and control units (10a to 10f) including control elements are installed.
  • the bus bar is formed thicker than the wiring (pattern) of the multilayer substrate 100.
  • the positive electrode of the bus bar (positive electrode bus bar 11) is connected to the even layer pattern of the multilayer substrate 100, for example, and the negative electrode of the bus bar.
  • the side electrode (negative electrode side bus bar 12) is connected to the odd layer pattern of the multilayer substrate 100.
  • the positive electrode on the bus bar (positive bus bar 11) is connected to, for example, the odd layer pattern of the multilayer substrate 100
  • the negative electrode (negative bus bar 12) of the bus bar is connected to the even layer pattern on the multilayer substrate 100. You may make it do. As a result, it is possible to reduce the size and cost of the power converters (1001 to 1006) through which a large current is passed, and to reduce the inductance.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a power conversion device 1001 according to the first embodiment of the present invention.
  • the power conversion device 1001 is disassembled and displayed in the power semiconductor module 500 and the control unit 10a composed of the multilayer substrate 100.
  • the power conversion device 1001 has a cover that covers the opening of the upper part of the metal casing 400 that covers the lower part and the side surface. However, in order to show the internal structure, the cover is omitted in FIG.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing a main part of power conversion device 1001 shown in FIG.
  • a portion indicated by a white circle indicates a joint location by welding, and a portion indicated by a black circle indicates a fixing location by screwing.
  • the DC power of the DC power source 80 such as a battery is converted into AC power (in addition to sinusoidal power, rectangular wave power by switching and trapezoidal wave power. The same applies hereinafter) by the power semiconductor module 500.
  • a power conversion apparatus 1001 that supplies power to a motor 90 that is a load is shown.
  • the embodiment according to the present invention is not limited to DC-AC conversion, and other types of power conversion devices such as DC-DC conversion, AC-DC conversion, etc., have the same configuration as that of FIG.
  • the input / output terminals of the power semiconductor module 500 that converts DC power into AC power are a positive main circuit terminal 501 that handles positive DC power and a negative main circuit terminal that handles negative DC power. 502, an AC side main circuit terminal 540 that handles three-phase AC main power, and a control terminal 550 that handles signals and power other than main power.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing an internal circuit of the power semiconductor module 500 shown in FIG.
  • the circuit configuration of the power semiconductor module 500 is a three-phase inverter circuit in which six MOSFETs 580 are bridged with three arms.
  • the circuit configuration of the power semiconductor module 500 is not limited to the MOSFET 580, but other semiconductor elements such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or SCR (Silicon Controlled Rectifier). Any power semiconductor element capable of switching control may be used.
  • the power semiconductor module 500 is a so-called “6 in 1” type in which six elements (MOSFET 580) that perform switching and the like are housed in one package.
  • the power semiconductor module 500 may be a so-called “2 in 1” type in which two elements are housed in one package, or a set of six discrete elements. You may comprise using.
  • a control unit 10a is provided on the upper part of the power semiconductor module 500.
  • the multilayer substrate 100 of the control unit 10a includes an integrated circuit 60 including a control IC for driving a switching element (for example, a MOSFET 580 of an inverter circuit as shown in FIG. 3) inside the power semiconductor module 500 and the periphery of the integrated circuit.
  • the positive-side bus bar 11, the negative-side bus bar 12, the AC-side bus bar 14, and the like made of a metal having a small electrical resistance such as copper for inputting / outputting power to / from the power semiconductor module 500 are mounted.
  • the multilayer substrate 100 includes a positive bus bar 11, a negative bus bar 12, a bus bar connection hole 30 for fixing the AC bus bar 14 and the power semiconductor module 500, and the positive bus bar 11 and the negative electrode side.
  • Component connection hole 20 for connecting bus bar 12 to electrolytic capacitor 200 and inductor 300, through hole 50 for connecting control unit 10a of multilayer substrate 100 and control terminal 550 of power semiconductor module 500, and control A board mounting hole 55 for fixing the multilayer board 100 including the portion 10a to a metal casing 400 having a large heat capacity such as aluminum and a high thermal conductivity is prepared.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing the electrolytic capacitor 200 and the power semiconductor module 500 in the power conversion apparatus 1001 shown in FIG.
  • a groove 250 is formed in the metal housing 400 provided in the lower part of the power semiconductor module 500 to position the electrolytic capacitor 200.
  • the electrolytic capacitor 200 is fixed to the bottom of the metal casing 400 by a fixing adhesive 210.
  • the inductor 300 is also fixed to the bottom of the metal casing 400 with a fixing adhesive, as in the case of the electrolytic capacitor 200, with a groove formed in the metal casing 400.
  • the positive side bus bar 11 and the negative side bus bar 12 on the DC power side, on the opposite side to the side to which the power semiconductor module 500 is connected is composed of a rectifying / smoothing circuit, a battery, or the like.
  • a DC power supply 80 is attached.
  • a load such as a motor 90 and a control target are attached to the end of the AC power bus bar 14 on the AC power side opposite to the side where the power semiconductor module 500 is connected.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing the multilayer substrate 100 in the power converter 1001 shown in FIG. 1, and FIG. 5A shows a cross-section of the multilayer substrate 100 in the vicinity of the bus bar connection hole 30 of the positive-side bus bar 11.
  • FIG. 5B shows a cross section of the multilayer substrate 100 in the vicinity of the bus bar connection hole 30 of the negative electrode side bus bar 12.
  • the power semiconductor module 500 is connected to a metal housing via a thermal conductive grease or the like (by applying thermal conductive grease to the joint surface or sandwiching a thermal conductive sheet). Screwed to the bottom of the body 400.
  • the positive bus bar 11 and the negative electrode are inserted into the bus bar connection holes 30 of the multilayer substrate 100 to which the integrated circuit 60 is soldered by reflow soldering or the like.
  • the side bus bar 12 is screwed and fixed by screws 40 and nuts 45.
  • the power semiconductor module 500, the positive-side bus bar 11, the negative-side bus bar 12, the AC-side bus bar 14, and the control unit 10 a of the multilayer substrate 100 are connected to the positive-side main circuit terminal 501 of the power semiconductor module 500,
  • the screws 40 are screwed into the screw holes (in which female screws are cut in advance) of the side main circuit terminal 502 and the AC side main circuit terminal 540 and fixed.
  • the multilayer substrate 100 is screwed to the metal housing 400 through the substrate mounting hole 55.
  • the control terminal 550 of the power semiconductor module 500 and the through hole 50 of the control unit 10a are electrically connected by spot soldering or the like.
  • the electrolytic capacitor 200 and the inductor 300 fixed in advance to the metal casing 400 are connected to the bus bar terminals 13 of the positive side bus bar 11 and the negative side bus bar 12 by TIG welding (Tungsten Inert Gas welding) or the like. Connected.
  • TIG welding Tungsten Inert Gas welding
  • the multilayer substrate 100 has a four-layer configuration
  • conductive portions of the multilayer substrate 100 are indicated by shading.
  • the positive electrode bus bar 11 is electrically connected by directly contacting the positive electrode surface wiring 101 of the first layer of the multilayer substrate 100. Further, the multilayer substrate 100 is provided with a positive electrode side via 111, and the positive electrode side surface wiring 101 is connected to the second layer wiring 103 of the second layer via the positive electrode side via 111. That is, the positive electrode side bus bar 11 and the second layer wiring 103 which is the inner layer wiring of the multilayer substrate 100 are in the order of the positive electrode side bus bar 11 ⁇ the positive electrode side surface wiring 101 ⁇ the positive electrode side via 111 ⁇ the second layer wiring 103 of the inner layer wiring. Connected with.
  • the negative electrode bus bar 12 is electrically connected by being in direct contact with the negative electrode surface wiring 102 of the first layer of the multilayer substrate 100.
  • the multilayer substrate 100 is provided with a negative electrode side via 112, and the negative electrode side surface wiring 102 is connected to the third layer wiring 104 of the third layer through the negative electrode side via 112. That is, the negative electrode side bus bar 12 and the third layer wiring 104 which is the inner layer wiring of the multilayer substrate 100 are in the order of the negative electrode side bus bar 12 ⁇ the negative electrode side surface layer wiring 102 ⁇ the negative electrode side via 112 ⁇ the third layer wiring 104 of the inner layer wiring. Connected with.
  • a through hole for connecting the positive electrode side surface wiring 101 and the second layer wiring 103 may be provided on the inner wall of the bus bar connection hole 30.
  • a through hole for connecting the negative electrode side surface layer wiring 102 and the third layer wiring 104 may be provided on the inner wall of the bus bar connection hole 30.
  • the AC bus bar 14 is not particularly shown, but is connected to any independent layer on the DC side of the multilayer substrate 100 or mounted in a state where it is not connected to each layer wiring of the multilayer substrate 100.
  • FIG. 6 is an exploded plan view showing the positive side bus bar 11, the negative side bus bar 12, and the multilayer substrate 100 in the broken line area A in the power conversion device 1001 shown in FIG. 1 for each layer.
  • 6A shows the bus bar region (layer)
  • FIG. 6B shows the surface wiring region (layer) of the multilayer substrate 100
  • FIG. 6C shows the second layer wiring region (layer) of the multilayer substrate 100
  • FIG. 6D shows the third layer wiring region (layer) of the multilayer substrate 100.
  • the positive side bus bar 11 and the negative side bus bar 12 are connected and fixed to the multilayer substrate 100 on both sides of the component connection hole 20 for connecting the electrolytic capacitor 200 to the bus bar terminal 13.
  • a bus bar connection hole 30 is formed for this purpose.
  • a plurality of vias are formed around the bus bar connection holes 30 of the positive electrode bus bar 11 and the negative electrode bus bar 12, respectively.
  • a positive side via 111 and a negative side via 112) are formed.
  • the positive-side via 111 formed in the periphery of the bus-bar connection hole 30 of the positive-side bus bar 11 extends from the positive-layer surface wiring 101 of the first layer shown in FIG.
  • the negative electrode side via 112 formed in the periphery of the bus bar connection hole 30 of the negative electrode side bus bar 12 is formed from the first layer negative electrode surface wiring 102 shown in FIG. 6B to the third layer shown in FIG. 6D. It is connected to the third layer wiring 104 of the layer.
  • the region of the insulating material 150 (see FIG. 5) is provided so as to surround the bus bar connection hole 30 for fixing the negative electrode side bus bar 12 and the negative electrode side via 112.
  • a solid pattern is formed in other regions.
  • the positive-side bus bar 11 in FIG. 6A, the positive-side surface wiring 101 in FIG. 6B, and the second-layer wiring 103 in FIG. 6C are connected.
  • the third layer wiring 104 in FIG. 6D is provided with a region of the insulating material 150 so as to surround the bus bar connection hole 30 for fixing the positive electrode bus bar 11 and the positive electrode via 111.
  • a solid pattern is formed in this area.
  • the negative electrode side bus bar 12 in FIG. 6A, the negative electrode side surface layer wiring 102 in FIG. 6B, and the third layer wiring 104 in FIG. 6D are connected.
  • the solid pattern is different from the pattern in which a general conductor pattern on a printed circuit board is formed in a narrow band shape with a predetermined width, and these patterns are used while avoiding contact with other polar patterns.
  • the insulating material 150 provided in the inner layer of the multilayer substrate 100 as shown in FIGS. 6C and 6D can obtain a sufficient withstand voltage with a thickness of about several hundred ⁇ m. For example, when the thickness of the insulating material 150 is about 70 ⁇ m, a dielectric breakdown voltage of several kV can be obtained. The thinner the insulating material 150 and the higher the relative dielectric constant thereof, the larger the capacitance distributed between the wirings of different polarities facing each other across the insulating material 150. The positive reactance generated by the inductance distributed in the wiring is canceled out by the negative reactance generated by the capacitance distributed between the wirings, and the impedance with respect to the high-frequency component of the current flowing through the wiring is reduced.
  • the second layer wiring 103 in FIG. 6C and the third layer wiring 104 in FIG. 6D are adjacent to each other in a wide area by a solid pattern in which a pattern is formed in a wide area. It is arranged in the state. Furthermore, the second layer wiring 103 and the third layer wiring 104 are arranged adjacent to each other so that main circuit currents flowing into the power semiconductor module 500 in the positive electrode side and the negative electrode side flow in opposite directions.
  • the direct currents of the second layer wiring 103 and the third layer wiring 104 which are inner layer wirings flow in opposite directions (that is, to flow so as to cancel the magnetic field), It is possible to reduce the wiring inductance from the electrolytic capacitor 200 to the power semiconductor module 500 to the limit. As a result, the high-frequency current is likely to flow through the inner wiring having a low inductance. In other words, a high-frequency component current that flows when the power semiconductor module 500 operates, that is, a current with a small peak value, flows through the inner layer wiring (that is, the second layer wiring 103 and the third layer wiring 104) having a low inductance. become.
  • the thickness of the pattern wiring (that is, the positive surface wiring 101, the negative surface wiring 102, the second wiring 103, and the third wiring 104) of each layer of the multilayer substrate 100 is several tens to several hundreds. It is about ⁇ m.
  • the thickness of the positive electrode side bus bar 11 and the negative electrode side bus bar 12 can be made several tens to several hundred times thicker than each pattern wiring of the multilayer substrate 100.
  • most of the low-frequency component current that flows when the power semiconductor module 500 is operated flows through the positive-side bus bar 11 and the negative-side bus bar 12 having a small electrical resistance (resistance).
  • the power conversion device 1001 Since the power conversion device 1001 has the above-described structure, a high-frequency component current having a small current value mainly flows through the multilayer substrate 100 in which the insulating material 150 is stacked and difficult to dissipate heat, thereby reducing Joule heat generation due to wiring loss. It is possible. In addition, since most of the low-frequency component having a large current value flows through the positive-side bus bar 11 and the negative-side bus bar 12 having low electrical resistance (resistance), it is easy to suppress and dissipate Joule heat generation due to wiring loss in that part. Become.
  • the temperature of the control unit 10a is increased even when a large current is applied. Since it can suppress, it becomes possible to implement
  • the inductance from the electrolytic capacitor 200 to the switching element (MOSFET 580) inside the power semiconductor module 500 is substantially reduced, the surge voltage of the switching element when each MOSFET 580 of the power semiconductor module 500 is turned off is suppressed. . Accordingly, heat generation due to switching loss of the inverter circuit can be reduced, and thus the power conversion device 1001 can be reduced in size and cost. Furthermore, by reducing the wiring inductance, it is possible to eliminate the need for a snubber circuit or the like prepared for suppressing the spike voltage. This also contributes to downsizing and cost reduction by reducing the number of components. be able to.
  • the ripple current that the electrolytic capacitor 200 should absorb can be reduced by reducing the wiring inductance of the main circuit current path.
  • the heat generation of the electrolytic capacitor 200 can be suppressed, and the capacity of the electrolytic capacitor 200 can be reduced (downsized). From this aspect as well, it is possible to reduce the size and cost of the power conversion device 1001.
  • the case where the integrated circuit 60 and the integrated circuit peripheral component 70 are mounted on the multilayer substrate 100 has been described.
  • the wiring layer of the multilayer substrate 100 is used. If there are two or more layers, it is possible to obtain the same effects as in the present embodiment.
  • the low-inductance mounting of the circuit through which the main current flows is realized by forming each layer below the second layer as a solid pattern within a range in which the positive-surface wiring 101 and the negative-surface wiring 102 are not connected to each other. can do.
  • insulation is provided with a resist material or the like except for the portions where the positive electrode side bus bar 11 and the negative electrode side bus bar 12 are in contact with the positive electrode side surface layer wiring 101 and the negative electrode side surface layer wiring 102, respectively.
  • the power conversion device 1001 has the positive-side bus bar 11 and the negative-side bus bar 12 for flowing the main circuit current installed in the control unit 10a including the multilayer substrate 100 and the control element,
  • the bus bar 11 and the negative electrode side bus bar 12 are at least thicker than the metal wiring pattern of each layer of the multilayer substrate 100. Then, the positive-side bus bar 11 is connected to the second n-layer wiring (even-numbered layer wiring) of the multilayer substrate 100 through the via or the through hole, and the negative-side bus bar 12 is opposed to the second n-layer wiring of the multilayer substrate 100. Connect to layer wiring (odd layer wiring).
  • the positive bus bar 11 is connected to the second n + 1 layer wiring (odd layer wiring) of the multilayer substrate 100
  • the negative bus bar 12 is connected to the second n layer wiring (even layer wiring) facing the second n + 1 layer wiring of the multilayer substrate 100. Even if they are connected, the currents flowing in the wirings of the adjacent layers are in the opposite directions, so that the power conversion device 1001 can be reduced in size and cost, and the inductance can be reduced as described above. .
  • FIG. 7 is an exploded perspective view showing a power conversion device 1002 according to the second embodiment of the present invention.
  • substantially the same components as those described above are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted.
  • the main circuit current path on the direct current side including the positive electrode side bus bar 11 and the negative electrode side bus bar 12 needs to have a small inductance for the above-described reason (to facilitate the flow of a high frequency current).
  • the AC side bus bar 14 does not go through each layer wiring of the multilayer substrate 100 of the control unit 10b, and as shown in FIG. 7, the AC side main circuit terminal 540 of the power semiconductor module 500 (in FIG. 7, the AC side bus bar 14). (Not shown below).
  • the AC bus bar 14 is not mounted on the multilayer substrate 100 of the control unit 10b, so that a large effective area for mounting each component of the control unit 10b on the multilayer substrate 100 can be secured.
  • more elements such as the integrated circuit 60 can be mounted on the multilayer substrate 100.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view showing a power conversion apparatus 1003 according to the third embodiment of the present invention.
  • the positive electrode side bus bar 11 and the negative electrode side bus bar 12 stand perpendicular to the surface of the multilayer substrate 100 of the control unit 10 c at the respective tip portions. Since the positive electrode side bus bar 11 and the negative electrode side bus bar 12 are made of a workable material such as copper or aluminum, the degree of freedom in layout and shape is extremely high. Therefore, the position and shape of the input / output terminals (for example, the positive-side bus bar 11 and the negative-side bus bar 12) of the power conversion device 1003 can be freely determined according to the external device.
  • the positive bus bar 11 and the negative bus bar 12 can be set up perpendicular to the surface of the multilayer substrate 100 as shown in FIG. Thereby, it is possible to effectively use the space of the external device in which the power conversion device 1003 is mounted. Further, by configuring the output on the alternating current side with a connector (also referred to as a terminal block), the mountability and maintainability of the power converter 1003 are further improved.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view showing a power conversion device 1004 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the negative electrode side bus bar 12 is mounted on the surface opposite to the surface on which the positive electrode side bus bar 11 is mounted on the multilayer substrate 100. That is, the positive electrode side bus bar 11 and the negative electrode side bus bar 12 are mounted to face each other with the multilayer substrate 100 interposed therebetween. For this reason, the electrode of the positive electrode side bus bar 11 and the electrode of the negative electrode side bus bar 12 are opposed to each other by the thickness of the multilayer substrate 100.
  • the electrolytic capacitor 200 and the inductor 300 shown in FIG. 1 are not located in the region of the multilayer substrate 100 as shown in FIG. Is preferred.
  • the wiring inductance on the direct current side can be further reduced, so that the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • the positive side bus bar 11 and the negative side bus bar 12 are opposed to each other only on the outside of the multilayer substrate 100, it is possible to reduce the cost and weight of the power converter 1004.
  • a DC power source is introduced by two bus bars (not shown) opposed to each other with a dielectric interposed therebetween, connection is easy and power loss at the connection portion is reduced.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view showing a power conversion device 1005 according to a fifth embodiment of the present invention.
  • 11 is an exploded top view of the positive electrode bus bar 11, the negative electrode bus bar 12, and each layer of the multilayer substrate 100 in the power conversion device 1005 shown in FIG. 11A shows the positive electrode side bus bar 11 and the negative electrode side bus bar 12
  • FIG. 11B shows the first layer surface wiring (the positive electrode side surface layer wiring 101 and the negative electrode side surface layer wiring 102) in the multilayer substrate 100
  • FIG. 11C shows the second layer wiring 103 of the second layer in the multilayer substrate 100
  • FIG. 11D shows the third layer wiring 104 of the third layer in the multilayer substrate 100.
  • the power conversion device 1005 of the fifth embodiment shown in FIG. 5 is different in that the power semiconductor module 500 is composed of three sets of “2 in 1” type modules in which two elements are housed in one package. Accordingly, the configuration of the positive-side bus bar 11, the negative-side bus bar 12, and the multilayer substrate 100 shown in FIG. 11 is different from the configuration shown in FIG.
  • the positive-side bus bar 11 and the negative-side bus bar 12 include the positive-side main circuit terminal 501 and the negative-side main circuit of each of the three power semiconductor modules 500.
  • the terminals 502 and the multilayer board 100 are connected with screws 40 through the bus bar connection holes 30.
  • the positive surface layer wiring 101 and the negative surface layer wiring 102 around the bus bar connection hole 30 are exposed in the first layer of the multilayer substrate 100 of the control unit 10e. ing. Therefore, the positive electrode bus bar 11 and the positive electrode surface wiring 101 are electrically connected by direct contact.
  • the negative electrode bus bar 12 and the negative electrode surface wiring 102 are electrically connected by direct contact.
  • a large number of positive side vias 111 and negative side vias 112 are formed around the bus bar connection hole 30. Therefore, the positive-side surface layer wiring 101 shown in FIG. 11B is electrically connected to the second-layer wiring 103 shown in FIG. 11C through the positive-side via 111, and FIG.
  • the negative electrode surface layer wiring 102 shown is electrically connected to the third layer wiring 104 shown in FIG. 11D through the negative electrode side via 112.
  • the power conversion device 1005 includes the positive current bus bar 11 and the negative bus bar 12 on the direct current side, the second layer wiring 103 and the third layer wiring 104 of the multilayer substrate 100, and the three power semiconductor modules 500.
  • the positive current main circuit terminal 501 and the negative main circuit terminal 502 on the direct current side are connected to each other.
  • the positive-side main circuit terminal 501 and the negative-side main circuit terminal 502 on the DC side of the power semiconductor module 500 including three “2 in 1” modules, and the electrolytic capacitor 200 are provided. As a result, the loss of the power converter 1005 can be reduced.
  • FIG. 12 is an exploded perspective view showing a power conversion device 1006 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the difference between the power conversion device 1006 of the sixth embodiment and the power conversion device 1005 of the fifth embodiment is that the positive-side bus bar 11 and the negative-side bus bar 12 are areas where circuit components are mounted in the control unit 10f. ), And is configured in a three-dimensional manner.
  • the integrated circuit 60 and the like can be mounted on the integrated circuit mounting region 140 of the multilayer substrate 100 before mounting the positive bus bar 11 and the negative bus bar 12.
  • the power converter 1006 can be downsized as a result.
  • FIG. 13 is a partial cross-sectional view showing the vicinity of the bus bar of the multilayer substrate 100 in the power conversion device according to the seventh embodiment of the present invention.
  • 13A shows a cross section of the multilayer substrate 100 in the vicinity of the bus bar connection hole 30 of the positive electrode side bus bar 11
  • FIG. 13B shows a cross section of the multilayer substrate 100 in the vicinity of the bus bar connection hole 30 of the negative electrode side bus bar 12. Indicates.
  • the multilayer substrate 100 of the seventh embodiment shown in FIG. 13 is different in that it is composed of a six-layer substrate.
  • the positive electrode side bus bar 11 is in contact with the positive electrode side surface layer wiring 101 of the first layer, and is electrically connected to the second layer wiring 103 and the fourth layer wiring 105 via the positive electrode side via 111.
  • the negative electrode side bus bar 12 is in contact with the negative electrode side surface layer wiring 102 of the first layer, and the third layer wiring 104 and the fifth layer wiring 106 are connected via the negative electrode side via 112. And are electrically connected.
  • These inner-layer wirings include bus-bar connection holes 30 for fixing the positive-side bus bar 11 and the negative-side bus bar 12 and an insulating material (not shown) (for example, FIG. With the insulating material 150) shown in b), it is provided as a solid pattern formed in a shape that avoids wiring having a polarity opposite to its own polarity.
  • the second-layer wiring 103 connected to the positive-side bus bar 11 and the positive-side surface wiring 101 insulates the wiring having the opposite polarity to the positive electrode (negative-side surface wiring 102).
  • a solid pattern is formed so as to be avoided by the material 150.
  • FIG. 6C the second-layer wiring 103 connected to the positive-side bus bar 11 and the positive-side surface wiring 101 insulates the wiring having the opposite polarity to the positive electrode (negative-side surface wiring 102).
  • a solid pattern is formed so as to be avoided by the material 150.
  • the third-layer wiring 104 connected to the negative-side bus bar 12 and the negative-side surface wiring 102 insulates the wiring having the opposite polarity to the negative electrode (positive-side surface wiring 101).
  • a solid pattern is formed so as to be avoided by the material 150.
  • the seventh embodiment of the present invention it is possible to further reduce the inductance and increase the output of the wiring in the power conversion device, and reduce the size and cost by reducing the loss of the power conversion device and improving the heat dissipation. Can be realized. Further, in this embodiment, by using two or more inner layer wirings for each of the positive electrode and the negative electrode, the inductance and electric resistance of the wiring are further reduced, and a larger current than that of the power conversion device of each of the above embodiments is obtained. It becomes possible to energize. Thereby, it becomes possible to apply the power converter device of this embodiment to the power converter device of a wide output range. Furthermore, by using six-layer wiring for the multilayer substrate 100, the degree of freedom in wiring layout of the integrated circuit 60 for control (see FIG. 1) is increased, component mounting is easy, and miniaturization and cost reduction are achieved. It becomes possible.
  • ⁇ Summary> As described above, according to the power conversion devices (1001 to 1006) of the embodiments of the present invention, two or more wiring layers of the multilayer substrate 100 facing each other close to each other are used as the main circuit current path. When used, two adjacent layers are bonded together by utilizing the effect of lamination, so that low inductance mounting can be realized by the wiring layer of the multilayer substrate 100. Further, since the positive electrode side bus bar 11 and the negative electrode side bus bar 12 for flowing the main circuit current are formed so as to face one surface or both surfaces of the multilayer substrate 100, the positive electrode side bus bar 11 and the negative electrode side bus bar 12 Since elements such as the electrolytic capacitor 200 and the inductor 300 can be fixed by spot welding, screwing, or the like, the mounting of components becomes extremely easy.
  • screws 40 for fixing the electrodes (the positive side main circuit terminal 501 and the negative side main circuit terminal 502) to the power semiconductor module 500 are used to fix the positive side bus bar 11 and the negative side bus bar 12 to the multilayer substrate 100.
  • a control element such as a driver IC can be mounted in a vacant area of the multilayer substrate 100 where the positive electrode bus bar 11 and the negative electrode bus bar 12 are not mounted, it can be used as a control unit. As a result, further downsizing of the power conversion device can be realized.
  • the power converter can be reduced in size and cost. Can be realized.

Landscapes

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Abstract

　パワー半導体モジュール５００とバスバ１１，１２とが形成された多層基板がモジュール化された電力変換装置において小型・低コスト化と入出力回路の低インダクタンス化とを実現する。 　主回路電流を流すための正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を、制御部１０ａの搭載された多層基板１００の表面に設置する。正極側バスバ１１，負極側バスバ１２は多層基板１００の各層の金属配線よりも厚く形成する。ビアを介して、正極側バスバ１１を多層基板１００の正極側表層配線から第２ｎ層配線（ｎは正の整数）に、負極側バスバ１２は多層基板１００の第２ｎ層配線に対向する第２ｎ＋１層配線に、それぞれ電気的に接続させる。これにより、第２ｎ層配線と第２ｎ＋１層配線とで逆向きの電流が、パワー半導体モジュール５００に流入する。そのため、主回路が低インダクタンス化されて、大電流通電による高出力な電力変換装置を小型化・低コスト化することができる。

Description

電力変換装置及び車載用電機システム
　本発明は、家電製品、車両、及び産業用機器などに幅広く用いられている、パワー半導体素子及び制御素子などが搭載されたインバータ装置などに代表される電力変換装置、及びその電力変換装置を用いた車載用電機システムに関する。
　従来、この種の電力変換装置は、パワー半導体素子や制御素子などを一体にモジュール化して、樹脂モールドケースや金属ケースなどに収納したものである。したがって、小型でコンパクトな電源装置として車載用電機システムなどに容易に搭載することができる。このような電力変換装置にあっては、外部機器との間で大電流を入出力するための導体配線（バスバ）の取付け方法や取出し方法に様々な工夫がなされている。例えば、パワー半導体素子が搭載されたパワー半導体モジュールの上に大電流配線基板が搭載された電源装置において、主電流を供給する大電流配線基板に形成された導体配線（バスバ）とパワー半導体モジュールの主回路端子とを直接ネジで接続して、大電流配線基板とパワー半導体モジュールとを固着するとともに、大電流配線基板に貫通するようにパワー半導体モジュールに制御端子やガイドピンを立てることにより、電力変換装置の組立やメンテナンスを容易にする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
　また、リードフレーム上にパワー半導体素子を実装し、絶縁接着シートを狭持させた状態で金属ベースとリードフレームとを固着し、金属ベースに外装樹脂モールドケースを接着剤などで固着するとともに、この外装樹脂モールドケース内に樹脂封止材を充填し、外装樹脂モールドケースと内部に搭載した半導体素子などの回路部品とを一体封止するように構成された樹脂モールド型の電力変換装置の技術も開示されている（例えば、特許文献２参照）。この技術によれば、金属ベースの上側にはマイコンやドライバＩＣが搭載された制御基板があり、さらに、制御基板の上側には電解コンデンサや入出力端子台が搭載された配線基板が設置された構成となっているので、厚いリードフレームを用いることによってモジュール化された電力変換装置を小型化することが可能である。
特開平５－９４８５４号公報 特開２０００－２４５１７０号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の技術は、大電流配線基板上に形成されたバスバが横方向に並列的に配置された実装方法となっているので、バスバの長さやバスバ間の相互インダクタンスなどの影響によって、バスバの配線インダクタンスを低減することが困難である。
　また、特許文献２に記載の技術は、金属ベース・リードフレーム・制御基板・配線基板・外装樹脂モールドケースと構成要素が多く、コスト低減を図ることが困難であるとともに、各構成要素を実装する際の工程数も増加してしまう。さらに、配線基板は薄い配線層と絶縁層とが積層された構造となっているため、電気抵抗と熱抵抗との双方が大きくなり、電力変換装置として大電流を通電することが困難である。
　すなわち、半導体素子が実装されたパワー半導体モジュールと、ドライバＩＣなどが実装された制御部が搭載された多層基板と、電解コンデンサやインダクタなどが実装された配線部とで構成される電力変換装置においては、大電流通電による高出力と低インダクタンス実装とを実現するためには、配線部の電気配線には大きな断面積が必要になるとともに、ラミネートなどの複雑な構造が必要となる。そのため、従来の電力変換装置においては、主回路電流経路を低インダクタンス化して装置全体を小型・低コスト化することは困難である。
　本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、パワー半導体モジュールとバスバが形成された多層基板とが一体的にモジュール化された構成において、小型・低コスト化と入出力回路の低インダクタンス化とを実現することができる電力変換装置、及びその電力変換装置を用いた車載用電機システムを提供することを課題とする。
　前記課題を解決するために、本発明による電力変換装置は、パワー半導体素子が実装されたパワー半導体モジュールと、パワー半導体モジュールを制御する制御素子と、制御素子を搭載する多層基板と、パワー半導体モジュールへ電力を入出力するための正極側バスバおよび負極側バスバと、を備えた電力変換装置であって、正極側バスバおよび負極側バスバは多層基板配線の一方の面に実装され、正極側バスバは、パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と多層基板に実装された面の正極側表層配線とに接続され、かつ、正極側表層配線は第１のビアまたは第１のスルーホールを介して多層基板の配線層の第２ｎ層（ｎは正の整数）と接続され、負極側バスバは、パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と多層基板に実装された面の負極側表層配線とに接続され、かつ、負極側表層配線は第２のビアまたは第２のスルーホールを介して多層基板の第２ｎ層に対向する第２ｎ＋１層と接続され、パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と正極側バスバとが第１の固定部材（例えば、ネジ）で電気的に接続され、パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と負極側バスバとが第２の固定部材（例えば、ネジ）で電気的に接続されている、ことを特徴とする。
　また、本発明による電力変換装置は、パワー半導体素子が実装されたパワー半導体モジュールと、パワー半導体モジュールを制御する制御素子と、制御素子を搭載する多層基板と、パワー半導体モジュールへ電力を入出力するための正極側バスバおよび負極側バスバと、を備えた電力変換装置であって、正極側バスバは多層基板配線の一方の面に、負極側バスバは多層基板の他方の面に、それぞれ対向して実装され、正極側バスバは、パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と多層基板に実装された面の正極側表層配線とに接続され、かつ、正極側表層配線は第１のビアまたは第１のスルーホールを介して多層基板の配線層の第２ｎ層（ｎは正の整数）と接続され、負極側バスバは、パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と多層基板に実装された面の負極側表層配線とに接続され、かつ、負極側表層配線は第２のビアまたは第２のスルーホールを介して多層基板の第２ｎ層に対向する第２ｎ＋１層と接続され、パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と正極側バスバとが第１の固定部材で電気的に接続され、パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と負極側バスバとが第２の固定部材で電気的に接続されている、ことを特徴とする。
　また、本発明は、前記各発明の電力変換装置を用いた車載用電源システムを提供することもできる。すなわち、各発明の電力変換装置を用い、パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と負極側主回路端子とに供給された直流電力を交流電力に変換し、交流側主回路端子からモータへ交流電力を供給するように構成された車載用電機システムを提供することもできる。
　本発明によれば、電力制御を行うパワー半導体モジュールと、主回路電流を流すためのバスバおよび制御素子が搭載された多層基板と、を備えた電力変換装置において、多層基板の内層における偶数層の配線と奇数層の配線とに、それぞれ、正極側バスバと負極側バスバとを接続して、パワー半導体モジュールに直流電流を供給している。これにより、多層基板の隣接する層で逆方向の電流が流れるので、磁気エネルギが相殺されて配線インダクタンスを低減することができる。よって、入出力回路を低インダクタンス化し且つバスバを用いることで、大電流通電による高出力化が可能な電力変換装置を小型化かつ低コストで提供することができる。
本発明による第１実施形態の電力変換装置を示す分解斜視図である。 図１に示す電力変換装置の要部を示す回路図である。 図２に示すパワー半導体モジュールの内部回路を示す回路図である。 図１に示す電力変換装置における電解コンデンサおよびパワー半導体モジュールの部分を直線的に切断して示す部分断面図である。 図１に示す電力変換装置における多層基板を示す部分断面図であり、（ａ）は正極側バスバのバスバ接続用穴近傍における多層基板の断面を示し、（ｂ）は負極側バスバのバスバ接続用穴近傍における多層基板の断面を示す。 図１に示す電力変換装置における破線領域Ａ内の正極側バスバ、負極側バスバおよび多層基板を層ごとに示す分解平面図であり、（ａ）はバスバ領域（層）を示し、（ｂ）は多層基板の表層配線領域（層）を示し、（ｃ）は多層基板の第２層配線領域（層）を示し、（ｄ）は多層基板の第３層配線領域（層）を示す。 本発明による第２実施形態の電力変換装置を示す分解斜視図である。 本発明による第３実施形態の電力変換装置を示す分解斜視図である。 本発明による第４実施形態の電力変換装置を示す分解斜視図である。 本発明による第５実施形態の電力変換装置を示す分解斜視図である。 図１１は、図１０に示す電力変換装置における正極側バスバ、負極側バスバと多層基板の各層を分解した上面図であり、（ａ）は正極側バスバおよび負極側バスバを示し、（ｂ）は多層基板１００における第１層の表層配線（正極側表層配線および負極側表層配線）を示し、（ｃ）は多層基板における第２層の第２層配線を示し、（ｄ）は多層基板における第３層の第３層配線を示す。 本発明による第６実施形態の電力変換装置を示す分解斜視図である。 本発明による第７実施形態の電力変換装置における多層基板のバスバ近傍を示す部分断面図であり、（ａ）は正極側バスバのバスバ接続用穴近傍のおける多層基板の断面を示し、（ｂ）は負極側バスバのバスバ接続用穴近傍における多層基板の断面を示す。
　以下、本発明による各実施形態について、添付した各図を参照し詳細に説明する。
　本発明による実施形態の電力変換装置（１００１～１００６）は、パワー半導体モジュール５００とその上に搭載された多層基板（プリント基板）１００とを備えている。多層基板１００の表面配線層（第１層）には、主回路電流を流すためのバスバが接続されているとともに、制御用素子を含む制御部（１０ａ～１０ｆ）が設置されている。また、バスバは多層基板１００の配線（パターン）よりも厚く形成されている。さらに、多層基板１００に形成されたビア（１１１，１１２）またはスルーホールを用いて、バスバの正極側電極（正極側バスバ１１）が多層基板１００の例えば偶数層のパターンに接続され、バスバの負極側電極（負極側バスバ１２）が多層基板１００の奇数層のパターンに接続されている。もちろん、バスバの正極側電極（正極側バスバ１１）が多層基板１００の例えば奇数層のパターンに接続され、バスバの負極側電極（負極側バスバ１２）が多層基板１００の偶数層のパターンに接続されるようにしてもよい。これにより、大電流を通電する電力変換装置（１００１～１００６）の小型化・低コスト化と低インダクタンス化とを実現することができる。
《第１実施形態》
　まず、図１から図６までを参照して、本発明による第１実施形態の電力変換装置１００１について説明する。
　図１は、本発明による第１実施形態の電力変換装置１００１を示す分解斜視図である。なお、この図では、電力変換装置１００１は、パワー半導体モジュール５００と多層基板１００からなる制御部１０ａとに分解して表示する。また、電力変換装置１００１は、下部および側面を覆う金属筐体４００の上部の開口をふさぐカバーを有するが、その内部構造を示すため、図１ではカバーを省略して図示する。
　図２は、図１に示す電力変換装置１００１の要部を示す回路図である。図２に示す回路図において、白丸で表示する部分は溶接による接合箇所を示し、黒丸で表示する部分はネジ止めによる固定箇所を示す。
　なお、図２では、バッテリなどの直流電源８０の直流電力を、パワー半導体モジュール５００によって交流電力（正弦波電力のほか、スイッチングによる矩形波電力及び台形波電力でもよい。以下同じ。）に変換して、負荷であるモータ９０に電力を供給する電力変換装置１００１を示している。しかし、本発明による実施形態は直流－交流変換に限定されるものではなく、直流－直流変換、交流－直流変換など、他の形式の電力変換装置においても、図１と同様の構成とすることで、図２に示す直流－交流変換の電力変換装置と同様の作用・効果を奏する。
　図１及び図２において、直流電力を交流電力に変換するパワー半導体モジュール５００の入出力端子は、正極側直流電力を扱う正極側主回路端子５０１と、負極側直流電力を扱う負極側主回路端子５０２と、三相交流主電力を扱う交流側主回路端子５４０と、および主電力以外の信号や電力を扱う制御端子５５０とによって構成されている。
　図３は、図２に示すパワー半導体モジュール５００の内部回路を示す回路図である。図３に示すように、パワー半導体モジュール５００の回路構成は、６個のＭＯＳＦＥＴ５８０が３アームでブリッジ構成された三相インバータの回路となっている。なお、パワー半導体モジュール５００の回路構成としては、ＭＯＳＦＥＴ５８０に限定されるものではなく、他の半導体素子、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor; 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＳＣＲ（Silicon Controlled Rectifier）などのようにスイッチング制御が可能なパワー半導体素子であればよい。
　本実施形態の電力変換装置１００１では、パワー半導体モジュール５００は、スイッチングなどを行う６個の素子（ＭＯＳＦＥＴ５８０）を１個のパッケージに収めた、いわゆる“６ｉｎ１”形である。しかし、後記するように、パワー半導体モジュール５００は、２個の素子を１パッケージに収めた、いわゆる“２ｉｎ１”形のものを３個組で用いてもよいし、あるいは、６個のディスクリートの素子を用いて構成してもよい。
　図１に示すように、パワー半導体モジュール５００の上部には制御部１０ａが備えられている。制御部１０ａの多層基板１００には、パワー半導体モジュール５００の内部のスイッチング素子（例えば、図３に示すようなインバータ回路のＭＯＳＦＥＴ５８０）を駆動するための制御ＩＣなどを含む集積回路６０および集積回路周辺部品７０、ならびに、パワー半導体モジュール５００に電力を入出力するための、銅などの電気抵抗の小さな金属からなる正極側バスバ１１、負極側バスバ１２および交流側バスバ１４などが搭載される。
　また、多層基板１００には、これらの正極側バスバ１１、負極側バスバ１２、および交流側バスバ１４とパワー半導体モジュール５００とを固定するためのバスバ接続用穴３０と、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２と電解コンデンサ２００やインダクタ３００とを接続するための部品接続用穴２０と、多層基板１００の制御部１０ａとパワー半導体モジュール５００の制御端子５５０とを接続するためのスルーホール５０と、制御部１０ａを含む多層基板１００をアルミニウムなどの熱容量が大きく熱伝導率の大きい金属筐体４００に固定するための基板取付穴５５とが用意されている。
　なお、図１に示す例では、制御部１０ａの集積回路６０を多層基板１００の表面配線層（第１層）に実装した片面実装であるが、多層基板１００の裏面配線層にも実装する両面実装としてもよい。また、電解コンデンサ２００の代わりに、十分な静電容量を有する他の形式のコンデンサを用いてもよい。
　図４は、図１に示す電力変換装置１００１における電解コンデンサ２００およびパワー半導体モジュール５００の部分を直線的に切断して示す部分断面図である。
　図４に示すように、パワー半導体モジュール５００の下部に備えられている金属筐体４００には、溝２５０が形成されて電解コンデンサ２００が位置決めされている。また、電解コンデンサ２００は、固定用接着剤２１０によって金属筐体４００の底部に固定されている。
　なお、特に図示しないが、インダクタ３００も、電解コンデンサ２００の場合と同様に、金属筐体４００に溝が形成されて固定用接着剤によって金属筐体４００の底部に固定されている。
　また、図２に示すように、直流電力側における正極側バスバ１１および負極側バスバ１２のパワー半導体モジュール５００が接続される側の反対側の端部には、整流・平滑回路やバッテリなどからなる直流電源８０が取り付けられる。さらに、交流電力側の交流側バスバ１４のパワー半導体モジュール５００が接続される側の反対側の端部には、モータ９０などの負荷や制御対象が取り付けられる。
　図５は、図１に示す電力変換装置１００１における多層基板１００を示す部分断面図であり、図５（ａ）は正極側バスバ１１のバスバ接続用穴３０近傍における多層基板１００の断面を示し、図５（ｂ）は負極側バスバ１２のバスバ接続用穴３０近傍における多層基板１００の断面を示す。
　そこで、まず、図５（ａ）および図５（ｂ）を参照し、図１に示す電力変換装置１００１の組立工程について説明する。
　図１に示す電力変換装置１００１の組立工程では、まず、パワー半導体モジュール５００が熱伝導グリースなどを介して（接合面に熱伝導グリースを塗布するか、熱伝導シートを挟むなどして）金属筐体４００の底部にネジ止めされる。
　次に、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、集積回路６０などがリフローソルダリングなどによって半田付けされた多層基板１００のバスバ接続用穴３０に、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２が、ネジ４０およびナット４５によってネジ止めされ、固定される。
　図１に戻り、パワー半導体モジュール５００と、正極側バスバ１１、負極側バスバ１２および交流側バスバ１４と、多層基板１００の制御部１０ａとが、パワー半導体モジュール５００の正極側主回路端子５０１、負極側主回路端子５０２、および交流側主回路端子５４０のネジ穴（あらかじめ雌ネジを切っておく）にネジ４０をねじ込んで固定される。さらに、多層基板１００は、金属筐体４００に、基板取付穴５５を通してネジ止めされる。また、パワー半導体モジュール５００の制御端子５５０と、制御部１０ａのスルーホール５０とが、スポットハンダ付けなどで電気的に接続される。接続後、金属筐体４００にあらかじめ固定しておいた電解コンデンサ２００およびインダクタ３００が、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２のバスバ端子１３に、ＴＩＧ溶接（ティグ溶接; Tungsten Inert Gas welding）などによって接続される。
　次に、図５を参照し、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２と多層基板１００の各層の配線との接続構成について説明する。ここで、多層基板１００が４層構成である場合について例示し、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２が接続される面側から順に（つまり、上方から下方に向かって）、第１層、第２層、第３層、第４層と呼ぶことにする。なお、図５において、多層基板１００の導電部分を網掛けで示す。
　図５（ａ）に示すように、正極側バスバ１１は、多層基板１００の第１層の正極側表層配線１０１と直接接触することによって、電気的に接続されている。また、多層基板１００には正極側ビア１１１が設けられ、正極側表層配線１０１は正極側ビア１１１を介して第２層の第２層配線１０３と接続されている。すなわち、正極側バスバ１１と、多層基板１００の内層配線である第２層配線１０３とは、正極側バスバ１１→正極側表層配線１０１→正極側ビア１１１→内層配線の第２層配線１０３という順序で接続されている。
　また、図５（ｂ）に示すように、負極側バスバ１２は多層基板１００の第１層の負極側表層配線１０２と直接接触することによって電気的に接続されている。また、多層基板１００には負極側ビア１１２が備わっており、負極側表層配線１０２は負極側ビア１１２を介して第３層の第３層配線１０４と接続されている。すなわち、負極側バスバ１２と、多層基板１００の内層配線である第３層配線１０４とは、負極側バスバ１２→負極側表層配線１０２→負極側ビア１１２→内層配線の第３層配線１０４という順序で接続されている。
　なお、正極側ビア１１１の代わりに、正極側表層配線１０１と第２層配線１０３とを接続するスルーホールを、バスバ接続用穴３０の内壁に設けてもよい。同様に、負極側ビア１１２の代わりに、負極側表層配線１０２と第３層配線１０４とを接続するスルーホールを、バスバ接続用穴３０の内壁に設けてもよい。
　また、交流側バスバ１４は、特に図示しないが、多層基板１００のいずれかの直流側の独立した層と接続されているか、もしくは多層基板１００の各層配線には接続されない状態で実装されている。
　図６は、図１に示す電力変換装置１００１における破線領域Ａ内の正極側バスバ１１、負極側バスバ１２および多層基板１００を層ごとに示す分解平面図である。図６（ａ）はバスバ領域（層）を示し、図６（ｂ）は多層基板１００の表層配線領域（層）を示し、図６（ｃ）は多層基板１００の第２層配線領域（層）を示し、図６（ｄ）は多層基板１００の第３層配線領域（層）を示す。
　図６（ａ）に示すように、電解コンデンサ２００をバスバ端子１３に接続するための部品接続用穴２０の両脇に、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を多層基板１００に接続して固定するためのバスバ接続用穴３０が形成されている。また、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２のそれぞれのバスバ接続用穴３０の周辺には、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）に示すように、複数のビア（正極側ビア１１１および負極側ビア１１２）が形成されている。正極側バスバ１１のバスバ接続用穴３０の周辺に形成された正極側ビア１１１は、図６（ｂ）に示す第１層の正極側表層配線１０１から同図（ｃ）に示す第２層の第２層配線１０３へ接続されている。また、負極側バスバ１２のバスバ接続用穴３０の周辺に形成された負極側ビア１１２は、図６（ｂ）に示す第１層の負極側表層配線１０２から図６（ｄ）に示す第３層の第３層配線１０４へ接続されている。
　すなわち、図６（ｃ）の第２層配線１０３には、負極側バスバ１２を固定するためのバスバ接続用穴３０および負極側ビア１１２を囲むように絶縁材１５０（図５参照）の領域が設けられ、それ以外の領域にベタパターンが形成されている。これにより、図６（ａ）の正極側バスバ１１と、図６（ｂ）の正極側表層配線１０１と、図６（ｃ）の第２層配線１０３とが接続される。また、図６（ｄ）の第３層配線１０４には、正極側バスバ１１を固定するためのバスバ接続用穴３０および正極側ビア１１１を囲むように絶縁材１５０の領域が設けられ、それ以外の領域にベタパターンが形成されている。これにより、図６（ａ）の負極側バスバ１２と、図６（ｂ）の負極側表層配線１０２と、図６（ｄ）の第３層配線１０４とが接続される。
　なお、ベタパターンとは、プリント基板上の一般的な導電体のパターンが所定幅の細帯状に形成されるパターンと異なり、他の極性のパターンとの接触を避けつつ、これらのパターンが使用していない領域などに一様な面状に広く形成したパターンをいう。
　図６（ｃ）、図６（ｄ）に示すような多層基板１００の内層に設けられた絶縁材１５０は、数百μｍ程度の厚みで十分な絶縁耐圧を得ることができる。例えば、絶縁材１５０の厚さが７０μｍ程度のとき、数ｋＶの絶縁耐圧が得られる。この絶縁材１５０が薄いほど、また、その比誘電率が高いほど、絶縁材１５０を挟んで対向する極性の異なる配線間に分布するキャパシタンスが大きくなる。配線に分布するインダクタンスによって生じる正のリアクタンス分が、この配線間に分布するキャパシタンスによって生じる負のリアクタンス分によって打ち消され、これらの配線に流れる電流の高周波成分に対するインピーダンスが小さくなる。
　また、図６（ｃ）の第２層配線１０３と図６（ｄ）の第３層配線１０４とは、それぞれ、広い領域でパターンが形成されたベタパターンによって、互いに広い面積で対向して近接した状態で配置されている。さらに、パワー半導体モジュール５００に流入する正極側と負極側との主回路電流は互いに逆方向に流れるように、第２層配線１０３と第３層配線１０４とが隣接して配置されている。多層基板１００をこのような構成にすることにより、内層配線である第２層配線１０３と第３層配線１０４との直流電流は逆方向に流れるため（すなわち、磁場を打ち消すように流れるため）、電解コンデンサ２００からパワー半導体モジュール５００までの配線インダクタンスを極限まで小さくすることが可能である。これにより、高周波電流は低インダクタンスの内層配線に流れやすくなる。言い換えると、パワー半導体モジュール５００が動作した際に流れる高周波成分の電流、すなわち、ピーク値の小さい電流は、低インダクタンスの内層配線（すなわち、第２層配線１０３および第３層配線１０４）を流れることになる。
　また、一般的に、多層基板１００の各層のパターン配線（すなわち、正極側表層配線１０１、負極側表層配線１０２、第２層配線１０３、および第３層配線１０４）の厚みは数十～数百μｍ程度である。一方、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２の厚みは多層基板１００の各パターン配線より数十～数百倍程度まで厚くすることが可能である。これにより、パワー半導体モジュール５００が動作した際に流れる低周波成分の電流は、大部分、電気抵抗（レジスタンス）の小さい正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を流れることとなる。
　電力変換装置１００１を前記した構造とすることで、絶縁材１５０が積層されて放熱が難しい多層基板１００には電流値の小さい高周波成分の電流が主に流れるので、配線損失によるジュール発熱を小さくすることが可能である。また、電気抵抗（レジスタンス）の小さい正極側バスバ１１および負極側バスバ１２に電流値の大きな低周波成分の大部分が流れるので、その部分の配線損失によるジュール発熱を抑制および放熱することが容易となる。このように、正極側バスバ１１，負極側バスバ１２と多層基板１００の各層のパターン配線とを併用して主回路電流経路として用いることにより、大電流を通電しても制御部１０ａの温度上昇を抑制することができるので、電力変換装置１００１の小型化と、構成部材削減による低コスト化とを実現することが可能となる。
　また、電解コンデンサ２００からパワー半導体モジュール５００の内部のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ５８０）までのインダクタンスが実質的に小さくなるので、パワー半導体モジュール５００の各ＭＯＳＦＥＴ５８０がターンオフした際のスイッチング素子のサージ電圧が抑制される。これにより、インバータ回路のスイッチング損失による発熱を低減することができるので、電力変換装置１００１を小型化および低コスト化することが可能である。さらに、配線インダクタンスを低減することで、スパイク電圧を抑制するために用意するスナバ回路などを不要とすることができるので、この面からも構成部品を削減して小型化および低コスト化に寄与することができる。
　さらに、主回路電流経路の配線インダクタンスを低減することによって電解コンデンサ２００が吸収すべきリップル電流を低減することができる。これにより、電解コンデンサ２００の発熱を抑制し、また、電解コンデンサ２００を小容量化（小型化）することが可能である。この面からも電力変換装置１００１の小型化および低コスト化を実現することが可能である。このように、本実施形態による電力変換装置１００１の発熱抑制と実装の容易性とを実現することで、小型かつ低コストの大電流通電可能な高出力の電力変換装置１００１を提供することが可能となる。
　なお、本実施形態では多層基板１００に集積回路６０や集積回路周辺部品７０が実装される場合について説明したが、多層基板１００に集積回路６０が実装されない場合には、その多層基板１００の配線層は２層以上あれば本実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である。また、第１層の正極側表層配線１０１と負極側表層配線１０２とが互いに接続しない範囲で、第２層以下の各層をベタパターンとすることによって、主電流が流れる回路の低インダクタンス実装を実現することができる。この場合には、正極側表層配線１０１と負極側表層配線１０２とにそれぞれ正極側バスバ１１と負極側バスバ１２とが接触する箇所以外は、レジスト材などによって絶縁を施しておく。
　以上、第１実施形態の電力変換装置１００１は、主回路電流を流すための正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を、多層基板１００と制御用素子とを含む制御部１０ａに設置し、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２は少なくとも多層基板１００の各層の金属配線パターンよりも厚くする。そして、ビアまたはスルーホールを介して、正極側バスバ１１を多層基板１００の第２ｎ層配線（偶数層配線）に接続し、負極側バスバ１２を多層基板１００の第２ｎ層配線に対向する第２ｎ＋１層配線（奇数層配線）と接続する。これによって、多層基板１００の第２ｎ層配線（偶数層配線）と第２ｎ＋１層配線（奇数層配線）とに流れる電流の向きが逆になるので、大電流通電による高出力の電力変換装置１００１の小型化・低コスト化と低インダクタンス化とを実現することが可能となる。なお、正極側バスバ１１を多層基板１００の第２ｎ＋１層配線（奇数層配線）に接続し、負極側バスバ１２を多層基板１００の第２ｎ＋１層配線に対向する第２ｎ層配線（偶数層配線）と接続しても、隣接する相互の層の配線に流れる電流は逆方向となるので、前記と同様に、電力変換装置１００１の小型化及び低コスト化と、低インダクタンス化とを実現することができる。
《第２実施形態》
　図７は、本発明による第２実施形態の電力変換装置１００２を示す分解斜視図である。
　なお、以降の説明において、前記した構成要素と実質同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略するものとする。
　正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を含む直流電流側の主回路電流経路は、前記した理由（高周波電流を流れやすくする）ためにインダクタンスを小さくする必要があるが、交流側バスバ１４を含む交流電流側の主回路電流経路は直流電流側の主回路電流経路ほどインダクタンスを低減する必要がない場合もある。すなわち、電力変換装置１００２のインバータ周波数がそれ程高くない場合（例えば、インバータ周波数が商用周波数程度の場合）は、パワー半導体モジュール５００の交流側出力からの高周波成分はごく小さく、実質的に無視できるので、パワー半導体モジュール５００の出力電流を低インダクタンスの内層配線に流す必要はない。
　そこで、交流側バスバ１４は、制御部１０ｂの多層基板１００の各層配線を経由することなく、図７に示すように、パワー半導体モジュール５００の交流側主回路端子５４０（図７では交流側バスバ１４の下に隠れて図示されず）と直接接続させる。これにより、制御部１０ｂの多層基板１００に交流側バスバ１４が搭載されなくなるので、多層基板１００に、制御部１０ｂの各構成要素を実装するために有効な面積を多く確保することができる。これによって、さらに多くの集積回路６０などの素子を多層基板１００に搭載することが可能となる。
《第３実施形態》
　図８は、本発明による第３実施形態の電力変換装置１００３を示す分解斜視図である。
　図８に示すように、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２は、それぞれの先端部分において、制御部１０ｃの多層基板１００の面に対し垂直に立っている。正極側バスバ１１および負極側バスバ１２は銅やアルミニウムなどの加工性の良い材料でできているため、レイアウトや形状の自由度が極めて高い。そこで、外部機器に合わせて電力変換装置１００３の入出力端子（例えば、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２）の位置や形状を自由に決めることができる。すなわち、外部機器の端子取り付け状態に合わせて、図８に示すように、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を多層基板１００の面に対して垂直に立てることができる。これにより、電力変換装置１００３を実装する外部装置の空間を有効に利用することが可能となる。また、交流電流側の出力をコネクタ（端子台ともいう）により構成することで、電力変換装置１００３の実装性や保守性がさらに改善される。
《第４実施形態》
　図９は、本発明による第４実施形態の電力変換装置１００４を示す分解斜視図である。
　図９に示すように、多層基板１００に正極側バスバ１１が実装される面とは反対の面に負極側バスバ１２が実装されている。つまり、多層基板１００を挟んで正極側バスバ１１と負極側バスバ１２とが対向して実装されている。このため、正極側バスバ１１の電極と負極側バスバ１２の電極とは多層基板１００の厚み分だけ隔てて対向する形となっている。この場合、図１に示した電解コンデンサ２００およびインダクタ３００は、図９に示すように多層基板１００の領域にはなく、電解コンデンサ２００およびインダクタ３００は、多層基板１００の領域の外側に実装することが好ましい。
　本発明による第４実施形態によれば、直流電流側の配線インダクタンスをさらに低減することができるので、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、正極側バスバ１１と負極側バスバ１２とを対向させる箇所は多層基板１００の外側のみでよいため、電力変換装置１００４の低コスト化と軽量化とを図ることが可能となる。また、直流電源を、誘電体を挟んで対向する２枚のバスバ（図示せず）で導入する場合、接続が容易であり、また、接続部の電力損失がより少なくなる。
《第５実施形態》
　図１０は、本発明による第５実施形態の電力変換装置１００５を示す分解斜視図である。
　また、図１１は、図１０に示す電力変換装置１００５における正極側バスバ１１と負極側バスバ１２と多層基板１００の各層とを分解した上面図である。図１１（ａ）は正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を示し、図１１（ｂ）は多層基板１００における第１層の表層配線（正極側表層配線１０１および負極側表層配線１０２）を示し、図１１（ｃ）は多層基板１００における第２層の第２層配線１０３を示し、図１１（ｄ）は多層基板１００における第３層の第３層配線１０４を示す。
　図１に示した第１実施形態の電力変換装置１００１がいわゆる“６ｉｎ１”形のパワー半導体モジュール５００を有していることと比較すると、図１０に示す第５実施形態の電力変換装置１００５は、パワー半導体モジュール５００を、２素子を１パッケージに収めた“２ｉｎ１”形のモジュールの３個組で構成している点で異なる。それに伴って、図１１に示す正極側バスバ１１、負極側バスバ１２および多層基板１００の構成は、図６に示す構成とは異なっている。
　具体的には、図１０および図１１（ａ）に示すように、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２は、３個のパワー半導体モジュール５００のそれぞれの正極側主回路端子５０１と負極側主回路端子５０２と多層基板１００とに設けられたバスバ接続用穴３０を通してネジ４０で接続される。
　また、図１１（ｂ）に示す表層配線のように、制御部１０ｅの多層基板１００の第１層において、バスバ接続用穴３０の周辺の正極側表層配線１０１および負極側表層配線１０２は露出している。したがって、正極側バスバ１１と正極側表層配線１０１とは直接接触することによって電気的に接続される。また、負極側バスバ１２と負極側表層配線１０２とは直接接触することによって電気的に接続される。さらに、バスバ接続用穴３０の周辺には正極側ビア１１１および負極側ビア１１２が多数形成されている。したがって、図１１（ｂ）に示す正極側表層配線１０１は、正極側ビア１１１を介して図１１（ｃ）に示す第２層配線１０３と電気的に接続され、かつ、図１１（ｂ）に示す負極側表層配線１０２は、負極側ビア１１２を介して図１１（ｄ）に示す第３層配線１０４と電気的に接続される。
　このようにして、電力変換装置１００５は、直流電流側の正極側バスバ１１および負極側バスバ１２と、多層基板１００の第２層配線１０３および第３層配線１０４と、３つのパワー半導体モジュール５００の直流電流側の正極側主回路端子５０１および負極側主回路端子５０２とをそれぞれ接続させる構成とする。この構成により、本発明による第５実施形態によれば、３個の“２ｉｎ１”モジュールからなるパワー半導体モジュール５００の直流側の正極側主回路端子５０１および負極側主回路端子５０２と、電解コンデンサ２００との間の配線インダクタンスを低減することができ、その結果、電力変換装置１００５の損失低減を実現することが可能である。
《第６実施形態》
　図１２は、本発明による第６実施形態の電力変換装置１００６を示す分解斜視図である。
　第６実施形態の電力変換装置１００６の、第５実施形態の電力変換装置１００５との相違点は、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２が、制御部１０ｆにおいて、回路部品（が実装される領域）を跨いで立体的に構成されている点である。
　本発明による第６実施形態によれば、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を実装する前に、多層基板１００の集積回路実装領域１４０に集積回路６０などを実装することが可能となる。また、多層基板１００の面積を有効に活用できるので、結果的に電力変換装置１００６の小型化が可能となる。
《第７実施形態》
　図１３は、本発明による第７実施形態の電力変換装置における多層基板１００のバスバ近傍を示す部分断面図である。図１３（ａ）は正極側バスバ１１のバスバ接続用穴３０近傍のおける多層基板１００の断面を示し、図１３（ｂ）は負極側バスバ１２のバスバ接続用穴３０近傍における多層基板１００の断面を示す。
　図５に示す第１実施形態の多層基板１００と比較すると、図１３に示す第７実施形態の多層基板１００は、６層基板で構成されている点で異なる。
　図１３（ａ）に示すように、正極側バスバ１１は、第１層の正極側表層配線１０１と接触し、正極側ビア１１１を介して、第２層配線１０３および第４層配線１０５と電気的に接続されている。また、図１３（ｂ）に示すように、負極側バスバ１２は、第１層の負極側表層配線１０２と接触し、負極側ビア１１２を介して、第３層配線１０４および第５層配線１０６と電気的に接続されている。
　これらの内層配線（第２層配線１０３～第５層配線１０６）は、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を固定するためのバスバ接続用穴３０と、図示しない絶縁材（例えば、図１１（ｂ）に示す絶縁材１５０）とによって、自身の極とは逆の極性の配線を避ける形状で形成されたベタパターンとして備わっている。例えば、図６（ｃ）に示すように、正極側バスバ１１および正極側表層配線１０１と接続される第２層配線１０３は、正極とは逆の極性の配線（負極側表層配線１０２）を絶縁材１５０によって避けるようにベタパターンが形成されている。また、図６（ｄ）に示すように、負極側バスバ１２および負極側表層配線１０２と接続される第３層配線１０４は、負極とは逆の極性の配線（正極側表層配線１０１）を絶縁材１５０によって避けるようにベタパターンが形成されている。
　本発明による第７実施形態によれば、電力変換装置における配線の、さらなる低インダクタンス化と高出力化とを実現することが可能となり、電力変換装置の損失低減および放熱改善による小型化・低コスト化を実現することができる。また、本実施形態では、正極および負極にそれぞれ内層配線を２層以上用いることにより、配線のインダクタンスと電気抵抗とをさらに小さくして、前記した各実施形態の電力変換装置よりもさらに大きな電流を通電することが可能となる。これにより、幅広い出力範囲の電力変換装置へ本実施形態の電力変換装置を適用することが可能となる。さらに、多層基板１００に６層配線を用いることによって、制御のための集積回路６０（図１参照）などの、配線レイアウトの自由度が高くなり、部品実装が容易でかつ小型・低コスト化が可能となる。
《まとめ》
　以上述べたように、本発明による各実施形態の電力変換装置（１００１～１００６）によれば、多層基板１００の互いに近接して対向している２層以上の配線層を主回路電流の経路として用いる場合、ラミネートによる効果を利用して隣接する２層を貼り合わせているので、多層基板１００の配線層によって低インダクタンス実装を実現できる。また、多層基板１００の一面、または両面に対向して、主回路電流を流すための正極側バスバ１１および負極側バスバ１２が形成されているので、これらの正極側バスバ１１および負極側バスバ１２と、電解コンデンサ２００やインダクタ３００などの素子とを、スポット溶接やネジ止めなどで固定することが可能であるので、部品の実装が極めて容易となる。
　また、パワー半導体モジュール５００に電極（正極側主回路端子５０１および負極側主回路端子５０２）を固定するためのネジ４０が、多層基板１００に正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を固定するためにも利用できるので、電力変換装置の組立工数を低減することができる。さらに、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２が実装されない多層基板１００の空き領域に、ドライバＩＣなどの制御用素子を実装して制御部として利用することもできるので、電力変換装置における実装効率を向上させることができ、結果的に、電力変換装置の更なる小型化を実現することが可能となる。
　また、多層基板１００上に設置されたコネクタを利用することにより、モータ９０などの制御対象との接続を容易に行うことができるので、メンテナンス上の使い勝手が極めて向上する。さらに、金属筐体４００内に位置決め用の穴を設けることによって、電解コンデンサ２００やインダクタ３００などの素子の位置決めを容易に行うことができるとともに、電解コンデンサ２００やインダクタ３００などの発熱を金属筐体４００に逃がすことができるので、電力変換装置の高放熱実装を行うことが可能となる。また、正極側バスバ１１および負極側バスバ１２を３次元構造とすることによって、多層基板１００の空きスペースをさらに有効に活用することができ、この面からも電力変換装置の小型化、低コスト化を実現することができる。
　１０ａ～１０ｆ　制御部
　１１　　正極側バスバ
　１２　　負極側バスバ
　１３　　バスバ端子
　１４　　交流側バスバ
　２０　　部品接続用穴
　３０　　バスバ接続用穴
　４０　　ネジ
　４５　　ナット
　５０　　スルーホール
　５５　　基板取付穴
　６０　　集積回路
　７０　　集積回路周辺部品
　８０　　直流電源
　９０　　モータ
　１００　多層基板
　１０１　正極側表層配線
　１０２　負極側表層配線
　１０３　第２層配線
　１０４　第３層配線
　１０５　第４層配線
　１０６　第５層配線
　１１１　正極側ビア
　１１２　負極側ビア
　１４０　集積回路実装領域
　１５０　絶縁材
　２００　電解コンデンサ
　３００　インダクタ
　４００　金属筐体
　５００　パワー半導体モジュール
　５０１　正極側主回路端子
　５０２　負極側主回路端子
　５４０　交流側主回路端子
　５５０　制御端子
　５８０　ＭＯＳＦＥＴ
　１００１　電力変換装置（第１実施形態）
　１００２　電力変換装置（第２実施形態）
　１００３　電力変換装置（第３実施形態）
　１００４　電力変換装置（第４実施形態）
　１００５　電力変換装置（第５実施形態）
　１００６　電力変換装置（第６実施形態）
 

Claims (11)

  1. 　パワー半導体素子が実装されたパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールを制御する制御素子と、前記制御素子を搭載する多層基板と、前記パワー半導体モジュールへ電力を入出力するための正極側バスバおよび負極側バスバと、を備えた電力変換装置であって、
    　前記正極側バスバおよび前記負極側バスバは前記多層基板配線の一方の面に実装され、
    　前記正極側バスバは、前記パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と前記多層基板に実装された面の正極側表層配線とに接続され、かつ、前記正極側表層配線は第１のビアまたは第１のスルーホールを介して前記多層基板の配線層の第２ｎ層（ｎは正の整数）と接続され、
    　前記負極側バスバは、前記パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と前記多層基板に実装された面の負極側表層配線とに接続され、かつ、前記負極側表層配線は第２のビアまたは第２のスルーホールを介して前記多層基板の第２ｎ層に対向する第２ｎ＋１層と接続され、
    　前記パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と前記正極側バスバとが第１の固定部材で電気的に接続され、
    　前記パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と前記負極側バスバとが第２の固定部材で電気的に接続されている、
    　ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 　パワー半導体素子が実装されたパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールを制御する制御素子と、前記制御素子を搭載する多層基板と、前記パワー半導体モジュールへ電力を入出力するための正極側バスバおよび負極側バスバと、を備えた電力変換装置であって、
    　前記正極側バスバは前記多層基板配線の一方の面に、前記負極側バスバは前記多層基板の他方の面に、それぞれ対向して実装され、
    　前記正極側バスバは、前記パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と前記多層基板に実装された面の正極側表層配線とに接続され、かつ、前記正極側表層配線は第１のビアまたは第１のスルーホールを介して前記多層基板の配線層の第２ｎ層（ｎは正の整数）と接続され、
    　前記負極側バスバは、前記パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と前記多層基板に実装された面の負極側表層配線とに接続され、かつ、前記負極側表層配線は第２のビアまたは第２のスルーホールを介して前記多層基板の第２ｎ層に対向する第２ｎ＋１層と接続され、
    　前記パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と前記正極側バスバとが第１の固定部材で電気的に接続され、
    　前記パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と前記負極側バスバとが第２の固定部材で電気的に接続されている、
    　ことを特徴とする電力変換装置。
  3. 　コンデンサとインダクタとをさらに備え、前記コンデンサは、前記正極側バスバと前記負極側バスバとの間に並列に接続され、前記インダクタは、前記正極側バスバまたは前記負極側バスバに直列に挿入されていることを特徴とする請求の範囲第１項または請求の範囲第２項に記載の電力変換装置。
  4. 　前記多層基板の第２ｎ層配線と第２ｎ＋１層配線との双方、または、前記多層基板の表面に形成された表層配線と内層に形成された内層配線との双方が、広いエリアで配線が形成されたベタパターンで構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項または請求の範囲第２項に記載の電力変換装置。
  5. 　前記正極側バスバおよび前記負極側バスバの厚みは、前記多層基板の各層に形成された配線の厚みより厚いことを特徴とする請求の範囲第１項または請求の範囲第２項に記載の電力変換装置。
  6. 　パワー半導体素子が実装されたパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールを制御する制御素子と、前記制御素子を搭載する多層基板と、前記パワー半導体モジュールへ電力を入出力するための正極側バスバおよび負極側バスバと、を備えた電力変換装置であって、
    　前記正極側バスバおよび前記負極側バスバは、前記多層基板の一方の面に、または両面に対向して実装され、
    　前記正極側バスバは、前記パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と前記多層基板に実装された面の正極側表層配線とに接続され、前記正極側表層配線は、第１のビアまたは第１のスルーホールを介して、前記多層基板の配線層の偶数層または奇数層のいずれかに接続され、
    　前記負極側バスバは、前記パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と前記多層基板に実装される面の負極側表層配線とに接続され、前記負極側表層配線は、第２のビアまたは第２のスルーホールを介して、前記偶数層および前記奇数層のうち、前記正極側表層配線が接続されていないものに接続され、
    　前記パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と前記正極側バスバとが第１の固定部材で電気的に接続され、
    　前記パワー半導体モジュールの負極側主回路端子と前記負極側バスバとが第２の固定部材で電気的に接続されている、
    　ことを特徴とする電力変換装置。
  7. 　コンデンサとインダクタとをさらに備え、前記コンデンサは、前記正極側バスバと前記負極側バスバとの間に並列に接続され、前記インダクタは、前記正極側バスバまたは前記負極側バスバに直列に挿入されていることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の電力変換装置。
  8. 　前記多層基板の表面に形成された前記正極側表層配線および前記負極側表層配線と内層に形成された内層配線との双方、または前記内層配線のみが、広いエリアで配線が形成されたベタパターンで構成されていることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の電力変換装置。
  9. 　前記正極側バスバおよび前記負極側バスバの厚みは、前記多層基板の各層に形成された配線の厚みより厚いことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の電力変換装置。
  10. 　金属筐体に収納されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電力変換装置。
  11. 　請求の範囲第１項に記載の電力変換装置を用いた車載用電機システムであって、
    　前記パワー半導体モジュールの正極側主回路端子と負極側主回路端子とに供給された直流電力を交流電力に変換し、交流側主回路端子からモータへ前記交流電力を供給するように構成されたことを特徴とする車載用電機システム。
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