WO2015037203A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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positive terminal
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寛 石野
陽介 神生
篤 池亀
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株式会社デンソー
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    • H02M1/34—Snubber circuits
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Definitions

  • the present disclosure includes two switching elements (hereinafter referred to as SW elements) connected in series between an upper arm and a lower arm, converts a voltage and a current from a DC power source, and starts from a connection point of the two SW elements.
  • the present invention relates to a power conversion device that supplies power to a load.
  • Japanese Patent Laying-Open No. 2005-287267 discloses a power conversion device that includes two SW elements connected in series in an upper arm and a lower arm and converts power and voltage from a DC power source to supply power to a load. Document 1).
  • SW elements that supply power have a large current, high voltage, and high speed switching. (Hereinafter referred to as high-speed SW) is underway. As the SW elements increase in current, voltage, and speed, the surge voltage generated during switching increases. In order to reduce switching loss (hereinafter referred to as SW loss), it is indispensable to suppress this surge voltage. This surge voltage also depends on the value of the stray inductance due to the inside of the filter capacitor or power module constituting the power converter and the bus bar for electrically connecting them, and when this stray inductance is large, The surge voltage increases.
  • the power conversion device disclosed in Patent Document 1 includes a power module in which a SW element is resin-molded into a flat rectangular parallelepiped shape, and a positive electrode and a negative electrode are formed on one flat surface of the power module. The other surface is connected to the cooling substrate by a heat radiating surface.
  • the positive side (upper arm) power module group and the negative side (lower arm) power module group are arranged such that the currents flowing between the modules are such that the electrode forming surfaces face each other with a predetermined interval. It arrange
  • Patent Document 2 discloses a SW element excellent in heat dissipation.
  • the SW element disclosed in Patent Document 2 is a double-sided heat dissipation type element module, in which a pair of heat sinks are joined to both sides of a semiconductor chip via, for example, a solder layer, and the outer surfaces of the pair of heat sinks are exposed.
  • the entire structure is molded with resin.
  • heat can be radiated from both sides of the semiconductor chip, and high heat dissipation can be exhibited.
  • the element module of patent document 2 also has the shape of a flat rectangular parallelepiped, unlike the power module of patent document 1, the heat sink exposed on one flat surface serves as a positive electrode, and the other.
  • the heat radiating plate exposed on the surface is a negative electrode.
  • a power conversion device used in a vehicle or the like requires a power conversion device with high power density and low power loss.
  • the SW element increases in current, increases in voltage and increases in speed, the power conversion device is required. Suppression of surge voltage is a problem.
  • the current increases, it is also necessary to improve the heat dissipation of the SW element.
  • it is necessary to suppress not only the surge voltage but also ringing that becomes FM band noise associated therewith.
  • the present disclosure includes two SW elements connected in series of an upper arm and a lower arm, converts voltage and current from a DC power supply, and supplies power to a load from a connection point of the two SW elements. Intended for power converters. It is an object of the present invention to provide a power conversion device capable of satisfying three of suppression of surge voltage, high heat dissipation of SW elements, and suppression of ringing.
  • a power conversion device includes two SW elements connected in series of an upper arm and a lower arm, converts a voltage and a current from a DC power supply, and connects the two SW elements.
  • This is a power converter that supplies power to a load from a point.
  • Each of the two SW elements is composed of an element module resin-molded into a flat rectangular parallelepiped shape. Further, in the element module, the heat radiating plate connected to the positive electrode of the SW element and the heat radiating plate connected to the negative electrode are separately arranged on both flat surfaces of the rectangular parallelepiped so as to expose the outer surface. ing.
  • the positive terminal connected to the heat sink connected to the positive electrode of the SW element and the negative terminal connected to the heat sink connected to the negative electrode should not overlap each other in the thickness direction of the flat rectangular parallelepiped. It is pulled out from one side of the rectangular parallelepiped.
  • the thickness direction is such that the one side surface from which the positive terminal and the negative terminal are drawn out through the insulating layer is parallel in the same direction. Is laminated.
  • the positive terminal of one SW element and the negative terminal of the other SW element are arranged so as to overlap each other in the thickness direction.
  • the positive terminal and the negative terminal are electrically connected in the vicinity of the one side surface, and the output terminal (hereinafter referred to as O) is connected to the load. Terminal).
  • a high potential terminal (hereinafter referred to as a P terminal) connected to the high potential side of the DC power source is constituted by the positive terminal of the SW element of the upper arm. Is done. Further, the negative terminal of the SW element of the lower arm constitutes a low potential terminal (hereinafter referred to as N terminal) connected to the low potential side of the DC power supply.
  • the following double-sided heat dissipation type element module is employed in order to ensure sufficient heat dissipation of the SW element. That is, the two SW elements connected in series of the upper arm and the lower arm are each composed of an element module that is resin-molded into a flat rectangular parallelepiped shape. Further, the element module is arranged separately on both flat surfaces of the rectangular parallelepiped so that the heat radiating plate connected to the positive electrode of the SW element and the heat radiating plate connected to the negative electrode are exposed on the outer surface. It has a structure.
  • the SW element By adopting a double-sided heat dissipation type element module as the SW element, for example, higher heat dissipation can be exhibited as compared with a single-sided heat dissipation type element module in which a heat dissipation plate is disposed only on one side of a flat rectangular parallelepiped.
  • the element module SW elements of the upper arm and the lower arm are separately resin-molded. Therefore, the above-mentioned element module is, for example, a module obtained by integrally resin-molding two SW elements of the upper arm and the lower arm, or three SW elements of the upper arm corresponding to each of the three-phase U, V, and W phases. It is a small module compared to a resin molded module. For this reason, when the two element modules shown below are stacked, high-precision assembly is possible, and even when the temperature rises due to heat generation of the SW element, deformation due to warpage or the like is reduced.
  • the above power conversion device adopts the following structure for each element module of the SW element of the upper arm and the lower arm. That is, the positive terminal connected to the heat sink connected to the positive electrode of the SW element and the negative terminal connected to the heat sink connected to the negative electrode should not overlap each other in the thickness direction of the flat rectangular parallelepiped.
  • the structure is drawn from one side of the rectangular parallelepiped.
  • the above-described two element modules respectively corresponding to the SW elements of the upper arm and the lower arm are arranged so that the one side surface from which the positive terminal and the negative terminal are drawn out is in the same direction and parallel through the insulating layer. Thus, the layers are stacked in the thickness direction.
  • the positive terminal of one SW element and the negative terminal of the other SW element are arranged to overlap each other in the thickness direction. That is, when the positive terminal and the negative terminal are projected on one surface in the thickness direction of the flat rectangular parallelepiped, at least a part of the overlapping relationship is established.
  • the positive terminal and the negative terminal are electrically connected near the one side surface to constitute an O terminal that is connected to the load.
  • the P terminal connected to the high potential side of the DC power supply is configured by the positive terminal of the SW element of the upper arm, and the SW element of the lower arm is configured.
  • An N terminal connected to the low potential side of the DC power supply is configured as a negative terminal.
  • the arrangement relationship of the two element modules in the power converter is for reducing the surge voltage ⁇ V by reducing the inductance Ld of the power supply circuit. That is, in the other set, the positive terminal of the SW element of the upper arm that is configured to overlap the P terminal and the negative terminal of the SW element of the lower arm that is configured of the N terminal are in the direction in which current flows. On the other hand, the effect of reducing inductance by canceling magnetic flux occurs. It should be noted that, in the one set, the direction of current flow is also opposite for the negative terminal of the upper arm SW element and the positive terminal of the lower arm SW element until they are electrically connected to form the O terminal. The effect of reducing inductance by canceling occurs.
  • the power converter can reduce the surge voltage ⁇ V by reducing the inductance Ld of the power supply circuit related to the power converter. Further, since the magnetic energy stored in the inductance Ld is reduced, the resonance with the parasitic capacitance component hidden in the Ld path is quickly braked, and as a result, the period during which ringing occurs can be shortened.
  • the two element modules constituting the power conversion device are small modules in which the SW elements of the upper arm and the lower arm are separately resin-molded, and can be assembled with high precision. Even when the temperature rises due to heat generation, deformation due to warpage or the like is reduced. In particular, deformation of a metal member such as an electrode is also reduced, and the effect of reducing inductance due to the cancellation of magnetic flux between the positive terminal of one SW element and the negative terminal of the other SW element can be ensured. Moreover, even if one SW element is broken due to manufacturing failure or heat generation, it is only necessary to replace the element module, and it is possible to increase the manufacturing yield and the service life as a power conversion device.
  • the positive terminal and the negative terminal that are arranged so as to overlap each other have an arrangement relationship that covers either one in the thickness direction. That is, when the positive terminal and the negative terminal are projected on one surface in the thickness direction of the flat rectangular parallelepiped, either one covers the other.
  • the positive terminal and the negative terminal have the same shape, when they are projected onto one surface in the thickness direction of the flat rectangular parallelepiped, they are in a completely matching arrangement relationship. As a result, the effect of reducing inductance by canceling out the magnetic flux can be maximized.
  • the element modules of the two SW elements respectively corresponding to the upper arm and the lower arm in the power conversion device have the same structure. In this case, it is preferable not only for matching the characteristics of the SW element and reducing the manufacturing cost, but also for suppressing the surge voltage.
  • the positive terminal and the negative terminal are drawn out at the same height in the thickness direction. In this case, design and assembly are facilitated.
  • either the positive terminal or the negative terminal is divided by a bisector in the thickness direction. Has been pulled out of the area.
  • the positive terminal and the negative terminal are arranged so as to overlap each other as compared with the element module drawn out on the bisector (center) in the thickness direction. A certain positive terminal and a negative terminal can be brought closer. Therefore, it is possible to enhance the inductance reduction effect due to the magnetic flux cancellation described above.
  • the current path length of the snubber circuit can be shortened, the inductance Ls of the snubber circuit is reduced, and the surge voltage ⁇ V can be suppressed.
  • the capacitance is adjacent to one side surface.
  • a snubber circuit having an element can be electrically connected between a positive terminal and a negative terminal.
  • the energy accumulated in the inductance Ld of the power supply circuit can be absorbed by the capacitive element of the snubber circuit, and the surge voltage ⁇ V can be further reduced. .
  • the snubber circuit in the above power converter is configured to connect the PN terminals of two stacked element modules separately from the element module, and is exposed to the outside of the element module. Therefore, the heat generated in the snubber circuit is good through the heat radiation path connected to the positive terminal and the negative terminal drawn to the outside and heat radiation to the air in a heat radiation path different from the heat generated in the SW element. Can dissipate heat.
  • the snubber circuit in the power conversion device has, for example, a substantially “U” -shaped current path between the positive terminal and the negative terminal, and a cutting portion is formed in the middle. And a surface-mount type capacitive element having electrodes connected to both sides of the cut portion.
  • a resistor is connected in series to the capacitive element.
  • the resistance value Rs of the resistor connected in series to the capacitive element there is an appropriate value for the resistance value Rs of the resistor connected in series to the capacitive element. If the resistance value Rs is too small, the surge to be reduced cannot be suppressed. Since only the parasitic inductance and the capacitive element of the snubber circuit do not consume current (stored by the parasitic inductance), a resistor that consumes the current is required. There is also a problem that the above-described LC resonance is likely to occur. On the other hand, if the resistance value Rs is too large, the surge generated in the SW element is not bypassed to the snubber circuit side, so that the snubber circuit does not function.
  • the resistor connected in series to the capacitor element is, for example, a surface-mount resistor element, and the capacitor element is connected to the substantially “U” -shaped metal member.
  • the electrode may be connected to both sides of the cut portion formed at a different position from the cut portion.
  • the resistor may be configured by a resistor portion by trimming in which a cut is formed in the substantially U-shaped metal member and a cross-sectional area is reduced in the middle of the current path.
  • the resistor element of the mold and the resistor portion by trimming may be combined. In the case of using a resistor portion by trimming as the resistor, the resistance value Rs can be adjusted after the snubber circuit is assembled in the power converter.
  • the snubber circuit of the power conversion device described above electrically connects the P terminal of the stacked upper arm element module and the N terminal of the lower arm element module collectively.
  • the configuration of the snubber circuit is not limited to this.
  • the snubber circuit in each element module of the stacked upper arm and lower arm, the snubber circuit is individually provided between the positive terminal and the negative terminal. You may make it electrically connect.
  • the snubber circuit of the power converter device demonstrated above was C snubber circuit which has only a capacitive element, and RC snubber circuit which has a capacitive element and resistance.
  • the configuration of the snubber circuit is not limited to this, and may be an RCD snubber circuit in which a diode is connected in parallel with the resistor.
  • the power conversion device employs a double-sided heat dissipation type element module in order to ensure sufficient heat dissipation of the SW element.
  • the power converter may have a configuration in which an element module of two SW elements is sandwiched by a water-cooled cooler via an insulating layer.
  • heat generated by the SW element (and heat generated by the capacitive element and resistance when a snubber circuit is connected) is cooled by water through the insulating layer from the radiator plate exposed to the outer surface of each element module. It is transmitted to the cooler and can exert a high cooling effect.
  • the power conversion device described above is a power conversion device that can achieve both of suppression of surge voltage, high heat dissipation of SW elements, and suppression of ringing. Therefore, according to the twelfth aspect of the present disclosure, the power conversion device requires a power conversion device with high power density and low power loss, and the SW element has a large current, a high voltage, and a high-speed SW. As a result, suppression of surge voltage has become a problem, and it can be used for in-vehicle use.
  • FIG. 1B is a bottom view of the element module shown in FIG. It is sectional drawing in the dashed-dotted line IC-IC in FIG. 1B. It is a circuit diagram showing an example of composition and a usage pattern of a power converter concerning one embodiment of this indication. It is the perspective view which showed the external appearance of the power converter device shown to FIG. 2A. It is a front view of a typical power converter from a view A indicated by an arrow in FIG. 2B.
  • FIG. 4B is a bottom view of the element module shown in FIG. 4A, and shows the inside transparently. It is sectional drawing in the dashed-dotted line IVC-IVC in FIG. 4B.
  • FIG. 4 is a perspective view showing an external appearance of a power conversion device using the element module of FIGS. 4A to 4C.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a power conversion device as another configuration example of the power conversion device using the element module shown in FIGS. 1A to 1C.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a power conversion device as another configuration example of the power conversion device using the element module shown in FIGS. 1A to 1C.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a power conversion device as another configuration example of the power conversion device using the element module shown in FIGS. 4A to 4C. It is the circuit diagram which showed an example of the structure and usage pattern of the power converter device which added the snubber circuit. It is the perspective view which showed the external appearance of the power converter device shown to FIG. 7A.
  • FIG. 7B is a front view of a schematic power conversion device viewed from A indicated by an arrow in FIG. 7B. It is the perspective view which showed the external appearance of the example of another power converter device. It is a front view from the A view shown by the arrow of the power converter shown in FIG. 8A. It is an enlarged view of the snubber circuit of the power converter device shown to FIG.
  • FIG. 8B It is a figure which shows another example of a real structure of a snubber circuit, and is the top view in the middle of manufacture.
  • FIG. 9B is a front view of the snubber circuit shown in FIG. 9A. It is the front view which expanded and showed the completion of the snubber circuit shown to FIG. 9B. It is a figure which shows another example of a real structure of a snubber circuit, and is the top view in the middle of manufacture.
  • FIG. 10B is a front view of the snubber circuit shown in FIG. 10A. It is the front view which expanded and showed the completed snubber circuit shown to FIG. 10B.
  • FIG. 12 is a top view showing an inverter that uses a vehicle-mounted three-phase motor as a load as an application example of the power conversion device illustrated in FIG. 11A or 11B.
  • the power conversion device includes two SW elements connected in series of an upper arm and a lower arm, converts a voltage and a current from a DC power source, and supplies power from a connection point of the two SW elements to a load. It is the power converter device which supplies.
  • FIGS. 1A to 1C are diagrams illustrating an example of an element module of an SW element used in the power conversion device of the present disclosure.
  • 1A is a front view of the element module 10
  • FIG. 1B is a bottom view of the element module 10 seen through inside
  • FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line IC-IC in FIG. 1B.
  • FIGS. 1A to 1C are examples of the power conversion device according to the present disclosure using the SW element (element module 10) of FIG. 1, and FIG. 2A is a configuration and usage pattern of the power conversion device 100 surrounded by a one-dot chain line. It is the circuit diagram which showed an example.
  • 2B is a perspective view showing an external appearance of the power conversion device 100
  • FIG. 2C is a schematic front view from the A view indicated by an arrow in FIG. 2B.
  • 2A to 2C the same parts as those in FIGS. 1A to 1C are denoted by the same reference numerals.
  • 2A to 2C is mounted on a vehicle such as an automobile, for example, and is applied as a driving device for driving a motor or the like.
  • the power conversion device 100 surrounded by a one-dot chain line includes two SW elements (element modules 10H and 10L) in which an upper arm and a lower arm are connected in series.
  • the SW element shown in the circuit diagram of FIG. 2A is an IGBT (insulated gate bipolar transistor), and an FWD (flywheel diode) is connected in antiparallel to the IGBT.
  • the power conversion device 100 converts the voltage and current from the DC power supply via the smoothing capacitor C, and supplies power to the load L from the connection point of the two SW elements of the upper arm and the lower arm.
  • the two SW elements of the upper arm and the lower arm constituting the power conversion device 100 of FIGS. 2A to 2C are respectively composed of element modules 10H and 10L that are resin-molded into flat rectangular parallelepiped shapes. It has the same structure as the element module 10 shown in FIG. 1C.
  • the element module 10 shown in FIGS. 1A to 1C includes, as shown in FIG. 1B, an IGBT element chip 1 and an FWD element chip 2 made of silicon (Si) arranged in a plane. Both surfaces of the element chips 1 and 2 are sandwiched between a pair of lead frames 3 and 4 that function as electrodes and a heat sink.
  • lead frames 3 and 4 are made of a general lead frame material, and are made of, for example, a plate material obtained by applying nickel plating to a copper alloy.
  • the IGBT element chip 1 and the FWD element chip 2 may be formed of, for example, silicon carbide (SiC).
  • SiC silicon carbide
  • the IGBT and the FWD are formed by separate element chips 1 and 2, but the IGBT and the FWD may be formed by one element chip.
  • the lead frame 3 is joined to the collector electrode of the IGBT element chip 1 and the cathode electrode of the FWD element chip 2 connected in antiparallel with the solder 5, and the positive electrode (+ ).
  • the lead frame 4 is joined to the emitter electrode of the IGBT element chip 1 and the anode electrode of the FWD element chip 2 connected in reverse parallel by solder 5 through a copper block 6 for height adjustment. Functions as a low potential negative electrode (-).
  • the pair of lead frames 3 and 4 and the element chips 1 and 2 and the copper block 6 sandwiched therebetween are sealed with a mold resin 7.
  • the mold resin 7 is made of a normal mold material such as an epoxy resin, and is molded by a transfer mold method using a mold.
  • the element module 10 has a double-sided heat radiation type structure in which heat is radiated from both surfaces of the element chips 1 and 2 via the lead frames 3 and 4.
  • the heat sink 3h connected to the positive electrode of the SW element and the heat sink 4h connected to the negative electrode have a rectangular parallelepiped flat shape made of the mold resin 7 so that the outer surface is exposed. Are arranged separately on both surfaces.
  • the end portions of the lead frames 3 and 4 are drawn out from one side surface S1 (front surface shown in FIG. 1A) of the rectangular parallelepiped made of the mold resin 7 as follows. And function as terminals 3t and 4t. That is, the positive terminal (+) 3t connected to the heat sink 3h connected to the positive electrode (+) of the SW element and the negative terminal ( ⁇ ) 4t connected to the heat sink 4h connected to the negative electrode ( ⁇ )
  • the flat rectangular parallelepipeds are drawn from one side S1 of the rectangular parallelepiped so as not to overlap each other in the thickness direction.
  • the positive terminal 3t and the negative terminal 4t are drawn out at the same height H1 in the thickness direction, as indicated by a two-dot chain line in FIG. 1A.
  • the two-dot chain line in FIG. 1A is a bisector in the thickness direction of the element module 10, and the positive terminal 3t and the negative terminal 4t are drawn from the center in the thickness direction.
  • the SW element control electrode (the gate electrode of the IGBT element chip 1) is provided on the other side S2 facing the side S1 from which the positive terminal 3t and the negative terminal 4t are drawn. ) Is connected to the signal line 200.
  • the alternate long and two short dashes line in FIG. 1B is a bisector in the direction perpendicular to the thickness direction on the other side surface S2, and the signal line 200 is one region divided by the bisector. Has been pulled from.
  • the element modules 10H and 10L of the two SW elements having the same structure as the element module 10 of FIGS. 1A to 1C described above are inverted as shown in FIG. 2B.
  • an insulating layer 20 is provided between the element modules 10H and 10L to electrically separate them, and the positive terminal (+) and the negative terminal ( ⁇ ) are drawn out.
  • the side surfaces S1 front surfaces shown in FIG. 1A) are stacked in the thickness direction so that they are parallel in the same direction.
  • the positive terminal (+) of one SW element and the negative terminal ( ⁇ ) of the other SW element are arranged so as to overlap each other in the thickness direction.
  • the positive terminal and the negative terminal are electrically connected by the metal member 30 near the side surface S1, and the O terminal (output) connected to the load L is output.
  • Terminal In the other pair of the positive terminal and the negative terminal arranged so as to overlap, the positive terminal (+) of the SW element of the upper arm constitutes the P terminal (high potential terminal) connected to the high potential side of the DC power supply.
  • the negative terminal ( ⁇ ) of the SW element of the lower arm constitutes an N terminal (low potential terminal) connected to the low potential side of the DC power supply.
  • the power conversion apparatus 100 illustrated in FIGS. 2A to 2C includes two SW elements connected in series of an upper arm and a lower arm as one structural unit, and a load L from a connection point (O terminal) of the two SW elements. It supplies power to
  • a power converter inverter
  • a three-phase motor for a vehicle as a load is composed of the above units of three sets of SW elements connected in series corresponding to each phase of U, V, and W.
  • AC power is supplied from the battery to a three-phase motor that is an inductive load.
  • the double-sided heat dissipation type element module 10 shown in FIGS. 1A to 1C is employed in order to ensure sufficient heat dissipation of the SW element. That is, the two SW elements connected in series of the upper arm and the lower arm are respectively composed of element modules 10H and 10L that are resin-molded in a flat rectangular parallelepiped shape. As shown in FIGS.
  • the element modules 10H and 10L have a heat radiating plate 3h connected to the positive electrode (+) of the SW element and a heat radiating plate 4h connected to the negative electrode ( ⁇ ).
  • the structure is arranged so as to be divided into both flat surfaces of a rectangular parallelepiped.
  • the element modules 10H and 10L of the power conversion device 100 are obtained by separately resin-molding the SW elements of the upper arm and the lower arm, respectively. Accordingly, the element modules 10H and 10L are, for example, a module obtained by integrally resin-molding two SW elements of the upper arm and the lower arm, and three SW elements of the upper arm corresponding to each phase of U, V, and W.
  • the following structures are adopted for the element modules 10H and 10L of the SW elements of the upper arm and the lower arm in order to suppress the surge voltage. That is, as shown in FIGS. 1A to 1C, the positive terminal (+) connected to the positive electrode of the SW element and the negative terminal ( ⁇ ) connected to the negative electrode are the thickness of the flat rectangular parallelepiped of the mold resin 7. This structure is drawn from one side S1 so as not to overlap each other in the vertical direction. As shown in FIGS. 2B and 2C, the element modules 10H and 10L corresponding to the upper arm and the lower arm respectively have the side surfaces S1 in which the positive terminal and the negative terminal are drawn out through the insulating layer 20 in the same direction. Arranged to be stacked in the thickness direction so as to be parallel.
  • the positive terminal (+) of one SW element and the negative terminal ( ⁇ ) of the other SW element are arranged to overlap each other in the thickness direction. That is, when the positive terminal and the negative terminal are projected on one surface in the thickness direction of the flat rectangular parallelepiped, at least a part of the overlapping relationship is established.
  • an O terminal connected to the load L is configured by being electrically connected near the side surface S1 from which the positive terminal and the negative terminal are drawn.
  • the positive terminal (+) of the SW element of the upper arm constitutes a P terminal connected to the high potential side of the DC power source
  • the negative terminal ( ⁇ ) of the SW element constitutes an N terminal connected to the low potential side of the DC power supply.
  • Equation 1 The increase in power density (increase in current) and reduction in power loss (increase in high-speed SW) in the above-described power converter are directions for increasing the current change rate dI / dt on the right side in Equation 1. Therefore, in order to suppress the surge voltage ⁇ V, it is necessary to make the inductance Ld of the power supply circuit as small as possible.
  • the arrangement relationship of the two element modules 10H and 10L in the power conversion device 100 described above is for reducing the surge voltage ⁇ V by reducing the inductance Ld of the power supply circuit. That is, as shown in FIG. 2B, the positive terminal of the SW element of the upper arm that is configured to overlap the P terminal and the negative terminal of the SW element of the lower arm that is configured of the N terminal are On the other hand, the effect of reducing inductance by canceling magnetic flux occurs. Note that the direction of current flow is also opposite in the negative terminal of the SW element of the upper arm and the positive terminal of the SW element of the lower arm until they are electrically connected to form the O terminal, and the inductance is reduced by canceling the magnetic flux. An effect occurs.
  • the 2A to 2C can reduce the inductance Ld of the power supply circuit and suppress the surge voltage ⁇ V by the above inductance reduction effect.
  • the magnetic energy stored in the inductance Ld is reduced by reducing the inductance Ld, the resonance with the parasitic capacitance component hidden in the Ld path is quickly braked, and the ringing is suppressed to shorten the period during which the ringing occurs. An effect can be obtained.
  • the two element modules 10H and 10L constituting the power conversion device are small modules in which the SW elements of the upper arm and the lower arm are separately resin-molded as described above, and can be assembled with high accuracy. . Even when the temperature rises due to the heat generated by the SW element, deformation due to warpage or the like is reduced. In particular, the deformation of the metal member such as an electrode is also reduced, so that the above-described inductance reduction effect can be ensured by canceling out the magnetic flux between the positive terminal of one SW element and the negative terminal of the other SW element. it can. Moreover, even if one SW element is broken due to manufacturing failure or heat generation, it is only necessary to replace the element module, and it is possible to increase the manufacturing yield and the service life as a power conversion device.
  • the positive terminal (+) and the negative terminal ( ⁇ ) arranged so as to overlap each other are arranged so as to cover one of them in the thickness direction. More preferably. That is, when the positive terminal and the negative terminal are projected on one surface in the thickness direction of the flat rectangular parallelepiped, either one covers the other.
  • the two element modules 10H and 10L in the power conversion device 100 of FIGS. 2A to 2C have the same structure, and the positive terminal and the negative terminal described above have the same shape. Therefore, when these two element modules 10H and 10L are stacked, as shown in FIG. 2C, when projected onto one surface in the thickness direction of a flat rectangular parallelepiped, they are in a completely matching arrangement relationship. . As a result, the effect of reducing inductance by canceling out the magnetic flux can be maximized.
  • the element modules of the two SW elements respectively corresponding to the upper arm and the lower arm in the power conversion device described above not only match the characteristics of the SW elements and reduce the manufacturing cost, but also suppress the surge voltage. It is preferable that they have the same structure.
  • the element modules 10H and 10L have a signal line 200 connected to the control electrode of the SW element on the side surface S2 facing the side surface S1 from which the positive terminal and the negative terminal are drawn. Has been pulled out.
  • the direction in which the positive terminal and the negative terminal are drawn out is opposite to the direction in which the signal line 200 is drawn, as shown in FIG. 2B.
  • the wiring connection 200 to these terminals and signal lines is facilitated.
  • the signal line 200 is divided by a bisector in a direction orthogonal to the thickness direction. It is drawn from the area.
  • the signal lines of the upper arm and the lower arm can be prevented from overlapping each other as shown in FIG. 2B. Wiring connection to is easy.
  • 3A and 3B are perspective views showing the external appearances of the power converters 101 and 102, respectively.
  • element modules 10H and 10L similar to those of the power conversion device 100 of FIGS. 2A to 2C are used, respectively.
  • the layers are reversed and stacked.
  • the metal member 30 is inserted between the positive terminal and the negative terminal constituting the O terminal, and thereby the positive terminal and The negative terminal was electrically connected near the side surface S1.
  • the metal member 30 between the positive terminal and the negative terminal not only electrically connects the positive terminal and the negative terminal, but also has a function as a spacer that fixes the distance in the thickness direction.
  • the positive terminal and the negative terminal of the set including the P terminal and the N terminal are also provided with an interval in the thickness direction between the positive terminal and the negative terminal arranged so as to overlap each other.
  • the insulating member 31 which functions as a spacer is inserted. As a result, the distance between the positive terminal and the negative terminal does not change even when an external force or heat is applied, so that the above-described inductance reduction effect by canceling the magnetic flux can be stably exhibited.
  • the O terminal is configured by using a metal member 32 having a substantially “U” shape in the A view indicated by the arrow.
  • the terminal and the negative terminal are electrically connected from the outside.
  • the metal member 32 can also have a function as a spacer for fixing the distance between the positive terminal and the negative terminal in the thickness direction by ensuring a predetermined thickness.
  • FIGS. 4A to 4C are diagrams illustrating examples of another element module of the SW element used in the power conversion device of the present disclosure.
  • 4A is a front view of the element module 11
  • FIG. 4B is a bottom view of the element module 11 seen through inside
  • FIG. 4C is a cross-sectional view taken along one-dot chain line IVC-IC in FIG. 4B.
  • the same components as those of the element module 11 of FIGS. 1A to 1C are denoted by the same reference numerals.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an external appearance of the power conversion device 103 as an example of the power conversion device according to the present disclosure using the SW element (element module 11) of FIGS. 4A to 4C.
  • the element modules 11H and 11L of the two SW elements of the upper arm and the lower arm having the same structure as the element module 11 of FIGS. 4A to 4C are inverted with each other through the insulating layer 20. Are stacked.
  • the SW element element module 11 is more positive than the SW element element module 10 shown in FIGS. 1A to 1C.
  • the positive terminal (+ ) 3ta and the negative terminal ( ⁇ ) 4ta have different heights H2.
  • the positive terminal 3t and the negative terminal 4t have the same height H1 in the thickness direction and are on a bisector in the thickness direction of the element module 10 indicated by a two-dot chain line, that is, It was pulled out from the center in the thickness direction.
  • the positive terminal 3ta and the negative terminal 4ta are drawn out at the same height H2 in the thickness direction, but the drawing position is indicated by a two-dot chain line. It is drawn from the upper region of the figure divided by the bisector in the thickness direction.
  • the arrangement is overlapped with that of the power conversion device 100 in FIGS. 2A to 2C.
  • the positive terminal (+) and the negative terminal (-) that are related can be brought closer to each other.
  • the effect of reducing the inductance by canceling the magnetic flux described in the power conversion device 100 of FIGS. 2A to 2C, which occurs when the direction of current flow is reversed can be further enhanced.
  • the current path length of the snubber circuit can be shortened, the inductance Ls of the snubber circuit is reduced, and the surge voltage ⁇ V can be suppressed.
  • 6A and 6B are other configuration examples of the power conversion device using the element modules 10 and 11 shown in FIGS. 1A to 1C and 4A to 4C, respectively, and are cross-sectional views of the power conversion devices 104 and 105, respectively. is there.
  • the upper and lower arm element modules 10H and 10L having the same structure as the element module 10 shown in FIGS. 1A to 1C are the same as the power conversion device 100 shown in FIGS. 2A to 2C. Inverted and laminated.
  • the upper and lower arm element modules 11H and 11L having the same structure as the element module 11 shown in FIGS. 4A to 4C are similar to the power conversion device 103 in FIG. Inverted and stacked.
  • the element modules 10 and 11 shown in FIGS. 1A to 1C and FIGS. 4A to 4C have the heat sinks 3h and 4h arranged separately on both flat surfaces of a rectangular parallelepiped made of the mold resin 7, respectively.
  • This is a double-sided heat dissipation type element module. Therefore, in the power conversion devices 104 and 105 shown in FIGS. 6A and 6B, the element modules 10H and 10L and the element modules 11H and 11L are sandwiched by the water-cooled cooler 50 via the insulating layer 21, respectively. Yes.
  • the following configuration can be adopted.
  • a three-layer insulating layer made of heat-dissipating grease / ceramic substrate (Si 3 N 4 , AlN, Al 2 O 3, etc.) / Heat-dissipating grease is interposed between the heat sink and the water-cooled cooler.
  • a heat radiation insulating sheet (for example, a material in which an inorganic filler such as Al 2 O 3 , BN, AlN or the like is mixed in an epoxy resin to increase heat conductivity) may be interposed between the heat radiation plate and the water-cooled cooler. .
  • the power conversion device 105 in FIG. 6B is more preferable than the power conversion device 104 in FIG. 6A because the effect of reducing inductance due to magnetic flux cancellation can be further increased.
  • a snubber circuit is provided between a positive terminal and a negative terminal, each of which includes a P terminal and an N terminal, in order to further reduce the surge voltage ⁇ V as well as an inductance reduction effect due to magnetic flux cancellation. Can be electrically connected.
  • FIGS. 7A to 7C are examples of a power conversion device in which a snubber circuit is added to the power conversion device 100 shown in FIGS. 2A to 2C.
  • FIG. 7A is a configuration and usage pattern of the power conversion device 110 surrounded by a one-dot chain line. It is the circuit diagram which showed an example.
  • FIG. 7B is a perspective view showing the appearance of the power converter 110
  • FIG. 7C is a schematic front view from the A view indicated by an arrow in FIG. 7B.
  • the same parts as those of the power conversion device 100 of FIGS. 2A to 2C are denoted by the same reference numerals.
  • the power conversion device 110 surrounded by the alternate long and short dash line is the same as the power conversion device 100 shown in the circuit diagram of FIG. 2A, and two SW elements ( Element modules 10H, 10L).
  • the power conversion device 110 converts the voltage and current from the DC power supply via the smoothing capacitor C, and supplies power to the load L from the connection point between the two SW elements of the upper arm and the lower arm.
  • a capacitor Cs and a resistor Rs connected in series adjacent to the side surface S1 between the P terminal and the N terminal.
  • a snubber circuit 40 is connected.
  • the power conversion device 110 having the actual configuration has a positive terminal (+) and a negative terminal, each of which has a P terminal and an N terminal, compared to the power conversion device 100 of FIGS. 2B and 2C.
  • a snubber circuit 40 having the following actual configuration is added. That is, the snubber circuit 40 in the power conversion device 110 of FIGS. 7A to 7C includes a metal member 33 having a substantially “U” shape in the direction of arrow A in FIG. It is composed of a surface-mounted capacitive element 41 and a resistive element 42 having electrodes connected to both sides.
  • the snubber circuit 40 comprised like the figure is electrically connected between the positive terminal and negative terminal which each comprise P terminal and N terminal in the vicinity of the side surface S1.
  • screw fastening may be used as described later, or brazing (soldering), welding, or the like may be used.
  • the snubber circuit 40 in the power conversion device 110 shown in FIG. 7B and FIG. 7C connects the PN terminals of the two stacked element modules 10H and 10L separately from the element module. Is exposed. Therefore, the heat generated in the snubber circuit 40 is a heat dissipation path different from the heat generated in the SW element, through the heat dissipation plate connected to the positive terminal and the negative terminal drawn to the outside and heat dissipation to the air, It can dissipate heat well.
  • the snubber circuit 40 of the power converter 110 shown in FIG. 7A is an RC snubber circuit in which a resistor Rs is connected in series to a capacitor Cs, but is not limited to this, and is a C snubber circuit having only a capacitor Cs. However, the effect of reducing the constant surge voltage ⁇ V can be obtained. Further, it may be an RCD snubber circuit in which a diode is connected in parallel with the resistor Rs.
  • the first term on the right side related to the inductance Ld of the power supply circuit is a term in ⁇
  • the first term on the right side relates to the inductance Ls of the snubber circuit by using a capacitive element having a predetermined capacitance value. It can be smaller than the second term on the right side. 7B, since the length of the wiring (loop) is short, the inductance Ls of the snubber circuit is sufficiently smaller than the inductance Ld of the power circuit, and the second term on the right side of Equation 2 Is a value sufficiently smaller than the right side of Equation 1.
  • the direction of current flow is reversed between the positive terminal of the upper arm that is configured to overlap the P terminal and the negative terminal of the lower arm that is configured of the N terminal.
  • the effect of reducing the inductance Ld by the magnetic flux cancellation described in (1) has occurred. Therefore, the first term on the right side of Formula 2 can be made smaller than the second term with a capacitive element having a relatively small capacitance value Cs.
  • the snubber circuit connected between them can be configured with the shortest wiring length. As a result, the inductance Ls of the snubber circuit in the second term on the right side of Equation 2 can be minimized, and the effect of the snubber circuit connection can be maximized.
  • the resistance value Rs of the resistor connected in series to the capacitive element there is an appropriate value for the resistance value Rs of the resistor connected in series to the capacitive element. If the resistance value Rs is too small, the surge to be reduced cannot be suppressed much. Since only the parasitic inductance and the capacitive element of the snubber circuit do not consume current (stored by the parasitic inductance), a resistor that consumes the current is required. Further, if the resistance value Rs is too small, there is a problem that the above-described LC resonance is likely to occur. On the other hand, if the resistance value Rs is too large, the surge generated in the SW element is not bypassed to the snubber circuit side, so that the snubber circuit does not function.
  • the attenuation coefficient ⁇ of Equation 3 has a value of about 0.5 at which slight resonance occurs. preferable.
  • FIG. 8A to 8C are other examples of the power conversion device.
  • FIG. 8A is a perspective view showing the appearance of the power conversion device 111
  • FIG. 8B is a front view from the A view indicated by an arrow in FIG. 8A
  • FIG. 8C is an enlarged view of the snubber circuit 40 shown in FIG. 8B.
  • the power shown in FIGS. 7A to 7C is interposed between the P terminal and the N terminal into which the insulating member 31 functioning as a spacer of the power converter 101 shown in FIG. 2A is inserted.
  • the same snubber circuit 40 as that of the converter 110 is connected.
  • a P terminal Tp, an N terminal Tn, and an O terminal To are respectively connected to a predetermined positive terminal (+) and a negative terminal ( ⁇ ) by screws.
  • the screw through hole Ka indicated by the dotted line, and the electrodes of the capacitive element 41 and the resistive element 42 on both sides are provided.
  • the cutting part Kt to be connected is shown.
  • FIG. 9A to FIG. 9C and FIG. 10A to FIG. 10C are diagrams showing another example of the actual configuration of the snubber circuit.
  • 9A, FIG. 9B, FIG. 10A, and FIG. 10B are a top view and a front view of the snubber circuits 40a and 40b in the middle of manufacture, respectively.
  • FIGS. 9C and 10C are enlarged views of the completed snubber circuits 40a and 40b. It is the front view shown.
  • the surface-mounted resistance element 42 is used as the resistor Rs in the circuit diagram of FIG. 7A.
  • the state of the snubber circuit 40a shown in FIG. 9A and FIG. 9B is a state in which two surface mount type capacitive elements 41a are mounted on the flat metal member 33a before bending and cutting.
  • Dotted lines B1 and B2 in FIG. 9A are lines indicating the positions of bending, respectively, and by bending the dotted lines B1 and B2 at a right angle to the back of the paper surface, a substantially “U” -shaped metal shown in FIG. 9C.
  • a member 33a is formed.
  • broken lines K1 to K4 and T1 to T4 in FIG. 9A are lines indicating the position and length of the cut, respectively.
  • a cut portion Kt below the capacitive element 41a shown in FIG. 9C is formed. Further, by cutting with broken lines T1 to T4 in FIG. 9A, resistance portions 42a and 42b are formed by trimming with a reduced cross-sectional area in the middle of the current path.
  • the cutting process of the broken lines K1 to K4 and T1 to T4 is performed by bending the metal member 33a along the dotted lines B1 and B2 and the positive terminals (+) and the negative terminals ( After assembling during-), laser processing is performed. Therefore, the resistance value Rs of the resistance portions 42a and 42b by trimming can be appropriately adjusted by post-processing. Further, most of the SW loss in the snubber circuit is consumed (heated) by the resistor, and there is a concern that the resistor composed of a thin film may be broken. Because it is used, there is no worry about it
  • both the surface mount type resistance element 42c and the trimmed resistance parts 42d and 42e are used as the resistance Rs in the circuit diagram of FIG. 7A.
  • the state of the snubber circuit 40b shown in FIG. 10A and FIG. 10B is a state in which two surface mount-type capacitance elements 41b and two resistance elements 42c are mounted on a flat metal member 33b.
  • a cut portion Kt is formed below the capacitive element 41b shown in FIG. 10C and below the resistance element 42c at a different position.
  • resistance portions 42d and 42e by trimming with a reduced cross-sectional area in the middle of the current path are formed.
  • the resistor Rs in FIG. 7A connected in series to the capacitor element may be a surface-mounted resistor element or may be interrupted in the middle of the current path.
  • a resistor portion by trimming with a reduced area may be used.
  • a surface-mount resistance element and a trimming resistance portion may be combined.
  • the resistance value Rs can be adjusted after the snubber circuit is assembled between predetermined terminals of the power converter.
  • the resistance value Rs can be adjusted by forming a resistance portion by trimming after the snubber circuit is assembled.
  • the surface-mount type capacitive elements and resistance elements used in the snubber circuits 40, 40a, and 40b have small parasitic inductance components, and accordingly, use those having a short length in the current path direction (low LW ratio). Is desirable. Furthermore, from a thermal point of view, the required resistance value Rs is divided into (Rs / n) ⁇ n (series connection), and the required capacitance value Cs value is (Cs / n) ⁇ . It is desirable to divide and configure such as n (parallel connection).
  • FIGS. 11A and 11B are diagrams schematically showing power converters 112 and 113 in which snubber circuits 40c and 40d are attached to the power converters 104 and 105 shown in FIGS. 6A and 6B, respectively.
  • FIGS. 11A and 11B for the sake of simplification, illustration of capacitors and resistors constituting the snubber circuits 40c and 40d is omitted, and only the metal members 33c and 33d in the current path are schematically illustrated.
  • the power conversion device 113 in FIG. 11B overlaps each other as shown by the intervals W1 and W2, as compared with the power conversion device 112 in FIG. 11A.
  • the related positive terminal (+) and negative terminal (-) can be brought closer.
  • the metal member 33d which comprises the snubber circuit 40d in the power converter device 113 of FIG. 11B can be shortened compared with the metal member 33c which comprises the snubber circuit 40c in the power converter device 112 of FIG. 11A.
  • the parasitic inductance Ls of the snubber circuit can be made smaller in the power converter 113 in FIG. 11B than in the power converter 112 in FIG. 11A. it can.
  • the power converters 112 and 113 of FIG. 11A and FIG. 11B not only the heat generated in the snubber circuits 40c and 40d is radiated to the outside air, but also through a heat sink and an insulating layer exposed on the outer surface of the element module.
  • the water cooling cooler 50 can dissipate heat.
  • FIG. 12 is a top view showing an inverter 114 having an in-vehicle three-phase motor as a load, which is an application example of the power conversion device illustrated in FIG. 11A or FIG. 11B.
  • the inverter 114 illustrated in FIG. 14 includes three power converters 114u, 114v, and 114w that correspond to the U, V, and W phases, respectively, using the same structure as the power converters 112 and 113 illustrated in FIG. 11A or FIG. 11B.
  • the three power converters 114u, 114v, 114w are arranged in parallel on the paper surface as shown in the figure, and the two element modules of the upper arm and the lower arm constituting each power converter 114u, 114v, 114w are as follows. As shown in FIG. 11A or FIG. 11B, the water-cooled cooler 50 common to each phase is sandwiched.
  • reference numeral 200 a indicates an upper arm signal line
  • reference numeral 200 b indicates an arm signal line.
  • FIG. 14 can be formed integrally and compactly by laminating the configuration of FIG. 14 in multiple stages.
  • each of the above-described power conversion devices is a power conversion device that can achieve both of suppression of surge voltage, high heat dissipation of the SW element, and suppression of ringing. Therefore, the power conversion device requires a power conversion device with high power density and low power loss, and it is a problem to suppress surge voltage as the SW element increases in current, voltage and speed. It is suitable for in-vehicle use.

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Abstract

　サージ電圧の抑制、ＳＷ素子の高い放熱性、およびリンギングの抑制の３つを両立しうる電力変換装置を提供する。２つのＳＷ素子の素子モジュール（１０Ｈ，１０Ｌ）が、絶縁層（２０）を介して、側面（Ｓ１）が同じ向きで平行になるようにして厚さ方向に積層されると共に、一方のＳＷ素子の正端子（＋）ともう一方のＳＷ素子の負端子（－）が、それぞれ、厚さ方向において互いに重なるように配置されてなる電力変換装置（１００）とする。

Description

電力変換装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１３年９月１０日に出願された日本出願番号２０１３－１８７５５０号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、上アームと下アームの直列接続された２つのスイッチング素子（以下、ＳＷ素子と記載）を備え、直流電源からの電圧および電流を変換して、該２つのＳＷ素子の接続点から負荷に電力を供給する、電力変換装置に関する。
　上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子を備え、直流電源からの電圧および電流を変換して負荷に電力を供給する電力変換装置が、例えば、特開２００５－２８７２６７号公報（特許文献１）に開示されている。
　車両で用いられる電力変換装置は、パワー密度が高く（小型大電流）、電力損失の小さな電力変換装置が求められており、電力を供給するＳＷ素子の大電流化や高電圧化および高速スイッチング化（以下、高速ＳＷ化と記載）が進められている。これらＳＷ素子の大電流化、高電圧化および高速ＳＷ化が進められると、スイッチング時に発生するサージ電圧が増大する。スイッチング損失（以下、ＳＷ損失と記載）を低減するためには、このサージ電圧の抑制が必要不可欠である。このサージ電圧は、電力変換装置を構成するフィルタコンデンサあるいはパワーモジュールの内部やそれらを電気的に接続するためのブスバーに起因する浮遊インダクタンスの値にも依存し、この浮遊インダクタンスが大きい場合には、サージ電圧が高くなる。
　特許文献１に開示された電力変換装置は、ＳＷ素子が扁平な直方体の形状に樹脂モールドされたパワーモジュールからなり、該パワーモジュールの扁平な一方の表面に正側電極と負側電極が形成され、もう一方の表面が放熱面で冷却基板に接続される。そして、正側（上アーム）パワーモジュール群と負側（下アーム）パワーモジュール群とを、それぞれの上記電極形成面が所定間隔を介して互いに向き合うように、かつ、各モジュール間に流れる電流が互いに向き合う往復経路となるよう配置している。このパワーモジュールの配置構成によって、特許文献１の電力変換装置では、パワーモジュール間で発生する浮遊インダクタンスを減少させ、サージ電圧を低く抑えるようにしている。
　一方、ＳＷ素子が大電流化されると、使用時の発熱量が大きくなるため、ＳＷ素子の放熱性も向上させる必要がある。この放熱性に優れるＳＷ素子が、例えば、特開２００３－１１００６４号公報（特許文献２）に開示されている。
　特許文献２に開示されているＳＷ素子は、両面放熱型の素子モジュールで、半導体チップの両面に一対の放熱板を例えば半田層を介して接合し、該一対の放熱板の各外面を露出するようにして、全体が樹脂でモールドされた構造となっている。これによって、半導体チップの両面からの放熱が可能となり、高い放熱性を発揮させることができる。尚、特許文献２の素子モジュールも扁平な直方体の形状を有しているが、特許文献１のパワーモジュールと異なり、扁平な一方の表面に露出している放熱板が正側電極となり、もう一方の表面に露出している放熱板が負側電極となっている。
特開２００５－２８７２６７号公報 特開２００３－１１００６４号公報
　上記したように、車両等で用いられる電力変換装置は、パワー密度が高く電力損失の小さな電力変換装置が必要とされており、ＳＷ素子の大電流化、高電圧化および高速ＳＷ化に伴って、サージ電圧の抑制が課題となっている。また、大電流化に伴って、ＳＷ素子の放熱性も高める必要がある。さらには、ＥＭＣ確保のため、サージ電圧だけでなく、それに付随したＦＭ帯ノイズ等となる、リンギングについても抑制する必要がある。
　そこで、本開示は、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子を備え、直流電源からの電圧および電流を変換して、該２つのＳＷ素子の接続点から負荷に電力を供給する電力変換装置を対象としている。そして、サージ電圧の抑制、ＳＷ素子の高い放熱性、およびリンギングの抑制の３つを両立しうる電力変換装置を提供することを目的としている。
　本開示の第１の態様に係る電力変換装置は、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子を備え、直流電源からの電圧および電流を変換して、該２つのＳＷ素子の接続点から負荷に電力を供給する電力変換装置である。上記２つのＳＷ素子は、それぞれ、扁平な直方体の形状に樹脂モールドされた素子モジュールからなる。また、該素子モジュールにおいては、ＳＷ素子の正側電極に接続する放熱板と負側電極に接続する放熱板とが、外面を露出するようにして、直方体の扁平な両表面に分かれて配置されている。さらに、ＳＷ素子の正側電極に接続する放熱板に連結した正端子と負側電極に接続する放熱板に連結した負端子が、上記した扁平な直方体の厚さ方向において互いに重ならないようにして、直方体の一つの側面から引き出されている。
　そして、上記した２つのＳＷ素子の素子モジュールは、絶縁層を介して、それぞれの正端子と負端子が引き出されている上記の一つの側面が同じ向きで平行になるようにして、厚さ方向に積層される。また、一方のＳＷ素子の正端子ともう一方のＳＷ素子の負端子が、それぞれ、厚さ方向において互いに重なるように配置される。そして、上記の重なるように配置された正端子と負端子の一方の組では、正端子と負端子が上記の一つの側面の近くで電気接続されて、負荷に接続する出力端子（以下、Ｏ端子と記載）が構成される。重なるように配置された正端子と負端子のもう一方の組では、上アームのＳＷ素子の正端子で、直流電源の高電位側に接続する高電位端子（以下、Ｐ端子と記載）が構成される。また、下アームのＳＷ素子の負端子で、直流電源の低電位側に接続する低電位端子（以下、Ｎ端子と記載）が構成される。
　上記電力変換装置では、まず、ＳＷ素子の十分な放熱性を確保するため、次の両面放熱型の素子モジュールを採用している。すなわち、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子は、それぞれ、扁平な直方体の形状に樹脂モールドされた素子モジュールからなる。また、該素子モジュールは、ＳＷ素子の正側電極に接続する放熱板と負側電極に接続する放熱板とが、外面を露出するようにして、直方体の扁平な両表面に分かれて配置された構造となっている。
　ＳＷ素子として両面放熱型の素子モジュールを採用することで、例えば扁平な直方体の片面だけに放熱板が配置される片面放熱型の素子モジュールに較べて、高い放熱性を発揮させることができる。また、上記素子モジュールは、上アームと下アームのＳＷ素子が、それぞれ、別々に樹脂モールドされたものである。従って、上記素子モジュールは、例えば上アームと下アームの２つのＳＷ素子を一体で樹脂モールドしたモジュールや３相のＵ，Ｖ，Ｗの各相に対応した上アームの３つのＳＷ素子を一体で樹脂モールドしたモジュールに較べて、小型のモジュールである。このため、以下に示す２つの素子モジュールを積層する場合において、高精度の組み付けが可能であり、例えＳＷ素子の発熱によって温度上昇した場合であっても、反り等による変形が小さくなる。
　次に、上記電力変換装置では、サージ電圧を抑制するため、上アームと下アームのＳＷ素子の各素子モジュールについて、以下の構造を採用している。すなわち、ＳＷ素子の正側電極に接続する放熱板に連結した正端子と負側電極に接続する放熱板に連結した負端子が、上記した扁平な直方体の厚さ方向において互いに重ならないようにして、直方体の一つの側面から引き出された構造である。そして、上アームと下アームのＳＷ素子にそれぞれ対応する上記した２つの素子モジュールが、絶縁層を介して、正端子と負端子が引き出された上記の一つの側面が同じ向きで平行になるようにして、厚さ方向に積層される配置とする。
　さらに、上記積層状態においては、一方のＳＷ素子の正端子ともう一方のＳＷ素子の負端子が、それぞれ、厚さ方向において互いに重なる配置とする。すなわち、上記正端子と負端子を扁平な直方体の厚さ方向において一つの面に投影した時、少なくとも一部が重なる配置関係とする。そして、上記の重なるように配置された正端子と負端子の一方の組では、正端子と負端子が上記の一つの側面の近くで電気接続されて、負荷に接続するＯ端子が構成される。また、重なるように配置された正端子と負端子のもう一方の組では、上アームのＳＷ素子の正端子で直流電源の高電位側に接続するＰ端子が構成され、下アームのＳＷ素子の負端子で直流電源の低電位側に接続するＮ端子が構成される。
　上記電力変換装置における２つの素子モジュールの配置関係は、電源回路のインダクタンスＬｄを小さくして、サージ電圧ΔＶを抑制するためのものである。すなわち、上記もう一方の組において、重なるように配置されたＰ端子が構成される上アームのＳＷ素子の正端子とＮ端子が構成される下アームのＳＷ素子の負端子は、電流の流れる向きが逆であり、磁束打消しによるインダクタンスの低減効果が発生する。尚、上記一方の組において、電気接続されてＯ端子が構成されるまでの上アームのＳＷ素子の負端子と下アームのＳＷ素子の正端子についても、電流の流れる向きが逆であり、磁束打消しによるインダクタンスの低減効果が発生する。以上のインダクタンスの低減効果によって、上記電力変換装置においては、該電力変換装置に係る電源回路のインダクタンスＬｄを小さくして、サージ電圧ΔＶを抑制することができる。また、インダクタンスＬｄに蓄えられる磁気エネルギーが低減するため、Ｌｄ経路に潜む寄生容量成分との共振が早く制動し、結果リンギングが発生する期間を短くすることができる。
　上記電力変換装置を構成する２つの素子モジュールは、前述したように、上アームと下アームのＳＷ素子が別々に樹脂モールドされた小型のモジュールで、高精度の組み付けが可能であり、ＳＷ素子の発熱によって温度上昇した場合であっても、反り等による変形が小さくなる。特に、電極等の金属部材の変形も小さくなり、一方のＳＷ素子の正端子ともう一方のＳＷ素子の負端子間での上記した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を確実にすることができる。また、製造不良や発熱によって例え１つのＳＷ素子が壊れた場合であっても、その素子モジュールを交換するだけで済み、電力変換装置としての製造歩留まりや使用寿命を高めることが可能である。
　本開示の第２の態様によれば、上記電力変換装置において、重なるように配置された正端子と負端子は、それぞれ、厚さ方向においていずれか一方を覆う配置関係にある。すなわち、上記正端子と負端子を扁平な直方体の厚さ方向において一つの面に投影した時、いずれか一方がもう一方を覆う配置関係である。尚、上記した正端子と負端子が同一形状の場合には、扁平な直方体の厚さ方向において一つの面に投影した時、これらは完全に一致する配置関係となる。これによって、上記した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を、最大限に発揮させることができる。
　本開示の第３の態様によれば、上記電力変換装置における上アームと下アームにそれぞれ対応する２つのＳＷ素子の素子モジュールは、同一構造である。この場合、ＳＷ素子の特性一致と製造コストの低減だけでなく、サージ電圧を抑制するうえでも好ましい。
　本開示の第４の態様によれば、上記電力変換装置における素子モジュールは、一つの側面において、正端子と負端子が、厚さ方向において同じ高さで引き出されている。この場合、設計や組み付けが容易になる。
　本開示の第５の態様によれば、上記した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を高めるためには、正端子と負端子が、厚さ方向の２等分線で分割されるいずれか一方の領域から引き出されている。これによれば、上アームと下アームの素子モジュールを積層する場合において、正端子と負端子が厚さ方向の２等分線上（中央）で引き出される素子モジュールに較べて、互いに重なる配置関係にある正端子と負端子を、より近づけることができる。従って、上記した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を高めることができる。また、後述するスナバ回路を接続する場合においても、スナバ回路の電流経路長を短くすることができ、スナバ回路のインダクタンスＬｓが小さくなって、サージ電圧ΔＶを抑制することができる。
　本開示の第６の態様によれば、上記電力変換装置においては、Ｐ端子とＮ端子がそれぞれ構成される前記正端子と負端子のもう一方の組において、一つの側面に隣接して、容量素子を有したスナバ回路を正端子と負端子の間に電気接続することが可能である。
　上記スナバ回路を接続することによって、当該電力変換装置においては、先の電源回路のインダクタンスＬｄに蓄積されるエネルギーをスナバ回路の容量素子に吸収させ、サージ電圧ΔＶをより低減することが可能である。
　尚、上記電力変換装置におけるスナバ回路は、積層された２つの素子モジュールのＰＮ端子間を素子モジュールと別体で結線するものであり、素子モジュールの外部に露出している。従って、スナバ回路で発生する熱は、ＳＷ素子で発生する熱とは別の放熱経路で、外部に引き出された正端子と負端子に連結する放熱板と空気中への放熱を介して、良好に放熱することができる。
　本開示の第７の態様によれば、上記電力変換装置におけるスナバ回路は、例えば、正端子と負端子の間で略「コ」の字形状の電流経路を有し、途中に切断部が形成された金属部材と、切断部の両側に電極が接続された表面実装型の容量素子とで構成することができる。
　本開示の第８の態様によれば、上記スナバ回路においては、容量素子に、抵抗が直列接続されてなる。
　容量素子に直列接続する抵抗の抵抗値Ｒｓには、適切な値がある。抵抗値Ｒｓが小さすぎると、低減したいサージが抑制できない。寄生インダクタンスとスナバ回路の容量素子のみでは、電流を消費しないので（寄生インダクタンスで蓄えてしまっている）、それを消費する抵抗が必要となる。また、上記したＬＣ共振が起き易くなるといった問題もある。 一方、抵抗値Ｒｓが大きすぎると、ＳＷ素子で発生するサージがスナバ回路側へバイパスされないため、スナバ回路が機能しなくなってしまう。 
　本開示の第９の態様によれば、容量素子に直列接続する上記抵抗は、例えば、表面実装型の抵抗素子からなり、略「コ」の字形状の上記金属部材において、容量素子が接続された切断部と別位置に形成された切断部の両側に電極が接続されている構成であってよい。また、上記抵抗は、略「コ」の字形状の上記金属部材に切込みを形成し、電流経路の途中で断面積を小さくしたトリミングによる抵抗部からなる構成であってもよいし、上記表面実装型の抵抗素子と上記トリミングによる抵抗部を組み合わせて構成してもよい。上記抵抗にトリミングによる抵抗部を用いる場合には、電力変換装置にスナバ回路を組み付けた後、抵抗値Ｒｓの調整が可能となる。
　尚、以上に説明した電力変換装置のスナバ回路は、積層された上アームの素子モジュールのＰ端子と下アームの素子モジュールのＮ端子間において、一括して電気接続するものである。しかしながら、本開示の第１０の態様によれば、スナバ回路の構成はこれに限らず、例えば積層された上アームと下アームの各素子モジュールにおいて、正端子と負端子間に個別にスナバ回路を電気接続するようにしてもよい。また、以上に説明した電力変換装置のスナバ回路は、容量素子だけを有するＣスナバ回路、および容量素子と抵抗を有するＲＣスナバ回路であった。しかしながら、スナバ回路の構成はこれに限らず、抵抗と並列にダイオードが接続されるＲＣＤスナバ回路であってもよい。
　本開示の第１１の態様によれば、上記電力変換装置は、前述したように、ＳＷ素子の十分な放熱性を確保するため、両面放熱型の素子モジュールを採用している。この場合、上記電力変換装置は、２つのＳＷ素子の素子モジュールが、絶縁層を介して、水冷冷却器で挟まれた構成としてもよい。これによって、ＳＷ素子で発生する熱（およびスナバ回路を接続する場合には、容量素子や抵抗で発生する熱）が、各素子モジュールの外面に露出している放熱板から絶縁層を介して水冷冷却器に伝達され、高い冷却効果を発揮させることができる。
　以上のようにして、上記した電力変換装置は、サージ電圧の抑制、ＳＷ素子の高い放熱性、およびリンギングの抑制の３つを両立しうる電力変換装置となっている。従って、本開示の第１２の態様によれば、上記電力変換装置は、パワー密度が高く電力損失の小さな電力変換装置が必要とされており、ＳＷ素子の大電流化、高電圧化および高速ＳＷ化に伴って、サージ電圧の抑制が課題となっている、車載用として用いることができる。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。図面において、
本開示の一実施形態にかかる電力変換装置で用いられるＳＷ素子の素子モジュールの前面図である。 図１Ａに示す素子モジュールの下面図であり、内部を透視して示す図である。 図１Ｂにおける一点鎖線IＣ-IＣでの断面図である。 本開示の一実施形態に係る電力変換装置の構成と使用形態の一例を示した回路図である。 図２Ａに示す電力変換装置の外観を示した斜視図である。 図２Ｂにおいて矢印で示したＡ視からの模式的な電力変換装置の前面図である。 電力変換装置の変形例の外観を示した斜視図である。 電力変換装置の変形例の外観を示した斜視図である。 別の素子モジュールの例を示す前面図である。 図４Ａに示す素子モジュールの下面図であって、内部を透視して示す図である。 図４Ｂにおける一点鎖線IＶＣ-IＶＣでの断面図である。 図４Ａ～図４Ｃの素子モジュールを用いた電力変換装置の外観を示した斜視図である。 図１Ａ～図１Ｃに示した素子モジュールを用いる電力変換装置の別の構成例としての電力変換装置の断面図である。 図４Ａ～４Ｃに示した素子モジュールを用いる電力変換装置の別の構成例としての電力変換装置の断面図である。 スナバ回路を付加した電力変換装置の構成と使用形態の一例を示した回路図である。 図７Ａに示す電力変換装置の外観を示した斜視図である。 図７Ｂにおいて矢印で示したＡ視からの模式的な電力変換装置の前面図である。 別の電力変換装置の例の外観を示した斜視図である。 図８Ａに示した電力変換装置の矢印で示したＡ視からの前面図である。 図８Ｂに示す電力変換装置のスナバ回路の拡大図である。 スナバ回路の別の実体構成例を示す図であり、製造途中でのその上面図である。 図９Ａに示すスナバ回路の前面図である。 図９Ｂに示すスナバ回路の完成後を拡大して示した前面図である。 スナバ回路の別の実体構成例を示す図であり、製造途中でのその上面図である。 図１０Ａに示すスナバ回路の前面図である。 図１０Ｂに示すスナバ回路の完成後を拡大して示した前面図である。 図６Ａに示した電力変換装置に対して、スナバ回路を取り付けた電力変換装置を模式的に示す図である。 図６Ｂに示した電力変換装置に対して、スナバ回路を取り付けた電力変換装置を模式的に示す図である。 図１２は、図１１Ａまたは図１１Ｂに例示した電力変換装置の応用例で、車載用の３相モータを負荷とするインバータを示した上面図である。
　本開示に係る電力変換装置は、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子を備え、直流電源からの電圧および電流を変換して、該２つのＳＷ素子の接続点から負荷に電力を供給する電力変換装置である。
　以下、本開示に係る電力変換装置の実施形態を、図に基づいて説明する。
　図１Ａ～図１Ｃは、本開示の電力変換装置で用いられるＳＷ素子の素子モジュールの一例を示す図である。図１Ａは、素子モジュール１０の前面図であり、図１Ｂは、内部を透視した素子モジュール１０の下面図であり、図１Ｃは、図１Ｂにおける一点鎖線IＣ-IＣでの断面図である。
　図２Ａ～図２Ｃは、図１のＳＷ素子（素子モジュール１０）を用いた本開示に係る電力変換装置の一例で、図２Ａは、一点鎖線で囲った電力変換装置１００の構成と使用形態の一例を示した回路図である。また、図２Ｂは、電力変換装置１００の外観を示した斜視図であり、図２Ｃは、図２Ｂにおいて矢印で示したＡ視からの模式的な前面図である。尚、図２Ａ～２Ｃにおいて、図１Ａ～１Ｃと同様の部分については、同じ符号を付した。図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００は、例えば自動車などの車両に搭載され、モータ等を駆動するための駆動装置として適用されるものである。
　図２Ａにおいて一点鎖線で囲って示した電力変換装置１００は、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子（素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌ）を備えている。図２Ａの回路図に示すＳＷ素子は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）で、該ＩＧＢＴにはＦＷＤ（フライホイールダイオード）が逆並列に接続されている。そして、電力変換装置１００は、平滑コンデンサＣを介した直流電源からの電圧および電流を変換して、上アームと下アームの２つのＳＷ素子の接続点から、負荷Ｌに電力を供給する。
　図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００を構成している上アームと下アームの２つのＳＷ素子は、それぞれ、扁平な直方体の形状に樹脂モールドされた素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌからなり、図１Ａ～図１Ｃに示した素子モジュール１０と同様の構造を有している。
　図１Ａ～図１Ｃの素子モジュール１０は、図１Ｂに示すように、平面的に配置されたシリコン（Ｓｉ）からなるＩＧＢＴ素子チップ１とＦＷＤ素子チップ２を備えている。そして、これら素子チップ１，２の両面は、電極および放熱板として機能する一対のリードフレーム３，４に挟まれている。これらリードフレーム３，４は、一般的なリードフレーム材料よりなるもので、たとえば、銅合金にニッケルメッキを施した板材により構成されている。
　尚、図１Ａ～図１Ｃの素子モジュール１０において、ＩＧＢＴ素子チップ１とＦＷＤ素子チップ２は、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）で形成するようにしてもよい。また、素子モジュール１０ではＩＧＢＴとＦＷＤが別々の素子チップ１，２で形成されているが、ＩＧＢＴとＦＷＤを一つの素子チップで形成するようにしてもよい。
　図１Ｃに示すように、リードフレーム３は、ＩＧＢＴ素子チップ１のコレクタ電極および逆並列に接続されるＦＷＤ素子チップ２のカソード電極と半田５で接合されており、高電位の正側電極（＋）として機能する。また、リードフレーム４は、高さ調節のための銅ブロック６を介して、ＩＧＢＴ素子チップ１のエミッタ電極および逆並列に接続されるＦＷＤ素子チップ２のアノード電極と半田５で接合されており、低電位の負側電極（－）として機能する。
　そして、図１Ａ～図１Ｃの素子モジュール１０においては、一対のリードフレーム３，４およびこれに挟み込まれた素子チップ１，２、銅ブロック６が、モールド樹脂７にて封止される。このモールド樹脂７は、エポキシ樹脂などの通常のモールド材料よりなり、金型を用いたトランスファーモールド法によって成形されたものである。
　図１Ｃに示すように、リードフレーム３，４の一部は、それぞれ、モールド樹脂７から露出しており、放熱板３ｈ，４ｈとして機能する。これにより、素子モジュール１０は、素子チップ１，２の両面からリードフレーム３，４を介した放熱が行われる、両面放熱型の構成となっている。言い換えれば、素子モジュール１０においては、ＳＷ素子の正側電極に接続する放熱板３ｈと負側電極に接続する放熱板４ｈとが、外面を露出するようにして、モールド樹脂７からなる直方体の扁平な両表面に分かれて配置されている。
　さらに、図１Ａ～図１Ｃの素子モジュール１０においては、リードフレーム３，４の端部が、モールド樹脂７からなる直方体の一つの側面Ｓ１（図１Ａに示す前面）から以下のように引き出されており、端子３ｔ，４ｔとして機能する。すなわち、ＳＷ素子の正側電極（＋）に接続する放熱板３ｈに連結した正端子（＋）３ｔと負側電極（－）に接続する放熱板４ｈに連結した負端子（－）４ｔが、上記した扁平な直方体の厚さ方向において互いに重ならないようにして、直方体の一つの側面Ｓ１から引き出されている。
　より詳細には、素子モジュール１０では、一つの側面Ｓ１において、正端子３ｔと負端子４ｔが、図１Ａにおいて二点鎖線で示したように、厚さ方向において同じ高さＨ１で引き出されている。さらに言えば、図１Ａの二点鎖線は、素子モジュール１０の厚さ方向の２等分線であり、正端子３ｔと負端子４ｔは、厚さ方向の中央から引き出されている。
　また、素子モジュール１０では、図１Ｂに示すように、正端子３ｔと負端子４ｔが引き出された側面Ｓ１と対向するもう一つの側面Ｓ２において、ＳＷ素子の制御電極（ＩＧＢＴ素子チップ１のゲート電極）に接続する信号線２００が引き出されている。さらに言えば、図１Ｂの二点鎖線は、もう一つの側面Ｓ２において厚さ方向に直交する方向の２等分線であり、信号線２００は、この２等分線で分割される一方の領域から引き出されている。
　そして、図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００では、上記した図１Ａ～図１Ｃの素子モジュール１０と同一構造の２つのＳＷ素子の素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌが、図２Ｂに示すように、互いに反転して積層される。より詳細には、電力変換装置１００では、素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌの間には両者を電気的に分離するための絶縁層２０があり、それぞれの正端子（＋）と負端子（－）が引き出されている側面Ｓ１（図１Ａに示す前面）が同じ向きで平行になるようにして、厚さ方向に積層される。
　また、図２Ｃに示すように、一方のＳＷ素子の正端子（＋）ともう一方のＳＷ素子の負端子（－）は、それぞれ、厚さ方向において互いに重なるように配置される。そして、上記の重なるように配置された正端子と負端子の一方の組では、正端子と負端子が側面Ｓ１の近くで金属部材３０により電気接続されて、負荷Ｌに接続するＯ端子（出力端子）が構成される。重なるように配置された正端子と負端子のもう一方の組では、上アームのＳＷ素子の正端子（＋）で、直流電源の高電位側に接続するＰ端子（高電位端子）が構成される。また、下アームのＳＷ素子の負端子（－）で、直流電源の低電位側に接続するＮ端子（低電位端子）が構成される。
　図２Ａ～図２Ｃに例示した電力変換装置１００は、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子を一つの構成単位として、該２つのＳＷ素子の接続点（Ｏ端子）から負荷Ｌに電力を供給するものである。例えば、車載用の３相モータを負荷とする電力変換装置（インバータ）は、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に対応した３組の直列接続されたＳＷ素子の上記単位で構成され、直流電源のバッテリから、誘導性の負荷である３相モータに交流の電力を供給する。
　課題欄で説明したように、車両等で用いられる電力変換装置では、近年、パワー密度が高く電力損失の小さな装置が必要とされており、サージ電圧およびリンギングの抑制とＳＷ素子の放熱性が課題となっている。そのため、図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００では、まず、ＳＷ素子の十分な放熱性を確保するため、図１Ａ～図１Ｃに示した両面放熱型の素子モジュール１０を採用している。すなわち、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子は、それぞれ、扁平な直方体の形状に樹脂モールドされた素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌからなる。素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌは、図１Ａ～図１Ｃで示したように、ＳＷ素子の正側電極（＋）に接続する放熱板３ｈと負側電極（－）に接続する放熱板４ｈとが、外面を露出するようにして、直方体の扁平な両表面に分かれて配置された構造となっている。
　ＳＷ素子として両面放熱型の素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌを採用することで、例えば扁平な直方体の片面だけに放熱板が配置される片面放熱型の素子モジュールに較べて、後述するように、高い放熱性を発揮させることができる。また、電力変換装置１００の素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌは、上アームと下アームのＳＷ素子が、それぞれ、別々に樹脂モールドされたものである。従って、素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌは、例えば上アームと下アームの２つのＳＷ素子を一体で樹脂モールドしたモジュールやＵ，Ｖ，Ｗの各相に対応した上アームの３つのＳＷ素子を一体で樹脂モールドしたモジュールに較べて、小型のモジュールである。このため、電力変換装置１００のように２つの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌを積層する場合において、高精度の組み付けが可能であり、例えＳＷ素子の発熱によって温度上昇した場合であっても、反り等による変形が小さくなる。
　次に、図２Ａ～図２Ｃに例示した電力変換装置１００では、サージ電圧を抑制するため、上アームと下アームのＳＷ素子の各素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌについて、以下の構造を採用している。すなわち、図１Ａ～図１Ｃに示したように、ＳＷ素子の正側電極に連結した正端子（＋）と負側電極に連結した負端子（－）が、モールド樹脂７の扁平な直方体の厚さ方向において互いに重ならないようにして、一つの側面Ｓ１から引き出された構造である。そして、図２Ｂ，図２Ｃに示すように、上アームと下アームのそれぞれ対応する素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌが、絶縁層２０を介して、正端子と負端子が引き出された側面Ｓ１が同じ向きで平行になるようにして、厚さ方向に積層される配置とする。
　さらに、上記積層状態においては、一方のＳＷ素子の正端子（＋）ともう一方のＳＷ素子の負端子（－）が、それぞれ、厚さ方向において互いに重なる配置とする。すなわち、正端子と負端子を扁平な直方体の厚さ方向において一つの面に投影した時、少なくとも一部が重なる配置関係とする。そして、上記の重なるように配置された正端子と負端子の一方の組では、正端子と負端子が引き出された側面Ｓ１の近くで電気接続されて、負荷Ｌに接続するＯ端子が構成される。また、重なるように配置された正端子と負端子のもう一方の組では、上アームのＳＷ素子の正端子（＋）で直流電源の高電位側に接続するＰ端子が構成され、下アームのＳＷ素子の負端子（－）で直流電源の低電位側に接続するＮ端子が構成される。
　図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００において発生するサージ電圧ΔＶは、図２Ａに破線で示した電源回路のインダクタンスをＬｄとし、電流変化率をｄＩ／ｄｔとしたとき、次の数式１の関係にある。
（数１）　ΔＶ＝Ｌｄ×（ｄＩ／ｄｔ）
　上述した電力変換装置におけるパワー密度の上昇（大電流化）と電力損失の低減（高速ＳＷ化）は、数式１において、右辺の電流変化率ｄＩ／ｄｔを大きくする方向である。従って、サージ電圧ΔＶを抑制するためには、電源回路のインダクタンスＬｄをできるだけ小さくする必要がある。
　上記した電力変換装置１００における２つの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌの配置関係は、電源回路のインダクタンスＬｄを小さくして、サージ電圧ΔＶを抑制するためのものである。すなわち、重なるように配置されたＰ端子が構成される上アームのＳＷ素子の正端子とＮ端子が構成される下アームのＳＷ素子の負端子は、図２Ｂに示すように、電流の流れる向きが逆であり、磁束打消しによるインダクタンスの低減効果が発生する。尚、電気接続されてＯ端子が構成されるまでの上アームのＳＷ素子の負端子と下アームのＳＷ素子の正端子についても、電流の流れる向きが逆であり、磁束打消しによるインダクタンスの低減効果が発生する。以上のインダクタンスの低減効果によって、図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００においては、電源回路のインダクタンスＬｄを小さくして、サージ電圧ΔＶを抑制することができる。また、インダクタンスＬｄが小さくなることで、インダクタンスＬｄに蓄えられる磁気エネルギーが低減するため、Ｌｄ経路に潜む寄生容量成分との共振が早く制動し、リンギングが発生している期間を短くするリンギングの抑制効果を得ることができる。
　さらに、電力変換装置を構成する２つの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌは、前述したように、上アームと下アームのＳＷ素子が別々に樹脂モールドされた小型のモジュールで、高精度の組み付けが可能である。また、ＳＷ素子の発熱によって温度上昇した場合であっても、反り等による変形が小さくなる。特に、電極等の金属部材の変形も小さくなり、従って、一方のＳＷ素子の正端子ともう一方のＳＷ素子の負端子間での上記した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を確実にすることができる。また、製造不良や発熱によって例え１つのＳＷ素子が壊れた場合であっても、その素子モジュールを交換するだけで済み、電力変換装置としての製造歩留まりや使用寿命を高めることが可能である。
　次に、図２Ａ～図２Ｃに例示した電力変換装置１００の細部について説明する。
　２つの素子モジュールが積層されて構成される上記電力変換装置において、重なるように配置された正端子（＋）と負端子（－）は、それぞれ、厚さ方向においていずれか一方を覆う配置関係にあることが、より好ましい。すなわち、上記正端子と負端子を扁平な直方体の厚さ方向において一つの面に投影した時、いずれか一方がもう一方を覆う配置関係である。尚、図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００における２つの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌは、同一構造であり、上記した正端子と負端子が同一形状である。従って、この２つの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌを積層した場合には、図２Ｃに示すように、扁平な直方体の厚さ方向において一つの面に投影した時、これらは完全に一致する配置関係となる。これによって、上記した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を、最大限に発揮させることができる。
　以上のように、上記電力変換装置における上アームと下アームにそれぞれ対応する２つのＳＷ素子の素子モジュールは、ＳＷ素子の特性一致と製造コストの低減だけでなく、サージ電圧を抑制するうえでも、同一構造であることが好ましい。
　また、図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００における素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌは、正端子と負端子が引き出された側面Ｓ１と対向する側面Ｓ２において、ＳＷ素子の制御電極に接続する信号線２００が引き出されている。これによって、２つの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌを上記のように積層した場合においても、図２Ｂに示すように、正端子と負端子が引き出される方向と信号線２００が引き出される方向が逆になるため、これら各端子および信号線への配線接続２００が容易になる。
　さらに、図１Ａ～図１Ｃの素子モジュール１０と同じ構造を有した素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌでは、側面Ｓ２において、信号線２００が、厚さ方向に直交する方向の２等分線で分割される一方の領域から引き出されている。これによって、２つの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌを上記のように積層した場合においても、図２Ｂに示すように、上アームと下アームの信号線同士が重ならないようにすることができ、各信号線への配線接続が容易になる。
　次に、図２Ａ～２Ｃに示した電力変換装置１００の変形例について説明する。
　図３Ａ，図３Ｂは、それぞれ、電力変換装置１０１，１０２の外観を示した斜視図である。
　図３Ａ，図３Ｂに示す電力変換装置１０１，１０２では、それぞれ、図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００と同様の素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌが用いられ、電力変換装置１００と同様に、絶縁層２０を介して、互いに反転して積層されている。
　一方、図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００では、図２Ｂに示すように、Ｏ端子が構成される正端子と負端子の間に金属部材３０が挿入されており、これによって、正端子と負端子が側面Ｓ１の近くで電気接続されていた。この正端子と負端子の間に金属部材３０は、正端子と負端子を電気接続するだけでなく、厚さ方向の間隔を固定するスペーサとしての機能も有している。
　図３Ａに示す電力変換装置１０１においては、Ｐ端子とＮ端子が構成される組の正端子と負端子についても、重なるように配置された該正端子と負端子に、厚さ方向の間隔を固定するため、スペーサとして機能する絶縁部材３１が挿入されている。これによって、外力や熱が印加されても正端子と負端子の間隔が変化しないため、上記した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を、安定的に発揮させることができる。
　また、図３Ｂに示す電力変換装置１０２では、金属部材３０に代えて、矢印で示したＡ視において略「コ」の字形状を有した金属部材３２を用いて、Ｏ端子が構成される正端子と負端子の間を、外側から電気接続している。尚、金属部材３２についても、所定の厚さを確保することで、正端子と負端子の厚さ方向の間隔を固定するスペーサとしての機能を持たせることができる。
　図４Ａ～図４Ｃは、本開示の電力変換装置で用いられるＳＷ素子の別の素子モジュールの例を示す図である。図４Ａは、素子モジュール１１の前面図であり、図４Ｂは、内部を透視した素子モジュール１１の下面図であり、図４Ｃは、図４Ｂにおける一点鎖線IＶＣ-IＣでの断面図である。尚、図４Ａ～図４Ｃの素子モジュール１１において、図１Ａ～図１Ｃの素子モジュール１１と同様の部分については、同じ符号を付した。
　また、図５は、図４Ａ～図４ＣのＳＷ素子（素子モジュール１１）を用いた本開示に係る電力変換装置の例で、電力変換装置１０３の外観を示した斜視図である。図５の電力変換装置１０３においては、図４Ａ～図４Ｃの素子モジュール１１と同一構造の上アームと下アームの２つのＳＷ素子の素子モジュール１１Ｈ，１１Ｌが、絶縁層２０を介して、互いに反転して積層されている。
　図４Ａ～図４Ｃに示すＳＷ素子の素子モジュール１１は、図１Ａ～図１Ｃに示したＳＷ素子の素子モジュール１０と比較して、モールド樹脂７からなる直方体の側面Ｓ１から引き出される正端子（＋）３ｔａと負端子（－）４ｔａの高さＨ２が異なっている。
　図１Ａ～図１Ｃの素子モジュール１０では、正端子３ｔと負端子４ｔが、厚さ方向において同じ高さＨ１で、二点鎖線で示した素子モジュール１０の厚さ方向の２等分線上、すなわち、厚さ方向の中央から引き出されていた。これに対して、図４Ａ～図４Ｃの素子モジュール１１では、正端子３ｔａと負端子４ｔａが、厚さ方向において同じ高さＨ２で引き出されているが、引き出し位置は、二点鎖線で示した厚さ方向の２等分線で分割される図の上方の領域から引き出されている。
　これによって、図４Ａ～図４Ｃと同一構造の素子モジュール１１Ｈ，１１Ｌを互いに反転して積層する図５の電力変換装置１０３では、図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００に較べて、互いに重なる配置関係にある正端子（＋）と負端子（－）を、より近づけることができる。これによって、電流の流れる向きが逆となることで発生する、図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００において説明した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を、より高めることができる。また、後述するスナバ回路を接続する場合においても、スナバ回路の電流経路長を短くすることができ、スナバ回路のインダクタンスＬｓが小さくなって、サージ電圧ΔＶを抑制することができる。
　また、図４Ａ～図４Ｃの素子モジュール１１では、図１Ａ～図１Ｃの素子モジュール１０と異なり、モールド樹脂７からなる直方体の側面Ｓ１において、正端子（＋）と負端子（－）の間に、厚さ方向に走る溝７ａが形成されている。正端子３ｔａと負端子４ｔａ間が離れているとインダクタンスＬｄは大きくなるが、これを設けることで端子間を狭めたときに発生しやすくなる正端子と負端子の間で沿面放電を回避することができる。
　図６Ａ，図６Ｂは、それぞれ、図１Ａ～図１Ｃおよび図４Ａ～図４Ｃに示した素子モジュール１０，１１を用いる電力変換装置の別の構成例で、電力変換装置１０４，１０５の断面図である。
　図６Ａに示す電力変換装置１０４では、図１Ａ～図１Ｃに示した素子モジュール１０と同一構造の上アームと下アームの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌが、図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００と同様にして、反転して積層されている。図６Ｂに示す電力変換装置１０５では、図４Ａ～図４Ｃに示した素子モジュール１１と同一構造の上アームと下アームの素子モジュール１１Ｈ，１１Ｌが、図５の電力変換装置１０３と同様にして、反転して積層されている。
　図１Ａ～図１Ｃおよび図４Ａ～図４Ｃに示した素子モジュール１０，１１は、先に説明したように、モールド樹脂７からなる直方体の扁平な両表面に分かれて配置された放熱板３ｈ，４ｈを有する、両面放熱型の素子モジュールである。このため、図６Ａ，図６Ｂに示す電力変換装置１０４，１０５では、それぞれ、素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌおよび素子モジュール１１Ｈ，１１Ｌが、絶縁層２１を介して、水冷冷却器５０で挟まれた構成としている。従って、ＳＷ素子で発生する熱（および後述するスナバ回路を接続する場合には、容量素子や抵抗で発生する熱）は、各素子モジュールの外面に露出している放熱板３ｈ，４ｈから絶縁層２１を介して水冷冷却器５０に伝達される。これによって、図６Ａ、図６Ｂに示す電力変換装置１０４，１０５では、高い冷却効果を発揮させることができ、ＳＷ素子の十分な放熱性を確保することができる。
　尚、絶縁層２１としては、例えば次のような構成を採用することができる。例えば、放熱板と水冷冷却器の間に、放熱グリス／セラミック基板（Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３等）／放熱グリスからなる３層の絶縁層を介在させる。あるいは、放熱板と水冷冷却器の間に、放熱絶縁シート（例えばエポキシ系の樹脂中に無機フィラーのＡｌ２Ｏ３，ＢＮ，ＡｌＮ等を混ぜ込み高熱伝導化したもの）を介在させてもよい。
　図６Ａ，図６Ｂにおいて間隔Ｗ１，Ｗ２で示したように、図６Ｂの電力変換装置１０５では、図６Ａの電力変換装置１０４に較べて、互いに重なる配置関係にある正端子（＋）と負端子（－）を、より近づけることができる。従って、図６Ｂの電力変換装置１０５では、図６Ａの電力変換装置１０４に較べて、磁束打消しによるインダクタンスの低減効果をより高めることができ、より好ましい構成である。
　上記した電力変換装置においては、磁束打消しによるインダクタンスの低減効果だけでなく、サージ電圧ΔＶをさらに低減するため、Ｐ端子とＮ端子がそれぞれ構成される正端子と負端子の間に、スナバ回路を電気接続することが可能である。
　図７Ａ～図７Ｃは、図２Ａ～図２Ｃに示した電力変換装置１００にスナバ回路を付加した電力変換装置の例で、図７Ａは、一点鎖線で囲った電力変換装置１１０の構成と使用形態の一例を示した回路図である。また、図７Ｂは、電力変換装置１１０の外観を示した斜視図であり、図７Ｃは、図７Ｂにおいて矢印で示したＡ視からの模式的な前面図である。尚、図７Ａ～図７Ｃの電力変換装置１１０において、図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００と同様の部分については、同じ符号を付した。
　図７Ａの回路図において一点鎖線で囲って示した電力変換装置１１０は、図２Ａの回路図に示した電力変換装置１００と同様に、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子（素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌ）を備えている。そして、電力変換装置１１０は、平滑コンデンサＣを介した直流電源からの電圧および電流を変換して、上アームと下アームの２つのＳＷ素子の接続点から、負荷Ｌに電力を供給する。一方、図７Ａの電力変換装置１１０では、図２Ａの電力変換装置１００の回路構成に加えて、Ｐ端子とＮ端子の間で側面Ｓ１に隣接して、直列接続された容量Ｃｓと抵抗Ｒｓからなるスナバ回路４０が接続されている。
　そして、図７Ｂ，図７Ｃに示す実体構成の電力変換装置１１０では、図２Ｂ，図２Ｃの電力変換装置１００に対して、Ｐ端子とＮ端子がそれぞれ構成される正端子（＋）と負端子（－）の間に、次のような実体構成のスナバ回路４０を追加している。すなわち、図７Ａ～図７Ｃの電力変換装置１１０におけるスナバ回路４０は、図７Ｂの矢印のＡ視において略「コ」の字形状で途中に切断部が形成された金属部材３３と、切断部の両側に電極が接続された表面実装型の容量素子４１と抵抗素子４２とで構成している。そして、図のように構成されたスナバ回路４０が、側面Ｓ１の近くにおいて、Ｐ端子とＮ端子がそれぞれ構成される正端子と負端子の間で電気接続されている。尚、スナバ回路４０の接続には、後述するようにネジ締結を用いてもよいし、ロウ付け（半田付け）や溶接等を用いてもよい。
　図７Ｂ，図７Ｃに示した電力変換装置１１０におけるスナバ回路４０は、積層された２つの素子モジュール１０Ｈ，１０ＬのＰＮ端子間を、素子モジュールと別体で結線するものであり、素子モジュールの外部に露出している。従って、スナバ回路４０で発生する熱は、ＳＷ素子で発生する熱とは別の放熱経路で、外部に引き出された正端子と負端子に連結する放熱板と空気中への放熱を介して、良好に放熱することができる。
　尚、図７Ａに示す電力変換装置１１０のスナバ回路４０は、容量Ｃｓに抵抗Ｒｓが直列接続されたＲＣスナバ回路となっているが、これに限らず、容量ＣｓだけのＣスナバ回路であっても、一定のサージ電圧ΔＶの低減効果が得られる。また、抵抗Ｒｓと並列にダイオードが接続される、ＲＣＤスナバ回路であってもよい。
　最初に、図７Ａに示す電力変換装置１１０の回路構成において、スナバ回路４０の容量Ｃｓだけで得られるサージ電圧ΔＶの低減効果について、以下に説明する。
　上記スナバ回路を接続することによって、当該電力変換装置においては、先の電源回路のインダクタンスＬｄに蓄積されるエネルギーをスナバ回路の容量素子に吸収させ、先に示した数式１のサージ電圧ΔＶを、以下のように低減することが可能である。
　スナバ回路を付加した電力変換装置では、図７Ａに示すように、スナバ回路のインダクタンスをＬｓとし、スナバ回路の容量素子の容量値をＣｓとしたとき、電力変換装置において発生するサージ電圧ΔＶは、次の数式２の関係となる。
（数２）　ΔＶ＝Ｉ×√（Ｌｄ／Ｃｓ）＋Ｌｓ×（ｄＩ／ｄｔ）
　スナバ回路を接続した数式２のサージ電圧ΔＶは、スナバ回路を接続していない先の数式１のサージ電圧ΔＶに較べて、十分に小さな値に抑制可能である。すなわち、数式２において、電源回路のインダクタンスＬｄに係る右辺第１項は、√内の項となり、所定の容量値の容量素子を用いることで、右辺第１項は、スナバ回路のインダクタンスＬｓに係る右辺第２項より小さくできる。また、図７Ｂに示すように、配線（ループ）の長さが短いことから、スナバ回路のインダクタンスＬｓは、電源回路のインダクタンスＬｄに較べて十分に小さな値であり、数式２の右辺第２項は、数式１の右辺より十分に小さな値となる。
　より詳細には、上記電力変換装置では、重なるように配置されたＰ端子が構成される上アームの正端子とＮ端子が構成される下アームの負端子で電流の流れる向きが逆となり、先に説明した磁束打消しによるインダクタンスＬｄの低減効果が発生している。従って、比較的小さな容量値Ｃｓの容量素子で、数式２の右辺第１項を、第２項より小さくすることができる。また、上記電力変換装置においては、Ｐ端子が構成される上アームの正端子とＮ端子が構成される下アームの負端子が重なるように配置されていることから、該正端子と負端子の間に接続されるスナバ回路を、最短の配線長さで構成することができる。これによって、数式２の右辺第２項におけるスナバ回路のインダクタンスＬｓも最小にすることができ、スナバ回路接続の効果を最大限に発揮させることができる。
　次に、図７Ａに示す電力変換装置１１０の回路構成において、スナバ回路４０の容量Ｃｓに抵抗Ｒｓを直列接続する効果について、以下に説明する。
　図７Ａに示す電力変換装置１１０において、スナバ回路４０の容量Ｃｓに抵抗が直列接続されていない場合には、電源回路のインダクタンスＬｄとスナバ回路４０の容量素子Ｃｄの間でＬＣ共振が起こり、リンギングが大きくなる。容量素子に直列接続する上記抵抗の抵抗値をＲｓとすると、上記ＬＣ共振の減衰係数ζは、次の数式３で記述される。
（数３）　ζ＝（Ｒｓ／２）×√（Ｃｓ／Ｌｄ）
　数式３において、スナバ回路４０の容量素子に抵抗を直列接続しない場合、右辺のＲｓ＝０で、減衰係数ζ＝０である（減衰が起こらない）。
　容量素子に直列接続する抵抗の抵抗値Ｒｓには、適切な値がある。抵抗値Ｒｓが小さすぎると、低減したいサージがあまり抑制できない。寄生インダクタンスとスナバ回路の容量素子のみでは、電流を消費しないので（寄生インダクタンスで蓄えてしまっている）、それを消費する抵抗が必要となる。また、抵抗値Ｒｓが小さすぎると、上記したＬＣ共振が起き易くなるといった問題もある。一方、抵抗値Ｒｓが大きすぎると、ＳＷ素子で発生するサージがスナバ回路側へバイパスされないため、スナバ回路が機能しなくなってしまう。 
　上記のように、容量素子に直列接続する抵抗の抵抗値Ｒｓの大小によって、トレードオフの関係が発生するため、数式３の減衰係数ζは、僅かな共振が発生する０．５程度の値が好ましい。減衰係数ζ＝０．５で設計すると、Ｃｓ，Ｒｓは、例えばスナバ回路を介した電圧の持ち上がり分δＶ（数式２の右辺第１項）を用いて、次の数式４，５で決定することができる。
（数４）　Ｃｓ＝Ｌｄ×（Ｉ／δＶ）２
（数５）　Ｒｓ＝√（Ｌｄ／Ｃｓ）
　以上のようして、適切な容量値の容量Ｃｓとそれに直列接続する適切な抵抗値の抵抗Ｒｓを有したスナバ回路４０が接続された図７Ａ～図７Ｃの電力変換装置１１０は、図２Ａ～図２Ｃの電力変換装置１００に較べて、より効果的にサージ電圧ΔＶとリンギングを抑制することができる。
　次に、図７Ａ～図７Ｃに示した電力変換装置１１０の変形例について説明する。
　図８Ａ～図８Ｃは、別の電力変換装置の例で、図８Ａは、電力変換装置１１１の外観を示した斜視図であり、図８Ｂは、図８Ａにおいて矢印で示したＡ視からの前面図である。また、図８Ｃは、図８Ｂに示すスナバ回路４０の拡大図である。
　図８Ａ～図８Ｃに示す電力変換装置１１１では、図２Ａに示した電力変換装置１０１のスペーサとして機能する絶縁部材３１が挿入されたＰ端子とＮ端子の間に、図７Ａ～図７Ｃの電力変換装置１１０と同じスナバ回路４０が接続されている。尚、図８Ａ，図８Ｂに示す電力変換装置１１１では、ネジによって所定の正端子（＋）と負端子（－）にそれぞれ接続される、Ｐ端子Ｔｐ、Ｎ端子Ｔｎ、およびＯ端子Ｔｏが図示されている。また、図８Ｃに示すスナバ回路４０の略「コ」の字形状に形成された金属部材３３では、点線で示したネジ用の貫通穴Ｋａ、および両側に容量素子４１と抵抗素子４２の電極を接続する切断部Ｋｔが図示されている。
　図９Ａ～図９Ｃと図１０Ａ～図１０Ｃは、それぞれ、スナバ回路の別の実体構成例を示す図である。図９Ａ，図９Ｂ，図１０Ａ，図１０Ｂは、それぞれ、スナバ回路４０ａ，４０ｂの製造途中での上面図と前面図であり、図９Ｃ，図１０Ｃは、完成後のスナバ回路４０ａ，４０ｂを拡大して示した前面図である。
　図７Ａ～図７Ｃ，図８Ａ～図８Ｃに示したスナバ回路４０の実体構成例では、図７Ａの回路図における抵抗Ｒｓとして、表面実装型の抵抗素子４２が用いられていた。
　これに対して、図９Ａ～図９Ｃのスナバ回路４０ａでは、図７Ａの回路図における抵抗Ｒｓとして、略「コ」の字形状の金属部材３３ａに切込みを形成し、電流経路の途中で断面積を小さくした、トリミングによる抵抗部４２ａ，４２ｂが用いられている。
　図９Ａ，図９Ｂに示すスナバ回路４０ａの状態は、曲げ加工と切込み加工をする前の平板状の金属部材３３ａに対して、表面実装型の２つの容量素子４１ａを搭載した状態である。図９Ａにおける点線Ｂ１，Ｂ２は、それぞれ、曲げ加工の位置を示す線であり、点線Ｂ１，Ｂ２で紙面後方へ直角に曲げ加工することで、図９Ｃに示す略「コ」の字形状の金属部材３３ａが形成される。また、図９Ａにおける破線Ｋ１～Ｋ４とＴ１～Ｔ４は、それぞれ、切込みの位置と長さを示す線である。図９Ａの破線Ｋ１～Ｋ４で切込み加工することで、図９Ｃに示す容量素子４１ａの下方の切断部Ｋｔが形成される。また、図９Ａの破線Ｔ１～Ｔ４で切込み加工することで、電流経路の途中で断面積を小さくしたトリミングによる抵抗部４２ａ，４２ｂが形成される。
　尚、破線Ｋ１～Ｋ４とＴ１～Ｔ４の切込み加工は、金属部材３３ａを点線Ｂ１，Ｂ２で曲げ加工し、スナバ回路４０ａを積層された素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌの正端子（＋）と負端子（－）の間に組み付けた後で、レーザ加工により行う。従って、トリミングによる抵抗部４２ａ，４２ｂの抵抗値Ｒｓは、後加工で適宜調整が可能である。また、スナバ回路におけるＳＷ損失の多くは、抵抗にて消費（発熱）され、薄膜で構成された抵抗体では破壊が懸念されるが、トリミングによる抵抗部４２ａ，４２ｂの構成では、厚いリードフレームを用いるため、その不安がない。
　図１０Ａ～図１０Ｃのスナバ回路４０ｂでは、図７Ａの回路図における抵抗Ｒｓとして、表面実装型の抵抗素子４２ｃとトリミングによる抵抗部４２ｄ，４２ｅの両方が用いられている。
　図１０Ａ，図１０Ｂに示すスナバ回路４０ｂの状態は、平板状の金属部材３３ｂに対して、表面実装型の２つの容量素子４１ｂと２つの抵抗素子４２ｃを搭載した状態である。図１０Ａの破線Ｋ１～Ｋ８で切込み加工することで、図１０Ｃに示す容量素子４１ｂの下方と別位置にある抵抗素子４２ｃの下方に、切断部Ｋｔが形成される。また、図１０Ａの破線Ｔ５～Ｔ８で切込み加工することで、電流経路の途中で断面積を小さくしたトリミングによる抵抗部４２ｄ，４２ｅが形成される。
　以上のスナバ回路４０，４０ａ，４０ｂの実体構成で例示したように、容量素子に直列接続する図７Ａの抵抗Ｒｓは、表面実装型の抵抗素子であってもよいし、電流経路の途中で断面積を小さくしたトリミングによる抵抗部であってもよい。また、表面実装型の抵抗素子とトリミングによる抵抗部を組み合わせて構成してもよい。上記抵抗としてトリミングによる抵抗部を用いる場合には、スナバ回路を電力変換装置の所定の端子間に組み付けた後、抵抗値Ｒｓの調整が可能となる。前述した数式３の減衰係数ζ＝０．５とするためには、容量値Ｃｓが平方根の中で寄与し抵抗値Ｒｓが平方根の外で寄与することから、とりわけ抵抗値Ｒｓの精密設定が重要である。そのためには、スナバ回路の組み付け後において、トリミングによる抵抗部の形成により、抵抗値Ｒｓを調整できることが好ましい。
　また、スナバ回路４０，４０ａ，４０ｂで用いられる表面実装型の容量素子や抵抗素子は、寄生インダクタンス成分が小さいものが望ましく、従って、電流経路方向の長さが短い（ＬＷ比が小さい）ものの使用が望ましい。さらに、熱的な観点からは、所要の抵抗値Ｒｓに対し、（Ｒｓ／ｎ）×ｎ（直列接続）のように分割構成し、所要の容量値Ｃｓ値に対し、（Ｃｓ／ｎ）×ｎ（並列接続）のように分割構成することが望ましい。
　図１１Ａ，図１１Ｂは、それぞれ、図６Ａ，図６Ｂに示した電力変換装置１０４，１０５に対して、スナバ回路４０ｃ，４０ｄを取り付けた電力変換装置１１２，１１３を模式的に示す図である。尚、図１１Ａ，図１１Ｂでは、簡単化のためにスナバ回路４０ｃ，４０ｄを構成する容量や抵抗の図示を省略して、電流経路の金属部材３３ｃ，３３ｄだけを模式的に図示している。
　図６Ａ、図６Ｂの電力変換装置１０４，１０５と同様にして、図１１Ｂの電力変換装置１１３では、図１１Ａの電力変換装置１１２に較べて、間隔Ｗ１，Ｗ２で示したように、互いに重なる配置関係の正端子（＋）と負端子（－）をより近づけることができる。このため、図１１Ｂの電力変換装置１１３においてスナバ回路４０ｄを構成する金属部材３３ｄは、図１１Ａの電力変換装置１１２においてスナバ回路４０ｃを構成する金属部材３３ｃに較べて、短くすることができる。これによって、先に説明した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果だけでなく、スナバ回路の寄生インダクタンスＬｓについても、図１１Ｂの電力変換装置１１３のほうが、図１１Ａの電力変換装置１１２より小さくすることができる。尚、図１１Ａ，図１１Ｂの電力変換装置１１２，１１３では、スナバ回路４０ｃ，４０ｄで発生する熱を、外気に放熱するだけでなく、素子モジュールの外面に露出する放熱板と絶縁層を介して、水冷冷却器５０に放熱可能である。
　図１２は、図１１Ａまたは図１１Ｂに例示した電力変換装置の応用例で、車載用の３相モータを負荷とするインバータ１１４を示した上面図である。
　図１４に示すインバータ１１４は、図１１Ａまたは図１１Ｂに例示した電力変換装置１１２，１１３と同様の構造を用いるＵ，Ｖ，Ｗ相にそれぞれ対応した３つの電力変換装置１１４ｕ，１１４ｖ，１１４ｗで構成されている。３つの電力変換装置１１４ｕ，１１４ｖ，１１４ｗは、図のように紙面に平行に並べられており、各電力変換装置１１４ｕ，１１４ｖ，１１４ｗを構成している上アームと下アームの２つの素子モジュールは、図１１Ａまたは図１１Ｂに示したように、各相に共通する水冷冷却器５０で挟まれた構成となっている。冷却水は、流入口５０ｉから流入して、矢印Ｂで示したように水冷冷却器５０内を流れ、流出口５０ｏから流出する。尚、図１４において、符号２００ａは上アームの信号線を、符号２００ｂはしたアームの信号線を示す。
　図１４の構成を多段に積層することで、複数の負荷の駆動や電源電圧を昇降圧する回路を一体かつコンパクトに形成することが可能である。
　以上のようにして、上記した電力変換装置は、いずれも、サージ電圧の抑制、ＳＷ素子の高い放熱性、およびリンギングの抑制の３つを両立しうる電力変換装置となっている。従って、上記電力変換装置は、パワー密度が高く電力損失の小さな電力変換装置が必要とされており、ＳＷ素子の大電流化、高電圧化および高速ＳＷ化に伴って、サージ電圧の抑制が課題となっている、車載用として好適である。
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (16)

  1. 　上アームと下アームの直列接続された２つのスイッチング素子（以下、ＳＷ素子と記載）を備え、直流電源からの電圧および電流を変換して、前記２つのＳＷ素子の接続点から負荷に電力を供給する電力変換装置（１００～１０５，１１０～１１３，１１４ｕ，１１４ｖ，１１４ｗ）であって、
    　前記２つのＳＷ素子が、それぞれ、扁平な直方体の形状に樹脂モールドされた素子モジュール（１０，１０Ｈ，１０Ｌ，１１，１１Ｈ，１１Ｌ）からなり、
    　前記素子モジュールにおいて、前記ＳＷ素子の正側電極に接続する放熱板（３ｈ）と負側電極に接続する放熱板（４ｈ）とが、外面を露出するようにして、前記直方体の扁平な両表面に分かれて配置されてなり、
    　前記正側電極に接続する放熱板に連結した正端子（３ｔ，３ｔａ）と前記負側電極に接続する放熱板に連結した負端子（４ｔ，４ｔａ）が、前記扁平な直方体の厚さ方向において互いに重ならないようにして、直方体の一つの側面（Ｓ１）から引き出されてなり、
    　前記２つのＳＷ素子の素子モジュールが、絶縁層（２０，２１）を介して、前記一つの側面が同じ向きで平行になるようにして、前記厚さ方向に積層されると共に、一方のＳＷ素子の正端子ともう一方のＳＷ素子の負端子が、それぞれ、厚さ方向において互いに重なるように配置されてなり、
    　前記重なるように配置された正端子と負端子の一方の組において、該正端子と負端子が前記一つの側面の近くで電気接続されて、前記負荷に接続する出力端子が構成され、
    　前記重なるように配置された正端子と負端子のもう一方の組において、前記上アームのＳＷ素子の正端子で、前記直流電源の高電位側に接続する高電位端子が構成され、前記下アームのＳＷ素子の負端子で、前記直流電源の低電位側に接続する低電位端子が構成されてなる電力変換装置。
  2. 　前記重なるように配置された正端子と負端子が、それぞれ、厚さ方向においていずれか一方を覆う配置関係にある請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記２つのＳＷ素子の素子モジュールが、同一構造である請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記一つの側面において、
    　前記正端子と前記負端子が、前記厚さ方向において同じ高さで、引き出されてなる請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5. 　前記正端子と前記負端子が、前記厚さ方向の２等分線で分割されるいずれか一方の領域から、引き出されてなる請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 　前記重なるように配置された正端子と負端子の間に、前記厚さ方向の間隔を固定するスペーサが挿入されてなる請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  7. 　前記一つの側面において、
    　前記正端子と前記負端子の間に、前記厚さ方向に走る溝（７ａ）が、形成されてなる請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  8. 　前記一つの側面と対向するもう一つの側面（Ｓ２）において、
    　前記ＳＷ素子の制御電極に接続する信号線が、引き出されてなる請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  9. 　前記もう一つの側面において、
    　前記信号線が、前記厚さ方向に直交する方向の２等分線で分割されるいずれか一方の領域から、引き出されてなる請求項８に記載の電力変換装置。
  10. 　前記正端子と負端子のもう一方の組において、
    　前記一つの側面に隣接して、容量素子（４１，４１ａ，４１ｂ）を有したスナバ回路（４０，４０ａ～４０ｄ）が、正端子と負端子の間に電気接続されてなる請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  11. 　前記スナバ回路が、
    　前記正端子と負端子の間で略「コ」の字形状の電流経路を有し、途中に切断部が形成された金属部材（３３，３３ａ～３３ｄ）と、
    　前記切断部の両側に電極が接続された表面実装型の前記容量素子とで構成されてなる請求項１０に記載の電力変換装置。
  12. 　前記容量素子に、抵抗が直列接続されてなる請求項１１に記載の電力変換装置。
  13. 　前記抵抗が、表面実装型の抵抗素子（４２，４２ｃ）からなり、
    　前記金属部材において、前記容量素子が接続された切断部と別位置に形成された切断部の両側に電極が接続されてなる請求項１２に記載の電力変換装置。
  14. 　前記抵抗が、
    　前記金属部材に切込みを形成し、前記電流経路の途中で断面積を小さくしたトリミングによる抵抗部（４２ａ，４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ）からなる請求項１２に記載の電力変換装置。
  15. 　前記２つのＳＷ素子の素子モジュールが、絶縁層（２１）を介して、水冷冷却器（５０）で挟まれた構成を有してなる請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  16. 　前記電力変換装置が、車載用である請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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