JP2003319665A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スナバ回路として使用される高周波コンデン
サを小型化または廃止することが可能な電力変換装置を
提供する。 【解決手段】 スイッチング素子６を含み、直流電力を
交流電力に変換するスイッチングモジュール２と、スイ
ッチングモジュール２に供給される直流電力を平滑化す
る平滑用コンデンサ３と、スイッチングモジュール２お
よび平滑用コンデンサ３のそれぞれの正極同士および負
極同士を電気的に接続し、少なくとも互いの主面の一部
が略平行に向かい合う対面領域を有するように配置され
た一対のバスバー４，５とを備え、対面領域において、
一対のバスバー４，５の間に高誘電部材９を介在させる
ことにより、一対のバスバー４，５と高誘電部材９とに
よってスナバ回路用のコンデンサを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流電力を交流電
力に逆変換するインバータ装置に代表される電力変換装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境に配慮した自動車として、電
気自動車（Electric Vehicle）やハイブリッド電気自動
車（Hybrid Electric Vehicle）が注目を集めており、
一部実用化も始まっている。たとえば、ハイブリッド電
気自動車には、従来のエンジンに加えて電気駆動システ
ムが搭載されている。この電気駆動システムは、直流電
源であるバッテリや、電力変換装置であるインバータ装
置、電動機である交流モータなどを備えている。この電
気駆動システムを備えた車輌では、バッテリから供給さ
れる直流電力をインバータ装置によって交流電力に変換
し、この交流電力を用いて交流モータを駆動することに
よって車輌の推進力を得ている。

【０００３】図４は、車輌に搭載される一般的な電気駆
動システムの回路構成図である。上述したように、電気
駆動システムは、バッテリ１と、バッテリ１から得られ
る直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、イ
ンバータ装置から出力される交流電力によって駆動され
る交流モータ８とを備える。インバータ装置は、スイッ
チング素子６を含むスイッチングモジュール２と、スイ
ッチング素子６を制御するスイッチング制御回路（図示
せず）と、スイッチング素子６に供給される直流電力を
平滑化する平滑用コンデンサ３と、スイッチングモジュ
ール２と平滑用コンデンサ３とを電気的に接続するバス
バー４，５とを備えている。

【０００４】スイッチング素子６としては、ＩＧＢＴ
（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯ
Ｓ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect
Transistor）などが利用される。また、スイッチング
制御回路は、図示しないＥＣＵ（Electrical Control U
nit）からの信号を受けて、スイッチング素子６のＯＮ
／ＯＦＦ動作をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御
することにより、車輌の走行状態に応じた最適の条件に
てインバータ装置を動作させる。

【０００５】スイッチングモジュール２としては、上述
のスイッチング制御回路をスイッチングモジュール２の
パッケージ外部に配置したものと、パッケージ内部に組
込んだＩＰＭ（Integrated Power Module）と呼ばれる
ものとがある。近年では、組付け性の向上やインバータ
装置の小型化の要請に伴い、ＩＰＭが主流となってい
る。

【０００６】図４に示すように、スイッチングモジュー
ル２の正極および負極であるＰ，Ｎ端子は、バッテリ１
の正極および負極に電気的に接続される。また、スイッ
チングモジュール２とバッテリ１との間には、バッテリ
１から供給される直流電力の平滑化を行なうための平滑
用コンデンサ３が並列に接続される。スイッチングモジ
ュール２のＰ端子およびＮ端子と、平滑用コンデンサ３
の正極および負極を接続する接続配線には、導電材料か
らなる板状体であるバスバー４，５が用いられる。一
方、スイッチングモジュール２の出力側の端子である
Ｕ，Ｖ，Ｗ端子は、３相の交流モータ８のそれぞれの入
力端子に電気的に接続される。

【０００７】通常、車輌に搭載される電気駆動システム
は、非常に大きい駆動力を発生させることが必要である
ため、定格電圧および定格電流の大きい大電力に対応し
た部品が用いられる。このため、平滑用コンデンサ３も
非常に大きい容量を有するコンデンサが必要となる。実
用化されているハイブリッド電気自動車に使用されてい
る平滑用コンデンサ３としては、数百μＦから数千μＦ
の容量を有するコンデンサが使用されている。このた
め、平滑用コンデンサ３が非常に大型のコンデンサとな
るため、通常はスイッチングモジュール２のパッケージ
外部に設置される。

【０００８】上述のインバータ装置にあっては、スイッ
チング素子６は、たとえば１０ｋＨｚなどの高速動作に
てスイッチングが行なわれる。このため、スイッチング
モジュール２の内部配線や、バスバー４，５の配線イン
ダクタンスが無視できなくなる。これら接続配線による
浮遊インダクタンスは、スイッチングの際に大きなサー
ジ電圧をスイッチング素子６に印加する原因となる。ス
イッチング素子６の耐圧が電源電圧に対して十分に高く
設定されている場合には問題は生じないが、余裕がない
場合にはこのサージ電圧によってスイッチング素子６が
破壊されてしまうおそれがある。

【０００９】このため、配線インダクタンスを低減する
ために、平滑用コンデンサ３とスイッチング素子２とを
近接配置することが必要になる。これにより、接続配線
を短縮化することが可能になるため、配線インダクタン
スが低減される。また、接続配線の往復線路を近接配置
することによっても配線インダクタンスの低減が図られ
る。これは、往復線路を互いに近付けて配置することに
より、相互インダクタンスによって配線インダクタンス
が低減されるためである。

【００１０】しかしながら、これだけでは完全にサージ
電圧の発生を抑止することはできない。このため、スナ
バ回路と呼ばれるスイッチング素子６保護用の回路を別
途設けることにより、回路内にて発生したサージ電圧を
吸収し、スイッチング素子６にサージ電圧が印加されな
いように回路を構成したインバータ装置がよく見られ
る。

【００１１】図５は、スナバ回路の回路構成例を示した
図である。スナバ回路１０には、図５（ａ）に示すよう
なスイッチング素子６のコレクタ−エミッタ間に高周波
コンデンサ１１を接続したもの（Ｃスナバ）や、図５
（ｂ）に示すような高周波コンデンサ１１に直列に抵抗
体１２を接続したもの（ＣＲスナバ）や、図５（ｃ）に
示すように、さらに抵抗体１２に並列にダイオード１３
を接続したもの（ＤＲＣスナバ）などが知られている。
これらスナバ回路１０は、インバータ装置の運転条件等
によって最適なものが適宜選択される。

【００１２】図６は、上述したインバータ装置の構造を
示す概略斜視図である。図に示すように、平滑用コンデ
ンサ３とスイッチングモジュール２とは一対のバスバー
４，５によって接続されている。なお、図では省略して
いるが、一対のバスバー４，５はさらにバッテリ１に接
続される。また、平滑用コンデンサ３は、その容量が非
常に大きいため、３つに分割されて配置され、並列にス
イッチングモジュール２に接続されている。

【００１３】一対のバスバー４，５は、スイッチングモ
ジュール２と平滑用コンデンサ３とを接続する領域にお
いて、互いにその主面が対面し、かつ近接するように配
置された対面領域を有している。この対面領域は、上述
した配線インダクタンスの低減のために設けられるもの
である。この対面領域において、一対のバスバー４，５
間には絶縁部材１４が介在している。この絶縁部材１４
は、たとえばノーメックス（Ｒ）などの絶縁紙が使用さ
れ、バスバー４，５を近接配置することによって生じる
短絡を防止している。この絶縁部材１４を一対のバスバ
ー４，５間に介在させることにより、配線インダクタン
スの低減と同時に短絡の防止が図られている。

【００１４】さらに、スイッチングモジュール２のＰ，
Ｎ端子間には、高周波コンデンサ１１を含むスナバ回路
１０がスイッチングモジュール２のパッケージ外部に位
置するように接続される。このスナバ回路１０は、たと
えば上述のＣスナバを構成すもので、その容量は平滑用
コンデンサ３に比して大幅に小さい数μＦ程度のもので
ある。このスナバ回路１０を設けることにより、スイッ
チング動作時にスイッチング素子６に印加されるサージ
電圧が吸収され、スイッチング素子６の破壊が防止され
る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、インバ
ータ装置の自動車への搭載にあたっては、部品の小型化
の要望が強く、スナバ回路を廃止または小型化する要望
が強い。上述の構成のインバータ装置にあっては、別途
高周波コンデンサを含むスナバ回路をパッケージ外部に
配置する必要があり、装置が大型化するとともに、部品
点数が増加して製造コストが増大していた。

【００１６】そこで、本発明は、スナバ回路として使用
される高周波コンデンサを小型化または廃止することが
可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に基づく電力変換
装置は、電力変換回路と、平滑用コンデンサと、一対の
導電板とを備え、電力変換回路はスイッチング素子を含
み、直流電力を交流電力に変換し、平滑用コンデンサは
電力変換回路に供給される直流電力を平滑化し、一対の
導電板は電力変換回路および平滑用コンデンサのそれぞ
れの正極同士および負極同士を電気的に接続し、少なく
とも互いの主面の一部が略平行に向かい合う対面領域を
有するように配置される。対面領域において、高誘電部
材が一対の導電板の双方に接するように一対の導電板間
に位置していることにより、一対の導電板と高誘電部材
とによってコンデンサが構成されている。

【００１８】このように、配線インダクタンスを低減す
るために近接配置された一対の導電板の対面領域の間
に、高い誘電率を有する高誘電部材を配置し、この高誘
電部材を一対の導電板によって挟持することにより、こ
の対面領域においてコンデンサが構成される。これによ
り、従来、別途必要であったスナバ回路の高周波コンデ
ンサを小型化または廃止することが可能となり、電力変
換装置の小型化が図られるとともに、部品点数が減少す
ることによって製造コストの削減が図られる。

【００１９】上記本発明に基づく電力変換装置にあって
は、好ましくは、高誘電部材が板状のセラミック誘電体
である。

【００２０】このように、高誘電部材としては、板状の
セラミック誘電体を用いることが考えられる。セラミッ
ク誘電体は高い誘電率を有しており、また加工も施し易
いため、本電力変換装置における高誘電部材として好適
である。

【００２１】上記本発明に基づく電力変換装置にあって
は、好ましくは、高誘電部材が主原料としてポリプロピ
レンまたはポリエチレンテレフタラートを含むフィルム
状の高誘電体である。

【００２２】このように、ポリプロピンレンやポリエチ
レンテレフタラートを含むフィルム状の高誘電体を用い
ることにより、組付け性が向上するとともに安価に製造
することが可能になる。また、十分な容量が得られない
場合には、一対の導電板の対面領域を増大させたり、フ
ィルム状の高誘電体の厚みを薄くすることにより、容量
を増大させることが可能である。

【００２３】上記本発明に基づく電力変換装置にあって
は、好ましくは、一対の導電板および高誘電部材を含む
断面において、高誘電部材が一対の導電板の端面よりも
外側にまで延在している。

【００２４】このように、一対の導電板の対面領域より
も外側に延在するように高誘電部材を配置することによ
り、一対の導電板間の沿面距離を十分に得ることが可能
になる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形
態における電力変換装置の構造を示した概略斜視図であ
る。なお、本実施の形態における電力変換装置の回路構
成は、上記において従来例として説明した電力変換装置
と同一であるため、その説明は繰り返さない。

【００２６】図１に示すように、本実施の形態における
インバータ装置は、内部にスイッチング素子６を含むス
イッチングモジュール２と、スイッチング素子６に供給
される直流電力を平滑化する平滑用コンデンサ３と、ス
イッチングモジュール２と平滑用コンデンサ３とを電気
的に接続する一対のバスバー４，５とを備えている。図
に示すように、スイッチングモジュール２の正極および
負極であるＰ，Ｎ端子は、導電材料からなる板状体であ
る一対のバスバー４，５を介して平滑用コンデンサ３の
正極端子および負極端子に接続されている。また、図で
は省略しているが、この一対のバスバー４，５は、図示
しないバッテリ１の正極および負極に接続されている。

【００２７】一対のバスバー４，５は、スイッチングモ
ジュール２と平滑用コンデンサ３とを接続する領域にお
いて、互いにその主面が対面し、かつ近接するように配
置された対面領域を有している。この対面領域は、上述
した配線インダクタンスの低減のために設けられるもの
である。対面領域において、一対のバスバー４，５間に
は高誘電部材９が介在されている。高誘電部材９として
は、たとえば、セラミック誘電体からなる板状体や、ポ
リプロピレンやポリエチレンテレフタラートを主原料と
するフィルム状の高誘電体を用いることが望ましい。こ
れにより、一対のバスバー４，５とその間に挟持された
高誘電部材９とによってコンデンサが構成されるととも
に、近接配置された一対のバスバー４，５の短絡を防止
しつつ、配線インダクタンスの低減が図られる。

【００２８】この一対のバスバー４，５と高誘電部材９
とによって構成されたコンデンサは、従来のインバータ
装置においてスイッチングモジュール２のパッケージ外
部に配置されていたスナバ回路の高周波コンデンサと同
等の機能を果たす。すなわち、このコンデンサによって
スイッチング素子６に印加されるサージ電圧の吸収が可
能になる。

【００２９】図２は、図１中におけるＩＩ−ＩＩ断面図
である。一対のバスバー４，５の間に挟持される高誘電
部材９の形状としては、図２（ａ）に示すように、その
端面がバスバー４，５の端面と一致している場合と、図
２（ｂ）に示すように、バスバー４，５の端面から外側
に向かって延在している場合とが考えられる。

【００３０】図２（ａ）は、一対のバスバー４，５の絶
縁距離が高誘電部材９の厚みｄ以下である場合に適用可
能であり、高誘電部材９として高価な部材、たとえばセ
ラミック誘電体等を使用した場合にコスト削減の面で有
効である。

【００３１】一方、図２（ｂ）は、一対のバスバー４，
５の絶縁距離が高誘電部材９の厚みｄよりも大きい場合
に適用が可能であり、特に、セラミック誘電体よりも誘
電率の低いポリプロピレンやポリエチレンテレフタラー
トを主原料とするフィルム状の高誘電部材を使用した場
合に有効である。周知の如く、コンデンサにおいてはそ
の両極板を近付けるほど容量が増大する。このため、比
較的誘電率の低い誘電部材を使用する場合には、コンデ
ンサの両極板となるバスバー４，５の主面を近接させる
ことにより容量を増やすことが可能である。しかしなが
ら、バスバー４，５を近付けるとその沿面距離が短くな
るため、沿面における絶縁性を確保することが困難にな
る。そこで、誘電部材の端面を突出させることにより、
沿面距離がｄから（ｄ＋２ｅ）にまで増大し、コンデン
サの容量を増加させつつ、沿面における絶縁性を確保す
ることが可能になる。

【００３２】以上のように、一対のバスバーが近接配置
された対面領域において、従来この間に介在するように
配置されていた絶縁部材にかえて高誘電部材を配置する
ことにより、この対面領域においてスイッチング素子へ
のサージ電圧の印加を抑制するスナバ回路が構成され
る。このため、別途スナバ回路を設ける必要がなくなっ
たり、または別途スナバ回路を設けるにしても低容量の
高周波コンデンサで済むようになる。この結果、電力変
換装置の小型化が可能となるとともに、部品点数が減少
することによって製造コストの削減が図られる。

【００３３】図３は、本発明の実施の形態の他の変形例
を示すインバータ装置の概略斜視図である。周知の如
く、コンデンサの両極板面積を増加させることにより、
コンデンサの容量を増やすことが可能である。このた
め、本変形例にいては、コンデンサの両極板である一対
の導電板の対面領域を増加させることにより、コンデン
サの容量の増大を図っている。

【００３４】すなわち、本変形例においては、スイッチ
ングモジュール２と平滑用コンデンサ３とを接続する一
対の導電板として、上述のバスバーよりも対面領域を大
幅に増やしたバスプレート１５，１６を使用している。
これにあわせて、このバスプレート１５，１６に挟持さ
れる高誘電部材９も上述のものより大きくなっている。
これにより、コンデンサの容量の増加が図られる。ま
た、本変形例のように、対面領域が大きいバスプレート
を使用した場合には、バスプレートの放熱性能も向上す
るため、インバータ装置の冷却の面からも好ましい。な
お、本変形例では、スイッチングモジュール２とバッテ
リ１との接続をバスプレート１５，１６ではなく、ケー
ブル１７，１８によって行なっている。このように、ケ
ーブルを用いてスイッチングモジュールとバッテリとを
接続することも可能である。

【００３５】上記実施の形態においては、スイッチング
モジュールと平滑用コンデンサとを接続する接続配線
を、別途独立した一対の導電板として構成した場合を例
示して説明したが、この導電板を一体に構成し、かつそ
の間に薄いセラミック導電体を介在させたラミネート基
板とすることも可能である。

【００３６】また、上記実施の形態においては、スイッ
チングモジュール内部の配線構造について言及していな
いが、スイッチングモジュール内の内部配線においても
一対の導電板を張り巡らし、かつ対面領域を有するよう
に構成されている場合が多い。したがって、本発明をこ
のスイッチングモジュールの内部配線に適用することに
より、スナバ回路の小型化または廃止を図ることも可能
である。

【００３７】さらには、上記実施の形態においては、電
力変換装置として直流電力を交流電力に逆変換するイン
バータ装置を例示して説明を行なったが、交流電力を直
流電力に順変換するコンバータ装置に本発明を適用する
ことも可能である。この場合にも、コンバータ装置と平
滑用コンデンサとを接続する一対の導電板の対面領域に
おいて、これら導電板の間に高誘電部材を介在させるこ
とによってコンデンサを構成すると良い。

【００３８】このように、今回開示した上記実施の形態
はすべての点で例示であって、制限的なものではない。
本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定さ
れ、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲
内でのすべての変更を含むものである。

【００３９】

【発明の効果】本発明のように、電力変換回路と平滑用
コンデンサとを接続する一対の導電板の対面領域に高誘
電体材料を介在させることにより、従来別途設けられて
いたスナバ回路を構成する高周波コンデンサを廃止また
は小型化することができるようになる。これにより、小
型かつ安価に製造可能な電力変換装置を提供することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態におけるインバータ装置
の構造を示す概略斜視図である。

【図２】 図１中におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。

【図３】 本発明の実施の形態における変形例を示した
インバータ装置の概略斜視図である。

【図４】 一般的な電気駆動システムの回路構成を示し
た図である。

【図５】 一般的なスナバ回路の回路構成を示した図で
ある。

【図６】 従来例のインバータ装置の構造を説明するた
めの概略斜視図である。

【符号の説明】

１ バッテリ、２ スイッチングモジュール、３ 平滑
用コンデンサ、３ａ平滑用コンデンサの正極端子、３ｂ
平滑用コンデンサの負極端子、４，５ バスバー、６
スイッチング素子、７ 還流ダイオード、８ 交流モ
ータ、９ 高誘電部材、１０ スナバ回路、１１ 高周
波コンデンサ、１２ 抵抗体、１３ダイオード、１５，
１６ バスプレート、１７，１８ ケーブル。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スイッチング素子を含み、直流電力を交
   流電力に変換する電力変換回路と、 前記電力変換回路に供給される直流電力を平滑化する平
   滑用コンデンサと、 前記電力変換回路および前記平滑用コンデンサのそれぞ
   れの正極同士および負極同士を電気的に接続し、少なく
   とも互いの主面の一部が略平行に向かい合う対面領域を
   有するように配置された一対の導電板とを備え、 前記対面領域において、高誘電部材が前記一対の導電板
   の双方に接するように前記一対の導電板間に位置してい
   ることにより、前記一対の導電板と前記高誘電部材とに
   よってコンデンサを構成したことを特徴とする、電力変
   換装置。
2. 【請求項２】 前記高誘電部材が、板状のセラミック誘
   電体である、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 【請求項３】 前記高誘電部材が、主原料としてポリプ
   ロピレンまたはポリエチレンテレフタラートを含むフィ
   ルム状の高誘電体である、請求項１に記載の電力変換装
   置。
4. 【請求項４】 前記一対の導電板および前記高誘電部材
   を含む断面において、前記高誘電部材が前記一対の導電
   板の端面よりも外側にまで延在している、請求項１から
   ３のいずれかに記載の電力変換装置。