JP2007336793A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストアップすることなく信号伝達素子に加わる熱ストレスを抑え、信号伝達素子の長寿命化を図ることができる電力変換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のインバータ装置は、制御回路と、フォトカプラと、ゲート駆動回路と、ＩＧＢＴとから構成され、インバータ装置用配線基板１８に実装されている。制御回路はインバータ装置用配線基板１８の制御回路実装領域１８０ａに、ゲート駆動回路はゲート駆動回路実装領域１８０ｂ〜１８０ｇに、ＩＧＢＴはＩＧＢＴ実装領域１８０ｈ〜１８０ｍにそれぞれ実装されている。フォトカプラ１２〜１７は、インバータ装置用配線基板１８の縁部に配置されている。そのため、フォトカプラ１２〜１７が、インバータ装置配線基板１８の外周の外気と接触しやすくなり、放熱性が向上する。これにより、配置の工夫によって、コストアップすることなくフォトカプラ１２〜１７に加わる熱ストレスを抑えることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、入力される電力を異なる形態の電力に変換して出力する電力変換装置に関する。

従来、直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するインバータ装置として、例えば特開平５−１９１９６５号公報や、特開２０００−１４１６０号公報に開示されているものがある。

特開平５−１９１９６５号公報に開示されているインバータ装置は、インバータ制御回路と、フォトカプラと、ベースドライブ回路と、インバータ回路とを備えている。インバータ制御回路から出力されるスイッチング信号は、フォトカプラを介してベースドライブ回路に入力される。ベースドライブ回路は、入力されたスイッチング信号に基づいてインバータ回路を駆動し、変換された交流電力を負荷に供給する。

特開２０００−１４１６０号公報に開示されているインバータ装置は、ＰＷＭ信号伝達回路と、インバータ制御回路と、インバータ回路とから構成されている。ＰＷＭ信号伝達回路は、フォトカプラを備えている。外部から供給されるＰＷＭ信号は、ＰＷＭ信号伝達回路のフォトカプラを介してインバータ制御回路に入力される。インバータ制御回路は、入力されたＰＷＭ信号に基づいてインバータ回路を制御し、変換された交流電力を負荷に供給する。
特開平５−１９１９６５号公報 特開２０００−１４１６０号公報

特開平５−１９１９６５号公報に開示されているインバータ装置において、直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する際、電子部品の損失に伴って、ベースドライブ回路やインバータ回路が発熱する。特開２０００−１４１６０号公報に開示されているインバータ装置においても、インバータ制御回路やインバータ回路が発熱する。発生した熱は、スイッチング信号やＰＷＭ信号を伝達するフォトカプラにも伝わることとなる。フォトカプラは、過度な熱ストレスが加わると、特性の劣化が促進され、寿命が短くなるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、コストアップすることなく信号伝達素子に加わる熱ストレスを抑え、信号伝達素子の長寿命化を図ることができる電力変換装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び発明の効果

そこで、本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、信号伝達素子を配線基板の縁部に実装することで、コストアップすることなく放熱性を向上させ、信号伝達素子に加わる熱ストレスを抑えられることを思いつき、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の電力変換装置は、入力される電力を異なる形態の電力に変換する電力変換回路と、電力変換回路を制御するための制御信号を出力する制御回路と、制御回路の出力する制御信号を電気的に絶縁して電力変換回路に伝達する信号伝達素子と、電力変換回路、制御回路、及び信号伝達素子を実装し配線する配線基板とからなる電力変換装置において、信号伝達素子は、配線基板の縁部に実装されていることを特徴とする。この構成によれば、コストアップすることなく、信号伝達素子に加わる熱ストレスを抑え、信号伝達素子の長寿命化を図ることができる。信号伝達素子を配線基板の縁部に実装することで、配線基板の外周の外気と接触しやすくなり、信号伝達素子の放熱性を向上させることができる。そのため、コストアップすることなく、信号伝達素子に加わる熱ストレスを抑えることができる。これにより、信号伝達素子の長寿命化を図ることができる。請求項２に記載の電力変換装置は、請求項１に記載の電力変換装置において、さらに、配線基板は、制御回路及び信号伝達素子に電源を供給する電源配線パターンを有し、電源配線パターンの少なくとも一部は、信号伝達素子の近傍に配置されていることを特徴とする。この構成によれば、信号伝達素子に加わる熱を、電源配線パターンを介してより効率的に放熱させることができる。信号伝達素子の近傍に電源配線パターンを配置することで、電源配線パターンを放熱板として機能させることができる。そのため、信号伝達素子に加わる熱をより効率的に放熱させることができる。なお、配線基板が多層構造である場合、電源配線パターンは、信号伝達素子が実装される配線層とは異なる別の配線層に形成されていてもよい。

請求項３に記載の電力変換装置は、請求項２に記載の電力変換装置において、さらに、配線基板は、制御回路から信号伝達素子に制御信号を伝達する制御信号配線パターンを有し、電源配線パターンは、制御信号配線パターンの周囲の少なくとも一部を囲むように配置されていることを特徴とする。この構成によれば、耐ノイズ性を向上させることができる。制御信号配線パターンの周囲を電源配線パターンで囲むことで、制御信号配線パターンに侵入するノイズを遮蔽することができる。そのため、耐ノイズ性を向上させることができる。なお、配線基板が多層構造である場合、電源配線パターンは、信号伝達素子が実装される配線層とは異なる別の配線層に形成されていてもよい。

請求項４に記載の電力変換装置は、請求項３に記載の電力変換装置において、さらに、電源配線パターンは、ループ形状でないことを特徴とする。この構成によれば、耐ノイズ性を確実に向上させることができる。電源配線パターンがループ形状である場合、電磁誘導によって電源配線パターンにノイズが重畳される。ノイズが重畳されると、制御信号配線パターンに侵入するノイズを充分に遮蔽できなくなる。そのため、電源配線パターンをループ形状としないことで、電磁誘導による電源配線パターンへのノイズの重畳を抑えることができる。これにより、耐ノイズ性を確実に向上させることができる。

請求項５に記載の電力変換装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の電力変換装置において、さらに、電力変換回路は、スイッチング素子と、信号伝達素子を介して伝達される制御信号に基づいてスイッチング素子をオン、オフさせるスイッチング素子駆動回路とからなり、スイッチング素子駆動回路は、信号伝達素子の実装されている配線基板上の領域よりも内側の領域に実装されていることを特徴とする。この構成によれば、発熱源であるスイッチング素子駆動回路と信号伝達素子との間の距離を確保でき、信号伝達素子に伝達する熱を抑えることができる。スイッチング駆動回路は回路損失によって発熱する。スイッチング素子駆動回路を信号伝達素子の実装領域よりも内側に実装することで、スイッチング素子駆動回路と信号伝達素子との間の距離を確保できる。そのため、信号伝達素子に伝達する熱を抑えることができる。

請求項６に記載の電力変換装置は、請求項５に記載の電力変換装置において、さらに、スイッチング素子は、スイッチング素子駆動回路の実装されている配線基板上の領域よりも内側の領域に実装されていることを特徴とする。この構成によれば、より高温の発熱源であるスイッチング素子と信号伝達素子との間の距離を充分に確保でき、信号伝達素子に伝達する熱を確実に抑えることができる。スイッチング素子は、スイッチング損失によって発熱し、スイッチング素子駆動回路よりも高温になる。スイッチング素子をスイッチング駆動回路の実装領域よりも内側に実装することで、スイッチング素子と信号伝達素子との間の距離を充分に確保できる。そのため、信号伝達素子に伝達する熱を確実に抑えることができる。

請求項７に記載の電力変換装置は、入力される電力を異なる形態の電力に変換する電力変換回路と、電力変換回路を制御するための制御信号を出力する制御回路と、制御回路の出力する制御信号を電気的に絶縁して電力変換回路に伝達する信号伝達素子と、電力変換回路、制御回路、及び信号伝達素子を実装し配線する配線基板とからなる電力変換装置において、電力変換回路は、スイッチング素子を有し、信号伝達素子は、スイッチング素子が実装されている配線基板上の領域よりも外側の領域に実装されていることを特徴とする。この構成によれば、信号伝達素子をスイッチング素子の実装領域よりも外側に実装することで、配線基板の外周の外気と接触しやすくなり、信号伝達素子の放熱性を向上させることができる。そのため、コストアップすることなく、信号伝達素子に加わる熱ストレスを抑え、信号伝達素子の長寿命化を図ることができる。

請求項８に記載の電力変換装置は、入力される電力を異なる形態の電力に変換する電力変換回路と、電力変換回路を制御するための制御信号を出力する制御回路と、制御回路の出力する制御信号を電気的に絶縁して電力変換回路に伝達する信号伝達素子と、電力変換回路、制御回路、及び信号伝達素子を実装し配線する配線基板とからなる電力変換装置において、電力変換回路は、スイッチング素子と、信号伝達素子を介して伝達される制御信号に基づいてスイッチング素子をオン、オフさせるスイッチング素子駆動回路とを有し、スイッチング素子駆動回路は、スイッチング素子が実装されている配線基板上の領域よりも外側の領域に実装され、信号伝達素子は、スイッチング素子駆動回路が実装されている配線基板上の領域よりも外側の領域に実装されていることを特徴とする。この構成によれば、信号伝達素子をスイッチング素子やスイッチング素子駆動回路の実装領域よりも外側に実装することで、配線基板の外周の外気と接触しやすくなり、信号伝達素子の放熱性を向上させることができる。そのため、コストアップすることなく、信号伝達素子に加わる熱ストレスを抑え、信号伝達素子の長寿命化を図ることができる。また、信号伝達素子、スイッチング駆動回路及びスイッチング素子が、信号の流れに従って、外側から内側に向かって実装されている。そのため、配線パターンの無駄な引き回しがなくなり、耐ノイズ性をより向上させることができる。また、電力変換装置を小型化することができる。

請求項９に記載の電力変換装置は、請求項５〜８のいずれかに電力変換装置において、さらに、スイッチング素子を冷却するための冷媒が流通する冷媒流通路を備え、冷媒流通路の一部が、配線基板の縁部に沿って配置されていることを特徴とする。この構成によれば、冷媒流通路によって、発熱源であるスイッチング素子の熱を抑えることができる。また、冷媒流通路の一部によって、信号伝達素子の熱を抑えることができる。そのため、信号伝達素子の放熱性をさらに向上させることができる。

請求項１０に記載の電力変換装置は、請求項９に記載の電力変換装置において、さらに、冷媒流通路は、スイッチング素子に近接して配置される冷却管と、冷却管の一端部に連結され、冷却管に冷媒を導入する導入管と、冷却管の他端部に連結され、冷却管から冷媒を導出する導出管とによって構成され、導入管及び導出管の少なくともいずれかが、配線基板の縁部に配置されていることを特徴とする。この構成によれば、冷却管によって、発熱源であるスイッチング素子の熱を抑えることができる。また、導入管及び導出管少なくともいずれかによって、信号伝達素子の熱を抑えることができる。そのため、信号伝達素子の放熱性をさらに向上させることができる。

請求項１１に記載の電力変換装置は、請求項１〜１０のいずれかに記載の電力変換装置において、さらに、信号伝達素子は、制御信号を光変換し光学的に伝達するフォトカプラであることを特徴とする。この構成によれば、制御回路の出力する制御信号を電気的に確実に絶縁して電力変換回路に伝達することができる。

請求項１２に記載の電力変換装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の電力変換装置において、さらに、電力変換回路は、直流電力を交流電力に変換することを特徴とする。この構成によれば、入力される直流電力を交流電力に変換して供給することができる。

請求項１３に記載の電力変換装置は、請求項１〜１１のいずれかに記載の電力変換装置において、さらに、電力変換回路は、交流電力を直流電力に、又は直流電力を形態の異なる直流電力に変換することを特徴とする。この構成によれば、入力される交流電力を直流電力に、又は入力される直流電力を形態の異なる直流電力に変換して供給することができる。

次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る電力変換装置を、車両に搭載され、車両を走行させるための駆動力を発生する交流モータに電力を供給するインバータ装置に適用した例を示す。

（第１実施形態）
まず、図１及び図２を参照してインバータ装置の回路構成について説明する。ここで、図１は、第１実施形態におけるインバータ装置の回路ブロック図である。図２は、フォトカプラ周辺の回路図である。

インバータ装置は、直流電源の出力する直流電力を交流電力に変換して交流モータに供給する装置である。

図１に示すように、インバータ装置１（電力変換装置）は、電力変換回路１０と、制御回路１１と、フォトカプラ１２〜１７（信号伝達素子）とから構成されている。インバータ装置１には、平滑用コンデンサ２が並列接続された直流電源３と、回転位置検出センサ４を有する交流モータ５とがそれぞれ接続されている。また、インバータ装置１と交流モータ５の間には、交流モータ５のＶ相電流及びＷ相電流を検出するための電流センサ６、７がそれぞれ配設されている。

電力変換回路１０は、直流電源３の出力する直流電力を交流電力に変換して交流モータ５に供給する回路である。電力変換回路１０は、ＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆ（スイッチング素子）と、フライホイールダイオード１０ｇ〜１０ｌと、ゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒ（スイッチング素子駆動回路）とから構成されている。

ＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆは、オン、オフすることで直流電力を交流電力に変換するためのスイッチング素子である。ＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆは、３相ブリッジ接続されている。上側にある３つのＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｃのコレクタは平滑用コンデンサ２の一端に、下側にある３つのＩＧＢＴ１０ｄ〜１０ｆのエミッタは平滑用コンデンサ２の他端にそれぞれ接続されている。また、ＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆのゲートは、ゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒにそれぞれ接続されている。さらに、ＩＧＢＴ１０ａ、１０ｄの接続点、ＩＧＢＴ１０ｂ、１０ｅの接続点、及びＩＧＢＴ１０ｃ、１０ｆの接続点は、交流モータ５にそれぞれ接続されている。

フライホイールダイオード１０ｇ〜１０ｌは、フライホイール電流を流すための素子である。フライホイールダイオード１０ｇ〜１０ｌのアノードはＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆのエミッタに、カソードはＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆのコレクタにそれぞれ接続されている。

ゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒは、フォトカプラ１２〜１７を介して伝達される制御回路１１の出力する制御信号に基づいて、ＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆのゲートに電圧を印加することで、ＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆをオン、オフさせる回路である。ゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒの入力端子はフォトカプラ１２〜１７に、出力端子はＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆのゲートにそれぞれ接続されている。

制御回路１１は、車両ＥＣＵ（図略）の出力するモータトルク指令、交流モータ５の回転位置及び相電流に基づいて、電力変換回路１０を制御するための制御信号を出力する回路である。制御回路１１は、フォトカプラ１２〜１７にそれぞれ接続されている。また、回転位置検出センサ４及び電流センサ６、７にそれぞれ接続されている。

フォトカプラ１２〜１７は、制御回路１１の出力する制御信号を光変換し、光学的に電力変換回路１０に伝達する素子である。フォトカプラ１２〜１７の入力端子は制御回路１１に、出力端子はゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒにそれぞれ接続されている。

図２に示すように、フォトカプラ１２は、発光部であるフォトダイオード１２ａと、受光部であるフォトトランジスタ１２ｂとから構成されている。フォトダイオード１２ａのアノードは、制御回路１１を構成する抵抗１１ａと、制御回路１１を構成し制御信号を出力するトランジスタ１１ｂとを介して制御回路１１の電源Ｖｃｃに接続されている。また、カソードは、制御回路１１のグランドＣＧＮＤに接続されている。ここで、フォトダイオード１２ａのアノードと抵抗１１ａとは、後述する制御信号配線パターン１８２ａによって接続されている。また、抵抗１１ａとトランジスタ１１ｂとは、後述する制御信号配線パターン１８２ｂによって接続されている。さらに、フォトダイオード１２ａのカソードは、後述するグランド配線パターン１８１ａを介してグランドＣＧＮＤに接続されている。これに対し、フォトトランジスタ１２ｂのコレクタはゲート駆動回路１０ｍに、エミッタはゲート駆動回路１０ｍのグランドＧＧＮＤにそれぞれ接続されている。フォトカプラ１３〜１７周辺の回路も同一構成であるため、説明は省略する。これにより、制御回路１１の出力する制御信号が電気的に絶縁され、ゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒに伝達されることとなる。

次に、図１〜図３を参照して電力変換回路、制御回路、及びフォトカプラが実装されるインバータ装置用配線基板の構成について説明する。ここで、図３は、インバータ装置用配線基板の部分パターン図である。ただし、必要とされる配線パターン以外は省略してある。

図３に示すように、インバータ装置用配線基板１８（配線基板）は、図１における電力変換回路１０、制御回路１１、及びフォトカプラ１２〜１７を実装し、互いに配線する長方形板状の多層配線基板である。インバータ装置用配線基板１８の右方に形成される制御回路実装領域１８０ａには、図１における制御回路１１が実装されている。

また、インバータ装置用配線基板１８の上方縁部にはフォトカプラ１２〜１４が、下方縁部にはフォトカプラ１５〜１７がそれぞれ実装されている。フォトカプラ１２〜１４の下方、つまり、フォトカプラ１２〜１４がよりも内側に形成されるゲート駆動回路実装領域１８０ｂ〜１８０ｄには、図１におけるゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｏがそれぞれ実装されている。フォトカプラ１５〜１７の上方、つまり、フォトカプラ１５〜１７よりも内側に形成されるゲート駆動回路実装領域１８０ｅ〜１８０ｇには、図１におけるゲート駆動回路１０ｐ〜１０ｒがそれぞれ実装されている。

さらに、ゲート駆動回路実装領域１８０ｂ〜１８０ｄの下方、つまり、ゲート駆動回路実装領域１８０ｂ〜１８０ｄよりも内側に形成されるＩＧＢＴ実装領域１８０ｈ〜１８０ｊには、図１におけるＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｃがそれぞれ実装されている。ゲート駆動回路実装領域１８０ｅ〜１８０ｇの上方、つまり、ゲート駆動回路実装領域１８０ｅ〜１８０ｇよりも内側に形成されるＩＧＢＴ実装領域１８０ｋ〜１８０ｍには、図１におけるＩＧＢＴ１０ｄ〜１０ｆがそれぞれ実装されている。

インバータ装置用配線基板１８の表面には、前述したように、フォトカプラ１２〜１７を制御回路１１のグランドＣＧＮＤに接続するグランド配線パターン１８０ａ〜１８０ｆが形成されている。

グランド配線パターン１８１ａは、制御回路実装領域１８０ａ、フォトカプラ１２〜１７、ゲート駆動回路実装領域１８０ｂ〜１８０ｇ、及びＩＧＢＴ実装領域１８０ｈ〜１８０ｍを取り囲むように形成されている。グランド配線パターン１８１ａの一部は、フォトカプラ１２、１５の近傍に配置されている。インバータ装置用配線基板１８の左方縁部に形成されているグランド配線パターン１８１ａには、グランド配線パターン１８１ａがループ形状とならないよう切断部１８１ｇが設けられている。

グランド配線パターン１８１ｂはフォトカプラ１２、１３の間、グランド配線パターン１８１ｃはフォトカプラ１３、１４の間であって、インバータ装置用配線基板１８の上方縁部に形成されているグランド配線パターン１８１ａの下方に、グランド配線パターン１８１ａに沿ってそれぞれ形成されている。グランド配線パターン１８１ｂの長手方向両端部はフォトカプラ１２、１３に、グランド配線パターン１８１ｃの長手方向両端部はフォトカプラ１３、１４にそれぞれ近接して配置されている。

グランド配線パターン１８１ｄは、フォトカプラ１４、１７の間であって、インバータ装置用配線基板１８の左方に形成されているグランド配線パターン１８１ａの右方に、グランド配線パターン１８１ａに沿って形成されている。グランド配線パターン１８１ｄの長手方向両端部は、フォトカプラ１４、１７に近接して配置されている。

グランド配線パターン１８１ｅはフォトカプラ１６、１７の間、グランド配線パターン１８１ｆはフォトカプラ１５、１６の間であって、インバータ装置用配線基板１８の下方縁部に形成されているグランド配線パターン１８１ａの上方に、グランド配線パターン１８１ａに沿ってそれぞれ形成されている。グランド配線パターン１８１ｅの長手方向両端部はフォトカプラ１６、１７に、グランド配線パターン１８１ｆの長手方向両端部はフォトカプラ１５、１６にそれぞれ近接して配置されている。

グランド配線パターン１８１ａ〜１８１ｃには、フォトカプラ１２〜１４のフォトダイオードのカソードがそれぞれ接続されている。グランド配線パターン１８１ｄ〜１８１ｆには、フォトカプラ１７、１６、１５のフォトダイオードのカソードがそれぞれ接続されている。グランド配線パターン１８１ａ〜１８１ｆは、インバータ装置用配線基板１８の内層を介して互いに接続されている。

また、インバータ装置用配線基板１８の表面には、前述したように、制御回路１１から出力される制御信号をフォトカプラ１２〜１７に伝達する制御信号配線パターン１８２ａ〜１８２ｌが形成されている。

制御信号配線パターン１８２ａは、インバータ装置用配線基板１８の上方縁部に形成されているグランド配線パターン１８１ａと、グランド配線パターン１８１ｂの間に配置されている。制御信号配線パターン１８２ｂは、インバータ装置用配線基板１８の上方縁部及び左方に形成されているグランド配線パターン１８１ａと、グランド配線パターン１８１ｂ〜１８１ｄの間に配置されている。つまり、制御信号配線パターン１８２ａ、１８２ｂは、グランド配線パターン１８１ａ〜１８１ｄのいずれかによって囲まれている。

制御信号配線パターン１８２ｃ〜１８２ｌも、グランド配線パターン１８１ａと、グランド配線パターン１８１ｂ〜１８１ｆのいずれかの間に配置されている。つまり、グランド配線パターン１８１ａ〜１８１ｆのいずれかによって囲まれている。

次に、図１及び図３を参照してインバータ装置の動作について説明する。図１において、イグニッションスイッチ（図略）がオンされると、インバータ装置１は動作を開始する。車両ＥＣＵからモータトルク指令が入力されると、制御回路１１は、モータトルク指令、交流モータ５の回転位置及び相電流に基づいて、制御信号を出力する。フォトカプラ１２〜１７は、制御信号を光変換し、光学的にゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒにそれぞれ伝達する。ゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒは、電気的に絶縁され伝達された制御信号に基づいて、ＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆをオン、オフさせ、直流電源２の出力する直流電力を交流電力に変換する。変換された交流電力は、交流モータ５に供給される。交流モータ５は、交流電力を供給されることでモータトルク指令に応じたトルクを発生し、車両を走行させる。

このとき、ＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆは、スイッチング損失によって発熱し高温となる。また、ゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒも、回路損失によって発熱する。ＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆ及びゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒで発生した熱は、フォトカプラ１２〜１７に加わる。しかし、図３に示すように、フォトカプラ１２〜１７は、インバータ装置用配線基板１８の縁部に実装されている。また、フォトカプラ１２〜１７の近傍には、グランド配線パターン１８１ａ〜１８１ｆのいずれかが配置されている。そのため、フォトカプラ１２〜１７に加わる熱を効率的に放熱させることができる。また、発熱源であるゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒはフォトカプラ１２〜１７の内側に、さらに高温の発熱源であるＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆはゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒの内側にそれぞれ配置されている。そのため、発熱源との距離を確保し、フォトカプラ１２〜１７に加わる熱を抑えることもできる。

最後に、効果について説明する。第１実施形態態によれば、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置１において、コストアップすることなくフォトカプラ１２〜１７に加わる熱ストレスを抑え、フォトカプラ１２〜１７の長寿命化を図ることができる。フォトカプラ１２〜１７をインバータ装置用配線基板１８の縁部に実装することで、インバータ装置用配線基板１８の外周の外気と接触しやすくなり、フォトカプラ１２〜１７の放熱性を向上させることができる。そのため、フォトカプラ１２〜１７の配置の工夫によって、コストアップすることなくフォトカプラ１２〜１７に加わる熱ストレスを抑えることができる。これにより、インバータ装置１のフォトカプラ１２〜１７の長寿命化を図ることができる。

また、第１実施形態によれば、グランド配線パターン１８１ａ〜１８２ｆがフォトカプラ１２〜１７の近傍に配置されることで、フォトカプラ１２〜１７に加わる熱を、グランド配線パターン１８１ａ〜１８１ｆを介してより効率的に放熱させることができる。フォトカプラ１２〜１７の近傍には、グランド配線パターン１８１ａ〜１８１ｆのいずれかが配置されている。そのため、グランド配線パターン１８１ａ〜１８１ｆが放熱板として機能し、フォトカプラ１２〜１７に加わる熱を、より効率的に放熱させることができる。

さらに、第１実施形態によれば、発熱源であるゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒをフォトカプラ１２〜１７の内側に、さらに高温の発熱源であるＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆをゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒの内側にそれぞれ配置することで、発熱源との距離を確保し、フォトカプラ１２〜１７に伝達する熱を抑えることができる。

加えて、第１実施形態によれば、インバータ装置１の耐ノイズ性を向上させることができる。制御信号配線パターン１８２ａ〜１８２ｌは、グランド配線パターン１８１ａ〜１８１ｆのいずれかによって囲まれている。そのため、制御信号配線パターン１８２ａ〜１８２ｌに侵入するノイズを遮蔽することができる。また、インバータ装置用配線基板１８の左方縁部に形成されているグランド配線パターン１８１ａには、グランド配線パターン１８１ａがループ形状とならないよう切断部１８１ｇが設けられている。そのため、グランド配線パターン１８１ａ〜１８１ｆに電磁誘導によるノイズが重畳されることがなくなり、それに伴って制御信号配線パターン１８２ａ〜１８２ｌへのノイズの侵入を抑えることができる。これにより、インバータ装置１の耐ノイズ性を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態のインバータ装置について説明する。第２実施形態のインバータ装置は、第１実施形態のインバータ装置に対して、ＩＧＢＴとフライホイールダイオードとを一体化した半導体モジュールも用いるとともに、冷却装置を追加したものである。

まず、図４を参照してインバータ装置の構成について説明する。ここで、図４は、第２実施形態におけるインバータ装置の回路ブロック図である。ここでは、第１実施形態のインバータ装置との相違部分である半導体モジュールについてのみ説明し、共通する部分については必要とされる箇所以外説明を省略する。なお、前述した実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明する。

図４に示すように、インバータ装置８（電力変換装置）は、電力変換回路１０と、制御回路１１と、フォトカプラ１２〜１７（信号伝達素子）とから構成されている。電力変換回路１０のＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆ（スイッチング素子）と、フライホイールダイオード１０ｇ〜１０ｌとは、半導体モジュール１０ｓ〜１０ｘとして、それぞれ一体的に構成されている。

次に、図４及び図５を参照して電力変換回路、制御回路、及びフォトカプラが実装されるインバータ装置用配線基板の構成について説明する。ここで、図５は、インバータ装置用配線基板の部分パターン図である。ただし、必要とされる配線パターン以外は省略してある。ここでは、第１実施形態のインバータ装置との相違部分である半導体モジュールの実装領域についてのみ説明し、共通する部分については必要とされる箇所以外説明を省略する。なお、前述した実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明する。

図５に示すように、インバータ装置用配線基板１９（配線基板）の上方縁部にはフォトカプラ１２〜１４が、下方縁部にはフォトカプラ１５〜１７がそれぞれ実装されている。フォトカプラ１２〜１４の下方、つまり、フォトカプラ１２〜１４がよりも内側に形成されるゲート駆動回路実装領域１９０ｂ〜１９０ｄには、図４におけるゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｏがそれぞれ実装されている。フォトカプラ１５〜１７の上方、つまり、フォトカプラ１５〜１７よりも内側に形成されるゲート駆動回路実装領域１９０ｅ〜１９０ｇには、図４におけるゲート駆動回路１０ｐ〜１０ｒがそれぞれ実装されている。

また、ゲート駆動回路実装領域１９０ｂ〜１９０ｄの下方、つまり、ゲート駆動回路実装領域１９０ｂ〜１９０ｄよりも内側に形成される半導体モジュール実装領域１９０ｈ〜１９０ｊには、図４における半導体モジュール１０ｓ〜１０ｕがそれぞれ実装されている。ゲート駆動回路実装領域１９０ｅ〜１９０ｇの上方、つまり、ゲート駆動回路実装領域１９０ｅ〜１９０ｇよりも内側に形成される半導体モジュール実装領域１９０ｋ〜１９０ｍには、図４における半導体モジュール１０ｖ〜１０ｘがそれぞれ実装されている。半導体モジュール１０ｓ〜１０ｘは、フォトカプラ１２〜１７の実装される表面側ではなく、裏面側に実装されている。

つまり、ＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆを含む半導体モジュール１０ｓ〜１０ｘが実装される領域よりも外側の領域に、ゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒが実装されている。ゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒが実装される領域よりも外側の領域に、フォトカプラ１２〜１７が実装されている。

制御回路実装領域１９０ａ、グランド配線パターン１９１ａ〜１９１ｆ、切断部１９１ｇ、制御信号配線パターン１９２ａ〜１９２ｌは、第１実施形態における制御回路実装領域１８０ａ、グランド配線パターン１８１ａ〜１８１ｆ、切断部１８１ｇ、制御信号配線パターン１８２ａ〜１８２ｌと同一であるため説明を省略する。

次に、図６及び図７を参照して冷却装置の構成及び配置について説明する。ここで、図６は、冷却装置の構成配置図である。図７は、図６におけるＡ−Ａ矢視断面図である。

図６及び図７に示すように、冷却装置９は、冷媒によって半導体モジュール１０ｓ〜１０ｘ、より具体的にはＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆを冷却するための装置である。冷却装置９は、冷媒である冷却水が流通する冷却水流通路９０（冷媒流通路）を備えている。冷却水流通路９０は、冷却管９０ａ〜９０ｄと、導入管９０ｅと、導出管９０ｆとによって構成されている。

冷却管９０ａ〜９０ｄは、冷却水が流通することで、半導体モジュール１０ｒ〜１０ｘ、特にＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆを冷却するアルミニウムからなる角筒状の部材である。冷却管９０ａ〜９０ｄは、側面を半導体モジュール１０ｓ〜１０ｘに接触させた状態で、半導体モジュール１０ｒ〜１０ｘを挟み込むように積層されて配置されている。

導入管９０ｅは、冷却管９０ａ〜９０ｄに冷却水を導入するためのアルミニウムからなる円筒状の部材である。導入管９０ｅは、インバータ装置用配線基板１９の上方縁部に沿って配置され、冷却管９０ａ〜９０ｄの上方端部に連結されている。これにより、フォトカプラ１２〜１４の近傍に導入管９０ｅが配置されることとなる。

導出管９０ｆは、冷却管９０ａ〜９０ｄから冷却水を導出するためのアルミニウムからなる円筒状の部材である。導出管９０ｆは、インバータ装置用配線基板１９の下方縁部に沿って配置され、冷却管９０ａ〜９０ｄの下方端部に連結されている。これにより、フォトカプラ１５〜１６の近傍に導出管９０ｆが配置されることとなる。

動作については、第１実施形態のインバータ装置１と同じであるため説明を省略する。

最後に、効果について説明する。第２実施形態によれば、ＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆを含む半導体モジュール１０ｓ〜１０ｆや、ゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒの実装領域よりも外側に、フォトカプラ１２〜１７を実装することで、インバータ装置用配線基板１９の外周の外気と接触しやすくなり、フォトカプラ１２〜１７の放熱性を向上させることができる。そのため、コストアップすることなく、フォトカプラ１２〜１７に加わる熱ストレスを抑え、フォトカプラ１２〜１７の長寿命化を図ることができる。また、フォトカプラ１２〜１７、ゲート駆動回路１０ｍ〜１０ｒ、及びＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆを含む半導体モジュール１０ｓ〜１０ｘが、信号の流れに従って、外側から内側に向かって実装されている。そのため、配線パターンの無駄な引き回しがなくなり、耐ノイズ性をより向上させることができる。また、インバータ装置８を小型化することができる。

また、第２実施形態によれば、冷却管９０ａ〜９０ｄによって、発熱源であるＩＧＢＴ１０ａ〜１０ｆを含む半導体モジュール１０ｓ〜１０ｘの熱を抑えることができる。また、導入管９０ｅ及び導出管９０ｆによって、フォトカプラ１２〜１７の熱を抑えることができる。そのため、フォトカプラ１２〜１７の放熱性をさらに向上させることができる。なお、第１及び第２実施形態では、本発明に係る電力変換装置を、インバータ装置に適用した例を挙げているが、これに限られるものではない。交流電力を直流電力に変化するＡＣ／ＤＣコンバータや、直流電力を形態の異なる直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータに適用することもできる。その場合においても、第１及び第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第１及び第２実施形態では、グランド配線パターン１８１ａ〜１８１ｆ、１９１ａ〜１９１ｆ及び制御信号配線パターン１８２ａ〜１８２ｌ、１９２ａ〜１９２ｌが、同一の配線層に形成されている例を挙げているが、これに限られるものではない。同様の配置関係を有していれば、別の配線層に形成されていてもよい。さらに、第２実施形態では、導入管９０ｅ及び導出管９０ｆが、フォトカプラ１２〜１７の近傍である、インバータ制御装置用配線基板１９の縁部に配置されている例を挙げているが、これに限られるものではない。導入管９０ｅ及び導出管９０ｆの少なくともいずれかが縁部に配置されていれば、フォトカプラの冷却効果が得られる。

第１実施形態におけるインバータ装置の回路ブロック図である。 フォトカプラ周辺の回路図である。 インバータ装置用配線基板のパターン図である。 第２実施形態におけるインバータ装置の回路ブロック図である。 インバータ装置用配線基板のパターン図である。 冷却装置の構成配置図である。 図４のＡ−Ａ矢視断面図である。

符号の説明

１、８：インバータ装置（電力変換装置）、１０：電力変換回路、１０ａ〜１０ｆ：ＩＧＢＴ（スイッチング素子）、１０ｇ〜１０ｌ：フライホイールダイオード、１０ｍ〜１０ｒ：ゲート駆動回路（スイッチング素子駆動回路）、１０ｓ〜１０ｘ：半導体モジュール、１１：制御回路、１２〜１７：フォトカプラ（信号伝達素子）、１８、１９：インバータ装置用配線基板（配線基板）、１８０ａ、１９０ａ：制御回路実装領域、１８０ｂ〜１８０ｇ、１９０ｂ〜１９０ｇ：ゲート駆動回路実装領域、１８０ｈ〜１８０ｍ：ＩＧＢＴ実装領域、１９０ｈ〜１９０ｍ：半導体モジュール実装領域、１８１ａ〜１８０ｆ、１９１ａ〜１９１ｆ：グランド配線パターン（電源配線パターン）、１８１ｇ、１９１ｇ：切断部、１８２ａ〜１８２ｌ、１９２ａ〜１９２ｌ：制御信号配線パターン、２：平滑用コンデンサ、３：直流電源、４：回転位置検出センサ、５：交流モータ、６、７：電流センサ、９：冷却装置、９０：冷却水流通路（冷媒流通路）、９０ａ〜９０ｄ：冷却管、９０ｅ：導入管、９０ｆ：導出管

Claims (13)

1. 入力される電力を異なる形態の電力に変換する電力変換回路と、該電力変換回路を制御するための制御信号を出力する制御回路と、該制御回路の出力する該制御信号を電気的に絶縁して該電力変換回路に伝達する信号伝達素子と、該電力変換回路、該制御回路、及び該信号伝達素子を実装し配線する配線基板とからなる電力変換装置において、
   該信号伝達素子は、該配線基板の縁部に実装されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記配線基板は、前記制御回路及び前記信号伝達素子に電源を供給する電源配線パターンを有し、
   該電源配線パターンの少なくとも一部は、前記信号伝達素子の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記配線基板は、前記制御回路から前記信号伝達素子に前記制御信号を伝達する制御信号配線パターンを有し、
   前記電源配線パターンは、該制御信号配線パターンの周囲の少なくとも一部を囲むように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記電源配線パターンは、ループ形状でないことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記電力変換回路は、スイッチング素子と、前記信号伝達素子を介して伝達される前記制御信号に基づいて該スイッチング素子をオン、オフさせるスイッチング素子駆動回路とからなり、
   該スイッチング素子駆動回路は、前記信号伝達素子の実装されている前記配線基板上の領域よりも内側の領域に実装されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電力変換装置。
6. 前記スイッチング素子は、前記スイッチング素子駆動回路の実装されている前記配線基板上の領域よりも内側の領域に実装されていることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 入力される電力を異なる形態の電力に変換する電力変換回路と、該電力変換回路を制御するための制御信号を出力する制御回路と、該制御回路の出力する該制御信号を電気的に絶縁して該電力変換回路に伝達する信号伝達素子と、該電力変換回路、該制御回路、及び該信号伝達素子を実装し配線する配線基板とからなる電力変換装置において、
   該電力変換回路は、スイッチング素子を有し、
   該信号伝達素子は、該スイッチング素子が実装されている該配線基板上の領域よりも外側の領域に実装されていることを特徴とする電力変換装置。
8. 入力される電力を異なる形態の電力に変換する電力変換回路と、該電力変換回路を制御するための制御信号を出力する制御回路と、該制御回路の出力する該制御信号を電気的に絶縁して該電力変換回路に伝達する信号伝達素子と、該電力変換回路、該制御回路、及び該信号伝達素子を実装し配線する配線基板とからなる電力変換装置において、
   該電力変換回路は、スイッチング素子と、該信号伝達素子を介して伝達される該制御信号に基づいて該スイッチング素子をオン、オフさせるスイッチング素子駆動回路とを有し、
   該スイッチング素子駆動回路は、該スイッチング素子が実装されている該配線基板上の領域よりも外側の領域に実装され、
   該信号伝達素子は、該スイッチング素子駆動回路が実装されている該配線基板上の領域よりも外側の領域に実装されていることを特徴とする電力変換装置。
9. 前記スイッチング素子を冷却するための冷媒が流通する冷媒流通路を備え、
   該冷媒流通路の一部が、前記配線基板の縁部に沿って配置されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の電力変換装置。
10. 前記冷媒流通路は、前記スイッチング素子に近接して配置される冷却管と、該冷却管の一端部に連結され、該冷却管に冷媒を導入する導入管と、該冷却管の他端部に連結され、該冷却管から冷媒を導出する導出管とによって構成され、
    該導入管及び該導出管の少なくともいずれかが、前記配線基板の縁部に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
11. 前記信号伝達素子は、前記制御信号を光変換し光学的に伝達するフォトカプラであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の電力変換装置。
12. 前記電力変換回路は、直流電力を交流電力に変換することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の電力変換装置。
13. 前記電力変換回路は、交流電力を直流電力に、又は直流電力を形態の異なる直流電力に変換することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の電力変換装置。

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