JP2013183540A - インバータ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の課題は、スイッチングサージ電圧が発生する電流経路の浮遊インダクタンスを低減することである。
【解決手段】第１ＩＧＢＴと、第１ダイオードと、第２ＩＧＢＴと、第２ダイオードと、前記第１ＩＧＢＴのコレクタ電極側と前記第１ダイオードのカソード電極側とはんだ材を介して接続される第１導体部と、前記第２ＩＧＢＴのエミッタ電極側と前記第２ダイオードのアノード電極側とはんだ材を介して接続されるとともに前記第１導体部と隣合って配置される第２導体部と、前記第１導体部と前記第２導体部とを接続する中継導体部と、を備え、前記第１ＩＧＢＴと前記第１ダイオードと前記第２ＩＧＢＴと前記第２ダイオードは、それぞれの中心部が略四角形の頂点を形成するように配置され、前記第１ＩＧＢＴと前記第２ＩＧＢＴは、前記略四角形の一方の対角線上の頂点を形成し、前記中継導体部は、前記四角形の内側に形成される。
【選択図】 図４

Description

インバータ装置の実装構造に関し、特に車両に用いられる電力変換装置に適用されるインバータ装置の実装構造に関する。
パワー半導体スイッチング素子及びダイオードは、インバータの電力変換効率向上と冷却構造の簡素化の要求から、スイッチング速度の高速化によるスイッチング損失低減が必要とされる。スイッチング時は、電流変化率ｄｉ／ｄｔと配線浮遊インダクタンスの積によって発生するスイッチングサージ電圧をパワー半導体スイッチング素子及びダイオードの耐圧によって決まる所定の電圧以下にする必要があり、スイッチング損失高速化のためには、配線浮遊インダクタンスが小さい構成が必要になる。
この構成の一例として、直流電力を供給するための正極バスバーと負極バスバーを重ね合わせたラミネート配線にする構成が考えられており、この構成によれば正極バスバーと負極バスバーを流れる電流により発生する磁束を打消す効果が得られるため、浮遊インダクタンスが低減する（例：特許文献１）。
従来は、パワー半導体スイッチング素子とダイオード近傍のバスバー及びワイヤボンディング配線は、構造上の制約によりラミネート構造を採用することが困難であり、十分に浮遊インダクタンス低減が考慮されていなかった。
特開２００６−１５６４７６号公報
本発明の課題は、スイッチングサージ電圧が発生する電流経路の浮遊インダクタンスを低減することである。
上記課題を解決するために本発明に係るインバータ装置は、インバータ回路の上アーム回路を構成する第１ＩＧＢＴと、前記インバータ回路の前記上アーム回路を構成するとともに前記第１ＩＧＢＴと電気的に並列に接続された第１ダイオードと、前記インバータ回路の下アーム回路を構成する第２ＩＧＢＴと、前記インバータ回路の前記下アーム回路を構成するとともに前記第２ＩＧＢＴと電気的に並列に接続された第２ダイオードと、前記第１ＩＧＢＴのコレクタ電極側と前記第１ダイオードのカソード電極側とはんだ材を介して接続される第１導体部と、前記第２ＩＧＢＴのエミッタ電極側と前記第２ダイオードのアノード電極側とはんだ材を介して接続されるとともに前記第１導体部と隣合って配置される第２導体部と、前記第１導体部と前記第２導体部とを接続する中継導体部と、を備え、前記第１導体部と前記第２導体部の配置方向を第１列と定義した場合に、前記第１ＩＧＢＴと前記第２ダイオードは、前記第１列に沿って配置され、さらに前記第１ＩＧＢＴは、前記第１列に沿って前記第２ダイオードと重なるように配置され、前記第２ＩＧＢＴと前記第１ダイオードは、前記第１列と平行な第２列に沿って配置され、さらに前記第２ＩＧＢＴは、前記第２列に沿って前記第１ダイオードと重なるように配置され、前記中継導体部は、前記第１列と前記第２列との間に配置される。これにより、スイッチングサージ電圧が発生する電流経路長を短くすることができ、浮遊インダクタンスを低減することができる。
また上記課題を解決するために本発明に係るインバータ装置は、インバータ回路の上アーム回路を構成する第１ＩＧＢＴと、前記インバータ回路の前記上アーム回路を構成するとともに前記第１ＩＧＢＴと電気的に並列に接続された第１ダイオードと、前記インバータ回路の下アーム回路を構成する第２ＩＧＢＴと、前記インバータ回路の前記下アーム回路を構成するとともに前記第２ＩＧＢＴと電気的に並列に接続された第２ダイオードと、前記第１ＩＧＢＴのコレクタ電極側と前記第１ダイオードのカソード電極側とはんだ材を介して接続される第１導体部と、前記第２ＩＧＢＴのエミッタ電極側と前記第２ダイオードのアノード電極側とはんだ材を介して接続されるとともに前記第１導体部と隣合って配置される第２導体部と、前記第１導体部と前記第２導体部とを接続する中継導体部と、を備え、前記第１ＩＧＢＴと前記第１ダイオードと前記第２ＩＧＢＴと前記第２ダイオードは、それぞれの中心部が略四角形の頂点を形成するように配置され、前記第１ＩＧＢＴと前記第２ＩＧＢＴは、前記略四角形の一方の対角線上の頂点を形成し、前記中継導体部は、前記四角形の内側に形成される。これにより、スイッチングサージ電圧が発生する電流経路長を短くすることができ、浮遊インダクタンスを低減することができる。
さらに上記課題を解決するために本発明に係るインバータ装置は、前記第１導体部と接続される第３導体部と、前記第２導体部と接続される第４導体部と、を備え、前記第３導体部は、前記第１ＩＧＢＴから離れる方向に形成され、前記第４導体部は、前記第３導体部の形成方向に沿って形成されるとともに前記第３導体部と隣合う位置に配置される。これにより、第３導体部と第４導体部が隣合う位置に配置されることで、磁束打消し作用が働き、インダクタンスを低減することができる。
さらに上記課題を解決するために本発明に係るインバータ装置は、前記第４導体部は、ワイヤボンディングにより前記第２導体部と接続され、さらに前記第４導体部の一部は、前記第１導体部と前記第２導体部との間に配置される。
さらに上記課題を解決するために本発明に係るインバータ装置は、前記第１ＩＧＢＴのエミッタ電極と前記第１ダイオードのアノード電極と対向するように形成される第１接続導体板と、を備え、前記第１接続導体は、前記中継導体部と一体に形成される。
さらに上記課題を解決するために本発明に係るインバータ装置は、前記第１ＩＧＢＴのエミッタ電極と前記第１ダイオードのアノード電極と対向するように形成される第１接続導体板と、前記第２ＩＧＢＴのエミッタ電極と前記第２ダイオードのアノード電極と対向するように形成される第２接続導体板と、を備え、前記第１接続導体は、前記中継導体部と一体に形成され、前記第２接続導体板は、前記第４導体部と一体に形成される。
本発明により、インバータ装置内の浮遊インダクタンスを低減することができる。
ハイブリッド電気自動車の制御ブロックを示す図である。 インバータ装置１４０，インバータ装置１４２の電気回路構成の説明図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。 本実施形態に係る第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２と第１ダイオード１５６と第２ダイオード１５７のレイアウト図である。 本実施形態に係る第１ＩＧＢＴ１０１をスイッチングした場合に発生する電流変化率ｄｉ／ｄｔが発生する回路上の経路である。 本実施形態に係る第１ＩＧＢＴ１０１をスイッチングした場合に発生する電流変化率ｄｉ／ｄｔが発生するレイアウト上の経路である。 本実施形態に係る第２ＩＧＢＴ１０２をスイッチングした場合に発生する電流変化率ｄｉ／ｄｔが発生する回路上の経路である。 本実施形態に係る第２ＩＧＢＴ１０２をスイッチングした場合に発生する電流変化率ｄｉ／ｄｔが発生するレイアウト上の経路である。 他の実施形態に係る第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２と第１ダイオード１５６と第２ダイオード１５７のレイアウト図である。
以下、図面に基づいて最良の形態について説明する。
本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図１と図２を用いて説明する。図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。
なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶，航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支されている。前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸（図示省略）が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている。本実施形態のＨＥＶでは、動力によって駆動される主輪を前輪１１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪車軸１１４は前輪側ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機１１８によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１１４に分配する差動式動力分配機構である。変速機１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ１９２，１９４及び動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。
モータジェネレータ１９２，１９４は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置１４２によって制御されることによりモータジェネレータ１９２，１９４の駆動が制御される。インバータ装置１４２にはバッテリ１３６が電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４２との相互において電力の授受が可能である。
本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ装置１４２からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ装置１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
また、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
インバータ装置１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００は電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。電力変換装置１は、インバータ装置１４２、さらにコンデンサモジュール５００を電力変換装置１の筐体内に内蔵している。この構成により、小型で信頼性の高い装置が実現できる。
またインバータ装置１４２、さらにコンデンサモジュール５００を１つの筐体に内蔵することで、配線の簡素化やノイズ対策で効果がある。またコンデンサモジュール５００とインバータ装置１４２およびインバータ装置４３との接続回路のインダクタンスを低減でき、スパイク電圧を低減できると共に、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。
次に、図２を用いてインバータ装置１４２の電気回路構成を説明する。尚、図１，図２に示す実施形態では、インバータ装置１４２をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明する。インバータ装置１４２は同様の構成で同様の作用を為し、同様の機能を有しているので、ここでは、代表例としてインバータ装置１４２の説明を行う。
本実施形態に係る電力変換装置１は、インバータ装置１４０とコンデンサモジュール５００とを備え、インバータ装置１４０はインバータ装置１４０と制御部１７０とを有している。また、インバータ装置１４０は、上アームとして動作する第１ＩＧＢＴ１０１（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及び第１ダイオード１５６と、下アームとして動作する第２ＩＧＢＴ１０２及び第２ダイオード１５７からなる上下アーム直列回路１５０を複数有し、それぞれの上下アーム直列回路の中点部分から交流端子を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）と接続する構成である。また、制御部１７０はインバータ回路を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。
上アーム第１ＩＧＢＴ１０１と下アームの第２ＩＧＢＴ１０２は、スイッチング用パワー半導体素子であり、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を３相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。
インバータ装置１４０は３相ブリッジ回路により構成されており、３相分の上下アーム直列回路がそれぞれ、バッテリ１３６の正極側と負極側に電気的に接続されている直流正極端子と直流負極端子の間に電気的に並列に接続されている。
本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴを用いることを例示している。上アーム第１ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極とエミッタ電極との間には第１ダイオード１５６が図示するように電気的に接続されている。下アーム第２ＩＧＢＴ１０２のコレクタ電極とエミッタ電極との間には第２ダイオード１５７が図示するように電気的に接続されている。第１ダイオード１５６と第２ダイオード１５７は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、第１ダイオード１５６は、第１ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極が第１ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極に、アノード電極が第１ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
第２ダイオード１５７は、第２ＩＧＢＴ１０２のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極が第２ＩＧＢＴ１０２のコレクタ電極に、アノード電極が第２ＩＧＢＴ１０２のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい、この場合は第１ダイオード１５６と第２ダイオード１５７は不要となる。
上下アーム直列回路は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相分設けられている。３つの上下アーム直列回路１５０はそれぞれ、第１ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極と第２ＩＧＢＴ１０２のコレクタ電極を接続する中間電極，交流端子を介してモータジェネレータ１９２へのＵ相，Ｖ相，Ｗ相を形成している。上下アーム直列回路同士は電気的に並列接続されている。
上アームの第１ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極は正極端子（Ｐ端子）を介してコンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極に、下アームの第２ＩＧＢＴ１０２のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）を介してコンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続（直流バスバーで接続）されている。各アームの中点部分（上アームの第１ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極と下アームの第２ＩＧＢＴ１０２のコレクタ電極との接続部分）にあたる中間電極は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の対応する相巻線に交流コネクタ１８８を介して電気的に接続されている。
コンデンサモジュール５００は、第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の正極側が、コンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の負極側がそれぞれ直流コネクタを介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサモジュール５００は、上アーム第１ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極とバッテリ１３６の正極側との間と、下アーム第２ＩＧＢＴ１０２のエミッタ電極とバッテリ１３６の負極側との間で接続され、バッテリ１３６と上下アーム直列回路に対して電気的に並列接続される。
制御部１７０はＩＧＢＴを作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する制御回路１７２と、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成するドライバ回路１７４とを備えている。
制御回路１７２は、第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームの第２ＩＧＢＴ１０２のゲート電極に、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームの第１ＩＧＢＴ１０１のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
図３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図を示す。
図３に示すように、筐体１２の中ほどに冷却水流路１９が設けられ、前記冷却水流路１９の上部には流れの方向に並んで２組の開口が形成されている。前記２組の開口がそれぞれインバータ装置１４０及びインバータ装置１４２で塞がれる様に２個のインバータ装置１４０及びインバータ装置１４２が前記冷却水流路１９の上面に固定されている。各インバータ装置１４０及びインバータ装置１４２には放熱のためのフィンが設けられており、各インバータ装置１４０及びインバータ装置１４２のフィンはそれぞれ前記冷却水流路１９の開口から冷却水の流れの中に突出している。
前記冷却水流路１９の下側にはアルミ鋳造を行いやすくするための開口４０４が形成されており、前記開口はカバー４２０で塞がれている。
さらに前記冷却水流路１９の下部に放熱作用を為す下部ケース１６が設けられ、前記下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００が、コンデンサモジュール５００の金属材からなるケースの放熱面が前記下部ケース１６の面に対向するようにして前記下部ケース１６の面に固定されている。この構造により冷却水流路１９の上面と下面とを利用して効率良く冷却することができ、電力変換装置全体の小型化に繋がる。
入出口配管１３，１４からの冷却水が冷却水流路１９を流れることによって、併設されている２個のインバータ装置１４０及びインバータ装置１４２が有する放熱フィンが冷却され、前記２個のインバータ装置１４０及びインバータ装置１４２全体が冷却される。
さらに冷却水流路１９が設けられている筐体１２が冷却されることにより、筐体１２の下部に設けられた下部ケース１６が冷却され、この冷却によりコンデンサモジュール５００の熱が下部ケース１６および筐体１２を介して冷却水に熱的伝導され、コンデンサモジュール５００が冷却される。
インバータ装置１４０及びインバータ装置１４２の上方には制御回路基板２０と駆動回路基板２２とが配置され、駆動回路基板２２にはドライバ回路１７４が搭載され、制御回路基板２０にはＣＰＵを有する制御回路１７２が搭載される。また、駆動回路基板２２と制御回路基板２０の間には金属ベース板１１が配置され、金属ベース板１１は両基板２２，２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共に駆動回路基板２２と制御回路基板２０とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。このように筐体１９の中央部に冷却水流路１９を設け、その一方の側に車両駆動用のインバータ装置１４２を配置し、また他方の側に補機用のインバータ装置４３を配置することで、少ない空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。また筐体中央部の冷却水流路１９の主構造を筐体１２と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、冷却水流路１９は冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造で作ることで筐体１２と冷却水流路１９とが一体構造となり、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。
駆動回路基板２２には、金属ベース板１１を通り抜けて、制御回路基板２０の回路群との接続を行う基板間コネクタ２３が設けられている。また、制御回路基板２０には外部との電気的接続を行うコネクタ２１が設けられている。
コネクタ２１により電力変換装置の外の、例えばバッテリ１３６として車に搭載されているリチウム電池モジュールとの信号の伝送が行われ、リチウム電池モジュールから電池の状態を表す信号やリチウム電池の充電状態などの信号が送られてくる。前記制御回路基板２０に保持されている制御回路１７２との信号の授受を行うために前記基板間コネクタ２３が設けられており、図示を省略しているが信号線１７６が設けられ、この信号線１７６と基板間コネクタ２３を介して制御回路基板２０からインバータ回路のスイッチングタイミングの信号が駆動回路基板２２に伝達され、駆動回路基板２２で駆動信号であるゲート駆動信号を発生し、インバータ回路のゲート電極にそれぞれ印加される。
図４は、本実施形態に係るインバータ装置１４０の１相分のＩＧＢＴとダイオードのレイアウトを示す上面図である。本図では、代表例としてインバータ装置１４０について説明するが、インバータ装置１４２も同様の構成である。本図では駆動の対象となる第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２と第１ダイオード１５６と第２ダイオード１５７のみが表示され、ＩＧＢＴに接続される負荷や温度を検出するサーミスタやバスバーを封止する樹脂やゲルなどのＩＧＢＴ装置の構成は省略されている。
第１ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極及び第１ダイオード１５６のカソード電極は第１導体部２０３に半田付けされる。また第２ＩＧＢＴ１０２のコレクタ電極と第２ダイオード１５７のカソード電極は第２導体部２０４に半田付けされる。
第１導体部２０３と第２導体部２０４は、窒化珪素絶縁基板２１３の上面に配線パターンがレイアウトされており、窒化珪素絶縁基板２１３の下面は基板全面にベタパターン（不図示）が配線されているため、渦電流発生による浮遊インダクタンス低減効果が得られる。
本実施例では、第１導体部２０３と第２導体部２０４を窒化珪素絶縁基板２１３の上面に配線パターンをレイアウトした場合について記載しているが、絶縁性能と渦電流発生による浮遊インダクタンス低減効果が得られる構成であれば、他の部材を用いても構わない。
第１ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極と第１ダイオード１５６のアノード電極は第２導体部２０４にワイヤボンディングで電気的に接続され、第２ＩＧＢＴ１０２のエミッタ電極と第２ダイオード１５７のアノード電極は第４導体２０５にワイヤボンディングで電気的に接続されている。
第１ＩＧＢＴ１０１は、インバータ回路の上アーム回路を構成する。第１ダイオード１５６は、インバータ回路の上アーム回路を構成するとともに第１ＩＧＢＴ１０１と電気的に並列に接続される。第２ＩＧＢＴ１０２は、インバータ回路の下アーム回路を構成する。第２ダイオード１５７は、インバータ回路の下アーム回路を構成するとともに第２ＩＧＢＴ１０２と電気的に並列に接続される。
第２導体部２０４は、第２ＩＧＢＴ１０２のエミッタ電極側と前記第２ダイオード１５７のアノード電極側とはんだ材を介して接続されるとともに第１導体部２０３と隣合って配置される。中継導体部２８０は、第１導体部２０３と第２導体部２０４とを接続する。なお中継導体部２８０は、ワイヤボンディングや第２導体部２０４の一部や第１導体部２０３の一部の全て又はいずれかによって構成されていればよい。
第１導体部２０３と第２導体部２０４の配置方向を第１列２８１と定義した場合に、第１ＩＧＢＴ１０１と第２ダイオード１５７は、第１列２８１に沿って配置され、さらに第１ＩＧＢＴ１０１は、第１列２８１に沿って第２ダイオード１５７と重なるように配置される。また、第２ＩＧＢＴ１０２と第１ダイオード１５６は、第１列２８１と平行な第２列２８２に沿って配置され、さらに第２ＩＧＢＴ１０２は、第２列２８２に沿って第１ダイオード１５６と重なるように配置される。そして、中継導体部２８０は、第１列２８１と第２列２８２との間に配置される。
また言い換えると、第１ＩＧＢＴ１０１と第１ダイオード１５６と第２ＩＧＢＴ１０２と第２ダイオード１５７は、それぞれの中心部が略四角形の頂点を形成するように配置され、第１ＩＧＢＴ１０１と前記第２ＩＧＢＴ１０２は、この略四角形の一方の対角線上の頂点を形成しており、中継導体部２８０は、この略四角形の内側に形成される。
このような構成にすることにより、電流は、第１ＩＧＢＴ１０１、第２ダイオード１５７または第１ダイオード１５６、第２ＩＧＢＴ１０２の順に流れ、電流経路がより短くすることができる。また、電流が円弧を描く様に流れるため、窒化珪素絶縁基板２１３のベタパターン（不図示）や、金属製の冷却器に渦電流を誘起させることができるので、磁束打消しが発生する。したがって、配線インダクタンスの低減を図ることができる。
また、第１ＩＧＢＴ１０１を半田付けする領域と第２ＩＧＢＴ１０２を半田付けする領域と第１ダイオード１５６を半田付けする領域と第２ダイオード１５７を半田付けする領域を結ぶ四角形において、第１ＩＧＢＴ１０１を半田付けする領域と第２ＩＧＢＴ１０２を半田付けする領域は対角線上にレイアウトされており、第１ダイオード１５６を半田付けする領域と第２ダイオード１５７を半田付けする領域も同様に対角線上にレイアウトされている。
本実施例では、第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２と第１ダイオード１５６と第２ダイオード１５７が各１チップの場合について記載しているが、第１ＩＧＢＴ１０１を半田付けする領域と第２ＩＧＢＴ１０２を半田付けする領域が対角線上にレイアウトされており、第１ダイオード１５６を半田付けする領域と第２ダイオード１５７を半田付けする領域も同様に対角線上にレイアウトされている限り、各チップを複数個並列にレイアウトしていても構わない。
また第３導体部２０６は、第１導体部２０３と接続され、第１ＩＧＢＴ１０１から離れる方向に形成される。第４導体部２０５は、第２導体部２０４と接続され、第３導体部２０６の形成方向に沿って形成されるとともに第３導体部２０６と隣合う位置に配置される。これにより、第３導体部２０６と第４導体部２０５が隣合う位置に配置されることで、磁束打消し作用が働き、配線インダクタンスの低減を図ることができる。なお、第４導体部２０５は、第２導体部２０４と第２ダイオード１５７とワイヤボンディング２８３により接続され、さらに第４導体部２０５の一部は、第１導体部２０３と第２導体部２０４との間に配置される。
図５は、第１ＩＧＢＴ１０１をターンオフした時に発生するターンオフサージと、第１ＩＧＢＴ１０１をターンオンした時に下アームに発生するリカバリサージが発生する場合の電流の時間変化ｄｉ／ｄｔが発生する経路を回路図で示している。
図６は、第１ＩＧＢＴ１０１をターンオフした時に発生するターンオフサージと、第１ＩＧＢＴ１０１をターンオンした時に下アームに発生するリカバリサージが発生する場合の電流の時間変化ｄｉ／ｄｔが発生する経路をＩＧＢＴとダイオードのレイアウト図で示している。本実施形態の構成にすることにより、第１ＩＧＢＴ１０１と第２ダイオード１５７を流れる電流の時間変化ｄｉ／ｄｔが発生する電流経路が短くなる。
図７は、第２ＩＧＢＴ１０２をターンオフした時に発生するターンオフサージと、第２ＩＧＢＴ１０２をターンオンした時に上アームに発生するリカバリサージが発生する場合の電流の時間変化ｄｉ／ｄｔが発生する経路を回路図で示している。
図８は、下アーム第２ＩＧＢＴ１０２をターンオフした時に発生するターンオフサージと、下アーム第２ＩＧＢＴ１０２をターンオンした時に上アームに発生するリカバリサージが発生する場合の電流の時間変化ｄｉ／ｄｔが発生する経路をＩＧＢＴとダイオードのレイアウトで示している。
本実施形態の構成にすることにより、第２ＩＧＢＴ１０２と第１ダイオード１５６を流れる電流の時間変化ｄｉ／ｄｔが発生する経路が短くなる。
図９は、他の実施形態に係る１相分のＩＧＢＴとダイオードのレイアウトである。本図では駆動の対象となる第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２と第１ダイオード１５６と第２ダイオード１５７のみが表示され、ＩＧＢＴに接続される負荷や温度を検出するサーミスタやバスバーを封止する樹脂やゲルなどのＩＧＢＴ装置の構成は省略されている。
前述した実施形態と本実施形態との違いは、第１ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極と第１ダイオード１５６のアノード電極と対向するように形成される第１接続導体板２０８を設けた点である。この第１接続導体板２０８は、中継導体部２８０の一部を構成する。また、第２ＩＧＢＴ１０２のエミッタ電極と第２ダイオード１５７のアノード電極と対向するように形成される第２接続導体板２１０を設けている。この第２接続導体板２１０は、前述の他の実施形態で説示した第４導体部２０５と一体に形成される。ワイヤボンディンではなく板状の導体を用いることにより導体断面積が増え、インタクタンス低減することができる。
１０１ 第１ＩＧＢＴ
１０２ 第２ＩＧＢＴ
１４０，１４２ インバータ装置
１５６ 第１ダイオード
１５７ 第２ダイオード
２０３ 第１導体部
２０４ 第２導体部
２０５ 第４導体部
２０６ 第３導体部
２０８ 第１接続導体板
２１０ 第２接続導体板
２１３ 窒化珪素絶縁基板
２８０ 中継導体部
２８１ 第１列
２８２ 第２列
２８３ ワイヤボンディング

Claims (6)

  1. インバータ回路の上アーム回路を構成する第１ＩＧＢＴと、
    前記インバータ回路の前記上アーム回路を構成するとともに前記第１ＩＧＢＴと電気的に並列に接続された第１ダイオードと、
    前記インバータ回路の下アーム回路を構成する第２ＩＧＢＴと、
    前記インバータ回路の前記下アーム回路を構成するとともに前記第２ＩＧＢＴと電気的に並列に接続された第２ダイオードと、
    前記第１ＩＧＢＴのコレクタ電極側と前記第１ダイオードのカソード電極側とはんだ材を介して接続される第１導体部と、
    前記第２ＩＧＢＴのエミッタ電極側と前記第２ダイオードのアノード電極側とはんだ材を介して接続されるとともに前記第１導体部と隣合って配置される第２導体部と、
    前記第１導体部と前記第２導体部とを接続する中継導体部と、を備え、
    前記第１導体部と前記第２導体部の配置方向を第１列と定義した場合に、
    前記第１ＩＧＢＴと前記第２ダイオードは、前記第１列に沿って配置され、さらに前記第１ＩＧＢＴは、前記第１列に沿って前記第２ダイオードと重なるように配置され、
    前記第２ＩＧＢＴと前記第１ダイオードは、前記第１列と平行な第２列に沿って配置され、さらに前記第２ＩＧＢＴは、前記第２列に沿って前記第１ダイオードと重なるように配置され、
    前記中継導体部は、前記第１列と前記第２列との間に配置されるインバータ装置。
  2. インバータ回路の上アーム回路を構成する第１ＩＧＢＴと、
    前記インバータ回路の前記上アーム回路を構成するとともに前記第１ＩＧＢＴと電気的に並列に接続された第１ダイオードと、
    前記インバータ回路の下アーム回路を構成する第２ＩＧＢＴと、
    前記インバータ回路の前記下アーム回路を構成するとともに前記第２ＩＧＢＴと電気的に並列に接続された第２ダイオードと、
    前記第１ＩＧＢＴのコレクタ電極側と前記第１ダイオードのカソード電極側とはんだ材を介して接続される第１導体部と、
    前記第２ＩＧＢＴのエミッタ電極側と前記第２ダイオードのアノード電極側とはんだ材を介して接続されるとともに前記第１導体部と隣合って配置される第２導体部と、
    前記第１導体部と前記第２導体部とを接続する中継導体部と、を備え、
    前記第１ＩＧＢＴと前記第１ダイオードと前記第２ＩＧＢＴと前記第２ダイオードは、それぞれの中心部が略四角形の頂点を形成するように配置され、
    前記第１ＩＧＢＴと前記第２ＩＧＢＴは、前記略四角形の一方の対角線上の頂点を形成し、
    前記中継導体部は、前記四角形の内側に形成されるインバータ装置。
  3. 請求項１又は２に記載のいずれかのインバータ装置であって、
    前記第１導体部と接続される第３導体部と、
    前記第２導体部と接続される第４導体部と、を備え、
    前記第３導体部は、前記第１ＩＧＢＴから離れる方向に形成され、
    前記第４導体部は、前記第３導体部の形成方向に沿って形成されるとともに前記第３導体部と隣合う位置に配置されるインバータ装置。
  4. 請求項３に記載のインバータ装置であって、
    前記第４導体部は、ワイヤボンディングにより前記第２ダイオードと接続され、さらに前記第４導体部の一部は、前記第１導体部と前記第２導体部との間に配置されるインバータ装置。
  5. 請求項１又は２に記載のいずれかのインバータ装置であって、
    前記第１ＩＧＢＴのエミッタ電極と前記第１ダイオードのアノード電極と対向するように形成される第１接続導体板と、を備え、
    前記第１接続導体は、前記中継導体部と一体に形成されるインバータ装置。
  6. 請求項３に記載のインバータ装置であって、
    前記第１ＩＧＢＴのエミッタ電極と前記第１ダイオードのアノード電極と対向するように形成される第１接続導体板と、
    前記第２ＩＧＢＴのエミッタ電極と前記第２ダイオードのアノード電極と対向するように形成される第２接続導体板と、を備え、前記第１接続導体は、前記中継導体部と一体に形成され、前記第２接続導体板は、前記第４導体部と一体に形成されるインバータ装置。
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