JPWO2017056686A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

スイッチング素子の動作切り換え時に発生するリカバリ電流を打ち消すインダクタンスの低減効果を大きくする。上・下アーム回路を構成する第１、第２スイッチング素子および導体部を有する回路体と、金属製部材と、回路体を挟んで金属製部材と対向して配置され、導体部のいずれかと接続される端子に電気的に接続された中継導体部とを備えている。金属製部材と中継導体部には、第１、第２スイッチング素子のスイッチング動作に応じて導体部に流れるリカバリ電流によって渦電流がそれぞれ誘起される。

Description

本発明は、電力変換装置に関する。
車両等に搭載される電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換して回転電機に供給したり、回転電機からの交流電力を直流電力に変換したりする機能を有している。電力変換装置は、スイッチング機能を有する半導体素子により構成されるインバータ回路を有している。電力変換を行う回路体、つまり、パワー半導体モジュールとして、ＩＧＢＴ(Insulating Gate Bipolar Transistor)およびダイオードにより構成される上アーム回路および下アーム回路を一体に樹脂封止して形成された構造を有するものが知られている。この構造の回路体では、上・下アーム回路のＩＧＢＴおよびダイオードは、それぞれ、絶縁基板の一面上に実装される。上アーム回路または下アーム回路が形成された一対の絶縁基板の他面側には、金属ベースが配置される。
上・下アーム回路のＩＧＢＴおよびＩＧＢＴに接続される接続導体は、金属ベース上でループ電流経路を形成するように実装される。この回路では、上アーム回路のＩＧＢＴがオンされると、下アーム回路のダイオードが逆バイアスされることにより、リカバリ電流が上・下アーム回路を貫通する。このとき、金属ベースに誘導電流が発生する。この誘導電流の周りに発生する磁束の向きは、上・下アーム回路の各導体板を流れるリカバリ電流により発生する磁束の向きとは反対向きである。このため、お互いの磁束は打ち消し合い、内部回路のインダクタンスが低減する（例えば、特許文献１の図９参照）。
特開２０１０−４１８３８号公報
特許文献１に記載された電力変換装置では、金属製部材が上アーム回路または下アーム回路が実装された各絶縁基板の一方の外面のみに配置されている。このため、リカバリ電流に対するインダクタンスを低減する効果が小さい。
本発明の一態様によると、電力変換装置は、電力変換回路の上アーム回路を構成する第１スイッチング素子と、前記電力変換回路の下アーム回路を構成する第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子に電流を伝達する複数の導体部と、を有する回路体と、金属製部材と、前記回路体を挟んで前記金属製部材と対向して配置され、前記導体部のいずれかと接続される端子に電気的に接続された中継導体板と、を備え、前記金属製部材と前記中継導体板には、前記第１スイッチング素子または前記第２スイッチング素子のスイッチング動作に応じて前記導体部に流れるリカバリ電流によって渦電流がそれぞれ誘起される。
本発明によれば、リカバリ電流に対するインダクタンスの低減効果を大きくすることができる。
本発明による電力変換装置の実施形態１の斜視図である。 図１に図示された電力変換装置の分解斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図１を上方から観た、中継導体部を透過した状態で示す平面図である。 図２に図示された回路体の分解斜視図である。 本発明の電力変換装置の回路の一例を示す回路図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明の電力変換装置の電流経路を示す図である。 本発明による電力変換装置の冷却構造の一例を示し、図１のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における断面図である。 （Ａ）は、本発明による電力変換装置の実施形態２の分解斜視図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示された電力変換装置を上方から観た、中継導体部を透過した状態で示す平面図である。 本発明によるインダクタンスの低減効果を示す図である。 本発明による電力変換装置の実施形態３の断面図である。 図１１に図示された電力変換装置を上方から観た平面図である。 本発明による電力変換装置の実施形態４を示し、上方から観た平面図である。 （Ａ）は、図１３に図示されたパワーモジュールの電流経路を示し、（Ｂ）は、図１３に図示された中継導体部の電流経路を示す。 本発明による電力変換装置の実施形態５の断面図である。
−実施形態１−
以下、図１〜図８を参照して、本発明の電力変換装置の実施形態１を説明する。電力変換装置は、ハイブリッド自動車、電気自動車等の車両用、または電車や船舶、航空機用、さらには工場の設備等の産業用として用いられる。電力変換装置は、インバータ回路を内蔵し、直流電力を交流電力に変換して回転電機に供給する。また、回転電機からの交流電力を直流電力に変換する。電力変換回路は、コンデンサモジュールを内蔵する。コンデンサモジュールは、電力変換装置のＩＧＢＴ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ものである。インバータ回路は、複数個、例えば、３個のパワー半導体モジュールを備えており、各パワー半導体モジュールは３相ブリッジ回路を構成するように接続される。
図１は、本発明による電力変換装置の実施形態１の斜視図であり、図２は、図１に図示された電力変換装置の分解斜視図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図４は、図１を上方から観た、中継導体部７００を透過した状態で示す平面図である。実施形態１として示す電力変換装置３００は、１つの回路体３０２、すなわち、パワー半導体モジュールを有する。
パワーモジュール、すなわち、電力変換装置３００は、ケース３０４と、回路体３０２と、中継導体部７００とを備えている。ケース３０４と、回路体３０２と、中継導体部７００とは、それぞれ、水平状態に配置され、この順に積層されている。ケース３０４は、薄い直方体形状を有し、上部側には、回路体３０２を収容する収容部３０６が形成されている。図３に図示されるように、ケース３０４の底部３０４ａには、外方に向けて突出する複数の放熱用のフィン３０５が形成されている。ケース３０４およびフィン３０５は、電気伝導性が良好な金属、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｃ、Ｃｕ−ＣＵＯ等の複合材、あるいは、Ａｌ、ＡｉＳｉ、ＡｌＳｉＣ，Ａｌ−Ｃ等の複合材により形成することができる。フィン３０５は、ケース３０４と同一材料により一体に形成してもよいし、ケース３０４とは異なる材料により形成してもよい。
図５は、回路体３０２の分解斜視図である。回路体３０２は、図６に図示される上・下アーム回路を構成する部材を封止樹脂３０３（図３参照）で封止した、薄い直方体形状を有している。図３および図５に図示される回路体３０２を、図６に示す回路図と関連付けて説明する。直流正極導体板３１５と第一交流導体板３２０は略同一の平面内に配置されている。直流正極導体板３１５には、上アーム回路のＩＧＢＴ３２８の一面に形成されたコレクタ電極と上アーム回路のダイオード１５６の一面に形成されたカソード電極が半田等の金属接合材３３１を介して固着される。第一交流導体板３２０には、下アーム回路のＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極と下アーム回路のダイオード１６６のカソード電極が半田等の金属接合材３３１を介して固着される。金属接合材３３１として、例えばＳｎ合金系の軟ろう材（はんだ）やＡｌ合金・Ｃｕ合金等の硬ろう材や金属のナノ粒子・マイクロ粒子を用いた金属焼結材を用いることができる。
第二交流導体板３１８と直流負極導体板３１９とは略同一の平面内に配置されている。第二交流導体板３１８には、上アーム回路のＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と上アーム回路のダイオード１５６のアノード電極がはんだ等の金属接合材３３１を介して固着される。直流負極導体板３１９には、下アーム回路のＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極と下アーム回路のダイオード１６６のアノード電極が半田等の金属接合材３３１を介して固着される。
ＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６等のパワー半導体素子は、上記各導体板に設けられた素子固着部にそれぞれ固着される。各パワー半導体素子は板状の扁平構造であり、各電極は表裏面に形成されている。図３に図示されるように、直流正極導体板３１５と第二交流導体板３１８は、ＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６を挟んで、略平行に、水平状態に、配置されている。第一交流導体板３２０と直流負極導体板３１９は、ＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６を挟んで、略平行に、水平状態に、配置されている。第一交流導体板３２０と第二交流導体板３１８とは中間接続部３２９（図３〜図６参照）により接続されている。この接続により上アーム回路と下アーム回路が電気的に接続され、上下アーム直列回路が形成される。
直流正極端子３１５Ｄは、直流正極導体板３１５に一体に形成されている。直流負極端子３１９Ｄは、直流負極導体板３１９に一体に形成されている。外部信号端子３２７Ｕは、ＩＧＢＴ３２８のゲート電極およびエミッタ電極に接続されている。外部信号端子３２７Ｌは、ＩＧＢＴ３３０のゲート電極およびエミッタ電極に接続されている。
直流正・負極導体板３１５、３１９と、第一・第二交流導体板３２０、３１８と、直流正・負極端子３１５Ｄ、３１９Ｄと、外部信号端子３２７Ｕ、３２７Ｌとは、インサート成形により、封止樹脂３０３に一体に形成されている。図３に図示されるように、直流正極導体板３１５および第一交流導体板３２０の外表面は、それぞれ、封止樹脂３０３の外表面と面一であり、封止樹脂３０３から露出している。また、直流負極導体板３１９と、第二交流導体板３１８の上部表面は相互に面一であり、封止樹脂３０３によって覆われている。但し、直流負極導体板３１９と第二交流導体板３１８の上部表面も封止樹脂３０３から露出するようにしてもよい。
なお、上下アーム直列回路の上アーム回路と下アーム回路の接続部である第一交流導体板３２０には、交流端子３２０Ｄが接続される。交流端子３２０Ｄは、図示はしないが、交流バスバーを介して交流出力端子に接続され、発生した交流電力はモータジェネレータの固定子巻線に供給される。
回路体３０２の封止樹脂３０３としては、例えばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂を用いることができる。樹脂中に、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＢＮなどのセラミックスやゲル、ゴムなどを含有させると、熱膨張係数を導
体部に近づけることができる。部材間の熱膨張係数差が低減することにより、使用環境時の温度上昇に伴って発生する熱応力が低下する。これにより、回路体３０２、すなわち、パワー半導体モジュールの寿命をのばすことが可能となる。なお、以下では、直流正・負極導体板３１５、３１９、第一・第二交流導体板３２０、３１８を、適宜、単に導体板３１５、３１９、３２０、３１８という。
図３に図示されるように、回路体３０２は、熱伝導性の良好な絶縁シート３３３により、ケース３０４の底部３０４ａに熱結合される。この状態では、回路体３０２を構成する直流正極導体板３１５および第一交流導体板３２０の外表面は、絶縁シート３３３を介してケース３０４の底部３０４ａに密着されている。回路体３０２の導体板３１５、３１８、３１９、３２０は、ケース３０４の底部３０４ａと共に、ほぼ水平状態に配置される。これにより、回路体３０２の放冷効果が良好となる。また、電力変換装置３００を、低背化することができる。
直流正・負極端子３１５Ｄ、３１９Ｄ、外部信号端子３２７Ｕ、３２７Ｌおよび交流端子３２０Ｄは、図示はしないが補助モールド部材にインサート成形され、リード等の接続部材を介して、各導体板３１５、導体板３１９、ＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０、導体板３２０に、それぞれ、接合される。そして、回路体３０２は、ケース３０４の収容部３０６内に収容され、図１に図示されるように、ケース３０４内に外部封止樹脂３４９が充填される。
図４に図示されるように、中継導体部７００は、回路体３０２より一回り大きな矩形形状を有する。中継導体部７００は、回路体３０２の上方に配置されている。電力変換装置３００は、中継導体部７００がケース３０４の収容部３０６内に収容される構造としてもよく、中継導体部７００がケース３０４の収容部３０６の上面より外方に配置される構造としてもよい。
中継導体部７００は、図３に図示されるように、正極側バスバー７０３と負極側バスバー７０４とを封止樹脂７１０にインサート成形して形成されている。正極側バスバー７０３と負極側バスバー７０４とは、封止樹脂７１０の厚さ方向に離間して配置されており、絶縁されている。図示の例では、正極側バスバー７０３が回路体３０２に対面するように配置され、負極側バスバー７０４は、回路体３０２とは反対側の面に向けて配置されている。
中継導体部７００の正・負極側バスバー７０３、７０４は、それぞれ、導体板３１８、３１９の外周側面により形成される矩形形状の領域および導体板３１５、３２０の外周側面により形成される矩形形状の領域を覆う大きさを有する。但し、負極側バスバー７０４が回路体３０２の反対側に配置される図示の構造では、負極側バスバー７０４は、正極側バスバー７０３よりも小さい面積としてもよい。
図２および図４に図示されるように、正・負極側バスバー７０３、７０４は、回路体３０２に接続されるモジュール接続端子７０１およびコンデンサ９０（図７（Ｂ）参照）に接続されるキャパシタ接続端子７０２を有する。コンデンサ９０は、電圧を平滑化するためのコンデンサである。モジュール接続端子７０１およびキャパシタ接続端子７０２は、封止樹脂７１０の外部に導出されている。正極側バスバー７０３のモジュール接続端子７０１ａは、直流正極端子３１５Ｄに接続され、正極側バスバー７０３のキャパシタ接続端子７０２ａは、コンデンサ９０の正極側の端子に接続される。負極側バスバー７０４のモジュール接続端子７０１ｂは、直流負極端子３１９Ｄに接続され、負極側バスバー７０４のキャパシタ接続端子７０２ｂは、コンデンサ９０の負極側の端子に接続される。
図７（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態における電力変換装置３００の電流経路を示している。図７（Ａ）、（Ｂ）を参照して、本発明の電力変換装置によるインダクタンスの低減効果について説明する。サージ電圧やパワー半導体素子の発熱は、インバータ回路を構成する上アーム回路あるいは下アーム回路のスイッチング動作時に発生する。従って、特に、スイッチング動作時のインダクタンスを低減することが望ましい。スイッチング直後の過渡時にダイオードのリカバリ電流１００が発生するので、このリカバリ電流１００を例としてインダクタンスが低減される作用を説明する。ダイオードのリカバリ電流は、逆バイアスであるにもかかわらずダイオードに流れる電流である。つまり、リカバリ電流は、ダイオードの順方向状態でダイオード内に満たされたキャリアに起因して発生する。
上アーム回路として動作しているＩＧＢＴ３２８が導通状態から遮断状態に切り換わると、モータジェネレータの固定子巻線の電流を維持する方向に下アーム回路のダイオード１６６を介して還流電流が流れる。次に、上アーム回路として動作しているＩＧＢＴ３２８が遮断状態から再び導通状態に切り換わると、下アーム回路のダイオード１６６に上述したキャリアに起因するリカバリ電流１００が流れる。定常的な動作では上下アーム直列回路のどちらかが必ず遮断状態にあり、上・下アーム回路に短絡電流が流れることが無い。一方、過渡状態の電流、例えばダイオード１６６のリカバリ電流１００は、図７（Ｂ）に示されるように、上・下アーム回路で構成する直列回路を流れる。
リカバリ電流１００は、直流負極端子３１９Ｄと、直流負極端子３１９Ｄに近接して平行に配置された直流正極端子３１５Ｄを流れる。直流負極端子３１９Ｄと直流正極端子３１５Ｄとを流れる電流の向きは、直流負極端子３１９Ｄと直流正極端子３１５Ｄとが同方向に向けて平行に配置されている（図１参照）ため、逆方向となる。リカバリ電流１００は、直流負極端子３１９Ｄの間を、導体板３１５、３１８、３２０、３１９を経由して流れる。導体板３１５、３１８、３２０、３１９は、ループ形状の経路を形成している。このループ形状の経路をリカバリ電１００流が流れることによって、ケース３０４の底部３０４ａには誘導電流が発生し、図７（Ｂ）に示されるように、渦電流１０１が流れる。また、図７（Ａ）に示されるように、中継導体部７００の正極側バスバー７０３にも渦電流１０１が流れる。なお、図７（Ａ）では、負極側バスバー７０４は図示を省略されている。この渦電流１０１の周りに発生する磁束の向きとループ形状の経路を形成する上・下アーム回路の導体板３１５、３１８、３２０、３１９を流れるリカバリ電流１００により発生する磁束の向きとは、反対向きである。このため、お互いの磁束は打ち消し合い、回路体３０２の内部回路のインダクタンスが低減する。図７（Ｂ）においては、渦電流１０１を生じる現象を等価的にインダクタンス７２２、７２４および７２６として示す。
このように、実施形態１の電力変換装置３００では、ケース３０４の底部３０４ａと中継導体部７００の正極側バスバー７０３との間に、上・下アーム回路の導体板３１５、３１８、３２０、３１９により形成されるループ形状の経路を構成する。このため、上・下アーム回路を流れるリカバリ電流１００を、上・下アーム回路の上下両面に配置されたケース３０４の底部３０４ａと中継導体部７００の正極側バスバー７０３とに誘起される渦電流１０１により打ち消すことができる。従って、回路体３０２の内部回路のインダクタンスの低減効果を大きくすることができる。
図８は、本発明による水冷式の電力変換装置２９９の一例を示し、図１のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における断面図である。
水冷式の電力変換装置２９９は、電力変換装置３００、すなわちパワーモジュールと冷却用筐体４００とを備える。
冷却用筐体４００は、ケース３０４と同様な金属部材により形成されている。冷却用筐体４００には、電力変換装置３００が収容される収容部４０３と、底部４０５と、収容部４０３と底部４０５との間に設けられた段部４０４が形成されている。段部４０４は、ケース３０４の底部３０４ａの周縁部を保持する。段部４０４には、環状に形成された溝４０６が形成されている。溝４０６内には、Ｏリング４０８が嵌入される。電力変換装置３００は、Ｏリング４０８を圧縮した状態で、冷却用筐体４００の段部４０４上に固定される。冷却用筐体４００の底部４０５の内面４０５ａから段部４０４までの長さは、フィン３０５の長さより、少し、大きくされている。すなわち、底部４０５の内面４０５ａから段部４０４までの間が冷却流路４０７とされており、冷却流路４０７内における、フィン３０５の周囲およびフィン３０５同士の間隙を、冷却水等の冷媒が流れる。これにより、回路体３０２に内蔵されたＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６が冷却される。
上記実施形態１によれば、下記の効果を奏する。
（１）回路体３０２を構成する直流正極端子３１５Ｄと直流負極端子３１９Ｄとを、近接して平行に配置した。また、上・下アーム回路の導体板３１５、３１８、３２０、３１９を、ループ形状の経路を形成するように配置した。これにより、上・下アーム回路を流れるリカバリ電流１００がループ形状の経路を流れる。この回路体３０２を、金属製のケース３０４の底部３０４ａ上に配置し、回路体３０２上に、中継導体部７００を配置した。このため、回路体３０２の上・下アーム回路を流れるリカバリ電流１００を、回路体３０２の上下両面に配置されたケース３０４および中継導体部７００に誘起される渦電流１０１により打ち消すことができる。リカバリ電流１００を上・下アーム回路の上下両面から打ち消すので、回路体３０２の内部回路のインダクタンスの低減効果を大きくすることができる。
（２）渦電流１０１が誘起される中継導体部７００の正極側バスバー７０３のサイズを、導体板３１８、３１５、３１９、３２０全体を覆うサイズとした。また、正極側バスバー７０３により、第一交流導体板３２０と第二交流導体板３１８とを接続する中間接続部３２９上を覆うようにした。図４に図示されるように、第一交流導体板３２０と第二交流導体板３１８とは、中間接続部３２９のみにより接続されている。このため、中間接続部３２９には、導体板３１８、３１５を流れるリカバリ電流１００が集中して流れる。このため、中間接続部３２９付近は、インダクタンスが高い状態となっている。従って、中間接続部３２９の上下面をケース３０４および中継導体部７００で覆い、回路体３０２の中継導体部７００付近においても渦電流１０１による磁界相殺効果を得ることで、回路体３０２の内部回路のインダクタンスの低減効果を、さらに大きくすることができる。
（３）回路体３０２とコンデンサ９０とを接続する正極側バスバー７０３が回路体３０２の内部回路のインダクタンスを低減するための機能を兼用する構造とした。このため、部品点数を削減し、安価で、薄型化され、且つ生産性がよい電力変換装置３００とすることができる。
（４）回路体３０２の導体板３１５、３１８、３１９、３２０は、ケース３０４の底部３０４ａと共にほぼ水平状態に配置されている。このため、回路体３０２は低背化され、パワーモジュールである電力変換装置３００を低背化することができる。
（５）図１０に図示されるように、パワーモジュール３００を収容する冷却用筐体４００は、その底部４０５が、導体板３１５、３１８、３１９、３２０が収容されたケース３０４の底部３０４ａと平行に形成されている。このため、パワーモジュール３００を、冷却水などの冷媒により冷却する冷却用筐体４００を有する構造の電力変換装置２９９を低背化することができる。
−実施形態２−
図９（Ａ）は、本発明による電力変換装置３００の実施形態２の分解斜視図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示された電力変換装置を上方から観た、中継導体部７００を透過した状態で示す平面図である。実施形態２は、中継導体部７００が、上アーム回路を構成するＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６とを挟持する導体板３１５、３1８側のみを覆う構造を有している。換言すれば、実施形態２の電力変換装置では、下アーム回路を構成するＩＧＢＴ３３０とダイオード１６６とを挟持する導体板３２０、３１９、および中間接続部３２９は、中継導体部７００から露出している。実施形態２における他の構造は、実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
実施形態２においては、実施形態１と同様に、上・下アーム回路を流れるリカバリ電流は、ケース３０４側では、底部３０４ａに誘起される渦電流１０１により打ち消され、インダクタンスが低減される。一方、中継導体部７００側では、上アーム回路のＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６を挟持する導体板３１５、３1８を流れるリカバリ電流１００が中継導体部７００に誘起される渦電流１０１により打ち消され、インダクタンスが低減される。従って、中継導体部７００側によるリカバリ電流１００の打ち消し作用を有していない構造に比し、インダクタンスの低減効果を大きくすることができる。
従って、実施形態１の効果（１）〜（５）と同様な効果を奏する。
図１０を参照して、本発明によるインダクタンスの低減効果を、従来構造と対比して説明する。回路体３０２の上方に、本発明の中継導体部７００が配置されていない電力変換装置の構造を、従来構造とした。回路体３０２の内部回路に生じるインダクタンスについて、従来構造と上記実施形態１、２の電力変換装置３００とを比較した結果を図９に示す。 中継導体部７００により、ＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６とを挟持する導体板３１５、３1８側のみを覆う実施形態２の電力変換装置３００では、インダクタンスは、従来構造の７５％に低減した。また、中継導体部７００により、上・下アーム回路の導体板３１５、３１８および導体板３２０、３１９、ならび中間接続部３２９を覆った実施形態１の電力変換装置３００では、インダクタンスは、従来構造の６８％に低減した。これにより、実施形態１、２のいずれも、従来構造に比し、回路体３０２、すなわちパワー半導体モジュールに生じるインダクタンスを低減する効果があることが確認された。
−実施形態３−
図１１は、本発明による電力変換装置の実施形態３の断面図であり、図１２は、図１１に図示された電力変換装置を上方から観た平面図である。実施形態３の電力変換装置２９９は、制御基板２００を備えている。但し、図１２には、制御基板２００は、図示が省略されている。水冷式の電力変換装置２９９は、３つのパワーモジュール３００と、４つのコンデンサ５００と、制御基板２００とを筐体６００内に収容した構造を有する。筐体６００は、下部筐体６００ａと上部筐体６００ｂとを有する。パワーモジュール３００は、実施形態１の電力変換装置３００としてのパワーモジュールとほぼ同様な構造を有している。しかし、実施形態３における水冷式の電力変換装置２９９では、中継導体部７００Ａは、３つのパワーモジュール３００に共通に１つ設けられている。中継導体部７００Ａの正極側バスバー７０３は、各パワーモジュール３００の直流正極端子３１５Ｄ（図１参照）および各コンデンサ５００の正極側の端子５０２に接続されている。同様に、中継導体部７００Ａの負極側バスバー７０４は、各パワーモジュール３００の直流負極端子３１９Ｄ（図１参照）および各コンデンサ５００の負極側の端子５０２に接続されている。各コンデンサ５００は、実施形態１のコンデンサ９０（図７（Ｂ）参照）に対応する。
中継導体部７００Ａの正・負極側バスバー７０３、７０４は、３つのパワーモジュール３００の導体板３１８、３１９および中間接続部３２９全体を覆っている。交流バスバー７０９は、各パワーモジュール３００の交流端子３２０Ｄに接続され、筐体６００に形成された開口から外部に導出されている。
筐体６００は、３つのパワーモジュール３００が収容されるパワーモジュール収容部６０１と、４つのコンデンサ５００を収容するコンデンサ収容部６０２と、制御基板２００を収容する基板収容部６０３とを有する。パワーモジュール収容部６０１は、３つのパワーモジュール３００を収容する広さの空間とされているが、基本的には、図１０に図示された冷却用筐体４００と同様な構造を有する。パワーモジュール収容部６０１とコンデンサ収容部６０２とは仕切り壁６０４により仕切られている。４つのコンデンサ５００は、それぞれ、正・負極側の端子５０２をパワーモジュール収容部６０１側に向けて、コンデンサ収容部６０２内に、直線状に配列されている。制御基板２００は、仕切り壁６０４上に配置されている。図示はしないが、筐体６００に、仕切り壁６０４の他に、制御基板２００を支持するボス部を設けるようにしてもよい。
制御基板２００には、各パワーモジュール３００のＩＧＢＴをスイッチングするドライバ回路およびドライバ回路に指令を送るマイコン等の電子部品が実装されている。ドライバ回路や電子部品は、制御基板２００の上面側、換言すれば、パワーモジュール３００やコンデンサ５００に対面する側の反対面側に設けられている。図１２には、制御基板２００は図示されていないが、制御基板２００は、中継導体部７００Ａおよびコンデンサ５００を覆って、その上方に配置されている。
実施形態３の電力変換装置２９９は、実施形態１と同様な構造を有するので、実施形態１の効果（１）〜（５）と同様な効果を奏する。特に、パワーモジュール収容部６０１およびコンデンサ収容部６０２の上方に、広い面積の基板収容部６０３を設けて、制御基板２００を収容可能な構造とした。制御基板２００は、パワーモジュール３００やコンデンサ５００と平行に配置されている。このため、制御基板２００が内蔵された筐体６００を有する電力変換装置２９９の低背化を図ることができる。
−実施形態４−
図１３は、本発明による電力変換装置の実施形態４を示し、上方から観た平面図である。 実施形態４の電力変換装置２９９は、パワーモジュール３００が、インバータ直列回路３相を内蔵した６ｉｎ１構造を有する。換言すれば、パワーモジュール３００は、上下アーム直列回路３相分を一纏めにした構造を有する。ＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６を導体板３１５、３１８間に介装した各上アーム回路と、ＩＧＢＴ３３０とダイオード１６６を導体板３２０、３１９間に介装した各下アーム回路とは、直線状に配列された状態で中間接続部３２９により接続され、パワー半導体モジュール３０１を構成している。３つのパワー半導体モジュール３０１は、長手方向に平行に配列された状態で封止樹脂３０３により封止されている。このように、実施形態４のパワーモジュール３００は、上下アーム直列回路が１つのパワー半導体モジュール３０１とされ（２ｉｎ１）、３つのパワー半導体モジュール３０１が一纏めにされた６ｉｎ１構造となっている。
実施形態３と同様に、実施形態４の筐体６００は、３つのパワーモジュール３００が収容されるパワーモジュール収容部６０１と、４つのコンデンサ５００を収容するコンデンサ収容部６０２と、パワーモジュール収容部６０１とコンデンサ収容部６０２とを仕切る仕切り壁６０４とを有する。また、図示はしないが、パワーモジュール収容部６０１およびコンデンサ収容部６０２の上方には、制御基板２００を収容する基板収容部（図１１の６０３に対応する）を有する。４つのコンデンサ５００は、２列に配列されて、コンデンサ収容部６０２内に収容されている。コンデンサ５００を２列に配列することにより、パワーモジュール収容部６０１の幅（パワー半導体モジュール３０１の配列方向の長さ）とコンデンサ収容部６０２の幅とをほぼ等しくすることができる。
パワーモジュール３００およびコンデンサ５００の上方に、中継導体部７００Ａが配置されている。中継導体部７００Ａの一端は、上アーム回路の一部、すなわち、導体板３１５、３１８の一部に重なる位置までに延在されている。中継導体部７００Ａの他端は、一列目のコンデンサ５００を覆い、かつ、二列目のコンデンサ５００の正・負極側の端子５０２に対応する位置まで延在されている。つまり、中継導体部７００Ａは、中間接続部３２９全体、下アーム回路全体およびコンデンサ５００の一部を覆っている。実施形態３と同様、中継導体部７００Ａの正・負極側バスバー７０３、７０４は、直流正・負極端子３１５Ｄ、３１９Ｄに接続され、また、各コンデンサ５００の正・負極側の端子５０２に接続されている。
図１３には、図示されていないが、中継導体部７００Ａの上方には、図１１に示された電力変換装置２９９と同様に、制御基板２００が配置される。なお、各パワー半導体モジュール３０１の交流端子３２０Ｄに接続された交流バスバー７０９は、筐体６００の一側部に設けられた開口から、筐体６００の外部に導出されている。
図１４（Ａ）は、図１３に図示されたパワーモジュールの電流経路を示し、図１４（Ｂ）は、図１３に図示された中継導体部の電流経路を示す。上述したように、実施形態４では、ＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６を導体板３１５、３１８間に介装した上アーム回路と、ＩＧＢＴ３３０とダイオード１６６を導体板３２０、３１９間に介装した下アーム回路とは、直線状に配列されている。しかし、上アーム回路に接続される直流正極端子３１５Ｄと下アーム回路に接続される直流負極端子３１９Ｄは、上下アーム直列回路に垂直な方向に配置されている。このため、実施形態１の場合と同様、スイッチング時に発生するリカバリ電流１００は、図１４（Ａ）に図示するようにループ形状の経路を流れる。このリカバリ電流１００により、図示は省略するが、筐体６００に渦電流が流れる。また、図１４（Ｂ）に示すように、中継導体部７００の正極側バスバー７０３にも渦電流１０１が流れる。筐体６００および正極側バスバー７０３に発生する渦電流１０１の周りに発生する磁束の向きはリカバリ電流１００の周りに発生する磁束の向きとは反対向きである。このため、お互いの磁束は打ち消し合い、内部回路のインダクタンスが低減する。
実施形態４の電力変換装置２９９は、実施形態３と同様な効果を奏する。加えて、パワーモジュール３００を６ｉｎ１とすることで、実施形態３よりも小型化を図ることができ、設置場所の省床面積化を図ることが可能である。
−実施形態５−
図１５は、本発明による電力変換装置の実施形態５の断面図である。実施形態５の電力変換装置２９９は、パワーモジュール３００とコンデンサ５００とを積層した構造を有する。筐体６００は、下部筐体６００ａと上部筐体６００ｂとを有する。筐体６００の高さ方向の中間部に中段仕切り部６０６を有する。中段仕切り部６０６は、下部筐体６００ａと一体に形成されている。中段仕切り部６０６の一端側に、下部筐体６００ａと上部筐体６００ｂとを連通する開口部６０７が形成されている。コンデンサ５００は、中段仕切り部６０６の下方に形成されたコンデンサ収容部６０２内に収容されている。パワーモジュール３００は、中段仕切り部６０６の上方に形成されたパワーモジュール収容部６０１内に配置されている。中段仕切り部６０６には、ケース３０４のフィン３０５が収容される冷却流路４０７が形成されている。
各コンデンサ５００の正・負極側の端子５０２は、中段仕切り部６０６の開口部６０７を挿通されて、パワーモジュール収容部６０１内に導入されている。実施形態１と同様に、回路体３０２上に中継導体部７００が配置されている。中継導体部７００の正・負極側バスバー７０３、７０４は、直流正・負極端子３１５Ｄ、３１９Ｄおよび各コンデンサ５００の正・負極側の端子５０２に接続されている。
パワーモジュール３００の上方には、制御基板２００が配置されている。つまり、パワーモジュール収容部６０１内には、パワーモジュール３００および制御基板２００が収容される。
実施形態５における他の構成については、他の実施形態における対応する部材と同一の符号を付して説明を省略する。
実施形態５の電力変換装置２９９は、実施形態４と同様な効果を奏する。特に、コンデンサ５００とパワーモジュール３００とを積層する構造としたので、より一層省床面積化を図ることができる。
なお、実施形態５において、パワーモジュール３００は、６ｉｎ１とすることもできる。コンデンサ５００を、二段に積層する構造とすることもできる。
上記各実施形態において、中継導体部７００、７００Ａは、正極側バスバー７０３を回路体３０２に対面する側に配置した構造として例示した。しかし、負極側バスバー７０４を回路体３０２に対面する側に配置する構造としてもよい。つまり、負極側バスバー７０４に、回路体３０２のリカバリ電流１００を打ち消す渦電流１０１が誘起される機能をもたせてもよい。
また、回路体３０２の交流端子３２０Ｄに接続される交流バスバーを中継導体部７００、７００Ａとしてもよい。リカバリ電流１００を打ち消す渦電流１０１は、回路体３０２に近接して配置されたバスバーに誘起される。従って、中継導体部７００、７００Ａは、正極側バスバー７０３、負極側バスバー７０４および交流バスバーのいずれか、またはこれらを、２つまたは３つ、任意に組み合わせて一体化する構造とすることができる。但し、正・負極側バスバー７０３、７０４および交流バスバーは、相互に絶縁された状態とする必要がある。
さらに、上記各実施形態において、パワーモジュール３００の向きを上下逆としてもよい、すなわち、導体板３１８または導体板３１５の一方と、導体板３１９または導体板３２０の一方とに対向して、ケース３０４を配置すると共に、導体板３１８または導体板３１５の他方と、導体板３１９または導体板３２０の他方との少なくとも一つに対向して、中継導体板７００、７００Ａを配置する。このようにすれば、上記実施形態で折目下効果を奏することができる。
上記実施形態１〜５の電力変換装置３００、２９９を組み合わることもできる。上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
２９９ 電力変換装置
３００ 電力変換装置（パワーモジュール）
３０１ パワー半導体モジュール
３０２ 回路体
３０４ ケース（金属製部材）
３１５ 直流正極導体板（導体部）
３１５Ｄ 直流正極端子（端子）
３１９ 直流負極導体板（導体部）
３１９Ｄ 直流負極端子（端子）
３１８ 第二交流導体板（導体部）
３２０ 第一交流導体板（導体部）
３２０Ｄ 交流端子（端子）
３２８、３３０ ＩＧＢＴ（スイッチング素子）
４００ 冷却用筐体
５００ コンデンサ
６００ 筐体（金属製部材）
７００、７００Ａ 中継導体部（中継導体部材）
７０３ 正極側バスバー（中継導体板）
７０４ 負極側バスバー（中継導体板）
７０９ 交流バスバー（中継導体板）
７１０ 封止樹脂（樹脂）

Claims (7)

  1. 電力変換回路の上アーム回路を構成する第１スイッチング素子と、前記電力変換回路の下アーム回路を構成する第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子に電流を伝達する複数の導体部と、を有する回路体と、
    金属製部材と、
    前記回路体を挟んで前記金属製部材と対向して配置され、前記導体部のいずれかと接続される端子に電気的に接続された中継導体板と、を備え、
    前記金属製部材と前記中継導体板には、前記第１スイッチング素子または前記第２スイッチング素子のスイッチング動作に応じて前記導体部に流れるリカバリ電流によって渦電流がそれぞれ誘起される電力変換装置。
  2. 請求項１に記載された電力変換装置において、
    前記金属製部材は、冷媒と接触する放熱部材を有する電力変換装置。
  3. 請求項１または２に記載された電力変換装置において、
    前記導体部は、
    前記第１スイッチング素子を挟んで互いに対向する第１導体板及び第２導体板と、
    前記第２スイッチング素子を挟んで互いに対向する第３導体板及び第４導体板と、
    前記第２導体板と前記第３導体板を接続する中間接続部とにより構成され、
    前記金属製部材は、前記第１導体板または前記第２導体板の一方と、前記第３導体板または前記第４導体板の一方と、前記中間接続部とに対向して配置され、
    前記中継導体板は、少なくとも前記第１導体板または前記第２導体板の他方に対向して配置されている電力変換装置。
  4. 請求項３に記載された電力変換装置において、
    前記中継導体板は、さらに、前記第３導体板または前記第４導体板の他方と、前記中間接続部とに対向して配置されている電力変換装置。
  5. 請求項１に記載された電力変換装置において、
    さらに、電圧を平滑化するためのコンデンサを備え、
    前記中継導体板は、前記回路体および前記コンデンサに接続されている電力変換装置。
  6. 請求項５に記載された電力変換装置において、
    前記端子は、直流正極端子および直流負極端子を含み、
    前記中継導体板は、
    前記直流正極端子および前記コンデンサに接続される正極バスバーと、
    前記直流負極端子および前記コンデンサに接続される負極バスバーと、
    前記正極バスバーと前記負極バスバーとを相互に絶縁した状態で封止する封止樹脂とを備える電力変換装置。
  7. 請求項１に記載された電力変換装置において、
    前記端子は交流端子を含み、
    前記中継導体板は、前記交流端子に接続される交流バスバーである電力変換装置。
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