(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサ素子と、
前記コンデンサ素子と接続される導体と、
前記コンデンサ素子の全体を封止するとともに前記導体の一部を封止する第１のモールド樹脂と、
直流電流を交流電流に変換するパワーモジュールと、
前記第１のモールド樹脂の収納空間及び前記パワーモジュールを冷却する冷却水路を一体に形成する金属ケースと、
前記第１モールド樹脂に固定された絶縁シートと、を備え、
前記導体は、前記金属ケースの前記収納空間と繋がる開口から突出し、かつ当該金属ケースの外壁に沿って前記パワーモジュールまで延ばされ、
前記絶縁シートは、前記金属ケースの前記収納空間と繋がる開口から突出し、かつ前記金属ケースの外壁と前記導体との間の空間に配置される電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記第１のモールド樹脂と前記金属ケースとの間に配置されるとともに当該第１のモールド樹脂を当該金属ケースに保持する第２のモールド樹脂を備え、
前記第１のモールド樹脂は、前記第２のモールド樹脂よりも耐湿性の高い樹脂材料により構成される電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第１のモールド樹脂は、抜き勾配が形成される電力変換装置。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記金属ケースは、前記収納空間を形成する当該金属ケースの内壁に凹凸を設ける電力変換装置。
【請求項５】
請求項１ないし４に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記コンデンサ素子は、蒸着されたフィルムを巻回されて形成され、かつ前記コンデンサ素子の巻軸方向の長さが巻軸方向の楕円形の断面の長軸の長さよりも小さく形成される電力変換装置。
【請求項６】
請求項１ないし５に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記導体は、第１幅広導体と、絶縁部材と、前記絶縁部材を挟んで前記第１幅広導体を対向する位置に配置される第２幅広導体とにより構成される電力変換装置。
【請求項７】
請求項１ないし６に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記金属ケースは、前記パワーモジュールが配置される面より凹んだ段差部を形成し、
前記導体は、前記段差部によって形成された凹み部と対向するように形成される電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンデンサモジュールを備えた電力変換装置に係り、特に、パワー半導体素子のスイッチング時のサージ電圧を低減するに好適な、低インダクタンスな配線，端子接続構造と、高放熱構造の電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大電流のスイッチング可能なパワー半導体素子の開発が進み、これを用いた電力変換装置は、スイッチングにより効率よくモータ等の負荷に電力を供給することができる。このため、電車，自動車等の車載用電機システムのモータ駆動に幅広く利用され、特にハイブリッド自動車ではエンジンと電気モータを組み合わせて、モータの低回転からの高トルク，電池への回生エネルギーの貯蔵，アイドル・ストップシステムを加えることで、高燃費，ＣＯ2の削減を実現している。
【０００３】
この電力変換装置に用いるコンデンサ素子は大容量化が求められており、複数のコンデンサ素子が用いられることが多い。複数のコンデンサ素子を集合体としてモジュール化される（特許文献１）。
【０００４】
車両の小型に伴い車載空間が小さくなる傾向にあり、複数の装置同士、又は装置内の部品間において熱伝達が発生しやすい環境になっている。上記複数のコンデンサ素子は、導電性の導体に接続される。特に、これら複数のコンデンサ素子や導体を熱から保護する必要性が高まっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−７６９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、複数のコンデンサ素子や導体を熱から保護することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のコンデンサモジュールのうち代表的な一つは、コンデンサ素子と、前記コンデンサ素子と接続される導体と、前記コンデンサ素子の全体を封止するとともに前記導体の一部を封止する第１のモールド樹脂と、前記第１のモールド樹脂の収納空間を形成するケースと、冷却冷媒を流すために流路を形成する流路形成体と、を備え、前記ケースは、前記流路形成体と一体に形成される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の構成によれば、複数のコンデンサ素子や導体を熱から保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による車載用電機システム搭載した車両の構成を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による車載用電機システムに用いる電力変換装置の主回路図である。
【図３】本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールの外観斜視図である。
【図４】（ａ）本発明の第１の実施形態による電力変換装置の外観斜視図である。（ｂ）（ａ）の電力変換装置の断面図である。（ｃ）（ｂ）の要部拡大図である。（ｄ）（ｂ）の一部断面拡大図である。
【図５】本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールの分解図である。
【図６】本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールの主要部の斜視図および電流経路の説明図である。
【図７】（ａ）絶縁シートで絶縁をとった第１の実施形態の断面図である。（ｂ）絶縁シートをコンデンサ素子ＣＤＳ間に挿入した場合の第１の実施形態を示した図である。
【図８】本発明の第１の実施形態による電力変換装置のコンデンサモジュールとパワーモジュールの接続を示す分解斜視図である。
【図９】（ａ）本発明の第１の実施形態による電力変換装置のコンデンサモジュールとパワーモジュールの接続を示す断面図である。（ｂ）（ａ）の斜視図である。（ｃ）（ｂ）の一部構成を示した図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態による電力変換装置のインダクタンス回路図であり、（ａ）オフ時の電流、（ｂ）オン時の電流である。
【図１１】本発明の第２の実施形態によるコンデンサモジュールの外観斜視図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態によるコンデンサモジュールの分解図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態による電力変換装置のコンデンサモジュールとパワーモジュールの組図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態による電力変換装置のコンデンサモジュールとパワーモジュールの分解図である。
【図１５】（ａ）（ｂ）本発明の第２の実施形態による電力変換装置のコンデンサモジュールとパワーモジュールの接続断面図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態による電力変換装置の回路図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態によるコンデンサモジュールの構成を示す分解斜視図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態によるコンデンサモジュールの構成を示す断面図である。
【図１９】（ａ）本発明の第１の実施形態による電力変換装置のパワー半導体素子ＩＧＢＴに流れる電流，電圧の概略波形である。（ｂ）ダイオードに流れる電流，電圧の概略波形である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態によるコンデンサモジュール，電力変換装置及び車載用電機システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
以下に説明する実施形態では、本発明のコンデンサモジュールが用いられる電力変換装置として、車載用電力変換装置を例にあげる。
【００１２】
なお、以下に説明する構成は、ＤＣ／ＤＣコンバータや直流チョッパなどの直流−直流電力変換装置にも適用可能である。また、以下に説明する構成は、産業用や家庭用などの電力変換装置にも適用可能である。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態によるコンデンサモジュールを使用した電力変換装置ＩＮＶを用いて構成した車載用電機システムと、内燃機関のエンジンシステムを組み合わせたハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と称する）のブロック図である。
【００１４】
本実施形態のＨＥＶは、前輪ＦＲＷ，ＦＬＷ，後輪ＲＰＷ，ＲＬＷ，前輪車軸ＦＤＳ，後輪車軸ＲＤＳ，デファレンシャルギアＤＥＦ、変速機Ｔ／Ｍ，エンジンＥＮＧ，電動機ＭＧ１，ＭＧ２，電力変換装置ＩＮＶ，バッテリＢＡＴ，エンジン制御装置ＥＣＵ，変速機制御装置ＴＣＵ，電動機制御装置ＭＣＵ、バッテリ制御装置ＢＣＵ、車載用ローカルエリアネットワークＬＡＮを備える。
【００１５】
本実施例では、駆動力は、エンジンＥＮＧと２つの電動機ＭＧ１，ＭＧ２で発生し、変速機Ｔ／Ｍ，デファレンシャルギアＤＥＦ，前輪車軸ＦＤＳを通じて前輪ＦＲＷ，ＦＬＷに伝わる。
【００１６】
変速機Ｔ／Ｍは、複数のギアから構成され、速度等の運転状態に応じてギア比を変えることができる装置である。
【００１７】
デファレンシャルギアＤＥＦは、カーブなどで左右の車輪ＦＲＷ，ＦＬＷに速度差があるときに、適切に左右に動力を分配する装置である。
【００１８】
エンジンＥＮＧは、インジェクタ，スロットバルブ，点火装置，吸排気バルブ（いずれも図示省略）などの複数のコンポーネントで構成される。インジェクタは、エンジンＥＮＧの気筒内に噴射する燃料を制御する燃料噴射弁である。スロットバルブは、エンジンＥＮＧの気筒内に供給される空気の量を制御する絞り弁である。点火装置は、エンジンＥＮＧの気筒内の混合気を燃焼させる火源である。吸排気バルブは、エンジンＥＮＧの気筒の吸気及び排気に設けられた開閉弁である。
【００１９】
電動機ＭＧ１，ＭＧ２は、三相交流同期式、つまり永久磁石回転電機である。
【００２０】
尚、電動機ＭＧ１，ＭＧ２としては、三相交流誘導式回転電機やリラクタンス式回転電機などのものを用いてもよい。
【００２１】
電動機ＭＧ１，ＭＧ２は、回転する回転子と、回転磁界を発生する固定子からなる。
【００２２】
回転子は、鉄心の内部に複数の永久磁石を埋め込んだもの、もしくは、鉄心の外周表面に複数の永久磁石を配置して構成する。固定子は、電磁鋼板に銅線を巻回して構成する。
【００２３】
固定子の巻線に三相交流電流を流すことにより、回転磁界が発生し、回転子が生じるトルクにより電動機ＭＧ１，ＭＧ２を回転させることができる。
【００２４】
電力変換装置ＩＮＶは、パワー半導体のスイッチングにより、電動機ＭＧ１，ＭＧ２の電力を制御するものである。簡単に言えば、高圧バッテリＢＡＴの直流源を、電動機ＭＧ１，ＭＧ２に繋いだり（オン），切ったり（オフ）することで、電動機ＭＧ１，ＭＧ２を制御する。本実施例では、電動機ＭＧ１，ＭＧ２が三相交流モータであるので、スイッチング（オン，オフ）の時間幅の粗密により、三相交流電圧発生させ、電動機ＭＧ１，ＭＧ２の駆動力を制御する（ＰＷＭ制御）。
【００２５】
電力変換装置ＩＮＶは、スイッチング時に瞬時に電力を供給するコンデンサモジュールＣＭ，スイッチングするパワーモジュールＰＭＵ，パワーモジュールのスイッチングを駆動回路装置ＤＣＵ及び、スイッチングの時間幅の粗密を決める電動機制御装置ＭＣＵから構成する。
【００２６】
コンデンサモジュールＣＭ，パワーモジュールＰＭＵは、図３以降に詳しく説明する。
【００２７】
電動機制御装置ＭＣＵは、総合制御装置ＧＣＵからの回転数指令ｎ*，トルク指令値τ*を電動機ＭＧ１，ＭＧ２で実現するため、パワーモジュールＰＭＵのスイッチングを決定する。このため演算するためのマイコン，データマップなどのメモリを搭載している。
【００２８】
駆動回路装置ＤＣＵは、電動機制御装置ＭＣＵで決定されたＰＷＭ信号に基づいて、パワーモジュールＰＭＵを駆動する。このため、パワーモジュールＰＭＵを駆動に必要な、数Ａ、数十Ｖの駆動能力を持つ回路を搭載する。また、高電位側のパワー半導体素子を駆動するために、制御信号を絶縁分離する回路を搭載している。
【００２９】
バッテリＢＡＴは、直流電源で、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの電力密度の高い２次電池で構成する。電力変換装置ＩＮＶを介して、電動機ＭＧ１，ＭＧ２に電力を供給し、または、逆に、電動機ＭＧ１，ＭＧ２の発電力を電力変換装置ＩＮＶで変換して貯蔵する。
【００３０】
変速機Ｔ／Ｍ，エンジンＥＮＧ，電力変換装置ＩＮＶ，バッテリＢＡＴは、各々、変速機制御装置ＴＣＵ，エンジン制御装置ＥＣＵ，電動機制御装置ＭＣＵ，バッテリ制御装置ＢＣＵで制御する。これらの制御装置は、車載用ローカルエリアネットワークＬＡＮにより、総合制御装置ＧＣＵに接続し、総合制御装置からの指令値に基づき統括するとともに、双方向の通信も可能である。各制御装置は、総合制御装置ＧＣＵの指令信号（指令値），各種センサ，他の制御装置の出力信号（各種パラメータ値），予め記憶装置に記憶されているデータやマップなどをもとに、機器を制御する。
【００３１】
例えば、総合制御装置ＧＣＵは、運転者の加速要求に基づいたアクセルの踏み込み量に応じて車両の必要トルク値を算出し、この必要トルク値を、エンジンＥＮＧの運転効率が良くなるように、エンジンＥＮＧ側の出力トルク値と第１の電動機ＭＧ１側の出力トルク値とに分配する。分配されたエンジンＥＮＧ側の出力トルク値はエンジントルク指令信号としてエンジン制御装置ＥＣＵに、分配された第１の電動機ＭＧ１側の出力トルク値はモータトルク指令信号として電動機制御装置ＭＣＵに伝達され、各々、エンジンＥＮＧ，電動機ＭＧ１を制御する。
【００３２】
次に、ハイブリッド自動車の運転モードを説明する。
【００３３】
まず、車両の発進時や低速走行時においては、主に電動機ＭＧ１を電動機として動作させ、電動機ＭＧ１で発生した回転駆動力を、変速機Ｔ／Ｍ及びデファレンシャルギアＤＥＦを介して前輪車軸ＦＤＳに伝達する。これにより、前輪車軸ＦＤＳが電動機ＭＧ１の回転駆動力によって回転駆動されて前輪ＦＲＷ、ＦＬＷが回転駆動し、車両が走行する、この時、電動機ＭＧ１には、バッテリＢＡＴからの出力電力(直流電力)が電力変換装置ＩＮＶによって三相交流電力に変換し供給する。
【００３４】
次に、車両の通常走行時（中速，高速走行時）においては、エンジンＥＮＧと電動機ＭＧ１を併用し、エンジンＥＮＧで発生した回転駆動力と、電動機ＭＧ１で発生した回転駆動力とを、変速機Ｔ／Ｍ及びデファレンシャルギアＤＦＦを介して前輪車軸ＦＤＳに伝達する。これにより、前輪車軸ＦＤＳがエンジンＥＮＧと電動機ＭＧ１の回転駆動力によって回転駆動されて前輪ＦＲＷ，ＦＬＷが回転駆動し、車両が走行する。また、エンジンＥＮＧで発生した回転駆動力の一部は、電動機ＭＧ２に供給する。この動力の分配により、電動機ＭＧ２は、エンジンＥＮＧで発生した回転駆動力の一部によって回転駆動され、発電機として動作し、発電する。電動機ＭＧ２によって発電された三相交流電力は電力変換装置ＩＮＶに供給され、一旦直流電力に整流された後、再び三相交流電力に変換し、電動機ＭＧ１に供給する。これにより、電動機ＭＧ１１は回転駆動力を発生する。
【００３５】
次に、車両の加速時、特にエンジンＥＮＧに供給される空気量を制御するスロットル弁の開度が全開になる急加速時（例えば急勾配坂の登坂時で、アクセルの踏み込み量が大きい時）においては、前述した通常走行時の動作に加え、バッテリＢＡＴからの出力電力を電力変換装置ＩＮＶによって三相交流電力に変換して電動機ＭＧ１に供給し、電動機ＭＧ１によって発生する回転駆動力を増加する。
【００３６】
次に、車両の減速・制動時においては、前輪ＦＲＷ，ＦＬＷの回動による駆動車軸ＤＳＦの回絵駆動力をデファレンシャルギアＤＦＦ，変速機Ｔ／Ｍを介して電動機ＭＧ１に供給して、電動機ＭＧ１を発電機として動作させ、発電させる、発電によって得られた三相交流電力（回生エネルギー）は、電力変換装置ＩＮＶによって直流電力に整流され、バッテリＢＡＴに供給する。これにより、バッテリＢＡＴを充電する。車両の停止時は、基本的にはエンジンＥＮＧ及び電動機ＭＧ１，ＭＧ２の駆動は停止するが、バッテリＢＡＴの残量が少ない場合には、エンジンＥＮＧを駆動して電動機ＭＧ２を発電機として動作させ、得られた発電電力を電力変換装置ＩＮＶを介してバッテリＢＡＴを充電する。
【００３７】
なお、ＭＧ１，ＭＧ２の発電，駆動の役割は、特に限定されず、効率によっては、上述と逆の役割で動作する。
【００３８】
本発明の実施形態による車載用電機システムの電力変換装置ＩＮＶの大電流が流れる主回路の回路図を図２に示す。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３９】
本実施形態の電力変換装置ＩＮＶは、スイッチング時に瞬時に電力を供給するコンデンサモジュールＣＭ、スイッチングするパワーモジュールＰＭＵ，パワーモジュールＰＭＵのスイッチング電力を供給する駆動回路装置ＤＣＵ，電動機を制御するためにスイッチング波形を制御する電動機制御装置ＭＣＵから構成する。なお、図２では、第１の電動機ＭＧ１に対する電力変換装置ＩＮＶの構成のみを示しているが、図１の電力変換装置ＩＮＶは、第２の電動機ＭＧ２に対するパワーモジュールＰＭＵ，駆動回路装置ＤＣＵも備えており、それらの構成は、図２に示すものと同様である。
【００４０】
パワーモジュールＰＭＵは、スイッチング（オン，オフ）するパワー半導体素子Ｍpu，Ｍnu，Ｍpv，Ｍnv，Ｍpw，Ｍnwを用いて、３相交流出力のため３個（Ａｕ，Ａｖ，Ａｗ）のブリッジ回路を構成する。
【００４１】
ブリッジ回路の両端は、接続する接続部３ａ，４ａを通じて、コンデンサモジュールＣＭの接続部３ｂ，４ｂと接続する。
【００４２】
ブリッジ回路の中点は、接続部２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗを通じて、電動機ＭＧ１の３相入力接続部（Ｕ接続部，Ｖ接続部，Ｗ接続部）に接続する。
【００４３】
ブリッジ回路は、アームともよばれ、高電位を出力するパワー半導体素子を上アーム，低電位を出力するパワー半導体素子を下アームと呼ぶ。
【００４４】
３個のブリッジ回路（Ａｕ，Ａｖ，Ａｗ）のパワー半導体素子は、３相交流電圧を発生するように１２０°の位相差を持たせてスイッチング（オン，オフ）し、高電位側（上アーム）、低電位側（下アーム）の接続を切り替える。これにより、時間幅に粗密のあるパルス電圧波形の３相交流電圧を発生する。
【００４５】
パワー半導体素子（Ｍpu，Ｍnu，Ｍpv，Ｍnv，Ｍpw，Ｍnw）は、大電流をスイッチングするために、外部からスイッチングを駆動電源が必要となる。このため、パワー半導体モジュールＰＭＵに、スイッチングを駆動する駆動回路ＤＣＵを接続する。
【００４６】
また、駆動回路ＤＣＵには、電動機制御装置ＭＣＵを接続し、電動機制御装置ＭＣＵから、電動機の回転数，トルク応じたスイッチング時間幅，タイミング（パルス電圧の粗密幅）の信号を受ける。
【００４７】
本実施例の回路図では、パワー半導体素子（Ｍpu，Ｍnu、Ｍpv，Ｍnv，Ｍpw，Ｍnw）として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いている。このため、スイッチング時に電流が還流するパワー半導体素子のダイオードＤpu，Ｄnu，Ｄpv，Ｄnv，Ｄpw，ＤnwをＩＧＢＴに逆並列に接続する。
【００４８】
また、本実施例の回路図では、各相の上（下）アームのパワー半導体素子は、１つで構成している（ダイオード入れると２つ）が、電流容量にあわせて、パワー半導体素子を並列接続する。
【００４９】
本実施例の回路図では、パワー半導体素子としてＩＧＢＴを用いたが、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、ＭＯＳＦＥＴの場合、還流用のダイオードが内蔵されているため、特にダイオードは必要としない。
【００５０】
パワーモジュールＰＭＵは、ケースによって囲われ、ベースと呼ばれる金属板上に絶縁基板を介してパワー半導体素子を実装し、三相ブリッジ回路を形成するように、半導体チップ間，半導体チップと入力端子との間，半導体チップと出力端子との間をアルミワイヤや板状導体などの接続導体によって電気的に接続して構成する。ベースは、銅やアルミニウムなどの熱伝導性部材で構成し、スイッチングによるパワー半導体素子の発熱を冷却する。ベースの下面は空気或いは冷却水などの冷却媒体によって冷却する。冷却効率を向上させるために、冷媒との接触面積を増やすフィンなどを設ける。絶縁基板は、窒化アルミニウムなどの高熱伝導の絶縁部材を用いる。ベースと絶縁基板の間，絶縁基板とパワー半導体素子の間は、はんだなどの接合部材によって接合する。
【００５１】
パワーモジュールＰＭＵは、大電流をスイッチングする。このため、スイッチング時に、瞬時に電流が変化できる低インピーダンス回路が必要となる。高圧バッテリＢＡＴは、内部インピーダンスや、接続ケーブルのインダクタンスがあるため、インピーダンスが高く、パワーモジュールＰＭＵと低インピーダンスの回路を構成することはできない。
【００５２】
そこで、コンデンサモジュールＣＭは、電力変換装置ＩＮＶ内のパワーモジュールＰＭＵ近傍に設置，接続し、パワーモジュールＰＭＵのスイッチング時に低インピーダンスの回路を構成する。つまり高周波では、コンデンサ自体は、コンデンサ容量Ｃ，周波数ｆとするとインピーダンスＺ＝１／（２×π×ｆ×Ｃ）により、低インピーダンスとなる。しかし、コンデンサモジュール内部やパワーモジュール内部の配線の寄生インダクタンス、コンデンサモジュールとパワーモジュールの接続部の寄生インダクタンスは、瞬時に電流変化する高周波では、寄生インダクタンスＬ、周波数ｆでは、インピーダンスＺ＝２×π×ｆ×Ｌで大きくなる。また、電流変化ｄｉ／ｄｔが大きくなると、この寄生インダクタンスＬで発生する跳ね上がり電圧Ｖ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔで大きくなる。
【００５３】
本実施例のコンデンサモジュールＣＭは、内部の配線が低インダクタンスで、かつ、パワーモジュールＰＭＵとの接続部も、応力緩和構造をもつ低インダクタンス接続を実現している。このため、パワー半導体モジュールのスイッチングを早く（ｄｉ／ｄｔを大きく）することができ、スイッチング時間が短い。つまり、大電流Ｉと大電圧Ｖがクロスする時間ｔが短く、発熱Ｑ＝Ｉ×Ｖ×ｔが小さい。この発熱Ｑが小さくなることで、パワー半導体素子の温度を下げることができ、パワー半導体素子の数を少なくすることができ、電力変換装置の小型化、低コスト化を実現できる。
【実施例１】
【００５４】
本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールＣＭについて図３〜図１０及び、図１９を用いて説明する。
【００５５】
本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールＣＭの外観斜視図を図３に示す。コンデンサモジュールＣＭは、コンデンサ素子ＣＤＳ，絶縁シート１０，幅広導体８，９により構成する。
【００５６】
コンデンサ素子ＣＤＳは、絶縁シート１０を介して積層した幅広導体８，９の積層体の上に載置して、幅広導体８，９の端部に形成した接続端子にて電気的に接続する。
【００５７】
パワーモジュールＰＭＵとの接続端子を低インダクタンスでかつ、組み立て性よく形成するため、コンデンサ素子ＣＤＳを載置した平面を２回屈曲させた平面に、凸部の平面部を設け、凸部の側辺を境に屈曲した平面を形成し、この平面の端部を互いに反対方向に屈曲し、パワーモジュールＰＭＵと接続する外部接続端子３ｂ，４ｂを形成する。このように平面を２回屈曲することで、外部接続端子３ｂ，４ｂのネジ止め用の穴の中心軸、3b-center，4b-centerが、コンデンサ素子ＣＤＳと干渉することなく、ネジ止め用の自動機を使った組み立てが可能となる。
【００５８】
高圧バッテリＢＡＴとの接続端子は、コンデンサ素子ＣＤＳを載置した平面部から屈曲した平面を形成し、端部に接続端子３ｃ，４ｃを形成する。
【００５９】
本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールを金属容器に収納したときの外観図，断面図、及び、一部拡大図を図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示す。
【００６０】
ただし、外観図にはモールド樹脂は記載せず、樹脂の構成は断面図に示す。
【００６１】
コンデンサ素子ＣＤＳは、絶縁シート１０を介して積層した幅広導体８，９の積層体に載置して、幅広導体８，９の端部に形成した接続端子で電気的に接続する。また、絶縁シート１０を介して積層した幅広導体８，９の積層体のコンデンサ素子ＣＤＳを載置した部分を、冷却用金属ケース１２内に収納し、第１のモールド樹脂１３ａでモールドし、さらにその外側を第２のモールド樹脂１３ｂの２層で封止している。図の冷却用金属ケース１２は冷却配管１７を備えた例を図示している。第１のモールド樹脂１３ａは、エポキシ樹脂のような耐湿性のあるものを使用し、コンデンサ素子ＣＤＳが吸湿による耐電圧寿命の低下を防止する。また、第２のモールド樹脂は、車載の温度変化による異種材料間の膨張収縮差が生じても、金属ケースと第１のモールド樹脂１３ａとの間の密着性を維持できるよう、ウレタンのような、弾力性のある樹脂を用いることが好ましい。このように、密着性を維持することで、コンデンサ素子ＣＤＳの発熱が金属ケースに伝熱し、コンデンサ素子ＣＤＳの放熱性を高めること可能となり、コンデンサ素子の薄膜樹脂の耐熱温度以下、耐電圧寿命の信頼性を高めることができる。例えば冷却水，金属ケースの温度が１２０℃の場合でも、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のフィルムコンデンサ素子の中心温度を、使用上限の１３０℃以下にすることが可能となる。
【００６２】
コンデンサ素子ＣＤＳは、蒸着したフィルムを巻回して製作しているため、熱伝導に異方性がある。
【００６３】
図５に巻き軸方向の長さＣＤＳ−Ａｘ−Ｌ，巻き軸断面が楕円状の場合の長軸ＣＤＳ−Ｒ−Ｌの長さを示す。つまり、巻回する軸方向ＣＤＳ−Ａｘが、径方向ＣＤＳ−Ｒａｄより熱伝導がよい。このため、より高温での使用を考慮するならば、コンデンサ素子として、巻き軸方向の長さＣＤＳ−Ａｘ−Ｌを、巻き軸断面の直径ＣＤＳ−Ｒ、もしくは、巻き軸断面が楕円状の場合の長軸ＣＤＳ−Ｒ−Ｌよりも小さくし、コンデンサ容量は同じでも、中心からの熱伝導がよく、高放熱構造のコンデンサ素子ＣＤＳを用いることが好ましい。
【００６４】
また、巻き軸方向の長さＣＤＳ−Ａｘ−Ｌを短くすることで、コンデンサ素子ＣＤＳ，積層体の導体にできる寄生インダクタンスを小さくすることができる。図６の例で言うと、１５−Ａ，１４−Ｂの電流経路が作る磁束面積、つまり、長方形の面積が小さくでき、寄生インダクタンスを小さくすることができる。
【００６５】
このような樹脂モールドは、２回に分けてモールドを実施することで可能となる。１回目は、金属ケースではなく、第１樹脂モールド用のケースを用いて、第１の樹脂をモールドする。第１樹脂モールド用のケースは、第１樹脂が剥離しやすいような材料、例えばテフロン（登録商標）で製作し、抜き勾配や、割り型とすることで、容易に取り出すことが可能となる。このとき、コンデンサ素子ＣＤＳは完全に第１の樹脂でモールドすることが必要で、また、金属ケースとの絶縁するために、コンデンサ素子ＣＤＳ載置した幅広導体８，９も第１の樹脂でモールドするのが好ましい。
【００６６】
２回目は、金属ケースをモールド型として、第２の樹脂をモールドする。このとき、樹脂の硬化により、金属ケースが変形しないように、第２の樹脂の厚みを調節するとよい。また、絶縁の信頼性を高めるために、絶縁シートを金属ケース１２と、コンデンサモジュールＣＭの間に挿入し、第２の樹脂をモールドしてもよい。
【００６７】
図４（ｂ）に対して、図７（ａ）に金属ケース１２とコンデンサモジュールＣＭの平板導体９の間に絶縁シート１０ａを挿入し、絶縁を強化した実施例の断面図を示す。本実施例では、コンデンサモジュールＣＭの接続端子３ｂが、接続ネジなどの関係で金属表面が露出するため、金属ケース１２に段差を付けて絶縁距離を設けているのに加え、絶縁シート１０ａを挿入し、沿面距離により絶縁を確保している。
【００６８】
金属ケースの内側は、凸凹を設けることで、第２の樹脂との密着性を向上させ、冷却性の信頼性をあげることができる（図示せず）。
【００６９】
このように、樹脂モールドすることで、コンデンサ素子ＣＤＳが水路をもつ金属ケースに囲まれ、コンデンサ素子ＣＤＳを両側の金属ケースから冷却する両面冷却が実現できる。また、コンデンサ素子ＣＤＳと積層幅広導体の接続箇所の信頼性，コンデンサＣＤＳと積層幅広導体の密着によるコンデンサの冷却性，耐湿性の向上することができる。
【００７０】
積層体の断面図を示す図４（ｃ）（ｄ）を用い、インダクタンス低減効果を説明する。
【００７１】
幅広導体８と幅広導体９が絶縁シート１０を介して積層した積層体の断面に流れる電流を破線で示す。電流８０，８１の方向が互いに対向する向きとなり、この電流がつくる磁場の方向が逆になり低インダクタンスが実現できる。つまり、幅広導体８，９の寄生インダクタンスを６７−Ｎ，６７−Ｐとすると、インダクタンスの磁気的な結合が生じ、低インダクタンスが実現できる。パワーモジュールＰＭＵとの接続端子３ｂ、４ｂの直前まで低インダクタンス配線とすることができる。
【００７２】
本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールＣＭの分解図を図５に示す。
【００７３】
図５では、７個のコンデンサ素子ＣＤＳの隣り合うコンデンサ素子の電極の極性が交互になるように、コンデンサ素子ＣＤＳとの接続端子を配置している。ここで、本実施形態では、コンデンサ素子ＣＤＳとして、金属を蒸着したフィルムを積層巻きし、金属吹き付けにより巻き軸方向の両面に電極１１を形成したフィルムコンデンサを用いている。つまり、本実施形態のコンデンサは、電極１１が両側面に対向するようなコンデンサである。
【００７４】
コンデンサ素子ＣＤＳを載置する積層体は、幅広導体８，絶縁シート１０，幅広導体９からなる。
【００７５】
幅広導体８は、複数のコンデンサ素子ＣＤＳを全て載置できる面積を有している。すなわち、幅広導体８は、円筒形状の複数のコンデンサを並置した場合は、その長手方向の幅、以上の幅広の導体となる。幅広導体８の上面には、コンデンサ素子ＣＤＳの電極１１と接続するための立ち上がり部１４が設ける。例えば、図示のように、７個のコンデンサ素子ＣＤＳから構成する場合、立ち上がり部１４は、７個形成する。また、その配置は、図示のように、一番奥のコンデンサ素子ＣＤＳ−Ａと接続する立ち上がり部１４−Ａは、コンデンサ素子ＣＤＳ−Ａの紙面の下側の電極１１に接続する位置に設け、奥から２番目のコンデンサ素子ＣＤＳ−Ｂに接続される立ち上がり部１４−Ｂは、コンデンサ素子ＣＤＳ−Ｂの紙面の上側の電極１１に接続する位置に設ける。このように、立ち上がり部１４を千鳥状に交互に配置する。
【００７６】
幅広導体９も、幅広導体８と同様に、複数のコンデンサ素子ＣＤＳを全て載置できる面積を有している。すなわち、幅広導体９は、円筒形状の複数のコンデンサ素子ＣＤＳを並置した場合のその長手方向の幅以上の幅広の導体とする。幅広導体９の上面にも同様に、コンデンサ素子ＣＤＳの電極１１と接続するための立ち上がり部１５を設ける。幅広導体８と幅広導体９を積層した状態では、立ち上がり部１５は、幅広導体８に形成された貫通穴１６を貫通して、幅広導体８の上部に突出する。図示のように、７個のコンデンサ素子ＣＤＳでは、立ち上がり部１５は、立ち上がり部１４と同様に７個形成する。また、その配置は、図示のように、一番奥のコンデンサ素子ＣＤＳ−Ａに接続する立ち上がり部１５Ａは、コンデンサ素子ＣＤＳの上側の電極１１に接続する位置に設け、奥から２番目のコンデンサＣＤＳ−Ｂに接続する立ち上がり部１５−Ｂは、コンデンサ素子ＣＤＳの下側電極１１に接続する位置に設け、立ち上がり部１５を千鳥状とする。したがって、１個のコンデンサ素子ＣＤＳについてみると、一方の端面の電極１１に幅広導体８の立ち上がり部１４を接続し、他方の端面の電極１１には幅広導体９の立ち上がり部１５を接続する。コンデンサモジュールＣＭを構成する複数のコンデンサＣＤＳは、幅広導体８と幅広導体９に対して並列接続する。積層幅広導体８，９とコンデンサ素子ＣＤＳの側面電極１１は、はんだ等により電気的に固着する。
【００７７】
コンデンサ素子ＣＤＳの接続用端子である立ち上がり部１４，１５は、積層幅広導体８，９の一部を切り抜き、幅広導体面から立体的に立ち上げて形成する。これにより、接続部材を新たに用いることなく、コンデンサ素子ＣＤＳと幅広積層導体８，９の接続ができ、はんだ付け箇所を減らし、工数低減，コスト低減になるほか、接続部の信頼性向上，電気抵抗低減，放熱性向上になる。
【００７８】
コンデンサ素子ＣＤＳの電極の極性が千鳥状に交互し、絶縁距離がとれない場合、コンデンサ素子ＣＤＳの電極間の絶縁が必要となる。図７（ｂ）に絶縁シートをコンデンサ素子ＣＤＳ間に挿入した実施例を示す。コンデンサ素子間に絶縁シート１０ｂを挿入し、異極間の絶縁を確保する。また、図７（ｂ）では、コンデンサ素子ＣＤＳと幅広導体８の間にも絶縁シート１０ｃを挿入している。これにより、幅広導体８とコンデンサ素子ＣＤＳ間の絶縁を確実に確保することができる。
【００７９】
積層した幅広導体８，９は、抵抗が小さく、熱伝導が小さい銅材を用いる。なお、軽量化が要求される場合は、アルミ材を用い、その表面にニッケル等をメッキすれば、はんだ接続が可能となる。積層幅広導体８，９の厚さは１mmとしている。
【００８０】
絶縁シート１０としては、可能な限り薄いものが望ましく、電力変換装置内の環境温度が最大１２０℃であれば、ポリプロピレン（ＰＰ）や、ポリエチレン（ＰＥＴ）の１mm以下の０.２mm，０.４mm程度で、容易に形状が変形でき、モールド樹脂と密着性がいいものを用いる。絶縁シート１０が薄いほど幅広導体８，９を近接して積層することができるため、インダクタンスを小さくすることができる。もちろん、使用温度範囲が高い場合には、耐熱性の高い絶縁シートを用いる。電流容量が低い電力変換装置ＩＮＶであれば、積層幅広導体８，９の代わりに、絶縁シート１０の両面に金属をプリントしたものを用いることで、プリントした金属を幅広導体としてもよい。この場合は、接続導体を別途用意し接続する。
【００８１】
外部接続端子４ｃ，３ｃの曲げは、組み立て後に曲げると、組み立てが容易になる。
【００８２】
本発明の第１の実施形態によるコンデンサモジュールの主要部の斜視図および電流経路の説明図を図６に示す。
【００８３】
幅広導体８の端部には、１個の接続部４ｃと、３個の接続部４ｂが形成されている。また、幅広導体９の端部には、１個の接続部３ｃと、３個の接続部３ｂが形成されている。接続部３ｃ，４ｃは、高圧バッテリＢＡＴからのバスバー、ケーブル接続するために用いる。接続部３ｂ，４ｂは、それぞれ、パワーモジュールのＵ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アームと接続するために用いる。
【００８４】
幅広導体８，絶縁シート１０，幅広導体９の積層体の上に、コンデンサＣＤＳを接続固定した状態を示している。コンデンサ素子ＣＤＳ−Ａの右側面の電極１１−Ａには、幅広導体９の立ち上がり部１５−Ａが接続され、コンデンサ素子ＣＤＳ−Ｂの右側面の電極１１−Ｂには、幅広導体８の立ち上がり部１４−Ｂが接続される。
【００８５】
このように、コンデンサ素子ＣＤＳを配置接続することにより、積層体の幅広導体に流れる電流が打ち消しあい、低インダクタンスを実現することができる。
【００８６】
次に、本発明の第１の実施形態による電力変換装置ＩＮＶのコンデンサモジュールＣＭとパワーモジュールＰＭＵの接続を示す分解図を図８に示す。
【００８７】
図８に示すコンデンサモジュールＣＭは、図３〜図６にて説明したものである。冷却配管を備えた金属ケースのコンデンサモジュールＣＭ，パワーモジュールＰＭＵがあり、パワーモジュールＰＭＵは、冷却配管を備えた金属ケース１２の、側面からネジ止めする。
【００８８】
本実施例のパワーモジュールＰＭＵは、銅ベース２０を直接冷媒で冷却する、直接冷却方式のパワーモジュールの例を示している。このため、金属ケース１２の側面には、冷却水路２８が露出しており、冷却水の漏れを防ぐＯリング２９がある（図４（ａ））。パワーモジュールＰＭＵは、Ｕ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アームがあり、それぞれに両端電極（４ａ−Ｕ，３ａ−Ｕ，４ａ−Ｖ，３ａ−Ｖ，４ａ−Ｗ，３ａ−Ｗ）をもつ。このため、本実施例のコンデンサモジュールＣＭの接続部は、３対の４ｂ、３ｂの接続端子をもつ。パワーモジュールＰＭＵは、制御するためのスイッチング素子として、パワー半導体素子Ｍを搭載している。
【００８９】
コンデンサモジュールＣＭの接続部３ｂ，４ｂは、ネジを挿入可能な貫通穴を設け、この穴位置をパワーモジュールＰＭＵの接続部３ａ，４ａと同じにし、ネジで電気的、機械的に接続する。本実施例では、コンデンサ素子ＣＤＳの載置した平面を２回屈曲することで、外部接続端子３ｂ，４ｂのネジ止め用の穴の中心軸、3b-center，4b-centerが、コンデンサ素子ＣＤＳと干渉することがなく、貫通穴に上部からネジを挿入することが可能となり、自動機での組み立てが簡単になる。また、ネジの頭が飛び出しても、異極の電極に対して絶縁距離が取れている。
【００９０】
なお、コンデンサモジュールＣＭの接続部数は、パワーモジュールＰＭＵの接続部数に合わせて変更ができ、特に３対にこだわらないことは、言うまでもない。
【００９１】
本発明の第１の実施形態による電力変換装置ＩＮＶのコンデンサモジュールＣＭの接続端子とパワーモジュールＰＭＵの接続端子の接続断面図、斜視図を図９（ａ）に示す。ただし、ネジや、ナットは省略する。
【００９２】
図９（ａ）に示す実施例では、パワーモジュールＰＭＵの接続端子３ａ−Ｕ，４ａ−Ｕは、端部において互いに反対方向に屈曲し、それぞれコンデンサモジュールＣＭの接続端子３ｂ，４ｂと向き合い接続する。このとき、コンデンサモジュールＣＭの接続部の絶縁物１０と、パワーモジュールＰＭＵの絶縁物１０−ＰＭＵが互いに向き合う形で重なることで、接続部の絶縁を維持する。このとき、パワーモジュールＰＭＵの接続端子の片方に段差４ａ−Ｕ−Ｃを設け、パワーモジュールのＰＭＵの絶縁物１０−ＰＭＵが、接続端子４ａ−Ｕ，３ａ−Ｕの接続面よりも凹ますことにより、接続部の絶縁物１０，１０−ＰＭＵに応力が加わらず、絶縁信頼性を確保することができる。
【００９３】
パワーモジュールＰＭＵの接続端子３ａ−Ｕ，４ａ−Ｕと、コンデンサモジュールＣＭの接続端子３ｂ，４ｂとを接続したときに、それぞれ、その手前の折り曲げ部から延在する方向が同一方向になる構成をとる。
【００９４】
図９（ａ）で、点線８１と点線８０は、それぞれ、幅広導体８，接続端子４ｂ，接続端子４ａ−Ｕと、接続端子３ａ−Ｕ，接続端子３ｂ，幅広導体９を流れる電流の経路を示している。このとき、接続部４ｂ，４ａ−Ｕ上の電流をみると、電流方向が逆方向となり、打ち消しあっていることがわかる。つまり、コンデンサモジュールＣＭの接続部４ｂのインダクタンス６２−Ｐと、パワーモジュールＰＭＵの接続部のインダクタンス５７−Ｎに、上述の互いに逆方向に電流が流れることで、電流による磁束が打ち消しあい、低インダクタンスの接続が実現できる。
【００９５】
さらに、積層体の端部において互いに反対方向に屈曲した端子接続面を、積層体の導体面に直交射影したときにできる各辺が重なるか、又は、１辺を残りの１辺に直交射影したときに重なるように形成することで、接続端子の近傍の積層体に流れる電流が、積層面で絶縁物を挟んで対向するように流れ、互いの電流による磁束が打ち消しあい、低インダクタンスの接続が実現できる。
【００９６】
図９（ｂ）にコンデンサモジュールＣＭの接続部の斜視図を示す。図９（ｂ）では、積層体の導体を見やすくするため、絶縁シートを省いている。
【００９７】
コンデンサモジュールＣＭの接続端子面は４ｂ−Ｕ−ｓ，３ｂ−Ｕ−ｓ，積層体の積層平面（導体面，絶縁シート面）は８９Ｌ−ｓとなり、直交射影したときにできる各辺は４ｂ−Ｕ−ｐｌ，３ｂ−Ｕ−ｐｌとなる。
【００９８】
図９（ｃ）に、積層体の積層面（導体面、絶縁シート面）８９Ｌ−ｓ，直交射影した４ｂ−Ｕ−ｐｌ，３ｂ−Ｕ−ｐｌの関係のみを図示する。この場合、さらに、３ｂ−Ｕ−ｐｌを４ｂ−Ｕ−ｐｌに直交射影すると、重なる。このような配置をとると、積層体の導体に絶縁物を挟んで対向する電流８１，８０が対向するように流れ、寄生インダクタンス６７−Ｐ，６７−Ｎのインダクタンス結合が強くなり、低インダクタンスが実現できる。この例では、理解しやすくするため、接続端子面４ｂ−Ｕ−ｓ，３ｂ−Ｕ−ｓが積層体の平面８９Ｌ−ｓに垂直とし、直交投射すると辺（線）になるとした。接続端子面４ｂ−Ｕ−ｓ，３ｂ−Ｕ−ｓが垂直でない場合は、接続端子面４ｂ−Ｕ−ｓ、３ｂ−Ｕ−ｓを延長し、積層体の平面８９Ｌ−ｓと交わる線を３ｂ−Ｕ−ｐｌ′，４ｂ−Ｕ−ｐｌ′とすればよい。
【００９９】
上記のインダクタンス低減効果を、回路図でまとめて説明する。
【０１００】
本発明の第１の実施形態による電力変換装置ＩＮＶのインダクタンス回路図を図１０に示す。
【０１０１】
ここでは、急激に変化する電流、それにより発生する電圧を説明するため、抵抗成分は省略し、インダクタンス成分を主に記述する。また、パワーモジュールＰＭＵは、Ｕ相の１アーム（Ａｕ）のみを記述し、上アーム，下アームのパワー半導体スイッチング素子Ｍpu，Ｄpuは、代表して１素子とする。
【０１０２】
寄生インダクタンスの同一符号は、図４，図９と同一部分を示している。寄生インダクタンス５３は、高圧バッテリＢＡＴと電力変換装置ＩＮＶの間を接続するケーブルやバスバーのインダクタンスを示している。寄生インダクタンス５５は、電力変換装置ＩＮＶとＭＧ１の間の接続するケーブルとバスバーの寄生インダクタンスを示している。インダクタンス５４は、電動機ＭＧ１の界磁巻き線の一部のインダクタンスを示している。
【０１０３】
パワーモジュールＰＭＵには、高電位側と低電位側の接続端子に、寄生インダクタンス５７−Ｐ，５７−Ｎがある。また、内部の寄生インダクタンス５６もあり、接続端子近くの積層体の導体面の寄生インダクタンスを、５６Ｐ，５６Ｎとする。
【０１０４】
コンデンサモジュールＣＭには、瞬時に電力を供給，吸収する複数のコンデンサ素子ＣＤＳ−Ａ，ＣＤＳ−Ｂ、各々のコンデンサ素子ＣＤＳが載置された幅広導体の寄生インダクタンス６１−Ａ，６１−Ｂ、積層体の幅広導体の寄生インダクタンス６７−Ｐ，６７−Ｎがあり、接続端子には寄生インダクタンス６２−Ｐ，６２−Ｎがある。なお、ここでは、コンデンサはＣＤＳ−Ａ，ＣＤＳ−Ｂの２つのみを記載する。
【０１０５】
今、パワーモジュールＰＭＵの上アームのパワー半導体素子Ｍpuがオンからオフになるときの電流変化を考える。上アームのパワー半導体素子Ｍpuがオンのときに流れる電流経路は、電流経路６４となる。インダクタンス５４，５５は大きいため、ここを流れる電流は、スイッチング時に急激に変化できない。そのため、オフ時は下アームのパワー半導体素子（Ｄnu）を通る電流経路６５となる。ここで、急激に電流変化した回路を考えると、電流経路６６で電流が流れたことと同じになる。この電流経路６６の閉回路に存在する寄生インダクタンスを低くすることで、スイッチング時の跳ね上がり電圧低減，スイッチングスピードアップによるパワー半導体素子の発熱低減することができる。
【０１０６】
なお、本説明のスイッチングは、上アームのパワー半導体素子（Ｍpu）がオンからオフとなる場合を説明したが、上アームのパワー半導体素子（Ｍpu）がオフからオンの場合でも、下アームのパワー半導体素子（Ｄnu）は逆にオンからオフになるため、電流方向は逆となるが電流経路６６で電流が流れる。また、下アームのパワー半導体素子（Ｍnu）のスイッチング時でも、同様に、電流方向は逆になるときもあるが電流経路６６が流れることがわかる。
【０１０７】
まず、第１の低インダクタンスの効果は、図９に示したコンデンサモジュールＣＭとパワーモジュールＰＭＵの接続構造による。
【０１０８】
図９に示すように、コンデンサモジュールＣＭの接続部４ｂ，パワーモジュールＰＭＵの接続部４ａに、電流方向が逆方向に打ち消しあい、コンデンサモジュールＣＭの接続部４ｂのインダクタンス６２−Ｐと、パワーモジュールＰＭＵの接続部４ａのインダクタンス５７−Ｎのインダクタンスが結合し、低インダクタンスとなる。
【０１０９】
さらに、積層体の端部において互いに反対方向に屈曲した接続端子を、図９（ａ），（ｂ）のように形成することで、接続端子の近傍の積層体に流れる電流が、積層面で絶縁物を挟んで対向するように流れ、コンデンサモジュールＣＭの積層体の幅広導体の寄生インダクタンス６７−Ｐ，６７−Ｎが接続端子近傍で小さくすることできる。
【０１１０】
さらに、コンデンサモジュールの接続端子は、図９のように積層体に凸部を設け、凸部の側辺を境に屈曲した積層体の平面を形成し、この平面の端部を互いに反対方向に屈曲し、パワーモジュールＰＭＵと接続する外部接続端子３ｂ，４ｂを形成し、外部から接続部のネジ止めなどの組み立てが可能な構造を実現している。
【０１１１】
第２の低インダクタンスの効果は、図６に示したコンデンサ素子ＣＤＳと積層幅広導体８，９の千鳥接続による。
【０１１２】
図６のように、コンデンサ素子ＣＤＳ−Ａ，ＣＤＳ−Ｂが載置された、幅広導体８，９の電流６８−Ａ，電流６８−Ｂは、互いに逆方向となる。このことで、コンデンサ素子ＣＤＳ−Ａ，ＣＤＳ−Ｂ直下の幅広導体８のインダクタンス６１−Ａ，幅広導体９のインダクタンス６１−Ｂに対して、電流６８−Ａ，電流６８−Ｂが逆方向に流れ、インダクタンスが結合により、低インダクタンスとなる。つまり、図１０の寄生インダクタンス６１−Ａ，６１−Ｂが結合し低インダクタンスとなる。
【０１１３】
以上、本発明により、組み立てやすく、絶縁性も考慮した低インダクタンスの接続端子構造を持ち、冷却構造を兼ね備えた、省スペースなコンデンサモジュールを実現し、これを用いた小型，高パワー密度のインバータ、これを用いた車載用電機システムを提供することができる。
【０１１４】
本実施例では、コンデンサモジュールＣＭと、パワーモジュールＰＭＵと直接接続を実現しているため、接続箇所の低減によるインダクタンスを低減している。例えば仮に、耐圧６００Ｖの電源接続部の絶縁距離が沿面距離で８mm必要であった場合、１mmは約１ｎＨのインダクタンス増加となるため、１箇所の接続をなくすことで、８ｎＨのインダクタンスを低減することができる。
【０１１５】
本発明の第１の実施形態による電力変換装置ＩＮＶのパワー半導体素子ＩＧＢＴに流れる電流，電圧の概略波形を図１９（ａ）、ダイオードに流れる電流，電圧の概略波形を図１９（ｂ）に示す。
【０１１６】
図１９（ａ）のように、電流波形はオンスイッチングで急激（数ギガＡ／ｓ）に立ち上がり、数十マイクロ秒のほぼ平坦な電流（数１００Ｈｚ）が流れ、オフスイッチングで急激（数ギガＡ／ｓ）に立下る。
【０１１７】
図１９（ａ）で平坦に見える電流は、数１００Ｈｚの低周波であるが、数十マイクロ秒に波形を拡大して見ているため、平坦に見える。
【０１１８】
図１９（ａ）の波形を、図８のパワーモジュールＰＭＵの上アームのＩＧＢＴ（Ｍ）、図１０の回路図のＩＧＢＴ（Ｍpu）の波形とする。
【０１１９】
図１９（ｂ）の波形を、図８のパワーモジュールＰＭＵの下アームのダイオード、図１０の回路図のダイオード（Ｄnu）の波形とする。
【０１２０】
上アームのＩＧＢＴ（Ｍpu）のオンスイッチング(ＴＲ)の期間は、上アームのＩＧＢＴ（Ｍpu）のオンのスピードにより電流は増加し、電圧は、ほぼゼロ（実際は導通損失があるため数Ｖ）となる。上アームのＩＧＢＴ（Ｍpu）の電圧がほぼゼロとなったとき、パワーモジュールＰＭＵの下アームのダイオード（Ｄnu）に電圧が加わり、下アームのダイオード（Ｄnu）がオフをはじめる。このとき、下アームのダイオード（Ｄnu）には、オフ時に発生する高周波のリカバリー電流、図１９（ｂ）の回路図の電流６６Ｒのダイオードの逆方向の電流が流れる。このリカバリー電流は、ダイオードの半導体内に逆方向電圧による空乏層が広がり始めてから、半導体内のキャリアが消滅するまで続く。このリカバリー電流により、通電した電流以上の貫通電流がＩＧＢＴ（Ｍpu）に流れる。このリカバリー電流は、ダイオード内の半導体のキャリアーの消滅スピードによるため、小電流ほど、低温ほど、急激に減少する。
【０１２１】
このため、下アームのダイオード（Ｄnu）には、急激なリカバリー電流による跳ね上がり電圧が発生し、それは、並列接続している下アームのＩＧＢＴ（Ｍnu）にも加わる（ダイオードの波形は図示せず）。本実施例の構造では、電流経路６６Ｒの回路が、低インダクタンスであるため、このダイオードのリカバリー電流による下アームの跳ね上がり電圧が低減できる。
【０１２２】
このリカバリー電流は、ダイオードの半導体の構造によるため、外部制御では、コントロールできない。このため、もっぱら、半導体製造時に、キャリアーの消滅スピードをコントロールするための、半導体の格子欠陥を作りコントロールしていた。ただし、キャリアーの消滅スピードを遅くすると、ダイオード内にキャリアーが長く存在するため、損失（発熱）が大きくなるデメリットも生じる。つまり、このリカバリー電流のスピードは、ダイオードの半導体素子が決まれば、駆動回路ＤＣＵなどの外部回路でコントロールできない。
【０１２３】
しかし、本実施例の構造を用いると、電流経路６６Ｒの回路が、低インダクタンスであるため、コントロールできないリカバリー電流に対しても、下アームの跳ね上がり電圧を抑制することが可能となる。このため、本実施例は、零下の温度となる過酷な車載環境で、跳ね上がり電圧を抑制した、高信頼の電力変換装置及び、車載電機システムに適している。
【０１２４】
上アームが完全にオン状態（ＴＰ）の期間は、コンデンサモジュールＣＭから低周波の電流が、図１０（ａ）の回路図の電流経路６４で流れる。この電流は、数百Ｈｚ程度の低周波で、上記のオンスイッチング（ＴＲ）の期間のリカバリー電流ほどでないため、コンデンサモジュールとパワーモジュール、及び、その接続部の寄生インダクタンスにより、跳ね上がり電圧は生じない。スイッチング時間（ＴＲ，ＴＳ）の１μｓ未満に比べ、オン期間（ＴＰ）は数１０μｓと長いため、コンデンサモジュールＣＭの発熱は、このオン期間（ＴＰ）に流れる電流量により決まる。このため、コンデンサモジュール内のコンデンサ素子ＣＤＳが多いほど、発熱が均等に分担され、また、コンデンサ素子ＣＤＳの構造が冷却がよい構造ほど、コンデンサ素子ＣＤＳの寿命が向上する。
【０１２５】
上アームがオフスイッチング（ＴＳ）の期間は、パワーモジュールＰＭＵの電流が急激にゼロになる。このとき、図１０（ａ）の回路図の電流経路６６で高周波の電流が流れる。このため、図１９（ａ）の波形のように、上アームのＩＧＢＴには、この電流変化により、電源電圧以上の跳ね上がり電圧が生じる。本実施例の構造では、電流経路６６は、低インダクタンス回路を実現しているため、跳ね上がり電圧を抑制することができる。このため、スイッチングスピードをアップし、スイッチング時の損失を減らし、小型の半導体素子使用が可能となり、小型高信頼の車載用電機システムを実現することができる。
【０１２６】
以上、本実施形態によれば、組み立てやすく、絶縁性も考慮した低インダクタンスの接続端子構造を持ち、冷却構造を兼ね備えた、省スペースなコンデンサモジュールが実現できる。また、これを用い、冷却構造の小型化はもちろん、跳ね上がり電圧を抑制、発熱損失を低減する低インダクタンスの実装、つまり、電磁気的な一体構造をもつインバータが実現可能となる。さらに、小型で高パワー密度のインバータを用いた車載用電機システムを実現することができる。
【実施例２】
【０１２７】
次に、図１１〜図１６を用いて、本発明の第２の実施形態によるコンデンサモジュールＣＭ及び電力変換装置ＩＮＶの構成について説明する。
【０１２８】
本実施例により、図１の電動機システムにおいて、２つの電動機ＭＧ１，ＭＧ２を制御する電力変換装置ＩＮＶを、低インダクタンスかつ応力緩和構造で小型に実現できる。
【０１２９】
図１１は、本発明の第２の実施形態によるコンデンサモジュールの構成を示す斜視図である。図１２は、本発明の第２の実施形態によるコンデンサモジュールの分解図である。図１３は、本発明の第２の実施形態による電力変換装置ＩＮＶのコンデンサモジュールＣＭとパワーモジュールＰＭＵの組図である。図１４は本発明の第２の実施形態による電力変換装置ＩＮＶのコンデンサモジュールＣＭとパワーモジュールＰＭＵの分解図である。なお、同一符号は、同一部分を示している。
【０１３０】
図１１，図１２に示すように、本実施例では、２つのコンデンサモジュールＣＭ１，ＣＭ２が組み合わさっている。これを図１３，図１６に示す、冷却配管１７をもつ金属ケース１２に樹脂モールドして一体化し、パワーモジュールＰＭＵ１，２を、側面の冷却流路に取り付ける。コンデンサモジュールＣＭ１、ＣＭ２の基本的な構成は、図４〜図１０に示したコンデンサモジュールＣＭと同様である。
【０１３１】
本実施例の特徴は、コンデンサモジュールＣＭ１，ＣＭ２の２つを、１つの金属ケース１２に樹脂モールドにより一体化し、２つのパワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２と、組み立てが容易な、低インダクタンスの接続端子を備えたところである。この構造をとることで、２つのパワーモジュールの冷却流路で囲まれた中心にコンデンサのあるインバータを実現することができる。
【０１３２】
さらに、２つのコンデンサモジュールを上下に積み重ね、コンデンサ素子ＣＤＳが両側の水路をもつ金属ケースに囲まれ、コンデンサ素子ＣＤＳを両側の金属ケースから冷却する両面冷却が実現できる。
【０１３３】
また、コンデンサモジュールＣＭ１，ＣＭ２は、高圧バッテリＢＡＴ用の接続端子３ｃ−１または４ｃ−１と３ｃ−２または４ｃ−２が重なり、接続穴も重なる配置をとり、高圧バッテリＢＡＴに接続されたケーブル等の接続端子を、共締めしたときに、コンデンサモジュールＣＭ１，ＣＭ２を電気的に接続する構造をとることである。これにより、コンデンサモジュールＣＭ１，ＣＭ２を予め接続することが無くなり、２つのコンデンサモジュールをＣＭ１，ＣＭ２を分割してつくることができる。
【０１３４】
コンデンサモジュールＣＭ１、ＣＭ２の接続構造について、図１１のｃ−ｃ′−ｃ″−ｃ′′′平面，ｄ−ｄ′−ｄ″−ｄ′′′平面の断面図を図１５（ａ），（ｂ）に示す。
【０１３５】
図１５（ａ）に示すように、コンデンサモジュールＣＭ１は、積層体から、導体ＣＭ１−８が飛び出しており、導体ＣＭ１−８，絶縁シートＣＭ１−１０，導体ＣＭ１−９が階段状になっている。コンデンサモジュールＣＭ２は、積層体から、導体ＣＭ２−９が飛び出しており、導体ＣＭ２−９，絶縁シートＣＭ２−１０，導体ＣＭ１−８が階段状になっている。これらを、導体ＣＭ１−８と導体ＣＭ２−８，絶縁シートＣＭ１−１０と絶縁シートＣＭ２−１０，導体ＣＭ１−９と導体ＣＭ２−９、が重なるように配置する。
【０１３６】
また、図１５（ｂ）に示すように、ＣＭ１−４ｃ，ＣＭ２−４ｃが重なるように配置し、ＢＡＴに接続されたケーブル等の接続端子を、共締めしたときに、コンデンサモジュールＣＭ１，ＣＭ２を電気的に接続する構造をとる。このような、接続形状をとることで、コンデンサモジュールＣＭ１とコンデンサモジュールＣＭ２が低インダクタンスの接続が実現できる。
【０１３７】
第２の実施例の回路図を図１６に示す。
【０１３８】
２つの電動機ＭＧ１，ＭＧ２を制御するため２つのパワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２、２つのコンデンサモジュールＣＭ１，ＣＭ２で構成した図１３の電力変換装置ＩＮＶの回路図を示している。
【０１３９】
なお、コンデンサモジュールＣＭ１，ＣＭ２とパワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２の接続部の寄生インダクタンスを主に記述し、その他の寄生インダクタンスは省略する。パワーモジュール内のパワー半導体素子のブリッジ回路で構成した３相アームＡｕ，Ａｖ，Ａｗは、ボックスで表示する。また、駆動回路ＤＣＵなどの制御回路は省略する。その他の同一符号は、同一部分を示している。
【０１４０】
コンデンサモジュールＣＭ１、ＣＭ２には、高圧バッテリＢＡＴから、ＤＣバスバーＤＣ−busにより、直流電圧が入力される。回路図上の寄生インダクタンスＤＣ−bus−ＬＰ，ＤＣ−bus−ＬＮは、ＤＣバスバーＤＣ−busの高電位側（正極），低電位側(負極)のバスバーの寄生インダクタンスを示している。ノイズ防止用のコモンモードチョークフィルタＣＦは、コンデンサモジュールＣＭ１，ＣＭ２とケーブルの間にある。
【０１４１】
コンデンサモジュールＣＭ１とパワーモジュールＰＭＵ１の接続部には、高電位側の寄生インダクタンスＣＭ１−６２Ｐ，ＰＭＵ１−５７Ｐ，低電位側の寄生インダクタンスＣＭ１−６２Ｎ，ＰＭＵ１−５７Ｎがあり、スイッチング時に流れる電流６６−Ａに対して、高電位側，低電位側で各々が磁気的に結合し、低インダクタンス配線を実現している。
【０１４２】
また、コンデンサモジュールＣＭ２とパワーモジュールＰＭＵ２の接続部には、高電位側の寄生インダクタンスＣＭ２−６２Ｐ，ＰＭＵ２−５７Ｐ，低電位側の寄生インダクタンスＣＭ２−６２Ｎ，ＰＭＵ２−５７Ｎがあり、スイッチング時に流れる電流６６−Ｂに対して、高電位側，低電位側で各々が磁気的に結合し、低インダクタンス配線を実現している。また、コンデンサモジュールＣＭ１とコンデンサモジュールＣＭ２の接続部の寄生インダクタンスＣＭ１−６３Ｐ（ＣＭ１−６３Ｎ）とＣＭ２−６３Ｐ（ＣＭ２−６３Ｎ）は、図１５（ｂ）のように、コンデンサモジュールＣＭ２からコンデンサモジュールＣＭ１へスイッチング時に流れる電流６４−Ｂが対向するように流れることで、電流が作る磁場が打ち消しあい、インダクタンスが結合し、低インダクタンスとなる。これにより、パワーモジュールＰＭＵ１のみが動作しているときは、コンデンサモジュールＣＭ１，ＣＭ２の両方とも低インダクタンスで接続されていることから、コンデンサモジュールＣＭ１，ＣＭ２の両方からＰＭＵ１へ電力を供給することができる。
【０１４３】
以上説明したように、本実施形態によれば、２つの電動機ＭＧ１，ＭＧ２を制御する電力変換装置ＩＮＶを用いた車載電機システムにおいて、２つのパワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２で用いるコンデンサを、２つの低インダクタンスのコンデンサモジュールＣＭ１，ＣＭ２で構成し、電力変換装置ＩＮＶを小型で実現することができる。
【０１４４】
以上、本実施形態によれば、２つの電動機を制御する電力変換装置を用いた車載電機システムにおいて、冷却構造の小型化はもちろん、跳ね上がり電圧を抑制、発熱損失を低減する低インダクタンスの実装、つまり、電磁気的な一体構造をもつ電力変換装置が実現可能となる。また、小型で高パワー密度のインバータを用いた車載用電機システムを実現することができる。
【実施例３】
【０１４５】
次に、本発明の第３の実施形態によるコンデンサモジュールの構成を図１７に示す。なお、図４と同一符号は、同一部分を示している。
【０１４６】
本実施形態では、コンデンサモジュールＣＭの基本的な構成は、図４〜図９に示したコンデンサモジュールＣＭと同様である。本実施例の特徴は、図４に比べ、コンデンサ素子ＣＤＳの載置方向を変えた点である。コンデンサ素子ＣＤＳは、蒸着したフィルムを巻回して製作しているため、熱伝導に異方性がある。つまり、巻回する軸方向ＣＤＳ−Ａｘが、径方向ＣＤＳ−Ｒａｄより熱伝導がよい。
【０１４７】
このため本実施例によれば、ケース１２の上面が、コンデンサ素子ＣＤＳ軸方向ＣＤＳ−Ａｘとなり、上面で伝熱のよい接続ができる。このため、本実施形態によれば、コンデンサ素子の巻き軸方向の面、つまり、電極面ＣＭ２−１１−Ａ，ＣＭ２−１１−Ｂを金属ケース１２に近接させることができ、高放熱構造を実現することができる。この結果、コンデンサ素子ＣＤＳの寿命を向上させることが可能になる。
【実施例４】
【０１４８】
次に、本発明の第４の実施形態によるコンデンサモジュールの断面図を図１８に示す。本実施形態は、実施例３の構造の変形例である。
【０１４９】
本実施形態のような構造を採用した場合においても、コンデンサ素子の巻き軸方向の面、つまり、電極面を金属ケース１２に近接させることができ、高放熱構造を実現することができる。この結果、コンデンサ素子ＣＤＳの寿命を向上させることが可能になる。
【０１５０】
以上、実施例３及び４の構成によれば、２つの電動機を制御する電力変換装置を用いた車載電機システムにおいて、２つのパワーモジュールに用いるコンデンサを、２つの低インダクタンスのコンデンサモジュールで構成し、組み立てやすく、絶縁性も考慮した低インダクタンスの接続端子構造を持ち、冷却構造を兼ね備えた、省スペースなコンデンサモジュールが実現できる。
【０１５１】
また、これを用い、冷却構造の小型化はもちろん、跳ね上がり電圧を抑制、発熱損失を低減する低インダクタンスの実装、つまり、電磁気的な一体構造をもつ電力変換装置ＩＮＶが実現可能となる。また、小型で高パワー密度のインバータを用いた車載用電機システムを実現することができる。
【０１５２】
以上のとおり、上記実施例１乃至４によれば、小型かつ組み立て性の良い電力変換装置において、スイッチング時のサージ電圧を効果的に低減する低インダクタンスの電力変換装置を実現することができ、ひいては、小型で高性能の車載電機システムを提供することが可能になる。
【符号の説明】
【０１５３】
３ａ，４ａ…パワーモジュール接続部、３ｂ，４ｂ…コンデンサモジュール接続部、８，９…幅広導体、１０…絶縁シート、１１…コンデンサ素子電極、ＣＤＳ…コンデンサ素子、ＰＭＵ…パワーモジュール、１２…金属ケース、１３ａ…第１のモールド樹脂、１３ｂ…第２のモールド樹脂、１４，１５…立ち上がり部、１６…貫通穴、１７…冷却配管、１９…絶縁基板、２０…銅ベース、２１…ケース、２３…接続ネジ、２７…筐体、２８…冷却水路、２９…Ｏリング、３０…Ｏリング溝、３１…冷却フィン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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