(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源を平滑するコンデンサと、複数個のスイッチング素子からなり前記平滑コンデンサにより平滑された直流電源を所定の交流電源に変換する電力変換モジュールとを備えて構成される電力変換装置において、
上から下方向に前記電力変換モジュール、ヒートシンク、前記平滑コンデンサの順に三層に積み重ねる構成として、前記平滑コンデンサは前記電力変換モジュールを冷却するヒートシンクを共用可能にし、且つ前記電力変換モジュールの直流入力端子と交流出力端子のうち、少なくとも直流入力端子を前記電力変換モジュールの側面に設けて前記平滑コンデンサに最短距離で接続可能にしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
直流電源を平滑するコンデンサと、複数個のスイッチング素子からなり前記平滑コンデンサにより平滑された直流電源を所定の交流電源に変換する電力変換モジュールとを備えて構成される電力変換装置において、
上から下方向に前記平滑コンデンサ、前記電力変換モジュール、ヒートシンクの順に三層に積み重ねる構成として、前記電力変換モジュール内のスイッチング素子は前記ヒートシンク側に近い部所に配置され、且つ前記電力変換モジュールの直流入力端子と交流出力端子とを前記電力変換モジュールの側面に設けて前記平滑コンデンサに最短距離で接続可能にしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の電力変換装置において、
前記ヒートシンクは、液体冷媒による冷却方式としたことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速スイッチング素子を使用した電力変換装置に係り、特に平滑コンデンサと電力変換モジュールとの間の配線インダクタンスを低減すると共に、電力変換モジュール、平滑コンデンサを効率的に冷却して、装置の小型化、低価格化を実現できるようにした電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、商用電源を任意の交流出力に可変する電力変換装置では、高速スイッチング化への発展が目覚しいものがある。
【０００３】
高速スイッチング素子としては、例えば電流駆動型ではＧＣＴ等が、電圧駆動型では絶縁ゲート型であるＩＧＢＴ，ＩＥＧＴ（Injection  Enhanced  Gate  Transistor）等が、それぞれ多く用いられている。
【０００４】
これらの高速スイッチング素子としては、平型半導体素子と、半導体チップをゲル材でモールドしてパッケージ化したモジュールタイプとの２種類があり、特にモジュールタイプの高電圧大容量化も開発され、実用化されはじめてきている。
【０００５】
反面、高速大容量でのスイッチング動作を行なうことから、スイッチング素子周辺の電気用品および配線インダクタンスによるスイッチングサージが問題になり、それらを回避するための低インダクタンス実装構造が、益々難しくなってきているのが現状である。
【０００６】
図３は、この種の一般的な高速スイッチング素子を適用した従来の電力変換装置の主回路構成例を示す回路図である。
【０００７】
図３において、図示しない交流電源を図示しない整流装置で電力変換した直流電源１、または図示しないバッテリー等の直流電源１を、平滑コンデンサ２で平滑し、正極主回路導体３Ｐ、負極主回路導体３Ｎを介して、複数個のスイッチング素子４Ｕ〜４Ｚとこのスイッチング素子４Ｕ〜４Ｚのべ一ス信号を制御するゲートドライブ基板９とで構成された電力変換モジュール（以下、ＩＰＭと称する）４からなるインバータ回路で所定の交流電力に変換し、さらにＩＰＭ４の３相各相（Ｒ，Ｓ，Ｔ）の交流出力端子６〜８を介して、図示しない電動機等の負荷に供給するようにしている。
【０００８】
なお、図３中、２Ｐは平滑コンデンサ２の正極端子、２Ｎは平滑コンデンサ２の負極端子、４ＰはＩＰＭ４の一方の直流入力端子である正極入力端子、４ＮはＩＰＭ４の他方の直流入力端子である負極入力端子、５はＩＰＭ４の交流出力電流を検出する電流センサーをそれぞれ示している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このように構成された電力変換装置においては、主回路配線となる平滑コンデンサ２および正極，負極主回路導体３Ｐ，３Ｎの浮遊インダクタンスに蓄積されたエネルギーによって、ＩＰＭ４のスイッチング素子４Ｕ〜４Ｚのスイッチオフ時にスパイク電圧が発生する。
【００１０】
すなわち、特にスイッチング素子４Ｕ〜４ＺであるＩＧＢＴがターンオフする際に、主回路電流の急激な変化により、主回路浮遊インダクタンスに高い電圧が誘起されて、ターンオフ過程のスパイク電圧が発生する。
【００１１】
このため、平滑コンデンサ２とＩＰＭ４間の配線である正極，負極主回路導体３Ｐ，３Ｎの浮遊インダクタンスを、極力小さくする必要がある。
【００１２】
そして、この配線インダクタンスを低減するために、従来では、下記に示すような種々の方法が提案されている。
【００１３】
（ａ）磁束の変化を打ち消す配線とする。
【００１４】
（ｂ）導体の表面を広くして、表皮効果による電流集中を避ける。
【００１５】
（ｃ）配線長を最短にする。
【００１６】
（ｄ）並列接続として電流を分散させる。
【００１７】
しかしながら、このような方法においては、装置の小型化、低価格化を図る上で問題がある。
【００１８】
また、一方では、装置の小型・大容量化によって、熱密度も増大の一途をたどっており、スイッチング素子４Ｕ〜４Ｚの発熱に対する冷却も困難となってきている。
【００１９】
特に、電力変換装置が電気自動車のモータ駆動用として適用される電力変換装置の場合には、ほとんどがクーラント等の液体冷媒による冷却で、その液体冷媒の温度は、モータ等の冷却も兼ねているため７０℃以上の高温であり、液体冷媒による冷却ともいえ難しくなっており、装置の小型化を図る上で特に問題となっている。
【００２０】
さらに、収納スペース、重量的にもかなりの制約がある。
【００２１】
本発明の目的は、平滑コンデンサと電力変換モジュールとの間の配線インダクタンスを低減することができると共に、電力変換モジュール、平滑コンデンサを効率的に冷却することができ、小型化、低価格化を実現することが可能な電力変換装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に対応する発明では、直流電源を平滑するコンデンサと、複数個のスイッチング素子からなり前記平滑コンデンサにより平滑された直流電源を所定の交流電源に変換する電力変換モジュールとを備えて構成される電力変換装置において、上から下方向に前記電力変換モジュール、ヒートシンク、前記平滑コンデンサの順に三層に積み重ねる構成として、前記平滑コンデンサは前記電力変換モジュールを冷却するヒートシンクを共用可能にし、且つ前記電力変換モジュールの直流入力端子と交流出力端子のうち、少なくとも直流入力端子を前記電力変換モジュールの側面に設けて前記平滑コンデンサに最短距離で接続可能にしている。
【００２３】
従って、請求項１に対応する発明の電力変換装置においては、上から下方向に前記電力変換モジュール、ヒートシンク、前記平滑コンデンサの順に三層に積み重ねる構成とし、且つ前記電力変換モジュールの直流入力端子と交流出力端子のうち、少なくとも直流入力端子を前記電力変換モジュールの側面に設けることにより、電力変換モジュールと平滑コンデンサとの間を最短接続することが可能となり、平滑コンデンサと電力変換モジュールとの間の配線インダクタンスを大幅に低減することができる。
これにより、ターンオフ電圧を小さく抑えることが可能となり、スナバー回路を小さくまたは削除することが可能となり、装置の小型化、組立配線作業工数の削減により低価格化を実現することができる。
よって、高速スイッチング動作する半導体素子へのサージ電圧を抑制することができ、経済的で信頼性の極めて高い電力変換装置を得ることができる。
さらに、平滑コンデンサは電力変換モジュールを冷却するヒートシンクを共用することが可能となり、平滑コンデンサのリップル電流が大きく、熱的に厳しい場合、あるいは電力変換装置の設置スペースが限られて小型化が最優先で求められる場合に、極めて有効に適用することができる。
【００２４】
また、請求項２に対応する発明では、直流電源を平滑するコンデンサと、複数個のスイッチング素子からなり前記平滑コンデンサにより平滑された直流電源を所定の交流電源に変換する電力変換モジュールとを備えて構成される電力変換装置において、上から下方向に前記平滑コンデンサ、前記電力変換モジュール、ヒートシンクの順に三層に積み重ねる構成として、前記電力変換モジュール内のスイッチング素子は前記ヒートシンク側に近い部所に配置され、且つ前記電力変換モジュールの直流入力端子と交流出力端子とを前記電力変換モジュールの側面に設けて前記平滑コンデンサに最短距離で接続可能にしている。
【００２５】
従って、請求項２に対応する発明の電力変換装置においては、上から下方向に前記平滑コンデンサ、前記電力変換モジュール、ヒートシンクの順に三層に積み重ねる構成とすることにより、平滑コンデンサと電力変換モジュールが隣接するため、電力変換モジュールと平滑コンデンサとの間をより一層最短接続することが可能となり、平滑コンデンサと電力変換モジュールとの間の配線インダクタンスをより一層低減することができる。
【００３０】
さらに、請求項３に対応する発明では、上記請求項１又は請求項２に対応する発明の電力変換装置において、ヒートシンクは、液体冷媒による冷却方式としている。
【００３１】
従って、請求項３に対応する発明の電力変換装置においては、ヒートシンクを液体冷媒による冷却方式とすることにより、ヒートシンクを超薄型とすることが可能になり、電力変換モジュールと平滑コンデンサとの間が極低インダクタンス配線となり、サージ電圧を最小にすることができる。
【００３２】
以上により、平滑コンデンサと電力変換モジュールとの間の配線インダクタンスを低減することができると共に、電力変換モジュール、平滑コンデンサを効率的に冷却することができ、小型化、低価格化を実現することが可能となる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３４】
（第１の実施の形態：請求項１，２，４に対応）
図１は、本実施の形態による電力変換装置の実装構成例を示す正面図であり、図３と同一要素には同一符号を付して示している。
【００３５】
図１において、平滑コンデンサ２と、ＩＰＭ４と、ＩＰＭ４を冷却するヒートシンク１０とを、高さ方向に三層に積み重ねている。
【００３６】
すなわち、本実施の形態では、ＩＰＭ４、ヒートシンク１０、平滑コンデンサ２の順番に、上から下方向に三層に積み重ねている。
【００３７】
また、ＩＰＭ４の内部には、スイッチング素子４Ｕ〜４Ｗ，４Ｘ〜４Ｚ、およびゲートドライブ基板９を内蔵している。
【００３８】
一方、ＩＰＭ４、ヒートシンク１０、平滑コンデンサ２は、以下のような方法により取付けしている。
【００３９】
すなわち、ヒートシンク１０には、複数個の皿穴１０ａと複数個のねじ穴１０bとを設けており、皿穴１０ａはＩＰＭ４を取付け固定するもので、ＩＰＭ４の下部には、ねじ穴を有する埋め金４ａを４個モールドしており、ヒートシンク１０の皿穴１０ａから皿ねじ１１で固定している。
【００４０】
また、ねじ穴１０ｂは平滑コンデンサ２の固定用で、平滑コンデンサ２に設けられた取付け穴２ａにねじ１２で固定している。
【００４１】
さらに、ＩＰＭ４と平滑コンデンサ２は、平滑コンデンサ２とＩＰＭ４に設けられたそれぞれの正極，負極端子２Ｐ,２Ｎと正極，負極端子４Ｐ,４Ｎに、正極主回路導体３Ｐ、負極主回路導体３Ｎで接続している。
【００４２】
一方、ＩＰＭ４の正極，負極端子４Ｐ,４Ｎは、ＩＰＭ４の一方の側面に設けており、主回路ケーブル１８を接続している。
【００４３】
また、ＩＰＭ４の交流出力端子６〜８は、ＩＰＭ４の他方の側面に設けており、主回路ケーブル１７を接続している。
【００４４】
なお、本実施の形態のヒートシンク１０は、液体冷媒による冷却方式としており、図１中２０は、液体冷媒をヒートシンク１０内に導くためのホースを取り付ける配管口金を示している。
【００４５】
次に、以上のように構成した本実施の形態による電力変換装置においては、平滑コンデンサ２と、ＩＰＭ４と、ヒートシンク１０とを、高さ方向に三層に積み重ねていることにより、平滑コンデンサ２とヒートシンク１０との間の配線インダクタンスを低減することができ、低インダクタンス化が可能になる。
【００４６】
これにより、ターンオフ電圧を小さく抑えることが可能になり、スナバー回路を小さくまたは削減することが可能になり、もって装置の小型化、組み立て配線作業工数削減により低価格化を実現することができる。
【００４７】
特に、ＩＰＭ４、ヒートシンク１０、平滑コンデンサ２の順番に、上から下方向に積み重ねていることにより、平滑コンデンサ２の冷却を液体冷媒で強制的に行ない、ＩＰＭ４を冷却するヒートシンク１０を共用することができ、平滑コンデンサ２のリップル電流が大きく熱的に厳しい場合、あるいは電力変換装置の設置スペースが限られて小型化が最優先で求められる場合に、極めて有効に適用することができる。
【００４８】
また、ＩＰＭ４の正極，負極端子４Ｐ,４Ｎと、ＩＰＭ４の交流出力端子６〜８とを、ＩＰＭ４の側面に設けていることにより、ＩＰＭ４と平滑コンデンサ２との間は、最短接続が可能になり、平滑コンデンサ２とＩＰＭ４との間の配線インダクタンスをさらにより一層低減することができる。
【００４９】
一方、ＩＰＭ４のケースは、一般的には５０ｍｍ以上にも及び、そのケース内に収納されるスイッチング素子４Ｕ〜４Ｚは発熱体であるが、本実施の形態では、スイッチング素子４Ｕ〜４Ｚをヒートシンク１０側により近い部所、すなわちＩＰＭ４の最も底部分に配置していることにより、放熱効率を良くして効率的に冷却することができ、装置のより一層の小型化を実現することができる。
【００５０】
また、ヒートシンク１０は、液体冷媒による冷却方式としていることにより、ヒートシンク１０を２０ｍｍ以下の超薄型にすることが可能になり、ＩＰＭ４と平滑コンデンサ２との間の配線となる正極主回路導体３Ｐ、負極主回路導体３Ｎの長さを、最短にすることができて極低インダクタンス配線になり、サージ電圧を最小にすることができる。
【００５１】
上述したように、本実施の形態による電力変換装置では、平滑コンデンサ２とＩＰＭ４との間の配線インダクタンスを最小に低減することができ、低インダクタンス化が可能になる。
【００５２】
これにより、ターンオフ電圧を小さく抑えることが可能になり、スナバー回路を小さくまたは削減することが可能になり、装置の小型化、組み立て配線作業工数削減により、低価格化を実現することができる。
【００５３】
従って、高速スイッチング動作する半導体素子４Ｕ〜４Ｚへのサージ電圧を抑制することができ、経済的で信頼性の極めて高い電力変換装置を得ることができる。
【００５４】
（第２の実施の形態：請求項１，３，４に対応）
図２は、本実施の形態による電力変換装置の実装構成例を示す正面図であり、図３と同一要素には同一符号を付して示している。
【００５５】
図２において、平滑コンデンサ２と、ＩＰＭ４と、ＩＰＭ４を冷却するヒートシンク１０とを、高さ方向に三層に積み重ねている。
【００５６】
すなわち、本実施の形態では、平滑コンデンサ２、ＩＰＭ４、ヒートシンク１０の順番に、上から下方向に三層に積み重ねている。
【００５７】
また、ＩＰＭ４の内部には、スイッチング素子４Ｕ〜４Ｗ，４Ｘ〜４Ｚ、およびゲートドライブ基板９を内蔵している。
【００５８】
一方、ＩＰＭ４、ヒートシンク１０、平滑コンデンサ２は、以下のような方法により取付けしている。
【００５９】
すなわち、ヒートシンク１０には、ねじ穴１０ｃを設けており、ＩＰＭ４には、貫通穴４ｂを設け、平滑コンデンサ２には、貫通穴２ｂを設け、この貫通穴２ｂを通してねじ１３により、ヒートシンク１０に設けられたねじ穴１０ｃに締め付けて取付け固定している。
【００６０】
さらに、ＩＰＭ４と平滑コンデンサ２は、平滑コンデンサ２とＩＰＭ４に設けられたそれぞれの正極，負極端子２Ｐ,２Ｎと正極，負極端子４Ｐ,４Ｎに、正極主回路導体３Ｐ、負極主回路導体３Ｎで接続している。
【００６１】
一方、ＩＰＭ４の正極，負極端子４Ｐ,４Ｎは、ＩＰＭ４の一方の側面に設けており、主回路ケーブル１８を接続している。
【００６２】
また、ＩＰＭ４の交流出力端子６〜８は、ＩＰＭ４の他方の側面に設けており、主回路ケーブル１７を接続している。
【００６３】
なお、本実施の形態のヒートシンク１０は、液体冷媒による冷却方式としており、図２中２０は、液体冷媒をヒートシンク１０内に導くためのホースを取り付ける配管口金を示している。
【００６４】
次に、以上のように構成した本実施の形態による電力変換装置においては、平滑コンデンサ２と、ＩＰＭ４と、ヒートシンク１０とを、高さ方向に三層に積み重ねていることにより、平滑コンデンサ２とヒートシンク１０との間の配線インダクタンスを低減することができ、低インダクタンス化が可能になる。
【００６５】
これにより、ターンオフ電圧を小さく抑えることが可能になり、スナバー回路を小さくまたは削減することが可能になり、もって装置の小型化、組み立て配線作業工数削減により低価格化を実現することができる。
【００６６】
特に、平滑コンデンサ２、ＩＰＭ４、ヒートシンク１０の順番に、上から下方向に積み重ねていることにより、ＩＰＭ４の冷却を液体冷媒で効率よく行なうことができ、平滑コンデンサ２のリップル電流、ＩＰＭ４のサージ電圧および設置スペースに比較的余裕がある場合に、例えば電気自動車用電力変換装置として、極めて有効に適用することができる。
【００６７】
また、ＩＰＭ４の正極，負極端子４Ｐ,４Ｎと、ＩＰＭ４の交流出力端子６〜８とを、ＩＰＭ４の側面に設けていることにより、ＩＰＭ４と平滑コンデンサ２との間は、最短接続が可能になり、平滑コンデンサ２とＩＰＭ４との間の配線インダクタンスをさらにより一層低減することができる。
【００６８】
さらに、平滑コンデンサ２とＩＰＭ４が隣接しているため、ＩＰＭ４と平滑コンデンサ２との間のより一層の最短接続が可能になり、平滑コンデンサ２とＩＰＭ４との間の配線インダクタンスをより一層低減することができる。
【００６９】
一方、ＩＰＭ４のケースは、一般的には５０ｍｍ以上にも及び、そのケース内に収納されるスイッチング素子４Ｕ〜４Ｚは発熱体であるが、本実施の形態では、スイッチング素子４Ｕ〜４Ｚをヒートシンク１０側により近い部所、すなわちＩＰＭ４の最も底部分に配置していることにより、放熱効率を良くして効率的に冷却することができ、装置のより一層の小型化を実現することができる。
【００７０】
また、ヒートシンク１０は、液体冷媒による冷却方式としていることにより、ヒートシンク１０を２０ｍｍ以下の超薄型にすることが可能になり、ＩＰＭ４と平滑コンデンサ２との間の配線となる正極主回路導体３Ｐ、負極主回路導体３Ｎの長さを、最短にすることができて極低インダクタンス配線になり、サージ電圧を最小にすることができる。
【００７１】
上述したように、本実施の形態による電力変換装置では、平滑コンデンサ２とＩＰＭ４との間の配線インダクタンスをより一層最小に低減することができ、低インダクタンス化が可能になる。
【００７２】
これにより、ターンオフ電圧を小さく抑えることが可能になり、スナバー回路を小さくまたは削減することが可能になり、装置の小型化、組み立て配線作業工数削減により、低価格化を実現することができる。
【００７３】
従って、高速スイッチング動作する半導体素子４Ｕ〜４Ｚへのサージ電圧を抑制することができ、経済的で信頼性の極めて高い電力変換装置を得ることができる。
【００７４】
（その他の実施の形態）
前記各実施の形態では、ＩＰＭ４の正極，負極端子４Ｐ,４Ｎ、およびＩＰＭ４の交流出力端子６〜８の両端子を、ＩＰＭ４の側面に設ける場合について説明したが、これに限らず、ＩＰＭ４の正極，負極端子４Ｐ,４ＮのみをＩＰＭ４の側面に設ける構成としてもよい。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電力変換装置によれば、平滑コンデンサと電力変換モジュールとの間の配線インダクタンスを低減することができると共に、電力変換モジュール、平滑コンデンサを効率的に冷却することができ、小型化、低価格化を実現することが可能となる。
【００７６】
よって、高速スイッチング動作する半導体素子へのサージ電圧を抑制することができ、経済的で信頼性の極めて高い電力変換装置を提供することができる。
【００７７】
以上により、平滑コンデンサと電力変換モジュールとの間の配線インダクタンスを低減することができると共に、電力変換モジュール、平滑コンデンサを効率的に冷却することができ、小型化、低価格化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電力変換装置の第１の実施の形態を示す正面図。
【図２】本発明による電力変換装置の第２の実施の形態を示す正面図。
【図３】従来の電力変換装置の主回路構成例を示す回路図。
【符号の説明】
１…直流電源
２…平滑コンデンサ
２Ｐ…平滑コンデンサ２の正極端子
２Ｎ…平滑コンデンサ２の負極端子
３Ｐ…正極主回路導体
３Ｎ…負極主回路導体
４…ＩＰＭ
４Ｕ…スイッチング素子
４Ｖ…スイッチング素子
４Ｗ…スイッチング素子
４Ｘ…スイッチング素子
４Ｙ…スイッチング素子
４Ｚ…スイッチング素子
４Ｐ…ＩＰＭ４の正極入力端子
４Ｎ…ＩＰＭ４の負極入力端子
４ａ…埋め金
５…電流センサー
６…交流出力端子
７…交流出力端子
８…交流出力端子
９…ゲートドライブ基板
１０…ヒートトシンク
１０ａ…皿穴
１０ｂ…ねじ穴
１０ｃ…ねじ穴
１１…皿ねじ
１２…ねじ
１３…ねじ
１７…主回路ケーブル
１８…主回路ケーブル
２０…配管口金。
【図１】
0003646049.tif 000002
【図２】
0003646049.tif 000003
【図３】
0003646049.tif 000004