(57)【要約】      （修正有）【課題】高信頼性で低損失の電力変換装置を得る。【解決手段】パワーモジュール及びドライバモジュールを含む電力変換装置であって、パワーモジュールの略同一平面上において印加される電位の順に隣接して配置され、且つドライバモジュールとの接続端が前記パワーモジュールの端部に沿って配置された交流配線パターン１２ａ等のパワー側パターンと、ドライバモジュールにおいて交流配線パターン１２ａ等と夫々接続され、配線パターンの配置と対応する順に隣接して配置され、且つドライバモジュールの端部に沿って配置された正極パターン４１等のドライバ側パターンと、パワー側パターン及びドライバ側パターンが設けられた平面の近傍に夫々設けられ、少なくとも電源トランス６０、パワー側パターン及びドライバ側パターンをループする電流によって生じる磁束を囲むように電気的に接続された筐体８０とを含むことを特徴とする電力変換装置。【選択図】図１
2011200074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電流を通電及び遮断するパワーモジュール及び前記パワーモジュールにおける前記主電流の通電及び遮断を制御するドライバモジュールを含む電力変換装置であって、
前記パワーモジュールにおいて高電位側で前記主電流を通電及び遮断する高電位側半導体素子と、
前記パワーモジュールにおいて低電位側で前記主電流を通電及び遮断し、前記高電位側半導体素子と直列に接続されている低電位側半導体素子と、
前記高電位側半導体素子及び前記低電位側半導体素子に含まれる各電極と夫々接続され、前記パワーモジュールの略同一平面上において印加される電位の順に隣接して配置され、且つ前記ドライバモジュールとの接続端が前記パワーモジュールの端部に沿って配置された複数のパワーモジュール側配線と、
前記ドライバモジュールにおいて前記複数のパワーモジュール側配線と夫々接続され、前記ドライバモジュールの略同一平面上において前記複数のパワーモジュール側配線の配置と対応する順に隣接して配置され、且つ前記ドライバモジュールの端部に沿って配置された複数のドライバモジュール側配線と、
前記ドライバモジュールにおいて前記主電流の通電及び遮断を制御するための信号電圧を前記高電位側半導体素子の制御電極及び前記低電位側半導体素子の制御電極に印加するための電圧に変換する回路であって、前記複数のドライバモジュール側配線に夫々対応する複数の端子が前記複数のドライバモジュール側配線の配置順に対応して設けられた電源トランスと、
前記複数のパワーモジュール側配線が設けられた平面の近傍及び前記複数のドライバモジュール側配線が設けられた平面の近傍に夫々設けられ、少なくとも前記電源トランス、前記ドライバモジュール側配線及び前記パワーモジュール側配線をループする電流によって生じる磁束を囲むように電気的に接続された導電体とを含むことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記複数のパワーモジュール側配線は、前記パワーモジュールの略同一平面上において、隣接して配置された他のパワーモジュール側配線と対向する方向に電流が流れるよう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。
【請求項３】
前記主電流を前記パワーモジュールに入力するための入力端子及び前記主電流を前記パワーモジュールから出力するための出力端子が、前記パワーモジュールにおいて前記ドライバモジュールとの接続端が設けられた側とは反対側の端部に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記複数のパワーモジュール側配線が配置された平面上において、前記複数のパワーモジュール側配線のうち最も高い電位が印加される最高電位配線の側部であって、前記複数のパワーモジュール側配線のうち最も低い電位が印加される最低電位配線が配置された側とは反対側の領域に設けられ、前記最高電位配線と電気的に接続され、且つ前記パワーモジュールにおいて前記複数のパワーモジュール側配線の前記ドライバモジュールとの接続端が設けられた側の端部に前記ドライバモジュールとの接続端が設けられた最高電位抽出配線と、
前記反対側の領域において前記最高電位抽出配線と対向する方向に電流が流れるように隣接して設けられ、前記最低電位配線と電気的に接続され、且つ前記パワーモジュールにおいて前記複数のパワーモジュール側配線の前記ドライバモジュールとの接続端が設けられた側の端部に前記ドライバモジュールとの接続端が設けられた最低電位抽出配線と、
前記複数のドライバモジュール側配線は、前記最高電位抽出配線及び前記最低電位抽出配線と接続される配線を含み、且つ前記最高電位抽出配線及び前記最低電位抽出配線にも対応して配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記複数のパワーモジュール側配線のうち、前記高電位側半導体素子のゲート電極に接続される高電位側ゲート配線と、前記高電位側半導体素子のエミッタ電極及び前記複数のドライバモジュール側配線のうち対応する配線に接続される高電位側エミッタ配線とが、流れる電流が対向するように隣接して配置されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記高電位側半導体素子のエミッタ電極は、前記高電位側エミッタ配線及び前記低電位側半導体素子のコレクタ電極に接続される低電位側コレクタ配線に並列に接続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。
【請求項７】
前記複数のパワーモジュール側配線のうち、前記低電位側半導体素子のゲート電極に接続される低電位側ゲート配線と、前記低電位側半導体素子のエミッタ電極及び前記複数のドライバモジュール側配線のうち対応する配線に接続される低電位側エミッタ配線とが、流れる電流が対向するように隣接して配置されていることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記低電位側半導体素子のエミッタ電極は、前記低電位側エミッタ配線及び前記パワーモジュールから主電流を出力する出力端子に接続される出力端子配線に並列に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記パワーモジュール及び前記ドライバモジュールは、前記複数のパワーモジュール側配線が配置された平面と前記複数のドライバモジュール側配線が配置された平面とが略平行となる様に隣接して配置されており、
前記導電体は、一体の導電体として前記複数のパワーモジュール側配線が設けられた平面の近傍及び前記複数のドライバモジュール側配線が設けられた平面の近傍に配置されるように設けられていることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記パワーモジュール及び前記ドライバモジュールは、前記複数のパワーモジュール側配線が配置された平面と前記複数のドライバモジュール側配線が配置された平面とが並行で且つ重なるように配置されており、
前記複数のパワーモジュール側配線が設けられた平面の近傍に設けられた第１の導電体と、前記複数のドライバモジュール側配線が設けられた平面の近傍に配置されるように設けられた第２の導電体とが、前記第１の導電体及び前記第２の導電体のうち少なくとも一方を固定するための固定具によって電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記パワーモジュール及び前記ドライバモジュールは、前記複数のパワーモジュール側配線が配置された平面と前記複数のドライバモジュール側配線が配置された平面とが略直角となるように配置されており、
前記複数のパワーモジュール側配線が設けられた平面の近傍に設けられた第１の導電体と、前記複数のドライバモジュール側配線が設けられた平面の近傍に配置されるように設けられた第２の導電体とが、前記第１の導電体及び前記第２の導電体のうち少なくとも一方を固定するための固定具によって電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記ドライバモジュールは多層型の配線基板によって構成され、
前記高電位側半導体素子及び前記低電位側半導体素子のゲート電極に接続される前記パワーモジュール側配線に接続される前記ドライバモジュール側配線を流れる電流と、前記高電位側半導体素子及び前記低電位側半導体素子のエミッタ電極に接続される前記パワーモジュール側配線に接続される前記ドライバモジュール側配線を流れる電流とは、前記ドライバモジュールにおいて異なる層を通って前記電源トランスに到達することを特徴とする請求項１乃至１１いずれかに記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関し、特に、自動車のハイブリットシステム向けの電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のハイブリットシステム向けの電力変換装置は、モータ電流をパワー半導体素子のスイッチングによって制御している。近年、ハイブリットシステムの大出力化にともない、モータ電流と電圧が増加する傾向にあり、パワー半導体素子のスイッチングにより発生するサージ電圧が課題となっている。
【０００３】
従来、スイッチングにより発生するサージ電圧は、パワー半導体素子とコンデンサの配線長の短縮と配線のラミネート化、及び、コンデンサ内部配線のラミネート化などによって、パワー半導体素子とコンデンサとの主回路インダクタンスを低減させ、抑制している（例えば、特許文献１参照）。また、サージ電圧を抑制することで、スイッチング速度を高速化して損失を低減し、車両の燃費を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９‐４４８９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような主回路インダクタンスの低減は、サージ電圧の抑制には効果が期待できる。他方、スイッチングの高速化はパワー半導体素子に流れる電流をより速く変化させることであり、結果としてサージ電圧の増加をともなう。即ち、サージ電圧を下げることにより、同等の耐電圧を持つパワー半導体素子において、よりスイッチングの高速化が可能となる。しかしながら、スイッチングが高速化されると、パワー半導体素子を導通、及び、遮断するときに流れるゲート電流の発振のポテンシャルが高くなる。そして、従来技術におけるゲート電流は、下に置かれた半導体素子とその上のプリント基板との間に流れるため配線長が長く、ゲート電流発振のポテンシャルがより高い。
【０００６】
また、パワー半導体素子のスイッチングによって生じるサージ電圧は、パワー半導体素子と電気的に接続するプリント基板、及び、ゲート電流のための電源を生成する電源トランスに影響する。即ち、電源トランス出力電圧、及び、プリント基板の配線パターン電圧に、配線などにより減衰されたサージ電圧が重なる。このサージ電圧によって生じる電圧変動は、プリント基板の配線パターン間の浮遊容量、及び、電源トランスの浮遊容量によって漏れ電流を生じさせ、プリント基板全体にノイズを発生させる。
【０００７】
従来技術における漏れ電流は、最長でパワー半導体からプリント基板そしてパワー半導体に流れるループ電流となる。そして、上述したように配線が長いため浮遊容量及び配線インダクタンスが大きく耐ノイズが低い。このため、最悪の場合は、漏れ電流によるノイズによってパワー半導体素子の誤ＯＮを生じさせパワー半導体素子の破壊に至る。
【０００８】
本発明の目的は、パワー半導体素子のゲート電流の発振が無い高速スイッチング技術と、サージ電圧による漏れ電流の抑制技術を用いて、低損失で耐ノイズ性の高い電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、主電流を通電及び遮断するパワーモジュール及び前記パワーモジュールにおける前記主電流の通電及び遮断を制御するドライバモジュールを含む電力変換装置であって、前記パワーモジュールにおいて高電位側で前記主電流を通電及び遮断する高電位側半導体素子と、前記パワーモジュールにおいて低電位側で前記主電流を通電及び遮断し、前記高電位側半導体素子と直列に接続されている低電位側半導体素子と、前記高電位側半導体素子及び前記低電位側半導体素子に含まれる各電極と夫々接続され、前記パワーモジュールの略同一平面上において印加される電位の順に隣接して配置され、且つ前記ドライバモジュールとの接続端が前記パワーモジュールの端部に沿って配置された複数のパワーモジュール側配線と、前記ドライバモジュールにおいて前記複数のパワーモジュール側配線と夫々接続され、前記ドライバモジュールの略同一平面上において前記複数のパワーモジュール側配線の配置と対応する順に隣接して配置され、且つ前記ドライバモジュールの端部に沿って配置された複数のドライバモジュール側配線と、前記ドライバモジュールにおいて前記主電流の通電及び遮断を制御するための信号電圧を前記高電位側半導体素子の制御電極及び前記低電位側半導体素子の制御電極に印加するための電圧に変換する回路であって、前記複数のドライバモジュール側配線に夫々対応する複数の端子が前記複数のドライバモジュール側配線の配置順に対応して設けられた電源トランスと、前記複数のパワーモジュール側配線が設けられた平面の近傍及び前記複数のドライバモジュール側配線が設けられた平面の近傍に夫々設けられ、少なくとも前記電源トランス、前記ドライバモジュール側配線及び前記パワーモジュール側配線をループする電流によって生じる磁束を囲むように電気的に接続された導電体とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、パワー半導体素子のゲート電流の発振が無い高速スイッチング技術と、サージ電圧による漏れ電流の抑制技術を用いて、低損失で耐ノイズ性の高い電力変換装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る絶縁基板の拡大詳細図である。
【図３】本発明の実施形態に係る絶縁基板の接続部の拡大詳細図である。
【図４】本発明の実施形態に係るプリント配線基板の拡大詳細図である。
【図５】本発明の実施形態に係る電力変換装置の等価回路である。
【図６】本発明の実施形態に係るプリント基板と電源トランスを示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係るプリント基板と電源トランスを示す図である。
【図８】従来技術の実施形態を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る電力変換装置の断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る絶縁基板の拡大詳細図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る電力変換装置の等価回路である。
【図１２】本発明の他の実施形態に係る絶縁基板の拡大詳細図である。
【図１３】本発明の他の実施形態に係る絶縁基板の拡大詳細図である。
【図１４】本発明の他の実施形態に係る絶縁基板及びプリント配線基板の拡大詳細図である。
【図１５】本発明の他の実施形態に係る絶縁基板及びプリント配線基板の拡大詳細図である。
【図１６】本発明の他の実施形態に係る絶縁基板及びプリント配線基板の断面図である。
【図１７】本発明の他の実施形態に係る絶縁基板及びプリント配線基板の拡大詳細図である。
【図１８】本発明の他の実施形態に係る絶縁基板及びプリント配線基板の断面図である。
【図１９】本発明の他の実施形態に係る絶縁基板及びプリント配線基板の断面図である。
【図２０】本発明の他の実施形態に係るプリント配線基板の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
本発明の実施の形態について、図１を参照して、以下説明する。
図１は、本発明による電力変換装置の実施形態の一例を示し、図２、３は、図１の一部の拡大詳細を示す。図２において、上アームＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）チップ１ａ、１ｂは上面にエミッタ電極と上アームゲート電極６ａ、６ｂ、及び、下面にコレクタ電極を有し、上アームダイオードチップ２ａ、２ｂは上面にアノード電極、下面にカソード電極を有する。下アームＩＧＢＴチップ３ａ、３ｂと下アームダイオードチップ４ａ、４ｂも上アームと同様の端子を有する。
【００１３】
上アームＩＧＢＴチップ１ａ、１ｂと上アームダイオードチップ２ａ、２ｂは、絶縁基板１０上に形成された正極配線パターン１１の上に、はんだ等で下面がロー付けされ、上面のエミッタ電極とカソード電極は、アルミワイヤー２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂを介して交流配線パターン１２ａと接続されている。また、上アームゲート電極６ａ、６ｂは、アルミワイヤー２５ａ、２５ｂを介して上アームゲート配線パターン１４ａ、１４ｂと接続されている。
【００１４】
下アームＩＧＢＴチップ３ａ、３ｂと上アームダイオードチップ４ａ、４ｂは、絶縁基板１０上に形成された交流配線パターン１２ａの上に、はんだ等で下面がロー付けされ、上面のエミッタ電極とカソード電極は、アルミワイヤー２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂを介して負極配線パターン１３と接続されている。また、下アームゲート電極７ａ、７ｂは、アルミワイヤー２６ａ、２６ｂを介して下アームゲート配線パターン１５ａ、１５ｂと接続されている。
【００１５】
絶縁基板１０は、セラミックなどの絶縁板の両面に銅などの金属箔を貼り付けて形成されており、銅板や複合材料板などからなるベース２０とはんだ等でロー付けされて固定されている。絶縁基板１０上面の配線パターンは、下縁からほぼ水平に、順に、負極配線パターン１３、下アームゲート配線パターン１５ｂ、１５ａ、交流配線パターン１２ａ、１２ｂ、上アームゲート配線パターン１４ａ、１４ｂ、正極配線パターン１１と配置されており、サーミスタ配線パターン１７ｂ、１７ａ、１９、１８は上縁に配置されている。サーミスタ５ａ、５ｂは、上アームＩＧＢＴチップ１ａ、１ｂの近傍にそれぞれ配置されており、サーミスタ配線パターン１７ａ、１７ｂ、１８、１９とはんだ等で接続されている。
【００１６】
交流配線パターン１２ａと交流配線パターン１２ｂとは、アルミリボン２７を介して、下アームＩＧＢＴチップ３ａ、３ｂ及びダイオードチップ４ａ、４ｂを跨いで接続されている。尚、図２においては、図示の容易化のため、アルミリボン２７は全体を省略し接続箇所のみ示されている。図においては、アルミワイヤーは１本、又は、２本で表記しているが本数を制限するものでは無く、同様にアルミリボンの本数も制限するものでは無い。また、アルミリボン、アルミワイヤーの変わりに他の接続導体を用いても良い。さらに、ＩＧＢＴチップとダイオードチップの配列も限定するものではない。
【００１７】
次に、図３に示すように、端子台３０は、正極バスバー３１と交流バスバー３２、負極バスバー３３を有する。各バスバーは、樹脂などの絶縁材料で保持絶縁されており、例えば、一体モールド成型などで構成されている。端子台３０は、絶縁基板１０と隣接して配置されており、端子台３０上において各バスバーは、絶縁基板１０と隣接する辺側に配置されている。また、端子台３０上における各バスバーは、絶縁基板１０の下縁、即ち、絶縁基板１０上において端子台３０と隣接する方向と直行する方向の一端から順に、負極バスバー３３、交流バスバー３２、正極バスバー３１の順番で、それぞれ、絶縁基板１０の負極配線パターン１３、交流配線パターン１２ｂ、正極配線パターン１１と、アルミリボン７２を介して接続されている。
【００１８】
各バスバー３１、３２、３３の接続部分とアルミリボン７２は、各々対応する絶縁基板１０の配線パターン１１、１２ａ、１２ｂ、１３と概略平行となる位置に配置されている。また、端子台３０は接続端子３４を有しており、外部とのインタフェースに用いられる。接続端子３４の外部とのインタフェースについては後述する。図において、アルミリボン７２は他の接続導体、例えば、アルミワイヤーなどでも良い。
【００１９】
絶縁基板１０及び端子台３０上に設けられた構成が、本実施形態に係る電力変換装置において、主電流の通電及び遮断を一次的に行うパワーモジュールとして機能する。また、上アームＩＧＢＴチップ１ａ、１ｂは、このパワーモジュールにおいて、高電位側で主電流を通電及び遮断する高電位側半導体素子である。同様に、下アームＩＧＢＴチップ３ａ、３ｂは、上アームＩＧＢＴチップ１ａ、１ｂと直列に接続されており、低電位側で主電流を通電及び遮断する低電位側半導体素子である。
【００２０】
また、正極配線パターン１１、交流配線パターン１２ａ、１２ｂ、負極配線パターン１３、上アームゲート配線パターン１４ａ、１４ｂ及び下アームゲート配線パターン１５ａ、１５ｂは、上記パワーモジュールにおいて、印加される電位の順に隣接して配置されており、夫々がパワーモジュール側配線として機能する。
【００２１】
絶縁層と導体層の多層からなるプリント配線基板４０は、絶縁基板１０の各配線パターンと電気的に接続されるパターン４１、４２、４３、４４、４５、４６を上面に有しており、パターン４１、４２、４３、４４、４５、４６の上面には、はんだなどの導電性材料で端子５０が接続されている。プリント配線基板４０は、端子台３０とは反対側から絶縁基板１０と隣接して配置されており、端子５０が形成された各パターンは、プリント配線基板４０上において絶縁基板１０に隣接する辺側に配置されている。
【００２２】
プリント配線基板４０上に設けられた構成が、本実施形態に係る電力変換装置において、上述したパワーモジュールを制御するドライバモジュールとして機能する。この、パターン４１、４２、４３、４４、４５、４６及び夫々に接続された端子５０が、本実施形態において上記パワーモジュールに設けられたパワーモジュール側配線と接続されるドライバモジュール側配線として機能する。
【００２３】
各パターン上の端子５０は、絶縁基板１０の下縁、即ち、絶縁基板１０上においてプリント配線基板４０と隣接する方向と直行する方向の一端から順に、負極パターン４５、下アームゲートパターン４４、交流パターン４３、上アームゲートパターン４２、正極パターン４１、サーミスタパターン４６の順番で、それぞれ、絶縁基板１０の負極配線パターン１３、下ゲート配線パターン１５ａ、１５ｂ、交流配線パターン１２ａ、下ゲート配線パターン１４ａ、１４ｂ、正極配線パターン１１、サーミスタ配線パターン１７ａ、１７ｂ、１８、１９と、アルミワイヤー７１を介して接続されている。即ち、本実施形態における複数のドライバモジュール側配線は、上記パワーモジュール側配線の配置と対応する順に隣接して配置されている。
【００２４】
また、各パターン４１、４２、４３、４４、４５、４６の端子５０との接続部分と端子５０、アルミワイヤー７１は、各々対応する絶縁基板１０の配線パターン１１、１２ａ、１２ｂ、１３、１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ、１７ａ、１７ｂ、１８、１９と概略平行となる位置に配置されている。図において、アルミワイヤーは１本で表記しているが本数を制限するものでは無い。また、アルミリボンの変わりに他の接続導体を用いても良い。また、端子５０の代わりにプリント配線基板４０のパターンにアルミワイヤー７１を直接接続しても良い。また、サーミスタパターン４６、サーミスタ配線パターン１７ａ、１７ｂ、１８、１９を絶縁基板１０の下縁側に設けても良い。
【００２５】
図４は、プリント配線基板４０の拡大図であり、図５は、本発明の等価回路図の一例を示す。図において、プリント配線基板４０は、少なくとも、上アームＩＧＢＴチップ１ａ、１ｂ及び下アームＩＧＢＴチップ３ａ、３ｂをＯＮ／ＯＦＦするドライバ回路５２と、ドライバ回路の電源を生成する電源回路５１からなり、電源回路５１は電源トランス６０を有している。電源トランス６０は、各々絶縁された、上アーム２次コイル６６と上アーム２次コイル６７、１次コイル６９、フィードバックコイル６８とで構成されている。
【００２６】
上アーム２次コイル６６の両端の上アーム電源＋端子６１、上アーム電源−端子６２は、プリント配線基板４０上に形成された上アーム電源＋パターン４７＋及び上アーム電源−パターン４７−と、はんだ等で接続されている。また、下アーム２次コイル６７の両端の下アーム電源＋端子６３、下アーム電源−端子６４は、プリント配線基板４０上に形成された下アーム電源＋パターン４８＋、下アーム電源−パターン４８−と、はんだ等で接続されている。
【００２７】
同様に、１次コイル６９及びフィードバックコイル６８の両端の低電圧端子６５は、プリント配線基板４０のパターンとはんだ等で接続されている。高電圧が印加される上アーム電源＋端子６１、上アーム電源−端子６２、下アーム電源＋端子６３及び下アーム電源−端子６４と、低電圧が印加される低電圧端子６５は、電源トランス６０の外周に沿って、順に、上アーム電源＋端子６１、上アーム電源−端子６２、下アーム電源＋端子６３、下アーム電源−端子６４の順番で配置される。
【００２８】
この電源トランス６０における端子の位置関係は、プリント配線基板４０の交流パターン４３及び負極パターン４５の位置に依存する。図３のように上から下に交流パターン４３と負極パターン４５が配置されているときは、反時計回り方向に、上アーム電源＋端子６１、上アーム電源−端子６２、下アーム電源＋端子６３、下アーム電源−端子６４となる。逆の場合は、時計回り方向となる。低電圧端子６５は、上アーム電源＋端子６１、上アーム電源−端子６２、下アーム電源＋端子６３及び下アーム電源−端子６４と相互に並ばない場所に設けられる。電源トランス６０は、図５に示すようにダイオードとコンデンサ、及び、スイッチング回路５３とでフライバックコンバータを構成して、電源回路５１の出力電圧を制御している。尚、コンバータはフライバックに限定されるものではなく、フォワードコンバータでも良い。
【００２９】
図６、図７は、電源トランス６０における上アーム電源＋端子６１、上アーム電源−端子６２、下アーム電源＋端子６３、下アーム電源−端子６４及び低電圧端子６５の配置の他の例を示す図である。図６、図７において、プリント配線基板４０の交流パターン４３と負極パターン４５は、図４と同様に上から下に配置されており、上アーム電源＋端子６１、上アーム電源−端子６２、下アーム電源＋端子６３、下アーム電源−端子６４は反時計周りに並べられる。
【００３０】
図１〜７において、低電圧端子６５の本数は４本となっているが、例えば、１次コイル６９をハイサイドスイッチングとしてフィードバックコイルと端子を共通化し本数を減らした構成でも良く、フィードバックコイルを無くした１次コイルの印加電圧によるフィードフォワード制御などを用いても良い。また、低電圧端子６５の端子配列の順番は何れでも良い。図１〜４において、プリント配線基板４０の各パターンの形状は限定するものでは無く、上アーム電源＋パターン４６と上アーム電源−パターン４７、下アーム電源＋パターン４８、下アーム電源−パターン４９は、プリント配線基板４０の上面ではなく、下層にあっても良い。
【００３１】
図１において、ベース２０ａ、２０ｂ、２０ｃと絶縁基板１０ａ、１０ｂ、１０ｃは一列に並んでアルミダイカストなどの筐体８０にネジなどで固定される。端子台３０とプリント配線基板４０は、絶縁基板１０ａ、１０ｂ、１０ｃを挟むように配置され筐体８０にネジなどで固定される。プリント配線基板４０の隣には、端子をインサート成型などで配置固定したゲートピン７０が配置され、筐体８０にネジ等で固定されてアルミワイヤー７３でプリント配線基板４０と接続されている。ゲートピン７０は、プリント基板４０の外部とのインタフェースに用いられる。外部とのインタフェースに関しては後述する。
【００３２】
図１に示す、絶縁基板１０ａ、１０ｂ、１０ｃとベース２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、端子台３０、プリント基板４０の各エリアＵ、Ｖ、Ｗは、３相モータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相に相対しており、各々のエリアＵ、Ｖ、Ｗごとに図２〜５で示した構成からなる。端子台３０はエリアＵ、Ｖ、Ｗごとに分割せず一体の樹脂などの絶縁材料で構成され、プリント基板４０も一枚の基板で構成されている。電源トランス６０ａ、６０ｂ、６０ｃはエリアＵ、Ｖ、Ｗごとに設けられている。図において、エリアＵ、Ｖ、Ｗは位置を限定するものではなく、アルミワイヤー７３は別の接続導体を用いても良い。
【００３３】
以上の構成から、ＩＧＢＴチップ１ａ、１ｂ、３ａ、３ｂ、ダイオードチップ２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂに流れる主電流は、図１の経路Ｉｐで示すように、正極バスバー３１からアルミリボン７２、正極配線パターン１１、上アームのチップ、アルミワイヤー２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、交流配線パターン１２ａ、アルミリボン２７、交流配線パターン１２ｂ、アルミリボン７２、交流バスバー３２の経路に流れる。また、図１の経路Ｉｎで示すように、交流バスバー３２から、アルミリボン７２、交流配線パターン１２ｂ、アルミリボン２７、交流配線パターン１２ａ、下アームのチップ、アルミワイヤー２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、負極配線パターン１３、アルミリボン７２、負極バスバー３３の経路に流れる。
【００３４】
図１において主電流を流れる上述した経路Ｉｐ、Ｉｎは略渦を巻き、且つ、対向する電流が隣接する経路で流れる。この渦を巻くことで絶縁基板１０の面垂直方向に渦中心を軸とした磁力線が生じ、この磁力線によって絶縁基板１０の導体層、ベース２０、筐体８０に渦電流が生じる。この効果によって主電流経路Ｉｐ、Ｉｎのインダクタンスが低減される。また、対向する電流が隣接すると電流変化によって生じる磁界の消磁効果が発生する。この効果によっても主電流経路Ｉｐ、Ｉｎのインダクタンスが低減される。さらに、アルミリボン２７を介して交流配線パターン１２ａ、１２ｂに主電流を流すことで、各チップを流れる電流経路の長さは概略等しくなり、主電流が均等に分配される。
【００３５】
以上の効果から、主電流が流れる経路のインダクタンスは、従来技術に比べて同等か、若しくはより低くなり、主電流スイッチングにおける電圧サージが抑制される。これより、主電流スイッチングの高速化が可能となり低損失となる。この電圧サージの抑制は、チップの耐電圧を低く保つことも可能となり、低耐電圧チップは電流を流すときの電圧降下が低い。よって、電流を流しているときの定常損失も小さくなる。これらの低損失化にともないチップを冷却するための冷却器、または、冷却性能を小さくすることができ、冷却器のコスト削減が可能となる。さらに、チップ間に均等に電流が分配されるため、個々のチップの面積、又は、チップの枚数を例えばアームごとに３枚ずつから図１に示す２枚ずつへと減らすことが可能である。同様に絶縁基板１０とベース２０は小さくなる。これより、電力変換装置の小型化とコスト削減が可能である。
【００３６】
主電流のスイッチングにおいて、ＩＧＢＴチップ１ａ、１ｂ、３ａ、３ｂのＯＮ時に、ダイオードチップ２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂにリカバリー電流が流れる。リカバリー電流は、図１において、主に正極バスバー３１から、上下アームを介して、負極バスバー３３の経路Ｉｐｎを流れる。リカバリー電流経路Ｉｐｎは、概略Ｕ字の経路で流れる。これより絶縁基板１０の面垂直方向にＵ字中心を軸とした磁力線が生じ、この磁力線によって絶縁基板１０の導体層、ベース２０、筐体８０に渦電流が生じる。これによってリカバリー電流経路Ｉｐｎのインダクタンスが低減される。
【００３７】
また、リカバリー電流は１ナノ秒以下の非常に短い時間に生じるため、電流変化が非常に大きい。このため、リカバリー電流によって発生するサージ電圧はチップに接続される導体のインダクタンスに依存する傾向がある。本発明の構成によれは、ＩＧＢＴチップ１ａ、１ｂ、３ａ、３ｂとダイオードチップ２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂの接続導体であるアルミワイヤー２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂは長さがほぼ同等である。よって、インダクタンスも同等である。
【００３８】
以上の効果によって、リカバリー電流経路Ｉｐｎのインダクタンスは従来技術に比べて同等か、若しくはより低くなり、リカバリー電流によって生じる電圧サージは各チップの接続導体のインダクタンスが同等であることから均等化される。これよって、スイッチング速度の高速化とチップの低耐電圧化が可能となり、さらには、電力変換装置の小型化、冷却器と電力変換装置の低コスト化につながる。尚、図１において、電流経路Ｉｐ、Ｉｎ、Ｉｐｎは各エリアＵ、Ｖ、Ｗに分けて表記されているがエリアを限定するものではなく、全てのエリアで同様な電流経路Ｉｐ、Ｉｎ、Ｉｐｎを持つ。
【００３９】
上述したような、本実施形態におけるＩｐ、Ｉｎ及びＩｐｎの電流経路は、絶縁基板１０上において、端子台３０との接続部が一端側に設けられていることにより構成されるものである。換言すると、主電流をパワーモジュールに入力するための入力端子及び主電流をパワーモジュールから出力するための出力端子の両方が、パワーモジュールの一端側、本実施形態においては、ドライバモジュールとは反対側の端部に設けられていることにより、構成されるものである。
【００４０】
図８は、本実施形態に対する比較例として、従来技術における電力変換装置を示す図である。本実施形態に係る上アームＩＧＢＴチップ１ａ等のチップが実装される絶縁基板３１０は下層に、上アームと下アームに分かれて配置されている。ドライバ回路と電源回路とのプリント基板３４０は、絶縁基板３１０の上に配置され固定されている。絶縁基板３１０とプリント基板３４０とは前後に設けられているゲートピン３７１ａ、３７１ｂを介して接続されている。また、電源トランス３６０はプリント基板３４０のほぼ中央に配置されている。
【００４１】
従来技術において、ゲート電流や、サージ電圧によって生じる漏れ電流などの絶縁基板３１０とプリント基板３４０との間に流れる電流は、ゲートピン３７１ａ、３７１ｂを介して流れる。その中でも、絶縁基板３１０からゲートピン３７１ａ、プリント基板３４０、ゲートピン３７１ｂ、絶縁基板３１０と、一周する電流経路が最長となる。この電流経路のインダクタンスは大きく、また、一周する電流経路においては、絶縁基板３１０とプリント基板３４０との空間を中心としたループ電流となる。このため、従来技術は、スイッチングの高速化によるゲート電流の発振や、ループ電流とインダクタンス高による耐ノイズ性の低下があり、最悪の場合は、チップの誤ＯＮによって、チップの焼損を招く恐れがあった。
【００４２】
これに対し、本発明の構成によれば、ゲート電流は、図３のＩｇｐで示すように、ドライバ回路５２、上アームゲートパターン４２、端子５０、アルミワイヤー７１、上アームゲート配線パターン１４ａ、１４ｂ、アルミワイヤー２５ａ、２５ｂ、ゲート電極６ａ、６ｂ、ＩＧＢＴチップ１ａ、１ｂのエミッタ電極、アルミワイヤー２１ａ、２１ｂ、交流配線パターン１２ａ、アルミワイヤー７１、端子５０、交流パターン４３、ドライバ回路５２の経路に流れる。即ち、本実施形態においては、上アームゲート配線パターン１４ａ、１４ｂが、高電位側ゲート配線として、交流配線パターン１２ａが、高電位側エミッタ配線として夫々機能する。
【００４３】
また、図３のＩｇｎで示すように、ドライバ回路５２、下アームゲートパターン４４、端子５０、アルミワイヤー７１、下アームゲート配線パターン１５ａ、１５ｂ、アルミワイヤー２６ａ、２６ｂ、ゲート電極７ａ、７ｂ、ＩＧＢＴチップ３ａ、３ｂのエミッタ電極、アルミワイヤー２３ａ、２３ｂ、負極配線パターン１３、アルミワイヤー７１、端子５０、負極配線パターン４５、ドライバ回路５２の経路に流れる。即ち、本実施形態においては、下アームゲート配線パターン１５ａ、１５ｂが、低電位側ゲート配線として、負極配線パターン１３が、低電位側エミッタ配線として夫々機能する。
【００４４】
本実施形態においては、図３に示すように、ゲート電流経路Ｉｇｐ、Ｉｇｎは、常に対向する電流が隣接する経路で流れる。上述したとおり、対向する電流が隣接すると電流変化によって生じる磁界の消磁効果が発生し、インダクタンスが低減される。また、絶縁基板１０とプリント基板４０が隣接しているので接続導体のアルミワイヤー７１は最短となっている。
【００４５】
以上の効果からゲート電流経路Ｉｇｐ、Ｉｇｎのインダクタンスは図８に示すような従来技術に比べて大幅に低くなる。これにより、スイッチングの高速化によるゲート電流の発振のポテンシャルが無く、よりスイッチングの高速化が可能となる。これによって、スイッチング損失が低減され、車両の燃費向上につながる。さらには、低インダクタンス化により耐ノイズ性が高く、上述したチップの誤ＯＮ等を防いで信頼性を向上することができる。
【００４６】
また、サージ電圧によって発生する漏れ電流は、サージ電圧の伝達に起因しており、本発明の構成によれば、図４、図５において、スイッチングによって発生したサージ電圧は、アルミワイヤー７１、端子５０を介して、プリント配線基板４０に伝達する。伝達したサージ電圧は、プリント配線基板４０と電源トランス６０の浮遊容量、及び、その他プリント配線基板４０に含まれる部品の容量によって、高周波の漏れ電流を発生させる。
【００４７】
一例として、交流パターン４３に伝達したサージ電圧は、プリント配線基板４０の内部パターンによって接続されている上アーム電源−パターン４７−に伝達する。上アーム電源−パターン４７−に伝達したサージ電圧は、電源トランス６０の上アーム２次コイル６６と下アーム２次コイル間の浮遊容量によって、上アーム２次コイル６６と下アーム２次コイル間に漏れ電流を発生させる。この漏れ電流は、主に、図４のＩｒで示すように、ＩＧＢＴチップ３ａ、３ｂ若しくはダイオード４ａ、４ｂ、交流配線パターン１２ａ、アルミワイヤー７１、配線５０、交流パターン４３、上アーム電源−パターン４７−、上アーム２次コイル６６、下アーム２次コイル６７、下アーム電源−パターン４８−、負極パターン４５、配線５０、アルミワイヤー７１、負極配線パターン１３を、アルミワイヤー２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂを介して、ループするように流れる。
【００４８】
図４において、この漏れ電流経路Ｉｒは、プリント配線基板４０内で概略Ｖ字を描く、また、絶縁基板１０上でも下アームのチップを底とした概略Ｖ字となる。これより、漏れ電流は、プリント配線基板４０と絶縁基板１０の上で渦を巻くように流れる。この渦を巻くことで絶縁基板１０とプリント配線基板４０との面垂直方向に渦中心を軸とした磁力線が生じ、この磁力線によって絶縁基板１０の導体層、プリント配線基板４０の導体層、ベース２０、筐体８０に渦電流が生じる。この効果によって、漏れ電流経路Ｉｒのインダクタンスが低減され、漏れ電流によって生じるノイズが軽減される。他の漏れ電流においても、サージ電圧による漏れ電流は、絶縁基板１０とプリント配線基板４０間をループすることから、同様の効果を得られる。
【００４９】
また、サージ電圧によって生じる漏れ電流は、プリント配線基板４０上の至る所で生じると考えられるが、電流は、流れる際のエネルギが最小となる経路に流れるため、流れる経路間の電位差がより低いところを流れる。本発明の構成によれば、プリント配線基板４０の配線パターンの中で、主に、サージ電圧が伝達する配線パターン４１、４２、４３、４４、４５、４７＋、４７−、４８＋、４８−は、隣接するパターン間の平均電圧が最小となるように、即ち、印加される電圧の電位の順に配置されている。これによって、漏れ電流は、対向するパターン間でより流れ、対向する電流によって生じる磁界の消磁効果によりインダクタンスが低減され、漏れ電流によって生じるノイズが軽減される。
【００５０】
更に、配線パターン４１、４２、４３、４４、４５、４７＋、４７−、４８＋、４８−は、ほぼ平均電圧の順番でプリント配線基板１０上に配置されており、互いに交差することなく接続が可能である。言い換えれば図５に示すプリント配線基板４０の等価回路図そのままの配線が可能であり線が交差していないことが解る。これにより、配線パターン４１、４２、４３、４４、４５、４７＋、４７−、４８＋、４８−は、互いに干渉せず、且つ、配線長が短く、インダクタンスが低い。以上の効果により、サージ電圧によって発生する漏れ電流によるノイズが軽減され、低インダクタンス化により耐ノイズ性が向上し、信頼性の高い電力変換装置が供給できる。
【００５１】
図１〜７の本発明の構成によると、サーミスタ５ａ、５ｂはチップ近傍に配置され、その伝達ラインとなるサーミスタ配線パターン１７ａ、１７ｂ、１８，１９とサーミスタパターン４６は、各エリアＵ、Ｖ、Ｗの上側の境界に設けられている。これより、サーミスタパターン４６は、エリアＵ、Ｖ、Ｗと交差することなく、ゲートピン７０に接続可能である。
【００５２】
また、電源トランス６０の低電圧端子６５と、スイッチング回路５３も各エリアＵ、Ｖ、Ｗの境界に設けられている。これより、同様にエリアＵ、Ｖ、Ｗと交差することなく、信号ラインなどをゲートピン７０に接続可能である。これによって、サーミスタ５ａ、５ｂの信号ラインとスイッチング回路５３及びスイッチング回路５３などの信号ラインは、上述したスイッチングにより発生するサージ電圧の影響が小さく、また、ドライバ回路５２の電圧変動の影響が小さい。以上により、信号ラインのノイズが小さくなり、高精度の信号出力が可能となり高い信頼性が保たれる。
【００５３】
次に、本実施形態に係る電力変換装置の全体的な構成について説明する。図９は、図１のＡ−Ａ断面図を示す。図９に示すように、本実施形態においては、上述したドライバモジュール側配線が設けられた面と、上述したパワーモジュール側配線が設けられた面とが、略平行となる様にドライバモジュールとパワーモジュールとが隣接して配置されている。図において、端子台３０、絶縁基板１０、プリント配線基板４０、ゲートピン７０は、一体の導電体である筐体８０の一平面上にねじ等で取り付けされ、各々を接続するアルミリボン７２、アルミワイヤー７１、７３も概略同一平面上に配置される。これより、上述した電流経路Ｉｐ、Ｉｎ、Ｉｐｎ、Ｉｇｐ、Ｉｇｎ、Ｉｒ、Ｉｈｖも同一平面上を流れることから、各々の電流ループにより筐体８０に渦電流が生じ、インダクタンスが低減される。
【００５４】
端子台３０の正極バスバー３１、交流バスバー３２、負極バスバー３３は、板状で積層され、例えば、樹脂のインサート成型により成型され保持される。また、外部インタフェース３４は、同バスバーを図中の左方向に延ばすことで構成され、例えばネジ等で、外部バスバー８５、又は、直流のコンデンサ８４と接続される。図は交流バスバー３２と外部バスバー８５との接続部を示す。
【００５５】
このような構成により、端子台３０の各バスバー３１、３２、３３は一枚の板で構成可能であり、例えば銅板材などを少数工程の金属プレス加工などで成型でき低コストである。また、全ての外部インタフェース３４が一列に並んでいることから、外部バスバー８５とコンデンサ８４との接続が容易で加工時間が短縮できる。さらに、各バスバーが積層していることから、バスバーに流れる各電流が重なって流れ、バスバーのインダクタンスが低減される。
【００５６】
ゲートピン７０は、プリント配線基板４０のドライバ回路５２等を制御する上位制御回路を含む制御基板８３と接続されている。本実施形態において、ゲートピン７０と制御基板８３とは、はんだによってロー付けされている。また、プリント配線基板４０には、高電圧が印加される電源回路５１、ドライバ回路５２、スイッチング回路５３が実装され、上述したとおり、各エリアＵ、Ｖ、Ｗで区切られている。これより、ゲートピン７０に流れる信号は、サーミスタ５ａ、５ｂ、及び、ドライバ回路５２のＰＷＭ信号、スイッチング回路５３のＯＮ／ＯＦＦ信号、電源回路５１の電源ラインなどの弱電系となり、ゲートピン７０の各ピン間の絶縁距離を狭くできる。以上から、ゲートピン７０は小型、低コストとなる。
【００５７】
筐体８０は、上述した、絶縁基板１０やプリント配線基板４０が取り付けられた一平面の下側に、チップ１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの冷却のための冷却水路８２を有する。冷却水路８２は絶縁基板１０とプリント配線基板４０のほぼ真下に配置され、例えば、アルミダイカストなどで成型された水路蓋８１で密閉されている。筐体８０には、冷却水路８２内に、例えば、フンなどが設けられている。これにより、冷却水路８２は、同時に、プリント配線基板４０で生じた熱も冷却でき、電源トランス６０などの発熱部品を小型化でき、コストも低減される。
【００５８】
さらに筐体８０には、例えば、ゲル状のシリコンコンパウンドなどのゲル８６が、アルミリボン７２やアルミワイヤー７１、７３などを覆うように、例えば、図中点線ラインまで充填されており、筐体８０は、ゲル８６を囲うための壁を、端子台３０、絶縁基板１０、プリント基板４０、ゲートピン７０の外側に設けている。これにより、端子台３０やゲートピン７０をつなげて設ける壁、即ち、図８に示す従来技術で採用されているような絶縁基板３１０の外周を覆う壁を、設ける必要が無い。よって、端子台３０とゲートピン７０を小さくでき、低コストである。また、ゲル８６を介してプリント基板４０で発生する熱の拡散効果を得ることができ、電源トランス６０などの発熱部品を小型化できる。
【００５９】
以上、説明したように、本実施形態に係る電力変換装置においては、ドライバモジュール側配線、パワーモジュール側配線及び電源トランス６０の端子の配置が夫々対応しているために配線の交差を回避してインダクタンスを低減することができ、更に、少なくとも、電源路トランス６０、ドライバモジュール側配線及びパワーモジュール側配線をループする漏れ電流によって生じる磁束を囲むように電気的に接続された導電体である筐体８０が設けられているため、筐体８０に生じる渦電流によるキャンセリング効果によって漏れ電流のインダクタンスを低減することができる。これにより、高信頼、低コスト、小型の電力変換装置を供給できる。
【００６０】
実施の形態２．
図１０は、本実施形態に係る電力変換装置のうち、絶縁基板１０の拡大詳細を示す図であり、実施の形態１における図２に対応する。図１０に示すように、本実施形態においては、絶縁基板１０上のゲート配線パターン１４ａと交流配線パターン１２ａとの間に、略平行に、上ゲートリターン配線パターン２１２が設けられており、上ゲートリターン配線パターン２１２は、アルミワイヤー２２１ａ、２２１ｂを介して上アームＩＧＢＴチップ１ａ、１ｂのエミッタ電極と接続されている。また、上ゲートリターン配線パターン２１２は、アルミワイヤー７１を介して、交流パターン４３の端子５０に接続されている。即ち、本実施形態においては、上ゲートリターン配線パターン２１２が、高電位側エミッタ配線として機能する。そして、交流配線パターン１２ａは、低電位側コレクタ配線として機能する。
【００６１】
同様に、本実施形態においては、絶縁基板１０上の下ゲート配線パターン１５ｂと負極配線パターン１３との間に、略平行に、下ゲートリターン配線パターン２１３が設けられており、下ゲートリターン配線パターン２１３は、アルミワイヤー２２３ａ、２２３ｂを介して下アームＩＧＢＴチップ３ａ、３ｂのエミッタ電極と接続されている。また、下ゲートリターン配線パターン２１３は、アルミワイヤー７１を介して、負極配線パターン４５の端子５０に接続されている。即ち、本実施形態においては、下ゲートリターン配線パターン２１３が、低電位側エミッタ配線として機能する。そして、負極配線パターン１３は、出力端子配線として機能する。尚、本実施形態に係る電力変換装置において、他の構成部分は図１〜７と同様である。
【００６２】
以上の構成により、図３のＩｇｐで示すゲート電流経路は、交流配線パターン１２ａではなく上ゲートリターン配線パターン２１２を流れる。また、図３のＩｇｎで示すゲート電流経路は、負極配線パターン１３ではなく下ゲートリターン配線パターン２１３を流れる。図９におけるゲート電流経路は、図３に示す電流経路Ｉｇｐ、Ｉｇｎと同様に、常に対向する電流が隣接する経路で流れることから同様の効果を得る。
【００６３】
図１１は、本実施形態に係る電力変換装置の等価回路図であり、実施の形態１の図５に対応する。このような回路構成により、本実施形態に係るゲート電流回路Ｉｇｐ及びＩｇｎにおける各ゲート電圧を安定させることが可能となる。
【００６４】
実施の形態３．
図１２は、図１〜７で示した電力変換装置において、チップを１枚ずつとした場合の絶縁基板１０の例を示す図であり、実施の形態１の図２に対応する。図１２に示すように、本実施形態においては、上アームＩＧＢＴチップ１ａ、上アームダイオードチップ２ａ、下アームＩＧＢＴチップ３ａ、下アームダイオードチップ４ａは絶縁基板１０上にそれぞれ１枚ずつ配置されている。そして、上アームＩＧＢＴチップ１ａのゲート電極は、上アームゲート配線パターン１４ａと、下アームＩＧＢＴチップ３ａのゲート電極は、下アームゲート配線パターン１５ａと、それぞれ接続されている。交流配線パターン１２ａには、アルミリボン７２が直接接続される。他の構成については図１〜６で示した構成と同様であり、同様の効果を得ることができる。このような構成であっても、上記と同様の効果を得ることが可能である。
【００６５】
実施の形態４．
図１３は、本実施形態に係る電力変換装置の一部の拡大詳細を示す図であり、実施の形態１における図３に対応する。図１３に示すように、本実施形態においては、絶縁基板１０の上縁側に設けられたサーミスタ配線パターン１８が負極高圧配線パターンとして用いられ、サーミスタ配線パターン１９が正極高圧配線パターンとして用いられる。また、端子台３０には負極高圧配線バスバー３３ａが設けられ、プリント配線基板４０には負極高圧パターン４９−と正極高圧パターン４９＋が設けられている。
【００６６】
上記負極高圧配線パターン及び正極高圧配線パターンが設けられている位置は、上述したパワーモジュール側配線のうち、最も高い電位が印加される配線（以降、最高電位配線とする）、即ち、本実施形態においては、正極配線パターン１１の側部であって、正極配線パターン１１よりも低い電位が印加される他のパターンが設けられた側とは反対側である。
【００６７】
負極高圧配線パターンは、アルミワイヤー２８を介して負極高圧配線バスバー３３ａと接続されると共に、アルミワイヤー７１を介して負極高圧パターン４９−と接続されている。また、正極高圧配線パターンは、アルミワイヤー２９を介して正極配線パターン１１と接続されると共に、アルミワイヤー７１を介して正極高圧パターン４９＋と接続されている。
【００６８】
また、負極高圧配線バスバー３３ａは、例えば、負極バスバー３３と同一の金属板で構成され、樹脂などの絶縁材料で保持される。図１３において、他の構成部分は図１〜７と同様である。以上の構成によれば、端子台３０の正極バスバー３２、負極バスバー３３に印加される直流電圧を絶縁基板１０とプリント基板４０を介して、図１３に示す電流経路Ｉｈｖにより取り出すことが可能である。即ち、負極高圧配線パターンは、最低電位抽出配線として、正極高圧配線パターンは、最高電位抽出配線として、夫々機能する。また、その電流経路Ｉｈｖは常に隣接して流れ、さらに、ＩＧＢＴチップ１ａ、１ｂ、３ａ、３ｂとダイオード２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂと交差しない。これより、直流電圧の電流経路Ｉｈｖのインダクタンスは低く、また、スイッチングによる電圧サージの影響が小さい。
【００６９】
図１３の構成を用いた例をさらに示す。図１において、エリアＵに図１３の構成を用いれば、電流経路Ｉｈｖはプリント基板４０の上部沿線にそってゲートピン７０に接続される。これにより、電流経路Ｉｈｖは、常に隣接して流れ、且つ、プリント基板４０の電源回路５１、ドライバ回路５２、スイッチング回路５３と交差しない。よって、インダクタンスが低く、また、スイッチングによる電圧サージの影響が小さい。
【００７０】
また、図１３において、アルミワイヤー２８、２９の代わりにサーミスタを取り付ければ図３に示す構成となる。即ち、図１において、エリアＵに図１３に示す構成、エリアＶ、Ｗに図３に示す構成と異なる構成を用いても、絶縁基板１０ａ、１０ｂ、１０ｃは共通化が可能で低コストである。以上の本発明によれば、低ノイズで耐ノイズ性の高い電力変換装置が供給でき、且つ、低コストである。
【００７１】
尚、図９において、ゲートピン７０に流れる信号が弱電系のみとなり、小型、低コスト化可能であることを説明したが、図１３の構成の場合、ゲートピン７０に直流電圧が印加されることとなる。この場合においても、図１３に示すように、直流電圧の電流経路Ｉｈｖはゲートピン７０の端側となる。よって、直流電圧の２本のピン間と他ピンとの間のみ絶縁距離を長くすれば良く、同様に小型、低コストが可能である。
【００７２】
また、図９に示す制御基板８３は、直流電圧の２本のピンが他ピンと分離されているので、高電圧の電圧検知ブロック等の高電圧が印加されるブロックと、ＰＷＭ等を出力する制御ブロックとを、基板内にて各々の信号ラインが交差することなく、容易に分離が可能である。これにより、制御基板８３は、低ノイズで耐ノイズ性の高い制御基板となる。さらに、制御基板８３へは、他の手段、例えば高電圧ハーネスなどを用いて、直流電圧を取り込む必要が無く、高電圧ハーネスの廃止が可能となり低コストである。
【００７３】
実施の形態５．
図１４は、本実施形態に係る電力変換装置における絶縁基板１０の一部及びプリント配線基板４０を示す図である。図１４に示すように、本実施形態において、電源トランス６０ｄは、図５において説明したような、上アーム２次コイル６６及び下アーム２次コイル６７を、エリアＵ、Ｖ、Ｗ各々に対応して有しており、これにより、エリアＵ、Ｖ、Ｗそれぞれの電源回路５１が構成される。
【００７４】
電源トランス６０ｄの各端子は、図中の反時計周りに、エリアＵの上アーム電源＋端子６１Ｕ、上アーム電源−端子６２Ｕ、下アーム電源＋端子６３Ｕ、下アーム電源−端子６４Ｕ、エリアＶの上アーム電源＋端子６１Ｖ、上アーム電源−端子６２Ｖ、下アーム電源＋端子６３Ｖ、下アーム電源−端子６４Ｖ、エリアＷの上アーム電源＋端子６１Ｗ、上アーム電源−端子６２Ｗ、下アーム電源＋端子６３Ｗ、下アーム電源−端子６４Ｗの順で、電トランス６０ｄの外周縁に沿って配置されている。
【００７５】
エリアＵ、Ｖ、Ｗには各々の電源回路５１、ドライバ回路５２が配置され、スイッチング回路５３は、エリアＵ、Ｖ、Ｗと交差しないように、低電圧端子６５の周辺に配置されている。このような構成により、電源トランス６０ｄを１つ設ければ良く、小型及び低コスト化を図ることが可能となる。尚、図１４の態様を用いる場合、サーミスタ配線とエリアＵ、Ｖ、Ｗとで、例えばサーミスタ配線を電源トランス６０ｄの下などを通した場合において、交差が生じる。しかしながら、他の構成については図１〜６で示した構成と同じであり、同様の効果を得ることができる。
【００７６】
実施の形態６．
図１５は、本実施形態に係る電力変換装置の拡大詳細を示す図であり、図１６は、図１５のＢ−Ｂ断面図である。図１６に示すように、本実施形態においては、上述したドライバモジュール側配線が設けられた面と、上述したパワーモジュール側配線が設けられた面とが、略平行となり且つ重なる様にドライバモジュールとパワーモジュールとが配置されている。本実施形態に係るプリント基板４０は、導電体で成型されたアルミダイカスト等の基板プレート８７にねじ等で固定されて実装されている。また、基板プレート８７は、プレート支持柱８６に電気的に接続されるようにねじ等で固定されている。プレート支持柱８６は、導電体である筐体８０と電気的に接続しており、例えばアルミダイカスト等で筐体８０と一体で成型されている。
【００７７】
プリント基板４０は絶縁基板１０とゲートピン７０を介して接続され、絶縁基板１０とゲートピン７０は、例えばアルミワイヤー等で接続されている。プリント基板４０には、一辺側にランド等で形成された端子５０が設けられており、ゲートピン７０とはんだ等で接続される。端子５０は、プリント基板４０の配線パターンと電気的に接続されており、配線パターンと端子５０は、上側から順に、サーミスタパターン４６、正極パターン４１、上アームゲートパターン４２、交流パターン４３、下アームゲートパターン４４、負極パターン４５の順で配置されている。
【００７８】
プリント基板４０には、電源トランス６０が実装されており、電源トランス６０の端子は、上側から、上アーム電源＋端子６１、上アーム電源−端子６２、下アーム＋電源端子６３、下アーム−電源端子６４の順で配置されている。絶縁基板１０は図２に示す構成と同じである。上述した本構成によれば、スイッチングサージによって生じる漏れ電流は、プリント基板４０上において、ほぼ図１５に示す漏れ電流経路Ｉｒを流れ、ゲートピン７０と絶縁基板１０を跨ぐループ電流となり、このループ電流は直交磁束φを生じる。
【００７９】
上述したプレート支持柱８６は図において、直交磁束φを跨ぐ位置、例えば、サーミスタパターン４６近傍と負極パターン４５近傍に配置され、上述した通り基板プレート８７と筐体８０とに電気的に接続されている。即ち、本実施形態においても、電源路トランス６０、ドライバモジュール側配線及びパワーモジュール側配線をループする漏れ電流によって生じる磁束を囲むように電気的に接続された導電体である基板プレート８７、プレート支持柱８６及び筐体８０が設けられているため、これより、直交磁束φによって、プレート支持柱８６、基板プレート８７及び筐体８０をループする渦電流が生じ、漏れ電流経路Ｉｒのインダクタンスが低減する。他の構成については図１〜６で示した構成と同じであり、同様の効果を得ることができる。
【００８０】
実施の形態７．
図１７は、本実施形態に係る電力変換装置の一部の拡大詳細を示す図であり、図１８は、図１７のＣ−Ｃ断面図である。また、図１９は、図１８のＤ−Ｄ断面の透視図である。本実施形態に係る電力変換装置においては、絶縁基板１０に替えてチップが実装された絶縁性のモールド９０が用いられており、モールド９０上に設けられた構成がパワーモジュールとして機能する。図１８に示すように、本実施形態においては、上述したドライバモジュール側配線が設けられた面と、上述したパワーモジュール側配線が設けられた面とが、略直角となる様にドライバモジュールとパワーモジュールとが配置されている。図１９に示す状態において、上アームＩＧＢＴチップ１ａは上面にエミッタ電極と上アームゲート電極６ａ、及び、下面にコレクタ電極を有し、上アームダイオードチップ２ａは、上面にアノード電極、下面にカソード電極を有する。
【００８１】
下アームＩＧＢＴチップ３ａと下アームダイオードチップ４ａも上アームと同様の端子を有する。上アームＩＧＢＴチップ１ａと上アームダイオードチップ２ａは、正極リード９１にはんだ等で下面がロー付けされ、上アームＩＧＢＴチップ１ａ上面のエミッタ電極と、上アームダイオードチップ２ａのカソード電極は、第１交流リード９２とはんだ等で接続されている。上アームゲート電極６ａは、アルミワイヤー２５ａを介してゲートピン７０と接続されるており、ゲートピン７０を介してプリント配線基板４０と接続されている。
【００８２】
下アームＩＧＢＴチップ３ａと下アームダイオードチップ４ａは、第２交流リード９３にはんだ等で下面がロー付けされ、下アームＩＧＢＴチップ３ａ上面のエミッタ電極と、下アームダイオードチップ４ａのカソード電極は、負極リード９４と同様にはんだ等で接続されている。下アームゲート電極７ａは、アルミワイヤー２６ａを介してゲートピン７０と接続されており、ゲートピン７０を介してプリント配線基板４０と接続されている。
【００８３】
上アームＩＧＢＴチップ１ａのエミッタ電極は、アルミワイヤー２２１ａを介してゲートピン７０とも接続されており、下アームＩＧＢＴチップ３ａのエミッタ電極は、アルミワイヤー２２３ａを介してゲートピン７０と接続されている。これらの接続、即ち、アルミワイヤー２２１ａ及びアルミワイヤー２２３ａとゲートピン７０との接続は、図１０及び図１１において説明した上ゲートリターン配線パターン２１２及び下ゲートリターン配線パターン２１３と同様に機能する。
【００８４】
サーミスタ５ａは、ゲートピン７０のピン間にはんだ等で接続されており、上アームＩＧＢＴチップ１ａと上アームダイオードチップ２ａ、下アームＩＧＢＴチップ３ａ、下アームダイオードチップ４ａの発熱にともなう各リード９１〜９４の温度上昇を測定する。これにより、サーミスタ５ａの測定信号が、ゲートピン７０を介して上位コントローラ、例えば図９において説明した制御基板８３に伝達される。
【００８５】
第１交流リード９２と第２交流リード９３とはリード接続部９５ではんだなどで接合されている。各リード９１〜９４とアルミワイヤー２５ａ、２６ａ、２２１ａ、２２３ａ、サーミスタ５ａ及びリード７０の一部は、絶縁性の樹脂のモールド９０で、例えばトランスファーモールドで封止されている。
【００８６】
図１７において、各リード９１〜９４、及び、モールド９０は、絶縁性のシートを介して、第１基板８８と第２基板８９とで挟持されている。第１基板８８と第２基板８９は、アルミニウムやアルミニウム合金等の導電性材料からなり、鍛造プレスなどで成型されている。第１基板８８及び第２基板８９が、各リード９１〜９４及びモールド９０を挟持している面の反対面側には、筐体８０との間に空間が設けられており、その空間が冷却水路８２として機能する。さらに、第１基板８８及び第２基板８９は、筐体８０と電気的に接続されている。
【００８７】
プリント配線基板４０は、アルミダイカスト等の導電性材料で成型された基板プレート８７にねじ等で固定実装されている。基板プレート８７は、プレート支持柱８６に電気的に接続されるように、ねじ等で固定される。プレート支持柱８６は、筐体８０と電気的に接続されており、例えばアルミダイカスト等で筐体８０と一体で成型されている。プリント配線基板４０は、一辺側にランドなどで形成された端子５０が設けられており、ゲートピン７０とはんだなどで接続されている。
【００８８】
端子５０は、プリント配線基板４０上の配線パターンと電気的に接続されており、配線パターンと端子５０は、図１７において、下側から順に、上アームゲートパターン４２、交流パターン４３、下アームゲートパターン４４、負極パターン４５、サーミスタパターン４６、の順で配置されている。プリント配線基板４０には、電源トランス６０が実装されており、電源トランス６０の端子は、図１７において、下側から順に、上アーム電源＋端子６１、上アーム電源−端子６２、下アーム＋電源端子６３、下アーム−電源端子６４の順で配置されている。
【００８９】
図１７〜図１９に示す構成によれば、スイッチングサージによって生じる漏れ電流は、プリント配線基板４０上において、ほぼ図に示す漏れ電流経路Ｉｒを流れる。例えば、上アームと下アームのマイナス電位である交流パターン４３と負極パターン４５との間で漏れ電流が生じた場合は、ゲートピン７０と負極リード９４、下アームＩＧＢＴチップ３ａ又は下アームダイオードチップ４ａ、第２交流リード９３、第１交流リード９２を跨ぐループ電流となり、このループ電流は直交磁束φを生じる。
【００９０】
上述したプレート支持柱８６は図１７に示すように、直交磁束φを跨ぐように、サーミスタパターン４６近傍と上アームゲートパターン４２近傍に配置されている。そして、プレート支持柱８６は、上述した通り基板プレート８７、筐体８０、第１基板８８及び第２基板８９に電気的に接続されている。これにより、本実施形態においても、電源路トランス６０、ドライバモジュール側配線及びパワーモジュール側配線をループする漏れ電流によって生じる磁束を囲むように電気的に接続された導電体である基板プレート８７、プレート支持柱８６、筐体８０、第１基板８８及び第２基板８９が設けられているため、プレート支持柱８６を介して、基板プレート８７と、筐体８０、第１基板８８及び第２基板８９との間をループする渦電流が生じ、漏れ電流経路Ｉｒのインダクタンスが低減する。他の構成については図１〜６で示した構成と同じであり、同様の効果を得ることができる。
【００９１】
実施の形態８．
図２０は、本実施形態に係る電力変換装置のプリント配線基板４０の一部の拡大詳細を示す図である。図２０に示すように、本実施形態に係るプリント配線基板４０の上ゲート電源−パターン４７−と下ゲート電源−パターン４８−とは隣接して配置され、プリント基板４０の上面層以外の層、例えは第２層に設けられている。また、端子５０は、プリント配線基板４０の一辺側に並べて配置され、上アームゲートパターン４２と交流パターン４３、下アームゲートパターン４４、負極パターン４５の端子５０との接続部はプリント基板４０の上面層に設けられている。
【００９２】
電源トランス６０の上アーム電源−端子６２と下アーム電源−端子６４は、第２層にて、上ゲート電源−パターン４７−と下ゲート電源−パターン４８−とそれぞれ接続されている。また、上アーム電源＋端子６１と下アーム電源＋端子６３は、任意の層、例えば上面層で、上ゲート電源−パターン４７＋と下ゲート電源−パターン４８＋とそれぞれ接続されている。上ゲート電源−パターン４７−は、交流パターン４３と重なるエリアにて接続され、下ゲート電源−パターン４８−は、負極パターン４５と重なるエリアにて接続されている。
【００９３】
端子５０及び端子５０と接続する配線パターンは、図２０に示すように、交流パターン４３、上アームゲートパターン４２、負極パターン４５、下アームゲートパターン４４の順で隣接して配置されている。同様に、電源トランス６０の端子は、上アーム電源−端子６２、上アーム電源＋端子６１、下アーム電源−端子６４、下アーム電源＋端子６３の順で隣接して配置されている。
【００９４】
本実施形態において、電源トランス６０の各端子と、配線パターン４２〜４５、４７＋、４７−、４８＋、４８−とは、プリント配線基板４０の上面側から見た場合に、概略、上アーム側と下アーム側とが区切られて配置されている。換言すると、上アームゲート配線パターン１４ａ、１４ｂ及び下アームゲート配線パターン１５ａ、１５ｂに夫々接続される上アームゲートパターン４２及び下アームゲートパターン４４を流れる電流と、交流配線パターン１２ａ及び負極配線パターン１３に夫々接続される交流パターン４３及び負極パターン４５を流れる電流とは、プリント配線基板４０において異なる層を通って電源トランス６０に到達する
【００９５】
以上の構成によれば、スイッチングサージによる漏れ電流は、図の漏れ電流経路Ｉｒを通り、プリント配線基板４０内にて隣接して流れる。これより、漏れ電流経路Ｉｒのインダクタンスが低減される。また、ゲート電流は、図のゲート電流経路Ｉｇｐ、Ｉｇｎを流れ、プリント配線基板４０の上面層と第２層とで隣接して流れる。これより、漏れ電流経路Ｉｇｐ、Ｉｇｎのインダクタンスが低減される。他の構成については図１〜６で示した構成と同じであり、同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００９６】
１ａ、１ｂ  上アームＩＧＢＴチップ、
２ａ、２ｂ  上アームダイオードチップ、
３ａ、３ｂ  下アームＩＧＢＴチップ、
４ａ、４ｂ  下アームダイオードチップ、
５ａ、５ｂ  サーミスタ、
６ａ、６ｂ  上アームゲート電極、
７ａ、７ｂ  下アームゲート電極、
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  絶縁基板、
１１  正極配線パターン、
１２ａ、１２ｂ  交流配線パターン、
１３  負極配線パターン、
１４ａ、１４ｂ  上アームゲート配線パターン、
１５ａ、１５ｂ  下アームゲート配線パターン、
１７ａ、１７ｂ  サーミスタ配線パターン、
１８  サーミスタ配線パターン、
１９  サーミスタ配線パターン、
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ  ベース、
２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ、２８、２９  アルミワイヤー、
２７  アルミリボン、
３０  端子台、
３１  正極バスバー、
３２  交流バスバー、
３３  負極バスバー、
３３ａ  負極高圧配線バスバー、
３４  外部インタフェース、
４０  プリント基板、
４１  正極パターン、
４２  上アームゲートパターン、
４３  交流パターン、
４４  下アームゲートパターン、
４５  負極パターン、
４６  サーミスタパターン、
４７＋  上ゲート電源＋パターン、
４７−  上ゲート電源−パターン、
４８＋  下ゲート電源＋パターン、
４８−  下ゲート電源−パターン、
４９＋  正極高圧パターン、
４９−  負極高圧パターン、
５０  端子、
５１  電源回路、
５２  ドライバ回路、
５３  スイッチング回路、
６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ  電源トランス、
６１  上アーム電源＋端子、
６２  上アーム電源−端子、
６３  下アーム＋電源端子、
６４  下アーム−電源端子、
６５  低電圧端子、
６６  上アーム２次コイル、
６７  下アーム２次コイル、
６８  フィードバックコイル、
６９  １次コイル、
７０  ゲートピン、
７１  アルミワイヤー、
７２  アルミリボン、
７３  アルミワイヤー、
８０  筐体、
８１  水路蓋、
８２  冷却水路、
８３  制御基板、
８４  コンデンサ、
８５  外部バスバー、
８６  プレート支持柱、
８７  基板プレート、
８８  第１基板、
８９  第２基板、
９０  モールド、
９１  正極リード、
９２  第１交流リード、
９３  第２交流リード、
９４  負極リード、
９５  リード接合部、
２１２  上ゲートリターン配線パターン、
２１３  下ゲートリターン配線パターン、
２２１ａ、２２１ｂ、２２３ａ、２２３ｂ  アルミワイヤー、
３１０  絶縁基板、
３４０  プリント基板、
３６０  電源コイル、
３７１ａ、３７１ｂ  ゲートピン
【図１】
2011200074.tif 000003
【図２】
2011200074.tif 000004
【図３】
2011200074.tif 000005
【図４】
2011200074.tif 000006
【図５】
2011200074.tif 000007
【図６】
2011200074.tif 000008
【図７】
2011200074.tif 000009
【図８】
2011200074.tif 000010
【図９】
2011200074.tif 000011
【図１０】
2011200074.tif 000012
【図１１】
2011200074.tif 000013
【図１２】
2011200074.tif 000014
【図１３】
2011200074.tif 000015
【図１４】
2011200074.tif 000016
【図１５】
2011200074.tif 000017
【図１６】
2011200074.tif 000018
【図１７】
2011200074.tif 000019
【図１８】
2011200074.tif 000020
【図１９】
2011200074.tif 000021
【図２０】
2011200074.tif 000022