(57)【要約】【課題】複数のスイッチング素子を収容しているパワーモジュールが直列に接続されている電力変換装置に好適な構造を提供する。【解決手段】電力変換装置１０は、第１、第２パワーモジュールを備えている。夫々のパワーモジュールは、並列に接続されている複数のスイッチング素子を収容している。夫々のパワーモジュールは、第１面と、第１面に交差する第２面を備えている。複数のスイッチング素子は、それぞれのパワーモジュールの内部で、第１面と第２面の両方に平行な方向に沿って並んでいる。複数のスイッチング素子の並列接続のエミッタ端子は、素子並びの両端のスイッチング素子から等距離となる位置で第２面から延びている。並列接続のコレクタ端子は、並び方向でエミッタ端子に並んで配置されている。第１パワーモジュールと第２パワーモジュールは、第１パワーモジュールの第１面と第２パワーモジュールの第１面が対向するように配置されている。【選択図】図８
2019140722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に接続されている複数のスイッチング素子を収容している第１収容部材と第２収容部材を備えており、
前記第１収容部材と前記第２収容部材は、それぞれ、第１面と、当該第１面に交差する第２面を有しており、
前記第１収容部材と前記第２収容部材の夫々の内部において、前記複数のスイッチング素子は、前記第１面及び前記第２面に平行な方向（並び方向）に沿って並んでおり、
複数の前記スイッチング素子の並列接続のエミッタ端子またはソース端子が、複数の前記スイッチング素子の並びの両端の前記スイッチング素子から等距離となる位置で前記第２面から延びており、
前記並列接続のコレクタ端子又はドレイン端子が前記並び方向で前記エミッタ端子または前記ソース端子の隣に位置しており、
前記第１収容部材と前記第２収容部材は、前記第１収容部材の前記第１面と前記第２収容部材の前記第１面が対向するように配置されている、電力変換装置。
【請求項２】
前記第１収容部材の前記エミッタ端子または前記ソース端子及び前記第２収容部材の前記コレクタ端子または前記ドレイン端子と別のデバイスを接続するバスバを備えており、
前記別のデバイスから延びている前記バスバは、前記第２収容部材の前記コレクタ端子または前記ドレイン端子に接続している基部と、前記基部の先端から前記第１収容部材に向けて屈曲している中間部と、前記中間部の先端から前記第１収容部材の前記エミッタ端子または前記ソース端子に対向するように屈曲しているとともに前記第１収容部材の前記エミッタ端子または前記ソース端子に接続している終端部と、
を備えている、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記バスバは、クランク形状に屈曲している、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記第１収容部材と前記第２収容部材の夫々の内部において、複数の前記スイッチング素子は等間隔に並んでいる、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記収容部材はパワーモジュールである、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。特に、並列に接続されている複数のスイッチング素子を収容した複数の収容部材を用いた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータや双方向ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電力変換装置は、２個のスイッチング素子の直列接続の組を多数用いることがある。２個のスイッチング素子を収容した収容部材は、そのような電力変換装置に適している。特許文献１には、２個のスイッチング素子を収容した複数の収容部材が積層されている電力変換装置が開示されている。２個のスイッチング素子は、夫々の収容部材の中で直列に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−９６６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スイッチング素子の負荷を軽減するため、スイッチング素子を並列に接続することがある。その場合、並列に接続される複数のスイッチング素子を収容した収容部材が適している。そのような収容部材をスイッチング素子が直列に接続される回路で用いる場合、スイッチング素子の並列接続を収容している２個の収容部材は直列に接続されることになる。本明細書は、夫々の収容部材は並列に接続されている複数のスイッチング素子を収容しているとともに、それらの収容部材が直列に接続される電力変換装置に好適な構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する電力変換装置は、第１収容部材と第２収容部材を備えている。夫々の収容部材は、並列に接続されている複数のスイッチング素子を収容している。夫々の収容部材は、第１面と、第１面に交差する第２面を備えている。複数のスイッチング素子は、それぞれの収容部材の内部で、第１面と第２面の両方に平行な方向に沿って並んでいる。説明の便宜のため、以下では、スイッチング素子の並んでいる方向を「並び方向」と称する。複数のスイッチング素子の並列接続のエミッタ端子又はソース端子は、複数のスイッチング素子の並びの両端のスイッチング素子から等距離となる位置で第２面から延びている。並列接続のコレクタ端子又はドレイン端子は、並び方向でエミッタ端子またはソース端子の隣に位置している。第１収容部材と第２収容部材は、第１収容部材の第１面と第２収容部材の第１面が対向するように配置されている。別言すれば、第１収容部材と第２収容部材は向い合わせ（背中合わせ）に配置される。
【０００６】
上記の電力変換装置の収容部材は、並び方向の両端のスイッチング素子の夫々からエミッタ端子またはソース端子までの距離が等しいので、上記の構造は、並列に接続されている複数のスイッチング素子に流れる電流のばらつきを小さくすることができる。
【０００７】
収容部材の典型はパワーモジュールなので、理解を助けるため、以下では「収容部材」を「パワーモジュール」で代表する。また、理解を助けるため、複数のスイッチング素子の並列接続において、複数のスイッチング素子のエミッタ電極（ＭＯＳＦＥＴの場合はソース電極）と接続されているパワーモジュールの端子を以下では「負極端子」と称し、複数のコレクタ電極（ＭＯＳＦＥＴの場合はドレイン電極）と接続されているパワーモジュールの端子を以下では「正極端子」と称することにする。
【０００８】
第１パワーモジュールと第２パワーモジュールは直列に接続される。第１パワーモジュールの正極端子と第２パワーモジュールの負極端子が接続される場合、両者を導体（モジュール間バスバ）が接続する。このとき、第１パワーモジュールと第２パワーモジュールを向かい合わせ（背中合わせ）で並んで配置すると、第１パワーモジュールの負極端子と第２パワーモジュールの正極端子が、並び方向においてモジュール間バスバに対して同じ側に位置することになる。第１パワーモジュールの負極端子と第２パワーモジュールの正極端子、即ち、直列接続の正極端と負極端は、別のデバイス（例えばコンデンサや他のパワーモジュール）と並列に接続される場合が多い。第１パワーモジュールの負極端子と第２パワーモジュールの正極端子がモジュール間バスバに対して同じ側に位置していると、別のデバイスとの接続構造がシンプルになる。
【０００９】
モジュール間バスバは、典型的には、次の形状がよい。別のデバイスから延びているモジュール間バスバは、第２パワーモジュールの正極端子に接続している基部と、基部の先端から第１パワーモジュールに向けて屈曲している中間部と、中間部の先端から第１パワーモジュールの負極端子に対向するように屈曲しているとともに負極端子に接続している終端部とを有している。２回屈曲したモジュール間バスバによって、２個のパワーモジュールが直列に接続される。モジュール間バスバは、典型的にはクランク形状に屈曲していればよい。
【００１０】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例の電力変換装置を含む電気自動車の回路図である。
【図２】パワーモジュール内部の回路図である。
【図３】パワーモジュールの斜視図である。
【図４】図３のIV−IV線に沿ったパワーモジュールの断面図である。
【図５】図３のV−V線に沿ったパワーモジュールの断面図である。
【図６】第１放熱板４４とパッケージ４２を除いたパワーモジュールの平面図である。
【図７】第１放熱板４４の平面図である。
【図８】電力変換装置の平面図である。
【図９】図８の一部拡大図である。
【図１０】モジュール間バスバの変形例を示す平面図である。
【図１１】第１変形例のパワーモジュールの平面図である。
【図１２】第２変形例のパワーモジュールの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面を参照して実施例の電力変換装置１０を説明する。実施例の電力変換装置１０は、電気自動車１００に搭載されている。図１に、電力変換装置１０を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。電力変換装置１０は、バッテリ９０の電力の電圧を昇圧し、さらに交流に変換する。電力変換装置１０が出力する交流電力は走行用のモータ９１に供給される。
【００１３】
電力変換装置１０は、電圧コンバータ回路１２と、インバータ回路１３と、平滑コンデンサ７と、電流センサ８と、コントローラ１１を備えている。電圧コンバータ回路１２は、バッテリ９０の電圧を昇圧してインバータ回路１３に供給する昇圧機能と、インバータ回路１３から送られる回生電力（モータ９１の発電によって得られる電力）を降圧してバッテリ９０へ供給する降圧機能を有している。電圧コンバータ回路１２は、いわゆる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。
【００１４】
電圧コンバータ回路１２は、フィルタコンデンサ５と、リアクトル２と、２個のスイッチング回路６ａ、６ｂと、コントローラ１１を備えている。スイッチング回路６ａ、６ｂのそれぞれは、パワーモジュールであり、３個のスイッチング素子が並列に接続されているとともに、各スイッチング素子にダイオード逆並列に接続されている回路である。スイッチング回路６ａ、６ｂは、あたかもひとつのスイッチング素子のように動作する。スイッチング回路６ａ、６ｂの回路構成とハードウエア構造は後に説明する。ここでは、スイッチング回路６ａ、６ｂは、それぞれ、ひとつのスイッチング素子とひとつのダイオードの逆並列回路として扱う。それゆえ、図１では、スイッチング回路６ａ、６ｂを表す矩形の中に、ひとつのトランジスタとひとつのダイオードを描いてある。
【００１５】
２個のスイッチング回路６ａ、６ｂは、電圧コンバータ回路１２の高電圧端１２ｃ、１２ｄの間に直列に接続されている。リアクトル２の一端は、スイッチング回路６ａ、６ｂの直列接続の中点に接続されており、他端は電圧コンバータ回路１２の低電圧端正極１２ａに接続されている。電圧コンバータ回路１２の低電圧端負極１２ｂと高電圧端負極１２ｄは直接に接続されている。電圧コンバータ回路１２の低電圧端正極１２ａと低電圧端負極１２ｂの間にフィルタコンデンサ５が接続されている。スイッチング回路６ａのスイッチング素子が降圧動作に関わり、スイッチング回路６ｂのスイッチング素子が昇圧動作に関わる。スイッチング回路６ａ、６ｂを相補的なＰＷＭ信号で駆動すると、低電圧端１２ａ、１２ｂと高電圧端１２ｃ、１２ｄの電圧バランスに応じて降圧動作と昇圧動作が受動的に切り換わる。相補的なＰＷＭ信号とは、一方のスイッチング素子に供給する駆動信号のハイレベルとロウレベルを反転させた駆動信号を他方のスイッチング素子に供給することを意味する。
【００１６】
インバータ回路１３は、６個のスイッチング回路６ｃ−６ｈを備えている。スイッチング回路６ｃ−６ｈは、スイッチング回路６ａと同じ構造を有している。スイッチング回路６ｃ、６ｄが直列に接続されており、スイッチング回路６ｅ、６ｆが直列に接続されており、スイッチング回路６ｇ、６ｈが直列に接続されている。３組の直列接続（２個のスイッチング回路の直列接続）は、正極線９ｐと負極線９ｎの間に並列に接続されている。夫々の直列接続の中点から交流が出力される。
【００１７】
図１の電圧コンバータ回路１２とインバータ回路１３の構造と動作は良く知られているので詳しい説明は省略する。電圧コンバータ回路１２とインバータ回路１３の間に平滑コンデンサ７が接続されている。
【００１８】
電力変換装置１０は、インバータ回路１３が出力する三相交流の夫々の電流を計測する電流センサ８を備えている。また、電力変換装置１０は、６個のスイッチング回路６ａ−６ｈを駆動するコントローラ１１を備えている。
【００１９】
電圧コンバータ回路１２のスイッチング回路６ａ、６ｂも正極線９ｐと負極線９ｎの間で直列に接続されている。図１に示す電力変換装置１０は、２個のスイッチング回路の直列接続を４組有しており、その４組の直列接続が正極線９ｐと負極線９ｎの間で並列に接続されている。さらに、正極線９ｐと負極線９ｎの間に平滑コンデンサ７が接続されている。スイッチング回路６ａ−６ｈは同じ構造を有している。以下では、スイッチング回路６ａ−６ｇを区別なく示すときにはスイッチング回路６と表記する。先に述べたように、ひとつのスイッチング回路６の中では複数のスイッチング素子が並列に接続されている。ひとつのスイッチング回路６は、ひとつのパワーモジュールで実現されている。次に、図１の回路に適したパワーモジュールと、複数のパワーモジュールの好適な接続構造を説明する。
【００２０】
図２に、スイッチング回路６の回路図を示す。スイッチング回路６では、３個のスイッチング素子３ａ−３ｃが並列に接続されており、スイッチング素子３ａ−３ｃのそれぞれにダイオード４ａ−４ｃが逆並列に接続されている。３個のスイッチング素子３ａ−３ｃの並列接続のコレクタ側の端子を正極端子６ｐと称し、エミッタ側の端子を負極端子６ｎと称する。
【００２１】
電力変換装置１０のコントローラ１１は、スイッチング回路６に含まれる３個のスイッチング素子３ａ−３ｃに対して同一の駆動信号を供給する。３個のスイッチング素子３ａ−３ｃは、同一タイプで同一の特性を有している。また、３個のダイオード４ａ−４ｃも同一タイプであり同一の特性を有している。並列に接続されている３個のスイッチング素子３ａ−３ｃに同一の駆動信号が供給されるので、３個のスイッチング素子３ａ−３ｃはあたかも一つのスイッチング素子のように動作する。３個のスイッチング素子３ａ−３ｃの並列回路は、１個のスイッチング素子の許容電流の３倍の電流を許容することができる。複数のスイッチング素子を並列に接続することで、１個当たりのスイッチング素子の負荷を軽減することができる。別言すれば、複数のスイッチング素子を並列に接続することで、大電流に対応した電力変換装置を実現できる。
【００２２】
スイッチング回路６は、ひとつのパワーモジュールで実現されている。以下では、スイッチング回路６をパワーモジュール６と呼び直すことにする。図３にパワーモジュール６の斜視図を示す。パワーモジュール６の本体は樹脂製のパッケージ４２である。パッケージ４２（パワーモジュール６）は、扁平な形状を有している。説明の便宜上、パッケージ４２（パワーモジュール６）の一方の幅広面を第１面４２１と称し、第１面４２１に交差している一つの幅狭面を第２面４２２と称し、第１面４２１と平行な幅広面を第３面４２３と称する。別言すれば、パワーモジュール６は、一対の幅広面（第１面４２１と第３面４２３）と、一対の幅広面の両方に交差する幅狭面（第２面４２２）を有するカードタイプのデバイスである。
【００２３】
パッケージ４２の中に、３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃが埋設されている。半導体チップ４１ａ−４１ｃは、ＩＧＢＴ（スイッチング素子）とダイオードが一つの基板の上で逆並列に接続されるように形成されているＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）のチップである。それゆえ、ひとつのチップで図２の回路図におけるスイッチング素子３ａとダイオード４ａの逆並列回路が実現される。
【００２４】
パッケージ４２の第１面４２１に金属製の放熱板（第１放熱板４４）が露出している。図３では隠れて見えないが、反対側の第３面４２３には別の放熱板（第２放熱板４５）が露出している。第１面４２１と交差する第２面４２２から正極端子６ｐと負極端子６ｎが延びている。正極端子６ｐは、３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃのコレクタ電極４１３（後述）と接続している端子である。負極端子６ｎは、３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃのエミッタ電極４１２（後述）に接続されている端子である。
【００２５】
図中の座標系のＸ方向は、パワーモジュール６の第１面４２１の法線方向に一致している。座標系のＹ方向は、細長の第２面４２２の長手方向に一致している。正極端子６ｐと負極端子６ｎは、Ｙ方向に並んで設けられている。Ｙ方向を以下では「並び方向」と称する場合がある。負極端子６ｎは、並び方向において第２面４２２の中央に設けられており、正極端子６ｐは並び方向において負極端子６ｎの隣に設けられている。
【００２６】
第２面４２２の反対側の幅狭面からは制御端子４３ａ−４３ｃが延びている。制御端子４３ａは、半導体チップ４１ａの端子であり、ゲート電極に導通している端子、チップ内の温度を計測する温度センサに導通している端子、スイッチング素子のセンスエミッタに導通している端子などである。制御端子４３ｂは半導体チップ４１ｂの端子であり、制御端子４３ｃは半導体チップ４１ｃの端子である。
【００２７】
図４に、図３のIV−IV線に沿ったパワーモジュール６の断面図を示し、図５に、図３のV−V線に沿ったパワーモジュール６の断面図を示す。図４は中央の半導体チップ４１ｂを横断する断面である。図５は３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃを横断する断面である。先に述べたように、パッケージ４２の第１面４２１には第１放熱板４４が露出しており、第３面４２３には第２放熱板４５が露出している。パッケージ４２の内部では、第１放熱板４４と第２放熱板４５の間に半導体チップ４１ａ−４１ｃとスペーサブロック４６ａ−４６ｃが挟まれている。放熱板４４、４５と、スペーサブロック４６ａ−４６ｃは導電性の金属（典型的には銅）で作られている。
【００２８】
半導体チップ４１ａ−４１ｃは平板タイプであり、一方の幅広面にエミッタ電極４１２が設けられており、他方の幅広面にコレクタ電極４１３と電極パッド４１４が設けられている。第２放熱板４５に、半導体チップ４１ａ−４１ｃのエミッタ電極４１２が接合されている。半導体チップ４１ａ−４１ｃのコレクタ電極４１３にはスペーサブロック４６ａ−４６ｃが接続されている。スペーサブロック４６ａ−４６ｃの反対側が第１放熱板４４に接合されている。放熱板４４、４５は導電性を有しており、第１放熱板４４が半導体チップ４１ａ−４１ｃのコレクタ電極４１３に導通しており、第２放熱板４５が半導体チップ４１ａ−４１ｃのエミッタ電極４１２に導通している。即ち、放熱板４４、４５が、３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃを並列に接続している。
【００２９】
図４に示されているように、半導体チップ４１ｂの電極パッド４１４は、ボンディングワイヤ４７を介して制御端子４３ｂに接続している。
【００３０】
図４に示されているように、第２放熱板４５は、パッケージ４２の内部で負極端子６ｎとつながっている。第２放熱板４５は、パッケージ４２の幅広面（第２面４２２）に露出しており、半導体チップ４１ａ−４１ｃの熱を放出する役割と、半導体チップ４１ａ−４１ｃのエミッタ電極４１２を並列に接続する役割を果たす。第１放熱板４４も同様であり、半導体チップ４１ａ−４１ｃの熱を放出する役割と、半導体チップ４１ａ−４１ｃのコレクタ電極４１３を並列に接続する役割を果たす。
【００３１】
半導体チップ４１ａ−４１ｃは、パッケージ４２の内部にて等間隔に配置されている。半導体チップ４１ｂは、パッケージ４２の並び方向の中央に位置している。先に述べたように、負極端子６ｎは、パワーモジュール６（パッケージ４２）の第２面４２２において並び方向の中央に設けられている。従って、負極端子６ｎは、半導体チップ４１ａ−４１ｂの並びの両端の半導体チップ４１ａ、４１ｃのエミッタ電極４１２から等距離の位置にある。次に、この構造的特徴による利点を説明する。
【００３２】
図６に、パッケージ４２と第１放熱板４４を除いたパワーモジュール６の平面図を示す。先に述べたように、図中の座標系のＸ方向は第１面４２１の法線方向に相当し、Ｙ方向は並び方向に相当する。図６は、第１面４２１の法線方向から見たパワーモジュール６の内部構造を表している。３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃは、並び方向に等間隔で一列に並んでおり、負極端子６ｎは、並び方向で第２面４２２の中央に位置している。図６の破線ＣＬは、第１面４２１の法線方向からみたときのパワーモジュール６の中心線である。別言すれば、破線ＣＬは、並び方向におけるパワーモジュール６の中心線である。
【００３３】
３個の半導体チップ４１ａ、４１ｃは、中心線ＣＬに対して線対称となるように並び方向に沿って並んでおり、負極端子６ｎは、並び方向の中央で中心線ＣＬに沿って延びている。３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃと負極端子６ｎの全体レイアウトが中心線ＣＬに対して線対称をなしている。このレイアウトでは、チップの並びの一端に位置する半導体チップ４１ａから負極端子６ｎまでの距離と、並びの他端に位置する半導体チップ４１ｃから負極端子６ｎまでの距離が等しくなる。別言すれば、負極端子６ｎは、半導体チップ４１ａ−４１ｃの並びの両端のチップ（半導体チップ４１ａ、４１ｃ）のエミッタ電極４１２から等距離に位置する。図６では、エミッタ電極４１２は、半導体チップ４１ａ−４１ｃのレクタ電極４１３とは反対側の面に配置されている。図６の符号Ｌ１が示す矢印線が、半導体チップ４１ａ、４１ｃの夫々から負極端子６ｎまでの距離が等しいことを表している。
【００３４】
上記のレイアウトにより、半導体チップ４１ａと４１ｃのエミッタ電極から流れ出る電流が等しくなる。図６に示す太矢印線が、半導体チップ４１ａから負極端子６ｎへ流れる電流と、半導体チップ４１ｃから負極端子６ｎへ流れる電流を模式的に表している。２本の太矢印線が中心線ＣＬに対して線対称に描かれている。このことが、半導体チップ４１ａと４１ｃのエミッタ電極４１２から流れる電流が等しくなることを示している。
【００３５】
仮に、負極端子６ｎが半導体チップ４１ａの真上に配置されている場合を想定する。この場合、半導体チップ４１ａから負極端子６ｎまでの距離が最も短くなり、半導体チップ４１ｂから負極端子６ｎまでの距離が次に短くなり、半導体チップ４１ｃから負極端子６ｎまでの距離が最も長くなる。半導体チップ４１ａと４１ｃで負極端子６ｎまでの距離が大きく相違することになり、流れる電流に偏りが生じる。
【００３６】
３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃは、同じ駆動信号で駆動され、あたかも一つのスイッチング素子のように振る舞う。３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃを並列に接続することで、１個当たりの半導体チップの負荷を軽減できる。従って、３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃには均等に電流が流れることが望ましい。３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃを並び方向に沿って一列に並べるとともに負極端子６ｎを並びの両端の半導体チップから等距離の位置に配置することで、３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃに流れる電流のばらつきを小さくすることができる。
【００３７】
図７に第１放熱板４４の平面図を示す。第１放熱板４４には正極端子６ｐがつながっている。正極端子６ｐは、パッケージ４２の第２面４２２の並び方向で負極端子６ｎの隣に位置している。正極端子６ｐから半導体チップ４１ａまでの距離が最も近く、正極端子６ｐから半導体チップ４１ｂまでの距離が次に近く、正極端子６ｐから半導体チップ４１ｃまでの距離が最も遠い。正極端子６ｐの側は、３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃの夫々に対する距離が異なる。正極端子６ｐから夫々の半導体チップまでの距離のばらつきが小さいよりも、負極端子６ｎからそれぞれの半導体チップまでの距離のばらつきが小さい方が、電流差の低減には効果的である。なぜならば、夫々の半導体チップを流れる電流のばらつきは、チップの電流上流側の抵抗値のばらつきと比較して、チップの電流下流側の抵抗のばらつきに大きく影響を受けるからである。それゆえ、負極端子６ｎを並びの両端の半導体チップのエミッタ電極から等距離の位置に配置することで、３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃに流れる電流のばらつきを効果的に抑制することができる。
【００３８】
また、実施例の半導体チップ４１ａ−４１ｃは、ｎチャネル型のＩＧＢＴであり、ゲート電圧はエミッタ基準である。この場合、複数の半導体チップ４１ａ−４１ｃを同時駆動するときのゲート発振を抑制するには、半導体チップ４１ａ−４１ｃのエミッタ電位がなるべく等しいことが望ましい。実施例の電力変換装置１０では、負極端子６ｎが並びの両端の半導体チップ４１ａ、４１ｃのエミッタ電極から等距離にあり、複数の半導体チップ４１ａ−４１ｃのエミッタ電位のばらつきが抑えられる。実施例の電力変換装置１０は、ゲート発振を抑制する効果も得られる。
【００３９】
次に、図８を参照して、複数のパワーモジュール６と、パワーモジュール６をつなぐバスバの好適なレイアウトを説明する。図８に、電力変換装置１０のハードウエアの平面図を示す。図８は、電力変換装置１０のケース７０の上カバーを外した状態を示している。図８を参照しつつ、電力変換装置１０の部品レイアウトを説明する。なお、図８では、図１で示したフィルタコンデンサ５の図示は省略した。
【００４０】
電力変換装置１０は、８個のパワーモジュール６ａ−６ｈを有している。８個のパワーモジュール６ａ−６ｈは、扁平な複数の冷却プレート７１とともに積層されている。図８では、左端の冷却プレートにのみ符号７１を付し、残りの冷却プレートには符号を省略した。パワーモジュール６ａ、６ｂは電圧コンバータ回路１２の構成部品であり、パワーモジュール６ｃ−６ｈはインバータ回路１３の構成部品である。ここでも、パワーモジュール６ａ−６ｈを区別なく表すときにはパワーモジュール６と称する場合がある。
【００４１】
８個のパワーモジュール６と複数の冷却プレート７１は、１個ずつ交互に積層されている。８個のパワーモジュール６は幅広面が対向するように配置されている。複数の冷却プレート７１は、２本の連結管７８、７９に貫かれている。冷却プレート７１は内部が空洞であり、連結管７８を通じて外部から冷却水が供給される。冷却プレート７１を通過する間に冷却水は隣接するパワーモジュール６から熱を吸収し、連結管７９を通じて外部へ放出される。
【００４２】
複数のパワーモジュール６と複数の冷却プレート７１の積層体は、ケース７０のひとつの外壁７２と支持壁７４の間に挟まれている。積層体と支持壁７４の間には板バネ７３が挟まれている。板バネ７３が積層体をその積層方向に加圧する。板バネ７３からの圧力によって、パワーモジュール６と冷却プレート７１が密着し、冷却効率が高められる。
【００４３】
図８では、パワーモジュール６の第２面４２２（正極端子６ｐと負極端子６ｎが設けられている面）が見えている。図８では、左端の２個のパワーモジュール６ｃ、６ｄと右端の２個のパワーモジュール６ａ、６ｂの端子に符号６ｐ、６ｎを付し、残りのパワーモジュールの端子には符号は省略した。なお、図８では、理解を助けるため、正極端子６ｐはグレーで色分けした。
【００４４】
図の左端のパワーモジュール６ｃの正極端子６ｐは負極端子６ｎの上側に位置しており、その隣のパワーモジュール６ｄの正極端子６ｐは負極端子６ｎの下側に位置している。これは、パワーモジュール６ｃとパワーモジュール６ｄを、同一の幅広面が対向するように向かい合わせ（背中合わせ）に配置しているからである。即ち、パワーモジュール６ｃと６ｄは、それらの第１面４２１同士が対向するように並んで配置されている。なお、パワーモジュール６ｃと６ｄは、第３面４２３同士が対向するように並んで配置されていてもよい。その場合は、第３面３２４を改めて「第１面」と呼び直せば、第１面同士が対向することになる。２枚のパワーモジュール６ｃ、６ｄが向かい合わせ（背中合わせ）に並んでいるレイアウトの利点を次に説明する。
【００４５】
パワーモジュール６ｃ、６ｄはインバータ回路１３の一部を構成しており、直列に接続される（図１参照）。パワーモジュール６ｃ、６ｄの直列接続の中点から交流が出力される。パワーモジュール６ｃ、６ｄの直列接続の正極は正極線９ｐを介して平滑コンデンサ７の一方の端子に接続され、負極は負極線９ｎを介して平滑コンデンサ７の他方の端子に接続される。図８では、平滑コンデンサ７を正極バスバ５０と負極バスバ６０が挟んでいる。正極バスバ５０が平滑コンデンサ７の一方の端子と接続されており、負極バスバ６０が他方の端子に接続されている。正極バスバ５０から正極バスバ枝部５１が延びており、その先端がパワーモジュール６ｃの正極端子６ｐに接続している。負極バスバ６０から負極バスバ枝部６１が延びており、その先端がパワーモジュール６ｄの負極端子６ｎに接続している。直列接続の中点に相当するモジュール間バスバ５２は、パワーモジュール６ｄの正極端子６ｐとパワーモジュール６ｃの負極端子６ｎに接続している。モジュール間バスバ５２の他端は、電流センサ８に接続されるとともに、電流センサ８を通過し、コネクタ７７において接続端子５２ａを構成する。
【００４６】
パワーモジュール６ｃの負極端子６ｎとパワーモジュール６ｄの正極端子６ｐは１個のバスバ（モジュール間バスバ５２）で接続される。直列に接続されるパワーモジュール６ｃ、６ｄが向かい合わせ（背中合わせ）に配置されていると、パワーモジュール６ｃの正極端子６ｐとパワーモジュール６ｄの負極端子６ｎが共にモジュール間バスバ５２の同じ側（図８においてモジュール間バスバ５２の上側）に位置する。このレイアウトは、パワーモジュール６ｃの正極端子６ｐとパワーモジュール６ｄの負極端子６ｎを平滑コンデンサ７に接続するのにバスバが交錯することがなく、バスバの配索がシンプルになる。具体的には、パワーモジュール６ｃ、６ｄを平滑コンデンサ７と接続する正極バスバ枝部５１と負極バスバ枝部６１は、並び方向の一方の側（−Ｙ方向）から端子６ｐ、６ｎへ向けて延びている。他方、パワーモジュール６ｃの負極端子６ｎとパワーモジュール６ｄの正極端子６ｐを電流センサ８と接続するモジュール間バスバ５２は、並び方向の他方の側（＋Ｙ方向）から端子６ｐ、６ｎへ向けて延びている。第２面４２２の法線方向（Ｚ方向）からみて、それら３本のバスバ５１、５２、６１が交錯せずに済む。
【００４７】
直列に接続されるパワーモジュール６ａと６ｂ、６ｅと６ｆ、６ｇと６ｈも、パワーモジュールの第１面４２１同士（あるいは、第３面４２３同士）が対向するように配置される。別言すれば、直列に接続されるパワーモジュール６ａと６ｂ、６ｅと６ｆ、６ｇと６ｈも、互いに向かい合わせ（背中合わせ）になるように配置される。これらのパワーモジュールについても、パワーモジュール６ｃと６ｄと同じ効果が得られる。
【００４８】
パワーモジュール６ｃ−６ｈはインバータ回路１３の部品である（図１参照）。パワーモジュール６ｅの負極端子６ｎとパワーモジュール６ｆの正極端子６ｐを接続するモジュール間バスバ５２も、電流センサ８に接続されるとともに、その先端はコネクタ７７において接続端子５２ｂを構成する。パワーモジュール６ｇの負極端子６ｎとパワーモジュール６ｈの正極端子６ｐを接続するモジュール間バスバ５２も、電流センサ８に接続されるとともに、その先端はコネクタ７７において接続端子５２ｃを構成する。接続端子５２ａ−５２ｃは、インバータ回路１３の３組の直列接続の中点の端子に相当する（図１参照）。接続端子５２ａ−５２ｃは、モータ９１に供給する三相交流の出力端子に相当する。
【００４９】
パワーモジュール６ａ、６ｂは電圧コンバータ回路１２の部品である（図１参照）。パワーモジュール６ａ、６ｂは直列に接続され、パワーモジュール６ａが高電位側となる。パワーモジュール６ａの負極端子６ｎとパワーモジュール６ｂの正極端子６ｐは１本の別のモジュール間バスバ５３で接続される。モジュール間バスバ５３の他端は、リアクトル２の一端２ａに接続される。パワーモジュール６ａ、６ｂの直列接続も平滑コンデンサ７と接続される。従って、パワーモジュール６ｃ−６ｈと同様に、正極バスバ枝部５１がパワーモジュール６ａの正極端子６ｐに接続され、負極バスバ枝部６１がパワーモジュール６ｂの負極端子６ｎに接続される。パワーモジュール６ａの正極端子６ｐとパワーモジュール６ｂの負極端子６ｎが共に並び方向においてモジュール間バスバ５３の同じ側に位置するので、３本のバスバ（正極バスバ枝部５１、負極バスバ枝部６１、モジュール間バスバ５３）は交錯することなく配索され得る。
【００５０】
リアクトル２の他端２ｂは、入力正極バスバ５４の一端に接続されており、入力正極バスバ５４の他端は入力コネクタ７６に位置している。平滑コンデンサ７に接続している負極バスバ６０は、入力負極バスバ５５と接続しており、入力負極バスバ５５の一端も入力コネクタ７６に位置している。入力コネクタ７６は、バッテリ９０からのケーブルを接続するコネクタである。
【００５１】
図９に、図８の一部拡大図を示す。図９は、２枚のパワーモジュール６ｃ、６ｄとその周辺の拡大図である。図９では、隣接する冷却プレート７１を連結する連結管７８、７９の図示は省略した。図９に示すように、モジュール間バスバ５２は、クランク状に屈曲している。モジュール間バスバ５２は、電流センサ８から延びており、パワーモジュール６ｄの正極端子６ｐに接続している基部５２１と、基部５２１の先端からパワーモジュール６ｃに向けてほぼ直角に屈曲している中間部５２２と、中間部５２２の先端からパワーモジュール６ｃの負極端子６ｎに対向するように屈曲している終端部５２３を備えている。終端部５２３がパワーモジュール６ｃの負極端子６ｎに接合されている。パワーモジュール６ｃの負極端子６ｎとパワーモジュール６ｄの正極端子６ｐは、シンプルなクランク形状のモジュール間バスバ５２で接続される。また、モジュール間バスバ５２がクランク状に屈曲していることで、パワーモジュール６ｄの正極端子６ｐと導通しているモジュール間バスバ５２とパワーモジュール６ｄの負極端子６ｎの間に、絶縁距離ｄＷを確保することができる。
【００５２】
図１０に、変形例のモジュール間バスバ１５２を示す。図１０は、正極端子６ｐと負極端子６ｎの間が広いパワーモジュール１０６ｃ、１０６ｄを採用した場合を示している。モジュール間バスバ１５２は、パワーモジュール１０６ｄの正極端子６ｐに接続している基部１５２１と、基部１５２１の先端からパワーモジュール６ｃに向けて屈曲している中間部１５２２と、中間部１５２２の先端からパワーモジュール６ｃの負極端子６ｎと対向するように屈曲している終端部１５２３を備えている。終端部１５２３がパワーモジュール６ｃの負極端子６ｎと接合される。中間部１５２２は、基部１５２１、終端部１５２３に対して直交しておらず、斜めに交差している。そのような形状のモジュール間バスバ１５２が採用されてもよい。
【００５３】
次に、図１１を参照して、第１変形例のパワーモジュール２０６を説明する。図１１は、第１変形例のパワーモジュール２０６の平面図である。図１１は、図６と同様に、図面手前の放熱板とパッケージを除いた図である。パッケージ２４２は仮想線で描いてある。パワーモジュール２０６は、パッケージ２４２に、２個の半導体チップ４１ａ、４１ｂを収容している。半導体チップ４１ａ、４１ｂは、夫々、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）を収容している。２個の半導体チップ４１ａ、４１ｂ（２個のスイッチング素子）は、図中の座標系のＹ方向に沿って並んでいる。２個の半導体チップ４１ａ、４１ｂ（２個のスイッチング素子）のエミッタ電極を接続する負極端子６ｎは、並びの両端の半導体チップ、即ち、半導体チップ４１ａ、４１ｂから等距離の位置に配置されている。図１１の符号Ｌ２が示す矢印線が、半導体チップ４１ａ、４１ｂから負極端子６ｎまでの距離が等しいことを示している。
【００５４】
パワーモジュール６の代わりに第１変形例のパワーモジュール２０６を用いた電力変換装置も、実施例の電力変換装置１０と同様の利点を与える。なお、２個の半導体チップ４１ａ、４１ｂは、パッケージ２４２の内部で図中の左側に寄っており、負極端子６ｎは、パッケージ２４２の中心線ＣＬには位置していない。負極端子の位置は、パッケージの中央が好ましいが、第１変形例のパワーモジュール２０６のように、パッケージの中央でなくともよい。
【００５５】
次に、図１２を参照して、第２変形例のパワーモジュール３０６を説明する。図１２は、第２変形例のパワーモジュール３０６の平面図である。図１２は、図６と同様に、図面手前の放熱板とパッケージを除いた図である。パッケージ３４２は仮想線で描いてある。パワーモジュール３０６は、パッケージ３４２に、３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃを収容している。半導体チップ４１ａ−４１ｃは、夫々、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）を収容している。３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃ（３個のスイッチング素子）は、図中の座標系のＹ方向に沿って並んでいる。ただし、半導体チップ４１ａと半導体チップ４２ｂの距離と、半導体チップ４２ｂと半導体チップ４２ｃの距離は、等しくない。３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃ（３個のスイッチング素子）のエミッタ電極を接続する負極端子６ｎは、並びの両端の半導体チップ、即ち、半導体チップ４１ａ、４１ｃから等距離の位置に配置されている。図１２の符号Ｌ３が示す矢印線が、半導体チップ４１ａ、４１ｃのそれぞれから負極端子６ｎまでの距離が等しいことを表している。
【００５６】
パワーモジュール６の代わりに第２変形例のパワーモジュール３０６を用いた電力変換装置も、実施例の電力変換装置１０と同様の利点を与える。なお、３個の半導体チップ４１ａ−４１ｃは、パッケージ３４２の内部で図中の左側に寄っており、負極端子６ｎは、パッケージ３４２の中心線には位置していない。負極端子の位置は、パッケージの中央が好ましいが、第２変形例のパワーモジュール３０６のように、パッケージの中央でなくともよい。
【００５７】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例のスイッチング素子は、ＩＧＢＴであった。スイッチング素子は、ＩＧＢＴに限定されない。スイッチング素子は、例えば、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴの電極は、電流入力端がドレイン電極と呼ばれ、電流出力端がソース電極と呼ばれる。それゆえ、ＩＧＢＴの代わりにＭＯＳＦＥＴを用いる場合、実施例のエミッタ電極をソース電極と読み替え、コレクタ電極をドレイン電極と読み替えればよい。ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴの場合、ゲート電圧はソース基準であり、複数のソース電極の電位のばらつきが小さい方が、ゲート発振を抑制することができる。従って、複数のソース電極を接続している負極端子がスイッチング素子の並びの両端のスイッチング素子から等距離に位置していることで、ゲート発信を抑制する効果が得られる。
【００５８】
実施例のパワーモジュールは、並列に接続されている複数のスイッチング素子を収容している。スイッチング素子の典型は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタである。実施例では、複数のトランジスタ（スイッチング素子）の順方向の下流側電極（ｎチャネル型ＩＧＢＴのエミッタ電極やＭＯＳＦＥＴのソース電極）を接続する端子を負極端子と称し、上流側電極を接続する端子を負極端子と称した。
【００５９】
実施例で説明した電力変換装置１０のいくつかの特徴を以下にまとめる。電力変換装置１０は、複数のパワーモジュール６を備えている。それぞれのパワーモジュール６は、並列に接続されている複数のスイッチング素子を収容している。パワーモジュール６は、扁平であり、第１面４２１（第１幅広面）と、第１面４２１と交差する第２面４２２（幅狭面）と、第１面４２１と平行な第３面４２３（第２幅広面）を有している。複数のスイッチング素子は、第１面４２１に露出している第１放熱板４４と第３面４２３に露出している第２放熱板４５によって並列に接続される。複数のスイッチング素子は第１面４２１と第２面４２２の夫々に対して平行な方向（並び方向）に一例に並んでいる。複数のスイッチング素子のエミッタ電極（ソース電極）を接続した負極端子６ｎは、並びの両端のスイッチング素子のエミッタ電極から等距離に位置するように、第２面４２２から延びている。複数のスイッチング素子のコレクタ電極（ドレイン電極）を接続した正極端子６ｐは第２面４２２において並び方向で負極端子６ｎの隣に配置されている。
【００６０】
複数のパワーモジュール６は、複数の冷却プレート７１と１個ずつ交互に積層されている。隣接するパワーモジュール（例えば６ｃと６ｄ）は、第１面４２１同士（あるいは第３面４２３同士）が対向するように互いに向かい合わせ（背中合わせ）に配置されている。隣接する他のパワーモジュール（例えば６ａ、と６ｂ）も同様である。向かい合わせ（背中合わせ）に対向させることで、隣接するパワーモジュール（例えば６ｃ、６ｄ）の負極端子６ｎ同士は対向するが、正極端子６ｐは対向しない。一方のパワーモジュール（例えば６ｃ）の負極端子６ｎと他方のパワーモジュール（例えば６ｄ）の正極端子６ｐは、並び方向の一方の側から延びてくるバスバ（モジュール間バスバ５２）によって接続される。一方のパワーモジュール（例えば６ｃ）の正極端子６ｐと他方のパワーモジュール（例えば６ｄ）の負極端子６ｎは、並び方向の他方の側から延びてくるバスバ（正極バスバ枝部５１と負極バスバ枝部６１）によって別の部品（平滑コンデンサ７）と接続される。並び方向の一方の側から端子６ｐ、６ｎへ向けて延びてくるバスバ（モジュール間バスバ５２）と、他方の側から端子６ｐ、６ｎへ向けて延びてくるバスバ（正極バスバ枝部５１と負極バスバ枝部６１）は、第２面４２２の法線方向からみて交錯しないで夫々のパワーモジュールと接続することができる。
【００６１】
パワーモジュール６ｃが第１収容部材の一例に相当し、パワーモジュール６ｄが第２収容部材の一例に相当する。パワーモジュール６ａが第１収容部材の別の一例に相当し、パワーモジュール６ｂが第２収容部材の別の一例に相当する。
【００６２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００６３】
２：リアクトル
３ａ−３ｃ：スイッチング素子
４ａ−４ｃ：ダイオード
５：フィルタコンデンサ
６、６ａ−６ｈ：スイッチング回路（パワーモジュール）
６ｎ：負極端子
６ｐ：正極端子
７：平滑コンデンサ
８：電流センサ
９ｎ：負極線
９ｐ：正極線
１０：電力変換装置
１１：コントローラ
１２：電圧コンバータ回路
１３：インバータ回路
４１ａ−４１ｃ：半導体チップ
４２、２４２、３４２：パッケージ
４４：第１放熱板
４５：第２放熱板
４６ａ−４６ｃ：スペーサブロック
４７：ボンディングワイヤ
５０：正極バスバ
５１：正極バスバ枝部
５２、５３、１５２：モジュール間バスバ
６０：負極バスバ
６１：負極バスバ枝部
７０：ケース
７１：冷却プレート
９０：バッテリ
９１：モータ
１００：電気自動車
１０６ｃ、１０６ｄ、２０６、３０６：パワーモジュール
【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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