(57)【要約】【課題】サージ電圧の抑制、ＳＷ素子の高い放熱性、およびリンギングの抑制の３つを両立しうる電力変換装置を提供する。【解決手段】２つのＳＷ素子の素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌが、絶縁層２０を介して、側面Ｓ１が同じ向きで平行になるようにして厚さ方向に積層されると共に、一方のＳＷ素子の正端子（＋）ともう一方のＳＷ素子の負端子（−）が、それぞれ、厚さ方向において互いに重なるように配置されてなる電力変換装置１００とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上アームと下アームの直列接続された２つのスイッチング素子（以下、ＳＷ素子と記載）を備え、直流電源からの電圧および電流を変換して、前記２つのＳＷ素子の接続点から負荷に電力を供給する電力変換装置（１００〜１０５，１１０〜１１３，１１４ｕ，１１４ｖ，１１４ｗ）であって、
前記２つのＳＷ素子が、それぞれ、扁平な直方体の形状に樹脂モールドされた素子モジュール（１０，１０Ｈ，１０Ｌ，１１，１１Ｈ，１１Ｌ）からなり、
前記素子モジュールにおいて、前記ＳＷ素子の正側電極に接続する放熱板（３ｈ）と負側電極に接続する放熱板（４ｈ）とが、外面を露出するようにして、前記直方体の扁平な両表面に分かれて配置されてなり、
前記正側電極に接続する放熱板に連結した正端子（３ｔ，３ｔａ）と前記負側電極に接続する放熱板に連結した負端子（４ｔ，４ｔａ）が、前記扁平な直方体の厚さ方向において互いに重ならないようにして、直方体の一つの側面（Ｓ１）から引き出されてなり、
前記２つのＳＷ素子の素子モジュールが、絶縁層（２０，２１）を介して、前記一つの側面が同じ向きで平行になるようにして、前記厚さ方向に積層されると共に、一方のＳＷ素子の正端子ともう一方のＳＷ素子の負端子が、それぞれ、厚さ方向において互いに重なるように配置されてなり、
前記重なるように配置された正端子と負端子の一方の組において、該正端子と負端子が前記一つの側面の近くで電気接続されて、前記負荷に接続する出力端子が構成され、
前記重なるように配置された正端子と負端子のもう一方の組において、前記上アームのＳＷ素子の正端子で、前記直流電源の高電位側に接続する高電位端子が構成され、前記下アームのＳＷ素子の負端子で、前記直流電源の低電位側に接続する低電位端子が構成されてなることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記重なるように配置された正端子と負端子が、それぞれ、厚さ方向においていずれか一方を覆う配置関係にあ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２つのＳＷ素子の素子モジュールが、同一構造であ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】
前記一つの側面において、
前記正端子と前記負端子が、前記厚さ方向において同じ高さで、引き出されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記正端子と前記負端子が、前記厚さ方向の２等分線で分割されるいずれか一方の領域から、引き出されてなることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記重なるように配置された正端子と負端子の間に、前記厚さ方向の間隔を固定するスペーサが挿入されてなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記一つの側面において、
前記正端子と前記負端子の間に、前記厚さ方向に走る溝（７ａ）が、形成されてなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記一つの側面と対向するもう一つの側面（Ｓ２）において、
前記ＳＷ素子の制御電極に接続する信号線が、引き出されてなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記もう一つの側面において、
前記信号線が、前記厚さ方向に直交する方向の２等分線で分割されるいずれか一方の領域から、引き出されてなることを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記正端子と負端子のもう一方の組において、
前記一つの側面に隣接して、容量素子（４１，４１ａ，４１ｂ）を有したスナバ回路（４０，４０ａ〜４０ｄ）が、正端子と負端子の間に電気接続されてなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記スナバ回路が、
前記正端子と負端子の間で略「コ」の字形状の電流経路を有し、途中に切断部が形成された金属部材（３３，３３ａ〜３３ｄ）と、
前記切断部の両側に電極が接続された表面実装型の前記容量素子とで構成されてなることを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記容量素子に、抵抗が直列接続されてなることを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記抵抗が、表面実装型の抵抗素子（４２，４２ｃ）からなり、
前記金属部材において、前記容量素子が接続された切断部と別位置に形成された切断部の両側に電極が接続されてなることを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記抵抗が、
前記金属部材に切込みを形成し、前記電流経路の途中で断面積を小さくしたトリミングによる抵抗部（４２ａ，４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ）からなることを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記２つのＳＷ素子の素子モジュールが、絶縁層（２１）を介して、水冷冷却器（５０）で挟まれた構成を有してなることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記電力変換装置が、車載用であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上アームと下アームの直列接続された２つのスイッチング素子（以下、ＳＷ素子と記載）を備え、直流電源からの電圧および電流を変換して、該２つのＳＷ素子の接続点から負荷に電力を供給する、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子を備え、直流電源からの電圧および電流を変換して負荷に電力を供給する電力変換装置が、例えば、特開２００５−２８７２６７号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
車両で用いられる電力変換装置は、パワー密度が高く（小型大電流）、電力損失の小さな電力変換装置が求められており、電力を供給するＳＷ素子の大電流化や高電圧化および高速スイッチング化（以下、高速ＳＷ化と記載）が進められている。これらＳＷ素子の大電流化、高電圧化および高速ＳＷ化が進められると、スイッチング時に発生するサージ電圧が増大する。スイッチング損失（以下、ＳＷ損失と記載）を低減するためには、このサージ電圧の抑制が必要不可欠である。このサージ電圧は、電力変換装置を構成するフィルタコンデンサあるいはパワーモジュールの内部やそれらを電気的に接続するためのブスバーに起因する浮遊インダクタンスの値にも依存し、この浮遊インダクタンスが大きい場合には、サージ電圧が高くなる。
【０００４】
特許文献１に開示された電力変換装置は、ＳＷ素子が扁平な直方体の形状に樹脂モールドされたパワーモジュールからなり、該パワーモジュールの扁平な一方の表面に正側電極と負側電極が形成され、もう一方の表面が放熱面で冷却基板に接続される。そして、正側（上アーム）パワーモジュール群と負側（下アーム）パワーモジュール群とを、それぞれの上記電極形成面が所定間隔を介して互いに向き合うように、かつ、各モジュール間に流れる電流が互いに向き合う往復経路となるよう配置している。このパワーモジュールの配置構成によって、特許文献１の電力変換装置では、パワーモジュール間で発生する浮遊インダクタンスを減少させ、サージ電圧を低く抑えるようにしている。
【０００５】
一方、ＳＷ素子が大電流化されると、使用時の発熱量が大きくなるため、ＳＷ素子の放熱性も向上させる必要がある。この放熱性に優れるＳＷ素子が、例えば、特開２００３−１１００６４号公報（特許文献２）に開示されている。
【０００６】
特許文献２に開示されているＳＷ素子は、両面放熱型の素子モジュールで、半導体チップの両面に一対の放熱板を例えば半田層を介して接合し、該一対の放熱板の各外面を露出するようにして、全体が樹脂でモールドされた構造となっている。これによって、半導体チップの両面からの放熱が可能となり、高い放熱性を発揮させることができる。尚、特許文献２の素子モジュールも扁平な直方体の形状を有しているが、特許文献１のパワーモジュールと異なり、扁平な一方の表面に露出している放熱板が正側電極となり、もう一方の表面に露出している放熱板が負側電極となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２８７２６７号公報
【特許文献２】特開２００３−１１００６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、車両等で用いられる電力変換装置は、パワー密度が高く電力損失の小さな電力変換装置が必要とされており、ＳＷ素子の大電流化、高電圧化および高速ＳＷ化に伴って、サージ電圧の抑制が課題となっている。また、大電流化に伴って、ＳＷ素子の放熱性も高める必要がある。さらには、ＥＭＣ確保のため、サージ電圧だけでなく、それに付随したＦＭ帯ノイズ等となる、リンギングについても抑制する必要がある。
【０００９】
そこで、本発明は、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子を備え、直流電源からの電圧および電流を変換して、該２つのＳＷ素子の接続点から負荷に電力を供給する電力変換装置を対象としている。そして、サージ電圧の抑制、ＳＷ素子の高い放熱性、およびリンギングの抑制の３つを両立しうる電力変換装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る電力変換装置は、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子を備え、直流電源からの電圧および電流を変換して、該２つのＳＷ素子の接続点から負荷に電力を供給する電力変換装置である。上記２つのＳＷ素子は、それぞれ、扁平な直方体の形状に樹脂モールドされた素子モジュールからなる。また、該素子モジュールにおいては、ＳＷ素子の正側電極に接続する放熱板と負側電極に接続する放熱板とが、外面を露出するようにして、直方体の扁平な両表面に分かれて配置されている。さらに、ＳＷ素子の正側電極に接続する放熱板に連結した正端子と負側電極に接続する放熱板に連結した負端子が、上記した扁平な直方体の厚さ方向において互いに重ならないようにして、直方体の一つの側面から引き出されている。
【００１１】
そして、上記した２つのＳＷ素子の素子モジュールは、絶縁層を介して、それぞれの正端子と負端子が引き出されている上記の一つの側面が同じ向きで平行になるようにして、厚さ方向に積層される。また、一方のＳＷ素子の正端子ともう一方のＳＷ素子の負端子が、それぞれ、厚さ方向において互いに重なるように配置される。そして、上記の重なるように配置された正端子と負端子の一方の組では、正端子と負端子が上記の一つの側面の近くで電気接続されて、負荷に接続する出力端子（以下、Ｏ端子と記載）が構成される。重なるように配置された正端子と負端子のもう一方の組では、上アームのＳＷ素子の正端子で、直流電源の高電位側に接続する高電位端子（以下、Ｐ端子と記載）が構成される。また、下アームのＳＷ素子の負端子で、直流電源の低電位側に接続する低電位端子（以下、Ｎ端子と記載）が構成される。
【００１２】
上記電力変換装置では、まず、ＳＷ素子の十分な放熱性を確保するため、次の両面放熱型の素子モジュールを採用している。すなわち、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子は、それぞれ、扁平な直方体の形状に樹脂モールドされた素子モジュールからなる。また、該素子モジュールは、ＳＷ素子の正側電極に接続する放熱板と負側電極に接続する放熱板とが、外面を露出するようにして、直方体の扁平な両表面に分かれて配置された構造となっている。
【００１３】
ＳＷ素子として両面放熱型の素子モジュールを採用することで、例えば扁平な直方体の片面だけに放熱板が配置される片面放熱型の素子モジュールに較べて、高い放熱性を発揮させることができる。また、上記素子モジュールは、上アームと下アームのＳＷ素子が、それぞれ、別々に樹脂モールドされたものである。従って、上記素子モジュールは、例えば上アームと下アームの２つのＳＷ素子を一体で樹脂モールドしたモジュールや３相のＵ，Ｖ，Ｗの各相に対応した上アームの３つのＳＷ素子を一体で樹脂モールドしたモジュールに較べて、小型のモジュールである。このため、以下に示す２つの素子モジュールを積層する場合において、高精度の組み付けが可能であり、例えＳＷ素子の発熱によって温度上昇した場合であっても、反り等による変形が小さくなる。
【００１４】
次に、上記電力変換装置では、サージ電圧を抑制するため、上アームと下アームのＳＷ素子の各素子モジュールについて、以下の構造を採用している。すなわち、ＳＷ素子の正側電極に接続する放熱板に連結した正端子と負側電極に接続する放熱板に連結した負端子が、上記した扁平な直方体の厚さ方向において互いに重ならないようにして、直方体の一つの側面から引き出された構造である。そして、上アームと下アームのＳＷ素子にそれぞれ対応する上記した２つの素子モジュールが、絶縁層を介して、正端子と負端子が引き出された上記の一つの側面が同じ向きで平行になるようにして、厚さ方向に積層される配置とする。
【００１５】
さらに、上記積層状態においては、一方のＳＷ素子の正端子ともう一方のＳＷ素子の負端子が、それぞれ、厚さ方向において互いに重なる配置とする。すなわち、上記正端子と負端子を扁平な直方体の厚さ方向において一つの面に投影した時、少なくとも一部が重なる配置関係とする。そして、上記の重なるように配置された正端子と負端子の一方の組では、正端子と負端子が上記の一つの側面の近くで電気接続されて、負荷に接続するＯ端子が構成される。また、重なるように配置された正端子と負端子のもう一方の組では、上アームのＳＷ素子の正端子で直流電源の高電位側に接続するＰ端子が構成され、下アームのＳＷ素子の負端子で直流電源の低電位側に接続するＮ端子が構成される。
【００１６】
上記電力変換装置における２つの素子モジュールの配置関係は、電源回路のインダクタンスＬｄを小さくして、サージ電圧ΔＶを抑制するためのものである。すなわち、上記もう一方の組において、重なるように配置されたＰ端子が構成される上アームのＳＷ素子の正端子とＮ端子が構成される下アームのＳＷ素子の負端子は、電流の流れる向きが逆であり、磁束打消しによるインダクタンスの低減効果が発生する。尚、上記一方の組において、電気接続されてＯ端子が構成されるまでの上アームのＳＷ素子の負端子と下アームのＳＷ素子の正端子についても、電流の流れる向きが逆であり、磁束打消しによるインダクタンスの低減効果が発生する。以上のインダクタンスの低減効果によって、上記電力変換装置においては、該電力変換装置に係る電源回路のインダクタンスＬｄを小さくして、サージ電圧ΔＶを抑制することができる。また、インダクタンスＬｄに蓄えられる磁気エネルギーが低減するため、Ｌｄ経路に潜む寄生容量成分との共振が早く制動し、結果リンギングが発生する期間を短くすることができる。
【００１７】
上記電力変換装置を構成する２つの素子モジュールは、前述したように、上アームと下アームのＳＷ素子が別々に樹脂モールドされた小型のモジュールで、高精度の組み付けが可能であり、ＳＷ素子の発熱によって温度上昇した場合であっても、反り等による変形が小さくなる。特に、電極等の金属部材の変形も小さくなり、一方のＳＷ素子の正端子ともう一方のＳＷ素子の負端子間での上記した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を確実にすることができる。また、製造不良や発熱によって例え１つのＳＷ素子が壊れた場合であっても、その素子モジュールを交換するだけで済み、電力変換装置としての製造歩留まりや使用寿命を高めることが可能である。
【００１８】
上記電力変換装置において、重なるように配置された正端子と負端子は、それぞれ、厚さ方向においていずれか一方を覆う配置関係にあることが、より好ましい。すなわち、上記正端子と負端子を扁平な直方体の厚さ方向において一つの面に投影した時、いずれか一方がもう一方を覆う配置関係である。尚、上記した正端子と負端子が同一形状の場合には、扁平な直方体の厚さ方向において一つの面に投影した時、これらは完全に一致する配置関係となる。これによって、上記した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を、最大限に発揮させることができる。
【００１９】
以上のように、上記電力変換装置における上アームと下アームにそれぞれ対応する２つのＳＷ素子の素子モジュールは、ＳＷ素子の特性一致と製造コストの低減だけでなく、サージ電圧を抑制するうえでも、同一構造であることが好ましい。
【００２０】
上記電力変換装置における素子モジュールは、一つの側面において、正端子と負端子が、厚さ方向において同じ高さで引き出されていることが好ましい。これによって、設計や組み付けが容易になる。
【００２１】
この場合において、上記した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を高めるためには、正端子と負端子が、厚さ方向の２等分線で分割されるいずれか一方の領域から引き出されていることが好ましい。これによれば、上アームと下アームの素子モジュールを積層する場合において、正端子と負端子が厚さ方向の２等分線上（中央）で引き出される素子モジュールに較べて、互いに重なる配置関係にある正端子と負端子を、より近づけることができる。従って、上記した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を高めることができる。また、後述するスナバ回路を接続する場合においても、スナバ回路の電流経路長を短くすることができ、スナバ回路のインダクタンスＬｓが小さくなって、サージ電圧ΔＶを抑制することができる。
【００２２】
上記電力変換装置においては、Ｐ端子とＮ端子がそれぞれ構成される前記正端子と負端子のもう一方の組において、一つの側面に隣接して、容量素子を有したスナバ回路を正端子と負端子の間に電気接続することが可能である。
【００２３】
上記スナバ回路を接続することによって、当該電力変換装置においては、先の電源回路のインダクタンスＬｄに蓄積されるエネルギーをスナバ回路の容量素子に吸収させ、サージ電圧ΔＶをより低減することが可能である。
【００２４】
尚、上記電力変換装置におけるスナバ回路は、積層された２つの素子モジュールのＰＮ端子間を素子モジュールと別体で結線するものであり、素子モジュールの外部に露出している。従って、スナバ回路で発生する熱は、ＳＷ素子で発生する熱とは別の放熱経路で、外部に引き出された正端子と負端子に連結する放熱板と空気中への放熱を介して、良好に放熱することができる。
【００２５】
上記電力変換装置におけるスナバ回路は、例えば、正端子と負端子の間で略「コ」の字形状の電流経路を有し、途中に切断部が形成された金属部材と、切断部の両側に電極が接続された表面実装型の容量素子とで構成することができる。
【００２６】
また、上記スナバ回路においては、容量素子に、抵抗が直列接続されてなることが好ましい。
【００２７】
容量素子に直列接続する抵抗の抵抗値Ｒｓには、適切な値がある。抵抗値Ｒｓが小さすぎると、低減したいサージが抑制できない。寄生インダクタンスとスナバ回路の容量素子のみでは、電流を消費しないので（寄生インダクタンスで蓄えてしまっている）、それを消費する抵抗が必要となる。また、上記したＬＣ共振が起き易くなるといった問題もある。 一方、抵抗値Ｒｓが大きすぎると、ＳＷ素子で発生するサージがスナバ回路側へバイパスされないため、スナバ回路が機能しなくなってしまう。 
【００２８】
容量素子に直列接続する上記抵抗は、例えば、表面実装型の抵抗素子からなり、略「コ」の字形状の上記金属部材において、容量素子が接続された切断部と別位置に形成された切断部の両側に電極が接続されている構成であってよい。また、上記抵抗は、略「コ」の字形状の上記金属部材に切込みを形成し、電流経路の途中で断面積を小さくしたトリミングによる抵抗部からなる構成であってもよいし、上記表面実装型の抵抗素子と上記トリミングによる抵抗部を組み合わせて構成してもよい。上記抵抗にトリミングによる抵抗部を用いる場合には、電力変換装置にスナバ回路を組み付けた後、抵抗値Ｒｓの調整が可能となる。
【００２９】
尚、以上に説明した電力変換装置のスナバ回路は、積層された上アームの素子モジュールのＰ端子と下アームの素子モジュールのＮ端子間において、一括して電気接続するものである。しかしながら、スナバ回路の構成はこれに限らず、例えば積層された上アームと下アームの各素子モジュールにおいて、正端子と負端子間に個別にスナバ回路を電気接続するようにしてもよい。また、以上に説明した電力変換装置のスナバ回路は、容量素子だけを有するＣスナバ回路、および容量素子と抵抗を有するＲＣスナバ回路であった。しかしながら、スナバ回路の構成はこれに限らず、抵抗と並列にダイオードが接続されるＲＣＤスナバ回路であってもよい。
【００３０】
また、上記電力変換装置は、前述したように、ＳＷ素子の十分な放熱性を確保するため、両面放熱型の素子モジュールを採用している。従って、上記電力変換装置は、２つのＳＷ素子の素子モジュールが、絶縁層を介して、水冷冷却器で挟まれた構成とすることが好ましい。これによって、ＳＷ素子で発生する熱（およびスナバ回路を接続する場合には、容量素子や抵抗で発生する熱）が、各素子モジュールの外面に露出している放熱板から絶縁層を介して水冷冷却器に伝達され、高い冷却効果を発揮させることができる。
【００３１】
以上のようにして、上記した電力変換装置は、サージ電圧の抑制、ＳＷ素子の高い放熱性、およびリンギングの抑制の３つを両立しうる電力変換装置となっている。従って、上記電力変換装置は、パワー密度が高く電力損失の小さな電力変換装置が必要とされており、ＳＷ素子の大電流化、高電圧化および高速ＳＷ化に伴って、サージ電圧の抑制が課題となっている、車載用として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の電力変換装置で用いられるＳＷ素子の素子モジュールの一例を示す図で、（ａ）は素子モジュール１０の前面図であり、（ｂ）は内部を透視した素子モジュール１０の下面図であり、（ｃ）は（ｂ）における一点鎖線I-Iでの断面図である。
【図２】本発明に係る電力変換装置の一例で、（ａ）は電力変換装置１００の構成と使用形態の一例を示した回路図であり、（ｂ）は電力変換装置１００の外観を示した斜視図であり、（ｃ）は（ｂ）において矢印で示したＡ視からの模式的な前面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、電力変換装置１０１，１０２の外観を示した斜視図である。
【図４】別の素子モジュールの例を示す図で、（ａ）は素子モジュール１１の前面図であり、（ｂ）は内部を透視した素子モジュール１１の下面図であり、（ｃ）は（ｂ）における一点鎖線II-IIでの断面図である。
【図５】図４の素子モジュール１１を用いた電力変換装置の例で、電力変換装置１０３の外観を示した斜視図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図１および図４に示した素子モジュール１０，１１を用いる電力変換装置の別の構成例で、電力変換装置１０４，１０５の断面図である。
【図７】スナバ回路を付加した電力変換装置の例で、（ａ）は電力変換装置１１０の構成と使用形態の一例を示した回路図であり、（ｂ）は電力変換装置１１０の外観を示した斜視図であり、（ｃ）は（ｂ）において矢印で示したＡ視からの模式的な前面図である。
【図８】別の電力変換装置の例で、（ａ）は電力変換装置１１１の外観を示した斜視図であり、（ｂ）は（ａ）において矢印で示したＡ視からの前面図であり、（ｃ）は（ｂ）に示すスナバ回路４０の拡大図である。
【図９】スナバ回路の別の実体構成例を示す図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれスナバ回路４０ａの製造途中での上面図と前面図であり、（ｃ）は完成後のスナバ回路４０ａを拡大して示した前面図である。
【図１０】スナバ回路の別の実体構成例を示す図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれスナバ回路４０ｂの製造途中での上面図と前面図であり、（ｃ）は完成後のスナバ回路４０ｂを拡大して示した前面図である。
【図１１】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図６（ａ），（ｂ）に示した電力変換装置１０４，１０５に対して、スナバ回路４０ｃ，４０ｄを取り付けた電力変換装置１１２，１１３を模式的に示す図である。
【図１２】図１２は、図１１に例示した電力変換装置の応用例で、車載用の３相モータを負荷とするインバータ１１４を示した上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明に係る電力変換装置は、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子を備え、直流電源からの電圧および電流を変換して、該２つのＳＷ素子の接続点から負荷に電力を供給する電力変換装置である。
【００３４】
以下、本発明に係る電力変換装置の実施形態を、図に基づいて説明する。
【００３５】
図１は、本発明の電力変換装置で用いられるＳＷ素子の素子モジュールの一例を示す図である。（ａ）は、素子モジュール１０の前面図であり、（ｂ）は、内部を透視した素子モジュール１０の下面図であり、（ｃ）は、（ｂ）における一点鎖線I-Iでの断面図である。
【００３６】
図２は、図１のＳＷ素子（素子モジュール１０）を用いた本発明に係る電力変換装置の一例で、（ａ）は、一点鎖線で囲った電力変換装置１００の構成と使用形態の一例を示した回路図である。また、（ｂ）は、電力変換装置１００の外観を示した斜視図であり、（ｃ）は、（ｂ）において矢印で示したＡ視からの模式的な前面図である。尚、図２において、図１と同様の部分については、同じ符号を付した。図２の電力変換装置１００は、例えば自動車などの車両に搭載され、モータ等を駆動するための駆動装置として適用されるものである。
【００３７】
図２（ａ）において一点鎖線で囲って示した電力変換装置１００は、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子（素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌ）を備えている。図２（ａ）の回路図に示すＳＷ素子は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）で、該ＩＧＢＴにはＦＷＤ（フライホイールダイオード）が逆並列に接続されている。そして、電力変換装置１００は、平滑コンデンサＣを介した直流電源からの電圧および電流を変換して、上アームと下アームの２つのＳＷ素子の接続点から、負荷Ｌに電力を供給する。
【００３８】
図２の電力変換装置１００を構成している上アームと下アームの２つのＳＷ素子は、それぞれ、扁平な直方体の形状に樹脂モールドされた素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌからなり、図１に示した素子モジュール１０と同様の構造を有している。
【００３９】
図１の素子モジュール１０は、（ｂ）に示すように、平面的に配置されたシリコン（Ｓｉ）からなるＩＧＢＴ素子チップ１とＦＷＤ素子チップ２を備えている。そして、これら素子チップ１，２の両面は、電極および放熱板として機能する一対のリードフレーム３，４に挟まれている。これらリードフレーム３，４は、一般的なリードフレーム材料よりなるもので、たとえば、銅合金にニッケルメッキを施した板材により構成されている。
【００４０】
尚、図１の素子モジュール１０において、ＩＧＢＴ素子チップ１とＦＷＤ素子チップ２は、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）で形成するようにしてもよい。また、素子モジュール１０ではＩＧＢＴとＦＷＤが別々の素子チップ１，２で形成されているが、ＩＧＢＴとＦＷＤを一つの素子チップで形成するようにしてもよい。
【００４１】
図１（ｃ）に示すように、リードフレーム３は、ＩＧＢＴ素子チップ１のコレクタ電極および逆並列に接続されるＦＷＤ素子チップ２のカソード電極と半田５で接合されており、高電位の正側電極（＋）として機能する。また、リードフレーム４は、高さ調節のための銅ブロック６を介して、ＩＧＢＴ素子チップ１のエミッタ電極および逆並列に接続されるＦＷＤ素子チップ２のアノード電極と半田５で接合されており、低電位の負側電極（−）として機能する。
【００４２】
そして、図１の素子モジュール１０においては、一対のリードフレーム３，４およびこれに挟み込まれた素子チップ１，２、銅ブロック６が、モールド樹脂７にて封止される。このモールド樹脂７は、エポキシ樹脂などの通常のモールド材料よりなり、金型を用いたトランスファーモールド法によって成形されたものである。
【００４３】
図１（ｃ）に示すように、リードフレーム３，４の一部は、それぞれ、モールド樹脂７から露出しており、放熱板３ｈ，４ｈとして機能する。これにより、素子モジュール１０は、素子チップ１，２の両面からリードフレーム３，４を介した放熱が行われる、両面放熱型の構成となっている。言い換えれば、素子モジュール１０においては、ＳＷ素子の正側電極に接続する放熱板３ｈと負側電極に接続する放熱板４ｈとが、外面を露出するようにして、モールド樹脂７からなる直方体の扁平な両表面に分かれて配置されている。
【００４４】
さらに、図１の素子モジュール１０においては、リードフレーム３，４の端部が、モールド樹脂７からなる直方体の一つの側面Ｓ１（図１（ａ）に示す前面）から以下のように引き出されており、端子３ｔ，４ｔとして機能する。すなわち、ＳＷ素子の正側電極（＋）に接続する放熱板３ｈに連結した正端子（＋）３ｔと負側電極（−）に接続する放熱板４ｈに連結した負端子（−）４ｔが、上記した扁平な直方体の厚さ方向において互いに重ならないようにして、直方体の一つの側面Ｓ１から引き出されている。
【００４５】
より詳細には、素子モジュール１０では、一つの側面Ｓ１において、正端子３ｔと負端子４ｔが、図１（ａ）において二点鎖線で示したように、厚さ方向において同じ高さＨ１で引き出されている。さらに言えば、図１（ａ）の二点鎖線は、素子モジュール１０の厚さ方向の２等分線であり、正端子３ｔと負端子４ｔは、厚さ方向の中央から引き出されている。
【００４６】
また、素子モジュール１０では、図１（ｂ）に示すように、正端子３ｔと負端子４ｔが引き出された側面Ｓ１と対向するもう一つの側面Ｓ２において、ＳＷ素子の制御電極（ＩＧＢＴ素子チップ１のゲート電極）に接続する信号線が引き出されている。さらに言えば、図１（ｂ）の二点鎖線は、もう一つの側面Ｓ２において厚さ方向に直交する方向の２等分線であり、信号線は、この２等分線で分割される一方の領域から引き出されている。
【００４７】
そして、図２の電力変換装置１００では、上記した図１の素子モジュール１０と同一構造の２つのＳＷ素子の素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌが、図２（ｂ）に示すように、互いに反転して積層される。より詳細には、電力変換装置１００では、素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌの間には両者を電気的に分離するための絶縁層２０があり、それぞれの正端子（＋）と負端子（−）が引き出されている側面Ｓ１（図１（ａ）に示す前面）が同じ向きで平行になるようにして、厚さ方向に積層される。
【００４８】
また、図２（ｃ）に示すように、一方のＳＷ素子の正端子（＋）ともう一方のＳＷ素子の負端子（−）は、それぞれ、厚さ方向において互いに重なるように配置される。そして、上記の重なるように配置された正端子と負端子の一方の組では、正端子と負端子が側面Ｓ１の近くで金属部材３０により電気接続されて、負荷Ｌに接続するＯ端子（出力端子）が構成される。重なるように配置された正端子と負端子のもう一方の組では、上アームのＳＷ素子の正端子（＋）で、直流電源の高電位側に接続するＰ端子（高電位端子）が構成される。また、下アームのＳＷ素子の負端子（−）で、直流電源の低電位側に接続するＮ端子（低電位端子）が構成される。
【００４９】
図２に例示した電力変換装置１００は、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子を一つの構成単位として、該２つのＳＷ素子の接続点（Ｏ端子）から負荷Ｌに電力を供給するものである。例えば、車載用の３相モータを負荷とする電力変換装置（インバータ）は、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に対応した３組の直列接続されたＳＷ素子の上記単位で構成され、直流電源のバッテリから、誘導性の負荷である３相モータに交流の電力を供給する。
【００５０】
課題欄で説明したように、車両等で用いられる電力変換装置では、近年、パワー密度が高く電力損失の小さな装置が必要とされており、サージ電圧およびリンギングの抑制とＳＷ素子の放熱性が課題となっている。そのため、図２の電力変換装置１００では、まず、ＳＷ素子の十分な放熱性を確保するため、図１に示した両面放熱型の素子モジュール１０を採用している。すなわち、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子は、それぞれ、扁平な直方体の形状に樹脂モールドされた素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌからなる。素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌは、図１で示したように、ＳＷ素子の正側電極（＋）に接続する放熱板３ｈと負側電極（−）に接続する放熱板４ｈとが、外面を露出するようにして、直方体の扁平な両表面に分かれて配置された構造となっている。
【００５１】
ＳＷ素子として両面放熱型の素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌを採用することで、例えば扁平な直方体の片面だけに放熱板が配置される片面放熱型の素子モジュールに較べて、後述するように、高い放熱性を発揮させることができる。また、電力変換装置１００の素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌは、上アームと下アームのＳＷ素子が、それぞれ、別々に樹脂モールドされたものである。従って、素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌは、例えば上アームと下アームの２つのＳＷ素子を一体で樹脂モールドしたモジュールやＵ，Ｖ，Ｗの各相に対応した上アームの３つのＳＷ素子を一体で樹脂モールドしたモジュールに較べて、小型のモジュールである。このため、電力変換装置１００のように２つの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌを積層する場合において、高精度の組み付けが可能であり、例えＳＷ素子の発熱によって温度上昇した場合であっても、反り等による変形が小さくなる。
【００５２】
次に、図２に例示した電力変換装置１００では、サージ電圧を抑制するため、上アームと下アームのＳＷ素子の各素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌについて、以下の構造を採用している。すなわち、図１に示したように、ＳＷ素子の正側電極に連結した正端子（＋）と負側電極に連結した負端子（−）が、モールド樹脂７の扁平な直方体の厚さ方向において互いに重ならないようにして、一つの側面Ｓ１から引き出された構造である。そして、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、上アームと下アームのそれぞれ対応する素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌが、絶縁層２０を介して、正端子と負端子が引き出された側面Ｓ１が同じ向きで平行になるようにして、厚さ方向に積層される配置とする。
【００５３】
さらに、上記積層状態においては、一方のＳＷ素子の正端子（＋）ともう一方のＳＷ素子の負端子（−）が、それぞれ、厚さ方向において互いに重なる配置とする。すなわち、正端子と負端子を扁平な直方体の厚さ方向において一つの面に投影した時、少なくとも一部が重なる配置関係とする。そして、上記の重なるように配置された正端子と負端子の一方の組では、正端子と負端子が引き出された側面Ｓ１の近くで電気接続されて、負荷Ｌに接続するＯ端子が構成される。また、重なるように配置された正端子と負端子のもう一方の組では、上アームのＳＷ素子の正端子（＋）で直流電源の高電位側に接続するＰ端子が構成され、下アームのＳＷ素子の負端子（−）で直流電源の低電位側に接続するＮ端子が構成される。
【００５４】
図２の電力変換装置１００において発生するサージ電圧ΔＶは、図２（ａ）に破線で示した電源回路のインダクタンスをＬｄとし、電流変化率をｄＩ／ｄｔとしたとき、次の数式１の関係にある。
（数１）  ΔＶ＝Ｌｄ×（ｄＩ／ｄｔ）
【００５５】
課題欄で説明した電力変換装置におけるパワー密度の上昇（大電流化）と電力損失の低減（高速ＳＷ化）は、数式１において、右辺の電流変化率ｄＩ／ｄｔを大きくする方向である。従って、サージ電圧ΔＶを抑制するためには、電源回路のインダクタンスＬｄをできるだけ小さくする必要がある。
【００５６】
上記した電力変換装置１００における２つの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌの配置関係は、電源回路のインダクタンスＬｄを小さくして、サージ電圧ΔＶを抑制するためのものである。すなわち、重なるように配置されたＰ端子が構成される上アームのＳＷ素子の正端子とＮ端子が構成される下アームのＳＷ素子の負端子は、図２（ｂ）に示すように、電流の流れる向きが逆であり、磁束打消しによるインダクタンスの低減効果が発生する。尚、電気接続されてＯ端子が構成されるまでの上アームのＳＷ素子の負端子と下アームのＳＷ素子の正端子についても、電流の流れる向きが逆であり、磁束打消しによるインダクタンスの低減効果が発生する。以上のインダクタンスの低減効果によって、図２の電力変換装置１００においては、電源回路のインダクタンスＬｄを小さくして、サージ電圧ΔＶを抑制することができる。また、インダクタンスＬｄが小さくなることで、インダクタンスＬｄに蓄えられる磁気エネルギーが低減するため、Ｌｄ経路に潜む寄生容量成分との共振が早く制動し、リンギングが発生している期間を短くするリンギングの抑制効果を得ることができる。
【００５７】
さらに、電力変換装置を構成する２つの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌは、前述したように、上アームと下アームのＳＷ素子が別々に樹脂モールドされた小型のモジュールで、高精度の組み付けが可能である。また、ＳＷ素子の発熱によって温度上昇した場合であっても、反り等による変形が小さくなる。特に、電極等の金属部材の変形も小さくなり、従って、一方のＳＷ素子の正端子ともう一方のＳＷ素子の負端子間での上記した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を確実にすることができる。また、製造不良や発熱によって例え１つのＳＷ素子が壊れた場合であっても、その素子モジュールを交換するだけで済み、電力変換装置としての製造歩留まりや使用寿命を高めることが可能である。
【００５８】
次に、図２に例示した電力変換装置１００の細部について説明する。
【００５９】
２つの素子モジュールが積層されて構成される上記電力変換装置において、重なるように配置された正端子（＋）と負端子（−）は、それぞれ、厚さ方向においていずれか一方を覆う配置関係にあることが、より好ましい。すなわち、上記正端子と負端子を扁平な直方体の厚さ方向において一つの面に投影した時、いずれか一方がもう一方を覆う配置関係である。尚、図２の電力変換装置１００における２つの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌは、同一構造であり、上記した正端子と負端子が同一形状である。従って、この２つの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌを積層した場合には、図２（ｃ）に示すように、扁平な直方体の厚さ方向において一つの面に投影した時、これらは完全に一致する配置関係となる。これによって、上記した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を、最大限に発揮させることができる。
【００６０】
以上のように、上記電力変換装置における上アームと下アームにそれぞれ対応する２つのＳＷ素子の素子モジュールは、ＳＷ素子の特性一致と製造コストの低減だけでなく、サージ電圧を抑制するうえでも、同一構造であることが好ましい。
【００６１】
また、図２の電力変換装置１００における素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌは、正端子と負端子が引き出された側面Ｓ１と対向する側面Ｓ２において、ＳＷ素子の制御電極に接続する信号線が引き出されている。これによって、２つの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌを上記のように積層した場合においても、図２（ｂ）に示すように、正端子と負端子が引き出される方向と信号線が引き出される方向が逆になるため、これら各端子および信号線への配線接続が容易になる。
【００６２】
さらに、図１の素子モジュール１０と同じ構造を有した素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌでは、側面Ｓ２において、信号線が、厚さ方向に直交する方向の２等分線で分割される一方の領域から引き出されている。これによって、２つの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌを上記のように積層した場合においても、図２（ｂ）に示すように、上アームと下アームの信号線同士が重ならないようにすることができ、各信号線への配線接続が容易になる。
【００６３】
次に、図２に示した電力変換装置１００の変形例について説明する。
【００６４】
図３（ａ），（ｂ）は、それぞれ、電力変換装置１０１，１０２の外観を示した斜視図である。
【００６５】
図３（ａ），（ｂ）に示す電力変換装置１０１，１０２では、それぞれ、図２の電力変換装置１００と同様の素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌが用いられ、電力変換装置１００と同様に、絶縁層２０を介して、互いに反転して積層されている。
【００６６】
一方、図２の電力変換装置１００では、図２（ｂ）に示すように、Ｏ端子が構成される正端子と負端子の間に金属部材３０が挿入されており、これによって、正端子と負端子が側面Ｓ１の近くで電気接続されていた。この正端子と負端子の間に金属部材３０は、正端子と負端子を電気接続するだけでなく、厚さ方向の間隔を固定するスペーサとしての機能も有している。
【００６７】
図３（ａ）に示す電力変換装置１０１においては、Ｐ端子とＮ端子が構成される組の正端子と負端子についても、重なるように配置された該正端子と負端子に、厚さ方向の間隔を固定するため、スペーサとして機能する絶縁部材３１が挿入されている。これによって、外力や熱が印加されても正端子と負端子の間隔が変化しないため、上記した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を、安定的に発揮させることができる。
【００６８】
また、図３（ｂ）に示す電力変換装置１０２では、金属部材３０に代えて、矢印で示したＡ視において略「コ」の字形状を有した金属部材３２を用いて、Ｏ端子が構成される正端子と負端子の間を、外側から電気接続している。尚、金属部材３２についても、所定の厚さを確保することで、正端子と負端子の厚さ方向の間隔を固定するスペーサとしての機能を持たせることができる。
【００６９】
図４は、本発明の電力変換装置で用いられるＳＷ素子の別の素子モジュールの例を示す図である。（ａ）は、素子モジュール１１の前面図であり、（ｂ）は、内部を透視した素子モジュール１１の下面図であり、（ｃ）は、（ｂ）における一点鎖線II-IIでの断面図である。尚、図４の素子モジュール１１において、図１の素子モジュール１１と同様の部分については、同じ符号を付した。
【００７０】
また、図５は、図４のＳＷ素子（素子モジュール１１）を用いた本発明に係る電力変換装置の例で、電力変換装置１０３の外観を示した斜視図である。図５の電力変換装置１０３においては、図４の素子モジュール１１と同一構造の上アームと下アームの２つのＳＷ素子の素子モジュール１１Ｈ，１１Ｌが、絶縁層２０を介して、互いに反転して積層されている。
【００７１】
図４に示すＳＷ素子の素子モジュール１１は、図１に示したＳＷ素子の素子モジュール１０と比較して、モールド樹脂７からなる直方体の側面Ｓ１から引き出される正端子（＋）３ｔａと負端子（−）４ｔａの高さＨ２が異なっている。
【００７２】
図１の素子モジュール１０では、正端子３ｔと負端子４ｔが、厚さ方向において同じ高さＨ１で、二点鎖線で示した素子モジュール１０の厚さ方向の２等分線上、すなわち、厚さ方向の中央から引き出されていた。これに対して、図４の素子モジュール１１では、正端子３ｔａと負端子４ｔａが、厚さ方向において同じ高さＨ２で引き出されているが、引き出し位置は、二点鎖線で示した厚さ方向の２等分線で分割される図の上方の領域から引き出されている。
【００７３】
これによって、図４と同一構造の素子モジュール１１Ｈ，１１Ｌを互いに反転して積層する図５の電力変換装置１０３では、図２の電力変換装置１００に較べて、互いに重なる配置関係にある正端子（＋）と負端子（−）を、より近づけることができる。これによって、電流の流れる向きが逆となることで発生する、図２の電力変換装置１００において説明した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果を、より高めることができる。また、後述するスナバ回路を接続する場合においても、スナバ回路の電流経路長を短くすることができ、スナバ回路のインダクタンスＬｓが小さくなって、サージ電圧ΔＶを抑制することができる。
【００７４】
また、図４の素子モジュール１１では、図１の素子モジュール１０と異なり、モールド樹脂７からなる直方体の側面Ｓ１において、正端子（＋）と負端子（−）の間に、厚さ方向に走る溝７ａが形成されている。正端子３ｔａと負端子４ｔａ間が離れているとインダクタンスＬｄは大きくなるが、これを設けることで端子間を狭めたときに発生しやすくなる正端子と負端子の間で沿面放電を回避することができる。
【００７５】
図６（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図１および図４に示した素子モジュール１０，１１を用いる電力変換装置の別の構成例で、電力変換装置１０４，１０５の断面図である。
【００７６】
図６（ａ）に示す電力変換装置１０４では、図１に示した素子モジュール１０と同一構造の上アームと下アームの素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌが、図２の電力変換装置１００と同様にして、反転して積層されている。図６（ｂ）に示す電力変換装置１０５では、図４に示した素子モジュール１１と同一構造の上アームと下アームの素子モジュール１１Ｈ，１１Ｌが、図５の電力変換装置１０３と同様にして、反転して積層されている。
【００７７】
図１および図４に示した素子モジュール１０，１１は、先に説明したように、モールド樹脂７からなる直方体の扁平な両表面に分かれて配置された放熱板３ｈ，４ｈを有する、両面放熱型の素子モジュールである。このため、図６（ａ），（ｂ）に示す電力変換装置１０４，１０５では、それぞれ、素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌおよび素子モジュール１１Ｈ，１１Ｌが、絶縁層２１を介して、水冷冷却器５０で挟まれた構成としている。従って、ＳＷ素子で発生する熱（および後述するスナバ回路を接続する場合には、容量素子や抵抗で発生する熱）は、各素子モジュールの外面に露出している放熱板３ｈ，４ｈから絶縁層２１を介して水冷冷却器５０に伝達される。これによって、図６（ａ），（ｂ）に示す電力変換装置１０４，１０５では、高い冷却効果を発揮させることができ、ＳＷ素子の十分な放熱性を確保することができる。
【００７８】
尚、絶縁層２１としては、例えば次のような構成を採用することができる。例えば、放熱板と水冷冷却器の間に、放熱グリス／セラミック基板（Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３等）／放熱グリスからなる３層の絶縁層を介在させる。あるいは、放熱板と水冷冷却器の間に、放熱絶縁シート（例えばエポキシ系の樹脂中に無機フィラーのＡｌ２Ｏ３，ＢＮ，ＡｌＮ等を混ぜ込み高熱伝導化したもの）を介在させてもよい。
【００７９】
図６（ａ），（ｂ）において間隔Ｗ１，Ｗ２で示したように、図６（ｂ）の電力変換装置１０５では、図６（ａ）の電力変換装置１０４に較べて、互いに重なる配置関係にある正端子（＋）と負端子（−）を、より近づけることができる。従って、図６（ｂ）の電力変換装置１０５では、図６（ａ）の電力変換装置１０４に較べて、磁束打消しによるインダクタンスの低減効果をより高めることができ、より好ましい構成である。
【００８０】
上記した電力変換装置においては、磁束打消しによるインダクタンスの低減効果だけでなく、サージ電圧ΔＶをさらに低減するため、Ｐ端子とＮ端子がそれぞれ構成される正端子と負端子の間に、スナバ回路を電気接続することが可能である。
【００８１】
図７は、図２に示した電力変換装置１００にスナバ回路を付加した電力変換装置の例で、（ａ）は、一点鎖線で囲った電力変換装置１１０の構成と使用形態の一例を示した回路図である。また、（ｂ）は、電力変換装置１１０の外観を示した斜視図であり、（ｃ）は、（ｂ）において矢印で示したＡ視からの模式的な前面図である。尚、図７の電力変換装置１１０において、図２の電力変換装置１００と同様の部分については、同じ符号を付した。
【００８２】
図７（ａ）の回路図において一点鎖線で囲って示した電力変換装置１１０は、図２（ａ）の回路図に示した電力変換装置１００と同様に、上アームと下アームの直列接続された２つのＳＷ素子（素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌ）を備えている。そして、電力変換装置１１０は、平滑コンデンサＣを介した直流電源からの電圧および電流を変換して、上アームと下アームの２つのＳＷ素子の接続点から、負荷Ｌに電力を供給する。一方、図７（ａ）の電力変換装置１１０では、図２（ａ）の電力変換装置１００の回路構成に加えて、Ｐ端子とＮ端子の間で側面Ｓ１に隣接して、直列接続された容量Ｃｓと抵抗Ｒｓからなるスナバ回路４０が接続されている。
【００８３】
そして、図７（ｂ），（ｃ）に示す実体構成の電力変換装置１１０では、図２（ｂ），（ｃ）の電力変換装置１００に対して、Ｐ端子とＮ端子がそれぞれ構成される正端子（＋）と負端子（−）の間に、次のような実体構成のスナバ回路４０を追加している。すなわち、図７の電力変換装置１１０におけるスナバ回路４０は、（ｂ）の矢印のＡ視において略「コ」の字形状で途中に切断部が形成された金属部材３３と、切断部の両側に電極が接続された表面実装型の容量素子４１と抵抗素子４２とで構成している。そして、図のように構成されたスナバ回路４０が、側面Ｓ１の近くにおいて、Ｐ端子とＮ端子がそれぞれ構成される正端子と負端子の間で電気接続されている。尚、スナバ回路４０の接続には、後述するようにネジ締結を用いてもよいし、ロウ付け（半田付け）や溶接等を用いてもよい。
【００８４】
図７（ｂ），（ｃ）に示した電力変換装置１１０におけるスナバ回路４０は、積層された２つの素子モジュール１０Ｈ，１０ＬのＰＮ端子間を、素子モジュールと別体で結線するものであり、素子モジュールの外部に露出している。従って、スナバ回路４０で発生する熱は、ＳＷ素子で発生する熱とは別の放熱経路で、外部に引き出された正端子と負端子に連結する放熱板と空気中への放熱を介して、良好に放熱することができる。
【００８５】
尚、図７（ａ）に示す電力変換装置１１０のスナバ回路４０は、容量Ｃｓに抵抗Ｒｓが直列接続されたＲＣスナバ回路となっているが、これに限らず、容量ＣｓだけのＣスナバ回路であっても、一定のサージ電圧ΔＶの低減効果が得られる。また、抵抗Ｒｓと並列にダイオードが接続される、ＲＣＤスナバ回路であってもよい。
【００８６】
最初に、図７（ａ）に示す電力変換装置１１０の回路構成において、スナバ回路４０の容量Ｃｓだけで得られるサージ電圧ΔＶの低減効果について、以下に説明する。
【００８７】
上記スナバ回路を接続することによって、当該電力変換装置においては、先の電源回路のインダクタンスＬｄに蓄積されるエネルギーをスナバ回路の容量素子に吸収させ、先に示した数式１のサージ電圧ΔＶを、以下のように低減することが可能である。
【００８８】
スナバ回路を付加した電力変換装置では、図７（ａ）に示すように、スナバ回路のインダクタンスをＬｓとし、スナバ回路の容量素子の容量値をＣｓとしたとき、電力変換装置において発生するサージ電圧ΔＶは、次の数式２の関係となる。
（数２）  ΔＶ＝Ｉ×√（Ｌｄ／Ｃｓ）＋Ｌｓ×（ｄＩ／ｄｔ）
【００８９】
スナバ回路を接続した数式２のサージ電圧ΔＶは、スナバ回路を接続していない先の数式１のサージ電圧ΔＶに較べて、十分に小さな値に抑制可能である。すなわち、数式２において、電源回路のインダクタンスＬｄに係る右辺第１項は、√内の項となり、所定の容量値の容量素子を用いることで、右辺第１項は、スナバ回路のインダクタンスＬｓに係る右辺第２項より小さくできる。また、図７（ｂ）に示すように、配線（ループ）の長さが短いことから、スナバ回路のインダクタンスＬｓは、電源回路のインダクタンスＬｄに較べて十分に小さな値であり、数式２の右辺第２項は、数式１の右辺より十分に小さな値となる。
【００９０】
より詳細には、上記電力変換装置では、重なるように配置されたＰ端子が構成される上アームの正端子とＮ端子が構成される下アームの負端子で電流の流れる向きが逆となり、先に説明した磁束打消しによるインダクタンスＬｄの低減効果が発生している。従って、比較的小さな容量値Ｃｓの容量素子で、数式２の右辺第１項を、第２項より小さくすることができる。また、上記電力変換装置においては、Ｐ端子が構成される上アームの正端子とＮ端子が構成される下アームの負端子が重なるように配置されていることから、該正端子と負端子の間に接続されるスナバ回路を、最短の配線長さで構成することができる。これによって、数式２の右辺第２項におけるスナバ回路のインダクタンスＬｓも最小にすることができ、スナバ回路接続の効果を最大限に発揮させることができる。
【００９１】
次に、図７（ａ）に示す電力変換装置１１０の回路構成において、スナバ回路４０の容量Ｃｓに抵抗Ｒｓを直列接続する効果について、以下に説明する。
【００９２】
図７（ａ）に示す電力変換装置１１０において、スナバ回路４０の容量Ｃｓに抵抗が直列接続されていない場合には、電源回路のインダクタンスＬｄとスナバ回路４０の容量素子Ｃｄの間でＬＣ共振が起こり、リンギングが大きくなる。容量素子に直列接続する上記抵抗の抵抗値をＲｓとすると、上記ＬＣ共振の減衰係数ζは、次の数式３で記述される。
（数３）  ζ＝（Ｒｓ／２）×√（Ｃｓ／Ｌｄ）
【００９３】
数式３において、スナバ回路４０の容量素子に抵抗を直列接続しない場合、右辺のＲｓ＝０で、減衰係数ζ＝０である（減衰が起こらない）。
【００９４】
容量素子に直列接続する抵抗の抵抗値Ｒｓには、適切な値がある。抵抗値Ｒｓが小さすぎると、低減したいサージがあまり抑制できない。寄生インダクタンスとスナバ回路の容量素子のみでは、電流を消費しないので（寄生インダクタンスで蓄えてしまっている）、それを消費する抵抗が必要となる。また、抵抗値Ｒｓが小さすぎると、上記したＬＣ共振が起き易くなるといった問題もある。一方、抵抗値Ｒｓが大きすぎると、ＳＷ素子で発生するサージがスナバ回路側へバイパスされないため、スナバ回路が機能しなくなってしまう。 
【００９５】
上記のように、容量素子に直列接続する抵抗の抵抗値Ｒｓの大小によって、トレードオフの関係が発生するため、数式３の減衰係数ζは、僅かな共振が発生する０．５程度の値が好ましい。減衰係数ζ＝０．５で設計すると、Ｃｓ，Ｒｓは、例えばスナバ回路を介した電圧の持ち上がり分δＶ（数式２の右辺第１項）を用いて、次の数式４，５で決定することができる。
（数４）  Ｃｓ＝Ｌｄ×（Ｉ／δＶ）２
（数５）  Ｒｓ＝√（Ｌｄ／Ｃｓ）
【００９６】
以上のようして、適切な容量値の容量Ｃｓとそれに直列接続する適切な抵抗値の抵抗Ｒｓを有したスナバ回路４０が接続された図７の電力変換装置１１０は、図２の電力変換装置１００に較べて、より効果的にサージ電圧ΔＶとリンギングを抑制することができる。
【００９７】
次に、図７に示した電力変換装置１１０の変形例について説明する。
【００９８】
図８は、別の電力変換装置の例で、（ａ）は、電力変換装置１１１の外観を示した斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）において矢印で示したＡ視からの前面図である。また、（ｃ）は、（ｂ）に示すスナバ回路４０の拡大図である。
【００９９】
図８に示す電力変換装置１１１では、図２（ａ）に示した電力変換装置１０１のスペーサとして機能する絶縁部材３１が挿入されたＰ端子とＮ端子の間に、図７の電力変換装置１１０と同じスナバ回路４０が接続されている。尚、図８（ａ），（ｂ）に示す電力変換装置１１１では、ネジによって所定の正端子（＋）と負端子（−）にそれぞれ接続される、Ｐ端子Ｔｐ、Ｎ端子Ｔｎ、およびＯ端子Ｔｏが図示されている。また、図８（ｃ）に示すスナバ回路４０の略「コ」の字形状に形成された金属部材３３では、点線で示したネジ用の貫通穴Ｋａ、および両側に容量素子４１と抵抗素子４２の電極を接続する切断部Ｋｔが図示されている。
【０１００】
図９と図１０は、それぞれ、スナバ回路の別の実体構成例を示す図である。各図において、（ａ），（ｂ）は、それぞれ、スナバ回路４０ａ，４０ｂの製造途中での上面図と前面図であり、（ｃ）は、完成後のスナバ回路４０ａ，４０ｂを拡大して示した前面図である。
【０１０１】
図７，８に示したスナバ回路４０の実体構成例では、図７（ａ）の回路図における抵抗Ｒｓとして、表面実装型の抵抗素子４２が用いられていた。
【０１０２】
これに対して、図９のスナバ回路４０ａでは、図７（ａ）の回路図における抵抗Ｒｓとして、略「コ」の字形状の金属部材３３ａに切込みを形成し、電流経路の途中で断面積を小さくした、トリミングによる抵抗部４２ａ，４２ｂが用いられている。
【０１０３】
図９（ａ），（ｂ）に示すスナバ回路４０ａの状態は、曲げ加工と切込み加工をする前の平板状の金属部材３３ａに対して、表面実装型の２つの容量素子４１ａを搭載した状態である。（ａ）における点線Ｂ１，Ｂ２は、それぞれ、曲げ加工の位置を示す線であり、点線Ｂ１，Ｂ２で紙面後方へ直角に曲げ加工することで、（ｃ）に示す略「コ」の字形状の金属部材３３ａが形成される。また、（ａ）における破線Ｋ１〜Ｋ４とＴ１〜Ｔ４は、それぞれ、切込みの位置と長さを示す線である。（ａ）の破線Ｋ１〜Ｋ４で切込み加工することで、（ｃ）に示す容量素子４１ａの下方の切断部Ｋｔが形成される。また、（ａ）の破線Ｔ１〜Ｔ４で切込み加工することで、電流経路の途中で断面積を小さくしたトリミングによる抵抗部４２ａ，４２ｂが形成される。
【０１０４】
尚、破線Ｋ１〜Ｋ４とＴ１〜Ｔ４の切込み加工は、金属部材３３ａを点線Ｂ１，Ｂ２で曲げ加工し、スナバ回路４０ａを積層された素子モジュール１０Ｈ，１０Ｌの正端子（＋）と負端子（−）の間に組み付けた後で、レーザ加工により行う。従って、トリミングによる抵抗部４２ａ，４２ｂの抵抗値Ｒｓは、後加工で適宜調整が可能である。また、スナバ回路におけるＳＷ損失の多くは、抵抗にて消費（発熱）され、薄膜で構成された抵抗体では破壊が懸念されるが、トリミングによる抵抗部４２ａ，４２ｂの構成では、厚いリードフレームを用いるため、その不安がない。
【０１０５】
図１０のスナバ回路４０ｂでは、図７（ａ）の回路図における抵抗Ｒｓとして、表面実装型の抵抗素子４２ｃとトリミングによる抵抗部４２ｄ，４２ｅの両方が用いられている。
【０１０６】
図１０（ａ），（ｂ）に示すスナバ回路４０ｂの状態は、平板状の金属部材３３ｂに対して、表面実装型の２つの容量素子４１ｂと２つの抵抗素子４２ｃを搭載した状態である。（ａ）の破線Ｋ１〜Ｋ８で切込み加工することで、（ｃ）に示す容量素子４１ｂの下方と別位置にある抵抗素子４２ｃの下方に、切断部Ｋｔが形成される。また、（ａ）の破線Ｔ５〜Ｔ８で切込み加工することで、電流経路の途中で断面積を小さくしたトリミングによる抵抗部４２ｄ，４２ｅが形成される。
【０１０７】
以上のスナバ回路４０，４０ａ，４０ｂの実体構成で例示したように、容量素子に直列接続する図７（ａ）の抵抗Ｒｓは、表面実装型の抵抗素子であってもよいし、電流経路の途中で断面積を小さくしたトリミングによる抵抗部であってもよい。また、表面実装型の抵抗素子とトリミングによる抵抗部を組み合わせて構成してもよい。上記抵抗としてトリミングによる抵抗部を用いる場合には、スナバ回路を電力変換装置の所定の端子間に組み付けた後、抵抗値Ｒｓの調整が可能となる。前述した数式３の減衰係数ζ＝０．５とするためには、容量値Ｃｓが平方根の中で寄与し抵抗値Ｒｓが平方根の外で寄与することから、とりわけ抵抗値Ｒｓの精密設定が重要である。そのためには、スナバ回路の組み付け後において、トリミングによる抵抗部の形成により、抵抗値Ｒｓを調整できることが好ましい。
【０１０８】
また、スナバ回路４０，４０ａ，４０ｂで用いられる表面実装型の容量素子や抵抗素子は、寄生インダクタンス成分が小さいものが望ましく、従って、電流経路方向の長さが短い（ＬＷ比が小さい）ものの使用が望ましい。さらに、熱的な観点からは、所要の抵抗値Ｒｓに対し、（Ｒｓ／ｎ）×ｎ（直列接続）のように分割構成し、所要の容量値Ｃｓ値に対し、（Ｃｓ／ｎ）×ｎ（並列接続）のように分割構成することが望ましい。
【０１０９】
図１１（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図６（ａ），（ｂ）に示した電力変換装置１０４，１０５に対して、スナバ回路４０ｃ，４０ｄを取り付けた電力変換装置１１２，１１３を模式的に示す図である。尚、図１１（ａ），（ｂ）では、簡単化のためにスナバ回路４０ｃ，４０ｄを構成する容量や抵抗の図示を省略して、電流経路の金属部材３３ｃ，３３ｄだけを模式的に図示している。
【０１１０】
図６の電力変換装置１０４，１０５と同様にして、図１１（ｂ）の電力変換装置１１３では、図１１（ａ）の電力変換装置１１２に較べて、間隔Ｗ１，Ｗ２で示したように、互いに重なる配置関係の正端子（＋）と負端子（−）をより近づけることができる。このため、図１１（ｂ）の電力変換装置１１３においてスナバ回路４０ｄを構成する金属部材３３ｄは、図１１（ａ）の電力変換装置１１２においてスナバ回路４０ｃを構成する金属部材３３ｃに較べて、短くすることができる。これによって、先に説明した磁束打消しによるインダクタンスの低減効果だけでなく、スナバ回路の寄生インダクタンスＬｓについても、図１１（ｂ）の電力変換装置１１３のほうが、図１１（ａ）の電力変換装置１１２より小さくすることができる。尚、図１１（ａ），（ｂ）の電力変換装置１１２，１１３では、スナバ回路４０ｃ，４０ｄで発生する熱を、外気に放熱するだけでなく、素子モジュールの外面に露出する放熱板と絶縁層を介して、水冷冷却器５０に放熱可能である。
【０１１１】
図１２は、図１１に例示した電力変換装置の応用例で、車載用の３相モータを負荷とするインバータ１１４を示した上面図である。
【０１１２】
図１４に示すインバータ１１４は、図１１に例示した電力変換装置１１２，１１３と同様の構造を用いるＵ，Ｖ，Ｗ相にそれぞれ対応した３つの電力変換装置１１４ｕ，１１４ｖ，１１４ｗで構成されている。３つの電力変換装置１１４ｕ，１１４ｖ，１１４ｗは、図のように紙面に平行に並べられており、各電力変換装置１１４ｕ，１１４ｖ，１１４ｗを構成している上アームと下アームの２つの素子モジュールは、図１１に示したように、各相に共通する水冷冷却器５０で挟まれた構成となっている。冷却水は、流入口５０ｉから流入して、矢印で示したように水冷冷却器５０内を流れ、流出口５０ｏから流出する。
【０１１３】
図１４の構成を多段に積層することで、複数の負荷の駆動や電源電圧を昇降圧する回路を一体かつコンパクトに形成することが可能である。
【０１１４】
以上のようにして、上記した電力変換装置は、いずれも、サージ電圧の抑制、ＳＷ素子の高い放熱性、およびリンギングの抑制の３つを両立しうる電力変換装置となっている。従って、上記電力変換装置は、パワー密度が高く電力損失の小さな電力変換装置が必要とされており、ＳＷ素子の大電流化、高電圧化および高速ＳＷ化に伴って、サージ電圧の抑制が課題となっている、車載用として好適である。
【符号の説明】
【０１１５】
１０，１０Ｈ，１０Ｌ，１１，１１Ｈ，１１Ｌ  素子モジュール（ＳＷ素子）
３ｈ，４ｈ  放熱板
３ｔ，３ｔａ  正端子（＋）
４ｔ，４ｔａ  負端子（−）
１００〜１０５，１１０〜１１３，１１４ｕ，１１４ｖ，１１４ｗ  電力変換装置
２０，２１  絶縁層
４０，４０ａ〜４０ｄ  スナバ回路
４１，４１ａ，４１ｂ  容量素子
３３，３３ａ〜３３ｄ  金属部材
４２，４２ｃ  抵抗素子
４２ａ，４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ  トリミングによる抵抗部
５０  水冷冷却器
【図１】
2015056925.tif 000003
【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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