(57)【要約】【課題】  ゲート端子−エミッタ端子間の浮遊インダクタンスおよび電力を供給するバスバーからゲート端子−エミッタ端子への電磁ノイズの影響の、各アームにおけるアンバランスを抑制することである。【解決手段】  上アーム回路部は上アームパワー半導体素子と正極端子と交流端子と上アームゲート端子と上アームエミッタ端子を有し、下アーム回路部は下アームパワー半導体素子と負極端子と交流端子と下アームゲート端子と下アームエミッタ端子を有し、前記正極端子、前記上アームゲート端子、および前記上アームエミッタ端子は、同一方向に突出し、前記負極端子、前記下アームゲート端子、および前記下アームエミッタ端子は、同一方向に突出し、前記上アームエミッタ端子は、前記上アームゲート端子よりも前記正極端子の近くに配置され、前記下アームゲート端子は、前記下アームエミッタ端子よりも前記負極端子の近くに配置されるパワー半導体モジュール。【選択図】図４
2015149842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換するインバータ回路の上アーム回路部及び下アーム回路部を有するパワー半導体モジュールであって、
前記上アーム回路部は、上アームパワー半導体素子と、前記直流電力が供給される正極端子と、前記交流電力が供給される交流端子と、前記上アームパワー半導体素子のゲートに接続される上アームゲート端子と、前記上アームパワー半導体素子のエミッタに接続される上アームエミッタ端子と、を有し、
前記下アーム回路部は、下アームパワー半導体素子と、前記直流電力が供給される負極端子と、前記交流電力が供給される交流端子と、前記下アームパワー半導体素子のゲートに接続される下アームゲート端子と、前記下アームパワー半導体素子のエミッタに接続される下アームエミッタ端子と、を有し、
前記正極端子、前記上アームゲート端子、および前記上アームエミッタ端子は、同一方向に突出し、
前記負極端子、前記下アームゲート端子、および前記下アームエミッタ端子は、同一方向に突出し、
前記上アームエミッタ端子は、前記上アームゲート端子よりも前記正極端子の近くに配置され、
前記下アームゲート端子は、前記下アームエミッタ端子よりも前記負極端子の近くに配置されるパワー半導体モジュール。
【請求項２】
直流電力を交流電力に変換するインバータ回路の上アーム回路部及び下アーム回路部を有するパワー半導体モジュールであって、
前記上アーム回路部は、上アームパワー半導体素子と、前記直流電力が供給される正極端子と、前記交流電力が供給される交流端子と、前記上アームパワー半導体素子のゲートに接続される上アームゲート端子と、前記上アームパワー半導体素子のエミッタに接続される上アームエミッタ端子と、を有し、
前記下アーム回路部は、下アームパワー半導体素子と、前記直流電力が供給される負極端子と、前記交流電力が供給される交流端子と、前記下アームパワー半導体素子のゲートに接続される下アームゲート端子と、前記下アームパワー半導体素子のエミッタに接続される下アームエミッタ端子と、を有し、
前記正極端子、前記上アームゲート端子、および前記上アームエミッタ端子は、同一方向に突出し、
前記負極端子、前記下アームゲート端子、および前記下アームエミッタ端子は、同一方向に突出し、
前記上アームゲート端子は、前記上アームエミッタ端子よりも前記正極端子の近くに配置され、
前記下アームエミッタ端子は、前記下アームゲート端子よりも前記負極端子の近くに配置されるパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載のいずれかのパワー半導体モジュールであって、
前記正極端子と前記上アームエミッタ端子との距離と前記負極端子と前記下アームゲート端子との距離が等しいことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１または２に記載のいずれかのパワー半導体モジュールであって、
前記正極端子と前記上アームゲート端子との距離と前記負極端子と前記下アームエミッタ端子との距離が等しいことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールであって、
前記正極端子と前記上アームエミッタ端子との距離と前記負極端子と前記下アームゲート端子との距離は２ｃｍ以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項６】
請求項２に記載のパワー半導体モジュールであって、
前記正極端子と前記上アームゲート端子との距離と前記負極端子と前記下アームエミッタ端子との距離は２ｃｍ以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電力変換装置のパワー半導体モジュールの実装構造に関し、特に車両に用いられる電力変換装置に適用されるパワー半導体モジュール実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置、いわゆるインバータ、に搭載されるパワー半導体モジュールは、パワー半導体スイッチング素子及びダイオードを内部に実装しており、インバータの電力変換効率向上と冷却構造の簡素化の要求から、パワー半導体スイッチング素子である絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）や金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を制御するゲート端子−エミッタ端子間（またはソース端子）の充放電の高速化によるスイッチング損失低減が必要とされる。
【０００３】
ゲート端子−エミッタ端子間の充放電の高速化を実現するためには、ゲート端子−エミッタ端子間の浮遊インダクタンス低減が有効である。例えば、特許文献１には、ゲート端子とエミッタ端子を屈曲させて近接させることで、浮遊インダクタンスを低減する構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２４５０９６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら従来は、ゲート端子−エミッタ端子間の浮遊インダクタンスを低減することに着目していたが、電力変換装置を構成する上アーム／下アームのように、複数のパワー半導体スイッチング素子を搭載する構成において、前記浮遊インタクタンスの影響の各アームにおけるバランスが十分に考慮されていなかった。
【０００６】
本発明の目的は、電力変換装置を構成する上アーム／下アームのように、複数のパワー半導体スイッチング素子を搭載する構成において、ゲート端子−エミッタ端子間の浮遊インダクタンスの影響について、各アームにおけるアンバランスを抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るパワー半導体モジュールは、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路の上アーム回路部及び下アーム回路部を有するパワー半導体モジュールであって、前記上アーム回路部は、上アームパワー半導体素子と、前記直流電力が供給される正極端子と、前記交流電力が供給される交流端子と、前記上アームパワー半導体素子のゲートに接続される上アームゲート端子と、前記上アームパワー半導体素子のエミッタに接続される上アームエミッタ端子と、を有し、前記下アーム回路部は、下アームパワー半導体素子と、前記直流電力が供給される負極端子と、前記交流電力が供給される交流端子と、前記下アームパワー半導体素子のゲートに接続される下アームゲート端子と、前記下アームパワー半導体素子のエミッタに接続される下アームエミッタ端子と、を有し、前記正極端子、前記上アームゲート端子、および前記上アームエミッタ端子は、同一方向に突出し、前記負極端子、前記下アームゲート端子、および前記下アームエミッタ端子は、同一方向に突出し、前記上アームエミッタ端子は、前記上アームゲート端子よりも前記正極端子の近くに配置され、記下アームゲート端子は、前記下アームエミッタ端子よりも前記負極端子の近くに配置される。
【０００８】
また、本発明に係る別のパワー半導体モジュールは、  直流電力を交流電力に変換するインバータ回路の上アーム回路部及び下アーム回路部を有するパワー半導体モジュールであって、前記上アーム回路部は、上アームパワー半導体素子と、前記直流電力が供給される正極端子と、前記交流電力が供給される交流端子と、前記上アームパワー半導体素子のゲートに接続される上アームゲート端子と、前記上アームパワー半導体素子のエミッタに接続される上アームエミッタ端子と、を有し、前記下アーム回路部は、下アームパワー半導体素子と、前記直流電力が供給される負極端子と、前記交流電力が供給される交流端子と、前記下アームパワー半導体素子のゲートに接続される下アームゲート端子と、前記下アームパワー半導体素子のエミッタに接続される下アームエミッタ端子と、を有し、前記正極端子、前記上アームゲート端子、および前記上アームエミッタ端子は、同一方向に突出し、前記負極端子、前記下アームゲート端子、および前記下アームエミッタ端子は、同一方向に突出し、前記上アームゲート端子は、前記上アームエミッタ端子よりも前記正極端子の近くに配置され、前記下アームエミッタ端子は、前記下アームゲート端子よりも前記負極端子の近くに配置される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、電力変換装置を構成する上アーム／下アームのように、複数のパワー半導体スイッチング素子を搭載する構成において、ゲート端子−エミッタ端子間の浮遊インダクタンスおよび電力を供給するバスバーからゲート端子−エミッタ端子への電磁ノイズの影響の、各アームにおけるアンバランスを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ハイブリッド電気自動車の制御ブロックを示す図である。
【図２】インバータ装置１４０，インバータ装置１４２の電気回路構成の説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。
【図４】本実施形態に係る第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２と第１ダイオード１５６と第２ダイオード１５７のレイアウト図である。
【図５】本実施形態に係る第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２をターンオフした場合に発生するｄｉ/ｄｔとゲート電流と誘起電圧を示した図である。
【図６】本実施形態に係る第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２をターンオンした場合に発生するｄｉ/ｄｔとゲート電流と誘起電圧を示した図である。
【図７】本実施形態に係る第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２をターンオフした場合に発生するｄｉ/ｄｔとゲート電流と誘起電圧を示した図である。
【図８】本実施形態に係る第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２をターンオンした場合に発生するｄｉ/ｄｔとゲート電流と誘起電圧を示した図である。
【図９】直流負極端子とゲート端子およびエミッタ端子を可変にした場合のターンオン損失を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて実施の形態について説明する。
【００１２】
本発明の実施形態に係る電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図１と図２を用いて説明する。図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
【００１３】
本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。
【００１４】
なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶，航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
【００１５】
図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。
【００１６】
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支されている。前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸（図示省略）が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている。本実施形態のＨＥＶでは、動力によって駆動される主輪を前輪１１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
【００１７】
前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪車軸１１４は前輪側ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機１１８によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１１４に分配する差動式動力分配機構である。変速機１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ１９２，１９４及び動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。
【００１８】
モータジェネレータ１９２，１９４は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置１４２によって制御されることによりモータジェネレータ１９２，１９４の駆動が制御される。インバータ装置１４２にはバッテリ１３６が電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４２との相互において電力の授受が可能である。
【００１９】
本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ装置１４２からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ装置１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
【００２０】
また、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
【００２１】
インバータ装置１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００は電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。電力変換装置１は、インバータ装置１４２、さらにコンデンサモジュール５００を電力変換装置１の筐体内に内蔵している。この構成により、小型で信頼性の高い装置が実現できる。
【００２２】
またインバータ装置１４２、さらにコンデンサモジュール５００を１つの筐体に内蔵することで、配線の簡素化やノイズ対策で効果がある。またコンデンサモジュール５００とインバータ装置１４２およびインバータ装置４３との接続回路のインダクタンスを低減でき、スパイク電圧を低減できると共に、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。
【００２３】
次に、図２を用いてインバータ装置１４２の電気回路構成を説明する。尚、図１，図２に示す実施形態では、インバータ装置１４２をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明する。インバータ装置１４２は同様の構成で同様の作用を為し、同様の機能を有しているので、ここでは、代表例としてインバータ装置１４２の説明を行う。
【００２４】
本実施形態に係る電力変換装置１は、インバータ装置１４０とコンデンサモジュール５００とを備え、インバータ装置１４０はインバータ装置１４０と制御部１７０とを有している。また、インバータ装置１４０は、上アームとして動作する第１ＩＧＢＴ１０１（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及び第１ダイオード１５６と、下アームとして動作する第２ＩＧＢＴ１０２及び第２ダイオード１５７からなる上下アーム直列回路１５０を複数有し、それぞれの上下アーム直列回路の中点部分から交流端子を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）と接続する構成である。また、制御部１７０はインバータ回路を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。
【００２５】
上アーム第１ＩＧＢＴ１０１と下アームの第２ＩＧＢＴ１０２は、スイッチング用パワー半導体素子であり、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を３相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。
【００２６】
インバータ装置１４０は３相ブリッジ回路により構成されており、３相分の上下アーム直列回路がそれぞれ、バッテリ１３６の正極側と負極側に電気的に接続されている直流正極端子と直流負極端子の間に電気的に並列に接続されている。
【００２７】
本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴを用いることを例示している。上アーム第１ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極とエミッタ電極との間には第１ダイオード１５６が図示するように電気的に接続されている。下アーム第２ＩＧＢＴ１０２のコレクタ電極とエミッタ電極との間には第２ダイオード１５７が図示するように電気的に接続されている。第１ダイオード１５６と第２ダイオード１５７は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、第１ダイオード１５６は、第１ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極が第１ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極に、アノード電極が第１ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
【００２８】
第２ダイオード１５７は、第２ＩＧＢＴ１０２のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極が第２ＩＧＢＴ１０２のコレクタ電極に、アノード電極が第２ＩＧＢＴ１０２のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としては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、この場合は第１ダイオード１５６と第２ダイオード１５７は不要となる。
【００２９】
上下アーム直列回路は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相分設けられている。３つの上下アーム直列回路１５０はそれぞれ、第１ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極と第２ＩＧＢＴ１０２のコレクタ電極を接続する中間電極，交流端子を介してモータジェネレータ１９２へのＵ相，Ｖ相，Ｗ相を形成している。上下アーム直列回路同士は電気的に並列接続されている。
【００３０】
上アームの第１ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極は正極端子（Ｐ端子）を介してコンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極に、下アームの第２ＩＧＢＴ１０２のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）を介してコンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続（直流バスバーで接続）されている。各アームの中点部分（上アームの第１ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極と下アームの第２ＩＧＢＴ１０２のコレクタ電極との接続部分）にあたる中間電極は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の対応する相巻線に交流コネクタ１８８を介して電気的に接続されている。
【００３１】
コンデンサモジュール５００は、第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の正極側が、コンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の負極側がそれぞれ直流コネクタを介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサモジュール５００は、上アーム第１ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極とバッテリ１３６の正極側との間と、下アーム第２ＩＧＢＴ１０２のエミッタ電極とバッテリ１３６の負極側との間で接続され、バッテリ１３６と上下アーム直列回路に対して電気的に並列接続される。
【００３２】
制御部１７０はＩＧＢＴを作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する制御回路１７２と、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成するドライバ回路１７４とを備えている。
【００３３】
制御回路１７２は、第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
【００３４】
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
【００３５】
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームの第２ＩＧＢＴ１０２のゲート電極に、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームの第１ＩＧＢＴ１０１のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
【００３６】
図３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図を示す。図３に示すように、筐体１２の中ほどに冷却水流路１９が設けられ、前記冷却水流路１９の上部には流れの方向に並んで２組の開口が形成されている。前記２組の開口がそれぞれインバータ装置１４０及びインバータ装置１４２で塞がれる様に２個のインバータ装置１４０及びインバータ装置１４２が前記冷却水流路１９の上面に固定されている。各インバータ装置１４０及びインバータ装置１４２には放熱のためのフィンが設けられており、各インバータ装置１４０及びインバータ装置１４２のフィンはそれぞれ前記冷却水流路１９の開口から冷却水の流れの中に突出している。
【００３７】
前記冷却水流路１９の下側にはアルミ鋳造を行いやすくするための開口４０４が形成されており、前記開口はカバー４２０で塞がれている。
【００３８】
さらに前記冷却水流路１９の下部に放熱作用を為す下部ケース１６が設けられ、前記下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００が、コンデンサモジュール５００の金属材からなるケースの放熱面が前記下部ケース１６の面に対向するようにして前記下部ケース１６の面に固定されている。この構造により冷却水流路１９の上面と下面とを利用して効率良く冷却することができ、電力変換装置全体の小型化に繋がる。
【００３９】
入出口配管１３，１４からの冷却水が冷却水流路１９を流れることによって、併設されている２個のインバータ装置１４０及びインバータ装置１４２が有する放熱フィンが冷却され、前記２個のインバータ装置１４０及びインバータ装置１４２全体が冷却される。
【００４０】
さらに冷却水流路１９が設けられている筐体１２が冷却されることにより、筐体１２の下部に設けられた下部ケース１６が冷却され、この冷却によりコンデンサモジュール５００の熱が下部ケース１６および筐体１２を介して冷却水に熱的伝導され、コンデンサモジュール５００が冷却される。
【００４１】
インバータ装置１４０及びインバータ装置１４２の上方には制御回路基板２０と駆動回路基板２２とが配置され、駆動回路基板２２にはドライバ回路１７４が搭載され、制御回路基板２０にはＣＰＵを有する制御回路１７２が搭載される。また、駆動回路基板２２と制御回路基板２０の間には金属ベース板１１が配置され、金属ベース板１１は両基板２２，２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共に駆動回路基板２２と制御回路基板２０とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。このように筐体１９の中央部に冷却水流路１９を設け、その一方の側に車両駆動用のインバータ装置１４２を配置し、また他方の側に補機用のインバータ装置４３を配置することで、少ない空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。また筐体中央部の冷却水流路１９の主構造を筐体１２と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、冷却水流路１９は冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造で作ることで筐体１２と冷却水流路１９とが一体構造となり、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。
【００４２】
駆動回路基板２２には、金属ベース板１１を通り抜けて、制御回路基板２０の回路群との接続を行う基板間コネクタ２３が設けられている。また、制御回路基板２０には外部との電気的接続を行うコネクタ２１が設けられている。
【００４３】
コネクタ２１により電力変換装置の外の、例えばバッテリ１３６として車に搭載されているリチウム電池モジュールとの信号の伝送が行われ、リチウム電池モジュールから電池の状態を表す信号やリチウム電池の充電状態などの信号が送られてくる。前記制御回路基板２０に保持されている制御回路１７２との信号の授受を行うために前記基板間コネクタ２３が設けられており、図示を省略しているが信号線１７６が設けられ、この信号線１７６と基板間コネクタ２３を介して制御回路基板２０からインバータ回路のスイッチングタイミングの信号が駆動回路基板２２に伝達され、駆動回路基板２２で駆動信号であるゲート駆動信号を発生し、インバータ回路のゲート電極にそれぞれ印加される。
【００４４】
図４は、本実施形態に係るインバータ装置１４０の１相分のＩＧＢＴとダイオードのレイアウトを示す上面図である。本図では、代表例としてインバータ装置１４０について説明するが、インバータ装置１４２も同様の構成である。本図では駆動の対象となる第１ＩＧＢＴ１０１と、第２ＩＧＢＴ１０２と、第１ダイオード１５６と、第２ダイオード１５７のみが図示されている。ＩＧＢＴに接続される負荷や温度を検出するサーミスタやバスバーを封止する樹脂やゲルなどのＩＧＢＴ装置の構成は省略されている。
【００４５】
第１ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極及び第１ダイオード１５６のカソード電極は、第１導体部２０１に半田付けされる。また第２ＩＧＢＴ１０２のコレクタ電極と第２ダイオード１５７のカソード電極は、第２導体部２０２に半田付けされる。
【００４６】
第１導体部２０１と第２導体部２０２は、絶縁基板２１３の上面に配線パターンがレイアウトされており、絶縁基板２１３の下面は基板全面にベタパターン（不図示）が配線されているため、渦電流発生による浮遊インダクタンス低減効果が得られる。
【００４７】
本実施例では、第１導体部２０１と第２導体部２０２を絶縁基板２１３の上面に配線パターンをレイアウトした場合について記載しているが、絶縁性能と渦電流発生による浮遊インダクタンス低減効果が得られる構成であれば、他の部材を用いても構わない。
【００４８】
第１ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極と第１ダイオード１５６のアノード電極は第２導体部２０２にワイヤボンディングで電気的に接続され、第２ＩＧＢＴ１０２のエミッタ電極と第２ダイオード１５７のアノード電極は第３導体２０３にワイヤボンディングで電気的に接続されている。第１ＩＧＢＴ１０１は、インバータ回路の上アーム回路を構成する。第１ダイオード１５６は、インバータ回路の上アーム回路を構成するとともに第１ＩＧＢＴ１０１と電気的に並列に接続される。第２ＩＧＢＴ１０２は、インバータ回路の下アーム回路を構成する。第２ダイオード１５７は、インバータ回路の下アーム回路を構成するとともに第２ＩＧＢＴ１０２と電気的に並列に接続される。
【００４９】
第２導体部２０２は、第２ＩＧＢＴ１０２のエミッタ電極側と前記第２ダイオード１５７のアノード電極側とはんだ材を介して接続されるとともに第１導体部２０１の側部に配置される。中継導体部２８０は、第１ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極と第１ダイオード１５６のアノード電極と第２導体部２０２とを接続する。なお中継導体部２８０は、ワイヤボンディングや第２導体部２０２の一部によって構成してもよい。
【００５０】
上アームを構成する第１ＩＧＢＴ１０１のゲート端子は、導体２０７にワイヤボンディングで接続される。ゲート電位に対するＧＮＤ電位となるケルビンエミッタ端子は、導体２０８にワイヤボンディングで接続される。下アームを構成する第２ＩＧＢＴ１０２のゲート端子は、導体２０９にワイヤボンディングで接続される。ゲート電位に対するＧＮＤ電位となるケルビンエミッタ端子は、導体２１０にワイヤボンディングで接続される。導体２０３と導体２０６は電気的に接続されている。
【００５１】
第１ＩＧＢＴ１０１のゲートを制御する導体２０７と導体２０８は、導体２０６に沿って同一方向に突出するように並列してレイアウトされている。同様に、第２ＩＧＢＴ１０２のゲートを制御する導体２０９と導体２１０は、導体２０５に沿って同一方向に突出するように並列してレイアウトされている。
【００５２】
導体２０６と導体２０８の距離Ａおよび導体２０６と導体２０７の距離Ｂの大小関係は、距離Ｂ＞距離Ａの関係が成立するようにレイアウトされている。導体２０５と導体２０９の距離Ａ’および導体２０５と導体２１０の距離Ｂ’の大小関係は、距離Ｂ’＞距離Ａ’の関係が成立するようにレイアウトされている。また、距離Ａ＝距離Ａ’且つ、距離Ｂ＝距離Ｂ’の関係が成立するようにレイアウトされている。
【００５３】
第１ＩＧＢＴ１０１をスイッチングするときに、導体２０６に発生する急峻なｄｉ/ｄｔによる磁束変化Δφが、同一方向に並列してレイアウトされている導体２０７と導体２０８に誘起電圧ΔＶを発生させる。同様に、ＩＧＢＴ１０２をスイッチングするときに、導体２０５に発生する急峻なｄｉ/ｄｔによる磁束変化Δφが、同一方向に並列してレイアウトされている導体２０９と導体２１０に誘起電圧ΔＶを発生させる。
【００５４】
並列にレイアウトされた導体に発生する誘起電圧ΔＶは、導体間の距離の大小関係と逆の関係となり、導体間の距離が同じ場合には誘起電圧ΔＶも同じ大きさとなる。一例として、導体間の距離Ｂ＞距離Ａの大小関係においては、誘起電圧ΔＶ（距離Ｂ）＜誘起電圧ΔＶ（距離Ａ）の大小関係となる。
【００５５】
図５は、上アームを構成する第１ＩＧＢＴ１０１をターンオフする場合、または下アームを構成する第２ＩＧＢＴ１０２をターンオフする場合の、主端子のｄｉ/ｄｔ（図中破線矢印）とゲート電流の極性（図中点線矢印）と誘起電圧の極性（図中実線矢印）を示した図である。インバータ駆動時に上アームＩＧＢＴと下アームＩＧＢＴを同時にターンオフする動作は稀であるが、ここでは説明のために上下アームＩＧＢＴをターンオフする動作を図中に併記している。
【００５６】
上アームを構成する第１ＩＧＢＴ１０１をターンオフするとき、ゲート電流はケルビンエミッタ端子に接続される導体２０８から第１ＩＧＢＴ１０１を経由してゲート端子に接続される導体２０７の方向に流れる。このとき、導体２０６に発生するｄｉ/ｄｔにより、導体２０８に流れるゲート電流を増加させる方向に誘起電圧が発生する。すなわち、導体２０８に流れるゲート電流と同じ向きに電流が流れるような誘起電圧が発生する。このとき、導体２０７にはゲート電流を減少させる方向に誘起電圧が発生するが、導体２０６からの距離Ｂ＞距離Ａの大小関係があるため、ゲート電流を増加させる方向の誘起電圧の極性は変わらない。
【００５７】
下アームを構成する第２ＧＢＴ１０２をターンオフするとき、ゲート電流はケルビンエミッタ端子に接続される導体２１０から第２ＩＧＢＴ１０２を経由してゲート端子に接続される導体２０９の方向に流れる。このとき、導体２０５に発生するｄｉ/ｄｔにより、導体２０９に流れるゲート電流を増加させる方向に誘起電圧が発生する。このとき、導体２１０にはゲート電流を減少させる方向に誘起電圧が発生するが、導体２０５からの距離Ｂ’＞距離Ａ’の大小関係があるため、ゲート電流を増加させる方向の誘起電圧の極性は変わらない。
【００５８】
さらに望ましい構成として、距離Ａ＝距離Ａ’且つ、距離Ｂ＝距離Ｂ’の関係が成立するようにレイアウトされているため、上アームＩＧＢＴ１０１のゲート電流を増加させる誘起電圧と、下アームＩＧＢＴ１０２のゲート電流を増加させる誘起電圧の大きさは等しくなる。したがって、上アームの第１ＩＧＢＴ１０１と下アームの第２ＩＧＢＴ１０２のゲート駆動速度が等しくなり、上アームと下アームのスイッチング速度のバランスを確保することができる。
【００５９】
図６は、上アームを構成する第１ＩＧＢＴ１０１をターンオンする場合と、下アームを構成する第２ＩＧＢＴ１０２をターンオンする場合の、主端子のｄｉ/ｄｔ（図中破線矢印）とゲート電流の極性（図中点線矢印）と誘起電圧の極性（図中実線矢印）を示した図である。インバータ駆動時に上アームＩＧＢＴと下アームＩＧＢＴを同時にターンオンする動作は稀であるが、ここでは説明のために上下アームＩＧＢＴをターンオンする動作を図中に併記している。
【００６０】
第１ＩＧＢＴ１０１をターンオンするとき、ゲート電流はゲート端子に接続される導体２０７からＩＧＢＴ１０１を経由してケルビンエミッタ端子に接続される導体２０８の方向に流れる。このとき、導体２０６に発生するｄｉ/ｄｔにより、導体２０８に流れるゲート電流を増加させる方向に誘起電圧が発生する。このとき、導体２０７にはゲート電流を減少させる方向に誘起電圧が発生するが、導体２０６からの距離Ｂ＞距離Ａの大小関係があるため、ゲート電流を増加させる方向の誘起電圧の極性は変わらない。
【００６１】
第２ＩＧＢＴ１０２をターンオンするとき、ゲート電流はゲート端子に接続される導体２０９からＩＧＢＴ１０２を経由してケルビンエミッタ端子に接続される導体２１０の方向に流れる。このとき、導体２０５に発生するｄｉ/ｄｔにより、導体２０９に流れるゲート電流を増加させる方向に誘起電圧が発生する。このとき、導体２１０にはゲート電流を減少させる方向に誘起電圧が発生するが、導体２０５からの距離Ｂ’＞距離Ａ’の大小関係があるため、ゲート電流を増加させる方向の誘起電圧の極性は変わらない。
【００６２】
さらに望ましい構成として、距離Ａ＝距離Ａ’且つ、距離Ｂ＝距離Ｂ’の関係が成立するようにレイアウトされているため、上アームＩＧＢＴ１０１のゲート電流を増加させる誘起電圧と、下アームの第２ＩＧＢＴ１０２のゲート電流を増加させる誘起電圧の大きさは等しくなる。したがって、上アームの第１ＩＧＢＴ１０１と下アームの第２ＩＧＢＴ１０２のゲート駆動速度が等しくなり、上アームと下アームのスイッチング速度のバランスを確保することができる。
【００６３】
図７は、図５に記載された上アームのゲート端子に接続された導体２０７とケルビンエミッタ端子に接続された導体２０８の導体２０６からの距離の位置関係を逆にし、同様に、下アームのゲート端子に接続された導体２０９とケルビンエミッタ端子に接続された導体２１０の導体２０５からの距離の位置関係も逆にしたレイアウトにおける、第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２をターンオフした場合の主端子のｄｉ/ｄｔ（図中破線矢印）とゲート電流の極性（図中点線矢印）と誘起電圧の極性（図中実線矢印）を示した図である。
【００６４】
図５との違いは、ゲート電流の方向に対する誘起電圧の極性が、上アームと下アームともに逆になるのみである。本構成においても、上アームの第１ＩＧＢＴ１０１と下アームの第２ＩＧＢＴ１０２のゲート駆動速度が等しくなり、上アームと下アームのスイッチング速度のバランスを確保することができる。
【００６５】
図８は、図６に記載された上アームのゲート端子に接続された導体２０７とケルビンエミッタ端子に接続された導体２０８の導体２０６からの距離の位置関係を逆にし、同様に、下アームのゲート端子に接続された導体２０９とケルビンエミッタ端子に接続された導体２１０の導体２０５からの距離の位置関係も逆にしたレイアウトにおける、第１ＩＧＢＴ１０１と第２ＩＧＢＴ１０２をターンオンした場合の主端子のｄｉ/ｄｔ（図中破線矢印）とゲート電流の極性（図中点線矢印）と誘起電圧の極性（図中実線矢印）を示した図である。
【００６６】
図６との違いは、ゲート電流の方向に対する誘起電圧の極性が、上アームと下アームともに逆になるのみである。本構成においても、上アームの第１ＩＧＢＴ１０１と下アームの第２ＩＧＢＴ１０２のゲート駆動速度が等しくなり、上アームと下アームのスイッチング速度のバランスを確保することができる。
【００６７】
図９は、一例として直流負極端子とゲート端子の距離を可変にした場合と、直流負極端子とケルビンエミッタ端子の距離を可変にした場合のターンオン損失とターンオフ損失を示した図である。スイッチング損失の大小関係とスイッチング速度の大小関係は負の関係にあり、スイッチング速度の大小関係とゲート電流の大小関係は正の関係にある。すなわち、負極端子とゲート端子が近づくにときにゲート電流を減少させる方向に誘起電圧が発生し、負極端子とケルビンエミッタ端子が近づくときにゲート電流を増加させる方向に誘起電圧が発生することを示している。
【００６８】
負極端子とゲート端子またはケルビンエミッタ端子の距離が２ｃｍより大きい場合は、ｄｉ/ｄｔによる誘起電圧の影響が凡そ無視できる領域である。すなわち、本実施例では、大電流が流れる正極端子または負極端子とゲート端子またはケルビンエミッタ端子の距離が２ｃｍ以下となる領域が存在するパワー半導体モジュールの構造において、より大きい効果が発現する。
【符号の説明】
【００６９】
１  電力変換装置
４３，１４２  インバータ装置
１０１  第１ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）
１０２  第２ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）
１１０  ハイブリッド電気自動車
１１２  前輪
１１４  前輪車軸
１１６  前輪側デファレンシャルギア
１１８  変速機
１２０  エンジン
１２２  動力分配機構
１３６  バッテリ
１４０  インバータ回路部
１５６  上アームダイオード
１５７  下アームダイオ−ド
１７２  制御回路
１７４  ドライバ回路
１７６  信号線
１９２，１９４  モータジェネレータ
２０１  第１導体部
２０２  第２導体部
２０４  交流端子
２０５  直流負極端子
２０６  直流正極端子
２０７  上アームゲート用信号端子
２０８  上アームエミッタ用信号端子
２０９  下アームゲート用信号端子
２１０  下アームエミッタ用信号端子
２１３  絶縁基板
２８０  中継導体部
２８３  ワイヤボンディング
【図１】
2015149842.tif 000003
【図２】
2015149842.tif 000004
【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】
2015149842.tif 000009
【図８】
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【図９】
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