(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に電力を供給する電力変換装置であって、
上側電源ラインおよび下側電源ラインと、
前記上側電源ラインと前記下側電源ラインの間に、電気的に並列に設けられる複数の電解コンデンサと、
前記上側電源ライン、前記下側電源ラインそれぞれと電気的に接続される上側電源端子、下側電源端子を有するとともに、前記上側電源端子と前記下側電源端子の間に設けられた少なくともひとつのパワートランジスタを内蔵するパワーモジュールと、
前記少なくともひとつのパワートランジスタを駆動するゲートドライブ回路と、
前記上側電源ラインおよび前記下側電源ラインと電気的に接続されるスナバ回路と、
その第１面に前記パワーモジュールが実装され、その第２面に前記ゲートドライブ回路、前記複数の電解コンデンサおよび前記スナバ回路の構成部品が実装される基板と、
を備え、
前記複数の電解コンデンサを、前記基板の中心にクリアランスを有するように少なくとも２つの領域に隔てて配置し、
前記複数の電解コンデンサに囲まれる領域に、前記電解コンデンサよりも高さが低い前記スナバ回路の構成部品を配置したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記基板は実使用状態において地面と垂直な平面をなすものであり、
前記クリアランスは、前記地面と垂直方向に沿って設けられ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】
各電解コンデンサは、その四方のうち少なくとも一方向には別の電解コンデンサが隣接しないように配置され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】
各領域において電解コンデンサは、直線上に一列に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項５】
負荷に電力を供給する電力変換装置であって、
上側電源ラインおよび下側電源ラインと、
前記上側電源ラインと前記下側電源ラインの間に、電気的に並列に設けられる複数の電解コンデンサと、
前記上側電源ライン、前記下側電源ラインそれぞれと電気的に接続される上側電源端子、下側電源端子を有するとともに、前記上側電源端子と前記下側電源端子の間に設けられた少なくともひとつのパワートランジスタを内蔵するパワーモジュールと、
前記少なくともひとつのパワートランジスタを駆動するゲートドライブ回路と、
前記上側電源ラインおよび前記下側電源ラインと電気的に接続されるスナバ回路と、
その第１面に前記パワーモジュールが実装され、その第２面に前記ゲートドライブ回路、前記複数の電解コンデンサおよび前記スナバ回路の構成部品が実装される基板と、
を備え、
前記複数の電解コンデンサを千鳥状に配置し、
前記複数の電解コンデンサに囲まれる領域に、前記電解コンデンサよりも高さが低い前記スナバ回路の構成部品を配置したことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、インバータをはじめとする電力変換装置の構成を示す図である。図１の電力変換装置２は、３相のコンバータであり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のパワートランジスタＭ１Ｕ〜Ｍ１Ｗ、Ｍ２Ｕ〜Ｍ２Ｗが内蔵されたパワーモジュール４と、パワートランジスタＭ１Ｕ〜Ｍ１Ｗ、Ｍ２Ｕ〜Ｍ２Ｗを駆動するゲートドライブ回路６、電解コンデンサである平滑化コンデンサＣ１ならびにスナバ回路８を備える。図１には、Ｕ相のみが示され、Ｖ相、Ｗ相は省略される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２４１０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上側電源ラインＬＰおよび下側電源ラインＬＮは、それぞれ電源５の陽極、陰極に接続される。パワーモジュール４は、各相ごとに、上側電源ラインＬＰと下側電源ラインＬＮの間に順に直列に設けられたハイサイドトランジスタＭ１と、ローサイドトランジスタＭ２を含む。Ｕ相に着目すると、ハイサイドトランジスタＭ１Ｕがオンのとき、Ｕ相の出力ＯＵＴＵはハイレベルとなり、ローサイドトランジスタＭ２Ｕがオンのとき、Ｕ相の出力ＯＵＴＵはローレベルとなる。
【０００５】
ゲートドライブ回路６が生成するパワートランジスタＭ１、Ｍ２それぞれに対する制御信号Ｇ１、Ｇ２にノイズが重畳すると、パワートランジスタＭ１、Ｍ２が意図せずに動作するおそれがある。この対策として、平滑化コンデンサＣ１やスナバ回路８は、パワーモジュール４の直近に配置することが望ましい。
【０００６】
一方でパワーモジュール４および電解コンデンサである平滑化コンデンサＣ１は、電力変換装置２の動作状態において発熱する。したがって、これらが近接して配置されると、相互に熱的に影響を及ぼし、双方の温度が上昇する要因となりうる。過度の温度上昇は、電解コンデンサやパワーモジュールの寿命に影響するため望ましくない。
【０００７】
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ノイズやサージを対策しつつ、温度上昇を抑制可能な電力変換装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、負荷に電力を供給する電力変換装置に関する。この電力変換装置は、上側電源ラインおよび下側電源ラインと、上側電源ラインと下側電源ラインの間に、電気的に並列に設けられる複数の電解コンデンサと、上側電源ライン、下側電源ラインそれぞれと電気的に接続される上側電源端子、下側電源端子を有するとともに、上側電源端子と下側電源端子の間に設けられた少なくともひとつのパワートランジスタを内蔵するパワーモジュールと、少なくともひとつのパワートランジスタを駆動するゲートドライブ回路と、上側電源ラインおよび下側電源ラインと電気的に接続されるスナバ回路と、その第１面にパワーモジュールが実装され、その第２面にゲートドライブ回路、複数の電解コンデンサおよびスナバ回路の構成部品が実装される基板と、を備える。複数の電解コンデンサは、基板の中心にクリアランスを有するように少なくとも２つの領域に隔てて配置され、複数の電解コンデンサに囲まれる領域に、スナバ回路の構成部品が配置される。
【０００９】
この態様によると、複数の電解コンデンサを、パワーモジュールの熱集中が発生する基板中央を避けて配置することにより、電解コンデンサとパワーモジュールの熱的な相互作用を低減できる。また、電解コンデンサよりも高さが低いスナバ回路の構成部品を、電解コンデンサに囲まれる領域に配置することにより、スナバ回路の構成部品の上部を、空気の流路として利用することができ、電解コンデンサの熱を効果的に逃がすことができる。これらにより、電解コンデンサおよびスナバ回路によるノイズやサージ対策を維持しつつも、電解コンデンサおよびパワーモジュールの温度が過度に上昇するのを防止できる。
【００１０】
基板は実使用状態において地面と垂直な平面をなすものであり、クリアランスは、地面と垂直方向に沿って設けられてもよい。
熱せられた空気は、低い方から高い方に向かって流れる。したがって、クリアランスを地面垂直方向に設けることにより、クリアランスに沿って熱せられた空気を効率的に排気することができる。
【００１１】
各電解コンデンサは、その四方のうち少なくとも一方向には別の電解コンデンサが隣接しないように配置されてもよい。
これにより、ある電解コンデンサに熱集中するのを防止できる。
【００１２】
各領域において電解コンデンサは、直線上に一列に配置されてもよい。さらに複数の電解コンデンサは、実使用状態における地面垂直方向に沿って配置されてもよい。
これにより、複数の電解コンデンサの列の両側にクリアランスが生ずることになり、電解コンデンサの熱を両側のクリアランスから逃がすことができる。
【００１３】
本発明の別の態様も、電力変換装置である。この電力変換装置は、上側電源ラインおよび下側電源ラインと、上側電源ラインと下側電源ラインの間に、電気的に並列に設けられる複数の電解コンデンサと、上側電源ライン、下側電源ラインそれぞれと電気的に接続される上側電源端子、下側電源端子を有するとともに、上側電源端子と下側電源端子の間に設けられた少なくともひとつのパワートランジスタを内蔵するパワーモジュールと、少なくともひとつのパワートランジスタを駆動するゲートドライブ回路と、上側電源ラインおよび下側電源ラインと電気的に接続されるスナバ回路と、その第１面にパワーモジュールが実装され、その第２面にゲートドライブ回路、複数の電解コンデンサおよびスナバ回路の構成部品が実装される基板と、を備える。複数の電解コンデンサは千鳥状に配置され、複数の電解コンデンサに囲まれる領域に、スナバ回路の構成部品が配置される。
【００１４】
この態様によると、各電解コンデンサは、別のコンデンサと隣接しないため、熱集中を防止できる。また電解コンデンサよりも高さが低いスナバ回路の構成部品を、電解コンデンサに囲まれる領域に配置することにより、スナバ回路の構成部品の上部を、空気の流路として利用することができ、電解コンデンサの熱を効果的に逃がすことができる。これらにより、電解コンデンサおよびスナバ回路によるノイズやサージ対策を維持しつつも、電解コンデンサおよびパワーモジュールの温度が過度に上昇するのを防止できる。
【００１５】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ノイズやサージを対策しつつ、温度上昇を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】インバータをはじめとする電力変換装置の構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、第１の変形例に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、第２の変形例に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図２（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係る電力変換装置２の構成を示す図である。図２（ａ）は電力変換装置２の斜視図、図２（ｂ）は、電力変換装置２の側面図である。
【００１９】
電力変換装置２は、図示しない負荷に電力を供給する。電力変換装置２の等価回路図は、たとえば図１で説明した通りである。
【００２０】
電力変換装置２は、上側電源ラインＬＰ、下側電源ラインＬＮ、平滑化用の電解コンデンサＣ１、パワーモジュール４、ゲートドライブ回路６、スナバ回路８、基板２０を備える。はじめに図１を参照し、各部材の電気的な接続関係を説明する。
【００２１】
図１に示すように上側電源ラインＬＰ、下側電源ラインＬＮには、電源５から、上側電源電圧ＶＤＤと下側電源電圧ＶＳＳが供給される。平滑化コンデンサＣ１は、上側電源ラインＬＰと下側電源ラインＬＮの間に電気的に接続される。平滑化コンデンサＣ１は、複数の電解コンデンサＣ１を並列に接続することにより大容量を実現している。
【００２２】
パワーモジュール４は、上側電源ラインＬＰと電気的に接続される上側電源端子Ｐ、下側電源ラインＬＮと電気的に接続される下側電源端子Ｎを有するとともに、上側電源端子Ｐと下側電源端子Ｎの間に設けられた少なくともひとつのパワートランジスタＭ１、Ｍ２を内蔵する。パワーモジュール４は、単相であってもよいし、多相であってもよく、その相数は限定されない。
【００２３】
ゲートドライブ回路６は、パワーモジュール４を構成するパワートランジスタＭ１、Ｍ２を駆動する。スナバ回路８は、パワートランジスタＭ１、Ｍ２をスイッチングさせる際に生ずる過渡的な高電圧を吸収する保護回路であり、上側電源ラインＬＰおよび下側電源ラインＬＮおよび出力端子ＯＵＴと電気的に接続される。たとえば図１の構成例では、キャパシタＣ２がＣスナバを、抵抗Ｒ１、Ｒ２、キャパシタＣ３、Ｃ４、ダイオードＤ１、Ｄ２がＲＣＤスナバを形成する。なおスナバ回路８の構成は特に限定されず、任意の構成でよい。スナバ回路８は、相ごとに設けられる。
【００２４】
続いて図２（ａ）、（ｂ）を参照し、各部材の電気的、機械的な接続関係を説明する。図２（ａ）、（ｂ）において上側電源ラインＬＰ、下側電源ラインＬＮは省略されている。
【００２５】
基板２０の第１面Ｓ１にはパワーモジュール４が実装され、それと反対の第２面Ｓ２にはゲートドライブ回路６、スナバ回路８の構成部品Ｃ２〜Ｃ４、Ｒ１、Ｒ２、Ｄ１、Ｄ２、ならびに複数の電解コンデンサＣ１が実装される。パワーモジュール４の表面には、ヒートシンク１０が取り付けられる。
【００２６】
複数の電解コンデンサＣ１は、基板２０の中心にクリアランス２１を有するように、少なくとも２つの領域２３、２５に隔てて配置される。基板２０は、電力変換装置２の実使用状態において、地面と垂直な平面をなすようにして配置される。そしてクリアランス２１は、地面と垂直方向に沿って設けられる。
【００２７】
各電解コンデンサは、その四方（上下、左右）のうち少なくとも一方向には別の電解コンデンサが隣接しないように配置される。四方を別の電解コンデンサで囲むことにより、熱集中を防止するためである。図２（ａ）の電力変換装置２では、電解コンデンサＣ１ａ、Ｃ１ｂは、３方向が別の電解コンデンサと接するが、その他の電解コンデンサは、１方向のみが別の電解コンデンサと隣接しており、３方向が開放されている。
【００２８】
スナバ回路８の構成部品Ｃ２Ｕ，Ｖ，Ｗ〜Ｃ４Ｕ，Ｖ，Ｗ、Ｒ１Ｕ，Ｖ，Ｗ、Ｒ２Ｕ，Ｖ，Ｗ、Ｄ１Ｕ，Ｖ，Ｗ、Ｄ２Ｕ，Ｖ，Ｗは、複数の電解コンデンサＣ１に囲まれる一点鎖線の領域２９に配置される。たとえばキャパシタＣ２、Ｃ３、抵抗Ｒ１、Ｒ２はＤＩＰ（Dual Inline Package）部品であり、ダイオードＤ１、Ｄ２は、チップ部品である。
【００２９】
パワーモジュール４は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相それぞれの出力端子ＯＵＴＵ、ＯＵＴＶ、ＯＵＴＷを有する。ＲＣＤスナバ回路８の構成部品のうち、Ｕ相の部品Ｒ１Ｕ、Ｒ２Ｕ、Ｃ３Ｕ、Ｃ４Ｕ、Ｄ１Ｕ、Ｄ２Ｕは、出力端子ＯＵＴＵの上方に、Ｖ相の部品Ｒ１Ｖ、Ｒ２Ｖ、Ｃ３Ｖ、Ｃ４Ｖ、Ｄ１Ｖ、Ｄ２Ｖは、出力端子ＯＵＴＶの上方に、Ｗ相の部品Ｒ１Ｗ、Ｒ２Ｗ、Ｃ３Ｗ、Ｃ４Ｗ、Ｄ１Ｗ、Ｄ２Ｗは、出力端子ＯＵＴＷの上方に設けられる。
【００３０】
また各相において、ダイオードＤ１、Ｄ２が出力端子ＯＵＴに最も近く、続いてコンデンサＣ２、Ｃ３が配置される。抵抗Ｒ１、Ｒ２は、遠くに配置されても、配線による抵抗成分の増加は無視でき、また抵抗値の増加がスナバ回路の動作に影響を及ぼすものではないことから、最も遠い位置に配置することとした。
【００３１】
以上が電力変換装置２の構成である。
電力変換装置２の動作状態において、電解コンデンサＣ１およびパワーモジュール４が発熱する。パワーモジュール４はその中心部が最も温度が高くなることから、パワーモジュール４の影響により基板２０の中心部の温度が高くなりやすい。これに対して図２（ａ）、（ｂ）の電力変換装置２によれば、複数の電解コンデンサＣ１を、パワーモジュール４の熱集中が発生する基板２０の中央を避けて配置することにより、電解コンデンサＣ１とパワーモジュール４の熱的な相互作用を低減できる。
【００３２】
また、電解コンデンサＣ１よりも高さが低いスナバ回路８の構成部品を、電解コンデンサＣ１に囲まれる領域に配置されているため、スナバ回路８の構成部品の上部を、空気の流路として利用することができ、電解コンデンサＣ１の熱を効果的に逃がすことができる。これらにより、電解コンデンサＣ１およびスナバ回路８によるノイズやサージ対策を維持しつつも、電解コンデンサＣ１およびパワーモジュール４の温度が過度に上昇するのを防止できるとともに、パワーモジュール４や電解コンデンサＣ１をはじめとする部品の寿命を延ばすことができる。
【００３３】
パワーモジュール４および電解コンデンサＣ１によって熱せられた空気は、低い方から高い方に向かって流れる。本実施の形態では、クリアランス２１が地面垂直方向に設けられるため、熱せられた空気をクリアランス２１に沿って上方向に効率的に排気することができるという利点もある。
【００３４】
図３（ａ）、（ｂ）は、第１の変形例に係る電力変換装置２ａの構成を示す図である。図３（ａ）は電力変換装置２ａの斜視図、図３（ｂ）は、電力変換装置２ａの側面図である。
【００３５】
図２（ａ）、（ｂ）の電力変換装置２と同様に、電力変換装置２ａは、基板２０の第１面Ｓ１にパワーモジュール４が実装され、その第２面Ｓ２にゲートドライブ回路６、電解コンデンサＣ１およびスナバ回路８の構成部品が実装される。
【００３６】
また電力変換装置２ａにおいて、複数の電解コンデンサＣ１は、基板２０の中心にクリアランス２１を有するように、２つの領域２３、２５に隔てて配置される。またクリアランス２１は、実使用状態において地面と垂直方向に沿うように設けられる。
【００３７】
さらに各電解コンデンサＣ１は、その四方（上下、左右）のうち少なくとも一方向には別の電解コンデンサが隣接しないように配置される。電力変換装置２ａでは、各領域において電解コンデンサＣ１は、直線上に一列に配置される。
【００３８】
スナバ回路８の構成部品は、複数の電解コンデンサＣ１に囲まれるハッチングを付した領域２７に配置される。領域２７におけるスナバ回路８の各部品の配置は、図２（ａ）と同様であってもよく省略されている。
【００３９】
図３（ａ）、（ｂ）に示す変形例に係る電力変換装置２ａによれば、図２（ａ）、（ｂ）の電力変換装置２と同様の効果を得ることができる。なお、図３では、複数の電解コンデンサＣ１が、クリアランス２１を隔てて２列に配置される場合を説明しているが、３列以上に配置してもよい。
【００４０】
図４（ａ）、（ｂ）は、第２の変形例に係る電力変換装置２ｂの構成を示す図である。図４（ａ）は電力変換装置２ｂの斜視図、図４（ｂ）は、電力変換装置２ｂの側面図である。
【００４１】
図２（ａ）、（ｂ）の電力変換装置２、あるいは図３（ａ）、（ｂ）の電力変換装置２ａと同様に、電力変換装置２ｂは、基板２０の第１面Ｓ１にパワーモジュール４が実装され、その第２面Ｓ２にゲートドライブ回路６、電解コンデンサＣ１およびスナバ回路８の構成部品が実装される。
【００４２】
電力変換装置２ｂにおいて、複数の電解コンデンサＣ１は、千鳥状に配置される。そして、スナバ回路８の構成部品は、電解コンデンサＣ１に囲まれる領域２７に配置される。
【００４３】
図４（ａ）を注意深く見ると、複数の電解コンデンサＣ１は、基板２０の中心にクリアランス２１ａを有するように、２つの領域２３、２５に隔てて配置される。領域２３は、クリアランス２１ｂによって２つの領域２３ａ、２３ｂに分割され、領域２５は、クリアランス２１ｃによって２つの領域２５ａ、２５ｂに分割される。この変形例では、クリアランス２１ａ〜２１ｃは、斜め方向に設けられていると言える。また、領域２３ａ、２５ａにおいて、複数の電解コンデンサＣ１は、クリアランスに沿って一列に配置される点で図３（ａ）の電力変換装置２ａと共通する。
【００４４】
スナバ回路８の構成部品は、複数の電解コンデンサＣ１に囲まれるハッチングを付した領域２７に配置される。
【００４５】
図４（ａ）、（ｂ）の電力変換装置２ｂによっても、図２（ａ）、（ｂ）の電力変換装置２と同様の効果を得ることができる。
【００４６】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【符号の説明】
【００４７】
２…電力変換装置、Ｍ１，Ｍ２…パワートランジスタ、４…パワーモジュール、６…ゲートドライブ回路、８…スナバ回路、１０…ヒートシンク、ＬＰ…上側電源ライン、ＬＮ…下側電源ライン、２０…基板、２１…クリアランス、Ｃ１…電解コンデンサ、Ｓ１…第１面、Ｓ２…第２面。
【図１】
0005686677.tif 000002
【図２】
0005686677.tif 000003
【図３】
0005686677.tif 000004
【図４】
0005686677.tif 000005