(57)【要約】【課題】  主回路のインダクタンスを低減した電力変換装置を提供する。【解決手段】  金属製のハウジング２１０と、ハウジング２１０の内部に設けられ、直流端子ＩＴ１及び交流端子ＯＴ１を備えた第１パワーモジュール５０２と、ハウジング２１０の内部に設けられ、直流端子ＩＴ２及び交流端子ＯＴ２を備えた第２パワーモジュール５０４と、第１パワーモジュール５０２及び第２パワーモジュール５０４から発せられる熱を冷却するための冷却形成体とを有する電力変換装置であって、第１パワーモジュール５０２と第２パワーモジュール５０４は、直流端子ＩＴ１と直流端子ＩＴ２とが向かい合うように配置される。【選択図】図６
2008228502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製のハウジングと、
前記ハウジングの内部に設けられ、複数の第１半導体チップ，第１直流端子、及び、第１交流端子、を備えた第１パワーモジュールと、
前記ハウジングの内部に設けられ、複数の第２半導体チップ，第２直流端子、及び、第２交流端子、を備えた第２パワーモジュールと、
前記第１パワーモジュール及び前記第２パワーモジュールから発せられる熱を冷却するための冷却形成体と、を有し、
前記第１パワーモジュールと前記第２パワーモジュールは、前記第１直流端子と前記第２直流端子とが向かい合うように配置されている、ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記第１直流端子は、第１正極端子及び第１負極端子を有し、
前記第２直流端子は、第２正極端子及び第２負極端子を有し、
前記第１正極端子と前記第２正極端子との間の距離は、前記第１正極端子と前記第２負極端子との間の距離より短いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２記載の電力変換装置において、
前記第１正極端子，前記第１負極端子，前記第２正極端子、及び、前記第２負極端子は、それぞれ、複数の端子を有し、
複数の前記第１正極端子と前記第１負極端子は、交互に配置されており、
複数の前記第２正極端子と前記第２負極端子は、交互に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３記載の電力変換装置において、
前記第１正極端子と前記第２正極端子は、第１接続部を用いて電気的に接続され、
前記第１負極端子と前記第２負極端子は、第２接続部を用いて電気的に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記第１パワーモジュールと前記第２パワーモジュールは、互いに略平行に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項５記載の電力変換装置において、
前記第１パワーモジュールと前記第２パワーモジュールは、略同一平面上に設けられていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記第１直流端子は、前記第１パワーモジュールの第１長辺側に配置され、前記第１交流端子は、該第１パワーモジュールの該第１長辺に対向する第２長辺側に配置されており、
前記第２直流端子は、前記第２パワーモジュールの第１長辺側に配置され、前記第２交流端子は、該第２パワーモジュールの該第１長辺に対向する第２長辺側に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１記載の電力変換装置において、
さらに、前記第１パワーモジュールの前記第１直流端子及び前記第２パワーモジュールの前記第２直流端子に電気的接続されたコンデンサモジュールを有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項８記載の電力変換装置において、
前記第１コンデンサモジュールは、前記第１パワーモジュールの上方に設けられており、
前記第２コンデンサモジュールは、前記第２パワーモジュールの上方に設けられていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項８記載の電力変換装置において、
前記第１コンデンサモジュールは、前記第１直流端子に電気的接続するための第１電極を有し、
前記第２コンデンサモジュールは、前記第２直流端子に電気的接続するための第２電極を有し、
前記第１電極は、第１絶縁層を介して、二枚の金属板を積層した第１積層体であり、
前記第２電極は、第２絶縁層を介して、二枚の金属板を積層した第２積層体であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の電力変換装置において、
前記第１コンデンサモジュールの前記第１積層体と前記第２コンデンサモジュールの前記第２積層体は、湾曲部を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の電力変換装置において、
前記第１コンデンサモジュールは、前記第１積層体が前記ハウジングの中央寄りに位置するように配置され、
前記第２コンデンサモジュールは、前記第２積層体が前記ハウジングの中央寄りに位置するように配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１３】
請求項７記載の電力変換装置において、
前記第１パワーモジュールの前記第１直流端子、及び、前記第２パワーモジュールの前記第２直流端子は、前記第１半導体チップと前記第２半導体チップの間に位置していることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の電力変換装置において、
前記第１直流端子及び前記第２直流端子は、前記ハウジングの中央部に位置しており、
前記第１交流端子及び前記第２交流端子は、前記ハウジングの端部に位置していることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の電力変換装置において、
前記ハウジングの一側面には、外部の第１回転電機に接続するための第１外部接続端子と外部の第２回転電機に接続するための第２外部接続端子を有する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係り、特に、ハイブリッド電気自動車に用いられる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、主に、インバータ主回路と、インバータ主回路の直流電源端子に並列接続される平滑用コンデンサと、インバータ主回路を制御する制御回路とから構成されている。インバータ主回路は、複数のパワー半導体を有しており、複数のパワー半導体は、所定の数を単位としてパワーモジュールを構成する。このため、インバータ主回路は、複数のパワー半導体を備えた１個または複数個のパワーモジュールとして構成される。
【０００３】
このような電力変換装置をユニットとして構成したものとして、例えば、複数個のパワーモジュールを、その入出力端子が縦方向に揃うように並べ、入力端子の上部中央付近に平滑用コンデンサを配置するものが知られている。
【０００４】
このような電力変換装置は、例えば、特許文献１(特開２００３−１９９３６３号公報)に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１９９３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、内燃機関を使用することなく、電気モータの出力により動作する純粋な電気自動車や、内燃機関を併用するハイブリッド電気自動車では、車両全体の容積に対する室内の割合をできるだけ大きくし、居住性を良くすることが望まれている。
【０００７】
このため、できるだけ小さなスペースに制御装置を搭載できるように、制御装置をより小型化することが望まれている。また、車両用回転電機と電気的に接続される電力変換装置も、小型化することが望まれている。
【０００８】
しかし、車両に搭載される回転電機は、より大電力化の傾向にあり、電力変換装置の発熱量が開発初期のものに比べると増大している。また大電力化の傾向により取り扱う電力も高圧化し、主回路インダクタンスが大きい場合には、パワー半導体のスイッチング時に発生するサージ電圧が問題となる場合が多い。この解決策として、構成部品の耐電圧を上げることが考えられる。しかし、その場合、装置全体が大型化してしまう。
【０００９】
以上の点に鑑み、本発明の目的は、大型化を抑えつつ主回路インダクタンスを低減した電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の電力変換装置のうち代表的な一つは、金属製のハウジングと、ハウジングの内部に設けられ、複数の第１半導体チップ，第１直流端子、及び、第１交流端子、を備えた第１パワーモジュールと、ハウジングの内部に設けられ、複数の第２半導体チップ，第２直流端子、及び、第２交流端子、を備えた第２パワーモジュールと、第１パワーモジュール及び第２パワーモジュールから発せられる熱を冷却するための冷却形成体と、を有し、第１パワーモジュールと第２パワーモジュールは、第１直流端子と第２直流端子とが向かい合うように配置されたものである。
【００１１】
また、本発明の代表的な構成が有する他の特徴は、以下の実施例において、実施例ごとに詳細に説明する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、主回路インダクタンスを低減した電力変換装置を提供することができる。また、小型な電力変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明における電力変換装置の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明をする。
【００１４】
（ハイブリッド電気自動車１００）
図１は、本発明の電力変換装置が設けられるハイブリッド電気自動車１００の一実施例を示した構成図である。
【００１５】
本発明の電力変換装置２００は、純粋な電気自動車にも当然適用できる。この場合、基本構成や基本動作は、ハイブリッド電気自動車と純粋な電気自動車との間で共通する部分が多い。このため、以下の説明においては、これらを代表して、ハイブリッド電気自動車１００の実施例を説明する。
【００１６】
前輪１１３及び後輪１１４を備えたハイブリッド電気自動車１００には、エンジン121，第１の回転電機３０，第２の回転電機４０、及び、第１の回転電機３０と第２の回転電機４０に高電圧の直流電力を供給するバッテリ６０が搭載されている。実際には、低電圧電力（１４ボルト系電力）を供給するバッテリがさらに搭載されており、以下に説明する制御回路の電源となる電力を供給するが、図示を省略する。
【００１７】
エンジン１２１、及び、第１の回転電機３０と第２の回転電機４０に基づく回転トルクは、変速機１５０とデファレンシャルギア１６０に伝達される。この回転トルクは、車軸１１６を介して、前輪１１３または後輪１１４に伝達される。
【００１８】
変速機１５０を制御する変速機制御装置１５４，エンジン１２１を制御するエンジン制御装置１２４，電力変換装置２００を制御する回転電機制御回路基板７００、及び、バッテリ６０を制御するバッテリ制御装置１８４は、それぞれ、ローカルエリアネットワーク等の通信回線１７４を介して、総合制御装置１７０に接続されている。
【００１９】
また、総合制御装置１７０は、下位の制御装置である変速機制御装置１５４，エンジン制御装置１２４，電力変換装置２００、または、バッテリ制御装置１８４から、それぞれの状態を表す情報を、通信回線１７４を介して受け取る。これらの情報は、安全性等の観点から車両を統合制御するのに用いられる。
【００２０】
車両の統合制御は、各制御装置の連携動作で達成される制御であり、車両の統合制御を実現するための各制御装置への制御指令が、通信回線１７４を介して総合制御装置１７０からそれぞれの制御装置へ送信される。
【００２１】
例えば、バッテリ制御装置１８４は、バッテリ６０の放電状況やバッテリを構成する各セル電池の状態を総合制御装置１７０に報告する。また、総合制御装置１７０は、上記報告からバッテリ６０の充電が必要と判断すると、電力変換装置２００に発電の指示を出す。総合制御装置１７０は、エンジン１２１と第１の回転電機３０や第２の回転電機４０の出力トルクを管理し、エンジン１２１と第１の回転電機３０，第２の回転電機４０の出力トルクの総合トルク、または、トルク分配比を演算処理より求める。
【００２２】
この処理結果に基づく制御指令は、変速機制御装置１５４，エンジン制御装置１２４、または、電力変換装置２００へ送信される。トルク指令に基づき、電力変換装置２００は、第１の回転電機３０と第２の回転電機４０を制御し、いずれか一方の回転電機、または、両方の回転電機で指令のトルク出力を発生するように、これらの回転電機を制御する。
【００２３】
第１の回転電機３０と第２の回転電機４０は、電動機または発電機として動作できる構造となっている。そして、例えば、第１の回転電機３０が電動機として動作している場合、第２の回転電機４０は電動機として、または、発電機として運転することが可能である。
【００２４】
上述のとおり、車両の運転状態に基づき、総合制御装置１７０は、エンジン１２１の出力トルクと回転電機の出力トルクとの分配を、演算によりそれぞれの目標トルクを決定する。そして、回転電機の目標トルクをトルク指令として、通信回線１７４を介して電力変換装置２００に送信する。
【００２５】
電力変換装置２００は、指令に基づき、第１の回転電機３０及び第２の回転電機４０をそれぞれ電動機として運転するか、または、発電機として運転するか、を演算処理により判断し、第１の回転電機３０および第２の回転電機４０を制御する。
【００２６】
また、他の実施形態として、第１の回転電機３０及び第２の回転電機４０を電動機として運転するか、または、発電機として運転するかを、総合制御装置１７０で演算により決定することもできる。この方法によれば、第１の回転電機３０、または、第２の回転電機４０を、モータ運転の場合はその発生するトルクを、また、発電機運転の場合には発電電力を、総合制御装置１７０が決定する。その内容は、指令として通信回線１７４を介して電力変換装置２００に送信される。
【００２７】
いずれの方法でも、電力変換装置２００は、総合制御装置１７０からの指令に基づき、第１の回転電機３０と第２の回転電機４０を運転するためにインバータ主回路を構成するパワー半導体のスイッチング動作を制御する。これらパワー半導体のスイッチング動作により、第１の回転電機３０と第２の回転電機４０は、電動機として、または、発電機として運転される。
【００２８】
第１の回転電機３０または第２の回転電機４０が電動機として運転される場合、高電圧のバッテリ６０からの直流電力が電力変換装置２００のインバータ主回路に印加される。インバータ主回路を構成するパワー半導体のスイッチング動作が制御されることにより、直流電力は３相の交流電流に変換される。この交流電流は、第１の回転電機３０または第２の回転電機４０に供給される。この結果、第１の回転電機３０または第２の回転電機
４０は、電動機として回転トルクを発生する。
【００２９】
一方、第１の回転電機３０または第２の回転電機４０が発電機として運転される場合、第１の回転電機３０または第２の回転電機４０の回転子は、外部からの回転トルクで回転する。この回転トルクに基づき、回転電機の固定子巻線に３相の交流電力が発生する。発生した３相交流電力は、電力変換装置２００で直流電力に変換される。この直流電力は、高電圧のバッテリ６０に供給され、バッテリ６０が充電される。
【００３０】
図１に示されるエンジン１２１と第１の回転電機３０または第２の回転電機４０は、回転軸で機械的に直結していても良いし、歯車やクラッチを介して接続される構造であっても良い。エンジン１２１，第１の回転電機３０、及び、第２の回転電機４０が直結している場合には、エンジン１２１の回転速度に正比例して、第１の回転電機３０と第２の回転電機４０が回転する。このため、第１の回転電機３０と第２の回転電機４０は、回転停止状態から高速回転状態まで広範囲に回転速度が変化する。従って、第１の回転電機３０及び第２の回転電機４０は、高速回転に耐えられるように、機械的な強度が必要となる。
【００３１】
また、第１の回転電機３０と第２の回転電機４０が回転していると、回転電機の鉄損が常に発生する。特に、高速回転状態では、鉄損が大きいという問題がある。一方、この方式では、構造がシンプルで、安価となる長所がある。
【００３２】
また、第１の回転電機３０と第２の回転電機４０がクラッチや変速ギアを介して車両の駆動機構につながる方式は、第１の回転電機３０と第２の回転電機４０の回転速度の変動範囲を小さくできるという長所がある。また、必要に応じて、車両の駆動機構から第１の回転電機３０と第２の回転電機４０を切り離すことができ、回転電機の鉄損などで運転効率を下げるのを押さえられる効果がある。
【００３３】
図１に示されるとおり、電力変換装置２００は、直流電源の電圧変動を押さえる複数の平滑用コンデンサを有するコンデンサモジュール１０２と、複数のパワー半導体を内蔵するパワーモジュール１０１、パワーモジュール１０１のスイッチング動作を制御するスイッチング駆動回路を備えた基板（以下、駆動回路基板６００）、及び、スイッチング動作の時間幅を決める信号、すなわち、パルスワイドモデュレーションの制御を行うＰＷＭ信号を発生する回転電機制御回路を備えた基板（以下、制御回路基板７００）から構成されている。
【００３４】
パワーモジュール１０１を電気的に接続することで、パワーモジュール１０１が有するパワー半導体が電気的に接続されてインバータ主回路が構成される。インバータ主回路を構成するパワー半導体を制御するための信号が制御回路基板７００で作られ、駆動回路基板６００へ送られる。
【００３５】
駆動回路基板６００は、いわゆるパワー半導体のゲート駆動回路であり、各パワー半導体のゲート端子へ供給されるゲート駆動信号を生成する。ゲート駆動信号は、各パワー半導体のゲート端子に送られ、このゲート駆動信号に基づいて、各パワー半導体はスイッチング動作を行う。
【００３６】
コンデンサモジュール１０２やパワーモジュール１０１の詳細な回路及び動作については、後述する。
【００３７】
高電圧のバッテリ６０は、例えば、ニッケル水素電池またはリチウムイオン電池等の２次電池である。これらの電池は、３００ボルトまたは６００ボルト、もしくは、それ以上の高電圧の直流電力を出力する。
【００３８】
（電力変換装置の回路構成）
次に、図２を参照しながら、電力変換装置２００の回路構成を説明する。本実施例では、電力系と信号系との区別がしやすいように、電力系を実線で、信号系を点線でそれぞれ図示している。
【００３９】
電力変換装置２００は、パワーモジュール１０１，コンデンサモジュール１０２、及び、制御装置１０３を備えている。なお、制御装置１０３は、制御回路基板７００と駆動回路基板６００とから構成される。
【００４０】
パワーモジュール１０１は、電力変換用主回路を構成するものであり、複数のスイッチング用パワー半導体素子を備えている。複数のスイッチング用パワー半導体素子は、制御装置１０３の一部を構成する駆動回路基板６００から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ６０から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。
【００４１】
変換された電力は、第１の回転電機３０または第２の回転電機４０の電機子巻線３１，４１に供給される。電力変換用主回路は、３相ブリッジ回路により構成されており、３相分の直列回路がそれぞれバッテリ６０の正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されている。直列回路はアームとも呼ばれ、上アーム側のスイッチング用パワー半導体素子及び下アーム側のスイッチング用パワー半導体素子から構成されている。
【００４２】
本実施例では、スイッチング用パワー半導体素子として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）１１１を用いている。ＩＧＢＴ１１１は、コレクタ電極，エミッタ電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。ＩＧＢＴ１１１のコレクタ電極とエミッタ電極との間にはダイオード１１２が電気的に接続されている。ダイオード１１２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、ＩＧＢＴ１１１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ＩＧＢＴ１１１のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ１１１のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
【００４３】
スイッチング用パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴ１１１の代わりに、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。ＭＯＳＦＥＴは、ドレイン電極，ソース電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。
【００４４】
なお、ＭＯＳＦＥＴは、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えている。このため、ＩＧＢＴのように、外付けのダイオード１１２を設ける必要はない。
【００４５】
アームは、第１の回転電機３０または第２の回転電機４０の電機子巻線３１，４１の各相巻線に対応して、３相分（合計６アーム）設けられている。３つの相はそれぞれ、上アーム側のＩＧＢＴ１１１のエミッタ電極及び下アーム側のＩＧＢＴ１１１のコレクタ電極が中間電極１２０を介して電気的に直列に接続されることにより構成されている。各相の上アーム側のＩＧＢＴ１１１のコレクタ電極は、正極側電極１３０を介して、コンデンサモジュール１０２の正極側コンデンサ電極１７１に電気的接続されている。また、各相の下アーム側のＩＧＢＴ１１１のエミッタ電極は、負極側電極１４０を介して、コンデンサモジュール１０２の負極側コンデンサ電極１７２に電気的に接続されている。
【００４６】
各アームの中点部分（上アーム側のＩＧＢＴ１１１のエミッタ電極と下アーム側の
ＩＧＢＴ１１１のコレクタ電極との接続部分）にあたる中間電極１２０は、第１の回転電機３０，第２の回転電機４０の電機子巻線３１，４１の対応する相巻線に電気的に接続されている。本実施例では、１相（２アーム）を１つの電気回路装置１１０によって構成しているが、特にこれに限られない。
【００４７】
コンデンサモジュール１０２は、ＩＧＢＴ１１１のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を平滑化するためのものである。コンデンサモジュール１０２の正極側コンデンサ電極１７１には、バッテリ６０の正極側が電気的に接続されている。また、コンデンサモジュール１０２の負極側コンデンサ電極１７２には、バッテリ６０の負極側が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１０２は、パワーモジュール
１０１の直流側（入力側）とバッテリ６０との間において、パワーモジュール１０１の直流側（３相のそれぞれの正極側電極１３０と負極側電極１４０との間）とバッテリ６０のそれぞれに対して電気的に並列に接続されることになる。
【００４８】
制御装置１０３は、ＩＧＢＴ１１１を作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサ等からの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ１１１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基板７００と、制御回路基板７００から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ１１１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駆動回路基板６００とを備えている。
【００４９】
制御回路基板７００は、マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）によって構成されている。マイコンには入力情報として、第１の回転電機３０または第２の回転電機４０に対して要求される目標トルク値、パワーモジュール１０１から第１の回転電機３０または第２の回転電機４０の電機子巻線３１，４１に供給される電流値、及び、第１の回転電機３０または第２の回転電機４０の回転子の磁極位置が入力されている。
【００５０】
目標トルク値は、上位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１９４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、第１の回転電機３０または第２の回転電機４０に設けられた回転磁極センサ３２，
４２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。本実施例では、２相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、３相分の電流値を検出するようにしても構わない。
【００５１】
マイコンは、目標トルク値に基づいて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）信号として駆動回路に出力する。駆動回路には、各相の上下アームに対応して６つのＰＷＭ信号がマイコンから出力される。マイコンから出力されるタイミング信号としては矩形波信号などの他の信号を用いても構わない。
【００５２】
駆動回路基板６００は、複数の電子回路部品を１つに集積した集積回路、いわゆるＩＣ（Integrated Circuit）によって構成されている。本実施例では、各相の上下アームのそれぞれに対して１個のＩＣを設ける場合（１ｉｎ１）を例に挙げて説明するが、各相に対応して１個のＩＣを設ける（２ｉｎ１）、或いは全てのアームに対応して１個のＩＣを設ける（６ｉｎ１）ようにしても構わない。
【００５３】
駆動回路基板６００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ＩＧＢＴ１１１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ＩＧＢＴ１１１のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各ＩＧＢＴ１１１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。
【００５４】
また、制御回路基板７００では、異常検知（過電流，過電圧，過温度など）を行い、パワーモジュール１０１を保護している。このため、制御回路基板７００には、センシング情報が入力されている。例えば、各アームのセンサリード配線１６３からは、各ＩＧＢＴ１１１のエミッタ電極に流れる電流の情報が制御回路基板７００に入力されている。これにより、制御回路基板７００は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ１１１のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ１１１を過電流から保護する。パワーモジュール１０１に設けられた温度センサ１０４からは、パワーモジュール１０１の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンにはパワーモジュール１０１の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ１１１のスイッチング動作を停止させ、パワーモジュール１０１を過温度または過電圧から保護する。
【００５５】
（パワーモジュールの外観）
図９は、本実施例の電力変換装置２００に用いられるパワーモジュール１０１の代表的な構造図である。半導体チップ（ＩＧＢＴ１１１，ダイオード１１２）とその端子との接続を含めて示している。
【００５６】
パワーモジュール１０１は、銅等で構成された金属ベース９４４の一方に、樹脂ケース９４６が搭載されている。また、樹脂ケース９４６の内部において、金属ベース９４４には、複数のＩＧＢＴ１１１及びダイオード１１２が実装されている。
【００５７】
複数のＩＧＢＴ１１１及びダイオード１１２の組は、ＰＷＭ制御を行うため、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相に分けられる。本図では、各アームにつき、２組のＩＧＢＴ１１１及びダイオード１１２が並列接続で実装されている。これは、単一の半導体チップだけでは流せない量の大電流を流すためである。また、各相につき、直流端子である正極端子側に接続される上アームと、直流端子である負極端子側に接続される下アームの２組のＩＧＢＴ１１１及びダイオード１１２が実装されている。このため、本図のパワーモジュール１０１には、ＩＧＢＴ１１１及びダイオード１１２の組が、合計で１２組存在する。
【００５８】
直流端子となる正極端子ＩＴ１Ｐ及び負極端子ＩＴ１Ｎは、樹脂ケースの内部において、絶縁シート９４８を介した積層構造を有している。このような積層構造を有することにより、直流配線部におけるインダクタンスを低減させることができる。
【００５９】
また、これらの直流端子は、ＩＧＢＴ１１１またはダイオード１１２にボンディングワイヤ９５０により電気的に接続される。ただし、ボンディングワイヤ９５０に代えて、金属板を用いて接続することも可能である。金属板を用いることにより、ボンディングワイヤ９５０を用いた場合と比較して、信頼性を維持しつつ大電流を流すことが可能になる。また、配線部におけるインダクタンスを低減することができる。
【００６０】
また、パワーモジュールには、ゲート基板からの制御信号を入力するため、ゲートピン９５２が設けられている。ゲートピン９５２は、各ＩＧＢＴ１１１のゲート端子に接続されている。
【００６１】
ＩＧＢＴ１１１及びダイオード１１２は、窒化アルミ（ＡｌＮ）等の絶縁基板９５６上に搭載されている。窒化アルミ（ＡｌＮ）は、良好な熱伝導性を有するため、好んで用いられる。また、窒化アルミ（ＡｌＮ）に代えて、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を用いることも可能である。窒化ケイ素（ＳｉＮ）は靭性が高いため、絶縁基板９５６を薄く形成することができる。
【００６２】
絶縁基板９５６の、金属ベース９４４側には、Ｎｉメッキした銅などで全面パターンが形成され、チップ（ＩＧＢＴ１１１，ダイオード１１２）側にはＮｉメッキした銅などで配線パターンが形成されている。絶縁基板９５６の両面に金属を貼り付けることにより、チップと金属ベース９４４とのはんだ付けを可能にするとともに、絶縁基板９５６を金属で挟んだサンドイッチ構造としている。
【００６３】
このような構成により、温度変化したときに熱膨張係数の差による変形を防いでいる。このサンドイッチ構造を採用した結果、絶縁基板９５６を薄くすると、スイッチング時にチップ９５２側の配線パターンに流れる電流変化に応じて、金属ベース９４４側の全面パターンに誘導されるうず電流が多くなる。結果として、絶縁基板９５６上の配線パターンの寄生インダクタンスを低減することができ、パワーモジュール１０１の低インダクタンス化に寄与する。
【００６４】
樹脂ケース９４６の内部にはシリコーン樹脂が設けられ（図示なし）、シリコーン樹脂により、ＩＧＢＴ１１１，ダイオード１１２、及び、ボンディングワイヤ９５０は覆われることになる。なお、シリコーン樹脂に代えて、レジンを用いることもできる。この上に、樹脂カバー（図示なし）を被せることにより、パワーモジュール１０１が完成する。樹脂カバーの上に、後述するゲート基板２０１が搭載されることになる。
【００６５】
（電力変換装置の外観）
次に、本実施例における電力変換装置２００の外観斜視図を図３に示す。電力変換装置２００は、図３に示されるように、コンパクトな形状として構成される。
【００６６】
電力変換装置２００は、アルミ等の金属材料で構成されたハウジング２１０を有する。ハウジング２１０は、アルミニウム等の金属材料で構成され、略方形状の箱体からなり、底部には冷却水路を備えた水路形成体を有している。また上部は開口している。
【００６７】
以下の説明の便宜を考慮し、ハウジング２１０の前記４つの側壁部のうち一の側壁部を正面壁部２３２と称し、この正面壁部２３２に対して隣接する各側壁部のうち右側の側壁部を主側壁部２３４と称する。
【００６８】
なお、パワーモジュール１０１やコンデンサモジュール１０２等の各部品は、ハウジング２１０の内部に収納されている。
【００６９】
図４は、電力変換装置２００をハウジング２１０の正面壁部２３２側から観た図を示している。ハウジング２１０の側面には、後述する水路形成体２２０へ冷却水を導入するための入口管２１２、及び、水路形成体２２０から冷却水を排出するための出口管２１４が設けられている。
【００７０】
図３のＶ−Ｖ線における断面図を図５に示す。
【００７１】
本実施例において、電力変換装置２００は、パワーモジュール１０１を２つ備えている。第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４は、ハウジング２１０の内部において、下方に配置されている。第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４は、第１の回転電機３０（電気モータまたは発電機）、及び、第２の回転電機４０（発電機または電気モータ）をそれぞれ駆動する。
【００７２】
電力変換装置２００の下部には、冷却水が流れる水路形成体２２０が設けられている。冷却水は、複数のパワー半導体素子を有する第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４が発する熱を冷却するために、入口管２１２から導入され、出口管
２１４から排出される。
【００７３】
水路形成体２２０の上は開口部となっている。この開口部は、第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４の一部を構成する金属ベース５０６が、ねじ等を用いて水路形成体２２０の上部に固定されることにより、冷却水を流すことのできる空間となる。
【００７４】
金属ベース５０６には、冷却効率を向上させるために、フィンが形成されている。フィンの構成としては、直線状の凸部が複数本平行に配列したストレートフィンや、ピン状のフィンが多数配列したピンフィンが用いられる。
【００７５】
第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４の上方には、第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール３０４が配置されている。第１のパワーモジュール５０２と第１のコンデンサモジュール３０２、及び、第１のパワーモジュール５０４と第２のコンデンサモジュール３０４は、それぞれ電極ＥＴ１，ＥＴ２により接続部ＪＮ１，ＪＮ２を介して電気的に接続されている。
【００７６】
このため、第１のコンデンサモジュール３０２及び第２のコンデンサモジュール３０４は、互いに電気的に接続されている。結果として、第１のコンデンサモジュール３０２及び第２のコンデンサモジュール３０４は、第１のパワーモジュール５０２及び第２のパワーモジュール５０４により共用されている。なお、２つのコンデンサモジュールに代えて、１つのコンデンサモジュールを配置して、第１のパワーモジュール５０２及び第２のパワーモジュール５０４で共用することもできる。
【００７７】
第１のコンデンサモジュール３０２及び第２のコンデンサモジュール３０４は、電極
ＥＴ１，ＥＴ２がハウジング２１０の中央寄りに位置するように配置されている。
【００７８】
電極ＥＴ１，ＥＴ２は、それぞれ、第１のコンデンサモジュール３０２及び第２のコンデンサモジュール３０４を支えるため、湾曲部を備えている。このような湾曲部を持たせることで、重量の大きなコンデンサモジュールを安定して支えることが可能になる。
【００７９】
ハウジング２１０の内部に第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール
５０４が配置された平面図を図６に示す。
【００８０】
第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４は、その短手方向の辺すなわち短辺をハウジング２１０の正面壁部２３２に平行になるように、その長手方向の辺すなわち長辺を主側壁部２３４に平行になるように、並列配置されている。また、第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４は、互いに略同一平面上に配置されている。
【００８１】
本実施例において、第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４の直流端子ＩＴ１，ＩＴ２は、それぞれ、バッテリ６０の正極端子に電気的接続される端子と負極端子に電気的接続される端子とを、交互に３つ並べた構成となっている。直流端子ＩＴ１，ＩＴ２は、それぞれ、第１のパワーモジュール５０２，第２のパワーモジュール５０４の長辺である一辺に並んで配置されている。
【００８２】
第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４は、それぞれ同一の構成を有している。直流端子ＩＴ１，ＩＴ２、及び、交流端子ＯＴ１，ＯＴ２を同方向に配置させた状態で、第１のパワーモジュール５０２に対して第２のパワーモジュール５０４を１８０°回転させることにより、それらの直流端子ＩＴ１，ＩＴ２が互いに向き合うようにして配置されるようになっている。
【００８３】
この場合、第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４は、それぞれの直流端子にＩＴ１，ＩＴ２において対応するもの同士を近接配置させるため、長手方向に若干ずれた配置とすることがより好ましい。
【００８４】
図６に示すように、第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４は、それぞれの直流端子ＩＴ１とＩＴ２が向かい合うように配置されている。すなわち、第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４の直流端子ＩＴ１とＩＴ２は、ハウジング２１０の中央部に配置されており、交流端子ＯＴ１（ＯＴ１ｕ，ＯＴ１ｖ，ＯＴ１ｗ），ＯＴ２（ＯＴ２ｕ，ＯＴ２ｖ，ＯＴ２ｗ）は、ハウジング２１０の側部に配置されている。このような配置とすることにより、交流端子ＯＴ１，ＯＴ２を外部へ出力しやすい構成となる。
【００８５】
直流端子ＩＴ１，ＩＴ２を構成する正極端子ＩＴ１Ｐ，ＩＴ２Ｐ及び負極端子ＩＴ１Ｎ，ＩＴ２Ｎは、接続部ＪＮ１，ＪＮ２による電気的接続を考慮して配置されている。本実施例では、直流端子ＩＴ１の正極端子と直流端子ＩＴ２の正極端子との間の距離は、直流端子ＩＴ１の正極端子と直流端子ＩＴ２の負極端子との間の距離より短くなっている。同様に、直流端子ＩＴ１の負極端子と直流端子ＩＴ２の負極端子との間の距離は、直流端子ＩＴ１の負極端子と直流端子ＩＴ２の正極端子との間の距離より短くなっている。
【００８６】
また、第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４の直流端子ＩＴ１とＩＴ２は、後述する第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール３０４の端子と電気的に接続されるようになっている。本実施例の構成によれば、直流端子ＩＴ１とＩＴ２は互いに向き合って配置されるため、第１のコンデンサモジュール
３０２及び第２のコンデンサモジュール３０４との接続が短距離で行えるため、インダクタンスの低減を図ることができる。
【００８７】
このように、第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４の直流端子ＩＴ１とＩＴ２は、第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４の互いに近接して向き合っている辺の側にそれぞれ並設されて形成される。また、第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４の交流端子ＯＴ１，ＯＴ２は、それぞれ、直流端子ＩＴ１とＩＴ２が形成された辺と平行な他の辺の側にそれぞれ並設されて形成されている。
【００８８】
換言すれば、パワーモジュール１０１の直流端子ＩＴ１，ＩＴ２は、並設された第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４の中央部、すなわちハウジング２１０の中央部に配置される。また、パワーモジュール１０１の交流端子ＯＴは、並設された第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４の外側、すなわちハウジング２１０の端部に配置されている。
【００８９】
結果として、第１のパワーモジュール５０２及び第２のパワーモジュール５０４の直流端子ＩＴ１，ＩＴ２は、それぞれのパワーモジュールに設けられているＩＧＢＴ１１１の間に位置することになる。
【００９０】
交流端子ＯＴ１，ＯＴ２は、いずれも、ハウジング２１０の一側面に設けられた外部接続端子ＯＪ１，ＯＪ２に接続され、外部の回転電機３０，４０に接続されることになる。ただし、これに代えて、ハウジング２１０の例えば対向する二面において、外部接続端子ＯＪ１，ＯＪ２をそれぞれ設けてもよい。
【００９１】
図７は、ハウジング２１０の内部にコンデンサモジュール１０２を配置させた状態を示す平面図である。
【００９２】
本実施例の電力変換装置２００は、コンデンサモジュール１０２を２つ備えている。電力変換装置２００は、第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール３０４を有する。第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール304は、例えば、樹脂材から構成された直方体状のケースにそれぞれ例えば５または６個のフィルムコンデンサ（コンデンサセル）が収納されている。
【００９３】
第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール３０４は、第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４の上方において、それぞれ並列に配置されている。
【００９４】
図８は、第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール３０４を模式的に示した断面図である。第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール３０４の長手方向に直交する平面における断面である。
【００９５】
図８からわかるように、第１のコンデンサモジュール３０２は、接続部ＪＮ１，ＪＮ２に電気的接続するための電極ＥＴ１を備える。同様に、第２のコンデンサモジュールは、接続部ＪＮ１，ＪＮ２に電気的接続するための電極ＥＴ２を備える。電極ＥＴ１，ＥＴ２は、それぞれ、金属板で構成された正極端子と負極端子とが、絶縁シート等の絶縁体を介して積層した積層体としての構成を備えている。金属板は銅または銅合金にて構成されることが好ましいが、これに限られない。
【００９６】
ここで、図８（ａ）は、コンデンサモジュールとパワーモジュール間の正極間での接続部を示したものであり、図８（ｂ）は、負極間での接続部を示したものである。図８(ａ)と（ｂ）に示す断面は、互いに、コンデンサモジュールの長手方向において、隣り合う直流端子ＩＴ１，ＩＴ２の距離だけ移動させた位置関係となっている。
【００９７】
第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール３０４は、若干離間された状態で、それらの底面側において離間部を掛け渡すようにして配置された電極ＥＴ１，ＥＴ２によって、例えば、相互に固定された状態となっている。電極ＥＴ１，ＥＴ２は、それぞれ、第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４の直流端子ＩＴ１，ＩＴ２に接続されている。
【００９８】
電極ＥＴ１とＥＴ２は、図８に示すように、第２のパワーモジュール５０４の直流端子ＩＴ２との接続部ＪＮ１，ＪＮ２において当初から物理的に互いに接続させた状態で構成するようにしてもよく、あるいは、図８の場合とは異なり、予め分離させた状態で構成しておきパワーモジュール１０１の直流端子ＩＴに接続させた段階で互いに物理的に、また、電気的にも接続されるように構成することもできる。
【００９９】
電極ＥＴ１，ＥＴ２と直流端子ＩＴ１，ＩＴ２との接続部ＪＮ１，ＪＮ２は、接続部
ＪＮ１，ＪＮ２を通して直流端子ＩＴに螺入されるねじＳＣ３によって、直流端子ＩＴ１，ＩＴ２のそれぞれに固定され、信頼性のある電気的接続が図られる。
【０１００】
図８に示した第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール３０４、及び、第１のパワーモジュール５０２，第２のパワーモジュール５０４は、図５に示す第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール３０４および第１のパワーモジュール５０２，第２のパワーモジュール５０４に対応するものである。
【０１０１】
以上のとおり、上記実施例によれば、主回路インダクタンスを低減した電力変換装置を提供することができる。また、小型な電力変換装置を提供することができる。
【０１０２】
以上、本発明の一実施例を詳細に説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、技術思想の範囲内で適宜変更可能である。例えば、上記実施例では、コンデンサモジュールはパワーモジュールの上部に配置されているが、これに代えて、コンデンサモジュールをパワーモジュールの下部に設ける構成、または、パワーモジュールの横に配置する構成を採用してもよい。また、上述した各実施例はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の電力変換装置が備えられたハイブリッド電気自動車の一実施例を示すシステム図である。
【図２】本発明の電力変換装置の回路構成図である。
【図３】本発明による電力変換装置の一実施例を示す外観斜視図である。
【図４】本発明による電力変換装置の一実施例を正面壁面側から観た図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線における断面図である。
【図６】本発明の電力変換装置において、ハウジング内部のパワーモジュールの配置を示す平面図である。
【図７】本発明の電力変換装置において、ハウジング内部のコンデンサモジュールの配置を示す平面図である。
【図８】本発明の電力変換装置に備えられた、コンデンサモジュールとパワーモジュールの間の接続部を示す断面図である。
【図９】本発明の電力変換装置に備えられるパワーモジュールの外観斜視図である。
【符号の説明】
【０１０４】
３０  第１の回転電機
４０  第２の回転電機
６０  バッテリ
１００  ハイブリッド電気自動車
１０１  パワーモジュール
１０２  コンデンサモジュール
１１３  前輪
１１４  後輪
１１６  車軸
１２１  エンジン
１２４  エンジン制御装置
１５０  変速機
１５４  変速機制御装置
１６０  デファレンシャルギア
１７０  総合制御装置
１７４  通信回線
１８４  バッテリ制御装置
２００  電力変換装置
２１０  ハウジング
６００  駆動回路基板
７００  制御回路基板
ＩＴ１，ＩＴ２  直流端子
ＯＴ１，ＯＴ２  交流端子
ＯＪ１，ＯＪ２  外部接続端子
ＥＴ１，ＥＴ２  電極
ＪＮ１，ＪＮ２  接続部
【図１】
2008228502.tif 000003
【図２】
2008228502.tif 000004
【図３】
2008228502.tif 000005
【図４】
2008228502.tif 000006
【図５】
2008228502.tif 000007
【図６】
2008228502.tif 000008
【図７】
2008228502.tif 000009
【図８】
2008228502.tif 000010
【図９】
2008228502.tif 000011