(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源に接続された電源平滑用コンデンサと、第１三相巻線又は第１三相巻線と第２三相巻線とを有する三相交流モータの三相巻線に直列接続されて、負荷電流の断続動作を行う複数の単位モジュールを備えるとともに、
前記第１三相巻線又は前記第１三相巻線と前記第２三相巻線には、いずれに対しても一つの三相交流電圧が印加されるか、若しくは、前記第１三相巻線と前記第２三相巻線には、所定の位相差を有する２種類の三相交流電圧が印加され、前記三相交流電圧はいずれも同一周波数による可変周波数となる関係に、複数の前記単位モジュールを開閉制御する制御回路部とを備えた電力変換ユニットであって、
前記電源平滑用コンデンサは、導電性高分子個体アルミ電解コンデンサ又は導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサである複数の単位コンデンサを回路基板によって並列接続したコンデンサ集合体によって構成され、
前記回路基板には、左右方向に延びる複数の正側パターンと負側パターンとが上下方向に交互に配列されていて、隣接する前記正側パターンと負側パターンとの間には複数の前記単位コンデンサが半田接続されているとともに、最下段の前記正側パターンには正側電源端子が接続され、最下段の前記負側パターンには負側電源端子が接続されており、
複数の前記正側パターンの左端及び右端とは、銅又は銅合金製の第１及び第２正側バスバーによって相互に連結され、
複数の前記負側パターンの左端及び右端とは、銅又は銅合金製の第１及び第２負側バスバーによって相互に連結され、
前記第１正側バスバーと前記第１負側バスバーは並行して上下方向に延びて、第１開閉モジュールを構成する３個の単位モジュールの正側電極端子と負側電極端子とがそれぞれ接続されるとともに、前記３個の単位モジューに設けられた交流電極端子は前記第１三相巻線に接続され、
前記第２正側バスバーと前記第２負側バスバーは並行して上下方向に延びて、前記第２三相巻線を有する場合に、第２開閉モジュールを構成する３個の前記単位モジュールの前記正側電極端子と前記負側電極端子とがそれぞれ接続されるとともに、前記３個の単位モジュールに設けられた前記交流電極端子は、前記第２三相巻線に接続されている
電力変換ユニット。
【請求項２】
前記回路基板の前記正側パターンと、隣接する前記負側パターンとの間には３〜５個の前記単位コンデンサが並列接続されたコンデンサ列が構成され、
前記コンデンサ列は、上中下の３段階で配置された前記単位モジュールの左又は右側部に各２列分で合計６列分が隣接配置されるとともに、
上段と中段の前記単位モジュールの中間部と、下段と中段の前記単位モジュールの中間部とにも、それぞれ１列分のコンデンサ列が中間配置され、
更に、最上段のコンデンサ列の上部と、最下段のコンデンサ列の下部にはそれぞれ１列分が外側配置されて、合計で１０列のコンデンサ列を構成している
請求項１に記載の電力変換ユニット。
【請求項３】
前記回路基板は、その表面に前記複数の正側パターンと負側パターンとなる表面導電層が貼り付けられた絶縁基板であり、
前記絶縁基板の裏面には、銅又は銅合金製の伝熱保持板が貼付けられている
請求項１又は請求項２に記載の電力変換ユニット。
【請求項４】
前記単位モジュールは、前記正側電極端子に接続された第１及び第２上流開閉素子の少なくとも一方と、前記負側電極端子に接続された第１及び第２下流開閉素子の少なくとも一方と、前記第１及び第２上流開閉素子に対する上流ゲート駆動端子と、前記第１及び第２下流開閉素子に対する下流ゲート駆動端子と、前記第１及び第２上流開閉素子と前記第１及び第２下流開閉素子との接続点に設けられた前記交流電極端子とを備えた方形体形状のハーフブリッジ回路を構成し、
前記正側電極端子と前記負側電極端子とは、方形体の一対の一辺に偏在配置され、前記交流電極端子は、前記方形体の一対の他辺の対角位置に偏在配置され、
前記上流ゲート駆動端子と前記下流ゲート駆動端子とは、前記方形体の一対の一辺と他辺において、前記正側電極端子と前記負側電極端子であるか、又は前記交流電極端子と並べて配置されている
請求項１又は請求項２に記載の電力変換ユニット。
【請求項５】
前記第１及び第２正側バスバーは、前記回路基板の正側パターンの左端及び右端に半田付けされる複数の半田端子部と、上下に延びる１本のバスバー本体と、複数の接続接近部と正側の溶接接続部とが順次直交折曲されて構成されていて、
前記正側の溶接接続部は、前記回路基板と直交する平面部を構成して、前記単位モジュールの前記正側電源端子と当接する溶接接合面を構成し、
前記第１及び第２負側バスバーは、前記回路基板の負側パターンの左端及び右端に半田付けされる複数の半田端子部と、上下に延びる１本のバスバー本体と、複数の接続接近部と負側の溶接接続部とが順次直交折曲されて構成されていて、
前記負側の溶接接続部は、前記回路基板と直交する平面部を構成して、前記単位モジュールの前記負側電極端子と当接する溶接接合面を構成する
請求項１又は請求項４に記載の電力変換ユニット。
【請求項６】
前記三相交流モータが前記第１三相巻線と前記第２三相巻線を有し、この第１三相巻線と第２三相巻線に対して、相互の位相差αがゼロであるか、又は所定の位相差αを有する一対の三相交流電圧が印加されるものにおいて、
前記回路基板の左側に配置されて、前記第１三相巻線に給電するための前記第１開閉モジュールを構成する３個の前記単位モジュールの接続順序と、
前記回路基板の右側に配置されて、前記第２三相巻線に給電するための前記第２開閉モジュールを構成する３個の前記単位モジュールの接続順序とは、１相分のずれがある交叉接続が行われている
請求項１又は請求項２又は請求項４に記載の電力変換ユニット。
【請求項７】
前記三相交流モータが前記第１三相巻線と前記第２三相巻線を有し、この第１三相巻線と第２三相巻線に対して、前記交叉接続が行われているものにおいて、左右一対の前記単位モジュール間の位相差は１２０＋３０度となっている
請求項６に記載の電力変換ユニット。
【請求項８】
前記直流電源は、電気自動車用の車載バッテリであり、この車載バッテリはＤＣ４８Ｖ系の低電圧バッテリとなっているとともに、前記三相交流モータは車両の走行駆動用のモータとなっており、
前記単位モジュールは、前記正側電極端子に接続された電界効果型トランジスタである第１及び第２上流開閉素子の少なくとも一方と、前記負側電極端子に接続された電界効果型トランジスタである第１及び第２下流開閉素子の少なくとも一方と、前記第１及び第２上流開閉素子に対する上流ゲート駆動端子と、前記第１及び第２下流開閉素子に対する下流ゲート駆動端子と、前記第１及び第２上流開閉素子と前記第１及び第２下流開閉素子との接続点に設けられた前記交流電極端子ＡＣを備えていて、
前記制御回路部は、前記直流電源の電源電圧を降圧して安定化制御電圧を生成する定電圧電源部と、この定電圧電源部から給電されて動作するマイクロプロセッサを包含し、前記マイクロプロセッサは、前記第１開閉モジュール又は前記第１開閉モジュールと前記第２開閉モジュールを開閉制御して、前記第１三相巻線又は前記第１三相巻線と前記第２三相巻線を有する三相交流モータのそれぞれの巻線に対し、三相交流電圧を供給するゲート信号を発生するとともに、車両の惰性運転又は降坂運転時には前記三相交流モータの発電電圧によって車載バッテリの回生充電制御又は発電制動制御を行うものであり、
前記複数の単位モジュールと、前記回路基板とは冷却水路を有する冷却板に伝熱搭載されており、この伝熱搭載面の反対側には前記制御回路部を構成する制御基板が配置されて、前記複数の単位モジュールに対する第１又は第１及び第２ゲート信号を送出する前記上流ゲート駆動端子及び前記下流ゲート駆動端子が接続されている
請求項１又は請求項２又は請求項４又は請求項６に記載の電力変換ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば車両走行用の三相交流モータの駆動回路で使用される電力変換ユニット、特には、この電力変換ユニット内の大電流電源回路の構成配置の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直列接続されたリチウムイオン電池によって、３００Ｖ〜４００Ｖの出力電圧を発生する車載バッテリの直流電圧を交流電圧に変換して、車両走行用の三相交流モータを回転駆動したり、降坂運転や減速運転時のモータの惰性回転による三相交流発電電圧を、直流電圧に整流して車載バッテリの回生充電を行う電力変換ユニットは広く実用されている。ここで使用されるモータ（モータ・ジェネレータ）は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の一組の三相巻線を有するもの、或いは大電流が流れる太線の巻線作業を容易化するために、中太の２本線を用いて巻線を行い、これをモータの出口で並列接続して結果的には一組の三相巻線としたもの、或いは、中太の２本線を個別にしてＵ１、Ｖ１、Ｗ１相と、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２相の二組の三相巻線を備えたものがある。【０００３】
また、モータに接続される開閉モジュールには、一組の三相交流電圧を発生して一組の三相巻線に供給するもの、或いは、二組の三相交流電圧を発生して二組の三相巻線に供給するが、二組の三相交流電圧は同一位相のものであって、結果的には一組の三相交流電圧で動作する同相二重三相方式のものと、二組の三相交流電圧には例えば３０度の位相差が設けられていて、これによってモータの回転リップル変動（ｃｏｇｇｉｎｇ）を抑制する傾斜二重三相方式のものがあり、同相二重三相方式の場合はモータ電流（負荷電流）を断続する開閉素子の発熱分散を行うことが目的となっている。一方、複数の開閉素子を一体化した開閉モジュールによって、負荷電流が断続制御されることに伴う電源電圧の脈動変動を抑制するために、直流電源部には電源平滑用コンデンサが使用されているが、このコンデンサに蓄積される静電エネルギーは充電電圧の二乗と静電容量との積で定まるので、同じ静電エネルギーを蓄積するためには系電圧を高くしておいた方が小さな静電容量のコンデンサを使用することができる。逆に、系電圧を低くすると、大きな静電容量が必要となる一方で、コンデンサの体積は小型化されるものの、コンデンサの並列接続には注意が必要となり、分流するリップル電流の均等化が必要となる。【０００４】
例えば、下記の特許文献１「電力変換用パワーユニット」の図１、図１２によれば、フィルムコンデンサと推測される２４個の単位コンデンサ９ｕを含む平滑コンデンサ９が大電流配線基板１５上に集中配列され、６個のバイポーラトランジスタによって構成されたパワーモジュール１に接続されて三相モータ１２に給電するようになっており、図３、図１４の場合には、フィルムコンデンサと推測される２４×２個の単位コンデンサ９ｕを含む平滑コンデンサ９ａ、９ｂが大電流配線基板１５の表裏に集中配列され、それぞれが６個のバイポーラトランジスタによって構成され一対のパワーモジュール１ａ、１ｂに接続されて二重三相モータ１２ａに給電するようになっている。【０００５】
一方、下記の特許文献２「電力変換装置」の図１、図２、図１７、段落００２５、００２６、００３１によれば、例えば３００Ｖの直流電源１２は昇圧器１１によって６００Ｖに昇圧されて、フィルムコンデンサと推測されるコンデンサ２に印加され、正負２個のバイポーラトランジスタ３２ａ、３２ｂによって構成された６個の半導体モジュール３を介して二重三相交流モータ１３に給電するようになっている。そして、それぞれの半導体モジュール３の直流端子３０と、コンデンサ２の電極端子２０とは個別にねじ締め接続（図１７参照）され、電流分散と寄生インダクタンスの低減を図るようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３５２７６７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１０４２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
（１）従来技術の課題の説明
前記特許文献１による「電力変換用パワーユニット」は、多数の単位コンデンサを並列接続する配線基板の面積が大きく、パワーモジュールとの間の距離が長くなるために、寄生インダクタンスによるノイズ電圧が発生するとともに、多数の単位コンデンサに流れるリップル電流の均等化が行えない問題点がある。前記特許文献２による「電力変換装置」は、高電圧化によってコンデンサの容量と使用個数を削減し、モジュールとコンデンサ間の距離を短縮しているが、耐圧を高めるために各部の絶縁距離を大きくして漏電防止対策を図る必要があるとともに、感電に対する危険性が高くなる問題点がある。【０００８】
（２）発明の目的の説明
この発明は、感電被害を軽減するために電源電圧を低減した直流電源から、三相交流モータに交流電力を供給する電力変換ユニット、特には、低電圧化に伴う駆動電流の増大と、電源平滑用コンデンサの静電容量の増大に対応して、大型化を抑制することができる電力変換ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明による電力変換ユニットは、直流電源に接続された電源平滑用コンデンサと、第１三相巻線又は第１三相巻線と第２三相巻線とを有する三相交流モータの三相巻線に直列接続されて、負荷電流の断続動作を行う複数の単位モジュールを備えるとともに、前記第１三相巻線又は前記第１三相巻線と前記第２三相巻線には、いずれに対しても一つの三相交流電圧が印加されるか、若しくは、前記第１三相巻線と前記第２三相巻線には、所定の位相差を有する２種類の三相交流電圧が印加され、前記三相交流電圧はいずれも同一周波数による可変周波数となる関係に、複数の前記単位モジュールを開閉制御する制御回路部とを備えた電力変換ユニットであって、前記電源平滑用コンデンサは、導電性高分子個体アルミ電解コンデンサ又は導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサである複数の単位コンデンサを回路基板によって並列接続したコンデンサ集合体によって構成され、前記回路基板には、左右方向に延びる複数の正側パターンと負側パターンとが上下方向に交互に配列されていて、隣接する前記正側パターンと負側パターンとの間には複数の前記単位コンデンサが半田接続されているとともに、最下段の前記正側パターンには正側電源端子が接続され、最下段の前記負側パターンには負側電源端子が接続されている。【００１０】
そして、複数の前記正側パターンの左端及び右端とは、銅又は銅合金製の第１及び第２正側バスバーによって相互に連結され、複数の前記負側パターンの左端及び右端とは、銅又は銅合金製の第１及び第２負側バスバーによって相互に連結され、前記第１正側バスバーと前記第１負側バスバーは並行して上下方向に延びて、第１開閉モジュールを構成する３個の単位モジュールの正側電極端子と負側電極端子とがそれぞれ接続されるとともに、前記３個の単位モジューに設けられた交流電極端子は前記第１三相巻線に接続され、前記第２正側バスバーと前記第２負側バスバーは並行して上下方向に延びて、前記第２三相巻線を有する場合に、第２開閉モジュールを構成する３個の前記単位モジュールの前記正側電極端子と前記負側電極端子とがそれぞれ接続されるとともに、前記３個の単位モジュールに設けられた前記交流電極端子は、前記第２三相巻線に接続されている。
【発明の効果】
【００１１】
以上のとおり、この発明による電力変換ユニットは、直流電力を交流電力に変換して三相交流モータを駆動するための電源平滑コンデンサと、それぞれが３個の単位モジュールを含む第１開閉モジュール又は第１及び第２開閉モジュールと、制御回路部とによって構成されていて、前記電源平滑コンデンサは、導電性高分子アルミ電解コンデンサである複数の単位コンデンサを回路基板上の複数列の回路パターンに配列して並列接続し、この回路パターンの両側に設けられた正負のバスバーを介して前記単位モジュールのそれぞれと接続されるようになっている。【００１２】
従って、小容量で多数の単位コンデンサを回路基板上に高密度に配列して小型化を図るとともに、単位コンデンサ１個当たりのリップル電流を抑制することができ、静電容量Ｃの値に比例するリップル電流と、その二乗値と等価直列抵抗ＥＳＲとの積で定まるコンデンサの内部損失に伴う温度上昇を抑制して、コンデンサ寿命の低下を防止することができる効果がある。また、複数の単位コンデンサの取付面は、正負の回路パターンを絶縁分離するための細隙部以外は、電源パターンで占められているとともに、正負の回路パターン間は銅又は銅合金製のバスバーで連結されているので、直流電源に接続される正負の電源端子と、複数の単位コンデンサの正負の電源端子と、単位モジュールの正負の電極端子との間の配線インピーダンスが小さくなって、ノイズ発生を抑制することができる効果がある。更に、単位コンデンサを表面実装部品とすれば、正負のバスバーとともに一つの半田処理工程によって半田付け処理を行って、作業工程を短縮することができる効果がある。なお、導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサには、コンデンサの誘電体となる酸化膜の修復を促す電解液が含浸されていて、自己修復による短絡故障の回避と、これに伴う高電圧化機能を備え、信頼性を向上することができるコンデンサとなっている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１による電力変換ユニットの全体回路ブロック図である。
【図２】図１のものの内部構造の平面図である。
【図３】図２のものの単位コンデンサを除外した平面図である。
【図４】図１のものの単位コンデンサの取付断面図である。
【図５】図１のものの主要部全体の組付断面図である。
【図６Ａ】図１のものの単位モジュールの内部構成図である。
【図６Ｂ】図１のものの単位モジュールの端子配置を示した外観図である。
【図７】図１のものの電力回路構成図である。
【図８】図１のものの加算電流波形説明用の特性線図である。
【図９】この発明の実施の形態２による電力変換ユニットの全体回路ブロック図である。
【図１０】図９のものの電力回路構成図である。
【図１１】図９のものの第１加算電流波形説明用の特性線図である。
【図１２】図９のものの第２加算電流波形説明用の特性線図である。
【図１３】図９のものの第３加算電流波形説明用の特性線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
（１）構成の詳細な説明
以下、この発明の実施の形態１による電力変換ユニットの全体回路ブロック図である図１について、その構成を詳細に説明する。図１において、電力変換ユニット１００Ａは、直流電源端子台１４０に設けられた正側電源端子Ｐと負側電源端子Ｎを介して直流電源２００から給電され、その給電回路には電源スイッチ２０１が設けられていて、直流電源２００は、例えばＤＣ４８Ｖの低電圧系のバッテリである。電力変換ユニット１００Ａに設けられた第１交流電源端子１４１は、第１負荷配線４０１を介して三相交流モータ３００の第１三相巻線３０１に設けられた第１Ｕ相端子Ｕ１と第１Ｖ相端子Ｖ１と第１Ｗ相端子Ｗ１に接続されている。電力変換ユニット１００Ａに設けられた第２交流電源端子１４２は、第２負荷配線４０２を介して三相交流モータ３００の第２三相巻線３０２に設けられた第２Ｕ相端子Ｕ２と第２Ｖ相端子Ｖ２と第２Ｗ相端子Ｗ２に接続されている。
【００１５】
但し、第２三相巻線３０２が内部短絡線３０３によって第１三相巻線３０１と並列接続されていて、見かけ上では三相交流モータ３００が第１三相巻線３０１のみを有するものである場合には、第２負荷配線４０２は削除され、電力変換ユニット１００Ａ内にある後述の第２開閉モジュール１２２Ａも削除されるものである。電力変換ユニット１００Ａは、複数の単位コンデンサ１１３を並列接続して、正側電源端子Ｐと負側電源端子Ｎとの間に接続するための回路基板１１０と、それぞれが３個の単位モジュール９０で構成された第１開閉モジュール１２１Ａ及び第２開閉モジュール１２２Ａと、第１及び第２開閉モジュール１２１Ａ、１２２Ａに対して第１及び第２ゲート信号１３１、１３２を発生する制御回路部１３０とによって構成されていて、制御回路部１３０は定電圧電源部１３３とマイクロプロセッサ１３４を備えている。そして、各単位モジュール９０は、回路基板１１０の左右に配置されて正側電源端子Ｐと負側電源端子Ｎに接続され、内蔵された後述の開閉素子を介して交流出力を発生するようになっている。
【００１６】
なお、以下の図面において、直流電源端子台１４０の位置を下方とし、第１交流電源端子１４１の位置を左方としたのは、便宜上の表現であって、本願は左右、上下の勝手違い品の全てを包含するものである。次に、図１のものの内部構造の平面図である図２と、図２のものの単位コンデンサを除外した平面図である図３について、その構成を詳細に説明する。図２において、回路基板１１０は、図４、図５で後述する伝熱保持板１１５を介して冷却板１５０にねじ止め固定されていて、この回路基板１１０には４０個の単位コンデンサ１１３が搭載されているとともに、正側電源端子Ｐに接続される第１及び第２正側バスバー１１１ｐ、１１２ｐが左右に配置され、負側電源端子Ｎに接続される第１及び第２負側バスバー１１１ｎ、１１２ｎが左右に配置されている。回路基板１１０の左右に配置された各３個の単位モジュール９０は、第１又は第２正側バスバー１１１ｐ、１１２ｐに溶接接続される正側電極端子Ｐｍと、第１又は第２負側バスバー１１１ｎ、１１２ｎに溶接接続される負側電極端子Ｎｍと、第１又は第２交流電源端子１４１、１４２に接続される交流電極端子ＡＣ（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）を備え、第１又は第２押さえ板１２３、１２４によって冷却板１５０に圧接固定されている。
【００１７】
図３において、回路基板１１０には複数の正側パターン１１０ｐと負側パターン１１０ｎとが交互に左右方向に延長されており、各負側パターン１１０ｎの左端と右端には、上下に延びる第１及び第２負側バスバー１１１ｎ、１１２ｎの半田端子部１ｎ（図３右下の窓枠１０内のＡ視図参照）が半田付けされて、このバスバーによって相互に並列接続されている。同様に、各正側パターン１１０ｐの左端と右端には、上下に延びる第１及び第２正側バスバー１１１ｐ、１１２ｐの半田端子部１ｐ（図３右下の窓枠１０内のＢ視図参照）が半田付けされて、このバスバーによって相互に並列接続されている。そして、最下段の正側パターン１１０ｐは直流電源端子台１４０に固定されている正側電源端子Ｐに半田つけされ、最下段の負側パターン１１０ｎは直流電源端子台１４０に固定されている負側電源端子Ｎに半田つけされている。点線の円形で示された位置には単位コンデンサ１１３が搭載されて、隣接する一対の正側パターン１１０ｐと負側パターン１１０ｎとの間に半田付けされるようになっている。なお、図３の左下に示したシンボル５は正側電極又は正側パターンを示し、シンボル６は負側電極又は負側パターンを示し、シンボル７は半田つけ部を示している。
【００１８】
また、図３の右下における窓枠１０は第２負側バスバー１１２ｎと第２正側バスバー１１２ｐの端面を示したものであり、上下に延びるバスバー本体２ｎ、２ｐには、負側パターン１１０ｎ及び正側パターン１１０ｐと半田付けされる半田端子部１ｎ、１ｐと、その反対位置で逆方向に直角折曲された接続接近部３ｎ、３ｐと、更に直角折曲されてバスバー本体２ｎ、２ｐと並行になる溶接接続部４ｎ、４ｐが設けられている。第１開閉モジュール１２１Ａを構成する３個の単位モジュール９０に設けられた正側電極端子Ｐｍは、第１正側バスバー１１１ｐの溶接接続部４ｐと当接して溶接接続され、負側電極端子Ｎｍは、第１負側バスバー１１１ｎの溶接接続部４ｎと当接して溶接接続されるようになっている。同様に、第２開閉モジュール１２２Ａを構成する３個の単位モジュール９０に設けられた正側電極端子Ｐｍは、第２正側バスバー１１２ｐの溶接接続部４ｐと当接して溶接接続され、負側電極端子Ｎｍは、第２負側バスバー１１２ｎの溶接接続部４ｎと当接して溶接接続されるようになっている。
【００１９】
この実施例においては、一つのコンデンサ列には４個の単位コンデンサ１１３が並列接続されているとともに、全体として１０列のコンデンサ列が設けられており、その内訳としては、左右一対の単位モジュール９０の側面部に対して２列分（小計６列）が隣接配置され、上中又は中下の単位モジュール（Ｍｕ１とＭｖ１又はＭｖ１とＭｗ１、或いは、Ｍｕ２とＭｖ２又はＭｖ２とＭｗ２）の中間側部に対して各１列分（小計２列）が中間配置され、最上部と最下部には各１列分（小計２列）のコンデンサ列が外側配置されている。なお、外側配置の２列分は、本来は上下の単位モジュール９０に対して中間配置される１列分のコンデンサ列に相当しているので、全体バランスを考慮すると１列内の単位コンデンサ１１３の並列個数は２個又は３個に削減しておくことも可能である。また、図２、図３の構成では、第１及び第２正側バスバー１１１ｐ、１１２ｐの内側に第１及び第２負側バスバー１１１ｎ、１１２ｎを配置したが、これを反対にしてもよく、バスバーの材料としては高導電性の銅又は銅合金が使用されている。
【００２０】
次に、図１のものの単位コンデンサの取付断面図である図４と、図１のものの主要部全体の組付断面図である図５について、その構成を詳細に説明する。図４において、単位コンデンサ１１３は樹脂製の回路基板１１０の表面に設けられた複数の正側パターン１１０ｐと負側パターン１１０ｎとの間に半田つけされており、この図では紙面の表裏の方向に４個の単位コンデンサ１１３が接続されていることになる。また、回路基板１１０の裏面には、銅又は銅合金製の伝熱保持板１１５が貼付けられていて、これにより多数の単位コンデンサ１１３の温度の均一化を図るとともに、回路基板１１０の熱変形を防止するためにバスバーと同じ線膨張係数のものが使用されている。なお、半田端子部１ｎを有する第２負側バスバー１１２ｎは、ジャンパ部５ｎによって正側パターン１１０ｐの上面部を通過し、ジャンパ線としての役割を果たしている。
【００２１】
図５において、伝熱保持板１１５と一体化された回路基板１１０と、第１及び第２開閉モジュール１２１Ａ、１２２Ａとは、伝熱グリース１５４を介して冷却板１５０に圧接固定されており、冷却板１５０は冷却水路１５１を内蔵して、この冷却水路１５１には冷却水の注入口１５２と排水口１５３とが設けられている。制御回路部１３０を構成する制御基板１３５は、図示しない固定部材を介して冷却板１５０に固定されていて、この制御基板１３５には定電圧電源部１３３から、例えばＤＣ５Ｖの安定化された制御電圧が供給されるマイクロプロセッサ１３４が搭載されている。また、第１及び第２開閉モジュール１２１Ａ、１２２Ａを構成する単位モジュール９０の正側電極端子Ｐｍと負側電極端子Ｎｍとは、溶接部２１、２２において第１及び第２正側バスバー１１１ｐ、１１２ｐの溶接接続部４ｐと、第１及び第２負側バスバー１１１ｎ、１１２ｎの溶接接続部４ｎと溶接接合されている（図２、図３参照）。
【００２２】
更に、単位モジュール９０の交流電極端子ＡＣは、第１交流電源端子１４１（Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１）及び第２交流電源端子１４２（Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２）と接続されるようになっている。また、図６Ａ、図６Ｂで後述する上流ゲート駆動端子９５と下流ゲート駆動端子９６とは、制御基板１３５に対して直接半田接続されている。次に、図１のものの単位モジュールの内部構成図である図６Ａと、図１のものの単位モジュールの端子配置を示した外観図である図６Ｂについて、その構成を詳細に説明する。図６Ａにおいて、単位モジュール９０は、正側電極端子Ｐｍと交流電極端子ＡＣとの間に接続された第１及び第２上流開閉素子９１、９２の並列回路と、負側電極端子Ｎｍと交流電極端子ＡＣとの間に接続された第１及び第２下流開閉素子９３、９４の並列回路を主体として構成され、各開閉素子にはＮチャネル型の電界効果型トランジスタが使用されている。そして、一対の上流ゲート駆動端子９５、９５には、第１及び第２上流開閉素子９１、９２を閉路駆動するための第１又は第２ゲート信号１３１、１３２（図１参照）が付与されるとともに、一対の下流ゲート駆動端子９６、９６には、第１及び第２下流開閉素子９３、９４を閉路駆動するための第１又は第２ゲート信号１３１、１３２（図１参照）が付与されるようになっている。
【００２３】
図６Ｂにおいて、単位モジュール９０は、樹脂封止されて一体化され、その左右の対辺位置の一辺には、正側電極端子Ｐｍと負側電極端子Ｎｍ、及び上流ゲート駆動端子９５が設けられ、他辺には、交流電極端子ＡＣと下流ゲート駆動端子９６とが設けられている。なお、正側電極端子Ｐｍと負側電極端子Ｎｍとは、図２、図３で示したとおり第１及び第２正側バスバー１１１ｐ、１１２ｐと、第１及び第２負側バスバー１１１ｎ、１１２ｎの溶接接続部４ｐ、４ｎに対して溶接接続され、交流電極端子ＡＣは、図１、図５で示すとおり第１交流電源端子１４１のＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相端子と、第２交流電源端子１４２のＵ２相、Ｖ２相、Ｗ２相端子となっている。また、上流ゲート駆動端子９５と下流ゲート駆動端子９６とは、図５で示すとおり制御基板１３５に接続するための接続ピンの役割を果たしている。
【００２４】
次に、図１のものの電力回路構成図である図７について、その構成を詳細に説明する。図７において、三相交流モータ３００の第１三相巻線３０１に接続される３個の単位モジュール９０は第１開閉モジュール１２１Ａを構成し、第２三相巻線３０２に接続される３個の単位モジュール９０は第２開閉モジュール１２２Ａを構成し、直流電源電圧が印加される正側電源端子Ｐと負側電源端子Ｎとの間には、多数の単位コンデンサ１１３を並列接続して、電源平滑用コンデンサを構成する回路基板１１０が設けられている。６個の単位モジュール９０は、上下各２個の並列トランジスタによるハーフブリッジ回路を構成して、回路基板１１０を介して平滑化された直流電源電圧が印加され、３個の単位モジュールによって一つの三相交流出力を発生するようになっている。なお、一つの単位モジュール９０は二相ブリッジ回路の交流出力端子を内部又は直近外部で短絡接続したものに相当しており、低出力の三相交流モータである場合には並列トランジスタを廃止して、上下単独のトランジスタによるハーフブリッジ回路とすることもできるものである。
【００２５】
（２）作用・動作の詳細な説明
以下、図１から図７のとおり構成されたこの発明の実施の形態１による電力変換ユニット１００Ａについて、その作用・動作を詳細に説明する。まず、全体回路ブロック図を示す図１において、電源スイッチ２０１が閉路されると、正側電源端子Ｐと負側電源端子Ｎとの間には直流電源２００による直流電圧が印加され、回路基板１１０に搭載されて並列接続された多数の単位コンデンサ１１３によって平滑化された直流電圧が、正負のバスバーを介してハーフブリッジ回路を構成する単位モジュール９０に印加されるとともに、制御回路部１３０内の定電圧電源部１３３は所定の安定化電圧を発生してマイクロプロセッサ１３４が動作を開始する。マイクロプロセッサ１３４は、単位モジュール９０内の上流及び下流の開閉素子を断続制御して、３個の単位モジュールによって疑似正弦波による一組の三相交流電圧を生成し、この三相交流電圧の周波数は目標とするモータ回転速度に比例して可変設定できるようになっている。
【００２６】
マイクロプロセッサ１３４はまた、ロータの回転センサによってその回転位置を検出し、三相巻線による回転磁界をロータの回転よりも進相にするか遅相にするかによって力行運転又は回生充電による制動運転を行うようになっている。多数の単位コンデンサ１１３によって構成された電源平滑用コンデンサは、単位モジュール９０に流入又は流出する負荷電流又は回生電流の断続動作に伴って、電源線の寄生インピーダンスによる電圧変動を平滑化するものであって、コンデンサによって蓄積可能な静電エネルギーを大きくすると電圧変動の抑制効果が大きくなる。その静電エネルギーは充電電圧の二乗値と静電容量の積に比例しており、電気自動車に使用されるモータ駆動用の直流電圧は３００〜４００Ｖが一般的であるのに対し、接触感電が発生しないとされるＤＣ６０Ｖ未満の駆動電圧とするためにはＤＣ４８Ｖ系の車載バッテリを使用する必要があるので、同じ静電エネルギーを蓄積するためには３００／４８＝６．２５、６．２５×６．２５＝３９となって、３９倍の静電容量のコンデンサを使用する必要がある。
【００２７】
但し、耐圧を下げるとコンデンサは小型化されて大きな静電容量を得ることができる側面はあるものの、実態としては多くのコンデンサを並列接続して使用する必要がある。このような用途に適したコンデンサとしては、誘導性高分子アルミ個体電解コンデンサが知られているが、多数のコンデンサを並列接続すると、個々のコンデンサの静電容量と等価直列抵抗とのバラツキ変動によって、その温度上昇にバラツキ変動が発生して、著しく寿命低下するものが発生することに注意が必要となる。その対応策の一つは、まずは電源配線の寄生インピーダンスを削減することであり、更には少数の大容量のコンデンサを並列接続するよりは、大量の小容量コンデンサを並列接続して１個当たりのコンデンサのリップル電流を抑制し、更には、単位コンデンサの温度が均一化されるような伝熱機構を設け、更には、コンデンサの静電容量のバラツキ変動を抑制した選別品を使用することである。
【００２８】
次に、内部構造図である図２において、単位コンデンサ１１３は左右に４個が並列接続されていて、上下方向には１０列のコンデンサ列が配置されている。その内の第２列と第３列のコンデンサ列は、上段位置の単位モジュール９０の直近位置に隣接配置されており、同様に中段と下段の単位モジュール９０には、第５列、第６列のコンデンサ列と．第８列、第９列のコンデンサ列が隣接配置されている。また、上段と中段の単位モジュール９０との中間位置には第４列のコンデンサ列が中間配置されているとともに、中段と下段の単位モジュール９０との中間位置には第７列のコンデンサ列が中間配置されている。なお、中間配置された第４列又は第７列の単位コンデンサ１１３には、Ｕ相とＶ相、又はＶ相とＷ相の電流が流れるが、これらの相の電流は同時には最大値となることがなく、分散して流れることによって負担が軽減されている。更に、第１列のコンデンサ列は上段位置の単位モジュール９０の上部位置、第１０列のコンデンサ列は下段位置の単位モジュール９０の下部位置に外側配置されていて、Ｕ相とＷ相に対応したコンデンサ群の個数と、Ｖ相に対応したコンデンサ群の個数とが略等しくなるようになっている。
【００２９】
次に、単位コンデンサを除外した回路基板の平面図と、単位コンデンサの取付断面図である図３、図４において、大電流が流れる単位モジュール９０の正側及び負側電極端子Ｐｍ、Ｎｍは、銅製又は銅合金製の低抵抗の第１、第２の正側バスバー１１１ｐ、１１２ｐと、第１、第２の負側バスバー１１１ｎ、１１２ｎとによって正側及び負側電源端子Ｐ、Ｎと直接接続されて、電源線による電圧降下が抑制されているとともに、回路基板１１０は幅広で短小の正側パターン１１０ｐと負側パターン１１０ｎによって覆われていて、正側パターン１１０ｐと負側パターン１１０ｎとの間の微小なパターン間隔ΔＧ（図４参照）の部分を除いて略全面が電源パターンとなっている。そして、表面実装部品である単位コンデンサ１１３が、正側及び負側パターン１１０ｐ、１１０ｎ間に半田つけされて正負のバスバーに短距離接続され、リップル電流による電圧降下が抑制されている。
【００３０】
次に、主要部全体の組付断面図と、単位モジュールの内部構成図とその端子配置図である図５、図６Ａ、図６Ｂにおいて、伝熱保持板１１５と一体化された回路基板１１０と、第１及び第２開閉モジュール１２１Ａ、１２２Ａとは、伝熱グリース１５４を介して冷却板１５０に圧接固定され、冷却板１５０は冷却水路１５１を内蔵して、この冷却水路１５１には冷却水の注入口１５２と排水口１５３とが設けられているので、発熱部分が均等に冷却されるとともに、制御基板１３５と第１及び第２開閉モジュール１２１Ａ、１２２Ａとの信号接続部分や、回路基板１１０と第１及び第２開閉モジュール１２１Ａ、１２２Ａとの電力接続部分は接触部分を持たないで一体化されている。なお、単位モジュール９０の端子配列は、共通の単位モジュール９０を回路基板１１０の左右位置に取付け可能な対象構造になっているとともに、左右位置における正側電極端子Ｐｍと負側電極端子Ｎｍとの位置が上下に対角交叉しているので、それぞれが異なるコンデンサ列に対向して、コンデンサに流れる電流を分散するようになっている。
【００３１】
次に、電力回路構成図である図７において、第１及び第２開閉モジュール１２１Ａ、１２２Ａ内の各単位モジュール９０が、第１及び第２三相巻線３０１、３０２に対する負荷電流の断続動作を行って脈動電流が流れると、直流電源２００から単位モジュール９０の正側及び負側電極端子Ｐｍ、Ｎｍ間の電源配線に含まれる寄生インピーダンスと直流電源２００の内部抵抗に起因する脈動電圧変動が発生し、これを補うために単位モジュール９０の近接位置に設けられた電源平滑用コンデンサから脈動電流が流出、流入することになる。そして、実施の形態１では、第１及び第２開閉モジュール１２１Ａ、１２２Ａの相順序が同列に配置されているので、疑似正弦波形で示されるＵ１相の負荷電流が最大値Ｉｍであるときに、Ｕ２相の負荷電流も最大値Ｉｍとなり、Ｕ１、Ｕ２相に対応したコンデンサ列（隣接配置２列と中間配置１列と外側配置１列の合計４列分）は、同時刻に最大電流Ｉｍの２倍の負荷電流に対応した脈動電流を抑制する必要がある。
【００３２】
なお、第１三相巻線３０１に対する第１三相電圧と、第２三相巻線３０２に対する第２三相電圧との間に位相差αとして例えば３０度の位相差を与えておくと、同時刻に最大電流Ｉｍが流れなくなるので、最大電流Ｉｍの１．９３倍（ｓｉｎ１０５＋ｓｉｎ７５＝１．９３）の負荷電流に対応した脈動電流を抑制すればよいことになる。これを図８で示す加算電流波形説明用の特性線図に基づいて説明する。図８（Ａ）において、Ｕ１相基本波形８０１はＵ１相の単位モジュール９０に流入する負荷電流を波高値Ｉｍの正弦波で示したものであるが、実際には多段階の疑似正弦波となっており、この疑似正弦波には単位モジュール９０内の開閉素子の断続動作に伴う高周波のリップル電流が重畳されている。図８（Ｂ）において、Ｕ２相基本波形８０２はＵ２相の単位モジュール９０に流入する負荷電流を波高値Ｉｍの正弦波で示したものであるが、Ｕ１相基本波形８０１に比べて３０度の遅れ位相となっている。そして、Ｕ２相基本波形８０２の疑似正弦波には単位モジュール９０内の開閉素子の断続動作に伴う高周波のリップル電流が重畳されていることは同様である。
【００３３】
図８（Ｃ）において、Ｕ２後移動加算波形８１２は、Ｕ１相基本波形８０１の瞬時値とＵ２相基本波形８０２の瞬時値とを加算して得られる電流波形であって、その最大値は位相角１０５度において１．９３Ｉｍとなっている。なお、正弦波の波高値Ｉｍは、三相交流モータ３００に対する回転負荷トルクの大小に応じて変化するとともに、回転負荷トルクの増大によって波高値Ｉｍが大きくなると、これに伴って重畳される高周波のリップル電流の振幅も大きくなるので、波高値Ｉｍはリップル電流の振幅の大きさの指標となるものである。また、電源平滑用コンデンサは高周波のリップル電流と電源線の寄生インピーダンスとの積である高周波のリップル電圧を抑制するためのものであり、指標となる基本波の波高値Ｉｍが大きくなって、リップル電流の振幅が大きくなると、リップル電圧の振幅も大きくなる。
【００３４】
従って、上段位置の左右の単位モジュール９０の中間位置にある４列分の単位コンデンサ１１３を、一つの上段コンデンサ群と見れば、左右一対の単位モジュール９０の波高値が同時刻に重ならないようにすることが望ましい。しかし、図８（Ｃ）の場合には、重なりの分散効果が少なく、リップル電流の抑制効果は僅少であって、これに対する改善は後述する実施の形態２において詳述する。
【００３５】
（３）実施の形態１の要点と特徴
以上の説明で明らかなとおりこの発明の実施の形態１による電力変換ユニットは、直流電源２００に接続された電源平滑用コンデンサと、第１三相巻線３０１又は第１三相巻線３０１と第２三相巻線３０２とを有する三相交流モータ３００の三相巻線に直列接続されて、負荷電流の断続動作を行う複数の単位モジュール９０を備えるとともに、前記第１三相巻線３０１又は前記第１三相巻線３０１と前記第２三相巻線３０２には、いずれに対しても一つの三相交流電圧が印加されるか、若しくは、前記第１三相巻線３０１と前記第２三相巻線３０２には、所定の位相差を有する２種類の三相交流電圧が印加され、前記三相交流電圧はいずれも同一周波数による可変周波数となる関係に、複数の前記単位モジュール９０を開閉制御する制御回路部１３０とを備えた電力変換ユニット１００Ａであって、前記電源平滑用コンデンサは、導電性高分子個体アルミ電解コンデンサ又は導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサである複数の単位コンデンサ１１３を回路基板１１０によって並列接続したコンデンサ集合体によって構成され、前記回路基板１１０には、左右方向に延びる複数の正側パターン１１０ｐと負側パターン１１０ｎとが上下方向に交互に配列されていて、隣接する前記正側パターン１１０ｐと負側パターン１１０ｎとの間には複数の前記単位コンデンサ１１３が半田接続されているとともに、最下段の前記正側パターン１１０ｐには正側電源端子Ｐが接続され、最下段の前記負側パターン１１０ｎには負側電源端子Ｎが接続されている。
【００３６】
そして、複数の前記正側パターン１１０ｐの左端及び右端とは、銅又は銅合金製の第１及び第２正側バスバー１１１ｐ、１１２ｐによって相互に連結され、複数の前記負側パターン１１０ｎの左端及び右端とは、銅又は銅合金製の第１及び第２負側バスバー１１１ｎ、１１２ｎによって相互に連結され、前記第１正側バスバー１１１ｐと前記第１負側バスバー１１１ｎは並行して上下方向に延びて、第１開閉モジュール１２１Ａを構成する３個の単位モジュール９０の正側電極端子Ｐｍと負側電極端子Ｎｍとがそれぞれ接続されるとともに、前記３個の単位モジュール９０に設けられた交流電極端子ＡＣは前記第１三相巻線３０１に接続され、前記第２正側バスバー１１２ｐと前記第２負側バスバー１１２ｎは並行して上下方向に延びて、前記第２三相巻線３０２を有する場合に、第２開閉モジュール１２２Ａを構成する３個の前記単位モジュール９０の前記正側電極端子Ｐｍと前記負側電極端子Ｎｍとがそれぞれ接続されるとともに、前記３個の単位モジュール９０に設けられた前記交流電極端子ＡＣは、前記第２三相巻線３０２に接続されている。
【００３７】
前記回路基板１１０の前記正側パターン１１０ｐと、隣接する前記負側パターン１１０ｎとの間には３〜５個の前記単位コンデンサ１１３が並列接続されたコンデンサ列が構成され、前記コンデンサ列は、上中下の３段階で配置された前記単位モジュール９０の左又は右側部に各２列分で合計６列分が隣接配置されるとともに、上段と中段の前記単位モジュール９０の中間部と、下段と中段の前記単位モジュール９０の中間部とにも、それぞれ１列分が中間配置され、更に、最上段のコンデンサ列の上部と、最下段のコンデンサ列の下部にはそれぞれ１列分が外側配置されて、合計で１０列のコンデンサ列を構成している。
【００３８】
以上のとおり、この発明の請求項２に関連し、電源平滑用コンデンサを構成するための回路基板には１列当りで３〜５個の単位コンデンサが並列接続されているとともに、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の単位モジュールに隣接配置されている２列の単位コンデンサを主体として動作し、単位モジュールに対して中間配置、又は外側配置されたコンデンサ列が協働するようになっている。なお、Ｕ、Ｖ相の単位モジュール又はＶ、Ｗ相の単位モジュールに流入する負荷電流は、位相差１２０度を有し、同時刻に最大電流となることはない。従って、Ｕ、Ｖ相又はＶ、Ｗ相の中間位置に配置されたコンデンサ列は、時差をおいて両相に作用し、両相に隣接配置されたコンデンサ列を１列分増加させたと略同等の機能を発揮して、全体としてのコンデンサ列の数を抑制することができる特徴がある。また、Ｕ、Ｗ相の外側に配置された各１列については、一列当りのコンデンサの個数を削減してもＶ相と同等の平滑機能を維持することが可能である。これは、実施の形態２についても同様である。
【００３９】
前記回路基板１１０は、その表面に前記複数の正側パターン１１０ｐと負側パターン１１０ｎとなる表面導電層１１４が貼り付けられた絶縁基板であり、前記絶縁基板の裏面には、銅又は銅合金製の伝熱保持板１１５が貼付けられている。以上のとおり、この発明の請求項３に関連し、電源平滑用コンデンサを構成する回路基板の裏面には、銅又は銅合金製の伝熱保持板が設けられている。従って、複数の単位コンデンサの消費電力に個体バラツキ変動があっても、伝熱保持板によって均等化が行われるとともに、バスバーと伝熱保持板とが同じ線膨張係数であることによって、回路基板の湾曲熱変形を抑制することができる特徴がある。これは、実施の形態２についても同様である。
【００４０】
前記単位モジュール９０は、前記正側電極端子Ｐｍに接続された第１及び第２上流開閉素子９１、９２の少なくとも一方と、前記負側電極端子Ｎｍに接続された第１及び第２下流開閉素子９３、９４の少なくとも一方と、前記第１及び第２上流開閉素子９１、９２に対する上流ゲート駆動端子９５と、前記第１及び第２下流開閉素子９３、９４に対する下流ゲート駆動端子９６と、前記第１及び第２上流開閉素子９１、９２と前記第１及び第２下流開閉素子９３、９４との接続点に設けられた前記交流電極端子ＡＣとを備えた方形体形状のハーフブリッジ回路を構成し、前記正側電極端子Ｐｍと前記負側電極端子Ｎｍとは、前記方形体の一対の一辺に偏在配置され、前記交流電極端子ＡＣは、前記方形体の一対の他辺の対角位置に偏在配置され、前記上流ゲート駆動端子９５と前記下流ゲート駆動端子９６とは、方形体の一対の一辺と他辺において、前記正側電極端子Ｐｍと前記負側電極端子Ｎｍであるか、又は前記交流電極端子ＡＣと並べて配置されている。
【００４１】
以上のとおり、この発明の請求項４に関連し、単位モジュールの正側電極端子Ｐｍと負側電極端子Ｎｍとは、方形体形状をなす単位モジュールの一辺に偏在配置されている。このため、同一の単位モジュールを単位コンデンサの集合体である回路基板の左右に配置した場合に、一方の単位モジュールの正側電極端子Ｐｍと負側電極端子Ｎｍとは、他方の単位モジュールの正側電極端子Ｐｍと負側電極端子Ｎｍよりも上方又は下方に交叉配置されて、異なるグループ領域の単位コンデンサを含む単位コンデンサ群と対向するようになっている。従って、単位モジュールの正側電極端子Ｐｍと負側電極端子Ｎｍとを、方形体の中間部に配置した場合よりは、広域の単位コンデンサ群と対向して、有効なコンデンサ容量を増大させることができる特徴がある。これは、実施の形態２についても同様である。
【００４２】
前記第１及び第２正側バスバー１１１ｐ、１１２ｐは、前記回路基板１１０の正側パターン１１０ｐの左端及び右端に半田付けされる複数の半田端子部１ｐと、上下に延びる１本のバスバー本体２ｐと、複数の接続接近部３ｐと正側の溶接接続部４ｐとが順次直交折曲されて構成されていて、前記正側の溶接接続部４ｐは、前記回路基板１１０と直交する平面部を構成して、前記単位モジュール９０の前記正側電源端子Ｐｍと当接する溶接接合面を構成し、前記第１及び第２負側バスバー１１１ｎ、１１２ｎは、前記回路基板１１０の負側パターン１１０ｎの左端及び右端に半田付けされる複数の半田端子部１ｎと、上下に延びる１本のバスバー本体２ｎと、複数の接続接近部３ｎと負側の溶接接続部４ｎとが順次直交折曲されて構成されていて、前記負側の溶接接続部４ｎは、前記回路基板１１０と直交する平面部を構成して、前記単位モジュール９０の前記負側電極端子Ｎｍと当接する溶接接合面を構成するようになっている。
【００４３】
以上のとおり、この発明の請求項５に関連し、回路基板の左右に設けられた正負一対のバスバーは、順次直交折曲加工された半田端子部とバスバー本体と接続接近部と溶接接続部によって構成され、この溶接接続部は回路基板と直交する平面部を備え、この平面部は、単位モジュールの正側及び負側電源端子が溶接接合されるようになっている。従って、回路基板と単位モジュールとの設置間隔を短縮し、バスバーに設けられた接続接近部によって相互の溶接面を当接することができる特徴がある。これは、実施の形態２についても同様である。
【００４４】
実施の形態２．
（１）構成と作用の詳細な説明
以下、この発明の実施の形態２による電力変換ユニットの全体回路ブロック図である図９について、図１のものとの相違点を中心にして、その構成を詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一又は相当部分を示し、電力変換ユニット１００Ａは電力変換ユニット１００Ｂとなって、符号末尾の大文字の英字によって実施の形態の区分を示している。図９において、図９のものと図１のものとの主な相違点は、図９における三相交流モータ３００は第１三相巻線３０１と第２三相巻線３０２を個別に備え、電力変換ユニット１００Ｂは、第１開閉モジュール１２１Ｂと第２開閉モジュール１２２Ｂを備えている。これに対し、複数の単位コンデンサ１１３を並列接続して、電源平滑用コンデンサを構成するための回路基板１１０と、第１開閉モジュール１２１Ｂと第２開閉モジュール１２２Ｂを構成する６個の単位モジュール９０と、制御回路部１３０とは図１の場合と同様に構成されている。但し、第１開閉モジュール１２１Ｂの接続相順序がＵ１、Ｖ１、Ｗ１であるのに対し、第２開閉モジュール１２２Ｂの接続相順序はＶ２、Ｗ２、Ｕ２となっていて、１相分のずれが設けられている。
【００４５】
次に、図９のものの電力回路構成図である図１０について、図７のものとの相違点を中心にして説明する。図１０において、三相交流モータ３００の第１三相巻線３０１に接続される３個の単位モジュール９０は第１開閉モジュール１２１Ｂを構成し、第２三相巻線３０２に接続される３個の単位モジュール９０は第２開閉モジュール１２２Ｂを構成し、直流電源電圧が印加される正側電源端子Ｐと負側電源端子Ｎとの間には、多数の単位コンデンサ１１３を並列接続して、電源平滑用コンデンサを構成する回路基板１１０が設けられている。そして、第１開閉モジュール１２１Ｂは第１三相巻線３０１に対して、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相の相順で接続されているのに対し、第２開閉モジュール１２２Ｂは第２三相巻線３０２に対して、Ｖ２相、Ｗ２相、Ｕ２相の相順で接続されている。
【００４６】
従って、回路基板１１０内のコンデンサ群の一つはＵ１相とＶ２相の単位モジュール９０と対向し、中央の一群はＶ１相とＷ２相の単位モジュール９０と対向し、残りの一群はＷ１相とＵ２相の単位モジュール９０と対向するようになっている。このように、異なる相の単位モジュール９０に対向するように交叉配置を行うと、一対の単位モジュール９０に流れる負荷電流の最大値に時刻差が発生するので、その合計値の最大電流は単位モジュール９０の１個分に相当し、同相接続した場合に比べて単位コンデンサ群の負担を半減することができるようになっている。これは、実施の形態１における第１三相巻線３０１と第２三相巻線３０２に対する三相交流電圧に位相差１２０度を与えたものと等価である。
【００４７】
これを図１１で示す第１加算電流波形説明用の特性線図に基づいて説明する。図１１（Ａ）において、Ｕ１相基本波形８０１はＵ１相の単位モジュール９０に流入する負荷電流を波高値Ｉｍの正弦波で示したものであるが、実際には多段階の疑似正弦波となっており、この疑似正弦波には単位モジュール９０内の開閉素子の断続動作に伴う高周波のリップル電流が重畳されていることは前述したとおりである。図１１（Ｂ）において、Ｖ２相基本波形８０３はＶ２相の単位モジュール９０に流入する負荷電流を波高値Ｉｍの正弦波で示したものであるが、Ｕ１相基本波形８０１に比べて１２０度の遅れ位相となっている。そして、Ｖ２相基本波形８０３の疑似正弦波には単位モジュール９０内の開閉素子の断続動作に伴う高周波のリップル電流が重畳されていることは同様である。図１１（Ｃ）において、Ｕ１、Ｖ２加算波形８１３は、Ｕ１相基本波形８０１の瞬時値とＶ２相基本波形８０３の瞬時値とを加算して得られる電流波形であって、その最大値は位相角９０、１５０、２１０度の３か所に分散されて、基本波一相分のＩｍとなっている。
【００４８】
次に、図１２で示す第２加算電流波形説明用の特性線図に基づいて説明する。図１２（Ａ）において、Ｕ１相基本波形８０１はＵ１相の単位モジュール９０に流入する負荷電流を波高値Ｉｍの正弦波で示したものであるが、実際には多段階の疑似正弦波となっており、この疑似正弦波には単位モジュール９０内の開閉素子の断続動作に伴う高周波のリップル電流が重畳されていることは前述したとおりである。図１２（Ｂ）において、Ｖ２相３０度前移動波形８０４はＶ２相の単位モジュール９０に流入する負荷電流を波高値Ｉｍの正弦波で示したものであるが、図１１（Ｂ）のＶ２相基本波形８０３に比べて３０度の進み位相となっている。そして、Ｖ２相３０度前移動波形８０４の疑似正弦波には単位モジュール９０内の開閉素子の断続動作に伴う高周波のリップル電流が重畳されていることは同様である。図１２（Ｃ）において、Ｕ１、Ｖ２前移動加算波形８１４は、Ｕ１相基本波形８０１の瞬時値とＶ２相３０度前移動波形８０４の瞬時値とを加算して得られる電流波形であって、その最大値は位相角１３５度において１．４１Ｉｍとなっている。
【００４９】
次に、図１３で示す第３加算電流波形説明用の特性線図に基づいて説明する。図１３（Ａ）において、Ｕ１相基本波形８０１はＵ１相の単位モジュール９０に流入する負荷電流を波高値Ｉｍの正弦波で示したものであるが、実際には多段階の疑似正弦波となっており、この疑似正弦波には単位モジュール９０内の開閉素子の断続動作に伴う高周波のリップル電流が重畳されていることは前述したとおりである。図１３（Ｂ）において、Ｖ２相３０度後移動波形８０５はＶ２相の単位モジュール９０に流入する負荷電流を波高値Ｉｍの正弦波で示したものであるが、図１１（Ｂ）のＶ２相基本波形８０３に比べて３０度の遅れ位相となっている。そして、Ｖ２相３０度後移動波形８０５の疑似正弦波には単位モジュール９０内の開閉素子の断続動作に伴う高周波のリップル電流が重畳されていることは同様である。図１３（Ｃ）において、Ｕ１、Ｖ２後移動加算波形８１５は、Ｕ１相基本波形８０１の瞬時値とＶ２相３０度後移動波形８０５の瞬時値とを加算して得られる電流波形であって、その最大値は位相角９０、２４０度の２か所に分散されて、基本波一相分のＩｍとなっている。
【００５０】
従って、モータの回転リップル変動抑制制御を行わない場合であれば、図１１で示したようにＵ１相の左側単位モジュール９０と、同じ上段位置にある右側単位モジュール９０との間に１２０度の位相差を与え、同様に、Ｖ１相の左側単位モジュール９０と、同じ中段位置にある右側単位モジュール９０との間にも１２０度の位相差を与え、Ｗ１相の左側単位モジュール９０と、同じ下段位置にある右側単位モジュール９０との間にも１２０度の位相差を与えておけば、加算電流の最大値は基本波一相分のＩｍに抑制されることになる。また、モータの回転リップル変動抑制制御を行う場合であれば、図１３で示したようにＵ１相の左側単位モジュール９０と、同じ上段位置にある右側単位モジュール９０との間に１５０度の位相差を与え、同様に、Ｖ１相の左側単位モジュール９０と、同じ中段位置にある右側単位モジュール９０との間にも１５０度の位相差を与え、Ｗ１相の左側単位モジュール９０と、同じ下段位置にある右側単位モジュール９０との間にも１５０度の位相差を与えておけば、加算電流の最大値は基本波一相分のＩｍに抑制されることになる。
【００５１】
しかし、図１２で示したように左右一対の単位モジュール９０、９０間で９０度の位相差を与えた場合には、加算電流の最大値が１．４１Ｉｍとなって不利益であることが判る。以上の説明において、図９で示した右側の３個の単位モジュール９０の交流出力端子の符号Ｖ２、Ｗ２、Ｕ２は、左列の３個の単位モジュール９０と同様にＵ２、Ｖ２、Ｗ２の順序とし、Ｕ１とＵ２、Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２との間に１２０度又は１５０度の位相差を与えておけば同じ作用効果が得られるものである。また、図１、図９において、左右上下の表現は図示された実施の形態に対応した直観表現であって、実際には左右の表現は紙面の表裏のどちらから見たものであるかは特定しておらず、同様に上下の表現も紙面をどちらに向けたものであるかを特定していない。従って、この発明は図示された左右上下に対する様々な勝手違い品を包含している。そして、この製品は天井面、床面、壁面のどこにでも取付が可能であって、上下方向が天地方向を意味するものではなく、壁面取付を行った場合でも、縦向き取付や横向き取付を自由に行うことができるものである。
【００５２】
（２）実施の形態２の要点と特徴
以上の説明で明らかなとおりこの発明の実施の形態２による電力変換ユニットは、直流電源２００に接続された電源平滑用コンデンサと、第１三相巻線３０１又は第１三相巻線３０１と第２三相巻線３０２とを有する三相交流モータ３００の三相巻線に直列接続されて、負荷電流の断続動作を行う複数の単位モジュール９０を備えるとともに、前記第１三相巻線３０１又は前記第１三相巻線３０１と前記第２三相巻線３０２には、いずれに対しても一つの三相交流電圧が印加されるか、若しくは、前記第１三相巻線３０１と前記第２三相巻線３０２には、所定の位相差を有する２種類の三相交流電圧が印加され、前記三相交流電圧はいずれも同一周波数による可変周波数となる関係に、複数の前記単位モジュール９０を開閉制御する制御回路部１３０とを備えた電力変換ユニット１００Ｂであって、前記電源平滑用コンデンサは、導電性高分子個体アルミ電解コンデンサ又は導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサである複数の単位コンデンサ１１３を回路基板１１０によって並列接続したコンデンサ集合体によって構成され、前記回路基板１１０には、左右方向に延びる複数の正側パターン１１０ｐと負側パターン１１０ｎとが上下方向に交互に配列されていて、隣接する前記正側パターン１１０ｐと負側パターン１１０ｎとの間には複数の前記単位コンデンサ１１３が半田接続されているとともに、最下段の前記正側パターン１１０ｐには正側電源端子Ｐが接続され、最下段の前記負側パターン１１０ｎには負側電源端子Ｎが接続されている。
【００５３】
そして、複数の前記正側パターン１１０ｐの左端及び右端とは、銅又は銅合金製の第１及び第２正側バスバー１１１ｐ、１１２ｐによって相互に連結され、複数の前記負側パターン１１０ｎの左端及び右端とは、銅又は銅合金製の第１及び第２負側バスバー１１１ｎ、１１２ｎによって相互に連結され、前記第１正側バスバー１１１ｐと前記第１負側バスバー１１１ｎは並行して上下方向に延びて、第１開閉モジュール１２１Ｂを構成する３個の単位モジュール９０の正側電極端子Ｐｍと負側電極端子Ｎｍとがそれぞれ接続されるとともに、前記３個の単位モジュール９０に設けられた交流電極端子ＡＣは前記第１三相巻線３０１に接続され、前記第２正側バスバー１１２ｐと前記第２負側バスバー１１２ｎは並行して上下方向に延びて、前記第２三相巻線３０２を有する場合に、第２開閉モジュール１２２Ｂを構成する３個の前記単位モジュール９０の前記正側電極端子Ｐｍと前記負側電極端子Ｎｍとがそれぞれ接続されるとともに、前記３個の単位モジュール９０に設けられた前記交流電極端子ＡＣは、前記第２三相巻線３０２に接続されている。
【００５４】
前記三相交流モータ３００が前記第１三相巻線３０１と前記第２三相巻線３０２を有し、この第１三相巻線３０１と第２三相巻線３０２に対して、相互の位相差αがゼロであるか、又は所定の位相差αを有する一対の三相交流電圧が印加されるものにおいて、前記回路基板１１０の左側に配置されて、前記第１三相巻線３０１に給電するための前記第１開閉モジュール１２１Ｂを構成する３個の前記単位モジュール９０の接続順序と、前記回路基板１１０の右側に配置されて、前記第２三相巻線３０２に給電するための前記第２開閉モジュール１２２Ｂを構成する３個の前記単位モジュール９０の接続順序とは、１相分のずれがある交叉接続が行われている。
【００５５】
以上のとおり、この発明の請求項６に関連し、回路基板の左側に配置された単位モジュールは、例えばＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相の順序で配置されているのに対し、回路基板の右側に配置された単位モジュールは、例えばＶ２相、Ｗ２相、Ｕ２相の順序で配置されていいて、Ｕ１相、Ｖ２相の単位モジュールと、Ｖ１相、Ｗ２相の単位モジュールと、Ｗ１相、Ｕ２相の単位モジュールが回路基板を挟んで左右に対向するようになっている。従って、例えば位相差α＝０であった場合で、左右の単位モジュールを同相配列した場合と、１相１２０度分のずれを置いて配置した場合とを比較すると、同相配列であれば左右の単位モジュールには同一時刻にそれぞれに最大負荷電流が流れるが、１２０度の位相差があれば一方の単位モジュールの負荷電流が最大であるときには他方の単位モジュール負荷電流はゼロとなっていて、左右を合わせた最大負荷電流が単位モジュールの１個分に半減することになる。このため、この一対の単位モジュール間に配置されている複数の単位コンデンサ群で発生する電流リップルを大幅に抑制することができる特徴がある。なお、第１三相巻線と第２三相巻線との間に、位相差として代表的な値であるα＝３０度を与えた場合であっても、Ｕ１相とＶ２相の位相差を１２０＋３０＝１５０としておくと、単位モジュールが１個だけの場合と同じ最大負荷電流となって、同相２個の場合の２倍よりは大幅に抑制されることになる。
【００５６】
前記三相交流モータ３００が前記第１三相巻線３０１と前記第２三相巻線３０２を有し、この第１三相巻線３０１と第２三相巻線３０２に対して、前記交叉接続が行われているものにおいて、左右一対の前記単位モジュール９０間の位相差は１２０＋３０度となっている。以上のとおり、この発明の請求項７に関連し、回路基板の左側に配置された単位モジュールは、例えばＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相の順序で配置されているのに対し、回路基板の右側に配置された単位モジュールは、例えばＶ２相、Ｗ２相、Ｕ２相の順序で配置されていて、Ｕ１相、Ｖ２相の単位モジュールと、Ｖ１相、Ｗ２相の単位モジュールと、Ｗ１相、Ｕ２相の単位モジュールが回路基板を挟んで左右に対向するようになっているとともに、Ｕ１相、Ｖ２相と、Ｖ１相、Ｗ２相と、Ｗ１相、Ｕ２相の間には１２０＋３０度の位相差が与えられている。従って、追加された位相差３０度によりモータの回転リップルが抑制されるとともに、左右の単位モジュールに流入する最大負荷電流の合計値が、単位モジュールの１個分に半減し、この一対の単位モジュール間に配置されている複数の単位コンデンサ群で発生する電流リップルを大幅に抑制することができる特徴がある。なお、位相差１２０＋３０度に代わって、位相差１２０−３０度にした場合には、モータの回転リップルが抑制効果は同じであるが、左右の単位モジュールに流入する最大負荷電流の合計値が、単位モジュールの１個分の１．４１倍となって単位コンデンサ群で発生する電流リップルの抑制効果が減殺されることになる。
【００５７】
前記直流電源２００は、電気自動車用の車載バッテリであり、この車載バッテリはＤＣ４８Ｖ系の低電圧バッテリとなっているとともに、前記三相交流モータ３００は車両の走行駆動用のモータとなっており、前記単位モジュール９０は、前記正側電極端子Ｐｍに接続された電界効果型トランジスタである第１及び第２上流開閉素子９１、９２の少なくとも一方と、前記負側電極端子Ｎｍに接続された電界効果型トランジスタである第１及び第２下流開閉素子９３、９４の少なくとも一方と、前記第１及び第２上流開閉素子９１、９２に対する上流ゲート駆動端子９５と、前記第１及び第２下流開閉素子９３、９４に対する下流ゲート駆動端子９６とを備えていて、前記制御回路部１３０は、前記直流電源２００の電源電圧を降圧して安定化制御電圧Ｖｃｃを生成する定電圧電源部１３３と、この定電圧電源部から給電されて動作するマイクロプロセッサ１３４を包含し、前記マイクロプロセッサ１３４は、前記第１開閉モジュール１２１Ｂ又は前記第１開閉モジュール１２１Ｂと前記第２開閉モジュール１２２Ｂを開閉制御して、前記第１三相巻線３０１又は前記第１三相巻線３０１と前記第２三相巻線３０２を有する三相交流モータ３００のそれぞれの巻線に対し、三相交流電圧を供給するゲート信号を発生するとともに、車両の惰性運転又は降坂運転時には前記三相交流モータ３００の発電電圧によって車載バッテリの回生充電制御又は発電制動制御を行うものであり、前記複数の単位モジュール９０と、前記回路基板１１０とは冷却水路１５１を有する冷却板１５０に伝熱搭載されており、この伝熱搭載面の反対側には前記制御回路部１３０Ａ、１３０Ｂを構成する制御基板１３５が配置されて、前記複数の単位モジュール９０に対する第１又は第１及び第２ゲート信号１３１、１３２を送出する前記上流ゲート駆動端子９５及び前記下流ゲート駆動端子９６が接続されている。
【００５８】
以上のとおり、この発明の請求項８に関連し、電力変換ユニットは低電圧系バッテリを用いた車両走行用の三相交流モータの駆動制御と回生充電制御又は発電制動制御を行うものであって、電源平滑用コンデンサとして複数の導電性高分子アルミ電解コンデンサを回路基板で並列接続した単位コンデンサの集合体が使用され、三相交流モータの各相に接続される単位モジュールは、上流位置及び下流位置に接続された単独又は並列の電界効果型トランジスタを包含し、単位モジュールと電源平滑用コンデンサとは水冷の冷却板に密着取付され、その反対面に制御回路部が配置されている。従って、例えばＤＣ３００Ｖの高電圧バッテリを用いた一般の電気自動車用の電力変換ユニットに比べ、開閉モジュールは一般に使用されている高耐圧のバイポーラ型トランジスタに代わって、大電流で低損失の電界効果型トランジスタを単独又は並列使用し、電源平滑用コンデンサは一般に使用されている高電圧小容量のフィルムコンデンサに代わって、導電性高分子アルミ電解コンデンサが並列使用されて大容量化され、接触感電事故が発生しないとされるＤＣ６０Ｖ未満の低電圧仕様の電力変換ユニットを、大型化しないように構成することができる効果がある。これは、実施の形態１についても同様である。
【符号の説明】
【００５９】
９０  単位モジュール、９１  第１上流開閉素子、９２  第２上流開閉素子、９３  第１下流開閉素子、９４  第２下流開閉素子、９５  上流ゲート駆動端子、９６  下流ゲート駆動端子、１００Ａ、１００Ｂ  電力変換ユニット、１１０  回路基板、１１０ｐ  正側パターン、１１０ｎ  負側パターン、１１１ｐ  第１正側バスバー、１１１ｎ  第１負側バスバー、１１２ｐ  第２正側バスバー、１１２ｎ  第２負側バスバー、１ｐ、１ｎ  半田端子部、２ｐ、２ｎ  バスバー本体、３ｐ、３ｎ  接続接近部、４ｐ、４ｎ  溶接接続部、１１３  単位コンデンサ、１１４  表面導電層、１１５  伝熱保持板、１２１Ａ、１２１Ｂ  第１開閉モジュール、１２２Ａ、１２２Ｂ  第２開閉モジュール、１３０  制御回路部、１３１  第１ゲート信号、１３２  第２ゲート信号、１３３  定電圧電源部、１３４  マイクロプロセッサ、１３５  制御基板、１５０  冷却板、１５１  冷却水路、２００  直流電源、３００  三相交流モータ、３０１  第１三相巻線、３０２  第２三相巻線、α  位相差、ＡＣ  交流電極端子、Ｎ  負側電源端子、Ｎｍ  負側電極端子、Ｐ  正側電源端子、Ｐｍ  正側電極端子、Ｖｃｃ  安定化制御電圧。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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【図１３】
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