(57)【要約】【課題】小型でかつ信頼性の高い電力変換装置を得る。【解決手段】スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子２と、このスイッチング素子を駆動する駆動回路部４と、前記スイッチング素子２に供給する直流電源６の電圧変動を抑制する平滑用コンデンサ８と、前記駆動回路部４に制御信号を出力してスイッチング素子２を制御する制御回路部５を備えた電力変換装置において、前記スイッチング素子２を搭載した絶縁基板と、前記駆動回路部４および前記制御回路部５を搭載した駆動制御回路基板１０との間に、金属をベース基材とし前記平滑用コンデンサ８を実装した平滑用コンデンサ基板２０を設けた。【選択図】　　　　図１
2004007881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング動作により電力変換を行うスイッチング素子と、このスイッチング素子を駆動する駆動回路部と、前記スイッチング素子に供給される電源電圧の変動を抑制する平滑用コンデンサと、前記駆動回路部に制御信号を出力してスイッチング素子を制御する制御回路部を備えた電力変換装置において、前記スイッチング素子を搭載した絶縁基板と、前記駆動回路部および前記制御回路部を搭載した駆動制御回路基板との間に、金属をベース基材とし前記平滑用コンデンサを実装した平滑用コンデンサ基板を設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記平滑用コンデンサ基板のベース基材である金属部を接地電位とし、前記駆動回路部および前記制御回路部を前記スイッチング素子のスイッチングノイズから保護するようにした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】
前記平滑用コンデンサ基板のベース基材である金属部を平滑用コンデンサの発する熱を放熱するための放熱部材としたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スイッチング動作により電力変換を行うスイッチング素子を備えた電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、直流電源を三相交流に変換して三相交流モータ等の交流負荷を駆動する電力変換装置を示す回路ブロック図である。
この電力変換装置は、スイッチング素子２およびフリーホイールダイオード３およびスイッチング素子２を駆動する駆動回路部４およびスイッチング素子２を制御する制御回路部５およびスイッチング素子２に供給する直流電源出力を平滑するための平滑用コンデンサ８を有するスイッチングパワーモジュール１で構成される。
【０００３】
スイッチング素子２は、直流から三相交流へ電力変換を行うものであり、トランジスタやＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ等が使用される。
また、フリーホイールダイオード３は三相交流から直流へ電力変換を行うものである。
平滑用コンデンサ８は、スイッチング素子２に供給する直流電源６の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑するものである。制御回路部５は、スイッチングパワーモジュール１内の駆動回路部４に制御信号を出力してスイッチング素子２を制御するものである。
なお、駆動回路部４および制御回路部５は、三相交流モータ等の交流負荷７を駆動および制御する一般的な回路であるため、詳細図示は省略する。
【０００４】
図３は、特開２０００−３３３４７６で開示されている従来の電力変換装置の内部構成を示す側面図である。
図において、ケース９内のスイッチングパワーモジュール１は、直流入力配線１４（Ｐ，Ｎ）、交流出力配線１５（Ｕ，Ｖ，Ｗ）、駆動制御回路基板接続配線１６をインサート成型した樹脂部２１と、例えば銅で構成されたベース板１２と、このベース板１２上でスイッチング素子２およびフリーホイールダイオード３を搭載するセラミック等でできた絶縁基板１３と、駆動回路部４と制御回路部５が両面に組み込まれた駆動制御回路基板１０と、絶縁基板１３と駆動制御回路基板１０との間に取り付けられ、平滑用コンデンサ８を実装した平滑用コンデンサ基板２０と、絶縁基板１３と平滑用コンデンサ基板２０との間に、平滑用コンデンサ８を覆い尽くすように充填されたシリコン系ゲルからなるゲル状充填材１８とを備えている。
【０００５】
この電力変換装置では、電気自動車を例にすると、車両を始動または加速する際には、バッテリである直流電源６の放電出力を直流から三相交流に変換して三相交流モータである交流負荷７を駆動する。
また、車両を回生制動する際には、交流負荷７からの回生電力を三相交流から直流に変換してバッテリである直流電源６に戻す。
【０００６】
スイッチング素子２およびフリーホイールダイオード３は、ベース板１２上の導体パターン付きの絶縁基板１３に半田等の接着部材で固定されている。
直流入力配線１４（Ｐ，Ｎ）、交流出力配線１５（Ｕ，Ｖ，Ｗ）および駆動制御回路基板接続配線１６は、ワイヤボンディング等の接続導体１７により、スイッチング素子２およびフリーホイールダイオード３と接続されている。
また、駆動制御回路基板１０と駆動制御回路基板接続配線１６とは、半田等にて電気的に接続されている。
【０００７】
平滑用コンデンサ８は、複数個のセラミックコンデンサが並列接続されて構成されている。これら複数個のセラミックコンデンサは平滑用コンデンサ基板２０の絶縁基板１３側の面に実装されている。平滑用コンデンサ８は平滑用コンデンサ基板２０を樹脂部２１に固定するネジ１１を介して直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）と電気的に接続されている。
【０００８】
平滑用コンデンサ基板２０は、汎用的な表面実装型のセラミックコンデンサで構成された平滑用コンデンサ８を実装するとともに、電力変換時にスイッチング素子２から発生する放射ノイズを駆動回路部４および制御回路部５に伝達させないようにする電磁シールド板の役目を持つ。
基板材としては、銅張ガラスエポキシ基板等が使用される。具体的には、平滑用コンデンサ基板２０のセラミックコンデンサの実装面と反対の面に銅ベタパターンを作り、電源ＧＮＤ（Ｎ）の全面アースにすることで電磁シールド効果を得ている。
【０００９】
ゲル状充填材１８は、湿気や塵埃などによりスイッチング素子２が故障または誤動作しないように、スイッチング素子２、フリーホイールダイオード３および接続導体１７を保護するとともに、平滑用コンデンサ８の自己発熱により発生するジュール熱を冷却部材１９に伝熱し、平滑用コンデンサ８を冷却する役目を持っている。
【００１０】
ケース９には、空冷，水冷，油冷等でスイッチング素子２を冷却する冷却部材１９が取り付けられている。スイッチング素子２から発生するジュール熱は、絶縁基板１３およびベース１６を介して冷却部材１９に放熱されて、スイッチング素子２は冷却される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の電力変換装置では、電磁シールド板としての役目を持つ平滑用コンデンサ基板２０は、銅張ガラスエポキシ基板等であり、平滑用コンデンサ基板２０の一面に銅箔が広くパターン形成された、いわゆる銅ベタパターンが電磁シールド効果を出すことになるが、この銅ベタパターンの厚みは厚くても百数十μｍ程度であり、また、その形状も平板に限られるため、十分な電磁シールド効果を出すことができなかった。
また、本来、ゲル状充填材１８は、スイッチング素子２，フリーホイールダイオード３および接続導体１７を覆っていればよいのであるが、上記構成の電力変換装置では、平滑用コンデンサ８の冷却を行うため、平滑用コンデンサ８を覆い尽くせるよう、ゲル状充填材１８を余分に入れる必要があった。
【００１２】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、小型でかつ信頼性の高い電力変換装置を得ることを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る電力変換装置では、スイッチング動作により電力変換を行うスイッチング素子と、このスイッチング素子を駆動する駆動回路部と、前記スイッチング素子に供給される電源電圧の変動を抑制する平滑用コンデンサと、前記駆動回路部に制御信号を出力してスイッチング素子を制御する制御回路部を備えた電力変換装置において、前記スイッチング素子を搭載した絶縁基板と、前記駆動回路部および前記制御回路部を搭載した駆動制御回路基板との間に、金属をベース基材とし前記平滑用コンデンサを実装した平滑用コンデンサ基板を設けたものである。
【００１４】
第２の発明に係る電力変換装置では、第１の発明において、前記平滑用コンデンサ基板のベース基材である金属部を接地電位とし、前記駆動回路部および前記制御回路部を前記スイッチング素子のスイッチングノイズから保護するようにしたものである。
【００１５】
第３の発明に係る電力変換装置では、第１の発明において、前記平滑用コンデンサ基板のベース基材である金属部を平滑用コンデンサの発する熱を放熱するための放熱部材としたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明による実施の形態１に係る電力変換装置を図１および図２について説明する。なお、先に説明した従来技術と同一または相当部は同一符号を付して説明する。
この電力変換装置は、スイッチング素子２を有するスイッチングパワーモジュール１を備えている。スイッチングパワーモジュール１は、直流から三相交流へ電力変換を行うトランジスタやＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子２と、三相交流から直流へ電力変換を行うフリーホイールダイオード３と、スイッチング素子２を駆動する駆動回路部４と、スイッチング素子２に供給する直流電源６の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑する平滑用コンデンサ８と、駆動回路部４に制御信号を出力してスイッチング素子２を制御する制御回路部５とを備えている。
なお、駆動回路部４および制御回路部５は、三相交流モータ等の交流負荷７を駆動および制御する一般的な回路であるため、詳細図示は省略する。
【００１７】
図２は、図１の電力変換装置の内部構成を示す図である。
図において、ケース９内のスイッチングパワーモジュール１は、直流入力配線１４（Ｐ，Ｎ）、交流出力配線１５（Ｕ，Ｖ，Ｗ）、駆動制御回路基板接続配線１６をインサート成型した樹脂部２１と、例えば銅材で構成されたベース板１２と、このベース板１２上でスイッチング素子２およびフリーホイールダイオード３を搭載するセラミック等でできた絶縁基板１３と、駆動回路部４と制御回路部５が両面に組み込まれた駆動制御回路基板１０と、絶縁基板１３と駆動制御回路基板１０との間に取り付けられ、金属をベース基材とした金属基板を使用し、セラミックコンデンサからなる平滑用コンデンサ８を実装した平滑用コンデンサ基板２０と、絶縁基板１３と平滑用コンデンサ基板２０との間に充填されたシリコン系ゲルからなるゲル状充填材１８とを備えている。
【００１８】
この電力変換装置では、電気自動車を例にすると、車両を始動または加速する際には、バッテリである直流電源６の放電出力を直流から三相交流に変換して三相交流モータである交流負荷７を駆動する。
また、車両を回生制動する際には、交流負荷７からの回生電力を三相交流から直流に変換してバッテリである直流電源６に戻す。
【００１９】
スイッチング素子２およびフリーホイールダイオード３は、ベース板１２上の導体パターン付きの絶縁基板１３に半田等の接着部材で固定されている。直流入力配線１４（Ｐ，Ｎ）、交流出力配線１５（Ｕ，Ｖ，Ｗ）および駆動制御回路基板接続配線１６は、ワイヤボンディング等の接続導体１７により、スイッチング素子２およびフリーホイールダイオード３と接続されている。
また、駆動制御回路基板１０と駆動制御回路基板接続配線１６とは、半田等にて電気的に接続されている。
【００２０】
平滑用コンデンサ８は、複数個のセラミックコンデンサが並列接続されて構成されている。これら複数個のセラミックコンデンサは平滑用コンデンサ基板２０の絶縁基板１３側の面に実装されている。平滑用コンデンサ８は平滑用コンデンサ基板２０を樹脂部２１に固定するネジ１１を介して直流入力配線１４（Ｐ，Ｎ）と電気的に接続されている。
【００２１】
平滑用コンデンサ基板２０には、金属をベース基板とした金属基板が使用され、汎用的な表面実装型のセラミックコンデンサで構成された平滑用コンデンサ８を実装し、平滑用コンデンサ８の自己発熱により発生するジュール熱を放熱し、平滑用コンデンサ８を冷却するとともに、電力変換時にスイッチング素子２から発生する放射ノイズを駆動回路部４および制御回路部５に伝達させないようにする電磁シールド板の役目を持つ。
具体的には、平滑用コンデンサ基板２０のセラミックコンデンサの実装面と反対の面に、アルミや銅等でできた金属板が貼り付けられており、電源ＧＮＤ（Ｎ）の全面アースにすることで電磁シールド効果を得ている。
【００２２】
なお、ネジ１１を介して直流入力配線１４のＰ側と接続される個所の金属部と、電源ＧＮＤ（Ｎ）で全面アースされた金属部とは、所定の絶縁距離が確保されている。
従来の技術では、平滑用コンデンサ基板２０には銅張ガラスエポキシ基板等を使用しており、銅ベタパターンが電磁シールド効果および若干の冷却効果を出すことになるが、この銅ベタパターンの厚みは厚くても百数十μｍ程度であり、また、その形状も平板に限られるため、十分な電磁シールド効果および冷却効果を出すことができなかった。
この発明では、平滑用コンデンサ基板２０には、金属をベース基板とした金属基板を使用しているため、金属板の材質、厚みおよび形状を自由に決定することができ、強力な電磁シールド効果および冷却効果を出すことができる。また、銅張ガラスエポキシ基板等に比べ、剛性が高いため、耐振性も向上する。
【００２３】
ゲル状充填材１８は、湿気や塵埃などによりスイッチング素子２が故障または誤動作しないように、スイッチング素子２、フリーホイールダイオード３および接続導体１７を保護する役目を持っている。
【００２４】
ケース９には、空冷、水冷、油冷等でスイッチング素子２を冷却する冷却部材１９が取り付けられている。
スイッチング素子２から発生するジュール熱は、絶縁基板１３およびベース１６を介して冷却部材１９に放熱されて、スイッチング素子２は冷却される。
【００２５】
以上説明したように、この発明による実施の形態に係る電力変換装置によれば、スイッチング動作により電力変換を行うスイッチング素子２と、このスイッチング素子２を駆動する駆動回路部４と、前記スイッチング素子２に供給する電源の電圧変動を抑制する平滑用コンデンサ８と、前記駆動回路部４に制御信号を出力してスイッチング素子２を制御する制御回路部５とを備え、前記平滑用コンデンサ８にセラミックコンデンサを使用しているとともに、前記スイッチング素子２を搭載した絶縁基板１３と、前記駆動回路部４および前記制御回路部５を搭載した駆動制御回路基板１０との間に、前記平滑用コンデンサ８を実装した平滑用コンデンサ基板２０を設け、この平滑用コンデンサ基板２０に、金属をベース基材とした金属基板を使用しているため、銅張ガラスエポキシ基板等に比べ、剛性が高く、耐振性が向上する。
【００２６】
また、この発明による実施の形態に係る電力変換装置によれば、平滑用コンデンサ基板２０のベース基材である金属部を全面アースしており、また、金属部の材質，厚みおよび形状を自由に決定することができるため、駆動回路部４および制御回路部５をスイッチング素子２のスイッチングノイズから強力に保護することができる。
【００２７】
また、この発明による実施の形態に係る電力変換装置によれば、平滑用コンデンサ基板２０のベース基材である金属部が平滑用コンデンサ８の発する熱を放熱するための放熱板になっており、また、金属部の材質，厚みおよび形状を自由に決定することができるため、平滑用コンデンサ８を強力に冷却することができる。
【００２８】
【発明の効果】
第１の発明によれば、スイッチング素子を搭載した絶縁基板と、駆動回路部および制御回路部を搭載した駆動制御回路基板との間に、金属をベース基材とし平滑用コンデンサを実装した平滑用コンデンサ基板を設けることにより、小型でかつ信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００２９】
第２の発明によれば、第１の発明において、平滑用コンデンサ基板のベース基材である金属部を接地することにより、駆動回路部および制御回路部がスイッチング素子のスイッチングノイズから的確に保護される小型でかつ信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００３０】
第３の発明によれば、第１の発明において、平滑用コンデンサ基板のベース基材である金属部を放熱部材とすることにより、平滑用コンデンサ基板の冷却を的確に行える小型でかつ信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による実施の形態１における電力変換装置の回路構成をを示すブロック図である。
【図２】この発明による実施の形態１における電力変換装置の内部構造を示す側面図である。
【図３】従来技術による電力変換装置の内部構造を示す側面図である。
【符号の説明】
１　スイッチングパワーモジュール、２　スイッチング素子、３　フリーホイールダイオード、４　駆動回路部、５　制御回路部、６　直流電源、７　交流負荷、８　平滑用コンデンサ、９　ケース、１０　駆動制御回路基板、１１　ネジ、１２　ベース板、１３　絶縁基板、１４　直流入力配線、１５　交流出力配線、１６　駆動制御回路基板接続配線、１７　接続導体、１８　ゲル状充填材、１９　冷却部材、２０　平滑用コンデンサ基板、２１　樹脂部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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