(57)【要約】【課題】電気抵抗を低減し、構成を簡単化し、小型化をはかったインバータ装置およびそのインバータ装置を内蔵する電動機を提供する。【解決手段】電源側の正電極を構成する正電極導体１および負電極を構成する負電極導体２と、出力側において交流電極を構成する３つの交流電極導体３，４，５とを備え、正電極導体と交流電極導体の一つとに各々、直接挟まれ電気的に接続している３つの正極側半導体スイッチ素子１３，１４，１５を備え、負電極導体と、３つの交流電極導体の一つとに各々、直接挟まれ電気的に接続している３つの負極側半導体スイッチ素子２３，２４，２５を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源側の直流電力を交流電力に変換するインバータ装置であって、
前記電源側において、正電極を構成する正電極導体および負電極を構成する負電極導体と、
前記交流電力側において少なくとも２つの交流電極を構成する少なくとも２つの交流電極導体と、
前記正電極導体と、前記少なくとも２つの交流電極導体の一つとに各々、直接挟まれ、電気的に接続されている少なくとも２つの正極側半導体スイッチ素子と、
前記負電極導体と、前記少なくとも２つの交流電極導体の一つとに各々、直接挟まれ、電気的に接続されている少なくとも２つの負極側半導体スイッチ素子とを備える、インバータ装置。
【請求項２】
前記交流電力側に３相交流電力の３つの交流電極導体を有し、前記正電極導体と前記３つの交流電極導体の一つとに各々挟まれ、電気的に接続されている３つの正極側半導体スイッチ素子と、前記負電極導体と前記３つの交流電極導体の一つとに各々挟まれ、電気的に接続されている３つの負極側半導体スイッチ素子とを備える、請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項３】
前記正電極導体、負電極導体、および少なくとも２つの交流電極導体のうちの少なくとも１つが銅板から構成されるバスバーである、請求項１または２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
前記半導体スイッチ素子の少なくとも一つが、前記正電極導体または負電極導体、および交流電極導体のうちの１つ、の少なくとも一方と表面活性化接合法により接合されている、請求項１〜３のいずれかに記載のインバータ装置。
【請求項５】
前記半導体素子が配置された部分を樹脂で封止して、前記正電極導体および負電極導体はその封止樹脂から露出されて電源側コネクタピンを構成し、前記出力側の交流電極導体はその封止樹脂から露出されて出力側コネクタピンを構成する、請求項１〜４のいずれかに記載のインバータ装置。
【請求項６】
前記半導体スイッチ素子を構成する半導体素子がＳｉＣを用いた半導体素子である、請求項１〜５のいずれかに記載のインバータ装置。
【請求項７】
前記請求項１〜６のいずれかに記載のインバータ装置が配置された電動機。
【請求項８】
前記インバータ装置はそのインバータ装置のための冷却機構を備えず、電動機に内蔵された冷却機構により冷却される、請求項７に記載の電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ装置および電動機に関し、より具体的には直流電源を交流に変換して自動車に搭載された電動機を駆動するインバータ装置およびそのインバータ装置を組み込んだ電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球温暖化防止のため、燃料電池などを用いた電動機を駆動装置とする自動車、いわゆる電気自動車（ＥＶ：  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）やハイブリッドカー（ＨＥＶ：  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）の開発が進められている。電動機には実用性の点から交流電動機が用いられるので、各種の電池から供給される直流電力は、交流に変換しなければならない。このため電力用インバータ装置が用いられる。（たとえば、非特許文献１参照）
また、これらの直流交流変換装置には多くの導電接続部材およびそれら同士の接点が設けられる。導電接続部材にはブスバーなどが用いられ、これらの導電性接続には溶接材料を用いた溶接または大電流による昇温および加圧による圧接などが用いられてきた。しかし、近年、溶接材料も加圧も高温化も必要としない表面活性化接合法などの接合方法が注目を集めている（たとえば、非特許文献２参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
電気学会：電気工学ハンドブック第６版、ｐｐ．１７０７−１７０８
【０００４】
【非特許文献２】
高木秀樹、前田龍太郎、須賀唯知：溶接学会全国大会講演概要、第６９集（２００１−１０），Ｆ−３「表面活性化によるウェハ常温無加圧接合」
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＨＥＶやＥＶの動力源となる電動機を駆動させるインバータは、出力が大きいため発熱が大きく、インバータ専用の冷却機構を備えている。このため、サイズや重量が大きくなり、かつ装置が複雑化して製造コストがかさむ問題があった。
【０００６】
本発明は、構成を簡単化し、部品点数等を低減することにより、小型化をはかったインバータ装置およびそのインバータ装置を配置された電動機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のインバータ装置は、電源側の直流電力を交流電力に変換するインバータ装置である。このインバータ装置は、電源側において、正電極を構成する正電極導体および負電極を構成する負電極導体と、出力側において少なくとも２つの交流電極を構成する少なくとも２つの交流電極導体とを備える。また、正電極導体と、少なくとも２つの交流電極導体の一つとに各々、直接挟まれ、電気的に接続されている少なくとも２つの正極側半導体スイッチ素子を備える。そして、負電極導体と、少なくとも２つの交流電極導体の一つとに各々、直接挟まれ、電気的に接続されている少なくとも２つの負極側半導体スイッチ素子を備える。
【０００８】
この構成により、上記の各電極導体に半導体スイッチ素子が、直接挟まれて接触し、電気的に接続される。これは半導体スイッチ素子が各導体に実装されることを意味する。このため、半導体素子の電気的接続が簡単化され、部品点数を減らすことができる。この結果、半導体スイッチ素子と電極との接続に、たとえばボンディングが不要となり電気抵抗を減らすことができる。また、導体に、直接、接続することにより、小型化され多種多様な場所にインバータ装置を組み込むことが可能になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に図面により、本発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１のインバータ装置を示す図である。このインバータ装置１０では、電源側の正電極導体１、負電極導体２および出力側の３相の交流電極導体３，４，５を、すべてバスバーで形成している。バスバーは銅板またはそれにニッケルめっき、または錫めっきを施した板状の導体であり、大電流を印加するラインに用いられる場合が多い。
【００１１】
図１に示すように、本実施の形態では、６つの半導体スイッチ素子（以下、半導体素子）１３，１４，１５，２３，２４，２５をバスバーに、直接、実装させる点に特徴を有する。すなわち、半導体素子はバスバーに挟まれ、半導体素子のソースとドレインとに、それぞれ直接、バスバーを接触させ電気的に導通させる。ゲート端子部分にはバスバーに切れ込みを入れて、別の制御用配線を接続する。
【００１２】
図２は、６つの半導体素子のうち左上の半導体素子１３を示す図である。この半導体素子１３は、電源側の正極用バスバー１にドレイン電極１３Ｄを直接、接触させ、出力側の３相交流電極の１つの電極、たとえばＵ電極のバスバーにソース電極１３Ｓを直接、接触させている。半導体素子の電極を、直接、外部の印加電極を形成するバスバーに接触するとは、ワイヤーやリード線などを用いることなく、バスバーの表面に半導体素子の電極を接触させて、電気的な導通を確保することをさす。
【００１３】
図１および図２では、半導体素子１３は、水平の半導体基板の上に形成された半導体層に交差する方向に電流が流れる、いわゆる縦型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いることを考えている。しかし、後に示すように、半導体素子１３は縦型ＦＥＴに限定されず、横型ＦＥＴであってもよい。
【００１４】
図３は、図１に示すインバータ装置の回路図である。この回路図によれば、直流電源側の正電極と負電極との間に、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相交流の出力電極を配置して、その間を半導体スイッチ１３，１４，１５，２３，２４，２５で接続している。上記図１に示すインバータ装置では、直流電源の正電極導体１と出力側の３相交流の電極３，４，５とに、アッパー側のスイッチ素子１３，１４，１５が挟まれ、また、直流電源の負電極導体２と出力側の３相交流の電極３，４，５とに、アッパー側のスイッチ素子２３，２４，２５が挟まれ、それぞれのスイッチ素子がバスバーに実装されている。
【００１５】
燃料電池等の正電極は正電極導体のバスバー１に、また負電極は負電極導体のバスバー２にそれぞれ接続され、３相交流の電極３，４，５は、たとえば自動車を駆動する３相交流電動機の入力部に接続される。スイッチの制御信号は半導体スイッチまたはＦＥＴの表面に設けられたゲート電極に印加されるが、上述したように、バスバーに切れ込みを入れて、制御用配線をゲート端子に電気的に接続すればよい。また、従来通りにゲート電極からワイヤボンディングなどで制御用配線を接続しても、ゲート電極には電流は微小しか流れないため特に問題はない。
【００１６】
図４は、半導体スイッチを横型ＦＥＴで構成した場合のインバータ装置の部分を示す図である。図４に示す半導体スイッチ１３，２３は、ともに半導体基板の上に形成された半導体層の面に沿うように電流を流す、いわゆる横型の電界効果トランジスタである。それぞれのトランジスタ１３，２３のソース１３Ｓ，２３Ｓおよびドレイン１３Ｄ，２３Ｄの間に、図示していないゲート電極を配置してソースドレイン間の電流の移動の遮断を制御して、電流のスイッチングを行なうことが可能となる。
【００１７】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２のインバータ装置を示す図である。本実施の形態では、半導体素子がバスバーに実装されている部分を封止樹脂９により封止し、バスバーの他の端部を封止樹脂９から突き出させて、コネクタのピンの機能をもたせる点に特徴がある。したがって、このインバータ装置はコネクタ３０の態様で、発電機または蓄電器と、電動機との間に配置される。
【００１８】
図６は、３相交流に対応したウォータジャケット３３および上記コネクタ３０が取り付けられた電動機５０を示す斜視図である。また、図７は、図６に示す電動機の模式的な断面図である。ウォータジャケットｕ，ｖ，ｗは、図５の３相交流の出力端子３，４，５に対応しており、ジャケット挿入部３５に差し込まれ、冷却水を冷却対象部分Ｆの範囲に流動させてこの範囲を所定温度以下に保つ。図７に示す電動機５０は、永久磁石同期モータであり、固定子５３、永久磁石５１および回転子５２により回転力を得ている。コネクタ３０はウォータジャケットが指し込まれる位置Ｓ１１に配置されている。図７に示す電動機では、コネクタはジャケット挿入部３５に組み込まれている。
【００１９】
上記のように、バスバーにコネクタ端子の機能をもたせて、着脱可能とすることにより、小型化を図りつつ故障修理時の交換などのメンテネンス性を高めることが可能となる。
【００２０】
（実施の形態３）
図８および図９は、本発明の実施の形態３におけるインバータ装置（コネクタ）を搭載した電動機を示す図である。図８は、コネクタを電動機の内部に組み込んだ場合を、また図９はコネクタを電動機の傍に配置した場合を示す図である。
【００２１】
図８を参照して、コネクタ３０は、Ｓ１の部分に取り付けられる。このＳ２の部分は、電動機用にウォータジャケットから冷却水が供給され流動する部分であり、この冷却によりインバータ装置を含むコネクタ３０は冷却され、コネクタ専用の冷却系統を設ける必要がない。
【００２２】
また、図９に示すように、インバータ装置のコネクタを電動機のそばに設置する場合、半導体スイッチで発生する熱はバスバーを通して電動機に伝達される。この熱は、上述の、電動機のコイルで発生する熱を冷却する冷却機構により冷却される。電動機５０は出力が大きいので、その冷却機構の能力は非常に大きくされている。このため、バスバーを熱伝達路として半導体スイッチの熱は電動機の冷却機構によって冷却されることになる。この結果、電動機内部にコネクタを配置する場合と同様に、インバータ装置専用の冷却装置を設ける必要がなくなる。
【００２３】
電動機の動作温度は、通常、１８０℃〜２００℃程度なので、スイッチ素子には、高温での動作が可能なＳｉＣを用いるのがよい。
【００２４】
バスバーへの半導体素子の接合は、従来のはんだや銀ろうを用いてもよいし、表面活性化接合法を用いてもよい。
【００２５】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、バスバーの表面およびＳｉＣ基板表面を、真空中で不活性ガスビームにより、電極部となる領域を清浄化し、かつ活性化する。ここでは、アルゴンイオンビームにより、とくにＳｉＣ基板の電極部となる領域をパターニングするように活性化する。活性化された領域は、互いに接触するほど近接すると原子間力により結合が誘起され、上記の場合、ＳｉＣ基板の電極部とバスバーとが活性化された状態で近づけられ、結合がなされる。
【００２６】
この結合では、加圧および加熱を要しないため、ＳｉＣ半導体装置が熱や圧力により劣化することがない。したがって、インバータ装置を形成したＳｉＣ基板を用いて上記接合が可能となる。この結果、能率よくインバータ装置または上記コネクタを形成することができる。さらに、高温での剥離が防止され、電気抵抗を小さくすることができる。
【００２７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のインバータ装置および電動機を用いることにより、構成を簡単化し部品点数を減らし小型化できる。このため、サイズ、重量を減らすことが可能となり、コスト的に有利なインバータ装置および電動機を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるインバータ装置を示す図である。
【図２】半導体スイッチを示す図である。
【図３】インバータ装置の回路図である。
【図４】横型ＦＥＴでインバータ装置を構成した図である。
【図５】本発明の実施の形態２におけるインバータ装置を示す図である。
【図６】図５のインバータ装置（コネクタ）を搭載した電動機を示す図である。
【図７】図６の電動機の断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３における電動機を示す図である。
【図９】図８の電動機の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１  電源側の正電極導体（バスバー）、２  電源側の負電極導体（バスバー）、３，４，５  出力側の交流電極導体（バスバー）、９  封止樹脂、１０  インバータ装置、１３，１４，１５，２３，２４，２５  半導体スイッチ素子、１３Ｓ  ソース電極、１３Ｄ  ドレイン電極、３０  コネクタ（インバータ装置）、３３  ウォータジャケット、３５  ウォータジャケット挿入部、５１  永久磁石、５２  回転子、５３  固定子、Ｆ  冷却水流動範囲、Ｓ１    コネクタ配置位置（電動機内）、Ｓ２    コネクタ配置位置（電動機近傍）。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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