(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を搭載した半導体モジュールと、この半導体モジュールを冷却するための冷却器と、前記半導体モジュールを制御する制御基板と、前記半導体モジュールの入力電流または出力電流を検出する電流検出器を備え、前記半導体モジュールは、前記冷却器の両面に配置されており、前記電流検出器は、前記冷却器の、前記半導体モジュールと接しない面に対向して配置され、少なくとも２つ以上の前記制御基板は、前記冷却器と前記半導体モジュールと前記電流検出器とを挟持するように配置され、前記電流検出器は、前記制御基板相互間を電気的に接続する配線を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
一端が前記冷却器に固定され、他端が前記電流検出器を保持する金属製ブラケットを備え、該金属製ブラケットの前記電流検出器を保持している端部が、前記電流検出器とこれに対向する前記制御基板との間に位置す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】
前記電流検出器内部に電流検出機能を有する電流検出基板を備え、前記電流検出器に設けられた前記制御基板相互間を接続する配線の少なくとも一部は、前記電流検出基板上に形成され、前記電流検出基板上に形成された配線にノイズ対策部品が接続されてい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】
半導体素子を搭載した半導体モジュールと、この半導体モジュールを冷却するための冷却器と、前記半導体モジュールを制御する制御基板と、前記半導体モジュールと接続される入力配線または出力配線と電力変換装置の外部配線とを接続するための入力または出力端子台を備え、前記半導体モジュールは、前記冷却器の両面に配置されており、前記端子台は、前記冷却器の前記半導体モジュールと接しない面に対向して配置され、少なくとも２つ以上の前記制御基板が前記冷却器と前記半導体モジュールと前記端子台とを挟持するよう配置され、前記端子台は、少なくとも２つ以上の前記制御基板を機械的に保持すると共に、前記制御基板相互間を電気的に接続する配線および前記半導体モジュールの端子と接続されるバスバー配線を備え、前記バスバー配線は、その一部が前記制御基板と近接するように前記端子台と一体に配置され、前記制御基板の前記バスバー配線と近接する部分に磁気検出素子が設けられており、前記磁気検出素子と前記バスバー配線とにより電流検出器を構成していることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
前記制御基板の、半導体モジュールと相対する部分に前記半導体モジュールを駆動する駆動回路を備え、前記制御基板の、前記電流検出器または前記端子台と相対する部分に前記半導体モジュールを動作させ、電力変換装置の出力を制御する出力制御回路を備え、前記電流検出器または前記端子台に設けられた前記制御基板間を電気的に接続する配線により、前記駆動回路間相互間または前記駆動回路と前記出力制御回路間を接続したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
半導体素子を搭載した半導体モジュールと、この半導体モジュールを冷却するよう表裏に前記半導体モジュールを搭載した冷却器と、前記一方の半導体モジュールに対向して配置された第１の制御基板と、前記他方の半導体モジュールに対向して配置された第２の制御基板と、前記第２の制御基板の前記半導体モジュールと対向する面の反対側の面に対向するように配置された第３の制御基板と、前記冷却器の、前記半導体モジュールと接しない面に対向して配置され、前記半導体モジュールの入力電流または出力電流を検出する電流検出器または端子台とを備えた電力変換装置において、前記第１の制御基板と前記第２の制御基板にはそれぞれの制御基板と対向する前記半導体モジュールを駆動する駆動回路が搭載されており、前記第３の制御基板には前記半導体モジュールを動作させ電力変換装置の出力を制御する出力制御回路が搭載されており、前記電流検出器または端子台には、前記各制御基板相互間を電気的に接続する配線を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
前記電流検出器または前記端子台に設けられた前記制御基板相互間を接続する配線と前記制御基板間との接続態様が、前記半導体モジュールの制御端子と前記制御基板間との接続態様と同じになされていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記半導体モジュールと対向した前記制御基板に搭載される部品の中で、最高使用可能温度が最も低い部品または発熱が最も大きな部品またはその両方を、前記制御基板の、前記電流検出器または前記端子台と対向する部分に搭載したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記半導体モジュールを構成する半導体素子の一部または全部が、バンドギャップ2.0eV以上の半導体によって構成されていることを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記半導体モジュールを構成する前記半導体素子の一部または全部が、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドを材料としていることを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記冷却器の第１の主面に入力配線の正極側と出力配線に電気的に接続される半導体モジュールが配置され、前記冷却器の第２の主面に入力配線の負極側と出力配線に電気的に接続される半導体モジュールが配置され、前記冷却器の第１の主面と第２の主面に配置された半導体モジュールが直列に接続され１つの電力変換回路を構成し、前記冷却器の第１の主面側には正極側の半導体モジュールを制御する正極側制御基板が搭載され、前記冷却器の第２の主面側には負極側の半導体モジュールを制御する負極側制御基板が搭載され、前記電流検出器または端子台に設けられた前記制御基板間を電気的に接続する配線によって、前記制御基板間が電気的に接続され、前記半導体モジュールを合わせて１つの電力変換機能を形成していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記冷却器の両面に配置された前記半導体モジュールと前記制御基板との固定用構造の配列と、前記半導体モジュールと前記制御基板との電気的接続構造の配列と、前記制御基板と前記電流検出器または端子台間との電気的接続構造の配列のうちいずれか１つ以上は、前記冷却器の両面でそれぞれ同じ形状になされ、前記半導体モジュールと前記制御基板を、前記半導体モジュールの入出力端子が配置された面と平行な軸を中心に回転して配置した
ことを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記冷却器の第１の主面及び第２の主面にそれぞれ配置された前記制御基板の、前記半導体モジュールに対向する位置に搭載された、前記半導体モジュールを駆動する駆動回路と、前記制御基板の一方の、前記電流検出器または端子台と対向する位置に搭載された、前記電流検出器で検出した電流値を用いて演算した結果によって前記半導体モジュールを動作させ電力変換装置の出力を制御するための出力制御回路と、さらに、前記制御基板のもう一方の、前記制御基板の前記電流検出器または端子台と対向する位置に搭載された、前記制御基板を動作させるために必要な電源回路とを備え、前記電流検出器または端子台に設けられた前記制御基板相互間を電気的に接続する配線によって、前記電源回路と前記駆動回路及び出力制御回路間との電源接続をおこない、また、前記出力制御回路と前記駆動回路間の信号接続を行うことを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記冷却器の１つの主面に配置された前記半導体モジュールと前記制御基板により第１の電力変換機能をもたせ、また前記冷却器の第２の主面に配置された前記半導体モジュールと前記制御基板により第２の電力変換機能をもたせ、前記電流検出器または端子台に設けられた前記制御基板相互間を電気的に接続する配線によって前記第１及び第２のそれぞれの電力変換機能を構成する前記制御基板間が電気的に接続されており、前記第１の電力変換機能を構成する前記制御基板と、前記第２の電力変換機能を構成する前記制御基板のそれぞれの作動状態に合わせて互いの作動状態を変化させる機能を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
少なくとも２つ以上の電力変換機能を備えた電力変換装置で、１つの電力変換機能を構成する前記半導体モジュールと前記制御基板が前記冷却器の両面に分散配置されており、前記電流検出器または端子台に設けられた前記制御基板相互間を接続する配線により、分散配置された前記電力変換機能を持つ回路間を接続し、前記冷却器の両面に配置された前記半導体モジュールと前記制御基板により１つの電力変換機能を実現したことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記冷却器の両面に配置された前記半導体モジュールと前記制御基板のいずれかは、それぞれ固定用構造と電気的接続構造の配列が前記冷却器の両面で同じ形状になされており、前記半導体モジュールと前記制御基板を、前記冷却器と前記電流検出器または端子台の対向する面に対して垂直な方向に向いた軸を中心に回転して配置したことを特徴とする請求項１４または１５に記載の電力変換装置。
【請求項１７】
前記電流検出器または端子台に設けられた前記制御基板相互間を電気的に接続する配線が、前記電流検出器または端子台の中央に対して対称に略中央または略両端またはその両方に配置されたことを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１８】
前記半導体モジュールの入力電圧を平滑化するための平滑コンデンサユニットを備え、前記冷却器と前記半導体モジュールは、前記平滑コンデンサユニットと前記電流検出器または端子台とにより挟持されるとともに、前記平滑コンデンサユニットと前記半導体モジュールは電気的に直接接続されていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１９】
前記平滑コンデンサユニットはコンデンサ素子と、該コンデンサ素子と前記半導体モジュールとを接続するコンデンサ端子と、前記コンデンサ素子と前記コンデンサ端子の接続部及び前記コンデンサ素子を保護し絶縁機能を有するコンデンサケースとを備え、前記コンデンサケースは前記冷却器の、前記半導体モジュールと接しない面に対向した面に開口部を有し、前記コンデンサケースの高さが前記冷却器の両面に対向して配置された前記２枚の制御基板にそれぞれ搭載された部品の最高面間の距離よりもわずかに大きく、その差が電力変換装置に求められる絶縁距離を確保するものであることを特徴とする請求項１８に記載の電力変換装置。
【請求項２０】
前記コンデンサ素子と前記コンデンサ端子の接合面である電極面は、前記冷却器の前記半導体モジュールと接する面と略水平方向に配置されたことを特徴とする請求項１８または１９に記載の電力変換装置。
【請求項２１】
前記冷却器は前記半導体モジュールを搭載する半導体モジュール搭載板と冷却フィンを備えており、前記２つの半導体モジュール搭載板により前記冷却フィンが挟持されており、前記２つの半導体モジュール搭載板と前記冷却フィン間がロウ付けにより接合されたことを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項２２】
金属製接続部材を備えた樹脂製の端子台を介して前記半導体モジュールの端子と前記平滑コンデンサユニットの前記コンデンサ端子が締結されており、前記樹脂製の端子台が高熱伝導部材を介して前記冷却器に固定されており、前記冷却器の、前記半導体モジュールと接しない面が前記平滑コンデンサユニット側に延長されて前記コンデンサユニットの一部と前記冷却器が直接または高熱伝導部材を介して接触していることを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項２３】
前記平滑コンデンサユニットは前記コンデンサ素子と、該コンデンサ素子と前記半導体モジュールとを接続する前記コンデンサ端子と、前記コンデンサ素子と前記コンデンサ端子の接続部及び前記コンデンサ素子を保護し絶縁機能を有する前記コンデンサケースとを備え、前記平滑コンデンサユニットは、前記制御基板と対向する位置に配置され、前記平滑コンデンサユニット内の前記コンデンサ素子が配置されたコンデンサ素子収納部の占有床面積は、前記制御基板の投影面積以下であり、前記コンデンサ端子は前記コンデンサケースの外部で前記冷却器の、前記半導体モジュールを搭載しない面と略平行に配置され、前記コンデンサ端子は少なくとも前記冷却器の、前記半導体モジュールを搭載しない面と略平行に配置された部分において正極と負極の間に絶縁材を介して近接配置されたことを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項２４】
前記コンデンサ素子と前記コンデンサ端子の接合のための前記電極面が、前記冷却器の、前記半導体モジュールと接する面と略平行に配置されたことを特徴とする請求項２３に記載の電力変換装置。
【請求項２５】
前記冷却器は２つの半導体モジュール搭載板と前記冷却フィンを備え、該冷却フィンは、前記半導体モジュール搭載板により挟持されており、前記２つの半導体モジュール搭載板と前記冷却フィン間がロウ付けにより接合されたことを特徴とする請求項２３または２４に記載の電力変換装置。
【請求項２６】
前記平滑コンデンサユニットの両面にパワーアセンブリを備え、前記平滑コンデンサユニットの前記コンデンサケースは、前記制御基板と対向しない面に前記開口部を有していることを特徴とする請求項２３〜２５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールを用いたインバータ装置等の電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュールを冷却器の片面だけに配置する場合よりも冷却器の両面に半導体モジュールを配置すれば占有床面積を小型化できる。しかし、半導体モジュールを冷却器の両面に分割して配置した場合、半導体モジュールと制御基板間の接続が課題となる。例えば、複数個ある半導体モジュールの動作を同期して制御するためには、１つの制御基板で半導体モジュールを制御することが望ましいが、そのためには特許文献１のように冷却器の半導体モジュールを搭載する面に水平に制御端子を延出し、冷却器の半導体モジュールを搭載しない面に対向して制御基板を配置すれば、冷却器の両面に配置された全ての半導体モジュールの制御端子と１枚に集約された制御基板とを最短かつ容易に接続することができるが、半導体モジュールの入出力配線は制御端子とは反対側、冷却器の制御基板と対向する面の反対側に半導体モジュールの入力配線、すなわち半導体モジュールと接続される全ての主回路配線を集中させて配置する必要がある。
【０００３】
大電流が流れる主回路配線の一部を形成する入力配線と出力配線を集中して配置すると、入力配線の近傍に出力配線を配置するための空間及び配線間の絶縁に必要な距離が必要なため、入力配線と接続される平滑コンデンサが半導体モジュールに近接できない。平滑コンデンサが半導体モジュールに近接できない場合、半導体素子と平滑コンデンサ間の配線インダクタンスが大きくなるため、半導体素子のスイッチング動作によって生じる電流変化率と配線インダクタンスの積により発生するスイッチングサージ電圧が大きくなる。スイッチングサージ電圧が半導体モジュールに搭載されたスイッチング素子や還流用素子などの半導体素子の耐圧を超えると半導体素子が破壊されるため、配線インダクタンスが大きい場合には電流変化率すなわちスイッチング速度を抑え、スイッチングサージ電圧を抑える必要があるが、この場合、半導体素子に発生するスイッチング損失すなわち素子発熱が大きくなり大型の冷却器を備える必要があったり、電力変換効率が悪化する課題がある。他のスイッチングサージ対策としてスイッチングサージ電圧を抑制するスナバ回路の追加などの方法もあるが、スナバ回路の搭載スペースが必要で電力変換装置の小型化が困難であった。さらにほかの方法としては電力変換装置の入力電圧を制限する方法もあるが、この場合は電力変換装置の性能が犠牲となる課題があった。
【０００４】
特許文献１の構造に対して、特許文献２の構造では、冷却器の両面に半導体モジュールが配置されるのは同じだが、それぞれの半導体モジュールに対向して各1枚の制御基板を配置しているため、例えば特許文献３のように２つの側面に入力配線と出力配線を分離配置した半導体モジュールを採用すれば半導体モジュールと平滑コンデンサを最短接続することが可能で、特許文献１の配線インダクタンスに関する課題が解決できる。しかし、特許文献２の構造では、制御基板が複数に分割されるため、半導体モジュール個々の動作を同期して制御したり、制御回路や電源回路を片側の制御基板に集約配置したり、冷却器の両面に分散配置された電力変換機能間の保護協調を行ったりするには、制御基板に搭載されたコネクタを介して接続されるハーネス等による制御基板間信号伝送手段が必要である。この場合、コネクタの実装スペースが必要となり、制御基板上に搭載できる回路規模が小さくなったり、必要な回路規模を搭載するために制御基板を大型にしたり、ハーネスの通線スペースが必要であったりするため、結果として電力変換装置の小型化が困難という問題があった。また、制御基板間の信号伝送距離が長くノイズの影響を受けやすくなるため制御基板間信号伝送速度を犠牲にすなわち電力変換装置の性能を犠牲にしてでもノイズ除去のためフィルタを用いるなどの対策が必要であった。
【０００５】
実際に電力変換装置を構成するには半導体モジュールと、半導体モジュールを制御する制御基板、半導体モジュールを冷却する冷却器のほか、特許文献４〜６などの例にあるように半導体モジュールの入力電圧を平滑するための平滑コンデンサや、電力変換装置の出力制御に用いる情報を得るための電流検出器などが必要であり、これら周辺部品の配置については特許文献４〜６などにおいて様々な構造が提案されている。例えば電流検出器の配置に関しては、電流検出器で検出した電流情報を用いて電力変換装置の出力制御を行う出力制御回路と電流検出器間を接続する必要があるが、この電流情報は電力変換装置の入出力電圧、電流に対し非常に微小であり、ノイズによる悪影響に注意し接続配線は最短で接続することが望ましい。また接続信頼性向上と、省スペース化、低コスト化の観点から、接続に必要な部品は少ないことが望ましい。
【０００６】
特許文献４では半導体モジュールの上に駆動回路を搭載した第１の制御基板、その上に出力制御回路を搭載した第２の制御基板、半導体モジュールと第１の制御基板の側面に電流検出器を配置し、制御基板相互間と第２の制御基板と電流検出器間とを第２の制御基板の電流検出器側に設けられたコネクタと信号ハーネスによって接続することを特徴としている。しかしコネクタと信号ハーネスを用いているため、コネクタを配置するスペースや、ハーネス引き回しのためのスペースが必要で電力変換装置の小型化が困難であったり、小型化のため狭いスペースにハーネスを引き回すと組立性が犠牲になるなどの課題があった。
【０００７】
また特許文献５では冷却器上に半導体モジュールと電流検出器を並べて配置しており、半導体モジュールと電流検出器の上を覆うように出力制御回路を備えた制御基板を配置し、電流検出器に設けたリードピンで制御基板と直接接続しており、コネクタや信号ハーネスはなく小型化に有利な構造となっている。ただし、制御基板と冷却器間の限られた高さ寸法の中で温度変化や振動などにより端子に発生する応力を緩和するためリードピンが制御基板とは逆の方向に一旦向いて延びた後、反転して制御基板に向けて延びる湾曲形状を設けることを特徴としているが、複雑なリードピンの案内、固定構造が必要であったり、応力緩和のためにはリードピンに必要に応じたある程度の長さが必要なため、装置のさらなる低背化によってリードピンに湾曲形状を設けることが困難になるため、電力変換装置の低背化による小型化が困難という課題がある。
【０００８】
次に平滑コンデンサの配置に関しては、高効率で小型の電力変換装置を得るには先に述べたように配線インダクタンスを小さくする工夫が必要である。特許文献５では冷却器の上に半導体モジュールを配置し、その上に制御基板を配置し、さらにその上に平滑コンデンサを配置し、半導体モジュールの側面にて平滑コンデンサと半導体モジュールを接続する構造が提案されている。しかし半導体モジュールと平滑コンデンサ間に制御回路の部品高さを含め、ある程度の厚さを有する制御基板が介在しており、半導体モジュールと平滑コンデンサを最短で接続し配線インダクタンスを最小にしているとは言い難い。また小型化のため冷却器の裏面側にも半導体モジュールを配置する場合は、裏面側の半導体モジュールと平滑コンデンサ間に制御基板のみならず冷却器や表面側の半導体モジュールも介在することとなり、配線インダクタンスが小さくできなかったり、冷却器の両面に搭載された半導体モジュール間で配線インダクタンスに差が生じ、冷却器の両面に搭載された半導体モジュールを並列駆動する際には電流の分流が均等とならず、一方の半導体モジュールの発熱が過大になるという課題がある。
【０００９】
また特許文献６では冷却器に半導体モジュールと平滑コンデンサを並べて配置しており、半導体モジュールと平滑コンデンサは最短で接続可能である。しかしこの構造を元に半導体モジュールを冷却器の両面に配置すると、平滑コンデンサも冷却器の両面に配置する必要があるが、平滑コンデンサが複数個離れて設けられると、平滑コンデンサ間の配線インダクタンスと、各平滑コンデンサの容量からなるLC回路により共振が発生し、平滑コンデンサのリプル電流増大とこれに対処するため必要な平滑コンデンサの大型化が課題となる。
【００１０】
また、小径のコンデンサ素子の電極面を冷却器の平滑コンデンサ搭載面に対し直角に配置し、これを複数個並列接続し各相ごとに分割配置する構造により平滑コンデンサユニットの低背化と低インダクタンス化の両立をしているが、コンデンサ素子数が多いと接続点数が多く低コスト化が困難である。仮に低コスト化のため接続点数を減らそうと各相ごとの小径素子の複数並列体を1個の素子に集約すると素子直径が大きくなり低背の効果が失われ、低背のまま接続点数を減らそうとすれば小径で長い素子を複数個接続する構成となるため各相単位の並列構造が困難となり低インダクタンス化の効果が失われるほか、図１７（ｅ）に示すように、小径で長い素子は導体断面積(S)が小さく経路長(L)が長いのと等価であり、素子発熱(I^2R、R＝ρ×L÷S)が大きく、許容リプル電流が小さくなるという問題も生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−７３３７４号公報
【特許文献２】特開２００６−１７４５７２号公報
【特許文献３】特開２００４−１０４８６０号公報
【特許文献４】特開２０１０−１８３７４９号公報
【特許文献５】特開２００６−８１３１１号公報
【特許文献６】特開２００５−１２９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
この発明は、小型化のため半導体モジュールを冷却器の両面に配置した電力変換装置において、複数備えた制御基板相互間の良好な接続と、平滑コンデンサと半導体モジュール間の低インダクタンス接続を両立させようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係る電力変換装置は、半導体素子を搭載した半導体モジュールと、この半導体モジュールを冷却するための冷却器と、前記半導体モジュールを制御する制御基板と、前記半導体モジュールの入力電流または出力電流を検出する電流検出器、または半導体モジュールの入出力端子と接続される端子台を備え、前記半導体モジュールは、前記冷却器の両面に配置されており、前記電流検出器または端子台は、前記冷却器の、前記半導体モジュールと接しない面に対向して配置され、少なくとも２つ以上の前記制御基板は、前記冷却器と前記半導体モジュールと前記電流検出器または端子台とを挟持するように配置され、前記電流検出器または端子台は、前記制御基板相互間を電気的に接続する配線を有するものである。
【発明の効果】
【００１４】
半導体モジュールを冷却器の両面に配置して占有面積を小さくした場合であっても、半導体モジュールの入出力端子が半導体モジュールの複数の側面（冷却器と接しない面）から延出され、制御基板の部品搭載面及び冷却器の半導体モジュール搭載面と略平行に延びており、半導体モジュールと平滑コンデンサまたは端子台または電流センサなどと最短で接続可能で主回路配線による電力損失、及び部品重量を低減可能とする。
【００１５】
また、半導体モジュールを冷却器の両面に配置して占有面積を小さくした場合であっても、半導体モジュールの入出力端子が半導体モジュールの複数の側面（冷却器と接しない面）から延出され、制御基板の部品搭載面及び冷却器の半導体モジュール搭載面と略平行に延びており、半導体モジュールと平滑コンデンサと最短で接続可能で配線インダクタンスが小さいため、スイッチングサージが出にくく、高速スイッチングによりスイッチング損失を低減し装置を高効率化したり、電源電圧を高めて装置の出力を増したり、主回路配線による電力損失を低減し装置を高効率化したり、スナバなどのサージ対策部品を廃止し装置の小型化と低コスト化を実現することが可能である。
【００１６】
また、電流検出器または端子台を制御基板間の冷却器が無い部分に配置しており、電力変換装置の薄型化と大容量対応の大型電流検出器の搭載や電流検出器と制御基板との接続構造の簡素化の両立が可能である。
【００１７】
また、電流検出器または端子台を制御基板間の冷却器が無い部分に配置することで低背のまま制御基板を電流検出器または端子台と対向する部分まで延長可能であり、制御基板間の信号を伝達する配線を電流検出器または端子台に設けることが可能である。
【００１８】
また、電流検出器または端子台に制御基板相互間を接続する機能を有しており別部品の制御基板間信号伝送手段が不要であり、部品点数減（ハーネス不要）、生産性の改善（制御基板と電流検出器の接続と同工程）、最短接続によるノイズ影響の低減が可能である。
【００１９】
また、複数ある制御基板間を電気的に接続することで電力変換装置外部との信号接続に必要なコネクタ（場所、高さを取る）を片方の基板に集約配置可能である。
【００２０】
さらにまた、電流検出器は元々制御基板と信号線の接続が必要であり端子を持っている。この端子の本数を増やすと同時に電流検出器を貫通させれば制御基板相互間の接続機能を容易に実現可能であり、制御基板接続機能を新たな構造追加なく付加することが可能である。
【００２１】
さらにまた、端子台は大電流を通電する主回路配線を接続する部品であり、配線間の絶縁や締結のため、制御基板相互間を接続する配線を追加するスペースを十分有しており、新たなスペースを必要とせず、容易に制御基板接続機能を付加することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態1に係る電力変換装置の全体構成を示す俯瞰図である。
【図２】実施の形態1に係る電力変換装置の全体構成を示す分解斜視図である。
【図３】本発明のパワーアセンブリを示す側面図である。
【図４】本発明のパワーアセンブリを示す斜視図である。
【図５】本発明の別のパワーアセンブリを示す側断面図である。
【図６】本発明の２つの電力変換機能を有するパワーアセンブリにおいて、冷却器の両面に配置された部品の共通化の手法を示す側面図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の側断面図である。
【図８】本発明の２つの電力変換機能を有するパワーアセンブリにおいて、冷却器の両面に配置された部品の共通化の手法を示す分解斜視図である。
【図９】本発明の電力変換装置の半導体モジュールの外形及び回路構成図である。
【図１０】本発明の半導体ユニットの回路構成を示す回路ブロック図である。
【図１１】本発明のパワーアセンブリの回路配置を示す分解斜視図である。
【図１２】本発明の別のパワーアセンブリ示す側面図である。
【図１３】本発明の電力変換装置のパワーアセンブリと平滑コンデンサユニットの接続構成を示す分解斜視図である。
【図１４】本発明の電力変換装置の平滑コンデンサユニットを冷却器下面に配置した場合の構成を示す分解斜視図である。
【図１５】本発明の平滑コンデンサユニットを冷却器下面に配置した場合の構成を示す側断面図である。
【図１６】本発明の平滑コンデンサユニットと複数のパワーアセンブリを組み合わせた構成を示す分解斜視図である。
【図１７】本発明のコンデンサ素子の配置方向によるコンデンサ端子長及び素子発熱への影響を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の全体構成を示す俯瞰図である。
【図１９】実施の形態2に係る平滑コンデンサユニットとパワーアセンブリを示す分解斜視図である。
【図２０】本発明の別のパワーアセンブリを示す側面図である。
【図２１】実施の形態２の平滑コンデンサユニットとパワーアセンブリを示す側面図である。
【図２２】実施の形態2の電力変換装置の入出力端子配置を示す概念図である。
【図２３】実施の形態2の電力変換装置を電動車両に適用した場合の配置を示す概念図である。
【図２４】実施の形態２の１つの電力変換機能を有する電力変換装置の回路配置を示す分解斜視図である。
【図２５】本発明の別のパワーユニット示す側面図である。
【図２６】本発明の出力制御回路と電源回路の配置を示す回路ブロック図である。
【図２７】本発明の別の電力変換装置の半導体モジュールの外形及び回路構成図である。
【図２８】実施の形態２の平滑コンデンサの断面図（ａ）、及び外形の斜視図（ｂ）である。
【図２９】本発明の別のパワーモジュールを示す側面図である。
【図３０】実施の形態２の平滑コンデンサユニットとパワーモジュールを示す斜視図である。
【図３１】実施の形態２の電力変換装置を示す側断面図である。
【図３２】実施の形態２の平滑コンデンサユニットとパワーモジュールを示す分解斜視図である。
【図３３】実施の形態２の電力変換装置を示す側断面図である。
【図３４】実施の形態２の平滑コンデンサユニットとパワーアセンブリを示す側断面図である。
【図３５】本発明の別の電力変換装置の半導体モジュールの外形及び回路構成図である。
【図３６】本発明の電流検出器保持ブラケットの位置関係を示す側面図である。
【図３７】本発明のノイズ対策部品を内蔵した電流検出器の内部構成を示す斜視図である。
【図３８】実施の形態３の窒化珪素または窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドを材料とした素子を採用した場合の平滑コンデンサユニットとパワーアセンブリを示す側面図である。
【図３９】実施の形態３の平滑コンデンサユニットを冷却する場合の構成を示す側断面図である。
【図４０】本発明の実施の形態４に係る平滑コンデンサユニットとパワーアセンブリを示す斜視図である。
【図４１】実施の形態４の電力変換装置の基本構成を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に本発明の実施の形態を説明するが、図において、同一または相当する要素には同一の符号を付すことにより説明を省略している箇所もあることに留意願いたい。
【００２４】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１の全体構成を図１及び図２に示す。実施の形態１の電力変換装置４００は、冷却器１の両面に３つずつの半導体モジュール２と１つずつの制御基板３をのせたパワーアセンブリ（ＡＳＳＹ）１００を、平滑コンデンサユニット２００の両面に各１組備え、これを筐体３００に収納したものであり、合計１２個の半導体モジュール２と、２つの冷却器１と、４つの制御基板３と１つの平滑コンデンサユニット２００により４組の三相直交電力変換機能を有する電力変換装置であり、第１〜第4の三相出力１０７Ａ，１０７Ｂ，１０７Ｃ，１０７Ｄが引出されている。冷却器１には冷却水入口１０３と、Ｕターン流路１０５を介して繋がる冷却水出口１０４が設けられている。
【００２５】
本発明の実施の形態1のパワーアセンブリの基本構成詳細について図３〜図5及び図７を用いて説明する。図３及び図４の電力変換装置では、半導体素子を搭載した半導体モジュール２と、この半導体モジュール２を冷却するための冷却器１と、半導体モジュール２を制御する制御基板３と、半導体モジュール２の入出力端子９と電力変換装置の制御対象となるモータなどの負荷から延びた外部の配線とを接続するための端子台４を備え、半導体モジュール２が冷却器１の両面に配置され、端子台４は、冷却器１の半導体モジュール２と接しない面に対向して配置され、２枚の制御基板３が冷却器１と半導体モジュール２と出力端子台４を図で上下から挟むよう配置されるとともに、端子台４に備えられた制御基板３相互間を接続する配線１８により、２つの制御基板３相互間を接続しているほか、端子台４には制御基板３を保持する制御基板保持台５が設けられており、図示されないネジにて制御基板３と端子台４が締結固定されている。また、図５に示すように、出力端子台４に設けられたバスバー配線６と、制御基板３の出力端子台４と対向する部分に設けられた磁気検出素子７と、その周辺回路とで、磁気コアを用いないいわゆるコアレスの電流検出器３０を構成している。
【００２６】
半導体モジュール２の制御端子８及び入出力端子９は、半導体モジュール２の冷却器１と接する面に略直角な側面から図の左右方向にそれぞれ延びており、制御端子８はわずかに左右方向に伸びた後、制御基板３に向かって略直角に曲げられ、制御基板３と接続されている。半導体モジュール２の入出力端子９は、図７に示すように、制御基板３の部品搭載面及び冷却器１の半導体モジュール搭載面と略平行に図の左右に延びており、図の左側に設けられた入出力端子９は平滑コンデンサユニット２００のコンデンサ端子（正）、（負）１０Ａ、１０Ｂと最短で直接接続されている。平滑コンデンサユニット２００の、制御基板３と対向しない一方の側面から図の左右方向にそれぞれわずかに伸びた後、上下方向に向けて略直角に曲げられたコンデンサ端子１０Ａと１０Ｂとが絶縁材５８を介して平行に近接配置されており、コンデンサユニット２００の上下には同じパワーアセンブリ１００が備えられている。
【００２７】
図３に示すこの実施の形態によれば、冷却器１の両面に半導体モジュール２と制御基板３が配置されており、冷却器の片面にのみ部品を搭載した従来の電力変換装置に対し占有床面積を半減することが可能である。電力変換装置には、電力変換装置の制御対象となる負荷からの外部配線と接続するための端子台が必要だが、この端子台４を冷却器１の側面に配置しており、端子台４を冷却器１の上面に配置する場合に対し低背に配置することが可能である。端子台４を低背に配置することにより、２つの制御基板３間に端子台４を収められるため、電力変換装置の高さを増すことなく制御基板３を端子台４と対向する部分まで伸ばすことが可能となる。
【００２８】
この制御基板３と端子台４の位置関係を実現することにより、端子台４に内蔵された出力電流を通電するバスバー配線６と制御基板３を近接し対向配置することが可能となり、図５に示すように、制御基板３のバスバー配線６に対向する部分に磁気検出素子７とその周辺回路を設けることで小型の電流検出器３０を実現することが可能となった。電流検出器３０を高精度化するには、バスバー配線６と磁気検出素子７の位置関係を固定する必要があるが、本実施の形態では端子台４に設けられた制御基板保持台５によって制御基板３と端子台４の位置関係を固定することで、バスバー配線６と磁気検出素子７の位置関係を固定した後、磁気検出素子７の出力オフセット量と温度特性を出力制御回路１５に記憶させ、磁気検出素子７の出力を補正し使用することで、高精度な電流検出器を構成できる。
【００２９】
従来の電力変換装置では、１つの電力変換機能を構成する制御基板を分割すると、分割部の制御や保護協調に必要な信号、電源供給等のために必要な電気的な接続にハーネス等が必要でサイズやコストが増大したり、ハーネス等の分割部の電気的な接続へのノイズ重畳対策のためフィルタが必要で応答が悪くなったり、制御の同期が困難になるため、１つの電力変換機能を構成する制御基板は１つとする場合が多かった。冷却器の両面に半導体モジュールを配置し、制御基板を１枚とするには特許文献１のように、半導体モジュールの入出力端子を片側に集約配置する必要があったが、この場合、主回路配線の接続が煩雑となり、半導体モジュールと平滑コンデンサ間の距離が大きく、大きな配線インダクタンスによるサージ対策のためスイッチング損失増加か、サージ対策部品の追加によるサイズ、コスト増大が問題であった。しかし、図４に示すこの実施の形態によれば、元々設置が必要な出力端子台に制御基板３相互間を電気的に接続する配線を付加することによって配線のための追加スペースが必要なく、制御基板間の接続が最短で省スペースかつ容易に可能であるから、１つの電力変換装置の制御基板を２つに分割することが可能であり、制御基板を１枚にするため半導体モジュールの入出力端子を片側に集約配置する必要がない。入出力端子が半導体モジュールの左右に分散配置されているため、入力端子側では出力端子配置の影響を受けることなく半導体モジュールと平滑コンデンサユニットのコンデンサ端子とを最短で接続することが可能であり、配線インダクタンスが小さくできるため、大きな配線インダクタンスによるサージ対策は不要であり、従来の電力変換装置に比べスイッチング損失、サイズ、コストが小さい電力変換装置を供給することが可能となる。
【００３０】
続いて、本発明の実施の形態１に係るパワーアセンブリ１００の構成の詳細について、半導体モジュールの内部構成と、主回路構成と、制御基板の部品配置を図６、図８〜図１１、及び図１６を用いて説明する。まず本実施の形態の半導体モジュール２の内部構成は、図９に示すように、スイッチング素子１１と還流ダイオード１２を逆並列接続した回路をそれぞれ２個直列接続し、直流入力端子（正）（負）３６Ａ，３６Ｂ及び交流出力端子３８を引出した回路を搭載しており、この半導体モジュール２を、図１１に示すように冷却器１の両面に各３個ずつ計６個配置することで、図１０に示すような２組の三相の直交電力変換機能を持つ１つのパワーアセンブリ１００を構成している。ただし、冷却器１の各片面で１つの電力変換機能を構成するのではなく、図１０及び図１１に示すように、U1、V1、W1の三相から構成される第１の電力変換機能は冷却器１の手前側、U2、V2、W2の三相から構成される第２の電力変換機能は冷却器１の奥側に配置されており、端子台４には手前側からU1、V1、W1、U2、V2、W2の順に出力端子が１列に配置されている。２つの電力変換機能が冷却器１の上下に分離配置されるのではなく、冷却器１の上下に２つの電力変換機能が混在しているが、各半導体モジュール２は平滑コンデンサの正極、負極と、２つある三相負荷のいずれか１つの相と接続されており、対象とする相は異なるが、冷却器１の上下に配置される半導体モジュール２は全て同じ形状、構成を有する。
【００３１】
また図１１に示すとおり、制御基板３の半導体モジュール２と対向する部分には、対向する半導体モジュール２を駆動する駆動回路１３が搭載されているほか、端子台４と対向する部分には磁気検出素子７（図５参照）とその周辺回路で構成された電流検出回路１４と、電流検出回路１４からの信号により電力変換装置の出力を制御し、各駆動回路１３にスイッチングタイミング信号を送る機能を有する出力制御回路１５と、１つの基準電圧で動作する出力制御回路１５と各半導体モジュール２の基準電圧で動作する駆動回路１３間の基準電圧差を絶縁し、レベル変換する絶縁回路１７が搭載されており、冷却器１の上下に搭載されるそれぞれの制御基板３は、６つの駆動回路１３と、３相分の電流検出回路１４と、１つの出力制御回路１５と、１つの電源回路１６を備え、それぞれの制御基板３は同じ機能を有する。
【００３２】
より具体的には図１０に示すとおり、第１の制御基板３にはV1とU2とW2の駆動回路１３、電源回路１６、及び電流検出回路１４と、U2、V2、W2で構成される第２の電力変換機能の出力制御回路１５が搭載され、第２の制御基板にはU1、W1、V2の駆動回路１３、電源回路１６、及び電流検出回路１４と、U1、V1、W1で構成される第１の電力変換機能の出力制御回路１５が搭載され、端子台４に設けられた制御基板間を接続する配線１８によって第１の制御基板３から第２の制御基板３にV1相の出力制御に必要な電流情報と保護協調に必要な電源状態と、V2相の駆動に必要なスイッチングタイミング信号と保護協調に必要な第２の電力変換機能の状態情報が伝送され、第２の制御基板３から第１の制御基板３にV2相の出力制御に必要な電流情報と保護協調に必要な電源状態と、V1相の駆動に必要なスイッチングタイミング信号と保護協調に必要な第１の電力変換機能の状態情報が伝送される。
【００３３】
なお、図１０及び図１１では、便宜上各アームの半導体素子としてIGBTとDiを各１個ずつ逆並列に接続しているが、用途に応じて複数の素子を並列接続し大容量化してもよいし、IGBTとDiではなくMOSFETなど別の半導体素子でも問題ない。本実施の形態の半導体モジュール２では、図９に示すように、Si製のIGBTとSi製の還流Diをそれぞれ２素子ずつ用いて1相分の回路を構成しており、発熱が還流Diよりも大きなIGBT相互の熱干渉による温度上昇を回避するため、別々の熱拡散部材５１に搭載され、発熱が大きなIGBT素子が隣り合わないよう中心に対し対称な位置に配置されている。
【００３４】
図１０及び図１１に示すこの実施の形態によれば、２つの電力変換機能を冷却器１の表裏に分散して混在させているが、仮に冷却器１の表裏それぞれに１つずつ電力変換機能を持たせると、表裏それぞれの三相出力端子が上下に重なり低背化が困難となるか、表裏それぞれの三相出力端子を左右に並べて配置する場合にはいずれかの相の出力配線が長くなり、重量増や配線による損失及び発熱による温度上昇の影響がある。しかし、図１０及び図１１に示す本実施の形態のように、冷却器１の長手方向手前側の表裏に第１の半導体モジュール群、冷却器１長手方向奥側の表裏に第２の半導体モジュール群を配置すれば、出力配線を伸ばすことなく出力端子を横方向に並べて低背化が可能であり、電力変換装置の高効率化と小型化が両立できる。
【００３５】
このように１つの電力変換機能を分散配置した場合、冷却器１の表裏の制御基板３に分散し搭載された駆動回路１３、出力制御回路１５、電源回路１６、電流検出回路１４間を電気的に接続する必要があるが、従来の電力変換装置ではノイズ対策による応答性の低下、コネクタ搭載による制御基板サイズの増大または回路部品実装スペースの低下、及びハーネス接続によるデッドスペースの増大や組立性の低下といった悪影響がある。しかし、本実施の形態では元々主回路配線の接続のために必要で、主回路間の絶縁距離等制約により制御基板３間の接続配線追加に対し十分な大きさを有する端子台４に設けられた制御基板３間の接続配線１８によって、冷却器１の表裏に分散配置された駆動回路１３と、電源回路１６と、出力制御回路１５、電流検出回路１４間を最短かつ簡単に接続できるため、応答性の低下、接続スペースの増大といった悪影響は極めて小さくできる。
【００３６】
1つの電力変換機能の各相を一括制御する出力制御回路１５は分散配置できないため、
端子台４と対向する部分に配置され、出力制御回路１５の指令により個別に動作する各半導体モジュール２を駆動する各駆動回路１３は半導体モジュール２と対向する位置に分散配置されているが、各駆動回路１３が各半導体モジュール２と対向して配置されているため、駆動回路１３から半導体モジュール２への信号配線が最短にでき、外乱ノイズによるスイッチング誤動作の影響が軽減できる。出力制御回路１５は、電流検出信号等、微弱かつ高精度を要求される各種センサとの信号インタフェース回路を含むが、ノイズ源かつ発熱源となる半導体モジュール２から離れた部分に搭載されており、耐ノイズ性及びインタフェース回路の温度特性の観点から制御基板内で最も良い環境の位置に配置されている。１つの基準電圧で動作する出力制御回路１５と各半導体モジュール２の基準電圧で動作する駆動回路１３間の基準電圧差を絶縁し、レベル変換する絶縁回路１７も出力制御回路１５と同じく半導体モジュール２の発熱による温度上昇影響の小さい位置に配置されており、絶縁回路１７内にある使用最高温度が他の部品よりも低く熱弱点部品の１つである絶縁素子のフォトカプラの搭載位置としては最適であり、フォトカプラの使用温度範囲制約のため出力を抑制したり、冷却器１を大きくする必要が無いため、電力変換装置の小型化または大出力化により出力密度の向上が可能である。
【００３７】
なお、１つの電力変換機能を構成する各回路は冷却器１の表裏に配置された２つの制御基板３に分散配置されているが、それぞれの制御基板３に搭載されている回路数は駆動回路１３が６つ、電源回路１６が１つ、出力制御回路１５が１つ、電流検出回路１４が３つで表裏共通であり、なおかつそれぞれの回路配置も共通であるから、図６、図８に記載の回転軸Ｒを中心に制御基板３を回転配置すれば、冷却器１の表裏に搭載される制御基板３は全く同一の部品とすることができる。冷却器１の表裏に搭載される半導体モジュール２についても制御基板３と同様に冷却器１の表裏で全く同一の部品であるから、冷却器１の表裏に２つの電力変換機能を分散配置して電力変換装置の小型化と高効率化を目指した場合であっても、冷却器１の表裏それぞれに専用の部品が必要なわけではなく、部品点数の削減、集中管理による低コスト化も可能である。
【００３８】
続いて、本発明の実施の形態１のパワーアセンブリの半導体モジュールと制御回路及び平滑コンデンサユニットの接続形態の詳細について、図１２、図１３を用いて説明する。本実施の形態の平滑コンデンサユニット２００は、図１３に示すように、冷却器１、半導体モジュール２、制御基板３の下に配置されており、平滑コンデンサユニット２００の上に制御基板３、半導体モジュール２、冷却器１と端子台４、半導体モジュール２、制御基板３を順に重ねて配置し、平滑コンデンサユニット２００に一括固定されている。制御基板３と半導体モジュール２の入出力端子９及び端子台４に設けられた制御基板３間を接続する配線１８との接続は、図１２に示すように、制御基板３にコネクタ状の端子受け２７が設けられており、半導体モジュール２及び端子台４に設けられたピン状の端子と嵌合することにより電気的な接続を行なうが、接続方法はコネクタ状の端子受け２７に限定するものではなく、制御基板３のスルーホールと圧入用のピン状端子を用いたいわゆるプレスフィット接続でもよいし、他の圧入や圧接による接続方法を採用してもよい。コンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂと半導体モジュール２間は冷却器１の側面、すなわち半導体モジュール２を搭載しない側面側からのネジ締結によって接続するが、接続方法はネジ締結方法に限定するものではなく、溶接でもよいし、ほかの締結方法を採用してもよい。
【００３９】
本実施の形態の電力変換装置では、制御基板３と半導体モジュール２の入出力端子９及び端子台４に設けられた制御基板３間を接続する配線１８との接続に半田付けではなくコネクタ状の端子受け２７を用いているため、冷却器１の両面にある制御基板３と半導体モジュール２及び端子台４に設けられた配線間の接続に部品を回転させる必要がないため、平滑コンデンサユニット２００を土台とし、その上に構成される部品を順に積み上げる組立方法が採用可能であり、組立性の改善と、上下部品一括固定が可能なため、部品点数削減が可能である。
【００４０】
コンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂと半導体モジュール２の締結は、冷却器１の上下方向ではなく側面方向から実施する。また、図１３に示すように、端子台４には配線間の絶縁距離を確保するための溝５０を設けているほか、入出力端子間の絶縁確保と外部配線挿入時の案内機能を兼ねた絶縁壁１９をコンデンサケース２０に設け、案内機能による組立性改善と、絶縁のための別部品追加不要による低コスト化を行っている。
【００４１】
続いて、本発明の実施の形態1の平滑コンデンサユニット２００の詳細について、図７及び図１４〜図１７を用いて説明する。平滑コンデンサユニット２００は、コンデンサ素子２１と、コンデンサ素子２１を保護し筐体３００と接続するためのコンデンサケース２０と、コンデンサ素子２１と半導体モジュール２を接続するコンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂからなり、コンデンサ素子２１はPPフィルムを巻回し押圧により素子を扁平にした後、両端に端子取り出し処理を行い電極面２３としたフィルムコンデンサで、図１４に示すように、電極面２３を冷却器１の半導体モジュール搭載面と略平行方向に複数個配置している。複数のコンデンサ素子２１は、コンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂによって並列に接続され、複数ある半導体モジュール２と中間接続配線を用いず、それぞれ直接接続されている。コンデンサケース２０は、図７及び図１６に示すとおり、制御基板３と対向しない側面に開口部２４が設けられ、端子はこの開口部２４に集約して配置され、開口部２４から外部に出た後すぐに図の上下に向いて延出しているほか、コンデンサ素子２１とコンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂを格納した後に開口部２４は樹脂材により封止されている。
【００４２】
コンデンサ素子２１の占有床面積（冷却器１上方から見た投影面積）は、図１５に示すように、制御基板３の床面積よりもわずかに小さく、半導体モジュール２と接続されるコンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂ及びコンデンサケース２０が制御基板３の床面積よりもわずかにはみ出している。この形状と配置により平滑コンデンサユニット２００と２枚の制御基板３に挟まれた部品とで略直方体を形成している。
【００４３】
半導体モジュール２を冷却する冷却器１は、図１５に示すように、薄い金属板により構成される半導体モジュール搭載板２５と高密度で放熱面積が大きく高性能な冷却フィン２６が別部品として製造され、ロウ付け接合により半導体モジュール搭載板２５と冷却フィン２６が一体化されることで、従来の鋳造による冷却器や、押出し成型による冷却器よりも極めて薄型の冷却器１を構成しており、これによりコンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂの全長Ｌ2を短縮している。なお、図１５では、冷却フィン２６の例としてコルゲート材によるストレートフィンを記載しているが、フィンの形状を限定するものではなく、半導体モジュール搭載板２５が薄く、冷却器１が薄型であれば他の構成の冷却器１を用いてもよい。
【００４４】
さらに、本実施の形態では、図７に示すように、平滑コンデンサユニット２００の上下面にこれまで説明した制御基板３、半導体モジュール２、冷却器１からなるパワーアセンブリ１００をそれぞれ１個ずつ配置しており、本実施の形態では１つの冷却器１の表裏で２つの電力変換機能を実現可能であるから、平滑コンデンサユニット２００の上下面合わせて合計4つの電力変換機能を実現している
。
【００４５】
本実施の形態の図７では、平滑コンデンサユニット２００を冷却器１の半導体モジュール２と接する面に対向して配置し、平滑コンデンサユニット２００の上下面両方に冷却器１や半導体モジュール２、制御基板３からなるパワーアセンブリ１００を配置することにより、電力変換装置の床面積低減と複数の電力変換機能の一体化を実現している。なお、ここでは説明のため平滑コンデンサユニット２００の上下に電力変換機能を配置する例をあげているが、上下左右方向を限定するものではなく、床面積低減よりも低背化が重要な場合は装置全体を回転し上下左右方向を入れ替えて用いてもよい。
【００４６】
図１４に示すコンデンサ素子２１は、図１７に示すように、電極面２３を冷却器１の半導体モジュール２搭載面と略平行方向に配置する（図１７（ａ）（ｄ）参照）ことで、略垂直方向に並べる場合（図１７（ｂ）（ｃ）参照）と比べ、コンデンサ素子２１の全長と、コンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂの全長を短くしており、電力変換装置の小型軽量化、低コスト化、配線損失の低減による高効率化を実現している。
【００４７】
次に、図７及び図１５に示すように、コンデンサ素子２１の占有床面積（冷却器１上方から見た投影面積）は制御基板３の床面積よりも小さく、半導体モジュール２と接続されるコンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂ及びコンデンサケース２０がわずかに制御基板３の床面積よりもはみ出すように配置することで、平滑コンデンサユニット２００と２枚の制御基板３に挟まれた部品とで略直方体を形成できるため、筐体３００への収納性がよく、良好な組立性が得られるほか、無駄な空間が少なくできるので電力変換装置の小型化が可能である。
【００４８】
また、図１５に示すように、冷却器１を、薄い半導体モジュール搭載板２５と高密度で放熱面積が大きい冷却フィン２６との別部品として製造すれば、高い冷却性能と冷却器１の薄型化の両立が可能であり、冷却器１が薄型になれば、コンデンサ素子２１から半導体モジュール２までの距離が短くなるため、配線インダクタンスを小さくできるのでスイッチングサージ対策が不要で、小型かつ高効率な電力変換装置が実現できるほか、冷却器１の表側の半導体モジュール２とコンデンサ素子２１間の配線インダクタンス（L2）と冷却器１の裏側の半導体モジュール２とコンデンサ素子２１間の配線インダクタンス（L1）との差（ΔL）が小さくなるため、本実施の形態とは異なるが、仮に冷却器１の表裏の半導体モジュール２を並列接続して使う場合など、冷却器１の表側の半導体モジュール２と裏側の半導体モジュール２のインダクタンス差が問題となる場合であっても、その影響を小さくすることができるため、冷却器１が薄型である本実施の形態は電力変換装置の小型化、高能率化が可能なほか、様々な回路形態に対応可能といえる。
【００４９】
なお、本実施の形態では平滑コンデンサユニット２００の上下それぞれに２つの電力変換機能を持たせ、４つの直交電力変換機として機能させることで、４つのモータを制御する電力変換装置の例をあげたが、必ずしも１つの冷却器に２つの電力変換機能を持たせる必要はなく、例えば平滑コンデンサユニット２００の上面に後で述べる実施の形態２の電力変換装置からなるパワーアセンブリ、下面に本実施の形態1の電力変換装置のパワーアセンブリを持たせれば、２つの小容量モータ制御機能と１つの大容量モータ制御機能を持たせることが可能であるし、平滑コンデンサユニット２００の片側に直流／交流電力変換機能ではなく直流／直流電力変換機能を持たせ、２つのモータ制御機能と電源昇圧機能を持たせてもよく、本実施の形態及び実施の形態２の形態を組み合わせることで最大１から４の電力変換機能を持たせることができ、様々な容量、回路形態に対応可能である。
【００５０】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２の全体構成を図１８及び図１９に示す。実施の形態２の電力変換装置４００は、筺体３００に収容されたパワーアセンブリ１００の片側面に平滑コンデンサユニット２００を配置したものであり、直流入力１０１、三相出力１０７、冷却水入口１０３、及び冷却水出口１０４等を備えている。ここでは、実施の形態１のパワーアセンブリを元に、大容量の三相直交電力変換機能を１つのみ有する電力変換装置の例を示しており、パワーアセンブリが１組のみの場合の平滑コンデンサユニットの配置及び実施の形態１のパワーアセンブリを元に大容量の電力変換機能を実現する場合の構成について説明する。
【００５１】
本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の基本構成を図２０及び図２１を用いて説明する。図２０の電力変換装置では、半導体素子を搭載した半導体モジュール２と、この半導体モジュール２を冷却するための冷却器１と、半導体モジュール２を制御する制御基板３と、半導体モジュール２の出力電流を検出する電流検出器３０を備え、半導体モジュール２が冷却器１の両面に配置され、電流検出器３０が冷却器１の半導体モジュール２と接しない面に対向して配置され、２枚の制御基板３が、冷却器１と半導体モジュール２を挟むよう配置されるとともに、電流検出器３０に備えられた制御基板相互間を接続する配線１８により、電流検出器３０と２つの制御基板３間及び２つの制御基板３相互間を接続している。
【００５２】
半導体モジュール２の制御端子８及び入出力端子９は半導体モジュール２の冷却器１と接する面に略直角な側面から図の左右方向にそれぞれ延びており、制御端子８はわずかに左右方向に伸びた後、制御基板３に向かって略直角に曲げられ、制御基板３と接続されている。半導体モジュール２の入出力端子９は、図２１に示すように、制御基板３の部品搭載面及び冷却器１の半導体モジュール２搭載面と略平行に図の左右に延びており、図の左側に設けられた入出力端子９は平滑コンデンサユニット２００の端子部と最短で直接接続され、図の右側に設けられた入出力端子９は電流検出器３０を介し、図示されない電力変換装置の制御対象となるモータなどの負荷と接続されている。
【００５３】
図２０に示すこの実施の形態によれば、冷却器１の両面に半導体モジュール２と制御基板３が配置されており、冷却器１の片面にのみ部品を搭載した従来の電力変換装置に対し占有床面積を半減することが可能である。電力変換装置の出力を制御するには多くの場合で電流検出器３０が必要だが、この電流検出器３０を冷却器１の側面に配置しており、電流検出器３０部分を冷却器１の上面に配置する場合に対し低背にすることが可能である。電流検出器３０部分を低背に配置することにより、２つの制御基板３間に電流検出器３０を納められるため、電力変換装置の高さを増すことなく制御基板３を電流検出器３０と対向する部分まで伸ばすことが可能となる。制御基板３との接続配線を有する電流検出器３０と制御基板３が対向配置されることで、電流検出器３０と制御基板３間の電気的な接続がハーネス等の別部品を介さずに行えるほか、電流検出器３０を貫通する配線１８を設けることにより２つの制御基板３間の電気的な接続が可能となった。
【００５４】
従来の電力変換装置では、１つの電力変換機能を構成する制御基板を分割すると、分割部の電気的な接続にハーネス等が必要で、サイズやコストが増大したり、分割部へのノイズ重畳対策のためフィルタが必要で応答が悪くなったり、制御の同期が困難になるため、１つの電力変換機能を構成する制御基板は１つとする場合が多かった。冷却器の両面に半導体モジュールを配置し、制御基板を１枚とするには、特許文献１のように、半導体モジュールの入出力端子を片側に集約配置する必要があったが、この場合、主回路配線の接続が煩雑となり、半導体モジュールと平滑コンデンサ間の距離が大きく、大きな配線インダクタンスによるサージ対策のためスイッチング損失増加か、対策部品の追加によるサイズ、コスト増大が問題であった。しかし、図２１に示すこの実施の形態によれば、電流検出器３０に設けられた配線１８によって制御基板３間の接続が省スペースかつ容易に行なわれるから、制御基板３を１枚にまとめる必要がなく、半導体モジュール２の入出力端子９を左右に分散配置できる。分散配置することで入力側では半導体モジュール２と平滑コンデンサユニット２００を最短で接続することが可能となり、配線インダクタンスが最小でサージ対策が不要であり、従来の電力変換装置に比べスイッチング損失、サイズ、及びコストが小さい電力変換装置を提供することが可能となる。
【００５５】
また、半導体モジュール２の入出力端子９が図の左右方向に分かれて配置されており、それぞれの端子に電力変換装置の入力側となる平滑コンデンサユニット２００、電力変換装置の出力側となる電流検出器３０が配置されている本実施の形態の構成によれば、図２２に示すとおり、電力変換装置の入力側４６と出力側４７を筐体３００の相対する位置に分散して配置した場合に、筐体３００の一方から他方へ配線経路の無駄なく電力を導通することが可能であり、配線による電力損失の低減、すなわち電力変換装置の損失低減、高効率化が可能となる。この電力変換装置を三相の直交電力変換機として利用し、図２３に示すようにエンジンとモータ３２を動力源とするハイブリッド電気自動車やモータ３２のみを動力源とする電気自動車に適用する場合を考えると、動力源となるモータ３２は車両の駆動軸に近いエンジンルームなどの車両前方に搭載されるが、化学反応を伴うバッテリ６２はその使用温度環境の制約や衝突時の安全性の観点から主にエンジンルームより後方にある乗員室内に搭載されることが多い。車両の後方に搭載されるバッテリ６２と車両の前方に搭載されるモータ３２の間に配置される電力変換装置の入力と出力が筐体３００の相対する位置に配置されれば、本発明の電力変換装置４００Ａは従来の電力変換装置４００Ｂと比較して、バッテリ６２からモータ３２に至る配線に無駄な迂回路がなく最短とすることができるため、電力損失低減、電線長短縮による車両重量の軽減化、低コスト化に有利となる。なお、図２２及び図２３では、筐体３００の相対する面に入出力端子をそれぞれ配置しているが、必ずしも相対する位置に配置する必要はなく、車両レイアウトに応じて、入力を電力変換装置側面の後方側、出力を電力変換装置側面の前方側に配置するなど、電流経路に著しい迂回部が無ければ同等の効果を得られる。
【００５６】
続いて、本発明の実施の形態２の半導体モジュール構成と、主回路構成と、制御基板の部品配置の詳細について図２４〜図２８を用いて説明する。まず図２４に示すとおり、スイッチング素子１１と還流ダイオード１２をそれぞれ１個ずつ搭載する半導体モジュール２を冷却器１の両面に各３個ずつ計６個配置し、冷却器１の上面１Ａに搭載された各半導体モジュール２を正極Ｐ側、冷却器１の下面１Ｂに搭載された各半導体モジュール２を負極Ｎ側に接続し、これらを直列接続することで図２６に示すような三相の直交電力変換装置を構成している。なお、図２６では便宜上各アームの半導体素子にはIGBTとDiを各１個ずつ逆並列に接続しているが、用途に応じて複数の素子を並列接続し大容量化してもよいし、IGBTとDiではなくMOSFETなど別の半導体素子でも問題ない。本実施の形態の半導体モジュールでは大容量化のため、図２７に示すように、IGBTとDiをそれぞれ２並列にしており、同時に発熱する並列素子間の熱干渉による温度上昇を回避するため、別々の熱拡散部材５１に搭載され、同時に発熱する並列素子が隣り合わないよう中心に対し対称な位置に配置されている。
【００５７】
また図２５に示すとおり、制御基板３の半導体モジュール２と対向する部分には対向する半導体モジュール２を駆動する駆動回路１３が搭載されているほか、負荷に取り付けられた各種センサや電流検出器３０からの信号により電力変換装置の出力を制御し各駆動回路１３にスイッチングタイミング信号を送る機能を有する出力制御回路１５は、一方の制御基板３の電流検出器３０と対向する部分に搭載されている。他方の制御基板３の電流検出器３０と対向する部分には出力制御回路１５や全ての駆動回路１３を動作させるための電源回路１６が搭載されており、これらを合わせて電力変換装置の制御回路を構成している。
【００５８】
図２４に示すこの実施の形態によれば、冷却器１の片面に正極側または負極側の半導体モジュール２が集中配置されており、冷却器１の両面に配置された半導体モジュール２の入出力端子９に対応し、平滑コンデンサユニット２００の端子面に上下２段に配置された端子は、一方の列を正極、他方の列を負極に統一することができる。こうすることにより、図２８に示すように平滑コンデンサユニット２００内部または外部において正極Ｐ、負極Ｎ配線が近接したり交差することがなく、正負端子が近接する際に必要な絶縁距離の確保によるサイズ増大または絶縁部材追加によるコスト増大が不要となり、電力変換装置の中で大きなスペースを占有する平滑コンデンサユニット２００の小型化、低コスト化が可能となる。
【００５９】
また、正極側と負極側の半導体モジュール２がそれぞれ冷却器１の片側に集約して配置されていれば、１つの半導体モジュール２内部で複数の半導体素子を並列接続し、大容量の電力変換装置を構成する際に有利である。仮に、実施の形態１で用いた図９に示すような１つの半導体モジュール２内にスイッチング素子１１と還流ダイオード素子１２を逆並列した回路が２つ直列に接続され、三相の直交電力変換回路の１相分を担う半導体モジュール２（2in1型）を冷却器１の両面に配置し、並列に接続し大容量化するには、冷却器１の両面に配置された半導体モジュール２の駆動タイミングを同期する必要があるが、同期が必要な２つの半導体モジュール２を駆動する駆動回路１３は２つの基板に分割配置されており、制御基板３間の接続部に必要なフィルター等による動作遅れ時間を考慮すると、並列駆動される２つの半導体モジュール２の同期駆動は困難である。この課題の回避のためには、２つの半導体素子を駆動する駆動回路を１つに集約するしかなく、その場合、並列駆動される半導体モジュールを冷却器１の両面に分散配置することはできないため、本発明の構成により半導体モジュール２と平滑コンデンサユニット２００を最短で接続し、低インダクタンス化することができない。
【００６０】
しかし、本実施の形態の構成のように正極側、負極側の半導体モジュール２を冷却器１の両面に分散配置すれば、正極側、負極側それぞれの駆動回路１３が冷却器１の片面に集約配置できるから、駆動回路１３の分割は不要となる。また、図９に示す実施の形態１の2in1型の半導体モジュールのパッケージを流用し、半導体モジュール２内のスイッチング素子１１と還流ダイオード素子１２を逆並列に接続した回路２組を直列から並列に接続変更するだけで、図２７に示す１相分の正極側または負極側に対応した２並列の大容量対応の半導体モジュール（２並列1in1型）を容易に得ることができるため、新たに大容量対応のパッケージを開発しなくても本実施の形態２の構成に適した大容量の半導体モジュールを容易に得ることができ、開発コストの低減が可能となる。
【００６１】
さらに、図２７に示す半導体モジュール２では、並列接続され、同時に発熱する半導体素子が、異なる熱拡散部材５１に搭載され、隣り合わない離れた場所に配置されているため、互いの発熱の影響を受けにくく、隣り合った場所に配置される場合に比べ、より大電流を通電することが可能であり、半導体素子の小型化、冷却器の簡素化など、電力変換装置の小型化、軽量化、低コスト化が可能となる。
【００６２】
次に、図２５及び図２６に示すこの実施の形態によれば、各々独立して動作する半導体モジュール２の駆動回路１３は、２つの制御基板３に分散し、各々の駆動対象の半導体モジュール２に対向して配置するが、全ての半導体モジュール２を統括制御する出力制御回路１５は１つの電力変換機能に対し１つ必要で分割することが困難であるため、一方の制御基板３に集約配置する必要がある。
【００６３】
例えばモータを駆動するための直交電力変換装置では、モータの回転子位置検出器からの位置情報と、電力変換装置の出力電流検出器からの電流情報から、モータを駆動するための各相半導体モジュールのスイッチングタイミングを決め、これをそれぞれの半導体モジュールの駆動回路に伝送し、半導体素子を動かすことでモータ出力を制御する。これら機能を勘案すると、出力制御回路１５はそれぞれの駆動回路１３と、電流検出器３０と、モータ３２にできるだけ近い位置に配置することが耐ノイズ性、応答性、スペース効率の観点から望ましいが、本実施の形態の出力制御回路１５は電流検出器３０に近接して配置されており、電流検出器３０からの信号を最短で入力することが可能である。また、この実施の形態の電流検出器３０はモータへの出力電流を検出する電流検出器であり、効率的な装置間の配置を考慮すると、電流検出器３０は出力制御回路１５の制御対象となるモータに近い位置に配置されているから、結果として出力制御回路１５は制御対象であるモータからのセンサ信号等を最短で入力できる位置に配置されており、耐ノイズ性、応答性、スペース効率の観点から最も良い位置に出力制御回路１５を配置することができる。出力制御回路１５と別の制御基板３に搭載された駆動回路１３の間も電流検出器３０に設けた制御基板３相互間を接続する配線により、コネクタやハーネスを使わず最短で接続されており、本実施の形態の構成であれば、１つの電力変換機能を実現する制御回路を複数の制御基板３に分散配置しても、電流検出器３０に設けられた制御基板間接続機能により良好な出力制御と半導体モジュール２の駆動が可能である。
【００６４】
また、駆動回路１３がそれぞれの駆動対象の半導体モジュール２に対向する位置に配置され、出力制御回路１５が一方の制御基板３に集約配置されたことにより、他方の制御基板３の電流検出器３０と対向する部分には空間が存在するが、図２５及び図２６に示す本実施の形態では、この空間を活用し、駆動回路１３や出力制御回路１５の駆動に必要な電源回路１６を搭載している。図２６の構成の電力変換装置では、各相ごとの半導体モジュール２は基準となる電位が異なるため、各相の半導体モジュール２の駆動には絶縁された電源が必要である。電源回路１６と駆動回路１３間を接続する配線には各相間に絶縁処理が必要であり、電源回路１６と駆動回路１３を異なる基板に分割して配置すると、絶縁が必要な電源供給線を基板間に渡す必要があり、必要な絶縁距離を確保するために接続ピンを間引いた大型のコネクタを用いたり、高耐圧のハーネスが必要であったり、著しくサイズとコスト増となる懸念があった。他に電源供給用の大型コネクタ搭載場所が無い場合には電源回路１６も駆動回路１３に合わせ２分割する方法もあるが、この場合、高価な電源制御系部品や、大型の絶縁トランスが２組必要となるため、サイズ、コスト上の問題があった。しかし、本実施の形態では、元々電力変換装置に必要で、なおかつコネクタよりも十分に大きく絶縁距離の確保が容易な電流検出器３０に分散して制御基板３間の電源供給線接続機能を持たせており、新たなスペース追加の必要なく、制御基板３間の電源供給が実現可能である。
【００６５】
続いて、本発明の実施の形態２の半導体モジュールと制御回路及び平滑コンデンサユニットの接続形態の詳細について、図２９及び図３０を用いて説明する。まず図３０に示すとおり、制御基板３の、半導体モジュール２と平滑コンデンサユニット２００とを接続する箇所に対向した部分には切り欠きが設けられている。制御基板３と半導体モジュール２の制御端子８間、制御基板３と電流検出器３０の配線間は、図２９に示すようにいずれも制御基板３に設けられたスルーホールに半導体モジュール２及び電流検出器３０側に設けられたピンを挿入し半田付け３５する構成となっている。
【００６６】
図２９を用いた電力変換装置では、制御基板３と半導体モジュール２及び電流検出器３０間の半田付け箇所３５が冷却器１の上面側と下面側両方に存在するため、片面の半田付けの後、製品を１８０度回転し裏面を半田付けする必要がある。この際、平滑コンデンサユニット２００と半導体モジュール２が先に接続されていると、重量の大きい平滑コンデンサユニット２００ごと回転する必要があるため、冷却器１と平滑コンデンサユニット２００間を強固に接続するなど、電力変換装置の重量とサイズが増大したり、製造に必要な治具が大掛かりになり、結果として製品コストが増大する恐れがある。半導体モジュール２の入出力端子９を制御基板３の投影面積外に伸ばし、先に半導体モジュール２と制御基板３とを半田付けしても影響がない部分で半導体モジュール２と平滑コンデンサユニット２００を接続する方法もあるが、この場合、配線インダクタンスが大きくなり、スイッチングサージ対策が必要で電力変換装置の小型化、高効率化が困難である。そこで図３０に示す本実施の形態では、半導体モジュール２と平滑コンデンサユニット２００の締結部に切り欠き４０を設け、制御基板３と電流検出器３０及び半導体モジュール２を先に半田付け３５により接続した後、平滑コンデンサユニット２００と半導体モジュール２間を切り欠き４０を用いて接続できるようにしている。こうすることで電力変換装置の重量、サイズや損失の増大を防ぐことができるが、制御基板３の有効面積は減少する。しかし本実施の形態の制御基板３は、電流検出器３０が低背に配置されており、電力変換装置を大型化することなく電流検出器３０と対向する面に制御基板３が延長されるから、実装面積が大きく、必要な有効面積を確保することができる。
【００６７】
続いて、本発明の実施の形態２の平滑コンデンサユニットの詳細について、図３１〜図３４を用いて説明する。平滑コンデンサユニット２００は、コンデンサ素子２１と、コンデンサ素子２１を保護し筐体と接続するためのコンデンサケース２０と、コンデンサ素子２１と半導体モジュール２を接続するコンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂからなり、コンデンサ素子２１はPPフィルムを巻回し押圧により素子を扁平にした後、両端に端子取り出し処理を行い電極面２３としたフィルムコンデンサで、図３３に示すように電極面２３を冷却器１の半導体モジュール２搭載面と略平行方向に複数個配置されている。複数のコンデンサ素子２１は、コンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂによって並列に接続され、複数ある半導体モジュール２とそれぞれ直接接続されている。コンデンサケース２０は、図３２に示すように、冷却器１と対向する面に開口部２４が設けられ、コンデンサ素子２１とコンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂを格納した後に樹脂材により開口部２４を封止している。
【００６８】
コンデンサケース２０の高さ（コンデンサ素子の長さに比例）は、冷却器１の両面に対向して配置された２つの制御基板３に搭載されたそれぞれの最大部品間距離とほぼ同じで、本実施の形態では図３１に示すように、この差によって生じる隙間よりもわずかに厚い変位吸収可能なゲル状の高熱伝導絶縁シート３９を、制御基板３に搭載された部品４１と筐体３００間に配置することで、制御基板３の放熱を行いつつ、制御基板３上の部品４１と筐体３００間の絶縁を確保している。こうした配置により、平滑コンデンサユニット２００と、制御基板３と、制御基板３に挟まれた半導体モジュール２や冷却器１とで略直方体を形成している。半導体モジュール２を冷却する冷却器１は、図３４に示すように、薄い半導体モジュール搭載板２５と高密度で放熱面積が大きい冷却フィン２６が別部品として製造され、薄型の冷却器１を構成しており、これによりコンデンサ素子２１の全長を短縮している。
【００６９】
図３０、図３１、及び図３３に示す本実施の形態では、平滑コンデンサユニット２００を冷却器１の半導体モジュール２と接しない面に対向して配置することにより、冷却器１の厚み分を平滑コンデンサユニット２００の設置スペースとすることで、特許文献６のように半導体モジュール２と接する面上に配置する場合に比べ、電力変換装置を小型化、低背化している。また、コンデンサケース２０の開口部２４を冷却器１の半導体モジュール２と接しない面に対向して配置することで、コンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂを最短とし、コンデンサ素子２１と半導体モジュール２との電気的な接続距離を最小とすることができ、特許文献６の平滑コンデンサのように、正極端子と負極端子を絶縁材を介して近接させる平行平板とすることなく配線インダクタンスを小さくすることができる。そのため、部材の削減により小型化、低コスト化が可能なほか、小型化及び高効率化に悪影響を及ぼすスナバの追加や、スイッチング速度低下等のサージ対策が不要で電力変換装置の小型化、低コスト化が可能となる。
【００７０】
次に、図３１に示すように、２枚の制御基板３に搭載された部品４１の最高面間の距離よりも平滑コンデンサユニット２００の高さをわずかに高くすれば、平滑コンデンサユニット２００から制御基板３、電流検出器３０または端子台４に至る部品の高さをほぼ全て揃えることができるため無駄な空間が無く、電力変換装置を小型化することが可能である。このわずかな隙間を設けると、制御基板３に搭載された部品４１（受電部が露出）と筐体３００間にわずかな隙間が形成され、この隙間によって部品４１近傍に対流による空気の流れを確保し、制御基板３に搭載された部品４１を許容温度以下とすることができるが、電力変換装置の小型化のためには、この隙間距離は電力変換装置に求められる絶縁を確保できる最小の距離か、絶縁シートなど別の絶縁部材を併用してそれ以下とすることが望ましい。そこで本実施の形態では、部品や組立てのばらつきによって生じる高さの変位を吸収できる厚みを有する絶縁性の高熱伝導絶縁シート３９によって、制御基板３上の部品４１と筐体３００間の絶縁と、部品４１の放熱とを実現しており、電力変換装置の小型化を可能としている。
【００７１】
平滑コンデンサ素子２１の全長短縮は配線インダクタンスが小さくできるほか、同じ容量を確保するコンデンサ素子２１を考えると、全長を短縮すると電極面の面積を大きくしなければならないが、図１７（ｅ）に示すように、電極面の面積（配線経路の断面積Sと等価）が大きいほど、また全長すなわち電極面間の距離（配線経路の経路長L）が短いほど発熱が小さくなる利点がある。（電気配線の抵抗値R＝ρ×L÷Sと同じくコンデンサ素子の断面積が大きいほど、配線経路長が短いほど抵抗が小さくジュール発熱が小さくなる）。本実施の形態の電力変換装置では制御基板３上の部品４１と筐体３００間の距離を小さくしたり、図３４に示すように冷却器１を薄く構成することで、コンデンサ素子２１の全長（電極面間の距離：H3）を小さくしており、平滑コンデンサユニット２００の発熱が小さく、許容リプル電流を大きく取れるため、平滑コンデンサユニット２００の小型化が可能である。平滑コンデンサユニット２００は電力変換装置のうち、体積、重量で大きな割合を占めており、平滑コンデンサユニット２００の小型化は電力変換装置の大幅な小型軽量化、低コスト化につながる。
【００７２】
実施の形態３．
続いて、本発明の実施の形態３の構成を説明する。実施の形態３の電力変換装置は実施の形態２の半導体モジュールに搭載されるスイッチング素子をワイドバンドギャップ素子に置き換えた場合の例である。SiCなどのワイドバンドギャップ素子では高温動作と高速スイッチングが可能なため、周辺部品の耐熱性と耐ノイズ性が課題であり、本実施の形態では実施の形態２の電力変換装置を元に、周辺部品の耐熱性と耐ノイズ性を向上するための構成について説明するが、本実施の形態はワイドバンドギャップ素子にのみ適用可能なものではなく、実施の形態１や２の電力変換装置にも適用可能な構成である。
【００７３】
本発明の実施の形態３の基本構成について図３５〜図３９を用いて説明する。本実施の形態の半導体モジュール２の基本構成は、実施の形態２と同じであるが、図３５に示すように、スイッチング素子１１ＡとしてSiC製のMOSFETと、還流ダイオード１２AとしてSiC製のショットキーバリアDiをそれぞれ２並列にしている。同時に発熱する並列素子間の熱干渉による温度上昇を回避するため、別々の熱拡散部材５１に搭載され、同時に発熱する並列素子が隣り合わないよう中心に対し対称な位置に配置されていて、端子の配列は実施の形態２と同様である。なお、本実施の形態では半導体モジュール２に搭載される半導体素子はSiC製を例に挙げているが、必ずしもSiC製の半導体素子である必要はなく、Si製の半導体素子やSiCと同じくワイドバンドギャップ素子であるGaN素子でもよいし、ダイヤモンドを原料とするワイドバンドギャップ素子でもよい。また、MOSFETとショットキーバリアDiの組み合わせである必要はなく、IGBTと還流ダイオードの組み合わせでもよい。
【００７４】
本発明の実施の形態３の熱対策とノイズ対策の詳細について、図２５及び図３６〜図３９を用いて説明する。本実施の形態の電流検出器３０は、図３６に示すように、金属製のブラケット４２により、筐体３００と固定された冷却器１に固定されている。この金属製のブラケット４２は、冷却器１の端面付近で折り曲げられ、制御基板３と電流検出器３０の間に配置されている。
【００７５】
電流検出器３０には、図３７に示すように、内部に電流検出回路４３を搭載した電流検出基板４４を備え、電流検出基板４４には冷却器１の両面に対向するよう配置された２枚の制御基板３間を接続する配線１８があり、この配線の途中にノイズ対策部品４５が搭載されている。制御基板３と電流検出回路４３とは配線４９で接続されている。
【００７６】
制御基板３の金属製ブラケット４２と対向した部分には、図２５に示すように、出力制御回路１５と電源回路１６が搭載されているほか、出力制御回路１５と駆動回路１３間に設けられた絶縁回路も搭載されている。絶縁回路は低圧の制御電源で動作する出力制御回路１５と、半導体素子と同じ高圧の主回路電圧基準で動作する駆動回路１３間の信号を絶縁処理するため光伝送による絶縁素子であるフォトカプラが採用されているが、フォトカプラは光伝送のための特殊なパッケージ形態等の理由により周辺の半導体電子部品よりも最高使用温度が低い（半導体電子部品の最高使用温度は105〜125℃のものが多いが、フォトカプラは85〜105℃のものが多い）。出力制御回路１５には電力変換装置の主回路電圧を検出するための電圧検出回路が含まれており、電圧検出回路内の高精度抵抗素子を用いた分圧回路によって主回路電圧を分圧し、出力制御回路１５内の演算装置（CPU）に入力している。電源回路１６には各半導体モジュール２の駆動回路電源を絶縁するための絶縁トランスが備えられているが、この絶縁トランスは制御基板３の小型化のため、高密度の巻線が施されている。つまり、制御基板３の金属性ブラケット４２と対向した部分には、周辺の部品よりも最高使用温度が他の部品より低いフォトカプラと、温度による特性変化が問題となる高精度な抵抗素子と、高密度の巻線のため高温となる絶縁トランスが搭載されている。
【００７７】
次に平滑コンデンサユニット２００は、図３９に示すように、コンデンサ素子２１と、素子を保護し筐体と接続するためのコンデンサケース２０と、コンデンサ素子２１と半導体モジュール２を接続するためのコンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂとを備えるが、コンデンサ素子２１にはPPフィルムを巻回したフィルムコンデンサを採用しており、コンデンサ素子２１の両端に設けられた電極面２３を冷却器１と半導体モジュール２の接する面と略平行となるよう配置している。さらに平滑コンデンサユニット２００のコンデンサケース２０の開口部２４は冷却器１に面しており、冷却器１の一部が延長され、図示しないポッティング樹脂と高熱伝導接着剤を介してコンデンサ素子２１の略中央付近の側面と冷却器１が接触している。また、コンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂと半導体モジュール２の入出力端子９との接続は、冷却器１に高熱伝導接着剤５２を介して固定された高熱伝導樹脂製端子台５６を用いてネジと端子台５６に内蔵された金属接続部材５７によって締結されている。
【００７８】
本実施の形態の半導体モジュール２には、ワイドバンドギャップ素子１１ＡであるSiC-MOSFETとSiC-SBDを用いているが、SiC等のワイドバンドギャップ素子１１Ａは従来のSi製の素子よりも高速駆動が可能であるから、このメリットを活かし高速駆動するとノイズによる制御回路の誤動作が問題となる。本実施の形態では、駆動回路１３よりも弱電駆動で小信号を扱うため比較的ノイズに弱い出力制御回路１５が、図２５に示すように電流検出器３０と対向する部分に搭載されるが、電流検出器３０と対向する部分は図３６に示すように、電流検出器３０を保持する金属製のブラケット４２（冷却器１を介して筐体３００に接地）が制御基板３に近接配置され高電圧配線からのノイズをシールド可能であり、ノイズの影響が半導体モジュール２直上部などと比較すると小さく、誤動作の可能性が小さい。電流検出器３０に内蔵された制御基板３間の接続配線１８は、この金属製ブラケット４２のシールド効果を享受できないが、図３７に示すように、電流検出基板４４（ブラケット、冷却器を介して筐体に接地）にノイズ対策部品を搭載することで対策している。
【００７９】
また、本実施の形態の半導体モジュール２にはワイドバンドギャップ素子１１ＡであるSiC-MOSFETとSiC-SBDを用いているが、SiC等のワイドバンドギャップ素子１１Ａは従来のSi製の素子に比べ高耐熱が特徴であり、その利点を活かすべく、従来のSi製素子の最高素子温度125〜175℃を超えた高温（例えば175〜225℃）まで使用することが多い。半導体素子の発熱は冷却器１により冷却されるが、半導体モジュール２のパッケージの温度上昇や、端子を介して周囲にある制御基板３の温度上昇を招く場合がある。
【００８０】
図３８に示す本実施の形態では、絶縁回路１７が、電流検出器と対向する部分、すなわち従来よりも高温となるSiC素子を搭載した半導体モジュール２と対向しない離れた部分、さらに図３６に示すように冷却器１に接続された金属性ブラケット４２により入出力端子９から熱絶縁された部分に搭載されており、高耐熱の特殊な絶縁部品を使わず、耐熱性は他の部品よりやや低いが従来から広く普及しているフォトカプラで絶縁回路を構成できるため、電力変換装置の低コスト化が可能である。また、電圧検出回路も周囲温度の影響を受けると精度に影響が出るため、熱弱点部品の1つであるが、この回路もSiC素子を搭載した半導体モジュール２と対向しない離れた部分、さらに冷却器１に接続された金属性ブラケット４２により熱絶縁された部分に搭載されており、周囲温度上昇による精度悪化が小さく、高精度な制御が可能になる。また、電源回路１６に搭載された絶縁トランスは、同じく電源回路１６に搭載されたスイッチング素子や出力制御回路１５の演算装置（CPU）と同じく高温となる発熱が大きい部品だが、これらを含む電源回路１６をSiC素子を搭載した半導体モジュール２と対向しない離れた部分、さらに冷却器１に接続された金属性ブラケット４２により入出力端子９から熱絶縁された部分に搭載することで、発熱大部品を小型化できるため、電力変換装置のサイズ増大の抑制、さらには小型化が可能になる。
【００８１】
また、制御基板３だけでなく、高温に弱いPPフィルムを採用する平滑コンデンサユニット２００も熱弱点部品の１つであるが、図３９に示すように、冷却器１の側面が延長され、コンデンサ素子２１の略中央付近を冷却するほか、端子の熱を冷却器１に放熱する機能を有した高熱伝導樹脂製端子台５６によってコンデンサ端子１０Ａ、１０Ｂからコンデンサ素子２１への伝熱も防いでおり、単位容量あたりのリプル電流を高めることで平滑コンデンサユニット２００の小型軽量化、ひいては電力変換装置の小型軽量化を実現している。なお、本実施の形態も実施の形態２と同じく冷却器１の両面に正極側、負極側の半導体モジュール２が分散配置されているため、平滑コンデンサユニット２００側の冷却器１の側面には冷却器１の上下面間を貫通し接続する端子が配置されておらず、冷却器１とコンデンサ素子２１との接触面を広く取れるため、他の主回路構成及び配置に比べ、より電力変換装置の小型軽量化が可能である。
【００８２】
実施の形態４．
続いて、本発明の実施の形態４の構成を説明する。実施の形態４の電力変換装置は実施の形態３と同様、半導体モジュールに搭載されるスイッチング素子をSiC製等のワイドバンドギャップ素子とした場合の例であるが、SiC等の製のワイドバンドギャップ半導体素子は現時点では従来のSi製の半導体素子よりも小さな素子しか製品化されておらず、複数素子を並列使用する必要があるほか、従来のSi製の半導体素子よりもON閾値電圧が低く、OFF時には負バイアスを印加しなければノイズにより誤ONする可能性があるなど、SiC製等のワイドバンドギャップ半導体素子を使用する際の駆動回路ならびに電源回路規模はSi製の半導体素子を用いた場合よりも現時点では大きい。そのため制御基板が大きくなり、実施の形態３のパワーアセンブリの構成では、回路規模の大きい制御基板の突出が電流検出器に対して非常に大きくなり、無効スペースが多く、電力変換装置の小型化が困難となる場合があった。本実施の形態では実施の形態３の電力変換装置を元に、回路規模が大きい制御基板を効率よく電力変換装置の筐体に収納するための構成について説明するが、本実施の形態はワイドバンドギャップ素子にのみ適用可能なものではなく、実施の形態１や２の電力変換装置にも適用可能な構成である。
【００８３】
本実施の形態３の基本構成について図４０及び図４１を用いて説明する。図４０及び図４１の電力変換装置は、回路規模が大きい電力変換装置への本発明の適用例であり、半導体モジュール２と冷却器１と平滑コンデンサユニット２００と半導体モジュール２に対向して配置された２枚の制御基板３の基本配置構成は実施の形態２と同じであるが、本実施の形態では新たに第３の制御基板３Ａが追加されている。
【００８４】
実施の形態３では第１の制御基板３に、第１の制御基板３と対向する半導体モジュール２の駆動回路１３と第1及び第2の制御基板３の電源回路１６を搭載し、第２の制御基板３に第２の制御基板３と対向する半導体モジュール２の駆動回路１３と出力制御回路１５を搭載していたが、本実施の形態では第１及び第２の制御基板３にはそれぞれの制御基板と対向する半導体モジュール２の駆動回路１３のみを搭載し、新たに設けた第３の制御基板３Ａに出力制御回路１５と電源回路１６を配置している。第１及び第２の制御基板３は、図４１に示すように、半導体モジュール２との接続箇所の配置と、冷却器１との固定箇所と、電流検出器３０に設けられた制御基板３間を接続する配線１８の位置が第１の制御基板３と第２の制御基板３とで同じ位置に配置されているほか、第２の制御基板３には第１の制御基板３から電流検出器３０を介して第３の制御基板３Ａへの接続配線との干渉を避ける切り欠き４８Ｂが設けられており、第１の制御基板３にもこれと同じ位置に切り欠き４８Ａが設けられている。
【００８５】
第１及び第２の制御基板３間に配置された電流検出器３０に設けられた制御基板間を接続する配線１８により、各制御基板間を電気的に接続しているのは実施の形態３と同じであるが、本実施の形態では、第１及び第２の制御基板３の駆動回路１３と、第３の制御基板３Ａの出力制御回路１５及び電源回路１６が電流検出器３０に設けられた制御基板間を接続する配線２８、２９によって接続されている点が実施の形態３と異なる。
【００８６】
図４０及び図４１に示す本実施の形態では、出力制御回路１５と電源回路１６を搭載する制御基板３Ａが新たに追加されているが、本実施の形態のように、出力制御回路１５や電源回路１６の回路規模が大きい場合や、別の例として半導体モジュール２が非常に小型で駆動回路１３が半導体モジュール２と対向する部分に乗りきらない場合などには、実施の形態３と同じく第１及び第２の制御基板３の電流検出器３０と対向する部分に出力制御回路１５や電源回路１６を搭載すると、第３の制御基板追加による厚さの増加よりも電流検出器３０と対向する部分側への制御基板３の突出の大型化の影響が大きくなり、電力変換装置の小型化が困難な場合がある。このような場合には第３の制御基板３Ａを設け、出力制御回路１５と電源回路１６を搭載し、電力変換装置の高さ増加に合わせて平滑コンデンサユニット２００の形状を最適化すれば、電力変換装置の床面積を減らしつつ、全体体積を増やすことなく、実施の形態２と同様、小型の電力変換装置を構成できる。この場合、出力制御回路１５から駆動回路１３へのスイッチングタイミング信号を第３の制御基板３Ａから第１及び第２の制御基板３に伝達したり、電源回路１６から駆動回路１３へ、絶縁された電源を供給する必要があるが、実施の形態３と同じく電流検出器３０に設けた制御基板間を接続する配線によってこれらを接続すれば、絶縁や高耐圧確保のため大型化が避けられないコネクタやハーネスを用いることなくこれらの接続を実現することが可能であり、電力変換装置の部品点数低減、小型化が可能である。
【００８７】
第１の制御基板３と第２の制御基板３はそれぞれと対向する半導体モジュール２を駆動する機能のみを有し、対象とする半導体モジュール２と電源回路１６及び負荷との接続が異なるだけでそれぞれの機能は同じであるから、図４１に示すように、固定構造の配置を工夫したり、第１の制御基板３と第２の制御基板３の外形に切り欠きを設けたり、電流検出器３０の配線配置を図４１に示すように配置することで、制御基板３を共通化している。第１と第２の制御基板３を共通化できれば、部品の管理工数が減るほか、制御基板製造工程において複数機種を製造するために設備の段取りを変える手間が減るため、低コスト化が可能となる。
【符号の説明】
【００８８】
１  冷却器、
２  半導体モジュール、
３  制御基板、
４  端子台、
５  制御基板保持台、
６  バスバー配線、
７  磁気検出素子、
８  制御端子、
９  入出力端子、
１０Ａ  コンデンサ端子（正）、
１０Ｂ  コンデンサ端子（負）、
１１  スイッチング素子、
１１Ａ  スイッチング素子、
１２  還流ダイオード、
１２Ａ  還流ダイオード、
１３  駆動回路、
１４  電流検出回路、
１５  出力制御回路、
１６  電源回路、
１７  絶縁回路、
１８  制御基板相互間を接続する配線、
１９  絶縁用の壁
２０  コンデンサケース、
２１  コンデンサ素子、
２３  電極面、
２４  ケース開口部、
２５  半導体モジュール搭載板、
２６  冷却フィン、
２７  端子受け、
２８  第１基板と第３基板との配線、
２９  第２基板と第３基板との配線、
３０  電流検出器、
３１  固定用構造、
３２  三相モータ、
３３  電気的接続構造、
３４  絶縁材
３５  半田付け、
３６Ａ  直流入力端子（正）
３６Ｂ  直流入力端子（負）
３８  交流入力端子、
３９  高熱伝導絶縁シート、
４０  切り欠き、
４１  部品、
４２  ブラケット、
４３  電流検出回路、
４４  電流検出基板、
４５  ノイズ対策部品、
４６  入力側、
４７  出力側、
４８Ａ  切り欠き、
４８Ｂ  切り欠き
４９  配線、
５０  溝、
５１  熱拡散部材、
５２  高熱伝導接着剤、
５４  熱弱点部品または発熱最大部品、
５６  高熱伝導樹脂製端子台、
５７  金属接続部材、
５８  絶縁材、
１００  パワーアセンブリ、
１０１  直流入力、
１０３  冷却水入力、
１０４  冷却水出力、
１０５  冷却水Ｕターン流路、
１０７  三相出力、
１０７Ａ〜Ｄ  第１〜第４の三相出力、
２００  平滑コンデンサユニット、
３００  筺体、
４００  電力変換装置、
４００Ａ  本発明の電力変換装置、
４００Ｂ  従来の電力変換装置、
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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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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【図３２】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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