JP2000102253A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】スイッチングサージ電圧の抑制，高周波ノイズ
の低減とその遮蔽が可能な信頼性の高い電力変換装置を
提供する。 【解決手段】配線基板によって主回路導体を構成された
電力変換装置において、配線基板内で銅箔からなる複数
の正側主回路直流導体Ｐと複数の負側主回路直流導体Ｎ
を高誘電率絶縁層を介在させて交互に重ね、複数の正側
主回路導体同士と負側の主回路導体同士をそれぞれ電気
的に接続した電力変換装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多層に積層した配
線板により主回路の配線が構成され、交流と直流との間
に電力を変換する電力変換装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、多層配線板に主回路配線を構成し
た電力変換器として、特開平7− 231669号公報に開
示されている技術がある。これは変換器の直流側の正負
主回路導体を基板裏面と表面にそれぞれ設け、かつ基板
内層の２層に変換器の交流側導体を設けた４層基板であ
り、主回路の電流ループ面積を小さくし、主回路インダ
クタンスを小さくすることにより、過大なスイッチング
サージ電圧を抑制するものである。

【０００３】他の従来技術として、特開平3−42896号公
報に開示されているように、内側に信号パターン層及び
電源層（直流側の非接地層）を積層し、表裏両面にシー
ルド効果を持つ直流側の接地層を形成したものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電力変換器である順変
換器や逆変換器には、低騒音化のため高周波スイッチン
グが可能な、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジ
スタ）、又はＩＰＭ（ＩＧＢＴ素子とその駆動回路、及
び保護回路を内蔵したインテリジェントパワーモジュー
ル）等の採用が多くなっている。電力変換器にこれらの
高周波スイッチング素子を採用した場合、主回路に高周
波電流が流れ、主回路を伝導して電力変換装置外に流出
し他の機器に悪影響を及ぼすと共に、電磁放射ノイズも
増すため、トランジスタ素子採用時以上に高周波電流、
及び電磁放射ノイズに対する低減対策が強く望まれてい
る。

【０００５】前記特開平7−231669 号公報に提案されて
いる技術では、逆変換器の直流側導体と交流側導体とが
薄い絶縁層を介して接しているため、伝導ノイズはコン
デンサ効果により、直流側主回路導体と交流側主回路導
体が静電容量を介して結合してしまう。つまり、逆変換
器の半導体素子のスイッチング時に生じる直流側導体の
高周波電流が、コンデンサ効果により交流側導体に流
れ、又は逆に交流側導体の高周波電流が直流側導体に流
れるという問題が生ずる。

【０００６】一方、前記特開平3−42896号公報に開示さ
れた技術では、電源層（直流非接地層）とＧＤＮ層(直
流接地層)の間には信号パターン層があり、かつ２層の
絶縁層が存在するため、絶縁層を誘電体とした電源層と
ＧＮＤ層間のコンデンサ効果が期待されず、電源層に流
れる高周波電流は低減されないばかりか、電源層と信号
パターン層間は隣同士なので、電源層を流れる高周波電
流は絶縁材を誘電体として信号パターン層に流れ、悪影
響を及ぼすという問題がある。

【０００７】本発明の目的は、高周波ノイズによる電力
変換装置内・外への影響を軽減することにある。

【０００８】本発明の第２の目的は、電磁放射ノイズを
遮蔽できる信頼性の高い電力変換装置を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴とするとこ
ろは、多層に積層した配線板により主回路の配線が構成
され、交流と直流との間に電力を変換する半導体電力変
換装置において、前記配線板内に前記電力変換装置の正
負の直流主回路導体をそれぞれ複数枚備え、これら正負
の直流主回路導体を絶縁層を挟んで交互に積層するとと
もに、前記複数の正負の主回路導体同士をそれぞれ電気
的に接続したことである。

【００１０】このように構成することにより、高周波伝
導ノイズによる内外への影響を軽減することができると
共に、スイッチングサージ電圧も抑制することができ
る。

【００１１】本発明の他の特徴とするところは、配線板
内に絶縁層を挟んで積層された電力変換装置の正負の直
流主回路導体と、これらの主回路導体の間に絶縁層を挟
んで配置され接地された金属プレートを設けたことであ
る。

【００１２】このように主回路導体の間に、主回路導体
とは独立して接地された金属プレートを形成することに
より、電磁放射ノイズを遮蔽し、かつ伝導ノイズの低
減、及び電磁放射ノイズの低減と共に、スイッチングサ
ージ電圧の抑制を図ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１〜
図２に基づいて説明する。

【００１４】まず、図１の主回路構成図において、１は
交流入力電源、２は入力電線、３はＩＧＢＴやＩＰＭ、
又はパワートランジスタ等の高速半導体スイッチング素
子で構成した回生制御可能なコンバータ、３′は前記回
生制御可能なコンバータ３の代わりに用いることのでき
る全波整流コンバータである。

【００１５】Ｒ，Ｓ，Ｔはコンバータ３又は３′の各相
の交流入力端子で、それぞれの相の入力電線２に接続し
ている。Ｐ１はコンバータ３又は３′の正側直流端子、
Ｎ１はコンバータ３又は３′の負側直流端子、４はコン
バータ３又は３′で整流された直流電圧を平滑する平滑
コンデンサである。５は電源投入初期に、平滑コンデン
サ４へ流れる非常に大きな充電電流を抑制する抵抗、６
はその充電後に充電電流抑制抵抗５を短絡する電磁接触
器である。

【００１６】７はＩＧＢＴやＩＰＭ、又はパワートラン
ジスタ等の高速半導体スイッチング素子で構成したイン
バータで、直流電力を可変周波数・可変電圧の交流電力
に変換する。Ｐ２はインバータ７の正側直流端子、Ｎ２
はインバータ７の負側直流端子であり、Ｕ，Ｖ，Ｗはイ
ンバータ７の各相の交流端子である。８はインバータ７
の出力交流電線で、モータＭに接続している。

【００１７】ＣＴａはコンバータの交流入力電源電流を
検出する電流検出器、ＣＴｂはインバータ７の交流出力
電流を検出する電流検出器である。９ａ及び９ｂは、そ
れぞれコンバータ３及びインバータ７を駆動するゲート
ドライブ回路である。コンバータ側においては、電流検
出器ＣＴａの出力信号と直流電圧検出制御回路１０ａの
出力信号を帰還して、高力率ＡＶＲ制御系を構成する。
すなわち、マイコン基板１１に搭載したマイクロ・コン
ピュータで演算し、ＰＷＭ制御出力をゲートドライブ回
路９ａに出力する。また、インバータ側では、電流検出
器ＣＴｂ出力とモータＭの速度検出器（図示せず）出力
をマイコンで演算処理し、ＡＳＲ制御系によりＰＷＭ制
御出力をゲートドライブ回路９ｂに出力する。

【００１８】１２は主回路配線のうち太線の正側直流主
回路導体Ｐと負側直流主回路導体Ｎを内層した基板で、
本基板の部品面に前記ゲートドライブ回路９ａ，９ｂ、
前記直流電圧検出制御回路１０ａ，１０ｂを搭載する。
主回路導体は、数百ミクロン厚、例えば１００〜５００
μｍの幅広な銅箔パターンあるいは銅板で構成される。
以後、Ｐ導体とＮ導体と略称する。

【００１９】このＰ導体，Ｎ導体とも厚い銅箔を用い
て、前記コンバータ３又は３′，平滑コンデンサ４，初
期充電電流抑制抵抗５，電磁接触器６，インバータ７の
直流端子と接続する。

【００２０】次に、図２を用いて本発明による電力変換
装置の詳細な構成について説明する。本図は主回路導体
４層に部品面と半田面の２面からなる多層配線基板を備
えており、インバータ７付近の基板断面を示したもので
ある。

【００２１】図２において、１２ａは図１で述べたゲー
トドライブ回路９ａ，９ｂや直流電圧検出制御回路１０
ａ，１０ｂの部品を搭載する配線基板１２の部品面、１
２ｂは配線基板１２の半田面で、この半田面１２ｂと部
品面１２ａに前記図１で述べたゲートドライブ回路９
ａ，９ｂや直流電圧検出制御回路１０ａ，１０ｂの回路
パターンを形成する。

【００２２】１３は部品面１２ａに図１で述べたゲート
ドライブ回路９ａ，９ｂや直流電圧検出制御回路１０
ａ，１０ｂの部品を半田付けするための小口径スルーホ
ールである。１４は主回路導体である２つのＰ導体と電
気的接続をとった大口径スルーホールで、部品面１２ａ
と半田面１２ｂの表面パットＰ２′を介して、インバー
タ７の入力端子Ｐ２と接するように設け、ビス１５を締
め付けることによりＰ導体と入力端子Ｐ２の電気的接続
を強固にしている。

【００２３】１６は主回路導体である２つのＮ導体と電
気的接続をとった大口径スルーホールで、Ｐ導体用大口
径スルーホール１４と同様に、表面パットＮ２′を介し
てビス１５によりＮ導体とインバータ７の入力端子Ｎ２
の電気的接続を強固にしている。１７はインバータの交
流出力端子Ｕ（又はＶ，又はＷ）、及びビス１５を介し
て配線基板１２に接続固定されたソルダーレスターミナ
ルで、インバータ出力電線８を介して前記図１のモータ
Ｍと接続する。

【００２４】このように、ビス１５により主回路電装品
（コンバータ３又は３′，平滑コンデンサ４，インバー
タ７等）の入出力端子と直流正負Ｐ，Ｎ導体を接続する
と共に基板１２を固定支持する。

【００２５】２０は基板１２の表面（部品面１２ａと半
田面１２ｂ）を構成する低誘電率の材料からなる絶縁層
である。Ｐ導体とＮ導体は、高誘電率の材料からなる絶
縁層３０ａ，３０ｂ及び３０ｃを介在させ、Ｐ・Ｎ導体
同士が相対するように形成し、かつＰ導体とＮ導体を高
誘電率材絶縁層３０ａ，３０ｂ及び３０ｃを挟んで交互
にＮ導体−Ｐ導体−Ｎ導体−Ｐ導体と形成する。あるい
は、高誘電率材絶縁層３０ａ，３０ｂ及び３０ｃを挟ん
で交互にＰ−Ｎ−Ｐ−Ｎ導体と形成配置する。相対する
主回路導体間の高誘電率材絶縁層３０ａ，３０ｂ，３０
ｃの厚さｔは、耐圧が許す限り薄く、例えば、厚さｔ＝
２００〜５００μｍ程度とする。高誘電率材絶縁層とし
て、例えば、誘電率１０.２ のポリテトラフロロエチレ
ン樹脂（ＰＴＦＥ）とセラミックフィラーを複合化した
製品が販売されている。

【００２６】ここで、ある面積ＳのＰ導体とＮ導体が相
対しており、かつＰ導体とＮ導体の間に誘電率εからな
る厚さｔの絶縁材が、密着して設けてある場合の静電容
量Ｃについて述べる。

【００２７】

【数１】

【００２８】で求まり、静電容量（コンデンサ容量）は
誘電率εと面積Ｓに比例し、絶縁材厚さｔに反比例す
る。このことから、高誘電率材絶縁層３０ａ，３０ｂ，
３０ｃは耐圧が許す限り薄く(厚さｔを小さく(設け、相
対するＰ導体とＮ導体の面積を大きくすることにより、
Ｐ導体〜高誘電率材絶縁層３０ａ(又は３０ｂ又は３０
ｃ)〜Ｎ導体間の静電容量Ｃを増すことができる。

【００２９】従来の銅バー状の主回路導体の電流容量を
得るために、本実施例の主回路導体の幅を広くすればよ
い。導体幅が広いということは、Ｐ導体とＮ導体の相対
する面積を大きくでき、銅バー状の主回路導体よりも、
静電容量の増加が期待できる。

【００３０】導体表面積が大きいということは、高周波
電流の表皮効果（高周波電流は導体断面の表面層のみを
流れ、中心部はほとんど流れない現象）にたいしても、
導体のインダクタンスを小さくでき、更に主回路導体を
配線基板に内層することにより、主回路電流ループ面積
を非常に少なくできるため、主回路インダクタンスを非
常に小さくできる。

【００３１】一方、コンバータ３やインバータ７の半導
体素子のスイッチング時の高ｄＶ／ｄｔ，高ｄｉ／ｄｔ
により、主回路導体に非常に高い周波数の電流が流れ、
この高周波電流が電力変換装置外に流出すると共に、電
力変換装置内外で電磁放射ノイズを放出し、本電力変換
装置に悪影響を与えるばかりでなく、電力変換装置外の
他の機器にも悪影響を与える。

【００３２】しかし、前述のように、各高誘電率材絶縁
層３０ａ，３０ｂ，３０ｃ上下にＰ導体とＮ導体を形成
して、絶縁層を誘電体としたコンデンサ構造とした多層
板化した配線基板１２を用いることにより、主回路導体
に流れる高周波成分の電流ｉは、Ｐ導体〜高誘電率材絶
縁層３０ａ（又は３０ｂ又は３０ｃ）〜Ｎ導体間をバイ
パスして流れる。このとき、Ｐ導体〜高誘電率材絶縁層
３０ａ（３０ｂ又は３０ｃ）〜Ｎ導体間の静電容量Ｃに
より、フィルタ効果が生じ高周波電流ｉが低減されると
共に、主回路導体より放射する電磁放射ノイズも低減す
る。

【００３３】又、コンバータ３やインバータ７の高速半
導体スイッチング素子が電流を遮断する時に、主回路配
線のインダクタンスの影響により、スイッチングサージ
電圧（スパイク状の大きな電圧）が発生するが、図２の
実施例によると主回路導体のインダクタンスは非常に小
さく、インダクタンスの影響により生じるスイッチング
サージ電圧は、大幅に低減するため、スナバ回路を小形
化、又は省略することができる。また、このスイッチン
グサージ電圧は、主回路導体と高誘電率材絶縁層３０
ａ，３０ｂ，３０ｃにより形成された静電容量Ｃにも吸
収されるため、更に低減する。

【００３４】以上のように、２つの幅広銅箔パターン又
は銅板のＰ導体とＮ導体を、高誘電率材絶縁層を介在さ
せてＮ−Ｐ−Ｎ−Ｐと交互、又はＰ−Ｎ−Ｐ−Ｎの順に
交互に主回路導体パターン長のほぼ全面にわたり形成し
て、多層配線基板とすることにより、単純なＰ導体〜絶
縁層〜Ｎ導体の場合に比べ、Ｐ−Ｎの対向面積が３倍と
なるため、静電容量Ｃは３倍に増す。このため、主回路
導体の伝導ノイズの低減、放射電磁波ノイズの低減効果
が増す。更に主回路導体のインダクタンスが非常に小さ
いので、スイッチングサージ電圧の抑制効果が増し、コ
ンバータ素子やインバータ素子を電圧破壊から守ること
ができる。

【００３５】また、導体厚みの大きい幅広導体を配線基
板に内層するため、基板の反りは生ぜず、電力変換装置
の筐体への取付け・固定を精度よく行うことができる。

【００３６】本発明の他の一実施例を図３により説明す
る。要点のみ説明するため図３はコンバータ３又は３′
や平滑コンデンサ４、及びインバータ７の部分は図示を
省略し、これらのない部分の基板１２の断面図とした
が、これらの部品の部分については図２と同一である。

【００３７】図３において、Ｇは部品面１２ａ側のＰ，
Ｎ導体ペアと半田面１２ｂ側のＰ，Ｎ導体ペアの中間に
高誘電率材絶縁層３０ｄ，３０ｅを介在させて設けた厚
いアルミ箔、又は銅箔の金属プレートである。２つのＰ
導体は前記図２と同様に、図示していない大口径スルー
ホール１４により電気的に接続し、かつ、２つのＮ導体
同士も図示していない大口径スルーホール１６により電
気的に接続する。

【００３８】なお、当然ではあるがＰ導体、及びＮ導体
と金属プレートＧ間は、高誘電率材絶縁層３０ｄ，３０
ｅにより低周波に対して絶縁されており、高周波に対し
ては高誘電率材絶縁層３０ｄ，３０ｅが誘電体として働
き、この部分で形成される静電容量を介して電気的に結
合する。金属プレートＧは、小口径スルーホール１８か
ら接地線４０を通してアースしたグランド層であって、
Ｐ導体及びＮ導体を流れる高周波電流を高誘電率材絶縁
層によって構成される静電容量及び接地線４０を介して
アースへ逃がすものである。

【００３９】また、配線基板１２の半田面１２ｂ側に設
けたコンバータ３本体やインバータ７本体から生じる電
磁放射ノイズは、配線基板１２のほぼ全面に設けた金属
プレートＧにより遮蔽され、部品面１２ａに搭載したゲ
ートドライブ回路９ａ，９ｂ（図示せず）や直流電圧検
出制御回路１０ａ，１０ｂ（図示せず）は、電磁放射ノ
イズの影響を受けることはなくなる。

【００４０】このように、配線基板１２を主回路電装品
（コンバータ３又は３′，平滑コンデンサ４，インバー
タ７等）の入出力端子（Ｐ１，Ｎ１，Ｐ２，Ｎ２等）に
ビス１５を用いて接続固定支持することにより、信頼性
の高い電力変換装置を構成することができる。

【００４１】なお、前記図２及び図３では高誘電率材絶
縁層３０ａ，３０ｂ,３０ｃ,３０ｄ，３０ｅを配線基板
１２のほぼ全面に設けているが、Ｐ導体，Ｎ導体を設け
ている部分のみに高誘電率材絶縁層３０ａ，３０ｂ，３
０ｃ，３０ｄ，３０ｅを設けても同様な効果を得られ
る。

【００４２】更に、前記図２及び図３の配線基板１２で
は、伝導ノイズ，放射電磁ノイズの低減、並びにスイッ
チングサージ電圧抑制効果をより高めるため、高誘電率
材絶縁層３０ａ〜３０ｅを用いたが、汎用配線基板に用
いられているガラスエポキシ樹脂系等の絶縁層を用いて
もよい。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、電力変換装置の直流主
回路導体（直流正側のＰ導体と負側のＮ導体）に幅広導
体を用い、複数のＰ導体と複数のＮ導体の配置を相対さ
せてＰ−Ｎ−Ｐ−Ｎ、又はＮ−Ｐ−Ｎ−Ｐの順に交互に
形成し、各Ｐ導体〜Ｎ導体の間に高誘電率材絶縁層を介
在させて配線板内に形成することにより、Ｐ・Ｎ導体間
のコンデンサ構造部の静電容量の増加を図り、主回路導
体に流れる高周波電流による伝導ノイズを低減、及びス
イッチングサージ電圧を抑制させる効果がある。また、
Ｐ導体とＮ導体の間に、高誘電率材からなる絶縁層を介
在させて、Ｐ，Ｎ導体と独立した金属プレートを設けた
場合には、コンバータ本体やインバータ本体から生じる
放射電磁波ノイズを金属プレートで遮蔽し、配線板搭載
回路への影響を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す電力変換装置の主回路
構成図。

【図２】本発明の一実施例を示す主回路導体を４層化し
た配線基板を持つ電力変換装置の断面図。

【図３】本発明の他の実施例を示す配線基板を持つ電力
変換装置の断面図。

【符号の説明】

３，３′…コンバータ、Ｐ…直流正側主回路導体（Ｐ導
体）、Ｎ…直流負側主回路導体(Ｎ導体)、４…平滑コン
デンサ、７…インバータ、９ａ，９ｂ…コンバータ，イ
ンバータのゲートドライブ回路、１０ａ，１０ｂ…コン
バータ，インバータの直流電圧検出制御回路、１２…主
回路導体を内層化した配線基板、１２ａ…配線基板１２
の部品面、１２ｂ…配線基板１２の半田面、１４，１６
…大口径スルーホール、２０…低誘電率の材料からなる
絶縁層、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ…高
誘電率の材料からなる絶縁層、Ｇ…金属プレート。

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Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多層に積層した配線板により主回路の配線
   が構成され、交流と直流との間に電力を変換する半導体
   電力変換装置において、 前記配線板内に前記電力変換装置の正負の直流主回路導
   体をそれぞれ複数個備え、これら正負の直流主回路導体
   を絶縁層を挟んで交互に積層するとともに、前記複数の
   正負の主回路導体同士をそれぞれ電気的に接続したこと
   を特徴とする電力変換装置。
2. 【請求項２】多層に積層した配線板により主回路の配線
   が構成され、交流と直流との間に電力を変換する電力変
   換装置において、 前記配線板内に前記電力変換装置の正負の直流主回路導
   体をそれぞれ複数個備え、これら正負の直流主回路導体
   を絶縁層を挟んで交互に積層し、前記複数の正負の主回
   路導体同士をそれぞれ電気的に接続するとともに、前記
   主回路導体の間に絶縁層を挟んで金属プレートを設け接
   地したことを特徴とする電力変換装置。
3. 【請求項３】多層に積層した配線板により主回路の配線
   が構成され、交流と直流との間に電力を変換する電力変
   換装置において、 前記配線板内に絶縁層を挟んで積層された前記電力変換
   装置の正負の直流主回路導体と、これらの主回路導体の
   間に絶縁層を挟んで配置され接地された金属プレートを
   設けたことを特徴とする電力変換装置。
4. 【請求項４】請求項１〜３のうち１項において、前記配
   線板上に前記電力変換装置の半導体スイッチを駆動する
   ゲートドライブ回路を具備したことを特徴とする電力変
   換装置。