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JP4452952B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パワー半導体と制御回路素子を回路基板に搭載しモジュール化した電力変換装置に係り、特に車載用に好適な電力変換装置に関する。
近年、省エネや大気汚染抑制の見地から、ハイブリッド車も含めて電気自動車に注目が集まっているが、この場合、走行駆動用のモータには、主として誘導電動機や同期電動機などの交流電動機が使用され、従って、電源バッテリから供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと呼ばれる電力変換装置が必要である。
そこで、まず、このような電力変換装置を備えたハイブリッド自動車について、図１４により説明する。
この図１４は、ハイブリッド自動車の一例として、エンジン３０による走行駆動力に、交流発電動機３５による駆動力が加算されるようにした場合のハイブリッド自動車５０を示したもので、この場合、エンジン３０の駆動力は、トランスミッション３１から車軸３２Ａ、３２Ｂを介して前輪３３Ａ、３３Ｂに伝達され、この結果、前輪３３Ａ、３３Ｂが回転駆動され、自動車が走行することになる。このとき交流発電動機３５による駆動力は、エンジン３０のクランク軸に伝達され、エンジン３０の駆動力に加算される。
なお、この例では、前輪３３Ａ、３３Ｂをエンジン３０で駆動する、いわゆる前輪駆動車両として説明しているが、後輪をエンジンで駆動するようにしてもよい。また、トラックのような６輪以上の車両、トレーラのような牽引車両にも適用可能である。
交流発電動機３５は、いわゆるモータジェネレータ(Ｍ／Ｇ)で、エンジン３０と共にエンジンルーム内に設けられ、エンジン３０のクランク軸とベルト３４により連結されている。そして、電力変換装置２９は、この交流発電動機３５に接続されている。このとき電力変換装置２９には、例えば電圧４２Ｖの動力用バッテリ３６と、電圧１２Ｖの通常の車載バッテリ３８の双方が接続されている。
ここで、動力用バッテリ３６は、自動車駆動用の電源となり、車載バッテリ３８は、ライトやエアコンなどの補機駆動用の電源となる。このため交流発電動機３５には、例えば巻線界磁形３相交流回転電機を用い、これにより通常の車載バッテリの電圧よりも高い電圧、例えば４２Ｖの電圧での電動動作と発電動作が可能にしてある。
そして、この電力変換装置２９は、交流発電動機３５がエンジン３０により駆動され、発電動作しているときはコンバータ(順変換装置)として動作し、交流発電動機３５を電動機として働かせるときはインバータ(逆変換装置)として動作する。そして、まず、コンバータとして動作したときは、動力用バッテリ３６には電圧４２Ｖの直流電力が供給され、車載バッテリ３８には電圧１２Ｖの直流電力が供給されるように動作し、各バッテリに充電が行われるように働き、次に、インバータとして動作したときは、動力用バッテリ３６から供給される電圧４２Ｖの直流電力を所定の電圧と所定の周波数の交流電力に変換し、それを交流発電動機３５に供給するように働く。
ここで、図１５は、電力変換装置２９の回路構成の一例を示したもので、この電力変換装置２９は、動力用バッテリ３６又は車載バッテリ３８に主回路配線３１を介して接続されてたパワーモジュール２９０を備えている。このパワーモジュール２９０には半導体スイッチング素子が備えられていて、図示してない制御回路から供給されるゲート駆動信号によりスイッチング動作することにより、動力用バッテリ３６又は車載バッテリ３８から供給される直流電力を可変周波数の３相交流電力に変換し、ＵＶＷ相の出力配線３２を介して交流発電動機３５に供給するというインバータとしての働きをする。
また、この電力変換装置２９は、交流発電動機３５を発電動作させたときには、発電動機された三相交流電力を直流電力に変換するというコンバータとしても動作し、動力用バッテリ３６又は車載バッテリ３８を充電する働きもする。
このときパワーモジュール２９０の直流側には電解コンデンサ２０が接続されていて、パワーモジュール２９０の半導体スイッチング素子のスイッチング動作による直流電圧の変動を抑制する働きをする。
このときの電力変換装置２９の動作は、車両の状態や運転者の操作状況に応じて、図示してないコンピュータ制御装置により実行される。そして、この結果、ハイブリッド自動車５０は、常に的確な走行状態に加え、アイドルストップ機能やブレーキ回生機能を備えることができ、燃費の改善を得ることができる。
ところで、この例では、モータジェネレータ３５がエンジン３０にベルト３４で連結されているが、チェーン等の他の連結手段も適応可能である。また、モータジェネレータ３５をエンジン３０とトランスミッション３１の間に設けても良く、トランスミッション３１の中に設けるようにしても良い。
ここで、このようなハイブリッド自動車について開示した公知文献としては、例えば特許文献１を挙げることができ、電力変換装置について開示した公知文献としては、例えば特許文献２と特許文献３を挙げることができる。
特開２００２−１３６１７１号公報 米国特許第５,５４３,６５９号明細書 特開２００６−１６５４０９号公報
上述のように、電力変換装置は、例えばハイブリッド自動車などにおいて重要な構成要素を占めているが、この場合、電力変換装置は、これも上述のように、走行駆動用のモータに電力を供給するためだけではなく、エアコンなどの他の電装品にも電力を供給しなければならない。しかも近年、自動車の性能向上や居住性向上についての要求は、更に高まる傾向にあり、従って車載用の場合、電力変換装置が扱う電力量は増大の一途を辿っているといえる。
このとき、自動車全体では小型化や軽量化の方向にあるため、電力変換装置についても小型化や軽量化が大きな命題になる。ここで、いうまでもなく、小型化や軽量化は、機器の種別を問わず、常に普遍的な命題であるが、しかし車載用の機器の場合、特に重要である。何故なら車載用の電力変換装置の場合、産業用などの場合と比較して、温度変化の大きい環境での使用と厳しい小型化がスペック(仕様)として要求されるのが通例で、従って、高温環境のもとでも高い信頼性を維持しながら大容量且つ可能な限り小型軽量化されたものが要求されるからである。
また、自動車の場合、エンジン制御や車両走行制御などに多くの電子機器(マイコン)が使用されているのが通例であるが、これらの電子機器は一般に電気的なノイズに弱く、しかも、車両内という比較的狭い空間に電力変換装置と一緒に装備されることになり、従って、車載用の場合、ノイズの抑制には充分な配慮が必要で、電力変換装置がノイズ発生源になってしまう虞がないようにする必要がある。
従って、本発明の目的は、車載仕様が満足されるようにした電力変換装置を提供することにある。
上記目的は、複数のスイッチング素子が搭載された略方形のパワーモジュールと、前記スイッチング素子の駆動回路が搭載された略方形の制御回路基板と、前記パワーモジュールが搭載された熱交換器と、平滑用のコンデンサと、前記平滑用のコンデンサを接続するため正負対になって前記パワーモジュールに設けられた直流端子と、多相交流電流を入出力するため前記パワーモジュールに設けられた複数の交流端子と、前記スイッチング素子に制御信号を供給するため前記パワーモジュールに設けられた複数の制御端子とを有する電力変換装置において、前記直流端子と前記交流端子は、前記パワーモジュールの４辺ある側辺部の中の一側辺部に一列になって配置され、前記制御端子は、前記パワーモジュールの前記直流端子と前記交流端子が配置されている側辺部とは反対側にあって、当該側辺部に対向している側辺部に配置されており、前記パワーモジュールは、底部が前記熱交換器に接した状態で前記複数のスイッチング素子と前記複数の制御端子とを囲む枠状のケース部を備え、前記ケース部は、４辺ある側辺部の中の一側辺部に前記直流端子と前記交流端子を備え、前記一側辺部とは反対側の側辺部には前記熱交換器の間に前記制御回路基板が入り込むために他の周辺部よりも短く成形された部分を備え、前記制御回路基板は、その端縁部の中の一端縁部にゲート信号出力端子を備え、当該ゲート信号出力端子が備えられている端縁部が、前記ケース部の前記他の周辺部よりも短く成形された部分から前記ケース部内に入り込み、前記パワーモジュールの前記制御端子が配置されている側辺部に接した形で並んで配置された状態で、前記パワーモジュールと共に前記熱交換器に固定されており、前記パワーモジュールの制御端子と前記制御回路基板のゲート信号出力端子が前記ケース部の内部でボンディングワイヤにより接続され、当該ケース部の内部に前記ボンディングワイヤと前記複数のスイッチング素子及び前記複数の制御端子を封止するための樹脂が充填されているようにして達成される。
このとき、まず、前記交流端子が前記正負対になった直流端子の間に配置されているようにしても良く、次に、前記複数のスイッチング素子が一列に並んで配置されているようにしても良い。
また、このとき、前記制御回路基板が前記熱交換器に接着剤で固定されているようにしても良く、前記正負対になった直流端子と前記交流端子の少なくとも一部が積層構造を有するようにしても良い。
同じく、このとき前記スイッチング素子は多相交流の各相毎に分けられ、単位パワーモジュールとして構成されているようにしても良い。
そして、更に、このとき前記単位パワーモジュールがパワー系の配線接続部と信号系の配線接続部を備え、これらパワー系の配線接続部と信号系の配線接続部が絶縁金属基板上で分離されているようにしても良く、前記平滑用のコンデンサが、前記パワーモジュールの横又は上に配置されているようにしても良い。
本発明によれば、電気的接続ピンが不要なので、コスト低減が得られ、基板裏面での半田付けが不要なので、高い信頼性を得ることができる。
また、本発明によれば、コンデンサの交換が容易になるので、この点でも信頼性の向上と作業コストの低減を得ることができる。
以下、本発明に係る電力変換装置について、図示の実施形態により詳細に説明する。
ここで、図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置２００を示したもので、図において、３００はパワーモジュール、４００はパワーモジュールケース、５００はゲート駆動回路を含む制御回路基板、６００はコンデンサ、７００は熱交換器である。
そして、まず、パワーモジュール３００は、例えばＰＰＳ(ポリ・フェニレン・サルファイド)などの高機能樹脂で作られたパワーモジュールケース４００の中に収容された上で、その底部の放熱面に、良好な熱結合状態になるようにして、熱交換器７００が取付けられている。このとき、このパワーモジュール３００は、図示のように、３個の単位パワーモジュール１００(１００Ｕ、１００Ｖ、１００Ｗ)で構成されている。ここで、このときの符号Ｕ、Ｖ、Ｗは、３相交流の各相を意味する。
次に、ゲート駆動回路を含む制御回路基板５００は、パワーモジュール３００に横に並んだ状態で、その一方の端縁部が熱交換器７００に熱結合されるようにして、パワーモジュール３００と共に当該熱交換器７００に取付けられている。このときの熱交換器７００は、図示のように、複数枚の放熱フィンを備えた、いわゆる空冷式のものであり、必要に応じてファン、例えば電動ファンによる送風冷却方式や水冷方式にしても良く、この場合、更なるパワーモジュール３００と制御回路基板５００の冷却が可能である。
一方、コンデンサ６００は、いわゆる平滑コンデンサで、パワーモジュール３００の直流側に接続され、直流電圧を安定化する働きをする。なお、この図では、コンデンサ６００が備えられていて、それがパワーモジュール３００の直流側に接続されているものであることを単に表わすだけに描いたものであり、従って、このコンデンサ６００の具体的な取付位置については、後述するように、図示とは異なる場合もある。
次に、図２はパワーモジュール３００の回路図で、この実施形態の場合、半導体スイッチング素子２にはＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transister)が用いられ、このとき必要な電力容量を得るために並列接続した２個の素子が用いられている。また、この実施形態では３相交流用の場合であり、このためＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の上アームと下アームに夫々スイッチング素子が設けてある。従って、２ＵＵはＵ相の上アームのスイッチング素子で、２ＵＤは下アームのスイッチング素子であり、以下、Ｖ相の上アームにはスイッチング素子２ＶＵ、同下アームにはスイッチング素子２ＶＤが設けられ、Ｗ相の上アームにはスイッチング素子２ＷＵ、同下アームにはスイッチング素子２ＷＤが設けられていることになる。
そして、各々のスイッチング素子には、これも２個並列接続したＦＷＤ(フリー・ホイール・ダイオード：Free Wheel Diode)３が夫々並列に接続してあるが、このとき各相の上アームと下アームでは、各々ＦＷＤ３ＵＵ、３ＵＤ、３ＶＵ、３ＶＤ、３ＷＵ、３ＷＤとして記載してある。
なお、このときのスイッチング素子２とＦＷＤ３に代えて、パワー半導体素子として素子構造にダイオードを含んでいるＭＯＳ−ＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を用いるようにしてもよい。
ここで、まず、上アームのスイッチング素子２ＵＵ、２ＶＵ、２ＷＵのコレクタ電極は直流正極端子２１に共通に接続され、エミッタ電極は各々下アームのスイッチング素子２ＵＤ、２ＶＤ、２ＷＤのコレクタ電極に接続される。次に、下アームのスイッチング素子２ＵＤ、２ＶＤ、２ＷＤのエミッタ電極は直流負極端子２２に共通に接続される。
従って、各相の上アームと下アームの接続点、すなわち上アームのスイッチング素子のエミッタ電極と下アームのスイッチング素子のコレクタ電極の接続点が、図示のように、各相の中性点となる。そこで、Ｕ相アームの中性点は交流Ｕ相端子２３Ｕに接続され、Ｖ相アームの中性点は交流Ｖ相端子２３Ｖに接続され、そしてＷ相アームの中性点は交流Ｗ相端子２３Ｗに接続されることになる。
このパワーモジュール３００の動作は次の通りで、このとき、まず直流正極端子２１と直流負極端子２２には、図示しないバッテリから直流電圧が印加される。このときコンデンサ６００が接続されているので、その平滑作用により直流電圧の安定化が得られる。
一方、各スイッチング素子２には、図示しない駆動回路から出力される駆動信号が各スイッチング素子２の制御端子１３ＵＵ、１３ＵＤ、１３ＶＵ、１３ＶＤ、１３ＷＵ、１３ＷＤの夫々に印加され、これにより各スイッチング素子２はＯＮ／ＯＦＦ制御される。この場合の制御は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御が代表的であり、これにより交流端子２３(交流Ｕ相端子２３Ｕ、交流Ｖ相端子２３Ｖ、交流Ｗ相端子２３Ｗ)に所定の周波数で所定の電圧の３相交流電力が供給される。
このとき、上述のように、各スイッチング素子とＦＷＤは、各相アーム毎に独立した単位パワーモジュール１００として構成されている。
そこで、次に、図３と図４により、単位パワーモジュール１００の詳細について説明する。ここで、図４は、図３の平面図において矢印Ａから見た断面図である。
なお、ここでは、説明の便宜上、単位パワーモジュール１００の代表としてＵ相の単位パワーモジュール１００Ｕについて説明するが、他の相でも同じであるのはいうまでもない。
まず、単位パワーモジュール１００Ｕは、回路基板として、絶縁板１ａの一方と他方の両面に金属層１ｂ、１ｃを備えた、いわゆる絶縁金属基板１を用いている。このとき絶縁板１ａには、アルミナ(Ａｌ2 Ｏ3)、シリコンナイトライド(Ｓｉ3 Ｎ4)、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)などの絶縁複合材料が用いられ、金属層１ｂ、１ｃには、主な材料に銅を用い、これに表面めっき処理を施して半田接合に対応させてあり、金属層１ｃと半田層Ｓｂにより金属板４に半田付け接合されている。このときの金属板４は、単位パワーモジュールの基台となる上、ヒートシンクに対する固定用部材としても機能する。そこで、この金属板４には、銅やＣＩＣ、Ａl −Ｓi Ｃ合金などの金属が用いられ、隅に取付孔６を形成して、ネジなどにより熱交換器７００に固定し、放熱冷却が図れるようになっている。このとき熱伝導性を高めるため、間にグリスなどを介在させるのが通例である。
次に、絶縁金属基板１の金属層１ｂに導体パターンを形成させ、その上で、当該パターンの所定の位置にスイッチング素子２(２ＵＵ、２ＵＤ)とＦＷＤ３(３ＵＵ、３ＵＤ)を半田付け実装しする。なお、このとき１アームに半導体素子とダイオードが２個づつ用いられていることは上記した通りである。そして、このとき金属層１ｂに形成してある導体パターンは、図３に示すように、部分パターンＰ２１と部分パターンＰ２２、それに部分パターンＰ２３の３系統に分けて形成してあり、これにより、図３に示すように、上側にパワー系の配線パターンが配置され、信号系の接続パターンと端子(各スイッチング素子２の制御端子１３ＵＵ、１３ＵＤ、１３ＶＵ、１３ＶＤ、１３ＷＵ、１３ＷＤ)は下側に配置されるようにすることができ、この結果、この実施形態によれば、パワー系の配線接続部と信号系の配線接続部が絶縁金属基板１上で分離された状態にすることができる。
ここで部分パターンＰ２１は、図２において、直流正極端子２１に接続され、２箇所にある部分パターンＰ２２は、同じく図２の直流負極端子２２に接続される。他方、部分パターンＰ２３は、交流端子２３の何れか接続されるが、この場合は交流Ｕ相端子２３Ｕに接続されることになる。そして、まず、上アームのスイッチング素子２ＵＵは、そのコレクタ端子側が、図４に示すように、半田層Ｓａにより部分パターンＰ２１に半田接合され、そのエミッタ端子側は、ワイヤーボンディング５により、ＦＷＤ３ＵＵのアノード端子側を中継して部分パターンＰ２３に接続され、このときＦＷＤ３ＵＵも、そのカソード端子側が部分パターンＰ２１に半田接合されている。次に、下アームのスイッチング素子２ＵＤは、そのコレクタ端子側が半田層Ｓａ(図４)により部分パターンＰ２３に半田接合され、そのエミッタ端子側は、ワイヤーボンディング５により、ＦＷＤ３ＵＤのアノード端子側を中継して部分パターンＰ２２に接続され、このときＦＷＤ３ＵＤも、そのカソード端子側が部分パターンＰ２１に半田接合されている。
次に、図１のパワーモジュール３００について、図５と図６により詳細に説明する。なお、図６は、図８を矢印Ｂ方向からみたときの断面図である。
上述したように、パワーモジュール３００は、単位パワーモジュール１００を３相分、パワーモジュールケース４００に収容したもので、このため、図５に示すように、当該パワーモジュールケース４００は、平面形状が略方形(この場合は長方形)の枠状の樹脂ケース部２４を主体とし、その中に３相分の３個の単位パワーモジュール１００を収容するようになっている。そして、このとき、更に直流正極端子２１と直流負極端子２２、それに交流端子２３(交流Ｕ相端子２３Ｕ、交流Ｖ相端子２３Ｖ、交流Ｗ相端子２３Ｗ)も、この樹脂ケース部２４の４辺ある側辺部の中の一側辺部(図では上になっている側辺部)に一体化した形で、上記したＰＰＳなどの樹脂によりモールド成型されている。
そして、パワーモジュール３００の部分パターンＰ２１と部分パターンＰ２２、それに部分パターンＰ２３は、樹脂ケース２４の直流正極端子２１、直流負極端子２２、三相の交流端子２３に、夫々ワイヤーボンディング５により接続されているが、このとき、これら直流正極端子２１と直流負極端子２２、それに交流端子２３は、特に図６から明らかなように、夫々絶縁材料を挟む積層構造に作られ、配線インダクタンスの低減が得られる構成にしてある。このときの直流正極端子２１と直流負極端子２２、それに交流端子２３は、例えば銅などの板材により、図７に示すように、端子部分が一体になったバスバーとして成形されている。但し、この構成は一例であり、機能性によって変更可能である。
一方、各パワーモジュール３００の制御端子１３(１３ＵＵ、１３ＵＤ、１３ＶＵ、１３ＶＤ、１３ＷＵ、１３ＷＤ)は、ワイヤボンディング５により、ゲート駆動回路基板５００のゲート信号出力端子２６に電気的に接続されている。このため樹脂ケース部２４の側辺部で、上記した側辺部とは反対側の側辺部(図では下になっている側辺部)は、下側、つまり図６で熱交換器７００に接する部分が他の側辺部より短く成形してあり、ここにゲート駆動回路基板５００の端縁部で、ゲート信号出力端子２６が備えられている方の端縁部が入り込み、各パワーモジュール３００の制御端子１３が設けてある端縁部に接した形で、当該ゲート駆動回路を含む制御回路基板５００が保持されている。
この後、樹脂ケース部２４の内部には、パワーモジュール３００に搭載されている素子及びワイヤーボンディング５自体、それにパワーモジュール３００とワイヤーボンディング５の電気的接続部の保護のため、絶縁材料を素材とした樹脂２５が封止用として充填されるが、このときの樹脂としては、一般的にシリコンゲルが用いられる。
このとき樹脂ケース２４とゲート駆動回路を含む制御回路基板５００は、共にネジ孔を備えている。そして、これにより熱交換器７００にネジ止め固定され、更には図示してない機器の筐体に取付け可能にしてある。このときゲート駆動回路を含む制御回路基板５００と熱交換器７００が接着剤により接合されるようにしても良い。
ここで、例えば上記の特許文献２の開示では、ゲート基板に対する接続のため、電気的接続ピンを樹脂ケースから突出させるようにしている。しかし、この実施形態では、ここで図５と図６で説明したように、スイッチング素子の制御端子とゲート基板をワイヤーボンディングにより接続している。
従って、この実施形態によれば、電気的接続ピンが不要にできるので、電気的接続ピンの半田付けに伴う煩わしさが解消され、工数の低減とコストの低減に寄与できることになる。しかも、基板裏面での半田付けが不要になるので、基板裏面での半田付けの場合、問題になる信頼性の低下も解消できる。なお、この電気的接続ピンの廃止により１０％のサイズ縮小が可能なことが実証済である。
次に、ゲート駆動回路を含む制御回路基板５００について、図８により説明すると、まず、この制御回路基板５００に搭載される回路は、一般的にはゲート駆動回路とモータ制御回路の２種である。このとき、一般にゲート駆動回路は強電系で、対するにモータ制御回路は弱電系(信号系)の回路であり、従って、ゲート駆動回路はノイズに強く、むしろノイズ源に近いが、制御回路はノイズに弱い。そこで、この実施形態では、図８に示すように、ゲート駆動回路基板５００の端縁部で、パワーモジュール３００の制御端子１３が設けてある端縁部に接するようになる方の端縁部側にゲート駆動回路２７を搭載し、反対側の端縁部にモータ制御回路２８を搭載する。
従って、この実施形態によれば、制御回路基板５００上でゲート駆動回路２７とモータ制御回路２８が明確に分離され、しかもパワーモジュール３００に近い方にゲート駆動回路２７が位置し、遠い方にモータ制御回路２８が位置しているので、これらが同一の基板上に搭載されているにも関わらず、全体として高いＥＭＣ(Electro-Magnetic Compatibility：電磁両立性、電磁環境両立性)を持たせることができる。また、このときゲート駆動回路基板５００のゲート駆動回路２７が搭載されいる側は、既に説明したように、熱交換器７００に直接接している。従って、この実施形態によれば、比較的発熱の多い強電側の回路が重点的に放熱されるようにすることができる。
次に、この実施形態におけるコンデンサ６００の扱いについて説明する。
ここで、まず、図９は、コンデンサ６００を、パワーモジュール３００の直流正極端子２１と直流負極端子２２、それに交流端子２３が設けてある方の端縁部に、当該パワーモジュール３００と略平行に設けた場合の一実施形態であり、このときコンデンサ６００の正極端子２１０と負極端子２２０は、パワーモジュール３００の直流正極端子２１と直流負極端子２２にネジなどを用いて接続される。
ここで、コンデンサ６００の正極端子２１０と負極端子２２０は、パワーモジュール３００の直流正極端子２１と直流負極端子２２のＵ相とＶ相、それにＷ相の夫々に対応して６個設けてあり、各々はコンデンサ６００の中で同一相同士で並列に接続してあり、従って、この実施形態によれば、コンデンサ６００の端子部分でのインピーダンス抑制が、上記した端子部分でのバスバー一体化成形と相俟って、充分に得られることになり、この結果、コンデンサ６００による平滑機能が高められ、ノイズ低減に有効である。
ここで、例えば上記の特許文献３の開示では、パワーモジュールケースの直下にコンデンサを配置させるようにしている。しかし、この実施形態では、コンデンサ６００をパワーモジュールケース４００の外側に配置するようにしたので、コンデンサ６００の劣化時などに際して必要となるコンデンサの交換にも容易に対応することができ、信頼性の向上と作業コストの低減に大きく寄与することができる。なお、このコンデンサ６００としては、フィルムコンデンサと電解コンデンサの何れを適用してもよい。
次に、図１０は、コンデンサ６００を、パワーモジュール３００の上に配置した場合の一実施形態であり、このときもコンデンサ６００の正極端子２１０と負極端子２２０は、パワーモジュール３００の直流正極端子２１と直流負極端子２２にネジなどを用いて接続されるが、この場合でも、正極端子２１０と負極端子２２０の折り曲げ方を変更するだけで簡単に対応することができ、従って、本発明によれば、電力変換装置２００に要求される形状に対応してコンデンサ６００の位置が容易に変更でき、この結果、様々な形状に対応可能な電力変換装置２００を提供することができる。
ここで、上記実施形態による効果について列挙すれば、以下の通りである。
・絶縁基板上のパワー部パターンとシグナル部パターンの分離。
・上記により、全パワー端子を片側(パワー部側)に配置、一方に制御基板を配置。
・上記２点により、小型化とパワー部バスバー複雑化解消。
・パワー部バスバー這い回しの簡素化により、低インダクタンス、ＥＭＣ、ノイズ対策。
・パワー部と制御回路基板のゲートとのゲートピン接続廃止。
・パワーモジュールと制御回路基板の２階層構造廃止し、薄型化実現。
・１階層構造により、ゲートピン接続廃止し、容易なワイヤボンディング接続。
・１階層構造により、ゲート駆動回路部の高温部品をベースに設置することによる冷却機能実現。
・コンデンサのバスバー下ぶら下げ廃止し、パワーバスバー上又は横配置。
・上記により、コンデンサ劣化時、取替え可能。
・コンデンサ形状・配置を替えることにより、様々なインバータ形状に対応可。
・階層構造廃止による、全部品を上部からの可視化。
・階層構造廃止による部品低減。
・水冷・空冷共に対応化。
ところで、本発明に係る電力変換装置は、既に図１４で説明したように、例えばハイブリッド自動車に適用される。そこで、以下、本発明に係る電力変換装置２００を車両に搭載した場合の実施形態について説明すると、まず、図１１は、電力変換装置２００をワンボックス型ハイブリッド自動車５０の車室３９内おいて、床下に搭載した場合の一実施の形態で、このとき、電力変換装置２００の上はメンテナンス用床蓋４０により保護される。
次に、図１２は、電力変換装置２００をセダン型ハイブリッド自動車５０のトランクルーム４１内において、床下に搭載した場合の一実施の形態で、このときも電力変換装置２００の上はメンテナンス用床蓋４０により保護される。
また、図１３は、電力変換装置２００を後部座席４２の背もたれ内に配置した場合の一実施の形態で、このときもメンテナンス用床蓋４０が備えられ、保護が図られていることになり、従って、これらの実施形態によれば、車両の空きスペースを利用して電力変換装置２００の搭載が得られることになり、省スペース化が可能である。
本発明による電力変換装置の一実施形態を示す斜視図である。 本発明の一実施形態におけるパワーモジュールの回路図である。 本発明の一実施形態における単位パワーモジュールの平面図である。 本発明の一実施形態における単位パワーモジュールの断面図である。 本発明の一実施形態におけるパワーモジュールの平面図である。 本発明の一実施形態におけるパワーモジュールの断面図である。 本発明の一実施形態におけるパワーモジュールの端子部の斜視図である。 本発明の一実施形態におけるゲート駆動回路基板の説明図である。 本発明の一実施形態におけるコンデンサの取付状態の一例を示すけ説明図である。 本発明の一実施形態におけるコンデンサの取付状態の他の一例を示す説明図である。 本発明による電力変換装置の一実施形態が適用された自動車の一例を示す説明図である。 本発明による電力変換装置の一実施形態が適用された自動車の他の一例を示す説明図である。 本発明による電力変換装置の一実施形態が適用された自動車の別の一例を示す説明図である。 ハイブリッド自動車の一例を示す説明図である。 電力変換装置の一例における回路図である。
符号の説明
１：絶縁金属基板
１ａ：絶縁板
１ｂ、１ｃ：金属層１ｂ、１ｃ
２：半導体スイッチング素子(ＩＧＢＴ)
２ＵＵ：Ｕ相上アームの半導体スイッチング素子
２ＵＤ：Ｕ相下アームの半導体スイッチング素子
２ＶＵ：Ｖ相上アームの半導体スイッチング素子
２ＶＤ：Ｖ相下アームの半導体スイッチング素子
２ＷＵ：Ｗ相上アームの半導体スイッチング素子
２ＷＤ：Ｗ相下アームの半導体スイッチング素子
３：ＦＷＤ(フリー・ホイール・ダイオード)
３ＵＵ：Ｕ相上アームのＦＷＤ
３ＵＤ：Ｕ相下アームのＦＷＤ
３ＶＵ：Ｖ相上アームのＦＷＤ
３ＶＤ：Ｖ相下アームのＦＷＤ
３ＷＵ：Ｗ相上アームの半導体スイッチング素子
３ＷＤ：Ｗ相下アームのＦＷＤ
４：金属板(単位パワーモジュールの基台とヒートシンクへの固定用)
５：ワイヤボンディング
６：取付孔
２１：直流正極端子
２２：直流負極端子
２３：交流端子２３
２３Ｕ：交流Ｕ相端子
２３Ｖ：交流Ｖ相端子
２３Ｗ：交流Ｗ相端子
２４：樹脂ケース部
２５：樹脂(封止用樹脂)
２６：ゲート信号出力端子(制御回路基板５００の端子)
２７：ゲート駆動回路
２８：モータ制御回路
１００：単位パワーモジュール
２００：電力変換装置
３００：パワーモジュール
４００：パワーモジュールケース
５００：制御回路基板
６００：コンデンサ
７００：熱交換器

Claims (8)

  1. 複数のスイッチング素子が搭載された略方形のパワーモジュールと、前記スイッチング素子の駆動回路が搭載された略方形の制御回路基板と、前記パワーモジュールが搭載された熱交換器と、平滑用のコンデンサと、前記平滑用のコンデンサを接続するため正負対になって前記パワーモジュールに設けられた直流端子と、多相交流電流を入出力するため前記パワーモジュールに設けられた複数の交流端子と、前記スイッチング素子に制御信号を供給するため前記パワーモジュールに設けられた複数の制御端子とを有する電力変換装置において、
    前記直流端子と前記交流端子は、前記パワーモジュールの４辺ある側辺部の中の一側辺部に一列になって配置され、前記制御端子は、前記パワーモジュールの前記直流端子と前記交流端子が配置されている側辺部とは反対側にあって、当該側辺部に対向している側辺部に配置されており、
    前記パワーモジュールは、底部が前記熱交換器に接した状態で前記複数のスイッチング素子と前記複数の制御端子とを囲む枠状のケース部を備え、
    前記ケース部は、４辺ある側辺部の中の一側辺部に前記直流端子と前記交流端子を備え、前記一側辺部とは反対側の側辺部には前記熱交換器の間に前記制御回路基板が入り込むために他の周辺部よりも短く成形された部分を備え、
    前記制御回路基板は、その端縁部の中の一端縁部にゲート信号出力端子を備え、当該ゲート信号出力端子が備えられている端縁部が、前記ケース部の前記他の周辺部よりも短く成形された部分から前記ケース部内に入り込み、前記パワーモジュールの前記制御端子が配置されている側辺部に接した形で並んで配置された状態で、前記パワーモジュールと共に前記熱交換器に固定されており、
    前記パワーモジュールの制御端子と前記制御回路基板のゲート信号出力端子が前記ケース部の内部でボンディングワイヤにより接続され、当該ケース部の内部に前記ボンディングワイヤと前記複数のスイッチング素子及び前記複数の制御端子を封止するための樹脂が充填されていることを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記交流端子が前記正負対になった直流端子の間に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記複数のスイッチング素子が一列に並んで配置されていることを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記制御回路基板が前記熱交換器に接着剤で固定されていることを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項２に記載の電力変換装置において、
    前記正負対になった直流端子と前記交流端子の少なくとも一部が積層構造を有することを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記スイッチング素子は多相交流の各相毎に分けられ、単位パワーモジュールとして構成されていることを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項６に記載の電力変換装置において、
    前記単位パワーモジュールがパワー系の配線接続部と信号系の配線接続部を備え、これらパワー系の配線接続部と信号系の配線接続部が絶縁金属基板上で分離されていることを特徴とする電力変換装置。
  8. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記平滑用のコンデンサが、前記パワーモジュールの横又は上に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
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