JP7088112B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この明細書における開示は、電力変換装置に関する。

特許文献１には、電圧を昇圧変換するコンバータ（電力変換装置）が開示されている。この電力変換装置は、直流の電力ラインに並列接続されている上下アーム回路を備える。この種の電力変換装置では、上下アーム回路に設けられたスイッチング素子のオンオフ作動に伴い、高周波のスイッチングノイズ（ＳＷノイズ）が発生する。

そして、ＳＷノイズがグランドに伝播するコモンモードノイズに対しては、特許文献１に記載の電力変換装置では、上下アーム回路とグランドとの間にＹコンデンサが設けられて対策されている。

特開２０１６－１７４５０２号公報

さて、ＳＷノイズの伝播経路には、グランド伝播（コモンモード）の他にも、電力ラインの高電位側ラインと低電位側ラインの２線間で伝播するノーマルモードが挙げられる。しかしながら、上記電力変換装置では、コモンモードノイズについてはＹコンデンサで対策されているものの、コモンモードノイズがモード変換されて発生するノーマルモードノイズについては対策が為されていない。

本開示はこのような課題に鑑みてなされたものであり、コモンモードノイズがモード変換されて発生するノーマルモードノイズの低減を可能にした、電力変換装置を提供することを目的とする。

本開示は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、技術的範囲を限定するものではない。

本開示のひとつである電力変換装置は、
電力ラインの高電位側である高電位電力ライン（７ｐ）と、電力ラインの低電位側である低電位電力ライン（７ｎ）との間に電気接続される上下アーム回路（６）と、
上下アーム回路の上アーム（６Ｕ）と高電位電力ラインとを接続する高電位導体（１３０）と、
上下アーム回路の下アーム（６Ｌ）と低電位電力ラインとを接続する低電位導体（１４０）と、
上アームと下アームとを接続し、上下アーム回路により変換された電力を出力する出力導体（１５０）と、
高電位電力ラインとグランドとを接続し、高電位電力ラインのコモンモードノイズをグランドへ流す高電位側コンデンサ（９ｙｐ）と、
低電位電力ラインとグランドとを接続し、低電位電力ラインのコモンモードノイズをグランドへ流す低電位側コンデンサ（９ｙｎ）と、
を備える。

そして、
高電位導体と出力導体との間の寄生容量を第１容量（Ｃｐ）とし、
低電位導体と出力導体との間の寄生容量を第２容量（Ｃｎ）とし、
低電位側コンデンサの容量を第３容量（Ｃｙｎ）とし、
高電位側コンデンサの容量を第４容量（Ｃｙｐ）とし、
低電位側コンデンサの低電位側と第２容量とを接続する配線経路に寄生するインダクタンスを第３インダクタンス（Ｌｎ）とし、
高電位側コンデンサの高電位側と第１容量の高電位側とを接続する配線経路に寄生するインダクタンスを第４インダクタンス（Ｌｐ）とし、
第１容量によるインピーダンスを第１インピーダンス（Ｚ１）とし、
第２容量によるインピーダンスを第２インピーダンス（Ｚ２）とし、
第３容量と第３インダクタンスによるインピーダンスを第３インピーダンス（Ｚ３）とし、
第４容量と第４インダクタンスによるインピーダンスを第４インピーダンス（Ｚ４）とし、
Ｚ１＜Ｚ４かつＺ３＞Ｚ２の大小関係、或いは、Ｚ１＞Ｚ４かつＺ３＜Ｚ２の大小関係となっている。

ここで、上述した電力変換装置においては、第１容量と、第２容量と、第３容量および第３インダクタンスと、第４容量および第４インダクタンスとが、ホイーストンブリッジ回路（ＨＢ回路）を形成することとなる。したがって、原理的には、Ｚ１・Ｚ３-＝Ｚ２・Ｚ４との平衡条件を満たせば、第４インダクタンスおよび第１容量の接続点（高電位側接続点）と、第３インダクタンスおよび第２容量の接続点（低電位側接続点）との間に電位差は生じない。そして、高電位側接続点は高電位電力ラインに含まれ、低電位側接続点は低電位電力ラインに含まれる。このことは、Ｚ１・Ｚ３-＝Ｚ２・Ｚ４との平衡条件を満たせば、高電位電力ラインと低電位電力ラインの２線間で伝播するノーマルモードノイズを無くせることを意味する。なお、上記ＨＢ回路の電位差に起因して流れるノーマルモードノイズは、コモンモードノイズがモード変換されて発生するものである。

この点を鑑み、上記電力変換装置では、Ｚ１＜Ｚ４かつＺ３＞Ｚ２の大小関係、或いは、Ｚ１＞Ｚ４かつＺ３＜Ｚ２の大小関係となっている。これによれば、上記大小関係を満たしていない場合に比べてＨＢ回路の平衡条件に近づくことになる。よって、その近づいた分、高電位電力ラインと低電位電力ラインの２線間で伝播するノーマルモードノイズを低減できる。

第１実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す図である。 第１実施形態に係るパワーモジュールを示す分解斜視図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図２のバスバー単体を示す斜視図。 図４の分解斜視図 電力変換装置で生じる各種の寄生インダクタンスと寄生容量を示す、電力変換装置の回路図である。 図６の等価回路図である。

図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／又は構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する。以下において、半導体素子の厚み方向をＺ方向、Ｚ方向に直交する一方向をＸ方向と示す。また、Ｚ方向およびＸ方向の両方向に直交する方向をＹ方向と示す。特に断わりのない限り、上記したＸ方向およびＹ方向により規定されるＸＹ面に沿う形状を平面形状とする。

（第１実施形態）
先ず、図１に基づき、電力変換装置について説明する。

＜電力変換装置の概略構成＞
図１に示す電力変換装置１は、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される。電力変換装置１は、車両に搭載された直流電源２から供給される直流電圧を、三相交流に変換して、三相交流方式のモータ３に出力する。モータ３は、車両の走行駆動源として機能する。電力変換装置１は、モータ３により発電された電力を、直流に変換して直流電源２に充電することもできる。電力変換装置１は、双方向の電力変換が可能となっている。

電力変換装置１は、平滑コンデンサ４と、ノイズ除去コンデンサ９ｙｐ，９ｙｎと、電力変換器であるインバータ５を有している。

インバータ５は、入力された直流電力を所定周波数の三相交流に変換し、モータ３に出力する。インバータ５は、モータ３により発電された交流電力を、直流電力に変換する。インバータ５は、ＤＣ－ＡＣ変換部である。インバータ５は、三相分の上下アーム回路６を備えて構成されている。各相の上下アーム回路６は、正極側の電源ラインである高電位電力ライン７ｐと、負極側の電源ラインである低電位電力ライン７ｎの間で、２つのアームが直列に接続されてなる。各相の上下アーム回路６において、上アーム６Ｕと下アーム６Ｌの接続点は、モータ３への出力ライン７ｏに接続されている。

本実施形態では、各アームを構成するスイッチング素子として、ｎチャネル型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ６ｉ（以下、ＩＧＢＴ６ｉと示す）を採用している。ＩＧＢＴ６ｉのそれぞれには、還流用のダイオードであるＦＷＤ６ｄが逆並列に接続されている。一相分の上下アーム回路６は、２つのＩＧＢＴ６ｉを有して構成されている。上アームにおいて、ＩＧＢＴ６ｉのコレクタ電極が、高電位電力ライン７ｐに接続されている。下アームにおいて、ＩＧＢＴ６ｉのエミッタ電極が、低電位電力ライン７ｎに接続されている。そして、上アームにおけるＩＧＢＴ６ｉのエミッタ電極と、下アームにおけるＩＧＢＴ６ｉのコレクタ電極が相互に接続されている。

電力変換装置１は、上記した平滑コンデンサ４およびインバータ５に加えて、インバータ５とは別の電力変換器であるコンバータ、インバータ５やコンバータを構成するスイッチング素子の駆動回路などを備えてもよい。コンバータは、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換するＤＣ－ＤＣ変換部である。

平滑コンデンサ４は、高電位電力ライン７ｐと低電位電力ライン７ｎの間に接続されている。詳細には、平滑コンデンサ４の正極側端子は高電位電力ライン７ｐに接続され、負極側端子は低電位電力ライン７ｎに接続されている。平滑コンデンサ４は、インバータ５やコンバータと並列に接続されている。平滑コンデンサ４は、たとえばコンバータで昇圧された直流電圧、或いは直流電源２から供給される直流電圧を平滑化し、その直流電圧の電荷を蓄積する。平滑コンデンサ４の両端間の電圧が、モータ３を駆動するための直流の高電圧となる。

ノイズ除去コンデンサ９ｙｐ，９ｙｎには、「高電位側コンデンサ」に相当するノイズ除去コンデンサ９ｙｐと、「低電位側コンデンサ」に相当するノイズ除去コンデンサ９ｙｎとが含まれる。

２つのノイズ除去コンデンサ９ｙｐ，９ｙｎは、互いに直列接続されるとともに、高電位電力ライン７ｐと低電位電力ライン７ｎの間に接続されている。２つのノイズ除去コンデンサ９ｙｐ，９ｙｎは、高電位電力ライン７ｐと低電位電力ライン７ｎの間において、インバータ５、コンバータおよび平滑コンデンサ４等と並列に接続されている。これらのノイズ除去コンデンサ９ｙｐ，９ｙｎは、互いに同じ容量に設定されている。よって、高電位電力ライン７ｐとグランドの電位差と、グランドと低電位電力ライン７ｎの電位差は同一である。

ノイズ除去コンデンサ９ｙｐは、高電位電力ライン７ｐとグランドの間に接続されている。詳細には、ノイズ除去コンデンサ９ｙｐの正極側端子は、高電位電力ライン７ｐに接続され、負極側端子はグランドに接続されている。ノイズ除去コンデンサ９ｙｐは、高電位電力ライン７ｐのコモンモードノイズをグランドへ流す。

ノイズ除去コンデンサ９ｙｎは、低電位電力ライン７ｎとグランドの間に接続されている。詳細には、ノイズ除去コンデンサ９ｙｐの負極側端子は、低電位電力ライン７ｎに接続されている。また、ノイズ除去コンデンサ９ｙｐの正極側端子は、ノイズ除去コンデンサ９ｙｐの負極側端子とともにグランドに接続されている。ノイズ除去コンデンサ９ｙｎは、低電位電力ライン７ｎのコモンモードノイズをグランドへ流す。

＜半導体装置の構成＞
次に、電力変換装置１の構成要素である半導体装置２０Ｕ，２０Ｌについて説明する。

上アーム６Ｕと下アーム６Ｌの各々は、半導体装置２０Ｕ，２０Ｌを備えて構成されている。半導体装置２０Ｕ，２０Ｌは、上アーム６Ｕと下アーム６Ｌとで、基本的な構成が同じであり、たとえば共通部品とすることもできる。半導体装置２０Ｕ，２０Ｌは、先述したＩＧＢＴ６ｉに加えて、封止樹脂体、導電部材、主端子７０および信号端子８０を備えている。

主端子７０には、コレクタ端子およびエミッタ端子が含まれている。コレクタ端子は、ＩＧＢＴ６ｉのコレクタ電極と電気的に接続されている。エミッタ端子は、ＩＧＢＴ６ｉのエミッタ電極と電気的に接続されている。Ｐバスバー１３０には、上アーム６Ｕのコレクタ端子が電気的に接続されている。Ｎバスバー１４０には、下アーム６Ｌのエミッタ端子が電気的に接続されている。出力バスバー１５０には、上アーム６Ｕのエミッタ端子および下アーム６Ｌのコレクタ端子が電気的に接続されている。

導電部材は、ＩＧＢＴ６ｉと主端子７０とを電気的に中継する。導電部材は、ＩＧＢＴ６ｉの熱を半導体装置２０Ｕ，２０Ｌの外部へ放熱する機能も果たし、ヒートシンクとも称される。封止樹脂体は、ＩＧＢＴ６ｉの全体、導電部材の一部、主端子７０の一部および信号端子８０の一部を封止する。

＜パワーモジュールの構成＞
次に、図２および図３を用いて、半導体装置２０Ｕ，２０Ｌを構成要素としてモジュール化された、パワーモジュール１１０について説明する。

パワーモジュール１１０は、半導体装置２０Ｕ，２０Ｌと、冷却器１２０と、コンデンサ８と、Ｐバスバー１３０と、Ｎバスバー１４０と、出力バスバー１５０と、駆動基板１６０と、保護部材１８０を備えている。図２では、便宜上、半導体装置２０Ｕ，２０Ｌの主端子７０と、封止材１８８を省略して図示している。図３では、パワーモジュール１１０を構成する要素を簡素化して図示している。

保護部材１８０を構成するケース１８７は、筒状をなしている。ケース１８７は、平面略矩形環状をなしている。ケース１８７は、金属材料を用いて形成されている。たとえばダイカスト法によって形成された金属成形体を採用することができる。或いは、金属部品を用いたインサート成形体を採用することもできる。或いは、ケース１８７は樹脂製であってもよい。

ケース１８７はＺ方向に延設されている。ケース１８７は、Ｚ方向の両端に、開口部１８７ａ，１８７ｂを有している。ケース１８７は、貫通孔１８７ｃを有している。貫通孔１８７ｃは、開口部１８７ｂ側の端面１８７ｄに開口するとともに、筒状内部の空間に連通している。貫通孔１８７ｃは、Ｘ方向においてケース１８７の両端に設けられている。ケース１８７内には、半導体装置２０Ｕ，２０Ｌの少なくとも一部、冷却器１２０の一部、コンデンサ８、各バスバー１３０，１４０，１５０それぞれの一部が配置されている。

冷却器１２０は、供給管１２１と、排出管１２２と、多段に配置された熱交換部１２３を有している。そして、上アーム６Ｕを構成する半導体装置２０Ｕと、下アーム６Ｌを構成する半導体装置２０Ｌは、Ｘ方向に並んで配置されている。これらの半導体装置２０Ｕ，２０Ｌは、一対の熱交換部１２３の間に配置されて挟まれている。供給管１２１および排出管１２２の並び方向は、Ｘ方向に沿っている。供給管１２１と排出管１２２の間に、半導体装置２０Ｕ，２０Ｌが配置されている。

熱交換部１２３のひとつには、閉塞プレート１２７が一体的に設けられている。閉塞プレート１２７は、ケース１８７の開口部１８７ａを閉塞するように設けられている。閉塞プレート１２７は、たとえば平板状に設けられている。閉塞プレート１２７は、熱交換部１２３に対して、半導体装置２０Ｕ，２０Ｌ側の面とは反対の面に固定されている。図３に示すように、閉塞プレート１２７が開口部１８７ａを塞ぐように、冷却器１２０がケース１８７に組み付けられている。閉塞プレート１２７は、接着、ねじ締結などによってケース１８７に固定されている。閉塞プレート１２７は、ケース１８７の底として機能する。

コンデンサ８は、Ｐバスバー１３０、Ｎバスバー１４０および出力バスバー１５０とともに、コンデンサユニット１９０をなしている。コンデンサユニット１９０は、ケース１９１を有している。ケース１９１は、コンデンサ８を収容するハウジングとして機能する。ケース１９１は、各バスバー１３０，１４０，１５０を外部と接続可能に保持する端子台のハウジングとして機能する。このように、コンデンサ８、Ｐバスバー１３０、Ｎバスバー１４０および出力バスバー１５０は一体的に保持されている。

コンデンサユニット１９０は、ケース１８７内において、冷却器１２０上に配置されている。コンデンサユニット１９０は、閉塞プレート１２７が設けられていない側の熱交換部１２３に対して、半導体装置２０Ｕ，２０Ｌとは反対側に配置されている。

パワーモジュール１１０は、電流センサ２００をさらに備えている。電流センサ２００は、出力バスバー１５０に流れる電流を検出する。このため、電流センサ２００は、出力バスバー１５０の近傍に配置されている。本実施形態では、電流センサ２００が、センサ本体部２０１と、リード２０２を有している。センサ本体部２０１には、磁電変換素子が形成されている。磁電変換素子としては、たとえばホール素子や、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子を採用することができる。電流センサ２００のリード２０２が、駆動基板１６０に実装、たとえば挿入実装されている。

駆動基板１６０は、コンデンサユニット１９０に対して、冷却器１２０と反対側に配置されている。本実施形態では、駆動基板１６０が、ケース１８７の開口部１８７ｂを閉塞するように配置されている。駆動基板１６０は、開口部１８７ｂ側の端面１８７ｄに配置された状態で、ケース１８７に固定されている。電流センサ２００は、Ｘ方向において駆動基板１６０の一端に実装されている。駆動基板１６０は、出力バスバー１５０側の端部に凸部１６１を有している。凸部１６１は、開口部１８７ｂとは反対側、すなわち外側に突出している。

電流センサ２００は、凸部１６１に実装されている。電流センサ２００は、駆動基板１６０に実装された状態で、Ｚ方向に延設されている。そして、ケース１８７の外で、出力バスバー１５０の突出部分の近傍に配置されている。

なお、本実施形態では、ノイズ除去コンデンサ９ｙｐ，９ｙｎは、パワーモジュール１１０とは別体に設けられているが、パワーモジュール１１０と一体に設けられていてもよい。例えば、ノイズ除去コンデンサ９ｙｐ，９ｙｎは、駆動基板１６０に実装されていてもよい。

保護部材１８０を構成する封止材１８８は、ケース１８７内に収容された要素の少なくとも一部を封止している。封止材１８８としては、電気絶縁性の材料、たとえば樹脂やゲルを採用することができる。封止材１８８は、ポッティング材と称される場合がある。封止材１８８は、半導体装置２０Ｕ，２０Ｌおよびコンデンサ８の少なくとも一部を封止している。封止材１８８は、異なる電位の部材間に配置されるのが好ましい。

本実施形態では、閉塞プレート１２７を底側として封止材１８８が充填されている。封止材１８８は、半導体装置２０Ｕ，２０Ｌが備えるすべての主端子７０を一体的に覆うように、主端子７０の周辺のみに配置されている。封止材１８８は、主端子７０のうちのコレクタ端子とエミッタ端子の間に介在している。

＜バスバーの構造＞
次に、図４および図５を用いて、コンデンサユニット１９０の構成部品であるＰバスバー１３０、Ｎバスバー１４０および出力バスバー１５０について、位置関係や形状等を説明する。Ｐバスバー１３０、Ｎバスバー１４０および出力バスバー１５０は、導電性に優れる金属、たとえば銅を含む金属板材である。この金属板材の表面には電気絶縁膜が設けられている。Ｐバスバー１３０は「高電位導体」に相当する。Ｎバスバー１４０は「低電位導体」に相当する。出力バスバー１５０は「出力導体」に相当する。

本例では、各バスバーにおいて厚みがほぼ均一とされている。Ｐバスバー１３０、Ｎバスバー１４０および出力バスバー１５０は、互いにほぼ同じ厚みとされている。Ｐバスバー１３０、Ｎバスバー１４０および出力バスバー１５０は、冷却器１２０と電気的に分離されている。

Ｐバスバー１３０は、電源接続部１３１、コンデンサ接続部１３２、スイッチ接続部１３３および対向部１３５を有する。電源接続部１３１は、高電位電力ライン７ｐに接続される部分である。コンデンサ接続部１３２は、コンデンサ８の正極端子に接続される部分である。スイッチ接続部１３３は、半導体装置２０Ｕ（上アーム６Ｕ）を構成するＩＧＢＴ６ｉのコレクタ電極に、繋バスバー１７０（図３参照）を介して接続される部分である。

対向部１３５は、Ｚ方向に対して垂直に拡がる板形状である。電源接続部１３１は、対向部１３５の一端から駆動基板１６０に向けて延びる形状であり、「高電位平板部」に相当する。コンデンサ接続部１３２は、対向部１３５の板面から電源接続部１３１と同じ向きに延びる形状である。スイッチ接続部１３３に接続される繋バスバー１７０は、電源接続部１３１と反対向きに、半導体装置２０Ｕに向けて延びる形状である。電源接続部１３１およびコンデンサ接続部１３２は、対向部１３５よりも幅広かつ大面積である。

Ｎバスバー１４０は、電源接続部１４１、コンデンサ接続部１４２、スイッチ接続部１４３および対向部１４５を有する。電源接続部１４１は、低電位電力ライン７ｎに接続される部分である。コンデンサ接続部１４２は、コンデンサ８の負極端子に接続される部分である。スイッチ接続部１４３は、半導体装置２０Ｌ（下アーム６Ｌ）を構成するＩＧＢＴ６ｉのエミッタ電極に、繋バスバー１７０（図３参照）を介して接続される部分である。

対向部１４５は、Ｚ方向に対して垂直に拡がる板形状であり、「低電位平板部」に相当する。電源接続部１４１は、対向部１４５の一端から駆動基板１６０に向けて延びる形状である。コンデンサ接続部１４２は、対向部１４５の他端から電源接続部１４１と同じ向きに延びる形状である。スイッチ接続部１４３に接続される繋バスバー１７０は、電源接続部１４１と反対向きに、半導体装置２０Ｌに向けて延びる形状である。電源接続部１４１およびコンデンサ接続部１４２は、対向部１４５よりも幅広かつ大面積である。

Ｐバスバー１３０およびＮバスバー１４０の各々の対向部１３５，１４５は、ＸＹ平面上に並べて配置されている。Ｐバスバー１３０およびＮバスバー１４０の各々のコンデンサ接続部１３２，１４２は、コンデンサ８を間に挟んだ状態で対向して配置されている。Ｐバスバー１３０およびＮバスバー１４０の各々の電源接続部１３１，１４１は、Ｘ方向のうち対向部１３５，１４５に対して同じ側に設けられている。

出力バスバー１５０は、出力接続部１５１、スイッチ接続部１５３および対向部１５５を有する。出力接続部１５１は、出力ライン７ｏに接続される部分である。スイッチ接続部１５３は、半導体装置２０Ｕのエミッタ電極および半導体装置２０Ｌのコレクタ電極に、繋バスバー１７０（図３参照）を介して接続される部分である。

対向部１５５は、Ｚ方向に対して垂直に拡がる板形状であり、「出力平板部」に相当する。出力接続部１５１は、対向部１５５の一端から駆動基板１６０に向けて延びる形状である。スイッチ接続部１５３に接続される繋バスバー１７０は、出力接続部１５１と反対向きに、半導体装置２０Ｌに向けて延びる形状である。出力接続部１５１は、対向部１５５よりも幅広かつ大面積である。出力接続部１５１、電源接続部１３１および電源接続部１４１は、互いの板面が平行となるように配置されている。電源接続部１３１および電源接続部１４１は、対向部１５５に対して、出力接続部１５１の反対側に配置されている。

出力バスバー１５０の対向部１５５は、Ｐバスバー１３０の対向部１３５およびＮバスバー１４０の対向部１４５と対向配置されている。これらの対向部１３５，１４５，１５５は、互いに平行に配置されている。対向部１５５のうち、Ｐバスバー１３０の対向部１３５と対向する部分をＰ対向部１５５ａと称し、Ｎバスバー１４０の対向部１４５と対向する部分をＮ対向部１５５ｂと称する。

上アーム６Ｕをオン作動させるとともに下アーム６Ｌをオフ作動させると、上アーム６ＵのＩＧＢＴ６ｉを通じて、高電位電力ライン７ｐから出力ライン７ｏへＰ電流が流れる。図４中の矢印Ｉｐは、Ｐ電流のうちＰバスバー１３０での流れを示す。図４中の矢印Ｉｐｏは、Ｐ電流のうち出力バスバー１５０での流れを示す。

下アーム６Ｌをオン作動させるとともに上アーム６Ｕをオフ作動させると、下アーム６ＬのＩＧＢＴ６ｉを通じて、低電位電力ライン７ｎから出力ライン７ｏへＮ電流が流れる。図４中の矢印Ｉｎは、Ｎ電流のうちＮバスバー１４０での流れを示す。図４中の矢印Ｉｎｏは、Ｎ電流のうち出力バスバー１５０での流れを示す。

インバータ５は、図示しない端子台を備える。端子台は、図６に示すＰ端子５ｐ、Ｎ端子５ｎ、Ｏ端子５ｏおよびＧ端子５ｇを保持する。Ｐ端子５ｐには、Ｐバスバー１３０の電源接続部１３１と、高電位電力ライン７ｐとが接続されている。Ｎ端子５ｎには、Ｎバスバー１４０の電源接続部１４１と、低電位電力ライン７ｎとが接続されている。Ｏ端子５ｏには、出力バスバー１５０の出力接続部１５１と、出力ライン７ｏとが接続されている。

＜寄生インダクタンスと寄生容量について＞
次に、図６および図７を用いて、電力変換装置１で生じる各種の寄生インダクタンスと寄生容量について説明する。

Ｐバスバー１３０の対向部１３５と出力バスバー１５０のＰ対向部１５５ａとは、一対の電極として作用して電荷を蓄え得る。つまり、Ｐバスバー１３０と出力バスバー１５０との間で寄生容量が生じ、この寄生容量を第１容量Ｃｐとする。Ｎバスバー１４０の対向部１４５と出力バスバー１５０のＮ対向部１５５ｂとは、一対の電極として作用して電荷を蓄え得る。つまり、Ｎバスバー１４０と出力バスバー１５０との間で寄生容量が生じ、この寄生容量を第２容量Ｃｎとする。

本例では、第１容量Ｃｐと第２容量Ｃｎが同じ値となるように、Ｐバスバー１３０、Ｎバスバー１４０および出力バスバー１５０の形状等が設定されている。具体的には、Ｐバスバー１３０の材質とＮバスバー１４０の材質が同じに設定されている。Ｐバスバー１３０の板厚寸法とＮバスバー１４０の板厚寸法が同じに設定されている。Ｐバスバー１３０の対向部１３５の面積とＮバスバー１４０の対向部１４５の面積が同じに設定されている。出力バスバー１５０のＰ対向部１５５ａの面積とＮ対向部１５５ｂの面積が同じに設定されている。Ｐバスバー１３０の対向部１３５と出力バスバー１５０のＰ対向部１５５ａとの離間距離は、Ｎバスバー１４０の対向部１４５と出力バスバー１５０のＮ対向部１５５ｂとの離間距離は同じに設定されている。

低電位側コンデンサであるノイズ除去コンデンサ９ｙｎの容量を第３容量Ｃｙｎとする。高電位側コンデンサであるノイズ除去コンデンサ９ｙｐの容量を第４容量Ｃｙｐとする。第３容量Ｃｙｎと第４容量Ｃｙｐは同じ値に設定されている。

出力バスバー１５０の対向部１５５と、ケース１８７の板面とは、一対の電極として作用して電荷を蓄え得る。つまり、出力バスバー１５０とケース１８７との間で寄生容量が生じ、この寄生容量を第５容量Ｃｇとする。なお、ケース１８７はグランドに電気接続されている。

ノイズ除去コンデンサ９ｙｎの低電位側と第２容量Ｃｎとを接続する配線経路に寄生するインダクタンスを、第３インダクタンスＬｎとする。第３インダクタンスＬｎは、例えば以下に説明するインダクタンスＬｎ１，Ｌｎ２，Ｌｎ３の合成とみなすことができる。

インダクタンスＬｎ１は、低電位電力ライン７ｎのうち平滑コンデンサ４との接続点と、ノイズ除去コンデンサ９ｙｎの低電位側電極との間の部分の配線インダクタンスである。インダクタンスＬｎ２は、低電位電力ライン７ｎのうち、ノイズ除去コンデンサ９ｙｎとの接続点と、Ｎ端子５ｎとの間の部分の配線インダクタンスである。インダクタンスＬｎ３は、Ｎバスバー１４０の対向部１４５とＮ端子５ｎとの間の部分の配線インダクタンスである。これらのインダクタンスＬｎ１，Ｌｎ２，Ｌｎ３は互いに直列接続されている。

ノイズ除去コンデンサ９ｙｐの高電位側と第１容量Ｃｐとを接続する配線経路に寄生するインダクタンスを、第４インダクタンスＬｐとする。第４インダクタンスＬｐは、例えば以下に説明するインダクタンスＬｐ１，Ｌｐ２，Ｌｐ３の合成とみなすことができる。

インダクタンスＬｐ１は、高電位電力ライン７ｐのうち平滑コンデンサ４との接続点と、ノイズ除去コンデンサ９ｙｐの高電位側電極との間の部分の配線インダクタンスである。インダクタンスＬｐ２は、高電位電力ライン７ｐのうち、ノイズ除去コンデンサ９ｙｐとの接続点と、Ｐ端子５ｐとの間の部分の配線インダクタンスである。インダクタンスＬｐ３は、Ｐバスバー１３０の対向部１３５とＰ端子５ｐとの間の部分の配線インダクタンスである。これらのインダクタンスＬｐ１，Ｌｐ２，Ｌｐ３は互いに直列接続されている。

図７に示すように、第１容量Ｃｐ、第２容量Ｃｎ、第３容量Ｃｙｎ、第３インダクタンスＬｎ、第４容量Ｃｙｐおよび第４インダクタンスＬｐは、ホイーストンブリッジ回路（ＨＢ回路）を形成することとなる。また、第５容量Ｃｇの高電位側は、第１容量Ｃｐと第２容量Ｃｎとの接続点に接続されることとなる。第５容量Ｃｇの低電位側は、第３容量Ｃｙｎと第４容量Ｃｙｐとの接続点に接続されることとなる。

上記ＨＢ回路において、以下に説明する各々のインピーダンスＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４は、Ｚ１・Ｚ３＝Ｚ２・Ｚ４といった平衡条件を満たしている。第１インピーダンスＺ１は、第１容量Ｃｐによって形成されるインピーダンスである。第２インピーダンスＺ２は、第２容量Ｃｎによって形成されるインピーダンスである。第３インピーダンスＺ３は、第３容量Ｃｙｎと第３インダクタンスＬｎによって形成されるインピーダンスである。第４インピーダンスＺ４は、第４容量Ｃｙｐと第４インダクタンスＬｐによって形成されるインピーダンスである。

例えば、Ｐバスバー１３０、Ｎバスバー１４０および出力バスバー１５０の各形状、大きさ、位置関係等が、上記平衡条件を満たすように調整されている。また、第３インダクタンスＬｎを形成する導体の形状や大きさ、および第４インダクタンスＬｐを形成する導体の形状や大きさが、上記平衡条件を満たすように調整されている。

なお、上記平衡条件は、Ｚ１・Ｚ３とＺ２・Ｚ４が厳密に同一である場合に限らず、各バスバーの製造誤差の範囲で異なる値となっていてもよい。例えば±１０％の製造誤差、望ましくは±５％の製造誤差、より望ましくは±３％の製造誤差の範囲であればよい。

＜作用効果＞
本実施形態によれば、以下に詳述するように、寄生インダクタンス低減とノーマルモードノイズ低減との両立を図ることができる。

先ず、寄生インダクタンス低減について説明する。

図４に示すように、上アーム６Ｕのオン作動に伴いＰバスバー１３０と出力バスバー１５０にＰ電流が流れる。この時、Ｐバスバー１３０を流れるＰ電流（矢印Ｉｐ参照）によって生じる磁束と、出力バスバー１５０を流れるＰ電流（矢印Ｉｐｏ参照）によって生じる磁束とは打ち消し合う。このように打ち消し合う作用は、Ｐバスバー１３０と出力バスバー１５０が積層配置されていることで増大する。よって、Ｐバスバー１３０と出力バスバー１５０による配線インダクタンスを低減できる。

下アーム６Ｌのオン作動に伴いＮバスバー１４０と出力バスバー１５０にＮ電流が流れる。この時、Ｎバスバー１４０を流れるＮ電流（矢印Ｉｎ参照）によって生じる磁束と、出力バスバー１５０を流れるＮ電流（矢印Ｉｎｏ参照）によって生じる磁束とは打ち消し合う。このように打ち消し合う作用は、Ｎバスバー１４０と出力バスバー１５０が積層配置されていることで増大する。よって、Ｎバスバー１４０と出力バスバー１５０による配線インダクタンスを低減できる。

但し、このように積層配置することに起因して、寄生容量である第１容量Ｃｐと第２容量Ｃｎが増大する。その結果、図７に示すＨＢ回路が形成される。スイッチングノイズによる電圧は、ＨＢ回路における接続点Ｔｏ，Ｔｇにノイズ源として印加され得る。接続点Ｔｏは、第１容量Ｃｐと第２容量Ｃｎと第５容量Ｃｇとの接続点である。接続点Ｔｇは、２つのノイズ除去コンデンサ９ｙｐ，９ｙｎと第５容量Ｃｇとの接続点である。

接続点Ｔｐは、第１容量Ｃｐと第４インダクタンスＬｐとの接続点である。接続点Ｔｎは、第２容量Ｃｎと第３インダクタンスＬｎとの接続点である。ＨＢ回路の平衡条件が満たされていない場合には、２つの接続点Ｔｐ，Ｔｎ間で電位差ＶＮＤが生じて、接続点Ｔｐ，Ｔｎ間に電流が流れる。この電流は、高電位電力ライン７ｐと低電位電力ライン７ｎとの間に電流が流れることを意味し、コモンモードノイズがモード変換されて発生するノーマルモードノイズに相当する。

要するに、バスバーを積層配置すると、寄生インダクタンスを低減できるものの、その背反として寄生容量が形成され、ノーマルモードノイズの増大が懸念されるようになる。この点を鑑み、本実施形態では、ＨＢ回路の平衡条件が満たされるように各バスバーの形状等が調整されている。よって、バスバーを積層配置しつつもノーマルモードノイズを低減できる。

さらに本実施形態では、Ｐバスバー１３０は対向部１３５（高電位平板部）を有する。Ｎバスバー１４０は対向部１４５（低電位平板部）を有する。出力バスバー１５０は対向部１５５（出力平板部）を有する。そして、高電位平板部と出力平板部とが対向するので、高電位平板部のＰ電流で生じる磁束と、出力平板部のＰ電流で生じる磁束とが打ち消し合う効果が高められる。よって、Ｐバスバー１３０と出力バスバー１５０による配線インダクタンス低減を促進できる。また、低電位平板部と出力平板部とが対向するので、低電位平板部のＮ電流で生じる磁束と、出力平板部のＮ電流で生じる磁束とが打ち消し合う効果が高められる。よって、Ｎバスバー１４０と出力バスバー１５０による配線インダクタンス低減を促進できる。

さらに本実施形態では、上アーム６Ｕおよび下アーム６Ｌに並列接続されたコンデンサ８を備える。Ｐバスバー１３０（高電位導体）は、コンデンサ８の正極端子および上アーム６Ｕと、高電位電力ライン７ｐとを接続する。Ｎバスバー１４０（低電位導体）は、コンデンサ８の負極端子および下アーム６Ｌと、低電位電力ライン７ｎとを接続する。

したがって、上アーム６Ｕ、下アーム６Ｌおよびコンデンサユニット１９０は、電力ラインを含まない閉ループ回路を形成することになる。電力ラインとは、高電位電力ライン７ｐおよび低電位電力ライン７ｎのことである。上記閉ループ回路は、コンデンサ８の正極端子、Ｐバスバー１３０、上アーム６Ｕ、下アーム６Ｌ、Ｎバスバー１４０及びコンデンサ８の負極端子が順に直列接続された回路である。図１中の矢印Ｙ１は、閉ループ回路での電流の流れを示す。

そのため、上下アーム回路６のスイッチング時に必要な電荷がコンデンサ８から供給されるにあたり、その電荷供給経路には電力ラインが含まれないので、その経路の配線を短くできる。一方、本実施形態に反してコンデンサ８が廃止されている場合、平滑コンデンサ４から上下アーム回路６への電荷供給経路に電力ラインが含まれるので、その経路の配線を十分に短くすることができない。

以上により、上記コンデンサ８を備える本実施形態によれば、サージ電圧発生の要因の１つである配線長を短くできる。よって、サージ電圧に係る配線インダクタンスを小さくでき、上下アーム回路６で生じる自己サージ電圧を低減できる。しかも、上記閉ループ回路は電力ラインを含んでいないので、自己サージ電圧が電力ラインに重畳しにくくなる。そのため、電力ラインを通じて他の上下アーム回路６に自己サージ電圧を干渉させてしまうことを抑制できる。また、このように自己サージ電圧を低減させるコンデンサ８が、各相それぞれに設けられている。そのため、電力ラインを通じた上下アーム回路６同士が自己サージ電圧を干渉させ合うことを、より一層抑制できる。

さらに本実施形態では、第１インピーダンスＺ１と第２インピーダンスＺ２とが同じ値に設定されている。そのため、第３インピーダンスＺ３と第４インピーダンスＺ４とを同じ値にすれば平衡条件をみたすこととなる。そして、第３インピーダンスＺ３と第４インピーダンスＺ４は、２つのノイズ除去コンデンサ９ｙｐ，９ｙｎの容量Ｃｙｐ，Ｃｙｎを同一にしつつ、２つのインダクタンスＬｐ，Ｌｎを同一にすれば実現できる。容量Ｃｙｐ，Ｃｙｎの同一化やインダクタンスＬｐ，Ｌｎの同一化は、調整容易である。以上により、Ｚ１＝Ｚ２に設定されている本実施形態によれば、平衡条件を満たすようにするための調整を容易にできる。

（他の実施形態）
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば開示は、実施形態において示された部品及び／又は要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品及び／又は要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品及び／又は要素の置き換え、又は組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

上記第１実施形態では、各々のインピーダンスＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４は、Ｚ１・Ｚ３＝Ｚ２・Ｚ４の関係を満たしている。そして、Ｚ１・Ｚ３とＺ２・Ｚ４が厳密に同一である場合に限らず、製造誤差の範囲で異なる値となっていることを許容している。これに対し、以下の条件１または条件２を満たしていれば、製造誤差の範囲を超えてＺ１・Ｚ３とＺ２・Ｚ４が異なる値になっていてもよい。条件１は、Ｚ１＜Ｚ４かつＺ３＞Ｚ２の大小関係である。条件２は、Ｚ１＞Ｚ４かつＺ３＜Ｚ２の大小関係である。

上記第１実施形態では、ノイズ除去コンデンサ９ｙｐ，９ｙｎが、ケース１８７内に収容されて、パワーモジュール１１０の構成部品として組み付けられている。これに対し、ノイズ除去コンデンサ９ｙｐ，９ｙｎは、ケース１８７の外に設けられていても良く、パワーモジュール１１０とは別体に配置されていてもよい。例えば、ノイズ除去コンデンサ９ｙｐ，９ｙｎは、直流電源２のバッテリケース内や、昇圧回路のケース内に配置されていてもよい。

上記第１実施形態では、出力バスバー１５０とケース１８７との間で生じる寄生容量を第５容量Ｃｇとしている。これに対し、出力バスバー１５０のうち対向部１５５の部分とケース１８７との間で生じる寄生容量を第５容量Ｃｇとしてもよい。或いは、出力バスバー１５０と熱交換部１２３との間で生じる寄生容量を第５容量Ｃｇとしてもよい。或いは、出力バスバー１５０と駆動基板１６０との間で生じる寄生容量を第５容量Ｃｇとしてもよい。

ケース１８７のＺ方向の長さは特に限定されない。金属製のケース１８７は、ノイズに対する遮蔽板として機能する。よって、ケース１８７のＺ方向の長さを、半導体装置２０、冷却器１２０およびコンデンサユニット１９０の積層体よりも長くするとよい。これによれば、ケース１８７によって、外来ノイズを効果的に遮蔽することができる。また、半導体装置２０の生じたノイズが外部へ伝搬するのを効果的に遮蔽することができる。

上記第１実施形態では、冷却器１２０によりケース１８７の開口部１８７ａを閉塞する例を示したが、これに限定されない。駆動基板１６０によりケース１８７の開口部１８７ａを閉塞してもよい。

上記第１実施形態では、駆動基板１６０が開口部１８７ａ側に配置される例を示したが、これに限定されない。駆動基板１６０が、冷却器１２０に対してコンデンサユニット１９０と反対側に配置された構成としてもよい。この場合、駆動基板１６０と冷却器１２０の両方により、開口部１８７ａを閉塞する構成としてもよい。

上記第１実施形態では、各アームを構成するスイッチング素子としてＩＧＢＴを採用しているが、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を採用してもよい。また、上記第１実施形態では、スイッチング素子とは別に、還流ダイオードであるＦＷＤ６ｄが逆並列に接続されている。これに対し、還流ダイオードとして、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを採用してもよい。

６ 上下アーム回路、 １３０ 高電位導体、 １３５ 高電位平板部、 １４０ 低電位導体、 １４５ 低電位平板部、 １５０ 出力導体、 １５５ 出力平板部、 １８７ ケース、 ６Ｌ 下アーム、 ６Ｕ 上アーム、 ７ｎ 低電位電力ライン、 ７ｐ 高電位電力ライン、 ８ コンデンサ、 ９ｙｎ 低電位側コンデンサ、 ９ｙｐ 高電位側コンデンサ、 Ｃｎ 第２容量、 Ｃｐ 第１容量、 Ｃｙｎ 第３容量、 Ｃｙｐ 第４容量、 Ｌｎ 第３インダクタンス、 Ｌｐ 第４インダクタンス、 Ｚ１ 第１インピーダンス、 Ｚ２ 第２インピーダンス、 Ｚ３ 第３インピーダンス、 Ｚ４ 第４インピーダンス。

Claims (6)

1. 電力ラインの高電位側である高電位電力ライン（７ｐ）と、電力ラインの低電位側である低電位電力ライン（７ｎ）との間に電気接続される上下アーム回路（６）と、
   前記上下アーム回路の上アーム（６Ｕ）と前記高電位電力ラインとを接続する高電位導体（１３０）と、
   前記上下アーム回路の下アーム（６Ｌ）と前記低電位電力ラインとを接続する低電位導体（１４０）と、
   前記上アームと前記下アームとを接続し、前記上下アーム回路により変換された電力を出力する出力導体（１５０）と、
   前記高電位電力ラインとグランドとを接続し、前記高電位電力ラインのコモンモードノイズをグランドへ流す高電位側コンデンサ（９ｙｐ）と、
   前記低電位電力ラインとグランドとを接続し、前記低電位電力ラインのコモンモードノイズをグランドへ流す低電位側コンデンサ（９ｙｎ）と、
   を備え、
   前記高電位導体と前記出力導体との間の寄生容量を第１容量（Ｃｐ）とし、
   前記低電位導体と前記出力導体との間の寄生容量を第２容量（Ｃｎ）とし、
   前記低電位側コンデンサの容量を第３容量（Ｃｙｎ）とし、
   前記高電位側コンデンサの容量を第４容量（Ｃｙｐ）とし、
   前記低電位側コンデンサの低電位側と前記第２容量とを接続する配線経路に寄生するインダクタンスを第３インダクタンス（Ｌｎ）とし、
   前記高電位側コンデンサの高電位側と前記第１容量の高電位側とを接続する配線経路に寄生するインダクタンスを第４インダクタンス（Ｌｐ）とし、
   前記第１容量によるインピーダンスを第１インピーダンス（Ｚ１）とし、
   前記第２容量によるインピーダンスを第２インピーダンス（Ｚ２）とし、
   前記第３容量と前記第３インダクタンスによるインピーダンスを第３インピーダンス（Ｚ３）とし、
   前記第４容量と前記第４インダクタンスによるインピーダンスを第４インピーダンス（Ｚ４）とし、
   Ｚ１＜Ｚ４かつＺ３＞Ｚ２の大小関係、或いは、Ｚ１＞Ｚ４かつＺ３＜Ｚ２の大小関係となっている電力変換装置。
2. 前記高電位導体は、平板形状の高電位平板部（１３５）を有し、
   前記低電位導体は、平板形状の低電位平板部（１４５）を有し、
   前記出力導体は、平板形状の出力平板部（１５５）を有し、
   前記第１容量は、前記高電位平板部と前記出力平板部とが対向することで形成され、
   前記第２容量は、前記低電位平板部と前記出力平板部とが対向することで形成されている請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記上アームおよび前記下アームに並列接続されたコンデンサ（８）を備え、
   前記高電位導体は、前記コンデンサの正極端子、前記上アーム、および前記高電位電力ラインを接続し、
   前記低電位導体は、前記コンデンサの負極端子、前記下アーム、および前記低電位電力ラインを接続する請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１インピーダンスと前記第２インピーダンスとは同じ値である請求項１～３のいずれか１つに記載の電力変換装置。
5. 前記高電位導体、前記低電位導体および前記出力導体を収容する金属製のケース（１８７）を備え、
   前記ケースはグランドに接続されており、
   前記出力導体と前記ケースとの間で寄生容量が形成されている請求項１～４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
6. 第１インピーダンス、前記第２インピーダンス、前記第３インピーダンス、および前記第４インピーダンスが、Ｚ１・Ｚ３＝Ｚ２・Ｚ４といった平衡条件を満たしている請求項１～５のいずれか１つに記載の電力変換装置。

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