JP2013034304A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置が発するコモンモードノイズを簡単な構成によって低減することを目的とする。
【解決手段】（１）電力ケーブル１２Ｐと回路基板１４との接続部７０ＰからインダクタＬｐを経て、各スイッチング素子組の上アームＭＯＳＦＥＴ３２の放熱板５８に至る第１経路７２、（２）コモンモードノイズ低減用容量ＣｐＡおよびＣｐＢ、（３）電力ケーブル１２Ｎと回路基板１４との接続部７０ＮからインダクタＬｎを経て、各スイッチング素子組の下アームＭＯＳＦＥＴ３４の放熱板５８に至る第２経路７２、（４）コモンモードノイズ低減用容量ＣｎＡおよびＣｎＢは、コモンモードノイズを低減する回路の一部を形成する。（ＣｐＡ＋ＣｐＢ）／（ＣｎＡ＋ＣｎＢ）＝Ｌｎ／Ｌｐが成立するように各容量値を設定することで、コモンモードノイズを低減することができる。
【選択図】図９

Description

本発明は、電力変換装置に関し、車両搭載機器に供給される電力をスイッチングにより制御する装置の改良に関する。

エンジンおよびモータジェネレータを用いて走行するハイブリッド自動車、モータジェネレータを用いて走行する電気自動車等が広く用いられている。このような電動車両は繰り返し充放電が可能な二次電池を備え、二次電池からモータジェネレータに電力を供給し、モータジェネレータの駆動力によって走行する。また、電動車両は、モータジェネレータの発電に基づく制動トルクによって減速し、モータジェネレータの発電電力によって二次電池を充電する。

二次電池とモータジェネレータとの間には、これらの間で授受される電力を制御する電力制御回路が設けられる。電力制御回路には、二次電池の出力電圧を昇圧して出力する昇圧コンバータ、直流交流変換を行うインバータ等が用いられる。

また、電動車両には、ウインカ、ヘッドライト、ルームライト、エアコンディショナ、ラジオ受信機等の補機（アクセサリ機器）が搭載される。補機に電力を供給するため、電動車両には補機バッテリが搭載される。近年の補機には大電力を消費するものが多い。また、補機バッテリの搭載スペースを削減するため、補機バッテリの充電容量を小さくしてその体積を削減する設計が好まれている。

そのため、二次電池の出力電圧を降圧し、降圧後の電圧を補機に与える降圧コンバータが用いられる。降圧コンバータから補機に電力を供給することにより、補機への供給電力を増加することができると共に、補機バッテリの充電容量を低減し、補機バッテリの体積を削減することができる。

特許文献１には、スイッチング素子を用いた電力変換装置が記載されている。特許文献１においては、スイッチング素子と接地ラインとの間に浮遊容量が形成され、この浮遊容量に高周波漏れ電流が流れることによってコモンモード電流が流れる旨が述べられている。また、スイッチング素子に接続されるインピーダンスを適切なものにすることで、コモンモード成分を低減する技術が記載されている。特許文献２にもまた、スイッチング素子を用いた電力変換装置が記載されている。この電力変換装置では、各スイッチング素子の所定の端子と接地導体との間にコンデンサが接続され、コモンモードノイズを低減している。特許文献３には、ノイズフィルタが記載されている。このノイズフィルタは、電源ラインに直列に接続されたコモンモードチョークコイルを備える。特許文献３には、コモンモードノイズを低減する効果を高める回路として、電源ラインとアースとの間にコンデンサが接続された回路が記載されている。特許文献４には、スイッチングトランスを用いたスイッチング電源が記載されている。特許文献４には、スイッチングトランスの一次側と二次側との間に接続され、コモンモードノイズを低減するＹコンデンサの実装技術が記載されている。

特開２０１０−６３２８４号公報 特開２００８−１３６３３３号公報 特開２００６−１３６０５８号公報 特開２００８−９２６９４号公報

特許文献１には、スイッチング素子に接続されるインピーダンスを適切なものにすることで、コモンモードノイズを低減する技術が記載されている。しかし、この技術では、回路構成が複雑になる場合がある。特許文献２〜４に記載の技術では、電気回路デバイスとしてのコンデンサが用いられるため、コンデンサのリード線によるインダクタ成分により、回路特性が劣化することがある。

本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、電力変換装置が発するコモンモードノイズを簡単な構成によって低減することを目的とする。

本発明は、車両搭載機器に供給される電力をスイッチングにより制御する電力変換装置において、それぞれが導電性の支持部材を備え、それぞれの１つの電極が共通電極として共通に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子における前記支持部材と、前記第１スイッチング素子が配置される第１配置部材との間に設けられる第１絶縁シートと、前記第２スイッチング素子における前記支持部材と、前記第２スイッチング素子が配置される第２配置部材との間に設けられる第２絶縁シートと、を備え、前記第１スイッチング素子においては、その共通電極とは別の電極が前記第１スイッチング素子における前記支持部材に接続され、前記第２スイッチング素子においては、その共通電極とは別の電極が前記第２スイッチング素子における前記支持部材に接続されている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換装置は、望ましくは、前記第１スイッチング素子における前記支持部材、前記第１絶縁シート、および前記１配置部材によって形成される第１容量と、前記第２スイッチング素子における前記支持部材、前記第２絶縁シート、および前記２配置部材によって形成される第２容量とが、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子から発せられるコモンモードノイズを低減する回路の少なくとも一部を形成する。

また、本発明に係る電力変換装置は、望ましくは、入力電圧が与えられる入力部から前記第１スイッチング素子における前記支持部材に至る第１経路と、前記第１容量と、前記入力部から前記第２スイッチング素子における前記支持部材に至る第２経路と、前記第２容量とが、前記入力部に発せられるコモンモードノイズを低減する回路の少なくとも一部を形成する。

また、本発明に係る電力変換装置は、望ましくは、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のそれぞれは、前記支持部材としての放熱板と、前記放熱板の板面に設けられた素子本体と、を備え、前記第１絶縁シートおよび前記第２絶縁シートは、熱伝導性のシートであり、前記第１絶縁シートは、前記第１スイッチング素子における前記放熱板の外面と前記第１配置部材との間に設けられ、前記第２絶縁シートは、前記第２スイッチング素子における前記放熱板の外面と前記第２配置部材との間に設けられる。

また、本発明に係る電力変換装置は、望ましくは、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴであり、前記第１スイッチング素子のソース電極と、前記第２スイッチング素子のドレイン電極とが共通に接続され、前記第１スイッチング素子においてはドレイン電極が前記支持部材に接続され、前記第２スイッチング素子においてはソース電極が前記支持部材に接続されている。

本発明によれば、電力変換装置が発するコモンモードノイズを簡単な構成によって低減することができる。

本発明に係る電力供給システムの構成を示す図である。 電力変換回路から発せられるノイズについて解析を行うための等価回路を示す図である。 コモンモード等価回路を示す図である。 補機電力供給システムの構成を示す図である。 ノイズについて解析を行うための等価回路を示す図である。 上アームＭＯＳＦＥＴの構成を示す図である。 下アームＭＯＳＦＥＴの構成を示す図である。 上アームＭＯＳＦＥＴおよび下アームＭＯＳＦＥＴを回路基板に実装した場合の構成を示す図である。 降圧コンバータとコモンモード等価回路との対応関係を示す図である。 ノイズについて解析を行うための等価回路を示す図である。 変圧器の一次巻線側に流れるコモンモードノイズ電流の測定結果を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る電力供給システムの構成が示されている。電力供給システムは、車両に搭載され、二次電池１０、電力ケーブル１２Ｐおよび１２Ｎ、電力変換回路２０、ならびに、回路基板１４を備える。回路基板１４には電力変換回路２０が実装されている。電力ケーブル１２Ｐおよび１２Ｎは、二次電池１０と回路基板１４との間を接続する。

二次電池１０から電力変換回路２０に至るまでの電力経路は、接地導体から絶縁されている。接地導体は、車両のボデー、およびボデーに電気的に接続された導線性部材である。ここでは、二次電池１０の接地導体に対する絶縁インピーダンスがＺｉとして示されている。

二次電池１０の正極端子には、電力ケーブル１２Ｐの一端が接続されている。電力ケーブル１２Ｐの他端は回路基板１４に接続されている。また、二次電池１０の負極端子には、電力ケーブル１２Ｎの一端が接続されている。電力ケーブル１２Ｎの他端は回路基板１４に接続されている。回路基板１４に接続された電力ケーブル１２Ｐおよび１２Ｎは、回路基板１４上のパターン導体１６Ｐおよび１６Ｎを介して、それぞれ、電力変換回路２０の正端子１８Ｐおよび負端子１８Ｎに接続されている。正極側のパターン導体１６Ｐと負極側のパターン導体１６Ｎとの間には、後述のディファレンシャルモードノイズを低減するキャパシタＣｄが接続されている。

電力変換回路２０の正極負荷端子２２Ｐおよび負極負荷端子２２Ｎには負荷回路２４が接続されている。負荷回路２４としては、車両駆動用のモータジェネレータを制御する回路、補機、補機バッテリ等がある。ここでは、電力変換回路２０に負荷回路２４が直接的に接続されているが、電力ケーブル１２Ｐおよび１２Ｎ側と同様、回路基板１４上に設けられた導体パターンを介して、電力変換回路２０に負荷回路２４が接続される構成としてもよい。

電力変換回路２０は、二次電池１０から負荷回路２４に供給される電力、または、負荷回路２４から二次電池１０に供給される電力をスイッチングにより制御する。このスイッチング制御においては、電圧レベルの調整または直流交流変換が行われる。すなわち、電力変換回路２０は、電圧レベルの調整を行う昇降圧コンバータ、二次電池１０から出力された直流電力を交流電力に変換し、あるいは、負荷回路２４から出力された交流電力を直流電力に整流するインバータ等を備えていてもよい。

電力変換回路２０は、スイッチング制御に伴いノイズを発生する。なお、本願明細書においては、ノイズ電圧およびノイズ電流の両者を含む語としてノイズの語を用いることとする。図２には、電力変換回路２０から発せられるノイズについて解析を行うための等価回路が示されている。図１に示される構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

電力変換回路２０は、交流電圧Ｖｄを出力するノイズ電圧源２６として示されている。また、パターン導体１６Ｐおよび１６Ｎによって形成されるインダクタが、それぞれ、インダクタＬｐおよびＬｎとして示されている。インダクタＬｐは、電力ケーブル１２Ｐの一端と正端子１８Ｐとの間に接続されている。インダクタＬｎは、電力ケーブル１２Ｎの一端と負端子１８Ｎとの間に接続されている。

また、正端子１８Ｐおよびそれに接続される電力変換回路２０内部の導体と接地導体との間、および、負端子１８Ｎおよびそれに接続される電力変換回路２０内部の導体と接地導体との間には浮遊容量が形成される。図２には、これらの浮遊容量が、ノイズ電圧源２６の各端と接地導体との間に接続された容量ＣｐおよびＣｎによって表されている。

キャパシタＣｄは、ディファレンシャルモードノイズを低減するキャパシタとして、電力ケーブル１２ＰおよびインダクタＬｐの接続点と、電力ケーブル１２ＮおよびインダクタＬｎの接続点との間に接続されている。ここで、ディファレンシャルモードノイズとは、正極側のパターン導体１６Ｐおよび負極側のパターン導体１６Ｎとの間に生じるノイズをいう。

電力変換回路２０から発せられるノイズには、ディファレンシャルモードノイズの他、コモンモードノイズがある。コモンモードノイズは、各パターン導体に極性および大きさが等しいノイズ電圧を生じさせ、あるいは、各パターン導体に同一方向に流れる大きさが等しいノイズ電流を生じさせる。

一般に、コモンモードノイズは、接地導体を介して車両内の広い範囲に及び、車両に搭載された電気機器の動作性能に影響を及ぼすことがある。そこで、本実施形態に係る電力供給システムでは、以下の解析に基づき容量ＣｐおよびＣｎの値を設定し、コモンモードノイズを低減する。

図３には、コモンモードノイズについて解析を行うためのコモンモード等価回路が示されている。図２に示される構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。コモンモードノイズは、二次電池１０の各端子、各パターン導体、電力変換回路２０の正端子１８Ｐ、および、電力変換回路２０の負端子１８Ｎに、極性および大きさが等しい電圧を生じさせる。そのため、電力変換回路２０の正端子１８Ｐおよび負端子１８Ｎから電力ケーブル１２Ｐおよび１２Ｎ側の回路要素は、一つのコモンモードインピーダンスＺｃによって表される。コモンモードインピーダンスＺｃの端子Ｔｃに現れる電圧は、回路基板１４と電力ケーブル１２Ｐおよび１２Ｎとの接続点に現れるコモンモード電圧Ｖｃｐｎを表す。

コモンモード等価回路においては、ノイズ電圧源２６の一端にインダクタＬｐの一端が接続され、ノイズ電圧源２６の他端にインダクタＬｎの一端が接続されている。そして、インダクタＬｐおよびＬｎの各他端は、コモンモードインピーダンスＺｃの端子Ｔｃに共通に接続されている。さらに、ノイズ電圧源２６の一端には容量Ｃｐの一端が接続され、ノイズ電圧源２６の他端には容量Ｃｎの一端が接続されている。そして、容量ＣｐおよびＣｎの各他端は、接地導体に接続されている。コモンモード等価回路は、インダクタＬｐおよびＬｎの共通接続端のコモンモード電圧Ｖｃｐｎを０Ｖに設定することができるブリッジ回路をなす。コモンモード電圧Ｖｃｐｎは次の（数１）によって表される。

（数１）Ｖｃｐｎ＝（Ｌｐ・Ｃｐ−Ｌｎ・Ｃｎ）・Ｖｄ
／｛（Ｌｐ＋Ｌｎ）・（Ｃｐ＋Ｃｎ）｝

本実施形態に係る電力供給システムにおいては、電力変換回路２０に含まれるスイッチング素子の実装形態に工夫を施すことで、コモンモード電圧Ｖｃｐｎを０Ｖに近づける容量ＣｐおよびＣｎの容量値を設定する。コモンモード電圧Ｖｃｐｎを０Ｖに近づけることで電力変換回路２０から電力ケーブル１２Ｐおよび１２Ｎ側に出力されるコモンモードノイズを低減することができる。

ところで、電力供給システムの各回路素子には、温度変化、湿度変化等によるばらつきや、製造ばらつきがある。そのため、コモンモード電圧Ｖｃｐｎを厳密に０Ｖとすることが困難な場合がある。ただし、コモンモード電圧Ｖｃｐｎをできるだけ０Ｖに近い値とし、極小値とすることは可能である。本願明細書では、このような技術的意義の下、コモンモード電圧Ｖｃｐｎを理論的に０Ｖとするという表現を用いる。

コモンモード電圧Ｖｃｐｎを理論的に０Ｖとするための容量ＣｐおよびＣｎの条件は、（数１）の右辺を０とした式に基づいて求められる。すなわち、以下の（数２）が成立するよう容量ＣｐおよびＣｎの容量値を設定することで、コモンモード電圧Ｖｃｐｎを理論的に０Ｖとすることができる。

（数２）Ｃｐ／Ｃｎ＝Ｌｎ／Ｌｐ

ここで、インダクタＬｐおよびＬｎのインダクタンス値が等しくなるよう回路基板１４のパターン導体１６Ｐおよび１６Ｎを形成した場合には、Ｃｐ＝Ｃｎがコモンモード電圧Ｖｃｐｎを理論的に０Ｖとするための条件となる。

次に、電力供給システムの具体的な実施例として、図４に示されるような補機電力供給システムについて説明する。図１に示される構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

補機電力供給システムは、二次電池１０、電力供給ケーブル１２Ｐおよび１２Ｎ、降圧コンバータ２８、ならびに整流回路３８を備える。このシステムは、二次電池１０から出力される直流電圧を降圧し、降圧後の電圧を車両搭載用の補機５０に出力するものである。補機５０には、ウインカ、ヘッドライト、ルームライト、エアコンディショナ、ラジオ受信機等がある。なお、二次電池１０には、車両駆動用のモータジェネレータを制御する回路が別途接続されていてもよい。

図４の降圧コンバータ２８は、図１の電力変換回路２０に対応する。また、図４の整流回路３８および補機５０は、図１の負荷回路２４に対応する。降圧コンバータ２８は、回路基板１４上に実装され、正端子１８Ｐ、負端子１８Ｎ、２つのスイッチング素子組３０Ａおよび３０Ｂ、ならびに変圧器３６を備える。

正端子１８Ｐは、正極側のパターン導体１６Ｐおよび電力ケーブル１２Ｐを介して二次電池１０の正極端子に接続されている。負端子１８Ｎは、負極側のパターン導体１６Ｎおよび電力ケーブル１２Ｎを介して二次電池１０の負極端子に接続されている。

各スイッチング素子組は、スイッチング素子として上アームＭＯＳＦＥＴ３２および下アームＭＯＳＦＥＴ３４を備える。ここで、ＭＯＳＦＥＴは、Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒを省略したものである。ここでは、各スイッチング素子組に用いられるスイッチング素子をＭＯＳＦＥＴとしているが、スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、トライアック、バイポーラトランジスタ等の、その他の半導体素子を用いてもよい。

各スイッチング素子組において、上アームＭＯＳＦＥＴ３２のソース端子Ｓは、下アームＭＯＳＦＥＴ３４のドレイン端子Ｄに接続されている。各スイッチング素子組の上アームＭＯＳＦＥＴ３２のドレイン端子Ｄは共通に接続され、正端子１８Ｐに接続されている。また、各スイッチング素子組の下アームＭＯＳＦＥＴ３４のソース端子Ｓは共通に接続され、負端子１８Ｎに接続されている。

スイッチング素子組３０Ａの上アームＭＯＳＦＥＴ３２および下アームＭＯＳＦＥＴ３４の接続点と、スイッチング素子組３０Ｂの上アームＭＯＳＦＥＴ３３および下アームＭＯＳＦＥＴ３５の接続点との間には、変圧器３６の一次巻線が接続されている。変圧器３６の二次巻線のセンタータップは、接地導体に接続されている。

整流回路３８は、整流ダイオード４０、整流ダイオード４２、平滑インダクタ４４、および平滑キャパシタ４６を備える。整流ダイオード４０のアノード端子は、変圧器３６の二次巻線の一端に接続されている。また、整流ダイオード４０のカソード端子は、平滑インダクタ４４の一端に接続されている。整流ダイオード４２のアノード端子は、変圧器３６の二次巻線の他端に接続されている。また、整流ダイオード４２のカソード端子は、平滑インダクタ４４の一端に接続されている。平滑インダクタ４４の他端は電圧出力端子４８に接続されている。電圧出力端子４８と接地導体との間には、平滑キャパシタ４６が接続されている。そして、電圧出力端子４８および接地導体には補機５０が接続されている。

次に、補機電力供給システムの動作について説明する。各スイッチング素子組の上アームＭＯＳＦＥＴ３２および下アームＭＯＳＦＥＴ３４は、ゲート端子Ｇに制御信号が与えられ、電圧出力端子４８と接地導体との間に所定の電圧が出力されるようスイッチング制御される。このスイッチング制御には、例えば、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御が採用される。

各スイッチング素子組に対するスイッチング制御によって、変圧器３６の一次巻線には交流電圧が印加される。一次巻線に印加された交流電圧に応じて、二次巻線には交流電圧が誘起される。整流ダイオード４０および４２は、二次巻線から出力された電圧に基づき、それぞれ、アノード端子からカソード端子に向かう方向に電流を流す。平滑インダクタ４４および平滑キャパシタ４６は、整流ダイオード４０および４２を介して与えられる電圧および電流に含まれるリプル成分を低減する。これによって、電圧出力端子４８と接地導体との間には、リプル成分が低減された電圧が出力される。このような構成によれば、二次電池１０の電圧は、補機５０が動作するために適した電圧に変換され、電圧出力端子４８を介して補機５０に与えられる。

補機電力供給システムにおいては、各スイッチング素子組の上アームＭＯＳＦＥＴ３２と３３のドレイン端子Ｄと接地導体との間、および、下アームＭＯＳＦＥＴ３４と３５のソース端子Ｓと接地導体との間にコモンモードノイズ低減用の容量が形成される。これらの容量は、各ＭＯＳＦＥＴの実装に伴って形成される浮遊容量であり、詳細については後述する。

図５には、降圧コンバータ２８から発せられるノイズについて解析を行うための等価回路が示されている。この等価回路では、パターン導体１６Ｐおよび１６Ｎによって形成されるインダクタＬｐ、Ｌｎ、コモンモードノイズ低減用容量ＣｐＡ、ＣｎＡ、ＣｐＢおよびＣｎＢが示されている。コモンモードノイズ低減用容量ＣｐＡは、スイッチング素子組３０Ａの上アームＭＯＳＦＥＴ３２のドレイン端子Ｄと接地導体との間に形成される容量である。コモンモードノイズ低減用容量ＣｎＡは、スイッチング素子組３０Ａの下アームＭＯＳＦＥＴ３４のソース端子Ｓと接地導体との間に形成される容量である。コモンモードノイズ低減用容量ＣｐＢは、スイッチング素子組３０Ｂの上アームＭＯＳＦＥＴ３３のドレイン端子Ｄと接地導体との間に形成される容量である。コモンモードノイズ低減用容量ＣｎＢは、スイッチング素子組３０Ｂの下アームＭＯＳＦＥＴ３５のソース端子Ｓと接地導体との間に形成される容量である。

図５の破線で囲まれたスイッチング素子群５２、すなわち、スイッチング素子組３０Ａおよび３０Ｂをノイズ電圧源２６に置き換えることで、図３に示されるコモンモード等価回路が導き出される。ただし、図３における容量Ｃｐは、コモンモードノイズ低減用容量ＣｐＡおよびＣｐＢの合成容量Ｃｐｔ＝ＣｐＡ＋ＣｐＢとなる。また、図３における容量Ｃｎは、コモンモードノイズ低減用容量ＣｎＡおよびＣｎＢの合成容量Ｃｎｔ＝ＣｎＡ＋ＣｎＢとなる。

さらに、降圧コンバータ２８の正端子１９Ｐおよび負端子１９Ｎより電力供給ケーブル１２Ｐおよび１２Ｎ側の回路要素は、コモンモードインピーダンスＺｃによって表される。コモンモードインピーダンスＺｃの端子Ｔｃに現れる電圧Ｖｃｐｎは、降圧コンバータ２８から電力供給ケーブル１２Ｐおよび１２Ｎに出力されるコモンモード電圧を表す。

コモンモード電圧Ｖｃｐｎを理論的に０Ｖとするための条件は、（数２）から、Ｃｐｔ／Ｃｎｔ＝（ＣｐＡ＋ＣｐＢ）／（ＣｎＡ＋ＣｎＢ）＝Ｌｎ／Ｌｐである。また、インダクタＬｐおよびＬｎが等しくなるようパターン導体１６Ｐおよび１６Ｎを形成した場合には、Ｃｐｔ＝Ｃｎｔがコモンモード電圧Ｖｃｐｎを理論的に０Ｖとするための条件となる。

本実施形態に係る補機電力供給システムにおいては、次に説明するＭＯＳＦＥＴの実装構造によって、コモンモードノイズ低減用容量ＣｐＡ、ＣｎＡ、ＣｐＢおよびＣｎＢの容量値が適切な容量値に設定される。

図６（ａ）には、上アームＭＯＳＦＥＴ３２の概観が示されている。上アームＭＯＳＦＥＴ３２の背面には金属等の導電性部材で形成された放熱板５８が設けられている。この放熱板５８は、放熱機能の他、上アームＭＯＳＦＥＴ３２を固定する支持部材としての機能を有する。上アームＭＯＳＦＥＴ３２は、放熱板５８に配置されたＭＯＳＦＥＴチップが絶縁体パッケージによって覆われた構成を有する。上アームＭＯＳＦＥＴ３２からは、正面を見て左から順に、ゲート端子リード線ＧＬ、ドレイン端子リード線ＤＬ、およびソース端子リード線ＳＬが引き出されている。また、上アームＭＯＳＦＥＴ３２には、正面から背面に貫通するねじ穴６０が設けられている。これによって、上アームＭＯＳＦＥＴ３２を他の部材にねじで固定することが可能となる。

図６（ｂ）には、絶縁体パッケージを設ける前の構成が示されている。素子本体としてのＭＯＳＦＥＴチップ６２においては、ドレイン電極Ｄ０が一方の面に形成され、ゲート電極Ｇ０およびソース電極Ｓ０が他方の面に形成されている。ＭＯＳＦＥＴチップ６２は、ドレイン電極Ｄ０が設けられている面を下に向けて放熱板５８上に配置されており、ドレイン電極Ｄ０が放熱板５８に接続されている。

放熱板５８からはドレイン端子リード線ＤＬが引き出されている。また、ドレイン端子リード線ＤＬの両側には、ゲート端子リード線ＧＬおよびソース端子リード線ＳＬが配置されている。ゲート電極Ｇ０は、ゲート端子リード線ＧＬにボンディングワイヤ６４によって接続され、ソース電極Ｓ０は、ソース端子リード線ＳＬにボンディングワイヤ６４によって接続されている。図６（ｂ）に示されるＭＯＳＦＥＴチップ６２は、放熱板５８の背面が露出するよう、絶縁パッケージによって覆われる。

図７（ａ）には、下アームＭＯＳＦＥＴ３４の概観が示されている。下アームＭＯＳＦＥＴ３４は、上アームＭＯＳＦＥＴ３２と同様、背面に放熱板５８が設けられ、放熱板５８に配置されたＭＯＳＦＥＴチップが絶縁体パッケージによって覆われた構成を有する。下アームＭＯＳＦＥＴ３４からは、正面を見て左から順に、ソース端子リード線ＳＬ、ドレイン端子リード線ＤＬ、およびゲート端子リード線ＧＬが引き出されている。

図７（ｂ）には、絶縁体パッケージを設ける前の構成が示されている。ＭＯＳＦＥＴチップ６２は、ドレイン電極Ｄ０が設けられている側を上に向けて放熱板５８上に配置されている。放熱板５８からは、ソース端子リード線ＳＬが引き出されている。また、ソース端子リード線ＳＬに隣接してドレイン端子リード線ＤＬが配置され、さらに、ドレイン端子リード線ＤＬに隣接してゲート端子リード線ＧＬが配置されている。
ソース電極Ｓ０は放熱板５８に接続されている。ゲート電極Ｇ０は、ゲート端子リード線ＧＬに接続されているが、放熱板５８からは絶縁されている。ドレイン電極Ｄ０は、ドレイン端子リード線ＤＬにボンディングワイヤ６４によって接続されている。図７（ｂ）に示されるＭＯＳＦＥＴチップ６２は、放熱板５８の背面が露出するよう、絶縁パッケージによって覆われる。

図８には、図６および図７にそれぞれ示されている上アームＭＯＳＦＥＴ３２および下アームＭＯＳＦＥＴ３４を回路基板１４に実装した場合の構成が示されている。回路基板１４は、ヒートシンク６８上に固定されている。ヒートシンク６８は、金属等の導電性材料で形成されており、車両の接地導体に接続されている。ヒートシンク６８は、補機電力供給システムを構成する部品を固定すると共に、発熱部品から発せられる熱を放熱する。すなわち、ヒートシンク６８は、部品を固定配置する配置部材および放熱部材としての機能を有する。スイッチング素子組３０Ｂの上アームＭＯＳＦＥＴ３３は、スイッチング素子組３０Ａの上アームＭＯＳＦＥＴ３２と同一であり、スイッチング素子組３０Ｂの下アームＭＯＳＦＥＴ３５は、スイッチング素子組３０Ａの下アームＭＯＳＦＥＴ３４と同一であるため、以下説明を省略する。

上アームＭＯＳＦＥＴ３２および下アームＭＯＳＦＥＴ３４は、放熱板５８とヒートシンク６８との間に絶縁シート６６を挟んでヒートシンク６８に固定されている。ここで、絶縁シート６６は、シリコン、アクリル樹脂、グラファイト等の熱伝導性の高い絶縁材料によって形成されている。このような絶縁シートには熱伝導性があるため、放熱シートとも称される。各ＭＯＳＦＥＴをヒートシンク６８に固定する際には、ゲート端子リード線ＧＬ、ドレイン端子リード線ＤＬおよびソース端子リード線ＳＬを回路基板１４上に位置させる。各リード線は、半田付け、ねじ止め等の工法により回路基板１４上のパターン導体に電気的に接続される。

このような構成によれば、上アームＭＯＳＦＥＴ３２の放熱板５８とヒートシンク６８との間には容量が形成される。上アームＭＯＳＦＥＴ３２の放熱板５８には、ＭＯＳＦＥＴチップ６２のドレイン電極Ｄ０が接続され、ヒートシンク６８は接地導体に接続されているため、上アームＭＯＳＦＥＴ３２のドレイン端子リード線ＤＬと接地導体との間には、コモンモードノイズ低減用の容量が形成されることとなる。

コモンモードノイズ低減用の容量は、上アームＭＯＳＦＥＴ３２の放熱板５８の面積、放熱板５８とヒートシンク６８との間に挟まれる絶縁シート６６の厚さ、誘電率等を変化させることで調整することができる。

同様に、下アームＭＯＳＦＥＴ３４の放熱板５８とヒートシンクとの間には容量が形成される。下アームＭＯＳＦＥＴ３４の放熱板５８には、ＭＯＳＦＥＴチップ６２のソース電極Ｓ０が接続され、ヒートシンク６８は接地導体に接続されているため、下アームＭＯＳＦＥＴ３４のソース端子リード線ＳＬと接地導体との間にはコモンモードノイズ低減用の容量が形成されることとなる。

コモンモードノイズ低減用の容量は、下アームＭＯＳＦＥＴ３４の放熱板５８の面積、放熱板５８とヒートシンク６８との間に挟まれる絶縁シート６６の厚さ、誘電率等を変化させることで調整することができる。例えば、上アームＭＯＳＦＥＴ３２のドレイン電極の方が、下アームＭＯＳＦＥＴ３４のソース電極よりも、大きな容量を形成することが多い。この場合、Ｌｐ＝Ｌｎの条件下でＣｐｔ＝Ｃｎｔとするには、下アームＭＯＳＦＥＴ３４側に設けられる絶縁シート６６を、上アームＭＯＳＦＥＴ３２側に設けられる絶縁シート６６よりも薄くする等すればよい。

なお、図８に示される構成では、上アームＭＯＳＦＥＴ３２および下アームＭＯＳＦＥＴ３４に対して共通のヒートシンク６８が設けられているが、上アームＭＯＳＦＥＴ３２および下アームＭＯＳＦＥＴ３４のそれぞれに対し個別にヒートシンクが設けられていてもよい。

また、図９に示されるように、（１）電力ケーブル１２Ｐと回路基板１４との接続部７０Ｐ（二次電池１０からの電圧が与えられる入力部）からインダクタＬｐを経て、各スイッチング素子組の上アームＭＯＳＦＥＴ３２、３３の放熱板５８に至る第１経路７２、（２）コモンモードノイズ低減用容量ＣｐＡおよびＣｐＢ、（３）電力ケーブル１２Ｎと回路基板１４との接続部７０ＮからインダクタＬｎを経て、各スイッチング素子組の下アームＭＯＳＦＥＴ３４、３５の放熱板５８に至る第２経路７４、ならびに、（４）コモンモードノイズ低減用容量ＣｎＡおよびＣｎＢは、図３に示されるコモンモード等価回路のインダクタＬｐ、Ｌｎ、キャパシタＣｐおよびＣｎを形成する。したがって、Ｃｐｔ／Ｃｎｔ＝（ＣｐＡ＋ＣｐＢ）／（ＣｎＡ＋ＣｎＢ）＝Ｌｎ／Ｌｐが成立するようにコモンモードノイズ低減用容量ＣｐＡ、ＣｎＡ、ＣｐＢおよびＣｎＢの各容量値を設定することで、コモンモード電圧Ｖｃｐｎを極小値とし、コモンモードノイズを低減することができる。

また、本実施例に係る補機電力供給システムにおいては、各ＭＯＳＦＥＴの放熱板５８と接地導体との間にコモンモードノイズ低減用の容量が形成される。放熱板５８は、ＭＯＳＦＥＴチップ６２上の電極に直接接続されるため、ＭＯＳＦＥＴチップ６２とコモンモードノイズ低減用の容量との間に介在するインダクタンス成分は小さい。これによって、各ＭＯＳＦＥＴの端子に現れる電圧および各ＭＯＳＦＥＴの端子に流れる電流のアンダーシュート、オーバーシュート、リンギング等が生じ難くなり、過電圧、過電流、ノイズ電磁波の放射等が回避される。

なお、図６に示される構成においては、ＭＯＳＦＥＴに１枚の放熱板５８が設けられ、ドレイン電極Ｄ０が放熱板５８に接続されている。このような構成の他、２枚の放熱板を設け、その２枚の放熱板がＭＯＳＦＥＴチップ６２を挟む構成としてもよい。この場合、図６（ｂ）の上方から第２枚目の放熱板がＭＯＳＦＥＴチップ６２に接合される。そして、第２枚目の放熱板にソース電極Ｓ０が接続される。さらに、ＭＯＳＦＥＴチップ６２が２枚の放熱板で挟まれた状態で、各放熱板の外側の板面が露出するよう、ＭＯＳＦＥＴチップ６２を絶縁体パッケージで覆ってもよい。このような構成によれば、１種類のＭＯＳＦＥＴを上アームＭＯＳＦＥＴ３２および下アームＭＯＳＦＥＴ３４のいずれにも用いることができる。

また、ＭＯＳＦＥＴチップは、必ずしも、絶縁体パッケージに覆われていなくともよい。例えば、車両において配線に用いられる帯状の金属棒であるバスバーや、ＤＢＣ基板（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ基板）に、絶縁シートを介してＭＯＳＦＥＴチップを固定してもよい。

上記では、上アームＭＯＳＦＥＴ３２のドレイン端子Ｄと接地導体との間にコモンモードノイズ低減用の容量が形成され、下アームＭＯＳＦＥＴ３４のソース端子Ｓと接地導体との間にコモンモードノイズ低減用の容量が形成される構成例について説明した。このような構成の他、上アームＭＯＳＦＥＴ３２のソース端子Ｓと接地導体との間にコモンモードノイズ低減用の容量が形成され、下アームＭＯＳＦＥＴ３４のドレイン端子Ｄと接地導体との間にコモンモードノイズ低減用の容量が形成される構成も可能である。この場合、上アームＭＯＳＦＥＴ３２を図７に示される構成とし、下アームＭＯＳＦＥＴ３４を図６に示される構成とする。図１０には、ノイズについて解析を行うための等価回路が示されている。図５に示される構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

図１０において、容量ＣＡおよびＣＢは、それぞれ、スイッチング素子組３０Ａおよび３０Ｂにおいて形成されるものであり、上アームＭＯＳＦＥＴ３２のソース端子Ｓに形成される容量と、下アームＭＯＳＦＥＴ３４のドレイン端子Ｄに形成される容量および上アームＭＯＳＦＥＴ３３のソース端子Ｓに形成される容量と、下アームＭＯＳＦＥＴ３５のドレイン端子Ｄに形成される容量との合成容量である。容量ＣＡおよびＣＢによって、変圧器３６の一次巻線側に流れるコモンモードノイズ電流が低減される。

図１１には、降圧コンバータ２８に容量ＣＡおよびＣＢを設けた場合、および容量ＣＡおよびＣＢを設けない場合について、変圧器３６の一次巻線側に流れるコモンモードノイズ電流を測定した結果が示されている。横軸は周波数を示し、縦軸はデシベルスケールの電流値を示す。ただし、この測定結果は、容量ＣＡおよびＣＢをＭＯＳＦＥＴの実装構造によって実現したものではなく、コンデンサ素子によって実現したものである。図１１の符号７６で示される特性は容量ＣＡおよびＣＢを設けた場合のコモンモードノイズ電流を示し、図１１の符号７８で示される特性は容量ＡおよびＣＢを設けない場合のコモンモードノイズ電流を示す。図１１の測定結果から、ＦＭラジオで使用される周波数帯ＦＭにおいて、コモンモードノイズ電流が低減されることが明らかである。

１０ 二次電池、１２Ｐ，１２Ｎ 電力ケーブル、１４ 回路基板、１６Ｐ，１６Ｎ パターン導体、１８Ｐ，１９Ｐ 正端子、１８Ｎ，１９Ｎ 負端子、２０ 電力変換回路、２２Ｐ 正極負荷端子、２２Ｎ 負極負荷端子、２４ 負荷回路、２６ ノイズ電圧源、２８ 降圧コンバータ、３０Ａ，３０Ｂ スイッチング素子組、３２，３３ 上アームＭＯＳＦＥＴ、３４，３５ 下アームＭＯＳＦＥＴ、３６ 変圧器、３８ 整流回路、４０，４２ 整流ダイオード、４４ 平滑インダクタ、４６ 平滑キャパシタ、４８ 電圧出力端子、５０ 補機、５２ スイッチング素子群、５８ 放熱板、６０ ねじ穴、６２ ＭＯＳＦＥＴチップ、６４ ボンディングワイヤ、６６ 絶縁シート、６８ ヒートシンク、７０Ｐ，７０Ｎ 電力ケーブルと回路基板との接続部、７２ 第１経路、７４ 第２経路、Ｇ ゲート端子、Ｄ ドレイン端子、Ｓ ソース端子、ＧＬ ゲート端子リード線、ＤＬ ドレイン端子リード線、ＳＬ ソース端子リード線、Ｇ０ ゲート電極、Ｄ０ ドレイン電極、Ｓ０ ソース電極。

Claims (5)

1. 車両搭載機器に供給される電力をスイッチングにより制御する電力変換装置において、
   それぞれが導電性の支持部材を備え、それぞれの１つの電極が共通電極として共通に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、
   前記第１スイッチング素子における前記支持部材と、前記第１スイッチング素子が配置される第１配置部材との間に設けられる第１絶縁シートと、
   前記第２スイッチング素子における前記支持部材と、前記第２スイッチング素子が配置される第２配置部材との間に設けられる第２絶縁シートと、を備え、
   前記第１スイッチング素子においては、その共通電極とは別の電極が前記第１スイッチング素子における前記支持部材に接続され、
   前記第２スイッチング素子においては、その共通電極とは別の電極が前記第２スイッチング素子における前記支持部材に接続されている、
   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、
   前記第１スイッチング素子における前記支持部材、前記第１絶縁シート、および前記１配置部材によって形成される第１容量と、
   前記第２スイッチング素子における前記支持部材、前記第２絶縁シート、および前記２配置部材によって形成される第２容量とが、
   前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子から発せられるコモンモードノイズを低減する回路の少なくとも一部を形成する、
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   入力電圧が与えられる入力部から前記第１スイッチング素子における前記支持部材に至る第１経路と、前記第１容量と、前記入力部から前記第２スイッチング素子における前記支持部材に至る第２経路と、前記第２容量とが、前記入力部に発せられるコモンモードノイズを低減する回路の少なくとも一部を形成する、
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
   前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のそれぞれは、
   前記支持部材としての放熱板と、
   前記放熱板の板面に設けられた素子本体と、を備え、
   前記第１絶縁シートおよび前記第２絶縁シートは、熱伝導性のシートであり、
   前記第１絶縁シートは、前記第１スイッチング素子における前記放熱板の外面と前記第１配置部材との間に設けられ、
   前記第２絶縁シートは、前記第２スイッチング素子における前記放熱板の外面と前記第２配置部材との間に設けられる、
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
   前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴであり、
   前記第１スイッチング素子のソース電極と、前記第２スイッチング素子のドレイン電極とが共通に接続され、
   前記第１スイッチング素子においてはドレイン電極が前記支持部材に接続され、
   前記第２スイッチング素子においてはソース電極が前記支持部材に接続されている、
   ことを特徴とする電力変換装置。

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