JP2023170766A - パワーモジュール、及びこれを備える電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路パターンの端部から発生する部分放電を正確に検出する。【解決手段】パワーモジュールは、ベースプレートの主面に配置された回路基板と、回路基板の回路パターンに電力を入力可能な主端子部と、回路パターンに接続されたパワー半導体素子によって変換された電力を出力可能な出力端子部と、主面に配置された状態で主面の広がる方向から回路基板を囲むことで回路基板を収容する収容空間を画定する側壁部と、収容空間を閉じるように側壁部に配置されることで収容空間内を閉塞する蓋部とを有するケースと、回路基板を埋めるように収容空間内に配置された絶縁部と、ケースに配置され、先端面から光が入射することで、収容空間内で生じた光を検出可能な光検出部と、を備える。光検出部の先端面は、光検出範囲が収容空間内における側壁部の内面と対向する回路パターンの側縁部を含むように側縁部に沿って複数並んで配置されている。【選択図】図２

Description

本開示は、パワーモジュール、及びこれを備える電力変換装置に関する。

例えば特許文献１には、パワー半導体素子と、絶縁基板と、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）が形成された光ファイバとを備えるパワー半導体モジュールが開示されている。光ファイバに形成されたＦＢＧは、パワー半導体素子の近傍に配置されている。パワー半導体素子の近傍で部分放電が発生した際、この部分放電によるＡＥ（Acoustic Emission）波の音圧によりＦＢＧが伸縮する。このＦＢＧの伸縮に伴って光信号波長が変化する現象を利用して、部分放電を検出している。

国際公開第２０１７／１５９２１１号

ところで、パワー半導体モジュール中における部分放電源は、半導体素子近傍に限られず、回路パターンの端部が起点になることがある。このため、上記特許文献１に記載の技術では、回路パターンの端部から発生する部分放電を正確に検出することができない場合がある。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、回路パターンの端部から発生する部分放電を正確に検出することができるパワーモジュール、及びこれを備える電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係るパワーモジュールは、ベースプレートと、前記ベースプレートの主面に配置された回路基板と、前記回路基板の回路パターンに電力を入力可能な主端子部と、前記回路パターンに接続されたパワー半導体素子によって変換された前記電力を出力可能な出力端子部と、前記主面に配置された状態で前記主面の広がる方向から前記回路基板を囲むことで該回路基板を収容する収容空間を画定する側壁部と、前記収容空間を閉じるように前記側壁部に配置されることで前記収容空間内を閉塞する蓋部とを有するケースと、前記主面に対して垂直な方向から前記回路基板を埋めるように前記収容空間内に配置された絶縁部と、前記ケースに配置され、先端面から光が入射することで、前記収容空間内で生じた光を検出可能な光検出部と、を備え、前記光検出部の前記先端面は、光検出範囲が前記収容空間内における前記側壁部の内面と対向する前記回路パターンの側縁部を含むように該側縁部に沿って複数並んで配置されている。

本開示に係る電力変換装置は、上記のパワーモジュールと、前記パワー半導体素子のスイッチングを制御可能なゲート駆動装置と、前記光検出部からの光を受光信号電圧に変換可能な光電変換素子と、前記ゲート駆動装置から前記パワー半導体素子にかかる電圧が変化するタイミングと、前記光電変換素子が前記光を前記受光信号電圧に変換するタイミングとを同期させるとともに、前記光電変換素子からの前記受光信号電圧を取得可能な同期処理装置と、前記同期処理装置が取得した前記受光信号電圧の大きさに基づいて、前記光検出範囲内の前記回路パターンにおける異常の有無を検出可能な検出装置と、を備える。

本開示によれば、回路パターンの端部から発生する部分放電を正確に検出することができるパワーモジュール、及びこれを備える電力変換装置を提供することができる。

本開示の実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す斜視図である。 本開示の第一実施形態に係るパワーモジュールを平面視した時の図である。 図２で示したＩＩＩ－ＩＩＩ線方向の断面図である。 パワーモジュールと、ゲート駆動装置と、光電変換素子と、同期処理装置と、検出装置との関係を示す図である。 パワー半導体素子に印加される電圧と、同期処理装置に入力される入力信号と、検出装置が取得する受光信号電圧との関係を示すグラフである。 本開示の第二実施形態に係るパワーモジュールを平面視した時の図である。 図６で示したＶＩＩ－ＶＩＩ線方向の断面図である。 本開示の第三実施形態に係るパワーモジュールの断面図であり、図７で示した部分に対応した図である。 本開示のその他の実施形態に係るパワーモジュールの断面図であり、図７で示した部分に対応した図である。

以下、添付図面を参照して、本開示による電力変換装置を実施するための形態を説明する。

＜第一実施形態＞
電力変換装置は、例えば直流電力を三相交流電力等に変換する装置である。本実施形態の電力変換装置には、例えば、発電所等の系統で用いられるインバータや、電気自動車等の電動機の駆動に用いられるインバータ等が挙げられる。

図１に示すように、電力変換装置１００は、ケーシング１と、外部入力導体２と、コンデンサ３と、電力変換部４と、冷却装置５と、ゲート駆動装置６と、光電変換素子７と、同期処理装置８と、検出装置９と、ケーブル１１とを備えている。なお、図１中では、紙面の都合上、光電変換素子７及びケーブル１１は、示されておらず、図４中に示されている。

（ケーシング）
ケーシング１は、電力変換装置１００の外殻の一部を成している。本実施形態におけるケーシング１は、アルミ等の金属又は合成樹脂等により形成されており、直方体状を成している。ケーシング１は、互いに背合わせとなるように配置されている二つの側面を有している。以下、これら二つの側面のうち、一方側を向く側面を「入力側側面１ａ」と称し、他方側を向く側面を「出力側側面１ｂ」と称する。入力側側面１ａからは、直流電力を入力するための外部入力導体２が引き出されている。

（外部入力導体）
外部入力導体２は、電力変換装置１００の外部の電力系統等から供給される直流電力をコンデンサ３へ供給する一対の電気導体（バスバー）である。本実施形態における外部入力導体２は、例えば、銅等を含む金属により形成されている。外部入力導体２の一端は、ケーシング１に収容されたコンデンサ３に接続されており、外部入力導体２の他端は、ケーシング１の入力側側面１ａと交差する方向でケーシング１の外部に延びている。

（コンデンサ）
コンデンサ３は、外部入力導体２から入力された電荷を蓄えるとともに、電力変換に伴う電圧変動を抑えるための平滑コンデンサである。コンデンサ３を経由することでリプルが抑えられ平滑化された直流電圧は、電力変換部４へ供給される。コンデンサ３は、コンデンサ本体３ａと、接続導体３ｂとを有している。コンデンサ本体３ａは、主として上述した平滑コンデンサの機能を発揮する部分である。

接続導体３ｂは、コンデンサ本体３ａから電力変換部４へ電力を伝えるための電気導体（バスバー）である。接続導体３ｂは、例えば、銅等を含む金属によって形成されている。接続導体３ｂは、正極側端子３ｐと、負極側端子３ｎとを有している。

正極側端子３ｐは、コンデンサ３における正極を成しており、コンデンサ本体３ａと、電力変換部４におけるパワーモジュール４００の正極とを接続する電流経路である。負極側端子３ｎは、コンデンサ３における負極を成しており、コンデンサ本体３ａと、電力変換部４におけるパワーモジュール４００の負極とを接続する電流経路である。

これら正極側端子３ｐ及び負極側端子３ｎは、間隔をあけて並んで配置されている。正極側端子３ｐ及び負極側端子３ｎのそれぞれの一端は、コンデンサ本体３ａに接続されている。なお、正極側端子３ｐ及び負極側端子３ｎとコンデンサ本体３ａとの接続状態の詳細な図示は省略する。正極側端子３ｐ及び負極側端子３ｎのそれぞれの他端は、パワーモジュール４００に接続されている。

（電力変換部）
電力変換部４は、コンデンサ３から入力された電圧を変換する。本実施形態における電力変換部４は、三相交流電力を出力するために、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相用の出力をそれぞれ担当する三つのパワーモジュール４００を有している。したがって、本実施形態における電力変換装置１００は、三つのパワーモジュール４００を備える三相インバータである。電力変換部４は、ケーシング１に収容されている。

（パワーモジュール）
パワーモジュール４００は、入力された電力を変換して出力する装置である。図２及び図３に示すように、パワーモジュール４００は、ベースプレート１０と、回路基板２０と、主端子部３０と、出力端子部４０と、ケース５０と、絶縁部６０と、光検出部７０と、ボンディングワイヤＷｂとを備えている。なお、図２中では、紙面の都合上、絶縁部６０の図示を省略している。

（ベースプレート）
ベースプレート１０は、平板状を成す部材である。ベースプレート１０は、主面１０ａと、この主面１０ａの裏側に位置する裏面１０ｂを有している。即ち、ベースプレート１０の主面１０ａと裏面１０ｂとは互いに平行をなした状態で背合わせになっている。ベースプレート１０の裏面１０ｂは、グリースや放熱シート、あるいはハンダなどの接合材等（図示省略）を介して、冷却装置５（図１参照）に固定されている。本実施形態におけるベースプレート１０には、例えば、銅等を含む金属が採用される。なお、ベースプレート１０には、アルミニウム等の金属が採用されてもよい。

（回路基板）
回路基板２０は、第一絶縁板２１と、表面パターン２２（回路パターン）と、パワー半導体素子２３と、裏面パターン２４（回路パターン）とを有している。

第一絶縁板２１は、平板状を成している。第一絶縁板２１は、第一面２１ａと、この第一面２１ａの裏側に位置する第二面２１ｂとを有している。即ち、第一絶縁板２１の第一面２１ａと第二面２１ｂとは互いに平行をなした状態で背合わせになっている。第一絶縁板２１の第二面２１ｂには、銅箔等のパターンである裏面パターン２４が一面に形成されている。当該裏面パターン２４は、接合材Ｓを介してベースプレート１０の主面１０ａの中央に固定されている。裏面パターン２４は、第二面２１ｂに対して垂直な方向に所定の厚みを有した状態で形成されている。

本実施形態における第一絶縁板２１は、例えばセラミック等の絶縁材料により形成されている。なお、第一絶縁板２１を形成する絶縁材料としては、セラミック以外にも、紙フェノール、紙エポキシ、ガラスコンポジット、ガラスエポキシ、ガラスポリイミド、フッ素樹脂等を採用することができる。

表面パターン２２は、第一絶縁板２１の第一面２１ａに形成された平面状に広がる銅箔等のパターンである。表面パターン２２は、例えば、第一絶縁板２１の第一面２１ａに接着等で固定された後、エッチング等がなされることにより形成される。表面パターン２２は、第一面２１ａに対して垂直な方向に所定の厚みを有した状態で形成されている。

表面パターン２２は、第一絶縁板２１の第一面２１ａ上に複数配置されている。これら複数の表面パターン２２は、第一絶縁板２１が広がる方向で隙間を介して互いに隣接配置されている。本実施形態では、三つの表面パターン２２が第一面２１ａ上に配置されている場合を一例として説明する。以下、図２に示すように、説明の便宜上、これら三つの表面パターン２２を第一表面パターン２２１、第二表面パターン２２２、及び第三表面パターン２２３と称する。

第一表面パターン２２１には、コンデンサ３における正極側端子３ｐからの直流電圧が印加されるパターンである。第二表面パターン２２２は、直流電圧をコンデンサ３における負極側端子３ｎへ戻すためのパターンである。即ち、第一表面パターン２２１は、表面パターン２２に形成されるＰＮ間のループにおける入口部分に相当し、第二表面パターン２２２は、ＰＮ間のループにおける出口部分に相当する。第三表面パターン２２３は、交流電流をパワーモジュール４００の外部へ出力するためのパターンである。

パワー半導体素子２３は、電圧や電流をオンオフするスイッチング動作により電力を変換する回路素子である。パワー半導体素子２３は、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子である。本実施形態では、一例として、四つのパワー半導体素子２３が回路基板２０の表面パターン２２に接続されている。

本実施形態における四つのパワー半導体素子２３は、二つの第一パワー半導体素子２３１と、二つの第二パワー半導体素子２３２とによって構成されている。第一パワー半導体素子２３１は、第一表面パターン２２１に接続されている。第二パワー半導体素子２３２は、第三表面パターン２２３に接続されている。

パワー半導体素子２３がＭＯＳＦＥＴの場合、パワー半導体素子２３は、ドレインに相当する入力用端子（図示省略）と、ソースに相当する出力用端子（図示省略）と、ゲートに相当する制御信号用端子（図示省略）とを有する。この制御信号用端子には、パワー半導体素子２３のスイッチングを制御するための信号がパワーモジュール４００の外部から入力される。

パワー半導体素子２３の入力用端子は、表面パターン２２に接合材Ｓを介して電気的に接続されている。パワー半導体素子２３の出力用端子には、導線としてのボンディングワイヤＷｂの一端が電気的に接続されている。このボンディングワイヤＷｂの他端は、一端が接続されるパワー半導体素子２３の入力用端子が接続された表面パターン２２とは異なる表面パターン２２に接続されている。ボンディングワイヤＷｂは、例えば、アルミニウム等の金属によって形成されている。即ち、第一面２１ａに形成された表面パターン２２同士は、ワイヤボンディングによって電気的に接続されている。

第一パワー半導体素子２３１の入力用端子は、第一表面パターン２２１に接続されている。一端が第一パワー半導体素子２３１の出力用端子に接続されたボンディングワイヤＷｂの他端は、第三表面パターン２２３に接続されている。第二パワー半導体素子２３２の入力用端子は、第三表面パターン２２３に接続されている。一端が第二パワー半導体素子２３２の出力用端子に接続されたボンディングワイヤＷｂの他端は、第二表面パターン２２２に接続されている。

第一パワー半導体素子２３１における入力用端子には、第一表面パターン２２１を通じて直流電力が入力されるとともに、入力された直流電力がこの第一パワー半導体素子２３１によって交流電力に変換される。変換された交流電力は、第一パワー半導体素子２３１における出力用端子からボンディングワイヤＷｂを通じて第三表面パターン２２３へ出力される。

第二パワー半導体素子２３２における入力用端子には、第三表面パターン２２３を通じて交流電力が入力されるとともに、入力された交流電力がこの第二パワー半導体素子２３２によって直流電力に変換される。変換された直流電力は、第二パワー半導体素子２３２における出力用端子（図示省略）からボンディングワイヤＷｂを通じて第二表面パターン２２２へ出力される。

各パワー半導体素子２３には、パワーモジュール４００の外部に設けられたゲート駆動装置６によって生成された制御信号が入力される。パワー半導体素子２３は、ゲート駆動装置６からの制御信号に従ってスイッチングを行う。なお、パワー半導体素子２３がＩＧＢＴの場合、パワー半導体素子２３は、コレクタに相当する入力用端子と、エミッタに相当する出力用端子と、ゲートに相当する制御信号用端子とを有する。

（主端子部）
主端子部３０は、コンデンサ３と回路基板２０との間で直流電力をやり取りする電気導体（バスバー）である。主端子部３０は、例えば、銅等を含む金属によって形成されている。主端子部３０は、正極としてのＰ型端子３１と、負極としてのＮ型端子３２とを有している。これらＰ型端子３１及びＮ型端子３２は、ギャップを介して並んで配置されている。Ｐ型端子３１は、一端が第一表面パターン２２１に接続され、他端がコンデンサ３の正極側端子３ｐに接続されている。Ｎ型端子３２は、一端が第二表面パターン２２２に接続され、他端がコンデンサ３の負極側端子３ｎに接続されている。

（出力端子部）
出力端子部４０は、表面パターン２２に接続されたパワー半導体素子２３によって変換された交流電力を電力変換装置１００の外部に設けられた負荷（図示省略）へ出力可能な電気導体（バスバー）である。出力端子部４０は、例えば、銅等を含む金属によって形成されている。

出力端子部４０は、一端が回路基板２０における第三表面パターン２２３に接続され、他端がケーシング１の出力側側面１ｂと交差する方向に延びている（図１参照）。本実施形態における出力端子部４０の他端は、ケーシング１の出力側側面１ｂよりも外側に延びている。出力端子部４０の他端には、例えば、モータ等の負荷につながる電力出力用の配線（図示省略）が接続される。

（ケース）
ケース５０は、ベースプレート１０の主面１０ａに固定された状態で、主端子部３０及び出力端子部４０を機械的に補強する部材である。ケース５０は、例えば、合成樹脂材料（絶縁材料）等により形成されている。本実施形態におけるケース５０を形成する材料には、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を採用することができる。なお、ＰＰＳ以外の合成樹脂材料を、ケース５０に採用してもよい。ケース５０は、ベースプレート１０の主面１０ａに、例えば接着剤等によって固定されている。

本実施形態におけるケース５０は、側壁部５１と、蓋部５２とを有している。なお、図２では、紙面の都合上、図２中の中央部分に図示されたパワーモジュール４００が備えるケース５０の蓋部５２の一部を省略している。

側壁部５１は、ベースプレート１０の主面１０ａに配置された状態で、主端子部３０のＰ型端子３１及びＮ型端子３２、並びに出力端子部４０を外側から覆うとともに、主面１０ａの広がる方向から回路基板２０を囲っている。言い換えれば、側壁部５１は、ベースプレート１０の主面１０ａに沿う方向で回路基板２０を周囲から囲っている。したがって、側壁部５１は、ベースプレート１０とともに回路基板２０が収容される空間を画定する内面５１ａを有している。また、側壁部５１は、内面５１ａとは反対側を向く外面５１ｂを有している。本実施形態では、回路基板２０が収容されるこの空間を「収容空間Ｒ」と称する。

ここで、回路基板２０の表面パターン２２は、収容空間Ｒ内で側壁部５１の内面５１ａに対向する側縁部２２０（第一側縁部２２１ａ、第二側縁部２２２ａ、第三側縁部２２３ａ）を有している。この側縁部２２０は、表面パターン２２の厚みの部分に相当する面である。つまり、側縁部２２０は、表面パターン２２の端部である。第一表面パターン２２１は、側壁部５１の内面５１ａに対向する第一側縁部２２１ａを有している。第二表面パターン２２２は、側壁部５１の内面５１ａに対向する第二側縁部２２２ａを有している。第三表面パターン２２３は、側壁部５１の内面５１ａに対向する第三側縁部２２３ａを有している。また、回路基板２０の裏面パターン２４は、収容空間Ｒ内で側壁部５１の内面５１ａに対向する側縁部２４０を有している。この側縁部２４０は、裏面パターン２４の厚みの部分に相当する面である。つまり、側縁部２４０は、裏面パターン２４の端部である。

蓋部５２は、平板状を成している。図３に示すように、蓋部５２は、収容空間Ｒを閉じるように側壁部５１に一体に配置されている。蓋部５２は、側壁部５１に配置されることで、収容空間Ｒ内を閉塞する。本実施形態では、側壁部５１に蓋部５２が配置されることで、収容空間Ｒ内が暗室になる。本実施形態における蓋部５２は、主面１０ａに対して垂直な方向から側壁部５１に接着剤等を介して固定されている。蓋部５２は、側壁部５１に当接する当接面５２ｂと、この当接面５２ｂとは反対側を向く表面５２ａとを有している。

（絶縁部）
絶縁部６０は、収容空間Ｒ内に配置された絶縁封止材である。絶縁部６０は、シリコンゲルなどの透明充填剤により形成されている。絶縁部６０は、ベースプレート１０の主面１０ａに対して垂直な方向から回路基板２０を埋めるように収容空間Ｒ内に配置されている。具体的には、収容空間Ｒ内における絶縁部６０は、回路基板２０及びボンディングワイヤＷｂの表面を覆うように配置されている。収容空間Ｒには、パワーモジュール４００の製造過程で、液状のポッティング材（透明充填剤）が充填されることで、収容空間Ｒ内に露出する回路基板２０が封止される。

収容空間Ｒ内に充填されたポッティング材は、所定の温度と時間がかけられることで硬化して絶縁部６０となる。絶縁部６０は、収容空間Ｒ内における回路基板２０とパワーモジュール４００外部の空間とを電気的に絶縁する。本実施形態におけるポッティング材には、例えば、シリコンゲルなどを用いることができる。なお、光学的に透過し検出可能であれば、シリコンゲル以外の充填材料をポッティング材として採用してもよい。絶縁部６０は、ポッティング材が充填された際に生じる液面である上面６０ａを有している。上面６０ａは、蓋部５２の当接面と隙間を介して対向している。

（光検出部）
光検出部７０は、収容空間Ｒ内で生じた光を検出可能な光ファイバケーブルである。光検出部７０は、ケース５０の蓋部５２に複数配置されている。光検出部７０は、先端部７１を有している。先端部７１は、ケース５０の蓋部５２の表面５２ａから当接面５２ｂにかけて貫通した状態で蓋部５２に固定されている。

先端部７１における先端面７２は、収容空間Ｒ内に配置されている。具体的には、先端面７２は、絶縁部６０の上面６０ａと蓋部５２の当接面との間の隙間に配置されている。即ち、先端部７１は、蓋部５２の当接面からベースプレート１０に向かって突出している。先端面７２は、主面１０ａに対して平行な状態で主面１０ａと対向している。光検出部７０は、この先端面７２から光が入射することで、収容空間Ｒ内で生じた光を検出することができる。

各光検出部７０は、光を検出可能な範囲である光検出範囲Ｒｄを有している。本実施形態における光検出範囲Ｒｄは、先端部７１の先端面７２を起点にこの先端面７２から、例えば１０～３０°の角度に広がる円錐状を成している。図２に示すように、複数の光検出部７０の先端面７２は、この先端面７２から広がる光検出範囲Ｒｄが収容空間Ｒ内における側壁部５１の内面５１ａと対向する表面パターン２２の側縁部２２０を含むように、この側縁部２２０に沿って並んで配置されている。側縁部２２０に沿って並ぶ複数の光検出部７０のうち、隣り合う二つの光検出部７０は、主面１０ａに対して垂直な方向から見た際に、それぞれの先端面７２から広がる光検出範囲Ｒｄの少なくとも一部が互いに重なるように配置されている。

この際、第一表面パターン２２１に接続されたＰ型端子３１、第二表面パターン２２２に接続されたＮ型端子３２、及び第三表面パターン２２３に接続された出力端子部４０と、ケース５０の蓋部５２との間には、光検出部７０の先端面７２は配置されていない。したがって、主面１０ａに対して垂直な方向から見た際に、これらＰ型端子３１、Ｎ型端子３２、及び出力端子部４０を間に挟んだ状態で隣り合う二つの光検出部７０の光検出範囲Ｒｄは、互いに重なっていない。

（冷却装置）
図１に示すように、冷却装置５は、主として電力変換部４のパワーモジュール４００を冷却する装置である。冷却装置５は、ケーシング１に積層されるように設けられており、ケーシング１に固定されることで一体化されている。したがって、冷却装置５は、ケーシング１とともに電力変換装置１００の外殻の一部を成している。冷却装置５には、例えば、外部から水等の液冷媒が導入される。この液冷媒がパワーモジュール４００と熱交換して温められることで、パワーモジュール４００を冷却する。

（ゲート駆動装置）
ゲート駆動装置６は、パワー半導体素子２３のスイッチングを制御可能な回路基板である。ゲート駆動装置６は、ケーシング１に収容されている。図１に示すように、本実施形態におけるゲート駆動装置６は、第二絶縁板６１と、ゲート駆動パターン６２と、ゲートドライバＩＣ（図示省略）とを有している。

（第二絶縁板）
第二絶縁板６１は、平板状を成している。第二絶縁板６１は、電力変換部４のパワーモジュール４００と間隔をあけた状態でケーシング１内に配置されている。具体的には、第二絶縁板６１は、例えば、ケーシング１の内面に固定されている。

（ゲート駆動パターン）
ゲート駆動パターン６２は、パワー半導体素子２３のスイッチングを制御するための回路パターンである。ゲート駆動パターン６２は、第二絶縁板６１に形成された銅箔等のパターンである。本実施形態におけるゲート駆動パターン６２には、パワー半導体素子２３の制御信号用端子に入力する制御信号を生成可能なゲートドライバＩＣが接続されている。ゲートドライバＩＣは、パワー半導体素子２３のゲートを駆動するためのゲート電圧を生成する。ゲート駆動パターンと、パワー半導体素子２３とは、接続用の電気導体（図示省略）によって接続されている。ゲート駆動パターン６２は、この電気導体を通じて、ゲートドライバＩＣが生成したゲート電圧をパワー半導体素子２３に入力（印加）する。

（光電変換素子）
光電変換素子７は、光検出部７０からの光を受光信号電圧に変換可能な素子である。本実施形態における光電変換素子７には、例えば、フォトダイオード等を採用することができる。光電変換素子７は、ケーシング１に収容されている（図１中では図示省略）。図４に示すように、光電変換素子７は、各光検出部７０の先端面７２側とは反対側の端部に一つずつ接続されている。したがって、先端面７２から光検出部７０に入射した光は、光電変換素子７へ導かれる。

光検出部７０を通じて光電変換素子７に導かれた光は、この光電変換素子７によって光電変換されて電気信号になる。本実施形態では、光電変換素子７の光電変換によって生成された電気信号の電圧を「受光信号電圧」と称する。光電変換素子７は、光検出部７０からの光から受光信号電圧を取得する。

（同期処理装置）
同期処理装置８は、ケーブル１１を介して各光電変換素子７と電気的に接続されている。また、同期処理装置８は、ゲート駆動装置６のゲート駆動パターン６２と電気的に接続されている。図１に示すように、本実施形態における同期処理装置８は、例えば、ケーシング１に収容されている。

ここで、図５を参照して、同期処理装置８の動作の一例を説明する。ゲート駆動装置６のゲート駆動パターン６２からパワーモジュール４００におけるパワー半導体素子２３へ電圧が印加された際、パワー半導体素子２３の制御信号用端子（ゲート）と出力用端子（ソース）との間の電位差であるゲート－ソース間電圧が変化する（図５中の最も上のグラフ）。この時、ゲート駆動パターン６２は、パワー半導体素子２３へ電圧が印加されたことを示す信号を同期処理装置８へ送信する（図５中の上から二つ目のグラフ中における「ＯＮ（１）」を示す信号）。また、ゲート－ソース間電圧の変化に伴って、パワー半導体素子２３の出力用端子（ソース）と入力用端子（ドレイン）との間の電位差であるドレイン－ソース間電圧が変化する（図５中の下から二つ目のグラフ）。

同期処理装置８は、ゲート駆動パターン６２からパワー半導体素子２３へ電圧を印加したことを示す信号を受け付けると同時に、光電変換素子７からの電気信号を受け付ける。即ち、同期処理装置８は、ゲート駆動装置６からパワー半導体素子２３にかかる電圧が変化するタイミングと、光電変換素子７が光を受光信号電圧に変換するタイミングとを同期させる。同期処理装置８は、これらのタイミングを同期させるとともに、同期させた時刻（ｔ＝０）から所定の時間Ｔが経過するまで（ｔ＝Ｔ）、受光信号電圧を経時的に取得する。同期処理装置８は、所定の時間Ｔの間に取得した受光信号電圧を示す信号を検出装置９へ送信する。本明細書中における受光信号電圧は、あるピンポイントの電圧値ではなく、複数の電圧値を含んでいる。受光信号電圧の一例を図５に示す（図５中の最も下のグラフ）。図５中の受光信号電圧のグラフでは、部分放電が生じた場合に同期処理装置が取得した受光信号電圧を一例として示している。

（検出装置）
検出装置９は、同期処理装置８が取得した受光信号電圧の大きさに基づいて、光検出部７０が光を検出可能な光検出範囲Ｒｄ内の回路パターンにおける異常の有無を検出する。図１に示すように、本実施形態における検出装置９は、ケーシング１に収容されている。図４に示すように、本実施形態における検出装置９は、取得部９１と、判定部９２と、報知部９３と、記憶部９４とを有している。

取得部９１は、同期処理装置８から送信された受光信号電圧を示す信号を受信することで、受光信号電圧を取得する。取得部９１は、取得した受光信号電圧を判定部９２へ送る。

判定部９２は、取得部９１からの受光信号電圧を受け付けた場合に、この受光信号電圧に含まれる電圧値と、所定の閾値電圧Ｖｔｈとを比較する。受光信号電圧に含まれる電圧値のうち少なくとも一つが閾値電圧Ｖｔｈ以上である場合、判定部９２は、「異常がある」と判定する。一方、受光信号電圧に含まれる電圧値の全てが閾値電圧Ｖｔｈ未満である場合、判定部９２は、「異常がない」と判定する。なお、閾値電圧Ｖｔｈは、例えば、記憶部９４によって予め記憶されている。

報知部９３は、「異常がある」と判定部９２によって判定された場合、例えば、電力変換装置１００の利用者に対してその旨を報知する。具体的には、例えば、報知部９３は、電力変換装置１００に設けられた状態表示ランプ等へ点灯開始の旨を示す信号を送信する。報知部９３は、「異常がない」と判定部９２によって判定された場合、処理を終了する。

（作用効果）
主端子部３０のＰ型端子３１を通じてコンデンサ３から表面パターン２２に入力された電力は、パワー半導体素子２３のスイッチングによって変換された後、出力端子部４０を通じて電力変換装置１００の外部に設けられたモータ等（負荷）の回転に利用される。モータ等の回転に利用された電力は、出力端子部４０を通じて再び表面パターン２２に流入するとともに、パワー半導体素子２３のスイッチングによって変換された後、主端子部３０のＮ型端子３２を通じてコンデンサ３へ戻る。このＰＮ間のループ中で、コンデンサ３からの大電流がパワー半導体素子２３のスイッチングによって変換された際、急激な電圧変動が発生する。この電圧変動に伴って、表面パターン２２の側縁部２２０を起点に部分放電が生じる場合がある。

上記構成によれば、光検出部７０の光検出範囲Ｒｄが回路パターンの側縁部２２０を含むように、側縁部２２０に沿って複数並んで配置されているため、表面パターン２２の側縁部２２０から発生した部分放電の光は、光検出部７０へ先端面７２から入射する。つまり、側縁部２２０からの部分放電の光が、光検出部７０によって検出される。したがって、表面パターン２２の端部、即ち、側縁部２２０から発生する部分放電を正確に検出することができる。

また、側縁部２２０に沿って並ぶ複数の光検出部７０のうち隣り合う二つの光検出部７０は、主面１０ａに対して垂直な方向から見た際に、それぞれの光検出範囲Ｒｄの少なくとも一部が互いに重なるように配置されている。このため、表面パターン２２から発生する部分放電を高精度に検出することができる。

また、側壁部５１が画定する収容空間Ｒを蓋部５２が閉塞することで収容空間Ｒ内が暗室にされるため、光検出部７０による部分放電以外の光の検出を抑制することができる。即ち、光検出部７０によってノイズとなる光が検出されることを抑制することができる。その結果、誤検出の発生を抑制することができる。

また、同期処理装置８によって、ゲート駆動装置６からパワー半導体素子２３にかかる電圧が変化し始めるタイミングと、光電変換素子７が光を受光信号電圧に変換し始めるタイミングとが同期される。このため、検出装置９は、パワー半導体素子２３がスイッチングしたタイミングから部分放電の有無の検出を開始する。したがって、パワー半導体素子２３がスイッチングするタイミング以外の時間帯で、ノイズとなる光が光検出部７０によって検出されることを抑制することができる。その結果、誤検出の発生を回避することができる。

＜第二実施形態＞
次に、本開示に係る電力変換装置１００の第二実施形態について説明する。なお、以下に説明する第二実施形態では、上記の第一実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第二実施形態では、パワーモジュール４００における光検出部７０の配置が、第一実施形態で説明した光検出部７０の配置と異なっている。

（光検出部）
図６及び図７に示すように、本実施形態における光検出部７０は、ケース５０の側壁部５１に複数配置されている。光検出部７０の先端部７１は、側壁部５１の外面５１ｂから内面５１ａにかけて形成された孔ｈ１に挿通された状態で保持されている。本実施形態における先端部７１の先端面７２は、側壁部５１の内面５１ａと面一とされている。複数の光検出部７０の先端面７２は、光検出範囲Ｒｄが表面パターン２２の側縁部２２０及び裏面パターン２４の側縁部２４０を含むように、これら側縁部２２０，２４０に沿って並んで配置されている。

図７に示すように、先端面７２は、側壁部５１の内面５１ａと表面パターン２２の側縁部２２０とが対向する方向で絶縁部６０を介して表面パターン２２の側縁部２２０及び裏面パターン２４の側縁部２４０と対向している。図６に示すように、側縁部２２０，２４０に沿って並ぶ複数の光検出部７０のうち隣り合う二つの光検出部７０は、内面５１ａと側縁部２２０，２４０とが対向する方向から見た際に、それぞれの光検出範囲Ｒｄの少なくとも一部が互いに重なるように配置されている。

この際、第一表面パターン２２１に接続されたＰ型端子３１、第二表面パターン２２２に接続されたＮ型端子３２、及び第三表面パターン２２３に接続された出力端子部４０と、ベースプレート１０との間には、光検出部７０の先端面７２が配置されている。

（作用効果）
上記構成によれば、光検出部７０の先端面７２が表面パターン２２の側縁部２２０と対向するため、第一実施形態で説明した構成と比較して、部分放電により生じた光が光検出部７０に先端面７２から入射しやすい。つまり、光検出部７０による部分放電の検出感度が向上する。その結果、部分放電をより高精度に検出することができる。

また、光検出部７０の先端面７２が裏面パターン２４の側縁部２４０とも対向し、光検出範囲Ｒｄ内にこの側縁部２４０が含まれるため、裏面パターン２４から部分放電が生じた場合、この部分放電を検出することができる。したがって、回路基板２０中で発生する部分放電の検出漏れをより抑制することができる。

また、光検出部７０は、主端子部３０のＰ型端子３１及びＮ型端子３２、並びに出力端子部４０よりもベースプレート１０側に配置されている。これにより、光検出部７０が蓋部５２に配置される構成と比較して、これらＰ型端子３１、Ｎ型端子３２、及び出力端子部４０が光検出部７０からの光検出範囲Ｒｄ内で死角になることがない。したがって、部分放電の検出漏れの発生を抑制することができる。

＜第三実施形態＞
次に、本開示に係る電力変換装置１００の第三実施形態について説明する。なお、以下に説明する第三実施形態では、上記の第一実施形態及び第二実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第三実施形態では、パワーモジュール４００における光検出部７０の配置が、第一実施形態及び第二実施形態で説明した光検出部７０の配置と異なっている。

（光検出部）
図８に示すように、本実施形態における光検出部７０は、ケース５０の側壁部５１に複数配置されている。光検出部７０は、側壁部５１と一体に側壁部５１に配置されている。光検出部７０の先端部７１は、側壁部５１の内面５１ａから回路基板２０に向かって突出している。本実施形態における先端部７１の先端面７２は、収容空間Ｒ内で絶縁部６０と一体に配置されている。また、先端面７２は、側壁部５１の内面５１ａと表面パターン２２の側縁部２２０とが対向する方向で絶縁部６０を介して側縁部２２０と対向している。

（作用効果）
上記構成によれば、光検出部７０の先端部７１が側壁部５１の内面５１ａから回路基板２０に向かって突出しているため、先端部７１の先端面７２が表面パターン２２の側縁部２２０と対向した状態で近接する。これにより、第二実施形態で説明した構成と比較して、部分放電により生じた光が光検出部７０に先端面７２から入射しやすい。つまり、光検出部７０による部分放電の検出感度がより向上する。その結果、部分放電をより高精度に検出することができる。

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は実施形態の構成に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内での構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

なお、上記本実施形態における「平行」とは、実質的に平行な状態を指すものであって、製造上のわずかな誤差や設計上の公差は許容される。つまり、上記実施形態では、ベースプレート１０の主面１０ａ及び裏面１０ｂ、第一絶縁板２１の第一面２１ａ及び第二面２１ｂのそれぞれが互いに平行を成した状態で背合わせの関係になっている構成を説明したが、この構成に限定されることはなく、多少傾斜していてもよい。

また、第一実施形態では、光検出部７０における先端面７２がベースプレート１０の主面１０ａに対して平行を成した状態で主面１０ａと対向している構成を説明したが、この構成に限定されることはない。例えば、光検出部７０は、先端面７２が主面１０ａに対して傾斜した状態でケース５０の蓋部５２に配置されてもよい。また、光検出部７０は、先端面７２が主面１０ａに対して傾斜した状態でケース５０の側壁部５１に配置されてもよい。

また、図９に示すように、光検出部７０は、第一光検出部７０ａと、第二光検出部７０ｂとによって構成されてもよい。この場合、第一光検出部７０ａは、先端部７１ａの先端面７２ａがベースプレート１０の主面１０ａに対して傾斜した状態で側壁部５１に配置される。第二光検出部７０ｂは、先端部７１ｂの先端面７２ｂが回路基板２０における裏面パターン２４の側縁部２４０に対向した状態で側壁部５１に配置される。この場合、複数の第一光検出部７０ａにおける先端面７２ａは、この先端面７２ａから広がる光検出範囲Ｒｄが表面パターン２２の側縁部２２０を含むように、表面パターン２２の側縁部２２０に沿って並んで配置されている。複数の第二光検出部７０ｂにおける先端面７２ｂは、この先端面７２ｂから広がる光検出範囲Ｒｄが裏面パターン２４の側縁部２４０を含むように、この側縁部２４０に沿って並んで配置されている。第一光検出部７０ａにおける先端面７２ａ及び第二光検出部７０ｂにおける先端面７２ｂは、収容空間Ｒ内で絶縁部６０と一体に配置されている。

また、上記実施形態で説明されたパワーモジュール４００の構成は、それぞれ独立した構成に留まることはない。各実施形態に記載の構成要素を適宜組み合わせてパワーモジュール４００を構成してもよい。

また、上記実施形態では、電力変換部４が三つのパワーモジュール４００を有する６ｉｎ１モジュールの電力変換装置１００の構成を説明したが、これに限定されることはない。例えば、電力変換装置１００は、電力変換部４が一つのパワーモジュール４００を有する２ｉｎ１モジュールであってもよい。

また、上記実施形態では、電力変換装置１００としてインバータを一例にして説明したが、電力変換装置１００はインバータに限定されることはない。電力変換装置１００は、例えば、コンバータや、インバータとコンバータとを組み合わせたもの等、パワー半導体素子２３により電力変換を行う装置であってもよい。電力変換装置１００がコンバータの場合は、外部の入力電源（図示省略）から外部出力導体に交流電圧が入力されて回路基板２０におけるパワー半導体素子２３がこの交流電圧を直流電圧に変換し、パワー半導体素子２３からの直流電圧が主端子部３０及び接続導体３ｂを通じて電力変換装置１００の外部へ出力される構成であってもよい。

＜付記＞
各実施形態に記載のパワーモジュール、及びこれを備えている電力変換装置は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係るパワーモジュール４００は、ベースプレート１０と、前記ベースプレート１０の主面１０ａに配置された回路基板２０と、前記回路基板２０の回路パターンに電力を入力可能な主端子部３０と、前記回路パターンに接続されたパワー半導体素子２３によって変換された前記電力を出力可能な出力端子部４０と、前記主面１０ａに配置された状態で前記主面１０ａの広がる方向から前記回路基板２０を囲むことで該回路基板２０を収容する収容空間Ｒを画定する側壁部５１と、前記収容空間Ｒを閉じるように前記側壁部５１に配置されることで前記収容空間Ｒ内を閉塞する蓋部５２とを有するケース５０と、前記主面１０ａに対して垂直な方向から前記回路基板２０を埋めるように前記収容空間Ｒ内に配置された絶縁部６０と、前記ケース５０に配置され、先端面７２，７２ａ，７２ｂから光が入射することで、前記収容空間Ｒ内で生じた光を検出可能な光検出部７０と、を備え、前記光検出部７０の前記先端面７２，７２ａ，７２ｂは、光検出範囲Ｒｄが前記収容空間Ｒ内における前記側壁部５１の内面５１ａと対向する前記回路パターンの側縁部（側縁部２２０，２４０）を含むように該側縁部に沿って複数並んで配置されている。

これにより、回路パターンの側縁部から発生した部分放電の光は、光検出部７０へ先端面７２，７２ａ，７２ｂから入射する。つまり、側縁部からの部分放電の光が光検出部７０によって検出される。

（２）第２の態様に係るパワーモジュール４００は、（１）のパワーモジュール４００であって、複数の前記光検出部７０は、前記ケース５０の前記側壁部５１に一体に配置され、各前記光検出部７０の前記先端面７２は、前記側壁部５１の前記内面５１ａと前記回路パターンの前記側縁部とが対向する方向で、前記絶縁部６０を介して前記側縁部と対向してもよい。

これにより、光検出部７０の先端面７２が回路パターンの側縁部と対向するため、部分放電により生じた光が光検出部７０に先端面７２から入射しやすくなる。その結果、光検出部７０による部分放電の検出感度が向上する。

（３）第３の態様に係るパワーモジュール４００は、（２）のパワーモジュール４００であって、各前記光検出部７０の前記先端面７２，７２ａ，７２ｂは、前記収容空間Ｒ内で前記絶縁部６０と一体に配置されていてもよい。

これにより、光検出部７０の先端面７２，７２ａ，７２ｂが回路パターンの側縁部と対向した状態で近接するため、光検出部７０による部分放電の検出感度がより向上する。

（４）第４の態様に係る電力変換装置１００は、（１）から（３）の何れかのパワーモジュール４００と、前記パワー半導体素子２３のスイッチングを制御可能なゲート駆動装置６と、前記光検出部７０からの光を受光信号電圧に変換可能な光電変換素子７と、前記ゲート駆動装置６から前記パワー半導体素子２３にかかる電圧が変化するタイミングと、前記光電変換素子７が前記光を前記受光信号電圧に変換するタイミングとを同期させるとともに、前記光電変換素子７からの前記受光信号電圧を取得可能な同期処理装置８と、前記同期処理装置８が取得した前記受光信号電圧の大きさに基づいて、前記光検出範囲Ｒｄ内の前記回路パターンにおける異常の有無を検出可能な検出装置９と、を備える。

これにより、検出装置９は、パワー半導体素子２３がスイッチングを開始したタイミングから部分放電の有無を検出する。つまり、パワー半導体素子２３がスイッチングしたタイミング以外の時間帯で、ノイズとなる光が光検出部７０によって検出されることを抑制することができる。

１…ケーシング １ａ…入力側側面 １ｂ…出力側側面 ２…外部入力導体 ３…コンデンサ ３ａ…コンデンサ本体 ３ｂ…接続導体 ３ｎ…負極側端子 ３ｐ…正極側端子 ４…電力変換部 ５…冷却装置 ６…ゲート駆動装置 ７…光電変換素子 ８…同期処理装置 ９…検出装置 １０…ベースプレート １０ａ…主面 １０ｂ…裏面 １１…ケーブル ２０…回路基板 ２１…第一絶縁板 ２１ａ…第一面 ２１ｂ…第二面 ２２…表面パターン ２３…パワー半導体素子 ２４…裏面パターン ３０…主端子部 ３１…Ｐ型端子 ３２…Ｎ型端子 ４０…出力端子部 ５０…ケース ５１…側壁部 ５１ａ…内面 ５１ｂ…外面 ５２…蓋部 ５２ａ…表面 ５２ｂ…当接面 ６０…絶縁部 ６１…第二絶縁板 ６２…ゲート駆動パターン ７０…光検出部 ７０ａ…第一光検出部 ７０ｂ…第二光検出部 ７１，７１ａ，７１ｂ…先端部 ７２，７２ａ，７２ｂ…先端面 ９１…取得部 ９２…判定部 ９３…報知部 ９４…記憶部 １００…電力変換装置 ２２０，２４０…側縁部 ２２１…第一表面パターン ２２１ａ…第一側縁部 ２２２ａ…第二側縁部 ２２３ａ…第三側縁部 ２２２…第二表面パターン ２２３…第三表面パターン ２３１…第一パワー半導体素子 ２３２…第二パワー半導体素子 ４００…パワーモジュール Ｄ１…対向方向 ｈ１…孔 Ｒ…収容空間 Ｒｄ…光検出範囲 Ｓ…接合材 Ｗｂ…ボンディングワイヤ

Claims (4)

1. ベースプレートと、
   前記ベースプレートの主面に配置された回路基板と、
   前記回路基板の回路パターンに電力を入力可能な主端子部と、
   前記回路パターンに接続されたパワー半導体素子によって変換された前記電力を出力可能な出力端子部と、
   前記主面に配置された状態で前記主面の広がる方向から前記回路基板を囲むことで該回路基板を収容する収容空間を画定する側壁部と、前記収容空間を閉じるように前記側壁部に配置されることで前記収容空間内を閉塞する蓋部とを有するケースと、
   前記主面に対して垂直な方向から前記回路基板を埋めるように前記収容空間内に配置された絶縁部と、
   前記ケースに配置され、先端面から光が入射することで、前記収容空間内で生じた光を検出可能な光検出部と、
   を備え、
   前記光検出部の前記先端面は、光検出範囲が前記収容空間内における前記側壁部の内面と対向する前記回路パターンの側縁部を含むように該側縁部に沿って複数並んで配置されているパワーモジュール。
2. 複数の前記光検出部は、前記ケースの前記側壁部に一体に配置され、
   各前記光検出部の前記先端面は、前記側壁部の前記内面と前記回路パターンの前記側縁部とが対向する方向で、前記絶縁部を介して前記側縁部と対向する請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 各前記光検出部の前記先端面は、前記収容空間内で前記絶縁部と一体に配置されている請求項２に記載のパワーモジュール。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載のパワーモジュールと、
   前記パワー半導体素子のスイッチングを制御可能なゲート駆動装置と、
   前記光検出部からの光を受光信号電圧に変換可能な光電変換素子と、
   前記ゲート駆動装置から前記パワー半導体素子にかかる電圧が変化するタイミングと、前記光電変換素子が前記光を前記受光信号電圧に変換するタイミングとを同期させるとともに、前記光電変換素子からの前記受光信号電圧を取得可能な同期処理装置と、
   前記同期処理装置が取得した前記受光信号電圧の大きさに基づいて、前記光検出範囲内の前記回路パターンにおける異常の有無を検出可能な検出装置と、
   を備える電力変換装置。

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