JP6493171B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子を備えた電力変換装置に関する。

例えば電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されるインバータ等の電力変換装置は、複数のスイッチング素子をオンオフすることにより、直流電力と交流電力との間の電力変換を行うよう構成されている。かかる電力変換装置におけるスイッチング回路においては、スイッチング素子のオンオフ動作に伴い、サージ電圧が発生する。大きなサージ電圧がスイッチング素子に印加されると、スイッチング素子の動作に影響を及ぼしうる。

そこで、特許文献１に記載の電力変換装置は、正極端子と正極側スイッチング素子との間の部位と、負極端子と負極側スイッチング素子との間の部位とを、スナバコンデンサを介して接続している。これにより、スイッチング回路に生じるサージ電圧をスナバコンデンサに吸収させ、スイッチング素子に大きなサージ電圧が加わることを抑制しようとしている。

特開２０１４−１８７８７４号公報

しかしながら、上記電力変換装置は、正極側スイッチング素子と出力端子と負極側スイッチング素子とを流れる交流電流の電流経路における寄生インダクタンスは低減できない。それゆえ、該寄生インダクタンスに起因したサージ電圧を低減し難いという課題がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、寄生インダクタンスを効果的に抑制することができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、交流負荷（１０）に電気的に接続される出力端子（２）と、
該出力端子から分岐部（１２）を介して分岐した正極側接続部（３）及び負極側接続部（４）と、
上記正極側接続部における上記出力端子と反対側の端部に接続された正極側スイッチング素子（５１）と、
上記負極側接続部における上記出力端子と反対側の端部に接続された負極側スイッチング素子（５２）と、
上記正極側スイッチング素子に電気的に接続された正極端子（６１）と、
上記負極側スイッチング素子に電気的に接続された負極端子（６２）と、
上記正極側接続部における上記分岐部よりも上記正極側スイッチング素子側の部位と、上記負極側接続部における上記分岐部よりも上記負極側スイッチング素子側の部位と、の間を電気的に接続するバイパス導体（１１）と、を有し、
上記正極側スイッチング素子と上記負極側スイッチング素子との並び方向（Ｘ）に直交する縦方向（Ｙ）において、上記正極端子及び上記負極端子と上記出力端子とは、上記正極側スイッチング素子及び上記負極側スイッチング素子を挟んで、互いに反対側に配されており、
上記バイパス導体は、上記並び方向と上記縦方向との双方に直交する高さ方向（Ｚ）から見たとき、上記正極側スイッチング素子と上記負極側スイッチング素子との間に配されており、
上記正極側スイッチング素子と上記バイパス導体と上記負極側スイッチング素子とは、上記並び方向に並ぶよう配されている、電力変換装置（１）にある。

上記電力変換装置は、上記の位置にバイパス導体を有する。これにより、正極側スイッチング素子と負極側スイッチング素子とを流れる交流電流の電流経路を短くすることができる。それゆえ、上記電流経路における寄生インダクタンスを抑制することができる。その結果、正極側スイッチング素子及び負極側スイッチング素子に印加されるサージ電圧を抑制することができる。

以上のごとく、本態様によれば、寄生インダクタンスを効果的に抑制することができる電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、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り、本発明の技術的範囲を限定するものではない

実施形態１における、半導体モジュールの上面図。 図１の、II−II線矢視断面図。 図１の、III−III線矢視断面図。 図１の、IV−IV線矢視断面図。 実施形態１における、半導体モジュールの斜視図。 実施形態１における、電力変換装置の回路図。 実施形態１における、正極側スイッチング素子及び負極側スイッチング素子を通る電流経路の説明図。 バイパス導体を有さない半導体モジュールにおける、正極側スイッチング素子及び負極側スイッチング素子を通る電流経路の説明図 実施形態２における、半導体モジュールの正面図。 図９の、Ａ−Ａ線矢視断面図。 実施形態２における、正極側スイッチング素子及び負極側スイッチング素子を通る電流経路の説明図。 バイパス導体を有さない半導体モジュールにおける、正極側スイッチング素子及び負極側スイッチング素子を通る電流経路の説明図。

（実施形態１）
電力変換装置に係る実施形態について、図１〜図８を用いて説明する。
本実施形態の電力変換装置１は、図１、図５に示すごとく、出力端子２と正極側接続部３と負極側接続部４と正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２と正極端子６１と負極端子６２とバイパス導体１１とを有する。図６に示すごとく、出力端子２は、交流負荷１０に電気的に接続される。図１、図５に示すごとく、正極側接続部３及び負極側接続部４は、出力端子２から分岐部１２を介して分岐している。図１、図３、図５に示すごとく、正極側スイッチング素子５１は、正極側接続部３における出力端子２と反対側の端部に接続されている。図１、図４、図５に示すごとく、負極側スイッチング素子５２は、負極側接続部４における出力端子２と反対側の端部に接続されている。

図６に示すごとく、正極端子６１は、正極側スイッチング素子５１に電気的に接続されている。負極端子６２は、負極側スイッチング素子５２に電気的に接続されている。図１、図５、図６に示すごとく、バイパス導体１１は、正極側接続部３における分岐部１２よりも正極側スイッチング素子５１側の部位と、負極側接続部４における分岐部１２よりも負極側スイッチング素子５２側の部位と、の間を電気的に接続している。

図１、図３〜図５に示すごとく、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２との並び方向に直交する縦方向Ｙにおいて、正極端子６１及び負極端子６２と出力端子２とは、正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２を挟んで、互いに反対側に配されている。図１に示すごとく、バイパス導体１１は、上記並び方向と縦方向Ｙとの双方に直交する方向から見たとき、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２との間に配されている。本実施形態において、上記並び方向と縦方向Ｙとの双方に直交する方向は、正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２の厚み方向と同じ方向である。そして、バイパス導体１１は、縦方向Ｙにおいて、正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２の両端よりも内側に位置している。

なお、以下においては、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２との並び方向を、横方向Ｘという。また、横方向Ｘ及び縦方向Ｙの双方に直交する方向を、高さ方向Ｚという。高さ方向Ｚは、便宜的な表現であり、特に鉛直方向に限定されるものではない。

本実施形態の電力変換装置１は、図６に示すごとく、直流電力を三相交流電力に変換するインバータ装置である。具体的には、電力変換装置１は、直流電源１００と交流負荷１０との間において電力変換を行うよう構成されている。そして、本実施形態の電力変換装置１は、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２とをそれぞれ３つずつ備えている。一対の正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２は、電気的絶縁性を有するモールド樹脂７０によってモールドされて、半導体モジュール７を構成している。すなわち、本実施形態の電力変換装置１は、３つの半導体モジュール７を有する。３つの半導体モジュール７の出力端子２は、それぞれ、交流負荷１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。

なお、３つの半導体モジュール７は、いずれも同様の構造を有しており、以下において、半導体モジュール７を説明するときは、主に１つの半導体モジュール７について説明する。また、図１、図６において、モールド樹脂７０は、二点鎖線にて表している。また、図１、図６以外の図面において、モールド樹脂７０の図示を適宜省略している。

図２に示すごとく、半導体モジュール７は、主面を高さ方向Ｚに向けたベースプレート７１を有する。ベースプレート７１における一方の面に、正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２を、それぞれ他の構成要素とともに積層してなる。なお、以下において、高さ方向Ｚにおける、ベースプレート７１の正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２が配された側を上側といい、その反対側を下側という。また、図２以外の図面においては、適宜、ベースプレートの図示を省略している。

図２〜図４に示すごとく、ベースプレート７１の上面に、銅パターン層７２、絶縁層７３が配されている。そして、絶縁層７３の上面の一部に、銅パターン層７４１、正極側スイッチング素子５１、バスバ７７１が、順次積層されている。また、絶縁層７３の上面の他の一部に、銅パターン層７４２、負極側スイッチング素子５２、バスバ７７２が、順次積層されている。絶縁層７３は、電気的絶縁性を有する層であり、バスバ７７１、７７２は、導電性及び熱伝導性を有する層である。

正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２とは、互いに横方向Ｘに隣接して配されている。各スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（すなわち、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）からなる。また、各スイッチング素子には、ＦＷＤ（すなわち、フライホイールダイオード）が逆並列接続されている。なお、回路図以外の図面においては、ＦＷＤの図示を適宜省略している。

正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２は、それぞれの下面にコレクタ５１ｃ、５２ｃを有しており、それぞれの上面にエミッタ５１ｅ、５２ｅを有している。図３に示すごとく、正極側スイッチング素子５１のコレクタ５１ｃは、銅パターン層７４１を介して正極端子６１に接続されている。図２、図４に示すごとく、負極側スイッチング素子５２の上面のエミッタ５２ｅは、バスバ７７２を介して負極端子６２に接続されている。

図１、図５に示すごとく、正極端子６１及び負極端子６２は、正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２に対して、縦方向Ｙの同じ側に配されている。図３、図４に示すごとく、正極端子６１及び負極端子６２は、板状の金属であり、図１に示すごとく、主面を高さ方向Ｚに向けた状態で横方向Ｘに並んで配されている。正極端子６１及び負極端子６２は、それぞれ部分的にモールド樹脂７０から露出している。また、正極端子６１及び負極端子６２は、モールド樹脂７０から露出した先端側の一部に、それぞれの端子に接続される導体との接続部６１１、６２１を有する。

図３に示すごとく、正極側スイッチング素子５１の上面のエミッタ５１ｅは、正極側接続部３を介して出力端子２に接続されている。本実施形態において、正極側接続部３は、バスバ７７１とバスバ７８１とにより構成されている。また、図４に示すごとく、負極側スイッチング素子５２の下面のコレクタ５２ｃは、負極側接続部４を介して出力端子２に接続されている。本実施形態において、負極側接続部４は、銅パターン層７４２とバスバ７８２とバスバ７５２とからなる。バスバ７５２は、高さ方向Ｚにおける銅パターン層７４２とバスバ７８２との間に配された導体である。

図２に示すごとく、正極側接続部３と負極側接続部４とは、横方向Ｘに並んで配されている。図１に示すごとく、高さ方向Ｚから見たとき、正極端子６１、正極側スイッチング素子５１、及び正極側接続部３は、縦方向Ｙの一直線上に配されている。また、高さ方向Ｚから見たとき、負極端子６２、負極側スイッチング素子５２、及び負極側接続部４は、縦方向Ｙの一直線上に配されている。

図３、図４に示すごとく、正極側接続部３と負極側接続部４とは、出力端子２に接続されている。これにより、図６に示すごとく、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２とは、正極側接続部３、出力端子２、及び負極側接続部４を介して、電気的に接続されている。

図３〜図５に示すごとく、出力端子２は、幅広部２１、連結部２２、及び突出部２３からなる。幅広部２１は、厚み方向を高さ方向Ｚとし、横方向Ｘに長尺な矩形板状を呈している。そして、幅広部２１の上面における横方向Ｘの両側の部位に、正極側接続部３と負極側接続部４とが接続されている。すなわち、本実施形態においては、正極側接続部３及び負極側接続部４は、出力端子２から幅広部２１の一部分によって構成される分岐部１２を介して分岐している。

連結部２２は、幅広部２１における正極端子６１及び負極端子６２の突出側と反対側の端部から、上側に向って形成されている。また、連結部２２は、幅広部２１における横方向Ｘの中央部から上側に向って形成されており、その厚み方向を縦方向Ｙとしている。そして、連結部２２の上端から、正極端子６１及び負極端子６２の突出側と反対側に向って、突出部２３が形成されている。図１に示すごとく、突出部２３は、部分的にモールド樹脂７０から露出している。また、出力端子２は、モールド樹脂７０から露出した先端側の一部に、接続される導体との接続部２３１を有する。

図１、図２、図５に示すごとく、本実施形態において、正極側接続部３のバスバ７８１と、負極側接続部４の銅パターン層７４２とが、バイパス導体１１によって接続されている。これにより、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２とは、バイパス導体１１を介した電流経路と、分岐部１２を介した電流経路との双方によって接続されている。バイパス導体１１を介した電流経路は、バスバ７７１とバスバ７８１とバイパス導体１１と銅パターン層７４２とからなる電流経路である。また、分岐部１２を介した電流経路は、バスバ７７１とバスバ７８１と分岐部１２とバスバ７８２とバスバ７５２と銅パターン層７４２とからなる電流経路である。そして、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２とを接続する電流経路は、バイパス導体１１を介した電流経路の方が、出力端子２を介した電流経路よりも短くなっている。

バイパス導体１１は、ワイヤである。すなわち、バイパス導体１１は、バスバ７８１と銅パターン層７４２とにボンディングされたボンディングワイヤである。なお、バイパス導体１１は、リボンであってもよい。リボンは、長尺扁平形状を有し、フレキシブルな導体である。また、バイパス導体１１は、バスバであってもよい。バスバは、リボンよりも厚みを有する板状の導体である。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
電力変換装置１は、上記の位置にバイパス導体１１を有する。これにより、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２とを流れる交流電流の電流経路を短くすることができる。すなわち、図７に示すごとく、電流経路８１は、正極端子６１と正極側スイッチング素子５１と正極側接続部３の一部とバイパス導体１１と負極側接続部４の一部と負極側スイッチング素子５２と負極端子６２とを通る。一方、図８に示すごとく、バイパス導体１１を備えていない場合、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２とを流れる交流電流の電流経路８２は、正極端子６１と正極側スイッチング素子５１と正極側接続部３と出力端子２と負極側接続部４と負極端子６２とを通ることとなる。図７、図８に示すごとく、バイパス導体１１を通る電流経路８１は、出力端子２を通る電流経路８２と比べ、正極側接続部３におけるバイパス導体１１から出力端子２までの領域、出力端子２、及び負極側接続部４における出力端子２からバイパス導体１１までの領域を通らない分、その経路を短くすることができる。それゆえ、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２とを通る交流電流の電流経路８１における寄生インダクタンスを抑制することができる。その結果、正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２に印加されるサージ電圧を抑制することができる。

また、バイパス導体１１は、高さ方向Ｚから見たとき、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２との間に配されている。それゆえ、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２とを、より短い電流経路で接続することができる。それゆえ、電流経路８１における寄生インダクタンスを一層抑制することができる。

また、バイパス導体１１は、ワイヤである。すなわち、電流経路８１には、コンデンサが配されていない。それゆえ、電流経路８１に共振現象が発生することを抑制できる。また、バイパス導体１１を安価に形成することができる。
また、バイパス導体１１は、リボンあるいはバスバとすることもできる。これによっても、バイパス導体１１をワイヤにする場合と同様の効果を奏することができる。

以上のごとく、本実施形態によれば、寄生インダクタンスを効果的に抑制することができる電力変換装置１を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、図９〜図１２に示すごとく、実施形態１に対して、正極側スイッチング素子５１、負極側スイッチング素子５２等の半導体モジュール７の各要素の配置を変更した実施形態である。

本実施形態においては、図１０に示すごとく、銅パターン層７４１及び銅パターン層７４２との間に、正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２をそれぞれ介在させて対向配置された銅パターン層７４３を有する。銅パターン層７４１及び銅パターン層７４２と銅パターン層７４３とは、それらの厚み方向に対向している。なお、図示は省略したが、銅パターン層７４３は出力端子２に接続されており、銅パターン層７４１は正極端子６１に接続されており、銅パターン層７４２は負極端子６２に接続されている。以下において、銅パターン層７４３と銅パターン層７４１、７４２との対向方向を対向方向Ｆという。また、対向方向Ｆにおける銅パターン層７４３側を上側、銅パターン層７４１及び銅パターン層７４２側を下側という。

正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２は、対向方向Ｆにおいて、銅パターン層７４１及び銅パターン層７４２と、銅パターン層７４３との間に配されている。正極側スイッチング素子５１は、銅パターン層７４１と銅パターン層７４３との間に配されている。そして、負極側スイッチング素子５２は、銅パターン層７４２と銅パターン層７４３との間に配されている。

正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２とは、互いにコレクタとエミッタとが対向方向Ｆにおける反対側に位置するように配されている。すなわち、正極側スイッチング素子５１は、下面にコレクタ５１ｃ、上面にエミッタ５１ｅを有するのに対し、負極側スイッチング素子５２は、上面にコレクタ５２ｃ、下面にエミッタ５２ｅを有する。

銅パターン層７４１の上面には、バスバ７７１、正極側スイッチング素子５１が順次積層されている。また、銅パターン層７４２の上面には、負極側スイッチング素子５２、バスバ７７２が順次積層されている。つまり、銅パターン層７４１の上側と、銅パターン層７４２の上側と、において、バスバとスイッチング素子との積層順が互いに反対となっている。

本実施形態においても、正極側スイッチング素子５１のエミッタ５１ｅは、正極側接続部３を介して出力端子２に電気的に接続されている。本実施形態において、正極側接続部３は、銅パターン層７４３の一部分によって構成されている。また、負極側スイッチング素子５２のコレクタ５２ｃは、負極側接続部４を介して出力端子２に電気的に接続されている。本実施形態において、負極側接続部４は、バスバ７７２、及び銅パターン層７４３の一部分によって構成されている。そして、図示は省略したが、正極側接続部３と負極側接続部４とは、出力端子２から、出力端子２と銅パターン層７４３との接続部を介して分岐している。すなわち、本実施形態において、分岐部１２は、出力端子２と銅パターン層７４３との接続部である。

図１０に示すごとく、バイパス導体１１は、正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２の厚み方向と並び方向との双方に直交する直交方向から見たとき、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２との間に配されている。バイパス導体１１は、上記並び方向と上記直交方向との双方に直交する方向において、正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２の両端よりも内側に位置している。

本実施形態において、バイパス導体１１は、正極側接続部３の銅パターン層７４３における正極側スイッチング素子５１のエミッタ５１ｅが接続された位置の近傍と、負極側接続部４のバスバ７７２の下端部とを接続している。ここで、便宜上、銅パターン層７４３におけるバスバ７７１が配された部位と負極側スイッチング素子５２が配された部位との間の部位を、中間部７４０ということとする。正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２とは、バイパス導体１１を介した電流経路と、中間部７４０を介した電流経路との双方によって接続されている。そして、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２とを接続する電流経路は、バイパス導体１１を介した電流経路の方が、中間部７４０を介した電流経路よりも短くなっている。

なお、本実施形態において、図９に示すごとく、正極端子６１、負極端子６２、及び出力端子２は、対向方向Ｆに直交する方向の同じ側に突出している。また、図１０に示すごとく、銅パターン層７４１及び銅パターン層７４２は、絶縁層７３１の上面に配されている。また、絶縁層７３１の下面には、銅パターン層７２１、ベースプレート７１が順次積層されている。また、銅パターン層７４３の上面には、絶縁層７３２、銅パターン層７２２、ベースプレート７１２が順次積層されている。そして、本実施形態においては、正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２を、２つのベースプレート７１に対して放熱することができるように構成されている。

その他は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本実施形態においても、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２とを流れる交流電流の電流経路８３を短くすることができる。すなわち、図１１に示す、バイパス導体１１を通る電流経路８３は、図１２に示す、中間部７４０を通る電流経路８４と比べ、短くなる。すなわち、電流経路８３は、中間部７４０を通らず、かつ、負極側接続部４のバスバ７７２をほとんど通らない分、電流経路８４よりも短くなる。それゆえ、正極側スイッチング素子５１と負極側スイッチング素子５２とを通る交流電流の電流経路８３における寄生インダクタンスを抑制することができる。その結果、正極側スイッチング素子５１及び負極側スイッチング素子５２に印加されるサージ電圧を抑制することができる。

その他、実施形態１と同様の作用効果を奏する。
本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、バイパス導体は、導電性を有する種々の部品を用いることができ、例えば、コンデンサを有するものとすることもできる。

１ 電力変換装置
１０ 交流負荷
１１ バイパス導体
１２ 分岐部
２ 出力端子
３ 正極側接続部
４ 負極側接続部
５１ 正極側スイッチング素子
５２ 負極側スイッチング素子
６１ 正極端子
６２ 負極端子

Claims (4)

1. 交流負荷（１０）に電気的に接続される出力端子（２）と、
   該出力端子から分岐部（１２）を介して分岐した正極側接続部（３）及び負極側接続部（４）と、
   上記正極側接続部における上記出力端子と反対側の端部に接続された正極側スイッチング素子（５１）と、
   上記負極側接続部における上記出力端子と反対側の端部に接続された負極側スイッチング素子（５２）と、
   上記正極側スイッチング素子に電気的に接続された正極端子（６１）と、
   上記負極側スイッチング素子に電気的に接続された負極端子（６２）と、
   上記正極側接続部における上記分岐部よりも上記正極側スイッチング素子側の部位と、上記負極側接続部における上記分岐部よりも上記負極側スイッチング素子側の部位と、の間を電気的に接続するバイパス導体（１１）と、を有し、
   上記正極側スイッチング素子と上記負極側スイッチング素子との並び方向（Ｘ）に直交する縦方向（Ｙ）において、上記正極端子及び上記負極端子と上記出力端子とは、上記正極側スイッチング素子及び上記負極側スイッチング素子を挟んで、互いに反対側に配されており、
   上記バイパス導体は、上記並び方向と上記縦方向との双方に直交する高さ方向（Ｚ）から見たとき、上記正極側スイッチング素子と上記負極側スイッチング素子との間に配されており、
   上記正極側スイッチング素子と上記バイパス導体と上記負極側スイッチング素子とは、上記並び方向に並ぶよう配されている、電力変換装置（１）。
2. 上記バイパス導体は、ワイヤである、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記バイパス導体は、リボンである、請求項１に記載の電力変換装置。
4. 上記バイパス導体は、バスバである、請求項１に記載の電力変換装置。

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