電力変換装置
【課題】配線インダクタンスが低減され、コンデンサとして耐熱性の高い特殊なものを使用する必要がない電力変換装置を提供する。
【解決手段】基板２２を構成するセラミック基板２１上に複数の半導体チップ２３が実装されている。基板２２と平行に、かつ相互に絶縁された状態で近接して重なるように、平板状の正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８が、端子部において基板２２の回路パターン２４ｂ，２４ｃに超音波接合で接合されている。負極用配線部材２８上に複数のコンデンサ１７が、正極端子が正極用配線部材２７に、負極端子が負極用配線部材２８にそれぞれに電気的に接続された状態で配置されている。各配線部材２７，２８の同じ側に配置された端子部の接合部２７ｂ，２８ｂは、一直線上に位置するように設けられている。
【解決手段】基板２２を構成するセラミック基板２１上に複数の半導体チップ２３が実装されている。基板２２と平行に、かつ相互に絶縁された状態で近接して重なるように、平板状の正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８が、端子部において基板２２の回路パターン２４ｂ，２４ｃに超音波接合で接合されている。負極用配線部材２８上に複数のコンデンサ１７が、正極端子が正極用配線部材２７に、負極端子が負極用配線部材２８にそれぞれに電気的に接続された状態で配置されている。各配線部材２７，２８の同じ側に配置された端子部の接合部２７ｂ，２８ｂは、一直線上に位置するように設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体回路によって直流を交流に変換する半導体装置（パワー半導体モジュール）や、前記パワー半導体モジュールと直流平滑回路を構成するコンデンサモジュールとを備えた電力変換装置（インバータ装置）においては、配線のインダクタンスを低減することが必要である。
【０００３】
従来、外部機器の一対の電極端子と、半導体装置の対応する電極端子との間をそれぞれ接続するとともに、互いに逆方向の電流が流される一対の配線部材を有する半導体装置の端子接続構造において、配線部材のインダクタンスを低減することができる端子接続構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、前記一対の配線部材はそれぞれ平板形状を有するとともに互いに近接して対向するように配置され、前記一対の配線部材と前記半導体装置の対応する電極端子とはそれぞれ超音波接合又は抵抗溶接又は半田付けにより接合されている。前記外部機器の一対の電極端子として、それぞれ電源コンデンサの正極端子及び負極端子が例示されている。
【０００４】
また、従来、パワー半導体モジュールの内部配線、コンデンサモジュールの内部配線及びコンデンサモジュールから半導体モジュールに至る外部配線に寄生するインダクタンスを小さくする構造や構成が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２には、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、ベース７１上に設けられた絶縁基板７２上にスイッチングチップ７３及びダイオードチップ７４が設けられ、Ｐ側（正側）導体７５及びＮ側（負側）導体７６が相互に絶縁された積層状に設けられ、図示しない絶縁ケース内に収納されたパワー半導体モジュールが開示されている。Ｐ側導体７５及びＮ側導体７６は、平板状の主導体７５ａ，７６ａと、各主導体７５ａ，７６ａの端部に形成され相互に絶縁された帯状の副導体７５ｂ，７６ｂとを備え、各副導体７５ｂ，７６ｂの端部が外部接続端子Ｐ２，Ｎ２となっている。また、特許文献２には、パワー半導体モジュールの絶縁ケース上にコンデンサモジュールを配置したインバータ装置が記載されている。コンデンサモジュールは、コンデンサエレメントを接続するＰ側導体とＮ側導体とが、絶縁かつ積層状に設けられた平板状の主導体及び主導体の端部に絶縁かつ積層状に設けられた帯状の副導体で構成されている。そして、副導体の端部が外部接続端子となっている。さらに、特許文献２には、Ｐ側導体７５とＮ側導体７６を構成する主導体７５ａ，７６ａ上に、分岐導体を立設し、各分岐導体にコンデンサエレメントを接続した構成も開示されている。
【特許文献１】特開２００６−３１８９５３号公報
【特許文献２】特開２００５−３４７５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の構成では、電源コンデンサから半導体モジュールの外部端子接合部までの配線インダクタンスを低減することはできるが、半導体モジュール内部のインダクタンス低減に関しては配慮がなされていない。また、コンデンサをケース内に収容する構成に関しても何ら記載はない。
【０００６】
一方、特許文献２には、パワー半導体モジュールの内部配線及びコンデンサモジュールの内部配線のインダクタンスを低減する構成や、外部接続端子の部分のインダクタンスを低減する構成が開示されている。また、コンデンサモジュールがパワー半導体モジュールの絶縁ケース内に収容（内蔵）された構成も開示されている。
【０００７】
ところが、コンデンサ内蔵の構成の場合、製造工程において、コンデンサを配線部材上に実装した状態で、配線部材の端子を絶縁基板の配線パターンに接合する必要がある。その際、半田付けではコンデンサの近くの温度上昇が大きくなり、コンデンサとして耐熱性の高い特殊なものを使用する必要がある。そして、特許文献２には、コンデンサ内蔵の構成の場合におけるこれらの点に関しては何ら記載がなく、Ｐ側導体７５及びＮ側導体７６を絶縁基板７２に接続する接続導体と絶縁基板７２が半田付けで行われるのか否かに関しても特に記載はない。しかし、図示された接続導体の形状から半田付けで行われると考えられるため、前記の問題が生じる。
【０００８】
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、配線インダクタンスが低減され、コンデンサとして耐熱性の高い特殊なものを使用する必要がない電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記第１の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、複数のスイッチング素子が実装された基板と、前記基板と平行に、かつ相互に電気的に絶縁された状態で近接して重なるように配置された平板状の正極用配線部材及び負極用配線部材と、正極端子及び負極端子がコンデンサ本体の一方の側に設けられ、前記正極端子が前記正極用配線部材に接続され、前記負極端子が前記負極用配線部材に接続されたコンデンサと、前記基板の前記スイッチング素子が実装された側の面、前記正極用配線部材、前記負極用配線部材及び前記コンデンサを囲繞するカバーとを備え、前記正極用配線部材及び前記負極用配線部材は、端子部において前記基板の回路パターンに超音波接合で接合されている。
【００１０】
この発明では、コンデンサがカバー内に配置され、平板状の正極用配線部材及び負極用配線部材は、相互に絶縁された状態で近接して重なるように配置されているため、コンデンサがカバー外に配置される構成に比較して、電力変換装置の駆動時における配線インダクタンスが低減される。また、電力変換装置を製造する際、正極用配線部材及び負極用配線部材とコンデンサとを接合した後に、正極用配線部材及び負極用配線部材の端子部を基板の回路パターンに電気的に接合する必要がある。そのとき、端子部の接合に半田付けを用いると、端子部とコンデンサとが近いため、一般の耐熱性を特に考慮していないコンデンサを使用すると、半田付けのための加熱によりコンデンサが悪影響を受ける虞がある。しかし、端子部の接合が超音波接合で行われるため、コンデンサに加わる熱量が小さくなり、耐熱性の高い特殊なコンデンサを使用する必要がない。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記基板は、金属ベースと、その上に接合されるとともに、表面に絶縁層を介して回路パターンが形成された複数の絶縁基板とで構成されている。この発明では、基板として金属ベース上に絶縁層を形成するとともに、その絶縁層上に同じ回路パターンを形成した場合に比較して、回路パターンの数、即ち絶縁基板の数が多くても、基板を形成する際の歩留まりが良くなる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記コンデンサは、前記正極用配線部材及び前記負極用配線部材のうちの前記基板と対向しない一方の配線部材上に配置され、正極端子及び負極端子が前記正極用配線部材及び前記負極用配線部材に接続されている。この発明では、コンデンサ本体よりコンデンサの正極端子及び負極端子が基板に近い状態になる。したがって、コンデンサの正極端子及び負極端子と、基板に実装されたスイッチング素子との距離が、正極端子及び負極端子がコンデンサ本体に対して基板と反対側に配置された構成に比較して短くなり、配線インダクタンスをより低減することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記端子部は、前記配線部材の幅方向の端部から前記基板側に向かって屈曲し、さらに前記配線部材と平行に延びるように屈曲形成された接合部において前記基板に超音波接合されており、各配線部材の同じ側に配置された端子部の超音波接合箇所が一直線上に位置するように設けられている。
【００１４】
電力変換装置を製造する際、配線部材は、端子部の接合部が基板の回路パターンに超音波接合によって接合される。超音波接合は、接合すべき端子部の接合部を回路パターン上に配置した状態で、超音波接合用のツール（ホーン）によって、接合部を押圧しつつ超音波振動を加えることで行われる。超音波接合は、一点ずつ順に行われる。この発明では、各配線部材の同じ側に配置された端子部の超音波接合箇所が一直線上に位置するように設けられているため、超音波接合用のツールを配線部材に沿って移動させることで、ツールの押圧部が端子部の接合部と対向する状態になり、効率良く超音波接合を行うことができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記電力変換装置はインバータ装置であり、各相の出力電極部材が前記配線部材と交差する状態で前記配線部材と前記基板との間を通り、前記出力電極部材の前記基板との接合部も超音波接合により接合され、前記出力電極部材の超音波接合箇所も前記端子部の超音波接合箇所と一直線上に位置するように設けられている。この発明では、製造工程において、正極用配線部材及び負極用配線部材の接合部だけでなく、出力電極部材の接合部も同じ工程で基板に対して順に超音波接合することができ、より効率良く超音波接合を行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、配線インダクタンスが低減され、コンデンサとして耐熱性の高い特殊なものを使用する必要がない電力変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を３相用のインバータ装置に具体化した一実施形態を図１〜図９にしたがって説明する。
先ずインバータ装置の回路構成を説明する。図１（ａ）に示すように、インバータ装置１１は、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有するインバータ回路１２を備えている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、ＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor 電界効果トランジスタ）が使用されている。インバータ回路１２は、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４、第５及び第６のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６がそれぞれ直列に接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のドレインとソース間には、ダイオードＤ１〜Ｄ６が、逆並列に接続されている。第１、第３及び第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５及び各第１、第３及び第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５に接続されたダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５の組はそれぞれ上アームと呼ばれる。また、第２、第４及び第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６及び第２、第４及び第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６に接続されたダイオードＤ２，Ｄ４，Ｄ６の組はそれぞれ下アームと呼ばれる。
【００１８】
第１、第３及び第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５のドレインが、配線１３を介して電源入力用のプラス入力端子１４に接続され、第２、第４及び第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６が、配線１５を介して電源入力用のマイナス入力端子１６に接続されている。配線１３及び配線１５間にはコンデンサ１７が複数並列に接続されている。この実施形態ではコンデンサ１７として電解コンデンサが使用され、コンデンサ１７の正極（プラス）端子が配線１３に接続され、コンデンサ１７の負極（マイナス）端子が配線１５に接続されている。
【００１９】
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の間の接合点はＵ相端子Ｕに、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の間の接合点はＶ相端子Ｖに、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の間の接合点はＷ相端子Ｗに、それぞれ接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートは駆動信号入力端子Ｇ１〜Ｇ６に接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のソースは信号端子Ｓ１〜Ｓ６に接続されている。
【００２０】
図１（ａ）では各上アーム及び各下アームがそれぞれ、１個のスイッチング素子及び１個のダイオードで構成されているが、各アームを流れる電流量が大きな場合は、各アームを図１（ｂ）に示すようにスイッチング素子ＱとダイオードＤの組が複数並列に接続された構成としても差し支えない。この実施形態では各アームはそれぞれ４組のスイッチング素子Ｑ及びダイオードＤで構成されている。
【００２１】
次にインバータ装置１１の構造を説明する。
図２及び図３に示すように、インバータ装置１１は、銅製の金属ベース２０と、絶縁基板としてのセラミック基板２１とで構成された基板２２上に半導体チップ２３が実装されている。半導体チップ２３は、１個のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）及び１個のダイオードが一つのデバイスとして組み込まれている。即ち、半導体チップ２３は、図１（ｂ）に示される一つのスイッチング素子Ｑ及び一つのダイオードＤを備えたデバイスとなる。信号端子およびこれに接続される制御基板は、主電流電極と反対側に配置していることにより制御基板が主電流によるノイズの影響を受けにくい。
【００２２】
セラミック基板２１は、表面に回路パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを有し、裏面にセラミック基板２１と金属ベース２０とを接合する接合層として機能する金属板２５を有するセラミック板２６で構成されている。セラミック板２６は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等により形成され、回路パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ及び金属板２５は、例えば、アルミニウムや銅等で形成されている。セラミック基板２１は、金属板２５を介して半田（図示せず）で金属ベース２０に接合されている。以下、この明細書では、金属ベース２０をインバータ装置１１の底部（下部）として説明する。
【００２３】
回路パターン２４ａはゲート信号用の回路パターン、回路パターン２４ｂはドレイン用の回路パターン、回路パターン２４ｃはソース用の回路パターン、回路パターン２４ｄはソース信号用の回路パターンである。各回路パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄは帯状に形成されている。ドレイン用の回路パターン２４ｂと、ソース用の回路パターン２４ｃとは、隣接して平行に延びるように形成され、ゲート信号用の回路パターン２４ａ及びソース信号用の回路パターン２４ｄは、回路パターン２４ｃと反対側において回路パターン２４ｂと平行に延びるように形成されている。半導体チップ２３は、ドレイン用の回路パターン２４ｂ上に半田で接合されている。図５に示すように、半導体チップ２３は、ゲートとゲート信号用の回路パターン２４ａとの間、ソースとソース用の回路パターン２４ｃとの間及びソースとソース信号用の回路パターン２４ｄとの間をワイヤボンディングにより電気的に接続されている。
【００２４】
金属ベース２０はほぼ矩形状に形成され、セラミック基板２１も矩形状に形成されている。セラミック基板２１は１２個設けられ、長手方向が金属ベース２０の長手方向と直交する状態で各列６個となるように２列、６行に配置されている。そして、各行の２個のセラミック基板２１上に配置された半導体チップ２３がインバータ回路１２の各アームを構成する。この実施形態では、半導体チップ２３は、各セラミック基板２１上に２個ずつ実装されており、４個の半導体チップ２３がそれぞれ１つのアームを構成する。半導体チップ２３は回路パターン２４ｂの長手方向中央部にスペースが存在し、スペースの両側に半導体チップ２３が１個ずつ位置するように配置されている。
【００２５】
基板２２の上方には平板状の正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８が、基板２２と平行に、かつ相互に絶縁された状態で近接して重なるように配置されている。この実施形態では、正極用配線部材２７の上方に負極用配線部材２８が配置されている。正極用配線部材２７は図１（ａ）における配線１３を、負極用配線部材２８は図１（ａ）における配線１５をそれぞれ構成する。正極用配線部材２７は、幅方向の端部から基板２２側に向かって延びるように設けられた複数（この実施形態では３対６個）の端子部２７ａにより、上アームを構成するセラミック基板２１上のドレイン用の回路パターン２４ｂの中央部に超音波接合されている。負極用配線部材２８は、幅方向の端部から基板２２側に向かって延びるように設けられた複数（この実施形態では３対６個）の端子部２８ａにより、下アームを構成するセラミック基板２１上のソース用の回路パターン２４ｃの中央部に超音波接合されている。
【００２６】
詳述すると、端子部２７ａ，２８ａは、図４（ｂ）等に示すように、それぞれ正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の幅方向の端部両側に、幅方向の中心線に対して線対称に設けられている。各端子部２７ａ，２８ａは、それぞれ正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の幅方向の端部から基板２２側に向かって屈曲し、さらに基板２２に超音波接合されている接合部２７ｂ，２８ｂが配線部材２７，２８と平行に延びるように屈曲形成されている。そして、各接合部２７ｂ，２８ｂは、配線部材２７，２８の同じ側に配置された各端子部２７ａ，２８ａの超音波接合箇所が一直線上に位置するように設けられて、各回路パターン２４ｂ，２４ｃに超音波接合されている。
【００２７】
図６（ａ），（ｂ）等に示すように、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８には、幅方向の端部両側に、各端子部２７ａ，２８ａの接合部２７ｂ，２８ｂより上側において各端子部２７ａ，２８ａと連続するとともに互いに重なる状態で配置される垂下部２７ｃ，２８ｃが形成されている。垂下部２７ｃ，２８ｃは正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の全長にわたって延びるのではなく切り欠き部２７ｄ，２８ｄが複数、それぞれ対向するように設けられている。そして、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の間には、両者の電気的絶縁性を確保するための絶縁部材２９（図４（ｂ）に図示）が配置されている。また、正極用配線部材２７、負極用配線部材２８及び絶縁部材２９にはコンデンサ１７の正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂを挿通可能な長孔が形成されている。
【００２８】
金属ベース２０には、その周縁に沿うように電気的絶縁性の支持枠３０が、全てのセラミック基板２１を枠内に収容する状態に固定されている。正極用配線部材２７の長手方向の一端部には、外部電源入力用のプラス入力端子１４が形成されている。プラス入力端子１４は、一部が支持枠３０の外側に位置するように配置されている。負極用配線部材２８には、その長手方向の正極用配線部材２７のプラス入力端子１４が形成された側と反対側の端部に、外部電源入力用のマイナス入力端子１６が形成されている。マイナス入力端子１６も、一部が支持枠３０の外側に位置するように配置されている。
【００２９】
負極用配線部材２８上、即ち正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８のうちの基板２２と対向しない一方の配線部材上に、複数（この実施形態では４個）のコンデンサ１７が正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂが下向きになる状態で電気的な絶縁部材（図示せず）を介して配置されている。各コンデンサ１７は、正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂがコンデンサ本体の一方の側に設けられ、正極端子１７ａが正極用配線部材２７に接続され、負極端子１７ｂが負極用配線部材２８に接続されている。
【００３０】
図２及び図３等に示すように、インバータ装置１１の３つの出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗは、側面ほぼＬ字状に形成されるとともに、上方に向かって延びる部分が支持枠３０の近くに位置し、横方向に延びる部分が正極用配線部材２７の下方においてその長手方向と直交する状態で配置されている。正極用配線部材２７と出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗとは、シリコーンゲル３６（図４（ａ）に図示）で絶縁が確保されている。出力電極部材３２Ｕは、第１のスイッチング素子Ｑ１及びダイオードＤ１で構成される上アームのソース用の回路パターン２４ｃと、第２のスイッチング素子Ｑ２及びダイオードＤ２で構成される下アームのドレイン用の回路パターン２４ｂとに超音波接合されている。出力電極部材３２Ｖは、第３のスイッチング素子Ｑ３及びダイオードＤ３で構成される上アームのソース用の回路パターン２４ｃと、第４のスイッチング素子Ｑ４及びダイオードＤ４で構成される下アームのドレイン用の回路パターン２４ｂとに超音波接合されている。出力電極部材３２Ｗは、第５のスイッチング素子Ｑ５及びダイオードＤ５で構成される上アームのソース用の回路パターン２４ｃと、第６のスイッチング素子Ｑ６及びダイオードＤ６で構成される下アームのドレイン用の回路パターン２４ｂとに超音波接合されている。
【００３１】
各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗは、セラミック基板２１とほぼ同じ幅の銅板をプレス加工することで形成されている。図８（ｂ）等に示すように、各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗには、上アームを構成する２個のセラミック基板２１の回路パターン２４ｂのほぼ中央部と、下アームを構成する２個のセラミック基板２１の回路パターン２４ｃのほぼ中央部にそれぞれ接合される合計４個の接合部３５がそれぞれ設けられている。各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗは、ほぼＬ字状に屈曲され、かつ２個の接合部３５が水平に延びる部分の先端両側で、２個の接合部３５が屈曲部寄りでそれぞれ下側に突出するように形成されている。各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗは、各２個の接合部３５の間に負極用配線部材２８の端子部２８ａ及び接合部２８ｂを配置可能な空間が設けられている。そして、各２個の接合部３５は、図３に示すように、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の接合部２７ｂ，２８ｂと一直線上に位置するように回路パターン２４ｂ，２４ｃ上に接合されている。
【００３２】
各アームに対応するそれぞれ２個のセラミック基板２１のうち、出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの先端側と対応するセラミック基板２１のゲート信号用の回路パターン２４ａには、駆動信号入力端子Ｇ１〜Ｇ６の第１端部が、ソース信号用の回路パターン２４ｄには信号端子Ｓ１〜Ｓ６の第１端部が、それぞれ接合されている。信号端子はセラミック基板と超音波接合にて接合され、これにより端子と基板をワイヤボンディングで接続するよりも小型化できる。各端子Ｇ１〜Ｇ６，Ｓ１〜Ｓ６は、第２端部が支持枠３０から突出するように、支持枠３０を貫通する状態で支持枠３０に一体成形されている。なお、各アームを構成する２個のセラミック基板２１上に形成された、回路パターン２４ａ同士及び回路パターン２４ｄ同士はそれぞれワイヤボンディングで電気的に接続されている。
【００３３】
支持枠３０内には半導体チップ２３の絶縁性確保や保護のためにシリコーンゲル３６が充填、硬化されている。そして、金属ベース２０上には、基板２２の半導体チップ２３、即ちスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が実装された側の面、正極用配線部材２７、負極用配線部材２８、コンデンサ１７、出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗ及び支持枠３０を囲繞するカバー３７がボルトにより固定されるようになっている。
【００３４】
次に前記のように構成されたインバータ装置１１の製造方法を説明する。
先ずセラミック基板２１上への半導体チップ２３の実装工程が行われる。この工程では、図７（ａ）に示すように、セラミック基板２１のドレイン用の回路パターン２４ｂ上に２個の半導体チップ２３を、回路パターン２４ｂの長手方向の中央部にスペースが存在するように半田付けにより接合する。次に半導体チップ２３のゲートとゲート信号用の回路パターン２４ａとの間、半導体チップ２３のソースとソース用の回路パターン２４ｃとの間及び半導体チップ２３のソースとソース信号用の回路パターン２４ｄとの間をワイヤボンディングにより電気的に接続する。
【００３５】
次にセラミック基板２１を金属ベース２０上に接合する工程が行われる。この工程では、図７（ｂ）に示すように、半導体チップ２３が実装されたセラミック基板２１を金属ベース２０上に、６行２列に半田付けで接合し、同じアームを構成する各２個のセラミック基板２１のゲート信号用の回路パターン２４ａ同士及びソース信号用の回路パターン２４ｄ同士をワイヤボンディング（図示せず）により電気的に接続する。
【００３６】
次に出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗをセラミック基板２１に接合する工程が行われる。この工程では、図８（ａ）に示すように、先ず駆動信号入力端子Ｇ１〜Ｇ６及び信号端子Ｓ１〜Ｓ６が装備された支持枠３０を、金属ベース２０上にセラミック基板２１を囲むように固定する。支持枠３０の固定は接着剤やねじを用いて行われる。次に出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを、図８（ｂ）に示すように、各接合部３５がドレイン用の回路パターン２４ｂ及びソース用の回路パターン２４ｃのほぼ中央部と当接するように配置する。そして、超音波接合により各接合部３５を順次回路パターン２４ｂ及び回路パターン２４ｃに接合する。また、駆動信号入力端子Ｇ１〜Ｇ６の第１端部を回路パターン２４ａに、信号端子Ｓ１〜Ｓ６の第１端部を回路パターン２４ｄに、それぞれ超音波接合により接合する。
【００３７】
次にコンデンサアッシー（組立品）を組み立てる工程が行われる。この工程では、４個のコンデンサ１７を正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂが上向きになる状態において、所定間隔で１列に治具で固定する。その状態で絶縁材を介して負極用配線部材２８を各コンデンサ１７の負極端子１７ｂにねじで固定する。次に絶縁部材２９を負極用配線部材２８との間に配置した状態で正極用配線部材２７をコンデンサ１７の正極端子１７ａにねじで固定する。以上により、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８間の絶縁が確保された状態で、コンデンサ１７の正極端子１７ａに正極用配線部材２７が、負極端子１７ｂに負極用配線部材２８がそれぞれ電気的に接合されたコンデンサアッシー３８が組み立てられる。
【００３８】
次にセラミック基板２１にコンデンサアッシー３８を超音波接合する工程が行われる。この工程では、先ず、コンデンサアッシー３８をセラミック基板２１上に載置する。図９に示すように、コンデンサアッシー３８は、セラミック基板２１の上方から支持枠３０内の所定位置に配置される。この状態では、図３に示すように、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の幅方向の同じ側に配置された各接合部２７ｂ，２８ｂが一直線上に位置する状態になる。
【００３９】
その状態で各接合部２７ｂ，２８ｂを順に超音波接合で回路パターン２４ｂ，２４ｃに接合する。接合部２７ｂ，２８ｂとコンデンサ１７とが近いため、端子部２７ａ，２８ａの接合に半田付けを用いると、一般の耐熱性を特に考慮していないコンデンサを使用すると、半田付けのための加熱によりコンデンサ１７が悪影響を受ける虞がある。しかし、接合部２７ｂ，２８ｂの接合が超音波接合で行われるため、コンデンサ１７に加わる熱量が小さくなり、耐熱性の高い特殊なコンデンサを使用する必要がない。
【００４０】
次に半導体チップ２３や各接合部等湿気や酸化を嫌う部分の電気的絶縁及び保護のため、支持枠３０内へのシリコーンゲル３６の注入、硬化処理が行われ、シリコーンゲル３６の充填、硬化が行われる。正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の垂下部２７ｃ，２８ｃに切り欠き部２７ｄ，２８ｄが形成されているため、切り欠き部２７ｄ，２８ｄがない場合に比較して、シリコーンゲルの注入時にシリコーンゲルが正極用配線部材２７と負極用配線部材２８との間に容易に流入する。そして、最後にカバー３７が金属ベース２０にボルトにより固定されて、インバータ装置１１が完成する。
【００４１】
次に前記のように構成されたインバータ装置１１の作用を説明する。
インバータ装置１１は、例えば、車両の電源装置の一部を構成するものとして使用される。インバータ装置１１は、プラス入力端子１４及びマイナス入力端子１６が直流電源（図示せず）に接続され、Ｕ相端子Ｕ、Ｖ相端子Ｖ及びＷ相端子Ｗがモータ（図示せず）に接続され、駆動信号入力端子Ｇ１〜Ｇ６及び信号端子Ｓ１〜Ｓ６が制御装置（図示せず）に接続された状態で使用される。
【００４２】
上アームの第１、第３及び第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５及び下アームの第２、第４及び第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６がそれぞれ所定周期でオン、オフ制御されることによりモータに交流が供給されてモータが駆動される。
【００４３】
正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング時に急峻に立ち上がる電流又は立ち下がる電流が流れ、その電流は正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８で逆方向となる。正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８は平行な平板状に形成され、互いに近接して配置されているため、相互インダクタンスの効果により配線インダクタンスが低減する。また、垂下部２７ｃ，２８ｃも平行に近接して配置されているため、垂下部２７ｃ，２８ｃが存在しない場合に比較して、配線インダクタンスがより低減する。
【００４４】
したがって、この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）インバータ装置１１は、複数のスイッチング素子が実装された基板２２と、基板２２と平行に、かつ相互に絶縁された状態で近接して重なるように配置された平板状の正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８と、上側に配置された負極用配線部材２８上に配置された複数のコンデンサ１７と、コンデンサ１７等を覆うカバー３７とを備えている。コンデンサ１７は、正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂがコンデンサ本体の一方の側に設けられている。正極端子１７ａは正極用配線部材２７に電気的に接続され、負極端子１７ｂは負極用配線部材２８に電気的に接続され、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８は、端子部２７ａ，２８ａにおいて基板２２の回路パターン２４ｂ，２４ｃに超音波接合で接合されている。したがって、コンデンサ１７がカバー３７外に配置される構成に比較して、コンデンサ１７と半導体チップ２３との電流経路の長さが短くなり、インバータ装置１１の駆動時における配線インダクタンスが低減される。
【００４５】
（２）インバータ装置１１を製造する際、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８とコンデンサ１７とを接合した後に、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の端子部２７ａ，２８ａの接合部２７ｂ，２８ｂを基板２２の回路パターン２４ｂ，２４ｃに超音波接合により電気的に接合する。したがって、接合部２７ｂ，２８ｂの接合に半田付けを用いる場合と異なり、耐熱性の高い特殊なコンデンサを使用する必要がない。
【００４６】
（３）コンデンサ１７は、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８のうちの基板２２と対向しない一方の配線部材（負極用配線部材２８）上に配置され、正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂが正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８に接続されている。そのため、コンデンサ本体よりコンデンサ１７の正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂが基板２２に近い状態になる。したがって、コンデンサ１７の正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂと、基板２２に実装されたスイッチング素子（半導体チップ２３）との距離が、正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂがコンデンサ本体に対して基板２２と反対側に配置された構成に比較して短くなり、配線インダクタンスをより低減することができる。
【００４７】
（４）正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の端子部２７ａ，２８ａは、配線部材２７，２８の幅方向の端部から基板２２側に向かって屈曲し、さらに、先端側の接合部２７ｂ，２８ｂが配線部材２７，２８と平行に延びるように屈曲形成され、接合部２７ｂ，２８ｂが基板２２に超音波接合されている。そして、各配線部材２７，２８の同じ側に配置された端子部２７ａ，２８ａの超音波接合箇所が一直線上に位置するように設けられている。したがって、超音波接合の際に、超音波接合用のツール（ホーン）を配線部材２７，２８に沿って移動させることで、ツールの押圧部が端子部２７ａ，２８ａの接合部２７ｂ，２８ｂと対向する状態になり、効率良く超音波接合を行うことができる。
【００４８】
（５）各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗは、４個の接合部３５が仮想矩形の４つの角部と対応する配置に形成されている。したがって、各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗをセラミック基板２１に超音波接合する際、自立状態で安定してセラミック基板２１上に載置されるため、各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを保持する治具がなくても、超音波接合を行うことができる。
【００４９】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ インバータ装置１１を製造する各工程は、前記実施形態で説明した順に行われる必要はない。例えば、セラミック基板２１に半導体チップ２３を実装する工程やコンデンサアッシー３８を組み立てる工程をそれぞれ別工程として、半導体チップ２３が実装されたセラミック基板２１やコンデンサアッシー３８を複数製造しておき、それらの部品を使用してインバータ装置１１の製造を行ってもよい。
【００５０】
○ 出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗをセラミック基板２１に超音波接合する工程と、コンデンサアッシー３８をセラミック基板２１に超音波接合する工程とを同じ工程としてもよい。例えば、支持枠３０に各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを位置決めした状態で保持可能な保持部を設ける。そして、各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを保持部に保持した状態で金属ベース２０に固定した後、直ぐに超音波接合を行わず、コンデンサアッシー３８のセラミック基板２１への超音波接合時に行うようにする。出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの接合部３５が正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の接合部２７ｂ，２８ｂと一直線上に配置されているため、超音波接合用のツールを配線部材２７，２８に沿って移動させることで、ツールが各接合部２７ｂ，２８ｂ，３５と順に対向する状態になり、効率良く超音波接合を行うことができる。
【００５１】
○ 出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗのセラミック基板２１に対する超音波接合をコンデンサアッシー３８のセラミック基板２１に対する超音波接合より先に行う場合は、出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの接合部３５を正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の接合部２７ｂ，２８ｂと一直線上に配置しなくてもよい。
【００５２】
○ 超音波接合は各接合点（接合箇所）を一点ずつ順に行う方法に限らず、複数点ずつ行うようにしてもよい。この場合、１点ずつ行う場合に比較して、全ての接合点の超音波接合が完了するまでの時間を短縮することができる。特に２点ずつ行う場合は、超音波接合ツールの体格をさほど大きくせず、接合点の数も偶数であるため、効率良く行うことができる。
【００５３】
○ 正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８は、基板２２と平行に、かつ相互に絶縁された状態で近接して重なるように配置されていればよく、負極用配線部材２８が上側、即ち基板２２と対向しない側に配置される構成に限らず、正極用配線部材２７が上側に配置される構成としてもよい。しかし、電解コンデンサの場合、外側がグランドのため、負極用配線部材２８が上側に配置される方が好ましい。
【００５４】
○ コンデンサ１７は、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８のうちの基板２２と対向しない一方の配線部材上に配置される構成、即ち、コンデンサ１７と基板２２との間に正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８が存在する構成に限らない。例えば、図１０に示すように、出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗと直交する状態で出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗ上に絶縁プレート４０を配置し、絶縁プレート４０上にコンデンサ１７を正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂがコンデンサ本体に対して基板２２と反対側となるように載置された状態で組み付ける。そして、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８が正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂにねじにより固定される。この場合、図１０に示すように、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の端子部２７ａ，２８ａ及び垂下部２７ｃ，２８ｃの長さが長くなる。しかし、コンデンサ１７をカバー３７の外に配置する場合に比較して、配線インダクタンスは低減される。なお、図１０は図４（ａ）と断面の位置が異なっている。
【００５５】
○ 各アームを２個のセラミック基板２１で構成する代わりに、１個のセラミック基板２１で構成してもよい、この場合、ゲート信号用の回路パターン２４ａ間及びソース信号用の回路パターン２４ｄ間をそれぞれ電気的に接続するワイヤボンディングが不要になる。また、各アームのドレイン用の回路パターン２４ｂ及びソース用の回路パターン２４ｃと、正極用配線部材２７、負極用配線部材２８及び出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの各接合部２７ｂ，２８ｂ，３５との接合箇所は２箇所でなく、１箇所ずつでもよくなる。しかし、前記接合箇所を１箇所ずつにすると、超音波接合の際にコンデンサアッシー３８を保持する治具や出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを保持する治具が必要になる。
【００５６】
○ 出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを自立可能な状態にするためには、少なくとも３個の接合部３５を備えていればよい。
○ 各回路パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを細長い形状のパターンで形成して、並列状態で配置することは必須ではない。しかし、回路パターン２４ｂ，２４ｃをブロック形状に形成した場合は、半導体チップ２３を複数実装したり、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の接合部２７ｂ，２８ｂや出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの接合部３５を接合したりするスペースの確保に必要なセラミック基板２１の面積が大きくなる。また、回路パターン２４ｂ，２４ｃの間隔を狭くすると、出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗが自立状態で各接合部３５を超音波接合するのが難しくなる。
【００５７】
○ 各アームを構成するセラミック基板２１を１個にしてセラミック基板２１の数を少なくする構成に限らず、１個のセラミック基板２１上に複数のアームを構成するようにしてもよい。
【００５８】
○ 金属ベース２０をアルミニウム系金属で形成し、セラミック基板２１として、両面にアルミニウム層が形成されたＤＢＡ（Direct Brazing Aluminum ）基板を用い、ＤＢＡ 基板の表面に回路パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを形成し、裏面を金属ベース２０にアルミニウム系ろう材によりろう付けしてもよい。
【００５９】
○ セラミック基板２１に代えて、絶縁基板として金属基板の表面に絶縁層を形成し、絶縁層上に回路パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを形成した構成の物を使用してもよい。
【００６０】
○ 金属ベース２０上に絶縁基板を半田付けあるいはろう付けで接合する代わりに、金属ベース２０上に絶縁層を形成し、その絶縁層上に回路パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを形成してもよい。この場合、部品点数が少なくなるとともに、絶縁基板を金属ベース２０上に接合する工程が不要になる。
【００６１】
○ コンデンサ１７の数は４個に限らず、インバータ装置１１の定格電流値及び使用するコンデンサの容量により決まり、３個以下でも５個以上でもよい。
○ コンデンサ１７は電解コンデンサに限らず、例えば電気二重層コンデンサであってもよい。
【００６２】
○ スイッチング素子Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６はＭＯＳＦＥＴに限らず、他のパワートランジスタ（例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ））やサイリスタを使用してもよい。
【００６３】
○ 各アームを構成するスイッチング素子Ｑ及びダイオードＤの組は４組に限らず、各アームを流れる電流量の大きさによって３組以下でも５組以上でもよい。また、複数組に限らず、１組のスイッチング素子Ｑ及びダイオードＤの組で構成されてもよい。
【００６４】
○ １組のスイッチング素子及びダイオードは、１個の半導体チップ２３としてパッケージ化される構成に限らず、スイッチング素子及びダイオードがそれぞれ回路パターン上に実装された構成でもよい。
【００６５】
○ インバータ装置１１は、３相交流を出力する構成に限らず、単相交流を出力する構成としてもよい。単相交流を出力する構成では上アーム及び下アームの組が２組存在する。
【００６６】
○ 電力変換装置は、インバータ装置１１に限らず、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータに適用してもよい。
○ 駆動信号入力端子Ｇ１〜Ｇ６の第１端部を回路パターン２４ａに、信号端子Ｓ１〜Ｓ６の第１端部を回路パターン２４ｄにそれぞれ接合する時期は、コンデンサアッシー３８をセラミック基板２１に超音波接合する前に限らず、支持枠３０を金属ベース２０に固定した後、支持枠３０内へシリコーンゲルを充填するまでに行えばよい。
【００６７】
○ コンデンサ１７の正極端子１７ａと正極用配線部材２７との接合及び負極端子１７ｂと負極用配線部材２８との接合は、ねじによる締め付け固定に限らず、コンデンサ１７に対する熱の影響が半田付けに比較して小さな接合方法、例えば、精密抵抗溶接やレーザビーム溶接で行ってもよい。
【００６８】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項５に記載の発明において、出力電極部材が前記正極用配線部材及び前記負極用配線部材とその下方において直交する状態で配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】（ａ）はインバータの回路図、（ｂ）は一つのアームの回路図。
【図２】インバータ装置のカバーを省略した模式斜視図。
【図３】同じく平面図。
【図４】（ａ）は図３のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は（ａ）の一部省略部分拡大図。
【図５】半導体チップのソース及びゲートと各回路パターンとのワイヤボンディングの状態を示す部分模式図。
【図６】（ａ）は図３のＢ−Ｂ線断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。
【図７】（ａ）はチップ部品が実装されたセラミック基板の模式斜視図、（ｂ）はセラミック基板が実装された金属ベースの模式斜視図。
【図８】（ａ）は金属ベースに支持枠が取り付けられた状態の模式斜視図、（ｂ）は出力電極部材を取り付けた状態の模式斜視図。
【図９】コンデンサアッシー、金属ベース、支持枠及び出力電極部材の関係を示す模式斜視図。
【図１０】別の実施形態の断面図。
【図１１】（ａ）は従来技術の斜視図、（ｂ）は同じく分解斜視図。
【符号の説明】
【００７０】
Ｑ，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６…スイッチング素子、１１…インバータ装置、１７…コンデンサ、１７ａ…正極端子、１７ｂ…負極端子、２０…金属ベース、２１…絶縁基板としてのセラミック基板、２２…基板、２３…スイッチング素子としての半導体チップ、２４ｂ，２４ｃ…回路パターン、２６…絶縁層としてのセラミック板、２７…正極用配線部材、２７ａ，２８ａ…端子部、２７ｂ，２８ｂ，３５…接合部、２８…負極用配線部材、３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗ…出力電極部材、３７…カバー。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体回路によって直流を交流に変換する半導体装置（パワー半導体モジュール）や、前記パワー半導体モジュールと直流平滑回路を構成するコンデンサモジュールとを備えた電力変換装置（インバータ装置）においては、配線のインダクタンスを低減することが必要である。
【０００３】
従来、外部機器の一対の電極端子と、半導体装置の対応する電極端子との間をそれぞれ接続するとともに、互いに逆方向の電流が流される一対の配線部材を有する半導体装置の端子接続構造において、配線部材のインダクタンスを低減することができる端子接続構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、前記一対の配線部材はそれぞれ平板形状を有するとともに互いに近接して対向するように配置され、前記一対の配線部材と前記半導体装置の対応する電極端子とはそれぞれ超音波接合又は抵抗溶接又は半田付けにより接合されている。前記外部機器の一対の電極端子として、それぞれ電源コンデンサの正極端子及び負極端子が例示されている。
【０００４】
また、従来、パワー半導体モジュールの内部配線、コンデンサモジュールの内部配線及びコンデンサモジュールから半導体モジュールに至る外部配線に寄生するインダクタンスを小さくする構造や構成が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２には、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、ベース７１上に設けられた絶縁基板７２上にスイッチングチップ７３及びダイオードチップ７４が設けられ、Ｐ側（正側）導体７５及びＮ側（負側）導体７６が相互に絶縁された積層状に設けられ、図示しない絶縁ケース内に収納されたパワー半導体モジュールが開示されている。Ｐ側導体７５及びＮ側導体７６は、平板状の主導体７５ａ，７６ａと、各主導体７５ａ，７６ａの端部に形成され相互に絶縁された帯状の副導体７５ｂ，７６ｂとを備え、各副導体７５ｂ，７６ｂの端部が外部接続端子Ｐ２，Ｎ２となっている。また、特許文献２には、パワー半導体モジュールの絶縁ケース上にコンデンサモジュールを配置したインバータ装置が記載されている。コンデンサモジュールは、コンデンサエレメントを接続するＰ側導体とＮ側導体とが、絶縁かつ積層状に設けられた平板状の主導体及び主導体の端部に絶縁かつ積層状に設けられた帯状の副導体で構成されている。そして、副導体の端部が外部接続端子となっている。さらに、特許文献２には、Ｐ側導体７５とＮ側導体７６を構成する主導体７５ａ，７６ａ上に、分岐導体を立設し、各分岐導体にコンデンサエレメントを接続した構成も開示されている。
【特許文献１】特開２００６−３１８９５３号公報
【特許文献２】特開２００５−３４７５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の構成では、電源コンデンサから半導体モジュールの外部端子接合部までの配線インダクタンスを低減することはできるが、半導体モジュール内部のインダクタンス低減に関しては配慮がなされていない。また、コンデンサをケース内に収容する構成に関しても何ら記載はない。
【０００６】
一方、特許文献２には、パワー半導体モジュールの内部配線及びコンデンサモジュールの内部配線のインダクタンスを低減する構成や、外部接続端子の部分のインダクタンスを低減する構成が開示されている。また、コンデンサモジュールがパワー半導体モジュールの絶縁ケース内に収容（内蔵）された構成も開示されている。
【０００７】
ところが、コンデンサ内蔵の構成の場合、製造工程において、コンデンサを配線部材上に実装した状態で、配線部材の端子を絶縁基板の配線パターンに接合する必要がある。その際、半田付けではコンデンサの近くの温度上昇が大きくなり、コンデンサとして耐熱性の高い特殊なものを使用する必要がある。そして、特許文献２には、コンデンサ内蔵の構成の場合におけるこれらの点に関しては何ら記載がなく、Ｐ側導体７５及びＮ側導体７６を絶縁基板７２に接続する接続導体と絶縁基板７２が半田付けで行われるのか否かに関しても特に記載はない。しかし、図示された接続導体の形状から半田付けで行われると考えられるため、前記の問題が生じる。
【０００８】
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、配線インダクタンスが低減され、コンデンサとして耐熱性の高い特殊なものを使用する必要がない電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記第１の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、複数のスイッチング素子が実装された基板と、前記基板と平行に、かつ相互に電気的に絶縁された状態で近接して重なるように配置された平板状の正極用配線部材及び負極用配線部材と、正極端子及び負極端子がコンデンサ本体の一方の側に設けられ、前記正極端子が前記正極用配線部材に接続され、前記負極端子が前記負極用配線部材に接続されたコンデンサと、前記基板の前記スイッチング素子が実装された側の面、前記正極用配線部材、前記負極用配線部材及び前記コンデンサを囲繞するカバーとを備え、前記正極用配線部材及び前記負極用配線部材は、端子部において前記基板の回路パターンに超音波接合で接合されている。
【００１０】
この発明では、コンデンサがカバー内に配置され、平板状の正極用配線部材及び負極用配線部材は、相互に絶縁された状態で近接して重なるように配置されているため、コンデンサがカバー外に配置される構成に比較して、電力変換装置の駆動時における配線インダクタンスが低減される。また、電力変換装置を製造する際、正極用配線部材及び負極用配線部材とコンデンサとを接合した後に、正極用配線部材及び負極用配線部材の端子部を基板の回路パターンに電気的に接合する必要がある。そのとき、端子部の接合に半田付けを用いると、端子部とコンデンサとが近いため、一般の耐熱性を特に考慮していないコンデンサを使用すると、半田付けのための加熱によりコンデンサが悪影響を受ける虞がある。しかし、端子部の接合が超音波接合で行われるため、コンデンサに加わる熱量が小さくなり、耐熱性の高い特殊なコンデンサを使用する必要がない。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記基板は、金属ベースと、その上に接合されるとともに、表面に絶縁層を介して回路パターンが形成された複数の絶縁基板とで構成されている。この発明では、基板として金属ベース上に絶縁層を形成するとともに、その絶縁層上に同じ回路パターンを形成した場合に比較して、回路パターンの数、即ち絶縁基板の数が多くても、基板を形成する際の歩留まりが良くなる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記コンデンサは、前記正極用配線部材及び前記負極用配線部材のうちの前記基板と対向しない一方の配線部材上に配置され、正極端子及び負極端子が前記正極用配線部材及び前記負極用配線部材に接続されている。この発明では、コンデンサ本体よりコンデンサの正極端子及び負極端子が基板に近い状態になる。したがって、コンデンサの正極端子及び負極端子と、基板に実装されたスイッチング素子との距離が、正極端子及び負極端子がコンデンサ本体に対して基板と反対側に配置された構成に比較して短くなり、配線インダクタンスをより低減することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記端子部は、前記配線部材の幅方向の端部から前記基板側に向かって屈曲し、さらに前記配線部材と平行に延びるように屈曲形成された接合部において前記基板に超音波接合されており、各配線部材の同じ側に配置された端子部の超音波接合箇所が一直線上に位置するように設けられている。
【００１４】
電力変換装置を製造する際、配線部材は、端子部の接合部が基板の回路パターンに超音波接合によって接合される。超音波接合は、接合すべき端子部の接合部を回路パターン上に配置した状態で、超音波接合用のツール（ホーン）によって、接合部を押圧しつつ超音波振動を加えることで行われる。超音波接合は、一点ずつ順に行われる。この発明では、各配線部材の同じ側に配置された端子部の超音波接合箇所が一直線上に位置するように設けられているため、超音波接合用のツールを配線部材に沿って移動させることで、ツールの押圧部が端子部の接合部と対向する状態になり、効率良く超音波接合を行うことができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記電力変換装置はインバータ装置であり、各相の出力電極部材が前記配線部材と交差する状態で前記配線部材と前記基板との間を通り、前記出力電極部材の前記基板との接合部も超音波接合により接合され、前記出力電極部材の超音波接合箇所も前記端子部の超音波接合箇所と一直線上に位置するように設けられている。この発明では、製造工程において、正極用配線部材及び負極用配線部材の接合部だけでなく、出力電極部材の接合部も同じ工程で基板に対して順に超音波接合することができ、より効率良く超音波接合を行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、配線インダクタンスが低減され、コンデンサとして耐熱性の高い特殊なものを使用する必要がない電力変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を３相用のインバータ装置に具体化した一実施形態を図１〜図９にしたがって説明する。
先ずインバータ装置の回路構成を説明する。図１（ａ）に示すように、インバータ装置１１は、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有するインバータ回路１２を備えている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、ＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor 電界効果トランジスタ）が使用されている。インバータ回路１２は、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４、第５及び第６のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６がそれぞれ直列に接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のドレインとソース間には、ダイオードＤ１〜Ｄ６が、逆並列に接続されている。第１、第３及び第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５及び各第１、第３及び第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５に接続されたダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５の組はそれぞれ上アームと呼ばれる。また、第２、第４及び第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６及び第２、第４及び第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６に接続されたダイオードＤ２，Ｄ４，Ｄ６の組はそれぞれ下アームと呼ばれる。
【００１８】
第１、第３及び第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５のドレインが、配線１３を介して電源入力用のプラス入力端子１４に接続され、第２、第４及び第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６が、配線１５を介して電源入力用のマイナス入力端子１６に接続されている。配線１３及び配線１５間にはコンデンサ１７が複数並列に接続されている。この実施形態ではコンデンサ１７として電解コンデンサが使用され、コンデンサ１７の正極（プラス）端子が配線１３に接続され、コンデンサ１７の負極（マイナス）端子が配線１５に接続されている。
【００１９】
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の間の接合点はＵ相端子Ｕに、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の間の接合点はＶ相端子Ｖに、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の間の接合点はＷ相端子Ｗに、それぞれ接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートは駆動信号入力端子Ｇ１〜Ｇ６に接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のソースは信号端子Ｓ１〜Ｓ６に接続されている。
【００２０】
図１（ａ）では各上アーム及び各下アームがそれぞれ、１個のスイッチング素子及び１個のダイオードで構成されているが、各アームを流れる電流量が大きな場合は、各アームを図１（ｂ）に示すようにスイッチング素子ＱとダイオードＤの組が複数並列に接続された構成としても差し支えない。この実施形態では各アームはそれぞれ４組のスイッチング素子Ｑ及びダイオードＤで構成されている。
【００２１】
次にインバータ装置１１の構造を説明する。
図２及び図３に示すように、インバータ装置１１は、銅製の金属ベース２０と、絶縁基板としてのセラミック基板２１とで構成された基板２２上に半導体チップ２３が実装されている。半導体チップ２３は、１個のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）及び１個のダイオードが一つのデバイスとして組み込まれている。即ち、半導体チップ２３は、図１（ｂ）に示される一つのスイッチング素子Ｑ及び一つのダイオードＤを備えたデバイスとなる。信号端子およびこれに接続される制御基板は、主電流電極と反対側に配置していることにより制御基板が主電流によるノイズの影響を受けにくい。
【００２２】
セラミック基板２１は、表面に回路パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを有し、裏面にセラミック基板２１と金属ベース２０とを接合する接合層として機能する金属板２５を有するセラミック板２６で構成されている。セラミック板２６は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素等により形成され、回路パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ及び金属板２５は、例えば、アルミニウムや銅等で形成されている。セラミック基板２１は、金属板２５を介して半田（図示せず）で金属ベース２０に接合されている。以下、この明細書では、金属ベース２０をインバータ装置１１の底部（下部）として説明する。
【００２３】
回路パターン２４ａはゲート信号用の回路パターン、回路パターン２４ｂはドレイン用の回路パターン、回路パターン２４ｃはソース用の回路パターン、回路パターン２４ｄはソース信号用の回路パターンである。各回路パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄは帯状に形成されている。ドレイン用の回路パターン２４ｂと、ソース用の回路パターン２４ｃとは、隣接して平行に延びるように形成され、ゲート信号用の回路パターン２４ａ及びソース信号用の回路パターン２４ｄは、回路パターン２４ｃと反対側において回路パターン２４ｂと平行に延びるように形成されている。半導体チップ２３は、ドレイン用の回路パターン２４ｂ上に半田で接合されている。図５に示すように、半導体チップ２３は、ゲートとゲート信号用の回路パターン２４ａとの間、ソースとソース用の回路パターン２４ｃとの間及びソースとソース信号用の回路パターン２４ｄとの間をワイヤボンディングにより電気的に接続されている。
【００２４】
金属ベース２０はほぼ矩形状に形成され、セラミック基板２１も矩形状に形成されている。セラミック基板２１は１２個設けられ、長手方向が金属ベース２０の長手方向と直交する状態で各列６個となるように２列、６行に配置されている。そして、各行の２個のセラミック基板２１上に配置された半導体チップ２３がインバータ回路１２の各アームを構成する。この実施形態では、半導体チップ２３は、各セラミック基板２１上に２個ずつ実装されており、４個の半導体チップ２３がそれぞれ１つのアームを構成する。半導体チップ２３は回路パターン２４ｂの長手方向中央部にスペースが存在し、スペースの両側に半導体チップ２３が１個ずつ位置するように配置されている。
【００２５】
基板２２の上方には平板状の正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８が、基板２２と平行に、かつ相互に絶縁された状態で近接して重なるように配置されている。この実施形態では、正極用配線部材２７の上方に負極用配線部材２８が配置されている。正極用配線部材２７は図１（ａ）における配線１３を、負極用配線部材２８は図１（ａ）における配線１５をそれぞれ構成する。正極用配線部材２７は、幅方向の端部から基板２２側に向かって延びるように設けられた複数（この実施形態では３対６個）の端子部２７ａにより、上アームを構成するセラミック基板２１上のドレイン用の回路パターン２４ｂの中央部に超音波接合されている。負極用配線部材２８は、幅方向の端部から基板２２側に向かって延びるように設けられた複数（この実施形態では３対６個）の端子部２８ａにより、下アームを構成するセラミック基板２１上のソース用の回路パターン２４ｃの中央部に超音波接合されている。
【００２６】
詳述すると、端子部２７ａ，２８ａは、図４（ｂ）等に示すように、それぞれ正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の幅方向の端部両側に、幅方向の中心線に対して線対称に設けられている。各端子部２７ａ，２８ａは、それぞれ正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の幅方向の端部から基板２２側に向かって屈曲し、さらに基板２２に超音波接合されている接合部２７ｂ，２８ｂが配線部材２７，２８と平行に延びるように屈曲形成されている。そして、各接合部２７ｂ，２８ｂは、配線部材２７，２８の同じ側に配置された各端子部２７ａ，２８ａの超音波接合箇所が一直線上に位置するように設けられて、各回路パターン２４ｂ，２４ｃに超音波接合されている。
【００２７】
図６（ａ），（ｂ）等に示すように、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８には、幅方向の端部両側に、各端子部２７ａ，２８ａの接合部２７ｂ，２８ｂより上側において各端子部２７ａ，２８ａと連続するとともに互いに重なる状態で配置される垂下部２７ｃ，２８ｃが形成されている。垂下部２７ｃ，２８ｃは正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の全長にわたって延びるのではなく切り欠き部２７ｄ，２８ｄが複数、それぞれ対向するように設けられている。そして、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の間には、両者の電気的絶縁性を確保するための絶縁部材２９（図４（ｂ）に図示）が配置されている。また、正極用配線部材２７、負極用配線部材２８及び絶縁部材２９にはコンデンサ１７の正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂを挿通可能な長孔が形成されている。
【００２８】
金属ベース２０には、その周縁に沿うように電気的絶縁性の支持枠３０が、全てのセラミック基板２１を枠内に収容する状態に固定されている。正極用配線部材２７の長手方向の一端部には、外部電源入力用のプラス入力端子１４が形成されている。プラス入力端子１４は、一部が支持枠３０の外側に位置するように配置されている。負極用配線部材２８には、その長手方向の正極用配線部材２７のプラス入力端子１４が形成された側と反対側の端部に、外部電源入力用のマイナス入力端子１６が形成されている。マイナス入力端子１６も、一部が支持枠３０の外側に位置するように配置されている。
【００２９】
負極用配線部材２８上、即ち正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８のうちの基板２２と対向しない一方の配線部材上に、複数（この実施形態では４個）のコンデンサ１７が正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂが下向きになる状態で電気的な絶縁部材（図示せず）を介して配置されている。各コンデンサ１７は、正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂがコンデンサ本体の一方の側に設けられ、正極端子１７ａが正極用配線部材２７に接続され、負極端子１７ｂが負極用配線部材２８に接続されている。
【００３０】
図２及び図３等に示すように、インバータ装置１１の３つの出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗは、側面ほぼＬ字状に形成されるとともに、上方に向かって延びる部分が支持枠３０の近くに位置し、横方向に延びる部分が正極用配線部材２７の下方においてその長手方向と直交する状態で配置されている。正極用配線部材２７と出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗとは、シリコーンゲル３６（図４（ａ）に図示）で絶縁が確保されている。出力電極部材３２Ｕは、第１のスイッチング素子Ｑ１及びダイオードＤ１で構成される上アームのソース用の回路パターン２４ｃと、第２のスイッチング素子Ｑ２及びダイオードＤ２で構成される下アームのドレイン用の回路パターン２４ｂとに超音波接合されている。出力電極部材３２Ｖは、第３のスイッチング素子Ｑ３及びダイオードＤ３で構成される上アームのソース用の回路パターン２４ｃと、第４のスイッチング素子Ｑ４及びダイオードＤ４で構成される下アームのドレイン用の回路パターン２４ｂとに超音波接合されている。出力電極部材３２Ｗは、第５のスイッチング素子Ｑ５及びダイオードＤ５で構成される上アームのソース用の回路パターン２４ｃと、第６のスイッチング素子Ｑ６及びダイオードＤ６で構成される下アームのドレイン用の回路パターン２４ｂとに超音波接合されている。
【００３１】
各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗは、セラミック基板２１とほぼ同じ幅の銅板をプレス加工することで形成されている。図８（ｂ）等に示すように、各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗには、上アームを構成する２個のセラミック基板２１の回路パターン２４ｂのほぼ中央部と、下アームを構成する２個のセラミック基板２１の回路パターン２４ｃのほぼ中央部にそれぞれ接合される合計４個の接合部３５がそれぞれ設けられている。各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗは、ほぼＬ字状に屈曲され、かつ２個の接合部３５が水平に延びる部分の先端両側で、２個の接合部３５が屈曲部寄りでそれぞれ下側に突出するように形成されている。各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗは、各２個の接合部３５の間に負極用配線部材２８の端子部２８ａ及び接合部２８ｂを配置可能な空間が設けられている。そして、各２個の接合部３５は、図３に示すように、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の接合部２７ｂ，２８ｂと一直線上に位置するように回路パターン２４ｂ，２４ｃ上に接合されている。
【００３２】
各アームに対応するそれぞれ２個のセラミック基板２１のうち、出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの先端側と対応するセラミック基板２１のゲート信号用の回路パターン２４ａには、駆動信号入力端子Ｇ１〜Ｇ６の第１端部が、ソース信号用の回路パターン２４ｄには信号端子Ｓ１〜Ｓ６の第１端部が、それぞれ接合されている。信号端子はセラミック基板と超音波接合にて接合され、これにより端子と基板をワイヤボンディングで接続するよりも小型化できる。各端子Ｇ１〜Ｇ６，Ｓ１〜Ｓ６は、第２端部が支持枠３０から突出するように、支持枠３０を貫通する状態で支持枠３０に一体成形されている。なお、各アームを構成する２個のセラミック基板２１上に形成された、回路パターン２４ａ同士及び回路パターン２４ｄ同士はそれぞれワイヤボンディングで電気的に接続されている。
【００３３】
支持枠３０内には半導体チップ２３の絶縁性確保や保護のためにシリコーンゲル３６が充填、硬化されている。そして、金属ベース２０上には、基板２２の半導体チップ２３、即ちスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が実装された側の面、正極用配線部材２７、負極用配線部材２８、コンデンサ１７、出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗ及び支持枠３０を囲繞するカバー３７がボルトにより固定されるようになっている。
【００３４】
次に前記のように構成されたインバータ装置１１の製造方法を説明する。
先ずセラミック基板２１上への半導体チップ２３の実装工程が行われる。この工程では、図７（ａ）に示すように、セラミック基板２１のドレイン用の回路パターン２４ｂ上に２個の半導体チップ２３を、回路パターン２４ｂの長手方向の中央部にスペースが存在するように半田付けにより接合する。次に半導体チップ２３のゲートとゲート信号用の回路パターン２４ａとの間、半導体チップ２３のソースとソース用の回路パターン２４ｃとの間及び半導体チップ２３のソースとソース信号用の回路パターン２４ｄとの間をワイヤボンディングにより電気的に接続する。
【００３５】
次にセラミック基板２１を金属ベース２０上に接合する工程が行われる。この工程では、図７（ｂ）に示すように、半導体チップ２３が実装されたセラミック基板２１を金属ベース２０上に、６行２列に半田付けで接合し、同じアームを構成する各２個のセラミック基板２１のゲート信号用の回路パターン２４ａ同士及びソース信号用の回路パターン２４ｄ同士をワイヤボンディング（図示せず）により電気的に接続する。
【００３６】
次に出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗをセラミック基板２１に接合する工程が行われる。この工程では、図８（ａ）に示すように、先ず駆動信号入力端子Ｇ１〜Ｇ６及び信号端子Ｓ１〜Ｓ６が装備された支持枠３０を、金属ベース２０上にセラミック基板２１を囲むように固定する。支持枠３０の固定は接着剤やねじを用いて行われる。次に出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを、図８（ｂ）に示すように、各接合部３５がドレイン用の回路パターン２４ｂ及びソース用の回路パターン２４ｃのほぼ中央部と当接するように配置する。そして、超音波接合により各接合部３５を順次回路パターン２４ｂ及び回路パターン２４ｃに接合する。また、駆動信号入力端子Ｇ１〜Ｇ６の第１端部を回路パターン２４ａに、信号端子Ｓ１〜Ｓ６の第１端部を回路パターン２４ｄに、それぞれ超音波接合により接合する。
【００３７】
次にコンデンサアッシー（組立品）を組み立てる工程が行われる。この工程では、４個のコンデンサ１７を正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂが上向きになる状態において、所定間隔で１列に治具で固定する。その状態で絶縁材を介して負極用配線部材２８を各コンデンサ１７の負極端子１７ｂにねじで固定する。次に絶縁部材２９を負極用配線部材２８との間に配置した状態で正極用配線部材２７をコンデンサ１７の正極端子１７ａにねじで固定する。以上により、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８間の絶縁が確保された状態で、コンデンサ１７の正極端子１７ａに正極用配線部材２７が、負極端子１７ｂに負極用配線部材２８がそれぞれ電気的に接合されたコンデンサアッシー３８が組み立てられる。
【００３８】
次にセラミック基板２１にコンデンサアッシー３８を超音波接合する工程が行われる。この工程では、先ず、コンデンサアッシー３８をセラミック基板２１上に載置する。図９に示すように、コンデンサアッシー３８は、セラミック基板２１の上方から支持枠３０内の所定位置に配置される。この状態では、図３に示すように、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の幅方向の同じ側に配置された各接合部２７ｂ，２８ｂが一直線上に位置する状態になる。
【００３９】
その状態で各接合部２７ｂ，２８ｂを順に超音波接合で回路パターン２４ｂ，２４ｃに接合する。接合部２７ｂ，２８ｂとコンデンサ１７とが近いため、端子部２７ａ，２８ａの接合に半田付けを用いると、一般の耐熱性を特に考慮していないコンデンサを使用すると、半田付けのための加熱によりコンデンサ１７が悪影響を受ける虞がある。しかし、接合部２７ｂ，２８ｂの接合が超音波接合で行われるため、コンデンサ１７に加わる熱量が小さくなり、耐熱性の高い特殊なコンデンサを使用する必要がない。
【００４０】
次に半導体チップ２３や各接合部等湿気や酸化を嫌う部分の電気的絶縁及び保護のため、支持枠３０内へのシリコーンゲル３６の注入、硬化処理が行われ、シリコーンゲル３６の充填、硬化が行われる。正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の垂下部２７ｃ，２８ｃに切り欠き部２７ｄ，２８ｄが形成されているため、切り欠き部２７ｄ，２８ｄがない場合に比較して、シリコーンゲルの注入時にシリコーンゲルが正極用配線部材２７と負極用配線部材２８との間に容易に流入する。そして、最後にカバー３７が金属ベース２０にボルトにより固定されて、インバータ装置１１が完成する。
【００４１】
次に前記のように構成されたインバータ装置１１の作用を説明する。
インバータ装置１１は、例えば、車両の電源装置の一部を構成するものとして使用される。インバータ装置１１は、プラス入力端子１４及びマイナス入力端子１６が直流電源（図示せず）に接続され、Ｕ相端子Ｕ、Ｖ相端子Ｖ及びＷ相端子Ｗがモータ（図示せず）に接続され、駆動信号入力端子Ｇ１〜Ｇ６及び信号端子Ｓ１〜Ｓ６が制御装置（図示せず）に接続された状態で使用される。
【００４２】
上アームの第１、第３及び第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５及び下アームの第２、第４及び第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６がそれぞれ所定周期でオン、オフ制御されることによりモータに交流が供給されてモータが駆動される。
【００４３】
正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング時に急峻に立ち上がる電流又は立ち下がる電流が流れ、その電流は正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８で逆方向となる。正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８は平行な平板状に形成され、互いに近接して配置されているため、相互インダクタンスの効果により配線インダクタンスが低減する。また、垂下部２７ｃ，２８ｃも平行に近接して配置されているため、垂下部２７ｃ，２８ｃが存在しない場合に比較して、配線インダクタンスがより低減する。
【００４４】
したがって、この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）インバータ装置１１は、複数のスイッチング素子が実装された基板２２と、基板２２と平行に、かつ相互に絶縁された状態で近接して重なるように配置された平板状の正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８と、上側に配置された負極用配線部材２８上に配置された複数のコンデンサ１７と、コンデンサ１７等を覆うカバー３７とを備えている。コンデンサ１７は、正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂがコンデンサ本体の一方の側に設けられている。正極端子１７ａは正極用配線部材２７に電気的に接続され、負極端子１７ｂは負極用配線部材２８に電気的に接続され、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８は、端子部２７ａ，２８ａにおいて基板２２の回路パターン２４ｂ，２４ｃに超音波接合で接合されている。したがって、コンデンサ１７がカバー３７外に配置される構成に比較して、コンデンサ１７と半導体チップ２３との電流経路の長さが短くなり、インバータ装置１１の駆動時における配線インダクタンスが低減される。
【００４５】
（２）インバータ装置１１を製造する際、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８とコンデンサ１７とを接合した後に、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の端子部２７ａ，２８ａの接合部２７ｂ，２８ｂを基板２２の回路パターン２４ｂ，２４ｃに超音波接合により電気的に接合する。したがって、接合部２７ｂ，２８ｂの接合に半田付けを用いる場合と異なり、耐熱性の高い特殊なコンデンサを使用する必要がない。
【００４６】
（３）コンデンサ１７は、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８のうちの基板２２と対向しない一方の配線部材（負極用配線部材２８）上に配置され、正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂが正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８に接続されている。そのため、コンデンサ本体よりコンデンサ１７の正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂが基板２２に近い状態になる。したがって、コンデンサ１７の正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂと、基板２２に実装されたスイッチング素子（半導体チップ２３）との距離が、正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂがコンデンサ本体に対して基板２２と反対側に配置された構成に比較して短くなり、配線インダクタンスをより低減することができる。
【００４７】
（４）正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の端子部２７ａ，２８ａは、配線部材２７，２８の幅方向の端部から基板２２側に向かって屈曲し、さらに、先端側の接合部２７ｂ，２８ｂが配線部材２７，２８と平行に延びるように屈曲形成され、接合部２７ｂ，２８ｂが基板２２に超音波接合されている。そして、各配線部材２７，２８の同じ側に配置された端子部２７ａ，２８ａの超音波接合箇所が一直線上に位置するように設けられている。したがって、超音波接合の際に、超音波接合用のツール（ホーン）を配線部材２７，２８に沿って移動させることで、ツールの押圧部が端子部２７ａ，２８ａの接合部２７ｂ，２８ｂと対向する状態になり、効率良く超音波接合を行うことができる。
【００４８】
（５）各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗは、４個の接合部３５が仮想矩形の４つの角部と対応する配置に形成されている。したがって、各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗをセラミック基板２１に超音波接合する際、自立状態で安定してセラミック基板２１上に載置されるため、各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを保持する治具がなくても、超音波接合を行うことができる。
【００４９】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ インバータ装置１１を製造する各工程は、前記実施形態で説明した順に行われる必要はない。例えば、セラミック基板２１に半導体チップ２３を実装する工程やコンデンサアッシー３８を組み立てる工程をそれぞれ別工程として、半導体チップ２３が実装されたセラミック基板２１やコンデンサアッシー３８を複数製造しておき、それらの部品を使用してインバータ装置１１の製造を行ってもよい。
【００５０】
○ 出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗをセラミック基板２１に超音波接合する工程と、コンデンサアッシー３８をセラミック基板２１に超音波接合する工程とを同じ工程としてもよい。例えば、支持枠３０に各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを位置決めした状態で保持可能な保持部を設ける。そして、各出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを保持部に保持した状態で金属ベース２０に固定した後、直ぐに超音波接合を行わず、コンデンサアッシー３８のセラミック基板２１への超音波接合時に行うようにする。出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの接合部３５が正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の接合部２７ｂ，２８ｂと一直線上に配置されているため、超音波接合用のツールを配線部材２７，２８に沿って移動させることで、ツールが各接合部２７ｂ，２８ｂ，３５と順に対向する状態になり、効率良く超音波接合を行うことができる。
【００５１】
○ 出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗのセラミック基板２１に対する超音波接合をコンデンサアッシー３８のセラミック基板２１に対する超音波接合より先に行う場合は、出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの接合部３５を正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の接合部２７ｂ，２８ｂと一直線上に配置しなくてもよい。
【００５２】
○ 超音波接合は各接合点（接合箇所）を一点ずつ順に行う方法に限らず、複数点ずつ行うようにしてもよい。この場合、１点ずつ行う場合に比較して、全ての接合点の超音波接合が完了するまでの時間を短縮することができる。特に２点ずつ行う場合は、超音波接合ツールの体格をさほど大きくせず、接合点の数も偶数であるため、効率良く行うことができる。
【００５３】
○ 正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８は、基板２２と平行に、かつ相互に絶縁された状態で近接して重なるように配置されていればよく、負極用配線部材２８が上側、即ち基板２２と対向しない側に配置される構成に限らず、正極用配線部材２７が上側に配置される構成としてもよい。しかし、電解コンデンサの場合、外側がグランドのため、負極用配線部材２８が上側に配置される方が好ましい。
【００５４】
○ コンデンサ１７は、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８のうちの基板２２と対向しない一方の配線部材上に配置される構成、即ち、コンデンサ１７と基板２２との間に正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８が存在する構成に限らない。例えば、図１０に示すように、出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗと直交する状態で出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗ上に絶縁プレート４０を配置し、絶縁プレート４０上にコンデンサ１７を正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂがコンデンサ本体に対して基板２２と反対側となるように載置された状態で組み付ける。そして、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８が正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂにねじにより固定される。この場合、図１０に示すように、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の端子部２７ａ，２８ａ及び垂下部２７ｃ，２８ｃの長さが長くなる。しかし、コンデンサ１７をカバー３７の外に配置する場合に比較して、配線インダクタンスは低減される。なお、図１０は図４（ａ）と断面の位置が異なっている。
【００５５】
○ 各アームを２個のセラミック基板２１で構成する代わりに、１個のセラミック基板２１で構成してもよい、この場合、ゲート信号用の回路パターン２４ａ間及びソース信号用の回路パターン２４ｄ間をそれぞれ電気的に接続するワイヤボンディングが不要になる。また、各アームのドレイン用の回路パターン２４ｂ及びソース用の回路パターン２４ｃと、正極用配線部材２７、負極用配線部材２８及び出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの各接合部２７ｂ，２８ｂ，３５との接合箇所は２箇所でなく、１箇所ずつでもよくなる。しかし、前記接合箇所を１箇所ずつにすると、超音波接合の際にコンデンサアッシー３８を保持する治具や出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを保持する治具が必要になる。
【００５６】
○ 出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを自立可能な状態にするためには、少なくとも３個の接合部３５を備えていればよい。
○ 各回路パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを細長い形状のパターンで形成して、並列状態で配置することは必須ではない。しかし、回路パターン２４ｂ，２４ｃをブロック形状に形成した場合は、半導体チップ２３を複数実装したり、正極用配線部材２７及び負極用配線部材２８の接合部２７ｂ，２８ｂや出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの接合部３５を接合したりするスペースの確保に必要なセラミック基板２１の面積が大きくなる。また、回路パターン２４ｂ，２４ｃの間隔を狭くすると、出力電極部材３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗが自立状態で各接合部３５を超音波接合するのが難しくなる。
【００５７】
○ 各アームを構成するセラミック基板２１を１個にしてセラミック基板２１の数を少なくする構成に限らず、１個のセラミック基板２１上に複数のアームを構成するようにしてもよい。
【００５８】
○ 金属ベース２０をアルミニウム系金属で形成し、セラミック基板２１として、両面にアルミニウム層が形成されたＤＢＡ（Direct Brazing Aluminum ）基板を用い、ＤＢＡ 基板の表面に回路パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを形成し、裏面を金属ベース２０にアルミニウム系ろう材によりろう付けしてもよい。
【００５９】
○ セラミック基板２１に代えて、絶縁基板として金属基板の表面に絶縁層を形成し、絶縁層上に回路パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを形成した構成の物を使用してもよい。
【００６０】
○ 金属ベース２０上に絶縁基板を半田付けあるいはろう付けで接合する代わりに、金属ベース２０上に絶縁層を形成し、その絶縁層上に回路パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを形成してもよい。この場合、部品点数が少なくなるとともに、絶縁基板を金属ベース２０上に接合する工程が不要になる。
【００６１】
○ コンデンサ１７の数は４個に限らず、インバータ装置１１の定格電流値及び使用するコンデンサの容量により決まり、３個以下でも５個以上でもよい。
○ コンデンサ１７は電解コンデンサに限らず、例えば電気二重層コンデンサであってもよい。
【００６２】
○ スイッチング素子Ｑ，Ｑ１〜Ｑ６はＭＯＳＦＥＴに限らず、他のパワートランジスタ（例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ））やサイリスタを使用してもよい。
【００６３】
○ 各アームを構成するスイッチング素子Ｑ及びダイオードＤの組は４組に限らず、各アームを流れる電流量の大きさによって３組以下でも５組以上でもよい。また、複数組に限らず、１組のスイッチング素子Ｑ及びダイオードＤの組で構成されてもよい。
【００６４】
○ １組のスイッチング素子及びダイオードは、１個の半導体チップ２３としてパッケージ化される構成に限らず、スイッチング素子及びダイオードがそれぞれ回路パターン上に実装された構成でもよい。
【００６５】
○ インバータ装置１１は、３相交流を出力する構成に限らず、単相交流を出力する構成としてもよい。単相交流を出力する構成では上アーム及び下アームの組が２組存在する。
【００６６】
○ 電力変換装置は、インバータ装置１１に限らず、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータに適用してもよい。
○ 駆動信号入力端子Ｇ１〜Ｇ６の第１端部を回路パターン２４ａに、信号端子Ｓ１〜Ｓ６の第１端部を回路パターン２４ｄにそれぞれ接合する時期は、コンデンサアッシー３８をセラミック基板２１に超音波接合する前に限らず、支持枠３０を金属ベース２０に固定した後、支持枠３０内へシリコーンゲルを充填するまでに行えばよい。
【００６７】
○ コンデンサ１７の正極端子１７ａと正極用配線部材２７との接合及び負極端子１７ｂと負極用配線部材２８との接合は、ねじによる締め付け固定に限らず、コンデンサ１７に対する熱の影響が半田付けに比較して小さな接合方法、例えば、精密抵抗溶接やレーザビーム溶接で行ってもよい。
【００６８】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項５に記載の発明において、出力電極部材が前記正極用配線部材及び前記負極用配線部材とその下方において直交する状態で配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】（ａ）はインバータの回路図、（ｂ）は一つのアームの回路図。
【図２】インバータ装置のカバーを省略した模式斜視図。
【図３】同じく平面図。
【図４】（ａ）は図３のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は（ａ）の一部省略部分拡大図。
【図５】半導体チップのソース及びゲートと各回路パターンとのワイヤボンディングの状態を示す部分模式図。
【図６】（ａ）は図３のＢ−Ｂ線断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。
【図７】（ａ）はチップ部品が実装されたセラミック基板の模式斜視図、（ｂ）はセラミック基板が実装された金属ベースの模式斜視図。
【図８】（ａ）は金属ベースに支持枠が取り付けられた状態の模式斜視図、（ｂ）は出力電極部材を取り付けた状態の模式斜視図。
【図９】コンデンサアッシー、金属ベース、支持枠及び出力電極部材の関係を示す模式斜視図。
【図１０】別の実施形態の断面図。
【図１１】（ａ）は従来技術の斜視図、（ｂ）は同じく分解斜視図。
【符号の説明】
【００７０】
Ｑ，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６…スイッチング素子、１１…インバータ装置、１７…コンデンサ、１７ａ…正極端子、１７ｂ…負極端子、２０…金属ベース、２１…絶縁基板としてのセラミック基板、２２…基板、２３…スイッチング素子としての半導体チップ、２４ｂ，２４ｃ…回路パターン、２６…絶縁層としてのセラミック板、２７…正極用配線部材、２７ａ，２８ａ…端子部、２７ｂ，２８ｂ，３５…接合部、２８…負極用配線部材、３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗ…出力電極部材、３７…カバー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチング素子が実装された基板と、
前記基板と平行に、かつ相互に電気的に絶縁された状態で近接して重なるように配置された平板状の正極用配線部材及び負極用配線部材と、
正極端子及び負極端子がコンデンサ本体の一方の側に設けられ、前記正極端子が前記正極用配線部材に接続され、前記負極端子が前記負極用配線部材に接続されたコンデンサと、
前記基板の前記スイッチング素子が実装された側の面、前記正極用配線部材、前記負極用配線部材及び前記コンデンサを囲繞するカバーと
を備え、
前記正極用配線部材及び前記負極用配線部材は、端子部において前記基板の回路パターンに超音波接合で接合されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記基板は、金属ベースと、その上に接合されるとともに、表面に絶縁層を介して回路パターンが形成された複数の絶縁基板とで構成されている請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記コンデンサは、前記正極用配線部材及び前記負極用配線部材のうちの前記基板と対向しない一方の配線部材上に配置され、正極端子及び負極端子が前記正極用配線部材及び前記負極用配線部材に接続されている請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記端子部は、前記配線部材の幅方向の端部から前記基板側に向かって屈曲し、さらに前記配線部材と平行に延びるように屈曲形成された接合部において前記基板に超音波接合されており、各配線部材の同じ側に配置された端子部の超音波接合箇所が一直線上に位置するように設けられている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電力変換装置はインバータ装置であり、各相の出力電極部材が前記配線部材と交差する状態で前記配線部材と前記基板との間を通り、前記出力電極部材の前記基板との接合部も超音波接合により接合され、前記出力電極部材の超音波接合箇所も前記端子部の超音波接合箇所と一直線上に位置するように設けられている請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項１】
複数のスイッチング素子が実装された基板と、
前記基板と平行に、かつ相互に電気的に絶縁された状態で近接して重なるように配置された平板状の正極用配線部材及び負極用配線部材と、
正極端子及び負極端子がコンデンサ本体の一方の側に設けられ、前記正極端子が前記正極用配線部材に接続され、前記負極端子が前記負極用配線部材に接続されたコンデンサと、
前記基板の前記スイッチング素子が実装された側の面、前記正極用配線部材、前記負極用配線部材及び前記コンデンサを囲繞するカバーと
を備え、
前記正極用配線部材及び前記負極用配線部材は、端子部において前記基板の回路パターンに超音波接合で接合されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記基板は、金属ベースと、その上に接合されるとともに、表面に絶縁層を介して回路パターンが形成された複数の絶縁基板とで構成されている請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記コンデンサは、前記正極用配線部材及び前記負極用配線部材のうちの前記基板と対向しない一方の配線部材上に配置され、正極端子及び負極端子が前記正極用配線部材及び前記負極用配線部材に接続されている請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記端子部は、前記配線部材の幅方向の端部から前記基板側に向かって屈曲し、さらに前記配線部材と平行に延びるように屈曲形成された接合部において前記基板に超音波接合されており、各配線部材の同じ側に配置された端子部の超音波接合箇所が一直線上に位置するように設けられている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電力変換装置はインバータ装置であり、各相の出力電極部材が前記配線部材と交差する状態で前記配線部材と前記基板との間を通り、前記出力電極部材の前記基板との接合部も超音波接合により接合され、前記出力電極部材の超音波接合箇所も前記端子部の超音波接合箇所と一直線上に位置するように設けられている請求項４に記載の電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２１３２６８（Ｐ２００９−２１３２６８Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５４０４７（Ｐ２００８−５４０４７）
【出願日】平成２０年３月４日（２００８．３．４）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月４日（２００８．３．４）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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