電力変換装置
【課題】 パワーモジュールの小型化及び重量の低減化を実現する。
【解決手段】 ｎ型入力アーム３０ｃ、トランジスタＴ６、Ｖ相出力アーム３０ｇ、トランジスタＴ５、ｐ型入力アーム３０ｂ、トランジスタＴ３、Ｕ相出力アーム３０ｆ、トランジスタＴ４、ｎ型入力アーム３０ａがこの順で積層方向に積層している。トランジスタＴ５，Ｔ６の向きとトランジスタＴ３，Ｔ４の向きが逆である。これにより、Ｕ相ユニット１５ＵとＶ相ユニット１５Ｖは、入力アーム３０ｂをｐ型入力アームとして共用することができ、パワーモジュールの小型化及び重量の低減化が可能となる。
【解決手段】 ｎ型入力アーム３０ｃ、トランジスタＴ６、Ｖ相出力アーム３０ｇ、トランジスタＴ５、ｐ型入力アーム３０ｂ、トランジスタＴ３、Ｕ相出力アーム３０ｆ、トランジスタＴ４、ｎ型入力アーム３０ａがこの順で積層方向に積層している。トランジスタＴ５，Ｔ６の向きとトランジスタＴ３，Ｔ４の向きが逆である。これにより、Ｕ相ユニット１５ＵとＶ相ユニット１５Ｖは、入力アーム３０ｂをｐ型入力アームとして共用することができ、パワーモジュールの小型化及び重量の低減化が可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源と負荷の間に設けられている電力変換装置に関する。本発明は特に、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置、電圧値を変換する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ハイブリッド車両又は電気車両に搭載されるモータを駆動するために、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置の開発が進められている。この種の電力変換装置は、直流電源の正極性側に接続される高圧側配線と直流電源の負極性側に接続される低圧側配線の間に設けられているインバータ回路を備えている。
【０００３】
この種の電力変換装置のインバータ回路は、３つの単相ユニット（Ｕ相ユニットとＶ相ユニットとＷ相ユニット）で構成されていることが多い。例えば、特許文献１には、この種のインバータ回路で用いられる単相ユニットの一例が開示されている。一般的に、単相ユニットは、一対の入力アームと、その一対の入力アームの間に直列に接続されている一対のトランジスタと、一対のトランジスタの間に接続されている出力アームとを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、３つの単相ユニットは、絶縁性基板の上面に並べられ、モジュールを構成している。この種のモジュールでは、小型化及び重量の低減化が可能な新規な形態の開発が望まれている。本明細書は、電力変換装置の小型化及び重量の低減化が可能な技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書で開示される技術は、異なる単相ユニットの間で入力アームを共用させることを特徴としている。従来技術では、単相ユニット毎に２つの固有の入力アームと1つの出力アームを必要としている。本明細書で開示される技術を用いると、異なる単相ユニットの間で入力アームを共用させることができるので、電力変換装置の小型化及び重量の低減化が可能となる。
【０００７】
すなわち、本明細書で開示される技術は、電源の一方の極性に接続される第１配線と電源の他方の極性に接続される第２配線の間に接続されている電力変換装置に具現化される。電力変換装置は、第１入力アームと第２入力アームと第３入力アームと第１出力アームと第２出力アームと第１トランジスタと第２トランジスタと第３トランジスタと第４トランジスタとを備えている。第１入力アーム、第１トランジスタ、第１出力アーム、第２トランジスタ、第２入力アーム、第３トランジスタ、第２出力アーム、第４トランジスタ、第３入力アームがこの順で積層方向に積層している。第１入力アームと第３入力アームは、第１配線に接続されている。第２入力アームは、第２配線に接続されている。第１トランジスタ、第２トランジスタ、第３トランジスタ及び第４トランジスタのそれぞれは、高圧側主電極と低圧側主電極を有している。第１トランジスタ及び第２トランジスタにおける高圧側主電極から低圧側主電極を結ぶ向きは、第３トランジスタ及び第４トランジスタにおける高圧側主電極から低圧側主電極を結ぶ向きと逆である。例えば、第１トランジスタ及び第２トランジスタにおける高圧側主電極から低圧側主電極を結ぶ向きが前記積層方向において上向きであれば、第３トランジスタ及び第４トランジスタにおける高圧側主電極から低圧側主電極を結ぶ向きは前記積層方向において下向きである。
【０００８】
上記電力変換装置では、第１入力アームと第２入力アームと第１出力アームが１つの単相ユニットを構成している。さらに、上記電力変換装置では、第２入力アームと第３入力アームと第２出力アームが１つの単相ユニットを構成している。すなわち、第２入力アームは、それぞれの単相ユニットで共用されていることを特徴としている。これにより、上記電力変換装置では、省スペース化及び重量の低減化が可能となる。
【０００９】
上記電力変換装置では、第１入力アームが、第１トランジスタと接触する第１トランジスタ接触部と、第１延長部と、第１トランジスタ接触部と第１延長部の間に設けられているとともに第１配線と電気的に接続する第１配線接続部とを有しているのが望ましい。さらに、上記電力変換装置では、第２入力アームが、第２トランジスタと接触する第２トランジスタ接触部と、第２延長部と、第２トランジスタ接触部と第２延長部の間に設けられているとともに第２配線と電気的に接続する第２配線接続部とを有しているのが望ましい。この場合、第１延長部と第２延長部が対向しているのが望ましい。第１入力アームでは、第１トランジスタと第１配線の間を流れる電流は、第１トランジスタ接触部と第１配線接続部を介して流れる。このため、第１入力アームの第１延長部は、電流が流れる部分ではない。また、第２入力アームでも、第２トランジスタと第２配線の間を流れる電流は、第２トランジスタ接触部と第２配線接続部を介して流れる。このため、第２入力アームの第２延長部も、電流が流れる部分ではない。しかしながら、第１延長部と第２延長部はいずれも、電位が加わる部位である。この第１延長部と第２延長部が対向するように配置されていると、第１延長部と第２延長部の間に寄生の容量成分が発生する。これにより、第１延長部と第２延長部で構成されるコンデンサは、サージ電圧を吸収するスナバコンデンサとして機能する。
【００１０】
上記電力変換装置では、第１延長部と第２延長部の少なくともいずれか一方にフィンが設けられているのが望ましい。この態様によると、トランジスタで発生した熱を入力アームによって伝熱させ、フィンによって放熱させることができる。水冷用の冷却装置を用いなくても、空冷によってトランジスタで発生した熱を放熱させることができる。
【００１１】
上記電力変換装置では、第３入力アームが、第４トランジスタと接触する第３トランジスタ接触部と、第３延長部と、第３トランジスタ接触部と第３延長部の間に設けられているとともに第１配線と電気的に接続する第３配線接続部とを有しているのが望ましい。この場合、第２延長部と第３延長部が対向しているのが望ましい。この態様によると、第２延長部と第３延長部の間にも寄生の容量成分が存在し、この第２延長部と第３延長部で構成されるコンデンサも、サージ電圧を吸収するスナバコンデンサとして機能することができる。上記電力変換装置では、第１入力アームと第２入力アームと第３入力アームが積層方向に積層した構成を採用したことにより、少ないスペースで複数のスナバコンデンサを構築することができる。
【００１２】
上記電力変換装置では、第１入力アームと第２入力アームと第３入力アームが、積層方向に直交する方向に伸びているのが望ましい。さらに、上記電力変換装置では、第１出力アームと第２出力アームも、積層方向に直交する方向に伸びているのが望ましい。この場合、積層方向から観測したときに、第１入力アームと第２入力アームと第３入力アームは、第１出力アームと第２出力アームと重複しないのが望ましい。この態様によると、入力アームと出力アームの間に寄生の静電容量が発生しない。これにより、入力アームと出力アームの間に不要な共振回路が生じないので、高周波電流によるリーク電流が流れることが抑制される。
【００１３】
上記電力変換装置では、フィンの表面に絶縁膜が被覆されているのが望ましい。絶縁性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書で開示される技術によると、異なる単相ユニットの間で入力アームを共用させることができ、電力変換装置の小型化及び重量の低減化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電力変換装置の回路図の概略を示す。
【図２】昇圧コンバータとインバータが一体化したパワーモジュールの側面図を模式的に示す。
【図３】Ｕ相ユニットの一部を拡大した分解斜視図を示す。
【図４】アームの延長部の断面図を模式的に示す。
【図５】Ｕ相ユニットとＶ相ユニットの一部を拡大した断面図を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本明細書で開示される技術を整理しておく。
（第１特徴） パワーモジュールは、複数の単相ユニットを備えている。単相ユニットは、一対の入力アームと、その一対の入力アームの間に直列に接続されている一対のトランジスタと、一対のトランジスタの間に接続されている出力アームとを備えている。単相ユニットは、積層方向（トランジスタ素子の面に垂直な方向）に沿って積層している。積層方向に隣接する単相ユニットでは、入力アームを共用している。
（第２特徴） 第１特徴において、パワーモジュールは、昇圧コンバータをさらに備えている。昇圧コンバータは、積層方向において、少なくとも１つの単相ユニットに隣接している。昇圧コンバータは、一対の入力アームと、その一対の入力アームの間に直列に接続されている一対のトランジスタと、一対のトランジスタの間に接続されているリアクトル接続用アームとを備えている。昇圧コンバータと単相ユニットの間で、入力アームが共用されている。
（第３特徴） 第１特徴において、入力アームには空冷用のフィンが設けられている。
（第４特徴） 第１特徴において、出力アームには空冷用のフィンが設けられている。
【実施例１】
【００１７】
図１に、電力変換装置１０の回路図の概略を示す。電力変換装置１０は、直流電源１１と交流モータ１６の間に設けられており、直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を交流モータ１６に供給する。電力変換装置１０は、昇圧コンバータ１３と、コンデンサ１４と、インバータ１５を備えている。直流電源１１と昇圧コンバータ１３の間には、リアクトル１２が接続されている。
【００１８】
昇圧コンバータ１３は、直流電源１１の正極性に接続される高圧側配線１０Ｈと直流電源１１の負極性に接続される低圧側配線１０Ｌの間に設けられており、一対の縦型のトランジスタＴ１，Ｔ２と、一対の縦型の還流ダイオードＤ１，Ｄ２を有している。一例では、トランジスタＴ１，Ｔ２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。なお、トランジスタＴ１，Ｔ２には、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor）又は他のパワーデバイスを用いることができる。還流ダイオードＤ１，Ｄ２は、ＩＧＢＴとは別の外付け型の素子でもよく、ＩＧＢＴ内に組み込まれた一体型の素子でもよい。本実施例では、還流ダイオードがＩＧＢＴ内に組み込みこまれた一体型の素子の場合を例示する。図１に示されるように、第１トランジスタＴ１では、コレクタが高圧側配線分岐接続部２２を介して高圧側配線１０Ｈに接続されており、エミッタが中間接続部２１を介して第２トランジスタＴ２のコレクタに接続されている。第２トランジスタＴ２では、エミッタが低圧側配線分岐接続部２３を介して低圧側配線１０Ｌに接続されている。中間接続部２１は、リアクトル１２に接続されている。第１ダイオードＤ１は、第１トランジスタＴ１に並列に接続されており、カソードが第１トランジスタＴ１のコレクタに接続されており、アノードが第１トランジスタＴ１のエミッタに接続されている。第２ダイオードＤ２は、第２トランジスタＴ２に並列に接続されており、カソードが第２トランジスタＴ２のコレクタに接続されており、アノードが第２トランジスタＴ２のエミッタに接続されている。
【００１９】
昇圧コンバータ１３は、直流電源１１から供給された直流電圧を昇圧してコンデンサ１４に供給する。また、昇圧コンバータ１３は、コンデンサ１４を介してインバータ１５から供給された直流電圧を降圧して直流電源１１に供給することもできる。コンデンサ１４は、昇圧コンバータ１３から出力された直流電圧を平滑化し、平滑化した直流電圧をインバータ１５に供給する。なお、例示されている昇圧コンバータ１３は、一対のトランジスタＴ１，Ｔ２と一対の還流ダイオードＤ１，Ｄ２で構成されているが、これらの構成の複数個が高圧側配線１０Ｈと低圧側配線１０Ｌの間に並列に接続されていてもよい。
【００２０】
インバータ１５は、３相インバータであり、Ｕ相ユニット１５Ｕと、Ｖ相ユニット１５Ｖと、Ｗ相ユニット１５Ｗを備えている。Ｕ相ユニット１５Ｕ、Ｖ相ユニット１５Ｖ及びＷ相ユニット１５Ｗは、高圧側配線１０Ｈと低圧側配線１０Ｌの間に並列に設けられている。
【００２１】
Ｕ相ユニット１５Ｕは、一対の縦型のトランジスタＴ３，Ｔ４と、一対の縦型の還流ダイオードＤ３，Ｄ４を有している。一例では、トランジスタＴ３，Ｔ４は、ＩＧＢＴである。トランジスタＴ３，Ｔ４には、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ又は他のパワーデバイスを用いることができる。還流ダイオードＤ３，Ｄ４は、ＩＧＢＴとは別の外付け型の素子でもよく、ＩＧＢＴ内に組み込まれている一体型の素子でもよい。本実施例では、還流ダイオードＤ３，Ｄ４がＩＧＢＴ内に組み込まれた一体型の素子の場合を例示する。図１に示されるように、第３トランジスタＴ３では、コレクタが高圧側配線分岐接続部２４を介して高圧側配線１０Ｈに接続されており、エミッタが中間接続部Ｉｎ１を介して第４トランジスタＴ４のコレクタに接続されている。第４トランジスタＴ４では、エミッタが低圧側配線分岐接続部２５を介して低圧側配線１０Ｌに接続されている。第３ダイオードＤ３は、第３トランジスタＴ３に並列に接続されており、カソードが第３トランジスタＴ３のコレクタに接続されており、アノードが第３トランジスタＴ３のエミッタに接続されている。第４ダイオードＤ４は、第４トランジスタＴ４に並列に接続されており、カソードが第４トランジスタＴ４のコレクタに接続されており、アノードが第４トランジスタＴ４のエミッタに接続されている。なお、Ｖ相ユニット１５Ｖ及びＷ相ユニット１５Ｗは、Ｕ相ユニット１５Ｕと共通の構成を有しているので、それらの説明を省略する。
【００２２】
各単相ユニット１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗの中間接続部Ｉｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３は、交流モータ１６の各相コイルの各相端に接続されている。一例では、交流モータ１６は、３相の永久磁石モータである。交流モータ１６では、Ｕ相コイルの一端とＶ相コイルの一端とＷ相コイルの一端が接続されている。さらに、交流モータ１６では、Ｕ相コイルの他端がＵ相ユニット１５Ｕの中間接続部Ｉｎ１に接続されており、Ｖ相コイルの他端がＶ相ユニット１５Ｖの中間接続部Ｉｎ２に接続されており、Ｗ相コイルの他端がＷ相ユニット１５Ｗの中間接続部Ｉｎ３に接続されている。
【００２３】
次に、電力変換装置１０のうちの昇圧コンバータ１３とインバータ１５が一体化したパワーモジュールを説明する。図２に、このパワーモジュールの側面図を模式的に示す。図２に示されるように、パワーモジュールは、複数の入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅと、複数の出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈと、リアクトル接続用アーム３０ｉと、複数のトランジスタＴ１〜Ｔ８を備えている。ここで、入力アーム３０ａ，３０ｃ，３０ｅは、低圧側配線分岐接続部２３，２５，２７，２９を介して低圧側配線１０Ｌに接続されており、ｎ型入力アームともいう。入力アーム３０ｂ，３０ｄは、高圧側配線分岐接続部２２，２４，２６，２８を介して高圧側配線１０Ｈに接続されており、ｐ型入力アームともいう。また、出力アーム３０ｆはＵ相出力アームともいい、出力アーム３０ｇはＶ相出力アームともいい、出力アーム３０ｈはＷ相出力アームともいう。各アームは、導電性の材料で形成されている。後述するように、各アームは、一例では材料がアルミニウムの平板状であり、内部に冷媒が充填された空洞が形成されている。
【００２４】
ｎ型入力アーム３０ａとｐ型入力アーム３０ｂとＵ相出力アーム３０ｆとトランジスタＴ３，Ｔ４は、Ｕ相ユニット１５Ｕを構成している。ｐ型入力アーム３０ｂとｎ型入力アーム３０ｃとＶ相出力アーム３０ｇとトランジスタＴ５，Ｔ６は、Ｖ相ユニット１５Ｖを構成している。ｎ型入力アーム３０ｃとｐ型入力アーム３０ｄとＷ相出力アーム３０ｈとトランジスタＴ７，Ｔ８は、Ｗ相ユニット１５Ｗを構成している。ｐ型入力アーム３０ｄとｎ型入力アーム３０ｅとリアクトル接続用アーム３０ｉとトランジスタＴ１，Ｔ２は、昇圧コンバータ１３を構成している。すなわち、Ｕ相ユニット１５ＵとＶ相ユニット１５ＶとＷ相ユニット１５Ｗと昇圧コンバータ１３は、ｙ軸方向に沿って積層している。
【００２５】
図２に示されるように、各アームはいずれも、ｘ軸方向に伸びた平板状であり、ｙ軸方向から観測すると（平面視すると）矩形状である。隣接するアームの間には、樹脂製の絶縁板５０が設けられているのが望ましい。入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅは、トランジスタＴ１〜Ｔ８の積層位置から紙面右向きに伸びている。一方、出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉは、トランジスタＴ１〜Ｔ８の積層位置から紙面左向きに伸びている。このため、入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅは、ｙ軸方向に観測したときに、出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉと重複していない。
【００２６】
入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅでは、隣接するアームがｙ軸方向に対向している。すなわち、入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅは、ｙ軸方向に観測したときに重複している。出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈとリアクトル接続用アーム３０ｉも、隣接するアームがｙ軸方向に対向している。すなわち、出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉは、ｙ軸方向に観測したときに重複している。なお、これは一例であり、入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅは、ｙ軸方向以外の方向に対向していてもよい。同様に、出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉも、ｙ軸方向以外の方向に対向していてもよい。
【００２７】
この例では、入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅがトランジスタＴ１〜Ｔ８の積層位置から紙面右向きに伸びており、出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉがトランジスタＴ１〜Ｔ８の積層位置から紙面左向きに伸びている。この例に代えて、全てのアームがトランジスタＴ１〜Ｔ８の積層位置から同じ向きに伸びていてもよい。ただし、ｙ軸方向から観測したときに、入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅが重複する位置と、出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉが重複する位置がオフセットされているのが望ましい。
【００２８】
各アームの形態は、必要に応じて、非共通の形態でもよく、共通の形態でもよい。本実施例では、各アームの形態は、実質的に共通の形態である。以下、ｎ型入力アーム３０ａを例にして、その形態を説明する。
【００２９】
図２に示されるように、ｎ型入力アーム３０ａは、トランジスタＴ４と接触するトランジスタ接触部３２と、低圧側配線分岐接続部２５を介して低圧側配線１０Ｌと電気的に接続する配線接続部３４と、空冷用のフィン４０が設けられている延長部３６を有している。配線接続部３４は、トランジスタ接触部３２と延長部３６の間に設けられている。図２に示されるように、延長部３６は、一端３６ａが配線接続部３４に接続されており、端部３６ｂは空間に浮いている。即ち、延長部３６の端部３６ｂは、他の部材から電気的に絶縁されているので、延長部３６には電流が流れない。このため、低圧側配線分岐接続部２５とトランジスタＴ４の間の電流経路は、トランジスタ接触部３２と配線接続部３４で構築されており、延長部３６は電流経路から外れている。なお、この例では、延長部３６の端部３６ｂが空間に浮いているが、絶縁性の他の部材で支持されていてもよい。
【００３０】
図３に、ｎ型入力アーム３０ａの延長部３６の断面図を模式的に示す。図３に示されるように、ｎ型入力アーム３０ａは、アルミニウム製又は銅製のボディ部３１と、そのボディ部３１で取囲まれた空洞３３を備えている。空洞３３には、材料がブタン、エタノール又は水の冷媒が充填されている。空洞３３は、配線接続部３４を超えてトランジスタ接触部３２にまで伸びている。このため、動作中にトランジスタが高温になると、トランジスタ接触部３２に存在する冷媒と延長部３６に存在する冷媒の間に温度差が生じ、冷媒が自励振動し、トランジスタで発生した熱をトランジスタ接触部３２から配線接続部３４を超えて延長部３６にまで高効率に伝熱することができる。
【００３１】
図３に示されるように、延長部３６の両面に設けられたフィン４０は、材料がアルミニウム又は銅のボディ部４２と、そのボディ部４２を被覆する材料がＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の絶縁部４４を備えている。絶縁部４４は、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）技術を利用して、ボディ部４２の表面に被膜させることができる。また、絶縁部４４は、テフロン（登録商標）等の有機膜でもよい。この場合、絶縁部４４は、塗布又はスプレー技術を利用して、ボディ部４２の表面に被膜させることができる。一例では、フィン４０は、はんだ技術、ろう付け技術、接着材又は他の適切な手法を用いて、延長部３６の表面に固定されている。この例に代えて、延長部３６の表面を加工することによって、フィンを形成することもできる。
【００３２】
図４に、Ｕ相ユニット１５Ｕの一部を拡大した分解斜視図を示す。図４に示されるように、ｎ型入力アーム３０ａの配線接続部３４は、トランジスタ接触部３２と延長部３６の間に位置しており、低圧側配線分岐接続部２５を介して低圧側配線１０Ｌに電気的に接続している。また、ｐ型入力アーム３０ｂの配線接続部３４も、トランジスタ接触部３２と延長部３６の間に位置しており、高圧側配線分岐接続部２４，２６を介して高圧側配線１０Ｈに電気的に接続している。図４に示されるように、低圧側配線１０Ｌと高圧側配線１０Ｈは、ｙ軸方向に沿って伸びており、ｚ軸方向で対向している。これにより、低圧側配線１０Ｌと高圧側配線１０Ｈに寄生するインダクタンス成分が相殺される。
【００３３】
図４に示されるように、ｎ型入力アーム３０ａとｐ型入力アーム３０ｂの延長部３６は、ｙ軸方向に対向している。これらの延長部３６は、配線１０Ｌ，１０Ｈとトランジスタの間の電流経路内に配置されておらず、電流が流れる部分ではない。一方、これら延長部３６は、配線１０Ｌ，１０Ｈと電気的に接続されており、電位が加わる部分である。したがって、ｎ型入力アーム３０ａの延長部３６とｐ型入力アーム３０ｂの延長部３６がｙ軸方向に対向していると、これらの延長部３６の間に寄生の容量成分が発生する。これにより、隣接する延長部３６の間で構成されるコンデンサは、サージ電圧を吸収するスナバコンデンサとして機能する。
【００３４】
図５に、Ｕ相ユニット１５ＵとＶ相ユニット１５Ｖの一部を拡大した断面図を模式的に示す。図５に示されるように、トランジスタＴ３〜Ｔ６のそれぞれには、エミッタ用金属板６２とコレクタ用金属板６４とゲート用金属板６６が接続されている。これらの金属板６２，６４，６６には、一例では銅板が用いられる。図５に示されるように、Ｕ相ユニット１５Ｕを構成するトランジスタＴ３，Ｔ４では、エミッタ用金属板６２とコレクタ用金属板６４を結ぶ向きはｙ軸方向に沿って紙面下向きである。一方、Ｖ相ユニット１５Ｖを構成するトランジスタＴ５，Ｔ６では、エミッタ用金属板６２とコレクタ用金属板６４を結ぶ向きはｙ軸方向に沿って紙面上向きである。このように、隣接する単相ユニットのトランジスタの向きを逆向きにすることで、単相ユニットを一方向に積層したモジュールを構築することができる。
【００３５】
以下、本実施例のパワーモジュールの特徴を整理する。
（１）図２に示されるように、Ｕ相ユニット１５ＵとＶ相ユニット１５Ｖは、入力アーム３０ｂをｐ型入力アームとして共用している。Ｖ相ユニット１５ＶとＷ相ユニット１５Ｗは、入力アーム３０ｃをｎ型入力アームとして共用している。さらに、Ｗ相ユニット１５Ｗと昇圧コンバータ１３は、入力アーム３０ｄをｐ型入力アームとして共用している。このように、パワーモジュールは、隣接するユニット間で入力アームを共用することができるので、部品点数が削減され、小型化が実現される。
（２）従来のパワーモジュールは、３つの単相ユニットがセラミック製の絶縁性基板の上面に並べられた構成を備えている。さらに、フィンがその絶縁性基板の下面に取り付けられていることが多い。このような構成の場合、トランジスタで発生した熱は、絶縁性基板を超えてフィンまで伝熱する必要がある。しかしながら、一般的に、絶縁性基板は熱伝導率が低い。このため、従来のパワーモジュールでは、放熱能力を向上させるために、フィンが水冷用であることが多い。これにより、従来のパワーモジュールは大型化で重量が重いという問題がある。一方、図２に示されるように、本実施例のパワーモジュールでは、トランジスタで発生した熱を入力／出力アームを介してフィン４０まで伝熱させる。入力／出力アームは、導電性であり、トランジスタ接触部３２からフィン４０が設けられている延長部３６の間に絶縁物質が介在していない。このため、トランジスタで発生した熱を高効率でフィン４０まで伝熱させることができる。さらに、本実施例のパワーモジュールでは、入力／出力アームにヒートパイプが採用されており、極めて高効率に熱を伝熱させることができる。本実施例のパワーモジュールでは、空冷方式を採用したとしても、充分な冷却効果を得ることができる。これにより、パワーモジュールの小型化及び重量の低減が可能となる。
（３）図２に示されるように、本実施例のｐ型入力アームの延長部３６とｎ型入力アームの延長部３６は、ｙ軸方向に対向しており、スナバコンデンサを構成している。さらに、それらの延長部３６の表面には、空冷用のフィン４０が設けられているので、延長部３６の表面積は広い。これにより、スナバコンデンサの容量が大きくなり、サージ吸収能が高い。また、本実施例では、ｐ型入力アームとｎ型入力アームにフィン４０が設けられているので、ｐ型入力アームとｎ型入力アームの間にある程度の距離を確保しなければならない。一般的に、ｐ型入力アームとｎ型入力アームの間の距離が大きくなると、インダクタンス成分の相殺効果が低下し、結果として、インダクタンス成分が増加する。しかしながら、本実施例では、ｐ型入力アームとｎ型入力アームの延長部３６にフィン４０が選択的に設けられている。延長部３６は、電流経路外であることから、この延長部３６間の距離が大きくなっても、インダクタンス成分の増加は抑制される。また、本実施例では、電流経路を配線接続部３４で分岐させることにより、図４に示されるように、高圧側配線１０Ｈと低圧側配線１０Ｌを近接させた形態が実現されている。これにより、本実施例のパワーモジュールは、インダクタンス成分が相殺され、極めて高いサージ耐圧を有する。
【００３６】
本実施例に係る技術は、次のようなパワーモジュールにも適用することができる。
（４）本実施例では、１つの交流モータ１６を駆動するパワーモジュールを例示した。この例に代えて、本実施例に係る技術は、２つの交流モータ１６を駆動するパワーモジュールに適用することができる。この場合、本実施例のパワーモジュールにおいて、ｙ軸方向にさらに３つの単相ユニットを積層させればよい。この場合も、隣接する単相ユニットの間で入力アームを共用することができるので、部品点数が削減され、小型化が実現される。
（５）本実施例では、３相インバータを有するパワーモジュールを例示した。この例に代えて、本実施例に係る技術は、２相インバータを有するパワーモジュールに適用することができる。この場合でも、隣接する単相ユニットの間で入力アームを共用することができるので、部品点数が削減され、小型化が実現される。
（６）本実施例では、昇圧コンバータ１３とインバータ１５が一体化されたパワーモジュールを例示した。この例に代えて、本実施例に係る技術は、昇圧コンバータ１３とインバータ１５が別体のパワーモジュールに適用することができる。例えば、昇圧コンバータが２並列の場合、同様にユニットを積層させることで、入力アームを共用することができるので、部品点数が削減され、小型化が実現される。
（７）本実施例では、入力／出力アームがヒートパイプの場合を例示した。本実施例に係る技術では、入力／出力アームは、導電性を有するとともに高熱伝導率であればよく、その材料又は構成は特に限定されない。例えば、入力／出力アームは、金属板であってもよく、この場合、銅、アルミニウム等の材料を用いることができる。また、この例に代えて、入力／出力アームは、導電性及び熱伝導性に異方性を有するグラファイトを用いてもよい。
（８）本実施例では、中間接続部２１，Ｉｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３が出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉの付け根に接続されている。この例に代えて、中間接続部２１，Ｉｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３は、出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉの先端に接続されていてもよい。
【００３７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３８】
１０：電力変換装置
１０Ｈ：高圧側配線
１０Ｌ：低圧側配線
１１：直流電源
１２：リアクトル
１３：昇圧コンバータ
１４：コンデンサ
１５：インバータ
１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗ：単相ユニット
１６：交流モータ
２２，２４，２６，２８：高圧側配線分岐接続部
２３，２５，２７，２９：低圧側配線分岐接続部
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ：入力アーム
３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ：出力アーム
３０ｉ：リアクトル接続用アーム
３２：トランジスタ接触部
３４：配線接続部
３６：延長部
４０：フィン
Ｄ１−Ｄ８：還流ダイオード
Ｔ１−Ｔ８：トランジスタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源と負荷の間に設けられている電力変換装置に関する。本発明は特に、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置、電圧値を変換する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ハイブリッド車両又は電気車両に搭載されるモータを駆動するために、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置の開発が進められている。この種の電力変換装置は、直流電源の正極性側に接続される高圧側配線と直流電源の負極性側に接続される低圧側配線の間に設けられているインバータ回路を備えている。
【０００３】
この種の電力変換装置のインバータ回路は、３つの単相ユニット（Ｕ相ユニットとＶ相ユニットとＷ相ユニット）で構成されていることが多い。例えば、特許文献１には、この種のインバータ回路で用いられる単相ユニットの一例が開示されている。一般的に、単相ユニットは、一対の入力アームと、その一対の入力アームの間に直列に接続されている一対のトランジスタと、一対のトランジスタの間に接続されている出力アームとを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、３つの単相ユニットは、絶縁性基板の上面に並べられ、モジュールを構成している。この種のモジュールでは、小型化及び重量の低減化が可能な新規な形態の開発が望まれている。本明細書は、電力変換装置の小型化及び重量の低減化が可能な技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書で開示される技術は、異なる単相ユニットの間で入力アームを共用させることを特徴としている。従来技術では、単相ユニット毎に２つの固有の入力アームと1つの出力アームを必要としている。本明細書で開示される技術を用いると、異なる単相ユニットの間で入力アームを共用させることができるので、電力変換装置の小型化及び重量の低減化が可能となる。
【０００７】
すなわち、本明細書で開示される技術は、電源の一方の極性に接続される第１配線と電源の他方の極性に接続される第２配線の間に接続されている電力変換装置に具現化される。電力変換装置は、第１入力アームと第２入力アームと第３入力アームと第１出力アームと第２出力アームと第１トランジスタと第２トランジスタと第３トランジスタと第４トランジスタとを備えている。第１入力アーム、第１トランジスタ、第１出力アーム、第２トランジスタ、第２入力アーム、第３トランジスタ、第２出力アーム、第４トランジスタ、第３入力アームがこの順で積層方向に積層している。第１入力アームと第３入力アームは、第１配線に接続されている。第２入力アームは、第２配線に接続されている。第１トランジスタ、第２トランジスタ、第３トランジスタ及び第４トランジスタのそれぞれは、高圧側主電極と低圧側主電極を有している。第１トランジスタ及び第２トランジスタにおける高圧側主電極から低圧側主電極を結ぶ向きは、第３トランジスタ及び第４トランジスタにおける高圧側主電極から低圧側主電極を結ぶ向きと逆である。例えば、第１トランジスタ及び第２トランジスタにおける高圧側主電極から低圧側主電極を結ぶ向きが前記積層方向において上向きであれば、第３トランジスタ及び第４トランジスタにおける高圧側主電極から低圧側主電極を結ぶ向きは前記積層方向において下向きである。
【０００８】
上記電力変換装置では、第１入力アームと第２入力アームと第１出力アームが１つの単相ユニットを構成している。さらに、上記電力変換装置では、第２入力アームと第３入力アームと第２出力アームが１つの単相ユニットを構成している。すなわち、第２入力アームは、それぞれの単相ユニットで共用されていることを特徴としている。これにより、上記電力変換装置では、省スペース化及び重量の低減化が可能となる。
【０００９】
上記電力変換装置では、第１入力アームが、第１トランジスタと接触する第１トランジスタ接触部と、第１延長部と、第１トランジスタ接触部と第１延長部の間に設けられているとともに第１配線と電気的に接続する第１配線接続部とを有しているのが望ましい。さらに、上記電力変換装置では、第２入力アームが、第２トランジスタと接触する第２トランジスタ接触部と、第２延長部と、第２トランジスタ接触部と第２延長部の間に設けられているとともに第２配線と電気的に接続する第２配線接続部とを有しているのが望ましい。この場合、第１延長部と第２延長部が対向しているのが望ましい。第１入力アームでは、第１トランジスタと第１配線の間を流れる電流は、第１トランジスタ接触部と第１配線接続部を介して流れる。このため、第１入力アームの第１延長部は、電流が流れる部分ではない。また、第２入力アームでも、第２トランジスタと第２配線の間を流れる電流は、第２トランジスタ接触部と第２配線接続部を介して流れる。このため、第２入力アームの第２延長部も、電流が流れる部分ではない。しかしながら、第１延長部と第２延長部はいずれも、電位が加わる部位である。この第１延長部と第２延長部が対向するように配置されていると、第１延長部と第２延長部の間に寄生の容量成分が発生する。これにより、第１延長部と第２延長部で構成されるコンデンサは、サージ電圧を吸収するスナバコンデンサとして機能する。
【００１０】
上記電力変換装置では、第１延長部と第２延長部の少なくともいずれか一方にフィンが設けられているのが望ましい。この態様によると、トランジスタで発生した熱を入力アームによって伝熱させ、フィンによって放熱させることができる。水冷用の冷却装置を用いなくても、空冷によってトランジスタで発生した熱を放熱させることができる。
【００１１】
上記電力変換装置では、第３入力アームが、第４トランジスタと接触する第３トランジスタ接触部と、第３延長部と、第３トランジスタ接触部と第３延長部の間に設けられているとともに第１配線と電気的に接続する第３配線接続部とを有しているのが望ましい。この場合、第２延長部と第３延長部が対向しているのが望ましい。この態様によると、第２延長部と第３延長部の間にも寄生の容量成分が存在し、この第２延長部と第３延長部で構成されるコンデンサも、サージ電圧を吸収するスナバコンデンサとして機能することができる。上記電力変換装置では、第１入力アームと第２入力アームと第３入力アームが積層方向に積層した構成を採用したことにより、少ないスペースで複数のスナバコンデンサを構築することができる。
【００１２】
上記電力変換装置では、第１入力アームと第２入力アームと第３入力アームが、積層方向に直交する方向に伸びているのが望ましい。さらに、上記電力変換装置では、第１出力アームと第２出力アームも、積層方向に直交する方向に伸びているのが望ましい。この場合、積層方向から観測したときに、第１入力アームと第２入力アームと第３入力アームは、第１出力アームと第２出力アームと重複しないのが望ましい。この態様によると、入力アームと出力アームの間に寄生の静電容量が発生しない。これにより、入力アームと出力アームの間に不要な共振回路が生じないので、高周波電流によるリーク電流が流れることが抑制される。
【００１３】
上記電力変換装置では、フィンの表面に絶縁膜が被覆されているのが望ましい。絶縁性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書で開示される技術によると、異なる単相ユニットの間で入力アームを共用させることができ、電力変換装置の小型化及び重量の低減化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電力変換装置の回路図の概略を示す。
【図２】昇圧コンバータとインバータが一体化したパワーモジュールの側面図を模式的に示す。
【図３】Ｕ相ユニットの一部を拡大した分解斜視図を示す。
【図４】アームの延長部の断面図を模式的に示す。
【図５】Ｕ相ユニットとＶ相ユニットの一部を拡大した断面図を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本明細書で開示される技術を整理しておく。
（第１特徴） パワーモジュールは、複数の単相ユニットを備えている。単相ユニットは、一対の入力アームと、その一対の入力アームの間に直列に接続されている一対のトランジスタと、一対のトランジスタの間に接続されている出力アームとを備えている。単相ユニットは、積層方向（トランジスタ素子の面に垂直な方向）に沿って積層している。積層方向に隣接する単相ユニットでは、入力アームを共用している。
（第２特徴） 第１特徴において、パワーモジュールは、昇圧コンバータをさらに備えている。昇圧コンバータは、積層方向において、少なくとも１つの単相ユニットに隣接している。昇圧コンバータは、一対の入力アームと、その一対の入力アームの間に直列に接続されている一対のトランジスタと、一対のトランジスタの間に接続されているリアクトル接続用アームとを備えている。昇圧コンバータと単相ユニットの間で、入力アームが共用されている。
（第３特徴） 第１特徴において、入力アームには空冷用のフィンが設けられている。
（第４特徴） 第１特徴において、出力アームには空冷用のフィンが設けられている。
【実施例１】
【００１７】
図１に、電力変換装置１０の回路図の概略を示す。電力変換装置１０は、直流電源１１と交流モータ１６の間に設けられており、直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を交流モータ１６に供給する。電力変換装置１０は、昇圧コンバータ１３と、コンデンサ１４と、インバータ１５を備えている。直流電源１１と昇圧コンバータ１３の間には、リアクトル１２が接続されている。
【００１８】
昇圧コンバータ１３は、直流電源１１の正極性に接続される高圧側配線１０Ｈと直流電源１１の負極性に接続される低圧側配線１０Ｌの間に設けられており、一対の縦型のトランジスタＴ１，Ｔ２と、一対の縦型の還流ダイオードＤ１，Ｄ２を有している。一例では、トランジスタＴ１，Ｔ２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。なお、トランジスタＴ１，Ｔ２には、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor）又は他のパワーデバイスを用いることができる。還流ダイオードＤ１，Ｄ２は、ＩＧＢＴとは別の外付け型の素子でもよく、ＩＧＢＴ内に組み込まれた一体型の素子でもよい。本実施例では、還流ダイオードがＩＧＢＴ内に組み込みこまれた一体型の素子の場合を例示する。図１に示されるように、第１トランジスタＴ１では、コレクタが高圧側配線分岐接続部２２を介して高圧側配線１０Ｈに接続されており、エミッタが中間接続部２１を介して第２トランジスタＴ２のコレクタに接続されている。第２トランジスタＴ２では、エミッタが低圧側配線分岐接続部２３を介して低圧側配線１０Ｌに接続されている。中間接続部２１は、リアクトル１２に接続されている。第１ダイオードＤ１は、第１トランジスタＴ１に並列に接続されており、カソードが第１トランジスタＴ１のコレクタに接続されており、アノードが第１トランジスタＴ１のエミッタに接続されている。第２ダイオードＤ２は、第２トランジスタＴ２に並列に接続されており、カソードが第２トランジスタＴ２のコレクタに接続されており、アノードが第２トランジスタＴ２のエミッタに接続されている。
【００１９】
昇圧コンバータ１３は、直流電源１１から供給された直流電圧を昇圧してコンデンサ１４に供給する。また、昇圧コンバータ１３は、コンデンサ１４を介してインバータ１５から供給された直流電圧を降圧して直流電源１１に供給することもできる。コンデンサ１４は、昇圧コンバータ１３から出力された直流電圧を平滑化し、平滑化した直流電圧をインバータ１５に供給する。なお、例示されている昇圧コンバータ１３は、一対のトランジスタＴ１，Ｔ２と一対の還流ダイオードＤ１，Ｄ２で構成されているが、これらの構成の複数個が高圧側配線１０Ｈと低圧側配線１０Ｌの間に並列に接続されていてもよい。
【００２０】
インバータ１５は、３相インバータであり、Ｕ相ユニット１５Ｕと、Ｖ相ユニット１５Ｖと、Ｗ相ユニット１５Ｗを備えている。Ｕ相ユニット１５Ｕ、Ｖ相ユニット１５Ｖ及びＷ相ユニット１５Ｗは、高圧側配線１０Ｈと低圧側配線１０Ｌの間に並列に設けられている。
【００２１】
Ｕ相ユニット１５Ｕは、一対の縦型のトランジスタＴ３，Ｔ４と、一対の縦型の還流ダイオードＤ３，Ｄ４を有している。一例では、トランジスタＴ３，Ｔ４は、ＩＧＢＴである。トランジスタＴ３，Ｔ４には、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ又は他のパワーデバイスを用いることができる。還流ダイオードＤ３，Ｄ４は、ＩＧＢＴとは別の外付け型の素子でもよく、ＩＧＢＴ内に組み込まれている一体型の素子でもよい。本実施例では、還流ダイオードＤ３，Ｄ４がＩＧＢＴ内に組み込まれた一体型の素子の場合を例示する。図１に示されるように、第３トランジスタＴ３では、コレクタが高圧側配線分岐接続部２４を介して高圧側配線１０Ｈに接続されており、エミッタが中間接続部Ｉｎ１を介して第４トランジスタＴ４のコレクタに接続されている。第４トランジスタＴ４では、エミッタが低圧側配線分岐接続部２５を介して低圧側配線１０Ｌに接続されている。第３ダイオードＤ３は、第３トランジスタＴ３に並列に接続されており、カソードが第３トランジスタＴ３のコレクタに接続されており、アノードが第３トランジスタＴ３のエミッタに接続されている。第４ダイオードＤ４は、第４トランジスタＴ４に並列に接続されており、カソードが第４トランジスタＴ４のコレクタに接続されており、アノードが第４トランジスタＴ４のエミッタに接続されている。なお、Ｖ相ユニット１５Ｖ及びＷ相ユニット１５Ｗは、Ｕ相ユニット１５Ｕと共通の構成を有しているので、それらの説明を省略する。
【００２２】
各単相ユニット１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗの中間接続部Ｉｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３は、交流モータ１６の各相コイルの各相端に接続されている。一例では、交流モータ１６は、３相の永久磁石モータである。交流モータ１６では、Ｕ相コイルの一端とＶ相コイルの一端とＷ相コイルの一端が接続されている。さらに、交流モータ１６では、Ｕ相コイルの他端がＵ相ユニット１５Ｕの中間接続部Ｉｎ１に接続されており、Ｖ相コイルの他端がＶ相ユニット１５Ｖの中間接続部Ｉｎ２に接続されており、Ｗ相コイルの他端がＷ相ユニット１５Ｗの中間接続部Ｉｎ３に接続されている。
【００２３】
次に、電力変換装置１０のうちの昇圧コンバータ１３とインバータ１５が一体化したパワーモジュールを説明する。図２に、このパワーモジュールの側面図を模式的に示す。図２に示されるように、パワーモジュールは、複数の入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅと、複数の出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈと、リアクトル接続用アーム３０ｉと、複数のトランジスタＴ１〜Ｔ８を備えている。ここで、入力アーム３０ａ，３０ｃ，３０ｅは、低圧側配線分岐接続部２３，２５，２７，２９を介して低圧側配線１０Ｌに接続されており、ｎ型入力アームともいう。入力アーム３０ｂ，３０ｄは、高圧側配線分岐接続部２２，２４，２６，２８を介して高圧側配線１０Ｈに接続されており、ｐ型入力アームともいう。また、出力アーム３０ｆはＵ相出力アームともいい、出力アーム３０ｇはＶ相出力アームともいい、出力アーム３０ｈはＷ相出力アームともいう。各アームは、導電性の材料で形成されている。後述するように、各アームは、一例では材料がアルミニウムの平板状であり、内部に冷媒が充填された空洞が形成されている。
【００２４】
ｎ型入力アーム３０ａとｐ型入力アーム３０ｂとＵ相出力アーム３０ｆとトランジスタＴ３，Ｔ４は、Ｕ相ユニット１５Ｕを構成している。ｐ型入力アーム３０ｂとｎ型入力アーム３０ｃとＶ相出力アーム３０ｇとトランジスタＴ５，Ｔ６は、Ｖ相ユニット１５Ｖを構成している。ｎ型入力アーム３０ｃとｐ型入力アーム３０ｄとＷ相出力アーム３０ｈとトランジスタＴ７，Ｔ８は、Ｗ相ユニット１５Ｗを構成している。ｐ型入力アーム３０ｄとｎ型入力アーム３０ｅとリアクトル接続用アーム３０ｉとトランジスタＴ１，Ｔ２は、昇圧コンバータ１３を構成している。すなわち、Ｕ相ユニット１５ＵとＶ相ユニット１５ＶとＷ相ユニット１５Ｗと昇圧コンバータ１３は、ｙ軸方向に沿って積層している。
【００２５】
図２に示されるように、各アームはいずれも、ｘ軸方向に伸びた平板状であり、ｙ軸方向から観測すると（平面視すると）矩形状である。隣接するアームの間には、樹脂製の絶縁板５０が設けられているのが望ましい。入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅは、トランジスタＴ１〜Ｔ８の積層位置から紙面右向きに伸びている。一方、出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉは、トランジスタＴ１〜Ｔ８の積層位置から紙面左向きに伸びている。このため、入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅは、ｙ軸方向に観測したときに、出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉと重複していない。
【００２６】
入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅでは、隣接するアームがｙ軸方向に対向している。すなわち、入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅは、ｙ軸方向に観測したときに重複している。出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈとリアクトル接続用アーム３０ｉも、隣接するアームがｙ軸方向に対向している。すなわち、出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉは、ｙ軸方向に観測したときに重複している。なお、これは一例であり、入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅは、ｙ軸方向以外の方向に対向していてもよい。同様に、出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉも、ｙ軸方向以外の方向に対向していてもよい。
【００２７】
この例では、入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅがトランジスタＴ１〜Ｔ８の積層位置から紙面右向きに伸びており、出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉがトランジスタＴ１〜Ｔ８の積層位置から紙面左向きに伸びている。この例に代えて、全てのアームがトランジスタＴ１〜Ｔ８の積層位置から同じ向きに伸びていてもよい。ただし、ｙ軸方向から観測したときに、入力アーム３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅが重複する位置と、出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉが重複する位置がオフセットされているのが望ましい。
【００２８】
各アームの形態は、必要に応じて、非共通の形態でもよく、共通の形態でもよい。本実施例では、各アームの形態は、実質的に共通の形態である。以下、ｎ型入力アーム３０ａを例にして、その形態を説明する。
【００２９】
図２に示されるように、ｎ型入力アーム３０ａは、トランジスタＴ４と接触するトランジスタ接触部３２と、低圧側配線分岐接続部２５を介して低圧側配線１０Ｌと電気的に接続する配線接続部３４と、空冷用のフィン４０が設けられている延長部３６を有している。配線接続部３４は、トランジスタ接触部３２と延長部３６の間に設けられている。図２に示されるように、延長部３６は、一端３６ａが配線接続部３４に接続されており、端部３６ｂは空間に浮いている。即ち、延長部３６の端部３６ｂは、他の部材から電気的に絶縁されているので、延長部３６には電流が流れない。このため、低圧側配線分岐接続部２５とトランジスタＴ４の間の電流経路は、トランジスタ接触部３２と配線接続部３４で構築されており、延長部３６は電流経路から外れている。なお、この例では、延長部３６の端部３６ｂが空間に浮いているが、絶縁性の他の部材で支持されていてもよい。
【００３０】
図３に、ｎ型入力アーム３０ａの延長部３６の断面図を模式的に示す。図３に示されるように、ｎ型入力アーム３０ａは、アルミニウム製又は銅製のボディ部３１と、そのボディ部３１で取囲まれた空洞３３を備えている。空洞３３には、材料がブタン、エタノール又は水の冷媒が充填されている。空洞３３は、配線接続部３４を超えてトランジスタ接触部３２にまで伸びている。このため、動作中にトランジスタが高温になると、トランジスタ接触部３２に存在する冷媒と延長部３６に存在する冷媒の間に温度差が生じ、冷媒が自励振動し、トランジスタで発生した熱をトランジスタ接触部３２から配線接続部３４を超えて延長部３６にまで高効率に伝熱することができる。
【００３１】
図３に示されるように、延長部３６の両面に設けられたフィン４０は、材料がアルミニウム又は銅のボディ部４２と、そのボディ部４２を被覆する材料がＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の絶縁部４４を備えている。絶縁部４４は、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）技術を利用して、ボディ部４２の表面に被膜させることができる。また、絶縁部４４は、テフロン（登録商標）等の有機膜でもよい。この場合、絶縁部４４は、塗布又はスプレー技術を利用して、ボディ部４２の表面に被膜させることができる。一例では、フィン４０は、はんだ技術、ろう付け技術、接着材又は他の適切な手法を用いて、延長部３６の表面に固定されている。この例に代えて、延長部３６の表面を加工することによって、フィンを形成することもできる。
【００３２】
図４に、Ｕ相ユニット１５Ｕの一部を拡大した分解斜視図を示す。図４に示されるように、ｎ型入力アーム３０ａの配線接続部３４は、トランジスタ接触部３２と延長部３６の間に位置しており、低圧側配線分岐接続部２５を介して低圧側配線１０Ｌに電気的に接続している。また、ｐ型入力アーム３０ｂの配線接続部３４も、トランジスタ接触部３２と延長部３６の間に位置しており、高圧側配線分岐接続部２４，２６を介して高圧側配線１０Ｈに電気的に接続している。図４に示されるように、低圧側配線１０Ｌと高圧側配線１０Ｈは、ｙ軸方向に沿って伸びており、ｚ軸方向で対向している。これにより、低圧側配線１０Ｌと高圧側配線１０Ｈに寄生するインダクタンス成分が相殺される。
【００３３】
図４に示されるように、ｎ型入力アーム３０ａとｐ型入力アーム３０ｂの延長部３６は、ｙ軸方向に対向している。これらの延長部３６は、配線１０Ｌ，１０Ｈとトランジスタの間の電流経路内に配置されておらず、電流が流れる部分ではない。一方、これら延長部３６は、配線１０Ｌ，１０Ｈと電気的に接続されており、電位が加わる部分である。したがって、ｎ型入力アーム３０ａの延長部３６とｐ型入力アーム３０ｂの延長部３６がｙ軸方向に対向していると、これらの延長部３６の間に寄生の容量成分が発生する。これにより、隣接する延長部３６の間で構成されるコンデンサは、サージ電圧を吸収するスナバコンデンサとして機能する。
【００３４】
図５に、Ｕ相ユニット１５ＵとＶ相ユニット１５Ｖの一部を拡大した断面図を模式的に示す。図５に示されるように、トランジスタＴ３〜Ｔ６のそれぞれには、エミッタ用金属板６２とコレクタ用金属板６４とゲート用金属板６６が接続されている。これらの金属板６２，６４，６６には、一例では銅板が用いられる。図５に示されるように、Ｕ相ユニット１５Ｕを構成するトランジスタＴ３，Ｔ４では、エミッタ用金属板６２とコレクタ用金属板６４を結ぶ向きはｙ軸方向に沿って紙面下向きである。一方、Ｖ相ユニット１５Ｖを構成するトランジスタＴ５，Ｔ６では、エミッタ用金属板６２とコレクタ用金属板６４を結ぶ向きはｙ軸方向に沿って紙面上向きである。このように、隣接する単相ユニットのトランジスタの向きを逆向きにすることで、単相ユニットを一方向に積層したモジュールを構築することができる。
【００３５】
以下、本実施例のパワーモジュールの特徴を整理する。
（１）図２に示されるように、Ｕ相ユニット１５ＵとＶ相ユニット１５Ｖは、入力アーム３０ｂをｐ型入力アームとして共用している。Ｖ相ユニット１５ＶとＷ相ユニット１５Ｗは、入力アーム３０ｃをｎ型入力アームとして共用している。さらに、Ｗ相ユニット１５Ｗと昇圧コンバータ１３は、入力アーム３０ｄをｐ型入力アームとして共用している。このように、パワーモジュールは、隣接するユニット間で入力アームを共用することができるので、部品点数が削減され、小型化が実現される。
（２）従来のパワーモジュールは、３つの単相ユニットがセラミック製の絶縁性基板の上面に並べられた構成を備えている。さらに、フィンがその絶縁性基板の下面に取り付けられていることが多い。このような構成の場合、トランジスタで発生した熱は、絶縁性基板を超えてフィンまで伝熱する必要がある。しかしながら、一般的に、絶縁性基板は熱伝導率が低い。このため、従来のパワーモジュールでは、放熱能力を向上させるために、フィンが水冷用であることが多い。これにより、従来のパワーモジュールは大型化で重量が重いという問題がある。一方、図２に示されるように、本実施例のパワーモジュールでは、トランジスタで発生した熱を入力／出力アームを介してフィン４０まで伝熱させる。入力／出力アームは、導電性であり、トランジスタ接触部３２からフィン４０が設けられている延長部３６の間に絶縁物質が介在していない。このため、トランジスタで発生した熱を高効率でフィン４０まで伝熱させることができる。さらに、本実施例のパワーモジュールでは、入力／出力アームにヒートパイプが採用されており、極めて高効率に熱を伝熱させることができる。本実施例のパワーモジュールでは、空冷方式を採用したとしても、充分な冷却効果を得ることができる。これにより、パワーモジュールの小型化及び重量の低減が可能となる。
（３）図２に示されるように、本実施例のｐ型入力アームの延長部３６とｎ型入力アームの延長部３６は、ｙ軸方向に対向しており、スナバコンデンサを構成している。さらに、それらの延長部３６の表面には、空冷用のフィン４０が設けられているので、延長部３６の表面積は広い。これにより、スナバコンデンサの容量が大きくなり、サージ吸収能が高い。また、本実施例では、ｐ型入力アームとｎ型入力アームにフィン４０が設けられているので、ｐ型入力アームとｎ型入力アームの間にある程度の距離を確保しなければならない。一般的に、ｐ型入力アームとｎ型入力アームの間の距離が大きくなると、インダクタンス成分の相殺効果が低下し、結果として、インダクタンス成分が増加する。しかしながら、本実施例では、ｐ型入力アームとｎ型入力アームの延長部３６にフィン４０が選択的に設けられている。延長部３６は、電流経路外であることから、この延長部３６間の距離が大きくなっても、インダクタンス成分の増加は抑制される。また、本実施例では、電流経路を配線接続部３４で分岐させることにより、図４に示されるように、高圧側配線１０Ｈと低圧側配線１０Ｌを近接させた形態が実現されている。これにより、本実施例のパワーモジュールは、インダクタンス成分が相殺され、極めて高いサージ耐圧を有する。
【００３６】
本実施例に係る技術は、次のようなパワーモジュールにも適用することができる。
（４）本実施例では、１つの交流モータ１６を駆動するパワーモジュールを例示した。この例に代えて、本実施例に係る技術は、２つの交流モータ１６を駆動するパワーモジュールに適用することができる。この場合、本実施例のパワーモジュールにおいて、ｙ軸方向にさらに３つの単相ユニットを積層させればよい。この場合も、隣接する単相ユニットの間で入力アームを共用することができるので、部品点数が削減され、小型化が実現される。
（５）本実施例では、３相インバータを有するパワーモジュールを例示した。この例に代えて、本実施例に係る技術は、２相インバータを有するパワーモジュールに適用することができる。この場合でも、隣接する単相ユニットの間で入力アームを共用することができるので、部品点数が削減され、小型化が実現される。
（６）本実施例では、昇圧コンバータ１３とインバータ１５が一体化されたパワーモジュールを例示した。この例に代えて、本実施例に係る技術は、昇圧コンバータ１３とインバータ１５が別体のパワーモジュールに適用することができる。例えば、昇圧コンバータが２並列の場合、同様にユニットを積層させることで、入力アームを共用することができるので、部品点数が削減され、小型化が実現される。
（７）本実施例では、入力／出力アームがヒートパイプの場合を例示した。本実施例に係る技術では、入力／出力アームは、導電性を有するとともに高熱伝導率であればよく、その材料又は構成は特に限定されない。例えば、入力／出力アームは、金属板であってもよく、この場合、銅、アルミニウム等の材料を用いることができる。また、この例に代えて、入力／出力アームは、導電性及び熱伝導性に異方性を有するグラファイトを用いてもよい。
（８）本実施例では、中間接続部２１，Ｉｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３が出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉの付け根に接続されている。この例に代えて、中間接続部２１，Ｉｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３は、出力アーム３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ及びリアクトル接続用アーム３０ｉの先端に接続されていてもよい。
【００３７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３８】
１０：電力変換装置
１０Ｈ：高圧側配線
１０Ｌ：低圧側配線
１１：直流電源
１２：リアクトル
１３：昇圧コンバータ
１４：コンデンサ
１５：インバータ
１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗ：単相ユニット
１６：交流モータ
２２，２４，２６，２８：高圧側配線分岐接続部
２３，２５，２７，２９：低圧側配線分岐接続部
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ：入力アーム
３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ：出力アーム
３０ｉ：リアクトル接続用アーム
３２：トランジスタ接触部
３４：配線接続部
３６：延長部
４０：フィン
Ｄ１−Ｄ８：還流ダイオード
Ｔ１−Ｔ８：トランジスタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源の一方の極性に接続される第１配線と電源の他方の極性に接続される第２配線の間に接続されている電力変換装置であって、
第１入力アームと第２入力アームと第３入力アームと第１出力アームと第２出力アームと第１トランジスタと第２トランジスタと第３トランジスタと第４トランジスタとを備えており、
第１入力アーム、第１トランジスタ、第１出力アーム、第２トランジスタ、第２入力アーム、第３トランジスタ、第２出力アーム、第４トランジスタ、第３入力アームがこの順で積層方向に積層しており、
第１入力アームと第３入力アームが前記第１配線に接続されており、第２入力アームが前記第２配線に接続されており、
第１トランジスタ、第２トランジスタ、第３トランジスタ及び第４トランジスタのそれぞれは、高圧側主電極と低圧側主電極を有しており、
第１トランジスタ及び第２トランジスタにおける高圧側主電極から低圧側主電極を結ぶ向きは、第３トランジスタ及び第４トランジスタにおける高圧側主電極から低圧側主電極を結ぶ向きと逆である電力変換装置。
【請求項２】
第１入力アームは、第１トランジスタと接触する第１トランジスタ接触部と、第１延長部と、前記第１トランジスタ接触部と前記第１延長部の間に設けられているとともに前記第１配線と電気的に接続する第１配線接続部とを有しており、
第２入力アームは、第２トランジスタと接触する第２トランジスタ接触部と、第２延長部と、前記第２トランジスタ接触部と前記第２延長部の間に設けられているとともに前記第２配線と電気的に接続する第２配線接続部とを有しており、
前記第１延長部と前記第２延長部が対向している請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１延長部と前記第２延長部の少なくともいずれか一方にフィンが設けられている請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
第３入力アームは、第４トランジスタと接触する第３トランジスタ接触部と、第３延長部と、前記第３トランジスタ接触部と前記第３延長部の間に設けられているとともに前記第１配線と電気的に接続する第３配線接続部とを有しており、
前記第２延長部と前記第３延長部が対向している請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
第１入力アームと第２入力アームと第３入力アームは、前記積層方向に直交する方向に伸びており、
第１出力アームと第２出力アームは、前記積層方向に直交する方向に伸びており、
前記積層方向から観測したときに、第１入力アームと第２入力アームと第３入力アームは、第１出力アームと第２出力アームと重複しない請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記フィンの表面に絶縁膜が被覆されている請求項３〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１】
電源の一方の極性に接続される第１配線と電源の他方の極性に接続される第２配線の間に接続されている電力変換装置であって、
第１入力アームと第２入力アームと第３入力アームと第１出力アームと第２出力アームと第１トランジスタと第２トランジスタと第３トランジスタと第４トランジスタとを備えており、
第１入力アーム、第１トランジスタ、第１出力アーム、第２トランジスタ、第２入力アーム、第３トランジスタ、第２出力アーム、第４トランジスタ、第３入力アームがこの順で積層方向に積層しており、
第１入力アームと第３入力アームが前記第１配線に接続されており、第２入力アームが前記第２配線に接続されており、
第１トランジスタ、第２トランジスタ、第３トランジスタ及び第４トランジスタのそれぞれは、高圧側主電極と低圧側主電極を有しており、
第１トランジスタ及び第２トランジスタにおける高圧側主電極から低圧側主電極を結ぶ向きは、第３トランジスタ及び第４トランジスタにおける高圧側主電極から低圧側主電極を結ぶ向きと逆である電力変換装置。
【請求項２】
第１入力アームは、第１トランジスタと接触する第１トランジスタ接触部と、第１延長部と、前記第１トランジスタ接触部と前記第１延長部の間に設けられているとともに前記第１配線と電気的に接続する第１配線接続部とを有しており、
第２入力アームは、第２トランジスタと接触する第２トランジスタ接触部と、第２延長部と、前記第２トランジスタ接触部と前記第２延長部の間に設けられているとともに前記第２配線と電気的に接続する第２配線接続部とを有しており、
前記第１延長部と前記第２延長部が対向している請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１延長部と前記第２延長部の少なくともいずれか一方にフィンが設けられている請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
第３入力アームは、第４トランジスタと接触する第３トランジスタ接触部と、第３延長部と、前記第３トランジスタ接触部と前記第３延長部の間に設けられているとともに前記第１配線と電気的に接続する第３配線接続部とを有しており、
前記第２延長部と前記第３延長部が対向している請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
第１入力アームと第２入力アームと第３入力アームは、前記積層方向に直交する方向に伸びており、
第１出力アームと第２出力アームは、前記積層方向に直交する方向に伸びており、
前記積層方向から観測したときに、第１入力アームと第２入力アームと第３入力アームは、第１出力アームと第２出力アームと重複しない請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記フィンの表面に絶縁膜が被覆されている請求項３〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１２５１５１（Ｐ２０１１−１２５１５１Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８１３１１（Ｐ２００９−２８１３１１）
【出願日】平成２１年１２月１１日（２００９．１２．１１）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１１日（２００９．１２．１１）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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