特許 6409027 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6409027

(24)【登録日】2018年9月28日

(45)【発行日】2018年10月17日

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20181004BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20181004BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 Z

   H02M3/155 Y

【請求項の数】5

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-135233(P2016-135233)

(22)【出願日】2016年7月7日

(65)【公開番号】特開2018-7506(P2018-7506A)

(43)【公開日】2018年1月11日

【審査請求日】2017年7月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】西部 祐司

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 康善

(72)【発明者】

【氏名】和田 賢介

(72)【発明者】

【氏名】三浦 進一

(72)【発明者】

【氏名】吉田 忠史

(72)【発明者】

【氏名】長尾 雅行

(72)【発明者】

【氏名】村上 義信

(72)【発明者】

【氏名】川島 朋裕

【審査官】 麻生 哲朗

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１４９８２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１７４７８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０５４１１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１０６５０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｍ ３／１５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高電位側の端子と低電位側の端子との間に直列に接続された第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子、第１スイッチング素子と逆並列に接続された第１整流素子、第２スイッチング素子と逆並列に接続された第２整流素子を含み、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の中点に接続された出力端子が電池の高電位側に接続され、前記低電位側の端子が前記電池の低電位側に接続された半導体モジュールと、
前記出力端子と前記低電位側の端子との間に直列に接続された第１容量素子及び第２容量素子を含み、前記第１容量素子及び前記第２容量素子の中点の電位が、モールド樹脂により封止された状態の前記半導体モジュールが絶縁板を介して設けられた冷却器と同電位である調整部と、
を含むコンバータ回路を備えた電力変換装置。

【請求項2】

前記冷却器は、前記半導体モジュールの両面に絶縁板を介して設けられている、
請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記第１容量素子の容量及び前記第２容量素子の容量が異なっている、
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

高電位側の端子と低電位側の端子との間に直列に接続された第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子、第１スイッチング素子と逆並列に接続された第１整流素子、第２スイッチング素子と逆並列に接続された第２整流素子を含み、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の中点に接続された出力端子が、第１電池及び第２電池が直列に接続された電源部の高電位側に接続され、前記低電位側の端子が前記電源部の低電位側に接続された第１半導体モジュールを含むコンバータ回路と、
高電位側の端子と低電位側の端子との間に直列に接続された第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子、第３スイッチング素子と逆並列に接続された第３整流素子、第４スイッチング素子と逆並列に接続された第４整流素子を含み、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子の中点に接続された出力端子がモータに接続された第２半導体モジュールを複数含むインバータ回路と、
モールド樹脂により封止された状態の前記第１半導体モジュール及び前記第２半導体モジュール毎に絶縁板を介して設けられ、前記電源部の前記第１電池及び前記第２電池の中点の電位と同電位である複数の冷却器と、
を備えた電力変換装置。

【請求項5】

前記冷却器は、モールド樹脂により封止された状態の前記第１半導体モジュール及び前記第２半導体モジュールの両面に絶縁板を介して設けられている、
請求項４に記載の電力変換装置。

【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】

一般に、車両等において、車両等の駆動に用いるモータに、電池の電圧を電力変換装置で昇圧して供給することが行われている。

【0003】

このような電力変換装置は、インバータ回路及びコンバータ回路を備える。インバータ回路及びコンバータ回路には、いわゆるパワーカードと呼ばれる半導体モジュールが用いられる。当該半導体モジュールは、直列に接続された２つのスイッチング素子と、当該スイッチング素子の各々に逆並列に接続された整流素子を含む。

【0004】

また、半導体モジュールは、一般的に樹脂モールドにより封止される。封止された状態の半導体モジュールは、絶縁板を介して冷却器に積層されている。

【0005】

電力変換装置では、半導体モジュールに含まれるスイッチング素子のオン、オフの動作や配線の寄生インダクタンス等によりサージ電圧や、ノイズが発生するという問題がある。この問題に対して、特許文献１には、電力変換装置において、正電極フレーム及び負電極フレームと冷却器との間に配置され、正電極フレーム及び負電極フレームと冷却器とを容量結合するノイズバイパス手段を備えることにより、発生するノイズを低減する技術が開示されている。

【0006】

また、特許文献２には、電力変換装置において、バスバーの間にスナバ回路を設けることにより、サージ電圧やリンギングを抑制する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１３−１０６５０３号公報

【特許文献2】特開２０１５−９５９６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、上記従来の技術では、半導体モジュールを小型化すると、半導体モジュールと電池やモータ等を接続するために半導体モジュールに設けられた端子と、冷却器との距離が近付くため、絶縁性能が低下する場合があった。このように、従来の技術では、半導体モジュールの絶縁性能と半導体モジュールの大きさとが相反関係にあるため、半導体モジュールの小型化に障害があった。

【0009】

本発明は上記の技術を考慮してなされたものであり、絶縁性能を向上させることにより、従来よりも半導体モジュールを小型化することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、高電位側の端子と低電位側の端子との間に直列に接続された第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子、第１スイッチング素子と逆並列に接続された第１整流素子、第２スイッチング素子と逆並列に接続された第２整流素子を含み、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の中点に接続された出力端子が電池の高電位側に接続され、前記低電位側の端子が前記電池の低電位側に接続された半導体モジュールと、前記出力端子と前記低電位側の端子との間に直列に接続された第１容量素子及び第２容量素子を含み、前記第１容量素子及び前記第２容量素子の中点の電位が、モールド樹脂により封止された状態の前記半導体モジュールが絶縁板を介して設けられた冷却器と同電位である調整部と、を含むコンバータ回路を備える。

【0012】

また、本発明の電力変換装置の冷却器は、半導体モジュールの両面に絶縁板を介して設けられていてもよい。

【0013】

また、本発明の電力変換装置は、前記第１容量素子の容量及び前記第２容量素子の容量が異なっていてもよい。

【0014】

本発明の電力変換装置は、高電位側の端子と低電位側の端子との間に直列に接続された第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子、第１スイッチング素子と逆並列に接続された第１整流素子、第２スイッチング素子と逆並列に接続された第２整流素子を含み、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の中点に接続された出力端子が、第１電池及び第２電池が直列に接続された電源部の高電位側に接続され、前記低電位側の端子が前記電源部の低電位側に接続された第１半導体モジュールを含むコンバータ回路と、高電位側の端子と低電位側の端子との間に直列に接続された第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子、第３スイッチング素子と逆並列に接続された第３整流素子、第４スイッチング素子と逆並列に接続された第４整流素子を含み、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子の中点に接続された出力端子がモータに接続され、前記低電位側の端子が前記電源部の低電位側に接続された第２半導体モジュールを複数含むインバータ回路と、モールド樹脂により封止された状態の前記第１半導体モジュール及び前記第２半導体モジュール毎に絶縁板を介して設けられ、前記電源部の前記第１電池及び前記第２電池の中点の電位と同電位である複数の冷却器と、を備える。

【0015】

また、本発明の電力変換装置の冷却器は、モールド樹脂により封止された状態の前記第１半導体モジュール及び前記第２半導体モジュールの両面に絶縁板を介して設けられていてもよい。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、絶縁性能を向上させることにより、従来よりも半導体モジュールを小型化することができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を表すブロック図である。

【図2】第１実施形態に係る電力変換装置の斜視図である。

【図3】第１実施形態に係る積層ユニットを図２のｘ軸方向に切断した断面を模式的に表した模式図である。

【図4】第１実施形態に係る調整部の容量素子により分割される電圧を説明する説明図である。

【図5】第１実施形態に係る電力変換装置のＰ端子と冷却器との間で発生するサージ電圧の波形の一例を示す波形図である。

【図6】第１実施形態に係る電力変換装置のＯ端子と冷却器との間で発生するサージ電圧の波形の一例を示す波形図である。

【図7】第１実施形態に係る電力変換装置のＮ端子と冷却器との間で発生するサージ電圧の波形の一例を示す波形図である。

【図8】第１実施形態に係る電力変換装置で発生するサージ電圧の波形を示す波形図である。

【図9】図８に示したサージ電圧のＡ点における電荷の挙動を説明する説明図である。

【図10】図８に示したサージ電圧のＢ点における電荷の挙動を説明する説明図である。

【図11】図８に示したサージ電圧のＣ点における電荷の挙動を説明する説明図である。

【図12】図８に示したサージ電圧のＤ点における電荷の挙動を説明する説明図である。

【図13】比較例として、マイナス電圧領域をもたないサージ電圧の波形を示す波形図である。

【図14】図１３に示したサージ電圧のＥ点における電荷の挙動を説明する説明図である。

【図15】図１３に示したサージ電圧のＦ点における電荷の挙動を説明する説明図である。

【図16】図１３に示したサージ電圧のＧ点における電荷の挙動を説明する説明図である。

【図17】第２実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を表すブロック図である。

【図18】第３実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を表すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１に示した本実施形態の電力変換装置１０Ａは、電池１４の電力を変換してモータ１２の駆動電力として供給する。図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１０Ａは、インバータ回路２０、コンバータ回路２１Ａ、及び平滑化コンデンサ２２を備える。モータ１２は、例えば、車両の走行に用いられる。

【0019】

本実施形態のコンバータ回路２１Ａは、電池１４の電圧を昇圧してインバータ回路２０へ供給する昇圧動作と、インバータ回路２０側から入力される直流電力（モータ１２が発生した電力）を降圧して電池１４へ供給する降圧動作の両方を行う。

【0020】

コンバータ回路２１Ａは、パワーカードＰＣ４を備える。パワーカードＰＣ４は、スイッチング素子Ｔ４１、Ｔ４２、及び整流素子Ｄ４１、Ｄ４２を含む。スイッチング素子Ｔ４１の一端は、Ｐ端子Ｐ４（電池１４の高電位側）に接続されている。スイッチング素子Ｔ４１の他端と、スイッチング素子Ｔ４２の一端とは接続されており、スイッチング素子Ｔ４１、Ｔ４２により直列回路を形成している。直列回路の中点は、出力端子Ｏ４に接続されている。また、スイッチング素子Ｔ４２の他端は、Ｎ端子Ｎ４（電池１４の低電位側）に接続されている。整流素子Ｄ４１は、スイッチング素子Ｔ４１に逆並列に接続されている。また、整流素子Ｄ４２は、スイッチング素子Ｔ４２に逆並列に接続されている。

【0021】

また、コンバータ回路２１Ａは、スイッチング素子Ｔ４１及びスイッチング素子Ｔ４２による直列回路の中点（出力端子Ｏ４）に一端が接続され、他端が電池１４の高電位側に接続されたリアクトル２３を備える。また、コンバータ回路２１Ａは、電池１４の高電位側と低電位側の間に接続されたフィルタコンデンサ２４を備える。

【0022】

さらに、本実施形態のコンバータ回路２１Ａは、冷却器３０の電位を固定してサージ電圧の波形を調整する調整部２５Ａを備えている。調整部２５Ａは、出力端子Ｏ４（リアクトル２３の他端）とＮ端子Ｎ４との間に直列に接続された容量素子２６及び容量素子２８を含む。容量素子２６と容量素子２８との中点２９は、冷却器３０（図２、３参照、詳細後述）に接続されており、冷却器３０の電位をＧＮＤ（グランド）電位としている。

【0023】

また、本実施形態のインバータ回路２０は、コンバータ回路２１Ａにより昇圧された直流電力を交流電力に変換する。 図１に示すように、インバータ回路２０は、パワーカードＰＣ１、ＰＣ２ＰＣ３を備える。

【0024】

パワーカードＰＣ１〜ＰＣ３は、上述したパワーカードＰＣ４と同様の構成をしている。具体的には、パワーカードＰＣ１は、スイッチング素子Ｔ１１、Ｔ１２、及び整流素子Ｄ１１、Ｄ１２を含む。スイッチング素子Ｔ１１の一端は、Ｐ端子Ｐ１（電池１４の高電位側）に接続されている。スイッチング素子Ｔ１１の他端と、スイッチング素子Ｔ１２の一端とは接続されており、スイッチング素子Ｔ１１、Ｔ１２により直列回路を形成している。直列回路の中点は、出力端子Ｏ１に接続されている。また、スイッチング素子Ｔ１２の他端は、Ｎ端子Ｎ１（電池１４の低電位側）に接続されている。整流素子Ｄ１１は、スイッチング素子Ｔ１１に逆並列に接続されている。整流素子Ｄ１２は、スイッチング素子Ｔ１２に逆並列に接続されている。また、パワーカードＰＣ２は、スイッチング素子Ｔ２１、Ｔ２２、及び整流素子Ｄ２１、Ｄ２２を含む。スイッチング素子Ｔ２１の一端は、Ｐ端子Ｐ２（電池１４の高電位側）に接続されている。スイッチング素子Ｔ２１の他端と、スイッチング素子Ｔ２２の一端とは接続されており、スイッチング素子Ｔ２１、Ｔ２２により直列回路を形成している。直列回路の中点は、出力端子Ｏ２に接続されている。また、スイッチング素子Ｔ２２の他端は、Ｎ端子Ｎ２（電池１４の低電位側）に接続されている。整流素子Ｄ２１は、スイッチング素子Ｔ２１に逆並列に接続されている。整流素子Ｄ２２は、スイッチング素子Ｔ２２に逆並列に接続されている。さらに、パワーカードＰＣ３は、スイッチング素子Ｔ３１、Ｔ３２、及び整流素子Ｄ３１、Ｄ３２を含む。スイッチング素子Ｔ３１の一端は、Ｐ端子Ｐ３（電池１４の高電位側）に接続されている。スイッチング素子Ｔ３１の他端と、スイッチング素子Ｔ３２の一端とは接続されており、スイッチング素子Ｔ３１、Ｔ３２により直列回路を形成している。直列回路の中点は、出力端子Ｏ３に接続されている。また、スイッチング素子Ｔ３２の他端は、Ｎ端子Ｎ３（電池１４の低電位側）に接続されている。整流素子Ｄ３１は、スイッチング素子Ｔ３１に逆並列に接続されている。整流素子Ｄ３２は、スイッチング素子Ｔ３２に逆並列に接続されている。

【0025】

出力端子Ｏ１〜Ｏ３は、モータ１２に接続されており、出力端子Ｏ１〜Ｏ３の各々からは、モータ１２のＵ相、Ｖ相、及びＷ相(いずれも図示省略）に対応する交流が出力される。

【0026】

また、平滑化コンデンサ２２は、コンバータ回路２１Ａの出力に重畳しているノイズを除去する。平滑化コンデンサ２２は、インバータ回路２０（Ｐ端子Ｐ１〜Ｐ３、Ｎ端子Ｎ１〜Ｎ３）に並列に接続されており、また、コンバータ回路２１Ａ（Ｐ端子Ｐ４、Ｎ端子Ｎ４）にも並列に接続されている。

【0027】

スイッチング素子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ３１、Ｔ３２、Ｔ４１、Ｔ４２の各々は、制御回路２から出力される制御信号に応じて、オン、オフが制御される。スイッチング素子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ３１、Ｔ３２、Ｔ４１、Ｔ４２は、トランジスタ素子であり、具体例としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が挙げられる。なお、ＩＧＢＴに限らず、大電流の電力の変換に用いることが可能な、いわゆるパワー半導体素子であれば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の他のトランジスタ素子であってもよい。

【0028】

整流素子Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ４２の具体例としては、ＰＩＮダイオードが挙げられるが、他のダイオードであってもよい。

【0029】

次に、本実施形態の電力変換装置１０Ａのハードウエア構成を説明する。

【0030】

パワーカードＰＣ１〜ＰＣ４は、いわゆるパワーモジュールであり、半導体モジュールである。以下では、パワーカードＰＣ１〜ＰＣ４を区別せずに総称する場合は、個々を区別するための１〜４の符号を省略して記載する。また、スイッチング素子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ３１、Ｔ３２、Ｔ４１、Ｔ４２についても、区別せずに総称する場合は、個々を区別するための１１〜４２の符号を省略して記載する。

【0031】

図２に電力変換装置１０Ａの斜視図を示す。パワーカードＰＣと冷却器３０とは交互に積層されており、各パワーカードＰＣは、両面に平板型の冷却器３０が積層された積層ユニット４９として設けられている。 積層ユニット４９は、図２に示すｘ軸方向に積層されている。各積層ユニット４９の冷却器３０には、貫通孔が設けられ、冷却器水路３１により冷媒が循環供給される。

【0032】

容量素子２６、２８の中点２９は、接続配線３２により、冷却器水路３１に接続されている。このように本実施形態の電力変換装置１０Ａでは、容量素子２６、２８の中点２９は、接続配線３２及び冷却器水路３１を介して、冷却器３０に接続されている。

【0033】

図３には、積層ユニット４９を図２のｘ軸方向に切断した断面を模式的に表した模式図を示す。パワーカードＰＣは、スイッチング素子Ｔ及び当該スイッチング素子Ｔに逆並列に接続された整流素子Ｄの組合せ毎に、電極板４１の間に積層され、モールド樹脂４２により封止されている。図３に示すようにモールド樹脂４２の両面（パワーカードＰＣの積層方向の両側の面）には、絶縁板４３を介して冷却器３０が設けられている。

【0034】

モールド樹脂４２の内部から外部に突出したリードフレーム端子４０は、Ｐ端子Ｐ、Ｎ端子Ｎ、及び出力端子Ｏの各々を電池１４やモータ１２等と接続するための端子である。図３では記載を省略したが、中点２９と冷却器３０とを接続する接続配線３２も、リードフレーム端子４０と同様に、モールド樹脂４２の内部から外部に突出している。

【0035】

次に、本実施形態の電力変換装置１０Ａの作用を説明する。

【0036】

本実施形態の調整部２５Ａは、パワーカードＰＣ４に入力される電池１４の電圧を容量素子２６及び容量素子２８により分割し、中点２９を冷却器３０に接続することにより、冷却器３０の電位を固定する。容量素子２６及び容量素子２８により分割される電圧について説明する。

【0037】

図４に示すように、容量素子２６の静電容量をＣ１、容量素子２８の静電容量をＣ２、容量素子２６及び容量素子２８の各々が蓄えられる電荷の大きさをＱ、電池電圧をＶ、容量素子２６により分圧された電圧をＶ１、及び容量素子２８により分圧された電圧をＶ２とすると、下記（１）〜（３）式が成り立つ。

【0038】

Ｑ＝Ｃ１×Ｖ１ ・・・（１）
Ｑ＝Ｃ２×Ｖ２ ・・・（２）
Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２ ・・・（３）
上記（１）式及び（２）式より、下記（４）式が得られる。下記（４）式は、下記（５）式及び（６）式に書き換えられる。

【0039】

Ｃ１×Ｖ１＝Ｃ２×Ｖ２ ・・・（４）
Ｖ１＝Ｃ２×Ｖ２／Ｃ１ ・・・（５）
Ｖ２＝Ｃ１×Ｖ１／Ｃ２ ・・・（６）
上記（３）式及び（５）式より、下記（７）式が得られる。下記（７）式は、下記（８）式に書き換えられる。

【0040】

Ｖ＝Ｖ２＋Ｃ２×Ｖ２／Ｃ１ ・・・（７）
Ｖ２＝Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）×Ｖ ・・・（８）
上記（３）式及び（６）式より、下記（９）式が得られる。下記（９）式は、下記（１０）式に書き換えられる。

【0041】

Ｖ＝Ｖ１＋Ｃ１×Ｖ１／Ｃ２ ・・・（９）
Ｖ１＝Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）×Ｖ ・・・（１０）
上記（８）式及び（１０）式から、容量素子２６の静電容量Ｃ１が大きくなると電圧Ｖ２が大きくなることがわかる。また、逆に、容量素子２８の静電容量Ｃ２が大きくなると電圧Ｖ１が大きくなることがわかる。従って、容量素子２６の静電容量Ｃ１及び容量素子２８の静電容量Ｃ２（容量比）に応じて、冷却器３０を固定する電位が変化する。

【0042】

次に、冷却器３０との間で発生するサージ電圧について説明する。図５には、本実施形態の電力変換装置１０ＡのＰ端子Ｐ４と冷却器３０との間で発生するサージ電圧の波形の一例を示す。また、図６には、本実施形態の電力変換装置１０ＡのＯ端子Ｏ４と冷却器３０との間で発生するサージ電圧の波形の一例を示す。さらに、図７には、本実施形態の電力変換装置１０ＡのＮ端子Ｎ４と冷却器３０との間で発生するサージ電圧の波形の一例を示す。なお、図５〜７は、電池１４の電圧が２００Ｖ、コンバータ回路２１Ａにより昇圧された電圧（Ｐ端子Ｐ１〜Ｐ４とＮ端子Ｎ１〜Ｎ４との間の電圧）が数百Ｖ程度の場合の具体例を示している。

【0043】

図５〜図７に示すように、本実施形態の電力変換装置１０Ａにおいて、冷却器３０との間で発生するサージ電圧の波形には、いずれも、マイナス電圧（オフセット電圧）が印加されるマイナス電圧印加領域が現れている。

【0044】

本実施形態の電力変換装置１０Ａでは、このようにサージ電圧の波形をマイナス電圧（オフセット電圧）印加領域が現れる波形とすることにより、電力変換装置１０Ａの沿面絶縁性を向上させている。なお、本実施形態において「沿面」とは、図３に「沿面」として示したように、リードフレーム端子４０と冷却器３０との間のモールド樹脂４２の表面のことをいい、「沿面絶縁性」とは、当該沿面の絶縁性のことをいう。なお、図３では、「沿面」として、リードフレーム端子４０と一方の冷却器３０との間を表しているが、リードフレーム端子４０と他方の冷却器３０との間も同様に「沿面」ということはいうまでもない。

【0045】

サージ電圧の波形をマイナス電圧印加領域が現れる波形とすることにより、沿面絶縁性を向上させることができるメカニズムを、図８に示した波形のサージ電圧が発生した場合を例として、図９〜１２を参照して説明する。

【0046】

サージ電圧の発生が開始して、最初のサージピーク電圧が印加されるＡ点では、図９に示すように、検出感度以下の部分放電により、正（＋）負（−）の電荷がモールド樹脂４２の表面に帯電する。この際、サージピーク電圧はスパイク的に発生するため印加時間が短い。そのため、正負の電荷の移動量はわずかであり、対極に到達しない。

【0047】

電荷が消滅せずに外部電界（図１０のサージ・ＤＣ電圧発生回路参照）によって保持電圧が印加された状態となるＢ点では、図１０に示すように、負電荷は高電圧電極（Ｈ．Ｖ．）側に、正電荷はＧＮＤ電極側へ移動する。

【0048】

オフセット電圧が印加された状態となるＣ点では、図１１に示すように、正電荷は高電圧電極側、負電荷はＧＮＤ電極側に移動するため中和される。なお、正負ともに一部の電荷が対極付近まで移動する。

【0049】

さらに、再びサージピーク電圧が印加されるＤ点では、図１２に示すように、高電圧電極側では正電荷が発生し、ＧＮＤ電極側では負電荷が発生する。発生した正負の電荷は、各々ホモ電荷として作用して各電極近傍の電界が緩和される。なお、ホモ電荷とは、電極の近傍に存在する当該電極と同極性の電荷のことをいう。

【0050】

このように、本実施形態の電力変換装置１０Ａでは、繰り返しサージピーク電圧が印加されても、ホモ電荷の発生により電界が緩和されるため、火花放電の発生を抑制することができる。

【0051】

ここで、比較のため、本実施形態の電力変換装置１０Ａにおいて発生するサージ電圧と異なり、サージ電圧の波形にマイナス電圧印加領域が無く、オフセット電圧の印加が生じない場合のメカニズムを、図１３に示した波形のサージ電圧が発生した場合を例として、図１４〜１６を参照して説明する。

【0052】

サージ電圧の発生が開始して、最初のサージピーク電圧が印加されるＥ点では、図１４に示すように、上述したＡ点の場合と同様に検出感度以下の部分放電により、正負の電荷が表面に帯電する。この際、サージピーク電圧はスパイク的に発生するため印加時間が短い。そのため、正負の電荷の移動量はわずかであり、対極に到達しない。なお、図８と図１３とを比較するとわかるように、この場合のサージピーク電圧（Ｅ点の電圧）は、Ａ点の電圧よりも高い。図１３に例示したサージ電圧では、マイナス電圧領域をもたないため、サージピーク電圧が本実施形態の電力変換装置１０Ａにおいて発生するサージ電圧よりも高くなる。

【0053】

電荷が消滅せずに外部電界（図１５のサージ・ＤＣ電圧発生回路参照）によって保持電圧が印加された状態となるＦ点では、上述したＢ点と同様に図１５に示すように、負電荷は高電圧電極側に、正電荷はＧＮＤ電極側へ徐々に移動し、各々電極の近くに到達する。

【0054】

さらに、再びサージピーク電圧が印加されるＧ点では、図１６に示すように、さらに電荷が移動し、対極まで到達した電荷は、ヘテロ電荷として作用して、各電極近傍の電界が強調される。なお、ヘテロ電荷とは、電極の近傍に存在する当該電極と逆極性の電荷のことをいう。

【0055】

このように、図１３〜１６に示した場合では、繰り返しサージピーク電圧が印加されることにより、ヘテロ電荷が蓄積されていくため、火花放電が発生し易くなる。

【0056】

これに対して、本実施形態の電力変換装置１０Ａでは、調整部２５ＡがパワーカードＰＣ４に入力される電池１４の電圧を直列に接続された容量素子２６及び容量素子２８により分割し、その中点２９を冷却器３０に接続することにより、冷却器３０の電位を固定する。

【0057】

そのため、本実施形態の電力変換装置１０Ａによれば、リードフレーム端子４０と冷却器３０との間の沿面に発生するサージ電圧の波形をマイナス電圧領域（オフセット電圧を印加する領域）を有する波形とすることができる。

【0058】

これにより、本実施形態の電力変換装置１０Ａでは、絶縁性能を向上させることができる。また、絶縁性が向上することによりリードフレーム端子４０と冷却器３０との間の距離（沿面の距離）を短くすることができるため、従来よりも半導体モジュールを小型化することができる。

【0059】

なお、サージ電圧の波形（サージピーク電圧、保持電圧、保持時間、及び繰り返し周期等）に応じて、マイナス電圧領域のパターン（オフセット電圧）を調整してもよい。この場合、上述したように容量素子２６の静電容量Ｃ１及び容量素子２８の静電容量Ｃ２を調整して容量比を変化させることにより、冷却器３０を固定する電位を調整してやればよい。例えば、サージピーク電圧の値及び保持電圧の少なくとも一方が大きい場合、オフセット電圧の値を大きくすることにより、絶縁寿命を向上させることができる。

【0060】

なお、容量素子２６及び容量素子２８に可変コンデンサを適用し、容量素子２６の静電容量Ｃ１及び容量素子２８の静電容量Ｃ２（容量比）を、制御回路２等の制御に応じて可変としてもよい。
［第２実施形態］
本実施形態の電力変換装置は、冷却器３０の電位を固定してサージ電圧の波形を調整する調整部が第１実施形態と異なる位置に設けられている。

【0061】

本実施形態の電力変換装置は、第１実施形態の電力変換装置（図１等参照）と同様の構成を含むため、同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

【0062】

図１７に示すように、本実施形態の電力変換装置１０Ｂのコンバータ回路２１Ｂには、第１実施形態の電力変換装置１０Ａ（図１参照）と異なり、調整部２５Ａが設けられていない。本実施形態の電力変換装置１０Ｂでは、第１実施形態の調整部２５Ａと同等の機能を有する調整部２５Ｂが第１実施形態の平滑化コンデンサ２２（図１参照）の代わりに設けられている。なお、図１７では、制御回路２の図示を省略している。

【0063】

図１７に示すように、調整部２５Ｂは、インバータ回路２０のＰ端子（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）とＮ端子（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４）との間に直列に接続された平滑化コンデンサ２２Ａ、２２Ｂを含む直列回路である。平滑化コンデンサ２２Ａと平滑化コンデンサ２２Ｂとの中点２９は、冷却器３０に接続されており、冷却器３０の電位をＧＮＤ（グランド）電位としている。

【0064】

そのため、本実施形態の電力変換装置１０Ｂにおいても、第１実施形態の電力変換装置１０Ａと同様に、冷却器３０の電位が安定した電位に固定され、また、サージ電圧の波形をマイナス電圧領域を有する波形とすることができる。

【0065】

従って、本実施形態の電力変換装置１０Ｂにおいても、第１実施形態の電力変換装置１０Ａと同様に、絶縁性能を向上させることができる。また、絶縁性が向上することによりリードフレーム端子４０と冷却器３０との間の距離（沿面の距離）を短くすることができるため、従来よりも半導体モジュールを小型化することができる。
［第３実施形態］
図１８に示すように、本実施形態の電力変換装置は、冷却器の電位を固定する場所（冷却器を接続する接続先）が上記各実施形態と異なっている。なお、本実施形態の電力変換装置１０Ｃは上記各実施形態の電力変換装置（図１、１７等参照）と同様の構成を含むため、同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

【0066】

本実施形態の電力変換装置１０Ｃでは、上記各実施形態の電池１４に代わり、電源部１５から電圧が供給される。

【0067】

電源部１５は、直列に接続された電池１４Ａ及び電池１４Ｂを備えた直列回路である。電池１４Ａの高電位側及び電池１４Ｂの低電位側が、電力変換装置１０Ｃのコンバータ回路２１Ｂに接続されている。電源部１５は、上記各実施形態における調整部２５Ａ、２５Ｂと同等の機能を有する。

【0068】

電池１４Ａと電池１４Ｂとの中点２９は、冷却器３０に接続されており、冷却器３０の電位をＧＮＤ（グランド）電位としている。すなわち、本実施形態の電力変換装置１０Ｃでは、上記各実施形態の電池１４の電圧を電池１４Ａ及び電池１４Ｂによる直列回路とすることにより分圧し、分圧した電圧に、冷却器３０の電位を固定している。

【0069】

そのため、本実施形態の電力変換装置１０Ｃにおいても、上記各実施形態の電力変換装置１０Ａ、１０Ｂと同様に、冷却器３０の電位が安定した電位に固定され、また、サージ電圧の波形をマイナス電圧領域を有する波形とすることができる。

【0070】

従って、本実施形態の電力変換装置１０Ｃにおいても、上記各実施形態の電力変換装置１０Ａ、１０Ｂと同様に、絶縁性能を向上させることができる。また、絶縁性が向上することによりリードフレーム端子４０と冷却器３０との間の距離（沿面の距離）を短くすることができるため、従来よりも半導体モジュールを小型化することができる。

【0071】

以上説明したように、上記各実施形態の電力変換装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃでは、冷却器３０の電位を電力変換装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃにより作り出した安定した電位に固定することにより、発生するサージ電圧の波形を、マイナス電圧領域（オフセット電圧を印加する領域）を有する波形としている。

【0072】

そのため、上記各実施形態の電力変換装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃでは、各パワーカードＰＣにおける沿面絶縁性を向上させることができる。そして、絶縁性を向上させたことにより、従来よりも半導体モジュールを小型化することができる。

【0073】

また、上記各実施形態の電力変換装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃによれば、電力変換装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃにより作り出した安定な電位に固定することにより、冷却器３０を接地等することなく電位を安定させることができる。

【0074】

なお、上記各実施形態の電力変換装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃでは、パワーカードＰＣの両面に冷却器３０が積層されている場合（図３参照）について説明したが、冷却器３０は、片面のみに積層されていてもよい。

【0075】

なお、本実施の形態で説明した電力変換装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ等の構成及び動作等は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更可能であることは言うまでもない。

【符号の説明】

【0076】

２ 制御回路
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 電力変換装置
１４、１４Ａ、１４Ｂ 電池
２０ インバータ回路
２１Ａ、２１Ｂ コンバータ回路
２２、２２Ａ、２２Ｂ 平滑化コンデンサ
２５Ａ、２５Ｂ 調整部
２６、２８ 容量素子
２９ 中点
３０ 冷却器
４０ リードフレーム端子
４９ 積層ユニット
ＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３、ＰＣ４ パワーカード
ＴＣ１１、ＴＣ１２、ＴＣ２１、ＴＣ２２、ＴＣ３１、ＴＣ３２、ＴＣ４１、ＴＣ４２ スイッチング素子
Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ４２ 整流素子
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ Ｐ端子
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４ Ｎ端子
Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４ Ｏ端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】