特開 2023-183298 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023183298

(43)【公開日】2023-12-27

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20231220BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022096835

(22)【出願日】2022-06-15

(71)【出願人】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】荒木 隆宏

(72)【発明者】

【氏名】徳山 健

(72)【発明者】

【氏名】青柳 滋久

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 英樹

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770AA02

5H770AA21

5H770CA06

5H770DA03

5H770DA41

5H770JA19X

5H770PA21

5H770PA42

5H770QA01

5H770QA08

5H770QA22

5H770QA28

(57)【要約】

【課題】基板の大電流化と低インダクタンス化を両立しつつ、放熱性を向上させた電力変換装置を提供する。
【解決手段】
電力変換装置は、複数の回路体と、配線基板と、平滑キャパシタと、を備え、前記配線基板は、複数の前記回路体および複数の前記平滑キャパシタがそれぞれ接続される複数の積層配線部と、複数の前記積層配線部の間にそれぞれ形成される相間配線部とを有し、前記積層配線部において、前記正極配線と前記負極配線は互いに重なって積層し、前記相間配線部において、複数の前記正極配線と複数の前記負極配線は前記配線基板の平面においてそれぞれ分かれて積層し、前記相間配線部は、前記配線基板の厚さ方向に貫通するビアを有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のパワー半導体素子をそれぞれ有する複数の回路体と、
前記回路体に電気的に接続され、厚さ方向に複数の正極配線および負極配線がそれぞれ積層されて設けられる配線基板と、
複数の前記回路体にそれぞれ対応して設けられる複数の平滑キャパシタと、を備え、
前記配線基板は、複数の前記回路体および複数の前記平滑キャパシタがそれぞれ接続される複数の積層配線部と、複数の前記積層配線部の間にそれぞれ形成される相間配線部とを有し、
前記積層配線部において、前記正極配線と前記負極配線は互いに重なって積層し、
前記相間配線部において、複数の前記正極配線と複数の前記負極配線は前記配線基板の平面においてそれぞれ分かれて積層し、
前記相間配線部は、前記配線基板の厚さ方向に貫通するビアを有する
電力変換装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記相間配線部の前記正極配線と前記負極配線は、前記配線基板の平面において互いに並行するように配置される
電力変換装置。

【請求項3】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
複数の前記回路体は、前記配線基板上に主回路端子を有し、
前記主回路端子は、前記平滑キャパシタの正極端子と負極端子との間の距離で定義される１辺に対して垂直の領域内に配置される
電力変換装置。

【請求項4】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記相間配線部は、前記正極配線および前記負極配線にそれぞれ２つ以上の前記ビアを有し、
前記ビアは、前記積層配線部と前記相間配線部の配列方向に対して垂直な前記相間配線部の中心線よりも、前記相間配線部に隣接する前記積層配線部に近い位置にそれぞれ設けられる
電力変換装置。

【請求項5】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記配線基板の一方の面には、複数の前記回路体を冷却する冷却器が配置され、
前記冷却器と前記配線基板の間には、絶縁性の放熱部材が設けられる
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】

自動車に用いられるインバータは、通電電流を流すためのプリント基板を用いて主回路が構築されることで、ハイブリッド自動車や電気自動車の性能に対応しつつ、生産性向上と低インダクタンス化を両立する要求に応える必要がある。

【0003】

下記の特許文献１では、各パワーモジュールと各キャパシタを接続する正極配線と負極導体が積層され、インダクタンスの低減を実現した構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第５８３０４８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１では、正極配線と負極配線が全ての領域で積層され、それぞれの配線が混在するような構成であったが、このような構成では、放熱用ビアを設けた際に各配線の分断箇所が多くなり断面積が減少することで、電気抵抗が増大する課題が発生する。これにより、配線温度を低減しにくくなり、冷却性能の向上が必要になる。これを鑑みて、本発明では、基板の大電流化と低インダクタンス化を両立しつつ、放熱性を向上させた電力変換装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

電力変換装置は、複数のパワー半導体素子をそれぞれ有する複数の回路体と、前記回路体に電気的に接続され、厚さ方向に複数の正極配線および負極配線がそれぞれ積層されて設けられる配線基板と、複数の前記回路体にそれぞれ対応して設けられる複数の平滑キャパシタと、を備え、前記配線基板は、複数の前記回路体および複数の前記平滑キャパシタがそれぞれ接続される複数の積層配線部と、複数の前記積層配線部の間にそれぞれ形成される相間配線部とを有し、前記積層配線部において、前記正極配線と前記負極配線は互いに重なって積層し、前記相間配線部において、複数の前記正極配線と複数の前記負極配線は前記配線基板の平面においてそれぞれ分かれて積層し、前記相間配線部は、前記配線基板の厚さ方向に貫通するビアを有する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、基板の大電流化と低インダクタンス化を両立しつつ、放熱性を向上させた電力変換装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】電力変化装置における複数の回路体を示す電気回路図

【図2】本発明の第一実施形態に係る、電力変換装置の基板全体図

【図3】本発明の第一実施形態に係る、積層配線部、相間配線部、主回路端子の配置領域を示す図

【図4】図２のＡ－Ａ’断面であり、積層配線部を示す図

【図5】図２のＢ－Ｂ’断面であり、相間配線部を示す図

【図6】図４の変形例（第１変形例）

【図7】図５の積層配線部に冷却器を配置した断面図

【図8】基板における積層配線部と相間配線部の関係を示す断面斜視図

【図9】図２の変形例（第２変形例）

【0009】

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

【0010】

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

【0011】

（本発明の一実施形態と全体構成）
（図１）
電力変換回路を構成する複数の回路体１は、それぞれＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などの半導体素子によって構成される。直列接続された２つの回路体１と１つのキャパシタ２が対になることでそれぞれ１相分の回路になり、３相の電力変換回路を構成している。それぞれの回路は、正極配線３および負極配線４と接続されている。

【0012】

回路体１は、主回路用高圧側端子(ＩＧＢＴであればコレクタ端子、ＭＯＳＦＥＴであればドレイン端子)と、主回路用低圧側端子(ＩＧＢＴであればエミッタ端子、ＭＯＳＦＥＴであればソース端子)と、制御用端子(ゲート端子)の３つの端子を有している。

【0013】

（図２）
電力変換装置１００は、複数のパワー半導体素子をそれぞれ有する複数の回路体１と、回路体１に電気的に接続され、厚さ方向に複数の正極配線３および負極配線４がそれぞれ積層されて設けられる配線基板６（以下基板６）と、複数の回路体１にそれぞれ対応して設けられる複数の平滑キャパシタ２と、を備えている。正極配線３および負極配線４は、基板６の厚さ方向（図２の紙面手前-奥方向）に互いに積層され、かつ各相のキャパシタ２と回路体１を接続する（詳細は図４～図８で後述）。なお、図２は、回路体１を４つずつ並列配置し、８つの回路体１を１相の回路として、３相分を基板６上に備えた構成例を示している。このように、所望の出力電流値に応じて、回路体１は多並列接続する配置にしてもよい。

【0014】

基板６は、前述したように厚さ方向に複数の導体層を有し、それぞれの導体層は樹脂層を介して積層されている。基板６の導体層には、正極配線３と、負極配線４と、出力配線７と、信号配線９が形成されている。正極配線３および負極配線４には、回路体１やキャパシタ２が、はんだなどの接合材によって接続される。回路体１は、信号配線９と接続するための信号端子８を有している。正極配線３と負極配線４と出力配線７は、回路体１に接続される信号配線９よりもそれぞれが太く形成されており、接続先の負荷へ供給するための電流が他の配線よりも大きい電流であることに対応している。

【0015】

正極配線３および負極配線４は、貫通ビア５（以下ビア５）を有している。ビア５は、各相の正極配線３および負極配線４が互いに積層されていない領域に設けられる。複数の正極配線３または負極配線４は、それぞれが基板６の厚さ方向に貫通してビア５が形成されることによって、同電位の配線同士が互いに電気的に導通されている。

【0016】

正極配線３は図示されていないバッテリなどの直流電圧源の正極端子に接続され、負極配線４は図示されていないバッテリなど直流電圧源の負極端子に接続される。これにより、各相の回路には直流電圧が供給される。

【0017】

キャパシタ２は、所望の入力電圧変動量に応じて定まるキャパシタ容量を満足させるため、基板６に沿って並んで接続されており、また、基板６の正極配線３および負極配線４に接続するための端子として、正極端子１０および負極端子１１を有している。

【0018】

キャパシタ２の正極端子１０は、正極配線３に接続されることで、ハイサイド（上アーム）側の回路体１の主回路用高圧側端子に電気的に接続される。また、正極配線３は、他相のキャパシタ２の正極端子１０および他相のハイサイド側の回路体１の主回路用高圧側端子に接続される。キャパシタ２の負極端子１１は、負極配線４に接続されることで、ローサイド（下アーム）側の回路体１の主回路低圧側端子に接続される。負極配線４は、他相のキャパシタ２の負極端子１１および他相のローサイド側回路体１の主回路用低圧側端子１２に接続される。ハイサイド側の回路体１の主回路低圧側端子は、各相の出力配線７によってローサイド側の回路体１の主回路高圧側端子に接続される。各相の出力配線７は、図示されていないモータなどの負荷に接続される。

【0019】

回路体１の制御用端子は図示されていない制御回路に接続され、マイコンなど上位の制御装置より入力される信号に基づいてオンまたはオフされることにより、モータなどの負荷へ交流の電圧を出力する。

【0020】

（図３）
基板６は、複数の回路体１および複数の平滑キャパシタ２がそれぞれ接続される複数の積層配線部１５と、複数の積層配線部１５の間にそれぞれ形成される相間配線部１６とを有している。積層配線部１５において、正極配線３と負極配線４は互いに重なって積層しているが、相間配線部１６においては、複数の正極配線３と複数の負極配線４は基板６の平面においてそれぞれ分かれ、かつ並行に配線されてそれぞれ積層している。つまり、相間配線部１６は、正極配線３と負極配線４は基板６の厚さ方向に互いに積層されていない領域である。

【0021】

また、相間配線部１６は、基板６の厚さ方向に貫通するビア５を有しているが、積層配線部１５はビア５を有していない。相間配線部１６は、ビア５を有していることで放熱性を向上させている。一方で、積層配線部１５はビア５を有していないことで、正極配線３および負極配線４が貫通ビア５で分断されないような構造になっているため、正極配線３および負極配線４の配線断面積の低下を抑制でき、インダクタンスを低減している。

【0022】

複数の回路体１は、基板６上に主回路端子１２を有している。この主回路端子１２は、平滑キャパシタ２の正極端子１０と負極端子１１との間の距離で定義される１辺に対して垂直の領域１２ａ内に配置される。このように主回路端子１２を配置することで、キャパシタ２と回路体１を接続する積層配線の配線長を短縮することができるため、積層配線部１５の配線インダクタンスが低減され、回路体１をより高速にスイッチング制御させることが可能となる。また、回路体１で発生するスイッチング損失が低減され、かつ回路体１およびインバータ１００全体を小型化できる。

【0023】

以上説明した構成により、基板６の低インダクタンス化と大電流化（出力向上）の両立を維持しつつ放熱性を向上させることを実現している。

【0024】

（図４、図５）
図４に示すように、積層配線部１５では、例えば基板６の導体層が４層の場合、基板６の上面から１層目と３層目が正極配線３、２層目と４層目が負極配線４となる。このように、積層配線部１５は、正極配線３と負極配線４が互いに重なって積層している領域である。一方で、図５に示すように、相間配線部１６は、積層配線部１５同士の間に設けられる領域であり、正極配線３と負極配線４は重ならずにそれぞれの配線同士で積層している。また、相間配線部１６は、基板６の厚さ方向に設けられているビア５により、正極配線３と負極配線４それぞれ同電位の配線同士を、基板６の上から下まで互いに電気的に接続している。

【0025】

相間配線部１６のビア５は、正極配線３および負極配線４にそれぞれ２つ以上設けられている。また、ビア５は、相間配線部１６において、積層配線部１５と相間配線部１６の配列方向に対して垂直な中心線６ａよりも、相間配線部１６に隣接する積層配線部１５に近い位置にそれぞれ設けられる。これにより、少ないビア５が設けられるだけであっても、効率的に基板６の配線温度を低減できる。また、ビア５が設けられておらず、配線の冷却が難しい積層配線部１５に対しては、相間配線部１６において積層配線部１５の近傍にビア５を配置することで、積層配線部１５の配線温度を低減している。

【0026】

（第１変形例）
（図６）
積層配線部１５は、ブラインドビア５ａを用いて各配線を積層させることができる。つまり、基板６の上面から１層目と２層目を正極配線３、３層目と４層目を負極配線４として、それぞれ同電位の配線をブラインドビア５ａで接続する構成にすることで、正極配線３および負極配線４の断面積を低下させずに、正極配線３と負極配線４をそれぞれ積層することができる。

【0027】

（図７）
基板６の一方の面には、複数の回路体１を冷却する冷却器１４が配置される。冷却器１４と基板６の間には、絶縁性の放熱部材１３が設けられる。放熱部材１３は、基板６の段差や反りに追従して密着性を向上させる部材であるため、低硬度の樹脂などが用いられる。また、冷却器１４は、アルミなど熱伝導率の高い材料により構築される。これにより、正極配線３および負極配線４へ電流を流した際に生じる熱は、相間配線部１６のビア５を介して基板６から放熱部材１３を介して冷却器１４へと放熱されるため、基板６の配線温度を低減できる。

【0028】

（図８）
積層配線部１５では、基板６の厚さ方向に対して、複数の正極配線３と負極配線４が互いに重なり合うことでそれぞれの配線が積層している。一方で、相間配線部１６では、基板６の厚さ方向に対して、複数の正極配線３と負極配線４は重ならず、それぞれの配線同士で積層されており、正極配線３と負極配線４は、基板６の平面において互いに並行するように配置される。また、相間配線部１６では、正極配線３と負極配線４それぞれに同電位の配線を接続するビア５が設けられている。

【0029】

このような構成により、従来で正極配線３と負極配線４が混在している基板６に対してビア５を設けなければならないことにより、ビア５の分だけ正極配線３と負極配線４の分断が増えていた課題を解消している。また、このように、相間配線部１６において、正極配線３と負極配線４が並行するように配置されることにより、正極配線３を流れる電流と負極配線４を流れる電流が左右で逆方向に対向するため、磁界が打ち消されてインダクタンスが低減される。さらに、基板６に沿って並んで配置されている各キャパシタ２（図２、図３参照）間で生じる共振電流が抑制され、電流の減少に伴い相間配線部１６で発生する損失が低減される。またさらに、相間配線部１６を流れる電流が積層配線部１５の近傍で全層に分散されるため、配線発熱を低減することができ、放熱性が向上する。

【0030】

（第２変形例）
（図９）
図９は、ハイサイド側の回路体１とローサイド側の回路体１をそれぞれ一体化した構成例である。これにより、回路体１を基板６へ容易に実装でき、かつ各相の配線インダクタンスの低減と基板６の温度低減を両立できる。

【0031】

以上図１～図９で説明した本発明のインバータは三相に限らなくてもよい。

【0032】

以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

【0033】

（１）複数のパワー半導体素子をそれぞれ有する複数の回路体１と、回路体１に電気的に接続され、厚さ方向に複数の正極配線３および負極配線４がそれぞれ積層されて設けられる配線基板６と、複数の回路体１にそれぞれ対応して設けられる複数の平滑キャパシタ２と、を備える。配線基板６は、複数の回路体１および複数の平滑キャパシタ２がそれぞれ接続される複数の積層配線部１５と、複数の積層配線部１５の間にそれぞれ形成される相間配線部１６とを有している。積層配線部１５において、正極配線３と負極配線４は互いに重なって積層し、相間配線部１６において、複数の正極配線３と複数の負極配線４は配線基板６の平面においてそれぞれ分かれて積層し、相間配線部１６は、配線基板６の厚さ方向に貫通するビア５を有する。このようにしたことで、基板の大電流化と低インダクタンス化を両立しつつ、放熱性を向上させた電力変換装置１００を提供できる。

【0034】

（２）相間配線部１６の正極配線３と負極配線４は、配線基板６の平面において互いに並行するように配置される。このようにしたことで、正極配線３を流れる電流と負極配線４を流れる電流が左右で逆方向に対向するため、磁界が打ち消されてインダクタンスが低減される。

【0035】

（３）複数の回路体１は、配線基板６上に主回路端子１２を有し、主回路端子１２は、平滑キャパシタ２の正極端子１０と負極端子１１との間の距離で定義される１辺に対して垂直の領域１２ａ内に配置される。このようにしたことで、キャパシタ２と回路体１を接続する積層配線の配線長を短縮することができるため、積層配線部１５の配線インダクタンスが低減され、回路体１をより高速にスイッチング制御させることが可能となる。また、回路体１で発生するスイッチング損失が低減され、かつ回路体１およびインバータ１００全体を小型化できる。

【0036】

（４）相間配線部１６は、正極配線３および負極配線４にそれぞれ２つ以上のビア５を有している。ビア５は、積層配線部１５と相間配線部１６の配列方向に対して垂直な相間配線部１６の中心線６ａよりも、相間配線部１６に隣接する積層配線部１５に近い位置にそれぞれ設けられる。このようにしたことで、配線の冷却が難しい積層配線部１５に対しては、相間配線部１６において積層配線部１５の近傍にビア５を配置することで、積層配線部１５の配線温度を低減できる。

【0037】

（５）配線基板６の一方の面には、複数の回路体１を冷却する冷却器１４が配置され、冷却器１４と配線基板６の間には、絶縁性の放熱部材１３が設けられる。このようにしたことで、正極配線３および負極配線４へ電流を流した際に生じる熱は、相間配線部１６のビア５を介して基板６から放熱部材１３を介して冷却器１４へと放熱されるため、基板６の配線温度を低減できる。

【0038】

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

【符号の説明】

【0039】

１ 回路体（パワーモジュール）
２ キャパシタ
３ 正極配線
４ 負極配線
５ ビア
５ａ ブラインドビア
６ 配線基板
６ａ 中心線
７ 出力配線
８ 信号端子
９ 信号配線
１０ キャパシタ正極端子
１１ キャパシタ負極端子
１２ 回路体主回路端子
１２ａ 配置領域
１３ 放熱部材
１４ 冷却器
１５ 積層配線部
１６ 相間配線部
１００ 電力変換装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】