特開 2024-180042 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】P2024180042

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20241219BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023099464

(22)【出願日】2023-06-16

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】妹尾 政宏

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770AA21

5H770DA32

5H770JA10X

5H770JA19X

5H770PA15

5H770PA41

5H770PA42

5H770QA01

5H770QA05

5H770QA06

5H770QA08

5H770QA22

5H770QA28

(57)【要約】

【課題】発熱に対して適切な対策を行うことができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】４層以上のプリント基板１４４と、プリント基板１４４に実装され、半導体素子により電力変換を行う主回路と、を備え、プリント基板１４４は、外部に露出する層である表層（第１層１４４ａ、第４層１４４ｄ）の配線が内部に存在する層である中間層（第２層１４４ｂ、第３層１４４ｃ）の配線よりも薄く、表層には主回路の中性点配線１０２が形成され、中間層には前記主回路の他の配線（正極配線１０１、負極配線１０３、中間配線１０６，１０７）が形成されている。
【選択図】図１３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

４層以上のプリント基板と、
前記プリント基板に実装され、半導体素子により電力変換を行う主回路と、を備え、
前記プリント基板は、外部に露出する層である表層の配線が内部に存在する層である中間層の配線よりも薄く、
前記表層には前記主回路の中性点配線が形成され、前記中間層には前記主回路の他の配線が形成されていること、を特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

前記中性点配線と前記他の配線とは流れる電流の方向が逆であること、を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記プリント基板は、４層であり、
前記中間層の第２層又は第３層には、前記他の配線のうちの２種の中間配線が互いに絶縁されて形成され、
前記中間層の第３層又は第２層には、前記他の配線のうち正極配線と負極配線とが互いに絶縁されて形成されていること、を特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記プリント基板は、６層であり、
前記中間層のうちの第２層及び第５層には、それぞれ前記他の配線のうちの２種の中間配線が互いに絶縁されて形成され、
前記中間層のうち第３層及び第４層には、それぞれ前記他の配線のうち正極配線と負極配線とが互いに絶縁されて形成されていること、を特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記半導体素子を有するパワーモジュール及び前記プリント基板に隣接して当該パワーモジュール及び当該プリント基板を冷却する冷却媒体が流通する流路が設けられていること、を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記表層の配線はファインピッチの配線であり、
前記プリント基板には、前記ファインピッチの配線で配線され、前記主回路を制御する制御ＩＣが実装されていること、を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記主回路を構成する複数個のパワーモジュールが前記プリント基板に実装され、各前記パワーモジュールは各々単一の前記半導体素子を備えていること、を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項8】

前記プリント基板には、板厚方向に貫通する孔が形成されていて、
前記パワーモジュールは、前記孔内に挿通するように実装され、当該孔の両側から前記プリント基板の外に露出していること、を特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。

【請求項9】

各前記パワーモジュールは、複数個ずつ並列接続されていること、を特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。

【請求項10】

前記半導体素子は、ＭＯＳＦＥＴであり、
前記制御ＩＣは、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御するゲートドライバであること、を特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。

【請求項11】

前記プリント基板に実装され、前記ＭＯＳＦＥＴに流れる電流の平滑化を行う平滑キャパシタを備えていること、を特徴とする請求項１０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】

本技術分野の背景技術として、特開２０１６－２０７９４０号公報（特許文献１）がある。この公報には、「本発明の電子部品内蔵配線板では、積層コア基板が、複数の第１絶縁樹脂層と複数の第１導電層とが交互に積層されてなる。そして、小キャビティは、第１絶縁樹脂層を３層貫通して形成されているのに対し、大キャビティは、第１絶縁樹脂層を５層貫通して形成されている。また、小キャビティと大キャビティとに共通して、キャビティの厚さ方向の中央に、中央絶縁樹脂層が位置している。」と記載されている（要約参照）。

【0003】

別の背景技術として、特開２０１２－２３５０３６号公報（特許文献２）がある。この公報には、「多層配線プリント基板に放熱用厚銅箔層を積層し、発熱部品及びヒートシンクを搭載するランドを他のデバイス用ランドや回路と分離して形成し、該ランドに形成したスルーホール内壁にめっき層を形成してスルーホール内壁面に露出した放熱用厚銅箔層に接続し、該スルーホール内に銅熱伝導性ペーストを充填してこれらの表面にめっきしてランド上に発熱部品及びヒートシンクへの熱伝導層を形成する。」と記載されている（要約参照）。

【0004】

別の背景技術として、特開２００８－１８１９７９号公報（特許文献３）がある。この公報には、「金属コアを含む導体層が少なくとも５層構造をなす金属コア多層プリント配線板で、配線板の厚さ方向を貫き任意の導体層との接続を取るべく任意の導体層間を銅めっきにより電気的に接続した貫通導通穴が形成され、貫通導通穴の銅めっきは金属コアと接続され、金属コアの貫通導通穴周辺部分は、貫通導通穴周辺部分をその周囲の金属コア本体と画成するために形成されかつ内側絶縁層の絶縁材が充填された切欠き穴と、内層導体及び内側絶縁層並びに金属コアを貫きかつ外側絶縁層の絶縁材で充填された非導通穴により金属コアの貫通導通穴周辺部分をそれ以外の金属コアと分離され電気的に別回路を形成している。」と記載されている（要約参照）。

【0005】

別の背景技術として、特開２００７－３１１７２３号公報（特許文献４）がある。この公報には、「多層回路基板では、第１の内部導体層及び第２の内部導体層の周縁部に、それぞれ第１の内層回路パターン及び第２の内層回路パターンに接触しない第１のダミーパターン及び第２のダミーパターンが形成されているので、製造時に連結配線板における隣接する多層回路基板との間の間隔は短くなり、これによって、積層プレス工程時に隣接する多層回路基板間の第２の絶縁層及び第３の絶縁層を構成する樹脂材を埋めるために必要な空間が小さくなり、気泡等の発生を防止できる。」と記載されている（要約参照）。

【0006】

別の背景技術として、国際公開２０１３／００５４５１公報（特許文献５）がある。この公報には、「多層配線板は、絶縁性基材と、内層用銅板と、外層用銅箔と、を備えている。内層用銅板は、絶縁性基材の内部に配置され、パターニングされている。外層用銅箔は、絶縁性基材の表面にパターニングされた状態で配置され、内層用銅板よりも厚さが薄く、かつ、電流経路の断面積が内層用銅板における電流経路の断面積よりも小さい。それにより、基板の投影面積の増加を抑制しつつ大きな電流とそれより小さな電流とを流すことができる多層配線板および多層配線板の製造方法を提供する。」と記載されている（要約参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１６－２０７９４０号公報

【特許文献2】特開２０１２－２３５０３６号公報

【特許文献3】特開２００８－１８１９７９号公報

【特許文献4】特開２００７－３１１７２３号公報

【特許文献5】国際公開２０１３／００５４５１公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかし、特許文献１～５に開示の技術は、装置の発熱に対して適切な対策を行うという観点からは改善の余地があった。
そこで、本発明は、発熱に対して適切な対策を行うことができる電力変換装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため本発明は、４層以上のプリント基板と、前記プリント基板に実装され、半導体素子により電力変換を行う主回路と、を備え、前記プリント基板は、外部に露出する層である表層の配線が内部に存在する層である中間層の配線よりも薄く、前記表層には前記主回路の中性点配線が形成され、前記中間層には前記主回路の他の配線が形成されている。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、発熱に対して適切な対策を行うことができる電力変換装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施例１に適用する導体部分とパワー半導体とで構成されたパワーモジュールの斜視図である。

【図2】本発明の実施例１に適用する導体部分とパワー半導体とで構成されたパワーモジュールの分解斜視図である。

【図3】本発明の実施例１に適用する導体部分とパワー半導体とで構成されたパワーモジュールにモールドを施したものの斜視図である。

【図4】本発明の実施例１に係る電力変換装置の基本的な主回路構成を示す回路図である。

【図5】本発明の実施例１に係る電力変換装置のパワーモジュールとそれを制御する制御ＩＣとの接続を示す回路図である。

【図6】本発明の実施例１に係る電力変換装置に用いられるプリント基板の縦断面図である。

【図7】本発明の実施例１に係る電力変換装置に用いられるプリント基板の第１層（表層）の平面図である。

【図8】本発明の実施例１に係る電力変換装置に用いられるプリント基板の第２層（中間層）の平面図である。

【図9】本発明の実施例１に係る電力変換装置に用いられるプリント基板の第３層（中間層）の平面図である。

【図10】本発明の実施例１に係る電力変換装置に用いられるプリント基板の第４層（表層）の平面図である。

【図11】本発明の実施例１に係る電力変換装置の斜視図である。

【図12】本発明の実施例１に係る電力変換装置の断面図である。

【図13】本発明の本実施例２に係る電力変換装置のプリント基板の縦断面図である。

【図14】図４の回路の電流の流れを説明する回路図である。

【図15】図４の回路の電流の流れを説明する回路図である。

【図16】実施例１に対する比較例となるプリント基板の縦断面図である。

【図17】実施例１に対する比較例となる第１層（表層）の平面図である。

【図18】実施例２に対する比較例となるプリント基板の縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施例（実施形態）について図面を用いて説明する。

【実施例0013】

本実施例１は、電力変換を行う電力変換装置に関する。ここで電力変換装置とは、より具体的には、直流を所定周波数の交流に変換するインバータ等である。以下では、インバータの例を念頭に置いて説明する。なお、下記に説明する図面中には適宜に上下方向を示す矢印を示しているが、これは便宜的なものであり、本発明を限定するものではない。

【0014】

図１は、本実施例１に適用する導体部分とパワー半導体とで構成されたパワーモジュールの斜視図である。図２は、同分解斜視図である。図３は、前記のパワーモジュールにモールドを施したものの斜視図である。

【0015】

図１、図２に示すように、このパワーモジュール１５は、金属製の下部リードフレーム１６と金属製の上部リードフレーム２とに、それぞれはんだ３を挟んで、縦型の半導体素子であるＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）４のドレイン導体面とソース導体面とがそれぞれ接続している。ＭＯＳＦＥＴ４は、第１の回路要素となり、一般的には、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ等が使用される。本例では、ＭＯＳＦＥＴ４の下面がドレイン導体面、上面がソース導体面となっている。

【0016】

また、パワーモジュール１５は、ワイヤボンディング５により、ＭＯＳＦＥＴ４のゲート９と下部リードフレーム１６と同じ高さにあるゲート端子６とが接続し、ＭＯＳＦＥＴ４のソース１０と下部リードフレーム１６のソースセンス端子７とが接続している。また、パワーモジュール１５は、上部リードフレーム２が下部リードフレーム１６のソース端子８とはんだ３によって接続されている。ドレイン端子１１は、下部リードフレーム１６の側部から延びている。ＭＯＳＦＥＴ４が「縦型」というのは、ＭＯＳＦＥＴ４において、その上下の厚み方向に電流の導通、遮断が行われることを意味している。

【0017】

図３に示すように、パワーモジュール１５の外周部には、樹脂モールド１３により覆われている。上部リードフレーム２の上面１２及び図示しない下部リードフレーム１６の底面の一部は樹脂モールド１３から露出することで、放熱用のフィン等を取り付けるなどによりＭＯＳＦＥＴ４からのリードフレームを介した放熱性を高くすることができる。
このように、単一のパワーモジュール１５は、単一のＭＯＳＦＥＴ４のみを備え、１台のパワーモジュール１５中に複数個のＭＯＳＦＥＴが並列接続されていたりはしていない。

【0018】

図４は、本実施例１の電力変換装置の基本的な主回路構成を示す回路図である。電力変換装置５１の主回路５１ａにおいては、正極配線１０１と中性点配線１０２と負極配線１０３とを備えている。また、このそれぞれの入力端子１０１ａ，１０２ａ，１０３ａも備えている。中性点配線１０２と、正極配線１０１及び負極配線１０３との間には、それぞれ電流を平滑化する平滑キャパシタ１０４，１０５が接続されている。

【0019】

電力変換装置５１は、パワーモジュール１０８，１０９，１１０，１１２，１１３，１１４を備えている。この各パワーモジュールは、いずれも前記のパワーモジュール１５である。正極配線１０１にはパワーモジュール１０８のドレイン端子１１（図１、図２）が接続している。中性点配線１０２にはパワーモジュール１１０のソース端子８（図１、図２）が接続している。パワーモジュール１０８のソース端子８（図１、図２）、パワーモジュール１１０のドレイン端子１１（図１、図２）、そしてパワーモジュール１０９のドレイン端子１１（図１、図２）は、中間配線１０６に接続している。また、負極配線１０３にはパワーモジュール１１４のソース端子８（図１、図２）が接続している。中性点配線１０２にはパワーモジュール１１３のドレイン端子１１（図１、図２）が接続している。パワーモジュール１１４のドレイン端子１１（図１、図２）、パワーモジュール１１３のソース端子８（図１、図２）、パワーモジュール１１２のソース端子８（図１、図２）は、中間配線１０７に接続している。ＡＣ出力配線１１１には、パワーモジュール１０９のソース端子８（図１、図２）と、パワーモジュール１１２のドレイン端子１１（図１、図２）とが接続している。このように主回路５１ａは６つのアームで構成される。なお、言うまでもなく、各パワーモジュール１０８，１０９，１１０，１１２，１１３，１１４のＭＯＳＦＥＴ４（図１、図２）には、寄生ダイオードが接続されている。電力変換装置５１は、パワーモジュール１０８，１０９，１１０，１１２，１１３，１１４によって、直流電流を交流電流に電力変換する。

【0020】

図１４、図１５を参照して図４の主回路の動作の概要について説明する。入力端子１０１ａ，１０２ａ，１０３ａを介して、正極配線１０１、負極配線１０３、中性点配線１０２に直流電流が入力される。すなわち、正極配線１０１は入力のプラス側、負極配線１０３は入力のマイナス側と接続される。そして、各パワーモジュール１０８，１０９，１１０，１１２，１１３，１１４のゲート電圧の適切な制御により、ＡＣ出力配線１１１に所定の周波数の交流電流が出力される。この、交流電流の出力の為のゲート電圧制御により、電力変換装置５１の電流の出力時の動作は主に、正極配線１０１からＡＣ出力配線１１１へ流れる電流の経路、負極配線１０３からＡＣ出力配線１１１へ流れる電流の経路、そして中性点配線１０２からＡＣ出力配線１１１へ流れる経路の３つがあり、３つの経路の切り替えにより入力電圧を変更し、所定の周波数の交流電流を出力する。

【0021】

図１４において、パワーモジュール１０９とパワーモジュール１０８がオンしているとき、電流１６０ａが正極配線１０１からＡＣ出力配線１１１へ流れる。ここでパワーモジュール１０８をオフすると電流１６０ｂが中性点配線１０２から中間配線１０６を経由してＡＣ出力配線１１１へ流れるようになる。このとき、正極配線１０１及びパワーモジュール１０８を流れる電流１６０ａは急速に減少し、一方で中性点配線１０２とパワーモジュール１１１と中間配線１０６に流れる電流１６０ｂは急速に増加する。この平滑キャパシタ１０４の負極側から正極側への電流の変動は急峻な電流１６１ａと表すことができる。なおこのとき、パワーモジュール１０９とＡＣ出力配線１１１の電流は急峻に変動することがない。
また、図１５において、パワーモジュール１１３がオンしているときは電流１６０ｃの様に中性点配線１０２から中間配線１０７を経由してＡＣ出力配線１１１へ流れる。ここでパワーモジュール１１３をオフすると電流１６０ｄが負極配線１０３からＡＣ出力配線１１１へ流れるようになる。このとき、負極配線１０１及びパワーモジュール１０８を流れる電流１６０ｄは急速に増加し、一方で中性点配線１０２とパワーモジュール１１３と中間配線１０７に流れる電流１６０ｃは急速に減少する。この平滑キャパシタ１０５の負極側から正極側への電流の変動は急峻な電流１６１ｂと表すことができる。なおこのとき、パワーモジュール１１２とＡＣ出力配線１１１の電流は急峻に変動することが無い。

【0022】

正極配線１０１と負極配線１０３それぞれの急峻な電流１６１ａ，１６１ｂに対して配線を低インダクタンス化するには、それぞれの電流のループの物理的な長さの低減と電流が流れることによって発生する磁界を打ち消すように配線を配置することが求められる。これについては後記する。

【0023】

図５は、パワーモジュールとそれを制御する制御ＩＣとの接続を示す回路図である。ここでは、パワーモジュール１０８，１０９，１１０，１１２，１１３，１１４を代表して、パワーモジュール１０８と制御ＩＣ（Integrated Circuit）１２１との接続例を図示している。パワーモジュール１０９，１１０，１１２，１１３，１１４においても、図５と同様の回路構成でそれぞれ制御ＩＣ１２１と接続されている。

【0024】

図４においては、電力変換装置５１の基本的な主回路構成のみを図示している。実際には、図４とは異なり、パワーモジュール１０８は２つのパワーモジュール１５が並列接続されて構成されており、このそれぞれのパワーモジュールを図５ではパワーモジュール１０８ａ,１０８ｂと表記している。すなわち、前記のパワーモジュール１０８，１０９，１１０，１１２，１１３，１１４は、いずれも実際には同種のパワーモジュール１５（図１～図３）が並列接続されて構成されている。図６以下の図面では、この２台のパワーモジュール１０８をそれぞれパワーモジュール１０８ａ、パワーモジュール１０８ｂとする表記の仕方をしており、これはパワーモジュール１０９，１１０，１１２，１１３，１１４についても同様の表記をしている。以下ではこの並列接続されているパワーモジュールの個々を指し示すときには、パワーモジュール１０８ａ、パワーモジュール１０８ｂのように表記し、並列接続されているパワーモジュールを包括的に示すときにはパワーモジュール１０８のように表記する。

【0025】

図５は、各パワーモジュールと併せて後記するプリント基板１４４（図６）に実装するファインピッチの配線に接続される制御ＩＣ１２１と並列に接続する２つのパワーモジュール１０８ａ，１０８ｂの信号端子及び主回路配線の接続の例である。
制御ＩＣ１２１は、ファインピッチの配線により配線されていて、パワーモジュール１０８（パワーモジュール１０９，１１０，１１２，１１３，１１４についても同様）の動作に関わる動作を行う。より具体的には、制御ＩＣ１２１は、パワーモジュール１０８（のＭＯＳＦＥＴ４）の制御を行う回路であり、さらに具体的には、ＭＯＳＦＥＴ４のゲート電圧を制御するゲートドライバである。

【0026】

制御ＩＣ１２１は、絶縁部１２０を内部に有し、一次側の入力として電源（図示せず）の入力端子の配線１２４，１２５や、ゲート電圧（制御信号）をパワーモジュール１０８ａ，１０８ｂに印加する制御信号端子１２６を有する。制御ＩＣ１２１は二次側を駆動するための入力端子１２２，１２３の配線を有し、一次側の制御信号端子１２６からの制御信号によりゲート配線１２８とソース配線１２９の電圧を変動し、ＭＯＳＦＥＴ４のゲートへの電流の流入を調整するゲート抵抗１２７を介して、並列接続するパワーモジュール１０８ａ，１０８ｂのゲート、ソース間の電圧を変動させて主回路５１ａの電流の通過と遮断を制御する。

【0027】

ここで、パワーモジュール１０８ａの配線インダクタンス１３１，１３２及びそれに接続する後記するプリント基板１４４上の配線インダクタンス１３１，１３２の直列回路の端子間電圧をＶ１とする。また、パワーモジュール１０８ｂの配線インダクタンス１３５、１３６及びそれに接続するプリント基板１４４上の配線インダクタンス１３４，１３７の直列回路の端子間電圧をＶ２とする。ここで配線インダクタンスとは、配線に流れる電流値の変動により生じるインダクタンスである。ここで、前記の両直列回路は並列接続しているため、“Ｖ１＝Ｖ２”である。この同電圧をＶとする。そして、パワーモジュール１０８ａ，１０８ｂにおける電流の通過と遮断の切り替え時に、パワーモジュール１０８ａ，１０８ｂ内のＭＯＳＦＥＴ４の電流の変動速度ｄｉ／ｄｔと、インダクタンスＬとで示される“Ｖ＝－Ｌ×（ｄｉ／ｄｔ）”という関係から、パワーモジュール１０８ａ側とパワーモジュール１０８ｂ側とでインダクタンスＬの不均衡が生じて、もって電流の変動速度ｄｉ／ｄｔに差が生じ、パワーモジュール１０８ａ側とパワーモジュール１０８ｂ側とで電流のアンバランスが起こる。その為、回路上、インダクタンスを調整する必要がある。その詳細については後記する。

【0028】

図６は、本実施例１の電力変換装置５１（図１１）に用いられるプリント基板１４４の縦断面図である。このプリント基板１４４は４層以上で、図６の例では４層である。すなわち、プリント基板１４４は、第１層（表層）１４４ａ、第２層（中間層）１４４ｂ、第３層（中間層）１４４ｃ、第４層（表層）１４４ｄを備えている。プリント基板１４４には、図４の主回路５１ａと、制御ＩＣ１２１等が実装されている。プリント基板１４４を比較的低層の４層構造とすることで、電力変換装置５１（図１１）の小型化を図ることができる。

【0029】

第１層（表層）１４４ａ、第４層（表層）１４４ｄの配線（中性点配線１０２等）はファインピッチの配線であり、第２層（中間層）１４４ｂ、第３層（中間層）１４４ｃの配線（正極配線１０１、負極配線１０３、中間配線１０６，１０７）より薄くなっている。これは、第１層（表層）１４４ａに制御ＩＣ１２１等を配線するためである。図４の主回路５１ａの配線は、第１層１４４ａ～第４層１４４ｄの全てに配線されている。
ここで、比較例として図１６、図１７に示すように、第１層（表層）１４４ａ、第４層（表層）１４４ｄに正極配線１０１、負極配線１０３を配線し、中性点配線１０２、中間配線１０６，１０７を第２層（中間層）１４４ｂ、第３層（中間層）１４４ｃに配線する例を考えてみる。

【0030】

この場合、図１６、図１７に示すように、正極配線１０１と負極配線１０３とが短絡しないように、これらの間に絶縁部分３００を設けて、この両者を絶縁しておく必要がある。しかし、これだと、正極配線１０１と負極配線１０３の部分４１１，４１２（図１７）の幅が狭くなる。前記のとおり、第１層（表層）１４４ａ、第４層（表層）１４４ｄの配線はファインピッチの配線であり、薄いため、部分４１１，４１２の幅が狭いと、その断面積が狭くなり、電流が流れると大きな発熱が生じるため、適切ではない。

【0031】

この対策として、第１層（表層）１４４ａ、第４層（表層）１４４ｄに正極配線１０１（又は負極配線１０３）と中性点配線１０２とを配置し、負極配線１０３（又は正極配線１０１）を中間層に配置することも考えられるかもしれない。
しかし、これだと、正極配線１０１と負極配線１０３とで配線の断面積が異なることとなる。正極配線１０１と負極配線１０３とは同じ電流が流れるので、互いに断面積が異なることは好ましくない。

【0032】

そこで、図６に示すように、第１層（表層）１４４ａ、第４層（表層）１４４ｄの主回路５１ａの配線としては、中性点配線１０２のみとする。そして、第１層（表層）１４４ａ、第４層（表層）１４４ｄの配線が薄いことに鑑みて、第１層（表層）１４４ａ、第４層（表層）１４４ｄにおいて、可能な限り配線幅３１２を幅広として、発熱の問題を抑制している。
第２層（中間層）１４４ｂには、中間配線１０６と、中間配線１０７とを互いに絶縁体１５２（図６）で絶縁して、ほぼ同じ配線幅で配線する。また、第３層（中間層）１４４ｃには、正極配線１０１と、負極配線１０３とを互いに絶縁体１５２（図６）で絶縁して、ほぼ同じ配線幅で配線する。この場合、中間配線１０６と、中間配線１０７とを互いに絶縁体１５２で絶縁し、正極配線１０１と、負極配線１０３とを互いに絶縁体１５２で絶縁しても、中間層は配線が厚いので、配線幅に狭い部分が生じても、発熱の問題は抑制できる。なお、第２層１４４ｂと第３層１４４ｃの配線を入れ替えてもよい。

【0033】

また、図６中に記号３１３，３１４で示すように、第２層（中間層）１４４ｂの中間配線１０６と、第３層（中間層）の正極配線１０１とは、第１層（表層）１４４ａ、第４層（表層）１４４ｄの中性点配線１０２と流れる電流の向きが互いに逆になるように設計している。これは、第２層（中間層）１４４ｂの中間配線１０７と、第３層（中間層）の負極配線１０３についても同様である。
これにより、近い位置にある第１層（表層）１４４ａの中性点配線１０２と第２層（中間層）１４４ｂの中間配線１０６，１０７とで磁束を効果的に打ち消し合い、回路のインダクタンスを低減することができる。

【0034】

次に、プリント基板１４４の各層の具体的な回路構成例を説明する。図７は、第１層（表層）の平面図である。パワーモジュール１０８ａ等の各パワーモジュールはプリント基板１４４を貫通する孔３２１に挿入されることでパワーモジュール１０８，１０９，１１０，１１２，１１３，１１４冷却用の上下の表面が露出するようになっている。
中性点配線１０２は、平滑キャパシタ１０４の負極側のピン１４２及び平滑キャパシタ１０５の正極側のピン１４３と、パワーモジュール１１０ａ，１１０ｂの負極側及びパワーモジュール１１３ａ，１１３ｂの正極側と接続する。パワーモジュール１０８ａ，１０８ｂの負極側は中間配線１０６と、パワーモジュール１１４ａ，１１４ｂの正極側は中間配線１０７にそれぞれ接続する。また、それぞれのＶｉａ１５０により内層の中間配線１０６，１０７に接続する。パワーモジュール１１０ａ，１１０ｂ，１０９ａ，１０９ｂの正極側は中間配線１０６に接続し、それぞれのＶｉａ１５０により内層の中間配線１０６に接続する。パワーモジュール１１３ａ，１１３ｂ，１１２ａ，１１２ｂの負極側は中間配線１０７に接続し、それぞれのＶｉａ１５０により内層の中間配線１０７に接続する。パワーモジュール１０９ａ，１０９ｂの負極側とパワーモジュール１１２ａ，１１２ｂの正極側はＡＣ出力配線１１１に接続する。このように図７のプリント基板１４４の図７における上側１８１ａの中央部と下側１８１ｂには、主回路５１ａの配線が設けられている。

【0035】

加えて図７のプリント基板１４４の図７における上側１８１ａの左右両側にはそれぞれ２並列のパワーモジュール１０８，１０９，１１０，１１２，１１３，１１４で構成する６アームをそれぞれ制御する制御ＩＣ１２１が６つ配置され、それぞれゲート抵抗１２７も設けられている。それぞれの制御ＩＣ１２１と外部の制御回路とを接続する制御信号の配線１２６ａ，１２６ｃ，１２６ｄ，１２６ｆと入力端子の配線１２４，１２５を備える。また、それぞれの制御ＩＣ２１の二次電源と接続する入力端子の配線１２２ａ，１２２ｂ，１２３ａ，１２３ｂを備える。

【0036】

また、中性点配線１０２にスリット２０１を入れることで平滑キャパシタ１０４，１０５に対するパワーモジュール１１０ａの負極側のインダクタンスを増加し、パワーモジュール１１０ａの負極側のインダクタンスとのアンバランスを調整している。また、中性点配線１０２にスリット２０２を入れることでパワーモジュール１１３ａの正極側のインダクタンスを増加し、パワーモジュール１１３ｂの正極側のインダクタンスとのアンバランスを調整している。

【0037】

図８は、第２層（中間層）の平面図である。Ｖｉａ１５０を介して、パワーモジュール１０８ｂの負極側と接続する中間配線１０６にスリット２０３を入れる。これによりパワーモジュール１０８ｂの配線の長さが増加する為にインダクタンスが増加することで生じる、パワーモジュール１０８ａとのインダクタンスのアンバランスを低減し、電流のばらつきを抑制する。また、同様に中間配線１０６にスリット２０３を入れることで、パワーモジュール１１０ａの正極側のインダクタンスを調整し、パワーモジュール１１０ｂとの間の電流のばらつきを抑制する。さらに、中間配線１０６にスリット２０４を入れることで、パワーモジュール１０９ａの正極側のインダクタンスを調整し、パワーモジュール１０９ｂとの電流ばらつきを抑制する。同様に中間配線１０７にスリット２０５を入れることで、パワーモジュール１１４ｂの正極側のインダクタンスを調整し、パワーモジュール１１４ａとの電流ばらつきを抑制する。また、中間配線１０７にスリット２０５を入れることで、パワーモジュール１１３ａの負極側のインダクタンスを調整し、パワーモジュール１１３ｂとの電流ばらつきを抑制する。同様に中間配線１０７にスリット２０６を入れることで、パワーモジュール１１２ａの負極側のインダクタンスを調整し、パワーモジュール１１２ｂとの間の電流のばらつきを抑制する。

【0038】

図９は、第３層（中間層）の平面図である。正極配線１０１にスリット２０７を入れることで、パワーモジュール１０８ａの正極側のインダクタンスを増加し、パワーモジュール１０８ｂとの間のインダクタンスの差を調整する。また、負極配線１０３にスリット２０８を入れることで、パワーモジュール１１４ａの負極側のインダクタンスを増加し、パワーモジュール１１４ｂとの間のインダクタンスの差を調整し、電流のばらつきを抑制する。

【0039】

図１０は、第４層（表層）の平面図である。１層目と同様に第４層（表層）１４４ｄには中性点配線１０２が形成されている。中性点配線１０２は、平滑キャパシタ１０４の負極側のピン１４２と、平滑キャパシタ１０５の正極側のピン１４３と接続し、Ｖｉａ１５０により第１層（表層）１４４ａの中性点配線１０２と接続し、パワーモジュール１１０ａ，１１０ｂ及びパワーモジュール１１３ａ，１１３ｂと接続する。図７に示す中性点配線１０２と同様にスリット２０１，２０２によりインダクタンスを調整し、電流のばらつきを抑制する。

【0040】

図１１は、電力変換装置の斜視図である。電力変換装置５１では、制御ＩＣ１２１の一次側の電源や制御信号を外部から入力するためコネクタ３０１ａ，３０１ｂを取り付ける。また，制御ＩＣ１２１の二次側の電源を外部から入力するためコネクタ３０２ａ，３０２ｂ，３０２ｃ，３０２ｄ，３０２ｅ，３０２ｆをそれぞれ備えている。これらの制御信号用のコネクタに加え、主回路５１ａの入力端子１０１ａ，１０２ａ，１０３ａにＤＣ入力ケーブルを、出力端子１１１ａにＡＣ出力ケーブルを取り付けることで、ＤＣ入力をＡＣ出力に変換して出力できる。

【0041】

図１２は、本実施形態１の電力変換装置の断面図である。パワーモジュール１５（前記の各パワーモジュールを代表してパワーモジュール１５と表記）の表面に絶縁体４００を挟み、流路４５１をパワーモジュール１５に隣接させて密着させる。更にプリント基板１４４との間に絶縁体４００を挟んで流路４５２をプリント基板１４４に隣接させて密着させる。流路４５１，４５２には、エチレングリコール、油等の冷却媒体４０５，４０６が流通する。流路４５１，４５２にはフィン４０７がパワーモジュール１５の上面及び下面に位置する場所に配置されている。これにより、冷却媒体４０５，４０６により、パワーモジュール１５及びプリント基板１４４の両方が冷却され、電力変換装置５１の全体的な冷却を十分に行うことができる。

【0042】

以上説明した本実施例の電力変換装置５１によれば、前記した通り、第１層（表層）１４４ａ、第４層（表層）１４４ｄにおける主回路５１ａ配線を基本的に中性点配線１０２のみとすることで、適切に電力変換装置５１の発熱を抑制することができる。
また、第１層（表層）１４４ａ、第４層（表層）１４４ｄに中性点配線１０２を配し、第２層（中間層）１４４ｂ、第３層（中間層）１４４ｃに正極配線１０１、負極配線１０３、中間配線１０６，１０７を配することで、前記のとおり、主回路５１ａにおける配線のインダクタンスを抑制することができる。

【0043】

さらに、前記のとおり、流路４５１，４５２によってパワーモジュール１５及びプリント基板１４４の両方を冷却して、電力変換装置５１を好適に冷却することができる。
第１層（表層）１４４ａの配線はファインピッチの配線であり、この配線によって制御ＩＣ１２１が第１層（表層）１４４ａに実装されているので、同じプリント基板１４４に主回路５１ａと制御系の回路とを実装することができる。
また、主回路５１ａの配線は、第１層（表層）１４４ａ～第４層（表層）１４４ｄの全ての層に存在しているため、主回路５１ａの配線を表層のみに配線する場合と比べて、特定の層の配線の面積を拡大しないので、プリント基板１４４を大型化させないことにより電力変換装置５１のサイズが不必要に拡大するのを抑制し、その電力出力密度を増大させることができる。

【0044】

各パワーモジュール１０８～１１０，１１２～１１４は各々単一のＭＯＳＦＥＴ４のみを備えているので、いずれかの当該パワーモジュールに不備があっても複数個のＭＯＳＦＥＴ４が使用不能とはならないため、ＭＯＳＦＥＴ４の歩留まりを高めることができる。
中性点配線１０２は、表面の層（第１層１４４ａ）と裏面の層（第４層１４４ｄ）とに配置されているので、第１層（表層）１４４ａの主回路５１ａの配線が薄いことを補うことができる。

【0045】

パワーモジュール１０８～１１０，１１２～１１４は、プリント基板１４４を板厚方向に貫通する孔３２１に挿通するように実装され、当該孔３２１の両側からプリント基板１４４の外に露出している。よって、パワーモジュール１０８～１１０，１１２～１１４を外気で冷却するのに好適である。
電力変換装置５１は、各パワーモジュール１０８～１１０，１１２～１１４が、複数個（前記の例でパワーモジュール１０８ａ，１０８ｂのように２個）ずつ並列接続されているので、出力を大きくすることができる。

【実施例0046】

次に、本発明の実施例２について説明する。以下の実施例２の説明では、実施例１と共通の構成については実施例１と同様の符号を用いて詳細な説明を省略し、実施例１と異なる点を中心に説明する。

【0047】

図１３は、本実施例２の電力変換装置５１のプリント基板の縦断面図である。本実施例２が実施例１と異なるのは、プリント基板４０１の構成と、主回路５１ａの配線構造である。本実施例２のプリント基板４０１は６層である。実施例２の場合と同様の理由で、第１層（表層）４０１ａ、第６層（表層）４０１ｆの配線は、第２層（中間層）４０１ｂ、第３層（中間層）４０１ｃ、第４層（中間層）４０１ｄ、第５層（中間層）４０１ｅよりも薄いファインピッチの配線である。そして、第１層（表層）４０１ａには、実施例１と同じく、制御ＩＣ１２１等の制御系の回路が実装される。

【0048】

実施例１と同様、第１層（表層）４０１ａ、第６層（表層）４０１ｆの主回路５１ａの配線は中性点配線１０２としている。中間層のうちの第２層４０１ｂ及び第５層４０１ｅには、それぞれ中間配線１０６，１０７が互いに絶縁体１５２で絶縁されて形成されている。この中間配線１０６と１０７とは、極力同じ幅の配線とする。また、中間層のうち第３層４０１ｃ及び第４層４０１ｄには、それぞれ正極配線１０１と負極配線１０３とが互いに絶縁体１５２で絶縁されて形成されている。正極配線１０１と負極配線１０３とは、極力同じ幅の配線とする。ここで、例えば、第３層（中間層）４０１ｃ及び第４層（中間層）４０１ｄを、中性点配線１０２と負極配線１０３とし、第１層（表層）４０１ａ、第６層（表層）４０１ｆを正極配線１０１とすると、実施例１の場合と同様の不具合が生じる。よって、第１層（表層）４０１ａ、第６層（表層）４０１ｆの主回路５１ａの配線は中性点配線１０２とすることが望ましい。

【0049】

このように、プリント基板４０１を実施例１のプリント基板１４４よりも２層多くすることで、正極配線１０１、負極配線１０３、中間配線１０６，１０７の断面積を拡大できるので、実施例１の場合よりも大電力を扱っても、電力変換装置５１からの発熱を抑制することができる。
ここで、図１８の比較例に示すように、プリント基板４０１を６層としたことから、第２層（中間層）４０１ｂ、第３層（中間層）４０１ｃ、第４層（中間層）４０１ｄ、第５層（中間層）４０１ｅの各層に正極配線１０１、負極配線１０３、中間配線１０６，１０７をひとつずつ配置することも考えられる。

【0050】

しかしながら、この構成では、第６層（表層）４０１ｆを流れる電流は、それと流れる方向が反対の電流が流れる第２層（中間層）４０１ｂや第３層（中間層）４０１ｃから離れた配置となってしまい、互いの配線間で磁束を打ち消し合う効果が薄れてしまう。つまり、第２層（中間層）４０１ｂや第３層（中間層）４０１ｃの正極配線１０１、負極配線１０３は、第１層（表層）４０１ａの中性点配線１０２との間では互いに効果的に磁束を打ち消し合うことができるかもしれない。しかし、第２層（中間層）４０１ｂや第３層（中間層）４０１ｃの正極配線１０１、負極配線１０３は、第６層（表層）４０１ｆの中性点配線１０２との間では互いに効果的に磁束を打ち消し合うことができない。

【0051】

そこで、図１３に示すように、本実施例２では、第１層（表層）４０１ａ、第６層（表層）４０１ｆには、それぞれ中性点配線１０２を配置する。そして、第１層（表層）４０１ａに近い第２層（中間層）４０１ｂ、第３層（中間層）４０１ｃには正極配線１０１、負極配線１０３、中間配線１０６，１０７を配して、中性点配線１０２とは逆方向に電流を流す。これにより、中性点配線１０２と、正極配線１０１、負極配線１０３、中間配線１０６，１０７との間で逆方向に電流を流して、互いの磁束を打ち消し合って配線のインダクタンスを低減する効果を高めることができる。同様に、第６層（表層）４０１ｆに近い第４層（中間層）４０１ｄ、第５層（中間層）４０１ｅにも正極配線１０１、負極配線１０３、中間配線１０６，１０７を配して、中性点配線１０２とは逆方向に電流を流す。これにより、第６層（表層）４０１ｆの中性点配線１０２と、第４層（中間層）４０１ｄ、第５層（中間層）４０１ｅの正極配線１０１、負極配線１０３、中間配線１０６，１０７との間でも、互いの磁束を打ち消し合って配線のインダクタンスを低減する効果を高めることができる。

【0052】

前記のとおり、本実施例２においても、電力変換装置５１の発熱を適切に抑制することができる。
また、本実施例２でも、主回路５１ａの配線のインダクタンスを効果的に低減することができる。
さらに、本実施例２でも、流路４５１，４５２によってパワーモジュール１５及びプリント基板４０１の両方を冷却して、電力変換装置５１を好適に冷却することができる。
実施例１と同様、第１層（表層）４０１ａの配線はファインピッチの配線であり、この配線によって制御ＩＣ１２１が実装されているので、同じプリント基板４０１に主回路５１ａと制御系の回路とを実装することができる。

【0053】

また、実施例１と同様、主回路５１ａの配線は、第１層（表層）４０１ａ～第６層（表層）４０１ｆの全ての層に存在している。そのため、主回路５１ａの配線を表層のみに配線する場合と比べて、特定の層の配線の面積を拡大しないので、プリント基板４０１を大型化させないことにより電力変換装置５１のサイズが不必要に拡大するのを抑制し、その電力出力密度を増大させることができる。
実施例１と同様、各パワーモジュール１０８～１１０，１１２～１１４は各々単一のＭＯＳＦＥＴ４のみを備えているので、いずれかの当該パワーモジュールに不備があっても複数個のＭＯＳＦＥＴ４が使用不能とはならないため、ＭＯＳＦＥＴ４の歩留まりを高めることができる。

【0054】

実施例１と同様、中性点配線１０２は、表面の層（第１層４０１ａ）と裏面の層（第６層４０１ｆ）とに配置されているので、第１層（表層）４０１ａの主回路５１ａの配線が薄いことを補うことができる。
実施例１と同様、パワーモジュール１０８～１１０，１１２～１１４は、プリント基板１４４を板厚方向に貫通する孔３２１に挿通するように実装され、当該孔３２１の両側からプリント基板１４４の外に露出している。よって、パワーモジュール１０８～１１０，１１２～１１４を外気で冷却するのに好適である。

【0055】

実施例１と同様、電力変換装置５１は、各パワーモジュール１０８～１１０，１１２～１１４が、複数個（前記の例でパワーモジュール１０８ａ，１０８ｂのように２個）ずつ並列接続されているので、出力を大きくすることができる。

【0056】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。