特開 2024-74107 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】P2024074107

(43)【公開日】2024-05-30

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240523BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022185180

(22)【出願日】2022-11-18

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】浅野 達見子

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770AA05

5H770CA02

5H770DA03

5H770DA41

5H770JA11W

5H770JA11Y

5H770PA22

5H770QA01

5H770QA05

5H770QA06

5H770QA08

5H770QA22

5H770QA27

(57)【要約】

【課題】放射ノイズを低減すること。
【解決手段】導電性を有するベースと、前記ベースの上に位置する第１絶縁層と、前記第１絶縁層の上に位置する正極を含む正極導体と、前記第１絶縁層の上に位置する負極を含む負極導体と、前記第１絶縁層の上に位置する中間極と、前記正極と前記中間極との間に接続された上アームと前記負極と前記中間極との間に接続された下アームとを含む電力変換回路と、前記正極導体に接続された第１端と、前記負極導体に接続された第２端と、を有する第１コンデンサと、前記第１端と前記正極との間において前記正極導体に接続された第３端と、前記第２端と前記負極との間において前記負極導体に接続された第４端と、を有し、前記第１コンデンサよりも容量が小さな第２コンデンサと、前記負極導体に接続された第５端と、前記ベースに接続された第６端と、を有する第３コンデンサと、を備える、電力変換装置。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

導電性を有するベースと、
前記ベースの上に位置する第１絶縁層と、
前記第１絶縁層の上に位置する正極を含む正極導体と、
前記第１絶縁層の上に位置する負極を含む負極導体と、
前記第１絶縁層の上に位置する中間極と、
前記正極と前記中間極との間に接続された上アームと前記負極と前記中間極との間に接続された下アームとを含む電力変換回路と、
前記正極導体に接続された第１端と、前記負極導体に接続された第２端と、を有する第１コンデンサと、
前記第１端と前記正極との間において前記正極導体に接続された第３端と、前記第２端と前記負極との間において前記負極導体に接続された第４端と、を有し、前記第１コンデンサよりも容量が小さな第２コンデンサと、
前記負極導体に接続された第５端と、前記ベースに接続された第６端と、を有する第３コンデンサと、を備える、電力変換装置。

【請求項2】

前記負極導体は、前記負極に接続された負極端子を含み、
前記第２端、前記第４端及び前記第５端は、前記負極端子に接続された、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

基板を備え、
前記負極導体は、前記基板に形成された負極パターンを含み、
前記第２端、前記第４端、前記第５端及び前記負極端子は、前記負極パターンに接続された、請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記第３コンデンサは、前記基板に実装された、請求項３に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記第２コンデンサは、前記基板に実装された、請求項４に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記ベースは、導電性の第１ベースと、前記第６端が接続された導電性の第２ベースと、前記第１ベースと前記第２ベースとの間に位置する第２絶縁層と、を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記第１ベースと前記第２ベースとの間の容量をＣｇ、前記正極と前記第２ベースとの間の容量をＣｐ、前記負極と前記第２ベースとの間の浮遊容量をＣｎ、前記第３コンデンサの容量をＣｎ'とするとき、
前記第１ベース及び容量Ｃｇを経由する経路の合成インピーダンスは、ＣｐとＣｎとＣｎ'との並列回路の合成インピーダンスよりも大きい、請求項６に記載の電力変換装置。

【請求項8】

前記ベースは、前記第６端が接続された導電性の第１ベースと、前記第１ベースの上に位置する第２絶縁層と、前記第１ベースと導電的に接続され且つ前記第２絶縁層の上に位置する導電性の第２ベースと、を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子のスイッチング動作に基づく電力変換装置の放射ノイズを抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６０５３６６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

電力変換装置では、上アームの半導体素子と下アームの半導体素子との間に接続される中間導体と、ヒートシンク等の導電性を有するベースとの間に、浮遊容量が形成される場合がある。この場合、半導体素子のスイッチング動作によって発生するノイズ電流が、浮遊容量を介してベースに漏れ出すと、放射ノイズが増大するおそれがある。

【0005】

本開示は、放射ノイズを低減可能な電力変換装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

第１態様では、電力変換装置は、
導電性を有するベースと、
前記ベースの上に位置する第１絶縁層と、
前記第１絶縁層の上に位置する正極を含む正極導体と、
前記第１絶縁層の上に位置する負極を含む負極導体と、
前記第１絶縁層の上に位置する中間極と、
前記正極と前記中間極との間に接続された上アームと前記負極と前記中間極との間に接続された下アームとを含む電力変換回路と、
前記正極導体に接続された第１端と、前記負極導体に接続された第２端と、を有する第１コンデンサと、
前記第１端と前記正極との間において前記正極導体に接続された第３端と、前記第２端と前記負極との間において前記負極導体に接続された第４端と、を有し、前記第１コンデンサよりも容量が小さな第２コンデンサと、
前記負極導体に接続された第５端と、前記ベースに接続された第６端と、を有する第３コンデンサと、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本開示の技術によれば、電力変換装置からの放射ノイズを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態の電力変換装置の一構成例を示す回路図である。

【図2】電力変換装置に備えられたモジュールの一構成例を示す断面図である。

【図3】モジュールに発生するコモンモード電流ｉｃ１を説明するための図である。

【図4】モジュールに発生するコモンモード電流ｉｃ２を説明するための図である。

【図5】グランド経路の等価回路図である。

【図6】ノイズバイパス経路の等価回路図である。

【図7】第１実施形態におけるモジュールが取り付けられる構造の第１例を示す斜視図である。

【図8】第１実施形態におけるモジュールが取り付けられる構造の第１例を示す断面図である。

【図9】第１実施形態におけるモジュールの取り付けられる構造の第１例を示す平面図である。

【図10】接地コンデンサＣｎ'を後から調整可能な構造の第１例を示す平面図である。

【図11】接地コンデンサＣｎ'を後から調整可能な構造の第２例を示す平面図である。

【図12】接地コンデンサＣｎ'を後から調整可能な構造の第３例を示す平面図である。

【図13】第１実施形態におけるモジュールが取り付けられる構造の第２例を示す斜視図である。

【図14】第２実施形態の電力変換装置の一構成例を示す回路図である。

【図15】第２実施形態におけるモジュールが取り付けられる構造の第１例を示す斜視図である。

【図16】第２実施形態におけるモジュールが取り付けられる構造の第１例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、「接続」とは、物理的な接続に限られず、同電位での接続の意味を含んでよい。例えば、物体Ａが物体Ｂに接続されるとは、物体Ａが物体Ｂに導電的に接続される場合に限られず、物体Ａが物体Ｃを介して物体Ｂに同電位に導電的に接続される場合を含んでよい。

【0010】

図１は、第１実施形態の電力変換装置の一構成例を示す回路図である。図１に示す電力変換装置１０１は、不図示の交流電源から入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔを介して入力される三相の交流電力を、周波数の異なる三相の交流電力に変換し、不図示の負荷に出力端子Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏを介して出力する。交流電源は、例えば、三相の交流電力を供給する商用電源であるが、これに限られない。負荷は、例えば、電力変換装置１０１から供給される交流電力で駆動されるモータであるが、これに限られない。

【0011】

電力変換装置１０１は、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ、出力端子Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏ、接地端子Ｅ，Ｅｏ、ヒートシンク１、コンバータ回路１０、正極導体３０、負極導体４０、平滑コンデンサＣｄｃ、線間コンデンサＣｐｎ、対地コンデンサＣｎ'及びモジュール２０１を備える。対地コンデンサＣｎ'は、接地コンデンサＣｎ'とも称する。

【0012】

第１接地端子Ｅは、不図示の第１接地ケーブルが外部接続される。第１接地端子Ｅは、第１接地ケーブルを介して外部のアースに接地される。

【0013】

ヒートシンク１は、導電性を有するベースの一例である。ヒートシンク１は、電力変換装置１０１で発生する熱を放出するための部材である。ヒートシンク１は、接地端子Ｅに接続されているので、接地端子Ｅ及び接地ケーブルを介して外部のアースに接地される。

【0014】

コンバータ回路１０は、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔから入力される三相の交流を直流に変換する整流回路である。コンバータ回路１０は、例えば、交流電力を直流電力に変換するダイオードブリッジ回路であるが、これに限られない。コンバータ回路１０は、変換後（整流後）の直流電圧を正極導体３０と負極導体４０との間に出力する。

【0015】

平滑コンデンサＣｄｃは、正極導体３０に接続された第１端５１と、負極導体４０に接続された第２端５２と、を有する容量素子である。線間コンデンサＣｐｎは、第１端５１と正極端子Ｐとの間において正極導体３０に接続された第３端５３と、第２端５２と負極端子Ｎとの間において負極導体４０に接続された第４端５４と、を有する容量素子である。なお、第３端５３は、正極端子Ｐと後述の正極５ｃ１との間において正極導体３０に接続されてもよく、第４端５４は、負極端子Ｎと後述の負極５ｃ３との間において負極導体４０に接続されてもよい。

【0016】

線間コンデンサＣｐｎは、平滑コンデンサＣｄｃよりも容量が小さい。平滑コンデンサＣｄｃは、正極導体３０と負極導体４０との間の直流電圧のリップルを低減し、当該直流電圧を平滑化する。線間コンデンサＣｐｎは、正極導体３０と負極導体４０との間の直流電圧のリップルよりも高周波のノイズを低減する。

【0017】

モジュール２０１は、インバータ回路２０を収容するパッケージを備える半導体モジュールである。インバータ回路２０は、正極導体３０と負極導体４０との間の直流を三相の交流に変換する電力変換回路である。インバータ回路２０は、６個のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６を有している。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６は、例えば、ＩＧＢＴ等の半導体素子である。

【0018】

スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ４との接続点は、モジュール２０１の中間端子Ｕに接続されている。スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ５との接続点は、モジュール２０１の中間端子Ｖに接続されている。スイッチング素子Ｓ３及びスイッチング素子Ｓ６との接続点は、モジュール２０１の中間端子Ｗに接続されている。Ｕ相の中間端子Ｕ、Ｖ相の中間端子Ｖ及びＷ相の中間端子Ｗは、それぞれ、Ｕ相の出力端子Ｕｏ、Ｖ相の出力端子Ｖｏ及びＷ相の出力端子Ｗｏに接続されている。

【0019】

第２接地端子Ｅｏは、不図示の第２接地ケーブルが外部接続される。第２接地端子Ｅｏは、第２接地ケーブルを介して、出力端子Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏから三相の交流電力が供給される不図示の負荷の筐体に接続される。不図示の負荷の筐体は、第２接地端子Ｅｏを介してヒートシンク１に接続され、ヒートシンク１及び第１接地端子Ｅを介してアースに接地される。

【0020】

図２は、電力変換装置に備えられたモジュールの一構成例を示す図である。図２に示すモジュール２０１は、インバータ回路２０を収容する半導体装置である。図２は、インバータ回路２０のうち、上アームのスイッチング素子Ｓ２と下アームのスイッチング素子Ｓ５とが直列に接続されたＶ相のハーフブリッジ回路の断面を例示する。

【0021】

上アームのスイッチング素子Ｓ１と下アームのスイッチング素子Ｓ４とが直列に接続されたＵ相のハーフブリッジ回路は、Ｖ相のハーフブリッジ回路と同じ構成を有する。上アームのスイッチング素子Ｓ３と下アームのスイッチング素子Ｓ６とが直列に接続されたＷ相のハーフブリッジ回路は、Ｖ相のハーフブリッジ回路と同じ構成を有する。そのため、Ｕ相及びＷ相のハーフブリッジ回路の断面構成の説明については、Ｖ相のハーフブリッジ回路の断面構成の以下の説明を援用することで、省略する。

【0022】

図２に示すモジュール２０１は、ヒートシンク１にサーマルコンパウンド２を介して接触した状態で固定されている。サーマルコンパウンド２は、モジュール２０１からヒートシンク１への放熱を安定化させる。

【0023】

モジュール２０１は、ケース７、絶縁基板５、正極端子Ｐ、負極端子Ｎ、中間端子Ｖ、スイッチング素子Ｓ２、スイッチング素子Ｓ５及び配線１５，１６を備える。中間端子Ｕ及び中間端子Ｗの図示は、省略されている。

【0024】

ケース７は、絶縁基板５、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６及び配線１５，１６を収容する筐体である。ケース７の底部には、導電性のベース板３が設けられている。絶縁基板５は、ベース板３の上に配置され、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６は、絶縁基板５の上に配置されている。ベース板３の具体例として、放熱性の高い銅（Ｃｕ）基板、アルミ炭化ケイ素複合材（Ａｌ－ＳｉＣ）基板等がある。ケース７は、例えば、絶縁基板５、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６及び配線１５，１６を封入する樹脂製のパッケージである。

【0025】

絶縁基板５は、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６が実装される基板である。絶縁基板５の具体例として、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板、ＡＭＢ（Active Metal Blazing）基板等がある。絶縁基板５は、はんだ等の接合材４によってベース板３上に固定される。接合材４は、ベース板３と絶縁基板５との間に介在する。

【0026】

絶縁基板５は、絶縁層５ａ、導体層５ｂ及び配線層５ｃを含む。絶縁層５ａは、例えば、セラミック板である。導体層５ｂは、絶縁層５ａの下面に設けられ、例えば、銅等の導電性金属により形成された金属箔である。導体層５ｂは、はんだ等の接合材４によってベース板３に接触する。配線層５ｃは、絶縁層５ａの上面に設けられ、例えば、銅等の導電性金属により形成された導体層である。配線層５ｃは、正極５ｃ１、中間極５ｃ２及び負極５ｃ３を含む。

【0027】

スイッチング素子Ｓ２は、モジュール２０１に組み込まれる半導体素子であり、表面１２及び裏面１３のそれぞれに電極を有する半導体チップである。

【0028】

スイッチング素子Ｓ２は、エミッタ電極１１ｅ及びゲート電極１１ｇが形成された表面１２と、コレクタ電極１１ｃが形成された裏面１３とを有する。コレクタ電極１１ｃは、スイッチング素子Ｓ２が有する第１主電極の一例である。エミッタ電極１１ｅは、スイッチング素子Ｓ２が有する第２主電極の一例である。ゲート電極１１ｇは、スイッチング素子Ｓ２が有する制御電極の一例である。スイッチング素子Ｓ２は、コレクタ電極１１ｃがはんだ等の接合材６ａにより正極５ｃ１と接合することで、裏面１３にて絶縁基板５上に固定される。エミッタ電極１１ｅは、配線１５を介して、中間極５ｃ２に接続される。

【0029】

スイッチング素子Ｓ５は、モジュール２０１に組み込まれる半導体素子であり、表面８及び裏面９のそれぞれに電極を有する半導体チップである。

【0030】

スイッチング素子Ｓ５は、エミッタ電極１４ｅ及びゲート電極１４ｇが形成された表面８と、コレクタ電極１４ｃが形成された裏面９とを有する。コレクタ電極１４ｃは、スイッチング素子Ｓ５が有する第１主電極の一例である。エミッタ電極１４ｅは、スイッチング素子Ｓ５が有する第２主電極の一例である。ゲート電極１４ｇは、スイッチング素子Ｓ５が有する制御電極の一例である。スイッチング素子Ｓ５は、コレクタ電極１４ｃがはんだ等の接合材６ｂにより中間極５ｃ２と接合することで、裏面９にて絶縁基板５上に固定される。エミッタ電極１４ｅは、配線１６を介して、負極５ｃ３に接続される。

【0031】

スイッチング素子Ｓ１～Ｓ６は、Ｓｉ半導体素子またはＳｉＣ半導体素子によって形成される。配線１５，１６は、ボンディングワイヤに限らず、導電プレートなどの他の形態でもよい。配線１５，１６の各本数は、一又は複数である。

【0032】

正極端子Ｐ、負極端子Ｎ及び中間端子Ｕ，Ｖ，Ｗは、モジュール２０１の外部と接続するための外部端子である。これらの各外部端子は、例えば、銅、アルミニウム等の導電性金属を用いて円柱状又は平板状に成形されている。

【0033】

正極端子Ｐは、正極５ｃ１に接続される第１主端子であり、例えば、正極５ｃ１から上方に延伸するリード端子である。正極端子Ｐは、正極５ｃ１を介して、スイッチング素子Ｓ１のコレクタ電極１１ｃに電気的に接続されている。正極端子Ｐ及び正極５ｃ１は、正極導体３０（図１）の一部と定義されてもよい。

【0034】

負極端子Ｎは、負極５ｃ３に接続される第２主端子であり、例えば、負極５ｃ３から上方に延伸するリード端子である。負極端子Ｎは、負極５ｃ３及び配線１６を介して、スイッチング素子Ｓ４のエミッタ電極１４ｅに電気的に接続されている。負極端子Ｎ、負極５ｃ３及び配線１６は、負極導体４０（図１）の一部と定義されてもよい。

【0035】

中間端子Ｖは、中間極５ｃ２に接続されるＶ相端子であり、例えば、中間極５ｃ２から上方に延伸するリード端子である。中間端子Ｖは、中間極５ｃ２及び配線１５を介して、スイッチング素子Ｓ２のエミッタ電極１１ｅに電気的に接続され、かつ、中間極５ｃ２を介して、スイッチング素子Ｓ５のコレクタ電極１４ｃに電気的に接続されている。

【0036】

ここで、図２において、絶縁層５ａは、導電性の配線層５ｃ（正極５ｃ１、中間極５ｃ２及び負極５ｃ３）と導電性のベース板３との間に挟まれた誘電体層である。正極５ｃ１及び中間極５ｃ２は、ベース板３と直流的に（導電的に）接続されていないので、正極５ｃ１とベース板３との間、及び、中間極５ｃ２とベース板３との間には浮遊容量が形成される。また、負極５ｃ３がベース板３と直流的に（導電的に）接続されていない場合、負極５ｃ３とベース板３との間には、浮遊容量が形成される。

【0037】

図１及び図２に示すように、正極５ｃ１とベース板３との間には、浮遊容量Ｃｐが形成され、負極５ｃ３とベース板３との間には、浮遊容量Ｃｎが形成され、中間極５ｃ２とベース板３との間には、浮遊容量Ｃｏが形成される。なお、浮遊容量Ｃｏは、Ｖ相の中間極５ｃ２とベース板３との間に形成されるだけでなく（図１参照）、Ｕ相の中間極５ｃ２とベース板３との間、および、Ｗ相の中間極５ｃ２とベース板３との間に形成される（図示省略）。

【0038】

また、図２において、絶縁性のサーマルコンパウンド２は、導電性のベース板３と導電性のヒートシンク１との間に挟まれた誘電体層である。ベース板３がヒートシンク１と同電位になるように直流的に（導電的に）接続されていない場合、ベース板３とヒートシンク１との間には浮遊容量Ｃｇ（図１参照）が形成される。

【0039】

スイッチング素子Ｓ２等がスイッチングすると、中間極５ｃ２とベース板３との間に形成される浮遊容量Ｃｏは充放電されるので、浮遊容量Ｃｏの充放電に基づくノイズ電流が発生する。このノイズ電流は、電力変換装置１０１からの放射ノイズの原因となり得る。次に、浮遊容量Ｃｏの充放電に起因する放射ノイズの発生メカニズムとその放射ノイズを低減する手段について説明する。

【0040】

スイッチング素子Ｓ２等のスイッチングに伴い、二種類のコモンモード電流ｉｃ１，ｉｃ２がモジュール２０１から発生する。

【0041】

図３は、コモンモード電流ｉｃ１を説明するための図である。スイッチング素子Ｓ２等のスイッチングに伴って、中間極５ｃ２とベース板３との間に形成された浮遊容量Ｃｏを充放電するノイズ電流ｉｎｏが発生する。浮遊容量Ｃｐ及び浮遊容量Ｃｎは、ノイズ電流ｉｎｏを回収する経路として機能する。しかしながら、ノイズ電流ｉｎｏのうち、浮遊容量Ｃｐ及び浮遊容量Ｃｎで回収しきれない電流が、浮遊容量Ｃｇを介してヒートシンク１に漏れ出すことがある。ヒートシンク１に漏れ出た電流は、コモンモード電流ｉｃ１として接地端子Ｅに流れ出る。この電流の一部が放射源電流となり、ケーブルからノイズが放射される。

【0042】

第１実施形態の電力変換装置１０１は、負極導体４０とベース板３との間に接続された対地コンデンサＣｎ'を備える。対地コンデンサＣｎ'は、負極導体４０に接続される第５端５５と、ベース板３に接続される第６端５６と、を有する容量素子である。対地コンデンサＣｎ'は、ノイズ電流ｉｎｏを回収する経路として機能するので、ノイズ電流ｉｎｏの回収量が増大する。これにより、ヒートシンク１に漏れ出るコモンモード電流ｉｃ１が低減するので、コモンモード電流ｉｃ１により発生する放射ノイズが低減する。

【0043】

図４は、コモンモード電流ｉｃ２を説明するための図である。コモンモード電流ｉｃ２は、正極５ｃ１とベース板３との間に形成される浮遊容量Ｃｐと、負極５ｃ３とベース板３との間に形成される浮遊容量Ｃｎとの不平衡により発生する。スイッチング素子Ｓ１等のスイッチングに伴い発生するノーマルモード電流ｉｎ１は、浮遊容量Ｃｐと浮遊容量Ｃｎの不平衡により、モジュール２０１から出力されるコモンモード電流ｉｃ２に変換される。したがって、ノーマルモード電流ｉｎ１自体を低減するか、浮遊容量Ｃｐと浮遊容量Ｃｎの平衡化によりモード変換割合を低下させることで、コモンモード電流ｉｃ２の発生量が低減する。コモンモード電流ｉｃ２の発生量が低減すると、コモンモード電流ｉｃ２により発生する放射ノイズが低減する。

【0044】

第１実施形態の電力変換装置１０１は、正極端子Ｐの近傍と負極端子Ｎの近傍との間に線間コンデンサＣｐｎを備える。線間コンデンサＣｐｎは、ノーマルモード電流ｉｎ１の高周波成分を低減する効果を奏する。よって、ノーマルモードからコモンモードへのモード変換により発生するコモンモード電流ｉｃ２が低減し、コモンモード電流ｉｃ２により発生する放射ノイズが低減する。

【0045】

これらの２種類のコモンモード成分は、同じスイッチングに起因し、同時発生するが、互いに独立な事象である。そのため、一方のコモンモード電流のみを対策しても、他方のコモンモード電流が残るため、放射ノイズの低減効果は限定的になる。

【0046】

第１実施形態の電力変換装置１０１は、対地コンデンサＣｎ'及び線間コンデンサＣｐｎを備えることで、コモンモード電流ｉｃ１，ｉｃ２の両方に対して対策を講ずることができるので、放射ノイズを低減する顕著な効果が得られる。

【0047】

例えば、３０ＭＨｚ以上の放射ノイズ帯域において、対地コンデンサＣｎ'を含むノイズバイパス経路の合成インピーダンスＺｂｐは、ヒートシンク１を含むグランド経路の合成インピーダンスＺｇｎｄよりも小さくなる。これにより、ノイズバイパス経路を流れる電流量が増えるので、グランド経路へ漏れ出るコモンモード電流ｉｃ１，ｉｃ２が低減し、コモンモード電流ｉｃ１，ｉｃ２の低減に伴い放射ノイズも低減する。

【0048】

図５は、グランド経路の等価回路図である。グランド経路６１は、ベース板３と接地端子Ｅとの間において浮遊容量Ｃｇ及びヒートシンク１を経由する経路である。グランド経路６１の合成インピーダンスＺｇｎｄは、
Ｚｇｎｄ＝｜１／（ｊωＣｇ）＋Ｒｇｎｄ＋ｊωＬｇｎｄ｜
・・・式１
と表される。

【0049】

なお、式１において、ｊは、虚数単位、ωは、グランド経路６１に流れる電流の周波数、Ｒｇｎｄは、グランド経路６１の抵抗成分、Ｌｇｎｄは、グランド経路６１のインダクタンス成分を表す。また、式１において、Ｃｇは、ベース板３とヒートシンク１との間の浮遊容量以外の容量（例えば、ベース板３とヒートシンク１との間に挿入されたコンデンサ素子の静電容量など）を含んでもよい。

【0050】

図６は、ノイズバイパス経路の等価回路図である。ノイズバイパス経路６２は、正極導体３０又は負極導体４０とベース板３との間において浮遊容量Ｃｐ，Ｃｎ及び対地コンデンサＣｎ'の並列回路を経由する経路である。正極導体３０と負極導体４０との間は、線間コンデンサＣｐｎによって高周波的には短絡とみなせる。よって、ノイズバイパス経路６２の合成インピーダンスＺｂｐは、
Ｚｂｐ＝｜１／（ｊωＣｎ'＋ｊωＣｐ＋ｊωＣｎ）｜
・・・式２
と表される。

【0051】

なお、式２において、ｊは、虚数単位、ωは、ノイズバイパス経路６２に流れる電流の周波数、Ｃｎ'は、対地コンデンサＣｎ'の容量を表す。また、対地コンデンサＣｎ'の寄生インダクタンス成分と抵抗成分のインピーダンスは、省略されているが、考慮されてもよい。また、式２において、Ｃｐは、ベース板３と正極導体３０との間の浮遊容量以外の容量（例えば、ベース板３と正極導体３０との間に挿入されたコンデンサ素子の静電容量など）を含んでもよい。

【0052】

したがって、式１及び式２を用いて、
Ｚｂｐ＜Ｚｇｎｄ
すなわち、
｜１／（ｊωＣｎ'＋ｊωＣｐ＋ｊωＣｎ）｜＜｜１／（ｊωＣｇ）＋Ｒｇｎｄ＋ｊωＬｇｎｄ｜
・・・式３
が成立する値に対地コンデンサＣｎ'の容量が調整されることで、放射ノイズが低減する。

【0053】

例えば、対地コンデンサＣｎ'の容量は１００ｐＦ以上１０００ｐＦ以下に調整されることで、コモンモード電流ｉｃ１，ｉｃ２が低減し、放射ノイズが低減する。

【0054】

このように、第１実施形態の電力変換装置１０１は、図２に示すように、ヒートシンク１の上に位置するサーマルコンパウンド２と、サーマルコンパウンド２の上に位置するベース板３と、ベース板３の上に位置する絶縁層５ａと、を備える。そして、電力変換装置１０１は、絶縁層５ａの上に位置する正極５ｃ１を含む正極導体３０と、絶縁層５ａの上に位置する負極５ｃ３を含む負極導体４０と、絶縁層５ａの上に位置する中間極５ｃ２と、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ５を含むインバータ回路２０と、を備える。さらに、電力変換装置１０１は、平滑コンデンサＣｄｃ、線間コンデンサＣｐｎ及び対地コンデンサＣｎ'を備える。したがって、電力変換装置１０１は、対地コンデンサＣｎ'及び線間コンデンサＣｐｎを備えるので、コモンモード電流ｉｃ１，ｉｃ２の両方を低減でき、コモンモード電流ｉｃ１，ｉｃ２に起因する放射ノイズを低減できる。

【0055】

なお、第１実施形態において、平滑コンデンサＣｄｃは、第１コンデンサの一例である。線間コンデンサＣｐｎは、第２コンデンサの一例である。対地コンデンサＣｎ'は、第３コンデンサの一例である。ヒートシンク１は、導電性の第１ベースの一例である。ベース板３は、第３コンデンサの第６端が接続された導電性の第２ベースの一例である。絶縁層５ａは、導電性を有するベースの上に位置する第１絶縁層の一例である。サーマルコンパウンド２は、第１ベースと第２ベースとの間に位置する第２絶縁層の一例である。

【0056】

図７は、第１実施形態におけるモジュールが取り付けられる構造の第１例を示す斜視図である。図８は、第１実施形態におけるモジュールが取り付けられる構造の第１例を示す断面図である。図７及び図８に示す構造は、ベース板３がヒートシンク１と同電位になるように直流的に（導電的に）接続されていないタイプの一例である。

【0057】

モジュール２０１は、ボルト２２によってヒートシンク１に固定される。ベース板３は、モジュール２０１を平面視で見ると、基板２３に平行な方向にモジュール２０１のパッケージから突出する。ベース板３の突出部分は、スタッド２１の下端と導通可能に連結可能な構造（例えば、貫通しないネジ穴３ａなど）を有する。

【0058】

図９は、第１実施形態におけるモジュールの取り付けられる構造の第１例を示す平面図である。電力変換装置１０１は、基板２３を有する。基板２３は、正極端子Ｐ、負極端子Ｎ及び中間端子Ｕ，Ｖ，Ｗが導通可能に連結される。基板２３は、正極端子Ｐが導通可能に連結される正極パターン３１と、負極端子Ｎが導通可能に連結される負極パターン４１と、スタッド２１の上端が導通可能に連結される接地パターン４２と、を有する。基板２３に形成された正極パターン３１は、正極導体３０の一部と定義されてよい。基板２３に形成された負極パターン４１は、負極導体４０の一部と定義されてよい。

【0059】

対地コンデンサＣｎ'は、この例では、基板２３に実装されている。対地コンデンサＣｎ'の第５端５５は、負極パターン４１に接続され、対地コンデンサＣｎ'の第６端５６は、接地パターン４２に接続される。接地パターン４２は、スタッド２１を介して、ベース板３に接続される。したがって、対地コンデンサＣｎ'の第６端５６は、ベース板３に接続される。対地コンデンサＣｎ'が基板２３に実装されることで、コモンモード電流ｉｃ１に起因する放射ノイズの発生度合いに応じて、対地コンデンサＣｎ'の容量を調整することが容易になる。

【0060】

線間コンデンサＣｐｎも、基板２３に実装されてもよい。線間コンデンサＣｐｎの第３端５３は、正極パターン３１に接続され、線間コンデンサＣｐｎの第４端５４は、負極パターン４１に接続される。線間コンデンサＣｐｎが基板２３に実装されることで、コモンモード電流ｉｃ２に起因する放射ノイズの発生度合いに応じて、線間コンデンサＣｐｎの容量を調整することが容易になる。図９に示す例では、対地コンデンサＣｎ'の第５端５５と負極端子Ｎとの最短距離が線間コンデンサＣｐｎの第４端５４と負極端子Ｎとの最短距離よりも長くなるように、対地コンデンサＣｎ'及び線間コンデンサＣｐｎは配置されている。しかし、第５端５５と負極端子Ｎとの最短距離が第４端５４と負極端子Ｎとの最短距離と等しくなるように、又は、第５端５５と負極端子Ｎとの最短距離が第４端５４と負極端子Ｎとの最短距離よりも短くなるように、対地コンデンサＣｎ'及び線間コンデンサＣｐｎは配置されてもよい。第５端５５と負極端子Ｎとの最短距離が第４端５４と負極端子Ｎとの最短距離よりも短くなるように、対地コンデンサＣｎ'及び線間コンデンサＣｐｎが配置されることで、コモンモード電流に起因する放射ノイズの低減効果が高まる。

【0061】

平滑コンデンサＣｄｃも、基板２３に実装されてもよい。平滑コンデンサＣｄｃの第１端５１は、正極パターン３１に接続され、平滑コンデンサＣｄｃの第２端５２は、負極パターン４１に接続される。平滑コンデンサＣｄｃが基板２３に実装されることで、正極パターン３１と負極パターン４１との間の直流電圧のリップルの大きさに応じて、平滑コンデンサＣｄｃの容量を調整することが容易になる。

【0062】

図１０は、接地コンデンサＣｎ'を後から調整可能な構造の第１例を示す平面図である。様々なサイズの接地コンデンサＣｎ'が実装できるように、負極パターン４１及び接地パターン４２の各ランドが基板２３に予め広く形成されている。これにより、接地コンデンサＣｎ'の容量を後から調整することが容易になる。

【0063】

図１１は、接地コンデンサＣｎ'を後から調整可能な構造の第２例を示す平面図である。複数の接地コンデンサＣｎ'を並列接続で実装できるように、負極パターン４１から間隔を空けて配置された一又は複数の島状パターンと、接地パターン４２から間隔を空けて配置された一又は複数の島状パターンとが、基板２３に予め形成されている。並列接続で使用する場合、島状パターンとの間にジャンパ２４が取り付けられ、並列接続で使用しない場合、ジャンパ２４が取り除かれる。

【0064】

図１２は、接地コンデンサＣｎ'を後から調整可能な構造の第３例を示す平面図である。複数の接地コンデンサＣｎ'を直列接続で実装できるように、負極パターン４１から間隔を空けて配置された一又は複数の島状パターンと、接地パターン４２から間隔を空けて配置された一又は複数の島状パターンとが、基板２３に予め形成されている。ジャンパ２４の接続の仕方を変えることで、直列接続で使用するか否かの選択が可能となる。

【0065】

図１３は、第１実施形態におけるモジュールが取り付けられる構造の第２例を示す斜視図である。図１３に示す構造は、ベース板３がヒートシンク１と同電位になるように直流的に（導電的に）接続されていないタイプの一例である。

【0066】

モジュール２０１は、ボルト２２によってヒートシンク１に固定される。ベース板３は、モジュール２０１を平面視で見ると、基板２３に平行な方向にモジュール２０１のパッケージから突出する。ベース板３の突出部分は、対地コンデンサＣｎ'の第６端５６と導通可能に連結可能な構造（例えば、導電板３ｂなど）を有する。対地コンデンサＣｎ'の第５端５５は、負極端子Ｎに半田付け又は圧着端子などで接続される。負極端子Ｎが、対地コンデンサＣｎ'の第５端５５と導通可能に連結可能な構造を有してもよい。線間コンデンサＣｐｎは、モジュール２０１に内蔵されてよい。

【0067】

図１４は、第２実施形態の電力変換装置の一構成例を示す回路図である。第２実施形態の電力変換装置１０２は、ベース板３がヒートシンク１と同電位になるように直流的に（導電的に）接続されている点で、第１実施形態の電力変換装置１０１と相違する。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成、作用及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで、省略する。

【0068】

第２実施形態の電力変換装置１０２も、第１実施形態の電力変換装置１０１と同様に、図２と同じ構造を有する。そのため、正極５ｃ１とベース板３との間には、浮遊容量Ｃｐが形成され、負極５ｃ３とベース板３との間には、浮遊容量Ｃｎが形成され、中間極５ｃ２とベース板３との間には、浮遊容量Ｃｏが形成される。ただし、第２実施形態では、ベース板３がヒートシンク１と同電位になるように直流的に（導電的に）接続されているので、ベース板３とヒートシンク１との間には浮遊容量Ｃｇが形成されない。

【0069】

第１実施形態と同様に、第２実施形態の電力変換装置１０２は、負極導体４０とベース板３との間に接続された対地コンデンサＣｎ'を備える。対地コンデンサＣｎ'は、浮遊容量Ｃｏを経由するノイズ電流ｉｎｏを回収する経路として機能するので、ノイズ電流ｉｎｏの回収量が増大する。これにより、ヒートシンク１に漏れ出るコモンモード電流ｉｃ１が低減するので、コモンモード電流ｉｃ１により発生する放射ノイズが低減する。

【0070】

第１実施形態と同様に、第２実施形態の電力変換装置１０２は、正極端子Ｐの近傍と負極端子Ｎの近傍との間に線間コンデンサＣｐｎを備える。線間コンデンサＣｐｎによって、ノーマルモードからコモンモードへのモード変換により発生するコモンモード電流ｉｃ２が低減し、コモンモード電流ｉｃ２により発生する放射ノイズが低減する。

【0071】

第２実施形態の電力変換装置１０２は、対地コンデンサＣｎ'及び線間コンデンサＣｐｎを備えるので、コモンモード電流ｉｃ１，ｉｃ２の両方を低減でき、コモンモード電流ｉｃ１，ｉｃ２に起因する放射ノイズを低減できる。

【0072】

なお、第２実施形態において、平滑コンデンサＣｄｃは、第１コンデンサの一例である。線間コンデンサＣｐｎは、第２コンデンサの一例である。対地コンデンサＣｎ'は、第３コンデンサの一例である。ヒートシンク１は、第３コンデンサの第６端５６が接続された導電性の第１ベースの一例である。サーマルコンパウンド２は、第１ベースの内に位置する第２絶縁層の一例である。ベース板３は、第１ベースと導電的に接続され且つ第２絶縁層の上に位置する導電性の第２ベースの一例である。

【0073】

図１５は、第２実施形態におけるモジュールが取り付けられる構造の第１例を示す斜視図である。図１６は、第２実施形態におけるモジュールが取り付けられる構造の第１例を示す断面図である。図１５及び図１６に示す構造は、ベース板３がヒートシンク１と同電位になるように直流的に（導電的に）接続されているタイプの一例である。

【0074】

モジュール２０１は、ボルト２２によってヒートシンク１に固定される。ヒートシンク１は、スタッド２１の下端と導通可能に連結可能な構造（例えば、貫通しないネジ穴１ａなど）を有する。基板２３は、図９に示す構成と同じでよい。

【0075】

以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0076】

１ ヒートシンク
２ サーマルコンパウンド
３ ベース板
３ａ ネジ穴
４，６ａ，６ｂ 接合材
５ 絶縁基板
５ｃ１ 正極
５ｃ２ 中間極
５ｃ３ 負極
７ ケース
８，１２ 表面
９，１３ 裏面
１０ コンバータ回路
１１，１４ 電極
１５，１６ 配線
２０ インバータ回路
２１ スタッド
２２ ボルト
２３ 基板
２４ ジャンパ
３０ 正極導体
３１ 正極パターン
４０ 負極導体
４１ 負極パターン
４２ 接地パターン
５１ 第１端
５２ 第２端
５３ 第３端
５４ 第４端
５５ 第５端
５６ 第６端
６１ グランド経路
６２ ノイズバイパス経路
１０１ 電力変換装置
２０１ モジュール

【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】