JP4839096B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は電力変換装置を提供する技術に関する。

交流電動機などを可変速駆動する電力変換装置では、その動作によって、電気的、磁気的ノイズ(以下、電磁ノイズと称する)が発生することが知られている。

従来、これらの電磁ノイズを低減する電気回路素子として、ノイズフィルタと呼ばれるフィルタを取付けることが知られており、特許文献１に記載がある。

特開平０８−３０８２５０号公報(第５−６頁、図１)

近年、小容量のインバータ装置においては順変換部と逆変換部とを一体に支持する構成体(以下、モジュールとよぶ)とする一つのパワーモジュール内の同一金属基板上に搭載することがある。

ここで、金属基板とは、アルミニウムのベース基板とその上にある絶縁層、及びその上に配置された回路パターン等を総称したものである。

この場合においては電磁ノイズ低減を目的として回路的にパワーモジュール内部にコイルを配置した時に、その両端間（入出力部間）に金属基板や更にその下面にあるアルミニウムベース(以下、アルミベースとよぶ)などの金属板、導電体を介して容量カップリングが発生することがある。この容量が影響することで、前記コイルを設けても、フィルタとしての効果が少なくなる問題が生ずることがある。

本発明の課題は、これらの問題に関して、電力変換装置において、順変換部と逆変換部を有するパワーモジュールに、コイルを配置した場合にノイズ低減効果を出来るだけ、損なわないようにするものである。

本発明では、前記課題を解決する為に、容量カップリングなどで発生する容量を小さくするような構造とするものである。

前述の容量が発生する場所であるパワーモジュールの絶縁層とアルミベースを、順変換部を構成する半導体チップと逆変換部を構成する半導体チップがある側で電気的に分離して、２つに分けるものである。

分けた切り口部分には、樹脂で覆い、絶縁を保つ。または樹脂は絶縁層の高さ程度までで、その上から絶縁材料にてコーティングしても良い。

本発明によれば、従来よりも信頼性を向上した電力変換装置が提供可能となる。

本発明の実施例を、以下図面を用いて、順次説明する。

なお、図中の記号の意味は以下の通りである．
Ｒ（Ｌ１），Ｓ，Ｔ（Ｎ） ：３相または単相の交流電源入力
Ｕ（Ｔ１），Ｖ（Ｔ２），Ｗ（Ｔ３） ：３相交流出力
図１は、本発明の実施例を説明する図である。図１では、電力変換装置１と駆動される誘導電動機５が接続される構成を示している。

図１において、商用電源などから、電力変換装置１の端子Ｒ（Ｌ１）、Ｓ、Ｔ（Ｎ）を介して、３相または単相の交流電力が入力され、順変換部３にて直流電力に変換される。次に、順変換部３の出力は、平滑部１８にて平滑された後、逆変換部４に入力される。逆変換部４では、平滑部１８からの電力を再び交流に変換して、端子Ｕ（Ｔ１）、Ｖ（Ｔ２）、Ｗ（Ｔ３）誘導電動機５へ供給する。

その際に、パルス幅変調方式で、逆変換部４は、制御部１９によって制御されるものとする。図１では、制御部１９は、パワーモジュール２などから得られる電流信号などを受けて、演算などを行い、逆変換部４にＰＷＭ制御信号などを出力して、制御を行うものとする。

また、前記順変換部３、逆変換部４は、パワーモジュール２の内部に設けられるものとする。

そして、実施例の図１では、電磁ノイズ対策を目的としたノイズフィルタの構成部品であるコイル６が順変換部３の出力に接続され、コイル６の出力は平滑部１８に接続されている。

図２は、パワーモジュール２の構成を説明する図である。

電力変換装置１の内部には該誘導電動機５を駆動するパワー半導体素子を搭載したパワーモジュール２が内蔵されており、該パワーモジュール内部には三相又は単相電源入力を整流する部分である順変換部３と、該順変換された電力を再び交流に変換して誘導電動機５へ供給する逆変換部４が少なくとも存在する。

図１に示したように、電力変換装置に電磁ノイズ対策を目的としたノイズフィルタの構成部品であるコイルを接続するときは、電源入力部と順変換部３の間、または該順変換部３と逆変換部４の間、または逆変換部４と誘導電動機出力部の間に通常搭載する。その搭載を考慮して、前記の各部分間はパワーモジュール内では電気的には分離されている。

図２はその中で、順変換部３と逆変換部４の間にコイルが配置される場合において、順変換部３と逆変換部４を切り分けた例であり、順変換部の出力がＰ１、Ｎ１として、また逆変換部への入力はＰ２、Ｎ２として設けられている。

Ｐ１、Ｎ１、Ｐ２、Ｎ２はパワーモジュール２に取付けられる基板をハンダ付けすることを考慮してリードピンが配置されるか、またはパワーモジュール内部にコイル６などのフィルタ部品を実装する場合には、取付け用のパッドが配置されたりするため、その形状は場合に応じて決められる。

実施例で説明しているコイルは、該コイルを回路的にパワーモジュール内部に配置する場合において、実際の配置場所はパワーモジュールの内外どちらであっても、パワーモジュール内部の構造を適正化することによってノイズフィルタ効果を上げるものである。

また、図３にはコイル６を順変換部３と逆変換部４の間に配置した場合の回路例を示す。

図４はコイル６が実際の実装においてパワーモジュール２にハンダ付け等で接続された別基板上に搭載された場合の例であり、これに従い、以下説明をする。なお、以下では、電力変換装置をインバータ装置とよぶものとする。

従来方式のパワーモジュールではコイル６の両端間にカップリングによって容量７が発生し、結果フィルタとしての効果が悪くなる。

図５に従来方式の一般的なパワーモジュールの断面構造の例を示す。但し、図５においてコイル６は回路記号にて表している。図５は前述の図３のように、コイル６をパワーモジュール２内の順変換部３と逆変換部４の間に配置した場合の例である。

パワーモジュール２はその周囲を樹脂モールド８などで覆われており、内部には順変換部３を構成する半導体チップ９と逆変換部４を構成する半導体チップ１０が存在する。それらの半導体チップ９、１０は回路を構成する銅箔１１にハンダ付けにて実装されている。

該銅泊１１の下には絶縁層１２があり、その下にはベースとなるアルミベース１３があり、本体ケースである樹脂モールド８とによって固定されている。実際にはさらにヒートスプレッダーなどが存在する場合もあるがここでは省略する。

コイル６はパワーモジュールから出るリード１４aと１４bによって、取付けられた基板１５上に実装されている。リード１４aは図２または図４のＰ１またはＮ１部に相当し、１４bは同じくＰ２またはＮ２部に相当する。つまり、コイル６は物理的にはパワーモジュールの外部に配置されているが、回路的にはモジュール内部にあることになる。

このとき、コイル６の両端に容量が発生しないことがフィルタ効果を上げるために望ましい。つまりＰ１、Ｐ２間およびＮ１、Ｎ２間の電気的絶縁をしっかりと取ることが望ましいのだが、この構造だとリード１４aから銅泊１１、絶縁層１２と導電部であるアルミベース１３を介してリード１４b間に容量７が発生することになる。

またパワーモジュール内部のＰ１銅泊とＰ２銅泊の配置が近い場合には該銅泊や絶縁層１２を介しても容量が発生することになる。図６はその容量が発生するルートと場所を、絶縁層１２とアルミベース１３を拡大することによって示したものである。これを等価回路で示すと図７のように容量７が発生することになる。

該容量７が発生するとフィルタ効果が悪くなる理由を図７にて説明する。インバータが誘導電動機を駆動すると、その逆変換部４にて高周波のスイッチングノイズが発生する。該スイッチングノイズは別に配置されたノイズフィルタ用の対地間容量によって一旦対地に流れ、その後図７のＱ点に戻ってくる。このとき、理想は該ノイズ成分がルート１７aのように全て逆変換素子側（誘導電動機側）に戻ることである。そうすれば電源側への流出がなくなり、すなわちノイズレベルが下がることになる。

ところが前述のように容量７がコイルの両端に発生することによって、通常コイルで抑制されるはずのノイズは低インピーダンスである容量７を抜けてルート１７ｂや１７ｃのように電源側に流れ出てしまい、その結果、ノイズ低減効果が低くなってしまう。

本発明の実施例はインバータ装置において、順変換部と逆変換部を合わせ持つ一つのパワーモジュールで、回路的にその内部にコイルを配置した場合にノイズ低減効果を低くすることのない構成を実現するものである。

前述にて発生する容量７を少なくするような構造とすることによって解決するものである。図８は発生した容量７を出来るだけ小さくする為の構造を示したものである。この例も、順変換部と逆変換部の間にコイルを配置する場合の例である。

容量７が発生する場所である絶縁層１２とアルミベース１３を、順変換部を構成する半導体チップ９と逆変換部を構成する半導体チップ１０がある側で分離する。つまり従来は1枚で共通であった絶縁層１２とアルミベース１３を２つに分けるものである。

ここで、アルミベースを用いて説明しているが、順変換部、逆変換部にて発生する熱を外部に熱伝導によって放熱する為、熱伝導率の良い金属板、導電体であれば良く、例えば、アルミニウムの他に銅を用いたり、更には、銀、金を用いるものであっても良い。

分けた切り口部分には、樹脂モールド８で覆い、絶縁を保つ。または樹脂モールドは絶縁層の高さ程度までで、その上から絶縁材料にてコーティングしても良い。

図８に示すように、パワーモジュールを切り分けた場合の前後で、発生する電磁ノイズが低減される試験を行い、その効果を確認した。

図９に、パワーモジュールを切り分ける前のノイズレベル測定結果を示す。図１０には、パワーモジュールを切り分けた後のノイズレベル測定結果を示す。尚、測定は欧州指令ＥＮ６１８００-３に従った雑音端子電圧測定であり、測定対象は４００Ｖ級３．７ｋＷ出力のインバータ装置で、誘導電動機も３．７ｋＷの３相４００Ｖ級の汎用品である。

図８に示すようにパワーモジュール内部にて完全に切り分けることによって、電磁ノイズレベルは準尖頭（ＱＰ）値で１５ｄＢ以上改善されることが確認できた。

また、この実施例はフィルタ用のコイルがパワーモジュール外部に配置された基板上に搭載された場合のものであるが、該コイルは発熱をすることからパワーモジュール内部に配置して、パワーモジュールに接触するヒートシンクから放熱させることが冷却面から有効である。このことから本実施例は該コイルをパワーモジュール内部に配置した場合にも有効である。その説明を図１１にておこなう。

図１１は、図８において外付け基板を装着するために設置したピン１４ａと１４ｂが立つ代わりに、フィルタ用のコイルを直接パワーモジュール内の金属基板上に実装するものである。この場合においてもパワーモジュールが分離されていることから前述同様にコイルの両端間に容量７が発生せず、コイルの効果が落ちることはない。

さらに、別の実施例として、図１２に示すようにパワーモジュール２内で絶縁層１２のみを電気的に分離するものであってもよい。これは図６と図７において容量７aを無くすことによって、トータルの容量値を減らすことができ、図８のように完全分離した場合よりはフィルタとしての効果は落ちるが、絶縁層がある場合に比しては効果がある。これはアルミベースを分離するとパワーモジュールとしての取付け平坦度が問題となる場合などに有用である。

前記の例は、回路的に順変換部と逆変換部の間にコイルを配置する場合のものであるが、他にも電源入力部と順変換部の間や、逆変換部と誘導電動機出力部の間に配置する場合でも同様である。すなわち、配置されるコイルの両端部それぞれの回路部分を分離絶縁するようなパワーモジュールの構造を取れば良い。

図１３は該コイル６を電源入力部と順変換部の間に配置する場合の例である。図１４は該コイル６を順変換部と逆変換部の間に配置する場合の例である。図１５は該コイル６を逆変換部と誘導電動機出力部に配置する場合の例である。いずれの場合でも、図中のＡ部とＢ部の間に、先に説明した分離絶縁構造を取ることによってコイルのフィルタ効果を上げることができる。

図１６に該コイル６を回路的に電源入力部と順変換部３の間に配置した場合の回路例を示す。

前述のように本発明の実施例によれば、パワーモジュールの構造を変えることによってノイズフィルタの効果を上げることが出来るものである。

また、前記実施例の構造とすることにより、回路的にパワーモジュール内部にコイルを搭載してもフィルタ効果を維持することが出来る。尚「コイル両端間」とは、相数は問わず、コイルの巻き線の両端間という意味である。

「回路的にパワーモジュール内部」というのは、部品自体は物理的にパワーモジュールの外部に配置されていたとしても、回路的にはパワーモジュール内部に接続されていることを意味し、パワーモジュールの構造に起因して発生する容量などの影響を受けるものである。

本発明の実施例の電力変換装置の構成図 パワーモジュールを例示する説明図 他の実施例を説明する説明図 他の実施例を説明する説明図 他の実施例を説明する説明図 他の実施例を説明する説明図 図６の等価回路図 本発明のパワーモジュール構造説明図 従来方式でのノイズ試験結果 本方式でのノイズ試験結果 コイルをパワーモジュール内部に配置する場合の説明図 別の実施例のパワーモジュール構造説明図 コイルを電源入力部と順変換部の間に配置した場合の絶縁説明図 コイルを順変換部と逆変換部の間に配置した場合の絶縁説明図 コイルを逆変換部と誘導電動機出力部の間に配置した場合の絶縁説明図 コイルを電源入力部と順変換部の間に配置した場合の説明図

符号の説明

１…電力変換装置、２…パワーモジュール、３…順変換部、４…逆変換部、５…誘導電動機、６…コイル、７…容量、８…樹脂モールド、９…順変換部を構成する半導体チップ、１０…逆変換部を構成する半導体チップ、１１…銅箔、１２…絶縁層、 １３…アルミベース、 １４a…パワーモジュールから出るリード、 １４b…パワーモジュールから出るリード、１５…パワーモジュールに接続された基板、 １６…パワーモジュールに接続された基板上の銅箔、１８…平滑部、１９…制御部。

Claims (1)

1. 順変換回路が載置された第１の基板と、
   逆変換回路が載置された第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２基板の間に配置されたモールド部と、
   前記第１の基板に取り付けれた支持部と前記第２の基板に取り付けられた支持部に支持された第３の基板上に配置されたコイルを有するとともに前記順変換回路及び前記逆変換回路に接続された電磁ノイズフィルタと、
   を備え、
   前記第１の基板と前記第２の基板とが電気的かつ物理的に分離されていることを特徴とする電力変換装置。

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