JP2011036015A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の小型化、低コスト化を図る。
【解決手段】上アーム側スイッチング素子（130）のみを搭載する上アーム側ヒートスプレッダ（30）と、下アーム側スイッチング素子（140）のみを搭載し、搭載した下アーム側スイッチング素子（140）の一方のソース（142）(被制御端子)が接する下アーム側ヒートスプレッダ（40）とを設ける。そして、ワイヤ配線（60…）（接続部）によって、上アーム側スイッチング素子（130）と下アーム側スイッチング素子（140）とを１対１に電気的に直列接続する。
【選択図】図３

Description

本発明は、直流電力から交流電力への変換、交流電力から直流電力への変換、或いは交流電力から交流電力への直接変換を行う電力変換装置に関するものである。

半導体装置の分野では、その小型化（高密度化）が求められることが多い。例えば、空気調和機の電動機に電力を供給するため等に用いられる電力変換装置（インバータ回路等）のようにパワーデバイスを含んだ半導体装置の分野では、パワーデバイス等の素子を絶縁性樹脂に封入して回路装置（いわばパッケージ）を構成し、その回路装置の裏面に、別の回路装置を実装して小型化を図った例がある（例えば特許文献１を参照）。

特開２００３−２２９５３５号公報

しかしながら、電力変換装置では、スイッチング素子や還流ダイオード等の回路素子同士を接続するワイヤ配線が数多く存在するうえ、スイッチング素子等にはヒートスプレッダを取り付ける必要があり、これらのヒートスプレッダ等が電力変換装置の小型化、低コスト化の妨げになっている。

本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、電力変換装置の小型化、低コスト化を図ることを目的としている。

上記の課題を解決するため、第１の発明は、
インバータ回路（120）の上アームを構成する複数の上アーム側スイッチング素子（130）と、
前記インバータ回路（120）の下アームを構成する複数の下アーム側スイッチング素子（140）と、
前記上アーム側スイッチング素子（130）のみを搭載する上アーム側ヒートスプレッダ（30）と、
前記下アーム側スイッチング素子（140）のみを搭載し、搭載した下アーム側スイッチング素子（140）の一方の被制御端子（142）が接する下アーム側ヒートスプレッダ（40）と、
前記上アーム側スイッチング素子（130）と前記下アーム側スイッチング素子（140）とを１対１に電気的に直列接続する接続部（60…）と、
を備えていることを特徴とする電力変換装置である。

この構成では、各ヒートスプレッダ（30,40）には、スイッチング素子（130,140）のみが搭載されている。例えば、スイッチング素子に外付けの還流ダイオードを設けたインバータ回路では、スイッチング素子用のヒートスプレッダに還流ダイオード用スペースを設け、そのヒートスプレッダに還流ダイオードを搭載することが多く、ヒートスプレッダが大型化する傾向にあった。これに対し、本発明では、このような還流ダイオード用のスペースが不要であり、ヒートスプレッダ（30,40）の小型化が可能になる。また、還流ダイオードとスイッチング素子との間を接続するワイヤ配線も不要になる。

また、第２の発明は、
第１の発明の電力変換装置において、
前記下アーム側ヒートスプレッダ（40）は、前記下アーム側スイッチング素子（140）毎に設けられ、
前記接続部（60…）は、前記上アーム側スイッチング素子（130）と前記下アーム側ヒートスプレッダ（40）とを１対１に接続する複数の上アーム側ワイヤ配線（60）であることを特徴とする。

この構成では、上アーム側と下アーム側のスイッチング素子（130,140）がワイヤ配線（60）によって直列接続される。

また、第３の発明は、
第１の発明の電力変換装置において、
前記上アーム側ヒートスプレッダ（30）は、前記上アーム側スイッチング素子（130）毎に設けられ、
前記下アーム側ヒートスプレッダ（40）は、前記下アーム側スイッチング素子（140）毎に設けられ、
前記上アーム側ヒートスプレッダ（30）と前記下アーム側ヒートスプレッダ（40）とは、一体的に形成されて、前記接続部（60…）を構成していることを特徴とする。

この構成では、ヒートスプレッダが上アーム側と下アーム側のスイッチング素子（130,140）を直列接続する。

また、第４の発明は、
第３の発明の電力変換装置において、さらに、
上アーム側スイッチング素子（130）同士を橋渡しして並列接続する第１金属プレート（206）と、
下アーム側スイッチング素子（140）同士を橋渡しして並列接続する第２金属プレート（207）と、
を備えていることを特徴とする。

この構成により、上アーム側スイッチング素子（130）同士の接続や、下アーム側スイッチング素子（140）同士の接続が金属プレート（206,207）によって行われる。

また、第５の発明は、
第１の発明の電力変換装置において、
前記上アーム側ヒートスプレッダ（30）は、１つのみ設けられて、前記上アーム側スイッチング素子（130）同士を並列接続し、
前記下アーム側ヒートスプレッダ（40）は、１つのみ設けられて、前記下アーム側スイッチング素子（140）同士を並列接続していることを特徴とする。

この構成では、ヒートスプレッダ（30,40）は、上アーム側、及び下アーム側にそれぞれ１つずつ設けられることになる。すなわち、従来の電力変換装置では、少なくとも下アーム側スイッチング素子（140）にはそれぞれ別個のヒートスプレッダを設けるのが一般的であったが、この発明では、従来の電力変換装置よりもヒートスプレッダの数を低減できる。

また、第６の発明は、
第５の発明の電力変換装置において、
前記接続部（60…）は、前記上アーム側スイッチング素子（130）と前記下アーム側スイッチング素子（140）とを１対１に橋渡しして並列接続する複数の金属プレート（302）で構成されていることを特徴とする。

この構成では、上アーム側スイッチング素子（130）と下アーム側スイッチング素子（140）とが、金属プレート（302）によって直列接続される。

また、第７の発明は、
逆導通可能な複数のスイッチング素子（130,140）と、
複数のヒートスプレッダ（30,40）と、
を備え、
それぞれのヒートスプレッダ（30,40）は、前記スイッチング素子（130,140）のみを搭載していることを特徴とする。

この構成では、スイッチング素子（130,140）が逆導通可能なので、還流ダイオードを省略することが可能である。すなわち、還流ダイオード用のヒートスプレッダが不要な分、スイッチング素子（130,140）用のヒートスプレッダ（30,40）を小型化できる。また、還流ダイオードとスイッチング素子との間を接続するワイヤ配線も不要になる。

第１の発明によれば、ヒートスプレッダ（30,40）の小型化、ワイヤ配線の低減が可能になるので、電力変換装置の小型化、低コスト化が可能になる。

また、第２の発明によれば、上アーム側と下アーム側のスイッチング素子（130,140）を容易に接続できる。

また、第３の発明によれば、上アーム側と下アーム側のスイッチング素子（130,140）の接続のために、ワイヤ配線などを設ける必要がない。すなわち、この発明では、ワイヤ配線などの配線部材を低減でき、電力変換装置の小型化、低コスト化に貢献できる。

また、第４の発明によれば、各アームにおけるスイッチング素子（130,140）同士の接続が金属プレート（206,207）によって行われるので、各アームのスイッチング素子（130,140）同士をより近接させることができ、その結果、電力変換装置をより小型化することが可能になる。

また、第５の発明によれば、従来の電力変換装置よりもヒートスプレッダの数を低減できるので、電力変換装置の小型化、低コスト化に貢献できる。

また、第６の発明によれば、上アーム側と下アーム側のスイッチング素子（130,140）の接続が金属プレート（302）によって行われるので、スイッチング素子（130,140）同士をより近接させることができ、その結果、電力変換装置をより小型化することが可能になる。

また、第７の発明によれば、ヒートスプレッダ（30,40）の小型化、ワイヤ配線の低減が可能になるので、電力変換装置の小型化、低コスト化が可能になる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。 同期整流の基本的な概念を示す図である。 スイッチング素子等の実装状態を模式的に示す斜視図である。 実施形態１の変形例を説明する図である。 本発明の実施形態２に係る電力変換装置におけるヒートスプレッダ等の実装状態を模式的に示す斜視図である。 実施形態２の変形例に係る電力変換装置におけるヒートスプレッダ等の実装状態を模式的に示す斜視図である。 本実施形態３に係る電力変換装置におけるヒートスプレッダ等の実装状態を模式的に示す斜視図である。 実施形態３の変形例に係る電力変換装置におけるヒートスプレッダ等の実装状態を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施形態４に係るマトリクスコンバータの構成を示すブロック図である。 実施形態４のマトリクスコンバータにおけるヒートスプレッダ等の実装状態を模式的に示す斜視図である。 実施形態４の変形例に係るマトリクスコンバータにおける実装状態を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施形態５に係るマトリクスコンバータにおけるヒートスプレッダ等の実装状態を模式的に示す図である。 実施形態５の変形例に係るマトリクスコンバータの実装状態を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施形態６に係るマトリクスコンバータにおけるヒートスプレッダ等の実装状態を模式的に示す図である。 実施形態６の変形例に係るマトリクスコンバータの実装状態を模式的に示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態１》
-概要-
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。この電力変換装置（100）は、交流電源（2）（例えば商用電源）をコンバータ回路（110）によって整流し、その直流をインバータ回路（120）によって三相交流に変換してモータ（3）に供給するものである。このモータ（3）は、例えば、空気調和機の冷媒回路に設けられる圧縮機を駆動するものである。

なお、本明細書でいう「電力変換装置」とは、本実施形態のようにコンバータ回路（110）とインバータ回路（120）の両方を含んだものの他、例えばインバータ回路のみで構成された装置や、マトリクスコンバータのようないわゆる直接変換型の電力変換装置も含む概念である。

また、以下の説明において、スイッチング素子の上面（あるいは上側）、下面（あるいは下側）とは、スイッチング素子においてヒートスプレッダに面した側を下面といい、その反対側を上面という。

《インバータ回路》
インバータ回路（120）は、上アームを構成する３つの上アーム側スイッチング素子（130）、及び下アームを構成する３つの下アーム側スイッチング素子（140）を備えている。

-スイッチング素子-
本実施形態のスイッチング素子（130,140）は、逆導通が可能な、いわゆる双方向スイッチング素子である。本実施形態のスイッチング素子（130,140）は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたユニポーラ素子であり、具体的にはＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴである。ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴは、ＳｉＣ（Silicon Carbide，炭化ケイ素）を主材料とした半導体素子である。そして、１つのスイッチング素子（130,140）は、１つのベアチップとして形成されている。このベアチップの一方の面には、ドレイン（131,141）が形成され、もう一方の面にソース（132,142）とゲート（134,144）がそれぞれ形成されている。

-インバータ回路（120）の概略動作-
上記インバータ回路（120）では、６個のスイッチング素子（130,140）の逆導通特性を利用し、同期整流を行うようになっている。図２は、同期整流の基本的な概念を示す図である。同期整流とは、図２に示すように、寄生ダイオード（133,143）に逆方向電流が流れる際に、スイッチング素子（130,140）をオンにし、該スイッチング素子（130,140）側に逆方向電流を流す制御方法である。これにより逆方向電流が流れた際の導通損失を低減できる。

《スイッチング素子等の実装》
-概要-
本実施形態では、インバータ回路（120）は、絶縁基板（10）上に形成され、コンバータ回路（110）や駆動回路（図示は省略）とともに、所定のパッケージ（図示は省略）に収容されてパワーモジュールを構成している。図３は、スイッチング素子（130,140）等の実装状態を模式的に示す斜視図である。この図に示すように、各スイッチング素子（130,140）は、絶縁基板（10）上に実装され、交流電力を出力する。

本実施形態のインバータ回路（120）では、スイッチング素子（130,140）等は、絶縁基板（10）上のヒートスプレッダやワイヤ配線等によって電気的に接続されている。具体的には、このインバータ回路（120）では、ワイヤ配線として、グランド側ワイヤ配線（50）、及び上アーム側ワイヤ配線（60）がそれぞれ複数設けられている。また、ヒートスプレッダには、上アーム側ヒートスプレッダ（30）と下アーム側ヒートスプレッダ（40）とがある。以下ではこれらの実装について詳述する。

-ヒートスプレッダ-
上アーム側ヒートスプレッダ（30）は、この例では３つ設けられている。これらの３つの上アーム側ヒートスプレッダ（30）は、図３に示すように、その平面形状が概ね長方形をしていて、絶縁基板（10）上に一列に並んで配置されている。

また、下アーム側ヒートスプレッダ（40）も３つ設けられており、その平面形状は概ね長方形をしている。これらの下アーム側ヒートスプレッダ（40）は、上アーム側ヒートスプレッダ（30）の列に平行して、一列に配置されている。

-スイッチング素子-
〈１〉上アーム側スイッチング素子（130）
既述の通り、上アーム側スイッチング素子（130）は３つ設けられている。それぞれの上アーム側スイッチング素子（130）が、交流の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に対応している。これらの上アーム側スイッチング素子（130）は、上アーム側ヒートスプレッダ（30）に、１つずつ搭載されている。

より詳しくは、上アーム側ヒートスプレッダ（30）は、１つの上アーム側スイッチング素子（130）を搭載するだけの領域を有している。そして、それぞれの上アーム側スイッチング素子（130）は、そのドレイン（131）側の面を上アーム側ヒートスプレッダ（30）側（下面）にして搭載され、該ドレイン（131）側の面が上アーム側ヒートスプレッダ（30）に半田付けされている。これにより、上アーム側スイッチング素子（130）のドレイン（131）と上アーム側ヒートスプレッダ（30）とが電気的に接続される。そして、それぞれの上アーム側ヒートスプレッダ（30）は、例えばワイヤ配線等によって、コンバータ回路（110）の正側ノード（P）にそれぞれ接続されている。すなわち、上アーム側スイッチング素子（130）同士は、ドレイン（131）側で電気的に並列接続されることになる。

〈２〉下アーム側スイッチング素子（140）
下アーム側スイッチング素子（140）は、下アーム側ヒートスプレッダ（40）に、１つずつ搭載されている。より詳しくは、下アーム側ヒートスプレッダ（40）は、１つの下アーム側スイッチング素子（140）を搭載するだけの領域と、前記上アーム側ワイヤ配線（60）をボンディングする領域とを有している。そして、このインバータ回路（120）では、下アーム側スイッチング素子（140）を、そのドレイン（141）側の面が下アーム側ヒートスプレッダ（40）側（下面）となるように、該下アーム側ヒートスプレッダ（40）に半田付けしてある。すなわち、下アーム側スイッチング素子（140）のドレイン（141）は、下アーム側ヒートスプレッダ（40）と電気的に接続されている。なお、下アーム側スイッチング素子（140）の上面側（下アーム側ヒートスプレッダ（40）とは反対側の面）にはソース（142）、すなわち被制御端子がある。

-ワイヤ配線-
グランド側ワイヤ配線（50）は、下アーム側スイッチング素子（140）毎に設けられている。それぞれのグランド側ワイヤ配線（50）は、下アーム側スイッチング素子（140）の上面側にあるソース（142）と、コンバータ回路（110）の負側ノード（N）とを電気的に接続している。

また、上アーム側ワイヤ配線（60）は、上アーム側スイッチング素子（130）毎に設けられている。それぞれの上アーム側ワイヤ配線（60）は上アーム側スイッチング素子（130）の上面側（上アーム側ヒートスプレッダ（30）とは反対側）にあるソース（132）と、下アーム側ヒートスプレッダ（40）とを電気的に接続している。これにより、上アーム側スイッチング素子（130）と下アーム側スイッチング素子（140）とは、上アーム側ワイヤ配線（60）と下アーム側ヒートスプレッダ（40）を介して、直列接続されることになる。この下アーム側ヒートスプレッダ（40）と上アーム側ワイヤ配線（60）は、本発明の接続部の一例である。

《本実施形態における効果》
例えば、スイッチング素子に外付けの還流ダイオードを設けたインバータ回路（以下、説明の便宜のため従来のインバータ回路という）では、スイッチング素子用のヒートスプレッダに還流ダイオード用スペースを設け、そのヒートスプレッダに還流ダイオードを搭載することが多かった。そのため、従来のインバータ回路では、ヒートスプレッダが大型化する傾向にあった。

しかしながら、本実施形態では、スイッチング素子として、ワイドバンドギャップ半導体で形成した逆導通可能なスイッチング素子（130,140）を用いているので、スイッチング素子（130,140）に還流ダイオードを外付けする必要がない。そのため、本実施形態では、このような還流ダイオード用のスペースが不要であり、各ヒートスプレッダ（30,40）の小型化が可能になる。また、還流ダイオードとスイッチング素子との間を接続するワイヤ配線も不要になる。すなわち、本実施形態によれば、電力変換装置の小型化、低コスト化が可能になる。

また、各スイッチング素子（130,140）をワイドバンドギャップ半導体で構成しているので、各スイッチング素子（130,140）の寄生ダイオードのリカバリー電流は、一般的なスイッチング素子（例えばシリコン（Ｓｉ）を主材料として用いたスイッチング素子）よりも小さい。それゆえ、本実施形態のスイッチング素子（130,140）では、スイッチング動作を行った際の発熱量が、一般的なスイッチング素子よりも小さい。すなわち、この点からも本実施形態は、ヒートスプレッダの小型化、すなわち電力変換装置の小型化に貢献することが可能になる。

《実施形態１の変形例》
図４は、実施形態１の変形例を説明する図である。なお、実装状態を説明する以下の各図では、絶縁基板（10）の記載を省略している。

本変形例では、図４に示すように、上アーム側ヒートスプレッダ（30）を１つだけ設けて、その上アーム側ヒートスプレッダ（30）上に３つの上アーム側スイッチング素子（130）を搭載している。このようにしても、やはり還流ダイオードを搭載する必要がない分、上アーム側ヒートスプレッダ（30）の小型化が可能になり、電力変換装置の低コスト化が可能になる。

《発明の実施形態２》
図５は、本発明の実施形態２に係る電力変換装置（200）におけるヒートスプレッダ等の実装状態を模式的に示す斜視図である。この電力変換装置（200）は、出力する交流の各相に対応してヒートスプレッダが設けられている。具合的に、電力変換装置（200）では、前記上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）の代わりに、Ｕ相用ヒートスプレッダ（201）、Ｖ相用ヒートスプレッダ（202）、及びＷ相用ヒートスプレッダ（203）を備えている。また、実施形態１の電力変換装置（100）では必要であった上アーム側ワイヤ配線（60）は設けられていない。

〈スイッチング素子等の実装〉
それぞれのヒートスプレッダ（201,202,203）は、この例では、平面形状が概ね長方形をしていて、互いに平行して配置されている。そして、それぞれのヒートスプレッダ（201,202,203）には、上アーム側スイッチング素子（130）と下アーム側スイッチング素子（140）がそれぞれ１つずつ搭載されている。つまり、１つのヒートスプレッダ（201,202,203）で、前記の上アーム側ヒートスプレッダ（30）と下アーム側ヒートスプレッダ（40）の両方の役割を果たしており、本実施形態のヒートスプレッダ（201,202,203）は、上アーム側と下アーム側のヒートスプレッダ（30,40）が一体的に形成されたものと見なしてもよい。

この例では、それぞれのヒートスプレッダ（201,202,203）は、２つのスイッチング素子（130,140）を搭載するだけの大きさを有している。そして、例えばＵ相の上アーム側スイッチング素子（130）は、そのソース（132）側の面をＵ相用ヒートスプレッダ（201）側（下面）にして搭載され、該ソース（132）側の面がＵ相用ヒートスプレッダ（201）に半田付けされている。これにより、上アーム側スイッチング素子（130）のソース（132）とＵ相用ヒートスプレッダ（201）とが電気的に接続される。すなわち、本実施形態では、上アーム側スイッチング素子（130）の搭載の向きが、実施形態１とは表裏が逆転している。

一方、下アーム側スイッチング素子（140）の搭載方向は、実施形態１の搭載方向と同じである。すなわち、下アーム側スイッチング素子（140）は、そのドレイン（141）側の面が下アーム側ヒートスプレッダ（40）側（下面）となるように、Ｕ相用ヒートスプレッダ（201）に搭載され、該Ｕ相用ヒートスプレッダ（201）に半田付けされている。すなわち、Ｕ相用ヒートスプレッダ（201）は、下アーム側スイッチング素子（140）のドレイン（141）と、上アーム側スイッチング素子（130）のソース（132）とを、電気的に直列接続している。同様に、Ｖ，Ｗ相についても、各相のヒートスプレッダ（202,203）が、上アーム側スイッチング素子（130）と下アーム側スイッチング素子（140）とを電気的に直列接続している。このように、本実施形態では、各ヒートスプレッダ（201,202,203）が前記上アーム側ワイヤ配線（60）の役目を果たしているのである。これらのヒートスプレッダ（201,202,203）も本発明の接続部の一例である。

なお、上アーム側スイッチング素子（130）のドレイン（131）同士は、図５に示すように、ワイヤ配線（204）で互いに接続されるとともに、何れかの相（この例ではＷ相）のドレイン（131）が、該ワイヤ配線（204）によって正側ノード（P）に接続されている。また、下アーム側スイッチング素子（140）のソース（142）同士は、図５に示すように、ワイヤ配線（205）で互いに接続されるとともに、何れかの相（この例ではＷ相）のソース（142）が、該ワイヤ配線（205）によって正側ノード（P）に接続されている。上記の実装により、図１に示したインバータ回路（120）と等価な回路が構成される。

《本実施形態における効果》
以上のように、本実施形態では、実施形態１と比べると、ヒートスプレッダの数が６つから３つに低減している。これにより、ヒートスプレッダの取り付け工数やヒートスプレッダのコストを低減することが可能になる。また、上アーム側及び下アーム側のスイッチング素子（130,140）で１つのヒートスプレッダ（201,202,203）を兼用しているので、それぞれ別個にヒートスプレッダを設けるよりも、上アーム側と下アーム側のスイッチング素子（130,140）をより近接させることが可能になり、電力変換装置（200）をより小型化することが可能になる。

また、各ヒートスプレッダ（201,202,203）が前記上アーム側ワイヤ配線（60）の役目を果たしているので、ワイヤ配線の数も実施形態１と比べ、低減することができ、この点からも電力変換装置（200）の低コスト化に貢献することが可能になる。

《実施形態２の変形例》
図６は、実施形態２の変形例に係る電力変換装置におけるヒートスプレッダ等の実装状態を模式的に示す斜視図である。本変形例では、スイッチング素子（130,140）同士を、金属プレート（206,207）によって並列接続している。具体的には、各上アーム側スイッチング素子（130）は、上面（ヒートスプレッダとは反対側の面）に金属プレート（206）が互いに橋渡しされており、この金属プレート（206）が、それぞれのドレイン（131）同士を並列接続している。この金属プレート（206）は本発明の第１金属プレートの一例である。なお、この金属プレート（206）は、正側ノード（P）と電気的に接続されている。

同様に、各下アーム側スイッチング素子（140）は、その上面（ヒートスプレッダとは反対側の面）に金属プレート（207）が互いに橋渡しされており、金属プレート（207）は、それぞれのソース（142）同士を並列接続している。この金属プレート（207）は、本発明の第２金属プレート（207）の一例である。なお、この金属プレート（207）は、負側ノード（N）と電気的に接続されている。

一般的に、ワイヤ配線でベアチップ同士を配線接続するには、所定の作業スペースを要し、ワイヤ配線同士の干渉を避けるためにも、ベアチップの間隔を一定以上確保する必要がある。これに対し、これらの金属プレート（206,207）は、ワイヤ配線をボンディングするよりも、より狭いスペースでスイッチング素子（130,140）間を配線接続できる。そのため、本変形例では、ワイヤ配線で配線接続する場合と比べ、ヒートスプレッダ（201,202,203）同士、すなわち、スイッチング素子（130,140）同士をより近接させることができ、その結果、電力変換装置をより小型化することが可能になる。しかも、本実施形態では、これらの金属プレート（206,207）は、同種の素子、すなわちスイッチング素子（130,140）のみを橋渡しすればよいので、取り付け時に高さ調整の必要がなく、容易に取り付けることが可能になる。

《発明の実施形態３》
図７は、本実施形態３に係る電力変換装置（300）におけるヒートスプレッダ等の実装状態を模式的に示す斜視図である。この電力変換装置（300）では、上アーム側は実施形態１の変形例と同様の実装形態をしている（図４を参照）。一方、下アーム側は、３つの下アーム側スイッチング素子（140）で１つの下アーム側ヒートスプレッダ（40）を共用している。

具体的に、この電力変換装置（300）では、下アーム側スイッチング素子（140）のソース（142）側の面が下アーム側ヒートスプレッダ（40）側（下面）となるように、これらを下アーム側ヒートスプレッダ（40）に搭載し、該下アーム側ヒートスプレッダ（40）に半田付けしてある。すなわち、各下アーム側スイッチング素子（140）のソース（142）同士は、下アーム側ヒートスプレッダ（40）によって、互いに並列接続されることになる。なお、下アーム側スイッチング素子（140）の上面側（下アーム側ヒートスプレッダ（40）とは反対側の面）にはドレイン（141）がある。

また、この電力変換装置（300）では、上アーム側と下アーム側のスイッチング素子（130,140）の直列接続には、図７に示すように、ワイヤ配線（301）を用いている。ワイヤ配線（301）は、上アーム側スイッチング素子（130）の上面側にあるソース（132）と、下アーム側スイッチング素子（140）の上面側にあるドレイン（141）とを接続している。

以上のように、本実施形態では、実施形態１と比べると、ヒートスプレッダの数が６つから２つに低減している。すなわち、本実施形態でもヒートスプレッダの取り付け工数、ヒートスプレッダのコストを低減することが可能になる。

《実施形態３の変形例》
図８は、実施形態３の変形例に係る電力変換装置におけるヒートスプレッダ等の実装状態を模式的に示す斜視図である。本変形例では、金属プレート（302）によって、スイッチング素子（130,140）同士を直列接続している。具体的には、図８に示すように３つの金属プレート（302）が設けられ、それぞれの金属プレート（302）は、上アーム側スイッチング素子（130）のソース（132）と、下アーム側スイッチング素子（140）のドレイン（141）とを互いに橋渡し、これらを直列接続している。これらの金属プレート（302）は、本発明の接続部の一例である。

これらの金属プレート（302）は、ワイヤ配線をボンディングするよりも、より狭いスペースでスイッチング素子（130,140）に接続できる。そのため、ワイヤ配線で配線接続する場合と比べ、スイッチング素子（130,140）同士をより近接させることができ、その結果、電力変換装置をより小型化することが可能になる。

《発明の実施形態４》
本発明の実施形態として、マトリクスコンバータの例を説明する。図９は、本発明の実施形態４に係るマトリクスコンバータ（400）の構成を示すブロック図である。このマトリクスコンバータ（400）は、交流電源（2）（この例では三相交流）から供給された電力を所定の周波数に変換してモータ（3）に供給する。

このマトリクスコンバータ（400）は、同図に示すように、フィルタ回路（4）、及び９つのスイッチ回路（5）を備えている。フィルタ回路（4）は、三相の交流電源（2）のそれぞれの相に対応したコイルとコンデンサを備えたＬＣフィルタである。このフィルタ回路（4）は、スイッチ回路（5）のオンオフ動作によって生じる高周波電流が交流電源（2）側に流れ込むのを抑制するために設けられている。

スイッチ回路（5）は、いわゆる双方向スイッチである。この例のスイッチ回路（5）は、２つのスイッチング素子（401）が直列接続されたものである。これらのスイッチング素子（401）は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子であり、この例では、ＳｉＣを主材料とした接合型電界効果トランジスタ（Junction Field Effect Transistor：以下、ＪＦＥＴともいう）である。この構成のスイッチング素子（401）は、逆導通が可能である。

また、図１０は、マトリクスコンバータ（400）におけるヒートスプレッダ等の実装状態を模式的に示す斜視図である。この図では、スイッチング素子やヒートスプレッダを１相分（例えばＵ相）のみの配置を示している。

このマトリクスコンバータ（400）の各相には、入力側に３つの入力側ヒートスプレッダ（404）、出力側に１つの出力側ヒートスプレッダ（405）がそれぞれ設けられている。

それぞれの入力側ヒートスプレッダ（404）には、スイッチング素子（401）が１つずつ搭載されている。詳しくは、スイッチング素子（401）のドレイン（403）が入力側ヒートスプレッダ（404）側（下面）になるように、該入力側ヒートスプレッダ（404）に搭載されている。これにより、スイッチング素子（401）のドレイン（403）が入力側ヒートスプレッダ（404）に電気的に接続される。これらの入力側ヒートスプレッダ（404）は、例えばワイヤ配線によって、交流電源（2）の出力（R,S,T）と１対１に接続されている。なお、以下では、交流電源（2）の出力（R,S,T）に繋がるこれらのスイッチング素子（401）を入力側スイッチング素子（401）という。

また、出力側ヒートスプレッダ（405）には、３つのスイッチング素子（401）が搭載されている。３つのスイッチング素子（401）は、それぞれのドレイン（403）が出力側ヒートスプレッダ（405）側（下面）になるように、該出力側ヒートスプレッダ（405）に搭載されている。これにより、出力側ヒートスプレッダ（405）上のスイッチング素子（401）は、ドレイン（403）側で並列接続されることになる。また、この出力側ヒートスプレッダ（405）は、モータ（3）への交流出力端子（例えばＵ相の出力端子、ただし図示は省略）に接続されている。なお、以下では、モータ（3）への交流出力端子に繋がるこれらのスイッチング素子（401）を出力側スイッチング素子（401）という。

また、入力側スイッチング素子（401）と出力側スイッチング素子（401）とは１対１に対応しており、対応したスイッチング素子（401）同士は、互いのソース（402）がワイヤ配線（406）で接続されている。すなわち、図１０に示した構成では、互いに対応した、入力側及び出力側スイッチング素子（401）は、それぞれのソース（402）を共通にして直列接続されることになる、
《本実施形態における効果》
一般的な双方向スイッチ回路では、スイッチング素子に、外付けのダイオードを逆並列接続している。そして、このようなダイオードもスイッチング素子用のヒートスプレッダにダイオード用スペースを設け、そのヒートスプレッダにダイオードを搭載することが多かった。しかしながら、本実施形態では、スイッチング素子として逆導通可能なスイッチング素子（401）を用いているので、ダイオードを外付けする必要がない。そのため、本実施形態では、このようなダイオード用のスペースが不要であり、ヒートスプレッダ（404,405）の小型化が可能になる。また、ダイオードとスイッチング素子との間を接続するワイヤ配線も不要になる。すなわち、本実施形態によれば、電力変換装置（マトリクスコンバータ）の低コスト化が可能になる。

《実施形態４の変形例》
図１１は、実施形態４の変形例に係るマトリクスコンバータにおける実装状態を模式的に示す斜視図である。本変形例では、金属プレート（407）によって、スイッチング素子（401）同士を直列接続している。具体的には、互いに対応した入力側スイッチング素子（401）と出力側スイッチング素子（401）とが、それぞれのソース（402）側の面に金属プレート（407）が互いに橋渡しされて、直列接続されている。

したがって、本変形例でも、ワイヤ配線で配線接続する場合と比べ、スイッチング素子（401）同士をより近接させることができ、その結果、マトリクスコンバータ（電力変換装置）をより小型化することが可能になる。

《発明の実施形態５》
図１２は、本発明の実施形態５に係るマトリクスコンバータ（500）におけるヒートスプレッダ等の実装状態を模式的に示す図である。この図では、スイッチング素子やヒートスプレッダの配置を１相分（例えばＵ相）のみ示している。なお、このマトリクスコンバータも、図９と等価な回路構成を有している。

このマトリクスコンバータでは、３つのヒートスプレッダ（501）が設けられている。これらのヒートスプレッダ（501）は、交流電源（2）の出力（R,S,T）と１対１に接続されている。また、このマトリクスコンバータ（500）でも、実施形態４のマトリクスコンバータ（400）と同様に、入力側、及び出力側のスイッチング素子（401）を備えており、入力側スイッチング素子（401）と出力側スイッチング素子（401）とは１対１に対応している。そして、この実施形態５では、対応したスイッチング素子（401）同士が同じヒートスプレッダ（501）に搭載されている。詳しくは、それぞれの入力側、及び出力側のそれぞれのスイッチング素子（401）は、ドレイン（403）側をヒートスプレッダ（501）側（下面）にして搭載されている。すなわち、ヒートスプレッダ（501）上の入力側スイッチング素子（401）と出力側スイッチング素子（401）とは、該ヒートスプレッダ（501）によってドレイン（403）側で直列接続されている。

また、出力側スイッチング素子（401）は、それぞれのソース（402）がワイヤ配線（502）により、互いに並列接続されている。そして、何れかの出力側スイッチング素子（401）のソース（402）は、例えばワイヤ配線によって、出力端子（図示は省略）に接続されている。

この構成では、１相あたり３つのヒートスプレッダでスイッチング素子（401）等を実装することが可能になる。すなわち、本実施形態では、上記実施形態４やその変形例と比べ、ヒートスプレッダの数を低減できるので、ヒートスプレッダの小型化と相俟って、マトリクスコンバータ（電力変換装置）のさらなる小型化、低コスト化に貢献することが可能になる。

《実施形態５の変形例》
図１３は、実施形態５の変形例に係るマトリクスコンバータの実装状態を模式的に示す斜視図である。本変形例では、金属プレート（503）によって、スイッチング素子（401）同士を直列接続している。具体的には、３つの出力側スイッチング素子（401）の上面に金属プレート（503）を橋渡し、上面側にあるソース（402）同士を並列接続している。

したがって、本変形例でも、ワイヤ配線で配線接続する場合と比べ、ヒートスプレッダ（501）同士、すなわちスイッチング素子（401）同士をより近接させることができ、その結果、マトリクスコンバータ（電力変換装置）をより小型化することが可能になる。

《発明の実施形態６》
図１４は、本発明の実施形態６に係るマトリクスコンバータ（600）におけるヒートスプレッダ等の実装状態を模式的に示す図である。この図では、交流３相分（Ｕ，Ｕ，Ｗの各相）の、スイッチング素子やヒートスプレッダの配置を示している。なお、このマトリクスコンバータ（600）は、図９と等価な回路構成を有している。

このマトリクスコンバータ（600）では、交流電源（2）の３つの出力（R,S,T）に対応して、各相に６個のスイッチング素子（401）が設けられている。

具体的には、各相に対応して３つのヒートスプレッダ（601）が設けられ、各ヒートスプレッダ（601）には、６個のスイッチング素子（401）が搭載されている。より詳しくは、図１４に示すように、このマトリクスコンバータ（600）では、入力側と出力側のスイッチング素子（401）同士がドレイン（403）側が互いに合わさるように積層されている。すなわち、積層された２つのスイッチング素子（401）は、ドレイン（403）側で直列接続されている。

そして、各ヒートスプレッダ（601）は、積層されたスイッチング素子（401）の組が３組ずつ搭載されている。詳しくは、それぞれのスイッチング素子（401）の組は、入力側スイッチング素子（401）をヒートスプレッダ（601）側（下面）にして該ヒートスプレッダ（601）に搭載されている。これにより、各ヒートスプレッダ（601）では、入力側スイッチング素子（401）のソース（402）同士が、該ヒートスプレッダ（601）により、並列接続されることになる。

また、マトリクスコンバータ（600）では、これらのヒートスプレッダ（601）が、図１４に示すように平行して配置され、これによりスイッチング素子（401）の組が行列状に配置される。そして、マトリクスコンバータ（600）では、列方向（ヒートスプレッダ（601）と直行する方向）に並んだスイッチング素子（401）を、列毎にワイヤ配線（602）で接続している。詳しくは、このマトリクスコンバータ（600）では、積層したスイッチング素子（401）の上段側（ヒートスプレッダ（601）から遠い側）は、出力側スイッチング素子（401）であり、そのソース（402）が最上面側にある。前記ワイヤ配線（602）は、図１４に示すように、列方向に並んだ出力側スイッチング素子（401）のソース（402）同士を接続している。

以上のように、マトリクスコンバータ（600）では、３つのヒートスプレッダで、３相分のスイッチング素子（401）を実装することが可能になる。すなわち、本実施形態では、上記の各実施形態や変形例と比べ、さらにヒートスプレッダの数を低減でき、ヒートスプレッダの小型化と相俟って、マトリクスコンバータ（電力変換装置）の小型化、低コスト化に貢献することが可能になる
《実施形態６の変形例》
図１５は、実施形態６の変形例に係るマトリクスコンバータの実装状態を模式的に示す斜視図である。本変形例では、上記ワイヤ配線（602）に代えて、金属プレート（603）によって、出力側スイッチング素子（401）同士を並列接続している。具体的には、同じ列に並んだ出力側スイッチング素子（401）の上面に金属プレート（503）を橋渡し、上面側にあるソース（402）同士を並列接続している。

したがって、本変形例でも、ワイヤ配線で配線接続する場合と比べ、スイッチング素子（401）同士をより近接させることができ、その結果、マトリクスコンバータ（電力変換装置）をより小型化することが可能になる。

《その他の実施形態》
なお、各スイッチング素子の構成材料として挙げたＳｉＣは例示である。その他の材料を用いたワイドバンドギャップ半導体で構成したスイッチング素子の採用も可能である。その他の材料としては、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、あるいはダイヤモンド（Ｃ）等を主材料とした半導体で形成されたものを用いることが考えられる。

また、上記実施形態４，５，６及びそれらの変形例では、互いに対応した入力側と出力側のスイッチング素子（401）を、ドレイン（403）側で直列接続されるように構成してもよい。

また、実施形態１〜３及びそれらの変形例では、交流電源（2）を単相交流としているが、三相交流電源を用いてもよい。

本発明は、直流電力から交流電力への変換、交流電力から直流電力への変換、或いは交流電力から交流電力への直接変換を行う電力変換装置として有用である。

３０ 上アーム側ヒートスプレッダ
４０ 下アーム側ヒートスプレッダ
６０ 上アーム側ワイヤ配線
１００ 電力変換装置
１２０ インバータ回路
１３０ 上アーム側スイッチング素子
１４０ 下アーム側スイッチング素子
１４２ ソース(被制御端子)
２００ 電力変換装置
２０６ 金属プレート(第１金属プレート)
２０７ 金属プレート(第２金属プレート)
３００ 電力変換装置
３０２ 金属プレート
４００，５００，６００ マトリクスコンバータ

Claims (7)

1. インバータ回路（120）の上アームを構成する複数の上アーム側スイッチング素子（130）と、
   前記インバータ回路（120）の下アームを構成する複数の下アーム側スイッチング素子（140）と、
   前記上アーム側スイッチング素子（130）のみを搭載する上アーム側ヒートスプレッダ（30）と、
   前記下アーム側スイッチング素子（140）のみを搭載し、搭載した下アーム側スイッチング素子（140）の一方の被制御端子（142）が接する下アーム側ヒートスプレッダ（40）と、
   前記上アーム側スイッチング素子（130）と前記下アーム側スイッチング素子（140）とを１対１に電気的に直列接続する接続部（60…）と、
   を備えていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１の電力変換装置において、
   前記下アーム側ヒートスプレッダ（40）は、前記下アーム側スイッチング素子（140）毎に設けられ、
   前記接続部（60…）は、前記上アーム側スイッチング素子（130）と前記下アーム側ヒートスプレッダ（40）とを１対１に接続する複数のワイヤ配線（60）であることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１の電力変換装置において、
   前記上アーム側ヒートスプレッダ（30）は、前記上アーム側スイッチング素子（130）毎に設けられ、
   前記下アーム側ヒートスプレッダ（40）は、前記下アーム側スイッチング素子（140）毎に設けられ、
   前記上アーム側ヒートスプレッダ（30）と前記下アーム側ヒートスプレッダ（40）とは、一体的に形成されて、前記接続部（60…）を構成していることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３の電力変換装置において、さらに、
   上アーム側スイッチング素子（130）同士を橋渡しして並列接続する第１金属プレート（206）と、
   下アーム側スイッチング素子（140）同士を橋渡しして並列接続する第２金属プレート（207）と、
   を備えていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１の電力変換装置において、
   前記上アーム側ヒートスプレッダ（30）は、１つのみ設けられて、前記上アーム側スイッチング素子（130）同士を並列接続し、
   前記下アーム側ヒートスプレッダ（40）は、１つのみ設けられて、前記下アーム側スイッチング素子（140）同士を並列接続していることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５の電力変換装置において、
   前記接続部（60…）は、前記上アーム側スイッチング素子（130）と前記下アーム側スイッチング素子（140）とを１対１に橋渡しして並列接続する複数の金属プレート（302）で構成されていることを特徴とする電力変換装置。
7. 逆導通可能な複数のスイッチング素子（130,140）と、
   複数のヒートスプレッダ（30,40）と、
   を備え、
   それぞれのヒートスプレッダ（30,40）は、前記スイッチング素子（130,140）のみを搭載していることを特徴とする電力変換装置。

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