CN102904459A

CN102904459A - 功率变换装置

Info

Publication number: CN102904459A
Application number: CN201210256400XA
Authority: CN
Inventors: 森和久; 迫田友治; 保立尚史; 薮内达志; 大沼直人
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: JP2013027232A; CN102904459B; SG187323A1; JP5475722B2

Abstract

本发明提供一种功率变换装置。在功率变换装置中将2个半导体开关元件串联连接而构成一个支路，并降低该一个支路的端子之间的布线电感。将多个由2个半导体开关元件串联连接而成的半导体模块(111、112、…)并联连接在直流端子(P1、P2-N1、N2)之间，与第一半导体模块(111)的第一端子(P1)连接的第一导体板(51)、与所述第二半导体模块(112)的第一端子(P2)连接的第二导体板(52)以及与所述第一以及第二半导体模块(111、112)的第二端子(N1、N2)连接的第三导体板(53)具有对置层叠的部分，将第一导体板(51)与第二导体板(52)电连接并且连接到所述直流端子中的一方的作为引出部的连接端子(512以及/或者522)设置在从第三导体板(53)连接到所述直流端子中另一方的作为引出部的2个连接端子(533、534)之间。

Description

功率变换装置

技术领域

本发明涉及一种由半导体开关元件构成的功率变换装置。

背景技术

可变速驱动通常使用功率变换装置来进行，具体来说是将来自商用电源的交流电通过二极管整流电路或者PWM变换器变换成直流电，此后用平滑后的直流电通过逆变器以可变频的方式对电动机进行驱动。

在因需要驱动的负载的容量大而无法升高电压时，需要增大电流以增加变换装置的容量，在这种情况下，通常采用将构成功率变换装置的半导体开关元件(在此以IGBT为例进行说明)多个并联连接起来使用的方法。在使用半导体开关元件的变换装置中，存在为了抑制开关动作时的电压跳变而需要降低布线电感的问题以及在采用并联连接方式的情况下需要抑制电流的分担不均匀的问题。

为此，在专利文献1和专利文献2中，通过设置与第一半导体模块的正极连接的导体板和与第二半导体模块的负极连接的导体板相对置地层叠的部分，并且设置与第一半导体模块的负极连接的导体板和与第二半导体模块的正极连接的导体板相对置层叠的部分，解决了上述问题。

在专利文献2中，作为抑制半导体开关元件的电压跳变的缓冲电路(Snubber Circuit)，提出了由缓冲电容器和缓冲二极管的串联连接体以及用于使缓冲电容器放电的放电电阻构成的所谓RCD缓冲电路。因此，即使在因并联连接的IGBT出现开关动作时间偏移等而使得并联电路之间的缓冲电容器产生了电压差的情况下，也能够通过缓冲二极管来阻止逆向电流，所以不会产生振荡电流。

在上述RCD缓冲电路中，由于需要设置二极管和电阻等而使得变换装置难以实现小型化，因此，已经提出有在开关元件的两个端子上仅连接电容器的方式即所谓的钳位电容器方式。

专利文献

专利文献1：日本国专利特开2007-151286号公报

专利文献2：日本国专利特开2010-98846号公报

在采用上述钳位电容器时，由于钳位电容器在布线导体板并联连接，所以形成电阻微小的LC电路，使得在电容器发生了电压差的情况下，可能会产生振荡电流。如果并联连接的钳位电容器之间的电路的电感过大，则无法抑制在两个钳位电容器之间产生了电压差时的振荡电流，因此，有必要降低该电路的电感。

在专利文献1和专利文献2中，没有对在钳位电容器之间构成的电路的电感作出考虑，因此不能充分地降低电感。

发明内容

本发明所要解决的课题是在功率变换装置中降低在并联连接的半导体开关元件的端子间构成的电路的布线电感。

为了解决上述课题，在本发明的一个方面提供一种功率变换装置，其通过将多个由2个半导体开关元件串联连接而成的半导体模块并联连接在直流端子之间而形成，所述功率变换装置的特征在于，具有：分别并联连接在所述直流端子之间的第一半导体模块和第二半导体模块；与所述第一半导体模块的第一端子连接的第一导体板；与所述第二半导体模块的第一端子连接的第二导体板；以及与所述第一半导体模块的第二端子以及所述第二半导体模块的第二端子连接的第三导体板，所述功率变换装置被构造成所述第一至第三导体板具有对置层叠的部分，用于将所述第一导体板与所述第二导体板电连接的第一连接端子和用于将所述第二导体板与所述第一导体板电连接的第二连接端子之间的距离被设置成比所述第一至第三导体板中的其它任何端子间的距离都小。

此外，本发明的另一个方面提供一种功率变换装置，其通过将多个由2个半导体开关元件串联连接而成的半导体模块并联连接在直流端子之间而形成，所述功率变换装置的特征在于，具有：分别并联连接在所述直流端子之间的第一半导体模块和第二半导体模块；与所述第一半导体模块的第一端子连接的第一导体板；与所述第二半导体模块的第一端子连接的第二导体板；以及与所述第一半导体模块的第二端子以及所述第二半导体模块的第二端子连接的第三导体板，所述功率变换装置被构造成所述第一至第三导体板具有对置层叠的部分，用于将所述第一导体板与所述第二导体板电连接并且连接到所述直流端子中的一个直流端子的作为引出部的连接端子设置在从所述第三导体板连接到所述直流端子中的另一个直流端子的作为引出部的2个连接端子之间。

发明效果

根据本发明的优选实施方式，能够降低在并联连接的半导体开关元件的端子间构成的电路的布线电感。

因此，当在所述第一半导体模块以及所述第二半导体模块的端子之间分别直接连接电容器以构成钳位电容器时，能够抑制在并联连接的钳位电容器之间产生了电压差时的振荡电流。

本发明的其它目的在对下述实施例的说明中加以阐明。

附图说明

图1是表示本发明第一实施例的功率变换装置的导体板结构的立体图。

图2是本发明第一实施例的叠层导体板的分解立体图。

图3是通过对导体板结构进行比较来说明本发明效果的立体图。

图4是表示本发明的钳位电容器的安装结构例的立体图。

图5是表示本发明第二实施例的功率变换装置的导体板结构的立体图。

图6是本发明第二实施例的叠层导体板的分解立体图。

图7是表示本发明第三实施例的功率变换装置的导体板结构的立体图。

图8是本发明的第三实施例的叠层导体板的分解立体图。

图9是表示本发明第四实施例的功率变换装置的导体板结构的立体图。

图10是本发明第四实施例的叠层导体板的分解立体图。

图11是表示本发明第五实施例的功率变换装置的导体板结构的立体图。

图12是表示本发明第六实施例的功率变换装置的导体板结构的立体图。

图13是应用了本发明的电梯中的驱动系统的结构示意图。

图14是构成应用了本发明的电梯的主电路的半导体模块的并列结构图。

符号说明

1：PWM整理电路(变换器)，2：逆变器，111～114：半导体模块，3：平滑电容器，41、42：钳位电容器，51～53：第一至第三导体板，511～514：第一导体板的连接端子，521～524：第二导体板的连接端子，531～534：第三导体板的连接端子，61、62：布线导体板，81：电源，82：电抗器，9：电动机，91：绳轮，92：电梯轿厢，93：平衡重，94：吊索

具体实施方式

图13是应用了本发明的电梯中的驱动系统的结构示意图。

在变换器1中对来自电源(在此为三相电源)81的三相交流电进行整流后，利用平滑电容器3进行平滑而得到直流电，通过逆变器2将所得的直流电变换为可变频/变压的交流电后供应给电梯的驱动用电动机9，以此对电梯进行驱动。具体来说是，通过电动机9使绳轮91旋转，由此对由吊索94悬吊的电梯轿厢92和平衡重93进行升降驱动。

为了降低流向电源的谐波、进行升压等，通常在电源81与变换器1之间连接有电抗器82。此外，通常还连接有滤波器电路等，但由于其与本发明没有直接的关系，所以在图中没有进行图示。

变换器1由三相的支路(Leg)11～13构成，各个相由上下一对的半导体开关元件(在此以IGBT为例进行说明)和续流二极管(Free Wheel Diode，以下称为“FWD”)的并联连接体(例如1101、1102)构成。IGBT和FWD分别由半导体芯片构成，在此作为一个并联连接体以符号(例如1101)表示。逆变器2同样也由三相的支路21～23构成。

为了增大功率变换装置的容量，有时需要对半导体开关元件进行并联连接。

图14是构成应用了本发明的电梯的驱动系统的主电路的半导体模块的并列结构图。

在图14所示的实施例中，内置有上下一对的IGBT和FWD的并联连结体(1111和1112)的半导体模块111和同样内置有上下一对的并联连结体(1121和1122)的半导体模块112并联连接。另外，在各个半导体模块111和112中连接有用于抑制开关动作时的电压跳变的钳位电容器41和42。

如图14所示，为了抑制开关动作时的电压跳变，有必要降低由未图示的平滑电容器和半导体模块构成的一圈电路L1的电感。此外，为了使半导体模块111和112之间的电流分担均等化，有必要使两个模块的电感均等，该电感均等可以通过专利文献1的结构来实现。

另一方面，如上所述，如果并联连接的钳位电容器41和42之间的电路L2的电感过大，则无法抑制在钳位电容器41和42之间产生了电压差时的振荡电流。因此有必要降低该电路L2中的电感。

在专利文献1和专利文献2中，针对图14所示的IGBT并联电路中的与未图示的平滑电容器之间的电路(图14中的虚线L1表示的电路)，在降低电感的同时，实现了并联连结体之间的电感的均等化，但其没有考虑到由钳位电容器41和42构成的电路(图14中的虚线L2表示的电路)的电感，因此不能抑制在钳位电容器41和42之间产生了电压差时的振荡电流。

例如，在专利文献1的图11、12和14所示的导体板的结构中，并联连接的钳位电容器之间的电路(本申请的图14的虚线L2表示的电路)的直流正极端子P1从导体板CP1的连接部a2经由导体板连接部a3与导体板PC连接，通过导体板PC与导体板CP2的连接部b3连接，通过导体板CP2的连接部b2与另一个钳位电容器连接。在电容器的负极中，直流负极导体板N的端子c2和c3由导体板N连接，该部分的电感低，但由于导体板CP1的连接部a3和导体板CP2的连接部b3之间的距离大，所以不利于降低电感。同样，在专利文献1的图23～24的结构中，由于与导体板CP1连接的部分和与导体板CP2连接的部分之间的距离大，所以不利于降低电感。

以下参照附图对用于降低在并联连接的半导体开关元件的端子之间构成的电路的布线电感的本发明的实施例进行说明。在各个附图以及各个实施例中，针对相同的或者类似的结构要赋予相同的符号表示，并且省略其重复的说明。

第一实施例

图1是表示本发明第一实施例的功率变换装置的导体板结构的立体图，图2是本发明第一实施例的叠层导体板的分解立体图。

在图1和图2所示的安装例中，与专利文献1一样，半导体模块111和112以使各自的端子彼此靠近的设置方式并联连接，并且正极P1和负极N1在同一边并排设置。

在作为布线使用的导体板中，作为正极侧的导体板，有与直流正极端子P1连接的第一导体板51和与直流正极端子P2连接的第二导体板52。作为负极侧的导体板，有与直流负极端子N1以及直流负极端子N2连接的导体板53。上述三块导体板从跟前侧起以51、53和52的顺序排列，并且隔着未图示的绝缘部分彼此层叠。

第一导体板51具有与半导体模块111的直流正极端子P1直接连接的端子511和用于与连接到平滑电容器3的正极的导体板61的端子611连接的端子512。

另外，第二导体板52具有与半导体模块112的直流正极端子P2直接连接的端子521和用于与连接到平滑电容器3的正极的导体板61的端子612连接的端子522。

第三导体板53具有与半导体模块111的直流负极端子N1直接连接的端子531和与半导体模块112的直流负极端子N2直接连接的端子532。

通过图2的分解立体图可以清楚地了解该等端子的情况。

其中，第一导体板51的用于与连接到平滑电容器3的正极的导体板61的端子611连接的端子512和第二导体板52的用于与连接到平滑电容器3的正极的导体板61的端子612连接的端子522以彼此靠近的方式配置在中央附近。也就是说，图1所示的间隔d1与间隔d2的关系为d1＜d2。

端子512与端子611的连接部和端子522与端子612的连接部均为直流正极，另一方面，端子533和端子534经由导体板62与直流负极连接，由于彼此的电势不同，因此需要确保绝缘距离。此外，端子512与端子522由于电势相同，所以不需要绝缘距离。因此，如上所述，优选将电势相同的连接部之间的间隔d1设定为小于电势不同的连接部之间的间隔d2。由于电势相同，间隔d1可以为零，但由于导体板之间设置有负极导体板53和绝缘部，所以不在一个平面上。因此，需要将导体板61与端子512连接的部分和导体板61与端子522连接的部分分开，考虑到制造误差等，具有数mm的间隔有利于制造。

图3是通过对导体板结构进行比较来说明本发明第一实施例的效果的立体图。

图3(A)表示本发明的第一实施例，图3(B)是应用了专利文献1的图12和图14的比较例，图3(C)是应用了专利文献1的图23和图24的比较例。

在图3中，图14所示的钳位电容器之间的电路L2的正极间的连接部分以虚线表示。此外，负极间的连接均经由负极侧的导体板53进行。在图3(B)和图3(C)所示的比较例中，端子512与端子522设置在彼此相隔较远的位置，所以电路L2所占的面积大。与此相比，在图3(A)中，由于端子512与端子522邻近设置，所以能够降低电感。

如此，根据本发明的第一实施例，通过降低并联连接的钳位电容器之间的电感，能够抑制振荡电流。此外，在图3(C)的比较例中，与正极侧连接的2个导体板51和52的形状不同，而在本发明的第一实施例中，可以将导体板51和52设置成相同的形状。

此外，在图1至图3中，导体板61和导体板62中的正极侧导体板61配置在上侧，但也可以反过来将导体板61和62中的负极侧导体板62设置在上侧，两种场合的效果相同。另外，在图1和图2以及图3(A)的示例中，第一端子512设置在图的右下侧，第一端子522设置在图的左上侧，但也可以将两个端子的设置位置相互对调，此时，也具有相同的效果，能够减少电路L2的面积以及降低电感。

图4是表示本发明中的钳位电容器的安装结构例的立体图。在图4中示出了钳位电容器41和42的安装例，在此前的说明中，为了便于了解半导体模块的端子以及导体板的形状，省略了钳位电容器41和42的图示。如图4所示，通过将钳位电容器41和42设置成与半导体模块111、112的端子直接连接，能够降低电感。此外，在此前的示例中，如图14所示，以连接有钳位电容器41和42的场合为前提进行了说明，但由于IGBT本身在断开状态下也具有静电电容，所以在开关动作的定时出现了偏差等情况下，在IGBT之间也有可能发生振荡电流。为了抑制该振荡电流的产生，有必要降低电感，所以本发明在不连接钳位电容器的场合下也仍然有效。

在上述第一实施例中，功率变换装置通过将多个由2个半导体开关元件串联连接而成的半导体模块(111、112、…)并联连接在直流端子之间而形成，该功率变换装置具有：分别并联地连接在所述直流端子(P1、P2-N1、N2)之间的第一半导体模块(111)和第二半导体模块(112)；与所述第一半导体模块(111)的第一端子(P1)连接的第一导体板(51)；与所述第二半导体模块(112)的第一端子(P2)连接的第二导体板(52)；以及与所述第一半导体模块(111)的第二端子(N1)和所述第二半导体模块(112)的第二端子(N2)连接的第三导体板(53)；该功率变换装置被构造成所述第一至第三导体板(51～53)具有对置层叠的部分，用于将所述第一导体板(51)与所述第二导体板(52)电连接的第一连接端子(512)和用于将所述第二导体板(52)与所述第一导体板(51)电连接的第二连接端子(522)之间的距离(间隔d1)被配置成比所述第一至第三导体板(51～53)中的其它任何端子间的距离都小。

也就是说，在构造成所述第一至第三导体板(51～53)具有对置层叠的部分的功率变换装置中，用于将所述第一导体板(51)与所述第二导体板(52)电连接并且连接到所述直流端子中的一个直流端子的作为引出部的连接端子(512以及/或者522)配置在从所述第三导体板(53)连接到所述直流端子中的另一个直流端子的作为引出部的2个连接端子(533和534)之间。

第二实施例

图5是表示本发明第二实施例的功率变换装置的导体板结构的立体图，图6是本发明第二实施例的叠层导体板的分解立体图。其中，负极侧的导体板53和62的结构与图1和图2所示的第一实施例的结构相同。正极侧的导体板被构造成第一连接端子512和第二连接端子522以直接接触的方式电连接的同时，还与导体板61的连接端子611直接连接。

通过采用上述结构，能够进一步减小钳位电容器之间的电路所占的面积，因此，降低电感的效果较大。

另一方面，如图6所示，正极侧的导体板51和导体板52具有相同的形状，但连接部分需要进行弯曲加工，并且还要注意确保连接部分附近的绝缘。

第三实施例

图7是表示本发明第三实施例的功率变换装置的导体板结构的立体图，图8是本发明的第三实施例的叠层导体板的分解立体图。

通过使第一连接端子512和第二连接端子522直接接触来进行电连接这一点与第二实施例相同。在第三实施例中，负极侧的连接端子533不分割而设置在一个部位上。

由于用于确保连接端子绝缘的间隙只需要一处，所以能够加宽连接端子导体部的宽度。不过，由于连接端子533离直流负极端子N1近，而离另一个直流负极端子N2远，所以经由负极侧的导体板62流向平滑电容器3的电流可能会变得不均匀。

在本第三实施例中，功率变换装置通过将多个由2个半导体开关元件串联连接而成的半导体模块(111、112、…)并联连接在直流端子之间而形成，该功率变换装置具有：分别并联地连接在所述直流端子(P1、P2-N1、N2)之间的第一半导体模块(111)和第二半导体模块(112)；与所述第一半导体模块(111)的第一端子(P1)连接的第一导体板(51)；与所述第二半导体模块(112)的第一端子(P2)连接的第二导体板(52)；以及与所述第一半导体模块(111)的第二端子(N1)以及所述第二半导体模块(112)的第二端子(N2)连接的第三导体板(53)，该功率变换装置被构造成所述第一至第三导体板(51、52、53)具有对置层叠的部分，用于将所述第一导体板(51)和所述第二导体板(52)以及所述直流端子中的一个直流端子电连接的第一直流端子(512、522、611)和从所述第三导体板(53)连接到所述直流端子中的另一个直流端子的第二直流端子(533、621)在与所述第一至第三导体板(51～53)的对置的平面大致平行的方向上隔开间隔地并排设置。

第四实施例

图9是表示本发明第四实施例的功率变换装置的导体板结构的立体图，图10是本发明第四实施例的叠层导体板的分解立体图。

在图9所示的功率变换装置中，将图13所示的构成变换器1的一个相的半导体模块11和构成逆变器2的一个相的半导体模块21作为一个单元，并由三个单元构成三个相，图中示出了一个相的单元。此外，作为半导体模块11和半导体模块21，示出了正极端子P1、P2、负极端子N1、N2以及交流端子AC排成一列地配置在模块的中央的标准构造半导体模块。

半导体模块的正极以及负极之间并联连接，而交流端子分开连接，并且开关动作也不在同时进行。在正极和负极之间连接有钳位电容器的情况下，当某个半导体模块进行了开关动作时，与该半导体模块连接的电容器的电压发生变动，因此，在与另一个钳位电容器之间有可能发生振荡电流。为了尽早抑制该振荡电流，有必要降低电感。因此，与第一实施例一样，也将连接端子512和连接端子522邻近设置。

第五实施例

在本第五实施例中，4个半导体模块111、112、113以及114并联连接。2个半导体模块的并联结构与第一实施例相同，并且导体板61和导体板62被构造成与4并联结构相对应的构造。在这种情况下，连接部512和连接部522接近，并且在右下部分存在完全相同的结构。因此，与上述实施例一样，本第五实施例也能够降低电感。

第六实施例

第六实施例也由4个半导体模块并联连接而成，但半导体模块111的正极P1和半导体模块113的正极P3由同一块导体板51连接。同样，在图中看不见的部分，半导体模块112的正极P2和半导体模块114的正极P4由同一块导体板52连接。此外，4个半导体模块的负极N1、N2、N3、N4由一块导体板53连接。通过将图11的分开设置的导体板形成一体化，能够进一步降低并联连结体之间的电感。

Claims

1.一种功率变换装置，通过将多个由2个半导体开关元件串联连接而成的半导体模块并联连接在直流端子之间而形成，所述功率变换装置的特征在于，具有：

分别并联连接在所述直流端子之间的第一半导体模块和第二半导体模块；

与所述第一半导体模块的第一端子连接的第一导体板；

与所述第二半导体模块的第一端子连接的第二导体板；以及

与所述第一半导体模块的第二端子以及所述第二半导体模块的第二端子连接的第三导体板，

所述功率变换装置被构造成所述第一至第三导体板具有对置层叠的部分，

用于将所述第一导体板与所述第二导体板电连接的第一连接端子、和用于将所述第二导体板与所述第一导体板电连接的第二连接端子之间的距离被配置成比所述第一至第三导体板中的其它任何端子间的距离都小。

2.一种功率变换装置，通过将多个由2个半导体开关元件串联连接而成的半导体模块并联连接在直流端子之间而形成，所述功率变换装置的特征在于，具有：

与所述第一半导体模块的第一端子连接的第一导体板；

与所述第二半导体模块的第一端子连接的第二导体板；以及

用于将所述第一导体板与所述第二导体板电连接并且连接到所述直流端子中的一个直流端子的作为引出部的连接端子，配置在从所述第三导体板连接到所述直流端子中的另一个直流端子的作为引出部的2个连接端子之间。

3.根据权利要求1或者2所述的功率变换装置，其特征在于，

所述功率变换装置具有连接在所述直流端子之间的平滑电容器，

用于将所述第一导体板与所述第二导体板电连接并且连接到所述直流端子中的一个直流端子的作为引出部的连接端子，与引出到所述平滑电容器的一端的引出导体板的端子连接，

所述第三导体板具有连接到所述平滑电容器的另一端的引出导体板的第三以及第四连接端子，

所述第一至第四连接端子在与所述第一至第三导体板的对置面大致平行的面上隔开间隔地并排配置，

所述第一连接端子与所述第二连接端子之间的间隔比这些连接端子与所述第三连接端子或者所述第四连接端子之间的间隔更小。

4.根据权利要求3所述的功率变换装置，其特征在于，

所述第一连接端子和所述第三连接端子之间的间隔与所述第二连接端子和所述第四连接端子之间的间隔大致相等。

5.根据权利要求1或者2所述的功率变换装置，其特征在于，

所述第一连接端子和所述第二连接端子以直接接触的方式重叠地连接。

6.根据权利要求1或者2所述的功率变换装置，其特征在于，

所述第一导体板和所述第二导体板具有相同的形状。

7.一种功率变换装置，通过将多个由2个半导体开关元件串联连接而成的半导体模块并联连接在直流端子之间而形成，所述功率变换装置的特征在于，具有：

与所述第一半导体模块的第一端子连接的第一导体板；

与所述第二半导体模块的第一端子连接的第二导体板；以及

用于将所述第一导体板与所述第二导体板以及所述直流端子中的一个直流端子电连接的第一直流端子、和从所述第三导体板连接到所述直流端子中的另一个直流端子的第二直流端子，在与所述第一至第三导体板的对置的平面大致平行的方向上隔开间隔地并排设置。

8.根据权利要求1、2、7中任一项所述的功率变换装置，其特征在于，

所述第一导体板和所述第二导体板与所述直流端子的正极连接，所述第三导体板与所述直流端子的负极连接。

9.根据权利要求1、2、7中任一项所述的功率变换装置，其特征在于，

所述第一半导体模块以及所述第二半导体模块的端子之间分别直接连接有电容器。

10.一种功率变换装置，其特征在于，

通过组合多个如权利要求1、2、7中任一项所述的功率变换装置而构成。