CN1976216A - 功率变换装置 - Google Patents

Abstract

在功率变换装置中抑制并联连接的电气部件之间的电流不均匀性。在本发明的功率变换装置中，具有正极端子和负极端子的第一和第二电气部件由正极侧电极和负极侧电极并联连接，正极侧电极具有分别与第一电气部件的正极端子和第二电气部件的正极端子连接的第一导体区域和第二导体区域，负极侧电极具有分别与第一电气部件的负极端子和第二电气部件的负极端子连接的第三导体区域和第四导体区域。并且，第一导体区域和第四导体区域具有相对向层叠并且相互之间保持电绝缘的第一对向部分，第二导体区域和第三导体区域具有相对向层叠并且相互之间保持电绝缘的第二对向部分。

Description

功率变换装置

技术领域

本发明涉及一种功率变换装置(power converter，電力変換装置)，该功率变换装置具有由多个半导体模块等的电气部件并联连接而成的电路。

背景技术

采用绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等高速半导体开关元件的功率变换装置在各个领域得到了广泛的利用。近年来，随着半导体技术的进步，已经开发出了大容量半导体模块，而构成逆变器的上下臂的半导体开关是由一个模块构成的半导体模块也得到了广泛的利用。

并且，将多个半导体模块并联连接而实现大容量化的技术也已得到了开发。

在并联连接时，如果各个半导体元件的电流负担不均匀，则使用条件和寿命将由负担重的一侧决定，所以有必要进行均衡化。

作为影响并联连接时的电流均等化的主要因素，可以列举出半导体元件特性的差异、栅极驱动电路的差异以及主电路布线电感的差异等。其中，针对半导体元件特性的差异，一般采取对半导体元件进行选择的方法以使并联元件之间的特性均等化。针对栅极驱动电路的差异，例如如专利文献1所示，可以采取通过使栅极驱动电路的一部分磁耦合，来抑制在并联栅极之间循环的电流，从而实现均等化的方法。

另一方面，在使主电路布线电感均等化方面，具有如专利文献2和3所示的方法。在专利文献2中公开了从三相逆变器电路的交流侧对布线电感进行均等化的方法。但是，由于对开关期间内的电流变化产生影响的配线电感存在于不包含交流负荷电路的上下臂循环的电路，所以即使对来自交流侧的布线电感进行均等化，也得不到大的效果。在开关频率高的大容量变换设备中，由于开关动作时发生的开关动作损失要比半导体元件的导通电压造成的恒定损失还要大，所以必须实现开关动作时的电流均等化。

此外，在专利文献3中公开了由一个模块构成上下两个元件时的布线电感的均等化技术。在该技术中，在一端具有正极端子以及负极端子的半导体模块采用并联方法连接。通过使并联连接的两个半导体模块的与平滑电容器之间的距离大致相等，使布线电感基本实现均等化。但是，在因半导体元件的特性或者栅极驱动的差异而导致各个模块的电流变化产生不均匀时，上述技术虽然能够使电流均等而使各自的电压均等化，但其效果不充分。

专利文献1：日本国发明专利特开平10-14215号公报

专利文献2：日本国发明专利特开2000-116113号公报

专利文献3：日本国发明专利特开2004-135444号公报

发明内容

本发明所要解决的课题是，抑制功率变化装置中的开关元件或者平滑电容器等的电气部件并联连接时产生的电流的不均匀性。

在本发明的功率变换装置中，具有正极端子和负极端子的第一以及第二电气部件通过正极侧电极和负极侧电极并联连接，正极侧电极具有分别连接至第一电气部件的正极端子以及第二电气部件的正极端子上的第一导体区域和第二导体区域，负极侧电极具有分别连接至第一电气部件的负极端子以及第二电气部件的负极端子上的第三导体区域和第四导体区域。并且，第一导体区域和第四导体区域具有相对向层叠并且相互之间保持电绝缘的第一对向部分，第二导体区域和第三导体区域具有相对向层叠并且相互之间保持电绝缘的第二对向部分。

发明效果

在第一对向部分和第二对向部分中，因流过各个导体区域的电流而产生磁耦合，从而能够抑制电流的不均匀性。

附图说明

图1表示本发明第一实施例中的布线结构。

图2表示传统技术中的并联连接时的布线结构。

图3表示作为本发明适用领域的功率变换器的电路结构。

图4举例表示使用了本发明的并联连接的例子。

图5表示用于确认本发明效果的计算上的结构。

图6表示用于确认本发明效果的计算中的比较说明。

图7表示对本发明的效果进行确认的第一确认例。

图8表示用于确认本发明效果的计算上的结构(第二例)。

图9表示用于确认本发明效果的计算中的比较说明(第二例)。

图10表示对本发明的效果进行确认的第二确认例。

图11表示本发明第二实施例中的布线安装结构。

图12表示图11的A-A’处的向视图。

图13表示图11的B-B’处的向视图。

图14表示图11中的半导体模块连接导体的形状。

图15表示用于连接图14和图16的导体的导体的形状。

图16表示图11中的电容器连接导体的形状。

图17表示本发明第三实施例中的半导体模块和电容器的配置情况。

图18是本发明第三实施例中的布线导体的正视图。

图19是本发明第三实施例中的布线导体的侧视图。

图20表示本发明第三实施例中的IGBT连接导体的形状。

图21表示本发明第三实施例中的中途连接导体的形状。

图22表示本发明第三实施例中的电容器连接导体的形状。

图23表示本发明第四实施例中的布线导体的安装形状。

图24表示本发明第四实施例中的各布线导体的形状。

图25表示与本发明第五实施例有关的一般结构例。

图26表示本发明的第五实施例。

图27表示本发明的第五实施例的变化例。

图28表示作为本发明第六实施例的功率变换装置。

图29是第六实施例的动作说明图(大致均匀时的电流波形)。

图30是第六实施例的动作说明图(电流不均匀时的电流波形)。

图31是本发明第六实施例的安装结构例。

图32表示图31的A-A’处的向视图和B-B’处的向视图。

图33表示图31的C-C’处的向视图。

符号说明：3，31～34-平滑电容器；4-电动机；5-电源；11P～13N，11P1～11N2，21P～23N-自动灭弧开关元件(包括回流二极管)；61～63-电抗器；91～95-绝缘板；111，112，101，102-半导体模块；711，712，72-布线导体；800，801，831～834-布线导体磁耦合部分。

具体实施方式

以下参照附图对本发明进行详细的说明。

实施例1

图3表示作为本发明应用领域的普通功率变换器的电路结构。如图3所示，从电源5通过由升压电抗器61～63、自动灭弧开关元件(在此以IGBT为例进行说明)21P～23N构成的整流电路(順変換回路)、由直流平滑电容器3和IGBT11P～13N构成的逆变电路(逆変換回路)向电动机4供应任意的功率。此外，在此使用了由升压电抗器61～63以及IGBT21P～23N构成的整流电路，但也可以采用由单一的整流二极管构成的电路。

在向电动机供应大功率时，由于IGBT电流容量的限制，有时需要将多个IGBT并联连接而使电流增大。例如，如图4所示，将11P1和11P2两个并联连接以构成图3中的变换器电路的一个臂11P，并且使11N1和11N2两个并联连接以构成图3中的变换器电路的另一个臂11N。此外，在平滑电容器3中，采用四个并联连接的方法构成电容器31～34。在如图3和图4那样表示电路结构时，通常不标明布线部分的寄生电感，但实际上布线部分中存在有寄生电感，而这种寄生电感会对开关动作时的电压上跳产生影响。在开关动作的瞬间产生影响的是流过图4的虚线所示的路径，即上下臂的IGBT以及平滑电容器3的循环环路的电流的变化所引起的现象，为了抑制上跳电压，有必要降低该环路的寄生电感。

此外，会对开关动作时的电流分配产生影响的布线电感也一样，使该环路的布线电感均匀化很重要。

通常在电路图中不标明布线电感，但由于布线电感是一个重要的因素，所以采用符号形式对电感作了标注。

图2表示有两个半导体模块并联连接，并且有四个电容器并联连接，正极侧导体和负极侧导体层叠并相对向的电路结构。

在图2中，电容器C1(31)～C4(34)并联连接，半导体模块111中包括由IGBT和回流二极管反并联连接而成的上下臂11P1，11N1，同样，半导体模块112中包括11P2，11N2。并且，半导体模块111以及112两个并联连接。由于正极侧导体和负极侧导体相对向层叠，所以由包括这些电感部分的磁耦合部800表示。在各个电容器端子附近没有产生磁耦合，其在图中以841P～844N表示。此外，在半导体模块的端子附近也没有产生磁耦合，其在图中以821P～822N表示。由于交流端子AC1以及AC2也进行了电连接，所以由881，882表示该连接点前的布线电感。

与此相对，图1表示本发明的实施例。

作为布线导体的结构，用于连接IGBT和平滑电容器的导体通过使正极导体和负极导体具有共同的层叠对向部分801来降低电感。此外，连接至IGBT的导体分路成与半导体模块111连接的导体和与其他半导体模块112连接的导体，在被分路的导体中，与半导体模块111的正极端子P1连接的部分和与半导体模块112的负极端子N2连接的部分磁耦合成往复电流相对向(811)。同样，与半导体模块111的负极端子N1连接的部分和与半导体模块112的正极端子P2连接的部分磁耦合成往复电流相对向(812)。

另一方面，在由四个电容器并联连接而成的平滑电容器31～34中，布线导体也被分路为与各个端子连接的部分，每两个电容器(图中为31和32以及33和34)中具有相同的磁耦合部分。即，与电容器31的正极端子C1P连接的部分和与电容器32的负极端子C2N连接的部分磁耦合成往复电流相对向(831)。同样，与电容器31的负极端子C1N连接的部分和与电容器32的正极端子C2P连接的部分磁耦合成往复电流相对向(832)。其余的两个电容器33和34也一样，C3P连接部分和C4N连接部分磁耦合(833)，C4P连接部分和C3N连接部分磁耦合(834)。

以下通过简单的计算例来说明图1实施例的效果。在此，着重说明半导体模块的并联连接，而电容器部分整体作为电压源。

首先以图5的举例进行比较。

图5所示的i1和i2表示上臂的IGBT导通时的各个电流。假定下臂的回流二极管中有反向恢复电流流过，作为电路处于短路状态。作为电路的构成部件，平滑电容器部分统一以直流电压进行模拟。假定共用部分的电感Lt＝L，分路到各个端子P1，N1，P2，N2的部分的电感为Llp，L1n，L2p，L2n，并且该任一个值均为相同值L。而且，用于连接两个半导体模块的中间端子(逆变器的交流端子)的部分各自为Lc(＝L)。

在此，假定半导体模块1侧的布线因长度略长等因素，其电感大了一成左右，在该条件下连接Ldif(＝0.1L)

图6表示在图5中使SW1和SW2同时导通时的电流变化的情况，并对某一时间点的i1以及i2的电流值进行了比较。

图7表示二种结构中的电流的不均匀性和综合电感因磁耦合的程度(耦合率k)不同而产生变化的情况。在图7中，实线表示在采用本实施例结构的模块中发生耦合时的情况，虚线表示在采用普通结构的模块中发生耦合时的情况。从图中可以知道，在两种情况下，综合电感的降低情况基本上相同，但在电流不均匀性方面，采用本实施例的结构使电流不均匀性得到了进一步降低。

以下假定电路的电感没有差异，而IGBT的开关特性方面具有差异，并就该情况进行比较说明。图8是上述情况的模拟图。与图5不同的是，图8中不存在电感差异Ldif。在此，先使SW2导通，然后使SW1导通，并且在图9中对经过了一定时间后的电流值进行了比较。

比较结果如图10所示。从图10可以看出，此时也与图7一样，采用本发明的结构，电流的不均匀性等得到了进一步降低。

作为本发明的第二实施例，以下参照图11～图16对布线导体的安装结构进行说明。

图11表示半导体模块111以及112和平滑电容器31～34的布线导体。图中省略了布线导体的绝缘板的图示。并且，为了方便看图，对导体的厚度和导体间隔作了放大，但在实际上，层叠导体的间隔越窄，则磁耦合越紧密，绝缘也越好，所以优选将层叠导体的间隔设置成最小的间隔。

图12表示图11的A-A’处的向视图，图13表示图11的B-B’处的向视图。

在半导体模块111(112)中，模块的上表面具有正极端子P1(P2)、负极端子N1(N2)以及交流端子AC1(AC2)，电容器31～34中分别具有正极端子C1P～C4P以及负极端子C1N～C4N。

如图12和图14所示，P1导体具有与半导体模块111的正极端子P1电连接的区域a2、与图15所示的PC导体电连接的区域a3以及位于区域a2和区域a3之间，与N导体相对向层叠并且相互之间保持电绝缘的区域a1。P2导体具有与半导体模块112的正极端子P2电连接的区域b2、与PC导体电连接的区域b3以及位于区域b2和区域b3之间，与N导体相对向层叠并且相互之间保持电绝缘的区域b1。N导体具有与半导体模块111的负极端子N1电连接的区域c2、与半导体模块112的负极端子N2电连接的区域c3、与区域c2和区域c3相连接，并且与P1导体和P2导体相对向层叠且相互之间保持电绝缘的区域c1以及与图15所示的NC导体电连接的区域c4。

如图12所示，半导体模块111和112相邻设置，其中正极端子P1和负极端子N2相对向，并且负极端子N2和正极端子P2相对向。N导体的区域c1设置在P1导体的区域a1和P2导体的区域b1之间。通过P1导体、P2导体以及PC导体使正极端子P1和正极端子P2电连接，通过N导体以及NC导体使负极端子N1和负极端子N2电连接。即，通过包括P1导体、P2导体以及PC导体的正极侧导体和包括N导体以及NC导体的负极侧导体使半导体模块111和半导体模块112并联连接。

从PC导体流向半导体模块111正极端子P1的电流在P1导体中依次流过区域a3、区域a1和区域a2。在本实施例中，区域a2和区域a3相邻设置并与区域a1连接，并且区域a1比区域a2和区域a3的连接部分更为宽阔。因此，电流在P1导体中流过包括图14(3)的斜线部分A在内的相对狭窄的部分。

另一方面，从PC导体流向半导体模块112的正极端子P2的电流在P2导体中依次流过区域b3、区域b1和区域b2。在本实施例中，区域b2和区域b3相邻设置并与区域b1连接，并且区域b1比区域b2和区域b3的连接部分更为宽阔。因此，电流在P2导体中流过包括图14(1)的斜线部分B在内的相对狭窄的部分。

从半导体模块111的负极端子N1以及半导体模块112的负极端子N2流向NC半导体的电流在N导体中依次流过区域C2、区域C1和区域C4，同时还依次流过区域C3、区域C1和区域C4。即，来自半导体模块111的负极端子N1以及半导体模块112的负极端子N2的电流都流过区域c1，所以电流流过包括图14(2)所示的斜线部分C以及C’在内的区域c1中比较宽阔的部分。

由于电流如上所述在P1导体、P2导体以及N导体中流动，所以在本实施例中，在P1导体和N导体的对向部分中，流过P1导体的斜线部分A的电流与流过N导体的斜线部分C’的电流互为对向。即，流向半导体模块111的正极端子P1的电流和从半导体模块112的负极端子N2流出的电流相对向。因此，斜线部分A，C’中产生图1所示的磁耦合811。此外，在P2导体和N导体的对向部分，流过P2导体的斜线部分B的电流与流过N导体的斜线部分C的电流相对向。即，流向半导体模块112的正极端子P2的电流和从半导体模块111的负极端子N1流出的电流相对向。因此，斜线部分B，C中产生图1所示的磁耦合812。因此，如图7和图10所示，能够降低并联连接半导体模块111和半导体模块112的布线导体的综合电感，以及降低半导体模块111和半导体模块112的电流不均匀性。

并且，在本实施例中，流向各个半导体模块的正极端子的电流分开流入P1导体和P2导体，并且，由斜线部分A，C’表示的对向部分和由斜线部分B，C表示的对向部分相互不重叠。为此，可以降低斜线部分A，C’中的磁耦合和斜线部分B，C中的磁耦合的干扰。此外，流过各个半导体模块的负极端子的电流均流过N导体，所以，P1导体、P2导体和N导体之间的相对位置即使发生稍许变动，也可以防止斜线部分A，C’中的磁耦合与斜线部分B，C中的磁耦合的耦合率产生大的变动。因此，能够切实和稳定地降低电流的不均匀性。

在本实施例中，与半导体模块111的负极端子N1连接的导体区域和与半导体模块112的负极端子N2连接的导体区域与N导体形成一体化。为此，斜线部分C，C’中的导体区域基本设置在同一平面上。由此，能够减少零部件的种类，节约布线所需的空间。与此相对，也可以将N导体分成两个，使其中一个与负极端子N1连接，使另一个与负极端子N2连接，或者使两者均与NC导体连接。此时，划分成包括斜线部分C的导体区域和包括斜线部分C’的导体区域，但只需将两个斜线部分的导体区域大致设置在同一平面上，便能够节约布线所需的空间。

在本实施例中，包括与半导体模块111的正极端子P1连接的导体区域即P1导体中的斜线部分A的部分和包括与半导体模块112的正极端子P2连接的导体区域即P2导体中的斜线部分B的部分相对于N导体相互位于相反侧，并且位于相互不同的平面上。由此，能够与所述N导体一起，在节约布线空间的同时，降低斜线部分A，C’中的磁耦合和斜线部分B，C中的磁耦合的干扰。

此外，在本实施例中，在P1导体的区域a1中，能够通过从区域a2和区域a3的连接部分延伸出来的部分，降低区域a1的电阻和布线电感。并且，从区域a2和区域a3的连接部分延伸出来的部分包括主电流不流过的部分，在该主电流不流过的部分中，在主电流流过N导体时，会感应产生瞬变电流。并且，由该感应电流产生的磁通具有降低N导体的布线电感的效果。

此外，在本实施例中，可以采用形状与N导体相同的导体来取代P1导体和P2导体，并且也可以采用形状与P1导体和P2导体相同的导体来取代N导体，而取得相同的作用和效果。

图15和图16表示图11和图13所示的与电容器相连接的导体。如图16(1)所示，CP1导体具有与电容器31的正极端子C1P电连接的区域d2、与电容器33的正极端子C3P电连接的区域d3、与图15所示的PC导体电连接的区域d4以及与该区域相连接，并且与CN导体相对向层叠并且相互之间保持电绝缘的区域d1。此外，区域d3和区域d4将区域d1夹在其中间，并与区域d1的一个端部相邻连接。在区域d1中，区域d2在与区域d3相同的一侧，与区域d3分开地连接在从与区域d3和区域d4相连接的连接部分延伸出来的部分上。如图16(3)所示，CP2导体具有与电容器32的正极端子C2P电连接的区域e2、与电容器34的正极端子C4P电连接的区域e3、与图15所示的PC导体电连接的区域e4以及与该区域相连接，并且与CN导体相对向层叠并且相互之间保持电绝缘的区域e1。并且，区域e2和区域e4将区域e1夹在其中间，并与区域e1的一个端部相邻连接。在区域e1中，区域e3在与区域e2相同的一侧，与区域e2分开地连接在从与区域e2和区域e4相连接的连接部分延伸出来的部分上。如图16(2)所示，CN导体具有与电容器31的负极端子C1N电连接的区域f2、与电容器32的负极端子C2N电连接的区域f3、与电容器33的负极端子C3N电连接的区域f4、与电容器34的负极端子C4N电连接的区域f5、与图15所示的NC导体电连接的区域f6以及与该区域相连接，并且与CP1导体以及CP2导体相对向层叠并且相互之间保持电绝缘的区域f1。并且，区域f2，f3，f4，f5在相同的一侧与区域f1连接，区域f6在相反一侧与区域f1连接。区域f2与区域f1的一个端部连接，而区域f5与区域f1的另一个端部连接。区域f3和区域f4在区域f2和区域f5之间，从接近区域f2的一侧开始，以区域f3、区域f4的顺序与区域f1连接。

如图13所示，电容器31和电容器32邻接并列设置，其中正极端子C1P和负极端子C2N相对向，并且负极端子C1N和正极端子C2P相对向。并且，电容器33和电容器34邻接并列设置，其中正极端子C3P和负极端子C4N相对向，并且负极端子C3N和正极端子C4P相对向。CN导体的区域f1位于CP1导体的区域d1和CP2导体的区域e1之间。通过CP1导体、CP2导体以及PC导体，使正极端子CP1，CP2，CP3以及CP4相互电连接，通过CN导体以及NC导体，使负极端子CN1，CN2，CN3以及CN4相互电连接。即，通过包括CP1导体、CP2导体以及PC导体的正极侧导体和包括CN导体以及NC导体的负极侧导体，使电容器31，32，33以及34相互并联连接。

在PC导体和电容器31的正极端子C1P之间流动的电流流过CP1导体的区域d2，d1，d4流过，在NC导体和电容器32的负极端子C2N之间流动的电流流过CN导体的区域f3，f1，f6流过。在此，如图13所示，在电容器31和电容器32中，区域d2和区域f3相对向。为此，流过图16中的斜线部分D1，即包括区域d1中的与区域d2的连接部分和区域d2的部分的电流与流过图16中的斜线部分F2，即包括区域f1中的与区域f3的连接部分和区域f3的部分的电流相对向。即，在PC导体和电容器31的正极端子C1P之间流动的电流与在NC导体和电容器32的负极端子C2N之间流动的电流相对向。因此，斜线部分D1和F2中产生图1所示的磁耦合831。

另一方面，在PC导体和电容器32的正极端子C2P之间流动的电流流过CP2导体的区域e2，e1，e4，在NC导体和电容器31的负极端子C1N之间流动的电流流过CN导体的区域f2，f1，f6。在此，如图13所示，在电容器31和电容器32中，区域e2和区域f2相对向。为此，流过图16中的斜线部分E2，即包括区域e1中的与区域e2的连接部分和区域e2的部分的电流与流过图16中的斜线部分F1，即包括区域f1中的与区域f2的连接部分和区域f2的部分的电流相对向。即，在PC导体和电容器32的正极端子C2P之间流动的电流与在NC导体和电容器31的负极端子C1N之间流动的电流相对向。因此，斜线部分E2和F1中产生图1所示的磁耦合832。

因此，能够降低并联连接电容器31和32的布线导体的综合电感，同时还能够降低电容器31和32的电流不均匀性。

在PC导体和电容器33的正极端子C3P之间流动的电流流过CP1导体的区域d3，d1，d4，在NC导体和电容器34的负极端子C4N之间流动的电流流过CN导体的区域f5，f1，f6。在此，如图13所示，在电容器33和电容器34中，区域d3和区域f5相对向。为此，流过图16中的斜线部分D3，即包括区域d1中的与区域d3的连接部分和区域d3的部分的电流与流过图16中的斜线部分F4，即包括区域f1中的与区域f5的连接部分和区域f5的部分的电流相对向。即，在PC导体和电容器33的正极端子C3P之间流动的电流与在NC导体和电容器34的负极端子C4N之间流动的电流相对向。因此，斜线部分D3和F4中产生图1所示的磁耦合833。

另一方面，在PC导体和电容器34的正极端子C4P之间流动的电流流过CP2导体的区域e3，e1，e4，在NC导体和电容器33的负极端子C3N之间流动的电流流过CN导体的区域f4，f1，f6。在此，如图13所示，在电容器33和电容器34中，区域e3和区域f4相对向。为此，流过图16中的斜线部分E4，即包括区域e1中的与区域e3的连接部分和区域e3的部分的电流与流过图16中的斜线部分F3，即包括区域f1中的与区域f4的连接部分和区域f4的部分的电流相对向。即，在PC导体和电容器34的正极端子C4P之间流动的电流与在NC导体和电容器33的负极端子C3N之间流动的电流相对向。因此，斜线部分E4和F3中产生图1所示的磁耦合834。

因此，能够降低并联连接电容器33和34的布线导体的综合电感，同时还能够降低电容器33和34的电流不均匀性。

此外，在本实施例中，在CP1导体中，区域d2和区域d3均与区域d1连接，但也可以将d1区域分成与区域d2连接的部分和与区域d3连接的部分，并在该部分上分别连接PC导体。这一点在CP2导体中也一样。在CN导体中，也可以将f1区域分成与区域f2和区域f3连接的部分和与区域f4和区域f5连接的部分，并在该部分上分别连接NC导体。此外，也可以将f1区域分成与区域f2，f3，f4，f5连接的四个部分，并在该部分上分别连接NC导体。

以下作为第三实施例，对半导体模块以及电容器四个并联连接时的布线导体的安装结构进行说明。

如图17所示，假定将IGBT上下臂形成为整体的半导体模块111～114设置成两个一列的二列，并将其四个进行并联连接，并且在平滑电容器方面，也将电容器31～34设置成两个一列的二列，使二列相对向，并将其四个进行并联连接。此外，如图所示，各个电容器分别具有二组交替设置的正极端子和负极端子。

在各个半导体模块中，沿着其上表面的一条边设置有正极端子和负极端子。半导体模块111和半导体模块112邻接设置，使得设置有正极端子和负极端子的边彼此并排邻接，并且使正极端子P1和负极端子N2相对向，正极端子P2和负极端子N1相对向。并且，半导体模块113和半导体模块114也同样设置。此外，半导体模块111的正极端子和负极端子与半导体模块113的正极端子和负极端子实质上位于同一条直线上，而半导体模块112的正极端子和负极端子与半导体模块114的正极端子和负极端子也同样实质上位于同一条直线上。一般说来，半导体模块111和半导体模块112通过使上述实施例所述的导体并联连接，能够降低电流的不均匀性。而且，半导体模块113和半导体模块114也一样，通过使上述实施例所述的导体并联连接，能够降低电流的不均匀性。即，原则上使用二组上述实施例中所述的导体。

在各个电容器中，两个正极端子和两个负极端子直线状并且正负交替地设置。电容器31和电容器32邻接设置，使得各个端子列彼此相互大致平行，并且使正极端子和负极端子相对向。电容器33和电容器34也同样相邻设置。此外，电容器31的端子列与电容器33的端子列实质上位于同一条直线上，电容器32的端子列与电容器34的端子列也同样实质上位于同一条直线上。一般说来，电容器31和电容器32通过使上述实施例所述的导体并联连接，能够降低电流的不均匀性。而且，电容器33和电容器34也一样，通过使上述实施例所述的导体并联连接，能够降低电流的不均匀性。即，原则上使用二组上述实施例中所述的导体。

此时的布线导体的安装举例如图18以及图19所示。

图18是正视图，图19是从图17右前方观察时的侧视图。

该布线导体由多组具有确保绝缘性的对向层叠结构组成。在与半导体模块连接的部分中，P13导体和N导体以及P24导体形成对向层叠结构，而在与电容器连接的部分中，CP1导体和CN导体以及CP2导体形成对向层叠结构。此外，在连接上述部分的部分中，PC导体和PN导体形成对向层叠结构。对向层叠导体中的绝缘板的剖面在图中以斜线表示。

图20至图22是表示各部分的对向层叠导体的分解图。

图20表示与半导体模块相连接的部分的对向层叠导体。即，P13导体隔着绝缘板91与N导体相对向，N导体隔着绝缘板92与P24导体相对向。

P13导体具有两个半导体模块端子连接部分(斜线部分)，该两个连接部分与N导体的端子连接部分(同样以斜线表示)邻近并相对向，即P1与N2以及P3与N4相互邻近并相对向。通过在该部分构成图1所示的磁耦合部分811，来实现前述的电流均等化以及降低前述的布线电感。

此外，P24导体也具有两个半导体模块端子连接部分(以不同于所述斜线的斜线表示)，通过使该两个连接部分与N导体的半导体模块端子连接部分邻近并相对向，即P2与N1以及P4与N3相互邻近并相对向，来实现电流均等化以及降低布线电感。

此外，如图所示，P13导体和P24导体以及N导体在与半导体模块的连接部分相反的一侧具有用于与其他导体连接的端子。

图21表示与P13导体和P24导体连接的PC导体以及与N导体连接的NC导体。PC导体与NC导体隔着绝缘板93对向层叠，由此可以降低布线电感。

PC导体通过P11b与P13导体的P11a连接，P12b与P13导体的P12a连接而与P13导体相连接。图中仅图示了叠合时用于紧固螺栓的孔。同样，通过P21b与P21a的连接以及P22b与P22a的连接将PC导体与P24导体连接起来，以及通过N11b与N11a的连接，N12b与N12a的连接以及N13b与N13a的连接将NC导体与N导体连接起来。

在PC导体的相反侧的端部具有与图22所示的CP1导体连接的部分P51b和P53b，以及与CP2导体连接的部分P52b和P54b。

同样，在NC导体中具有与CN导体连接的部分N51b～N53b。

图22表示与电容器连接的CP1导体和CP2导体以及CN导体的结构。

CP1导体具有与图17中的电容器31的正极端子连接的连接部分CP11和CP12，并且具有与电容器33的正极端子连接的连接部分CP31和CP32。CN导体隔着绝缘板94与CP1导体对向层叠。CN导体中具有与所有的电容器31～34的负极端子连接的部分CN11～CN42。如图所示，通过使电容器端子连接部分CP32和CN41相接近并相对向，以实现电流均等化以及降低布线电感。

此外，CP2导体隔着绝缘板95与CN导体相对层叠。针对该导体，通过使电容器端子连接部分CP41和CN导体的连接部分CN32相对向，以实现电流均等化以及降低布线电感。

并且，在图17的说明中，在半导体模块侧，原则上使用二组图11至图16中所述的导体，但图20所示的各个导体与图14所示的导体每两个形成一体化。这是因为，如图17所示，半导体模块111的正极端子和负极端子与半导体模块113的正极端子和负极端子实质上位于同一条直线上，并且半导体模块112的正极端子和负极端子与半导体模块114的正极端子和负极端子实质上也位于同一条直线上的缘故。此外，在电容器侧也一样。

并且，图18至图22所示的布线结构只是一个例子，中途的连接端子的设置等可以进行各种变化。通过在连接部分中没有层叠的部分交替设置正极侧和负极侧，具有降低高频电流中的布线电感的效果。

此外，在此采用了与半导体模块连接的层叠导体(P13导体，N导体，P24导体)、中途的层叠导体(PC导体，NC导体)以及与电容器连接的层叠导体(CP1导体，CN导体，CP2导体)这三个层叠导体组，但根据半导体模块和平滑电容器之间的位置关系的不同、有时也可以由一个层叠导体构成。

以下参照图23和图24说明本发明的第四实施例。

本实施例表示上下臂内置成一体的两个并联连接的半导体模块111和112的布线安装结构。此时，在平滑电容器中，正极和负极由二组端子CP1～CN2构成，以一组层叠导体连接半导体模块和平滑电容器。如图23所示，左侧的半导体模块111的正极端子P1位于左上方，而负极端子N1位于其右下方。另一方面，右上方的半导体模块112的正极端子P2在图的右侧位于与N1相对向的位置，负极端子N2位于与左下侧的P1相对向的位置。图23以及图24的正极导体711连接半导体模块111的正极端子P1以及电容器的正极端子CP1。另一个正极导体712连接半导体模块112的正极端子以及电容器的正极端子CP2。夹在两个正极导体711和712以及未图示的绝缘板中间的负极导体72连接半导体模块的两个负极端子N1和N2以及电容器的两个负极端子CN1和CN2。

在本实施例中，不具有图1所示的正极导体的共用部分，但通过在图中以虚线围住的对向部分81使P1连接部分和N2连接部分磁耦合，并且在对向部分82使P2连接部分和N1连接部分磁耦合，能够实现半导体模块的电流均等化以及降低布线电感。

此外，如图24所示，正极侧导体711，712与负极侧导体72的宽度相同，这是因为，采取如此结构可以使宽度较宽部分的往复电流也形成对向，以加强磁耦合的程度，从而能够降低布线电感。如果布线电感已得到充分的降低，则不一定需要形成宽度较宽部分。

以下说明本发明的第五实施例。

以下就构成逆变器的上下2×3相的开关元件(图3中的11P～13N或者21P～23N)由一个模块构成的情况进行说明。

图25表示在六个开关元件所组成的模块中将开关元件排列成二列的情况。

在图25中，两个模块101和102被设置成其两侧的端子分别排成一列，并如图中虚线围住的那样进行并联连接。如果只从其中两个模块看，则没有问题，但如果从变换器整体(三相)来看，如果横向排列成一列，则会使横方向的长度大幅度增加，从而导致变换器整体的尺寸加大，体积增加。

另一方面，如果按照图26所示，将两个模块设置成具有P端子和N端子的一侧相对向的形式，则能够形成纵横尺寸均匀的形状。在图26中，在构成W相的二列开关元件中，由于WP1与WN2相对向，WP2与WN1相对向，所以通过将该部分的布线导体形成与图23相同的结构而使其产生磁耦合，则能够取得降低电流不均匀性的效果。

并且，如图27所示，通过使每个相均跨越两个模块进行并联连接，使UP1与UN2相对向，UP2与UN1相对向，VP1与VN2相对向，VP2与VN1相对向，WP1与WN2相对向，WP2与WN1相对向，从而使其布线导体产生磁耦合，则能够取得降低电流不均匀性的效果。并且，将图26和图27进行比较时，当因超低速运转(超低频率通电)而导致某一相的开关元件的电流负荷集中时，由于2列跨越模块设置有利于散热，所以从抑制温度上升的观点来看较为有利。

以下参照图28至图33对本发明的第六实施例进行说明。

图28表示本发明的第六实施例的功率变换装置。图中，半导体模块111与112并联连接，作为直流电源部分的平滑电容器31和32也并联连接。半导体模块111由正极侧11P1以及负极侧11N1构成，而半导体模块112由正极侧11P2以及负极侧11N2构成。

在此，与第一正极端子P1连接的导体部分和与第二负极端子N2连接的导体部分相互产生磁耦合(811)，与第二正极端子P2连接的导体部分和与第一负极端子N1连接的导体部分相互产生磁耦合(812)。

该磁耦合部分811具有磁通量检测装置27，由l1和l2之间的差产生的磁通ψq1的变化作为电压Vq1被发送到检测判断部分202。由此，电流不均匀性的信息被发送到栅极驱动电路51或52，并在栅极电路中进行调节以抑制电流的不均匀性。此外，在判断出现异常时，还可以将异常信号发送到变换器控制电路50以使设备停止或对设备进行限制。

并且，也可以检测另一个导体耦合部分812的磁通量变化，但只需对一个进行检测，便能够检测出电流的不均匀性。

针对平滑电容器，使与第一电容器的正极端子C1P连接的导体部分和与第二电容器的负极端子C2N连接的导体部分相互产生磁耦合(831)，与第二电容器的正极端子C2P连接的导体部分和与第一电容器的负极端子C1N连接的导体部分相互产生磁耦合(832)。并且针对在整体上连接电容器部分和半导体模块部分的导体，使正极侧导体和负极侧导体相互接近并相互对向而产生磁耦合(804)，从而降低布线电感。

通过平滑电容器的端子导体耦合部分831的磁通量检测装置28检测磁通量的ψc1的变化，并将电压Vc1发送到电容器部分磁通量检测判断部分201。由此检测平滑电容器31和32的电流不均匀性，在检测到异常时，将异常检测信号发送到变换器控制电路50以使设备停止。

并且，也可以检测另一个导体耦合部分832的磁通量变化，但只需对一个进行检测，便能够检测出电流的不均匀性。

以下参照图29和图30说明本实施例的动作。

图29和图30表示从当初在负极侧回流的状态，到正极侧IGBT(2排并列)在时间点T1时导通而使负极侧回流二极管反向恢复(reverserecover，逆回復)(T2)后流入正极侧IGBT时的波形。

最上面的图表示直流电源电流lc1，lc2，第二个图表示磁通量检测装置27部分的磁通ψc1，第三个图表示磁通量检测装置27的电压Vc1，第四个图表示正极侧IGBT的正极端子电流lp1，lp2，第五个图表示负极侧IGBT的负极端子电流ln1，ln2，第五个图表示磁通量检测装置25部分的磁通ψq1，最下面的图表示磁通量检测装置25的电压Vq1。

图29表示电源31和32之间电流的不均匀性以及IGBT之间电流的不均匀性都很小的情况。

在T1～T2期间，由于dlc1/dt＞dlc2/dt，虽然Vc1＞0，但差异不大，所以Vc1的值不到阈值(threshold)，故判断为没有异常。

同样，由于正极侧IGBT的电流lp1，lp2和负极侧IGBT(实际上为回流二极管)的负极电流ln1，ln2之间电流的不均匀性小，磁通量检测装置27的检测电压Vq1不到检测阈值，所以不向栅极电路发出调节指令。

另一方面，在图30中，在T1～T2期间，由于dlc1/dt＞＞dlc2/dt，ψc1的变化大，Vc1的值超过阈值，由此，能够检测到大的电流不均匀性。当该状态持续出现时，则一侧的电源(电容器)可能出现了故障，因此使功率变换装置停止。

同样，关于IGBT电流lp1，lp2也一样，由于dlp1/dt＞＞dlp2/dt＝dln2/dt，ψq1的变化大，Vq1的值超过阈值，由此，通过对栅极电路进行调节，抑制lp1侧的电流，使lp2侧的电流增大，可以抑制T2时间点处的电流不均匀性。并且，栅极电路的调节方法可以使用专利文献2等公开的在先技术。

此外，在并联连接中，如果出现开路故障，则电流不均匀性变大，可以通过本实施例进行检测，从图28所示的检测判断部分202将异常停止指令信号发送到变换器控制电路50。

图31至图33表示本实施例的安装结构。

图31是半导体模块111，112以及平滑电容器31，32的俯视图，图32是图31的A-A’处的向视图和B-B’处的向视图，图33是图31的C-C’处的向视图。

如图所示，半导体模块111的正极端子P1和第一正极布线导体711的连接部分与另一个半导体模块112的负极端子N2和负极布线导体72的连接部分相互接近并且相互对向，并且安装有检测该部分磁通的磁通量检测装置27。

第一平滑电容器31的正极端子C1P的连接部分和第二平滑电容器32的负极端子C2N的连接部分相互接近并且相互对向，并且安装有检测该部分磁通的磁通量检测装置28。

在此说明的安装结构例中，两个正极侧布线导体711和712没有共用部分，所以不存在图28所述的整体的正极侧布线导体和负极侧布线导体相互接近并且相互对向的部分804，但存在共用部分的情况也一样。

如此，通过检测正极端子的电流和与其并列的负极端子的电流所产生的磁通量的变化，能够进行控制以抑制电流的不均匀性，并且能够检测出异常。为此，能够提高可靠性，降低需要处理的电流的不均匀性，从而使装置小型化。

Claims (15)

1、一种功率变换装置，该功率变换装置具备多个至少具有一对正极端子和负极端子的电气部件，所述多个电气部件具有由电连接至所述各个正极端子上的正极侧导体以及电连接至所述各个负极端子上的负极侧导体并联连接而形成的电路，该功率变换装置的特征在于，

所述正极侧电极具有分别与所述多个电气部件中的第一电气部件的所述正极端子以及第二电气部件的所述正极端子相连接的第一导体区域和第二导体区域，

所述负极侧电极具有分别与所述多个电气部件中的第一电气部件的所述负极端子以及第二电气部件的所述负极端子相连接的第三导体区域和第四导体区域，

所述第一导体区域和所述第四导体区域具有相对向层叠并且相互之间保持电绝缘的第一对向部分，

所述第二导体区域和所述第三导体区域具有相对向层叠并且相互之间保持电绝缘的第二对向部分。

2、根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，在所述第一对向部分中，因流过所述第一导体区域和所述第三导体区域的电流而产生磁耦合，而在所述第二对向部分中，因流过所述第二导体区域和所述第四导体区域的电流而产生磁耦合。

3、根据权利要求1或2所述的功率变换装置，其特征在于，所述第一对向部分与所述第二对向部分相互之间不重叠。

4、根据权利要求1至3中任一项所述的功率变换装置，其特征在于，所述第一对向部分中的所述第四导体区域以及所述第二对向部分中的所述第三导体区域设置在大致同一平面上，而所述第一对向部分中的所述第一导体区域以及所述第二对向部分中的所述第二导体区域设置在不同的平面上。

5、根据权利要求1至3中任一项所述的功率变换装置，其特征在于，所述第一对向部分中的所述第一导体区域以及所述第二对向部分中的所述第二导体区域设置在大致同一平面上，而所述第一对向部分中的所述第四导体区域以及所述第二对向部分中的所述第三导体区域设置在不同的平面上。

6、根据权利要求1至5中任一项所述的功率变换装置，其特征在于，所述第一以及第二对向部分的对向表面相对于电气部件的上表面垂直。

7、根据权利要求1至6中任一项所述的功率变换装置，其特征在于，所述电气部件是半导体模块。

8、根据权利要求7所述的功率变换装置，其特征在于，所述半导体模块具有分别包括半导体开关元件和二极管的反并联连接电路的上下臂，其中上臂的正极是所述正极端子，下臂的负极是所述负极端子。

9、根据权利要求1至6中任一项所述的功率变换装置，其特征在于，所述电气部件是电容器。

10、一种功率变换装置，其至少具有第一以及第二电路，该第一以及第二电路具有正极和负极，该功率变换装置的特征在于，具有：

与所述第一电路的所述正极连接的第一导体；

与所述第一电路的所述负极连接的第二导体；

与所述第二电路的所述正极连接的第三导体；

与所述第二电路的所述负极连接的第四导体，以及

磁通量检测装置，其检测因流过所述第一导体和所述第四导体的对向部分的电流而产生的磁通量。

11、根据权利要求10所述的功率变换装置，其特征在于，具有所述第二导体和所述第三导体的对向部分。

12、根据权利要求10或11所述的功率变换装置，其特征在于，所述磁通量检测装置是包围所述第一导体和所述第四导体的所述对向部分的环状线圈。

13、根据权利要求12所述的功率变换装置，其特征在于，所述环状线圈具有磁性体芯部。

14、根据权利要求10至13中任一项所述的功率变换装置，其特征在于，所述电路是由半导体开关元件和二极管构成的两个反并联连接电路串联连接而成的电路。

15、根据权利要求10至13中任一项所述的功率变换装置，其特征在于，所述电路是直流电源电路。

Images