JP2000023462A - 電力変換器の主回路構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力変換器の主回路配線におけるインダクタ
ンスの低減を図り、かつ、簡単な構成で実現することに
ある。 【解決手段】 少なくとも２個のＩＧＢＴモジュール
１、２と、一方のＩＧＢＴモジュール１のコレクタ端子
と直流電源の正極を接続する正側導体３と、その他方の
ＩＧＢＴモジュール２のエミッタ端子と直流電源の負極
を接続する負側導体５と、一方のＩＧＢＴモジュールの
エミッタ端子および他方のＩＧＢＴモジュールのコレク
タ端子を交流側に接続する交流側導体４からなり、各導
体をそれぞれ平板形状とするとともに、階層状に平行に
形成する電力変換器の主回路構造において、ＩＧＢＴモ
ジュールに近い方から正側導体、交流側導体、負側導体
の順に設置し、または、その逆順に設置し、各導体を対
応するＩＧＢＴモジュールの各端子に固定する固定具６
〜９の高さより少なくとも大きい間隔に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両用の電力
変換器など電力変換器一般の実装構造に係り、特に、電
力変換器の主回路構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電力変換器の配線は、特開平１−
１６０３７３号公報に示すような細長い導体バーや電線
が使用されていた。このような構成では、配線のインダ
クタンスが大きいため、ＩＧＢＴモジュールをオン、オ
フした際の電流や電圧の跳ね上がりが大きい、という問
題がある。また、ＩＧＢＴモジュールを保護するため、
大きな容量のスナバ回路等を接続する必要があり、装置
の小型化の障害となっていた。ところで、インダクタン
スを低減するには、電流の経路である導体をできるだけ
平たい形状とし、かつ、往路と復路の導体をできるだけ
近接して設置する、いわゆる平行平板状にすれば良いこ
とが知られている。これは、往路と復路が作る磁束の変
化が互いに相殺し、見かけ上磁束の変化が殆どなくなる
からである。このような原理を使用した配線方法として
は、特開平７−１３１９８１号公報、特開平９−４７０
３６号公報、特開平６−３２７２６６号公報、特開平７
−２４５９５１号公報、特開平６−３８５０７号公報お
よび特開平９ー７０１８４号公報などに記載の技術があ
げられる。これらはいずれも上述のように絶縁層などを
挾んで平板状導体を近接配置した平行平板状の配線を用
いており、インダクタンス低減を実現している。しかし
ながら、導体とＩＧＢＴモジュールを固定するボルトな
どの固定具の取付けのため、導体や絶縁層などに貫通穴
をあける必要がある。この貫通穴における絶縁距離を確
保するため、穴を大きくとる必要があり、このため導体
の面積が狭くなった部分に電流が集中し、所定のインピ
ーダンス目標を満足できないことがあり得る。貫通穴の
まわりを絶縁物で覆えば、導体の穴自体を小さくできる
が、導体断面を絶縁するために、導体および絶縁物の構
造が複雑になりがちである。また、一方で導体間の間隔
が狭いほどインダクタンスは低減するものの、その低減
効果は飽和していく。例えば、導体間隔を１０ｃｍから
１ｃｍに低減した場合は、大幅なインダクタンス低減が
得られるが、１ｃｍから１ｍｍに低減する場合には、さ
ほどインダクタンスは低減しないことが知られている。
従って、必ずしも導体間隔を極限まで（例えば、絶縁板
板厚程度まで）狭くしなくても、インダクタンスを低減
することは可能である。また、特開平４ー１３３６６９
号公報および特開平６ー２２５５４５号公報には、平板
状導体を用いながら、貫通穴のない構造が記載され、上
述のような貫通穴における複雑な絶縁構造をとる必要は
ない。しかしながら、いずれも導体を曲げるなどの加工
が必要な構成である上、半導体の並列化や、３レベル変
換器への適用に関しては考慮がされていない。さらに、
特開平６ー２２５５４５号公報には、導体間に誘電体セ
ラミックスを設けることが記載されているため、使用す
る材料が限定される。また、半導体モジュールを複数接
続した場合（１つの半導体モジュールに複数組の端子が
ある場合も含む。）、これらの間の電流がアンバランス
になると、電流の多く流れる素子（もしくは端子）に合
わせて最大電流を決めなくてはいけない。これらの相互
間の電流をバランス化させることが半導体モジュールの
能力を最大限に利用するために重要であるが、一般には
低インダクタンス化と電流バランス化は相矛盾する場合
が多く、これらを両立させることが難しかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、電力
変換器の主回路配線におけるインダクタンスの低減を図
り、かつ、簡単な構成で実現することにあり、さらに、
半導体モジュールが複数接続される場合は、端子電流の
バランス化を図ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、半導体素子とその素子のコレクタ端子およびエミッ
タ端子を同一方向側面から取り出して一体成型した半導
体モジュールを１相分として少なくとも２個備えた電力
変換器であって、２個の半導体モジュールの端子の順を
一方のモジュールのコレクタ端子（ＰＣ）、エミッタ端
子（ＰＥ）、他方のモジュールのコレクタ端子（Ｎ
Ｃ）、エミッタ端子（ＮＥ）の一列になるように配置し
た場合、半導体モジュールに近い方から正側導体、交流
側導体、負側導体の順に設置し、または、半導体モジュ
ールに近い方から負側導体、交流側導体、正側導体の順
に設置する。ここで、正側導体、交流側導体、負側導体
の各導体よりの出力端子をそれぞれ同一方向に形成する
場合、前記出力端子のうち、正側導体と負側導体の出力
端子を半導体モジュールの端子上面から見て隣同士に配
置する。また、２個の半導体モジュールの端子の順をＰ
Ｃ、ＰＥ、ＮＣ、ＮＥの一列になるように配置した場
合、半導体モジュールに近い最下層に正側導体と交流側
導体を設置し、その上層に負側導体を設置し、または、
半導体モジュールに近い最下層に負側導体と交流側導体
を設置し、その上層に正側導体を設置する。また、２個
の半導体モジュールの端子の順を２列のＰＣ、ＰＥとＮ
Ｃ、ＮＥ、または、２列のＰＣ、ＰＥとＮＥ、ＮＣにな
るように配置した場合、半導体モジュールに近い最下層
に正側導体と交流側導体を設置し、その上層に負側導体
を設置し、または、半導体モジュールに近い最下層に負
側導体と交流側導体を設置し、その上層に正側導体を設
置する。ここで、導体を対応する半導体モジュールの各
端子に固定具によって固定し、各導体の階層間隔を少な
くとも固定具の高さより大きく調整する。ここで、各導
体の一部を所定の長さの脚として折り曲げ、折り曲げた
脚の導体部を対応する半導体モジュール端子に固定具に
よって固定し、各導体の階層間隔を前記折り曲げた脚の
高さによって固定具の高さより大きく調整する。ここ
で、半導体素子を複数並列接続して電力変換器の１相分
を構成した場合、並列関係にある各半導体モジュールの
コレクタ端子、エミッタ端子を同一の正側導体、負側導
体、交流側導体によってそれぞれ接続し、並列関係にあ
る半導体モジュールの同一端子に接続する折り曲げた各
脚の間にスリットを設ける。ここで、半導体素子を複数
並列接続して電力変換器の１相分を構成した場合、半導
体モジュールに近い最下層に設置する正側導体の出力端
子を負側導体と交流側導体の出力端子の中央に、また
は、負側導体の出力端子を正側導体と交流側導体の出力
端子の中央に形成する。また、３レベル電力変換器であ
って、該変換器が半導体素子とその素子のコレクタ端子
およびエミッタ端子を同一方向側から取り出して一体成
型した半導体モジュールを１相分として少なくとも正側
に２個、負側に２個備えるとき、正側導体、負側導体、
第１から第３の中間電位導体、交流側導体の出力端子の
うち、少なくとも正側導体、負側導体、交流側導体の各
導体からの出力端子をそれぞれ同一方向に形成するよう
に第１から４までの半導体モジュールを同一面上に配置
する。ここで、正側導体、負側導体、第１の中間電位導
体、第２の中間電位導体を同一層として半導体モジュー
ルに最も近い最下層に配し、その上に順に第３の中間電
位導体、交流側導体を階層して配置する。ここで、正側
導体、負側導体、第３の中間電位導体、交流側導体の出
力端子をそれぞれ同一方向に形成する場合、半導体モジ
ュールの端子側上面から見て、交流側導体の出力端子を
分割し、各出力端子を交流側導体、正側導体、第３の中
間電位導体、負側導体、交流側導体の順、または、第３
の中間電位導体の出力端子を分割し、各出力端子を第３
の中間電位導体、正側導体、交流側導体、負側導体、第
３の中間電位導体の順に配置する。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態によ
る電力変換器の主回路構造を示し、電力変換器の１相分
における側面図である。本実施形態は、１相分である正
負側の２個のＩＧＢＴモジュールにおいて、各ＩＧＢＴ
モジュールのコレクタ端子とエミッタ端子が一列に配置
された場合の導体の構成例である。１はＩＧＢＴモジュ
ール（正側）、２はＩＧＢＴモジュール（負側）であ
り、いわゆるモジュール型と呼ばれる外形をしている。
以下では半導体モジュールとしてＩＧＢＴモジュールを
例に説明するが、ＭＯＳトランジスタモジュール、バイ
ポーラトランジスタモジュールなど、他のモジュールの
型半導体モジュールでも同様の構成となることは言うま
でもない。３は正側導体、４は交流側導体、５は負側導
体、６〜９はボルト、１０〜１３は端子スペーサであ
る。ＩＧＢＴモジュール１のコレクタ端子をＰＣ、エミ
ッタ端子をＰＥと称する。同様にＩＧＢＴモジュール２
のコレクタ端子、エミッタ端子をそれぞれＮＣ、ＮＥと
称する。

【０００６】図２は、第１の実施形態に対応する回路図
である。図２に示すように、正側導体３は図示しない直
流電源の正極とＩＧＢＴ１の端子ＰＣを、交流側導体４
は図示しない交流出力端子とＩＧＢＴ１の端子ＰＥとＩ
ＧＢＴ２の端子ＮＣを、負側導体５は図示しない直流電
源の負極とＩＧＢＴ２の端子ＮＥを接続する。

【０００７】図１において、便宜上、ＩＧＢＴモジュー
ル１および２に近い方の導体を下層、遠い方を上層と称
することにする。図１では、最下層に正側導体３を配
し、ボルト６と端子スペーサ１０を介してＩＧＢＴモジ
ュール１の端子ＰＣに接続する。本実施形態では、ボル
ト６と端子スペーサ１０は導体でできており、端子ＰＣ
と正側導体３を電気的に接続すると共に、正側導体３を
機械的に支持する役目を果たす。正側導体３のすぐ上層
に交流側導体４を配置する。この場合、正側導体３と交
流側導体４の両者の間隔はボルト６の頭の高さよりも大
きい。これにより、交流側導体４にはボルト６の頭を貫
通させるための穴をあける必要がない。交流側導体４
は、ボルト７および端子スペーサ１１を介してＩＧＢＴ
モジュール１の端子ＰＥに、また、ボルト８と端子スペ
ーサ１２を介してＩＧＢＴモジュール２の端子ＮＣに、
それぞれ電気的および機械的に接続する。交流側導体４
より上層に、ボルト７および８の頭の高さより離れたと
ころに負側導体５を配置し、同様にボルト９と端子スペ
ーサ１３を介してＩＧＢＴモジュール２の端子ＮＥに電
気的および機械的に接続する。これにより、負側導体５
にはボルト７および８の頭を貫通させるための穴をあけ
る必要がない。なお、図１の実施形態では、導体が下層
から順に正側導体３、交流側導体４、負側導体５と配さ
れている。これを全く逆に、下層から負側導体５、交流
側導体４、正側導体３と配置しても全く同様のインダク
タンス低減効果が実現できる。しかしながら、最上層に
電位の高い正側導体３を配置することにより、異物が侵
入した際の短絡事故が起こりやすくなる。このような観
点から、最上層には負側導体５を配置するのが最も良
い。

【０００８】図１の正側導体３、交流側導体４、負側側
導体５の形状を図３に示す。正側導体３、交流側導体
４、負側側導体５は、平板状の形状であり、それぞれＩ
ＧＢＴモジュール１、２に接続するボルトのためのＩＧ
ＢＴ端子ボルト穴３２、４２、４３、５２を設ける。ま
た、上部には図示しない外部回路との接続用に正側導体
３には出力端子３０、交流側導体４には出力端子４０、
負側導体５には出力端子５０を設け、それぞれ同一方向
に形成する。この場合、半導体モジュール１、２の端子
上面から見て、出力端子３０を正側導体３の中央に、出
力端子４０を交流側導体４の右側に、出力端子５０を負
側導体５の左側に設け、図１のように下層から順に正側
導体３、交流側導体４、負側導体５を配置する場合、正
側導体３と負側導体４の出力端子３０、５０が隣同士に
なるように配する。なお、それぞれの出力端子３０、４
０、５０にはボルト接続用の穴を開ける。

【０００９】このような構成により、本実施形態では、
正側側導体３、交流側導体４、負側側導体５の各導体を
平板状としてしかも平行に配置しているため、従来の細
長い配線を用いた場合に比べると、主回路のインダクタ
ンスを大幅に低減できる。また、交流側導体４、負側側
導体５には、ボルト（固定具）６、７、８の頭を貫通さ
せるための穴が不要な構成であるので、この穴の部分の
導体断面の絶縁が不要である。さらに、各導体３、４、
５はいずれも平板状の導体を切って穴を開けただけの簡
単な構成であるため、加工や組立が容易である。また、
本実施形態では、平板状の各導体３、４、５の出力端子
３０、４０、５０をいずれもＩＧＢＴモジュール１、２
の上部側に配置するため、図１の構成を横方向にいくつ
か並べて多相の電力変換器を構成した場合にも、横方向
に隙間なく配置でき、全体の大きさを小さくすることが
できる。なお、図１の構成では、各導体の平板間の間隔
は、スペーサ１０〜１２の高さを調整して電気絶縁が得
られる所要の寸法とするが、平板間の間隙に絶縁物を介
在させてもよい。この場合も、導体間隔をより近接させ
ることができ、小型化することができる。

【００１０】図４は、本発明の第２の実施形態を示す。
図４では、側面図の他に交流側導体４の形状を示す。こ
こで、図示していない正側導体３および負側導体５の形
状は、図３に示すものと同様である。図４に示すよう
に、本実施形態では、正側導体３と交流側導体４を同じ
層に並べて配置し、その上層に負側導体５を配置する。
このため、正側導体３と負側導体５を図１の実施形態に
比べてより近接させることができ、一層インダクタンス
を低減することができる。また、装置の高さもその分低
くできるという利点がある。しかしながら、交流側導体
４の出力端子４０は装置の右側（あるいは、図４とは反
対に左側）に出さざるを得ない。他の正側導体３と負側
導体５は上側に出しているのに対し、交流側導体４のみ
側方に設置しなければならず、図４の構成を複数並べて
多相の電力変換器を構成する場合、この端子の部分には
ＩＧＢＴモジュールをつめて配置できないので、装置の
横寸法が大きくなる。よしんば交流側導体４の端子を正
側導体３、負側導体５と同様に上側に配置しても、交流
側導体４と正側導体３、負側導体５間の絶縁距離を確保
する必要から、横方向の寸法が大きくなることは同じで
ある。従って、本実施形態は、装置の横方向の寸法が大
きいため、設定場所に余裕があり、かつ、たて寸法の低
減やインダクタンスの一層の低減が必要な場合に有効な
構造である。また、本実施形態においても、導体５の下
層に絶縁板を設置すれば、導体間の間隔を一層狭くする
ことができ、小型化することができる。

【００１１】図５は、本発明の第３の実施形態を示す。
図１および図２の実施形態ではＩＧＢＴモジュール１、
２をたて方向に、即ち両者のコレクタ端子、エミッタ端
子が略１直線状に並ぶように配置したが、本実施形態で
は、ＩＧＢＴモジュール１のコレクタを図面の右、エミ
ッタを図面の左に配し、その図面の下にＩＧＢＴモジュ
ール２をコレクタが左、エミッタが右になるように配置
する（この説明で、左右、上下が逆になっても、同様の
構成が可能である。）。正側導体３と交流側導体４は同
じ層にあり、その上層に負側導体５を配置する。このよ
うに構成してもインダクタンスの低減が可能である。図
１に示した実施形態に比べ、横方向は寸法が大きくなる
が、たて方向は小さくできるという利点がある。

【００１２】図６は、本発明の第４の実施形態であり、
３相２レベル電力変換器への適用例を示す。（ａ）は２
レベル電力変換器の主回路構造の上面図、（ｂ）、
（ｃ）はその側面図である。同図には、、Ｕ相、Ｖ相、
Ｗ相の３相分のＩＧＢＴモジュールをヒートブロック１
０１に配置し、フィルタコンデンサ７１を含む変換器の
主回路全体の構成を示し、さらに、各相は図２に示すＩ
ＧＢＴの回路を３並列有するモジュール構造をなす。す
なわち、ＩＧＢＴモジュール１、２はいずれも１つのモ
ジュールに３組のコレクタ・エミッタ端子を有する構成
であり、電気的にはＩＧＢＴモジュールを３並列に接続
のと等価になる。また、各導体の接続状況がよく解でき
るように、一部の部品を透過あるいは省略し、便宜上、
上面図（ａ）のＵ相部は負側導体５と交流側導体４を取
り除いた正側導体３とその接続状況を、Ｖ相部は負側導
体５を取り除いた交流側導体４とその接続状況を、Ｗ相
部は負側導体５とその接続状況を示す。また、（ｃ）に
示すように、フィルタコンデンサ７１を負側導体５のサ
イドに配置し、そのコンデンサ７１の正負端子を正側導
体３、負側導体５とフィルタコンデンサ側正導体７２、
負導体７３により接続する。なお、同図では、フィルタ
コンデンサ側正導体７２と負導体７３の間に絶縁板１０
４を介在させる。また、ヒートブロック１０１によって
ＩＧＢＴモジュール１、２が発生した熱を冷却し、ＩＧ
ＢＴモジュール１、２が過熱しないようにする。

【００１３】ここで、正側導体３、交流側導体４、負側
導体５の外形を図７に示す。正側導体３の端部には、所
定の深さのスリット３ＳとＩＧＢＴモジュール１と接続
するＩＧＢＴ端子部３５を設ける。また、出力端子３０
は正側導体３の中央に配置する。交流側導体４の端部に
は、所定の深さのスリット４ｓとＩＧＢＴモジュール
１、２と接続するＩＧＢＴ端子部４８ａ、４８ｂを設け
る。また、出力端子４０は交流側導体４の右に配置す
る。負側導体５の端部には所定の深さのスリット５ｓと
ＩＧＢＴモジュール２と接続するＩＧＢＴ端子部５５を
設ける。また、出力端子５０は負側導体５の左に配置す
る。正側導体３は、スリット３Ｓを設けた端部を折り曲
げることにより、脚３ｆを形成し、ＩＧＢＴ端子部３５
を脚３ｆの先に設ける。そして、この端子部３５はボル
ト６ａ〜ｃによりＩＧＢＴモジュール１のコレクタ端子
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３と電気的及び機械的に接続する。交流
側導体４は、スリット４ｓを設けた端部を折り曲げるこ
とにより、脚４ｆを形成し、ＩＧＢＴ端子部４８ａ、４
８ｂを脚４ｆの先に設ける。そして、ＩＧＢＴ端子部４
８ａはボルト７ａ〜ｃによりＩＧＢＴモジュール１のエ
ミッタ端子Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３と電気的及び機械的に接続
し、ＩＧＢＴ端子部４８ｂはボルト８ａ〜ｃによりＩＧ
ＢＴモジュール２のコレクタ端子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３と電
気的及び機械的に接続する。脚４ｆの高さは正側導体３
の脚３ｆよりも高く設定する。このため、交流側導体４
は正側導体３よりも上層に適当な間隔をおいて設置され
ることになる。正側導体３と交流側導体４の間には絶縁
板１４を設置する。負側導体５は、スリット５Ｓを設け
た端部を折り曲げることにより、脚５ｆを形成し、ＩＧ
ＢＴ端子部５５を脚５ｆの先に設ける。そして、この端
子部５５はボルト９ａ〜ｃによりＩＧＢＴモジュール２
のエミッタ端子Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３と電気的及び機械的に
接続する。脚５ｆの高さは交流側導体４の脚４ｆより高
く設定する。このため、負側導体５は交流側導体４より
も上層に適当な間隔をおいて設置されることになる。交
流側導体４と負側導体５の間には絶縁板１５を設置す
る。

【００１４】本実施形態は、第１、第２、第３の実施形
態に比べ、次の点の特徴を有する。 （１）正側導体３、交流側導体４、負側導体５の各導体
の端部に所定の深さのスリット（３ｓ〜５ｓ）を設け、
これを折り曲げることにより所定の長さの脚（３ｆ〜５
ｆ）を形成する。なお、脚の先には、ＩＧＢＴモジュー
ルの端子とボルトによって接続するための端子部を設け
る。 （２）正側導体３、交流側導体４、負側導体５の各導体
の間隔は、折り曲げられた脚（３ｆ〜５ｆ）の高さで調
整し、最下層に正側導体３、中層に交流側導体４、最上
層に負側導体５を配置する。この構造では、正側導体３
が一番下層になるので、その長さは最も短い。逆に最上
層の負側導体５が最も長い。 （３）正側導体３の出力端子は中央に、交流側導体４の
出力端子は右に、負側導体５の出力端子は左にそれぞれ
配置する。 （４）正側導体３と交流側導体４の間および交流側導体
４と負側導体５の間にそれぞれ絶縁板１４、１５を介在
する。

【００１５】本実施形態では、上記（１）（２）によ
り、図１の実施形態に比べ、導体を折り曲げる必要があ
るが、端子スペーサを必要としないために部品数を低減
することかでき、構成を単純化し、省スペース化するこ
とが可能になる。また、正側導体３、交流側導体４、負
側導体５の各導体のＩＧＢＴ端子部間には、スリット３
ｓ、４ｓ、５ｓをそれぞれ設けるが、これはＩＧＢＴ端
子電流のバランスを保つために有用である。ＩＧＢＴモ
ジュールを並列接続した場合（図６のように、複数端子
を持つＩＧＢＴモジュールを用いた場合も同じであ
る。）、各端子の電流をバランス化することが重要であ
る。各端子からみたインダクタンスのアンバランスがあ
ると、端子電流アンバランスが発生する。正側導体３を
例にとると、ＩＧＢＴモジュール１内の配線と、導体３
によりできるループを横流電流が流れることになる。例
えば、内部配線３ｆ→３→３ｆ→１に横流電流が流れ
る。スリット３ｓを設けることにより、この横流電流の
流れるループの長さを延ばすことができ、ループのイン
ダクタンスが増大し、横流電流が減るので、端子電流の
バランス化が可能となる。交流側導体４、負側導体５に
ついても同様である。また、上記（２）（３）により、
正側導体３が一番下層にあるので、その長さは最も短
い。逆に最上層の負側導体５が最も長くなる。最下層の
正側導体３では、出力端子３０とＩＧＢＴ端子部３５の
距離が近いので、それぞれの電流経路長に差が出やす
く、電流がバランスしづらくなる。このため、出力端子
３０を中央に配することにより、並列素子間の電流バラ
ンスを改善できる。さらに、正側導体３の出力端子３０
と負側導体５の出力端子５０が隣り合わせで近接してい
るため、ＩＧＢＴモジュール１もしくは２のスイッチン
グ時の転流インダクタンスを最小化できる。なお、中層
の交流側導体４と最上層の負側導体５の出力端子４０、
５０の左右が入れ替わっても効果は同じである。また、
負側導体５が最下層、正側導体３が最上層のように導体
順が入れ替わっても、最下層の導体の出力端子を中央に
配することの利点は同じである。一方、中層の交流側導
体４および最上層の負側導体５では、正側導体３に比べ
て導体長が長く、端子電流がバランスしやすいため、そ
れぞれの出力端子４０および５０を左または右に配して
も、端子電流バランスに与える悪影響は比較的小さい。
また、上記（４）により、第１、第２の実施形態のよう
に、各導体間を端子接続のためのボルト（６ａ〜９ｃ）
の高さ以上の間隔を持たせる必要がなくなるので、導体
間を狭くすることでインダクタンスの低減を図ることが
できる。

【００１６】図９は、本発明の第５の実施形態であり、
３レベルインバータへの適用例を示す。図９では、理解
を容易にするために、フィルタコンデンサ等、発明に直
接関与しない部分は省いてある。図８に、３レベルイン
バータの１相分の等価回路を示す。３レベルインバータ
は、図示しない直流電源に並列接続された分圧コンデン
サ２１０、２１１の正、負および中間電位（Ｐ、Ｎ、
Ｃ）から３レベル電位の交流に変換またはその逆変換を
する電力変換器である（但し、図８では１相分がＩＧＢ
Ｔの３並列を示す。）。

【００１７】３レベルの主回路の結線について図８によ
り説明する。正側フィルタコンデンサ２１０と負側フィ
ルタコンデンサ２１１が直列に接続される。フィルタコ
ンデンサ２１０の正側のＰ点から見て、順にＩＧＢＴモ
ジュール２０１、２０２、２０３、２０４が直列に接続
される。２０１〜２０４は、いずれも図６同様、１モジ
ュールにコレクタ端子とエミッタ端子が３組ある構成で
ある。さらに、フィルタコンデンサ２１０、２１１間の
中性点Ｃから、正側クランプダイオード２０５がＩＧＢ
Ｔモジュール２０１と２０２の間に、負側クランプダイ
オード２０６がＩＧＢＴモジュール２０３と２０４の間
にそれぞれ接続される。正側導体３はＰ点とＩＧＢＴモ
ジュール２０１のコレクタ端子ＰＣ１を、交流側導体４
はＩＧＢＴモジュール２０２のエミッタ端子ＰＥ２、Ｉ
ＧＢＴモジュール２０３のコレクタ端子ＮＣ３と図示し
ない負荷とを、負側導体５はＩＧＢＴモジュール２０４
のエミッタ端子ＮＥ４とＮ点とをそれぞれ接続する。中
間電位導体２０７はＩＧＢＴモジュール２０１のエミッ
タ端子ＰＥ１、ＩＧＢＴモジュール２０２のコレクタ端
子ＰＣ２と正側クランプダイオード２０５のカソード端
子ＰＤＫを、中間電位導体２０８はＩＧＢＴモジュール
２０３のエミッタ端子ＮＥ３、ＩＧＢＴモジュール２０
４のコレクタ端子ＮＣ４と負側クランプダイオード２０
６のアノード端子ＮＤＡを、中間電位導体２０９はＣ点
とクランプダイオード２０５のアノード端子ＰＤＡ、ク
ランプダイオード２０６のカソード端子ＮＤＫとをそれ
ぞれ接続する。

【００１８】図９において、（ａ）は３レベルインバー
タの主回路構造の上面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）
はＩＧＢＴモジュール２０１、２０２に関する側面図で
ある。半導体モジュール２０１〜２０４は、（ａ）のよ
うに、同一面上に配置し、正側導体３、負側導体５、中
間電位導体２０９、交流側導体４の各出力端子をそれぞ
れ同一方向に形成する。なお、この場合、少なくとも正
側導体３、負側導体５、交流側導体４の各出力端子をそ
れぞれ同一方向に形成するようにする。交流側導体４
は、（ａ）のように最上層に配し、ＩＧＢＴモジュール
２０２に接続するＩＧＢＴ端子と、ＩＧＢＴモジュール
２０３に接続するＩＧＢＴ端子の間に大きなスリット４
９ｅを設ける。また、この大きなスリット４９ｅによっ
て分けられた各ＩＧＢＴ端子の先端にはＩＧＢＴモジュ
ール２０２、２０３にボルト９ａ〜ｆを介して接続する
ＩＧＢＴ端子部を設け、このＩＧＢＴ端子部相互間に、
図６の実施形態と同様に、スリット４ｓを設ける。ま
た、出力端子を４０ａと４０ｂの２つに分割してそれぞ
れ正側導体３、負側導体５の各出力端子の左右に配す
る。正側導体３、負側導体５、中間電位導体２０７、中
間電位導体２０８は、（ｂ）のように、半導体モジュー
ル２０２、２０３に最も近い最下層に配し、その上に順
に中間電位導体２０９、交流側導体４を階層して配置す
る。（ｃ）には、最下層に正側導体３、最上層に交流側
導体４、中層に中間電位導体２０９を配置した様子を示
す。ここで、図９では、最上層の交流側導体４の形状は
分かり易いが、これより下層の各導体の形状が分かりに
くい。このため、図１０に、最下層に配される正側導体
３、中間電位導体２０７、２０８、負側導体５の概形と
配置を示す。また、図１１に、中層に配される中間電位
導体２０９の概形を示す。図１０において、正側導体
３、中間電位導体２０７、２０８、負側導体５には、Ｉ
ＧＢＴモジュールと接続するＩＧＢＴ端子部相互間に、
図６の実施形態と同様に、スリット３ｓ、５ｓ、２０７
ｓ、２０８ｓを設ける。正側導体３の出力端子３０と負
側導体５の出力端子５０は、ＩＧＢＴモジュール２０１
および２０４の端子から見て中央に配する。また、中間
電位導体２０７、２０８には、導体２０９のダイオード
端子２０９１、２０９２と導体２０７、２０８が接触し
て短絡を起こさないように、穴２０７０、２０８０をあ
ける。この場合、穴に代えてスリットを採用してもよ
い。図１１において、中間電位導体２０９には、クラン
プダイオード２０５、２０６とそれぞれ接続するための
クランプダイオード端子２０９１、２０９２を設け、ま
た、正側導体３の出力端子３０と隣接させるように、ま
た、負側導体の出力端子５０と同じく隣接させるように
出力端子２０９０を配する。

【００１９】本実施形態では、各導体においてＩＧＢＴ
モジュール２０１〜２０４と接続するＩＧＢＴ端子部相
互間にスリットを設けることによって、図６の実施形態
と同様、ＩＧＢＴ端子電流のバランスを向上させること
ができる。さらに、交流側導体４に大きなスリット４９
ｅを設けることにより、ＩＧＢＴモジュール２０２と２
０３の間を流れる電流経路長はやや長くなり、インダク
タンスが若干増加するものの、ＩＧＢＴモジュール２０
２および２０３の端子電流のバランス化を図ることがで
きる。また、最下層にあり、電流経路長の短い正側導体
３の出力端子３０と負側導体５の出力端子５０をＩＧＢ
Ｔモジュール２０１および２０４の端子から見て中央に
配することにより、図６の実施形態と同様に、ＩＧＢＴ
端子電流のバランスを図ることができる。また、３レベ
ルインバータ主回路の転流インダクタンス低減には、正
側導体３の出力端子３０と中間電位導体２０９の出力端
子２０９０を、また、負側導体の出力端子５０と同じく
中間電位導体２０９の出力端子２０９０を隣接させるこ
とが有効である。このため、上述のように出力端子３０
と５０をそれぞれ各導体の中央に配した上で、中間電位
導体２０９の出力端子２０９０を出力端子３０と５０の
間に配することにより、上述の電流バランスの他に転流
インダクタンス低減を実現できる。また、交流側導体４
では、出力端子を４０ａと４０ｂの２つに分割して、そ
れぞれ正側導体３、負側導体５の左右に配したので、導
体に流れる電流バランスが良くなる。以上のようにし
て、３レベル構成においても、低インダクタンス化と電
流バランス化を図る主回路構造を比較的簡単な構成で実
現することができる。なお、上記とは逆に、交流側導体
４の出力端子を一つに纏めて正側導体３と負側導体５の
間に配し、中間電位導体２０９の出力端子を２つに分割
して左右両端に配しても、略同様の効果が得られる。

【００２０】図６および図９の実施形態では、３組のコ
レクタ・エミッタ端子を有する構成のＩＧＢＴモジュー
ルを例に述べたが、２組、６組など３組以外の端子数の
ＩＧＢＴモジュールを使用した場合にも、同様の構成が
可能である。また、１組しか端子のないＩＧＢＴモジュ
ールを複数個接続した場合にも同様である。また、本発
明の実施形態では、導体がいずれも平板状であるため
に、特に電車などの交通機関に搭載されて使用される場
合、車体などの振動が原因で騒音を発したり、部品同士
がぶつかりあって破損したりする心配がある。各導体厚
さを振動が生じない程厚くすれば、このような振動や騒
音問題は防止できるが、全体の重量が重くなる。このよ
うな場合には、各導体に溝（リブ）を形成したり、導体
間を絶縁支持物で支持したり、導体端部を折り曲げたり
することにより、各導体の厚さをそれほど厚くしなくと
も、振動を防止することができ、騒音や部品の破損を防
止できる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電力変換器の主回路を構成する各導体を平板状とし、し
かも平行に配置するので、従来の細長い配線を用いた場
合に比べ、主回路のインダクタンスを大幅に低減でき、
これにより、素子スイッチング時の跳ね上がり電圧を抑
制し、素子の能力を最大限に利用することができる。ま
た、各導体には、ボルト（固定具）の頭を貫通させるた
めの穴が不要であるので、この穴の部分の導体断面の絶
縁が不要となり、このため、絶縁が容易になり、装置全
体の信頼性を向上させることができる。また、半導体素
子を並列接続して電力変換器を構成する場合にも、導体
端子間にスリットを設けることにより、各半導体素子に
流れる電流を均等化できるので、各半導体素子の能力を
最大限に利用することができ、結果として電力変換器全
体を小型化することができる。また、各導体は、いずれ
も平板状の導体を切ってボルト（固定具）用の穴を開け
ただけの簡単な構成であるので、加工や組立が容易であ
る。また、各導体を折り曲げることにより、端子スペー
サを必要としないため、部品数を低減することかでき、
構成を単純化し、省スペース化することが可能になる。
また、３レベルインバータ主回路において、その転流イ
ンダクタンスを低減するため、正側クランプダイオード
と負側クランプダイオードを接続する中間電位導体の出
力端子を正側導体の出力端子と負側導体の各出力端子の
間または隣接して配することにより、電流バランスの他
に転流インダクタンスの低減を図ることができる。ま
た、３レベルインバータ主回路の交流側導体の出力端子
を分割し、または、正側クランプダイオードと負側クラ
ンプダイオードを接続する中間電位導体の出力端子を分
割し、それぞれ正側導体、負側導体の左右に配すること
により、導体に流れる電流バランスを図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による電力変換器の主
回路構造図

【図２】図１の実施形態の電気的な接続を示す回路図

【図３】図１の実施形態の正側導体、交流側導体および
負側導体の形状を示す図

【図４】本発明の第２の実施形態

【図５】本発明の第３の実施形態

【図６】本発明の第４の実施形態であり、３相２レベル
電力変換器への適用例を示す図

【図７】図６の実施形態の正側導体、交流側導体および
負側導体の形状を示す図

【図８】３レベル電力変換器の電気的な接続を示す回路
図

【図９】本発明の第５の実施形態であり、３レベル電力
変換器への適用例を示す図

【図１０】図９の実施形態の最下層の導体の形状と配置
を示す図

【図１１】図９の実施形態の中層の導体の形状と配置を
示す図

【符号の説明】

１〜２、２０１〜２０４…ＩＧＢＴモジュール、３…正
側導体、３ｆ、４ｆ、５ｆ…導体の脚、３ｓ、４ｓ、５
ｓ、２０７ｓ、２０８ｓ…スリット、４…交流側導体、
４０ａ、４０ｂ出力端子、５…負荷導体、６〜９ボル
ト、１０〜１３…端子スペーサ、１４〜１５…絶縁板、
３１…正側導体、３２、４２、４３、５２…ＩＧＢＴ端
子ボルト穴、６ａ〜ｆ、７ａ〜ｆ、８ａ〜ｆ、９ａ〜ｆ
…ボルト、３０、４０、５０…出力端子、３５、４８ａ
〜ｂ、５５…ＩＧＢＴ端子部、７１…フィルタコンデン
サ、７２…フィルタコンデンサ側正導体、７３…フィル
タコンデンサ側負導体、１０１…ヒートブロック、１０
４…絶縁板、１０６ａ〜ｄ…ボルト、２０５〜２０６…
クランプダイオード、２０７〜２０９…中間電位導体、
２１０、２１１…フィルタコンデンサ、２０７０、２０
８０…導体の穴、２０９０…出力端子、２０９１〜２０
９２…クランプダイオード端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小柳 阿佐子 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 三島 彰 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 豊田 瑛一 茨城県ひたちなか市市毛1070番地 株式会 社日立製作所水戸工場内 (72)発明者 佐藤 常雄 茨城県ひたちなか市市毛1070番地 株式会 社日立製作所水戸工場内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子とその素子のコレクタ端子お
   よびエミッタ端子を同一方向側面から取り出して一体成
   型した半導体モジュールを１相分として少なくとも２個
   備えた電力変換器であって、前記一方の半導体モジュー
   ルのコレクタ端子（ＰＣ）と直流電源の正極を接続する
   正側導体と、その他方の半導体モジュールのエミッタ端
   子（ＮＥ）と前記直流電源の負極を接続する負側導体
   と、前記一方の半導体モジュールのエミッタ端子（Ｐ
   Ｅ）および前記他方の半導体モジュールのコレクタ端子
   （ＮＣ）を交流側に接続する交流側導体からなり、前記
   各導体をそれぞれ平板形状とするとともに、階層状に平
   行に形成する電力変換器の主回路構造において、 前記２個の半導体モジュールの端子の順をＰＣ、ＰＥ、
   ＮＣ、ＮＥの一列になるように配置した場合、前記半導
   体モジュールに近い方から正側導体、交流側導体、負側
   導体の順に設置し、または、前記半導体モジュールに近
   い方から負側導体、交流側導体、正側導体の順に設置す
   ることを特徴とする電力変換器の主回路構造。
2. 【請求項２】 請求項１において、正側導体、交流側導
   体、負側導体の前記各導体よりの出力端子をそれぞれ同
   一方向に形成する場合、前記出力端子のうち、正側導体
   と負側導体の出力端子を前記半導体モジュールの端子上
   面から見て隣同士に配置することを特徴とする電力変換
   器の主回路構造。
3. 【請求項３】 半導体素子とその素子のコレクタ端子お
   よびエミッタ端子を同一方向側面から取り出して一体成
   型した半導体モジュールを１相分として少なくとも２個
   備えた電力変換器であって、前記一方の半導体モジュー
   ルのコレクタ端子（ＰＣ）と直流電源の正極を接続する
   正側導体と、その他方の半導体モジュールのエミッタ端
   子（ＮＥ）と前記直流電源の負極を接続する負側導体
   と、前記一方の半導体モジュールのエミッタ端子（Ｐ
   Ｅ）および前記他方の半導体モジュールのコレクタ端子
   （ＮＣ）を交流側に接続する交流側導体からなり、前記
   各導体をそれぞれ平板形状とするとともに、階層状に平
   行に形成する電力変換器の主回路構造において、 前記２個の半導体モジュールの端子の順をＰＣ、ＰＥ、
   ＮＣ、ＮＥの一列になるように配置した場合、前記半導
   体モジュールに近い最下層に正側導体と交流側導体を設
   置し、その上層に負側導体を設置し、または、前記半導
   体モジュールに近い最下層に負側導体と交流側導体を設
   置し、その上層に正側導体を設置することを特徴とする
   電力変換器の主回路構造。
4. 【請求項４】 半導体素子とその素子のコレクタ端子お
   よびエミッタ端子を同一方向側面から取り出して一体成
   型した半導体モジュールを１相分として少なくとも２個
   備えた電力変換器であって、前記一方の半導体モジュー
   ルのコレクタ端子（ＰＣ）と直流電源の正極を接続する
   正側導体と、その他方の半導体モジュールのエミッタ端
   子（ＮＥ）と前記直流電源の負極を接続する負側導体
   と、前記一方の半導体モジュールのエミッタ端子（Ｐ
   Ｅ）および前記他方の半導体モジュールのコレクタ端子
   （ＮＣ）を交流側に接続する交流側導体からなり、前記
   各導体をそれぞれ平板形状とするとともに、階層状に平
   行に形成する電力変換器の主回路構造において、 前記２個の半導体モジュールの端子の順を２列のＰＣ、
   ＰＥとＮＣ、ＮＥ、または、２列のＰＣ、ＰＥとＮＥ、
   ＮＣになるように配置した場合、前記半導体モジュール
   に近い最下層に正側導体と交流側導体を設置し、その上
   層に負側導体を設置し、または、前記半導体モジュール
   に近い最下層に負側導体と交流側導体を設置し、その上
   層に正側導体を設置することを特徴とする電力変換器の
   主回路構造。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４のいずれかにおい
   て、前記各導体を対応する前記半導体モジュールの各端
   子に固定具によって固定し、前記各導体の階層間隔を少
   なくとも前記固定具の高さより大きく調整することを特
   徴とする電力変換器の主回路構造。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項４のいずれかにおい
   て、前記各導体の一部を所定の長さの脚として折り曲
   げ、折り曲げた脚の導体部を対応する前記半導体モジュ
   ール端子に固定具によって固定し、前記各導体の階層間
   隔を前記折り曲げた脚の高さによって前記固定具の高さ
   より大きく調整することを特徴とする電力変換器の主回
   路構造。
7. 【請求項７】 請求項６において、半導体素子を複数並
   列接続して前記電力変換器の１相分を構成した場合、並
   列関係にある各半導体モジュールのコレクタ端子、エミ
   ッタ端子を同一の正側導体、負側導体、交流側導体によ
   ってそれぞれ接続し、並列関係にある半導体モジュール
   の同一端子に接続する前記折り曲げた各脚の間にスリッ
   トを設けることを特徴とする電力変換器の主回路構造。
8. 【請求項８】 請求項１または請求項３において、半導
   体素子を複数並列接続して前記電力変換器の１相分を構
   成した場合、前記半導体モジュールに近い最下層に設置
   する正側導体の出力端子を負側導体と交流側導体の出力
   端子の中央に、または、負側導体の出力端子を正側導体
   と交流側導体の出力端子の中央に形成することを特徴と
   する電力変換器の主回路構造。
9. 【請求項９】 直流電源に並列接続された分圧コンデン
   サの正、負および中間電位を少なくとも２個のクランプ
   ダイオードと少なくとも４個の半導体素子を直列接続し
   た３レベル電力変換器であって、該変換器は、前記半導
   体素子とその素子のコレクタ端子およびエミッタ端子を
   同一方向側から取り出して一体成型した半導体モジュー
   ルを１相分として少なくとも正側に２個、負側に２個備
   え、第１の半導体モジュールのコレクタ端子と前記分圧
   コンデンサの正電位極を接続する正側導体と、第１の半
   導体モジュールのエミッタ端子と第２の半導体モジュー
   ルのコレクタ端子と前記第１のクランプダイオードのカ
   ソード端子を接続する第１の中間電位導体と、前記第２
   の半導体モジュールのエミッタ端子と第３の半導体モジ
   ュールのコレクタ端子を交流側に接続する交流側導体
   と、第３の半導体モジュールのエミッタ端子と第４の半
   導体モジュールのコレクタ端子と前記第２のクランプダ
   イオードのアノード端子を接続する第２の中間電位導体
   と、第４の半導体モジュールのエミッタ端子と前記分圧
   コンデンサの負電位極を接続する負側導体と、前記第１
   のクランプダイオードのアノード端子と前記第２のクラ
   ンプダイオードのカソード端子と前記分圧コンデンサの
   分圧点を接続する第３の中間電位導体からなり、前記各
   導体をそれぞれ平板形状とするとともに、階層状に平行
   に形成する電力変換器の主回路構造において、 正側導体、負側導体、第１から第３の中間電位導体、交
   流側導体の出力端子のうち、少なくとも正側導体、負側
   導体、交流側導体の各導体からの出力端子をそれぞれ同
   一方向に形成するように前記第１から４までの半導体モ
   ジュールを同一面上に配置することを特徴とする電力変
   換器の主回路構造。
10. 【請求項１０】 請求項９において、正側導体、負側導
    体、第１の中間電位導体、第２の中間電位導体を同一層
    として前記半導体モジュールに最も近い最下層に配し、
    その上に順に前記第３の中間電位導体、交流側導体を階
    層して配置することを特徴とする電力変換器の主回路構
    造。
11. 【請求項１１】 請求項９において、正側導体、負側導
    体、第３の中間電位導体、交流側導体の出力端子をそれ
    ぞれ同一方向に形成する場合、前記半導体モジュールの
    端子側上面から見て、交流側導体の出力端子を分割し、
    各出力端子を交流側導体、正側導体、第３の中間電位導
    体、負側導体、交流側導体の順、または、第３の中間電
    位導体の出力端子を分割し、各出力端子を第３の中間電
    位導体、正側導体、交流側導体、負側導体、第３の中間
    電位導体の順に配置することを特徴とする電力変換器の
    主回路構造。