JP2002044960A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 配線のインダクタンスの低減と、半導体デバ
イス間での電流バランスが充分に得られ、半導体デバイ
スの能力が最大限まで活かせるようにした電力変換装置
を提供すること。 【解決手段】 複数個の半導体デバイスを、積層構造の
ブスバー１〜６により接続した電力変換装置において、
前記半導体デバイスのスイッチングによって、前記ブス
バー上の電流モードが変化しても、ブスバー上で主回路
の電流の向きが変化しないように、ブスバー１、４で
は、半導体デバイスの端子１５、２８を開口１Ｂと４Ｅ
の上側に設け、ブスバー２、５では、端子１６、２９は
開口２Ｂと５Ｅの下側に設ける。そして、ブスバー３に
はスリット３１を形成したものであある。 【効果】 ブスバー内で電流の向きが変わらないので、
インダクタンスが低減され、跳ね上がり電圧が抑制で
き、スリットにより並列半導体デバイス間の電流バラン
スが改善されるので、半導体デバイスの能力が最大限に
活用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体スイッチン
グ素子を用いた電力変換装置に係り、特に電力変換装置
を構成する半導体デバイスの配線構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電力変換装置の大型化(大電力化)
に伴い、実装される半導体デバイスを性能限界まで使用
したいというニーズが高まっている。また、このとき、
個々の半導体デバイスの大容量化により電力変換装置の
大型化を図るだけでなく、複数の半導体デバイスを並列
に使用することにより大電力に対応しようという動きも
ある。

【０００３】ところで、半導体デバイスの耐電圧性能に
関しては、適用対象である電力変換装置の仕様で決まる
定格電圧と、スイッチング時の跳ね上がり電圧にマージ
ンを加えた電圧の合計が、耐電圧以下になるように設計
しなければならないので、デバイスを性能限界まで活用
し、高い定格電圧でも充分に使用できるようにするため
には、跳ね上がり電圧の抑制が要件になる。

【０００４】ここで、この跳ね上がり電圧は、回路に存
在するインダクタンス(Ｌ)と電流の変化率(di／dt)の積
に相当する電圧値をもって現れるが、近年、半導体デバ
イスのスイッチングの高速化に伴い、スイッチング電流
の変化率は一層大きくなる傾向にあり、従って、跳ね上
がり電圧の低減には、配線の低インダクタンス化が不可
欠である。

【０００５】一方、半導体デバイスを並列にして使用す
る場合に、各デバイスの電流容量の限界まで使用できる
ようにするためには、並列になったデバイス間で電流が
常に均等に流れるようにしなければならない。

【０００６】そこで、例えば特開平９−１１７１２６号
公報や特開平１１−１５１９５３号公報では、電力用半
導体デバイスの回路配線材(ブスバー)として、絶縁材を
挟んで積層した導体板を用い、各導体板の電流が反対方
向に流るようにし、これにより磁界の打ち消し合いが生
じて、配線の等価インダクタンスが低減するようにした
技術について開示している。

【０００７】一方、各デバイス間での電流バランスに関
しては、半導体デバイスをスイッチングする信号の回路
を制御することにより、構造上、又はデバイスの特性上
の問題とは別に、電流を能動的にバランスさせる方法が
従来から用いられている。

【０００８】ここで、このような従来技術の例として、
特開平１０−３２３０１６号、特開平１０−２０１２４
３号、特開平１１−２３５０１５号の各公報では、ゲー
ト回路を操作することにより、電流をバランスさせる方
法について提案しており、特開平１１−１９１９５３号
公報では、インダクタンスを増加させること無く、電流
をバランスさせる構造について提案している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】電力変換装置におい
て、跳ね上がり電圧の原因となる配線導体のインダクタ
ンス低減についての要求には際限がなく、数ナノヘンリ
ーでもインダクタンスが低減できるようにすることは、
電力変換装置設計上の大きな課題である。

【００１０】また、並列にした半導体デバイス間で電流
のバランスを図りたいという要求に対して、デバイスの
電流を逐次モニターしアクティブに制御することは、回
路部品数の増加をもたらし、コスト増加を招いてしまう
という問題がある。

【００１１】本発明の目的の第１は、配線のインダクタ
ンス分の低減が充分に得られ、半導体デバイスの能力が
最大限まで活かせるようにした電力変換装置を提供する
ことにある。本発明の第２の目的は、半導体デバイス間
での電流バランスが充分に得られ、半導体デバイスの能
力が最大限まで活かせるようにした電力変換装置を提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、複数の半導
体デバイスと、該半導体デバイスを電気的に接続する主
回路の配線が、間に絶縁材を挟むか、あるいは絶縁間隔
を取り、積層構造とする複数枚の導体板からなり、前記
半導体デバイスと前記導体板とから構成される電力変換
装置において、前記半導体デバイスと前記導体板とを接
続する端子位置が、前記主回路内に含まれている半導体
素子のスイッチング動作により前記主回路の電流モード
が変化したときでも、前記導体板(配線材)上の電流の向
きが変化しない端子配置になるようにして達成される。

【００１３】このとき、前記導体板の正極側電源との接
続端子の方向に、前記半導体デバイスの入力側を構成す
る正極側端子を設け、前記導体板の負極側電源との接続
端子の方向に、前記半導体デバイスの出力側を構成する
負極側端子を設けるようにしても良く、前記半導体デバ
イスが、並列接続される複数個の半導体スイッチング素
子と、ダイオードで構成され、入力側を構成する正端子
側と負端子側でそれぞれダイオードのアノード端子と半
導体スイッチング素子の正側端子の向きを揃え、ダイオ
ードのアノード端子から等距離になるように並列の該半
導体スイッチング素子の入力側を構成する正側端子をそ
れぞれ配置しても良い。

【００１４】また、上記目的は、主回路の配線が、間に
絶縁材を挟むか、あるいは絶縁距離を取り、積層構造と
する複数枚の導体板からなる電力変換装置において、前
記導体板の少なくとも１箇所にスリット(切欠き部とも
いう)を設け、前記主回路内に並列接続されている複数
個の半導体デバイス間での電流がバランスするようにし
ても達成される。

【００１５】このとき、前記積層配線材が３層の導体板
で構成され、前記スリットが、前記３層の導体板のうち
で、中間に積層されている導体板に形成されているよう
にしても良く、前記積層配線材を往復する電流の分布を
各層で一致させるため、前記導体板の各層の形状が一致
するように、前記導体板にスリットを設けても良い。

【００１６】同じく、上記目的は、主回路の配線材が複
数枚の導体板(ブスバーまたはバスバーと呼ぶ)で構成さ
れ、前記ブスバーが入力側を構成する正端子側ブスバー
(ＰＬ)と、負端子側ブスバー(ＮＬ)と、直列にコンデン
サを接続する正端子側ブスバー(Ｐ)、中間端子側ブスバ
ー(Ｃ)、それに負端子側ブスバー(Ｎ)で構成され、前記
ブスバー(ＰＬ)とブスバー(Ｐ)を接続するダイオード
(ＤＰ)と、前記ブスバー(ＮＬ)とブスバー(Ｎ)を接続す
るダイオード(ＤＮ)、前記ブスバー(ＰＬ)とブスバー
(Ｃ)を接続する２個の並列接続の半導体スイッチング素
子(ＱＰ１、ＱＰ２)及び、前記ブスバー(Ｃ)とブスバー
(ＮＬ)を接続する２個の並列接続の半導体スイッチング
素子(ＱＮ１、ＱＮ２)を備えた電力変換装置において、
前記ブスバー(ＰＬ)とブスバー(Ｐ)、ブスバー(ＮＬ)と
ブスバー(Ｎ)の間にブスバー(Ｃ)を挟んで重ね、前記ブ
スバー(ＰＬ)とブスバー(ＮＬ)、前記ブスバー(Ｐ)とブ
スバー(Ｎ)がそれぞれ同一の層になるよう積層し、前記
ブスバー(ＰＬ)とブスバー(Ｐ)、ブスバー(ＮＬ)とブス
バー(Ｎ)の間隔に一致するスリットをブスバー(Ｃ)に設
け、前記ダイオード(ＤＰ)から等距離に前記半導体スイ
ッチング素子(ＱＰ１、ＱＰ２)を配置し、前記ダイオー
ド(ＤＰ)のアノード端子と半導体スイッチング素子(Ｑ
Ｐ１、ＱＰ２)の正側端子をブスバー(ＰＬ)の入り口側
端子に向け、前記ダイオード(ＤＮ)から等距離に前記半
導体スイッチング素子(ＱＮ１、ＱＮ２)を配置し、前記
ダイオード(ＤＮ)のカソード端子と前記半導体スイッチ
ング素子(ＱＮ１、ＱＮ２)の負側端子をブスバー(ＮＬ)
の出口側端子に向けて、それぞれ構成することによって
も達成される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明による電力変換装置
について、図示の実施の形態により詳細に説明する。ま
ず、図１は、本発明による電力変換装置の第１の実施形
態におけるブスバーを示したもので、図２は、この電力
変換装置の主回路を示したものである。ここで、この図
２は、周知のセルビウス制御装置において、コンバータ
の出力に接続されるチョッパ回路の一例で、例えば特開
平８−２２３９６０号公報に記載のセルビウス制御装置
におけるチョッパ回路とチョッパダイオード、それに平
滑コンデンサからなる回路に相当するが、ここでは、倍
電圧回路構成されているものである。

【００１８】従って、図１におけるブスバー(バスバー
ともいう)１〜５は、何れも、この電力変換装置の主回
路における電流経路(配線材)となるもので、例えば銅
(Ｃu)、アルミニウム(Ａl)など、導電性の良好な金属の
板材(導体板)で作られ、図３に示すように、２枚の絶縁
板３６を挾んで３層に重ね、積層して使用される。ここ
で、この図３において、(a)は正面図で、(b)はＡ−Ａ線
による断面図である。

【００１９】まず、ブスバー１(ＰＬブスバーと呼ぶ)
は、図示のようにほぼ矩形に作られ、３個の矩形の開口
１Ａ〜１Ｃが縦に並んで設けられていて、上部には、図
２の回路図における正極側電源接続用の端子１４が設け
てある。

【００２０】そして、各開口１Ａ〜１Ｃには、ＩＧＢＴ
６(ＱＰ１)のコレクタ接続用の端子１８とＩＧＢＴ７
(ＱＰ２)のコレクタ接続用の突起部からなる端子２０、
それにダイオード１０のアノード接続用の端子１５が設
けられている。

【００２１】次に、ブスバー２は、Ｐブスバーと呼ばれ
るもので、これも図示のようにほぼ矩形に作られ、３個
の矩形の開口２Ａ〜２Ｃが、同じく縦に並んで設けられ
ていて、その上部には、図２の回路図におけるコンデン
サ１２と接続するための端子１７が設けられている。そ
して、その真中の開口２Ｂにはダイオード１０のカソー
ド接続用の突起部からなる端子１6が設けてある。

【００２２】また、ブスバー３(Ｃブスバーと呼ぶ)は、
これもほぼ矩形に作られているが、このとき、図示のよ
うに、他のブスバー１、２、４、５のほぼ倍の幅に作ら
れていて、そこに、左右に並んで３個づづ、計６個の矩
形の開口３Ａ〜３Ｆが縦に並んで設けられている。

【００２３】そして、その上部には、図２の回路図にお
けるコンデンサ１２、コンデンサ１３と接続するための
突起部からなる端子２２が設けてあり、さらに各開口３
Ａ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｆには、ＩＧＢＴ６のエミッタ接続
用の突起部からなる端子１９とＩＧＢＴ７のエミッタ接
続用の端子２１、ＩＧＢＴ８(ＱＮ１)のコレクタ接続用
の突起部からなる端子２３、ＩＧＢＴ９(ＱＮ２)のコレ
クタ接続用の端子２５が設けられている。

【００２４】更に、このＣブスバー３には、その幅方向
の中央に、下端から縦に所定の幅のスリット３１が形成
してあり、これにより、左右に並んでいる開口３Ａ〜３
Ｃと開口３Ｄ〜３Ｆの間が切り離され、上端でだけ連続
した形に作られている。

【００２５】次に、ブスバー４(ＰＬブスバー１に対し
てＮＬブスバーと呼ぶ)は、図示のように、これもほぼ
矩形に作られ、３個の矩形の開口４Ｄ〜４Ｆが縦に並ん
で設けられていて、その上部には、図２の回路図におけ
る負極側電源接続用の端子２７が設けてある。

【００２６】そして、各開口４Ｄ〜４Ｆには、ＩＧＢＴ
８のエミッタ接続用の突起部からなる端子２４とＩＧＢ
Ｔ９のエミッタ接続用の端子２６、それにダイオード１
１のカソード接続用の端子２８が設けられている。

【００２７】また、ブスバー５(Ｐブスバー２に対して
Ｎブスバーと呼ぶ)は、これも図示のようにほぼ矩形に
作られ、３個の矩形の開口５Ｄ〜５Ｆが縦に並んで設け
られ、その真中の開口５Ｅには、ダイオード１１のアノ
ード接続用の端子２９が設けてあり、上部には、図２の
回路図におけるコンデンサ１３と接続するための突起部
からなる端子３０が設けてある。

【００２８】そして、これらのブスバー１〜５は、図３
に示すように、間に絶縁板３６を介在させた状態でＣブ
スバー３を挟み、一方の側にはＰＬブスバー１とＮＬブ
スバー４を、そして図中下側にはＰブスバー２とＮブス
バー５を配置し、３層に組合わされた上で使用される。

【００２９】このとき、これらのブスバー１〜５に形成
してある開口１Ａ〜５Ｆは、図３に示すように、Ｃブス
バー３を挟んで、ＰＬブスバー１とＮＬブスバー４、Ｐ
ブスバー２とＮブスバー５が積層されたとき、それぞれ
の開口の位置が一致するように作られている。

【００３０】また、このとき、ＰＬブスバー１とＮＬブ
スバー４の各開口に設けられているＩＧＢＴとの接続端
子は、全て開口の上側の縁から下に突出するようにして
設けられているが、他のブスバー、つまりＰブスバー２
とＣブスバー３、それにＮブスバー５では、何れも開口
の下側の縁から上に突出するようにして設けられてい
る。

【００３１】つまり、端子１５、１８、２０、２４、２
６、それに端子２８は下向きに形成されていて、端子１
６、１９、２１、２３、２５、それに端子２９は上向き
に形成されていることになる。

【００３２】さらに、このとき、下向きの端子１５、１
８、２０、２４、２６、２８を有する開口１Ａ、１Ｂ、
１Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆでは、その上側の縁が下側に、
上向きの端子１６、１９、２１、２３、２５、２９を有
する開口２Ｂ、３Ａ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｆ、５Ｅについて
は、その下側の縁が上側に、絶縁距離分、相互にずれた
位置になるようにしてある。

【００３３】そして、これに応じて、ＩＧＢＴとの接続
端子のない開口２Ａ、２Ｃ、３Ｂ、３Ｅ、５Ｅは接続端
子を有する他の開口よりも広く作られていて、積層され
たとき、絶縁距離が確保できる構造である。

【００３４】この結果、図３(a)に示すように、開口１
Ａ、２Ａ、３Ａが重なっている部分では、厚さ方向には
ずれているが、端子１８、１９が上下に対になって位置
し、以下、端子１５と端子１６、端子２０と端子２１、
端子２３と端子２４、端子２５と端子２６、それに端子
２８と端子２９が、それぞれ対になって、夫々ＩＧＢＴ
とダイオードの端子を接続する。このとき、各ＩＧＢＴ
とダイオードについては、図示してないが、所定の放熱
板の上に平らに並べて配置されていて、図３の各ブスバ
ーの端子から紙面に垂直に立った導体棒(スタッド)ある
いはネジで接続されている。

【００３５】なお、このような積層構造のブスバーを用
いた電力用半導体デバイスの一般的な配線構成と半導体
デバイスの設置状況については、上記した各公報並びに
特開平７−１３１８８１号、特開平７−２０３６８６
号、それに特開平１１−１５５２８６号などに開示され
ているので、詳しい説明は割愛し、ここでは、この実施
形態に特有な構成に重点をおいて説明する。

【００３６】まず、ＰＬブスバー１の端子１８に第１の
ＩＧＢＴのコレクタを接続し、Ｃブスバー３の端子１９
には、この第１のＩＧＢＴのエミッタを接続する。次
に、ＰＬブスバー１の端子２０には第２のＩＧＢＴのコ
レクタを接続し、Ｃブスバー３の端子２１には、この第
２のＩＧＢＴのエミッタを接続する。

【００３７】また、Ｃブスバー３の端子２３には第３の
ＩＧＢＴのコレクタを接続し、ＮＬブスバー４の端子２
４には、この第３のＩＧＢＴのエミッタを接続する。更
にＣブスバー３の端子２５には第４のＩＧＢＴのコレク
タを接続し、ＮＬブスバー４の端子２６には、この第４
のＩＧＢＴのエミッタを接続する。

【００３８】一方、ＰＬブスバー１の端子１５には第１
のダイオードのアノードを接続し、Ｐブスバー２の端子
１６には、この第１のダイオードのカソードを接続す
る。また、ＮＬブスバー４の端子２８には第２のダイオ
ードのカソードを接続し、Ｎブスバー５の端子２９に
は、この第２のダイオードのアノードを接続する。

【００３９】次に、Ｐブスバー２の端子１７に第１のコ
ンデンサの正極側端子を接続し、Ｃブスバー３の端子２
２には、この第１のコンデンサの負極側端子を接続す
る。また、このＣブスバー３の端子２２には、更に第２
のコンデンサの正極側端子を接続し、Ｎブスバー５の端
子３０には、この第２のコンデンサの負極側端子を接続
する。

【００４０】この結果、上記した第１のＩＧＢＴをＩＧ
ＢＴ６とし、第２のＩＧＢＴをＩＧＢＴ７、第３のＩＧ
ＢＴはＩＧＢＴ８、第４のＩＧＢＴはＩＧＢＴ９、上記
した第１のダイオードをダイオード１０、そして第２の
ダイオードをダイオード１１として、図２の回路が構成
されることになる。

【００４１】ここで、この図２の回路では、ＩＧＢＴ５
とＩＧＢＴ６、それにＩＧＢＴ８とＩＧＢＴ９は並列に
接続され、図１に示されるように、共通のブスバーに、
これらの素子が直接並列接続されるダイレクトパラ構造
になっている。

【００４２】次に、この実施形態の動作について説明す
る。この図２の回路では、正極側電源接続用端子１４か
ら流れ込む主回路電流はＩＧＢＴ６とＩＧＢＴ７のスイ
ッチングにより、これらＩＧＢＴ６及びＩＧＢＴ７とダ
イオード１０の間で切替わる。すなわち、ＩＧＢＴ６、
７がオン(導通)されたときは、主回路電流は、これらの
ＩＧＢＴ６、７を通ってコンデンサ１３に供給され、こ
れらがオフ(遮断)されたときは、ダイオード１０を通っ
てコンデンサ１２に供給される。

【００４３】このとき、この図１と図３に示した実施形
態のブスバー構造によれば、正極側電源接続用端子１４
からＩＧＢＴ６とＩＧＢＴ７のコレクタが接続されてい
る端子１８、２０に向う方向と、ダイオード１０のアノ
ードが接続されている端子１５に向う方向が同じになっ
ていることから、ＰＬブスバー１上での電流の向きはＩ
ＧＢＴ６とＩＧＢＴ７のオン・オフのスイッチング動作
に関係無く、矢印で示してある電流ベクトル３７は、常
に図の下向きに揃うことになる。

【００４４】同様に、ＮＬブスバー４でも、ＩＧＢＴ
８、ＩＧＢＴ９のエミッタ端子２４、２６及びダイオー
ド１１のカソード端子２８が、負極側電源接続用端子２
７に向って揃えてあることから、スイッチングにより電
流分布が変わっても、図に矢印で示してあるように、電
流の向きは常に変わりなく、負極側電源接続用端子２７
に向って上向きになる。

【００４５】従って、この実施形態によれば、スイッチ
ング動作によっても、電流の通流方向が変化しないの
で、ＩＧＢＴの跳ね上がり電圧の原因になるインダクタ
ンスを低く押さえることができる。また、このときのダ
イオードの向きは、後述するように、電流バランスの改
善に寄与する。

【００４６】更に、この実施形態では、ダイオード１０
から等距離にＩＧＢＴ６とＩＧＢＴ７が配置され、ま
た、ダイオード１１から等距離にＩＧＢＴ８とＩＧＢＴ
９が配置されているので、これにより、ＩＧＢＴ６とＩ
ＧＢＴ７、及びＩＧＢＴ８とＩＧＢＴ９の間のリカバリ
電流と主回路電流の和がバランスされ、ＩＧＢＴのター
ンオン時のピーク電流をバランスさせる働きが得られる
ことになる。

【００４７】また、この実施形態では、Ｃブスバー３に
スリット３１が設けてあり、これにより、ＰＬブスバー
１上のＩＧＢＴコレクタ端子１８、２０からＣブスバー
３に渡り、ＩＧＢＴエミッタ端子１９、２１から、同じ
くＣブスバー３上のＩＧＢＴコレクタ端子２３、２５に
流れる電流がＰＬブスバー１を流れる電流の真下を通る
ように、電流経路が規定され、ＰＬブスバー１とＣブス
バー３の電流が磁場を打ち消し合う効果が大きくなり、
ＩＧＢＴ６と７のエミッタ側の等価インダクタンスが等
しくなる。この結果、ＩＧＢＴ６とＩＧＢＴ７の電流を
バランスさせる働きが得られ、ＮＬ側でも同様に、ＩＧ
ＢＴ８とＩＧＢＴ９の電流をバランスさせる働きが得ら
れる。

【００４８】ここで、本発明を適用しない場合の各ブス
バー１〜５の接続構造を、比較例として図４に示し、図
５には、図１の実施形態とは別の本発明の一実施形態に
よる各ブスバー１〜５の接続構造を示す。そして、これ
らの場合の電流バランスｒを次の(1)式により求め、図
１の実施形態の場合の結果と共に表にしたのが図６であ
る。 ｒ＝(Ｉ１−Ｉ２)／(Ｉ１＋Ｉ２)×１００ …… …… (1) ここで、Ｉ１、Ｉ２は、並列に接続されているＩＧＢＴ
のそれぞれの電流値であり、従って、電流が完全に揃っ
ている場合はｒ＝０、片側のみに電流が流れた場合はｒ
＝１００となり、ｒの値が小さい程、バランスがよいこ
とを表わす。

【００４９】まず、図４の比較例の場合は、ダイオード
１０のアノード端子１５がＩＧＢＴ６、７のコレクタ端
子２０、１８とは上下反対の位置に設けてあり、同様に
ダイオード１１のカソード端子２８も、ＩＧＢＴ８、９
のエミッタ端子２４、２６と上下反対の位置に設けてあ
る。そして、図１の実施形態におけるスリット３１がな
い構造になっている。

【００５０】従って、この図４の比較例による実装構造
では、ＰＬブスバー１上のダイオード１０のアノード端
子１５に流れ込む電流は、図で上向きのベクトルを持
ち、ＮＬブスバー４上のダイオード１１のカソード端子
２８から流れ出た電流は一旦、図の下向きのベクトルを
持ち、それが反転して図の上方にある端子２７に向わな
ければならない。

【００５１】このとき、ダイオード１０、１１からスイ
ッチングによって切替わり、ＩＧＢＴ６、７に流れ込む
主回路電流は、ＰＬブスバー１上では図の下向きのベク
トルのみであり、ＩＧＢＴ８、８から電源に戻る主回路
電流は、ＮＬブスバー４上では、上向きのベクトルのみ
である。ＰＬ付子バー上でのダイオード１０に流れこむ
電流とＩＧＢＴ６、７に流れ込む電流のベクトルの向き
の変化は、ＩＧＢＴの跳ね上がり電圧の原因になる等価
インダクタンスをおおきくする。ＮＬブスバー上でも同
様である。

【００５２】次に、図５の実施形態の場合は、図１の実
施形態からスリット３１を取っただけの構造であり、従
って、図４の比較例による実装構造と異なり、ダイオー
ド１０のアノード端子１５に向かう電流は、図の下向き
のベクトルのみを持ち、ＩＧＢＴ６、７のコレクタ端子
１８、２０に向かう電流も、図の下向きのベクトルのみ
を持つ。従って、スイッチングにより電流分布が変わっ
ても、ベクトルの向きは変わらず、等価インダクタンス
は小さい。

【００５３】ここで、図１と図５の実施形態の場合、Ｐ
ブスバー２とＣブスバー３、それにＮブスバー５では、
それぞれの端子の周りに、図示のように、上向きと下向
きのベクトルが生じているが、これらのベクトルはＰＬ
ブスバー１とＮＬブスバー４の場合のように、スイッチ
ングにより向きが切替わるものではなく、ブスバーに電
流が流れるときは必ず同じ分布となる。従って、電流ベ
クトルの向きの変化による等価インダクタンスへの影響
は持たない。

【００５４】そして、この図５の実施形態の場合は、図
１の実施形態におけるスリット３１に相当するものがな
いので、これによる電流経路の規定が得られず、このた
め、ＩＧＢＴ端子１９、２１から端子２３、２５に向か
って、最短経路で横方向に流れてしまう電流成分も生
じ、ＰＬブスバー１とＣブスバー３、ＮＬブスバー４と
Ｃブスバー３上の電流が磁場をうち消す効果が小さくな
るので、電流バランスの点では図１の実施形態に及ばな
い。

【００５５】図６の表は、ＩＧＢＴ６、７だけをターン
オンした場合と、ＩＧＢＴ８、９だけをターンオンした
場合、それに、ＩＧＢＴ６、７、８、９を一斉にターン
オンした場合の３種の場合について、(1)式で表わされ
る並列素子間でのピーク電流バランスｒの値を、図１の
場合と図４の場合、それに図５の場合のそれぞれ毎に示
したもので、ここで示した数値は解析による評価値であ
る。

【００５６】この図６から明らかなように、図４の比較
例の場合、電流バランスｒの最大値は４６．９％である
が、図５の実施形態の場合は、電流のベクトルが変わら
ない端子置が選ばれているので、電流バランスｒは、最
大値でも２５．６％になり、従って、約２０％の改善が
得られることが判る。

【００５７】そして、図１の実施形態の場合は、他の層
のブスバー形状に一致するようにＣブスバー３にスリッ
ト３１が設けてあるので、電流バランスｒの値は、同じ
く最大でも９．５％となり、更に約１５％も電流バラン
スが改善されていることになり、従って、以上のことか
ら、本発明の実施形態による効果は明らかである。

【００５８】ここで厳密に言えば、図１の実施形態にお
けるスリット３１は、電流バランスの改善効果をもたら
す一方で、ＩＧＢＴの跳ね上がり電圧の原因となるイン
ダクタンスをわずかに増加させる。しかし、その割合は
１〜２％に過ぎないので、１５％もの電流バランスの改
善のもとでは特に問題にはならないと言える。

【００５９】例えば、この図６に示した電流バランスを
評価した解析結果からすると、図４から図５の実施形態
の実装構造に変えることにより、跳ね上がり電圧の要因
になるインダクタンスは３ｎＨに減少し、従って、跳ね
上がり電圧も３％抑制される。

【００６０】一方、図５の実施形態から図１の実装構造
に変えたときは、スリットによりインダクタンスは２ｎ
Ｈ増加する。それでも図１と図４の実施形態を比較すれ
ば、１ｎＨ減少しており、低インダクタンスで電流バラ
ンスが良い実装構造が実現されているということができ
る。

【００６１】従って、これら図１と図５の実施形態によ
れば、配線のインダクタンス分の低減による跳ね上がり
電圧の抑制が充分に得られることになり、この結果、半
導体デバイスの能力を最大限まで活かすことができる。
また、図１の実施形態によれば、更に半導体デバイス間
での電流バランスも充分に得ることができ、従って、並
列使用時の半導体デバイスの能力活用も最大限まで得る
ことができる。

【００６２】次に、本発明の他の実施形態について説明
する。図７は本発明の第２の実施形態で、これは図８に
示す等価回路図の配線に相当する電力変換装置に本発明
を適用した場合のブスバーの一例であり、ここで、この
図８の回路は、例えば上記した特開平１１−１５５２８
６号公報などに記載されている３値レベル型電力変換装
置の１相分を示した等価回路である。

【００６３】従って、この図８の回路は、それをコンバ
ータ側の−相の回路としてみると、端子８３５は３相交
流電源の１相に接続される外部入力端子であり、インバ
ータ側とみると、この端子８３５は交流１相分の外部出
力端子に相当し、モータ端で３相結線されることにな
る。このとき、端子８１７は正極側接続部で、端子８２
２は中性電位接続部、そして端子８３０は負極側接続部
となる。

【００６４】ここで、Ｐブスバー８２は、ＩＧＢＴ８６
のコレクタ端子８１８とコンデンサ８１２の端子８１７
を接続する導体板である。Ｃブスバー８３は、ダイオー
ド８１０のアノード端子８１５と、ダイオード８１１の
カソード端子８２８及びコンデンサ８１２、８１３の端
子８２２を接続する導体板である。Ｎブスバー８５は、
ＩＧＢＴ８９のエミッタ端子８２６とコンデンサ８１３
にいたる端子８３０を接続する導体板である。

【００６５】ＰＵブスバー８３３は、ＩＧＢＴ８６のエ
ミッタ端子８１９と、ＩＧＢＴ８７のコレクタ端子８２
０及びダイオード８１０のカソード端子８１６を接続す
る導体板である。ＮＵブスバー８３４は、ＩＧＢＴ８８
のエミッタ端子８２４とＩＧＢＴ８９のコレクタ端子８
２５及びダイオード８１１のアノード端子８２９を接続
する導体板であある。そして、Ｕブスバー８３２は、Ｉ
ＧＢＴ８７のエミッタ端子８２１とＩＧＢＴ８８のコレ
クタ端子８２３を外部接続端子８３５に接続する導体板
である。

【００６６】ところで、この図７に示す実施形態では、
図８の回路から明らかなように、半導体デバイスが並列
に使用されていないので、電流バランスを考慮する必要
はなく、低インダクタンス化だけを考慮すればよい。従
って、図１で説明した実施形態と同じく、ダイオードの
アノード端子とＩＧＢＴのコレクタ端子の向きを揃える
だけでよい。

【００６７】すなわち、図８に示すした回路では、ＩＧ
ＢＴ８７のコレクタ端子８２０に流れ込む電流は、ＩＧ
ＢＴ８６のスイッチングに応じて、ＩＧＢＴ８６のエミ
ッタ端子８１９からと、ダイオード８１０のカソード端
子８１６からとに切替わって供給される。

【００６８】そこで、ダイオード８１０のアノード端子
８１５をＩＧＢＴ８７のコレクタ端子８２０と同じ向き
に設けることにより、ＰＵブスバー８３３上にあるダイ
オード８１０のカソード端子８１６は図で下側になり、
このカソード端子８１６からＩＧＢＴ８７のコレクタ端
子用８２０に流入される電流は下向きのベクトルとな
る。

【００６９】一方、ＩＧＢＴ８６のエミッタ端子８１９
からＩＧＢＴ８７のコレクタ端子８２０に供給される電
流も下向きのベクトルであり、従って、ＰＵブスバー８
３３上で電流の分布が変わっても、電流ベクトルの向き
が変わることはなく、跳ね上がり電圧の大きさを支配す
るインダクタンスが低減できることになる。

【００７０】このことは、ＮＵブスバー８３４において
も同様で、ダイオード８１１のカソード端子８２８をＩ
ＧＢＴ８８のエミッタ端子８２４と同じ向きに設けるこ
とにより、インダクタンスが低減できることになる。従
って、この図７の実施形態によれば、配線のインダクタ
ンス低減相当の跳ね上がり電圧の抑制効果が得られるこ
とになり、この結果、半導体デバイスの能力を最大限ま
で活かすことができる。

【００７１】

【発明の効果】本発明によれば、ブスバーのインダクタ
ンス低減による跳ね上がり電圧の抑制と、並列接続され
た半導体デバイス間での電流バランスの改善が得られる
ので、半導体デバイスの性能が最大限まで活用できる電
力変換装置を容易に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電力変換装置の第１の実施形態に
おけるブスバーの一例を示す平面図である。

【図２】本発明による電力変換装置の第１の実施形態の
回路図である。

【図３】本発明による電力変換装置の第１の実施形態に
おけるブスバーの一例を示す説明図である。

【図４】比較用として示したブスバーの一例を示す平面
図である。

【図５】本発明による電力変換装置の第２の実施形態に
おけるブスバーの一例を示す平面図である。

【図６】本発明の実施形態によるブスバーの性能を比較
例と対比して示した特性図である。

【図７】本発明による電力変換装置の第３の実施形態に
おけるブスバーの一例を示す平面図である。

【図８】本発明による電力変換装置の第３の実施形態の
回路図である。

【符号の説明】

１ ブスバー(ＰＬ) ２ ブスバー(Ｐ) ３ ブスバー(Ｃ) ４ ブスバー(ＮＬ) ５ ブスバー(Ｎ) ６ ＩＧＢＴ(ＱＰ１) ７ ＩＧＢＴ(ＱＰ２) ８ ＩＧＢＴ(ＱＮ１) ９ ＩＧＢＴ(ＱＮ２) １０ ダイオード(ＤＰ) １１ ダイオード(ＤＮ) １２、１３ コンデンサ １４ 電源接続用の端子 １５、２９、８１５、８２９ ダイオードのアノード端
子 １６、２８、８１６、８２８ ダイオードのカソード端
子 １７、８１７ Ｐブスバーの接続端子 １８、８１８ ＩＧＢＴのコレクタ端子 １９、８１９ ＩＧＢＴのエミッタ端子 ２０、８２０ ＩＧＢＴのコレクタ端子 ２１、８２１ ＩＧＢＴのエミッタ端子 ２２、８２２ Ｃブスバーの接続端子 ２３、８２３ ＩＧＢＴのコレクタ端子 ２４、８２４ ＩＧＢＴのエミッタ端子 ２５、８２５ ＩＧＢＴのコレクタ端子 ２６、８２６ ＩＧＢＴのエミッタ端子 ２７ 電源接続用の端子 ３０、８３０ Ｎブスバーの接続端子 ３１ スリット ３６ 絶縁層 ３７ 電流ベクトル ８２ Ｐブスバー ８３ Ｃブスバー ８５ Ｎブスバー ８３２ Ｕブスバー ８３３ ＰＵブスバー ８３４ ＮＵブスバー ８３５ 外部接続用の端子

フロントページの続き (72)発明者 根本 治郎 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所情報制御システム事業部 内 (72)発明者 片山 敏雄 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所情報制御システム事業部 内 Ｆターム(参考） 5H007 AA03 AA06 CB04 CB05 CC04 CC06 CC07 CC14 CC23 FA20 HA03 HA04 HA05

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の半導体デバイスと、該半導体デバ
   イスを電気的に接続する主回路の配線が、間に絶縁材を
   挟むか、あるいは絶縁間隔を取り、積層構造とする複数
   枚の導体板からなり、前記半導体デバイスと前記導体板
   とから構成される電力変換装置において、 前記半導体デバイスと前記導体板とを接続する端子位置
   が、 前記主回路内に含まれている半導体素子のスイッチング
   動作により前記主回路の電流モードが変化したときで
   も、前記導体板(配線材)上の電流の向きが変化しない端
   子配置になるように構成したことを特徴とする電力変換
   装置。
2. 【請求項２】 主回路の配線が、間に絶縁材を挟むか、
   あるいは絶縁距離を取り、積層構造とする複数枚の導体
   板からなる電力変換装置において、 前記導体板の少なくとも１箇所にスリット(切欠き部と
   もいう)を設け、 前記主回路内に並列接続されている複数個の半導体デバ
   イス間での電流がバランスするように構成したことを特
   徴とする電力変換装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の発明において、 前記導体板の正極側電源との接続端子の方向に、前記半
   導体デバイスの入力側を構成する正極側端子を設け、 前記導体板の負極側電源との接続端子の方向に、前記半
   導体デバイスの出力側を構成する負極側端子を設けたこ
   とを特徴とする電力変換装置。
4. 【請求項４】 請求項２に記載の発明において、 前記積層配線材が３層の導体板で構成され、 前記スリットが、前記３層の導体板のうちで、中間に積
   層されている導体板に形成されていることを特徴とする
   電力変換装置。
5. 【請求項５】 請求項２に記載の発明において、 前記積層配線材を往復する電流の分布を各層で一致させ
   るため、前記導体板の各層の形状が一致するように、前
   記導体板にスリットを設けたことを特徴とする電力変換
   装置。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の発明において、 前記半導体デバイスが、並列接続される複数個の半導体
   スイッチング素子と、ダイオードで構成され、 入力側を構成する正端子側と負端子側でそれぞれダイオ
   ードのアノード端子と半導体スイッチング素子の正側端
   子の向きを揃え、 ダイオードのアノード端子から等距離になるように並列
   の該半導体スイッチング素子の入力側を構成する正側端
   子をそれぞれ配置したことを特徴とする電力変換装置。
7. 【請求項７】 主回路の配線材が複数枚の導体板(ブス
   バーまたはバスバーと呼ぶ)で構成され、 前記ブスバーが入力側を構成する正端子側ブスバー(Ｐ
   Ｌ)と、負端子側ブスバー(ＮＬ)と、直列にコンデンサ
   を接続する正端子側ブスバー(Ｐ)、中間端子側ブスバー
   (Ｃ)、それに負端子側ブスバー(Ｎ)で構成され、 前記ブスバー(ＰＬ)とブスバー(Ｐ)を接続するダイオー
   ド(ＤＰ)と、 前記ブスバー(ＮＬ)とブスバー(Ｎ)を接続するダイオー
   ド(ＤＮ)、 前記ブスバー(ＰＬ)とブスバー(Ｃ)を接続する２個の並
   列接続の半導体スイッチング素子(ＱＰ１、ＱＰ２)及
   び、 前記ブスバー(Ｃ)とブスバー(ＮＬ)を接続する２個の並
   列接続の半導体スイッチング素子(ＱＮ１、ＱＮ２)を備
   えた電力変換装置において、 前記ブスバー(ＰＬ)とブスバー(Ｐ)、ブスバー(ＮＬ)と
   ブスバー(Ｎ)の間にブスバー(Ｃ)を挟んで重ね、 前記ブスバー(ＰＬ)とブスバー(ＮＬ)、前記ブスバー
   (Ｐ)とブスバー(Ｎ)がそれぞれ同一の層になるよう積層
   し、 前記ブスバー(ＰＬ)とブスバー(Ｐ)、ブスバー(ＮＬ)と
   ブスバー(Ｎ)の間隔に一致するスリットをブスバー(Ｃ)
   に設け、 前記ダイオード(ＤＰ)から等距離に前記半導体スイッチ
   ング素子(ＱＰ１、ＱＰ２)を配置し、 前記ダイオード(ＤＰ)のアノード端子と半導体スイッチ
   ング素子(ＱＰ１、ＱＰ２)の正側端子をブスバー(ＰＬ)
   の入り口側端子に向け、 前記ダイオード(ＤＮ)から等距離に前記半導体スイッチ
   ング素子(ＱＮ１、ＱＮ２)を配置し、 前記ダイオード(ＤＮ)のカソード端子と前記半導体スイ
   ッチング素子(ＱＮ１、ＱＮ２)の負側端子をブスバー
   (ＮＬ)の出口側端子に向けて、 それぞれ構成したことを特徴とする電力変換装置。