JP2005176555A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
主回路導体の正側導体と負側導体が絶縁して積層され、複数の半導体素子が前記主回路導体に電気的に接続されブリッジ回路を構成している複数の半導体パワーモジュールを並列接続する場合、各半導体素子に流れる電流のばらつきを低減し、かつ負側導体の電位を安定化することにある。
【解決手段】
平行平板状の導体を用いたコンデンサバスバーにおいて正側コンデンサバスバーのみに電流ばらつきを改善する手段を設け、負側コンデンサバスバーを1枚の平板とすることを特徴とする。
【選択図】図1
主回路導体の正側導体と負側導体が絶縁して積層され、複数の半導体素子が前記主回路導体に電気的に接続されブリッジ回路を構成している複数の半導体パワーモジュールを並列接続する場合、各半導体素子に流れる電流のばらつきを低減し、かつ負側導体の電位を安定化することにある。
【解決手段】
平行平板状の導体を用いたコンデンサバスバーにおいて正側コンデンサバスバーのみに電流ばらつきを改善する手段を設け、負側コンデンサバスバーを1枚の平板とすることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、主回路導体の正側導体と負側導体が絶縁して積層され、複数の半導体素子が主回路導体に電気的に接続されブリッジ回路を構成している複数の半導体パワーモジュールを並列接続する電力変換装置に関する。
電力変換装置では、半導体素子をスイッチングした際、主回路のインダクタンスによりサージ電圧を生じる。半導体素子は、発生したサージ電圧により破壊する恐れがあるため、半導体素子の保護を目的に大容量のスナバ回路を接続する必要があり、電力変換装置の小型化および電流の大容量化の障害となっていた。
すなわち、電力変換装置では、主回路のインダクタンスを低減することが必要である。主回路のインダクタンスを低減するためには、電流の経路となる半導体パワーモジュールの導体をできるだけ肉薄で幅広の形状とし、かつ正側導体と負側導体をできるだけ近接させた配線構造にすればよいことが知られている。このような配線方法としては、特開平6−69415号公報,特開2002−44964号公報などに記載されている。その一例を図6に示す(以下、図6に示すような配線構造を持つ半導体パワーモジュールを低インダクタンス半導体パワーモジュールと呼ぶ。)。
また、電力変換装置を更に大容量化するための方法としては、複数の半導体パワーモジュールを並列接続する。半導体パワーモジュールを並列接続する場合、フィルタコンデンサから各半導体素子への電流経路に差ができるので各素子の分担する電流にばらつきが生じる。大きな電流が流れる半導体素子が、ピーク電流で破壊したり、発熱により寿命や信頼性が低下したりすることを避けるために、電流値を制限する必要がある。このため、各半導体素子に均等に電流が流れる場合に比べて、半導体素子の性能を十分に活用できない。
半導体素子を並列接続して使用する際の電流のばらつきを考慮した配線方法に関しては、特開2000−60126号公報に記載の技術があげられる。特開2000−60126号公報に記載の方法によると、各半導体素子の電流のばらつき改善のため、主回路を構成する正側導体および負側導体に各相間にスリットを設ける形状としている。
しかし、低インダクタンス半導体パワーモジュールを並列接続する場合、主回路導体の各相間にスリットを構成することができない。また、電力変換装置では、半導体パワーモジュールの負側導体が制御回路やドライブ回路のグランドとなる。主回路導体の負側導体にスリットを設けることで電流のばらつきを改善できる反面、各相間のインダクタンスが増加するためグランドの電位変動やノイズが大きくなるなどの問題を生じる。
本発明は、低インダクタンス半導体パワーモジュールを並列接続した電力変換装置において、簡単な構成で、各半導体素子の分担電流を均一化し、かつ制御回路のグランドとなる負側導体の電位変動を抑制することが目的である。
上記課題を解決するために、主回路導体の正側導体と負側導体とが絶縁して積層され、かつ複数の半導体素子が前記主回路導体に電気的に接続されブリッジ回路を構成している複数の半導体パワーモジュールを並列接続する電力変換装置において、電源電圧平滑用フィルタコンデンサを接続する平板状導体(以下、コンデンサバスバーと呼ぶ。)の正側導体のみに電源電圧平滑用フィルタコンデンサから各半導体素子への電流経路長のばらつきを改善するための手段を設ける。つまり、各半導体素子への電流経路長を所定の経路長にする又は近似させるものである。
本発明の一つは正側コンデンサバスバーの半導体パワーモジュールと半導体パワーモジュールの間に相当する箇所にスリットを設け、負側コンデンサバスバーは一枚の平板とする。
本発明の一つは正側コンデンサバスバーを各半導体パワーモジュールごとに分割して設け、前記コンデンサバスバーどうしを独立した導体で接続し、負側コンデンサバスバーはすべての半導体パワーモジュールに共通な一枚の平板とする。
本発明によれば半導体パワーモジュールを並列接続した際、半導体素子の電流ばらつきを改善し、各半導体素子の性能を有効活用することができる。かつ、各半導体パワーモジュールの負側コンデンサバスバーの電位変動を抑制することができるので制御回路の誤動作を防ぐことができる。したがって、本発明により高性能で信頼性の高い電力変換装置を簡単な構造で実現することができる。
本発明の第一の特徴とするところは、低インダクタンス半導体パワーモジュールを並列接続する電力変換装置において、コンデンサバスバーを図1に示すように、正側コンデンサバスバー1の各低インダクタンス半導体パワーモジュールの間に相当する箇所にスリット2,くびれ部3を設け、かつ負側コンデンサバスバー8を一枚の平板としたことにある。
図1(a)に示すように、正側コンデンサバスバー1には、低インダクタンス半導体パワーモジュールの正側導体と電気的に接続するための穴4a〜4dおよびフィルタコンデンサの正側端子と電気的に接続するための穴6a,6bが設けられている。また、スリット2が設けられ、くびれ部3が形成されている。図1(b)に示すように、負側コンデンサバスバー8は、一枚の平板である。低インダクタンス半導体パワーモジュールの負側導体と電気的に接続するための穴9a〜9dおよびフィルタコンデンサの負側端子と電気的に接続するための穴13a,13bが設けられている。また、正側コンデンサバスバー1および負側コンデンサバスバー8に、それぞれ正側導体と負側導体の絶縁を確保するための穴7a,7b,11a〜11d,14a,14bが設けられている。
図1に示すコンデンサバスバーを用いて、フィルタコンデンサおよび低インダクタンス半導体パワーモジュールを接続して電力変換装置を構成した例を図3に示す。正側コンデンサバスバー1と負側コンデンサバスバー8が絶縁体15を挟んで積層され、低インダクタンス半導体パワーモジュール19a,19b、フィルタコンデンサ16a,16bと接続されている。このとき22e,22fがU相端子、22c,22dがV相端子、22a,22bがW相端子となる。図4に示すようにスリット2,くびれ部3を設けることによりフィルタコンデンサ正側端子から各半導体素子への電流経路長のばらつきが少なくなり半導体素子をより効果的に使うことができる。負側コンデンサバスバーに流れる電流も正側コンデンサバスバーに流れる電流経路に沿って流れるので、負側コンデンサバスバーでも同様に電流経路長のばらつきを改善することができる。つまり、電流経路長を所定の値にする又は、近似させるようにするので電流経路長のばらつきがおさえられる。また、負側コンデンサバスバーが一枚の平板となっていることで低インダクタンス半導体パワーモジュールの負側導体間の電位変動を抑制することができ、電力変換装置のグランド電位変動を抑制し高い信頼性を得ることができる。
本発明において正側コンデンサバスバーに設けるスリットの幅,深さ,形状は限定されない。スリットは、フィルタコンデンサから半導体素子への最短の電流経路をさえぎるように、より深く,より太く設けることが望ましく、電流密度やインダクタンスの増加などを考慮してスリットの寸法を設定すればよい。
本発明の第二の特徴とするところは、低インダクタンス半導体パワーモジュールを並列接続する電力変換装置において、コンデンサバスバーを図2に示すように、正側コンデンサバスバー26,31を各低インダクタンス半導体パワーモジュールごとに独立して設け、正側コンデンサバスバー26,31を導体44で電気的に接続し、かつ負側コンデンサバスバー37を全ての低インダクタンス半導体パワーモジュールに共通な一枚の平板としたことにある。
図2(a)に示すように、正側コンデンサバスバー26,31には、低インダクタンス半導体パワーモジュールの正側導体と電気的に接続するための穴27a,27b,32a,32bおよびフィルタコンデンサの正側端子と電気的に接続するための穴28,33が設けられている。正側コンデンサバスバー26,31は、ボルト45a,45bによって導体44と締結し、電気的に接続する。図2(b)に示すように、負側コンデンサバスバー37には、低インダクタンス半導体パワーモジュールの負側導体と電気的に接続するための穴38a〜38dおよびフィルタコンデンサの負側端子と電気的に接続するための穴40a,40bが設けられている。また、正側コンデンサバスバー26,31および負側コンデンサバスバー37に、それぞれ正側導体と負側導体の絶縁を確保するための穴29,34,39a〜39d,41a,41b,42a,42bが設けられている。
図2に示すコンデンサバスバーを用いて、フィルタコンデンサおよび低インダクタンス半導体パワーモジュールを接続して電力変換装置を構成した例を図5に示す。導体44が図1のくびれ部3と同様の効果を持ち、図4と同様に電流ばらつきを改善することができる。
本発明の主旨とするところは、正側コンデンサバスバーのみにフィルタコンデンサから並列接続される半導体素子までの距離のばらつきを改善する手段を設け、また各半導体パワーモジュール間の負側導体の距離を短くしてグランドの電位変動を抑制することにある。すなわち、電力変換装置のレイアウト,組み立て性を考慮して、正側コンデンサバスバーおよび負側コンデンサバスバーに屈曲部,穴,スリットなどを設けることは、一向に構わない。例えば、図7に示すように、フィルタコンデンサとコンデンサバスバーの接続のため、コンデンサバスバーに凸部64,65を設けても構わない。
本実施例は、まず、図1に示すように、コンデンサバスバー1,8を無酸素銅C1020を用いて制作した。つぎに、図3の示すように、コンデンサバスバー1,8と低インダクタンス半導体パワーモジュール19a,19bおよび6500μFのフィルタコンデンサ16a,16bを接続し、電源を接続するための穴5,10に60Vの電源を接続し、電力変換装置を制作した。
本実施例は、まず、図2に示すように、コンデンサバスバー26,31,37および導体44を無酸素銅C1020を用いて製作した。つぎに、コンデンサバスバー26,31と導体44とをボルト45a,45bで締結した。つづいて、図5に示すように、コンデンサバスバー26,31,37と低インダクタンス半導体パワーモジュール19a,19bおよび6500μFのフィルタコンデンサ16a,16bを接続し、電源を接続するための穴36,43に60Vの電源を接続し、電力変換装置を制作した。
(比較例1)
本比較例は、まず、図8に示すように、平板コンデンサバスバーである負側コンデンサバスバー8、及び正側コンデンサバスバー52を無酸素銅C1020を用いて制作した。つぎに、平板コンデンサバスバーと低インダクタンス半導体パワーモジュール19a,
19bおよび6500μFのフィルタコンデンサ16a,16bを接続し、電源を接続するための穴53,10に60Vの電源を接続し、電力変換装置を制作した。
本比較例は、まず、図8に示すように、平板コンデンサバスバーである負側コンデンサバスバー8、及び正側コンデンサバスバー52を無酸素銅C1020を用いて制作した。つぎに、平板コンデンサバスバーと低インダクタンス半導体パワーモジュール19a,
19bおよび6500μFのフィルタコンデンサ16a,16bを接続し、電源を接続するための穴53,10に60Vの電源を接続し、電力変換装置を制作した。
(評価)
実施例1,実施例2および比較例1に200μHの誘導負荷を接続し交流出力相電流が200Aになる時のU相の電流ばらつきを測定した。その結果を表1に示す。比較例の電流ばらつきが20A以上あったのに対して、実施例1,実施例2の電流ばらつきはそれぞれ10A,14Aに改善された。
実施例1,実施例2および比較例1に200μHの誘導負荷を接続し交流出力相電流が200Aになる時のU相の電流ばらつきを測定した。その結果を表1に示す。比較例の電流ばらつきが20A以上あったのに対して、実施例1,実施例2の電流ばらつきはそれぞれ10A,14Aに改善された。
1,26,31,52,66,68…正側コンデンサバスバー、2…スリット、3…くびれ部、4a〜4d,9a〜9d,27a,27b,32a,32b,38a〜38d…コンデンサバスバーと低インダクタンス半導体パワーモジュールを接続するための穴、5,10,36,43,53…電源を接続するための穴、6a,6b,13a,13b,
28,33,40a,40b…コンデンサバスバーとフィルタコンデンサを接続するための穴、7a,7b,11a〜11d,14a,14b,29,34,39a〜39d,
41a,41b,42a,42b…正側導体と負側導体の絶縁を確保するための穴、8,37,67,69…負側コンデンサバスバー、15…絶縁体、12a,16a,16b…フィルタコンデンサ、12b…フィルタコンデンサ負側端子、12c…フィルタコンデンサ正側端子、17a〜17l,45a,45b…ボルト、18a〜18l…半導体素子、19,19a,19b…低インダクタンス半導体パワーモジュール、20,20a,20b…負側導体、21,21a,21b…正側導体、22a,22b…W相端子、22c,
22d…V相端子、22e,22f…U相端子、23…絶縁体、44…正側コンデンサバスバー26,31を電気的に接続するための導体、64,65…凸部。
28,33,40a,40b…コンデンサバスバーとフィルタコンデンサを接続するための穴、7a,7b,11a〜11d,14a,14b,29,34,39a〜39d,
41a,41b,42a,42b…正側導体と負側導体の絶縁を確保するための穴、8,37,67,69…負側コンデンサバスバー、15…絶縁体、12a,16a,16b…フィルタコンデンサ、12b…フィルタコンデンサ負側端子、12c…フィルタコンデンサ正側端子、17a〜17l,45a,45b…ボルト、18a〜18l…半導体素子、19,19a,19b…低インダクタンス半導体パワーモジュール、20,20a,20b…負側導体、21,21a,21b…正側導体、22a,22b…W相端子、22c,
22d…V相端子、22e,22f…U相端子、23…絶縁体、44…正側コンデンサバスバー26,31を電気的に接続するための導体、64,65…凸部。
Claims (3)
- 主回路導体の正側導体と負側導体が絶縁して積層され、複数の半導体素子が前記主回路導体に電気的に接続されブリッジ回路を構成している複数の半導体パワーモジュールを並列接続する電力変換装置において、電源電圧平滑用フィルタコンデンサを接続する平板状導体の正側導体に、電源電圧平滑用フィルタコンデンサから各半導体素子への電流経路長を所定の値に近似させる手段を設けることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1記載において、電源電圧平滑用フィルタコンデンサを接続する平板状導体の正側導体の半導体パワーモジュールと半導体パワーモジュールの間に相当する箇所にスリットを設け、かつ前記平板状導体の負側導体は一枚の平板とすることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1記載において、電源電圧平滑用フィルタコンデンサを接続する平板状導体の正側導体を前記半導体パワーモジュールごとに分割して設け、前記平板状導体の正側導体どうしを独立した導体で接続し、前記平板状導体の負側導体はすべての半導体パワーモジュールに共通な一枚の平板とすることを特徴とする電力変換装置。
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