JP2006187143A

JP2006187143A - 電力用半導体スイッチモジュール

Info

Publication number: JP2006187143A
Application number: JP2004379282A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Odaka; 章弘小高; Naoya Eguchi; 直也江口
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】単一の回路構成により電流形インバータやマトリクスコンバータ等の各種電力変換装置への適用を可能にして汎用性、経済性を高めた電力用半導体スイッチモジュールを提供する。
【解決手段】逆耐圧性電力用半導体スイッチを複数備えた電力用半導体スイッチモジュールにおいて、自己消弧形半導体スイッチ素子１１（１２）とダイオード２１（２２）とを直列接続して逆耐圧性電力用半導体スイッチ６１〜６６を構成し、これらを各２個直列接続してなる直列回路の両端、及び、この直列回路内の逆耐圧性電力用半導体スイッチ同士の直列接続点を、外部接続用の端子Ａ〜Ｆ，Ｇ〜Ｉにそれぞれ接続してモジュール１００Ａを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、逆耐圧を有する電力用半導体スイッチを複数備えた電力用半導体スイッチモジュールに関し、詳しくは、電流形インバータやマトリクスコンバータ等の電力変換装置を構成する際に使用される電力用半導体スイッチモジュールに関するものである。

図７は、後述の非特許文献１に記載されている電力用半導体スイッチモジュールの構成図である。
図７に示す電力用半導体スイッチモジュール１００において、１１，１２はＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体スイッチ素子、２１，２２はダイオードであり、スイッチ素子１１とダイオード２１、スイッチ素子１２とダイオード２２をそれぞれ直列に接続することで逆耐圧を有する電力用半導体スイッチ（以下、逆耐圧性電力用半導体スイッチという）が構成されている。また、上記の２個の逆耐圧性電力用半導体スイッチを逆並列に接続して双方向スイッチ３１，３２，３３が構成され、これらの双方向スイッチ３１，３２，３３が端子ａ，ｂ，ｃと端子ｄ，ｅ，ｆとの間に接続されている。なお、ｇは自己消弧形半導体スイッチ素子の駆動信号入力端子である。

上記の電力用半導体スイッチモジュール１００は、図８に示すマトリクスコンバータ２００等の電力変換装置に適用されるものであり、例えば図７のモジュール１００を３個用い、図７における端子ａ，ｂ，ｃを図８の三相交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔにそれぞれ接続し、端子ｄ，ｅ，ｆを一括して三相交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗにそれぞれ接続することにより、マトリクスコンバータ
２００を構成することができる。

次に、図９は三相電流形インバータの基本的な回路構成図であり、前記同様にＩＧＢＴとダイオードとを直列接続することによって逆耐圧性電力用半導体スイッチ４１〜４６を構成し、これらを各相の上下アームに配置して三相電流形インバータが構成されている。なお、５０は電流源である。

ＮＥＤＯの成果報告書（平成１２年度新エネルギー・産業技術総合開発機構共同研究「稼働時電気損失削減最適制御技術の開発ＩＴ型省エネナビシステム及び小型・高効率省エネ装置の開発」）

図７に示した電力用半導体スイッチモジュール１００は、図９の電流形インバータと同数（６個）の逆耐圧性電力用半導体スイッチを備えているにもかかわらず、図８のマトリクスコンバータ２００等への適用を想定して、モジュール１００内に双方向スイッチ３１，３２，３３が作り込まれているため、そのままでは図９のような電流形インバータに適用することができない。
従って、電流形インバータを構成する場合には、マトリクスコンバータ用とは別の電力用半導体スイッチモジュールを用意する必要があり、これがコストの上昇や製造工程の煩雑化を招いていた。

そこで、本発明の解決課題は、単一の回路構成により各種電力変換装置への適用を可能にして汎用性、経済性を高めた電力用半導体スイッチモジュールを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、逆耐圧性電力用半導体スイッチを複数備えた電力用半導体スイッチモジュールにおいて、
前記逆耐圧性電力用半導体スイッチを２個直列接続してなる直列回路の両端、及び、この直列回路内の前記逆耐圧性電力用半導体スイッチ同士の直列接続点を、外部接続用の端子にそれぞれ接続したものである。

請求項２に記載した発明は、逆耐圧性電力用半導体スイッチを複数備えた電力用半導体スイッチモジュールにおいて、
前記逆耐圧性電力用半導体スイッチの両端を外部接続用の端子にそれぞれ接続したものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２において、
逆耐圧電力用半導体スイッチを、少なくとも１個以上のＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体スイッチ素子と少なくとも１個以上のダイオードとを直列接続して構成したものである。

請求項４に記載した発明は、請求項１または２において、
逆耐圧電力用半導体スイッチを、少なくとも１個以上の逆耐圧を有する自己消弧形半導体スイッチ素子により構成したものである。

なお、請求項５に記載するように、請求項１〜４の何れか１項においては、逆耐圧性電力用半導体スイッチ（詳しくは自己消弧形半導体スイッチ素子）の駆動信号入力端子を備えることが望ましい。

本発明によれば、逆耐圧性電力用半導体スイッチを最小単位とし、２個の逆耐圧性電力用半導体スイッチの直列回路の両端及び直列接続点、あるいは、１個の逆耐圧性電力用半導体スイッチの両端のみを外部接続用の端子にそれぞれ接続して電力用半導体スイッチモジュールを構成することにより、モジュール内部の接続状態に変更を加えることなく電流形インバータやマトリクスコンバータ等の電力変換装置を構成することができる。
このため、電力用半導体スイッチモジュールの汎用性や回路構成上の自由度が向上し、電力変換装置の低コスト化に寄与することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は本発明の第１実施形態を示す回路構成図であり、図７と同一の構成要素には同一番号を付してある。
この実施形態の電力用半導体スイッチモジュール１００Ａにおいて、６１〜６６は図９における４１〜４６と同様に構成された逆耐圧性電力用半導体スイッチであり、ＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体スイッチ素子とダイオードとを直列に接続して構成されている。なお、前記同様に１１，１２は自己消弧形半導体スイッチ素子、２１，２２はダイオードを示す。

逆耐圧性電力用半導体スイッチ６１を構成するダイオード２１のアノードは端子Ａに接続され、逆耐圧性電力用半導体スイッチ６２を構成する自己消弧形半導体スイッチ素子１２のエミッタは端子Ｂに接続されていると共に、半導体スイッチ６１，６２同士の直列接続点は端子Ｇに接続されている。
以下、同様にして、半導体スイッチ６３，６４の直列回路の両端が端子Ｃ，Ｄにそれぞれ接続され、半導体スイッチ６３，６４同士の直列接続点は端子Ｈに接続されている。また、半導体スイッチ６５，６６の直列回路の両端が端子Ｅ，Ｆにそれぞれ接続され、半導体スイッチ６５，６６同士の直列接続点は端子Ｉに接続されている。
なお、端子Ａ〜Ｆ，Ｇ〜Ｉは電源や負荷等が接続される外部接続用の端子であり、また、ｇは６個の自己消弧形半導体スイッチ素子の駆動信号入力端子である。

上記の電力用半導体スイッチモジュール１００Ａを用いて図９に示したような電流形インバータを構成する場合には、図２に示すように、前記端子Ａ，Ｃ，Ｅを電流源５０の正極側、端子Ｂ，Ｄ，Ｆを電流源５０の負極側、端子Ｇ，Ｈ，Ｉをそれぞれ三相交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続すればよい。

一方、図８に示したマトリクスコンバータ２００は、上記電力用半導体スイッチモジュール１００Ａを３個用いて構成することができる。
すなわち、図３に示す如く、一相分の交流出力端子について１個の電力用半導体スイッチモジュール１００Ａを使用し、モジュール１００Ａの端子Ａ，Ｂを交流入力端子Ｒに、端子Ｃ，Ｄを交流入力端子Ｓに、端子Ｅ，Ｆを交流入力端子Ｔにそれぞれ接続し、また、端子Ｇ，Ｈ，Ｉを一括して交流出力端子、例えばＵに接続する。他のモジュール１００Ａ，１００Ａについても同様である。

以上のように本実施形態によれば、単一の回路構成からなる電力用半導体スイッチモジュール１００Ａを１個以上使用して、電流形インバータやマトリクスコンバータ等の複数種類の電力変換装置を構成することができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図４は、第２実施形態の回路構成図であり、図１と異なるのは、逆耐圧性電力用半導体スイッチ６１〜６６の各一端を端子Ａ〜Ｆにそれぞれ接続し、各他端を端子Ｊ〜Ｏにそれぞれ接続した点である。他の構成は図１と同様である。
つまり、この実施形態の電力用半導体スイッチモジュール１００Ｂでは、その内部に逆耐圧性電力用半導体スイッチの直列回路が形成されていない構成となっている。

上記電力用半導体スイッチモジュール１００Ｂを用いて電流形インバータを構成すると図５のようになる。図２との相違点は、端子Ｊ，Ｋを一括して交流出力端子Ｕに、端子Ｌ，Ｍを一括して同Ｖに、端子Ｎ，Ｏを一括して同Ｗに接続した点のみである。
また、同じモジュール１００Ｂを３個用いてマトリクスコンバータを構成すると図６のようになる。図３との相違点は、端子Ｊ〜Ｏを一括して交流出力端子Ｕに接続し、他の２個のモジュール１００Ｂ，１００Ｂについても、端子Ｊ〜Ｏを一括して交流出力端子Ｖ，Ｗにそれぞれ接続した点のみである。

本実施形態においても、単一の回路構成からなる電力用半導体スイッチモジュール１００Ｂを１個以上使用して、電流形インバータやマトリクスコンバータ等の複数種類の電力変換装置を構成することができる。

以上のように各実施形態によれば、最小単位である逆耐圧性電力用半導体スイッチ６１〜６６を２個ずつ直列接続して端子を引き出すか（第１実施形態）、あるいは、単に６個の逆耐圧性電力用半導体スイッチ６１〜６６の各両端から端子を引き出す（第２実施形態）ことにより電力用半導体スイッチモジュール１００Ａまたは１００Ｂを構成することができ、これらのモジュール１００Ａまたは１００Ｂの内部接続状態に変更を加えることなく電流形インバータやマトリクスコンバータ等を構成することが可能である。

なお、各実施形態では、逆耐圧性電力用半導体スイッチ６１〜６６を自己消弧形半導体スイッチ素子とダイオードとの直列回路により構成したが、自己消弧形半導体スイッチ素子自体に逆耐圧があれば、ダイオードを省略して自己消弧形半導体スイッチ素子のみによって逆耐圧性電力用半導体スイッチを構成することもできる。
また、逆耐圧性電力用半導体スイッチ６１〜６６を構成する自己消弧形半導体スイッチ素子はＩＧＢＴに限定されず、バイポーラトランジスタやＦＥＴ等であっても良い。

本発明の第１実施形態を示す回路構成図である。本発明の第１実施形態を電流形インバータに適用した場合の回路構成図である。本発明の第１実施形態をマトリクスコンバータに適用した場合の回路構成図である。本発明の第２実施形態を示す回路構成図である。本発明の第２実施形態を電流形インバータに適用した場合の回路構成図である。本発明の第２実施例をマトリクスコンバータに適用した場合の回路構成図である。従来技術を示す回路構成図である。マトリクスコンバータの回路構成図である。電流形インバータの基本的な回路構成図である。

符号の説明

１１，１２：自己消弧形半導体スイッチ素子
２１，２２：ダイオード
５０：電流源
６１〜６６：逆耐圧性電力用半導体スイッチ
１００Ａ，１００Ｂ：電力用半導体スイッチモジュール
Ａ〜Ｏ：端子
Ｒ，Ｓ，Ｔ：三相交流入力端子
Ｕ，Ｖ，Ｗ：三相交流出力端子
ｇ：駆動信号入力端子

Claims

逆耐圧性電力用半導体スイッチを複数備えた電力用半導体スイッチモジュールにおいて、
前記逆耐圧性電力用半導体スイッチを２個直列接続してなる直列回路の両端、及び、この直列回路内の前記逆耐圧性電力用半導体スイッチ同士の直列接続点を、外部接続用の端子にそれぞれ接続したことを特徴とする電力用半導体スイッチモジュール。
逆耐圧性電力用半導体スイッチを複数備えた電力用半導体スイッチモジュールにおいて、
前記逆耐圧性電力用半導体スイッチの両端を外部接続用の端子にそれぞれ接続したことを特徴とする電力用半導体スイッチモジュール。
請求項１または２に記載した電力用半導体スイッチモジュールにおいて、
逆耐圧電力用半導体スイッチを、少なくとも１個以上の自己消弧形半導体スイッチ素子と少なくとも１個以上のダイオードとを直列接続して構成したことを特徴とする電力用半導体スイッチモジュール。
請求項１または２に記載した電力用半導体スイッチモジュールにおいて、
逆耐圧電力用半導体スイッチを、少なくとも１個以上の逆耐圧を有する自己消弧形半導体スイッチ素子により構成したことを特徴とする電力用半導体スイッチモジュール。
請求項１〜４の何れか１項に記載した電力用半導体スイッチモジュールにおいて、
逆耐圧性電力用半導体スイッチの駆動信号入力端子を備えたことを特徴とする電力用半導体スイッチモジュール。