JP2006280191A - 電力変換器の主回路構造 - Google Patents

Abstract

【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。
【解決手段】 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。
【選択図】 図９

Description

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。

従来、電力変換器の配線は、特許文献１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、Ｉ
ＧＢＴ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、特許文献２、特許文献３、特許
文献４、特許文献５、特許文献６および特許文献７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、特許文献８および特許文献９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、特許文献１０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。

特開平１−１６０３７３号公報 特開平７−１３１９８１号公報 特開平９−４７０３６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 特開平９ー７０１８４号公報 特開平４ー１３３６６９号公報 特開平６ー２２５５４５号公報 特開平６ー２２５５４５号公報

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。

上記課題を解決するために、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し、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。

本発明によれば、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。

以下、本発明を実施するための最良の形態を本発明の実施形態として図１から
図１１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。

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ＩＧＢＴ２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。

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。

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ＩＧＢＴ
モジュール１、２に接続するボルトのためのＩＧＢＴ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、４０、５０にはボルト接続用の穴を開ける。

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、５
０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。

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４
０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。

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ＩＧ
ＢＴ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。

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１０１に配置し、フィルタコンデンサ１０２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ＩＧＢＴ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
１０２を負側導体５のサイドに配置し、そのコンデンサ１０２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１０３、負導体１０５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１０３と負導体１０５
の間に絶縁板１０４を介在させる。また、ヒートブロック１０１によってＩＧＢ
Ｔモジュール１、２が発生した熱を冷却し、ＩＧＢＴモジュール１、２が過熱し
ないようにする。

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５
ｓ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、４８ｂを脚４ｆの先に設ける。そして、ＩＧ
ＢＴ端子部４８ａ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ＩＧＢＴ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、ＩＧＢＴ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。

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（３
ｆ〜５ｆ）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。

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３ｓ、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。

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
ＩＧＢＴの３並列を示す。）。

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、２
０３、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ＩＧＢＴ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、ＩＧＢＴ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、ＩＧ
ＢＴ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２０４のコレクタ端子ＮＣ４と負側クラン
プダイオード２０６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。

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４９ｅ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、
ＩＧＢＴ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、２０７ｓ、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２０
９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、２０
６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。

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４９ｅを設けることにより、ＩＧＢＴモジュール２０２と
２０３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２０２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ＩＧＢＴ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５
０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。

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ＩＧ
ＢＴ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。

本発明は、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、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ので、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適用して有用である。

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１の実施形態の電気的な接続を示す回路図 図１の実施形態の正側導体、交流側導体及び負側導体の形状を示す図 本発明の第２の実施形態 本発明の第３の実施形態 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 図６の実施形態の正側導体、交流側導体及び負側導体の形状を示す図 ３レベル電力変換器の電気的な接続を示す回路図 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 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、５
ｆ…導体の脚、３ｓ、４ｓ、５ｓ、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、３
０、４０、５０…出力端子、３５、４８ａ〜ｂ、５５…ＩＧＢＴ端子部、１０１
…ヒートブロック、１０２…フィルタコンデンサ、１０３…フィルタコンデンサ
側正導体、１０４…絶縁板、１０５…フィルタコンデンサ側負導体、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、２０８０…導体の穴、
２０９０…出力端子、２０９１〜２０９２…クランプダイオード端子

Claims (3)

1. 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。
2. 請求項１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。
3. 請求項１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し、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。
   
   

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