JP2009081976A

JP2009081976A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2009081976A
Application number: JP2007251016A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Mochida; 敏治持田
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】熱伝導性の劣化を抑制しつつ、絶縁性を向上させるとともに、絶縁構造を簡素化することが可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３をそれぞれ３直列接続することで、２レベルインバータの１相分が構成され、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３は共通の取り付け板ＡＰ上に並べて固定し、この取り付け板ＡＰは、絶縁管ＺＯにて絶縁された鉄ボルトＢｏを用いることにより、熱伝導性絶縁シートＴＳを介して冷却体ＨＳ上にネジ止めするとともに、直流コンデンサＣにかかる直流電圧の中間電位に固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は電力変換装置に関し、特に、電力変換装置に設けられた半導体モジュールの絶縁構造に適用して好適なものである。

近年、半導体電力変換装置の高電圧化の要請が高まっており、半導体電力変換装置を高電圧化するために、直列接続された半導体スイッチング素子を１つのスイッチとして動作させる方法がある（特許文献１）。
図６は、従来の電力変換装置の概略構成を示す断面図、図７は、図６の電力変換装置の外観構成を示す斜視図である
図６において、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３をそれぞれ３直列接続することで、２レベルインバータの１相分が構成されている。ここで、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３には、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１〜Ｍ２３およびスイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１〜Ｍ２３にそれぞれ逆並列接続されたダイオードＤ１１〜Ｄ１３、Ｄ２１〜Ｄ２３がそれぞれ設けられている。なお、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１〜Ｍ２３としては、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の他、パワーＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなどを用いるようにしてもよい。

ここで、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３において、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１〜Ｍ２３およびダイオードＤ１１〜Ｄ１３、Ｄ２１〜Ｄ２３がそれぞれ形成された半導体チップは、絶縁材ＩＢ１１〜ＩＢ１３、ＩＢ２１〜ＩＢ２３をそれぞれ介して導電性基板ＳＢ１１〜ＳＢ１３、ＳＢ２１〜ＳＢ２３に半田付けなどでそれぞれ固定されている。そして、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３は熱伝導性絶縁シートＴＳを介して冷却体ＨＳ上に配置されている。

ここで、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３には、ブスバーＢＳを接続する外部端子Ｃ１〜Ｃ６、Ｅ１〜Ｅ６がそれぞれ設けられ、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３はブスバーＢＳを介してそれぞれ３直列接続されるとともに、半導体モジュールＱ１１の外部端子Ｃ１と半導体モジュールＱ２３の外部端子Ｅ６との間には、インダクタＬ１、Ｌ２をそれぞれ介して直流コンデンサＣが接続されている。

ここで、半導体チップの耐圧が１２００Ｖ、絶縁材ＩＢ１１〜ＩＢ１３、ＩＢ２１〜ＩＢ２３の耐圧が２５００Ｖ、直流コンデンサＣにかかる直流電圧が２１００Ｖ、冷却体ＨＳは接地されているものとする。そして、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１〜Ｍ２３の遮断時に瞬間的に発生する配線部の電圧上昇がＰ側で７５０Ｖ、Ｎ側で７５０Ｖとすると、外部端子Ｃ１と冷却体ＨＳとの間には瞬間的に２８５０Ｖの電圧がかかり、パッケージ耐圧を越えるが、熱伝導性絶縁シートＴＳがパッケージ耐圧を補うため、故障に至ることはない。

ただし、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３を熱伝導性絶縁シートＴＳを介して冷却体ＨＳ上に配置しただけでは、熱的な結合が不十分となり、十分な冷却性能が得られない。また、導電性基板ＳＢ１１〜ＳＢ１３、ＳＢ２１〜ＳＢ２３の電位はどこにも固定されてないため不安定となり、熱伝導性絶縁シートＴＳや絶縁材ＩＢ１１〜ＩＢ１３、ＩＢ２１〜ＩＢ２３に、その耐圧を超える電圧が印加される危険性がある。

図８は、従来の電力変換装置の概略構成のその他の例を示す断面図、図９は、図８の電力変換装置の外観構成を示す斜視図である。
図８の電力変換装置では、図６の電力変換装置に加え、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３をそれぞれ取り付けるための金属性の取り付け板ＡＰ１１〜ＡＰ１３、ＡＰ２１〜ＡＰ２３が設けられている。そして、これらの取り付け板ＡＰ１１〜ＡＰ１３、ＡＰ２１〜ＡＰ２３は、絶縁管ＺＯにて絶縁された鉄ボルトＢｏを用いることにより、熱伝導性絶縁シートＴＳ１１〜ＴＳ１３、ＴＳ２１〜ＴＳ２３をそれぞれ介して冷却体ＨＳ上にネジ止めされている。

ここで、鉄ボルトＢｏと取り付け板ＡＰ１１〜ＡＰ１３、ＡＰ２１〜ＡＰ２３との間に絶縁管ＺＯ、取り付け板ＡＰ１１〜ＡＰ１３、ＡＰ２１〜ＡＰ２３と冷却体ＨＳとの間には熱伝導性絶縁シートＴＳがあるため、これらの絶縁を保ったまま熱的に強固に締結することができる。
また、取り付け板ＡＰ１１〜ＡＰ１３は抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３をそれぞれ介して外部端子Ｃ１〜Ｃ３にそれぞれ接続されるとともに、取り付け板ＡＰ２１〜ＡＰ２３は抵抗Ｒ２１〜Ｒ２３をそれぞれ介して外部端子Ｅ４〜Ｅ６にそれぞれ接続されている。

ここで、取り付け板ＡＰ１１〜ＡＰ１３、ＡＰ２１〜ＡＰ２３を外部端子Ｃ１〜Ｃ３、Ｅ４〜Ｅ６にそれぞれ接続することにより、取り付け板ＡＰ１１〜ＡＰ１３、ＡＰ２１〜ＡＰ２３の電位を固定することができる。このため、外部端子Ｃ１と冷却体ＨＳとの間に瞬間的に２８５０Ｖの電圧がかかった場合においても、絶縁材ＩＢ１１〜ＩＢ１３、ＩＢ２１〜ＩＢ２３に加わる電圧を１２００Ｖに抑えることができ、絶縁破壊を防止することができる。
特開２００５−２７８３８４号公報

しかしながら、図８および図９の構成では、取り付け板ＡＰ１１〜ＡＰ１３、ＡＰ２１〜ＡＰ２３が半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３ごとに設けられるため、取り付け板ＡＰ１１〜ＡＰ１３、ＡＰ２１〜ＡＰ２３の個数が増大し、コストアップを招くとともに、信頼性が劣化するという問題があった。
また、外部端子Ｃ１と冷却体ＨＳとの間に瞬間的に２８５０Ｖの電圧がかかった場合、熱伝導性絶縁シートＴＳ１１には２８５０Ｖの電圧がかかることがあり、２８５０Ｖもの耐圧を確保するためには、厚物の熱伝導性絶縁シートＴＳ１１を用いる必要があることから、熱伝導性が劣化するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、熱伝導性の劣化を抑制しつつ、絶縁性を向上させるとともに、絶縁構造を簡素化することが可能な電力変換装置を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の電力変換装置によれば、互いに直列接続された複数の半導体モジュールと、前記複数の半導体モジュールが取り付けられた共通の取り付け板と、前記取り付け板が絶縁部材を介して配置された導電体とを備えることを特徴とする。
また、請求項２記載の電力変換装置によれば、前記取り付け板は、前記直列接続された半導体モジュールに印加される直流電圧の中間電位に固定されることを特徴とする。

また、請求項３記載の電力変換装置によれば、前記直列接続された半導体モジュールに印加される直流電圧がかかる直流コンデンサと、前記直流コンデンサに並列接続され、前記直流電圧の中間電位を発生させる抵抗の直列回路とを備え、前記取り付け板は、前記抵抗の直列回路の中間電位の発生点に接続されていることを特徴とする。
また、請求項４記載の電力変換装置によれば、前記直列接続された半導体モジュールに印加される直流電圧の中間電位を発生させる直流コンデンサの直列回路を備え、前記取り付け板は、前記直流コンデンサの直列回路の中間電位の発生点に接続されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、複数の半導体モジュールを共通の取り付け板に取り付け、その取り付け板の電位を直流電圧の中間電位に固定することにより、絶縁構造を簡素化しつつ、絶縁部材にかかる電圧を低減することができる。このため、絶縁部材を薄膜化した場合においても、絶縁破壊を防止することができ、熱伝導性の劣化を抑制しつつ、絶縁性を向上させるとともに、電力変換装置のコストアップを抑制することができる。

以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す断面図、図２は、図１の電力変換装置の外観構成を示す斜視図である。
図１において、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３をそれぞれ３直列接続することで、２レベルインバータの１相分が構成されている。ここで、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３には、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１〜Ｍ２３およびスイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１〜Ｍ２３にそれぞれ逆並列接続されたダイオードＤ１１〜Ｄ１３、Ｄ２１〜Ｄ２３がそれぞれ設けられている。

そして、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３において、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１〜Ｍ２３およびダイオードＤ１１〜Ｄ１３、Ｄ２１〜Ｄ２３がそれぞれ形成された半導体チップは、絶縁材ＩＢ１１〜ＩＢ１３、ＩＢ２１〜ＩＢ２３をそれぞれ介して導電性基板ＳＢ１１〜ＳＢ１３、ＳＢ２１〜ＳＢ２３に半田付けなどでそれぞれ固定されている。
そして、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３は共通の取り付け板ＡＰ上に並べて固定され、この取り付け板ＡＰは、絶縁管ＺＯにて絶縁された鉄ボルトＢｏを用いることにより、熱伝導性絶縁シートＴＳを介して冷却体ＨＳ上にネジ止めされている。なお、取り付け板ＡＰおよび冷却体ＨＳとしては、ＣｕやＡｌなどの導電体を用いることができる。

ここで、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３には、ブスバーＢＳを接続する外部端子Ｃ１〜Ｃ６、Ｅ１〜Ｅ６がそれぞれ設けられ、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３はブスバーＢＳを介してそれぞれ３直列接続されるとともに、半導体モジュールＱ１１の外部端子Ｃ１と半導体モジュールＱ２３の外部端子Ｅ６との間には、インダクタＬ１、Ｌ２をそれぞれ介して直流コンデンサＣが接続されている。また、直流コンデンサＣには、直流コンデンサＣにかかる直流電圧の中間電位を発生させる抵抗Ｒ１、Ｒ２の直列回路が並列接続され、抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点と取り付け板ＡＰとの間には抵抗Ｒ３が接続されている。なお、抵抗Ｒ１〜Ｒ３の抵抗値は高抵抗になるように設定することができる。
ここで、鉄ボルトＢｏと取り付け板ＡＰとの間に絶縁管ＺＯ、取り付け板ＡＰと冷却体ＨＳとの間には熱伝導性絶縁シートＴＳがあるため、これらの絶縁を保ったまま熱的に強固に締結することができる。

また、半導体チップの耐圧が１２００Ｖ、絶縁材ＩＢ１１〜ＩＢ１３、ＩＢ２１〜ＩＢ２３の耐圧が２５００Ｖ、直流コンデンサＣにかかる直流電圧が２１００Ｖ、冷却体ＨＳは接地されているものとする。そして、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１〜Ｍ２３の遮断時に瞬間的に発生する配線部の電圧上昇がＰ側で７５０Ｖ、Ｎ側で７５０Ｖとすると、絶縁材ＩＢ１１には１８００Ｖ、絶縁材ＩＢ１２には６００Ｖ、絶縁材ＩＢ１２には１８００Ｖ、絶縁材ＩＢ２１〜ＩＢ２３には１８００Ｖが印加されるが、絶縁材ＩＢ１１〜ＩＢ１３、ＩＢ２１〜ＩＢ２３の耐圧は２５００Ｖであるため、絶縁破壊を起こすことはない。また、熱伝導性絶縁シートＴＳにかかる電圧は１０５０Ｖとなり、図６の構成の半分以下の電圧にすることができる。

図３は、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す断面図である。
図３の電力変換装置では、図１の電力変換装置の直流コンデンサＣの代わりに、互いに直列接続された直流コンデンサＣ１、Ｃ２が設けられている。ここで、直流コンデンサＣ１、Ｃ２は、直列接続された半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３に印加される直流電圧の中間電位を発生させることができ、直流コンデンサＣ１、Ｃ２の接続点と取り付け板ＡＰとの間には抵抗Ｒ３が接続されている。
これにより、直列接続された半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３に印加される直流電圧の中間電位に取り付け板ＡＰを接続することができ、熱伝導性絶縁シートＴＳにかかる電圧を低減することができる。

図４は、本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す断面図、図５は、図４の電力変換装置の外観構成を示す斜視図である。
図４の電力変換装置では、図１の取り付け板ＡＰの代わりに、取り付け板ＡＰ１、ＡＰ２が設けられ、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３は共通の取り付け板ＡＰ１上に並べて固定され、半導体モジュールＱ２１〜Ｑ２３は共通の取り付け板ＡＰ２上に並べて固定されている。そして、取り付け板ＡＰ１、ＡＰ２は、抵抗Ｒ３を介して抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点に接続されている。

これにより、複数の半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３を共通の取り付け板ＡＰ１、ＡＰ２にそれぞれ取り付け、その取り付け板ＡＰ１、ＡＰ２の電位を直流電圧の中間電位に固定することができ、絶縁構造を簡素化しつつ、熱伝導性絶縁シートＴＳにかかる電圧を低減することができる。このため、熱伝導性絶縁シートＴＳを薄膜化した場合においても、絶縁破壊を防止することができ、熱伝導性の劣化を抑制しつつ、絶縁性を向上させるとともに、電力変換装置のコストアップを抑制することができる。

なお、上述した実施形態では、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３を絶縁する絶縁部材として熱伝導性絶縁シートＴＳを用いる方法について説明したが、熱伝導性絶縁板などのその他の絶縁部材を用いるようにしてもよい。また、上述した実施形態では、電力変換装置としてインバータを例にとって説明したが、インバータ以外の回路に適用してもよい。また、上述した実施形態では、回路の接地箇所としてＮ側接地を例にとって説明したが、Ｎ側接地以外の方法を用いてもよい。また、上述した実施形態では、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３にスイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１〜Ｍ２３が１個ずつ搭載されている例について説明したが、半導体モジュールＱ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３に複数のスイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１〜Ｍ２３が搭載されていてもよい。

本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す断面図である。図１の電力変換装置の外観構成を示す斜視図である。本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す断面図である。本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す断面図である。図４の電力変換装置の外観構成を示す斜視図である。従来の電力変換装置の概略構成を示す断面図である。図６の電力変換装置の外観構成を示す斜視図である。従来の電力変換装置の概略構成のその他の例を示す断面図である。図８の電力変換装置の外観構成を示す斜視図である。

符号の説明

Ｑ１１〜Ｑ１３、Ｑ２１〜Ｑ２３半導体モジュール
Ｍ１１〜Ｍ１３、Ｍ２１〜Ｍ２３スイッチング素子
Ｄ１１〜Ｄ１３、Ｄ２１〜Ｄ２３ダイオード
ＩＢ１１〜ＩＢ１３、ＩＢ２１〜ＩＢ２３絶縁材
ＳＢ１１〜ＳＢ１３、ＳＢ２１〜ＳＢ２３導電性基板
ＡＰ、ＡＰ１、ＡＰ２取り付け板
ＴＳ熱伝導性シート
ＨＳ冷却体
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２直流コンデンサ
Ｒ１〜Ｒ３抵抗
Ｌ１、Ｌ２インダクタ

Claims

互いに直列接続された複数の半導体モジュールと、
前記複数の半導体モジュールが取り付けられた共通の取り付け板と、
前記取り付け板が絶縁部材を介して配置された導電体とを備えることを特徴とする電力変換装置。
前記取り付け板は、前記直列接続された半導体モジュールに印加される直流電圧の中間電位に固定されることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記直列接続された半導体モジュールに印加される直流電圧がかかる直流コンデンサと、
前記直流コンデンサに並列接続され、前記直流電圧の中間電位を発生させる抵抗の直列回路とを備え、
前記取り付け板は、前記抵抗の直列回路の中間電位の発生点に接続されていることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
前記直列接続された半導体モジュールに印加される直流電圧の中間電位を発生させる直流コンデンサの直列回路を備え、
前記取り付け板は、前記直流コンデンサの直列回路の中間電位の発生点に接続されていることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。