JP2009273272A - Inverter module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インバータ回路に用いられるインバータモジュールに関する。 The present invention relates to an inverter module used in an inverter circuit.
電力変換装置のインバータモジュールでは、インバータと負荷(通常はモータ)との間においてコモンモード電圧が発生する。このコモンモード電圧に起因してコモンモード電流が流れ、放射ノイズの原因になる等の問題を引き起こす場合がある。 In the inverter module of the power converter, a common mode voltage is generated between the inverter and a load (usually a motor). This common mode voltage may cause a common mode current to flow, causing problems such as radiation noise.
特許文献1には、スイッチングアームの直列回路を含むパッケージにおいて、パッケージの外側に冷却用の銅ベースが配置され、スイッチングアームの直列回路における下アームが実装される銅ベースの面積より上アームが実装される銅ベースの面積を大きくすることによって、コモンモード電流の発生を低減させる技術が開示されている。 In Patent Document 1, in a package including a series circuit of switching arms, a copper base for cooling is arranged outside the package, and the upper arm is mounted over the area of the copper base on which the lower arm in the series circuit of switching arms is mounted. A technique for reducing the generation of common mode current by increasing the area of the copper base to be produced is disclosed.
また、特許文献2には、インバータと電気機器との間にコモンモード用のチョークコイルを接続し、そのチョークコイルと電気機器との間の配線にコンデンサと抵抗の直列接続体を接続し、それら直列接続体を共通接続したうえで電源よりも高い周波数に対して接地と同電位となる仮想接地部に接続することによって、コモンモード電流の発生を低減させる技術が開示されている。 In Patent Document 2, a common mode choke coil is connected between an inverter and an electric device, and a series connection body of a capacitor and a resistor is connected to a wiring between the choke coil and the electric device. A technique for reducing the generation of common mode current by connecting a series connection in common and connecting it to a virtual grounding portion having the same potential as the ground for a frequency higher than that of the power supply is disclosed.
また、特許文献3には、インバータ回路の入力側に設けたノイズフィルタを装置の筐体を介して接地した制御装置であって、交流ラインに接続されたコンデンサと、コンデンサの間に設けられたコイルとを備え、コンデンサの間の接続点と筐体との間に設けられたクランパと、クランパに並列接続されるコンデンサと、を備えることによって、コモンモード電流の発生を低減させる技術が開示されている。 Patent Document 3 discloses a control device in which a noise filter provided on the input side of an inverter circuit is grounded via a housing of the device, and is provided between a capacitor connected to an AC line and the capacitor. Disclosed is a technique for reducing the generation of common mode current by including a coil, a clamper provided between a connection point between the capacitor and the housing, and a capacitor connected in parallel to the clamper. ing.
上記従来技術においてチョークコイル等を含むフィルタを設ける技術では、インバータと負荷(モータ等)との間には数百Aもの大電流が流れる場合があり、インダクタンスの磁気飽和を防ぐために巨大なコイルを用いる必要がある。これによって、インバータモジュールの小型化が阻害されてしまうという問題もある。 In the technique of providing a filter including a choke coil or the like in the above prior art, a large current of several hundred A may flow between the inverter and the load (motor or the like), and a huge coil is used to prevent magnetic saturation of the inductance. It is necessary to use it. Accordingly, there is a problem that downsizing of the inverter module is hindered.
また、コモンモード電流による磁気的ノイズが外部に漏れることを防ぐために電磁シールドを設ける技術は装置の製造コストを増大させ、またノイズ源を取り除くものではないので根本的な対策にならないという問題がある。 In addition, the technique of providing an electromagnetic shield to prevent magnetic noise due to common mode current from leaking to the outside increases the manufacturing cost of the device and does not eliminate the noise source, so there is a problem that it is not a fundamental measure. .
本発明の1つの態様は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードと、を1つのアームとし、2つのアームをそれぞれ上アーム及び下アームとして直列に接続したアーム直列接続体をモジュール化したインバータモジュールであって、各アームは、前記スイッチング素子と前記ダイオードとを冷却するための冷却装置と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置とに挟まれる絶縁基板と、を備え、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタが、前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタよりも小さいことを特徴とするインバータモジュールである。 One aspect of the present invention is an arm series connection body in which a switching element and a diode connected in reverse parallel to the switching element are used as one arm, and two arms are connected in series as an upper arm and a lower arm, respectively. A modular inverter module, wherein each arm includes a cooling device for cooling the switching element and the diode, and an insulating substrate sandwiched between the switching element, the diode and the cooling device, A capacitor between the switching element and the diode included in the upper arm and the cooling device is smaller than a capacitor between the switching element and the diode and the cooling device included in the lower arm. It is an inverter module.
ここで、前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタを、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタの33倍以上とすることが好適である。 Here, the capacitor between the switching element and the diode included in the lower arm and the cooling device is 33 times the capacitor between the switching element and the diode and the cooling device included in the upper arm. The above is preferable.
また、前記上アームに含まれる前記絶縁基板の厚さを、前記下アームに含まれる前記絶縁基板の厚さの100倍以上とすることが好適である。 In addition, it is preferable that the thickness of the insulating substrate included in the upper arm is 100 times or more the thickness of the insulating substrate included in the lower arm.
また、前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間に外部キャパシタを接続することも好適である。 It is also preferable that an external capacitor is connected between the switching element and the diode included in the lower arm and the cooling device.
すなわち、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタと前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタとを、インバータモジュールに接続される負荷のケースとインバータモジュールのケースとが同電位となるようにすることが好適である。 That is, an inverter module includes a capacitor between the switching element and the diode included in the upper arm and the cooling device, and a capacitor between the switching element and the diode and the cooling device included in the lower arm. It is preferable that the load case connected to the inverter and the inverter module case have the same potential.
本発明によれば、インバータモジュールにおけるコモンモード電流の発生を抑制することができる。これにより、電磁ノイズを低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, generation | occurrence | production of the common mode electric current in an inverter module can be suppressed. Thereby, electromagnetic noise can be reduced.
図1は、基本的なインバータ回路100を示す図である。インバータ回路100は、電源200と、負荷(モータ)300と、の間に接続される。インバータ回路100は、6個のダイオードD1〜D6を含む整流器モジュール10、コンデンサ12、電力用スイッチング素子TR1〜TR6及びダイオードD7〜D12を含むインバータモジュール14を含んで構成される。
FIG. 1 is a diagram showing a
整流器モジュール10は、ダイオードD1〜D6を2つずつ直列に接続した3つの直列接続体を並列に接続して構成される。整流器モジュール10は、コンデンサ12及びインバータモジュール14と並列に接続される。また、3つの直列接続体に含まれる2つのダイオード間に電源200の各相が印加される。
The
インバータモジュール14は、スイッチング素子TR1〜TR6の各々にダイオードD7〜D12の各々が逆並列に接続されたアームを6つ備えて構成される。スイッチング素子TR1〜TR6は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)、電界効果トランジスタ(MOSFET)等の大電力スイッチング素子とされる。また、ダイオードD7〜D12は、例えば、大容量のPINダイオードとされる。6つのアームは2つずつ上アーム及び下アームとして直列に接続した3つの直列接続体とされ、さらに3つの直列接続体が並列に接続されてインバータモジュール14が構成される。3つの直列接続体に含まれる2つのアーム間に負荷300の各相が接続される。
The
各アームは、図2の斜視図及び図3の側面図に示すように、スイッチング素子TR(TR1〜TR6)、ダイオードD(D7〜D12)、第1電極20、絶縁基板22、第2電極24、はんだ材26及び冷却装置28を含んで構成される。
Each arm includes a switching element TR (TR1 to TR6), a diode D (D7 to D12), a
スイッチング素子TRの高電圧側端子(NチャネルIGBTのコレクタ、NチャネルMOSFETのドレイン等)は、はんだ材26によって、第1電極20に接続される。また、ダイオードDの高電圧側端子(PINダイオードのカソード等)も第1電極20に接続される。第1電極20は、絶縁基板22の表面に接着され、絶縁基板22の裏面は第2電極24に接着される。さらに第2電極24は、はんだ材26によって冷却装置28に電気的に接続を保ちつつ接着される。
The high voltage side terminal (the collector of the N channel IGBT, the drain of the N channel MOSFET, etc.) of the switching element TR is connected to the
このような構成により、第1電極20と第2電極24との間に挟まれた絶縁基板22によって、第1電極20と第2電極24との間にキャパシタが生成される。したがって、各アームの等価回路は、図4に示すように、スイッチング素子TRの高電圧側端子とダイオードDの高電圧側端子との接続側にキャパシタCが接続されたものとなる。
With such a configuration, a capacitor is generated between the
本実施の形態では、上アームに生成されるキャパシタCUが、下アームに生成されるキャパシタCLよりも小さくなるように各アームを構成する。例えば、上アームと下アームに用いる絶縁基板22を同じ材料とした場合、上アームを構成する絶縁基板22の厚さを下アームを構成する絶縁基板22よりも厚くする。また、上アームを構成する絶縁基板22の誘電率を下アームを構成する絶縁基板22の誘電率よりも小さくする。
In the present embodiment, each arm is configured such that the capacitor CU generated in the upper arm is smaller than the capacitor CL generated in the lower arm. For example, when the
図5は、インバータモジュール14をインバータ回路100に適用した場合の等価回路を示す図である。ここでは、インバータモジュール14内の寄生インダクタンスを無視している。
FIG. 5 is a diagram showing an equivalent circuit when the
インバータモジュールと負荷(モータ)とを接続するケーブルのインダクタンスLcと、負荷(モータ)とケースとの間のキャパシタCMと、インバータモジュールに生成されるキャパシタCU,CLと、からなるブリッジ回路を構成する。このブリッジ回路によって、電気的なバランスがとられ、負荷(モータ)のケースの電位とインバータモジュールのケースの電位とをほぼ一定に保ち、車両等を経由して負荷(モータ)とインバータとの間を流れるコモンモード電流を抑制することができる。 A bridge circuit including an inductance Lc of a cable connecting the inverter module and the load (motor), a capacitor CM between the load (motor) and the case, and capacitors CU and CL generated in the inverter module is configured. . By this bridge circuit, electrical balance is achieved, the potential of the load (motor) case and the potential of the inverter module case are kept substantially constant, and between the load (motor) and the inverter via a vehicle or the like. The common mode current flowing through can be suppressed.
インバータの動作モードは、(1)上アーム1相及び下アーム2相が導通、(2)上アーム2相及び下アーム1相が導通、の2つに分けられ、図6の等価回路に示すように、これら2つの状態を繰り返す。 The operation mode of the inverter is divided into two types: (1) upper arm 1 phase and lower arm 2 phase are conductive, and (2) upper arm 2 phase and lower arm 1 phase are conductive. Thus, these two states are repeated.
図5に示すシステム全体の等価回路と図6のインバータの動作モードとを考慮すると、インバータの高電圧側から低電圧側へと至るには2つの経路が生ずる。すなわち、第1の経路は、図7に示すように、導通する上アーム→モータへのケーブルの寄生インダクタLc→モータ巻線とモータケース間の寄生キャパシタCM→モータケース→モータケースとモータ巻線間の寄生キャパシタCM→モータへのケーブルの寄生インダクタLc→導通する下アームという経路である。第2の経路は、図8に示すように、導通する上アーム→導通する上アームと組になる下アームの寄生キャパシタCL→冷却装置28のケース→導通する下アームの寄生キャパシタCL→導通する下アームという経路と、導通していない上アームの寄生キャパシタCU→冷却装置28のケース→導通する下アームの寄生キャパシタCL→導通する下アームという経路のいずれかである。
Considering the equivalent circuit of the entire system shown in FIG. 5 and the operation mode of the inverter shown in FIG. 6, two paths are generated from the high voltage side to the low voltage side of the inverter. That is, as shown in FIG. 7, the first path is a conductive upper arm → parasitic inductor Lc of the cable to the motor → parasitic capacitor CM between the motor winding and the motor case → motor case → motor case and motor winding. Between the parasitic capacitor CM between the cable and the parasitic inductor Lc of the cable to the motor → the lower arm conducting. As shown in FIG. 8, the second path is a conductive upper arm → a parasitic capacitor CL of the lower arm paired with the conductive upper arm → a case of the
図9は、これら2つの経路をコモンモード電流の経路となる冷却装置28のケース及びモータケースの間の寄生インダクタLGを挟んだブリッジ回路として書き換えた図である。図9(a)は上アーム1相及び下アーム2相が導通である場合、図9(b)は上アーム2相及び下アーム1相が導通である場合の等価回路である。
FIG. 9 is a diagram in which these two paths are rewritten as a bridge circuit with a parasitic inductor LG between the case of the
図10は、これらの回路をさらに簡素化して示した図である。この回路において、数式(1)が成り立つ場合にコモンモード電流は流れなくなる。
Za:Zb=Zc:Zd・・・・・・・・(1)
FIG. 10 is a diagram showing these circuits in a simplified manner. In this circuit, when the formula (1) holds, the common mode current does not flow.
Za: Zb = Zc: Zd (1)
図9(a)及び(b)のいずれの状態においても数式(1)が成り立つようにするための条件は下アームの寄生キャパシタCLが上アームの寄生キャパシタCUよりも十分に大きいことである。すなわち、下アームの寄生キャパシタCL>>上アームの寄生キャパシタCUが成り立つ場合にコモンモード電流は流れなくなる。 In either state of FIGS. 9A and 9B, the condition for satisfying Equation (1) is that the parasitic capacitor CL of the lower arm is sufficiently larger than the parasitic capacitor CU of the upper arm. That is, the common mode current stops flowing when the lower arm parasitic capacitor CL >> the upper arm parasitic capacitor CU is established.
回路シミュレーションを用いて本実施の形態の作用を確認した。シミュレーションは図11の回路構成によって行った。図12にシミュレーションの結果を示す。なお、このシミュレーションではインバータの各相の電圧は波高値217V、周期200μ秒(デューティ50%)、パルスの立ち上がり及び立ち下がり時間50n秒とした。 The operation of this embodiment was confirmed using circuit simulation. The simulation was performed with the circuit configuration of FIG. FIG. 12 shows the result of the simulation. In this simulation, the voltage of each phase of the inverter has a peak value of 217 V, a cycle of 200 μsec (duty 50%), and a pulse rise and fall time of 50 nsec.
上アームの寄生キャパシタCUが0の場合、寄生インダクタLGを流れるコモンモード電流は非常に小さくなった。また、上アームの寄生キャパシタCUを増加させると、下アームの寄生キャパシタCLを流れる電流と寄生インダクタLGを流れる電流との比は寄生キャパシタCLと寄生キャパシタCU×3との比にほぼ比例することが分かった。 When the parasitic capacitor CU of the upper arm was 0, the common mode current flowing through the parasitic inductor LG was very small. Further, when the upper arm parasitic capacitor CU is increased, the ratio of the current flowing through the lower arm parasitic capacitor CL to the current flowing through the parasitic inductor LG is substantially proportional to the ratio of the parasitic capacitor CL and the parasitic capacitor CU × 3. I understood.
下アームの寄生キャパシタCLと、3つの上アームの寄生キャパシタCUの並列接続がつくるキャパシタCU(=3CU)との比CL/CUを100以上、すなわち、下アームの寄生キャパシタCLと、上アームの寄生キャパシタCUの寄生との比CL/CUを33以上にすれば高いノイズ低減効果を得ることができる。 The ratio CL / CU between the parasitic capacitor CL of the lower arm and the capacitor CU (= 3CU) formed by parallel connection of the parasitic capacitors CU of the three upper arms is 100 or more, that is, the parasitic capacitor CL of the lower arm and the upper arm If the ratio CL / CU with respect to the parasitic of the parasitic capacitor CU is 33 or more, a high noise reduction effect can be obtained.
例えば、上アームを構成する絶縁基板22の厚さを下アームを構成する絶縁基板22の厚さの100倍以上厚くすることが好適である。例えば、上アームを構成する絶縁基板22を窒化アルミニウム(AlN)やアルミナ(Al2O3)で0.5mm以上5mm以下とした場合、このような下アームを構成するためには絶縁基板22としてDLC(Diamond Like Carbon)や窒化シリコン(SiN)等で0.005mm以上0.05mm以下とするとよい。
For example, it is preferable to make the thickness of the insulating
なお、図13に示すように、図3の構成において下アームの第1電極20と第2電極24との間に外部キャパシタCextを接続してキャパシタを調整する構成としてもよい。図14は、図13のように外部キャパシタCextを接続した場合の等価回路を示す図である。このように、外部キャパシタCextを接続することによって、下アームの寄生キャパシタCLが上アームの寄生キャパシタCUよりも十分に大きくなるようにすることができる。例えば、上アームと下アームの絶縁基板22を同じ材料及び同じ厚さとした場合、下アームの第1電極20と第2電極24との間に形成されるキャパシタCLが上アームの第1電極20と第2電極24との間に形成されるキャパシタCUよりも大きくなる。
As shown in FIG. 13, in the configuration of FIG. 3, an external capacitor Cext may be connected between the
10 整流器モジュール、12 コンデンサ、14 インバータモジュール、20 第1電極、22 絶縁基板、24 第2電極、26 はんだ材、28 冷却装置、100 インバータ回路、200 電源、300 負荷(モータ)。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
各アームは、前記スイッチング素子と前記ダイオードとを冷却するための冷却装置と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置とに挟まれる絶縁基板と、を備え、
前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタが、前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタよりも小さいことを特徴とするインバータモジュール。 An inverter module in which a switching element and a diode connected in reverse parallel to the switching element are used as one arm, and an arm series connection body in which two arms are connected in series as an upper arm and a lower arm, respectively, is modularized. ,
Each arm includes a cooling device for cooling the switching element and the diode, and an insulating substrate sandwiched between the switching element and the diode and the cooling device,
A capacitor between the switching element and the diode included in the upper arm and the cooling device is smaller than a capacitor between the switching element and the diode and the cooling device included in the lower arm. Inverter module.
前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタを、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタの33倍以上とすることを特徴とするインバータモジュール。 The inverter module according to claim 1,
The capacitor between the switching element and the diode included in the lower arm and the cooling device is 33 times or more of the capacitor between the switching element and the diode and the cooling device included in the upper arm. An inverter module characterized by that.
前記上アームに含まれる前記絶縁基板の厚さを、前記下アームに含まれる前記絶縁基板の厚さの100倍以上とすることを特徴とするインバータモジュール。 The inverter module according to claim 1 or 2,
An inverter module, wherein a thickness of the insulating substrate included in the upper arm is 100 times or more a thickness of the insulating substrate included in the lower arm.
前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間に外部キャパシタを接続することを特徴とするインバータモジュール。 The inverter module according to claim 1 or 2,
An inverter module, wherein an external capacitor is connected between the switching element and the diode included in the lower arm and the cooling device.
前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタと前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタとを、インバータモジュールに接続される負荷のケースとインバータモジュールのケースとが同電位となるようにすることを特徴とするインバータモジュール。 The inverter module according to any one of claims 1 to 4,
The capacitor between the switching element and the diode included in the upper arm and the cooling device and the capacitor between the switching element and the diode and the cooling device included in the lower arm are connected to an inverter module. An inverter module characterized in that a load case and an inverter module case have the same potential.
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