JP2010178494A - スイッチング素子モジュールおよびこれを用いたインバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品の半田付け部の信頼性を上げることでき、高周波スイッチングに対して安定に動作し、電子部品の発熱を有効に除去することができるインバータ装置用のスイッチング素子モジュール。
【解決手段】上側スイッチングアーム３０ａと下側スイッチングアーム３０ｂとから成る上下アーム７ａを構成する主回路スイッチングトランジスタ１、補助回路トランジスタ２および補助回路ダイオード４を含む複数の電子部品と、複数の電子部品の一方の側面に接するように配置された放熱板１３と、複数の電子部品を、該複数の電子部品の他方の側面側から放熱板の方向へ押圧する抑え板１４と、抑え板に固定され、該抑え板による放熱板への押圧によって固定された状態で複数の電子部品のリード線が半田付けされた主回路基板１５を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽電池から出力される直流を交流に変換するスイッチング素子モジュールおよびこれを用いたインバータ装置に関する。

図９は、従来の太陽光発電用インバータ装置（以下、単に「インバータ装置」という）の構成を示す図である。このインバータ装置は、筐体２６の内部に収納された、制御・主回路基板２３、交流出力用のＡＣリアクトル２４および直流入力用のＤＣリアクトル２５を備えており、制御・主回路基板２３には、ゲート回路２２、複数のスイッチング素子２７、および、その他の部品（コンデンサなど）が搭載されている。

複数のスイッチング素子２７は、制御・主回路基板２３の裏面側に配置され、裏面側に設けられた冷却フィン（図示しない）に固定されて発熱が除去される。複数のスイッチング素子２７のＯＮ／ＯＦＦを制御して直流から交流への電力変換を行わせるために、ゲート回路２２で発生されたゲート信号は、制御・主回路基板２３に形成されたプリント配線パターンを介して複数のスイッチング素子２７のゲート端子に送られる。

なお、関連する技術として、例えば特許文献１が知られている。

特開２００４−２８９１８１号公報

上述した従来のインバータ装置では、複数のスイッチング素子２７は、制御・主回路基板２３に形成されたプリント配線パターンに半田付けされた後に、冷却フィンに固定されるが、この固定を行う時に、複数のスイッチング素子２７とプリント配線パターンとを接続する半田付け部に残留応力が発生し、長期間運転すると、半田が割れたり剥がれたりするといった劣化現象が起こるという問題がある。

また、複数のスイッチング素子２７は、制御・主回路基板２３に形成されたプリント配線パターンによって接続されているが、各スイッチング素子２７に至るプリント配線パターンの形状によって配線の抵抗分が異なり、また、インダクタンスが大きくなる場合も発生する。その結果、複数のスイッチング素子２７を高周波で安定して動作させることができないという問題がある。

また、複数のスイッチング素子２７がスイッチング動作することにより発生される熱によって、各スイッチング素子２７のリード線とプリント配線パターンとの半田付け部の温度が上昇し、長期間にわたって動作させる場合は、信頼性が低下するという問題がある。

本発明の課題は、電子部品の半田付け部の信頼性を上げることでき、高周波スイッチングに対して安定に動作し、しかも、電子部品の発熱を有効に除去することができるスイッチング素子モジュールおよびこれを用いたインバータ装置を提供する。

上記課題を解決するために、第１の発明に係るスイッチング素子モジュールは、上側スイッチングアームと下側スイッチングアームとから成る上下アームを構成する主回路スイッチングトランジスタ、補助回路トランジスタおよび補助回路ダイオードを含む複数の電子部品と、複数の電子部品の一方の側面に接するように配置された放熱板と、複数の電子部品を、該複数の電子部品の他方の側面側から放熱板の方向へ押圧する抑え板と、抑え板に固定され、該抑え板による放熱板への押圧によって固定された状態で複数の電子部品のリード線が半田付けされた主回路基板を備えたことを特徴とする。

また、第２の発明に係るスイッチング素子モジュールは、第１の発明に係るスイッチング素子モジュールにおいて、主回路基板には、主回路スイッチングトランジスタ、補助回路トランジスタおよび補助回路ダイオードを接続するプリント配線パターンが形成され、該プリント配線パターンに、電源供給用および出力取り出し用の主回路端子金具が取り付けられていることを特徴とする。

また、第３の発明に係るスイッチング素子モジュールは、第１または第２の発明に係るスイッチング素子モジュールにおいて、主回路基板は、主回路スイッチングトランジスタのゲート端子および補助回路トランジスタのゲート端子を外部に接続するためのゲート信号コネクタを備えたことを特徴とする。

また、第４の発明に係るスイッチング素子モジュールは、第１乃至第３のいずれか１つの発明に係るスイッチング素子モジュールにおいて、主回路基板は矩形を有し、該主回路基板には、上側スイッチングアームを構成する電子部品と下側スイッチングアームを構成する電子部品とが矩形内で対称になる位置に取り付けられ、該主回路基板の一方の面には、上下アームに電源を供給する幅広のプリント配線パターンから成る上側スイッチングアーム正極電源用ランドと下側スイッチングアーム負極電源用ランドとが矩形内で対称になるように形成され、他方の面には、１つの上下アームの出力を取り出すための幅広のプリント配線パターンから成る交流出力上相用ランドと他の上下アームの出力を取り出すための幅広のプリント配線パターンから成る交流出力下相用ランドとが矩形内で対称になるように形成されていることを特徴とする。

また、第５の発明に係るスイッチング素子モジュールは、第１乃至第３のいずれか１つの発明に係るスイッチング素子モジュールにおいて、主回路基板は円形を有し、該主回路基板には、上側スイッチングアームを構成する電子部品と下側スイッチングアームを構成する電子部品とが円形の中心点に対して対称になるように取り付けられ、該主回路基板の一方の面には、上下アームに電源を供給する幅広のプリント配線パターンから成る上側スイッチングアーム正極電源用ランドと下側スイッチングアーム負極電源用ランドとが中心点に対して対称になるように形成され、他方の面には、１つの上下アームの出力を取り出すための幅広のプリント配線パターンから成る交流出力上相用ランドと他の上下アームの出力を取り出すための幅広のプリント配線パターンから成る交流出力下相用ランドとが中心点に対して対称になるように形成されていることを特徴とする。

また、第６の発明に係るインバータ装置は、第１乃至第５のいずれか１つの発明に係るスイッチング素子モジュールと、このスイッチング素子モジュールを制御する制御回路が搭載された制御回路基板とを備えたことを特徴とする。

第１の発明に係るスイッチング素子モジュールによれば、複数の電子部品を、抑え板で放熱板に押圧し固定した状態で、複数の電子部品のリードを主回路基板に半田付けするように構成したので、複数の電子部品のリード線の半田付け部に残留応力が発生するのを防止でき、長期間にわたる半田付け部の信頼性を高めることができる。

第２の発明に係るスイッチング素子モジュールによれば、主回路基板に主回路スイッチングトランジスタ、補助回路トランジスタおよび補助回路ダイオードを接続するプリント配線パターンを形成し、このプリント配線パターンに、電源供給用および出力取り出し用の主回路端子金具を取り付けたので、組み立て性を向上させることができる。

第３の発明に係るスイッチング素子モジュールによれば、主回路基板は、主回路スイッチングトランジスタのゲート端子および補助回路トランジスタのゲート端子を外部に接続するためのゲート信号コネクタを備えたので、組み立て性を向上させることができる。

第４の発明に係るスイッチング素子モジュールによれば、主回路基板の一方の面には、上下アームに電源を供給する上側スイッチングアーム正極電源用ランドと下側スイッチングアーム負極電源用ランドとを幅広のプリント配線パターンによって矩形内で対称になるように形成し、他方の面には、１つの上下アームの出力を取り出すための交流出力上相用ランドおよび他の上下アームの出力を取り出すための交流出力下相用ランドを、矩形内で対称になるように幅広のプリント配線パターンでそれぞれ形成したので、各プリント配線パターンが大面積となって配線のインピーダンスを下げることができるとともに、かつ、半田付け部の温度を下げることができるので、長期間の信頼性を向上させることができる。

第５の発明に係るスイッチング素子モジュールによれば、複数の電子部品を円周状に配置したので、複数の電子部品までの配線長をより均等に近づけることができ、主回路スイッチングトランジスタを高周波で安定して動作させることができる。

第６の発明に係るインバータ装置によれば、第１乃至第５のいずれか１つのスイッチング素子モジュールを、制御回路基板に搭載された制御回路で制御するように構成したので、第１乃至第５の発明のスイッチング素子モジュールと同様の効果が得られる。

本発明の実施例１に係る太陽光発電用インバータ装置の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るスイッチング素子モジュールの電気的な構成を示す回路図である。 本発明の実施例２に係るスイッチング素子モジュールの構造を示す図である。 本発明の実施例２に係るスイッチング素子モジュールの主回路基板に形成されるプリント配線パターンの構成を示す図である。 本発明の実施例３に係るスイッチング素子モジュールの構造を示す図である。 本発明の実施例３に係るスイッチング素子モジュールの変形例を示す図である。 本発明の実施例４に係るスイッチング素子モジュールの構造を示す図である。 本発明の実施例５に係るスイッチング素子モジュールの構造を示す図である。 従来の太陽光発電用インバータ装置の構成を示す上面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るインバータ装置の構成を示す図である。なお、以下においては、背景技術の欄で説明した従来のインバータ装置の構成要素と同一または相当する構成要素には、背景技術の欄で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。

このインバータ装置は、筐体２６の内部に収納された、制御回路基板５１、スイッチング素子モジュール８、ＡＣリアクトル２４およびＤＣリアクトル２５を備えている。制御回路基板５１は、図９に示した従来の制御・主回路基板２３から複数のスイッチング素子２７およびその付加回路が除去されて構成されている。

スイッチング素子モジュール８は、図９に示した従来の制御・主回路基板２３からスイッチング素子２７およびその付加回路を取り出してモジュール化したものである。スイッチング素子モジュール８と制御回路基板５１との間は、ケーブル４１によって接続されている。

図２は、スイッチング素子モジュール８の電気的な構成を示す回路図である。このスイッチング素子モジュール８は、直流電源Ｅから上側スイッチングアーム正極電源用ランド９と下側スイッチングアーム負極電源用ランド１０の間に供給される直流電力を交流電力に変換し、交流出力上相用ランド１１と交流出力下相用ランド１２の間に出力する。このスイッチング素子モジュール８から出力された交流電力は、上相用および下相用のＡＣリアクトル２４とコンデンサＣとから成るＡＣフィルタを介して電力系統６に送られる。

スイッチング素子モジュール８は、直流電源Ｅの正極側に接続される上側スイッチングアーム正極電源用ランド９と、直流電源Ｅの負極側に接続される下側スイッチングアーム負極電源用ランド１０との間に設けられた上下アーム７ａおよび上下アーム７ｂを備えている。

上下アーム７ａは、上側スイッチングアーム正極電源用ランド９と交流出力上相用ランド１１との間に設けられた上側スイッチングアーム３０ａと、交流出力上相用ランド１１と下側スイッチングアーム負極電源用ランド１０の間に設けられた下側スイッチングアーム３０ｂを備えている。交流出力上相用ランド１１は、ＡＣフィルタを構成する上相用のＡＣリアクトル２４に接続されている。

上側スイッチングアーム３０ａは、並列に接続された２個の主回路スイッチングトランジスタ１、補助回路トランジスタ２、電源回路３および補助回路ダイオード４を備えている。主回路スイッチングトランジスタ１としては、例えばＯＮ状態での導通抵抗が小さいＳＪ（スーパージャンクション）−ＭＯＳＦＥＴを用いることができる。このＳＪ−ＭＯＳＦＥＴを２個並列に接続することにより、インバータ装置の電流容量の増大および変換効率の向上が実現されている。

主回路スイッチングトランジスタ１のドレイン端子は上側スイッチングアーム正極電源用ランド９に接続され、ソース端子は交流出力上相用ランド１１に接続され、ゲート端子は、図２では図示を省略しているが、ケーブル４１を介してゲート回路２２に接続されている。主回路スイッチングトランジスタ１は、ゲート回路２２から送られてくるゲート信号に応じてＯＮ／ＯＦＦする。

補助回路トランジスタ２、電源回路３および補助回路ダイオード４は付加回路と呼ばれ、主回路スイッチングトランジスタ１のスイッチング時の過渡電流を抑制してスイッチング損失を減らすように動作する。補助回路トランジスタ２のドレイン端子は電源回路３の正極に接続され、ソース端子は補助回路ダイオード４を介して主回路スイッチングトランジスタ１のドレイン端子に接続され、ゲート端子は、図２では図示を省略しているが、ケーブル４１を介してゲート回路２２に接続されている。また、電源回路３の負極は、主回路スイッチングトランジスタ１のソース端子に接続されている。

なお、電源回路３は、スイッチング素子モジュール８の外部、具体的には制御回路基板５１に設けられており、図示しないリード線および主回路端子金具１６の中の金具Ｋ７および金具Ｋ８を介してスイッチング素子モジュール８に接続されている。この付加回路の動作により、主回路スイッチングトランジスタ１のＯＮ／ＯＦＦ動作時の損失が低減され、低損失なインバータ装置が実現されている。

下側スイッチングアーム３０ｂの構成は、主回路スイッチングトランジスタ１のドレイン端子が交流出力上相用ランド１１に接続され、ソース端子は下側スイッチングアーム負極電源用ランド１０に接続されている点を除き、上述した上側スイッチングアーム３０ａの構成と同じである。これら上側スイッチングアーム３０ａの主回路スイッチングトランジスタ１と、下側スイッチングアーム３０ｂの主回路スイッチングトランジスタ１とは、ゲート回路２２から送られてくるゲート信号によって排他的にＯＮ／ＯＦＦされる。

上下アーム７ｂは、上側スイッチングアーム正極電源用ランド９と交流出力下相用ランド１２との間に設けられた上側スイッチングアーム３０ｃと、交流出力下相用ランド１２と下側スイッチングアーム負極電源用ランド１０との間に設けられた下側スイッチングアーム３０ｄを備えている。交流出力下相用ランド１２は、ＡＣフィルタを構成する下相用のＡＣリアクトル２４に接続されている。

上側スイッチングアーム３０ｃの構成は、主回路スイッチングトランジスタ１のソース端子が交流出力下相用ランド１２に接続されている点を除き、上述した上側スイッチングアーム３０ａの構成と同じである。また、下側スイッチングアーム３０ｄの構成は、主回路スイッチングトランジスタ１のドレイン端子が交流出力下相用ランド１２に接続されている点を除き、上述した下側スイッチングアーム３０ｂと同じである。これら上側スイッチングアーム３０ｃの主回路スイッチングトランジスタ１と、下側スイッチングアーム３０ｄの主回路スイッチングトランジスタ１とは、ゲート回路２２から送られてくるゲート信号によって排他的にＯＮ／ＯＦＦされる。

また、上下アーム７ａと上下アーム７ｂとは、ゲート回路２２から送られてくるゲート信号によって、交互に動作するように制御される。具体的には、上下アーム７ａの上側スイッチングアーム３０ａまたは下側スイッチングアーム３０ｂのいずれか一方の主回路スイッチングトランジスタ１がＯＮの期間は、上下アーム７ｂの上側スイッチングアーム３０ｃおよび下側スイッチングアーム３０ｄの主回路スイッチングトランジスタ１は両方ともＯＦＦにされる。

一方、上下アーム７ｂ内の上側スイッチングアーム３０ｃまたは下側スイッチングアーム３０ｄ内のいずれか一方の主回路スイッチングトランジスタ１がＯＮの期間は、上下アーム７ａの上側スイッチングアーム０３ａおよび下側スイッチングアーム３０ｂの主回路スイッチングトランジスタ１は両方ともＯＦＦにされる。上下アーム７ａと上下アーム７ｂとが上述したように動作することにより、スイッチング素子モジュール８は、交流電力を出力する。

図３は、スイッチング素子モジュール８の構造を示す図であり、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は平面図、図３（ｃ）は側面図である。

このスイッチング素子モジュール８は、放熱板１３、複数の電子部品（主回路スイッチングトランジスタ１、補助回路トランジスタ２および補助回路ダイオード４）、抑え板１４および主回路基板１５が順次に重ねられて構成されている。

主回路基板１５は矩形状を有し、この矩形を左右に２分する中心線ＣＶと上下に２分する中心線ＣＨとによって４つの領域に分割されている。主回路基板１５の中心線ＣＶより左側の領域には、上下アーム７ａの上側スイッチングアーム３０ａを構成する電子部品（２個の主回路スイッチングトランジスタ１、１個の補助回路トランジスタ２および１個の補助回路ダイオード４）と、下側スイッチングアーム３０ｂを構成する電子部品（２個の主回路スイッチングトランジスタ１、１個の補助回路トランジスタ２および１個の補助回路ダイオード４）とが、中心線ＣＨに対して対称になるように取り付けられる。

同様に、主回路基板１５の中心線ＣＶより右側の領域には、上下アーム７ｂの上側スイッチングアーム３０ｃを構成する電子部品（２個の主回路スイッチングトランジスタ１、１個の補助回路トランジスタ２および１個の補助回路ダイオード４）と、下側スイッチングアーム３０ｄを構成する電子部品（２個の主回路スイッチングトランジスタ１、１個の補助回路トランジスタ２および１個の補助回路ダイオード４）とが、中心線ＣＨに対して対称になるように取り付けられる。

この主回路基板１５には、電源供給用および出力取り出し用の主回路端子金具１６が搭載されている。主回路端子金具１６のうちの金具Ｋ１および金具Ｋ２は、交流出力上相用ランド１１および交流出力下相用ランド１２にそれぞれ接続されて、交流電力を出力するために使用される。また、金具Ｋ３および金具Ｋ４は、上側スイッチングアーム正極電源用ランド９および上側スイッチングアーム負極電源用ランド１０にそれぞれ接続され、直流電源Ｅから直流電力を入力するために使用される。

また、金具Ｋ５および金具Ｋ６は上下アーム７ｂに含まれる２個の補助回路トランジスタ２に接続され、外部の電源回路３から補助回路トランジスタ２に電源を供給するために使用される。また、金具Ｋ７および金具Ｋ８は上下アーム７ａに含まれる２個の補助回路トランジスタ２に接続され、外部の電源回路３から補助回路トランジスタ２に電源を供給するために使用される。

また、主回路基板１５には、ゲート信号コネクタ１７が搭載されている。このゲート信号コネクタ１７には、ケーブル４１が接続され、制御回路基板５１のゲート回路２２からのゲート信号を、各スイッチングアームの主回路スイッチングトランジスタ１および補助回路トランジスタ２のゲート端子に送る。

上述したスイッチング素子モジュール８は、次の手順で組み立てられる。まず、各スイッチングアームに含まれる複数の電子部品（８個の主回路スイッチングトランジスタ１、４個の補助回路トランジスタ２および４個の補助回路ダイオード４）の各々が、上述した対称性を有するように配置された後に、金属製の放熱板１３と金属製の抑え板１４との間に挟まれ、放熱板１３に密着するように通しネジで固定される。

次いで、８個の主回路スイッチングトランジスタ１、４個の補助回路トランジスタおよび４個の補助回路ダイオードの各々のリード線が上向き、すなわち主回路基板１５の方向に折り曲げられ、折り曲げられたリード線が主回路基板１５に形成されたプリント配線パターンの接続穴に差し込まれる。その後、主回路基板１５が、通しネジで抑え板１４に固定され、この状態で複数の電子部品のリード線とプリント配線パターンとが半田付けされる。

以上の順序でスイッチング素子モバイルが組み立てられることにより、電子部品のリード線とプリント配線パターンとの半田付け部には、残留応力が発生しない。したがって、長期間にわたる半田付け部の信頼性を高めることができる。

その後、主回路基板１５に設けられた主回路端子金具１６およびゲート信号コネクタ１７を用いて、スイッチング素子モジュール８と制御回路基板５１とが接続され、インバータ装置の組み立てが完了する。

また、従来の制御・主回路基板２３から主回路スイッチングトランジスタ１および付加回路を取り出してモジュール化したスイッチング素子モジュール８と、制御回路基板５１とをゲート信号コネクタ１７を介してケーブル４１で接続するように構成したので、インバータ装置の改良や設計変更が生じた場合であっても、それに容易に対応することができる。

図４は、本発明の実施例２に係るスイッチング素子モジュール８の主回路基板１５に形成されるプリント配線パターンの構成を示す図である。この主回路基板１５の表面側（電子部品が取り付けられる側）には、幅広のプリント配線パターンから成る交流出力上相用ランド１１と交流出力下相用ランド１２とが中心線ＣＶに対して対称になるように形成されており、裏面側には、幅広のプリント配線パターンから成る上側スイッチングアーム正極電源用ランド９と下側スイッチングアーム負極電源用ランド１０とが中心線ＣＨに対して対称になるように形成されている。

上側スイッチングアーム正極電源用ランド９、下側スイッチングアーム負極電源用ランド１０、交流出力上相用ランド１１および交流出力下相用ランド１２は、銅板から成るプリント配線パターンにより構成されている。各スイッチングアームを構成する主回路スイッチングトランジスタ１のドレイン端子およびソース端子は、これら上側スイッチングアーム正極電源用ランド９、下側スイッチングアーム負極電源用ランド１０、交流出力上相用ランド１１および交流出力下相用ランド１２として形成されたプリント配線パターンに半田付けにより接続される。

上側スイッチングアーム正極電源用ランド９および下側スイッチングアーム負極電源用ランド１０には、金具Ｋ１および金具Ｋ２がそれぞれ半田付けにより接続され、これら金具Ｋ１および金具Ｋ２を介して直流電源Ｅから直流電力が供給される。また、交流出力上相用ランド１１および交流出力下相用ランド１２には、金具Ｋ３および金具Ｋ４がそれぞれ半田付けにより接続され、これら金具Ｋ３および金具Ｋ４を介して、交流電力が制御・主回路基板２３に送られる。

ところで、主回路スイッチングトランジスタ１と付加回路は、可聴領域以上の約１７ｋＨｚ程度の周波数で動作するので、プリント配線パターンによる配線の長さを複数のスイッチングアーム間で均等に揃え、並列に接続された２個の主回路スイッチングトランジスタ１に流れる電流がほぼ均等に分担される必要がある。

特にＳＪ−ＭＯＳＦＥＴなどといった導通抵抗が低いスイッチング素子を用いる場合は、配線による抵抗分の違いによって分流が不均一となる度合いが増大する。平面状であるプリント配線基板上で、配線の長さを全ての主回路スイッチングトランジスタに対して完全に揃えることはできないが、並列接続された２個の主回路スイッチングトランジスタ１に対する分岐配線の長さの差は、３０％程度以内に抑えることが望ましい。

実施例２に係るスイッチング素子モジュール８によれば、主回路基板１５上に、プリント配線パターンから成るランドを中心線ＣＶおよび中心線ＣＨに対して対称となるように形成したので、主回路端子金具１６（金具Ｋ１〜Ｋ４）から各スイッチングアーム内の主回路スイッチングトランジスタ１までの配線長が等しくなり、この条件を達成することができる。その結果、高周波スイッチングに対して安定した動作が可能になっている。

また、主回路スイッチングトランジスタ１の高周波でのスイッチング動作を外部ノイズに対しても安定に行うためには、プリント配線パターンの抵抗分だけでなく、インダクタンスも減らす必要がある。

また、スイッチング動作により発熱する主回路スイッチングトランジスタ１のリード線とプリント配線パターンとの半田付け部の温度を上げないようにして、長期間にわたりインバータ装置の信頼性を確保する必要があるが、上述したように、プリント配線パターンの面積を可能な限り広くしたので、電流密度を下げることができ、放熱が良好になり、また、配線としてのインダクタンスおよび抵抗を小さくすることができる。

図５は、本発明の実施例３に係るスイッチング素子モジュールの構造を示す図であり、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は平面図、図３（ｃ）は側面図である。この実施例３に係るスイッチング素子モジュール８は、上述した実施例１または実施例２に係るスイッチング素子モジュール８の放熱板１３に、冷却フィン１８が密着して取り付けられて構成されている。この構成により、主回路スイッチングトランジスタ１および付加回路で発生された熱を効率よく放散させることができる。

なお、上述した実施例１〜実施例３に係るスイッチング素子モジュール８は、上下アーム７ａおよび上下アーム７ｂといった２個の上下アームを備えているが、図６に示すように、１個の上下アームを備えたスイッチング素子モジュールを構成し、これを２個用いてインバータ装置を構成することもできる。なお、このスイッチング素子モジュールを３個使用すれば、３相の交流電力を出力するインバータ装置を構成できる。

図７は、本発明の実施例４に係るスイッチング素子モジュール８の構造を示す図であり、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は平面図である。なお、実施例４に係るスイッチング素子モジュール８の電気的な構成は、図２に示した実施例１に係るスイッチング素子モジュール８と同じである。

このスイッチング素子モジュール８は、円形状の放熱板１３、複数の電子部品（主回路スイッチングトランジスタ１、補助回路トランジスタ２および補助回路ダイオード４）およびドーナツ状の抑え板１４が順次に重ねて構成され、抑え板１４の中空部（ドーナツの穴の部分）に主回路基板１５が配置されて構成されている。また、放熱板１３には、冷却フィン１８が密着して取り付けられている。

主回路基板１５は円形状を有し、この円形は４つの領域に等分割されている。主回路基板１５の中心点Ｏに対して対角に存在する一対の領域には、上下アーム７ａの上側スイッチングアーム３０ａを構成する電子部品（２個の主回路スイッチングトランジスタ１、１個の補助回路トランジスタ２および１個の補助回路ダイオード４）と、下側スイッチングアーム３０ｂを構成する電子部品（２個の主回路スイッチングトランジスタ１、１個の補助回路トランジスタ２および１個の補助回路ダイオード４）とが、中心点Ｏに対して対称になるように取り付けられる。

同様に、主回路基板１５の中心点Ｏに対して対角に存在する他の一対の領域には、上下アーム７ｂの上側スイッチングアーム３０ｃを構成する電子部品（２個の主回路スイッチングトランジスタ１、１個の補助回路トランジスタ２および１個の補助回路ダイオード４）と、下側スイッチングアーム３０ｄを構成する電子部品（２個の主回路スイッチングトランジスタ１、１個の補助回路トランジスタ２および１個の補助回路ダイオード４）とが、中心点Ｏに対して対称になるように取り付けられる。

主回路基板１５の一方の面（裏面）には、上下アームに電源を供給する上側スイッチングアーム正極電源用ランド９と下側スイッチングアーム負極電源用ランド１０とが中心点Ｏに対して対称になるように形成され、他方の面（表面）には、上下アーム７ａの出力を取り出すための交流出力上相用ランド１１と上下アーム７ｂの出力を取り出すための交流出力下相用ランド１２とが中心点Ｏに対して対称になるように形成されている
また、主回路基板１５には、ゲート信号コネクタ１７（図示は省略している）が搭載されている。このゲート信号コネクタ１７には、ケーブル４１が接続され、制御回路基板５１のゲート回路２２からのゲート信号を各スイッチングアームの主回路スイッチングトランジスタ１および補助回路トランジスタ２のゲート端子に送る。

上述したスイッチング素子モジュール８は、次の手順で組み立てられる。まず、各スイッチングアームの電子部品（８個の主回路スイッチングトランジスタ１、４個の補助回路トランジスタ２および４個の補助回路ダイオード４）の各々が、主回路基板１５に対して上述した位置になるように配置された後に、金属製の放熱板１３と金属製の抑え板１４との間に挟まれ、放熱板１３に密着するように通しネジで固定される。

次に、８個の主回路スイッチングトランジスタ１、４個の補助回路トランジスタおよび４個の補助回路ダイオードの各々のリード線が上向き、すなわち主回路基板１５の方向に折り曲げられ、この折り曲げられたリード線が主回路基板１５に形成されたプリント配線パターンの接続穴に差し込まれる。その後、主回路基板１５が固定され、この状態で複数の電子部品とプリント配線パターンとが半田付けされる。

以上の順序でスイッチング素子モジュール８が組み立てられることにより、電子部品のリード線とプリント配線パターンとの半田付け部に残留応力が発生しない。したがって、長期間にわたる半田付け部の信頼性を高めることができる。その後、主回路基板１５に設けられた主回路端子金具１６およびゲート信号コネクタ１７を用いて、スイッチング素子モジュール８と制御回路基板５１とが接続され、インバータ装置の組み立てが完了する。

実施例４に係るスイッチング素子モジュール８によれば、主回路端子金具１６から各スイッチングアーム内の主回路スイッチングトランジスタ１までの配線長を実施例１に係るスイッチング素子モジュールより厳密に等しくすることができるので、高周波スイッチングに対してさらに安定した動作が可能になっている。

図８は、本発明の実施例５に係るスイッチング素子モジュール８の構造を示す図であり、図８（ａ）は正面図、図８（ｂ）は平面図である。図７に示した主回路基板１５の上に制御基板３２が重ねられて構成されている。制御基板３２には、制御回路基板５１で実現されている機能の一部を実現するための電子部品が搭載されており、主回路基板１５と制御基板３２とは電気的に接続されている。

制御基板３２には、ゲート信号を生成して送出するためのゲートＩＣ２１、フォトカプラ２０およびＣＰＵ１９が同心円状に配置されている。この実施例５に係るスイッチング素子モジュール６によれば、各スイッチングアームに含まれる主回路スイッチングトランジスタ１および補助回路トランジスタ２のゲート端子までの配線長をほぼ等しくすることができるので、高周波スイッチングに対してさらに安定した動作が可能になっている。

本発明は、高信頼性および設計の合理化による低コスト性が求められる太陽光発電システム、およびその他の高速スイッチング素子を行うインバータ装置に広く適用可能である。

１ 主回路スイッチングトランジスタ
２ 補助回路トランジスタ
３ 電源回路
４ 補助回路ダイオード
６ 電力系統
７ａ、７ｂ 上下アーム
８ スイッチング素子モジュール
９ 上側スイッチングアーム正極電源用ランド
１０ 下側スイッチングアーム負極電源用ランド
１１ 交流出力上相用ランド
１２ 交流出力下相用ランド
１３ 放熱板
１４ 抑え板
１５ 主回路基板
１６ 主回路端子金具
１７ ゲート信号コネクタ
１８ 冷却フィン
１９ ＣＰＵ
２０ フォトカプラ
２１ ゲートＩＣ
２２ ゲート回路
２３ 制御・主回路基板
２４ ＡＣリアクトル
２５ ＤＣリアクトル
２６ 筐体
３０ａ、３０ｃ 上側スイッチングアーム
３０ｂ、３０ｄ 下側スイッチングアーム
３２ 制御基板
４１ ケーブル
５１ 制御回路基板

Claims (6)

1. 上側スイッチングアームと下側スイッチングアームとから成る上下アームを構成する主回路スイッチングトランジスタ、補助回路トランジスタおよび補助回路ダイオードを含む複数の電子部品と、
   前記複数の電子部品の一方の側面に接するように配置された放熱板と、
   前記複数の電子部品を、該複数の電子部品の他方の側面側から前記放熱板の方向へ押圧する抑え板と、
   前記抑え板に固定され、該抑え板による前記放熱板への押圧によって固定された状態で前記複数の電子部品のリード線が半田付けされた主回路基板と、
   を備えたことを特徴とするスイッチング素子モジュール。
2. 前記主回路基板には、前記主回路スイッチングトランジスタ、補助回路トランジスタおよび補助回路ダイオードを接続するプリント配線パターンが形成され、該プリント配線パターンに、電源供給用および出力取り出し用の主回路端子金具が取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のスイッチング素子モジュール。
3. 前記主回路基板は、前記主回路スイッチングトランジスタのゲート端子および前記補助回路トランジスタのゲート端子を外部に接続するためのゲート信号コネクタを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のスイッチング素子モジュール。
4. 前記主回路基板は矩形を有し、該主回路基板には、上側スイッチングアームを構成する電子部品と下側スイッチングアームを構成する電子部品とが前記矩形内で対称になる位置に取り付けられ、該主回路基板の一方の面には、前記上下アームに電源を供給する幅広のプリント配線パターンから成る上側スイッチングアーム正極電源用ランドと下側スイッチングアーム負極電源用ランドとが前記矩形内で対称になるように形成され、他方の面には、１つの上下アームの出力を取り出すための幅広のプリント配線パターンから成る交流出力上相用ランドと他の上下アームの出力を取り出すための幅広のプリント配線パターンから成る交流出力下相用ランドとが前記矩形内で対称になるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のスイッチング素子モジュール。
5. 前記主回路基板は円形を有し、該主回路基板には、上側スイッチングアームを構成する電子部品と下側スイッチングアームを構成する電子部品とが前記円形の中心点に対して対称になるように取り付けられ、該主回路基板の一方の面には、前記上下アームに電源を供給する幅広のプリント配線パターンから成る上側スイッチングアーム正極電源用ランドと下側スイッチングアーム負極電源用ランドとが前記中心点に対して対称になるように形成され、他方の面には、１つの上下アームの出力を取り出すための幅広のプリント配線パターンから成る交流出力上相用ランドと他の上下アームの出力を取り出すための幅広のプリント配線パターンから成る交流出力下相用ランドとが前記中心点に対して対称になるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のスイッチング素子モジュール。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のスイッチング素子モジュールと、
   前記スイッチング素子モジュールを制御する制御回路が搭載された制御回路基板と、
   を備えたことを特徴とするインバータ装置。

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