JP2011120358A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体モジュールの温度バラツキを抑制すると共に、特定の半導体モジュールに局所的に大きなサージ電圧が作用することを防ぐことができる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】スイッチング素子を内蔵してなる複数の半導体モジュール２と、これらを冷却する冷却器３と、複数の半導体モジュール２に接続されたコンデンサ４とを有する電力変換装置１。複数の半導体モジュール２のうち、冷却器３への放熱が最もされ難い半導体モジュール２０３は、スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が最も小さいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も大きく、かつコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスが最も小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング素子を内蔵してなる複数の半導体モジュールと、これらを冷却する冷却器と、上記複数の半導体モジュールに接続されたコンデンサとを有する電力変換装置に関する。

例えば直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、スイッチング素子を内蔵してなる複数の半導体モジュールと、これらを冷却する冷却器と、上記複数の半導体モジュールに接続されたコンデンサとを有するものがある。
ここで、複数の半導体モジュールとコンデンサとはバスバーによって接続されている。そして、複数の半導体モジュールとコンデンサとの間の閉回路において生じるサージ電圧をできるだけ均等に抑制するために、上記閉回路のインダクタンスをできるだけ均等にすることが行われている。すなわち、これを実現するために、複数の半導体モジュールについて、コンデンサとの間の電流経路の長さをできるだけ均一にすることが行われている（特許文献１等）。

特開２００６−２９５９９７号公報

しかしながら、複数の半導体モジュールとコンデンサとの間の閉回路のインダクタンスを均等にするだけでは、実際には以下の問題が生じ得る。
すなわち、複数の半導体モジュールは冷却器によって冷却されるが、冷却器の位置によって冷却媒体の流量や温度に分布が生じるため、すべての半導体モジュールを均等に冷却することができない。例えば、図３に示すごとく、冷却器３を構成する複数の冷却管３１の間に半導体モジュール２を配置し、積層方向Ｓの一端（前端）の冷却管３１１に冷媒導入口３２１と冷媒排出口３２２とを設けた場合、どうしても積層方向Ｓの他端（後端）側の冷却管３１４ほど冷却媒体６の流量が少なくなってしまう（図５（Ａ））。その結果、積層方向Ｓの後端に近い位置に配された半導体モジュール２ほど、冷却器３との間の熱抵抗が高いため、冷却され難く、温度が上昇しやすい（図５（Ｂ）、（Ｃ））。

また、例えば、図１０に示すごとく、冷却器３における冷媒流路の上流側から下流側へ複数の半導体モジュール２が配置されている構成においては、最下流の半導体モジュール２０３の温度が上昇しやすい。すなわち、冷媒導入口３２１に近い上流側よりも冷媒排出口３２２に近い下流側の方が、冷却媒体６の温度が高くなるため、下流側に配置された半導体モジュール２ほど冷却されにくく、温度が上昇しやすい。

ここで、図５（Ａ）は、４本の冷却管３１１、３１２、３１３、３１４における冷却媒体６の流量を示す。また、図５（Ｂ）は、３個の半導体モジュール２０１、２０２、２０３の冷却器３との間の熱抵抗を示す。図５（Ｃ）は、３個の半導体モジュール２０１、２０２、２０３の温度を示す。図３、図１０に示すごとく、４本の冷却管３１１、３１２、３１３、３１４は、この順に前端に近く、あるいは冷媒流路の最上流に近い。また、図３、図１０に示すごとく、３個の半導体モジュール２０１、２０２、２０３は、この順に前端に近く、あるいは冷媒流路の最上流に近い。

上述の問題を解決するために、積層方向後端側あるいは冷媒流路の下流側の半導体モジュール２のスイッチング素子ほど、ゲート抵抗を小さくすることによりスイッチング素子のオンオフの立ち上がり速度及び立ち下がり速度を速くすることによりスイッチング損失を低減して、スイッチング素子の発熱量を抑制することにより、温度上昇を抑制するということが考えられる（図６（Ａ）、（Ｂ））。

ところが、ゲート抵抗を小さくしてスイッチング素子の立ち上がり速度及び立ち下がり速度（ｄＩ／ｄｔ）を速くすると、半導体モジュール２に生じるサージ電圧ΔＶが大きくなるという問題がある（図６（Ｃ））。つまり、半導体モジュール２とコンデンサ４との間の閉回路のインダクタンスをＬとすると、ΔＶ＝Ｌ×（ｄＩ／ｄｔ）の関係があるため、スイッチング素子の立ち上がり速度及び立ち下がり速度（ｄＩ／ｄｔ）を速くすると、サージ電圧ΔＶが大きくなってしまう。
したがって、冷却管３の積層方向Ｓの後端に近い位置に配される半導体モジュール２（或いは冷媒流路の下流側に配置される半導体モジュール２）ほど、高いサージ電圧を発生しやすくなる。

ここで、上記のように複数の半導体モジュール２とコンデンサ４との間の閉回路のインダクタンスを均等にした設計では、結局、冷却管３１の積層方向Ｓの後端に近い位置に配される半導体モジュール２ほど、高いサージ電圧がかかることとなる。すなわち、積層方向Ｓの後端（あるいは冷媒流路の最下流）に配された半導体モジュール２０３に、局所的に大きなサージ電圧がかかることとなり、この半導体モジュール２０３に作用するサージ電圧が、電力変換装置における配線設計上の律速となってしまうという問題がある（図６（Ｃ））。

なお、図６（Ａ）は、３個の半導体モジュール２０１、２０２、２０３のゲート抵抗を示す。図６（Ｂ）は、３個の半導体モジュール２０１、２０２、２０３の温度を示す。同図における破線ａは、ゲート抵抗が３個の半導体モジュール２のスイッチング素子間で同一の場合の温度を示し、実線ｂは、ゲート抵抗を図６（Ａ）のように変化させた場合の温度を示す。図６（Ｃ）は、３個の半導体モジュール２０１、２０２、２０３にかかるサージ電圧を示す。同図における破線ｃは、ゲート抵抗が３個の半導体モジュール２のスイッチング素子間で同一の場合のサージ電圧を示し、実線ｄは、ゲート抵抗を図６（Ａ）のように変化させた場合のサージ電圧を示す。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、複数の半導体モジュールの温度バラツキを抑制すると共に、特定の半導体モジュールに局所的に大きなサージ電圧が作用することを防ぐことができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、スイッチング素子を内蔵してなる複数の半導体モジュールと、これらを冷却する冷却器と、上記複数の半導体モジュールに接続されたコンデンサとを有する電力変換装置であって、
上記複数の半導体モジュールのうち、上記冷却器への放熱が最もされ難い半導体モジュールは、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が最も小さいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も大きく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが最も小さいことを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置においては、上記冷却器への放熱が最もされ難い半導体モジュールは、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が最も小さいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も大きい。これにより、複数の半導体モジュールのうち、最も冷却され難い半導体モジュールにおいて、スイッチング素子の発熱量を最も小さくすることができる。すなわち、この半導体モジュールのスイッチング素子のゲート抵抗又はベース抵抗を最も小さくし、或いはゲート電圧又はベース電圧を最も大きくすることにより、スイッチング損失を最小にしてその発熱を最小にすることができる。その結果、複数の半導体モジュールの間の温度バラツキを抑制することができる。

ただし、この半導体モジュールのスイッチング素子のゲート抵抗又はベース抵抗を小さくし、或いはゲート電圧又はベース電圧を大きくすると、サージ電圧は大きくなりやすい。
そこで、本発明においては、この半導体モジュールと上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスを最も小さくしている。これにより、冷却器への放熱が最もされ難い半導体モジュールにかかるサージ電圧を抑制することができる。すなわち、複数の半導体モジュールにかかるサージ電圧のバラツキを抑制することができる。

以上のごとく、本発明によれば、複数の半導体モジュールの温度バラツキを抑制すると共に、特定の半導体モジュールに局所的に大きなサージ電圧が作用することを防ぐことができる電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置の平面説明図。 実施例１における、電力変換装置の斜視図。 複数の冷却管に流れる冷却媒体の流量バラツキの説明図。 電力変換装置の回路図。 （Ａ）各冷却管における冷却媒体の流量を比較する線図、（Ｂ）各半導体モジュールの熱抵抗を比較する線図、（Ｃ）各半導体モジュールの温度を比較する線図。 （Ａ）各半導体モジュールのゲート抵抗を比較する線図、（Ｂ）各半導体モジュールの温度を比較する線図、（Ｃ）各半導体モジュールのサージ電圧を比較する線図。 （Ａ）各半導体モジュールとコンデンサとの間の電流経路のインダクタンスを比較する線図、（Ｂ）各半導体モジュールのサージ電圧を比較する線図。 実施例２における、電力変換装置の平面説明図。 実施例３における、電力変換装置の斜視図。 実施例３における、冷媒流路の平面説明図。

本発明において、上記複数の半導体モジュールのうち、上記冷却器への放熱が最もされ易い半導体モジュールは、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が最も大きいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も小さく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが最も大きいことが好ましい（請求項２）。
この場合には、複数の半導体モジュールの温度バラツキを一層抑制すると共に、特定の半導体モジュールに局所的に大きなサージ電圧が作用することをより効果的に防ぐことができる。

また、上記冷却器への放熱がよりされ難い半導体モジュールほど、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が小さいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も大きく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが小さいことが好ましい（請求項３）。
この場合には、複数の半導体モジュールの温度バラツキをより一層抑制すると共に、複数の半導体モジュールに作用するサージ電圧をもより一層均等化することができる。

また、上記冷却器は、内部の冷媒流路が互いに連結された複数の冷却管を有し、上記複数の半導体モジュールと上記冷却管とは互いに積層されており、積層方向の前端に配置される上記冷却管には、上記冷却器へ冷却媒体を導入する冷媒導入口と、上記冷却器から冷却媒体を排出する冷媒排出口とを設けてあり、上記積層方向の後端に配置された上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が最も小さいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も大きく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが最も小さいことが好ましい（請求項４）。
この場合には、複数の半導体モジュールの温度バラツキを抑制すると共に、特定の半導体モジュールに局所的に大きなサージ電圧が作用することを防ぐことができる。

すなわち、上記積層方向の後端に配置された上記半導体モジュールは、少なくとも、積層方向の後端に配置された冷却管と接触することとなる。この後端の冷却管は、上記冷媒導入口及び上記冷媒排出口から最も遠い位置に配されるため、冷却媒体の流量が最も少なくなりやすい。その結果、後端の半導体モジュールは、冷却器との間の熱抵抗が最も高くなり、最も冷却され難い。そこで、この後端の半導体モジュールのスイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗を最も小さく、或いはゲート電圧又はベース電圧を最も大きくして、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスを最も小さくすることにより、その温度上昇を抑制し、サージ電圧を抑制する。
これにより、複数の半導体モジュールの温度バラツキを抑制すると共に、特定の半導体モジュールに局所的に大きなサージ電圧が作用することを防ぐことができる。

また、上記積層方向の最も前端に配置された上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が最も大きいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も小さく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが最も大きいことが好ましい（請求項５）。
この場合には、複数の半導体モジュールの温度バラツキを一層抑制すると共に、半導体モジュールに作用するサージ電圧をより均等化することができる。

上記積層方向の前端に配置された半導体モジュールは、少なくとも、積層方向の前端に配置された冷却管と接触することとなる。この前端の冷却管は、上記冷媒導入口及び上記冷媒排出口に最も位置に配されるため、冷却媒体の流量が最も多くなりやすい。その結果、前端の半導体モジュールは、冷却器との間の熱抵抗が最も小さくなり、最も冷却されやすい。そこで、この半導体モジュールのスイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗を最も大きく、或いはゲート電圧又はベース電圧を最も小さくし、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスを最も大きくしても、他の半導体モジュールに比べて、その温度上昇やサージ電圧が極端に高くなることがない。その結果、複数の半導体モジュールの温度バラツキを一層抑制すると共に、半導体モジュールに作用するサージ電圧をより均等化することができる。

また、上記積層方向の後端により近い位置に配置された上記半導体モジュールほど、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が小さいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も大きく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが小さいことが好ましい（請求項６）。
この場合には、複数の半導体モジュールの温度バラツキをより一層抑制すると共に、複数の半導体モジュールに作用するサージ電圧をもより一層均等化することができる。

また、上記複数の半導体モジュールと上記コンデンサとを電気的に接続する正極バスバー及び負極バスバーは、上記積層方向の後端に配された上記半導体モジュールとの接続部から更に後方へ延設された延設部に上記コンデンサとの接続部を設けてなることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記積層方向の後端に配置された上記半導体モジュールと上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが最も小さくなる構成とすることが容易となる。

また、上記複数の半導体モジュールは、交流電力を授受する交流負荷の端子と、複数の入出力バスバーによって接続されており、該入出力バスバーは、上記積層方向と直交する方向を向き、上記正極バスバー及び上記負極バスバーは、上記冷却器における積層方向の後端側から上記入出力バスバーの延設方向と同一の方向へ屈曲していることが好ましい（請求項８）。
この場合には、上記複数の半導体モジュールに対して、上記コンデンサと上記交流負荷とを、同じ側において接続することができる。そのため、電力変換装置の組み立てを容易に行うことができる。

また、上記冷却器は、冷却媒体が一定の方向に流れるよう構成された冷媒流路を内部に有しており、上記複数の半導体モジュールのうち、上記冷媒流路の最下流に配された半導体モジュールは、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が最も小さいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も大きく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが最も小さいことが好ましい（請求項９）。
この場合には、複数の半導体モジュールの温度バラツキを抑制すると共に、特定の半導体モジュールに局所的に大きなサージ電圧が作用することを防ぐことができる。

すなわち、上記冷却器を流れる冷却媒体は、下流側へ行くほど半導体モジュールとの熱交換を行っているため、温度が高くなっている。それゆえ、冷媒流路の最下流に配置された半導体モジュールは、冷却器への放熱が最もされ難い。そこで、この冷媒流路の最下流の半導体モジュールのスイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗を最も小さく、或いはゲート電圧又はベース電圧を最も大きくして、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスを最も小さくすることにより、その温度上昇を抑制し、サージ電圧を抑制する。
これにより、複数の半導体モジュールの温度バラツキを抑制すると共に、特定の半導体モジュールに局所的に大きなサージ電圧が作用することを防ぐことができる。

また、上記複数の半導体モジュールのうち、上記冷媒流路の最上流に配された半導体モジュールは、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が最も大きいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も小さく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが最も大きいことが好ましい（請求項１０）。
この場合には、複数の半導体モジュールの温度バラツキを一層抑制すると共に、半導体モジュールに作用するサージ電圧をより均等化することができる。

すなわち、上記冷却器を流れる冷却媒体は、上流側ほど温度が低いため、冷媒流路の最上流に配置された半導体モジュールは、冷却器への放熱が最もされ易い。そこで、この上記半導体モジュールのスイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗を最も大きく、或いはゲート電圧又はベース電圧を最も小さくし、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスを最も大きくしても、他の半導体モジュールに比べて、その温度上昇やサージ電圧が極端に高くなることがない。その結果、複数の半導体モジュールの温度バラツキを一層抑制すると共に、半導体モジュールに作用するサージ電圧をより均等化することができる。

また、上記冷媒流路の下流側の半導体モジュールほど、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が小さいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も大きく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが小さいことが好ましい（請求項１１）。
この場合には、複数の半導体モジュールの温度バラツキをより一層抑制すると共に、複数の半導体モジュールに作用するサージ電圧をもより一層均等化することができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図７を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、スイッチング素子を内蔵してなる複数の半導体モジュール２と、これらを冷却する冷却器３と、上記複数の半導体モジュール２に接続されたコンデンサ４とを有する。
複数の半導体モジュール２のうち、冷却器３への放熱が最もされ難い半導体モジュール２０３は、スイッチング素子におけるゲート抵抗Ｒ３が最も小さく、かつコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスＬ３が最も小さい。

冷却器３は、内部の冷媒流路が互いに連結された複数の冷却管３１を有する。複数の半導体モジュール２と冷却管３１とは互いに積層されている。そして、各半導体モジュール２は、両主面から冷却管３１によって挟持された状態にある。半導体モジュール２の両主面には、冷却管３１が直接密着していてもよいし、熱伝導性を有する絶縁体を介して密着していてもよい。

積層方向Ｓの前端に配置される冷却管３１１には、冷却器３へ冷却媒体６を導入する冷媒導入口３２１と、冷却器３から冷却媒体６を排出する冷媒排出口３２２とを設けてある。
冷媒導入口３２１から導入された冷却媒体６は、４本の冷却管３１に分配されて各冷却管３１内を流れる。このとき、各冷却管３１に密着配置された半導体モジュール２と熱交換することにより、半導体モジュール２を冷却する。その後、冷却媒体６は冷媒排出口３２２に集まり、そこから冷却器３の外へ排出される。なお、冷却媒体６としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等の冷媒を用いることができる。

そして、後述するごとく、積層方向Ｓの後端に配置された半導体モジュール２０３が、複数の半導体モジュール２のうち、冷却器３への放熱が最もされ難い。それゆえ、この半導体モジュール２０３を、スイッチング素子におけるゲート抵抗Ｒ３が最も小さく、かつコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスＬ３が最も小さくなるようにしている。

本例においては、電力変換装置１が３個の半導体モジュール２を有するものとして説明するが、半導体モジュール２の数は限定されるものではない。そして、本例における３個の半導体モジュール２については、積層方向Ｓの前端（冷媒導入口３２１及び冷媒排出口３２２に近い側）から順に、符号を２０１、２０２、２０３として説明する。

また、図４に示すごとく、各半導体モジュール２は、２個のスイッチング素子２２と２個のダイオード２３とを内蔵してなる。スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であり、ダイオード２３はフライホイールダイオードである。また、２個のスイッチング素子２２は一方（ハイサイド側）のスイッチング素子２２のエミッタと他方（ローサイド側）のスイッチング素子２２のコレクタとを接続してなる。また、それぞれのスイッチング素子２２のエミッタ−コレクタ間に、ダイオード２３が逆並列接続されている。

そして、図２に示すごとく、各半導体モジュール２は、３本の主電極端子２１を、上記積層方向Ｓ及び冷却管３１の長手方向に直交する方向へ突出形成してなる。そして、３本の主電極端子２１には、ハイサイド側のスイッチング素子２２のコレクタが接続される主電極端子２１１と、ローサイド側のスイッチング素子２２のエミッタが接続される主電極端子２１２と、２個のスイッチング素子２２の接点部が接続される主電極端子２１３とがある。

３個の半導体モジュール２における主電極端子２１１は、１本の正極バスバー５１に接続され、３個の半導体モジュール２における主電極端子２１２は、１本の負極バスバー５２に接続されている。
正極バスバー５１は、その一端をコンデンサ４の一方の電極４１１に接続され、負極バスバー５２は、その一端をコンデンサ４の他方の電極４１２に接続されている。また、正極バスバー５１と負極バスバー５２は、直流電源（図示略）の正極と負極とにそれぞれ電気的に接続されている。
正極バスバー５１及び負極バスバー５２は、それぞれ側辺から切り込まれたスリット部５４を複数有し、該スリット部５４に主電極端子５１、５２を配置している。そして、この部分において、主電極端子２１１と正極バスバー５１、主電極バスバー２１２と負極バスバー５２とをそれぞれ溶接してある。

また、半導体モジュール２における主電極端子２１３は、電力変換装置１との間で交流電力を授受する交流負荷としての三相交流の回転電機１１（図４）の３つの電極に、それぞれ入出力バスバー５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗを介して接続されている。

すなわち、前端の半導体モジュール２０１は回転電機１１のＵ相電極に入出力バスバー５３Ｕを介して接続され、中間の半導体モジュール２０２は回転電機のＶ相電極に入出力バスバー５３Ｖを介して接続され、後端の半導体モジュール２０３は回転電機のＷ相電極に入出力バスバー５３Ｗを介して接続されている。入出力バスバー５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗは、積層方向Ｓ及び主電極端子２１の突出方向に対して直交する方向に延びている。
入出力バスバー５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗと、主電極端子２１３とは、互いに主面同士を重ね合わせるように配置されると共に、主電極端子２１３の先端部において互いに溶接されている。

本例の電力変換装置１は、直流電源（図示略）の直流電力を交流に変換して、回転電機１１を駆動し、回転電機１１において発電した交流電力を直流電力に変換して、直流電源に回収する。

上記のごとく、複数の冷却管３１を積層した冷却器３においては、冷媒導入口３２１及び冷媒排出口３２２に近い前端の冷却管３１ほど冷却媒体６の流量が多くなる。すなわち、図３に示すごとく、積層配置された４本の冷却管３１のうち、冷媒導入口３２１及び冷媒排出口３２２に近い側から順に、その符号を３１１、３１２、３１３、３１４とすると、冷却管３１４を流れる冷却媒体６の流量が最も少なく、冷却管３１３、３１２、３１１の順に、流量が徐々に多くなる。
それゆえ、後端に配された半導体モジュール２０３、すなわち、冷却管３１３と冷却管３１４との間に挟持された半導体モジュール２０３は、冷却媒体６との熱交換が最もされ難く、放熱され難い。すなわち、冷却器３との間の熱抵抗が最も大きい（図５（Ａ）、（Ｂ））。

一方、冷却媒体６の流量が最も多くなるのは、前端の冷却管３１１であり、その次に冷却媒体６の流量が多くなるのは、前から２本目の冷却管３１２である。それゆえ、これらの冷却管３１１及び冷却管３１２の間に挟持された前端の半導体モジュール２０１は、冷却媒体６との熱交換が最もされ易く、放熱され易い。すなわち、冷却器３との間の熱抵抗が最も小きい。
また、冷却媒体６の流量が４本の冷却管３１のうちの２番目と３番目の冷却管３１２、３２３の間に配された中間の半導体モジュール２０２は、放熱されやすさが前端の半導体モジュール２０１よりも小さく、後端の半導体モジュール２０３よりも大きい。

そこで、図６（Ａ）、図７（Ａ）に示すごとく、３個の半導体モジュール２のうち、前端の半導体モジュール２０１は、スイッチング素子におけるゲート抵抗Ｒ１が最も大きく、かつコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスＬ１が最も大きくなるようにしている。
そして、中間の半導体モジュール２０２は、スイッチング素子におけるゲート抵抗Ｒ２、及びコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスＬ２を、他の２つの半導体モジュール２０１、２０３の中間となるようにしている。

すなわち、半導体モジュール２０１のスイッチング素子におけるゲート抵抗Ｒ１と、半導体モジュール２０２のスイッチング素子におけるゲート抵抗Ｒ２と、半導体モジュール２０３のスイッチング素子におけるゲート抵抗Ｒ３とは、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３の関係を有する。
そして、半導体モジュール２０１とコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスＬ１と、半導体モジュール２０２とコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスＬ２と、半導体モジュール２０３とコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスＬ３とは、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３の関係を有する。

なお、図７（Ａ）は、３個の半導体モジュール２０１、２０２、２０３のそれぞれとコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスを示す。図７（Ｂ）は、３個の半導体モジュール２０１、２０２、２０３にかかるサージ電圧を示す。同図において、破線ｅは、インダクタンスを３個の半導体モジュール２について同等とした場合（Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３とした場合）のサージ電圧を示し、実線ｆは、インダクタンスを図７（Ａ）のように変化させた場合（Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３とした場合）のサージ電圧を示す。

また、上記のようなインダクタンスの関係（Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３）は、図１に示すような正極バスバー５１及び負極バスバー５２の配線によって実現することができる。すなわち、正極バスバー５１及び負極バスバー５２は、後端の半導体モジュール２３との接続部からさらに積層方向Ｓの後方へ延設された延設部５１１、５２１においてコンデンサ４との接続部を設けている。

すなわち、複数の半導体モジュール２の主電極端子２１１、２１２は、それぞれ、積層方向Ｓに一直線上に配置されている。そして、一直線上に配置された３本の主電極端子２１１は、積層方向Ｓをその長手方向とする正極バスバー５１に接続され、一直線上に配置された３本の主電極端子２１２は、積層方向Ｓをその長手方向とする負極バスバー５２に接続されている。そして、正極バスバー５１及び負極バスバー５２は、後端の半導体モジュール２０３の主電極端子２１１、２１２との接続部から延設された延設部５１１、５２１において、コンデンサ４が接続されている。

これにより、後端の半導体モジュール２０３とコンデンサ４との間の電流経路は、他の半導体モジュール２０１、２０２とコンデンサ４との間の電流経路よりも、その内側に形成される領域が小さくなる。
つまり、半導体モジュール２とコンデンサ４との間の電流経路は、正極バスバー５１及び負極バスバー５２のうち当該半導体モジュール２とコンデンサ４との間の部分と、半導体モジュール２０３と、コンデンサ４とによって構成される。そして、正極バスバー５１及び負極バスバー５２のうち半導体モジュール２とコンデンサ４との間の部分が最も短くなるのが、後端の半導体モジュール２０３となる。その結果、３つの半導体モジュール２のうち、後端の半導体モジュール２０３とコンデンサ４との間の電流経路が最も短くなり、そのインダクタンスＬ３を最も小さくすることができる。
逆に、正極バスバー５１及び負極バスバー５２のうち半導体モジュール２とコンデンサ４との間の部分が最も長くなるのが、前端の半導体モジュール２０１であるため、そのインダクタンスＬ１が最も大きくなる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１においては、冷却器３への放熱が最もされ難い後端の半導体モジュール２０３は、スイッチング素子におけるゲート抵抗Ｒ３が最も小さい。これにより、複数の半導体モジュール２のうち、最も冷却され難い半導体モジュール２０３において、スイッチング素子の発熱量を最も小さくすることができる。すなわち、この半導体モジュール２のスイッチング素子のゲート抵抗Ｒ３を最も小さくすることにより、スイッチング損失を最小にしてその発熱を最小にすることができる。その結果、複数の半導体モジュール２の間の温度バラツキを抑制することができる。

ただし、図６（Ａ）、（Ｃ）に示すごとく、この半導体モジュール２０３のスイッチング素子のゲート抵抗Ｒ３を小さくすると、サージ電圧は大きくなりやすい。
そこで、本例においては、図７（Ａ）に示すごとく、この半導体モジュール２０３とコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスＬ３を最も小さくしている。これにより、図７（Ｂ）に示すごとく、冷却器３への放熱が最もされ難い半導体モジュール２０３にかかるサージ電圧を抑制することができる。すなわち、複数の半導体モジュール２にかかるサージ電圧のバラツキを抑制することができる。

また、図６（Ａ）、図７（Ａ）に示すごとく、複数の半導体モジュール２のうち、冷却器３への放熱が最もされ易い半導体モジュール２は、スイッチング素子２におけるゲート抵抗Ｒ１が最も大きく、かつコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスＬ１が最も大きい。そして、冷却器３への放熱がよりされ難い半導体モジュール２ほど、スイッチング素子におけるゲート抵抗が小さく、かつコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスが小さい。すなわち、上記ゲート抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３の関係を有し、上記インダクタンスＬ１、Ｌ２、Ｌ３は、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３の関係を有する。
そのため、図６（Ｂ）に示すごとく、複数の半導体モジュール２の温度バラツキをより一層抑制すると共に、図７（Ｂ）に示すごとく、複数の半導体モジュール２に作用するサージ電圧をもより一層均等化することができる。

また、正極バスバー５１及び負極バスバー５２は、積層方向Ｓの後端に配された半導体モジュール２０３との接続部から更に後方へ延設された延設部５１１、５２１にコンデンサ４との接続部を設けてなる。これにより、後端の半導体モジュール２０３とコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスＬ３が最も小さくなる構成とすることが容易となる。

以上のごとく、本例によれば、複数の半導体モジュールの温度バラツキを抑制すると共に、特定の半導体モジュールに局所的に大きなサージ電圧が作用することを防ぐことができる電力変換装置を提供することができる。

なお、上記実施例１において、｛（Ｒ１＝Ｒ２＞Ｒ３）又は（Ｒ１＞Ｒ２＝Ｒ３）｝かつ｛（Ｌ１＝Ｌ２＞Ｌ３）又は（Ｌ１＞Ｌ２＝Ｌ３）｝としても、本発明の作用効果を得ることはできる。

また、冷却器３への放熱が最もされ難い後端の半導体モジュール２０３のスイッチング素子におけるゲート電圧を最も大きくし、冷却器３への放熱が最もされ易い前端の半導体モジュール２０１のスイッチング素子におけるゲート電圧を最も小さくすることによって、複数の半導体モジュール２の温度ばらつきを抑制することもできる。ゲート電圧を高くするほどスイッチング素子のスイッチングの立ち上げ速度及び立ち下げ速度が速くなり、スイッチング損失が小さくなる。
それゆえ、この場合にも、後端の半導体モジュール２０３のスイッチング素子のスイッチング速度が速くなることによって、その損失を抑制し、発熱を抑制することができるためである。

また、スイッチング素子として、ベース電極を有するバイポーラトランジスタを用いる場合には、上述した「ゲート抵抗」、「ゲート電圧」を、「ベース抵抗」、「ベース電圧」に置き換えることによって、同様のことが言える。
また、下記の実施例２、３においても同様である。

（実施例２）
本例は、図８に示すごとく、正極バスバー５１及び負極バスバー５２が、冷却器３における積層方向Ｓの後端側から入出力バスバー５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗの延設方向と同一の方向へ屈曲している例である。
そして、コンデンサ４は、半導体モジュール２と冷却管３１との積層体に対して、入出力バスバー５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗが延設された側の側方に配置されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、複数の半導体モジュール２に対して、コンデンサ４と交流負荷とを、同じ側（図８における下側）において接続することができる。そのため、電力変換装置１の組み立てを容易に行うことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図９、図１０に示すごとく、冷却器３０における一つの冷却面３３に３個の半導体モジュール２を、冷媒流路に沿って並べて配置した電力変換装置１０の例である。
冷却器３０は、略直方体形状を有すると共に冷却面３３とは異なる一つの端面３４の両端に冷媒導入口３２１と冷媒排出口３２２とをそれぞれ設けてなる。
ここで、冷却器３０における、冷却面３３及び端面３４に直交する２つの面のうち、冷媒導入口３２１に近い側を前端面３５１とし、冷媒排出口３２２に近い側を後端面３５２とする。

かかる冷却器３０においては、図１０に示すごとく、冷媒導入口３２１から導入された冷却媒体６が、前端面３５１から後端面３５２へ向かう方向へ流れる。
そして、この冷却媒体６の流通方向に沿って、前端の半導体モジュール２０１、中間の半導体モジュール２０２、後端の半導体モジュール２０３が、この順で配置されている。

そして、これら３個の半導体モジュール２における一つの主電極端子２１１が正極バスバー５１に接続され、他の主電極端子２１２が負極バスバー５２に接続されている。正極バスバー５１及び負極バスバー５２は、後端の半導体モジュール２０３との接続部から更に後方へ延設された延設部５１１、５２１において、コンデンサ４と接続されている。
また、３個の半導体モジュール２における、さらに他の主電極端子２１３は、それぞれ入出力バスバー５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗに接続され、交流負荷のＵ相電極、Ｖ相電極、Ｗ相電極に接続されている。

そして、３個の半導体モジュール２のうち、冷媒流路の最下流に配された後端の半導体モジュール２０３は、スイッチング素子におけるゲート抵抗Ｒ３が最も小さく、かつコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスＬ３が最も小さい。
また、冷媒流路の最上流に配された前端の半導体モジュール２０１は、スイッチング素子におけるゲート抵抗Ｒ１が最も大きく、かつコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスＬ１が最も大きい。

そして、３個の半導体モジュール２のうち中間位置に配された中間の半導体モジュール２０２は、スイッチング素子におけるゲート抵抗Ｒ２、及びコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスＬ２が、他の２個の半導体モジュール２０１、２０３の中間である。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合にも、複数の半導体モジュール２の温度バラツキを抑制すると共に、特定の半導体モジュール２に局所的に大きなサージ電圧が作用することを防ぐことができる。
すなわち、冷却器３０を流れる冷却媒体６は、下流側へ行くほど半導体モジュール２との熱交換を行っているため、温度が高くなっている。それゆえ、冷媒流路の最下流に配置された半導体モジュール２０３は、冷却器３０への放熱がされ難い。そこで、この冷媒流路の最下流の半導体モジュール２のスイッチング素子におけるゲート抵抗Ｒ３が最も小さく、かつコンデンサ４との間の電流経路におけるインダクタンスＬ３を最も小さくすることにより、その温度上昇を抑制し、サージ電圧を抑制する。
これにより、複数の半導体モジュール２の温度バラツキを抑制すると共に、特定の半導体モジュール２に局所的に大きなサージ電圧が作用することを防ぐことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

１、１０ 電力変換装置
２、２０１、２０２、２０３ 半導体モジュール
３、３０ 冷却器
３１、３１１、３１２、３１３、３１４ 冷却管
４ コンデンサ
５１ 正極バスバー
５２ 負極バスバー
５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗ 入出力バスバー

Claims (11)

1. スイッチング素子を内蔵してなる複数の半導体モジュールと、これらを冷却する冷却器と、上記複数の半導体モジュールに接続されたコンデンサとを有する電力変換装置であって、
   上記複数の半導体モジュールのうち、上記冷却器への放熱が最もされ難い半導体モジュールは、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が最も小さいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も大きく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが最も小さいことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、上記複数の半導体モジュールのうち、上記冷却器への放熱が最もされ易い半導体モジュールは、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が最も大きいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も小さく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが最も大きいことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載の電力変換装置において、上記冷却器への放熱がよりされ難い半導体モジュールほど、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が小さいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も大きく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが小さいことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置において、上記冷却器は、内部の冷媒流路が互いに連結された複数の冷却管を有し、上記複数の半導体モジュールと上記冷却管とは互いに積層されており、積層方向の前端に配置される上記冷却管には、上記冷却器へ冷却媒体を導入する冷媒導入口と、上記冷却器から冷却媒体を排出する冷媒排出口とを設けてあり、上記積層方向の後端に配置された上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が最も小さいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も大きく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが最も小さいことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、上記積層方向の最も前端に配置された上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が最も大きいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も小さく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが最も大きいことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項４又は５に記載の電力変換装置において、上記積層方向の後端により近い位置に配置された上記半導体モジュールほど、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が小さいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も大きく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが小さいことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項４〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置において、上記複数の半導体モジュールと上記コンデンサとを電気的に接続する正極バスバー及び負極バスバーは、上記積層方向の後端に配された上記半導体モジュールとの接続部から更に後方へ延設された延設部に上記コンデンサとの接続部を設けてなることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項７に記載の電力変換装置において、上記複数の半導体モジュールは、交流電力を授受する交流負荷の端子と、複数の入出力バスバーによって接続されており、該入出力バスバーは、上記積層方向と直交する方向を向き、上記正極バスバー及び上記負極バスバーは、上記冷却器における積層方向の後端側から上記入出力バスバーの延設方向と同一の方向へ屈曲していることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置において、上記冷却器は、冷却媒体が一定の方向に流れるよう構成された冷媒流路を内部に有しており、上記複数の半導体モジュールのうち、上記冷媒流路の最下流に配された半導体モジュールは、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が最も小さいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も大きく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが最も小さいことを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項９に記載の電力変換装置において、上記複数の半導体モジュールのうち、上記冷媒流路の最上流に配された半導体モジュールは、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が最も大きいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も小さく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが最も大きいことを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項９又は１０に記載の電力変換装置において、上記冷媒流路の下流側の半導体モジュールほど、上記スイッチング素子におけるゲート抵抗又はベース抵抗が小さいか、或いはゲート電圧又はベース電圧が最も大きく、かつ上記コンデンサとの間の電流経路におけるインダクタンスが小さいことを特徴とする電力変換装置。

Images