JP2011120376A - Power semiconductor module and power conversion device employing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置特にマトリクスコンバータ回路に適用するパワー半導体モジュール及びそれを適用した電力変換装置の構成法に関する。 The present invention relates to a power semiconductor module applied to a power conversion device, particularly a matrix converter circuit, and a configuration method of a power conversion device to which the power semiconductor module is applied.
図６に交流電源ＡＣＰから任意の周波数の交流を直流回路を介さずに作り出す電力変換回路であるマトリクスコンバータの回路例を示す。本回路は一般的なＡＣ−ＤＣ−ＡＣ変換回路と比較して直流回路が省略できるため、小型化や電解コンデンサレス化による長寿命化が可能といった特長を有する。
ＡＣＰが３相交流電源でそれぞれがＲ相、Ｓ相、Ｔ相である。Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３が入力フィルタ用コンデンサ、ＬＲ、ＬＳ、ＬＴが入力フィルタ用のリアクトル、ＭＣがマトリクスコンバータ変換器部、Ｍがモータなどの負荷である。変換器部ＭＣにおいて、Ｓ１〜Ｓ９が双方向スイッチ素子で、図７（ａ）に示すような逆耐圧を有するＩＧＢＴを逆並列に接続する構成や、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示すように逆耐圧を有しないＩＧＢＴとダイオードとの組み合わせで実現できる。
FIG. 6 shows a circuit example of a matrix converter that is a power conversion circuit that generates alternating current of an arbitrary frequency from the alternating current power supply ACP without using a direct current circuit. Compared with a general AC-DC-AC conversion circuit, this circuit can omit a DC circuit, and thus has a feature that it can be downsized and have a longer life due to the absence of an electrolytic capacitor.
ACP is a three-phase AC power source, and each of them is an R phase, an S phase, and a T phase. C1, C2, and C3 are input filter capacitors, LR, LS, and LT are input filter reactors, MC is a matrix converter converter, and M is a load such as a motor. In the converter part MC, S1 to S9 are bidirectional switch elements, and IGBTs having reverse breakdown voltages as shown in FIG. 7A are connected in antiparallel, as shown in FIGS. 7B and 7C. As shown in FIG. 4, it can be realized by a combination of an IGBT and a diode having no reverse breakdown voltage.
また図６のシステムを構築するにあたり、変換器部ＭＣに適用するパワー半導体モジュールは、装置の小型化と、各素子間の配線の複雑化を解消するために、一般に小型化と各素子間の配線を省略化するために、１８個の逆阻止形の素子（または逆耐圧を有しないＩＧＢＴを使用する場合は３６個の素子）を１つのパワー半導体モジュールに内蔵したもの（１８ｉｎ１モジュール）が特許文献１に記載されている。 In constructing the system of FIG. 6, the power semiconductor module applied to the converter section MC is generally reduced in size and between the elements in order to reduce the size of the apparatus and the complexity of wiring between the elements. In order to eliminate wiring, 18 reverse-blocking elements (or 36 elements when using IGBTs that do not have reverse breakdown voltage) are built in one power semiconductor module (18 in 1 module). It is described in Document 1.
図８に、１８ｉｎ１モジュールの概略構成図（平面図）例を示す。モジュールＭＪの上部にＲ相、Ｓ相、Ｔ相の出力端子Ｒ、Ｓ、Ｔ、モジュール下部にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗが設置され、モジュール内部に１８個の逆耐圧を有するＩＧＢＴチップＱＴが図６の回路図に従い搭載された構成である。
図９は、１８ｉｎ１モジュールを３個（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）並列接続した時の配線図である。３個のモジュールの入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔ同士及び出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗ同士はそれぞれ並列接続される。
従来のマトリクスコンバータの回路例や図８のマトリクスコンバータ用の１８ｉｎ１モジュール例の詳細については、特許文献１に示されている。
FIG. 8 shows an example of a schematic configuration diagram (plan view) of an 18 in 1 module. R-, S-, and T-phase output terminals R, S, and T are installed at the top of the module MJ, and U-, V-, and W-phase output terminals U, V, and W are installed at the bottom of the module. The IGBT chip QT having the reverse breakdown voltage is mounted according to the circuit diagram of FIG.
FIG. 9 is a wiring diagram when three 18 in 1 modules (M1, M2, M3) are connected in parallel. The input terminals R, S, and T of the three modules and the output terminals U, V, and W are connected in parallel.
Details of the circuit example of the conventional matrix converter and the example of the 18-in-1 module for the matrix converter of FIG. 8 are disclosed in Patent Document 1.
上述のように、１８ｉｎ１モジュールの場合、１モジュール内に１８個の素子（または３６個の素子）を搭載しているため、ＤＣ−ＡＣ変換器などに一般的に適用されている２ｉｎ１モジュール（１モジュール内に１相分となる上下アームのＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路を搭載）と比べて、必然的に歩留まりが悪くなり、その結果モジュールがコストアップとなる課題を有する。またシステムの大容量化のために、図８のモジュールを多数個並列接続すると（図９に３並列化した場合の例を示す）、各Ｕ、Ｖ、Ｗの出力端子間及び各Ｒ、Ｓ、Ｔの入力端子間をそれぞれ接続する必要があるため、必然的に配線構造が複雑になるといった課題を有する。
本発明は、これらの課題を解消すること、即ちモジュールの歩留まりの向上と配線構造の容易化を図ることを目的とする。
As described above, in the case of an 18 in 1 module, since 18 elements (or 36 elements) are mounted in one module, a 2 in 1 module (1 that is generally applied to a DC-AC converter or the like) Compared to the case where an anti-parallel circuit of IGBT and diode of the upper and lower arms for one phase is mounted in the module), the yield inevitably deteriorates, and as a result, the module has a problem of increasing the cost. Further, in order to increase the capacity of the system, when many modules shown in FIG. 8 are connected in parallel (FIG. 9 shows an example in which three modules are connected in parallel), each output terminal of each U, V, W and each R, S , T input terminals need to be connected to each other, which inevitably has a problem that the wiring structure becomes complicated.
An object of the present invention is to solve these problems, that is, to improve the module yield and facilitate the wiring structure.
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、電力変換装置に適用するパワー半導体デバイスを搭載したモジュールであって、正逆両方向の電流を遮断する双方向スイッチ3個と、前記3個の双方向スイッチ各々の一方の端子を共通に接続して得られた第1の外部端子と、前記３個の双方向スイッチ各々の他方の端子を接続して得られた第２〜第４の外部端子と、を備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, in the first invention, a module equipped with a power semiconductor device applied to a power converter, comprising three bidirectional switches that cut off current in both forward and reverse directions, A first external terminal obtained by commonly connecting one terminal of each of the two bidirectional switches, and second to fourth obtained by connecting the other terminal of each of the three bidirectional switches. And an external terminal.
第２の発明においては、第1の発明における前記双方向スイッチは、逆阻止型半導体スイッチ素子を逆並列接続した構成であることを特徴とする。 In a second invention, the bidirectional switch in the first invention is characterized in that reverse blocking semiconductor switch elements are connected in reverse parallel.
第３の発明においては、第1の発明における前記双方向スイッチは、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子を逆直列接続した構成であることを特徴とする。 In a third aspect of the invention, the bidirectional switch in the first aspect of the invention is characterized in that semiconductor switch elements having diodes connected in antiparallel are connected in reverse series.
第４の発明においては、第１〜第3の発明において、前記第1〜第4の外部端子を一列状に配置したことを特徴とする。 According to a fourth invention, in the first to third inventions, the first to fourth external terminals are arranged in a line.
第５の発明においては、第１〜第3の発明において、前記第1〜第4の外部端子を一列状に配置し、前記第1の外部端子を、一列状の配置の端部に設けたことを特徴とする。 In a fifth invention, in the first to third inventions, the first to fourth external terminals are arranged in a line, and the first external terminals are provided at end portions of the line arrangement. It is characterized by that.
第６の発明においては、電力変換装置において、第1〜第5の発明に記載のパワー半導体モジュールの第1〜第4の各端子が各々同列状に並ぶように前記パワー半導体モジュールを1列状に配置したことを特徴とする。 In a sixth invention, in the power converter, the power semiconductor modules are arranged in a row so that the first to fourth terminals of the power semiconductor modules described in the first to fifth inventions are arranged in the same row. It is characterized by having been arranged in.
本発明では、パワー半導体モジュールにおいて、双方向スイッチを3個搭載し、前記3個の双方向スイッチ各々の一方の端子を共通に接続して得られた第1の外部端子と、前記３個の双方向スイッチ各々の他方の端子を接続して得られた第２〜第４の外部端子とを備え、前記各端子を1列状に配置している。
この結果、マトリクスコンバータシステムを構築する際、各モジュール間の配線が容易に実現できるとともに、モジュールを多並列接続することによる変換器の大容量化が容易に実現可能となる。さらに各モジュールに内蔵しているデバイス数は６素子であるため、従来の１８ｉｎ１モジュールと比較して歩留まりの向上を図ることが可能である。また、以上によって、マトリクスコンバータ装置の低コスト化が可能となる。
In the present invention, in the power semiconductor module, three bidirectional switches are mounted, and a first external terminal obtained by commonly connecting one terminal of each of the three bidirectional switches, and the three external switches. Second to fourth external terminals obtained by connecting the other terminals of the bidirectional switches, and the terminals are arranged in a line.
As a result, when constructing the matrix converter system, wiring between the modules can be easily realized, and the capacity of the converter can be easily increased by connecting the modules in parallel. Furthermore, since the number of devices built in each module is six elements, it is possible to improve the yield as compared with the conventional 18 in 1 module. Further, the cost of the matrix converter device can be reduced as described above.
本発明の要点は、パワー半導体モジュールにおいて、双方向スイッチを3個搭載し、前記3個の双方向スイッチ各々の一方の端子を共通に接続して得られた第1の外部端子と、前記３個の双方向スイッチ各々の他方の端子を接続して得られた第２〜第４の外部端子とを備え、前記各端子を1列状に配置している点である。 The main point of the present invention is that in the power semiconductor module, three bidirectional switches are mounted, and a first external terminal obtained by connecting one terminal of each of the three bidirectional switches in common, and the three And the second to fourth external terminals obtained by connecting the other terminals of the two bidirectional switches, and the terminals are arranged in a line.
図１に、本発明の第1の実施例を示す。
図１（ａ）は、モジュール端子として４端子（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を設け、端子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃの各端子と端子Ｄとの間に、各々双方向スイッチを接続した構成である。端子Ａと端子Ｄとの間には、逆阻止型ＩＧＢＴＲＢ１とＲＢ２を逆並列接続した双方向スイッチが、端子Ｂと端子Ｄとの間には、逆阻止型ＩＧＢＴＲＢ３とＲＢ４を逆並列接続した双方向スイッチが、端子Ｃと端子Ｄとの間には、逆阻止型ＩＧＢＴＲＢ５とＲＢ６を逆並列接続した双方向スイッチが、それぞれ接続された構成である。
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
In FIG. 1A, four terminals (A, B, C, and D) are provided as module terminals, and bidirectional switches are connected between the terminals A, B, and C and the terminal D, respectively. It is a configuration. Between the terminal A and the terminal D, there is a bidirectional switch in which the reverse blocking type IGBT TRB1 and RB2 are connected in reverse parallel. Between the terminal B and the terminal D, both of the reverse blocking type IGBT TRB3 and RB4 are connected in reverse parallel. The bidirectional switch is configured such that a bidirectional switch in which reverse blocking type IGBT TRB5 and RB6 are connected in reverse parallel is connected between the terminal C and the terminal D, respectively.
図１（ｂ）は、図１（ａ）の双方向性スイッチの代わりに逆耐圧を有しないＩＧＢＴとダイオードの逆並列接続回路を逆直列接続した構成である。即ち、端子Ａと端子Ｄとの間には、ＩＧＢＴＱ１とダイオードＤ１の逆並列回路と、ＩＧＢＴＱ２とダイオードＤ２の逆並列回路とが逆直列接続された双方向スイッチが、端子Ｂと端子Ｄとの間には、ＩＧＢＴＱ３とダイオードＤ３の逆並列回路と、ＩＧＢＴＱ４とダイオードＤ４の逆並列回路とが逆直列接続された双方向スイッチが、端子Ｃと端子Ｄとの間には、ＩＧＢＴＱ５とダイオードＤ５の逆並列回路と、ＩＧＢＴＱ６とダイオードＤ６の逆並列回路とが逆直列接続された双方向スイッチが、それぞれ接続された構成である。 FIG. 1B shows a configuration in which an anti-parallel connection circuit of an IGBT and a diode having no reverse withstand voltage is connected in reverse series in place of the bidirectional switch of FIG. That is, between the terminal A and the terminal D, a bidirectional switch in which an anti-parallel circuit of the IGBT Q1 and the diode D1 and an anti-parallel circuit of the IGBT Q2 and the diode D2 are connected in anti-series is connected between the terminal B and the terminal D. In between, a bidirectional switch in which an anti-parallel circuit of IGBT Q3 and diode D3 and an anti-parallel circuit of IGBT Q4 and diode D4 are connected in reverse series is connected between terminal C and terminal D, and between IGBT Q5 and diode D5. A bidirectional switch in which an anti-parallel circuit and an anti-parallel circuit of an IGBT Q6 and a diode D6 are connected in anti-series are connected to each other.
図１（Ｃ）は、図１（ｂ）の各双方向スイッチの構成で、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ同士を逆直列接続する時の逆直列接続の接続方向を逆にした構成である。
これらの構成は、端子ＤからＡ、Ｂ、Ｃの各端子を見た場合に全て同一の回路機能となっているため、図６に示したマトリクスコンバータの回路を構成する場合、３個のモジュールを用いて、各モジュールのＤ端子をそれぞれ入力側の端子Ｒ、Ｓ、Ｔとした場合、各モジュールの端子Ａ同士、端子Ｂ同士、端子Ｃ同士をそれぞれ接続することにより、これら３端子は出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗとすることができる。また各モジュールの端子Ｄをそれぞれ出力側端子Ｕ、Ｖ、Ｗとした場合は、各モジュールの端子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃはそれぞれ入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔとすることができる。
FIG. 1C is a configuration of each bidirectional switch of FIG. 1B in which the connection direction of the reverse series connection is reversed when the IGBTs in which the diodes are connected in reverse parallel are connected in reverse series. .
Since these configurations have the same circuit function when the terminals A, B, and C are viewed from the terminal D, three modules are formed when the matrix converter circuit shown in FIG. 6 is configured. When the D terminal of each module is used as the input terminals R, S, and T, respectively, the terminals A, B, and C of each module are connected to each other so that these three terminals are output. Terminals U, V, and W can be used. Further, when the terminals D of the modules are output side terminals U, V, and W, the terminals A, B, and C of the modules can be input terminals R, S, and T, respectively.
図２に、本発明の第２の実施例を示す。
図１（ａ）〜（ｃ）の回路をモジュール化した場合の出力端子の配列を示したものである。半導体チップを搭載した基板ＢＰと樹脂ケースＣＡＳＥの上面に１列状に配置した主回路端子Ａ〜Ｄとゲート駆動端子ＧＡ、ＧＢを配している。ここで端子Ｄは、後述の図３〜図５に示すように端部に設置することがより有効であるが、必ずしも端部に設置する必要はない。
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.
1 shows an arrangement of output terminals when the circuits of FIGS. 1A to 1C are modularized. Main circuit terminals A to D and gate drive terminals GA and GB arranged in a line are arranged on the upper surface of the substrate BP on which the semiconductor chip is mounted and the resin case CASE. Here, it is more effective to install the terminal D at the end as shown in FIGS. 3 to 5 described later, but it is not always necessary to install the terminal D at the end.
図３に、本発明の第３の実施例を示す。
図３は、図２のモジュールを３個使用してマトリクスコンバータを構成した場合の配線図例である。各モジュールの端子Ｄを交流入力Ｒ、Ｓ、Ｔ相とした場合、端子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃは交流出力Ｕ、Ｖ、Ｗ相となるが、本モジュール構成のように、第1〜第4の外部端子を一列状に配置し、さらに第1〜第4の各端子が各々同列状に並ぶように配置することにより、端子Ａ同士、端子Ｂ同士、端子Ｃ同士は直線状の導体３０〜３２で結線可能となる。この結果、全体の配線構造が簡易化され、従来の１８ｉｎ１モジュールを適用した場合と同様の配線数（６本）で構築可能となる。
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an example of a wiring diagram when a matrix converter is configured by using three modules of FIG. When terminal D of each module is AC input R, S, T phase, terminal A, terminal B, terminal C are AC output U, V, W phase. The four external terminals are arranged in a line, and the first to fourth terminals are arranged in the same line, so that the terminals A, B, and C are linear conductors 30. Connection is possible at ~ 32. As a result, the overall wiring structure is simplified and can be constructed with the same number of wirings (six) as when the conventional 18 in 1 module is applied.
図４に、本発明の第４の実施例を示す。
図２のモジュールを９個使用してマトリクスコンバータを構成した場合の配線図例である。
システムの大容量化のためにモジュールを多並列接続する場合の例（図では３並列の場合を示している）を示す。図４は本発明のモジュールをＲ相３個、Ｓ相３個、Ｔ相３個の順に横並びに配置した構造で、端子Ｄは並列接続されるモジュール間で接続する必要はあるが、端子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃは各端子間同士を直線状の導体３３〜３５で接続するだけで回路を構成することができる。従来の１８ｉｎ１モジュールの場合の配線構造例（図９）と比較して簡易化が図れる。
FIG. 4 shows a fourth embodiment of the present invention.
It is an example of a wiring diagram at the time of comprising a matrix converter using nine modules of FIG.
An example in which modules are connected in parallel in order to increase the capacity of the system (in the figure, a case of three parallels) is shown. FIG. 4 shows a structure in which the modules of the present invention are arranged side by side in the order of three R-phases, three S-phases, and three T-phases. Terminal D needs to be connected between modules connected in parallel. The terminals B and C can form a circuit only by connecting the terminals with the linear conductors 33 to 35. Simplification can be achieved as compared with the conventional wiring structure example in the case of the 18 in 1 module (FIG. 9).
図５に、本発明の第５の実施例を示す。
本発明のモジュールをＲ相、Ｓ相、Ｔ相に１個ずつ横並びに配置して一つのマトリクスコンバータ回路を構成し、さらにこのマトリクスコンバータ回路を３ユニット並列接続した場合の構造である。配線の簡易化が図れることは、第４の実施例と同様である。
尚、本実施例では、パワー半導体デバイスとしてＩＧＢＴを用いた例を示したが、ＭＯＳＦＥＴやその他の自己消弧形デバイスでも実現可能である。
また、モジュールの構成上、図中において入力側のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と、出力側のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を入れ替えて適用することも可能である。
FIG. 5 shows a fifth embodiment of the present invention.
This is a structure in which one module of the present invention is arranged side by side in the R phase, S phase, and T phase to constitute one matrix converter circuit, and three units of this matrix converter circuit are connected in parallel. Similar to the fourth embodiment, the wiring can be simplified.
In this embodiment, an example is shown in which an IGBT is used as the power semiconductor device, but it can also be realized by a MOSFET or other self-extinguishing device.
In addition, in the configuration of the module, the input side R phase, S phase, and T phase and the output side U phase, V phase, and W phase may be interchanged in the figure.
本発明は、双方向スイッチを使用したモジュールの構成であり、変換装置としては、マトリクスコンバータへの適用に限らず、単相交流チョッパ、３レベルインバータ、３レベルコンバータなどへの適用が可能である。 The present invention has a module configuration using a bidirectional switch, and the conversion device is not limited to application to a matrix converter, but can be applied to a single-phase AC chopper, a three-level inverter, a three-level converter, and the like. .
ＡＣＰ・・・交流電源 ＬＲ、ＬＳ、ＬＴ・・・リアクトル
Ｃ１〜Ｃ３・・・コンデンサ Ｓ１〜Ｓ９・・・交流スイッチ
ＭＣ、Ｍ１〜Ｍ２・・・マトリクスコンバータ変換部 Ｍ・・・モータ
ＭＪ・・・モジュール ＱＴ・・・ＩＧＢＴチップ
ＲＢ１〜ＲＢ６・・・逆阻止型ＩＧＢＴ Ｄ１〜Ｄ６・・・ダイオード
Ｑ１〜Ｑ６・・・ＩＧＢＴ ＭＮ・・・モジュール外観
ＢＰ・・・基板 ＣＡＳＥ・・・モジュールケース
ＧＡ、ＧＢ・・・ゲート端子 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ・・・端子
Ｒ、Ｓ、Ｔ・・・入力端子 Ｕ、Ｖ、Ｗ・・・出力端子
３０〜３２、３３〜３５・・・導体
ACP: AC power supply LR, LS, LT: Reactor C1-C3: Capacitor S1-S9: AC switch MC, M1-M2: Matrix converter conversion unit M: Motor MJ -Module QT ... IGBT chip RB1-RB6 ... Reverse blocking IGBT D1-D6 ... Diode Q1-Q6 ... IGBT MN ... Module appearance BP ... Substrate CASE ... Module case GA , GB: Gate terminals A, B, C, D ... Terminals R, S, T ... Input terminals U, V, W ... Output terminals 30-32, 33-35 ... Conductors
Claims (6)
6. The power semiconductor module according to claim 1, wherein the power semiconductor modules are arranged in one row so that the first to fourth terminals of the power semiconductor module are arranged in the same row. Conversion device.
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