JP2011234544A - パワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来は、電力変換回路毎に半導体モジュールが必要となっていたため、種類が増加するという問題があった。また、需要の少ない回路方式では、その回路方式に合ったモジュールをカスタマイズ化することは型費や歩留まりなどの問題でコストアップ要因となるため、必然的に既存の半導体モジュールを組み合わせて回路を構成する必要があった。
【解決手段】半導体モジュールの構成を、ダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴ２個と双方向スイッチ2個、又は双方向スイッチ4個を1個のモジュールに内蔵させ、5つの外部端子を備える構成にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換器に適用するパワー半導体モジュールとそれを用いた電力変換装置の構成に関する。

図１３に直流電源から交流に電力変換するＩＧＢＴを用いた従来の２レベルのインバータの主回路図を示す。１が直流電源（交流入力のインバータの場合は、一般的に整流器＋電解コンデンサより構成する）、４〜６がＩＧＢＴモジュールで、三相インバータを構成している。その内部は、４のＩＧＢＴモジュールに示すように、４ａ、４ｂが直流電源の正極側電位Ｃｐに接続されるＩＧＢＴとダイオード、４ｃ、４ｄが負極側電位Ｃｎに接続されるＩＧＢＴとダイオードで、３相分とも同じ構成である。２が出力フィルタリアクトル、３がモータなどの負荷である。

使用しているＩＧＢＴモジュールは、図１０（ａ）にしめすように、上アーム用のダイオードＤ１が逆並列接続されたＩＧＢＴＴ１と、下アーム用のダイオードＤ２が逆並列接続されたＩＧＢＴＴ２との直列接続回路が内蔵された２ｉｎ１タイプである。図１３は、ＩＧＢＴモジュールを３個使用して三相出力２レベルインバータを構成した例である。２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュールは、図１０（ｂ）に示すように、上部に外部端子として正側電位（Ｃｐ）に接続される端子Ｐ、負側電位（Ｃｎ）に接続される端子Ｎ、交流出力となる端子Ｕにて構成される（実際はゲート端子も有するが、本特許に直接関係ないので省略する）。

図１４に、直流電源１の電圧を電圧値の違う別の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣ変換回路（チョッパ回路）を示す。直流電源１と図１０に示した２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュール８の端子Ｕとの間にリアクトル７を接続し、ＩＧＢＴモジュール８のＩＧＢＴ８ｃをオンオフさせることにより、直流電源１の電圧より高い直流電圧をコンデンサ９の両端に得る昇圧チョッパ回路である。ここで、１０は本システムの負荷である。図１４に示す直流電源１の電圧を電圧値の高い別の直流に変換する回路例は、特許文献１に示されている。

図１５に直流を交流に変換する電力変換回路である３レベルインバータの主回路図を示す。１Ｐ、１Ｎが直列に接続された直流電源で、正側電位をＣｐ、負側電位をＣｎ、中点電位をＣｍとしている。この直流電源と並列に３レベルインバータ用ＩＧＢＴモジュール１１〜１３が接続され、三相３レベルインバータ回路を構成している。

１１ａ、１１ｂが正側電位Ｃｐに接続されているＩＧＢＴとダイオード、２１、２２が負側電位Ｃｎに接続されているＩＧＢＴとダイオード、１１ｅ、１１ｆが中点電位Ｃｍと交流出力端子Ｕとの間に接続された逆耐圧を有するＩＧＢＴを逆並列接続した双方向スイッチである。図１５において逆耐圧を有するＩＧＢＴの代わりに、図１６（ｂ）に示す逆耐圧を有しないＩＧＢＴとダイオードとの直列回路でも構成できる。

２はフィルタ用のリアクトル、３は本システムの負荷である。本回路構成とすることで、外部端子Ｕには、電位Ｃｐ、電位Ｃｎ、及び電位Ｃｍを出力することが可能となるため、３レベルのインバータとなる。図１３に示す２レベルタイプのインバータに対して、低次の高調波成分が少ないことが特長であり、出力フィルタ２の小型化や、ＩＧＢＴスイッチング時のスイッチング損失の低減が可能となる。

図１５は、図１２に示すような４ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュール３個を使用して３レベルインバータを構成した例を示している。４ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュールは、上部に外部端子として直流電源の正側電位Ｃｐに接続される端子Ｐ、中間電位Ｃｍに接続される端子Ｍ、負側電位Ｃｎに接続される端子Ｎ、交流出力となる端子Ｕにて構成される。

３レベルインバータの主回路を専用のＩＧＢＴモジュールで構成する例が、特許文献２に示されている。
図１６（ａ）に交流電源から任意の周波数の交流に直流中間回路を介さずに直接変換する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中間回路を省略できるため、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なる特長を有する。

１７が３相交流電源、１８が入力フィルタ用のリアクトル、１４が入力フィルタ用コンデンサ、１６がマトリクスコンバータ変換器部、１５が電動機などの負荷である。変換器部１６において、Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗ、Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗ、Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗが双方向スイッチで、図１６（ｂ）に示すように、逆耐圧を有するＩＧＢＴを逆並列に接続する方式（イ）や、逆耐圧を有しないＩＧＢＴとダイオードとを組合せる方式（ロ）、（ハ）で実現できる。

また、図１６（ａ）のシステムを構築するにあたり、変換器部１６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、１８個の素子（又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３入力３出力タイプのモジュール（１８ｉｎ１モジュール）を適用することが多い。従来のマトリクスコンバータの回路例やマトリクスコンバータ用の１８ｉｎ１モジュール例については、特許文献３に示されている。

図１０または図１２では２ｉｎ１タイプ又は４ｉｎ１タイプのモジュール例を示したが、モジュールの大容量化を図る場合は、図１１に示すような１ｉｎ１タイプのモジュールを適用する場合もある。

特開２００９−１３０９９８号公報 特開２００８−１９３７７９号公報 特開２００５−２１８２０５号公報

従来は、各電力変換回路方式に合ったパワー半導体モジュールが必要となっていたため、モジュールの種類が増加するという問題があった。また、需要の少ない回路方式については、その回路方式に合ったモジュールをカスタマイズ化することは型費や歩留まりなどの問題でコストアップ要因となるため、必然的に図１０や図１１などに示す既存のパワー半導体モジュールを組み合わせて回路を構成する必要があった。
モジュールの種類を増やすことは、回路を構成する側は便利な面もあるが、一方でモジュールを提供する側は、型費の増加、管理費の増加といった課題がある。

また、数種類の既存のモジュールを組合せて、電力変換回路を構成する場合は、スイッチング時において、各モジュール間の配線に高いサージ電圧が発生することや、スナバ回路の大型化、大容量化のための並列化が困難、装置自体の大型化といった課題を有する。
本提案の目的は、これら課題を解決し、１種類のパワー半導体モジュールで多種多様の電力変換回路を実現することにある。

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内蔵したモジュールにおいて、第１のダイオードを逆並列接続した第１のＩＧＢＴの一端と第２のダイオードを逆並列接続した第２のＩＧＢＴの一端とを直列接続したＩＧＢＴ直列接続回路と、前記ＩＧＢＴ直列接続回路の内部接続点と一端を接続した逆耐圧を有する第３及び第４のＩＧＢＴの逆並列接続回路と、前記ＩＧＢＴ直列接続回路の内部接続点と一端を接続した逆耐圧を有する第５及び第６のＩＧＢＴの逆並列接続回路と、を内蔵し、前記第１のＩＧＢＴの他端を第１の外部端子とし、前記第２のＩＧＢＴの多端を第２の外部端子とし、前記第３及び第４のＩＧＢＴの逆並列接続回路の他端を第３の外部端子とし、前記第５及び第６のＩＧＢＴの逆並列接続回路の他端を第４の外部端子とし、前記ＩＧＢＴ直列接続回路の内部接続点を第５の外部端子とする。

第２の発明においては、第１の発明における前記第１〜第５の外部端子を直線状に、第1の外部端子、第3の外部端子、第4の外部端子、第2の外部端子、第5の外部端子の順序で配置する。

第３の発明においては、第１の発明における前記第１〜第５の外部端子を直線状に、第２の外部端子、第４の外部端子、第３の外部端子、第１の外部端子、第5の外部端子の順序で配置する。

第４の発明においては、第１の発明における前記第１及び第２のＩＧＢＴの電流定格は略同等とし、前記第３〜第６のＩＧＢＴの電流定格は、前記第１及び第２のＩＧＢＴの電流定格の略半分とする。

第５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内蔵したモジュールにおいて、逆耐圧を有する第１及び第２のＩＧＢＴの逆並列接続回路と逆耐圧を有する第３及び第４のＩＧＢＴの逆並列接続回路とのＩＧＢＴ直列接続回路と、前記ＩＧＢＴ直列接続回路の内部接続点と一端を接続した逆耐圧を有する第５及び第６のＩＧＢＴの逆並列接続回路と、前記ＩＧＢＴ直列接続回路の内部接続点と一端を接続した逆耐圧を有する第７及び第８のＩＧＢＴの逆並列接続回路と、を内蔵し、前記第１及び第２のＩＧＢＴの逆並列接続回路の他端を第１の外部端子とし、第３及び第４のＩＧＢＴの逆並列接続回路の多端を第２の外部端子とし、前記第５及び第６のＩＧＢＴの逆並列接続回路の他端を第３の外部端子とし、前記第７及び第８のＩＧＢＴの逆並列接続回路の他端を第４の外部端子とし、前記ＩＧＢＴ直列接続回路の内部接続点を第5の外部端子とする。

第６の発明においては、第５の発明における前記第１〜第５の外部端子を直線状に、第1の外部端子、第3の外部端子、第4の外部端子、第2の外部端子、第5の外部端子の順序で配置する。

第７の発明においては、第５の発明における前記第１〜第５の外部端子を直線状に、第２の外部端子、第４の外部端子、第３の外部端子、第１の外部端子、第5の外部端子の順序で配置する。

第８の発明においては、第５の発明における前記第１〜第４のＩＧＢＴの電流定格は略同等とし、前記第５〜第８のＩＧＢＴの電流定格は前記第１〜第４のＩＧＢＴの電流定格の略半分とする。

第９の発明においては、第1〜８の発明のいずれかに記載のパワー半導体モジュールの第1の外部端子と第3の外部端子、及び第2の外部端子と第4の外部端子とを各々接続し、これらの二つの接続点と直流電源を並列に接続すると共に、第5の外部端子を交流端子とし、直流から交流又は交流から直流へ電力変換する。

第１０の発明においては、第1〜８の発明のいずれかに記載のパワー半導体モジュールの第1、第3及び第4の外部端子を接続し、この接続点と第２の外部端子との間にコンデンサ又はリアクトルとコンデンサとの直列回路を、第２と第５の外部端子間に直流電源又はリアクトルと直流電源との直列回路を、各々接続し、直流電源から別の直流へ電力変換する。

第１１の発明においては、第1〜８の発明のいずれかに記載のパワー半導体モジュールの第1と第3の外部端子及び第2と第4の外部端子を各々接続し、これらの二つの接続点間にコンデンサ又はリアクトルとコンデンサとの直列回路を、前記第２と第５の外部端子間に直流電源又はリアクトルと直流電源との直列回路を、各々接続し、直流電源から別の直流へ電力変換する。

第１２の発明においては、第1〜８の発明のいずれかに記載のパワー半導体モジュールの第２〜第４の外部端子を接続し、この接続点と第１の外部端子との間にコンデンサ又はリアクトルとコンデンサとの直列回路を、前記第２と第５の外部端子間に直流電源又はリアクトルと直流電源との直列回路を、各々接続し、直流電源から別の直流へ電力変換する。

第１３の発明においては、第1〜８の発明のいずれかに記載のパワー半導体モジュールの第1の外部端子と第２の外部端子との間に、第1と第２の直流電源を直列接続した電源回路を並列接続し、第３及び第４の外部端子を第１と第２の直流電源の直列接続点に、各々接続し、第５の外部端子を交流端子とし、直流から交流又は交流から直流へ電力変換する。

第１４の発明においては、第1〜８の発明のいずれかに記載のパワー半導体モジュールの第1の外部端子と第２の外部端子との間に、第1から第３の直流電源を直列接続した直流電源回路を並列接続し、第３の外部端子を第１と第２の直流電源の直列接続点に、第４の外部端子を第２と第３の直流電源の直列接続点に各々接続し、第５の外部端子を交流端子とし、直流から交流又は交流から直流へ電力変換する。

第１５の発明においては、第５〜８の発明のいずれかに記載の３個のパワー半導体モジュール各々の第３及び第４の外部端子を全て接続して交流出力の第１相とし、各々の第１の外部端子を全て接続して交流出力の第２相とし、各々の第２の外部端子を全て接続して交流出力の第３相とし、各々の第５の外部端子を各々３相交流電源の各相に接続し、交流電源から別の交流電源へ電力変換する。

第１６の発明においては、第５〜８の発明のいずれかに記載の３個のパワー半導体モジュール各々の第３及び第４の外部端子を全て接続して交流電源の第１相入力とし、各々の第１の外部端子を全て接続して交流電源の第２相入力とし、各々の第２の外部端子を全て接続して交流電源の第３相入力とし、各々の第５の外部端子を各々３相交流出力の各相に接続し、交流電源から別の交流電源へ電力変換する。

本発明では、モジュールの構成を、ダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴ２個と双方向スイッチ2個、又は双方向スイッチ4個を1個のモジュールに内蔵させ、5つの外部端子を備える構成にした。この結果、１種類のモジュールで多種の電力変換回路を実現でき、モジュール作製のための型費や管理費の削減、モジュール及び本モジュールを適用した変換装置の低コスト化が可能となる。

本発明の第1の実施例を示すＩＧＢＴモジュールの回路構成図である。 本発明の第２の実施例を示すＩＧＢＴモジュールの回路構成図である。 第1又は第２の実施例のＩＧＢＴモジュールの外観図である。 本発明の第3の実施例を示す２レベル変換装置の回路図である。 本発明の第４の実施例を示す昇圧チョッパ装置の回路図である。 本発明の第４の実施例を示す降圧チョッパ装置の回路図である。 本発明の第５の実施例を示す３レベル変換装置の回路図である。 本発明の第６の実施例を示す４レベル変換装置の回路図である。 本発明の第７の実施例を示すマトリクスコンバータ装置の回路図である。 従来の２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュール例を示す。 従来の１ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュール例を示す。 従来の４ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュール例を示す。 従来の２レベルインバータの回路構成例を示す。 従来の昇圧チョッパの回路構成例を示す。 従来の３レベルインバータの回路構成例を示す。 従来のマトリクスコンバータの回路構成例を示す。

本発明の要点は、パワー半導体モジュールの構成を、ダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴ２個と双方向スイッチ2個、又は双方向スイッチ4個を1個のモジュールに内蔵させ、5つの外部端子を備える構成にした点である。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。ＩＧＢＴモジュール２０の内部には、ダイオード２０ｂを逆並列接続したＩＧＢＴ２０ａのエミッタとダイオード２０ｄを逆並列接続したＩＧＢＴ２０ｃのコレクタとを接続したＩＧＢＴ直列接続回路と、前記直列接続回路の内部接続点に一端を接続した逆耐圧を有するＩＧＢＴ２０ｅと２０ｆとを逆並列接続した第１の双方向スイッチと、前記直列接続回路の内部接続点に一端を接続した逆耐圧を有するＩＧＢＴ２０ｇと２０ｈとを逆並列接続した第２の双方向スイッチと、を内蔵する。
外部端子としては、ＩＧＢＴ２０ａのコレクタを外部端子Ｐ、ＩＧＢＴ２０ｂのエミッタを外部端子Ｎ、第１の双方向スイッチの他端であるＩＧＢＴ２０ｅのエミッタとＩＧＢＴ２０ｆコレクタとの接続点を外部端子Ｍ１、第２の双方向スイッチの他端であるＩＧＢＴ２０ｇのエミッタとＩＧＢＴ２０ｈコレクタとの接続点を外部端子Ｍ２、ＩＧＢＴ２０ａとＩＧＢＴ２０ｃとの直列接続点を外部端子Ｕとする構成である。このような構成とすることにより、図４〜図９の実施例に示すように、種々の変換回路を１種類のＩＧＢＴモジュールで実現することができる。

図３に本発明のＩＧＢＴモジュールの外観を示す。図３（ａ）は、モジュール上面に外部端子を直線状にＰ、Ｍ１、Ｍ２、Ｎ、Ｕの順に配置した構成である。また、図（ｂ）は、モジュール上面に外部端子を直線状にＮ、Ｍ２、Ｍ１、Ｐ、Ｕの順に配置した構成である。
本構成とすることにより、図４〜図９の実施例に示す回路方式に対して、短絡配線される外部端子間が隣接配置となるため、外部との配線が容易に実現できる。

図２に、本発明の第２の実施例を示す。双方向スイッチ型ＩＧＢＴモジュール２１の内部には、逆耐圧を有するＩＧＢＴ２０ａとＩＧＢＴ２０ｂとを逆並列接続した第１の双方向スイッチと、逆耐圧を有するＩＧＢＴ２０ｃとＩＧＢＴ２０ｄとを逆並列接続した第２の双方向スイッチと、逆耐圧を有するＩＧＢＴ２０ｅとＩＧＢＴ２０ｆとを逆並列接続した第３の双方向スイッチと、逆耐圧を有するＩＧＢＴ２０ｇとＩＧＢＴ２０ｈとを逆並列接続した第４の双方向スイッチと、を内蔵する。内部では第１〜第４の双方向スイッチの一端を接続する。
外部端子としては、第１〜第４の双方向スイッチの一端接続点をＵ、第１の双方向スイッチの他端を外部端子Ｐ、第２の双方向スイッチの他端を外部端子Ｎ、第３の双方向スイッチの他端を外部端子Ｍ１、第４の双方向スイッチの他端を外部端子Ｍ２とする構成である。このような構成とすることにより、図４〜図９の実施例に示すように、種々の変換回路を１種類のＩＧＢＴモジュールで実現することができる。

図３に本発明のＩＧＢＴモジュールの外観を示す。図３（ａ）は、モジュール上面に外部端子を直線状にＰ、Ｍ１、Ｍ２、Ｎ、Ｕの順に配置した構成である。また、図（ｂ）は、モジュール上面に外部端子を直線状にＮ、Ｍ２、Ｍ１、Ｐ、Ｕの順に配置した構成である。
本構成とすることにより、図４〜図９の実施例に示す回路方式に対して、短絡配線される外部端子間が隣接配置となるため、外部との配線が容易に実現できる。

図４に、本発明の第３の実施例を示す。図１に示した本発明のパワー半導体モジュールとしてのＩＧＢＴモジュールを３個（２２〜２４）用いて、２レベルの三相インバータ回路を構成した実施例である。この回路は、図１３に示す従来回路と同様の機能・構成を実現できる。各ＩＧＢＴモジュールの配線構造は同じであるので、ＩＧＢＴモジュール２２について説明する。外部端子ＰとＭ１は直流電源１の正側電位Ｃｐに、外部端子ＮとＭ２は直流電源１の負側電位Ｃｎに接続される。外部端子Ｕは交流出力としてフィルタ用リアクトル２に接続される。このように構成することにより、上アームでは、ＩＧＢＴ２２ａと２２ｆ、及びダイオード２２ｂとＩＧＢＴ２２ｅが、各々並列接続された構成となる。
また、下アームでは、ＩＧＢＴ２２ｃと２２ｇ、及びダイオード２２ｂとＩＧＢＴ２２ｈが、各々並列接続された構成となる。従って、回路構成上は図１０に示す従来のモジュールと等しくなる。
各相において、同様に接続することにより、三相出力の２レベルインバータ回路が実現される。

また、本実施例は、直流を交流に変換するインバータの例であるが、図4の負荷３の代わりに３相交流電源を接続することにより、交流を直流に変換する昇圧形コンバータを同様に構成できる。ＩＧＢＴ２２ｃと２２ｇをオンさせると、交流電源からフィルタリアクトル２にエネルギーが蓄積され、オフするとダイオード２２ｂとＩＧＢＴ２２ｅを介して、リアクトルのエネルギーが直流電源（蓄電池）１に放出され、交流電源電圧よりも高い直流電圧が得られる。この動作は、いわゆる三相ＰＷＭ（パルス幅変調）整流器の動作となる。
尚、半導体モジュールとして図1に示したＩＧＢＴモジュールでの適用例を示したが、図２に示した双方向スイッチを4回路内蔵した双方向スイッチ型ＩＧＢＴモジュールでも、適用可能である。

図５に、本発明の第４の実施例を示す。いずれも直流電源からこの電圧より高い直流電圧を作り出す昇圧チョッパ回路で、図1に示したＩＧＢＴモジュールを適用した実施例である。いずれの回路も素子の並列接続数は異なるが、図１４に示す従来回路と同様の機能・構成を実現できる。図５（ａ）は、ＩＧＢＴモジュール２５の外部端子Ｐ、Ｍ１及びＭ２を接続し、この接続点と外部端子Ｎとの間にコンデンサ９を、外部端子ＵとＮとの間にリアクトル７と直流電源１の直列回路を接続した構成である。ＩＧＢＴ２５ｆ、２５ａ及び２５ｈが並列に接続され、ＩＧＢＴ２５ｅ、ダイオード２５ｂ及びＩＧＢＴ２５ｇが並列接続される。
ＩＧＢＴ２５ｃをオンさせると、直流電源１→リアクトル７→ＩＧＢＴ２５ｃ→直流電源１の経路で電流が流れ、リアクトル７にエネルギーが蓄積される。ＩＧＢＴ２５ｃをオフさせ、ＩＧＢＴ２５ｅ、２５ｈをオンさせると、リアクトル７の電流はＩＧＢＴ２５ｅ、ダイオード及びＩＧＢＴ２５ｇの並列回路を通ってコンデンサ９に充電され、コンデンサ９の電圧は直流電源１の電圧より高い電圧となる。ＩＧＢＴ２５ｅ、ダイオード２５ｂ及びＩＧＢＴ２５ｇが並列に接続されているので、上アームの通流率が下アームに比べて大きい（直流電源１の電圧に対するコンデンサ９の電圧比（昇圧比）が１に近い）場合に有効である。

図５（ｂ）は、ＩＧＢＴモジュール２５の外部端子ＰとＭ１を接続し、この接続点と外部端子ＮとＭ１との接続点との間にコンデンサ９を、外部端子ＵとＮとの間にリアクトル７と直流電源１との直列回路を接続した構成である。ＩＧＢＴ２５ｆ、２５ａ及び２５ｈが並列に接続され、ＩＧＢＴ２５ｅ、ダイオード２５ｂ及びＩＧＢＴ２５ｇが並列接続される。動作は図５（ａ）と同様であるが、上下アームの並列数が同じであるので、上下アームの電流が略等しい（直流電源１の電圧に対するコンデンサ９の電圧比（昇圧比）が２近辺）場合に有効である。

図５（ｃ）は、ＩＧＢＴモジュール２５の外部端子Ｎ、Ｍ１及びＭ２を接続し、この接続点と外部端子Ｐと間にコンデンサ９を、外部端子ＵとＮとの間にリアクトル７と直流電源１の直列回路を接続した構成である。下アームの多いので、下アームの電流が多い（直流電源１の電圧に対するコンデンサ９の電圧比（昇圧比）が高い）場合に有効である。
尚、半導体モジュールとして図1に示したＩＧＢＴモジュールでの適用例を示したが、図２に示した双方向スイッチを4回路内蔵した双方向スイッチ型ＩＧＢＴモジュールでも、適用可能である。

図６に、直流電源１の電圧に対してコンデンサ９の電圧が低い降圧形の実施例を示す。ＩＧＢＴモジュール２５の外部端子Ｐ、Ｍ１及びＭ２を接続し、この接続点と外部端子Ｎとの間に直流電源１を、外部端子ＵとＮとの間にリアクトル７ａとコンデンサ９の直列回路を接続した構成である。ＩＧＢＴ２５ｆ、２５ａ及び２５ｈをオンさせると直流電源１からリアクトル７ａに流れる電流が増加し、オフさせるとリアクトル７ａの電流は、負荷１０とダイオード２５ｄを通って還流し減少する。この構成は上アームのＩＧＢＴが並列接続されているので、上アームの通流率が大きい（直流電源１に対するコンデンサ９の電圧比（降圧比）が１に近い）場合に有効である。
実施例４と同様にＩＧＢＴモジュール２５の外部端子ＰとＭ１を接続し、この接続点と外部端子ＮとＭ１との接続点との間に直流電源１を、外部端子ＵとＮとの間にリアクトル７ａとコンデンサ９との直列回路を接続した構成の場合は、上アームとしたアームの通流電流が略等しくなる（直流電源１に対するコンデンサ９の電圧比（降圧比）が略１／２）場合に有効である。また、ＩＧＢＴモジュール２５の外部端子Ｎ、Ｍ１及びＭ２を接続し、この接続点と外部端子Ｐと間に直流電源１を、外部端子ＵとＮとの間にリアクトル７と直流電源１の直列回路を接続した構成の場合は、下アームの電流通流率が大きい（直流電源１に対するコンデンサ９の電圧比（降圧比）が十分小さい）場合に有効である。
尚、半導体モジュールとして図1に示したＩＧＢＴモジュールでの適用例を示したが、図２に示した双方向スイッチを4回路内蔵した双方向型ＩＧＢＴモジュールでも、適用可能である。

図７に、３レベルインバータでの実施例を示す。半導体モジュールとして、図１に示すＩＧＢＴモジュール３個（２６〜２８）を用いて構成する。接続方法は３個とも同じであるので、ＩＧＢＴモジュール２６について説明する。外部端子Ｍ１とＭ２を接続し、この接続点を二つの直流電源１Ｐ、１Ｎの直列接続点（電位Ｃｍ）に、外部端子Ｐを直流電源の電位Ｃｐに、外部端子Ｎを直流電源の電位Ｃｎに、外部端子Ｕをフィルタリアクトル２に、各々接続する。ＩＧＢＴモジュール２７、２８においても同様に接続する。このように接続することにより、図１５に示す従来回路と同様の機能を実現できる。

また、本実施例は、直流を交流に変換するインバータの例であるが、実施例３と同様に、図７の負荷３の代わりに３相交流電源を接続することにより、交流を直流に変換する昇圧形コンバータ（ＰＷＭ整流器）を実現できる。
尚、図1に示したＩＧＢＴモジュールでの適用例を示したが、図２に示した双方向スイッチを4回路内蔵した双方向スイッチ型ＩＧＢＴモジュールでも、適用可能である。

図８に、４レベルインバータでの実施例を示す。４レベルインバータは、３個の直流電源１Ｐ、１Ｍ、１Ｎを直列接続して、４つの電位Ｃｎ、Ｃｍ２、Ｃｍ１、Ｃｐを作り、スイッチング素子を用いたインバータ回路で、４つの電位をもった交流電圧を出力する変換回路である。インバータ回路は、図１に示す３個のＩＧＢＴモジュール２９、３０、３１を用いて構成された三相インバータで、各モジュールの交流出力がフィルタリアクトル２を介して、負荷３に接続される。
各ＩＧＢＴモジュールの接続方法は同じであるので、ＩＧＢＴモジュール２９について説明する。ＩＧＢＴモジュール２９の外部端子Ｐは直流電源の最も高い電位Ｃｐに、外部端子Ｎは最も低い電位Ｃｎに、外部端子Ｍ２は中点電位Ｃｍ２に、外部端子Ｍ１は中点電位Ｃｍ１に、各々接続される。動作は、特開平１１−２２０８８６号公報、特開２００７−２８８６０号公報などに記載されているのと同様で周知であるので、省略する。
尚、図1に示したＩＧＢＴモジュールでの適用例を示したが、図２に示した双方向スイッチを4回路内蔵した双方向スイッチ型ＩＧＢＴモジュールでも、適用可能である。

図９に、図１６に示す従来技術で説明したマトリクスコンバータへの適用例を示す。
図２に示す３個の双方向スイッチ型ＩＧＢＴモジュール３２、３３、３４を用いた三相直接変換形の交流−交流変換回路である。各モジュールの接続方法は同じであるので、双方向スイッチ型ＩＧＢＴモジュール３２について説明する。ＩＧＢＴモジュール３２の外部端子Ｍ１とＭ２は接続され交流出力となり負荷のＶ相に、外部端子Ｐは交流出力となり負荷のＵ相に、外部端子Ｎは交流出力となり負荷のＷ相に、各々接続される。外部端子Ｕは、フィルタリアクトル１３とフィルタコンデンサ１４を介して三相交流電源１２のＲ相に接続される。このように構成することで、図１６に示す従来回路と同じ機能構成を実現できる。
また、交流入力から見た回路と負荷側交流端子から見た回路は同じであるので、外部端子Ｕを負荷に、負荷に接続された端子を交流電源側に接続しても同様の機能となる。
尚、この構成では、ＩＧＢＴ３３ｅ、３３ｆ、３３ｇ、３３ｈは並列接続されているので、電流定格を、ＩＧＢＴ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄの略１／２とすることで、モジュール内の各アームの電流定格を略等しくすることができる。
なお、本実施例では、パワー半導体素子としてＩＧＢＴを使用して記載したが、ＭＯＳＦＥＴやその他の自己消弧形素子でも実現可能である。

本発明は、パワー半導体モジュールの構成を、ダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴ２個と双方向スイッチ２個、又は双方向スイッチ4個を、1個のモジュールに内蔵させ、5つの外部端子を備える構成にしたため、直流−直流変換装置、直流−交流変換装置、交流−直流変換装置、交流−交流直接変換装置、交流スイッチなどへの適用が可能である。

１、１Ｐ、１Ｎ、１Ｍ・・・直流電源 ２、１８・・・フィルタリアクトル
３、１０・・・負荷 ９・・・コンデンサ
１４・・・フィルタコンデンサ １５・・・電動機
１６・・・マトリクスコンバータ変換器 １７・・・三相交流電源
４〜６、８・・・２ｉｎ１型ＩＧＢＴモジュール ７、７ａ・・・リアクトル
１１〜１３・・・３レベルインバータ用ＩＧＢＴモジュール
Ｔ１、Ｔ２、２０ａ、２０ｃ、２２ａ、２２ｃ、２５ａ、２５ｃ・・・ＩＧＢＴ
２６ａ、２６ｃ、２９ａ、２９ｃ・・・ＩＧＢＴ
Ｄ１、Ｄ２、２０ｂ、２０ｄ、２２ｂ、２２ｄ、２５ｂ、２５ｄ・・・ダイオード
２６ｂ、２６ｄ、２９ｂ、２９ｄ・・・ダイオード
Ｔ３、Ｔ４、２０ｅ、２０ｆ、２１ａ〜２１ｈ、２２ｅ〜２２ｈ・・・逆阻止型ＩＧＢＴ
２５ｅ〜２５ｈ、２６ｅ〜２６ｈ、２９ｅ〜２９ｈ・・・逆阻止型ＩＧＢＴ
２０、２２〜３１・・・ＩＧＢＴモジュール
２１、３２〜３４・・・双方向スイッチ型ＩＧＢＴモジュール

Claims (16)

1. 電力変換装置に適用するパワー半導体デバイスを内蔵したモジュールにおいて、
   第１のダイオードを逆並列接続した第１のＩＧＢＴの一端と第２のダイオードを逆並列接続した第２のＩＧＢＴの一端とを直列接続したＩＧＢＴ直列接続回路と、前記ＩＧＢＴ直列接続回路の内部接続点と一端を接続した逆耐圧を有する第３及び第４のＩＧＢＴの逆並列接続回路と、前記ＩＧＢＴ直列接続回路の内部接続点と一端を接続した逆耐圧を有する第５及び第６のＩＧＢＴの逆並列接続回路と、を内蔵し、前記第１のＩＧＢＴの他端を第１の外部端子とし、前記第２のＩＧＢＴの多端を第２の外部端子とし、前記第３及び第４のＩＧＢＴの逆並列接続回路の他端を第３の外部端子とし、前記第５及び第６のＩＧＢＴの逆並列接続回路の他端を第４の外部端子とし、前記ＩＧＢＴ直列接続回路の内部接続点を第５の外部端子とすることを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. 前記第１〜第５の外部端子を直線状に、第1の外部端子、第3の外部端子、第4の外部端子、第2の外部端子、第5の外部端子の順序で配置することを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記第１〜第５の外部端子を直線状に、第２の外部端子、第４の外部端子、第３の外部端子、第１の外部端子、第5の外部端子の順序で配置することを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記第１及び第２のＩＧＢＴの電流定格は略同等とし、前記第３〜第６のＩＧＢＴの電流定格は、前記第１及び第２のＩＧＢＴの電流定格の略半分とすることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
5. 電力変換装置に適用するパワー半導体デバイスを内蔵したモジュールにおいて、
   逆耐圧を有する第１及び第２のＩＧＢＴの逆並列接続回路と逆耐圧を有する第３及び第４のＩＧＢＴの逆並列接続回路とのＩＧＢＴ直列接続回路と、前記ＩＧＢＴ直列接続回路の内部接続点と一端を接続した逆耐圧を有する第５及び第６のＩＧＢＴの逆並列接続回路と、前記ＩＧＢＴ直列接続回路の内部接続点と一端を接続した逆耐圧を有する第７及び第８のＩＧＢＴの逆並列接続回路と、を内蔵し、前記第１及び第２のＩＧＢＴの逆並列接続回路の他端を第１の外部端子とし、第３及び第４のＩＧＢＴの逆並列接続回路の多端を第２の外部端子とし、前記第５及び第６のＩＧＢＴの逆並列接続回路の他端を第３の外部端子とし、前記第７及び第８のＩＧＢＴの逆並列接続回路の他端を第４の外部端子とし、前記ＩＧＢＴ直列接続回路の内部接続点を第5の外部端子とすることを特徴とするパワー半導体モジュール。
6. 前記第１〜第５の外部端子を直線状に、第1の外部端子、第3の外部端子、第4の外部端子、第2の外部端子、第5の外部端子の順序で配置することを特徴とする請求項５に記載のパワー半導体モジュール。
7. 前記第１〜第５の外部端子を直線状に、第２の外部端子、第４の外部端子、第３の外部端子、第１の外部端子、第5の外部端子の順序で配置することを特徴とする請求項５に記載のパワー半導体モジュール。
8. 前記第１〜第４のＩＧＢＴの電流定格は略同等とし、前記第５〜第８のＩＧＢＴの電流定格は前記第１〜第４のＩＧＢＴの電流定格の略半分とすることを特徴とする請求項５に記載のパワー半導体モジュール。
9. 請求項1〜８のいずれかに記載のパワー半導体モジュールの第1の外部端子と第3の外部端子、及び第2の外部端子と第4の外部端子とを各々接続し、これらの二つの接続点と直流電源を並列に接続すると共に、第5の外部端子を交流端子とし、直流から交流又は交流から直流へ電力変換することを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項1〜８のいずれかに記載のパワー半導体モジュールの第1、第3及び第4の外部端子を接続し、この接続点と第２の外部端子との間にコンデンサ又はリアクトルとコンデンサとの直列回路を、第２と第５の外部端子間に直流電源又はリアクトルと直流電源との直列回路を、各々接続し、直流電源から別の直流へ電力変換することを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項1〜８のいずれかに記載のパワー半導体モジュールの第1と第3の外部端子及び第2と第4の外部端子を各々接続し、これらの二つの接続点間にコンデンサ又はリアクトルとコンデンサとの直列回路を、前記第２と第５の外部端子間に直流電源又はリアクトルと直流電源との直列回路を、各々接続し、直流電源から別の直流へ電力変換することを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項1〜８のいずれかに記載のパワー半導体モジュールの第２〜第４の外部端子を接続し、この接続点と第１の外部端子との間にコンデンサ又はリアクトルとコンデンサとの直列回路を、前記第２と第５の外部端子間に直流電源又はリアクトルと直流電源との直列回路を、各々接続し、直流電源から別の直流へ電力変換することを特徴とする電力変換装置。
13. 請求項1〜８のいずれかに記載のパワー半導体モジュールの第1の外部端子と第２の外部端子との間に、第1と第２の直流電源を直列接続した電源回路を並列接続し、第３及び第４の外部端子を第１と第２の直流電源の直列接続点に、各々接続し、第５の外部端子を交流端子とし、直流から交流又は交流から直流へ電力変換することを特徴とする電力変換装置。
14. 請求項1〜８のいずれかに記載のパワー半導体モジュールの第1の外部端子と第２の外部端子との間に、第1から第３の直流電源を直列接続した直流電源回路を並列接続し、第３の外部端子を第１と第２の直流電源の直列接続点に、第４の外部端子を第２と第３の直流電源の直列接続点に各々接続し、第５の外部端子を交流端子とし、直流から交流又は交流から直流へ電力変換することを特徴とする電力変換装置。
15. 請求項５〜８のいずれかに記載の３個のパワー半導体モジュール各々の第３及び第４の外部端子を全て接続して交流出力の第１相とし、各々の第１の外部端子を全て接続して交流出力の第２相とし、各々の第２の外部端子を全て接続して交流出力の第３相とし、各々の第５の外部端子を各々３相交流電源の各相に接続し、交流電源から別の交流電源へ電力変換することを特徴とする電力変換装置。
16. 請求項５〜８のいずれかに記載の３個のパワー半導体モジュール各々の第３及び第４の外部端子を全て接続して交流電源の第１相入力とし、各々の第１の外部端子を全て接続して交流電源の第２相入力とし、各々の第２の外部端子を全て接続して交流電源の第３相入力とし、各々の第５の外部端子を各々３相交流出力の各相に接続し、交流電源から別の交流電源へ電力変換することを特徴とする電力変換装置。
    

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