JP2013219967A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力変換装置は、スイッチング素子を内蔵した本体部20を有する複数の半導体モジュール2を備えている。モジュールユニット11において、正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとは、本体部20の主面201、202同士を対向させた状態で配置されている。正極端子23、第1中間端子241、負極端子25及び第2中間端子242は、互いに同一の方向に突出されており、その方向は、対向方向Xに直交する突出方向である。モジュールユニット11を突出方向から透視した場合に、正極端子23から第1中間端子241へ向かう第1ベクトルV1と、第2中間端子242から負極端子25へ向かう第2ベクトルV2とは、対向方向Xに直交する直交方向Yのベクトル成分V12、V22の向きが互いに逆向きである。
【選択図】図4
Description
電力変換装置は、半導体モジュールに内蔵された半導体素子(スイッチング素子)の開閉を適宜制御することで電力変換を行っている。ところが、内部回路の配線等に起因するインダクタンスが存在するため、スイッチング素子の開閉に伴ってサージ電圧が発生する。このようなサージ電圧は、スイッチング素子に不具合が生じる原因となり得る。そのため、上述のインダクタンスを低減することが求められている。
この電力変換装置によれば、半導体モジュールに電流が流れると、誘導導体には半導体モジュールに流れる電流とは逆向きの誘導電流が流れる。これにより、配線等に起因するインダクタンスの低減を図ることができる。
該複数の半導体モジュールには、電源の正極側に接続される正極側モジュールと、上記電源の負極側に接続される負極側モジュールとがあり、
上記正極側モジュールには、上記電源に接続される正極端子と、上記負極側モジュールに接続される第1中間端子とが上記本体部から突出形成されており、
上記負極側モジュールには、上記電源に接続される負極端子と、上記正極側モジュールに接続される第2中間端子とが上記本体部から突出形成されており、
上記第1中間端子と上記第2中間端子とは、中間バスバを介して接続されており、
該中間バスバを介して接続された隣り合う上記正極側モジュールと上記負極側モジュールとからなるモジュールユニットにおいて、上記正極側モジュールと上記負極側モジュールとは、上記本体部の主面同士を対向させた状態で配置されており、
両者の上記正極端子、上記第1中間端子、上記負極端子及び上記第2中間端子は、互いに同一又は反対の方向に突出されており、その方向は、上記両者の対向方向に直交する突出方向であり、
上記モジュールユニットを上記突出方向から透視した場合に、上記正極側モジュールの上記正極端子から上記第1中間端子へ向かう第1ベクトルと、上記負極側モジュールの上記第2中間端子から上記負極端子へ向かう第2ベクトルとは、上記対向方向に直交する直交方向のベクトル成分の向きが互いに逆向きであることを特徴とする電力変換装置にある(請求項1)。
また、上記正極側モジュール及び上記負極側モジュールの上記正極端子、上記第1中間端子、上記負極端子及び上記第2中間端子は、すべて同一の方向に突出されていてもよい。
この場合には、正極側モジュールの導電部と負極側モジュールの導電部とに流れる電流の向きが上記直交方向において互いに逆向きとなるようにすることができ、上述した相互インダクタンス効果を十分に得ることができる。
この場合には、導電部が本体部の主面に露出しない構成に比べて、電流が逆向きに流れる正極側モジュール及び負極側モジュールの導電部同士を近接させることが可能となるため、上述したインダクタンス効果を高めることができる。また、導電部を露出させることによって放熱効果を高めることもできる。
この場合には、電流経路となる一対の導電部が本体部のスイッチング素子の対向方向の両側、すなわち本体部の両主面側に配置される。これにより、正極側モジュールの導電部と負極側モジュールの導電部との対向面積を大きくすることができ、上述した相互インダクタンス効果を高めることができる。
この場合には、正極側モジュールの正極端子から負極側モジュールの負極端子までの電流経路を単純化することが可能となると共に、上述した相互インダクタンス効果を十分に得ることができる。
なお、スイッチング素子とダイオードとは、上述したように別体で構成してもよいし、両者を一体化して構成してもよい。
この場合には、正極側モジュールの正極端子から負極側モジュールの負極端子までの電流経路をより単純化することが可能となると共に、上述した相互インダクタンス効果を十分に得ることができる。
この場合には、一方のモジュールユニットの正極側モジュールと他方のモジュールユニットの負極側モジュールとに流れる電流の向きが上記直交方向において互いに逆向きとなるようにすれば、隣り合うモジュールユニット同士の間における相互インダクタンス効果も得られる。これにより、インダクタンスの低減をより一層図ることができる。
この場合には、冷却器の冷媒流路を流通する冷媒によって半導体モジュールを本体部の主面側から効率よく冷却することができる。
上記電力変換装置にかかる実施例について、図を用いて説明する。
本例の電力変換装置1は、図1〜図7に示すごとく、スイッチング素子211を内蔵した板状の本体部20を有する複数の半導体モジュール2を備えている。複数の半導体モジュール2には、電源81の正極側に接続される正極側モジュール2pと、電源81の負極側に接続される負極側モジュール2nとがある。
以下、これを詳説する。
複数の半導体モジュール2は、3つの正極側モジュール2pと3つの負極側モジュール2nとにより構成されている。
モジュールユニット11において、正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとは、本体部20の主面201、202同士を対向させた状態で積層配置されている。
なお、図4は、モジュールユニット11における正極側モジュール2p、負極側モジュール2nを突出方向Zから透視したものである。なお、図4では、本体部20、正極端子23、第1中間端子241、負極端子25、第2中間端子242のみを示している。
また、図5、図6は、モジュールユニット11における正極側モジュール2p、負極側モジュール2n、両者の間に設けられた冷却管31について、突出方向Zに直交する方向の断面を示したものである。
そうすると、第1ベクトルV1と第2ベクトルV2とは、直交方向Yのベクトル成分V12、V22の向きが互いに逆向きである。
図7に示すごとく、電力変換回路8は、電源81(直流電源81)、コンデンサ5、6つの半導体モジュール2(3つの正極側モジュール2p、3つの負極側モジュール2n)等によって構成されている。半導体モジュール2のうち、正極側モジュール2pは、上アーム側のスイッチング素子211とそのスイッチング素子211に逆並列接続された上アーム側のダイオード212とを有する。また、負極側モジュール2nは、下アーム側のスイッチング素子211とそのスイッチング素子211に逆並列接続された下アーム側のダイオード212とを有する。
そして、半導体モジュール2におけるスイッチング素子211のスイッチング動作を制御することにより、電源81の直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を使って三相交流モータ82を駆動させる。
本例の電力変換装置1において、モジュールユニット11における正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとは、本体部20の主面201、202同士を対向させた状態で配置されている。また、モジュールユニットを突出方向Zから透視した場合に、正極側モジュール2pの正極端子23から第1中間端子241へ向かう第1ベクトルV1と、負極側モジュール2nの第2中間端子242から負極端子25へ向かう第2ベクトルV2とは、直交方向Yのベクトル成分V12、V22の向きが互いに逆向きである。
次に、正極側モジュール2p(上アーム側)のスイッチング素子211をオフからオンに切り替えると、負極側モジュール2n(下アーム側)のダイオード212にリカバリ電流が流れる。リカバリ電流とは、ダイオードの順方向に電流が流れた後に逆電圧が印可されたとき、ダイオードの逆方向に流れる電流をいう。
電流iは、正極側モジュール2pの正極端子23、導電部222、スイッチング素子211、導電部221、第1中間端子241を順に流れる。そして、中間バスバ4c(図示略)を介して、負極側モジュール2nの第2中間端子242、導電部221、ダイオード212、導電部222、負極端子25の順に流れる。ここで、直交方向Yに流れる電流iに着目すると、正極側モジュール2pの導電部221に流れる電流iの向きと負極側モジュール2nの導電部221に流れる電流iの向きとが互いに逆向きとなっている。
電流iは、正極側モジュール2pの正極端子23、導電部222、ダイオード212、導電部221、第1中間端子241を順に流れる。そして、中間バスバ4c(図示略)を介して、負極側モジュール2nの第2中間端子242、導電部221、スイッチング素子211、導電部222、負極端子25の順に流れる。ここで、直交方向Yに流れる電流iに着目すると、正極側モジュール2pの導電部222に流れる電流iの向きと負極側モジュール2nの導電部222に流れる電流iの向きとが互いに逆向きとなっている。
本例は、図8〜図10に示すごとく、半導体モジュール2の構成を変更した例である。
本例では、図8に示すごとく、負極側モジュール2nの本体部20において、負極端子25は、正極側モジュール2pから近い側に配置されている。第2中間端子242は、正極側モジュール2pから遠い側に配置されている。
また、第1ベクトルV1と第2ベクトルV2とは、直交方向Yのベクトル成分V12、V22の向きが互いに逆向きである。
その他の基本的な構成は、実施例1と同様である。
図9は、正極側モジュール2pのスイッチング素子211をオフからオンに切り替えたときの電流iの流れを示したものである。
電流は、正極側モジュール2pの正極端子23から中間バスバ4c(図示略)を介して負極側モジュール2nの負極端子25まで、図9に示すように流れる。ここで、直交方向Yに流れる電流iに着目すると、正極側モジュール2pの導電部221に流れる電流iの向きと負極側モジュール2nの導電部222に流れる電流iの向きとが互いに逆向きとなっている。
電流は、正極側モジュール2pの正極端子23から中間バスバ4c(図示略)を介して負極側モジュール2nの負極端子25まで、図10に示すように流れる。ここで、直交方向Yに流れる電流iに着目すると、正極側モジュール2pの導電部222に流れる電流iの向きと負極側モジュール2nの導電部221に流れる電流iの向きとが互いに逆向きとなっている。
その他の基本的な作用効果は、実施例1と同様である。
本例は、図11〜図13に示すごとく、半導体モジュール2の構成を変更した例である。
本例では、図11、図12に示すごとく、正極側モジュール2pの本体部20は、スイッチング素子211及びダイオード212の対向方向Xの両側に配置された一対の導電部221、222に加えて、本体部20の負極側モジュール2nに近い側の主面202に露出すると共に、負極側モジュール2nから遠い側にある導電部221に接続された導電部223を有する。
その他の基本的な構成は、実施例1と同様である。
図12は、正極側モジュール2pのスイッチング素子211をオフからオンに切り替えたときの電流iの流れを示したものである。
電流は、正極側モジュール2pの正極端子23から中間バスバ4c(図示略)を介して負極側モジュール2nの負極端子25まで、図12に示すように流れる。ここで、直交方向Yに流れる電流iに着目すると、正極側モジュール2pの導電部221に流れる電流iの向きと負極側モジュール2nの導電部221、222に流れる電流iの向きとが互いに逆向きとなっている。
電流は、正極側モジュール2pの正極端子23から中間バスバ4c(図示略)を介して負極側モジュール2nの負極端子25まで、図13に示すように流れる。ここで、直交方向Yに流れる電流iに着目すると、正極側モジュール2pの導電部221、222に流れる電流iの向きと負極側モジュール2nの導電部222に流れる電流iの向きとが互いに逆向きとなっている。
その他の基本的な作用効果は、実施例1と同様である。
本例は、図14に示すごとく、半導体モジュール2の構成を変更した例である。
本例において、同図に示すごとく、半導体モジュール2(正極側モジュール2p、負極側モジュール2n)の本体部20には、スイッチング素子211とダイオード212とを一体化して構成した半導体素子部21が内蔵されている。
その他の基本的な構成は、実施例1と同様である。
図14は、正極側モジュール2pのスイッチング素子211をオフからオンに切り替えたときの電流iの流れを示したものである。負極側モジュール2nのスイッチング素子211をオフからオンに切り替えたときの電流iの流れも同様である。
電流は、正極側モジュール2pの正極端子23から中間バスバ4c(図示略)を介して負極側モジュール2nの負極端子25まで、図14に示すように流れる。ここで、直交方向Yに流れる電流iに着目すると、正極側モジュール2pの導電部221、222に流れる電流iの向きと負極側モジュール2nの導電部221、222に流れる電流iの向きとが互いに逆向きとなっている。
その他の基本的な作用効果は、実施例1と同様である。
本例は、図15に示すごとく、モジュールユニット11の構成を変更した例である。
本例では、同図に示すごとく、正極側モジュール2p及び負極側モジュール2nを1つのユニットとするモジュールユニット11同士が並列に接続されている。
具体的には、一方のモジュールユニット11における正極側モジュール2pの第1中間端子241及び負極側モジュール2nの第2中間端子242と、他方のモジュールユニット11における正極側モジュール2pの第1中間端子241及び負極側モジュール2nの第2中間端子242とは、共通の1つの中間バスバ4cに接続されている。
なお、図15では、三相交流モータ82のU相の電極に接続されている中間バスバ4cについて図示したが、その他の三相交流モータ82のV相、W相の各電極に接続されている中間バスバ4cについても同様の構成となっている。
その他の基本的な構成は、実施例1と同様である。
その他の基本的な作用効果は、実施例1と同様である。
本例は、図16に示すごとく、電力変換装置1の構成を変更した例である。
本例の電力変換装置1は、同図に示すごとく、2つの三相交流モータ82(図示略)を駆動させるタイプのものである。コンデンサ5の直交方向Yの両側には、それぞれ複数の半導体モジュール2、冷却器3、複数のバスバ(正極バスバ4a、負極バスバ4b、中間バスバ4c)等が配置されている。
その他、コンデンサ5の直交方向Yの両側にそれぞれ配置された半導体モジュール2、冷却器3、バスバ等の基本的な構成は、実施例1と同様である。
その他の基本的な作用効果は、実施例1と同様である。
11 モジュールユニット
2 半導体モジュール
2p 正極側モジュール
2n 負極側モジュール
20 本体部
201、202 主面
211 スイッチング素子
23 正極端子
241 第1中間端子
242 第2中間端子
25 負極端子
4c 中間バスバ
81 電源
V1 第1ベクトル
V12 ベクトル成分(第1ベクトルの直交方向のベクトル成分)
V2 第2ベクトル
V22 ベクトル成分(第2ベクトルの直交方向のベクトル成分)
X 対向方向
Y 直交方向
Z 突出方向
Claims (8)
- スイッチング素子(211)を内蔵した板状の本体部(20)を有する複数の半導体モジュール(2、2p、2n)を備え、
該複数の半導体モジュール(2、2p、2n)には、電源(81)の正極側に接続される正極側モジュール(2p)と、上記電源(81)の負極側に接続される負極側モジュール(2n)とがあり、
上記正極側モジュール(2p)には、上記電源(81)に接続される正極端子(23)と、上記負極側モジュール(2n)に接続される第1中間端子(241)とが上記本体部(20)から突出形成されており、
上記負極側モジュール(2n)には、上記電源(81)に接続される負極端子(25)と、上記正極側モジュール(2p)に接続される第2中間端子(242)とが上記本体部(20)から突出形成されており、
上記第1中間端子(241)と上記第2中間端子(242)とは、中間バスバ(4c)を介して接続されており、
該中間バスバ(4c)を介して接続された隣り合う上記正極側モジュール(2p)と上記負極側モジュール(2n)とからなるモジュールユニット(11)において、上記正極側モジュール(2p)と上記負極側モジュール(2n)とは、上記本体部(20)の主面(201、202)同士を対向させた状態で配置されており、
両者の上記正極端子(23)、上記第1中間端子(241)、上記負極端子(25)及び上記第2中間端子(242)は、互いに同一又は反対の方向に突出されており、その方向は、上記両者の対向方向(X)に直交する突出方向(Z)であり、
上記モジュールユニット(11)を上記突出方向(Z)から透視した場合に、上記正極側モジュール(2p)の上記正極端子(23)から上記第1中間端子(241)へ向かう第1ベクトル(V1)と、上記負極側モジュール(2n)の上記第2中間端子(242)から上記負極端子(25)へ向かう第2ベクトル(V2)とは、上記対向方向(X)に直交する直交方向(Y)のベクトル成分(V12、V22)の向きが互いに逆向きであることを特徴とする電力変換装置(1)。 - 請求項1に記載の電力変換装置(1)において、上記モジュールユニット(11)における上記正極側モジュール(2p)の上記本体部(20)は、上記正極端子(23)と上記第1中間端子(241)との間を上記スイッチング素子(211)を介して電気的に導通させるための導電部(221、222)を有し、上記負極側モジュール(2n)の上記本体部(20)は、上記負極端子(25)と上記第2中間端子(242)と間を上記スイッチング素子(211)を介して電気的に導通させるための導電部(221、222)を有することを特徴とする電力変換装置(1)。
- 請求項2に記載の電力変換装置(1)において、上記導電部(221、222)は、少なくとも一部が上記本体部(20)の上記主面(201、202)に露出していることを特徴とする電力変換装置(1)。
- 請求項2又は3に記載の電力変換装置(1)において、上記モジュールユニット(11)における上記正極側モジュール(2p)の上記本体部(20)は、上記スイッチング素子(211)の上記対向方向(X)の両側に配置されると共に、上記正極端子(23)と上記第1中間端子(241)とにそれぞれ接続された一対の上記導電部(221、222)を有し、上記負極側モジュール(2n)の上記本体部(20)は、上記スイッチング素子(211)の上記対向方向(X)の両側に配置されると共に、上記負極端子(25)と上記第2中間端子(242)とにそれぞれ接続された一対の上記導電部(221、222)を有することを特徴とする電力変換装置(1)。
- 請求項4に記載の電力変換装置(1)において、上記モジュールユニット(11)における上記正極側モジュール(2p)及び上記負極側モジュール(2n)の上記本体部(20)には、上記スイッチング素子(211)と上記直交方向(Y)に並ぶようにダイオード(212)が内蔵されており、上記正極側モジュール(2p)の上記スイッチング素子(211)と上記負極側モジュール(2n)の上記ダイオード(212)とが上記対向方向(X)に対向して配置されており、上記正極側モジュール(2p)の上記ダイオード(212)と上記負極側モジュール(2n)の上記スイッチング素子(211)とが上記対向方向(X)に対向して配置されていることを特徴とする電力変換装置(1)。
- 請求項5に記載の電力変換装置(1)において、上記モジュールユニット(11)を上記突出方向(Z)から透視した場合に、上記正極側モジュール(2p)では、上記スイッチング素子(211)と上記正極端子(23)とが上記対向方向(X)に並んで配置されていると共に、上記ダイオード(212)と上記第1中間端子(241)とが上記対向方向(X)に並んで配置されており、上記負極側モジュール(2n)では、上記スイッチング素子(211)と上記第2中間端子(242)とが上記対向方向(X)に並んで配置されていると共に、上記ダイオード(212)と上記負極端子(25)とが上記対向方向(X)に並んで配置されていることを特徴とする電力変換装置(1)。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置(1)において、上記モジュールユニット(11)を複数備え、隣り合う該モジュールユニット(11)同士において、一方の該モジュールユニット(11)の上記正極側モジュール(2p)と他方の上記モジュールユニット(11)の上記負極側モジュール(2n)とは、上記本体部(20)の主面(201、202)同士を対向させた状態で配置されていることを特徴とする電力変換装置(1)。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置(1)において、上記半導体モジュール(2、2p、2n)を冷却する冷媒を流通させる冷媒流路(31)を有する冷却器(3)を備え、上記半導体モジュール(2、2p、2n)と上記冷媒流路(31)とは、上記対向方向(X)において互いに積層されていることを特徴とする電力変換装置(1)。
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