JP2016046988A - ３レベル電力変換装置の半導体モジュールユニット - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の製作を容易にするために、３レベル電力変換装置の上下アームと中間アームとを格別のモジュールに収納し、これらのモジュールを一体的に取り扱うことができるようにした半導体モジュールユニットを提供することを課題とする。【解決手段】３レベル電力変換装置の上下アームを収納した第１モジュールと、中間アームを収納した第２モジュールとを設け、この第１モジュールと第２モジュールの直流電源接続端子および出力端子にそれぞれ平板状の接続端子板および出力端子板を接続し、前記第１および第２モジュールのゲート端子に共通のゲート回路板を接続し、前記各接続端子板とゲート回路板を前記第１および第２モジュールとを電気、機械的に結合することにより前記第１モジュールと第２モジュールとを一体に構成する。【選択図】図６

Description

この発明は、３レベルインバータ等の電力変換装置の半導体スイッチ素子を２個直列接続して構成した上下アームと、双方向スイッチ回路を構成する中間アームとをそれぞれ収納した半導体モジュールを一体に組み合わせて構成した半導体モジュールユニットに関する。

３レベルインバータに限らず半導体電力変換装置においては、組み立てを簡素化して装置のコストを低減するために、半導体電力変換回路を１つあるいは複数のパッケージに収納してモジュール化することが行われている。

図１０は、特許文献１に記載された従来の３レベルインバータの１相分の回路（ａ）とこの回路を収容したモジュールの構成（ｂ）を示すものである。

図１０（ａ）において、１は直流電源であり、その電圧をコンデンサ２、３により分割し、Ｐ、Ｍ、Ｎの３つの電位を形成する。４〜７は、順方向の電流を断続制御することが可能で、かつ逆方向電流に対して常に導通状態となる半導体スイッチ素子である。この半導体スイッチ素子は、ここでは、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）とそれに逆並列接続されたダイオードとで示されている。半導体スイッチ素子６と７は、逆方向に直列接続されており、これにより、順、逆両方向の電流の断続制御が可能な、いわゆる双方向（交流）スイッチを構成する。半導体スイッチ素子４、５は、直列接続して電力変換回路の１相分の上下アーム１１を構成する。この上下アーム１１に対して、半導体スイッチ素子６、７を直列接続して構成した交流スイッチは、中間アーム１２と称する。

図１０（ａ）の回路において、交流出力端Ｕの電位は、上下アーム１１の半導体スイッチ素子４がオンしたときは、直流電源１の高電位端Ｐの電位と等しく、半導体スイッチ素子５がオンしたときは、直流電源１の低電位端Ｎの電位と等しくなる。また、中間アームの半導体スイッチ素子６または７がオンしたとき、交流出力端Ｕの電位は２つのコンデンサ２、３の中間点Ｍの電位、すなわち直流電源１の中間電位と等しくなる。

すなわち、この図１０（ａ）の回路は、各半導体スイッチ素子のオン状態によって交流出力端Ｕの電位を３つの電圧レベルで選択できる３レベルインバータを構成する。

このような３レベルの出力を発生する３レベルインバ‐タ回路は、中間アーム１２を構成する半導体スイッチ素子６、７の耐圧が上下アーム１１の半導体スイッチ素子４、５の１／２でよい特徴がある。また、動作条件（力率と変調率）によって上下アームと中間アームの各半導体スイッチ素子で発生する導通損失や、スイッチング損失が異なる。このため、この回路の適用される電力変換装置においては、運転条件によって、上下アームと中間アームを構成する半導体スイッチ素子のそれぞれに適した耐圧やスイッチング特性等の仕様が変わる。

このために、特許文献１では、これまで、図１０（ａ）に示す電力変換回路の全体を１つのモジュールに収納していたのを上下アーム１１と中間アーム１２とを別々のパッケージに収めて別モジュールとすることが提案されている。

図１０（ｂ）に示すモジュール１１Ｍは、図１０（ａ）の回路の上下アーム１２を収納した上下アームモジュールであり、モジュール１２は、中間アーム１２Ｍを収納したモジュールである。

モジュール１１Ｍの上面の端子Ｃ４、Ｅ５、Ｕは主回路端子である。モジュールＭ１１は、端子Ｃ４を、を直流電源１の高電位端子Ｐに接続し、端子Ｅ５を、低電位端子Ｎに接続して使用し、端子Ｕから、モジュールＭ１１の交流出力を取り出すようにする。Ｇ４、Ｅ４およびＧ５、Ｅ５は、それぞれ半導体スイッチ素子４，５のゲート端子であり、これらの端子に制御装置からゲート制御信号を加えてモジュール１１Ｍの半導体スイッチ素子４，５のスイッチングを制御する。

モジュール１２Ｍの上面の端子Ｃ７，Ｅ７は主回路端子である。モジュール１２Ｍは、端子Ｃ７を、直流電源１の中間電位端子Ｍに接続し、端子Ｅ６を、モジュールＭ１１の交流出力端子Ｕに接続して使用する。Ｇ６、Ｅ６およびＧ７、Ｅ７は、それぞれ双方向スイッチ回路の半導体スイッチ素子６、７のゲート端子であり、これらの端子に制御装置からゲート制御信号を加えてモジュールＭ１２の半導体スイッチ素子６、７のスイッチングを制御する。

このように上下アーム１１と中間アーム１２に各別のモジュールに構成するようにすると、上下アームの半導体スイッチ素子と中間アームの半導体スイッチ素子は、もともと使用条件の異なるのであるので、各モジュールの設計の自由度が増し、製作が容易となる。そして、それぞれ複数種類用意された上下アームモジュール１１Ｍと中間アームモジュール１２Ｍの中からそのときの動作条件に適応したものを選択して電力変換装置を構成することができるので、電力変換装置の経済性をより向上することができる。

国際公開第ＷＯ２０１２／１６９９５１号パンフレット

このように従来から、３レベル電力変換装置の上下アームと中間アームとを別々のモジュールにパケージすることが行われているが、さらにこの上下アームモジュールと中間アームモジュールを１つのユニットにまとめることは行われていない。

この発明は、電力変換装置の製作のさらなる効率化のために、上下アームモジュールと中間アームモジュールとを一体的に取り扱うことができるようにした半導体モジュールユニットを提供することを課題とする。

この課題を解決するため、この発明は、３レベル電力変換装置の上下アームを構成する第１半導体スイッチ素子および第２半導体スイッチ素子を収納した第１モジュールと、中間アームを構成する双方半導体スイッチ回路を収納した第２モジュールとを設け、この第１モジュールと第２モジュールを隣り合わせに平行に近接配置し、前記第１モジュールの高電位接続端子に平板状の高電位接続端子板を接続し、低電位接続端子に平板状の低電位接続端子板を接続し、前記第２モジュールの中間電位端子に中間電位接続端子板をするとともに、前記前記第１モジュールの交流出力端子と前記第２モジュールの交流側接続端子とに共通の平板状の交流出力端子板を接続し、かつ、前記第１モジュールのゲート端子および第２モジュールのゲート端子に共通に、前記各モジュールの半導体スイッチ素子の個別のゲート駆動回路を備えるゲート回路板を接続し、前記第１モジュールおよび第２モジュールの前記各接続端子と各接続端子板とを電気、機械的に結合するとともに前記ゲート端子と前記ゲート回路板とを電気、機械的に結合することにより前記第１モジュールと第２モジュールとを一体に結合したことを特徴とする。

前記高電位接続端子板と低電位接続端子板および中間電位接続端子板は、前記第１モジュールおよび第２モジュールの上方へ垂直に延ばし、相互に近接して平行に配設するのがよい。

前記の第１モジュールおよび第２モジュールに設ける接続端子は、ピン状導体で構成し、それぞれ所定間隔離して１対ずつ設けるのがよい。

また、前記各接続端子板、交流出力端子板およびゲート回路板と前記第１モジュールおよび第２モジュールの接続端子とを圧着してカシメにより結合することができる。

さらに、前記第１モジュールおよび第２モジュールを複数組並列接続する場合、前記第１モジュールと第２モジュールとを交互に平行に近接配置し、全モジュールに共通に前記各接続端子板、交流出力端子板およびゲート回路板を設けることができる。

前記高電位接続端子板と低電位接続端子板および中間電位接続端子板のそれぞれの下端と上端に設ける端子接続部と外部接続端子部とを各接続端子板の対角となる位置に設けることができる。

前記第１モジュールおよびだ２モジュールは、同一形状のパッケージとして同じピン配列とすることができる。その場合、不要な端子が生じて場合は、空き端子とする。

また、少なくとも前記第１モジュールに収納した半導体スイッチ素子は、ワイドバンドギャップ半導体で構成した半導体スイッチ素子とするのがよい。

この発明によれば、平行に近接配置した、３レベル電力変換装置の上下アームを収納した第１モジュールと中間アームを収納して第２アームが、それぞれに共通に接続された交流出力端子板およびゲート回路板によりより機械的に結合されて、一体的なユニットとすることができるので、取り扱いが容易となり、電力変換装置の製作工数の低減が期待できる。

また、第１モジュールおよび第２モジュールの直流一巡経路の配線導体となる接続された高電位接続端子板と低電位接続端子板および中間電位接続端子板は、相互に平行に近接配置されているので往復電流による磁束打ち消し効果が大きくなり配線の寄生インダクタンスを低減することができるので、ＳｉＣ等のワイドバンドギャップ半導体で構成した高速半導体スイッチ素子を用いた場合に、発生するサージ電圧を抑制することができる。

この発明の実施例を示す３レベルインバータの１相分の回路構成図。 この発明に使用する上下アームを収容した第１モジュールと中間アームを収容した第２モジュールの構成を示す斜視図。 この発明の第１の実施例のモジュールユニットの構成を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図。 この発明の第１の実施例のモジュールユニットの構成を分解して示す斜視図。 この発明の第１の実施例のモジュールユニットの組み立て手順を示す図。 この発明の第１の実施例のモジュールユニットの冷却器への取付け状態を示す斜視図。 この発明の第１の実施例のモジュールユニットとコンデンサ等の電気部品との取付け状態を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図。 この発明の第２の実施例のモジュールユニットの構成を示す斜視図。 この発明の第３の実施例のモジュールユニットの構成を示す斜視図。 従来の電力変換装置のモジュールを示すもので、（ａ）はモジュールの回路図、（ｂ）はモジュールの平面構成図

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１に、この発明の第１の実施例を示すのもので、３レベルインバータの１相分の回路構成図である。

図１において、３レベルインバータの上下アームとなる、ＭＯＳＦＥＴで構成された半導体スイッチ素子とダイオードとの逆並列された半導体スイッチ４、５を直列接続した回路は、第１モジュール２０に収容される。３レベルインバータの中間アームとなる双方向スイッチは、ダイオード１０、１１とＩＧＢＴ１２、１３で構成され、これらは第２モジュール３０に収容される。上下アーム、中間アームに適用する半導体スイッチは図１の例に限らず、例えば近年実用化されつつあるＳｉＣ（炭化珪素）等のワイドバンドギャップ半導体材料で構成した高速半導体スイッチ素子など、装置仕様により種々の半導体スイッチ素子を用いることができる。

上下アームを構成するモジュール２０からは、直流電源の高電位端子Ｐに接続する高電位接続端子２０Ｐ、低電位端子Ｎに接続する低電位接続端子２０Ｎ、交流出力を取り出す出力端子２０Ｕ、および半導体スイッチ４、５のゲート接続端子２０Ｇ４、２０Ｇ５が引き出されている。

また、中間アームを構成するモジュール３０からは、直流電源の中間電位端子Ｍに接続する中間電位接続端子３０Ｍ，上下アームの出力端子２０Ｕに接続する接続端子３０Ｕ、および半導体スイッチ１２、１３のゲート接続端子３０Ｇ１２、３０Ｇ１３が引き出される。

直流電源１の高電位端子Ｐおよび低電位端子Ｎと中間電位端子Ｍとの間に、それぞれ直流コンデンサ２および３を接続する。コンデンサ２の接続された高電位端子Ｐと上下アームモジュール２０の高電位接続端子２０Ｐとは高電位接続導体４０Ｐで接続する。コンデンサ３の接続された低電位端子Ｎと上下アームモジュール２０の低電位接続端子２０Ｎとは低電位接続導体４０Ｎで接続する。さらに、中間アームモジュール３０の中間電位接続端子３０Ｍと直流電源２の中間電位端子Ｍとを中間電位接続導体４０Ｍで接続する。そして、上下アームモジュール２０の出力端子２０Ｕと中間アーム３０の出力端接続端子３０Ｕとは出力接続導体４０Ｕで接続し、これらの接続導体４０Ｐ、４０Ｎ、４０Ｍ、４０Ｕはインバータ回路における直流一巡電流経路となる。

図２に、図１の上下アームを構成するモジュール２０および中間アームを構成するモジュール３０の外観構成を示す。各モジュールは、半導体スイッチ素子類を収容した絶縁樹脂ブロックで気密的にパッケージされている。ブロックの上面には複数の接続端子が配置され、それぞれの両端には、モジュールを冷却基板等に締め付け結合するための取付ねじを挿通する取付孔２０ｅ、３０ｅが設けられている。

両モジュール２０および３０に設けられた各接続端子はそれぞれ間隔を置いて配置された１対のピン電極で構成され、両モジュールでほぼ同じ配列としている。

上下アームモジュール２０の接続端子２０Ｐ、２０Ｎおよび２０Ｕは、図１の上下アームモジュール２０の高電位接続端子２０Ｐ、低電位接続端子２０Ｎおよび出力接続端子２０Ｕである。モジュール２０の接続端子２０Ｇ４および２０Ｇは、図１の上下アーム２０の半導体スイッチ４および５のゲート端子である。

また、中間アームモジュール３０の接続端子３０Ｍおよび３０Ｕは、図１の中間アームモジュール３０の中間電位接続端子３０Ｍおよび出力端子３０Ｕである。中間モジュール３０の接続端子３０Ｇ１４および３０Ｇ１５は、図１の中間アーム３０の半導体スイッチ１４および１５のゲート端子である。中間アームモジュール３０の端子Ｂは、中間アームモジュール３０の端子配列を、上下アームモジュール２０の端子配列と同じ配列とするために設けられた電気的接続には用いられない空き端子である。

モジュール２０の出力端子２０Ｕとモジュール３０のと出力端子３０Ｕが同列に配置される。モジュール２０のゲート端子２０Ｇ４、２０Ｇ５とモジュール３０のゲート端子３０Ｇ１２、３０Ｇ１３がそれぞれ同列となる。そして、モジュール２０の高電位接続端子２０Ｐとモジュール３０の空き端子３０Ｂが同列となり、モジュール２０の低電位接続端子２０Ｎとモジュール３０の中間電位接続端子３０Ｍが同列に配置される。

次に、図３、図４をを参照して、この発明の３レベルインバータのモジュールユニットについて説明する。

図３は、この発明による接続端子板組体４０を図２に示した２つのモジュール２０、３０に結合配置した３レベルインバータの１相ユニットの組み立て構成図である。

モジュール２０、３０は、近接して平行に配置する。この平行に配置された２つのモジュール２０、３０上に跨って垂直に接続端子板組体４０を固定配置する。

この接続端子板組体４０は、複数の垂直に立ち上がった複数の平板状の端子板と絶縁板を重ね合わせて構成されているため、図３においては詳細が見難いので、図４に分解して示す。以下の説明においてはこの図４を参照する。

出力端子板４１は、両モジュールの出力端子２０Ｕと３０Ｕの間を接続する接続導体４０Ｕ（図１）となる接続端子板であり、平板状導電材により形成されている。その図４における手前（左端）側の端部に、その全幅に亘って直角に２段に折り曲げて形成した端子接続部４１ａを有する。この端子接続部４１ａには、両モジュールのピン状の接続端子２０Ｕ、３０Ｕを挿入嵌合するための嵌合孔４１ｅが設けらている。さらに、端子板４１の先端（右端）側には、端子板４１を冷却器７０等に支持固定するための固定ねじ４１ｃが挿通されている。この固定ねじ４１ｃの先端側に絶縁材製のスペ‐サ４１ｄが嵌合されている。また、端子板４１には、モジュール２０と３０に結合したとき、モジュールの取付孔２０ｅ、３０ｅと対向する位置に、取付ねじを挿通するためのねじ挿通孔４１ｆを備えている。

接続端子板４４および４８は、それぞれ、図１における低電位接続導体４０Ｎおよび高電位導体４０Ｐとなる接続端子板であり、平板状導電材で形成されている。接続端子板４４および４８には、それぞれ、下端の図４において左端側（モジュール２０側）に、モジュール２０の接続端子２０Ｎおよび２０Ｐに接続するための端子接続部４４ａおよび４８ａが直角に折り曲げて形成されている。そして、接続端子板４４および４８の上端のこれらと対角をなす右端側（モジュール３０側）に、外部との接続を行うためのねじ端子を構成する外部接続用接続端子部４４ｂおよび４８ｂを直角に折り曲げて形成している。外部接続端子部４４ｂと４８ｂは、互いに反対方向に張り出している。端子接続部４４ａおよび４８ａには、それぞれモジュール２０のピン状の接続端子２０Ｎおよび２０Ｐを挿入、嵌合するための、嵌合孔４４ｅ(不図示)および４８ｅが設けらている。

接続端子板４６は、図１における中間電位接続導体４０Ｍとなる接続端子板であり、平板状導電材で形成されている。その上端の右端側（モジュール３０側）にモジュール３０の接続端子３０Ｍに接続するための端子接続部４６ａが直角に折り曲げて形成される。そして、接続端子板４６の上端のこれと対角をなす左端側（モジュール２０側）に、外部との接続を行うためのねじ端子を構成する外部接続端子部４６ｂが直角に折り曲げて形成されている。この接続端子板４６には、外部接続端子部４６ｂに結合してこれを左右両側に張出させる補助端子板４６ｓが付属する。

絶縁板４２および４３は、出力端子板４１と低電位接続端子板４４との間に挿入される絶縁板である。最外側の絶縁板４２の下端側は、絶縁沿面距離を拡大して、モジュール２０の端子２０Ｎとモジュール３０の端子３０Ｍを上部から覆うために外側(出力端子板４１側)へ折り曲げられ、上端には、接続端子板４４の外部接続端子部４４ｂを通すための凹部４２ｇおよび、接続端子板４６の外部接続続部４６ｂおよび補助端子板４６ｓを通すための凹部４２ｈが形成されている。

絶縁板４５は、接続端子板４４と４６との間に挿入される絶縁板であり、上端の左端側（モジュール２０側）に接続端子板４６の外部接続端子部４６ｂおよび補助端子板４６ｓを通すための凹部４５ｇを有する。

絶縁板４７は、接続端子板４６と４８との間に挿入される絶縁板であり、上端の左端側（モジュール２０側）に接続端子板４６の補助端子板４６ｓを通すための凹部４７ｇを有する。

絶縁板４９は、接続端子板４８と、その外側に配置されるゲート回路板５０との間に挿入される絶縁板である。

ゲート回路板５０は、各モジュールの半導体スイッチのゲート駆動回路を備えたプリント回路板で構成されており、モジュール２０および３０のゲート接続端子２０Ｇおよび３０Ｇに接続するためのゲート端子接続孔５０ｅを複数備える。また、モジュール２０、３０に結合したとき、モジュールの取付孔２０ｅ、３０ｅと対向する位置に、取付ねじ４０ｃを挿通するためのねじ挿通孔５０ｆを備える。

全ての接続端子板や絶縁板は、図４に示すように、近接して平行に配列した２個のモジュール２０および３０のは全幅Ｗｍに亘るようにするため、その幅Ｗ４０を、モジュールの全幅Ｗｍとほぼ等しい幅とする。絶縁板はその機能上、その幅Ｗ４０をモジュールの全幅Ｗｍより少し大きくしてモジュールの側端から少しはみ出すようにするのがよい。

このような上下アームモジュール２０、中間アームモジュール３０、接続端子板組体４０およびゲート回路板５０を備えた３レベルインバータのモジュールユニットの組み立て手順を図５に示すので、以下にこの図にしたがって説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、３レベルインバータを構成する上下アームを収容したモジュール２０と中間アームを収容したモジュール３０をそれぞれゲート端子２０Ｇ、３０Ｇ側を手前にして平行に並べて近接して配置する。このとき、各モジュールの各列の接続端子が同一の列に並ぶようにモジュールの前端と後端を揃える。

次いで、図５（ｂ）に示すように、出力接続端子板４１をモジュール２０、３０の後端(右端)側に両方に跨って水平に載置し、その各嵌合孔４１ｅに各モジュールの出力接続端子２０Ｕ，３０Ｕを挿入し嵌合する。嵌合孔４１ｅに挿入された接続端子２０Ｕ、３０Ｕを溶接またはろう付けするか、あるいはカシメ（圧潰）をすることにより接続端子２０Ｕ、３０Ｕと接続端子板４１とを電気的および機械的に結合し、相互に固定する。

モジュール２０、３０上に接続端子板４１が固定されたところで、その手前に図５（ｃ）および（ｄ）に示すように絶縁板４２および４３を垂直に順次配置する。

これに続き、絶縁板４３の手前に、図５（ｅ）に示すように低電位接続端子板４４を垂直に配置する。このとき、端子板４４の端子接続部４４ａの嵌合孔４４ｅ(不図示)にモジュール２０の接続端子２０Ｎを挿入、嵌合し、適宜の手段で接続端子板４４と接続端子２０Ｎとを電気的および機械的に結合して、固定する。

引き続き、図５（ｆ）に示すように、接続端子板４４の手前に、絶縁板４５を垂直に配置する。

そして、この絶縁板４５の手前に図５（ｇ）に示すように、中間電位接続端子板４６を垂直に配置する。この接続端子板４６のここには図示されない端子接続部４６ａの嵌合孔４６ｅにモジュール３０の中間電位接続端子３０Ｍを挿入、嵌合し、接続端子板４６と接続端子３０Ｍとを適宜の手段より電気的および機械的に結合し、接続端子板４６を固定する。接続端子板４６の上端部の接続端子部４６ｂは、各絶縁板の凹部を通して右側（後端側）に張り出させる。

次いで、図５（ｈ）に示すように、接続端子板４６の手前に絶縁板４７を垂直に配置する。これに引き続き、図５（ｉ）示すように高電位接続端子板４８を垂直に配置する。この接続端子板４８の下端の端子接続部４８ａの嵌合孔４８ｅにモジュール２０の高電位接続端子２０Ｐを挿入、嵌合し、接続端子板４８と接続端子とを電気的および機械的に結合して、接続端子板４８を固定する。

そして、図５（ｊ）に示すように、接続端子板４８の手前に絶縁板４９を垂直に配置するとともにゲート回路板５０を水平に配置する。ゲート回路板５０の嵌合孔５０ｅにそれぞれ、モジュール２０のゲート接続端子２０Ｇ４、２０Ｇ５およびモジュール３０のゲート接続端子３０Ｇ１２、３０Ｇ１３を挿入、嵌合し、ゲート回路板５０とゲート端子とを電気的、機械的に結合し、固定する。

さらに、中間電位接続端子板４６の外部接続端子部４６ｂ上に補助端子板４６ｓを載置し、電気、機械的に結合して、ねじ接続端子部が左右に張り出すようにする。

これにより、モジュールと接続端子板組体とを結合したモジュール組体の組み立てが完了する。

このように構成したモジュールユニットは、図６に示すように、冷却器７０に取付けて使用する。この場合は、出力端子板４１に設けられた取付けねじ４１ｃを絶縁材で構成したスペーサ４１ｄを介して、冷却器７０にねじ込み固定する。また、図６には図示されないがモジュール２０、３０の両端の取付孔２０ｅ、３０ｅに取付けねじ４０ｃを挿通して、冷却器７０にねじ込んで、モジュールを冷却器７０に取付け、固定する。

さらに、直流電源を分割するためのコンデンサ６０をモジュールユニットに結合する場合は、図７示すように、ユニット上の接続端子板組体４０の上端に形成された接続端子部を利用して結合する。このとき中間電位接続端子板４６のねじ接続端子部４６ｂには補助端子４６を結合することにより、この補助端子４６ｓを、低電位接続端板４４の接続端子部４４ｂと高電位接続端子板４８の接続端子部４８ｂのそれぞれと対向させる。この対向した端子４６ｓと端子４４ｂにそれぞれコンデンサ６０-１の端子６１-１と、６２-１をねじ結合する。そして端子４６ｓと端子４８ｂにそれぞれコンデンサ６０-２の端子６１-２と、６２-２をねじ結合する。

図７（ａ）は、コンデンサの端子と接続端子板組体４０の接続端子との結合状態を見やすくするために、コンデンサ６０-１、６０-２を仮想的に示している。

側面の構成を示す図７（ｂ）から明らかであるが、２個のコンデンサ６０-１、６０-２は、モジュール２０、３０の上に垂直に結合された接続端子板組体４０の上部で支持される。

なお、この発明における接続端子板組体４０は、予め、低電位接続端子板４４、中間電位接続端子板４６、および高電位接続端子板４８の間にそれぞれ絶縁板４５、４７を挿入して相互に重ね合わせて接着して、ラミネート構造とし、さらに、その両外側にそれぞれ絶縁板４３、４９貼り付けて一体的に構成し、これを並列配置されたモジュール２０、３０に結合するようにすることもできる。

図８にこの発明の第２の実施例を示す。この実施例は、上下アームを収容するモジュール２０と中間アームを収容するモジュール３０を２組並列接続して構成した例である。図８では、ラミネート構造の接続端子板組体４０Ａから絶縁板を省いて、接続端子板組体の構成を簡素化して示している。

図８に示すように２組の上下アームを収容した第１モジュール２０‐１、２０‐２と、中間アームを収容した第２モジュール３０‐１、３０‐２は、第１モジュールと第２モジュールとを交互に平行に配列している。

この２組の平行に配置されたモジュールに共通に接続端子板４４Ａ、４６Ａおよび４８Ａを重ねあわせて構成した接続端子板組体４０Ａと、ゲート回路板５０Ａとが設けられており、これらは、２組のモジュール２０‐１、３０‐１および２０‐２、３０‐２に跨って配置される。

高電位接続端子板４８Ａには、上下アームを収容した第１モジュール２０‐1および２０‐２の高電位接続端子に接続するために端子接続部が２個（４８ａ‐１、４８ａ‐２）設けられ、またコンデンサ等を接続するための外部接続端子部が２個（４８ｂ‐１、４８ｂ‐２）設けられている。

低電位接続端子板４４Ａには、上下アームを収容した第１モジュール２０‐１および２０‐２の低電位接続端子に接続するために端子接続部が２個（不図示）設けられ、またコンデンサ等を接続するための外部接続端子部が２個（４４ｂ‐１、４４ｂ‐２）設けられている。

中間電位接続端子板４６Ａには、中間アームを収容した第２モジュール３０‐１および３０‐２の中間電位接続端子に接続するために端子接続部が２個（４６ａ‐１、４６ａ‐２）設けられ、またコンデンサ等を接続するための外部接続端端子が２個（４６ｂ‐１、４６ｂ‐２）設けられている。

コンデンサは、ここには図示していないが、各接続端子板の上部の外部接続端子部４８ｂ‐1と４６ｂ‐１との間、４４ｂ‐1と４６ｂ‐１との間、４８ｂ‐２と４６ｂ‐２との間および４４ｂ‐２と４６ｂ‐２との間にそれぞれ接続して、モジュールの上部に配置する。

また各接続端子板の端子接続部と外部接続端子部は、各組のモジュールごとに接続端子板の対角となる位置に設けられている。例えば、接続端子板４８Ａにおいては、端子接続部４８ａ‐１は、モジュール２０‐１の直上の下端に設けられ、外部接続端子部４８ｂ‐１は、モジュール２０‐１と対となるモジュール３０‐１の直上の上端に設けられる。そして、もう一つの端子接続部４８ａ‐２は、もう一方の組のモジュール２０‐２の直上の下端に設けられ、外部接続端子部４８ｂ‐２は、モジュール２０‐２と対となるモジュール３０‐２の直上の上端に設けられるのである。

これにより、この実施例２においても、各接続端子板相互間に対向して流れる電流の磁束の打ち消し合い作用により、各接続端子板の配線インダクタンスを軽減できる。そして、各接続端子板の端子接続部とねじ接続端子部とが各端子板の対角となる位置に設けられているため、第１の実施例と同様に各接続端子板の配線インダクタンスをより小さく抑えることができる。

図９にこの発明の第３の実施例を示す。この実施例は、３組の上下アームを収容するモジュールと中間アームを収容るモジュールを並列接続して構成した例である。図９は、実施例２の場合と同様に、ラミネート構造の接続端子板組体４０Ｂから絶縁板を省いて、接続端子板組体の構成を簡素化して示している。

図９に示すように３組の上下アームを収容した第１モジュール２０‐1、２０‐２、２０‐３と、中間アームを収容した第２モジュール３０‐１、３０‐２、３０‐３は、第１モジュールと第２モジュールが交互に平行に配列される。

この３組の平行に配置されたモジュールに共通に接続端子板４４Ｂ、４６Ｂおよび４８Ｂを重ねあわせて構成した接続端子板組体４０Ｂと、ゲート回路板５０Ｂとが設けられており、これらは、６個のモジュール２０‐１、３０‐１、２０‐２、３０−２、２０−３および３０‐３に跨って配置される。

高電位接続端子板４８Ｂには、上下アームを収容した第１モジュール２０‐１、２０‐２および２０‐３の高電位接続端子に接続するための端子接続部が３個（４８ａ‐１、４８ａ‐２、４８ａ‐３）設けられ、またコンデンサ等を接続するための外部接続端子部が３個（４８ｂ‐１、４８ｂ‐２、４８ｂ‐３）設けられている。

低電位接続端子板４４Ｂには、上下アームを収容した第１モジュール２０‐1、２０‐２および２０‐３の低電位接続端子に接続するための端子接続部が３個（不図示）設けられ、またコンデンサ等を接続するための外部接続端子部が３個（４４ｂ‐１、４４ｂ‐２、４４ｂ‐３）設けられている。

中間電位接続端子板４６Ｂには、中間アームを収容した第２モジュール３０‐1、３０‐２および３０‐３の中間電位接続端子に接続するための端子接続部が３個（４６ａ‐１、４６ａ‐２、４６ａ‐３）設けられ、またコンデンサ等を接続するための外部接続端子部が３個（４６ｂ‐１、４６ｂ‐２、４６ｂ‐３）設けられている。

コンデンサは、ここには図示していないが、各接続端子板の上部の外部接続用のねじ接続端子部４８ｂ‐1と４６ｂ‐１との間、４４ｂ‐1と４６ｂ‐１との間、４８ｂ‐２と４６ｂ‐２との間、４４ｂ‐２と４６ｂ‐２との間、４８ｂ‐３と４６ｂ‐３との間、および４４ｂ‐３と４６ｂ‐３との間にそれぞれ接続し、モジュールの上部に配置する。

また各接続端子板の端子接続部と外部接続端子部は、各組のモジュールごとに接続端子板の対角となる位置に設けられている。例えば、接続端子板４８Ｂにおいては、端子接続部４８ａ‐１は、モジュール２０‐１の直上の下端に設けられ、外部接続端子部４８ｂ‐１は、モジュール２０‐１と対となるモジュール３０‐１の直上の上端に設けられる。そして、端子接続部４８ａ‐２は、他の組のモジュール２０‐２の直上の下端に設けられ、外部接続端子部４８ｂ‐２は、このモジュール２０‐２と対となるモジュール３０‐２の直上の上端に設けられる。そして、他の１つの端子接続４８ａ‐１は、他の組のモジュール２０‐３の直上の下端に設けられ、外部接続端子部４８ｂ‐１は、このモジュール２０‐３と対となるモジュール３０‐３の直上の上端に設けられているのである。

これにより、この実施例３においても、各接続端子板相互間に対向して流れる電流により形成される磁界の打ち消し合い作用により、各接続端子板の配線インダクタンスを軽減することができる。そして、各接続端子板の端子接続部と外部ねじ接続端子部とが各接続端子板の対角となる位置に設けられているため、第１の実施例および第２の実施例と同様に各接続端子板の配線インダクタンスをより小さく抑えることができる。

この発明によれば、前記のとおり３レベルインバータにおける直流電流一巡電流経路における配線インダクタンスをより小さくすることができるので、特に、上下アームを収容したモジュールに含まれる半導体スイッチを、Ｓｉ−Ｃ等のワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体で構成した高速の半導体スイッチを使用しても、サージ電圧を抑えることができるので、３レベルインバータの性能、安全性を高めることができる。

２０、２０‐１、２０‐２、２０‐３：上下アームを収容した第１モジュール
３０、３０‐１、３０‐２、３０‐３：中間アームを収容した第２モジュール
４０：接続端子板組体
４１：出力接続導体となる接続端子板
４１ａ：端子接続部
４２、４３、４５、４７、４９：絶縁板
４４：低電位接続導体となる接続端子板
４４ａ、４４ａ‐１、４４ａ‐２、４４ａ‐３：端子接続部
４４ｂ、４４ｂ‐１、４４ｂ‐２、４４ｂ‐３：外部接続用接続端子部
４６：中間電位接続導体となる接続端子板
４６ａ、４６ａ‐１、４６ａ‐２、４６ａ‐３：端子接続部
４４ｂ、４６ｂ‐１、４６ｂ‐２、４６ｂ‐３：外部接続用接続端子部
４８：高電位接続導体となる接続端子板
４８ａ、４８ａ‐１、４８ａ‐２、４８ａ‐３：端子接続部
４８ｂ、４８ｂ‐１、４８ｂ‐２、４８ｂ‐３：外部接続用接続端子部
５０：ゲート回路板
７０：冷却器

Claims (8)

1. ３レベル電力変換装置の上下アームを構成する第１半導体スイッチ素子および第２半導体スイッチ素子を収納した第１モジュールと、中間アームを構成する双方半導体スイッチ回路を収納した第２モジュールとを設け、この第１モジュールと第２モジュールを隣り合わせに平行に近接配置し、前記第１モジュールの高電位接続端子に平板状の高電位接続端子板を接続し、低電位接続端子に平板状の低電位接続端子板を接続し、前記第２モジュールの中間電位端子に中間電位接続端子板を接続するとともに、前記第１モジュールの交流出力端子と前記第２モジュールの交流側接続端子とに共通の平板状の交流出力端子板を接続し、かつ、前記第１モジュールのゲート端子および第２モジュールのゲート端子に共通に、前記各モジュールの半導体スイッチ素子の個別のゲート駆動回路を備えるゲート回路板を接続し、前記第１モジュールおよび第２モジュールの前記各接続端子と各接続端子板とを電気、機械的に結合するとともに前記ゲート端子と前記ゲート回路板とを電気、機械的に結合することにより前記第１モジュールと第２モジュールとを一体に結合したことを特徴とする３レベル電力変換装置の半導体モジュールユニット。
2. 前記高電位接続端子板と低電位接続端子板および中間電位接続端子板は、前記第１モジュールおよび第２モジュールの上方へ垂直に延ばし、相互に近接して平行に配設することを特徴とする請求項１に記載の３レベル電力変換装置の半導体モジュールユニット。
3. 前記の第１モジュールおよび第２モジュールに設ける接続端子は、ピン状導体で構成し、それぞれ所定間隔離して１対ずつ設けることを特徴とする請求項１または２に記載の３レベル電力変換装置の半導体モジュールユニット。
4. 前記各接続端子板、交流出力端子板およびゲート回路板と前記第１モジュールおよび第２モジュールの接続端子とを圧着してカシメにより結合することを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の３レベル電力変換装置の半導体モジュールユニット。
5. 前記第１モジュールおよび第２モジュールを複数組並列接続する場合、前記第１モジュールと第２モジュールとを交互に平行に近接配置し、全モジュールに共通に前記各接続端子板、交流出力端子板およびゲート回路板を設けることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の３レベル電力変換装置の半導体モジュールユニット。
6. 前記高電位接続端子板と低電位接続端子板および中間電位接続端子板のそれぞれの下端と上端に設ける端子接続部と外部接続端子部とを各接続端子板の対角となる位置に設けることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の３レベル電力変換装置の半導体モジュールユニット。
7. 前記第１モジュールおよび第２モジュールは、同一形状のパッケージとして同じピン配列とすることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の３レベル電力変換装置の半導体モジュールユニット。
8. 少なくとも前記第１モジュールに収納した半導体スイッチ素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料で構成した半導体スイッチ素子とすることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の３レベル電力変換装置の半導体モジュールユニット。

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