JP2017005808A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より高い電力の電力変換をより安定して行うことが可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】複数の変換ユニット４の各々における複数の基本回路４０のハイサイド半導体スイッチ４Ｈとローサイド半導体スイッチ４Ｌとの接続点が、複数の交流出力端子３のうちの１つの交流出力端子３に接続されている。インバータモジュール１は、正極の直流入力端子２Ｐと各ハイサイド半導体スイッチ４Ｈそれぞれとの間のインピーダンスが同じであり、負極の直流入力端子２Ｎと各ローサイド半導体スイッチ４Ｌそれぞれとの間のインピーダンスが同じである。複数の変換ユニット４の各々におけるハイサイド半導体スイッチ４Ｈとローサイド半導体スイッチ４Ｌとの接続点同士の接続経路５５のインピーダンス成分が、各基本回路４０におけるハイサイド半導体スイッチ４Ｈとローサイド半導体スイッチ４Ｌとの接続経路７のインピーダンス成分よりも大きい。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置に関し、より詳細には、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換装置に関する。

従来、電力変換装置としては、例えば、直流電圧を三相交流電圧に変換する三相インバータ回路が知られている（特許文献１）。

特許文献１に記載された三相インバータ回路では、一対の直流端子の間に３つの変換回路が互いに並列に接続されている。各変換回路は、正極側と負極側の２つのスイッチ回路を含んでいる。三相インバータ回路では、各変換回路における２つのスイッチ回路の接続点が、それぞれ、三相交流端子に接続されている。各スイッチ回路では、第１の半導体スイッチ素子と第２の半導体スイッチ素子とが互いに逆極性で並列に接続されている。第１の半導体スイッチ素子は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。第２の半導体スイッチ素子は、第１の半導体スイッチ素子に対して、そのスイッチングサージをバイパスするフリーホイール作用を与えるダイオードである。

三相インバータ回路の一対の直流端子間には、直流回路が接続される。直流回路は、直流電源と、平滑コンデンサと、を含み、平滑コンデンサが一対の直流端子間に接続される。

上述の三相インバータ回路は、トランスファーモールド形の半導体パワーモジュールで構成されている。

また、大電力を取り扱う電力変換装置としては、三相電力変換装置が提案されている（特許文献２）。

三相電力変換装置は、Ｐ側直流ブスバーとＮ側直流ブスバーとの間に、各々が２つのＩＧＢＴを直列接続した構成を有する６群の半導体パッケージが接続されている。各半導体パッケージは、Ｐ側端子と、Ｎ側端子と、交流端子と、を有し、Ｐ側端子がＰ側直流ブスバーに接続され、Ｎ側端子がＮ側直流ブスバーに接続されている。６群の半導体パッケージは、隣り合った半導体パッケージ同士が２個ずつ組となっており、各組のうち一組の各半導体パッケージの交流端子がＵ相の交流ブスバーに接続され、もう一組の各半導体パッケージがＶ相の交流ブスバーに接続され、残りのもう一組の各半導体パッケージがＷ相の交流ブスバーに接続されている。

ＩＧＢＴのゲート端子とエミッタ端子との間には、ゲートドライバが接続されている。ゲートドライバは、ＰＷＭ制御したパルス信号が入力され、ＩＧＢＴをスイッチングする。

特許文献２には、第１の半導体スイッチ素子がＭＯＳＦＥＴでもよい旨が記載されている。

また、三相電力変換装置は、Ｐ側直流ブスバーとＮ側直流ブスバーとの間に接続された複数の直流コンデンサと、を備えている。

特開２００７−３１２４８０号公報 特開２０１３−４２６６３号公報

電力変換装置の分野においては、より高い電力の電力変換をより安定して行うことが可能な電力変換装置が望まれている。

本発明の目的は、より高い電力の電力変換をより安定して行うことが可能な電力変換装置を提供することにある。

本発明の電力変換装置は、インバータモジュールを備える。前記インバータモジュールは、正極の直流入力端子と、負極の直流入力端子と、複数の交流出力端子と、各々が前記正極の直流入力端子と前記負極の直流入力端子との間に接続された複数の変換ユニットを備える。前記複数の変換ユニットの各々は、ハイサイド半導体スイッチとローサイド半導体スイッチとを直列接続した複数の基本回路を並列接続して構成されている。前記インバータモジュールは、前記複数の基本回路の前記ハイサイド半導体スイッチと前記ローサイド半導体スイッチとの接続点が前記複数の交流出力端子のうちの１つの交流出力端子に接続されている。前記インバータモジュールは、前記正極の直流入力端子と各前記ハイサイド半導体スイッチそれぞれとの間のインピーダンスが同じであり、前記負極の直流入力端子と各前記ローサイド半導体スイッチそれぞれとの間のインピーダンスが同じである。前記複数の変換ユニットの各々における前記ハイサイド半導体スイッチと前記ローサイド半導体スイッチとの接続点同士の接続経路のインピーダンス成分が、各前記基本回路における前記ハイサイド半導体スイッチと前記ローサイド半導体スイッチとの接続経路のインピーダンス成分よりも大きい。

本発明の電力変換装置では、より高い電力の電力変換をより安定して行うことが可能となる。

図１は、実施形態の電力変換装置の概略回路図である。 図２は、実施形態の電力変換装置におけるインバータモジュールの概略断面図である。 図３Ａは、実施形態の電力変換装置における第１回路基板を含む回路モジュールの概略平面図である。図３Ｂは、実施形態の電力変換装置における第１回路基板を含む回路モジュールの概略下面図である。 図４Ａは、実施形態の電力変換装置における第２回路基板を含む回路モジュールの概略平面図である。図４Ｂは、実施形態の電力変換装置における第２回路基板を含む回路モジュールの概略下面図である。

以下では、本実施形態の電力変換装置１００について図１、２、３Ａ、３Ｂ、４Ａ及び４Ｂに基づいて説明する。図２、３Ａ、３Ｂ、４Ａ及び４Ｂは、模式的な図であり、各構成要素の大きさの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。

電力変換装置１００は、入力される直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータモジュール１を備える。電力変換装置１００は、直流電源２００から入力される直流電圧をインバータモジュール１で交流電圧に変換して負荷３００側へ出力することができる。電力変換装置１００は、インバータモジュール１の後段にフィルタ回路２０を備えているのが好ましい。なお、電力変換装置１００は、例えば、直流電源２００としての太陽光発電装置に電気的に接続して、住宅用のパワーコンディショナとして使用することができる。直流電源２００は、太陽光発電装置に限らず、例えば、燃料電池、蓄電装置等でもよい。

電力変換装置１００は、インバータモジュール１を備える。インバータモジュール１は、正極の直流入力端子２Ｐと、負極の直流入力端子２Ｎと、複数の交流出力端子３と、各々が正極の直流入力端子２Ｐと負極の直流入力端子２Ｎとの間に接続された複数の変換ユニット４を備える。複数の変換ユニット４の各々は、ハイサイド半導体スイッチ４Ｈとローサイド半導体スイッチ４Ｌとを直列接続した複数の基本回路４０を並列接続して構成されている。インバータモジュール１は、複数の基本回路４０のハイサイド半導体スイッチ４Ｈとローサイド半導体スイッチ４Ｌとの接続点が複数の交流出力端子３のうちの１つの交流出力端子３に接続されている。インバータモジュール１は、正極の直流入力端子２Ｐと各ハイサイド半導体スイッチ４Ｈそれぞれとの間のインピーダンスが同じであり、負極の直流入力端子２Ｎと各ローサイド半導体スイッチ４Ｌそれぞれとの間のインピーダンスが同じである。複数の変換ユニット４の各々におけるハイサイド半導体スイッチ４Ｈとローサイド半導体スイッチ４Ｌとの接続点同士の接続経路５５のインピーダンス成分が、各基本回路４０におけるハイサイド半導体スイッチ４Ｈとローサイド半導体スイッチ４Ｌとの接続経路７のインピーダンス成分よりも大きい。以上の構成の電力変換装置１００では、より高い電力の電力変換をより安定して行うことが可能となる。電力変換装置１００は、正極の直流入力端子２Ｐと負極の直流入力端子２Ｎとの間に入力される直流電圧を交流電圧に変換して複数の交流出力端子３から出力することができる。ここにおいて、電力変換装置１００は、各ハイサイド半導体スイッチ４Ｈを個別に駆動する複数の第１ドライブ回路８Ｈと、各ローサイド半導体スイッチ４Ｌを個別に駆動する複数の第２ドライブ回路８Ｌと、制御回路９と、を備えている。制御回路９は、複数の第１ドライブ回路８Ｈ及び複数の第２ドライブ回路８Ｌそれぞれへ各別の制御信号を与えるように構成されている。制御回路９は、複数の第１ドライブ回路８Ｈ及び複数の第２ドライブ回路８Ｌそれぞれへ制御信号を与え、かつ、電源を供給するように構成されている。したがって、制御回路９と複数の第１ドライブ回路８Ｈ及び複数の第２ドライブ回路８Ｌそれぞれとの間は、少なくとも、信号線、電源線及びグランド線により接続されている。

インバータモジュール１は、第１回路基板５と、第１回路基板５の厚さ方向において第１回路基板５から離れて配置された第２回路基板６と、を備える。各ハイサイド半導体スイッチ４Ｈが第１回路基板５の表面５ａにおいて正極の直流入力端子２Ｐを中心とする１つの第１仮想円の円周上に配置されている。各ローサイド半導体スイッチ４Ｌが第２回路基板６の表面６ａにおいて負極の直流入力端子２Ｎを中心とする１つの第２仮想円の円周上に配置されている。複数の基本回路４０の各々におけるハイサイド半導体スイッチ４Ｈとローサイド半導体スイッチ４Ｌとが、第１回路基板５の厚さ方向において並んで配置され、かつ、第１回路基板５と第２回路基板６とを結合している導電性の結合装置１１を介して電気的に接続されている。第１回路基板５は、正極の直流入力端子２Ｐと各ハイサイド半導体スイッチ４Ｈそれぞれとを接続する複数の第１導体部５１が同じ形状である。第２回路基板６は、負極の直流入力端子２Ｎと各ローサイド半導体スイッチ４Ｌそれぞれとを接続する複数の第２導体部６２が同じ形状である。第１回路基板５において複数の交流出力端子３（図３Ｂ参照）それぞれと複数の交流出力端子３の各々に対応付けられた複数の結合装置１１とを接続する複数の第３導体部５３が同じ形状である。よって、インバータモジュール１では、正極の直流入力端子２Ｐと各ハイサイド半導体スイッチ４Ｈそれぞれとの間のインピーダンスが同じとなり、かつ、負極の直流入力端子２Ｎと各ローサイド半導体スイッチ４Ｌそれぞれとの間のインピーダンスが同じとなる。また、インバータモジュール１では、接続経路５５のインピーダンス成分を、接続経路７のインピーダンス成分よりも大きくすることができる。

電力変換装置１００は、各々が正極の直流入力端子２Ｐと負極の直流入力端子２Ｎとの間に接続される複数のコンデンサＣ１を備えるのが好ましい。複数のコンデンサＣ１は、互いに対向する第１回路基板５の裏面５ｂと第２回路基板６の裏面６ｂとの間に配置されているのが好ましい。電力変換装置１００は、正極の直流入力端子２Ｐと負極の直流入力端子２Ｎとの間に複数のコンデンサＣ１の並列回路により構成される平滑回路１０が接続されるので、平滑回路１０の大容量化を図りながらも、インバータモジュール１の低背化を図ることが可能となる。平滑回路１０は、各ハイサイド半導体スイッチ４Ｈ及び各ローサイド半導体スイッチ４Ｌそれぞれがオン、オフするときに正極の直流入力端子２Ｐと負極の直流入力端子２Ｎとの間に過渡的に発生する過電圧（サージ電圧）を吸収する回路である。平滑回路１０は、正極の直流入力端子２Ｐと負極の直流入力端子２Ｎとの直近に配置することにより、配線インダクタンスを低減させるのが好ましい。

電力変換装置１００の各構成要素については、以下に、より詳細に説明する。

正極の直流入力端子２Ｐは、第１回路基板５に実装され、第１回路基板５の表面５ａ側に露出している。正極の直流入力端子２Ｐは、第１回路基板５の表面５ａの中央に配置されているのが好ましい。

正極の直流入力端子２Ｐは、直流電源２００の正極に接続された電線を電気的に接続する端子である。正極の直流入力端子２Ｐは、導電性材料（例えば、黄銅）により形成され、錫めっきされている。正極の直流入力端子２Ｐは、平面視形状が多角形状（ここでは、四角形状）の端子片２１Ｐの中央に、端子ねじの軸部が嵌め合されるねじ孔２２Ｐが形成されている。また、正極の直流入力端子２Ｐは、端子片２１Ｐの各辺それぞれから端子片２１Ｐに直交する方向に突出した各側片２３Ｐが第１回路基板５にはんだ付けされている。端子片２１Ｐの平面視形状における辺の数は、ハイサイド半導体スイッチ４Ｈの数と同じであるのが好ましい。

負極の直流入力端子２Ｎは、第２回路基板６に実装され、第２回路基板６の表面６ａ側に露出している。ここで、負極の直流入力端子２Ｎは、第２回路基板６の表面６ａの中央に配置されているのが好ましい。

負極の直流入力端子２Ｎは、直流電源２００の負極に接続された電線を電気的に接続する端子である。負極の直流入力端子２Ｎは、導電性材料（例えば、黄銅）により形成され、錫めっきされている。負極の直流入力端子２Ｎは、平面視形状が多角形状（四角形状）の端子片２１Ｎの中央に、端子ねじの軸部が嵌め合されるねじ孔２２Ｎが形成されている。また、負極の直流入力端子２Ｎは、端子片２１Ｎの各辺それぞれから端子片２１Ｎに直交する方向に突出した各側片２３Ｎが第２回路基板６にはんだ付けされている。端子片２１Ｎの平面視形状における辺の数は、ローサイド半導体スイッチ４Ｌの数と同じであるのが好ましい。

複数の交流出力端子３は、図３Ｂに示すように、第１回路基板５に実装され、第１回路基板５の裏面５ｂ側に露出している。ここで、複数の交流出力端子３は、第１回路基板５の裏面５ｂの周部に配置されているのが好ましい。

複数の交流出力端子３の各々は、交流出力用の電線を電気的に接続する端子である。複数の交流出力端子３の各々は、導電性材料（例えば、黄銅）により形成され、錫めっきされている。複数の交流出力端子３の各々は、平面視形状が多角形状（ここでは、四角形状）の端子片３１の中央に、端子ねじの軸部が嵌め合されるねじ孔３２が形成されている。また、複数の交流出力端子３の各々は、端子片３１の各辺それぞれから端子片３１に直交する方向に突出した各側片が第１回路基板５にはんだ付けされている。

本実施形態におけるインバータモジュール１は、直流電圧を２相の交流電圧に変換するモジュールであり、複数の交流出力端子３として、Ｕ相の交流出力端子３（３Ｕ）と、Ｗ相の交流出力端子３（３Ｗ）と、がある。要するに、インバータモジュール１は、正極の直流入力端子２Ｐと負極の直流入力端子２Ｎとの間に入力される直流電圧を２相の交流電圧に変換して２つの交流出力端子３Ｕ、３Ｗから出力するように構成されている。

インバータモジュール１は、複数の変換ユニット４として、Ｕ相の変換ユニット４（４Ｕ）と、Ｗ相の変換ユニット４（４Ｗ）と、がある。各変換ユニット４は、２つの基本回路４０が並列接続されている。各基本回路４０は、ハイサイド半導体スイッチ４Ｈとローサイド半導体スイッチ４Ｌとの直列回路である。Ｕ相の変換ユニット４（４Ｕ）では、複数の基本回路４０の各々におけるハイサイド半導体スイッチ４Ｈとローサイド半導体スイッチ４Ｌとの接続点が、Ｕ相の交流出力端子３（３Ｕ）に電気的に接続されている。また、Ｗ相の変換ユニット４（４Ｗ）では、複数の基本回路４０の各々におけるハイサイド半導体スイッチ４Ｈとローサイド半導体スイッチ４Ｌとの接続点が、Ｗ相の交流出力端子３（３Ｗ）に電気的に接続されている。

複数のハイサイド半導体スイッチ４Ｈは、第１回路基板５に表面実装されている。また、複数のローサイド半導体スイッチ４Ｌは、第２回路基板６に表面実装されている。ハイサイド半導体スイッチ４Ｈ及びローサイド半導体スイッチ４Ｌは、表面実装できるように構成されたパワー半導体デバイスである。より詳細には、ハイサイド半導体スイッチ４Ｈ及びローサイド半導体スイッチ４Ｌは、ベアチップの半導体スイッチング素子４１と、表面実装できるように構成されたプラスチックパッケージ４２と、を備える。

半導体スイッチング素子４１は、ＭＯＳＦＥＴチップである。ＭＯＳＦＥＴチップは、ｎチャネルのエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴチップである。

ハイサイド半導体スイッチ４Ｈ及びローサイド半導体スイッチ４Ｌは、回路的には半導体スイッチング素子４１と、半導体スイッチング素子４１に逆並列に接続されたフリーホイール用のダイオード４４と、を備えている。「半導体スイッチング素子４１に逆並列に接続」とは、ダイオード４４のアノードが負極の直流入力端子２Ｎ側となり、カソードが正極の直流入力端子２Ｐ側となる極性で、ダイオード４４が半導体スイッチング素子４１に並列接続されていることを意味する。本実施形態では、半導体スイッチング素子４１がＭＯＳＦＥＴチップにより構成されているので、ＭＯＳＦＥＴチップの寄生ダイオードによりフリーホイール用のダイオード４４を構成することができる。

プラスチックパッケージ４２は、２つのリード端子４２２、４２３と、放熱板４２４と、モールド部４２１と、を備えている。プラスチックパッケージ４２は、２つのリード端子４２２、４２３のうち一方のリード端子４２２が、ゲート端子であり、他方のリード端子４２３がソース端子である。要するに、リード端子４２２は、ＭＯＳＦＥＴチップのゲート電極パッドにワイヤを介して電気的に接続されている。また、リード端子４２３は、ＭＯＳＦＥＴチップのソース電極パッドにワイヤを介して電気的に接続されている。放熱板４２４は、金属板により構成されており、ドレイン端子を兼ねている。ＭＯＳＦＥＴチップは、縦型ＭＯＳＦＥＴチップであり、チップ裏面側のドレイン電極が放熱板４２４に導電性の接合部により接合されて電気的に接続されている。

ハイサイド半導体スイッチ４Ｈは、２つのリード端子４２２、４２３が第１ドライブ回路８Ｈに電気的に接続されている。また、ハイサイド半導体スイッチ４Ｈは、リード端子（ソース端子）４２３が第１回路基板５の表面５ａの第４導体部５４に半田付けされている。また、ハイサイド半導体スイッチ４Ｈは、放熱板４２４が第１回路基板５の表面５ａの第１導体部５１に半田付けされている。これにより、ハイサイド半導体スイッチ４Ｈは、ドレイン電極が第１導体部５１を介して正極の直流入力端子２Ｐに電気的に接続されている。また、ローサイド半導体スイッチ４Ｌは、２つのリード端子４２２、４２３が第２ドライブ回路８Ｌに電気的に接続され、かつ、リード端子（ソース端子）４２３が第２回路基板６の表面６ａの第２導体部６２に半田付けされている。これにより、ローサイド半導体スイッチ４Ｌは、リード端子（ソース端子）４２３が第２導体部６２を介して負極の直流入力端子２Ｎに電気的に接続されている。また、ローサイド半導体スイッチ４Ｌは、放熱板４２４が第２回路基板６の表面６ａの第５導体部６５に半田付けされている。これにより、ローサイド半導体スイッチ４Ｌは、ドレイン電極が第５導体部６５に電気的に接続されている。本実施形態では、第１回路基板５の厚さ方向において重なる第４導体部５４及び第５導体部６５と、結合装置１１とで、基本回路４０におけるハイサイド半導体スイッチ４Ｈとローサイド半導体スイッチ４Ｌとの接続経路７を構成している。

モールド部４２１は、黒色のエポキシ樹脂により形成されている。これにより、モールド部４２１は、遮光性及び電気絶縁性を有する。

放熱板４２４は、金属板により構成されている。

プラスチックパッケージ４２は、例えば、ＤＰＡＫ（ＴＯ２５２のリード端子をフォーミングして表面実装できるようにしたパッケージ）、Ｄ２ＰＡＫ（ＴＯ２６３）等を採用することができる。Ｄ２ＰＡＫは、ＤＤＰＡＫと表記されることもある。

上述のように、各ハイサイド半導体スイッチ４Ｈ及び各ローサイド半導体スイッチ４Ｌは、プラスチックパッケージ４２を備え、プラスチックパッケージ４２に放熱フィン４３が固定されている。これにより、電力変換装置１００では、低コスト化を図ることが可能となり、かつ、放熱性を向上させることが可能となる。

第１ドライブ回路８Ｈは、ハイサイド半導体スイッチ４Ｈを駆動するハイサイドドライブ回路である。より詳細には、第１ドライブ回路８Ｈは、ハイサイド半導体スイッチ４Ｈの半導体スイッチング素子４１をオン、オフするハイサイドドライブ回路である。第１ドライブ回路８Ｈは、制御回路９から入力される制御信号に応じてハイサイド半導体スイッチ４Ｈをオン、オフする。第１ドライブ回路８Ｈは、ハイサイド半導体スイッチ４Ｈのゲート端子とソース端子との間に印加するゲート電圧を変化させることによりハイサイド半導体スイッチ４Ｈをオン、オフする。

第２ドライブ回路８Ｌは、ローサイド半導体スイッチ４Ｌを駆動するローサイドドライブ回路である。より詳細には、第２ドライブ回路８Ｌは、ローサイド半導体スイッチ４Ｌの半導体スイッチング素子４１をオン、オフするローサイドドライブ回路である。第２ドライブ回路８Ｌは、制御回路９から入力される制御信号に応じてローサイド半導体スイッチ４Ｌをオン、オフする。第２ドライブ回路８Ｌは、ローサイド半導体スイッチ４Ｌのゲート端子とソース端子との間に印加するゲート電圧を変化させることによりローサイド半導体スイッチ４Ｌをオン、オフする。

電力変換装置１００では、各々が第１ドライブ回路８Ｈを含む複数の第１ドライブ回路モジュール８０Ｈが第１回路基板５の表面５ａ側に配置されているのが好ましい。また、電力変換装置１００では、各々が第２ドライブ回路８Ｌを含む複数の第２ドライブ回路モジュール８０Ｌが第２回路基板６の表面６ａ側に配置されているのが好ましい。

第１ドライブ回路モジュール８０Ｈは、第１ドライブ回路８Ｈを構成する複数の電子部品８１Ｈと、制御回路９を接続するためのコネクタ８２Ｈと、複数の電子部品８１Ｈとコネクタ８２Ｈとが実装されたプリント配線板８３Ｈと、を備える。第１ドライブ回路モジュール８０Ｈは、プリント配線板８３Ｈの側縁から突出した複数のピン８４Ｈによって第１回路基板５に結合されている。

第２ドライブ回路モジュール８０Ｌは、第２ドライブ回路８Ｌを構成する複数の電子部品８１Ｌと、制御回路９を接続するためのコネクタ８２Ｌと、複数の電子部品８１Ｌとコネクタ８２Ｌとが実装されたプリント配線板８３Ｌと、を備える。第２ドライブ回路モジュール８０Ｌは、プリント配線板８３Ｌの側縁から突出した複数のピン８４Ｌによって第２回路基板６に結合されている。

制御回路９は、複数の第１ドライブ回路８Ｈ及び複数の第２ドライブ回路８Ｌそれぞれに、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号からなる制御信号を出力する。第１ドライブ回路８Ｈは、制御回路９からの制御信号によってハイサイド半導体スイッチ４Ｈの半導体スイッチング素子４１をオン、オフする。また、第２ドライブ回路８Ｌは、制御回路９からの制御信号によってローサイド半導体スイッチ４Ｌの半導体スイッチング素子４１をオン、オフする。

なお、図１では、制御回路９と第１ドライブ回路８Ｈ及び第２ドライブ回路８Ｌそれぞれとの間の配線に関して、信号線のみを図示し、電源線及びグランド線の図示を省略してある。

制御回路９は、一方の変換ユニット４（４Ｕ）の２つハイサイド半導体スイッチ４Ｈ（４ＨＵ１）、４Ｈ（４ＨＵ２）それぞれの半導体スイッチング素子４１、４１と、他方の変換ユニット４（４Ｗ）の２つのローサイド半導体スイッチ４Ｌ（４ＬＷ１）、４Ｌ（４ＬＷ２）それぞれの半導体スイッチング素子４１、４１とを、ＰＷＭ信号によって同時にオン、オフさせる。また、制御回路９は、一方の変換ユニット４（４Ｕ）の２つローサイド半導体スイッチ４Ｌ（４ＬＵ１）、４Ｌ（４ＬＵ２）それぞれの半導体スイッチング素子４１、４１と、他方の変換ユニット４（４Ｗ）の２つのハイサイド半導体スイッチ４Ｈ（４ＨＷ１）、４Ｈ（４ＨＷ２）それぞれの半導体スイッチング素子４１、４１とを、ＰＷＭ信号によって同時にオン、オフさせる。

制御回路９は、直流電源２００から出力される直流電圧を交流電圧に変換させるように、複数のハイサイド半導体スイッチ４Ｈ及び複数のローサイド半導体スイッチ４Ｌそれぞれの半導体スイッチング素子４１を制御する。より詳細には、制御回路９は、交流出力端子３（３Ｕ）と交流出力端子３（３Ｗ）との間から出力される交流電圧が、系統電源と周波数及び位相を同期させた正弦波状の交流電圧となるように、複数の第１ドライブ回路８Ｈ及び複数の第２ドライブ回路８Ｌそれぞれへ制御信号を与える。制御回路９は、系統電源から入力される交流電圧を検出する電圧センサの出力に基づいて複数のハイサイド半導体スイッチ４Ｈ及び複数のローサイド半導体スイッチ４Ｌそれぞれの半導体スイッチング素子４１を制御するようにしてもよい。

交流電圧を正とする半周期においては、制御回路９は、２つのローサイド半導体スイッチ４ＬＵ１、４ＬＵ２、２つのハイサイド半導体スイッチ４ＨＷ１、４ＨＷ２それぞれの半導体スイッチング素子４１をオフさせた状態で、２つハイサイド半導体スイッチ４ＨＵ１、４ＨＵ２、２つのローサイド半導体スイッチ４ＬＷ１、４ＬＷ２それぞれの半導体スイッチング素子４１をＰＷＭ信号によって同時にオン、オフさせる。

また、交流電圧を負とする半周期においては、制御回路９は、２つのハイサイド半導体スイッチ４ＬＨ１、４ＨＵ２、２つのローサイド半導体スイッチ４ＵＷ１、４ＵＷ２それぞれの半導体スイッチング素子４１をオフさせた状態で、２つローサイド半導体スイッチ４ＬＵ１、４ＬＵ２、２つのハイサイド半導体スイッチ４ＨＷ１、４ＨＷ２それぞれの半導体スイッチング素子４１をＰＷＭ信号によって同時にオン、オフさせる。

制御回路９は、マイクロコンピュータを主構成としており、マイクロコンピュータのメモリに記憶されているプログラムを実行することにより、予め決められた制御条件に従って複数のハイサイド半導体スイッチ４Ｈ及び複数のローサイド半導体スイッチ４Ｌを制御する。プログラムは、例えば、電気通信媒体を通して提供されてもよく、記憶媒体に記憶されて提供されてもよい。制御回路９は、マイクロコンピュータに限らず、例えば、制御用ＩＣ（Integrated circuit）素子等により構成してもよい。

フィルタ回路２０は、ＬＣフィルタ回路である。より詳細には、フィルタ回路２０は、２つのリアクトル２０１、２０２と、コンデンサ２０３と、を備える。リアクトル２０１は、インバータモジュール１の交流出力端子３（３Ｕ）とコンデンサ２０３との間に接続されている。また、リアクトル２０２は、インバータモジュール１の交流出力端子３（３Ｗ）とコンデンサ２０３との間に接続されている。要するに、フィルタ回路２０は、リアクトル２０１とコンデンサ２０３とリアクトル２０２との直列回路を備え、この直列回路が２つの交流出力端子３（３Ｕ）、３（３Ｗ）間に接続されている。

フィルタ回路２０は、インバータモジュール１から出力される交流電圧に含まれる高周波成分を除去する機能を有する。

電力変換装置１００では、フィルタ回路２０を備えていることにより、正弦波状の交流電圧を出力することが可能となる。なお、電力変換装置１００の出力電圧は、商用電力系統に同期した５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧である。

第１回路基板５は、円板状に形成されているのが好ましい。第１回路基板５は、両面プリント配線板により構成されている。より詳細には、第１回路基板５は、第１絶縁基板５０の表面上に複数の第１導体部５１及び複数の第４導体部５４が形成され、第１絶縁基板５０の裏面上に複数の第３導体部５３が形成されている。複数の第１導体部５１は、同じ形状に形成されている。複数の第１導体部５１は、第１回路基板５において正極の直流入力端子２Ｐが搭載されている部位で繋がっている。複数の第４導体部５４は、同じ形状に形成されている。複数の第３導体部５３は、同じ形状に形成されている。第１導体部５１、第４導体部５４及び第３導体部５３それぞれの数は、基本回路４０の数と同じである。つまり、第１回路基板５は、第１導体部５１、第４導体部５４及び第３導体部５３がそれぞれ４つずつ形成されている。ペアとなる第１導体部５１と第４導体部５４とは、第１回路基板５の径方向に沿った方向において対向している。４つの第１導体部５１は、第１回路基板５の表面５ａの中央部において正極の直流入力端子２Ｐを囲繞するように配置されている。また、ペアとなる第４導体部５４と第５導体部６５とは、第１回路基板５の厚さ方向において重なるように配置されている。第１絶縁基板５０は、樹脂系基板である。樹脂系基板は、例えば、ガラスエポキシ基板である。複数の第１導体部５１、複数の第４導体部５４及び複数の第３導体部５３の各々は、銅により形成されている。

複数の変換ユニット４の各々におけるハイサイド半導体スイッチ４Ｈとローサイド半導体スイッチ４Ｌとの接続点同士の接続経路５５は、第１回路基板５において交流出力端子３が搭載されている部位で繋がっている２つの第３導体部５３で構成される。２つの接続経路５５は、同じ形状である。したがって、変換ユニット４（４Ｕ）における接続経路５５のインピーダンス成分と、変換ユニット４（４Ｗ）における接続経路５５のインピーダンス成分と、は同じである。インピーダンス成分が同じであることは、インピーダンス値が同じであることを意味する。

第２回路基板６は、円板状に形成されている。第２回路基板６は、片面プリント配線板により構成されている。より詳細には、第２回路基板６は、第２絶縁基板６０の表面上に複数の第２導体部６２及び複数の第５導体部６５が形成されている。複数の第２導体部６２は、同じ形状に形成されている。複数の第２導体部６２は、第２回路基板６において負極の直流入力端子２Ｎが搭載されている部位で繋がっている。また、複数の第５導体部６５は、同じ形状に形成されている。第２導体部６２及び第５導体部６５それぞれの数は、基本回路４０の数と同じである。つまり、第２回路基板６は、第２導体部６２及び第５導体部６５がそれぞれ４つずつ形成されている。ペアとなる第２導体部６２と第５導体部６５とは、第２回路基板６の径方向に沿った方向において対向している。４つの第２導体部６２は、第２回路基板６の表面６ａの中央部において負極の直流入力端子２Ｎを囲繞するように配置されている。複数の第５導体部６５は、第２回路基板６の表面６ａの周部に配置されている。第２絶縁基板６０は、樹脂系基板である。樹脂系基板は、例えば、ガラスエポキシ基板である。複数の第２導体部６２及び複数の第５導体部６５の各々は、銅により形成されている。

複数の結合装置１１の各々は、第１回路基板５と第２回路基板６との距離を一定距離に保つ導電性のスペーサ７０と、導電性の第１ねじ７３と、導電性の第２ねじ７４と、で構成されている。第１ねじ７３及び第２ねじ７４は、金属製のねじである。

結合装置１１は、第１回路基板５と第２回路基板６とをスペーサ７０の長さだけ離した状態で、第１回路基板５と第２回路基板６とを結合する（連結する）ことができるように構成されている。

スペーサ７０は、六角柱状に形成されており、軸方向の第１端に、第１ねじ７３が嵌め合される第１ねじ孔７１が形成され、軸方向の第２端に、第２ねじ７４が嵌め合される第２ねじ孔７２が形成されている。スペーサ７０は、導電性材料の一種である真鍮により形成されている。スペーサ７０は、真鍮以外の導電性材料により形成されていてもよい。

第１ねじ７３は、第１ねじ７３の軸部を、第１回路基板５に形成された第１ねじ挿通孔５７に通して第１ねじ孔７１に嵌め合せてある。第１ねじ挿通孔５７は、スペーサ７０よりも小さい。これにより、結合装置１１では、第１ねじ７３の頭部とスペーサ７０とで第１回路基板５を挟持している。

第２ねじ７４は、第２ねじ７４の軸部を、第２回路基板６に形成された第２ねじ挿通孔６７に通して第２ねじ孔７２に嵌め合せてある。第２ねじ挿通孔６７は、スペーサ７０よりも小さい。これにより、結合装置１１では、第２ねじ７４の頭部とスペーサ７０とで第２回路基板６を挟持している。

本実施形態では、上述のように、第１回路基板５の厚さ方向において重なる第４導体部５４及び第５導体部６５と、結合装置１１とで、基本回路４０におけるハイサイド半導体スイッチ４Ｈとローサイド半導体スイッチ４Ｌとの接続経路７を構成している。したがって、複数の結合装置１１は、インピーダンス成分が同じである。インピーダンス成分が同じであることは、インピーダンス値が同じであることを意味する。

複数のコンデンサＣ１の各々は、電解コンデンサであるのが好ましい。複数のコンデンサＣ１の各々は、正極のリード端子１０Ｈと負極のリード端子１０Ｌとが互いに逆向きのＬ字状に形成され、正極のリード端子１０Ｈが第１回路基板５のスルーホール５８に挿通され、負極のリード端子１０Ｌが第２回路基板６のスルーホール６８に挿通されている。これにより、電力変換装置１００では、インバータモジュール１の低背化を図ることが可能となる。

コンデンサＣ１は、正極のリード端子１０Ｈが正極の直流入力端子２Ｐに電気的に接続され、負極のリード端子１０Ｌが負極の直流入力端子２Ｎに電気的に接続されている。より詳細には、コンデンサＣ１の正極のリード端子１０Ｈは、第１導体部５１に半田付けされることにより、正極の直流入力端子２Ｐに電気的に接続されている。また、コンデンサＣ１の負極のリード端子１０Ｌは、第２導体部６２に半田付けされることにより、負極の直流入力端子２Ｎに電気的に接続されている。なお、平滑回路１０は、複数のコンデンサＣ１の全てが電解コンデンサである場合に限らず、例えば、複数のコンデンサＣ１のうち一部のコンデンサＣ１が電解コンデンサであり、残りのコンデンサＣ１がフィルムコンデンサでもよい。

実施形態に記載した材料、数値等は、好ましい例を示しているだけであり、それに限定する主旨ではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。

例えば、インバータモジュール１は、直流電圧を３相以上の交流電圧に変換するモジュールでもよく、変換ユニット４及び交流出力端子３それぞれを、電圧相の数だけ備えていればよい。また、複数の変換ユニット４の各々における基本回路４０の数は、複数であればよく、２つに限らず、３つ以上でもよい。

複数のハイサイド半導体スイッチ４Ｈ及び複数のローサイド半導体スイッチ４Ｌの各々における半導体スイッチング素子４１は、ＭＯＳＦＥＴチップに限らず、例えば、ＩＧＢＴチップでもよい。また、複数のハイサイド半導体スイッチ４Ｈ及び複数のローサイド半導体スイッチ４Ｌの各々における半導体スイッチング素子４１は、例えば、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワートランジスタチップでもよい。「ワイドバンドギャップ半導体」とは、Ｓｉ及びＧａＡｓに比べてバンドギャップの大きな半導体を意味し、例えば、ＧａＮ、ＳｉＣ、ダイヤモンド等がある。

１ インバータモジュール
２Ｐ 正極の直流入力端子
２Ｎ 負極の直流入力端子
３ 交流出力端子
４ 変換ユニット
４０ 基本回路
４Ｈ ハイサイド半導体スイッチ
４Ｌ ローサイド半導体スイッチ
４２ プラスチックパッケージ
４３ 放熱フィン
５ 第１回路基板
５ａ 表面
５ｂ 裏面
５１ 第１導体部
５３ 第３導体部
５５ 接続経路
５８ スルーホール
６ 第２回路基板
６ａ 表面
６ｂ 裏面
６２ 第２導体部
６８ スルーホール
７ 接続経路
８Ｈ 第１ドライブ回路
８Ｌ 第２ドライブ回路
９ 制御回路
Ｃ１ コンデンサ
１０Ｈ 正極のリード端子
１０Ｌ 負極のリード端子
１１ 結合装置
１００ 電力変換装置

Claims (5)

1. インバータモジュールを備え、
   前記インバータモジュールは、正極の直流入力端子と、負極の直流入力端子と、複数の交流出力端子と、各々が前記正極の直流入力端子と前記負極の直流入力端子との間に接続された複数の変換ユニットを備え、
   前記複数の変換ユニットの各々は、ハイサイド半導体スイッチとローサイド半導体スイッチとを直列接続した複数の基本回路を並列接続して構成され、
   前記インバータモジュールは、前記複数の基本回路の前記ハイサイド半導体スイッチと前記ローサイド半導体スイッチとの接続点が前記複数の交流出力端子のうちの１つの交流出力端子に接続されており、
   前記正極の直流入力端子と各前記ハイサイド半導体スイッチそれぞれとの間のインピーダンスが同じであり、
   前記負極の直流入力端子と各前記ローサイド半導体スイッチそれぞれとの間のインピーダンスが同じであり、
   前記複数の変換ユニットの各々における前記ハイサイド半導体スイッチと前記ローサイド半導体スイッチとの接続点同士の接続経路のインピーダンス成分が、各前記基本回路における前記ハイサイド半導体スイッチと前記ローサイド半導体スイッチとの接続経路のインピーダンス成分よりも大きい、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記インバータモジュールは、第１回路基板と、前記第１回路基板の厚さ方向において前記第１回路基板から離れて配置された第２回路基板と、を備え、
   各前記ハイサイド半導体スイッチが前記第１回路基板の表面において前記正極の直流入力端子を中心とする１つの第１仮想円の円周上に配置され、
   各前記ローサイド半導体スイッチが前記第２回路基板の表面において前記負極の直流入力端子を中心とする１つの第２仮想円の円周上に配置され、
   前記複数の基本回路の各々における前記ハイサイド半導体スイッチと前記ローサイド半導体スイッチとが、前記厚さ方向において並んで配置され、かつ、前記第１回路基板と前記第２回路基板とを結合している導電性の結合装置を介して電気的に接続されており、
   前記第１回路基板は、前記正極の直流入力端子と各前記ハイサイド半導体スイッチそれぞれとを接続する複数の第１導体部が同じ形状であり、
   前記第２回路基板は、前記負極の直流入力端子と各前記ローサイド半導体スイッチそれぞれとを接続する複数の第２導体部が同じ形状であり、
   前記第１回路基板の裏面において前記複数の交流出力端子それぞれと前記複数の交流出力端子の各々に対応付けられた複数の結合装置とを接続する複数の第３導体部が同じ形状である、
   ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 各前記ハイサイド半導体スイッチ及び各前記ローサイド半導体スイッチは、プラスチックパッケージを備え、前記プラスチックパッケージに放熱フィンが固定されている、
   ことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
4. 各々が前記正極の直流入力端子と前記負極の直流入力端子との間に接続される複数のコンデンサを備え、
   前記複数のコンデンサは、互いに対向する前記第１回路基板の裏面と前記第２回路基板の裏面との間に配置されている、
   ことを特徴とする請求項２又は３記載の電力変換装置。
5. 前記複数のコンデンサの各々は、電解コンデンサであり、正極のリード端子と負極のリード端子とが互いに逆向きのＬ字状に形成され、前記正極のリード端子が前記第１回路基板のスルーホールに挿通され、前記負極のリード端子が前記第２回路基板のスルーホールに挿通されている、
   ことを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。

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