JP2017169344A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ゲート駆動回路部品が搭載されたゲート基板と、ゲート中継基板が固着されたパワーモジュールとを含む電力変換装置において、ゲート基板とパワーモジュールとを、電力変換装置への実装後に容易に分離できるようにする。【解決手段】入力された交流電力を直流電力に変換して出力するパワーモジュール２と、制御回路から入力された制御信号を絶縁し、絶縁した制御信号をパワーモジュール２を駆動するゲート信号に変換して出力するゲート駆動回路部品３１１が搭載された第１の基板３１と、パワーモジュール２のゲート制御端子２１と固着された配線導体を含む第２の基板３２と、第１の基板３１と第２の基板３２とを接続するコネクタ３３１を含む接続部材３３とを含むゲート駆動ユニット３とを備えて、電力変換装置１を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。
入力された交流電力を直流電力に変換して出力する電力変換装置は、ゲート駆動ユニットとパワーモジュールとを含む。
ゲート駆動ユニット（ＧＤＵ：Gate Driver Unit）はゲート基板を含む。ゲート基板は、電力変換装置の外部にある制御装置から入力された制御信号を絶縁し、絶縁された制御信号をゲート信号に変換して出力するためのゲート駆動回路部品を搭載している。
パワーモジュールは、例えば、スイッチング素子と、スイッチング素子に逆並列に接続された還流ダイオードとを含む。スイッチング素子は、ゲート駆動ユニットからゲート制御線を介して入力されたゲート信号に従ってオン又はオフする。還流ダイオードは、スイッチング素子のターンオフ時に発生する電流をスイッチング素子から迂回させ、スイッチング素子の故障を防止する。
ゲート駆動回路部品にはゲート抵抗が含まれる。ゲート抵抗は、ゲート駆動ユニットとスイッチング素子との間のゲート制御線に接続される。ゲート抵抗は、スイッチング素子のターンオフ時に発生するサージ電圧やスイッチング時に発生するノイズを抑制し、スイッチング素子に入力されるゲート信号を安定化させる。
近年、パワーモジュールに含まれるスイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体が用いられることがある。ワイドバンドギャップ半導体の一例としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）−ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）が挙げられる。ワイドバンドギャップ半導体は、Ｓｉ（シリコン）−ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）といったＳｉベースのスイッチング素子と比較して、耐圧性を有し、高速スイッチングを実現し得る。このようなワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子を高速にスイッチングさせる場合に、ゲート抵抗を有効に機能させる必要がある。そのため、スイッチング素子の近くにゲート抵抗を配置することが望ましい。
そこで、特許文献１に記載されているゲート駆動ユニットは、第１の基板（ゲート基板）とパワーモジュールのゲート端子にはんだを用いて固着された第２の基板（ゲート中継基板）とで構成される。ゲート抵抗は、第２の基板に搭載される。第２の基板は、ゲート制御線を介して第１の基板と接続される。ゲート制御線は、はんだ等を用いて第１の基板と第２の基板とに固着される。ゲート制御線としては、例えば、ゲート回路の配線インダクタンスを低減するために、ゲート配線とソース配線（グランド配線）とを絶縁シートを介してラミネート構造にした配線導体板が知られている。
特開２０１５−１９８５４５号公報
例えば、ゲート駆動回路部品及びパワーモジュールは高価であり得る。そこで、ゲート駆動回路部品及びパワーモジュールの一方が故障した場合には、故障した一方のみを交換することが望ましい。しかしながら、ゲート駆動回路部品が搭載されているゲート基板と、パワーモジュールに固着されたゲート中継基板とがゲート制御線と夫々固着されると、ゲート駆動回路部品とパワーモジュールとを容易に分離できない。このため、ゲート駆動回路部品及びパワーモジュールの一方のみが故障した場合であっても、故障した一方の交換のみならず故障していない他方の交換までもが要望され、修理費用がかさむ。
本発明が解決しようとする課題は、ゲート駆動回路部品が搭載されたゲート基板と、ゲート中継基板が固着されたパワーモジュールとを含む電力変換装置において、ゲート基板とパワーモジュールとを電力変換装置への実装後に容易に分離できるようにすることである。
一実施形態に従った電力変換装置は、パワーモジュール及びゲート駆動ユニットを含む。パワーモジュールは、入力された交流電力を直流電力に変換して出力する。ゲート駆動ユニットは、第１の基板、第２の基板、及び接続部材を含む。第１の基板には、制御回路から入力された制御信号を絶縁し、絶縁した制御信号をパワーモジュールを駆動するゲート信号に変換して出力するゲート駆動回路部品が搭載される。第２の基板は、パワーモジュールのゲート制御端子と固着された配線導体を含む。接続部材は、第１の基板と第２の基板とを接続するコネクタを含む。
一実施形態に従った電力変換装置によれば、ゲート駆動回路部品が搭載されたゲート基板と、ゲート中継基板が固着されたパワーモジュールとを含む電力変換装置において、ゲート基板とパワーモジュールとを電力変換装置への実装後に容易に分離できる。
実施形態に従った電力変換装置の一例を示す概略的な側面図である。 実施形態に従った電力変換装置の一例を示す概略的な上面図である。 実施形態に従った電力変換装置の一例を示す概略的な斜視図である。 図１に示した電力変換装置からコンデンサ及びバスバーを取り除いた側面図である。 図２に示した電力変換装置からコンデンサ及びバスバーを取り除いた上面図である。 図３に示した電力変換装置からコンデンサ及びバスバーを取り除いた斜視図である。 実施形態に従った電力変換装置におけるパワーモジュールの例示的な配置図である。 実施形態に従った電力変換装置の接続部材の別例を示す図である。
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。図１は、実施形態に従った電力変換装置の一例を示す概略的な側面図である。図２は、実施形態に従った電力変換装置の一例を示す概略的な上面図である。図３は、実施形態に従った電力変換装置の一例を示す概略的な斜視図である。各図において、同一の構成要素には、同一の参照符号が付されている。図１〜図３に示した一例では、電力変換装置１は、パワーモジュール２、ゲート駆動ユニット３、冷却器４、及びコンデンサ５を含む。
パワーモジュール２は、入力された交流電力を直流電力に変換して出力する。パワーモジュール２は、スイッチング素子と、該スイッチング素子に逆並列に接続された還流ダイオードとを含んでもよい。パワーモジュール２に含まれるスイッチング素子は、例えば、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ等のワイドバンドギャップ半導体であってもよい。また、パワーモジュール２に含まれる還流ダイオードは、例えば、ＳｉＣショットキーバリアダイオードであってもよい。
図１〜図３に示した構成例では、３つのパワーモジュール２は、三相交流電力の内の対応する一相分を夫々直流に夫々変換して出力する。各パワーモジュール２は、スイッチング素子及び還流ダイオードから夫々構成される、上アームに対応する組と下アームに対応する組とが直列に接続された2 in 1パワーモジュールであってもよい。
パワーモジュール２は、冷却器４上に配置され、パワーモジュール２の底面は、冷却器４の上面と対向する。また、パワーモジュール２の上面には、ゲート制御端子２１、ソース制御端子２２、高電位主端子２３、グランド主端子２４、及び出力端子２５が配置される。例えば、ゲート制御端子２１は、各スイッチング素子のゲートに接続された制御端子であり、ソース制御端子２２は、各スイッチング素子のソースに接続された制御端子である。高電位主端子２３は、上アームのスイッチング素子のドレインに接続された主端子であり、グランド主端子２４は、下アームのスイッチング素子のソースに接続された主端子である。出力端子２５は、上アームのスイッチング素子のソースと下アームのスイッチング素子のドレインとに接続された主端子である。
高電位主端子２３及びグランド主端子２４はバスバー６を介してコンデンサ５に接続される。図１〜図３に示すように、バスバー６は、第１の面６１及び第２の面６２を含んでもよい。第１の面６１は、パワーモジュール２の上面に対して平行に配置されてもよい。高電位主端子２３及びグランド主端子２４は、第１の面６１中の対応する配線導体と夫々接続される。第２の面６２は、パワーモジュール２よりも上方に存在し、パワーモジュール２の上面に対して垂直に配置されてもよい。コンデンサ５の各端子は、第２の面６２中の対応する配線導体と夫々接続される。
コンデンサ５は、スイッチング素子のスイッチング動作により生じるリプル電流を減衰させる平滑コンデンサである。なお、図１〜図３には、４つのコンデンサ５が示されているが、実施形態に従った電力変換装置に含まれるコンデンサの数は任意であってよい。
ゲート駆動ユニット３は、第１の基板３１、第２の基板３２、及び接続部材３３を含む。
第１の基板３１は、ゲート基板に相当し、ゲート駆動回路部品３１１を搭載する。ゲート駆動回路部品３１１は、接続端子３１２を介して接続された制御回路（図示せず）から入力された制御信号を絶縁し、絶縁した制御信号を、パワーモジュール２を駆動するゲート信号に変換して出力する回路部品である。なお、制御回路から入力される制御信号は、ＰＷＭ（pulse width modulation）信号であってもよい。
第２の基板３２は、パワーモジュール２の上面の一部を覆うように、パワーモジュール２上に配置される。第２の基板３２はゲート中継基板に相当し、ゲート制御端子２１及びソース制御端子２２は、第２の基板３２中の対応する配線導体と、はんだ等を用いて夫々固着される。また、第２の基板３２には、ゲート抵抗３２１が搭載されてもよい。ゲート抵抗３２１を第２の基板３２に搭載することで、パワーモジュール２に含まれるスイッチング素子の近くにゲート抵抗３２１を配置することができる。それ故、ワイドバンドギャップ半導体を用いてスイッチング素子を高速にスイッチングさせる場合でも、ゲート抵抗を有効に機能させることができる。
また、図４〜図６に示すように、複数のパワーモジュール２が並列に配置される場合に、複数のパワーモジュール２に対応して並列に配置される複数の第２の基板３２夫々の並列方向の幅Ｗ１は、対応するパワーモジュール２の並列方向の幅Ｗ２以下であってもよい。図４は、図１に示した電力変換装置からコンデンサ及びバスバーを取り除いた側面図である。図５は、図２に示した電力変換装置からコンデンサ及びバスバーを取り除いた上面図である。図６は、図３に示した電力変換装置からコンデンサ及びバスバーを取り除いた斜視図である。第２の基板３２が上述したような寸法を有することによって、並列配置される複数のパワーモジュール２の搭載面積を抑制することができる。例えば、図７に示すように、図１〜図５に示した３つのパワーモジュール２を夫々含む２組のパワーモジュール群を電力変換装置１に搭載する場合に、並列配置される６つのパワーモジュール２の搭載面積を抑制することができる。図７は、実施形態に従った電力変換装置におけるパワーモジュールの例示的な配置図である。
接続部材３３は、第１の基板３１と第２の基板３２とを接続するコネクタ３３１を含む。
前述したように、第１の基板３１と第２の基板３２との間のゲート制御線としては、例えば、配線インダクタンスを低減するためにゲート配線とソース配線（グランド配線）とを絶縁シートを介してラミネート構造にした配線導体板が知られている。仮に、こうした配線導体板にコネクタを接続し、配線導体板をコネクタを介して第１の基板３１及び第２の基板３２と接続すると、配線インダクタンスを低減する効果が薄れてしまう。そこで、こうした配線導体板は、はんだ等を用いて、第１の基板３１及び第２の基板３２の各端子（ピン）と直接接続することが望ましい。しかしながら、配線導体板が、はんだ等を用いて第１の基板３１及び第２の基板３２の各端子と固着されると、ゲート駆動回路部品３１１が搭載された第１の基板３１と、第２の基板３２が固着されたパワーモジュール２とを、電力変換装置１への実装後に容易に分離できない。
一方、電力変換装置１では、ゲート駆動回路部品３１１を搭載する第１の基板３１と、パワーモジュール２と固着された第２の基板３２とは、接続部材３３に含まれるコネクタ３３１を用いて接続される。したがって、実施形態に従った電力変換装置によれば、ゲート駆動回路部品３１１が搭載された第１の基板３１と、第２の基板３２が固着されたパワーモジュール２とを電力変換装置への実装後に容易に分離できる。また、コネクタ３３１を含む接続部材３３には、上述したようなラミネート構造を有する配線導体板と比較して安価に製造できる利点もある。
コネクタ３３１は、第１の基板３１側の第１のコネクタ３３１１と、第２の基板３２側の第２の基板側の第２のコネクタ３３１２とを含んでもよい。また、接続部材３３は、第１のコネクタ３３１１と一端が接続し、第２のコネクタ３３１２と他端が接続するゲート制御線３３２を含んでもよい。ゲート制御線３３２は、ゲート配線３３２１及びソース配線３３２２を含む。ゲート配線３３２１及びソース配線３３２２は、銅等の導線と絶縁皮膜とを夫々含むケーブルであってもよい。
第１のコネクタ３３１１の一端は、ゲート制御線３３２の一端に接続し、第１のコネクタ３３１１の他端は、第１の基板３１中の配線導体に接続する。第２のコネクタ３３１２の一端は、ゲート制御線３３２の他端に接続され、第２のコネクタ３３１２の他端は、第２の基板３２中の配線導体に接続する。
ゲート制御線３３２のインダクタンスを低減するために、電力変換装置１は、以下の説明ように構成されてもよい。
まず、ゲート制御線３３２は、第１のコネクタ３３１１と第２のコネクタ３３１２との間のゲート配線３３２１とソース配線３３２２との撚線であってもよい。ゲート制御線３３２に含まれるゲート配線３３２１とソース配線３３２２とが撚線にされることによって、ゲート配線３３２１及びソース配線３３２２に流れる電流によって発生する磁界は打ち消し合う。それ故、ゲート制御線３３２のインダクタンスを低減できる。
次に、図１〜図３に示すように、第１の基板３１の平面は、第２の基板３２の上方で、第２の基板３２の平面（上面）に対して垂直に配置されてもよい。第１の基板３１が第２に対してこのように配置されれば、第１の基板３１の平面が第２の基板３２の平面に対して平行に配置された場合と比較して、ゲート制御線３３２の長さを短くできる。それ故、ゲート制御線３３２のインダクタンスを低減できる。例えば、電力変換装置１では、バスバー６等の主回路配線のインダクタンスは５０［ｎＨ］以下であることが望ましく、ゲート制御線３３２のインダクタンスは３［ｎＨ］以下であることが望ましい。そこで、第１の基板３１の平面を、第２の基板３２の上方で、第２の基板３２の平面に対して垂直に配置することで、ゲート制御線３３２の長さを３０［ｍｍ］以下に抑制する。ゲート制御線３３２の長さを３０［ｍｍ］以下に抑制すれば、ゲート制御線のインダクタンスを３［ｎＨ］以下に低減できる。
本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。
例えば、接続部材３３は、ゲート制御線３３２を含まなくてもよい。すなわち、図８に示すように、接続部材３３は、第１のコネクタ３３１１´と第２のコネクタ３３１２´とが直接相互に接続されるように構成してもよい。図８は、実施形態に従った電力変換装置の接続部材の別例を示す図である。こうした構成によっても、ゲート駆動回路部品が搭載されたゲート基板と、ゲート中継基板が固着されたパワーモジュールとを含む電力変換装置において、ゲート基板とパワーモジュールとを電力変換装置への実装後に容易に分離できる。
１ 電力変換装置
２ パワーモジュール
２１ ゲート制御端子
２２ ソース制御端子
２３ 高電位主端子
２４ グランド主端子
２５ 出力端子
３ ゲート駆動ユニット
３１ 第１の基板
３１１ ゲート駆動回路部品
３１２ 接続端子
３２ 第２の基板
３２１ ゲート抵抗
３３ 接続部材
３３１ コネクタ
３３１１、３３１１´ 第１のコネクタ
３３１２、３３１２´ 第２のコネクタ
３３２ ゲート制御線
３３２１ ゲート配線
３３２２ ソース配線
４ 冷却器
５ コンデンサ
６ バスバー

Claims (7)

  1. 入力された交流電力を直流電力に変換して出力するパワーモジュールと、
    制御回路から入力された制御信号を絶縁し、絶縁した制御信号を前記パワーモジュールを駆動するゲート信号に変換して出力するゲート駆動回路部品が搭載された第１の基板と、前記パワーモジュールのゲート制御端子と固着された配線導体を含む第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板とを接続するコネクタを含む接続部材とを含むゲート駆動ユニットと
    を含む、電力変換装置。
  2. 前記コネクタは、前記第１の基板側の第１のコネクタと、前記第２の基板側の第２のコネクタとを含み、
    前記接続部材は、前記第１のコネクタと一端が接続し、前記第２のコネクタと他端が接続するゲート制御線を含む、
    請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記ゲート制御線は、前記第１のコネクタと前記第２のコネクタとの間のゲート配線とソース配線との撚線である、請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記第２の基板には、少なくともゲート抵抗が搭載される、請求項１に記載の電力変換装置。
  5. 前記パワーモジュールは、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴとＳｉＣショットキーバリアダイオードとを含む、請求項１に記載の電力変換装置。
  6. 複数の前記パワーモジュールが並列に配置される場合に、前記複数のパワーモジュールに対応して並列に配置される複数の前記第２の基板夫々の並列方向の幅は、対応する前記パワーモジュールの並列方向の幅以下である、請求項１に記載の電力変換装置。
  7. 前記第１の基板の平面は、前記第２の基板の上方で、前記第２の基板の平面に対して垂直に配置される、請求項１に記載の電力変換装置。
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