JP2018174654A - マルチレベルインバータの導体接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮとフライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮを用いたマルチレベルインバータにおいて、導体距離を短くするとともに、逆向きに電流が流れるように積層化して配線インダクタンスを低減する。【解決手段】フライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮの充放電経路を構成する半導体モジュールＭａ〜Ｍｄを中心として、フライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮと直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮとをそれぞれ反対側に配置する。フライングコンデンサの正極用および負極用の導体２，３，４，５を互いに積層する。直流コンデンサの正極用および負極用の導体６，７は、中性点電位用の導体８と積層する。これらは、ヒートシンク１から互いに反対方向へ直線的に延びる。【選択図】図４

Description

この発明は、フライングコンデンサを用いたマルチレベルインバータに関し、特に、直流電圧源となる直流コンデンサと、フライングコンデンサと、フライングコンデンサの充放電経路を構成する複数の半導体スイッチと、を板状の導体を用いて接続する導体接続構造に関する。

図１は、本出願人が先に提案した国際公開第２０１５／０１５８８５号の図２３に開示されているマルチレベルインバータ、具体的には５レベルインバータの回路図である。この５レベルインバータは、例えば３相の電力変換装置として構成されており、Ｕ相部と、Ｖ相部と、Ｗ相部と、各相に共通な共通部と、に大別される。Ｕ相部は、複数のダイオード（Ｄｕ１ａ〜Ｄｕ２ｂ）と複数の相電力制御用半導体スイッチ（Ｓｕ１ａ〜Ｓｕ５ｂ）とを含んで構成される。Ｖ相部およびＷ相部も同様に複数のダイオードと複数の相電力制御用半導体スイッチを含んで構成される。

共通部は、直流電圧源となる＋側および−側の直流コンデンサ（ＤＣＰ，ＤＣＮ）と、＋側および−側のフライングコンデンサ（ＦＣＰ，ＦＣＮ）と、フライングコンデンサの充電もしくは放電の経路の少なくとも一部を構成する半導体スイッチ（Ｓａ〜Ｓｈ）と、を備えており、Ｕ相部、Ｖ相部、Ｗ相部の各々に、中性点電位ＮＰを含む５段階のレベルの電位（例えば、＋２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ）を供給する。

フライングコンデンサを利用したマルチレベルインバータは、このほかにも、種々の回路構成のものが提案されている。

ここで、一般にインバータ装置にあっては、コンデンサとＩＧＢＴ等の半導体スイッチとの間を、電線ではなく、板状の導体で接続している。この導体による接続は、電線による接続に比較して、コンデンサと半導体スイッチとの間の配線インダクタンスが低くなるため、半導体スイッチのターンオフ時のサージ電圧が低くなり、過電圧による半導体スイッチの破壊が抑制される。

また、複数の板状の導体を積層化して、各導体に流れる電流によって発生する磁界が互いに打ち消し合うように構成すれば、インダクタンス低減効果がさらに向上することが知られている。

特許文献１には、３レベルインバータにおいて、ＩＧＢＴモジュールを搭載したヒートシンクの側方に直流電圧源側の電解コンデンサを配置し、ＩＧＢＴモジュールと電解コンデンサとを接続する３つの板状の導体を積層構造とした構成が開示されている。

このほか、特許文献２や特許文献３においても、インバータを構成するＩＧＢＴモジュールの端子に接続される複数の導体を積層配置した構成が開示されている。

特開２０１０−２８８４１５号公報 特開２００６−２８０１９１号公報 特開平１１−４５８４号公報

しかしながら、特許文献１は、フライングコンデンサを具備しない回路構成であり、ＩＧＢＴモジュールと直流電圧源側の電解コンデンサとの導体接続構造を開示しているに過ぎない。特許文献２，３も同様である。つまり、図１で説明したように、複数レベルの電位を形成するために直流コンデンサに加えてフライングコンデンサを具備する回路構成にあっては、ターンオフ時のサージ電圧の低減を図りつつ各々のコンデンサと半導体スイッチとを接続するために、新規な態様の導体接続構造が必要である。

本発明は、各コンデンサと半導体スイッチ群との間の導体距離を短くして低インダクタンス化を図るとともに、できるだけ２つの導体に流れる電流の向きが逆方向となるように積層化することで、配線インダクタンスをさらに低減することを目的としている。

この発明は、中性点電位を挟んで＋側および−側にそれぞれ設けられた直流コンデンサと、同じく＋側および−側にそれぞれ設けられたフライングコンデンサと、上記フライングコンデンサの充電もしくは放電の経路を構成する半導体スイッチ群と、を含むマルチレベルインバータにおいて、上記半導体スイッチ群と上記直流コンデンサおよび上記フライングコンデンサとの間を板状の導体を用いて接続する導体接続構造であって、
ヒートシンク上に搭載された上記半導体スイッチ群から一方の方向へ延び、かつ上記フライングコンデンサの正極および負極にそれぞれ接続されるとともに、互いに積層して配置されたフライングコンデンサ正極用導体およびフライングコンデンサ負極用導体と、
上記半導体スイッチ群から上記フライングコンデンサ正極用導体およびフライングコンデンサ負極用導体とは反対側の方向へ延び、＋側直流コンデンサの正極に接続される＋側直流コンデンサ正極用導体と、
上記＋側直流コンデンサ正極用導体と並んで、上記半導体スイッチ群から上記フライングコンデンサ正極用導体およびフライングコンデンサ負極用導体とは反対側の方向へ延び、−側直流コンデンサの負極に接続される−側直流コンデンサ負極用導体と、
上記半導体スイッチ群から上記＋側直流コンデンサ正極用導体および上記−側直流コンデンサ負極用導体と同じ方向へ延び、並んで配置された上記＋側直流コンデンサ正極用導体および上記−側直流コンデンサ負極用導体に対して積層して配置されるとともに、上記中性点電位として上記＋側直流コンデンサの負極および上記−側直流コンデンサの正極に接続される中性点電位用導体と、
を備えて構成されている。

このような導体接続構造においては、半導体スイッチ群が搭載されたヒートシンクを挟んで一方の側に直流コンデンサが位置し、他方の側にフライングコンデンサが位置する配置となり、直流コンデンサと半導体スイッチ群との間、および、フライングコンデンサと半導体スイッチ群との間、をそれぞれ最短距離で接続することが可能となる。そのため、直流コンデンサ側の導体距離（＋側直流コンデンサ正極用導体、−側直流コンデンサ負極用導体および中性点電位用導体の各々の長さ）が短くなるとともに、フライングコンデンサ側の導体距離（フライングコンデンサ正極用導体およびフライングコンデンサ負極用導体の各々の長さ）が短くなり、配線インダクタンスが低くなる。

また、互いに積層されたフライングコンデンサ正極用導体およびフライングコンデンサ負極用導体には、フライングコンデンサの充電時および放電時に逆向きに電流が流れるため、導体の配線インダクタンスが低減する。同様に、中性点電位のＮＰ端子を経由してフライングコンデンサの充電もしくは放電が行われるスイッチングパターンでは、互いに積層された＋側直流コンデンサ正極用導体もしくは−側直流コンデンサ負極用導体と中性点電位用導体に、逆向きに電流が流れるので、やはり配線インダクタンスが低減する。

本発明の一つの態様においては、上記マルチレベルインバータは、回路構成として、
上記＋側直流コンデンサの正極と上記中性点電位との間に第１〜第４の半導体スイッチが直列に接続され、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチの中間接続点と、第３の半導体スイッチと第４の半導体スイッチの中間接続点と、の間に＋側フライングコンデンサが接続されており、
上記中性点電位と上記−側直流コンデンサの負極との間に第５〜第８の半導体スイッチが直列に接続され、第５の半導体スイッチと第６の半導体スイッチの中間接続点と、第７の半導体スイッチと第８の半導体スイッチの中間点接続と、の間に−側フライングコンデンサが接続されている。

より具体的な一つの態様では、上記マルチレベルインバータは、
それぞれ複数のダイオードと複数の相電力制御用半導体スイッチを含むＵ相部とＶ相部とＷ相部と、をさらに備え、
これらのＵ相部、Ｖ相部、Ｗ相部は、上記＋側直流コンデンサの正極の電位と、上記第２の半導体スイッチと上記第３の半導体スイッチの中間接続点の電位と、上記中性点電位と、上記第６の半導体スイッチと上記第７の半導体スイッチの中間接続点の電位と、上記−側直流コンデンサの負極の電位と、の５つの入力を有し、
５レベルインバータとして構成されている。

また、本発明の導体接続構造の一つの態様においては、
上記第２の半導体スイッチと上記第３の半導体スイッチの中間接続点に接続され、かつ先端部に＋側中間電位端子を有する＋側中間電位用導体と、
上記第６の半導体スイッチと上記第７の半導体スイッチの中間接続点に接続され、かつ先端部に−側中間電位端子を有する−側中間電位用導体と、
をさらに備え、
上記＋側中間電位用導体は、上記＋側直流コンデンサ正極用導体と上記中性点電位用導体とに対して積層して配置され、
上記−側中間電位用導体は、上記−側直流コンデンサ負極用導体と上記中性点電位用導体とに対して積層して配置されている。

また、具体的な一つの態様においては、
上記第１，第２の半導体スイッチを含む第１の半導体モジュールと、上記第３，第４の半導体スイッチを含む第２の半導体モジュールと、上記第５，第６の半導体スイッチを含む第３の半導体モジュールと、上記第７，第８の半導体スイッチを含む第４の半導体モジュールと、が上記ヒートシンクの上面に「２×２」の形に配置されており、
上記第１の半導体モジュールおよび上記第４の半導体モジュールが上記直流コンデンサ寄りに位置し、上記第２の半導体モジュールおよび上記第３の半導体モジュールが上記フライングコンデンサ寄りに位置している。

さらに、具体的な一つの態様では、
＋側フライングコンデンサに接続される上記フライングコンデンサ正極用導体および上記フライングコンデンサ負極用導体と、上記＋側直流コンデンサ正極用導体と、が、平面視において直線状に並んで配置されており、
−側フライングコンデンサに接続される上記フライングコンデンサ正極用導体および上記フライングコンデンサ負極用導体と、上記−側直流コンデンサ負極用導体と、が、平面視において直線状に並んで配置されている。

この発明によれば、ヒートシンクに搭載された半導体スイッチ群と直流コンデンサとフライングコンデンサとの間の導体距離を短くすることができ、配線インダクタンスを低くすることができる。そして、互いに積層された複数の導体に逆方向に電流が流れることにより、さらに配線インダクタンスを低減することができる。従って、半導体スイッチのターンオフ時のサージ電圧を低くでき、過電圧による破壊を抑制できる。

この発明の一実施例の導体接続構造が適用されるマルチレベルインバータの回路図。 一実施例の導体接続構造をヒートシンク等とともに示す斜視図。 同じく平面図。 同じく側面図。 一実施例の導体接続構造によって構成される部分の回路図。 導体のみを組み合わせた状態で示す斜視図。 １層目の複数の導体を示す斜視図。 ２層目の導体を重ねた状態を示す斜視図。 ＋側フライングコンデンサへの充電時における電流の流れを示す回路図。 導体における電流の流れを示す斜視図。 この発明の導体接続構造が適用されるマルチレベルインバータの他の例を示す回路図。

以下、この発明の一実施例を図２〜図１０に基づいて詳細に説明する。

この実施例は、前述した図１のマルチレベルインバータにおける共通部を構成するモジュールに本発明の導体接続構造を適用したものである。前述したように、図１のマルチレベルインバータは、３相の電力変換装置として構成された５レベルインバータであり、Ｕ相部と、Ｖ相部と、Ｗ相部と、各相に共通な共通部と、に大別される。

Ｕ相部は、４個のダイオードＤｕ１ａ，Ｄｕ１ｂ，Ｄｕ２ａ，Ｄｕ２ｂと、１０個の相電力制御用半導体スイッチＳｕ１ａ，Ｓｕ１ｂ，Ｓｕ２ａ，Ｓｕ２ｂ，Ｓｕ３ａ，Ｓｕ３ｂ，Ｓｕ４ａ，Ｓｕ４ｂ，Ｓｕ５ａ，Ｓｕ５ｂと、を含んで構成されている。相電力制御用半導体スイッチＳｕ１ａ〜Ｓｕ５ｂは、例えばＩＧＢＴからなり、それぞれ還流ダイオードを含んでいる。

Ｖ相部も同様に、４個のダイオードＤｖ１ａ〜Ｄｖ２ｂと、ＩＧＢＴからなる１０個の相電力制御用半導体スイッチＳｖ１ａ〜Ｓｖ５ｂと、を含んで構成されている。Ｗ相部も同様に、４個のダイオードＤｗ１ａ〜Ｄｗ２ｂと、ＩＧＢＴからなる１０個の相電力制御用半導体スイッチＳｗ１ａ〜Ｓｗ５ｂと、を含んで構成されている。

なお、単純に２直列に配置されている２個の半導体スイッチ（例えば、半導体スイッチＳｕ４ａと半導体スイッチＳｕ４ｂ、など）は、１個の半導体スイッチで代替することも可能である。単純に２直列に配置されている２個のダイオード（例えば、ダイオードＤｕ１ａとダイオードＤｕ１ｂ、など）も、１個のダイオードで代替することが可能である。

共通部は、直流電圧源となる２つの直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮと、２つのフライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮと、フライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮの充電もしくは放電の経路の少なくとも一部を構成する８個の半導体スイッチＳａ〜Ｓｈと、を備えている。半導体スイッチＳａ〜Ｓｈは、例えばＩＧＢＴからなり、それぞれ還流ダイオードを含んでいる。

２つの直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮは、中性点電位ＮＰを挟んで＋側および−側にそれぞれ挿入されている。つまり、＋側の入力端子となるＰ端子と中性点電位となるＮＰ端子との間に＋側直流コンデンサＤＣＰが接続され、−側の入力端子となるＮ端子と中性点電位となるＮＰ端子との間に−側直流コンデンサＤＣＮが接続される。

＋側直流コンデンサＤＣＰの正極と中性点電位ＮＰとの間には、第１〜第４の半導体スイッチＳａ〜Ｓｄが直列に接続されている。そして、＋側フライングコンデンサＦＣＰは、第１の半導体スイッチＳａと第２の半導体スイッチＳｂの中間接続点に一方の極が接続され、第３の半導体スイッチＳｃと第４の半導体スイッチＳｄの中間接続点に他方の極が接続されている。

同様に、中性点電位ＮＰと−側直流コンデンサＤＣＮの負極との間には、第５〜第８の半導体スイッチＳｅ〜Ｓｈが直列に接続されている。そして、−側フライングコンデンサＦＣＮは、第５の半導体スイッチＳｅと第６の半導体スイッチＳｆの中間接続点に一方の極が接続され、第７の半導体スイッチＳｇと第８の半導体スイッチＳｈの中間接続点に他方の極が接続されている。

また、第２の半導体スイッチＳｂと第３の半導体スイッチＳｃの中間接続点の電位が後述する＋側中間電位端子ＦＣＰＭとして共通部のモジュールから引き出されている。同様に、第６の半導体スイッチＳｆと第７の半導体スイッチＳｇの中間接続点の電位が後述する−側中間電位端子ＦＣＮＭとして共通部のモジュールから引き出されている。これらの中間電位端子ＦＣＰＭ，ＦＣＮＭは、Ｐ端子、Ｎ端子、ＮＰ端子とともに、Ｕ相部、Ｖ相部、Ｗ相部への入力となる。

フライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮは、半導体スイッチＳａ〜Ｓｈのスイッチング動作によって充放電制御される。詳しくは、直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮの電圧をそれぞれ±２Ｅとしたときに、フライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮの電圧が±Ｅとなるように制御される。これによって、共通部は、Ｕ相部、Ｖ相部、Ｗ相部の各々に、中性点電位ＮＰを含む５段階のレベルの電位（例えば、＋２Ｅ、Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ）を供給する。従って、Ｕ相部、Ｖ相部、Ｗ相部の各々における所定のスイッチングパターンに従って、５レベルインバータとして機能する。

図２〜図４は、一実施例の導体接続構造を備えた共通部の具体的な構成を示す斜視図、平面図および側面図である。

図示例では、共通部に含まれる８個の半導体スイッチＳａ〜Ｓｈは、２個ずつ「２ｉｎ１」型の半導体モジュールとして構成されている。すなわち、第１の半導体スイッチＳａと第２の半導体スイッチＳｂとを一体化した第１の半導体モジュールＭａと、第３の半導体スイッチＳｃと第４の半導体スイッチＳｄとを一体化した第２の半導体モジュールＭｂと、第５の半導体スイッチＳｅと第６の半導体スイッチＳｆとを一体化した第３の半導体モジュールＭｃと、第７の半導体スイッチＳｇと第８の半導体スイッチＳｈとを一体化した第４の半導体モジュールＭｄと、を備えている。これらの半導体モジュールＭａ〜Ｍｄは、偏平な直方体形状のパッケージを有し、パッケージの上面中央部に、一方の半導体スイッチのコレクタに接続されたコレクタ端子と、他方の半導体スイッチのエミッタに接続されたエミッタ端子と、２つの半導体スイッチの中間接続点となる中間端子と、の３つの端子がパッケージの長手方向に並んで設けられている。

４個の半導体モジュールＭａ〜Ｍｄは、偏平な直方体形状をなす金属製のヒートシンク１の上に搭載されている。詳しくは、４個の半導体モジュールＭａ〜Ｍｄがヒートシンク１の上面に「２×２」の形で配置されており、図３において、右上に第１の半導体モジュールＭａが、右下に第２の半導体モジュールＭｂが、左下に第３の半導体モジュールＭｃが、左上に第４の半導体モジュールＭｄが、それぞれ位置している。つまり直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮに接続する必要のある第１の半導体モジュールＭａと第４の半導体モジュールＭｄが、図３において上方となる側に配置されている。また、各々のパッケージの長手方向がヒートシンク１の長手方向に沿っており、第１の半導体モジュールＭａの３個の端子と第４の半導体モジュールＭｄの３個の端子とがヒートシンク１の長手方向に沿って一列に並んだ状態となり、同様に、第２の半導体モジュールＭｂの３個の端子と第３の半導体モジュールＭｃの３個の端子とがヒートシンク１の長手方向に沿って一列に並んだ状態となる。なお、ヒートシンク１は、下面側に多数のフィン（図示せず）が形成されている。

図４に示すように、直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮおよびフライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮは、上記のヒートシンク１を中央に挟んで、それぞれ反対側に位置するように配置される。すなわち、フライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮは、図４においてヒートシンク１の右側つまり第２の半導体モジュールＭｂと第３の半導体モジュールＭｃの側に配置されている。直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮは、図４には図示していないが、図４においてヒートシンク１の左側つまり第１の半導体モジュールＭａと第４の半導体モジュールＭｄの側に配置される。

これらの半導体モジュールＭａ〜Ｍｄと各コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮ，ＦＣＰ，ＦＣＮの間は、いずれも導電性を有する金属板からなる導体（２〜１２）によって接続されている。これらの導体のいくつかは互いに積層されており、最も多層の箇所では、３層に積層されている。図６は、全ての導体を組み合わせた状態を示しており、図７は、１層目つまり最下層に位置する導体のみを示しており、図８は、最下層の導体の上に２層目の導体を重ねた状態を示している。また、図５は、これらの導体（２〜１２）によって構成される部分の回路図を示しており、各導体が構成する回路配線を導体と同じ参照符号でもって示している。以下、これらの図を参照して、一実施例の導体接続構造を詳細に説明する。

この実施例の導体接続構造は、導体として、＋側フライングコンデンサ正極用導体２と、＋側フライングコンデンサ負極用導体３と、−側フライングコンデンサ正極用導体４と、−側フライングコンデンサ負極用導体５と、＋側直流コンデンサ正極用導体６と、−側直流コンデンサ負極用導体７と、中性点電位用導体８と、＋側モジュール接続用導体９と、−側モジュール接続用導体１０と、＋側中間電位用導体１１と、−側中間電位用導体１２と、を備えている。

最下層の導体を示す図７には、＋側フライングコンデンサ負極用導体３と、＋側モジュール接続用導体９と、＋側直流コンデンサ正極用導体６と、−側フライングコンデンサ正極用導体４と、−側モジュール接続用導体１０と、−側直流コンデンサ負極用導体７と、が示されている。＋側フライングコンデンサ負極用導体３、＋側モジュール接続用導体９、＋側直流コンデンサ正極用導体６の三者と、−側フライングコンデンサ正極用導体４、−側モジュール接続用導体１０、−側直流コンデンサ負極用導体７の三者と、は半導体モジュールＭａ〜Ｍｄの端子と接続される端子タブの位置を除き、基本的に左右対称に構成されている。

＋側フライングコンデンサ負極用導体３は、図５から明らかなように、第２の半導体モジュールＭｂの中間端子と＋側フライングコンデンサＦＣＰの負極ＦＣＰ−とを接続するものであって、基本的に帯状をなし、ヒートシンク１に搭載された第２の半導体モジュールＭｂの上面からヒートシンク１の長手方向と直交する方向へ沿って一方へ延びている。そして、先端部に、幅方向に広がった端子部３ａを備えており、図４に示したように、この端子部３ａの上に配置される＋側フライングコンデンサＦＣＰの負極ＦＣＰ−に、該端子部３ａが接続される。また、＋側フライングコンデンサ負極用導体３の他端に設けられた比較的小型の端子タブ３ｂが、第２の半導体モジュールＭｂの中間端子に接続される。

＋側フライングコンデンサ負極用導体３は、図４に示すように、ヒートシンク１および半導体モジュールＭａ〜Ｍｄとの高さの差を吸収するように、立ち上がり部３ｃを有するステップ状に折り曲げ構成されている。なお、図示例では、立ち上がり部３ｃにおいて２つの金属板を接続して＋側フライングコンデンサ負極用導体３を構成してあるが、１枚の金属板から全体を構成することも可能である。

−側フライングコンデンサ正極用導体４は、上記の＋側フライングコンデンサ負極用導体３と基本的に対称の形状を有している。換言すれば、−側フライングコンデンサ正極用導体４は、＋側フライングコンデンサ負極用導体３に対し、平面視（図３参照）において平行に延びている。−側フライングコンデンサ正極用導体４は、図５から明らかなように、第３の半導体モジュールＭｃの中間端子と−側フライングコンデンサＦＣＮの正極ＦＣＮ＋とを接続するものであって、第３の半導体モジュールＭｃの上面から＋側フライングコンデンサ負極用導体３と同様に一方に延びている。そして、先端の幅広となった端子部４ａが、−側フライングコンデンサＦＣＮの正極ＦＣＮ＋に接続される。端子タブ４ｂは、第３の半導体モジュールＭｃの中間端子に接続される。なお、立ち上がり部４ｃを有する形状等は、＋側フライングコンデンサ負極用導体３と同様である。

＋側モジュール接続用導体９は、２つの端子タブ９ａ，９ｂを有する比較的小型の四角形をなす導体であり、図５から明らかなように、第１の半導体モジュールＭａのエミッタ端子と第２の半導体モジュールＭｂのコレクタ端子とを互いに接続している。

−側モジュール接続用導体１０は、＋側モジュール接続用導体９と同様に、２つの端子タブ１０ａ，１０ｂを有する比較的小型の四角形をなす導体であり、図５から明らかなように、第３の半導体モジュールＭｃのエミッタ端子と第４の半導体モジュールＭｄのコレクタ端子とを互いに接続している。

＋側直流コンデンサ正極用導体６は、図５から明らかなように、＋側直流コンデンサＤＣＰの正極と第１の半導体モジュールＭａのコレクタ端子とを接続するものであって、基本的に帯状をなし、ヒートシンク１に搭載された第１の半導体モジュールＭａの上面から＋側フライングコンデンサ負極用導体３とは反対方向へ延びている。換言すれば、＋側直流コンデンサ正極用導体６と＋側フライングコンデンサ負極用導体３とは、図７から明らかなように、図３のような平面視で見たときに、２つの半導体モジュールＭａ，Ｍｂを挟んで、一直線に並んだ配置となっている。＋側直流コンデンサ正極用導体６は、第１の半導体モジュールＭａのコレクタ端子に接続される端子タブ６ａを一端部に有する。他端部の側縁には、＋側直流コンデンサＤＣＰの正極が接続されるＰ端子６ｂが下方へ折り曲げた形で形成されている。

−側直流コンデンサ負極用導体７は、上記の＋側直流コンデンサ正極用導体６と左右対称な形状をなし、かつ＋側直流コンデンサ正極用導体６と平行に延びている。この−側直流コンデンサ負極用導体７と−側フライングコンデンサ正極用導体４とは、図７から明らかなように、図３のような平面視で見たときに、２つの半導体モジュールＭｃ，Ｍｄを挟んで、一直線に並んだ配置となっている。この−側直流コンデンサ負極用導体７は、第４の半導体モジュールＭｄのエミッタ端子に接続される端子タブ７ａと、−側直流コンデンサＤＣＮの負極が接続されるＮ端子７ｂと、を備えている。図５に明らかなように、この−側直流コンデンサ負極用導体７によって、第４の半導体モジュールＭｄのエミッタ端子が−側直流コンデンサＤＣＮの負極に接続される。

図８には、さらに、＋側フライングコンデンサ正極用導体２と、−側フライングコンデンサ負極用導体５と、＋側中間電位用導体１１と、−側中間電位用導体１２と、が示されている。

＋側フライングコンデンサ正極用導体２は、＋側フライングコンデンサ負極用導体３と類似した形状を有する導体であって、帯状の金属板を立ち上がり部２ｃを有するステップ状に折り曲げて構成されているとともに、幅方向に広がった端子部２ａを一端部に有し、かつ他端部に比較的小型の端子タブ２ｂを有する。この＋側フライングコンデンサ正極用導体２は、＋側フライングコンデンサ負極用導体３ならびに＋側モジュール接続用導体９の上に絶縁状態で積層されており、基本的に、＋側フライングコンデンサ負極用導体３と＋側モジュール接続用導体９とを合わせた輪郭に沿った輪郭形状を有している。なお、第２の半導体モジュールＭｂのエミッタ端子への後行程での接続を可能とするために、切欠部２ｄを備えている。この＋側フライングコンデンサ正極用導体２は、＋側フライングコンデンサ負極用導体３と同じく、＋側直流コンデンサ正極用導体６に対し、図３のような平面視で見たときに、第１の半導体モジュールＭａを挟んで、一直線に並んだ配置となっている。

端子部２ａは、＋側フライングコンデンサ負極用導体３の端子部３ａに比較して短いものであり、＋側フライングコンデンサ負極用導体３の端子部３ａの上に絶縁状態で重なっている。図４に示したように、この端子部２ａの上に配置される＋側フライングコンデンサＦＣＰの正極ＦＣＰ＋に、該端子部２ａが接続される。そして、端子タブ２ｂは、第２の半導体モジュールＭｂの上を越えて、第１の半導体モジュールＭａの中間端子に接続される。図５から明らかなように、この＋側フライングコンデンサ正極用導体２は、＋側フライングコンデンサＦＣＰの正極ＦＣＰ＋と第１の半導体モジュールＭａの中間端子とを接続する回路配線を構成する。なお、図示例では、立ち上がり部２ｃにおいて２つの金属板を接続して＋側フライングコンデンサ正極用導体２を構成してあるが、１枚の金属板から全体を構成することも可能である。

−側フライングコンデンサ負極用導体５は、切欠部５ｄの位置以外は、上記の＋側フライングコンデンサ正極用導体２と基本的に左右対称に構成されている。すなわち、帯状の金属板を立ち上がり部５ｃを有するステップ状に折り曲げて構成されているとともに、幅方向に広がった端子部５ａを一端部に有し、かつ他端部に比較的小型の端子タブ５ｂを有する。この＋側フライングコンデンサ負極用導体５は、−側フライングコンデンサ正極用導体４ならびに−側モジュール接続用導体１０の上に絶縁状態で積層されており、基本的に、これらを合わせた輪郭に沿った輪郭形状を有している。この−側フライングコンデンサ負極用導体５は、−側フライングコンデンサ正極用導体４と同じく、−側直流コンデンサ負極用導体７に対し、図３のような平面視で見たときに、第４の半導体モジュールＭｄを挟んで、一直線に並んだ配置となっている。

端子部５ａは、−側フライングコンデンサＦＣＮの負極ＦＣＮ−に接続され、端子タブ５ｂは、第３の半導体モジュールＭｃの上を越えて、第４の半導体モジュールＭｄの中間端子に接続される。図５から明らかなように、この−側フライングコンデンサ負極用導体５は、−側フライングコンデンサＦＣＮの負極ＦＣＮ−と第４の半導体モジュールＭｄの中間端子とを接続する回路配線を構成する。

＋側中間電位用導体１１は、一端部に端子タブ１１ａを有するとともに、他端部の側縁に上方へ折り曲げられたＦＣＰＭ端子（＋側中間電位端子）１１ｂを有する。これらの端子タブ１１ａおよびＦＣＰＭ端子１１ｂを除き、＋側中間電位用導体１１は、＋側直流コンデンサ正極用導体６と同じ輪郭形状を有し、該＋側直流コンデンサ正極用導体６の上に絶縁状態で積層されている。端子タブ１１ａは、第１の半導体モジュールＭａのエミッタ端子に接続される。第１の半導体モジュールＭａのエミッタ端子と第２の半導体モジュールＭｂのコレクタ端子は、上述したように＋側モジュール接続用導体９によって互いに接続されているので、図５から明らかなように、＋側中間電位用導体１１は、第１の半導体モジュールＭａと第２の半導体モジュールＭｂの中間接続点からＦＣＰＭ端子を引き出す回路配線を構成する。

−側中間電位用導体１２は、端子タブ１２ａを除き、上記の＋側中間電位用導体１１と左右対称に構成されており、ＦＣＰＭ端子１１ｂと対称をなすＦＣＮＭ端子（−側中間電位端子）１２ｂを備え、−側直流コンデンサ負極用導体７の上に絶縁状態で積層されている。端子タブ１２ａは、第４の半導体モジュールＭｄのコレクタ端子に接続される。第３の半導体モジュールＭｃのエミッタ端子と第４の半導体モジュールＭｄのコレクタ端子は、上述したように−側モジュール接続用導体１０によって互いに接続されているので、図５から明らかなように、−側中間電位用導体１２は、第３の半導体モジュールＭｃと第４の半導体モジュールＭｄの中間接続点からＦＣＮＭ端子を引き出す回路配線を構成する。

なお、＋側中間電位用導体１１と−側中間電位用導体１２は、互いに平行に延びており、反対方向へ延びる＋側フライングコンデンサ正極用導体２と−側フライングコンデンサ負極用導体５に対し、それぞれ直線状に並んだ配置となっている。

図６には、３層目の導体として、＋側中間電位用導体１１と−側中間電位用導体１２の上に絶縁状態で積層されている中性点電位用導体８が示されている。この中性点電位用導体８は、互いに並んで配置された＋側中間電位用導体１１と−側中間電位用導体１２の外側の輪郭に沿った輪郭形状を有しているとともに、＋側フライングコンデンサ正極用導体２と−側フライングコンデンサ負極用導体５の一端部を覆う略Ｔ字形をなす延長部８ａを備えている。換言すれば、この中性点電位用導体８は、＋側フライングコンデンサ正極用導体２と−側フライングコンデンサ負極用導体５の一端部から＋側中間電位用導体１１と−側中間電位用導体１２の全体を覆う相対的に大きな四角形をなし、かつ、第１の半導体モジュールＭａと第４の半導体モジュールＭｄの各端子への接続を可能とするための一対の切欠部８ｂ，８ｃを備えている。

この中性点電位用導体８は、延長部８ａに２つの端子タブ８ｄ，８ｅを有し、一方が第２の半導体モジュールＭｂのエミッタ端子に、他方が第３の半導体モジュールＭｃのコレクタ端子に、それぞれ接続されている。また、他端部の中央に、中性点となるＮＰ端子８ｆが上方へ折れ曲がった形に形成されている。図５から明らかなように、この中性点電位用導体８は、第２の半導体モジュールＭｂと第３の半導体モジュールＭｃの中間接続点に中性点電位（ＮＰ）を与える回路配線を構成する。

直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮについては図示していないが、図６に示すＰ端子６ｂとＮＰ端子８ｆとの間に＋側直流コンデンサＤＣＰが接続され、Ｎ端子７ｂとＮＰ端子８ｆとの間に−側直流コンデンサＤＣＮが接続される。なお、これらの端子６ｂ、７ｂ、８ｆに直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮを直接に接続してもよく、あるいはさらに別の導体を介して接続するようにしてもよい。

上記のように構成された実施例の導体接続構造によれば、フライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮに接続するための各導体２，３，４，５と、直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮに接続するための各導体６，７，８と、が、ヒートシンク１上の半導体モジュールＭａ〜Ｍｄを挟んでそれぞれ反対側へ直線的に延びたレイアウトとなり、フライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮおよび直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮがヒートシンク１の両側にそれぞれ配置されるため、導体２，３，４，５および導体６，７，８のそれぞれの長さつまり導体距離を最小のものとすることができる。これにより、配線インダクタンスが低くなる。また、＋側フライングコンデンサＦＣＰ用の導体２，３と、−側フライングコンデンサＦＣＮ用の導体４，５と、直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮの両端に接続される導体７，８と、中間電位用の導体１１，１２と、が互いに交錯することがなく、それぞれ直線状に延びるため、一部の導体が迂回して長くなるようなことがない。

また、＋側の回路配線となる各導体２，３，６，９，１１と−側の回路配線となる各導体４，５，７，１０，１２とが基本的に対称の構成となり、各々の配線インダクタンス等が等価となる。

さらに、＋側フライングコンデンサＦＣＰ用の互いに積層された２つの導体２，３では、フライングコンデンサＦＣＰの充電時および放電時に、それぞれ逆向きに電流が流れるため、磁界が互いに打ち消しあうことで、インダクタンス低減作用が得られる。−側フライングコンデンサＦＣＮ用の２つの導体４，５においても同様である。

また、直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮ用の導体６，７と中間電位用の導体１１，１２と中性点電位用の導体８との互いに積層された３者の間でも、電流が逆向きに流れることによるインダクタンス低減作用が同様に得られる。

例えば、図９および図１０は、＋側フライングコンデンサＦＣＰの充電時における電流の流れを矢印でもって示した説明図である。この例では、図９に示すように、ＦＣＰＭ端子からフライングコンデンサＦＣＰの正極ＦＣＰ＋へ破線矢印のように電流が流れるとともに、フライングコンデンサＦＣＰの負極ＦＣＰ−からＮＰ端子へと一点鎖線矢印のように電流が流れる。従って、図１０に示すように、フライングコンデンサＦＣＰ用の互いに積層された２つの導体２，３で逆向きに電流が流れるとともに、中間電位用の導体１１と中性点電位用の導体８とで逆向きに電流が流れる。これにより、それぞれでインダクタンス低減作用が得られる。なお、ＦＣＰＭ端子からフライングコンデンサＦＣＰの正極ＦＣＰ＋へと流れる電流（破線矢印）は、第１の半導体モジュールＭａを経由して流れ、フライングコンデンサＦＣＰの負極ＦＣＰ−からＮＰ端子へと流れる電流（一点鎖線矢印）は、第２の半導体モジュールＭｂを経由して流れる。＋側フライングコンデンサＦＣＰの放電時、さらには−側フライングコンデンサＦＣＮの充電時および放電時においても同様であり、積層された２つの導体で互いに逆向きに電流が流れることによるインダクタンス低減作用が得られる。

以上、本発明の一実施例を詳細に説明したが、本発明の導体接続構造は、上記実施例のようなマルチレベルインバータに限らず、他の回路構成を有するマルチレベルインバータにも適用することが可能である。

例えば、図１１に回路図を示した５レベルインバータにも適用が可能である。このマルチレベルインバータは、やはり、共通部と、Ｕ相部と、Ｖ相部と、Ｗ相部と、を有しており、共通部は、直流電圧源となる＋側および−側の直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮと、＋側および−側のフライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮと、フライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮの充電もしくは放電の経路の少なくとも一部を構成する２つの半導体スイッチ（例えばＩＧＢＴ）ＳＣ１，ＳＣ２と、を備えて構成されている。

このような構成においても、半導体スイッチＳＣ１，ＳＣ２を搭載したヒートシンクを中央に挟んで直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮとフライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮとをそれぞれ配置し、前述した実施例のものと同様の導体接続構造でもって回路配線を構成することが可能である。

なお、各実施例においては、半導体スイッチとしてＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴ等の他の半導体スイッチを用いることも可能である。

１…ヒートシンク
２…＋側フライングコンデンサ正極用導体
３…＋側フライングコンデンサ負極用導体
４…−側フライングコンデンサ正極用導体
５…−側フライングコンデンサ負極用導体
６…＋側直流コンデンサ正極用導体
７…−側直流コンデンサ負極用導体
８…中性点電位用導体
９…＋側モジュール接続用導体
１０…−側モジュール接続用導体
１１…＋側中間電位用導体
１２…−側中間電位用導体
Ｓａ〜Ｓｈ…半導体スイッチ
Ｍａ〜Ｍｄ…半導体モジュール
ＤＣＰ…＋側直流コンデンサ
ＤＣＮ…−側直流コンデンサ
ＦＣＰ…＋側フライングコンデンサ
ＦＣＮ…−側フライングコンデンサ

Claims (6)

1. 中性点電位を挟んで＋側および−側にそれぞれ設けられた直流コンデンサと、同じく＋側および−側にそれぞれ設けられたフライングコンデンサと、上記フライングコンデンサの充電もしくは放電の経路を構成する半導体スイッチ群と、を含むマルチレベルインバータにおいて、上記半導体スイッチ群と上記直流コンデンサおよび上記フライングコンデンサとの間を板状の導体を用いて接続する導体接続構造であって、
   ヒートシンク上に搭載された上記半導体スイッチ群から一方の方向へ延び、かつ上記フライングコンデンサの正極および負極にそれぞれ接続されるとともに、互いに積層して配置されたフライングコンデンサ正極用導体およびフライングコンデンサ負極用導体と、
   上記半導体スイッチ群から上記フライングコンデンサ正極用導体およびフライングコンデンサ負極用導体とは反対側の方向へ延び、＋側直流コンデンサの正極に接続される＋側直流コンデンサ正極用導体と、
   上記＋側直流コンデンサ正極用導体と並んで、上記半導体スイッチ群から上記フライングコンデンサ正極用導体およびフライングコンデンサ負極用導体とは反対側の方向へ延び、−側直流コンデンサの負極に接続される−側直流コンデンサ負極用導体と、
   上記半導体スイッチ群から上記＋側直流コンデンサ正極用導体および上記−側直流コンデンサ負極用導体と同じ方向へ延び、並んで配置された上記＋側直流コンデンサ正極用導体および上記−側直流コンデンサ負極用導体に対して積層して配置されるとともに、上記中性点電位として上記＋側直流コンデンサの負極および上記−側直流コンデンサの正極に接続される中性点電位用導体と、
   を備えてなるマルチレベルインバータの導体接続構造。
2. 上記マルチレベルインバータは、回路構成として、
   上記＋側直流コンデンサの正極と上記中性点電位との間に第１〜第４の半導体スイッチが直列に接続され、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチの中間接続点と、第３の半導体スイッチと第４の半導体スイッチの中間接続点と、の間に＋側フライングコンデンサが接続されており、
   上記中性点電位と上記−側直流コンデンサの負極との間に第５〜第８の半導体スイッチが直列に接続され、第５の半導体スイッチと第６の半導体スイッチの中間接続点と、第７の半導体スイッチと第８の半導体スイッチの中間点接続と、の間に−側フライングコンデンサが接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載のマルチレベルインバータの導体接続構造。
3. 上記マルチレベルインバータは、
   それぞれ複数のダイオードと複数の相電力制御用半導体スイッチを含むＵ相部とＶ相部とＷ相部と、をさらに備え、
   これらのＵ相部、Ｖ相部、Ｗ相部は、上記＋側直流コンデンサの正極の電位と、上記第２の半導体スイッチと上記第３の半導体スイッチの中間接続点の電位と、上記中性点電位と、上記第６の半導体スイッチと上記第７の半導体スイッチの中間接続点の電位と、上記−側直流コンデンサの負極の電位と、の５つの入力を有し、
   ５レベルインバータとして構成されている、ことを特徴とする請求項２に記載のマルチレベルインバータの導体接続構造。
4. 上記第２の半導体スイッチと上記第３の半導体スイッチの中間接続点に接続され、かつ先端部に＋側中間電位端子を有する＋側中間電位用導体と、
   上記第６の半導体スイッチと上記第７の半導体スイッチの中間接続点に接続され、かつ先端部に−側中間電位端子を有する−側中間電位用導体と、
   をさらに備え、
   上記＋側中間電位用導体は、上記＋側直流コンデンサ正極用導体と上記中性点電位用導体とに対して積層して配置され、
   上記−側中間電位用導体は、上記−側直流コンデンサ負極用導体と上記中性点電位用導体とに対して積層して配置されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載のマルチレベルインバータの導体接続構造。
5. 上記第１，第２の半導体スイッチを含む第１の半導体モジュールと、上記第３，第４の半導体スイッチを含む第２の半導体モジュールと、上記第５，第６の半導体スイッチを含む第３の半導体モジュールと、上記第７，第８の半導体スイッチを含む第４の半導体モジュールと、が上記ヒートシンクの上面に「２×２」の形に配置されており、
   上記第１の半導体モジュールおよび上記第４の半導体モジュールが上記直流コンデンサ寄りに位置し、上記第２の半導体モジュールおよび上記第３の半導体モジュールが上記フライングコンデンサ寄りに位置している、ことを特徴とする請求項３または４に記載のマルチレベルインバータの導体接続構造。
6. ＋側フライングコンデンサに接続される上記フライングコンデンサ正極用導体および上記フライングコンデンサ負極用導体と、上記＋側直流コンデンサ正極用導体と、が、平面視において直線状に並んで配置されており、
   −側フライングコンデンサに接続される上記フライングコンデンサ正極用導体および上記フライングコンデンサ負極用導体と、上記−側直流コンデンサ負極用導体と、が、平面視において直線状に並んで配置されている、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のマルチレベルインバータの導体接続構造。

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