JP2019037049A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
上記半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化するコンデンサ(3)と、
上記スイッチング素子を流れる電流を測定する電流センサ(4)とを備え、
上記半導体モジュールには、上アーム側に配される上アーム半導体モジュール(2U)と、下アーム側に配される下アーム半導体モジュール(2L)とがあり、上記上アーム半導体モジュールと上記下アーム半導体モジュールとを、上記積層体の積層方向(X)に交互に積層してあり、
個々の上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子を内蔵した本体部(21)と、該本体部から突出した複数のパワー端子(22)とを有し、
該パワー端子の突出方向(Z)と上記積層方向との双方に直交する直交方向(Y)における、上記積層体の一方側に上記コンデンサを配置し、他方側に上記電流センサを配置してある、電力変換装置(1)にある。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
上記電力変換装置に係る実施形態について、図1〜図9を参照して説明する。図1、図4に示すごとく、本形態の電力変換装置1は、積層体10と、コンデンサ3と、電流センサ4とを備える。積層体10は、半導体モジュールと冷却管11とを積層してなる。図5〜図7に示すごとく、半導体モジュール2は、スイッチング素子20を内蔵している。
これに対して、図5に示すごとく、本形態のように、上アームスイッチング素子20Uと下アームスイッチング素子20Lとを別々の半導体モジュール20に設ければ、上アームスイッチング素子20U用の交流端子22AUと、下アームスイッチング素子20L用の交流端子22ALとを、別々にすることができる。そのため、上アームスイッチング素子20Uをオンしたときには、上アーム側の交流端子22AUのみ電流が流れ、下アームスイッチング素子20Lをオンしたときには、下アーム側の交流端子22ALのみ電流が流れる。したがって、個々の交流端子22AU,22ALから発生する抵抗熱を低減でき、この熱が電流センサ4等に伝わって温度が上昇することを抑制できる。
すなわち、図25に示すごとく、従来では、例えば2個の下アームスイッチング素子20LA,20LBを別々の半導体モジュール2に設け、これら2個の下アームスイッチング素子20LA,20LBを負極バスバー5Nによって接続していた。この場合、負極バスバー5Nが完全に対称に形成されていない等の理由により、第1下アームスイッチング素子20LAを流れ負極バスバー5Nを通過する電流iと、第2下アームスイッチング素子20LBを流れ負極バスバー5Nを通過する電流iとの、電流経路の長さが異なってしまうことがある。そのため、2個のスイッチング素子20LA,20LBに、それぞれ値の異なるインダクタンスL(LA,LB)が寄生する可能性がある。この場合、2つのスイッチング素子20LA,20LBを同時にオンし、電流iが流れたとき、各インダクタンスL(LA,LB)に生じる電圧V(=Ldi/dt)が互いに異なってしまう。その結果、2個の下アームスイッチング素子20LA,20LBのエミッタの電位VEA,VEBが互いに異なってしまう。ドライブ回路70は、これらの電位VEA,VEBの中間の電位VMを基準にしてゲートに電圧を加えるため、2個のスイッチング素子20LA,20LBの、ゲート-エミッタ間に加わる電圧が互いに異なってしまう。これが原因となって、各スイッチング素子20LA,20LBが発振しやすくなる。この問題を抑制するためには、スイッチング速度を遅くし(すなわちdi/dtを小さくし)、インダクタンスL(LA,LB)に発生する電圧V(=Ldi/dt)を小さくする必要があるが、スイッチング速度を遅くするとスイッチング損失が大きくなりやすくなる。なお、上アームスイッチング素子20UA,20UBについても同様の問題が生じる。
これに対して、図8に示すごとく、本形態のように、互いに並列に接続された2個のスイッチング素子20A,20Bを1個の半導体モジュール2内に設ければ、これらのスイッチング素子20A,20Bの電流は、両方とも、半導体モジュール2内の放熱板220を流れるため、寄生するインダクタンスL(LA,LB)を小さく、かつ均等にしやすくなる。そのため、スイッチング素子20A,20Bを高いスイッチング速度でオンしても、個々のインダクタンスL(LA,LB)に生じる電圧V(=Ldi/dt)を殆ど等しくすることができる。したがって、スイッチング速度を高くしても、発振しにくくなる。そのため、スイッチング素子20の損失を低減できる。その結果、発生した熱が電流センサ4やコンデンサ3に伝わって温度が上昇する不具合を抑制できる。
そのため、直流端子22P,22Nとコンデンサ3とを接続する直流バスバー5P,5Nの、Y方向長さを短くすることができる。また、交流端子22Aから電流センサ4までの、交流バスバー6のY方向長さを短くすることができる。したがって、これらのバスバー5,6から発生する抵抗熱を低減でき、コンデンサ3及び電流センサ4の温度上昇をより抑制することができる。
そのため、半導体モジュール2を小型化できる。したがって、スイッチング素子20から各パワー端子22C,22Eまでの距離を短くすることができ、これらの間に寄生するインダクタンスを低減できる。そのため、インダクタンスのばらつきを低減でき、スイッチング速度を高くすることができる。したがって、スイッチング素子20の損失を低減でき、半導体モジュール2の発熱を抑制できる。そのため、半導体モジュール2の熱がコンデンサ3や電流センサ4に伝わって温度が上昇する不具合を抑制しやすくなる。
本形態は、半導体モジュール2の構成を変更した例である。図10、図11に示すごとく、本形態では、1個の半導体モジュール2に1個のスイッチング素子20のみ内蔵させている。個々のスイッチング素子20には、還流ダイオード23が逆並列接続している。これらスイッチング素子20と還流ダイオード23とは、同一の半導体チップ24に形成されている。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、半導体モジュール2の構成を変更した例である。図13、図14に示すごとく、本形態では、上アーム半導体モジュール2Uと下アーム半導体モジュール2Lとの2種類の半導体モジュール2のうち、一方の半導体モジュール2(本形態では上アーム半導体モジュール2U)は、2本の直流端子22(正極端子22P)と、一本の交流端子22Aとを備える。また、他方の半導体モジュール2(本形態では下アーム半導体モジュール2L)は、2本の交流端子22Aと、一本の直流端子22(22N)を備える。
このようにすると、各スイッチング素子20からエミッタ端子22Eまでの距離を均等にすることができる。そのため、スイッチング素子20のエミッタに寄生するインダクタンスL(図18参照)を均等にでき、スイッチング素子20を高速でスイッチング動作させても、発振しにくくなる。そのため、スイッチング素子20の損失を低減でき、半導体モジュール2の発熱を抑制できる。したがって、この熱がコンデンサ3や電流センサ4に伝わって温度が上昇する不具合を抑制できる。
このようにすると、直流バスバー5Pのうち、直流端子22Pとコンデンサ3とを電気接続する部分59のY方向長さを短くすることができる。そのため、この部分59から発生する抵抗熱を低減でき、コンデンサ3の温度上昇をより抑制できる。
このようにすると、交流バスバー6のうち交流端子22Aと電流センサ4とを繋ぐ部分69のY方向長さを短くすることができる。そのため、この部分69から発生する熱を低減でき、電流センサ4の温度上昇をより抑制できる。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、半導体モジュール2の構成を変更した例である。図21に示すごとく、本形態の半導体モジュール2は、2本のエミッタ端子22Eと、1本のコレクタ端子22Cとを備える。コレクタ端子22Cは、2本のエミッタ端子22Eの間に配されている。
このようにすると、負極バスバー5Nのうち負極端子22Nとコンデンサ3とを繋ぐ部位58の、Y方向長さを短くすることができる。そのため、この部位58から発生する熱を低減でき、コンデンサ3の温度上昇をより抑制できる。
このようにすると、交流バスバー6のうち交流端子22Aと電流センサ4を繋ぐ部分69の、Y方向長さを短くすることができる。そのため、この部分69から発生する熱を低減でき、電流センサ4の温度上昇をより抑制できる。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、電力変換装置1の回路構成を変更した例である。図23に示すごとく、本形態では、上アーム半導体モジュール2Uと、下アーム半導体モジュール2Lと、コンデンサ33と、リアクトル82とを用いて、昇圧回路101を構成してある。この昇圧回路101を用いて、直流電源8の電圧を昇圧し、この昇圧後の直流電力を出力端子83,84から出力するよう構成してある。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
10 積層体
2 半導体モジュール
2U 上アーム半導体モジュール
2L 下アーム半導体モジュール
20 スイッチング素子
21 本体部
22 パワー端子
3 コンデンサ
4 電流センサ
Claims (6)
- スイッチング素子(20)を内蔵した半導体モジュール(2)と、該半導体モジュールを冷却する冷却管(11)とを積層した積層体(10)と、
上記半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化するコンデンサ(3)と、
上記スイッチング素子を流れる電流を測定する電流センサ(4)とを備え、
上記半導体モジュールには、上アーム側に配される上アーム半導体モジュール(2U)と、下アーム側に配される下アーム半導体モジュール(2L)とがあり、上記上アーム半導体モジュールと上記下アーム半導体モジュールとを、上記積層体の積層方向(X)に交互に積層してあり、
個々の上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子を内蔵した本体部(21)と、該本体部から突出した複数のパワー端子(22)とを有し、
該パワー端子の突出方向(Z)と上記積層方向との双方に直交する直交方向(Y)における、上記積層体の一方側に上記コンデンサを配置し、他方側に上記電流センサを配置してある、電力変換装置(1)。 - 個々の上記半導体モジュールは、互いに並列に接続された複数個の上記スイッチング素子を内蔵している、請求項1に記載の電力変換装置。
- 上記パワー端子には、上記コンデンサに接続する直流端子(22P,22N)と、交流端子(22A)とがあり、該交流端子から出力される電流を上記電流センサによって測定しており、個々の上記半導体モジュールは、上記直流端子と上記交流端子とをそれぞれ1本備え、上記直交方向における上記コンデンサ側に上記直流端子を配置し、上記直交方向における上記電流センサ側に上記交流端子を配置してある、請求項1又は2に記載の電力変換装置。
- 上記パワー端子には、上記コンデンサに接続する直流端子と、交流端子とがあり、該交流端子から出力される電流を上記電流センサによって測定しており、上記上アーム半導体モジュールと上記下アーム半導体モジュールとの2種類の上記半導体モジュールのうち、第1の該半導体モジュールは、上記直流端子を複数本有し、第2の上記半導体モジュールは上記交流端子を複数本有し、上記第1の半導体モジュールに含まれる複数の上記直流端子を直流バスバー(5)によって連結してあり、上記複数の直流端子のうち上記コンデンサに近い側の上記直流端子から、上記直流バスバーが、上記直交方向における上記コンデンサ側に延出し、上記第2の半導体モジュールに含まれる複数の上記交流端子を交流バスバー(6)によって連結してあり、上記複数の交流端子のうち上記電流センサに近い側の上記交流端子から、上記交流バスバーが、上記直交方向における上記電流センサ側に延出している、請求項1又は2に記載の電力変換装置。
- 個々の上記半導体モジュールは、上記パワー端子として、上記スイッチング素子のコレクタ電極に接続した2本のコレクタ端子(22C)と、上記スイッチング素子のエミッタ電極に接続した1本のエミッタ端子(22E)とを有し、上記直交方向において、上記2本のコレクタ端子の間に上記エミッタ端子が配されている、請求項1、2、4のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 上記スイッチング素子には還流ダイオード(23)が逆並列接続しており、上記スイッチング素子と上記還流ダイオードとを同一の半導体チップ(24)に形成してある、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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