JP2021005984A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゲートドライブ回路を構成する部品の小型化を図りながら低インダスタンス化及び安定したスイッチング動作を実現し、構造設計の制約を小さくすることができる電力変換装置を提供する。【解決手段】ゲートドライブ回路５Ａは、半導体スイッチング素子Ｑ１をオン・オフさせるトランジスタ１０と、フォトカプラ１１と、複数のゲート抵抗の一部１２、１４と、第１コネクタ２２とがゲートドライブ主基板２０に実装され、複数のゲート抵抗うちの残りのゲート抵抗１７と、プルダウン抵抗１９と、ゲートコンデンサ１８と、第２コネクタ２３とがゲートドライブ副基板に実装されている。ゲートドライブ副基板が、半導体デバイスを内蔵した半導体モジュールＰＭ１に接続され、ゲートドライブ主基板の第１コネクタと、ゲートドライブ副基板の第２コネクタとが、一対のハーネス２４ａで接続されている。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体モジュールを駆動するゲートドライブ回路を備えた電力変換装置に関する。

インバータ装置、無停電電源装置、パワーコンディショナー、鉄道車両用各種電力変換装置、工作機械および産業用ロボット等の電力変換機器を構成する電力変換装置は、スイッチングを行うパワー半導体デバイスを搭載したパワー半導体モジュールと、パワー半導体デバイスを駆動するゲートドライブ回路とを備えている。
パワー半導体デバイスとしては、Ｓｉ（シリコン）からなるＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴが広く利用されている。近年では、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）やＧａＮ（ガリウムナイトライド）といったワイドバンドギャップ半導体の研究・開発および実用化検討も活発になされており、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ−ＪＦＥＴ、ＧａＮ−ＨＥＭＴといったスイッチング素子に関しても、一部は既に実用に供されつつある。

とりわけ、パワー半導体モジュールの分野では、１モジュールの内部に、１群のスイッチング素子からなる組が２直列に内蔵された２ｉｎ１モジュールがよく知られている。２ｉｎ１モジュールは、電力変換回路の分野で知られるハーフブリッジ回路を１モジュールで構成でき、たとえば、三相インバータ回路の１相分を１モジュールで担うことができる。２ｉｎ１モジュールでは、正極側のアームを上アーム、負極側のアームを下アームと呼ぶ。

近年は、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴなどのワイドバンドギャップ半導体からなるパワー半導体モジュールのみならず、Ｓｉ−ＩＧＢＴ，Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴの性能向上（低損失化、高速スイッチング化）が著しく、パワー半導体モジュールを安全かつ確実に駆動させるゲートドライブ回路の発明が多く提案されている。
例えば、以下に示す特許文献１〜３には、パワー半導体モジュールを並列に接続して大容量（大電流）の電力変換を行うゲートドライブ回路の技術が記載されている。

ここで、パワー半導体デバイスのスイッチング速度、ひいてはスイッチング損失を決定する支配的な要因は、ゲートドライブ回路に搭載されているゲート抵抗とゲートコンデンサである。なお、ゲートコンデンサは、ＭＯＳＦＥＴを駆動する場合にはＧ−Ｓ間コンデンサと称し、ＩＧＢＴを駆動する場合にはＧ−Ｅ間コンデンサ等と称している。そして、ゲートドライブ回路のターンオン、ターンオフを異なるゲート抵抗で駆動する場合には、ダイオードを用いて定数を変更する場合もある。ゲートドライブ回路のゲートコンデンサは、静電容量と並列に接続されることにより、ゲートの充放電時間を遅らせ、或いはゲート電圧を安定に保つ必要がある場合に追加されることがある。

上記のようにゲート抵抗とゲートコンデンサを搭載しているゲートドライブ回路は、配線インダクタンスなどの寄生成分が形成され、安定なスイッチング動作を損なう原因となる。特に、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴなどの高速スイッチングで動作させるパワー半導体デバイスでは、寄生成分の影響が無視できなくなる。
そこで、特許文献１の発明では、ゲートドライブ回路からパワー半導体デバイスまでの配線をラミネート構造とすることで、低インダクタンス化及び安定したスイッチング動作を実現している。
また、特許文献２の発明では、パワー半導体モジュールとゲートドライブ回路を一体化するように直近で固定する構造とすることで、低インダクタンス化や絶縁などを実現している。

さらに、特許文献３の発明では、複数のパワー半導体モジュールとこれらを駆動する駆動装置とを接続する信号用中継基板が設けられており、信号用中継基板に、駆動装置のゲート抵抗以降の回路部品を実装している。これにより、特許文献３の発明は、電力容量を高めるために複数のパワー半導体モジュールを並列に接続する場合であっても、電気的接続を容易に行うことができるとともに、信号用中継基板に実装されている配線パターン構造の低インダクタンス化を実現している。

特開２０１５−１９８５４５号公報 特開２０１８−６１４０６号公報 特許第６１０３１２２号公報

しかし、特許文献１のようにゲートドライブ回路からパワー半導体デバイスまでの配線をラミネート構造とする場合、或いは、特許文献２のようにパワー半導体モジュールとゲートドライブ回路を一体化するように直近で固定する構造とする場合は、製造コスト及び小型化の面で問題がある。
また、特許文献３では、信号用中継基板に実装する回路部品（駆動装置のゲート抵抗以降の回路部品）が多く、絶縁構造を考慮すると大型基板となるので、電力変換装置に組み込んだ際に振動により破損するおそれがある。また、ゲートドライブ回路とパワー半導体モジュールの距離をできる限り近づけることが必須となることから、構造設計の制約が大きいという課題もある。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ゲートドライブ回路を構成する部品の小型化を図りながら低インダクタンス化及び安定したスイッチング動作を実現することができるとともに、構造設計の制約を小さくしながら絶縁や振動の問題も解決することができる電力変換装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る電力変換装置は、半導体デバイスを内蔵した半導体モジュールと、半導体デバイスを駆動するゲートドライブ回路と、を備え、ゲートドライブ回路は、半導体デバイスをオン・オフさせるトランジスタと、トランジスタの駆動制御を行うフォトカプラと、半導体デバイスのスイッチングスピードを調整する複数のゲート抵抗と、駆動特性を調整するゲートコンデンサと、半導体デバイスの誤動作を防止するプルダウン抵抗と、を備えている。ここで、ゲートドライブ回路のトランジスタと、フォトカプラと、複数のゲート抵抗の一部と、信号出力側の制御経路及びグランド経路に接続する第１コネクタと、がゲートドライブ主基板に実装されている。また、
ゲートドライブ回路の複数のゲート抵抗うちの残りのゲート抵抗と、プルダウン抵抗と、ゲートコンデンサと、信号入力側の制御経路及びグランド経路に設けた第２コネクタと、がゲートドライブ副基板に実装されている。そして、ゲートドライブ副基板が半導体モジュールに接続され、ゲートドライブ主基板の前記第１コネクタと、ゲートドライブ副基板の前記第２コネクタとが、一対のハーネスで接続されている。

本発明に係る電力変換装置によると、ゲートドライブ回路を構成する部品の小型化を図りながら低インダスタンス化及び安定したスイッチング動作を実現し、構造設計の制約を小さくしながら絶縁や振動の問題も解決することができる。

本発明に係る電力変換装置の一例を示す全体構成図である。 本発明に係る半導体モジュールに内蔵されている半導体デバイスと、この半導体デバイスを駆動するゲートドライブ回路の構成を示す図である。 本発明に係る２ｉｎ１モジュールで構成した第１パワー半導体モジュールと、これを駆動する第１及び第２ゲートドライブ回路を示す図である。 本発明に係る２ｉｎ１モジュールで構成した第１〜第３パワー半導体モジュールと、これらを駆動する第１〜第６ゲートドライブ回路を示す図である。 本発明に係る他の実施形態として、一つのゲートドライブ回路が、第１〜第３パワー半導体モジュールの３つの上アームを構成する半導体デバイスに並列に接続している状態を示す図である。

次に、図面を参照して、本発明に係る一実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す一実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

＜電力変換装置＞
図１は、本発明に係る一実施形態の電力変換装置１を示す回路図であり、インバータ回路２、平滑回路３、整流回路４、ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆ、コントローラ６を備え、三相電源（不図示））から交流入力端子７を介して入力した交流電力の電力変換を行って負荷８に供給する装置である。
インバータ回路２は、第１〜第３パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３が並列に接続されている。これら第１〜第３パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３のそれぞれは、２ｉｎ１モジュールで構成されている。２ｉｎ１モジュールは、１モジュールの内部に、一対のパワー半導体デバイスからなる上アーム及び下アームが直列に内蔵されたモジュールである。

２ｉｎ１モジュールである第１パワー半導体モジュールＰＭ１の上アームは、パワー半導体デバイスとしての半導体スイッチング素子Ｑ１と、半導体スイッチング素子Ｑ１と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードＤとを備え、第１パワー半導体モジュールＰＭ１の下アームは、パワー半導体デバイスとしての半導体スイッチング素子Ｑ２と、半導体スイッチング素子Ｑ２と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードＤとを備えている。半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、Ｓｉ（シリコン）からなるＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ、或いは、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ−ＪＦＥＴ、ＳｉＣ−ＩＧＢＴ、ＧａＮ−ＨＥＭＴ、ＧａＮ−ＭＯＳＦＥＴといったパワー半導体デバイスである。

半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ１のそれぞれは、高電位側端子ｔｈと、制御端子ｔｃと、低電位側端子ｔｇと、を備えている。また、主回路の電圧、電流にアクセスする主端子として半導体スイッチング素子Ｑ１の高電位側端子ｔｈに接続するＰ端子ｔｐと、半導体スイッチング素子Ｑ１の低電位側端子ｔｇおよび半導体スイッチング素子Ｑ２の高電位側端子ｔｈに接続するＭ端子ｔｍ、半導体スイッチング素子Ｑ２の低電位側端子ｔｇに接続するＮ端子ｔｎを備えている。

第２パワー半導体モジュールＰＭ２及び第３パワー半導体モジュールＰＭ３も、第１パワー半導体モジュールＰＭ１と同様に、一対のパワー半導体デバイスからなる上アーム及び下アームが直列に内蔵されたモジュールであり、上アームに、上述した構成の半導体スイッチング素子Ｑ１と、半導体スイッチング素子Ｑ１と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードＤとを備え、下アームに、上述した構成の半導体スイッチング素子Ｑ２と、半導体スイッチング素子Ｑ２と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードＤとを備えている。

インバータ回路２は、第１〜第６ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆによって駆動制御される。
第１ゲートドライブ回路５Ａは、第１パワー半導体モジュールＰＭ１の上アームの半導体スイッチング素子Ｑ１に制御信号を出力し、第２ゲートドライブ回路５Ｂは、第１パワー半導体モジュールＰＭ１の下アームの半導体スイッチング素子Ｑ２に制御信号を出力する。
また、第３ゲートドライブ回路５Ｃは、第２パワー半導体モジュールＰＭ２の上アームの半導体スイッチング素子Ｑ１に制御信号を出力し、第４ゲートドライブ回路５Ｄは、第２パワー半導体モジュールＰＭ２の下アームの半導体スイッチング素子Ｑ２に制御信号を出力する。
さらに、第５ゲートドライブ回路５Ｅは、第３パワー半導体モジュールＰＭ３の上アームの半導体スイッチング素子Ｑ１に制御信号を出力し、第６ゲートドライブ回路５Ｆは、第３パワー半導体モジュールＰＭ３の下アームの半導体スイッチング素子Ｑ２に制御信号を出力する。

＜第１パワー半導体モジュールの上アームの半導体スイッチング素子と第１ゲートドライブ回路の回路図＞
図２は、第１パワー半導体モジュールＰＭ１の上アームの半導体スイッチング素子Ｑ１に接続する第１ゲートドライブ回路５Ａを具体的に示した回路図である。
第１ゲートドライブ回路５Ａは、正極側電源９ａ、負極側電源９ｂ、トランジスタ１０、フォトカプラ１１、第１ゲート抵抗１２、ターンオン用ダイオード１３、第２ゲート抵抗１４、ターンオフ用ダイオード１５、ダンピング抵抗１６、第３ゲート抵抗１７、ゲートコンデンサ１８、プルダウン抵抗１９、を備えている。

トランジスタ１０は、半導体スイッチング素子Ｑ１をオン・オフさせるスイッチ素子であり、ターンオン用スイッチ素子１０ａがＮＰＮトランジスタで構成され、ターンオフ用スイッチ素子１０ｂがＰＮＰトランジスタで構成されている。このトランジスタ１０は、フォトカプラ１１からＨ（ハイ）、Ｌ（ロー）の信号が入力することで、半導体スイッチング素子Ｑ１に制御信号を出力して半導体スイッチング素子Ｑ１のオン・オフ制御を行う。

また、第１ゲート抵抗１２及びターンオン用ダイオード１３は直列に接続され、第２ゲート抵抗１４及びターンオフ用ダイオード１５も直列に接続されている。そして、第１ゲート抵抗１２及びターンオン用ダイオード１３は、第２ゲート抵抗１４及びターンオフ用ダイオード１５に対して並列に配置されて制御配線に接続されている。そして、制御配線に直列に接続した第１ゲート抵抗１２及びターンオン用ダイオード１３（或いは、制御配線に直列に接続した第２ゲート抵抗１４及びターンオフ用ダイオード１５）に対して、第３ゲート抵抗１７が制御配線上で直列に接続されている。

これら第１ゲート抵抗１２、第２ゲート抵抗１４及び第３ゲート抵抗１７は、半導体スイッチング素子Ｑ１のスイッチング速度、スイッチング損失を調整する機能を有する。
また、ターンオン用ダイオード１３及びターンオフ用ダイオード１５に対して半導体スイッチング素子Ｑ１側に実装され、制御配線と基準電位配線との間に接続されているダンピング抵抗１６は、安定したスイッチング動作を図る素子である。

また、制御配線と基準電位配線との間に接続されているゲートコンデンサ１８は、ゲートの充放電時間を遅らせ、或いは、ゲート電圧を安定に保つなどの駆動特性を調整する素子である。さらに、ゲートコンデンサ１８に対して半導体スイッチング素子Ｑ１に寄った位置で制御配線と基準電位配線との間に接続されているプルダウン抵抗１９は、半導体スイッチング素子Ｑ１の誤動作を防止する素子である。

ここで、第１ゲートドライブ回路５Ａの正極側電源９ａ、負極側電源９ｂ、トランジスタ１０、フォトカプラ１１、第１ゲート抵抗１２、ターンオン用ダイオード１３、第２ゲート抵抗１４、ターンオフ用ダイオード１５及びダンピング抵抗１６は、ゲートドライブ主基板２０に実装されている。
また、第１ゲートドライブ回路５Ａの、第３ゲート抵抗１７、ゲートコンデンサ１８及びプルダウン抵抗１９は、ゲートドライブ分割ユニット２１として、第１パワー半導体モジュールＰＭ１側に設けられている。ゲートドライブ分割ユニット２１の構成部品は、後述するゲートドライブ副基板２６に実装されている。

ゲートドライブ主基板２０には、ダンピング抵抗１６が実装されている一端側の制御配線と基準電位配線に接続する主基板側コネクタ２２が設けられている。
ゲートドライブ分割ユニット２１には、プルダウン抵抗１９が実装されている一端側の制御配線と基準電位配線に半導体スイッチング素子Ｑ１の制御端子ｔｃと低電位側端子ｔｇが接続されているとともに、他端側の制御配線と基準電位配線に接続する副基板側コネクタ２３が設けられている。

そして、主基板側コネクタ２２及び副基板側コネクタ２３が、ツイストペア線（一対のハーネス）２４ａを介して接続されている。
そして、コントローラ６は、第１ゲートドライブ回路５Ａのフォトカプラ１１に対して、トランジスタ１０にＨ（ハイ）、Ｌ（ロー）の信号を入力させる制御を行い、トランジスタ１０は、フォトカプラ１１からＨ（ハイ）、Ｌ（ロー）の信号が入力することで、半導体スイッチング素子Ｑ１に制御信号が出力され、半導体スイッチング素子Ｑ１のオン・オフ制御が行われる。

＜第１〜第３パワー半導体モジュールと第１〜第６ゲートドライブ回路の接続構造＞
図３は、第１パワー半導体モジュールＰＭ１と、第１ゲートドライブ回路５Ａ及び第２ゲートドライブ回路５Ｂの具体的な接続構造を示す図である。なお、第２ゲートドライブ回路５Ｂも、第１ゲートドライブ回路５Ａと同一の構造とされ、第１パワー半導体モジュールＰＭ１の下アームの半導体スイッチング素子Ｑ２に同一の構造で接続されている。
第１パワー半導体モジュールＰＭ１は、前述したように、２ｉｎ１モジュールで構成されており、モジュール基板２５の内部に、上アームを構成する半導体スイッチング素子Ｑ１及びフリーホイールダイオードＤと、下アームを構成する半導体スイッチング素子Ｑ２及びフリーホイールダイオードＤが実装されている。

モジュール基板２５の長方形状の外面（以下、モジュール実装面と称する）には、モジュール基板２５の内部でＰ端子ｔｐに接続する正極側外部端子Ｔｐと、モジュール基板２５の内部でＭ端子ｔｍに接続する負極側外部端子Ｔｎと、モジュール基板２５の内部でＮ端子ｔｎに接続する出力側外部端子Ｔｍと、が長手方向に離間して実装されている。
また、モジュール基板２５のモジュール実装面の長手方向の一端側には、ゲートドライブ副基板２６が実装されている。

このゲートドライブ副基板２６は、第１ゲートドライブ回路５Ａの前述したゲートドライブ分割ユニット２１（第３ゲート抵抗１７、ゲートコンデンサ１８及びプルダウン抵抗１９）と、第２ゲートドライブ回路５Ｂの前述したゲートドライブ分割ユニット２１（第３ゲート抵抗１７、ゲートコンデンサ１８及びプルダウン抵抗１９）とが実装された１枚の基板である。このゲートドライブ副基板２６には副基板側コネクタ２３が設けられており、第１ゲートドライブ回路５Ａの主基板側コネクタ２２に接続したツイストペア線２４ａと、第２ゲートドライブ回路５Ｂの主基板側コネクタ２２に接続したツイストペア線２４ｂとが接続している。

そして、モジュール基板２５のモジュール実装面にゲートドライブ副基板２６が実装されることで、第１ゲートドライブ回路５Ａのゲートドライブ分割ユニット２１のプルダウン抵抗１９が実装されている一端側の制御配線と、上アームの半導体スイッチング素子Ｑ１の制御端子ｔｃとが接続されるとともに、第１ゲートドライブ回路５Ａのゲートドライブ分割ユニット２１のプルダウン抵抗１９が実装されている一端側の基準電位配線と、上アームの半導体スイッチング素子Ｑ１の低電位側端子ｔｇが接続される。また、第１ゲートドライブ回路５Ｂのゲートドライブ分割ユニット２１のプルダウン抵抗１９が実装されている一端側の制御配線と、下アームの半導体スイッチング素子Ｑ２の制御端子ｔｃとが接続されるとともに、基準電位配線と、下アームの半導体スイッチング素子Ｑ２の低電位側端子ｔｇとが接続される。

ここで、図３に示すように、ゲートドライブ副基板２６の外周形状はモジュール基板２５のモジュール実装面の外周形状より小さく形成されており、モジュール基板２５のモジュール実装面にゲートドライブ副基板２６を実装すると、ゲートドライブ副基板２６がモジュール基板２５の外縁から外側にはみ出さないように設計されている。

そして、第１ゲートドライブ回路５Ａの主基板側コネクタ２２とゲートドライブ副基板２６の副基板側コネクタ２３とにツイストペア線２４ａが接続され、第２ゲートドライブ回路５Ｂの主基板側コネクタ２２とゲートドライブ副基板２６の副基板側コネクタ２３とにツイストペア線２４ｂが接続されている。これら２組のツイストペア線２４ａ，２４ｂの長さは１００mm以上に設定されている。なお、１６０mmまでは、誤動作しないことを確認している。
ツイストペア線２４ａ，２４ｂの各々は、外周の一部が電磁ノイズ抑制コア２７に挿通されている。電磁ノイズ抑制コア２７は、フェライトなどの磁性体で形成され、ツイストペア線２４ａ，２４ｂの一部を挿通する貫通孔が形成された部材である。

また、第２及び第３パワー半導体モジュールＰＭ２，ＰＭ３も、第１パワー半導体モジュールＰＭ１と同様に２ｉｎ１モジュールで構成され、モジュール基板２５の内部に、上アームを構成する半導体スイッチング素子Ｑ１及びフリーホイールダイオードＤと、下アームを構成する半導体スイッチング素子Ｑ２及びフリーホイールダイオードＤが実装されている。そして、第２パワー半導体モジュールＰＭ２と第３ゲートドライブ回路５Ｃ及び第４ゲートドライブ回路５Ｄの接続構造と、第３パワー半導体モジュールＰＭ３と第５ゲートドライブ回路５Ｅ及び第６ゲートドライブ回路５Ｆの接続構造も、第１パワー半導体モジュールＰＭ１と第１ゲートドライブ回路５Ａ及び第２ゲートドライブ回路５Ｂの接続構造と同一の構造である。

次に、図４は、電力変換装置１の筐体（不図示）の内部に、第１〜第３パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３及び第１〜第６ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆを配置した状態を示している。
図４に示すように、筐体内部には、第１〜第３パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の各モジュール基板２５が、互いの幅方向側部を近接させた状態で並列に配置されているとともに、第１〜第３パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３のモジュール基板２５に実装したゲートドライブ副基板２６と、第１〜第６ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆのゲートドライブ主基板２０とを、２組のツイストペア線２４ａ，２４ｂで接続している。

なお、本発明に記載されている半導体デバイスが半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に対応し、本発明に記載されている半導体モジュールが第１〜第３パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３に対応している。また、本発明に記載されている複数のゲート抵抗の一部が第１ゲート抵抗１２、第２ゲート抵抗１４に対応し、本発明に記載されている複数のゲート抵抗のうち残りのゲート抵抗が第３ゲート抵抗に対応している。また、本発明に記載されている一対のハーネスがツイストペア線２４ａ，２４ｂに対応し、一対の前記半導体デバイスを直列に接続して内蔵した複数の前記半導体モジュールが、２ｉｎ１モジュールで構成した第１〜第３パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３に対応している。さらに、本発明に記載されている第１コネクタが主基板側コネクタ２２に対応し、本発明に記載されている第２コネクタが副基板側コネクタ２３に対応している。

＜電力変換装置の作用効果＞
次に、本実施形態の電力変換装置１の作用効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置１によると、第１〜第６ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆを構成するゲートドライブ主基板２０及びゲートドライブ副基板２６の間が２組のツイストペア線２４ａ，２４ｂにより接続されており、電力変換装置１の筐体内部における第１〜第６ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆのゲートドライブ主基板２０の配置自由度を増大させることができる。
また、第１〜第３パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３のモジュール基板２５に、第１〜第６ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆの構成部品の一部である第３ゲート抵抗１７、ゲートコンデンサ１８及びプルダウン抵抗１９のみを実装したゲートドライブ副基板２６を設けているので、ゲートドライブ副基板２６の小型化を図るとともに、絶縁及び振動による破損を低減することができる。

ここで、第１〜第６ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆを構成するゲートドライブ主基板２０及びゲートドライブ副基板２６の間を２組のツイストペア線２４ａ，２４ｂで接続すると配線インダクタンスが増大する。配線インダクタンスが増大することによって生じるスイッチング動作の不安定現象は、配線インダクタンスと静電容量による共振による影響が大きくなる。しかし、本実施形態では、第１〜第６ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆのゲートドライブ副基板２６に実装されている第３ゲート抵抗１７及びプルダウン抵抗１９が共振を抑制するので、低インダクタンス化を実現することができる。

また、第１〜第６ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆのゲートドライブ副基板２６に、第３ゲート抵抗１７及びプルダウン抵抗１９に加えてゲートコンデンサ１８も実装したことで、駆動特性（スイッチング動作）も良好となる。
さらに、ゲートドライブ主基板２０に実装されているダンピング抵抗１６は、ゲートドライブ主基板２０側の出力部をハイインピーダンス（浮遊容量のみ）とするよりも電位を固定しやすくするので、配線インダクタンスと静電容量とによる共振を抑制する部品となる。

したがって、本実施形態の電力変換装置１は、第１〜第６ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆの構成部品である第３ゲート抵抗１７、ゲートコンデンサ１８及びプルダウン抵抗１９を実装したゲートドライブ副基板２６をモジュール基板２５に設け、ゲートドライブ副基板２６に実装されていない第１〜第６ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆの構成部品をゲートドライブ主基板２０に実装し、ゲートドライブ主基板２０及びゲートドライブ副基板２６の間を２組のツイストペア線２４ａ，２４ｂで接続したことで、ゲートドライブ回路を構成する部品の小型化を図りながら低インダスタンス化及び安定したスイッチング動作を実現することができる。

ここで、ツイストペア線２４ａ，２４ｂの長さを１００mm以上１６０mm以下にすると、本発明者の実験により、ゲートドライブ副基板２６の第３ゲート抵抗１７及びプルダウン抵抗１９が配線インダクタンスと静電容量による共振を抑制する効果を高めることが、実証されている。また、ツイストペア線２４ａ，２４ｂの長さを１００mm以上にすると、電力変換装置１の筐体内部におけるゲートドライブ主基板２０の配置自由度が大幅に向上する。
したがって、本実施形態は、ツイストペア線２４ａ，２４ｂの長さを１００mm以上１６０mm以下とすることで、第１〜第６ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆの構造設計の制約を小さくしながら、低インダクタンス化及び安定したスイッチング動作を実現することができる。

また、第１〜第３パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３は２ｉｎ１モジュールで構成されており、図３及び図４に示すように、各２ｉｎ１モジュールの上アームを構成する半導体スイッチング素子Ｑ１に接続する一組目のツイストペア線２４ａ，２４ｂと、下アームを構成する半導体スイッチング素子Ｑ２に接続する二組目のツイストペア線２４ａ，２４ｂと、が近接配置される。上下アームへのオン、オフ指令は個別に動作することから、半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ１の一方の駆動時に、この一方からゲートドライブ副基板２６、ツイストペア線２４ａ，２４ｂを介してゲートドライブ主基板２０に向って二組の一方のツイストペア線２４ａ，２４ｂに電磁ノイズ電流が流出する。この電磁ノイズ電流は、半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の他方に接続している二組の他方のツイストペア線２４ａ，２４ｂに電磁結合し、半導体スイッチング素子Ｑ１Ｍ，Ｑ１の一方の動作を不安定にさせてしまうおそれがある。

しかし、本実施形態では、第１〜第６ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆのゲートドライブ主基板２０と、第１〜第３パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３側に設けたゲートドライブ副基板２６とを接続している６組の全てのツイストペア線２４ａ，２４ｂが電磁ノイズ抑制コア２７に挿通されている。このため、二組のツイストペア線２４ａ，２４ｂの一方から他方への電磁結合を電磁ノイズ抑制コア２７で防止することができ、第１〜第３パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の２ｉｎ１モジュールを構成している半導体スイッチング素子Ｑ１Ｍ，Ｑ１を正常に動作させることができる。

また、図３に示すように第１パワー半導体モジュールＰＭ１（第１パワー半導体モジュールＰＭ２，ＰＭ３）のモジュール基板２５のモジュール実装面に接続されているゲートドライブ副基板２６は、その外周形状がモジュール基板２５の外縁から外側にはみ出さないように配置されている。このため、図４に示すように、電力変換装置１の筐体内部に、第１〜第３パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の各モジュール基板２５を互いの幅方向側部を近接させた状態で並列に配置することが可能となり、筐体内部にコンパクトに配置することができるので、電力変換装置１の小型化を図ることができる。また、モジュール基板２５の外縁から外側にはみ出さないようにゲートドライブ副基板２６が実装されていることで、電力変換装置１の筐体内部に組み込んだゲートドライブ副基板２６が、筐体内部の他の部品と振動により接触するおそれがなく、耐震性を向上させることができる。

ここで、大容量（大電流）の電力変換装置を構成する場合には、例えば図５に示すように、一つのゲートドライブ回路３０が、第１〜第３パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の３つの上アームを構成する半導体スイッチング素子Ｑ１に並列に接続し、図示しないが、他の一つのゲートドライブ回路が、第１〜第３パワー半導体モジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の３つの下アームを構成する半導体スイッチング素子Ｑ２に並列に接続する構造としてもよい。このような構造にすると、一つのゲートドライブ回路（第１〜第６ゲートドライブ回路５Ａ〜５Ｆ）に対して一つの半導体スイッチング素子（上アームの半導体スイッチング素子Ｑ１及び下アーム半導体スイッチング素子Ｑ２の各々）を駆動する上述した実施形態と比較して、ゲートドライブ主基板２０の部品数が減少するので、電力変換装置１の小型化を図ることができる。

１ 電力変換装置
２ インバータ回路
３ 平滑回路
４ 整流回路
５Ａ〜５Ｆ 第１〜第６ゲートドライブ回路
６ コントローラ
７ 交流入力端子
８ 負荷
９ａ 正極側電源
９ｂ 負極側電源
１０ トランジスタ
１０ａ ターンオン用スイッチ素子
１０ｂ ターンオフ用スイッチ素子
１１ フォトカプラ
１２ 第１ゲート抵抗
１３ ターンオン用ダイオード
１４ 第２ゲート抵抗
１５ ターンオフ用ダイオード
１６ ダンピング抵抗
１７ 第３ゲート抵抗
１８ ゲートコンデンサ
１９ プルダウン抵抗
２０ ゲートドライブ主基板
２１ ゲートドライブ分割ユニット
２２ 主基板側コネクタ
２３ 副基板側コネクタ
２４ａ，２４ｂ ツイストペア線
２５ モジュール基板
２６ ゲートドライブ副基板
２７ 電磁ノイズ抑制コア
３０ ゲートドライブ回路
ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３ 第１〜第３パワー半導体モジュール
Ｑ１，Ｑ２ 半導体スイッチング素子
Ｄ フリーホイールダイオード
ｔｈ 高電位側端子
ｔｃ 制御端子
ｔｇ 低電位側端子
ｔｐ Ｐ端子
ｔｍ Ｍ端子
ｔｎＮ端子
Ｔｐ 正極側外部端子
Ｔｎ 負極側外部端子
Ｔｍ 出力側外部端子

Claims (4)

1. 半導体デバイスを内蔵した半導体モジュールと、前記半導体デバイスを駆動するゲートドライブ回路と、を備え、前記ゲートドライブ回路は、前記半導体デバイスをオン・オフさせるトランジスタと、前記トランジスタの駆動制御を行うフォトカプラと、前記半導体デバイスのスイッチングスピードを調整する複数のゲート抵抗と、駆動特性を調整するゲートコンデンサと、前記半導体デバイスの誤動作を防止するプルダウン抵抗と、を備えている電力変換装置において、
   前記ゲートドライブ回路の前記トランジスタと、前記フォトカプラと、前記複数のゲート抵抗の一部と、信号出力側の制御経路及びグランド経路に接続する第１コネクタと、がゲートドライブ主基板に実装され、
   前記ゲートドライブ回路の前記複数のゲート抵抗うちの残りのゲート抵抗と、前記プルダウン抵抗と、前記ゲートコンデンサと、信号入力側の制御経路及びグランド経路に設けた第２コネクタと、がゲートドライブ副基板に実装されており、
   前記ゲートドライブ副基板が前記半導体モジュールに接続され、
   前記ゲートドライブ主基板の前記第１コネクタと、前記ゲートドライブ副基板の前記第２コネクタとが、一対のハーネスで接続されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記一対のハーネスの長さは１００mm以上に設定されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 一対の前記半導体デバイスを直列に接続して内蔵した複数の前記半導体モジュールを備え、
   複数の前記半導体モジュールの各々に、前記一対の半導体デバイスを駆動する複数の前記ゲートドライブ副基板が接続され、
   複数の前記ゲートドライブ副基板の各々と、複数の前記ゲートドライブ主基板とが、複数対のハーネスを介して接続されているとともに、
   前記複数対のハーネスの各々の外周には、電磁ノイズ抑制コアが装着されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。
4. 前記ゲートドライブ副基板は、その外周形状が前記半導体モジュールのモジュール実装面に接続したときに、前記モジュール実装面の外縁から外側にはみ出さない大きさの形状で形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電力変換装置。

Images