JP3383588B2 - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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JP3383588B2
JP3383588B2 JP22030498A JP22030498A JP3383588B2 JP 3383588 B2 JP3383588 B2 JP 3383588B2 JP 22030498 A JP22030498 A JP 22030498A JP 22030498 A JP22030498 A JP 22030498A JP 3383588 B2 JP3383588 B2 JP 3383588B2
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    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
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    • H02M7/06Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M7/003Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections

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  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、IGBT(Insula
ted Gate Bipolar Trasistor)、IEGT(Injection
Enhanced Gate Transistor)等の複数のパワー素子およ
び複数のクランプダイオードからなる中性点クランプ式
の電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】高性能でかつ高効率に電力を変換する電
力変換装置は、その主回路は高速スイッチングが可能な
IGBTなどのパワー素子を複数個組み合わせて構成さ
れている。しかしながら、大容量化および高性能化のニ
ーズに伴い、装置の大形化が余儀なくされるため、装置
を設置するスペース等の制約から、小形化が要求されて
いる。
【0003】以下に、この種の従来の電力変換装置につ
いて説明する。図15はその主回路の構成図であり、図
16にその概略構成を示す斜視図を示している。図15
において、IGBT101と還流ダイオード102が、
各々絶縁板103を介して金属板104に搭載され、さ
らに外囲器105に収納され、IGBTモジュールを構
成している。
【0004】図16は、IGBTモジュールが3個設け
られた状態を示している。各モジュールは、銅等の配線
導体106,107により並列に接続され、この配線導
体106,107には、スナバダイオード108を外囲
器109に収納したダイオードモジュールとスナバコン
デンサ110からなるスナバ回路が接続される。
【0005】また、IGBTモジュールには、IGBT
101にゲート信号を供給するゲート回路111と、電
圧や電流などを検出して保護動作を行う保護回路112
とが電線を介して接続されている。
【0006】このように構成されたIGBTモジュール
は、金属板104の面に冷却装置13を設置し、IGB
T101と還流ダイオード102で発生する熱を放熱す
ることにより、温度上昇を抑制している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上述
べた従来の電力変換装置においては、次のような問題点
が存在する。すなわち、モジュールおよびその周辺回路
に多くの部品を必要とし、それらを収納するために、よ
り大きなスペースを確保しなければならないという問題
点がある。
【0008】すなわち、 (1)モジュールおよびその周辺回路が、多くの部品か
ら構成されるため、装置の信頼性向上を図ることが困難
となり、さらに装置全体の外形の小形化が困難である。
【0009】(2)モジュールが大形化する結果、モジ
ュールに電流を供給する平滑コンデンサから各モジュー
ルを経由する配線経路が長くなり、サージ電圧が増大
し、この抑制手段としてのスナバコンデンサの容量を増
大しなければならない。
【0010】(3)大容量化に対応すべく、モジュール
の並列数を増やす場合には、モジュールが大きくなる
と、モジュール間の電流アンバランスも大きくなるた
め、全てのモジュールに対してモジュール1個当りの通
電電流が、設計上限値を越えないようにしなければなら
ない。
【0011】(4)パワー素子やダイオードで発生する
熱を十分に放熱するために、冷却器を大形化しなければ
ならない。本発明は前記問題点を除去するためのなされ
たもので、直流端子、中性点端子からパワー素子のチッ
プに至る配線経路を短くできて低インダクタンス化が可
能で、各パワー素子のチップ間の電流アンバランスを小
さくでき、冷却性能を高めることができると共に、装置
全体の外形を小さくできる電力変換装置を提供すること
を目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】前記目的を実現するた
め、請求項1に対応する発明は、一相分のインバータユ
ニットを複数個組み合わせて構成され、3レベルの交流
出力が得られる電力変換装置において、前記インバータ
ユニットは、第1〜第4の半導体パワー素子が順次配置
され、かつこれらが直列接続された素子直列回路と、該
素子直列回路の両端に接続される直流端子と、前記素子
直列回路の各パワー素子に還流ダイオードがそれぞれ並
列に接続され、かつ該還流ダイオードが直列接続された
還流ダイオード回路と、前記第2及び第3のパワー素子
の直列回路に並列に接続された第1および第2のクラン
プダイオードの直列回路と、前記第1および第2のクラ
ンプダイオードの接続点に接続された中性点端子と、前
記第2及び第3のパワー素子の接続点に接続した交流端
子を具備し、前記各パワー素子のチップが各々パッケー
ジ化された第1、第2、第3、第4の素子パッケージ
と、前記第1及び第2のクランプダイオードのチップが
共通にパッケージ化されたクランプダイオードパッケー
ジと、前記第1及び第2の還流ダイオードのチップが共
通にパッケージ化された第1の還流ダイオードパッケー
ジと、前記第3及び第4の還流ダイオードのチップが共
通にパッケージ化された第2の還流ダイオードパッケー
ジと、前記クランプダイオードパッケージの一方の壁面
に、前記第1及び第2の還流ダイオードパッケージを並
設し、該還流ダイオードパッケージの互いに対向する壁
面にそれぞれ前記第1、第2及び第3、第4の素子パッ
ケージを並設したことを特徴とする電力変換装置であ
る。前記目的を達成するため、請求項2に対応する発明
は、一相分のインバータユニットを複数個組み合わせて
構成され、3レベルの交流出力が得られる電力変換装置
において、前記インバータユニットは、第1〜第4の半
導体パワー素子が順次配置され、かつこれらが直列接続
された素子直列回路と、該素子直列回路の両端に接続さ
れる直流端子と、前記素子直列回路の各パワー素子に還
流ダイオードがそれぞれ並列に接続され、かつ該還流ダ
イオードが直列接続された還流ダイオード回路と、前記
第2及び第3のパワー素子の直列回路に並列に接続され
た第1および第2のクランプダイオードの直列回路と、
前記第1および第2のクランプ ダイオードの接続点に接
続された中性点端子と、前記第2及び第3のパワー素子
の接続点に接続した交流端子を具備し、前記各パワー素
子のチップが各々パッケージ化された第1、第2、第
3、第4の素子パッケージと、前記中性点クランプダイ
オードの1個と前記還流ダイオードのチップを2個一組
が共通にパッケージ化された還流ダイオードパッケージ
と、前記クランプダイオードパッケージの一方の壁面
に、前記第1及び第2の還流ダイオードパッケージを並
設し、該還流ダイオードパッケージの互いに対向する壁
面にそれぞれ前記第1、第2及び第3、第4の素子パッ
ケージを並設したことを特徴とする電力変換装置であ
る。
【0013】前記目的を実現するため、請求項に対応
する発明は、一相分のインバータユニットを複数個組み
合わせて構成され、2レベルの交流出力が得られる電力
変換装置において、前記インバータユニットは、第1及
び第2の半導体パワー素子が直列接続された素子直列回
路と、該素子直列回路の両端に接続される直流端子と、
前記素子直列回路の各パワー素子に第1及び第2の還流
イオードが直列接続された還流ダイオード回路と、前
記第1および第2のパワー素子の接続点に接続した交流
端子を具備し、前記各パワー素子のチップがそれぞれパ
ッケージ化された第1及び第2の素子パッケージと、
記第1及び第2の還流ダイオードのチップが共通にパッ
ケージ化された還流ダイオードパッケージと、前記還流
イオードパッケージの一方の壁面に、前記第1及び第
2の素子パッケージを並設したことを特徴とする電力変
換装置である。
【0014】請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の
発明によれば、直流端子、中性点端子からパワー素子の
チップに至る配線経路を短くできて低インダクタンス化
が可能で、各パワー素子のチップ間の電流アンバランス
を小さくでき、また装置全体の外形を小さくできる。
【0015】前記目的を実現するため、請求項に対応
する発明は、前記素子パッケージは、配線パターンを有
する絶縁配線基板と、熱伝導性の良好なベースと、半導
体パワー素子の素子チップと、ブロック状の電極と、ケ
ースからなり、前記絶縁配線基板の配線パターンに前記
素子チップを当接させると共に、前記ブロック状の電極
により前記素子チップを前記配線パターンに溶着し、前
記各素子チップ間を電気的に接続し、かつ前記各素子チ
ップに外部接続用コレクタ端子と、外部接続用エミッタ
端子及び外部接続用ゲート端子を溶着して素子本体を
得、前記外部接続用コレクタ端子、外部接続用エミッタ
端子及び外部接続用ゲート端子が外部に露出するように
該素子本体を前記ケース内に収納したことを特徴とする
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の電力変換装置
である。
【0016】請求項4に対応する発明によれば、素子パ
ッケージの外形を小さくでき、素子チップの冷却性能が
向上する。
【0017】前記目的を実現するため、請求項6に対応
する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前
記素子チップの周囲のみを絶縁モールド樹脂により封止
したことを特徴とする請求項3または請求項4記載の電
力変換装置である。
【0018】請求項5または請求項6記載の発明によれ
ば、ビームリードを使用したので、通常の電線に比べて
低インダクタンス化が可能になる。前記目的を実現する
ため、請求項7に対応する発明は、少くとも前記素子チ
ップの周囲を絶縁モールド樹脂により封止したことを特
徴とする請求項4または請求項5記載の電力変換装置で
ある。
【0019】請求項7に対応する発明によれば、素子チ
ップの周囲の絶縁性が向上し、これによりコンパクト化
が可能になり、素子チップを保護できる。前記目的を実
現するため、請求項8に対応する発明は、素子チップの
端子が存在している部分にゲート基板を設け、該ゲート
基板に前記ビームリードを利用してできたゲートリード
を電気的に接続するようにしたことを特徴とする請求項
4または請求項5記載の電力変換装置である。
【0020】請求項8に対応する発明によれば、ゲート
リードの低インダクタンス化が可能になる。前記目的を
実現するため、請求項9に対応する発明は、次のように
したものである。すなわち、前記還流ダイオードパッケ
ージは、配線パターンを有する絶縁配線基板と、熱伝導
性の良好なベースと、還流ダイオードチップと、ブロッ
ク状の電極と、ケースからなり、前記絶縁配線基板の配
線パターンに前記還流ダイオードチップを当接させると
共に、前記ブロック状の電極により前記還流ダイオード
チップを前記配線パターンに溶着し、前記各還流ダイオ
ードチップ間を電気的に接続し、かつ前記各還流ダイオ
ードチップに外部接続用カソード端子と、外部接続用ア
ノード端子を溶着して還流ダイオード本体を得、前記外
部接続用カソード端子、外部接続用アノード端子が外部
に露出するように該還流ダイオード本体を前記ケース内
に収納したことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか
に記載の電力変換装置である。
【0021】請求項9に対応する発明によれば、還流ダ
イオードパッケージの外形を小さくでき、還流ダイオー
ドのチップの冷却性能が向上する。
【0022】
【0023】請求項8または請求項9に対応する発明に
よれば、汎用性が高くなる。前記目的を実現するため、
請求項10に対応する発明は、少くとも前記還流ダイオ
ードのチップの周囲を絶縁モールド樹脂により封止した
ことを特徴とするる請求項1乃至3のいずれかに記載の
電力変換装置である。
【0024】前記目的を実現するため、請求項11に対
応する発明は、風冷式ラジェータとヒートパイプが一体
に形成された冷却器に、前記各パワー素子パッケージ
を、前記還流ダイオードパッケージに対して直交して搭
載固定し、前記クランプダイオードパッケージを前記還
流ダイオードパッケージに対して直交して搭載固定した
ことを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の電
力変換装置である。
【0025】請求項11に対応する発明によれば、パワ
ー素子と還流ダイオードの冷却性能が向上する。前記目
的を実現するため、請求項12に対応する発明は、絶縁
物を挟んで前記二つの直流端子の一端側を配設し、該直
流端子の他端側であって直流端子間に前記中性点端子を
配設すると共に、該一方の直流端子と該中性点端子の間
ならびに該中性点端子と該他方の直流端子の間にそれぞ
れスナバ回路を構成するスナバコンデンサを配設し、冷
却器に前記クランプダイオードパッケージと前記還流ダ
イオードパッケージを取付け、前記クランプダイオード
と、前記還流ダイオードを前記直流端子および前記中性
点端子にそれぞれ電気的および機械的に接続したことを
特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の電力変換
装置である。
【0026】請求項13に対応する発明によれば、スナ
バコンデンサ、直流端子、中性点端子全体をコンパクト
にでき、クランプダイオードと還流ダイオードの冷却性
能が向上する。
【0027】前記目的を実現するため、請求項13に対
応する発明は、前記中性点端子と前記直流端子の両方と
の間に、それぞれスナバコンデンサを配設した請求項1
又は2のいずれかに記載の電力変換装置である。
【0028】前記目的を実現するため、請求項14に対
応する発明は、前記直流端子の間に、それぞれスナバコ
ンデンサを配設した請求項記載の電力変換装置であ
る。請求項13または請求項14記載の発明によれば、
スナバコンデンサとこれらに接続される直流端子および
中性点端子または直流端子全体をコンパクトにでき、汎
用性が高い。
【0029】前記目的を実現するため、請求項15に対
応する発明は、冷却器を構成するヒートシンクの対向す
る2平面に、請求項1乃至3のいずれかに記載の電力変
換装置を構成する電気回路部品をそれぞれ実装し、各平
面に実装された電気回路部品同士の電気的接続は前記ヒ
ートシンクを貫通させて行うようにしたことを特徴とす
る電力変換装置である。
【0030】請求項15に対応する発明は一相分の電力
変換装置の冷却性能が向上すると共にコンパクト化が可
能になる。前記目的を実現するため、請求項16に対応
する発明は、ヒートシンク上に、素子パッケージとダイ
オードパッケージが互いに直交するように配置固定した
ことを特徴とする請求項記載の電力変換装置である。
【0031】請求項16に対応する発明によれば、パワ
ー素子とクランプダイオードの配線経路が短くなること
から、低インダクタンス化が可能になる。前記目的を実
現するため、請求項17に対応する発明は、前記素子パ
ッケージ上にゲート基板を設け、該素子のゲートと前記
ゲート基板を接続するゲートリードとして、ビームリー
ドの一部を使用したことを特徴とする請求項記載の電
力変換装置である。請求項17に対応する発明によれ
ば、ゲートリードの低インダクタンス化が可能になる。
【0032】
【発明の実施の形態】<第1の実施形態>図1は、第1
の実施形態を説明するための、中性点クランプ方式(3
レベルの交流出力が得られる方式)の一相分のインバー
タユニットを示す概略構成図であり、図2は図1のパッ
ケージの配置と電気的接続関係を示す図である。
【0033】一相分のインバータユニットは、第1〜第
4の半導体パワー素子(IEGT1〜IEGT4)1,
2,3,4が順次配置され、かつこれらの隣接する素子
のエミッタとコレクタが接続されるように直列接続され
た素子直列回路を備えている。
【0034】そして素子直列回路の両端に接続される直
流端子P,Nと、素子直列回路の各パワー素子1〜4に
還流ダイオード(FRD1,FRD2)5,6がそれぞ
れ並列に接続され、かつ該還流ダイオード5,6が直列
接続された還流ダイオード回路と、第2及び第3のパワ
ー素子2,3の直列回路に並列に接続された第1および
第2のクランプダイオード(CD)9の直列回路と、第
1および第2のクランプダイオードの接続点に接続され
た中性点端子Cと、第2及び第3のパワー素子2,3の
接続点に接続した交流端子ACを具備している。
【0035】そして各パワー素子1〜4は、いずれも具
体的にはパワー素子のチップと、各チップに電気的に接
続されるエミッタ端子、コレクタ端子およびゲート端子
と、これらが収納され、かつパッケージ化されるケース
とからなり、各ケース内にモールド樹脂が注入された第
1、第2、第3、第4の素子パッケージからなってい
る。また、前記第1及び第2並び第3及び第4の還流ダ
イオードは、各々ダイオードチップがケース内にモール
ド樹脂と共にパッケージ化された第1及び第2還流ダイ
オードパッケージからなっている。
【0036】さらに、2個の中性点クランプダイオード
9は、ダイオードチップがケース内にモールド樹脂と共
にパッケージ化されたクランプダイオードパッケージか
らなっている。
【0037】そして、クランプダイオードパッケージの
一方の壁面に、前記第1及び第2の還流ダイオードパッ
ケージを並設し、該還流ダイオードパッケージの互いに
対向する壁面にそれぞれ第1、第2及び第3、第4の素
子パッケージを並設したものである。また、直流端子P
と中性点端子Cの間、直流端子Nと中性点端子Cの間に
それぞれスナバコンデンサ(SC)7,8を接続したも
のである。
【0038】このように構成した一相分のインバータユ
ニットを複数個例えば3個組み合わせて構成され、これ
により3レベルの交流出力が得られるインバータとな
る。以上述べた第1の実施形態によれば、パワー素子1
〜4、還流ダイオード5,6、クランプダイオード9、
スナバコンデンサ7,8の相互間を接続する配線経路が
短くなり、この結果低インダクンタスが可能となり、各
パワー素子1〜4のチップ間の電流アンバランスを小さ
くできる。
【0039】また、パワー素子パッケージと、クランプ
ダイオードパッケージと、還流ダイオードパッケージを
図2のような配置構成としたので、装置全体の外形を小
さくできる。
【0040】<第2の実施形態>図3は、図1および図
2のように構成した一相分のインバータユニットを風冷
式冷却器に取り付けた例を示すもので、(a)はその平
面図であり、(b)は正面図であり、(c)は側面図で
ある。すなわち、風冷式ラジェータ(ヒートシンク)1
0とヒートパイプ11が一体に形成された冷却器に、各
素子パッケージを、還流ダイオードパッケージに対して
直交して搭載固定し、クランプダイオードパッケージを
還流ダイオードパッケージに対して直交して搭載固定し
たものである。
【0041】このように構成した第2の実施形態によれ
ば、冷却器の小形化を実現することができる。 <第3の実施形態>図4は、図1および図2のうちのパ
ワー素子1〜4のうち、例えばパワー素子1,2のみパ
ッケージ化したパワー素子パッケージの実際の構造を説
明するための図であり、(a)はその平面図で、(b)
は(a)のAーA線に沿って紙面方向に切断した正断面
図であり、図5は図4の分解斜視図である。ケース41
に有する収納凹部に、ベース42が収納され、ベース4
2の上に配線パターンが形成され、例えばチッ化アルミ
からなる2枚の高耐圧DBC基板(セラミック配線基
板)43が載置され、各DBC基板43には、図1およ
び図2のパワー素子1と2を構成する4個の素子チップ
44、ブロック状のエミッタ45、ブロック状のコレク
タ46、各素子チップ44上にはブロック状のバルク電
極47がそれぞれ載置され、これらは素子チップ44に
ロウ付され、また2枚のDBC基板43間には配線パタ
ーン接続具48が掛け渡され、これにより両方のDBC
基板43の配線パターンが電気的に接続され、このよう
な配置のチップ44の上にはエミッタビームリード49
およびコレクタビームリード50が配置され、ビームリ
ード49,50には複数の配線用の線が挿通できるよう
に貫通穴51aが形成されたゲート基板51が載置され
ている。
【0042】そして、ケース41の収納凹部であって、
素子チップ44の周囲のみを、図示しないがエポキシ系
樹脂からなるモールド樹脂またはセラミックスが充填さ
れ、全体が高耐圧で気密封止構造になっている。
【0043】素子チップ44と、素子チップ44の例え
ば上面に有するエミッタ45、素子チップ44の例えば
下面に有するコレクタ46、各素子チップ44を共通接
続するためのバルク電極47のロウ付の材料として、素
子チップ44の熱膨張に近いMoやCuとのクラッド材
を用いる。なお、ケース41にはパッケージ取付穴が4
個形成されている。
【0044】このように第3の実施形態によれば、次の
ような作用効果が得られる。素子チップ44に、ブロッ
ク状のエミッタ45、コレクタ46、バルク電極47を
ロウ付したので、低インダクタンス化が可能となり、ま
た冷却効果が高くなる。
【0045】素子チップ44間を接続するそれぞれ一端
部がL字形に折曲されたエミッタビームリード49およ
びコレクタビームリード50としては柔軟性があるもの
を用い、該ビームリード49,50のL字形の折曲部
は、ケース41の収納凹部に設けられている段差部に溶
接またはロウ付けにより固着される。
【0046】ビームリード49,50は、低インダクタ
ンス化が可能となるばかりでなく、例えば溶接やロウ付
けでCu系を固着したものか、あるいはCuとCoのク
ラッド材を使用することにより、熱膨張を抑制できる。
【0047】さらに、素子チップ44の上に貫通穴51
aを有するゲート基板51を設け、貫通穴51aを利用
してゲート配線をしたので、ゲートリードを最短にで
き、低インダクタンス化が可能である。
【0048】また、素子チップ44の周囲のみを、エポ
キシ系樹脂等でモールドし封止するようにしたので、チ
ップ44やDBC基板43の補強となる。該素子チップ
44の封止方法については、後述する図11または図1
2のいずれの方法でもよい。
【0049】なお、図5のケース41は、設けないパッ
ケージレスや薄型パッケージとしてもよい。 <第4の実施形態>図6は図1および図2のエミッタ端
子、ゲート端子の構成を説明するための図であり、
(a),(b)はそれぞれ第1、第2の例である。図6
(a)はビームリード53の一部を切り込み、切り込み
片を折り曲げてエミッタリード49aを形成し、これを
素子チップ44の上に載置されたバルク電極47に載置
し、素子チップ44のゲートパッド(図示しない)に線
状のゲートリード52を固着したものである。図6
(b)は素子チップ44のゲートパッド54に線状のゲ
ートリード52を固着したものである。
【0050】このような構成のゲートリード52は、い
ずれも図5のゲート基板51の貫通穴51aに挿通され
る。このように柔軟性を有するビームリード53を使用
し、これによりエミッタリード49aを構成することに
より、通常の電線を使用する場合に比べて、配線経路を
短くできることから低インダクタンス化が可能である。
【0051】<第5の実施形態>図7は、図1および図
2の還流ダイオード5または6の還流ダイオードパッケ
ージの実際の構造を説明するための図であり、(a)は
その平面図で、(b)は(a)のBーB線に沿って紙面
方向に切断した正断面図であり、図8は図7の分解斜視
図である。
【0052】ケース61に有する収納凹部に、ベース6
2が収納され、ベース62の上に、配線パターン67が
形成され、熱電導性の良好な例えばチッ化アルミからな
る2枚の高耐圧DBC基板(セラミック配線基板)63
が間隔を存して載置されロー付けされている。各DBC
基板63には、図1および図2の還流ダイオード5と6
を構成する4個のダイオードチップ64が載置され、半
田付けされている。
【0053】この場合、一方例えば図7(a)の左側の
DBC基板63に載置する各ダイオードチップ64のア
ノード電極Aが上面となるように配置し、また他方例え
ば例えば図7(a)の右側のDBC基板63に載置する
各ダイオードチップ64のカソード電極K側が上面とな
るように配置する。
【0054】このように配置された各ダイオードチップ
64にはそれぞれブロック状のバルク電極66が載置さ
れ、これらはダイオードチップ64にロウ付される。ま
た2枚のDBC基板63間にはビームリードからなる配
線パターン接続具68が掛け渡され、これにより両方の
DBC基板63の配線パターン67が電気的に接続され
ている。さらに、各ダイオードチップ64の上部に固着
されているバルク電極66のうち、図7(a)の上下の
バルク電極66間に、ビームリード69により電気的に
接続され、同様に他の上下に配置されているバルク電極
66間にビームリード69が設けられ、各バルク電極6
6とそれぞれ電気的に接続されている。
【0055】また、配線パターン接続具68の上部には
ビームリードからなる中間端子68aが載置固着されて
いる。そして、ケース61の収納凹部であって、ダイオ
ードチップ64の周囲のみを、図示しないがエポキシ系
樹脂からなるモールド樹脂またはセラミックスが充填さ
れ、全体が高耐圧で気密封止構造になっている。このよ
うにして、図1および図2の還流ダイオード5,6が構
成されている。
【0056】このように第5の実施形態によれば、次の
ような作用効果が得られる。各ダイオードチップ64の
一方が、DBC基板63にロウ付けされ、また各ダイオ
ードチップ64の他方のアノード電極A、カソード電極
Kにそれぞれバルク電極66をロウ付し、かつ図7
(a)の上下位置に配置されている各バルク電極66間
をビームリード69で接続するようにしたので、低イン
ダクタンス化が可能となる。またダイオードチップ64
がDBC基板63に載置固着されているので、ダイオー
ドチップ64の冷却効果が高くなる。
【0057】さらに、ダイオードチップ64の周囲のみ
を、エポキシ系樹脂等でモールドし封止するようにした
ので、ダイオードチップ64相互間の絶縁が確実にな
り、ダイオードチップ64やDBC基板63の補強とな
る。なお、該チップ44の封止方法については、後述す
る図11または図12のいずれの方法でもよく、また図
8のケース61は、設けないパッケージレスや薄型パッ
ケージとしてもよい。
【0058】<第6の実施形態>図9は、図2または図
13の一相分のインバータユニットの電流容量を上げる
ために、冷却器を構成している風冷式ラジェータ10と
一体のヒートパイプ11の互いに対向する両側面にそれ
ぞれ図2または図13のインバータユニット20,30
を取り付け、ヒートパイプ11にはインバータユニット
20,30を電気的に接続するための配線21を通すた
めの穴をあけ、この穴に配線21を通し、各パワー素子
を並列に接続したものである。
【0059】このように構成することにより、ヒートパ
イプ11の対向する側面にインバータユニット20,3
0をそれぞれ取り付けるようにしたので、インバータユ
ニット20,30の冷却効果が高くなり、電流容量を上
げることができ、全体を小型化できる。
【0060】<第7の実施形態>図10は、図1および
図2の3レベルの交流出力が得られるインバータユニッ
トを、次のように構成したものである。絶縁物23を挟
んで二つの直流端子P,Nの一端側を配設し、該直流端
子P,Nの他端側であって直流端子P,N間に中性点端
子Cを配設すると共に、該一方の直流端子Nと該中性点
端子Cの間ならびに該中性点端子Cと該他方の直流端子
Pの間にそれぞれスナバ回路を構成するスナバコンデン
サ7,8のチップを配設し、ヒートパイプ11にクラン
プダイオード9のパッケージと還流ダイオード5,6パ
ッケージを取付け、クランプダイオード9と、還流ダイ
オード5,6を直流端子P,Nおよび中性点端子Cにそ
れぞれ電気的および機械的に接続したものである。
【0061】第7の実施形態によれば、スナバコンデン
サ7,8と、直流端子P,Nと、中性点端子Cの全体を
コンパクトにでき、ヒートパイプ11に取り付けたクラ
ンプダイオード9と還流ダイオード5,6の冷却性能が
向上する。
【0062】<第8の実施形態>図11、図12は図1
および図2、図13および図14のパワー素子ならびに
ダイオードのチップを封止する方法を説明するための図
である。
【0063】図11は、ベース42上に、配線パターン
が形成されたDBC基板43にパワー素子のチップ44
をハンダ付けし、チップ44にバルク電極47を固着し
た状態で、チップ44の周囲を溶融したエポキシ樹脂等
を滴下し、これが硬化したモールド層74を形成したも
のである。この場合、バルク電極47はモールド層74
の外側に露出するようにする。
【0064】このようにチップ44の周囲に、絶縁・気
密に優れたモールド層74を形成したので、チップ4
4、DBC基板43の保護を行うことができ、素子チッ
プの周囲の絶縁性が向上することから、コンパクト化が
可能になる。
【0065】この場合、モールド層74の亀裂、剥離を
防止するため、モールド層74はDBC基板43と同一
の熱膨張率となるようにモールド材料を選択することが
望ましい。
【0066】さらに、モールド層74を形成する際に、
DBC基板43の端部側のモールド層74に圧縮力を加
えることで、この部分での機械的強度を増し、これによ
りDBC基板43の保護が十分となる。
【0067】また、以上述べたパワー素子のチップ44
を封止する方法は、DBC基板43ごとの小エリアで行
うこともできる。図12は、パワー素子のパッケージと
して図5のようにケース41が存在する場合に近い例で
ある。具体的には、ベース42の上面で、DBC基板4
3を囲うように枠73を配設し、枠73内に溶融したエ
ポキシ樹脂をポッティングで流し込み、チップ44の周
囲をモールドするようにした方法である。この場合も、
バルク電極47はモールド層74の外側に露出するよう
にする。
【0068】このようにすることで、図11のように枠
73を設けない場合に比べてチップ44の周囲を確実に
モールド層74で包囲できる。図11および図12は、
いずれの場合も、モールド層74の外側に露出している
バルク電極47により配線を行うので、パワー素子のパ
ッケージの爆発はない。
【0069】以上説明したことは、パワー素子のチップ
44についてであるが、これを図7および図8のダイオ
ードのチップ64であっても同様に、エポキシ樹脂等で
モールドにより封止することはいうまでもない。
【0070】第8の実施形態によれば、パワー素子44
のチップまたはダイオードのチップ64の周囲の絶縁性
が向上し、これによりコンパクト化が可能になり、チッ
プ44または64を保護できる。
【0071】<第9の実施形態> 図13は、第9の実施形態を説明するための、レベル
の交流出力が得られる方式のインバータユニットの一相
分のパッケージの配置と電気的接続関係を示す図であ
り、図14は図13の電気的接続関係を示す図である。
この実施形態は、一相分のインバータユニットを複数個
組み合わせて構成され、2レベルの交流出力が得られる
電力変換装置である。
【0072】インバータユニットは、第1及び第2の半
導体パワー素子1,2が直列接続された素子直列回路
と、素子直列回路の両端に接続される直流端子P,N
と、素子直列回路の各パワー素子1,2に還流ダイオー
ド(帰還ダイオード)19a,19bが直列接続された
還流ダイオード回路と、第1および第2のパワー素子
1,2の接続点に接続した交流端子ACを具備してい
る。
【0073】また、各パワー素子1,2がそれぞれパッ
ケージ化された第1及び第2の素子パッケージと、還流
ダイオード19a,19b共通にパッケージ化された
還流ダイオードパッケージと、還流ダイオードパッケー
ジの一方の壁面に、第1及び第2の素子パッケージを並
設したものである。さらに、直流端子P,N間に、スナ
バコンデンサ7を電気的に接続したものである。
【0074】以上述べた第9の実施形態によれば、パワ
ー素子1,2、還流ダイオード19a,19b、スナバ
コンデンサ7の相互間を接続する配線経路が短くなり、
この結果低インダクンタスが可能となる。また、第1及
び第2の素子パッケージと還流ダイオードパッケージを
図13のような配置構成としたので、装置全体の外形を
小さくできる。
【0075】<変形例> 本発明は、前述の実施形態に限定されず、次のように変
形してもよい。図2または図13のパワー素子と還流
イオードの電気的接続は、パワー素子のパッケージおよ
還流ダイオードのパッケージ上部に、薄い絶縁材料で
絶縁された積層導体を配置し、該積層導体で各パワー素
子と各還流ダイオードを電気的に接続するように構成し
てもよい。
【0076】
【発明の効果】以上述べた本発明によれば、直流端子、
中性点端子からパワー素子のチップに至る配線経路を短
くできて低インダクタンス化が可能で、各パワー素子の
チップ間の電流アンバランスを小さくでき、冷却性能を
高めることができると共に、装置全体の外形を小さくで
きる電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を説明するための、中
性点クランプ方式の一相分のインバータユニットを示す
概略構成図。
【図2】図1のパッケージの配置と電気的接続関係を示
す図。
【図3】図1および図2のように構成した一相分のイン
バータユニットを風冷式冷却器に取り付けた例を説明す
るための図。
【図4】図1および図2の素子パッケージの実際の構造
を説明するための図。
【図5】図4の分解斜視図。
【図6】図1および図2のゲート配線を説明するための
図。
【図7】図1および図2のダイオードパッケージの実際
の構造を説明するための図。
【図8】図8の分解斜視図。
【図9】一相分のインバータユニットの電流容量を上げ
るための構成を説明するための図。
【図10】図1および図2のように構成した一相分のイ
ンバータユニットに、逆並列ダイオードを接続して風冷
式冷却器に取り付けた例を説明するための図。
【図11】図1および図2、図13および図14のパワ
ー素子のチップを封止する方法を説明するための図。
【図12】図1および図2、図13および図14のパワ
ー素子のチップを封止する方法を説明するための図。
【図13】本発明の第9の実施形態を説明するための、
パッケージの配置と電気的接続関係を示す図。
【図14】図13の電気的接続関係を示す図。
【図15】従来の電力変換装置の主回路の構成を示す
図。
【図16】図15の電力変換装置の概略構成を示す斜視
図。
【符号の説明】
1,2,3,4…半導体パワー素子 5,6…還流ダイオード 7,8…スナバコンデンサ9… クランプダイオード 10…風冷式ラジェータ 11…ヒートパイプ19a,19b…還流ダイオード(帰還ダイオード) 21…配線 22…逆並列ダイオード 23…絶縁物 20,30…インバータユニット 41,61…ケース 42,62…ベース 43,63…DBC基板 44…チップ 45…エミッタ 46…コレクタ 47,66…バルク電極 48,68…配線パターン接続具 68a…中間端子 49…エミッタビームリード 49a…エミッタリード 50…コレクタビームリード 51…ゲート基板 52…ゲートリード 53,69…ビームリード 54…ゲートパッド 73…枠 74…モールド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−83947(JP,A) 特開 平9−64098(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 7/48 H02M 1/06 H02M 7/5387

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一相分のインバータユニットを複数個組
    み合わせて構成され、3レベルの交流出力が得られる電
    力変換装置において、 前記インバータユニットは、第1〜第4の半導体パワー
    素子が順次配置され、かつこれらが直列接続された素子
    直列回路と、該素子直列回路の両端に接続される直流端
    子と、前記素子直列回路の各パワー素子に還流ダイオー
    ドがそれぞれ並列に接続され、かつ該還流ダイオードが
    直列接続された還流ダイオード回路と、前記第2及び第
    3のパワー素子の直列回路に並列に接続された第1およ
    び第2のクランプダイオードの直列回路と、前記第1お
    よび第2のクランプダイオードの接続点に接続された中
    性点端子と、前記第2及び第3のパワー素子の接続点に
    接続した交流端子を具備し、 前記各パワー素子のチップが各々パッケージ化された第
    1、第2、第3、第4の素子パッケージと、前記第1及
    び第2のクランプダイオードのチップが共通にパッケー
    ジ化されたクランプダイオードパッケージと、前記第1
    及び第2の還流ダイオードのチップが共通にパッケージ
    化された第1の還流ダイオードパッケージと、前記第3
    及び第4の還流ダイオードのチップが共通にパッケージ
    化された第2の還流ダイオードパッケージと、前記クラ
    ンプダイオードパッケージの一方の壁面に、前記第1及
    び第2の還流ダイオードパッケージを並設し、該還流ダ
    イオードパッケージの互いに対向する壁面にそれぞれ前
    記第1、第2及び第3、第4の素子パッケージを並設し
    たことを特徴とする電力変換装置。
  2. 【請求項2】 一相分のインバータユニットを複数個組
    み合わせて構成され、3レベルの交流出力が得られる電
    力変換装置において、 前記インバータユニットは、第1〜第4の半導体パワー
    素子が順次配置され、かつこれらが直列接続された素子
    直列回路と、該素子直列回路の両端に接続される直流端
    子と、前記素子直列回路の各パワー素子に還流ダイオー
    ドがそれぞれ並列に接続され、かつ該還流ダイオードが
    直列接続された還流ダイオード回路と、前記第2及び第
    3のパワー素子の直列回路に並列に接続された第1およ
    び第2のクランプダイオードの直列回路と、前記第1お
    よび第2のクランプダイオードの接続点に接続された中
    性点端子と、前記第2及び第3のパワー素子の接続点に
    続した交流端子を具備し、 前記各パワー素子のチップが各々パッケージ化された第
    1、第2、第3、第4の素子パッケージと、前記中性点
    クランプダイオードの1個と前記還流ダイオードのチッ
    プを2個一組が共通にパッケージ化された還流ダイオー
    ドパッケージと、前記クランプダイオードパッケージの
    一方の壁面に、前記第1及び第2の還流ダイオードパッ
    ケージを並設し、該還流ダイオードパッケージの互いに
    対向する壁面にそれぞれ前記第1、第2及び第3、第4
    の素子パッケージを並設したことを特徴とする電力変換
    装置。
  3. 【請求項3】 一相分のインバータユニットを複数個組
    み合わせて構成され、2レベルの交流出力が得られる電
    力変換装置において、 前記インバータユニットは、第1及び第2の半導体パワ
    ー素子が直列接続された素子直列回路と、該素子直列回
    路の両端に接続される直流端子と、前記素子直列回路の
    各パワー素子に第1及び第2の還流ダイオードが直列接
    続された還流ダイオード回路と、前記第1および第2の
    パワー素子の接続点に接続した交流端子を具備し、 前記各パワー素子のチップがそれぞれパッケージ化され
    た第1及び第2の素子パッケージと、前記第1及び第2
    の還流ダイオードのチップが共通にパッケージ化された
    還流ダイオードパッケージと、前記還流ダイオードパッ
    ケージの一方の壁面に、前記第1及び第2の素子パッケ
    ージを並設したことを特徴とする電力変換装置。
  4. 【請求項4】 前記素子パッケージは、配線パターンを
    有する絶縁配線基板と、熱伝導性の良好なベースと、半
    導体パワー素子の素子チップと、ブロック状の電極と、
    ケースからなり、前記絶縁配線基板の配線パターンに前
    記素子チップを当接させると共に、前記ブロック状の電
    極により前記素子チップを前記配線パターンに溶着し、
    前記各素子チップ間を電気的に接続し、かつ前記各素子
    チップに外部接続用コレクタ端子と、外部接続用エミッ
    タ端子及び外部接続用ゲート端子を溶着して素子本体を
    得、前記外部接続用コレクタ端子、外部接続用エミッタ
    端子及び外部接続用ゲート端子が外部に露出するように
    該素子本体を前記ケース内に収納したことを特徴とする
    請求項1乃至3のいずれかに記載の電力変換装置。
  5. 【請求項5】 前記各素子チップ間を電気的に接続する
    ための部材として柔軟性に富むビームリードを使用した
    ことを特徴とする請求項記載の電力変換装置。
  6. 【請求項6】 前記ビームリードは前記ケース外部から
    接続できるように前記ケースから露出させるようにした
    ことを特徴とする請求項記載の電力変換装置。
  7. 【請求項7】 少くとも前記素子チップの周囲を絶縁モ
    ールド樹脂により封止したことを特徴とする請求項4ま
    たは5記載の電力変換装置。
  8. 【請求項8】 素子チップの端子が存在している部分に
    ゲート基板を設け、該ゲート基板に前記ビームリードを
    利用してできたゲートリードを電気的に接続するように
    したことを特徴とする請求項4または5記載の電力変換
    装置。
  9. 【請求項9】 前記還流ダイオードパッケージは、配線
    パターンを有する絶縁配線基板と、熱伝導性の良好なベ
    ースと、還流ダイオードチップと、ブロック状の電極
    と、ケースからなり、前記絶縁配線基板の配線パターン
    に前記還流ダイオードチップを当接させると共に、前記
    ブロック状の電極により前記還流ダイオードチップを前
    記配線パターンに溶着し、前記各還流ダイオードチップ
    間を電気的に接続し、かつ前記各還流ダイオードチップ
    に外部接続用カソード端子と、外部接続用アノード端子
    を溶着して還流ダイオード本体を得、前記外部接続用カ
    ソード端子、外部接続用アノード端子が外部に露出する
    ように該還流ダイオード本体を前記ケース内に収納した
    ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の
    力変換装置。
  10. 【請求項10】 少くとも前記還流ダイオードのチップ
    の周囲を絶縁モールド樹脂により封止したことを特徴と
    するる請求項1乃至3のいずれかに記載の電力変換装
    置。
  11. 【請求項11】 風冷式ラジェータとヒートパイプが一
    体に形成された冷却器に、前記各パワー素子パッケージ
    を、前記還流ダイオードパッケージに対して直交して搭
    載固定し、前記クランプダイオードパッケージを前記還
    流ダイオードパッケージに対して直交して搭載固定した
    ことを特徴とする請求項1又は2のい ずれかに記載の電
    力変換装置。
  12. 【請求項12】 絶縁物を挟んで前記二つの直流端子の
    一端側を配設し、該直流端子の他端側であって直流端子
    間に前記中性点端子を配設すると共に、該一方の直流端
    子と該中性点端子の間ならびに該中性点端子と該他方の
    直流端子の間にそれぞれスナバ回路を構成するスナバコ
    ンデンサを配設し、冷却器に前記クランプダイオードパ
    ッケージと前記還流ダイオードパッケージを取付け、前
    記クランプダイオードと、前記還流ダイオードを前記直
    流端子および前記中性点端子にそれぞれ電気的および機
    械的に接続したことを特徴とする請求項1又は2のいず
    れかに記載の電力変換装置。
  13. 【請求項13】 前記中性点端子と前記直流端子の両方
    との間に、それぞれスナバコンデンサを配設した請求項
    又は2のいずれかに記載の電力変換装置。
  14. 【請求項14】 前記直流端子の間に、それぞれスナバ
    コンデンサを配設した請求項記載の電力変換装置。
  15. 【請求項15】 冷却器を構成するヒートシンクの対向
    する2平面に、請求項1乃至3のいずれかに記載の電力
    変換装置を構成する電気回路部品をそれぞれ実装し、各
    平面に実装された電気回路部品同士の電気的接続は前記
    ヒートシンクを貫通させて行うようにしたことを特徴と
    する電力変換装置。
  16. 【請求項16】 ヒートシンク上に、前記素子パッケー
    ジと前記還流ダイオードパッケージが互いに直交するよ
    うに配置固定したことを特徴とする請求項記載の電力
    変換装置。
  17. 【請求項17】 前記素子パッケージ上にゲート基板を
    設け、該素子のゲートと前記ゲート基板を接続するゲー
    トリードとして、ビームリードの一部を使用したことを
    特徴とする請求項記載の電力変換装置。
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