JP3588431B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＷＭを用いたＮＰＣ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌａｍｐｉｎｇ）電力変換装置に係り、特に主回路を実装する半導体スタックの実装構成を改良した電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ＰＷＭを用いたＮＰＣ電力変換装置としては、例えばスイッチング素子としてＧＴＯ素子を用いた３レベルＮＰＣ電力変換装置が多く用いられてきている。
【０００３】
この３レベルＮＰＣ電力変換装置では、製造の容易性、軽量化、保守性の観点から、主回路を実装する半導体スタックを、正極側および負極側の二つ設ける必要がある。
【０００４】
図１１は、この種の従来の３レベルＮＰＣ電力変換装置の主回路構成例を示す回路図である。
【０００５】
図１１において、直流電源Ｂにより充電される平滑コンデンサ１と、第１，第２，第３，第４のスイッチング素子（ＧＴＯ素子）２，３，４，５と、コンデンサと抵抗器で構成されスイッチング素子２，３，４，５のスイッチング時のサージを吸収するスナバー回路２ａ，３ａ，４ａ，５ａと、第１，第２の結合ダイオード６，７とからなるグループで１相とし、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３レベルＮＰＣ主回路を構成している。
【０００６】
図１２は、上記主回路を実装するパワーモジュールユニットの実装構成例を示す概要図である。
【０００７】
図１２において、主回路半導体素子を縦列配置締結して構成する半導体スタック１４を、正側の主回路を装備したパワーモジュールユニット１６の最前列に搭載している。
【０００８】
半導体スタック１４は、図示左側から、第１の結合ダイオード６、第３のスイッチング素子３、フライホイールダイオード９、第２のスイッチング素子２、フライホイールダイオード９を順に配置している。
【０００９】
第２，第３のスイッチング素子２，３およびフライホイールダイオード８，９の間には、その発熱を冷却するための水冷片１２が配管１２ａを備え、共に所定の圧力で締め付けて、各スイッチング素子間を接続する主回路ブス１３Ｃ，１３Ａ，１３Ｐ，１３ａ１，１３ａ２で構成している。
【００１０】
この半導体スタック１４の配管１２ａを母管１５に接続し、その後方に第２，第３のスイッチング素子２、３に並列接続しているスナバー回路２ａ，３ａを配置して接続し、パワーモジュールユニット１６を構成している。
【００１１】
なお、負極側のパワーモジュールユニットについては、上述した図１２のパワーモジュールユニット１６の左端を起点とした鏡対象としている。すなわち、図１２の左右方向の勝手違いになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成の３レベルＮＰＣ電力変換装置では、３レベルの動作モードにおいて、配線インダクタンスが大きくなり、スナバー回路の容量を大きくせざるを得ないという問題点がある。
【００１３】
一例として、３レベルＮＰＣ電力変換装置の通電モードについて、図１１および図１２を用いて説明する。
【００１４】
正極側出力での通電モードは、図１１の矢印Ａで示すように、直流電源Ｂの正極母線１３Ｐから第２のスイッチング素子２→第３のスイッチング素子３→ＡＣ出力ブスバー１３Ａの経路で流れる。
【００１５】
半導体スタック１４内を流れる電流は、図１２の矢印Ａで示すように、直流電源Ｂの正極母線１３Ｐ→水冷片１２→第２のスイッチング素子２→水冷片１２→ブスバー１３ａ２→冷却片１２→第３のスイッチング素子３→冷却片１２→ＡＣ出力ブスバー１３Ａの経路で流れる。
【００１６】
零出力での通電モードは、図１２の矢印Ｂで示すように、直流電源Ｂの中性点母線１３Ｃから、第１の結合ダイオード６→第３のスイッチング素子３→出力ブスバー１３Ａ→負荷の順番で電流が流れる。
【００１７】
第１，第２，第３，第４のスイッチング素子２，３，４，５と、第１，第２の結合ダイオード６，７、フライホイールダイオード８，９，１０，１１を実装した半導体スタック１４にける電流の流れは、図１２の矢印Ｂの方向に、中性点母線１３Ｃ→冷却片１２→第１の結合ダイオード６→冷却片１２→第３のスイッチング素子３→冷却片１２→出力ブスバ−１３Ａの経路で流れる。
【００１８】
第１，第２，第３，第４のスイッチング素子２，３，４，５、第１，第２の結合ダイオード６，７、フライホイールダイオード８，９，１０，１１、冷却片１２、出力ブスバー１３Ａに流れる電流は、正極側出力と同様に、半導体スタック１４の軸方向にそれぞれ打ち消し合う方向に流れる。
【００１９】
このため、第１，第２，第３，第４のスイッチング素子２，３，４，５、第１，第２の結合ダイオード６，７、フライホイールダイオード８，９，１０，１１、冷却片１２、出力ブスバー１３Ａを含めた経路を最短にして、ＮＰＣ動作時に各スイッチング素子２，３，４，５の高速スイッチング時のサージ電圧を抑制することが、重要なことである。
【００２０】
この場合、サージ電圧を抑制する手段としては、前述の低インダクタンス化のための最短、最小ループ面積の配線、またはスナバー回路のスナバーコンデンサ容量を増やすことが考えられる。
【００２１】
しかしながら、前者については、主回路から決定される半導体素子の数と半導体スタック１４の構成上、限度がある。
【００２２】
また、後者は、スナバーコンデンサ容量を増やすと、並列接続したスナバー抵抗器の定格はそのアップした容量比で大きくなり、両者とも外形・重量が増加して、装置全体の外形に大きく影響する。
【００２３】
一方、主回路２アーム毎のパワーモジュールユニット１６構成にしているため、ユニットおよび組立価格もアップする。
【００２４】
また、ユーザの予備ユニットも全く同じ構成でないため、２台以上必要とする。
【００２５】
以上のように、従来のＮＰＣ電力変換装置においては、信頼性、省スペース性、経済性、組立性の点で問題がある。
【００２６】
本発明の目的は、信頼性の向上、省スペース化、経済性の向上、組立性の向上を図ることが可能な電力変換装置を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明の観点に従った電力変換装置は、直流電源の正極電位と負極電位との間に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ダイオードとを有する第１，第２，第３，第４の半導体素子の直列回路を接続し、前記第２の半導体素子と第３の半導体素子との接続点から交流端子を導出し、かつ前記第１の半導体素子と第２の半導体素子との接続点と前記直流電源の中間電位点との間および前記第３の半導体素子と第４の半導体素子との接続点と前記直流電源の中間電位点との間に第１の結合ダイオードおよび第２の結合ダイオードを接続し、前記第１の結合ダイオードと第２の結合ダイオードの一端に接する導体を境にして、正極側には前記第１の結合ダイオード、前記第１，第２の半導体素子を冷却片及び絶縁物を介して配置し、負極側には前記第２の結合ダイオード、前記第３．第４の半導体素子を冷却片及び絶縁物を介して配置し、前記第１，第２，第３，第４の半導体素子、前記第１，第２の結合ダイオード、前記冷却片および前記絶縁物を一括で締結した構成である。
【００２８】
従って、請求項１に対応する発明の電力変換装置においては、ブスバーに電流が互いに打ち消し合う方向に流れるため、回路の配線のインダクタンスを低くすることができ、各ＮＰＣの通電モードによるスイッチング素子に加わるサージ電圧を抑制することができ、スナバーレス化が可能となる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４７】
（第１の実施の形態：請求項１、請求項２、請求項３、請求項４に対応）
図１は、本実施の形態によるＩＥＧＴ（ＩｎｊｅｃｔｉｏｎＥｎｈａｎｃｅｄＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いた３レベルＮＰＣ電力変換装置の主回路構成例を示す回路図であり、図１１と同一要素には同一符号を付して示している。
【００４８】
図１において、直流電源Ｂにより充電される平滑コンデンサ１と、第１，第２，第３，第４のスイッチング素子１７，１８，１９，２０と、第１，第２の結合ダイオード６，７とからなるグループで１相とし、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３レベルＮＰＣ主回路を構成している。
【００４９】
ここで、第１，第２，第３，第４のスイッチング素子１７，１８，１９，２０は、前記図１１に示した従来の逆導通ダイオード（フリーホイルダイオード８，９，１０，１１）を内蔵したスイッチング素子で構成されている（以下、ＩＥＧＴと称することとする）。
【００５０】
次に、上記主回路を実装する半導体スタックの実装構成について説明するが、水冷配管の構成は、前記図１２に示した従来のパワーモジュールユニットと大差はないので、ここではその説明を省略し、本発明に直接関係する半導体スタックの構成について、以下に述べる。
【００５１】
図２は、上記主回路を実装する半導体スタックの実装構成例を示す概要図である。なお、ここでは、主回路半導体素子を縦列配置締結して構成する半導体スタックを例として示している。
【００５２】
図２において、第１の結合ダイオード６と第２の結合ダイオード７を、冷却片１２を介して直列に、半導体スタック２２のほぼ中央部に位置するように配置している。（請求項１に対応）
第１の結合ダイオード６と第２の結合ダイオード７の中性点の電極となるブスバー１３Ｃを境にして、正極側には、第１の結合ダイオード６、第２のＩＥＧＴ１８を冷却片１２を介して隣接配置し、負極側には、第２の結合ダイオード７、第３のＩＥＧＴ１９を冷却片１２を介して隣接配置している。
【００５３】
第１のＩＥＧＴ１７と第２のＩＥＧＴ１８との間、および第３のＩＥＧＴ１９および第４のＩＥＧＴ２０との間には、冷却片１２を介して絶縁物２１を配置し、第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０、第１，第２の結合ダイオード６，７、冷却片１２および絶縁物２１を一括で所定の圧力で締結している。（請求項２に対応）
一方、図２に示すように、第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０、および第１，第２の結合ダイオード６，７を冷却する冷却片１２の圧接する面と直角になる冷却片の面に面して、第１のＩＥＧＴ１７と第２のＩＥＧＴ１８との間、第３のＩＥＧＴ１９と第４のＩＥＧＴ２０との間、第１の結合ダイオード６と第２のＩＥＧＴ１８との間、第２の結合ダイオード７と第３のＩＥＧＴ１９との間をそれぞれ接続するブスバー１３ａ１，１３ａ２，１３ａ３，１３ａ４を平行並走するように配置している。（請求項３に対応）
図３は、図２のＡ−Ａ断面図を示す。
【００５４】
図３に示すように、ブスバー１３ａ１，１３ａ３は、第１のＩＥＧＴ１７と第２のＩＥＧＴ１８、第３のＩＥＧＴ１９と第４のＩＥＧＴ１９，２０、第１の結合ダイオード６と第２のＩＥＧＴ１８、第２の結合ダイオード７と第３のＩＥＧＴ１９のそれぞれの通電モードでのスイッチングサージを抑制するように、幅広形状にし、かつ平行並走するように配置している。（請求項４に対応）
次に、以上のように構成した本実施の形態による半導体スタック２２において、プラス、零、マイナスの３レベルを出力するＮＰＣ通電モードについて説明する。
【００５５】
なお、マイナスレベルの出力モードについては、プラス出力モードの電流方向が反転しただけであり、半導体スタック内のスイッチング素子、冷却片およびブスバーに対する通電方向の関係は同じであるので、ここではその説明を省略する。
【００５６】
図４は、プラス出力の回路図での通電モードを太線で示す図である。
【００５７】
図４において、直流電源Ｂの正極側のブスバー１３Ｐから、第１のＩＥＧＴ１７→第２のＩＥＧＴ１８→出力ブスバー１３Ａ→負荷の順番で電流が流れる。
【００５８】
この第１，第２のＩＥＧＴ１７，１８を実装した半導体スタック２２における電流の流れは、図２に示す矢印Ａの方向に、正極側のブスバー１３Ｐ→冷却片１２→第１のＩＥＧＴ１７→冷却片１２→ブスバー１３ａ１→冷却片１２→第２のＩＥＧＴ１８→冷却片Ｉ２→出力ブスバー１３Ａの経路で流れる。
【００５９】
すなわち、冷却片１２、第１，第２のＩＥＧＴ１７，１８、冷却片１２とブスバー１３ａ１に流れる電流は、半導体スタック２２の軸方向にそれぞれ互いに打ち消し合う方向に流れる。
【００６０】
また、絶縁物２１に面する冷却片１２同志も、互いに打ち消し合う方向の電流になる。
【００６１】
図５は、零出力の回路図での通電モードを太線で示す図である。
【００６２】
図５において、直流電源Ｂの中性点のブスバ−１３Ｃから、第１の結合ダイオード６→第２のＩＥＧＴ１８→出力ブスバー１３Ａ→負荷の順番で電流が流れる。
【００６３】
この結合ダイオード６とＩＥＧＴ１８を実装した半導体スタック２１においての電流の流れは、図２の矢印Ｂの方向に、中性点のブスバー１３Ｃ→結合ダイオード６→冷却片１２→ＩＥＧＴ１８→冷却片１２→出力ブスバー１３Ａの経路で流れる。
【００６４】
冷却片１２、第１の結合ダイオード６、第２のＩＥＧＴ１８、冷却片１２、ブスバー１３ａ３に流れる電流は、前述したプラス出力と同様に、半導体スタック２２の軸方向にそれぞれ互いに打ち消しあう方向に流れる。
【００６５】
上述したように、本実施の形態の半導体スタック２２を備えた３レベルＮＰＣ電力変換装置では、前述したように、ブスバーに電流が互いに打ち消し合う方向に流れるため、回路の配線のインダクタンスを低くすることができ、各ＮＰＣの通電モードによるスイッチング素子（ＩＥＧＴ）１７，１８，１９，２０に加わるサージ電圧を抑制することができ、スナバーレス化を図ることが可能となる。
【００６６】
これにより、ＮＰＣの通電モードによるスイッチング素子に加わるサージ電圧を抑制することができ、スナバーレス化が可能となり、装置の低価格化、コンパクト化に大きく寄与し、部品点数も少なく、高信頼性の電力変換装置を提供することができる。
【００６７】
（第２の実施の形態：請求項５に対応）
図６は、本実施の形態による３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す断面図（図２のＡ−Ａ断面相当）であり、図１乃至図５と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００６８】
すなわち、本実施の形態の半導体スタック２２は、図６に示すように、前述した第１の実施の形態における、第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０、および第１，第２の結合ダイオード６，７を冷却する冷却片１２とブスバー１３Ａ，１３ａ１〜１３ａ３との間に、電気的に絶縁する絶縁板２３を挿入した構成としている。
【００６９】
次に、以上のように構成した本実施の形態による半導体スタック２２においては、第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０、および第１，第２の結合ダイオード６，７を冷却する冷却片１２とブスバー１３Ａ，１３ａ１〜１３ａ３との間に、電気的に絶縁する絶縁板２３を挿入していることにより、冷却片１２とブスバー１３Ａ，１３ａ１〜１３ａ３の間隔を最小にすることができ、前記図３に比較して、より一層の低インダクタンス化を図ることができ、ＮＰＣ通電モードでのスイッチング素子（ＩＥＧＴ）１７，１８，１９，２０へのサージ電圧を最小に抑制することができる。
【００７０】
上述したように、本実施の形態の半導体スタック２２を備えた３レベルＮＰＣ電力変換装置では、前述した第１の実施の形態に比較して、より一層の低インダクタンス化を図ることができ、ＮＰＣ通電モードでのスイッチング素子へのサージ電圧を最小に抑制することが可能となる。
【００７１】
（第３の実施の形態：請求項６に対応）
図７は、本実施の形態による３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す断面図（図２のＡ−Ａ断面相当）であり、図１乃至図５と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００７２】
すなわち、本実施の形態の半導体スタック２２は、図７に示すように、前述した第１の実施の形態における、ブスバー１３Ａ，１３ａ１〜１３ａ３に、電気的に絶縁する絶縁被覆２４を施した構成としている。
【００７３】
ここで、絶縁被覆２４としては、例えば流動浸漬によるエポキシ絶縁被覆、または熱収縮チューブ等を施している。
【００７４】
次に、以上のように構成した本実施の形態による半導体スタック２２においては、ブスバー１３Ａ，１３ａ１〜１３ａ３に、電気的に絶縁する絶縁被覆２４を施していることにより、前述した図６に示す第２の実施の形態と同様の作用により、ブスバー絶縁部材を最小に抑えることができ、低インダクタンス化を図ることができる。
【００７５】
なお、図６に示す第２の実施の形態における絶縁板２３の挿入との使い分けは、周囲電気品との実装構造、そのスペースの制約等の半導体スタックの実装構造からの制約により使い分けることができる。
【００７６】
上述したように、本実施の形態の半導体スタック２２を備えた３レベルＮＰＣ電力変換装置では、前述した第２の実施の形態と同様に、ブスバー絶縁部材を最小に抑えることができ、低インダクタンス化を図ることが可能となる。
【００７７】
（第４の実施の形態：請求項７に対応）
図８は、本実施の形態による３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す断面図（図２のＡ−Ａ断面相当）であり、図１乃至図５と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００７８】
すなわち、本実施の形態の半導体スタック２２は、図８に示すように、前述した第１の実施の形態における、第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０、および第１，第２の結合ダイオード６，７を冷却する冷却片１２の圧接する面と直角となる冷却片１２の２面に面して、Ｌ型形状に幅広にしたブスバー１３Ａ′１３ａ１′〜１３ａ３′を、第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０、および第１，第２の結合ダイオード６，７を冷却する冷却片１１に平行並走するように配置した構成としている。
【００７９】
ここで、図８に示すように、幅広にしたブスバー１３Ａ′１３ａｌ′〜１３ａ３′をＬ型形状にした理由は、冷却片１２に、冷却媒体、例えば水を排水するための配管１２ａをパワーモジュール本体の母管（図１２）に接続するため、および第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０のゲートリード線１７１、１８１を接続するためである。
【００８０】
なお、本例では、前述の冷却片１２の２面に対しての例であるが、冷却片１２の配管部、および第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０のゲートリード線１７１、１８１の口出し、ブスバー接続位置を別の位置に変えれば、例えば冷却片１２を９０度位置をずらす等の工夫により３面でも可能となる。
【００８１】
次に、以上のように構成した本実施の形態による半導体スタック２２においては、ブスバーの表面積が広がるため、前述した図５に示す第１の実施の形態と比較して、より一層の低インダクタンス化を図ることができる。
【００８２】
上述したように、本実施の形態の半導体スタック２２を備えた３レベルＮＰＣ電力変換装置では、前述した第１の実施の形態と比較して、より一層の低インダクタンス化を図ることが可能となる。
【００８３】
（第５の実施の形態：請求項８に対応）
図９は、本実施の形態による３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す断面図（図２のＡ−Ａ断面相当）であり、図１乃至図８と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００８４】
すなわち、本実施の形態の半導体スタック２２は、図９に示すように、前述した第１乃至第４の実施の形態における、第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０、および第１，第２の結合ダイオード６，７を冷却する冷却片１２を冷却する冷却片１２Ａを円筒形状にし、その圧接する面と直角になる冷却片１２Ａの面に対して、第１のＩＥＧＴ１７と第２のＩＥＧＴ１８との間、第３のＩＥＧＴ１９と第４のＩＥＧＴ２０との間、第１の結合ダイオード６と第２のＩＥＧＴ１８との間、第２の結合ダイオード７と第３のＩＥＧＴ２０との間をそれぞれを接続するブスバー１３ａ１〜１３ａ３の形状を、冷却片１２Ａの円筒形状に沿った円筒形状のブスバー１３ａ１″〜１３ａ３″にして、それぞれ平行並走するように配置にした構成としている。
【００８５】
ここで、図９に示す円筒形状のブスバー１３ａ１″、１３ａ３″の端は、冷却片１２Ａに冷却媒体、例えば水を排水するための配管１２ａをパワーモジュール本体の母管（図１２）に接続するため、および第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０のゲートリード線１７１．１８１を接続するために、半円形状にしている。
【００８６】
なお、前述では、冷却片１２Ａとブスバー１３ａ１′、１３ａ３″との間の電気的な絶縁としては、空気絶縁を行なっているが、前述した図６および図７に示す第２および第３の実施例の形態と同様に、冷却片１２Ａとブスバー１３ａ１′、１３ａ３″との間に絶縁板を挿入するか、ブスバー１３ａ１′、１３ａ３″に直接絶縁被覆を施すようにしてもよい。
【００８７】
これは、装置の要求するインダクタンス、および耐絶縁電圧定格により使い分けることができる。
【００８８】
次に、以上のように構成した本実施の形態による半導体スタック２２においては、前述した素子のペレットおよび電極は円筒形状であり、流れる電流は円筒の周囲を流れるため、隣接する冷却片１２Ａおよびブスバーブスバー１３ａ１′、１３ａ３″の形状も円筒形状にすることにより、各ＮＰＣ通電モードに対する低インダクタンス化に対して、より一層の効果を得ることができる。
【００８９】
上述したように、本実施の形態の半導体スタック２２を備えた３レベルＮＰＣ電力変換装置では、前述した第１乃至第５の実施の形態と比較して、より一層の低インダクタンス化を図ることが可能となる。
【００９０】
（第６の実施の形態：請求項９に対応）
図１０は、本実施の形態による３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す断面図（図２のＡ−Ａ断面相当）であり、図１乃至図７と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００９１】
すなわち、本実施の形態の半導体スタック２２は、図１０に示すように、前述した第１乃至第３の実施の形態における、第１のＩＥＧＴ１７と第２のＩＥＧＴ１８との間、および第３のＩＥＧＴ１８と第４のＩＥＧＴ１９との間をそれぞれ電気的に絶縁する絶縁物２１、および冷却片１２の面とブスバー１３Ａ、１３ａ１〜１３ａ３との間を電気的に絶縁する絶縁板２３とを兼用する絶縁板２３ａを挿入した構成としている。
【００９２】
なお、第２のＩＥＧＴ１９と第３のＩＥＧＴ２０との間の絶縁板１３ａについても、同一形状、構成であるので、ここではその図示および説明を省略する。
【００９３】
次に、以上のように構成した本実施の形態による半導体スタック２２においては、第１のＩＥＧＴ１７と第２のＩＥＧＴ１８との間、および第３のＩＥＧＴ１８と第４のＩＥＧＴ１９との間をそれぞれ電気的に絶縁する絶縁物２１、および冷却片１２の面とブスバー１３Ａ、１３ａ１〜１３ａ３との間を電気的に絶縁する絶縁板２３とを兼用する絶縁板２３ａを挿入していることにより、プラスおよびマイナス通電モードにおいて、ＩＥＧＴ間を接続するブスバーを最短にすることができるため、低インダクタンスのループ長および面積を実現することができ、前述した第１乃至第３の実施の形態と比較して、より一層の低インダクタンス化を図ることができる。また、絶縁部材の種類も削減することができる。
【００９４】
上述したように、本実施の形態の半導体スタック２２を備えた３レベルＮＰＣ電力変換装置では、前述した第１乃至第３の実施の形態と比較して、より一層の低インダクタンス化を図ることができ、さらに絶縁部材の種類も削減することが可能となる。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電力変換装置によれば、ブスバーに電流が打ち消し合う方向に流れ、かつその配線長および配線ループ面積を最小に実現することができるため、各ＮＰＣ通電モードに対する低インダクタンス化に対して、より一層の効果を得ることが可能となる。
【００９６】
これにより、ＮＰＣの通電モードによるスイッチング素子に加わるサージ電圧を抑制することができ、スナバーレス化が可能となり、装置の低価格化、コンパクト化に大きく寄与し、部品点数も少なく、高信頼性の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】本発明による３レベルＮＰＣ電力変換装置の第１の実施の形態を示す回路図。
【図２】同第１の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す概要図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図。
【図４】同第１の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置におけるプラス出力の動作モードを示す図。
【図５】同第１の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置における零出力の動作モードを示す図。
【図６】本発明の第２の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す概要図。
【図７】本発明の第３の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す概要図。
【図８】本発明の第４の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す概要図。
【図９】本発明の第５の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す概要図。
【図１０】本発明の第６の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す概要図。
【図１１】従来の３レベルＮＰＣ電力変換装置の主回路構成例を示す回路図。
【図１２】従来の３レベルＮＰＣ電力変換装置の主回路を実装するパワーモジュールユニットの実装構成例を示す概要図である。
【符号の説明】
１…平滑コンデンサ
２，３，４，５…ＧＴＯ素子
６，７…結合ダイオード
８，９，１０，１１…フライホイールダイオード
１２，１２Ａ…冷却片
１２ａ…配管
１３Ａ，１３Ｐ，１３Ｎ，１３ａ１〜１３ａ４，１３ａ１′…ブスバー
１３Ａ′，１３Ｐ′，１３Ｎ′，１３ａ１′〜１３ａ４′，１３Ａ″，１３Ｐ″，１一３Ｎ″，１３ａ１″〜１３ａ４″…幅広ブスバー
１４，２２…半導体スタック
１５…母管
１６…パワーモジュール
１７〜２０…ＩＥＧＴ
１７１〜２０１…ＩＥＧＴのゲートリード線
２１…絶縁物
２３…絶縁板
２４…絶縁被覆。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＷＭを用いたＮＰＣ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌａｍｐｉｎｇ）電力変換装置に係り、特に主回路を実装する半導体スタックの実装構成を改良した電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ＰＷＭを用いたＮＰＣ電力変換装置としては、例えばスイッチング素子としてＧＴＯ素子を用いた３レベルＮＰＣ電力変換装置が多く用いられてきている。
【０００３】
この３レベルＮＰＣ電力変換装置では、製造の容易性、軽量化、保守性の観点から、主回路を実装する半導体スタックを、正極側および負極側の二つ設ける必要がある。
【０００４】
図１１は、この種の従来の３レベルＮＰＣ電力変換装置の主回路構成例を示す回路図である。
【０００５】
図１１において、直流電源Ｂにより充電される平滑コンデンサ１と、第１，第２，第３，第４のスイッチング素子（ＧＴＯ素子）２，３，４，５と、コンデンサと抵抗器で構成されスイッチング素子２，３，４，５のスイッチング時のサージを吸収するスナバー回路２ａ，３ａ，４ａ，５ａと、第１，第２の結合ダイオード６，７とからなるグループで１相とし、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３レベルＮＰＣ主回路を構成している。
【０００６】
図１２は、上記主回路を実装するパワーモジュールユニットの実装構成例を示す概要図である。
【０００７】
図１２において、主回路半導体素子を縦列配置締結して構成する半導体スタック１４を、正側の主回路を装備したパワーモジュールユニット１６の最前列に搭載している。
【０００８】
半導体スタック１４は、図示左側から、第１の結合ダイオード６、第３のスイッチング素子３、フライホイールダイオード９、第２のスイッチング素子２、フライホイールダイオード９を順に配置している。
【０００９】
第２，第３のスイッチング素子２，３およびフライホイールダイオード８，９の間には、その発熱を冷却するための水冷片１２が配管１２ａを備え、共に所定の圧力で締め付けて、各スイッチング素子間を接続する主回路ブス１３Ｃ，１３Ａ，１３Ｐ，１３ａ１，１３ａ２で構成している。
【００１０】
この半導体スタック１４の配管１２ａを母管１５に接続し、その後方に第２，第３のスイッチング素子２、３に並列接続しているスナバー回路２ａ，３ａを配置して接続し、パワーモジュールユニット１６を構成している。
【００１１】
なお、負極側のパワーモジュールユニットについては、上述した図１２のパワーモジュールユニット１６の左端を起点とした鏡対象としている。すなわち、図１２の左右方向の勝手違いになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成の３レベルＮＰＣ電力変換装置では、３レベルの動作モードにおいて、配線インダクタンスが大きくなり、スナバー回路の容量を大きくせざるを得ないという問題点がある。
【００１３】
一例として、３レベルＮＰＣ電力変換装置の通電モードについて、図１１および図１２を用いて説明する。
【００１４】
正極側出力での通電モードは、図１１の矢印Ａで示すように、直流電源Ｂの正極母線１３Ｐから第２のスイッチング素子２→第３のスイッチング素子３→ＡＣ出力ブスバー１３Ａの経路で流れる。
【００１５】
半導体スタック１４内を流れる電流は、図１２の矢印Ａで示すように、直流電源Ｂの正極母線１３Ｐ→水冷片１２→第２のスイッチング素子２→水冷片１２→ブスバー１３ａ２→冷却片１２→第３のスイッチング素子３→冷却片１２→ＡＣ出力ブスバー１３Ａの経路で流れる。
【００１６】
零出力での通電モードは、図１２の矢印Ｂで示すように、直流電源Ｂの中性点母線１３Ｃから、第１の結合ダイオード６→第３のスイッチング素子３→出力ブスバー１３Ａ→負荷の順番で電流が流れる。
【００１７】
第１，第２，第３，第４のスイッチング素子２，３，４，５と、第１，第２の結合ダイオード６，７、フライホイールダイオード８，９，１０，１１を実装した半導体スタック１４にける電流の流れは、図１２の矢印Ｂの方向に、中性点母線１３Ｃ→冷却片１２→第１の結合ダイオード６→冷却片１２→第３のスイッチング素子３→冷却片１２→出力ブスバ−１３Ａの経路で流れる。
【００１８】
第１，第２，第３，第４のスイッチング素子２，３，４，５、第１，第２の結合ダイオード６，７、フライホイールダイオード８，９，１０，１１、冷却片１２、出力ブスバー１３Ａに流れる電流は、正極側出力と同様に、半導体スタック１４の軸方向にそれぞれ打ち消し合う方向に流れる。
【００１９】
このため、第１，第２，第３，第４のスイッチング素子２，３，４，５、第１，第２の結合ダイオード６，７、フライホイールダイオード８，９，１０，１１、冷却片１２、出力ブスバー１３Ａを含めた経路を最短にして、ＮＰＣ動作時に各スイッチング素子２，３，４，５の高速スイッチング時のサージ電圧を抑制することが、重要なことである。
【００２０】
この場合、サージ電圧を抑制する手段としては、前述の低インダクタンス化のための最短、最小ループ面積の配線、またはスナバー回路のスナバーコンデンサ容量を増やすことが考えられる。
【００２１】
しかしながら、前者については、主回路から決定される半導体素子の数と半導体スタック１４の構成上、限度がある。
【００２２】
また、後者は、スナバーコンデンサ容量を増やすと、並列接続したスナバー抵抗器の定格はそのアップした容量比で大きくなり、両者とも外形・重量が増加して、装置全体の外形に大きく影響する。
【００２３】
一方、主回路２アーム毎のパワーモジュールユニット１６構成にしているため、ユニットおよび組立価格もアップする。
【００２４】
また、ユーザの予備ユニットも全く同じ構成でないため、２台以上必要とする。
【００２５】
以上のように、従来のＮＰＣ電力変換装置においては、信頼性、省スペース性、経済性、組立性の点で問題がある。
【００２６】
本発明の目的は、信頼性の向上、省スペース化、経済性の向上、組立性の向上を図ることが可能な電力変換装置を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明の観点に従った電力変換装置は、直流電源の正極電位と負極電位との間に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ダイオードとを有する第１，第２，第３，第４の半導体素子の直列回路を接続し、前記第２の半導体素子と第３の半導体素子との接続点から交流端子を導出し、かつ前記第１の半導体素子と第２の半導体素子との接続点と前記直流電源の中間電位点との間および前記第３の半導体素子と第４の半導体素子との接続点と前記直流電源の中間電位点との間に第１の結合ダイオードおよび第２の結合ダイオードを接続し、前記第１の結合ダイオードと第２の結合ダイオードの一端に接する導体を境にして、正極側には前記第１の結合ダイオード、前記第１，第２の半導体素子を冷却片及び絶縁物を介して配置し、負極側には前記第２の結合ダイオード、前記第３．第４の半導体素子を冷却片及び絶縁物を介して配置し、前記第１，第２，第３，第４の半導体素子、前記第１，第２の結合ダイオード、前記冷却片および前記絶縁物を一括で締結した構成である。
【００２８】
従って、請求項１に対応する発明の電力変換装置においては、ブスバーに電流が互いに打ち消し合う方向に流れるため、回路の配線のインダクタンスを低くすることができ、各ＮＰＣの通電モードによるスイッチング素子に加わるサージ電圧を抑制することができ、スナバーレス化が可能となる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４７】
（第１の実施の形態：請求項１、請求項２、請求項３、請求項４に対応）
図１は、本実施の形態によるＩＥＧＴ（ＩｎｊｅｃｔｉｏｎＥｎｈａｎｃｅｄＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いた３レベルＮＰＣ電力変換装置の主回路構成例を示す回路図であり、図１１と同一要素には同一符号を付して示している。
【００４８】
図１において、直流電源Ｂにより充電される平滑コンデンサ１と、第１，第２，第３，第４のスイッチング素子１７，１８，１９，２０と、第１，第２の結合ダイオード６，７とからなるグループで１相とし、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３レベルＮＰＣ主回路を構成している。
【００４９】
ここで、第１，第２，第３，第４のスイッチング素子１７，１８，１９，２０は、前記図１１に示した従来の逆導通ダイオード（フリーホイルダイオード８，９，１０，１１）を内蔵したスイッチング素子で構成されている（以下、ＩＥＧＴと称することとする）。
【００５０】
次に、上記主回路を実装する半導体スタックの実装構成について説明するが、水冷配管の構成は、前記図１２に示した従来のパワーモジュールユニットと大差はないので、ここではその説明を省略し、本発明に直接関係する半導体スタックの構成について、以下に述べる。
【００５１】
図２は、上記主回路を実装する半導体スタックの実装構成例を示す概要図である。なお、ここでは、主回路半導体素子を縦列配置締結して構成する半導体スタックを例として示している。
【００５２】
図２において、第１の結合ダイオード６と第２の結合ダイオード７を、冷却片１２を介して直列に、半導体スタック２２のほぼ中央部に位置するように配置している。（請求項１に対応）
第１の結合ダイオード６と第２の結合ダイオード７の中性点の電極となるブスバー１３Ｃを境にして、正極側には、第１の結合ダイオード６、第２のＩＥＧＴ１８を冷却片１２を介して隣接配置し、負極側には、第２の結合ダイオード７、第３のＩＥＧＴ１９を冷却片１２を介して隣接配置している。
【００５３】
第１のＩＥＧＴ１７と第２のＩＥＧＴ１８との間、および第３のＩＥＧＴ１９および第４のＩＥＧＴ２０との間には、冷却片１２を介して絶縁物２１を配置し、第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０、第１，第２の結合ダイオード６，７、冷却片１２および絶縁物２１を一括で所定の圧力で締結している。（請求項２に対応）
一方、図２に示すように、第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０、および第１，第２の結合ダイオード６，７を冷却する冷却片１２の圧接する面と直角になる冷却片の面に面して、第１のＩＥＧＴ１７と第２のＩＥＧＴ１８との間、第３のＩＥＧＴ１９と第４のＩＥＧＴ２０との間、第１の結合ダイオード６と第２のＩＥＧＴ１８との間、第２の結合ダイオード７と第３のＩＥＧＴ１９との間をそれぞれ接続するブスバー１３ａ１，１３ａ２，１３ａ３，１３ａ４を平行並走するように配置している。（請求項３に対応）
図３は、図２のＡ−Ａ断面図を示す。
【００５４】
図３に示すように、ブスバー１３ａ１，１３ａ３は、第１のＩＥＧＴ１７と第２のＩＥＧＴ１８、第３のＩＥＧＴ１９と第４のＩＥＧＴ１９，２０、第１の結合ダイオード６と第２のＩＥＧＴ１８、第２の結合ダイオード７と第３のＩＥＧＴ１９のそれぞれの通電モードでのスイッチングサージを抑制するように、幅広形状にし、かつ平行並走するように配置している。（請求項４に対応）
次に、以上のように構成した本実施の形態による半導体スタック２２において、プラス、零、マイナスの３レベルを出力するＮＰＣ通電モードについて説明する。
【００５５】
なお、マイナスレベルの出力モードについては、プラス出力モードの電流方向が反転しただけであり、半導体スタック内のスイッチング素子、冷却片およびブスバーに対する通電方向の関係は同じであるので、ここではその説明を省略する。
【００５６】
図４は、プラス出力の回路図での通電モードを太線で示す図である。
【００５７】
図４において、直流電源Ｂの正極側のブスバー１３Ｐから、第１のＩＥＧＴ１７→第２のＩＥＧＴ１８→出力ブスバー１３Ａ→負荷の順番で電流が流れる。
【００５８】
この第１，第２のＩＥＧＴ１７，１８を実装した半導体スタック２２における電流の流れは、図２に示す矢印Ａの方向に、正極側のブスバー１３Ｐ→冷却片１２→第１のＩＥＧＴ１７→冷却片１２→ブスバー１３ａ１→冷却片１２→第２のＩＥＧＴ１８→冷却片Ｉ２→出力ブスバー１３Ａの経路で流れる。
【００５９】
すなわち、冷却片１２、第１，第２のＩＥＧＴ１７，１８、冷却片１２とブスバー１３ａ１に流れる電流は、半導体スタック２２の軸方向にそれぞれ互いに打ち消し合う方向に流れる。
【００６０】
また、絶縁物２１に面する冷却片１２同志も、互いに打ち消し合う方向の電流になる。
【００６１】
図５は、零出力の回路図での通電モードを太線で示す図である。
【００６２】
図５において、直流電源Ｂの中性点のブスバ−１３Ｃから、第１の結合ダイオード６→第２のＩＥＧＴ１８→出力ブスバー１３Ａ→負荷の順番で電流が流れる。
【００６３】
この結合ダイオード６とＩＥＧＴ１８を実装した半導体スタック２１においての電流の流れは、図２の矢印Ｂの方向に、中性点のブスバー１３Ｃ→結合ダイオード６→冷却片１２→ＩＥＧＴ１８→冷却片１２→出力ブスバー１３Ａの経路で流れる。
【００６４】
冷却片１２、第１の結合ダイオード６、第２のＩＥＧＴ１８、冷却片１２、ブスバー１３ａ３に流れる電流は、前述したプラス出力と同様に、半導体スタック２２の軸方向にそれぞれ互いに打ち消しあう方向に流れる。
【００６５】
上述したように、本実施の形態の半導体スタック２２を備えた３レベルＮＰＣ電力変換装置では、前述したように、ブスバーに電流が互いに打ち消し合う方向に流れるため、回路の配線のインダクタンスを低くすることができ、各ＮＰＣの通電モードによるスイッチング素子（ＩＥＧＴ）１７，１８，１９，２０に加わるサージ電圧を抑制することができ、スナバーレス化を図ることが可能となる。
【００６６】
これにより、ＮＰＣの通電モードによるスイッチング素子に加わるサージ電圧を抑制することができ、スナバーレス化が可能となり、装置の低価格化、コンパクト化に大きく寄与し、部品点数も少なく、高信頼性の電力変換装置を提供することができる。
【００６７】
（第２の実施の形態：請求項５に対応）
図６は、本実施の形態による３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す断面図（図２のＡ−Ａ断面相当）であり、図１乃至図５と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００６８】
すなわち、本実施の形態の半導体スタック２２は、図６に示すように、前述した第１の実施の形態における、第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０、および第１，第２の結合ダイオード６，７を冷却する冷却片１２とブスバー１３Ａ，１３ａ１〜１３ａ３との間に、電気的に絶縁する絶縁板２３を挿入した構成としている。
【００６９】
次に、以上のように構成した本実施の形態による半導体スタック２２においては、第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０、および第１，第２の結合ダイオード６，７を冷却する冷却片１２とブスバー１３Ａ，１３ａ１〜１３ａ３との間に、電気的に絶縁する絶縁板２３を挿入していることにより、冷却片１２とブスバー１３Ａ，１３ａ１〜１３ａ３の間隔を最小にすることができ、前記図３に比較して、より一層の低インダクタンス化を図ることができ、ＮＰＣ通電モードでのスイッチング素子（ＩＥＧＴ）１７，１８，１９，２０へのサージ電圧を最小に抑制することができる。
【００７０】
上述したように、本実施の形態の半導体スタック２２を備えた３レベルＮＰＣ電力変換装置では、前述した第１の実施の形態に比較して、より一層の低インダクタンス化を図ることができ、ＮＰＣ通電モードでのスイッチング素子へのサージ電圧を最小に抑制することが可能となる。
【００７１】
（第３の実施の形態：請求項６に対応）
図７は、本実施の形態による３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す断面図（図２のＡ−Ａ断面相当）であり、図１乃至図５と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００７２】
すなわち、本実施の形態の半導体スタック２２は、図７に示すように、前述した第１の実施の形態における、ブスバー１３Ａ，１３ａ１〜１３ａ３に、電気的に絶縁する絶縁被覆２４を施した構成としている。
【００７３】
ここで、絶縁被覆２４としては、例えば流動浸漬によるエポキシ絶縁被覆、または熱収縮チューブ等を施している。
【００７４】
次に、以上のように構成した本実施の形態による半導体スタック２２においては、ブスバー１３Ａ，１３ａ１〜１３ａ３に、電気的に絶縁する絶縁被覆２４を施していることにより、前述した図６に示す第２の実施の形態と同様の作用により、ブスバー絶縁部材を最小に抑えることができ、低インダクタンス化を図ることができる。
【００７５】
なお、図６に示す第２の実施の形態における絶縁板２３の挿入との使い分けは、周囲電気品との実装構造、そのスペースの制約等の半導体スタックの実装構造からの制約により使い分けることができる。
【００７６】
上述したように、本実施の形態の半導体スタック２２を備えた３レベルＮＰＣ電力変換装置では、前述した第２の実施の形態と同様に、ブスバー絶縁部材を最小に抑えることができ、低インダクタンス化を図ることが可能となる。
【００７７】
（第４の実施の形態：請求項７に対応）
図８は、本実施の形態による３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す断面図（図２のＡ−Ａ断面相当）であり、図１乃至図５と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００７８】
すなわち、本実施の形態の半導体スタック２２は、図８に示すように、前述した第１の実施の形態における、第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０、および第１，第２の結合ダイオード６，７を冷却する冷却片１２の圧接する面と直角となる冷却片１２の２面に面して、Ｌ型形状に幅広にしたブスバー１３Ａ′１３ａ１′〜１３ａ３′を、第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０、および第１，第２の結合ダイオード６，７を冷却する冷却片１１に平行並走するように配置した構成としている。
【００７９】
ここで、図８に示すように、幅広にしたブスバー１３Ａ′１３ａｌ′〜１３ａ３′をＬ型形状にした理由は、冷却片１２に、冷却媒体、例えば水を排水するための配管１２ａをパワーモジュール本体の母管（図１２）に接続するため、および第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０のゲートリード線１７１、１８１を接続するためである。
【００８０】
なお、本例では、前述の冷却片１２の２面に対しての例であるが、冷却片１２の配管部、および第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０のゲートリード線１７１、１８１の口出し、ブスバー接続位置を別の位置に変えれば、例えば冷却片１２を９０度位置をずらす等の工夫により３面でも可能となる。
【００８１】
次に、以上のように構成した本実施の形態による半導体スタック２２においては、ブスバーの表面積が広がるため、前述した図５に示す第１の実施の形態と比較して、より一層の低インダクタンス化を図ることができる。
【００８２】
上述したように、本実施の形態の半導体スタック２２を備えた３レベルＮＰＣ電力変換装置では、前述した第１の実施の形態と比較して、より一層の低インダクタンス化を図ることが可能となる。
【００８３】
（第５の実施の形態：請求項８に対応）
図９は、本実施の形態による３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す断面図（図２のＡ−Ａ断面相当）であり、図１乃至図８と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００８４】
すなわち、本実施の形態の半導体スタック２２は、図９に示すように、前述した第１乃至第４の実施の形態における、第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０、および第１，第２の結合ダイオード６，７を冷却する冷却片１２を冷却する冷却片１２Ａを円筒形状にし、その圧接する面と直角になる冷却片１２Ａの面に対して、第１のＩＥＧＴ１７と第２のＩＥＧＴ１８との間、第３のＩＥＧＴ１９と第４のＩＥＧＴ２０との間、第１の結合ダイオード６と第２のＩＥＧＴ１８との間、第２の結合ダイオード７と第３のＩＥＧＴ２０との間をそれぞれを接続するブスバー１３ａ１〜１３ａ３の形状を、冷却片１２Ａの円筒形状に沿った円筒形状のブスバー１３ａ１″〜１３ａ３″にして、それぞれ平行並走するように配置にした構成としている。
【００８５】
ここで、図９に示す円筒形状のブスバー１３ａ１″、１３ａ３″の端は、冷却片１２Ａに冷却媒体、例えば水を排水するための配管１２ａをパワーモジュール本体の母管（図１２）に接続するため、および第１，第２，第３，第４のＩＥＧＴ１７，１８，１９，２０のゲートリード線１７１．１８１を接続するために、半円形状にしている。
【００８６】
なお、前述では、冷却片１２Ａとブスバー１３ａ１′、１３ａ３″との間の電気的な絶縁としては、空気絶縁を行なっているが、前述した図６および図７に示す第２および第３の実施例の形態と同様に、冷却片１２Ａとブスバー１３ａ１′、１３ａ３″との間に絶縁板を挿入するか、ブスバー１３ａ１′、１３ａ３″に直接絶縁被覆を施すようにしてもよい。
【００８７】
これは、装置の要求するインダクタンス、および耐絶縁電圧定格により使い分けることができる。
【００８８】
次に、以上のように構成した本実施の形態による半導体スタック２２においては、前述した素子のペレットおよび電極は円筒形状であり、流れる電流は円筒の周囲を流れるため、隣接する冷却片１２Ａおよびブスバーブスバー１３ａ１′、１３ａ３″の形状も円筒形状にすることにより、各ＮＰＣ通電モードに対する低インダクタンス化に対して、より一層の効果を得ることができる。
【００８９】
上述したように、本実施の形態の半導体スタック２２を備えた３レベルＮＰＣ電力変換装置では、前述した第１乃至第５の実施の形態と比較して、より一層の低インダクタンス化を図ることが可能となる。
【００９０】
（第６の実施の形態：請求項９に対応）
図１０は、本実施の形態による３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す断面図（図２のＡ−Ａ断面相当）であり、図１乃至図７と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００９１】
すなわち、本実施の形態の半導体スタック２２は、図１０に示すように、前述した第１乃至第３の実施の形態における、第１のＩＥＧＴ１７と第２のＩＥＧＴ１８との間、および第３のＩＥＧＴ１８と第４のＩＥＧＴ１９との間をそれぞれ電気的に絶縁する絶縁物２１、および冷却片１２の面とブスバー１３Ａ、１３ａ１〜１３ａ３との間を電気的に絶縁する絶縁板２３とを兼用する絶縁板２３ａを挿入した構成としている。
【００９２】
なお、第２のＩＥＧＴ１９と第３のＩＥＧＴ２０との間の絶縁板１３ａについても、同一形状、構成であるので、ここではその図示および説明を省略する。
【００９３】
次に、以上のように構成した本実施の形態による半導体スタック２２においては、第１のＩＥＧＴ１７と第２のＩＥＧＴ１８との間、および第３のＩＥＧＴ１８と第４のＩＥＧＴ１９との間をそれぞれ電気的に絶縁する絶縁物２１、および冷却片１２の面とブスバー１３Ａ、１３ａ１〜１３ａ３との間を電気的に絶縁する絶縁板２３とを兼用する絶縁板２３ａを挿入していることにより、プラスおよびマイナス通電モードにおいて、ＩＥＧＴ間を接続するブスバーを最短にすることができるため、低インダクタンスのループ長および面積を実現することができ、前述した第１乃至第３の実施の形態と比較して、より一層の低インダクタンス化を図ることができる。また、絶縁部材の種類も削減することができる。
【００９４】
上述したように、本実施の形態の半導体スタック２２を備えた３レベルＮＰＣ電力変換装置では、前述した第１乃至第３の実施の形態と比較して、より一層の低インダクタンス化を図ることができ、さらに絶縁部材の種類も削減することが可能となる。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電力変換装置によれば、ブスバーに電流が打ち消し合う方向に流れ、かつその配線長および配線ループ面積を最小に実現することができるため、各ＮＰＣ通電モードに対する低インダクタンス化に対して、より一層の効果を得ることが可能となる。
【００９６】
これにより、ＮＰＣの通電モードによるスイッチング素子に加わるサージ電圧を抑制することができ、スナバーレス化が可能となり、装置の低価格化、コンパクト化に大きく寄与し、部品点数も少なく、高信頼性の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】本発明による３レベルＮＰＣ電力変換装置の第１の実施の形態を示す回路図。
【図２】同第１の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す概要図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図。
【図４】同第１の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置におけるプラス出力の動作モードを示す図。
【図５】同第１の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置における零出力の動作モードを示す図。
【図６】本発明の第２の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す概要図。
【図７】本発明の第３の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す概要図。
【図８】本発明の第４の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す概要図。
【図９】本発明の第５の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す概要図。
【図１０】本発明の第６の実施の形態の３レベルＮＰＣ電力変換装置における半導体スタックの実装構成例を示す概要図。
【図１１】従来の３レベルＮＰＣ電力変換装置の主回路構成例を示す回路図。
【図１２】従来の３レベルＮＰＣ電力変換装置の主回路を実装するパワーモジュールユニットの実装構成例を示す概要図である。
【符号の説明】
１…平滑コンデンサ
２，３，４，５…ＧＴＯ素子
６，７…結合ダイオード
８，９，１０，１１…フライホイールダイオード
１２，１２Ａ…冷却片
１２ａ…配管
１３Ａ，１３Ｐ，１３Ｎ，１３ａ１〜１３ａ４，１３ａ１′…ブスバー
１３Ａ′，１３Ｐ′，１３Ｎ′，１３ａ１′〜１３ａ４′，１３Ａ″，１３Ｐ″，１一３Ｎ″，１３ａ１″〜１３ａ４″…幅広ブスバー
１４，２２…半導体スタック
１５…母管
１６…パワーモジュール
１７〜２０…ＩＥＧＴ
１７１〜２０１…ＩＥＧＴのゲートリード線
２１…絶縁物
２３…絶縁板
２４…絶縁被覆。
Claims (9)
- 直流電源の正極電位と負極電位との間に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ダイオードとを有する第１，第２，第３，第４の半導体素子の直列回路を接続し、前記第２の半導体素子と第３の半導体素子との接続点から交流端子を導出し、かつ前記第１の半導体素子と第２の半導体素子との接続点と前記直流電源の中間電位点との間および前記第３の半導体素子と第４の半導体素子との接続点と前記直流電源の中間電位点との間に第１の結合ダイオードおよび第２の結合ダイオードを接続し、
前記第１の結合ダイオードと第２の結合ダイオードの一端に接する導体を境にして、正極側には前記第１の結合ダイオード、前記第１，第２の半導体素子を冷却片及び絶縁物を介して配置し、負極側には前記第２の結合ダイオード、前記第３．第４の半導体素子を冷却片及び絶縁物を介して配置し、前記第１，第２，第３，第４の半導体素子、前記第１，第２の結合ダイオード、前記冷却片および前記絶縁物を一括で締結したことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１に記載の電力変換装置において、
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ダイオードとを有する第１，第２，第３，第４の半導体素子を使用し、前記第１の結合ダイオードと第２の結合ダイオードの一端に接する冷却片または導体を境にして、正極側には前記第１の結合ダイオード、前記第２の半導体素子を冷却片を介して隣接配置し、負極側には前記第２の結合ダイオード、前記第３の半導体素子を冷却片を介して隣接配置し、
前記第１の半導体素子と第２の半導体素子との間および前記第３の半導体素子と第４の半導体素子との間に、冷却片を介して絶縁物を配置し、前記第１，第２，第３，第４の半導体素子、前記第１，第２の結合ダイオード、前記冷却片および前記絶縁物を一括で締結したことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
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ダイオードとを有する第１，第２，第３，第４の半導体素子および前記第１，第２の結合ダイオードを冷却する冷却片の圧接する面と直角になる冷却片の面に面して、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子との間、前記第３の半導体素子と前記第４の半導体素子との間、前記第１の結合ダイオードと第２の半導体素子との間、前記第２の結合ダイオードと前記第３の半導体素子との間をそれぞれ接続するブスバーを平行並走するように配置したことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記冷却片、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ダイオードとを有する第１，第２，第３，第４の半導体素子および前記第１，第２の結合ダイオードを接続するブスバーを幅広形状にし、かつ平行並走するように配置したことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
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ダイオードとを有する第１，第２，第３，第４の半導体素子および前記第１，第２の結合ダイオードを冷却する冷却片とブスバーとの間に、電気的に絶縁する絶縁板を挿入したことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記ブスバーに、電気的に絶縁する絶縁被覆を施したことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
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ダイオードとを有する第１，第２，第３，第４の半導体素子および前記第１，第２の結合ダイオードを冷却する冷却片の圧接する面と直角になる冷却片の複数面に面して、幅広にしたブスバーを、前記第１，第２，第３，第４の半導体素子および前記第１，第２の結合ダイオードを冷却する冷却片に平行並走するように配置したことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
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ダイオードとを有する第１，第２，第３，第４の半導体素子および前記第１，第２の結合ダイオードを冷却する冷却片を円筒形状にし、その圧接する面と直角になる冷却片の面に対して、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子との間、前記第３の半導体素子と前記第４の半導体素子との間、前記第１の結合ダイオードと第２の半導体素子との間、前記第２の結合ダイオードと前記第３の半導体素子との間をそれぞれ接続するブスバーの形状を、前記冷却片の円筒形状に沿った円筒形状にしてそれぞれ平行並走するように配置したことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
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ダイオードとを有する第１，第２，第３，第４の半導体素子を使用し、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子との間および前記第３の半導体素子と前記第４の半導体素子との間をそれぞれ電気的に絶縁する絶縁物、および前記冷却片の面とブスバーとの間に挿入する絶縁板を兼用するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
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