JP3621659B2 - 電力変換システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自己消弧型半導体素子を用いた半導体電力変換装置から構成される電力変換システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の代表的な自己消弧型半導体素子としては、ゲート電圧駆動型に区分される絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（いわゆるＩＧＢＴ）や電子注入促進型トランジスタ（いわゆるＩＥＧＴ）、あるいはゲート電流駆動型に区分されるゲート転流型ターンオフサイリスタ（いわゆるＧＣＴ）がある。これらの自己消弧型半導体素子は逆並列接続されたダイオードとともに同一パッケージに納められて逆導通機能を持たせた場合には、しばしば逆導通型パワーデバイスと呼ばれる。
【０００３】
例えば、ＩＥＧＴについてはＥＰＥ’９９−Ｌａｕｓａｎｎｅ「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ（４．５ｋＶ，４ｋＡ ｔｕｒｎ−ｏｆｆ）ＩＥＧＴ」に記載されているように、ＩＥＧＴチップとダイオードチップが同一パッケージ内に複数個納められて、１つの逆導通型パワーデバイスとして使用することができる。ここで記載されたコレクタ電流１．５ｋＡのＩＥＧＴは、１つのパッケージに収納される全チップ数は４２個であり、内訳はＩＥＧＴチップが３０個、ダイオードチップが１２個である。
【０００４】
また、東芝レビュー Ｖｏｌ．５５， Ｎｏ．７，２０００「パワーエレクトロニクス用大容量ＩＥＧＴ」には、前述したＩＥＧＴとはパッケージの外形寸法が異なるコレクタ電流７５０ＡのＩＥＧＴが記載されている。
１つのパッケージに収納される全チップ数は２１個であり、内訳はＩＥＧＴチップが１５個、ダイオードチップが６個である。これらはパッケージ内に収納される全チップ数を変えることによってコレクタ電流を異ならせている。ＩＥＧＴを用いた半導体電力変換装置は、東芝レビュー Ｖｏｌ．５５， Ｎｏ．７，２０００「ＩＥＧＴを適用した産業用大容量インバータ」において、定格容量８ＭＶＡの３レベルインバータが記載されている。
【０００５】
一方、ＧＣＴについては、ＡＢＢ Ｒｅｖｉｅｗ ５／１９９８「ＩＧＣＴ−ａ ｎｅｗ ｅｍｅｒｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ， ｌｏｗ−ｃｏｓｔ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ」に記載されているように、同一シリコンウェーハ上にＧＣＴ領域とダイオード領域が形成されて１つのパッケージに納められた逆導通型パワーデバイスが製品化されている。ここではパッケージの外形寸法が異なる３つのＧＣＴが記載されており、これらはパッケージ内に収納されるシリコンウェーハの面積を変えることによって可制御オン電流を異ならせている。
【０００６】
また、順変換する電力が逆変換する電力よりも大きい半導体電力変換装置と順変換する電力が逆変換する電力よりも小さい半導体電力変換装置とを直流コンデンサを介して並列に接続された図１５に示す電力変換システムが、特開昭６１−２８８７８０号公報に開示されている。
【０００７】
ここに、順変換とは交流から直流への電力変換であり、逆変換とは直流から交流への電力変換であると定義する。
図１５において、２４は単相コンバータ、２５は３相インバータ、２６は直流コンデンサ、２７は単相交流電源、２８は誘導電動機である。
順変換する電力が逆変換する電力よりも大きい半導体電力変換装置には、並列接続された２台の単相コンバータ２４が適用され、順変換する電力が逆変換する電力よりも小さい半導体電力変換装置には、３相インバータ２５が適用されている。また、２台の単相コンバータ２４と３相インバータ２５は直流コンデンサ２６を介して並列に接続され、単相コンバータ２４の出力端子には単相交流電源２７が接続されている。
【０００８】
３相インバータ２５の出力端子には、例えば電気車両を駆動するための誘導電動機２８が接続されている。誘導電動機２８を力行運転する場合には、２台の単相コンバータ２４は順変換運転され、３相インバータ２５は逆変換運転される。この場合には、単相コンバータ２４は、誘導電動機２８の駆動電力と全ての半導体電力変換装置２４、２５の電力損失を単相交流電源２７から入力する必要がある。
【０００９】
また、誘導電動機２８を回生運転する場合には、３相インバータ２５は順変換運転され、２台の単相コンバータ２４は逆変換運転される。力行運転における単相コンバータ２４の順変換電力に比べて回生運転における３相インバータ２５の順変換電力は必ず小さくなる。これは半導体電力変換装置２４、２５における電力損失と誘導電動機２８における電力損失が存在することと、誘導電動機２８において力行電力は回生電力より小さいことに起因する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の逆導通型パワーデバイスについて、ある同じ大きさのパッケージに収納されている場合には、唯一つのコレクタ電流あるいは可制御オン電流を持つものしか存在しなかった。例えばＩＥＧＴでは全チップ数に対するＩＥＧＴチップ数とダイオードチップ数は決められており、またＧＣＴではシリコンウェーハの総面積に対するＧＣＴ領域とダイオード領域の占有率も決められていた。
【００１１】
従って、半導体電力変換装置を、同じ電極面積を有するパッケージを持つ逆導通型パワーデバイスを用いて構成する限り、唯一の順変換可能電力と逆変換可能電力しか持ち得なかった。つまり、従来の逆導通型パワーデバイスを用いて異なる順変換可能電力と逆変換可能電力を備えた半導体電力変換装置を構成するためには、電極面積が異なるパッケージに収納されてコレクタ電流あるいは可制御オン電流が異なる逆導通型パワーデバイスを適用する必要があった。
また、異なる冷却片を用いて電極面積が異なる逆導通型パワーデバイスを冷却しなければならなかったので、物理的に同じ構造を適用して半導体電力変換装置を構成することができず、電力変換システムのコストが増加する問題があった。
【００１２】
また、従来の逆導通型パワーデバイスを用いた半導体電力変換装置により電動機を駆動する場合には、駆動可能な電動機の最大容量が低減される問題がある。
ここで、同じ電極面積を有するパッケージを持つ逆導通型パワーデバイスを用いた３相半導体電力変換装置を直流コンデンサを介して２台並列に接続し、１台は交流電源に接続され、他の１台は電動機に接続される構成をもつ電動機の可変速駆動装置として用いられる電力変換システムを引用しながら、この問題について詳述する。
【００１３】
電動機が力行運転する場合には、交流電源が接続される半導体電力変換装置は、電動機に接続されている半導体電力変換装置が逆変換する電力と２台の半導体電力変換装置の電力損失との総電力を交流電源から順変換して供給する必要がある。この力行運転では、電動機が接続されている半導体電力変換装置を構成する逆導通型パワーデバイスにおける自己消弧型半導体素子とダイオードとの通流率をみると自己消弧型半導体素子の通流率の方が大きくなり、交流電源が接続されている半導体電力変換装置を構成する逆導通型パワーデバイスにおける自己消弧型半導体素子とダイオードとの通流率をみるとダイオードの通流率の方が大きくなる。
【００１４】
これは、交流電源に接続されている半導体電力変換装置は順変換、即ちダイオード整流器に近い運転状態に置かれることから類推できる。この電力変換システムによって駆動可能な電動機の容量は、交流電源に接続されている半導体電力変換装置の装置容量の順変換可能電力によって制限される。
従って、従来の自己消弧型半導体素子とダイオードの占有率が一つのパッケージに対して決まっている逆導通型パワーデバイスを用いた場合には、可変速駆動可能な電動機容量が低減する問題があった。
【００１５】
この問題を解決するための従来の方法として、電動機に接続される半導体電力変換装置を３相構成とし、交流電源に接続される半導体電力変換装置を単相かつ並列多重とする回路構成の適用がある。この構成により、電動機に接続される半導体電力変換装置の逆変換可能電力よりも交流電源に接続される半導体電力変換装置の順変換可能電力を大きくできる。なぜなら、逆導通型パワーデバイスの最低限必要な個数が、電動機に接続される半導体電力変換装置については６個であり、交流電源に接続される半導体電力変換装置については８個となるためである。
【００１６】
このような従来の技術では、交流電源に接続される半導体電力変換装置に使用される逆導通型パワーデバイスの個数が電動機に接続される半導体電力変換装置に使用される逆導通型パワーデバイスの個数に比べて増加する問題があるばかりでなく、回路構成が異なる半導体電力変換装置を用いなければならないために同じ部品が適用できないことから、電力変換システムの製造コストが増加する問題があった。
【００１７】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができ、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能とするとともに、回路構成を同一とすることにより電力変換システムの製品コストを低減することのできる電力変換システムを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電力変換システムは、直流コンデンサと冷却片により冷却される複数のパワーデバイスから構成されて負荷に接続される出力端子を有する少なくとも複数の半導体電力変換装置を有し、前記直流コンデンサを介して前記複数の半導体電力変換装置が並列に接続される電力変換システムにおいて、前記各パワーデバイスは、自己消弧型半導体素子と前記自己消弧型半導体素子に逆並列接続されるダイオードとを構成要素として備え、前記各半導体電力変換装置は全て同一の回路構成を有し、前記直流コンデンサを介して接続される各半導体電力変換装置のうち少なくとも１つの半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスは、他の半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスと少なくとも電極面積が等しいパッケージに収納され、同一の電流を流した場合に発生熱量が異なる特性を有するものである。
【００２０】
また、前記直流コンデンサを介して接続される各半導体電力変換装置のうち少なくとも１つの半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスの構成要素である自己消弧型半導体素子と、前記自己消弧型半導体素子に逆並列接続されるダイオードとの占有面積を総占有面積とした場合の前記自己消弧型半導体素子の占有率を、他の半導体電力変換装置における前記自己消弧型半導体素子の占有率と異ならせたものである。
【００２１】
また、前記各半導体電力変換装置のうち、順変換する電力が逆変換する電力よりも大きい半導体電力変換装置に適用されるパワーデバイスの前記自己消弧型半導体素子の占有率が、逆変換する電力が順変換する電力よりも大きい半導体電力変換装置に適用されるパワーデバイスの前記自己消弧型半導体素子の占有率に比べて小さくしたものである。
【００２２】
また、前記各半導体電力変換装置のうち、前記自己消弧型半導体素子の占有率が小さいパワーデバイスから構成される半導体電力変換装置は交流電源に接続し、前記自己消弧型半導体素子の占有率が大きいパワーデバイスから構成される半導体電力変換装置は電動機に接続したものである。
【００２３】
また、前記各パワーデバイスは、複数の自己消弧型半導体素子チップと複数のダイオードチップとを構成要素とした総チップ数が同一なものとし、前記直流コンデンサを介して接続される各半導体電力変換装置のうち少なくとも１つの半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスの前記自己消弧型半導体素子チップと前記ダイオードチップとの総チップ数に対する前記自己消弧型半導体素子チップ数の占有率を、他の半導体電力変換装置における前記自己消弧型半導体素子チップ数の占有率と異ならせたものである。
【００２４】
また、前記各パワーデバイスは、同一面積を有する半導体ウェーハ上に自己消弧型半導体素子領域と、ダイオード領域と、前記自己消弧型半導体素子領域と前記ダイオード領域とを分離する分離帯と、ゲート領域とを有しており、前記直流コンデンサを介して接続される各半導体電力変換装置のうち少なくとも１つの半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスの前記自己消弧型半導体素子領域と前記ダイオード領域との総占有面積に対する前記自己消弧型半導体素子領域の占有率と、他の半導体電力変換装置における前記自己消弧型半導体素子領域の占有率とを異ならせたものである。
【００２５】
また、前記パワーデバイスの自己消弧型半導体素子チップは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、または電子注入促進型トランジスタとしたものである。
【００２６】
また、前記パワーデバイスの自己消弧型半導体素子領域は、ゲート転流型ターンオフサイリスタとしたものである。
【００２７】
また、前記パワーデバイスのダイオードチップは、シリコンカーバイトダイオードチップとしたものである。
【００２８】
また、前記少なくとも複数の半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスは、少なくとも同一外形を有する冷却片により冷却されるものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電力変換システムを示す構成図である。図１において、１は図示しない交流電源に接続される半導体電力変換装置、２は図示しない電動機に接続される半導体電力変換装置、３は半導体電力変換装置１と半導体電力変換装置２を並列接続するための直流コンデンサ、４は交流電源に接続される端子、５は電動機に接続される端子である。
【００３０】
半導体電力変換装置１について、６は逆導通型パワーデバイス、７は自己消弧型半導体素子の一例としてのＩＥＧＴ、８はダイオードであって、ＩＥＧＴ７に逆並列にダイオード８が接続されている。半導体電力変換装置２について、９は逆導通型パワーデバイス、１０は自己消弧型半導体素子の一例としてのＩＥＧＴ、１１はダイオードであって、ＩＥＧＴ１０に逆並列にダイオード１１が接続されている。
【００３１】
図２は逆導通型パワーデバイス６のパッケージ内部のチップ配列を、図３は逆導通型パワーデバイス９のパッケージ内部のチップ配列を示した図である。逆導通型パワーデバイス６についてはＩＥＧＴのチップ７の数を２６個、ダイオードチップ８の数を１６個とし、全チップ数を４２個とする。また逆導通型パワーデバイス９については、ＩＥＧＴのチップ１０の数を３０個、ダイオードチップ１１の数を１２個とし、全チップ数を逆導通型パワーデバイス６と同じ４２個とする。全チップ数を同一とすることによって、逆導通型パワーデバイス６と逆導通型パワーデバイス９は電極面積が等しいパッケージに収納することができる。
【００３２】
図４、図５には逆導通型パワーデバイス６の導通電流に対するスイッチング損失特性とオン電圧特性を示す。図６、図７には逆導通型パワーデバイス６に用いられている個々のチップ特性から導き出される逆導通型パワーデバイス９の導通電流に対するスイッチング損失特性とオン電圧特性を示す。図中、ＥｏｆｆはＩＥＧＴのターンオフ損失、ＥｏｎはＩＥＧＴのターンオン損失、Ｅｒｅｃはダイオードの逆回復損失である。また、Ｉｆ−ＶｆはＩＥＧＴのオン電圧特性であり、Ｉｒ−Ｖｒはダイオードのオン電圧特性である。
例えば、順方向電流が１５００Ａの場合、逆導通型パワーデバイス６は４．９Ｖ（図５．Ｉｆ−Ｖｆ参照）、逆導通型パワーデバイス９は４．５Ｖ（図７．Ｉｆ−Ｖｆ参照）のＯＮ電圧を示す。また、逆方向電流が１５００Ａの場合、逆導通型パワーデバイス６は３．６Ｖ（図５．Ｉｒ−Ｖｒ参照）、逆導通型パワーデバイス９は４．２Ｖ（図７．Ｉｒ−Ｖｒ参照）のＯＮ電圧を示す。
特に、図５と図７に顕著に示されているような異なったオン電圧を持たせることによって、同じ電流を逆導通型パワーデバイス６と逆導通型パワーデバイス９に流した場合には、発生熱量を異ならせることができる。
【００３３】
図８は、逆導通型パワーデバイス６，１０をヒートシンクなどの冷却片を用いて水冷冷却する場合を仮定し、逆導通型パワーデバイス６，１０の接合温度の冷却水の温度からの上昇温度に対する半導体電力変換装置１，２の順変換可能電力と逆変換可能電力の計算結果をグラフで図示している。計算条件としては、直流電圧２．７ｋＶ、交流電圧３．３ｋＶｒｍｓ、スイッチング周波数２５０Ｈｚを使用した。
【００３４】
水温からの接合温度上昇を８５度許容した場合において、逆導通型パワーデバイス６から構成される半導体電力変換装置１の順変換可能電力の最大値は６ＭＶＡ程度であり、逆変換可能電力の最大値は５ＭＶＡ程度である。一方、逆導通型パワーデバイス９から構成される半導体電力変換装置２の順変換可能電力の最大値は４．５ＭＶＡ程度であり、逆変換可能電力の最大値は５．５ＭＶＡ程度となる。
【００３５】
電動機が力行運転の場合には、半導体電力変換装置１は順変換動作、半導体電力変換装置２は逆変換動作となる。図８から理解できることは、力行運転の場合には半導体電力変換装置１の順変換可能電力の最大値６ＭＶＡは、半導体電力変換装置２の逆変換可能電力の最大値５．５ＭＶＡを越えることができるということである。従来のように、例えば逆導通パワーデバイス９のみを用いて半導体電力変換装置１および２を構成した場合には、順変換可能電力の最大値は４．５ＭＶＡとなり、逆変換可能電力の最大値５．５ＭＶＡを超えることができない。
【００３６】
従って、半導体電力変換装置１の順変換可能電力の最大値４．５ＭＶＡによって逆変換電力容量が抑えられる。たとえ半導体電力変換装置２の逆変換可能電力の最大値が５．５ＭＶＡ程度あったとしても、その特性を十分に活かすことができない。つまり、可変速駆動可能な電動機の容量が低減されることになる。
【００３７】
このように、同一パッケージに収納されてはいるが、自己消弧型半導体素子７とダイオード８の総面積に対する自己消弧型半導体素子７の占有率を、自己消弧型半導体素子１０とダイオード１１の総面積に対する自己消弧型半導体素子１０の占有率を異ならせた逆導通型パワーデバイスを使用して、交流電源に接続されて逆変換電力容量が必要な半導体電力変換装置１には自己消弧型半導体素子７の占有率が低い逆導通型パワーデバイス６を適用し、電動機に接続されて逆変換電力容量が必要な半導体電力変換装置２には自己消弧型半導体素子１０の占有率が高い逆導通型パワーデバイス９を適用することによって、より大きな電動機を駆動することができる。
【００３８】
なお、電動機を駆動する場合には、回転速度を制動すると電動機に交流逆起電力が生じ、回生電力が半導体電力変換装置２に入力される。この回生電力は、通常、電動機の力行運転に必要な電力よりも小さい。従って、図８において半導体電力変換装置２の順変換可能電力の最大値４．５ＭＶＡが、半導体電力変換装置１の逆変換可能電力の最大値５ＭＶＡより小さいけれども実用上の問題は生じない。
【００３９】
実施の形態２．
図９は図１に示した本実施の形態１に係る電力変換システムにおける半導体電力変換装置１の逆導通型パワーデバイスの自己消弧型半導体素子領域とダイオード領域との総占有面積に対する前記自己消弧型半導体素子領域の占有率と、他の半導体電力変換装置２の逆導通型パワーデバイスにおける前記自己消弧型半導体素子領域の占有率とを異ならせた電力変換システムの構成図である。
図９において、半導体電力変換装置１について、１２は逆導通型パワーデバイス、１３は自己消弧型半導体素子としてのＧＣＴ、１４はダイオードであって、ＧＣＴ１３に逆並列にダイオード１４が接続されている。半導体電力変換装置２について、１５は逆導通型パワーデバイス、１６は自己消弧型半導体素子としてのＧＣＴ、１７はダイオードであって、ＧＣＴ１６に逆並列にダイオード１７が接続されている。
【００４０】
図１０は逆導通型パワーデバイス１２のパッケージ内部のウェーハを、図１１は逆導通型パワーデバイス１５のパッケージ内部のウェーハを示した図である。図において、１８はゲート領域、１９はＧＣＴ領域とダイオード領域との分離帯である。
逆導通型パワーデバイス１２については、例えばＧＣＴ領域１３を７０％、ダイオード領域１４を３０％とし、逆導通型パワーデバイス１５については、ＧＣＴ領域１６を６０％、ダイオード領域１７を４０％としている。ウェーハの総面積を同一とすることによって、逆導通型パワーデバイス１２と逆導通型パワーデバイス１５を電極面積が等しいパッケージに収納することができる。
【００４１】
ＩＥＧＴの場合について前述したことから類推できるように、図１０と図１１に示す逆導通型パワーデバイス１２，１５は同一パッケージに収納されてはいるが、異なるスイッチング損失特性とオン電圧特性を示すことができる。このように異なる特性を持たせることによって、同じ電流を逆導通型パワーデバイス１２と逆導通型パワーデバイス１５に流した場合には、発生熱量を異ならせることができる。
【００４２】
したがって、同一パッケージに収納されてはいるが、自己消弧型半導体素子１３とダイオード１４の総面積に対する自己消弧型半導体素子１３の占有率を、自己消弧型半導体素子１６とダイオード１７の総面積に対する自己消弧型半導体素子１６の占有率と異ならせた逆導通型パワーデバイスを適用して、交流電源に接続されて逆変換電力容量が必要な半導体電力変換装置１には自己消弧型半導体素子１３の占有率が低い逆導通型パワーデバイス１２を適用し、例えば電動機に接続されて逆変換電力容量が必要な半導体電力変換装置２には自己消弧型半導体素子１６の占有率が高い逆導通型パワーデバイス１５を適用することによって、より大きな電動機を駆動することができる。
【００４３】
以上のように、上記実施の形態１および２では、図２，図３にゲート電圧駆動型の逆導通型パワーデバイスの一例としてＩＥＧＴを、また図１０，図１１にゲート電流駆動型の逆導通型パワーデバイスの一例としてＧＣＴを示すことによって本発明を説明した。
また、説明の便宜上から具体的なＩＥＧＴチップやダイオードチップの個数やＧＣＴ領域やダイオード領域の面積などについて定量的数値を用いたが、本発明はこれら説明の中で用いた数値に限定されるものではない。
【００４４】
例えば、スイッチング損失特性やオン電圧特性自体が異なれば、チップ数や面積などの変更が当然のことながら必要となる。また、電極の形状が円ではなく正方形などの別の形状であっても、同じ電極面積を持つパッケージに収められて、同一の電流を流した場合に発生熱量が異なる逆導通型パワーデバイスを用いて半導体電力変換装置を構成することによって、本発明の目的を達成することができる。更に、モジュール型ＩＧＢＴについても、複数のＩＧＢＴチップとダイオードチップを備えていることから、本発明を適用することには何ら問題がないし、同等の効果が得られることは言うまでもない。
【００４５】
実施の形態３．
上記実施の形態１で述べたように、半導体電力変換装置１および２に適用するパワーデバイス６および９の許容接合温度を等しく設計することにより、半導体電力変換装置１および２に電極面積が等しいパッケージに収納されてはいるが、同一の電流を流した場合に発生熱量が異なる逆導通型パワーデバイスを使用した場合に、同じ冷却片（ヒートシンク）を用いることが可能となる。
【００４６】
図１２は本実施の形態３に係る電力変換システムの具体的な外観構成を示しており、図において、２０は加圧用構造体、２１は冷却片である。
逆導通型パワーデバイス６は冷却片２１により冷却される。逆導通型パワーデバイス６は逆導通型パワーデバイス９と同じ電極面積を持つことから、それらは単純に置換することができる。全く同一の冷却片２１を用いることができることから、例えば図１の半導体電力変換装置１，２を、順逆変換容量を異ならせても全く同じ部品を使うことができる共用可能な構造によって実現することができる。
【００４７】
なお、図１２においては、ゲート駆動回路、スナバ回路などの周辺回路は省略している。
【００４８】
実施の形態４．
図１では直流コンデンサに２台の半導体電力変換装置１，２が並列接続された電力変換システムを示したが、更なる大容量化の要求に応えるためには、その並列接続数を増加することが考えられる。
図１３には限流リアクトル２２を介して２台の半導体電力変換装置１，２を並列に接続し、直流コンデンサ３には合計４台の半導体電力変換装置１，２が並列に接続された電力変換システムを示している。半導体電力変換装置１，２の並列接続数は必要な電力容量に応じて増減が可能である。このような場合においても、例えば実施の形態１または２において説明した本発明から得られる効果は同等である。
【００４９】
実施の形態５．
図２，図３で示したように、本実施の形態１〜４における逆導通型パワーデバイスについて、現時点ではダイオードチップ７，１０には、シリコンダイオードが用いられるのが一般的である。しかしながら、ダイオードチップ７，１０を特にシリコンカーバイドダイオードを用いることによって、低損失化を図ることができる。このシリコンカーバイドダイオードの低損失特性を活かすことによって、ダイオードチップ数の低減が可能となる。つまり、自己消弧型半導体素子チップ７，１０の総チップ数に対する占有率を、現状のシリコンダイオードを用いている場合よりも大きく異ならせることができる。
従って、より容量の大きな電動機を駆動することができるという本発明の効果をより顕著なものとすることができる。
【００５０】
実施の形態６．
上記実施の形態１および実施の形態３では、半導体電力変換装置１，２を各相の出力端子４，５に直流電源の２レベルを出力できる２レベル電力変換装置を用いた。これは最も普及している回路構成を用いることによって発明の普遍性を示すという意図によるものである。つまり半導体電力変換装置１，２の回路構成は２レベル電力変換装置に限定される必要はなく、例えば図１４に示す各相の出力端子４に直流電源の３レベルを出力できる３レベル電力変換装置にも適用できる。この場合には、各相に２つのクランプダイオード２３が追加的に必要となり、直流コンデンサ３は分割されて３つのレベルの電位を形成する。
【００５１】
また、２レベル電力変換装置であっても逆導通型パワーデバイスの直列接続が適用されたものなどにも広く適用することが可能である。即ち、本発明は半導体電力変換装置１、２の回路構成を特に限定するものでは決してない。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る電力変換システムによれば、各パワーデバイスは、自己消弧型半導体素子と前記自己消弧型半導体素子に逆並列接続されるダイオードとを構成要素として備え、前記各半導体電力変換装置は全て同一の回路構成を有し、各々の半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスは、他の半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスとは異なる特性を有する構成したので、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができる。従って、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能となるとともに、回路構成を同一とすることにより電力変換システムの製品コストが低減できる。
【００５３】
また、少なくとも電極面積が等しいパッケージに収納されてはいるが、同一の電流を流した場合に発生熱量が異なるパワーデバイスにより半導体電力変換装置を構成したので、同一のパッケージに収納されたパワーデバイスを適用しながら直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができる。従って、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能となるとともに、パワーデバイスのパッケージを同一とすることにより半導体電力変換装置の、ひいては電力変換システムの製品コストが低減できる。
【００５４】
また、各半導体電力変換装置に用いられるパワーデバイスの構成要素である自己消弧型半導体素子と、前記自己消弧型半導体素子に逆並列接続されるダイオードとの占有面積を総占有面積とした場合の前記自己消弧型半導体素子の占有率を、他の半導体電力変換装置における前記自己消弧型半導体素子の占有率と異ならせたことにより、スイッチング特性やオン電圧特性を異ならせるが同一パッケージに収められるパワーデバイスを用いて半導体電力変換装置を構成したので、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができる。従って、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能となるとともに、パワーデバイスのパッケージを同一とすることにより半導体電力変換装置の、ひいては電力変換システムの製品コストが低減できる。
【００５５】
また、自己消弧型半導体素子の占有率が大きいパワーデバイスを用いて、順変換される電力が逆変換される電力よりも大きくなる半導体電力変換装置を構成するので、電力変換システムの駆動可能な負荷として、例えば、電動機を大容量化することができる。
【００５６】
また、複数の自己消弧型半導体素子チップと複数のダイオードチップから構成されており、自己消弧型半導体素子チップの総チップ数に対する占有率を異ならせたパワーデバイスを用いて半導体電力変換装置を構成したので、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができる。従って、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能となる。また、チップ自体は同じ特性を有するものを適用することにより、半導体電力変換装置ひいては電力変換システムの製品コストを低減できる。
【００５７】
また、同一半導体ウェーハ上に自己消弧型半導体素子領域とダイオード領域と自己消弧型半導体素子領域とダイオード領域との分離帯とゲート領域を形成し、自己消弧型半導体素子領域の総有効面積に対する占有率を異ならせたパワーデバイスを用いて半導体電力変換装置を構成したので、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせるごとができる。従って、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能となる。
【００５８】
また、複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタチップまたは電子注入促進型トランジスタチップと複数のダイオードチップから構成されており、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタチップまたは電子注入促進型トランジスタチップの総チップ数に対する占有率を異ならせたパワーデバイスを用いて半導体電力変換装置を構成したので、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができる。従って、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能となる。また、チップ自体は同じ特性をもつものを適用することにより半導体電力変換装置の、ひいては電力変換システムの製品コストを低減できる。
【００５９】
また、同一ウェーハ上に形成されるゲート転流型ターンオフサイリスタ領域とダイオード領域の総有効面積に対するゲート転流型ターンオフサイリスタ領域の占有率を異ならせたパワーデバイスを用いて半導体電力変換装置を構成したので、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができる。従って、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能となる。
【００６０】
また、複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタチップまたは電子注入促進型トランジスタチップと複数のシリコンカーバイドダイオードチップから構成されたパワーデバイスを用いて半導体電力変換装置を構成したので、半導体電力変換装置を、ひいては電力変換システムを低損失化できる。
【００６１】
また、半導体電力変換装置を構成する全てのパワーデバイスを同じ冷却片（ヒートシンク）によって冷却したので、同じ構成部品を用いて順変換容量や逆変換容量が異なる半導体電力変換装置を製造可能となる。従って、半導体電力変換装置の、ひいては電力変換システムの製品コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力変換システムの回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る逆導通型パワーデバイスを示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る逆導通型パワーデバイスを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る逆導通型パワーデバイスの特性を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る逆導通型パワーデバイスの特性を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る逆導通型パワーデバイスの特性を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る逆導通型パワーデバイスの特性を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る半導体電力変換装置の順逆変換電力容量を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る電力変換システムの回路図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る逆導通型パワーデバイスを示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る逆導通型パワーデバイスを示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る圧接構造体に組込んだスタック構造を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態４に係る電力変換システムの回路図である。
【図１４】本発明の実施の形態６に係る３レベル電力変換装置を用いた電力変換システムの回路図である。
【図１５】従来の電力変換システムの回路図である。
【符号の説明】
１ 半導体電力変換装置、２ 半導体電力変換装置、３ 直流コンデンサ、４出力端子、５ 出力端子、６ 逆導通型パワーデバイス、７ 自己消弧型半導体素子、８ ダイオード、９ 逆導通型パワーデバイス、１０ 自己消弧型半導体素子、１１ ダイオード、１２ 逆導通型パワーデバイス、１３ ＧＣＴ領域、１４ ダイオード領域、１５ 逆導通型パワーデバイス、１６ ＧＣＴ領域、１７ ダイオード領域、１８ ゲート領域、１９ 分離体、２０ 加圧用構造体、２１ 冷却片、２２ 限流リアクトル、２３ クランプダイオード、２４ 単相コンバータ、２５ ３相コンバータ、２６ 直流コンデンサ、２７ 単相交流電源、２８ 誘導電動機。
【発明の属する技術分野】
この発明は、自己消弧型半導体素子を用いた半導体電力変換装置から構成される電力変換システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の代表的な自己消弧型半導体素子としては、ゲート電圧駆動型に区分される絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（いわゆるＩＧＢＴ）や電子注入促進型トランジスタ（いわゆるＩＥＧＴ）、あるいはゲート電流駆動型に区分されるゲート転流型ターンオフサイリスタ（いわゆるＧＣＴ）がある。これらの自己消弧型半導体素子は逆並列接続されたダイオードとともに同一パッケージに納められて逆導通機能を持たせた場合には、しばしば逆導通型パワーデバイスと呼ばれる。
【０００３】
例えば、ＩＥＧＴについてはＥＰＥ’９９−Ｌａｕｓａｎｎｅ「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ（４．５ｋＶ，４ｋＡ ｔｕｒｎ−ｏｆｆ）ＩＥＧＴ」に記載されているように、ＩＥＧＴチップとダイオードチップが同一パッケージ内に複数個納められて、１つの逆導通型パワーデバイスとして使用することができる。ここで記載されたコレクタ電流１．５ｋＡのＩＥＧＴは、１つのパッケージに収納される全チップ数は４２個であり、内訳はＩＥＧＴチップが３０個、ダイオードチップが１２個である。
【０００４】
また、東芝レビュー Ｖｏｌ．５５， Ｎｏ．７，２０００「パワーエレクトロニクス用大容量ＩＥＧＴ」には、前述したＩＥＧＴとはパッケージの外形寸法が異なるコレクタ電流７５０ＡのＩＥＧＴが記載されている。
１つのパッケージに収納される全チップ数は２１個であり、内訳はＩＥＧＴチップが１５個、ダイオードチップが６個である。これらはパッケージ内に収納される全チップ数を変えることによってコレクタ電流を異ならせている。ＩＥＧＴを用いた半導体電力変換装置は、東芝レビュー Ｖｏｌ．５５， Ｎｏ．７，２０００「ＩＥＧＴを適用した産業用大容量インバータ」において、定格容量８ＭＶＡの３レベルインバータが記載されている。
【０００５】
一方、ＧＣＴについては、ＡＢＢ Ｒｅｖｉｅｗ ５／１９９８「ＩＧＣＴ−ａ ｎｅｗ ｅｍｅｒｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ， ｌｏｗ−ｃｏｓｔ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ」に記載されているように、同一シリコンウェーハ上にＧＣＴ領域とダイオード領域が形成されて１つのパッケージに納められた逆導通型パワーデバイスが製品化されている。ここではパッケージの外形寸法が異なる３つのＧＣＴが記載されており、これらはパッケージ内に収納されるシリコンウェーハの面積を変えることによって可制御オン電流を異ならせている。
【０００６】
また、順変換する電力が逆変換する電力よりも大きい半導体電力変換装置と順変換する電力が逆変換する電力よりも小さい半導体電力変換装置とを直流コンデンサを介して並列に接続された図１５に示す電力変換システムが、特開昭６１−２８８７８０号公報に開示されている。
【０００７】
ここに、順変換とは交流から直流への電力変換であり、逆変換とは直流から交流への電力変換であると定義する。
図１５において、２４は単相コンバータ、２５は３相インバータ、２６は直流コンデンサ、２７は単相交流電源、２８は誘導電動機である。
順変換する電力が逆変換する電力よりも大きい半導体電力変換装置には、並列接続された２台の単相コンバータ２４が適用され、順変換する電力が逆変換する電力よりも小さい半導体電力変換装置には、３相インバータ２５が適用されている。また、２台の単相コンバータ２４と３相インバータ２５は直流コンデンサ２６を介して並列に接続され、単相コンバータ２４の出力端子には単相交流電源２７が接続されている。
【０００８】
３相インバータ２５の出力端子には、例えば電気車両を駆動するための誘導電動機２８が接続されている。誘導電動機２８を力行運転する場合には、２台の単相コンバータ２４は順変換運転され、３相インバータ２５は逆変換運転される。この場合には、単相コンバータ２４は、誘導電動機２８の駆動電力と全ての半導体電力変換装置２４、２５の電力損失を単相交流電源２７から入力する必要がある。
【０００９】
また、誘導電動機２８を回生運転する場合には、３相インバータ２５は順変換運転され、２台の単相コンバータ２４は逆変換運転される。力行運転における単相コンバータ２４の順変換電力に比べて回生運転における３相インバータ２５の順変換電力は必ず小さくなる。これは半導体電力変換装置２４、２５における電力損失と誘導電動機２８における電力損失が存在することと、誘導電動機２８において力行電力は回生電力より小さいことに起因する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の逆導通型パワーデバイスについて、ある同じ大きさのパッケージに収納されている場合には、唯一つのコレクタ電流あるいは可制御オン電流を持つものしか存在しなかった。例えばＩＥＧＴでは全チップ数に対するＩＥＧＴチップ数とダイオードチップ数は決められており、またＧＣＴではシリコンウェーハの総面積に対するＧＣＴ領域とダイオード領域の占有率も決められていた。
【００１１】
従って、半導体電力変換装置を、同じ電極面積を有するパッケージを持つ逆導通型パワーデバイスを用いて構成する限り、唯一の順変換可能電力と逆変換可能電力しか持ち得なかった。つまり、従来の逆導通型パワーデバイスを用いて異なる順変換可能電力と逆変換可能電力を備えた半導体電力変換装置を構成するためには、電極面積が異なるパッケージに収納されてコレクタ電流あるいは可制御オン電流が異なる逆導通型パワーデバイスを適用する必要があった。
また、異なる冷却片を用いて電極面積が異なる逆導通型パワーデバイスを冷却しなければならなかったので、物理的に同じ構造を適用して半導体電力変換装置を構成することができず、電力変換システムのコストが増加する問題があった。
【００１２】
また、従来の逆導通型パワーデバイスを用いた半導体電力変換装置により電動機を駆動する場合には、駆動可能な電動機の最大容量が低減される問題がある。
ここで、同じ電極面積を有するパッケージを持つ逆導通型パワーデバイスを用いた３相半導体電力変換装置を直流コンデンサを介して２台並列に接続し、１台は交流電源に接続され、他の１台は電動機に接続される構成をもつ電動機の可変速駆動装置として用いられる電力変換システムを引用しながら、この問題について詳述する。
【００１３】
電動機が力行運転する場合には、交流電源が接続される半導体電力変換装置は、電動機に接続されている半導体電力変換装置が逆変換する電力と２台の半導体電力変換装置の電力損失との総電力を交流電源から順変換して供給する必要がある。この力行運転では、電動機が接続されている半導体電力変換装置を構成する逆導通型パワーデバイスにおける自己消弧型半導体素子とダイオードとの通流率をみると自己消弧型半導体素子の通流率の方が大きくなり、交流電源が接続されている半導体電力変換装置を構成する逆導通型パワーデバイスにおける自己消弧型半導体素子とダイオードとの通流率をみるとダイオードの通流率の方が大きくなる。
【００１４】
これは、交流電源に接続されている半導体電力変換装置は順変換、即ちダイオード整流器に近い運転状態に置かれることから類推できる。この電力変換システムによって駆動可能な電動機の容量は、交流電源に接続されている半導体電力変換装置の装置容量の順変換可能電力によって制限される。
従って、従来の自己消弧型半導体素子とダイオードの占有率が一つのパッケージに対して決まっている逆導通型パワーデバイスを用いた場合には、可変速駆動可能な電動機容量が低減する問題があった。
【００１５】
この問題を解決するための従来の方法として、電動機に接続される半導体電力変換装置を３相構成とし、交流電源に接続される半導体電力変換装置を単相かつ並列多重とする回路構成の適用がある。この構成により、電動機に接続される半導体電力変換装置の逆変換可能電力よりも交流電源に接続される半導体電力変換装置の順変換可能電力を大きくできる。なぜなら、逆導通型パワーデバイスの最低限必要な個数が、電動機に接続される半導体電力変換装置については６個であり、交流電源に接続される半導体電力変換装置については８個となるためである。
【００１６】
このような従来の技術では、交流電源に接続される半導体電力変換装置に使用される逆導通型パワーデバイスの個数が電動機に接続される半導体電力変換装置に使用される逆導通型パワーデバイスの個数に比べて増加する問題があるばかりでなく、回路構成が異なる半導体電力変換装置を用いなければならないために同じ部品が適用できないことから、電力変換システムの製造コストが増加する問題があった。
【００１７】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができ、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能とするとともに、回路構成を同一とすることにより電力変換システムの製品コストを低減することのできる電力変換システムを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電力変換システムは、直流コンデンサと冷却片により冷却される複数のパワーデバイスから構成されて負荷に接続される出力端子を有する少なくとも複数の半導体電力変換装置を有し、前記直流コンデンサを介して前記複数の半導体電力変換装置が並列に接続される電力変換システムにおいて、前記各パワーデバイスは、自己消弧型半導体素子と前記自己消弧型半導体素子に逆並列接続されるダイオードとを構成要素として備え、前記各半導体電力変換装置は全て同一の回路構成を有し、前記直流コンデンサを介して接続される各半導体電力変換装置のうち少なくとも１つの半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスは、他の半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスと少なくとも電極面積が等しいパッケージに収納され、同一の電流を流した場合に発生熱量が異なる特性を有するものである。
【００２０】
また、前記直流コンデンサを介して接続される各半導体電力変換装置のうち少なくとも１つの半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスの構成要素である自己消弧型半導体素子と、前記自己消弧型半導体素子に逆並列接続されるダイオードとの占有面積を総占有面積とした場合の前記自己消弧型半導体素子の占有率を、他の半導体電力変換装置における前記自己消弧型半導体素子の占有率と異ならせたものである。
【００２１】
また、前記各半導体電力変換装置のうち、順変換する電力が逆変換する電力よりも大きい半導体電力変換装置に適用されるパワーデバイスの前記自己消弧型半導体素子の占有率が、逆変換する電力が順変換する電力よりも大きい半導体電力変換装置に適用されるパワーデバイスの前記自己消弧型半導体素子の占有率に比べて小さくしたものである。
【００２２】
また、前記各半導体電力変換装置のうち、前記自己消弧型半導体素子の占有率が小さいパワーデバイスから構成される半導体電力変換装置は交流電源に接続し、前記自己消弧型半導体素子の占有率が大きいパワーデバイスから構成される半導体電力変換装置は電動機に接続したものである。
【００２３】
また、前記各パワーデバイスは、複数の自己消弧型半導体素子チップと複数のダイオードチップとを構成要素とした総チップ数が同一なものとし、前記直流コンデンサを介して接続される各半導体電力変換装置のうち少なくとも１つの半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスの前記自己消弧型半導体素子チップと前記ダイオードチップとの総チップ数に対する前記自己消弧型半導体素子チップ数の占有率を、他の半導体電力変換装置における前記自己消弧型半導体素子チップ数の占有率と異ならせたものである。
【００２４】
また、前記各パワーデバイスは、同一面積を有する半導体ウェーハ上に自己消弧型半導体素子領域と、ダイオード領域と、前記自己消弧型半導体素子領域と前記ダイオード領域とを分離する分離帯と、ゲート領域とを有しており、前記直流コンデンサを介して接続される各半導体電力変換装置のうち少なくとも１つの半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスの前記自己消弧型半導体素子領域と前記ダイオード領域との総占有面積に対する前記自己消弧型半導体素子領域の占有率と、他の半導体電力変換装置における前記自己消弧型半導体素子領域の占有率とを異ならせたものである。
【００２５】
また、前記パワーデバイスの自己消弧型半導体素子チップは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、または電子注入促進型トランジスタとしたものである。
【００２６】
また、前記パワーデバイスの自己消弧型半導体素子領域は、ゲート転流型ターンオフサイリスタとしたものである。
【００２７】
また、前記パワーデバイスのダイオードチップは、シリコンカーバイトダイオードチップとしたものである。
【００２８】
また、前記少なくとも複数の半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスは、少なくとも同一外形を有する冷却片により冷却されるものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電力変換システムを示す構成図である。図１において、１は図示しない交流電源に接続される半導体電力変換装置、２は図示しない電動機に接続される半導体電力変換装置、３は半導体電力変換装置１と半導体電力変換装置２を並列接続するための直流コンデンサ、４は交流電源に接続される端子、５は電動機に接続される端子である。
【００３０】
半導体電力変換装置１について、６は逆導通型パワーデバイス、７は自己消弧型半導体素子の一例としてのＩＥＧＴ、８はダイオードであって、ＩＥＧＴ７に逆並列にダイオード８が接続されている。半導体電力変換装置２について、９は逆導通型パワーデバイス、１０は自己消弧型半導体素子の一例としてのＩＥＧＴ、１１はダイオードであって、ＩＥＧＴ１０に逆並列にダイオード１１が接続されている。
【００３１】
図２は逆導通型パワーデバイス６のパッケージ内部のチップ配列を、図３は逆導通型パワーデバイス９のパッケージ内部のチップ配列を示した図である。逆導通型パワーデバイス６についてはＩＥＧＴのチップ７の数を２６個、ダイオードチップ８の数を１６個とし、全チップ数を４２個とする。また逆導通型パワーデバイス９については、ＩＥＧＴのチップ１０の数を３０個、ダイオードチップ１１の数を１２個とし、全チップ数を逆導通型パワーデバイス６と同じ４２個とする。全チップ数を同一とすることによって、逆導通型パワーデバイス６と逆導通型パワーデバイス９は電極面積が等しいパッケージに収納することができる。
【００３２】
図４、図５には逆導通型パワーデバイス６の導通電流に対するスイッチング損失特性とオン電圧特性を示す。図６、図７には逆導通型パワーデバイス６に用いられている個々のチップ特性から導き出される逆導通型パワーデバイス９の導通電流に対するスイッチング損失特性とオン電圧特性を示す。図中、ＥｏｆｆはＩＥＧＴのターンオフ損失、ＥｏｎはＩＥＧＴのターンオン損失、Ｅｒｅｃはダイオードの逆回復損失である。また、Ｉｆ−ＶｆはＩＥＧＴのオン電圧特性であり、Ｉｒ−Ｖｒはダイオードのオン電圧特性である。
例えば、順方向電流が１５００Ａの場合、逆導通型パワーデバイス６は４．９Ｖ（図５．Ｉｆ−Ｖｆ参照）、逆導通型パワーデバイス９は４．５Ｖ（図７．Ｉｆ−Ｖｆ参照）のＯＮ電圧を示す。また、逆方向電流が１５００Ａの場合、逆導通型パワーデバイス６は３．６Ｖ（図５．Ｉｒ−Ｖｒ参照）、逆導通型パワーデバイス９は４．２Ｖ（図７．Ｉｒ−Ｖｒ参照）のＯＮ電圧を示す。
特に、図５と図７に顕著に示されているような異なったオン電圧を持たせることによって、同じ電流を逆導通型パワーデバイス６と逆導通型パワーデバイス９に流した場合には、発生熱量を異ならせることができる。
【００３３】
図８は、逆導通型パワーデバイス６，１０をヒートシンクなどの冷却片を用いて水冷冷却する場合を仮定し、逆導通型パワーデバイス６，１０の接合温度の冷却水の温度からの上昇温度に対する半導体電力変換装置１，２の順変換可能電力と逆変換可能電力の計算結果をグラフで図示している。計算条件としては、直流電圧２．７ｋＶ、交流電圧３．３ｋＶｒｍｓ、スイッチング周波数２５０Ｈｚを使用した。
【００３４】
水温からの接合温度上昇を８５度許容した場合において、逆導通型パワーデバイス６から構成される半導体電力変換装置１の順変換可能電力の最大値は６ＭＶＡ程度であり、逆変換可能電力の最大値は５ＭＶＡ程度である。一方、逆導通型パワーデバイス９から構成される半導体電力変換装置２の順変換可能電力の最大値は４．５ＭＶＡ程度であり、逆変換可能電力の最大値は５．５ＭＶＡ程度となる。
【００３５】
電動機が力行運転の場合には、半導体電力変換装置１は順変換動作、半導体電力変換装置２は逆変換動作となる。図８から理解できることは、力行運転の場合には半導体電力変換装置１の順変換可能電力の最大値６ＭＶＡは、半導体電力変換装置２の逆変換可能電力の最大値５．５ＭＶＡを越えることができるということである。従来のように、例えば逆導通パワーデバイス９のみを用いて半導体電力変換装置１および２を構成した場合には、順変換可能電力の最大値は４．５ＭＶＡとなり、逆変換可能電力の最大値５．５ＭＶＡを超えることができない。
【００３６】
従って、半導体電力変換装置１の順変換可能電力の最大値４．５ＭＶＡによって逆変換電力容量が抑えられる。たとえ半導体電力変換装置２の逆変換可能電力の最大値が５．５ＭＶＡ程度あったとしても、その特性を十分に活かすことができない。つまり、可変速駆動可能な電動機の容量が低減されることになる。
【００３７】
このように、同一パッケージに収納されてはいるが、自己消弧型半導体素子７とダイオード８の総面積に対する自己消弧型半導体素子７の占有率を、自己消弧型半導体素子１０とダイオード１１の総面積に対する自己消弧型半導体素子１０の占有率を異ならせた逆導通型パワーデバイスを使用して、交流電源に接続されて逆変換電力容量が必要な半導体電力変換装置１には自己消弧型半導体素子７の占有率が低い逆導通型パワーデバイス６を適用し、電動機に接続されて逆変換電力容量が必要な半導体電力変換装置２には自己消弧型半導体素子１０の占有率が高い逆導通型パワーデバイス９を適用することによって、より大きな電動機を駆動することができる。
【００３８】
なお、電動機を駆動する場合には、回転速度を制動すると電動機に交流逆起電力が生じ、回生電力が半導体電力変換装置２に入力される。この回生電力は、通常、電動機の力行運転に必要な電力よりも小さい。従って、図８において半導体電力変換装置２の順変換可能電力の最大値４．５ＭＶＡが、半導体電力変換装置１の逆変換可能電力の最大値５ＭＶＡより小さいけれども実用上の問題は生じない。
【００３９】
実施の形態２．
図９は図１に示した本実施の形態１に係る電力変換システムにおける半導体電力変換装置１の逆導通型パワーデバイスの自己消弧型半導体素子領域とダイオード領域との総占有面積に対する前記自己消弧型半導体素子領域の占有率と、他の半導体電力変換装置２の逆導通型パワーデバイスにおける前記自己消弧型半導体素子領域の占有率とを異ならせた電力変換システムの構成図である。
図９において、半導体電力変換装置１について、１２は逆導通型パワーデバイス、１３は自己消弧型半導体素子としてのＧＣＴ、１４はダイオードであって、ＧＣＴ１３に逆並列にダイオード１４が接続されている。半導体電力変換装置２について、１５は逆導通型パワーデバイス、１６は自己消弧型半導体素子としてのＧＣＴ、１７はダイオードであって、ＧＣＴ１６に逆並列にダイオード１７が接続されている。
【００４０】
図１０は逆導通型パワーデバイス１２のパッケージ内部のウェーハを、図１１は逆導通型パワーデバイス１５のパッケージ内部のウェーハを示した図である。図において、１８はゲート領域、１９はＧＣＴ領域とダイオード領域との分離帯である。
逆導通型パワーデバイス１２については、例えばＧＣＴ領域１３を７０％、ダイオード領域１４を３０％とし、逆導通型パワーデバイス１５については、ＧＣＴ領域１６を６０％、ダイオード領域１７を４０％としている。ウェーハの総面積を同一とすることによって、逆導通型パワーデバイス１２と逆導通型パワーデバイス１５を電極面積が等しいパッケージに収納することができる。
【００４１】
ＩＥＧＴの場合について前述したことから類推できるように、図１０と図１１に示す逆導通型パワーデバイス１２，１５は同一パッケージに収納されてはいるが、異なるスイッチング損失特性とオン電圧特性を示すことができる。このように異なる特性を持たせることによって、同じ電流を逆導通型パワーデバイス１２と逆導通型パワーデバイス１５に流した場合には、発生熱量を異ならせることができる。
【００４２】
したがって、同一パッケージに収納されてはいるが、自己消弧型半導体素子１３とダイオード１４の総面積に対する自己消弧型半導体素子１３の占有率を、自己消弧型半導体素子１６とダイオード１７の総面積に対する自己消弧型半導体素子１６の占有率と異ならせた逆導通型パワーデバイスを適用して、交流電源に接続されて逆変換電力容量が必要な半導体電力変換装置１には自己消弧型半導体素子１３の占有率が低い逆導通型パワーデバイス１２を適用し、例えば電動機に接続されて逆変換電力容量が必要な半導体電力変換装置２には自己消弧型半導体素子１６の占有率が高い逆導通型パワーデバイス１５を適用することによって、より大きな電動機を駆動することができる。
【００４３】
以上のように、上記実施の形態１および２では、図２，図３にゲート電圧駆動型の逆導通型パワーデバイスの一例としてＩＥＧＴを、また図１０，図１１にゲート電流駆動型の逆導通型パワーデバイスの一例としてＧＣＴを示すことによって本発明を説明した。
また、説明の便宜上から具体的なＩＥＧＴチップやダイオードチップの個数やＧＣＴ領域やダイオード領域の面積などについて定量的数値を用いたが、本発明はこれら説明の中で用いた数値に限定されるものではない。
【００４４】
例えば、スイッチング損失特性やオン電圧特性自体が異なれば、チップ数や面積などの変更が当然のことながら必要となる。また、電極の形状が円ではなく正方形などの別の形状であっても、同じ電極面積を持つパッケージに収められて、同一の電流を流した場合に発生熱量が異なる逆導通型パワーデバイスを用いて半導体電力変換装置を構成することによって、本発明の目的を達成することができる。更に、モジュール型ＩＧＢＴについても、複数のＩＧＢＴチップとダイオードチップを備えていることから、本発明を適用することには何ら問題がないし、同等の効果が得られることは言うまでもない。
【００４５】
実施の形態３．
上記実施の形態１で述べたように、半導体電力変換装置１および２に適用するパワーデバイス６および９の許容接合温度を等しく設計することにより、半導体電力変換装置１および２に電極面積が等しいパッケージに収納されてはいるが、同一の電流を流した場合に発生熱量が異なる逆導通型パワーデバイスを使用した場合に、同じ冷却片（ヒートシンク）を用いることが可能となる。
【００４６】
図１２は本実施の形態３に係る電力変換システムの具体的な外観構成を示しており、図において、２０は加圧用構造体、２１は冷却片である。
逆導通型パワーデバイス６は冷却片２１により冷却される。逆導通型パワーデバイス６は逆導通型パワーデバイス９と同じ電極面積を持つことから、それらは単純に置換することができる。全く同一の冷却片２１を用いることができることから、例えば図１の半導体電力変換装置１，２を、順逆変換容量を異ならせても全く同じ部品を使うことができる共用可能な構造によって実現することができる。
【００４７】
なお、図１２においては、ゲート駆動回路、スナバ回路などの周辺回路は省略している。
【００４８】
実施の形態４．
図１では直流コンデンサに２台の半導体電力変換装置１，２が並列接続された電力変換システムを示したが、更なる大容量化の要求に応えるためには、その並列接続数を増加することが考えられる。
図１３には限流リアクトル２２を介して２台の半導体電力変換装置１，２を並列に接続し、直流コンデンサ３には合計４台の半導体電力変換装置１，２が並列に接続された電力変換システムを示している。半導体電力変換装置１，２の並列接続数は必要な電力容量に応じて増減が可能である。このような場合においても、例えば実施の形態１または２において説明した本発明から得られる効果は同等である。
【００４９】
実施の形態５．
図２，図３で示したように、本実施の形態１〜４における逆導通型パワーデバイスについて、現時点ではダイオードチップ７，１０には、シリコンダイオードが用いられるのが一般的である。しかしながら、ダイオードチップ７，１０を特にシリコンカーバイドダイオードを用いることによって、低損失化を図ることができる。このシリコンカーバイドダイオードの低損失特性を活かすことによって、ダイオードチップ数の低減が可能となる。つまり、自己消弧型半導体素子チップ７，１０の総チップ数に対する占有率を、現状のシリコンダイオードを用いている場合よりも大きく異ならせることができる。
従って、より容量の大きな電動機を駆動することができるという本発明の効果をより顕著なものとすることができる。
【００５０】
実施の形態６．
上記実施の形態１および実施の形態３では、半導体電力変換装置１，２を各相の出力端子４，５に直流電源の２レベルを出力できる２レベル電力変換装置を用いた。これは最も普及している回路構成を用いることによって発明の普遍性を示すという意図によるものである。つまり半導体電力変換装置１，２の回路構成は２レベル電力変換装置に限定される必要はなく、例えば図１４に示す各相の出力端子４に直流電源の３レベルを出力できる３レベル電力変換装置にも適用できる。この場合には、各相に２つのクランプダイオード２３が追加的に必要となり、直流コンデンサ３は分割されて３つのレベルの電位を形成する。
【００５１】
また、２レベル電力変換装置であっても逆導通型パワーデバイスの直列接続が適用されたものなどにも広く適用することが可能である。即ち、本発明は半導体電力変換装置１、２の回路構成を特に限定するものでは決してない。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る電力変換システムによれば、各パワーデバイスは、自己消弧型半導体素子と前記自己消弧型半導体素子に逆並列接続されるダイオードとを構成要素として備え、前記各半導体電力変換装置は全て同一の回路構成を有し、各々の半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスは、他の半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスとは異なる特性を有する構成したので、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができる。従って、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能となるとともに、回路構成を同一とすることにより電力変換システムの製品コストが低減できる。
【００５３】
また、少なくとも電極面積が等しいパッケージに収納されてはいるが、同一の電流を流した場合に発生熱量が異なるパワーデバイスにより半導体電力変換装置を構成したので、同一のパッケージに収納されたパワーデバイスを適用しながら直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができる。従って、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能となるとともに、パワーデバイスのパッケージを同一とすることにより半導体電力変換装置の、ひいては電力変換システムの製品コストが低減できる。
【００５４】
また、各半導体電力変換装置に用いられるパワーデバイスの構成要素である自己消弧型半導体素子と、前記自己消弧型半導体素子に逆並列接続されるダイオードとの占有面積を総占有面積とした場合の前記自己消弧型半導体素子の占有率を、他の半導体電力変換装置における前記自己消弧型半導体素子の占有率と異ならせたことにより、スイッチング特性やオン電圧特性を異ならせるが同一パッケージに収められるパワーデバイスを用いて半導体電力変換装置を構成したので、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができる。従って、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能となるとともに、パワーデバイスのパッケージを同一とすることにより半導体電力変換装置の、ひいては電力変換システムの製品コストが低減できる。
【００５５】
また、自己消弧型半導体素子の占有率が大きいパワーデバイスを用いて、順変換される電力が逆変換される電力よりも大きくなる半導体電力変換装置を構成するので、電力変換システムの駆動可能な負荷として、例えば、電動機を大容量化することができる。
【００５６】
また、複数の自己消弧型半導体素子チップと複数のダイオードチップから構成されており、自己消弧型半導体素子チップの総チップ数に対する占有率を異ならせたパワーデバイスを用いて半導体電力変換装置を構成したので、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができる。従って、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能となる。また、チップ自体は同じ特性を有するものを適用することにより、半導体電力変換装置ひいては電力変換システムの製品コストを低減できる。
【００５７】
また、同一半導体ウェーハ上に自己消弧型半導体素子領域とダイオード領域と自己消弧型半導体素子領域とダイオード領域との分離帯とゲート領域を形成し、自己消弧型半導体素子領域の総有効面積に対する占有率を異ならせたパワーデバイスを用いて半導体電力変換装置を構成したので、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせるごとができる。従って、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能となる。
【００５８】
また、複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタチップまたは電子注入促進型トランジスタチップと複数のダイオードチップから構成されており、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタチップまたは電子注入促進型トランジスタチップの総チップ数に対する占有率を異ならせたパワーデバイスを用いて半導体電力変換装置を構成したので、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができる。従って、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能となる。また、チップ自体は同じ特性をもつものを適用することにより半導体電力変換装置の、ひいては電力変換システムの製品コストを低減できる。
【００５９】
また、同一ウェーハ上に形成されるゲート転流型ターンオフサイリスタ領域とダイオード領域の総有効面積に対するゲート転流型ターンオフサイリスタ領域の占有率を異ならせたパワーデバイスを用いて半導体電力変換装置を構成したので、直流コンデンサに接続される複数の半導体電力変換装置の順変換容量や逆変換容量を異ならせることができる。従って、様々な負荷に応じてより適切な半導体電力変換装置を選定可能となる。
【００６０】
また、複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタチップまたは電子注入促進型トランジスタチップと複数のシリコンカーバイドダイオードチップから構成されたパワーデバイスを用いて半導体電力変換装置を構成したので、半導体電力変換装置を、ひいては電力変換システムを低損失化できる。
【００６１】
また、半導体電力変換装置を構成する全てのパワーデバイスを同じ冷却片（ヒートシンク）によって冷却したので、同じ構成部品を用いて順変換容量や逆変換容量が異なる半導体電力変換装置を製造可能となる。従って、半導体電力変換装置の、ひいては電力変換システムの製品コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力変換システムの回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る逆導通型パワーデバイスを示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る逆導通型パワーデバイスを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る逆導通型パワーデバイスの特性を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る逆導通型パワーデバイスの特性を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る逆導通型パワーデバイスの特性を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る逆導通型パワーデバイスの特性を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る半導体電力変換装置の順逆変換電力容量を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る電力変換システムの回路図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る逆導通型パワーデバイスを示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る逆導通型パワーデバイスを示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る圧接構造体に組込んだスタック構造を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態４に係る電力変換システムの回路図である。
【図１４】本発明の実施の形態６に係る３レベル電力変換装置を用いた電力変換システムの回路図である。
【図１５】従来の電力変換システムの回路図である。
【符号の説明】
１ 半導体電力変換装置、２ 半導体電力変換装置、３ 直流コンデンサ、４出力端子、５ 出力端子、６ 逆導通型パワーデバイス、７ 自己消弧型半導体素子、８ ダイオード、９ 逆導通型パワーデバイス、１０ 自己消弧型半導体素子、１１ ダイオード、１２ 逆導通型パワーデバイス、１３ ＧＣＴ領域、１４ ダイオード領域、１５ 逆導通型パワーデバイス、１６ ＧＣＴ領域、１７ ダイオード領域、１８ ゲート領域、１９ 分離体、２０ 加圧用構造体、２１ 冷却片、２２ 限流リアクトル、２３ クランプダイオード、２４ 単相コンバータ、２５ ３相コンバータ、２６ 直流コンデンサ、２７ 単相交流電源、２８ 誘導電動機。
Claims (10)
- 直流コンデンサと冷却片により冷却される複数のパワーデバイスから構成されて負荷に接続される出力端子を有する少なくとも複数の半導体電力変換装置を有し、前記直流コンデンサを介して前記複数の半導体電力変換装置が並列に接続される電力変換システムにおいて、
前記各パワーデバイスは、自己消弧型半導体素子と前記自己消弧型半導体素子に逆並列接続されるダイオードとを構成要素として備え、
前記各半導体電力変換装置は全て同一の回路構成を有し、前記直流コンデンサを介して接続される各半導体電力変換装置のうち少なくとも１つの半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスは、他の半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスと少なくとも電極面積が等しいパッケージに収納され、同一の電流を流した場合に発生熱量が異なる特性を有することを特徴とする電力変換システム。 - 請求項１に記載の電力変換システムにおいて、
前記直流コンデンサを介して接続される各半導体電力変換装置のうち少なくとも１つの半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスの構成要素である自己消弧型半導体素子と、前記自己消弧型半導体素子に逆並列接続されるダイオードとの占有面積を総占有面積とした場合の前記自己消弧型半導体素子の占有率を、他の半導体電力変換装置における前記自己消弧型半導体素子の占有率と異ならせたことを特徴とする電力変換システム。 - 請求項２に記載の電力変換システムにおいて、
前記各半導体電力変換装置のうち、順変換する電力が逆変換する電力よりも大きい半導体電力変換装置に適用されるパワーデバイスの前記自己消弧型半導体素子の占有率が、逆変換する電力が順変換する電力よりも大きい半導体電力変換装置に適用されるパワーデバイスの前記自己消弧型半導体素子の占有率に比べて小さくしたことを特徴とする電力変換システム。 - 請求項２に記載の電力変換システムにおいて、
前記各半導体電力変換装置のうち、前記自己消弧型半導体素子の占有率が小さいパワーデバイスから構成される半導体電力変換装置は交流電源に接続し、
前記自己消弧型半導体素子の占有率が大きいパワーデバイスから構成される半導体電力変換装置は電動機に接続したことを特徴とする電力変換システム。 - 請求項２ないし４のいずれかに記載の電力変換システムにおいて、
前記各パワーデバイスは、複数の自己消弧型半導体素子チップと複数のダイオードチップとを構成要素とした総チップ数が同一なものとし、
前記直流コンデンサを介して接続される各半導体電力変換装置のうち少なくとも１つの半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスの前記自己消弧型半導体素子チップと前記ダイオードチップとの総チップ数に対する前記自己消弧型半導体素子チップ数の占有率を、他の半導体電力変換装置における前記自己消弧型半導体素子チップ数の占有率と異ならせたことを特徴とする電力変換システム。 - 請求項２ないし４のいずれかに記載の電力変換システムにおいて、
前記各パワーデバイスは、同一面積を有する半導体ウェーハ上に自己消弧型半導体素子領域と、ダイオード領域と、前記自己消弧型半導体素子領域と前記ダイオード領域とを分離する分離帯と、ゲート領域とを有しており、
前記直流コンデンサを介して接続される各半導体電力変換装置のうち少なくとも１つの半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスの前記自己消弧型半導体素子領域と前記ダイオード領域との総占有面積に対する前記自己消弧型半導体素子領域の占有率と、他の半導体電力変換装置における前記自己消弧型半導体素子領域の占有率とを異ならせたことを特徴とする電力変換システム。 - 請求項５に記載の半導体電力変換装置において、
前記パワーデバイスの自己消弧型半導体素子チップは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、または電子注入促進型トランジスタとしたことを特徴とする電力変換システム。 - 請求項６に記載の電力変換システムにおいて、
前記パワーデバイスの自己消弧型半導体素子領域は、ゲート転流型ターンオフサイリスタとしたことを特徴とする電力変換システム。 - 請求項５に記載の電力変換システムにおいて、
前記パワーデバイスのダイオードチップは、シリコンカーバイトダイオードチップとしたことを特徴とする電力変換システム。 - 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の電力変換システムにおいて、
前記少なくとも複数の半導体電力変換装置を構成するパワーデバイスは、少なくとも同一外形を有する冷却片により冷却されることを特徴とする電力変換システム。
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