JP4009901B2 - 電力変換回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力用半導体モジュールからなる電力変換回路、特にモジュール構造を改良した電力変換回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０にインバータの主回路図を示す。
同図において、１は商用の交流電源、２はコモンモードノイズ低減用接地コンデンサで、一方をアース電位に接続している。３は交流を直流に変換するダイオード６個からなる整流器モジュール、４は大容量のコンデンサ、５はモータ（Ｍ）などの負荷、６は電力用半導体素子からなり直流を交流に変換するインバータモジュールである。このインバータモジュールは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）７とこれに逆並列に接続されたダイオード８とからなる基本回路（アーム）が、６つ設けられて構成されている。
【０００３】
整流器モジュール３またはインバータモジュール６は通常、上下アーム２素子分を１組とするか、または６素子分を１組としており、インバータを構成する場合は２素子の組を３並列接続するか、または６素子構成のものをそのまま適用する。また、整流器モジュール３およびインバータモジュール６は通常、冷却するためにヒートシンク９の上に設置されるが、このヒートシンク９は安全のためアース電位に接続される。
【０００４】
図１１に２素子構成のインバータモジュールの一般的な外観を示す。
符号１０は直流の正側出力電極（Ｐ）、１１は負側出力電極（Ｎ）、１２は負荷側に接続される出力電極（Ｕ）、１３，１４，１５，１６は上アーム側および下アーム側ＩＧＢＴ素子のゲート端子およびエミッタ端子である。また、ヒートシンクと接するモジュール下部１７は、銅の基板で（銅ベース）で構成され、そのため、ヒートシンクと銅ベースは同電位（アース電位）となる。
【０００５】
図１１の概略断面図を図１２に示す。
上述の銅ベース１７の上に設けられる１８は絶縁用のセラミック基板、１９，２０，２１は配線および半導体チップ接続用の銅パターン、２２，２３は上下アームの半導体チップ、２４，２５は半導体チップと銅パターン接続用ワイヤ、２６，２７，２８は各銅パターンと各出力電極とを接続する銅バー（または電線）である。なお、１０は正側出力電極Ｐ、１１は負側出力電極Ｎ、１２は負荷側に接続される出力電極Ｕを示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に、２素子構成の整流器モジュールおよびインバータモジュールを用いた電力変換回路としての、インバータ主回路例を示す。
同図の構成でＩＧＢＴ素子が実際にスイッチングした場合、インバータモジュール６の上アームダイオードと下アームダイオードとの接続点Ｐと対地間との浮遊容量（図１３ではコンデンサ３０として示す）の充放電電流が、コモンモード電流として、図中の点線径路３１で流れる。このコモンモード電流３１は通常高周波であるため、この電流が流れることによって径路３１がループアンテナとなり、不要電磁波として放射し、他の装置を誤動作させるなどの問題がある。なお、ループアンテナから放射される電磁波の強さはループアンテナの面積に比例するため、径路３１のループ面積が大きいほど不要電磁波も強くなる。
【０００７】
上記の問題に対し、モジュール外の配線部分については、配線３２，３３とアース電極とのラミネート化や、接地コンデンサ２の対アースへの最短配線などによってループ面積を減らすようにすることが一般化しているのに対し、インバータモジュールの内部や整流器モジュールの内部については、ループ面積を減らす対策を全く実施していないのが現状である。つまり、従来は図１３にハッチングを付して示す部分Ｓ１，Ｓ２の面積を減らす対策がとられていない、と言うわけである。
したがって、この発明の課題は、インバータモジュールの内部や整流器モジュールの内部においても充放電電流のループ面積を減らし、不要電磁波を減らすことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、スイッチング素子とこれに逆並列に接続されたダイオードとを１アームとして２アーム直列に接続してモールド化した１相分、または多相分のスイッチングモジュールを有する電力変換回路において、アース電位またはスイッチングモジュールの銅ベース電位もしくはスイッチングモジュールの冷却用ヒートシンク電位と同電位となる電極を付加電極として設けるとともに、この付加電極と、アース電位またはスイッチングモジュールの銅ベース電位もしくはスイッチングモジュールの冷却用ヒートシンク電位と同電位となる箇所との間を、銅バーまたは電線で配線することを特徴とする。
【０００９】
上記請求項１の発明においては、直流正側電位の出力電極と上アーム側スイッチング素子のコレクタ間を接続している銅バーまたは電線と、直流負側電位の出力電極と下アーム側スイッチング素子のエミッタ間を接続している銅バーまたは電線との少なくとも一方と、前記付加電極の銅バーまたは電線との間を密接させることができる（請求項２の発明）。
請求項３の発明では、モールド化した１相分または多相分のダイオード整流器モジュールを有する電力変換回路において、アース電位またはダイオード整流器モジュールの銅ベース電位もしくはダイオード整流器モジュールの冷却用ヒートシンク電位と同電位となる電極を付加電極として設けるとともに、この付加電極と、アース電位またはダイオード整流器モジュールの銅ベース電位もしくはダイオード整流器モジュールの冷却用ヒートシンク電位と同電位となる箇所との間を、銅バーまたは電線で配線することを特徴とする。
【００１０】
上記請求項３の発明においては、直流正側電位の出力電極と上アーム側ダイオードのカソード間を接続している銅バーまたは電線と、直流負側電位の出力電極と下アーム側ダイオードのアノード間を接続している銅バーまたは電線との少なくとも一方と、前記付加電極の銅バーまたは電線との間を密接させることができる（請求項４の発明）。
また、上記請求項２または４の発明においては、前記互いに密接させる銅バーまたは電線間を、ラミネート構造とすることができる（請求項５の発明）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す斜視図である。
図１からも明らかなように、図１１に示す従来のものに対しアース電位の出力電極（付加電極）３４を設けて、４出力電極構造とした点が特徴である。
図１では出力電極または付加電極３４の設置位置をＰ電極とＮ電極の中間としたが、これに限らずＰ電極またはＮ電極の近傍であれば良く、例えばＥ−Ｐ−Ｎ−Ｕ，Ｐ−Ｎ−Ｅ−Ｕの順番でも良い。また、図２のようにＰ電極の横に設置するか、図３のようにＮ電極の横に設置するようにしても良い。
【００１２】
図４は図１の内部構成を示す断面図である。
これは、図１２の従来例に対し、モジュール内部において、銅ベース１７と出力電極３４間を電気的に短絡するよう、銅バーまたは電線３５で配線するようにしたものである。こうする代わりに、図５のように第２のアース電極Ｅ１を設け、モジュール外部でアース電位に接続可能とする方式や、図６のように銅バーまたは電線３５をモジュール外に出し、モジュール外でアース電位（例えば放熱フィン）に接続するようにしても良い。こうすることで、ループ面積が従来では図７（ａ）にハッチングを付した全部であったのに対し、この発明では図７（ｂ）または図７（ｃ）のハッチングを付した一部分だけとなり、小さくなる。つまり、付加電極を設けることにより、正極からアースまたはアースから負極までを考えれば良いからである。
【００１３】
図８はこの発明の第２の実施の形態を示す断面図である。
これは、先の図４に対し、銅バーまたは電線３５をＰ側銅バーまたは電線２６またはＮ側銅バーまたは電線２８の一方または両方に対し、例えばラミネート構造（フィルム，紙，箔などを貼り合わせること）のように近接させて配線するようにしたものである。図８では銅バーまたは電線３５を２６と２８の両方に近接させているが、いずれか一方のみとしても良い。こうすることで、ループ面積が図９（ａ）または図９（ｂ）のハッチングの部分だけとなり、小さくなる。
【００１４】
以上では、２ｉｎ１構造のインバータモジュールについて説明したが、この発明は４ｉｎ１や６ｉｎ１構造のインバータモジュール、または２ｉｎ１，４ｉｎ１，６ｉｎ１構造の整流器モジュールについても、上記と同様にして適用することができる。
【００１５】
【発明の効果】
この発明によれば、充放電電流のループ面積が小さくなるようにしたので、コモンモード電流によって発生する不要電磁波を小さくすることができる。その結果、外部装置への影響が低減されるだけでなく、放射ノイズ規格を容易にクリアできると言う利点がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１の変形例を示す斜視図である。
【図３】図１の他の変形例を示す斜視図である。
【図４】図１の内部構造を示す断面図である。
【図５】図４の変形例を示す断面図である。
【図６】図４の他の変形例を示す断面図である。
【図７】この発明の第１の実施の形態の効果を説明する説明図である。
【図８】この発明の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図９】この発明の第２の実施の形態の効果を説明する説明図である。
【図１０】一般的なインバータ主回路例を示す回路図である。
【図１１】２素子構成のインバータモジュールの一般的な外観図である。
【図１２】図１１の断面図である。
【図１３】充放電径路の説明図である。
【符号の説明】
１…交流電源、２…接地コンデンサ、３…整流器モジュール、４…大容量コンデンサ、５…負荷（モータ：Ｍ）、６…インバータモジュール、７…ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）、８…ダイオード、９…ヒートシンク、１０…正側出力電極Ｐ、１１…負側出力電極Ｎ、１２，３４…出力電極、１３〜１６…端子、１７…銅ベース、２６，２７，２８，３５…銅バーまたは電線。
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力用半導体モジュールからなる電力変換回路、特にモジュール構造を改良した電力変換回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０にインバータの主回路図を示す。
同図において、１は商用の交流電源、２はコモンモードノイズ低減用接地コンデンサで、一方をアース電位に接続している。３は交流を直流に変換するダイオード６個からなる整流器モジュール、４は大容量のコンデンサ、５はモータ（Ｍ）などの負荷、６は電力用半導体素子からなり直流を交流に変換するインバータモジュールである。このインバータモジュールは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）７とこれに逆並列に接続されたダイオード８とからなる基本回路（アーム）が、６つ設けられて構成されている。
【０００３】
整流器モジュール３またはインバータモジュール６は通常、上下アーム２素子分を１組とするか、または６素子分を１組としており、インバータを構成する場合は２素子の組を３並列接続するか、または６素子構成のものをそのまま適用する。また、整流器モジュール３およびインバータモジュール６は通常、冷却するためにヒートシンク９の上に設置されるが、このヒートシンク９は安全のためアース電位に接続される。
【０００４】
図１１に２素子構成のインバータモジュールの一般的な外観を示す。
符号１０は直流の正側出力電極（Ｐ）、１１は負側出力電極（Ｎ）、１２は負荷側に接続される出力電極（Ｕ）、１３，１４，１５，１６は上アーム側および下アーム側ＩＧＢＴ素子のゲート端子およびエミッタ端子である。また、ヒートシンクと接するモジュール下部１７は、銅の基板で（銅ベース）で構成され、そのため、ヒートシンクと銅ベースは同電位（アース電位）となる。
【０００５】
図１１の概略断面図を図１２に示す。
上述の銅ベース１７の上に設けられる１８は絶縁用のセラミック基板、１９，２０，２１は配線および半導体チップ接続用の銅パターン、２２，２３は上下アームの半導体チップ、２４，２５は半導体チップと銅パターン接続用ワイヤ、２６，２７，２８は各銅パターンと各出力電極とを接続する銅バー（または電線）である。なお、１０は正側出力電極Ｐ、１１は負側出力電極Ｎ、１２は負荷側に接続される出力電極Ｕを示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に、２素子構成の整流器モジュールおよびインバータモジュールを用いた電力変換回路としての、インバータ主回路例を示す。
同図の構成でＩＧＢＴ素子が実際にスイッチングした場合、インバータモジュール６の上アームダイオードと下アームダイオードとの接続点Ｐと対地間との浮遊容量（図１３ではコンデンサ３０として示す）の充放電電流が、コモンモード電流として、図中の点線径路３１で流れる。このコモンモード電流３１は通常高周波であるため、この電流が流れることによって径路３１がループアンテナとなり、不要電磁波として放射し、他の装置を誤動作させるなどの問題がある。なお、ループアンテナから放射される電磁波の強さはループアンテナの面積に比例するため、径路３１のループ面積が大きいほど不要電磁波も強くなる。
【０００７】
上記の問題に対し、モジュール外の配線部分については、配線３２，３３とアース電極とのラミネート化や、接地コンデンサ２の対アースへの最短配線などによってループ面積を減らすようにすることが一般化しているのに対し、インバータモジュールの内部や整流器モジュールの内部については、ループ面積を減らす対策を全く実施していないのが現状である。つまり、従来は図１３にハッチングを付して示す部分Ｓ１，Ｓ２の面積を減らす対策がとられていない、と言うわけである。
したがって、この発明の課題は、インバータモジュールの内部や整流器モジュールの内部においても充放電電流のループ面積を減らし、不要電磁波を減らすことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、スイッチング素子とこれに逆並列に接続されたダイオードとを１アームとして２アーム直列に接続してモールド化した１相分、または多相分のスイッチングモジュールを有する電力変換回路において、アース電位またはスイッチングモジュールの銅ベース電位もしくはスイッチングモジュールの冷却用ヒートシンク電位と同電位となる電極を付加電極として設けるとともに、この付加電極と、アース電位またはスイッチングモジュールの銅ベース電位もしくはスイッチングモジュールの冷却用ヒートシンク電位と同電位となる箇所との間を、銅バーまたは電線で配線することを特徴とする。
【０００９】
上記請求項１の発明においては、直流正側電位の出力電極と上アーム側スイッチング素子のコレクタ間を接続している銅バーまたは電線と、直流負側電位の出力電極と下アーム側スイッチング素子のエミッタ間を接続している銅バーまたは電線との少なくとも一方と、前記付加電極の銅バーまたは電線との間を密接させることができる（請求項２の発明）。
請求項３の発明では、モールド化した１相分または多相分のダイオード整流器モジュールを有する電力変換回路において、アース電位またはダイオード整流器モジュールの銅ベース電位もしくはダイオード整流器モジュールの冷却用ヒートシンク電位と同電位となる電極を付加電極として設けるとともに、この付加電極と、アース電位またはダイオード整流器モジュールの銅ベース電位もしくはダイオード整流器モジュールの冷却用ヒートシンク電位と同電位となる箇所との間を、銅バーまたは電線で配線することを特徴とする。
【００１０】
上記請求項３の発明においては、直流正側電位の出力電極と上アーム側ダイオードのカソード間を接続している銅バーまたは電線と、直流負側電位の出力電極と下アーム側ダイオードのアノード間を接続している銅バーまたは電線との少なくとも一方と、前記付加電極の銅バーまたは電線との間を密接させることができる（請求項４の発明）。
また、上記請求項２または４の発明においては、前記互いに密接させる銅バーまたは電線間を、ラミネート構造とすることができる（請求項５の発明）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す斜視図である。
図１からも明らかなように、図１１に示す従来のものに対しアース電位の出力電極（付加電極）３４を設けて、４出力電極構造とした点が特徴である。
図１では出力電極または付加電極３４の設置位置をＰ電極とＮ電極の中間としたが、これに限らずＰ電極またはＮ電極の近傍であれば良く、例えばＥ−Ｐ−Ｎ−Ｕ，Ｐ−Ｎ−Ｅ−Ｕの順番でも良い。また、図２のようにＰ電極の横に設置するか、図３のようにＮ電極の横に設置するようにしても良い。
【００１２】
図４は図１の内部構成を示す断面図である。
これは、図１２の従来例に対し、モジュール内部において、銅ベース１７と出力電極３４間を電気的に短絡するよう、銅バーまたは電線３５で配線するようにしたものである。こうする代わりに、図５のように第２のアース電極Ｅ１を設け、モジュール外部でアース電位に接続可能とする方式や、図６のように銅バーまたは電線３５をモジュール外に出し、モジュール外でアース電位（例えば放熱フィン）に接続するようにしても良い。こうすることで、ループ面積が従来では図７（ａ）にハッチングを付した全部であったのに対し、この発明では図７（ｂ）または図７（ｃ）のハッチングを付した一部分だけとなり、小さくなる。つまり、付加電極を設けることにより、正極からアースまたはアースから負極までを考えれば良いからである。
【００１３】
図８はこの発明の第２の実施の形態を示す断面図である。
これは、先の図４に対し、銅バーまたは電線３５をＰ側銅バーまたは電線２６またはＮ側銅バーまたは電線２８の一方または両方に対し、例えばラミネート構造（フィルム，紙，箔などを貼り合わせること）のように近接させて配線するようにしたものである。図８では銅バーまたは電線３５を２６と２８の両方に近接させているが、いずれか一方のみとしても良い。こうすることで、ループ面積が図９（ａ）または図９（ｂ）のハッチングの部分だけとなり、小さくなる。
【００１４】
以上では、２ｉｎ１構造のインバータモジュールについて説明したが、この発明は４ｉｎ１や６ｉｎ１構造のインバータモジュール、または２ｉｎ１，４ｉｎ１，６ｉｎ１構造の整流器モジュールについても、上記と同様にして適用することができる。
【００１５】
【発明の効果】
この発明によれば、充放電電流のループ面積が小さくなるようにしたので、コモンモード電流によって発生する不要電磁波を小さくすることができる。その結果、外部装置への影響が低減されるだけでなく、放射ノイズ規格を容易にクリアできると言う利点がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１の変形例を示す斜視図である。
【図３】図１の他の変形例を示す斜視図である。
【図４】図１の内部構造を示す断面図である。
【図５】図４の変形例を示す断面図である。
【図６】図４の他の変形例を示す断面図である。
【図７】この発明の第１の実施の形態の効果を説明する説明図である。
【図８】この発明の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図９】この発明の第２の実施の形態の効果を説明する説明図である。
【図１０】一般的なインバータ主回路例を示す回路図である。
【図１１】２素子構成のインバータモジュールの一般的な外観図である。
【図１２】図１１の断面図である。
【図１３】充放電径路の説明図である。
【符号の説明】
１…交流電源、２…接地コンデンサ、３…整流器モジュール、４…大容量コンデンサ、５…負荷（モータ：Ｍ）、６…インバータモジュール、７…ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）、８…ダイオード、９…ヒートシンク、１０…正側出力電極Ｐ、１１…負側出力電極Ｎ、１２，３４…出力電極、１３〜１６…端子、１７…銅ベース、２６，２７，２８，３５…銅バーまたは電線。
Claims (5)
- スイッチング素子とこれに逆並列に接続されたダイオードとを１アームとして２アーム直列に接続してモールド化した１相分、または多相分のスイッチングモジュールを有する電力変換回路において、
アース電位またはスイッチングモジュールの銅ベース電位もしくはスイッチングモジュールの冷却用ヒートシンク電位と同電位となる電極を付加電極として設けるとともに、この付加電極と、アース電位またはスイッチングモジュールの銅ベース電位もしくはスイッチングモジュールの冷却用ヒートシンク電位と同電位となる箇所との間を、銅バーまたは電線で配線することを特徴とする電力変換回路。 - 直流正側電位の出力電極と上アーム側スイッチング素子のコレクタ間を接続している銅バーまたは電線と、直流負側電位の出力電極と下アーム側スイッチング素子のエミッタ間を接続している銅バーまたは電線との少なくとも一方と、前記付加電極の銅バーまたは電線との間を密接させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
- モールド化した１相分または多相分のダイオード整流器モジュールを有する電力変換回路において、
アース電位またはダイオード整流器モジュールの銅ベース電位もしくはダイオード整流器モジュールの冷却用ヒートシンク電位と同電位となる電極を付加電極として設けるとともに、この付加電極と、アース電位またはダイオード整流器モジュールの銅ベース電位もしくはダイオード整流器モジュールの冷却用ヒートシンク電位と同電位となる箇所との間を、銅バーまたは電線で配線することを特徴とする電力変換回路。 - 直流正側電位の出力電極と上アーム側ダイオードのカソード間を接続している銅バーまたは電線と、直流負側電位の出力電極と下アーム側ダイオードのアノード間を接続している銅バーまたは電線との少なくとも一方と、前記付加電極の銅バーまたは電線との間を密接させることを特徴とする請求項３に記載の電力変換回路。
- 前記互いに密接させる銅バーまたは電線間を、ラミネート構造とすることを特徴とする請求項２または４に記載の電力変換回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002159143A JP4009901B2 (ja) | 2002-05-31 | 2002-05-31 | 電力変換回路 |
Applications Claiming Priority (1)
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