JP4256228B2 - 半導体モジュールとその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＷＭサイクロコンバータなどの電力変換装置に用いられる半導体モジュールの構成とその有用な使用方法に関するものである。

ＰＷＭサイクロコンバータとは交流電源と変換装置出力とを電力用半導体素子で構成される双方向スイッチを用いて直接接続し、インバータのような直流部を介さず、直接任意の電圧・周波数を出力する交流交流直接電力変換装置である。
三相入力三相出力電力変換装置を想定すると、入出力各相間に双方向スイッチが必要となるため、９個の双方向スイッチが必要となる。双方向スイッチの構成は様々な形状が考えられるが、高速スイッチングが必要であるため、ＩＧＢＴを逆並列接続した構造が一般的である。その場合、計１８個のＩＧＢＴ素子が必要となる。これら双方向スイッチをモジュール化する場合、１８個全ての素子を１つのモジュールに内蔵し、入出力部をそれぞれ端子に出力した形がＰＷＭサイクロコンバータにおいて最も使いやすい回路構成となる（例えば、非特許文献１参照）。

「テクニカルインフォメーション ＩＧＢＴモジュール FM35R12KE3（Technische Informetion／Technical informationＩＧＢＴ-Module FM35R12KE3）」、ｅｕｐｅｃ株式会社、２００１年、p.8

しかしながら、前述の９個入り双方向スイッチモジュールでは、入力端子と出力端子の数が同じであるため、入出力を間違える可能性があり、接続ミスを起こす可能性が高い。
また、通常、内部配線長を同程度にするために、モジュール内部で素子を横並びに並べることが多いが、その場合には同じ出力相に接続される双方スイッチが近接配置され、ＰＷＭサイクロコンバータが低周波・大電流出力時に双方向スイッチへの熱ストレスが集中増大するという問題がある。
また一方でＰＷＭサイクロコンバータには様々な用途があり、用途によっては、同じ入力相に接続される双方向スイッチへの熱ストレスの方が大きくなる問題もあり、このような用途に対応しようとすると、モジュールやＰＷＭサイクロコンバータのバリエーションを増やさなければならないという問題もある。
そこで本発明は、このような相違点に鑑みてなされたものであり、接続ミスによる破損を防止し、双方向スイッチへの熱ストレスの集中増大を防止し、各用途ごとに対応するための半導体モジュールバリエーション増加を防止できる半導体モジュールと、その使用方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、同じ出力相に接続される双方向スイッチを互いに分散配置し、同じ入力相に接続される双方向スイッチを互いに近接配置することで、ＰＷＭサイクロコンバータの低周波・大電流出力時における前記各双方向スイッチへの熱ストレスを最大限に分散し、同時に用途に応じての使い分けをも可能としている。その半導体モジュール構成を利用し、低速度運転頻度が高い用途では、共通出力相に接続された双方向スイッチが電流分散となる向きに取り付け、反対に高速運転頻度が高い用途では、共通入力相に接続された双方向スイッチが電流分散となる向きへの取り付けとを選択できるという利点を有する。これにより常に電流を分散することができ、発熱を抑えることが可能となることから、パッケージの小型化等が期待できる。

また、ＰＷＭサイクロコンバータなどの電力変換装置に用いられる半導体モジュールの各端子を点対称に配置し、かつ半導体モジュールを点対称に取り付けても同じ動作が可能となるように各端子を機能割付け配置することで、半導体モジュールの取り付け方向を変更するのみで、入力側・出力側のいずれにも接続しうるモジュール構成を提供し、また配線や取り付け上のミスを未然に防止することもでき、前記ミスを防止するためのモジュールの表面刻印等を簡素化できるようにしたものである。

請求項１または請求項２記載の発明によれば、入出力を間違え接続ミスをしても、半導体モジュールやＰＷＭサイクロコンバータを破損することなく、正常動作を可能にできるという効果があり、また、半導体モジュールを同一の接続基板において、同じ出力相に接続された半導体素子が相互に分散配置される方向にも、逆に、同じ入力相に接続された半導体素子が相互に分散配置される方向にも取り付け可能にできるという効果がある。
請求項３記載の発明によれば、デバイスの熱集中を分散させることができ、信頼性の向上、長寿命化、さらには半導体モジュールやＰＷＭサイクロコンバータサイズを小型化できる等の効果がある。
また、請求項４または請求項５記載の発明によれば、半導体モジュールやＰＷＭサイクロコンバータのバリエーションを増やすことなく、様々な用途に応じた使い分けができるという効果もある。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は本発明を実施するための、ＰＷＭサイクロコンバータのシステム構成を示したものである。
まず、図１についてＰＷＭサイクロコンバータは三相交流電源１２とモータ１３の入力電流である三相出力との間に計９個の双方向スイッチ１１から構成される半導体モジュール１０を用いて直接接続し、交流電源電圧を直流に変換することなく、任意の周波数・電圧を出力することができる。しかしこのままでは、双方向スイッチ１１の入力段にはパルス状の電流が流れる。そのために三相交流リアクトル１４と三相交流キャパシータ１５を用いてフイルタを作成している。また、双方向スイッチ１１は、入力側の三相と出力側の三相とをそれぞれ接続するため、計９個必要となる。この９個のスイッチを独立に制御する必要があるため、高速かつ自己消弧能力のある半導体スイッチとして、ＩＧＢＴを用いている。

現在、先に述べた双方向スイッチ１１の構成として、様々な構成案が提案されている。図２はその構成例のひとつである。双方向に流れる電流を制御する必要があるので、逆向きに接続された２個のＩＧＢＴと、ＩＧＢＴの逆電圧印加防止のための２個のダイオードとの計４個の半導体素子によって双方向スイッチは構成される。
図２で示したような半導体素子群を用いて、ＰＷＭサイクロコンバータに用いられる半導体モジュールを構成するが、９個の双方向スイッチを全て１パッケージ内に配置した構造が最も使用し易い。この構成が実現すると、モジュール的には、入力側端子３個と出力側端子３個と制御端子で構成することが可能となる。
図３は本発明の構成案を示すもので、図のようにモジュール中央から点対象となる構造を実現する。これに対し従来は図４のような構成を用いて、外形的に取り付け方向への変更は、外形的に取り付け不可能となるような構造が考えられていた。

しかし本発明では制御端子のピン配列を、入出力端子をいずれの側に選択しても、すなわち入力側端子ＡないしＣを交流電源に、出力側端子１ないし３をＰＷＭサイクロコンバータ出力端子に接続しても、あるいは出力側端子１ないし３を交流電源に、入力側端子ＡないしＣをＰＷＭサイクロコンバータ出力端子に接続しても動作可能な構成、つまりケース中央部から見て各端子が点対象に機能割付けされた配置構造とすることで、配線上のミスがあっても半導体モジュールの破損を防ぐことができる。このような理由から、ケース表面に配線ミス防止のための刻印を省くこともできる。

その際の実際の端子配置例を図５、図６に示す。まず、図５のように端子配列とコネクタ配列を行うと仮定する。その場合の注意点としては、同じエミッタ端子に対応するゲート信号を、これらの信号間における電位差は小さいので、エミッタを共通にし同一コネクタに集約する。これにより例えば図中Ｂ端子から第３端子へ向かうスイッチ(実線部)のゲート信号は、左下コネクタ２１の左から3番目に配置される。同様に、第３端子からＣ端子へ向かうスイッチ(破線部)のゲート信号は、右上コネクタ２６の右から２番目に配置される。
このように配置されたパッケージを、点対称に１８０度回転させたものが図６である。
この場合、先ほどのＢ端子から第３端子へ向かうスイッチは第２端子からＣ端子へ向かうスイッチ(実線部)に対応するが、図のようにその部分のゲート信号は、左下コネクタ２６の左から３番目に配置されることがわかる。同様に、Ｃ端子から第３端子へ向かうスイッチ(破線部)のゲート信号は、右上コネクタ２１の右から２番目に配置される。
よって、端子配列とゲート信号の配列を図のように行うことで、どちらを入出力端子としても、ゲートの配置を換えることなく結線が可能となる。このことはＰＷＭサイクロコンバータに用いられる半導体モジュールの取り付け方向を変えるだけで、その他の、例えばモジュールが取り付けられる基板等の変更は不要であることをも意味している。
なお、ここではコネクタ端子を例に説明したが、単なるピン端子等の場合でも同様な作用効果があることはもとよりである。
また、モジュール取り付け部では、必要に応じてモジュール取付け穴等も点対称に配置し、あるいは、モジュールを冷却フィン上で点対称に取付け変更した際に、変更後のモジュール取付け穴等に対応する冷却フィンの位置に取付けネジ穴を準備し、対応することも考えられる。
さらに、図５、図６では、逆耐圧を有するＩＧＢＴ２個により構成された双方向スイッチを例に説明したが、図２に示す双方向スイッチでも作用効果は同じである。

図７、図８は、入出力端子をいずれにも接続可能なパッケージ構造を用いた場合の各半導体素子に流れる電流の集中度合いを示しており、モジュール内部における各双方向スイッチの位置関係をも簡易的に示したものである。
図７のような接続方式を採用した場合に、出力側に直流の電流（または低周波電流）を流すと、図のように、電流が流れる半導体素子（双方向スイッチ）が配置的に集中する構成となり相互間の熱干渉が発生する。これにより、半導体素子間隔を離し、ひいてはケース自体を大きくする必要が生じる。逆に同じ電流状態で、図８のような接続方式を採用した場合は、うまく電流の集中する素子を分散することができることが分かる。図８のように、共通接続される各双方向スイッチを集中配置することで、電流集中を回避したい側である前記半導体素子の間隔をさらに大きくでき、効果を増大させることができる。

出力周波数が入力電源周波数に対して十分高い場合は前述と逆の状態が発生することになる。ＰＷＭサイクロコンバータは電源電圧の状態で、基準電圧を作成する必要があるので、ひとつの相が基準入力相である瞬間に高周波出力を行うと、その基準入力相に電流集中が発生することになる。このような場合は図７のように入力側を分散する構造にした場合が熱集中を回避することができる。
つまり、入力電源周波数に対して、出力周波数が十分低い場合は図８のような出力分散配置が、また出力が十分高周波である場合は図７のような入力分散配置がより効率的な熱分散を実現できることになる。本発明は、このような用途ごとの選択をも可能とするパッケージ構造に関するものであり、適応アプリケーションに応じて接続方向を変え、素子の熱集中を防止することを可能とする。
ＰＷＭサイクロコンバータに用いられる半導体モジュール内での双方向スイッチの配置により、用途に応じ単に接続方法を変更するのみで、同一モジュールであるにもかかわらず前記の両用途への対応が可能となる。
さらには、端子を点対称に配置し、機能割付けをも点対称にすることで、一つのＰＷＭサイクロコンバータにおいて、同一の接続基板に対しても、モジュール取り付け方向を変更するのみで、前記の両用途への対応も可能となる。

なお、図３では入出力端子群の例としてネジ取付け端子を例に説明したが、ネジ取付け端子に限られるものではなく、本発明にはピン端子タイプ等、他の構成も含まれるのはもとよりである。

本発明によれば、デバイスの熱集中を分散させることができ、信頼性や長寿命性を必要とする用途にも適用でき、さらには半導体モジュールやＰＷＭサイクロコンバータサイズの小型化を必要とする用途への適用も可能となる。
また本発明によれば、半導体モジュールやＰＷＭサイクロコンバータのバリエーションを増やすことなく、様々な用途に適用することが可能になる。

本発明を実施するための、ＰＷＭサイクロコンバータのシステム構成を示したものである。 本発明を実施するための、双方向スイッチ構成を示したものである。 本発明を実施するための、半導体スイッチデバイス外観例を示したものである。 従来の半導体スイッチデバイス外観を示したものである。 本発明による点対象配置の実施例を示したものである。 図５の点対象配置を１８０度回転させた実施例を示したものである。 入力電流分散構成にての半導体チップの熱集中状態を示したものである。 出力電流分散構成にての半導体チップの熱集中状態を示したものである。

符号の説明

１，２，３ 出力側端子
５ ＩＧＢＴ
６ ダイオード
１０ 半導体モジュール
１１ 双方向スイッチ
１２ 三相交流電源
１３ モータ
１４ 三相交流リアクトル
１５ 三相交流キャパシタ
１６ 入力端子
１７ 出力端子
１８ 制御端子
２１〜２６ コネクタ
Ａ、Ｂ、Ｃ 入力側端子

Claims (5)

1. 交流電源の各相と任意電圧を出力する電力変換装置の各出力端子とをつなぐ経路であって、前記交流電源相数に前記出力端子数を乗じた数だけある各経路間に各々挿入接続され、半導体で構成される各双方向スイッチと、
   前記交流電源の各相に各々接続される各電圧入力端子と、
   前記電力変換装置の各出力端子に各々接続される各電圧出力端子と、
   前記各双方向スイッチをオンオフ制御する信号入力端子を備えた半導体モジュールにおいて、
   前記各電圧入力端子と前記各電圧出力端子とが、所定の点について点対称に配置され、
   前記各信号入力端子が、前記所定の点について点対称に配置され、
   前記半導体モジュールを前記所定の点について、点対称に取り付けても同じ動作ができるように、前記各電圧入力端子、前記各電圧出力端子、および前記各信号入力端子に機能割付け配置したことを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記信号入力端子をコネクタ端子とし、相互間の電位差が小さい前記各信号入力端子を同じコネクタ内に配置することを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
3. 同一の前記電圧出力端子に接続されている各双方向スイッチは互いに分散配置され、
   同一の前記電圧入力端子に接続されている各双方向スイッチは互いに近接配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体モジュール。
4. 前記請求項３記載の半導体モジュールを、用途に応じて、前記交流電源の各相に前記各電圧出力端子を接続し、前記電力変換装置の各出力端子に前記各電圧入力端子を接続して使用し、使い分けすることを特徴とする半導体モジュールの使用方法。
5. 前記請求項３記載の半導体モジュールを、用途に応じて、前記交流電源の各相に前記各電圧出力端子を接続し、前記電力変換装置の各出力端子に前記各電圧入力端子を接続して使用し、前記電力変換装置内で使用する同一の接続基板において使い分けすることを特徴とする半導体モジュールの使用方法。

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