JP4293000B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、一定周波数の交流電源から任意周波数の交流出力を直接生成する半導体モジュールおよびそれを用いた電力変換装置に関する。

これまで可変速駆動用の電力変換装置としては、交流電源を順変換して平滑化した直流電圧を逆変換することにより任意の周波数を供給する方式が主流であった（インバータ）。それに対して、非特許文献２に記載されるように、一定周波数の交流を任意の周波数に直接変換するマトリクスコンバータによる駆動の例が挙げられている。

また、非特許文献３では、従来のインバータで使われている還流ダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴ２個を、逆向きに直列接続して構成される双方向スイッチ９個をモジュールに内蔵してマトリクスコンバータを構成した例が紹介されている。

一方、マトリクスコンバータを構成するには、非特許文献３のような双方向スイッチではなく、非特許文献１に記載されるような逆阻止型のスイッチング素子を適用することで効率向上が図られる。

また、非特許文献２に記載されている適用例のエレベータに関しては、非常装置確認試験時には、エレベータを止めた状態で、ロープを巻きつけているシーブを空転させることがある。この時には止まった状態で大きな駆動トルクが必要なために、モータの各相電流は一定かつ大電流となる。そのため、従来のインバータでは、特定のスイッチング素子に通電が集中して通常時に比べて著しく温度上昇する。マトリクスコンバータの場合には、モータ電流が一定でも、その相に接続される３個のスイッチで分担することができるために、通常運転時に比べて温度上昇を低減できる。

富士時報 Vol.75，No.8,2002逆阻止ＩＧＢＴの適用技術 安川技報 Vol.67，No.2,2003エレベータ駆動制御システム IEEE Trans. on Industrial Electronics，Vol.49，No.2,2002

マトリクスコンバータにおいては、電源側に接続されるＬＣフィルタのコンデンサとスイッチ素子との間の配線インダクタンスを低減することで跳ね上がり電圧を低減できるが、コンデンサを半導体モジュールの主端子に近接させるときに、素子や主端子の配置によっては、冷却経路の障害になる場合がある。また、素子配置によっては発熱の集中があり局所的に温度上昇してしまうため、低速駆動時の素子責務集中を緩和できるという効果が活かせないおそれがある。

本発明は、スイッチング時の跳ね上がり電圧を低減でき、かつ、低速駆動時の素子責務軽減というマトリクスコンバータの効果を活かすことができる素子配置や主端子配置を有する半導体モジュールおよびそれを用いた電力変換装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、同じ負荷側主端子に接続される３個の双方向スイッチを含む双方向スイッチ列が、電源側主端子と負荷側主端子の間において、双方向スイッチ列の各々の長手方向が電源側主端子から負荷側主端子へ向かう方向となるように配置される。

負荷側の同じ相に接続される３個の双方向スイッチを冷却方向に対して並列に配置することができるので、配線インダクタンスを低減しながらも、低速駆動時の素子責務軽減というマトリクスコンバータの効果を活かすことができる。

図１は、本発明の実施例である半導体モジュールにおける半導体チップおよび主端子配置，内部概略配線を示す。図１においては、マトリクスコンバータを構成する９個の双方向スイッチとして、逆阻止ＩＧＢＴを含む半導体スイッチを用いている。

図２に、マトリクスコンバータの概略回路構成を示す。図１に示した逆阻止ＩＧＢＴの符号は、図２に示した回路における符号と一致している。

図１，図２に示すように、１個の双方向スイッチにおいては、２個の逆阻止ＩＧＢＴが互いに逆並列に接続される。例えば、逆阻止ＩＧＢＴであるｒｕｐ(３１１)およびｒｕｎ（３１２）は、電源側主端子Ｒ（２１）と負荷側主端子Ｕ（２４）との間に接続される１個の双方向スイッチとして動作する。ここで、ｒｕｐ，ｒｕｎなどの逆阻止ＩＧＢＴを示す記号において、ｒ，ｓ，ｔは、それぞれ電源側主端子Ｒ(２１)，Ｓ(２２)，Ｔ（２３）に接続されることを表し、ｕ，ｖ，ｗは、それぞれ負荷側主端子Ｕ（２４），Ｖ（２５），Ｗ（２６）に接続されることを表す。またｐは電源側主端子から負荷側主端子に向かって電流を流すＩＧＢＴであることを示し、ｎはその反対の向きに電流を流すＩＧＢＴであることを示す。

図１に示すように、矩形状の半導体モジュール１の一辺に沿って電源側主端子Ｒ，Ｓ，Ｔが、この順に配置される。この１辺に対向する半導体モジュールの他の一辺に沿って、負荷側主端子Ｕ，Ｖ，Ｗがこの順番に、かつＲ，Ｓ，Ｔとそれぞれ対向するように、配置される。負荷側主端子Ｕ，Ｖ，Ｗからは、双方向スイッチを接続するための接続導体が、それぞれ電源側主端子Ｒ，Ｓ，Ｔに向かって延びている。各接続導体に隣接して、かつ接続導体の長手方向に沿って、その接続導体の端部となる負荷側主端子に接続される３個の双方向スイッチが１列に配置される。従って、３個の接続導体と３個の双方向スイッチ列が、それらの長手方向がほぼ同じ方向を向くようにして、交互に配置される。各双方向スイッチ列においては、１個の双方向スイッチが２個のＩＧＢＴを含むので、６個のIGBTが１列に配列される。また、各双方向スイッチ列における３個の双方向スイッチは、電源側主端子から負荷側主端子に向かって、それぞれ電源主端子Ｒ，Ｓ，Ｔに接続される。

例えば、負荷側主端子Ｕから電源側主端子Ｒに向かって延びる接続導体には、３個の双方向スイッチ、すなわち、逆阻止ＩＧＢＴであるｒｕｐ（３１１）およびｒｕｎ(３１２)を含む双方向スイッチ，ｓｕｐ（３２１）およびｓｕｎ（３２２）を含む双方向スイッチ，ｔｕｐ（３３１）およびｔｕｎ（３３２）を含む双方向スイッチが接続される。これら３個の双方向スイッチは、電源側主端子Ｒから負荷側主端子Ｕに向かう順に、それぞれ電源側主端子Ｒ，Ｓ，Ｔに接続され、かつ負荷側主端子Ｕから延びる接続導体に隣接し、その長手方向に沿って配置される。１個の双方向スイッチが２個のＩＧＢＴを含むので、双方向スイッチ列は、６個の逆阻止ＩＧＢＴ、すなわち、ｒｕｐ，ｒｕｎ，ｓｕｐ，ｓｕｎ，ｔｕｐ，ｔｕｎを含む。本実施例においては、これら６個の逆阻止ＩＧＢＴが、電源側主端子Ｒから負荷側主端子Ｕに向かって、前記の順番に、接続導体に隣接しかつその長手方向に沿うように、１列に配列される。

図１，図２に示す半導体モジュールの構成をさらに詳細に説明する。

電源側主端子Ｒ，Ｓ，Ｔ（第１，第２および第３の電源側主端子）は、それぞれ３相交流電源７３（図２）の１相に接続され、かつ、半導体モジュールの一つの端部となる矩形状モジュール外形の一辺の付近において１列に配置される。また、負荷側主端子Ｕ，Ｖ，Ｗ（第１，第２および第３の負荷側主端子）は、それぞれ３相交流負荷８（図２）の１相に接続され、かつ電源側主端子Ｒ，Ｓ，Ｔが配置される一つの端部の反対側端部となる矩形状モジュール外形の他の一辺の付近において１列に配置される。電源側主端子Ｒ，Ｓ，Ｔの列の長手方向と負荷側主端子の列の長手方向は互いに略平行である。

負荷側主端子Ｕに接続される３個の双方向スイッチ、すなわちｒｕｐ(３１１)とｒｕｎ（３１２）を含み電源側主端子Ｒに接続される双方向スイッチ（第１の双方向スイッチ），ｓｕｐ（３２１）とｓｕｎ（３２２）を含み電源側主端子Ｓに接続される双方向スイッチ（第２の双方向スイッチ），ｔｕｐ（３３１）とｔｕｎ（３３２）を含み電源側主端子Ｔに接続される双方向スイッチ（第３の双方向スイッチ）は、１列に配列される（第１の双方向スイッチ列）。また、負荷側主端子Ｖに接続される３個の双方向スイッチ、すなわちｒｖｐ（３４１）とｒｖｎ（３４２）を含み電源側主端子Ｒに接続される双方向スイッチ（第４の双方向スイッチ），ｓｖｐ（３５１）とｓｖｎ（３５２）を含み電源側主端子Ｓに接続される双方向スイッチ（第５の双方向スイッチ），ｔｖｐ（３６１）とｔｖｎ
（３６２）を含み電源側主端子Ｔに接続される双方向スイッチ（第６の双方向スイッチ）も、１列に配列される（第２の双方向スイッチ列）。さらに、負荷側主端子Ｗに接続される３個の双方向スイッチ、すなわちｒｗｐ（３７１）とｒｗｎ（３７２）を含み電源側主端子Ｒに接続される双方向スイッチ（第７の双方向スイッチ），ｓｗｐ(３８１)とｓｗｎ（３８２）を含み電源側主端子Ｓに接続される双方向スイッチ（第８の双方向スイッチ），ｔｗｐ（３９１）とｔｗｎ（３９２）を含み電源側主端子Ｔに接続される双方向スイッチ（第９の双方向スイッチ）も、１列に配列される（第３の双方向スイッチ列）。各双方向スイッチ列は、電源側主端子Ｒ，Ｓ，Ｔの列と負荷側主端子Ｕ，Ｖ，Ｗの列の間において、各双方向スイッチ列の各々の長手方向が、電源側主端子から負荷側主端子へ向かう方向となるように配置される。従って、双方向スイッチ列の各々の長手方向は、電源側主端子の列の長手方向および負荷側主端子の列の長手方向と略垂直である。図１においては、いわば、９個の双方向スイッチが、電源側主端子の列と負荷側主端子の列の間において、電源側主端子の列および負荷側主端子の列の長手方向を行の方向とする３行３列の行列状に配列されている。

負荷のＵ相電流は、電流が正の場合には３個の逆阻止ＩＧＢＴすなわち、ｒｕｐ(311)，ｓｕｐ（３２１），ｔｕｐ（３３１）で転流する。スムーズに転流することで、跳ね上がり電圧が低減される。例えば、ｓｕｐ（３２１）からｔｕｐ（３３１）にスムーズに転流するためには、図２に破線で示したループのインダクタンスを低減することが有効である。

そのためには、モジュール外部のフィルタコンデンサＣｓｔまでの配線インダクタンスを低減することが有効であり、Ｃｒｓ，Ｃｔｒまでの配線インダクタンスも低減することが好ましいので、フィルタコンデンサ７１をＲ，Ｓ，Ｔ主端子（それぞれ、２１，２２，２３）に近接して配置することが好ましい。図１に示した構成ならば、半導体モジュール１を冷却するためのヒートシンク９に流れる冷却風は、図１および後述する図４に示すように紙面の横方向、すなわち、双方向スイッチ列の長手方向に略直交する方向であるため、フィルタコンデンサ７１を電源側主端子Ｒ，Ｓ，Ｔに近接して配置しても冷却風の妨げにはならない。

非特許文献３で記載の例では、冷却方向とモジュールとの向きがはっきりとわからないが、主端子からの配線インダクタンス低減を優先させると、冷却方向はモジュールの長手方向となり、この方向に沿って半導体チップが９個並んでいるので、風上に配置された半導体チップと風下に配置された半導体チップとでは温度差が大きくなるため、風下側のチップ温度で制約されてしまう。図１に示した配置ならば、冷却風の方向には半導体チップが３個しか配置されていないので温度差は比較的小さい。

また、マトリクスコンバータでは低速駆動時に電流責務が複数の素子で分担されるが、非常に低速の場合は、負荷電流の変化が極端に少なくほぼ一定となる。従来のインバータでは、その相の上下どちらかのアームのスイッチング素子と対アームの還流ダイオードに電流責務が集中する。これに対して、マトリクスコンバータでは、例えば、Ｕ相電流が正ならば、ｒｕｐ（３１１），ｓｕｐ（３２１），ｔｕｐ（３３１）の３個で分担しているため、１個あたりの発熱は低減できる。しかし、この３個が冷却風の向きに配置されていると、最も風下には結局３個分の温度上昇が降りかかってくる。しかし、図１に示した配置であれば、この３個の逆阻止ＩＧＢＴ，ｒｕｐ，ｓｕｐ，ｔｕｐが冷却風に対して並列配置されているため、温度上昇は自身の発熱相当となり低減できる。

図３は、半導体モジュール１内のＩＧＢＴチップ近傍の配線を示す。ここでは、ｒｕｐ（３１１）およびｒｕｎ（３１２）近傍を例にして説明する。回路としては、図３（２）に示す構成となっており、逆阻止ＩＧＢＴ３１１と３１２とが逆並列に接続されて双方向スイッチを構成している。ｒｕｐ（３１１）はコレクタ基板３１１４および端子接続導体４１を介してＲ端子２１に接続される。また、ＩＧＢＴチップ上のワイヤボンドを介してＵ相内部導体４４に接続され、ワイヤボンドを介してゲート端子３１１２および補助エミッタ端子３１１３に接続される。さらに、ここではコレクタ・エミッタ間電圧により過電流保護することが可能なようにコレクタ検出端子３１１１を設けている。

ｒｕｎ（３１２）については、コレクタ基板３１２４および接続部４４１を介してＵ相内部導体４４に接続され、エミッタからはワイヤボンドでｒｕｐのコレクタ基板３１１４に接続されている。また、コレクタ基板３１１４はｒｖｐ(３４１)およびｒｗｐ(３７１)のコレクタにも接続される。

ｒｕｎ（３１２）もワイヤボンドを介してゲート端子３１１２および補助エミッタ端子３１１３に接続される。

なお、ゲート端子への接続および配置については、ここで示したのは一例に過ぎず、種々の配置が考えられる。

さらに、接続導体（４４など）についても、説明のために紙面と平行な面にしたが、主端子の位置や大きさおよび半導体チップの大きさにあわせてバリエーションがあるので、ここで示した限りではない。

また、図２および図３から、双方向スイッチであるがゆえに、電源側と負荷側とを逆に接続しても、それに応じて制御端子に制御信号を与えれば回路としては有効であり、考え方によっては便利とも言える。すなわち電源側主端子２１と負荷側主端子２４を入れ替え、同様に電源側主端子２２と負荷側主端子２５および電源側主端子２３と負荷側主端子
２６を入れ替えた場合には、図２におけるスイッチ３１１がｒｕｐではなくｒｕｎとなり、スイッチ３１２がｒｕｎではなくｒｕｐとなる。同様に、スイッチ３２１がｓｕｐではなくｒｖｎに、スイッチ３２２がｓｕｎではなくｒｖｐに、スイッチ３３１がｔｕｐではなくｒｗｎとなり、スイッチ３３２がｔｕｎではなくｒｗｐとなる。このようにマトリクスコンバータ回路としては成り立っており、負荷側主端子２４〜２６もフィルタコンデンサを近接して接続することは可能である。しかし、内部配線インダクタンスや冷却を考慮すると、負荷側Ｕ相に接続される３個の双方向スイッチが冷却風と平行に並んでしまうことになるため、場合によっては温度が上昇し過ぎて破損あるいは寿命低下を引き起こす。したがって、電源側主端子２１〜２３には電源側主端子であることがわかるように（例えば、図１のようにＲ，Ｓ，Ｔと）表示し、負荷側主端子２４〜２６には負荷側主端子であることがわかるように（例えば、図１のようにＵ，Ｖ，Ｗと）表示することが好ましい。

図４は、図１の半導体モジュールを実装した電力変換装置を示す。ここでは、風冷方式を用いており、半導体モジュール１はヒートシンク９に取り付けられ、各半導体素子からの発熱はヒートシンク９により発熱される。なお、ヒートシンク９に送風するためのファンなどの記載は省略した。

電源側主端子は、その近くに配置されたフィルタコンデンサ７１に、配線導体６１〜
６３により接続される。また、配線導体６１〜６３は、図示していないが、フィルタリアクトル７２を介して３相交流電源７３に接続される。一方、負荷側主端子は、配線導体
６４〜６６により、図示していない３相交流負荷８に接続される。

また、半導体モジュール１は、制御駆動回路基板５によってマトリクスコンバータ動作をするように制御される。なお、図４の実施例では、制御端子のうち、コレクタ検出端子（図３における３１２１）を削除してエミッタ端子（３１１３）で代用した場合について示した。このように図３（２）に示したように双方向スイッチを構成するスイッチング素子である逆阻止ＩＧＢＴ３１１と３１２とは逆並列接続されているため、コレクタ端子が対となる素子のエミッタ端子で代用することも可能である。但し、主電流が流れる配線を含むことになりチップの電圧に配線インダクタンスの電圧が加わることになるので、図３に示したように各々のコレクタから直接検出することが好ましい。

このような構成にすることで、負荷側の同じ相に接続された３個の双方向スイッチに対しては並列に冷却風が行くために低速駆動時でも局所的な温度上昇が抑えられる。また、電源側主端子に近接してフィルタコンデンサを接続することが可能なため跳ね上がり電圧を抑制することが可能となる。このため、半導体モジュールを最大限有効に利用できると共に、スナバ回路などが小型化できるので、装置全体を小型化できる。

図５は、図１の半導体モジュールを実装した他の電力変換装置であり、ヒートパイプ式冷却を用いた場合を示す。半導体モジュール１は吸熱ブロック９１に取り付けられており、吸熱ブロック９１からヒートパイプ９２１〜９２３を介して放熱フィン９３に熱輸送され、放熱フィン９３から周辺空気に放熱されることで半導体モジュールの温度上昇が抑制される。なお、ここでは制御駆動基板については省略してある。また、ヒートパイプを３本（９２１〜９２３）としたが、発熱量および寸法に応じて本数が決まるため、ここで図示した限りではない。さらに、吸熱ブロック９１と放熱フィン９３との熱輸送を行うヒートパイプ９２１〜９２３にしても、途中で曲げるなどの形状変更もできる。

図６は、図５の電力変換装置における半導体モジュール１内部のＩＧＢＴチップ配置を簡略化して示す。図６に示すように、ヒートパイプ９２１は主に、逆阻止ＩＧＢＴ（半導体チップ）３３１，３３２，３６１，３６２，３９１および３９２で発生した熱の輸送に寄与する。ヒートパイプ９２２は同様に半導体チップ３２１，３２２，３５１，３５２，３８１および３８２に、ヒートパイプ９２３は半導体チップ３１１，３１２，３４１，
３４２，３７１および３７２に寄与する。

図６のように、負荷の同じ相に接続される３個のスイッチング素子が、一本のヒートパイプにそれぞれ近接して配置されるために、低速駆動時の発熱が各ヒートパイプに分散されるので、局所的な温度上昇を抑制することができる。

なお、上記各実施例に限らず、本発明の技術的思想の範囲内において、種々の変形例が可能である。例えば、半導体スイッチとしては、ＩＧＢＴの他、バイポーラトランジスタ，ＭＯＳＦＥＴや、これらの素子やダイオードなどの他の回路素子を組み合わせた種々のスイッチ回路を適用できる。

本発明の実施例である半導体モジュールを示す。 マトリクスコンバータの概略回路構成を示す。 モジュール内の半導体チップ近傍の配線を示す。 図１の半導体モジュールを実装した電力変換装置を示す。 図１の半導体モジュールを実装した他の電力変換装置を示す。 図５の電力変換装置における半導体モジュール内部のチップ配置を示す。

符号の説明

１…半導体モジュール、５…制御駆動回路基板、８…３相交流負荷、９…ヒートシンク、２１〜２３…電源側主端子、２４〜２６…負荷側主端子、４１，４４…接続導体、６１〜６６…配線導体、７１…フィルタコンデンサ、７２…フィルタリアクトル、７３…３相交流電源、９１…吸熱ブロック、９３…放熱フィン、３１１〜３９２…逆阻止ＩＧＢＴ、９２１〜９２３…ヒートパイプ。

Claims (2)

1. ３相交流電源が接続される第１，第２および第３の電源側主端子と、
   ３相交流負荷が接続される第１，第２および第３の負荷側主端子と、
   前記第１の負荷側主端子に接続され、かつそれぞれ前記第１，第２および第３の電源側主端子と接続される３個の双方向スイッチを含む第１の双方向スイッチ列と、
   前記第２の負荷側主端子に接続され、かつそれぞれ前記第１，第２および第３の電源側主端子と接続される３個の双方向スイッチを含む第２の双方向スイッチ列と、
   前記第３の負荷側主端子に接続され、かつそれぞれ前記第１，第２および第３の電源側主端子と接続される３個の双方向スイッチを含む第３の双方向スイッチ列と、
   を有する半導体モジュールであって、
   前記第１，第２および第３の電源側主端子は、前記半導体モジュールの一つの端部付近において配置され、
   前記第１，第２および第３の負荷側主端子は、前記半導体モジュールにおける前記一つの端部の反対側端部付近において配置され、
   前記第１，第２および第３の双方向スイッチ列は、前記第１，第２および第３の電源側主端子と前記第１，第２および第３の負荷側主端子の間において、前記双方向スイッチ列の各々の長手方向が前記第１，第２および第３の電源側主端子から前記第１，第２および第３の負荷側主端子へ向かう方向となるように配置される半導体モジュールを備え、
   前記双方向スイッチ列の各々の長手方向と略直交する向きに冷媒を流す電力変換装置。
2. 請求項１において、前記半導体モジュールは、
   前記第１，第２および第３の電源側主端子は１列に配列され、かつ前記第１，第２および第３の負荷側主端子は１列に配列され、
   前記電源側主端子の列の長手方向と前記負荷側主端子の列の長手方向は互いに略平行であり、
   前記第１，第２および第３の双方向スイッチ列の各々の長手方向は、前記電源側主端子の列の長手方向および前記負荷側主端子の列の長手方向と略垂直である電力変換装置。

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