JP4973697B2

JP4973697B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP4973697B2
Application number: JP2009153145A
Authority: JP
Inventors: 誘紀郎後藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2029-06-29
Also published as: US8410640B2; JP2011010496A; US20100327949A1

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続された電圧源となるコンデンサとを有する電力変換装置に関する。

インバータやコンバータ等の電力変換装置は、複数の半導体素子（スイッチング素子）のスイッチング動作によって電力の変換を行っている。半導体素子には、互いに接続された高電圧側の半導体素子と低電圧側の半導体素子とが存在し、これらは互いの接続側と反対側の電極端子において電圧源となるコンデンサが接続されている。
そして、半導体素子とコンデンサとはバスバーによって接続されている。

これにより、一対の半導体素子とコンデンサと複数のバスバーによって、一つの閉回路が形成される。そして、半導体素子のスイッチングの切替時には、この閉回路に流れる電流の変化が生じる（特許文献１の実施例１、図１１、図１２参照）。このとき、この閉回路におけるインピーダンスが高いと、大きなサージ電圧が生じて、半導体素子の破損を招くおそれがある。
そこで、閉回路の内側の面積を小さくすることによって、上記閉回路におけるインダクタンスを低減する技術が開示されている（特許文献１、２）。

特開２００８−２５３０５５号公報特開２００６−２９５９９７号公報

しかしながら、閉回路の内側の面積を小さくしても、閉回路のうちの隣り合う一部の導電部において互いに同じ方向の電流が流れる構成となっていると、その部分のインダクタンスは大きくなってしまう。その結果、サージ電圧の発生を充分に抑制することが困難となるおそれがある。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、インダクタンスを低減した電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続された電圧源となるコンデンサとを有する電力変換装置であって、
上記複数の半導体モジュールには、上記コンデンサにおける正極側に接続される正極側半導体モジュールと、上記コンデンサにおける負極側に接続される負極側半導体モジュールとが存在し、
上記正極側半導体モジュールは、上記コンデンサに接続される正極端子と、上記負極側半導体モジュールに接続される第１中間端子とを突出形成してなり、
上記負極側半導体モジュールは、上記コンデンサに接続される負極端子と、上記正極側半導体モジュールに接続される第２中間端子とを突出形成してなり、
上記正極端子は上記コンデンサに対して正極バスバーによって接続され、
上記負極端子は上記コンデンサに対して負極バスバーによって接続され、
上記第１中間端子と上記第２中間端子とは、互いに中間バスバーによって接続され、
上記正極側半導体モジュールと、上記負極側半導体モジュールと、上記コンデンサと、上記正極バスバーと、上記負極バスバーと、上記中間バスバーとは、一つの閉回路を構成しており、
上記半導体モジュールの本体部、上記正極バスバー、上記負極バスバー、及び上記中間バスバーは、上記閉回路に閉じた電流が流れたとき、上記本体部、上記正極バスバー、上記負極バスバー、及び上記中間バスバーのそれぞれに流れる電流の方向が、隣同士で逆向きとなるように積層配置されており、
上記正極側半導体モジュールと上記負極側半導体モジュールとは、上記正極端子と上記負極端子が隣り合うように並列配置されており、また、上記コンデンサは、上記負極側半導体モジュールにおける上記正極側半導体モジュールと反対側の位置に配置されており、
上記正極バスバーが、上記コンデンサに近い部位を上記中間バスバーよりも上記負極バスバーに近接させ、上記正極端子に近い部位を上記負極バスバーよりも上記中間バスバーに近接させるように、上記コンデンサ側へ向かうにしたがい上記中間バスバー側から上記負極バスバー側へ屈曲した部位を有すると共に、上記中間バスバーと上記負極バスバーとの間に挟まれた状態で、上記中間バスバー、上記正極バスバー、上記負極バスバーは、この順に、上記半導体モジュールの本体部との距離が小さい状態で並列に配置されていることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置においては、上記半導体モジュールの本体部、上記正極バスバー、上記負極バスバー、及び上記中間バスバーは、上記閉回路に閉じた電流が流れたとき、上記本体部、上記正極バスバー、上記負極バスバー、及び上記中間バスバーのそれぞれに流れる電流の方向が、隣同士で逆向きとなるように積層配置されている。これにより、上記閉回路におけるインダクタンスを低減することができる。

すなわち、半導体素子のスイッチング動作の切替時においては、上記閉回路を含めた電力変換装置における回路に流れる電流は、その流れ方や大きさが変化する。このとき、上記閉回路に着目すると、該閉回路に流れる閉じた電流の大きさや向きが変化する。
上記閉回路のうちの隣り合う一部の導電部において互いに同じ方向の電流が流れる構成となっていると、上述のごとく、その部分のインダクタンスは大きくなってしまう。逆に、隣り合う導電部における電流の方向を逆向きにすることにより、その部分のインダクタンスを低減することができる。

そこで、上記本体部、上記正極バスバー、上記負極バスバー、及び上記中間バスバーのそれぞれに流れる電流の方向が、隣同士で逆向きとなるように、各導電部が積層配置されていることによって、閉回路のインダクタンスを低減することができる。その結果、半導体素子のスイッチング切替時におけるサージ電圧の発生を抑制することができる。

以上のごとく、本発明によれば、インダクタンスを低減した電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置の説明図。実施例１における、電力変換装置の斜視説明図。下アーム側の半導体素子をオフにする前後の電流経路を説明する説明図図３に示した電流を直流成分と交流成分とに分けた説明図。参考例における、電力変換装置の説明図。比較例における、電力変換装置の説明図。

本発明において、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されるインバータ等として用いることができる。
また、上記正極側半導体モジュールと上記負極側半導体モジュールとは、上記正極端子と上記負極端子が隣り合うように並列配置されており、また、上記コンデンサは、上記負極側半導体モジュールにおける上記正極側半導体モジュールと反対側の位置に配置されており、上記中間バスバー、上記正極バスバー、上記負極バスバーは、この順に、上記半導体モジュールの本体部との距離が小さい状態で配置されている。
これにより、それぞれ互いに隣り合う、半導体モジュールの本体部と中間バスバー、中間バスバーと正極バスバー、正極バスバーと負極バスバーとにおいて、いずれも逆向きの電流が流れることとなる。その結果、上記閉回路のインダクタンスを確実に低減することができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図４を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュール２と、該半導体モジュール２に接続された電圧源となるコンデンサ３とを有する。
上記複数の半導体モジュール２には、コンデンサ３における正極側に接続される正極側半導体モジュール２ｐと、コンデンサ３における負極側に接続される負極側半導体モジュール２ｎとが存在する。

正極側半導体モジュール２ｐは、コンデンサ３に接続される正極端子２１と、負極側半導体モジュール２ｎに接続される第１中間端子２２１とを突出形成してなる。
負極側半導体モジュール２ｎは、コンデンサ３に接続される負極端子２３と、正極側半導体モジュール２ｐに接続される第２中間端子２２２とを突出形成してなる。

正極端子２１はコンデンサ３に対して正極バスバー４１によって接続されている。
負極端子２３はコンデンサ３に対して負極バスバー４３によって接続されている。
第１中間端子２２１と第２中間端子２２２とは、互いに中間バスバー４２によって接続されている。

図１に示すごとく、正極側半導体モジュール２ｐと、負極側半導体モジュール２ｎと、コンデンサ３と、正極バスバー４１と、負極バスバー４３と、中間バスバー４２とは、一つの閉回路を構成している。そして、半導体モジュール２の本体部２４、正極バスバー４１、負極バスバー４３、及び中間バスバー４２は、閉回路に閉じた電流が流れたとき、本体部２４、正極バスバー４１、負極バスバー４３、及び中間バスバー４２のそれぞれに流れる電流ｉの方向が、隣同士で逆向きとなるように積層配置されている（図１における破線円Ｃ内を参照）。

具体的には、本例においては、図１、図２に示すごとく、正極側半導体モジュール２ｐと負極側半導体モジュール２ｎとは、正極端子２１と負極端子２３が隣り合うように並列配置されている。また、コンデンサ３は、負極側半導体モジュール２ｎにおける正極側半導体モジュール２ｐと反対側の位置に配置されている。そして、中間バスバー４２、正極バスバー４１、負極バスバー４３は、この順に、半導体モジュール２の本体部２４との距離が小さい状態で配置されている。

半導体モジュール２は、本体部２４の内部にＩＧＢＴ等の半導体素子と該半導体素子に逆並列接続されたフライホイールダイオードとを内蔵してなる。本体部２４における一つの端辺２４２からは、半導体素子を制御する制御回路基板５に接続される制御端子２６が複数本突出形成されている。そして、正極側半導体モジュール２ｐにおいては、本体部２４における制御端子２６と反対側の端辺２４１から、上記正極端子２１及び上記第１中間端子２２１が突出形成されている。また、負極側半導体モジュール２ｎにおいては、本体部２４における制御端子２６と反対側の端辺２４１から、上記負極端子２３及び上記第２中間端子２２２が突出形成されている。

図２に示すごとく、電力変換装置１は、正極側半導体モジュール２ｐと負極側半導体モジュール２ｎとをそれぞれ複数個有しており、複数個の正極側半導体モジュール２ｐ及び複数個の負極側半導体モジュール２ｎは、それぞれ厚み方向に積層配置されている。このとき、制御端子２６同士、正極端子２１同士、負極端子２３同士、第１中間端子２２１同士、第２中間端子２２２同士は、それぞれ同じ方向に突出するとともに、一列に配列される。

また、複数の正極側半導体モジュール２ｐの正極端子２１は、共通の一つの正極バスバー４１に接続され、複数の負極側半導体モジュール２ｎの負極端子２３は、共通の一つの負極バスバー４３に接続されている。一方、正極側半導体モジュール２ｐの第１中間端子２２１と負極側半導体モジュール２ｎの第２中間端子２２２とは、一組ずつ個別の中間バスバー４２に接続されている。
中間バスバー４２は、本例の電力変換装置１が駆動する三相交流の回転電機における電極に適宜接続されている（図示略）。

正極バスバー４１及び負極バスバー４３は、それぞれの一端を、コンデンサ３の正極端子及び負極端子に接続してある。そして、正極バスバー４１及び負極バスバー４３のそれぞれの他端に、複数のスリット４１１、４３１が設けられ、該スリット４１１、４３１に半導体モジュール２の正極端子２１及び負極端子２３がそれぞれ挿入されると共に、正極バスバー４１及び負極バスバー４３に溶接されている。なお、図１、図２における符号１２は溶接部を表す。

また、正極バスバー４１には、複数の貫通孔４１２が形成されており、該貫通孔４１２に、半導体モジュール２の負極端子２３が挿通している。これにより、負極端子２３は、正極バスバー４１に電気的に接触することなく、負極バスバー４３に電気的に接続されている。

図１、図２に示すごとく、第１中間端子２２１及び第２中間端子２２２は、正極端子２１及び負極端子２３よりも短く、正極端子２１は負極端子２３よりも短い。そして、中間バスバー４２は第１中間端子２２１の先端部と第２中間端子２２２の先端部とに溶接されている。また、正極バスバー４１は、その一端が正極端子２１の先端部に溶接されており、負極バスバー４３は、その一端が負極端子２３の先端部に溶接されている。

これにより、中間バスバー４２は半導体モジュール２の本体部２４に最も近い位置において、その端辺２４１に平行な状態で配置される。また、正極バスバー４１は中間バスバー４２の長手方向に平行に、半導体モジュール２の本体部２４と反対側において、中間バスバー４２に隣接される。さらに、負極バスバー４３は、正極バスバー４１と平行に、半導体モジュール２の本体部２４と反対側において、正極バスバー４１に隣接される。

半導体モジュール２の端辺２４１と中間バスバー４２との間の間隔は例えば１０ｍｍ以下、中間バスバー４２と正極バスバー４１との間の間隔は例えば１〜１０ｍｍ、正極バスバー４１と負極バスバー４３との間の間隔は例えば１〜１０ｍｍとすることができる。また、正極バスバー４１と負極バスバー４３との間には、その一部において絶縁シートを介在させて、互いに積層固定してあってもよい。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１においては、半導体モジュール２の本体部２４、正極バスバー４１、負極バスバー４３、及び中間バスバー４２は、閉回路に閉じた電流が流れたとき、本体部２４、正極バスバー４１、負極バスバー４３、及び中間バスバー４２のそれぞれに流れる電流ｉの方向が、隣同士で逆向きとなるように積層配置されている。これにより、閉回路におけるインダクタンスを低減することができる。

すなわち、半導体素子のスイッチング動作の切替時においては、閉回路を含めた電力変換装置１における回路に流れる電流は、その流れ方や大きさが変化する。このとき、上記閉回路に着目すると、該閉回路に流れる閉じた電流の大きさや向きが変化する。
この閉回路における電流変化について、以下に具体的に説明する。

電力変換装置１におけるモータの一相分に対応する回路を抜き出した回路は、図３のように表せる。そして、正極側半導体モジュール２ｐにおける半導体素子２０１（上アーム側の半導体素子２０１）をオフとした状態で、負極側半導体モジュール２ｎの半導体素子２０１（下アーム側の半導体素子２０１）をオンからオフに切り替えるときに生じる電流変化を考える。
下アーム側の半導体素子２０１がオンのときには、図３（Ａ）に示すごとく、電流経路は、コンデンサ３の正極側からインダクタ１１を通り、下アーム側の半導体素子２０１を通り、コンデンサ３の負極側へ戻る経路となる。

次に、図３（Ｂ）に示すごとく、下アーム側の半導体素子２０１をオンからオフ切り替える過渡状態においては、上記と同様の電流経路と、インダクタ１１を通過した電流が上アーム側のダイオード２０２を通ってパワーモジュール２の正極端子２３側へ戻る電流経路との両方が形成される。
更に、図３（Ｃ）に示すごとく、下アーム側の半導体素子２０１が完全にオフとなった状態では、上アーム側のダイオード２０２とインダクタ１１とを繋ぐ閉回路に電流が流れることとなる。
このような電流の変化が順次生じることにより、回路に高周波電流が流れることとなる。

ここで、３つの状態のうち、下アームの半導体素子２０１がオンの状態（図３（Ａ））とオフの状態（図３（Ｃ））とにそれぞれ流れる電流を平均した電流が、常に変化せずに回路に流れている直流成分Ｉ_DCであると考えると、これに対する上記２つのそれぞれの状態（図３（Ａ）、（Ｃ））の電流の差分を、スイッチングによって逐次変化する交流成分Ｉ_ACと考えることができる。このように、各状態における電流を直流成分Ｉ_DCと交流成分Ｉ_ACとに分離することができる。

すなわち、図４に示すごとく、交流成分Ｉ_ACは、コンデンサ３と上アーム側のダイオード２０２と下アーム側の半導体素子２０１とを繋ぐ閉回路に流れ、下アーム側の半導体素子２０１がオンの状態（図４（Ａ））とオフの状態（図４（Ｃ））とでは逆向きとなる。すなわち、下アーム側の半導体素子２０１をオンからオフに切り替えることにより、交流成分Ｉ_ACの方向が逆転することとなる。
そして、交流成分Ｉ_ACの変化、すなわち電流変化率ｄｉ／ｄｔの発生により、インダクタンスの大きい回路にはサージ電圧Ｖが生じる。

そして、インダクタンスの大きい回路に、高周波電流が流れると、すなわち電流の大きさや向きに変化が生じると、大きなサージ電圧が生じる。
すなわち、サージ電圧をＶ、インダクタンスをＬ、電流変化率をｄｉ／ｄｔとしたとき、サージ電圧は、Ｖ＝−Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）によって得られるため、インダクタンスＬが大きくなるとサージ電圧Ｖは大きくなる。したがって、インダクタンスＬを低減する必要がある。

上記閉回路のうちの隣り合う一部の導電部において互いに同じ方向の電流（交流成分Ｉ_AC）が流れる構成となっていると、上述のごとく、その部分のインダクタンスは大きくなってしまう。逆に、隣り合う導電部における電流（交流成分Ｉ_AC）の方向を逆向きにすることにより、その部分のインダクタンスを低減することができる。

そこで、図１のように、本体部２４、正極バスバー４１、負極バスバー４３、及び中間バスバー４２のそれぞれに流れる電流ｉの方向が、隣同士で逆向きとなるように、各導電部が積層配置されていることによって、閉回路のインダクタンスを低減することができる。その結果、半導体素子のスイッチング切替時におけるサージ電圧の発生を抑制することができる。

以上のごとく、本例によれば、インダクタンスを低減した電力変換装置を提供することができる。

（参考例）
本例は、図５に示すごとく、コンデンサ３が、正極側半導体モジュール２ｐにおける負極側半導体モジュール２ｎと反対側の位置に配置されている例である。
そして、中間バスバー４２、負極バスバー４３、正極バスバー４１は、この順に、半導体モジュール２の本体部２４との距離が小さい状態で配置されている。

本例においては、実施例１とは異なり、正極端子２１が負極端子２３よりも長い。そして、正極バスバー４１は、その一端が正極端子２１の先端部に溶接されており、負極バスバー２３は、その一端が負極端子２３の先端部に溶接されている。
これにより、正極バスバー４１は負極バスバー４３よりも半導体モジュール２の本体部２４から遠い位置に配されることとなる。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合にも、それぞれ互いに隣り合う、半導体モジュール２の本体部２４と中間バスバー４２、中間バスバー４２と負極バスバー４３、負極バスバー４３と正極バスバー４１とにおいて、いずれも逆向きの電流ｉが流れることとなる（図５における破線円Ｃ内を参照）。その結果、上記閉回路のインダクタンスを確実に低減することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（比較例１）
本例は、図６に示すごとく、閉回路に閉じた電流が流れたとき、半導体モジュール２の本体部２４、正極バスバー４１、負極バスバー４３、及び中間バスバー４２のそれぞれに流れる電流の方向が、隣同士で同一方向となる部分（破線円Ｄ内を参照）を有する電力変換装置９の例である。
すなわち、本例においては、中間バスバー４２と負極バスバー４３とが隣り合うように積層配置され、両者に流れる電流ｉの方向が同一となる。
その他は、実施例１と同様である。

この場合、同一方向の電流ｉが流れる中間バスバー４２と負極バスバー４３とによって、回路のインダクタンスが強め合うこととなる。これにより、閉回路全体におけるインダクタンスを充分に提言することが困難となる。その結果、半導体素子のスイッチング切替時においてサージ電圧が発生しやすくなる。

これに対して、本発明の電力変換装置１においては、上述のごとく、閉回路に閉じた電流が流れたとき、半導体モジュール２の本体部２４、正極バスバー４１、負極バスバー４３、及び中間バスバー４２のそれぞれに流れる電流ｉの方向が、隣同士で逆向きとなるように、各導電部が配置されている。
そのため、上述のごとく、閉回路のインダクタンスを小さくすることができ、半導体素子のスイッチング切替時におけるサージ電圧の発生を抑制することができる。

１電力変換装置
２半導体モジュール
２ｐ正極側半導体モジュール
２ｎ負極側半導体モジュール
２１正極端子
２２１第１中間端子
２２２第２中間端子
２３負極端子
２４本体部
３コンデンサ
４１正極バスバー
４２中間バスバー
４３負極バスバー

Claims

半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続された電圧源となるコンデンサとを有する電力変換装置であって、
上記複数の半導体モジュールには、上記コンデンサにおける正極側に接続される正極側半導体モジュールと、上記コンデンサにおける負極側に接続される負極側半導体モジュールとが存在し、
上記正極側半導体モジュールは、上記コンデンサに接続される正極端子と、上記負極側半導体モジュールに接続される第１中間端子とを突出形成してなり、
上記負極側半導体モジュールは、上記コンデンサに接続される負極端子と、上記正極側半導体モジュールに接続される第２中間端子とを突出形成してなり、
上記正極端子は上記コンデンサに対して正極バスバーによって接続され、
上記負極端子は上記コンデンサに対して負極バスバーによって接続され、
上記第１中間端子と上記第２中間端子とは、互いに中間バスバーによって接続され、
上記正極側半導体モジュールと、上記負極側半導体モジュールと、上記コンデンサと、上記正極バスバーと、上記負極バスバーと、上記中間バスバーとは、一つの閉回路を構成しており、
上記半導体モジュールの本体部、上記正極バスバー、上記負極バスバー、及び上記中間バスバーは、上記閉回路に閉じた電流が流れたとき、上記本体部、上記正極バスバー、上記負極バスバー、及び上記中間バスバーのそれぞれに流れる電流の方向が、隣同士で逆向きとなるように積層配置されており、
上記正極側半導体モジュールと上記負極側半導体モジュールとは、上記正極端子と上記負極端子が隣り合うように並列配置されており、また、上記コンデンサは、上記負極側半導体モジュールにおける上記正極側半導体モジュールと反対側の位置に配置されており、
上記正極バスバーが、上記コンデンサに近い部位を上記中間バスバーよりも上記負極バスバーに近接させ、上記正極端子に近い部位を上記負極バスバーよりも上記中間バスバーに近接させるように、上記コンデンサ側へ向かうにしたがい上記中間バスバー側から上記負極バスバー側へ屈曲した部位を有すると共に、上記中間バスバーと上記負極バスバーとの間に挟まれた状態で、上記中間バスバー、上記正極バスバー、上記負極バスバーは、この順に、上記半導体モジュールの本体部との距離が小さい状態で並列に配置されていることを特徴とする電力変換装置。