JP5269259B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

容量の比較的大きな電力変換装置では、ターンオフしたスイッチング素子に印加されるサージ電圧を抑制するため、主回路のインダンクタンス成分だけでなく、半導体素子モジュールとフィルタコンデンサとの間のインダンクタンス成分をも含めた全体のインダクタンス成分を可能な限り低減することが求められる。このため、従来の電力変換装置では、半導体素子モジュールとフィルタコンデンサとの間の接続導体として、複数の導体間を絶縁物を介して積層した積層ブスバーを用いる構成が多用される（例えば、特許文献１）。

なお、代表的な積層ブスバーの一つに、積層ブスバーの外部面を例えば樹脂製のフィルムであるラミネート材で被覆したラミネートブスバーがある。

特開２００８−２４５４５１号公報

ところが、ラミネート材の熱伝導率は低いため、これを用いたラミネートブスバーでは、半導体素子モジュールで発生した熱が熱伝導率の高い接続導体を通じてフィルタコンデンサに伝達されやすくなり、フィルタコンデンサの温度上昇が問題になる。このため、熱に弱い誘電体を使用しているフィルタコンデンサと半導体素子モジュールとの間の電気的な距離をある一定以下に小さくすることは困難であり、インダンクタンス成分の低減には限界があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、フィルタコンデンサの温度上昇を抑止しつつ、フィルタコンデンサと半導体素子モジュールとの間のインダンクタンス成分の更なる低減を可能とする電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、直流電力を蓄積するフィルタコンデンサと、当該フィルタコンデンサに蓄積される直流電力を交流電力に変換するスイッチング動作を行う半導体素子モジュールとがラミネートブスバーにて電気的に接続される構成の電力変換装置において、前記ラミネートブスバーは、複数の接続導体が絶縁物を介して積層され、且つ、前記半導体素子モジュールおよび前記フィルタコンデンサとの各接合部を除く一部の領域において、導体部を露出させることで形成した放熱部を有していることを特徴とする。

本発明に係る電力変換装置によれば、フィルタコンデンサの温度上昇を抑止しつつ、フィルタコンデンサと半導体素子モジュールとの間のインダンクタンス成分の更なる低減が可能になるという効果を奏する。

図１は、２レベル電力変換装置における主回路の構成を示す図である。 図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の主回路を構成するスイッチング素子とフィルタコンデンサ上の直流端子との間の接続態様を示す図である。 図３は、実施の形態１に係る電力変換装置の内部を車両上部側から視認したときの正視図である。 図４は、電力変換装置の一部であるインバータ制御部および放熱器を車両上部側から視認したときの斜視図である。 図５は、素子部を車両上部側から視認したときの斜視図である。 図６は、フィルタコンデンサを車両下部側から視認したときの斜視図である。 図７は、図６のＡ−Ａ線断面図である。 図８は、図６のＢ−Ｂ線断面図である。 図９は、図６のＣ−Ｃ線断面図である。 図１０は、実施の形態２に係るラミネートブスバーの構造を図７の断面図上に示した図である。 図１１は、実施の形態２に係るラミネートブスバーの構造を図８の断面図上に示した図である。

以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、２レベル電力変換装置における主回路の構成を示す図である。図１において、正極（Ｐ）および負極（Ｎ）の電位を有するフィルタコンデンサ１１０の直流端子間に半導体素子モジュール１０１〜１０６が接続されている。より詳細に説明すると、正極（Ｐ）と負極（Ｎ）との間には正側アームを成す半導体素子モジュール１０１と負側アームを成す半導体素子モジュール１０２とが直列に接続され、半導体素子モジュール１０１，１０２の接続点は引き出されてＵ相交流（ＡＣ）端子を形成する。以下同様に、正側アームを成す半導体素子モジュール１０３と負側アームを成す半導体素子モジュール１０４とが正極（Ｐ）と負極（Ｎ）との間に直列に接続され、半導体素子モジュール１０３，１０４の接続点は引き出されてＶ相交流端子を形成し、正側アームを成す半導体素子モジュール１０５と負側アームを成す半導体素子モジュール１０６とが正極（Ｐ）と負極（Ｎ）との間に直列に接続され、半導体素子モジュール１０５，１０６の接続点は引き出されてＷ相交流端子を形成する。これら半導体素子モジュール１０１〜１０６は、フィルタコンデンサ１１０に蓄積される直流電力を交流電力に変換するスイッチング動作を行う。

半導体素子モジュール１０１は、ＩＧＢＴ１１１と、ＩＧＢＴ１１１に逆並列接続されるフライホイールダイオード（以下「ＦＷＤ」と表記）１１２とを有して構成され、ＩＧＢＴ１１１のコレクタとＦＷＤ１１２のカソードが接続されて端子Ｃ１を形成し、ＩＧＢＴ１１１のエミッタとＦＷＤ１１２のアノードが接続されて端子Ｅ１を形成する。また、半導体素子モジュール１０２は、ＩＧＢＴ１２１と、ＩＧＢＴ１２１に逆並列接続されるＦＷＤ１２２とを有して構成され、ＩＧＢＴ１２１のコレクタとＦＷＤ１２２のカソードが接続されて端子Ｃ２を形成し、ＩＧＢＴ１２１のエミッタとＦＷＤ１２２のアノードが接続されて端子Ｅ２を形成する。

図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の主回路を構成するスイッチング素子とフィルタコンデンサ上の直流端子との間の接続態様を示す図である。図１が、通例の回路図の形で表した図であるのに対し、図２は、実際の配置に近い形で表した接続図である。

図２に示すように、フィルタコンデンサ１１０の正側直流端子（Ｐ）と半導体素子モジュール１０１の端子Ｃ１とを接続する接続導体１０７と、フィルタコンデンサ１１０の負側直流端子（Ｎ）と半導体素子モジュール１０２の端子Ｅ２とを接続する接続導体１０８とを平行かつ近接させて配置したとき、接続導体１０７，１０８に流れる電流は逆向きになる。すなわち、接続導体１０７，１０８は、平行かつ近接させて配置した往復路を形成する。このような往復路に逆向きの電流が流れるとき、これらの逆向きの電流によって生じる磁界も逆向きとなるので相互に打ち消し合い、フィルタコンデンサ１１０と半導体素子モジュール１０１との間のインダクタンス成分は小さくなる。さらに、接続導体１０７，１０８を平行平板導体で構成し、これらの導体間の距離Ｄを極力小さくすることにより、フィルタコンデンサ１１０と半導体素子モジュール１０１との間のインダクタンス成分を大幅に低減することが可能となる。なお、このような動作原理を利用して構成したものが、後述するラミネートブスバーである。

つぎに、実施の形態１に係る電力変換装置の構成について、図３および図４の図面を参照して説明する。図３は、実施の形態１に係る電力変換装置を鉄道車両に搭載した場合の一構成例を示す図であり、鉄道車両に搭載される電力変換装置１の内部を車両上部側からレール側に向けて視認したときの正視図であり、図４は、電力変換装置の一部であるインバータ制御部および放熱器を車両上部側から視認したときの斜視図である。

電力変換装置１は、ゲート制御ユニット２、断流器・Ｉ／Ｆユニット３、インバータ制御部４および、放熱器５を備えて構成される。また、インバータ制御部４は、ゲート駆動回路１０、フィルタコンデンサ１２および素子部１４を備えて構成される。なお、実際の車両搭載状態では、放熱器５を除く、ゲート制御ユニット２、断流器・Ｉ／Ｆユニット３およびインバータ制御部４は、筐体６に収容されて外気から遮蔽される。一方、放熱器５は、外気に触れるように筐体６の外部に取り付けられ、必要に応じて冷却風にて冷却可能に構成される。

素子部１４は、図１，２で説明した複数の半導体素子モジュールを含む構成部である。ゲート制御ユニット２は、素子部１４の半導体素子モジュールをＰＷＭ駆動するのに必要な制御信号を生成する構成部である。断流器・Ｉ／Ｆユニット３は、主回路に流れる電流を遮断する機能および、ゲート制御ユニット２とゲート駆動回路１０との間の信号授受を行う機能を有する構成部である。ゲート駆動回路１０は、ゲート制御ユニット２が生成した制御信号に基づいて素子部１４の半導体素子モジュールを駆動する構成部（駆動回路）である。フィルタコンデンサ１２は、電力変換に必要な直流電力を蓄積する構成部（電力供給源）である。

フィルタコンデンサ１２と素子部１４とは、ラミネートブスバー１６によって電気的に接続される。ラミネートブスバー１６は、平板状に形成されて素子部１４の直流側端子を接続する第１のブスバー１６ａと、クランク形状に形成されてフィルタコンデンサ１２の直流側端子を接続する第２のブスバー１６ｂとを有して構成される。第１のブスバー１６ａには、素子部１４のスイッチング素子が接続され、第２のブスバー１６ｂには、フィルタコンデンサ１２の直流端子（Ｐ端子、Ｎ端子）が接続される。

図５および図６は、第１のブスバー１６ａと第２のブスバー１６ｂとを分離したときの斜視図である。より詳細に説明すると、図５は、素子部１４を車両上部側から視認したときの斜視図であり、図６は、フィルタコンデンサ１２を車両下部側から視認したときの斜視図である。

ラミネートブスバー１６に用いられるラミネート材の熱伝導率が低いことは前述の通りである。したがって、素子部１４で発生した熱は、熱伝導率の高い接続導体を通じてフィルタコンデンサ１２に伝達されやすくなる。一方、実施の形態１の電力変換装置では、図５および図６に示すように、第１のブスバー１６ａ，１６ｂの一部の領域において、導体を露出させる構造としている。

より具体的に説明すると、第１のブスバー１６ａでは、図５に示すように、太枠で示す部位を放熱部（放熱領域）２０とし、当該部位にはラミネート材を設けずに導体部を露出させている。なお、放熱部２０は、二重丸で示している素子部との接合点を避け、また、これらの接合点と露出させた導体との間の絶縁距離が問題とならない範囲において、この露出領域を可能な限り広くとるようにすれば、放熱の効果は大きくなる。

第２のブスバー１６ｂでは、図６に示すように、太枠で示す部位を放熱部２２，２４とし、当該部位の一部の領域において、導体を露出させる構造としている。また、これら放熱部２２，２４は、第１のブスバー１６ａと同様に、二重丸または三重丸で示しているフィルタコンデンサ１２との接合点を避け、これらの接合点と露出させた導体との間の絶縁が問題とならない範囲において、可能な限り広く設けるようにしている。なお、第２のブスバー１６ｂのクランク状に曲げられた部位に設けられた放熱部２４では、放熱領域を両面に設けている。

なお、図５および図６の例では、放熱部２０，２２，２４として矩形状の領域を設けているが、矩形領域に限定されるものではなく、任意の形状が可能である。また、第２のブスバー１６ｂでは、放熱部２４として、クランク状に曲げられた部位の両面に放熱領域を設けているが、使用電圧と絶縁距離の許す限りにおいて、放熱部２２の裏面側（フィルタコンデンサ１２側）に放熱領域を設けても構わない。この点は、第１のブスバー１６ａにおいても同様である。なお、これら放熱部２０，２２，２４は、ラミネートブスバー１６の導体部が露出する構造であればよく、製造手法は問わない。例えば、ラミネート材にて被覆した第１のブスバー１６ａ，１６ｂをそれぞれ構成した後、必要な部位のラミネート材を剥がして、導体部を露出させることで実現してもよい。

これらの放熱部２０，２２，２４では導体部が露出しているので、素子部１４で発生した熱は、これら放熱部２０，２２，２４を通して空間に放熱し易くなる。また、第１のブスバー１６ａおよび第２のブスバー１６ｂ共に、それらの平板面が全て鉛直方向に沿うように配置されているので、放熱部２０，２２，２４での放熱効果が高まるという効果が得られる。

また、図７〜図９は、フィルタコンデンサ１２と第２のブスバー１６ｂとの間の端子接合部の構造を示す図であり、図７は、図６のＡ−Ａ線断面図であり、図８は、図６のＢ−Ｂ線断面図であり、図９は、図６のＣ−Ｃ線断面図である。

フィルタコンデンサ１２の負側直流端子（Ｎ端子）３４に上部導体３０が接続される構造は図７に示すとおりであり、絶縁シート３２を挟み、ラミネート材３３で被覆された上部導体３０および下部導体３１において、上部導体３０のみが導体接続端子３６ａ，３６ｂに接続され、これら導体接続端子３６ａ，３６ｂを介して負側直流端子３４に接続される。

また、フィルタコンデンサ１２の正側直流端子（Ｐ端子）３５に下部導体３１が接続される構造は図８に示すとおりであり、下部導体３１のみが導体接続端子３８ａ，３８ｂに接続され、これら導体接続端子３８ａ，３８ｂを介して正側直流端子３５に接続される。

また、図９に示すように、Ａ−Ａ線断面およびＢ−Ｂ線断面に直交するＣ−Ｃ線断面では、上部導体３０と下部導体３１とが導体接続端子３６ｂ，３８ｂ，３６ｃ，３８ｃを介して交互に接続され、所定の負側直流端子３４および正側直流端子３５に接続される。

なお、図７〜図９において示したブスバーは、一対の接続導体が絶縁物を介して積層される構造を有するものであるが、３以上の接続導体を有し、各々の接続導体間に絶縁物を挟んで構成される構造のものであっても構わない。

つぎに、第１のブスバー１６ａおよび第２のブスバー１６ｂにおける平板面が鉛直方向に沿うように配置されることの効果について説明する。まず、立方体の放熱体を仮想的に考えると、冷却効率は、立方体の上面よりも側面の方が高くなる。側面の場合、放熱体からの放熱により暖められた空気は側面に沿って上昇し、そこには下方からの新しい冷たい空気が次々に補充されるので、自然対流による空気の流れが生じる。一方、上面では放熱体からの放熱により暖められた空気は上昇し、そこに補充される空気は、側方から補充しなければならなくなる。ところが、上面の場合、側方からの空気を上面に導くには空気の流れを直角方向に変更しなければならず、自然対流による上昇力以外の力が必要となる。つまり、自然対流による上昇力を阻害することなく活用できるのは上面ではなくて側面であり、上面よりも側面の方が冷却効率が高くなる。

なお、本実施の形態では、電力変換装置を鉄道車両に搭載した場合の一例として説明したが、鉄道車両に搭載する場合、車体の下部の限られた空間に電力変換装置を収容しなければならず、放熱器５以外を収容する筐体の大きさには制限があって、あまり大きくできない。したがって、筐体内にファンなどを設けることは可能な限り回避したい事項であり、自然対流による冷却効果を促進できる本実施の形態の技術は、非常に有効である。

一方、地上に設置する電力変換装置の場合でも、ラミネートブスバーの平板面における一部の導体部を露出させるという本願の技術は、熱的に弱い物体への熱伝導量を低減する効果があり、当該物体での温度上昇を抑止しつつ、インダクタンス成分を低減するという効果が得られる。よって、例えば構造上の理由により、ラミネートブスバーの平板面の全てまたは一部が、鉛直方向に沿うように配置されていなくても、例えばファンなどによる自然対流以外の冷却風を利用することにより、充分な放熱効果を得ることは可能である。

このように、本実施の形態の電力変換装置では、発熱体である素子部と熱的に弱い物体であるフィルタコンデンサとを接続するラミネートブスバーの平板面における一部の導体部を露出させる構造としたので、素子部で発生した熱がフィルタコンデンサに到達する前にその一部を放熱することができる。その結果、フィルタコンデンサに伝達され得る熱量を低減することができ、ラミネートブスバーの長さを従来のものと比べて短くすることができるので、素子部とフィルタコンデンサとの間のインダクタンス成分の更なる低減が可能となる。

また、本実施の形態の電力変換装置では、ラミネートブスバーにおける平板面の全てが鉛直方向に沿うように配置したので、導体部を露出させた部位が鉛直方向（すなわち重力方向）に沿う面となり、自然対流による放熱効果（冷却効果）を効果的に利用することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、ラミネートブスバーの平板面における一部の導体部を露出させることにより、フィルタコンデンサに伝達され得る熱量を低減する実施形態について説明したが、実施の形態２では、外部への放熱量を高めることにより、フィルタコンデンサに伝達され得る熱量の更なる低減を可能とする実施形態について説明する。

図１０および図１１は、実施の形態２に係るラミネートブスバーの構造を説明する図である。これらの図に示すように、実施の形態２では、第２のブスバー１６ｂ上の放熱部２２に放熱フィン４２を設けるようにしている。なお、図１０および図１１は、図６の放熱部２２に放熱フィン４２を設ける一例であるが、第１のブスバー１６ａ上の放熱部２０に放熱フィン４２を設けてもよい。この構成により、ラミネートブスバー上の放熱部２０，２２での放熱が促進され、放熱量が増大する。その結果、実施の形態１に比して、フィルタコンデンサに到達しようとする熱量の更なる低減が可能となり、ラミネートブスバーの更なる短小化が可能になるという効果が得られる。

なお、実施の形態２では、図１０および図１１に示すように、第２のブスバー１６ｂの放熱部に放熱器を設ける構成について開示したが、第１のブスバー１６ａの放熱部に放熱器を設けるようにしてもよい。

また、実施の形態１の項で説明したが、第１のブスバー１６ａにおける構造物側を剥離している場合、スペースの許す限りにおいて、この放熱部にも放熱器を設けるようにしても構わない。

実施の形態３．
実施の形態３では、素子部１４に搭載されるスイッチング素子について説明する。素子部１４に搭載されるスイッチング素子としては、珪素（Ｓｉ）を素材とする半導体トランジスタ素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなど）と、同じく珪素を素材とする半導体ダイオード素子とを逆並列に接続した構成のものが一般的である。

一方、上記実施の形態１，２の技術は、珪素を素材として形成されたスイッチング素子に限定されるものではない。この珪素に代え、近年注目されている炭化珪素（ＳｉＣ）を素材とするスイッチング素子に適用することも無論可能である。

ここで、炭化珪素は、高温度での使用が可能であるという特徴を有しているので、素子部１４に搭載されるスイッチング素子として炭化珪素を素材とするものを用いれば、半導体素子モジュールの許容動作温度を高温側に引き上げることができるので、キャリア周波数を高めることが可能である。しかしながら、キャリア周波数を高めた場合、素子部１４の発熱量が多くなり、フィルタコンデンサ１２の温度上昇が問題となる。このため、フィルタコンデンサ１２の温度上昇の問題に対する手当をすることなく、単純にキャリア周波数を高める制御を行うことは難しい。

上述したように、実施の形態１，２に係る技術によれば、フィルタコンデンサ１２に伝達され得る熱量を低減することができるので、キャリア周波数を高めることに付随して素子部１４で発生する熱量が増大した場合であっても、フィルタコンデンサ１２の温度上昇の問題を解決することができる。すなわち、炭化珪素を素材とするスイッチング素子を用いてキャリア周波数を高めたとしても、素子部１４とフィルタコンデンサ１２との間のインダクタンス成分を低減しつつ、また、インダクタンス成分が増加する場合であってもインダクタンス成分の増加を抑止しつつ、フィルタコンデンサ１２の温度上昇の問題を解決することが可能となる。

なお、炭化珪素（ＳｉＣ）は、珪素（Ｓｉ）よりもバンドギャップが大きいという特性を捉えて、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例である。この炭化珪素以外にも、例えば窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属しており、それらの特性も炭化珪素に類似した点が多い。したがって、炭化珪素以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いる構成も、本発明の要旨を成すものである。

また、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたトランジスタ素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、トランジスタ素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたトランジスタ素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。

また、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたトランジスタ素子やダイオード素子は、耐熱性も高いため、放熱器や冷却器の小型化が可能となり、電力変換装置の更なる小型化が可能になる。

さらに、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたトランジスタ素子やダイオード素子は、電力損失が低いため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いては半導体素子モジュールの高効率化が可能になる。

なお、以上の実施の形態１〜３に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明は、コンデンサの温度上昇を抑止しつつ、フィルタコンデンサと半導体素子モジュールとの間のインダンクタンス成分の更なる低減を可能とする電力変換装置として有用である。

１ 電力変換装置
２ ゲート制御ユニット
３ 断流器・Ｉ／Ｆユニット
４ インバータ制御部
５ 放熱器
６ 筐体
１０ ゲート駆動回路
１２，１１０ フィルタコンデンサ
１４ 素子部
１６ ラミネートブスバー
１６ａ 第１のブスバー
１６ｂ 第２のブスバー
２０，２２，２４ 放熱部
３０ 上部導体
３１ 下部導体
３２ 絶縁シート
３３ ラミネート材
３４ 負側直流端子
３５ 正側直流端子
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３８ａ，３８ｂ，３８ｃ 導体接続端子
４２ 放熱フィン
１０１〜１０６ 半導体素子モジュール
１０７，１０８ 接続導体

Claims (7)

1. 直流電力を蓄積するフィルタコンデンサと、当該フィルタコンデンサに蓄積される直流電力を交流電力に変換するスイッチング動作を行う半導体素子モジュールとがラミネートブスバーにて電気的に接続される構成の電力変換装置において、
   前記ラミネートブスバーは、複数の接続導体が絶縁物を介して積層され、且つ、前記半導体素子モジュールおよび前記フィルタコンデンサとの各接合部を除く一部の領域において、導体部を露出させることで形成した放熱部を有し、
   前記放熱部における導体露出面の全てが、鉛直方向に沿う面となるように形成されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記放熱部における導体露出面が、前記ラミネートブスバーの平板面上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記ラミネートブスバーの平板面が、全て鉛直方向に沿う面で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記ラミネートブスバーは、前記半導体素子モジュールを電気的に接続する第１のブスバーと、前記フィルタコンデンサを電気的に接続する第２のブスバーとで構成され、これら第１、第２のブスバーが別個のブスバーとして構成されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記放熱部の一部または全てに放熱フィンが設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記半導体素子モジュールに搭載されるスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体にて形成されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
7. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。

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