JP5347565B2

JP5347565B2 - 電力変換ユニット

Info

Publication number: JP5347565B2
Application number: JP2009045170A
Authority: JP
Inventors: 裕加山本
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: JP2010199473A

Description

本発明は、コンデンサユニットおよびインバータ回路等を備えた電力変換ユニットに関する。

一般的に、半導体モジュール（例えば、ＩＧＢＴ等）と複数のコンデンサとを接続する場合、そのコンデンサは半導体モジュールの近傍に一面に並べて配置されている。

図５は、従来の電力変換ユニットの一例を示す簡略図である。回路電圧および必要容量等により異なるが、ここでは３つのコンデンサを直列に接続した直列回路を、さらに７つ並列に接続したコンデンサユニットを適用した電力変換ユニットの例を示している。

図５において、符号１は電力変換ユニット、符号２はヒートシンク、符号３ａ，３ｂ，３ｃはヒートシンク２上に配置された半導体モジュール（例えば、ＩＧＢＴ等）、符号４ａ，４ｂ，４ｃは前記半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃの近傍に一面に並べて配置されたコンデンサ（例えば、電解コンデンサ；以下、電解コンデンサと称する）を示す。

なお、ここでの電解コンデンサ４ａ，４ｂ，４ｃは、通常すべて同一の容量のものが適用されることが多いが、図５では説明の便宜上、半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃから一番遠い場所に配置された７つの電解コンデンサを４ａ，中央の位置に配置された７つの電解コンデンサを４ｂ，半導体モジュールから一番近い位置に配置された７つの電解コンデンサを４ｃとする。

そして、正負極銅板５ａにより電解コンデンサ４ａと４ｂとが直列に接続され、同様に正負極銅板５ｂにより電解コンデンサ４ｂと４ｃとが直列に接続される。また、正極側銅板６により電解コンデンサ４ａと半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃとが並列に接続され、負極側銅板７により電解コンデンサ４ｃと半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃとが並列に接続される。

また、ここでは、半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃとその半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃから一番遠い電解コンデンサ４ａとを正極側銅板６で接続し、半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃとその半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃから一番近い電解コンデンサ４ｃとを負極側銅板７で接続したが、反対に、半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃとその半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃから一番遠い電解コンデンサ４ａとを負極側銅板７で接続し、半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃとその半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃから一番近い電解コンデンサ４ｃとを正極側銅板６で接続してもよい。

なお、関連技術として、インバータ装置におけるコンデンサとスイッチング素子とを接続する正極金属板と負極金属板を対向して配置することにより、インダクタンスを減少させるとともに、前記正極金属板と負極金属板の表面積を大きくすることにより放熱効果を向上させたインバータ装置が知られている（特許文献１）。

また、複数のスイッチング素子と電解コンデンサとを一組のブスバーで接続し、そのブスバーのスイッチング素子側に切り欠きを設け、その切り欠き部分にスナバ回路を配置することにより、ブスバーの電流密度やインダクタンスを小さくしたインバータ装置が知られている（特許文献２）。

また、コンバータユニットとインバータユニットとを、半導体素子を実装した面を対向させて配置するとともに、これらユニットの間に電解コンデンサを電極が互い違いになるように配置することにより、コンバータユニットおよびインバータユニットと電解コンデンサ間の距離を短くして配線インダクタンスを低減した電力変換回路が知られている（特許文献３）。

さらに、冷却体ブロックの両面を利用してトランジスタを設けることにより、トランジスタの集約化とブロックの小型化を図るとともに、電解コンデンサとトランジスタとの距離を短くし配線インダクタンスを小さくしたインバータ装置が知られている（特許文献４）。

特開平０３−２８５５７０号公報（第１図）特開平０９−２１５３４３号公報（段落［０００６］〜［００１９］，第１図）特開２００６−２６２６２３号公報（段落［００１４］〜［００２０］，第４図）特開平０７−３１１６５号公報（段落［００１１］〜［００１７］，第１図）

本願発明者は、複数の電解コンデンサを直列かつ並列に接続したコンデンサユニットを適用した電力変換ユニット１においては、以下に示す課題があることに着目した。

前記正極側銅板６および負極側銅板７のインダクタンスを小さくする方法は、前記半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃと電解コンデンサ４ａ，４ｃの接続距離を小さくする方法と、正極側銅板６と負極側銅板７の電流の向きが異なるのを利用して、前記正極側銅板６および負極側銅板７を密着させ、その前記正極側銅板６および負極側銅板７に流れる電流よって発生する磁界を相殺させ、インダクタンスを抑制する方法が挙げられる。

しかしながら、従来のように電解コンデンサ４ａ，４ｂ，４ｃを半導体モジュール３ａ，３b，３ｃの近傍に一面に並べて配置した場合、図６（従来の電力変換ユニット1の一例を示す簡略図）に示すように、半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃと電解コンデンサ４ａとの距離ｄが大きいため、正極側銅板６（あるいは、負極側銅板７）の長さ（半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃと電解コンデンサ４ａ間方向の長さ）が長くなりインダクタンスが大きくなってしまっていた。また、図６に示すように、正極側銅板６と負極側銅板７の面積のうち、互いに平行に沿っている面積Ａが小さく、これもインダクタンスが大きくなる要因となっていた。このように、従来の電力変換ユニット１は、正極側銅板６および負極側銅板７のインダクタンスが大きいため、半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃにおけるサージ電圧が大きくなってしまっていた。

以上示したようなことから、複数のコンデンサを直列かつ並列に接続したコンデンサユニットを半導体モジュールに接続した電力変換ユニットにおいて、正極側銅板および負極側銅板におけるインダクタンスを小さくし、半導体モジュールにおけるサージ電圧を抑制することが課題となる。

本発明は前記の課題を解決すべく創作された技術的思想であって、正極側銅板と負極側銅板との面積のうち互いに平行に沿っている面積の割合を大きくするとともに、半導体モジュールと、その半導体モジュールと正極側銅板および負極側銅板によって接続されるコンデンサと、の距離を短くすることにより課題を解決している。

具体的に、本発明による電力変換ユニットは、複数のコンデンサを直列に接続した直列回路を、さらに正極側銅板および負極側銅板によって複数並列に接続したコンデンサユニットと、前記正極側銅板および負極側銅板によって前記コンデンサユニットと並列に接続される半導体モジュールで構成されたインバータ回路と、を備えた電力変換ユニットであって、前記正極側銅板によって半導体モジュールと接続されるコンデンサと、前記負極側銅板によって半導体モジュールと接続されるコンデンサと、を接続部を有する面が対向するように配置し、そのコンデンサとコンデンサとの間に正極側銅板と絶縁紙と負極側銅板とを重ねて配置したことを特徴とする。

以上の説明で明らかなように、本発明によれば、正極側銅板と負極側銅板は、その面積のうち互いに平行して沿っている面積が大部分となるため、正極側銅板と負極側銅板に流れる電流によって発生する磁界は相殺され、インダクタンスを抑制することができる。その結果、半導体モジュールにおけるサージ電圧を抑制することが可能となる。

また、半導体モジュールと、その半導体モジュールと正極側銅板（あるいは、負極側銅板）によって接続されるコンデンサとの距離を短くすることができるため、正極側銅板（あるいは、負極側銅板）の長さ（半導体モジュールとコンデンサ間方向の長さ）を短くすることができる。その結果、正極側銅板（あるいは、負極側銅板）におけるインダクタンスをさらに抑制することができ、半導体モジュールにおけるサージ電圧を抑制することが可能となる。

さらに、コンデンサを半導体モジュールの近傍に一面に並べて配置した場合と比べて、電力変換ユニットの面積を小さくすることが可能となる。

本実施形態における電力変換ユニットの一例を示す回路構成図。本実施形態における電力変換ユニットの一例を示す斜視図。本実施形態における電力変換ユニットの一例を示す平面図。本実施形態における電力変換ユニットの一例を示す分解図。従来の電力変換ユニットの一例を示す簡略図。従来の電力変換ユニットの一例を示す簡略図。

図１は、本実施形態における電力変換ユニットの一例を示す回路構成図である。なお、図５および図６で示したものと同一のものは同一符号を付して詳細な説明は省略する。図１において、符号１は電力変換ユニット、符号８は交流電源、符号９は交流電源８に接続された整流回路、符号１０は電解コンデンサ４ａ，４ｂ，４ｃから成るコンデンサユニット、符号１１は半導体モジュール（例えば、ＩＧＢＴ等）３ａ，３ｂ，３ｃで構成されたインバータ回路、符号１２はインバータ回路１１から出力された交流電力が供給される負荷（例えば、モータ等）、符号１３は前記インバータ回路１１を構成する半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃの半導体スイッチ素子１４ａ〜１９ａを制御する制御部（例えば、マイクロコンピュータ等）を示す。

前記コンデンサユニット１０は、例えば、図１に示すように、３つの電解コンデンサ３ａ，３ｂ，３ｃを直列に接続した直列回路を、さらに７つ並列に接続したものが適用される。この電解コンデンサ３ａ，３ｂ，３ｃを直列および並列に接続する個数については、回路電圧や，必要容量等に応じて決定される。

また、前記インバータ回路１１を構成する半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃは、例えば、図１に示すように、半導体スイッチ素子１４ａ〜１９ａにそれぞれダイオード１４ｄ〜１９ｄが逆並列に接続される。なお、符号１４ｃ〜１９ｃは前記半導体スイッチ素子１４ａ〜１９ａのコレクタ端子を示し、符号１４ｅ〜１９ｅは半導体スイッチ素子１４ａ〜１９ａのエミッタ端子、符号１４ｇ〜１９ｇは半導体スイッチ素子１４ａ〜１９ａのゲート端子を示す。

なお、図１における符号５ａは電解コンデンサ４ａと４ｂとを直列に接続する正負極銅板、符号５ｂは電解コンデンサ４ｂと４ｃとを直列に接続する正負極銅板、符号６は半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃのコレクタ端子１４ｃ，１６ｃ，１８ｃと電解コンデンサ４ａとを接続する正極側銅板、符号７は半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃのエミッタ端子１５ｅ，１７ｅ，１９ｅと電解コンデンサ４ｃとを接続する負極側銅板７を示す。

上記のような電力変換ユニット１において、交流電源８から出力された交流電流は、整流回路９により直流電流に変換され、この直流電流はコンデンサユニット１０によって平滑化される。そして、その平滑化された直流電流は前記半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃで構成されたインバータ回路１１により交流電力に変換されて前記負荷１２に出力される。なお、この際、半導体スイッチ素子１４ａ〜１９ａのゲート端子１４ｇ〜１９ｇには前記制御部１３から出力されたゲート信号が入力され、このゲート信号に応じた交流電力が負荷１２に出力される。

図２は、図１の回路図で示した平滑回路１０およびインバータ回路１１で構成された電力変換ユニット１の構造の一例を示す斜視図、図３はその平面図、図４はその分解図である。

なお、図２〜図４に示す一つの半導体モジュール３（例えば、半導体モジュール３ａ）には、図１に示す２つの半導体素子と２つのダイオード（例えば、半導体スイッチ素子１４ａ，１５ａとダイオード１４ｄ，１５ｄ）とが組み込まれる。

本発明において、前記正極側銅板６によって半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃと接続される電解コンデンサと、前記負極側銅板７によって半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃと接続される電解コンデンサと、は接続部を有する面が対向するように配置される。具体的には、例えば、図２〜図４に示すように、電解コンデンサ４ａと電解コンデンサ４ｃとは接続部を有する面が対向するように配置される。なお、本実施形態では、正極側銅板６と負極側銅板７に接続されていない電解コンデンサ４ｂを電解コンデンサ４ａと並べて配置しているが、電解コンデンサ４ｂは電解コンデンサ４ｃに並べて配置してもよい。

また、電解コンデンサ４ａ，４ｂと電解コンデンサ４ｃとの間には、正負極銅板５ａ，５ｂと、正極側銅板６と、負極側銅板７と、絶縁紙２０と、が重ねて配置される。この正負極銅板５ａ，５ｂ，正極側銅板６，負極側銅板７，絶縁紙２０が重ねられる順番は、例えば、電解コンデンサ４ａ，４ｂ側から、正負極銅板５ａと正極側銅板６が同一高さに配置され、その下に絶縁紙２０が配置され、その下に正負極銅板５ｂと負極側銅板７とが配置される。

このような構成において、正極側銅板６により半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃの正極側端子（半導体素子１４ａ，１６ａ，１８ａのコレクタ端子１４ｃ，１６ｃ，１８ｃ）と電解コンデンサ４ａとがそれぞれ接続され、正負極銅板５ａにより電解コンデンサ４ａと電解コンデンサ４ｂとが接続される。そして、正負極銅板５ｂにより電解コンデンサ４ｂと電解コンデンサ４ｃとが接続され、負極側銅板７により電解コンデンサ４ｃと半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃの負極側端子（半導体素子１５ａ，１７ａ，１９ａのエミッタ端子１５ｅ，１７ｅ，１９ｅ）とが接続される。

上記のように構成することにより、図１の回路図に示したコンデンサユニット１０とインバータ回路１１とで構成された電力変換ユニット１を構成することができる。その結果、正極側銅板６と負極側銅板７は、その面積のうち互いに平行して沿っている面積が大部分となるため、正極側銅板６と負極側銅板７に流れる電流によって発生する磁界も大部分が相殺されることとなる。よって、正極側銅板６と負極側銅板７で発生するインダクタンスを抑制することができ、半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃにおけるサージ電圧を抑制することが可能となる。

また、正極側銅板６によって半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃと接続された電解コンデンサ４ａと、負極側銅板７によって半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃと接続された電解コンデンサ４ｃとを、接続部を有する面が対向するように配置することにより、半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃと、電解コンデンサ４ａ（あるいは電解コンデンサ４ｃ）との距離ｄを短くすることができるため、正極側銅板６（あるいは、負極側銅板７）の長さ（半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃと電解コンデンサ４ａ間方向の長さ）を短くすることが可能となる。その結果、正極側銅板６あるいは負極側銅板７におけるインダクタンスをさらに抑制し、半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃにおけるサージ電圧を抑制することが可能となる。

さらに、従来のように電解コンデンサ４ａ，４ｂ，４ｃを半導体モジュール３ａ，３ｂ，３ｃの付近に一面に並べて配置した場合と比べて、電力変換ユニット１の面積を小さくすることができる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、実施形態においては、特定の構成の電力変換回路について説明したが、複数の電解コンデンサを直列に接続した直列回路をさらに並列に接続して成るコンデンサユニット１０を備えた電力変換回路であれば、適用可能である。

また、実施形態では、３つの電解コンデンサを直列に接続した直列回路を、さらに７つ並列に接続したコンデンサユニット１０について詳細に説明したが、その他の構成のコンデンサユニット１０でも適用可能である。例えば、２つの電解コンデンサを直列に接続した直列回路を、さらに複数並列に接続したコンデンサユニット１０でも適用できる。なお、この場合、正負極銅板は１枚でよく、３つの電解コンデンサを直列に接続した直列回路を適用した場合と比較して、正負極銅板５を一枚省略することが可能となる。

１…電力変換ユニット
３ａ，３ｂ，３ｃ…半導体モジュール（例えば、ＩＧＢＴ）
４ａ，４ｂ，４ｃ…コンデンサ（例えば、電解コンデンサ）
５ａ，５ｂ…正負極銅板
６…正極側銅板
７…負極側銅板
１０…コンデンサユニット
１１…インバータ回路
２０…絶縁紙

Claims

複数のコンデンサを直列に接続した直列回路を、さらに正極側銅板および負極側銅板によって複数並列に接続したコンデンサユニットと、
前記正極側銅板および負極側銅板によって前記コンデンサユニットと並列に接続される半導体モジュールで構成されたインバータ回路と、を備えた電力変換ユニットであって、
前記正極側銅板によって半導体モジュールと接続されるコンデンサと、前記負極側銅板によって半導体モジュールと接続されるコンデンサと、を接続部を有する面が対向するように配置し、そのコンデンサとコンデンサとの間に正極側銅板と絶縁紙と負極側銅板とを重ねて配置したことを特徴とする電力変換ユニット。
前記直列回路は、コンデンサとコンデンサとが正負極銅板によって直列に接続されたことを特徴とする請求項１記載の電力変換ユニット。