JP5438752B2 - 半導体スタック、および、それを用いた電力変換装置 - Google Patents

半導体スタック、および、それを用いた電力変換装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体スタック、および、それを用いた三相回転電機用の電力変換装置に関する。
従来の電力変換装置に用いられる半導体スタックは、積層基板、複数のスイッチング素子および電解コンデンサから構成されている（例えば、特許文献１を参照。）。
積層基板は、正極側の導体板と負極側の導体板とが絶縁板を介して積層され構成されている。各スイッチング素子の正極側の端子および負極側の端子は、それぞれ積層基板の正極側の導体板および負極側の導体板に接続されている。また、電解コンデンサの正極側の端子および負極側の端子は、それぞれ積層基板の正極側の導体板および負極側の導体板に接続されている。
複数のスイッチング素子は、積層基板の表面上に上下方向に列をなして実装されている。また、電解コンデンサは、複数のスイッチング素子の列の延長上に配置されている。
特開平７−１３１９８１号公報
上記の半導体スタックでは、電解コンデンサが複数のスイッチング素子の列の延長上に配置されているため、各スイッチング素子と電解コンデンサとの間の距離が均一でない。そのため、電解コンデンサに近いスイッチング素子に大きい電流が流れ、各スイッチング素子間の電流がアンバランスとなる。
上記の課題を解決するために、本発明に係る半導体スタックは、第１電極、第２電極および第３電極がそれぞれに形成された第１導体板、第２導体板および第３導体板が絶縁板を介して重なり合ってなる積層基板と、前記積層基板の一方の面上に列をなして配置され、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極に接続された複数の半導体モジュールと、前記積層基板の前記一方の面上に前記複数の半導体モジュールの列に平行な列をなして配置され、前記第１電極および前記第２電極に接続された複数の第１電解コンデンサと、前記積層基板の前記一方の面上に前記複数の第１電解コンデンサと同じ列をなして配置され、前記第２電極および前記第３電極に接続された複数の第２電解コンデンサと、前記積層基板の他方の面上に配置され、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極のそれぞれに接続された複数のヒューズとを具備している。
また、上記課題を解決するために、本発明に係る三相回転電機を用いた電力変換装置は、第１電極、第２電極および第３電極がそれぞれに形成された第１導体板、第２導体板および第３導体板が絶縁板を介して重なり合ってなる積層基板と、前記積層基板の一方の面上に列をなして配置され、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極に接続された複数の半導体モジュールと、前記積層基板の前記一方の面上に前記複数の半導体モジュールの列に平行な列をなして配置され、前記第１電極および前記第２電極に接続された複数の第１電解コンデンサと、前記積層基板の前記一方の面上に前記複数の第１電解コンデンサと同じ列をなして配置され、前記第２電極および前記第３電極に接続された複数の第２電解コンデンサと、前記積層基板の他方の面上に配置され、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極のそれぞれに接続された複数のヒューズとを具備している。
本発明に係る半導体スタックは、各半導体モジュール間の電流のバランスを良好にすることができる。
本発明の第１の実施形態に係る半導体スタックの正面斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体スタックの積層基板の分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体スタックの積層基板の斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体スタックの回路構成の一部を示す図である。
符号の説明
１…半導体スタック、２…積層基板、３…半導体モジュール、４…電解コンデンサ、５…ヒューズ、６…冷却フィン、７…直流側の電極、２１…第１導体板、２２…第２導体板、２３…第３導体板、２４…絶縁板、２５…接続孔、２６…積層導体の長手方向、２７…積層導体の短手方向
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る三相回転電機用の電力変換装置に用いられる半導体スタックについて図１ないし図４を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る半導体スタックの正面斜視図である。図２は、本実施形態に係る半導体スタックの積層基板の分解斜視図である。図３は、本実施形態に係る半導体スタックの積層基板の斜視図である。図４は、本実施形態に係る半導体スタックの回路構成の一部を示す図である。
本実施形態に係る半導体スタック１は、積層基板２の表面上に半導体モジュール３、電解コンデンサ４、ヒューズ５、および、冷却フィン６が実装されることにより構成されている。
まず、半導体スタック１の回路構成について図４を用いて説明する。
半導体スタック１の回路は、８つの半導体モジュール３ａ〜３ｈ、１２つの電解コンデンサ４ａ〜４ｍ、および、１２つのヒューズ５ａ〜５ｍ、および、３つの直流側の電極７（Ｐ相電極７ａ、Ｃ相電極７ｂおよびＮ相電極７ｃ）から構成されている。
半導体モジュール３ａ，３ｂは、Ｐ相電極７ａ、Ｃ相電極７ｂおよびＮ相電極７ｃに接続されている。半導体モジュール３ａ，３ｂは、互いに並列に接続されている。
電解コンデンサ４ａ〜４ｃは、Ｐ相電極７ａおよびＣ相電極７ｂに接続され、互いに並列に接続されている。また、電解コンデンサ４ｄ〜４ｆは、Ｃ相電極７ｂおよびＮ相電極７ｃに接続され、互いに並列に接続されている。
ヒューズ５ａは、Ｐ相電極７ａに直列に接続され、ヒューズ５ｂは、Ｎ相電極７ｃに直列に接続されている。ヒューズ５ａ，５ｂは、半導体モジュール３ａ，３ｂを保護するために設けられている。また、ヒューズ５ｃ，５ｄは、Ｃ相電極７ｂに直列に接続され、互いに並列に接続されている。ヒューズ５ｃ，５ｄは、電解コンデンサ４ｄ〜４ｆを保護するために設けられている。
半導体モジュール３ｃ，３ｄおよびヒューズ５ｅ，５ｆにより構成された回路は、半導体モジュール３ａ，３ｂおよびヒューズ５ｃ，５ｄにより構成された回路と同一であり、両回路は、互いに並列に接続されている。半導体モジュール３ｃ，３ｄおよびヒューズ５ｅ，５ｆと半導体モジュール３ａ，３ｂおよびヒューズ５ｃ，５ｄとは、電解コンデンサ４ａ〜４ｆおよびヒューズ５ａ，５ｂを共有する。
半導体モジュール３ｅ〜３ｈ、電解コンデンサ４ｇ〜４ｍおよびヒューズ５ｉ〜５ｍにより構成された回路は、半導体モジュール３ａ〜３ｄ、電解コンデンサ４ａ〜４ｆおよびヒューズ５ａ〜５ｆにより構成された回路と同一であり、両回路は、互いに並列に接続されている。
上述の回路構成により、半導体モジュール３ａ〜３ｈは、Ｐ相電極７ａ、Ｃ相電極７ｂおよびＮ相電極７ｃからの直流電流を三相交流電流に変換し、出力する。
次に、積層基板２の構造について図２および図３を用いて説明する。
積層基板２は、第１電極（Ｐ相電極７ａ）が形成された第１導体板（Ｐ相導体板）２１、第２電極（Ｃ相電極７ｂ）が形成された第２導体板（Ｃ相導体板）２２、第３電極（Ｎ相電極７ｃ）が形成された第３導体板（Ｎ相導体板）２３、および、４枚の絶縁板２４（絶縁板２４ａ〜２４ｄ）を有する。
これらは、（図２の下方から）絶縁板２４ａ、Ｐ相導体板２１、絶縁板２４ｂ、Ｃ相導体板２２、絶縁板２４ｃ、Ｎ相導体板２３、絶縁板２４ｄの順で積層されている。積層基板２は、板状であり、その板面の形状は、略長方形に形成されている。
導体板２１〜２３および絶縁板２４ａ〜２４ｄの所定の位置には、穴あけ加工による複数の接続孔２５が形成されていて、複数の接続孔には接続用ボルト（図示しない。）が挿入されている。この接続用ボルトにより、電極７ａ〜７ｃが互いに電気的に接続されている。
次に、半導体スタック１の実装構造について図１を用いて説明する。
半導体モジュール３ａ〜３ｈは、略長方形の板状である。半導体モジュール３ａ〜３ｈは、その長手方向の一方の側部には、Ｐ相側端子、Ｃ相側端子、Ｎ相側端子およびＡＣ（交流）側端子を有する。
半導体モジュール３ａ〜３ｄおよび半導体モジュール３ｅ〜３ｈは、互いに対向して、積層基板２の絶縁板２４ａ側の表面（以下「積層基板２の背面」と呼ぶ。）上に配置されている。
半導体モジュール３ａ〜３ｄは、端子が設けられた側部のみが積層基板２の背面の短手方向の一方の側部に重なるように、積層基板２の長手方向に沿って、順に１列に並んで載置されている。
半導体モジュール３ｅ〜３ｈは、端子が設けられた側部のみが積層基板２の背面の短手方向の他方の側部（半導体モジュール３ａ〜３ｈが配置された側部と反対側の側部）に重なるように、積層基板２の長手方向に沿って、順に１列に並んで載置されている。
積層基板２の短手方向の側部には、半導体モジュール３ａ〜３ｈの端子に対応した位置に、皿絞り加工による複数の接続孔２５が設けられていて、半導体モジュール３ａ〜３ｈのＰ相側端子とＰ相電極７ａ、Ｃ相側端子とＣ相電極７ｂおよびＮ相側端子とＮ相電極７ｃとが接続されている。
半導体モジュール３ａ〜３ｈの積層基板２側の面（以下「半導体モジュール３の正面」と呼ぶ。）と反対側の面（以下「半導体モジュール３の背面」と呼ぶ。）には、４つの冷却フィン６ａ〜６ｄが設けられている。
冷却フィン６ａ〜６ｄは、冷却フィン６ａ〜６ｄを通過する冷却風の向きが半導体モジュール３の列に直交する方向（積層基板２の短手方向）となるように設置される。
電解コンデンサ４ａ〜４ｍは、円筒部とその一端に設けられた２つの端子を有する。電解コンデンサ４ａ〜４ｃおよび電解コンデンサ４ｇ〜４ｉは、それぞれＰ相側端子およびＣ相側端子を有する。一方、電解コンデンサ４ｄ〜４ｆおよび電解コンデンサ４ｊ〜４ｍは、それぞれＣ相側端子およびＮ相側端子を有する。
電解コンデンサ４ａ〜４ｆおよび電解コンデンサ４ｇ〜４ｍは、互いに対向して、積層基板２の背面上に起立するように配置されている。
電解コンデンサ４ａ〜４ｆおよび電解コンデンサ４ｇ〜４ｍは、積層基板２の長手方向に沿って、順に積層基板２の短手方向の中央部に２列に並んで載置されている。
電解コンデンサ４ａ〜４ｆと半導体モジュール３ａ〜３ｄとが隣接し、電解コンデンサ４ｇ〜４ｍと半導体モジュール３ｅ〜３ｈとが隣接して並んでいる。
積層基板２の短手方向の中央部には、電解コンデンサ４ａ〜４ｃおよび電解コンデンサ４ｇ〜４ｉの端子に対応した位置に、皿絞り加工による複数の接続孔２５が設けられていて、電解コンデンサ４ａ〜４ｃおよび電解コンデンサ４ｇ〜４ｉのＰ相側端子とＰ相電極７ａおよびＣ相側端子とＣ相電極７ｂとが接続されている。
また、積層基板２の短手方向の中央部には、電解コンデンサ４ｄ〜４ｆおよび電解コンデンサ４ｊ〜４ｍの端子に対応した位置に接続孔２５が設けられていて、電解コンデンサ４ｄ〜４ｆおよび電解コンデンサ４ｊ〜４ｍのＮ相側端子とＮ相電極７ｃおよびＣ相側端子とＣ相電極７ｂとが接続されている。
ヒューズ５ａ〜５ｍは、略直方体形状であり、２つの端子を有する。ヒューズ５ａ，５ｇは、それぞれ２つのＰ相側端子を有し、ヒューズ５ｂ，５ｈは、それぞれ２つのＰ相側端子を有する。また、ヒューズ５ｃ〜５ｆおよびヒューズ５ｉ〜５ｍは、それぞれ２つのＣ相側端子を有する。
ヒューズ５ａ〜５ｆおよびヒューズ５ｇ〜５ｍは、互いに対向して、積層基板２の背面と反対側の面（以下「積層基板２の正面」）上に配置されている。
ヒューズ５ａ，５ｃ〜５ｆ，５ｂは、積層基板２の長手方向に沿って、半導体モジュール３ａ〜３ｄと電解コンデンサ４ａ〜４ｆとの間に配置されるように、順に積層基板２の正面に１列に並んで載置されている。
一方、ヒューズ５ｇ，５ｉ〜５ｍ，５ｈは、積層基板２の長手方向に沿って、半導体モジュール３ｅ〜３ｈと電解コンデンサ４ｇ〜４ｍとの間に配置されるように、順に積層基板２の正面に１列に並んで載置されている。
積層基板２のヒューズ５ａ〜５ｍの端子に対応した位置には、接続孔２５が設けられ、ロウ付け加工されている。ヒューズ５ａ，５ｇのＰ相端子は、Ｐ相側電極７ａに接続され、ヒューズ５ｂ，５ｈのＮ相端子は、Ｎ相側電極７ｃに接続されている。また、ヒューズ５ｃ〜５ｆおよびヒューズ５ｉ〜５ｍのＣ相端子は、Ｃ相側電極７ｂに接続されている。
半導体スタック１は、例えば、三相回転電機用の電力変換装置（図示しない。）に用いられる。
かかる場合には、半導体スタック１は、電力変換装置の筐体内に設置される。半導体スタック１は、積層基板２の正面が電力変換装置の筐体の正面側を向くように設置されている。
以下、本実施形態に係る半導体スタック１の効果について説明する。
本実施形態によれば、半導体モジュール３ａ〜３ｄと電解コンデンサ４ａ〜４ｆとが並行して配列されているため、半導体モジュール３ａ〜３ｄと電解コンデンサ４ａ〜４ｆとの配線距離を略均一にすることができる。同様に、半導体モジュール３ｅ〜３ｈと電解コンデンサ４ｇ〜４ｍとの配線距離を略均一にすることができる。その結果、各半導体モジュール３ａ〜３ｈ間の電流のバランスが良好となる。
また、本実施形態によれば、半導体モジュール３と電解コンデンサ４とを接続している各導体７ａ〜７ｃが積層されているため、各導体７ａ〜７ｃ間の距離が最小となっている。その結果、各導体７ａ〜７ｃの配線インダクタンスを最小にすることができ、半導体モジュール３のサージ電圧を抑制できる。
また、本実施形態によれば、平面状の積層導体２の表面に半導体モジュール３、電解コンデンサ４およびヒューズ５を実装しているため、破損頻度の高い半導体モジュール３、電解コンデンサ４およびヒューズ５の保守交換が容易になる。
さらに、本実施形態によれば、板状の半導体モジュール３が、その端子が設けられた側部のみが積層基板２に重なって載置されている。そのため、半導体モジュール３の放熱効率が向上する。また、冷却フィン６を通過する冷却風の向きが、積層基板２の短手方向である。そのため、半導体モジュール３の冷却と同時に、電解コンデンサ４を冷却することができる。
（その他の実施形態）
上記各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。
半導体モジュール３、電解コンデンサ４およびヒューズ５の個数は、上記実施形態に限定されない。例えば、第１の実施形態に係る半導体スタック１より小規模な半導体スタックの場合には、半導体モジュールを４つ（３ａ〜３ｄ）、電解コンデンサを６つ（４ａ〜４ｆ）、ヒューズを４つ（５ａ〜５ｆ）としても良い。
また、第１導体板２１、第２導体板２２および第３導体板２３の積層の順序は、上記実施形態に限定されない。
さらには、各電極７ａ〜７ｃ間の電気的な接続、および、電極７ａ〜７ｃと半導体モジュール３等との間の電気的な接続は、接続用ボルトに限られず、銅線、半田およびロウ付け等でも良い。

Claims (5)

  1. 第１電極、第２電極および第３電極がそれぞれに形成された第１導体板、第２導体板および第３導体板が絶縁板を介して重なり合ってなる積層基板と、
    前記積層基板の一方の面上に列をなして配置され、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極に接続された複数の半導体モジュールと、
    前記積層基板の前記一方の面上に前記複数の半導体モジュールの列に平行な列をなして配置され、前記第１電極および前記第２電極に接続された複数の第１電解コンデンサと、
    前記積層基板の前記一方の面上に前記複数の第１電解コンデンサと同じ列をなして配置され、前記第２電極および前記第３電極に接続された複数の第２電解コンデンサと、
    前記積層基板の他方の面上に配置され、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極のそれぞれに接続された複数のヒューズと
    を具備することを特徴とする半導体スタック。
  2. 前記複数の半導体モジュールは互いに平行な２つの列をなして配置され、前記複数の電解コンデンサの列は前記複数の半導体モジュールの２つの列の中央に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体スタック。
  3. 前記複数の半導体モジュールは板形状であり、それらの一方の板面の一部のみが前記積層基板に重なり合うように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体スタック。
  4. 通過する冷却風の向きが前記半導体モジュールの列に直交する方向となるように、前記複数の半導体モジュールの前記積層基板と反対側の面上に配置された冷却フィンを具備することを特徴とした請求項３に記載の半導体スタック。
  5. 第１電極、第２電極および第３電極がそれぞれに形成された第１導体板、第２導体板および第３導体板が絶縁板を介して重なり合ってなる積層基板と、
    前記積層基板の一方の面上に列をなして配置され、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極に接続された複数の半導体モジュールと、
    前記積層基板の前記一方の面上に前記複数の半導体モジュールの列に平行な列をなして配置され、前記第１電極および前記第２電極に接続された複数の第１電解コンデンサと、
    前記積層基板の前記一方の面上に前記複数の第１電解コンデンサと同じ列をなして配置され、前記第２電極および前記第３電極に接続された複数の第２電解コンデンサと、
    前記積層基板の他方の面上に配置され、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極のそれぞれに接続された複数のヒューズと
    を具備することを特徴とする三相回転電機用の電力変換装置。
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