JP5591211B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
)やMOS−FET(Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor)、ダイ
オードといったものが広く用いられており、モールド樹脂で封止した半導体モジュールの形態で提供されている。半導体モジュールはインバータやDC−DCコンバータ等の電力変換装置の開閉装置、整流装置として適用されており、電力の変換に際してパワー半導体素子の電力損失に起因する発生熱を放熱すべく、パワー半導体素子を載置した金属ブロックにより発生熱を拡散した後に、半導体モジュールを搭載する金属ベースに対して放熱する構成となっている。金属ベースは、さらにヒートシンクへ熱的に面接続され、あるいは金属ベース自身が下部に放熱フィンを形成したヒートシンクと成っており、空気、水、不凍液などの冷媒へ伝熱し放熱される。
、整流素子6aの発生熱の放熱経路となる。ここで、金属ブロック11aは電流導通の機能も有しており、パワー半導体素子の電極と接続されて、同じ電位となる。一方、後述する金属ベースは電力変換装置1の筺体として、装置全体を外部に取り付ける部分と同電位となることから、金属ブロック11aと金属ベースとの間は、高分子樹脂12により絶縁される。
った。
図1は本発明の実施の形態1による電力変換装置を示すブロック図であり、図2は図1の半導体モジュールの回路図である。図1に示した電力変換装置1は、三相インバータの例である。電力変換装置1は、直流高圧電源2から供給される直流電力を交流電力に変換し、回転機3を駆動する。電力変換装置1は、電力経路の接続端子として、一次側に正極端子Pdc、負極端子Ndc、二次側にUac端子、Vac端子、Wac端子を備えている。一次側の正極端子Pdc、負極端子Ndcには、直流高圧電源2が接続され、直流電力の導通路となる。二次側には三相交流の回転機3のU相がUac端子に、V相がVac端子に、W相がWac端子に接続され、交流電力の導通路となる。
する面)に設けられた金属箔13との間で、電気絶縁されている。
ある。IGBT5bがスイッチ オフの状態では、回転機3に接続する相の電流極性が、
正(半導体モジュール8から回転機3へ流出する向き)の場合に、PiNダイオード6b
が順バイアスとなり、金属ブロック11bの電位は、直流高圧電源2の出力の低電位と略同電位となる。また、回転機3に接続する相の電流極性が、負(回転機3から半導体モジュール8へ流入する向き)の場合に、PiNダイオード6aが順バイアスとなり、金属ブロック11bの電位は、直流高圧電源2の出力の高電位と略同電位となる。
流高圧電源2の出力の高電位と略同電位となり、電極フレーム16cを介して接続される金属ブロック11bの電位も同電位となる。なお、IGBT5aとIGBT5bは、直列接続の短絡状態とならないよう、同時にはスイッチ オンの状態にはならないようスイッ
チング制御される。
ート)といったエンジニアリングプラスチック材料のフレーム受台35、36、37によ
って隙間が遮断されている。
との接触面と対向する側面の電極に接するよう配置する。
ISPR25の対象となる周波数帯域の中で、100MHzを超える周波数領域においても、十分に低く抑えられ、浮遊容量分Czuh〜Czwlの変位電流のバイパス路として成立可能となる。また、コンデンサ34a、コンデンサ34bの静電容量は、上記の金属ブロック11au、11av、11aw、11bu、11bv、11bwのそれぞれと金属ベース20bとの間の浮遊容量分Czuh〜Czwlと同程度に設定することから、低周波数域のインピーダンスは十分高く、漏れ電流を低く抑える一方で、自己共振周波数は高く、放射電磁気ノイズの対象領域となる高周波数域のノイズ電流をバイパス可能となる。尚、ノイズバイパス手段を半導体モジュール8uの1か所に取り付けているのは、接続端子Pdc、Ndcには半導体モジュール8uが最近傍に位置するためである。これはすなわち、半導体モジュール8u、8v、8wのスイッチングによって、浮遊容量分Czuh〜Czwlを通る変位電流が直流高圧電源2との間で大きなループを描く径路を流れることなく、半導体モジュール8uに取り付けたノイズバイパス手段を通過させて、アンテナ要素となる径路の導通を極力なくし、放射電磁気ノイズ低減の効果が得られるとの仕組みに依っている。尚、半導体モジュール8u、8v、8wのそれぞれにノイズバイパス手段を設ければ、ノイズ低減効果は、さらに向上する。
Z=1/(2πf・C) ・・・(1)
ム受台基部31から部品を順に上側に組み立てる構造であり、電力変換装置1の組立てにおいて、金属ベース20b上への配索導電部材の装着、半導体モジュール8(8u、8v、8w)の装着といった積層組み付け工程の一部に取り入れることが可能である。このため、ノイズバイパス手段7の組付けに要する加工費用を低く抑えることができる。
次に、本発明の実施の形態2に関して、図15、図16を用いて説明する。図15は、本発明の実施の形態2による半導体モジュールの回路図である。図16は、図2の半導体モジュール及び図15(b)の半導体モジュールと動作波形図である。図15は、半導体モジュール8(8u、8v、8w)に封止される主回路配線とパワー半導体素子として、シリコン(Si)半導体材料によるバイポーラ型半導体のIGBT、同じくバイポーラ型半導体のPiNダイオードとは異なるユニポーラ型のパワー半導体素子を用いる例を示しており、いずれも、一つのアームを構成単位としている。
により消滅するまでの期間としてテール電流が流れるといった現象が生じず、スイッチングの応答が速いという特徴がある。スイッチングの応答が速いという特性を活かし、発生損失を軽減することができる。
本発明に関する実施の形態を、実施の形態1と実施の形態2によって説明したが、これらは本発明の好適な実施事例を例示したものに過ぎない。例えば、電力変換装置1として、三相インバータを用いて説明したが、図17や図18に示すDC−DCコンバータに適用するものであっても良い。図17は本発明の実施の形態3による自動車用電気駆動システムの構成図であり、図18は本発明の実施の形態3による太陽光発電用の電力変換システムの構成図である。
しており、DC−DCコンバータ102は一次側の太陽電池104の発電電圧をDC−DC電圧変換して二次側のインバータ101bに供給する。インバータ101bは、直流電圧を所定の商用交流電圧の振幅、周波数にDC−AC変換して商用電力系統に供給する。
Claims (12)
- 金属ブロックに搭載されたパワー半導体素子を内蔵し、前記パワー半導体素子の電極に接続された複数の電極フレームが外部に突出するようにモールド樹脂にて封止された樹脂封止型の半導体モジュールが、高熱伝導絶縁層により前記金属ブロックと絶縁された金属ベースに載置された電力変換装置であって、
前記パワー半導体素子は、スイッチ素子と、前記スイッチ素子に逆並列に接続された整流素子とを有し、
前記複数の電極フレームは、前記半導体モジュールの直流電力を供給する直流高圧電源の高電位側に接続され、前記パワー半導体素子の第一電極に接続された正電極フレーム及び、前記直流高圧電源の低電位側に接続され、前記パワー半導体素子の第二電極に接続された負電極フレームを含み、
前記金属ベースに対向する前記正電極フレーム及び前記負電極フレームが外部に突出した突出領域と前記金属ベースとの間の空間に配置され、前記正電極フレーム及び前記負電極フレームと前記金属ベースとを容量結合するノイズバイパス手段を備え、
前記ノイズバイパス手段は、前記半導体モジュールの前記金属ブロックと前記高熱伝導絶縁層と前記金属ベースとで形成される浮遊容量分に相当する静電容量を有することを特徴とする電力変換装置。 - 前記ノイズバイパス手段は、前記正電極フレームと前記金属ベースの間に介挿され電気的に接続する第一の容量性部材と、前記負電極フレームと前記金属ベースの間に介挿され電気的に接続する第二の容量性部材とを備え、
前記第一の容量性部材及び前記第二の容量性部材は、前記正電極フレーム及び前記負電極フレームを支持するフレーム受台に収容されたことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記ノイズバイパス手段は、前記金属ベースと前記第一の容量性部材及び前記第二の容量性部材とを接続する第一導通体と、前記第一の容量性部材と前記正電極フレームとを接続する正側の第二導通体と、前記第二の容量性部材と前記負電極フレームとを接続する負側の第二導通体とを備え、
前記第一導通体、前記正側の第二導通体及び前記負側の第二導通体は、前記正電極フレーム及び前記負電極フレームを支持する前記フレーム受台に収容されたことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。 - 前記ノイズバイパス手段を収容する前記フレーム受台は、前記半導体モジュールの前記正電極フレーム及び前記負電極フレームの突出先端までの間に配置され、
前記正側の第二導通体及び前記負側の第二導通体は、前記金属ベースから前記正電極フレーム及び前記負電極フレームへの垂直方向において、前記第一の容量性部材及び前記第二の容量性部材の配置される位置と前記正電極フレーム及び前記負電極フレームの配置される位置と間に配置されることを特徴とする請求項3記載の電力変換装置。 - 前記第一の容量性部材及び前記第二の容量性部材は、異なる面にそれぞれ第一金属端子及び第二金属端子を有し、
前記第一導通体、前記正側の第二導通体及び前記負側の第二導通体は弾性金属体であり、前記第一導通体は前記第一の容量性部材の前記第一金属端子及び前記第二の容量性部材の前記第一金属端子を付勢し、前記正側の第二導通体は前記正電極フレーム及び前記第一の容量性部材の前記第二金属端子を付勢し、前記負側の第二導通体は前記負電極フレーム及び前記第二の容量性部材の前記第二金属端子を付勢することにより、
前記第一の容量性部材及び前記第二の容量性部材が前記正電極フレーム及び前記負電極フレームと前記金属ベースとに電気的に接続されることを特徴とする請求項3または4に記載の電力変換装置。 - 前記半導体モジュールを複数備え、
前記ノイズバイパス手段は、前記直流高圧電源に接続される配索導電部材に対して、前記直流高圧電源に最も近くに締結される前記正電極フレーム及び前記負電極フレームと前記金属ベースとの間に接続されたこを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記半導体モジュールは、前記パワー半導体素子を二直列に接続したアームの構成を形成し、
前記複数の電極フレームは、前記直流高圧電源の高電位側に接続される前記正電極フレームと、前記直流高圧電源の低電位側に接続される前記負電極フレームと、前記二直列に接続したパワー半導体素子の結節点に接続される中間電極フレームとを含み、
前記正電極フレームと前記負電極フレームは、前記半導体モジュールの側方から平行して突出していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記パワー半導体素子は、少なくともユニポーラ型のスイッチ素子とユニポーラ型の整流素子のいずれか又は両方を含むものであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記ユニポーラ型のスイッチ素子及び前記ユニポーラ型の整流素子は、そのバンドギャップがシリコンより大きいワイドバンドギャップ半導体で構成したことを特徴とする請求項8記載の電力変換装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドのいずれかのワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項9記載の電力変換装置。
- 前記電力変換装置は、直流電力を交流電力へ変換するインバータであって、自動車に搭載され、車両の駆動用回転機を負荷とするものであることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換装置は、直流電力を別な電圧の直流電力へ変換するDC−DCコンバータであって、自動車に搭載され直流電気負荷に電力を供するものであることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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