JP5807516B2 - 電力変換装置及び電力変換装置における導体の配置方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関するものであり、特に、電力変換装置の回路を構成する導体の配置形態に関する。

スイッチング素子と受動素子とによって、直流と交流との間で電力変換を行う電力変換装置として、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行う３レベルインバータが知られている。

このような３レベルインバータにおいて、インバータ回路を構成するパワーデバイス用の素子として、小型・軽量化・低損失・高効率・低騒音・高調波・高信頼性などの観点からＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、などの半導体素子が用いられている。

電力変換装置の回路において、各パッケージ間の配線インダクタンスの数値が大きいと、スイッチング素子をターンオフした時のサージ電圧が高くなることがある。そして、このサージ電圧がスイッチング素子の安全動作領域を超えた場合、スイッチング素子の破損に至る可能性がある。

そこで、配線インダクタンスを低減し、スイッチング素子のスイッチング時のサージ電圧を低く抑える方法として、電流の経路である導体を平板状とし、各スイッチング素子（その他、直流電圧源、交流端子）とを接続する導体を近接して配置する平行平板状の導体配置構造が採用されている（例えば、特許文献１〜６）。さらに、これら近接して配置される導体板において、お互いの導体板を流れる電流の方向がそれぞれ逆方向になるように配置することで、導体板を流れる電流による磁束の変化をお互いに相殺し、見かけ上磁束の変化を低減させている（例えば、特許文献３，５）。また、直列接続されるコンデンサ間の距離が短くなるようにコンデンサを配置することで、ＩＧＢＴパッケージの端子間のインダクタンスを小さくしている（例えば、特許文献７）。

特開２０１０−２００５２５号公報 特開２００５−１６０２４８号公報 特開２００２−１５３０７８号公報 特開２００６−２８０１９１号公報 特開２００５−２８７２６７号公報 特開平１１−４５８４号公報 特開２０１０−２８８４１５号公報

しかしながら、板状の導体をスイッチング素子が配置される面と平行に積層した場合、導体の面によって電力変換装置の寸法が大きくなってしまい、電力変換装置の小型化を妨げる要因となるおそれがある。また、コンデンサと、コンデンサと接続されるスイッチング素子との距離が長くなると、この部分の配線インダクタンスが増加して、サージ電圧が高くなるおそれがある。

また、電力変換装置から電力が供給される負荷の容量が増加すると、電力変換装置に対しても、大電流出力が要求されるようになる。そして、負荷電流の増大によって増える電力損失を低減するために、負荷電流の増加にともなって、電力変換装置の高電圧出力化が進んでいる。このように、電力変換装置の大電流化、高電圧化が進むにしたがって、スイッチング素子のスイッチ時のサージ電圧が増加することとなる。そこで、電力変換装置のスイッチング損失を低減するために、配線インダクタンスのさらなる低減が求められている。

上記事情に鑑み、本発明は、電力変換装置において、スイッチング素子のスイッチング時のサージ電圧を低減することに貢献する技術を提供することを目的としている。

上記目的を達成する本発明の電力変換装置の一態様は、直流を交流、または交流を直流に変換する電力変換装置において、スイッチング素子と、直流電圧源とを接続する導体が、スイッチング素子が設けられる面に対して立設する板状の導電部を有し、この導電部に直流電圧源が接続されることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置の他の態様は、直流を交流、または交流を直流に変換する電力変換装置において、電力変換装置の回路を構成する導体が、この回路を構成する素子パッケージ群が設けられる面に対して立設する板状の導電部を有し、それぞれの導体の導電部を流れる電流が逆方向となる導電部同士を並行かつ近接して設け、平行積層導体を構成することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置における導体の配置方法の一態様は、直流を交流、または交流を直流に変換する電力変換装置における導体の配置方法であって、スイッチング素子が設けられる面に対して立設する板状の導電部を有する導体で、スイッチング素子と直流電圧源とを接続することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置における導体の配置方法の他の態様は、直流を交流、または交流を直流に変換する電力変換装置における導体の配置方法であって、電力変換装置の回路を構成する素子パッケージ群が設けられる面に対して立設する板状の導電部を有する導体で回路を構成するとともに、導電部を流れる電流が逆方向となる導体の導電部同士を並行かつ近接して設けることを特徴としている。

以上の発明によれば、電力変換装置において、スイッチング素子のスイッチング時のサージ電圧の低減に貢献することができる。

（ａ）実施形態１に係る電力変換装置の斜視図、（ｂ）実施形態１に係る電力変換装置の側面図、（ｃ）実施形態１に係る電力変換装置の上面図である。 （ａ）直流電圧源が設けられた実施形態１に係る電力変換装置の斜視図、（ｂ）直流電圧源が設けられた実施形態１に係る電力変換装置の側面図である。 実施形態１に係る電力変換装置の電気回路図である。 （ａ）実施形態１に係る導体の配置形態を説明する説明図、（ｂ）実施形態１に係る導体の電気回路における位置を示す説明図である。 （ａ）実施形態１に係る導体の配置形態を説明する説明図、（ｂ）実施形態１に係る導体の電気回路における位置を示す説明図である。 （ａ）実施形態１に係る導体の配置形態を説明する説明図、（ｂ）実施形態１に係る導体の電気回路における位置を示す説明図である。 （ａ）実施形態１に係る導体の配置形態を説明する説明図、（ｂ）実施形態１に係る導体の電気回路における位置を示す説明図である。 （ａ）実施形態１に係る電力変換装置において、モード１で電気回路に流れる電流を説明する説明図、（ｂ）実施形態１に係る電力変換装置において、モード１で導体に流れる電流の方向を説明する説明図である。 （ａ）実施形態１に係る電力変換装置において、モード２で電気回路に流れる電流を説明する説明図、（ｂ）実施形態１に係る電力変換装置において、モード２で導体に流れる電流の方向を説明する説明図である。 （ａ）実施形態１に係る電力変換装置において、モード３で電気回路に流れる電流を説明する説明図、（ｂ）実施形態１に係る電力変換装置において、モード３で導体に流れる電流の方向を説明する説明図である。 （ａ）実施形態１に係る電力変換装置において、モード４で電気回路に流れる電流を説明する説明図、（ｂ）実施形態１に係る電力変換装置において、モード４で導体に流れる電流の方向を説明する説明図である。 （ａ）実施形態２に係る電力変換装置の斜視図、（ｂ）実施形態２に係る電力変換装置の側面図、（ｃ）実施形態２に係る電力変換装置の上面図である。 （ａ）直流電圧源が設けられた実施形態２に係る電力変換装置の斜視図、（ｂ）直流電圧源が設けられた実施形態２に係る電力変換装置の側面図である。 （ａ）実施形態２に係る導体の配置形態を説明する説明図、（ｂ）実施形態２に係る導体の電気回路における位置を示す説明図である。 （ａ）実施形態２に係る導体の配置形態を説明する説明図、（ｂ）実施形態２に係る導体の電気回路における位置を示す説明図である。 （ａ）実施形態２に係る導体の配置形態を説明する説明図、（ｂ）実施形態２に係る導体の電気回路における位置を示す説明図である。 （ａ）実施形態２に係る導体の配置形態を説明する説明図、（ｂ）実施形態２に係る導体の電気回路における位置を示す説明図である。 （ａ）実施形態２に係る電力変換装置において、モード１で電気回路に流れる電流を説明する説明図、（ｂ）実施形態２に係る電力変換装置において、モード１で導体に流れる電流の方向を説明する説明図である。 （ａ）実施形態２に係る電力変換装置において、モード２で電気回路に流れる電流を説明する説明図、（ｂ）実施形態２に係る電力変換装置において、モード２で導体に流れる電流の方向を説明する説明図である。 （ａ）実施形態２に係る電力変換装置において、モード３で電気回路に流れる電流を説明する説明図、（ｂ）実施形態２に係る電力変換装置において、モード３で導体に流れる電流の方向を説明する説明図である。 （ａ）実施形態２に係る電力変換装置において、モード４で電気回路に流れる電流を説明する説明図、（ｂ）実施形態２に係る電力変換装置において、モード４で導体に流れる電流の方向を説明する説明図である。

本発明の実施形態に係る電力変換装置及び電力変換装置における導体の配置方法について、図を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
図１，２は、実施形態１に係る電力変換装置である３レベルインバータ装置１の１相分の構造を示す図であり、図１は、平滑コンデンサ８，９を接続する前の図であり、図２は、平滑コンデンサ８，９を接続した図である。また、図３は、実施形態１に係る３レベルインバータ装置１に対応する電気回路図である。実施形態の説明では、スイッチング素子として、ＩＧＢＴを例にとって説明するが、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタなど、他のスイッチング素子を用いた場合にも同様の効果を得ることができる（実施形態２も同様である）。また、実施形態において、半導体パッケージのコレクタ、エミッタの数をそれぞれ２つ設けた例を示しているが、コレクタ・エミッタの数は、それぞれ１つであっても複数個であっても、実施形態１に係るインバータ装置と同様に構成することができる。

図１（ａ），図２（ａ）に示すように、実施形態１に係る３レベルインバータ装置１は、略直線上に並べられた素子パッケージ群２〜７と、直流電圧源を構成する第１，第２の単位電圧源である平滑コンデンサ８，９とを備える。そして、素子パッケージ群２〜７を構成する各素子パッケージ同士または、素子パッケージと平滑コンデンサ（若しくは、交流端子）を電気的に接続する導体１０〜１６を備える。図１（ｂ），図２（ｂ）に示すように、この導体１０〜１６は、素子パッケージ群２〜７が配置される面（以後、パッケージ面とする）に対して立設する板状の導電部１０ａ〜１６ａを有する。

まず、素子パッケージ群２〜７について図１（ｃ），図３を参照して説明する。図３に示すように、実施形態１に係る３レベルインバータ装置１は、平滑コンデンサ８と交流端子１７との間に直列に接続される半導体パッケージ２，３と、半導体パッケージ２と半導体パッケージ３の直列接続点と、平滑コンデンサ８，９の直列接続点との間に接続された結合ダイオード６と、交流端子１７と平滑コンデンサ９との間に直列された半導体パッケージ４，５と、半導体パッケージ４と半導体パッケージ５の直列接続点と、平滑コンデンサ８，９の直列接続点との間に接続された結合ダイオード７とから構成される。各素子パッケージ群２〜７は、ヒートシンク１８上に配置される。なお、各半導体パッケージ２〜５は、ＩＧＢＴ２ａ〜５ａとそれに逆並列に接続されるダイオード２ｂ〜５ｂとをそれぞれ備える。

図１（ｃ）に示すように、半導体パッケージ２のエミッタＥが半導体パッケージ３のコレクタＣと隣接するように設けられ、半導体パッケージ３のコレクタＣと結合ダイオード６のカソードＫ１とが隣接するように結合ダイオード６が設けられる。また、半導体パッケージ５のコレクタＣが半導体パッケージ４のエミッタＥと隣接するように設けられ、半導体パッケージ４のエミッタＥと結合ダイオード７のアノードＡ２とが隣接するように結合ダイオード７が設けられる。さらに、結合ダイオード６のアノードＡ１と結合ダイオード７のアノードＡ２とが隣接し、結合ダイオード６のカソードＫ１と結合ダイオード７のカソードＫ２とが隣接するように結合ダイオード６，７が一体に形成されている。その結果、半導体パッケージ２〜５及び結合ダイオード６，７は、略直線上に並んだ状態で配置される。なお、実施形態では、結合ダイオード６と結合ダイオード７とが一体のパッケージを構成しているが、結合ダイオード６と結合ダイオード７の形状や構成は特に限定するものではなく、結合ダイオード６と結合ダイオード７とを個別に設けてもよい。また、それぞれの結合ダイオード６，７は、１つずつ設ける形態の他に、複数のダイオードを直列接続した形態（実質は、並列に接続した形態）であってもよい。

次に、３レベルインバータ装置１を構成する導体１０〜１６について、３レベルインバータ装置１に導体１０〜１６を個別に設けた状態を参照して詳細に説明する。

図４（ａ），図４（ｂ）に示すように、半導体パッケージ２のコレクタＣと平滑コンデンサ８の正極端子とを接続する導体１０は、パッケージ面に対して立設する板状の導電部１０ａを有する。導電部１０ａは、半導体パッケージ２から立設する立設部１０ｂと、この立設部１０ｂの上部側端部から、隣接する半導体パッケージ３方向に延伸する延伸部１０ｃを有する。この延伸部１０ｃの端部に、平滑コンデンサ８の正極端子と接続されるスタッドボルトなどの接続部１０ｄが延伸部１０ｃ面から突出して設けられる。なお、延伸部１０ｃは、後述の導体１２の導電部１２ａの高さ程度の距離だけ半導体パッケージ３から離間して設けられる。図２（ａ）に示すように、接続部１０ｄに平滑コンデンサ８を接続した後、接続部１０ｄは、ナットなどにより締結される（他の接続部と平滑コンデンサ８，９との接続も同様である）。なお、接続部１０ｄにおける接続方法は、着脱式のコネクタを使用するなど、適宜周知の接続方法を適用すればよい。

さらに、図４（ａ），図４（ｂ）に示すように、半導体パッケージ５のエミッタＥと平滑コンデンサ９の負極端子とを接続する導体１１は、パッケージ面に対して立設する板状の導電部１１ａを有する。導電部１１ａは、半導体パッケージ５から立設する立設部１１ｂと、この立設部１１ｂの上部側端部から、隣接する半導体パッケージ４方向に延伸する延伸部１１ｃを有し、この延伸部１１ｃの端部に、平滑コンデンサ９の負極端子と接続される接続部１１ｄが延伸部１１ｃ面から突出して設けられる。なお、延伸部１１ｃは、後述の導体１３の導電部１３ａの高さ程度の距離だけ半導体パッケージ４から離間して設けられる。

図５（ａ），図５（ｂ）に示すように、半導体パッケージ２のエミッタＥと、半導体パッケージ３のコレクタＣ、結合ダイオード６のカソードＫ１とを接続する導体１２は、パッケージ面に対して立設する板状の導電部１２ａを有する。同様に、半導体パッケージ５のコレクタＣと、半導体パッケージ４のエミッタＥ、結合ダイオード７のアノードＡ２とを接続する導体１３は、パッケージ面に対して立設する板状の導電部１３ａを有する。

図６（ａ），図６（ｂ）に示すように、結合ダイオード６のアノードＡ１と、結合ダイオード７のカソードＫ２と、平滑コンデンサ８，９の接続点とを接続する導体１４は、パッケージ面に対して立設する板状の導電部１４ａを有する。導電部１４ａは、第１，第２延伸部１４ｂ，１４ｃ、第１，第２折り返し部１４ｄ，１４ｅと、接続導体部１４ｆとから構成される。

第１延伸部１４ｂは、パッケージ面に対して立設する板状の導電体であって、結合ダイオード６のアノードＡ１から半導体パッケージ３及び半導体パッケージ２まで延伸して設けられる。第２延伸部１４ｃは、パッケージ面に対して立設する板状の導電体であって、結合ダイオード７のカソードＫ２から半導体パッケージ４及び半導体パッケージ５まで延伸して設けられる。第１延伸部１４ｂは、図５（ａ）で示した導体１２の導電部１２ａの高さと略等しく、この導電部１２ａに沿うように配置される。また、第２延伸部１４ｃは、図５（ａ）で示した導体１３の導電部１３ａの高さと略等しく、この導電部１３ａに沿うように配置される。

そして、図６（ａ）に示すように、第１，第２延伸部１４ｂ，１４ｃの端部から、それぞれパッケージ面に対して立設するように第１，第２折り返し部１４ｄ，１４ｅが設けられ、折り返し部１４ｄと折り返し部１４ｅとを接続するように、板状の接続導体部１４ｆが設けられる。接続導体部１４ｆは、第１延伸部１４ｂ及び第２延伸部１４ｃの高さより高い位置に設けられる。なお、接続導体部１４ｆには、平滑コンデンサ８，９の接続点と接続される接続部１４ｇが接続導体部１４ｆ面から突出して設けられる。また、接続導体部１４ｆには、後述の導体１６の交流端子接続部１６ｅが貫通する貫通孔１４ｈが形成されている。

図７（ａ），図７（ｂ）に示すように、半導体パッケージ３と交流端子１７とを接続する導体１５は、導体１４に沿うように形成される。つまり、導体１５は、導体１４の第１延伸部１４ｂと並行して配置される板状の第１導電部１５ｂと、導体１４の折り返し部１４ｄと並行して配置される板状の折り返し部１５ｃと、導体１４の接続導体部１４ｆと並行して配置される板状の第２導電部１５ｄとを有する。なお、第２導電部１５ｄの端部には、交流端子１７と接続するための接続部１５ｅが、第２導電部１５ｄ面から突出して設けられる。

同様に、半導体パッケージ４と交流端子１７とを接続する導体１６は、導体１４に沿うように形成される。つまり、導体１６は、導体１４の第２延伸部１４ｃと並行して配置される板状の第１導電部１６ｂと、導体１４の折り返し部１４ｅと並行して配置される板状の折り返し部１６ｃと、導体１４の接続導体部１４ｆと並行して配置される板状の第２導電部１６ｄとを有する。なお、第２導電部１６ｄの端部には、交流端子１７と接続するための接続部１６ｅが、第２導電部１６ｄ面から突出して設けられる。

本発明の実施形態１に係る３レベルインバータ装置１の配線インダクタンス低減効果について、図８〜図１１を参照して説明する。図８〜図１１は、実施形態１に係る３レベルインバータ装置１の各動作モード（モード１〜モード４）における電流経路を説明する説明図である。

図８（ａ）に示すように、半導体パッケージ２及び半導体パッケージ３がターンオンし、半導体パッケージ４及び半導体パッケージ５がターンオフした場合（モード１）、３レベルインバータ回路を流れる電流は、導体１０→半導体パッケージ２→導体１２→半導体パッケージ３→導体１５→交流端子１７となる。

図８（ｂ）に示すように、本発明の実施形態１に係る３レベルインバータ装置１は、導体１０の立設部１０ｂと導体１５の折り返し部１５ｃとが沿うように、また、導体１０の延伸部１０ｃと導体１５の第２導電部１５ｄとがそれぞれ沿うように並行して配置されている。この導体１０の立設部１０ｂ（または、延伸部１０ｃ）を流れる電流の向き（図中細字矢印で示す）と導体１５の折り返し部１５ｃ（または、第２導電部１５ｄ）を流れる電流の向き（図中太字矢印で示す）が逆向きであるので、立設部１０ｂと折り返し部１５ｃ（または、延伸部１０ｃと第２導電部１５ｄ）で流れる電流が、立設部１０ｂと折り返し部１５ｃ（または、延伸部１０ｃと第２導電部１５ｄ）で発生した磁界をお互いに打ち消しあうこととなり、配線インダクタンスが低減する。同様の理由により、導体１２の導電部１２ａと導体１５の第１導電部１５ｂとを近接して沿うように配置しているので、この導体１２の導電部１２ａを流れる電流の向き（図中細字矢印で示す）と導体１５の第１導電部１５ｂを流れる電流の向き（図中太字矢印で示す）が逆向きとなり、配線インダクタンスが低減する。

図９（ａ）に示すように、半導体パッケージ３がターンオンし、半導体パッケージ２，４，５がターンオフした場合（モード２）、３レベルインバータ回路を流れる電流は、導体１４→結合ダイオード６→導体１２→半導体パッケージ３→導体１５→交流端子１７となる。

図９（ｂ）に示すように、実施形態１に係る３レベルインバータ装置１は、モード２の場合においても、平板状の導体１２，１４，１５を流れる電流の向きが逆向きになるように各々の導体１２，１４，１５が近接して配置される。つまり、導体１４の接続導体部１４ｆ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体１５の第２導電部１５ｄ（電流の向きを太字矢印で示す）が近接して沿うように配置されている。また、導体１４の折り返し部１４ｄ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体１５の折り返し部１５ｃ（電流の向きを太字矢印で示す）が近接して沿うように配置されている。さらに、導体１４の第１延伸部１４ｂ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体１２の導電部１２ａと導体１５の第１導電部１５ｂ（電流の向きを太字矢印で示す）が近接して沿うように配置され積層導体を構成している。その結果、各板状の導電部を流れる電流により発生した磁界と、それらの導電部に近接して配置される他の導電部で発生した磁界とがお互いに打ち消しあうこととなり、配線インダクタンスが低減する。特に、導体１０の立設部１０ｂ、導体１５の折り返し部１５ｃ、導体１４の折り返し部１４ｄを略同一の形状として積層した積層導体構造とすることで、配線インダクタンスがより一層低減する。

図１０（ａ）に示すように、半導体パッケージ４及び半導体パッケージ５がターンオンし、半導体パッケージ２及び半導体パッケージ３がターンオフした場合（モード３）、３レベルインバータ回路を流れる電流は、交流端子１７→導体１６→半導体パッケージ４→導体１３→半導体パッケージ５→導体１１となる。

図１０（ｂ）に示すように、実施形態１に係る３レベルインバータ装置１は、モード３の場合においても、平板状の導体１１，１３，１６を流れる電流の向きが逆向きになるように各々の導体１１，１３，１６が近接して配置される。つまり、導体１６の第２導電部１６ｄ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体１１の延伸部１１ｃ（電流の向きを太字矢印で示す）が近接して沿うように配置される。また、導体１６の折り返し部１６ｃ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体１１の立設部１１ｂ（電流の向きを太字矢印で示す）が近接して沿うように配置され積層導体を構成している。さらに、導体１６の第１導電部１６ｂ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体１３の導電部１３ａ（電流の向きを太字矢印で示す）とが近接して沿うように配置され積層導体を構成している。その結果、各板状の導電部を流れる電流により発生した磁界と、それらの導電部に近接して配置される他の導電部で発生した磁界とがお互いに打ち消しあうこととなり、配線インダクタンスが低減する。

図１１（ａ）に示すように、半導体パッケージ４がターンオンし、半導体パッケージ２，３，５がターンオフした場合（モード４）、３レベルインバータ回路を流れる電流は、交流端子１７→導体１６→半導体パッケージ４→導体１３→結合ダイオード７→導体１４となる。

図１１（ｂ）に示すように、実施形態１に係る３レベルインバータ装置１は、モード４の場合においても、平板状の導体１３，１４，１６を流れる電流の向きが逆向きになるように各々の導体１３，１４，１６が近接して配置される。つまり、導体１６の第２導電部１６ｄ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体１４の接続導体部１４ｆ（電流の向きを太字矢印で示す）が近接して沿うように配置され積層導体を構成している。また、導体１６の折り返し部１６ｃ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体１４の折り返し部１４ｅ（電流の向きを太字矢印で示す）が近接して沿うように配置され積層導体を構成している。さらに、導体１６の第１導電部１６ｂ及び導体１３の導電部１３ａ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体１４の第２延伸部１４ｃ（電流の向きを太字矢印で示す）とが近接して沿うように配置され積層導体を構成している。その結果、各板状の導電部を流れる電流により発生した磁界と、それらの導電部に近接して配置される他の導電部で発生した磁界とがお互いに打ち消しあうこととなり、配線インダクタンスが低減する。特に、導体１１の立設部１１ｂ、導体１４の折り返し部１４ｅ、導体１６の折り返し部１６ｃを略同一の形状として積層した積層導体構造とすることで、配線インダクタンスがより一層低減する。

以上のように、本発明の実施形態１に係る電力変換装置及び電力変換装置の導体配置方法によれば、パッケージ面に対して立設する板状の導電部を有する導体で回路を構成することで、平滑コンデンサと、この平滑コンデンサと接続される半導体パッケージの端子との距離を短くすることができる。その結果、平滑コンデンサと半導体パッケージ間の配線インダクタンスが低減されるので、電力変換装置サージ電圧を低減することができる。

また、回路を構成する導体において、流れる電流が逆方向となる導電部同士を近接して設け、積層導体を構成することで、お互いの配線インダクタンスを低減することができ、電力変換装置のサージ電圧を低減することができる。

また、各導体の導電部が、パッケージ面に対して立設していることで、導体を組み立てる際の作業が容易になるとともに、導電部を積層した積層体の裏面表面どちらからでも直流電圧源または交流端子を接続することが可能となる。その結果、電力変換装置を構成する構成部材の配置設計が容易になる。また、導体をパッケージ面に対して立設させることで、パーケージ面と平行方向の導体面積が小さくなるので、電力変換装置を小型化することができる。また、平板状の導体がパッケージ面を覆うことがないので、半導体パッケージの放熱性が向上する。

（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る電力変換装置である３レベルインバータ装置について図を参照して説明する。なお、本発明の実施形態２に係る３レベルインバータ装置は、半導体パッケージ２〜５の配置形態が異なること以外は、実施形態１に係る３レベルインバータ装置１と同じである。よって、実施形態１に係る３レベルインバータ装置１と同じ構成のものについては同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。なお、実施形態２に係る３レベルインバータ装置の電気回路図は、図３で示した実施形態１に係る３レベルインバータ装置１の電気回路図と同じである。

図１２，１３は、実施形態２に係る３レベルインバータ装置１９の１相分の構造を示す図であり、図１２は、平滑コンデンサ８，９を接続する前の図であり、図１３は、平滑コンデンサ８，９を接続した図である。

図１２（ａ），１３（ａ）に示すように、実施形態２に係る３レベルインバータ装置１９は、略直線上に並べられた素子パッケージ群２〜７と、直流電圧源を構成する第１，第２の単位電圧源である平滑コンデンサ８，９とを備える。そして、素子パッケージ群２〜７を構成する各素子パッケージ同士、または、素子パッケージと平滑コンデンサ８，９（若しくは、交流端子１７）を接続する導体２０〜２６を備える。図１２（ｂ），図１３（ｂ）に示すように、導体２０〜２６は、パッケージ面に対して立設する板状の導電部２０ａ〜２６ａを有する。

まず、素子パッケージ群２〜７について図３、図１２（ｃ）を参照して説明する。図３に示すように、実施形態２に係る３レベルインバータ装置１９は、実施形態１に係る３レベルインバータ装置１と同様に、平滑コンデンサ８と交流端子１７との間に直列に接続される半導体パッケージ２，３と、半導体パッケージ２と半導体パッケージ３の直列接続点と、平滑コンデンサ８，９の直列接続点との間に接続された結合ダイオード６と、交流端子１７と平滑コンデンサ９との間に直列された半導体パッケージ４，５と、半導体パッケージ４と半導体パッケージ５の直列接続点と、平滑コンデンサ８，９の直列接続点との間に接続された結合ダイオード７とから構成される。

図１２（ｃ）に示すように、半導体パッケージ２は、半導体パッケージ３と結合ダイオード６との間に設けられる。この時、半導体パッケージ２は、半導体パッケージ２のエミッタＥが結合ダイオード６のカソードＫ１及び半導体パッケージ３のコレクタＣと隣接するように設けられる。また、半導体パッケージ５は、半導体パッケージ４と結合ダイオード７との間に設けられる。この時、半導体パッケージ５は、半導体パッケージ５のコレクタＣが結合ダイオード７のアノードＡ２及び半導体パッケージ４のエミッタＥと隣接するように設けられる。さらに、結合ダイオード６のアノードＡ１と結合ダイオード７のアノードＡ２とが隣接し、結合ダイオード６のカソードＫ１と結合ダイオード７のカソードＫ２とが隣接するように結合ダイオード６，７が一体に形成される。その結果、半導体パッケージ２〜５及び結合ダイオード６，７は、略直線上に並んだ状態で配置される。

次に、実施形態２に係る３レベルインバータ装置１９を構成する導体２０〜２６について、３レベルインバータ装置１９に導体２０〜２６を個別に設けた状態を参照しながら説明する。

図１４（ａ），図１４（ｂ）に示すように、半導体パッケージ２のコレクタＣと平滑コンデンサ８の正極端子とを接続する導体２０は、パッケージ面に対して立設する板状の導電部２０ａを有する。この導電部２０ａの端部には、平滑コンデンサ８の正極端子と接続される接続部２０ｂが導電部２０ａ面から突出して設けられる。また、半導体パッケージ５のエミッタＥと平滑コンデンサ９の負極端子とを接続する導体２１は、パッケージ面に対して立設する板状の導電部２１ａを有する。この導電部２１ａの端部には、平滑コンデンサ９の負極端子と接続される接続部２１ｂが導電部２１ａ面から突出して設けられる。

図１５（ａ），図１５（ｂ）に示すように、半導体パッケージ２のエミッタＥと、半導体パッケージ３のコレクタＣ、結合ダイオード６のカソードＫ１とを接続する導体２２は、パッケージ面に対して立設する板状の導電部２２ａを有する。同様に、半導体パッケージ５のコレクタＣと、半導体パッケージ４のエミッタＥ、結合ダイオード７のアノードＡ２とを接続する導体２３は、パッケージ面に対して立設する板状の導電部２３ａを有する。

図１６（ａ），図１６（ｂ）に示すように、結合ダイオード６のアノードＡ１と、結合ダイオード７のカソードＫ２と、平滑コンデンサ８，９の接続点とを接続する導体２４は、パッケージ面に対して立設する板状の導電部２４ａを有する。導電部２４ａは、第１，第２延伸部２４ｂ，２４ｃ、第１，第２折り返し部２４ｄ，２４ｅと、接続導体部２４ｆとから構成される。

第１延伸部２４ｂは、パッケージ面に対して立設する板状の導電体であって、第１延伸部２４ｂは、結合ダイオード６のアノードＡ１から半導体パッケージ２まで延伸している。第２延伸部２４ｃは、パッケージ面に対して立設する板状の導電体であって、第２延伸部２４ｃは、結合ダイオード７のカソードＫ２から半導体パッケージ５まで延伸している。第１延伸部１４ｂは、図１５（ａ）で示した導体２２の導電部２２ａの高さと略等しく、この導電部２２ａに沿うように配置される。また、第２延伸部２４ｃは、図１５（ａ）で示した導体２３の導電部２３ａの高さと略等しく、この導電部２３ａに沿うように配置される。

そして、図１６（ａ）に示すように、第１，第２延伸部２４ｂ，２４ｃの端部から、それぞれパッケージ面に対して立設するように第１，第２折り返し部２４ｄ，２４ｅが設けられ、第１折り返し部２４ｄと第２折り返し部２４ｅとを接続するように、板状の接続導体部２４ｆが設けられる。この接続導体部２４ｆは、第１延伸部２４ｂ及び第２延伸部２４ｃの高さより高い位置に設けられる。なお、接続導体部２４ｆには、平滑コンデンサ８，９の接続点と接続する接続部２４ｇが接続導体部２４ｆ面から突出して設けられる。また、接続導体部２４ｆには、後述の導体２６の交流端子接続部２６ｅが貫通する貫通孔２４ｈが形成されている。

図１７（ａ），図１７（ｂ）に示すように、半導体パッケージ３と交流端子１７とを接続する導体２５は、導体２２、及び導体２４に沿うように形成される。つまり、導体２５は、パッケージ面に対して立設する導電部２５ａを有し、この導電部２５ａは、導体２２の導電部２２ａと平行して配置される板状の第１導電部２５ｂと、導体２４の第１折り返し部２４ｄと並行して配置される板状の第２導電部２５ｃと、導体２４の接続導体部２４ｆと並行して配置される板状の接続導体部２５ｄとを有する。なお、接続導体部２５ｄには、交流端子１７と接続するための交流端子接続部２５ｅが、接続導体部２５ｄ面から突出して設けられる。

同様に、半導体パッケージ４と交流端子１７とを接続する導体２６は、導体２３、及び導体２４に沿うように形成される。つまり、導体２６は、パッケージ面に対して立設する導電部２６ａを有し、この導電部２６ａは、導体２３の導電部２３ａと並行して配置される板状の第１導電部２６ｂと、導体２４の第２折り返し部２４ｅと並行して配置される板状の第２導電部２６ｃと、導体２４の接続導体部２４ｆと並行して配置される板状の接続導体部２６ｄとを有する。なお、接続導体部２６ｄには、交流端子１７と接続するための交流端子接続部２６ｅが、接続導体部２６ｄ面から突出して設けられる。

本発明の実施形態２に係る３レベルインバータ装置１９の配線インダクタンス低減効果について、図１８〜図２１を参照して説明する。図１８〜図２１は、実施形態に係る３レベルインバータ装置１９の各動作モード（モード１〜モード４）における電流経路を説明する説明図である。

図１８（ａ）に示すように、半導体パッケージ２及び半導体パッケージ３がターンオンし、半導体パッケージ４及び半導体パッケージ５がターンオフした場合（モード１）、３レベルインバータ回路を流れる電流は、導体２０→半導体パッケージ２→導体２２→半導体パッケージ３→導体２５→交流端子１７となる。

図１８（ｂ）に示すように、本発明の実施形態２に係る３レベルインバータ装置１９は、導体２０の導電部２０ａと導体２５の第２導電部２５ｃとが近接して沿うように並行して配置されている。また、導体２２の導電部２２ａと導体２５の第１導電部２５ｂとがそれぞれ沿うように並行して配置されている。

この導体２０の導電部２０ａを流れる電流の向き（図中細字矢印で示す）と導体２５の第２導電部２５ｃを流れる電流の向き（図中太字矢印で示す）が逆向きであるので、導電部２０ａと第２導電部２５ｃで流れる電流が、導電部２０ａと第２導電部２５ｃで発生した磁界をお互いに打ち消しあうこととなり、配線インダクタンスが低減する。同様の理由により、導体２２の導電部２２ａと導体２５の第１導電部２５ｂとを近接して沿うように配置し積層導体を構成することで、この導体２２の導電部２２ａを流れる電流の向き（図中細字矢印で示す）と導体２５の第１導電部２５ｂを流れる電流の向き（図中太字矢印で示す）が逆向きとなり、配線インダクタンスが低減する。

図１９（ａ）に示すように、半導体パッケージ３がターンオンし、半導体パッケージ２，４，５がターンオフした場合（モード２）、３レベルインバータ回路を流れる電流は、導体２４→結合ダイオード６→導体２２→半導体パッケージ３→導体２５→交流端子１７となる。

図１９（ｂ）に示すように、実施形態２に係る３レベルインバータ装置１９は、モード２の場合においても、平板状の導体２２，２４，２５を流れる電流の向きが逆向きになるように各々の導体２２，２４，２５が近接して配置される。つまり、導体２４の接続導体部２４ｆ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体２５の接続導体部２５ｄ（電流の向きを太字矢印で示す）が近接して沿うように配置される。また、導体２４の折り返し部２４ｄ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体２５の第２導電部２５ｃ（電流の向きを太字矢印で示す）が近接して沿うように配置される。さらに、導体２２の導電部２２ａ（電流の向きを太字矢印で示す）と、導体２５の第１導電部２５ｂ（電流の向きを太字矢印で示す）と導体２４の第１延伸部２４ｂ（電流の向きを細字矢印で示す）が近接して沿うように配置され積層導体を構成している。その結果、各板状の導電部を流れる電流により発生した磁界と、それらの導電部に近接して配置される他の導電部で発生した磁界とがお互いに打ち消しあうこととなり、配線インダクタンスが低減する。特に、導体２０の導電部２０ａ、導体２４の折り返し部２４ｄ、導体２５の第２導電部２５ｃを略同一の形状として積層した積層導体構造とすることで、配線インダクタンスがより一層低減する。

図２０（ａ）に示すように、半導体パッケージ４及び半導体パッケージ５がターンオンし、半導体パッケージ２及び半導体パッケージ３がターンオフした場合（モード３）、３レベルインバータ回路を流れる電流は、交流端子１７→導体２６→半導体パッケージ４→導体２３→半導体パッケージ５→導体２１となる。

図２０（ｂ）に示すように、実施形態２に係る３レベルインバータ装置１９は、モード３の場合においても、平板状の導体２１，２３，２６を流れる電流の向きが逆向きになるように各々の導体２１，２３，２６が近接して配置される。つまり、導体２６の第２導電部２６ｃ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体２１の導電部２１ａ（電流の向きを太字矢印で示す）が近接して沿うように配置され積層導体を構成している。また、導体２６の第１導電部２６ｂ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体２３の導電部２３ａ（電流の向きを太字矢印で示す）が近接して沿うように配置され積層導体を構成している。その結果、各板状の導電部を流れる電流により発生した磁界と、それらの導電部に近接して配置される他の導電部で発生した磁界とがお互いに打ち消しあうこととなり、配線インダクタンスが低減する。

図２１（ａ）に示すように、半導体パッケージ４がターンオンし、半導体パッケージ２，３，５がターンオフした場合（モード４）、３レベルインバータ回路を流れる電流は、交流端子１７→導体２６→半導体パッケージ４→導体２３→結合ダイオード７→導体２４となる。

図２１（ｂ）に示すように、実施形態２に係る３レベルインバータ装置１９は、モード４の場合においても、平板状の導体２３，２４，２６を流れる電流の向きが逆向きになるように各々の導体２３，２４，２６が近接して配置される。つまり、導体２６の接続導体部２６ｄ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体２４の接続導体部２４ｆ（電流の向きを太字矢印で示す）が近接して沿うように配置され積層導体を構成している。また、導体２６の第２導電部２６ｃ（電流の向きを細字矢印で示す）と、導体２４の折り返し部２４ｅ（電流の向きを太字矢印で示す）が近接して沿うように配置され積層導体を構成している。さらに、導体２６の第１導電部２６ｂ（電流の向きを細字矢印で示す）及び導体２４の第２延伸部２４ｃ（電流の向きを太字矢印で示す）と、導体２３の導電部２３ａ（電流の向きを太字矢印で示す）とが近接して沿うように配置され積層導体を構成している。その結果、各板状の導電部を流れる電流により発生した磁界と、それらの導電部に近接して配置される他の導電部で発生した磁界とがお互いに打ち消しあうこととなり、配線インダクタンスが低減する。特に、導体２１の導電部２１ａ、導体２４の折り返し部２４ｅ、導体２６の第２導電部２６ｃを略同一の形状として積層した積層導体構造とすることで、配線インダクタンスがより一層低減する。

以上のように、本発明の実施形態２に係る電力変換装置１９及び電力変換装置１９の導体配置方法によれば、パッケージ面に対して立設する平板状の導電部を有する導体で回路を構成することで、平滑コンデンサと、この平滑コンデンサと接続される半導体パッケージの端子との距離を短くすることができる。その結果、平滑コンデンサと半導体パッケージ間の配線インダクタンスが低減されるので、電力変換装置で発生するサージ電圧を低減することができる。特に、実施形態２に係る電力変換装置１９は、平滑コンデンサ８と半導体パッケージ２（若しくは、平滑コンデンサ９と半導体パッケージ５）とを接続する導体の長さが実施形態１に係る電力変換装置１と比較して短いので、実施形態１に係る電力変換装置１の有する効果に加えて、さらに配線インダクタンスを低減することができる。

以上、本発明の電力変換装置及び電力変換装置の導体配置方法に関して、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明は、本発明の技術的思想の範囲で多彩な変形及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、このような変形及び修正が本発明の電力変換装置及び電力変換装置の導体配置方法に属することは当然のことである。

例えば、本発明の電力変換装置は、回路を構成する導体において、流れる電流が逆方向となる導電部同士を近接して設けるものである。よって、実施形態で説明したようにすべての導電部の組合せについて近接して設ける形態が好ましいが、電力変換装置の構成などを勘案して、一部の導電部の組合せについてのみ近接して設けた場合にも、本発明の電力変換装置及び電力変換装置の導体配置方法の効果を部分的に得ることができる。

また、実施形態では、３レベルインバータ装置を例示して説明したが、実施形態の電力変換装置に限らず、さまざまな電力変換装置においてスイッチング素子と直流電源（若しくは、交流電源）の接続等、電力変換装置の回路を形成する導体に適用することができる。なお、実施形態の説明では、１相分の構造を示して説明したが、電力変換装置を３相とする場合には、３レベルインバータ装置１を３組用いればよい。

また、各導体（板状の導電部）間に絶縁板を設けることで、導体間の短絡を防止し、電力変換装置の安全性を向上させることができる。

１，１９…３レベルインバータ装置（電力変換装置）
２…半導体パッケージ（第１半導体スイッチング素子）
３…半導体パッケージ（第２半導体スイッチング素子）
４…半導体パッケージ（第３半導体スイッチング素子）
５…半導体パッケージ（第４半導体スイッチング素子）
６…結合ダイオード（第１結合ダイオード）
７…結合ダイオード（第２結合ダイオード）
８…平滑コンデンサ（第１単位電圧源）
９…平滑コンデンサ（第２単位電圧源）
１０，２０…導体（第１導体）
１１，２１…導体（第２導体）
１２，２２…導体（第３導体）
１３，２３…導体（第５導体）
１４，２４…導体（第４導体）
１５，２５…導体（第６導体）
１６，２６…導体（第７導体）
１０ａ〜１６ａ，２０ａ〜２６ａ…導電部、１０ｂ，１１ｂ…立設部
１０ｃ，１１ｃ…延伸部、１４ｂ，２４ｂ…第１延伸部
１４ｃ，２４ｃ…第２延伸部、１４ｄ，２４ｄ…第１折り返し部
１４ｅ，２４ｅ…第２折り返し部、１４ｆ，２４ｆ，２５ｄ，２６ｄ…接続導体部
１５ｂ，１６ｂ，２５ｂ，２６ｂ…第１導電部、１５ｃ，１６ｃ…折り返し部
１５ｄ，１６ｄ，２５ｃ，２６ｃ…第２導電部
１７…交流端子
１８…ヒートシンク

Claims (13)

1. 半導体スイッチング素子を内蔵した複数の半導体パッケージと、
   複数の結合ダイオードと、を有する電力変換装置であって、
   前記複数の半導体パッケージを同一平面上に配置し、
   前記複数の半導体パッケージが設けられる面に対して立設する板状の導電部を有し、前記半導体パッケージのコレクタと前記電力変換装置の電圧源正極とを接続する第１導体と、
   前記複数の半導体パッケージが設けられる面に対して立設する板状の導電部を有し、前記半導体パッケージのエミッタと前記電力変換装置の電圧源負極とを接続する第２導体と、を備え、
   前記電圧源を、前記半導体パッケージが設けられる面から前記第１導体または前記第２導体が立設した方向に離間し、かつ前記第１導体または前記第２導体の導電部の端部と対向して設ける
   こと特徴とする電力変換装置。
2. 前記複数の半導体パッケージが設けられる面に対して立設する板状の導電部を有し、前記電圧源正極と接続される半導体パッケージを含む半導体パッケージと当該半導体パッケージと接続される結合ダイオードとを接続する第３導体と、
   前記第１導体の導電部と、前記第３導体の導電部と近接して沿うように配置される板状の導電部を有し、前記結合ダイオードと前記電力変換装置の電圧源とを接続する第４導体と、を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記複数の半導体パッケージが設けられる面に対して立設する板状の導電部を有し、前記電圧源負極と接続される半導体パッケージを含む半導体パッケージと当該半導体パッケージに接続される結合ダイオードとを接続する第５導体と、を備え、
   前記第４導体は、当該結合ダイオードと前記電圧源とを接続するとともに、前記第２導体の導電部と、前記第５導体の導電部と近接して沿うように配置される板状の導電部を、有する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１導体の導電部または前記第３導体の導電部と近接して、沿うように配置される板状の導電部を有し、前記電圧源正極と接続された半導体パッケージに前記第３導体を介して直列に接続された半導体パッケージと、電力変換装置の交流端子と、を接続する第６導体を、備える
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記第２導体の導電部または前記第５導体の導電部と近接して、沿うように配置される導電部を有し、前記電圧源負極と接続された半導体パッケージに前記第５導体を介して直列に接続された半導体パッケージと、電力変換装置の交流端子と、を接続する第７導体を、備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
6. 複数の半導体パッケージと、
   複数の結合ダイオードと、
   前記半導体パッケージまたは前記結合ダイオードと接続される電圧源と、を有する電力変換装置における導体の配置方法であって、
   前記半導体パッケージが設けられる面に対して立設する板状の導電部を有する導体で、前記電力変換装置の回路を構成し、
   前記電圧源を、前記半導体パッケージが設けられる面から前記導電部が立設した方向に離間し、かつ前記導電部の端部と対向して設ける
   ことを特徴とする電力変換装置における導体の配置方法。
7. 前記回路を構成する各導電部において、流れる電流の向きが反対となる導電部を近接して沿うように設ける
   ことを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置における導体の配置方法。
8. 直列接続された第１，第２単位電圧源を含み、３つの直流電圧レベルの３端子を有する直流電圧源と、
   前記第１単位電圧源の正極端子と交流端子との間に直列接続された第１，第２半導体スイッチング素子と、
   この直列接続点と前記第１，第２単位電圧源の直列接続点との間に接続された第１結合ダイオードと、
   前記交流端子と前記第２単位電圧源の負極端子との間に直列接続された第３，第４半導体スイッチング素子と、
   この直列接続点と前記第１，第２単位電圧源の直列接続点との間に接続された第２結合ダイオードと、
   を有する電力変換装置における導体の配置方法であって、
   前記第１，第２，第３，第４の半導体スイッチング素子を同一面上に配置し、
   この半導体スイッチング素子が配置される面に対して立設する板状の導電部を有する導体を、前記第１半導体スイッチング素子に接続し、
   前記第１単位電圧源を、前記半導体スイッチング素子が配置される面から前記導電部の立設方向に離間し、かつ前記導電部の端部と対向して設け、
   前記導電部に前記第１単位電圧源を接続する
   ことを特徴とする電力変換装置における導体の配置方法。
9. 前記第１，第２半導体スイッチング素子と前記第１結合ダイオードを接続する導体は、前記半導体スイッチング素子が配置される面に対して立設する板状の導電部を有し、
   前記第１，第２結合ダイオードと前記第１，第２単位電圧源の直列接続点とを接続する導体を、前記第１，第２半導体スイッチング素子と前記第１結合ダイオードを接続する導体の導電部、及び前記第１単位電圧源と前記第１半導体スイッチング素子とを接続する導体の導電部に近接して沿うように形成する
   ことを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置における導体の配置方法。
10. 前記第２半導体スイッチング素子と前記交流端子とを接続する導体を、前記第１，第２半導体スイッチング素子と前記第１結合ダイオードを接続する導体の導電部、及び前記第１単位電圧源と前記第１半導体スイッチング素子とを接続する導体の導電部に近接して沿うように形成する
    ことを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置における導体の配置方法。
11. 前記半導体スイッチング素子が配置される面に対して立設する板状の導電部を有する導体を、前記第４半導体スイッチング素子に接続し、
    前記第２単位電圧源を、前記半導体スイッチング素子が配置される面から当該導電部の立設方向に離間し、かつ該導電部の端部と対向して設け、
    該導電部に前記第２単位電圧源を接続する
    ことを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の電力変換装置における導体の配置方法。
12. 前記第３，第４半導体スイッチング素子と前記第２結合ダイオードを接続する導体は、前記半導体スイッチング素子が配置される面に対して立設する板状の導電部を有し、
    前記第１，第２結合ダイオードと前記第１，第２単位電圧源の直列接続点とを接続する導体を、前記第３，第４半導体スイッチング素子と前記第２結合ダイオードを接続する導体の導電部、及び前記第２単位電圧源と前記第４半導体スイッチング素子とを接続する導体の導電部に近接して沿うように形成する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置における導体の配置方法。
13. 前記第３半導体スイッチング素子と前記交流端子とを接続する導体を、前記第３，第４半導体スイッチング素子と前記第２結合ダイオードを接続する導体の導電部、及び前記第２単位電圧源と前記第４半導体スイッチング素子とを接続する導体の導電部に近接して沿うように形成する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置における導体の配置方法。

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