JP5813234B2 - ２素子入りパワーモジュールおよびそれを用いた３レベル電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、２素子入りパワーモジュールおよびそれを用いた３レベル電力変換装置に関する。
従来の２素子入りパワーモジュールを用いた鉄道車両用の３レベル電力変換装置は、直列に接続されて上下アームを構成する４つのスイッチング素子のうち、外側スイッチング素子（上位電位側に位置するスイッチング素子および下位電位側に位置するスイッチング素子）同士ならびに内側スイッチング素子（２つの外側スイッチング素子に挟まれる２つのスイッチング素子）同士をそれぞれ２素子入りパワーモジュールで構成すると共に、上アームを構成する２つのスイッチング素子同士の接続点と下アームを構成する２つのスイッチング素子同士の接続点との間に接続されるクランプダイオードとして別途ダイオードモジュールを用いて構成している（例えば、下記特許文献１）。
国際公開第２００８／０７５４１８号
上述のように、従来の２素子入りパワーモジュールを用いた鉄道車両用の３レベル電力変換装置は、外側スイッチング素子同士と内側スイッチング素子同士をそれぞれ２素子入りパワーモジュールで構成している。このため、モジュール内部の低インダクタンス構造が鉄道車両用の３レベル電力変換装置に必要な低インダクタンス回路として寄与する効果が充分ではなく、２素子入りパワーモジュールとしての特徴を充分に発揮できていないという課題があった。
また、上記特許文献１では、２素子入りパワーモジュールの素子配置や端子位置に関する言及はなされているものの、各モジュールの配置が鉄道車両用の３レベル電力変換装置の必要な低インダクタンス回路として寄与する効果に改善の余地があり、更なる低インダクタンス構造が望まれていた。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、２素子入りパワーモジュールとしての特徴を充分に発揮すると共に、更なる低インダクタンス回路を構成し得る３レベル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に、本発明は、上位側直流端子、中間電位端子および下位側直流端子の何れかの電位を選択して交流端子に出力する１相分の電力変換回路部であって、上位電位側の外側スイッチング素子および上位電位側のクランプ素子を有する第１の２素子入りパワーモジュール、上位電位側の内側スイッチング素子および下位電位側の内側スイッチング素子による第２の２素子入りパワーモジュール、下位電位側の外側スイッチング素子および下位電位側のクランプ素子を有する第３の２素子入りパワーモジュールを有する電力変換回路部を備え、前記第１ないし第３の２素子入りパワーモジュールのそれぞれは、一方の素子の上位側電位部に接続された第１電極、一方の素子の下位側電位部ともう一方の素子の上位側電位部との接続部に直接接続された第２電極、もう一方の素子の下位側電位部に接続された第３電極を有する同一構成の２素子入り３端子パワーモジュールであり、前記第１の２素子入りパワーモジュールの前記第１電極が前記上位側直流端子に接続され、前記第１の２素子入りパワーモジュールの前記第２電極と前記第２の２素子入りパワーモジュールの前記第１電極とが接続され、前記第１の２素子入りパワーモジュールの前記第３電極が前記中間電位端子に接続され、前記第３の２素子入りパワーモジュールの前記第１電極が前記中間電位端子に接続され、前記第２の２素子入りパワーモジュールの前記第２電極が前記交流端子に接続され、前記第２の２素子入りパワーモジュールの前記第３電極と前記第３の２素子入りパワーモジュールの前記第２電極とが接続され、前記第３の２素子入りパワーモジュールの前記第３電極が前記下位側直流端子に接続されることを特徴とする。
この発明によれば、同一構成の３個の２素子入りパワーモジュールを用いて低インダクタンス回路を構成し得る、という効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る２素子入りパワーモジュールの概略形状を示す斜視図である。 図２は、図１に示した２素子入りパワーモジュールの回路図である。 図３は、３レベル電力変換装置の回路構成を説明するための部分回路図である。 図４は、インダクタンスループを付加して示した３レベル電力変換装置の部分回路図である。 図５は、実施の形態１に係る３レベル電力変換装置の部分回路図である。 図６は、図５の回路図を各組毎のスイッチング素子が近接するように書き換えた回路図である。 図７は、図６の回路図に２つのインダクタンスループを付加した図である。 図８は、実施の形態１に係る３レベル電力変換装置の動作を説明するための説明図である。 図９は、２素子入りパワーモジュールを３端子で構成することの効果を説明する図である。 図１０は、本発明の実施の形態２に係る２素子入りパワーモジュールを用いた３レベル電力変換装置におけるモジュール配置例を模式的に示す上面図である。 図１１は、本発明の実施の形態３に係る２素子入りパワーモジュールを用いた３レベル電力変換装置におけるモジュール配置例を模式的に示す上面図である。 図１２は、図１１におけるＸ方向から見た矢視図である。 図１３は、図１１におけるＹ方向から見た矢視図である。
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る３レベル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．
まず、図１および図２を参照して、本発明の実施の形態１に係る２素子入りパワーモジュールについて説明する。図１は、実施の形態１に係る２素子入りパワーモジュールの概略形状を示す斜視図であり、図２は、図１に示した２素子入りパワーモジュールの回路図である。
実施の形態１に係る２素子入りパワーモジュール１は、図１および図２に示すように、スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴと、所謂フライホイールダイオードとして動作するダイオード（以下「ＦＷＤ」と表記）とが逆並列に接続された２つの素子対である第１の素子対１０および第２の素子対１２がパッケージ（モジュール筐体）内に収容されている。
第１の素子対１０は、ＭＯＳＦＥＴのドレインとＦＷＤのカソードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続部（上位側電位部）に電気的に接続する第１電極Ｍ１と、ＭＯＳＦＥＴのソースとＦＷＤのアノードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続部（下位側電位部）に電気的に接続する第２電極Ｍ２を有する。また、第２の素子対１２では、ＭＯＳＦＥＴのドレインとＦＷＤのカソードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続部（上位側電位部）が第２電極Ｍ２に電気的に接続される。ＭＯＳＦＥＴのソースとＦＷＤのアノードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続部（下位側電位部）に電気的に接続する第３電極Ｍ３も第１の素子対１０は有する。ＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチング素子を使用する場合も、第１の素子対および第２の素子対のＦＷＤのカソード側を上位側または上位電位側と呼び、第１の素子対および第２の素子対のＦＷＤのアノード側を下位側または下位電位側と呼ぶ。
これら第１ないし第３電極はモジュール筐体における一方の主面側に設けられる。第１電極および第３電極は、モジュール筐体の長手方向における一方の端部側で当該長手方向に直交する方向に配列されるのに対し、第２電極は当該モジュール筐体の長手方向におけるもう一方の端部側に配置される。
このようにして、実施の形態１に係る２素子入りパワーモジュールは、同一の主面側に引き出された第１電極Ｍ１〜第３電極Ｍ３の３つの電極（端子）を有する３端子型モジュールとして構成される。なお、ゲート電極（端子）は、３つの電極とは別に設けられる。
つぎに、実施の形態１に係るパワーモジュールを用いた３レベル電力変換装置について説明する。
まず、図３は、３レベル電力変換装置の回路構成を説明するための部分回路図であり、鉄道車両に用いて好適な３レベル電力変換装置における直流リンク部の部分と１相分の電力変換回路部の構成を図示している。直流リンク部には、直列に接続された２個のキャパシタと、２個のキャパシタの１端に接続された上位側直流端子Ｐと、もう１端に接続された下位側直流端子Ｎと、２個のキャパシタが接続する箇所に接続された中間電位端子Ｃとが存在する。上位側直流端子Ｐが存在する側を上位電位側と呼び、下位側直流端子Ｎが存在する側を下位電位側と呼ぶ。１相分の電力変換回路部は、上位側直流端子Ｐ、中間電位端子Ｃおよび下位側直流端子Ｎの何れかの電位を選択して交流端子ＡＣに出力するものである。
この３レベル電力変換装置における電力変換回路部では、図３に示すように、上位電位側の外側に位置するスイッチング素子（以下「上位外側スイッチング素子」という）１０１、上位電位側の内側に位置するスイッチング素子（以下「上位内側スイッチング素子」という）１０２、下位電位側の内側に位置するスイッチング素子（以下「下位内側スイッチング素子」という）１０３、下位電位側の外側に位置するスイッチング素子（以下「下位外側スイッチング素子」という）１０４、上位電位側の中性点クランプダイオードとして動作するスイッチング素子（以下「上位側クランプ素子」という）１０５および下位電位側の中性点クランプダイオードとして動作するスイッチング素子（以下「下位側クランプ素子」という）１０６を備えて構成される。
なお、上記６つのスイッチング素子を有する電力変換回路部を２素子入りパワーモジュールを用いて構成する場合には、図３に示すように、上位外側スイッチング素子１０１と上位内側スイッチング素子１０２、下位内側スイッチング素子１０３と下位外側スイッチング素子１０４、上位側クランプ素子１０５と下位側クランプ素子１０６をそれぞれ組み合わせて構成するのが一般的もしくは典型的な考え方である。
図４は、図３に電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）の影響、即ちインダクタンスの影響を受け易いループ（以下「インダクタンスループ」という）１１０，１１２を付加して示した回路図である。なお、図４では、上位側直流端子Ｐと中間電位端子Ｃとの間のインダクタンスループを示しているが、下位側直流端子Ｎと中間電位端子Ｃとの間にも同様なインダクタンスループが形成されることは言うまでもない。
ここで、図４に示したインダクタンスループ１１０，１１２に目を向けると、インダクタンスループ１１０，１１２の何れもモジュール間に跨って形成されている。このため、インダクタンスループ１１０，１１２を低インダクタンスとするには、モジュール内のインダクタンス成分のみならずモジュール間を繋ぐ電気導体のインダクタンス成分の双方を小さくする必要がある。したがって、図３に示す２素子入りパワーモジュールの組分けは、インダクタンスループ１１０，１１２を低インダクタンスとする観点では得策ではない。
一方、図５は、組分けを変更して構成した実施の形態１に係る３レベル電力変換装置の部分回路図である。具体的に説明すると、図５に示すように、上位外側スイッチング素子１０１と上位側クランプ素子１０５を第１の組、上位内側スイッチング素子１０２と下位内側スイッチング素子１０３を第２の組、そして下位外側スイッチング素子１０４と下位側クランプ素子１０６を第３の組としてそれぞれ構成している。
図６は、図５の回路図を各組毎のスイッチング素子が近接するように書き換えた回路図である。具体的に説明すると、上位外側スイッチング素子１０ａ（以下説明の簡便化のため単に「スイッチング素子１０ａ」と略す、他のものも同様）と上位側クランプ素子１２ａ（同様に単に「クランプ素子１２ａ」と略す、他のものも同様）とによる第１の組を２素子入りパワーモジュール１ａ（同様に単に「モジュール１ａ」と略す、他のものも同様）にて構成し、スイッチング素子１０ｂとスイッチング素子１２ｂとによる第２の組をモジュール１ｂにて構成し、クランプ素子１０ｃとスイッチング素子１２ｃとによる第３の組をモジュール１ｃにて構成する。
そして、モジュール１ａの第１電極Ｍ１１と上位側直流端子Ｐとを電気的に接続し、モジュール１ａの第２電極Ｍ１２とモジュール１ｂの第１電極Ｍ２１とを電気的に接続し、モジュール１ａの第３電極Ｍ１３を中間電位端子Ｃに電気的に接続し、モジュール１ｃの第１電極Ｍ３１を中間電位端子Ｃに電気的に接続し、モジュール１ｂの第２電極Ｍ２２と交流端ＡＣとを電気的に接続し、モジュール１ｂの第３電極Ｍ２３とモジュール１ｃの第２電極Ｍ３２とを電気的に接続し、モジュール１ｃの第３電極Ｍ３３と下位側直流端子Ｎとを電気的に接続することで、３レベル電力変換装置における１アーム分の回路を構成する。
図７は、図６の回路図に図４に示したインダクタンスループ１１０，１１２を付加した図である。実施の形態１に係る２素子入りパワーモジュールを用いた場合、図７に示すように、インダクタンスループ１１０の経路は直流リンク部の経路を除きモジュールの内部に生ずる。このため、２素子入りパワーモジュール自体を低インダクタンスに構成すれば必然的にインダクタンスループ１１０を低インダクタンス回路とすることができる。
また、インダクタンスループ１１２の経路は、直流リンク部の経路、モジュール１ａの第１電極Ｍ１１とモジュール１ｂの第１電極Ｍ２１とを繋ぐ経路および、モジュール１ｂの第３電極Ｍ２３とモジュール１ｃの第２電極Ｍ３２とを繋ぐ経路が外部に生ずる経路である。よって、２素子入りパワーモジュール自体を低インダクタンスに構成し、かつ、これら３つの経路を低インダクタンスに構成すれば必然的にインダクタンスループ１１２を低インダクタンス回路とすることができる。
モジュール１の内部において電流は、第１の電極Ｍ１と第２電極Ｍ２との間、または第２電極Ｍ２と第３の電極Ｍ３の間で流れる。第１電極Ｍ１と第３電極Ｍ３とを近接して配置しているので、第１の電極Ｍ１と第２電極Ｍ２の間の電流経路と第２電極Ｍ２と第３の電極Ｍ３の間の電流経路との間の距離を小さくできる。これらの電流経路を流れる電流による磁束が打ち消しあうことになり、実施の形態１に係る２素子入りパワーモジュールは、低インダクタンスな回路構成となっている。
また、このように構成された実施の形態１に係る２素子入りパワーモジュールは、モジュール配置（平面配置、立体配置）により、モジュール内に留まらずモジュール間のインダクタンス成分も低減可能に構成することができる。この点については、実施の形態２，３にて後述する。
つぎに、実施の形態１に係る２素子入りパワーモジュールで構成された３レベル電力変換装置の動作について説明する。なお、この説明を通じて２素子入りパワーモジュールが固有に有する低インダクタンス特性についても説明する。
図８は、実施の形態１に係る３レベル電力変換装置の動作を説明するための説明図であり、図６の回路図に電流経路を付して示している。なお、以下の説明では、３レベル電力変換装置の交流端を成す交流端子ＡＣから出力される電流が正（右向き）の場合を一例として説明する。
まず、スイッチング素子１０ａ，１０ｂがＯＮ、スイッチング素子１２ｂ，１２ｃがＯＦＦしていると、上位側直流端子Ｐの電圧が交流端子ＡＣに出力される。交流端子ＡＣとの間で、上位側直流端子Ｐからまたは上位側直流端子Ｐへの電流が、スイッチング素子１０ａ，１０ｂに流れる（電流経路Ａ）。
つぎに、スイッチング素子１０ａがＯＦＦし、スイッチング素子１２ｂがＯＮすると、中間電位端子Ｃの電圧が交流端子ＡＣに出力される。中間電位端子Ｃからの電流が、クランプ素子１２ａ（詳細にはクランプダイオード）を通ってスイッチング素子１０ｂに流れて交流端子ＡＣに出力される（電流経路Ｂ）。交流端子ＡＣ側から中間電位端子Ｃに電流が流れる場合には、スイッチング素子１２ｂを通ってクランプ素子１０ｃ（詳細にはクランプダイオード）に流れる。ここで、スイッチング素子１０ｂがＯＦＦして、スイッチング素子１２ｂがＯＮすると、下位側直流端子Ｎの電圧が交流端子ＡＣに出力される。交流端子ＡＣとの間で、下位側直流端子Ｎからまたは下位側直流端子Ｎへの電流が、スイッチング素子１２ｂ，１２ｃに流れる（電流経路Ｃ）。
このようにして、スイッチング素子１０ａ，１０ｂ，１２ｂ，１２ｃにおけるＯＮ／ＯＦＦの状態が、以下のどれかの状態を取る。
状態Ｐ：スイッチング素子１０ａ：ＯＮ、スイッチング素子１０ｂ：ＯＮ、スイッチング素子１２ｂ：ＯＦＦ、スイッチング素子１２ｃ：ＯＦＦ。
状態Ｃ：スイッチング素子１０ａ：ＯＦＦ、スイッチング素子１０ｂ：ＯＮ、スイッチング素子１２ｂ：ＯＮ、スイッチング素子１２ｃ：ＯＦＦ。
状態Ｎ：スイッチング素子１０ａ：ＯＦＦ、スイッチング素子１０ｂ：ＯＦＦ、スイッチング素子１２ｂ：ＯＮ、スイッチング素子１２ｃ：ＯＮ。
スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの状態の変化に応じて、スイッチング素子を流れる電流は変化する。交流端子ＡＣから流れ出す電流と交流端子ＡＣに流れ込む電流とによる正負両方の電流を考慮すると、スイッチング素子を流れる電流は、スイッチング素子１０ａを流れていた電流がクランプ素子１２ａに流れるように転流する。スイッチング素子１０ｂとスイッチング素子１２ｂとの間でも転流し、スイッチング素子１２ｃとクランプ素子１０ｃとの間でも転流する。
実施の形態１の３レベル電力変換装置においては、上述のように、これらの転流する電流が流れるスイッチング素子の組み合わせで２素子入りパワーモジュールが構成されている。このため、実施の形態１に係る３レベル電力変換装置は、モジュール配置が鉄道車両用の３レベル電力変換装置に必要な低インダクタンス回路に寄与できる効果を奏する。
つぎに、２素子入りパワーモジュールを３端子で構成することの効果について説明する。図９は、２素子入りパワーモジュールを３端子で構成することの効果を説明する図である。
図９では、２素子入りパワーモジュールが４端子で構成されている。２素子入りパワーモジュールを３レベル電力変換装置などの電力変換装置で使用する場合、交流端子部６０を外部接続で構成する必要があるため、ＰＮ接続導体（直流リンク部と各スイッチング素子とを接続するための直流配線）６２との間でスペースの取り合いになる。この場合、例えば図９（ｂ）に示すように、ＰＮ接続導体６２を避けて配線する場合には必然的に接続導体長が長くなり、インダクタンスの増加は避けられない。一方、本実施の形態のように、２素子入りパワーモジュールを３端子で構成する場合には、一方の素子対の下位電位電極ともう一方の素子対の上位電位電極とは内部で接続されているので、ＰＮ接続導体６２を避けて配線するなどの考慮が不要になるのと共に、交流端子部６０の接続導体長が増加するのを抑制することでき、インダクタンスの低減に大きな効果が得られる。
以上のように、実施の形態１に係る２素子入りパワーモジュールによれば、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された第１および第２の素子対を有し、第１の素子対の上位側電位部に接続された第１電極と、第１の素子対の下位側電位部と第２の素子対の上位側電位部との接続部に接続された第２電極と、第２の素子対の下位側電位部に接続された第３電極と、を有して構成され、２素子入りパワーモジュールにおける第１ないし第３電極はモジュール筐体における一方の主面側に設けられ、第１電極および第３電極はモジュール筐体の長手方向における一方の端部側で当該長手方向に直交する方向に配列され、第２電極はモジュール筐体の長手方向におけるもう一方の端部側に配置することとしたので、４端子モジュールと比較して、更なる低インダクタンス回路を実現することが可能となる。
また、実施の形態１に係る３レベル電力変換装置によれば、上位電位側の外側スイッチング素子および上位電位側のクランプ素子を有する第１の２素子入りパワーモジュール、上位電位側の内側スイッチング素子および下位電位側の内側スイッチング素子による第２の２素子入りパワーモジュール、下位電位側の外側スイッチング素子および下位電位側のクランプ素子を有する第３の２素子入りパワーモジュールを有する電力変換回路部を備え、第１ないし第３の２素子入りパワーモジュールのそれぞれは、一方の素子の上位側電位部に接続された第１電極、一方の素子の下位側電位部ともう一方の素子の上位側電位部との接続部に接続された第２電極、もう一方の素子の下位側電位部に接続された第３電極を有する同一構成の２素子入り３端子パワーモジュールであり、第１の２素子入りパワーモジュールの第１電極が上位側直流端子に接続され、第１の２素子入りパワーモジュールの第２電極と第２の２素子入りパワーモジュールの第１電極とが接続され、第１の２素子入りパワーモジュールの第３電極が中間電位端子に接続され、第３の２素子入りパワーモジュールの第１電極が中間電位端子に接続され、第２の２素子入りパワーモジュールの第２電極が交流端子に接続され、第２の２素子入りパワーモジュールの第３電極と第３の２素子入りパワーモジュールの第２電極とが接続され、第３の２素子入りパワーモジュールの第３電極が下位側直流端子に接続されるように構成したので、同一構成の３個の２素子入りパワーモジュールを用いて低インダクタンス回路を実現することが可能となる。
なお、実施の形態１に係る３レベル電力変換装置によれば、１種類のパワーモジュールを使用して鉄道車両用の３レベル電力変換装置を構成できるので、設計コストおよび製造コストの削減に効果的である。
実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２に係る２素子入りパワーモジュールを用いた３レベル電力変換装置におけるモジュール配置例を模式的に示す上面図である。図１０において、実施の形態２に係るモジュール配置例では、３レベル電力変換装置を構成するモジュール１ａ〜１ｃを平面的に配置している。なお、これらモジュール１ａ〜１ｃは、図６において示したモジュール１ａ〜１ｃにそれぞれ対応している。
モジュール１ａとモジュール１ｃとは、モジュール筐体における長手側の側面同士が隣接するように配置される。各モジュールにおける電極は、１点鎖線で示すモジュール１ａとモジュール１ｃとの中心面Ｗに直交する方向に並ぶように配置する。中心面Ｗはモジュール１ａとモジュール１ｃのそれぞれの中心から等距離にある面である。中心面Ｗは、図１０では線で示しているが、紙面に垂直な方向の面である。
より詳細に説明すると、モジュール１ａの第１電極Ｍ１１および第３電極Ｍ１３と、モジュール１ｃの第１電極Ｍ３１および第３電極Ｍ３３とが中心面Ｗに直交する方向に並ぶように配置する。
なお、モジュールとして同一のものを使用する場合、上記のように配置すれば、モジュール１ａの第２電極Ｍ１２とモジュール１ｃの第２電極Ｍ３２も必然的に中心面Ｗに直交する方向に整列する。よって、モジュール１ａの第２電極Ｍ１２とモジュール１ｃの第２電極Ｍ３２の組が中心面Ｗに直交する方向に並ぶように配置することでもよい。
上記のように配置されたモジュール１ａ，１ｃに対し、モジュール１ｂは、モジュール筐体の中心を通り長手方向に平行な面である中心面Ｗに対して平行となり、かつ、第２電極Ｍ２２が中心面Ｗ上に位置し、かつ、モジュール１ｂの第１電極Ｍ２１および第３電極Ｍ２３が中心面Ｗに対して面対称になり、かつ、モジュール筐体のモジュール１ｂの第１電極Ｍ２１および第３電極Ｍ２３が設けられる側の側面がモジュール１ａ（モジュール１ｃ）における第２電極Ｍ１２（モジュール１ｃであれば第２電極Ｍ３２）が設けられる側面と隣接するように配置する。なお、第２電極Ｍ２２が中心面Ｗ上に位置するとは、第２電極Ｍ２２のどこかが中心面Ｗ上に存在することを意味する。
上記のように配置することにより、モジュール１ａの第２電極Ｍ１２とモジュール１ｂの第１電極Ｍ２１とを繋ぐ電気配線と、モジュール１ｂの第３電極Ｍ２３とモジュール１ｃの第２電極Ｍ３２とを繋ぐ電気配線とが非常に短い経路で配線されるので、モジュール１ａ〜１ｃを配した３レベル電力変換装置を低インダクタンス回路にて構成することができる。図１０などでは、電気配線が存在する箇所に矢印を付けた線を書いている。
また、同一構造のモジュールを用い、モジュール１ｂの第２電極Ｍ２２を中心面Ｗ上に配置しているので、モジュール１ａの第２電極Ｍ１２とモジュール１ｂの第１電極Ｍ２１とを繋ぐ電気配線と、モジュール１ｂの第３電極Ｍ２３とモジュール１ｃの第２電極Ｍ３２とを繋ぐ電気配線の長さを均等にすることができ、対称性のある回路を構成することができる。なお、図１０では、モジュール筺体の上から見た外形を直方形としたが、上から見た外形が台形や平行四辺形などでもよい。
実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３に係る２素子入りパワーモジュールを用いた３レベル電力変換装置におけるモジュール配置例を模式的に示す上面図であり、図１２は、図１１におけるＸ方向から見た矢視図であり、図１３は、図１１におけるＹ方向から見た矢視図である。
実施の形態３に係る図１１〜図１３の配置例と、実施の形態２に係る図１０の配置例とを比較すると、モジュール１ｂの配置が異なっている。実施の形態２では、モジュール１ｂをモジュール１ａ，１ｃと同一平面に配置したが、実施の形態３ではモジュール１ｂの電極搭載面がモジュール１ａ，１ｃの電極搭載面に向き合う（対向）するように配置している。
上記に加え、モジュール１ｂにおける電極搭載面の裏面側からモジュール１ａ，１ｃの電極搭載面を平面透視したときに、モジュール１ａの第１電極Ｍ１１および第３電極Ｍ１３と、モジュール１ｃの第１電極Ｍ３１と第３電極Ｍ３３と、モジュール１ｂの第２電極Ｍ２２とが、モジュール１ａとモジュール１ｃとの間の中心面Ｗに直交する方向に並び、かつ、モジュール１ｂの第２電極Ｍ２２が中心面Ｗ上に位置するように配置される。
なお、モジュールとして同一のものを使用する場合、上記のように配置すれば、モジュール１ｂにおける電極搭載面の裏面側からモジュール１ａ，１ｃの電極搭載面を平面透視したときに、モジュール１ａの第２電極Ｍ１２と、モジュール１ｃの第２電極Ｍ３２と、モジュール１ｂの第１電極Ｍ２１および第３電極Ｍ２３とが、モジュール１ａとモジュール１ｃとの間の中心面Ｗに直交する方向に並ぶことになる。
上記のように配置することにより、モジュール１ａの第２電極Ｍ１２とモジュール１ｂの第１電極Ｍ２１とを繋ぐ電気配線と、モジュール１ｂの第３電極Ｍ２３とモジュール１ｃの第２電極Ｍ３２とを繋ぐ電気配線とが非常に短い経路で配線されるので、モジュール１ａ〜１ｃを配した３レベル電力変換装置を低インダクタンス回路にて構成することができる。
また、上記のように配置することにより、モジュール１ａの第２電極Ｍ１２とモジュール１ｂの第１電極Ｍ２１とを繋ぐ電気配線と、モジュール１ｂの第３電極Ｍ２３とモジュール１ｃの第２電極Ｍ３２とを繋ぐ電気配線の長さを均等にすることができ、対称性のある回路を構成することができる。
なお、以上の実施の形態１〜３に示した２素子入りパワーモジュールの構成は、その一例であり、種々の変更は可能である。例えば、図１１では、モジュール１ａ，１ｃの上部にモジュール１ｂを配置する場合を例示したが、モジュール１ａ，１ｃの下部にモジュール１ｂを配置するようにしてもよい。また、これらのモジュール間の上下の関係を左右の関係に置き換えて配置してもよい。また、図１などにおいては、電極面に向かって第１電極Ｍ１〜第３電極Ｍ３を時計周りに配置する構成を例示したが、反時計周りに配置する構成であってもよい。
実施の形態４．
鉄道車両用の電力変換装置に使用される大容量パワーモジュールとして入手可能な定格のものは、例えば３３００Ｖ／１５００Ａ、４５００Ｖ／１２００Ａ、６５００Ｖ／７５０Ａなどが最大級のものである。このようなパワーモジュールでは、ボルト取付や冷却面の平面度管理などの制約により、１４０ｍｍ×１９０ｍｍのベースサイズであり、現状では、何れも１素子入りパワーモジュールとして構成している。このように、最大級の大容量のパワーデバイスでは、機械的制約の関係から１素子入りとなっているため、実施の形態１〜３に係る３レベル電力変換装置を容易に実現するには、中容量のパワーモジュールを用いるのが望ましい。
そこで、実施の形態４では、実施の形態１〜３に係る２素子入りパワーモジュールを実現する半導体材料として、例えばＳｉＣ、ＧａＮあるいはダイヤモンドのようなワイドバンドギャップ半導体を用いることにする。ワイドバンドギャップ半導体を用いれば、発生損失が低減でき、同じ電流定格のパワーモジュールであれば、Ｓｉなどのナローバンドギャップ半導体を用いるよりも、小型化することが可能となる。すなわち、実施の形態１〜３に係る２素子入りパワーモジュールを実現する半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体を用いて形成するようにすれば、例えば大容量の鉄道車両用電力変換装置を構成する場合において、冷却器の平面度管理が容易となり、作業性が向上するという効果が得られる。
なお、以上の実施の形態１〜４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の種々の変更も許容され得ることは言うまでもない。
以上のように、本発明は、低インダクタンス回路を構成し得る２素子入りパワーモジュールおよびそれを用いた３レベル電力変換装置として有用である。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ ２素子入りパワーモジュール、１０ 第１の素子対、１２ 第２の素子対、１０ａ，１０１ 上位外側スイッチング素子、１０ｂ，１０２ 上位内側スイッチング素子、１２ｂ，１０３ 下位内側スイッチング素子、１２ｃ，１０４ 下位外側スイッチング素子、１２ａ，１０５ 上位側クランプ素子、１０ｃ，１０６ 下位側クランプ素子、６０ 交流端子部、６２ 接続導体、１１０，１１２ インダクタンスループ、ＡＣ 交流端子、Ｐ 上位側直流端子、Ｃ 中間電位端子、Ｎ 下位側直流端子、Ｍ１ 第１電極、Ｍ２ 第２電極、Ｍ３ 第３電極、Ｍ１１ 第１電極（モジュール１ａ）、Ｍ１２ 第２電極（モジュール１ａ）、Ｍ１３ 第３電極（モジュール１ａ）、Ｍ２１ 第１電極（モジュール１ｂ）、Ｍ２２ 第２電極（モジュール１ｂ）、Ｍ２３ 第３電極（モジュール１ｂ）、Ｍ３１ 第１電極（モジュール１ｃ）、Ｍ３２ 第２電極（モジュール１ｃ）、Ｍ３３ 第３電極（モジュール１ｃ）、Ｗ 中心面。

Claims (13)

  1. 上位側直流端子、中間電位端子および下位側直流端子の何れかの電位を選択して交流端子に出力する１相分の電力変換回路部であって、上位電位側の外側スイッチング素子および上位電位側のクランプ素子を有する第１の２素子入りパワーモジュール、上位電位側の内側スイッチング素子および下位電位側の内側スイッチング素子による第２の２素子入りパワーモジュール、下位電位側の外側スイッチング素子および下位電位側のクランプ素子を有する第３の２素子入りパワーモジュールを有する電力変換回路部を備え、
    前記第１ないし第３の２素子入りパワーモジュールのそれぞれは、一方の素子の上位側電位部に接続された第１電極、一方の素子の下位側電位部ともう一方の素子の上位側電位部との接続部に直接接続された第２電極、もう一方の素子の下位側電位部に接続された第３電極を有する同一構成の２素子入り３端子パワーモジュールであり、
    前記第１の２素子入りパワーモジュールの前記第１電極が前記上位側直流端子に接続され、前記第１の２素子入りパワーモジュールの前記第２電極と前記第２の２素子入りパワーモジュールの前記第１電極とが接続され、前記第１の２素子入りパワーモジュールの前記第３電極が前記中間電位端子に接続され、前記第３の２素子入りパワーモジュールの前記第１電極が前記中間電位端子に接続され、前記第２の２素子入りパワーモジュールの前記第２電極が前記交流端子に接続され、前記第２の２素子入りパワーモジュールの前記第３電極と前記第３の２素子入りパワーモジュールの前記第２電極とが接続され、前記第３の２素子入りパワーモジュールの前記第３電極が前記下位側直流端子に接続されることを特徴とする３レベル電力変換装置。
  2. 前記第１ないし第３の２素子入りパワーモジュールにおける前記第１ないし第３電極はモジュール筐体における一方の主面側に設けられ、
    前記第１電極および前記第３電極は前記モジュール筐体の長手方向における一方の端部側で当該長手方向に直交する方向に配列され、前記第２電極は前記モジュール筐体の長手方向におけるもう一方の端部側に配置される
    ことを特徴とする請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
  3. 前記第１および第３の２素子入りパワーモジュールは、各モジュール筐体における長手側の側面同士が隣接し、かつ、各電極搭載面が同一方向を向くように配置され、
    前記第２の２素子入りパワーモジュールは、モジュール筐体における長手方向の中心線が前記第１の２素子入りパワーモジュールと前記第３の２素子入りパワーモジュールとの間の中心面に対して平行となるように配置されることを特徴とする請求項２に記載の３レベル電力変換装置。
  4. 前記第２の２素子入りパワーモジュールは、前記第２電極が前記中心面上に位置するように配置されることを特徴とする請求項３に記載の３レベル電力変換装置。
  5. 前記第２の２素子入りパワーモジュールは、前記第１電極および第３電極が前記中心面に対して面対称に配置されることを特徴とする請求項３に記載の３レベル電力変換装置。
  6. 前記第１の２素子入りパワーモジュールの前記第２電極と、前記第３の２素子入りパワーモジュールの前記第２電極とが前記中心面に直交する方向に並ぶように配置されることを特徴とする請求項３ないし請求項５の何れか１項に記載の３レベル電力変換装置。
  7. 前記第２の２素子入りパワーモジュールは、モジュール筐体の前記第１および第３電極が設けられる側の側面が前記第１および第３の２素子入りパワーモジュールにおける前記第２電極が設けられる側の側面と隣接するように配置されることを特徴とする請求項３ないし請求項６の何れか１項に記載の３レベル電力変換装置。
  8. 前記第２の２素子入りパワーモジュールの電極搭載面が、前記第１および第３の２素子入りパワーモジュールの電極搭載面に対向するように配置され、
    前記第２の２素子入りパワーモジュールにおける電極搭載面の裏面側から前記第１および第３の２素子入りパワーモジュールの電極搭載面を平面透視したときに、前記第１の２素子入りパワーモジュールの第１電極および第３電極と、前記第３の２素子入りパワーモジュールの第１電極および第３電極と、前記第２の２素子入りパワーモジュールの第２電極とが、前記中心面に直交する方向に並び、かつ、前記第１の２素子入りパワーモジュールの第２電極と、前記第３の２素子入りパワーモジュールの第２電極と、前記第２の２素子入りパワーモジュールの第１電極および第３電極とが、前記中心面に直交する方向に並ぶことを特徴とする請求項３ないし請求項６の何れか１項に記載の３レベル電力変換装置。
  9. 前記第１ないし第３の２素子入りパワーモジュールを構成する素子がワイドバンドギャップ半導体にて形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８の何れか１項に記載の３レベル電力変換装置。
  10. 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９に記載の３レベル電力変換装置。
  11. 電力変換装置の電力変換回路部に適用可能に構成される２素子入りパワーモジュールであって、
    前記２素子入りパワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された第１および第２の素子対を有し、前記第１の素子対の上位側電位部に接続された第１電極と、前記第１の素子対の下位側電位部と前記第２の素子対の上位側電位部との接続部に接続された第２電極と、前記第２の素子対の下位側電位部に接続された第３電極と、
    を有して構成され、
    前記２素子入りパワーモジュールにおける前記第１ないし第３電極はモジュール筐体における一方の主面側に設けられるとともに複数の端子で構成され、
    前記第１電極および前記第３電極は前記モジュール筐体の長手方向における一方の端部側で当該長手方向に直交する方向に配列され、前記第２電極は前記モジュール筐体の長手方向におけるもう一方の端部側に配置され、
    前記第１電極および前記第３電極の前記複数の端子は、それぞれ、前記モジュール筐体の長手方向に沿って配置され、前記第２電極の前記複数の端子は、前記モジュール筐体の長手方向に直交する方向に配列された
    ことを特徴とする２素子入りパワーモジュール。
  12. 前記第１の素子対と、前記第２の素子対とがワイドバンドギャップ半導体にて形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の２素子入りパワーモジュール。
  13. 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１２に記載の２素子入りパワーモジュール。
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