JP5851248B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング用パワー半導体素子と平滑コンデンサを有する電力変換装置に関する。

スイッチング用パワー半導体素子と平滑コンデンサから構成される高耐圧・大容量の電力変換装置は、スイッチング用パワー半導体素子と平滑コンデンサを接続する主回路ブスバーを有する。パワー半導体，平滑コンデンサおよび主回路ブスバーには寄生インダクタンスが存在し、中でも主回路ブスバーのインダクタンスが大きい。ここで、主回路インダクタンスが大きいとき、パワー半導体素子のスイッチングによる電流変化（ｄｉ／ｄｔ）とインダクタンスの掛け算で決まる跳ね上がり電圧が大きくなり、スイッチング用パワー半導体素子や周辺部品の耐電圧を越えることによる破損が懸念される。

このため従来技術では、主回路インダクタンスの低減や電流変化（ｄｉ／ｄｔ）を小さくするなどの工夫がなされてきた。また、大容量の電力変換装置では、スイッチング用パワー半導体モジュールと平滑コンデンサの配置により、例えば３相電力変換装置では、各相内の並列回路間の主回路インダクタンスに差が生じ、並列素子間の電流分布が均一とならない懸念があった。

特許文献１、２には、スイッチング用パワー半導体素子と平滑コンデンサを可能な限り直近に配置し、スイッチング用パワー半導体素子と平滑コンデンサを接続する主回路ブスバーを短くすることによる低インダクタンス化が開示されている。

また、特許文献３には、スイッチング用パワー半導体ケースの一部をくり抜き、そこに平滑コンデンサを埋め込むことによって配線を短くし、低インダクタンス化を図ることが開示されている。

さらに、特許文献４では、各相の電流分布を均一化させるため、平滑コンデンサを各相のスイッチング用パワー半導体モジュールの直近に配置している。

一方、特許文献５では、３相分の６つの半導体スイッチング素子を１つのモジュールとした“６ ｉｎ １”モジュールにおいて、各相に平滑コンデンサを接続する構成とすることにより、主回路の低インダクタンス化と、各相のインダクタンスの均一化を図ることが開示されている。

最後に、特許文献６では、複数のスイッチング用パワー半導体モジュールを並列接続して用いるとき、平滑コンデンサを分割し、各モジュールに対してそれぞれ平滑コンデンサを接続することにより、各モジュール間の電流を均一化することが開示されている。

特開２００３−１１６２８１号公報 特開２０１０−２５２４６０号公報 特開２０００−９２８４７号公報 特開２００６−２５４６５６号公報 特開２００９−５４６２号公報 特開平５−８３９５４号公報

特許文献４に記載された従来技術では、スイッチング用パワー半導体素子と平滑コンデンサの外部回路接続端子を接続するための主回路ブスバーが必要である。ここで、高耐圧・大容量の電力変換装置では、スイッチング用パワー半導体素子および平滑コンデンサの寸法が大きいため、主回路ブスバー長が長くなり、インダクタンスが大きくなっていた。

また、各相の直近に各相独立に平滑コンデンサを配置している。これにより各相のインダクタンスを均一化させることが可能となる。しかし、通常、大容量パワー半導体モジュールは、電流容量を確保するため、内部に複数の基板を有し、各基板を並列に接続し外部へ端子を取り出す。このため、各相のインダクタンスが均一となっていても、スイッチング用パワー半導体モジュール内部の並列回路の電流分布に関しては考慮されていない。したがって、内部の並列回路間でインダクタンスがばらつき、電流分布がばらつく可能性がある。

その他の特許文献１−３，５および６においても、スイッチングモジュールと平滑コンデンサ間の配線のインダクタンスの低減が不十分であり、各相間のインダクタンスが不均一となり動作の不安定性を生じ易く、かつ各相内で並列接続された素子間の電流アンバランスが生じ易い欠点があった。

本発明は上記の課題を解決するために提案されたもので、その目的は、スイッチング用パワー半導体素子と平滑コンデンサを接続する主回路の低インダクタンス化、各相内のスイッチング用パワー半導体素子の並列回路間の電流バランス向上による電力変換装置の小型化にある。

本発明はその一面において、少なくとも２つの半導体スイッチング素子が直列接続され、その両端である直流正極端子と負極端子、並びに２つの前記半導体スイッチング素子の直列接続点である交流端子とが外部へ引き出されている半導体スイッチングモジュール単位を複数単位並列接続して１相分を形成した電力変換装置において、複数の前記スイッチングモジュール単位のそれぞれに対応して設けられ、各スイッチングモジュール単位の前記直流正極端子と負極端子に接続される正極端子と負極端子を持つ平滑コンデンサ単位を複数個備え、複数の前記スイッチングモジュール単位の前記直流正極端子と負極端子が、複数の前記平滑コンデンサ単位の前記正極端子と負極端子にそれぞれ当接するように前記スイッチングモジュール単位と前記平滑コンデンサ単位とを対向配置し、当接した端子同士をそれぞれ締結し、複数の前記スイッチングモジュール単位の前記直流正極端子同士と負極端子同士を、それぞれ接続する正極導体と負極導体を備え、複数個の前記スイッチングモジュール単位と、複数個の前記平滑コンデンサ単位を、それぞれ上下方向に重ねて並列接続して、前記電力変換装置の主回路１相分を構成し、前記主回路１相分を横方向に３相分並べて配置して前記電力変換装置の主回路３相分を構成し、前記並列数だけ上下方向に重ねるように配置された前記複数のスイッチングモジュール単位と、横方向に３相分並べて配置された前記複数のスイッチングモジュール単位の反平滑コンデンサ側の面を、冷却器に接続された受熱板の垂直面に密接して配置し、複数個の前記スイッチングモジュール単位が上下方向に重ねて並列接続されて主回路１相分のスイッチング回路を構成するスイッチングモジュールは、四隅に前記受熱板へ取り付けるためのねじ穴部を備え、複数個の前記平滑コンデンサ単位が上下方向に重ねて並列接続されて主回路１相分の平滑コンデンサを構成する平滑コンデンサモジュールは、四隅に前記スイッチングモジュールのねじ穴部に対応する窪みを有することを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様においては、前記スイッチングモジュール単位のケースに備えられた外部接続用の正極および負極端子部がオスまたはメスコネクタ形状であり、前記平滑コンデンサ単位のケースに備えられた外部接続用の正極および負極端子部が、前記スイッチングモジュール単位の前記正極および負極端子部のコネクタ形状と対応してメスまたはオスコネクタ形状である。

本発明により、スイッチング用パワー半導体素子および平滑コンデンサを持つ電力変換装置において、主回路インダクタンスの低減、スイッチング用パワー半導体モジュール内部の電流バランスを図り、電力変換装置の小型化が可能となる。

本発明のその他の目的と特徴は、以下の実施例の説明の中で明らかにする。

本発明の実施例１による電力変換装置の半導体モジュールの回路基板と平滑コンデンサの各１単位の分解斜視図である。 本発明の実施例１による電力変換装置の半導体モジュールと平滑コンデンサおよびブスバーの１相分の接続前の状態を示す側面図である。 本発明の実施例１による電力変換装置の半導体モジュールのケーシングされた１相分を示す斜視図とその内部接続回路図である。 本発明の実施例１による電力変換装置の半導体モジュールと平滑コンデンサの１相分を示す、嵌め合わせ接続後の斜視図とその内部接続回路図である。 本発明の実施例２による電力変換装置のケーシングされた半導体モジュールと平滑コンデンサの１相分の接続前の状態を示す斜視図である。 本発明の実施例３による電力変換装置のケーシングされた半導体モジュールと平滑コンデンサの１相分の接続前の状態を示す斜視図である。 本発明の実施例３による電力変換装置のケーシングされた半導体モジュールと平滑コンデンサの１相分を嵌め合わせ接続後の状態を示す斜視図である。 本発明の実施例３による電力変換装置のケーシングされた半導体モジュールと平滑コンデンサの３相分の組み立て構造を示す斜視図である。 本発明の電力変換装置の一実施例主回路接続図である。 本発明の電力変換装置の半導体モジュールの端子と平滑コンデンサの端子を接続する接続部の構成例図である。 本発明の電力変換装置における半導体モジュールの回路基板から外部回路接続端子の取り出し部の構造例図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の実施例１による電力変換装置の半導体モジュールの回路基板と平滑コンデンサの各１単位の分解斜視図である。図において、一対の回路基板１ａ，１ｂのそれぞれに、図示しない一対のスイッチング用パワー半導体素子が配置されている。これら一対の素子は、直列接続されており、その両端は、パワー半導体スイッチングモジュール（以下、半導体モジュールと称する）の正極端子２および負極端子３として外部への出力端子となり、直列接続点は、交流端子４に接続されている。

以上により、半導体モジュールの最小単位５が形成されており、２つのスイッチング素子が直列接続され、その両端である直流正極端子２と負極端子３、並びに直列接続点である交流端子４が、外部へ引き出されている。

一方、平滑コンデンサは、図示するように８個のセルを一体化して正極端子６と負極端子７を外部へ引き出し、平滑コンデンサの最小単位８としている。

これらの半導体モジュール単位５と平滑コンデンサ単位８は、図示の状態から接近させて、互いの正極端子２と６、および負極端子３と７を当接させ、各端子のボルト穴２１，３１，６１および７１を利用して、ボルトとナットで締結して電気的に接続する。

図２は、本発明の実施例１による電力変換装置の半導体モジュールと平滑コンデンサおよびブスバーの１相分の接続前の状態を示す側面図である。

半導体モジュール単位５と平滑コンデンサ単位８は、いずれも３つずつが上下方向に重ね合わせられ、１相分の半導体モジュール５０と、１相分の平滑コンデンサ８０となる。３つの平滑コンデンサ単位８を積層するとき、それぞれの平滑コンデンサ単位８の間には、間隔を保持するための支持部材９を介挿する。図１で説明したように、互いの正極端子２と６、および負極端子３と７を当接させ、ボルトとナットで締結して電気的に接続するが、このとき、それぞれの３つの正極端子同士と負極端子同士は、同一電位点となるように、ブスバー１０ａ，１０ｂ（正極端子の接続が１０ａ、負極端子の接続が１０ｂ）をも一体に締結する。これらのブスバー１０ａ，１０ｂにも、ボルト穴１０１を設けている。

図３は、本発明の実施例１による電力変換装置の半導体モジュールのケーシングされた１相分を示す斜視図とその内部接続回路図である。図１で説明した半導体モジュール単位５が、上下方向に３組積み重ねられて１相分の半導体モジュール５０が形成される。また、半導体モジュール５０の正極端子と負極端子が、オスコネクタ（male connector）２ａ〜２ｃ，３ａ〜３ｃを形成している。その内部回路は図示するように、２つずつのスイッチング素子が直列接続された半導体モジュール単位を３組内蔵している。

図４は、本発明の実施例１による電力変換装置の半導体モジュールと平滑コンデンサの１相分を示す、嵌め合わせ接続後の斜視図とその内部接続回路図である。図３で説明した１相分の半導体モジュール５０に対し、図２で説明した１相分の平滑コンデンサが嵌め合わせ接続される構成により、モジュール内部において、平滑コンデンサ８を各半導体モジュール単位毎に直接接続し、直流正極ブスバー１０ａおよび負極ブスバー１０ｂ間に、３組を並列接続した図示する主回路が形成される。

図中に、１つの平滑コンデンサ単位８を裏返して示したように、その正極および負極端子６，７は、メスコネクタ（female connector）６，７を形成しており、前述した半導体モジュール側のオスコネクタ２ａ〜２ｃ，３ａ〜３ｃとの間で、互いを嵌め合わせ、ボルト締結用の穴１１を利用してボルトとナットで締め付ければ、半導体モジュールと平滑コンデンサを接続することが可能となる。

この実施例においては、並列接続されるスイッチングモジュール単位５と、平滑コンデンサ単位８を、それぞれ上下方向に並列数３個分重ねるように配置して、電力変換装置の主回路１相分を構成している。

この実施例１の特徴を整理すると、図３に示すように少なくとも２つの半導体スイッチング素子が直列接続され、その両端である直流正極端子２（２ａ〜２ｃ）と負極端子３（３ａ〜３ｃ）、並びに２つの前記半導体スイッチング素子の直列接続点である交流端子４（４ａ〜４ｃ）とが外部へ引き出されている半導体スイッチングモジュール単位５を複数単位並列接続して１相分５０を形成した電力変換装置において、複数の前記スイッチングモジュール単位５のそれぞれに対応して設けられ、各スイッチングモジュール単位５の前記直流正極端子２（２ａ〜２ｃ）と負極端子３（３ａ〜３ｃ）に接続される正極端子６（６ａ〜６ｃ）と負極端子７（７ａ〜７ｃ）を持つ平滑コンデンサ単位８を複数個備え、複数の前記スイッチングモジュール単位５の前記直流正極端子２（２ａ〜２ｃ）と負極端子３（３ａ〜３ｃ）が、複数の前記平滑コンデンサ単位８の前記正極端子６（６ａ〜６ｃ）と負極端子７（７ａ〜７ｃ）にそれぞれ当接するように前記スイッチングモジュール単位５と前記平滑コンデンサ単位８とを対向配置し、当接した端子同士をそれぞれ締結し、複数の前記スイッチングモジュール単位５の前記直流正極端子同士２ａ〜２ｃと負極端子同士３ａ〜３ｃを、それぞれ接続する正極導体１０ａと負極導体１０ｂを備えて電力変換装置を構成している。したがって、前記平滑コンデンサ単位８の数は、複数の前記スイッチングモジュール単位５と同数または整数倍必要となる。

以上、図１〜図４のように、回路基板１，正極端子２，負極端子３および出力端子４で構成される１単位の半導体モジュール５に対し、平滑コンデンサ８がそれぞれ直接接続される構成により、モジュール内部において、各並列構成単位のインダクタンスが揃い、電流分布を均一化させることができる。

また、図３および図４のように、半導体モジュール５０がオスコネクタ（male connector）２ａ〜２ｃ，３ａ〜３ｃ、平滑コンデンサ８がメスコネクタ（female connector）６，７を形成しており、互いを嵌め合わせ、平滑コンデンサ８のケースに設けた穴１１を利用してねじ止めすることによって、半導体モジュール５０と平滑コンデンサ８の３組を接続することができる。

これにより、従来、半導体モジュールと平滑コンデンサを接続するために用いていた主回路ブスバーを省略することが可能となり、上述の電流分布の均一化と合わせ、主回路インダクタンスの低減および電力変換装置の小型化が可能となる。

また、主回路インダクタンスの低減により、半導体デバイスにシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を適用した場合における、高速な電流変化に伴う電圧の跳ね上がりを抑制することが可能となる。

図５は、本発明の実施例２による電力変換装置のケーシングされた半導体モジュール５０と平滑コンデンサの１相分８０の接続前の状態を示す斜視図である。実施例１では、個々に成型していた平滑コンデンサ８を、本実施例では、半導体モジュール５０のケースに嵌め合わせ可能な形状に、３個を一体化し、１相分の平滑コンデンサモジュール８０を成型する。これにより、半導体モジュール５０のオスコネクタ２ａ〜２ｃ，３ａ〜３ｃと、平滑コンデンサモジュール８０のメスコネクタ６ａ〜６ｃ，７ａ〜７ｃを嵌め合わせることにより、半導体モジュール５０と平滑コンデンサモジュール８０を容易に組合せることができる。また、実施例１で必要であった平滑コンデンサ単位８間の支持部材１０を兼ねることが可能となる。

１相分の平滑コンデンサケース８０の四隅には、半導体モジュール５０を、後述する図８の冷却器の受熱板１３へ取り付ける際のねじ穴部（図５の左図の四隅）を避けるよう、モジュールケースに窪み１２を持たせている。これにより、半導体モジュールケース５０とコンデンサケース８０を嵌め合わせた後の、受熱板１３への取り付けを容易にすることができる。

図６は、本発明の実施例３による電力変換装置のケーシングされた半導体モジュールと平滑コンデンサの１相分の接続前の状態を示す斜視図である。この実施例が、図５の実施例と異なる点は、オスコネクタとメスコネクタを入れ替えたことであり、その他は全く同一である。すなわち、半導体モジュール５０にはメスコネクタ２ａ〜２ｃ，３ａ〜３ｃが形成され、平滑コンデンサモジュール８０にはオスコネクタ６ａ〜６ｃ，７ａ〜７ｃが形成されている。これらの両モジュールを組み合わせれば図７となる。

図７は、本発明の実施例３による電力変換装置のケーシングされた半導体モジュール５０と平滑コンデンサの１相分８０を嵌め合わせ接続後の状態を示す斜視図である。図に示す通り、互いのコネクタを嵌め合わせることで、半導体モジュールと平滑コンデンサモジュールを接続することが可能となる。

このように、図１〜図７の実施例においては、前記スイッチングモジュール単位５のケースに備えられた外部接続用の正極および負極端子部（２，３）がオスまたはメスコネクタ形状であり、前記平滑コンデンサ単位８のケースに備えられた外部接続用の正極および負極端子部（６，７）が、前記スイッチングモジュール単位５の前記正極および負極端子部（２，３）のコネクタ形状と対応してメスまたはオスコネクタ形状となっている。

図８は、本発明の実施例３による電力変換装置のケーシングされた半導体モジュール５０と平滑コンデンサモジュール８０の３相分の組み立て構造を示す斜視図である。図５〜図７で説明した実施例２〜３における、半導体モジュール５０と平滑コンデンサモジュール８０を用いて、Ｕ〜Ｗ相の３相電力変換器を構成した例である。図８に示す通り、実施例２〜３に示した１相分の電力変換器を３つを並べ、それぞれ受熱板１３に取り付け、支持部材１４により支持されている。

図９は、本発明の電力変換装置の一実施例主回路接続図であり、図８に示した構造の内部接続図である。図示するように、Ｕ〜Ｗの各相が、内部で３並列構成の３相インバータまたは３相コンバータを形成している。

このように、電力変換器の１相分を１単位とすることにより、例えば、単相インバータ／コンバータ、複数相のインバータ／コンバータを容易に構築することが可能となる。

また、図４および図９に示す回路図の通り、複数の半導体モジュール単位５と、これらにそれぞれ直接接続される平滑コンデンサ単位８との距離を均一にすることが可能となり、モジュール内部の並列回路の電流分布を均一化することが可能となる。

図１０は、本発明の電力変換装置の半導体モジュールの端子と平滑コンデンサの端子を接続する接続部の構成例図である。図に示すように、半導体モジュールの正極端子２と、平滑コンデンサの正極端子６の接続部において、振動により端子に掛る応力を緩和させるため、例えばねじりばね等のような応力緩和機構１５を有する。

図１１は、本発明の電力変換装置における半導体モジュールの回路基板から外部回路接続端子の取り出し部の構造例図である。図に示すように、回路基板１には半導体チップ１７が載置され、この回路基板１から外部回路接続端子、例えば正極端子２が取り出される。この回路基板１と正極端子２の接続部において、応力を緩和させるための曲げ加工部１６を有することにより、振動による端子や接続部の破損を防ぐことができる。

本発明はスイッチング用パワー半導体と平滑コンデンサを持つ電力変換器に関するものである。特に、高耐電圧・大容量を必要とする鉄道車両や自然エネルギー向けにおいて、主回路インダクタンスの低減が必要となる電力変換器に適用可能である。

１ａ，１ｂ…回路基板、２（２ａ〜２ｃ）…半導体モジュールの正極端子、３（３ａ〜３ｃ）…同負極端子、４（４ａ〜４ｃ）…同交流（出力）端子、５…半導体モジュール単位、５０…１相分の半導体モジュール、６（６ａ〜６ｃ）…平滑コンデンサの正極端子、７（７ａ〜７ｃ）…同負極端子、８…平滑コンデンサ単位、８０…１相分の平滑コンデンサモジュール、９…平滑コンデンサの間隔支持部材、１０ａ，１０ｂ…直流正負極ブスバー、１１…ねじ止め用の穴、１２…ねじ穴部を避ける窪み、１３…冷却器の受熱板、１４…支持部材、１５…ねじりばね（応力緩和機構）、１６…曲げ加工部（応力緩和機構）、１７…半導体チップ。

Claims (6)

1. 少なくとも２つの半導体スイッチング素子が直列接続され、その両端である直流正極端子と負極端子、並びに２つの前記半導体スイッチング素子の直列接続点である交流端子とが外部へ引き出されている半導体スイッチングモジュール単位を複数単位並列接続して１相分を形成した電力変換装置において、
   複数の前記スイッチングモジュール単位のそれぞれに対応して設けられ、各スイッチングモジュール単位の前記直流正極端子と負極端子に接続される正極端子と負極端子を持つ平滑コンデンサ単位を複数個備え、
   複数の前記スイッチングモジュール単位の前記直流正極端子と負極端子が、複数の前記平滑コンデンサ単位の前記正極端子と負極端子にそれぞれ当接するように前記スイッチングモジュール単位と前記平滑コンデンサ単位とを対向配置し、当接した端子同士をそれぞれ締結し、
   複数の前記スイッチングモジュール単位の前記直流正極端子同士と負極端子同士を、それぞれ接続する正極導体と負極導体を備え、
   複数個の前記スイッチングモジュール単位と、複数個の前記平滑コンデンサ単位を、それぞれ上下方向に重ねて並列接続して、前記電力変換装置の主回路１相分を構成し、前記主回路１相分を横方向に３相分並べて配置して前記電力変換装置の主回路３相分を構成し、前記並列数だけ上下方向に重ねるように配置された前記複数のスイッチングモジュール単位と、横方向に３相分並べて配置された前記複数のスイッチングモジュール単位の反平滑コンデンサ側の面を、冷却器に接続された受熱板の垂直面に密接して配置し、
   複数個の前記スイッチングモジュール単位が上下方向に重ねて並列接続されて主回路１相分のスイッチング回路を構成するスイッチングモジュールは、四隅に前記受熱板へ取り付けるためのねじ穴部を備え、
   複数個の前記平滑コンデンサ単位が上下方向に重ねて並列接続されて主回路１相分の平滑コンデンサを構成する平滑コンデンサモジュールは、四隅に前記スイッチングモジュールのねじ穴部に対応する窪みを有することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、前記平滑コンデンサ単位の数が、複数の前記スイッチングモジュール単位と同数または整数倍であることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２において、前記スイッチングモジュール単位のケースに備えられた外部接続用の正極および負極端子部がオスまたはメスコネクタ形状であり、前記平滑コンデンサ単位のケースに備えられた外部接続用の正極および負極端子部が、前記スイッチングモジュール単位の前記正極および負極端子部のコネクタ形状と対応してメスまたはオスコネクタ形状であることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記スイッチングモジュール単位の前記正極および負極端子と、前記平滑コンデンサの前記正極および負極端子には接続用のボルト穴を有し、ねじりばねを挟んでそれぞれ両端子をボルトとナットで締め付け接続したことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記スイッチングモジュール単位を形成する回路基板と、前記正極および負極端子との電気接続部において、応力吸収用の曲げ加工部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、複数の前記スイッチングモジュール単位と、複数の前記平滑コンデンサ単位を一体に支持する支持部材を備えたことを特徴とする電力変換装置。

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