JP5970983B2

JP5970983B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5970983B2
Application number: JP2012149659A
Authority: JP
Inventors: 隆義三木; 中山　靖; 靖中山; 大井　健史; 健史大井; 知宏小林; 幸夫中嶋; 長谷川　滋; 滋長谷川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: JP2014014203A

Description

この発明は、Ｓｉパワー半導体素子とワイドバンドギャップパワー半導体素子とを有する電力変換回路を冷却するための冷却部を備えた電力変換装置に関するものである。

電力変換装置は、電力変換装置に内蔵されたパワー半導体モジュール（電力変換回路）をスイッチング動作させ、直流電力と交流電力との間や、低電圧直流電力と高電圧直流電力との間などで電力変換を行う装置であり、電気モータとガソリンエンジンの双方を備えるハイブリッド自動車、電気自動車、電鉄車両、太陽光発電設備、風力発電設備などで広く用いられている。

電力変換装置を動作させると、この電力変換装置に内蔵されたパワー半導体モジュールには電力損失が生じ、発熱する。この発熱の影響を軽減し、パワー半導体モジュールをその耐熱温度以下に保つため、パワー半導体モジュールを冷却する必要がある。従来の電力変換装置においては、複数のパワー半導体モジュールが、複数のヒートパイプを備えた冷却器に取り付けられている。複数のヒートパイプは互いに所定角度以上を成しており、複数のパワー半導体モジュールの発熱を分散する。このように、冷却性能を向上させ、電力変換装置の冷却器の大型化を抑制する技術が示されている（例えば特許文献１）。

ところで、パワー半導体モジュールに用いられるパワー半導体素子の材料としてはＳｉ（シリコン、珪素、ケイ素とも呼ばれる）が広く用いられているが、近年、電力損失の改善等の目的でワイドバンドギャップパワー半導体素子を内蔵するパワー半導体モジュールの普及が始まった。その優れた材料物性により、ワイドバンドギャップパワー半導体素子はＳｉパワー半導体素子よりも電力損失が小さい、高温動作可能、高耐電圧といった長所がある。ワイドバンドギャップパワー半導体の材料としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイド、炭化珪素、炭化ケイ素とも呼ばれる）やＧａＮ（ガリウムナイトライド、窒化ガリウムとも呼ばれる）やダイヤモンドなどがあげられる。

そして、このワイドバンドギャップパワー半導体素子を内蔵するワイドバンドギャップパワー半導体モジュールや、Ｓｉパワー半導体素子とワイドバンドギャップ半導体素子の双方を内蔵するハイブリッドパワー半導体モジュールが電力変換装置に用いられることがある。

ここで、Ｓｉパワー半導体モジュールとハイブリッドパワー半導体モジュールとを複数組み合わせた電力変換装置またはＳｉパワー半導体モジュールとワイドバンドギャップパワー半導体モジュールとを複数組み合わせた電力変換装置が考えられるが、特許文献１記載の発明では、使用している半導体材料が異なり、耐熱温度が異なるパワー半導体モジュールの組み合わせを考慮していない。そのため、特許文献１記載の発明を適用しても、これらの電力変換装置の冷却器の大型化を十分に抑制できないという課題が生じる。

上記課題に対して、他の従来の電力変換装置においては、流体の強制対流によって冷却されるパワー半導体モジュールを備えており、Ｓｉパワー半導体モジュールで発生した熱を流体の上流側で放熱し、ワイドバンドギャップパワー半導体モジュールで発生した熱を流体の下流側で放熱する技術が示されている（例えば、特許文献２）。

特開２０１１−２５９５３６号特許４５２９７０６号

鉄道車両推進制御装置などの大電流を扱う電力変換装置に内蔵されたパワー半導体モジュールにおいては、この電力変換装置が扱う大電流に応じてパワー半導体素子のチップサイズを大きくしたり、並列数を増したりする必要があるが、ウエハ欠陥が含まれる確率が高くなり、製造時の歩留まりが悪化する。製造時の歩留まりの悪化は製造コストの上昇となるため、パワー半導体素子のチップサイズが小さく、並列数が少ないパワー半導体モジュールを内蔵した電力変換装置が求められている。特に、ワイドバンドギャップパワー半導体素子は、相対的にＳｉパワー半導体素子よりもウエハ欠陥が多いことから、歩留まりの悪化度合いが相対的にＳｉパワー半導体素子よりも大きい。

従来の電力変換装置では、相対的な耐熱温度が高いワイドバンドギャップパワー半導体素子であっても、チップサイズを小さくすることで、単位面積当たりの発熱量が増加するという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、Ｓｉパワー半導体モジュールとハイブリッドパワー半導体モジュールを複数組み合わせた電力変換装置またはＳｉパワー半導体モジュールとワイドバンドギャップパワー半導体モジュールを複数組み合わせた電力変換装置において、ワイドバンドギャップ半導体素子のチップサイズを小さく、並列数を少なくしてもワイドバンドギャップ半導体モジュールを十分に冷却することが可能な電力変換装置を得るものである。

この発明に係る電力変換装置においては、複数のシリコン半導体素子を有する第一の電力変換回路と、複数のワイドバンドギャップ半導体素子を有する第二の電力変換回路と、前記第一および第二の電力変換回路を冷却する冷媒流路を有する冷却部とを備え、前記第二の電力変換回路を前記冷媒流路の上流側に配置し、前記第一の電力変換回路を前記冷媒流路の下流側に配置し、前記複数のワイドバンドギャップ半導体素子を有する前記第二の電力変換回路の単位面積当たりの発熱量を、前記複数のシリコン半導体素子を有する前記第一の電力変換回路の単位面積当たりの発熱量より大きくし、前記第二の電力変換回路が有するワイドバンドギャップ半導体素子の動作温度が、前記第一の電力変換回路が有するシリコン半導体素子の動作温度より高いこと、を特徴とする電力変換装置。

この発明は、ワイドバンドギャップ半導体素子のチップサイズを小さく、並列数を少なくしてもワイドバンドギャップ半導体モジュールを十分に冷却することが可能な電力変換装置を得るものである。

この発明の実施の形態１における電力変換装置の回路を表す図である。この発明の実施の形態１における電力変換装置の部品配置を表す図である。この発明の実施の形態１における電力変換装置に用いられる別の部品を表す図である。この発明の実施の形態１における電力変換装置の別の部品配置を表す図である。この発明の実施の形態２における電力変換装置の回路を表す図である。この発明の実施の形態２における電力変換装置の部品配置を表す図である。この発明の実施の形態３における電力変換装置の回路を表す図である。この発明の実施の形態３における電力変換装置の部品配置を表す図である。この発明の実施の形態４における電力変換装置の回路を表す図である。この発明の実施の形態４における電力変換装置の部品配置を表す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電力変換装置の回路を表す図である。図１に示すように、電力変換装置１０００は、コンデンサ３、インバータ回路５、ブレーキチョッパ回路６で構成されている。

ブレーキチョッパ回路６は、Ｓｉパワー半導体素子を含むがワイドバンドギャップパワー半導体素子を含まない第一の電力変換回路を用いたＳｉパワー半導体モジュール１０１と抵抗７で構成される。ここで、Ｓｉ半導体素子はＳｉパワー半導体素子と同じ半導体素子を示している。

一方、インバータ回路５は、ワイドバンドギャップパワー半導体素子を含むがＳｉパワー半導体素子を含まない第二の電力変換回路を用いたワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１で構成される。ここで、ワイドバンドギャップ半導体素子はワイドバンドギャップパワー半導体素子と同じ半導体素子を示している。

図１では表示を省略しているが、系統電力からコンデンサ３に直流電力が供給される。モータ４とコンデンサ３との間にはインバータ回路５が接続され、インバータ回路５はコンデンサ３に蓄えられた直流電力から交流電力に変換してモータ４を駆動する。また、コンデンサ３の前段には、ブレーキチョッパ回路６が接続されおり、コンデンサ３に蓄えられた直流電力を消費させる抵抗７が接続されている。

インバータ回路５は３相２レベルインバータ回路となっている。インバータ回路５はワイドバンドギャップパワー半導体素子を含むがＳｉパワー半導体素子を含まないワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１で構成される。ワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１は上アームのスイッチング素子、ダイオード素子と下アームのスイッチング素子、ダイオード素子が１個のパッケージにまとめられた、いわゆる２ｉｎ１タイプのパワー半導体モジュールである。インバータ回路５は３個のワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１で構成される。ワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１にはスイッチング素子としてＳｉＣパワー半導体で形成されたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｅｉｌｅ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ダイオード素子としてＳｉＣパワー半導体で形成されたＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ−Ｂａｒｒｉｅｒ−Ｄｉｏｄｅ）が用いられている。ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴとＳｉＣ−ＳＢＤはワイドバンドギャップパワー半導体の優れた特性により電力損失が少なく、高いスイッチング周波数でインバータ回路５を動作させることができる。高いスイッチング周波数でインバータ回路５を駆動すると、モータ４の電流の歪みが小さくなり、モータ４の鉄損が下がる。また、コンデンサ３の入出電荷量が小さくなり、コンデンサ３を小型化することができる。

モータ４を発電機として用い、このモータ４からの回生電力をインバータ回路５によってコンデンサ３に回生させればモータ４を減速させることができる。ただし、回生電力が回生されたことによりコンデンサ３の電圧が上昇してしまう。このような場合、ブレーキチョッパ回路６はコンデンサ３に蓄えられた直流電力を消費するための抵抗７に接続し、モータ４からの回生電力を抵抗７で消費させることで、コンデンサ３の過剰な電圧上昇を防いでいる。これがブレーキチョッパ回路６の機能であり、名称の由縁である。本実施の形態１において、ブレーキチョッパ回路６はＳｉパワー半導体素子を含むがワイドバンドギャップパワー半導体素子を含まないＳｉパワー半導体モジュール１０１と抵抗７で構成される。Ｓｉパワー半導体モジュール１０１は、下アームのスイッチング素子、ダイオード素子と、上アームのダイオード素子が１個のパッケージにまとめられている。スイッチング素子としてＳｉパワー半導体で形成されたＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ−Ｂｉｐｏｌａｒ−Ｔｒａｎｓｉｓｉｔｏｒ）、ダイオード素子としてＳｉパワー半導体で形成されたｐｉｎ（ｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−ｎ）ダイオードが用いられている。ＩＧＢＴとｐｉｎダイオードはバイポーラ動作し、スイッチング損失が大きいが、ブレーキチョッパ回路６は低いスイッチング周波数で動作させるのでＳｉパワー半導体モジュール１０１の発熱は抑えられる。

図２は、この発明の実施の形態１における電力変換装置の部品配置を表す図である。図２に示すように、電力変換装置１０００は、冷媒流路を有する冷却部であるヒートシンク１０、ファン１１、第一の電力変換回路を用いたＳｉパワー半導体モジュール１０１、第二の電力変換回路を用いたワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１で構成されている。

ファン１１により、冷媒として空気１２がヒートシンク１０の内部を通流する。ヒートシンク１０には３個のワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１、および１個のＳｉパワー半導体モジュール１０１が取り付けられている。ヒートシンク１０はパワー半導体モジュール２０１、１０１の発熱を空気１２に伝える。そしてパワー半導体モジュール２０１、１０１の温度は耐熱温度以下に保たれる。

この発明の特徴は、図２に示すようヒートシンク１０のファン１１に近い側にワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１が設置され、ヒートシンク１０のファン１１から遠い側にＳｉパワー半導体モジュール１０１が設置されることである。すなわち、ヒートシンク１０の内部を空気１２が通流するが、ヒートシンク１０の空気１２について上流側の位置にワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１が設置され、ヒートシンク１０の空気１２について下流側の位置にＳｉパワー半導体モジュール１０１が設置される。

Ｓｉパワー半導体モジュール１０１の発熱を受けて空気１２の温度が上がる前に、空気１２はワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１の発熱を受ける。空気１２の温度が低いことから、空気１２はワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１の発熱を効率的に受けることが可能である。そのため、ワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１に含まれるＳｉＣパワー半導体素子のチップサイズを小さく、並列数を少なくすることでチップの単位面積あたりの電流密度が増加し、発熱量が増加してもワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１を十分に冷却することが可能となる。

なお、上記実施の形態においては、ファン１１によって空気１２がヒートシンク１０の内部を通流する強制風冷方式を用いた電力変換装置にて本発明の効果を説明したが、空気１２を冷媒として用いるもののファン１１を用いない電力変換装置でも同様に本発明の効果を得ることができる。

例えば、電鉄車両推進制御用の電力変換装置においては、車体の底部側面にヒートシンクが突出している。電力変換装置の動作状態すなわち電鉄車両の走行状態ではファン１１が無くとも空気がヒートシンク１０の内部を通流する。

このような走行風自冷方式を用い、しかも環状線向け電鉄車両推進制御用の電力変換装置であれば走行風により常時一方向にヒートシンク１０の内部を空気１２が通流する。ヒートシンク１０の空気１２について上流側の位置にワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１を設置し、ヒートシンク１０の空気１２について下流側の位置にＳｉパワー半導体モジュール１０１を設置する。本構成によればファン１１を用いない電力変換装置でも同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態においては、ヒートシンク１０が１個の場合について示したが、２個以上の複数個に分割された構成の場合でも、冷媒である空気１２の流れの上流側の位置にワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１を設置し、空気１２の流れの下流側の位置にＳｉパワー半導体モジュール１０１を設置すれば、同様の効果を得ることが可能である。

上記実施の形態では、冷媒として気体である空気１２を用いた電力変換装置にて本発明の効果を説明したが、冷媒として液体である水１３を用いた電力変換装置でも同様の効果を得ることができる。

図３は、この発明の実施の形態１における電力変換装置に用いられる別の部品を表す図である。例えば、図３に示すような内部に冷媒流路を設けたヒートシンク２０を用いる。図３に示すように、ヒートシンク２０は冷媒の流入口２１、冷媒の流出口２２、ヒートシンク２０内部に設けられた冷媒流路２３（点線で図示）で構成されている。図３に点線で示したように、冷媒である水１３はヒートシンク２０の内部に設けられた冷媒流路２３内をジグザグに通流する。図３において、ヒートシンク２０の左側に設けられた流入口２１である穴より水１３はヒートシンク２０の内部へ入る。そして、内部に設けられた流路を通りヒートシンク２０の右側に設けられた流出口２２である穴より水１３はヒートシンク２０より外部へ出る。ここで、ヒートシンク２０の水１３について上流側の位置とは、図３において水１３の流入口２１となる穴が設置されている左側になる。また、ヒートシンク２０の水１３について下流側の位置とは、図３において水１３の流出口２２となる穴が設置されている右側になる。なお、ヒートシンク２０内部に設けられた冷媒流路２３の経路は、本発明の効果が得られるように構成されていれば良い。

図４は、この発明の実施の形態１における電力変換装置の別の部品配置を表す図である。図４に示すように、電力変換装置１００１は、冷媒流路を有する冷却部であるヒートシンク２０、第一の電力変換回路を用いたＳｉパワー半導体モジュール１０１、第二の電力変換回路を用いたワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１で構成されている。この構成においては、図３に示したヒートシンク２０を用いており、図４のヒートシンク２０の向きは図３と揃えている。本発明の特徴は、図４においてヒートシンク２０の左側の位置にワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１が設置され、ヒートシンク２０の右側の位置にＳｉパワー半導体モジュール１０１が設置されることである。すなわち、ヒートシンク２０の内部を水１３が通流し、ヒートシンク２０の水１３についての上流側の位置にワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１が設置され、ヒートシンク２０の水１３について下流側の位置にＳｉパワー半導体モジュール１０１が設置される。

冷媒として空気１２を用いた場合と同様に、Ｓｉパワー半導体モジュール１０１の発熱を受けて水１３の温度が上がる前に、水１３はワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１の発熱を受ける。水１３の温度が低いことから、水１３はワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１の発熱を効率的に受けることが可能である。そのため、ワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１に含まれるＳｉＣパワー半導体素子のチップサイズを小さくし、並列数を少なくすることで電流密度が増加することで発熱量が増加してもワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１を十分に冷却することが可能となる。

以上のように構成された電力変換装置においては、ワイドバンドギャップパワー半導体モジュールは、Ｓｉパワー半導体モジュールよりも冷媒流路の上流側に配置され、ワイドバンドギャップパワー半導体モジュールを優先的に冷媒で冷却することで、ワイドバンドギャップパワー半導体モジュールに含まれるＳｉＣパワー半導体素子のチップサイズを小さく、並列数を少なくすることで電流密度が増加し、発熱量が増加してもワイドバンドギャップパワー半導体モジュールを十分に冷却することが可能となる。

また、相対的に歩留まりの悪化の度合いが大きなＳｉＣパワー半導体素子をＳｉパワー半導体素子よりも優先させてチップサイズを小さく、並列数を少なくすることができる。

さらに、Ｓｉパワー半導体モジュールは、ワイドバンドギャップパワー半導体モジュールの発熱を受けて温度が上がった冷媒によって冷却されるが、電力変換装置の動作条件によっては、ワイドバンドギャップパワー半導体モジュールの発熱は、低損失であるＳｉＣパワー半導体素子を内蔵していることから小さく、冷媒の温度上昇は抑えられる。よって冷媒流路の下流側に配置されたＳｉパワー半導体モジュールを冷却することが可能である。仮に、温度の上昇した冷媒によってＳｉパワー半導体モジュールを十分に冷却するため、Ｓｉパワー半導体モジュールに内蔵のＳｉパワー半導体素子のチップサイズを大きくし、電流密度を減少させ、Ｓｉパワー半導体素子の並列数を増す必要が生じても、Ｓｉパワー半導体素子はＳｉＣパワー半導体素子よりも相対的に歩留まりの悪化の度合いが小さいのでパワー半導体素子のチップサイズが大きくなり、並列数が増す悪影響を抑えることができる。

また、下アームのスイッチング素子、ダイオード素子と上アームのダイオード素子と抵抗によって構成されるブレーキチョッパ回路を備える電力変換回路で本発明の効果を説明したが、上アームのスイッチング素子、ダイオード素子と下アームのダイオード素子と抵抗７によって構成されるブレーキチョッパ回路を備える電力変換回路でも本発明の効果を得ることができる。インバータ回路５についても３相２レベルインバータ回路以外にも単相２レベルインバータ回路、３相３レベルインバータ回路であっても良い。

さらに、インバータ回路、ブレーキチョッパ回路を構成するパワー半導体モジュールの構成および並列数は上記説明に限定されない。１アームのスイッチング素子とダイオード素子が１個のパッケージにまとめられた、いわゆる１ｉｎ１タイプのパワー半導体モジュールを用いても良い。パワー半導体モジュールを複数個並列に接続して用いても良い。

また、スイッチング素子としてはＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴのいずれかに限定されない。オン、オフの制御信号によりスイッチング動作するスイッチング素子であれば良い。ダイオード素子としてはＳＢＤ、ｐｉｎダイオードのいずれかに限定されない。順方向に低抵抗で電流を通流し、逆方向には高抵抗で電流を流さない整流動作が可能なダイオード素子であれば良い。

さらに、インバータ回路がＳｉＣパワー半導体素子を含むがＳｉパワー半導体素子を含まないワイドバンドギャップパワー半導体モジュールによって構成され、ブレーキチョッパ回路がＳｉパワー半導体素子を含むがワイドバンドギャップパワー半導体素子を含まないＳｉパワー半導体モジュールと抵抗によって構成されていれば良く、本発明の効果を得ることができる。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２における電力変換装置の回路を表す図である。図５において、電力変換装置２０００は、コンデンサ３、インバータ回路５、ブレーキチョッパ回路６を備えることは実施の形態１と同様であるが、インバータ回路５を構成するパワー半導体モジュールが異なる。

ブレーキチョッパ回路６は実施の形態１と同様に、Ｓｉパワー半導体素子を含むがワイドバンドギャップパワー半導体素子を含まない第一の電力変換回路を用いたＳｉパワー半導体モジュール１０１と抵抗７で構成される。

一方、インバータ回路５は、ワイドバンドギャップパワー半導体素子とＳｉパワー半導体素子との双方を含む第二の電力変換回路を用いたハイブリッドパワー半導体モジュール２０２で構成される。ハイブリッドパワー半導体モジュール２０２は上アームのスイッチング素子、ダイオード素子と下アームのスイッチング素子、ダイオード素子が１個のパッケージにまとめられた、いわゆる２ｉｎ１タイプのパワー半導体モジュールである。

インバータ回路５は３個のハイブリッドパワー半導体モジュール２０２で構成される。ハイブリッドパワー半導体モジュール２０２には、スイッチング素子としてＳｉパワー半導体で形成されたＩＧＢＴ、ダイオード素子としてＳｉＣパワー半導体素子で形成されたＳＢＤが用いられている。ＳｉＣ−ＳＢＤは電流がオフするリカバリ時にリカバリ電流がほとんど生じないことからリカバリ損失がほとんど生じない。

また、逆アームのＩＧＢＴのターンオン電流にリカバリ電流が重畳することがないため、逆アームのＩＧＢＴのスイッチング損失を抑えることができる。電力損失が少ないため、高いスイッチング周波数でインバータ回路５を動作させることができる。高いスイッチング周波数でインバータ回路５を駆動すると、モータ４の電流の歪みが小さくなり、モータ４の鉄損が下がる。また、コンデンサ３の入出電荷量が小さくなり、コンデンサ３を小型化することができることは実施の形態１で述べた通りである。

図６は、この発明の実施の形態２における電力変換装置の部品配置を表す図である。図６に示すように、電力変換装置２０００は、冷媒流路を有する冷却部であるヒートシンク１０、ファン１１、第一の電力変換回路を用いたＳｉパワー半導体モジュール１０１、第二の電力変換回路を用いたハイブリッドパワー半導体モジュール２０２で構成されている。

ファン１１により、冷媒として空気１２がヒートシンク１０の内部を通流する。ヒートシンク１０には３個のハイブリッドパワー半導体モジュール２０２、および１個のＳｉパワー半導体モジュール１０１が取り付けられている。本発明の特徴として、図６に示すように、ヒートシンク１０の内部を空気１２通流するが、ヒートシンク１０の空気１２について上流側の位置にハイブリッドパワー半導体モジュール２０２が設置され、ヒートシンク１０の空気１２について下流側の位置にＳｉパワー半導体モジュール１０１が設置される。

Ｓｉパワー半導体モジュール１０１の発熱を受けて空気１２の温度が上がる前に、空気１２はハイブリッドパワー半導体モジュール２０２の発熱を受ける。空気１２の温度が低いことから、空気１２はハイブリッドパワー半導体モジュール２０２の発熱を効率的に受けることが可能である。そのため、ハイブリッドパワー半導体モジュール２０２に含まれるＳｉＣパワー半導体素子のチップサイズを小さく、並列数を少なくすることで電流密度が増加し、発熱量が増加してもハイブリッドパワー半導体モジュール２０２を十分に冷却することが可能となる。

以上のように構成された電力変換装置においては、インバータ回路を構成するハイブリッドパワー半導体モジュールは、スイッチング素子としてＳｉパワー半導体、ダイオード素子としてＳｉＣパワー半導体素子を用いても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、スイッチング素子としてＳｉＣパワー半導体素子、ダイオード素子としてＳｉパワー半導体素子を用いても良い。

さらに、下アームのスイッチング素子、ダイオード素子と上アームのダイオード素子と抵抗によって構成されるブレーキチョッパ回路を備える電力変換回路で同様の効果を説明したが、上アームのスイッチング素子、ダイオード素子と下アームのダイオード素子と抵抗によって構成されるブレーキチョッパ回路を備える電力変換回路でも同様の効果を得ることができる。インバータ回路についても３相２レベルインバータ回路以外にも単相２レベルインバータ回路、３相３レベル回路であっても良い。

また、インバータ回路、ブレーキチョッパ回路を構成するパワー半導体モジュールの構成および並列数は上記説明に限定されない。１アームのスイッチング素子とダイオード素子を１個のパッケージにまとめられた、いわゆる１ｉｎ１タイプのパワー半導体モジュールを用いても良い。パワー半導体モジュールを複数個並列に接続して用いても良い。

さらに、スイッチング素子としてはＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴのいずれかに限定されない。オン、オフの制御信号によりスイッチング動作するスイッチング素子であれば良い。ダイオード素子としてはＳＢＤ、ｐｉｎダイオードのいずれかに限定されない。順方向に低抵抗で電流を通流し、逆方向には電流を流さない整流動作が可能なダイオード素子であれば良い。インバータ回路がＳｉパワー半導体素子とＳｉＣパワー半導体素子の双方を含むハイブリッドパワー半導体モジュールによって構成され、ブレーキチョッパ回路がＳｉパワー半導体素子を含むがワイドバンドギャップパワー半導体素子を含まないＳｉパワー半導体モジュールと抵抗によって構成されていれば良く、同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３における電力変換装置の回路を表す図である。図７において、実施の形態１、実施の形態２と異なり、本実施の形態３における電力変換装置３０００は、２個のコンデンサ３（３ａ,３ｂ）、インバータ回路５で構成されている。また、図７において高電位側をＰ、低電位側をＮとする。

２個のコンデンサ３が直列接続されており、図７では表示を省略しているが、系統電力から２個のコンデンサ３に直流電力が供給される。モータ４と２個のコンデンサ３の間にインバータ回路５が存在し、コンデンサ３の直流電力を交流電力に変換してモータ４を駆動する。

インバータ回路５は３相３レベルインバータ回路である。直流電力を蓄える第一のコンデンサ３ａと第二のコンデンサ３ｂとがこの順で高電位側Ｐより直列に接続され、第一から第四のスイッチがこの順で高電位側Ｐより直列に接続され、第一のコンデンサの陽極と第一のスイッチの陽極が接続され、第二のコンデンサの陰極と第四のスイッチの陰極とが接続され、第一のコンデンサと第二コンコンデンサとの接続点と、第一のスイッチと第二のスイッチとの接続点とを第一のクランプダイオードで接続され、第一のコンデンサと第二コンコンデンサとの接続点と、第三のスイッチと第四のスイッチとの接続点とを第二のクランプダイオードで接続され、３通りの電圧を出力することができる回路となっている。

第一から第四のスイッチは、スイッチング素子とダイオード素子で構成される。また、第一から第四のスイッチは、Ｓｉパワー半導体素子とＳｉＣパワー半導体素子の双方を備える第二の電力変換回路を用いたハイブリッドパワー半導体モジュール２０２で構成される。実施の形態２にて説明したが、ハイブリッドパワー半導体モジュール２０２の電力損失が少ないため、高いスイッチング周波数でインバータ回路５を動作させることができる。

一方、第一、第二のクランプダイオードはＳｉパワー半導体素子のみを含む第一の電力変換回路を用いたＳｉパワー半導体モジュール１０２で構成される。Ｓｉパワー半導体モジュール１０２は、上アームのダイオード素子と下アームのダイオード素子が１個のパッケージにまとめられている。ダイオード素子としては、Ｓｉパワー半導体で形成されたｐｉｎ（ｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−ｎ）ダイオードが用いられている。ダイオード素子は、電流のターンオン時の電力損失がスイッチング素子の場合と異なってほとんど生じない。また、３レベルインバータ回路の動作の特徴からクランプダイオードの通流率は小さい。よってＳｉパワー半導体モジュール１０２の発熱は抑えられる。

図８は、この発明の実施の形態３における電力変換装置の部品配置を表す図である。図８に示すように、電力変換装置３０００は、冷媒流路を有する冷却部であるヒートシンク１０、ファン１１、Ｓｉパワー半導体素子のみを含む第一の電力変換回路を用いたＳｉパワー半導体モジュール１０２、第二の電力変換回路を用いたハイブリッドパワー半導体モジュール２０２で構成されている。

ファン１１により、冷媒として空気１２がヒートシンク１０の内部を通流する。ヒートシンク１０には６個のハイブリッドパワー半導体モジュール２０２、および３個のＳｉパワー半導体モジュール１０２が取り付けられている。本発明の特徴は、図８に示すように、ヒートシンク１０の内部を空気１２が通流するが、ヒートシンク１０の空気１２について上流側の位置にハイブリッドパワー半導体モジュール２０２が設置され、ヒートシンク１０の空気１２について下流側の位置にＳｉパワー半導体モジュール１０２が設置される。

Ｓｉパワー半導体モジュール１０２の発熱を受けて空気１２の温度が上がる前に、空気１２はハイブリッドパワー半導体モジュール２０２の発熱を受ける。空気１２の温度が低いことから、空気１２はハイブリッドギャップパワー半導体モジュール２０２の発熱を効率的に受けることが可能である。そのため、ハイブリッドパワー半導体モジュール２０２に含まれるＳｉＣパワー半導体素子のチップサイズを小さく、並列数を少なくすることで電流密度が増加し、発熱量が増加してもハイブリッドパワー半導体モジュール２０２を十分に冷却することが可能となる。

以上のように構成された電力変換装置においては、インバータ回路の第一から四のスイッチがＳｉパワー半導体素子とＳｉＣパワー半導体素子の双方を備えるハイブリッドパワー半導体モジュールで構成し、第一、第二のクランプダイオードはＳｉパワー半導体素子のみを含むＳｉパワー半導体モジュールで構成し、ハイブリッドパワー半導体モジュールは、Ｓｉパワー半導体モジュールよりも冷媒流路の上流側に配置されたので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、インバータ回路の第一から四のスイッチがＳｉＣパワー半導体素子を含むがＳｉパワー半導体素子を含まないワイドバンドギャップパワー半導体モジュールで構成され、第一、第二のクランプダイオードはＳｉパワー半導体素子のみを含むＳｉパワー半導体モジュールで構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４における電力変換装置の回路を表す図である。図９に示すように、実施の形態１、実施の形態２および実施の形態３と異なり、本実施の形態４における電力変換装置４０００は、コンデンサ３、インバータ回路５、コンバータ回路８で構成されている。

図９では表示を省略しているが、系統電力から３相交流電力がコンバータ回路８に入力される。コンバータ回路８は入力された３相交流電力を直流電力に変換し、コンデンサ３へ出力する。インバータ回路５はコンデンサ３の直流電力を３相交流電力に変換し、モータ４を駆動する。

インバータ回路５は３相２レベルインバータ回路となっている。ワイドバンドギャップパワー半導体素子を含むがＳｉパワー半導体素子を含まない第二の電力変換回路を用いたワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１で構成される。実施の形態１にて説明したが、ワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１の電力損失が少ないため、高いスイッチング周波数でインバータ回路５を動作させることができる。

一方、コンバータ回路８は、ダイオードコンバータ回路となっており、Ｓｉパワー半導体素子のみを含む第一の電力変換回路を用いたＳｉパワー半導体モジュール１０２で構成される。系統電力よりコンバータ回路８へ入力される３相交流電力は５０Ｈｚや６０Ｈｚといった低周波であり、ｄｉ／ｄｔがゆるやかなため、ダイオード素子のリカバリ時の電力損失は小さい。よってＳｉパワー半導体モジュール１０２の発熱は抑えられる。

図１０は、この発明の実施の形態４における電力変換装置の部品配置を表す図である。図１０に示すように、電力変換装置４０００は、冷媒流路を有する冷却部であるヒートシンク１０、ファン１１、ワイドバンドギャップパワー半導体素子２０１、ワイドバンドギャップ半導体素子を含まないＳｉパワー半導体素子１０２で構成されている。

ファン１１により、冷媒として空気１２がヒートシンク１０の内部を通流する。ヒートシンク１０には３個のワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１、および３個のＳｉパワー半導体モジュール１０２が取り付けられている。本発明の特徴は、図１０に示すように、ヒートシンク１０の内部を空気１２が通流するが、ヒートシンク１０の空気１２について上流側の位置にワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１が設置され、ヒートシンク１０の空気１２について下流側の位置にＳｉパワー半導体モジュール１０２が設置される。

Ｓｉパワー半導体モジュール１０２の発熱を受けて空気１２の温度が上がる前に、空気１２はワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１の発熱を受ける。空気１２の温度が低いことから、空気１２はワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１の発熱を効率的に受けることが可能である。そのため、ワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１に含まれるＳｉＣパワー半導体素子のチップサイズを小さく、並列数を少なくすることで電流密度が増加し、発熱量が増加してもワイドバンドギャップパワー半導体モジュール２０１を十分に冷却することが可能となる。

以上のように構成された電力変換装置においては、インバータ回路５がＳｉＣパワー半導体素子を含むがＳｉパワー半導体素子を含まないワイドバンドギャップパワー半導体モジュールで構成し、ワイドバンドギャップパワー半導体モジュールは、Ｓｉパワー半導体モジュールよりも冷媒流路の上流側に配置されたので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、Ｓｉパワー半導体素子とＳｉＣパワー半導体素子の双方を備えるハイブリッドパワー半導体モジュールで構成しても同様の効果が得られる。

なお、全ての実施の形態において、ワイドバンドギャップパワー半導体素子としてＳｉＣパワー半導体素子を用いる場合で説明を行ったが、Ｓｉパワー半導体素子よりも電力損失が小さい、高温動作可能、高耐電圧といった特徴を有していれば良く、窒化ガリウムやダイヤモンドなどのワイドバンドギャップパワー半導体素子を用いても良い。

このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。

また、耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。

さらに電力損失が低いため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能になる。

なお、スイッチング素子及びダイオード素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよく、この実施例に記載の効果を得ることができる。

３コンデンサ、３ａ第一のコンデンサ、３ｂ第二のコンデンサ、４モータ、５インバータ回路、６ブレーキチョッパ回路、７抵抗、８コンバータ回路、１０，２０ヒートシンク、１１ファン、１２空気、１３水、２１流入口、２２流出口、２３冷媒流路、１０１、１０２Ｓｉパワー半導体モジュール２０１ワイドバンドギャップパワー半導体モジュール、２０２ハイブリッドパワー半導体モジュール、１０００，１００１，２０００，３０００，４０００電力変換装置。

Claims

複数のシリコン半導体素子を有する第一の電力変換回路と、
複数のワイドバンドギャップ半導体素子を有する第二の電力変換回路と、
前記第一および第二の電力変換回路を冷却する冷媒流路を有する冷却部とを備え、
前記第二の電力変換回路を前記冷媒流路の上流側に配置し、前記第一の電力変換回路を前記冷媒流路の下流側に配置し、
前記複数のワイドバンドギャップ半導体素子を有する前記第二の電力変換回路の単位面積当たりの発熱量を、前記複数のシリコン半導体素子を有する前記第一の電力変換回路の単位面積当たりの発熱量より大きくし、
前記第二の電力変換回路が有するワイドバンドギャップ半導体素子の動作温度が、前記第一の電力変換回路が有するシリコン半導体素子の動作温度より高いこと、
を特徴とする電力変換装置。
前記第二の電力変換回路は、コンデンサに蓄えられた直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を構成し、前記第一の電力変換装置は、前記コンデンサを負荷に接続するブレーキチョッパー回路を構成することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
第一のコンデンサと第二のコンデンサとがこの順番で高電位側より直列に接続され、第一から第四のスイッチがこの順番で高電位側より直列に接続され、前記第一のコンデンサの陽極と前記第一のスイッチの陽極とが接続され、前記第二のコンデンサの陰極と前記第四のスイッチの陰極とが接続され、前記第一のコンデンサと前記第二のコンデンサとの接続点と、前記第一のスイッチと前記第二のスイッチとの接続点とを第一のクランプダイオードによって接続され、前記第一のコンデンサと前記第二のコンデンサとの接続点と、前記第三のスイッチと前記第四のスイッチとの接続点とを第二のクランプダイオードによって接続され、３通りの電圧を出力する回路を備えた３レベルインバータを備えた電力変換装置であって、
前記第二の電力変換回路は、前記第一から第四のスイッチを構成し、前記第一の電力変換回路は、前記第一および第二のクランプダイオードを構成することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記第一の電力変換回路は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路を構成し、前記第二の電力変換回路は、前記コンバータ回路で変換された前記直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を構成することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記第二の電力変換回路は、前記シリコン半導体素子と前記ワイドバンドギャップ半導体素子とを有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の電力変換装置。
前記第二の電力変換回路は、前記ワイドバンドギャップ半導体素子からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の電力変換装置。
前記ワイドバンドギャップ半導体素子の材料は、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンドのいずれかであることを特徴とする請求項５または請求項６記載の電力変換装置。