JP6102668B2

JP6102668B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6102668B2
Application number: JP2013207989A
Authority: JP
Inventors: 直樹川地
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-10-03
Filing date: 2013-10-03
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-10-03
Also published as: JP2015073376A; CN104518681B; CN104518681A

Description

本発明は、順変換器、平滑コンデンサ、逆変換器で構成した電力変換装置に関するものである。

一般的な電力変換装置は、交流電源を直流に変換する順変換器（コンバータ）と、順変換器の出力を平滑化する平滑コンデンサと、直流を可変電圧可変周波数に変換する逆変換器（インバータ）で構成されている。順変換器と逆変換器を接続する主回路配線には、配線のインダクタンスを減らすためにバスバー配線が用いられており、このバスバー配線の中間に平滑コンデンサが接続されている。

平滑コンデンサと逆変換器の間の配線に流れる電流量は大きいため、バスバー配線のインダクタンスが大きいと、逆変換器がスイッチング動作する時に跳ね上がり電圧が大きくなる。この跳ね上がり電圧が大きくなるにつれ電力変換装置の電力損失は大きくなり、さらに跳ね上がり電圧が大きくなると順変換器や逆変換器を形成するパワー半導体モジュール内部の半導体素子を破壊することになる。そこで、この跳ね上がり電圧を抑制するために主回路配線のパワー半導体モジュールの近傍にスナバが設けられる。

バスバー配線のインダクタンスを小さくする技術として、例えば特許文献１では、ヒートパイプ式冷却体のブロック両面にインバータを構成するパワー半導体モジュールを配置し、パワー半導体モジュールと平滑コンデンサとの配線を最短距離になるようにしている。

特開平７−３１１６５号公報

しかしながら、パワー半導体モジュールと平滑コンデンサとの配線を最短距離になるように形成しても、流す電流量に応じて平滑コンデンサの数は増え、増えた分の平滑コンデンサとの距離が長くなるため、電流量の大きな電力変換装置ではどうしてもスナバが必要となる。このスナバは、一般的にパワー半導体モジュールの端子に直接接続される方式が採られるが、端子の前方にはスナバを設置するための空間が必要になる。さらに、スナバが大きくなると質量も増え、輸送時等の振動によりパワー半導体モジュールの端子に機械的ストレスが加わるとパワー半導体モジュールを故障させることがある。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、パワー半導体モジュールの端子の前方にスナバを設置するための空間を不要とするとともに、パワー半導体モジュールの端子への機械的ストレスを低減するスナバモジュールを備えた電力変換装置を提供するものである。

本発明の電力変換装置は、ヒートパイプ式冷却体のブロックの両面にパワー半導体モジュールを実装し、それぞれのパワー半導体モジュールの正極及び負極からバスバーを介して平滑コンデンサを接続した電力変換装置において、パワー半導体モジュールのスイッチング時の跳ね上がり電圧を抑制するスナバを内蔵し、両側面からそれぞれ端子を突出させたスナバモジュールを備え、スナバモジュールは、ブロックの下方に配置され、端子がそれぞれバスバーに結合されるものである。

上記のように構成された電力変換装置は、スナバモジュールをヒートパイプ式冷却体のブロックの下方に配置し、両側面から突出させた端子をそれぞれバスバーに結合することで、パワー半導体モジュールの端子の前方にスナバモジュールを設置するための空間を不要とするとともに、パワー半導体モジュールの端子への機械的ストレスを低減することができ、パワー半導体モジュールの故障を抑制することができる。

本発明の実施の形態１の電力変換装置の接続図である。本発明の実施の形態１の電力変換装置の外形図である。本発明の実施の形態１の電力変換装置の第１ユニットの展開図である。本発明の実施の形態１の第１ユニットを下方から見た要部である。本発明の実施の形態１のスナバユニットの内部回路図である。本発明の実施の形態２の電力変換装置の第１ユニットの展開図である。本発明の実施の形態２の第１ユニットを下方から見た要部である。

実施の形態１．
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態１について詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態１の電力変換装置の接続図である。電力変換装置は、三相交流電源１を直流に変換する順変換器２と、順変換器２の出力を平滑化する平滑コンデンサ３と、平滑コンデンサ３で平滑された直流を可変電圧可変周波数に変換する逆変換器４を備えている。

順変換器２は、上アーム、下アームを構成するＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が直列接続され、１個のパッケージに納められたパワー半導体モジュール２ａ、２ｂ、２ｃを有し、それぞれの正極としての上アームのドレイン端子はバスバー５ａ、５ｂ、５ｃで、平滑コンデンサ３の正極端子に接続されたバスバー３Ｐに接続されている。また、パワー半導体モジュール２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれの負極としての下アームのソース端子はバスバー６ａ、６ｂ、６ｃで、平滑コンデンサ３の負極端子に接続されたバスバー３Ｎに接続されている。さらに、パワー半導体モジュール２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれの上アームと下アームとの接続部は、電線Ｒ、Ｓ、Ｔにより三相交流電源１のＲ相、Ｓ相、Ｔ相に接続されている。

逆変換器４は、上アーム、下アームを構成するＭＯＳＦＥＴが直列接続され、１個のパッケージに納められたパワー半導体モジュール４ａ、４ｂ、４ｃを有し、それぞれの正極としての上アームのドレイン端子はバスバー７ａ、７ｂ、７ｃで、平滑コンデンサ３の正極端子に接続されたバスバー３Ｐに接続されている。また、パワー半導体モジュール４ａ、４ｂ、４ｃそれぞれの負極としての下アームのソース端子はバスバー８ａ、８ｂ、８ｃで、平滑コンデンサ３の負極端子に接続されたバスバー３Ｎに接続されている。さらに、パワー半導体モジュール４ａ、４ｂ、４ｃそれぞれの上アームと下アームとの接続部は、電線Ｕ、Ｖ、Ｗにより電動機９のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続されている。

また、スナバモジュール１０は、端子１０Ｐ１がバスバー５ａ、端子１０Ｐ２がバスバー７ａ、端子１０Ｎ１がバスバー６ａ、端子１０Ｎ２がバスバー８ａとそれぞれ接続されている。同様に、スナバモジュール１１は、端子１１Ｐ１がバスバー５ｂ、端子１１Ｐ２がバスバー７ｂ、端子１１Ｎ１がバスバー６ｂ、端子１１Ｎ２がバスバー８ｂとそれぞれ接続されている。スナバモジュール１２も同様にして、端子１２Ｐ１がバスバー５ｃ、端子１２Ｐ２がバスバー７ｃ、端子１２Ｎ１がバスバー６ｃ、端子１２Ｎ２がバスバー８ｃとそれぞれ接続されている。

図２は本発明の実施の形態１の電力変換装置の外形図である。電力変換装置は、第１ユニット１００ａ、第２ユニット１００ｂ、第３ユニット１００ｃと、複数の平滑コンデンサ３及び平滑コンデンサ３の正極端子を連結するバスバー３Ｐ、負極端子を連結するバスバー３Ｎで形成されている。

第１ユニット１００ａには、ヒートパイプ式冷却体１０１ａのブロックの片面に、電線Ｒにより三相交流電源１のＲ相に接続されるパワー半導体モジュール２ａが実装され、ブロックの反対側の面に、電線Ｕにより電動機９のＵ相に接続されるパワー半導体モジュール４ａが実装されている。同様に、第２ユニット１００ｂには、ヒートパイプ式冷却体１０１ｂのブロックの片面に、電線Ｓにより三相交流電源１のＳ相に接続されるパワー半導体モジュール２ｂが実装され、ブロックの反対側の面に、電線Ｖにより電動機９のＶ相に接続されるパワー半導体モジュール４ｂが実装されている。第３ユニット１００ｃも同様にして、ヒートパイプ式冷却体１０１ｃのブロックの片面に、電線Ｔにより三相交流電源１のＴ相に接続されるパワー半導体モジュール２ｃが実装され、ブロックの反対側の面に、電線Ｗにより電動機９のＷ相に接続されるパワー半導体モジュール４ｃが実装されている。

つまり、第１ユニット１００ａ、第２ユニット１００ｂ、第３ユニット１００ｃのそれぞれの片面で順変換器２が形成され、それぞれの反対側の面で逆変換器４が形成されている。パワー半導体モジュール２ａ、２ｂ、２ｃ及びパワー半導体モジュール４ａ、４ｂ、４ｃそれぞれの上アームのドレイン端子、下アームのソース端子からの配線は図１に示す結線図に従って、バスバー３Ｐ、３Ｎに接続されている。

次にスナバモジュール１０、１１、１２の取付方法について説明する。第１ユニット１００ａ、第２ユニット１００ｂ、第３ユニット１００ｃは全て同一の構成であるため、ここでは例として第１ユニット１００ａのスナバモジュール１０の取付方法について説明する。

図３（Ａ）は、本発明の実施の形態１の電力変換装置の第１ユニット１００ａの展開図であり、図３（Ｂ）はその左側面図である。また、図４は、図３の矢視Ｘ−Ｘの要部を示した図である。スナバモジュール１０は、２箇所の取付穴１０ａから挿入した取付ネジ２０をヒートパイプ式冷却体１０１ａのブロック下面に設けられたネジ穴に締結することでヒートパイプ式冷却体１０１ａの下面に固定される。

また、スナバモジュール１０には、一方の側面から突出させたＬ型の端子１０Ｐ１、１０Ｎ１と、他方の側面から突出させたＬ型の端子１０Ｐ２、１０Ｎ２を備えており、それぞれの端子には２個のネジ穴が設けられている。スナバモジュール１０は、このネジ穴を使用してバスバーに結合される。具体的には、端子１０Ｐ１がバスバー５ａ、端子１０Ｎ１がバスバー６ａ、端子１０Ｐ２がバスバー７ａ、端子１０Ｎ２がバスバー８ａとそれぞれ取付ネジ２１で結合される。

さらにバスバー５ａはパワー半導体モジュール２ａのドレイン端子に、バスバー６ａはパワー半導体モジュール２ａのソース端子に、バスバー７ａはパワー半導体モジュール４ａのドレイン端子に、バスバー８ａはパワー半導体モジュール４ａのソース端子にそれぞれ取付ネジ２２で結合される。

ここで、バスバー５ａとバスバー６ａはそれぞれ中間部を延出させ、互いの延出した部分が平面的に重なるように形成している。これは、流れる電流の方向が逆となるバスバー５ａとバスバー６ａの重なった部分の相互インダクタンスによってバスバー５ａとバスバー６ａのインダクタンスを軽減するためである。平面のバスバー６ａに対してバスバー５ａはＺ曲げを行い、Ｚ曲げで形成された段差の部分に絶縁シート１３を挟み込むようにして平面的に重なる部分を形成している。また、バスバー７ａはバスバー５ａと、バスバー８ａはバスバー６ａとそれぞれ同一の形状であり説明は省略する。

また、この例では、スナバモジュール１０の両側面から突出させた端子１０Ｐ１、１０Ｎ１、１０Ｐ２、１０Ｎ２の形状をＬ型の例で示したが、端子の形状はＬ型に限定されることなく、スナバモジュール１０の両側面から突出し、ネジ穴を有したものであればブロック形状、Ｕ型形状等他の形状のものであっても良い。

図５に、スナバモジュール１０の内部回路を示す。図５（Ａ）は内部にスナバとして１個のコンデンサ１０ｃを備えたものである。コンデンサ１０ｃの片側の電極は端子１０Ｐ１と端子１０Ｐ２に、もう片側の電極は端子１０Ｎ１と端子１０Ｎ２に接続されている。

図５（Ｂ）は内部にスナバとして２個のコンデンサを備えたものである。第１のスナバとしての第１コンデンサ１０ｃ１の片側の電極は端子１０Ｐ１に、もう片側の電極は端子１０Ｎ１に接続されている。また、第２のスナバとしての第２コンデンサ１０ｃ２の片側の電極は端子１０Ｐ２に、もう片側の電極は端子１０Ｎ２に接続されている。つまり、第１コンデンサ１０ｃ１は、スナバモジュール１０の両側面の内、一方の側面の端子１０Ｐ１、１０Ｎ１に接続され、第２コンデンサ１０ｃ２は、スナバモジュール１０の両側面の内、他方の側面の端子１０Ｐ２、１０Ｎ２に接続されている。

図５（Ｂ）のような構成にすることにより、第１コンデンサ１０ｃ１はパワー半導体モジュール２ａ専用のスナバとなり、第２コンデンサ１０ｃ２はパワー半導体モジュール４ａ専用のスナバとなるため、パワー半導体モジュール２ａ、パワー半導体モジュール４ａがスイッチング動作を行った時の相互の影響を少なくすることができる。なお、スナバモジュール１１、１２の構成及び内部回路についても、スナバモジュール１０と同一であり説明は省略する。

ここでは、スナバとしてコンデンサ１０ｃ、第１のスナバとして第１コンデンサ１０ｃ１、第２のスナバとして第２コンデンサ１０ｃ２の例を示したが、スナバはコンデンサに限定されることなく、コンデンサと抵抗が直列に接続されたものや、さらにダイオードが付加されたもの等、他の部品との組合せで形成されたものであっても良い。

以上のように構成された電力変換装置は、ヒートパイプ式冷却体のブロックの両面にパワー半導体モジュールを実装し、それぞれのパワー半導体モジュールの正極及び負極からバスバーを介して平滑コンデンサを接続した電力変換装置において、パワー半導体モジュールのスイッチング時の跳ね上がり電圧を抑制するスナバを内蔵し、両側面からそれぞれ端子を突出させたスナバモジュールを備え、スナバモジュールは、ブロックの下方に配置され、端子がそれぞれバスバーに結合されるものである。

これにより、スナバモジュールがヒートパイプ式冷却体のブロックの下方に配置されることで、パワー半導体モジュールの端子の前方にスナバモジュールを設置するための空間が不要となる。さらに、スナバモジュールの両側面から突出させた端子をそれぞれバスバーに結合することで、パワー半導体モジュールの端子への機械的ストレスを低減することができ、パワー半導体モジュールの故障を抑制することができる。

また、スナバモジュールには、第１コンデンサ１０ｃ１と第２コンデンサ１０ｃ２とを備え、第１コンデンサ１０ｃ１は、両側面の内、一方の側面の端子に接続され、第２コンデンサ１０ｃ２は、両側面の内、他方の側面の端子に接続されるようにしても良い。これにより、両面のパワー半導体モジュールのそれぞれに対して独立したスナバを設けることで、一方のパワー半導体モジュールのスイッチング時の影響を他方のパワー半導体モジュールに受けにくくすることができる。

また、パワー半導体モジュールが有するＭＯＳＦＥＴは、珪素によって形成されたものでも良いが、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。

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ＭＯＳＦＥＴは、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、ＭＯＳＦＥＴの小型化が可能である。従って、小型化されたＭＯＳＦＥＴを用いることにより、パワー半導体モジュールの小型化が可能となる。

またワイドバンドギャップ半導体によって形成されたＭＯＳＦＥＴは耐熱性も高いため、ヒートパイプ式冷却体１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの放熱フィンの小型化が可能となり、電力変換装置の小型化も可能になる。さらに、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたＭＯＳＦＥＴは電力損失が低いため、ＭＯＳＦＥＴの高効率化が可能であり、電力変換装置の高効率化も可能となる。

実施の形態２．
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態２について詳細に説明する。実施の形態２の電力変換装置は、実施の形態１の電力変換装置に対して、スナバモジュール１０、１１、１２を、端子形状と固定方法の異なるスナバモジュール１０Ａ、１１Ａ、１２Ａに入れ換えただけでありその他の構成は実施の形態１と同じである。図６（Ａ）は、本発明の実施の形態２の電力変換装置の第１ユニット１００ａの展開図であり、図６（Ｂ）はその左側面図である。また、図７は図６の矢視Ｙ−Ｙの要部を示した図である。図６、７において図３、４と同一部分には同一符号を付与しており、図３、４と重複する構成の説明は省略する。

スナバモジュール１０Ａは、２箇所の取付穴１０ａから挿入した取付ネジ２０をヒートパイプ式冷却体１０１ａのブロック下面に設けられたネジ穴に締結することで、ヒートパイプ式冷却体１０１ａの下面に固定される。また、スナバモジュール１０Ａには、一方の側面から突出させたＬ型の端子１０ＡＰ１、１０ＡＮ１と、他方の側面から突出させたＬ型の端子１０ＡＰ２、１０ＡＮ２を備えており、それぞれの端子には２個のネジ穴と端子の先端部に１個の取付穴が設けられている。スナバモジュール１０Ａは、このネジ穴を使用してバスバーに結合される。具体的には、端子１０ＡＰ１がバスバー５ａ、端子１０ＡＮ１がバスバー６ａ、端子１０ＡＰ２がバスバー７ａ、端子１０ＡＮ２がバスバー８ａとそれぞれ結合される。

さらに端子１０ＡＰ１先端部の取付穴を使用してバスバー５ａと端子１０ＡＰ１はパワー半導体モジュール２ａのドレイン端子に取付ネジ２２で共締めされる。同様にして、バスバー６ａと端子１０ＡＮ１はパワー半導体モジュール２ａのソース端子に、バスバー７ａと端子１０ＡＰ２はパワー半導体モジュール４ａのドレイン端子に、バスバー８ａと端子１０ＡＮ２はパワー半導体モジュール４ａのソース端子にそれぞれ取付ネジ２２で共締めされる。

実施の形態２の電力変換装置の結線は、図１の結線図において、スナバモジュール１０、１１、１２をスナバモジュール１０Ａ、１１Ａ、１２Ａに入れ換え、それぞれの端子符号も合わせて入れ換えただけであり、接続は同一のため説明を省略する。またスナバモジュール１０Ａ、１１Ａ、１２Ａの内部回路も図５と同一であるため説明を省略する。

以上のように構成された電力変換装置のスナバモジュール１０Ａ、１１Ａ、１２Ａは、両側面から突出させた端子をＬ型形状端子とし、Ｌ型形状端子の先端部がパワー半導体モジュールの正極及び負極に結合されると共に、先端部の近傍でバスバーに結合される。これにより、パワー半導体モジュールの正極及び負極からスナバモジュール１０Ａ、１１Ａ、１２Ａまでの配線の断面積が拡大し、配線のインダクタンスをさらに減少させることができる。

２ａ、２ｂ、２ｃパワー半導体モジュール、３平滑コンデンサ、４ａ、４ｂ、４ｃパワー半導体モジュール、５ａ、５ｂ、５ｃバスバー、６ａ、６ｂ、６ｃバスバー、７ａ、７ｂ、７ｃバスバー、８ａ、８ｂ、８ｃバスバー、１０、１０Ａスナバモジュール、１０ｃコンデンサ、１０ｃ１第１コンデンサ、１０ｃ２第２コンデンサ、１０Ｐ１、１０ＡＰ１、１０Ｐ２、１０ＡＰ２、１０Ｎ１、１０ＡＮ１、１０Ｎ２、１０ＡＮ２端子、１１、１１Ａスナバモジュール、１１Ｐ１、１１Ｐ２、１１Ｎ１、１１Ｎ２端子、１２、１２Ａスナバモジュール、１２Ｐ１、１２Ｐ２、１２Ｎ１、１２Ｎ２端子、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃヒートパイプ式冷却体

Claims

ヒートパイプ式冷却体のブロックの両面にパワー半導体モジュールを実装し、それぞれのパワー半導体モジュールの正極及び負極からバスバーを介して平滑コンデンサを接続した電力変換装置において、
前記パワー半導体モジュールのスイッチング時の跳ね上がり電圧を抑制するスナバを内蔵し、両側面からそれぞれ端子を突出させたスナバモジュールを備え、
前記スナバモジュールは、前記ブロックの下方に配置され、前記端子がそれぞれ前記バスバーに結合されることを特徴とする電力変換装置。
前記スナバモジュールには、第１のスナバと第２のスナバとを備え、
前記第１のスナバは、前記両側面の内、一方の側面の前記端子に接続され、
前記第２のスナバは、前記両側面の内、他方の側面の前記端子に接続されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記端子はＬ型形状端子とし、該Ｌ型形状端子の先端部が前記正極及び負極に結合されると共に、前記先端部の近傍で前記バスバーに結合されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
前記パワー半導体モジュールが有するＭＯＳＦＥＴは、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を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに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及び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４に記載の電力変換装置。