JP6195691B1 - 電力変換装置及びパワーモジュール - Google Patents

Abstract

電力変換装置（１００）は、第１及び第２のスイッチング素子（１１ａ、１１ｂ）を有するブリッジ回路（１１）と、ブリッジ回路（１１）に並列に接続され第１のコンデンサ（１２ａ）と第２のコンデンサ（１２ｂ）とを直列に接続したコンデンサ回路（１２）と、コンデンサ回路（１２）の中性点（１２ｄ）に接続される第１端子（１３）と、を備えるパワーモジュール（１０）と、一端が第１端子（１３）に接続され、他端がアース電位（２２）に接続される第３のコンデンサと、を備える。

Description

本発明は、スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール、及び当該パワーモジュールを備えた電力変換装置に関する。

電力変換装置では、搭載されたスイッチング素子のスイッチング動作によって発生するサージ電圧及びノイズが問題になることがある。サージ電圧は、電力変換装置の動作不良の要因の１つとなっていた。また、ノイズは、電力変換装置における動作不良、又は環境悪化の要因の１つとなっていた。

上記の問題点に対し、特許文献１では、スイッチング素子が搭載されているパワーモジュールにコンデンサを内蔵する構成が開示されている。また、特許文献２では、コモンモードノイズの除去用にフィルタコンデンサを内蔵する構成が開示されている。

特開２０１４−１８７８７４号公報 特開２００４−３３５６２５号公報

上記の従来技術では、コンデンサをパワーモジュールに内蔵することでサージ電圧及びノイズの低減を図っている。しかしながら、従来技術では、サージ電圧及びノイズの低減が充分ではなく、更なる改善が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、サージ電圧及びノイズの更なる低減が可能な電力変換装置を得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、本発明に係る電力変換装置は、パワーモジュールを備える。パワーモジュールは、スイッチング素子を有するスイッチング回路、スイッチング回路に並列に接続され、第１のコンデンサと第２のコンデンサとを直列に接続したコンデンサ回路、及びコンデンサ回路の中性点に接続される外部接続用端子を備える。電力変換装置は、一端が外部接続用端子に接続され、他端がアース電位に接続される第３のコンデンサを更に備える。

本発明によれば、第１のコンデンサと第２のコンデンサと第３のコンデンサがＹコンデンサとして動作するため、サージ電圧及びノイズの更なる低減が可能になる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示す回路図 実施の形態２に係る電力変換装置の構成例を示す回路図 実施の形態３に係る電力変換装置の説明に供する図

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電力変換装置及びパワーモジュールについて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、以下の説明では、「物理的な接続」と「電気的な接続」とを区別せず、単に「接続」と称する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示す回路図である。実施の形態１に係る電力変換装置１００は、パワーモジュール１０と、一端がパワーモジュール１０の第１端子１３に接続され、他端が電気配線である接続線２４を用いてアース電位２２に接続されるコンデンサ１２ｃとを備える。

直流電圧源１は、パワーモジュール１０に直流電圧を印加する電源である。直流電圧源１は、モジュールパッケージの外部にある電源であってもよいし、モジュールパッケージに内蔵されたコンデンサであってもよい。

パワーモジュール１０は、第１のスイッチング素子１１ａと、第２のスイッチング素子１１ｂと、を直列接続した上下アーム構成のブリッジ回路１１を備える。ブリッジ回路１１は、スイッチング素子を少なくとも１つ備えるスイッチング回路であってもよい。

また、パワーモジュール１０は、ノイズ除去用の第１のコンデンサであるコンデンサ１２ａと、ノイズ除去用の第２のコンデンサであるコンデンサ１２ｂとを直列接続したコンデンサ回路１２を備える。コンデンサ回路１２は、ブリッジ回路１１における一方の電極１１ｃと他方の電極１１ｄとの間に並列に接続される。

パワーモジュール１０は、上述した第１端子１３に加え、パワーモジュール１０の正極側端子を成す第２端子１４と、パワーモジュール１０の負極側端子を成す第３端子１５と、パワーモジュール１０の負荷接続端子を成す第４端子１６と、パワーモジュール１０における駆動信号入力端子を成す第５端子１７とを備える。なお、前述の通り、第１端子１３には外部素子であるコンデンサ１２ｃが接続されており、第１端子１３は、パワーモジュール１０における外部接続用端子を成す。

なお、本実施の形態におけるパワーモジュール１０とは、上述したスイッチング回路やコンデンサ等の電子部品を備え、外部接続用端子が設けられた状態でモールド型やケース型で樹脂封止されたモジュールのことを言う。

第２端子１４は、直流電圧源１の正極から引き出された電源配線である正極線１ａに接続される。正極線１ａは、ブリッジ回路１１及びコンデンサ回路１２の一端に第１電位を与える。第３端子１５は、直流電圧源１の負極から引き出された電源配線である負極線１ｂに接続される。負極線１ｂは、ブリッジ回路１１及びコンデンサ回路１２の他端に第２電位を与える。第２電位は第１電位よりも低い電位である。このため、第１電位を上位電位、第２電位を下位電位とも呼ぶ。第４端子１６は、パワーモジュール１０の内部において、第１のスイッチング素子１１ａと第２のスイッチング素子１１ｂとの接続点に接続されている。また、第４端子１６は、負荷装置４に接続される。

第１端子１３は、パワーモジュール１０の内部において、コンデンサ１２ａとコンデンサ１２ｂとの接続点である中性点１２ｄに接続されている。また、上述のように、第１端子１３は、パワーモジュール１０の外部に配されたコンデンサ１２ｃの一端に接続されている。コンデンサ１２ｃは、ノイズ除去用のコンデンサである。また、コンデンサ１２ｃは、コンデンサ１２ａ及びコンデンサ１２ｂと共に、いわゆるＹコンデンサとして動作し、コモンモードノイズの低減に効果的である。以下、コンデンサ１２ｃを符号無しで他のコンデンサと区別する場合には、「第３のコンデンサ」と呼ぶ。

パワーモジュール１０及びコンデンサ１２ｃに加え、電力変換装置１００は、ブリッジ回路１１における第１のスイッチング素子１１ａ及び第２のスイッチング素子１１ｂのオンオフ動作を制御する駆動制御回路３を備える。駆動制御回路３は、第５端子１７に接続される。駆動制御回路３から出力される駆動信号は、第５端子１７を介して第１のスイッチング素子１１ａと第２のスイッチング素子１１ｂとに入力される。

第３端子１５と第４端子１６との間には、負荷装置４が接続される。負荷装置４の一例は、回転電機である。

次に、実施の形態１に係る電力変換装置１００の動作を説明する。駆動制御回路３は、駆動制御回路３の外部から与えられる電圧指令に基づき、第１のスイッチング素子１１ａと、第２のスイッチング素子１１ｂとを駆動する駆動信号を生成する。生成された駆動信号は、第５端子１７を介して第１のスイッチング素子１１ａ及び第２のスイッチング素子１１ｂに与えられる。このとき、第１のスイッチング素子１１ａ及び第２のスイッチング素子１１ｂは、それぞれがオンオフ動作を行う。第１のスイッチング素子１１ａ及び第２のスイッチング素子１１ｂのオンオフ動作により、負荷装置４には、ブリッジ回路１１から、一定もしくは可変の電圧であり、一定もしくは可変の周波数である擬似正弦波が印加される。このようにして、負荷装置４は駆動される。

次に、実施の形態１に係る電力変換装置１００を図１のように構成したことによる効果について説明する。

背景技術の項でも説明したが、パワーモジュール１０に搭載された各スイッチング素子のスイッチング動作によって、ブリッジ回路１１には、サージ電圧及びノイズが発生する。ところが、パワーモジュール１０に発生するサージ電圧の大きさ及び周波数、並びに、ノイズの大きさ及び周波数は、負荷装置４の種類、定格又は用途に依存するため、まちまちである。加えて、パワーモジュール１０に内蔵されたコンデンサは交換が容易ではない。特にコンデンサが樹脂で覆われた構造のパワーモジュール１０では、コンデンサ回路１２の交換が困難な場合が多い。このため、パワーモジュール１０に内蔵されているコンデンサを、負荷装置４の種類、定格及び用途に応じて汎用的に活用することは難しい。

この点、実施の形態１に係る電力変換装置１００では、第３のコンデンサであるコンデンサ１２ｃがパワーモジュール１０の外付けとされ、パワーモジュール１０に設けられた外部接続用端子である第１端子１３にコンデンサ１２ｃが接続され、コンデンサ１２ｃを介してアース電位２２がコンデンサ１２ａとコンデンサ１２ｂとに付与されるように構成されている。この構成により、コンデンサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃによって構成されるノイズ抑制回路において、ノイズをフィルタリングするフィルタ周波数をパワーモジュール１０の外部で調整することができる。これにより、電力変換装置１００におけるノイズの低減効果を高めることが可能となる。

また、実施の形態１に係る電力変換装置１００では、アース電位２２に対してコンデンサ１２ａとコンデンサ１２ｃとが直列に接続され、また、アース電位２２に対してコンデンサ１２ｂとコンデンサ１２ｃとが直列に接続される構成となる。すなわち、実施の形態１に係る電力変換装置１００では、アース電位２２に対してコンデンサが２直列の構成になるため、素子耐圧の確保が容易となり、コスト及びサイズの低減につながるという効果がある。

また、実施の形態１に係る電力変換装置１００によれば、サージ抑制及びノイズ低減のために内蔵されたコンデンサ１２ａ，１２ｂを活用した上で、コンデンサ１２ａ，１２ｂの中性点に接続される第１端子１３を外部接続用端子として設け、パワーモジュール１０の外部に新たにコンデンサ１２ｃを配置して外部接続用端子である第１端子１３に接続しているので、パワーモジュール１０に設けるＹコンデンサの機能を効果的に構成することが可能となる。

更に、実施の形態１に係る電力変換装置１００によれば、コンデンサ１２ｃのみを外部接続としているので、コンデンサ１２ａ，１２ｂをパワーモジュール１０に内蔵することでサージ電圧及びノイズの低減を図るという従来の特徴を活かしつつ、新たに付加する部品の数を少なくして、サージ電圧及びノイズの低減効果を高めることが可能となる。

更に加えて、実施の形態１に係る電力変換装置１００によれば、パワーモジュール１０の内部でコンデンサをアース電位２２に接続した場合に比べて、小型化が可能となる。アース電位２２を付与するための部位をパワーモジュール１０の内部に設ける場合、他電位との絶縁距離を設ける必要があるため、パワーモジュール１０のサイズが大きくなる。本実施の形態を用いれば、パサーモジュール内部にアース電位を付与する部位とその周囲との絶縁空間とを設ける必要がなくなるので、パワーモジュール１０の小型化にも効果がある。

なお、図１では、単一のコンデンサ１２ｃを配置しているが、低減したいノイズ成分が複数の周波数帯に渡って存在する場合、複数のコンデンサ１２ｃを並列に配置してもよい。接続線２４には寄生インダクタンスがあり、当該寄生インダクタンスの成分をＬとし、コンデンサ１２ｃの静電容量をＣとすれば、共振周波数ｆは、ｆ＝１／２π√（ＬＣ）で表すことができる。複数のコンデンサ１２ｃを配置し、複数のコンデンサ１２ｃの静電容量Ｃを選ぶことにより、共振周波数を複数にして、それぞれの周波数成分のノイズを低減することが可能となる。

また、実施の形態１では、スイッチング素子を有するスイッチング回路の一例として、第１のスイッチング素子１１ａ及び第２のスイッチング素子１１ｂを有した上下アームで構成されるブリッジ回路１１を用いて説明したが、１つのスイッチング素子のみを用いてブリッジ回路１１を構成してもよい。

また、実施の形態１では、パワーモジュール１０が一相の上下アームを備える構成を開示したが、単相もしくは三相の上下アームといった複数の上下アームを備えていてもよい。なお、これらの構成の場合、コンデンサ回路１２は、複数の上下アームのそれぞれに対して設ける必要はなく、全体のブリッジ回路１１に１つのコンデンサ回路１２を設ける構成でよい。

また、実施の形態１に係る電力変換装置１００は、各スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードを備えているが、当該ダイオードはスイッチング素子に内蔵されているボディダイオードで代用してもよいし、ダイオード自体を備えていなくてもよい。

また、実施の形態１では、直流電圧源１の正極と負極との間にスイッチング回路が接続される場合について説明したが、回路全体ではなく、一部のスイッチング回路に適用することもできる。

実施の形態２．
図２は、実施の形態２に係る電力変換装置の構成例を示す回路図である。実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａは、図１に示す実施の形態１に係る電力変換装置１００において、外付けされていたコンデンサ１２ｃをパワーモジュール１０の内部に配置したものである。これにより、実施の形態２に係るパワーモジュール１０では、外部接続用端子である第１端子１３はアース電位接続用端子として使用される。また、パワーモジュール１０の内部では、コンデンサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃがＹ型に接続されたコンデンサ回路１２Ａが構成される。また、パワーモジュール１０の外部では、接続線２４によって第１端子１３にアース電位２２が付与される。なお、その他の構成及び動作については、図１に示す実施の形態１の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一符号を付して重複する説明は省略する。

次に、実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａを図２のように構成したことによる効果について説明する。

まず、実施の形態２に係る電力変換装置１００Ａでは、コンデンサ１２ｃをパワーモジュール１０の内部に配置することとしたので、実施の形態１のパワーモジュール１０に比べて、パワーモジュール１０内の回路における配線インダクタンスを小さくすることができる。これにより、サージ電圧及びノイズの発生を実施の形態１よりも小さくすることができる。

なお、実施の形態２の構成においても、コンデンサ１２ｃの数は１つではなく、複数設けてもよい。また、複数のコンデンサ１２ｃを設ける場合、アース電位接続用端子である第１端子１３は、１つであっても複数であってもよい。第１端子１３が１つの場合、複数の接続線２４を設ける必要がないという効果がある。また、第１端子１３が複数の場合、第１端子１３のそれぞれに接続されるコンデンサ１２ｃの静電容量を変更することなく、接続線２４の長さを調整することにより、共振数波数を変更することができるという効果がある。

実施の形態３．
実施の形態３では、ノイズ抑制回路を構成するコンデンサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの静電容量について、図３を参照して説明する。図３は、実施の形態３に係る電力変換装置の説明に供する図である。図３に示す回路は、図１に示したものと同一であるが、正極線１ａに存在し得る寄生インダクタンス２０ａと、負極線１ｂに存在し得る寄生インダクタンス２０ｂと、を示した点が図１との相違点である。なお、その他の構成については、図１に示す実施の形態１と同一であり、同一の構成部には同一符号を付して重複する説明は省略する。

まず、コンデンサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの静電容量Ｃを選択する場合、漏れ電流の規制値に伴う上限値以下とする必要がある。以下、その理由について説明する。

まず、上述したように、コンデンサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの静電容量Ｃは、抑制したい周波数ｆに合わせて、ｆ＝１／２π√（ＬＣ）となるものを選択する。ここで、Ｌはコンデンサ回路１２及びコンデンサ１２ｃを含むノイズ抑制回路の寄生インダクタンス成分である。周波数ｆが低ければ、静電容量Ｃを大きくすることで対応できるが、静電容量Ｃが大きくなるとアースへの漏れ電流が増大する。漏れ電流の量は安全規格で規制されている。よって、例えば漏れ電流の規制値をＩｌｅａｋ［Ａ］とし、ノイズの電圧をＶ［Ｖ］とすると、Ｃ≦Ｉｌｅａｋ／（Ｖ・２πｆ）を満足するようにＣを選択する必要があり、Ｃ＝Ｉｌｅａｋ／（Ｖ・２πｆ）が上限値となる。なお、選択したいＣがすでに上限値以上である場合は上限値を選択することで、最大の効果が得られる。すなわち、選択したいＣが、Ｃ＞Ｉｌｅａｋ／（Ｖ・２πｆ）の関係にある場合には、Ｃ＝Ｉｌｅａｋ／（Ｖ・２πｆ）を満足するＣを選択することにより、漏れ電流の規制を達成しつつ、ノイズを低減させることが可能となる。

次に、正極線１ａ及び負極線１ｂとの整合について説明する。正極線１ａ及び負極線１ｂとの整合とは、具体的には、以下のように構成することにある。なお、以下では、アース電位２２を「アース電位（Ｅ）」、正極線１ａを「Ｐライン」、負極線１ｂを「Ｎライン」、直流電圧源１を「電源」と表記している。

Ｐラインとコンデンサ回路１２とコンデンサ１２ｃとアース電位（Ｅ）とを結ぶ経路のインピーダンスＺ１を、アース電位（Ｅ）と電源とＰラインとを結ぶ経路のインピーダンスＺ２よりも小さくし、且つ、当該Ｚ１を、アース電位（Ｅ）と電源とＮラインとを結ぶ経路のインピーダンスＺ３よりも小さくする。

上記のように構成する理由について説明する。ブリッジ回路１１はノイズ源となるが、規格を満たす観点、及び他の装置への影響を抑制する観点とにより、電源にノイズが入らないようにすべきである。上記のように構成すれば、電源につながる各経路のインピーダンスよりも、ノイズ抑制回路を含む経路のインピーダンスが小さくなるので、ノイズはノイズ抑制回路を含む経路の方に流れ易くなり、電源側に向かうノイズ量が小さくなり、電源への影響が低減されるという効果が得られる。

実施の形態４．
実施の形態４では、第１のスイッチング素子１１ａ及び第２のスイッチング素子１１ｂを形成する素材について説明する。ブリッジ回路１１に用いられる第１のスイッチング素子１１ａ及び第２のスイッチング素子１１ｂとしては、珪素（Ｓｉ）を素材とする半導体スイッチング素子（以下「Ｓｉ素子」と表記）が一般的であるが、近年注目されている炭化珪素（ＳｉＣ）を素材とする半導体スイッチング素子（以下「ＳｉＣ素子」と表記）を用いてもよい。

ＳｉＣ素子は、Ｓｉ素子と比較して、熱伝達率が大きい、高温での動作が可能といった優れた特性を持っている。第１のスイッチング素子１１ａ及び第２のスイッチング素子１１ｂとしてＳｉＣ素子を用いることでＳｉＣ素子の恩恵を受けることができる。すなわち、ＳｉＣ素子は導通損失が小さいことから、ブリッジ回路１１での損失を低減でき、第１のスイッチング素子１１ａ及び第２のスイッチング素子１１ｂを内蔵したパワーモジュール１０の発熱を抑制できるという効果が得られる。

なお、ＳｉＣ素子は、Ｓｉ素子よりもバンドギャップが大きいという特性を捉えて、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例である。このＳｉＣ素子以外にも、例えば窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドを用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属しており、それらの特性もＳｉＣに類似した点が多い。したがって、ＳｉＣ以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いる構成も、本発明の要旨を成すものである。

また、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を用いることにより、これらの素子を搭載したパワー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スイッチング素子は、耐熱性も高いため、ヒートシンクといった冷却機構を必要とするスイッチング素子の場合、冷却機構の小型化が可能となり、スイッチング素子を搭載したパワーモジュールの更なる小型化が可能になる。

一方、スイッチング速度の増加は効率を高めるという観点では効果的ではあるものの、ＳｉＣ素子を駆動する際にコレクタ−エミッタ電圧の時間変化量である「ｄｖ／ｄｔ」と、コレクタ電流の時間変化量である「ｄｉ／ｄｔ」が急峻になるため、ノイズが増加するという問題点が生ずる。

この問題点に対し、上述した実施の形態１から３に示されるパワーモジュール１０を用いれば、パワーモジュール内の配線インダクタンスを小さくすることができ、また、パワーモジュール内で発生したノイズを効果的にアース電位に落とすことができる。このため、実施の形態１から３に示されるパワーモジュール１０は、ＳｉＣ素子が搭載されたパワーモジュールに対して有効に作用し、今後のトレンドに柔軟に対応可能な技術の１つを成すと言っても過言ではない。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、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で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 直流電圧源、１ａ 正極線、１ｂ 負極線、３ 駆動制御回路、４ 負荷装置、１０ パワーモジュール、１１ ブリッジ回路、１１ａ 第１のスイッチング素子、１１ｂ 第２のスイッチング素子、１１ｃ，１１ｄ 電極、１２，１２Ａ コンデンサ回路、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ コンデンサ、１２ｄ 中性点、１３ 第１端子、１４ 第２端子、１５ 第３端子、１６ 第４端子、１７ 第５端子、２０ａ，２０ｂ 寄生インダクタンス、２２ アース電位、２４ 接続線、１００，１００Ａ 電力変換装置。

Claims (8)

1. スイッチング素子を有するスイッチング回路と、前記スイッチング回路に並列に接続され、第１のコンデンサと第２のコンデンサとを直列に接続したコンデンサ回路と、前記コンデンサ回路の中性点に接続される外部接続用端子と、を備えたパワーモジュールと、
   一端が前記外部接続用端子に接続され、他端がアース電位に接続される第３のコンデンサと、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第３のコンデンサは、複数のコンデンサからなることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. スイッチング素子を有するスイッチング回路を備えたパワーモジュールであって、
   第１のコンデンサと、
   前記第１のコンデンサに直列に接続される第２のコンデンサと、
   一端が前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの接続点に接続される第３のコンデンサと、
   前記第３のコンデンサの他端が接続される外部接続用端子と、
   を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
4. 前記第３のコンデンサは、複数のコンデンサからなることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール。
5. 請求項３又は４に記載のパワーモジュールを備え、
   前記外部接続用端子がアース電位に接続される
   ことを特徴とする電力変換装置。
6. 前記パワーモジュールには、前記外部接続用端子が複数設けられていることを特徴とする請求項１、２又は５に記載の電力変換装置。
7. 前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項１、２、５又は６に記載の電力変換装置。
8. 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、又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７に記載の電力変換装置。

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