JP6526361B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直列接続された正極側及び負極側の一対の半導体スイッチング素子を具備する半導体モジュールを用いた電力変換装置に関する。

近年、半導体技術の進歩により、大容量の半導体モジュールが実現され、インバータ１相分である上下アームを構成する正極側及び負極側の一対の半導体スイッチング素子を一体化した半導体モジュールが広く普及している。この種の半導体モジュールは、２ｉｎ１モジュールと呼ばれている。

また、更なる大容量化のため、１相分のモジュールを構成するために２ｉｎ１モジュールを並列化して構成する場合がある。この場合、３相のモータを駆動するための２つのインバータ、すなわち２つの３相インバータを用いて電力変換装置を構成するには、６つの２ｉｎ１モジュールを配置する必要がある。

上記のような技術的背景の下、下記特許文献１には、２つの３相インバータを１台の筐体に収容した構成が開示されている。

特開２０１５−８９２４４号公報

特許文献１は、小型化及び設置面積を低減することを目的としている。しかしながら、特許文献１では、２並列で構成する一方の半導体モジュールと、他方の半導体モジュールとの間の接続にバスバーを用いた上で、当該バスバーを半導体モジュールの端子にねじ止めする構造を採用している。このため、２並列で配列する半導体モジュール間の間隔を十分に小さくすることができず、小型化に関する更なる改善の余地が認められる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、２並列で配列する半導体モジュール間の間隔を小さくして、更なる小型化を図ることができる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に、本発明は、直列接続された一対の半導体スイッチング素子を具備する半導体モジュールを用いた電力変換装置であって、４以上且つ偶数の前記半導体モジュールを備え、前記半導体モジュールは、第１端子、第２端子、及び第３端子を表面に有し、正側スイッチング素子の正極が前記第１端子に電気的に接続され、負側スイッチング素子の負極が前記第２端子に電気的に接続され、前記正側スイッチング素子の負極と前記負側スイッチング素子の正極とが前記第３端子に電気的に接続され、４以上且つ偶数の前記半導体モジュールのうちで同一相の半導体モジュール群を構成する２つの半導体モジュールの第１端子同士、第２端子同士又は第３端子同士は向かい合わせて配置され、複数の前記半導体モジュール群は、前記半導体モジュール群内の２つの半導体モジュールの配列方向に直交する方向に配列されている。

本発明によれば、２並列で配列する半導体モジュール間の間隔を小さくして、更なる小型化を図ることができる、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１に係る電力変換装置に用いる半導体モジュールにおける各端子の配置を示す平面図 図２に示した半導体モジュールを図１に示したインバータ回路に適用した回路図 実施の形態１の電力変換装置における６つの半導体モジュールの配置例を模式的に示す図 実施の形態１に係る電力変換装置を鉄道車両に搭載した場合の構成例を示す図 ラミネートブスバーと半導体モジュールとの接続状態を示す平面図 実施の形態２の電力変換装置における６つの半導体モジュールの配置例を模式的に示す図 実施の形態３に係る電力変換装置の構成例を示す図 実施の形態４に係る電力変換装置で用いるインバータ回路の回路構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る電力変換装置を図面に基づ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。

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。図１において、実施の形態１に係る電力変換装置は、少なくともスイッチ、フィルタコンデンサ、フィルタリアクトルを含む入力回路２と、スイッチング素子４ａ１，４ａ２，５ａ１，５ａ２，６ａ１，６ａ２，４ｂ１，４ｂ２，５ｂ１，５ｂ２，６ｂ１，６ｂ２を具備し、少なくとも１台のモータ８を接続してなるインバータ回路３と、スイッチング素子４ａ１，４ａ２，５ａ１，５ａ２，６ａ１，６ａ２，４ｂ１，４ｂ２，５ｂ１，５ｂ２，６ｂ１，６ｂ２を制御するためのＰＷＭ信号を生成して出力する制御部７を備える。インバータ回路３に接続されるモータ８の一例は、誘導電動機又は同期電動機である。

また、図１において、入力回路２の一端は集電装置５１を介して架線５０に接続され、他端は車輪５３を介して大地電位を与えるレール５２に接続されている。架線５０から供給される直流電力または交流電力は、集電装置５１を介して入力回路２の入力端に供給されると共に、入力回路２の出力端に生じた電力がインバータ回路３に供給される。

インバータ回路３において、正側スイッチング素子であるスイッチング素子４ａ１と、負側スイッチング素子であるスイッチング素子４ｂ１とは直列に接続されてＵ相の第１レグを構成し、正側スイッチング素子であるスイッチング素子４ａ２と、負側スイッチング素子であるスイッチング素子４ｂ２とは直列に接続されてＵ相の第２レグを構成する。正側スイッチング素子は正側アーム又は上側アームとも称され、負側スイッチング素子は負側アーム又は下側アームとも称される。また、Ｕ相の第１レグをＵ１で表し、Ｕ相の第２レグをＵ２で表す。

Ｖ相及びＷ相のレグも同様である。以下同様に説明すると、スイッチング素子５ａ１とスイッチング素子５ｂ１とが直列に接続されてＶ相の第１レグを構成し、スイッチング素子５ａ２とスイッチング素子５ｂ２とが直列に接続されてＶ相の第２レグを構成する。また、スイッチング素子６ａ１とスイッチング素子６ｂ１とが直列に接続されてＷ相の第１レグを構成し、スイッチング素子６ａ２とスイッチング素子６ｂ２とが直列に接続されてＷ相の第２レグを構成する。なお、Ｕ相と同様に、Ｖ相の第１レグをＶ１で表し、Ｖ相の第２レグをＶ２で表し、Ｗ相の第１レグをＷ１で表し、Ｗ相の第２レグをＷ２で表す。

このようにして、インバータ回路３は、各相におけるそれぞれの第１レグ及び第２レグが並列に接続された３相インバータ回路を構成する。なお、スイッチング素子４ａ１，４ａ２，５ａ１，５ａ２，６ａ１，６ａ２，４ｂ１，４ｂ２，５ｂ１，５ｂ２，６ｂ１，６ｂ２には、逆並列ダイオードが内蔵されたＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が好適である。

制御部７は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号によってインバータ回路３のスイッチング素子４ａ１，４ａ２，５ａ１，５ａ２，６ａ１，６ａ２，４ｂ１，４ｂ２，５ｂ１，５ｂ２，６ｂ１，６ｂ２をＰＷＭ制御する。制御部７のＰＷＭ制御により、インバータ回路３は、入力回路２から印加された直流電圧を任意周波数及び任意電圧の交流電圧に変換してモータ８を駆動する。

図２は、実施の形態１に係る電力変換装置に用いる半導体モジュール１２における各端子の配置を示す平面図であり、図３は、図２に示した半導体モジュール１２を図１に示したインバータ回路３に適用した回路図である。

実施の形態１に係る電力変換装置に用いる半導体モジュール１２は、図２では図示していないが、モジュール筐体であるパッケージ３０の内部に、直列接続された一対の半導体スイッチング素子を具備している。

図２に示すように、パッケージ３０における一方の表面側には、第１端子Ｍ１、第２端子Ｍ２及び第３端子Ｍ３が設けられている。第１端子Ｍ１は半導体モジュール１２における正極端子Ｐを構成し、第２端子Ｍ２は半導体モジュール１２における負極端子Ｎを構成し、第３端子Ｍ３は、半導体モジュール１２における交流端子ＡＣを構成する。

図３において、Ｕ１相に適用される半導体モジュール１２Ｕ１は、トランジスタ素子の例示であるＭＯＳＦＥＴ４ａ１ｓと、いわゆるフライホイールダイオード（Free Wheeling Diode：ＦＷＤ）として動作するダイオード（以下「ＦＷＤ」と表記）４ａ１ｄとが逆並列に接続されたスイッチング素子４ａ１と、ＭＯＳＦＥＴ４ｂ１ｓとＦＷＤ４ｂ１ｄとが逆並列に接続されたスイッチング素子４ｂ１とを有する。スイッチング素子４ａ１とスイッチング素子４ｂ１とは直列に接続され、モジュール筐体であるパッケージ３０内に収容され、半導体モジュール１２Ｕ１におけるスイッチング素子対を構成している。Ｕ２相に適用される半導体モジュール１２Ｕ２も、半導体モジュール１２Ｕ１と同様に構成される。また、Ｖ１相及びＶ２相、並びにＷ１相及びＷ２相のそれぞれに適用される半導体モジュール１２Ｖ１，１２Ｖ２，１２Ｗ１，１２Ｗ２も、半導体モジュール１２Ｕ１と同様に構成される。このように、半導体モジュール１２Ｕ１，１２Ｕ２，１２Ｖ１，１２Ｖ２，１２Ｗ１，１２Ｗ２のそれぞれは、直列接続された２つのスイッチング素子が収容された２ｉｎ１モジュールである。

また、ＭＯＳＦＥＴ４ａ１ｓの正極であるドレインは第１端子Ｍ１に電気的に接続され、ＭＯＳＦＥＴ４ｂ１ｓの負極であるソースは第２端子Ｍ２に電気的に接続され、ＭＯＳＦＥＴ４ａ１ｓの負極であるソース及びＭＯＳＦＥＴ４ｂ１ｓの正極であるドレインは第３端子Ｍ３に電気的に接続される。半導体モジュール１２Ｕ１，１２Ｕ２，１２Ｖ１，１２Ｖ２，１２Ｗ１，１２Ｗ２の第１端子Ｍ１は、フィルタコンデンサ１０の正極端子Ｐから引き出された正極側母線１１Ｐに電気的に接続され、半導体モジュール１２Ｕ１，１２Ｕ２，１２Ｖ１，１２Ｖ２，１２Ｗ１，１２Ｗ２の第２端子Ｍ２は、フィルタコンデンサ１０の負極端子Ｎから引き出された負極側母線１１Ｎに電気的に接続される。なお、フィルタコンデンサ１０は、電力変換に必要な直流電力を蓄積するコンデンサであり、電力変換装置における電力供給源である。

また、半導体モジュール１２Ｕ１の第３端子Ｍ３と半導体モジュール１２Ｕ２の第３端子Ｍ３とは電気的に接続されてＵ相交流端子を構成し、モータ８のＵ相に電気的に接続される。半導体モジュール１２Ｖ１の第３端子Ｍ３と半導体モジュール１２Ｖ２の第３端子Ｍ３とは電気的に接続されてＶ相交流端子を構成し、モータ８のＶ相に電気的に接続される。半導体モジュール１２Ｗ１の第３端子Ｍ３と半導体モジュール１２Ｗ２の第３端子Ｍ３とは電気的に接続されてＷ相交流端子を構成し、モータ８のＷ相に電気的に接続される。

なお、図３では、半導体モジュール１２Ｕ１に搭載されるスイッチング素子４ａ，４ｂとして、ＭＯＳＦＥＴを例示しているが、ＭＯＳＦＥＴ以外であってもよい。ＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチング素子としは、ＩＧＢＴ又はＩＰＭ（Intelligent Power Module）が例示される。

図２に戻り、半導体モジュール１２における各端子の構成について説明する。半導体モジュール１２のパッケージ３０は、横長形状に形成されている。第１端子Ｍ１には２つの締結点３２Ｐが設けられ、第２端子Ｍ２には２つの締結点３２Ｎが設けられ、第３端子Ｍ３には３つの締結点３２ＡＣが設けられている。このように、第１端子Ｍ１、第２端子Ｍ２及び第３端子Ｍ３には、複数の締結点が設けられているので、モジュール内でのチップ間の分流がよくなり、モジュール内での発熱の偏りを小さくできるという利点がある。なお、図２では、第１端子Ｍ１における締結点３２Ｐの数、及び第２端子Ｍ２における締結点３２Ｎの数を２とし、第３端子Ｍ３における締結点３２ＡＣの数を３としているが、これらの締結点の数は電流容量に応じて変更してもよい。すなわち、第１端子Ｍ１における締結点３２Ｐ及び第２端子Ｍ２における締結点３２Ｎの数は、それぞれが３以上であってもよい。また、第３端子Ｍ３における締結点３２ＡＣの数は、２であってもよいし、４以上であってもよい。

第１端子Ｍ１における２つの締結点３２Ｐは、パッケージ３０における一方側の短辺部３３において、配列がパッケージ３０の長手方向に直交する方向に並ぶように配列されている。第２端子Ｍ２における２つの締結点３２Ｎは、第１端子Ｍ１における２つの締結点３２Ｐの並びと平行で、且つ、第１端子Ｍ１よりもパッケージ３０の内方側すなわち中央部側に配列されている。第３端子Ｍ３における３つの締結点３２ＡＣは、パッケージ３０における他方側の短辺部３４において、配列がパッケージ３０の長手方向に直交する方向に並ぶように配列されている。これらの配列により、第１端子Ｍ１、第２端子Ｍ２及び第３端子Ｍ３における各締結点は、パッケージ３０の長手方向に平行な短辺同士を結ぶ中心線Ｌ１に対して、線対称の位置に配置される。

第１端子Ｍ１における１つの締結点３２Ｐと、第２端子Ｍ２における１つの締結点３２Ｎとは、距離ｄだけ離間して配置されている。距離ｄは絶縁に必要な距離である。距離ｄは、第１端子Ｍ１に印加される電圧と第２端子Ｍ２に印加される電圧との差、すなわち第１端子Ｍ１と第２端子Ｍ２との間の電位差に応じて定めることができる。

第１端子Ｍ１における２つの締結点３２Ｐは、締結点３２Ｐにおける外方側の一辺３５が、パッケージ３０の一方側の短辺部３３における一辺３３ａに沿うように、当該一辺３３ａ側に目一杯寄せられて配置されている。さらに、パッケージ３０の他方側の短辺部３４では、第３端子Ｍ３における３つの締結点３２ＡＣを搭載するための台座部３６が設けられている。第３端子Ｍ３における３つの締結点３２ＡＣは、締結点３２ＡＣにおける外方側の一辺３７が、台座部３６における長手方向の一辺３６ａに沿うように、当該一辺３６ａ側に目一杯寄せられて配置されている。

第１端子Ｍ１における２つの締結点３２Ｐ及び第３端子Ｍ３における３つの締結点３２ＡＣを上記のように構成することにより、半導体モジュール１２の筐体であるパッケージ３０が大きくなるのを抑制しつつ、パッケージ３０内に収容する半導体素子の搭載面積を確保することが可能となる。

なお、図２では、第１端子Ｍ１をパッケージ３０の外方側に配置し、第２端子Ｍ２をパッケージ３０の内方側に配置しているが、これらの関係を逆にしてもよい。すなわち、第２端子Ｍ２をパッケージ３０の外方側に配置し、第１端子Ｍ１をパッケージ３０の内方側に配置してもよい。

次に、実施の形態１の電力変換装置における６つの半導体モジュールの配置について、図４を参照して説明する。図４は、実施の形態１の電力変換装置における６つの半導体モジュールの配置例を模式的に示す図である。

実施の形態１の電力変換装置における６つの半導体モジュールの配置に関する特徴は、以下の通りである。なお、以下の説明では、第１端子Ｍ１（Ｐ）を正極直流端子、第２端子Ｍ２（Ｎ）を負極直流端子、第３端子Ｍ３（ＡＣ）を交流端子と称する。

（１）同一相の半導体モジュールを構成する２つの半導体モジュールにおける正極直流端子同士を向かい合わせて配置している。
（２）同一相の半導体モジュールを構成する２つの半導体モジュールを半導体モジュール群とするときに、３つの半導体モジュール群を半導体モジュール群内の２つの半導体モジュールの配列方向に直交する方向に配列している。
（３）半導体モジュール群におけるそれぞれの正極直流端子、負極直流端子及び交流端子は、各半導体モジュールの短辺に平行に引いた中心線Ｌ２に対して、線対称の位置に配置される。
（４）同一相の半導体モジュールにおける正極直流端子同士が接近して配置されており、同一相の半導体モジュールにおけるモジュール間の間隔ｄ１が、半導体モジュール群間の間隔すなわち異なる相の半導体モジュールにおけるモジュール間の間隔ｄ２よりも小さくなっている。

上記の特徴について補足する。図４において、Ｗ２相を構成する半導体モジュール１２Ｗ２は、Ｗ１相を構成する半導体モジュール１２Ｗ１を配置面に直交する軸に対して１８０度回転したものに相当する。すなわち、半導体モジュール１２Ｗ１と半導体モジュール１２Ｗ２とは、回転対称の関係にある。また、半導体モジュール１２Ｗ１と半導体モジュール１２Ｗ２とは、中心線Ｌ２に対して鏡像の関係にある。すなわち、半導体モジュール１２Ｗ１と半導体モジュール１２Ｗ２とは、線対称の関係にある。

上記のような、回転対称且つ線対称の関係が満たされるのは、上述したように、第１端子Ｍ１、第２端子Ｍ２及び第３端子Ｍ３における各締結点が、図２に示すように、パッケージ３０の中心線Ｌ１に対して線対称となるように配置されているからである。これにより、同一相の半導体モジュールにおける正極直流端子同士が向かい合う関係になる。正極直流端子同士は、半導体モジュール１２が同相であるか異相であるかに拘わらず、同電位で変動する端子であり、インバータ回路３が電力変換動作を行う場合の電位も同電位で変動する。このため、端子間の電位差が理論的には零となり、向かい合う正極直流端子同士を近づけることができる。これにより、モジュール間の間隔ｄ１を縮めることが可能となる。

なお、上述の効果は、負極直流端子を辺部に配置し、負極直流端子同士を向かい合わせて配置した場合も同様に得られる。

図５は、実施の形態１に係る電力変換装置を鉄道車両に搭載した場合の構成例を示す図であり、鉄道車両に搭載される電力変換装置の内部を車両上部側からレール側に向けて視認したときの正視図である。図６は、ラミネートブスバーと半導体モジュールとの接続状態を示す平面図である。

図５に示すように、電力変換装置は、放熱器６５、ゲート制御ユニット６７、断流器及びＩ／Ｆユニット６８、並びにインバータ装置７０を備えて構成される。また、インバータ装置７０は、ゲート駆動回路基板４０、フィルタコンデンサ１０、素子部４２及びラミネートブスバー４４を有している。なお、実際の車両搭載状態では、放熱器６５を除く、ゲート制御ユニット６７、断流器及びＩ／Ｆユニット６８、並びにインバータ装置７０は、筐体６６の内部に収容されて外気から遮蔽される。一方、放熱器６５は、外気に触れるように筐体６６の外部に取り付けられ、冷却風にて冷却可能に構成される。

素子部４２は、図２に示した半導体モジュール１２を複数含む構成部である。図５では、素子部４２として、半導体モジュール１２Ｗ１，１２Ｗ２が図示されている。ゲート駆動回路基板４０は、素子部４２の半導体モジュール１２をＰＷＭ駆動するのに必要な駆動信号を生成するゲート駆動回路４０ａを搭載した基板である。断流器及びＩ／Ｆユニット６８は、インバータ装置７０に流れる電流を遮断する機能、及びゲート制御ユニット６７とゲート駆動回路４０ａとの間の信号授受を行う機能を有する構成部である。

フィルタコンデンサ１０と、素子部４２を構成する半導体モジュール１２とは、Ｌ字形状に形成されたラミネートブスバー４４によって結ばれる。ラミネートブスバー４４は、薄板金属板と絶縁物とがラミネート材で一体に被覆されている部品である。図５では、薄板金属板を成す第１導体部４４ａと、第２導体部４４ｂとを示している。なお、ラミネートブスバー４４に代えて、ラミネート材で被覆されていない積層ブスバーを用いてもよい。

図６に示すように、ラミネートブスバー４４における第１導体部４４ａは、半導体モジュール１２Ｕ１，１２Ｕ２，１２Ｖ１，１２Ｖ２，１２Ｗ１，１２Ｗ２の正極直流端子に電気的に接続され、第２導体部４４ｂは、半導体モジュール１２Ｕ１，１２Ｕ２，１２Ｖ１，１２Ｖ２，１２Ｗ１，１２Ｗ２の負極直流端子に電気的に接続される。

また、図５に示すように、ラミネートブスバー４４における第１導体部４４ａは、フィルタコンデンサ１０の正極端子１０ａに電気的に接続され、ラミネートブスバー４４における第２導体部４４ｂは、フィルタコンデンサ１０の負極端子１０ｂに電気的に接続される。これらの接続により、素子部４２を構成する半導体モジュール１２Ｕ１，１２Ｕ２，１２Ｖ１，１２Ｖ２，１２Ｗ１，１２Ｗ２のそれぞれと、フィルタコンデンサ１０との間が電気的に接続される。

なお、図５及び図６では図示していないが、図１及び図３に示す回路構成とするには、同一相の半導体モジュールにおける交流端子ＡＣ同士を電気的に接続すればよい。この場合、図５及び図６に示したラミネートブスバー４４の構成を変更して用いてもよいし、ラミネートブスバー４４とは異なるラミネートブスバー又は導体バーを用いてもよい。

以上説明したように、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、６つの半導体モジュールのうちで同一相の半導体モジュールを構成する２つの半導体モジュールからなる半導体モジュール群において、２つの半導体モジュールの第１端子同士又は第２端子同士を向かい合わせて配置すると共に、３つの半導体モジュール群を半導体モジュール群内の２つの半導体モジュールの配列方向に直交する方向に配列したので、２並列で配置される半導体モジュール間の間隔を小さくすることができ、インバータ回路を含む電力変換装置の更なる小型化を図ることが可能となる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２の電力変換装置における６つの半導体モジュールの配置例を模式的に示す図である。実施の形態１では、図４に示すように、同一相の半導体モジュールを構成する２つの半導体モジュールにおける正極直流端子同士を向かい合わせて配置していた。これに対し、実施の形態２では、図７に示すように、同一相の半導体モジュールを構成する２つの半導体モジュールにおける交流端子同士を向かい合わせて配置している。その他の構成については、実施の形態１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。

上述した特徴に加え、実施の形態２の構成では、以下の特徴を有する。
（１）実施の形態１の構成と同様に、３つの半導体モジュール群を半導体モジュール群内の２つの半導体モジュールの配列方向に直交する方向に配列している。
（２）半導体モジュール群におけるそれぞれの正極直流端子、負極直流端子及び交流端子は、各半導体モジュールの短辺に平行に引いた中心線Ｌ３に対して、線対称の位置に配置される。
（３）同一相の半導体モジュールにおける交流端子同士が接近して配置されており、同一相の半導体モジュールにおけるモジュール間の間隔ｄ３が、半導体モジュール群間の間隔すなわち異なる相の半導体モジュールにおけるモジュール間の間隔ｄ４よりも小さくなっている。

実施の形態２の構成において、同一相の交流端子同士は、同電位で変動する端子であり、インバータ回路３が電力変換動作を行う場合の電位も同電位で変動する。このため、端子間の電位差が理論的には零となり、向かい合う交流端子同士を近づけることができる。これにより、モジュール間の間隔ｄ３を縮めることが可能となる。

以上説明したように、実施の形態２に係る電力変換装置によれば、６つの半導体モジュールのうちで同一相の半導体モジュールを構成する２つの半導体モジュールからなる半導体モジュール群において、２つの半導体モジュールの第３端子同士を向かい合わせて配置すると共に、３つの半導体モジュール群を半導体モジュール群内の２つの半導体モジュールの配列方向に直交する方向に配列したので、２並列で配置される半導体モジュール間の間隔を小さくすることができ、インバータ回路を含む電力変換装置の更なる小型化を図ることが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態１，２では、図２に示す半導体モジュール１２をインバータ回路３に適用した場合の実施の形態について説明したが、実施の形態３では、図２に示す半導体モジュール１２をコンバータ回路に適用した場合の実施の形態について説明する。

図８は、実施の形態３に係る電力変換装置の構成例を示す図である。図８に示す実施の形態３に係る電力変換装置は、交流入力の電気車に適用される電力変換装置の一構成例であり、コンバータ回路２０、フィルタコンデンサ１０及びインバータ回路３を有して構成される。

図８において、架線５０から集電装置５１を介して集電された交流電圧は、変圧器５６によって降圧された後に、コンバータ回路２０によって直流電圧に変換される。変換された直流電圧は、フィルタコンデンサ１０を介し、インバータ回路３によって任意周波数及び任意電圧の交流電圧に変換されてモータ８に印加され、モータ８が駆動される。

ここで、図８に示されるコンバータ回路２０も、実施の形態１と同様に、各相は、正側スイッチング素子と負側スイッチング素子とが直列に接続されたレグを２組有する構成である。このため、図４又は図７の構成において、４つの半導体モジュール１２Ｕ１，１２Ｕ２，１２Ｖ１，１２Ｖ２を使用してコンバータ回路２０を構成すれば、コンバータ回路２０の小型化を図ることができる。

以上説明したように、実施の形態３に係る電力変換装置によれば、４つの半導体モジュールのうちで同一相の半導体モジュールを構成する２つの半導体モジュールからなる半導体モジュール群において、２つの半導体モジュールの第１端子同士、第２端子同士又は第３端子同士を向かい合わせて配置すると共に、２つの半導体モジュール群を半導体モジュール群内の２つの半導体モジュールの配列方向に直交する方向に配列したので、２並列で配置される半導体モジュール間の間隔を小さくすることができ、コンバータ回路を含む電力変換装置の更なる小型化を図ることが可能となる。

実施の形態４．
実施の形態１，２のインバータ回路３では、各相におけるそれぞれの第１レグ及び第２レグが並列に接続された３相インバータ回路を使用して１又は複数のモータ８を駆動する実施の形態について説明したが、実施の形態４では、第１レグ及び第２レグを並列に接続せずに構成した２つの３相インバータ回路を使用して１又は複数のモータ８を駆動する実施の形態について説明する。

図９は、実施の形態４に係る電力変換装置で用いるインバータ回路３Ａの回路構成を示す図である。図１又は図３に示す実施の形態１と同一又は同等の構成部には同一符号を付して示している。

図９に示すインバータ回路３Ａでは、スイッチング素子４ａ１，４ａ２，５ａ１，５ａ２，６ａ１，６ａ２，４ｂ１，４ｂ２，５ｂ１，５ｂ２，６ｂ１，６ｂ２を具備する点は図１又は図３に示すインバータ回路３と同様であるが、各相におけるそれぞれの第１レグ及び第２レグが並列に接続されない点が相違点である。

なお、図９では、インバータ回路３Ａを構成する一方の３相インバータ回路がモータ８ａを駆動し、インバータ回路３Ａを構成する他方の３相インバータ回路がモータ８ｂを駆動する構成を示しているが、モータ８ａ，８ｂは１台であっても複数台であってもよい。実施の形態１の構成でもインバータ回路３が駆動するモータ８は、１台であっても複数台であってもよく、この点は共通している。

図９に示すインバータ回路３Ａの構成であっても、図４又は図７に示される配置例を採用することができる。また、この場合、図９の回路図に示されるように、正極側のスイッチング素子のドレインが正極側母線１１Ｐに電気的に接続され、負極側のスイッチング素子のソースが負極側母線１１Ｎに電気的に接続される回路構成となる。このため、図５及び図６に示すラミネートブスバー４４を用いて、半導体モジュール１２とフィルタコンデンサ１０との間を接続することが可能となる。

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。

２ 入力回路、３，３Ａ インバータ回路、４ａ１，４ａ２，５ａ１，５ａ２，６ａ１，６ａ２，４ｂ１，４ｂ２，５ｂ１，５ｂ２，６ｂ１，６ｂ２ スイッチング素子、７ 制御部、８，８ａ，８ｂ モータ、１０ フィルタコンデンサ、１０ａ 正極端子、１０ｂ 負極端子、１１Ｐ 正極側母線、１１Ｎ 負極側母線、１２，１２Ｕ１，１２Ｕ２，１２Ｖ１，１２Ｖ２，１２Ｗ１，１２Ｗ２ 半導体モジュール、２０ コンバータ回路、３０ パッケージ、３２Ｐ，３２Ｎ，３２ＡＣ 締結点、３３，３４ 短辺部、３３ａ，３５，３６ａ，３７ 一辺、３６ 台座部、４０ ゲート駆動回路基板、４０ａ ゲート駆動回路、４２ 素子部、４４ ラミネートブスバー、４４ａ 第１導体部、４４ｂ 第２導体部、５０ 架線、５１ 集電装置、５２ レール、５３ 車輪、５６ 変圧器、６５ 放熱器、６６ 筐体、６７ ゲート制御ユニット、６８ 断流器及びＩ／Ｆユニット、７０ インバータ装置。

Claims (6)

1. 直列接続された一対の半導体スイッチング素子を具備する半導体モジュールを用いた電力変換装置であって、
   ４以上且つ偶数の前記半導体モジュールを備え、
   前記半導体モジュールは、第１端子、第２端子、及び第３端子を表面に有し、
   前記第１端子、前記第２端子及び前記第３端子には複数の締結点が設けられ、
   正側スイッチング素子の正極が前記第１端子に電気的に接続され、
   負側スイッチング素子の負極が前記第２端子に電気的に接続され、
   前記正側スイッチング素子の負極と前記負側スイッチング素子の正極とが前記第３端子に電気的に接続され、
   ４以上且つ偶数の前記半導体モジュールのうちで同一相の半導体モジュール群を構成する２つの半導体モジュールの第１端子同士、第２端子同士又は第３端子同士は向かい合わせて配置され、
   複数の前記半導体モジュール群は、前記半導体モジュール群内の２つの半導体モジュールの配列方向に直交する方向に配列されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記半導体モジュールの数は６であり、６つの前記半導体モジュールを用いて、各相が２並列で接続された３相インバータ回路が構成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。
3. 前記半導体モジュールの数は４であり、４つの前記半導体モジュールを用いて、各相が２並列で接続されたコンバータ回路が構成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。
4. 前記半導体モジュールの数は６であり、６つの前記半導体モジュールを用いて、２つの３相インバータ回路が構成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。
5. 前記第１端子は正極直流端子であり、
   前記第２端子は負極直流端子であり、
   前記第３端子は交流端子である
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記第１端子における複数の前記締結点は、モジュール筐体における一方側の短辺部において、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、
   前記第２端子における複数の前記締結点は、前記第１端子における複数の前記締結点の並びと平行で、且つ、前記第１端子よりも前記モジュール筐体の内方側に配列され、
   前記第３端子における複数の前記締結点は、前記モジュール筐体における他方側の短辺部において、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ている
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の電力変換装置。

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