JP6573742B2

JP6573742B2 - 主回路配線部材及び電力変換装置

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Publication number: JP6573742B2
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Inventors: 幸夫中嶋
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Description

本発明は、半導体素子モジュールとフィルタコンデンサとの間、又は半導体素子モジュール同士を電気的に接続するための主回路配線部材、及び当該主回路配線部材を使用した電力変換装置に関する。

下記特許文献１には、半導体素子モジュールとフィルタコンデンサとがブスバーにて電気的に接続される構成の電力変換装置が開示されている。

国際公開第２０１２／１０８０４８号

上記の従来技術では、耐圧を確保するには、ブスバーの厚さをあまり薄くすることはできなかった。このため、従来技術では、一対の導体間を絶縁するための絶縁層の厚みがボトルネックとなり、主回路配線部材であるブスバーを小型化するための障壁となっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、必要な耐圧を確保しつつ、更なる小型化を実現する主回路配線部材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、直流電力供給源と半導体素子モジュールとの間、又は半導体素子モジュール同士を電気的に接続するための主回路配線部材である。本発明の主回路配線部材は、絶縁部材によって覆われ、第１の電位が印加可能に構成された第１の導体、絶縁部材によって覆われ、第１の電位よりも低い第２の電位が印加可能に構成された第２の導体、及び１又は複数の中間電位層導体を間に挟み、第１の導体と第２の導体との間に配される導体間絶縁部材を備える。

本発明によれば、主回路配線部材において、必要な耐圧を確保しつつ、更なる小型化を実現することができる、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主回路の構成例を示す図実施の形態１に係る電力変換装置の主回路を構成するスイッチング素子とフィルタコンデンサ上の直流端子との間の接続態様を示す図実施の形態１に係る主回路配線部材の構造を模式的に示す断面図一般的な主回路配線部材の構造を模式的に示す断面図図４に示す構造の主回路配線部材に直流電圧を印加した場合の電圧波形の第１の例を示す図図４に示す構造の主回路配線部材に直流電圧を印加した場合の電圧波形の第２の例を示す図実施の形態１の主回路配線部材における作用及び効果の説明に供する第１の図実施の形態１の主回路配線部材における作用及び効果の説明に供する第２の図実施の形態１の主回路配線部材における作用及び効果の説明に供する第３の図実施の形態１の主回路配線部材における作用及び効果の説明に供する第４の図実施の形態１の主回路配線部材における作用及び効果の説明に供する第５の図実施の形態１の主回路配線部材における作用及び効果の説明に供する第６の図実施の形態２の主回路配線部材における構造、作用及び効果の説明に供する図

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る主回路配線部材及び電力変換装置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、意図して明示する場合を除き、「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主回路の構成例を示す図である。図１では、電力変換装置の主回路が２レベル３相インバータである場合を一例として示している。２レベル３相インバータの主回路は、図示のように、直流電力供給源であるフィルタコンデンサ１１０と、フィルタコンデンサ１１０の正極端子Ｐと負極端子Ｎとの間に接続される半導体素子モジュール１０１〜１０６とを有する。

フィルタコンデンサ１１０の正極端子Ｐと負極端子Ｎとの間には正側アームを成す半導体素子モジュール１０１と負側アームを成す半導体素子モジュール１０２とが直列に接続されている。半導体素子モジュール１０１，１０２の接続点は引き出されて交流（Alternate Current：ＡＣ）端子であるＵ相交流端子を形成する。以下同様に、フィルタコンデンサ１１０における直流端子である正極端子Ｐと負極端子Ｎとの間において、正側アームを成す半導体素子モジュール１０３と負側アームを成す半導体素子モジュール１０４とが直列に接続され、正側アームを成す半導体素子モジュール１０５と負側アームを成す半導体素子モジュール１０６とが直列に接続されている。半導体素子モジュール１０３，１０４の接続点は引き出されてＶ相交流端子を形成し、半導体素子モジュール１０５，１０６の接続点は引き出されてＷ相交流端子を形成する。これらの半導体素子モジュール１０１〜１０６は、フィルタコンデンサ１１０に蓄積される直流電力を交流電力に変換するスイッチング動作を行う。

半導体素子モジュール１０１は、スイッチング素子の一例であるＩＧＢＴ１１１と、ＩＧＢＴ１１１に逆並列接続されるダイオード１１２とを有して構成される。ＩＧＢＴ１１１のコレクタとダイオード１１２のカソードとが接続されて、端子Ｃ１を形成し、ＩＧＢＴ１１１のエミッタとダイオード１１２のアノードが接続されて端子Ｅ１を形成する。また、半導体素子モジュール１０２は、ＩＧＢＴ１２１と、ＩＧＢＴ１２１に逆並列接続されるダイオード１２２とを有して構成され、ＩＧＢＴ１２１のコレクタとダイオード１２２のカソードが接続されて端子Ｃ２を形成し、ＩＧＢＴ１２１のエミッタとダイオード１２２のアノードが接続されて端子Ｅ２を形成する。

なお、図１では、正側アーム及び負側アームのそれぞれを１つの半導体素子モジュールで構成した例であるが、正側アームと負側アームとを１つのパッケージに収容したいわゆる２ｉｎ１モジュールを用いて主回路を構成してもよい。２ｉｎ１モジュールを用いる場合には、３つの２ｉｎ１モジュールを用いて主回路を構成することができる。

また、図１では、２レベル３相インバータの主回路を例示したが、３相に代えて、単相又はハーフブリッジ構成の主回路に適用してもよい。また、インバータに代えて、交流電力を直流電力に変換するコンバータに適用してもよい。さらに、２レベルに代えて３レベルの主回路に適用してもよい。

図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の主回路を構成するスイッチング素子とフィルタコンデンサ上の直流端子との間の接続態様を示す図である。図１が、通例の回路図の形で表した図であるのに対し、図２は、実際の配置に近い形で表した接続図である。図２において、図１と同じ部位には同一の符号を付して示している。

図２において、フィルタコンデンサ１１０と半導体素子モジュール１０１，１０２との間には、フィルタコンデンサ１１０の正極端子Ｐと半導体素子モジュール１０１の端子Ｃ１とを接続するための接続導体１０７と、フィルタコンデンサ１１０の負極端子Ｎと半導体素子モジュール１０２の端子Ｅ２とを接続するための接続導体１０８とが設けられている。

接続導体１０７と接続導体１０８とは、平行かつ接近させて配置されている。フィルタコンデンサ１１０から供給される電流は、接続導体１０７，１０８を互いに逆向きに流れる。すなわち、接続導体１０７，１０８は、往復路を形成する。接続導体１０７，１０８が往復路を形成するとき、往復路に流れる互いに逆向きの電流によって生じる磁界も逆向きとなる。このため、互いに逆向きの磁界によって、接続導体１０７，１０８間の磁界の作用が打ち消し合い、フィルタコンデンサ１１０と半導体素子モジュール１０１との間のインダクタンス成分は小さくなる。さらに、接続導体１０７，１０８を平行平板導体で構成すれば、磁界の相互作用が小さくなる。

よって、接続導体１０７，１０８を平行平板導体で構成し、これらの導体間の間隔Ｄを極力小さくするようにすれば、フィルタコンデンサ１１０と半導体素子モジュール１０１との間のインダクタンス成分を大幅に低減することが可能となる。このような動作原理を利用して構成したものが、後述するラミネートブスバーである。

なお、図２では、電力変換装置の主回路を構成するスイッチング素子とフィルタコンデンサ上の直流端子との間の接続態様について示したが、電力変換装置の主回路を構成するスイッチング素子同士間の接続に接続導体１０７，１０８を用いてもよいことは言うまでもない。

図３は、実施の形態１に係る主回路配線部材の構造を模式的に示す断面図である。図３では、実施の形態１に係る主回路配線部材の断面構造を示している。

図３において、主回路配線部材は、図３では図示しない直流電力供給源の正極端子に接続される第１の導体である導体１２ａと、直流電力供給源の負極端子に接続される第２の導体である導体１２ｂと、を備える。導体１２ａ，１２ｂのそれぞれは平板状に形成される。すなわち、導体１２ａ，１２ｂによって、いわゆる平行平板導体が構成される。導体１２ａは、図２に示した接続導体１０７に対応し、導体１２ｂは、図２に示した接続導体１０８に対応する。

導体１２ａ，１２ｂにおけるそれぞれの周囲は、導体絶縁部材である絶縁フィルム１０によって覆われている。絶縁フィルム１０によって覆われた導体１２ａを直流電力供給源の正極端子に接続する場合には、絶縁フィルム１０の一部を剥がして一部の導体部位を露出させ、露出させた導体部位と直流電力供給源の正極端子との間で電気的な接続をとればよい。なお、導体１２ａの接続構造は、直流電力供給源の正極端子に直接接続する構造でなくてもよく、直流電力供給源の正極端子が付与する第１の電位が印加可能であれば、どのような構造であってもよい。絶縁フィルム１０によって覆われた導体１２ｂも同様であり、直流電力供給源の負極端子が付与する第１の電位よりも低い第２の電位が印加可能であれば、どのような構造であってもよい。

絶縁フィルム１０によって覆われた導体１２ａと、絶縁フィルム１０によって覆われた導体１２ｂとの間には、中間電位層導体１６を間に挟んで形成される導体間絶縁部材である絶縁部材１４が配されている。絶縁部材１４は、導体１２ａに印加される電位と、導体１２ｂに印加される電位との間の絶縁を強化するために用いられる。以下、便宜的に、導体１２ａ側に配される部位を第１の絶縁部材１４ａと称し、導体１２ｂ側に配される部位を第２の絶縁部材１４ｂと称する。

導体１２ａ，１２ｂの一例は、銅又はアルミニウムである。また、絶縁部材１４の一例は、シリコン系のゴムである。また、中間電位層導体１６の一例は、カーボン紙である。なお、何れの素材も一例であり、これらの素材に限定されるものではない。

図４は、一般的な主回路配線部材の構造を模式的に示す断面図である。図３と図４とを比較すれば明らかなように、実施の形態１に係る主回路配線部材では、絶縁部材１４の内部に中間電位層導体１６を挿入している点で、従来からある一般的な主回路配線部材の構造と相違している。

図５は、図４に示す構造の主回路配線部材に直流電圧を印加した場合の電圧波形の第１の例を示す図である。図５において、太実線は、導体１２ａと導体１２ｂとの間に生じた電圧波形であり、太破線は、導体１２ａと導体１２ｂとの間に等価的に印加される電圧波形である。

主回路を構成するスイッチング素子がスイッチング動作するときには、スイッチング動作の開始時に図５に示すようなサージ電圧が発生する。このサージ電圧は、直流電力供給源の出力電圧である直流電圧に重畳される。また、このサージ電圧は、スイッチング動作の終了時にも発生する。さらに、スイッチング動作の終了時に発生するサージ電圧は、負の電圧である。このため、導体１２ａと導体１２ｂとの間に印加される電圧は、オフセット成分を持ち、正の電位と負の電位とを往来する等価的な交流電圧となる。

図６は、図４に示す構造の主回路配線部材に直流電圧を印加した場合の電圧波形の第２の例を示す図である。図６に示す第２の例は、スイッチング素子を駆動するための駆動信号が第１の例とは異なる場合の例である。

図６では、図５と同様に、導体１２ａと導体１２ｂとの間に生じた電圧波形を太実線で示し、導体１２ａと導体１２ｂとの間に印加される等価的な電圧波形を太破線で示している。図６に示す第２の例では、サージ電圧が正の方向と負の方向とに対称的に発生している。このため、導体１２ａと導体１２ｂとの間に印加される電圧は、オフセット成分を持たない、等価的な交流電圧となる。

絶縁部材１４は、導体１２ａと導体１２ｂとの間の絶縁強化のために設けることについて説明したが、絶縁が不十分な場合、導体１２ａと導体１２ｂとの間の絶縁が破れて、部分放電を起こすことが知られている。絶縁部材１４の厚さを大きくすれば絶縁は強化されるが、主回路配線部材の厚みが大きくなって主回路配線部材は大型化する。これに対して、実施の形態１に係る主回路配線部材は、絶縁部材１４の厚さを変えずに導体１２ａと導体１２ｂとの間の絶縁を強化することを主眼とするものである。

図７は、実施の形態１の主回路配線部材における作用及び効果の説明に供する第１の図である。図７には、図３に示した実施の形態１に係る主回路配線部材の絶縁部材１４に生じ得る静電容量Ｃ_１，Ｃ_２が示されている。

中間電位層導体１６は、導体１２ａ及び導体１２ｂの何れの導体とも接続されていない。このため、中間電位層導体１６の電位は、導体１２ａの電位と導体１２ｂの電位とで決定される浮遊電位となる。ここで、図７に示されるように、導体１２ａと中間電位層導体１６との間の静電容量をＣ_１とし、中間電位層導体１６と導体１２ｂとの間の静電容量をＣ_２とすれば、中間電位層導体１６の電位は、導体１２ａ，１２ｂ間の電位をＣ_１とＣ_２との分圧比で按分した電位となる。なお、絶縁フィルム１０の厚さが均一であり、また、第１の絶縁部材１４ａと第２の絶縁部材１４ｂとの厚さが等しい場合、静電容量Ｃ_１，Ｃ_２の値は等しくなり、中間電位層導体１６の電位は、導体１２ａ，１２ｂ間の電位差の１／２となる。

図８は、実施の形態１の主回路配線部材における作用及び効果の説明に供する第２の図である。図８では、横軸に絶縁部材の厚みをとり、縦軸には部分放電の開始電圧である放電開始電圧を示している。

一般に、放電開始電圧は、絶縁部材の厚みが増加するに従って、図８に示すような飽和傾向となる。具体的に、放電開始電圧は，おおよそ絶縁部材の厚みの０．５乗に比例すると言われている。すなわち、放電開始電圧Ｖと絶縁部材の厚みｄとの間には、以下の（１）式で示される関係がある。

Ｖ≒Ａｄ^０.５ …（１）

なお、上記（１）式における“Ａ”は、絶縁部材の素材によって決まる係数である。

上記（１）式によれば、絶縁部材の厚みｄを２倍にしても放電開始電圧Ｖは２倍にはならず、２倍以下となることを意味する。逆に、絶縁部材の厚みｄを１／２倍とすれば，放電開始電圧Ｖは１／２倍よりも大きくなることを意味する。具体的に、絶縁部材の厚みｄを１／２倍にすると、放電開始電圧Ｖは１／√２倍（≒０．７倍）となる。図中の破線は、絶縁部材の厚みｄと放電開始電圧Ｖとが比例すると仮定した場合の波形である。よって、図中の矢印の長さで示す差分が放電開始電圧Ｖの上昇が期待できる電圧分である。

また、図９は、実施の形態１の主回路配線部材における作用及び効果の説明に供する第３の図である。図９では、横軸に絶縁部材の厚みをとり、縦軸には部分放電が始まるときの電界である放電開始電界を示している。

図９の縦軸にも示すように、放電開始電界Ｅは、放電開始電圧Ｖを絶縁部材の厚みＤで除算することで求めることができる。これにより、放電開始電界Ｅと絶縁部材の厚みｄとの間には、以下の（２）式で示される関係となる。

Ｅ≒Ｂｄ^−０.５ …（２）

なお、上記（２）式における“Ｂ”は、絶縁部材の素材によって決まる係数である。

図９には、絶縁部材の厚みｄを１／２倍にすることにより、放電開始電界Ｅを√２倍にできることが示されている。図中の矢印の長さで示す差分が放電開始電界Ｅの上昇が期待できる電界分である。

図１０は、実施の形態１の主回路配線部材における作用及び効果の説明に供する第４の図である。また、図１１は、実施の形態１の主回路配線部材における作用及び効果の説明に供する第５の図である。図１０は、比較例として示す図であり、図４に示した一般的な主回路配線部材の構造に対応している。

図１０に示すように、中間電位層導体１６を有さない図４の構成における放電開始電圧をＶ_１、放電開始電界をＥ_１（＝Ｖ_１／ｄ）とする。なお、放電開始電界Ｅ_１は、Ｅ_１＝Ｖ_１／ｄで計算するものとする。

次に、中間電位層導体１６を有する図３の構成における放電開始電圧及び放電開始電界を求める。まず、中間電位層導体１６が中央部に挿入されているので、導体１２ａと中間電位層導体１６との間隔と、中間電位層導体１６と導体１２ｂとの間隔とは等しくｄ／２となる。なお、中間電位層導体１６の厚さは零であるとして考えている。

したがって、上記（２）式に示す関係から、導体１２ａと中間電位層導体１６との間の放電開始電界は√２＊Ｅ_１となり、中間電位層導体１６と導体１２ｂとの間の放電開始電界も√２＊Ｅ_１となる。また、導体１２ａと中間電位層導体１６との間の放電開始電圧は、√２＊Ｅ_１＊（ｄ／２）＝（Ｅ_１＊ｄ）＊（√２／２）＝Ｖ_１／√２となり、中間電位層導体１６と導体１２ｂとの間の放電開始電圧もＶ_１／√２となる。これにより、導体１２ａと導体１２ｂとの間の放電開始電圧は、（Ｖ_１／√２）＋（Ｖ_１／√２）＝√２＊Ｖ_１となる。すなわち、図３に示す実施の形態１に係る主回路配線部材によれば、図４に示す一般的な主回路配線部材に比して、導体１２ａと導体１２ｂとの間の放電開始電圧を√２倍に高めることができる。

以上の説明のように、実施の形態１に係る主回路配線部材によれば、主回路配線部材を構成する導体間に挿入される絶縁部材に中間電位層導体を設けるようにしたので、導体間の間隔を広げることなく、主回路配線部材の耐圧を高めることが可能となる。

図１２は、実施の形態１の主回路配線部材における作用及び効果の説明に供する第６の図である。図１２において、ａ＝２とした場合には、図１１の構造に一致する。一方、ａとして２を超える任意の実数を選択することにより、小型化の効果が現れる。以下、説明の理解の容易性から、ａ＝４とした場合について説明する。

ａ＝４とした場合、導体１２ａと導体１２ｂとの間の放電開始電圧は、（２＊Ｖ_１／√４）＝Ｖ_１となって、図１１の場合に一致する。一方、導体１２ａと導体１２ｂとの間隔は、（ｄ／４）＋（ｄ／４）＝ｄ／２となる。すなわち、実施の形態１に係る主回路配線部材によれば、放電開始電圧Ｖ_１を維持したまま、主回路配線部材を構成する導体間の間隔を縮めることができる。これにより、必要な耐圧を確保しつつ、更なる小型化を実現することが可能となる。

なお、理論的には、ａの値を大きくすることにより小型化が可能になるが、製作上の観点でａの値をあまり大きくすることはできない。すなわち、ａの値については、製作上の観点を考慮して、決定すればよい。

実施の形態２．
図１３は、実施の形態２の主回路配線部材における構造、作用及び効果の説明に供する図である。実施の形態１では、絶縁部材１４を細分化することで放電開始電圧を上昇できるという特徴の一例として、絶縁部材１４を導体の配列方向に２分割する例について説明した。実施の形態２では、絶縁部材１４を細分化することで放電開始電圧を上昇できるという特徴の他の例として、絶縁部材１４を導体の配列方向に３分割する例について説明する。なお、図１３において、図１１と共通する部分については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。

絶縁部材１４を３分割した場合、図１３に示すように、中間電位層導体１６は、第１の中間電位層導体１６ａ及び第２の中間電位層導体１６ｂの２つに区分され、絶縁部材１４は、第１の絶縁部材１４ａ、第２の絶縁部材１４ｂ及び第３の絶縁部材１４ｃの３つに区分される。絶縁部材１４を均等に３分割することを考えれば、導体１２ａと第１の中間電位層導体１６ａとの間隔、第１の中間電位層導体１６ａと第２の中間電位層導体１６ｂとの間隔、及び第２の中間電位層導体１６ｂと導体１２ｂとの間隔とは共に等しくｄ／３となる。

したがって、上記（２）式に示す関係から、導体１２ａと第１の中間電位層導体１６ａとの間の放電開始電界、第１の中間電位層導体１６ａと第２の中間電位層導体１６ｂとの間の放電開始電界、及び第２の中間電位層導体１６ｂと導体１２ｂとの間の放電開始電界は、共に等しく√３＊Ｅ_１となる。また、導体１２ａと第１の中間電位層導体１６ａとの間の放電開始電圧、第１の中間電位層導体１６ａと第２の中間電位層導体１６ｂとの間の放電開始電圧、及び第２の中間電位層導体１６ｂと導体１２ｂとの間の放電開始電圧は、共に等しく√３＊Ｅ_１＊（ｄ／３）＝（Ｅ_１＊ｄ）＊（√３／３）＝Ｖ_１／√３となる。これにより、導体１２ａと導体１２ｂとの間の放電開始電圧は、（Ｖ_１／√３）＋（Ｖ_１／√３）＋（Ｖ_１／√３）＝√３＊Ｖ_１となる。すなわち、図１３に示す実施の形態２に係る主回路配線部材によれば、図４に示す一般的な主回路配線部材に比して、導体１２ａと導体１２ｂとの間の放電開始電圧を√３倍に高めることができる。これにより、必要な耐圧を確保しつつ、更なる小型化を実現することが可能となる。また、図３に示す実施の形態１の主回路配線部材に比して、放電開始電圧を高める効果が大きいので、放電開始電圧を同一とした場合に、小型化の効果が大きくなる。

なお、理論的には、分割数を大きくすることにより耐圧上昇の効果が大きくなるが、製作上の観点で分割数をあまり大きくすることはできない。すなわち、分割数については、製作上の観点を考慮して、決定すればよい。

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。

１０絶縁フィルム、１２ａ，１２ｂ導体、１４絶縁部材、１４ａ第１の絶縁部材、１４ｂ第２の絶縁部材、１４ｃ第３の絶縁部材、１６中間電位層導体、１６ａ第１の中間電位層導体、１６ｂ第２の中間電位層導体、１０１〜１０６半導体素子モジュール、１０７，１０８接続導体、１１０フィルタコンデンサ、１１１，１２１ＩＧＢＴ、１１２，１２２ダイオード。

Claims

直流電力供給源と半導体素子モジュールとの間、又は半導体素子モジュール同士を電気的に接続するための主回路配線部材であって、
導体絶縁部材によって覆われ、第１の電位が印加可能に構成された第１の導体と、
導体絶縁部材によって覆われ、第１の電位よりも低い第２の電位が印加可能に構成された第２の導体と、
複数の中間電位層導体を間に挟み、前記第１の導体と前記第２の導体との間に配される導体間絶縁部材と、
を備えたことを特徴とする主回路配線部材。
１つの前記中間電位層導体によって前記導体間絶縁部材が導体の配列方向に２分割されていることを特徴とする請求項１に記載の主回路配線部材。
２つの前記中間電位層導体によって前記導体間絶縁部材が導体の配列方向に３分割されていることを特徴とする請求項１に記載の主回路配線部材。
前記中間電位層導体の素材がカーボンであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の主回路配線部材。
前記導体間絶縁部材の素材がシリコン系のゴムであることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の主回路配線部材。
直流電力供給源と半導体素子モジュールとの間、又は半導体素子モジュール同士を電気的に接続するための主回路配線部材を用いて構成される電力変換装置であって、
前記主回路配線部材は、
導体絶縁部材によって覆われ、第１の電位が印加可能に構成された第１の導体と、
導体絶縁部材によって覆われ、第１の電位よりも低い第２の電位が印加可能に構成された第２の導体と、
１又は複数の中間電位層導体を間に挟み、前記第１の導体と前記第２の導体との間に配される導体間絶縁部材と、
を備え、
前記中間電位層導体は浮遊電位とされることを特徴とする電力変換装置。