JP6759874B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
以下、図を参照して本実施形態による電力変換装置の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態の電力変換装置1の回路構成の一例を示す図である。本実施形態の電力変換装置1は、いわゆる2レベルインバータ回路を備えている。図1には、電力変換装置1が備える複数相の2レベルインバータ回路のうちの、1相分(例えば、U相)の回路構成を示す。電力変換装置1は、第1モジュール10と、第2モジュール20と、駆動回路100と、直流電源50とを備える。
具体的には、第1モジュール10は、上アームの半導体スイッチ10−1と、下アームの半導体スイッチ10−2とを備える。第2モジュール20は、上アームの半導体スイッチ20−1と、下アームの半導体スイッチ20−2とを備える。これらの半導体スイッチSSは、それぞれMOSFET及びダイオードを備える。
また、上アームの半導体スイッチ10−1を第1半導体スイッチSS1と、下アームの半導体スイッチ10−2を第2半導体スイッチSS2とも記載する。上アームの半導体スイッチ20−1を第3半導体スイッチSS3と、下アームの半導体スイッチ20−2を第4半導体スイッチSS4とも記載する。
第1駆動回路100−1は、導通制御信号配線及び基準電位配線によって、上アームの半導体スイッチ10−1及び上アームの半導体スイッチ20−1と接続される。第1駆動回路100−1は、第1半導体スイッチSS1の導通状態及び第3半導体スイッチSS3の導通状態を制御する。
第2駆動回路100−2は、導通制御信号配線及び基準電位配線によって、下アームの半導体スイッチ10−2及び下アームの半導体スイッチ20−2と接続される。第2駆動回路100−2は、第2半導体スイッチSS2の導通状態及び第4半導体スイッチSS4の導通状態を制御する。
具体的には、第1駆動回路100−1と上アームとを接続する導通制御信号配線は、導通制御信号共通配線110−G1と、導通制御信号第1分岐配線110−G11と、導通制御信号第2分岐配線110−G12とを備える。導通制御信号共通配線110−G1とは、第1駆動回路100−1から配線の分岐点までの共通配線部分である。導通制御信号第1分岐配線110−G11とは、分岐点から上アームの半導体スイッチ10−1までの分岐配線部分である。導通制御信号第2分岐配線110−G12とは、分岐点から上アームの半導体スイッチ20−1までの分岐配線部分である。
また、第1駆動回路100−1と上アームとを接続する基準電位配線は、基準電位共通配線110−S1と、基準電位第1分岐配線110−S11と、基準電位第2分岐配線110−S12とを備える。基準電位共通配線110−S1とは、第1駆動回路100−1から配線の分岐点までの共通配線部分である。基準電位第1分岐配線110−S11とは、分岐点から上アームの半導体スイッチ10−1までの分岐配線部分である。基準電位第2分岐配線110−S12とは、分岐点から上アームの半導体スイッチ20−1までの分岐配線部分である。
また、第2駆動回路100−2と下アームとを接続する基準電位配線は、基準電位共通配線110−S2と、基準電位第1分岐配線110−S21と、基準電位第2分岐配線110−S22とを備える。基準電位共通配線110−S2とは、第2駆動回路100−2から配線の分岐点までの共通配線部分である。基準電位第1分岐配線110−S21とは、分岐点から下アームの半導体スイッチ10−2までの分岐配線部分である。基準電位第2分岐配線110−S22とは、分岐点から下アームの半導体スイッチ20−2までの分岐配線部分である。
次に、図2を参照して第1モジュール10の回路接続について説明する。なお、第2モジュール20の回路接続は、第1モジュール10の回路接続と同様であるため、その説明を省略する。
第1モジュール10は、高電位接続端子10−D1と、低電位接続端子10−S2Aと、第1交流出力端子10−S1D2と、第1ゲート接続端子10−G1と、第2ゲート接続端子10−G2と、第1補助ソース接続端子10−S1と、第2補助ソース接続端子10−S2とを備える。
高電位接続端子10−D1は、直流電源50の正側電位Pに接続される。低電位接続端子10−S2Aは、直流電源50の負側電位Nに接続される。第1交流出力端子10−S1D2は、第2モジュール20の第2交流出力端子20−S1D2と接続されて、交流を出力する。
第1ゲート接続端子10−G1は、導通制御信号共通配線110−G1を介して第1駆動回路100−1から導通制御信号(ゲート信号)が供給される。第1補助ソース接続端子10−S1は、基準電位共通配線110−S1を介して第1駆動回路100−1から基準電位が供給される。
第2ゲート接続端子10−G2は、導通制御信号共通配線110−G2を介して第2駆動回路100−2から導通制御信号(ゲート信号)が供給される。第2補助ソース接続端子10−S2は、基準電位共通配線110−S2を介して第2駆動回路100−2から基準電位が供給される。
第1モジュール10と並列接続される第2モジュール20においても、第1モジュール10と同様に、第1補助ソース接続端子20−S1には、第1駆動回路100−1から基準電位が供給される。また、第2モジュール20の第2補助ソース接続端子20−S2には、第2駆動回路100−2から基準電位が供給される。この第1補助ソース接続端子20−S1に供給される基準電位と、第2補助ソース接続端子20−S2に供給される基準電位とは互いに電位が異なる。
つまり、上アームの半導体スイッチSSと、下アームの半導体スイッチSSとは、互いに基準電位が異なる。
また、第3半導体スイッチSS3の基準電位は、第1半導体スイッチSS1の基準電位と電位が同じである。つまり、電力変換装置1は、基準電位が第1半導体スイッチSS1の基準電位と同じ第3半導体スイッチSS3を備える。
また、第4半導体スイッチSS4の基準電位は、第2半導体スイッチSS2の基準電位と電位が同じである。つまり、電力変換装置1は、基準電位が第2半導体スイッチSS2の基準電位と同じ第4半導体スイッチSS4を備える。
第1モジュール10と第2モジュール20とはX軸方向に順に並べて配置される。第1モジュール10の第1半導体スイッチSS1及び第2半導体スイッチSS2と、第2モジュール20の第3半導体スイッチSS3及び第4半導体スイッチSS4とは、記載順にX軸方向に順に並べて配置される。つまり、各半導体スイッチSSは、第1半導体スイッチSS1、第2半導体スイッチSS2、第3半導体スイッチSS3、第4半導体スイッチSS4の順に並べて配置される。
同図に示すように、互いに並列接続される第1モジュール10と第2モジュール20とは、隣接して配置される。また、第1モジュール10と、第2モジュール20とは、同一の半導体スイッチモジュールが使用されている。このため、第1モジュール10の端子配列と、第2モジュール20の端子配列とは一致している。
これらの端子のうち、高電位接続端子10−D1、低電位接続端子10−S2A、及び第1交流出力端子10−S1D2は、1対のピン端子として形成される。
次に、この半導体スイッチモジュールに対して、多層プリント配線基板30と駆動回路100とが組み合わされた電力変換装置1の構造について、図4を参照して説明する。
また、多層プリント配線基板30は、第1モジュール10及び第2モジュール20の各端子をそれぞれ挿入実装するスルーホールを備える。多層プリント配線基板30は、スルーホールを備えることにより、例えば、電線によって各端子に接続する場合に比べ、駆動回路100と半導体スイッチSSとの間の配線長を短くすることができる。
図6は、本実施形態の多層プリント配線基板30の第1層30−1及び第2層30−2の配線パターンの一例を示す図である。
図7は、本実施形態の多層プリント配線基板30の第3層30−3及び第4層30−4の配線パターンの一例を示す図である。
図6(A)に示すように、第1層30−1には、第1駆動回路100−1と、第1モジュール10の第1ゲート接続端子10−G1及び第2モジュール20の第1ゲート接続端子20−G1とを接続する導通制御信号配線の配線パターンが形成される。具体的には、第1層30−1には、導通制御信号共通配線110−G1、導通制御信号第1分岐配線110−G11、及び導通制御信号第2分岐配線110−G12の配線パターンがそれぞれ形成される。導通制御信号共通配線110−G1は、第1層30−1において第1駆動回路100−1から分岐点BPG1を経由して分岐点BPG11及び分岐点BPG12までの配線パターンとして形成される。導通制御信号第1分岐配線110−G11は、分岐点BPG11から第1ゲート接続端子10−G1までの配線パターンとして形成される。導通制御信号第2分岐配線110−G12は、分岐点BPG12から第1ゲート接続端子20−G1までの配線パターンとして形成される。
図6(B)に示すように、第2層30−2には、第1駆動回路100−1と、第1モジュール10の第1補助ソース接続端子10−S1及び第2モジュール20の第1補助ソース接続端子20−S1とを接続する基準電位配線の配線パターンが形成される。具体的には、第2層30−2には、基準電位共通配線110−S1、基準電位第1分岐配線110−S11、及び基準電位第2分岐配線110−S12の配線パターンがそれぞれ形成される。基準電位共通配線110−S1は、第2層30−2において第1駆動回路100−1から分岐点BPS1を経由して分岐点BPS11及び分岐点BPS12までの配線パターンとして形成される。基準電位第1分岐配線110−S11は、分岐点BPS11から第1補助ソース接続端子10−S1までの配線パターンとして形成される。基準電位第2分岐配線110−S12は、分岐点BPS12から第1補助ソース接続端子20−S1までの配線パターンとして形成される。
図7(A)に示すように、第3層30−3には、第2駆動回路100−2と、第1モジュール10の第2ゲート接続端子10−G2及び第2モジュール20の第2ゲート接続端子20−G2とを接続する導通制御信号配線の配線パターンが形成される。具体的には、第3層30−3には、導通制御信号共通配線110−G2、導通制御信号第1分岐配線110−G21、及び導通制御信号第2分岐配線110−G22の配線パターンがそれぞれ形成される。導通制御信号共通配線110−G2は、第3層30−3において第2駆動回路100−2から分岐点BPG2を経由して分岐点BPG21及び分岐点BPG22までの配線パターンとして形成される。導通制御信号第1分岐配線110−G21は、分岐点BPG21から第2ゲート接続端子10−G2までの配線パターンとして形成される。導通制御信号第2分岐配線110−G22は、分岐点BPG22から第2ゲート接続端子20−G2までの配線パターンとして形成される。
図7(B)に示すように、第4層30−4には、第2駆動回路100−2と、第1モジュール10の第2補助ソース接続端子10−S2及び第2モジュール20の第2補助ソース接続端子20−S2とを接続する基準電位配線の配線パターンが形成される。具体的には、第4層30−4には、基準電位共通配線110−S2、基準電位第1分岐配線110−S21、及び基準電位第2分岐配線110−S22の配線パターンがそれぞれ形成される。基準電位共通配線110−S2は、第4層30−4において第2駆動回路100−2から分岐点BPS2を経由して分岐点BPS21及び分岐点BPS22までの配線パターンとして形成される。基準電位第1分岐配線110−S21は、分岐点BPS21から第2補助ソース接続端子10−S2までの配線パターンとして形成される。基準電位第2分岐配線110−S22は、分岐点BPS22から第2補助ソース接続端子20−S2までの配線パターンとして形成される。
図5に示す一例の場合、導通制御信号共通配線110−G1の配線パターンのうち、分岐点BPG11から分岐点BPG12までの配線パターンを、単に共通配線とも称する。すなわち共通配線とは、駆動回路から半導体スイッチモジュールに至る配線パターンのうち、半導体スイッチモジュールの配列方向、すなわちX軸方向に延在する配線パターンである。
また、この一例の場合、導通制御信号第1分岐配線110−G11の配線パターン、及び導通制御信号第2分岐配線110−G12の配線パターンを、単に分岐配線とも称する。すなわち分岐配線とは、駆動回路から半導体スイッチモジュールに至る配線パターンのうち、共通配線から半導体スイッチモジュールに向かう方向、すなわちY軸方向に延在する配線パターンである。
図5に示す一例の場合、導通制御信号共通配線110−G1の配線パターンのうち分岐点BPG11から分岐点BPG12までの配線パターンの配線長L、すなわち共通配線の配線長Lは、長さx1である。
また、この一例の場合、導通制御信号第1分岐配線110−G11の配線パターンの配線長Lは、長さy1である。導通制御信号第2分岐配線110−G12の配線パターンの配線長Lは、長さy2である。この一例において、長さy1と長さy2とは一致する。
また、導通制御信号第1分岐配線110−G11の配線パターンの配線長Lと、導通制御信号第2分岐配線110−G12の配線パターンの配線長Lとは、一致する。つまり、分岐配線どうしの配線パターンの配線長Lは互いに一致する。
この一例の場合、駆動回路100から複数の半導体スイッチモジュールのそれぞれに至る配線パターンは、配線長Lが互いに一致する。つまり、駆動回路100から複数の半導体スイッチモジュールのそれぞれに至る配線パターンは、等長配線である。また、駆動回路100から複数の半導体スイッチモジュールのそれぞれに至る配線パターンは、分岐点BPG1、すなわち共通配線の配線パターンの中点を挟んで対称構造である。
図5(A)〜(C)に示すように、第1層30−1の配線パターンと、第2層30−2の配線パターンとは、多層プリント配線基板30の積層方向AZに重なる位置にして配置される。また、第3層30−3の配線パターンと、第4層30−4の配線パターンとは、多層プリント配線基板30の積層方向AZに重なる位置にして配置される。
ここで、多層プリント配線基板30の積層方向AZとは、多層プリント配線基板30の各層が積層される方向、すなわち同図のZ軸方向である。
より具体的には、第1層30−1の導通制御信号共通配線110−G1の配線パターンと、第2層30−2の基準電位共通配線110−S1の配線パターンとは、積層方向AZに重なる位置にして配置される。第1層30−1の導通制御信号第1分岐配線110−G11の配線パターンと、第2層30−2の基準電位第1分岐配線110−S11の配線パターンとは、積層方向AZに重なる位置にして配置される。第1層30−1の導通制御信号第2分岐配線110−G12の配線パターンと、第2層30−2の基準電位第2分岐配線110−S12の配線パターンとは、積層方向AZに重なる位置にして配置される。
なお、絶縁層RのZ軸方向の厚さは、各配線パターンを流れる電流の絶縁を確保できる厚さが選択されている。
また、第2配線PW2の基準電位配線と導通制御信号配線とが、多層プリント配線基板30の積層方向AZに重なる位置にして互いに異なる層に配置される。この一例において、第2配線PW2とは、第2駆動回路100−2と第2半導体スイッチSS2及び第4半導体スイッチSS4を接続する基準電位配線及び導通制御信号配線である。
多層プリント配線基板30には、第1駆動回路100−1と第3半導体スイッチSS3とを接続する導通制御信号第2分岐配線110−G12と第1配線PW1の導通制御信号第1分岐配線110−G11とが同じ層に配置される。
多層プリント配線基板30には、第2駆動回路100−2と第4半導体スイッチSS4とを接続する基準電位第2分岐配線110−S22と第2配線PW2の基準電位第1分岐配線110−S21とが同じ層に配置される。
多層プリント配線基板30には、第2駆動回路100−2と第4半導体スイッチSS4とを接続する導通制御信号第2分岐配線110−G22と第2配線PW2の導通制御信号第1分岐配線110−G21とが同じ層に配置される。
つまり、1つの半導体スイッチSSにそれぞれ接続される基準電位配線と導通制御信号配線とについて、これらの配線の配線パターンの形状が同一である。なお、ここでいう配線パターンの形状が同一であることには、互いの形状が完全に同一であることのほか、配線パターンの配線幅Wが互いに異なっている場合や、多層プリント配線基板30の積層方向視においてX軸方向又はY軸方向にずれて配置されている場合をも含む。
図5(A)〜(C)に示すように、第1層30−1の配線パターン及び第2層30−2の配線パターンと、第3層30−3の配線パターン及び第4層30−4の配線パターンとは、多層プリント配線基板30の積層方向AZに重なる位置を避けて配置される。
ここで、図5(A)に示す交差部分ISにおいて、第1層30−1の配線パターン及び第2層30−2の配線パターンと、第3層30−3の配線パターン及び第4層30−4の配線パターンとは、多層プリント配線基板30の積層方向AZに交差する。
具体的には、第1配線PW1(導通制御信号第2分岐配線110−G12及び基準電位第2分岐配線110−S12)と、第2配線PW2(導通制御信号第1分岐配線110−G21及び基準電位第1分岐配線110−S21)とが、交差部分ISにおいて積層方向AZに交差する。
例えば、交差する配線長Lは、第1配線PW1の基準電位配線と導通制御信号配線とが積層方向AZに互いに重なる部分の配線長Lよりも短い。また、交差する配線長Lは、第2配線PW2の基準電位配線と導通制御信号配線とが積層方向AZに互いに重なる部分の配線長Lよりも短い。
第1配線PW1と第2配線PW2とが交差部分ISにおいて直交する場合、第1配線PW1の交差部分ISにおける配線長L1と、第2配線PW2の交差部分ISにおける配線幅W2とは一致する。また、第1配線PW1と第2配線PW2とが交差部分ISにおいて直交する場合、第2配線PW2の交差部分ISにおける配線長L2と、第1配線PW1の交差部分ISにおける配線幅W1とは一致する。
すなわち、第1配線PW1と第2配線PW2とが積層方向AZに互いに重なる部分について、第1配線PW1と第2配線PW2とのうち一方の配線の配線長Lと他方の配線の配線幅Wとが一致する。
具体的には、第1モジュール10の、上アームの半導体スイッチ10−1と下アームの半導体スイッチ10−2とは、基準電位及びスイッチング動作のタイミングが互いに異なる。また、第2モジュール20の、上アームの半導体スイッチ20−1と下アームの半導体スイッチ20−2とは、基準電位及びスイッチング動作のタイミングが互いに異なる。
したがって、本実施形態の電力変換装置1によれば、上下アーム配線間の寄生容量の増大が抑止され、寄生容量の充放電電流に起因するノイズを低減することができる。すなわち、本実施形態の電力変換装置1によれば、プリント配線基板の配線パターンに起因するノイズによる半導体スイッチの誤動作を低減することができる。
10 第1モジュール
20 第2モジュール
30 多層プリント配線基板
50 直流電源
100 駆動回路
100−1 第1駆動回路
100−2 第2駆動回路
SS 半導体スイッチ
PW1 第1配線
PW2 第2配線
AZ 積層方向
L 配線長
W 配線幅
Claims (5)
- 半導体スイッチの導通状態を制御する複数の駆動回路に、複数の半導体スイッチが接続される電力変換装置において、
第1半導体スイッチと、
基準電位が前記第1半導体スイッチの基準電位とは異なる第2半導体スイッチと、
前記第1半導体スイッチの導通状態を制御する第1駆動回路と、
前記第2半導体スイッチの導通状態を制御する第2駆動回路と、
前記第1駆動回路と前記第1半導体スイッチとを接続する基準電位配線と導通制御信号配線とを含む第1配線と、前記第2駆動回路と前記第2半導体スイッチを接続する基準電位配線と導通制御信号配線とを含む第2配線とが、それぞれ基板の積層方向に重なる部分を有して配置される多層基板と、
を備え、
前記多層基板には、
前記第1配線の基準電位配線と導通制御信号配線とが、前記積層方向に重なる位置にして互いに異なる層に配置され、
前記第2配線の基準電位配線と導通制御信号配線とが、前記積層方向に重なる位置にして互いに異なる層に配置され、
前記第1配線と前記第2配線とが前記積層方向に互いに重なる部分の配線長が、前記第1配線の基準電位配線と導通制御信号配線とが前記積層方向に重なる部分の配線長と、前記第2配線の基準電位配線と導通制御信号配線とが前記積層方向に重なる部分の配線長とのいずれの配線長よりも短くして配置される
電力変換装置。 - 基準電位が前記第1半導体スイッチの基準電位と同じ第3半導体スイッチ
を更に備え、
前記第1駆動回路は、前記第3半導体スイッチの導通状態を更に制御し、
前記多層基板には、
前記第1駆動回路と前記第3半導体スイッチとを接続する基準電位配線と前記第1配線の基準電位配線とが同じ層に配置され、
前記第1駆動回路と前記第3半導体スイッチとを接続する導通制御信号配線と前記第1配線の導通制御信号配線とが同じ層に配置される
請求項1に記載の電力変換装置。 - 基準電位が前記第2半導体スイッチの基準電位と同じ第4半導体スイッチ
を更に備え、
前記第2駆動回路は、前記第4半導体スイッチの導通状態を更に制御し、
前記多層基板には、
前記第2駆動回路と前記第4半導体スイッチとを接続する基準電位配線と前記第2配線の基準電位配線とが同じ層に配置され、
前記第2駆動回路と前記第4半導体スイッチとを接続する導通制御信号配線と前記第2配線の導通制御信号配線とが同じ層に配置され、
各半導体スイッチは、前記第1半導体スイッチ、前記第2半導体スイッチ、前記第3半導体スイッチ、前記第4半導体スイッチの順に並べて配置される
請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記基準電位配線と前記導通制御信号配線とが前記積層方向に重なる部分の、前記基準電位配線の配線形状と前記導通制御信号配線の配線形状とが基板の積層方向視において一致する
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 前記第1配線と前記第2配線とが前記積層方向に互いに重なる部分について、前記第1配線と前記第2配線とのうち一方の配線の配線長と他方の配線の配線幅とが一致する
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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