JP6848073B2

JP6848073B2 - 主回路配線部材および電力変換装置

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Publication number: JP6848073B2
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Inventors: 裕平臼井
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Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
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Description

本発明は、半導体モジュールが搭載される主回路配線部材および電力変換装置に関するものである。

電力変換装置においては、半導体モジュールと接続する主回路配線部材として、ブスバーが使用されている。ブスバーの一つであるラミネートブスバーは、絶縁物を介して複数の導体が積層された積層ブスバーの表面をラミネート材で被覆することによって構成される。

特許文献１には、ラミネートブスバーの端部に凹状の端子引出し窓が形成されること、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールの主回路端子の配列に合わせて、前記端子引出し窓に複数の接続端子部が引出されることが開示されている。各接続端子部には、前記ＩＧＢＴモジュールの各主回路端子とネジ締結するための通し穴が形成されている。

特開２０１２−５３００号公報

特許文献１では、同じ電位レベルの端子電極に対し、１つの締結点しか設けられていない。しかし、大電流用途のパワー半導体モジュールでは、同じ電位レベルの端子電極にラミネートブスバーと接続するための複数の締結点が設けられている。複数の締結点によってラミネートブスバーと接続する場合、各締結点に流れる電流量が異なると、電流が多く流れる締結点において局所的に発熱が集中する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の締結点を流れる電流の分流バランスを平準化できる主回路配線部材および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、穴が形成された複数の第１締結点を有する第１モジュール端子および穴が形成された複数の第２締結点を有する第２モジュール端子を有する第１半導体モジュールが搭載される第１主面と、前記第１主面の反対側の面である第２主面と、絶縁体を介して積層された複数の平板導体とを有する主回路配線部材において、第１の層に配置され、第１電位が印加される第１平板導体と、第２の層に配置され、第２電位が印加される第２平板導体と、前記第１主面と前記第２主面との間で貫通される第１開口と、第１端子と、第２端子とを備える。前記第１端子は、前記第１開口の一辺である第１辺に沿って前記第１平板導体から曲げられる段曲げ形状の第１端子片と、前記第１端子片に形成されて前記第１辺に平行な方向に並べられる複数の第１孔部とを有する。前記第２端子は、前記第１開口の前記第１辺に対向する一辺である第２辺に沿って前記第２平板導体から曲げられる段曲げ形状の第２端子片と、前記第２端子片に形成されて前記第２辺に平行な方向に並べられる複数の第２孔部とを有する。前記第１孔部および前記第１締結点の前記穴に第１締結具が挿入されて前記第１端子が前記第１半導体モジュールの前記第１モジュール端子に締結され、前記第２孔部および前記第２締結点の前記穴に第２締結具が挿入されて前記第２端子が前記第１半導体モジュールの前記第２モジュール端子に締結される。

本発明によれば、複数の締結点を流れる電流の分流バランスを平準化できるという効果を奏する。

鉄道車両に搭載される電力変換装置の一構成例を示す図電力変換装置の一部を示す図インバータ回路の具体構成例を示す回路図半導体モジュールが収容されるパッケージの外観を示す斜視図本実施の形態のラミネートブスバーの外観を示す斜視図本実施の形態のラミネートブスバーに対する複数の半導体モジュールの配置例を示す平面図図５をＡ−Ａ´線に沿って切断した断面図本実施の形態の半導体モジュールとラミネートブスバーとの連結状態を示す図本実施の形態のラミネートブスバーの導体端子の配置を示す斜視図比較例の導体端子の配置を示す斜視図本実施の形態のラミネートブスバーの導体端子の配置を示す斜視図比較例の導体端子の配置を示す斜視図比較例の端子構造を採用した場合のスイッチング素子を流れる電流を示す図本実施の形態の端子構造を採用した場合のスイッチング素子を流れる電流を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる主回路配線部材および電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本実施の形態に係る電力変換装置の機能構成例を示す図であり、鉄道車両１００に搭載される電力変換装置９０の一構成例を示している。図１に示すように、鉄道車両１００は、架線１０１に接続される集電装置９１と、レール１０２に接続される車輪９２と、電力変換装置９０の入力側に配置されてコンバータ回路８０に接続される変圧器９３と、コンバータ回路８０、直流電圧回路７０およびインバータ回路６０を有する電力変換装置９０と、電力変換装置９０からの電力供給を受け鉄道車両１００を駆動するモータ８５とを備える。モータ８５としては、誘導電動機や同期電動機が好適である。

変圧器９３の一次巻線の一端は集電装置９１を介して架線１０１に接続され、他端は車輪９２を介して大地電位であるレール１０２に接続されている。架線１０１から供給される電力は、集電装置９１を介して変圧器９３の一次巻線に入力されるとともに、変圧器９３の二次巻線に生じた電力がコンバータ回路８０に入力される。

コンバータ回路８０は、Ｕ相およびＶ相を含む二組のレグを有するブリッジ回路によって構成されている。コンバータ回路８０は、複数のスイッチング素子を有する。前記複数のスイッチング素子がＰＷＭ制御されることで、コンバータ回路８０は、入力された交流電圧を直流電圧に変換して直流電圧回路７０に出力する。

直流電圧回路７０は、一または複数のコンデンサを有し、コンバータ回路８０から入力された直流電力を蓄電する。

インバータ回路６０は、直流電圧回路７０の直流電圧を或る周波数のＵ相、Ｖ相およびＷ相を含む三相の交流電圧に変換し、変換された三相の交流電圧をモータ８５に出力する。直流電圧回路７０およびインバータ回路６０の具体例については後述する。

図２は、図１に示した電力変換装置９０の一部を鉄道車両１００の上部側からレール１０２側に向けて視認したときの一構成例を示す平面図である。図２に示すように、電力変換装置９０は、放熱器９４、ゲート制御ユニット９５と、断流器・インタフェースユニット９６と、前記直流電圧回路７０を構成するコンデンサ７１，７２と、ゲート駆動回路基板９７と、インバータ回路６０と、主回路配線部材としてのラミネートブスバー（以下、ブスバーと略す場合もある）３０と、導体バー７５と、出力コア７６を備えている。放熱器９４は筐体１１０の外部に取り付けられている。放熱器９４以外の構成要素は、筐体１１０の内部に収容されている。

インバータ回路６０は、複数の半導体モジュールを有し、コンデンサ７１，７２に蓄積された直流電力を三相の交流電力に変換する。ゲート駆動回路基板９７は、インバータ回路６０に含まれる複数の半導体モジュールをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）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９７ａを搭載している。ゲート制御ユニット９５は、ゲート駆動回路９７ａを制御する。断流器・Ｉ／Ｆユニット９６は、インバータ回路６０に流れる電流を遮断する機能、及びゲート制御ユニット９５とゲート駆動回路９７ａとの間の信号授受を行う機能を有する。

コンデンサ７１，７２と、インバータ回路６０に含まれる複数の半導体モジュールとは、Ｌ字形状に形成されたラミネートブスバー３０によって電気的および機械的に連結されている。ラミネートブスバー３０は、複数層の平板導体と複数層の絶縁物とがラミネート材で被覆されている。なお、ラミネートブスバー３０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。導体バー７５は、インバータ回路６０とモータ８５とを接続する。出力コア７６は、モータ８５とインバータ回路６０とを接続するための端子部である。

図３は、インバータ回路６０の具体的構成の一例を示す回路図である。図３は、３つの電圧レベルで動作する３レベル電力変換装置を示している。直流電圧回路７０は、直列に接続されるコンデンサ７１，７２を有する。コンデンサ７１，７２の各一端と、コンデンサ７１と７２との接続点とにより、上位側直流端子Ｐ、下位側直流端子Ｎ、および中間電位端子Ｃを含む３つの電位端が形成される。以下、上位側直流端子Ｐ、下位側直流端子Ｎ、中間電位端子Ｃを夫々、Ｐ端子、Ｎ端子、Ｃ端子と略す。図３の場合、直流電圧回路７０およびインバータ回路６０は、３レベル電力変換装置として動作する。なお、インバータ回路６０として、２つの電圧レベルで動作する２レベル電力変換装置を採用してもよい。インバータ回路６０は、モータ８５を駆動するＵ相の駆動信号を出力するＵ相回路３と、モータ８５を駆動するＶ相の駆動信号を出力するＶ相回路４と、モータ８５を駆動するＷ相の駆動信号を出力するＷ相回路５とを備える。

Ｕ相回路３は、並列に接続された、Ｕ相第１レグ３１およびＵ相第２レグ３２を有する。Ｕ相第１レグ３１は、Ｕ相上モジュール３１ａ、Ｕ相中モジュール３１ｂおよびＵ相下モジュール３１ｃを有する。例えば、Ｕ相上モジュールはＵ相上半導体モジュールの略語である。Ｕ相第２レグ３２は、Ｕ相上モジュール３２ａ、Ｕ相中モジュール３２ｂおよびＵ相下モジュール３２ｃを有する。なお、Ｕ相回路３を、Ｕ相第１レグ３１のみによって構成してもよいし、３つ以上のレグによって構成してもよい。Ｖ相回路４、Ｗ相回路５についても同様である。

Ｕ相上モジュール３１ａは、直列接続される、スイッチング素子３１ａｓおよびクランプダイオード３１ａｄを有する。Ｕ相中モジュール３１ｂは、直列接続される、スイッチング素子３１ｂｓ１およびスイッチング素子３１ｂｓ２を有する。Ｕ相下モジュール３１ｃは、直列接続される、クランプダイオード３１ｃｄおよびスイッチング素子３１ｃｓを有する。Ｕ相上モジュール３２ａは、直列接続される、スイッチング素子３２ａｓおよびクランプダイオード３２ａｄを有する。Ｕ相中モジュール３２ｂは、直列接続される、スイッチング素子３２ｂｓ１およびスイッチング素子３２ｂｓ２を有する。Ｕ相下モジュール３２ｃは、直列接続される、クランプダイオード３２ｃｄおよびスイッチング素子３２ｃｓを有する。クランプダイオード３１ａｄ，３２ａｄは、上位電位側の中性点クランプダイオードとして機能する。クランプダイオード３１ｃｄ，３２ｃｄは、下位電位側の中性点クランプダイオードとして機能する。

スイッチング素子３１ａｓ，３２ａｓの一端は、配線Ｌ１を介してＰ端子に接続されている。スイッチング素子３１ａｓとクランプダイオード３１ａｄとの接続点、スイッチング素子３２ａｓとクランプダイオード３２ａｄとの接続点、スイッチング素子３１ｂｓ１の一端、およびスイッチング素子３２ｂｓ１の一端が配線Ｌ２によって接続されている。クランプダイオード３１ａｄとクランプダイオード３１ｃｄとの接続点と、クランプダイオード３２ａｄとクランプダイオード３２ｃｄとの接続点とは、配線Ｌ３を介してＣ端子に接続されている。スイッチング素子３１ｂｓ１とスイッチング素子３１ｂｓ２との接続点と、スイッチング素子３２ｂｓ１とスイッチング素子３２ｂｓ２との接続点とは、配線Ｌ４を介して交流出力端子ＡＣに接続されている。交流出力端子ＡＣは、モータ８５のＵ相駆動端子に接続される。スイッチング素子３１ｃｓとクランプダイオード３１ｃｄとの接続点、スイッチング素子３２ｃｓとクランプダイオード３２ｃｄとの接続点、スイッチング素子３１ｂｓ２の一端、およびスイッチング素子３２ｂｓ２の一端が配線Ｌ５によって接続されている。スイッチング素子３１ｃｓ，３２ｃｓの一端は、配線Ｌ６を介してＮ端子に接続されている。

各スイッチング素子３１ａｓ，３１ｂｓ１，３１ｂｓ２，３１ｃｓ，３２ａｓ，３２ｂｓ１，３２ｂｓ２，３２ｃｓは、例えば、ＳｉＣをベースとするＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ３３と、ＳｉＣをベースとするＳｉＣ−ＦＷＤ(Fly Wheel Diode)３４とによって構成される。ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ３３とＳｉＣ−ＦＷＤ３４とは、逆並列に接続されている。各スイッチング素子として、逆並列ダイオードが内蔵されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いても良い。また、クランプダイオード３１ａｄ，３１ｃｄ，３２ａｄ，３２ｃｄは、例えば、ＳｉＣベースで形成されたダイオード（ＳｉＣ−Ｄ）である。

Ｖ相回路４およびＷ相回路５も同様に構成されている。このようにして、インバータ回路６０は、各相における第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、図３の回路構成は、一例を示したに過ぎず、適宜の変更が可能である。

図３に示したインバータ回路６０は、Ｕ相上モジュール３１ａと同じ回路構成を有する半導体モジュールを６個使用し、Ｕ相中モジュール３１ｂと同じ回路構成を有する半導体モジュールを６個使用し、Ｕ相下モジュール３１ｃと同じ回路構成を有する半導体モジュールを６個使用し、ラミネートブスバー３０によって図３に示した配線接続を行うことで、実現される。三種類の半導体モジュールは、同一形状、同一寸法、および同一端子位置を有するパッケージに収容されている。

図４は、前記三種類の半導体モジュールが収容されるパッケージ２０の外観を示す斜視図である。パッケージ２０は、横長の直方体状に形成されている。パッケージ２０の一方の主面側には、第１モジュール端子である第１入力端子Ｍ１、第２モジュール端子である第２入力端子Ｍ２及び第３モジュール端子である出力端子Ｍ３が設けられている。第１入力端子Ｍ１には２つの締結点２２Ｍ１が設けられ、第２入力端子Ｍ２には２つの締結点２２Ｍ２が設けられ、出力端子Ｍ３には３つの締結点２２Ｍ３が設けられている。各締結点２２Ｍ１、２２Ｍ２、２２Ｍ３には、ボルト、ネジ、ピンなどの導電性の締結具が挿入される穴２３が形成されている。第１入力端子Ｍ１、第２入力端子Ｍ２及び出力端子Ｍ３には、複数の締結点を夫々有するので、半導体モジュール内でのチップ間での分流バランスが改善され、半導体モジュール内での発熱の偏りを小さくできる。

なお、図４では、第１入力端子Ｍ１の締結点の数、及び第２入力端子Ｍ２の締結点の数を２とし、出力端子Ｍ３の締結点の数を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入力端子Ｍ１の締結点及び第２入力端子Ｍ２の締結点の数は、それぞれが３以上であってもよい。また、出力端子Ｍ３の締結点の数は、２であってもよいし、４以上であってもよい。

第１入力端子Ｍ１における２つの締結点２２Ｍ１は、パッケージ２０の一方側の短辺部に配置されている。２つの締結点２２Ｍ１は、パッケージ２０の短辺方向に沿って配列されている。第２入力端子Ｍ２の２つの締結点２２Ｍ２は、第１入力端子Ｍ１の２つの締結点２２Ｍ１の並びと平行で、且つ第１入力端子Ｍ１よりもパッケージ２０の中央部側に配列されている。出力端子Ｍ３の３つの締結点２２Ｍ３は、パッケージ２０の他方側の短辺部に配置されている。３つの締結点２２Ｍ３は、パッケージ２０の短辺方向に沿って配列されている。第１入力端子Ｍ１、第２入力端子Ｍ２及び出力端子Ｍ３における各締結点は、パッケージ２０の長手方向に平行な中心線に対して、線対称の位置に配置される。

図５は、本実施の形態のラミネートブスバー３０の外観構成例を示す斜視図である。図６は、ブスバー３０に対する１８個の半導体モジュールの配置例を概念的に示す平面図である。図７は、図５をＡ−Ａ´線に沿って切断した断面図である。図８は、ブスバー３０と半導体モジュールとの連結状態を示す図である。

図５に示すように、ラミネートブスバー３０は、Ｌ字形状を呈している。すなわち、ラミネートブスバー３０は、１８個の半導体モジュールが３行６列に搭載される第１ブスバー３０ａと、コンデンサ７１，７２が搭載される第２ブスバー３０ｂとを有する。第２ブスバー３０ｂは、２つのＰ端子３Ｐと、２つのＮ端子３Ｎと、４つのＣ端子３Ｃとを有する。第１ブスバー３０ａは、１８個の半導体モジュールが搭載される第１主面３０ａ１（図２，図８参照）と、前記第１主面の反対側の面であって、半導体モジュールが搭載されない第２主面３０ａ２とを有する。図５では、第１ブスバー３０ａの第２主面３０ａ２を示している。

図６にしたがって、ブスバー３０の第１ブスバー３０ａに対する１８個の半導体モジュールの配置を説明する。図６では、第１ブスバー３０ａの第２主面３０ａ２側から見た半導体モジュールの配置を示している。第１ブスバー３０ａの一端側に位置する第１列部に、Ｕ相第１レグ３１を構成する３個の半導体モジュール３１ａ，３１ｂ，３１ｃが搭載される。第１列部に隣接する第２列部に、Ｕ相第２レグ３２を構成する３個の半導体モジュール３２ａ，３２ｂ，３２ｃが搭載される。第１ブスバー３０ａの中央部に位置する第３列部に、Ｖ相回路４の第１レグを構成する３個の半導体モジュールが搭載される。第３列部に隣接する第４列部に、Ｖ相回路４の第２レグを構成する３個の半導体モジュールが搭載される。第４列部に隣接する第５列部に、Ｗ相回路５の第１レグを構成する３個の半導体モジュールが搭載される。第１ブスバー３０ａの他端側に位置する第６列部に、Ｗ相回路５の第２レグを構成する３個の半導体モジュールが搭載される。

つぎに、図３に示したインバータ回路６０における６つの配線Ｌ１〜Ｌ６と、Ｕ相回路３に含まれる６個の半導体モジュール３１ａ，３１ｂ，３１ｃ,３２ａ，３２ｂ，および３２ｃの第１入力端子Ｍ１，第２入力端子Ｍ２および出力端子Ｍ３との対応関係について説明する。

Ｕ相上モジュール３１ａ，３２ａの第１入力端子Ｍ１は、Ｐ端子３Ｐに接続される配線Ｌ１に接続される。Ｕ相上モジュール３１ａ，３２ａの第２入力端子Ｍ２は、Ｃ端子３Ｃに接続される配線Ｌ３に接続される。Ｕ相上モジュール３１ａ，３２ａの出力端子Ｍ３は、配線Ｌ２に接続される。

Ｕ相中モジュール３１ｂ，３２ｂの第１入力端子Ｍ１は、配線Ｌ２に接続される。Ｕ相中モジュール３１ｂ，３２ｂの第２入力端子Ｍ２は、配線Ｌ５に接続される。Ｕ相中モジュール３１ｂ，３２ｂの出力端子Ｍ３は、交流出力端子ＡＣに接続される配線Ｌ４に接続される。Ｕ相下モジュール３１ｃ，３２ｃの第１入力端子Ｍ１は、Ｃ端子３Ｃに接続される配線Ｌ３に接続される。Ｕ相下モジュール３１ｃ，３２ｃの第２入力端子Ｍ２は、Ｎ端子３Ｎに接続される配線Ｌ６に接続される。Ｕ相下モジュール３１ｃ，３２ｃの出力端子Ｍ３は、配線Ｌ５に接続される。Ｖ相回路４およびＷ相回路５についても、接続形態はＵ相回路３と同様である。

第２ブスバー３０ｂは、Ｐ端子３Ｐに接続されて前記配線Ｌ１を構成する平板導体ＬＬ１と、Ｎ端子３Ｎに接続されて前記配線Ｌ６を構成する平板導体ＬＬ６と、Ｃ端子３Ｃに接続されて前記配線Ｌ３を構成する平板導体ＬＬ３とを有する。第１ブスバー３０ａは、前記平板導体ＬＬ１と、前記配線Ｌ２を構成する平板導体ＬＬ２と、前記平板導体ＬＬ３と、交流出力端子ＡＣに接続されて前記配線Ｌ４を構成する平板導体ＬＬ４と、前記配線Ｌ５を構成する平板導体ＬＬ５と、前記平板導体ＬＬ６とを有する。平板導体ＬＬ１〜ＬＬ６に関しては、図７にその一部である平板導体ＬＬ１，ＬＬ３，ＬＬ５，ＬＬ６が示されている。以下、平板導体ＬＬ１〜ＬＬ６を導体ＬＬ１〜ＬＬ６と略す。

前記導体ＬＬ１〜導体ＬＬ６は、第１ブスバー３０ａの複数の導体層のうちの任意の層に配置される。図７では、導体ＬＬ１、導体ＬＬ３、導体ＬＬ５および導体ＬＬ６の層配置が示されているが、この配置に限るわけではない。

図５に示すように、第１ブスバー３０ａは、導体ＬＬ１から延びる複数の導体端子Ｋ１と、導体ＬＬ２から延びる複数の導体端子Ｋ２と、導体ＬＬ３から延びる複数の導体端子Ｋ３と、導体ＬＬ４から延びる複数の導体端子Ｋ４と、導体ＬＬ５から延びる複数の導体端子Ｋ５と、導体ＬＬ６から延びる複数の導体端子Ｋ６とを有する。

図５に示すように、第２ブスバー３０ｂから見て第１行目に複数の導体端子Ｋ１が配列される。第２列目に複数の導体端子Ｋ３が配列される。第３列目に複数の導体端子Ｋ２が配列される。第４列目に複数の導体端子Ｋ２が配列される。第５列目に複数の導体端子Ｋ５が配列される。第６列目に複数の導体端子Ｋ４が配列される。第７列目に複数の導体端子Ｋ３が配列される。第８列目に複数の導体端子Ｋ６が配列される。第９列目に複数の導体端子Ｋ５が配列される。

第１ブスバー３０ａは、四角形状または長方形状の貫通孔である第１タイプの複数の開口１０と、長方形状の貫通孔である第２タイプの複数の開口１１を有する。開口１０が第１開口に対応し、開口１１が第２開口に対応する。開口１０は、開口１１より開口面積が大きい。第１タイプの開口１０は、対向配置される一対の導体端子を外部に露出する。第１タイプの開口１０は、前記導体端子Ｋ１〜導体端子Ｋ６のうち、各半導体モジュールの第１入力端子Ｍ１および第２入力端子Ｍ２に接続される一対の導体端子を露出する。第２タイプの開口１１は、１つの導体端子を外部に露出する。第２タイプの開口１１は、前記導体端子Ｋ１〜導体端子Ｋ６のうち、各半導体モジュールの出力端子Ｍ３に接続される導体端子を露出する。図５においては、第９列目に配列される導体端子Ｋ５を第１ブスバー３０ａの端縁部から露出させたが、第９列目に配列される導体端子Ｋ５を第２タイプの開口１１によって露出させてもよい。

第１タイプの開口１０に配置される一対の導体端子について説明する。図７は導体端子Ｋ３と導体端子Ｋ６との配置関係を示している。第１端子としての導体端子Ｋ３は、第１平板導体としての導体ＬＬ３から延びるＬ字状の段曲げ形状を有する端子片Ｋ３０を有する。端子片Ｋ３０が第１端子片に対応する。前記第１平板導体は、或る第１の層に配置され、第１電位が印加される。導体端子Ｋ３の端子片Ｋ３０は、第１段差部としての段差部１４と第１接点部としての接点部１５とを有する。段差部１４は、導体ＬＬ３に対し曲げラインＥ１に沿ってほぼ直角に曲げられ、第１端縁壁１０ａに沿って第１ブスバー３０ａの第１主面３０ａ１に達するまで延びる。前記曲げラインＥ１は、開口１０の一辺である第１辺に沿っており、第１端縁壁１０ａによって前記第１辺が構成される。接点部１５は、段差部１４に対しほぼ直角に曲げられ、第１ブスバー３０ａの第１主面３０ａ１に平行に延びる。接点部１５は、Ｕ相下モジュール３１ｃの第１入力端子Ｍ１の２つの締結点２２Ｍ１に対面して当接される２つの孔部１５ａ，１５ａを有する。孔部１５ａ，１５ａは、第１孔部に対応する。２つの孔部１５ａ，１５ａを結ぶ線分が、導体ＬＬ３に対する曲げラインＥ１と平行になるように、別言すれば前記第１辺と平行になるように、２つの孔部１５ａ，１５ａが並べられている。接点部１５は長方形の板状であり、曲げラインＥ１に平行な方向の長さは、曲げラインＥ１に垂直な方向の長さより長い。

第２端子としての導体端子Ｋ６は、第２平板導体としての導体ＬＬ６から延びるＬ字状の段曲げ形状を有する端子片Ｋ６０を有する。端子片Ｋ６０が第２端子片に対応する。前記第２平板導体は、前記第１の層と異なる第２の層に配置され、前記第１電位と異なる第２電位が印加される。導体端子Ｋ６の端子片Ｋ６０は、第２段差部としての段差部１６と第２接点部としての接点部１７とを有する。段差部１６は、導体ＬＬ６に対し曲げラインＥ２に沿ってほぼ直角に曲げられ、第２端縁壁１０ｂに沿って第１ブスバー３０ａの第１主面３０ａ１に達するまで延びる。前記曲げラインＥ２は、前記第１辺に対向する一辺である第２辺に沿っており、第２端縁壁１０ｂによって前記第２辺が構成される。接点部１７は、段差部１６に対しほぼ直角に曲げられ、第１ブスバー３０ａの第１主面３０ａ１に平行に延びる。接点部１７は、Ｕ相下モジュール３１ｃの第２入力端子Ｍ２の２つの締結点２２Ｍ２に対面して当接される２つの孔部１７ａ，１７ａを有する。孔部１７ａ，１７ａは、第２孔部に対応する。２つの孔部１７ａ，１７ａを結ぶ線分が、導体ＬＬ６に対する曲げラインＥ２と平行になるように、２つの孔部１７ａ，１７ａが並べられている。接点部１７は長方形の板状であり、曲げラインＥ２に平行な方向の長さは、曲げラインＥ２に垂直な方向の長さより長い。

別電位が供給される接点部１５と接点部１７との間隔ｄは、鉄道国際規格によって決められた空間絶縁距離を満足するように、前記空間絶縁距離以上の長さに設定する。なお、接点部１５と接点部１７との間は、空間ギャップとなるため沿面絶縁距離に対する考慮は不要となる。

図７に示された導体端子Ｋ５を例にとって、第２タイプの開口１１に配置される導体端子について説明する。第３端子としての導体端子Ｋ５は、第３平板導体としての導体ＬＬ５から延びるＬ字状の段曲げ形状を有する端子片Ｋ５０を有する。端子片Ｋ５０が第３端子片に対応する。前記第３平板導体は、前記第１の層および前記第２の層と異なる第３の層に配置され、前記第１電位および第２電位と異なる第３電位が印加される。導体端子Ｋ５の端子片Ｋ５０は、第３段差部としての段差部１８と第３接点部としての接点部１９とを有する。段差部１８は、導体ＬＬ５に対し曲げラインＥ３に沿ってほぼ直角に曲げられ、端縁壁１１ａに沿って第１ブスバー３０ａの第１主面３０ａ１に達するまで延びる。前記曲げラインＥ３は、開口１１の一辺である第３辺に沿っており、端縁壁１１ａによって前記第３辺が構成される。図７では、端縁壁１１ａは、第１ブスバー３０ａの端部の端縁壁となっている。接点部１９は、段差部１８に対しほぼ直角に曲げられ、第１ブスバー３０ａの第１主面３０ａ１に沿って延びる。接点部１９は、Ｕ相下モジュール３１ｃの出力端子Ｍ３の３つの締結点２２Ｍ３に対面して当接される３つの孔部１９ａを有する。孔部１９ａが第３孔部に対応する。３つの孔部１９ａ，１９ａ，１９ａを結ぶ線分が、導体ＬＬ５に対する曲げラインＥ３と平行になるように、３つの孔部１９ａ，１９ａ，１９ａが配置されている。接点部１９は長方形の板状であり、曲げラインＥ３に平行な方向の長さは、曲げラインＥ３に垂直な方向の長さより長い。

図８は、第１半導体モジュールとしてのＵ相下モジュール３１ｃと第１ブスバー３０ａとの連結状態を示す概念図である。第１ブスバー３０ａの第１主面３０ａ１とＵ相下モジュール３１ｃの端子配置面２１とが対向した状態で、導体端子Ｋ３および導体端子Ｋ６の接点部１５，１７と、Ｕ相下モジュール３１ｃの第１入力端子Ｍ１、第２入力端子Ｍ２とが夫々位置合わせされ、導体端子Ｋ３および導体端子Ｋ６の接点部１５，１７とＵ相下モジュール３１ｃの第１入力端子Ｍ１、第２入力端子Ｍ２とが、図７に示した孔部１５ａ，１７ａを介してボルト、ネジ、ピンなどの導電性の締結具４０によって締結される。

図９は、図７に示したブスバー３０から表面のラミネート層および内部の絶縁層を削除した状態を示す図である。図９に示すように、本実施の形態の一対の導体端子Ｋ３，Ｋ６には、対向型の段曲げ形状が採用されている。また、導体端子Ｋ３の複数の締結点を構成する２つの孔部１５ａ，１５ａは、曲げラインＥ１に対し平行となるように並設されている。このため、２つの孔部１５ａ，１５ａは、曲げラインＥ１からの距離が均等になる。導体端子Ｋ６についても同様であり、導体端子Ｋ６の複数の締結点を構成する２つの孔部１７ａ，１７ａは、曲げラインＥ２に対し平行となるように並設されており、曲げラインＥ２からの距離が均等になる。このため、コンデンサ７１，７２から供給される直流電流が導体端子Ｋ３を流れるとき、２つの孔部１５ａ，１５ａのうちの一方に電流が集中することが防止される。導体端子Ｋ６についても同様である。したがって、半導体モジュール内でのチップ間での分流バランスが改善され、半導体モジュール内での発熱の偏りを小さくすることができる。

図１０は、比較例の導体端子の配置を示している。この比較例では、２つの導体端子Ｊ１，Ｊ２は、開口１０の同じ端縁壁から延在されている。導体端子Ｊ１の２つの孔部Ｊ１ａ，Ｊ１ｂは、曲げラインＥ１と直角になるように並べられており、曲げラインＥ１からの距離が異なる。導体端子Ｊ２の２つの孔部Ｊ２ａ，Ｊ２ｂは、曲げラインＥ２と直角になるように並べられており、曲げラインＥ２からの距離が異なる。このため、比較例の場合は、コンデンサ７１，７２から供給される直流電流が導体端子Ｊ１を流れるとき、２つの孔部Ｊ１ａ，Ｊ１ｂのうちの一方の孔部Ｊ１ａに電流が集中する。したがって、比較例の場合、半導体モジュール内でのチップ間で大きな発熱の偏りが発生する可能性がある。

また、本実施の形態の段曲げによる導体端子構造によれば、並列に接続された第１レグのスイッチング素子と第２レグのスイッチング素子との間に流れる振動電流を抑制することができる。例えば、図３に示したＵ相回路３の第１レグのＵ相中モジュール３１ｂと第２レグのＵ相中モジュール３２ｂを例にとると、符号Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３またはＧ４で示した経路に振動電流が流れることがある。Ｕ相中モジュール３１ｂが第１半導体モジュールに対応し、Ｕ相中モジュール３２ｂが第２半導体モジュールに対応する。図１１は、図３に示した配線Ｌ２を構成する導体ＬＬ２と、４つの導体端子Ｋ２−１,Ｋ２−２，Ｋ２−３，およびＫ２−４を示している。導体端子Ｋ２−１は、Ｕ相第１レグ３１のＵ相中モジュール３１ｂの第１入力端子Ｍ１に連結され、導体端子Ｋ２−２は、Ｕ相第２レグ３２のＵ相中モジュール３２ｂの第１入力端子Ｍ１に連結される。導体端子Ｋ２−１の一方の連結点を構成する孔部ｈ１と、導体端子Ｋ２−２の一方の連結点を構成する孔部ｈ２とを結ぶ両方向矢印Ｇ１は、図３に示した経路Ｇ１に対応する。経路Ｇ１の長さは、孔部ｈ１と孔部ｈ２とを最短で結ぶ場合に比べ、導体端子Ｋ２−１，Ｋ２−２が段曲げされている分だけ長く確保することができる。なお、図６に示した半導体モジュールの配置に従えば、導体端子Ｋ２−３は、Ｕ相第１レグ３１のＵ相上モジュール３１ａの出力端子Ｍ３に連結され、導体端子Ｋ２−４は、Ｕ相第２レグ３２のＵ相上モジュール３２ａの出力端子Ｍ３に連結される。

図１２は、比較例の導体端子を示している。比較例の導体端子１２０，１２１は、円柱状のボス構造を呈している。導体端子１２０は、図１１に示した導体端子Ｋ２−１に対応し、導体端子１２１は、図１１に示した導体端子Ｋ２−２に対応する。比較例の場合は、Ｇ１´で示す経路に振動電流が流れる。経路Ｇ１´の長さは、導体端子１２０の一方の連結点ｂ１と、導体端子１２１の一方の連結点ｂ２とを最短で結んだ長さに対応する。

図１１に示した本実施の形態にかかる段曲げの端子構造によれば、図１２に示したボス構造の端子構造に比べ、第１レグの導体端子と第２レグの導体端子との間の距離を長く確保することが可能となる。このため、第１レグのスイッチング素子と第２レグのスイッチング素子との間に流れる振動電流を、比較例の構造に比べ、抑制することが可能となる。なお、図１１に示した本実施の形態の導体端子構造は、図１２の平板導体１３０における連結点ｂ１と連結点ｂ２との間にスリット（図示せず）を形成して、連結点ｂ１と連結点ｂ２との間の導体距離を長くしたのと同等の機能を有することになる。

図１３は、図１２に示した比較例の端子構造を採用した場合のスイッチング素子を流れる電流を示している。図１３は、例えば、Ｕ相第１レグ３１のＵ相中モジュール３１ｂに含まれるスイッチング素子３１ｂｓ１がターンオンしたときのスイッチング素子３１ｂｓ１を流れる電流Ｉｄを示している。比較例の端子構造が採用された場合、Ｑ１で示すように、高周波の大きな振動波形が発生している。

図１４は、本実施の形態にかかる段曲げの端子構造を採用した場合のスイッチング素子を流れる電流を示している。図１４は、例えば、Ｕ相第１レグ３１のＵ相中モジュール３１ｂに含まれるスイッチング素子３１ｂｓ１がターンオンしたときのスイッチング素子３１ｂｓ１を流れる電流Ｉｄを示している。本実施の形態の端子構造が採用された場合、Ｑ２で示すように、比較例に比べ振動が抑制されている。

また、本実施の形態にかかる段曲げの端子構造によれば、図１２に示したボス構造の導体端子に比べ、端子の通電面積を多く確保でき、端子部の発熱が減少し、より多くの電流を流すことが可能となる。図１１の導体端子Ｋ２−２に付したハッチング部が導体端子Ｋ２−２の通電面積を示している。図１２の導体端子１２１に付したハッチング部が導体端子１２１の通電面積を示している。

以上説明したようにこの実施の形態のブスバーによれば、半導体モジュールと締結される導体端子構造に対向配置型の段曲げを採用し、導体端子の複数の締結点を構成する複数の孔部を、段曲げラインに対し平行となるように配置した。このため、複数の締結点を流れる電流が均等化され、これにより半導体モジュール内でのチップ間での分流バランスが改善され、半導体モジュール内での発熱の偏りを小さくすることができる。

なお、本実施の形態にかかる段曲げの導体端子構造を、コンバータ回路８０の半導体モジュールに適用してもよい。

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開口、１１開口、１４，１６，１８段差部、１５，１７，１９接点部、１５ａ，１７ａ，１９ａ孔部、２０パッケージ、３０ラミネートブスバー、４０締結具、６０インバータ回路、７０直流電圧回路、７１，７２コンデンサ、７５導体バー、７６出力コア、８０コンバータ回路、８５モータ、９０電力変換装置、１００鉄道車両、Ｋ１〜Ｋ６導体端子、ＬＬ１〜ＬＬ６平板導体。

Claims

穴が形成された複数の第１締結点を有する第１モジュール端子および穴が形成された複数の第２締結点を有する第２モジュール端子を有する第１半導体モジュールが搭載される第１主面と、前記第１主面の反対側の面である第２主面と、絶縁体を介して積層された複数の平板導体とを有する主回路配線部材において、
第１の層に配置され、第１電位が印加される第１平板導体と、
第２の層に配置され、第２電位が印加される第２平板導体と、
前記第１主面と前記第２主面との間で貫通される第１開口と、
前記第１開口の一辺である第１辺に沿って前記第１平板導体から曲げられる段曲げ形状の第１端子片と、前記第１端子片に形成されて前記第１辺に平行な方向に並べられる複数の第１孔部とを有する第１端子と、
前記第１開口の前記第１辺に対向する一辺である第２辺に沿って前記第２平板導体から曲げられる段曲げ形状の第２端子片と、前記第２端子片に形成されて前記第２辺に平行な方向に並べられる複数の第２孔部とを有する第２端子と、
を備え、前記第１孔部および前記第１締結点の前記穴に第１締結具が挿入されて前記第１端子が前記第１半導体モジュールの前記第１モジュール端子に締結され、前記第２孔部および前記第２締結点の前記穴に第２締結具が挿入されて前記第２端子が前記第１半導体モジュールの前記第２モジュール端子に締結されることを特徴とする主回路配線部材。
前記第１端子片は、前記第１辺に沿って前記第１平板導体に対し曲げられる第１段差部と、前記第１段差部に対し曲げられて前記第１主面に平行に延びる第１接点部とを有し、前記第１孔部は前記第１接点部に形成され、
前記第２端子片は、前記第２辺に沿って前記第２平板導体に対し曲げられる第２段差部と、前記第２段差部に対し曲げられて前記第１主面に平行に延びる第２接点部とを有し、前記第２孔部は前記第２接点部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の主回路配線部材。
前記第１段差部は、前記第１開口の前記第１辺を構成する第１端縁壁に沿って前記第１主面まで延び、
前記第２段差部は、前記第１開口の前記第２辺を構成する第２端縁壁に沿って前記第１主面まで延びることを特徴とする請求項２に記載の主回路配線部材。
前記第１接点部と前記第２接点部との間隔は、決められた空間絶縁距離に対応する長さ以上であることを特徴とする請求項２に記載の主回路配線部材。
前記第１孔部および前記第１締結点の前記穴に前記第１締結具が挿入されて前記第１接点部が前記第１半導体モジュールの前記第１モジュール端子に締結され、前記第２孔部および前記第２締結点の前記穴に前記第２締結具が挿入されて前記第２接点部が前記第１半導体モジュールの前記第２モジュール端子に締結されることを特徴とする請求項２に記載の主回路配線部材。
前記第１接点部は長方形の板状であり、前記第１辺に平行な方向の前記第１接点部の長さは、前記第１辺に垂直な方向の前記第１接点部の長さより長く、
前記第２接点部は長方形の板状であり、前記第２辺に平行な方向の前記第２接点部の長さは、前記第２辺に垂直な方向の前記第２接点部の長さより長いことを特徴とする請求項２に記載の主回路配線部材。
前記第１半導体モジュールは、穴が形成された複数の第３締結点を有する第３モジュール端子を更に備え、
第３の層に配置され、第３電位が印加される第３平板導体と、
前記第１主面と前記第２主面との間で貫通される第２開口と、
前記第２開口の一辺である第３辺に沿って前記第３平板導体から曲げられる段曲げ形状の第３端子片と、前記第３端子片に形成されて前記第３辺に平行な方向に並べられる複数の第３孔部とを有する第３端子と、
を備え、前記第３孔部および前記第３締結点の前記穴に第３締結具が挿入されて前記第３端子が前記第１半導体モジュールの前記第３モジュール端子に締結されることを特徴とする請求項１に記載の主回路配線部材。
前記第３端子片は、前記第３辺に沿って前記第３平板導体に対し曲げられる第３段差部と、前記第３段差部に対し曲げられて前記第１主面に平行に延びる第３接点部とを有し、前記第３孔部は前記第３接点部に形成されることを特徴とする請求項７に記載の主回路配線部材。
前記第１主面は第２半導体モジュールを搭載し、前記第１半導体モジュールおよび前記第２半導体モジュールは、並列接続される第１レグおよび第２レグを構成し、
前記第２半導体モジュールは、穴が形成された複数の第４締結点を有する第４モジュール端子および穴が形成された複数の第５締結点を有する第５モジュール端子を有し、
前記第１開口に並設され、前記第１主面と前記第２主面との間で貫通される第３開口と、
前記第３開口の一辺である第４辺に沿って前記第１平板導体から曲げられる段曲げ形状の第４端子片と、前記第４端子片に形成されて前記第４辺に平行な方向に並べられる複数の第４孔部とを有する第４端子と、
前記第３開口の前記第４辺に対向する一辺である第５辺に沿って前記第２平板導体から曲げられる段曲げ形状の第５端子片と、前記第５端子片に形成されて前記第５辺に平行な方向に並べられる複数の第５孔部とを有する第５端子と、
を備え、
前記第４孔部および前記第４締結点の前記穴に第４締結具が挿入されて前記第４端子が前記第２半導体モジュールの前記第４モジュール端子に締結され、前記第５孔部および前記第５締結点の前記穴に第５締結具が挿入されて前記第５端子が前記第２半導体モジュールの前記第５モジュール端子に締結されることを特徴とする請求項１に記載の主回路配線部材。
請求項１に記載の主回路配線部材と、前記第１半導体モジュールと、前記主回路配線部材に搭載されるコンデンサとを備えることを特徴とする電力変換装置。