JP6858244B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に車両用の３レベル電力変換装置に適するものである。

３レベル回路方式は、２レベル回路方式に比べると、半導体モジュールの耐圧が半分の耐圧で済むことや、得られる波形が正弦波に近いことから、ＬＣフィルタの小型化やスイッチング損失の低減にも繋がるメリットがある。
従来の車両用の３レベル電力変換装置では、半導体素子のターンオフ時のサージ電圧を抑制するために、特許文献１〜３に記載されているような、主回路インダクタンスを低減する構造が知られている。

特許文献１に記載の３レベル電力変換装置は、中央にコンデンサを配置し、このコンデンサを挟むように正極側アームの半導体モジュールと負極側アームの半導体モジュールを形成し、該半導体モジュールを１ｉｎ１（１モジュールあたり１アーム）で構成している。

特許文献２および３に記載の３レベル電力変換装置は、コンデンサは端部に配置し、半導体モジュールを直列に並べる構造である。これにより、半導体モジュールを１ｉｎ１の場合よりも正極と負極を近接することで、モジュール内の寄生インダクタンスを小さくした２ｉｎ１（１モジュールあたり２アーム）を採用している。

特開平１１−８９２４９号公報 国際公開第２００８／０７５４１８号 国際公開第２０１４／０２４３２０号

本願発明者が、２ｉｎ１のモジュールを用いた３レベル電力変換装置の小型化について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

特許文献１に記載の３レベル電力変換装置の構成では、１ｉｎ１の半導体モジュールを最低６台使用する必要があり、小型化と低インダクタンス化の課題がある。特許文献２および３に記載の３レベル電力変換装置の構成では、２ｉｎ１の半導体モジュール３台のみで３レベル回路を構成しているため、小型化が実現できる。特許文献２では、モジュールの外で２アームを接続し、特許文献３では、モジュールの中で２アームを接続していることから、特許文献３の方には、低インダクタンス化の課題も解決する試みがある。

ここで問題となるのが、２ｉｎ１のモジュール１台あたりの出力電流定格が、システムの要求に対して小さい場合である。許容電流が小さい場合には、２ｉｎ１のモジュールを並列に配置する必要がある。モジュールを２つ以上並列に配置する際、例えば特許文献３に示された、各モジュール筐体における長手側の側面同士が隣接するような構造では、並列化する方向が各モジュール筐体における短手側となってしまうため、これを３倍にした３相分の構成にあっては、小型化が困難となってしまう。

本発明に係る電力変換装置は、複数の半導体モジュールを配置して構成され、半導体モジュールは、２ｉｎ１のモジュールとして１モジュールあたり上アームおよび下アームの２つのアームを有し、当該モジュールの筐体の長手側に沿って、正極端子、負極端子および交流端子の順に当該端子を設け、複数の半導体モジュールを、筐体の短手側の側面同士を隣接させて配置し、３列に並べて接続することを特徴とする。

本発明によれば、モジュール１台あたりの出力電流定格が小さい場合でも、モジュール筐体の短手側の側面同士が隣接するようにモジュールを３列に並べる配置構成を、モジュール筐体の長手側の側面同士が隣接するように２台以上のモジュールを並列接続することで、３相分の構成であっても小型化を実現させることが可能となる。更に、並列化したモジュールそれぞれに均等に電流を流すことが可能となり、特定のモジュールにのみ電流が集中することを防ぐことができる。
また好ましくは、モジュール筐体の短手側の側面同士が隣接するように３列に並べて配置したモジュールの内、端部の１列のモジュール筐体のみを反転させて配置することで、Ｐ線とＣ線とを、またＮ線とＣ線とを、それぞれ近接させることが可能となり、低インダクタンスを実現することができる。これにより、半導体素子のターンオフ時におけるサージ電圧を抑制することが可能となる。

図１は、本発明の実施例１〜４に共通する車両用の電力変換装置の構造を示す斜視図である。 図２は、本発明の実施例１に係る３レベル回路（クランプダイオード方式）の構成を示す図である。 図３は、図２に示す回路構成を、３台の２ｉｎ１のモジュールで実装した場合の端子配置を示す図である。 図４は、図３に示す車両用の電力変換装置の電流経路を示す側面図である。 図５は、本発明の実施例２に係る３レベル回路（チョッパーモジュール方式）の構成を示す図である。 図６は、図５に示す回路構成を、３台の２ｉｎ１モジュールで実装した場合の端子配置を示す図である。 図７は、図６に示す車両用の電力変換装置の電流経路を示す側面図である。 図８は、実施例３として、実施例１に係る回路構成を有する２ｉｎ１のモジュールを並列接続して配置した構成を示す図である。 図９は、実施例４として、実施例２に係る回路構成を有する２ｉｎ１のモジュールを並列接続して配置した構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態として、実施例１〜４について説明する。

図１は、本発明の実施例１〜４に共通する車両用の電力変換装置１００の構造を示す斜視図である。ここで、電力変換装置１００は、車両用としているが、車両用に限定されるものではなく、産業用等広く適用することが可能である。

電力変換装置１００は、構成要素としては、冷却器２７０、冷却器２７０の上に搭載される複数の半導体モジュール２００（斜め上からの斜視であるため図１では見えず、配置関係としては図４および７、参照）および複数の半導体モジュール２００を電気的に接続するＰ（正極）バスバ２２０、Ｎ（負極）バスバ２３０、ＡＣ（交流）バスバ２５０並びにＣ（共通）バスバ２４０から成る。

ここで、Ｎバスバ２３０とＣバスバ２４０、Ｐバスバ２２０とＣバスバ２４０、それぞれは、互いに隣接して平行平板を形成することで、逆向きの電流を流す相互インダクタンスの効果により主回路インダクタンスを小さくしている。

Ｐバスバ２２０、Ｎバスバ２３０およびＣバスバ２４０は、３相インバータや２相コンバータの回路では相間で同じ電位であるため、図１に示すような大きな板で複数モジュールを跨るように形成される。一方で、ＡＣバスバ２５０は、相毎に分けて形成される。

コンデンサモジュール２１０は、図１に示すように複数の端子を持ち、電力変換装置１００の外側から対応するバスバと接続される。複数の端子を設けて電流集中を抑制することで、低インダクタンス化が可能となる。

また、特許文献１に記載の電力変換装置の構造とは異なり、電力変換装置１００の中央に工具等を入れるためのデッドスペースを必要としないため、装置の小型化が実現できる。

図２は、本発明の実施例１に係る、クランプダイオード方式の３レベル回路の構成を示す図である。図中の破線で区切っている部分に、搭載トランジスタまたはダイオードの種類のみを変えた同じ形状の２ｉｎ１のモジュール（半導体モジュール２００、クランプダイオードモジュール２０１）を用いることで、整然とモジュールを配置し、デッドスペースを無くすことが可能となる。これにより、小型で高密度の実装を実現できる。

ここにおいて、半導体モジュール２００は、上アームおよび下アームとして、ＩＧＢＴに代表されるスイッチング素子と逆並列ダイオードの対を備えるものである。また、クランプダイオードモジュール２０１は、上アームおよび下アームとしてクランプダイオードのみを備えるものである。

また、１ｉｎ１（１アーム／モジュール）構成よりも正極と負極を近接させた２ｉｎ１（２アーム／モジュール）構成を採用しているため、モジュール当たりのインダクタンスを小さくできるメリットがある。

図３は、図２に示す実施例１に係る回路構成を、３台の２ｉｎ１のモジュールで実装した場合の端子配置図である。図４は、図３に示す２ｉｎ１のモジュールの配置構成における電流経路を示す電力変換装置の側面図である（なお、図４において、各バスバと各モジュールとの接続箇所部分については、区別を図るために太線を用いて示した）。

図３に示すように、２ｉｎ１の半導体モジュール２００およびクランプダイオードモジュール２０１は、モジュール筐体の長手側２９２に沿って、正極端子２８０、負極端子２８１および交流端子２８２の順にこれら端子を配置している。各モジュール筐体は、短手側２９１の側面同士が隣接するように、３列に配置して並べる。このような構成にすることで、図４に示すように、Ｐバスバ２２０とＣバスバ２４０とが隣接し、同様にＣバスバ２４０とＮバスバ２３０とが隣接するため、双方に流れる電流に対して低インダクタンス化を実現できる。

また、短手側２９１の側面同士が隣接するように３列に配置したモジュール筐体の内、反転モジュール２０４として図３および図４に示すように、端部のモジュール筐体１台のみを反転させている理由は、中継バスバ２６０とＮバスバ２３０とが交差しないようにするためである。仮に、双方のバスバが交差してしまうと、中継バスバ２６０とＮバスバ２３０のどちらかに穴を設け、干渉しないようにする必要があるため、電流が通るバスバの面積を減らすことになる。それによって、電流集中による局所発熱の問題が生じるため、バスバ同士の立体交差は、図４に示すように回避することが重要となる。

ここで、図４に示すように、Ｃバスバ２４０は、コンデンサモジュール２１０を挟むようにＰバスバ２２０にもＮバスバ２３０にも隣接した形状のため、大きな部品となる可能性がある。板金金型の製造限界を超過する場合等、必要に応じてＣバスバ２４０を２つ以上に分割することも可能である。２つ以上に分割したＣバスバ２４０を、ボルトでモジュール２００に固定する際、複数のバスバとモジュールを共締めすることで電気的に連結させることができる。これにより、製造性と低インダクタンス化を両立できることになる。

図５は、本発明の実施例２に係る、チョッパーモジュール方式の３レベル回路の構成を示す図である。実施例２では、図２に示す実施例１と同様に、図中の破線で区切っている部分に、実施例１とは搭載トランジスタまたはダイオードの種類のみを変えた同じ形状の２ｉｎ１のモジュール（半導体モジュール２００、チョッパーモジュール２０２または２０３）を用いることができる。この構成によっても、実施例１と同様の効果やメリットを奏することができる。

図６は、図５に示す実施例２に係る回路構成を、３台の２ｉｎ１のモジュールで実装した場合の端子配置図である。図７は、図６に示す２ｉｎ１のモジュール配置構成における電流経路を示す電力変換装置の側面図である（なお、図７においても、各バスバと各モジュールとの接続箇所部分については、区別を図るために太線を用いて示した）。

図６に示すように、チョッパーモジュール２０２および半導体モジュール２００は、モジュール筐体における長手側２９２に沿って、正極端子２８０、負極端子２８１および交流端子２８２の順に配置している。各モジュール筐体は、短手側２９１の側面同士が隣接するように、３列に配置して並べる。

実施例２の各構成要素の接続態様において、図２〜４に示す実施例１の場合との相違点は、Ｃバスバ２４０がチョッパーモジュール２０２に接続され（図６に模式的に示す破線、また図７に示す２箇所のＢ部）、ＡＣバスバ２５０が半導体モジュール２００に接続される（図６に模式的に示す二重線、また図７に示す両者の接続）構造にある点である。一方、図２〜４に示す実施例１の場合は、Ｃバスバ２４０がクランプダイオードモジュール２０１に接続され（図３に模式的に示す破線、また図４に示す両者の接続）、ＡＣバスバ２５０が２つの半導体モジュール２００に接続される（図３に模式的に示す二重線、また図４に示す両者の接続）。

このように実施例２の接続態様にすることで、ＡＣバスバ２５０の接続箇所が２点から１点に減らす効果があり、簡略化することで更なる小型の実装が可能となる。また、Ｐバスバ２２０とＣバスバ２４０を通る電流ループの直径や、Ｃバスバ２４０とＮバスバ２３０を通る電流ループの直径が、図２〜４に示す実施例１の場合と比べて小さく、電流経路が短くなる。これにより、更なる低インダクタンス化が実現できる。

更に、実施例２においても実施例１と同様に、Ｃバスバ２４０は、Ｐバスバ２２０にもＮバスバ２３０にも隣接した形状となるため大きな部品となる場合がある。板金金型の製造限界を超過する場合は、Ｃバスバ２４０を２つ以上に分割する。２つ以上に分割したＣバスバ２４０は、図７に示すように、Ａ部もしくはモジュールへのボルト締結点Ｂ部を電気的に連結させることで、製造性と低インダクタンス化を両立することができる。

また、短手側２９１の側面同士が隣接するように３列に配置したモジュール筐体の内、反転モジュール２０４として図６および図７に示すように、端部のモジュール筐体１台のみを、実施例１と同様に反転させている。その理由およびそれにより得られる作用効果は、先に示した実施例１の場合の説明と同様であるのでここでは省略する。

図８は、実施例３として、実施例１の回路構成を有する２ｉｎ１のモジュールを並列接続して配置した構成を示す図である。すなわち、図２〜４に示す２ｉｎ１のモジュール（半導体モジュール２００、クランプダイオードモジュール２０１）の長手側の側面同士を隣接させ、並列接続して配置した構成である。

図９は、実施例４として、実施例２の回路構成を有する２ｉｎ１のモジュールを並列接続して配置した構成を示す図である。すなわち、図５〜７に示す２ｉｎ１のモジュール（半導体モジュール２００、チョッパーモジュール２０２または２０３）の長手側の側面同士を隣接させ、並列接続して配置した構成である。

実施例３および実施例４共に、図８および図９に示すように、２ｉｎ１のモジュールの並列接続方向２９０（実線の矢印で示す方向）と２ｉｎ１のモジュール個々の短手側２９１とを同じ方向にすることによって、実装密度を高め、Ｕ相〜Ｗ相の３相一体の状態で、小型化の実現を可能にする。ここで、特記すべき重要なことは、正極側Ｐから負極側Ｎへの電流方向２９３と２ｉｎ１のモジュール個々の長手側２９２の方向とを一致させることで、並列にした２ｉｎ１のモジュール個々に均等に電流が流れる点である。これにより、特定モジュールのみが劣化することを防止することが可能となる。

１００ 電力変換装置、２００ 半導体モジュール、
２０１ クランプダイオードモジュール、
２０２ チョッパーモジュール（上アームトランジスタ）、
２０３ チョッパーモジュール（下アームトランジスタ）、
２０４ 反転モジュール、２０５ 電流集中モジュール、
２１０ コンデンサモジュール、２１１ Ｐ端子、２１２ Ｎ端子、
２１３ Ｃ端子、２１４ ＡＣ端子、２１５ トランジスタ、
２１６ ダイオード、２２０ Ｐ（正極）バスバ、
２３０ Ｎ（負極）バスバ、２４０ Ｃ（共通）バスバ、
２５０ ＡＣ（交流）バスバ、２６０ 中継バスバ、
２７０ 冷却器、２８０ ２ｉｎ１モジュール内の正極端子、
２８１ ２ｉｎ１モジュール内の負極端子、
２８２ ２ｉｎ１モジュール内の交流端子、
２９０ ２ｉｎ１モジュール並列方向、
２９１ ２ｉｎ１モジュール短手側、
２９２ ２ｉｎ１モジュール長手側、
２９３ 正極側Ｐから負極側Ｎへの電流方向

Claims (8)

1. 複数の半導体モジュールを配置して構成される電力変換装置であって、
   複数の平滑コンデンサと、
   複数の前記半導体モジュールを電気的に接続する導体板と
   を設け、
   前記半導体モジュールは、２ｉｎ１のモジュールとして１モジュールあたり上アームおよび下アームの２つのアームを有し、当該モジュールの筐体の長手側に沿って、正極端子、負極端子および交流端子の順に当該端子を備え、
   前記複数の平滑コンデンサは、一つの平滑コンデンサの負極端子と別の平滑コンデンサの正極端子とが接続され、
   前記導体板は、当該電力変換装置の外部に電力を出力する交流バスバと、前記一つの平滑コンデンサの正極端子に接続される正極バスバと、前記別の平滑コンデンサの負極端子に接続される負極バスバと、前記一つの平滑コンデンサの負極端子と前記別の平滑コンデンサの正極端子に共通して接続される共通バスバとから構成され、前記正極バスバと前記共通バスバおよび前記負極バスバと前記共通バスバ、それぞれは、互いに隣接して平行平板として形成され、
   複数の前記半導体モジュールは、前記筐体の短手側の側面同士を隣接させて３列に並べて配置され、
   前記半導体モジュールが備える前記正極端子、前記負極端子および前記交流端子それぞれは、前記交流バスバ、前記正極バスバ、前記負極バスバ、前記共通バスバおよび他列の前記半導体モジュールが備える前記正極端子、前記負極端子並びに前記交流端子、のいずれか１つに接続される
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記３列の前記半導体モジュールの内、第１列の前記半導体モジュールの前記正極端子は前記正極バスバに、第３列の前記半導体モジュールの前記負極端子は前記負極バスバに、第２列の前記半導体モジュールの前記交流端子は前記共通バスバに、前記第１列の半導体モジュールの前記負極端子および前記第３列の半導体モジュールの前記正極端子は前記交流バスバに、前記第１列の半導体モジュールの前記交流端子は前記第２列の半導体モジュールの前記正極端子に、前記第３列の半導体モジュールの前記交流端子は前記第２列の半導体モジュールの前記負極端子に、それぞれ接続される
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記第２列の半導体モジュールは、前記上アームおよび前記下アームとして、クランプダイオードのみを備える
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記３列の前記半導体モジュールの内、第１列の前記半導体モジュールの前記正極端子は前記正極バスバに、第３列の前記半導体モジュールの前記負極端子は前記負極バスバに、第２列の前記半導体モジュールの前記交流端子は前記交流バスバに、前記第１列の半導体モジュールの前記負極端子および前記第３列の半導体モジュールの前記正極端子は前記共通バスバに、前記第１列の半導体モジュールの前記交流端子は前記第２列の半導体モジュールの前記正極端子に、前記第３列の半導体モジュールの前記交流端子は前記第２列の半導体モジュールの前記負極端子に、それぞれ接続される
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置であって、
   前記第２列の半導体モジュールは、前記上アームおよび前記下アームとして、スイッチング素子と逆並列ダイオードとの対を備える
   ことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記複数の半導体モジュールを１セットとし、２セット以上の前記複数の半導体モジュールが、前記筐体の長手側の側面同士を隣接させて、前記筐体の短手方向に並列接続されて配置される
   ことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項２〜５、請求項１の引用を除いた請求項６、のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記３列の前記半導体モジュールの内、前記第１列または前記第３列の半導体モジュールの前記筐体は反転されて配置される
   ことを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項２〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記共通バスバは２つ以上に分割され、該分割された箇所はボルト締結される
   ことを特徴とする電力変換装置。
   

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