JP6901639B1 - 電力変換ユニット - Google Patents

Abstract

電力変換ユニット（１）は、複数の半導体モジュール（６０）と、ゲート駆動回路（１７）と、平板状の第１基板（２０）と、平板状の第２基板（３０）とを備える。第１基板（２０）は、複数の半導体モジュール（６０）およびゲート駆動回路（１７）を収容する筐体の底板（４０）に対向する第１面（２０Ａ）と、第１面（２０Ａ）と反対側の第２面（２０Ｂ）とを有する。第２基板（３０）は、第１基板（２０）の上方に、第２面（２０Ｂ）に平行に配置される。複数の半導体モジュール（６０）は、第１面（２０Ａ）に実装される。ゲート駆動回路（１７）は、第２基板（３０）の、第２面（２０Ｂ）と対向しない側の面に形成される。電力変換ユニット（１）は、第２面（２０Ｂ）に設けられ、第２基板（３０）と対向する側の面に接続されるコネクタ（３１）をさらに備える。

Description

本開示は、電力変換ユニットに関する。

特開２０１１−２４４５７２号公報（特許文献１）には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate
Bipolar Transistor）などの半導体素子を用いた電力変換ユニットが開示される。電力変換ユニットは、インバータ回路を構成する複数の半導体素子の各々にゲート駆動回路がゲート駆動ケーブルを介して接続されている。ゲート駆動回路が各半導体素子に印加するゲート駆動電圧をオンまたはオフに切り替えることにより、各半導体素子がスイッチング動作する。

特開２０１１−２４４５７２号公報

上記特許文献１に記載される電力変換ユニットにおいては、半導体素子のスイッチング動作時、ゲート駆動ケーブルにコモンモードノイズが発生する。このコモンモードノイズを低減するため、ゲート駆動ケーブルにコモンモードリアクトルまたは中空のコアが介挿されている。

上記構成によると、コモンモードリアクトルによってコモンモードノイズが低減されるが、その一方で、コモンモードリアクトルまたはコアを設置することによる電力変換ユニットの大型化およびコスト増加に繋がることが懸念される。

この発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、小型化およびノイズの低減が可能な電力変換ユニットを提供することである。

本開示に係る電力変換ユニットは、半導体スイッチング素子を有する複数の半導体モジュールと、複数の半導体モジュールを駆動するゲート駆動回路と、平板状の第１基板と、平板状の第２基板とを備える。第１基板は、複数の半導体モジュールおよびゲート駆動回路を収容する筐体の底板に対向する第１面と、第１面と反対側の第２面とを有する。第２基板は、第１基板の上方に、第２面に平行に配置される。複数の半導体モジュールは、第１面に実装される。ゲート駆動回路は、第２基板の、第２面と対向しない側の面に形成される。電力変換ユニットは、第２面に設けられ、第２基板と対向する側の面に接続されるコネクタをさらに備える。

本開示によれば、小型化およびノイズの低減が可能な電力変換ユニットを提供することができる。

実施の形態に係る電力変換ユニットの構成例を示す回路ブロック図である。 図１に示した無停電電源装置の要部を示す回路図である。 無停電電源装置の平面図である。 無停電電源装置の斜視図である。 本実施の形態に係る電力変換ユニットの実装構造の作用効果を説明するための図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、実施の形態に係る電力変換ユニットの構成例を示す回路ブロック図である。本実施の形態に係る電力変換ユニットは、代表的に無停電電源装置１に適用することができる。無停電電源装置１は、商用交流電源２１からの三相交流電力を直流電力に一旦変換し、その直流電力を三相交流電力に変換して負荷２２に供給するものである。図１では、図面および説明の簡単化のため、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のうちの一相（例えばＵ相）に対応する部分の回路のみが示されている。

無停電電源装置１は、インバータ給電モードと、バイパス給電モードとを有する。インバータ給電モードは、インバータ１０から負荷２２に交流電力が供給される運転モードである。バイパス給電モードは、商用交流電源２１から半導体スイッチ１５を介して負荷２２に交流電力が供給される運転モードである。

インバータ給電モードでは、商用交流電源２１から供給される交流電力をコンバータ６によって直流電力に変換し、その直流電力をインバータ１０によって交流電力に変換して負荷２２に供給する。そのため、インバータ給電モードは、負荷２２への給電安定性に優れている。

これに対して、バイパス給電モードでは、商用交流電源２１から供給される交流電力を、半導体スイッチ１５を介して、言い換えればコンバータ６およびインバータ１０を通さずに負荷２２に供給する。そのため、コンバータ６およびインバータ１０における電力損失の発生が抑制され、結果的に無停電電源装置１の運転効率を向上させることができる。

図１を参照して、無停電電源装置１は、交流入力端子Ｔ１、交流出力端子Ｔ２およびバッテリ端子Ｔ３を備える。交流入力端子Ｔ１は、商用交流電源２１から商用周波数の交流電力を受ける。

交流出力端子Ｔ２は、負荷２２に接続される。負荷２２は、交流電力によって駆動される。バッテリ端子Ｔ３は、バッテリ（電力貯蔵装置）２３に接続される。バッテリ２３は、直流電力を蓄える。バッテリ２３の代わりにコンデンサが接続されていても構わない。

無停電電源装置１は、さらに、電磁接触器２，８，１４、電流検出器３，１１、コンデンサ４，９，１３、リアクトル５，１２、コンバータ６、双方向チョッパ７、インバータ１０、半導体スイッチ１５、ゲート駆動回路１７および制御装置１８を備える。

電磁接触器２およびリアクトル５は、交流入力端子Ｔ１とコンバータ６の入力ノードとの間に直列接続される。コンデンサ４は、電磁接触器２とリアクトル５の間のノードＮ１に接続される。電磁接触器２は、無停電電源装置１の使用時にオンされ、たとえば無停電電源装置１のメンテナンス時にオフされる。

ノードＮ１に現れる交流入力電圧Ｖｉｎの瞬時値は、制御装置１８によって検出される。交流入力電圧Ｖｉｎの瞬時値に基づいて、瞬時電圧低下および停電の発生の有無などが判別される。電流検出器３は、ノードＮ１に流れる交流入力電流Ｉｉｎを検出し、その検出値を示す信号Ｉｉｎを制御装置１８に与える。

コンデンサ４およびリアクトル５は、低域通過フィルタを構成し、商用交流電源２１からコンバータ６に商用周波数の交流電力を通過させ、コンバータ６で発生するスイッチング周波数の信号が商用交流電源２１に通過することを防止する。

コンバータ６は、制御装置１８によって制御され、商用交流電源２１から交流電力が供給されている通常時は、三相交流電力を直流電力に変換（順変換）して直流ラインＬ１に出力する。商用交流電源２１からの交流電力の供給が停止された停電時は、コンバータ６の運転は停止される。コンバータ６の出力電圧は、所望の値に制御可能になっている。

コンデンサ９は、直流ラインＬ１に接続され、直流ラインＬ１の電圧を平滑化させる。直流ラインＬ１に現れる直流電圧ＶＤＣの瞬時値は、制御装置１８によって検出される。直流ラインＬ１は双方向チョッパ７の高電圧側ノードに接続され、双方向チョッパ７の低電圧側ノードは電磁接触器８を介してバッテリ端子Ｔ３に接続される。

電磁接触器８は、無停電電源装置１の使用時はオンされ、たとえば無停電電源装置１およびバッテリ２３のメンテナンス時にオフされる。バッテリ端子Ｔ３に現れるバッテリ２３の端子間電圧ＶＢの瞬時値は、制御装置１８によって検出される。

双方向チョッパ７は、制御装置１８によって制御され、商用交流電源２１から交流電力が供給されている通常時は、コンバータ６によって生成された直流電力をバッテリ２３に蓄え、瞬時電圧低下または停電が発生したときには、バッテリ２３の直流電力を、直流ラインＬ１を介してインバータ１０に供給する。

双方向チョッパ７は、直流電力をバッテリ２３に蓄える場合は、直流ラインＬ１の直流電圧ＶＤＣを降圧してバッテリ２３に与える。また、双方向チョッパ７は、バッテリ２３の直流電力をインバータ１０に供給する場合は、バッテリ２３の端子間電圧ＶＢを昇圧して直流ラインＬ１に出力する。直流ラインＬ１は、インバータ１０の入力ノードに接続されている。

インバータ１０は、制御装置１８によって制御され、コンバータ６または双方向チョッパ７から直流ラインＬ１を介して供給される直流電力を商用周波数の三相交流電力に変換（逆変換）して出力する。すなわち、インバータ１０は、通常時はコンバータ６から直流ラインＬ１を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換し、瞬時電圧低下または停電時はバッテリ２３から双方向チョッパ７を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換する。インバータ１０の出力電圧は、所望の値に制御可能になっている。

インバータ１０の出力ノード１０ａはリアクトル１２の一方端子に接続され、リアクトル１２の他方端子は電磁接触器１４を介して交流出力端子Ｔ２に接続される。コンデンサ１３は、電磁接触器１４と交流出力端子Ｔ２との間のノードＮ２に接続される。

電流検出器１１は、インバータ１０の出力電流Ｉｉｎｖの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号Ｉｉｎｖを制御装置１８に与える。ノードＮ２に現れる交流出力電圧Ｖｏｕｔの瞬時値は、制御装置１８によって検出される。

リアクトル１２およびコンデンサ１３は、低域通過フィルタを構成し、インバータ１０で生成された商用周波数の交流電力を交流出力端子Ｔ２に通過させ、インバータ１０で発生するスイッチング周波数の信号が交流出力端子Ｔ２に通過することを防止する。

電磁接触器１４は、制御装置１８によって制御され、インバータ給電モード時にはオンされ、バイパス給電モード時にはオフされる。

半導体スイッチ１５は、逆並列に接続された一対のサイリスタを有するサイリスタスイッチであり、交流入力端子Ｔ１と交流出力端子Ｔ２との間に接続される。半導体スイッチ１５は、制御装置１８によって制御され、インバータ給電モード時にはオフされ、バイパス給電モード時にはオンされる。

具体的には、サイリスタスイッチを構成する一対のサイリスタは、制御装置１８から入力（オン）されるゲート信号に応答してオンする。例えば、半導体スイッチ１５は、インバータ給電モード時にインバータ１０が故障した場合は瞬時にオンし、商用交流電源２１からの三相交流電力を負荷２２に供給する。

ゲート駆動回路１７は、制御装置１８から与えられるゲート信号に基づいて、コンバータ６、双方向チョッパ７およびインバータ１０を構成するスイッチング素子のスイッチング動作を制御する。

制御装置１８は、交流入力電圧Ｖｉｎ，交流入力電流Ｉｉｎ、直流電圧ＶＤＣ、バッテリ２３の端子間電圧ＶＢ、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ、および交流出力電圧Ｖｏｕｔなどに基づいて無停電電源装置１全体を制御する。制御装置１８による無停電電源装置１の制御については後述する。

制御装置１８は、例えばマイクロコンピュータなどで構成することが可能である。一例として、制御装置１８は、図示しないメモリおよびＣＰＵ（Central Processing Unit）を内蔵し、メモリに予め格納されたプログラムをＣＰＵが実行することによるソフトウェア処理によって、後述する制御動作を実行することができる。あるいは、当該制御動作の一部または全部について、ソフトウェア処理に代えて、内蔵された専用の電子回路などを用いたハードウェア処理によって実現することも可能である。

図２は、図１に示した無停電電源装置１の要部を示す回路図である。図１では三相交流電圧のうちの一相に関連する部分のみを示したが、図２では三相に関連する部分を示している。また、電磁接触器２，１４および半導体スイッチ１５の図示は省略されている。

図２において、無停電電源装置１は、交流入力端子Ｔ１ａ，Ｔ１ｂ，Ｔ１ｃ、交流出力端子Ｔ２ａ，Ｔ２ｂ，Ｔ２ｃ、電流検出器３，１１，コンデンサ９，４ａ，４ｂ，４ｃ，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、リアクトル５ａ，５ｂ，５ｃ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、コンバータ６、直流ラインＬ１，Ｌ２、およびインバータ１０を備える。

交流入力端子Ｔ１ａ，Ｔ１ｂ，Ｔ１ｃは、商用交流電源２１（図１）からの三相交流電圧（Ｕ相交流電圧、Ｖ相交流電圧、およびＷ相交流電圧）をそれぞれ受ける。交流出力端子Ｔ２ａ，Ｔ２ｂ，Ｔ２ｃには、商用交流電源２１からの三相交流電圧に同期した三相交流電圧が出力される。負荷２２は、交流出力端子Ｔ２ａ，Ｔ２ｂ，Ｔ２ｃからの三相交流電圧によって駆動される。

リアクトル５ａ，５ｂ，５ｃの一方端子はそれぞれ交流入力端子Ｔ１ａ，Ｔ１ｂ，Ｔ１ｃに接続され、それらの他方端子はコンバータ６の入力ノード６ａ，６ｂ，６ｃにそれぞれ接続される。コンデンサ４ａ，４ｂ，４ｃの一方電極はそれぞれリアクトル５ａ，５ｂ，５ｃの一方端子に接続され、それらの他方電極はともに中性点ＮＰに接続される。

コンデンサ４ａ，４ｂ，４ｃおよびリアクトル５ａ，５ｂ，５ｃは、低域通過フィルタを構成し、交流入力端子Ｔ１ａ，Ｔ１ｂ，Ｔ１ｃからコンバータ６に商用周波数の三相交流電力を通過させ、コンバータ６で発生するスイッチング周波数の信号を遮断する。リアクトル５ａの一方端子に現れる交流入力電圧Ｖｉｎの瞬時値は制御装置１８（図１）によって検出される。電流検出器３は、ノードＮ１（すなわち交流入力端子Ｔ１ａ）に流れる交流入力電流Ｉｉｎを検出し、その検出値を示す信号Ｉｉｎを制御装置１８に与える。

コンバータ６は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）Ｑ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６を含む。ＩＧＢＴは「半導体スイッチング素子」を構成する。ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３のコレクタはともに直流ラインＬ１に接続され、それらのエミッタはそれぞれ入力ノード６ａ，６ｂ，６ｃに接続される。ＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６のコレクタはそれぞれ入力ノード６ａ，６ｂ，６ｃに接続され、それらのエミッタはともに直流ラインＬ２に接続される。ダイオードＤ１〜Ｄ６は、それぞれＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６に逆並列に接続される。

ＩＧＢＴＱ１，Ｑ４はそれぞれゲート信号Ａｕ，Ｂｕによって制御され、ＩＧＢＴＱ２，Ｑ５はそれぞれゲート信号Ａｖ，Ｂｖによって制御され、ＩＧＢＴＱ３，Ｑ６はそれぞれゲート信号Ａｗ，Ｂｗによって制御される。ゲート信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗは、それぞれゲート信号Ａｕ，Ａｖ，Ａｗの反転信号である。

ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３は、それぞれゲート信号Ａｕ，Ａｖ，ＡｗがＨ（論理ハイ）レベルにされた場合にオンし、それぞれゲート信号Ａｕ，Ａｖ，ＡｗがＬ（論理ロー）レベルにされた場合にオフする。ＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６は、それぞれゲート信号Ｂｕ，Ｂｖ，ＢｗがＨレベルにされた場合にオンし、それぞれゲート信号Ｂｕ，Ｂｖ，ＢｗがＬレベルにされた場合にオフする。

ゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，Ｂｗの各々は、パルス信号列であり、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号である。ゲート信号Ａｕ，Ｂｕの位相とゲート信号Ａｖ，Ｂｖの位相とゲート信号Ａｗ，Ｂｗの位相とは１２０度ずつずれている。ゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，Ｂｗは、制御装置１８によって生成される。制御装置１８は、生成したゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，Ｂｗをゲート駆動回路１７に出力する。ゲート駆動回路１７は、ゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，Ｂｗに従ってＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６の各々をオンおよびオフさせる。

ゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，ＢｗによってＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６の各々を所定のタイミングでオンおよびオフさせるとともに、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６の各々のオン時間を調整することにより、入力ノード６ａ〜６ｃに与えられた三相交流電圧を直流電圧ＶＤＣ（コンデンサ９の端子間電圧）に変換することが可能となっている。

インバータ１０は、ＩＧＢＴＱ１１〜Ｑ１６およびダイオードＤ１１〜Ｄ１６を含む。ＩＧＢＴは「半導体スイッチング素子」を構成する。ＩＧＢＴＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１３のコレクタはともに直流ラインＬ１に接続され、それらのエミッタはそれぞれ出力ノード１０ａ，１０ｂ，１０ｃに接続される。ＩＧＢＴＱ１４，Ｑ１５，Ｑ１６のコレクタはそれぞれ出力ノード１０ａ，１０ｂ，１０ｃに接続され、それらのエミッタはともに直流ラインＬ２に接続される。ダイオードＤ１１〜Ｄ１６は、それぞれＩＧＢＴＱ１１〜Ｑ１６に逆並列に接続される。

ＩＧＢＴＱ１１，Ｑ１４はそれぞれゲート信号Ｘｕ，Ｙｕによって制御され、ＩＧＢＴＱ１２，Ｑ１５はそれぞれゲート信号Ｘｖ，Ｙｖによって制御され、ＩＧＢＴＱ１３，Ｑ１６はそれぞれゲート信号Ｘｗ，Ｙｗによって制御される。ゲート信号Ｙｕ，Ｙｖ，Ｙｗは、それぞれゲート信号Ｘｕ，Ｘｖ，Ｘｗの反転信号である。

ＩＧＢＴＱ１１〜Ｑ１３は、それぞれゲート信号Ｘｕ，Ｘｖ，ＸｗがＨレベルにされた場合にオンし、それぞれゲート信号Ｘｕ，Ｘｖ，ＸｗがＬレベルにされた場合にオフする。ＩＧＢＴＱ１４〜Ｑ１６は、それぞれゲート信号Ｙｕ，Ｙｖ，ＹｗがＨレベルにされた場合にオンし、それぞれゲート信号Ｙｕ，Ｙｖ，ＹｗがＬレベルにされた場合にオフする。

ゲート信号Ｘｕ，Ｙｕ，Ｘｖ，Ｙｖ，Ｘｗ，Ｙｗの各々は、パルス信号列であり、ＰＷＭ信号である。ゲート信号Ｘｕ，Ｙｕの位相とゲート信号Ｘｖ，Ｙｖの位相とゲート信号Ｘｗ，Ｙｗの位相とは１２０度ずつずれている。ゲート信号Ｘｕ，Ｙｕ，Ｘｖ，Ｙｖ，Ｘｗ，Ｙｗは、制御装置１８によって生成される。制御装置１８は、生成したゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，Ｂｗをゲート駆動回路１７に出力する。ゲート駆動回路１７は、ゲート信号Ｘｕ，Ｙｕ，Ｘｖ，Ｙｖ，Ｘｗ，Ｙｗに従ってＩＧＢＴＱ１１〜Ｑ１６の各々をオンおよびオフさせる。

ゲート信号Ｘｕ，Ｙｕ，Ｘｖ，Ｙｖ，Ｘｗ，ＹｗによってＩＧＢＴＱ１１〜Ｑ１６の各々を所定のタイミングでオンおよびオフさせるとともに、ＩＧＢＴＱ１１〜Ｑ１６の各々のオン時間を調整することにより、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧を三相交流電圧に変換することが可能となっている。

リアクトル１２ａ，１２ｂ，１２ｃの一方端子はインバータ１０の出力ノード１０ａ，１０ｂ，１０ｃにそれぞれ接続され、それらの他方端子はそれぞれ交流出力端子Ｔ２ａ，Ｔ２ｂ，Ｔ２ｃに接続される。コンデンサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃの一方電極はそれぞれリアクトル１２ａ，１２ｂ，１２ｃの他方端子に接続され、それらの他方電極はともに中性点ＮＰに接続される。

リアクトル１２ａ，１２ｂ，１２ｃおよびコンデンサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、低域通過フィルタを構成し、インバータ１０から交流出力端子Ｔ２ａ，Ｔ２ｂ，Ｔ２ｃに商用周波数の三相交流電力を通過させ、インバータ１０で発生するスイッチング周波数の信号を遮断する。

電流検出器１１は、リアクトル１２ａに流れるインバータ出力電流Ｉｉｎｖを検出し、その検出値を示す信号Ｉｉｎｖを制御装置１８に与える。リアクトル１２ａの他方端子（ノードＮ２）に現れる交流出力電圧Ｖｏｕｔの瞬時値は制御装置１８（図１）によって検出される。

次に、本実施の形態に係る電力変換ユニットの実装構造について説明する。
図３は、無停電電源装置１の平面図である。図４は、無停電電源装置１の斜視図である。無停電電源装置１においては、直方体状のケース内に電力変換ユニットが収容される。ケースの正面には、ケース内に冷却風を吸引するためのファンが設けられる。ケースの背面には、冷却風を排出するための排気口が設けられる。図３および図４には、ケースおよびファンを外した状態の電力変換ユニットの平面図および斜視図が示される。

図３を参照して、無停電電源装置１は、底板４０と、基板２０，３０，５０と、複数の半導体モジュール６０と、複数のヒートシンク７０とをさらに備える。底板４０は、図示しないケースの底板を構成する。図３および図４の例では、無停電電源装置１は、３つのヒートシンク７０を有している。ただし、ヒートシンク７０の個数はこれに限定されない。

第１基板２０は、平板状に形成されており、略矩形板状の形状を有する。第１基板２０は、第１面２０Ａと、第１面２０Ａと反対側の第２面２０Ｂとを有する。第１基板２０は、第１面２０Ａが底板４０に対向するように、底板４０に対して平行に配置されている。第１基板２０の第１面２０Ａには、複数の半導体モジュール６０と、複数のヒートシンク７０と、複数のコンデンサ８０とが搭載されている。

複数の半導体モジュール６０の各々は、図２に示したＩＧＢＴ（半導体スイッチング素子）およびダイオードを含む。半導体モジュール６０は、例えば、平面状の基板上にＩＧＢＴおよびダイオードが実装された構成を有している。ＩＧＢＴおよびダイオードは、ボンディングワイヤまたは導電体からなる配線層によって電気的に接続されている。ＩＧＢＴおよびダイオードは、基板、ボンディングワイヤおよび配線層などとともに樹脂により封止されている。樹脂は、略矩形板状に形成されている。各半導体モジュール６０は、略矩形板状の樹脂の一辺から互いに平行に突出した複数の端子６１をさらに有する。複数の端子６１を第１基板２０に接続することにより、各半導体モジュール６０は第１基板２０に実装される。

複数（例えば３つ）のヒートシンク７０の各々は、ベース７２と、フィン７４Ａ，７４Ｂとを有する。ベース７２およびフィン７４Ａ，７４Ｂは、例えばアルミニウムまたは銅などの高い熱伝導性を有する金属で形成されている。ベース７２は、平板状に形成されており、略矩形板状の形状を有する。ベース７２は、第１面７２Ａと、第１面７２Ａと反対側の第２面７２Ｂとを有する。ベース７２の第１基部は、ボルトなどの締結部材によって第１基板２０の第１面２０Ａに固定されている。ベース７２の第１基部と反対側の第２基部は、底板４０に固定されている。

各ヒートシンク７０のベース７２において、第１面７２Ａおよび第２面７２Ｂは第１基板２０の第１面２０Ａに対して垂直方向に延在する。複数のヒートシンク７０は、隣り合う２つのヒートシンク７０の間で、一方のヒートシンク７０のベース７２の第１面７２Ａと、他方のヒートシンク７０のベース７２の第２面７２Ｂとが互いに対向し、かつ、平行となるように配置されている。

ベース７２の第１面７２Ａおよび第２面７２Ｂの各々には、複数の半導体モジュール６０が並列に並べて配置される。各半導体モジュール６０は、矩形板状の樹脂の一方の表面が第１面７２Ａまたは第２面７２Ｂに面接触するように、ベース７２に配置される。

各ヒートシンク７０において、フィン７４Ａは、ベース７２の第１面７２Ａに固定されている。フィン７４Ａは、第１面７２Ａに対して垂直に突出している。フィン７４Ｂは、ベース７２の第２面７２Ｂに固定されている。フィン７４Ｂは、第２面７２Ｂに対して垂直に突出している。これによると、各ヒートシンク７０において、平板状のベース７２の両面に半導体モジュール６０を配置することができるとともに、ベース７２の両面にフィン７４Ａ，７４Ｂをそれぞれ配置することができるため、半導体モジュール６０の冷却性能を保ちつつヒートシンク７０を小型化することができる。

複数のコンデンサ８０は、第１基板２０の第１面２０Ａ上に起立するように並べて配置されている。複数のコンデンサ８０は、図２に示したコンデンサ９，４ａ，４ｂ，４ｃ，１３ａ，１３ｂ，１３ｃを構成する。複数のコンデンサ８０の各々は、円筒部とその一端に設けられた２本の端子とを有する。当該２本の端子を第１基板２０に接続することにより、各コンデンサ８０は第１基板２０に実装される。

図３に示すように、複数のコンデンサ８０は、複数のヒートシンク７０のベース７２の両側に配置されている。複数のコンデンサ８０の一部は、互いに平行に配置されている２つのベース７２の間に形成される空間に配置されている。図３および図４の例では、当該空間に、複数のコンデンサ８０が１列に並んで配置されている。ただし、列の数はこれに限定されない。

第２基板３０は、平板状に形成されており、略矩形板状の形状を有する。第２基板３０は、第１面３０Ａと、第１面３０Ａと反対側の第２面３０Ｂとを有する。第２基板３０は、第２面３０Ｂが第１基板２０の第２面２０Ｂと対向するように、第１基板２０の上方に配置されている。第２基板３０は、第１基板２０の第２面２０Ｂに設けられた複数のコネクタ３１によって第１基板２０と電気的に接続されている。

第２基板３０の第１面３０Ａには、ゲート駆動回路１７（図１および図２参照）が形成されている。ゲート駆動回路１７は、絶縁型ゲートドライバであり、絶縁素子であるトランス８２と、図示しないバッファ回路とを含む。

第３基板５０は、平板状に形成されており、略矩形板状の形状を有する。第３基板５０は、第１面５０Ａと、第１面５０Ａと反対側の第２面５０Ｂとを有する。第３基板５０は、第２面５０Ｂが第２基板３０の第１面３０Ａと対向するように、第２基板３０の上方に配置されている。第３基板５０は、ボルトなどの締結部材５１を用いて第２基板３０に固定されている。第３基板５０は、第２基板２０の第１面３０Ａに設けられたコネクタによって第２基板３０と電気的に接続されている。

第３基板５０の第１面５０Ａには、制御装置１８（図１および図２参照）が形成されている。制御装置１８は、図示しないメモリおよびＣＰＵを有する。

第２基板３０の第１面３０Ａに形成されたゲート駆動回路１７と、第３基板５０の第１面５０Ａに形成された制御装置１８とは、導電体からなる複数の配線３４によって電気的に接続されている。

以上説明した本実施の形態に係る電力変換ユニットの実装構造において、第１基板２０、第２基板３０および第３基板５０は、ケースの底板４０に対して垂直方向に積層して配置されている。このようにすると、単一の基板上に電力変換ユニットを実装する構成と比較して、ケースの底板４０における電力変換ユニットの占有面積を小さくすることができる。

図５（Ａ）には、従来の電力変換ユニットの実装構造が示されている。図５（Ａ）に示すように、従来の電力変換ユニットにおいては、複数の半導体モジュール（図示せず）、複数のヒートシンク７０、複数のコンデンサ８０およびゲート駆動回路１７は、単一の基板１００上に搭載されている。基板１００は、平板状に形成されており、第１面１００Ａと、第１面１００Ａと反対側の第２面を有する。基板１００の第１面１００Ａの第１の領域ＲＧＮ１には、複数の半導体モジュール６０、複数のヒートシンク７０および複数のコンデンサ８０が配置されている。基板１００の第１面１００Ａの第２の領域ＲＧＮ２には、ゲート駆動回路１７が配置されている。各半導体モジュール６０とゲート駆動回路１７とは、図示しないワイヤによって電気的に接続されている。

図５（Ｂ）には、本実施の形態に係る電力変換ユニットの実装構造が示されている。図５（Ｂ）に示すように、本実施の形態に係る電力変換ユニットは、第１の領域ＲＧＮ１を有する第１基板２０と、第２の領域ＲＧＮ２を有する第２基板３０とに分割されている。第２基板３０は、第１基板２０に積層して配置されている。そのため、電力変換ユニットの占有面積は実質的に第１基板２０の面積と等しくなり、従来の電力変換ユニットの基板１００の面積に比べて低減することができる。

また、本実施の形態に係る電力変換ユニットの実装構造によれば、第１基板２０に実装された半導体モジュール６０およびコンデンサ８０と、第２基板３０に実装されたゲート駆動回路１７とは、第１基板２０の第２面２０Ａに設けられたコネクタ３１によって電気的に接続されている。したがって、従来の電力変換ユニットと比較して、半導体モジュール６０とゲート駆動回路１７との間に接続されるワイヤをなくすことができる。

従来の電力変換ユニットにおいては、ＩＧＢＴのスイッチング動作時、半導体モジュール６０とゲート駆動回路１７とを接続するワイヤにコモンモードノイズが発生する。このコモンモードノイズを低減する手段として、特許文献１には、ワイヤにコモンモードリアクトルまたは中空の磁性体からなるコアを介挿する構成が開示されている。これによると、コモンモードノイズを低減できる一方で、コモンモードリアクトルまたはコアを設置するため、電力変換ユニットの大型化およびコスト増加に繋がることが懸念される。これに対して、本実施の形態に係る電力変換ユニットは、半導体モジュール６０とゲート駆動回路１７との接続にワイヤを不要とするため、コモンモードノイズの影響を抑制することができる。したがって、コモンモードリアクトルまたはコアの設置を不要とするため、電力変換ユニットの大型化およびコスト増加を抑制することができる。

さらに、本実施の形態に係る電力変換ユニットの実装構造においては、図４中に矢印Ｗで示すように、第１基板２０の第１面２０Ａとケースの底板４０との間の空隙に、冷却風が通流する経路が形成される。無停電電源装置１の運転時、ＩＧＢＴには導通損失およびスイッチング損失からなる電力損失が発生するため、ＩＧＢＴが発熱する。ＩＧＢＴで発生した熱は、各半導体モジュール６０からベース７２を経由してフィン７４Ａ，７４Ｂに伝導され、フィン７４Ａ，７４Ｂから放出される。またコンデンサ８０で発生した熱も放出される。放出された熱は冷却風によって筐体の外部へ排出される。

このようにして、複数の半導体モジュール６０および複数のコンデンサ８０は、第１基板２０の第１面２０Ａと底板４０との間を通流する冷却風によって冷却される。ゲート駆動回路１７は、第１基板２０と分離された第２基板３０上に実装されているため、冷却風の通流経路から隔離された位置に配置されている。そのため、冷却風が直接的にゲート駆動回路１７に当たることが回避されている。これにより、冷却風に粉塵および水滴などが含まれる場合において、粉塵および水滴がゲート駆動回路１７に付着することを防止することができる。その結果、ゲート駆動回路１７の汚損および吸湿による絶縁体の絶縁耐力の低下を防止することができる。

なお、本実施の形態に係る電力変換ユニットは、無停電電源装置に限定されず、他の電力変換装置に対しても適用することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 無停電電源装置、２，８，１４ 電磁接触器、３，１１ 電流検出器、４，４ａ〜４ｃ，９，１３，１３ａ〜１３ｃ，８０ コンデンサ、５，５ａ〜５ｃ，１２，１２ａ〜１２ｃ リアクトル、６ コンバータ、７ 双方向チョッパ、１０ インバータ、１５ 半導体スイッチ、１７ ゲート駆動回路、１８ 制御装置、２０ 第１基板、３０ 第２基板、５０ 第３基板、２１ 商用交流電源、２２ 負荷、２３ バッテリ、３１ コネクタ、３４ 配線、４０ 底板、５１ 締結部材、６０ 半導体モジュール、６１ 端子、７０ ヒートシンク、７２ ベース、７４Ａ，７４Ｂ フィン、８２ トランス、１００ 基板、Ｑ１〜Ｑ６，Ｑ１１〜Ｑ１６ ＩＧＢＴ、Ｄ１〜Ｄ６，Ｄ１１〜Ｄ１６ ダイオード。

Claims (3)

1. 半導体スイッチング素子を有する複数の半導体モジュールと、
   前記複数の半導体モジュールを駆動するゲート駆動回路と、
   前記複数の半導体モジュールおよび前記ゲート駆動回路を収容する筐体の底板に対向する第１面と、前記第１面と反対側の第２面とを有する、平板状の第１基板と、
   前記第１基板の上方に、前記第２面に平行に配置される、平板状の第２基板とを備え、
   前記複数の半導体モジュールは、前記第１面に実装され、
   前記ゲート駆動回路は、前記第２基板の、前記第２面と対向しない側の面に形成され、
   前記第２面に設けられ、前記第２基板と対向する側の面に接続されるコネクタをさらに備え、
   前記第１面に実装されるヒートシンクをさらに備え、
   前記ヒートシンクは、前記第１面に対して垂直に設けられる平板状のベースと、前記ベースの両面に固定されるフィンとを有し、
   前記複数の半導体モジュールは、前記ベースの両面に並べて配置され、
   前記底板と前記第１面との間の空隙には、冷却風が通流する経路が形成される、電力変換ユニット。
2. 複数のコンデンサをさらに備え、
   前記複数のコンデンサは、前記第１面に実装される、請求項１に記載の電力変換ユニット。
3. 各前記複数の半導体モジュールの前記半導体スイッチング素子を制御するためのゲート信号を生成して前記ゲート駆動回路に出力する制御装置と、
   前記第２基板の上方に、前記第２基板に平行に配置される、平板状の第３基板とをさらに備え、
   前記制御装置は、前記第３基板の、前記第２基板と対向しない側の面に形成される、請求項１または２に記載の電力変換ユニット。

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