JP7215194B2 - スナバ装置および電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、スナバ装置および電力変換装置に関する。

従来、サージ電圧による素子破壊を防止するための種々の技術が提案されている（例えば、特許文献１～８参照）。
特許文献１ 特開２０１６－１４４３４０号公報
特許文献２ 特開平８－３３３１３号公報
特許文献３ 特開２００２－１２５３８１号公報
特許文献４ 特開２０１２－９５４７３号公報
特許文献５ 特開２０１４－３６５０９号公報
特許文献６ 特開２０１２－１１００９９号公報
特許文献７ 特開平９－２１５３４３号公報
特許文献８ 特開２０１２－９５４７３号公報

近年、半導体モジュールの大電流化に伴い、サージ電圧を効果的に解消することができるスナバ装置の実現が望まれている。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、半導体モジュールの端子に装着するスナバ装置が提供される。スナバ装置は、半導体モジュールの正側端子および負側端子の間に直列に順に接続される正側コンデンサ、第１ダイオード、および負側コンデンサをそれぞれ有し、正側端子側から負側端子側へと電流を流す並列なｎ個（但しｎは１以上の整数）の充電パスを備えてよい。スナバ装置は、負側端子またはｎ個の充電パスのうち第Ｎの充電パス（但しＮは０≦Ｎ≦ｎの整数）における負側コンデンサと、ｎ個の充電パスのうち第Ｎ＋１の充電パスにおける正側コンデンサまたは正側端子と、の間に接続される第２ダイオードをそれぞれ有し、負側コンデンサおよび正側コンデンサの少なくとも一方を介して負側端子側から正側端子側へと電流を流す並列なｎ＋１個の放電パスを備えてよい。

本発明の第２の態様においては、電力変換装置が提供される。電力変換装置は、第１の態様の少なくとも１つのスナバ装置を備えてよい。電力変換装置は、少なくとも１つのスナバ装置に電気的に接続された複数の半導体モジュールを備えてよい。電力変換装置は、複数の半導体モジュールの少なくとも１つに各々が取り付けられた複数のヒートシンクを備えてよい。

複数の半導体モジュールは、直流電力から多相の交流電力を生成してよい。電力変換装置は、交流電力の相ごとに少なくとも１つのヒートシンクを備えてよい。

複数の半導体モジュールは、直流電力から少なくとも単相の交流電力を生成してよい。電力変換装置は、交流電力の相ごとに複数のヒートシンクを備えてよい。

複数の半導体モジュールは、直流電力から多相の交流電力を生成してよい。複数のヒートシンクは、多相の交流電力のうち少なくとも２相を生成する複数の半導体モジュールの一部に取り付けられてよい。

複数のヒートシンクは、それぞれ１つの半導体モジュールに取り付けられてよい。

電力変換装置は、正側端子および負側端子の間に接続された電源コンデンサをさらに備えてよい。複数の半導体モジュールは、互いに別々の配線によって電源コンデンサに接続されてよい。

本発明の第２の態様においては、電力変換装置が提供される。電力変換装置は、半導体モジュールを備えてよい。電力変換装置は、第１の態様のスナバ装置を備えてよい。電力変換装置は、正側端子および負側端子の間に接続された電源コンデンサを備えてよい。電力変換装置は、半導体モジュール、スナバ装置および電源コンデンサを収容する筐体を備えてよい。電源コンデンサは、筐体の中心よりも一方の側に配設され、スナバ装置および半導体モジュールは、筐体の中心よりも他方の側に配設されてよい。

電源コンデンサは、筐体の中心よりも下側に配設され、スナバ装置および半導体モジュールは、筐体の中心よりも上側に配設されてよい。

電力変換装置は、筐体の内部に冷却流体を流す冷却部をさらに備えてよい。電源コンデンサは、冷却流体の流路における上流側に配設されてよい。スナバ装置および半導体モジュールは、冷却流体の流路における下流側に配設されてよい。

電源コンデンサは、筐体の内部への冷却流体の流入部に配設されてよい。

電力変換装置は、スナバ装置および半導体モジュールと、電源コンデンサとの間に設けられた遮熱板をさらに備えてよい。

電力変換装置は、半導体モジュールに取り付けられたヒートシンクをさらに備えてよい。

各充電パスの配線インダクタンスは各放電パスの配線インダクタンスよりも小さくてよい。

第１の態様のスナバ装置においては、各充電パスの配線長が、各放電パスの配線長よりも短くてよい。

ｎは２以上の整数であってよい。ｎ個の充電パスにおける正側コンデンサおよび負側コンデンサの間の各配線部分の配線長が、ｎ＋１個の放電パスにおける第Ｎの充電パスの負側コンデンサと、第Ｎ＋１の充電パスの正側コンデンサとを結ぶ各配線部分の配線長よりも短くてよい。

ｎ＋１個の放電パスの配線部分は迂回して形成されてよい。

正側コンデンサ、負側コンデンサ、第１ダイオードおよび第２ダイオードは、プリント配線基板に配設されてよい。

ｎ＋１個の放電パスのそれぞれにおける第Ｎの充電パスの負側コンデンサと、第Ｎ＋１の充電パスの正側コンデンサとを結ぶ各配線は互いに重なる２つの領域を含んでよい。

各充電パスは、正側端子および負側端子の間に直線状に配設されてよい。

本発明の第２の態様においては、電力変換装置が提供される。電力変換装置は、半導体モジュールを備えてよい。電力変換装置は、第１の態様のスナバ装置を備えてよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る電力変換装置１の回路図を示す。 スイッチング素子１１がターンオフされた場合の電流の流れを示す。 スイッチング素子１１がターンオンされた場合の電流の流れを示す。 本実施形態に係る電力変換装置１の縦断面図である。 半導体モジュール５およびスナバ装置７の外観構成を示す。 配線部分Ｌ２の形状を示す。 配線部分Ｌ２の他の形状を示す。 配線部分Ｌ２の他の形状を示す。 配線部分Ｌ２の他の形状を示す。 配線部分Ｌ２の他の形状を示す。 変形例に係る電力変換装置１Ａを示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

［１．電力変換装置の回路構成］
図１は、本実施形態に係る電力変換装置１の回路図である。電力変換装置１は直流電力を多相交流電力に変換する回路の１相分である。電力変換装置１は、電源コンデンサ１０の各電極と電源出力端子１９との接続を切り替えることで変換した電圧を電源出力端子１９から出力する。なお、出力される交流電流の帰路は他の相の電源出力端子１９であってよい。電源出力端子１９には誘導負荷（図示せず）が接続されてよい。電力変換装置１は、電源コンデンサ１０と、スイッチング素子１１，１２と、環流ダイオード１３，１４と、スナバ回路２とを備える。なお、電力変換装置１は直流電力を単相交流電力に変換してもよく、この場合に電力変換装置１は、直列接続された２つの電源コンデンサ１０を備えてよく、電源出力端子１９から出力される交流電流の帰路を電源コンデンサ１０の中点としてよい。

電源コンデンサ１０は、直流電源として機能する。電源コンデンサ１０の正極には正側電源線１０１が接続され、負極には負側電源線１０２が接続される。正側電源線１０１および負側電源線１０２には、その配線長に応じて配線インダクタンス１０１１が存在しうる。なお、図１では１つの電源コンデンサ１０が図示されているが、直列または並列に接続された複数の電源コンデンサ１０が電力変換装置１に具備されてもよい。

スイッチング素子１１，１２は、負側電源線１０２および正側電源線１０１の間に直列に順次接続されている。スイッチング素子１１，１２は、電力変換装置１における上アームおよび下アームを構成してよい。

スイッチング素子１１，１２は、それぞれ正側電源線１０１の側にドレイン端子が接続され、負側電源線１０２の側にソース端子が接続される。スイッチング素子１１，１２のゲート端子には、図示しないゲート駆動回路が接続され、スイッチング素子１１，１２のオン／オフを制御する。例えば、スイッチング素子１１，１２は、両方がオフとなるデッドタイムを挟んで択一的に接続状態となるよう制御されてよい。スイッチング素子１１，１２はＰＷＭ方式で制御されてよい。スイッチング素子１１およびスイッチング素子１２の中点には電源出力端子１９が接続される。

スイッチング素子１１，１２は、シリコンを基材としたシリコン半導体素子でもよいし、ワイドバンドギャップ半導体素子でもよい。ワイドバンドギャップ半導体素子とは、シリコン半導体素子よりもバンドギャップが大きい半導体素子であり、例えばＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンド、窒化ガリウム系材料、酸化ガリウム系材料、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、または、ＺｎＯなどを含む半導体素子である。なお、スイッチング素子１１，１２はＭＯＳＦＥＴでもよいし、ＩＧＢＴやバイポーラトランジスタなど、他構造の半導体素子でもよい。

環流ダイオード１３，１４は、正側電源線１０１の側がカソードとなるようスイッチング素子１１，１２に逆並列に接続される。環流ダイオード１３，１４は、ショットキーバリアダイオードでもよい。環流ダイオード１３，１４は、シリコン半導体素子でもよいし、ワイドバンドギャップ半導体素子でもよい。

スイッチング素子１１，１２および環流ダイオード１３，１４の少なくとも２つは、半導体モジュール５としてモジュール化されてよい。本実施形態では一例として、スイッチング素子１１，１２および環流ダイオード１３，１４が半導体モジュール５としてモジュール化されている。この場合には、正側のスイッチング素子１１のドレイン端子が半導体モジュール５の正側端子５１であってよく、負側のスイッチング素子１２のソース端子が半導体モジュール５の負側端子５２であってよい。

［１．１．スナバ回路２］
スナバ回路２は、スイッチング素子１１，１２が電流を遮断した場合に生じるサージ電圧を吸収して電力変換装置１の各素子を保護する。スナバ回路２は、並列なｎ個の充電パス２１と、並列なｎ＋１個の放電パス２２とを有する。なお、個数ｎは１以上の整数であり、本実施形態では一例として３である。また、本実施形態では一例として、３つの充電パス２１を図の左側から順に第１の充電パス２１（１），第２の充電パス２１（２），第３の充電パス２１（３）として説明する。また、４つの放電パス２２を図の左側から順に第１の放電パス２２（１），第２の放電パス２２（２），第３の放電パス２２（３），第４の放電パス２２（４）として説明する。

各充電パス２１は、正側端子５１および負側端子５２の間に直列に順に接続される正側コンデンサ２１１、第１ダイオード２１２、および負側コンデンサ２１３を有する。正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３は、それぞれスナバコンデンサとして機能するものであり、スイッチング素子１１，１２の駆動時に生じる瞬時的なサージ電圧（一例として１０ｎｓより大きく１０μｓ未満の期間で素子に印加されるサージ電圧）を吸収してよい。例えば正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３は、１００ｋＨｚより大きく１００ＭＨｚ未満の振動を抑えてよい。正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３は、一例としてフィルムコンデンサまたは積層セラミックコンデンサであってよい。

第１ダイオード２１２は、正側端子５１の側にアノードを向け、負側端子５２の側にカソードを向けて配設される。これにより、各充電パス２１は正側端子５１側から負側端子５２側へと電流を流す。

各放電パス２２は、第２ダイオード２２１を有する。第２ダイオード２２１は、負側端子５２またはｎ個の充電パス２１のうち第Ｎの充電パス２１（但しＮは０≦Ｎ≦ｎの整数）における負側コンデンサ２１３と、ｎ個の充電パス２１のうち第Ｎ＋１の充電パス２１における正側コンデンサ２１１または正側端子５１と、の間に接続される。例えば、第１の放電パス２２（１）の第２ダイオード２２１は、負側端子５２と、第１の充電パス２１（１）の正側コンデンサ２１１との間に接続される。第２の放電パス２２（２）の第２ダイオード２２１は、第１の充電パス２１（１）の負側コンデンサ２１３と、第２の充電パス２１（２）の正側コンデンサ２１１との間に接続される。第３の放電パス２２（３）の第２ダイオード２２１は、第２の充電パス２１（２）の負側コンデンサ２１３と、第３の充電パス２１（３）の正側コンデンサ２１１との間に接続される。第４の放電パス２２（４）の第２ダイオード２２１は、第３の充電パス２１（３）の負側コンデンサ２１３と、正側端子５１との間に接続される。第２ダイオード２２１は、第Ｎの充電パス２１（Ｎ）または負側端子５２の側にアソードを向け、第Ｎ＋１の充電パス２１（Ｎ＋１）または正側端子５１の側にカソードを向けて配設される。これにより、各放電パス２２は、負側コンデンサ２１３および正側コンデンサ２１１の少なくとも一方を介して負側端子５２側から正側端子５１側へと電流を流す。

［１．１．１．スナバ回路２の動作］
まず、スイッチング素子１１がオン、スイッチング素子１２がオフの状態から、スイッチング素子１１がターンオフされる場合の動作について説明する。スイッチング素子１１がオン、スイッチング素子１２がオフの状態では、出力電流は、電源コンデンサ１０、正側電源線１０１、スイッチング素子１１、および、電源出力端子１９の経路で流れる。このとき、配線インダクタンス１０１１には出力電流が流れてエネルギーが蓄積される。

図２は、この状態からスイッチング素子１１がターンオフされた場合の電流の流れを示す。なお、図中の破線の矢印は電流の流れを示し、実線の矢印は電源コンデンサ１０、正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３の電圧を示す。

スイッチング素子１１がターンオフされると、出力電流は転流して、電源コンデンサ１０および正側電源線１０１から各充電パス２１の正側コンデンサ２１１、第１ダイオード２１２および負側コンデンサ２１３に流れ、環流ダイオード１４を介して電源出力端子１９から出力される。これにより、配線インダクタンス１０１１の電流エネルギーは、充電パス２１の正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３の充電により吸収される。そして、出力電流は最終的に、電源コンデンサ１０、負側電源線１０２、環流ダイオード１４、および、電源出力端子１９の経路に全て転流する。これにより、スイッチング素子１１のターンオフ動作に伴う転流が完了する。

図３は、スイッチング素子１１のターンオフ動作が完了した状態から、あらためてスイッチング素子１１がターンオンされた場合の電流の流れを示す。

あらためてスイッチング素子１１がターンオンされると、電源コンデンサ１０、負側電源線１０２、環流ダイオード１４、および、電源出力端子１９の経路に流れていた出力電流は、電源コンデンサ１０、負側電源線１０２、各放電パス２２の第２ダイオード２２１、スイッチング素子１１、および、電源出力端子１９の経路に転流し、このとき第２ダイオード２２１のアノード側／カソード側の正側コンデンサ２１１および／または負側コンデンサ２１３に蓄えられていたターンオフ動作時のエネルギーが放出される。そして、出力電流は最終的に電源コンデンサ１０、正側電源線１０１、スイッチング素子１１、および、電源出力端子１９の経路に全て転流する。これにより、スイッチング素子１１のターンオン動作に伴う転流が完了する。

ここで、スイッチング素子１１のターンオフ及びターンオンの動作時における正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３の電圧について説明する。ターンオフ動作時における各充電パス２１の正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３の電圧の関係は、以下の式（１）で表される。但し、式中、Ｅは電源コンデンサ１０の電圧、Ｖ_{ｄｃ－ｏｆｆ}はターンオフ動作時の正側端子５１および負側端子５２の間の端子間電圧である。また、Ｖ_ｐ（１）～Ｖ_ｐ（３）は第１の充電パス２１（１）～第３の充電パス２１（３）における正側コンデンサ２１１の電圧である。また、Ｖ_ｎ（１）～Ｖ_ｎ（３）は第１の充電パス２１（１）～第３の充電パス２１（３）における負側コンデンサ２１３の電圧である。

Ｅ≦（Ｖ_ｐ（１）＋Ｖ_ｎ（１））
＝（Ｖ_ｐ（２）＋Ｖ_ｎ（２））
＝（Ｖ_ｐ（３）＋Ｖ_ｎ（３））
＝Ｖ_{ｄｃ－ｏｆｆ} …（１）

また、ターンオン動作時における各充電パス２１の正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３の電圧の関係は、以下の式（２）で表される。但し、式中、Ｖ_{ｄｃ－ｏｎ}はターンオン動作時の正側端子５１および負側端子５２の間の端子間電圧である。

Ｅ≧Ｖ_ｐ（１）
＝（Ｖ_ｎ（１）＋Ｖ_ｐ（２））
＝（Ｖ_ｎ（２）＋Ｖ_ｐ（３））
＝Ｖ_ｎ（３）
＝Ｖ_{ｄｃ－ｏｎ} …（２）

式（１）及び式（２）により、各正側コンデンサ２１１および各負側コンデンサ２１３の電圧の関係は以下の式（３）で表される（図２、図３に図示した電圧も参照）。但し、式中、Ｖｄｃは定常時の正側端子５１および負側端子５２の間の端子間電圧である。

Ｅ＝Ｖ_ｄｃ≒Ｖ_ｐ（１）
＝Ｖ_ｎ（３）
＝１．５×Ｖ_ｐ（２）
＝１．５×Ｖ_ｎ（２）
＝３×Ｖ_ｎ（１）
＝３×Ｖ_ｐ（３） …（３）

式（３）より、コンデンサ電流が遮断される場合の各充電パス２１における充電電圧（図３では一例として４Ｅ／３）は、放電パス２２のそれぞれにおける放電電圧（図３では一例としてＥ）よりも高いことがわかる。なお、出力電流が逆向きの場合でのスイッチング素子１２のターンオンおよびターンオフ動作においても、回路の対称性より同様の効果が得られるため、詳細な説明は省略する。

以上の電力変換装置１におけるスナバ回路２によれば、正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３を有するｎ個の並列な充電パス２１が具備される。従って、半導体モジュール５によって電流が遮断されると、配線インダクタンス１０１１に蓄積されたエネルギーは各充電パス２１を通って正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３を正側端子５１および負側端子５２の間の電圧よりも高い電圧に充電する。これにより、サージ電圧による素子破壊が防止される。

また、スナバ回路２には、負側コンデンサ２１３および正側コンデンサ２１１の少なくとも一方を介して負側端子５２側から正側端子５１側へと電流を流すｎ＋１個の放電パス２２が具備される。従って、半導体モジュール５によって電流が流されると、正側コンデンサ２１１や負側コンデンサ２１３に蓄積されたエネルギーが放電され、各放電パス２２の放電電圧は正側端子５１および負側端子５２の間の電圧まで低下する。

ここで、電流が遮断される場合のｎ個の充電パス２１のそれぞれにおける充電電圧は、放電パス２２のそれぞれにおける放電電圧よりも高いため、電流が遮断されて充電パス２１を充電したエネルギーは、放電パス２２によって放電されても充電パス２１をさらに充電することができない。従って、電流が遮断される場合に正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３を充電したエネルギーは、配線インダクタンス１０１１と正側コンデンサ２１１や負側コンデンサ２１３との共振動作により充放電されて回路損失として消費されることなく正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３に蓄えられて回生される。これにより、共振動作による回路損失が低減される。

そして、このように電流遮断時のサージ電圧による素子破壊を防止するとともに、回路損失を低減することができるため、正側端子５１および負側端子５２に接続される配線のインダクタンスの許容量を大きくすることができる。つまり、正側電源線１０１および負側電源線１０２の配線長の自由度を高めることができる。

［２．電力変換装置の物理構成］
図４は、本実施形態に係る電力変換装置１の縦断面図である。本実施形態では一例として、電力変換装置１は直流電力を単相や多相の交流電力に変換するが、直流電圧を昇圧または降圧するなど、他の形態の変換を行ってもよい。電力変換装置１は、無停電電源装置（ＵＰＳ：Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）やパワーコンディショナ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｅｔｅｍ）であってもよい。電力変換装置１は、筐体３と、冷却部４と、少なくとも１つの電源コンデンサ１０と、少なくとも１つの半導体モジュール５と、ヒートシンク６と、少なくとも１つのスナバ装置７とを備える。電力変換装置１は、さらに他の素子や機器８を備えてよい。

［２．１．筐体３］
筐体３は、各半導体モジュール５、各スナバ装置７および各電源コンデンサ１０を収容する。筐体３は、流入部３１、流出部３２および遮熱板３３を有する。

流入部３１は、冷却部４によって筐体３の外部から空気が流入する領域であり、筐体３の下端部に設けられている。流入部３１は、筐体３の一の側壁部に吸気口３１０を有する。

流出部３２は、冷却部４によって筐体３の外部へ空気が流出する領域であり、筐体３の上端部に設けられている。流出部３２は、筐体３の頂部に排気口３２０を有する。

遮熱板３３は、流入部３１の上部に設けられている。遮熱板３３は、上下方向の輻射や対流を防ぐように、横方向（一例として水平方向）に設けられてよい。遮熱板３３は、吸気口３１０が設けられた筐体３の側壁部から、その反対側の側壁部に向かって延在してよい。遮熱板３３は、例えばセラミックなどで形成されてよい。

［２．２．冷却部４］
冷却部４は、筐体３の内部に空気を流す。例えば冷却部４は少なくとも１つのファン４１を有する。各ファン４１は、筐体３の外部の空気を吸気口３１０から内部に吸入して排気口３２０から排出する。例えば、各ファン４１は筐体３の排気口３２０に設けられてよい。筐体３内では、図中の白抜き矢印で示されるように空気が流れてよい。なお、本実施形態では一例として、冷却部４による空気の流路は１つであるが、複数でもよい。また、冷却部４は、空気とは異なる他の流体を筐体３の内部に流してもよい。例えば、冷却部４は、筐体３内を通る冷却管（図示せず）を有し、当該冷却管内に水を流してもよい。

［２．３．電源コンデンサ１０］
各電源コンデンサ１０は、電解コンデンサでもよいし、フィルムコンデンサでもよい。なお、電源コンデンサ１０には、８５℃や１０５℃などの使用上限温度が設定されていてよい。電源コンデンサ１０は、いわゆるアレニウスの法則（１０℃２倍則とも称する）に従うものであってよく、使用温度が１０℃高くなると寿命が半減しうる。

なお、電力変換装置１に複数の電源コンデンサ１０が具備される場合には、これら複数の電源コンデンサ１０の各電極はブスバー（図示せず）で接続されてよい。また、複数の電源コンデンサ１０が具備される場合には、電源コンデンサ１０の持ち運びや設置、取り外しを容易化するべく、複数の電源コンデンサ１０を１つのユニットとしてもよい。

［２．４．半導体モジュール５］
各半導体モジュール５は、複数の半導体素子をモジュール化したものである。例えば各半導体モジュール５はパワー半導体モジュールであり、電源コンデンサ１０から供給される直流電力を少なくとも単相の交流電力に変換する。本実施形態では一例として、各半導体モジュール５は上下アームとして機能する１組のスイッチング素子１１，１２を有するが、これらの一方のみを有してもよいし、複数組のスイッチング素子１１，１２を有してもよい。各半導体モジュール５は、電源コンデンサ１０の電極それぞれに接続された正側端子５１および負側端子５２を有してよい。

［２．５．ヒートシンク６］
ヒートシンク６は、少なくとも各半導体モジュール５で生じる熱を吸収する。ヒートシンク６は、半導体モジュールとは反対側の面に放熱フィン（図示せず）を有してよい。ヒートシンク６は各半導体モジュール５に取り付けられて半導体スタック５０（複合体とも称する）をなしてよい。

［２．６．スナバ装置７］
各スナバ装置７は、スナバ回路２を有する。各スナバ装置７は、半導体モジュール５の端子に装着される。本実施形態では一例として、スナバ装置７の個数は半導体モジュール５の個数と同じであり、各スナバ装置７が対応する１つの半導体モジュール５に装着される。

［２．７．機器８］
機器８は、本実施形態では一例としてトランスであり、半導体モジュール５の電源出力端子１９から出力される交流電力を変圧して出力する。なお、機器８は、電流の変化を抑制するためのリアクトルなど、他の機器、素子であってもよい。

［２．８．各部の配置］
電源コンデンサ１０および半導体スタック５０は、互いに密接せずに配設されてよい。例えば、電源コンデンサ１０および半導体スタック５０は、これらの上下方向の寸法よりも離れて配設されてよい。また、電源コンデンサ１０および半導体スタック５０は、冷却部４によって電源コンデンサ１０および半導体スタック５０の間に空気が流れることによって互いに熱的な影響を受けない程度に離れて配設されてよい。一例として、電源コンデンサ１０および半導体スタック５０は、互いに２００ｍｍ以上離れて配設されてよい。

また、各電源コンデンサ１０は筐体３の中心よりも一方の側に配設されてよく、各スナバ装置７および半導体スタック５０は筐体３の中心よりも他方の側に配設されてよい。例えば、各電源コンデンサ１０は筐体３の中心よりも下側に配設されてよく、各スナバ装置７および半導体スタック５０は筐体３の中心よりも上側に配設されてよい。一例として、各スナバ装置７および半導体スタック５０は遮熱板３３に対して電源コンデンサ１０の反対側に配設されてよい。つまり、スナバ装置７および半導体スタック５０と、電源コンデンサ１０との間には遮熱板３３が介在してよい。

また、各電源コンデンサ１０は筐体３内における空気の流路の上流側に配設されてよく、各スナバ装置７および半導体スタック５０は流路の下流側に配設されてよい。本実施形態では一例として、各電源コンデンサ１０は空気の流入部３１に配設される。また、各スナバ装置７および半導体スタック５０は排気口３２０の下部に配設される。

なお、半導体モジュール５と電源コンデンサ１０とを接続する正側電源線１０１および負側電源線１０２は、ブスバーやラミネートブスバーを用いずに被覆線によって形成されてよい。これにより、電力変換装置１の製造コストが低減される。半導体モジュール５と電源コンデンサ１０との間の配線インダクタンスは、半導体モジュール５とスナバ装置７との間の配線インダクタンスに対して５倍より大きくてもよい。

機器８は、スナバ装置７および半導体スタック５０と、電源コンデンサ１０との間に配設されてよい。本実施形態では一例として、機器８は、スナバ装置７および半導体スタック５０と、遮熱板３３との間に配設される。

以上の電力変換装置１によれば、また、電源コンデンサ１０が筐体３の一方の側に配設され、スナバ装置７および半導体スタック５０が筐体３の他方の側に配設されるので、スナバ装置７および半導体モジュール５から電源コンデンサ１０への伝熱を軽減することができる。従って、電源コンデンサ１０が高温になるのを防止して電源コンデンサ１０の寿命を延ばすことができる。また、スナバ回路２を有するスナバ装置７を備えるので、スナバ装置７および半導体モジュール５と、電源コンデンサ１０とを筐体３内で反対の側に配設することにより正側端子５１および負側端子５２に接続される配線の長さが長くなっても、電流遮断時のサージ電圧による素子破壊を防止するとともに、回路損失を低減することができる。

また、電源コンデンサ１０は空気の流路における上流側に配設され、スナバ装置７および半導体スタック５０は流路における下流側に配設されるので、スナバ装置７および半導体モジュール５で生じた熱が空気を介して電源コンデンサ１０に伝わるのを防止することができる。また、電源コンデンサ１０は空気の流入部３１に配設されるので、電源コンデンサ１０を効率よく冷却して低温に維持することができる。

また、電源コンデンサ１０は筐体３の下側に配設され、スナバ装置７および半導体スタック５０は筐体３の上側に配設されるので、スナバ装置７および半導体モジュール５で生じた熱が対流によって筐体３内を温める場合に、電源コンデンサ１０への伝熱を防止することができる。

また、スナバ装置７および半導体スタック５０と、電源コンデンサ１０との間に遮熱板３３が設けられるので、スナバ装置７および半導体モジュール５で生じた熱が電源コンデンサ１０へ伝わるのを防止することができる。

［３．半導体モジュール５およびスナバ装置７の外観構成］
図５は、半導体モジュール５およびスナバ装置７の外観構成を示す。なお、図中の上部分および下部分は半導体モジュール５およびスナバ装置７を別々の方向から見た外観構成を示す。

半導体モジュール５は、直方体状に形成されており、上面に負側端子５２、正側端子５１および電源出力端子１９を有する。負側端子５２、正側端子５１および電源出力端子１９は、この順に並んで直線状に配設されてよい。なお、半導体モジュール５は、スイッチング素子１１，１２のゲート端子に接続された制御端子をさらに有してよい。

スナバ装置７は、プリント配線基板７０上に設けられたスナバ回路２を有する。例えば、スナバ回路２の正側コンデンサ２１１、負側コンデンサ２１３、第１ダイオード２１２および第２ダイオード２２１は、プリント配線基板７０に配設される。

なお、図中では、スナバ装置７における充電パス２１（２），２１（３）の正側コンデンサ２１１，第１ダイオード２１２，負側コンデンサ２１３については符号を省略している。また、図中では正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３の間の配線部分Ｌ１，Ｌ２のみを網掛けの矢印記号で模式的に図示しており、他の素子間の配線の図示を省略している。

ここで、配線部分Ｌ１は、各充電パス２１における正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３の間の配線部分である。配線部分Ｌ２は、ｎ＋１個の放電パス２２のそれぞれにおける、第Ｎの充電パス２１の負側コンデンサ２１３と第Ｎ＋１の充電パス２１の正側コンデンサ２１１とを結ぶ配線部分である。本実施形態では一例として、４個の放電パス２２のうち、第２の放電パス２２（２）は、第１の充電パス２１（１）の負側コンデンサ２１３と第２の充電パス２１（２）の正側コンデンサ２１１とを結ぶ配線部分Ｌ２を有する。また、第３の放電パス２２（３）は、第２の放電パス２２（２）と、第２の充電パス２１（２）における負側コンデンサ２１３と、第３の充電パス２１（３）における正側コンデンサ２１１とを結ぶ配線部分Ｌ２を有する。

本実施形態に係るスナバ装置７では、ｎ個（本実施形態では一例として３個）の各充電パス２１の配線インダクタンスが、各放電パス２２の配線インダクタンスよりも小さくてよい。また、各充電パス２１の配線長は、各放電パス２２の配線長よりも短くてよい。例えば、正側端子５１および負側端子５２を結ぶ各充電パス２１の配線長は、正側端子５１および負側端子５２を結ぶ各放電パス２２の配線長よりも短くてよい。また、３個の充電パス２１における各配線部分Ｌ１の配線長が、ｎ＋１個の放電パス２２における各配線部分Ｌ２の配線長よりも短くてよい。本実施形態では一例として、各充電パス２１は、正側端子５１および負側端子５２の間に直線状に配設されており、充電パス２１における配線部分Ｌ１は直線状となっている。なお、配線部分Ｌ２には、回路素子としてのインダクタは設けられなくてよい。

プリント配線基板７０は、端子７００を介して半導体モジュール５の正側端子５１および負側端子５２に接続された正側配線７１および負側配線７２を内部に有する。正側配線７１および負側配線７２はそれぞれ面状に形成されており、絶縁層を挟んで互いに積層されている。これにより、正側配線７１および負側配線７２が差動的に作用して磁界を打ち消し合うため、正側配線７１および負側配線７２のインダクタンスが小さくなる。また、複数の充電パス２１の間で正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３を充電する電流が均一に流れる。

なお、スナバ装置７と半導体モジュール５との間にはラミネートブスバー７１０が介在してよい。ラミネートブスバー７１０は、絶縁層を間７１１に挟んで積層された面状の配線層７１２，７１３を有している。これにより、配線層７１２，７１３は差動的に作用して磁界を打ち消し合うため、配線層７１２，７１３のインダクタンスが小さくなる。配線層７１２は、図示しない接続端子を介して正側端子５１および負側端子５２の一方に接続され、配線層７１３は、図示しない接続端子を介して正側端子５１および負側端子５２の他方に接続されてよい。

以上のスナバ装置７によれば、正側コンデンサ２１１、負側コンデンサ２１３、第１ダイオード２１２および第２ダイオード２２１はプリント配線基板７０に配設されるので、充電パス２１および放電パス２２の配線長を容易に調整することができる。

また、各充電パス２１の配線長が各放電パス２２の配線長よりも短く、充電パス２１の配線インダクタンスが放電パス２２の配線インダクタンスよりも小さい。従って、半導体モジュール５によって電流が遮断される場合に生じるサージ電圧を低減するとともに、半導体モジュール５によって電流が流される場合に放電電流のピークを抑制することができる。

また、充電パス２１における正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３の間の各配線部分の配線長Ｌ１が、放電パス２２における第Ｎの充電パス２１の負側コンデンサ２１３と第Ｎ＋１の充電パス２１の正側コンデンサ２１１とを結ぶ各配線部分の配線長Ｌ２よりも短い。従って、各充電パス２１の配線長を各放電パス２２の配線長よりも確実に短くすることができる。

また、各充電パス２１は正側端子５１および負側端子５２の間に直線状に配設されるので、充電パス２１の配線長を最短にすることができる。

なお、図５では一例として、複数の充電パス２１と複数の放電パス２２とがプリント配線基板７０に交互に配設されているが、複数の充電パス２１がプリント配線基板７０の中央部にまとめて配設され、複数の放電パス２２が充電パス２１の両脇に配設されてもよい。

［４．配線部分Ｌ２の形状］
図６は、配線部分Ｌ２の形状を示す。なお、図中では正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３の間の配線部分Ｌ２のみを太線で模式的に図示しており、他の素子間の配線の図示を省略している。

この図に示すように、放電パス２２の配線部分Ｌ２は迂回して形成されてよい。例えば、配線部分Ｌ２は、プリント配線基板７０の面内の配線パターンを正側コンデンサ２１１および第２ダイオード２２１の間と、負側コンデンサ２１３および第２ダイオード２２１の間とのうち、少なくとも一方で迂回させて形成される。

以上の配線部分Ｌ２によれば、各充電パス２１の配線長を各放電パス２２の配線長よりも確実に短くすることができる。

図７は、配線部分Ｌ２の他の形状を示す。なお、図中ではプリント配線基板７０内の配線のうち、正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３の間の配線部分Ｌ２のみを点線で模式的に図示しており、他の素子間の配線の図示を省略している。また、充電パス２１（１），２１（２）の正側コンデンサ２１１，第１ダイオード２１２，負側コンデンサ２１３については符号を省略している。

この図に示すように、配線部分Ｌ２は、プリント配線基板７０外に引き出されてもよい。例えば、配線部分Ｌ２は、プリント配線基板７０の２つのランド７０５と、２つのランド７０５の間に接続されたループ状の被覆線７０１とを有してよい。また、別々の放電パス２２の配線部分Ｌ２に設けられた被覆線７０１同士は、互いに近接して配設されてよい。これにより、一の被覆線７０１における近接部分同士や、複数の被覆線７０１における近接部分同士がそれぞれ和動的に作用して磁界を強め合ってよく、被覆線７０１のインダクタンスは大きくなってよい。この場合には、半導体モジュール５によって電流が流される場合の放電電流のピークをより確実に抑制することができる。

また、配線部分Ｌ２は互いに重なる２つの領域を含んでよい。本図では一例として、配線部分Ｌ２は図中の上側で左右方向に延在する領域と、下側で左右方向に延在する領域とを有しており、これら２つの領域は互いに重なり合っている。これにより、重なり合う領域同士がそれぞれ和動的に作用して磁界を強め合ってよく、配線部分Ｌ２のインダクタンスは大きくなってよい。この場合には、半導体モジュール５によって電流が流される場合の放電電流のピークをより確実に抑制することができる。

なお、図７では図示の簡略化のため、被覆線７０１をプリント配線基板７０から分離して図示している。また、図７では、２つのランド７０５および被覆線７０１が配線部分Ｌ２における第２ダイオード２２１および正側コンデンサ２１１の間に設けられているが、これに代えて／加えて、第２ダイオード２２１および負側コンデンサ２１３の間に設けられてもよい。

図８～１０は、配線部分Ｌ２の他の形状を示す。配線部分Ｌ２は２つのランド７０５の間にループ状に接続された複数の導電バー７０２を有してよい。別々の放電パス２２の配線部分Ｌ２に設けられた導電バー７０２同士は、互いに近接して配設されてよい。導電バー７０２は導電性の金属で形成されてよく、一例として銅製でよい。

［５．変形例］
図１１は、変形例に係る電力変換装置１Ａを示す。なお、図中の上部分，下部分は電力変換装置１Ａを別々の方向から見た外観構成を示す。また、図１１では、筐体３や冷却部４、機器８などの図示を省略している。但し、電力変換装置１Ａは筐体３、冷却部４および機器８の少なくとも１つを備えなくてもよい。また、電力変換装置１Ａにおける電源コンデンサ１０と半導体スタック５０とは、必ずしも筐体３の一方の側および他方の側に離れて配設されなくてもよい。

本変形例に係る電力変換装置１Ａは、１または複数の電源コンデンサ１０と、少なくとも１つのスナバ装置７と、少なくとも１つのスナバ装置７に電気的に接続された複数の半導体モジュール５と、複数の半導体モジュール５の少なくとも１つに各々が取り付けられた複数のヒートシンク６とを備える。ここで、図１１では、電源コンデンサ１０を２つ図示しているが、個数はこれに限定されない。また、複数の半導体モジュール５が多相の交流電力を生成する場合には、電力変換装置１は交流電力の相ごとに少なくとも１つのヒートシンク６を備えてよい。また、複数の半導体モジュール５が単相または複数相（多相とも称する）の交流電力を生成する場合には、電力変換装置１は交流電力の相ごとに複数のヒートシンク６を備えてよい。本実施形態では一例として、複数の半導体モジュール５は直流電力を３相交流電力に変換し、電力変換装置１は三相交流電力のＵ相，Ｖ相，Ｗ相のそれぞれについて１つ、計３つのスナバ装置７、半導体モジュール５およびヒートシンク６を備える。なお、複数の半導体モジュール５が多相の交流電力を生成する場合には、複数のヒートシンク６は、多相の交流電力のうち少なくとも２相を生成する複数の半導体モジュール５の一部に取り付けられてもよく、別言すれば、電力変換装置１Ａにおける全ての半導体モジュール５のうち少なくとも２相を生成する半導体モジュール５に取り付けられてもよい。

各半導体モジュール５は、互いに別々の配線によって１または複数の電源コンデンサ１０に接続されてよい。本変形例においては一例として、複数の電源コンデンサ１０の電極には共通のブスバー１００が接続されており、各半導体モジュール５の端子はブスバー１００に接続されている。

各ヒートシンク６は、取り付けられた半導体モジュール５と半導体スタック５０をなす。本実施形態では一例として、３つのヒートシンク６がそれぞれ１つの半導体モジュール５に取り付けられて計３つの半導体スタック５０をなす。各半導体スタック５０の重量は２０ｋｇ以下であってよい。

以上の電力変換装置１Ａによれば、複数のヒートシンク６が具備されてそれぞれ複数の半導体モジュール５の少なくとも１つに取り付けられるので、単一のヒートシンク６が具備されて複数の半導体モジュール５に取り付けられる場合と異なり、半導体モジュール５とヒートシンク６との半導体スタック５０それぞれを軽量化してメンテナンスを容易化することができる。また、スナバ回路２を有するスナバ装置７を備えるので、ヒートシンク６を複数にすることにより正側端子５１および負側端子５２に接続される配線の長さが長くなっても、電流遮断時のサージ電圧による素子破壊を防止するとともに、回路損失を低減することができる。

また、複数の半導体モジュール５および複数のヒートシンク６は三相交流電力の相ごとに１または複数の半導体スタック５０をなすので、半導体スタック５０を細分化して軽量化することができる。また、複数の半導体スタック５０がそれぞれ１つの半導体モジュール５を有するので、複数の半導体モジュール５を有する場合と比較して半導体スタック５０をさらに軽量化することができる。

また、複数の半導体モジュール５は互いに別々の配線によって電源コンデンサ１０に接続されるので、筐体３内での半導体スタック５０や電源コンデンサ１０の配置の自由度を高めることができる。

また、半導体モジュール５にヒートシンク６が取り付けられるので、半導体モジュール５で生じた熱が電源コンデンサ１０へ伝わるのを防止することができる。

［６．その他の変形例］
なお、上記の実施形態および変形例においては、スナバ装置７および半導体モジュール５の個数を同数として説明したが、異なる数としてもよい。例えば、スナバ装置７は半導体モジュール５よりも少なくてよい。この場合には、１または複数の相の交流電力を生成する複数の半導体モジュール５に対して１つのスナバ装置７が取り付けられてよい。また、スナバ装置７は半導体モジュール５よりも多くてもよい。この場合には、１つの半導体モジュール５に対して複数の半導体モジュール５が取り付けられてよい。

また、スナバ装置７および半導体スタック５０と、電源コンデンサ１０との間に遮熱板３３が設けられることとして説明したが、筐体３内に複数の部屋が設けられ、電源コンデンサ１０と、スナバ装置７および半導体スタック５０とが別々の部屋に配設されてもよい。この場合、部屋の間仕切りは遮熱板であってよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１ 電力変換装置、２ スナバ回路、３ 筐体、４ 冷却部、５ 半導体モジュール、６ ヒートシンク、７ スナバ装置、１０ 電源コンデンサ、１１ スイッチング素子、１２ スイッチング素子、１３ 環流ダイオード、１４ 環流ダイオード、１９ 電源出力端子、２１ 充電パス、２２ 放電パス、３１ 流入部、３２ 流出部、３３ 遮熱板、４１ ファン、５０ 半導体スタック、５１ 正側端子、５２ 負側端子、７０ プリント配線基板、７１ 正側配線、７２ 負側配線、１００ ブスバー、１０１ 正側電源線、１０２ 負側電源線、２１１ 正側コンデンサ、２１２ 第１ダイオード、２１３ 負側コンデンサ、２２１ 第２ダイオード、３１０ 吸気口、３２０ 排気口、７００ 端子、７０１ 被覆線、７０２ 導電バー、１０１１ 配線インダクタンス

Claims (19)

1. 半導体モジュールの端子に装着するスナバ装置であって、
   前記半導体モジュールの正側端子および負側端子の間に直列に順に接続される正側コンデンサ、第１ダイオード、および負側コンデンサをそれぞれ有し、前記正側端子側から前記負側端子側へと電流を流す並列なｎ個（但しｎは１以上の整数）の充電パスと、
   前記負側端子または前記ｎ個の充電パスのうち第Ｎの充電パス（但しＮは０≦Ｎ≦ｎの整数）における前記負側コンデンサと、前記ｎ個の充電パスのうち第Ｎ＋１の充電パスにおける前記正側コンデンサまたは前記正側端子と、の間に接続される第２ダイオードをそれぞれ有し、前記負側コンデンサおよび前記正側コンデンサの少なくとも一方を介して前記負側端子側から前記正側端子側へと電流を流す並列なｎ＋１個の放電パスと、
   を備え、
   各充電パスの配線インダクタンスが、各放電パスの配線インダクタンスよりも小さく、
   各充電パスの配線長が、各放電パスの配線長よりも短い、スナバ装置。
2. ｎは２以上の整数であり、
   前記ｎ個の充電パスにおける前記正側コンデンサおよび前記負側コンデンサの間の各配線部分の配線長が、
   前記ｎ＋１個の放電パスにおける前記第Ｎの充電パスの前記負側コンデンサと、前記第Ｎ＋１の充電パスの前記正側コンデンサとを結ぶ各配線部分の配線長よりも短い、
   請求項１に記載のスナバ装置。
3. 前記ｎ＋１個の放電パスの前記配線部分は迂回して形成される、
   請求項２に記載のスナバ装置。
4. 前記正側コンデンサ、前記負側コンデンサ、前記第１ダイオードおよび前記第２ダイオードは、プリント配線基板に配設される、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のスナバ装置。
5. 前記ｎ＋１個の放電パスのそれぞれにおける前記第Ｎの充電パスの前記負側コンデンサと、前記第Ｎ＋１の充電パスの前記正側コンデンサとを結ぶ各配線は、互いに重なる２つの領域を含む、
   請求項４に記載のスナバ装置。
6. 各充電パスは、前記正側端子および前記負側端子の間に直線状に配設される、
   請求項２から５のいずれか一項に記載のスナバ装置。
7. 半導体モジュールと、
   請求項１から６のいずれか一項に記載のスナバ装置と、
   を備える電力変換装置。
8. 請求項１から６の何れか一項に記載の、少なくとも１つのスナバ装置と、
   前記少なくとも１つのスナバ装置に電気的に接続された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の少なくとも１つに各々が取り付けられた複数のヒートシンクと、
   を備える電力変換装置。
9. 前記複数の半導体モジュールは、直流電力から多相の交流電力を生成し、
   当該電力変換装置は、交流電力の相ごとに少なくとも１つのヒートシンクを備える、
   請求項８に記載の電力変換装置。
10. 前記複数の半導体モジュールは、直流電力から少なくとも単相の交流電力を生成し、
    当該電力変換装置は、前記交流電力の相ごとに複数のヒートシンクを備える、
    請求項８または９に記載の電力変換装置。
11. 前記複数の半導体モジュールは、直流電力から多相の交流電力を生成し、
    前記複数のヒートシンクは、前記多相の交流電力のうち少なくとも２相を生成する前記複数の半導体モジュールの一部に取り付けられる、
    請求項８に記載の電力変換装置。
12. 前記複数のヒートシンクは、それぞれ１つの前記半導体モジュールに取り付けられる、
    請求項８～１１のいずれか一項に記載の電力変換装置。
13. 前記正側端子および前記負側端子の間に接続された電源コンデンサをさらに備え、
    前記複数の半導体モジュールは、互いに別々の配線によって前記電源コンデンサに接続される、
    請求項８から１２のいずれか一項に記載の電力変換装置。
14. 半導体モジュールと、
    請求項１から６の何れか一項に記載のスナバ装置と、
    前記正側端子および前記負側端子の間に接続された電源コンデンサと、
    前記半導体モジュール、前記スナバ装置および前記電源コンデンサを収容する筐体と、
    を備え、
    前記電源コンデンサは、前記筐体の中心よりも一方の側に配設され、前記スナバ装置および前記半導体モジュールは、前記筐体の中心よりも他方の側に配設される、電力変換装置。
15. 前記電源コンデンサは、前記筐体の中心よりも下側に配設され、前記スナバ装置および前記半導体モジュールは、前記筐体の中心よりも上側に配設される、
    請求項１４に記載の電力変換装置。
16. 前記筐体の内部に冷却流体を流す冷却部をさらに備え、
    前記電源コンデンサは、前記冷却流体の流路における上流側に配設され、
    前記スナバ装置および前記半導体モジュールは、前記冷却流体の流路における下流側に配設される、
    請求項１４または１５に記載の電力変換装置。
17. 前記電源コンデンサは、前記筐体の内部への前記冷却流体の流入部に配設される、
    請求項１６に記載の電力変換装置。
18. 前記スナバ装置および前記半導体モジュールと、前記電源コンデンサとの間に設けられた遮熱板をさらに備える、
    請求項１４から１７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
19. 前記半導体モジュールに取り付けられたヒートシンクをさらに備える、
    請求項１４から１８のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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