JP7283143B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

この発明は、電力変換装置に関し、特に、複数の半導体モジュールを備える電力変換装置に関する。
従来、複数の半導体モジュールを備える電力変換装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
上記特許文献1では、2つのスイッチング素子を収納する複数の半導体モジュールを備える電力変換装置が開示されている。また、複数の半導体モジュールに並列に、2つのコンデンサが設けられている。また、複数の半導体モジュールと、2つのコンデンサとを電気的に接続するための配線が設けられている。なお、この配線には寄生インダクタンスが存在する。そして、上記特許文献1では、寄生インダクタンスを低減するために、配線が、積層されたバスバーにより構成されている。
具体的には、上記特許文献1では、2つのコンデンサの正側電極と、複数の半導体モジュールの正側電極とがバスバー(以下、正側バスバーという)により電気的に接続されている。また、2つのコンデンサの負側電極と、複数の半導体モジュールの負側電極とがバスバー(以下、負側バスバーという)により電気的に接続されている。
上記特許文献1では、上記の正側バスバーと負側バスバーとは、共に、略U字形状を有する銅板により構成されている。そして、略U字形状の負側バスバーの内側に、略U字形状の正側バスバーが配置されている。また、略U字形状の正側バスバーの内側に、2つのコンデンサが配置されている。また、複数の半導体モジュールの負側電極は、略U字形状の負側バスバーの底部に電気的に接続されている。また、上記特許文献1には明記されていないが、複数の半導体モジュールの正側電極は、負側バスバーに設けられた孔部を介して、略U字形状の正側バスバーの底部に電気的に接続されていると考えられる。また、上記特許文献1の電力変換装置は、上位電位と中間電位との2つのレベルの電位の電力を出力する。
特開2016-213945号公報
ここで、上記特許文献1に記載されているような、略U字形状の正側バスバーと略U字形状の負側バスバーとを設ける構成を、上位電位と中間電位と下位電位との3つのレベルの電位の電力を出力する電力変換装置に適用する場合、略U字形状の正側バスバーと略U字形状の負側バスバーとに加えて、略U字形状の中間電位側バスバーを設ける必要があると考えられる。つまり、正側バスバー、中間電位側バスバーおよび負側バスバーが積層される。たとえば、半導体モジュール側から、負側バスバー、中間電位側バスバー、正側バスバーがこの順で積層される。そして、半導体モジュールの正側電極を正側バスバーに接続するためには、負側バスバーおよび中間電位側バスバーに設けられた孔部を介して、半導体モジュールの正側電極を正側バスバーに接続する必要がある。このため、負側バスバーや中間電位側バスバーなどの導体に比較的多くの孔部を形成する必要があるため、導体の構成が複雑になるという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、配線の寄生インダクタンスを低減しながら、導体の構成が複雑になるのを抑制することが可能な電力変換装置を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による電力変換装置は、上位電位と中間電位と下位電位との3つのレベルの電位の電力を出力する電力変換装置であって、半導体素子を内部に収納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に電気的に接続されるとともに、互いに直列に接続されている第1コンデンサおよび第2コンデンサと、第1コンデンサの正極端子および半導体モジュールの正極端子に電気的に接続される正極電位導体と、第2コンデンサの負極端子および半導体モジュールの負極端子に電気的に接続される負極電位導体と、複数の半導体モジュール同士を電気的に接続する略平板形状の接続導体と、複数の半導体モジュールからの電力が出力される略平板形状の出力導体と、互いに直列に接続された第1コンデンサと第2コンデンサとの接続点に電気的に接続される中間電位導体とを備え、中間電位導体は、略U字形状を有するとともに、略U字形状の中間電位導体の内側に第1コンデンサおよび第2コンデンサが配置されており、複数の半導体モジュールが配置される面に垂直な方向から見て、正極電位導体と中間電位導体と負極電位導体とが互いにオーバラップしない状態で、正極電位導体と中間電位導体と負極電位導体とが、この順で、複数の半導体モジュールの配列方向に沿って、互いに隣り合うように配置されており、前記複数の半導体モジュールが配置される面に垂直な方向から見て、前記中間電位導体と前記出力導体と前記接続導体とが互いにオーバラップする状態でこの順に配置されている
この発明の一の局面による電力変換装置では、上記のように、複数の半導体モジュールが配置される面に垂直な方向から見て、正極電位導体と中間電位導体と負極電位導体とが互いにオーバラップしない状態で、正極電位導体と中間電位導体と負極電位導体とが、この順で、複数の半導体モジュールの配列方向に沿って、互いに隣り合うように配置されている。これにより、半導体モジュールと正極電位導体とを、中間電位導体および負極電位導体を介さずに電気的に接続することができる。同様に、半導体モジュールと中間電位導体とを、正極電位導体および負極電位導体を介さずに電気的に接続することができる。同様に、半導体モジュールと負極電位導体とを、正極電位導体および中間電位導体を介さずに電気的に接続することができる。その結果、正極電位導体、中間電位導体および負極電位導体に形成される孔部の数を低減することができるので、導体(正極電位導体、中間電位導体および負極電位導体)の構成が複雑になるのを抑制することができる。また、正極電位導体と中間電位導体と負極電位導体とが互いに隣り合うように配置されているので、正極電位導体と中間電位導体と負極電位導体との寄生インダクタンスを低減することができる。これらの結果、配線の寄生インダクタンスを低減しながら、導体の構成が複雑になるのを抑制することができる。
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、正極電位導体と、負極電位導体とは、略L字形状を有しており、略L字形状の正極電位導体の配列方向に沿う底部と、略L字形状の負極電位導体の配列方向に沿う底部とは、中間電位導体とは反対側に延びている。このように構成すれば、正極電位導体の底部が中間電位導体とは反対側に延びているので、正極電位導体を中間電位導体に近づけることができる。同様に、負極電位導体の底部が中間電位導体とは反対側に延びているので、負極電位導体を中間電位導体に近づけることができる。これにより、配線の寄生インダクタンスを効果的に低減することができる。
この場合、好ましくは、正極電位導体の底部と、負極電位導体の底部とは、それぞれ、中間電位導体を介さずに、半導体モジュールに電気的に接続されている。このように構成すれば、中間電位導体に孔部を設けることなく、正極電位導体の底部と負極電位導体の底部との各々に、半導体モジュールを電気的に接続することができる。
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、複数の半導体モジュール同士を電気的に接続する略平板形状の接続導体と、複数の半導体モジュールからの電力が出力される略平板形状の出力導体とをさらに備え、複数の半導体モジュールが配置される面に垂直な方向から見て、正極電位導体および負極電位導体の組と、出力導体と、接続導体とが、オーバラップする状態で配置されており、半導体モジュールは、中間電位導体を介さずに、出力導体および接続導体を介して、正極電位導体と負極電位導体とのうちのいずれかに接続されている。このように構成すれば、出力導体および接続導体が設けられた場合でも、中間電位導体に孔部を設けることなく、正極電位導体と負極電位導体との各々に、半導体モジュールを電気的に接続することができる。
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、複数の半導体モジュールが配置される冷却部をさらに備え、複数の半導体モジュールは、各々、複数の半導体モジュールが配置される冷却部の面に垂直な方向から見て、略長方形形状を有し、冷却部に流れる冷却風の流れの方向に、半導体モジュールの長手方向が沿うように、複数の半導体モジュールが配置されている。このように構成すれば、冷却風の流れの方向に半導体モジュールの短手方向が沿うように複数の半導体モジュールが配置される場合と比べて、冷却風の流れの方向に直交する方向の電力変換装置の長さを短縮することができる。
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、複数の半導体モジュールが配置される冷却部をさらに備え、第1コンデンサと第2コンデンサとは、冷却部に流れる冷却風の流れの方向に沿って隣り合うように配置されている。このように構成すれば、冷却風の流れの方向に直交する方向に第1コンデンサと第2コンデンサとを隣り合うように配置する場合と比べて、冷却風の流れの方向に直交する方向の電力変換装置の長さを短縮することができる。
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、半導体素子は、互いに直列に接続される第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第3スイッチング素子および第4スイッチング素子と、第1スイッチング素子および第2スイッチング素子の接続点と、第3スイッチング素子および第4スイッチング素子の接続点との間に電気的に接続されるとともに互いに直列に接続される第1ダイオードおよび第2ダイオードとを含み、複数の半導体モジュールは、第1スイッチング素子および第2スイッチング素子を収納する第1半導体モジュールと、第1ダイオードおよび第2ダイオードを収納する第2半導体モジュールと、第3スイッチング素子および第4スイッチング素子を収納する第3半導体モジュールとを含み、第1半導体モジュールと、第2半導体モジュールと、第3半導体モジュールとがこの順で、配列方向の一方側から他方側に向かって配置されており、正極電位導体と、中間電位導体と、負極電位導体とが、この順で、配列方向の一方側から他方側に向かって配置されている。このように構成すれば、第1スイッチング素子と正極電位導体とが、配列方向の一方側に配置されるので、第1スイッチング素子と正極電位導体とを比較的短い経路で電気的に接続することができる。第4スイッチング素子と負極電位導体とが、配列方向の他方側に配置されるので、第4スイッチング素子と負極電位導体とを比較的短い経路で電気的に接続することができる。
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、半導体素子は、互いに直列に接続される第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第3スイッチング素子および第4スイッチング素子と、第1スイッチング素子および第2スイッチング素子の接続点と、第3スイッチング素子および第4スイッチング素子の接続点との間に電気的に接続されるとともに互いに直列に接続される第1ダイオードおよび第2ダイオードとを含み、複数の半導体モジュールは、第1スイッチング素子および第1ダイオードを収納する第4半導体モジュールと、第2スイッチング素子および第3スイッチング素子を収納する第5半導体モジュールと、第4スイッチング素子および第2ダイオードを収納する第6半導体モジュールと、を含み、第4半導体モジュールと、第5半導体モジュールと、第6半導体モジュールとがこの順で、配列方向の一方側から他方側に向かって配置されており、正極電位導体と、中間電位導体と、負極電位導体とが、この順で、配列方向の一方側から他方側に向かって配置されている。このように構成すれば、第1スイッチング素子と正極電位導体とが、配列方向の一方側に配置されるので、第1スイッチング素子と正極電位導体とを比較的短い経路で電気的に接続することができる。第4スイッチング素子と負極電位導体とが、配列方向の他方側に配置されるので、第4スイッチング素子と負極電位導体とを比較的短い経路で電気的に接続することができる。
本発明によれば、上記のように、配線の寄生インダクタンスを低減しながら、導体の構成が複雑になるのを抑制することができる。
第1実施形態による電力変換装置の回路図である。 第1実施形態による電力変換装置の電力変換部の回路図である。 第1実施形態による複数の半導体モジュールの上面図である。 第1実施形態による半導体モジュールの斜視図である。 第1実施形態による電力変換部の斜視図である。 第1実施形態による電力変換部の分解斜視図である。 第1実施形態による電力変換部の分解側面図である。 第1実施形態によるコンデンサの斜視図である。 第1実施形態による電力変換部の側面図である。 第1実施形態による中間電位導体の底面の斜視図である。 第1実施形態による中間電位導体の側面の斜視図(1)である。 第1実施形態による中間電位導体の側面の斜視図(2)である。 第1実施形態による出力導体の斜視図である。 第1実施形態による第1接続導体の斜視図である。 第1実施形態による第2接続導体の斜視図である。 第1実施形態による電力変換装置の斜視図である。 第2実施形態による電力変換装置の電力変換部の回路図である。 第2実施形態による複数の半導体モジュールの上面図である。 第2実施形態による電力変換部の分解側面図である。 変形例による電力変換装置の電力変換部の回路図である。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
[第1実施形態]
図1~図16を参照して、第1実施形態による電力変換装置100の構成について説明する。図1に示すように、電力変換装置100は、上位電位と中間電位と下位電位との3つのレベルの電位の電力を出力するように構成されている。なお、電力変換装置100は、たとえば、鉄道車両に設けられている。また、鉄道車両に設けられた電力変換装置100には、パンタグラフ200から、遮断器201を介して、変圧器202の2次巻線203から、単相の電圧が入力される。
電力変換装置100は、コンバータ部1を備えている。コンバータ部1は、2次巻線203から入力される単相の電圧を、直流電圧に変換する。
電力変換装置100は、インバータ部2を備えている。インバータ部2は、コンバータ部1から入力される直流電圧を、交流電圧に変換する。そして、変換された交流電圧が、インバータ部2から、鉄道車両を駆動するためのモータ204に出力される。
また、コンバータ部1は、互いに並列に接続される2つの電力変換部10により構成されている。また、インバータ部2は、互いに並列に接続される3つの電力変換部10により構成されている。以下、1つの電力変換部10の構成について説明する。
図2に示すように、電力変換部10は、互いに直列に接続される第1スイッチング素子Q1、第2スイッチング素子Q2、第3スイッチング素子Q3および第4スイッチング素子Q4を含む。第1スイッチング素子Q1、第2スイッチング素子Q2、第3スイッチング素子Q3および第4スイッチング素子Q4は、正極電位側Pと負極電位側Nとの間に接続されている。また、第1スイッチング素子Q1、第2スイッチング素子Q2、第3スイッチング素子Q3および第4スイッチング素子Q4には、それぞれ、逆並列にダイオードDが接続されている。なお、第1スイッチング素子Q1、第2スイッチング素子Q2、第3スイッチング素子Q3および第4スイッチング素子Q4は、たとえば、シリコン(Si)半導体からなるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。なお、第1スイッチング素子Q1、第2スイッチング素子Q2、第3スイッチング素子Q3および第4スイッチング素子Q4は、特許請求の範囲の「半導体素子」の一例である。
また、電力変換部10は、正極電位側Pと負極電位側Nとの間に、互いに直列に接続されている第1コンデンサC1および第2コンデンサC2を含む。なお、第1コンデンサC1と第2コンデンサC2との接続点は、中間電位点Mである。第1コンデンサC1および第2コンデンサC2は、第1スイッチング素子Q1~第4スイッチング素子Q4に対して電気的に並列に接続されている、
また、電力変換部10は、第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2の接続点N1と、第3スイッチング素子Q3および第4スイッチング素子Q4の接続点N2とに電気的に接続されるとともに互いに直列に接続される第1ダイオードD1および第2ダイオードD2を含む。なお、第1ダイオードD1および第2ダイオードD2は、クランプダイオードとして機能する。また、第1ダイオードD1のアノードが、中間電位点Mに電気的に接続されている。また、第1ダイオードD1のカソードが、接続点N1に電気的に接続されている。第2ダイオードD2のアノードが、接続点N2に電気的に接続されている。また、第2ダイオードD2のカソードが、中間電位点Mに電気的に接続されている。また、第1ダイオードD1および第2ダイオードD2は、たとえば、シリコン半導体からなるダイオードである。なお、第1ダイオードD1および第2ダイオードD2は、特許請求の範囲の「半導体素子」の一例である。
また、図3に示すように、電力変換部10には、複数の半導体モジュール20(20a、20bおよび20c)が複数設けられている。半導体モジュール20は、第1スイッチング素子Q1、第2スイッチング素子Q2、第3スイッチング素子Q3、第4スイッチング素子Q4、第1ダイオードD1および第2ダイオードD2のうちのいずれか2つを内部に収納するように構成されている。図4に示すように、半導体モジュール20は、2つの第1端子21と、2つの第2端子22と、3つの第3端子23とを含む。
また、図5および図6に示すように、電力変換部10は、冷却部30を備えている。冷却部30は、略平板形状の冷却部本体部31と、冷却部本体部31から下方(Z2方向側)に延びる放熱フィン32とを含む。また、複数の半導体モジュール20は、冷却部本体部31の上方(Z1方向側)の表面31a上に配置されている。
ここで、第1実施形態では、図2に示すように、複数の半導体モジュール20は、第1半導体モジュール20aと、第2半導体モジュール20bと、第3半導体モジュール20cとを含む。第1半導体モジュール20aは、第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2を収納する。また、第2半導体モジュール20bは、第1ダイオードD1および第2ダイオードD2を収納する。また、第3半導体モジュール20cは、第3スイッチング素子Q3および第4スイッチング素子Q4を収納する。
そして、第1実施形態では、図3に示すように、第1半導体モジュール20aと、第2半導体モジュール20bと、第3半導体モジュール20cとがこの順で、複数の半導体モジュール20の配列方向であるX方向の一方側(X1方向側)から他方側(X2方向側)に向かって配置されている。なお、第1半導体モジュール20aと、第2半導体モジュール20bと、第3半導体モジュール20cは、それぞれ、X1方向側からX2方向側に向かって、第1端子21(21a、21bおよび21c)、第2端子22(22a、22bおよび22c)および第3端子23(23a、23bおよび23c)がこの順で配列されるように、配置されている。なお、第1半導体モジュール20aと、第2半導体モジュール20bと、第3半導体モジュール20cとは、それぞれ、2つずつ設けられている。2つの第1半導体モジュール20a(2つの第2半導体モジュール20b、2つの第3半導体モジュール20c)は、電気的に並列に接続されている。なお、第1端子21aは、特許請求の範囲の「半導体モジュールの正極端子」の一例である。また、第2端子22cは、特許請求の範囲の「半導体モジュールの負極端子」の一例である。
なお、電力変換装置100が鉄道車両に設けられた場合、X方向は、鉄道車両の走行方向に対応する。
また、図2に示すように、第1半導体モジュール20aの第1端子21aは、コレクタ(C)端子である。また、第1半導体モジュール20aの第2端子22aは、エミッタ(E)端子である。また、第1半導体モジュール20aの第3端子23aは、出力端子である。
また、第2半導体モジュール20bの第1端子21bは、カソード(K)端子である。また、第2半導体モジュール20bの第2端子22bは、アノード(A)端子である。また、第2半導体モジュール20bの第3端子23bは、出力端子である。
また、第3半導体モジュール20cの第1端子21cは、コレクタ端子である。また、第3半導体モジュール20cの第2端子22cは、エミッタ端子である。また、第3半導体モジュール20cの第3端子23cは、出力端子である。
ここで、第1実施形態では、図3に示すように、複数の半導体モジュール20は、各々、複数の半導体モジュール20が配置される冷却部30の表面31aに垂直な方向(Z方向)から見て、略長方形形状を有する。そして、冷却部30に流れる冷却風の流れの方向(X方向)に、半導体モジュール20の長手方向が沿うように、複数の半導体モジュール20が配置されている。具体的には、2つの第1半導体モジュール20aは、Y方向に沿って隣り合うように配置されている。同様に、2つの第2半導体モジュール20bは、Y方向に沿って隣り合うように配置されている。同様に、2つの第3半導体モジュール20cは、Y方向に沿って隣り合うように配置されている。そして、第1半導体モジュール20a、第2半導体モジュール20b、および、第3半導体モジュール20cは、この順で、X方向に沿って隣り合うように配置されている。
また、図7および図9に示すように、電力変換部10は、正極電位導体40を備えている。正極電位導体40は、第1コンデンサC1の正極端子C1p(図8参照)および第1半導体モジュール20aの第1端子21aに電気的に接続されている。
また、図7および図9に示すように、電力変換部10は、負極電位導体50を備えている。負極電位導体50は、第2コンデンサC2の負極端子C2nおよび第3半導体モジュール20cの第2端子22cに電気的に接続されている。
ここで、第1実施形態では、図7および図9に示すように、正極電位導体40と、負極電位導体50とは、略L字形状を有している。そして、略L字形状の正極電位導体40のX方向に沿う底部41と、略L字形状の負極電位導体50のX方向に沿う底部51とは、後述する中間電位導体60とは反対側に延びている。具体的には、正極電位導体40の底部41は、X1方向側に延びている。また、負極電位導体50の底部51は、X2方向側に延びている。正極電位導体40の底部41は、第1半導体モジュール20aの第1端子21aの鉛直上方に配置される。また、負極電位導体50の底部51は、第3半導体モジュール20cの第2端子22cの鉛直上方に配置される。
また、電力変換部10は、中間電位導体60を備えている。中間電位導体60は、互いに直列に接続された第1コンデンサC1と第2コンデンサC2との接続点(中間電位点M)に電気的に接続されている。具体的には、中間電位導体60は、第1コンデンサC1の負極端子C1nと、第2コンデンサC2の正極端子C2pと、第2半導体モジュール20bの第3端子23bに電気的に接続されている。
また、中間電位導体60は、略U字形状を有する。また、中間電位導体60は、平板形状を有する。そして、略U字形状の中間電位導体60の内側に第1コンデンサC1および第2コンデンサC2が配置されている。
また、中間電位導体60は、底面61(図10参照)と、側面部に対応する側面62(図11参照)および側面63(図12参照)とを含む。なお、側面62の構成は、正極電位導体40の構成と同様である。また、側面63の構成は、負極電位導体50の構成と同様である。
また、第1実施形態では、図5および図6に示すように、第1コンデンサC1と第2コンデンサC2とは、冷却部30に流れる冷却風の流れの方向(X方向)に沿って隣り合うように配置されている。また、第1コンデンサC1(第2コンデンサC2)は、Z方向から見て、略矩形形状を有する。そして、第1コンデンサC1(第2コンデンサC2)は、第1コンデンサC1(第2コンデンサC2)の長手方向がY方向に沿うように配置されている。
また、図9に示すように、電力変換部10は、複数の半導体モジュール20同士を電気的に接続する略平板形状の第1接続導体70および第2接続導体80を備えている。第1接続導体70は、第1半導体モジュール20aの第3端子23aと、第2半導体モジュール20bの第1端子21bとを電気的に接続している。また、第2接続導体80は、第2半導体モジュール20bの第2端子22bと、第3半導体モジュール20cの第3端子23cとを電気的に接続している。なお、第1接続導体70および第2接続導体80は、特許請求の範囲の「接続導体」の一例である。
また、電力変換部10は、複数の半導体モジュール20からの電力が出力される略平板形状の出力導体90を備えている。具体的には、出力導体90は、第1半導体モジュール20aの第2端子22aと、第3半導体モジュール20cの第1端子21cとを電気的に接続している。
ここで、第1実施形態では、複数の半導体モジュール20が配置される面(冷却部本体部31の表面31a)に垂直な方向(Z方向)から見て、正極電位導体40と中間電位導体60と負極電位導体50とは、互いにオーバラップしない。そして、この互いにオーバラップしない状態で、正極電位導体40と中間電位導体60と負極電位導体50とが、この順で、複数の半導体モジュール20の配列方向であるX方向に沿って、X1方向側からX2方向側に向かって、互いに隣り合うように配置されている。
また、第1実施形態では、複数の半導体モジュール20が配置される面に垂直な方向(Z方向)に沿って、正極電位導体40および負極電位導体50の組と、出力導体90と、第1接続導体70(第2接続導体80)とが、積層されている。そして、半導体モジュール20は、中間電位導体60を介さずに、出力導体90および第1接続導体70(第2接続導体80)を介して、正極電位導体40と負極電位導体50とのうちのいずれかに接続されている。以下、具体的に説明する。
第1接続導体70と第2接続導体80とは、半導体モジュール20に最も近い位置(半導体モジュール20と出力導体90との間)において、同一平面上(X-Y平面上)に互いに隣り合うように配置されている。そして、第1接続導体70の第1端子71が、第1半導体モジュール20aの第3端子23aに電気的に接続される。また、第1接続導体70の第2端子72が、第2半導体モジュール20bの第1端子21bに電気的に接続される。
また、第2接続導体80の第1端子81が、第2半導体モジュール20bの第2端子22bに電気的に接続される。また、第2接続導体80の第2端子82が、第3半導体モジュール20cの第3端子23cに電気的に接続される。
出力導体90は、互いに隣り合うように配置されている第1接続導体70および第2接続導体80の上方(Z1方向側)に配置されている。出力導体90の第1端子91は、第1接続導体70の孔部70a(図14参照)を介して、第1半導体モジュール20aの第2端子22aに電気的に接続されている。出力導体90の第2端子92は、第2接続導体80の孔部80a(図15参照)を介して、第3半導体モジュール20cの第1端子21cに電気的に接続される。出力導体90の出力端子93は、第3半導体モジュール20c側(X2方向側)に配置される。
図9に示すように、中間電位導体60の底面61は、出力導体90の上方(Z1方向側)に配置される。また、中間電位導体60の側面62は、第1コンデンサC1の正極端子C1pおよび負極端子C1nが設けられる側面C1sに対向するように配置される。また、中間電位導体60の側面63は、第2コンデンサC2の正極端子C2pおよび負極端子C2nが設けられる側面C2sに対向するように配置される。
中間電位導体60の側面62は、第1コンデンサC1の負極端子C1nに電気的に接続される。中間電位導体60の側面63は、第2コンデンサC2の正極端子C2pに電気的に接続される。中間電位導体60の端子64は、出力導体90の孔部90a(図13参照)と、第2接続導体80の孔部80b(図15参照)とを介して、第2半導体モジュール20bの第3端子23bに電気的に接続される。
また、正極電位導体40は、中間電位導体60の側面62とX方向に対向するように配置される。正極電位導体40は、中間電位導体60の側面62の孔部を介して、第1コンデンサC1の正極端子C1pに電気的に接続される。また、第1実施形態では、正極電位導体40の底部41(端子42)は、中間電位導体60を介さずに、出力導体90の孔部90b(図13参照)および第1接続導体70の孔部70b(図14参照)を介して、第1半導体モジュール20aの第1端子21aに電気的に接続される。
負極電位導体50は、中間電位導体60の側面63とX方向に対向するように配置される。負極電位導体50は、中間電位導体60の側面63の孔部を介して、第2コンデンサC2の負極端子C2nに電気的に接続される。また、第1実施形態では、負極電位導体50の底部51(端子52)は、中間電位導体60を介さずに、出力導体90の孔部90c(図13参照)および第2接続導体80の孔部80c(図15参照)を介して、第3半導体モジュール20cの第2端子22cに電気的に接続される。
ここで、第1スイッチング素子Q1~第4スイッチング素子Q4がスイッチング動作をするとき、中間電位導体60を流れる転流電流の向き(Z方向に沿った向き)は、正極電位導体40を流れる転流電流の向き、および、負極電位導体50を流れる転流電流の向きとは逆になる。また、中間電位導体60を流れる転流電流の向き(X方向に沿った向き)は、出力導体90、第1接続導体70、および、第2接続導体80を流れる転流電流の向きと逆になる。したがって、転流経路の一巡のインダクタンスを低減することが可能になる。
また、第1コンデンサC1および第2コンデンサC2は、各々、内部インダクタンスを有する。このため、各相ごとにおける、1つの第1コンデンサC1を含む上位電位側の一巡の回路のインダクタンスは、比較的大きくなる。同様に、各相ごとにおける、1つの第2コンデンサC2を含む下位電位側の一巡の回路のインダクタンスは、比較的大きくなる。そこで、上位電位側、下位電位側および中間電位を、複数のコンデンサ(C1およびC2)によって接続することによって、転流経路の一巡のインダクタンスを低減することが可能になる。
図16は、電力変換装置100を1つの冷却部本体部31上に配置した斜視図である。図16に示すように、コンバータ部1とインバータ部2とを構成する電力変換部10が、冷却部本体部31上に5個設けられている。そして、正極電位導体40、負極電位導体50、中間電位導体60、出力導体90、第1接続導体70、および、第2接続導体80は、それぞれ、5個の電力変換部10に対して共通に(1つずつ)設けられている。なお、冷却部本体部31を5個の電力変換部10ごとに設けた場合でも、正極電位導体40、負極電位導体50、中間電位導体60、出力導体90、第1接続導体70、および、第2接続導体80は、それぞれ、5個の電力変換部10に対して共通に(1つずつ)設けることができる。
[第1実施形態の効果]
第1実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第1実施形態では、上記のように、複数の半導体モジュール20が配置される面に垂直な方向から見て、正極電位導体40と中間電位導体60と負極電位導体50とが互いにオーバラップしない状態で、正極電位導体40と中間電位導体60と負極電位導体50とが、この順で、複数の半導体モジュール20の配列方向に沿って、互いに隣り合うように配置されている。これにより、半導体モジュール20と正極電位導体40とを、中間電位導体60および負極電位導体50を介さずに電気的に接続することができる。同様に、半導体モジュール20と中間電位導体60とを、正極電位導体40および負極電位導体50を介さずに電気的に接続することができる。同様に、半導体モジュール20と負極電位導体50とを、正極電位導体40および中間電位導体60を介さずに電気的に接続することができる。その結果、正極電位導体40、中間電位導体60および負極電位導体50に形成される孔部の数を低減することができるので、導体(正極電位導体40、中間電位導体60および負極電位導体50)の構成が複雑になるのを抑制することができる。また、正極電位導体40と中間電位導体60と負極電位導体50とが互いに隣り合うように配置されているので、正極電位導体40と中間電位導体60と負極電位導体50との寄生インダクタンスを低減することができる。これらの結果、配線の寄生インダクタンスを低減しながら、導体の構成が複雑になるのを抑制することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、略L字形状の正極電位導体40のX方向に沿う底部41と、略L字形状の負極電位導体50のX方向に沿う底部51とは、中間電位導体60とは反対側に延びている。これにより、正極電位導体40の底部41が中間電位導体60とは反対側に延びているので、正極電位導体40を中間電位導体60に近づけることができる。同様に、負極電位導体50の底部51が中間電位導体60とは反対側に延びているので、負極電位導体50を中間電位導体60に近づけることができる。これにより、配線の寄生インダクタンスを効果的に低減することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、正極電位導体40の底部41と、負極電位導体50の底部51とは、それぞれ、中間電位導体60を介さずに、半導体モジュール20に電気的に接続されている。これにより、中間電位導体60に孔部を設けることなく、正極電位導体40の底部41と負極電位導体50の底部51との各々に、半導体モジュール20を電気的に接続することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、複数の半導体モジュール20が配置される面に垂直な方向に沿って、正極電位導体40および負極電位導体50の組と、出力導体90と、第1接続導体70(第2接続導体80)とが、積層されており、半導体モジュール20は、中間電位導体60を介さずに、出力導体90および第1接続導体70(第2接続導体80)を介して、正極電位導体40と負極電位導体50とのうちのいずれかに接続されている。これにより、出力導体90および第1接続導体70(第2接続導体80)が設けられた場合でも、中間電位導体60に孔部を設けることなく、正極電位導体40と負極電位導体50との各々に、半導体モジュール20を電気的に接続することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、冷却部30に流れる冷却風の流れの方向に、半導体モジュール20の長手方向が沿うように、複数の半導体モジュール20が配置されている。これにより、冷却風の流れの方向に半導体モジュール20の短手方向が沿うように複数の半導体モジュール20が配置される場合と比べて、冷却風の流れの方向に直交する方向の電力変換装置100の長さを短縮することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、第1コンデンサC1と第2コンデンサC2とは、冷却部30に流れる冷却風の流れの方向に沿って隣り合うように配置されている。これにより、冷却風の流れの方向に直交する方向に第1コンデンサC1と第2コンデンサC2とを隣り合うように配置する場合と比べて、冷却風の流れの方向に直交する方向の電力変換装置100の長さを短縮することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、第1半導体モジュール20aと、第2半導体モジュール20bと、第3半導体モジュール20cとがこの順で、配列方向(X方向)の一方側から他方側に向かって配置されており、正極電位導体40と、中間電位導体60と、負極電位導体50とが、この順で、配列方向の一方側から他方側に向かって配置されている。これにより、第1スイッチング素子Q1と正極電位導体40とが、X方向の一方側に配置されるので、第1スイッチング素子Q1と正極電位導体40とを比較的短い経路で電気的に接続することができる。第4スイッチング素子Q4と負極電位導体50とが、X方向の他方側に配置されるので、第4スイッチング素子Q4と負極電位導体50とを比較的短い経路で電気的に接続することができる。
[第2実施形態]
図17~図19を参照して、第2実施形態による電力変換部300の構成について説明する。第2実施形態による電力変換部300では、半導体モジュール320に収納される半導体素子の種類が、上記第1実施形態とは異なっている。
第2実施形態では、図17に示すように、電力変換部300は、第1半導体モジュール320aと、第2半導体モジュール320bと、第3半導体モジュール320cとを含む。第1半導体モジュール320aは、第1スイッチング素子Q1および第1ダイオードD1を収納する。また、第2半導体モジュール320bは、第2スイッチング素子Q2および第3スイッチング素子Q3を収納する。また、第3半導体モジュール320cは、第4スイッチング素子Q4および第2ダイオードD2を収納する。そして、図18に示すように、第1半導体モジュール320aと、第2半導体モジュール320bと、第3半導体モジュール320cとがこの順で、X方向の一方側(X1方向側)から他方側(X2方向側)に向かって配置されている。なお、第1半導体モジュール320a、および、第2半導体モジュール320bは、それぞれ、特許請求の範囲の「第4半導体モジュール」および「第5半導体モジュール」の一例である。また、第3半導体モジュール320cは、特許請求の範囲の「第6半導体モジュール」の一例である。
また、図17および図18に示すように、第1半導体モジュール320aの第1端子321aは、コレクタ(C)端子である。また、第1半導体モジュール320aの第2端子322aは、アノード(A)端子である。また、第1半導体モジュール320aの第3端子323aは、出力端子である。
また、第2半導体モジュール320bの第1端子321bは、コレクタ端子である。また、第2半導体モジュール320bの第2端子322bは、エミッタ(E)端子である。また、第2半導体モジュール320bの第3端子323bは、出力端子である。
また、第3半導体モジュール320cの第1端子321cは、カソード(K)端子である。また、第3半導体モジュール320cの第2端子322cは、エミッタ端子である。また、第3半導体モジュール320cの第3端子323cは、出力端子である。なお、第1端子321aは、特許請求の範囲の「半導体モジュールの正極端子」の一例である。また、第2端子322cは、特許請求の範囲の「半導体モジュールの負極端子」の一例である。
また、第2実施形態では、図19に示すように、電力変換部300は、上記第1実施形態の電力変換部10と同様に、正極電位導体340と、中間電位導体360と、負極電位導体350と、第1接続導体370と、第2接続導体380と、出力導体390とを含む。そして、正極電位導体340と、中間電位導体360と、負極電位導体350とが、この順で、X方向の一方側(X1方向側)から他方側(X2方向側)に向かって配置されている。中間電位導体360は、上記第1実施形態の中間電位導体60と異なり、2つの端子361および端子362を含む。端子361は、第1半導体モジュール320aの第2端子322aに電気的に接続される。また、端子362は、第3半導体モジュール320cの第1端子321cに電気的に接続される。なお、その他の導体(正極電位導体340、負極電位導体350、第1接続導体370、第2接続導体380、および、出力導体390)の構成は、孔部などの位置が異なる一方、上記第1実施形態の導体の構成と同様である。
[第2実施形態の効果]
第2実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第2実施形態では、上記のように、第1半導体モジュール320aと、第2半導体モジュール320bと、第3半導体モジュール320cとがこの順で、X方向の一方側から他方側に向かって配置されており、正極電位導体340と、中間電位導体360と、負極電位導体350とが、この順で、X方向の一方側から他方側に向かって配置されている。これにより、第1スイッチング素子Q1と正極電位導体340とが、X方向の一方側に配置されるので、第1スイッチング素子Q1と正極電位導体340とを比較的短い経路で電気的に接続することができる。第4スイッチング素子Q4と負極電位導体350とが、X方向の他方側に配置されるので、第4スイッチング素子Q4と負極電位導体350とを比較的短い経路で電気的に接続することができる。
なお、第2実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。
[変形例]
なお、今回開示された実施形態は、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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許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(変形例)が含まれる。
たとえば、上記第1および第2実施形態では、正極電位導体と負極電位導体とが、略L字形状を有している例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、正極電位導体と負極電位導体とが、略L字形状以外の形状(略I字形状など)を有していてもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、半導体モジュールが略長方形形状を有する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、半導体モジュールが略長方形形状以外の形状(略正方形形状など)を有していてもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、冷却部に流れる冷却風の流れの方向に、半導体モジュールの長手方向が沿うように、複数の半導体モジュールが配置されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、冷却部に流れる冷却風の流れの方向に直交する方向に、半導体モジュールの長手方向が沿うように、複数の半導体モジュールが配置されていてもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、冷却部に流れる冷却風の流れの方向(鉄道車両の走行方向)に沿って、第1半導体モジュールと、第2半導体モジュールと、第3半導体モジュールとが配置されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、冷却部に流れる冷却風の流れの方向に直交する方向(枕木方向)に沿って、第1半導体モジュールと、第2半導体モジュールと、第3半導体モジュールとが配置されていてもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、1つの半導体モジュールに2つの素子(2つのスイッチング素子、1つのスイッチング素子と1つのダイオード、または、2つのダイオード)が収納されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、1つの半導体モジュールに、1つまたは3つ以上の素子が収納されていてもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、スイッチング素子が、シリコン半導体からなるIGBTである例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図20に示す変形例による電力変換部400のように、スイッチング素子Q11、Q12,Q13およびQ14を、MOSFETにより構成してもよい。また、スイッチング素子とダイオードとのうちの少なくとも一方を、ワイドバンドギャップ半導体から構成してもよい。
10、300、400 電力変換部
20、320 半導体モジュール
20a 第1半導体モジュール
20b 第2半導体モジュール
20c 第3半導体モジュール
21a、321a 第1端子(半導体モジュールの正極端子)
22c、322c 第2端子(半導体モジュールの負極端子)
30 冷却部
31a 表面(半導体モジュールが配置される面)
40、340 正極電位導体
41 底部
50 負極電位導体
51 底部
70、370 第1接続導体(接続導体)
80、380 第2接続導体(接続導体)
90、390 出力導体
100 電力変換装置
320a 第1半導体モジュール(第4半導体モジュール)
320b 第1半導体モジュール(第5半導体モジュール)
320c 第1半導体モジュール(第6半導体モジュール)
C1 第1コンデンサ
C1p 正極端子
C2 第2コンデンサ
C2n 負極端子
D1 第1ダイオード(半導体素子)
D2 第2ダイオード(半導体素子)
Q1 第1スイッチング素子(半導体素子)
Q2 第2スイッチング素子(半導体素子)
Q3 第3スイッチング素子(半導体素子)
Q4 第4スイッチング素子(半導体素子)

Claims (8)

  1. 上位電位と中間電位と下位電位との3つのレベルの電位の電力を出力する電力変換装置であって、
    半導体素子を内部に収納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に電気的に接続されるとともに、互いに直列に接続されている第1コンデンサおよび第2コンデンサと、
    前記第1コンデンサの正極端子および前記半導体モジュールの正極端子に電気的に接続される正極電位導体と、
    前記第2コンデンサの負極端子および前記半導体モジュールの負極端子に電気的に接続される負極電位導体と、
    互いに直列に接続された前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとの接続点に電気的に接続される中間電位導体と
    前記複数の半導体モジュール同士を電気的に接続する略平板形状の接続導体と、
    前記複数の半導体モジュールからの電力が出力される略平板形状の出力導体とを備え、
    前記中間電位導体は、略U字形状を有するとともに、略U字形状の前記中間電位導体の内側に前記第1コンデンサおよび前記第2コンデンサが配置されており、
    前記複数の半導体モジュールが配置される面に垂直な方向から見て、前記正極電位導体と前記中間電位導体と前記負極電位導体とが互いにオーバラップしない状態で、前記正極電位導体と前記中間電位導体と前記負極電位導体とが、この順で、前記複数の半導体モジュールの配列方向に沿って、互いに隣り合うように配置されており、
    前記複数の半導体モジュールが配置される面に垂直な方向から見て、前記中間電位導体と前記出力導体と前記接続導体とが互いにオーバラップする状態でこの順に配置されている、電力変換装置。
  2. 前記正極電位導体と、前記負極電位導体とは、略L字形状を有しており、
    略L字形状の前記正極電位導体の前記配列方向に沿う底部と、略L字形状の前記負極電位導体の前記配列方向に沿う底部とは、前記中間電位導体とは反対側に延びている、請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記正極電位導体の底部と、前記負極電位導体の底部とは、それぞれ、前記中間電位導体を介さずに、前記半導体モジュールに電気的に接続されている、請求項2に記載の電力変換装置。
  4. 前記複数の半導体モジュールが配置される面に垂直な方向から見て、前記正極電位導体および前記負極電位導体の組と、前記出力導体と、前記接続導体とが、オーバラップする状態で配置されており、
    前記半導体モジュールは、前記中間電位導体を介さずに、前記出力導体および前記接続導体を介して、前記正極電位導体と前記負極電位導体とのうちのいずれかに接続されている、請求項1~3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  5. 前記複数の半導体モジュールが配置される冷却部をさらに備え、
    前記複数の半導体モジュールは、各々、前記複数の半導体モジュールが配置される前記冷却部の面に垂直な方向から見て、略長方形形状を有し、
    前記冷却部に流れる冷却風の流れの方向に、前記半導体モジュールの長手方向が沿うように、前記複数の半導体モジュールが配置されている、請求項1~4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  6. 前記複数の半導体モジュールが配置される冷却部をさらに備え、
    前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとは、前記冷却部に流れる冷却風の流れの方向に沿って隣り合うように配置されている、請求項1~4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  7. 前記半導体素子は、互いに直列に接続される第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第3スイッチング素子および第4スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子の接続点と、前記第3スイッチング素子および前記第4スイッチング素子の接続点との間に電気的に接続されるとともに互いに直列に接続される第1ダイオードおよび第2ダイオードとを含み、
    前記複数の半導体モジュールは、前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子を収納する第1半導体モジュールと、前記第1ダイオードおよび前記第2ダイオードを収納する第2半導体モジュールと、前記第3スイッチング素子および前記第4スイッチング素子を収納する第3半導体モジュールとを含み、
    前記第1半導体モジュールと、前記第2半導体モジュールと、前記第3半導体モジュールとがこの順で、前記配列方向の一方側から他方側に向かって配置されており、
    前記正極電位導体と、前記中間電位導体と、前記負極電位導体とが、この順で、前記配列方向の一方側から他方側に向かって配置されている、請求項1~6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  8. 前記半導体素子は、互いに直列に接続される第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第3スイッチング素子および第4スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子の接続点と、前記第3スイッチング素子および前記第4スイッチング素子の接続点との間に電気的に接続されるとともに互いに直列に接続される第1ダイオードおよび第2ダイオードとを含み、
    前記複数の半導体モジュールは、前記第1スイッチング素子および前記第1ダイオードを収納する第4半導体モジュールと、前記第2スイッチング素子および前記第3スイッチング素子を収納する第5半導体モジュールと、前記第4スイッチング素子および前記第2ダイオードを収納する第6半導体モジュールと、を含み、
    前記第4半導体モジュールと、前記第5半導体モジュールと、前記第6半導体モジュールとがこの順で、前記配列方向の一方側から他方側に向かって配置されており、
    前記正極電位導体と、前記中間電位導体と、前記負極電位導体とが、この順で、前記配列方向の一方側から他方側に向かって配置されている、請求項1~6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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