JP7347266B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置に関し、特に、半導体モジュールを備える電力変換装置に関する。

従来、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には、第１の半導体素子および第２の半導体素子を内部に収容する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。第１の半導体素子および第２の半導体素子は、たとえば、ＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタ素子である。また、半導体モジュールは、たとえば、３相２レベルインバータ回路のＵ相を構成する。この場合、第１の半導体素子は、正側アームを構成し、第２の半導体素子は、負側アームを構成する。第１の半導体素子および第２の半導体素子には、各々、ドレイン端子、ソース端子、ゲート端子、センスドレイン端子、および、センスソース端子が設けられている。なお、センスドレイン端子は、第１の半導体素子および第２の半導体素子の各々にかかる電圧を検出するために設けられている。

また、上記特許文献１では、半導体モジュールの表面上には、直流正極端子、直流負極端子、および、交流端子が設けられている。また、半導体モジュールの表面上には、第１の半導体素子のゲート端子、センスドレイン端子およびセンスソース端子の各々に接続される信号端子が設けられている。また、半導体モジュールの表面上には、第２の半導体素子のゲート端子、センスドレイン端子およびセンスソース端子の各々に接続される信号端子が設けられている。

また、上記特許文献１では、半導体モジュールの表面上に設けられている信号端子は、多層基板に接続されている。多層基板は、半導体モジュールの表面上に配置されている。また、多層基板には、複数の接続端子が設けられている。複数の接続端子は、制御回路に接続されている。

国際公開第２０１９／０１６９２９号

ここで、上記特許文献１に記載されているような従来の電力変換装置において、半導体モジュールの表面上に配置されている多層基板（基板）に、半導体モジュールに収容されている半導体素子を駆動するための駆動回路が設けられる場合がある。この場合、基板には、端子、コンデンサ、トランジスタ、および、抵抗などの電気部品が配置される。また、基板の上方などの基板の近傍に、負荷に電流を供給する導体（主回路導体）が配置される場合がある。この場合、主回路導体を流れる電流に起因する磁界（電磁ノイズ）の影響を考慮して、基板（電気部品）と主回路導体との間の空間距離を比較的大きくする必要がある。

そして、基板（電気部品）と主回路導体との間の空間距離を比較的大きくした場合、基板と主回路導体とを接続する接続用導体の長さが比較的大きくなる。このため、基板および主回路導体を含む回路のインダクタンスが増加するため、サージ電圧が大きくなる。その結果、半導体モジュール（半導体素子）が所望の性能を発揮できない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、回路のインダクタンスが増加することに起因して、半導体モジュールが所望の性能を発揮することができなく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、半導体素子を内部に収納する半導体モジュールと、半導体モジュールと負荷に電流を供給する導体との間に設けられ、半導体素子を駆動する駆動回路が設けられる駆動回路基板と、駆動回路基板と導体との間に設けられ、導体からの磁界の影響を抑制するための絶縁シールド部材とを備える。

この発明の一の局面による電力変換装置は、上記のように、駆動回路基板と導体との間に設けられ、導体からの磁界の影響を抑制するための絶縁シールド部材を備える。これにより、絶縁シールド部材によって導体からの磁界の影響が抑制されるので、駆動回路基板と導体との間の空間距離を比較的小さくすることができる。これにより、駆動回路基板と導体とを接続するための接続用導体の長さを比較的小さくすることができるので、駆動回路基板および導体を含む回路のインダクタンスを低減することができる。その結果、サージ電圧が小さくなるので、半導体モジュールが所望の性能を発揮できなくなるのを抑制することができる。すなわち、回路のインダクタンスが増加することに起因して、半導体モジュールが所望の性能を発揮することができなく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、駆動回路基板は、半導体モジュールの表面上に実装されており、導体は、駆動回路基板の半導体モジュールとは反対側に配置されており、絶縁シールド部材は、半導体モジュールの表面上に実装された駆動回路基板を覆う略箱形状を有する。ここで、導体が駆動回路基板の半導体モジュールとは反対側（駆動回路基板の直上）に配置されているため、駆動回路基板（駆動回路）は、導体からの磁界の影響を受けやすくなる。そこで、上記のように構成すれば、絶縁シールド部材が、半導体モジュールの表面上に実装された駆動回路基板を覆う略箱形状を有するので、絶縁シールド部材が平板形状を有する場合と比べて、導体からの磁界の影響をより抑制することができる。すなわち、導体が駆動回路基板の直上に配置されている場合でも、導体からの磁界の影響を十分に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、絶縁シールド部材は、駆動回路基板側に設けられ、樹脂から構成された第１絶縁部材と、導体側に設けられ、樹脂から構成された第２絶縁部材と、第１絶縁部材と第２絶縁部材との間に設けられる金属からなるシールド部材とを含む。このように構成すれば、絶縁シールド部材に金属からなるシールド部材が含まれるので、導体からの磁界の影響をシールド部材により十分に抑制することができる。また、シールド部材の両側に第１絶縁部材と第２絶縁部材とが設けられるので、シールド部材と、半導体モジュールの端子や導体とが短絡するのを抑制することができる。

この場合、好ましくは、第１絶縁部材とシールド部材と第２絶縁部材とは、互いに別体として構成されており、第１絶縁部材とシールド部材と第２絶縁部材とが、この順で積層されている。このように構成すれば、第１絶縁部材とシールド部材と第２絶縁部材とが積層（互いに当接するように配置）されているので、第１絶縁部材、シールド部材および第２絶縁部材を、互いに離間するように配置する場合と比べて、絶縁シールド部材の厚みを小さくすることができる。

上記第１絶縁部材とシールド部材と第２絶縁部材とが積層されている電力変換装置において、好ましくは、第１絶縁部材には、第２絶縁部材の第２絶縁部材側係合部に係合する第１絶縁部材側係合部が設けられ、シールド部材には、第２絶縁部材の第２絶縁部材側係合部に係合するシールド部材側係合部が設けられている。このように構成すれば、第２絶縁部材の第２絶縁部材側係合部に、第１絶縁部材の第１絶縁部材側係合部と、シールド部材のシールド部材側係合部とを係合するだけで、容易に、絶縁シールド部材を形成することができる。

上記絶縁シールド部材が第１絶縁部材と第２絶縁部材とシールド部材とを含む電力変換装置において、好ましくは、第１絶縁部材とシールド部材と第２絶縁部材とは、一体的に構成されている。このように構成すれば、第１絶縁部材とシールド部材と第２絶縁部材とを組み付合わせる工程を別途行うことなく、絶縁シールド部材を形成することができるので、電力変換装置の製造工程を簡略にすることができる。

上記絶縁シールド部材が第１絶縁部材と第２絶縁部材とシールド部材とを含む電力変換装置において、好ましくは、シールド部材は、一定の電位点に接続されている。このように構成すれば、シールド部材の電位が浮遊する（不定電位になる）のを抑制することができる。

この場合、好ましくは、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おり、一定の電位点は、上位電位点、中間電位点、下位電位点、および、半導体モジュールが載置される冷却部のうちの少なくとも１つである。このように構成すれば、電力変換装置に予め設けられている上位電位点、中間電位点、下位電位点、および、半導体モジュールが載置される冷却部のうちのいずれかを接地点にすることができるので、接地点を別個に設ける場合と異なり、電力変換装置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、絶縁シールド部材は、駆動回路基板とともに、絶縁シールド部材および駆動回路基板を貫通する絶縁性の螺合部材により半導体モジュールに固定されている。このように構成すれば、絶縁シールド部材および駆動回路基板を、共通の螺合部材により半導体モジュールに固定することができるので、電力変換装置の部品点数が増加するのを抑制することができる。また、螺合部材が絶縁性を有するので、螺合部材の電位が浮遊する（不定電位になる）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、半導体モジュールと、駆動回路基板と、絶縁シールド部材とを含む電力変換装置本体部をさらに備え、電力変換装置本体部は、鉄道車両に設けられている。ここで、鉄道車両では、負荷（モータ）に電流を供給する導体に比較的大きな電流が流れるため、導体からの磁界の影響が比較的大きい。そこで、導体からの磁界の影響が比較的大きい鉄道車両の電力変換装置を、上記一の局面による電力変換装置のように構成することは、半導体モジュールが所望の性能を発揮することができなくなるのを抑制する点において特に有効である。

本発明によれば、上記のように、回路のインダクタンスが増加することに起因して、半導体モジュールが所望の性能を発揮することができなくなるのを抑制することができる。

本実施形態による電力変換装置の回路図である。 本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。 本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。 本実施形態による半導体モジュールの斜視図である。 本実施形態による絶縁シールド部材と半導体モジュールとの分解斜視図である。 本実施形態による絶縁シールド部材が取り付けられた状態の半導体モジュールの斜視図である。 本実施形態による駆動回路基板と半導体モジュールとの分解斜視図である。 本実施形態による第１絶縁部材の斜視図である。 本実施形態によるシールド部材の斜視図である。 本実施形態による第２絶縁部材の斜視図である。 本実施形態による電力変換部の分解斜視図である。 本実施形態による電力変換部の分解側面図である。 第１変形例による絶縁シールド部材の断面図である。 第２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。 第３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。 第４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。

図１～図１２を参照して、本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、本実施形態では、電力変換装置１００（電力変換装置本体部１００ａ）は、鉄道車両３００に設けられている。また、鉄道車両３００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３００を駆動するためのモータ２０４に出力される。なお、モータ２０４は、特許請求の範囲の「負荷」の一例である。

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、本実施形態では、電力変換部１０（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。また、電力変換部１０は、互いに直列に接続されるスイッチング素子Ｑ１、スイッチング素子Ｑ２、スイッチング素子Ｑ３およびスイッチング素子Ｑ４を含む。スイッチング素子Ｑ１～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、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４には、それぞれ、逆並列にダイオードが接続されている。なお、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、たとえば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏr）から構成されている。なお、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４を、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）から構成してもよい。また、スイッチング素子Ｑ１～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コンデンサＣ１およびコンデンサＣ２を含む。なお、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との接続点は、中間電位点Ｍである。コンデンサＣ１およびコンデンサＣ２は、スイッチング素子Ｑ１～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、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続点Ｎ１と、スイッチング素子Ｑ３および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ダイオードＤ１およびダイオードＤ２を含む。なお、ダイオードＤ１およびＤ２は、クランプダイオードとして機能する。また、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、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。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、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、ダイオードＤ１およびダイオード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、ダイオードＤ１およびダイオード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、半導体素子を内部に収納する半導体モジュール２０（２０ａ、２０ｂおよび２０ｃ）が複数設けられている。なお、半導体モジュール２０とは、複数の半導体素子が配線により接続されて形成された電気回路がパッケージ化されたものである。半導体モジュール２０ａは、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２を内部に収納する。半導体モジュール２０ｂは、ダイオードＤ１およびＤ２を内部に収納する。半導体モジュール２０ｃは、スイッチング素子Ｑ３およびＱ４を内部に収納する。

図４に示すように、半導体モジュール２０の表面上には、正側端子２１と、負側端子２２と、出力端子２３とが設けられている。また、半導体モジュール２０の表面上において、負側端子２２と出力端子２３との間には、ゲート端子２４と、補助ソース端子２５とが設けられている。正側端子２１は、スイッチング素子Ｑ１（Ｑ３）のドレインＤに接続されている。負側端子２２は、スイッチング素子Ｑ２（Ｑ４）のソースＳに接続されている。出力端子２３は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続点Ｎ１（スイッチング素子Ｑ３およびＱ４の接続点Ｎ２）に接続されている。ゲート端子２４は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２（Ｑ３およびＱ４）のゲートＧに接続されている。補助ソース端子２５は、補助ソースＳＳに接続されている。補助ソース端子２５は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２（Ｑ３およびＱ４）に流れる電流を検出するために設けられている。

また、図５～図７に示すように、電力変換装置１００（電力変換部１０）は、半導体モジュール２０とモータ２０４に電流を供給する主回路導体（後述する、正極電位導体４０、負極電位導体５０、中間電位導体６０、第１接続導体７０、第２接続導体８０、および、出力導体９０、図１２参照）との間に設けられ、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４（ダイオードＤ１およびＤ２）を駆動する駆動回路１１１が設けられる駆動回路基板１１０を備えている。駆動回路基板１１０（駆動回路１１１）には、電気部品（コネクタ、コンデンサ、トランジスタ、および、抵抗など）が設けられている。駆動回路１１１は、半導体モジュール２０ａ（半導体モジュール２０ｃ）においては、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２（スイッチング素子Ｑ３およびＱ４）を駆動する。また、駆動回路１１１は、半導体モジュール２０ｂにおいては、図示しないスイッチング素子を駆動して、半導体モジュール２０ｂをダイオードＤ１およびＤ２のみが機能する状態にする。なお、駆動回路１１１は、制御回路１１２（図２参照）に接続されている。

ここで、本実施形態では、電力変換装置１００（電力変換部１０）は、駆動回路基板１１０と主回路導体との間に設けられ、主回路導体からの磁界の影響を抑制するための絶縁シールド部材１２０を備える。具体的には、駆動回路基板１１０は、半導体モジュール２０の表面上に実装されている。そして、主回路導体は、駆動回路基板１１０の半導体モジュール２０とは反対側に配置されている。すなわち、主回路導体は、駆動回路基板１１０のＺ１方向側に配置されている。そして、絶縁シールド部材１２０は、半導体モジュール２０の表面上に実装された駆動回路基板１１０を覆う略箱形状を有する。

詳細には、駆動回路基板１１０のゲート端子（図示せず）と補助ソース端子（図示せず）とは、それぞれ、半導体モジュール２０のゲート端子２４と補助ソース端子２５とに、金属製のネジ１１３（図７参照）により接続されている。これにより、駆動回路基板１１０が半導体モジュール２０に対して固定（実装）される。

また、本実施形態では、図５に示すように、絶縁シールド部材１２０は、第１絶縁部材１２１と、シールド部材１２２と、第２絶縁部材１２３とを含む。第１絶縁部材１２１は、駆動回路基板１１０側（Ｚ２方向側）に設けられ、樹脂から構成されている。第２絶縁部材１２３は、主回路導体側（Ｚ１方向側）に設けられ、樹脂から構成されている。シールド部材１２２は、第１絶縁部材１２１と第２絶縁部材１２３との間に設けられ、金属（たとえば、銅）からなる。

また、本実施形態では、第１絶縁部材１２１とシールド部材１２２と第２絶縁部材１２３とは、互いに別体として構成されている。そして、第１絶縁部材１２１とシールド部材１２２と第２絶縁部材１２３とが、この順で積層されている。

具体的には、図５および図８に示すように、第１絶縁部材１２１は、半導体モジュール２０の表面上に実装された駆動回路基板１１０を覆う略箱形状を有する。また、Ｚ方向から見て、第１絶縁部材１２１は、略長方形形状を有する。また、第１絶縁部材１２１の４隅には、弧状に切り欠かれた切欠き部１２１ａが設けられている。また、本実施形態では、第１絶縁部材１２１には、第２絶縁部材１２３の凸部１２３ｃ（図１０参照）に係合する孔部１２１ｂが設けられている。孔部１２１ｂは、略箱形状の第１絶縁部材１２１の４つの側面１２１ｃの各々に設けられている。また、略長方形形状の第１絶縁部材１２１の短辺に対応する２つの側面１２１ｃには、Ｚ１方向側に開口する切欠き部１２１ｄが設けられている。なお、孔部１２１ｂは、特許請求の範囲の「第１絶縁部材側係合部」の一例である。

また、図５および図９に示すように、シールド部材１２２は、第１絶縁部材１２１の外側を覆う略箱形状を有する。また、Ｚ方向から見て、シールド部材１２２は、略長方形形状を有する。また、シールド部材１２２の４隅には、弧状に切り欠かれた切欠き部１２２ａが設けられている。また、本実施形態では、シールド部材１２２には、第２絶縁部材１２３の凸部１２３ｃ（図１０参照）に係合する孔部１２２ｂが設けられている。孔部１２２ｂは、略箱形状のシールド部材１２２の４つの側面１２２ｃの各々に設けられている。また、略長方形形状のシールド部材１２２の短辺に対応する２つの側面１２２ｃには、Ｚ１方向側に開口する切欠き部１２２ｄが設けられている。なお、孔部１２２ｂは、特許請求の範囲の「シールド部材側係合部」の一例である。

また、図５および図１０に示すように、第２絶縁部材１２３は、シールド部材１２２の外側を覆う略箱形状を有する。また、Ｚ方向から見て、第２絶縁部材１２３は、略長方形形状を有する。また、第２絶縁部材１２３の４隅は、第２絶縁部材１２３の中央側に向かって窪む凹部１２３ａが設けられている。また、凹部１２３ａのＺ２方向側には、樹脂ネジ１３０（図５参照）が貫通する孔部１２３ｂが設けられている。また、本実施形態では、第２絶縁部材１２３には、第１絶縁部材１２１の孔部１２１ｂ（図８参照）およびシールド部材１２２の孔部１２２ｂ（図９参照）に係合する凸部１２３ｃが設けられている。凸部１２３ｃは、略箱形状の第２絶縁部材１２３の４つの側面１２３ｄの各々に設けられている。また、略長方形形状の第２絶縁部材１２３の短辺に対応する２つの側面１２３ｄには、Ｚ１方向側に開口する切欠き部１２３ｅが設けられている。なお、凸部１２３ｃは、特許請求の範囲の「第２絶縁部材側係合部」の一例である。

そして、第１絶縁部材１２１とシールド部材１２２とが積層される。これにより、第１絶縁部材１２１の孔部１２１ｂとシールド部材１２２の孔部１２２ｂとが連通する（オーバラップする）。そして、積層された第１絶縁部材１２１およびシールド部材１２２を覆うように、第２絶縁部材１２３が積層される。これにより、第１絶縁部材１２１の孔部１２１ｂおよびシールド部材１２２の孔部１２２ｂに、第２絶縁部材１２３の凸部１２３ｃが嵌まり込む（係合する）。その結果、第１絶縁部材１２１とシールド部材１２２と第２絶縁部材１２３とが、互いに固定される。

また、本実施形態では、図５および図６に示すように、絶縁シールド部材１２０は、駆動回路基板１１０とともに、絶縁シールド部材１２０および駆動回路基板１１０を貫通する絶縁性の樹脂ネジ１３０により半導体モジュール２０に固定されている。すなわち、第２絶縁部材１２３の４隅に設けられた孔部１２３ｂと、駆動回路基板１１０の４隅に設けられた孔部１１０ａとを貫通する樹脂ネジ１３０により、絶縁シールド部材１２０および駆動回路基板１１０が、半導体モジュール２０に共締めされる。なお、樹脂ネジ１３０は、特許請求の範囲の「螺合部材」の一例である。

また、本実施形態では、図２に示すように、シールド部材１２２は、一定の電位点に接続されている。たとえば、シールド部材１２２と、一定の電位点とは、配線１４０（図２および図６参照）によって接続されている。

また、本実施形態では、一定の電位点は、上位電位点（Ｐ電位点）、中間電位点（Ｍ電位点）、下位電位点（Ｎ電位点）、および、半導体モジュール２０が載置される冷却部３０のうちの少なくとも１つである。なお、本実施形態では、半導体モジュール２０ａのシールド部材１２２は、中間電位点（Ｍ電位点）に接続されている。また、半導体モジュール２０ｃのシールド部材１２２は、下位電位点（Ｎ電位点）に接続されている。図６は、配線１４０が下位電位点（Ｎ電位点）に接続されている半導体モジュール２０ｃを表している。

また、図１１および図１２に示すように、電力変換装置１００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、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。

（主回路導体の説明）
次に、主回路導体について、説明する。

図１１および図１２に示すように、電力変換装置１００は、正極電位導体４０を備えている。正極電位導体４０は、コンデンサＣ１の正極端子Ｃ１ｐに接続されている。また、正極電位導体４０は、略柱状の端子４１を介して、半導体モジュール２０ａの正側端子２１ａに電気的に接続されている。

また、電力変換装置１００は、負極電位導体５０を備えている。負極電位導体５０は、コンデンサＣ２の負極端子Ｃ２ｎに接続されている。また、負極電位導体５０は、略柱状の端子５１を介して、半導体モジュール２０ｃの負側端子２２ｃに電気的に接続されている。

また、電力変換装置１００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コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との接続点（中間電位点Ｍ）に接続されている。具体的には、中間電位導体６０は、コンデンサＣ１の負極端子Ｃ１ｎと、コンデンサＣ２の正極端子Ｃ２ｐと、半導体モジュール２０ｂの出力端子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。なお、図１１および図１２では、中間電位導体６０は、Ｘ方向に延びる略平板状の部分６１と、Ｚ方向に延びる略平板状の部分６２および６３とに分解された状態が示されている。略Ｕ字形状の中間電位導体６０の内側にコンデンサＣ１およびコンデンサＣ２が配置されている。また、中間電位導体６０は、略柱状の端子６４を介して、半導体モジュール２０ｂの出力端子２３ｂに接続されている。

また、電力変換装置１００は、略平板形状の第１接続導体７０を備えている。第１接続導体７０は、略柱状の端子７１を介して、半導体モジュール２０ａの出力端子２３ａに接続されている。また、第１接続導体７０は略柱状の端子７２を介して、半導体モジュール２０ｂの正側端子２１ｂに接続されている。

また、電力変換装置１００は、略平板形状の第２接続導体８０を備えている。第２接続導体８０は、略柱状の端子８１を介して、半導体モジュール２０ｂの負側端子２２ｂに接続されている。また、第２接続導体８０は、略柱状の端子８２を介して、半導体モジュール２０ｃの出力端子２３ｃに接続されている。

また、電力変換装置１００は、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。出力導体９０は、略柱状の端子９１を介して、半導体モジュール２０ａの負側端子２２ａに接続されている。また、出力導体９０は、略柱状の端子９２を介して、半導体モジュール２０ｃの正側端子２１ｃに接続されている。なお、正極電位導体４０、負極電位導体５０、中間電位導体６０、第１接続導体７０、第２接続導体８０、および、出力導体９０は、特許請求の範囲の「導体」の一例である。

上記のように、半導体モジュール２０に実装される駆動回路基板１１０を覆うように絶縁シールド部材１２０が設けられているので、駆動回路基板１１０（駆動回路１１１）に対する主回路導体からの磁界の影響が抑制されている。これにより、略柱状の端子４１、５１、６４、７１、７２、８１、８２、９１および９２の長さを小さくすることが可能になる。その結果、主回路導体を含む回路のインダクタンスを低減することが可能になる。

［本実施形態の効果］
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、上記のように、電力変換装置１００は、駆動回路基板１１０と主回路導体との間に設けられ、主回路導体からの磁界の影響を抑制するための絶縁シールド部材１２０を備える。これにより、絶縁シールド部材１２０によって主回路導体からの磁界の影響が抑制されるので、駆動回路基板１１０と主回路導体との間の空間距離を比較的小さくすることができる。これにより、駆動回路基板１１０と主回路導体とを接続するための接続用導体（略柱状の端子４１、５１、６４、７１、７２、８１、８２、９１および９２）の長さを比較的小さくすることができるので、駆動回路基板１１０および主回路導体を含む回路のインダクタンスを低減することができる。その結果、サージ電圧が小さくなるので、半導体モジュール２０が所望の性能を発揮できなくなるのを抑制することができる。すなわち、回路のインダクタンスが増加することに起因して、半導体モジュール２０が所望の性能を発揮することができなくなるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、駆動回路基板１１０は、半導体モジュール２０の表面上に実装されており、主回路導体は、駆動回路基板１１０の半導体モジュール２０とは反対側に配置されており、絶縁シールド部材１２０は、半導体モジュール２０の表面上に実装された駆動回路基板１１０を覆う略箱形状を有する。ここで、主回路導体が駆動回路基板１１０の半導体モジュール２０とは反対側（駆動回路基板１１０の直上）に配置されているため、駆動回路基板１１０（駆動回路１１１）は、主回路導体からの磁界の影響を受けやすくなる。そこで、上記のように構成すれば、絶縁シールド部材１２０が、半導体モジュール２０の表面上に実装された駆動回路基板１１０を覆う略箱形状を有するので、絶縁シールド部材１２０が平板形状を有する場合と比べて、主回路導体からの磁界の影響をより抑制することができる。すなわち、主回路導体が駆動回路基板１１０の直上に配置されている場合でも、主回路導体からの磁界の影響を十分に抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、絶縁シールド部材１２０は、駆動回路基板１１０側に設けられ、樹脂から構成された第１絶縁部材１２１と、主回路導体側に設けられ、樹脂から構成された第２絶縁部材１２３と、第１絶縁部材１２１と第２絶縁部材１２３との間に設けられる金属からなるシールド部材１２２とを含む。これにより、絶縁シールド部材１２０に金属からなるシールド部材１２２が含まれるので、主回路導体からの磁界の影響をシールド部材１２２により十分に抑制することができる。また、シールド部材１２２の両側に第１絶縁部材１２１と第２絶縁部材１２３とが設けられるので、シールド部材１２２と、半導体モジュール２０の端子や主回路導体とが短絡するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、第１絶縁部材１２１とシールド部材１２２と第２絶縁部材１２３とは、互いに別体として構成されており、第１絶縁部材１２１とシールド部材１２２と第２絶縁部材１２３とが、この順で積層されている。これにより、第１絶縁部材１２１とシールド部材１２２と第２絶縁部材１２３とが積層（互いに当接するように配置）されているので、第１絶縁部材１２１、シールド部材１２２および第２絶縁部材１２３を、互いに離間するように配置する場合と比べて、絶縁シールド部材１２０の厚みを小さくすることができる。

また、本実施形態では、上記のように、第１絶縁部材１２１には、第２絶縁部材１２３の凸部１２３ｃに係合する孔部１２１ｂが設けられ、シールド部材１２２には、第２絶縁部材１２３の凸部１２３ｃに係合する孔部１２２ｂが設けられている。これにより、第２絶縁部材１２３の凸部１２３ｃに、第１絶縁部材１２１の孔部１２１ｂと、シールド部材１２２の孔部１２２ｂとを係合するだけで、容易に、絶縁シールド部材１２０を形成することができる。

また、本実施形態では、上記のように、シールド部材１２２は、一定の電位点に接続されている。これにより、シールド部材１２２の電位が浮遊する（不定電位になる）のを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、一定の電位点は、中間電位点および下位電位点である。これにより、電力変換装置１００に予め設けられている中間電位点および下位電位点を接地点にすることができるので、接地点を別個に設ける場合と異なり、電力変換装置１００の構成が複雑になるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、絶縁シールド部材１２０は、駆動回路基板１１０とともに、絶縁シールド部材１２０および駆動回路基板１１０を貫通する絶縁性の樹脂ネジ１３０により半導体モジュール２０に固定されている。これにより、絶縁シールド部材１２０および駆動回路基板１１０を、共通の樹脂ネジ１３０により半導体モジュール２０に固定することができるので、電力変換装置１００の部品点数が増加するのを抑制することができる。また、樹脂ネジ１３０が絶縁性を有するので、樹脂ネジ１３０の電位が浮遊する（不定電位になる）のを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、電力変換装置本体部１００ａは、鉄道車両３００に設けられている。ここで、鉄道車両３００では、負荷（モータ２０４）に電流を供給する主回路導体に比較的大きな電流が流れるため、主回路導体からの磁界の影響が比較的大きい。そこで、主回路導体からの磁界の影響が比較的大きい鉄道車両３００の電力変換装置１００を、本実施形態による電力変換装置１００のように構成することは、半導体モジュール２０が所望の性能を発揮することができなくなるのを抑制する点において特に有効である。

[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、上記実施形態では、駆動回路基板１１０が半導体モジュール２０の表面上（直上）に実装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、駆動回路基板１１０が半導体モジュール２０の表面上（直上）からずれた位置に配置されていてもよい。

また、上記実施形態では、絶縁シールド部材１２０が略箱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、絶縁シールド部材が略平板形状を有していてもよい。

また、上記実施形態では、絶縁シールド部材１２０の第１絶縁部材１２１とシールド部材１２２と第２絶縁部材１２３とが、互いに別体として構成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、図１３に示す第１変形例による絶縁シールド部材１５０のように、第１絶縁部材１５１とシールド部材１５２と第２絶縁部材１５３とが、一体的に構成されていてもよい。たとえば、シールド部材１５２を内部に含むように樹脂によるインサート成形を行うことにより、第１絶縁部材１５１とシールド部材１５２と第２絶縁部材１５３とが一体的に形成される。これにより、第１絶縁部材１５１とシールド部材１５２と第２絶縁部材１５３とを組み付合わせる工程を別途行うことなく、絶縁シールド部材１５０を形成することができるので、電力変換装置の製造工程を簡略にすることができる。

また、上記実施形態では、シールド部材１２２が、中間電位点（Ｍ電位点）および下位電位点（Ｎ電位点）に接続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、図１４に示す第２変形例による電力変換装置１６０のように、絶縁シールド部材１２０（シールド部材１２２）が、冷却部３０に接続されていてもよい。また、図１５に示す第３変形例による電力変換装置１７０のように、絶縁シールド部材１２０が、中間電位点（Ｍ電位点）に接続されていてもよい。また、図１６に示す第４変形例による電力変換装置１８０のように、半導体モジュール２０ａの絶縁シールド部材１２０が上位電位点（Ｐ電位点）に接続され、半導体モジュール２０ｃの絶縁シールド部材１２０が中間電位点（Ｍ電位点）に接続されていてもよい。

また、上記実施形態では、絶縁シールド部材１２０が駆動回路基板１１０ととともに半導体モジュール２０に固定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、絶縁シールド部材１２０と駆動回路基板１１０とが個別に半導体モジュール２０に固定されていてもよい。

また、上記実施形態では、電力変換装置１００が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例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、上位電位と下位電位との２つのレベルの電位の電力を出力する電力変換装置に対しても本発明を適用することも可能である。

また、上記実施形態では、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、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、上記実施形態では、電力変換装置１００が鉄道車両３００に設けら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、鉄道車両３００以外の装置に設けられている電力変換装置に対しても本発明を適用することは可能である。

２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 半導体モジュール
３０ 冷却部
４０ 正極電位導体（導体）
５０ 負極電位導体（導体）
６０ 中間電位導体（導体）
７０ 第１接続導体（導体）
８０ 第２接続導体（導体）
９０ 出力導体（導体）
１００、１６０、１７０、１８０ 電力変換装置
１００ａ 電力変換装置本体部
１１０ 駆動回路基板
１１１ 駆動回路
１２０、１５０ 絶縁シールド部材
１２１、１５１ 第１絶縁部材
１２１ｂ 孔部（第１絶縁部材側係合部）
１２２、１５２ シールド部材
１２２ｂ 孔部（シールド部材側係合部）
１２３、１５３ 第２絶縁部材
１２３ｃ 凸部（第２絶縁部材側係合部）
１３０ 樹脂ネジ（螺合部材）
２０４ モータ（負荷）
３００ 鉄道車両
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード（半導体素子）
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４ スイッチング素子（半導体素子）

Claims (10)

1. 半導体素子を内部に収納する半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールと負荷に電流を供給する導体との間に設けられ、前記半導体素子を駆動する駆動回路が設けられる駆動回路基板と、
   前記駆動回路基板と前記導体との間に設けられ、前記導体からの磁界の影響を抑制するための絶縁シールド部材とを備える、電力変換装置。
2. 前記駆動回路基板は、前記半導体モジュールの表面上に実装されており、
   前記導体は、前記駆動回路基板の前記半導体モジュールとは反対側に配置されており、
   前記絶縁シールド部材は、前記半導体モジュールの表面上に実装された前記駆動回路基板を覆う略箱形状を有する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記絶縁シールド部材は、
   前記駆動回路基板側に設けられ、樹脂から構成された第１絶縁部材と、
   前記導体側に設けられ、樹脂から構成された第２絶縁部材と、
   前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材との間に設けられる金属からなるシールド部材とを含む、請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１絶縁部材と前記シールド部材と前記第２絶縁部材とは、互いに別体として構成されており、
   前記第１絶縁部材と前記シールド部材と前記第２絶縁部材とが、この順で積層されている、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記第１絶縁部材には、前記第２絶縁部材の第２絶縁部材側係合部に係合する第１絶縁部材側係合部が設けられ、
   前記シールド部材には、前記第２絶縁部材の前記第２絶縁部材側係合部に係合するシールド部材側係合部が設けられている、請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記第１絶縁部材と前記シールド部材と前記第２絶縁部材とは、一体的に構成されている、請求項３に記載の電力変換装置。
7. 前記シールド部材は、一定の電位点に接続されている、請求項３～６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 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おり、
   前記一定の電位点は、上位電位点、中間電位点、下位電位点、および、前記半導体モジュールが載置される冷却部のうちの少なくとも１つである、請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記絶縁シールド部材は、前記駆動回路基板とともに、前記絶縁シールド部材および前記駆動回路基板を貫通する絶縁性の螺合部材により前記半導体モジュールに固定されている、請求項１～８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
10. 前記半導体モジュールと、前記駆動回路基板と、前記絶縁シールド部材とを含む電力変換装置本体部をさらに備え、
    前記電力変換装置本体部は、鉄道車両に設けられている、請求項１～９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
    

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