JPH06225545A - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】平滑用コンデンサから半導体モジュールに接続
される導体のインダクタンスを減らす。 【構成】モジュール７と平滑コンデンサ４とを接続する
正極電源供給導体５と負極電源供給導体６との間に平板
状で高誘電率材の間隔板としての誘電体セラミックス14
を挿着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電力用半導体素子を用
いてなる電力変換装置に係り、特に、主回路のインダク
タンスを低減した半導体電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、高速スイッチングが可能
なことから、高性能で高効率に電力変換できる電力用半
導体素子としてのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar T
ransistor ）やパワーＭＯＳＦＥを用いて、速い周波数
でスイッチングされる電力変換措置を構成する場合に
は、この電力変換装置を構成する回路の低インダクタン
ス化がサージ電圧の抑制のために必要となる。

【０００３】図４は、電圧形インバータの主回路接続
図、図５は、電圧形インバータの主回路部品の形状と接
続を示す平面図、図６は、従来の電圧形のインバータの
一例を示す平面図、図７は図６の前面図である。

【０００４】図４，図５，図６ないし図７において、１
は直流電源入力端子、２は交流出力端子、３は電力変換
装置、４は平滑用コンデンサ、５，25は正極電源供給導
体、６，26は負極電源供給導体、７はスイッチ素子が２
個パッケージされたＩＧＢＴモジュール、８はスナバコ
ンデンサ、９は正極電源共通導体、10は負極電源共通導
体、11は冷却器、12，13はスイッチ素子である。

【０００５】このうち、図５は、モジュール７を平行に
隣設し、これらのモジュール７の正・負極の端子を正極
電源共通導体９と負極電源共通導体10で一体に接続し、
その一端より平滑用コンデンサ４の正・負電極に各々ケ
ーブル電線の正極電源供給導体25，負極電源供給導体26
を捩ったツイストペア線で接続した、一般に数kW程度の
汎用のインバータ等に採用される構成例である。小容量
のモジュール７や複数のスイッチ素子がグレッツ結線さ
れパッケージ化されたモジュールを使用した場合には、
接続導体が比較的スイッチング周波数が高くてもその影
響が少ないので用いられる。しかし、速いスイッチング
周波数で、容量が数十kW以上の場合では、主回路インダ
クタンスの影響が顕著となる。

【０００６】図６ないし図７は、高周波スイッチングに
よる、サージ電圧の発生の減少を図った電力変換装置の
一構成例を示す。図６ないし図７の構成例は、平滑用コ
ンデンサ４の正・負極端から表面積の広い凸字状に折曲
され対向した一対の正極電源供給導体５，負極電源供給
導体６により、冷却器11に取り付けられた各モジュール
７の正・負極端に一括して接続したものである。

【０００７】図５で示したツイストペア線の正極電源供
給導体25，負極電源供給導体26による接続方式と、図６
ないし図７で示す相対する正極電源供給導体５，負極電
源供給導体６を接近し配設した接続方式は、共に接近し
た主回路導体に流れる電流が逆方向となることから、こ
の電流によって発生する互いに逆方向の磁界により磁束
を打ち消し合い、導体インピーダンスを下げて、サージ
電圧の抑制を図ったものである。

【０００８】しかし、このとき、サージ電圧の抑制の効
果を高める条件として、一対の導体及び平行導体板上を
流れる電流の大きさが相等しく方向が反対である必要が
ある。だが、これらの導体は、図５及び図７に示すよう
に、それぞれ長さが異なる場合が通常で、これによるイ
ンダクタンスの違いから、サージ電圧の大きさにも差異
が生じ、磁束の打ち消しによるサージ電圧の抑制が不十
分となる。

【０００９】図８は、サージ電圧の発生原理を説明する
ために示した図４の主回路接続図の１相分の主回路接続
図である。速いスイッチング周波数で素子をスイッチン
グした場合、図８の主回路接続図において、平滑用コン
デンサ４からスイッチ素子12の正極端子とスイッチ素子
13の負極端子間を接続する接続導体のインダクタンスに
より、例えば回路を構成する接続導体のインダクタンス
ＬＳａ，ＬＳｂが存在した状態で、直流電圧Ｖが平滑用
コンデンサ４に印加されて、スイッチ素子12がオフし、
スイッチ素子13がオンしたとき、電流の変化率ｄｉ／ｄ
ｔでオフしたスイッチ素子13ののコレクターエミッタ間
に印加されるサージ電圧は、 Ｖｓ＝−（Ｌｓａ＋Ｌｓｂ）・ｄｉ／ｄｔ＋Ｖｄ… (1) となる。

【００１０】この関係式により、本来高速のスイッチの
素子は、ｄｉ／ｄｔが大きく、これを意図的に小さくす
るのは、素子本来の目的に反することから、速いスイッ
チング周波数でスイッチングされる電力変換装置におい
ては、この理由により回路のインダクタンスの大幅な低
減が望まれる。

【００１１】一般に、汎用の小容量及び中容量のインバ
ータでは、回路のインダクタンスにより発生する電磁エ
ネルギーは、スナバ回路で消費される。この消費された
エネルギーは、スナバ損失として現れ、熱となってイン
バータの効率低下の原因となる。このことからも回路の
インダクタンスを減らす必要がある。

【００１２】ここで示した図４ないし図７の接続方式の
いずれもが、スイッチング周波数が数kHz 〜十数kHz の
可聴周波数帯域であり、可聴周波数限界である 20kHzの
無騒音でさらに効率の高いインバータの実現は困難であ
る。

【００１３】図９は、従来の電圧形インバータの一例を
示す平面図で、図５，図６に対応し、図５の正極電源供
給導体25及び負極電源供給導体26の代りに、幅の広い正
極電源供給導体35とこの正極電源供給導体35と平行にこ
の正極電源供給導体35と比べて僅かに長さの短い負極電
源供給導体36を縦に配置するとともに、一対の平滑用コ
ンデンサ４は帯板状の導体15で並列に接続したものであ
る。この場合にも、両者の長さの違いで両者のインダク
タンスは異ってくる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、高速
のスイッチ素子では、電流のｄｉ／ｄｔが高く、スイッ
チ素子の遮断時には急峻で極めて大きなサージ電圧が発
生するが、このような急峻な過電圧を、前述した如くツ
イストペアの導体や一対の対向した導体板に逆向きに流
れる相等しい電流によって発生する磁束の相殺で低減す
ることは難しい。

【００１５】サージ電圧を効果的に抑制するには、主回
路の接続導体の短縮化を図り、インダクタンスを低減化
するのが最も確実である。しかし、比較的容量の大きい
個別パワー素子モジュールや２回路のパッケージ構造で
なるパワー素子モジュールを用いて、主回路のインダク
タンスを低減するには、素子の構造的な制約から限界が
あるとともに、単に接続導体等の配設方法の工夫による
構造的な方法で解決を図った場合には、構造が複雑化し
製造工数が増え、保守点検の面においても実用的ではな
い。

【００１６】そこで、本発明は、以上の点を鑑みなされ
たもので、構造を複雑化することなく、平滑用コンデン
サからパワー素子モジュールへ給電する主回路導体のイ
ンダクタンスを見かけ上低減し、サージ電圧の発生を抑
制し、さらにインダクタンスに起因するスナバ損失によ
る効率の低下を改善して可聴周波数の限界である、 20k
Hz程度の速いスイッチングに適し、高効率、高信頼性、
低騒音の電力変換装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、直列に接続された半導体モジュールの中間部が交流
側に接続され、半導体モジールの両端が平滑コンデンサ
に一対の導板で接続された半導体電力変換装置におい
て、一対の導板の間に高誘電率材の間隔板を挿設したこ
とを特徴とする。

【００１８】請求項２に記載の発明は、直列に接続され
た半導体モジュールの中間部が交流側に接続され、半導
体モジールの両端が平滑コンデンサに一対の導板で接続
された半導体電力変換装置において、一対の導板の間に
セラミックス材の間隔板を挿設したことを特徴とする。

【００１９】

【作用】相対向した正極電源供給導体５と負極電源供給
導体６の間に挿設された間隔板によって、モジュールと
平滑用コンデンサとの間の電路のインダクタンスは見か
け上低減し、発生するサージ電圧も低減する。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の半導体電力変換装置の一実施
例を図面を参照して説明する。図１ないし図３は、本発
明に係る上・下アーム内蔵のＩＧＢＴパワーモジュール
を用いたインバータへの応用例を示す。なお、本実施例
では、誘電体にチタン酸バリウム系の誘電体セラミック
スを使用した。図１は、主回路接続図、図２は、構成を
示す平面図、図３は、図２の前面図である。なお、図１
ないし図３において、従来の技術で示した図４，図５と
同一要素は同一記号で示す。

【００２１】図１ないし図３において、１は直流電源入
力端子、２は交流出力端子、３は電力変換装置、４は平
滑用コンデンサ、５は正極電源供給導体、６は負極電源
供給導体、７は上・下アーム内蔵のＩＧＢＴを使ったモ
ジュール、11は冷却器、14は平板状に形成された誘電体
セラミックスで、図７に対して、正極電源供給導体５と
負極電源供給導体６の間に、負極電源供給導体６の上面
の面積よりも僅かに外形が大きい長方形の平板状の誘電
体セラミック14を介在させたことが異っている。

【００２２】このように構成された半導体電力変換装置
において、平滑用コンデンサ４の正極端子と負極端子か
らモジュール７の正極端子及び負極端子へ、広い表面積
を有する平行に配設した正極電源供給導体５と負極電源
供給導体６との間に、負極電源供給導体６よりも僅かに
広くて高い比誘電率の誘電体セラミックス14を挿入し、
正極電源供給導体５と負極電源供給導体６の間に静電容
量を形成することにより、モジュール７と平滑用コンデ
ンサ４との間には、正極電源供給導体５と負極電源供給
導体６によるインダクタンスと誘電体セラミックス14の
リアクタンスの梯子回路状となってインピーダンスが減
少し、インダクタンスで発生したサージ電圧を誘電体セ
ラミックス14を介して放電させることができるので、電
流の流れ得る経路は全てのモジュール７に対し短くな
り、回路インダクタンスを見かけ上小さくすることがで
き、サージ電圧を低減することができる。また、誘電体
セラミックス14の挿入により形成された静電容量の効果
から、従来取り付けられていたサージ電圧抑制用の図４
で示したスナバコンデンサ８を省略できる。

【００２３】ちなみに、空気の比誘電率が 1.006、マイ
カ及びポリスチレン等が３〜８程度、チタン酸バリウム
系のセラミックスが1000〜 20000で、チタン酸バリウム
系セラミックスの比誘電率は、桁違いに大きく、コンデ
ンサの素材とし優れていることがわかる。

【００２４】以上、本実施例は、平滑用コンデンサの電
極端子からパワーモジュールの電極端子へ接続する導体
のインダクタンスを低減化でき、スイッチ素子がオフし
たときのインダクタンスによる電磁エネルギーが小さく
なることから、発生するサージ電圧が極めて低くなる。

【００２５】発生するサージ電圧が極めて低いことか
ら、比較的変換器容量の大きなパワー素子の保護に使用
される、抵抗、コンデンサ、ダイオードで構成されるス
ナバ回路での損失を低減できる。また、小容量のインバ
ータにおいては、通常はパワー素子の各上・下アームの
正極端及び負極端に近接してコンデンサを挿入するが、
実施例では誘電体セラミックスにより形成された静電容
量により省略できる。このように主回路接続導体の低イ
ンダクタンス化からスナバ損失が少なく、電力変換装置
の効率が格段に向上する。さらに、スイッチング周波数
の上昇が可能なことから、低騒音のインバータが実現す
る。一般的に速いスイッチングのインバータでは、平滑
用コンデンサの端子電圧の脈動が小さいことから、コン
デンサ容量をさらに小さくでき、半導体電力変換装置を
小形化することができる。

【００２６】なお、図２，図３で示した誘電体セラミッ
クス14の外形は、正極電源供給導体５と負極電源供給導
体６の間の電圧によって、端部間の必要な絶縁沿面距離
を考慮して決めればよい。

【００２７】したがって、このような構成された半導体
電力変換装置においては、平滑用コンデンサの正・負電
極端子から十分な表面積の一対の平行した電源供給導体
板を、パワーモジュールの正極及び負極に接続した電力
変換装置で、一対の電源供給導体板の間に、これらの導
体板の片側よりも外形が大きく比誘電率の高い誘電体の
挿入により、導体板の間に静電容量を形成し、見かけ上
平滑用コンデンサの電極端子へ素子の電極端子を直接接
続した形態となる。このことから、主回路インダクタン
ス分が低減化され、速いスイッチング周波数でも発生す
るサージ電圧が低く、低騒音、高効率でさらにサージ電
圧による素子の破壊を防ぐことができるので、半導体電
力変換装置の信頼性が向上する。また、従来、上下アー
ムの素子でなる電力変換器において、素子と直流電源供
給端間に挿入されていたサージ電圧吸収用のコンデンサ
等が、導体板間に形成された静電容量によって省くこと
ができる。

【００２８】使用する誘電体の材質も、電源供給導体板
間の印加電圧や素子のスイッチング周波数により適切に
選択することで、合理的で簡単な構造の電力変換装置を
得ることができる。このように誘電体を挟む極めて簡素
な構造でサージ電圧を低減することができ、また、簡単
な構造から組立工数面においても有利となる。

【００２９】

【発明の効果】以上、請求項１に記載の発明によれば、
直列に接続された半導体モジュールの中間部が交流側に
接続され、半導体モジールの両端が平滑コンデンサに一
対の導板で接続された半導体電力変換装置において、一
対の導板の間に高誘電率材の間隔板を挿設することで、
相対向した正極電源供給導体と負極電源供給導体の間に
挿設された間隔板によって、モジュールと平滑用コンデ
ンサとの間の電路のインダクタンスを見かけ上低減さ
せ、発生するサージ電圧も低減したので、簡単な構成で
スナバ損失を減らし、高効率、高信頼性で低騒音の半導
体電力変換装置を得ることができる。

【００３０】また、請求項２に記載の発明によれば、直
列に接続された半導体モジュールの中間部が交流側に接
続され、半導体モジールの両端が平滑コンデンサに一対
の導板で接続された半導体電力変換装置において、一対
の導板の間にセラミックス材の間隔板を挿設すること
で、相対向した正極電源供給導体と負極電源供給導体の
間に挿設されたセラミックスの間隔板によって、モジュ
ールと平滑用コンデンサとの間の電路のインダクタンス
を見かけ上低減させ、発生するサージ電圧も低減したの
で、簡単な構成でスナバ損失を減らし、高効率、高信頼
で低騒音の半導体電力変換装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体電力変換装置の一実施例を示す
主回路接続図。

【図２】本発明の半導体電力変換装置の一実施例を示す
平面図。

【図３】図２の前面図。

【図４】従来の半導体電力変換装置の一例を示す主回路
接続図。

【図５】従来の半導体電力変換装置の一例を示す平面
図。

【図６】図５と異なる従来の半導体電力変換装置の一例
を示す平面図。

【図７】図６の前面図。

【図８】従来及び本発明の半導体電力変換装置のサージ
電圧発生原理を説明する主回路接続図。

【図９】図５及び図６と異なる従来の半導体電力変換装
置の一例を示す平面図。

【符号の説明】

１…直流電源入力端子、２…交流出力端子、３…電力変
換装置、４…平滑用コンデンサ、５…正極電源供給導
体、６…負極電源供給導体、７…モジュール、８…スナ
バコンデンサ、９…正極電源共通導体、10…負極電源共
通導体、11…冷却器、12，13…スイッチ素子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直列に接続された半導体モジュールの中
   間部が交流側に接続され、前記半導体モジールの両端が
   平滑コンデンサに一対の導板で接続された半導体電力変
   換装置において、前記一対の導板の間に高誘電率材の間
   隔板を挿設したことを特徴とする半導体電力変換装置。
2. 【請求項２】 直列に接続された半導体モジュールの中
   間部が交流側に接続され、前記半導体モジールの両端が
   平滑コンデンサに一対の導板で接続された半導体電力変
   換装置において、前記一対の導板の間にセラミックス材
   の間隔板を挿設したことを特徴とする半導体電力変換装
   置。