JPH10285907A

JPH10285907A - 電力変換装置

Info

Publication number: JPH10285907A
Application number: JP9092107A
Authority: JP
Inventors: Nobumitsu Tada; 伸光田多; Kenji Kijima; 研二木島; Toshiyuki Yano; 利行矢野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 1998-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】スナバ回路を簡素化し、冷却器の小形化を実現
するとともに装置全体の外形を小さくし、さらには信頼
性の向上を実現する電力変換装置を提供すること。【解決手段】９つのＩＧＢＴ１、６つの還流ダイオード
２、３つのスナバダイオード８が、共通の平面電極１４
に実装されている。さらに、絶縁板３を介して、金属板
４に搭載されている。スナバコンデンサ１０や、ゲート
回路１１、保護回路１２も、共通の外囲器５に、収納さ
れている。ＩＧＢＴ１、還流ダイオード２、スナバダイ
オード３は、それぞれ、図示しないボンディングワイヤ
等により並列接続され、スナバコンデンサ１０との間も
同様に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＧＢＴ等のスイ
ッチング素子を有する電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高性能かつ高効率に電力を交換する電力
変換装置は、高速スイッチングが可能なＩＧＢＴなどの
スイッチング素子を応用して構成されている。しかしな
がら、大容量化と高性能化のニーズに伴い、装置の大形
化が余儀なくされるため、装置を設置するスペース等の
制約から、小形化が要求されている。

【０００３】以下に、従来の電力変換装置の構成につい
て説明する。図１０に主回路構成、図１１に概観図を示
す。図１１において、ＩＧＢＴ１と還流ダイオード２
が、各々絶縁板３を介して金属板４に搭載され、さらに
外囲器５に収納され、ＩＧＢＴモジュールを構成してい
る。図１１は、このＩＧＢＴモジュールが３つ設けられ
た状態を示している。各モジュールは、銅等の配線導体
６、７により並列接続され、この配線導体６、７には、
スナバダイオード８を外囲器９に収納したダイオードモ
ジュールとスナバコンデンサ１０から成るスナバ回路が
接続される。

【０００４】また、ＩＧＢＴモジュールには、ＩＧＢＴ
１にゲート信号を供給するゲート回路１１と、電圧や電
流などの検出と保護を行う保護回路１２とが電線を介し
て設けられている。

【０００５】このように構成されたＩＧＢＴモジュール
は、金属板４の面に冷却装置１３を設置し、ＩＧＢＴ１
や還流ダイオード２で発生する熱を放熱することによ
り、温度上昇を抑制している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の電力変換装置においては、モジュール及びその周辺
回路に多くの部品を必要とし、それらを収納するため
に、より大きなスペースを設けなければならないという
問題が生じていた。

【０００７】即ち、（１）モジュール及びその周辺回路が、多くの部品から
構成されるため、装置の信頼性向上を図ることが困難と
なり、さらに装置全体の外形を小形化が困難であった（２）モジュールが大形化する結果、モジュールに電流
を供給する平滑コンデンサから各モジュールを経由する
配線経路が長くなり、サージ電圧が増大し、この抑制手
段としてのスナバコンデンサの容量を増大しなければな
らない（３）大容量化に対応すべく、モジュールの並列数を増
やす場合には、モジュールが大きくなると、モジュール
間の電流アンバランスも大きくなるため、全てのモジュ
ールに対してモジュール１個あたりの通電電流が、設計
上限値を超えないようにしなければならない（４）スイッチング素子やダイオードで発生する熱を十
分に放熱するために、冷却器を大形化しなければならな
いという種々の問題点があった。

【０００８】そこで、本発明は、上記問題点を鑑み、平
滑コンデンサからモジュールに至る配線経路を短くし、
各モジュール間の電流アンバランスを小さくし、スナバ
回路を簡素化し、冷却器の小形化を実現するとともに装
置全体の外形を小さくし、さらには信頼性の向上を実現
する電力変換装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、スイッチング素子とダイオ
ードとを有するスイッチング回路と、前記スイッチング
回路におけるサージ電圧を吸収し、スナバダイオード及
びスナバコンデンサを有するスナバ回路と、前記スイッ
チング回路と前記スナバダイオードとを同一平面上に実
装する平面電極と、前記スイッチング回路または前記ス
ナバ回路の少なくともいずれかで発生する熱を冷却する
冷却装置と、前記平面電極と前記冷却装置とを絶縁する
絶縁板と、前記スイッチング回路と前記スナバ回路と前
記平面電極と前記絶縁板とを収納する外囲器と、を具備
することを特徴とする。

【００１０】請求項２記載の発明は、前記平面電極と前
記絶縁板とを、配線パターンを有するセラミック基板で
一体形成したことを特徴とする。請求項３記載の発明
は、前記スナバコンデンサの電極を、前記スナバコンデ
ンサの上面または前記スイッチング素子若しくは前記ス
ナバダイオードに近接する端面に設置したことを特徴と
する。

【００１１】請求項４記載の発明は、前記スナバコンデ
ンサを複数に分割し、所定の前記スイッチング回路及び
所定の前記スナバダイオードに対応して接続されること
を特徴とする。

【００１２】請求項５記載の発明は、前記スナバコンデ
ンサの電極を前記スナバコンデンサの両面に設けたこと
を特徴とする。請求項６記載の発明は、前記スナバコン
デンサと前記スイッチング素子と前記ダイオードと前記
スナバダイオードとの接続が、所定の接続関係を有する
ように配線導板により行われることを特徴とする。

【００１３】請求項７記載の発明は、前記配線導板を前
記外囲器の外側まで延長したことを特徴とする。請求項
８記載の発明は、前記配線導板が、主導体と分岐導体と
から構成されることを特徴とする。

【００１４】請求項９記載の発明は、前記外囲器に、外
囲器内部に発生するガスを放出する弁を設けたことを特
徴とする。請求項１０記載の発明は、前記外囲器の内部
に可撓性樹脂を充填したことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態につい
て図１を用いて説明する。本実施の形態では、図１に示
すとおり、９つのＩＧＢＴ１、６つの還流ダイオード
２、３つのスナバダイオード８が、共通の平面電極１４
に実装されている。さらに、絶縁板３を介して、金属板
４に搭載されている。スナバコンデンサ１０や、ゲート
回路１１、保護回路１２も、共通の外囲器５に、収納さ
れている。

【００１６】ＩＧＢＴ１、還流ダイオード２、スナバダ
イオード３は、それぞれ、図示しないボンディングワイ
ヤ等により並列接続され、スナバコンデンサ１０との間
も同様に接続される。

【００１７】以上のように、各チップをひとつの平面電
極に実装することにより、各ＩＧＢＴに電流を供給する
平滑コンデンサと、各ＩＧＢＴとの配線経路の、ＩＧＢ
Ｔの位置に基づく差異が小さくなるため、各スイッチン
グ間の電流アンバランスを解消することができる。

【００１８】そのため、電流アンバランスの発生が原因
で、多並列接続できないという事態を解消することがで
き、大容量化にも対応することが可能となる。一方、各
ＩＧＢＴ間の電流アンバランスが小さくなる結果、発生
する熱量のアンバランスも小さくなり、金属板４に設け
られる冷却器の小形化を実現することができる。

【００１９】さらには、平滑コンデンサからＩＧＢＴ１
を経由する配線経路が小さくなることにより、配線イン
ダクタンスが小さくなり、その結果、サージ電圧を低く
抑えることが可能となる。

【００２０】なお、絶縁板３と平面電極１４を、配線パ
ターンを有するセラミック基板として形成することも可
能である。この場合には、ＩＧＢＴ１等で発生した熱を
より一層、金属板４を介し冷却器に伝えることができる
ため、さらなる冷却器の小形化等の効果を得ることがで
きる。

【００２１】次に、本発明の第２の実施の形態について
図２を用いて説明する。本実施の形態は、第１の実施の
形態と比べ、スナバコンデンサ５の電極を、コンデンサ
上面に設けることにより、スナバダイオード８、ＩＢＧ
Ｔチップ１に近接するように配置したものである。

【００２２】その結果、コンデンサの電極から、スナバ
ダイオード８、ＩＢＧＴチップ１に至るスナバ回路にお
ける配線距離を短縮でき、配線インダクタンスの低減を
図ることが可能となる。

【００２３】そのため、配線インダクタンスの低減に伴
い、スナバコンデンサ１５の容量を小さくすることがで
き、装置全体の小形化が実現可能となる。次に、本発明
の第３の実施の形態について図３を用いて説明する。

【００２４】本実施の形態は、第２の実施の形態におけ
るスナバコンデンサを複数に分割したものである。分割
されたスナバコンデンサ１６ａは、スナバダイオード８
ａ、ＩＧＢＴ１ａ、還流ダイオード２ａと接続され、そ
の他のスナバコンデンサも同様に並列に対応する状態で
接続される。

【００２５】このように、各スナバコンデンサの電極
が、対応する各チップ群に近接するように設けられる結
果、各コンデンサ電極から各チップまでの距離が、各並
列チップ間において均一になる。即ち、並列チップ間の
スナバ回路の配線インダクタンスが均一になるので、ス
ナバコンデンサ容量の低減に、より貢献することができ
る。

【００２６】次に、本発明の第４の実施の形態について
図４を用いて説明する。本実施の形態は、スナバコンデ
ンサを、両面に電極を有するブロック状としたものであ
る。片面の電極は、平面電極１７に実装され、絶縁板３
を介し、金属板４に搭載される。他方の面の電極は、ス
ナバダイオード８等に、アルミニウム等の金属細線で接
続される。

【００２７】このような構成を採用した結果、スナバコ
ンデンサ１８は、両面に電極を有するブロック形状であ
るため、内部インダクタンスを、第１乃至第３の実施の
形態と比し、小さくすることができ、その結果、スナバ
コンデンサの容量を小さくすることが可能となり、ひい
ては、装置の小形を実現することができる。

【００２８】次に、本発明の第５の実施の形態について
図５を用いて説明する。本実施の形態は、スナバコンデ
ンサ１８、ＩＧＢＴ１、還流ダイオード２、スナバダイ
オード８の各並列接続部を、アルミニウム等の金属細線
ではなく、可撓性を有する薄い帯状の（りん青銅等から
成る）配線導板１９により、はんだ付けなどで接合した
ものである。

【００２９】配線導板の接続状態については、図５
（ｂ）を用いて説明する。図５（ｂ）は、図５（ａ）に
おける配線導板で接続された部分の断面図である。配線
導板１９は、スナバコンデンサ１８の片面と、ＩＧＢＴ
１のエミッタ側と、還流ダイオード２のアノード側とを
接続し、配線導板２０は、スナバコンデンサ１８を搭載
する平面電極１７と、スナバダイオード８のカソード側
を接続している。

【００３０】この結果、金属細線で接続した場合と比較
して、導体の長さは短くなり、また断面形状を長方形に
でき、さらに薄い帯状とすることにより断面の縦横比を
大きくすることができるため、配線インダクタンスの低
減を図ることが可能となる。

【００３１】次に、本発明の第６の実施の形態について
図６を用いて説明する。本実施の形態は、図示していな
い平滑コンデンサから電流の供給を、配線導板から受け
るべく、外囲器５の外側まで配線導板を延長し、併せ
て、逆方向の電流が流れる配線導板２１を設けたもので
ある。

【００３２】この結果、配線導板１９と２１には、逆向
きの電流による負の相互インダクタンスが生じるため、
平滑コンデンサからＩＧＢＴ１を経由する配線経路のイ
ンダクタンスを小さくすることができ、サージ電圧を抑
制することができる。

【００３３】次に、本発明の第７の実施の形態について
図７を用いて説明する。本実施の形態は、配線導板１９
とＩＧＢＴ１等の各チップを、分岐導体２２を用いて接
続したものである。

【００３４】直流回路の平滑コンデンサから配線導板１
９を介して電流が供給される際に、例えば、還流ダイオ
ードを例に説明すると、分岐導体２２を用いない場合に
は、還流ダイオード２ー１、２ー２は、２ー２のほう
が、長い配線経路をたどることになり、チップ間に差異
が生ずるが、分岐導体２２を用いることにより、還流ダ
イオード２ー１と２ー２は、同じ配線経路をたどること
となり、その結果、チップ間の電流アンバランスを小さ
く抑えることができる。

【００３５】次に、本発明の第８の実施の形態について
図８を用いて説明する。第１乃至第７の実施の形態で
は、ＩＧＢＴ１等は、金属板４を介し、冷却器に搭載さ
れ、発生した熱を冷却していたが、図８（ａ）では、こ
の金属板を介さずに、冷却器２３に設けるものである。
その結果、冷却効率が向上し、冷却器を小形化すること
が可能となる。

【００３６】また、図８（ｂ）に示すように、外囲器５
に防爆弁２４を設けることにより、故障時に外囲器内部
に発生する高圧ガスを放出することができ、装置の信頼
性の向上を図ることができる。

【００３７】次に、本発明の第９の実施の形態について
図９を用いて説明する。図９（ａ）は、外囲器５内部
に、収納される各部品を覆うように絶縁性の可撓性樹脂
２５を充填したものである。この結果、各部品が可撓性
樹脂２５により酸化、腐食等から保護される。さらに、
可撓性樹脂２５の特性が、ヒートサイクル的な熱応力を
緩和するので、図示していない内部の配線部分に、過大
な応力が発生することをを抑制できる。従って、装置の
信頼性の向上に寄与する。

【００３８】図９（ｂ）は、ＩＧＢＴ１、還流ダイオー
ド２、スナバダイオード８には、可撓性樹脂２５を充填
し、この可撓性樹脂２５の外側かつ外囲器５の内側に
は、軟化性樹脂２６を充填するものである。

【００３９】この場合には、各チップが可撓性樹脂２５
により酸化、腐食から保護され、さらに軟化性樹脂２６
により、外部に対する信頼性を向上することが可能とな
る。なお、以上各実施の形態におけるＩＢＧＴチップ１
は、ＭＯＳーＦＥＴ、Ｇ−ＴＲ（ジャイアントトランジ
スタ）にも対応することができ、各実施の形態における
同等の効果を得ることが可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、平滑コン
デンサからモジュールに至る配線経路を短くし、各モジ
ュール間の電流アンバランスを小さくし、スナバ回路を
簡素化し、冷却器の小形化を実現するとともに装置全体
の外形を小さくし、さらには信頼性の向上を実現する電
力変換装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における電力変換装
置の構成図。

【図２】本発明の第２の実施の形態における電力変換装
置の構成図。

【図３】本発明の第３の実施の形態における電力変換装
置の構成図。

【図４】本発明の第４の実施の形態における電力変換装
置の構成図。

【図５】本発明の第５の実施の形態における電力変換装
置の構成図。

【図６】本発明の第６の実施の形態における電力変換装
置の構成図。

【図７】本発明の第７の実施の形態における電力変換装
置の構成図。

【図８】本発明の第８の実施の形態における電力変換装
置の構成図。

【図９】本発明の第９の実施の形態における電力変換装
置の構成図。

【図１０】従来の電力変換装置の主回路構成図。

【図１１】従来の電力変換装置の構成図。

【符号の説明】１ＩＧＢＴ２還流ダイオード３絶縁板４金属板５、９外囲器６、７配線導板８スナバダイオード１０、１５、１６、１８スナバコンデンサ１１ゲート回路１２保護回路１３冷却器１４、１７平面電極１９、２０、２１配線導板２２分岐導体２３冷却器２４防爆弁２５、２６樹脂

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スイッチング素子とダイオードとを有する
スイッチング回路と、前記スイッチング回路におけるサージ電圧を吸収し、ス
ナバダイオード及びスナバコンデンサを有するスナバ回
路と、前記スイッチング回路と前記スナバダイオードとを同一
平面上に実装する平面電極と、前記スイッチング回路または前記スナバ回路の少なくと
もいずれかで発生する熱を冷却する冷却装置と、前記平面電極と前記冷却装置とを絶縁する絶縁板と、前記スイッチング回路と前記スナバ回路と前記平面電極
と前記絶縁板とを収納する外囲器と、を具備することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】前記平面電極と前記絶縁板とを、配線パタ
ーンを有するセラミック基板で一体形成したことを特徴
とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】前記スナバコンデンサの電極を、前記スナ
バコンデンサの上面または前記スイッチング素子若しく
は前記スナバダイオードに近接する端面に設置したこと
を特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項４】前記スナバコンデンサを複数に分割し、所
定の前記スイッチング回路及び所定の前記スナバダイオ
ードに対応して接続されることを特徴とする請求項１記
載の電力変換装置。
【請求項５】前記スナバコンデンサの電極を前記スナバ
コンデンサの両面に設けたことを特徴とする請求項１記
載の電力変換装置。
【請求項６】前記スナバコンデンサと前記スイッチング
素子と前記ダイオードと前記スナバダイオードとの接続
が、所定の接続関係を有するように配線導板により行わ
れることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項７】前記配線導板を前記外囲器の外側まで延長
したことを特徴とする請求項６記載の電力変換装置。
【請求項８】前記配線導板が、主導体と分岐導体とから
構成されることを特徴とする請求項６記載の電力変換装
置。
【請求項９】前記外囲器に、外囲器内部に発生するガス
を放出する弁を設けたことを特徴とする請求項１記載の
電力変換装置。
【請求項１０】前記外囲器の内部に可撓性樹脂を充填し
たことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。