JPH1094256A - 電力変換素子モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子スイッチング時のサージ電圧
を低減する。 【解決手段】 素子冷却器２１の冷却ブロック２１ａの
両面にそれぞれ正極側と負極側とに区分して並設した複
数の正極側半導体スイッチング素子１ａ，…および複数
の負極側半導体スイッチング素子１ｂと、冷却ブロック
の各面に並設された複数の正極側半導体スイッチング素
子の一端部、複数の負極側半導体スイッチング素子の一
端部をそれぞれ並列接続し、かつ、冷却ブロックを挟ん
で対称位置ではスイッチング時の電流変化による磁束変
化を互いに打ち消す方向に電流が流れるように配置され
た直流正極側導体２２ａ，２２ｂおよび直流負極側導体
２３ａ，２３ｂと、各対ごとの正極側半導体スイッチン
グ素子および負極側半導体スイッチング素子の他端部を
交流電圧側に接続する交流導体２５ａ〜２５ｃとを設け
た電力変換素子モジュールである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力変換装置に利
用される電力変換素子モジュールに係わり、特にスイッ
チング時のサージ電圧を低減する電力変換素子モジュー
ルに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、小型，高性能の要求から、電力変
換装置に高速半導体スイッチング素子（以下、半導体素
子と指称する）を利用する例が増えている。このような
半導体素子を用いた電力変換装置は、以上のような要求
を満たすものの、さらに半導体素子の性能を最大限に生
かす社会的ニーズに応えるためには、素子スイッチング
時のサージ電圧を低減することが重要なテーマとなって
いる。

【０００３】従来、サージ電圧を低減化する方法として
は、半導体素子の近傍にコンデンサを設置し当該半導体
素子のスイッチング時に発生するサージ電圧をコンデン
サで吸収する方法と、直流電源電圧を保持するフィルタ
コンデンサの正極から半導体素子を介して当該フィルタ
コンデンサの負極に至る閉回路を構成しインダクタンス
を低減化する方法とが考えられている。

【０００４】前者のサージ電圧をコンデンサで吸収する
方法は、半導体素子とコンデンサとの間のインダクタン
スを極力減らす必要から、半導体素子に極力近接するよ
うにコンデンサを設置したり、コンデンサのリード線を
太くしたり板状の導体を用いたり、或いはコンデンサを
並列に接続するなどの対策がとられている。

【０００５】後者のインダクタンスを低減する方法には
２つの方法が考えられている。その１つは導体の幅を広
くするか或いは導体を複数化するなどにより導体の電流
密度を下げ、主回路を構成する導体の経路を極力短くす
ることにより、主回路導体の自己インダクタンスを低減
化する方法であり、他の１つはパワーボードまたは積層
導体と呼ばれる、電気的に絶縁した幅の広い平板状の導
体について電流の向きを考慮しつつ密着積層させる導体
構成により、半導体素子のスイッチング時の電流変化に
よる磁束変化を相殺する方法である。

【０００６】そして、従来の電力変換装置は、前述する
方法の何れか１つ、または前記方法の中の幾つかの手段
を組合わせることにより、サージ電圧の低減化を図って
いる。

【０００７】図６は一般的な電力変換装置の主回路の一
部（２アーム分）を示す構成図である。同図において１
ａ，１ｂは半導体素子、２はコンデンサ、３はダイオー
ド、４は抵抗である。

【０００８】すなわち、この回路構成は、直流電圧の正
極Ｐと負極ＮＳとの間に２個の半導体素子１ａ，１ｂを
直列に接続してブリッジ回路を構成するとともに、これ
ら２個の半導体素子１ａ，１ｂの接続点ないしは中間点
を交流出力端子Ｕに接続している。コンデンサ２，ダイ
オード３および抵抗４等のスナバ回路は、半導体素子１
ａ，１ｂがオフしたときに生じるサージ電圧を抑制する
機能をもっている。これら構成素子群１ａ，１ｂ〜４を
もって１つの単位回路を構成する。

【０００９】このような単位回路は、要求される出力電
流に応じて複数個並列に接続されるが、このとき比較的
小容量の場合には必要相数分をもって電力変換素子モジ
ュールを構成し、一方、比較的大容量の場合には１相毎
に複数の単位回路の並列数をもって電力変換素子モジュ
ールを構成するとともに、要求される出力の相数に応じ
て複数個の電力変換素子モジュールを用いて構成され
る。５は直流電圧を平滑するフィルタコンデンサであ
る。

【００１０】図７は１相分の回路構成を実装した従来の
電力変換素子モジュールの概略実装構成図であって、同
図（ａ）は同図（ｂ）のＡ−Ａ矢視図、同図（ｂ）は同
図（ａ）に示す電力変換素子モジュールの右側面図、同
図（ｃ）は同図（ａ）に示す電力変換素子モジュールの
左側面図である。なお、図２は本発明に係わる１相分の
電力変換素子モジュールの回路構成であるが、説明の便
宜上，図７の電力変換素子モジュールの回路構成の説明
に参照する。

【００１１】この電力変換素子モジュールは、モジュー
ル基体１０のほぼ中央部に平板状の冷却ブロック１１ａ
をもつ冷却器１１が設けられ、この冷却ブロック１１ａ
の両面にはそれぞれ複数の正極側半導体素子１ａ，…お
よび負極側半導体素子１ｂ，…が正極側半導体素子１
ａ，…を正面寄り、負極側半導体素子１ｂ，…を背面寄
り取り付けられている。これら半導体素子１ａ，…と半
導体素子１ｂ，…とはそれぞれ対をなして直列に接続さ
れ、そのうち一方の半導体素子１ａ，…のコレクタ端子
側は直流正極側導体１２ａ，１２ｂ，１２ｃに並列に接
続され、直流正極側接続導体１２ｄを介して直流電圧の
正極Ｐ側に接続され、もう一方の半導体素子１ｂ，…の
エミッタ端子側は直流負極側導体１３ａ，１３ｂ，１３
ｃに並列に接続され、直流負極側接続導体１３ｄを介し
て直流電圧の負極Ｎ側に接続されている。これら半導体
素子１ａ，…と半導体素子１ｂ，…の共通接続部分は交
流接続導体１４ａ〜１４ｃを介して交流出力端子Ｕに接
続されている。

【００１２】そして、この交流接続導体１４ａ，１４ｂ
と直流正極側・直流負極側導体１２ａ，１２ｂ，１３
ａ，１３ｂとの間にダイオード３およびコンデンサ２の
直列回路が接続されている。また、冷却器１１の下部に
は複数のフィルタコンデンサ５が取り付けられている。
このフィルタコンデンサ５には前記直流正極側接続導体
１２ｄおよび直流負極側接続導体１３ｄを介して直流電
圧が供給されている。

【００１３】このような従来の電力変換素子モジュール
では、直流接続導体１２ｄ，１３ｄに給電される電流
は、フィルタコンデンサ５で平滑化された後、半導体素
子１ａ，…、１ｂ，…で電力変換され、交流接続用導体
１４ｃから出力される。この電力変換の際、各半導体素
子１ａ，…、１ｂ，…をスイッチング制御するが、この
スイッチング時にフィルタコンデンサ５と半導体素子１
ａ，…、１ｂ，…とを連結する回路に蓄えられているエ
ネルギーがサージ電圧として発生するので、このサージ
電圧をコンデンサ２，ダイオード５および抵抗４等のス
ナバ回路で吸収する。

【００１４】次に、図８は３相交流出力のための３相分
回路を実装した従来の電力変換素子モジュールの概略実
装構成図であって、同図（ａ）は同図（ｂ）のＢ−Ｂ矢
視図、同図（ｂ）は同図（ａ）に示す電力変換素子モジ
ュールの右側面図、同図（ｃ）は同図（ａ）に示す電力
変換素子モジュールの左側面図である。なお、図５は本
発明に係わる３相分の電力変換素子モジュールの回路構
成であるが、説明の便宜上，図８の電力変換素子モジュ
ールの回路構成の説明に参照する。

【００１５】この３相回路用の電力変換素子モジュール
は、正極側半導体素子１ａ，…と負極側半導体素子１
ｂ，…との直列回路素子群を分割し、これら分割された
複数の正極側半導体素子１ａ，…と複数の負極側半導体
素子１ｂ，…との接続部分から交流接続導体１４ｄ，１
４ｅ，１４ｆを導出し、３相交流電源Ｕ，Ｖ，Ｗに接続
してなる構成であり、その他の構成は図６，図７と同じ
であるので省略する。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従って、以上のような
電力変換素子モジュールは、サージ電圧の低減方法とし
て、自己インダクタンスを低減する方法と、コンデンサ
でサージ電圧を吸収する方法とを組合わせたものである
が、このような構成のモジュールでは次のような問題点
が指摘されている。

【００１７】すなわち、コンデンサ２を半導体素子１
ａ，…、１ｂ，…に極力近づけて設置することが要求さ
れることから、各半導体素子１ａ，…、１ｂ，…ごとに
コンデンサ２，…に対応するように分散設置しなければ
ならず、スペースの確保が問題となる。また、サージ電
圧を吸収するコンデンサ２の容量を確保する観点から、
多数のコンデンサを並列にしなければならず、コストの
増大の他、保守性，作業性の悪化が問題となる。

【００１８】また、コンデンサの容量は、一般に段階的
な数値をとることから、所要とする容量を確保する場合
には、必要以上に大きな容量のもの或いは多数の並列接
続数のものを備えるとか、最適な容量のコンデンサを得
るために専用化するなどの処置を採らざるを得なくな
り、コストが増大する。

【００１９】一方、インダクタンスを低減する方法とし
て、パワーボード或いは積層導体と呼ばれる導体構成を
用いれば、コンデンサの数を削減でき、保守性，作業性
の改善を図ることが可能であるが、電気的な絶縁の信頼
性を確保する観点から高度な絶縁技術が必要であり、ま
た電気的な接続を確保するために複雑な導体形状となっ
てコスト高となる問題がある。

【００２０】よって、何れもモジュールの低価格化とい
う市場のニーズを満足させることが難しい。さらに、サ
ージ電圧は、適用する半導体素子の電圧定格と回路のピ
ーク電圧との差の範囲内であればよく、またパワーボー
ドや積層導体ほどのインダクタンス低減効果を期待しな
い場合も多々あるが、従来のモジュールの場合には上述
の方法に依らざるを得なかった。

【００２１】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、サージ電圧を低減化する電力変換素子モジュールを
提供することにある。また、本発明の他の目的は、半導
体素子等を接続する導体構成の簡素化および半導体素子
のスイッチング時の磁束打ち消し機能をもたせる電力変
換素子モジュールを提供することにある。

【００２２】さらに、本発明の他の目的は、従来の比較
してコンデンサを少なくし、スペース、保守性、作業性
の改善を図る電力変換素子モジュールを提供することに
ある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】請求項１に対応する発明
は、素子冷却器に設けられた冷却ブロックの両面にそれ
ぞれ複数の正極側半導体素子および複数の負極側半導体
素子を取り付け、前記冷却ブロックを挟んで対称位置に
ある前記冷却ブロック各面の正極側半導体素子どうし、
負極側半導体素子どうしを連結する直流正極側導体およ
び直流負極側導体を、前記半導体素子のスイッチング時
の電流変化による磁束変化を互いに打ち消す方向に電流
が流れるように配置した電力変換素子モジュールであ
る。

【００２４】この請求項１に対応する発明は、以上のよ
うな手段を講じたことにより、冷却ブロックを挟んで対
称となる位置に複数の正極側半導体素子と複数の負極側
半導体素子とが配置され、かつ、冷却ブロック各面の正
極側半導体素子どうしを直流正極側導体で、また負極側
半導体素子どうしを直流負極側導体で接続したので、半
導体素子のスイッチング時に冷却ブロックを挟んで対称
位置に配置される両面の導体に互いに逆の電流が流れの
で、電流変化によって発生する磁束変化を打消すことに
より、サージ電圧を大幅に低減できる。そして、このサ
ージ電圧を低減できれば、スナバ回路を構成するコンデ
ンサの容量ないし個数を少なくでき、コストの低減化お
よび保守性、作業性を向上させることができる。

【００２５】請求項２に対応する発明は、素子冷却器に
設けられた冷却ブロックの両面にそれぞれ正極側と負極
側とに区分して並設された複数の正極側半導体素子およ
び複数の負極側半導体素子と、前記冷却ブロックの各面
に並設された前記複数の正極側半導体素子の一端部、前
記複数の負極側半導体素子の一端部をそれぞれ並列接続
して直流電圧の正極側および負極側に接続する直流正極
側導体および直流負極側導体と、各対をなす前記正極側
半導体素子および前記負極側半導体素子の他端部を交流
電圧側に接続する交流導体とを設けた電力変換素子モジ
ュールである。

【００２６】この請求項２に対応する発明は、以上のよ
うな手段を講じたことにより、複数の正極側半導体素子
と複数の負極側半導体素子とが区分されて整然と配置さ
れているので、これら半導体素子を接続する直流正極側
導体、直流負極側導体および交流導体を明確に区分し、
かつ、直線的に配列でき、しかもこれら導体を電気的絶
縁距離の許す限り幅広に形成することにより、インダク
タンスを低減化でき、サージ電圧を大幅に低減できる。

【００２７】次に、請求項３に対応する発明は、請求項
２に対応する発明の構成要件に新たに、冷却ブロックの
両面に設置される直流正極側導体どうしおよび直流負極
側導体どうしをそれぞれ連結する直流正極側連結導体お
よび直流負極側連結導体と、前記冷却ブロックの両面に
設置される交流導体どうしを連結して交流出力端とする
交流接続導体とを付加することにより、前記前記冷却ブ
ロックの両面に取り付けられた直列接続された前記複数
の正極側半導体スイッチング素子と前記複数の負極側半
導体スイッチング素子とを並列接続し、電力変換装置の
１相分の主回路を構成する電力変換素子モジュールであ
る。

【００２８】次に、請求項４に対応する発明は、素子冷
却器に設けられた冷却ブロックの両面にそれぞれ正極側
と負極側とに区分して並設された複数の正極側半導体ス
イッチング素子および複数の負極側半導体スイッチング
素子と、前記冷却ブロックの各面に並設された前記複数
の正極側半導体スイッチング素子の一端部、前記複数の
負極側半導体スイッチング素子の一端部をそれぞれ並列
接続する直流正極側導体および直流負極側導体と、前記
冷却ブロックの両面に設置される直流正極側導体どうし
および直流負極側導体どうしをそれぞれ連結する直流正
極側連結導体および直流負極側連結導体と、各対をなす
前記正極側半導体スイッチング素子の他端部と前記負極
側半導体スイッチング素子の他端部とを接続する交流導
体を各相ごとに分割し、それぞれ交流電圧の所要とする
相に接続する交流接続手段とを設け、複数の相をもつ電
力変換装置の主回路を構成することを特徴とする電力変
換素子モジュール。

【００２９】この請求項３，４に対応する発明は、以上
のような手段を講じたことにより、複雑な導体構成をと
ることなく、コンパクトで安価に実現でき、インダクタ
ンスの低減化によりサージ電圧を低減することができ
る。

【００３０】なお、請求項３，４に対応する発明におけ
る直流正極側連結導体を直流負極側連結導体を、空間ま
たは空間と絶縁物とを挟んで重なり合わせるとともに電
気的絶縁距離の許容範囲で密着配置することにより、半
導体素子のスイッチング時の電流変化に対する磁束変化
を完全に打ち消すことが可能となり、サージ電圧を確
実、かつ、大幅に低減化できる。

【００３１】さらに、請求項６に対応する発明は、素子
冷却器に設けられた冷却ブロックの両面にそれぞれ正極
側と負極側とに区分して並設された複数の正極側半導体
スイッチング素子および複数の負極側半導体スイッチン
グ素子と、前記冷却ブロックの各面に並設された前記複
数の正極側半導体スイッチング素子の一端部、前記複数
の負極側半導体スイッチング素子の一端部をそれぞれ並
列接続する直流正極側導体および直流負極側導体と、直
流電圧を平滑化するコンデンサと、前記冷却ブロックの
両面に設置される直流正極側導体どうしおよび直流負極
側導体どうしをそれぞれ連結する直流正極側連結導体お
よび直流負極側連結導体と、この直流正極側連結導体の
中央部および前記コンデンサの一端と、前記直流負極側
連結導体の中央部および前記コンデンサの他端とがそれ
ぞれ接続される正極側と負極側とを一定の電気的絶縁を
保つ空間または電気的絶縁物を挟んで重ね合わせて配置
する直流正極側接続導体および直流負極側接続導体とを
設けた電力変換素子モジュールである。

【００３２】この請求項６に対応する発明は、以上のよ
うな手段を講じたことにより、冷却ブロックの両面に設
置される直流正極側導体どうしおよび直流負極側導体ど
うしをそれぞれ直流正極側連結導体および直流負極側連
結導体で連結する一方、これら直流正極側連結導体の中
央部および直流負極側連結導体の中央部とコンデンサ端
部とを接続する直流正極側接続導体と直流負極側接続導
体とを一定の電気的絶縁を保つ空間または電気的絶縁物
を挟んで重ね合わせて配置することにより、導体構成を
合理的に配置でき、しかも直流正極側接続導体および直
流負極側接続導体を直流正極側連結導体と直流負極側連
結導体の中央部から取り出し、かつ、重ね合わせて配置
しているので、半導体素子のスイッチング時の電流変化
に対する磁束変化を完全に打ち消すことが可能となり、
サージ電圧を確実、かつ、大幅に低減化できる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる電力変換素
子モジュールの一実施の形態について図１ないし図３を
参照して説明する。図１は素子の実装構成図であって、
同図（ａ）は同図（ｂ）のＣ−Ｃ矢視方向からみた図、
同図（ｂ）は同図（ａ）の右側面図、同図（ｃ）は同図
（ａ）の左側面図、図２は図１に示す１相分ユニットの
回路構成図、図３は概略外観図であって、同図（ａ）は
図１（ｂ）のＤ−Ｄ矢視図、同図（ｂ）は同図（ａ）の
斜視図、同図（ｃ）は図１（ｂ）のＥ−Ｅ矢視図であ
る。

【００３４】これらの図において２０は各種のモジュー
ル素子を組み込むモジュール基体であって、このモジュ
ール基体２０の例えば図示上部側には冷却器２１が取り
付けられ、この冷却器２１から下部方向に平板状の冷却
ブロック２１ａが配置されている。

【００３５】この冷却ブロック２１ａの両側面のうち、
右側面には同図（ｂ）に示すように、複数の正極側半導
体素子１ａ，…および複数の負極側半導体素子１ｂ，…
が当該正極側半導体素子１ａ，…を正面寄り、負極側半
導体素子１ｂ，…を背面寄りとなるように互いに所要の
間隔を離して図示左右方向に区分して取り付けられてい
る。また、冷却ブロック２１ａの左側面にも同図（ｃ）
に示すように、複数の正極側半導体素子１ａ，…および
複数の負極側半導体素子１ｂ，…が右側面とは逆に当該
負極側半導体素子１ｂ，…を正面寄り、正極側半導体素
子１ａ，…を背面寄りとなるように互いに所要の間隔を
離して図示左右方向に区分して取り付けられている。

【００３６】前記冷却ブロック２１ａの右側面側に配置
される各正極側半導体素子１ａ，…のコレクタ端子は、
電気的絶縁の許し限り幅の広い（以下、幅広と略称す
る）直流正極側導体２２ａに並列に接続され、同じく右
側面側に配置される各負極側半導体素子１ｂ，…のエミ
ッタ端子は、幅広の直流負極側導体２３ａに並列に接続
されている。また、冷却ブロック２１ａの左側面側に配
置される各正極側半導体素子１ａ，…のコレクタ端子
は、幅広の直流正極側導体２２ｂに並列に接続され、同
様に左側面側に配置される負極側半導体素子１ｂのエミ
ッタ端子は、幅広の直流負極側導体２３ｂに並列に接続
されている。

【００３７】これら直流正極側導体２２ａ，２２ｂは図
３（ｂ）に示すように、電気的絶縁距離の許し限り幅広
に形成された直流正極側連結導体２２ｃに連結され、ま
た直流負極側導体２３ａ，２３ｂは、電気的絶縁距離の
許し限り幅広に形成された直流負極側連結導体２３ｃに
連結されている。この直流正極側連結導体２２ｃと直流
負極側連結導体２３ｃは空間および絶縁物２４を挟んで
重なり合うようにし、かつ、絶縁距離の許す限り密着さ
せて配置する。

【００３８】さらに、右側面側配置の各正極側半導体素
子１ａ，…のエミッタ端子と各負極側半導体素子１ｂ，
…のコレクタ端子が交流導体２５ａに並列に接続され、
また左側面側配置の各正極側半導体素子１ａ，…のエミ
ッタ端子と各負極側半導体素子１ｂ，…のコレクタ端子
が交流導体２５ｂに並列に接続されている。これら交流
導体２５ａ，２５ｂはそれぞれ交流接続用導体２５ｃに
連結され、相分として交流出力端子Ｕに接続されてい
る。

【００３９】この各交流導体２５ａ，２５ｂにはそれぞ
れ当該交流導体２５ａ，２５ｂに接続される半導体素子
１ａ，…、１ｂ，…に等しい数のダイオード３，…が接
続され、これらダイオード３，…のうち半導体素子１
ａ，…に並列接続されるダイオード３，…の他端部と直
流正極側導体２２ａ，２２ｂとの間、および半導体素子
１ｂ，…に並列接続されるダイオード３，…の他端部と
直流負極側導体２３ａ，２３ｂとの間にそれぞれコンデ
ンサ２が接続されている。

【００４０】４は図２に示すように正極側半導体素子１
ａ側に対応するコンデンサ２およびダイオード３の接続
部分と直流負極側導体２３ａ，２３ｂとの間、および負
極側半導体素子１ｂ側に対応するコンデンサ２およびダ
イオード３の接続部分と直流正極側導体２２ａ，２２ｂ
との間にそれぞれ接続される抵抗であって、この抵抗
４，コンデンサ２およびダイオード３によってスナバ回
路が構成されている。

【００４１】この実施の形態の導体構成としては、冷却
ブロック２１ａを挟んで対象位置に設置される右側面の
直流正極側導体２２ａの電流２６ａと左側面の直流負極
側導体２３ｂの電流２７ｃ、右側面の直流負極側導体２
３ａの電流２７ａと左側面の直流正極側導体２２ｂの電
流２６ｃ、さらには図３（ｃ）に示すように右側面素子
間電流２６ｂと左側面素子間電流２７ｂとを、それぞれ
図示矢印に示すように互いに反対側方向に流れるように
し、半導体素子のスイッチング時の電流変化による磁束
変化の打ち消し動作を行い、よってサージ電圧を大幅に
低減化できる。

【００４２】その結果、半導体素子のスイッチング時の
電流変化による磁束変化の打ち消し動作の他、直流正極
側連結導体２２ｃと直流負極側連結導体２３ｃとを空間
または空間と絶縁物２４とを挟んで重なり合うように
し、かつ、絶縁距離の許す限り密着させて配置すること
により、外部に漏れ出る磁束変化がなくなり、インダク
タンスおよびサージ電圧の大幅低減化により、図１と図
７とから明らかなように、スナバ回路を構成するコンデ
ンサ２の個数ないし容量を少なくできる。

【００４３】５は、冷却ブロック２１ａの下部側に配置
され、直流電圧を平滑するフィルターコンデンサであ
る。このコンデンサ５は、複数の並列コンデンサ５ａと
複数の並列コンデンサ５ｂが平板状導体を用いて直列に
接続され、これらコンデンサ５ａ，…の正極側端子が平
板状のコンデンサ正極側導体２２ｅに並列接続され、同
様にコンデンサ５ｂ，…の負極側端子が平板状のコンデ
ンサ負極側並列導体２３ｅに並列接続されている。これ
らコンデンサ正極側導体２２ｅとコンデンサ負極側並列
導体２３ｅとは電気的絶縁距離の許し限り近接して重ね
て設置する。

【００４４】そして、コンデンサ正極側並列導体２２ｅ
と前記直流正極側接続導体２２ｃの中央部分に設けた直
流正極側接続導体２２ｄとが接続され、直流電圧の正極
Ｐ側に接続される。同様に、コンデンサ負極側並列導体
２３ｅと前記直流負極側連結導体２３ｃの中央部分に設
けた直流負極側接続導体２３ｄとが接続され、直流電圧
の負極Ｐ側Ｎ接続される。

【００４５】以上の構成は電力変換回路の１相分の主回
路を構成し、相数に応じた数の電力変換素子モジュール
数により、所望の相数の交流電力を出力する電力変換装
置を構成することができる。

【００４６】従って、以上のような実施の形態によれ
ば、平板状冷却ブロック２１ａの両側面に設置される複
数の半導体素子１ａ，…，１ｂ，…を直流正極側導体２
２ａ，２２ｂ、直流負極側導体２３ａ，２３ｂに並列接
続するとともに、冷却ブロック２１ａを挟んで対称位置
にある導体２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂに流れる電
流を互いに反対方向に流すようにしたので、半導体素子
１ａ，１ｂのスイッチング時の電流変化による磁束変化
が互いに打ち消し合うように作用し、従来のモジュール
と比較してサージ電圧を大幅に低減化できる。

【００４７】また、平板状冷却ブロック２１ａの両側面
に複数の半導体素子１ａ，…、１ｂ，…を正極側と負極
側に区分けして整然と配置することにより、直流正極側
導体２２ａ，２２ｂ、直流負極側導体２３ａ，２３ｂお
よび交流導体２５ａ，２５ｂを幅広で直線上に配置で
き、これにより導体のインダクタンスの低減化および導
体構成の簡素化により導体コストの低減化を図ることが
できる。

【００４８】さらに、冷却ブロック２１ａの両側面に配
置される直流正極側導体２２ａ，２２ｂどうしを電気的
絶縁の許す限りに幅広に形成された直流正極側連結導体
２２ｃで連結し、同じく直流負極側導体２３ａ，２３ｂ
どうしを電気的絶縁の許す限りに幅広に形成された直流
負極側連結導体２３ｃで連結し、また２つの交流導体２
５ａ，２５ｂを交流接続導体２５ｃに連結され、これら
直流側の導体２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２３ａ，２３
ｂ，２３ｃと交流側の導体２５ａ，２５ｂ，２５ｃと
に、冷却ブロック２１ａの両側面の半導体素子（１ａ，
１ｂ），…を並列接続し、かつ、導体２２ｃ，２３ｃと
を空間および絶縁物２４を挟んで重なり合うとともに、
絶縁距離を許す限り密着させる構成とし、かつ、前述し
たように導体電流方向とすれば、スイッチング時の電流
変化による磁束変化を有効に抑制でき、サージ電圧を低
減化できる。

【００４９】次に、本発明に係わる電力変換素子モジュ
ールの他の実施の形態について図４、図５および図３を
参照して説明する。図４は素子の実装構成図であって、
同図（ａ）は同図（ｂ）のＣ−Ｃ矢視方向からみた図、
同図（ｂ）は同図（ａ）の右側面図、同図（ｃ）は同図
（ａ）の左側面図、図５は図４に示す３相１ユニットの
回路構成図である。なお、図４，図５において図１およ
び図２と同一部分には同一符号を付して説明する。

【００５０】これらの図において２０は各種のモジュー
ル素子を組み込むモジュール基体であって、このモジュ
ール基体２０の例えば図示上部側には冷却器２１が取り
付けられ、この冷却器２１から下部方向に平板状の冷却
ブロック２１ａが配置されている。

【００５１】この冷却ブロック２１ａの両側面のうち、
右側面には同図（ｂ）に示すように、複数の正極側半導
体素子１ａ，…および負極側半導体素子１ｂ，…が当該
正極側半導体素子１ａ，…を正面寄り、負極側半導体素
子１ｂ，…を背面寄りとなるように互いに所要の間隔を
離して図示左右方向に区分して取り付けられている。ま
た、冷却ブロック２１ａの左側面にも同図（ｃ）に示す
ように、複数の正極側半導体素子１ａ，…および負極側
半導体素子１ｂ，…が当該負極側半導体素子１ｂ，…を
正面寄り、正極側半導体素子１ａ，…を背面寄りとなる
ように互いに所要の間隔を離して図示左右方向に区分し
て取り付けられている。そして、左右に区分けされた半
導体素子１ａ，…および１ｂは「３」の倍数組（本実施
の形態では３個）ずつ垂直方向に取り付けられている。

【００５２】前記冷却ブロック２１ａの右側面側に配置
される各正極側半導体素子１ａ，…のコレクタ端子は、
電気的絶縁の許し限り幅広の直流正極側導体２２ａに並
列に接続され、同じく右側面側に配置される各負極側半
導体素子１ｂ，…のエミッタ端子は、幅広の直流負極側
導体２３ａに並列に接続されている。また、冷却ブロッ
ク２１ａの左側面側に配置される各正極側半導体素子１
ａ，…のコレクタ端子は、幅広の直流正極側導体２２ｂ
に並列に接続され、同様に左側面側に配置される負極側
半導体素子１ｂのエミッタ端子は、幅広の直流負極側導
体２３ｂに並列に接続されている。

【００５３】これら直流正極側導体２２ａ，２２ｂは図
３（ａ）に示すように、電気的絶縁距離の許し限り幅広
に形成された直流正極側連結導体２２ｃに連結され、ま
た直流負極側導体２３ａ，２３ｂは、電気的絶縁距離の
許し限り幅広に形成された直流負極側連結導体２３ｃに
連結されている。この直流正極側連結導体２２ｃと直流
負極側連結導体２３ｃは空間および絶縁物２４を挟んで
重なり合うようにし、絶縁距離の許す限り密着させるよ
うに配置する。

【００５４】さらに、右側面の上から２列目までに配置
された各正極側半導体素子１ａ，…のエミッタ端子と各
負極側半導体素子１ｂ，…のコレクタ端子が交流導体２
５ｄに並列に接続され、また左側面の上から２列目まで
に配置された各正極側半導体素子１ａ，…のエミッタ端
子と各負極側半導体素子１ｂ，…のコレクタ端子が交流
導体２５ｅに並列に接続され、かつ、両側面の最下段の
正極側半導体素子１ａのエミッタ端子と負極側半導体素
子１ｂのコレクタ端子が交流導体２５ｆに並列に接続さ
れ、それぞれ対応する交流出力端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に接
続されている。

【００５５】これら各交流導体２５ｄ，２５ｅ，２５ｆ
にはそれぞれ当該交流導体２５ｄ，２５ｅ，２５ｆに接
続される半導体素子１ａ，…、１ｂ，…と等しい数のダ
イオード３，…が接続され、これらダイオード３，…の
他端部と直流正極側導体２２ａ，２２ｂとの間、および
もう一方のダイオード３，…の他端部と直流負極側導体
２３ａ，２３ｂとの間にそれぞれコンデンサ２が接続さ
れている。

【００５６】４は図５に示すように正極側半導体素子１
ａ側に対応するコンデンサ２およびダイオード３の接続
部分と直流負極側導体２３ａ，２３ｂとの間、および負
極側半導体素子１ｂ側に対応するコンデンサ２およびダ
イオード３の接続部分と直流正極側導体２２ａ，２２ｂ
との間にそれぞれ接続される抵抗であって、この抵抗
４，コンデンサ２およびダイオード３によってスナバ回
路が構成されている。

【００５７】この実施の形態の導体構成としては、冷却
ブロック２１ａを挟んで対象位置に設置される右側面の
直流正極側導体２２ａの電流２６ａと左側面の直流負極
側導体２３ｂの電流２７ｃ、右側面の直流負極側導体２
３ａの電流２７ａと左側面の直流正極側導体２２ｂの電
流２６ｃ、さらには図３（ｃ）に示すように右側面素子
間電流２６ｂと左側面素子間電流２７ｃとを、それぞれ
図示矢印に示すように互いに反対側方向に流れるように
し、半導体素子のスイッチング時の電流変化による磁束
変化を抑制でき、結果としてサージ電圧を低減化でき
る。

【００５８】５は、冷却ブロック２１ａの下部側に配置
され、直流電圧を平滑するフィルターコンデンサであ
る。このコンデンサ５は、複数の並列コンデンサ５ａと
複数の並列コンデンサ５ｂとが平板状導体を用いて直列
に接続され、これらコンデンサ５ａ，…の正極側端子が
平板状のコンデンサ正極側導体２２ｅに並列接続され、
同様にコンデンサ５ｂ，…の負極側端子が平板状のコン
デンサ負極側並列導体２３ｅに並列接続されている。こ
れらコンデンサ正極側導体２２ｅとコンデンサ負極側並
列導体２３ｅとは電気的絶縁距離の許し限り近接して重
ねて設置する。

【００５９】そして、コンデンサ正極側並列導体２２ｅ
と前記直流正極側連結導体２２ｃの中央部分に設けた直
流正極側接続導体２２ｄとが接続され、直流電圧の正極
Ｐ側に接続される。同様に、コンデンサ負極側並列導体
２３ｅと前記直流負極側連結導体２３ｃの中央部分に設
けた直流負極側接続導体２３ｄとが接続され、直流電圧
の負極Ｐ側Ｎ接続される。以上のような実施の形態によ
り、３相分の電力変換回路の主回路を構成する電力変換
素子モジュールを得ることができる。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
のような種々の効果を奏する。請求項１の発明において
は、冷却ブロックを挟んで対称位置に配置される半導体
素子を接続する導体を、互いに反対方向に電流が流れる
ように配置したので、半導体素子のスイッチング時の電
流変化によって発生する磁束変化を打消すことができ、
これによってサージ電圧を大幅に低減化できる。また、
サージ電圧を低減化できれば、スナバ回路を構成するコ
ンデンサの容量ないし個数を少なくでき、コストの低減
化および保守性、作業性を向上できる。

【００６１】請求項２の発明では、冷却ブロックの両面
にそれぞれ複数の正極側半導体素子および複数の負極側
半導体素子を区分して並設したことにより、これら半導
体素子を接続する直流正極側導体、直流負極側導体およ
び交流導体が明確に区分され、かつ、直線的に配列で
き、しかもこれら導体を電気的絶縁距離の許す限り幅広
に形成すれば、インダクタンスの低減化，ひいてはサー
ジ電圧の低減化に貢献でき、また導体構成の簡素化によ
ってコストの低減化を実現できる。

【００６２】請求項３および請求項４の発明では、簡単
な導体構成および導体形状とすることにより、コンパク
トで安価に実現でき、インダクタンスの低減化によりサ
ージ電圧を低減化できる。

【００６３】請求項５の発明では、半導体素子のスイッ
チング時の電流変化に対する磁束変化を完全に打ち消す
ことが可能となり、サージ電圧を確実、かつ、大幅に低
減化できる。

【００６４】請求項６の発明では、導体構成を合理的に
配置でき、しかも直流正極側接続導体および直流負極側
接続導体を直流正極側連結導体と直流負極側連結導体の
中央部から取り出し、かつ、重ね合わせて配置している
ので、半導体素子のスイッチング時の電流変化に対する
磁束変化を完全に打ち消すことが可能となり、サージ電
圧を確実、かつ、大幅に低減化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係わる１相分の電力変換素子モジュ
ールの一実施の形態を示す素子実装構成図。

【図２】 図１に示す電力変換素子モジュールの回路構
成図。

【図３】 図１に示す電力変換素子モジュールの導体と
コンデンサトの関係および半導体素子間を流れる電流の
向きを示す図。

【図４】 本発明に係わる３相分の電力変換素子モジュ
ールの一実施の形態を示す素子実装構成図。

【図５】 図４に示す電力変換素子モジュールの回路構
成図。

【図６】 従来の一般的な電力変換装置の単位回路図。

【図７】 従来の１相分の電力変換素子モジュールの素
子実装構成図。

【図８】 従来の３相分の電力変換素子モジュールの素
子実装構成図。

【符号の説明】

１ａ…正極側半導体素子、１ｂ…負極側半導体素子、２
（コンデンサ），３（ダイオード），４（抵抗）…スナ
バ回路、５…コンデンサ、２１…冷却器，２１ａ…冷却
ブロック、２２ａ，２２ｂ…直流正極側導体、２２ｃ…
直流正極側連結導体、２２ｄ…直流正極側接続導体、２
３ａ，２３ｂ…直流負極側導体、２３ｃ…直流負極側連
結導体、２３ｄ…直流負極側接続導体、２５ａ，２５
ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２５ｅ，２５ｆ…交流導体。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体スイッチング素子を用いた電力変
   換装置において、 素子冷却器に設けられた冷却ブロックの両面にそれぞれ
   複数の正極側半導体スイッチング素子および複数の負極
   側半導体スイッチング素子を取り付け、前記冷却ブロッ
   クを挟んで対称位置にある前記冷却ブロック各面の正極
   側半導体スイッチング素子どうし、負極側半導体スイッ
   チング素子どうしを連結する直流正極側導体および直流
   負極側導体を、前記半導体スイッチング素子のスイッチ
   ング時の電流変化による磁束変化を互いに打ち消す方向
   に電流が流れるように配置したことを特徴とする電力変
   換素子モジュール。
2. 【請求項２】 半導体スイッチング素子を用いた電力変
   換装置において、 素子冷却器に設けられた冷却ブロックの両面にそれぞれ
   正極側と負極側とに区分して並設された複数の正極側半
   導体スイッチング素子および複数の負極側半導体スイッ
   チング素子と、 前記冷却ブロックの各面に並設された前記複数の正極側
   半導体スイッチング素子の一端部、前記複数の負極側半
   導体スイッチング素子の一端部をそれぞれ並列接続して
   直流電圧の正極側および負極側に接続する直流正極側導
   体および直流負極側導体と、 各対をなす前記正極側半導体スイッチング素子および前
   記負極側半導体スイッチング素子の他端部を交流電圧側
   に接続する交流導体と、 を備えたことを特徴とする電力変換素子モジュール。
3. 【請求項３】 請求項２に記載される電力変換装置にお
   いて、 前記冷却ブロックの両面に設置される直流正極側導体ど
   うしおよび直流負極側導体どうしをそれぞれ連結する直
   流正極側連結導体および直流負極側連結導体と、前記冷
   却ブロックの両面に設置される交流導体どうしを連結し
   て交流出力端とする交流接続導体とを設けることによ
   り、前記前記冷却ブロックの両面に取り付けられた直列
   接続された前記複数の正極側半導体スイッチング素子と
   前記複数の負極側半導体スイッチング素子とを並列接続
   し、電力変換装置の１相分の主回路を構成することを特
   徴とする電力変換素子モジュール。
4. 【請求項４】 半導体スイッチング素子を用いた電力変
   換装置において、 素子冷却器に設けられた冷却ブロックの両面にそれぞれ
   正極側と負極側とに区分して並設された複数の正極側半
   導体スイッチング素子および複数の負極側半導体スイッ
   チング素子と、 前記冷却ブロックの各面に並設された前記複数の正極側
   半導体スイッチング素子の一端部、前記複数の負極側半
   導体スイッチング素子の一端部をそれぞれ並列接続する
   直流正極側導体および直流負極側導体と、 前記冷却ブロックの両面に設置される直流正極側導体ど
   うしおよび直流負極側導体どうしをそれぞれ連結する直
   流正極側連結導体および直流負極側連結導体と、 各対をなす前記正極側半導体スイッチング素子の他端部
   と前記負極側半導体スイッチング素子の他端部とを接続
   する交流導体を各相ごとに分割し、それぞれ交流電圧の
   所要とする相に接続する交流接続手段と、 を備え、複数の相をもつ電力変換装置の主回路を構成す
   ることを特徴とする電力変換素子モジュール。
5. 【請求項５】 直流正極側連結導体と直流負極側連結導
   体は、空間または空間と絶縁物とを挟んで重なり合わせ
   るとともに電気的絶縁距離の許容範囲で密着配置するこ
   とを特徴とする請求項３または請求項４記載の電力変換
   素子モジュール。
6. 【請求項６】 半導体スイッチング素子を用いた電力変
   換装置において、 素子冷却器に設けられた冷却ブロックの両面にそれぞれ
   正極側と負極側とに区分して並設された複数の正極側半
   導体スイッチング素子および複数の負極側半導体スイッ
   チング素子と、 前記冷却ブロックの各面に並設された前記複数の正極側
   半導体スイッチング素子の一端部、前記複数の負極側半
   導体スイッチング素子の一端部をそれぞれ並列接続する
   直流正極側導体および直流負極側導体と、 直流電圧を平滑化するコンデンサと、 前記冷却ブロックの両面に設置される直流正極側導体ど
   うしおよび直流負極側導体どうしをそれぞれ連結する直
   流正極側連結導体および直流負極側連結導体と、 この直流正極側連結導体の中央部および前記コンデンサ
   の一端と、前記直流負極側連結導体の中央部および前記
   コンデンサの他端とがそれぞれ接続される正極側と負極
   側とを一定の電気的絶縁を保つ空間または電気的絶縁物
   を挟んで重ね合わせて配置する直流正極側接続導体およ
   び直流負極側接続導体と、 を備えたことを特徴とする電力変換素子モジュール。