JPWO2011061813A1 - ３レベル電力変換装置 - Google Patents

Abstract

３レベル電力変換装置を構成する半導体モジュールと直流電源回路との間の配線を低インダクタンス化して、容易に小型化および低コスト化を図る。３レベルインバータの直流電源（電解コンデンサ）２５、２６と、ＩＧＢＴモジュール１６〜１８との間を接続する場合に、双方向スイッチ部の配線導体を、同一面上で３分割した導体３５、４２、４３、または２分割した導体３５、４２とし、Ｐ導体３３およびＮ導体３７を外側にして、それぞれ絶縁物を介して挟み込む密閉構造の３層配線構造とする。これにより、積層数が少なくても配線インダクタンスを小さくして装置全体の小型化および低コスト化を実現する。

Description

この発明は、インバータなどの３レベル電力変換装置に関するものである。

従来から、３レベル電力変換装置として、直流から交流に変換する３相の３レベルインバータが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
以下、図９〜図２０を参照しながら、特許文献１に記載された従来装置について説明する。図９は特許文献１に記載された一般的な３レベル電力変換装置を示す回路図であり、３相の３レベルインバータの主回路構成を示している。

図９において、３レベルインバータは、直列接続された直流電源１、２を備えており、正側電位Ｐ（以下、「Ｐ電位」という）、負側電位Ｎ（以下、「Ｎ電位」という）、および、中点電位Ｍ（以下、「Ｍ電位」という）を有する。なお、直流電源１、２を交流電源システムで構成する場合には、一般に、ダイオード整流器と、大容量の電解コンデンサなど（図示せず）が用いられる。

Ｐ電位とＮ電位との間には、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）モジュール１６、１７、１８（メインスイッチ）が接続され、各ＩＧＢＴモジュール１６、１７、１８の交流出力端子（中間端子）１１は、ＩＧＢＴモジュール１９〜２４（双方向スイッチ）を介してＭ電位に接続されている。
ＩＧＢＴモジュール１６内のＩＧＢＴ（スイッチ素子）３およびダイオード４はＰ電位に接続され、ＩＧＢＴ５およびダイオード６はＮ電位に接続されている。

ＩＧＢＴモジュール１９〜２４は、各１対のそれぞれが双方向スイッチを構成しており、Ｍ電位と、ＩＧＢＴモジュール１６〜１８内の各交流出力端子（中間端子）１１との間に接続されている。
ＩＧＢＴモジュール１９は、ＩＧＢＴ７と、ＩＧＢＴ７に逆並列接続されたダイオード８との組からなり、ＩＧＢＴモジュール２０は、ＩＧＢＴ９と、ＩＧＢＴ９に逆並列接続されたダイオード１０との組からなる。
ＩＧＢＴモジュール１９、２０（双方向スイッチ）は、ＩＧＢＴおよびダイオードの組を逆直列接続した構成からなり、他の２相に対応したＩＧＢＴモジュール２１〜２４も同様に構成される。なお、逆直列接続されたＩＧＢＴはエミッタ共通となっているが、コレクタ共通であってもよい。

３レベルインバータの３相出力端子は、フィルタ用のリアクトル１２、１３、１４を介して、負荷１５に接続されている。
これにより、３レベル（Ｐ電位、Ｎ電位およびＭ電位）を出力することができるインバータを構成している。

図９の３レベルインバータを、ＩＧＢＴモジュールと、直流電源装置（大容量電解コンデンサ）とにより構成する場合には、たとえば、ＩＧＢＴモジュール１６、１７、１８を「２ｉｎ１タイプ」のＩＧＢＴモジュールとし、ＩＧＢＴモジュール１９〜２４を「１ｉｎ１タイプ」のＩＧＢＴモジュールとし、直流電源１、２を直列接続の電解コンデンサにより構成する。また、ＩＧＢＴモジュール１９〜２４を「２ｉｎ１タイプ」のＩＧＢＴモジュールで構成する場合もある。

図１０は「２ｉｎ１タイプ」のＩＧＢＴモジュール１６〜１８の構成例を示す外観斜視図であり、図１１は図１０の内部機能を示す等価回路図である。
図１０、図１１において、ＩＧＢＴモジュールは、Ｐ電位に接続されるコレクタ端子（Ｃ１）２７と、Ｎ電位に接続されるエミッタ端子（Ｅ２）２８と、負荷出力および双方向スイッチに接続される中間端子（エミッタ・コレクタ端子Ｅ１Ｃ２）１１と、を備えている。一般的に、図１０に示した順番で各端子２７、２８、１１が構成される。

図１２は「１ｉｎ１タイプ」のＩＧＢＴモジュール１９〜２４（双方向スイッチ）の構成例を示す外観斜視図であり、図１３は図１２の内部機能を示す等価回路図である。
図１２、図１３において、ＩＧＢＴモジュール（双方向スイッチ）は、コレクタ端子（Ｃ）３０と、エミッタ端子（Ｅ）３１と、を備えている。

一方、図１４は「２ｉｎ１タイプ」の双方向スイッチの構成例を示す外観斜視図であり、図１５は図１４の内部機能を示す等価回路図である。
図１４、図１５において、ＩＧＢＴモジュール（双方向スイッチ）は、コレクタ端子（Ｃ１）４０と、コレクタ端子（Ｃ２）４１とを備えている。
ＩＧＢＴモジュール１９〜２４（双方向スイッチ）を「２ｉｎ１タイプ」のモジュールで構成する場合には、図１５のように、エミッタ共通（または、コレクタ共通）となるので、各端子は、図１４のように構成され得る。

図１６は特許文献１に記載された従来の３レベルインバータの１相分を示す回路図である。
図１６において、ＩＧＢＴモジュール１６と、電解コンデンサ２５、２６との間は、Ｐ電位側においては、ＩＧＢＴモジュール１６の上アーム側のコレクタ端子２７と、電解コンデンサ２５、２６の正側電位端子３２との間を結線する第１の導体３３により接続されている。

また、Ｎ電位側においては、ＩＧＢＴ１６の下アーム側のエミッタ端子２８と、電解コンデンサ２５、２６の負側電位端子３６との間を結線する第２の導体３７により接続され、Ｍ電位側においては、ＩＧＢＴモジュール１９、２０（双方向スイッチ）を介して、電解コンデンサ２５、２６の直列接続点３４に接続されている。

さらに、ＩＧＢＴモジュール１９、２０（双方向スイッチ）と、電解コンデンサ２５、２６との間は、ＩＧＢＴモジュール１９のコレクタ端子３０と、電解コンデンサ２５、２６の直列接続点３４との間を接続する第３の導体３５により接続されている。

図１７〜図１９は図１６の３レベルインバータ（１相分）の構成を示しており、図１７は上面から見た状態を示す上面図、図１８は左側から見た状態を示す左側面図、図１９は右側から見た状態を示す右側面図である。
図１７〜図１９においては、左右の両側に位置する各１対の直列電解コンデンサを区別するために、「ａ」、「ｂ」を付して、右側に位置する電解コンデンサ２５ａ、２６ａと、左側に位置する電解コンデンサ２５ｂ、２６ｂとしている。

図１７〜図１９において、第１および第２の導体３３、３７は、絶縁物４４を介して近接配線されている。
また、電解コンデンサ２６の正極（直列接続点３４）の付近と、ＩＧＢＴモジュール１９のコレクタ端子３０の付近とには、電気的に接続される２分割導体４５（図１６内の第３の導体３５に対応する）が配置されており、これにより、第１および第２の導体３３、３７を挟み込む近接構造を実現している。
ただし、２分割導体４５と第１の導体３３との間、および、２分割導体４５と第２の導体３７との間には、それぞれ、絶縁物４６、４８が介在されている。

第１の導体３３と２分割導体４５との間、第２の導体３７と２分割導体４５との間、および、第１の導体３３と第２の導体３７との間の各導体間距離は、いずれもδ（図１８参照）となるので、各導体間には、大きい値の相互インダクタンスＬＭが発生する。

図２０は相互インダクタンスＬＭを等価回路で示す説明図であり、図１６〜図１９の構成において、各導体間に同じ大きさの相互インダクタンスＬＭが発生することを示している。
図２０において、前述（図１８、図１９）の２分割導体４５は、各導体４５ａ、４５ｂのように、２分割して示されている。

ＩＧＢＴモジュール１６の中間端子１１と、ＩＧＢＴモジュール２０のコレクタ端子３０ａとの間は、細い第４の導体４２（配線インダクタンスＬａｃ）により接続されている。
また、ＩＧＢＴモジュール２０のエミッタ端子３１ａと、ＩＧＢＴモジュール１９のエミッタ端子３１ｂとの間は、細い第５の導体４３（配線インダクタンスＬｓ）により接続されている。

上述した従来（特許文献１）の３レベル電力変換装置（図１６〜図２０）のように、ＩＧＢＴモジュール１６と電解コンデンサ２５、２６との間の配線を４層ラミネート構造とすることにより、ＩＧＢＴモジュール１９（双方向スイッチ）と、電解コンデンサ２５、２６との間の配線インダクタンスＬＭを低減することが可能である。ただし、他の配線インダクタンスＬｓ、Ｌａｃを低減することはできない。

特開２００９−２２０６２号公報

従来の３レベル電力変換装置は、上述のように４層ラミネート構造とすることにより、ＩＧＢＴモジュールと電解コンデンサ（直流電源）との間の配線インダクタンスを低減しているが、４層構造であることから、ラミネート構造の厚さの増大によって大型化して重量も増大し、特に３相の３レベル電力変換装置においては、重量増加分が約３倍になって影響するという課題があった。
また、図１７〜図２０に示すように、ＩＧＢＴモジュール１６の中間端子とＩＧＢＴモジュール２０（双方向スイッチ）のコレクタ端子との間、および、ＩＧＢＴモジュール２０のエミッタ端子３１ａとＩＧＢＴモジュール１９のエミッタ端子３１ｂとの間は、ラミネート構造ではなく、細長い導体４２、４３により接続されているので、配線インダクタンスＬｓ、Ｌａｃを低減することができないという課題があった。

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、双方向スイッチ部（ＩＧＢＴモジュール１９〜２４）とメインスイッチ部（ＩＧＢＴモジュール１６〜１８）との間の配線インダクタンスを低減するとともに、小型で安価な３レベル電力変換装置を得ることを目的とする。

この発明に係る３レベル電力変換装置は、正側端子、負側端子および中間電位点を有する直流電源回路と、正側端子と負側端子との間に挿入された半導体モジュールと、中間電位点と半導体モジュールとの間に挿入された双方向スイッチと、を備え、半導体モジュールは、直流電源回路の正側端子にコレクタが接続された第１のスイッチ素子および第１のスイッチ素子に逆並列接続されたダイオードと、直流電源回路の負側端子にエミッタが接続された第２のスイッチ素子および第２のスイッチ素子に逆並列接続されたダイオードと、により構成され、双方向スイッチは、第１のスイッチ素子のエミッタと第２のスイッチ素子のコレクタとの接続点と、直流電源回路の中間電位点との間に接続された双方向性の第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子とからなる直列回路により構成され、半導体モジュールの出力端子から３レベルの電位を出力する３レベル電力変換回路であって、直流電源回路の正側端子と第１のスイッチ素子とを結線する第１の導体と、直流電源回路の負側端子と第２のスイッチ素子とを結線する第２の導体と、直流電源回路の中間電位点と第３のスイッチ素子とを結線する第３の導体と、第４のスイッチ素子と接続点とを結線する第４の導体と、第３のスイッチ素子と第４のスイッチ素子とを結線する第５の導体と、をさらに備え、第３〜第５の導体は同一面上に配置され、第１の導体と、第２の導体と、第３〜第５の導体とは、重ね配置されて３層配線構造を実現するものである。

この発明によれば、正側の第１の導体と負側の第２の導体との間に中間電位側の分割導体を配置して、第１の導体と第２の導体と分割導体とを重ね配置して３層配線構造とすることにより、双方向スイッチ部とメインスイッチ部との間の配線インダクタンスを低減するとともに、積層数の少ない３層配線構造によって小型で安価な回路を提供することが可能となる。

この発明の実施例１に係る３レベル電力変換装置の１相分を上面から見た状態を示す上面図である。（実施例１） 図１の３レベル電力変換装置を左側から見た状態を示す左側面図である。（実施例１） 図１の３レベル電力変換装置を右側から見た状態を示す右側面図である。（実施例１） 図１〜図３内の各導体間の配線インダクタンスを示す等価回路図である。（実施例１） この発明の実施例２に係る３レベル電力変換装置の１相分を上面から見た状態を示す上面図である。（実施例２） 図５の３レベル電力変換装置を左側から見た状態を示す左側面図である。（実施例２） 図５の３レベル電力変換装置を右側から見た状態を示す右側面図である。（実施例２） 図５〜図７内の各導体間の配線インダクタンスを示す等価回路図である。（実施例２） 一般的な３レベルインバータの主回路構成を示す回路図である。 従来の「２ｉｎ１タイプ」のＩＧＢＴモジュールを示す外観斜視図である。 図１０のＩＧＢＴモジュールの内部機能を示す等価回路図である。 従来の「１ｉｎ１タイプ」のＩＧＢＴモジュールを示す外観斜視図である。 図１２のＩＧＢＴモジュールの内部機能を示す等価回路図である。 従来の「２ｉｎ１タイプ」の双方向スイッチモジュールを示す外観斜視図である。 図１４の双方向スイッチモジュールの内部機能を示す等価回路図である。 従来の３レベルインバータの１相分を示す回路図である。 図１６の３レベルインバータの１相分を上面から見た状態を示す上面図である。 図１７の３レベルインバータを左側から見た状態を示す左側面図である。 図１７の３レベルインバータを右側から見た状態を示す右側面図である。 図１７〜図１９内の各導体間の配線インダクタンスを示す等価回路図である。

（実施例１）
図１はこの発明の実施例１に係る３レベル電力変換装置を示す上面図であり、３相のうちの１相分を上面から見た状態を示している。図２は図１の３レベル電力変換装置を左側から見た状態を示す左側面図であり、図３は図１の３レベル電力変換装置を右側から見た状態を示す右側面図である。
また、図４は図１〜図３に示した３レベル電力変換装置の１相分を示す等価回路図である。
なお、この発明の実施例１に係る３レベル電力変換装置の全体構成は、図９に示した通りである。

図１〜図４において、前述（図１７〜図２０参照）と同様のものについては、前述と同一符号が付されている。
３レベル電力変換装置の１相分は、コレクタ端子Ｃ１、エミッタ端子Ｅ２およびエミッタ・コレクタ端子Ｅ１Ｃ２を有するＩＧＢＴモジュール１６と、コレクタ端子（Ｃ）３０ｂ、３０ａおよびエミッタ端子（Ｅ）３１ｂ、３１ａを有するＩＧＢＴモジュール１９、２０（双方向スイッチ）と、直流電源を構成する電解コンデンサ２５（２５ａ、２５ｂ）および電解コンデンサ２６（２６ａ、２６ｂ）と、を備えている。

ＩＧＢＴモジュール１６は、図４に示すように、電解コンデンサ２５の正側端子（＋）（Ｐ電位）にコレクタ端子（Ｃ１）２７が接続された第１のスイッチ素子３と、第１のスイッチ素子３に逆並列接続されたダイオード４と、電解コンデンサ２６の負側端子（−）（Ｎ電位）にエミッタ端子（Ｅ２）２８が接続された第２のスイッチ素子５と、第２のスイッチ素子５に逆並列接続されたダイオード６と、により構成されている。
ＩＧＢＴモジュール１６の中間端子（エミッタ・コレクタ端子Ｅ１Ｃ２）１１は、ＩＧＢＴモジュール１９、２０（双方向スイッチ）に接続されるとともに、フィルタ用のリアクトル１２を介して負荷１５（図９参照）に接続されている。

ＩＧＢＴモジュール１６内の第１のスイッチ素子３およびダイオード４と、第２のスイッチ素子５およびダイオード６との接続点は、ＩＧＢＴモジュール１９、２０（双方向スイッチ）を介して、電解コンデンサ２５、２６の直列接続点に接続されている。
ＩＧＢＴモジュール１９は第３のスイッチ素子７を有し、ＩＧＢＴモジュール２０は第４のスイッチ素子９を有し、ＩＧＢＴモジュール１９、２０（双方向スイッチ）は、第３のスイッチ素子７と第４のスイッチ素子９との直列回路により構成されている。

ＩＧＢＴモジュール１６のコレクタ端子（Ｃ１）２７と、電解コンデンサ２５の正側端子（＋）との間は、第１の導体３３（配線インダクタンスＬｐ）により、電気的に接続されている。
また、ＩＧＢＴ１６のエミッタ端子（Ｅ２）２８と、電解コンデンサ２６の負側端子（−）との間は、第２の導体３７（配線インダクタンスＬｎ）により、電気的に接続されている。

ＩＧＢＴモジュール１９（双方向スイッチ）のコレクタ端子（Ｃ）３０ｂと、電解コンデンサ２５、２６の直列接続点（電解コンデンサ２５の負極および電解コンデンサ２６の正極）との間は、第３の導体３５（配線インダクタンスＬｍ）により、電気的に接続されている。
また、ＩＧＢＴモジュール１６の中間端子（Ｅ１Ｃ２）１１と、ＩＧＢＴモジュール２０（双方向スイッチ）のコレクタ端子（Ｃ）３０ａとの間は、第４の導体４２（配線インダクタンスＬａｃ）により、電気的に接続されている。
さらに、ＩＧＢＴモジュール２０（双方向スイッチ）のエミッタ端子（Ｅ）３１ａと、ＩＧＢＴモジュール１９（双方向スイッチ）のエミッタ端子（Ｅ）３１ｂとの間は、第５の導体４３（配線インダクタンスＬｓ）により、電気的に接続されている。

第３〜第５の導体３５、４２、４３は、図１〜図３に示すように、同一面上に配置されている。
また、図２および図３に示すように、第１の導体３３と、第２の導体３７との間に第３の導体３５を配置し、第４および第５の導体４２、４３を絶縁物３８、３９で挟んで密接構造にしている。ここで、第３の導体３５（第４および第５の導体４２、４３と同一平面上にある）と第１の導体３３との間には、絶縁物３９が介在され、第３の導体３５と第２の導体３７との間には、絶縁物３８が介在されている。これにより、３層ラミネート構造の配線が構成されている。

なお、図１〜図４では、１相分のＩＧＢＴモジュール１６に関連した第１〜第５の導体３３、３７、３５、４２、４３を示したが、他の２相のＩＧＢＴモジュール１７、１８（図９参照）においても同様の結線構造を備えているものとする。
また、図１〜図３においては、下層側から順に、「第１の導体３３」、「同一面上に配置された第３〜５の導体３５、４２、４３」、「第２の導体３７」の順に積層した例を示しているが、この積層構造に限定されるものではない。
たとえば、第１の導体３３が、第２の導体３７と第３〜５の導体３５、４２、４３との間に挟まるように積層されてもよく、また、第２の導体３７が、第１の導体３３と第３〜５の導体３５、４２、４３との間に挟まるように積層されてもよい。

また、上記説明では、１相分のＩＧＢＴモジュール１６のみを示したが、他の２相分のＩＧＢＴモジュール１７、１８（図９参照）についても、同様の構成を備えていることは言うまでもない。
すなわち、図９に示したように、第１のＩＧＢＴモジュール１６に対応して、第１のＩＧＢＴモジュール１９、２０（双方向スイッチ）が接続されるのと同様に、第２および第３のＩＧＢＴモジュール１７、１８（図１〜図４には図示せず）にも、それぞれに対応して、第２および第３のＩＧＢＴモジュール（双方向スイッチ）が接続される。

以上のように、この発明の実施例１（図１〜図４）に係る３レベル電力変換装置は、正側端子（Ｐ、＋）、負側端子（Ｎ、−）および中間電位点（Ｍ）を有する電解コンデンサ２５、２６（直流電源回路）と、正側端子（＋）と負側端子（−）との間に挿入されたＩＧＢＴモジュール１６（１７、１８）と、中間電位点（Ｍ）とＩＧＢＴモジュール１６（１７、１８）との間に挿入されたＩＧＢＴモジュール１９、２０（双方向スイッチ）と、を備え、各相のＩＧＢＴモジュール１６（１７、１８）は、電解コンデンサ２５の正側端子（＋）にコレクタが接続された第１のスイッチ素子３を有し、電解コンデンサ２６の負側端子（−）にエミッタが接続された第２のスイッチ素子５を有しており、ＩＧＢＴモジュール１６（１７、１８）の出力端子から３レベルの電位を出力する。

ＩＧＢＴモジュール１９、２０（双方向スイッチ）は、第１のスイッチ素子３のエミッタと第２のスイッチ素子５のコレクタとの接続点（中間端子１１）と、電解コンデンサ２５、２６の中間電位点（Ｍ）との間に接続された双方向性の第３のスイッチ素子７および第４のスイッチ素子９とからなる直列回路により構成されている。

また、電解コンデンサ２５の正側端子（＋）と第１のスイッチ素子３とを結線する第１の導体３３と、電解コンデンサ２６の負側端子（−）と第２のスイッチ素子５とを結線する第２の導体３７と、電解コンデンサ２５、２６の中間電位点と第３および第４のスイッチ素子７、９とを結線する第３〜第５の導体３５、４２、４３（３分割された導体）と、をさらに備えている。

第３の導体３５は、電解コンデンサ２５、２６（直流電源回路）の中間電位点と第３のスイッチ素子７とを結線し、第４の導体４２は、第４のスイッチ素子９と接続点（中間端子１１）とを結線し、第５の導体４３は、第３のスイッチ素子７と第４のスイッチ素子９とを結線している。
第３〜第５の導体３５、４２、４３は同一面上に配置されており、第１の導体３３と、第２の導体３７と、３分割された第３〜第５の導体３５、４２、４３とは、重ね配置されて３層配線構造を実現している。
このように、少ない層数の３層配線構造にすることにより、小型で安価な３レベル電力変換装置を実現することができる。

また、電解コンデンサ２５、２６（直流電源）とＩＧＢＴモジュール１６（１７、１８）との間の配線構造において、電解コンデンサ２５、２６の中間電位部の配線導体を同一面上に３分割した第３〜第５の導体３５、４２、４３とし、さらに、第３〜第５の導体３５、４２、４３をＰＮ（正負極）側の第１および第２の導体３３、３７で挟み込むとともに、絶縁物３８、３９を介して密接構造とする。

これにより、電解コンデンサ２５、２６（直流電源）と、ＩＧＢＴモジュール１６（１７、１８）との間の配線インダクタンスＬｍを低減するとともに、従来装置（図１７〜図２０）では低減することができなかった、配線インダクタンスＬｓ、Ｌａｃをも低減することができる。

（実施例２）
なお、上記実施例１（図１〜図４）では、双方向スイッチを構成するＩＧＢＴモジュール１９、２０（第３および第４のスイッチ素子７、９）を個別回路としたが、図５〜図８に示すように、第３および第４のスイッチ素子７、９をパッケージ内で一体化した単一構成のＩＧＢＴモジュール４９（双方向スイッチ）を用いてもよい。

図５はこの発明の実施例２に係る３レベル電力変換装置を示す上面図であり、前述と同様に、３相のうちの１相分を上面から見た状態を示している。図６は図５の３レベル電力変換装置を左側から見た状態を示す左側面図であり、図７は図５の３レベル電力変換装置を右側から見た状態を示す右側面図である。
また、図８は図５〜図７に示した３レベル電力変換装置の１相分を示す等価回路図である。
なお、この発明の実施例２に係る３レベル電力変換装置の全体構成は、図９に示した通りである。

図５〜図８において、前述（図１〜図４参照）と同様のものについては、前述と同一符号が付されている。
図５および図８内のＩＧＢＴモジュール４９（双方向スイッチ）は、前述した図１４、図１５と同様の「２ｉｎ１タイプ」のＩＧＢＴモジュールからなり、コレクタ端子（Ｃ１）４０と、コレクタ端子（Ｃ２）４１とを備えている。
図５の左側面図（図６）は、図２と同様である。

図５〜図８に示すように、３レベル電力変換装置は、電解コンデンサ２５（２５ａ、２５ｂ）の正側端子（＋）とＩＧＢＴモジュール１６のコレクタ端子（Ｃ１）２７とを電気的に接続する第１の導体３３と、電解コンデンサ２６（２６ａ、２６ｂ）の負側端子３６とＩＧＢＴモジュール１６のエミッタ端子（Ｅ２）２８とを電気的に接続する第２の導体３７と、電解コンデンサ２５の負極（−）および電解コンデンサ２６の正極（＋）とＩＧＢＴモジュール４９（「２ｉｎ１タイプ」の双方向スイッチ）のコレクタ端子（Ｃ１）４０とを電気的に接続する第３の導体３５と、ＩＧＢＴモジュール４９のコレクタ端子（Ｃ２）４１とＩＧＢＴモジュール１６の中間端子（Ｅ１Ｃ２）１１とを電気的に接続する第４の導体４２とを備えている。

第１の導体３３と、第２の導体３７と、第３および第４の導体３５、４２とは、前述と同様に、重ね配置されて密接構造となっており、これにより、３層ラミネート構造の配線が構成されている。
なお、図５〜図７においては、第１の導体３３と、同一面上に配置された第３および第４の導体３５、４２と、第２の導体３７との順に積層された例を示しているが、第１の導体３３が、これに限定されることはない。
たとえば、第２の導体３７と第３および第４の導体３５、４２との間に挟まるように積層されてもよく、または、第２の導体３７が、第１の導体３３と第３および第４の導体３５、４２との間に挟まるように積層されてもよい。

図５〜図８のような３層配線構造にすることによって、前述と同様に、小型で安価な回路を提供することが可能となる。
また、第３および第４の導体３５、４２を同一面上に配置し、第１の導体３３と第２の導体３７との間に第３および第４の導体３５、４２を配置し、さらに、第３および第４の導体３５、４２を絶縁物３８、３９で挟んで密接構造にすることにより、３層ラミネート構造の配線が構成される。

また、図８に示すように、第３および第４のスイッチ素子７、９が同一パッケージ内で一体化されたＩＧＢＴモジュール４９（「２ｉｎ１タイプ」の双方向スイッチ）を用いることにより、電解コンデンサ２５、２６（直流電源）と、ＩＧＢＴモジュール１６（１７、１８）との間の配線インダクタンスＬｍを低減するとともに、従来装置（図１７〜図２０）では低減することができなかった、ＩＧＢＴモジュール４９とＩＧＢＴモジュール１６との間の配線インダクタンスＬａｃをも低減することができる。

以上のように、この発明の実施例２（図５〜図８）に係る３レベル電力変換装置は、第１のスイッチ素子３のエミッタと第２のスイッチ素子５のコレクタとの接続点（中間端子１１）と、電解コンデンサ２５、２６の中間電位点（Ｍ）との間に、前述（図１、図４）のＩＧＢＴモジュール１９、２０に代えて、第３および第４のスイッチ素子７、９を一体化したＩＧＢＴモジュール４９（「２ｉｎ１タイプ」の双方向スイッチ）が挿入されている。

また、前述と同様の第１および第２の導体３３、３７と、電解コンデンサ２５、２６の中間電位点とＩＧＢＴモジュール４９（第３および第４のスイッチ素子７、９）とを結線する第３の導体３５と、ＩＧＢＴモジュール４９とＩＧＢＴモジュール１６（第１および第２のスイッチ素子３、５）の中間端子１１とを結線する第４の導体４２と、をさらに備えている。

第１の導体３３と、第２の導体３７と、第３および第４の導体３５、４２（２分割された導体）とは、絶縁物３８、３９を介した３層配線構造からなり、重ね配置されている。すなわち、第１の導体３３と第２の導体３７との間において、第３および第４の導体３５、４２を絶縁物３８、３９で挟んで、密接構造および３層配線構造を実現している。

このように、直流電源回路（電解コンデンサ２５、２６）と、各相のＩＧＢＴモジュール１６（１７、１８）との間の配線構造において、電解コンデンサ２５、２６の中間電位部の配線導体を同一面上に２分割し、これらの導体をＰＮ（正負極）側の第１および第２の導体３３、３７で挟み込む構造とすることにより、前述と同様に、少ない層数の配線構造により、直流電源とモジュール間の配線インダクタンスを低減するとともに、小型で安価な３レベル電力変換装置を実現することができる。

なお、上記実施例１、２では、３レベル電力変換装置として、３相の３レベル電力変換装置を例にとって説明したが、単相の３レベル電力変換装置にも適用可能であり、前述と同等の作用効果を奏することは言うまでもない。
また、メインスイッチ部を構成する半導体モジュールとして、ＩＧＢＴモジュール１６（１７、１８）を用いたが、ＭＯＳＦＥＴなどの他の半導体モジュールを用いてもよい。

３ 第１のスイッチ素子、５ 第２のスイッチ素子、７ 第３のスイッチ素子、９ 第４のスイッチ素子、４、６ ダイオード、１１ 中間端子（交流出力端子）、１５ 負荷、１６〜１８ ＩＧＢＴモジュール、１９〜２４、４９ ＩＧＢＴモジュール（双方向スイッチ）、２５、２５ａ、２５ｂ、２６、２６ａ、２６ｂ 電解コンデンサ（直流電源回路）、３３ 第１の導体、３５ 第３の導体、３７ 第２の導体、４２ 第４の導体、４３ 第５の導体、３８、３９ 絶縁物、Ｌｐ、Ｌｍ、Ｌｎ、Ｌａｃ、Ｌｓ 配線インダクタンス。

この発明に係る３レベル電力変換装置は、正側端子、負側端子および中間電位点を有する直流電源回路と、正側端子と負側端子との間に挿入された半導体モジュールと、中間電位点と半導体モジュールとの間に挿入された双方向スイッチと、を備え、半導体モジュールは、直流電源回路の正側端子にコレクタが接続された第１のスイッチ素子および第１のスイッチ素子に逆並列接続されたダイオードと、直流電源回路の負側端子にエミッタが接続された第２のスイッチ素子および第２のスイッチ素子に逆並列接続されたダイオードと、により構成され、双方向スイッチは、第１のスイッチ素子のエミッタと第２のスイッチ素子のコレクタとの接続点と、直流電源回路の中間電位点との間に接続された双方向性の第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子とからなる直列回路により構成され、半導体モジュールの出力端子から３レベルの電位を出力する３レベル電力変換回路であって、直流電源回路の正側端子と第１のスイッチ素子とを結線する第１の導体と、直流電源回路の負側端子と第２のスイッチ素子とを結線する第２の導体と、直流電源回路の中間電位点と第３のスイッチ素子とを結線する第３の導体と、第４のスイッチ素子と接続点とを結線する第４の導体と、第３のスイッチ素子と第４のスイッチ素子とを結線する第５の導体と、をさらに備え、第３〜第５の導体は同一面上に配置され、第１の導体と、第２の導体と、第３〜第５の導体とは、重ね配置されて３層配線構造を実現し、第１〜第５の導体は、半導体モジュール上でも重ね配置されたものである。

Claims (4)

1. 正側端子、負側端子および中間電位点を有する直流電源回路と、
   前記正側端子と前記負側端子との間に挿入された半導体モジュールと、
   前記中間電位点と前記半導体モジュールとの間に挿入された双方向スイッチと、を備え、
   前記半導体モジュールは、
   前記直流電源回路の正側端子にコレクタが接続された第１のスイッチ素子および前記第１のスイッチ素子に逆並列接続されたダイオードと、
   前記直流電源回路の負側端子にエミッタが接続された第２のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子に逆並列接続されたダイオードと、により構成され、
   前記双方向スイッチは、
   前記第１のスイッチ素子のエミッタと前記第２のスイッチ素子のコレクタとの接続点と、前記直流電源回路の中間電位点との間に接続された双方向性の第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子とからなる直列回路により構成され、
   前記半導体モジュールの出力端子から３レベルの電位を出力する３レベル電力変換回路であって、
   前記直流電源回路の正側端子と前記第１のスイッチ素子とを結線する第１の導体と、
   前記直流電源回路の負側端子と前記第２のスイッチ素子とを結線する第２の導体と、
   前記直流電源回路の中間電位点と前記第３のスイッチ素子とを結線する第３の導体と、
   前記第４のスイッチ素子と前記接続点とを結線する第４の導体と、
   前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子とを結線する第５の導体と、をさらに備え、
   前記第３〜第５の導体は、同一面上に配置され、
   前記第１の導体と、前記第２の導体と、前記第３〜第５の導体とは、重ね配置されて３層配線構造を実現したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
2. 前記第１、第２の導体間に前記第３〜第５の導体を配置するとともに、前記第３〜第５の導体を絶縁物で挟んで密接構造を実現したことを特徴とする請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
3. 正側端子、負側端子および中間電位点を有する直流電源回路と、
   前記正側端子と前記負側端子との間に挿入された半導体モジュールと、
   前記中間電位点と前記半導体モジュールとの間に挿入された双方向スイッチと、を備え、
   前記半導体モジュールは、
   前記直流電源回路の正側端子にコレクタが接続された第１のスイッチ素子および前記第１のスイッチ素子に逆並列接続されたダイオードと、
   前記直流電源回路の負側端子にエミッタが接続された第２のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子に逆並列接続されたダイオードと、により構成され、
   前記双方向スイッチは、
   前記第１のスイッチ素子のエミッタと前記第２のスイッチ素子のコレクタとの接続点と、前記直流電源回路の中間電位点との間に接続された双方向性の第３のスイッチ素子および第４のスイッチ素子とからなる直列回路により構成され、
   前記半導体モジュールの出力端子から３レベルの電位を出力する３レベル電力変換回路であって、
   前記直流電源回路の正側端子と前記第１のスイッチ素子とを結線する第１の導体と、
   前記直流電源回路の負側端子と前記第２のスイッチ素子とを結線する第２の導体と、
   前記直流電源回路の中間電位点と前記直列回路とを結線する第３の導体と、前記直列回路と前記接続点とを結線する第４の導体と、をさらに備え、
   前記第３および第４の導体は、同一面上に配置され、
   前記第１の導体と、前記第２の導体と、前記第３および第４の導体とは、重ね配置されて３層配線構造を実現し、
   前記第３および第４のスイッチ素子は、同一パッケージ内に配置されたことを特徴とする３レベル電力変換装置。
4. 前記第１、第２の導体間に前記第３および第４の導体を配置するとともに、前記第３および第４の導体を絶縁物で挟んで密接構造を実現したことを特徴とする請求項３に記載の３レベル電力変換装置。

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