KR101686313B1 - 파워 모듈 및 그것을 이용한 3레벨 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

전력 변환 회로부를 구성하는 최상위 외측 스위칭 소자(10a) 및 상위 전위측의 중성점 클램프 다이오드로서 동작하는 스위칭 소자(12a)에 의한 제1 세트, 최하위 외측 스위칭 소자(12b) 및 하위 전위측의 중성점 클램프 다이오드로서 동작하는 스위칭 소자(10b)에 의한 제2 세트, 및 상위 내측 스위칭 소자(10c) 및 하위 내측 스위칭 소자(12c)에 의한 제3 세트의 각각을 2소자 내장 파워 모듈인 파워 모듈(1a~1c)을 이용하여 구성했다.

Description

파워 모듈 및 그것을 이용한 3레벨 전력 변환 장치{POWER MODULE AND 3-LEVEL POWER CONVERSION DEVICE USING SAME}
본 발명은 파워 모듈 및 그것을 이용한 3레벨 전력 변환 장치에 관한 것이다.
종래의 2소자 내장 파워 모듈(two-element-inclusive power modules)을 이용한 철도 차량용 3레벨 전력 변환 장치는, 직렬로 접속되어 상하 암을 구성하는 4개의 스위칭 소자 중, 외측 스위칭 소자(최상위 전위측에 위치하는 스위칭 소자 및 최하위 전위측에 위치하는 스위칭 소자)끼리 및 내측 스위칭 소자(중간에 위치하는 2개의 스위칭 소자)끼리를 각각 2소자 내장 파워 모듈로 구성함과 아울러, 상암을 구성하는 2개의 스위칭 소자끼리의 접속점과 하암을 구성하는 2개의 스위칭 소자끼리의 접속점의 사이에 접속되는 클램프 다이오드로서 별도 다이오드 모듈을 이용하여 구성하고 있다(예를 들면, 하기 특허 문헌 1).
특허 문헌 1: 국제 공개 제2008/075418호
상술한 바와 같이, 종래의 2소자 내장 파워 모듈을 이용한 철도 차량용 3레벨 전력 변환 장치는, 외측 스위칭 소자끼리와 내측 스위칭 소자끼리를 각각 2소자 내장 파워 모듈로 구성하고 있다. 이 때문에, 모듈 내부의 저인덕턴스 구조가 철도 차량용 3레벨 전력 변환 장치에 필요한 저인덕턴스 회로로서 기여하는 효과가 충분하지 않고, 2소자 내장 파워 모듈로서의 특징을 충분히 발휘하고 있지 않다는 과제가 있었다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 2소자 내장 파워 모듈로서의 특징을 충분히 발휘할 수 있는 파워 모듈 및 그것을 이용한 3레벨 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 전력 변환 회로부를 구성하는 최상위 전위측의 외측 스위칭 소자 및 상위 전위측의 중성점 클램프 다이오드에 의한 제1 세트, 최하위 전위측의 스위칭 소자 및 하위 전위측의 중성점 클램프 다이오드에 의한 제2 세트, 및 상위측의 내측 스위칭 소자 및 하위측의 내측 스위칭 소자에 의한 제3 세트의 각각을 2소자 내장 파워 모듈을 이용하여 구성한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 2소자 내장 파워 모듈로서의 특징을 충분히 발휘할 수 있는 파워 모듈 및 그것을 이용한 3레벨 전력 변환 장치를 제공할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
도 1은 실시 형태 1에 따른 3레벨 전력 변환 장치의 부분 회로도이다.
도 2는 2소자 내장 파워 모듈로서 구성한 실시 형태 1에 따른 파워 모듈의 개략 형상을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 2소자 내장 파워 모듈의 회로도이다.
도 4는 실시 형태 1에 따른 3레벨 전력 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 실시 형태 2에서 사용하는 2소자 내장 파워 모듈의 회로도이다.
도 6은 실시 형태 2에 따른 3레벨 전력 변환 장치의 부분 회로도이다.
도 7은 실시 형태 3, 4에서 사용하는 2소자 내장 파워 모듈의 회로 구성의 라인 업을 나타내는 도면이다.
도 8은 실시 형태 3에 따른 3레벨 전력 변환 장치의 부분 회로도이다.
도 9는 2소자 내장 4단자 파워 모듈에 있어서의 외부 접속 구조를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 실시 형태 4에 따른 3레벨 전력 변환 장치의 부분 회로도이다.
이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 따른 파워 모듈 및 3레벨 전력 변환 장치에 대해 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시 형태 1.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 전력 변환 장치의 부분 회로도이며, 철도 차량에 이용하기 매우 적합한 3레벨 전력 변환 장치에 있어서의 직류 회로 부분과 전력 변환 회로부의 일부분의 구성을 도시하고 있다. 이 3레벨 전력 변환 장치에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 3개의 2소자 내장 4단자 파워 모듈(1a~1c)이 마련되어 있다. 구체적으로 설명하면, 3레벨 전력 변환 장치의 구성에 있어서, 최상위 전위측의 외측에 위치하는 스위칭 소자(10a) 및 상위 전위측의 중성점 클램프 다이오드로서 동작하는 스위칭 소자(12a)를 제1 세트, 최하위 전위측의 외측에 위치하는 스위칭 소자(12b) 및 하위 전위측의 중성점 클램프 다이오드로서 동작하는 스위칭 소자(10b)를 제2 세트, 중간에 위치하는 2개의 내측 스위칭 소자(10c, 12c)를 제3 세트로서 구분하고, 제1 세트를 2소자 내장 4단자 파워 모듈(1a)로 구성하고, 제2 세트를 2소자 내장 4단자 파워 모듈(1b)로 구성하고, 제3 세트를 2소자 내장 4단자 파워 모듈(1c)로 구성하고 있다. 또한, 스위칭 소자(12a, 10b)는 각각이 상시 OFF로 되어, 다이오드(즉 일방향성 소자)로서 밖에 기능하지 않는 스위칭 소자이다.
다음으로, 실시 형태 1의 3레벨 전력 변환 장치에 이용되는 2소자 내장 파워 모듈에 대해 설명한다. 도 2는 2소자 내장 파워 모듈로서 구성한 실시 형태 1에 따른 파워 모듈의 개략 형상을 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시한 2소자 내장 파워 모듈의 회로도이다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 실시 형태 1에 따른 2소자 내장 파워 모듈(1)에서는, 스위칭 소자로서의 IGBT와, 소위 플라이 휠 다이오드(이하 「FWD」라고 표기)로서의 다이오드가 역병렬로 접속된 2개의 소자쌍인 제1 소자쌍(10) 및 제2 소자쌍(12)이 패키지 내에 수용되어 있다.
이들 도 2 및 도 3에 있어서, 제1 소자쌍(10)에서는, IGBT의 컬렉터와 FWD의 캐소드가 모듈 내에서 전기적으로 접속되고, 그 접속단은 인출(引出)되어서 2소자 내장 파워 모듈(1)의 상면에 마련된 컬렉터 제1 전극 C1에 접속됨과 아울러, IGBT의 이미터와 FWD의 애노드가 모듈 내에서 전기적으로 접속되고, 그 접속단은 인출되어서 2소자 내장 파워 모듈(1)의 상면에 마련된 이미터 제1 전극 E1에 접속되도록 구성되어 있다. 마찬가지로, 제2 소자쌍(12)에서는, IGBT의 컬렉터와 FWD의 캐소드가 모듈 내에서 전기적으로 접속되고, 그 접속단은 인출되어서 2소자 내장 파워 모듈(1)의 상면에 마련된 컬렉터 제2 전극 C2에 접속됨과 아울러, IGBT의 이미터와 FWD의 애노드가 모듈 내에서 전기적으로 접속되고, 그 접속단은 인출되어서 2소자 내장 파워 모듈(1)의 상면에 마련된 이미터 제2 전극 E2에 전기적으로 접속되도록 구성되어 있다.
또한, 도 2의 구조 및 도 3의 회로 구성으로부터 분명한 것처럼, 2소자 내장 파워 모듈(1)의 이미터 제1 전극 E1과 컬렉터 제2 전극 C2를, 도체 바 또는 래미네이트된 버스 바(laminated bus bar) 등으로 전기적으로 접속하면 제1 소자쌍(10)과 제2 소자쌍(12)이 직렬 접속된 레그를 구성할 수 있다.
다음으로, 실시 형태 1에 따른 3레벨 전력 변환 장치의 동작에 대해 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 실시 형태 1에 따른 3레벨 전력 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 설명도로서, 도 1의 회로도에 전류 경로를 부여하여 나타내고 있다. 또한, 이하의 설명에서는, 3레벨 전력 변환 장치의 교류단을 이루는 AC단으로부터 출력되는 전류가 양(오른쪽 방향)인 경우를 일례로서 설명한다.
우선, 최상위 전위측의 외측에 위치하는 스위칭 소자(이하 「최상위 외측 스위칭 소자」라고 함)(10a)와 상위측의 내측에 위치하는 스위칭 소자(이하 「상위 내측 스위칭 소자」라고 함)(10c)가 ON, 최하위 전위측의 외측에 위치하는 스위칭 소자(이하 「최하위 외측 스위칭 소자」라고 함)(12b)와 하위측의 내측에 위치하는 스위칭 소자(이하 「하위 내측 스위칭 소자」라고 함)(12c)가 OFF 되어 있으면, 상위측 직류단 P로부터의 전류가, 최상위 외측 스위칭 소자(10a)와 상위 내측 스위칭 소자(10c)에 흘러 AC단으로 출력된다(전류 경로 A).
다음으로, 최상위 외측 스위칭 소자(10a)가 OFF 되면, 중간 전위단 C로부터의 전류가, 스위칭 소자(12a)(상위 전위측의 중성점 클램프 다이오드)를 통과하여 상위 내측 스위칭 소자(10c)에 흘러 AC단에 출력된다(전류 경로 B). 여기서, 하위 내측 스위칭 소자(12c)가 ON되더라도 전류 경로는 변하지 않지만, 상위 내측 스위칭 소자(10c)가 OFF 되면, 하위측 직류단 N으로부터의 전류가, 최하위 외측 스위칭 소자(12b)와 하위 내측 스위칭 소자(12c)에 흘러 AC단으로 출력된다(전류 경로 C).
이와 같이 하여, 최상위 외측 스위칭 소자(10a), 최하위 외측 스위칭 소자(12b), 상위 내측 스위칭 소자(10c) 및 하위 내측 스위칭 소자(12c)에 있어서의 ON/OFF의 상태가, 최상위 외측 스위칭 소자(10a)：ON, 상위 내측 스위칭 소자(10c)：ON, 하위 내측 스위칭 소자(12c)：OFF, 최하위 외측 스위칭 소자(12b)：OFF → 최상위 외측 스위칭 소자(10a)：OFF, 상위 내측 스위칭 소자(10c)：ON, 하위 내측 스위칭 소자(12c)：OFF, 최하위 외측 스위칭 소자(12b)：OFF → 최상위 외측 스위칭 소자(10a)：OFF, 상위 내측 스위칭 소자(10c)：ON, 하위 내측 스위칭 소자(12c)：ON, 최하위 외측 스위칭 소자(12b)：OFF → 최상위 외측 스위칭 소자(10a)：OFF, 상위 내측 스위칭 소자(10c)：OFF, 하위 내측 스위칭 소자(12c)：ON, 최하위 외측 스위칭 소자(12b)：OFF → 최상위 외측 스위칭 소자(10a)：OFF, 상위 내측 스위칭 소자(10c)：OFF, 하위 내측 스위칭 소자(12c)：ON, 최하위 외측 스위칭 소자(12b)：ON → 최상위 외측 스위칭 소자(10a)：OFF, 상위 내측 스위칭 소자(10c)：OFF, 하위 내측 스위칭 소자(12c)：ON, 최하위 외측 스위칭 소자(12b)：OFF → …와 같이 변화해 간다.
이때, AC단으로부터 유출되는 전류와 AC단에 유입되는 전류에 의한 양음 양쪽의 전류를 고려하면, 이들 전류는, 최상위 외측 스위칭 소자(10a)와 스위칭 소자(12a)의 사이, 상위 내측 스위칭 소자(10c)와 하위 내측 스위칭 소자(12c)의 사이, 및 최하위 외측 스위칭 소자(12b)와 스위칭 소자(10b)의 사이를 전류(轉流)한다. 여기서, 실시 형태 1의 3레벨 전력 변환 장치에 있어서는, 모듈 내에 수용함으로써 저인덕턴스 구성이 가능해지는 2소자 내장 파워 모듈을, 각각 최상위 외측 스위칭 소자(10a) 및 스위칭 소자(12a), 상위 내측 스위칭 소자(10c) 및 하위 내측 스위칭 소자(12c), 및 최하위 외측 스위칭 소자(12b) 및 스위칭 소자(10b)의 조합으로 구성한 것이다. 이들 구성에 의해, 파워 모듈 내부의 저인덕턴스 회로가 철도 차량용 3레벨 전력 변환 장치에 필요한 저인덕턴스 회로에 기여한다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
이상과 같이, 실시 형태 1에 따른 3레벨 전력 변환 장치에 의하면, 2소자 내장 파워 모듈에 있어서의 한쪽 소자의 상위 전위 전극 및 하위 전위 전극 및 다른 쪽 소자의 상위 전위 전극 및 하위 전위 전극이 각각 인출된 2소자 내장 4단자 파워 모듈을 이용하여 구성하고 있으므로, 1종류의 파워 모듈을 사용하여 철도 차량용 3레벨 전력 변환 장치를 구성할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
또한, 3레벨 전력 변환 장치에 있어서의 직류 회로부의 구성에 있어서, 예를 들면 중간 전위단 C가 접지점인 경우, 각 스위칭 소자의 스위칭 상태가 변화할 때, 최상위 외측 스위칭 소자(10a) 및 스위칭 소자(12a)는 전위 P와 전위 C의 사이, 상위 내측 스위칭 소자(10c) 및 하위 내측 스위칭 소자(12c)는 전위 P와 전위 C의 사이 혹은 전위 C와 전위 N의 사이, 최하위 외측 스위칭 소자(12b)와 스위칭 소자(10b)는 전위 C와 전위 N의 사이를 오갈 뿐이고, 파워 모듈(1a~1c)은, 전압 E에 대한 대지 절연 내압이 있으면 좋다. 이 때문에, 실시 형태 1에 따른 3레벨 전력 변환 장치에 의하면, 직류 회로부의 전압의 1/2에 상당하는 전압에 대한 대지 절연 내압이 작은 파워 모듈을 이용하여 구성할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
또, 상술한 2소자 내장 파워 모듈(1)은 2레벨 전력 변환 장치에도 적용 가능하다는 것은 말할 필요도 없다. 이 때문에, 실시 형태 1에 따른 3레벨 전력 변환 장치에 의하면, 2레벨 전력 변환 장치와 공용 가능한 1종류의 파워 모듈을 사용하여 철도 차량용 3레벨 전력 변환 장치를 구성할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
실시 형태 2.
도 5는 실시 형태 2에서 사용하는 2소자 내장 파워 모듈의 회로도이고, 도 6은 실시 형태 2에 따른 3레벨 전력 변환 장치의 부분 회로도이다. 실시 형태 1에 따른 3레벨 전력 변환 장치에서는, 파워 모듈(1a)에 있어서의 스위칭 소자(12a)와 파워 모듈(1b)에 있어서의 스위칭 소자(10b)를 상시 OFF로 하는 실시 형태에 의해, 3레벨 전력 변환 장치를 구성하는 파워 모듈(1a~1c)을 모두 동일한 파워 모듈(1)(도 2 참조)을 이용하여 구성하고 있었다. 한편, 실시 형태 2의 3레벨 전력 변환 장치는, 도 2에 도시한 파워 모듈(1)과 도 5에 도시한 파워 모듈(2)을 이용하여 구성한 것이다.
파워 모듈(2)은, 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 소자쌍(20) 및 제2 소자(22)를 구비하여 구성된다. 제1 소자쌍(20)은 IGBT의 컬렉터와 FWD의 캐소드가 모듈 내에서 전기적으로 접속되고, 그 접속단이 인출되어서 컬렉터 전극 C1이 되고, IGBT의 이미터와 FWD의 애노드가 모듈 내에서 전기적으로 접속되고, 그 접속단이 인출되어서 이미터 전극 E1이 된다. 한편, 제2 소자(22)는, 도 2의 구성과는 달리 다이오드만이 마련되어, 다이오드의 캐소드가 인출되어서 캐소드 전극 K1이 되고, 다이오드의 애노드가 인출되어서 애노드 전극 A1이 된다. 또한, 도 5의 구성에 있어서, 각 전극의 인출 위치는 편의상의 것이며, 도시된 인출 위치로 한정되는 것은 아니다.
전동기를 구동하는 전력 변환 장치에서는, 브레이크 초퍼 회로를 가지는 경우가 있고, 도 5에 도시한 파워 모듈은 브레이크 초퍼용으로서 이용하는 것이 가능한 구성이다. 즉, 실시 형태 2에 따른 3레벨 전력 변환 장치는, 브레이크 초퍼용의 파워 모듈을 병용하는 것이 가능한 구성으로, 상위 내측 스위칭 소자(10c) 및 하위 내측 스위칭 소자(12c)를 포함하는 파워 모듈(1c)을 도 2의 파워 모듈(1)로 구성하고, 최상위 외측 스위칭 소자(20a) 및 상위 전위측의 중성점 클램프 다이오드(22a), 및 최하위 외측 스위칭 소자(20b) 및 하위 전위측의 중성점 클램프 다이오드(22b)를 도 5의 파워 모듈(2)로 구성한 것이다.
실시 형태 2에 따른 3레벨 전력 변환 장치에 의하면, 역병렬로 접속되는 스위칭 소자를 상시 OFF 하는 대신에, 당해 스위칭 소자를 생략하고 다이오드만을 마련하는 구성으로 했기 때문에, 실시 형태 1 보다도 중성점 클램프 다이오드에 대용량의 것을 사용할 수 있음과 아울러, 간소한 구성이 되기 때문에, 신뢰성이 향상되며, 코스트 및 사이즈의 삭감에도 연결된다고 하는 효과가 얻어진다.
또, 실시 형태 2에 따른 3레벨 전력 변환 장치에 의하면, 2레벨 전력 변환 장치와 공용 가능한 파워 모듈을 이용할 수 있음과 아울러, 브레이크 초퍼 회로와 공용 가능한 파워 모듈도 이용할 수 있으므로, 필요한 파워 모듈의 라인 업 수를 삭감할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
실시 형태 3.
도 7은 실시 형태 3, 4에서 사용하는 2소자 내장 파워 모듈의 회로 구성의 라인 업을 나타내는 도면이다. 보다 상세하게 설명하면, 도 7 (a)는, 실시 형태 3, 4의 3레벨 전력 변환 장치에서 사용하는 2소자 내장 파워 모듈이고, 도 7 (b), (c)는 실시 형태 4에서만 사용하는 2소자 내장 파워 모듈이다. 또한, 도 7 (b), (c)의 2소자 내장 파워 모듈에 대해서는, 실시 형태 4의 항에서 설명한다.
파워 모듈(3)은, 도 7 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 소자쌍(30) 및 제2 소자쌍(32)을 구비하여 구성된다. 제1 소자쌍(30)은 IGBT의 컬렉터와 FWD의 캐소드가 모듈 내에서 전기적으로 접속되고, 그 접속단이 인출되어서 컬렉터 전극 C1이 되고, IGBT의 이미터와 FWD의 애노드가 모듈 내에서 전기적으로 접속되고, 그 접속단이 인출되어서 이미터 전극 E1이 된다. 또, 제2 소자쌍(32)은 IGBT의 이미터와 FWD의 애노드가 모듈 내에서 전기적으로 접속되고, 그 접속단이 인출되어서 이미터 전극 E2이 되는 한편, IGBT의 컬렉터와 FWD의 캐소드가 모듈 내에서 제1 소자쌍(30)에 있어서의 IGBT의 이미터에 접속된다. 이 구성에 의해, 제2 소자쌍(32)의 컬렉터 전극 C1은 이미터 전극 E1과 일치한다. 또한, 각 전극의 인출 위치는 편의상의 것이며, 도시된 인출 위치로 한정되는 것은 아니다.
또, 도 8은 실시 형태 3에 따른 3레벨 전력 변환 장치의 부분 회로도이다. 실시 형태 1에 따른 3레벨 전력 변환 장치에서는, 파워 모듈(1a~1c)을 도 3에 도시한 것과 같은 4단자 모듈로 구성했지만, 실시 형태 3에 따른 3레벨 전력 변환 장치에서는, 도 7 (a)에 도시한 것과 같은 3단자 모듈로 구성하는 것으로 하고 있다. 구체적으로 설명하면, 최상위 외측 스위칭 소자(30a) 및 상위 전위측의 중성점 클램프 다이오드로서 동작하는 스위칭 소자(32a)를 포함하는 파워 모듈(3a), 최하위 외측 스위칭 소자(32b) 및 하위 전위측의 중성점 클램프 다이오드로서 동작하는 스위칭 소자(30b)를 포함하는 파워 모듈(3b), 및 상위 내측 스위칭 소자(30c) 및 하위 내측 스위칭 소자(32c)를 포함하는 파워 모듈(3c)을 도 7 (a)에 도시한 파워 모듈(3)로 구성하고 있다.
실시 형태 3에 따른 3레벨 전력 변환 장치에 의하면, 최상위 외측 스위칭 소자(30a)와 스위칭 소자(32a)의 사이, 최하위 외측 스위칭 소자(32b)와 스위칭 소자(30b)의 사이, 및 상위 내측 스위칭 소자(30c)와 하위 내측 스위칭 소자(32c) 사이의 전기적 접속을 파워 모듈의 외부에서 접속할 필요가 없기 때문에, 실시 형태 1 보다도 저인덕턴스 회로를 실현할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
도 9는 2소자 내장 4단자 파워 모듈에 있어서의 외부 접속 구조를 모식적으로 나타내는 도면이다. 2소자 내장 4단자 파워 모듈을 사용하는 경우, AC 단자부(60)를 외부 접속으로 구성할 필요가 있기 때문에, PN 접속 도체(직류 회로부와 각 스위칭 소자를 접속하기 위한 직류 배선)(62)의 사이에서 스페이스 쟁탈이 생긴다. 이 경우, 예를 들면 도 9 (b)에 도시한 바와 같이, PN 접속 도체(62)를 피해 배선하는 경우에는 필연적으로 접속 도체 길이가 길어져, 인덕턴스의 증가는 피할 수 없다. 한편, 실시 형태 3과 같이, 2소자 내장 3단자 파워 모듈을 이용하여 구성하는 경우에는, AC 단자부(60)의 접속 도체 길이의 증가를 억제할 수 있으므로, 인덕턴스의 저감에 큰 효과가 얻어진다.
실시 형태 4.
도 10은 실시 형태 4에 따른 3레벨 전력 변환 장치의 부분 회로도이다. 실시 형태 3에 따른 3레벨 전력 변환 장치에서는, 2소자 내장 3단자 파워 모듈을 이용하는 구성으로 한 다음, 파워 모듈(3a)에 있어서의 스위칭 소자(32a)와 파워 모듈(3b)에 있어서의 스위칭 소자(30b)를 상시 OFF로 하는 실시 형태에 의해, 3레벨 전력 변환 장치를 구성하는 파워 모듈(3a~3c)을 모두 동일한 파워 모듈(3)(도 7 (a) 참조)을 이용하여 구성하고 있었다. 한편, 실시 형태 4의 3레벨 전력 변환 장치는, 도 7 (a)에 도시한 파워 모듈(3)에 더하여, 도 7 (b)에 도시한 파워 모듈(4) 및 도 7 (c)에 도시한 파워 모듈(5)을 이용하여 구성한 것이다.
파워 모듈(4)은, 도 7 (b)에 도시한 바와 같이, 제1 소자쌍(40) 및 제2 소자(42)를 구비하여 구성된다. 제1 소자쌍(40)은 IGBT의 컬렉터와 FWD의 캐소드가 모듈 내에서 전기적으로 접속되고, 그 접속단이 인출되어서 컬렉터 전극 C1이 되고, IGBT의 이미터와 FWD의 애노드가 모듈 내에서 전기적으로 접속되고, 그 접속단이 인출되어서 이미터 전극 E1이 된다. 한편, 제2 소자(42)는, 도 5의 경우와 마찬가지로, 다이오드만이 마련되고, 다이오드의 애노드가 인출되어서 애노드 전극 A1이 되고, 다이오드의 캐소드는 모듈 내부에 있어서, 제1 소자쌍(40)의 IGBT의 이미터에 접속된다. 이 구성에 의해, 캐소드 전극 K1은 이미터 전극 E1과 일치한다. 또한, 각 전극의 인출 위치는 편의상의 것이며, 도시된 인출 위치로 한정되는 것은 아니다.
마찬가지로, 파워 모듈(5)은, 도 7 (c)에 도시한 바와 같이, 제1 소자쌍(50) 및 제2 소자(52)를 구비하여 구성된다. 제1 소자쌍(50)은, IGBT의 컬렉터와 FWD의 캐소드가 모듈 내에서 전기적으로 접속되고, 그 접속단이 인출되어서 컬렉터 전극 C1이 되고, IGBT의 이미터와 FWD의 애노드가 모듈 내에서 전기적으로 접속되고, 그 접속단이 인출되어서 이미터 전극 E1이 된다. 한편, 제2 소자(52)는, 도 7 (b)의 경우와 마찬가지로, 다이오드만이 마련되고, 다이오드의 캐소드가 인출되어 캐소드 전극 K1이 되고, 다이오드의 애노드는 모듈 내부에 있어서, 제1 소자쌍(50)에 있어서의 IGBT의 컬렉터에 접속된다. 이 구성에 의해, 애노드 전극 A1은 컬렉터 전극 C1과 일치한다. 또한, 각 전극의 인출 위치는 편의상의 것이며, 도시된 인출 위치로 한정되는 것은 아니다.
실시 형태 2의 항에서도 설명했지만, 전동기를 구동하는 전력 변환 장치에서는, 브레이크 초퍼 회로를 가지는 경우가 있고, 도 7 (b), (c)에 도시한 파워 모듈은 브레이크 초퍼용으로서 이용하는 것이 가능한 구성이다. 즉, 실시 형태 4에 따른 3레벨 전력 변환 장치는, 브레이크 초퍼용의 파워 모듈을 병용하는 것이 가능한 구성이며, 상위 내측 스위칭 소자(30c) 및 하위 내측 스위칭 소자(32c)를 포함하는 파워 모듈(3c)을 도 7 (a)에 도시한 파워 모듈(3)로 구성하고, 최상위 외측 스위칭 소자(40a) 및 상위 전위측의 중성점 클램프 다이오드(42a)를 도 7 (b)에 도시한 파워 모듈(4)로 구성하고, 최하위 외측 스위칭 소자(50b) 및 하위 전위측의 중성점 클램프 다이오드(52b)를 도 7 (c)에 도시한 파워 모듈(5)로 구성한 것이다.
실시 형태 4에 따른 3레벨 전력 변환 장치에 의하면, 역병렬로 접속되는 스위칭 소자를 상시 OFF 하는 대신에, 당해 스위칭 소자를 생략하고 다이오드만을 마련하는 구성으로 했기 때문에, 실시 형태 3보다도 중성점 클램프 다이오드에 대용량의 것을 사용할 수 있음과 아울러, 간소한 구성이 되기 때문에, 실시 형태 3보다도 신뢰성이 향상되며, 코스트 및 사이즈의 삭감에도 연결된다고 하는 효과가 얻어진다.
또, 실시 형태 4에 따른 3레벨 전력 변환 장치에 의하면, 2레벨 전력 변환 장치와 공용 가능한 파워 모듈을 이용할 수 있음과 아울러, 브레이크 초퍼 회로와 공용 가능한 파워 모듈도 이용할 수 있으므로, 필요한 파워 모듈의 라인업 수를 삭감할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
또, 실시 형태 4에 따른 3레벨 전력 변환 장치에 의하면, 2소자 내장 파워 모듈에 있어서의 한쪽 소자의 상위 전위 전극 및 다른 쪽 소자의 하위 전위 전극이 각각 인출되어서 제1 및 제2 단자를 이룸과 아울러, 한쪽 소자의 하위 전위 전극과 다른 쪽 소자의 상위 전위 전극이 접속되어서 공통 단자를 이룬 2소자 내장 3단자 파워 모듈을 이용하여 구성하고 있으므로, 공통 단자가 되는 부위를 파워 모듈의 외부에서 접속할 필요가 없어져, 실시 형태 3 보다도 저인덕턴스의 회로를 실현할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
실시 형태 5.
철도 차량용의 전력 변환 장치에 사용되는 대용량 파워 모듈로서 입수 가능한 정격의 것은, 예를 들면 3300V/1500A, 4500V/1200A, 6500V/750A 등이 최대급의 것이다. 이러한 파워 모듈에서는, 볼트 장착이나 냉각면(冷却面)의 평면도(平面度) 관리 등의 제약에 의해, 140mm×190mm의 베이스 사이즈이고, 현재 상태로서는, 모두 1 소자 내장 파워 모듈로서 구성하고 있다. 이와 같이, 최대급의 대용량의 파워 디바이스에서는, 기계적 제약의 관계로부터 1소자 내장으로 되어 있기 때문에, 실시 형태 1~4에 따른 3레벨 전력 변환 장치를 용이하게 실현하려면, 중용량의 파워 모듈을 이용하는 것이 바람직하다.
여기서, 실시 형태 5에서는, 실시 형태 1~4의 파워 모듈을 실현하는 반도체 재료로서, 예를 들면 SiC나 GaN과 같은 와이드 밴드 갭 반도체를 이용하기로 한다. 와이드 밴드 갭 반도체를 이용하면, 발생 손실을 저감시킬 수 있고, 같은 전류정격의 파워 모듈이면, Si 등의 네로우 밴드 갭 반도체를 이용하는 것보다도, 소형화하는 것이 가능해진다. 즉, 실시 형태 1~4에 따른 파워 모듈을 실현하는 반도체 재료로서 와이드 밴드 갭 반도체를 이용하여 형성하도록 하면, 예를 들면 대용량의 철도 차량용 전력 변환 장치를 구성하는 경우여도, 2소자 내장 파워 모듈을 이용하여 구성할 수 있으므로, 냉각기의 평면도 관리가 용이해져, 작업성이 향상된다고 하는 효과가 얻어진다.
또한, 이상의 실시 형태 1~5에 나타낸 구성은, 본 발명의 구성의 일례이며, 다른 공지의 기술과 조합시키는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위의 여러 가지의 변경도 허용될 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
추가로, 이상의 실시 형태에서는, 전기 철도 분야로의 적용을 상정한 DCDC 변환 장치를 대상으로 하여 발명 내용의 설명을 실시하고 있지만, 적용 분야는 이것으로 한정되는 것이 아니고, 여러 가지의 산업 응용 분야(예를 들면 전력 계통용, 공작 기계용 등)로의 응용이 가능한 것도 말할 필요도 없다.
[산업상의 이용 가능성]
이상과 같이, 본 발명은 2소자 내장 파워 모듈로서의 특징을 충분히 발휘할 수 있는 파워 모듈 및 3레벨 전력 변환 장치로서 유용하다.
1, 1a~1c, 2, 3, 3a~3c, 4, 5: 파워 모듈
10, 20, 30, 40, 50: 제1 소자쌍
12, 32: 제2 소자쌍
22, 42, 52: 제2 소자
10a, 20a, 30a, 40a: 최상위 외측 스위칭 소자
12b, 20b, 32b, 50b: 최하위 외측 스위칭 소자
10c, 30c: 상위 내측 스위칭 소자
12c, 32c: 하위 내측 스위칭 소자
12a, 32a: 상위 전위측의 중성점 클램프 다이오드로서 동작하는 스위칭 소자
10b, 30b: 하위 전위측의 중성점 클램프 다이오드로서 동작하는 스위칭 소자
22a, 22b, 42a, 52b: 중성점 클램프 다이오드
60: AC 단자부
62: PN 접속 도체

Claims (16)

  1. 전력 변환 회로부를 구성하는 최상위 전위측의 외측 스위칭 소자 및 상위 전위측의 중성점 클램프 다이오드에 의한 제1 세트, 최하위 전위측의 외측 스위칭 소자 및 하위 전위측의 중성점 클램프 다이오드에 의한 제2 세트, 및 상위 전위측의 내측 스위칭 소자 및 하위 전위측의 내측 스위칭 소자에 의한 제3 세트의 각각 모두를 2소자 내장 파워 모듈을 이용하여 구성하고,
    상기 최상위 전위측의 외측 스위칭 소자와 상기 상위 전위측의 내측 스위칭 소자가 ON 되고, 상기 하위 전위측의 내측 스위칭 소자와 상기 최하위 전위측의 외측 스위칭 소자가 OFF 되는 제1 스위칭 상태와,
    상기 상위 전위측의 내측 스위칭 소자와 상기 하위 전위측의 내측 스위칭 소자가 ON 되고, 상기 최상위 전위측의 외측 스위칭 소자와 상기 최하위 전위측의 외측 스위칭 소자가 OFF 되는 제2 스위칭 상태와,
    상기 하위 전위측의 내측 스위칭 소자와 상기 최하위 전위측의 외측 스위칭 소자가 ON 되고, 상기 최상위 전위측의 외측 스위칭 소자와 상기 상위 전위측의 내측 스위칭 소자가 OFF 되는 제３ 스위칭 상태에 있어서,
    상기 제1 스위칭 상태와 상기 제2 스위칭 상태를 전환하거나, 또는 상기 제2 스위칭 상태와 상기 제３ 스위칭 상태를 전환하고,
    상기 2소자 내장 파워 모듈에 있어서의 상기 스위칭 소자가 와이드 밴드 갭 반도체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 3레벨 전력 변환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 세트를 구성하는 상기 2소자 내장 파워 모듈은, 한쪽 소자 소자쌍의 상위 전위 전극 및 하위 전위 전극 및 다른 쪽 소자쌍의 상위 전위 전극 및 하위 전위 전극이 각각 인출된 2소자 내장 4단자 파워 모듈인 것을 특징으로 하는 3레벨 전력 변환 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 세트를 구성하는 상기 2소자 내장 파워 모듈은, 한쪽 소자 소자쌍의 상위 전위 전극, 다른 쪽 소자쌍의 하위 전위 전극 및 한쪽 소자쌍의 하위 전위 전극과 다른 쪽 소자쌍의 상위 전위 전극의 접속단이 각각 인출된 2소자 내장 3단자 파워 모듈인 것을 특징으로 하는 3레벨 전력 변환 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상위 전위측의 내측 스위칭 소자가 ON 되고, 상기 최상위 전위측의 외측 스위칭 소자와 상기 하위 전위측의 내측 스위칭 소자와 상기 최하위 전위측의 외측 스위칭 소자가 OFF 되는 제4 스위칭 상태를 통해서, 상기 제1 스위칭 상태와 상기 제2 스위칭 상태의 전환을 행하고,
    상기 하위 전위측의 내측 스위칭 소자가 ON 되고, 상기 최상위 전위측의 외측 스위칭 소자와 상기 상위 전위측의 내측 스위칭 소자와 상기 최하위 전위측의 외측 스위칭 소자가 OFF 되는 제5 스위칭 상태를 통해서, 상기 제2 스위칭 상태와 상기 제３ 스위칭 상태의 전환을 행하는 것을 특징으로 하는 3레벨 전력 변환 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 와이드 밴드 갭 반도체는, 탄화 규소, 질화 갈륨계 재료, 또는 다이아몬드를 이용한 반도체인 것을 특징으로 하는 3레벨 전력 변환 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    철도 차량용 3레벨 전력 변환 장치인 것을 특징으로 하는 3레벨 전력 변환 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 세트, 상기 제2 세트 및 상기 제3 세트의 각각 모두를 다이오드와 스위칭 소자가 역병렬로 접속된 2개의 소자쌍을 가지는 동일 구성의 2소자 내장 파워 모듈을 이용하여 구성하는 것을 특징으로 하는 3레벨 전력 변환 장치.

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