WO2016031295A1 - ３レベル電力変換装置 - Google Patents

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WO2016031295A1 PCT/JP2015/061544 JP2015061544W WO2016031295A1 WO 2016031295 A1 WO2016031295 A1 WO 2016031295A1 JP 2015061544 W JP2015061544 W JP 2015061544W WO 2016031295 A1 WO2016031295 A1 WO 2016031295A1
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terminal
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丸山　宏二
田中　孝明
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富士電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a three-level power converter using a semiconductor switch module, and more particularly to a wiring structure of a capacitor and a module.
  • a circuit for one phase of a general three-level single-phase inverter or multi-phase inverter is configured as shown in FIG.
  • the inverter is a circuit that converts DC power into AC power, but as is well known, it also operates to convert AC power into DC power.
  • reference numeral 1 denotes a DC power supply, and its voltage is divided by capacitors 2 and 3 to form three potentials P, M and N.
  • Reference numerals 4 to 7 denote semiconductor switch elements capable of intermittently controlling forward current and always conducting with reverse current. This semiconductor switch element is shown here by a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) and a diode connected in antiparallel. The semiconductor switch elements 6 and 7 are connected in series in the reverse direction, thereby constituting a so-called bi-directional switch capable of controlling current interruption in both forward and reverse directions.
  • the semiconductor switch elements 4 and 5 are connected in series to constitute one phase upper and lower arms 11.
  • a bidirectional switch configured by connecting the semiconductor switch elements 6 and 7 in series to the upper and lower arms 11 is referred to as an intermediate arm 12.
  • the potential of the AC output terminal U is equal to the potential of the high potential end P of the DC power supply 1 when the semiconductor switch element 4 of the upper and lower arms 11 is turned on.
  • the semiconductor switch element 5 When the semiconductor switch element 5 is turned on It becomes equal to the potential of the low potential end N of the power supply 1.
  • the semiconductor switch element 6 or 7 of the intermediate arm when the semiconductor switch element 6 or 7 of the intermediate arm is turned on, the potential at the AC output terminal U becomes equal to the potential at the midpoint M of the two capacitors 2 and 3, ie, the intermediate potential of the DC power supply 1.
  • the circuit of FIG. 11 constitutes a three-level inverter which can select the potential of the AC output terminal U at three voltage levels according to the on state of each semiconductor switch element.
  • the three-level inverter circuit generating such three-level output is characterized in that the withstand voltage of the semiconductor switch elements 6, 7 constituting the intermediate arm 12 is 1/2 of the semiconductor switch elements 4, 5 of the upper and lower arms 11. There is. Further, the conduction loss and the switching loss generated in the semiconductor switch elements of the upper and lower arms and the intermediate arm differ depending on the operating conditions (power factor and modulation factor). For this reason, depending on the operating conditions of the device to which this circuit is applied, the semiconductor switch elements constituting the upper and lower arms and the intermediate arm change in specifications suitable for the withstand voltage, the switching characteristics, and the like.
  • a surge voltage is generated due to a current change rate (di / dt) at the time of switching operation and a parasitic inductance existing on the circuit, which causes an overvoltage of the semiconductor switch element. It is often a problem. Since this problem similarly occurs in the above three-level inverter circuit, it is necessary to minimize the parasitic inductance of the direct current loop current path.
  • Patent Document 1 discloses three connection conductors of a connection conductor connected to a high potential point P, a connection conductor connected to an intermediate potential point M, and a connection conductor connected to a low potential point N There is disclosed a technique for reducing the inductance of a wiring by forming a conductor as a laminate structure in which these flat conductors are disposed close to each other via an insulator.
  • FIG. 12 shows the wiring structure described in Patent Document 1 mentioned above.
  • 12 shows a wiring structure of a three-phase three-level inverter, wherein Cd1 to Cd4 are DC capacitors, 18, 19 and 20 are phase modules shown in FIG. 11 containing semiconductor switching elements, and 29 is a flat P potential connecting conductor bar
  • Reference numeral 30 denotes a flat M-potential connection conductor bar
  • 31 denotes a flat N-potential connection conductor bar.
  • the DC capacitors Cd1 to Cd4 are disposed in the Y direction shown in the figure, which is the horizontal direction of the phase modules 18, 19 and 20, and the flat connection conductor bars 29, 30 and 31 are laminated via the insulating sheets 32 and 33 between them. Composed of connecting conductor bars of laminated structure.
  • the laminated connection conductor bar can reduce the parasitic inductance of the conductor portion by canceling out the magnetic flux due to the reciprocating current flowing through the conductor.
  • Patent Document 1 As described above, in the prior art, the connection conductor bars of the direct current circuit current path are arranged close to each other to reduce the parasitic inductance of the wiring.
  • Patent Document 1 one phase of the three-level inverter is configured It is assumed that the semiconductor switch elements of the upper and lower arms and the intermediate arm are housed in one and the same package as one module. Therefore, Patent Document 1 does not disclose anything about the wiring structure in the case where the upper and lower arms and the intermediate arm are configured as separate modules and these are combined to configure a three-level inverter circuit.
  • high-speed semiconductor switching devices such as, for example, SiC-MOSFETs and the like formed of silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN) based materials, or wide band gap (WBG) semiconductors such as diamond appear.
  • SiC silicon carbide
  • GaN gallium nitride
  • WBG wide band gap
  • the object of the present invention is to form a three-level power conversion device with a plurality of modules accommodating semiconductor switching elements, and to minimize the wiring inductance of the DC loop current path in this device. To realize the wiring structure.
  • the present invention is A first module containing upper and lower arms constituting a three-level power conversion circuit; A second module that accommodates an intermediate arm that constitutes a three-level power conversion circuit, and is arranged adjacent to and adjacent to the first module; A flat high-potential connection terminal plate connected to the connection terminal on the upper surface of the first module and being drawn out in the vertical direction by connecting the lower end to the connection terminal; A flat low-potential connection terminal plate connected to the connection terminal on the upper surface of the first module and drawn out in the vertical direction by connecting the lower end to the connection terminal; A flat-plate-like intermediate potential connection terminal plate having a lower end connected to the connection terminal on the upper surface of the second module and drawn out in the vertical direction, and an external connection end portion is formed on the upper end thereof; Equipped with The high potential connection terminal board, the low potential connection terminal board, and the intermediate potential connection terminal board are stacked closely in parallel with one another, and terminals of DC capacitors are connected to respective external connection ends. Do.
  • the terminal connection portion connected to the connection terminal on the upper surface of each module and the external connection end portion be arranged diagonally on the connection terminal plate.
  • connection terminals on the upper surface of the first module and the second module are pin-like terminals, and can be arranged in the same array on the upper surface of each module, and each terminal is two pin terminals Composed of
  • a plurality of module pairs consisting of the first module and the second module are arranged such that the first module and the second module are alternately adjacent to each other,
  • the high potential connection terminal board, the low potential connection terminal board, and the intermediate potential connection terminal board are formed across all the modules of the plurality of module pairs,
  • the plurality of module pairs can be connected in parallel by the high potential connection terminal board, the low potential connection terminal board, and the intermediate potential connection terminal board.
  • the semiconductor switch element included in the first module may be formed of a wide band gap semiconductor.
  • the first module containing the upper and lower arms constituting the three-level inverter and the intermediate arm are accommodated, and the second module is separately provided.
  • the connection terminal plates drawn out from the respective modules are arranged close to each other in parallel via insulating plates, the wiring inductance of the direct current loop current path in the three-level inverter can be minimized.
  • the connection terminal plates are simply extended in common, so the wiring inductances of the respective DC loop paths are made small and almost even, and the current sharing Unbalance can be suppressed.
  • the circuit block diagram of the single phase part of the 3 level inverter which shows the Example of this invention The perspective view showing the appearance of the 1st module which stored the upper and lower arms used for this invention, and the 2nd module which stored the middle arm.
  • the 1st Example of this invention is shown, and it is a perspective view which shows the external appearance of the module assembly of a 3 level inverter.
  • the 1st Example of this invention is shown, and the perspective view which decomposes
  • the 1st Example of this invention It is a flowchart showing the assembly procedure of a module assembly.
  • the 1st Example of this invention is shown, (a) is a perspective view which shows the external appearance of a capacitor
  • the 2nd Example of this invention is shown, and it is a perspective view which shows the external appearance of 2 parallel module assembly.
  • the 3rd Example of this invention is shown, and it is a perspective view which shows the external appearance of 3 parallel module assembly.
  • the circuit block diagram which shows the structure for single phases of a common 3 level inverter.
  • the wiring structure of the conventional three level inverter is shown, (a) Top view, (b) Side view.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention, and is a circuit diagram of one phase of a three-level inverter.
  • FIG. 1 a circuit in which semiconductor switches 4 and 5 configured by MOSFETs, which are upper and lower arms of a three-level inverter, are connected in series is accommodated in a first module 20.
  • the bidirectional switch serving as an intermediate arm of the three-level inverter is composed of diodes 10 and 11 and IGBTs 12 and 13, which are accommodated in the second module 30.
  • the semiconductor switches applied to the upper and lower arms and the intermediate arms are not limited to the example shown in FIG. 1, and various high speed switching devices such as wide band gap semiconductor materials such as SiC (silicon carbide) which are being put into practical use recently.
  • a semiconductor switch can be used.
  • a high potential connection terminal 20P connected to the high potential terminal P of the DC power supply, a low potential connection terminal 20N connected to the low potential terminal N, an output terminal 20U for extracting AC output, and the semiconductor switch 4 , And 5 and the auxiliary source terminals 20S4 and 20S5 are drawn out.
  • intermediate potential connection terminal 30M connected to intermediate potential terminal M of DC power supply
  • connection terminal 30U connected to output terminals 20U of upper and lower arms
  • gate connection of semiconductor switches 12 and 13 The terminals 30G12 and 30G13 and the auxiliary emitter terminals 30E12 and 30E13 are pulled out.
  • the DC capacitors 2 and 3 are connected between the high potential terminal P and the low potential terminal N of the DC power source 1 and the intermediate potential terminal M, respectively.
  • the high potential terminal P connected to the capacitor 2 and the high potential connection terminal 20P of the upper and lower arm modules 20 are connected by the high potential connection conductor 40P.
  • the low potential terminal N connected to the capacitor 3 and the low potential connection terminal 20N of the upper and lower arm modules 20 are connected by the low potential connection conductor 40N.
  • the intermediate potential connection terminal 30M of the intermediate arm module 30 and the intermediate potential terminal M are connected by the intermediate potential connection conductor 40M.
  • the output terminal 20U of the upper and lower arm modules 20 and the output end connection terminal 30U of the intermediate arm 30 are connected by the output connection conductor 40U.
  • FIG. 2 shows an appearance of a module 20 constituting the upper and lower arms of FIG. 1 and a module 30 constituting the intermediate arm.
  • Each module is airtightly packaged in an insulating resin block containing semiconductor switch elements.
  • a plurality of connection terminals are disposed on the upper surface of the block, and mounting holes 20e, 30e through which mounting screws for clamping and connecting the module to a heat dissipation substrate are provided at both ends.
  • connection terminals provided in both modules 20 and 30 are respectively constituted by a pair of pin electrodes, and are arranged in substantially the same manner in both modules.
  • the connection terminals 20P, 20N and 20U of the upper and lower arm modules 20 are the high potential connection terminal 20P, the low potential connection terminal 20N and the output connection terminal 20U of the upper and lower arm module 20 of FIG.
  • the connection terminals 20G4 and 20G5 of the module 20 are gate terminals of the semiconductor switches 4 and 5 of the upper and lower arms 20 in FIG. 1, and 20S4 and 20S5 are auxiliary source terminals.
  • connection terminals 30M and 30U of the intermediate arm module 30 are the intermediate potential connection terminal 30M and the output terminal 30U of the intermediate arm module 30 of FIG.
  • the connection terminals 30G12 and 30G13 of the intermediate module 30 are gate terminals of the semiconductor switches 12 and 13 of the intermediate arm 30 of FIG. 1, and 30E12 and 30E13 are auxiliary emitter terminals.
  • the terminal 30 B of the intermediate arm module 30 is a vacant terminal not used for electrical connection provided to arrange the terminal arrangement of the intermediate arm module 30 in the same arrangement as the terminal arrangement of the upper and lower arm modules 20.
  • FIG. 3 is an assembly configuration diagram of a one-phase unit of a three-level inverter in which the connection terminal board assembly 40 according to the present invention is disposed in a coupled manner to the two modules 20 and 30 shown in FIG.
  • the modules 20 and 30 are disposed close to and in parallel on the cooling substrate 70 formed of a heat dissipating member, and are attached and fixed by a mounting screw 40c.
  • a connection terminal plate assembly 40 is fixedly arranged vertically across the two modules 20 and 30 arranged in parallel.
  • connection terminal plate assembly 40 is configured by overlapping a plurality of vertically standing terminal plates and insulating plates, and therefore details thereof can not be easily seen in FIG. Reference is made to FIG. 4 in the following description.
  • the output terminal plate 41 is a connection terminal plate serving as a connection conductor 40U (FIG. 1) connecting the output terminals 20U and 30U of both modules, and is formed of a flat conductive material. At the left end side in FIG. 4, there is provided a connection end 41 a bent at a right angle over the entire width. The connection end 41a is provided with a fitting hole 41e for inserting and fitting the pin-shaped connection terminals 20U and 30U of both modules. Further, a fixing screw 41 c for fixing and supporting the terminal plate 41 on the cooling substrate 70 and a spacer 41 d made of an insulating material are coupled to the right end side of the terminal plate 41. Further, the terminal plate 41 is provided with screw insertion holes 41f for inserting mounting screws at positions facing the mounting holes 20e and 30e of the modules when coupled to the modules 20 and 30.
  • connection terminal plates 44 and 48 are terminal plates to be the low potential connection conductor 40N and the high potential conductor 40P in FIG. 1, respectively, and are formed of a flat conductive material.
  • Terminal connection portions 44a and 48a for connecting to the connection terminals 20N and 20P of the module 20 are formed at right angles in the lower ends of the tip side (the module 20 side) in FIG. ing.
  • external connection end portions 44 b and 48 b constituted by screw terminals for connection with the outside are made at right angles It is bent and formed.
  • the external connection ends 44b and 48b project in opposite directions.
  • the terminal connection portions 44a and 48a are provided with fitting holes 44e and 48e for inserting and fitting the pin-shaped connection terminals 20N and 20P of the module 20, respectively.
  • connection terminal plate 46 is a terminal plate to be the intermediate potential connection conductor 40M in FIG. 1 and is formed of a flat conductive material.
  • a terminal connection portion 46a for connecting to the connection terminal 30M of the module 30 is bent at a right angle at the lower end of the front end side (the module 30 side).
  • an external connection end 46b constituted by screw terminals for connection with the outside is bent at a right angle to form There is.
  • Attached to the connection terminal plate 46 is an auxiliary terminal plate 46s that is coupled to the external connection end 46b and causes the left and right sides to project.
  • the insulating plates 42 and 43 are insulating plates inserted between the output terminal plate 41 and the low potential connection terminal plate 44.
  • the lower end side of the outermost insulating plate 42 is bent outward to increase the insulation creeping distance, and the upper end thereof is a recess 42g for passing the external connection end 44b of the connection terminal plate 44, and the connection terminal plate 46.
  • a concave portion 42h for passing the external connection portion 46b and the auxiliary terminal plate 46s is formed.
  • the insulating plate 45 is an insulating plate inserted between the connection terminal plates 44 and 46, and has a recess 45g for passing the auxiliary terminal plate 46s of the connection terminal plate 46 on the tip end side of the upper end.
  • the insulating plate 47 is an insulating plate inserted between the connection terminal plates 46 and 48, and has a recess 47g for passing the auxiliary terminal plate 46s of the connection terminal plate 46 at the back side (module 20 side) of the upper end .
  • the insulating plate 49 is an insulating plate inserted between the connection terminal plate 48 and the gate circuit board 50 disposed outside thereof.
  • Gate circuit board 50 is formed of a printed circuit board provided with a gate drive circuit of semiconductor switches of each module (not shown), and gate connection terminals 20G and 30G of modules 20 and 30, auxiliary source terminal 20S, auxiliary emitter terminal A gate terminal connection hole 50e for connection to 30E is provided. Further, the gate circuit board 50 is provided with a screw insertion hole 50f for inserting the mounting screw 40c at a position facing the mounting holes 20e and 30e of the module when coupled to the modules 20 and 30.
  • connection terminal plates and insulating plates have a width W40 that is equal to the total width Wm of two adjacent modules 20 and 30 arranged in parallel, as shown in FIG.
  • the width of the insulating plate should be slightly larger than the full width Wm of the module so that the insulating plate slightly protrudes from the side edge of the module.
  • FIG. 1 An assembling procedure of such a three-level inverter provided with the upper and lower arm modules 20, the intermediate arm module 30, the connecting terminal plate assembly 40 and the gate circuit board 50 is shown in FIG.
  • the module 20 containing the upper and lower arms constituting the three-level inverter and the module 30 containing the intermediate arm are arranged side by side with the gate terminals 20G and 30G in parallel with the left hand front. To place. At this time, the left front end and the right rear end of the modules are aligned so that the connection terminals of each column of each module are arranged in the same column.
  • connection terminal plate 41 is horizontally mounted on both the right rear end side of the modules 20 and 30 so that the output connection of each module is connected to each fitting hole 41e.
  • the terminals 20U and 30U are inserted and fitted.
  • connection terminals 20U and 30U and connection terminal plate 41 are electrically and mechanically coupled. , Fix the connection terminal plate 41.
  • connection terminal plate 41 When the connection terminal plate 41 is fixed on the modules 20, 30, the insulating plates 42 and 43 are sequentially arranged vertically in front of it as shown in FIGS. 5 (c) and 5 (d).
  • connection terminal plate 44 is vertically disposed in front of the insulating plate 43 as shown in FIG. 5 (e).
  • the connection terminal 20N of the module 20 is inserted and fitted into the fitting hole 44e of the connection end 44a of the terminal plate 44, and the connection terminal plate 44 and the connection terminal 20N are electrically and mechanically formed by appropriate means.
  • the connection terminal plate 44 is fixed by bonding.
  • the insulating plate 45 is vertically disposed in front of the connection terminal plate 44.
  • the intermediate potential connection terminal plate 46 is vertically disposed in front of the insulating plate 45 as shown in FIG. 5 (g).
  • the intermediate potential connection terminal 30M of the module 30 is inserted and fitted into a fitting hole 46e of the connection end 46a (not shown) of the connection terminal plate 46.
  • the connection terminal plate 46 and the connection terminal 30M are electrically and mechanically coupled by an appropriate means, and the connection terminal plate 46 is fixed.
  • the screw connection terminal portion 46b at the upper end portion of the connection terminal plate 46 projects to the right through the recess of each insulating plate.
  • connection terminal plate 48 is vertically disposed in front of the connection terminal plate 46.
  • the high potential connection terminal plate 48 is vertically disposed.
  • the high potential connection terminal 20P of the module 20 is inserted and fitted into the fitting hole 48e of the connection end portion 48a at the lower end of the connection terminal plate 48, and the connection terminal plate 48 and the connection terminal are electrically and mechanically coupled. And fix the connection terminal plate 48.
  • the insulating plate 49 is vertically disposed in front of the connection terminal plate 48 and the gate circuit plate 50 is horizontally disposed. Insert the gate connection terminals 20G4 and 20G5 of the module 20, the auxiliary source terminals 20S4 and 20S5, and the gate connection terminals 30G12 and 30G13 of the module 30, and the auxiliary emitter terminals 30E12 and 30E13 into the fitting holes 50e of the gate circuit board 50, respectively. Do. Then, the gate circuit board 50 is electrically and mechanically coupled and fixed to the gate terminal, the auxiliary source terminal and the auxiliary emitter terminal.
  • auxiliary terminal plate 46s is placed on the external connection end 46b of the intermediate potential connection terminal plate 46, and is electrically and mechanically coupled so that the screw connection terminal portion protrudes laterally.
  • FIG. 6 shows the appearance of the completed one-phase unit of the three-level inverter completed, and FIG. 7 shows a side view.
  • FIG. 6 (a) shows a DC capacitor 60.
  • the DC capacitor 60 is provided with two connection terminals 61 and 62, which are connected to the external connection end 44b and the auxiliary terminal plate 46, and to the connection terminal 44b and the auxiliary terminal plate 46. .
  • FIGS. 6B and 7 show the configuration of a one-phase unit of a three-level inverter in which two DC capacitors 60-1 and 60-2 are coupled to the module assembly.
  • FIG. 6 (b) the connection between the external connection end (44b, 46s, 48b) of the module assembly and the terminals (61-1, 62-1, 61-2, 62-2) of the capacitor is clear.
  • the capacitors 60-1 and 60-2 are shown as being transparent.
  • Capacitors 60-1 and 60-2 are respectively an external connection end 48b of high potential connection terminal plate 48 of the module assembly and an auxiliary terminal plate 46s coupled to external connection end 46b of intermediate potential connection terminal plate 46. And between the external connection end 44b of the low potential connection terminal plate 44 and the auxiliary terminal plate 46s coupled to the external connection end 46b of the intermediate potential connection terminal plate 46.
  • a one-phase unit of a three-level inverter having the circuit configuration shown in FIG. 1 is formed.
  • the high potential connection terminal plate 48, the intermediate potential connection terminal plate 46, and the low potential connection terminal plate 44 which form a direct current loop current path, closely overlap each other in parallel.
  • the wiring inductance of the direct current loop current path in the one-phase unit of the three-level inverter can be reduced.
  • the terminal connection part (44a, 46a, 48a) and the external connection end part (44b, 46b, 48b) which connect with the connection terminal of the module of each connection terminal board (44, 46, 48) are Since they are provided at diagonal positions of the upper and lower sides of the terminal plate, the wiring inductance of each connection terminal plate can be further reduced.
  • FIG. 8 (a) is a diagram showing the flow of current in each connection terminal board provided with connection end parts at diagonally opposite positions of the upper and lower sides of the connection terminal board according to the present invention.
  • FIG. 8B is a view showing the flow of current in the connection terminal plate provided at a position directly opposite the connection end portions on the upper and lower sides of the connection terminal plate for comparison with the present invention.
  • the terminal connection portion 48a for connection to the connection terminal of the module at the lower end of the high potential connection terminal plate 48 is positioned immediately above the module 20. It is provided close to the left side, and the external connection end 48 b at the upper end is provided so as to be positioned right above the module 30. Therefore, the terminal connection portion 48 a and the external connection end portion 48 b of the connection terminal plate 48 are placed at diagonal positions of the upper and lower sides of the connection terminal plate 48. As a result, in the connection terminal plate 48, current flows obliquely from the external connection end portion 48b to the terminal connection portion 48a as shown by the solid line arrow A.
  • connection terminal plate 46 serving as an intermediate potential connection conductor disposed opposite to the connection terminal plate 48
  • the terminal connection portion 46a at the lower end is provided close to the right so as to be located directly above the module 30
  • the connection end 46 b is provided close to the left end so as to be located immediately above the module 20.
  • the terminal connection portion 46 a and the external connection end 46 b are also placed at diagonal positions of the upper and lower sides of the connection terminal plate 46.
  • a current flows from the terminal connection portion 46 a to the external connection end 46 b in the direction inclined in the direction opposite to the arrow A in the connection terminal plate 46.
  • the wiring inductance of the direct current loop current path can be further reduced by the difference in the flow of the current.
  • FIG. 9 shows a second embodiment of the present invention.
  • two sets of a module 20 for accommodating the upper and lower arms and a module 30 for accommodating the intermediate arm are connected in parallel.
  • the insulating plate is omitted from the connection terminal plate assembly, and the configuration of the connection terminal plate assembly is simplified.
  • modules 20-1 and 20-2 containing two sets of upper and lower arms and modules 30-1 and 30-2 containing intermediate arms arrange the modules alternately in parallel.
  • the two sets of parallel arranged modules are provided in common with the connection terminal plates 44A, 46A and 48A and the gate circuit board 50A, which comprise two sets of modules 20-1, 20-2 and 30-1. , 30-2 are arranged.
  • the high potential connection terminal plate 48A is provided with two terminal connections (48a-1, 48a-2) for connection to the connection terminals of the modules 20-1 and 20-2 accommodating the upper and lower arms, and capacitors Two external connection ends (48b-1, 48b-2) are provided for connecting the like.
  • the low potential connection terminal plate 44A is provided with two terminal connection portions (not shown) for connecting to the connection terminals of the modules 20-1 and 20-2 accommodating the upper and lower arms, and for connecting a capacitor etc. Two external connection ends (44b-1, 44b-2) are provided.
  • the intermediate potential connection terminal plate 46A is provided with two terminal connections (46a-1, 46a-2) for connection to the connection terminals of the modules 30-1 and 30-2 accommodating the intermediate arm, and capacitors There are two external connection ends (46b-1, 46b-2) for connecting etc.
  • the capacitors are not shown here, but between the upper external connection end 48b-1 and 46b-1 of each connection terminal plate, between 44b-1 and 46b-1, 48b-2 and 46b. -Connect between 2 and between 44b-2 and 46b-2 respectively and place on top of the module.
  • each connection terminal plate and the external connection terminal portion are placed at diagonal positions for each set of modules.
  • the terminal connection portion 48a-1 is placed immediately above the module 20-1, and the external connection end portion 48b-1 is located immediately above the module 30-1 paired with the module 20-1.
  • another terminal connection portion 48a-2 is placed directly on the other set of modules 20-2, and the external connection end 48b-2 is paired with the module 20-2 and the module 30-2. It is placed directly above.
  • the wire inductance of each connection terminal plate can be reduced by the canceling action of the magnetic flux of the current flowing opposite to each other between the connection terminal plates. Then, since the terminal connection portion of each connection terminal plate and the external connection end portion are provided at the diagonal positions of each terminal plate, the wiring inductance of each connection terminal plate can be further reduced as in the first embodiment. Can be suppressed.
  • FIG. 10 shows a third embodiment of the present invention. This embodiment is an example in which a module accommodating three sets of upper and lower arms and a module accommodating an intermediate arm are connected in parallel. Similar to the second embodiment, FIG. 10 shows the connecting terminal plate assembly with the configuration simplified by omitting the insulating plate from the connecting terminal plate assembly.
  • the modules 20-1, 20-2 and 20-3 containing three sets of upper and lower arms and the modules 30-1, 30-2 and 30-3 containing intermediate arms have respective modules Arranged alternately in parallel.
  • Connecting terminal boards 44B, 46B and 48B and a gate circuit board 50B are provided in common to the three sets of parallel arranged modules, and these four modules 20-1, 20-2, 20-3 are provided. , 30-1, 30-2 and 30-3.
  • the high potential connection terminal plate 48B has three terminal connections (48a-1, 48a-2, 48a) for connection to the connection terminals of the modules 20-1, 20-2 and 20-3 accommodating the upper and lower arms. -3) Provided and three external connection ends (48b-1, 48b-2, 48b-3) for connecting capacitors and the like.
  • the low potential connection terminal plate 44B is provided with three terminal connection portions (not shown) for connection to the connection terminals of the modules 20-1, 20-2 and 20-3 accommodating the upper and lower arms, and a capacitor etc. 3 (44b-1, 44b-2, 44b-3) are provided for connecting external connection ends.
  • the intermediate potential connection terminal plate 46B has three terminal connections (46a-1, 46a-2, 46a) for connection to the connection terminals of the modules 30-1, 30-2 and 30-3 accommodating the intermediate arms. -3) Provided and three external connection ends (46 b-1, 46 b-2, 46 b-3) for connecting a capacitor or the like.
  • the capacitors are not shown here, but between the upper external connection end 48b-1 and 46b-1 of each connection terminal plate, between 44b-1 and 46b-1, 48b-2 and 46b. Connect between -2 and between 44b-2 and 46b-2, between 48b-3 and 46b-3, and between 44b-3 and 46b-3 and place them on top of the module .
  • each connection terminal plate and the external connection terminal portion are placed at diagonal positions for each set of modules.
  • the terminal connection portion 48a-1 is placed immediately above the module 20-1, and the external connection end portion 48b-1 is located immediately above the module 30-1 paired with the module 20-1.
  • the terminal connection portion 48a-2 is placed directly on another set of modules 20-2, and the external connection end 48b-2 is placed directly on the module 30-2 paired with the module 20-2.
  • the other terminal connection 48a-1 is placed directly on the other set of modules 20-3, and the external connection end 48b-1 is a module 30-3 paired with this module 20-3. It is placed just above the
  • the wire inductance of each connection terminal plate can be reduced by the canceling action of the magnetic flux formed by the current flowing between the connection terminal plates facing each other. And, since the terminal connection portion of each connection terminal board and the external connection end are provided at the diagonal positions of each terminal board, as in the first embodiment and the second embodiment, Wiring inductance can be suppressed to be smaller.
  • the wiring inductance in the direct current loop current path in the three-level inverter can be further reduced.
  • the semiconductor switch included in the module accommodating the upper and lower arms is a wide band such as SiC. Even if a high speed semiconductor switch composed of a gap (WBG) semiconductor is used, since the surge voltage can be suppressed, the performance and safety of the three-level inverter can be enhanced.
  • WBG gap
  • Connection terminal plate assembly 41 Output Connection terminal plate 41a to be a connection conductor: terminal connection portion 42, 43, 45, 47, 49: insulating plate 44: connection terminal plate 44a to 44a-1, 44a-2, 44a-3 to be a low potential connection conductor: terminal Connection portions 44b, 44b-1, 44b-2, 44b-3: external connection end 46: connection terminal plates 46a, 46a-1, 46a-2, 46a-3 which become intermediate potential connection conductors: terminal connection portions 44b, 46b-1, 46b-2, 46b-3: external connection end 48: connection terminal plate 48a, 48a-1, 48a-2, 48a-3 to be a high potential connection conductor: terminal connection portion 48b, 48b-1, 48b-2, 48b-3 External connection end 50: the gate circuit board

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Abstract

【課題】半導体スイッチ素子を収納した複数のモジュールで３レベル電力変換装置を構成するとともに、この装置内の直流一巡電流経路の配線インダクタンスを小さくした配線構造を提供する。 【解決手段】３レベル電力変換回路の上下アームと中間アームをそれぞれ第１モジュールと第２のモジュールに収容し、この第１モジュールと第２モジュールを隣り合わせに並べて近接配置し、前記第１モジュールの上面の接続端子に下端を接続して垂直方向に引き出される高電位接続導体となる接続端子板および低電位接続導体となる接続端子板と、前記第２モジュールの上面の接続端子に下端を接続して垂直方向に引き出される中間電位接続導体となる接続端子板を設け、これらの接続端子板を互いに平行に近接して重ね合わせて配置し、前記各接続端子板の上端に形成した外部接続端部間に直流コンデンサを接続配置する。

Description

３レベル電力変換装置
　この発明は、半導体スイッチモジュールを使用した３レベル電力変換装置、特にコンデンサとモジュールの配線構造に関する。
　一般的な３レベルの単相インバータまたは多相インバータの１相分の回路は、図１１に示すように構成されている。ここで、インバータは、直流電力を交流電力に変換する回路であるが、よく知られているように、交流電力を直流電力に変換する動作もする。
　図１１において、１は直流電源であり、その電圧をコンデンサ２、３により分割し、Ｐ、Ｍ、Ｎの３つの電位を形成する。４～７は、順方向の電流を断続制御することが可能で、かつ逆方向電流に対して常に導通状態となる半導体スイッチ素子である。この半導体スイッチ素子は、ここでは、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）とそれに逆並列接続されたダイオードとで示されている。半導体スイッチ素子６と７は、逆方向に直列接続されており、これにより、順、逆両方向の電流の断続制御が可能な、いわゆる双方向スイッチを構成する。半導体スイッチ素子４、５は、直列接続して１相分の上下アーム１１を構成する。この上下アーム１１に対して、半導体スイッチ素子６、７を直列接続して構成した双方向スイッチは、中間アーム１２と称する。
　図１１において、交流出力端Ｕの電位は、上下アーム１１の半導体スイッチ素子４がオンしたときは、直流電源１の高電位端Ｐの電位と等しく、半導体スイッチ素子５がオンしたときは、直流電源１の低電位端Ｎの電位と等しくなる。また、中間アームの半導体スイッチ素子６または７がオンしたとき、交流出力端Ｕの電位は２つのコンデンサ２、３の中間点Ｍの電位、すなわち直流電源１の中間電位と等しくなる。
　すなわち、この図１１の回路は、各半導体スイッチ素子のオン状態によって交流出力端Ｕの電位を３つの電圧レベルで選択できる３レベルインバータを構成する。
　このような３レベルの出力を発生する３レベルインバ‐タ回路は、中間アーム１２を構成する半導体スイッチ素子６、７の耐圧が上下アーム１１の半導体スイッチ素子４、５の１／２でよい特徴がある。また、動作条件（力率と変調率）によって上下アームと中間アームの各半導体スイッチ素子で発生する導通損失や、スイッチング損失が異なる。このため、この回路の適用される装置の運転条件によって、上下アームと中間アームを構成する半導体スイッチ素子は、耐圧やスイッチング特性等のそれぞれに適した仕様が変わるようになる。
　また、一般に半導体スイッチ素子を用いた回路では、スイッチング動作時の電流変化率（di/dt)と回路上に存在する寄生インダクタンスによりサ―ジ電圧が生じ、半導体スイッチ素子の過電圧の原因となり、これがしばしば問題となる。上記の３レベルインバータ回路においてもこの問題は同様に生じるため、直流一巡電流経路の寄生インダクタンスを最小にする必要がある。
　このような要求に対して、特許文献１には、高電位点Ｐに接続する接続導体、中間電位点Ｍに接続する接続導体および低電位点Ｎに接続する接続導体の３つの接続導体を平板導体とし、これらの平板導体を、絶縁物を介して近接配置したラミネ―ト構造とすることにより、配線のインダクタンスを低減する技術が開示されている。
　図１２に、前記特許文献１に記載されている配線構造を示す。図１２は三相３レベルインバータの配線構造であり、Ｃｄ１～Ｃｄ４は直流コンデンサ、１８，１９，２０は図１１に示し半導体スイッチ素子を収納した相モジュール、２９は平板状のＰ電位接続導体バー、３０は平板状のＭ電位接続導体バー、３１は平板状のＮ電位接続導体バーである。直流コンデンサＣｄ１～Ｃｄ４は相モジュール１８、１９、２０の水平方向である図示のＹ方向に配置し、平板状接続導体バー２９、３０、３１を、間に絶縁シート３２、３３を介して積層したラミネート構造の接続導体バーで構成する。ラミネート構造の接続導体バーは一般に知られているとおり、導体を流れる往復電流による磁束の打ち消しあいによって、導体部の寄生インダクタンスを低減することができる。
特開２０１０‐２８８４１５号公報
　前記したように、従来技術では直流一巡電流経路の接続導体バーを近接配置した構造とすることで配線の寄生インダクタンスの低減を図っているが、特許文献１では３レベルインバータの１相分を構成する上下アーム、および中間アームの各半導体スイッチ素子を１つのモジュールとして同一のパッケージに収納した構成を前提にしている。このため、上下アームおよび中間アームを別々のモジュールで構成し、これらを組み合わせて３レベルインバータ回路を構成した場合の配線構造については、特許文献１には何も開示がない。
　また、近年、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料またはダイヤモンド等のワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体で形成された、例えばＳｉＣ‐ＭＯＳＦＥＴ等のような、高速半導体スイッチ素子が出現している。このようなワイドバンドギャップ半導体で構成した高速半導体スイッチ素子を適用した電力変換装置は、より高速で、高周波のスイッチング動作をさせるため、配線の寄生インダクタンスのさらなる低減が必要となる。
　半導体スイッチ素子を収容したモジュールの内部、およびその端子間のインダクタンスも同様であり、モジュールは、小形で、かつ端子間距離を短くしたものとなってきている。
　このため、ワイドバンドギャップ半導体で構成した高速半導体スイッチ素子による電力変換装置においては、特許文献１に示された配線構造、またはそれと類似の配線構造を採ったとしても次のような問題が生じる。
１）半導体スイッチ素子モジュールと直流コンデンサ間の距離は、短縮することができない。
２）端子の周囲は絶縁距離確保のため、異電位の配線バーは穴をあけるなどして逃げる必要があり、端子間が近接しているモジュールでは、水平方向にバーを重ねるとこの逃げによってモジュール直上では重なり部分がほとんどなくなってしまい、往復電流による磁束の打消し効果が減じられる。
　このため、電力変換装置の配線の寄生インダクタンスのさらなる低減が困難となる。
　このような問題点を解決するため、この発明の課題は、半導体スイッチ素子を収容した複数のモジュールで３レベル電力変換装置を構成するとともに、この装置内の直流一巡電流経路の配線インダクタンスを極小とした配線構造を実現することにある。
　前記の課題を解決するため、この発明は、
　３レベル電力変換回路を構成する上下アームを収容した第１モジュールと、
　３レベル電力変換回路を構成する中間アームを収容し、前記第１モジュールと隣り合わせに並べて近接配置される第２モジュールと、
　前記第１モジュールの上面の接続端子に下端を接続して垂直方向に引き出され、その上端に外部接続端部が形成される平板状の高電位接続端子板と、
　前記第１モジュールの上面の接続端子に下端を接続して垂直方向に引き出され、その上端に外部接続端部が形成される平板状の低電位接続端子板と、
　前記第２モジュールの上面の接続端子に下端を接続して垂直方向に引き出され、その上端に外部接続端部が形成される平板状の中間電位接続端子板と、
を備え、
　前記高電位接続端子板、前記低電位接続端子板、前記中間電位接続端子板が互いに平行に近接して重ね合わせられ、それぞれの外部接続端部に直流コンデンサの端子が接続されることを特徴とする。
　また、この発明においては、前記各モジュールの上面の接続端子に接続される端子接続部と前記外部接続端部とを、前記接続端子板上で対角となる位置に配置するのがよい。
　さらに、前記第１モジュールと前記第２モジュールの上面の接続端子は、ピン状の端子であって、各モジュールの上面で同じ配列に配置することができ、また、各端子は２個のピン端子で構成する。
　さらにまた、前記第１モジュールと前記第２モジュールとからなる複数のモジュール対が、第１モジュールと第２モジュールとが交互に隣接するように配置され、
　前記高電位接続端子板、前記低電位接続端子板および前記中間電位接続端子板が、前記複数のモジュール対の全モジュールに跨って形成され、
　前記複数のモジュール対を、前記高電位接続端子板、前記低電位接続端子板および前記中間電位接続端子板で並列接続することができる。
　さらに、前記第１モジュールに含まれる半導体スイッチ素子はワイドバンドギャップの半導体で形成するのがよい。
　この発明によれば、３レベルインバータを構成する上下アームを収容した第１モジュールと中間アームを収容して第２モジュールを各別とすることにより、それぞれに装置仕様に応じて最適な半導体スイッチを適用できる。また、各モジュールから引き出す接続端子板を、相互に絶縁板を介して平行に近接配置するので、３レベルインバータにおける直流一巡電流経路の配線インダクタンスを極小にできる。装置容量を増大させるために半導体スイッチを並列接続した場合は、各接続端子板が共通に延長されるだけであるので、各直流一巡経路の配線インダクタスを小さく、かつほぼ均等にし、電流分担のアンバランスを抑制することができる。
この発明の実施例を示す３レベルインバータの単相分の回路構成図。 この発明に使用する上下アームを収容した第１モジュールと中間アームを収容した第２モジュールの外観を示す斜視図。 この発明の第１の実施例を示すもので、３レベルインバータのモジュール組体の外観を示す斜視図。 この発明の第１の実施例を示すもので、図３に示すモジュール組体を分解して示す斜視図。 この発明の第１の実施例を示すもので、モジュール組体の組み立て手順を示す工程図。 この発明の第１の実施例を示すもので、（ａ）コンデンサの外観を示す斜視図、（ｂ）３レベルインバータの単相ユニットの外観を示す斜視図。 この発明の第１の実施例を示すもので、３レベルインバータの単相ユニットの構成を示す側面図。 この発明の動作を説明するための電流の流れを示す図。 この発明の第２の実施例を示すもので、２並列モジュール組体の外観を示す斜視図。 この発明の第３の実施例を示すもので、３並列モジュール組体の外観を示す斜視図。 一般的な３レベルインバータの単相分の構成を示す回路構成図。 従来の３レベルインバータの配線構造を示すもので、（ａ）平面図、（ｂ）側面図。
　この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。
　図１は、この発明の第１の実施例を示すもので、３レベルインバータの１相分の回路構成図である。
　図１において、３レベルインバータの上下アームとなる、ＭＯＳＦＥＴで構成された半導体スイッチ４、５を直列接続した回路は、第１モジュール２０に収容される。３レベルインバータの中間アームとなる双方向スイッチは、ダイオード１０、１１とＩＧＢＴ１２、１３で構成され、これらは第２モジュール３０に収容される。上下アーム、中間アームに適用する半導体スイッチは図１の例に限らず、例えば近年実用化されつつあるＳｉＣ（炭化珪素）等のワイドバンドギャップ半導体材料とした高速スイッチ素子など、装置仕様により種々の半導体スイッチを用いることができる。
　上下アームを構成するモジュール２０からは、直流電源の高電位端子Ｐに接続する高電位接続端子２０Ｐ、低電位端子Ｎ接続する低電位接続端子２０Ｎ、交流出力を取り出す出力端子２０Ｕ、および半導体スイッチ４、５のゲート接続端子２０Ｇ４、２０Ｇ５、補助ソース端子２０Ｓ４、２０Ｓ５が引き出されている。
　また、中間アームを構成するモジュール３０からは、直流電源の中間電位端子Ｍに接続する中間電位接続端子３０Ｍ，上下アームの出力端子２０Ｕに接続する接続端子３０Ｕ、および半導体スイッチ１２、１３のゲート接続端子３０Ｇ１２、３０Ｇ１３、補助エミッタ端子３０Ｅ１２，３０Ｅ１３が引き出される。
　直流電源１の高電位端子Ｐおよび低電位端子Ｎと中間電位端子Ｍとの間に、それぞれ直流コンデンサ２および３を接続する。コンデンサ２の接続された高電位端子Ｐと上下アームモジュール２０の高電位接続端子２０Ｐとは高電位接続導体４０Ｐで接続する。コンデンサ３の接続された低電位端子Ｎと上下アームモジュール２０の低電位接続端子２０Ｎとは低電位接続導体４０Ｎで接続する。さらに、中間アームモジュール３０の中間電位接続端子３０Ｍと中間電位端子Ｍとを中間電位接続導体４０Ｍで接続する。そして、上下アームモジュール２０の出力端子２０Ｕと中間アーム３０の出力端接続端子３０Ｕとは出力接続導体４０Ｕで接続する。これらの接続導体４０Ｐ、４０Ｎ、４０Ｍ、４０Ｕはインバータ回路における直流一巡電流経路となる。
　図２に、図１の上下アームを構成するモジュール２０および中間アームを構成するモジュール３０の外観示す。各モジュールは、半導体スイッチ素子類を収容した絶縁樹脂ブロックで気密的にパッケージされている。ブロックの上面には複数の接続端子が配置され、両端には、モジュールを放熱基板等に締め付け結合するための取付ねじを挿通する取付孔２０ｅ、３０ｅが設けられている。
　両モジュール２０および３０に設けられた各接続端子はそれぞれ１対のピン電極で構成され、両モジュールでほぼ同じ配列としている。
　上下アームモジュール２０の接続端子２０Ｐ、２０Ｎおよび２０Ｕは、図１の上下アームモジュール２０の高電位接続端子２０Ｐ、低電位接続端子２０Ｎおよび出力接続端子２０Ｕである。モジュール２０の接続端子２０Ｇ４および２０Ｇ５は、図１の上下アーム２０の半導体スイッチ４および５のゲート端子、２０Ｓ４および２０Ｓ５は、補助ソース端子である。
　また、中間アームモジュール３０の接続端子３０Ｍおよび３０Ｕは、図１の中間アームモジュール３０の中間電位接続端子３０Ｍおよび出力端子３０Ｕである。中間モジュール３０の接続端子３０Ｇ１２および３０Ｇ１３は、図１の中間アーム３０の半導体スイッチ１２および１３のゲート端子、３０Ｅ１２，３０Ｅ１３は、補助エミッタ端子である。中間アームモジュール３０の端子３０Ｂは、中間アームモジュール３０の端子配列を、上下アームモジュール２０の端子配列と同じ配列とするために設けられた電気的接続には用いられない空き端子である。
　次に、図３、図４を参照して、この発明の３レベルインバータの組立体について説明する。
　図３は、この発明による接続端子板組体４０を図２に示した２つのモジュール２０、３０に結合配置した３レベルインバータの１相ユニットの組み立て構成図である。
　モジュール２０、３０は、放熱体で構成された冷却基板７０上に、近接して平行に配置し、取付ねじ４０ｃにより取り付け固定されている。この平行に配置された２つのモジュール２０、３０上に跨って垂直に接続端子板組体４０が固定配置される。
　この接続端子板組体４０は、垂直に立った複数の端子板と絶縁板を重ね合わせて構成されているため、図３においては詳細が見難いので、図４に分解して示す。以下の説明においてはこの図４を参照する。
　出力端子板４１は、両モジュールの出力端子２０Ｕと３０Ｕの間を接続する接続導体４０Ｕ（図１）となる接続端子板であり、平板状導電材により形成されている。その図４における左端側に、その全幅に亘って直角に折り曲げ形成した接続端部４１ａを有する。この接続端部４１ａには、両モジュールのピン状の接続端子２０Ｕ、３０Ｕを挿入、嵌合するための、嵌合孔４１ｅが設けられている。さらに、端子板４１の右端側には、端子板４１を冷却基板７０上に固定支持するための固定ねじ４１ｃおよび絶縁材製のスペーサ４１ｄが結合されている。また、端子板４１は、モジュール２０と３０に結合したとき、モジュールの取付孔２０ｅ、３０ｅと対向する位置に、取付ねじを挿通するためのねじ挿通孔４１ｆを備えている。
　接続端子板４４および４８は、それぞれ、図１における低電位接続導体４０Ｎおよび高電位導体４０Ｐとなる端子板であり、平板状導電材で形成されている。接続端子板４４および４８には、それぞれ、図４において先端側（モジュール２０側）の下端に、モジュール２０の接続端子２０Ｎおよび２０Ｐに接続するための端子接続部４４ａおよび４８ａが直角に折り曲げ形成されている。そして、接続端子板４４および４８のこれらと対角をなす手前側（モジュール３０側）の上端に、外部との接続を行うためのねじ端子で構成された外部接続端部４４ｂおよび４８ｂを直角に折り曲げ形成している。外部接続端部４４ｂと４８ｂは、互いに反対方向に張り出している。端子接続部４４ａおよび４８ａには、それぞれモジュール２０のピン状の接続端子２０Ｎおよび２０Ｐを挿入、嵌合するための、嵌合孔４４ｅおよび４８ｅが設けられている。
　接続端子板４６は、図１における中間電位接続導体４０Ｍとなる端子板であり、平板状導電材で形成されている。その先端側（モジュール３０側）の下端にモジュール３０の接続端子３０Ｍに接続するための端子接続部４６ａを直角に折り曲げ形成する。そして、接続端子板４６のこれと対角をなす奥側（モジュール２０側）の上端に、外部との接続を行うためのねじ端子で構成された外部接続端部４６ｂが直角に折り曲げ形成されている。この接続端子板４６には、外部接続端部４６ｂに結合してこれを左右両側に張出させる補助端子板４６ｓが付属する。
　絶縁板４２および４３は、出力端子板４１と低電位接続端子板４４との間に挿入される絶縁板である。最外側の絶縁板４２の下端側は、絶縁沿面距離を拡大するために外側へ折り曲げられ、上端には、接続端子板４４の外部接続端部４４ｂを通すための凹部４２ｇおよび、接続端子板４６の外部接続部４６ｂおよび補助端子板４６ｓを通すための凹部４２ｈが形成されている。
　絶縁板４５は、接続端子板４４と４６との間に挿入される絶縁板であり、上端の先端側に接続端子板４６の補助端子板４６ｓを通すための凹部４５ｇを有する。
　絶縁板４７は、接続端子板４６と４８との間に挿入される絶縁板であり、上端の奥側（モジュール２０側）に接続端子板４６の補助端子板４６ｓを通すための凹部４７ｇを有する。
　絶縁板４９は、接続端子板４８と、その外側に配置されるゲート回路板５０との間に挿入される絶縁板である。
　ゲート回路板５０は、図示しない、各モジュールの半導体スイッチのゲート駆動回路を備えたプリント回路板で構成されており、モジュール２０および３０のゲート接続端子２０Ｇおよび３０Ｇ、補助ソース端子２０Ｓ、補助エミッタ端子３０Ｅに接続するためのゲート端子接続孔５０ｅを備える。また、ゲート回路板５０は、モジュール２０、３０に結合したとき、モジュールの取付孔２０ｅ、３０ｅと対向する位置に、取付ねじ４０ｃを挿通するためのねじ挿通孔５０ｆを備える。
　全ての接続端子板や絶縁板は、図４に示すように、近接して平行に配列した２個のモジュール２０および３０の全幅Ｗｍに亘るようにするため、その幅Ｗ４０を、モジュールの全幅Ｗｍとほぼ等しい幅とするが、絶縁板はその機能上、その幅Ｗ４０をモジュールの全幅Ｗｍよりわずかに大きくしてモジュールの側端から少しはみ出すようにするのがよい。
　このような上下アームモジュール２０、中間アームモジュール３０、接続端子板組体４０およびゲート回路板５０を備えた３レベルインバータの組み立て手順を図５に示すので、以下にこの図にしたがって説明する。
　まず、図５（ａ）に示すように、３レベルインバータを構成する上下アームを収容したモジュール２０と中間アームを収容したモジュール３０をそれぞれゲート端子２０Ｇ、３０Ｇ側を左手前にして平行に並べて近接して配置する。このとき、各モジュールの各列の接続端子が同一の列に並ぶようにモジュールの左手前端と右後端を揃える。
　次いで、図５（ｂ）に示すように、出力接続端子板４１をモジュール２０、３０の右後端側に両方に跨って水平に載置し、その各嵌合孔４１ｅに各モジュールの出力接続端子２０Ｕ，３０Ｕを挿入し嵌合する。嵌合孔４１ｅに挿入された接続端子２０Ｕ、３０Ｕを溶接またはろう付けするか、あるいはカシメ（圧潰）をすることにより接続端子２０Ｕ、３０Ｕと接続端子板４１とを電気的および機械的に結合し、接続端子板４１を固定する。
　モジュール２０、３０上に接続端子板４１が固定されたところで、その手前に図５（ｃ）および（ｄ）に示すように絶縁板４２および４３を垂直に順次配置する。
　これに続き、絶縁板４３の手前に、図５（ｅ）に示すように低電位接続端子板４４を垂直に配置する。このとき、端子板４４の接続端部４４ａの嵌合孔４４ｅにモジュール２０の接続端子２０Ｎを挿入、嵌合し、適宜の手段で接続端子板４４と接続端子２０Ｎとを電気的および機械的に結合して、接続端子板４４を固定する。
　引き続き、図５（ｆ）に示すように、接続端子板４４の手前に、絶縁板４５を垂直に配置する。
　そして、この絶縁板４５の手前に図５（ｇ）に示すように、中間電位接続端子板４６を垂直に配置する。この接続端子板４６のここには図示されない接続端部４６ａの嵌合孔４６ｅにモジュール３０の中間電位接続端子３０Ｍを挿入、嵌合する。そして、接続端子板４６と接続端子３０Ｍとを適宜の手段より電気的および機械的に結合し、接続端子板４６を固定する。接続端子板４６の上端部のねじ接続端子部４６ｂは、各絶縁板の凹部を通して右側に張り出させる。
　次いで、図５（ｈ）に示すように、接続端子板４６の手前に絶縁板４７を垂直に配置する。これに引き続き、図５（ｉ）示すように高電位接続端子板４８を垂直に配置する。この接続端子板４８の下端の接続端部４８ａの嵌合孔４８ｅにモジュール２０の高電位接続端子２０Ｐを挿入、嵌合し、接続端子板４８と接続端子とを電気的および機械的に結合して、接続端子板４８を固定する。
　そして、図５（ｊ）に示すように、接続端子板４８の手前に絶縁板４９を垂直に配置するとともにゲート回路板５０を水平に配置する。ゲート回路板５０の嵌合孔５０ｅにそれぞれ、モジュール２０のゲート接続端子２０Ｇ４、２０Ｇ５、補助ソース端子２０Ｓ４、２０Ｓ５およびモジュール３０のゲート接続端子３０Ｇ１２、３０Ｇ１３、補助エミッタ端子３０Ｅ１２、３０Ｅ１３を挿入、嵌合する。そして、ゲート回路板５０をゲート端子、補助ソース端子および補助エミッタ端子に電気的、機械的に結合して固定する。
　さらに、中間電位接続端子板４６の外部接続端部４６ｂ上に補助端子板４６ｓを載置し、電気、機械的に結合して、ねじ接続端子部を左右に張り出すようにする。
　これにより、モジュールと接続端子類の組体とを結合したモジュール組体の組み立てが完了する。この後、モジュール組体の接続端子部４４ｂと補助端子板４６ｓとの間、および接続端子部４８ｂと補助端子板４６ｓとの間に、直流電圧を分圧して３レベル（高電位、中間電位、低電位レベル）の直流電圧を形成するための直流コンデンサを接続して、３レベルインバータの１相ユニットが完成する。
　図６に完成した３レベルインバータの１相ユニットの外観を示し、図7に側面図を示す。図６（ａ）は直流コンデンサ６０を示す。直流コンデンサ６０には、２個の接続端子６１、６２が設けられており、これらの端子が、外部接続端部４４ｂと補助端子板４６、および接続端子部４４ｂと補助端子板４６に接続される。
　図６（ｂ）および図7に、モジュール組体に２個の直流コンデンサ６０‐１、６０‐２を結合した３レベルインバータの１相ユニットの構成を示す。この図６（ｂ）では、モジュール組体の外部接続端部（４４ｂ、４６ｓ、４８ｂ）とコンデンサの端子（６１‐１、６２‐１、６１‐２、６２‐２）との接続状態が明確になるように、コンデンサ６０‐１、６０‐２は、透明化して示している。
　コンデンサ６０‐１と６０‐２は、それぞれモジュール組体の高電位接続端子板４８の外部接続端部４８ｂと、中間電位接続端子板４６の外部接続端部４６ｂに結合された補助端子板４６ｓとの間、および低電位接続端子板４４の外部接続端部４４ｂと、中間電位接続端子板４６の外部接続端部４６ｂに結合された補助端子板４６ｓとの間に渡して結合されている。これによって、図１に示す回路構成を有する３レベルインバータの１相ユニットが構成される。
　このように構成すると、直流一巡電流経路を形成する高電位接続端子板４８、中間電位接続端子板４６および低電位接続端子板４４が互いに平行に近接して重なり合う。これにより、これらの導体に対向して流れる電流による磁束が互いに打ち消し合うため、３レベルインバータの１相ユニットにおける直流一巡電流経路の配線インダクタンスを小さくすることができる。
　そして、この発明では、各接続端子板（４４、４６、４８）のモジュールの接続端子との接続を行う端子接続部（４４ａ、４６ａ、４８ａ）と外部接続端部（４４ｂ、４６ｂ、４８ｂ）が端子板の上下辺の対角となる位置に設けられているため、各接続端子板の配線インダクタンスをより小さくすることができる。
　この点については、図８を参照して説明する。
　図８（ａ）は、この発明にしたがって接続端子板の上下辺の対角となる位置に接続端部を設けた各接続端子板における電流の流れを示す図である。図８（ｂ）は、この発明と比較するために、接続端子板の上下辺の接続端部を正対する位置に設けた接続端子板における電流の流れを示す図である。
　この発明にしたがえば、図８（ａ）に示すように、高電位接続端子板４８の下端のモジュールの接続端子に接続するための端子接続部４８ａは、モジュール２０の直上に位置するように左側に寄せて設けられ、上端の外部接続端部４８ｂは、モジュール３０の直上に位置するように右側に寄せて設けられている。このため、この接続端子板４８の端子接続部４８ａと外部接続端部４８ｂは、接続端子板４８の上下辺の対角となる位置に置かれる。これにより、接続端子板４８には、実線矢印Ａで示すように外部接続端部４８ｂから端子接続部４８ａへ斜めに電流が流れる。
　そして、この接続端子板４８と対向配置された中間電位接続導体となる接続端子板４６では、下端の端子接続部４６ａがモジュール３０の直上に位置するように右側に寄せて設けられ、上端の外部接続端部４６ｂが、モジュール２０の直上に位置するように左端に寄せて設けられる。このため、端子接続部４６ａと外部接続端部４６ｂも、接続端子板４６の上下辺の対角となる位置に置かれる。この結果、接続端子板４６には、点線矢印Ｂで示すように端子接続部４６ａから外部接続端部４６ｂへ矢印Ａとは反対に傾斜する方向に電流が流れる。
　接続端子板４８および４６おける矢印Ａの電流と矢印Ｂで電流は交差するため、これらの電流で囲まれる部分の面積は、ハッチングして示す２つの３角形となるため小さくなる。
　これに対して、接続端子板４６、４８の上下端に、それぞれ正対して端子接続部４６ａ、４８ａと外部接続端部４６ｂ、４８ｂを設けた場合は、それぞれの接続端子板には、矢印Ｃ、Ｄで示すように垂直方向に平行して電流が流れるようになる。このため、電流Ｃ、Ｄで囲まれる部分の面積はハッチングで示す４角形となり、この発明の場合より大きくなる。
　この発明によれば、このような電流の流れ方の違いによっても、直流一巡電流経路の配線インダクタンスをより低減することができる。
　図９にこの発明の第２の実施例を示す。この実施例は、上下アームを収容するモジュール２０と中間アームを収容するモジュール３０を２組並列接続して構成した例である。図９では、接続端子板組体から絶縁板を省いて、接続端子板組体の構成を簡素化して示している。
　図９に示すように２組の上下アームを収容したモジュール２０‐１、２０‐２と、中間アームを収容したモジュール３０‐１、３０‐２は、各モジュールを交互に平行に配列している。
　この２組の平行に配置されたモジュールに共通に接続端子板４４Ａ、４６Ａおよび４８Ａとゲート回路板５０Ａが設けられており、これらは、２組のモジュール２０‐１、２０‐２および３０‐１、３０‐２に跨って配置される。
　高電位接続端子板４８Ａには、上下アームを収容したモジュール２０‐1および２０‐２の接続端子に接続するために端子接続部が２個（４８ａ‐１、４８ａ‐２）設けられ、またコンデンサ等を接続するための外部接続端部が２個（４８ｂ‐１、４８ｂ‐２）設けられている。
　低電位接続端子板４４Ａには、上下アームを収容したモジュール２０‐１および２０‐２の接続端子に接続するために端子接続部が２個（不図示）設けられ、またコンデンサ等を接続するための外部接続端部が２個（４４ｂ‐１、４４ｂ‐２）設けられている。
　中間電位接続端子板４６Ａには、中間アームを収容したモジュール３０‐１および３０‐２の接続端子に接続するために端子接続部が２個（４６ａ‐１、４６ａ‐２）設けられ、またコンデンサ等を接続するための外部接続端部が２個（４６ｂ‐１、４６ｂ‐２）設けられている。
　コンデンサは、ここには図示していないが、各接続端子板の上部の外部接続端部４８ｂ‐1と４６ｂ‐１との間、４４ｂ‐1と４６ｂ‐１との間、４８ｂ‐２と４６ｂ‐２との間および４４ｂ‐２と４６ｂ‐２との間にそれぞれ接続し、モジュールの上部に配置する。
　また各接続端子板の端子接続部と外部接続端子部は、各組のモジュールごとに対角となる位置に置かれている。例えば、接続端子板４８Ａにおいては、端子接続部４８ａ‐１は、モジュール２０‐１の直上に置かれ、外部接続端部４８ｂ‐１は、モジュール２０‐１と対となるモジュール３０‐１の直上に置かれる。そして、もう一つの端子接続部４８ａ‐２は、もう一方の組のモジュール２０‐２の直上に置かれ、外部接続端部４８ｂ‐２は、モジュール２０‐２と対となるモジュール３０‐２の直上に置かれるのである。
　これにより、この実施例２においても、各接続端子板相互間に対向して流れる電流の磁束の打ち消し合い作用により、各接続端子板の配線インダクタンスを低減できる。そして、各接続端子板の端子接続部と外部接続端部とが各端子板の対角となる位置に設けられるため、第１の実施例と同様に各接続端子板の配線インダクタンスをより小さくなるように抑えることができる。
　図１０にこの発明の第３の実施例を示す。この実施例は、３組の上下アームを収容するモジュールと中間アームを収容するモジュールを並列接続して構成した例である。図１０は、実施例２の場合と同様に、接続端子板組体から絶縁板を省いて、接続端子板組体の構成を簡素化して示している。
　図１０に示すように３組の上下アームを収容したモジュール２０‐1、２０‐２、２０‐３と、中間アームを収容したモジュール３０‐１、３０‐２、３０‐３は、各モジュールが交互に平行に配列される。
　この３組の平行に配置されたモジュールに共通に接続端子板４４Ｂ、４６Ｂおよび４８Ｂとゲート回路板５０Ｂが設けられており、これらは、４個のモジュール２０‐１、２０‐２、２０－３、３０‐１、３０－２および３０‐３に跨って配置される。
　高電位接続端子板４８Ｂには、上下アームを収容したモジュール２０‐１、２０‐２および２０‐３の接続端子に接続するために端子接続部が３個（４８ａ‐１、４８ａ‐２、４８ａ‐３）設けられ、またコンデンサ等を接続するための外部接続端部が３個（４８ｂ‐１、４８ｂ‐２、４８ｂ‐３）設けられている。
　低電位接続端子板４４Ｂには、上下アームを収容したモジュール２０‐1、２０‐２および２０‐３の接続端子に接続するために端子接続部が３個（不図示）設けられ、またコンデンサ等を接続するための外部接続端部が３個（４４ｂ‐１、４４ｂ‐２、４４ｂ‐３）設けられている。
　中間電位接続端子板４６Ｂには、中間アームを収容したモジュール３０‐1、３０‐２および３０‐３の接続端子に接続するために端子接続部が３個（４６ａ‐１、４６ａ‐２、４６ａ‐３）設けられ、またコンデンサ等を接続するための外部接続端部が３個（４６ｂ‐１、４６ｂ‐２、４６ｂ‐３）設けられている。
　コンデンサは、ここには図示していないが、各接続端子板の上部の外部接続端部４８ｂ‐1と４６ｂ‐１との間、４４ｂ‐1と４６ｂ‐１との間、４８ｂ‐２と４６ｂ‐２との間、４４ｂ‐２と４６ｂ‐２との間、４８ｂ‐３と４６ｂ‐３との間、および４４ｂ‐３と４６ｂ‐３との間にそれぞれ接続し、モジュールの上部に配置する。
　また各接続端子板の端子接続部と外部接続端子部は、各組のモジュールごとに対角となる位置に置かれている。例えば、接続端子板４８Ｂにおいては、端子接続部４８ａ‐１は、モジュール２０‐１の直上に置かれ、外部接続端部４８ｂ‐１は、モジュール２０‐１と対となるモジュール３０‐１の直上に置かれる。そして、端子接続部４８ａ‐２は、他の組のモジュール２０‐２の直上に置かれ、外部接続端部４８ｂ‐２は、モジュール２０‐２と対となるモジュール３０‐２の直上に置かれる。そして、他の１つの端子接続部４８ａ‐１は、他の組のモジュール２０‐３の直上に置かれ、外部接続端部４８ｂ‐１は、このモジュール２０‐３と対となるモジュール３０‐３の直上に置かれるのである。
　これにより、この実施例３においても、各接続端子板相互間に対向して流れる電流により形成される磁束の打ち消し合い作用により、各接続端子板の配線インダクタンスを低減できる。そして、各接続端子板の端子接続部と外部接続端部とが各端子板の対角となる位置に設けられるため、第１の実施例および第２の実施例と同様に各接続端子板の配線インダクタンスをより小さくなるように抑えることができる。
　この発明によれば、前記のとおり３レベルインバータにおける直流電流一巡電流経路における配線インダクタンスをより小さくすることができるので、特に、上下アームを収容したモジュールに含まれる半導体スイッチを、ＳｉＣ等のワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体で構成した高速の半導体スイッチを使用しても、サージ電圧を抑えることができるので、３レベルインバータの性能、安全性を高めることができる。
２０、２０‐１、２０‐２、２０‐３：上下アームを収容したモジュール３０、３０‐１、３０‐２、３０‐３：中間アームを収容したモジュール４０：接続端子板組体４１：出力接続導体となる接続端子板４１ａ：端子接続部４２、４３、４５、４７、４９：絶縁板４４：低電位接続導体となる接続端子板４４ａ、４４ａ‐１、４４ａ‐２、４４ａ‐３：端子接続部４４ｂ、４４ｂ‐１、４４ｂ‐２、４４ｂ‐３：外部接続端部４６：中間電位接続導体となる接続端子板４６ａ、４６ａ‐１、４６ａ‐２、４６ａ‐３：端子接続部４４ｂ、４６ｂ‐１、４６ｂ‐２、４６ｂ‐３：外部接続端部４８：高電位接続導体となる接続端子板４８ａ、４８ａ‐１、４８ａ‐２、４８ａ‐３：端子接続部４８ｂ、４８ｂ‐１、４８ｂ‐２、４８ｂ‐３：外部接続端部５０：ゲート回路板

Claims (5)

  1. 　３レベル電力変換回路を構成する上下アームを収容した第１モジュールと、
    　３レベル電力変換回路を構成する中間アームを収容し、前記第１モジュールと隣り合わせに並べて近接配置される第２モジュールと、
    　前記第１モジュールの上面の接続端子に下端を接続して垂直方向に引き出され、その上端に外部接続端部が形成される平板状の高電位接続端子板と、
    　前記第１モジュールの上面の接続端子に下端を接続して垂直方向に引き出され、その上端に外部接続端部が形成される平板状の低電位接続端子板と、
    　前記第２モジュールの上面の接続端子に下端を接続して垂直方向に引き出され、その上端に外部接続端部が形成される平板状の中間電位接続端子板と、
    を備え、
    　前記高電位接続端子板、前記低電位接続端子板、前記中間電位接続端子板が互いに平行に近接して重ね合わせられ、それぞれの外部接続端部に直流コンデンサの端子が接続されることを特徴とする３レベル電力変換装置。
  2. 　前記各モジュールの上面の接続端子に接続される端子接続部と前記外部接続端部とが、前記接続端子板上で対角となる位置に配置される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. 　前記第１モジュールと前記第２モジュールの上面の接続端子は、ピン状の端子であって、各モジュールの上面で同じ配列に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の３レベル電力変換装置。
  4. 　前記第１モジュールと前記第２モジュールとからなる複数のモジュール対が、第１モジュールと第２モジュールとが交互に隣接するように配置され、
    　前記高電位接続端子板、前記低電位接続端子板および前記中間電位接続端子板が、前記複数のモジュール対の全モジュールに跨って形成され、
    　前記複数のモジュール対が、前記高電位接続端子板、前記低電位接続端子板および前記中間電位接続端子板で並列接続されることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の３レベル電力変換装置。
  5. 　前記第１モジュールに含まれる半導体スイッチ素子がワイドバンドギャップの半導体で形成されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の３レベル電力変換装置。
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