WO2016047174A1

WO2016047174A1 - 電力変換装置

Info

Publication number: WO2016047174A1
Application number: PCT/JP2015/059018
Authority: WO
Inventors: 歩畑中; 行武　正剛; 徹増田; 景山　寛
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2016-03-31
Also published as: JP2016067171A

Abstract

　電力変換装置において接続端子部のインダクタンスを低減するという課題を解決すべく、電力変換装置を以下のように構成する。正極側バスバ３０とモジュール正極端子２０とコンデンサ正極端子１１とがネジ５０により互いに接続され、同様に、負極側バスバ３１とモジュール負極端子２２とコンデンサ負極端子１２との相互間、および、ACバスバ３３とモジュールAC端子２３との相互間も、ネジで接続される。正極側バスバ３１と負極側バスバ３２との間には絶縁板３２が設置される。コンデンサ１０の正極端子１１と負極端子１２との間には、絶縁体１０１で表面を覆われた導体１００が、正極端子１１と負極端子１２とで挟まれるように配置される。

Description

電力変換装置

　本発明は、半導体を用いたスイッチング素子を備えて構成される電力変換装置に関する。

　インバータ、あるいはコンバータといった電力変換装置において、半導体スイッチング素子の大電流化およびスイッチング速度の高速化が進んでいる。スイッチング素子のオン、オフ切替え時の電流変化di/dtと、電流経路の配線インダクタンスLにより、半導体スイッチング素子にはL・di/dtのサージ電圧が生じる。この電圧は半導体スイッチング素子のストレス電圧として印加されるとともに、スイッチング損失を増加させる要因となる。このため、配線インダクタンスを低減することは課題であり、それを低減する幾つかの方法が開示されている。

　往復電流の流れる端子間の距離を近づけることで相互インダクタンスを用いて配線の合成インダクタンスを低減する方法の一例が特許文献１に開示されている。

　回路を構成する素子間を接続し時間的に変化する電流が流れる配線導体と平行に、他の導体を配置して、他の導体に発生する誘導電流により磁束をキャンセルしてインダクタンスを低減する方法の一例が特許文献２に開示されている。

特開２００６－５４３２３号公報特開平９－１３５５６５号公報

　電力変換装置において、従来技術でインダクタンスを低減することが困難な部位として、電気部品間あるいは電気部品と配線との間を接続する接続端子部がある。一般的に、電気部品の接続端子部は正極端子と負極端子が少なくとも一対構成されており、他の部品との間の電気的接触を得るため、金属が露出されている。このため、正極、負極間に印加される電圧に応じて、正極、負極の金属露出部間の絶縁空間距離、絶縁沿面距離を確保する必要がある。このため、特許文献１のように正極と負極間の距離を近接させるには限界があった。また、特許文献２のように配線導体と平行に他の導体を配置する方法であっても、導体配線の面に対して平行ではない方向に接続端子の軸がある場合には充分なインダクタンス低減効果を得ることはできない。このため、接続端子部のインダクタンス低減が課題となる。

　さらに、上記のような端子部を有する部品の一例として電解コンデンサを挙げる。電力変換装置に必要な静電容量を得るため複数の電解コンデンサを並列に使用する場合、配線距離の違いに起因する配線インダクタンスのばらつきにより、電解コンデンサの充放電電流量にばらつきが発生する。具体的には、並列接続されたコンデンサの中で相対的に配線インダクタンスの小さい場所に接続されたコンデンサほど充放電電流が大きくなる。充放電電流が大きいということは発熱が大きいということであり、そのコンデンサは他のコンデンサに比べて熱ストレスが大きく、寿命が短くなる。インダクタンスが大きいコンデンサに合わせてインダクタンスを増加させてインダクタンスを均等化することは比較的容易であるが、前述のサージ電圧の問題が発生する。このため、並列に接続された複数のコンデンサ毎の配線および端子部のインダクタンスを低いインダクタンスで均等化することが課題となる。

　上記の課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、例えば、凸形状の正極端子および凸形状の負極端子を有する第一の電気部品と、前記正極端子と電気的に接続された第二の電気部品と、前記負極端子と電気的に接続され、かつ、前記第二の電気部品と絶縁された第三の電気部品とを備えた電力変換装置であって、前記正極端子と前記負極端子との間に、周囲が絶縁体で覆われた導体が、前記正極端子と前記負極端子とに挟まれるように配置されることを特徴とする。

　本発明によれば、電力変換装置における接続端子部のインダクタンスを低減することが可能になる。

本発明の第一の実施形態である実施例１の電力変換装置の回路図である。本発明の第一の実施形態である実施例１の電力変換装置の実装構造図である。本発明の第一の実施形態である実施例１のコンデンサの渦電流通電図である。本発明の第一の実施形態である実施例１のコンデンサの上視図である。本発明の第二の実施形態である実施例２の電力変換装置のモジュール構造図である。本発明の第三の実施形態である実施例３の電力変換装置の実装構造図である。本発明の第四の実施形態である実施例４の電力変換装置の回路図である。本発明の第五の実施形態である実施例５の絶縁体に覆われた導体の断面図である。本発明の第六の実施形態である実施例６の絶縁体に覆われた導体の断面図である。

　上記の通り、本発明の電力変換装置は、例えば、凸形状の正極端子および凸形状の負極端子を有する第一の電気部品と、前記正極端子と電気的に接続された第二の電気部品と、前記負極端子と電気的に接続され、かつ、前記第二の電気部品と絶縁された第三の電気部品とを備えた電力変換装置であって、前記正極端子と前記負極端子との間に、周囲が絶縁体で覆われた導体が、前記正極端子と前記負極端子とに挟まれるように配置されることを特徴とする。

　上記の構成において、前記電力変換装置の半導体スイッチ素子としては、珪素の他、炭化珪素や窒化ガリウムあるいはダイヤモンドのようなワイドバンドギャップ半導体を用いたMOSFETや接合型FETやあるいはIGBTを使用する構成にしてもよい。

　また、上記の構成において、前記第一の電気部品はコンデンサであり、前記第二の電気部品は正極側バスバであり、前記第三の電気部品は負極側バスバである電力変換装置の構成にしてもよい。あるいは、前記第一の電気部品は半導体モジュールであり、前記第二の電気部品は正極側バスバであり、前記第三の電気部品は負極側バスバである電力変換装置の構成にしてもよい。あるいは、前記第一の電気部品は電気配線基板であり、前記第二の電気部品は正極側バスバであり、前記第三の電気部品は負極側バスバである電力変換装置の構成にしてもよい。これらの構成において、電気的に並列接続された複数の前記コンデンサを備え、前記周囲が絶縁体で覆われた導体が前記電気的に並列接続された複数の前記コンデンサのうち少なくとも一つの前記コンデンサの前記正極端子と前記負極端子とに挟まれるように配置される電力変換装置の構成にしてもよい。あるいは、電気的に並列接続された複数の前記半導体モジュールを備え、前記周囲が絶縁体で覆われた導体が前記電気的に並列接続された複数の前記半導体モジュールのうち少なくとも一つの前記半導体モジュールの前記正極端子と前記負極端子とに挟まれるように配置される電力変換装置の構成にしてもよい。

　また、上記の構成において、前記絶縁体は、イオンマイグレーションを防止する材料で構成されるのが好適である。また、前記絶縁体は、前記正極端子と前記負極端子の絶縁沿面距離を確保するため、前記絶縁体の表面にヒダ形状を有するように構成されるのが好適である。また、前記周囲が絶縁体に覆われた導体は、放熱のためのフィン形状を有するように構成されるのが好適である。また、前記周囲が絶縁体に覆われた導体は、前記第一の電気と前記第二の電気部品と前記第三の電気部品のうち少なくとも一つに固定されるように構成されるのが好適である。

　以下、本発明の電力変換装置の実施形態を、各実施例として、図面に基づいて詳細に説明する。

　以下に、図面により本発明の電力変換装置の第１の実施形態である実施例１について図１～図４を用いて詳細に説明する。

　図１は第一の実施形態の電力変換装置の回路構成図であり、電力変換装置の１相分にかかる部分を示している。電力変換装置１相分１は、コンデンサ１０、コンデンサ正極端子１１に接続される正極側バスバ３１とコンデンサ負極端子１２に接続される負極側バスバ３２と、半導体モジュール２０とモジュールAC端子２３に接続されるACバスバ３３とを備えて構成される。

　図２は、図１に示した回路図の実装構成を示したものである。正極側バスバ３１とモジュール正極端子２１とコンデンサ正極端子１１とは互いにネジ５０により接続されており、同様に、負極側バスバ３２とモジュール負極端子２２とコンデンサ負極端子１２との相互間、および、ACバスバ３３とモジュールAC端子２３との相互間も、同様にネジで接続されている。正極側バスバ３１と負極側バスバ３２との間には絶縁板３４が設置されている。半導体モジュール２０の下には接触熱抵抗を低減するため、グリスなどを介して冷却器４０が設置されている。また、コンデンサ１０の正極端子１１と負極端子１２との間の領域には、絶縁体１０１で表面を覆われた導体１００が、正極端子１１と負極端子１２とで挟まれるように配置されている。

　ここで、コンデンサ正極端子１１と負極端子１２は、絶縁沿面距離と絶縁空間距離を確保するため離れた位置に配置され、ネジ止めによる締付けを充分なものにするための高さを有している。このため、上記の絶縁体１０１で覆われた導体１００が配置されていない構成では、往復電流による相互インダクタンスによるインダクタンス低減効果が小さいことから、この部分のインダクタンスは大きな値となっていた。これに対し、上記の絶縁体１０１で覆われた導体１００が配置した構成では端子部のインダクタンスを低減可能である。

　図３に、このメカニズムについて示す。コンデンサ１０への充電電流A１０が増加する際の、導体１００に発生する渦電流A１００を示す。充電電流A１０が増加する際、正極端子11と負極端子12の間には図３における紙面手前方向（Y方向）に磁束が増加する。この時、導体100中には磁束変化による誘導起電力で流れた渦電流A１００により、充電電流A１０による磁束を打ち消す。磁束を打ち消すということはL = φ／I　の式より、インダクタンスを低減することと等価である。

　図４にコンデンサ１０と絶縁物１０１に覆われた導体１００の上視図を示す。正極端子１１と負極端子１２に、絶縁物１０１で挟まれるように固定されている。これにより、振動のある環境下でも動作可能な電力変換装置となる。固定の仕方はこの限りではなく、接着剤や樹脂によるモールドなど、他の手段であってもよい。

　Y方向の導体長さはインダクタンス低減効果の影響が小さいため、短くても良い。一方、X方向および、Z方向の導体長さは長いほどインダクタンス低減効果が大きいため、極力長くすることが望ましい。

　また、絶縁体１０１は主にDC電圧が長時間印加される環境下に配置されることから、特にイオンマイグレーションに対して耐性のある材料であることが望ましい。導体１００の材料としては、CuやAlなどの良導体の金属あるいはその合金であっても良い。

　図１において半導体モジュール２０のスイッチングデバイスとしてIGBTを記載したが、珪素の他、炭化珪素や窒化ガリウムあるいはダイヤモンドのようなワイドバンドギャップ半導体を用いたMOSFETや接合型FETやあるいはIGBTを使用していてもよい。また、コンデンサの防爆弁がある場合、それを避ける配置とする。また、絶縁体１０１は導体１００の全てを覆っていなくともよい。

　以下に、図面により本発明の電力変換装置の第２の実施形態である実施例２について図５を用いて詳細に説明する。

　図５は実施例１における図２に相当する図であり、モジュール内部の構成を示す。本実施例における半導体モジュールの内部には絶縁ゲル２４が充てんされ、絶縁ゲル２４に浸漬されていない部分では、絶縁沿面距離および絶縁空間距離を確保する必要があることから、正極端子２１と負極端子２２との間の距離が離れている。そして、その正極端子２１と負極端子２２との間の領域に、絶縁体１０１で覆われた導体１００が配置される。この点で本実施例は実施例１と異なるが、距離が確保された正極端子と負極端子との間の領域に、絶縁体１０１で覆われた導体１００を配置する点では実施例１と同様であり、また、その他の点は実施例１と同様である。

　本実施例によれば、半導体モジュールの寄生インダクタンスを低減することが可能となる。

　以下に、図面により本発明の電力変換装置の第３の実施形態である実施例３について図６を用いて詳細に説明する。

　図６は実施例１における図２に相当する図であり、実施例１と共通の部分には同一符号を付して説明を省略し、以下、異なる部分について説明する。

　本実施例に係る電力変換装置は、プリント配線板５０を備え、コンデンサや抵抗、半導体集積回路などの電気部品が実装されている。この点で本実施例は実施例１と異なるが、距離が確保された正極端子１１と負極端子１２との間の領域に、絶縁体１０１で覆われた導体１００を配置する点など、その他の点は実施例１と同様である。

　本実施例によれば、プリント配線板との接続端子部分のインダクタンスを低減可能となる。

　以下に、図面により本発明の電力変換装置の第４の実施形態である実施例４について図７を用いて詳細に説明する。

　図７は実施例１における図１に相当する図であり、実施例１と共通の部分には同一符号を付して説明を省略し、以下、異なる部分について説明する。

　コンデンサ１０と並列に１０P１、１０P２が接続され、同様に半導体モジュール２０と並列に２０P１、２０P２が接続されている点が異なっている。なお、並列接続されたコンデンサ、半導体モジュールの端子にも同様の符号を記している。ここで、バスバの構造上、コンデンサ10と10P2に、寄生インダクタンスが寄生しており、コンデンサ10P1に対して相対的にバスバのインダクタンスが大きい。また、モジュールに対しても同様であり20P1に対して相対的に２０、２０P2につながるバスバのインダクタンスが大きい。

　10と10P2、20と20P2に実施例１に記載した絶縁体１０２に覆われた導体１００を挿入することにより、端子接続部のインダクタンスを低減でき、インダクタンスのばらつきを低減できる。

　インダクタンスにばらつきがある場合、それに起因した電流バラつきにより発熱バラつきを生じ、発熱バラつきは寿命のばらつき要因となる。このため、本実施例のようにバスバと端子部合計の寄生インダクタンスのばらつきを均等化することによりコンデンサ、半導体モジュールの寿命を均等化・長期化を図ることができる。

　なお、本実施例では１０、１０Ｐ２、２０、２０Ｐ２に、絶縁体１０１に覆われた導体１００を配置したが、バスバの寄生インダクタンスのばらつきの程度によっては、この限りではなく、別の組合せであってもよい。また、導体１００のＺ方向あるいはＸ方向の長さを調整することで、端子部の寄生インダクタンスの低減効果を調整できることから、バスバの寄生インダクタンスのばらつきによっては、形状の異なる絶縁体１０１に覆われた導体１００を個別に備えてもよい。

　従来はインダクタンスを均等化する場合、インダクタンスを増加させる方向に調整していたが、本実施例によれば、インダクタンスを低減する方向に調整可能となる。

　以下に、図面により本発明の電力変換装置の第５の実施形態である実施例５について図８を用いて詳細に説明する。

　図８は、実施例１における図２に記載の絶縁体１０１に覆われた導体１００に相当する、本実施例における絶縁体１０１に覆われた導体１００を示している。すなわち、図２に記載の電力変換装置の実装構成における絶縁体１０１に覆われた導体１００を、図８に記載の絶縁体１０１に覆われた導体１００に置き換えた構成が本実施例の構成となる。置き換えた部分以外の部分は実施例１と共通である。以下、実施例１と異なる点について述べる。図８に示すように、本実施例の電力変換装置における絶縁体１０１の表面は、ひだ状の凸凹を有している。

　本実施例によれば、絶縁体１０１の表面がひだ状の凸凹を有することで、正極端子１１と負極端子１２との間の沿面距離を確保することができ、より高耐圧の電力変換器にも適用が可能となる。また、１０１に高放熱樹脂を使用することで導体１００に発生する渦電流による発熱を、効果的に放熱することが可能となる。

　以下に、図面により本発明の電力変換装置の第６の実施形態である実施例６について図９を用いて詳細に説明する。

　図９は、実施例１における図２に記載の絶縁体１０１に覆われた導体１００に相当する、本実施例における絶縁体１０１に覆われた導体１００を示している。すなわち、図２に記載の電力変換装置の実装構成における絶縁体１０１に覆われた導体１００を、図９に記載の絶縁体１０１に覆われた導体１００に置き換えた構成が本実施例の構成となる。置き換えた部分以外の部分は実施例１と共通である。以下、実施例１と異なる点について述べる。図９に示すように、本実施例の電力変換装置における導体１００はフィン形状となっている。

　一般的に絶縁体より熱伝導性に優れる導体をフィン形状とすることにより先端まで熱を効率的に伝導できるため、本実施例によれば、実施例５に比べ放熱性をより向上させることができる。また、絶縁体１０１で表面を覆うことにより正極端子１１と負極端子１２との間の絶縁沿面距離も確保可能となる。これにより、導体１００に発生する渦電流による発熱を、効果的に放熱することが可能となる。

　以上、本発明の上記各実施例によれば、
　（１）接続端子部のインダクタンス低減が可能であることから、サージ電圧の低減、スイッチングの高速化が可能となり、以て電力変換装置の小型・低コスト化が可能となり、また、
　（２）並列部品のインダクタンス均等化が可能であることから、電流ばらつきおよび発熱バラつきを低減でき、以て部品の長寿命化が可能となる。

　１　電力変換装置（１相分）
　１０　コンデンサ
　１１　コンデンサ正極端子
　１２　コンデンサ負極端子
　２０　半導体モジュール
　２１　モジュール正極端子
　２２　モジュール負極端子
　２３　モジュールAC端子
　３１　正極側バスバ
　３２　負極側バスバ
　３３　ACバスバ
　３４　絶縁板
　４０　冷却器
　５０　ネジ
　１００　導体
　１０１　絶縁体

Claims

　凸形状の正極端子および凸形状の負極端子を有する第一の電気部品と、
　前記正極端子と電気的に接続された第二の電気部品と、
　前記負極端子と電気的に接続され、かつ、前記第二の電気部品と絶縁された第三の電気部品と
を備えた電力変換装置であって、
　前記正極端子と前記負極端子との間に、周囲が絶縁体で覆われた導体が、前記正極端子と前記負極端子とに挟まれるように配置される
ことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置において、
　前記第一の電気部品はコンデンサであり、前記第二の電気部品は正極側バスバであり、前記第三の電気部品は負極側バスバである
ことを特徴とする電力変換装置。
　請求項２に記載の電力変換装置において、
　電気的に並列接続された複数の前記コンデンサを備え、
　前記周囲が絶縁体で覆われた導体が前記電気的に並列接続された複数の前記コンデンサのうち少なくとも一つの前記コンデンサの前記正極端子と前記負極端子とに挟まれるように配置される
ことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置において、
　前記第一の電気部品は半導体モジュールであり、前記第二の電気部品は正極側バスバであり、前記第三の電気部品は負極側バスバである
ことを特徴とする電力変換装置。
　請求項４に記載の電力変換装置において、
　電気的に並列接続された複数の前記半導体モジュールを備え、
　前記周囲が絶縁体で覆われた導体が前記電気的に並列接続された複数の前記半導体モジュールのうち少なくとも一つの前記半導体モジュールの前記正極端子と前記負極端子とに挟まれるように配置される
ことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置において、
　前記第一の電気部品は電気配線基板であり、前記第二の電気部品は正極側バスバであり、前記第三の電気部品は負極側バスバである
ことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
　前記絶縁体は、イオンマイグレーションを防止する材料である
ことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
　前記絶縁体は、前記正極端子と前記負極端子の絶縁沿面距離を確保するため、前記絶縁体の表面にヒダ形状を有している
ことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
　前記周囲が絶縁体に覆われた導体は、放熱のためのフィン形状を有している
ことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
　前記周囲が絶縁体に覆われた導体は、前記第一の電気と前記第二の電気部品と前記第三の電気部品のうち少なくとも一つに固定されている
ことを特徴とする電力変換装置。