WO2016136516A1 - インバータ装置 - Google Patents

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    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure

Definitions

  • the present invention relates to an inverter device, and more particularly to a member arrangement of the inverter device with reduced circuit inductance.
  • IGBT semiconductor power modules for each phase
  • IGBT1 to IGBT4 a plurality of semiconductor power modules for each phase
  • a smoothing capacitor C a connection conductor for a DC circuit P, N and output conductors (output terminals) U, V are mainly configured.
  • the arrangement structure of each member in this apparatus is generally configured as shown in FIG.
  • IGBT1 and IGBT2 connected in series that become U-phase arms are arranged in the front-rear direction (vertical direction in the plan view), and IGBT3 and IGBT4 that are connected in series adjacent to each other in parallel are V-phase arms.
  • the connecting conductors P and N are led out in the left direction in the drawing and bent in a right angle direction, and the output conductors U and V are led out in the right direction in the drawing.
  • the smoothing capacitor C is disposed between the IGBT and the bent connection conductors P and N.
  • In is an insulating member
  • H is a heat sink.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 are publicly known as inverter devices with reduced circuit inductance. JP 2013-42663 JP 2006-262623 A
  • the distance to the fixing member 4, that is, the IGBT 3 is longer, and the distance between the IGBT 1 and the IGBT 3 connected between the same connection conductors P is uneven. For this reason, the loop of the current flowing between the capacitor C and the IGBTs 1 and 2 at the time of switching and the loop of the current flowing between the capacitor C and the IGBTs 3 and 4 are imbalanced and cause circuit inductance.
  • the inductance between the IGBT output and the load end is reduced to reduce the circuit loop as the device, or the conductors in the current direction facing each other are aligned. It is an essential task to reduce the inductance of the circuit by arranging them.
  • an object of the present invention is to provide an inverter device having a reduced circuit inductance.
  • a plurality of semiconductor power modules for each phase to which a heat sink is attached, positive and negative connection conductors for a DC circuit, smoothing capacitors, and output conductors for each phase are mainly used.
  • the semiconductor power module connected to the positive connection conductor and the semiconductor power module connected to the negative connection conductor in the state where the semiconductor power modules connected in series are overlapped, and the same for each polarity.
  • the positive and negative connection conductors are arranged through the gap to the vicinity of the connection terminals of the semiconductor power module in a state parallel to the insulating member,
  • the smoothing capacitor is attached to a portion arranged in parallel with an insulating member interposed therebetween,
  • the output conductor from the semiconductor power module is derived in parallel with an insulating member interposed between the phases.
  • the smoothing capacitors of the present invention are arranged in a staggered manner on the positive and negative connection conductors.
  • connection conductors of the present invention are formed of plate-like conductors and bent at approximately 90 degrees in the vicinity of the connection terminal portion of the semiconductor power module.
  • the block diagram of the inverter apparatus which shows embodiment of this invention.
  • the circuit diagram of a single phase inverter The block diagram of the conventional single phase inverter apparatus.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of member arrangement according to the present invention and shows an example of a single-phase inverter device.
  • the U-phase arm and the V-phase arm are arranged in an overlapped manner, and the IGBTs connected in series in each phase are arranged in the drawing depth direction with the heat sink H attached.
  • the IGBTs 1 and 3 (in FIG. 3) connected to the positive connection conductor P and the IGBTs 2 and 4 connected to the negative connection conductor N have a left and right side as shown in the plan view.
  • the connecting conductors P and N are extended in parallel with the insulating member In interposed in the center of the interval.
  • a plurality of smoothing capacitors C are provided on one or both sides of the extended connection conductors P and N, and the positive and negative terminals of the smoothing capacitor C are connected to the connection conductors P and N, respectively.
  • the number of smoothing capacitors C is increased and provided on both sides of the connection conductors P and N, they are arranged in a staggered manner on the left and right sides so as not to interfere with the attachment of the smoothing capacitors C.
  • connection conductors P and N are made of a plate-like member, and extends to the vicinity of the connection terminal portion of each IGBT in parallel with the plate-like insulating member In between them.
  • the negative electrode is bent by about 90 degrees to the left and right, and the positive and negative terminals of each IGBT are connected.
  • the U-phase and V-phase output conductors U and V are also stretched from the front side of the front view with the insulating member In interposed therebetween, and are divided into left and right in the vicinity of the connection terminal portion of the IGBT.
  • the output conductors U and V are connected to the connection conductors P and N so as to be orthogonal to each other and connected to the terminal on the AC output side of each IGBT.
  • the smoothing capacitor C is disposed on the rear side of the heat sink H so that it does not hinder the screwing of the terminal portion of the IGBT.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a three-phase inverter device.
  • the IGBTs 1, 3, 5 connected to the connection conductor P are arranged on the right side of the drawing, and the IGBTs 2, 4, 6 connected to the connection conductor N are shown in FIG. Is arranged on the right side of the drawing.
  • the reactance from the inverter output to the load end is slightly larger in the U and W phases than in the V phase compared to the single layer inverter, but the circuit inductance is sufficiently reduced compared to the conventional one. Is possible.
  • the group of IGBTs connected to the positive connection conductor P and the group of IGBTs connected to the negative connection conductor N are equidistant along the connection conductors P and N, respectively. Placed in. As a result, the current flowing between the smoothing capacitor C and IGBT1 and IGBT2 during switching and the circuit loop of the smoothing capacitor C and IGBT3 and IGBT4 become smaller, and the flowing current balances and cancels the circuit inductance, thereby reducing circuit inductance. Is possible.

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Abstract

　正、負極の接続導体に接続される平滑コンデンサと、インバータを構成する半導体パワーモジュール間において、電流の回路ループの不均衡に伴って回路インダクタンスが大きくなっていた。　半導体パワーモジュールを直列に接続した相毎のアームを重ねた状態で、且つ正極用の接続導体に接続される半導体パワーモジュールと負極用の接続導体に接続される半導体パワーモジュール同一方向に配列する。半導体パワーモジュールの配列された極間に間隙を設け、この間隙に絶縁部材を挟んで並行状態に正、負極用の接続導体を設ける。接続導体は、半導体パワーモジュールの接続端子付近で屈曲して半導体パワーモジュールを取り付ける。

Description

インバータ装置
　本発明は、インバータ装置に係わり、特に回路インダクタンスを低減したインバータ装置の部材配置に関するものである。
　インバータ装置として、例えば単相インバータの場合、図３で示すように、相毎の複数の半導体パワーモジュール（以下はＩＧＢＴを例とする）ＩＧＢＴ１～ＩＧＢＴ４と、平滑コンデンサＣ及び直流回路用の接続導体Ｐ，Ｎ、出力導体（出力端子）Ｕ，Ｖの各部材を主体として構成される。この装置における各部材の配置構造は、図４で示すように構成されているのが一般的である。
　すなわち、Ｕ相アームとなる直列接続されたＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ２が対向して前後方向（平面図では上下方向）に配置され、これと平行隣接してＶ相アームとなる直列接続されたＩＧＢＴ３とＩＧＢＴ４が対向してそれぞれ正極及び負極の接続導体Ｐ，Ｎに各別に接続される。接続導体Ｐ，Ｎは図面左方向に導出されて直角方向に屈曲し、出力導体Ｕ，Ｖは図面右方向に導出されている。
また、平滑コンデンサＣは、ＩＧＢＴと屈曲された接続導体Ｐ，Ｎ間に配置されている。Ｉｎは絶縁部材、Ｈはヒートシンクである。
　なお、回路インダクタンスを低減したインバータ装置については特許文献１や特許文献２などが公知となっている。
特開２０１３－４２６６３ 特開２００６－２６２６２３
　図４で示すような部材配置の場合、特に各ＩＧＢＴの接続端子部近辺で、次の２つの理由により回路のインダクタンスが大きくなる問題を有している。
（１）電流の導通経路が屈折するため回路ループが大きくなり、回路のインダクタンスが増える。
（２）対向する電流方向の導体を沿わせて配置することで回路インダクタンスを打ち消し合うことは周知であるが、実際には接続導体が分岐するため電流方向の導体を沿わせて配置することが難しい。
　図４の構成では、接続導体Ｐにねじ等の固定部材１，２を介して取り付けられる平滑コンデンサＣと、例えば接続導体Ｐに固定部材３，４を介して取り付けられるＩＧＢＴ１，ＩＧＢＴ３までの距離を比較すると、固定部材４，すなわち、ＩＧＢＴ３までの方が長い距離となっており、同じ接続導体Ｐ間に接続されるＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ３の距離が不均等となっている。このため、スイッチング時におけるコンデンサＣとＩＧＢＴ１，ＩＧＢＴ２間を流れる電流のループと、コンデンサＣとＩＧＢＴ３，ＩＧＢＴ４間を流れる電流のループとが不均衡となって回路インダクタンス発生の原因となっている。
　特に、高周波インバータ装置においては、直流回路のインダクタンスの縮小に加えて、ＩＧＢＴの出力と負荷端までのインダクタンスを小さくして装置としての回路ループを小さくしたり、対向する電流方向の導体を沿わせて配置したりすることで回路のインダクタンスを減らすことが必須の課題となっている。
　したがって、本発明が目的とするところは、回路インダクタンスを小さくしたインバータ装置を提供することにある。
　本発明の１つの観点によれば、ヒートシンクを取付けた相毎の複数の半導体パワーモジュールと、直流回路の正、負極用の接続導体と、平滑コンデンサ及び相毎の出力導体の各部材を主体として構成されるインバータ装置の配置において、
前記半導体パワーモジュールを直列に接続した相毎のアームを重ねた状態で、且つ正極用の接続導体に接続される半導体パワーモジュールと負極用の接続導体に接続される半導体パワーモジュールを極性毎に同一方向に配列してその極性間に間隙を設け、
前記正、負極用の接続導体は、絶縁部材を挟んで並行した状態で半導体パワーモジュールの接続端子付近まで前記間隙を通して配設し、
前記平滑コンデンサは、絶縁部材を挟んで並行配設された部分に取り付け、
前記半導体パワーモジュールからの出力導体は、各相間に絶縁部材を挟んで並行に導出したものである。
　本発明の平滑コンデンサは、正、負極用の接続導体に互いに千鳥状に配置したものである。
　また、本発明の正、負極用の接続導体は、板状の導体で形成され、前記半導体パワーモジュールの接続端子部近辺で略９０度に屈曲したものである。
本発明の実施形態を示すインバータ装置の構成図。 本発明による三相インバータ装置の模式図。 単相インバータの回路図。 従来の単相インバータ装置の構成図。
　図１は本発明による部材配置の構成図で、単相インバータ装置の例を示したものである。正面図のようにＵ相アームとＶ相アームを重ねた状態で配置され、各相の直列接続されたＩＧＢＴはヒートシンクＨが取り付けられて図面奥行き方向に配置される。各ＩＧＢＴのうち、正極の接続導体Ｐに接続されるＩＧＢＴ１，３（図３の）と、負極の接続導体Ｎに接続されるＩＧＢＴ２，４は、平面図で示すように間隔を有して左右に分かれて配置され、その間隔の中央部分に絶縁部材Ｉnを挟んで接続導体Ｐ，Ｎが並行して延長される。延長された接続導体Ｐ，Ｎの片面、又は両面に複数の平滑コンデンサＣを配設し、平滑コンデンサＣの正、負極端子は各別に接続導体Ｐ，Ｎに接続される。なお、平滑コンデンサＣ数が多くなって接続導体Ｐ，Ｎの両側に設ける場合には、左右で千鳥状配置として平滑コンデンサＣの取り付けに互いに干渉しないよう配設される。
　接続導体Ｐ，Ｎはそれぞれ板状の部材よりなり、両者間に板状の絶縁部材Ｉnを挟んで並行した状態で各ＩＧＢＴの接続端子部近辺まで伸び、この接続端子部近辺で一度、正，負極が左右略９０度に曲げられて分かれて、各ＩＧＢＴの正，負極の各端子が接続される。
　同様に、Ｕ相，Ｖ相の出力導体Ｕ，Ｖも、絶縁部材Ｉnを挟んで正面図の手前方向から延伸されてＩＧＢＴの接続端子部近辺で左右に分かれる。ＩＧＢＴの接続端子部近辺では、接続導体ＰとＮに対して出力導体ＵとＶが直交して沿った状態で各ＩＧＢＴの交流出力側の端子と接続される。この状態で平滑コンデンサＣはヒートシンクＨの後ろ側に配設されており、ＩＧＢＴの端子部分の螺子締め等の阻害とならないようになっている。
　上記実施例では単層インバータについて説明してきたが、三相インバータ装置でも同様に構成される。図２は三相インバータ装置の模式図を示したもので、接続導体Ｐに接続されるＩＧＢＴ１，３，５は図面右側に配設され、また、接続導体Ｎに接続されるＩＧＢＴ２，４，６は図面右側に配設される。三相インバータの場合、単層インバータと比較してＵ，Ｗ相でＶ相に比較してインバータ出力から負荷端までのリアクタンス分は少し大きくなるが、従来と比較して回路インダクタンスの低減が十分に可能となるものである。
　上記のように本発明によれば、正極の接続導体Ｐに接続されるＩＧＢＴのグループと、負極の接続導体Ｎに接続されるＩＧＢＴの各グループは、それぞれ接続導体Ｐ，Ｎに沿って等距離に配置される。これにより、スイッチング時における平滑コンデンサＣとＩＧＢＴ１，ＩＧＢＴ２間を流れる電流と、平滑コンデンサＣとＩＧＢＴ３，ＩＧＢＴ４の回路ループが小さくなると共に、流れる電流が均衡して回路インダクタンスを打ち消す合い、回路インダクタンスの低減が可能となるものである。

Claims (3)

  1. ヒートシンクを取付けた相毎の複数の半導体パワーモジュールと、直流回路の正，負極用の接続導体と、平滑コンデンサ及び相毎の出力導体の各部材を主体として構成されるインバータ装置の配置において、
    　前記半導体パワーモジュールを直列に接続した相毎のアームを重ねた状態で、且つ正極用の接続導体に接続される半導体パワーモジュールと負極用の接続導体に接続される半導体パワーモジュールを極性毎に同一方向に配列してその極性間に間隙を設け、
    　前記正、負極用の接続導体は、絶縁部材を挟んで並行した状態で半導体パワーモジュールの接続端子付近まで前記間隙を通して配設し、
    　前記平滑コンデンサは、絶縁部材を挟んで並行配設された部分に取り付け、
    　前記半導体パワーモジュールからの出力導体は、各相間に絶縁部材を挟んで並行に導出して構成することを特徴としたインバータ装置。
  2. 前記平滑コンデンサは、正、負極用の接続導体に互いに千鳥状に配置したことを特徴とした請求項１記載のインバータ装置。
  3. 前記正、負極用の接続導体は、板状の導体で形成され、前記半導体パワーモジュールの接続端子部近辺で略９０度に屈曲されたことを特徴とした請求項１又は２記載のインバータ装置。
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