JP4580967B2 - 電力変換回路 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換回路に関する。

近年、産業用あるいは電力用として小型、高出力を図ったドライブ装置が多分野で採用されている。

ドライブ装置の主回路素子には、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯサイリスタ等のスイッチング素子が使われている。例えば、特開平７−１３０９２７号公報（特許文献２）の「モータドライバモジュール」に記載されているように、これらは一般的に容量毎に専用に製品化されたパッケージにフリーホイールダイオードと一緒にマウントされて組み込まれ、いわゆるモジュール素子化された構造となっている。このモジュール素子化の技術は、特開平９−２９８２６２号公報（特許文献３）の「半導体装置およびその製造方法」にも記載されている。

さらに従来、例えば、実開平６−２６２６９号公報（特許文献１）に記載されているように、スイッチング素子とフリーホイールダイオードとの組を２セット、４セットあるいは６セット分一つのパッケージにした２ｉｎ１パッケージ、４ｉｎ１パッケージ、６ｉｎ１パッケージも出現しており、単相回路や３相回路を駆動するドライブ装置回路を構成するのに都合の良い構造となっているものもある。

この他、構成部品としては運転時に発熱するモジュール素子用の冷却機器、主回路素子を駆動するプリドライブ回路、平滑コンデンサ等が有り、これら全てが組み合わさってドライブ装置を構成している。

このような容量毎にモジュール構造化された主回路素子を用いて、ドライブ装置を小形に構成しようとする場合、主回路素子はドライブ装置の容量に合わせた専用品を必要となる。そのために、容量が変更された場合には再度開発する必要があった。

ところが、従来の構造では、再設計をする場合には主回路素子自体の容量からパッケージ構造まで容量に合わせた新設計が必要となるため、開発工数が多く、低コスト化を図ることに難点があった。
実開平６−２６２６９号公報 特開平７−１３０９２７号公報 特開平９−２９８２６２号公報

本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、必要な容量に合わせたドライブ装置を低コストで実現できる電力変換回路を提供することを目的とする。

請求項１の発明の電力変換回路は、主回路素子としてのスイッチング素子とフリーホイールダイオードとを共通の基板にマウントし樹脂モールドして直方体状の樹脂モールド部を形成し、前記スイッチング素子の第１の主回路端子及び第２の主回路端子を前記樹脂モールド部の一側面において当該側面に垂直な方向に突出させた半導体モジュールの４個以上の偶数体（以下、「２Ｍ体」とする。Ｍは２以上の自然数。）を２列に、前記樹脂モールド部の端子群の突出していない側面が向い合うようにして互いに向い合わせに並列させ、当該２列に並んだ半導体モジュールの列間に素子冷却器を配置し、全半導体モジュールの樹脂モールド部の内側側面を密着させて１相分の主回路構成部品を構成し、前記主回路構成部品の複数相（「Ｎ相」とする。Ｎは自然数。）を、各相の半導体モジュールが背中合わせになるように配置し、全半導体モジュールをＭ行×２Ｎ列の配置にし、２Ｎ列のうちの１，３，…，２Ｎ−１の列の半導体モジュールそれぞれの前記第１の主回路端子を正側又は負側共通端子の一方に接続し、前記２Ｎ列のうちの２，４，…，２Ｎの列の半導体モジュールそれぞれの前記第１の主回路端子を正側又は負側共通端子の他方に接続し、前記Ｎ相の各相の主回路構成部品の半導体モジュールそれぞれの前記第２の主回路端子間を負荷側共通端子に接続したものである。

請求項２の発明は、請求項１の電力変換回路において、前記素子冷却器を挟んで互いに向かい合う２体の半導体モジュールの両側をＣ形バネで挟み込み、当該２体の半導体モジュールと素子冷却器とを密着させたことを特徴とするものである。

請求項１の発明の電力変換回路では、主回路素子としてのスイッチング素子とフリーホイールダイオードとを共通の基板にマウントし樹脂モールドして直方体状の樹脂モールド部を形成し、スイッチング素子の第１の主回路端子及び第２の主回路端子を樹脂モールド部の一側面において当該側面に垂直な方向に突出させた半導体モジュールをＭ行×２Ｎ列に配置して、設計上必要とされる容量のＮ相の電力変換回路を自在に構成することができる。

請求項２の発明の電力変換回路では、素子冷却器を挟んで互いに向かい合う２体の半導体モジュールの組をＣ形バネによって両側から挟み込んで一体化することで、この２体の半導体モジュールを単位組にして多数組の半導体モジュール組体で構成される電力変換回路の製作作業を容易にすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態の半導体モジュール１０１について、図１を用いて説明する。本実施の形態の半導体モジュール１０１では、樹脂モールド部１０に主回路素子としてバイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯサイリスタ等のスイッチング素子とフリーホイールダイオードが一緒にマウントされ樹脂モールドされて組み込まれている。
なお、以下の各実施の形態の説明では端子をバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴに適用してエミッタ端子、コレクタ端子が第１の主回路端子、第２の主回路端子をなし、ゲート端子が制御信号端子をなすものとしているが、ＦＥＴ、ＧＴＯサイリスタなどでは端子の呼び名が異なることがある。そのような半導体スイッチング素子についても、バイポーラトランジスタのエミッタ端子、コレクタ端子、ゲート端子と対応する端子がこれら第１の主回路端子、第２の主回路端子、制御信号端子をなすものとする。
樹脂モールド部１０の一つの側面から主回路端子群３，４は短く、信号端子群１，２は長く突出させている。この端子群の配列について説明すると、１はゲート端子、２は保護信号端子である。そして、３は第１の主回路端子をなすエミッタ端子、４は第２の主回路端子をなすコレクタ端子である。エミッタ端子３は平滑コンデンサとの接続のために、コレクタ端子４よりも長めの突出長にしてある。

この第１の実施の形態の半導体モジュール１０１は、後述するように図２に示すように２対１組にして、必要な容量Ｍと相ＮのＭ×Ｎ（樹脂モジュール単位ではＮ×２Ｍ）だけマトリクスに配列し、プレート状のバスバーを利用して接続を行い、電力変換回路４１０を構成するために用いることができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態の電力変換回路４１０について、図２を用いて説明する。本実施の形態の電力変換回路４１０は、図１に示した半導体モジュール１０１の２体を向い合わせにして１組の半導体モジュール組体とし、４組を並列に配列し、各組の半導体モジュール１０１の間に長尺の素子冷却器２０を密着するように介在させたものを１相分の主回路構成部品２１０とし、これをＵ，Ｖ，Ｗ３相分平行に配置している。

そして、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の主回路構成部品２１０には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相バスバー４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗそれぞれが配設され、各半導体モジュール１０１から短めに突出している第２の主回路端子であるコレクタ端子４を両側からそれぞれの側縁部に接続している。

また、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の片方の半導体モジュール１０１の列のエミッタ端子３のすべてをプレート状の正（Ｐ）側バスバー４２にて接続し、各相の他の片方の半導体モジュール１０１の列のエミッタ端子３のすべてをプレート状の負（Ｎ）側バスバー４３にて接続している。ただし、図２においてＰ側バスバー４２がＮ側バスバー４３よりも上側（外側）に位置するため、所定位置のエミッタ端子３それぞれがＮ側バスバー４３に接触せずにそれを貫通し、Ｐ側バスバー４２にだけ接触するように、Ｎ側バスバー４３の該当箇所それぞれには穴があけてある。また、Ｐ側バスバー４２、Ｎ側バスバー４３それぞれには、低圧の制御信号端子群１，２が貫通するように該当箇所に同様に穴があけてある。なお、実施の形態では、これらは共通の穴４５としている。この穴４５各々から長く突出する信号端子群１，２に対しては、プリドライブ回路を接続することになる。

このような構成の第２の実施の形態の電力変換回路４１０では、第１の実施の形態の半導体モジュール１０１を必要とされる容量に対応した組数Ｍだけ並列に並べ、また主回路の相分Ｎだけ平行に並べる配列によって設計上必要とされる容量、相数に対応した電力変換回路を自在に構成することができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態の半導体モジュール組体２１１について、図３を用いて説明する。本実施の形態の半導体モジュール組体２１１は、図１に示した第１の実施の形態の半導体モジュール１０１の２体を向い合わせにし、その間に素子冷却器２０を介在させ、これらの全体をＣ形バネ２７で挟み込んで一体的に固定した構造を特徴とする。

この構成の第３の実施の形態の半導体モジュール組体２１１では、容量を大きくするために並列回路数を増やすほど複雑になり製作が難しくなる電力変換回路の製作を、この組体２１１を単位として必要個数だけ配列し、例えば図４に示したような電力変換回路４１１を製作する作業が容易となる。

この図４に示す電力変換回路４１１は、図３に示した半導体モジュール組体２１１を８組（Ｍ＝４）、並列に配列したものを１相分の主回路構成部品３１１とし、これをＵ，Ｖ，Ｗ３相分（Ｎ＝３）平行に配置して構成してある。図４において、２６は平滑コンデンサであり、４２はプレート状のＰ側バスバー、４３はプレート状のＮ側バスバー、４１は各相の負荷側共通端子板、３１０はプリドライブ回路を示している。

なお、本発明は上記の各実施の形態に限定されることはなく、特に、樹脂モールド部１０から突出させる端子としては、基本的にスイッチング素子の入出力端子数の３本だけでよいが、樹脂モールド部にさらに保護回路を埋め込む構造の場合にはその保護回路用の端子も増設されることになる。また、端子の突出長については、半導体モジュールの製造時には同じ長さにして、用途に応じて各端子を適切な長さに切断したり屈曲させたりする後加工を行うようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態の半導体モジュールの斜視図。 本発明の第２の実施の形態の電力変換回路の斜視図。 本発明の第３の実施の形態の半導体モジュール組体の斜視図。 本発明の第３の実施の形態の半導体モジュール組体を用いて構成した電力変換回路の分解斜視図。

１ ゲート端子
２ 保護信号端子
３ エミッタ端子
４ コレクタ端子
１０ 樹脂モールド部
２０ 素子冷却器
２６Ｕ，２６Ｖ，２６Ｗ 平滑コンデンサ
２７ Ｃ形バネ
４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗ 負荷側共通端子板
４２ 正（Ｐ）側バスバー
４３ 負（Ｎ）側バスバー
１０１ 半導体モジュール
２１０ 半導体モジュール組体
２１１ 半導体モジュール組体
３１０ ブリッジドライブ回路
３１１ 主回路構成部品
４１０ 電力変換回路
４１１ 電力変換回路

Claims (2)

1. 主回路素子としてのスイッチング素子とフリーホイールダイオードとを共通の基板にマウントし樹脂モールドして直方体状の樹脂モールド部を形成し、前記スイッチング素子の第１の主回路端子及び第２の主回路端子を前記樹脂モールド部の一側面において当該側面に垂直な方向に突出させた半導体モジュールの４個以上の偶数体（以下、「２Ｍ体」とする。Ｍは２以上の自然数。）を２列に、前記樹脂モールド部の端子群の突出していない側面が向い合うようにして互いに向い合わせに並列させ、当該２列に並んだ半導体モジュールの列間に素子冷却器を配置し、全半導体モジュールの樹脂モールド部の内側側面を密着させて１相分の主回路構成部品を構成し、
   前記主回路構成部品の複数相（「Ｎ相」とする。Ｎは自然数。）を、各相の半導体モジュールが背中合わせになるように配置し、全半導体モジュールをＭ行×２Ｎ列の配置にし、
   ２Ｎ列のうちの１，３，…，２Ｎ−１の列の半導体モジュールそれぞれの前記第１の主回路端子を正側又は負側共通端子の一方に接続し、
   前記２Ｎ列のうちの２，４，…，２Ｎの列の半導体モジュールそれぞれの前記第１の主回路端子を正側又は負側共通端子の他方に接続し、
   前記Ｎ相の各相の主回路構成部品の半導体モジュールそれぞれの前記第２の主回路端子間を負荷側共通端子に接続して成る電力変換回路。
2. 前記素子冷却器を挟んで互いに向かい合う２体の半導体モジュールの両側をＣ形バネで挟み込み、当該２体の半導体モジュールと素子冷却器とを密着させて成る請求項１に記載の電力変換回路。