JP4823591B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は複数のモジュール型半導体素子、半導体素子冷却器及び導体その他の電気用品等により構成される電力変換装置、例えば整流装置やインバーター装置の構造に関する。

整流装置及びインバーター装置などの電力変換装置は、複数の電力用半導体素子とこれを冷却する為のヒートパイプ式等の冷却器及び電気用品等から構成されている。

図３、図４は従来の例を示すものであり、図５は回路図を示す。なお、図３および図４において、上側の図は正面図、下側の図は底面図である。

従来例としては半導体素子としてＩＧＢＴ等に代表されるモジュール型の素子１〜６を、素子を冷却する冷却器の受熱ブロック１１に実装したものである。

図３〜図４において、１〜６はモジュール型半導体素子、７ａはコレクタ側導体、７ｂはエミッタ側導体、８はＵ，Ｖ，Ｗ相の交流導体、１１は冷却器の受熱ブロックを示す。図３、図４に示される構造は、図５の回路図に示す構成であり、電力変換装置の主回路（整流回路又はインバーター回路）を構成している。

電力変換装置の様な大電流、高電圧の機器の主回路において、装置定格の大容量化に伴う半導体素子の発熱損失の増加が問題となる。発熱損失の増加に伴い必然的に冷却器の高性能化や大型化が必要となり、受熱ブロック１１や放熱フィン部が大型化する。冷却器の大型化はそれだけでなく同時に装置自体の大型化を伴う問題であり、それぞれ最適な方法が考えられている。

図４ではインバーター回路の上下アーム単位である素子２個を１つの冷却器にて冷却する３つのユニットにより主回路を構成する構造としている。各ユニットにおいてはコレクタ側導体７ａとエミッタ側導体７ｂが必要な絶縁距離を確保し平行にすることで導体のインダクタンスを極力抑える事が出来る構造となっている。なお、各ユニットにおいてコレクタ側導体７ａとエミッタ側導体７ｂが必要な絶縁距離を確保し平行にすることで導体のインダクタンスを極力抑えるようにすることは、例えば、特許文献１に示されている。

また図３の例においては、冷却器の受熱ブロック１１の両面に主回路を構成する１〜６の素子を３個ずつ配置し、１つの冷却器と６個の素子で構成する図５に示す主回路を１つのユニットとした構造である。図３の方法においても、図４と同様に、コレクタ側導体７ａとエミッタ側導体７ｂは必要な絶縁距離を確保し平行に配置する事で導体のインダクタンスを極力抑える構造としている。

尚、図３の方法の場合、冷却器の両面に配置されている事から表裏で対象な構造であり、コレクタ側、エミッタ側それぞれの導体長さも同じとする事が出来る為、インダクタンスの低減効果としては更に効果が期待できる。なお、このように、表裏で対象な構造とし、コレクタ側、エミッタ側それぞれの導体長さも同じとすることは、例えば、特許文献２に示されている。
特開平２−１７４５６４号公報 特開平７−１３１９７８号公報

しかし、上記の従来例の図４の方法では、エミッタ側とコレクタ側の導体長さが同一では無いため単独配線となる部分があり、インダクタンス低減効果として最適な構造であるとは言えない。これは同一平面上に二次元的に導体を配置し、図５の主回路を構成しようとすると、導体の取り出し方向を変えても必ずコレクタ側導体７ａ，エミッタ側導体７ｂと、交流導体８とのいずれか同士が干渉してしまうことが要因となっている。また図４の方式の様に最小ユニットを複数個組み合わせて図５の主回路を構成する場合、分散されたそれぞれのユニット間を接続する導体が必要となる。従ってユニット間接続用の導体の延長分のインダクタンスが増加してしまうこと、また主回路構成によりユニットが増加すればするほど延長される導体分インダクタンスも増加してしまう事が問題となる。

これに対し、図３の方法では、冷却器の受熱ブロック１１の表裏にこれを配置する事で表裏の各アームが対称な構造となるので、図４の様な配線長さの不均衡が無い構造を実現する事が出来る。しかし、図３の方法においても、平行配置となる位置までの単独の配線部分は構造上不可欠であること、加えて素子発熱量増加に伴い受熱ブロック１１が大型化すれば更に単独配線部が延長されインダクタンスは増加する。更には主回路の素子直列数が増加した場合、配線の総長さ及び単独部分の配線長は何れも増加し、本方法では配線インダクタンスの低減効果を得る事が困難となる。

インダクタンスの低減効果を得る為の基本的な対策としては、コレクタ側導体７ａとエミッタ側導体７ｂとを極力近接させて平行に最短距離で配置する事が必要であるが、幾何学的な条件を加えると導体は極力薄い程それぞれ相対する導体の中心間距離が短くなる事もインダクタンス低減効果を得る条件となる。

ところで導体厚さを薄くした場合は、熱設計上所定定格電流値に対する導体の必要断面積を確保するには幅方向寸法を大型化する必要がある。この条件を図４に適用した場合は高さ方向の寸法が大型化してしまい、装置大型化は避けられない。同様に図３に適用した場合それぞれコレクタ側、エミッタ側端子に干渉してしまい必要な絶縁距離の確保との両立が出来ない。

そこで、本発明は上記問題を解決する為に、複数個のモジュール型半導体素子により構成される主回路をもつ電力変換装置において、モジュール型半導体素子の数量及び主回路構成に関わらず低い配線インダクタンス構造を有する電力変換装置を提供する事を目的とする。

上記目的を達成する為、本発明は、交流側が三相である電力変換装置の主回路を構成する６個のモジュール型半導体素子を半導体素子冷却器の受熱ブロック上の片面に３個ずつ２列に配置するとともに、１列目の３個のモジュール型半導体素子のコレクタ側端子と２列目の３個のモジュール型半導体素子のコレクタ側端子とをそれぞれ近接させて配置し、２列目の３個のモジュール型半導体素子のエミッタ側端子を、平板状の直流導体であるエミッタ側導体で接続するとともに、１列目の３個のモジュール型半導体素子のコレクタ側端子を、それぞれのコレクタ側端子に取り付けた柱状の導体を介して、平板状の直流導体であるコレクタ側導体で接続し、１列目の第１のモジュール型半導体素子のエミッタ側端子と２列目の第１のモジュール型半導体素子のコレクタ側端子、１列目の第２のモジュール型半導体素子のエミッタ側端子と２列目の第２のモジュール型半導体素子のコレクタ側端子、及び１列目の第３のモジュール型半導体素子のエミッタ側端子と２列目の第３のモジュール型半導体素子のコレクタ側端子を、それぞれＦ字形の板状の交流導体で接続して、交流導体及びエミッタ側導体と、コレクタ側導体とを上下に平行に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、電力変換装置の主回路を構成する導体を、主回路の構成如何に関わらず最小にする事が出来るので、配線インダクタンスが小さくスイッチング動作への悪影響を最小限に抑えた主回路を有する電力変換装置を提供することが出来る。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の図において、同符号は同一部分または対応部分を示す。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図１を用いて説明する。なお、図１の上側の図は平面図、下側の図は正面図である。

図１に示すように、電力変換装置の主回路を構成するモジュール型半導体素子１を素子冷却用冷却器の受熱ブロック１１上に配置し、モジュール型半導体素子１のコレクタ側端子Ｃ１に取り付けた柱状の接続導体９を介して直流導体であるコレクタ側導体７ａが接続され、一方のエミッタ側端子Ｅ１に接続された直流導体であるエミッタ側導体７ｂがコレクタ側導体７ａと必要な絶縁距離を保ち平行に配置される様に構成されている。

この様にして構成された電力変換装置の主回路はユニットとして複数個組み合わせられる事で、図５に示す様な整流回路やインバーター回路を構成する。電力変換装置においてこれら複数個を組み合わせて主回路を構成する場合、装置外形の小型化を考慮した上で水平方向及び鉛直方向に複数配置する事が必要となるが、図１の様に半導体素子１の上下方向に一定の絶縁距離をもって配置される事で、上下左右どの方向に対してもそれぞれコレクタ側導体７ａ、エミッタ側導体７ｂが交差することなく接続する事が出来る。また２個以上で奇数個のユニット構成の場合でも上下方向に配置される事でそれぞれの導体が交差しないので、端子間を接続する導体長さを最短且つ均等とすることが可能となる。

また電力変換装置の定格電流の大型化に伴いコレクタ側７ａ及びエミッタ側導体７ｂの必要通電面積が増加し導体幅が大きくなっても、上下に平行に配置されており相対する極の端子に干渉しないので容易に幅方向寸法を大きくとる事が出来る事から、装置外形の変更をすることなく容易に装置定格の増加に対応する事が出来る。

尚、コレクタ側導体７ａ及びエミッタ側導体７ｂが上下に近接して平行に配置される事が特徴であり、上側と下側の位置関係を特定するものでは無い。またコレクタ側端子Ｃ１側にのみ柱状の接続導体９を取り付けるのでは無くエミッタ側端子Ｅ１に取り付ける場合、もしくは双方に高さ違いの導体を取り付ける場合もありこれらを限定するものでは無い。また柱状の接続導体は、直流導体が平行導体を構成する為のものであり円柱型、角柱型等その断面形状及び素子の端子部との接続方法を限定するものでは無い。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図２を用いて説明する。なお、図２の左上側の図は側面図、右上側の図は正面図、右下側の図はコレクタ側導体７ａを取り除いた状態を示す正面図である。電力変換装置の主回路を構成するモジュール型半導体素子１〜６を素子冷却用冷却器の受熱ブロック１１上に配置し、モジュール型素子４〜６のコレクタ側端子Ｃ４〜Ｃ６に取り付けた柱状の接続導体９を介して直流導体であるコレクタ側導体７ａが接続され、一方のエミッタ側端子Ｅ４〜Ｅ６とモジュール型半導体素子１〜３のコレクタ側端子Ｃ１〜Ｃ３に接続した交流導体８、及び他方のエミッタ側導体Ｅ１〜Ｅ３に接続されたエミッタ側導体７ｂ各々が上下方向に近接して平行に配置されている。

この様にして図５に示す様な電力変換装置である整流回路やインバーター回路を構成するものである。この様に構成することで交流側導体８、エミッタ側導体７ａ及びコレクタ側導体７ｂの何れも干渉する事無く、装置として最適な位置にてそれぞれの導体を取り出す事が出来る。また複数の分割ユニットでは無く１ユニットで構成することと、ブロック１１の片側の面すなわち１平面にて図５の回路が構成出来ることから、ユニット間接続用の導体部分の長さを最小に抑える事が出来るので、配線インダクタンスを最小限にする事が出来る。

また電力変換装置の定格電流の大型化に伴いコレクタ側導体７ａ、エミッタ側導体７ｂ及び交流導体８の必要通電面積が増加しても上下に配置されており相対する極の端子に干渉しないので容易に幅方向寸法を大きくとる事が出来るので、装置外形の変更をすることなく容易に装置定格の増加に対応する事が出来る。

尚、コレクタ側導体７ａ、エミッタ側導体７ｂ及び交流導体８が上下に近接して平行に配置される事が特徴であり、上側と下側の位置関係を特定するものでは無い。またモジュール型半導体素子４〜６のコレクタ側端子Ｃ４〜Ｃ６側にのみ柱状の接続導体９を取り付けるのでは無くこれら以外の端子部分に取り付ける場合もありこれらを限定するものでは無い。また柱状の接続導体９は、コレクタ側導体７ａ、エミッタ側導体７ｂ及び交流導体８が平行導体を構成する為のものであり円柱型、角柱型等その断面形状及び素子の端子部との接続方法を限定するものでは無い。

本発明に係わる電力変換装置の第１の実施形態を示す概略構成図。 本発明に係わる電力変換装置の第２の実施形態を示す概略構成図。 従来例の一例を示す概略構成図。 従来例の他の例を示す概略構成図。 本発明の第１、第２の実施形態及び従来例の電力変換装置の回路図。

符号の説明

１〜６…モジュール型半導体素子
７ａ…コレクタ側導体（直流導体）
７ｂ…エミッタ側導体（直流導体）
８…交流導体
９…柱状接続導体
１０…接続導体
１１…冷却器受熱ブロック
Ｃ１〜Ｃ６…素子のコレクタ側端子
Ｅ１〜Ｅ６…素子のコレクタ側端子

Claims (1)

1. 交流側が三相である電力変換装置の主回路を構成する６個のモジュール型半導体素子を半導体素子冷却器の受熱ブロック上の片面に３個ずつ２列に配置するとともに、１列目の３個のモジュール型半導体素子のコレクタ側端子と２列目の３個のモジュール型半導体素子のコレクタ側端子とをそれぞれ近接させて配置し、前記２列目の３個のモジュール型半導体素子のエミッタ側端子を、平板状の直流導体であるエミッタ側導体で接続するとともに、前記１列目の３個のモジュール型半導体素子のコレクタ側端子を、それぞれのコレクタ側端子に取り付けた柱状の導体を介して、平板状の直流導体であるコレクタ側導体で接続し、前記１列目の第１のモジュール型半導体素子のエミッタ側端子と前記２列目の第１のモジュール型半導体素子のコレクタ側端子、前記１列目の第２のモジュール型半導体素子のエミッタ側端子と前記２列目の第２のモジュール型半導体素子のコレクタ側端子、及び前記１列目の第３のモジュール型半導体素子のエミッタ側端子と前記２列目の第３のモジュール型半導体素子のコレクタ側端子を、それぞれＦ字形の板状の交流導体で接続して、前記交流導体及び前記エミッタ側導体と、前記コレクタ側導体とを上下に平行に配置したことを特徴とした電力変換装置。

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