(57)【要約】【課題】  ３レベル構成の電力変換装置の内側半導体スイッチング素子と外側半導体スイッチング素子の寿命をほぼ等しくすることにより、メンテナンス頻度を下げるようにする。【解決手段】  ３レベル構成の電力変換装置において、内側ＩＧＢＴと外側ＩＧＢＴの「界面温度」の温度をほぼ等しくするために、内側半導体スイッチング素子よりも外側半導体スイッチング素子の冷却フィンの熱抵抗が大きいことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各レッグに１つ以上の内側半導体スイッチング素子、及び外側半導体スイッチング素子を備えた、３レベル構成の電力変換装置おいて、
前記内側半導体スイッチング素子、前記外側半導体スイッチング素子にそれぞれ個別に熱的に接続される冷却フィンを備え、
前記内側半導体スイッチング素子の冷却フィンよりも前記外側半導体スイッチング素子の冷却フィンの熱抵抗が大きいことを特徴とした電力変換装置。
【請求項２】
請求項１の電力変換装置において、
前記冷却フィンは空冷で冷却され、
前記内側半導体スイッチング素子の冷却フィンよりも前記外側半導体スイッチング素子の冷却フィンの熱抵抗が大きいことを特徴とした電力変換装置。
【請求項３】
請求項２の電力変換装置において、
前記外側半導体スイッチング素子の風冷却フィンの冷媒に接する表面積が、前記内側半導体スイッチング素子の冷却フィンよりも広いことを特徴とした電力変換装置。
【請求項４】
請求項２の電力変換装置において、
前記内側半導体スイッチング素子の冷却フィンよりも前記外側半導体スイッチング素子の冷却フィンの櫛間隔が広いことを特徴とした電力変換装置。
【請求項５】
各レッグに１つ以上の内側半導体スイッチング素子、及び外側半導体スイッチング素子を備えた、３レベル構成の電力変換装置において、
前記内側半導体スイッチング素子、前記外側半導体スイッチング素子にそれぞれ熱的に接続される冷却フィンと、前記内側半導体スイッチング素子の冷却フィンに冷媒を供給してから、該冷媒を前記外側半導体スイッチング素子の冷却フィンに供給する手段とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
各レッグに１つ以上の内側半導体スイッチング素子、及び外側半導体スイッチング素子を備えた、３レベル構成の電力変換装置おいて、
前記内側及び外側半導体スイッチング素子としてモジュール型素子を適用し、
前記冷却フィンに接続されたベース板と、半導体チップが接続された高熱伝導性絶縁基板との間に半田を備え、
前記内側半導体スイッチング素子、及び前記外側半導体スイッチング素子の半田の界面温度を等しくしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項６の電力変換装置において、
前記内側半導体スイッチング素子よりも前記外側半導体スイッチング素子の方が、冷媒からベース板に接続された半導体チップを接着する半田までの熱抵抗が大きいことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
各レッグに１つ以上の内側半導体スイッチング素子、及び外側半導体スイッチング素子を備えた、３レベル構成の電力変換装置おいて、
前記内側及び外側半導体スイッチング素子として、圧接型素子を適用し、
該圧接型素子の両側を金属部で挟み、かつ、該金属部を冷却フィンで挟み、
前記内側半導体スイッチング素子と、及び前記外側半導体スイッチング素子を挟む金属部の界面温度を等しくしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項８の電力変換装置において、
前記内側半導体スイッチング素子よりも前記外側半導体スイッチング素子の方が、冷媒から半導体チップの表面までの熱抵抗が大きいことを特徴とした電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関し、３レベル構成の電力変換装置において、内側半導体スイッチング素子と外側半導体スイッチング素子の寿命を近づけた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置として、３レベル構成の電力変換装置や２レベル構成の電力変換装置が知られている。３レベル構成の電力変換装置は２レベル構成の電力変換装置に比べて、高調波電流やリプル電流を小さくできる。３レベル構成の電力変換装置は、構成する半導体スイッチング素子の電流の通流時間やスイッチングの回数が素子によって異なり、通常は３レベル構成の電力変換装置の内側スイッチング素子の発熱が外側のＩＧＢＴの発熱よりも大きい。
【０００３】
〔特許文献１〕では３レベル構成の電力変換装置である３レベルインバータの半導体スイッチング素子として、ＩＧＢＴを採用して、内側ＩＧＢＴにオン電圧の低いＩＧＢＴやライフタイムの長いＩＧＢＴを用いることにより、内側のＩＧＢＴの発熱量を抑える方法が開示されている。
【０００４】
また、半導体スイッチング素子としては、モジュール型半導体スイッチング素子や圧接型半導体スイッチング素子が知られている。
【０００５】
モジュール型半導体スイッチング素子は、ベース板の上に半田を介してＡｌＮなどの高熱伝導の絶縁基板が接着され、該絶縁基板の上に半導体スイッチング素子のチップが搭載された構造であり、該モジュール型素子は冷却フィンの上に搭載されて、半導体スイッチング素子の半導体チップの温度上昇を抑制する。しかし、モジュール型半導体スイッチング素子では、該半導体チップが発熱・冷却を繰り返すと、該ベース板と絶縁基板の間を接着する半田に熱応力がかかり、微細なクラックが進展することが素子故障の原因となる。
【０００６】
一方、圧接型半導体スイッチング素子は、半導体チップを両面から金属部ではさみ込んだ構成である。圧接型半導体スイッチング素子は、冷却フィンで両面からはさみこむことにより、圧接型半導体スイッチング素子の半導体チップの温度上昇を抑制する。しかし、圧接型半導体スイッチング素子では、該半導体チップが発熱・冷却を繰り返すと、該金属部と半導体チップの界面に熱応力が印加され、微細なクラックが進展して、素子故障の原因となる。
【０００７】
ここで、モジュール型半導体スイッチング素子の該半田面の温度や、圧接型半導体スイッチング素子の該金属部と該半導体チップ部の界面の温度を本明細書では、「界面温度」と定義する。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−８３９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
３レベル構成の電力変換装置のメンテナンスを考えると内側半導体スイッチング素子と外側半導体スイッチング素子の寿命が同じであることが好ましい。特許文献１では、半導体スイッチング素子の寿命については触れていないが、該特許文献１では、内側ＩＧＢＴと外側ＩＧＢＴで異なる特性のＩＧＢＴを適用することにより、内側ＩＧＢＴの温度上昇を抑制する手法が開示されている。半導体スイッチング素子の温度履歴は該半導体スイッチング素子の寿命に大きく影響するが、内側ＩＧＢＴと外側ＩＧＢＴで異なる特性のＩＧＢＴを適用すると同じ電力変換装置に適用するＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子を複数の半導体の製作プロセスで作成することになり好ましくない。
【００１０】
本発明は、３レベル構成の電力変換装置において、外側半導体スイッチング素子と内側半導体スイッチング素子に同じ半導体スイッチング素子を用いて、且つ、内側半導体スイッチング素子と外側半導体スイッチング素子の温度履歴をほぼ同等とすることにより、双方の半導体スイッチング素子の寿命をほぼ等しくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を達成するために本発明は、各レッグに１つ以上の内側半導体スイッチング素子、及び外側半導体スイッチング素子を備えた、３レベル構成の電力変換装置おいて、前記内側半導体スイッチング素子、前記外側半導体スイッチング素子にそれぞれ個別に熱的に接続される冷却フィンを備え、前記内側半導体スイッチング素子の冷却フィンよりも前記外側半導体スイッチング素子の冷却フィンの熱抵抗が大きいことを特徴とするものである。
【００１２】
更に、本発明の電力変換装置は、前記冷却フィンは空冷で冷却され、前記内側半導体スイッチング素子の冷却フィンよりも前記外側半導体スイッチング素子の冷却フィンの熱抵抗が大きいことを特徴としたものである。
【００１３】
更に、本発明の電力変換装置は、前記外側半導体スイッチング素子の風冷却フィンの冷媒に接する表面積が、前記内側半導体スイッチング素子の冷却フィンよりも広いことを特徴するものである。
【００１４】
更に、本発明の電力変換装置は、前記内側半導体スイッチング素子の冷却フィンよりも前記外側半導体スイッチング素子の冷却フィンの櫛間隔が広いことを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明は上記課題を達成するために、各レッグに１つ以上の内側半導体スイッチング素子、及び外側半導体スイッチング素子を備えた、３レベル構成の電力変換装置において、前記内側半導体スイッチング素子、前記外側半導体スイッチング素子にそれぞれ熱的に接続される冷却フィンと、前記内側半導体スイッチング素子の冷却フィンに冷媒を供給してから、該冷媒を前記外側半導体スイッチング素子の冷却フィンに供給する手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明は上記課題を達成するために、各レッグに１つ以上の内側半導体スイッチング素子、及び外側半導体スイッチング素子を備えた、３レベル構成の電力変換装置おいて、前記内側及び外側半導体スイッチング素子としてモジュール型素子を適用し、前記冷却フィンに接続されたベース板と、半導体チップが接続された高熱伝導性絶縁基板との間に半田を備え、前記内側半導体スイッチング素子、及び前記外側半導体スイッチング素子の半田の界面温度を等しくしたを特徴とするものである。
【００１７】
更に、本発明の電力変換装置は、前記内側半導体スイッチング素子よりも前記外側半導体スイッチング素子の方が、冷媒からベース板に接続された半導体チップを接着する半田までの熱抵抗が大きいことを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明は上記課題を達成するために、各レッグに１つ以上の内側半導体スイッチング素子、及び外側半導体スイッチング素子を備えた、３レベル構成の電力変換装置おいて、前記内側及び外側半導体スイッチング素子として、圧接型素子を適用し、該圧接型素子の両側を金属部で挟み、かつ、該金属部を冷却フィンで挟み、前記内側半導体スイッチング素子と、及び前記外側半導体スイッチング素子を挟む金属部の界面温度を等しくしたを特徴とするものである。
【００１９】
更に、本発明の電力変換装置は、前記内側半導体スイッチング素子よりも前記外側半導体スイッチング素子の方が、冷媒から半導体チップの表面までの熱抵抗が大きいことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
外側半導体スイッチング素子と内側半導体スイッチング素子で「界面温度」の履歴がほぼ同じであれば、外側半導体スイッチング素子と内側半導体スイッチング素子の寿命はほぼ等しくなり、同じ時期に素子交換するなどのメンテナンスをすることができる。
【００２１】
モジュール型半導体スイッチング素子内部の熱抵抗や、圧接型半導体スイッチング素子の内部熱抵抗よりも冷却フィンの熱抵抗が十分に大きいとすると、
「界面温度」は以下の（式１）で決まる。
【００２２】
「界面温度」＝半導体スイッチング素子の発熱量×冷却フィン熱抵抗＋冷媒温度
……（式１）
従って、外側半導体スイッチング素子の冷却フィンの熱抵抗を内側ＩＧＢＴの熱抵抗よりも高くすれば、外側半導体スイッチング素子の発熱が内側半導体スイッチング素子の発熱よりも小さいので、外側半導体スイッチング素子と内側半導体スイッチング素子の「界面温度」をほぼ等しくすることができ、外側半導体スイッチング素子と内側半導体スイッチング素子の寿命をほぼ等しくすることができる。
【００２３】
また、冷媒を内側半導体スイッチング素子の冷却フィンに供給してから、外側半導体スイッチング素子の冷却フィンに供給すれば、該冷媒は内側半導体スイッチング素子の発生する熱を冷却フィンを介して吸収して温度上昇してから、該冷媒は外側半導体スイッチング素子の冷却フィンに供給される。
【００２４】
すなわち、外側半導体スイッチング素子の冷却フィンに達した時の冷媒温度は上昇しているため、外側半導体スイッチング素子の「界面温度」を高くすることができ、該外側半導体スイッチング素子の「界面温度」を内側半導体スイッチング素子の「界面温度」に近づけることができる。すなわち、外側半導体スイッチング素子の寿命を内側半導体スイッチング素子の寿命に近づけることができる。
【００２５】
これにより、外側半導体スイッチング素子と内側半導体スイッチング素子の寿命が同じであれば、外側半導体スイッチング素子と内側半導体スイッチング素子をほぼ同時期に交換すればよいので、電力変換装置のメンテナンス頻度を少なくすることができるというメリットがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例を説明する各図面では、同一の機能を有する要素には同一の符号をつける。なお、図１等に示される、ＩＧＢＴと該ＩＧＢＴと逆並列に接続されたダイオードからなる並列体１１ｐ，１１ｎ，１２ｐ，１２ｎをそれぞれＩＧＢＴ素子１１ｐ，１１ｎ，１２ｐ，１２ｎと呼ぶことにする。但し、ＩＧＢＴ素子がオンするオフすると表現した時は、並列体のうち、ＩＧＢＴがオンしたり、オフしたことを示す。なお、電気的には半導体スイッチング素子の半導体チップ８１が該半導体スイッチング素子の電気的な動作を担う。例えば、半導体スイッチング素子として、ＩＧＢＴ素子を適用したときは、半導体チップ８１がＩＧＢＴ素子１１ｐ，１１ｎ，１２ｐ，１２ｎの電気的な動作を担う。
【実施例１】
【００２７】
以下本発明の実施例を、図面を使って説明する。
【００２８】
図１を用いて本発明の電力変換装置の一実施例である電力変換装置の電気的な主回路構成を説明する。半導体スイッチング素子として、ＩＧＢＴを用いた例で説明する。但し、半導体スイッチング素子はＩＧＢＴ以外のスイッチング素子、例えば、ＧＴＯ，ＧＣＴ，ＭＯＳ−ＦＥＴなどでも同様の効果を期待できる。
【００２９】
本実施では３レベル構成の電力変換装置１の主回路構成を３レベル三相インバータ３２とする。３レベル三相インバータ３２は３つの３レベル構成のレッグ２２ｕ〜２２ｗで構成される。各レッグ２２ｕ〜２２ｗは、外側ＩＧＢＴ素子１１ｐ，外側ＩＧＢＴ素子１１ｎと内側ＩＧＢＴ素子１２ｐ，内側ＩＧＢＴ素子１２ｎとクランプダイオード１３で構成される。各レッグ２２ｕ〜２２ｗにはそれぞれ交流端子４２ｕ〜ｗがモータ負荷１０２などの負荷や交流電源などに接続される。また、各レッグ２２ｕ〜２２ｗは、直流電圧源５Ｐの正側端子と直流電圧源５Ｎの負側端子と電気的に接続されていて、直流電源５Ｐ，５Ｎの直流電圧を交流電圧に変換して、モータ負荷１０２などの負荷や交流電源などに交流電力を供給する構成となっている。
【００３０】
なお、モータ負荷１０２の替りに交流電源が接続され、３レベル三相インバータ３２と無効電力のみをやりとりするときは、直流電源５Ｐ，５Ｎはコンデンサでもよい。
【００３１】
３レベル三相インバータ３２などの３レベル構成の電力変換装置は、「直流電源５Ｐの正極の電位」と「直流電源５Ｐの負側の電位」と「直流電源５Ｎの負側の電位」の３つのレベルの電位を交流端子４２ｕ〜ｗ出力できることから、「３レベル構成」と本明細書で定義している。
【００３２】
また、図では省略したが、外側ＩＧＢＴ素子１１ｐ，外側ＩＧＢＴ素子１１ｎと内側ＩＧＢＴ素子１２ｐ，内側ＩＧＢＴ素子１２ｎのゲート端子とエミッタ端子にはゲートドライバが接続され、図示されていない制御装置の電圧指令に従って、該ゲートドライバにパルス信号が入力され、各外側ＩＧＢＴ素子１１ｐ，外側ＩＧＢＴ素子１１ｎと内側ＩＧＢＴ素子１２ｐ，内側ＩＧＢＴ素子１２ｎをスイッチングする。通常は、該制御装置の電圧指令をＰＷＭ制御して、パルス信号を該ゲートドライバを介して、各外側ＩＧＢＴ素子１１ｐ，外側ＩＧＢＴ素子１１ｎと内側ＩＧＢＴ素子１２ｐ，内側ＩＧＢＴ素子１２ｎの各ゲート端子に供給して、各外側ＩＧＢＴ素子１１ｐ，外側ＩＧＢＴ素子１１ｎと内側ＩＧＢＴ素子１２ｐ，内側ＩＧＢＴ素子１２ｎをスイッチングさせる。
【００３３】
一般的に、オンオフパルスは、ＰＷＭ制御で作成することが多い。ＰＷＭ制御では、電圧指令値を図９や図１０で示すようなキャリア９１Ｐ，９１Ｎなどと比較して各ＩＧＢＴをオンオフするパルス信号を作成する。電圧指令値がキャリア９１Ｐよりも高いときは、外側ＩＧＢＴ１１ｐをオンし、電圧指令値がキャリア９１Ｐよりも低いときは、内側ＩＧＢＴ１２ｎをオンする。一方、電圧指令値がキャリア９１Ｎよりも高いときは、内側ＩＧＢＴ１２ｐをオンし、電圧指令値がキャリア９１Ｎよりも低いときは、外側ＩＧＢＴ１１ｎをオンする。なお、外側ＩＧＢＴ１１ｎと内側ＩＧＢＴ１２ｎはそれぞれ、内側ＩＧＢＴ１２ｐと外側ＩＧＢＴ１１ｐに対して相補で動作する。
【００３４】
通常、該電圧指令は約３００Ｈｚ位までの交流波形であり、この場合、内側ＩＧＢＴ素子１２ｐや内側ＩＧＢＴ素子１２ｎを電流が通流する時間が、外側ＩＧＢＴ１１ｐや外側ＩＧＢＴ１１ｎを流れる時間よりも長くなり、内側ＩＧＢＴ素子１２ｐや内側ＩＧＢＴ素子１２ｎで発生する損失すなわち発熱量の方が、外側ＩＧＢＴ１１ｐや外側ＩＧＢＴ１１ｎで発生する発熱量よりも大きい。
【００３５】
通常、外側ＩＧＢＴ素子１１ｐ，外側ＩＧＢＴ素子１１ｎと内側ＩＧＢＴ素子１２ｐ，内側ＩＧＢＴ素子１２ｎなどの半導体スイッチング素子は冷却フィン上に実装される。
【００３６】
図３は、外側ＩＧＢＴ素子１１ｐ，外側ＩＧＢＴ素子１１ｎと内側ＩＧＢＴ素子１２ｐ，内側ＩＧＢＴ素子１２ｎ等として、ＩＧＢＴモジュール１５を採用して冷却フィン７１上に実装した様子を示す。コレクタ端子１７やエミッタ端子１８からの電気接続やゲート端子などは省略している。
【００３７】
図３の冷却フィン７１は風冷用の冷却フィンであり、冷却フィン７１の櫛状部分７１０に冷媒の空気などの気体を流すことにより、各ＩＧＢＴモジュール１５で発生する熱を冷却フィン７１介して、冷媒の空気に伝達して、各ＩＧＢＴモジュール１５の温度上昇を抑制する。
【００３８】
図７は冷却フィン７１の上にＩＧＢＴモジュール１５を実装した電力変換装置の一部品の断面図を示したものである。コレクタ端子１７やエミッタ端子１８などは省略した。ＩＧＢＴモジュール１５は、通常、ベース板３１の上にＡｌＮなどの高熱伝導性絶縁基板８５が半田８６を介して接着され、高熱伝導性絶縁基板８５の上にＩＧＢＴチップ８１が接着される構成になっている。
【００３９】
ＩＧＢＴチップ８１に流れる電流の通流状態が変化すると、該ＩＧＢＴチップ８１からの発熱が変化してベース板３１と高熱伝導性絶縁基板８５との界面の半田８６の温度、すなわち「界面温度」が変化する。温度変化により、半田８６，ベース板３１，高熱伝導性絶縁基板８５かせそれぞれ熱膨張や、熱収縮して、半田８６に熱応力が印加される。半田８６への熱応力印加が繰り返されると、半田８６の熱疲労からＩＧＢＴモジュール１５が前述してように故障するようになる。
【００４０】
すなわち、外側ＩＧＢＴ素子１１ｎ，１１ｐと内側ＩＧＢＴ１２ｎ，１２ｐの寿命を等しくするには、半田８６の温度、すなわち「界面温度」を、外側ＩＧＢＴ素子と内側ＩＧＢＴ素子で等しくすればよい。
【００４１】
通常、冷却フィンから該半田８６までの熱抵抗は、冷却フィンの熱抵抗が支配的である。従って、外側ＩＧＢＴ素子１１ｂの冷却フィンの熱抵抗を以下に（式２）のように設定すれば、外側ＩＧＢＴ素子１１ｐ，１１ｎと内側ＩＧＢＴ１２ｐ，１２ｎの半田８６との熱履歴を等しくすることができる。
【００４２】
外側半導体スイッチング素子の冷却フィン熱抵抗＝
内側半導体スイッチング素子の発生熱量／外側半導体スイッチング素子の発生熱量      ×内側半導体スイッチング素子の冷却フィン熱抵抗                ……（式２）
即ち、外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎの冷却フィン７１の熱抵抗値を高くすれば、外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎの半田８６と内側半導体スイッチング素子１２ｐ，１２ｎの半田８６の温度履歴を等しくすることができる。従って、外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎと内側半導体スイッチング素子１２ｐ，１２ｎの寿命をほぼ等しくすることができ、素子交換のメンテナンス頻度を少なくすることが実現できる。
【００４３】
冷却フィン７１は、櫛状部分７１０を通流する冷媒の量が同じであれば、冷却フィン７１と冷媒との接触面積を減らすことにより、熱抵抗値を大きくことができる。例えば、外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎの冷却フィンとして、図４のように冷却フィン７１の櫛状部分の櫛間隔７１１ａを図３の冷却フィンの櫛間隔７１１ｂより広げたものを使うことにより、熱抵抗値を大きくすることができる。
【００４４】
また、冷却フィン７１は、冷媒が乱流よりも層流の時の方が熱抵抗値を大きくすることができる。例えば、内側半導体スイッチング素子１２ｐ，１２ｎの冷却フィン７１は冷媒が乱流となるような構造、例えば各櫛７１０が平行でないような構造として、外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎの冷却フィン７１は、各櫛７１０を平行な構成として、冷媒を層流とすることにより、外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎの冷却フィン７１の熱抵抗値を大きくすることができる。
【００４５】
また、冷媒が水などの液体の場合は、図６のように金属７２の中に管７２１を通した構造の冷却フィン７１を用いる。
【００４６】
外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎの冷却フィン７１を図５のように、管７２１の間隔７１１を図６の管７２１の間隔７１１よりも広げて、内側半導体スイッチング素子１２ｐ，１２ｎの管７２１の間隔７１１よりも広くすれば、外側ＩＧＢＴ素子１１ｐ，１１ｎの冷却フィンの熱抵抗を大きくすることができる。
【００４７】
尚、冷媒が水などの液体の場合、ＩＧＢＴモジュール１５のベース板３１の熱抵抗も無視できない場合がある。その場合、冷却フィンの熱抵抗は以下の（式３）で求めることができる。
【００４８】
外側半導体スイッチング素子の冷却フィン熱抵抗＝
内側半導体スイッチング素子の発熱／外側半導体スイッチング素子の発熱  
×（内側半導体スイッチング素子の冷却フィン熱抵抗＋ベース板の熱抵抗）
−ベース板の熱抵抗                                            ……（式３）
外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎの冷却フィン７１の熱抵抗を（式３）で求まるような熱抵抗とすることにより、外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎの半田８６と内側半導体スイッチング素子１２ｐ，１２ｎの半田８６の温度履歴を等しくすることができる。従って、外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎと内側半導体スイッチング素子１２ｐ，１２ｎの寿命をほぼ等しくすることができ、素子交換のメンテナンス頻度を少なくすることが実現できる。
【００４９】
尚、図２に示すようなコンバータ３１とインバータ３２が接続された、３レベル構成の電力変換装置１を構成する半導体スイッチング装置においても同様な構成を採用し、同様の効果が期待できる。
【００５０】
この場合、直流電圧源５１Ｐ，５１Ｎはコンデンサでもよい。
【実施例２】
【００５１】
第２の実施例として、図１１を用いて、内側半導体スイッチング素子１２ｐ，１２ｎと外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎでほぼ同じ熱抵抗の冷却フィンを採用した場合の実施例を示す。
【００５２】
冷媒１００をまず内側半導体スイッチング素子１２ｐ，１２ｎの冷却フィン７１に供給し、それから外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎの冷却フィン７１に供給する。冷媒１００は内側半導体スイッチング素子１２ｐ，１２ｎの冷却フィン７１から熱をもらって、温度上昇し、その後に外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎの冷却フィン７１に供給されるため、外側半導体スイッチング素子１１ｐ、１１ｎの半田８６の温度を高くして、内側半導体スイッチング素子の半田面の温度に近づけることができる。
【００５３】
従って、このような構成を採用することにより、内側半導体スイッチング素子１２ｐ，１２ｎの寿命と外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎの寿命を近づけることができる。
【００５４】
また、図１２のように、一つの冷却フィン上に内側半導体スイッチング素子１２ｐ，１２ｎと外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎを実装してもよい。この場合、外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎを風下側に実装することで同様の効果を得ることが可能になる。
【実施例３】
【００５５】
第３の実施例は、半導体スイッチング素子として、圧接型半導体スイッチング素子を用いた場合について述べる。
【００５６】
外側ＩＧＢＴ素子１１ｐ，外側ＩＧＢＴ素子１１ｎと内側ＩＧＢＴ素子１２ｐ，内側ＩＧＢＴ素子１２ｎ等に圧接型半導体スイッチング素子を用いた場合、図８に示すように、圧接型ＩＧＢＴ素子９１が冷却フィン７１で両側から挟まれる構造となる。
【００５７】
圧接型ＩＧＢＴ素子９１はＩＧＢＴチップ８１を金属部９２で、両側からはさみ込んだ構造となっている。コレクタ端子やエミッタ端子などの電気的な端子や接続は省略した。
【００５８】
ＩＧＢＴチップ８１に流れる電流の通流状態が変化すると、該ＩＧＢＴチップ８１からの発熱が変化して金属部９２とＩＧＢＴチップ８１の界面の温度、すなわち「界面温度」が変化する。温度変化により、ＩＧＢＴチップ８１，金属部９２がそれぞれ熱膨張や、熱収縮して、ＩＧＢＴチップ８１に熱応力が印加される。ＩＧＢＴチップ８１への熱応力印加が繰り返されると、ＩＧＢＴチップ８１の熱疲労から圧接型ＩＧＢＴ素子９１が故障する。
【００５９】
この為、外側ＩＧＢＴ素子１１ｎ，１１ｐと内側ＩＧＢＴ１２ｎ，１２ｐの寿命を等しくするには、金属部９２とＩＧＢＴチップ８１の界面の温度、すなわち「界面温度」を、外側ＩＧＢＴ素子と内側ＩＧＢＴ素子で等しくすればよい。
【００６０】
圧接型の半導体スイッチング素子９１の上側と下側で冷却フィン７１や金属部９２の熱抵抗を等しくした構成について説明する。
【００６１】
この場合の構成において（式１）を成立させるために、上述した実施例１と同様に、冷却フィンの熱抵抗が支配的な場合は（式２）、冷却フィンの熱抵抗が支配的な場合は（式３）で外側半導体スイッチング素子の熱抵抗を決めることができる。但し、「ベース板の熱抵抗」は「圧接素子内部の金属部の熱抵抗」に置き換えることが必要である。
【００６２】
上述した実施例１と同様に外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎの冷却フィン７１の熱抵抗を（式２）もしくは（式３）で求まるような熱抵抗とすることにより、外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎの半田８６と内側半導体スイッチング素子１２ｐ，１２ｎの半田８６の温度履歴を等しくすることができる。従って、外側半導体スイッチング素子１１ｐ，１１ｎと内側半導体スイッチング素子１２ｐ，１２ｎの寿命をほぼ等しくすることができ、素子交換のメンテナンス頻度を少なくすることが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明第一乃至第三実施例の電力変換装置の回路構成の説明図。
【図２】本発明第一乃至第三実施例の電力変換装置の回路構成の説明図。
【図３】本発明第一実施例の説明図。
【図４】本発明第一実施例の説明図。
【図５】本発明第一実施例の説明図。
【図６】本発明第一実施例の説明図。
【図７】本発明第一乃至二実施例の説明図。
【図８】本発明第三実施例の説明図。
【図９】本発明のパルス作成の説明図。
【図１０】本発明のパルス作成の説明図。
【図１１】本発明第二実施例の説明図。
【図１２】本発明第二実施例の説明図。
【符号の説明】
【００６４】
１  ３レベル構成電力変換装置
５Ｐ，５Ｎ  直流電圧源
１１ｐ，１１ｎ，１２ｐ，１２ｎ  外側ＩＧＢＴ素子
１５  ＩＧＢＴモジュール
１７  コレクタ端子
１８  エミッタ端子
２２ｕ  ３レベル構成のＵ相レッグ
２２ｖ  ３レベル構成のＶ相レッグ
２２ｗ  ３レベル構成のＷ相レッグ
３１  ベース板
３２  ３レベル三相インバータ
４２ｕ，４２ｖ，４２ｗ  交流端子
７１  冷却フィン
８１  ＩＧＢＴチップ
８５  高熱伝導性絶縁基板
８６  半田
９１  圧接型ＩＧＢＴ素子
９２  金属部
１００  冷媒の流れの向きを示す
１０１  交流電源
１０２  モータ負荷
７１０  櫛状部分
７１１ａ，７１１ｂ  櫛間隔
７２１  管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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