(57)【要約】【課題】ゲート配線を幅広の平板状導体で構成し、ゲート配線の平板状導体と主配線の平板状導体を同一方向に積層した場合に、主配線に流れる電流により発生する磁界の影響でゲート配線が干渉を受けて誘導電流が流れてパワー半導体素子を誤動作させる恐れがあった。【解決手段】電力変換装置が備える半導体素子の配線構造として、平板状導体の対で構成されるゲート配線の積層方向を、平板状導体である主配線の積層方向に対して略直交するように配置した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の主端子と一対の制御端子を有する半導体素子の配線構造において、
前記半導体素子の一方の主端子に接続された平板状の第一の導体と、
前記半導体素子の他方の主端子に接続された平板状の第二の導体と、
前記半導体素子の一方の制御端子に接続された平板状の第三の導体と、
前記半導体素子の他方の制御端子に接続された平板状の第四の導体とからなり、
前記第一と第二の導体が平行に近接して積層され、
前記第三と第四の導体が平行に近接して積層され、
前記第一と第二の導体の積層方向と前記第三と第四の導体の積層方向が略直交すること
を特徴とする半導体素子の配線構造。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体素子の配線構造において、
前記半導体素子を構成するモジュールのベース面と前記制御端子間の距離が前記制御端子と前記主端子間より広い場合には、前記第三と第四の導体を前記制御端子から前記ベース面に向けて折り曲げてその導体幅を広くすること
を特徴とする半導体素子の配線構造。
【請求項３】
一対の主端子と一対の制御端子を有する第一の半導体素子の配線構造として、
前記第一の半導体素子の一方の主端子に接続された平板状の第一の導体と、
前記第一の半導体素子の他方の主端子に接続された平板状の第二の導体と、
前記第一の半導体素子の一方の制御端子に接続された平板状の第三の導体と、
前記第一の半導体素子の他方の制御端子に接続された平板状の第四の導体とからなり、
前記第一と第二の導体が平行に近接して積層され、
前記第三と第四の導体が第一の導体対として平行に近接して積層され、
前記第一と第二の導体の積層方向と前記第一の導体対の積層方向が略直交する配線構造を有する上アーム半導体素子と、
一対の主端子と一対の制御端子を有する第二の半導体素子の配線構造として、
前記第二の半導体素子の一方の主端子に接続された平板状の第五の導体と、
前記第二の半導体素子の他方の主端子に接続された平板状の第六の導体と、
前記第二の半導体素子の一方の制御端子に接続された平板状の第七の導体と、
前記第二の半導体素子の他方の制御端子に接続された平板状の第八の導体とからなり、
前記第五と第六の導体が平行に近接して積層され、
前記第七と第八の導体が第二の導体対として平行に近接して積層され、
前記第五と第六の導体の積層方向と前記第二の導体対の積層方向が略直交する配線構造を有する下アーム半導体素子と
を備えた電力変換装置において、
前記第一の導体対の積層方向と前記第二の導体対の積層方向が同方向であり、
かつ前記第一の導体対と前記第二の導体対相互の間隔が、前記第一の導体対を構成する前記第三と第四の導体の間隔及び前記第二の導体対を構成する前記第七と第八の導体の間隔よりも広いこと
を特徴とする電力変換装置の配線構造。
【請求項４】
一対の主端子と一対の制御端子を有する第一の半導体素子の配線構造として、
前記第一の半導体素子の一方の主端子に接続された平板状の第一の導体と、
前記第一の半導体素子の他方の主端子に接続された平板状の第二の導体と、
前記第一の半導体素子の一方の制御端子に接続された平板状の第三の導体と、
前記第一の半導体素子の他方の制御端子に接続された平板状の第四の導体とからなり、
前記第一と第二の導体が平行に近接して積層され、
前記第三と第四の導体が第一の導体対として平行に近接して積層され、
前記第一と第二の導体の積層方向と前記第一の導体対の積層方向が略直交する配線構造を有する上アーム半導体素子と、
一対の主端子と一対の制御端子を有する第二の半導体素子の配線構造として、
前記第二の半導体素子の一方の主端子に接続された平板状の第五の導体と、
前記第二の半導体素子の他方の主端子に接続された平板状の第六の導体と、
前記第二の半導体素子の一方の制御端子に接続された平板状の第七の導体と、
前記第二の半導体素子の他方の制御端子に接続された平板状の第八の導体とからなり、
前記第五と第六の導体が平行に近接して積層され、
前記第七と第八の導体が第二の導体対として平行に近接して積層され、
前記第五と第六の導体の積層方向と前記第二の導体対の積層方向が略直交する配線構造を有する下アーム半導体素子と
を備えた電力変換装置において、
前記第一の導体対と前記第二の導体対は、両方の並びの方向が前記第一及び前記第二の導体対各々の積層方向とは直交するように配置されたこと
を特徴とする電力変換装置の配線構造。
【請求項５】
請求項３又は請求項４のいずれかに記載の電力変換装置の配線構造において、
前記第一及び第二の半導体素子を構成する各モジュールのベース面と前記制御端子間の距離が前記制御端子と前記主端子間より広い場合には、前記第一及び第二の導体対を前記制御端子からベース面に向けて折り曲げてその導体幅を広くすること
を特徴とする電力変換装置の配線構造。
【請求項６】
請求項３又は請求項４のいずれかに記載の電力変換装置の配線構造において、
前記上アーム半導体素子及び前記下アーム半導体素子それぞれに並列接続された別の上アーム半導体素子及び別の下アーム半導体素子を備え、
前記上アーム半導体素子又は前記別の上アーム半導体素子の各制御端子からゲート駆動装置までの物理的距離が相違する場合に、同様に、前記下アーム半導体素子又は前記別の下アーム半導体素子の各制御端子からゲート駆動装置までの物理的距離が相違する場合に、前記ゲート駆動装置に近い側にある半導体素子の前記第一の導体対に相当する導体対、同様に、前記第二の導体対に相当する導体対、の一部分の幅を狭くしたこと
を特徴とする電力変換装置の配線構造。
【請求項７】
請求項３又は請求項４のいずれかに記載の電力変換装置の配線構造において、
前記上アーム半導体素子及び前記下アーム半導体素子それぞれに並列接続された別の上アーム半導体素子及び別の下アーム半導体素子を備え、
前記上アーム半導体素子又は前記別の上アーム半導体素子の各制御端子からゲート駆動装置までの物理的距離が相違する場合に、同様に、前記下アーム半導体素子又は前記別の下アーム半導体素子の各制御端子からゲート駆動装置までの物理的距離が相違する場合に、前記ゲート駆動装置に近い側にある半導体素子の前記第一の導体対に相当する導体対、同様に、前記第二の導体対に相当する導体対、の一部分にスリットを設けたこと
を特徴とする電力変換装置の配線構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に係り、特に半導体素子と半導体素子の駆動装置を接続するゲート配線の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電力を交流電力に変換するインバータや、交流電力を直流電力に変換するコンバータ、或いは直流電圧の昇圧や降圧を行う直流チョッパ回路等の電力変換装置では、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子が広く使われている。このパワー半導体素子は、ゲート駆動装置からのオン、オフ信号により駆動される。このゲート駆動装置は、電力変換装置のコントローラである制御論理部からの信号により制御されている。パワー半導体素子とゲート駆動装置とは、ゲート配線と呼ばれる配線で接続されている。
【０００３】
一般に、このゲート配線は、ゲート駆動装置からパワー半導体素子へのゲート駆動信号に遅延が発生しないように、できるだけインダクタンスが低くなるように構成されるのが好ましい。このため、従来の二本の配線を縒った構造に対して、ゲート配線を幅の広い平板状の導体で形成する方法が、特許文献１及び特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−２２７６６１号公報
【特許文献２】特開２００６−２１１８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前記開示された先行技術には、以下に述べる問題点があった。
一般に、鉄道用電力変換装置などのように大電力を扱う電力変換装置では、パワー半導体素子の主電流を流す主端子（ＩＧＢＴではコレクタ端子及びエミッタ端子）に接続する主配線の方も、低インダクタンス化のために幅の広い平板状の導体構造で構成されており、できるだけインダクタンスを低減するために、パワー半導体素子の上部を覆うように全面的に配置される。
この主配線の導体に流れる電流は数百Ａから数千Ａという大電流であり、この大電流により主配線の導体周辺に大きな磁界を発生させる。
【０００６】
前述のゲート配線は、この主配線の導体の直下にレイアウトされることになるため、この磁界の影響を受け易い。特に、前述した先行技術文献である特許文献１及び２に開示された公知技術のゲート配線構造では、ゲート配線を平板状の導体構造としているために、主配線の導体からの磁界の影響を受け易くなり、この磁界によりゲート配線に電流が誘起されてしまう懸念がある。ところが、前述の公知技術では、この相互干渉を考慮しておらず、そのまま実施すると発生磁界による電磁誘導によりゲート配線に誘起電流が流れてパワー半導体素子を誤動作させる恐れがあった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するものであり、主配線に流れる電流による干渉を受けないゲート配線を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の電力変換装置のゲート配線には次のような技術手段を講じた。すなわち、
（１）ゲート配線の平板状導体の積層方向は、主配線の平板状導体の積層方向に対して略９０°異なるように配置した。
（２）上記の電力変換装置において、ゲート配線をパワー半導体素子の制御端子の下側に折り曲げ、冷却装置の表面から見てゲート配線は、制御端子より常に低い位置となるように配置した。
（３）複数のゲート配線を１箇所にまとめて配置する場合、冷却器から見て縦方向に並べて配置した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ゲート配線が、主配線の導体に流れる電流により発生する磁界の影響を受けなくなり、パワー半導体素子の誤動作を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１の鳥瞰図
【図２】本発明の実施例１の下層の上面構造図
【図３】本発明の実施例１の最上層の上面構造図
【図４】本発明の実施例１の左側面構造図
【図５】本発明の実施例１の正面構造図
【図６】本発明の実施例１で上アームＩＧＢＴがターンオンして転流した時の電流経路を示す図
【図７】ＩＧＢＴの高さ方向の寸法を示す図
【図８】本発明の実施例２の鳥瞰図
【図９】本発明の実施例３の鳥瞰図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
低インダクタンス化のために平板状導体にしたゲート配線が、同じく平板状導体の主配線に流れる電流により発生する磁界の影響を受けないようにする目的を、ゲート配線の平板状導体の積層方向と主配線の平板状導体の積層方向が略直交するように配置することにより実現した。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の実施例１の２レベル電力変換装置の１相分を示す鳥瞰図であり、図２は、図１の上面図で最上層の導体バーを外した下層の導体バーレイアウトを示した図、図３は、図１の上面図で最上層の導体バーの配置を示した図、図４は、図１の左側面図、図５は、図１の正面図である。
【００１３】
図１から図５において、４は２レベル電力変換装置の上アームＩＧＢＴモジュール、５は下アームＩＧＢＴモジュール、４０３から４０５は上アームＩＧＢＴモジュールのコレクタ端子、４０６から４０８は上アームＩＧＢＴモジュールのエミッタ端子、５０３から５０５は下アームＩＧＢＴのコレクタ端子、５０６から５０８は下アームＩＧＢＴのエミッタ端子、３０１は上アームＩＧＢＴのコレクタ端子４０３から４０５を図示していない正側の電源に接続する正側導体板、３０３は下アームＩＧＢＴモジュールのエミッタ端子５０６から５０８を図示していない負側の電源に接続する負側導体板、３０２は上アームＩＧＢＴモジュールのエミッタ端子４０６から４０８を下アームＩＧＢＴモジュールのコレクタ端子５０３から５０５に接続する中間導体板、３２１は中間導体板３０２を図示していない出力配線に接続する出力接続端子、４０１、４０２は上アームＩＧＢＴのゲート端子、５０１、５０２は下アームＩＧＢＴのゲート端子、１０１、１０２は上アームＩＧＢＴのゲート配線導体、２０１、２０２は下アームＩＧＢＴのゲート配線導体、１は積層された上アームＩＧＢＴのゲート配線導体対、２は積層された下アームＩＧＢＴのゲート配線導体対、６はゲート駆動装置、７はＩＧＢＴモジュール４と５の冷却装置である。
【００１４】
本実施例１の特徴は、平行した平板状導体の対で構成される上アームＩＧＢＴのゲート配線導体１０１、１０２及び下アームＩＧＢＴのゲート配線導体２０１、２０１の積層方向を、主配線の導体である正側導体板３０１、中間導体板３０２及び負側導体板３０３の積層方向に対して略９０度の（略直交する）角度を持って配置した点である。
【００１５】
この実施例の作用を、上アームＩＧＢＴモジュール４がオンした時の動作を例にとって、図６を用いて説明する。図６は、ＩＧＢＴモジュール４がオンする前後の電流の流線が変化する様子を示したものであり、図１〜５と同じ構成要素には同一の符号を付してある。図６において、８０１は上アームＩＧＢＴがオンする前の電流流線、８０２は上アームＩＧＢＴ４がオンした後の電流流線を示す。
【００１６】
上アームＩＧＢＴモジュール４がオンする前は、負側導体板３０３から図示していない下アームＩＧＢＴモジュール５の内蔵ダイオードを通して、中間導体板３０２を経由して出力接続端子３２１に電流が流れている状態を仮定する。この電流流線は８０１で表される。
【００１７】
ＩＧＢＴモジュール４がゲート駆動装置６からの指令によりオンすると、前記８０１の電流流線で表されていた電流は、正側導体板３０１の図示していない正極端子から上アームＩＧＢＴモジュールのコレクタ端子４０３〜４０５、上アームＩＧＢＴモジュールのエミッタ端子４０６〜４０８を経て中間導体板３０２を流れ、出力接続端子３２１に流れ出る電流に転流する。この電流の流線を図６では８０２で表す。ゲート配線１０１、１０２にはゲート駆動装置６からゲート制御端子４０１、４０２に上アームＩＧＢＴモジュール４を駆動するためのゲート駆動電流が流れる。
【００１８】
この時、正側導体板３０１、中間導体板３０２及び負側導体板３０３には数百から数千アンペアの大電流が流れており、この電流が数百ｎｓから数μｓの短時間に変化するため、それぞれの導体板の周辺には非常に強い磁界が発生する。
【００１９】
本実施例１では、ゲート配線導体１０１、１０２の配置の方向が、上記正側、中間、負側の導体板３０１〜３０３の配置の方向と略９０°異なるため、前述の磁界の影響を受けにくくなり、磁界による誘導電流がゲート配線１０１〜１０２に流れることを防止できる。なぜならば、上記正側、中間、負側の導体板３０１〜３０３により発生する磁界は上記正側、中間、負側の導体板３０１〜３０３に平行しているため、本実施例のようにこの磁界に直交する方向にゲート配線導体１０１、１０２を積層配置すると、ゲート配線導体１０１と１０２の間に磁界が通りにくくなるためである。一般に積層されている導体板は、導体板間に外部からの磁界が通らない限り外部磁界の影響を受けにくく、本実施例１に示す方向に導体を積層すれば、上記正側、中間、負側の導体板３０１〜３０３による磁界の影響を排除することが可能となる。
【００２０】
また、一般に鉄道車両のような大電力を制御する電力変換装置に使われるＩＧＢＴでは、絶縁確保のために冷却装置と接続するＩＧＢＴのベース面とＩＧＢＴの制御端子間は、ＩＧＢＴの制御端子と主端子間よりも広い距離を空けることが知られている。具体的に、３．３ｋＶ耐圧１２００Ａ定格のＩＧＢＴを例にとり、図７を使って説明する。
【００２１】
図７は、ＩＧＢＴモジュールの寸法を示す図で有り、図１〜６と同じ構成要素には同一の符号を付している。図７に示すとおり、ベース面からＩＧＢＴゲート端子４０１、４０２間の距離は２８ｍｍ空いているが、ゲート端子４０１、４０２と主端子４０３〜４０８間は高さ方向では１０ｍｍしか空いていない。このため、図１の実施例１に示すとおり、冷却装置７から見てＩＧＢＴのゲート配線導体１０１、１０２を下側に折り曲げると、ゲート配線導体１０１、１０２はより幅を広くできるため、ゲート配線のインダクタンスを小さくする観点では好ましい。
【００２２】
さらに、図１の実施例１に示すとおり、ゲート駆動装置６の直近などのように、複数のＩＧＢＴのゲート配線を集約して配置しなければならない場合には、それぞれのゲート配線導体に流れる電流による相互干渉を防止するために、ゲート配線導体対１と２相互の間隔を、それぞれの積層の間隔より広く空ける必要がある。ゲート配線対同士で相互干渉が発生すると、一方のゲート駆動電流により他方のゲートに電流が誘起されて誤動作の原因となるためである。
【００２３】
具体的な構成としては、図１において、積層された上アームゲート配線導体対１と２との間隔を、１０１と１０２との積層間隔、及び、２０１と２０２との積層間隔より広くする（併せて、図５の正面図も参照）。
【００２４】
なお、本実施例１ではゲート配線導体対１、２の積層方向と、上記正側、中間、負側の導体板３０１〜３０３の積層方向について、相互干渉防止に最も効果のある略９０°異なる配置について例示したが、厳密に９０°に限るものではなく、ゲート配線導体１０１、１０２の積層方向及び２０１、２０２の積層方向と、上記正側、中間、負側の導体板３０１〜３０３の積層方向が平行しなければ、９０°以外の角度であっても同様の効果を得られることは当業者にとって明らかであろう。例えば、１０°、２０°ではさほどの効果は期待できないが、４５°以上では相応の効果が期待できるものである。
【実施例２】
【００２５】
図８に、本発明の実施例２を示す。図８において、図１〜７と同じ構成要素には同一の符号を付している。図８では、説明の都合上、上記正側、中間、負側の導体板３０１〜３０３を省略している。
【００２６】
本実施例２は、積層したゲート配線導体対１と２とを、図８に図示のとおり縦方向に並べて配置したことが特徴である。縦方向に並べて配置した場合、ゲート配線導体対１と２相互による干渉が小さくなり、一方のゲートの駆動電流により他方のゲート配線導体対への電流の誘導を防止することができる。
【実施例３】
【００２７】
図９に、本発明による実施例３を示す。図９において、図１〜８と同じ構成要素には同一の符号を付してある。図９において、９０４は上アームＩＧＢＴモジュール４に並列接続された上アームＩＧＢＴモジュール、９０５は下アームＩＧＢＴモジュール５に並列接続された下アームＩＧＢＴモジュール、９１１は途中の一部分の幅を狭くしたゲート配線導体、９１２はこの並列接続された上アームＩＧＢＴモジュールのゲート配線導体である。
【００２８】
図９では、正側、中間、負側の導体板３０１〜３０３を省略している。また、説明の都合上、ゲート配線９１１を上方に平行移動して表示している。
【００２９】
本実施例３の特徴は、ＩＧＢＴモジュールを並列接続した大容量の電力変換装置において、並列接続されたＩＧＢＴモジュールのそれぞれのゲート配線導体のインピーダンスを等しくした点にある。
【００３０】
一般に、ＩＧＢＴを並列接続して使用する場合にはゲート配線の長さを揃える必要があることが知られている。これは、ゲート配線の長さが異なるとゲート配線のインピーダンスが異なってしまい、ゲート駆動装置からの指令信号に対し、インピーダンスの大きい配線（長い配線）に接続されたＩＧＢＴの動作が遅れ、並列するＩＧＢＴ間でアンバランスが生じるためである。このため、ゲート駆動装置に近い方のゲート配線を長めに作り、配線を迂回したり、折り返して束ねるなどして、並列で使用するＩＧＢＴのゲート配線の長さを揃えているのである。
【００３１】
本実施例３では、ゲート駆動装置６に近い方のＩＧＢＴモジュール４のゲート配線導体の幅を部分的に狭くすることによりインピーダンスを大きくし、ゲート配線導体の長さを長くすることなしに、ゲート駆動装置６から遠い方のＩＧＢＴモジュール９０４のゲート配線導体９１２と同じインピーダンスにして、並列動作するＩＧＢＴのアンバランスを解消している。
なお、図９では、ゲート駆動装置６から近いＩＧＢＴモジュール４のゲート配線導体９１１の導体幅を狭くすることでゲート配線インダクタンスを増やしているが、ゲート配線９１１の途中にスリットを設ける等によっても同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１：積層された上アームＩＧＢＴのゲート配線導体対
２：積層された下アームＩＧＢＴのゲート配線導体対
４：上アームＩＧＢＴモジュール
５：下アームＩＧＢＴモジュール
６：ゲート駆動装置
７：ＩＧＢＴモジュール４と５の冷却装置
１０１、１０２：上アームＩＧＢＴのゲート配線導体
２０１、２０２：下アームＩＧＢＴのゲート配線導体
３０１：正側導体板
３０２：中間導体板
３０３：負側導体板
３２１：出力接続端子
４０１、４０２：上アームＩＧＢＴのゲート端子
４０３、４０４、４０５：上アームＩＧＢＴモジュールのコレクタ端子
４０６、４０７、４０８：上アームＩＧＢＴモジュールのエミッタ端子
５０１、５０２：下アームＩＧＢＴのゲート端子
５０３、５０４、５０５：下アームＩＧＢＴのコレクタ端子
５０６、５０７、５０８：下アームＩＧＢＴのエミッタ端子
８０１：上アームＩＧＢＴがオンする前の電流流線
８０２：上アームＩＧＢＴ４がオンした後の電流流線
９０４：並列接続された上アームＩＧＢＴモジュール
９０５：並列接続された下アームＩＧＢＴモジュール
９１１：一部分の幅を狭くしたゲート配線導体
９１２：並列接続された上アームＩＧＢＴモジュールのゲート配線導体
【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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