(57)【要約】【課題】  パワー半導体素子において、発熱が大きくなる大電流領域の損失を低減する。【解決手段】  半導体素子と、ゲート駆動回路と、を備え、前記半導体素子は、複数の第１半導体セルと、複数の第２半導体セルと、ゲート端子と、前記複数の第１半導体セルのエミッタ電極と接続されるエミッタ端子と、ケルビンエミッタ端子と、前記ケルビンエミッタ端子と前記エミッタ端子に対して電気的に直列に接続される抵抗体と、を有し、前記ゲート駆動回路は、電源電圧をゲート電圧として前記ゲート端子に供給する第１端子と、グランド電位と同電位となるとともに前記ケルビンエミッタ端子と電気的に接続される第２端子と、を有し、前記複数の第２半導体セルは、当該複数の第２半導体セルのそれぞれのエミッタ電極が前記抵抗体を介して前記エミッタ端子と接続される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電流を交流電流に変換する半導体素子と、
前記半導体素子を駆動するゲート駆動回路と、を備え、
前記半導体素子は、複数の第１半導体セルと、前記第１半導体セルと電気的に並列に接続された複数の第２半導体セルと、前記複数の第１半導体のそれぞれのゲート電極及び前記複数の第２半導体のそれぞれのゲート電極と電気的に接続されるゲート端子と、前記複数の第１半導体セルのエミッタ電極と接続されるエミッタ端子と、ケルビンエミッタ端子と、前記ケルビンエミッタ端子と前記エミッタ端子に対して電気的に直列に接続される抵抗体と、を有し、
前記ゲート駆動回路は、電源電圧をゲート電圧として前記ゲート端子に供給する第１端子と、グランド電位と同電位となるとともに前記ケルビンエミッタ端子と電気的に接続される第２端子と、を有し、
前記複数の第２半導体セルは、当該複数の第２半導体セルのそれぞれのエミッタ電極が前記抵抗体を介して前記エミッタ端子と接続される電力変換装置。
【請求項２】
直流電流を交流電流に変換する半導体素子と、
前記半導体素子を駆動するゲート駆動回路と、を備え、
前記半導体素子は、複数の第１半導体セルと、前記第１半導体セルと電気的に並列に接続された複数の第２半導体セルと、前記複数の第１半導体のそれぞれのゲート電極及び前記複数の第２半導体のそれぞれのゲート電極と電気的に接続されるゲート端子と、前記複数の第１半導体セルのエミッタ電極と接続されるエミッタ端子と、前記複数の第２半導体セルのエミッタ電極と接続されるミラーエミッタ端子と、ケルビンエミッタ端子と、を有し、
前記ゲート駆動回路は、電源電圧をゲート電圧として前記ゲート端子に供給する第１端子と、グランド電位と同電位となるとともに前記ケルビンエミッタ端子と電気的に接続される第２端子と、前記ミラーエミッタ端子と接続される第３端子と、前記第２端子と前記第３端子との間に電気的に直列に接続される第１抵抗体と、を有する電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載された電力変換装置であって、
前記半導体素子は、前記ケルビンエミッタ端子と前記エミッタ端子との間に電気的に直列に接続される第２抵抗体と、を有する電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載された電力変換装置にあって、
前記抵抗体は０．５Ω以上の抵抗値である電力変換装置。
【請求項５】
請求項１又は４に記載されたいずれかの電力変換装置にあって、
前記抵抗体は、前記半導体素子の半導体基板に不純物を導入して形成される電力変換装置。
【請求項６】
請求項１又は４に記載されたいずれかの電力変換装置にあって、
前記抵抗体は多結晶ポリシリコンによって形成される電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に係り、特にハイブリッド自動車又は電気自動車に用いられる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今の地球温暖化という問題を回避するために電力駆動の車両が注目されている。電力駆動の車両は、電力変換装置によりバッテリから供給される直流電力を交流電力に変換し、該交流電力をモータに出力し、該モータを駆動する。この電力変換装置の発熱を抑制するためスイッチング損失低減が重要視されている。そのような問題を解決するために、例えばＩＧＢＴの入力抵抗を切り換えてスイッチングする技術が開発されている（例：特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−４６２０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
パワーモジュールに内蔵された半導体素子の温度が高温になると、半導体素子のOFF状態のリーク電流が増大することで半導体素子発熱が起こり、その発熱がリーク電流増大を引き起こすフィードバックがかかり、半導体素子の信頼性を低下させる。
【０００５】
このため、発熱が大きい大電流領域での半導体素子の動作時に、半導体素子が定格温度以下になるようにパワーモジュールの熱抵抗が設計される。
【０００６】
半導体素子は面積が小さいほど、半導体素子の生産性向上とパワーモジュールのサイズ低減の点で有利であるが、熱抵抗が大きくなる背反事象があるため、大電流領域の半導体素子の定格温度以下の動作が困難となり、従来は十分に半導体素子の面積低減が考慮されていなかった。
【０００７】
本発明の目的は、パワーモジュールの発熱が大きくなる大電流領域のパワー半導体素子の発熱を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する電力変換装置は、直流電流を交流電流に変換する半導体素子と、前記半導体素子を駆動するゲート駆動回路と、を備え、前記半導体素子は、複数の第１半導体セルと、前記第１半導体セルと電気的に並列に接続された複数の第２半導体セルと、前記複数の第１半導体のそれぞれのゲート電極及び前記複数の第２半導体のそれぞれのゲート電極と電気的に接続されるゲート端子と、前記複数の第１半導体セルのエミッタ電極と接続されるエミッタ端子と、ケルビンエミッタ端子と、前記ケルビンエミッタ端子と前記エミッタ端子に対して電気的に直列に接続される抵抗体と、を有し、前記ゲート駆動回路は、電源電圧をゲート電圧として前記ゲート端子に供給する第１端子と、グランド電位と同電位となるとともに前記ケルビンエミッタ端子と電気的に接続される第２端子と、を有し、前記複数の第２半導体セルは、当該複数の第２半導体セルのそれぞれのエミッタ電極が前記抵抗体を介して前記エミッタ端子と接続される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、パワーモジュールの発熱が大きくなる大電流領域のパワー半導体素子の発熱を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態による電力変換装置を実装した車両の制御ブロック図である。
【図２】本実施形態による電力変換装置の電力変換回路である。
【図３】本実施形態による電力変換装置におけるＩＧＢＴ素子とゲート駆動回路の構成である。
【図４】本実施形態による電力変換装置におけるＩＧＢＴのＯＮ電圧を示す図である。
【図５】本実施形態による電力変換装置におけるＩＧＢＴのターンオンスイッチング損失を示す図である。
【図６】他の実施形態による電力変換装置におけるＩＧＢＴ素子とゲート駆動回路の構成である。
【図７】他の実施形態による半導体装置におけるＩＧＢＴ素子とゲート駆動回路の構成である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態に係る両面冷却型パワーモジュールとこれを用いた電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能である。ここでは、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の、制御構成と電力変換装置の回路構成について、図１と図２を用いて説明する。
【００１２】
本発明の実施形態に係るパワーモジュールとこれを用いた電力変換装置では、自動車に搭載される回転電機駆動システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は、運転モードに応じて車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。
【００１３】
なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置に対しても適用可能である。例えば、電車や船舶，航空機などの電力変換装置や、工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、あるいは、家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする、家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
【実施例１】
【００１４】
図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す。ハイブリッド自動車（以下、ＨＥＶと記述する）１１０は２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジン駆動システムである。もう１つは、モータジェネレータ１９２や１９４を動力源とする回転電機駆動システムである。回転電機駆動システムでは、モータジェネレータ１９２や１９４を駆動源として備えており、モータジェネレータ１９２や１９４としては同期機あるいは誘導機が使用され、モータジェネレータ１９２や１９４は制御によりモータとしても、あるいは発電機としても動作する。これらの機能に基づき、この明細書ではモータジェネレータと記すが、これらは代表的な使用例であり、モータジェネレータ１９２あるいは１９４をモータのみあるいは発電機のみとして使用しても良く、いかに説明するインバータ１４０や１４２によりモータジェネレータ１９２あるいは１９４が制御され、この制御においてモータとして動作したり発電機として動作したりする。
【００１５】
本発明は、図１に示すＨＥＶに使用できることは当然であるが、エンジン駆動システムを使用しない純粋な電気自動車にも適用できることは当然である。ＨＥＶの回転電機駆動システムも純粋な電気自動車の駆動システムも本発明の関係する部分は、基本的な動作や構成が共通しており、煩雑さを避けるために、以下代表してＨＥＶの例で説明する。
【００１６】
車体のフロント部には一対の前輪１１２が設けられた前輪車軸１１４が回転可能に軸支されている。本実施の形態では、動力によって駆動される主輪を前輪１１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
【００１７】
前輪車軸１１４には、デファレンシャルギア（以下ＤＥＦと記す）１１６が設けられ、前輪車軸１１４は、ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には、変速機１１８の出力軸が機械的に接続され、前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機１１８によって変速されたトルクを受け、左右の前輪車軸１１４に分配する。変速機１１８の入力側には、モータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には、動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側あるいはモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。なお、モータジェネレータ１９２，１９４および動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。
【００１８】
モータジェネレータ１９２および１９４は、誘導機でも良いが、本実施の形態ではより効率向上に優れている、回転子に永久磁石を備えた同期機が使用されている。誘導機や同期機の固定子が有する固定子巻線に供給される交流電力がインバータ回路部１４０，１４２によって制御されることにより、モータジェネレータ１９２，１９４のモータあるいは発電機としての動作やその特性が制御される。インバータ回路部１４０，１４２にはバッテリ１３６が接続されており、バッテリ１３６とインバータ回路部１４０，１４２との間において電力の授受が可能である。
【００１９】
本実施の形態では、ＨＥＶ１１０は、モータジェネレータ１９２およびインバータ回路部１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４およびインバータ回路部１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している状況において、車両の駆動トルクをアシストする場合には、第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の状況において車両の車速をアシストする場合には、第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
【００２０】
また、本実施の形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニットまたは第２電動発電ユニットを、発電ユニットとしてエンジン１２０の動力あるいは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
【００２１】
バッテリ１３６は、さらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては、たとえばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータがあり、バッテリ１３６からインバータ装置４３に供給された直流電力は補機用の変換機４３で交流の電力に変換され、モータ１９５に供給される。補機用の変換機４３はインバータ回路部１４０，１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数，電力を制御する。たとえば、モータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このような補機用の変換機４３の制御機能は、インバータ回路部１４０，１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２，１９４の容量より小さいので、補機用の変換機４３の最大変換電力はインバータ回路部１４０，１４２より小さいが、補機用の変換機４３の回路構成は基本的にインバータ回路部１４０，１４２の回路構成と同じである。
【００２２】
図１の実施の形態では、定電圧電源を省略している。各制御回路や各種センサは図示していない定電圧電源からの電力で動作する。この定電圧電源は例えば１４ボルト系の電源であり、鉛バッテリなどの１４ボルト系、場合によっては２４ボルト系のバッテリを備え、正極あるいは負極の一方が車体と接続されており、車体が定電圧電源の電力供給用導体として使用される。
【００２３】
インバータ回路部１４０，１４２および４３とコンデンサモジュール５００とは、電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳述する電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０，１４２および４３とコンデンサモジュール５００とを電力変換装置２００の筐体内に内蔵している。この構成により小型化が可能となる。さらにハーネスの数を低減できる、あるいは放射ノイズなどを低減できるなどの効果がある。この効果は小型化にもつながり、あるいは信頼性の向上にもつながる。また生産性の向上にもつながる。また、コンデンサモジュール５００とインバータ回路部１４０，１４２および４３との接続回路が短くなり、あるいは以下に説明する構造が可能となり、インダクタンスを低減でき、その結果としてスパイク電圧を低減できる。さらに以下に説明する構造により、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。
〔電力変換装置の構成〕
図２を用いて電力変換装置２００の回路構成について説明する。図１に示したように、電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０や１４２と、補機用の変換装置４３と、コンデンサモジュール５００とを備えている。また、補機用の変換機４３は、車が備える補機類を駆動するための補機用駆動モータを制御するインバータ装置である。また補機用の変換機４３は、例えば、図１のバッテリ１３６の供給電圧を更に昇圧するあるいは高い電圧からバッテリ１３６の供給電圧に降圧する、昇圧あるいは降圧回路である、ＤＣ−ＤＣコンバータであっても良い。
【００２４】
インバータ回路部１４０，１４２は両面冷却構造を有するパワー半導体モジュール３００を複数台、この実施例では３個、備えており、このパワー半導体モジュール３００を接続することにより３相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更にパワー半導体モジュール３００を並列接続し、これら並列接続を３相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また以下で説明の如くパワー半導体モジュール３００に内蔵している半導体素子を並列接続することにより、パワー半導体モジュール３００を並列接続しなくても、パワーの増大に対応できる。
【００２５】
後述するように、各パワー半導体モジュール３００は、パワー半導体素子とその接続配線を、図３に示すモジュールケース３０４の内部に収納している。本実施の形態では、図３に示すモジュールケース３０４は、開口が形成された開口部を有する缶状の放熱金属のベース等を備えている。このモジュールケース３０４は、対向した放熱ベース３０７を有し、この実施例では、開口部を有する面以外の５つの面を覆っている。上記５つの面が覆われるように、最も広い面積を有する両放熱ベース３０７と連続して、上記両面の間を繋ぐようにして、繋ぎ目の無い同一材質で構成した外壁を持っている。直方体に使い形状を成す上記缶状のモジュールケース３０４の一方の面に開口が形成され、前記開口からパワー半導体素子が内部に挿入され、内部に保持される。
【００２６】
各インバータ回路部１４０や１４２は、制御部に設けられた２つのドライバ回路によってそれぞれ駆動制御される。なお、図２では２つのドライバ回路を合わせてドライバ回路１７４として表示している。各ドライバ回路は制御回路１７２により制御され、前記制御回路１７２は、パワー半導体素子のスイッチングタイミングを制御するためのスイッチング信号を生成する。
【００２７】
インバータ回路部１４０とインバータ回路部１４２とは基本的な回路構成は同じであり、制御方法や動作も基本的には同じであり、代表してインバータ回路部１４０を例に説明する。インバータ回路部１４０は３相ブリッジ回路を基本構成として備えており、具体的には、Ｕ相（符号Ｕ１で示す）やＶ相（符号Ｖ１で示す）やＷ相（符号Ｗ１で示す）として動作するそれぞれのアーム回路が、直流電力を送電する正極側および負極側の導体にそれぞれ並列に接続されている。なお、インバータ回路部１４２のＵ相とＶ相とＷ相として動作するそれぞれのアーム回路を、インバータ回路部１４０に対応させ、Ｕ２とＶ２とＷ２として示す。
【００２８】
前記各相のアーム回路は上アーム回路と下アーム回路とが直列に接続された上下アーム直列回路で構成され、各相の上アーム回路は前記正極側の導体にそれぞれ接続され、各相の下アーム回路は前記負極側の導体にそれぞれ接続される。上アーム回路と下アーム回路の接続部にはそれぞれ交流電力が発生し、各上下アーム直列回路の上アーム回路と下アーム回路の接続部は各パワー半導体モジュール３００の交流端子３２１に接続され、前記各相の各パワー半導体モジュール３００の交流端子３２１はそれぞれ電力変換装置２００の交流出力端子に接続され、発生した交流電力はモータジェネレータ１９２あるいは１９４の固定子巻線に供給される。各相の各パワー半導体モジュール３００は基本的に同じ構造であり、動作も基本的に同じであるので、代表してＵ相のパワー半導体モジュール３００であるパワーモジュールＵ１について説明する。
【００２９】
前記上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子としてこの実施例では、上アームＩＧＢＴ１５５（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）と上アームダイオード１５６とを備えている。また前記下アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子としてこの実施例では、下アームＩＧＢＴ１５７と下アームダイオード１５８とを備えている。
各上下アーム直列回路の直流正極端子３１５と直流負極端子３１９とはコンデンサモジュール５００のコンデンサ接続用の直流端子にそれぞれ接続され、交流端子３２１に発生した交流電力はモータジェネレータ１９２あるいは１９４に電気的に供給される。
【００３０】
ＩＧＢＴ１５５や１５７は、ドライバ回路１７４を構成するドライバ回路のうちの一方あるいは他方のドライバ回路から出力された駆動信号を受けてスイッチング動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。変換された電力はモータジェネレータ１９２の固定子巻線に供給される。なお、Ｖ相およびＷ相については、Ｕ相と略同じ回路構成となるので、符号１５５，１５７，１５６，１５８の表示を省略した。
インバータ回路部１４２のパワー半導体モジュール３００は、インバータ回路部１４０の場合と同様の構成であり、また、補機用の変換機４３はインバータ回路部１４２と同様の構成を有しており、ここでは説明を省略する。
【００３１】
本実施の形態では、スイッチング用のパワー半導体素子として上アームＩＧＢＴ１５５、および下アームＩＧＢＴ１５７を用いて例示している。上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７は、コレクタ電極，エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子），ゲート電極（ゲート電極端子）を備えている。上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極とエミッタ電極との間には上アームダイオード１５６や下アームダイオード１６６が図示するように電気的に接続されている。上アームダイオード１５６や下アームダイオード１５８は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極を備えており、上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極が上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極に、アノード電極が上アームＩＧＢＴ１５５，下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい、この場合は上アームダイオード１５６，下アームダイオード１５８は不要となる。
【００３２】
制御回路１７２は、車両側の制御装置やセンサ（例えば、電流センサ１８０）などからの入力情報に基づいて、上アームＩＧＢＴ１５５，下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライバ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、上アームＩＧＢＴ１５５，下アームＩＧＢＴ１５７をスイッチング動作させるための駆動信号を生成する。
【００３３】
制御回路１７２は、上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値，上下アーム直列回路からモータジェネレータ１９２の固定子巻線に供給される電流値、およびモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が、入力情報として入力される。目標トルク値は、図示していない、上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても良い。
【００３４】
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄやｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ軸やｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ軸やｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ軸やｑ軸の電圧指令値を演算する。さらにマイコンは、この演算されたｄ軸やｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
【００３５】
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームＩＧＢＴ１５７のゲート電極に出力する。一方、上アームを駆動する場合には、ドライバ回路１７４は、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームＩＧＢＴ１５５のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、上アームＩＧＢＴ１５５，下アームＩＧＢＴ１５７は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
【００３６】
また、制御部は、異常検知（過電流，過電圧，過温度など）を行い、上下アーム直列回路を保護している。このため、制御部にはセンシング情報が入力されている。たとえば、各アームの信号用エミッタ電極端子からは上アームＩＧＢＴ１５５，下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応するドライバ回路１７４に入力されている。これにより、ドライバ回路１７４は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応する上アームＩＧＢＴ１５５，下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作を停止させ、対応する上アームＩＧＢＴ１５５，下アームＩＧＢＴ１５７を過電流から保護する。
上下アーム直列回路に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム直列回路の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路の直流正極側の電圧情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全ての上アームＩＧＢＴ１５５，下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路を過温度或いは過電圧から保護する。
【００３７】
インバータ回路部１４０の上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時にモータジェネレータ１９２の固定子巻線に発生する電流は、ダイオード１５６，１５８を含む回路を流れる。なお、本実施の形態の電力変換装置２００では、インバータ回路部１４０の各相に１つの上下アーム直列回路を設けたが、上述の通り、モータジェネレータへ出力する３相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に２つの上下アーム直列回路を並列接続するようにした回路構成の電力変換装置であってもよい。
【００３８】
各インバータ回路部１４０や１４２に設けられた直流端子１３８（図１参照）は、正極導体板と負極導体板からなる積層導体板７００（図２，図１４参照）に接続されている。
積層導体板７００は、パワーモジュールの配列方向に幅広な導電性板材から成る正極側導体板７０２と負極側導体板７０４とで絶縁シート（不図示）を挟持した、３層構造の積層配線板を構成している。積層導体板７００の正極側導体板７０２および負極側導体板７０４は、コンデンサモジュール５００に設けられた積層配線板５０１が有する正極導体板５０７および負極導体板５０５にそれぞれ接続されている。正極導体板５０７および負極導体板５０５もパワーモジュール配列方向に幅広な導電性板材から成り、絶縁シート５１７（不図示）を挟持した３層構造の積層配線板を構成している。
【００３９】
コンデンサモジュール５００には複数のコンデンサセル５１４が並列接続されており、コンデンサセル５１４の正極側が正極導体板５０７に接続され、コンデンサセル５１４の負極側が負極導体板５０５に接続されている。コンデンサモジュール５００は、上アームＩＧＢＴ１５５，下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成している。
【００４０】
コンデンサモジュール５００の積層配線板５０１は、電力変換装置２００の直流コネクタ１３８に接続された入力積層配線板２３０に接続されている。入力積層配線板２３０には、補機用の変換機４３にあるインバータ装置も接続されている。入力積層配線板２３０と積層配線板５０１との間には、ノイズフィルタが設けられている。ノイズフィルタには、筐体１２の接地端子と各直流電力ラインとを接続する２つコンデンサを備えていて、コモンモードノイズ対策用のＹコンデンサを構成している。
【００４１】
図２に示す電力変換装置の構成において、コンデンサモジュール５００は、直流電源１３６から直流電力を受けるために直流コネクタ１３８に接続される端子（符号省略）と、インバータ回路１４０あるいはインバータ回路１４２に接続される端子とを別々に有するので、インバータ回路１４０あるいはインバータ回路１４２が発生するノイズが直流電源１３６の方に及ぼす悪影響を低減できる。この構成はしいては平滑作用の効果を高めることとなる。
【００４２】
また、コンデンサモジュール５００と各パワー半導体モジュール３００との接続に上述のように積層状態の導体板を使用しているので、各パワー半導体モジュール３００の上下アーム直列回路を流れる電流に対するインダクタンスを低減でき、上記電流の急変に伴う跳ね上がる電圧を低減できる。
【００４３】
図３は本実施形態に関わる下アームＩＧＢＴ１５７の構成と、下アームＩＧＢＴ１５７のゲート駆動回路である。本図ではＩＧＢＴのターンオンとターンオフ動作の対象となる回路のみが表示され、ＩＧＢＴ上の温度センスダイオードや、保護回路の構成は省略されている。
【００４４】
下アームＩＧＢＴ１５７の構成と、下アームＩＧＢＴ１５７のゲート駆動回路について記載しているが、上アームＩＧＢＴ１５５の構成と、上アームＩＧＢＴ１５５のゲート駆動回路についても同様の構成である。
【００４５】
下アームＩＧＢＴ１５７は、ＩＧＢＴセルの集合体４０１とＩＧＢＴセルの集合体４０２を備える。ＩＧＢＴセルの集合体４０１は、ＩＧＢＴセルの集合体４０２よりもＩＧＢＴセルの個数が多い。一例として、ＩＧＢＴセルの集合体４０１の個数はＩＧＢＴセルの集合体４０２の個数の１０００倍である。集合体４０２は、集合体４０１と電気的に並列に接続される。
【００４６】
ゲート駆動回路１７４は、ＶＣＣ（電源電圧）４３１をゲート電圧としてゲート端子４２３に供給する第１端子４９０と、ＧＮＤ（グランド電位）４３６と同電位となるとともにケルビンエミッタ端子４２４と電気的に接続される第２端子４９１と、を有する。
【００４７】
ＶＣＣ４３１が集合体４０１及び集合体４０２に対応するＩＧＢＴのゲート端子４２３に印加される場合、ＩＧＢＴセルの集合体４０１が導通状態になり、コレクタ端子４２１とエミッタ端子４２２の間に主電流４４１が流れる。同様にＩＧＢＴセルの集合体４０２も導通状態になり、コレクタ端子４２１とエミッタ端子４２２の間にセンス電流４４２が流れる。
【００４８】
抵抗体４１１は、ケルビンエミッタ端子４２４とエミッタ端子４２２に対して電気的に直列に接続される。そして集合体４０２は、この集合体４０２に対応する複数のＩＧＢＴセルのそれぞれのエミッタ電極が抵抗体４１１を介してエミッタ端子４２２と接続される。センス電流４４２は抵抗体４１１を流れるため、抵抗体４１１の両端で電圧降下が発生する。そのためＩＧＢＴセルの集合体４０１のエミッタ電位４２９は、ＩＧＢＴセルの集合体４０２のエミッタ電位４２８よりも、電圧降下分の電位が低くなる。
【００４９】
抵抗体４４１は、半導体基板に不純物を導入して形成する形成方法、または多結晶ポリシリコンによる形成方法が望ましいが、抵抗体としての機能を有していれば、他の形成方法を用いても構わない。
【００５０】
ゲート駆動回路１７４は、ケルビンエミッタ端子４２４をＧＮＤ４３６として、ゲート端子４２３にＶＣＣ４３１を印加する。そのため、ＩＧＢＴセルの集合体４０１のゲート電位４２７とエミッタ電位４２９の間の電位差は、ＶＣＣ４３１とＧＮＤ４３６の電位差にセンス電流４４２と抵抗４１１による電圧降下分が加算された電位差となる。すなわち、ＩＧＢＴセルの集合体４０１のターンオンスイッチング及び導通状態の時のゲート電位４２７とエミッタ電位４２９の間の電位差は、ドライバ回路１７４が印加するＶＣＣ４３１よりも大きくなる。
【００５１】
コレクタ端子４２１とエミッタ端子４２２の間を流れる主電流４４１が大きいほど、センス電流４４２の値も大きくなる。そのため、センス電流４４２と抵抗４１１による電圧降下分も大きくなり、大電流領域ほどＩＧＢＴセルの集合体４０１のゲート電位４２７とエミッタ電位４２９の間の電位差が大きくなる。したがって、ＩＧＢＴセルの集合体４０１のターンオンスイッチング及び導通状態の時のゲート電位４２７とエミッタ電位４２９の間の電位差は、大電流領域ほどドライバ回路１７４が印加するＶＣＣ４３１よりも大きくなる。
【００５２】
図４は、ＩＧＢＴのＯＮ電圧とゲート電圧の相関の一例を示した図である。実験結果の一例として、ＩＧＢＴセルの集合体４０１の個数がＩＧＢＴセルの集合体４０２の個数の１０００倍である設計において、抵抗４１１に5.9Ωを挿入した場合は、IGBT電流５００A通電時の抵抗４１１による電圧降下は0.5Vとなる。
【００５３】
ゲート電圧１５ＶでＩＧＢＴをＯＮする場合は図中細線のＯＮ電圧特性となり、ゲート電圧１７ＶでＩＧＢＴをＯＮする場合は、図中太線のＯＮ電圧特性となる。本実施例において、ＶＣＣ４３１が１５Ｖであり、ＩＧＢＴ電流５００Ａ通電時のセンス電流４４２と抵抗４１１による電圧降下分が0.5Ｖである場合は、図中の一点鎖線のＯＮ電圧特性となる。このように、ＩＧＢＴの発熱が大きくなる大電流領域ほどＯＮ電圧が抑制され、導通損失が抑制されるフィードバック効果が得られる。
【００５４】
図５はＩＧＢＴをターンオンする場合の従来のターンオンスイッチング損失と本実施例のターンオンスイッチング損失の比較を示した図である。図中細線は従来のターンオンスイッチング損失であり、図中一点鎖線は本実施例のターンオンスイッチング損失である。本実施例では、大電流領域ほどＩＧＢＴセルの集合体４０１のゲート電位４２７とエミッタ電位４２９の間の電位差が大きくなることで、ＩＧＢＴゲートの駆動速度が上がり、大電流領域ほどターンオンスイッチング損失が抑制される。
【００５５】
ＩＧＢＴターンオンのタイミングで対アームのＤｉｏｄｅにリカバリーサージ電圧が発生する。リカバリーサージ電圧は、ゲート電位４２７とエミッタ電位４２９の間の電位差が大きくなりＩＧＢＴのターンオン速度が速くなるほど、すなわちターンオンスイッチング損失が小さいほど、大きくなるため、リカバリーサージ電圧がＩＧＢＴとＤｉｏｄｅの定格耐圧を超えないようにターンオン速度を調整する場合がある。すなわち、ターンオンスイッチング損失を小さくするためにゲート電圧を上げることは、リカバリーサージ電圧がＩＧＢＴとＤｉｏｄｅの定格耐圧を超えるため、実施できない場合がある。
【００５６】
リカバリーサージ電圧のピーク値は大電流領域で発生せず、また、ゲート電圧が大きいほどリカバリーサージ電圧が大きくなるため、本実施例により、大電流領域ほどゲート電圧が大きくなることでターンオンスイッチング損失が低減することは、リカバリーサージ電圧を考慮する点においても、ターンオンスイッチング損失低減に有効である。
【００５７】
このように、ＩＧＢＴの発熱が大きくなる大電流領域ほどターンオンスイッチング損失が抑制されるフィードバック効果が得られる。
【実施例２】
【００５８】
図２０は他の実施例に係わる、下アームＩＧＢＴ１５７の構成と、下アームＩＧＢＴ１５７のゲート駆動回路である。本図ではＩＧＢＴのターンオンとターンオフ動作の対象となる回路のみが表示され、ＩＧＢＴ上の温度センスダイオードや、保護回路の構成は省略されている。
【００５９】
前述した前述した実施形態と本実施形態との違いは、ＩＧＢＴ１５７にＩＧＢＴセルの集合体４０２のエミッタ電極を電気的に接続するミラーエミッタ端子４２５を備え、ミラーエミッタ端子４２５とケルビンエミッタ端子４２４の間に、ドライバ回路１７４に実装された抵抗体４１２を接続する点である。
【００６０】
ゲート駆動回路１７４は、ミラーエミッタ端子４２５と接続される第３端子４９２を有する。またゲート駆動回路１７４は、第２端子４９１と第３端子４９２との間に電気的に直列に接続される抵抗体４１２を有する。
【００６１】
本実施形態では、発熱が大きくなる大電流領域ほど導通損失とターンオンスイッチング損失が抑制されるフィードバック効果の他に、抵抗体４１２の両端に発生する電位差をモニタすることで、ＩＧＢＴ電流値の推定が可能となり、ドライバ回路１７４がゲートＩＧＢＴの過電流状態を検知し、過電流保護動作することによる信頼性向上が可能となる。
【００６２】
また抵抗体４１２の抵抗値を調整することによって、抵抗体４１１と抵抗体４１２との合成抵抗値を容易に調整することができる。
【実施例３】
【００６３】
図７は他の実施例に係わる、下アームＩＧＢＴ１５７の構成と、下アームＩＧＢＴ１５７のゲート駆動回路である。本図ではＩＧＢＴのターンオンとターンオフ動作の対象となる回路のみが表示され、ＩＧＢＴ上の温度センスダイオードや、保護回路の構成は省略されている。
【００６４】
前述した前述した実施形態と本実施形態との違いは、センス電流が流れることでＩＧＢＴセルの集合体４０１のエミッタ電位４２９をＩＧＢＴセルの集合体４０２のエミッタ電位４２８よりも低くするための抵抗体４１１を、ドライバ回路１７４に実装する点である。
【００６５】
本実施形態では、抵抗体４１１をドライバ回路１７４に実装することで、抵抗体４１１の抵抗値の変更が容易となり、ＩＧＢＴのゲート駆動速度の調整が容易となる効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００６６】
１５５  上アームＩＧＢＴ
１５７  下アームＩＧＢＴ
１７４  ゲート駆動回路、ドライバ回路
４０１  集合体
４０２  集合体
４１１  抵抗体
４１２  抵抗体
４２１  コレクタ端子
４２２  エミッタ端子
４２３  ゲート端子
４２４  ケルビンエミッタ端子
４２５  ミラーエミッタ端子
４２７  ゲート電位
４２８  エミッタ電位
４２９  エミッタ電位
４３１  ＶＣＣ（電源電圧）
４３６  ＧＮＤ（グランド電位）
４４１  主電流
４４２  センス電流
４９０  第１端子
４９１  第２端子
４９２  第３端子
【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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