(57)【要約】【課題】  高温動作可能なワイドギャップ半導体素子からなるスイッチング素子に接続される信号線およびゲート駆動回路基板をそのスイッチング素子による熱から保護し得る構造を提供する。【解決手段】  ワイドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子１１と、そのスイッチング素子１１に接続され、スイッチング素子１１に駆動信号を付与するゲート駆動回路基板１２とをハウジング１５内に格納し、前記スイッチング素子のオンオフ動作により直流電圧を交流変換して負荷に電力供給する電力変換装置１４において、前記ゲート駆動回路基板１２から駆動信号をインバータ回路部のスイッチング素子１１に伝送する信号線１３を、放熱性を有する平板状導体で構成する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子と、そのスイッチング素子に接続され、前記スイッチング素子に駆動信号を付与するゲート駆動回路基板とをハウジング内に格納し、前記駆動信号によりスイッチング素子のオンオフ動作を制御するスイッチング装置において、前記ゲート駆動回路基板から駆動信号をスイッチング素子に伝送する信号線を、放熱性を有する板状導体で構成したことを特徴とするスイッチング装置。
【請求項２】
前記信号線を、一対の板状導体とそれら一対の板状導体間に介在させた誘電体とからなる重ね合わせ構造とした請求項１に記載のスイッチング装置。
【請求項３】
前記信号線を、板状導体の熱抵抗を大きくした形状とした請求項２に記載のスイッチング装置。
【請求項４】
前記板状導体は、銅製である請求項１〜３のいずれか一項に記載のスイッチング装置。
【請求項５】
前記スイッチング素子は、ＳｉＣ−ＧＴＯ素子である請求項１〜４のいずれか一項に記載のスイッチング装置。
【請求項６】
前記板状導体を冷却する冷却手段を前記ハウジングに配設した請求項１〜５のいずれか一項に記載のスイッチング装置。
【請求項７】
前記冷却手段がファンである請求項６に記載のスイッチング装置。
【請求項８】
前記スイッチング素子、ゲート駆動回路基板の収容空間を区画する断熱材からなる隔壁を設けることにより、前記板状導体が配置されたファンの通風路を形成した請求項７に記載のスイッチング装置。
【請求項９】
前記スイッチング素子を冷却するファンを前記ハウジングに配設すると共に、そのスイッチング素子の近傍部位に温度センサを配置して、その温度センサの出力に基づいてファンを回転制御する請求項６〜８のいずれか一項に記載のスイッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング装置に関し、例えば、高温動作可能なワイドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子を組み込み、そのスイッチング素子のオンオフ動作により直流電圧を交流変換して負荷に電力供給する電力変換装置における冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、大容量ＵＰＳや電池電力貯蔵システム等に組み込まれた電力変換装置には、例えば図７に示すようにある設定された周波数と電圧を出力するインバータ装置４がある。このインバータ装置４は、太陽電池や燃料電池などの直流電源からの直流電圧をスイッチング素子１のオンオフ動作により交流変換して負荷に電力供給するものである。このインバータ装置４における出力周波数指令や電圧指令は、ゲート駆動回路基板２から出力される駆動信号をスイッチング素子１のゲート端子５に送信することによりそのスイッチング素子１に付与するようにしている。
【０００３】
なお、図７では、図中実線で示すように上下で対をなす一相（Ｕ相）のスイッチング素子１およびそのゲート駆動回路基板２で一相インバータ装置４を構成するが、図中破線で示すように上下で対をなす残りの二相（Ｖ相、Ｗ相）のスイッチング素子１およびそのゲート駆動回路基板２を付加すれば、三相インバータ装置４を構成することになる。
【０００４】
ここで、前述のインバータ装置４に組み込まれたスイッチング素子１としては、シリコンによる半導体素子、例えばＳｉ−ＧＴＯ素子（ゲート・ターンオフ・サイリスタ）などが使用されているのが一般的であった。この種のスイッチング素子１は、その動作最大温度が約１５０℃（実使用上は約１００℃以下）であり、この温度は、ゲート駆動回路基板２に実装された構成部品についても許容温度内であることから、それらゲート駆動回路基板２の構成部品が使用可能である。
【０００５】
従って、スイッチング素子１のゲート端子５を、コネクタ接続などにより直接的にゲート駆動回路基板２に接続したり、あるいは通信用ビニル信号線３を介してゲート駆動回路基板２に接続した構造を採用している。
【０００６】
また、これらスイッチング素子１およびゲート駆動回路基板２は、インバータ装置４のハウジング内に格納された構造を有するが、スイッチング素子１の定常損失やスイッチング損失による温度上昇を抑制するため、スイッチング素子１にヒートシンクを取り付けたり、そのスイッチング素子１が配置された箇所に対応させてハウジングにファンを設けたりすることにより、それらヒートシンクやファンを用いた冷却構造を採用しているのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２５９６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前述のインバータ装置４に組み込まれているスイッチング素子１は、従来、シリコンによる半導体素子、例えばＳｉ−ＧＴＯ素子が使用されていたが、近年、そのシリコン半導体素子に代わるものとして、ワイドギャップ半導体素子、例えばシリコンカーバイトによる半導体素子（例えばＳｉＣ−ＧＴＯ素子）で構成されたスイッチング素子１が利用されつつある。
【０００８】
このワイドギャップ半導体素子は、高耐圧、低損失および高温動作可能な特徴を有することから、スイッチング素子１の定常損失やスイッチング損失による温度上昇を抑制するために設けていた素子冷却用のヒートシンクやファンが不要となる。その結果、このワイドギャップ半導体素子を利用した場合、インバータ装置４の低損失化および小型化が実現容易となり、コンパクトな高性能のインバータ装置４を提供できる点で有効である。
【０００９】
しかしながら、前述のワイドギャップ半導体素子で構成されたスイッチング素子１を高温（約４００℃程度）でオンオフ動作させた場合、そのスイッチング素子１から発せられた熱は、信号線３を介してゲート駆動回路基板２に伝達されることになる。その結果、信号線３が熱で溶断したり、あるいは、ゲート駆動回路基板２が熱により誤動作または破壊したりする可能性が生じる。
【００１０】
そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、高温動作可能なワイドギャップ半導体素子からなるスイッチング素子に接続される信号線およびゲート駆動回路基板をそのスイッチング素子による熱から保護し得る構造を具備したスイッチング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するための技術的手段として、本発明は、ワイドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子と、そのスイッチング素子に接続され、前記スイッチング素子に駆動信号を付与するゲート駆動回路基板とをハウジング内に格納し、前記駆動信号によりスイッチング素子のオンオフ動作を制御するスイッチング装置において、前記ゲート駆動回路基板から駆動信号をスイッチング素子に伝送する信号線を、放熱性を有する板状導体で構成したことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る電力変換装置では、ゲート駆動回路基板から駆動信号をスイッチング素子に伝送する信号線を、放熱性を有する板状導体で構成したことにより、スイッチング素子とゲート駆動回路基板との間で温度勾配を現出させることができる。また、放熱面積が大きくなり、大きな放熱作用を発揮する。さらに、導体による配線インダクタンスの低減化を図ることが容易となる。
【００１３】
これにより、スイッチング素子の定常損失やスイッチング損失による温度上昇で発生したスイッチング素子の熱は、信号線でもって周囲空間に速やかに放散されるので、その信号線自体に蓄積されたり、あるいは、その信号線を介して接続されたゲート駆動回路基板まで伝達されたりすることを抑制できる。
【００１４】
前述の構成において、信号線としては、一対の板状導体と、それら一対の板状導体間に介在された誘電体とからなる重ね合わせ構造を採用することが望ましい。このように一対の板状導体で誘電体を挟み込んだ構造とすれば、誘電体によるキャパシタンス成分により、導体自体が有するインダクタンス成分をキャンセルすることができる。
【００１５】
信号線として、一対の板状導体と誘電体との重ね合わせ構造を採用すれば、その誘電体によるキャパシタンス成分により板状導体のインダクタンス成分をキャンセルできることから、板状導体の熱抵抗を大きくした形状とすることが可能となる。この板状導体の熱抵抗を大きくすると、熱伝導が悪くなり、その結果、スイッチング素子の熱が、その信号線を介して接続されたゲート駆動回路基板まで伝達されることを抑制できる。
【００１６】
また、板状導体としては、放熱性の良好な銅製のものを使用することが望ましい。このように銅製の板状導体を信号線として使用することにより、優れた放熱効果を発揮させることが可能となる。
【００１７】
なお、前述のスイッチング素子としては、ＳｉＣ−ＧＴＯ素子を使用することが好適であるが、他のワイドギャップ半導体素子としては、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）以外に窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどのワイドギャップ半導体を用いることも可能である。
前述のように信号線に板状導体を用いる構造に加えて、その板状導体を冷却するファン等の冷却手段をハウジングに配設した冷却構造を採用すれば、板状導体が持つ放熱性をより一層顕著に発揮させることができる。
【００１８】
また、スイッチング素子、ゲート駆動回路基板の収容空間を区画する断熱材からなる隔壁を設けることにより、前記板状導体が配置されたファンの通風路を形成した冷却構造とすれば、ファンによる板状導体の冷却効果をより一層向上させることが可能となる。
【００１９】
さらに、スイッチング素子を冷却するファンを前記ハウジングに配設すると共に、そのスイッチング素子の近傍部位に温度センサを配置して、その温度センサの出力に基づいてファンを回転制御する構成を採用すれば、スイッチング素子の動作温度を温度センサにより監視することができ、その温度センサの出力に基づいてファンを回転制御すれば、ファンの風量を調整することができ、スイッチング素子の動作温度を調整して高温一定での動作を可能にする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ゲート駆動回路基板から駆動信号をスイッチング素子に伝送する信号線を、放熱性を有する板状導体で構成したことにより、スイッチング素子の定常損失やスイッチング損失による温度上昇で発生したスイッチング素子の熱は、スイッチング素子とゲート駆動回路基板との間にある信号線に現出した温度勾配でもって周囲空間に速やかに放散されるので、熱による信号線の溶断やゲート駆動回路基板の誤動作および破壊を未然に防止でき、信号線およびゲート駆動回路基板を熱から保護することができ、信頼性の高い電力変換装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１および図２は、例えば、大容量ＵＰＳや電池電力貯蔵システム等に組み込まれた電力変換装置を示す。なお、図１は装置の主要概略構成を示す平面図、図２はその側面図である。なお、以下の実施形態では、電力変換装置として、直流電源からの直流電圧を交流変換するインバータ装置について説明するが、本発明はこれに限定されることなく、交流電源からの直流変換、直流電源からの直流変換、交流電源からの交流変換を含むすべての電力変換に適用可能である。さらに、本発明は電力変換装置に限らず、電力スイッチ等の他のスイッチング装置に適用可能である。
【００２２】
この電力変換装置には、例えば太陽電池や燃料電池などの直流電源からの直流電圧をスイッチング素子１１のオンオフ動作により交流変換して負荷に電力供給するインバータ装置１４がある。このインバータ装置１４における出力周波数指令や電圧指令は、ゲート駆動回路基板１２から出力される駆動信号をスイッチング素子１１のゲート端子に送信することによりそのスイッチング素子１１に付与するようにしている。
【００２３】
同図に示す実施形態のインバータ装置１４は、ワイドギャップ半導体素子で構成されたスイッチング素子１１と、そのスイッチング素子１１と信号線１３を介して接続され、スイッチング素子１１に駆動信号を付与するゲート駆動回路基板１２とをハウジング１５内に格納した構造を具備する。なお、対をなす一相（Ｕ相）のスイッチング素子１１およびそのゲート駆動回路基板１２で一相インバータ装置１４を構成し、また、対をなす三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のスイッチング素子１１およびそのゲート駆動回路基板１２で三相インバータ装置１４を構成する。この実施形態では、対をなす一相のスイッチング素子１１とそのゲート駆動回路基板１２で構成した一相インバータ装置１４を例示する。
【００２４】
このインバータ装置１４において、スイッチング素子１１を構成するワイドギャップ半導体素子としては、例えばＳｉＣ−ＧＴＯ素子を使用する。他のワイドギャップ半導体素子としては、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）以外に窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどを用いることも可能である。また、ゲート駆動回路基板１２は、スイッチング素子１１の駆動信号を生成するための各種電子部品が実装されたものである。
【００２５】
ここで、スイッチング素子１１は、高耐圧、低損失および高温動作可能なＳｉＣ−ＧＴＯ素子を使用していることから、スイッチング素子１１の定常損失やスイッチング損失による温度上昇を抑制するための素子冷却用ヒートシンクやファンが不要となり、インバータ装置１４の低損失化および小型化が実現容易となる。
【００２６】
しかしながら、前述のワイドギャップ半導体素子で構成されたスイッチング素子１１を高温（約４００℃程度）でオンオフ動作させた場合、そのスイッチング素子１１から発せられた熱は、信号線１３を介してゲート駆動回路基板１２に伝達されることになる。
【００２７】
そこで、ゲート駆動回路基板１２から駆動信号をスイッチング素子１１に伝送する信号線１３を、放熱性を有する例えば銅製の平板状導体で構成する。この信号線１３は、銅製であることから優れた放熱性を有し、また、幅広な平板状で大きな放熱面積を確保することができると共に導体である配線インダクタンスの低減化を図ることができることから、このような平板状導体を信号線１３としたことにより、スイッチング素子１１とゲート駆動回路基板１２との間で温度勾配を現出させることができる。
【００２８】
つまり、スイッチング素子１１の動作時には、配線インダクタンスと信号線に流れる電流の積による電圧が発生する。この配線インダクタンスが大きいとその発生する電圧が大きくなり、スイッチング素子１１の動作時に過渡的な跳ね上がり電圧となって現出し、スイッチング素子１１の性能低下あるいは破損につながる懸念がある。
【００２９】
そこで、この信号線１３を幅広の銅板とすることにより、回路的にインダクタンスを並列接続させることと同等であり、配線インダクタンスを低減させることができ、スイッチング素子１１のスイッチング動作時に発生する、インダクタンス成分と電流の積によるゲート電圧の跳ね上がりを抑制することができ、スイッチング素子１１の性能低下あるいは破損を未然に防止することができる。
【００３０】
また、この信号線１３を図３（ａ）に示す一対の平板状導体１３ａと、それら一対の平板状導体１３ａ間に介在された誘電体１３ｂとからなる重ね合わせ構造を採用すれば、ゲート電圧の跳ね上がりをより一層抑制することができ、大きな放熱効果が得られる。つまり、一対の板状導体１３ａで誘電体１３ｂを挟み込んだ構造とすれば、図３（ｂ）に示すようにインダクタンスＬ成分とキャパシタンスＣ成分との分布定数回路が形成され、誘電体１３ｂによるキャパシタンスＣ成分により、導体１３ａ自体が有するインダクタンスＬ成分をキャンセルすることができるため、ゲート電圧の跳ね上がりをより一層抑制することができ、大きな放熱効果が得られる。なお、前述した誘電体１３ｂの材料としては、アルミナ等のセラミックス製材料、マイカ、ポリイミド、ガラス、アラミド系材料などを使用すればよい。
【００３１】
このように信号線１３を平板状の銅板で構成することにより、スイッチング素子１１の定常損失やスイッチング損失による温度上昇で発生したスイッチング素子１１の熱は、信号線１３でもって周囲空間に速やかに放散されるので、その信号線１３自体に蓄積されたり、あるいは、その信号線１３を介して接続されたゲート駆動回路基板１２まで伝達されたりすることを抑制できる。
【００３２】
なお、この信号線１３は、スイッチング素子１１とゲート駆動回路基板１２との間の寸法が短ければ短いほど、配線インダクタンスの低減化が図れることから、大きな放熱効果が得られる。また、信号線１３が短ければ、図３（ａ）に示すような重ね合わせ構造とすることなく、一枚の銅板のみで信号線１３を構成することも可能である。
【００３３】
さらに、図４に示すように信号線１３を、平板状導体１３ａの熱抵抗を大きくした形状、例えば波打ち状に折り曲げた形状、その他、くびれた形状、渦巻き構造などにすることも可能である。ただし、この場合、前述したように信号線１３の寸法が長くなることから、配線インダクタンスの低減化を図ることが困難になる可能性がある。そこで、この信号線１３として、一対の平板状導体１３ａと誘電体１３ｂとの重ね合わせ構造を採用すれば、その誘電体１３ｂによるキャパシタンス成分により平板状導体１３ａのインダクタンス成分をキャンセルできることから、配線インダクタンスの低減化が容易となる。
【００３４】
このように平板状導体１３ａの熱抵抗を大きくした形状とすれば、スイッチング素子１１とゲート駆動回路基板１２との間での熱伝導を悪くなり、その結果、スイッチング素子１１の熱が、その信号線１３を介して接続されたゲート駆動回路基板１２まで熱伝達されることを抑制できる。
【００３５】
前述した信号線１３を使用して、ゲート駆動回路基板１２から駆動信号を伝送した場合、その放熱効果を図５に示す。図５におけるスイッチング素子温度は、図２のＰ点での温度であり、ゲート駆動回路基板温度は、図２のＱ点での温度である。
【００３６】
図５から明らかなように、スイッチング素子温度が約２００℃に対して、ゲート駆動回路基板温度を約８０℃に低減することができ、信号線１３による放熱効果が得られた。これにより、ゲート駆動回路基板１２から駆動信号を伝送することができると共に、ゲート駆動回路基板の熱による誤動作または破壊を防ぐことが可能となる。
【００３７】
また、前述した構成からなる信号線１３を用いる構造に加えて、その信号線１３を冷却するファン１７をハウジング１５に配設する。ファン１７は、信号線１３と対応する部位に取り付けられ、その大きさも信号線１３を冷却するのに十分なものを使用する。この場合、図１に示すようにスイッチング素子１１および信号線１３を収容する空間１９と、ゲート駆動回路基板１２を収容する空間２３とを、断熱材からなる隔壁１８で区画する。このように二つの空間１９，２３を区画する隔壁１８を設けたことにより、空間１９をファン１６の通風路として形成した冷却構造とする。このようにすれば、信号線１３が持つ放熱性に加えて、ファン１７による導体１３の冷却効果をより一層顕著に発揮させることができる。
【００３８】
前述した信号線１３を使用して、ファン１７を動作させることにより、ゲート駆動回路基板１２から駆動信号を伝送した場合、信号線１３の放熱効果にファン１７の冷却効果を加えた効果を図６に示す。図６におけるスイッチング素子温度は、図２のＰ点での温度であり、ゲート駆動回路基板温度は、図２のＱ点での温度である。
【００３９】
図６から明らかなように、スイッチング素子温度が約２００℃に対して、ゲート駆動回路基板温度を約４０℃に低減することができ、信号線１３の放熱効果にファン１７の冷却効果を加えた効果が得られた。これにより、ゲート駆動回路基板１２から駆動信号を伝送することができると共に、ゲート駆動回路基板の熱による誤動作または破壊をより一層確実に防ぐことが可能となる。
【００４０】
なお、信号線１３を冷却する冷却手段として、ファン１７を使用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、他の冷却手段として、フィン構造、水冷構造、ヒートパイプ構造や、ペルチェを用いた構造などを採用することも可能である。
【００４１】
さらに、スイッチング素子１１および信号線１３を収容する空間１９を通風路とするようにスイッチング素子１１を冷却するファン１６をハウジング１５に配設する。ファン１６は、スイッチング素子１１と対応する部位に取り付けられ、その大きさもスイッチング素子１１を冷却するのに十分なものを使用する。一方、そのスイッチング素子１１の近傍部位に温度センサ（図示せず）を配置して、その温度センサの出力に基づいてファン１６を回転制御する構成とする。
【００４２】
このようにすれば、スイッチング素子１１の動作温度を温度センサにより監視することができ、その温度センサの出力に基づいてファン１６を回転制御すれば、ファン１６の風量を調整することができ、スイッチング素子１１の動作温度を調整して高温一定での動作を可能とすることができる。
【００４３】
なお、図２中、ゲート駆動回路基板１２を収容する空間２３を区画する隔壁２５を設けることにより、周辺機器２２を収容する空間２４を形成している。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る電力変換装置の実施形態で、ハウジングにスイッチング素子、ゲート駆動回路基板を収容した構造を示す平面構成図である。
【図２】図１の側面構成図である。
【図３】（ａ）は信号線を一対の板状導体間に誘電体を挟み込んだ構造とした例を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の信号線の構造における等価回路を示す回路図である。
【図４】板状導体の熱抵抗を大きくした形状の信号線を示す断面図である。
【図５】導体の放熱効果によるスイッチング素子温度とゲート駆動回路基板温度を示す特性図である。
【図６】導体の放熱効果とファンの冷却効果によるスイッチング素子温度とゲート駆動回路基板温度を示す特性図である。
【図７】スイッチング素子により構成されたインバータ装置の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００４５】
１１  スイッチング素子（ワイドギャップ半導体素子）
１２  ゲート駆動回路基板
１３  信号線（帯板状導体）
１４  インバータ装置（電力変換装置）
１５  ハウジング
１６，１７  ファン
１８  隔壁
１９  空間
【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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