(57)【要約】【課題】１８ｉｎ１モジュールを並列接続して、大容量のマトリクスコンバータ装置を構成すると、配線が複雑になり、装置が大型で、高コストとなる。また、モジュールの歩留まりも低い。【解決手段】パワー半導体モジュールにおいて、双方向スイッチを3個搭載し、前記3個の双方向スイッチ各々の一方の端子を共通に接続して得られた第1の外部端子と、前記３個の双方向スイッチ各々の他方の端子を接続して得られた第２〜第４の外部端子とを備え、前記各端子を1列状に配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置に適用するパワー半導体デバイスを搭載したモジュールであって、正逆両方向の電流を遮断する双方向スイッチ3個と、前記3個の双方向スイッチ各々の一方の端子を共通に接続して得られた第1の外部端子と、前記３個の双方向スイッチ各々の他方の端子を接続して得られた第２〜第４の外部端子と、を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
前記双方向スイッチは、逆阻止型半導体スイッチ素子を逆並列接続した構成であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記双方向スイッチは、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子を逆直列接続した構成であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記第1〜第4の外部端子を一列状に配置したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記第1〜第4の外部端子を一列状に配置し、前記第1の外部端子を、一列状の配置の端部に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールの第1〜第4の各端子が各々同列状に並ぶように前記パワー半導体モジュールを1列状に配置したことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置特にマトリクスコンバータ回路に適用するパワー半導体モジュール及びそれを適用した電力変換装置の構成法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６に交流電源ＡＣＰから任意の周波数の交流を直流回路を介さずに作り出す電力変換回路であるマトリクスコンバータの回路例を示す。本回路は一般的なＡＣ−ＤＣ−ＡＣ変換回路と比較して直流回路が省略できるため、小型化や電解コンデンサレス化による長寿命化が可能といった特長を有する。
ＡＣＰが３相交流電源でそれぞれがＲ相、Ｓ相、Ｔ相である。Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３が入力フィルタ用コンデンサ、ＬＲ、ＬＳ、ＬＴが入力フィルタ用のリアクトル、ＭＣがマトリクスコンバータ変換器部、Ｍがモータなどの負荷である。変換器部ＭＣにおいて、Ｓ１〜Ｓ９が双方向スイッチ素子で、図７（ａ）に示すような逆耐圧を有するＩＧＢＴを逆並列に接続する構成や、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示すように逆耐圧を有しないＩＧＢＴとダイオードとの組み合わせで実現できる。
【０００３】
また図６のシステムを構築するにあたり、変換器部ＭＣに適用するパワー半導体モジュールは、装置の小型化と、各素子間の配線の複雑化を解消するために、一般に小型化と各素子間の配線を省略化するために、１８個の逆阻止形の素子（または逆耐圧を有しないＩＧＢＴを使用する場合は３６個の素子）を１つのパワー半導体モジュールに内蔵したもの（１８ｉｎ１モジュール）が特許文献１に記載されている。
【０００４】
図８に、１８ｉｎ１モジュールの概略構成図（平面図）例を示す。モジュールＭＪの上部にＲ相、Ｓ相、Ｔ相の出力端子Ｒ、Ｓ、Ｔ、モジュール下部にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗが設置され、モジュール内部に１８個の逆耐圧を有するＩＧＢＴチップＱＴが図６の回路図に従い搭載された構成である。
図９は、１８ｉｎ１モジュールを３個（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）並列接続した時の配線図である。３個のモジュールの入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔ同士及び出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗ同士はそれぞれ並列接続される。
従来のマトリクスコンバータの回路例や図８のマトリクスコンバータ用の１８ｉｎ１モジュール例の詳細については、特許文献１に示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１８２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、１８ｉｎ１モジュールの場合、１モジュール内に１８個の素子（または３６個の素子）を搭載しているため、ＤＣ−ＡＣ変換器などに一般的に適用されている２ｉｎ１モジュール（１モジュール内に１相分となる上下アームのＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路を搭載）と比べて、必然的に歩留まりが悪くなり、その結果モジュールがコストアップとなる課題を有する。またシステムの大容量化のために、図８のモジュールを多数個並列接続すると（図９に３並列化した場合の例を示す）、各Ｕ、Ｖ、Ｗの出力端子間及び各Ｒ、Ｓ、Ｔの入力端子間をそれぞれ接続する必要があるため、必然的に配線構造が複雑になるといった課題を有する。
本発明は、これらの課題を解消すること、即ちモジュールの歩留まりの向上と配線構造の容易化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、電力変換装置に適用するパワー半導体デバイスを搭載したモジュールであって、正逆両方向の電流を遮断する双方向スイッチ3個と、前記3個の双方向スイッチ各々の一方の端子を共通に接続して得られた第1の外部端子と、前記３個の双方向スイッチ各々の他方の端子を接続して得られた第２〜第４の外部端子と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
第２の発明においては、第1の発明における前記双方向スイッチは、逆阻止型半導体スイッチ素子を逆並列接続した構成であることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明においては、第1の発明における前記双方向スイッチは、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子を逆直列接続した構成であることを特徴とする。
【００１０】
第４の発明においては、第１〜第3の発明において、前記第1〜第4の外部端子を一列状に配置したことを特徴とする。
【００１１】
第５の発明においては、第１〜第3の発明において、前記第1〜第4の外部端子を一列状に配置し、前記第1の外部端子を、一列状の配置の端部に設けたことを特徴とする。
【００１２】
第６の発明においては、電力変換装置において、第1〜第5の発明に記載のパワー半導体モジュールの第1〜第4の各端子が各々同列状に並ぶように前記パワー半導体モジュールを1列状に配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、パワー半導体モジュールにおいて、双方向スイッチを3個搭載し、前記3個の双方向スイッチ各々の一方の端子を共通に接続して得られた第1の外部端子と、前記３個の双方向スイッチ各々の他方の端子を接続して得られた第２〜第４の外部端子とを備え、前記各端子を1列状に配置している。
この結果、マトリクスコンバータシステムを構築する際、各モジュール間の配線が容易に実現できるとともに、モジュールを多並列接続することによる変換器の大容量化が容易に実現可能となる。さらに各モジュールに内蔵しているデバイス数は６素子であるため、従来の１８ｉｎ１モジュールと比較して歩留まりの向上を図ることが可能である。また、以上によって、マトリクスコンバータ装置の低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第1の実施例を示す回路図である。
【図２】本発明の第２の実施例を示す概観図である。
【図３】本発明を用いた第1の配線図例である。
【図４】本発明を用いた第２の配線図例である。
【図５】本発明を用いた第３の配線図例である。
【図６】マトリクスコンバータ装置の回路構成例である。
【図７】双方向スイッチの回路構成例を示す。
【図８】従来の１８ｉｎ１モジュールの構造例である。
【図９】従来の１８ｉｎ１モジュールを用いた並列接続例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の要点は、パワー半導体モジュールにおいて、双方向スイッチを3個搭載し、前記3個の双方向スイッチ各々の一方の端子を共通に接続して得られた第1の外部端子と、前記３個の双方向スイッチ各々の他方の端子を接続して得られた第２〜第４の外部端子とを備え、前記各端子を1列状に配置している点である。
【実施例１】
【００１６】
図１に、本発明の第1の実施例を示す。
図１（ａ）は、モジュール端子として４端子（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を設け、端子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃの各端子と端子Ｄとの間に、各々双方向スイッチを接続した構成である。端子Ａと端子Ｄとの間には、逆阻止型ＩＧＢＴＲＢ１とＲＢ２を逆並列接続した双方向スイッチが、端子Ｂと端子Ｄとの間には、逆阻止型ＩＧＢＴＲＢ３とＲＢ４を逆並列接続した双方向スイッチが、端子Ｃと端子Ｄとの間には、逆阻止型ＩＧＢＴＲＢ５とＲＢ６を逆並列接続した双方向スイッチが、それぞれ接続された構成である。
【００１７】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の双方向性スイッチの代わりに逆耐圧を有しないＩＧＢＴとダイオードの逆並列接続回路を逆直列接続した構成である。即ち、端子Ａと端子Ｄとの間には、ＩＧＢＴＱ１とダイオードＤ１の逆並列回路と、ＩＧＢＴＱ２とダイオードＤ２の逆並列回路とが逆直列接続された双方向スイッチが、端子Ｂと端子Ｄとの間には、ＩＧＢＴＱ３とダイオードＤ３の逆並列回路と、ＩＧＢＴＱ４とダイオードＤ４の逆並列回路とが逆直列接続された双方向スイッチが、端子Ｃと端子Ｄとの間には、ＩＧＢＴＱ５とダイオードＤ５の逆並列回路と、ＩＧＢＴＱ６とダイオードＤ６の逆並列回路とが逆直列接続された双方向スイッチが、それぞれ接続された構成である。
【００１８】
図１（Ｃ）は、図１（ｂ）の各双方向スイッチの構成で、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ同士を逆直列接続する時の逆直列接続の接続方向を逆にした構成である。
これらの構成は、端子ＤからＡ、Ｂ、Ｃの各端子を見た場合に全て同一の回路機能となっているため、図６に示したマトリクスコンバータの回路を構成する場合、３個のモジュールを用いて、各モジュールのＤ端子をそれぞれ入力側の端子Ｒ、Ｓ、Ｔとした場合、各モジュールの端子Ａ同士、端子Ｂ同士、端子Ｃ同士をそれぞれ接続することにより、これら３端子は出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗとすることができる。また各モジュールの端子Ｄをそれぞれ出力側端子Ｕ、Ｖ、Ｗとした場合は、各モジュールの端子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃはそれぞれ入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔとすることができる。
【実施例２】
【００１９】
図２に、本発明の第２の実施例を示す。
図１（ａ）〜（ｃ）の回路をモジュール化した場合の出力端子の配列を示したものである。半導体チップを搭載した基板ＢＰと樹脂ケースＣＡＳＥの上面に１列状に配置した主回路端子Ａ〜Ｄとゲート駆動端子ＧＡ、ＧＢを配している。ここで端子Ｄは、後述の図３〜図５に示すように端部に設置することがより有効であるが、必ずしも端部に設置する必要はない。
【実施例３】
【００２０】
図３に、本発明の第３の実施例を示す。
図３は、図２のモジュールを３個使用してマトリクスコンバータを構成した場合の配線図例である。各モジュールの端子Ｄを交流入力Ｒ、Ｓ、Ｔ相とした場合、端子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃは交流出力Ｕ、Ｖ、Ｗ相となるが、本モジュール構成のように、第1〜第4の外部端子を一列状に配置し、さらに第1〜第4の各端子が各々同列状に並ぶように配置することにより、端子Ａ同士、端子Ｂ同士、端子Ｃ同士は直線状の導体３０〜３２で結線可能となる。この結果、全体の配線構造が簡易化され、従来の１８ｉｎ１モジュールを適用した場合と同様の配線数（６本）で構築可能となる。
【実施例４】
【００２１】
図４に、本発明の第４の実施例を示す。
図２のモジュールを９個使用してマトリクスコンバータを構成した場合の配線図例である。
システムの大容量化のためにモジュールを多並列接続する場合の例（図では３並列の場合を示している）を示す。図４は本発明のモジュールをＲ相３個、Ｓ相３個、Ｔ相３個の順に横並びに配置した構造で、端子Ｄは並列接続されるモジュール間で接続する必要はあるが、端子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃは各端子間同士を直線状の導体３３〜３５で接続するだけで回路を構成することができる。従来の１８ｉｎ１モジュールの場合の配線構造例（図９）と比較して簡易化が図れる。
【実施例５】
【００２２】
図５に、本発明の第５の実施例を示す。
本発明のモジュールをＲ相、Ｓ相、Ｔ相に１個ずつ横並びに配置して一つのマトリクスコンバータ回路を構成し、さらにこのマトリクスコンバータ回路を３ユニット並列接続した場合の構造である。配線の簡易化が図れることは、第４の実施例と同様である。
尚、本実施例では、パワー半導体デバイスとしてＩＧＢＴを用いた例を示したが、ＭＯＳＦＥＴやその他の自己消弧形デバイスでも実現可能である。
また、モジュールの構成上、図中において入力側のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と、出力側のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を入れ替えて適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、双方向スイッチを使用したモジュールの構成であり、変換装置としては、マトリクスコンバータへの適用に限らず、単相交流チョッパ、３レベルインバータ、３レベルコンバータなどへの適用が可能である。
【符号の説明】
【００２４】
ＡＣＰ・・・交流電源          ＬＲ、ＬＳ、ＬＴ・・・リアクトル
Ｃ１〜Ｃ３・・・コンデンサ          Ｓ１〜Ｓ９・・・交流スイッチ
ＭＣ、Ｍ１〜Ｍ２・・・マトリクスコンバータ変換部          Ｍ・・・モータ
ＭＪ・・・モジュール          ＱＴ・・・ＩＧＢＴチップ
ＲＢ１〜ＲＢ６・・・逆阻止型ＩＧＢＴ          Ｄ１〜Ｄ６・・・ダイオード
Ｑ１〜Ｑ６・・・ＩＧＢＴ          ＭＮ・・・モジュール外観
ＢＰ・・・基板          ＣＡＳＥ・・・モジュールケース
ＧＡ、ＧＢ・・・ゲート端子          Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ・・・端子
Ｒ、Ｓ、Ｔ・・・入力端子          Ｕ、Ｖ、Ｗ・・・出力端子
３０〜３２、３３〜３５・・・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８】
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【図９】
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【図７】
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