(57)【要約】【課題】ゲート配線のインダクタンスを最小化して電流検出精度を向上し得る電力変換装置を提案する。【解決手段】主エミッタ端子、ゲート端子及び補助エミッタ端子を備えるパワー半導体モジュールと、パワー半導体モジュールに接続されるゲート駆動基板とを備える鉄道車両用の電力変換装置において、パワー半導体モジュールとゲート駆動基板とは、金属導体板により接続されることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主エミッタ端子、ゲート端子及び補助エミッタ端子を備えるパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールに接続されるゲート駆動基板とを備える鉄道車両用の電力変換装置において、
前記パワー半導体モジュールと前記ゲート駆動基板とを金属導体板により接続することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記金属導体板は、前記主エミッタ端子と前記ゲート駆動基板とを接続することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記金属導体板は、前記主エミッタ端子と、前記主エミッタ端子の上部に設置される他の導体板との間に設置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記金属導体板は、前記主エミッタ端子と、前記パワー半導体モジュールのパッケージ外面との間の空隙に設置されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記金属導体板は、前記主エミッタ端子との接続部分においては、前記主エミッタ端子の設置幅以上の幅を有し、前記主エミッタ端子と前記ゲート駆動基板との間の接続部分においては、前記ゲート駆動基板との接続幅以上の幅を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記金属導体板は、前記主エミッタ端子との接続部分においてＵ字形状を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記パワー半導体モジュールは、鉄道車両に用いられるＩＧＢＴであることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記パワー半導体モジュールは、凸部及び平坦部を備え、前記凸部に複数の前記主エミッタ端子を備え、前記平坦部に前記ゲート端子及び前記補助エミッタ端子を備え、
前記ゲート駆動基板は、前記平坦部の上面に設置されることにより前記平坦部に設置された前記ゲート端子及び前記補助エミッタ端子と接続し、
前記金属導体板は、一部が前記凸部の上面に設置されることにより複数の前記主エミッタ端子と接続し、他部が前記凸部の側面に沿って直下するように設置されることにより前記凸部に設置された複数の前記主エミッタ端子と、前記平坦部に設置された前記ゲート駆動基板とを接続することを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
主エミッタ端子、ゲート端子及び補助エミッタ端子を備えるパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールに接続されるゲート駆動基板とを備える鉄道車両用の電力変換装置において、
前記パワー半導体モジュールと前記ゲート駆動基板とを金属導体板により接続し、
前記パワー半導体モジュールは、２つの凸部及び平坦部を備え、前記２つの凸部のそれぞれに前記主エミッタ端子を備え、前記平坦部に２組の前記ゲート端子及び前記補助エミッタ端子を備え、
前記ゲート駆動基板は、前記平坦部の上面に設置されることにより前記平坦部に設置された前記２組のゲート端子及び補助エミッタ端子とそれぞれ接続し、
前記金属導体板は、前記２つの凸部に跨って前記２つの凸部の上面に設置される第１の金属導体板と、前記２つの凸部のうちの何れか一方の凸部の上面に設置される第２の金属導体板とから構成され、
前記第１の金属導体板は、一部が前記２つの凸部のうちの何れか一方の凸部に設置された前記主エミッタ端子と接続し、他部が他方の凸部の側面に沿って直下するように設置されることにより前記一方の凸部に設置された前記主エミッタ端子と、前記平坦部に設置された前記ゲート駆動基板とを接続し、
前記第２の金属導体板は、一部が前記他方の凸部に設置された前記主エミッタ端子と接続し、他部が前記他方の凸部の側面に沿って直下するように設置されることにより前記他方の凸部に設置された前記主エミッタ端子と、前記平坦部に設置された前記ゲート駆動基板とを接続することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
前記第１の金属導体板及び前記第２の金属導体板は、互いに絶縁状態を維持する範囲で最大の幅を有することを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
【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、特に鉄道車両に用いられる電力変換装置に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に鉄道車両に用いられる電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータ、交流電力を直流電力に変換するコンバータ及び直流電圧を昇圧又は降圧する直流チョッパ等の回路を備えて構成される。またこれらの回路においては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と呼ばれるパワー半導体が広く用いられている。
【０００３】
パワー半導体は、ゲート駆動基板からのオン及びオフの信号により駆動し、ゲート駆動基板は、変換器のコントローラである制御理論部からの信号により駆動する。パワー半導体とゲート駆動基板とはゲート配線と呼ばれる配線により接続されており、このゲート配線で両者を接続することで、ゲート駆動基板はパワー半導体を流れる電流を検出することができる。
【０００４】
ゲート駆動基板にはパワー半導体を保護するための保護機能が搭載されており、保護機能の一つに短絡保護機能がある。短絡の判断に際してはパワー半導体を含むモジュール（パワー半導体モジュールと呼ぶ）の内部に設置された主エミッタ端子と補助エミッタ端子との間のエミッタインダクタンス間に発生する電圧に基づいて短絡を判断する方法がある。
【０００５】
特許文献１には、エミッタインダクタンス間に発生する電圧に基づいて短絡を判断する短絡保護機能を搭載した電力変換装置が開示されている。具体的にはスイッチング素子（パワー半導体）の主端子と直列にインダクタンスを設置し、スイッチング時にインダクタンスの両端に発生する電圧を積分回路で積分することにより、パワー半導体に流れる電流を検出して短絡を判断する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３２４８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし特許文献１に記載の電力変換装置においては、パワー半導体モジュールとゲート駆動基板とを接続するゲート配線の具体的な構成について何ら開示されていない。
【０００８】
図７は、一般的なゲート配線の構成を示す。ゲート配線は、主エミッタ端子とゲート駆動基板との間を接続する主エミッタ配線と、補助エミッタ端子とゲート駆動基板との間を接続する補助エミッタ配線とから構成される。
【０００９】
またゲート配線は、インダクタンスをできるだけ小さくするため、一般に主エミッタ配線及び補助エミッタ配線の２本の配線をより線にして形成される。しかしこの場合、インダクタンスを一定値よりも更に小さくすることができず、また配線に重畳したコモンモードノイズによりパワー半導体に流れる電流を誤検出する場合がある。
【００１０】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、ゲート配線のインダクタンスを最小化して電流検出精度を向上し得る電力変換装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる課題を解決するために、本発明の電力変換装置においては、主エミッタ端子、ゲート端子及び補助エミッタ端子を備えるパワー半導体モジュールと、パワー半導体モジュールに接続されるゲート駆動基板とを備える鉄道車両用の電力変換装置において、パワー半導体モジュールとゲート駆動基板とは、金属導体板により接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ゲート配線のインダクタンスを最小化して電流検出精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】電力変換装置の斜視図である。
【図２】電力変換装置の側面図である。
【図３】電力変換装置の正面図である。
【図４】電力変換装置の回路構成図である。
【図５】他の電力変換装置の斜視図である。
【図６】Ｕ字型金属導体板を搭載した電力変換装置の斜視図である。
【図７】一般的なゲート配線を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
【００１５】
（１）全体構成
図１は、第１の実施の形態における電力変換装置の斜視構成を示す。特にここでは１つのパワー半導体モジュールに１つのパワー半導体を搭載する１ｉｎ１タイプのパワー半導体モジュールを２つ備えた２レベルインバータの１相分を示す。
【００１６】
電力変換装置は、上アームの半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール）１及び下アームのＩＧＢＴモジュール２を備える。上アームのＩＧＢＴモジュール１は下アームのＩＧＢＴモジュール２と同一の構成であるため、以下では特に下アームのＩＧＢＴモジュール２の構成について説明する。
【００１７】
ＩＧＢＴモジュール２は、複数の主コレクタ端子２１、複数の主エミッタ端子２２、ゲート端子２３及び補助エミッタ端子２４を備えて構成される。ＩＧＢＴモジュール２は、２つの凸部を有して構成され、この２つの凸部のうちの一方の凸部の上面に主コレクタ端子２１が設置される。また他方の凸部の上面に主エミッタ端子２２が設置される。
【００１８】
またＩＧＢＴモジュール２の上面のうち、凸部以外の平坦部にはゲート端子２３及び補助エミッタ端子２４が設置される。そしてこれらの端子２１〜２４のうち、主エミッタ端子２２、ゲート端子２３及び補助エミッタ端子２４は、ＩＧＢＴモジュール２を駆動するゲート駆動基板２５に接続される。
【００１９】
ゲート駆動基板２５は、ゲート端子２３及び補助エミッタ端子２４とは直接接続され、また複数の主エミッタ端子２２とは金属導体板（エミッタセンス配線板）２６を介して接続される。すなわちエミッタセンス配線板２６は、複数の主エミッタ端子２２とゲート駆動基板２５とを接続する。
【００２０】
エミッタセンス配線板２６は、ＩＧＢＴモジュール２の上面のうち、主エミッタ端子２２が設置されている凸部の上面を覆うように設置され、またこの凸部の側面に沿って平坦部まで直下してゲート駆動基板２５に接続されるように設置される。
【００２１】
またエミッタセンス配線板２６は、幅Ｗ１及びＷ２が広いほど、主エミッタ端子２２とゲート駆動基板２５との間のインダクタンスを小さくすることができる。よってここでは、エミッタセンス配線板２６は、主エミッタ端子２２との接続部分において複数の主エミッタ端子２２の設置幅以上の幅Ｗ１を有し、凸部の側面に沿って平坦部まで直下する部分においてはゲート駆動基板２５との接続幅以上の幅Ｗ２を有する。
【００２２】
なお電力変換装置は、上記説明してきた各部（２１〜２６）を備える他、正側電源（図示省略）と主コレクタ端子１１とを接続する正側導体板３１、上アームの主エミッタ端子１２と下アームの主コレクタ端子２１とを接続する中間導体板３２及び負側電源（図示省略）と主エミッタ端子２２とを接続する負側導体板３３を備える。また交流出力端子４１やＩＧＢＴモジュール２を冷却する冷却装置５１等を備える。
【００２３】
上記説明してきた各部（２１〜２６）は下アームのＩＧＢＴモジュール２に関する部分であり、上アームのＩＧＢＴモジュール１についても同様に構成される。例えば下アームのエミッタセンス配線板２６により主エミッタ端子２２とゲート駆動基板２５とが接続される構成は、上アームにおいても同様である。上アームにおいてはエミッタセンス配線板１６により主エミッタ端子１２とゲート駆動基板１５とが接続される。
【００２４】
（２）側面構成
図２は、図１の電力変換装置の側面構成を示す。電力変換装置は、上記説明してきた通り、冷却装置５１上に上アーム及び下アームの２つのＩＧＢＴモジュール１及び２を備える。そしてこれらＩＧＢＴモジュール１及び２がそれぞれ備える２つの凸部のうち、一方の凸部に設置される主エミッタ端子１２及び２２がそれぞれエミッタセンス配線板１６及び２６に接続される。またこれらエミッタセンス配線板１６及び２６は、それぞれゲート駆動基板１５及び２５に接続される。
【００２５】
なお負側導体板３３の端部のうち、ＩＧＢＴモジュール２の凸部の上部に設置される端部の下面には高さ調節部３３１が設けられる。この高さ調節部３３１は、負側導体板３３と同一の部材により構成され、負側導体板３３を水平に維持する。
【００２６】
（３）正面構成
図３は、図１の電力変換装置の正面構成を示す。ここでは特に下アームのＩＧＢＴモジュール２の正面構成を示す。このＩＧＢＴモジュール２を正面から見ると、主エミッタ端子２２とＩＧＢＴモジュール２のパッケージ外面との間には、空隙が設けられている。なお図１及び図２においては簡素化のため空隙の図示を省略している。エミッタセンス配線板２６は、平板形状であるため、この空隙に差し込んで設置することができる。
【００２７】
（４）回路構成
図４は、電力変換装置の回路構成を示す。なおここではＩＧＢＴモジュール２及び周辺の回路構成について説明するが、ＩＧＢＴモジュール１及び周辺の回路構成についても同様である。電力変換装置は、上記説明してきたゲート駆動基板２５及びＩＧＢＴモジュール２を備える他、制御理論部６１を備えて構成される。
【００２８】
制御理論部６１は、オン／オフ信号Ｓ１をゲート駆動基板２５に出力する。ゲート駆動基板２５内部のゲート駆動回路２５１は、制御理論部６１からのオン／オフ信号Ｓ１を入力すると、オン／オフ信号Ｓ１をＩＧＢＴモジュール２用のオン／オフ信号Ｓ２に変換し、このオン／オフ信号Ｓ２をＩＧＢＴモジュール２に出力する。
【００２９】
ＩＧＢＴモジュール２内部のゲート端子２３にゲート駆動回路２５１からのオン／オフ信号Ｓ２が入力された場合、ＩＧＢＴモジュール２は、オン時においては主コレクタ端子２１と主エミッタ端子２２との間にコレクタ電流を流す。オフ時においては主コレクタ端子２１と主エミッタ端子との間には図示しない電源電圧が印加される。
【００３０】
ＩＧＢＴモジュール２内部の補助エミッタ端子２４は、ゲート端子２３にオン／オフ信号Ｓ２が入力される際に流れる電流を流す端子であり、主エミッタ端子２２とは同電位であるが、ＩＧＢＴモジュール２においては主エミッタ端子２２とは別端子で構成される。
【００３１】
ＩＧＢＴモジュール２内部において、主エミッタ端子２２と補助エミッタ端子２４との間はエミッタセンス配線板２６により接続されるため、寄生の配線インダクタンスＬｅが形成される。また主エミッタ端子２２と補助エミッタ端子２４とは、ゲート駆動基板２５内部の電流検出回路２５２に接続される。
【００３２】
電流検出回路２５２は、配線インダクタンスＬｅに発生する電圧を積分して主コレクタ端子２１と主エミッタ端子２２との間に流れた電流を検出し、検出結果として得られた電流情報Ｓ３を短絡判定回路２５３に出力する。
【００３３】
短絡判定回路２５３は、電流情報Ｓ３に基づいて、正常又は異常（短絡）を判定し、ＩＧＢＴモジュール２が破壊されるような大電流が流れている場合には異常と判定する。この場合、短絡判定回路２５３は、ＩＧＢＴモジュール２に流れる電流を強制的にオフにするオフ信号Ｓ４をゲート駆動回路２５１に出力する。この結果、ＩＧＢＴの短絡保護が実現される。
【００３４】
ここでエミッタセンス配線板２６は、幅広の平板形状であり、最短経路でＩＧＢＴモジュール２とゲート駆動基板２５とを接続する。エミッタセンス配線板２６が幅広かつ最短経路で形成されることにより、寄生インダクタンスを最小化してノイズが重畳することを防止することができる。
【００３５】
よって電流検出値を誤検出したことにより短絡と判定してインバータの動作を停止すること、或いは、短絡であるにもかかわらず短絡と判定せずにインバータの動作を継続すること等の不具合を防止することができる。
【００３６】
（５）第１の実施の形態による効果
以上のように第１の実施の形態による電力変換装置によれば、ＩＧＢＴモジュール１及び２に設置されている複数の主エミッタ端子１２及び２２と、ゲート駆動基板１５及び２５とをそれぞれエミッタセンス配線板１６及び２６により接続して両者間のインダクタンスを最小化するようにしたので、誤検出を防止して電流検出精度を向上することができる。
【００３７】
またエミッタセンス配線板１６及び２６は、互いに絶縁関係を維持することができる範囲内で幅広であり、かつ、最短経路にて主エミッタ端子１２及び２２と、ゲート駆動基板１５及び２５とをそれぞれ接続するようにしたので、インダクタンスを最小化することができる。よって誤検出を防止して電流検出精度を向上することができる。
【００３８】
なお第１の実施の形態においては、ゲート駆動基板２５は１枚の基板として説明したが、必ずしもこれに限らず、例えば短絡保護機能を搭載した基板と、制御理論部６１からの信号を受信する基板とを別々の基板とした構成であってもよい。この場合、短絡保護機能を搭載した基板だけをＩＧＢＴモジュール１及び２の直近に配置して、この基板と主エミッタ端子１２及び２２との間をそれぞれ幅広のエミッタセンス配線板１６及び２６で最短経路により接続することで、電流検出精度を向上することができるという上記の効果を得ることができる。
【００３９】
また第１の実施の形態においては、２つのＩＧＢＴモジュール１及び２は並列接続していない構成について説明したが、必ずしもこれに限らず、例えば複数のＩＧＢＴモジュールを並列接続し、これらを一体として１枚のゲート駆動基板が接続するように構成してもよい。この場合であっても、板形状のエミッタセンス配線板を用いることにより、電流検出精度を向上することができるという上記の効果を得ることができる。
【００４０】
また第１の実施の形態においては、２レベルインバータを例に説明したが、３レベル以上のマルチレベルインバータにおいても適用することができる。
【００４１】
（６）第２の実施の形態
図５は、第２の実施の形態における電力変換装置の斜視構成を示す。第２の実施の形態の電力変換装置は、１つのパワー半導体モジュールに上下アームの２つのパワー半導体を搭載する２ｉｎ１タイプのパワー半導体モジュールを備える点及び上下アームの２つのパワー半導体を１枚の基板で駆動する２ｉｎ１タイプのゲート駆動基板を備える点て、第１の実施の形態と異なる。以下異なる構成について説明する。
【００４２】
ＩＧＢＴモジュール２Ａは、上アーム用の主コレクタ端子１１Ａ、主エミッタ端子１２Ａ、ゲート端子１３Ａ及び補助エミッタ端子１４Ａを備え、下アーム用の主コレクタ端子２１Ａ、主エミッタ端子２２Ａ、ゲート端子２３Ａ及び補助エミッタ端子２４Ａを備えて構成される。
【００４３】
これらの端子１１Ａ〜１４Ａ及び２１Ａ〜２４Ａのうち、主エミッタ端子１２Ａ、２２Ａ、ゲート端子１３Ａ、２３Ａ、補助エミッタ端子１４Ａ及び２４Ａは、それぞれＩＧＢＴモジュール２Ａを駆動するゲート駆動基板２５Ａに接続される。
【００４４】
ゲート駆動基板２５Ａは、上アーム駆動用及び下アーム駆動用を一体とした１枚の基板で構成され、ゲート端子１３Ａ、２３Ａ、補助エミッタ端子１４Ａ及び２４Ａとは直接接続される。また主エミッタ端子１２Ａ及び２２Ａとはエミッタセンス配線板１６Ａ及び２６Ａを介して接続される。すなわちエミッタセンス配線板１６Ａ及び２６Ａは、主エミッタ端子１２Ａ及び２２Ａとゲート駆動基板２５Ａとを接続する。
【００４５】
エミッタセンス配線板１６Ａは、上アームの主エミッタ端子１２Ａが設置されている凸部の上面を覆うように設置され、またこの凸部の側面に沿って平坦部まで直下してゲート駆動基板２５Ａに接続されるように設置される。
【００４６】
またエミッタセンス配線板２６Ａは、下アームの主エミッタ端子２２Ａが設置されている凸部の上面を覆うように設置され、またこの凸部とは異なる他の凸部まで延在し、この他の凸部の側面に沿って平坦部まで直下してゲート駆動基板２５Ａに接続されるように設置される。
【００４７】
エミッタセンス配線板１６Ａ及び２６Ａは、幅Ｗ３及びＷ４が広いほど、主エミッタ端子１２Ａ及び２２Ａとゲート駆動基板２５Ａとの間のインダクタンスを小さくすることができる。よってここでは、エミッタセンス配線板１６Ａ及び２６Ａは、互いに絶縁関係を維持可能な範囲において最大となる幅Ｗ３及びＷ４を有する。
【００４８】
（７）第２の実施の形態による効果
以上のように第２の実施の形態による電力変換装置によれば、２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュール２Ａ及びゲート駆動基板２５Ａを備える場合であっても、主エミッタ端子１２Ａ及び２２Ａと、ゲート駆動基板２５Ａとをエミッタセンス配線板１６Ａ及び２６Ａにより接続して両者間のインダクタンスを最小化することができる。よって誤検出を防止して電流検出精度を向上させることができる。
【００４９】
なおここでは２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュール２Ａを備えるとしたが、これに限らず、例えば６アーム分を１つのパッケージで構成した６ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュールを備えるとしてもよい。この場合であっても各主エミッタ端子とゲート駆動基板とをエミッタ配線板により接続することで、両者間のインダクタンスを最小化することができる。よって誤検出を防止して電流検出精度を向上させることができる。
【００５０】
（８）他の実施の形態
図６は、他の実施の形態における電力変換装置の斜視構成を示す。この他の電力変換装置は、エミッタセンス配線板２６ＢがＵ字形状を有する点で、第１の実施の形態と異なる。エミッタセンス配線板２６ＢがＵ字形状を有することにより、主エミッタ端子２２がパワー半導体モジュール２に設置された後であっても、主エミッタ端子２２とパワー半導体モジュール２のパッケージ外面との間の空隙にエミッタセンス配線板２６Ｂを容易に設置することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１、２      パワー半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール）
１１、２１  主コレクタ端子
１２、２２  主エミッタ端子
１３、２３  ゲート端子
１４、２４  補助エミッタ端子
１５、２５  ゲート駆動基板
１６、２６  金属導体板（エミッタセンス配線板）
【図１】
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【図２】
2015233395.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015233395.tif 000006
【図５】
2015233395.tif 000007
【図６】
2015233395.tif 000008
【図７】
2015233395.tif 000009