(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子からなる電力変換装置の出力端に負荷を接続し、この負荷の中性点と前記電力変換装置の正極または負極間に電源を接続した電力変換システムにおいて、
前記電力変換装置を構成する半導体素子のうち、熱責務の大きい素子が冷却風の風上側となるように、前記冷却風の向きを、運転状況に応じて変えることを特徴とする半導体素子モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体素子モジュールを備え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】
この発明は、電圧駆動型半導体素子モジュールと、これを用いた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８（ａ）に、電力変換装置として一般的な３相インバータの例を示す。
ここでは、半導体素子で構成された電力変換装置Convの出力端Ｕ，Ｖ，Ｗに、３相コイルとして図示される負荷Ｍが接続されている。この回路では、半導体素子Qu,Qv,Qw,Qx,Qy,Qzを任意にオン・オフさせることで、直流電源Vdから３相交流電力を得ることができ、負荷Ｍに任意の交流電力を供給することができる。
【０００３】
例えば、負荷Ｍを電動機として、図８（ｂ）のような３相交流電流iu,iv,iwを流すことで、電動機を駆動することができる。図８（ｃ）に、図８（ａ）の一相分を示す。この一相分に図８（ｂ）のような電流iuが流れた場合、各半導体素子IGBT（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ），FWD（帰還ダイオード）にはそれぞれ図８（ｄ）に示すような、バランスした電流が流れる。なお、図８（ａ）の場合、直流電源Vdは、３相インバータの直流中間コンデンサCdと直結している。この場合、直流電源Vdの変動により、３相インバータの出力が変動してしまうため、直流電圧変動分を補償した３相インバータの出力制御が必要となる。
【０００４】
図９に、図８（ａ）の３相インバータに、一般的な昇圧チョッパ回路Chopを付加した例を示す。これは、直流電源Vdと３相インバータの直流中間コンデンサCdとの間に、図９に示すように半導体素子Qp,QnとリアクトルLcを設け、半導体素子Qp,Qnを交互にオン・オフすることで、直流中間コンデンサCdの電圧Edを直流電源Vdの電圧よりも高く調整できるようにしたものである。例えば直流電源Vdにバッテリを想定した場合、バッテリ電圧の垂下に対しても、昇圧チョッパ回路Chopで３相インバータの直流中間電圧Edを一定にして、３相インバータの出力を安定させることができる。
【０００５】
図１０（ａ）は、負荷Ｍの中性点と３相インバータConvの直流中間コンデンサCdの一端との間に、直流電源Vdを接続した例であり、例えば特許文献１，２に開示されているものである。
これは、図９のような昇圧チョッパ回路Chopを用いずに、負荷Ｍのインダクタンスと３相インバータの半導体素子Qu〜Qzを利用して任意にオン・オフすることにより、３相インバータの直流中間コンデンサ電圧Edを、直流電源Vdよりも高い値に設定できるようにしたものである。
【０００６】
また、３相交流電流を流し、負荷Ｍに同時に供給することで、例えば負荷Ｍを電動機とした場合、直流電源Vdを昇圧して直流中間コンデンサ電圧Edに供給すると同時に、電動機Ｍを駆動することができる。特に、図９に示した昇圧チョッパ回路Chopを不要にできるため、部品点数の削減、コストダウンに寄与することができる。
【０００７】
【特許文献１】特許第３２１９０３９号明細書
【特許文献２】特許第３２２３８４２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１０（ｂ）に、図１０（ａ）の回路を用いたときの３相電流波形例を示す。
３相交流電流iu,iv,iwは、負荷Ｍに供給するための電力相当の電流を直流電源Vdから供給する。ここで、直流電源Vdから出力される電流をidとすると、負荷Ｍの各相コイルに分配される。一方、負荷Ｍには３相電流を流して電力を供給するため、図１０（ｂ）のように、３相交流電流波形にid /3の直流電流が重畳する。
【０００９】
図１０（ｃ）に、図１０（ａ）の１相分を示す。図１０（ｂ）のような電流が流れると、各IGBT（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ），FWD（帰還ダイオード）には図１０（ｄ）のように電流が流れ、図８（ｄ）の一般的な３相インバータと異なり、各半導体素子に流れる電流が異なり、特定の半導体素子の電流責務が厳しくなる。例えば図１０（ｄ）の例では、Ｕ−FWD，Ｘ−IGBTに電流が多く流れ、熱責務が厳しくなり、素子を破壊するおそれがある。
【００１０】
したがって、この発明の課題は、運転状況に応じて変化する半導体素子の電流により発生する熱責務を軽減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、半導体素子からなる電力変換装置の出力端に負荷を接続し、この負荷の中性点と前記電力変換装置の正極または負極間に電源を接続した電力変換システムにおいて、
前記電力変換装置を構成する半導体素子のうち、熱責務の大きい素子が冷却風の風上側となるように、前記冷却風の向きを、運転状況に応じて変えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明では、前記請求項１の半導体素子モジュールを用いて電力変換装置を構成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、装置の運転状況に応じて冷却方向を変えることにより、効率の良い冷却ができ、半導体素子の熱責務を軽減することが可能となる利点がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１はこの発明の実施の形態を説明する説明図である。
図１（ａ）は、図１０（ａ）のような電力変換システムにおける、電力変換装置の１相分の回路を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）に対応する半導体モジュール構成例を示す。これらの図からも明らかなように、ＵアームFWDのDuとＸアームIGBTのQxは冷却風の風上に配置され、ＵアームIGBTのQuとＸアームFWDのDxは冷却風の風下に配置されている。
【００１５】
各半導体素子は図１（ｂ）のように、銅パターンＰ，Ｎ，ＡＣとボンディングワイヤで接続され、図１（ａ）に示す１相分を構成している。これらは絶縁基板IsBの上に配置され、モジュールとしてパッケージングされる。モジュールは冷却体などに設置され、これに風を当てることで、半導体素子を冷却する。
【００１６】
図２にIGBTチップの例を示す。IGBTチップはその製造方法から、表面がエミッタ電極Ｅとなりボンディングワイヤで接続され、裏面がコレクタ電極Ｃとなり銅パターンに接続される。
また、図３にFWDチップの例を示す。IGBTチップと同様、表面がアノード電極Ａとなりボンディングワイヤで接続され、裏面がカソード電極Ｋとなり銅パターンに接続される。
【００１７】
図１０（ａ）のような回路では、図４（ｂ）に示すように、ＵアームFWDとＸアームIGBTに電流が多く流れるが、これらを図１（ｂ）のように、冷却風の風上に配置することにより、冷却が強化される。一方、ＵアームIGBTとＸアームFWDは電流が小さく温度上昇も小さいため、ＵアームFWDとＸアームIGBTの温度上昇による冷却風の上昇に対しても、問題なく冷却可能である。
【００１８】
図５に、この発明の第１の変形例を示す。これは、各半導体素子IGBTとFWDとを２つずつ２並列接続した点が特徴で、この場合も、電流が多く流れるＵアームFWDの２つのDuとＸアームIGBTの２つのQxを冷却風の風上に配置するようにしている。その他は図１と同様なので、詳細は省略する。
図６に、この発明の第２の変形例を示す。これは、半導体素子の並列数をｎ（≧３）にする以外は図１，５の場合と同じである。なお、図６のｉ，ｊの値は熱設計に応じて任意に選ばれる。
【００１９】
図７はこの発明の別の実施の形態を説明する説明図である。
ここでは、図７（ｂ）のように、ＵアームIGBT のQuとＸアームFWDのDxの電流責務が厳しくなっているので、図７（ｃ）のように冷却方向を図１（ｂ）とは逆向きに変更することで、ＵアームIGBT のQuとＸアームFWDのDxに対する冷却を強化させるようにしたものである。なお、ＵアームFWDとＸアームIGBTは電流が小さいため、ＵアームIGBT のQuとＸアームFWDのDxの温度上昇による冷却風の上昇に対しても問題なく冷却可能である。
【００２０】
上記では半導体スイッチング素子として、専らIGBT素子を用いる場合について説明したが、MOSFET（金属酸化膜電界効果トランジスタ）なども同様に使用することができるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の実施の形態を示す構成図
【図２】図１で用いられるIGBT素子の概略図
【図３】図１で用いられるFWD素子の概略図
【図４】図１０（ａ）の１相分の回路図とその各素子に流れる電流波形図
【図５】図１の第１変形例を示す構成図
【図６】図１の第２変形例を示す構成図
【図７】この発明の別の実施の形態を示す構成図
【図８】３相インバータ回路と動作説明図
【図９】図８に昇圧チョッパを付加した３相インバータ回路構成図
【図１０】モータ中性点を利用する３相インバータの回路構成図
【符号の説明】
【００２２】
Qu,Qx…IGBT素子、Du,Dx…FWD素子、Ｐ，Ｎ，ＡＣ…銅パターン、IsB…絶縁基板、Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｋ…電極、Vd…直流電源、Ed…コンデンサ電圧。
【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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【図１０】
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