(57)【要約】【課題】半導体モジュールとして２ｉｎ１モジュールと１ｉｎ１モジュールを用いて、３レベル電力変換装置を構成すると、大容量化に際しては、配線インダクタンスが増加し、スイッチング時のサージ電圧が増加し、素子が破壊され易くなる。【解決手段】半導体スイッチを２個独立して収納し、４個の主端子を備えた第１と第２の２ｉｎ１タイプの半導体モジュールを用いて、第１のモジュール内の一方の半導体スイッチと第２のモジュール内の一方の素子で直流組電源のＰＮ間に接続される半導体スイッチ直列回路を構成し、第１のモジュール内の他方の半導体スイッチと第２のモジュール内の他方の半導体スイッチで、直流組電源の中点端子Ｍと半導体スイッチ直列回路の直列接続点との間に接続される双方向スイッチを構成し、さらに、第１の半導体モジュールに対して第２の半導体モジュールは９０度回転配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの直流単電源を直列接続し、正極、零極及び負極を備えた直流組電源と、前記直流組電源の正極と負極との間に接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチとを直列接続した半導体スイッチ直列回路と、前記直流組電源の零極と前記半導体スイッチ直列回路内部の直列接続点との間に接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した第３の半導体スイッチ及び第４の半導体スイッチを逆直列接続した双方向スイッチと、を備えた３レベル電力変換装置において、
前記第１の半導体スイッチと前記第３の半導体スイッチとは第１の半導体モジュールに内蔵された２個の半導体スイッチで、前記第２の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとは第２の半導体モジュールに内蔵された２個の半導体スイッチで、各々構成することを特徴とする３レベル電力変換装置。
【請求項２】
前記第１の半導体モジュールに内蔵された各々の半導体スイッチの入力主端子と出力主端子とを結ぶ線又はその延長線と前記第２の半導体モジュールに内蔵された各々の半導体スイッチの入力主端子と出力主端子とを結ぶ線又はその延長線とが交差するような方向に第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとを配置することを特徴とする請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
【請求項３】
前記第１の半導体モジュールと前記第２の半導体モジュールとは、同一平面状に配置され、直流組電源の正極、零極及び負極に接続される各々の端子は、前記第１及び第２の半導体モジュールの配置の同一平面の中央付近で、且つ前記第１及び第２の半導体モジュールの素子取付面を基準にした外部端子の高さ位置よりも高い位置に設けることを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載の３レベル電力変換装置。
【請求項４】
正極端子に引出される正極導体と交流端子となる交流導体、又は負極端子に引出される負極導体と前記交流導体、又は零極端子に引出される零極導体と双方向スイッチを形成する双方向スイッチ接続導体は、絶縁物を挟んだ近接配線とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の３レベル電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３つの電位を持つ直流電源から３レベル電位を持つ交流電圧を作り出す３レベルインバータ、又は交流電源から３つの電位を持つ直流電源を作り出す双方向スイッチを用いた３レベル電力変換回路に関し、特に半導体スイッチを内蔵した半導体モジュールの配置と配線構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８に、特許文献１に記載されている電力変換装置として直流から交流に変換する３レベルインバータの主回路構成を示す。同図において、１、２は直流単電源で、直列接続され、直流組電源を構成している。正側電位をＰ、負側電位をＮ、中点電位をＭとしている。図示の直流組電源を交流電源システムで構成する場合は、一般に、図示されないダイオード整流器と、大容量の電解コンデンサなどが用いられる。
【０００３】
本回路例は３相出力のインバータ回路であるが、３相の各構成は同じであるので、１相文について説明する。３と４はＰ側電位に接続されているＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）とダイオード、５と６はＮ側電位に接続されているＩＧＢＴとダイオード、７、８、９、１０はＭ電位と交流出力端子１１との間に接続された双方向スイッチ用素子である。双方向スイッチは、ダイオード８が逆並列接続されたＩＧＢＴ７とダイオード１０が逆並列接続されたＩＧＢＴ９とを逆直列接続した構成で、各相共通に構成される。ここでは、ＩＧＢＴ７と９はエミッタ共通の接続となっているが、コレクタ共通でも良い。１２、１３、１４はフィルタ用のリアクトル、１５は本システムの負荷である。このような構成とすることによりＰ電位、Ｎ電位およびＭ電位を出力することができ、３レベルのインバータとなる。
【０００４】
このような３レベルインバータ回路において、回路を構成する各パッケージ間の配線インダクタンスが大きいと、ターンオフサージ電圧が大きくなる。そしてこのターンオフサージ電圧がIGBTの安全動作領域を逸脱すると、IGBTが破壊に至るという不具合が発生する。この問題を解決するための従来の配線構造例を図９に、直流ＰＮ間に接続される２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュール（１６，１７，１８）の例を図１０に、双方向スイッチ（１９〜２４）として使用されている１ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュールの例を図１１に、各々示す。図１０に示す２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュールは、ダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴを２個直列接続した構成で、図１１に示す１ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュールは、ダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴを１個内蔵した構成である。
【０００５】
図９において、コンデンサ２５ａと２５ｂは並列接続された構成で、直流単電源１に相当し、コンデンサ２６ａと２６ｂは並列接続された構成で、直流単電源２に相当する。２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュール１６のコレクタ端子Ｃ１は平板導体３３でコンデンサ２５ａと２５ｂのプラス端子に、ＩＧＢＴモジュール１６のエミッタ端子Ｅ２は平板導体３７でコンデンサ２６ａと２６ｂのマイナス端子に、各々接続される。また、コンデンサ２５ａ、２５ｂのマイナス端子とコンデンサ２６ａ、２６ｂのプラス端子は平板導体４５で接続される。双方向スイッチを構成する１ｉｎ１タイプのＩＧＢＴ１９と２０はエミッタを共通接続する構成で逆直列接続され、ＩＧＢＴ２０のコレクタ端子ＣはＩＧＢＴモジュール１６の直列接続点であるＥ１Ｃ２端子に、ＩＧＢＴモジュール１９のコレクタ端子Ｃはコンデンサ２５ａ、２５ｂとコンデンサ２６ａ、２６ｂの直列接続点である直流組電源の中点端子Ｍに接続される。ここで、中点電位Ｍに接続される平板導体４５は２分割されており、一方はＰ点電位に接続される平板導体３３と、他方はＮ点に接続される導体３７と、各々絶縁物を挟んだラミネート配線構造として配線インダクタンスを低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２２０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電力変換装置の大容量化を図るためには、IGBTモジュールは、電圧、電流に比例して設置面積が大きくなる。図９に示した従来構成でモジュールの設置面積が増加すると、双方向スイッチを構成する部分の配線長が長くなり、配線インダクタンスが増大し、スイッチング動作時のサージ電圧が大きくなる。このサージ電圧を抑制する方法として、別途スナバコンデンサを接続する方法があるが、装置の大型化、装置コストの増加を招く。
従って、本発明の課題は、大容量の３レベル電力変換装置を構成するに際し、配線インダクタンスを低減できる半導体スイッチの配置と配線技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、二つの直流単電源を直列接続し、正極、零極及び負極を備えた直流組電源と、前記直流組電源の正極と負極との間に接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチとを直列接続した半導体スイッチ直列回路と、前記直流組電源の零極と前記半導体スイッチ直列回路内部の直列接続点との間に接続されるそれぞれダイオードを逆並列接続した第３の半導体スイッチ及び第４の半導体スイッチを逆直列接続した双方向スイッチと、を備えた３レベル電力変換装置において、前記第１の半導体スイッチと前記第３の半導体スイッチとは第１の半導体モジュールに内蔵された２個の半導体スイッチで、前記第２の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとは第２の半導体モジュールに内蔵された２個の半導体スイッチで、各々構成する。
【０００９】
第２の発明においては、第１の発明における前記第１の半導体モジュールに内蔵された各々の半導体スイッチの入力主端子と出力主端子とを結ぶ線又はその延長線と前記第２の半導体モジュールに内蔵された各々の半導体スイッチの入力主端子と出力主端子とを結ぶ線又はその延長線とが交差するような方向に第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとを配置する。
【００１０】
第３の発明においては、第１又は第２の発明における前記第１の半導体モジュールと前記第２の半導体モジュールとは、同一平面状に配置され、直流組電源の正極、零極及び負極に接続される各々の端子は、前記第１及び第２の半導体モジュールの配置の同一平面の中央付近で、且つ前記第１及び第２の半導体モジュールの素子取付面を基準にした外部端子の高さ位置よりも高い位置に設ける。
【００１１】
第４の発明においては、第１〜第３の発明における正極端子に引出される正極導体と交流端子となる交流導体、又は負極端子に引出される負極導体と前記交流導体、又は零極端子に引出される零極導体と双方向スイッチを形成する双方向スイッチ接続導体は、絶縁物を挟んだ近接配線とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチを２個独立して収納し、４個の主端子を備えた第１と第２の２ｉｎ１タイプの半導体モジュールを用いて、第１の半導体モジュール内の一方の半導体スイッチと第２の半導体モジュール内の一方の素子で直流組電源のＰＮ間に接続される半導体スイッチ直列回路を構成し、第１の半導体モジュール内の他方の半導体スイッチと第２の半導体モジュール内の他方の半導体スイッチで、直流組電源の中点端子Ｍと半導体スイッチ直列回路の直列接続点との間に接続される双方向スイッチを構成する。さらに、第１の半導体モジュールの各々の半導体スイッチの入力主端子と出力主端子とを結ぶ線又はその延長線と第２の半導体モジュールの各々の半導体スイッチの入力主端子と出力主端子とを結ぶ線又はその延長線とが交差するように各々の半導体モジュールを配置する。この結果、双方向スイッチを含めた電流経路の配線インダクタンスを低減でき、小型で安価な３レベル電力変換装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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１の実施例を示す構造図である。
【図３】本発明で使用するＩＧＢＴモジュールの概略図である。
【図４】本発明第１の実施例の配線経路を示す回路図である。
【図５】本発明の第２の実施例を示す回路図である。
【図６】本発明の第２の実施例を示す構造図である。
【図７】本発明第２の実施例の配線経路を示す回路図である。
【図８】３レベルインバータ回路の接続図である。
【図９】従来の３レベル電力変換回路の１相分の構造図例である。
【図１０】図８に用いる２ｉｎ１半導体モジュール例である。
【図１１】図８に用いる１ｉｎ１半導体モジュール例である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の要点は、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチを２個独立して収納し、４個の主端子を備えた第１と第２の２ｉｎ１タイプの半導体モジュールを用いて、第１の半導体モジュール内の一方の半導体スイッチと第２の半導体モジュール内の一方の素子で直流組電源のＰＮ間に接続される半導体スイッチ直列回路を構成し、第１の半導体モジュール内の他方の半導体スイッチと第２の半導体モジュール内の他方の半導体スイッチで、直流組電源の中点端子Ｍと半導体スイッチ直列回路の直列接続点との間に接続される双方向スイッチを構成し、さらに第１の半導体モジュールの各々の半導体スイッチの入力主端子と出力主端子とを結ぶ線又はその延長線と第２の半導体モジュールの各々の半導体スイッチの入力主端子と出力主端子とを結ぶ線又はその延長線とが交差するように各々の半導体モジュールを配置する点である。
【実施例１】
【００１５】
図１に、本発明の第1の実施例を示す回路図を、図２にその配線構造図例を示す。
図１において、Ｃｄ１は図７における直流単電源１としてのコンデンサで、Ｃｄ２は図７における直流単電源２としてのコンデンサであり、直流組電源として正極端子Ｐ、零極端子Ｍ、負極端子Ｎを備えている。ＭＤ１とＭＤ２はダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴを２個（Ｑ１、Ｑ２）内蔵した２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュールである。部品記号Ｔ１〜Ｔ４は、図４に示す回路図に対応している。即ちＩＧＢＴＴ１とＴ２との直列回路は直流組電源正極端子Ｐと負極端子Ｎとに、ＩＧＢＴＴ３とＴ４のコレクタ端子を共通とした逆直列回路は直流組電源の零極とＩＧＢＴＴ１とＴ２との直列回路内部の直列接続点との間に、各々接続され、ＩＧＢＴＴ１とＴ２との直列回路内部の直列接続点が交流端子ＡＣとなる。ここで、ＩＧＢＴモジュールＭＤ１のＩＧＢＴＱ１は図４に示す回路のＴ１に、ＩＧＢＴモジュールＭＤ１のＩＧＢＴＱ２は図４に示す回路のＴ３に、ＩＧＢＴモジュールＭＤ２のＩＧＢＴＱ１は図４に示す回路のＴ２に、ＩＧＢＴモジュールＭＤ２のＩＧＢＴＱ２は図４に示す回路のＴ４に、各々割り当てられる。
【００１６】
図２に、配線構造図を示す。図２（ａ）が上面図、図２（ｂ）がＡ−Ａ断面図、図２（ｃ）
がＢ−Ｂ断面図である。２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュールＭＤ１とＭＤ２は冷却体Ｆ上に、ＩＧＢＴモジュールＭＤ１内のＩＧＢＴＱ１の入力主端子Ｃ１と出力主端子Ｅ１を結ぶ線の延長線又はＩＧＢＴＱ２の入力主端子Ｃ２と出力主端子Ｅ２を結ぶ線の延長線と、ＩＧＢＴモジュールＭＤ２内のＩＧＢＴＱ１の入力主端子Ｃ１と出力主端子Ｅ１を結ぶ線の延長線又はＩＧＢＴＱ２の入力主端子Ｃ２と出力主端子Ｅ２を結ぶ線の延長線とが交差するように、ＩＧＢＴモジュールＭＤ２はＩＧＢＴモジュールＭＤ１を９０度回転させて取り付けられる。各半導体モジュールの端子間の接続又は外部端子への接続は、半導体モジュールを取り付けた冷却体面を基準として半導体モジュールの端子位置より高い位置で行われる。直流組電源の正極Ｐに接続されるＰ端子は半導体モジュールＭＤ１のＣ１端子からＰ導体で、直流組電源の負極Ｎに接続されるＮ端子は半導体モジュールＭＤ２のＥ１端子からＮ導体で、直流組電源の零極Ｍに接続されるＭ端子は半導体モジュールＭＤ２のＥ２端子からＭ導体で、各々半導体モジュールＭＤ１とＭＤ２の実装部の中央付近に配置される。
【００１７】
また、双方向スイッチを構成する半導体モジュールＭＤ１のコレクタＣ２と半導体モジュールＭＤ２のコレクタＣ２は双方向スイッチ導体で接続される。ＡＣ端子は半導体モジュールＭＤ１のＥ１とＥ２及び半導体モジュールＭＤ２のＣ１端子をＡＣ導体で接続して得られる。ここで、Ｐ導体とＡＣ導体、Ｎ導体とＡＣ導体、及びＭ導体と双方向スイッチ導体は絶縁物を挟んだ近接配線として、配線インダクタンスを低減している。このような構成の１相分の３レベル電力変換用半導体装置のＰ端子、Ｎ端子及びＭ端子は、各々直流組電源の正極Ｐ、負極Ｎ及び零極Ｍに、ラミネート配線などの低インダクタンス配線で接続される。
【００１８】
このように構成することにより、図４に示すように、直流単電源１としてのコンデンサＣｄ１→ＩＧＢＴＴ１→ＩＧＢＴＴ３→ＩＧＢＴＴ４→コンデンサＣｄ１の経路１の配線インダクタンス及びコンデンサＣｄ２→ＩＧＢＴＴ２→ＩＧＢＴＴ３→ＩＧＢＴＴ４→コンデンサＣｄ２の経路２の配線インダクタンスを小さくすることができ、ＩＧＢＴターンオフ時のサージ電圧やＩＧＢＴと逆並列に接続されたダイオードの逆回復時のサージ電圧を低減することができる。
【実施例２】
【００１９】
図５に、本発明の第２の実施例を、図６にその配線構造図例を示す。第1の実施例との違いは、双方向スイッチの構成が第１の実施例ではコレクタ共通の構成であるが、第２の実施例ではエミッタ共通の構成となっている点である。ＩＧＢＴＴ１とＴ２との直列回路は直流組電源正極端子Ｐと負極端子Ｎとに、ＩＧＢＴＴ３とＴ４のエミッタ端子を共通とした逆直列回路は直流組電源の零極とＩＧＢＴＴ１とＴ２との直列回路内部の直列接続点との間に、各々接続され、ＩＧＢＴＴ１とＴ２との直列回路内部の直列接続点が交流端子ＡＣとなる。ここで、ＩＧＢＴモジュールＭＤ１のＩＧＢＴＱ１は図７に示す回路のＴ１に、ＩＧＢＴモジュールＭＤ１のＩＧＢＴＱ２は図７に示す回路のＴ３に、ＩＧＢＴモジュールＭＤ２のＩＧＢＴＱ１は図７に示す回路のＴ４に、ＩＧＢＴモジュールＭＤ２のＩＧＢＴＱ２は図７に示す回路のＴ２に、各々割り当てられる。
【００２０】
図６に、配線構造図を示す。図６（ａ）が上面図、図６（ｂ）がＡ−Ａ断面図、図６（ｃ）
がＢ−Ｂ断面図である。２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュールＭＤ１とＭＤ２は冷却体Ｆ上に、ＩＧＢＴモジュールＭＤ１内のＩＧＢＴＱ１の入力主端子Ｃ１と出力主端子Ｅ１を結ぶ線の延長線又はＩＧＢＴＱ２の入力主端子Ｃ２と出力主端子Ｅ２を結ぶ線の延長線と、ＩＧＢＴモジュールＭＤ２内のＩＧＢＴＱ１の入力主端子Ｃ１と出力主端子Ｅ１を結ぶ線の延長線又はＩＧＢＴＱ２の入力主端子Ｃ２と出力主端子Ｅ２を結ぶ線の延長線とが交差するように、ＩＧＢＴモジュールＭＤ２はＩＧＢＴモジュールＭＤ１を９０度回転させて取り付けられる。
【００２１】
各半導体モジュールの端子間の接続又は外部端子への接続は、半導体モジュールを取り付けた冷却体面を基準として半導体モジュールの端子位置より高い位置で行われる。直流組電源の正極Ｐに接続されるＰ端子は半導体モジュールＭＤ１のＣ１端子からＰ導体で、直流組電源の負極Ｎに接続されるＮ端子は半導体モジュールＭＤ２のＥ２端子からＮ導体で、直流組電源の零極Ｍに接続されるＭ端子は半導体モジュールＭＤ２のＣ１端子からＭ導体で、各々半導体モジュールＭＤ１とＭＤ２の実装部の中央付近に配置される。また、双方向スイッチを構成する半導体モジュールＭＤ１のエミッタＥ２と半導体モジュールＭＤ２のエミッタＥ１は双方向スイッチ導体で接続される。ＡＣ端子は半導体モジュールＭＤ１のＥ１とＣ２及び半導体モジュールＭＤ２のＣ２端子をＡＣ導体で接続して得られる。
【００２２】
ここで、Ｎ導体とＡＣ導体、及びＭ導体と双方向スイッチ導体は絶縁物を挟んだ近接配線として、配線インダクタンスを低減している。このような構成の１相分の３レベル電力変換用半導体装置のＰ端子、Ｎ端子及びＭ端子は、各々直流組電源の正極Ｐ、負極Ｎ及び零極Ｍに、ラミネート配線などの低インダクタンス配線で接続される。
【００２３】
このように構成することにより、図７に示すように、直流単電源１としてのコンデンサＣｄ１→ＩＧＢＴＴ１→ＩＧＢＴＴ３→ＩＧＢＴＴ４→コンデンサＣｄ１の経路１の配線インダクタンス及びコンデンサＣｄ２→ＩＧＢＴＴ２→ＩＧＢＴＴ３→ＩＧＢＴＴ４→コンデンサＣｄ２の経路２の配線インダクタンスを小さくすることができ、ＩＧＢＴターンオフ時のサージ電圧やＩＧＢＴと逆並列に接続されたダイオードの逆回復時のサージ電圧を低減することができる。
【００２４】
尚、上記実施例には半導体スイッチとしてＩＧＢＴを使用した例を示したが、ＭＯＳＦＥＴを使用した場合でも実現可能である。また、半導体モジュールＭＤ１とＭＤ２の配置はＭＤ１に対してＭＤ２を９０度回転させた例を示したが、９０度又は２７０度近辺であれば、同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、大容量の３レベル電力変換装置の構成に関する構造技術であり、高圧電動機駆動装置、無停電電源装置、系統連系インバータなどへの適用が可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１、２・・・直流単電源          ３、５、７、９、Ｔ１〜Ｔ４・・・ＩＧＢＴ
４、６、８、１０・・・ダイオード          １２〜１４・・・リアクトル
１９〜２４・・・１ｉｎ１ＩＧＢＴモジュール          １５・・・負荷
１６〜１８、ＭＤ１、ＭＤ２・・・２ｉｎ１ＩＧＢＴモジュール
２５、２６、Ｃｄ１、Ｃｄ２・・・コンデンサ
【図１】
2013215042.tif 000003
【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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【図１１】
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