(57)【要約】【課題】電力変換装置において、半導体モジュールの並列接続により素子サイズの拡大を防ぐことを目的とする。【解決手段】  陽極電極と陰極電極が本体部の頭部側に設けられている複数個の平滑コンデンサと、陽極部材と陰極部材が絶縁部材を挟んで一体化されているブスバーと、直列に接続されている陽極側スイッチング半導体素子と陰極側スイッチング半導体素子を有し、フィン部とベース部を有するヒートシンクに固定されている複数個の半導体モジュールと、を備え、複数個の平滑コンデンサの陽極電極はブスバーの陽極部材と接続され、複数個の平滑コンデンサの陰極電極はブスバーの陰極部材と接続され、複数個の平滑コンデンサはブスバーの片側に配置されていて、複数個の半導体モジュールはブスバーの周囲に配置されている電力変換装置。【選択図】図２
2016149883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極電極と陰極電極が本体部の頭部側に設けられている複数個の平滑コンデンサと、
陽極部材と陰極部材が絶縁部材を挟んで一体化されているブスバーと、
直列に接続されている陽極側スイッチング半導体素子と陰極側スイッチング半導体素子を有し、フィン部とベース部を有するヒートシンクに固定されている複数個の半導体モジュールと、を備え、
前記複数個の平滑コンデンサの陽極電極は前記ブスバーの陽極部材と接続され、
前記複数個の平滑コンデンサの陰極電極は前記ブスバーの陰極部材と接続され、
前記複数個の平滑コンデンサは前記ブスバーの片側に配置されていて、
前記複数個の半導体モジュールは前記ブスバーの周囲に配置されている電力変換装置。
【請求項２】
交流入力を直流出力に変換するコンバータと、
陽極電極と陰極電極が本体部の頭部側に設けられていて、前記コンバータの直流出力に対し並列に接続されている複数の平滑コンデンサと、
フィン部とベース部を有する第１から第９のヒートシンクと、
陽極部材と陰極部材が絶縁部材を挟んで一体化されているブスバーと、
直列に接続されている陽極側スイッチング半導体素子と陰極側スイッチング半導体素子を有し、交流電力のＵ相を出力し、相互に並列に接続されている第１の半導体モジュール、第２の半導体モジュールおよび第３の半導体モジュールと、
直列に接続されている陽極側スイッチング半導体素子と陰極側スイッチング半導体素子を有し、交流電力のＶ相を出力し、相互に並列に接続されている第４の半導体モジュール、第５の半導体モジュールおよび第６の半導体モジュールと、
直列に接続されている陽極側スイッチング半導体素子と陰極側スイッチング半導体素子を有し、交流電力のＷ相を出力し、相互に並列に接続されている第７の半導体モジュール、第８の半導体モジュールおよび第９の半導体モジュールと、を備え、
前記第１から第９のヒートシンクは、それぞれ前記第１から第９の半導体モジュールに固定されており、
前記複数の平滑コンデンサの陽極電極は前記ブスバーの陽極部材と接続され、
前記複数の平滑コンデンサの陰極電極は前記ブスバーの陰極部材と接続され、
前記複数の平滑コンデンサは前記ブスバーの片側に配置されているパワーエレクトロニクス装置。
【請求項３】
前記ブスバーは第１辺、第２辺、第３辺および第４辺を有する四角形状を呈し、
前記第１の半導体モジュール、第２の半導体モジュールおよび第３の半導体モジュールは、前記ブスバーの第１辺に配置され、
前記第４の半導体モジュール、第５の半導体モジュールおよび第６の半導体モジュールは、前記ブスバーの第２辺に配置され、
前記第７の半導体モジュール、第８の半導体モジュールおよび第９の半導体モジュールは、前記ブスバーの第３辺に配置され、
前記ブスバーの第４辺は開放されていることを特徴とする請求項２に記載のパワーエレクトロニクス装置。
【請求項４】
前記ブスバーは第１辺、第２辺、第３辺、第４辺、第５辺、第６辺、第７辺、第８辺および第９辺を有する九角形状を呈し、
前記第１の半導体モジュールは、前記ブスバーの第１辺に配置され、
前記第２の半導体モジュールは、前記ブスバーの第４辺に配置され、
前記第３の半導体モジュールは、前記ブスバーの第７辺に配置され、
前記第４の半導体モジュールは、前記ブスバーの第２辺に配置され、
前記第５の半導体モジュールは、前記ブスバーの第５辺に配置され、
前記第６の半導体モジュールは、前記ブスバーの第８辺に配置され、
前記第７の半導体モジュールは、前記ブスバーの第３辺に配置され、
前記第８の半導体モジュールは、前記ブスバーの第６辺に配置され、
前記第９の半導体モジュールは、前記ブスバーの第９辺に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のパワーエレクトロニクス装置。
【請求項５】
前記第１から第９の半導体モジュールおよび前記第１から第９のヒートシンクは、縦向きに配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載のパワーエレクトロニクス装置。
【請求項６】
前記第１から第９の半導体モジュールおよび前記第１から第９のヒートシンクは、横向きに配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載のパワーエレクトロニクス装置。
【請求項７】
前記ブスバー、前記複数の平滑コンデンサ、前記第１から第９の半導体モジュールおよび前記第１から第９のヒートシンクは、組込盤に格納されていることを特徴とする請求項５または６に記載のパワーエレクトロニクス装置。
【請求項８】
前記組込盤は、天井部に冷却装置が取り付けられていることを特徴とする請求項７に記載のパワーエレクトロニクス装置。
【請求項９】
前記組込盤は、側面部に冷却装置が取り付けられていることを特徴とする請求項７に記載のパワーエレクトロニクス装置。
【請求項１０】
前記組込盤は、側面部に風穴が形成されていることを特徴とする請求項７に記載のパワーエレクトロニクス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換装置およびパワーエレクトロニクス装置に関し、特に、半導体モジュールと平滑コンデンサを備えている電力変換装置およびパワーエレクトロニクス装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、半導体モジュールと平滑コンデンサが並列に接続されている（例えば、特許文献１〜４参照）。大容量の電力変換装置では、半導体モジュールに素子サイズが大きい大定格電流のものを使用し、この半導体モジュールを複数個、並列接続することによって、回路に流れる大電流を分流している。複数の半導体モジュールを並列に接続すると半導体モジュールと平滑コンデンサの間には寄生インダクタンスや寄生抵抗が発生する。電力変換装置では、この寄生インダクタンスや寄生抵抗のばらつきを抑制することが重要である。
【０００３】
交流電力の各相に１つの大型半導体モジュールを用いることで、半導体モジュールと平滑コンデンサの間の寄生インダクタンスと寄生抵抗のばらつきを抑制している電力変換装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。また、複数の半導体モジュールを並列で接続することを考慮し、各々の半導体モジュールの上部と下部に平滑コンデンサを配置する構成としている駆動装置が開発されている（例えば、特許文献２，３参照）。しかし、装置の電圧と電流を上げる必要が生じた場合には定格電圧と定格電流を満足する半導体モジュールが存在しない場合が考えられる。また大型半導体モジュールは、並列接続に使用する小型の半導体モジュールに比べると一般に高価である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−００５３２２号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１３４３２号公報
【特許文献３】特開２０１１−０３０３４８号公報
【特許文献４】特開２０１１−０１０４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体モジュールが各相に１つの構成となっている電力変換装置の配置構成では、素子サイズが大きくなるうえに、高価な大定格電流の半導体モジュールを使用する必要が生じる。複数の半導体モジュールを並列で接続することを考慮したとしても、各々の半導体モジュールの上部と下部に平滑コンデンサを配置する必要があるため、配置する空間に高さが要求される。さらに、半導体モジュールからの発熱が上部と下部に位置する平滑コンデンサに伝熱することや、上部と下部に位置する平滑コンデンサの存在により、半導体モジュールの冷却方向が制限されている。
【０００６】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、電力変換装置において、半導体モジュールの並列接続により素子サイズの拡大を防ぐことを主目的とする。また、平滑コンデンサを配置する空間の高さを低減し、半導体モジュールから平滑コンデンサへの伝熱を低減し、半導体モジュールの冷却方向が制限されない構成を提供することを目標とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本願に係わる電力変換装置は、陽極電極と陰極電極が本体部の頭部側に設けられている複数個の平滑コンデンサと、陽極部材と陰極部材が絶縁部材を挟んで一体化されているブスバーと、直列に接続されている陽極側スイッチング半導体素子と陰極側スイッチング半導体素子を有し、フィン部とベース部を有するヒートシンクに固定されている複数個の半導体モジュールと、を備え、複数個の平滑コンデンサの陽極電極はブスバーの陽極部材と接続され、複数個の平滑コンデンサの陰極電極はブスバーの陰極部材と接続され、複数個の平滑コンデンサはブスバーの片側に配置されていて、複数個の半導体モジュールはブスバーの周囲に配置されている。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成によれば、電力変換装置において、半導体モジュールの並列接続により素子サイズの拡大を防ぐことができる。また、複数の平滑コンデンサをブスバーの片側に配置しているので、配置空間の高さが低減する。半導体モジュールから平滑コンデンサへの伝熱が低減するので、半導体モジュールの冷却方向が制限されない構成を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】パワーエレクトロニクス装置の電気回路構成を示している図である。
【図２】実施の形態１による電力変換装置の構成を表すブロック図である。
【図３】平滑コンデンサと半導体モジュールの外観を表す斜視図である。
【図４】平滑コンデンサとブスバーの接続部を示す図である。
【図５】半導体モジュールとブスバーの接続部を示す図である。
【図６】半導体モジュールと平滑コンデンサの間の電流経路を示す図である。
【図７】実施の形態２による組込盤の内部構成を表すブロック図である。
【図８】実施の形態２による組込盤における風の流れを表す図である。
【図９】実施の形態３による組込盤における風の流れを表す図である。
【図１０】実施の形態４による電力変換装置の構成を表すブロック図である。
【図１１】実施の形態５による組込盤の内部構成を表すブロック図である。
【図１２】実施の形態６による電力変換装置の構成を表すブロック図である。
【図１３】実施の形態７による組込盤の内部構成を表すブロック図である。
【図１４】実施の形態８による組込盤の内部構成を表すブロック図である。
【図１５】実施の形態９による電力変換装置の構成を表すブロック図である。
【図１６】実施の形態１０による組込盤の内部構成を表すブロック図である。
【図１７】実施の形態１１による組込盤の内部構成を表すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態に係る電力変換装置およびパワーエレクトロニクス装置について、図を参照しながら以下に説明する。なお、各図において、同一または同様の構成部分については同じ符号を付しており、対応する各構成部のサイズや縮尺はそれぞれ独立している。例えば構成の一部を変更した断面図の間で、変更されていない同一構成部分を図示する際に、同一構成部分のサイズや縮尺が異なっている場合もある。また、電力変換装置およびパワーエレクトロニクス装置の構成は、実際にはさらに複数の部材を備えているが、説明を簡単にするため、説明に必要な部分のみを記載し、他の部分については省略している。
【００１１】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は本特許を適用する電力変換装置およびパワーエレクトロニクス装置の電気回路構成を示している。図において、パワーエレクトロニクス装置１００は、コンバータ６、直流リアクトル７、電力変換装置４０から構成されている。コンバータ６は交流入力を直流出力に変換する。パワーエレクトロニクス装置１００の電力変換装置４０は、平滑コンデンサ３ａ〜３ｆ、Ｕ相半導体モジュール１Ｕ、Ｖ相半導体モジュール１Ｖ、Ｗ相半導体モジュール１Ｗ、ブスバー４、出力用ケーブル５などを備えている。図の電気回路構成において、Ｖ相半導体モジュール１ＶとＷ相半導体モジュール１Ｗは構成を一部省略して記載しているが、Ｕ相半導体モジュール１Ｕと同様の構成を有している。平滑コンデンサ３ａ〜３ｆは電解コンデンサが使用され、６個の電解コンデンサは、コンバータ６の直流出力に対しそれぞれが並列に接続されている。
【００１２】
Ｕ相半導体モジュール１Ｕは並列に接続されている３個の半導体モジュール１から構成されている。各々の半導体モジュール１には、直列に接続される陽極側スイッチング半導体素子１ｐと陰極側スイッチング半導体素子１ｎを内蔵している２連型のモジュールを使用している。同様に、Ｖ相半導体モジュール１Ｖは並列に接続されている３個の半導体モジュール１から構成されている。同様に、Ｗ相半導体モジュール１Ｗは並列に接続されている３個の半導体モジュール１から構成されている。Ｕ相半導体モジュール１Ｕ、Ｖ相半導体モジュール１ＶおよびＷ相半導体モジュール１Ｗに発生する寄生インダクタンス８および寄生抵抗９は、半導体モジュール１に流れる電流がばらつく原因となる。
【００１３】
コンバータ６の入力部に交流成分が入力されると、昇圧または降圧された交流成分は直流へと整流され、整流された直流は直流リアクトル７と平滑コンデンサ３ａ〜３ｆにより平滑される。平滑電流は、ブスバー４を通過し、Ｕ相半導体モジュール１Ｕ、Ｖ相半導体モジュール１ＶおよびＷ相半導体モジュール１Ｗで構成する２レベル電力変換装置により交流成分へと変換され、出力用ケーブル５から出力される。ここでは、２レベル電力変換装置の構成を示しているが、半導体モジュールを並列接続していればよく、３レベル電力変換装置などの他の電力変換回路構成でもよい。陽極側スイッチング半導体素子１ｐと陰極側スイッチング半導体素子１ｎをスイッチングすることによって交流入力とは異なる周波数の交流出力が得られる。なお、本発明は、図１に示す３相インバータの他に、単相インバータ、電源装置にも適用可能であり、半導体モジュール１および平滑コンデンサ３の数は、一般に複数となる。
【００１４】
図２は本特許にて提案する、電力変換装置における並列接続された半導体モジュールの配置構成を示している。電力変換装置４０には、半導体モジュール１ａ〜ｉ、ヒートシンク２ａ〜ｉ、平滑コンデンサ３ａ〜３ｆ、ブスバー４、出力用ケーブル５が含まれている。半導体モジュール冷却用のヒートシンク２も、半導体モジュール１と同じく、１相あたり３並列としている。ヒートシンク２ａ〜ｉは、ベース部２ｘとフィン部２ｙから構成されている。Ｕ相半導体モジュール１Ｕは、半導体モジュール１ａ〜ｃから構成されている。Ｖ相半導体モジュール１Ｖは、半導体モジュール１ｄ〜ｆから構成されている。Ｗ相半導体モジュール１Ｗは、半導体モジュール１ｇ〜ｉから構成されている。ヒートシンク２ａ〜ｉは、それぞれ半導体モジュール１ａ〜ｉに固定されている。
【００１５】
平滑コンデンサ３は積層構造を有するブスバー４によって、６個が並列に接続されている。出力用ケーブル５は、３相に対応するために３本設けられている。出力用ケーブル５Ｕからは３相交流電力のＵ相が出力される。出力用ケーブル５Ｖからは３相交流電力のＶ相が出力される。出力用ケーブル５Ｗからは３相交流電力のＷ相が出力される。ブスバー４は、第１辺４ａ、第２辺４ｂ、第３辺４ｃおよび第４辺４ｄを有する四角形状を呈している。Ｕ相半導体モジュール１Ｕは、第１辺４ａに配置されている。Ｖ相半導体モジュール１Ｖは、第２辺４ｂに配置されている。Ｗ相半導体モジュール１Ｗは、第３辺４ｃに配置されている。第４辺４ｄは開放されている。
【００１６】
図３Ａは平滑コンデンサ３の外観を示している。平滑コンデンサ３ａ〜３ｆはそれぞれ本体部３ｘと陽極電極３ｙと陰極電極３ｚを有し、陽極電極３ｙと陰極電極３ｚにはそれぞれにねじ穴が加工されている。平滑コンデンサ３の本体部３ｘには頭部側３ｔと底部側３ｓが設けられている。陽極電極３ｙと陰極電極３ｚは本体部３ｘの頭部側３ｔに設けられている。図３Ｂは半導体モジュール１ａ〜ｉの外観を示している。半導体モジュール１は陽極側スイッチング半導体素子１ｐと陰極側スイッチング半導体素子１ｎを内蔵している。陽極側スイッチング半導体素子１ｐと陰極側スイッチング半導体素子１ｎからは、ゲート端子１ｇ、ドレイン端子１ｄおよびソース端子１ｓの３本のリードが延出している。
【００１７】
図４は、平滑コンデンサとブスバーの接続部を表している。平滑コンデンサ３ａ〜３ｆは、ブスバー４の片側に配置されている。ブスバー４は、陽極部材４ｘ、絶縁部材４ｙおよび陰極部材４ｚからなる３層構造を有している。陽極部材４ｘと陰極部材４ｚは絶縁部材４ｙを挟んで一体化されている。ブスバー４には２種類の貫通穴が穿設されている。ネジ２１によって、陽極部材４ｘおよび陰極部材４ｚは、それぞれ、陽極電極３ｙと陰極電極３ｚと接続されている。平滑コンデンサ３ａ〜３ｆは、ブスバー４の絶縁部材側または陰極部材側のどちらか一方に固定される。ブスバー４には、平滑コンデンサ３ａ〜３ｆの他に半導体モジュール１ａ〜１ｉが接続される。
【００１８】
図５は、半導体モジュールとブスバーの接続部を表している。ブスバー４の端部（第１辺４ａ、第２辺４ｂおよび第３辺４ｃ）には、陽極部材４ｘからなる陽極端子４ｖと陰極部材４ｚからなる陰極端子４ｗが３組形成されている。陽極側スイッチング半導体素子１ｐのドレイン端子１ｄはブスバー４の陽極端子４ｖと接合される。陰極側スイッチング半導体素子１ｎのソース端子１ｓはブスバー４の陰極端子４ｗと接合される。陽極側スイッチング半導体素子１ｐのソース端子１ｓと陰極側スイッチング半導体素子１ｎのドレイン端子１ｄは、出力用ケーブル５と接合されている。陽極側スイッチング半導体素子１ｐのゲート端子１ｇは、制御用ケーブル２２ａと接続されている。陰極側スイッチング半導体素子１ｎのゲート端子１ｇは、制御用ケーブル２２ｂと接続されている。
【００１９】
図６は、半導体モジュールと平滑コンデンサの間の電流経路を示している。図には、半導体モジュール１ａ〜１ｉと平滑コンデンサ３ａ〜３ｆとブスバー４が示されている。半導体モジュール１ａと平滑コンデンサ３ａの間の距離Ｌaaは距離laa(+)＋距離laa(-)で表される。ここで、距離laa(+)は、半導体モジュール１ａの陽極（陽極側スイッチング半導体素子１ｐのドレイン端子１ｄ）から平滑コンデンサ３ａの陽極電極までの距離を表している。また、距離laa(-)は、半導体モジュール１ａの陰極（陰極側スイッチング半導体素子１ｎのソース端子１ｓ）から平滑コンデンサ３ａの陰極電極までの距離を表している。同様にして、半導体モジュール１ａと平滑コンデンサ３ｂ〜３ｆの間の距離Ｌab〜距離Ｌafを定義することができる。
【００２０】
半導体モジュール１ａと平滑コンデンサ３ａ〜３ｆに対する電流路長の総和を、半導体モジュール１ａの総電流路長Ｌ(ａ)とすると、総電流路長Ｌ(ａ)は、距離Ｌab＋距離Ｌab＋……距離Ｌafから求めることができる。同様の議論を進めると、半導体モジュール１ｂ〜１ｉの総電流路長Ｌ(ｂ) 〜Ｌ(ｉ)を求めることができる。本願に係わる実施の形態では、総電流路長Ｌ(ａ) 、総電流路長Ｌ(ｂ)……総電流路長Ｌ(ｉ)がすべて等しくなるように、平滑コンデンサ３ａ〜３ｆをブスバー４に配置している。
【００２１】
次に動作について説明する。スイッチング用の半導体モジュール１において発生した熱は、平滑コンデンサ３とは十分な距離を保つため、平滑コンデンサ３までは伝熱せず、ブスバー４に一部が伝熱する。熱の大部分は隣接して配置される半導体モジュール冷却用のヒートシンク２へと伝熱する。半導体モジュール１と平滑コンデンサ３の間に距離があるため、半導体モジュール１の熱が平滑コンデンサ３に伝熱していくことを防ぐことができる。また、半導体モジュールの並列接続により電流を分流することが可能なため素子サイズが大きい大定格電流の半導体モジュールの使用を防ぐことができる。半導体モジュールの上部と下部にコンデンサを配置する必要がないため、電力変換装置を配置する空間の高さ制限が少ない。
【００２２】
上記実施の形態１による構成によれば、半導体モジュールと平滑コンデンサの間のブスバーに存在する寄生インダクタンスと寄生抵抗が均一化している。寄生インダクタンスに起因する、スイッチング時のサージ電圧におけるばらつきを抑制できるためスイッチング速度の低下に対する対策をとる必要がなくなり半導体モジュールの効率低下を防ぐことができる。大きなスナバ回路により過剰なサージ電圧保護を設ける必要がないので、スナバ回路構成が小型化する。
【００２３】
半導体モジュールを並列に接続すると寄生インダクタンスと寄生抵抗が発生する。半導体モジュールのスイッチング時、導通電流の分流ばらつきが低減しているので、負荷均一分散による半導体モジュールの長寿命化と最適な損失計算と冷却設計により冷却機構を小型化できる。寄生インダクタンスと半導体モジュールに存在する容量成分で生じるリンギングの周波数ばらつきを抑制することができるため、リンギング対策用のフィルタやスナバを小型化でき、対策用のフィルタやスナバの設計を簡素化できる。
【００２４】
実施の形態２．
実施の形態２について図に基づいて説明する。図７Ａは電力変換装置を表す鳥瞰図、図７Ｂは電力変換装置を表す正面図である。本実施の形態では、電力変換装置４０は組込盤１１に格納されている。組込盤１１の天井部には冷却ファンなどの冷却装置１０が配置されている。組込盤１１の仕切り板１１ａに電力変換装置４０は載置されている。ブスバー４に対して縦向きで配置しているヒートシンク２は、組込盤１１の天井部に配置した冷却装置１０によって冷却されている。組込盤１１から外部に半導体モジュール１により熱された風が放出され、半導体モジュール１は必要な放熱量を放出する。また、半導体モジュール１の並列接続により電流が分流されているため、素子サイズが大きい大定格電流の半導体モジュールを使用する必要がない。
【００２５】
図８Ａは、組込盤の内部における風の流れを示している鳥瞰図、図８Ｂは、組込盤の内部における風の流れを示している正面図である。各々の半導体モジュール１の下部にのみ平滑コンデンサを配置しているため、配置空間の高さ制限は緩くなる。半導体モジュール１と平滑コンデンサ３の間に距離があるため、半導体モジュール１の熱がコンデンサに伝熱されることを防ぐことができる。また、半導体モジュール１およびヒートシンク２と冷却装置１０との距離を各相で差異なく配置できるため、冷却装置１０によりヒートシンク２に風を均一に流すことが可能である。冷却性能の偏りによる半導体モジュールの温度ばらつき、および温度ばらつきに起因する単一の半導体モジュールへの過負荷を抑制することができる。
【００２６】
実施の形態３．
実施の形態３について図に基づいて説明する。図９Ａは、組込盤の内部における風の流れを示している鳥瞰図、図９Ｂは、組込盤の内部における風の流れを示している正面図である。電力変換装置４０は組込盤１１に格納されている。図に示すように盤上部と盤下部に風穴１２を設けている。盤天井部に冷却装置を配置することが不可能な場合には、盤上部と盤下部に風穴１２を設けることで、自然対流によりヒートシンク２に風を均一に流すことが可能であり、冷却性能の偏りによる半導体モジュールの温度ばらつき、および温度ばらつきに起因する単一の半導体モジュールへの過負荷を抑制することができる。
【００２７】
実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、ヒートシンク２を縦向きでコの字型に配置し、コの字型の内部に平滑コンデンサ２を、各々の半導体モジュールと距離が均一になるよう配置した。
平滑コンデンサの数量によっては、半導体モジュールと平滑コンデンサの距離を均一にすることが困難となる可能性が考えられるので、本実施の形態では、図１０に示すように、９角形のブスバー４を用意している。ブスバー４は第１辺４ａ、第２辺４ｂ、第３辺４ｃ、第４辺４ｄ、第５辺４ｅ、第６辺４ｆ、第７辺４ｇ、第８辺４ｈおよび第９辺４ｉを有する九角形状を呈している。
【００２８】
同相の半導体モジュール１は２個おきにブスバーの各辺に配置する。従って、半導体モジュール１ａは、第１辺４ａに配置されている。半導体モジュール１ｂは、第４辺４ｄに配置されている。半導体モジュール１ｃは、第７辺４ｇに配置されている。半導体モジュール１ｄは、第２辺４ｂに配置されている。半導体モジュール１ｅは、第５辺４ｅに配置されている。半導体モジュール１ｆは、第８辺４ｈに配置されている。半導体モジュール１ｇは、第３辺４ｃに配置されている。半導体モジュール１ｈは、第６辺４ｆに配置されている。半導体モジュール１ｉは、第９辺４ｉに配置されている。
【００２９】
半導体モジュール１に隣接させて半導体モジュール冷却用のヒートシンク２を縦向きに配置している。半導体モジュール１とヒートシンク２は９角形を構成する。９角形の内部には平滑コンデンサ３を配置し、半導体モジュール１とブスバー４で接続する。本実施の形態でも、総電流路長Ｌ(ａ) 、総電流路長Ｌ(ｂ)……総電流路長Ｌ(ｉ)がすべて等しくなるように、平滑コンデンサ３ａ〜３ｆをブスバー４に配置している。
【００３０】
上記構成にすることで、コの字型構成では半導体モジュールと平滑コンデンサの距離を均一にしづらい平滑コンデンサの数量でも、半導体モジュールおよびヒートシンクの距離を各相で差異なく配置できる。半導体モジュールと平滑コンデンサの間のブスバーに存在する寄生インダクタンスと寄生抵抗は均一化している。寄生インダクタンスに起因するスイッチング時のサージ電圧のばらつきを抑制できるためスイッチング速度の低下に対する対策を施す必要がなくなり半導体モジュールの効率低下を防ぐことができる。大きなスナバ回路により過剰なサージ電圧保護を設ける必要がないので、スナバ回路構成が小型化する。
【００３１】
半導体モジュールを並列に接続すると寄生インダクタンスと寄生抵抗が発生する。半導体モジュールのスイッチング時、導通電流の分流ばらつきが低減しているので、負荷均一分散による半導体モジュールの長寿命化と、最適な損失計算と冷却設計により冷却機構を小型化できる。寄生インダクタンスと半導体モジュールに存在する容量成分で生じるリンギングの周波数ばらつきを抑制することができるため、リンギング対策用のフィルタやスナバが小型化し、対策用のフィルタやスナバの設計を簡素化できる。
【００３２】
実施の形態５．
実施の形態５について図に基づいて説明する。図１１Ａは電力変換装置を表す鳥瞰図、図１１Ｂは電力変換装置を表す正面図である。電力変換装置４０は組込盤１１に格納されている。組込盤１１の天井部には冷却ファンなどの冷却装置１０が配置されている。本実施の形態によれば、半導体モジュール１およびヒートシンク２と冷却装置１０との距離を各相で差異なく配置できるため、冷却装置１０により各々のヒートシンク２に風を均一に流すことが可能になる。冷却性能の偏りによる半導体モジュールの温度ばらつき、および温度ばらつきに起因する単一の半導体モジュールへの過負荷を抑制することができる。
【００３３】
実施の形態６．
実施の形態６について図に基づいて説明する。図１２Ａは電力変換装置を表す鳥瞰図、図１２Ｂは電力変換装置を表す正面図である。上記実施の形態１から５では、ヒートシンク２はベース部を縦向きに配置したが、盤上部に冷却装置を配置できない場合が考えられる。本実施の形態では、縦向きに配置していたヒートシンク２をベース部がブスバーに対し横向きになるように配置し、ヒートシンク２の上部にスイッチング用の半導体モジュールを配置している。ブスバー４の中央部には平滑コンデンサ３を配置し、半導体モジュール１とブスバー４で接続する。
【００３４】
実施の形態７．
実施の形態７について図に基づいて説明する。図１３Ａは電力変換装置を表す鳥瞰図、図１３Ｂは電力変換装置を表す正面図である。電力変換装置４０は組込盤１１に格納されている。組込盤１１の側面部には冷却ファンなどの冷却装置１０が配置されている。組込盤１１の仕切り板１１ａに電力変換装置４０は載置されている。上記構成にすることで、冷却装置１０により、組込盤１１の側面から冷却が可能となる。風の向きに平行となるよう横向きに配置したヒートシンク２だけでなく、平滑コンデンサ３にも風を流し冷却することが可能なため、平滑コンデンサの温度上昇を防ぎ長寿命化することができる。
【００３５】
実施の形態８．
実施の形態８について図に基づいて説明する。図１４Ａは電力変換装置を表す鳥瞰図、図１４Ｂは電力変換装置を表す正面図である。電力変換装置４０は組込盤１１に格納されている。組込盤１１の側面部には風穴１２が配置されている。組込盤１１の仕切り板１１ａに電力変換装置４０は載置されている。盤天井部に冷却装置を配置することが不可能な場合には、盤両側面に風穴１２を設けることで、旅客車両のような走行時の風により冷却をする機構に組み込むことも可能となる。風の向きに平行となるよう横向きに配置したヒートシンク２だけでなく、平滑コンデンサ３にも風を流し冷却することが可能なため、平滑コンデンサの温度上昇を防ぎ長寿命化することができる。
【００３６】
実施の形態９．
実施の形態９について図に基づいて説明する。図１５Ａは電力変換装置を表す鳥瞰図、図１５Ｂは電力変換装置を表す正面図である。本実施の形態では、９角形のブスバー４を用意している。同相の半導体モジュール１は２個おきにブスバーの各辺に配置する。半導体モジュール１に隣接させて半導体モジュール冷却用のヒートシンク２を横向きに配置する。半導体モジュール１とヒートシンク２は９角形を構成する。９角形の内部には平滑コンデンサ３を配置し、半導体モジュール１とブスバー４で接続する。
【００３７】
上記構成にすることで、コの字型構成では半導体モジュールと平滑コンデンサの距離を均一にしづらい平滑コンデンサの数量でも、半導体モジュールおよびヒートシンクの距離を各相で差異なく配置できる。半導体モジュールと平滑コンデンサの間のブスバーに存在する寄生インダクタンスと寄生抵抗は均一化している。寄生インダクタンスに起因するスイッチング時のサージ電圧のばらつきを抑制できるためスイッチング速度の低下に対する対策を施す必要がなくなり半導体モジュールの効率低下を防ぐことができる。大きなスナバ回路により過剰なサージ電圧保護を設ける必要がないので、スナバ回路構成が小型化する。
【００３８】
半導体モジュールを並列に接続すると寄生インダクタンスと寄生抵抗が発生する。半導体モジュールのスイッチング時、導通電流の分流ばらつきが低減しているので、負荷均一分散により半導体モジュールが長寿命化し、最適な損失計算と冷却設計により冷却機構を小型化できる。寄生インダクタンスと半導体モジュールに存在する容量成分で生じるリンギングの周波数ばらつきを抑制することができるため、リンギング対策用のフィルタやスナバが小型化し、対策用のフィルタやスナバの設計を簡素化できる。
【００３９】
実施の形態１０．
実施の形態１０について図に基づいて説明する。図１６Ａは電力変換装置を表す鳥瞰図、図１６Ｂは電力変換装置を表す正面図である。電力変換装置４０は組込盤１１に格納されている。組込盤１１の側面部には冷却ファンなどの冷却装置１０が配置されている。組込盤１１の仕切り板１１ａに電力変換装置４０は載置されている。上記構成にすることで、冷却装置１０により、組込盤１１の側面から冷却が可能となる。風の向きに平行となるよう横向きに配置したヒートシンク２だけでなく、平滑コンデンサ３にも風を流し冷却することが可能なため、平滑コンデンサの温度上昇を防ぎ長寿命化することができる。
【００４０】
実施の形態１１．
実施の形態１１について図に基づいて説明する。図１７Ａは電力変換装置を表す鳥瞰図、図１７Ｂは電力変換装置を表す正面図である。電力変換装置４０は組込盤１１に格納されている。組込盤１１の側面部には風穴１２が配置されている。組込盤１１の仕切り板１１ａに電力変換装置４０は載置されている。盤側面に冷却装置を配置することが不可能な場合には、盤両側面に風穴１２を設けることで、旅客車両のような走行時の風により冷却をする機構に組み込むことも可能となる。風の向きに平行となるよう横向きに配置したヒートシンク２だけでなく、平滑コンデンサ３にも風を流し冷却することが可能なため、平滑コンデンサの温度上昇を防ぎ長寿命化することができる。
【００４１】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１  半導体モジュール、２  ヒートシンク、３  平滑コンデンサ、４  ブスバー、５  出力用ケーブル、６  コンバータ、７  直流リアクトル、１１  組込盤、４０  電力変換装置、１００  パワーエレクトロニクス装置
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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