JP2005176555A

JP2005176555A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2005176555A
Application number: JP2003415846A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamaguchi; 浩二山口; Tokihito Suwa; 時人諏訪; Satoru Shigeta; 哲重田; Shinji Shirakawa; 真司白川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】
主回路導体の正側導体と負側導体が絶縁して積層され、複数の半導体素子が前記主回路導体に電気的に接続されブリッジ回路を構成している複数の半導体パワーモジュールを並列接続する場合、各半導体素子に流れる電流のばらつきを低減し、かつ負側導体の電位を安定化することにある。
【解決手段】
平行平板状の導体を用いたコンデンサバスバーにおいて正側コンデンサバスバーのみに電流ばらつきを改善する手段を設け、負側コンデンサバスバーを１枚の平板とすることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、主回路導体の正側導体と負側導体が絶縁して積層され、複数の半導体素子が主回路導体に電気的に接続されブリッジ回路を構成している複数の半導体パワーモジュールを並列接続する電力変換装置に関する。

電力変換装置では、半導体素子をスイッチングした際、主回路のインダクタンスによりサージ電圧を生じる。半導体素子は、発生したサージ電圧により破壊する恐れがあるため、半導体素子の保護を目的に大容量のスナバ回路を接続する必要があり、電力変換装置の小型化および電流の大容量化の障害となっていた。

すなわち、電力変換装置では、主回路のインダクタンスを低減することが必要である。主回路のインダクタンスを低減するためには、電流の経路となる半導体パワーモジュールの導体をできるだけ肉薄で幅広の形状とし、かつ正側導体と負側導体をできるだけ近接させた配線構造にすればよいことが知られている。このような配線方法としては、特開平６−６９４１５号公報，特開２００２−４４９６４号公報などに記載されている。その一例を図６に示す（以下、図６に示すような配線構造を持つ半導体パワーモジュールを低インダクタンス半導体パワーモジュールと呼ぶ。）。

また、電力変換装置を更に大容量化するための方法としては、複数の半導体パワーモジュールを並列接続する。半導体パワーモジュールを並列接続する場合、フィルタコンデンサから各半導体素子への電流経路に差ができるので各素子の分担する電流にばらつきが生じる。大きな電流が流れる半導体素子が、ピーク電流で破壊したり、発熱により寿命や信頼性が低下したりすることを避けるために、電流値を制限する必要がある。このため、各半導体素子に均等に電流が流れる場合に比べて、半導体素子の性能を十分に活用できない。

半導体素子を並列接続して使用する際の電流のばらつきを考慮した配線方法に関しては、特開２０００−６０１２６号公報に記載の技術があげられる。特開２０００−６０１２６号公報に記載の方法によると、各半導体素子の電流のばらつき改善のため、主回路を構成する正側導体および負側導体に各相間にスリットを設ける形状としている。

特開平６−６９４１５号公報特開２００２−４４９６４号公報特開２０００−６０１２６号公報

しかし、低インダクタンス半導体パワーモジュールを並列接続する場合、主回路導体の各相間にスリットを構成することができない。また、電力変換装置では、半導体パワーモジュールの負側導体が制御回路やドライブ回路のグランドとなる。主回路導体の負側導体にスリットを設けることで電流のばらつきを改善できる反面、各相間のインダクタンスが増加するためグランドの電位変動やノイズが大きくなるなどの問題を生じる。

本発明は、低インダクタンス半導体パワーモジュールを並列接続した電力変換装置において、簡単な構成で、各半導体素子の分担電流を均一化し、かつ制御回路のグランドとなる負側導体の電位変動を抑制することが目的である。

上記課題を解決するために、主回路導体の正側導体と負側導体とが絶縁して積層され、かつ複数の半導体素子が前記主回路導体に電気的に接続されブリッジ回路を構成している複数の半導体パワーモジュールを並列接続する電力変換装置において、電源電圧平滑用フィルタコンデンサを接続する平板状導体（以下、コンデンサバスバーと呼ぶ。）の正側導体のみに電源電圧平滑用フィルタコンデンサから各半導体素子への電流経路長のばらつきを改善するための手段を設ける。つまり、各半導体素子への電流経路長を所定の経路長にする又は近似させるものである。

本発明の一つは正側コンデンサバスバーの半導体パワーモジュールと半導体パワーモジュールの間に相当する箇所にスリットを設け、負側コンデンサバスバーは一枚の平板とする。

本発明の一つは正側コンデンサバスバーを各半導体パワーモジュールごとに分割して設け、前記コンデンサバスバーどうしを独立した導体で接続し、負側コンデンサバスバーはすべての半導体パワーモジュールに共通な一枚の平板とする。

本発明によれば半導体パワーモジュールを並列接続した際、半導体素子の電流ばらつきを改善し、各半導体素子の性能を有効活用することができる。かつ、各半導体パワーモジュールの負側コンデンサバスバーの電位変動を抑制することができるので制御回路の誤動作を防ぐことができる。したがって、本発明により高性能で信頼性の高い電力変換装置を簡単な構造で実現することができる。

本発明の第一の特徴とするところは、低インダクタンス半導体パワーモジュールを並列接続する電力変換装置において、コンデンサバスバーを図１に示すように、正側コンデンサバスバー１の各低インダクタンス半導体パワーモジュールの間に相当する箇所にスリット２，くびれ部３を設け、かつ負側コンデンサバスバー８を一枚の平板としたことにある。

図１（ａ）に示すように、正側コンデンサバスバー１には、低インダクタンス半導体パワーモジュールの正側導体と電気的に接続するための穴４ａ〜４ｄおよびフィルタコンデンサの正側端子と電気的に接続するための穴６ａ，６ｂが設けられている。また、スリット２が設けられ、くびれ部３が形成されている。図１（ｂ）に示すように、負側コンデンサバスバー８は、一枚の平板である。低インダクタンス半導体パワーモジュールの負側導体と電気的に接続するための穴９ａ〜９ｄおよびフィルタコンデンサの負側端子と電気的に接続するための穴１３ａ，１３ｂが設けられている。また、正側コンデンサバスバー１および負側コンデンサバスバー８に、それぞれ正側導体と負側導体の絶縁を確保するための穴７ａ，７ｂ，１１ａ〜１１ｄ，１４ａ，１４ｂが設けられている。

図１に示すコンデンサバスバーを用いて、フィルタコンデンサおよび低インダクタンス半導体パワーモジュールを接続して電力変換装置を構成した例を図３に示す。正側コンデンサバスバー１と負側コンデンサバスバー８が絶縁体１５を挟んで積層され、低インダクタンス半導体パワーモジュール１９ａ，１９ｂ、フィルタコンデンサ１６ａ，１６ｂと接続されている。このとき２２ｅ，２２ｆがＵ相端子、２２ｃ，２２ｄがＶ相端子、２２ａ，２２ｂがＷ相端子となる。図４に示すようにスリット２，くびれ部３を設けることによりフィルタコンデンサ正側端子から各半導体素子への電流経路長のばらつきが少なくなり半導体素子をより効果的に使うことができる。負側コンデンサバスバーに流れる電流も正側コンデンサバスバーに流れる電流経路に沿って流れるので、負側コンデンサバスバーでも同様に電流経路長のばらつきを改善することができる。つまり、電流経路長を所定の値にする又は、近似させるようにするので電流経路長のばらつきがおさえられる。また、負側コンデンサバスバーが一枚の平板となっていることで低インダクタンス半導体パワーモジュールの負側導体間の電位変動を抑制することができ、電力変換装置のグランド電位変動を抑制し高い信頼性を得ることができる。

本発明において正側コンデンサバスバーに設けるスリットの幅，深さ，形状は限定されない。スリットは、フィルタコンデンサから半導体素子への最短の電流経路をさえぎるように、より深く，より太く設けることが望ましく、電流密度やインダクタンスの増加などを考慮してスリットの寸法を設定すればよい。

本発明の第二の特徴とするところは、低インダクタンス半導体パワーモジュールを並列接続する電力変換装置において、コンデンサバスバーを図２に示すように、正側コンデンサバスバー２６，３１を各低インダクタンス半導体パワーモジュールごとに独立して設け、正側コンデンサバスバー２６，３１を導体４４で電気的に接続し、かつ負側コンデンサバスバー３７を全ての低インダクタンス半導体パワーモジュールに共通な一枚の平板としたことにある。

図２（ａ）に示すように、正側コンデンサバスバー２６，３１には、低インダクタンス半導体パワーモジュールの正側導体と電気的に接続するための穴２７ａ，２７ｂ，３２ａ，３２ｂおよびフィルタコンデンサの正側端子と電気的に接続するための穴２８，３３が設けられている。正側コンデンサバスバー２６，３１は、ボルト４５ａ，４５ｂによって導体４４と締結し、電気的に接続する。図２（ｂ）に示すように、負側コンデンサバスバー３７には、低インダクタンス半導体パワーモジュールの負側導体と電気的に接続するための穴３８ａ〜３８ｄおよびフィルタコンデンサの負側端子と電気的に接続するための穴４０ａ，４０ｂが設けられている。また、正側コンデンサバスバー２６，３１および負側コンデンサバスバー３７に、それぞれ正側導体と負側導体の絶縁を確保するための穴２９，３４，３９ａ〜３９ｄ，４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂが設けられている。

図２に示すコンデンサバスバーを用いて、フィルタコンデンサおよび低インダクタンス半導体パワーモジュールを接続して電力変換装置を構成した例を図５に示す。導体４４が図１のくびれ部３と同様の効果を持ち、図４と同様に電流ばらつきを改善することができる。

本発明の主旨とするところは、正側コンデンサバスバーのみにフィルタコンデンサから並列接続される半導体素子までの距離のばらつきを改善する手段を設け、また各半導体パワーモジュール間の負側導体の距離を短くしてグランドの電位変動を抑制することにある。すなわち、電力変換装置のレイアウト，組み立て性を考慮して、正側コンデンサバスバーおよび負側コンデンサバスバーに屈曲部，穴，スリットなどを設けることは、一向に構わない。例えば、図７に示すように、フィルタコンデンサとコンデンサバスバーの接続のため、コンデンサバスバーに凸部６４，６５を設けても構わない。

本実施例は、まず、図１に示すように、コンデンサバスバー１，８を無酸素銅Ｃ１０２０を用いて制作した。つぎに、図３の示すように、コンデンサバスバー１，８と低インダクタンス半導体パワーモジュール１９ａ，１９ｂおよび６５００μＦのフィルタコンデンサ１６ａ，１６ｂを接続し、電源を接続するための穴５，１０に６０Ｖの電源を接続し、電力変換装置を制作した。

本実施例は、まず、図２に示すように、コンデンサバスバー２６，３１，３７および導体４４を無酸素銅Ｃ１０２０を用いて製作した。つぎに、コンデンサバスバー２６，３１と導体４４とをボルト４５ａ，４５ｂで締結した。つづいて、図５に示すように、コンデンサバスバー２６,３１,３７と低インダクタンス半導体パワーモジュール１９ａ，１９ｂおよび６５００μＦのフィルタコンデンサ１６ａ，１６ｂを接続し、電源を接続するための穴３６，４３に６０Ｖの電源を接続し、電力変換装置を制作した。

（比較例１）
本比較例は、まず、図８に示すように、平板コンデンサバスバーである負側コンデンサバスバー８、及び正側コンデンサバスバー５２を無酸素銅Ｃ１０２０を用いて制作した。つぎに、平板コンデンサバスバーと低インダクタンス半導体パワーモジュール１９ａ，
１９ｂおよび６５００μＦのフィルタコンデンサ１６ａ，１６ｂを接続し、電源を接続するための穴５３，１０に６０Ｖの電源を接続し、電力変換装置を制作した。

（評価）
実施例１，実施例２および比較例１に２００μＨの誘導負荷を接続し交流出力相電流が２００Ａになる時のＵ相の電流ばらつきを測定した。その結果を表１に示す。比較例の電流ばらつきが２０Ａ以上あったのに対して、実施例１，実施例２の電流ばらつきはそれぞれ１０Ａ，１４Ａに改善された。

本発明による電力変換装置を構成するコンデンサバスバーの一例を示す概略平面図であって、（ａ）は、正側コンデンサバスバーの例、（ｂ）は、負側コンデンサバスバーの例を示す。本発明による電力変換装置を構成するコンデンサバスバーの一例を示す概略平面図であって、（ａ）は、正側コンデンサバスバーと導体とを接続した例、（ｂ）は、負側コンデンサバスバーの例を示す。本発明による電力変換装置の一例を示す図であって、（ａ）は、図１のコンデンサバスバーを用いた電力変換装置の概略平面図、（ｂ）は、（ａ）の電力変換装置の右側面から見た概略側面図、（ｃ）は、主回路の構成を示す。本発明による電力変換装置の一例を示す概略平面図であって、スリットにより電流のばらつきが改善される様子を示す。本発明による電力変換装置の一例を示す図であって、図２のコンデンサバスバーを用いた電力変換装置の概略平面図。低インダクタンス半導体パワーモジュールの一例を示す図であって、（ａ）は、主回路の構成を示す概略平面図、（ｂ）は、（ａ）の低インダクタンス半導体パワーモジュールの右側面から見た概略側面図を示す。コンデンサバスバーとフィルタコンデンサとの接続の一例を示す概略断面図であって、（ａ）は、負側コンデンサバスバーに凸部を形成した例、（ｂ）は、正側コンデンサバスバーに凸部を形成した例を示す。比較例を示す図。

符号の説明

１，２６，３１，５２，６６，６８…正側コンデンサバスバー、２…スリット、３…くびれ部、４ａ〜４ｄ，９ａ〜９ｄ，２７ａ，２７ｂ，３２ａ，３２ｂ，３８ａ〜３８ｄ…コンデンサバスバーと低インダクタンス半導体パワーモジュールを接続するための穴、５，１０，３６，４３，５３…電源を接続するための穴、６ａ，６ｂ，１３ａ，１３ｂ，
２８，３３，４０ａ，４０ｂ…コンデンサバスバーとフィルタコンデンサを接続するための穴、７ａ，７ｂ，１１ａ〜１１ｄ，１４ａ，１４ｂ，２９，３４，３９ａ〜３９ｄ，
４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ…正側導体と負側導体の絶縁を確保するための穴、８，３７，６７，６９…負側コンデンサバスバー、１５…絶縁体、１２ａ，１６ａ，１６ｂ…フィルタコンデンサ、１２ｂ…フィルタコンデンサ負側端子、１２ｃ…フィルタコンデンサ正側端子、１７ａ〜１７ｌ，４５ａ，４５ｂ…ボルト、１８ａ〜１８ｌ…半導体素子、１９，１９ａ，１９ｂ…低インダクタンス半導体パワーモジュール、２０,２０ａ,２０ｂ…負側導体、２１，２１ａ，２１ｂ…正側導体、２２ａ，２２ｂ…Ｗ相端子、２２ｃ，
２２ｄ…Ｖ相端子、２２ｅ，２２ｆ…Ｕ相端子、２３…絶縁体、４４…正側コンデンサバスバー２６，３１を電気的に接続するための導体、６４，６５…凸部。

Claims

主回路導体の正側導体と負側導体が絶縁して積層され、複数の半導体素子が前記主回路導体に電気的に接続されブリッジ回路を構成している複数の半導体パワーモジュールを並列接続する電力変換装置において、電源電圧平滑用フィルタコンデンサを接続する平板状導体の正側導体に、電源電圧平滑用フィルタコンデンサから各半導体素子への電流経路長を所定の値に近似させる手段を設けることを特徴とする電力変換装置。
請求項１記載において、電源電圧平滑用フィルタコンデンサを接続する平板状導体の正側導体の半導体パワーモジュールと半導体パワーモジュールの間に相当する箇所にスリットを設け、かつ前記平板状導体の負側導体は一枚の平板とすることを特徴とする電力変換装置。
請求項１記載において、電源電圧平滑用フィルタコンデンサを接続する平板状導体の正側導体を前記半導体パワーモジュールごとに分割して設け、前記平板状導体の正側導体どうしを独立した導体で接続し、前記平板状導体の負側導体はすべての半導体パワーモジュールに共通な一枚の平板とすることを特徴とする電力変換装置。