JP2009273272A - インバータモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】コモンモード電流の発生を抑制したインバータモジュールを提供する。
【解決手段】スイッチング素子ＴＲと、スイッチング素子ＴＲに逆並列接続されたダイオードＤと、を１つのアームとし、２つのアームをそれぞれ上アーム及び下アームとして直列に接続したアーム直列接続体をモジュール化したインバータモジュールにおいて、スイッチング素子ＴＲとダイオードＤとを冷却するための冷却装置２８と、スイッチング素子ＴＲ及びダイオードＤと冷却装置２８とに挟まれる絶縁基板２２と、を設け、上アームに含まれるスイッチング素子ＴＲ及びダイオードＤと冷却装置２８との間に構成されるキャパシタが、下アームに含まれるスイッチング素子ＴＲ及びダイオードＤと冷却装置２８との間に構成されるキャパシタよりも小さくなるようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、インバータ回路に用いられるインバータモジュールに関する。

電力変換装置のインバータモジュールでは、インバータと負荷（通常はモータ）との間においてコモンモード電圧が発生する。このコモンモード電圧に起因してコモンモード電流が流れ、放射ノイズの原因になる等の問題を引き起こす場合がある。

特許文献１には、スイッチングアームの直列回路を含むパッケージにおいて、パッケージの外側に冷却用の銅ベースが配置され、スイッチングアームの直列回路における下アームが実装される銅ベースの面積より上アームが実装される銅ベースの面積を大きくすることによって、コモンモード電流の発生を低減させる技術が開示されている。

また、特許文献２には、インバータと電気機器との間にコモンモード用のチョークコイルを接続し、そのチョークコイルと電気機器との間の配線にコンデンサと抵抗の直列接続体を接続し、それら直列接続体を共通接続したうえで電源よりも高い周波数に対して接地と同電位となる仮想接地部に接続することによって、コモンモード電流の発生を低減させる技術が開示されている。

また、特許文献３には、インバータ回路の入力側に設けたノイズフィルタを装置の筐体を介して接地した制御装置であって、交流ラインに接続されたコンデンサと、コンデンサの間に設けられたコイルとを備え、コンデンサの間の接続点と筐体との間に設けられたクランパと、クランパに並列接続されるコンデンサと、を備えることによって、コモンモード電流の発生を低減させる技術が開示されている。

特開２００７−１８１３５１号公報 特開２００１−６９７６２号公報 特開２００３−１４３７５３号公報

上記従来技術においてチョークコイル等を含むフィルタを設ける技術では、インバータと負荷（モータ等）との間には数百Ａもの大電流が流れる場合があり、インダクタンスの磁気飽和を防ぐために巨大なコイルを用いる必要がある。これによって、インバータモジュールの小型化が阻害されてしまうという問題もある。

また、コモンモード電流による磁気的ノイズが外部に漏れることを防ぐために電磁シールドを設ける技術は装置の製造コストを増大させ、またノイズ源を取り除くものではないので根本的な対策にならないという問題がある。

本発明の１つの態様は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードと、を１つのアームとし、２つのアームをそれぞれ上アーム及び下アームとして直列に接続したアーム直列接続体をモジュール化したインバータモジュールであって、各アームは、前記スイッチング素子と前記ダイオードとを冷却するための冷却装置と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置とに挟まれる絶縁基板と、を備え、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタが、前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタよりも小さいことを特徴とするインバータモジュールである。

ここで、前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタを、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタの３３倍以上とすることが好適である。

また、前記上アームに含まれる前記絶縁基板の厚さを、前記下アームに含まれる前記絶縁基板の厚さの１００倍以上とすることが好適である。

また、前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間に外部キャパシタを接続することも好適である。

すなわち、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタと前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタとを、インバータモジュールに接続される負荷のケースとインバータモジュールのケースとが同電位となるようにすることが好適である。

本発明によれば、インバータモジュールにおけるコモンモード電流の発生を抑制することができる。これにより、電磁ノイズを低減することができる。

図１は、基本的なインバータ回路１００を示す図である。インバータ回路１００は、電源２００と、負荷（モータ）３００と、の間に接続される。インバータ回路１００は、６個のダイオードＤ１〜Ｄ６を含む整流器モジュール１０、コンデンサ１２、電力用スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ６及びダイオードＤ７〜Ｄ１２を含むインバータモジュール１４を含んで構成される。

整流器モジュール１０は、ダイオードＤ１〜Ｄ６を２つずつ直列に接続した３つの直列接続体を並列に接続して構成される。整流器モジュール１０は、コンデンサ１２及びインバータモジュール１４と並列に接続される。また、３つの直列接続体に含まれる２つのダイオード間に電源２００の各相が印加される。

インバータモジュール１４は、スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ６の各々にダイオードＤ７〜Ｄ１２の各々が逆並列に接続されたアームを６つ備えて構成される。スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ６は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等の大電力スイッチング素子とされる。また、ダイオードＤ７〜Ｄ１２は、例えば、大容量のＰＩＮダイオードとされる。６つのアームは２つずつ上アーム及び下アームとして直列に接続した３つの直列接続体とされ、さらに３つの直列接続体が並列に接続されてインバータモジュール１４が構成される。３つの直列接続体に含まれる２つのアーム間に負荷３００の各相が接続される。

各アームは、図２の斜視図及び図３の側面図に示すように、スイッチング素子ＴＲ（ＴＲ１〜ＴＲ６）、ダイオードＤ（Ｄ７〜Ｄ１２）、第１電極２０、絶縁基板２２、第２電極２４、はんだ材２６及び冷却装置２８を含んで構成される。

スイッチング素子ＴＲの高電圧側端子（ＮチャネルＩＧＢＴのコレクタ、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴのドレイン等）は、はんだ材２６によって、第１電極２０に接続される。また、ダイオードＤの高電圧側端子（ＰＩＮダイオードのカソード等）も第１電極２０に接続される。第１電極２０は、絶縁基板２２の表面に接着され、絶縁基板２２の裏面は第２電極２４に接着される。さらに第２電極２４は、はんだ材２６によって冷却装置２８に電気的に接続を保ちつつ接着される。

このような構成により、第１電極２０と第２電極２４との間に挟まれた絶縁基板２２によって、第１電極２０と第２電極２４との間にキャパシタが生成される。したがって、各アームの等価回路は、図４に示すように、スイッチング素子ＴＲの高電圧側端子とダイオードＤの高電圧側端子との接続側にキャパシタＣが接続されたものとなる。

本実施の形態では、上アームに生成されるキャパシタＣＵが、下アームに生成されるキャパシタＣＬよりも小さくなるように各アームを構成する。例えば、上アームと下アームに用いる絶縁基板２２を同じ材料とした場合、上アームを構成する絶縁基板２２の厚さを下アームを構成する絶縁基板２２よりも厚くする。また、上アームを構成する絶縁基板２２の誘電率を下アームを構成する絶縁基板２２の誘電率よりも小さくする。

図５は、インバータモジュール１４をインバータ回路１００に適用した場合の等価回路を示す図である。ここでは、インバータモジュール１４内の寄生インダクタンスを無視している。

インバータモジュールと負荷（モータ）とを接続するケーブルのインダクタンスＬｃと、負荷（モータ）とケースとの間のキャパシタＣＭと、インバータモジュールに生成されるキャパシタＣＵ，ＣＬと、からなるブリッジ回路を構成する。このブリッジ回路によって、電気的なバランスがとられ、負荷（モータ）のケースの電位とインバータモジュールのケースの電位とをほぼ一定に保ち、車両等を経由して負荷（モータ）とインバータとの間を流れるコモンモード電流を抑制することができる。

インバータの動作モードは、（１）上アーム１相及び下アーム２相が導通、（２）上アーム２相及び下アーム１相が導通、の２つに分けられ、図６の等価回路に示すように、これら２つの状態を繰り返す。

図５に示すシステム全体の等価回路と図６のインバータの動作モードとを考慮すると、インバータの高電圧側から低電圧側へと至るには２つの経路が生ずる。すなわち、第１の経路は、図７に示すように、導通する上アーム→モータへのケーブルの寄生インダクタＬｃ→モータ巻線とモータケース間の寄生キャパシタＣＭ→モータケース→モータケースとモータ巻線間の寄生キャパシタＣＭ→モータへのケーブルの寄生インダクタＬｃ→導通する下アームという経路である。第２の経路は、図８に示すように、導通する上アーム→導通する上アームと組になる下アームの寄生キャパシタＣＬ→冷却装置２８のケース→導通する下アームの寄生キャパシタＣＬ→導通する下アームという経路と、導通していない上アームの寄生キャパシタＣＵ→冷却装置２８のケース→導通する下アームの寄生キャパシタＣＬ→導通する下アームという経路のいずれかである。

図９は、これら２つの経路をコモンモード電流の経路となる冷却装置２８のケース及びモータケースの間の寄生インダクタＬＧを挟んだブリッジ回路として書き換えた図である。図９（ａ）は上アーム１相及び下アーム２相が導通である場合、図９（ｂ）は上アーム２相及び下アーム１相が導通である場合の等価回路である。

図１０は、これらの回路をさらに簡素化して示した図である。この回路において、数式（１）が成り立つ場合にコモンモード電流は流れなくなる。
Ｚａ：Ｚｂ＝Ｚｃ：Ｚｄ・・・・・・・・（１）

図９（ａ）及び（ｂ）のいずれの状態においても数式（１）が成り立つようにするための条件は下アームの寄生キャパシタＣＬが上アームの寄生キャパシタＣＵよりも十分に大きいことである。すなわち、下アームの寄生キャパシタＣＬ＞＞上アームの寄生キャパシタＣＵが成り立つ場合にコモンモード電流は流れなくなる。

回路シミュレーションを用いて本実施の形態の作用を確認した。シミュレーションは図１１の回路構成によって行った。図１２にシミュレーションの結果を示す。なお、このシミュレーションではインバータの各相の電圧は波高値２１７Ｖ、周期２００μ秒（デューティ５０％）、パルスの立ち上がり及び立ち下がり時間５０ｎ秒とした。

上アームの寄生キャパシタＣＵが０の場合、寄生インダクタＬＧを流れるコモンモード電流は非常に小さくなった。また、上アームの寄生キャパシタＣＵを増加させると、下アームの寄生キャパシタＣＬを流れる電流と寄生インダクタＬＧを流れる電流との比は寄生キャパシタＣＬと寄生キャパシタＣＵ×３との比にほぼ比例することが分かった。

下アームの寄生キャパシタＣＬと、３つの上アームの寄生キャパシタＣＵの並列接続がつくるキャパシタＣＵ（＝３ＣＵ）との比ＣＬ／ＣＵを１００以上、すなわち、下アームの寄生キャパシタＣＬと、上アームの寄生キャパシタＣＵの寄生との比ＣＬ／ＣＵを３３以上にすれば高いノイズ低減効果を得ることができる。

例えば、上アームを構成する絶縁基板２２の厚さを下アームを構成する絶縁基板２２の厚さの１００倍以上厚くすることが好適である。例えば、上アームを構成する絶縁基板２２を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）で０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下とした場合、このような下アームを構成するためには絶縁基板２２としてＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）や窒化シリコン（ＳｉＮ）等で０．００５ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下とするとよい。

なお、図１３に示すように、図３の構成において下アームの第１電極２０と第２電極２４との間に外部キャパシタＣｅｘｔを接続してキャパシタを調整する構成としてもよい。図１４は、図１３のように外部キャパシタＣｅｘｔを接続した場合の等価回路を示す図である。このように、外部キャパシタＣｅｘｔを接続することによって、下アームの寄生キャパシタＣＬが上アームの寄生キャパシタＣＵよりも十分に大きくなるようにすることができる。例えば、上アームと下アームの絶縁基板２２を同じ材料及び同じ厚さとした場合、下アームの第１電極２０と第２電極２４との間に形成されるキャパシタＣＬが上アームの第１電極２０と第２電極２４との間に形成されるキャパシタＣＵよりも大きくなる。

本発明の実施の形態におけるインバータ回路の基本構成を示す図である。 本発明の実施の形態におけるインバータモジュールの構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態におけるインバータモジュールの構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態におけるインバータモジュールの等価回路を示す図である。 本発明の実施の形態におけるインバータ回路の等価回路を示す図である。 本発明の実施の形態におけるインバータ回路の動作モードを示す図である。 本発明の実施の形態におけるインバータ回路の第１の動作モードでの電流経路を示す図である。 本発明の実施の形態におけるインバータ回路の第２の動作モードでの電流経路を示す図である。 本発明の実施の形態におけるインバータ回路の各動作モードでの等価回路を示す図である。 本発明の実施の形態におけるインバータ回路のコモンモード電流に対するブリッジ回路を示す図である。 本発明の実施の形態におけるインバータ回路のシミュレーションのための等価回路を示す図である。 本発明の実施の形態におけるインバータ回路のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の変形例におけるインバータモジュールの構成を示す側面図である。 本発明の変形例におけるインバータモジュールの等価回路を示す図である。

符号の説明

１０ 整流器モジュール、１２ コンデンサ、１４ インバータモジュール、２０ 第１電極、２２ 絶縁基板、２４ 第２電極、２６ はんだ材、２８ 冷却装置、１００ インバータ回路、２００ 電源、３００ 負荷（モータ）。

Claims (5)

1. スイッチング素子と、前記スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードと、を１つのアームとし、２つのアームをそれぞれ上アーム及び下アームとして直列に接続したアーム直列接続体をモジュール化したインバータモジュールであって、
   各アームは、前記スイッチング素子と前記ダイオードとを冷却するための冷却装置と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置とに挟まれる絶縁基板と、を備え、
   前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタが、前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタよりも小さいことを特徴とするインバータモジュール。
2. 請求項１に記載のインバータモジュールであって、
   前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタを、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタの３３倍以上とすることを特徴とするインバータモジュール。
3. 請求項１又は２に記載のインバータモジュールであって、
   前記上アームに含まれる前記絶縁基板の厚さを、前記下アームに含まれる前記絶縁基板の厚さの１００倍以上とすることを特徴とするインバータモジュール。
4. 請求項１又は２に記載のインバータモジュールであって、
   前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間に外部キャパシタを接続することを特徴とするインバータモジュール。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のインバータモジュールであって、
   前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタと前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記冷却装置との間のキャパシタとを、インバータモジュールに接続される負荷のケースとインバータモジュールのケースとが同電位となるようにすることを特徴とするインバータモジュール。

Images