JP2011172442A

JP2011172442A - 電力変換装置

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Publication number: JP2011172442A
Application number: JP2010035943A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Sumida; 薫隅田; Yoshitsugu Koyama; 義次小山
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-22
Also published as: JP5581724B2

Abstract

【課題】パワーモジュール内部の合成インダクタンスを低減してサージ電圧を抑制する。
【解決手段】複数の上アーム側スイッチング素子（15）を搭載する上アーム側ヒートスプレッダ（30）と、複数の下アーム側スイッチング素子（25）を搭載する下アーム側ヒートスプレッダ（40）とを設ける。ここで、上アーム側及び下アーム側スイッチング素子（15,25）は、その片側面にソース（S）、ゲート（G）、及びドレイン（D）が並設された横型構造の素子で構成されている。そして、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）は、互いに平行に配置されるとともに、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）をそれぞれ流れる電流の導電方向が互いに逆向きとなるように構成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、直流電力から交流電力への変換、交流電力から直流電力への変換、或いは交流電力から交流電力への直接変換を行う電力変換装置に関するものである。

従来より、空気調和装置の電動機に電力を供給するために用いられる電力変換装置（インバータ回路等）のように、パワーモジュールを含んだ半導体装置の分野では、スイッチング素子を高速でオンオフさせる際に、自己インダクタンスによってサージ電圧が発生することが問題となる。このようなサージ電圧がパワーモジュールに印加されてしまうと、パワーモジュールの破壊やノイズ増大の原因となるため、自己インダクタンスを低減させるための対策が必要である。

特許文献１には、交流電源からパワーモジュールに至るまでの主回路配線において、配線導体間の相互インダクタンスを増大させて合成インダクタンスを低減させるようにした構成が記載されている。

具体的に、主回路配線は、正極用の配線導体と、負極用の配線導体と、配線導体間に介在された絶縁シートとを備えている。そして、互いに近接且つ平行に配置されている一対の配線導体にそれぞれ導電方向が異なる電流を流すことで、配線導体間の相互インダクタンスを増大させて合成インダクタンスを低減させるようにしている。

特開２００３−２５９６５６号公報

しかしながら、従来の電力変換装置には、交流電源からパワーモジュールに至るまでの主回路配線の自己インダクタンスを低減させるための構成について記載されているのみであり、パワーモジュール内部の自己インダクタンスに関しては何ら考慮されていない。具体的に、パワーモジュール内部に設けられた上アーム及び下アームのヒートスプレッダ間で合成インダクタンスが大きくなる場合には、装置全体としての合成インダクタンスの低減効果が十分に得られなくなり、サージ電圧を効果的に抑える上で不利となる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワーモジュール内部の合成インダクタンスを低減してサージ電圧を抑制することにある。

本発明は、インバータ回路（14）の上アームを構成する複数の上アーム側スイッチング素子（15）と、該インバータ回路（14）の下アームを構成する複数の下アーム側スイッチング素子（25）とを備えた電力変換装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。

第１の発明は、前記複数の上アーム側スイッチング素子（15）を搭載する上アーム側ヒートスプレッダ（30）と、
前記複数の下アーム側スイッチング素子（25）を搭載する下アーム側ヒートスプレッダ（40）とを備え、
前記上アーム側及び下アーム側スイッチング素子（15,25）は、その片側面にソース（S）、ゲート（G）、及びドレイン（D）が並設された横型構造の素子で構成され、
前記上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）は、互いに平行に配置されるとともに、該上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）をそれぞれ流れる電流の導電方向が互いに逆向きとなるように構成されていることを特徴とするものである。

第１の発明では、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）には、複数の上アーム側及び下アーム側スイッチング素子（15,25）がそれぞれ搭載されている。上アーム側及び下アーム側スイッチング素子（15,25）の片側面には、ソース（S）、ゲート（G）、及びドレイン（D）が並設されている。すなわち、上アーム側及び下アーム側スイッチング素子（15,25）は、横型構造の素子で構成される。

また、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）は、互いに平行に配置される。そして、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）をそれぞれ流れる電流は、その導電方向が互いに逆向きとなっている。

このような構成とすれば、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）間の相互インダクタンスを増大させて合成インダクタンスを低減することができる。これにより、サージ電圧の発生を抑えることができ、その結果、パワーモジュールの破壊やノイズ増大といった問題が解消されて、製品の信頼性を確保することができる。

第２の発明は、第１の発明において、
前記上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）の間には、静電容量が形成されていることを特徴とするものである。

第２の発明では、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）の間に静電容量が形成される。このような構成とすれば、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）間に形成された静電容量により、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）がコンデンサを構成する。そのため、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）がスナバ回路として機能することとなり、上アーム側及び下アーム側スイッチング素子（15,25）の遮断時に生じるサージ電圧を吸収することができる。

第３の発明は、第１又は２の発明において、
前記上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）の間には、誘電体（35）が設けられていることを特徴とするものである。

第３の発明では、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）の間に誘電体（35）が設けられる。このような構成とすれば、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）間の誘電体（35）により、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）がスナバ回路として機能することとなり、上アーム側及び下アーム側スイッチング素子（15,25）の遮断時に生じるサージ電圧を吸収することができる。

本発明によれば、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）間の相互インダクタンスを増大させて合成インダクタンスを低減することができる。これにより、サージ電圧の発生を抑えることができ、その結果、パワーモジュールの破壊やノイズ増大といった問題が解消されて、製品の信頼性を確保することができる。

また、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）の間に誘電体（35）を設けて静電容量を形成することで、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）がスナバ回路として機能することとなり、上アーム側及び下アーム側スイッチング素子（15,25）の遮断時に生じるサージ電圧を吸収することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。ゲートに電圧を印加していない状態のスイッチング素子の構造を示す断面図である。ゲートに電圧を印加した状態のスイッチング素子の構造を示す断面図である。スイッチング素子の実装状態を模式的に示す斜視図である。本実施形態の変形例を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。この電力変換装置（10）は、交流電源（11）（例えば商用電源）をコンバータ回路（13）によって整流し、その直流をインバータ回路（14）によって三相交流に変換してモータ（12）に供給するものである。このモータ（12）は、例えば、空気調和機の冷媒回路に設けられる圧縮機を駆動するものである。

なお、本明細書でいう「電力変換装置」とは、本実施形態のようにコンバータ回路（13）とインバータ回路（14）の両方を含んだものの他、例えばインバータ回路（14）のみで構成された装置や、マトリクスコンバータのようないわゆる直接変換型の電力変換装置も含む概念である。

また、以下の説明において、スイッチング素子の上面（あるいは上側）、下面（あるいは下側）とは、スイッチング素子においてヒートスプレッダに面した側を下面といい、その反対側を上面という。

−スイッチング素子−
前記インバータ回路（14）は、上アームを構成する３つの上アーム側スイッチング素子（15）、及び下アームを構成する３つの下アーム側スイッチング素子（25）を備えている。それぞれの上アーム側及び下アーム側スイッチング素子（15,25）が、交流の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に対応している。

前記スイッチング素子（15,25）は、いわゆる双方向スイッチング素子である。このスイッチング素子（15,25）は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたユニポーラ素子であり、具体的には、ＧａＮ（窒化ガリウム）を主材料としたヘテロ接合型電界効果トランジスタ（Heterojunction Field Effect Transistor：ＨＦＥＴ）である。この構成のスイッチング素子（15,25）は、逆導通が可能となっている。

そして、１つのスイッチング素子（15,25）は、１つのベアチップとして形成されている。このベアチップは、その片側面に、ソース（S）、ゲート（G）、及びドレイン（D）がそれぞれ形成された横型構造の素子で構成されている。

具体的に、図２に示すように、スイッチング素子（15,25）は、シリコン基板（16）上に順次積層された、絶縁性を有するバッファ層（17）、ＧａＮ層（18）、及びｎ型のＡｌＧａＮ層（19）を有している。なお、符号（21）は、後述する２次元電子ガス層（21）である。そして、ｎ型のＡｌＧａＮ層（19）に接してソース（S）、ドレイン（D）が左右両端部に形成されている。

前記ソース（S）とドレイン（D）との間には、ｎ型のＡｌＧａＮ層（19）に接してｐ型のゲート（G）が形成されている。これにより、ゲート（G）に接するＡｌＧａＮ層（19）周辺には空乏層（20）が形成される。すなわち、ゲート（G）に電圧が印加されない場合には、空乏層（20）によってソース（S）及びドレイン（D）が相互に絶縁され、ソース（S）とドレイン（D）との間に電流が流れない（ノーマリオフ）、いわゆるエンハンスメント型のトランジスタが構成される。

一方、前記ゲート（G）に電圧を印加した場合には、図３に示すように、空乏層（20）の広がりが抑えられ、後述する２次元電子ガス層（21）を介してソース（S）とドレイン（D）との間に電流が流れるようになっている。

そして、このようなＨＦＥＴ構造のスイッチング素子（15,25）では、ＡｌＧａＮの格子定数がＧａＮより短いことに起因するピエゾ分極効果によって、ＡｌＧａＮ層（19）内に分極電荷が発生する。この分極電荷によって、ＧａＮ層（18）の表面に自由電子が誘起され、ＧａＮ層（18）とＡｌＧａＮ層（19）との界面には、高濃度の２次元電子ガス層（21）（two Dimension Electron Gas：２ＤＥＧ）が生成される。この２次元電子ガス層（21）がスイッチング素子（15,25）の電流経路となる。

なお、前記スイッチング素子（15,25）は、シリコン基板（16）上に、例えば有機金属気相エピタキシ(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ)成長法により、エピタキシャル層構造を成長することで形成される。

−スイッチング素子等の実装−
本実施形態では、インバータ回路（14）は、絶縁基板（図示省略）上に形成され、コンバータ回路（13）や駆動回路（図示省略）とともに、所定のパッケージ（図示省略）に収容されてパワーモジュールを構成している。図４は、スイッチング素子の実装状態を模式的に示す平面図である。

図４に示すように、前記インバータ回路（14）では、スイッチング素子（15,25）は、ヒートスプレッダ（30,40）やダイオード（Di）に対してワイヤ配線（27）によって電気的に接続されている。以下ではこれらの実装について詳述する。

前記上アーム側スイッチング素子（15）を搭載する上アーム側ヒートスプレッダ（30）は、その平面形状が長方形の１枚の板状体で構成されている。上アーム側スイッチング素子（15）は、交流の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に対応して３つ設けられており、これらの上アーム側スイッチング素子（15）は、上アーム側ヒートスプレッダ（30）に長手方向に間隔をあけて搭載されている。すなわち、３つの上アーム側スイッチング素子（15）で１つの上アーム側ヒートスプレッダ（30）を共用している。

前記上アーム側スイッチング素子（15）のソース（S）、ドレイン（D）、ゲート（G）が形成された面が上側となるように、これらが上アーム側ヒートスプレッダ（30）に搭載され、上アーム側ヒートスプレッダ（30）に半田付けされている。そして、上アーム側スイッチング素子（15）のドレイン（D）は、ワイヤ配線（27）によって上アーム側ヒートスプレッダ（30）に電気的に接続されている。

そして、前記上アーム側ヒートスプレッダ（30）は、ワイヤ配線（27）によってコンバータ回路（13）の正側ノード（P）に電気的に接続されている。すなわち、上アーム側スイッチング素子（15）同士は、ドレイン（D）側で電気的に並列接続されることになる。なお、図４では上アーム側スイッチング素子（15）のゲート（G）の図示を省略している。

また、それぞれの上アーム側スイッチング素子（15）の右側には、ダイオード（Di）がそれぞれ配置されている。このダイオード（Di）のカソードは、半田付け等により上アーム側ヒートスプレッダ（30）に接続されている。ダイオード（Di）のアノードは、上アーム側スイッチング素子（15）のソース（S）にワイヤ配線（27）で接続されている。上アーム側スイッチング素子（15）のソース（S）は、ダイオード（Di）のアノードの他にも、後述する下アーム側スイッチング素子（25）のドレイン（D）にワイヤ配線（27）で接続されている。

前記下アーム側スイッチング素子（25）を搭載する下アーム側ヒートスプレッダ（40）も同様に、その平面形状が長方形の１枚の板状体で構成されている。下アーム側ヒートスプレッダ（40）は、上アーム側ヒートスプレッダ（30）に対して平行となるように並んで配置されている。下アーム側スイッチング素子（25）は、交流の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に対応して３つ設けられており、これらの下アーム側スイッチング素子（25）は、下アーム側ヒートスプレッダ（40）に長手方向に間隔をあけて搭載されている。すなわち、３つの下アーム側スイッチング素子（25）で１つの下アーム側ヒートスプレッダ（40）を共用している。

前記下アーム側スイッチング素子（25）のソース（S）、ドレイン（D）、ゲート（G）が形成された面が上側となるように、これらが下アーム側ヒートスプレッダ（40）に搭載され、下アーム側ヒートスプレッダ（40）に半田付けされている。そして、下アーム側スイッチング素子（25）のソース（S）は、ワイヤ配線（27）によって下アーム側ヒートスプレッダ（40）に電気的に接続されている。

そして、前記下アーム側ヒートスプレッダ（40）は、ワイヤ配線（27）によってコンバータ回路（13）の負側ノード（N）に電気的に接続されている。すなわち、下アーム側スイッチング素子（25）同士は、ソース（S）側で電気的に並列接続されることになる。なお、図４では下アーム側スイッチング素子（25）のゲート（G）の図示を省略している。

また、それぞれの下アーム側スイッチング素子（25）の右側には、ダイオード（Di）がそれぞれ配置されている。このダイオード（Di）のアノードは、半田付け等により下アーム側ヒートスプレッダ（40）に接続されている。ダイオード（Di）のカソードは、下アーム側スイッチング素子（25）のドレイン（D）にワイヤ配線（27）で接続されている。下アーム側スイッチング素子（25）のドレイン（D）は、ダイオード（Di）のカソードの他にも、上述した上アーム側スイッチング素子（15）のソース（S）と、モータ（12）の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に対応するリードフレーム（28）とにそれぞれワイヤ配線（27）で接続されている。

なお、前記ダイオード（Di）は、上アーム側及び下アーム側スイッチング素子（15,25）が還流動作可能な構成であれば、特に設けなくても構わない。

ここで、前記上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）をそれぞれ流れる電流の導電方向は、互いに逆向きとなっている。具体的に、図４に示す例では、正側ノード（P）からモータ（12）のＵ相に電流を供給するための左側の上アーム側スイッチング素子（15）のゲート（G）と、モータ（12）のＶ相から負側ノード（N）に電流を引き込むための中央の下アーム側スイッチング素子（25）のゲート（G）とにそれぞれ電圧が印加され、上アーム側及び下アーム側スイッチング素子（15,25）に電流が流れるようになっている。

前記交流電源（11）は、コンバータ回路（13）によって整流され、その直流電流がコンバータ回路（13）の正側ノード（P）から上アーム側ヒートスプレッダ（30）を左向きに流れる。上アーム側ヒートスプレッダ（30）を流れる電流は、左側の上アーム側スイッチング素子（15）からモータ（12）のＵ相に供給される。

その後、前記モータ（12）のＶ相から中央の下アーム側スイッチング素子（25）に向かって電流が引き込まれる。下アーム側スイッチング素子（25）を流れる電流は、下アーム側ヒートスプレッダ（40）を右向きに流れる。下アーム側ヒートスプレッダ（40）を流れる電流は、コンバータ回路（13）の負側ノード（N）に供給される。

このように、前記上アーム側ヒートスプレッダ（30）では電流が左向きに流れる一方、下アーム側ヒートスプレッダ（40）では電流が右向きに流れる。すなわち、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）をそれぞれ流れる電流の導電方向は、互いに逆向きとなっている。そのため、上アーム側ヒートスプレッダ（30）を電流が流れる区間と、下アーム側ヒートスプレッダ（40）を電流が流れる区間とがオーバーラップしている区間において、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）間の相互インダクタンスが増大する。これにより、合成インダクタンスを低減することができ、サージ電圧の発生を抑えることができる。その結果、パワーモジュールの破壊やノイズ増大といった問題が解消されて、製品の信頼性を確保することができる。

また、前記上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）は、互いに近接させた状態で平行に配置されているから、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）の間には、静電容量が形成される。そのため、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）がコンデンサを構成することとなり、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）がスナバ回路として機能する。これにより、上アーム側及び下アーム側スイッチング素子（15,25）の遮断時に生じるサージ電圧を吸収することができる。

《実施形態の変形例》
図５は、本実施形態の変形例を説明する図である。本変形例では、図５に示すように、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）の間には、誘電体（35）が設けられている。このような構成とすれば、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）間の誘電体（35）により、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）がコンデンサを構成することとなり、上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）がスナバ回路として機能する。これにより、上アーム側及び下アーム側スイッチング素子（15,25）の遮断時に生じるサージ電圧を吸収することができる。

本発明は、直流電力から交流電力への変換、交流電力から直流電力への変換、或いは交流電力から交流電力への直接変換を行う電力変換装置として有用である。

10 電力変換装置
14 インバータ回路
15 上アーム側スイッチング素子
25 下アーム側スイッチング素子
30 上アーム側ヒートスプレッダ
35 誘電体
40 下アーム側ヒートスプレッダ
S ソース
G ゲート
D ドレイン

Claims

インバータ回路（14）の上アームを構成する複数の上アーム側スイッチング素子（15）と、該インバータ回路（14）の下アームを構成する複数の下アーム側スイッチング素子（25）とを備えた電力変換装置であって、
前記複数の上アーム側スイッチング素子（15）を搭載する上アーム側ヒートスプレッダ（30）と、
前記複数の下アーム側スイッチング素子（25）を搭載する下アーム側ヒートスプレッダ（40）とを備え、
前記上アーム側及び下アーム側スイッチング素子（15,25）は、その片側面にソース（S）、ゲート（G）、及びドレイン（D）が並設された横型構造の素子で構成され、
前記上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）は、互いに平行に配置されるとともに、該上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）をそれぞれ流れる電流の導電方向が互いに逆向きとなるように構成されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、
前記上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）の間には、静電容量が形成されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は２において、
前記上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）の間には、誘電体（35）が設けられていることを特徴とする電力変換装置。