JP2018139460A - 電力変換装置および制御線の配線構造 - Google Patents

Abstract

【課題】並列接続されたパワー半導体素子の電流が均等に分担された電力変換装置および制御線の配線構造を提供する。
【解決手段】電力変換装置は、第１スイッチング素子と、並列に接続された第２スイッチング素子と、第１方向に延伸し第１スイッチング素子の第１制御端子に接続された第１制御線４２ａと、第１方向に延伸し第１スイッチング素子への制御信号のリターンのための第１リターン線４３ａと、第１制御線と第１リターン線との間に設けられた第１絶縁板４１ａと、第１制御線に平行して第１方向に延伸し第２制御端子に接続された第２制御線４２ｂと、を備える。第１制御線は、第１長さと、第２方向に沿った第１断面積と、を有する。第２制御線は、第２長さと、第２方向に沿った第２断面積と、を有する。第１長さが第２長さよりも長く、第１断面積は、前記第２断面積よりも大きい。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置および制御線の配線構造に関する。

各種用途のインバータ装置等の電力変換装置は、高効率および高信頼性であるとともに、より小形であることが期待されている。これらを実現するため、電力変換装置のキー部品であるパワー半導体素子を効率良く使用する必要がある。

電力変換装置の出力容量が大きい場合には、パワー半導体素子は、直列もしくは並列接続で使用されることがある。並列接続されたパワー半導体素子間の電流分担が不均等になる場合には、最も分担の大きい素子の通電条件を基準にして、装置を設計することとなる。そのため、他の素子は通電能力に対して過剰なマージンを持たせて使用することになり、電力変換装置の大きさやコスト等が必要以上に増大する。そのため、パワー半導体素子が並列接続で使用される場合には、並列接続されたパワー半導体素子間の電流分担はできる限り均等であることが望ましい。

並列電流分担の均等化について、素子導通（オン）時には、オン電圧等の素子の特性差を小さくする必要がある。また、スイッチング時の電流分担均等化には、たとえば、ゲート駆動信号の供給を担う配線の寄生インダクタンス値を均等にする必要がある。並列接続された素子に対するそれぞれの配線の寄生インダクタンス値を均等にすることによって、パワー半導体素子を駆動する波形をほぼ同一にすることができる。そのため、それぞれのパワー半導体素子は、ほぼ同時にスイッチングすることができ、過渡的な電流分担も均等にすることができる。

パワー半導体素子の配置や配線の引き回しを工夫することによって、配線の寄生インダクタンス値を均等にする場合が多い。しかしながら、素子の配置や配線の引き回し等は、熱設計や他の部品の配置等の別の要因によって制約されることも多い。

特開２０１５−１９８５４５号公報

実施形態の目的は、並列接続されたパワー半導体素子の電流が均等に分担された電力変換装置および制御線の配線構造を提供することである。

実施形態に係る電力変換装置は、第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子に並列に接続された第２スイッチング素子と、第１方向に延伸し、前記第１スイッチング素子の第１制御端子に接続された第１制御線と、前記第１方向に延伸し、前記第１スイッチング素子への制御信号のリターンのための第１リターン線と、前記第１制御線と前記第１リターン線との間に設けられた第１絶縁板と、前記第１制御線に平行して前記第１方向に延伸し、前記第１絶縁板上に設けられ、前記第２スイッチング素子の制御端子である第２制御端子に接続された第２制御線と、を備える。前記第１制御線は、前記第１方向の長さである第１長さと、前記第１方向と交差する第２方向に沿った第１断面積と、を有する。前記第２制御線は、前記第１方向の長さである第２長さと、前記第２方向に沿った第２断面積と、を有する。前記第１長さが前記第２長さよりも長い場合には、前記第１断面積は、前記第２断面積よりも大きい。

図１（ａ）は、第１の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の一部を例示するブロック図である。 第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示する斜視図である。 図３（ａ）は、第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示する斜視図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の分解組立図である。 図４（ａ）は、比較例の電力変換装置の一部を例示する斜視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の分解組立図である。 図５（ａ）は、第２の実施形態の電力変換装置の一部を例示する斜視図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の分解組立図である。 図６（ａ）は、第３の実施形態の電力変換装置の一部を例示する斜視図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の分解組立図である。 図６（ａ）のＡＡ線における矢視断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の一部を例示するブロック図である。
図２は、本実施形態の電力変換装置の一部を例示する斜視図である。
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１０は、電力変換器２０と、制御装置５０と、を備える。電力変換装置１０は、交流端子２１ａ，２１ｂ，２１ｃを介して交流系統１に連系される。この例のように、交流系統１と電力変換装置１０との間に変圧器２を設けてもよい。電力変換装置１０は、直流端子２１ｄ，２１ｅを介して直流系統３に連系される。たとえば、電力変換装置１０は、交流系統１と直流系統３との間を相互に電力変換する。あるいは、電力変換装置１０は、交流系統１から直流系統３に電力変換する。電力変換装置１０は、直流系統３から交流系統１への電力変換をするようにしてもよい。

交流系統１は、たとえば三相または単相の５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの電源、負荷および交流送電線を含む。直流系統３は、直流電力を供給する電力系統であり、直流送電線等を含む。交流系統１は、上述に限らず、三相または単相の商用電源であってもよいし、風力発電機のような交流発電による交流電力であってもよい。また、直流側については、上述に限らず、その他の直流負荷でもよいし、蓄電池等の直流電源であってもよい。

以下では、上述のような交流電力と直流電力との間で電力変換する交直電力変換装置について説明するが、以下のすべての実施形態は、交直電力変換装置に限らず、交流−交流間の電力変換を行う装置や、直流−直流間の電力変換を行う装置等にも適応することができる。

電力変換器２０は、この例では三相２レベルインバータ回路２２を含む。電力変換器２０は、自己消弧型のスイッチングデバイスによる電力変換回路を含んでいればよく、三相２レベルインバータ回路に限らず、他の回路形式を含んでいてもよい。自己消弧型のスイッチングデバイスは、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等である。

三相２レベルインバータ回路２２は、スイッチングデバイスとしてパワーモジュール３０を含む。パワーモジュール３０は、ゲート駆動回路２４によって生成された駆動信号によってオンオフする。

ゲート駆動回路２４は、制御装置５０によって生成されたゲート信号にもとづいて、パワーモジュール３０を駆動する。制御装置５０は、電力変換器２０に入出力される直流電圧や交流電流等を検出して、これらにもとづいて、電力変換器２０が所望の交流電力や直流電力を出力等できるように電力変換器２０を制御する。ゲート駆動回路２４は、たとえばパワーモジュール３０とは異なる場所に設置された制御基板上に設けられる。

図１（ｂ）に示すように、パワーモジュール３０は、２以上のスイッチング素子３２を含む。これら２以上のスイッチング素子３２は、所望の電流容量を確保するため、それぞれの主端子によって並列接続されている。パワーモジュール３０は、高電位側の主端子（たとえばコレクタ端子）３１ａと、低電位側の主端子（たとえばエミッタ端子）３１ｂとを含む。各スイッチング素子３２の制御端子３１ｃは、外部回路によって接続できるように、スイッチング素子３２ごとに設けられている。

パワーモジュール３０には、ゲート駆動信号のリターン用に制御リターン端子３１ｄがスイッチング素子３２ａ，３２ｂごとに設けられている。好ましくは、制御リターン端子３１ｄは、各制御端子３１ｃに近接するように設けられている。

図２にも示すように、この例では、パワーモジュール３０は、２つのスイッチング素子３２ａ，３２ｂを含んでいる。各スイッチング素子３２は、絶縁性のパッケージに封入されており、外部の露出された端子によって並列に接続される。

ゲート駆動回路２４は、パワーモジュール３０から離隔して設けられている。ゲート駆動回路２４と、パワーモジュール３０の制御端子３１ｃとの間ではゲート配線３３によって電気的に接続されている。ゲート駆動回路２４とパワーモジュール３０の制御リターン端子３１ｄとの間では、リターン配線３４によって電気的に接続されている。以下では、ゲート配線３３およびリターン配線３４を含めて、ゲート配線構造３５ということがある。後述するように、ゲート配線構造３５には、ゲート配線３３やリターン配線３４を設けるために絶縁性の基板が用いられる。

図２に示すように、スイッチング素子３２ａは、ゲート駆動回路２４により近い位置に配置され、スイッチング素子３２ｂは、ゲート駆動回路２４からより離れた位置に配置されている。つまり、スイッチング素子３２ａとゲート駆動回路２４との間のゲート配線構造の長さは、スイッチング素子３２ｂとゲート駆動回路２４とのゲート配線構造の長さよりも短い。

絶縁基板上の配線パターンは、均一な厚さで形成されているので、配線パターンの寄生インダクタンスは、配線パターンの長さに応じて変化する。たとえば、寄生インダクタンスのうち自己インダクタンスは、配線パターンが長いほど大きな値となる。配線パターンの寄生インダクタンスは、配線パターンの断面積や形状に応じて変化する。たとえば、自己インダクタンスは、配線構造の断面積が大きいほど小さくなる。また、配線パターンの形状が扁平である場合の方が、同一の断面積であっても自己インダクタンスをより小さくすることができる。

寄生インダクタンスには、他の配線パターンの磁束によって生成される相互インダクタンスも存在する。たとえば、逆方向に電流が流れる配線パターンを近接させた場合には、負の相互インダクタンスを発生し、自己インダクタンスを含めたトータルの寄生インダクタンスの値を低下させる。相互インダクタンスの絶対値は、配線パターン間の材質が一様である場合には、配線パターン間の距離が短いほど大きくなる。

本実施形態の電力変換装置１０では、配線パターンの長さに応じて、ゲート配線３３およびリターン配線３４の自己インダクタンスおよび相互インダクタンスを調整する。これによって、トータルの寄生インダクタンスの値を並列接続されたスイッチング素子３２ａ，３２ｂごとにほぼ等しくする。各スイッチング素子３２ａ，３２ｂのゲート配線構造３５の寄生インダクタンスをそれぞれほぼ等しくすることによって、並列に接続された各スイッチング素子３２のスイッチング速度をほぼ一致させることができる。並列動作においてスイッチング速度をほぼ一致させることによって、特定のスイッチング素子３２へのストレスを低減し、電力変換装置１０の安全な動作を実現する。

図３（ａ）は、第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示する斜視図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の分解組立図である。
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、ゲート配線ユニット４０は、絶縁板４１ａ，４１ｂ，４１ｃと、ゲートパターン４２ａ，４２ｂと、エミッタパターン４３ａ，４３ｂと、を備える。絶縁板４１ａ，４１ｂ，４１ｃ、ゲートパターン４２ａ，４２ｂおよびエミッタパターン４３ａ，４３ｂは、積層されて、ゲート配線構造をなしている。ゲート配線ユニット４０は、ゲートパターン４２ｂ、絶縁板４１ｂ、エミッタパターン４３ｂ、絶縁板４１ｃ、エミッタパターン４３ａ、絶縁板４１ａおよびゲートパターン４２ａの順に積層されている。以下の説明では、Ｘ軸をゲート配線ユニット４０が延伸する方向とし、Ｘ軸に直交するＹ軸をゲート配線ユニット４０の幅方向とし、Ｚ軸をゲート配線ユニットの厚さ方向（各層の積層方向）とする。なお、ゲートパターンは、上述のゲート配線３３に対応し、エミッタパターンは、上述のリターン配線３４に対応する。

絶縁板４１ａ，４１ｂ，４１ｃは、Ｘ軸方向に延伸して設けられている。絶縁板４１ａ，４１ｂ，４１ｃは、Ｘ軸方向に長手（長さ）方向、Ｙ軸方向を短手（幅）方向とするほぼ長方形の板である。絶縁板４１ｂ，４１ｃは、ほぼ同じ長さを有する。絶縁板４１ａの長さは、絶縁板４１ｂ，４１ｃの長さよりも短い。絶縁板４１ａの長さは、たとえば絶縁板４１ｂ，４１ｃの長さのほぼ１／２である。

絶縁板４１ａの一方の面には、Ｘ軸方向に沿ってゲートパターン４２ａが直線状に形成されている。ゲートパターン４２ａは、絶縁板４１ａと同程度の長さを有する。絶縁板４１ａの他方の面には、Ｘ軸方向に沿ってエミッタパターン４３ａが直線状に形成されている。エミッタパターン４３ａは、ゲートパターン４２ａとほぼ同じ長さを有する。

ゲートパターン４２ａおよびエミッタパターン４３ａは、絶縁板４１ａを介して対向するように設けられている。ゲートパターン４２ａおよびエミッタパターン４３ａは、絶縁板４１ａによって電気的に絶縁されているが、ゲートパターン４２ａおよびエミッタパターン４３ａにそれぞれ流れる電流で生じる磁束によって磁気的に結合する。

絶縁板４１ｂの一方の面には、Ｘ軸方向に沿ってゲートパターン４２ｂが直線状に形成されている。ゲートパターン４２ｂは、絶縁板４１ｂとほぼ同じ長さを有する。絶縁板４１ｂの他方の面には、Ｘ軸方向に沿ってエミッタパターン４３ｂが直線状に形成されている。エミッタパターン４３ｂは、絶縁板４１ｂおよびゲートパターン４２ｂとほぼ同じ長さを有する。

ゲートパターン４２ｂおよびエミッタパターン４３ｂは、絶縁板４１ｂを介して対向するように設けられている。ゲートパターン４２ｂおよびエミッタパターン４３ｂは、絶縁板４１ｂによって電気的に絶縁されているが、ゲートパターン４２ｂおよびエミッタパターン４３ｂにそれぞれ流れる電流で生じる磁束によって磁気的に結合する。

ゲートパターン４２ａ、絶縁板４１ａおよびエミッタパターン４３ａは、１つのゲート配線構造３５ａを形成する。このゲート配線構造３５ａは、ゲート駆動回路２４からより近い位置にあるスイッチング素子３２ａのゲート端子およびゲートリターン（エミッタ）端子を、ゲート駆動回路２４に電気的に接続する。

ゲートパターン４２ｂ、絶縁板４１ｂおよびエミッタパターン４３ｂは、他の１つのゲート配線構造３５ｂを形成する。このゲート配線構造３５ｂは、ゲート駆動回路２４からより離れた位置にあるスイッチング素子３２ｂのゲート端子およびゲートリターン（エミッタ）端子を、ゲート駆動回路２４に電気的に接続する。

ゲートパターン４２ａ，４２ｂおよびエミッタパターン４３ａ，４３ｂは、ほぼ同じ厚さを有する。絶縁板４１ａ，４１ｂは、いずれも同じ厚さを有する。絶縁板４１ｃは、任意の厚さでよく、たとえば絶縁板４１ａ，４１ｂと同じ厚さを有する。

長さが短い方のゲートパターン４２ａの幅は、長さが長い方のゲートパターン４２ｂの幅よりも狭く設定されている。長さが短い方のゲートパターン４２ａの幅は、たとえば長さが長い方のゲートパターン４２ｂの幅のほぼ１／２に設定される。

ゲート配線構造３５ａは、絶縁板４１ｃの一方の面に設けられている。ゲート配線構造３５ｂは、絶縁板４１ｃの他方の面に設けられている。たとえばこの例では、ゲート配線構造３５ａ，３５ｂは、絶縁板４１ｃを介して対向するように設けられている。

ゲートパターン４２ａ，４２ｂおよびエミッタパターン４３ａ，４３ｂのそれぞれの一端は、ゲート駆動回路２４に接続されており、この端部ほぼ同じ位置にある。

ゲートパターン４２ａおよびエミッタパターン４３ａの他端は、ゲート駆動回路２４により近い位置のスイッチング素子３２の制御端子等に接続されている。

ゲートパターン４２ｂおよびエミッタパターン４３ｂの他端は、ゲート駆動回路２４からより離れた位置のスイッチング素子３２の制御端子等に接続されている。

つまり、パワーモジュール３０は、Ｘ軸方向に沿って、スイッチング素子３２ａ，３２ｂを配置しており、ゲート駆動回路２４と２つのスイッチング素子３２ａ，３２ｂとの間の距離はそれぞれ異なる。そのため、ゲート配線の長さも相違し、同じ配線幅で接続した場合には、寄生インダクタンスの相違から、駆動波形に相違が生じ、並列に接続されたスイッチング素子３２ａ，３２ｂのスイッチング速度が異なるおそれがある。並列動作させているスイッチング素子３２のスイッチング速度が異なる場合には、たとえば一方のスイッチング素子に過大な電流が流れ、不具合に至るおそれがある。そのような不具合とならないためには、大きな電流が流れる方のスイッチング素子の電流容量にすべてのスイッチング素子の電流容量を合わせて設定する必要がある。

本実施形態の電力変換装置１０では、ゲート駆動回路２４とスイッチング素子３２との間の距離に応じて、ゲート配線構造３５ａ，３５ｂにおける寄生インダクタンスの値がほぼ等しくなるように、パターンの長さおよび幅が設定されている。

上述したように、ゲート駆動回路２４により近い位置に設けられたスイッチング素子３２ａを駆動するためにゲート配線構造３５ａは、ゲートパターン４２ａおよびエミッタパターン４３ａの幅をそれぞれより狭くなるように設定されている。具体的には、ゲート駆動回路２４からより離れた位置に設けられたスイッチング素子３２に接続されたゲートパターン４２ｂおよびエミッタパターン４３ｂの幅のほぼ１／２に設定されている。

配線の寄生インダクタンスのうち自己インダクタンス分を小さくするには、配線の断面を扁平な形状とすることが好ましい。断面の形状が扁平であるとは、幅が広くかつ厚さが小さい、配線パターンとすることである。

また、通電の向きが互いに逆向きとなる二本の配線について、電気絶縁を維持しつつ、互いに近接して配置させることで、磁束の打消し効果による負の相互インダクタンスを発生させている。負の相互インダクタンスは、自己インダクタンスの一部を相殺する効果があると考えることができる。

本実施形態の電力変換装置１０では、幅広で薄い断面形状の二本の導体を、薄い絶縁板を介して積層することによって、相互インダクタンスを含むトータルの寄生インダクタンスを効果的に小さくする。そして、長さに応じて、配線の幅を調整することによって、自己インダクタンスをほぼ同じにして、並列に接続されたスイッチング素子の制御端子に印加される駆動波形をそろえて、スイッチング素子のスイッチング速度をほぼ等しくする。その結果、電流が均等に分担されるので、パワーモジュール３０を安全に動作させることができる。また、スイッチング素子３２を容易に並列接続することができるので、安全性を維持しつつ、装置の大電流化や大電力化を実現することができる。

本実施形態の電力変換装置１０の効果について、比較例の電力変換装置と比較しつつ説明する。
図４（ａ）は、比較例の電力変換装置の一部を例示する斜視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の分解組立図である。
図４（ａ）および図４（ｂ）には、比較例のゲート配線ユニット１４０が示されている。ゲート配線ユニット１４０は、上述した実施形態の場合と、短い方のゲートパターンの幅が相違する。比較例のゲート配線ユニット１４０では、ゲートパターン１４２とエミッタパターン１４３とを有し、ゲートパターン１４２とエミッタパターン１４３との間に絶縁板１４１が設けられている。ゲートパターン１４２およびエミッタパターン１４３は、スイッチング素子の位置にかかわらず共通である。ゲート配線ユニット１４０は、ゲートパターン１４２およびエミッタパターン１４３の途中に、より距離が近い方のスイッチング素子に接続するための接続部を有している。したがって、ゲートパターン１４２およびエミッタパターン１４３の幅はスイッチング素子の位置にかかわらずほぼ等しく設定されている。

以下では、ゲートパターンおよびエミッタパターンの長さは、１９９ｍｍの場合で、近い方のスイッチング素子とゲート駆動回路との距離は、１０５ｍｍとしたときのトータルの寄生インダクタンスを計算（シミュレーション）によって求めた値である。ゲートパターンおよびエミッタパターンの幅は、各々１０ｍｍ、ゲートパターンおよびエミッタパターンの厚さは、各々０．１ｍｍ、絶縁板の厚さは０．５ｍｍにそれぞれ設定されている。

短い方のゲート配線構造の場合：８．４ｎＨ
長い方のゲート配線構造の場合：１４．０ｎＨ

本実施形態のゲート配線ユニット４０の場合に、短い方のゲート配線構造３５ａのゲートパターンおよびエミッタパターンの幅を、長い方のゲート配線構造３５ｂのゲートパターンおよびエミッタパターンの幅の１／２、すなわち５ｍｍにしたときには以下のようになる。なお、長さが短い方のゲートパターン４２ａおよびエミッタパターンの長さは、１０５ｍｍに設定し、長さが長い方のゲートパターン４２ｂおよびエミッタパターンの長さは、１９９ｍｍである。ゲートパターン４２ａ，４２ｂおよびエミッタパターン４３ａ，４３ｂの厚さならびに絶縁板の厚さは、比較例の場合と同一である。

短い方のゲート配線構造の場合：１３．９ｎＨ
長い方のゲート配線構造の場合：１３．８ｎＨ

このように、本実施形態の電力変換装置１０では、配線パターンの長さに応じて、配線パターンの幅を設定するので、ゲート駆動回路２４からの距離によらず、寄生インダクタンスの値をほぼ等しくすることができる。そのため、並列駆動するスイッチング素子３２のゲート駆動波形をそろえることができ、スイッチング素子３２で分担する電流をほぼ均等にすることができる。

本実施形態の電力変換装置１０では、ゲートパターンおよびエミッタパターンは、絶縁板をはさんで対向配置されている。そのため、相互インダクタンスによってトータルの寄生インダクタンス値の増大を抑制することができ、並列接続されたスイッチング素子３２を高速にスイッチングさせることができる。スイッチング素子３２のスイッチング損失の増大を抑制することができるので、スイッチング素子３２の温度上昇を抑えることができ、したがってパワーモジュール３０を安全に利用することができる。

上述の例では、ゲート配線ユニット４０は、たとえば多層配線を有する積層基板を用いることによって実現することができる。多層配線の積層基板を用いることによって、配線スペースを削減して、装置の小型化に貢献することができる。

多層基板のようなプリント基板等を用いてゲート配線ユニット４０を実現する場合には、製造上の便宜のために、上述のように、ゲートパターンおよびエミッタパターンの厚さを一定とすることが好ましい。また、厚さを一定とし幅を広くする扁平形状とすることによって、自己インダクタンス値を抑制することもできる。なお、ゲートパターンおよびエミッタパターンの厚さを調整して寄生インダクタンスの値を調整するようにしてももちろんかまわない。

（第２の実施形態）
図５（ａ）は、第２の実施形態の電力変換装置の一部を例示する斜視図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の分解組立図である。
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、本実施形態の電力変換装置のゲート配線ユニット２４０は、上述の実施形態の場合のエミッタパターンを共通にして、積層数を削減している。同一の構成要素には同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。

ゲート配線ユニット２４０は、絶縁板４１ａ，４１ｂと、ゲートパターン４２ａ，４２ｂと、エミッタパターン４３ｂと、を備える。絶縁板４１ｂは、ゲートパターン４２ｂとエミッタパターン４３ｂとの間に設けられている。絶縁板４１ａは、ゲートパターン４２ａとエミッタパターン４３ｂとの間に設けられている。本実施形態のゲート配線ユニット２４０では、第１の実施形態のゲート配線ユニット４０における基板４１ｃおよびエミッタパターン４３ａ，４３ｂを１つのエミッタパターン４３ｂに統合した。

本実施形態の電力変換装置のゲート配線ユニット２４０においても、上述した他の実施形態の場合と同程度の寄生インダクタンスの値を得ることができる。

上述の他の実施形態の基板４１ｃおよびエミッタパターン４３ａ，４３ｂを１つのエミッタパターン４３ｂに統合することによって、基板および配線の積層数を削減することができ、製造コストの削減に寄与することができる。

本実施形態では、多層配線を有する積層基板によってゲート配線ユニット２４０を実現する場合について説明したが、フレキシブルプリント基板を含む両面基板を用いるようにしてもよい。たとえば、２つのゲートパターンを絶縁板（基板）の一方の面に形成することによって、両面基板にゲートパターンおよびエミッタパターンをそれぞれ対向配置することができる。両面基板を用いてゲートパターンを同一面に形成することによって、３以上のゲート配線構造を有するゲート配線ユニットを容易に実現することができる。

（第３の実施形態）
上述の実施形態では、配線パターンの幅を変えることによって、主として自己インダクタンス値を調整して、トータルの寄生インダクタンスの値をそろえた。以下の実施形態では、往復する電流が流れる配線パターンを近接させて、相互インダクタンス値を調整することによってトータルの寄生インダクタンスの値をそろえる。同一の構成要素には同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。

図６（ａ）は、第３の実施形態の電力変換装置の一部を例示する斜視図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の分解組立図である。
図７は、図６（ａ）のＡＡ線における矢視断面図である。
図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、ゲート配線ユニット３４０は、絶縁板３４１ａ，４１ｂと、ゲートパターン３４２ａ，４２ｂと、エミッタパターン４３ｂと、を備える。絶縁板４１ｂは、ゲートパターン４２ｂとエミッタパターン４３ｂとの間に設けられている。絶縁板３４１ａは、ゲートパターン３４２ａとエミッタパターン４３ｂとの間に設けられている。

ゲートパターン３４２ａは、エミッタパターン４３ｂとほぼ同じ幅を有する。ゲートパターン３４２ａの長さは、ゲートパターン４２ｂおよびエミッタパターン４３ｂの長さのほぼ１／２に等しい。

図７には、ゲート配線ユニット３４０の全体の断面図とともに、二点鎖線円内の拡大も示されている。図７に示すように、絶縁板３４１ａの厚さは、絶縁板４１ｂのほぼ２倍の厚さを有する。絶縁板３４１ａによって、ゲートパターン３４２ａとエミッタパターン４３ｂとの間の積層方向の距離は、ゲートパターン４２ｂとエミッタパターン４３ｂとの間の積層方向の距離のほぼ２倍になる。そのため、短い方のゲート配線構造における相互インダクタンスの絶対値は、長い方のゲート配線構造における相互インダクタンスの絶対値よりも小さくなる。したがって、トータルの寄生インダクタンスは、ゲート配線構造によらずほぼ等しくすることができる。

比較例（図４）の場合のトータルの寄生インダクタンス値を再掲すると次のようになる。

短い方のゲート配線構造の場合：８．４ｎＨ
長い方のゲート配線構造の場合：１４．０ｎＨ

一方、本実施形態の場合のトータルの寄生インダクタンス値の計算結果は次のようになる。絶縁板３４１ａの厚さは、１．０ｍｍとし、幅については、比較例の場合と同一である。

短い方のゲート配線構造の場合：１３．５ｎＨ
長い方のゲート配線構造の場合：１４．０ｎＨ

このように、配線パターンの幅によらず、往復する電流が流れるパターン間の距離を調整することによって相互インダクタンス値を調整して、トータルの寄生インダクタンス値をそろえることができる。配線パターンによるトータルの寄生インダクタンス値をほぼ同一とすることによって、並列動作させるスイッチング素子３２ａ，３２ｂの駆動波形をそろえて、スイッチング速度をほぼ一致させることができるので、電流の分担を均等にすることができる。

上述では、複数のスイッチング素子およびゲート駆動回路が直線状に配置され、ゲートパターン等も直線状の構成について説明をしたが、距離の異なるゲート配線の形状について配線パターンの幅や往復の配線の結合度を調整することによって、寄生インダクタンス値を一致させることができれば、配線パターンが途中で屈曲したり、分岐したり等してももちろんかまわない。

以上説明した実施形態によれば、並列接続されたパワー半導体素子の電流が均等に分担された電力変換装置および制御線の配線構造を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 交流系統、２ 変圧器、１０ 電力変換装置、２０ 電力変換器、２２ 三相２レベルインバータ回路、２４ ゲート駆動回路、３０ パワーモジュール、３２，３２ａ，３２ｂ スイッチング素子、３３ ゲート配線、３４ リターン配線、３５，３５ａ，３５ｂ ゲート配線構造、４０，１４０，２４０，３４０ ゲート配線ユニット、４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，１４１，３４１ａ 絶縁板、４２ａ，４２ｂ，１４２，３４２ａ ゲートパターン、４３ａ，４３ｂ，１４３ エミッタパターン、５０ 制御装置

Claims (5)

1. 第１スイッチング素子と、
   前記第１スイッチング素子に並列に接続された第２スイッチング素子と、
   第１方向に延伸し、前記第１スイッチング素子の第１制御端子に接続された第１制御線と、
   前記第１方向に延伸し、前記第１スイッチング素子への制御信号のリターンのための第１リターン線と、
   前記第１制御線と前記第１リターン線との間に設けられた第１絶縁板と、
   前記第１制御線に平行して前記第１方向に延伸し、前記第１絶縁板上に設けられ、前記第２スイッチング素子の制御端子である第２制御端子に接続された第２制御線と、
   を備え、
   前記第１制御線は、前記第１方向の長さである第１長さと、前記第１方向と交差する第２方向に沿った第１断面積と、を有し、
   前記第２制御線は、前記第１方向の長さである第２長さと、前記第２方向に沿った第２断面積と、を有し、
   前記第１長さが前記第２長さよりも長い場合には、前記第１断面積は、前記第２断面積よりも大きい電力変換装置。
2. 前記第２制御線は、前記第１制御線が設けられた前記第１絶縁板の側とは反対側に設けられ、
   前記第１リターン線と前記第２制御線との間に設けられた第２絶縁板をさらに備えた請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記第１リターン線と前記第２絶縁板との間に設けられた第３絶縁板と、
   前記第３絶縁板と前記第２絶縁板との間に設けられた第２リターン線と、
   をさらに備えた請求項２記載の電力変換装置。
4. 第１スイッチング素子と、
   前記第１スイッチング素子に並列に接続された第２スイッチング素子と、
   第１方向に延伸し、前記第１スイッチング素子の第１制御端子に接続された第１制御線と、
   前記第１方向に延伸し、前記第１スイッチング素子への制御信号のリターンのための第１リターン線と、
   前記第１制御線と前記第１リターン線との間に設けられた第１絶縁板と、
   前記第１制御線に平行して前記第１方向に延伸し、前記第１絶縁板上に設けられ、前記第２スイッチング素子の制御端子である第２制御端子に接続された第２制御線と、
   を備え、
   前記第１制御線は、前記第１方向の長さである第１長さを有し、
   前記第２制御線は、前記第１方向の長さである第２長さを有し、
   前記第１長さが前記第２長さよりも長い場合には、前記第１制御線と前記第１リターン配線との間の間隔は、前記第２制御線と前記第１リターン線との間の間隔よりも狭い電力変換装置。
5. 第１方向に延伸し、第１スイッチング素子の第１制御端子に接続された第１制御線と、
   前記第１方向に延伸し、前記第１スイッチング素子への制御信号のリターンのための第１リターン線と、
   前記第１制御線と前記第１リターン線との間に設けられた第１絶縁板と、
   前記第１制御線に平行して前記第１方向に延伸し、前記第１絶縁板上に設けられ、前記第１スイッチング素子に並列に接続された第２スイッチング素子の制御端子である第２制御端子に接続された第２制御線と、
   を備え、
   前記第１制御線は、前記第１方向の長さである第１長さと、前記第１方向と交差する第２方向に沿った第１断面積と、を有し、
   前記第２制御線は、前記第１方向の長さである第２長さと、前記第２方向に沿った第２断面積と、を有し、
   前記第１長さが前記第２長さよりも長い場合には、前記第１断面積は、前記第２断面積よりも大きい制御線の配線構造。
   

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