JP5440335B2

JP5440335B2 - パワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置

Info

Publication number: JP5440335B2
Application number: JP2010087469A
Authority: JP
Inventors: 聡毅滝沢
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2030-04-06
Also published as: US20110242866A1; US9130476B2; JP2011223664A; CN102214984B; CN102214984A; DE102011005185A1; DE102011005185B4

Description

本発明は、３レベル以上の多レベル（マルチレベルとも言う）の電力変換装置に適用するパワー半導体モジュールとそれを適用した電力変換装置に関する。

図１６に、直流から交流に変換する電力変換回路である３レベルインバータの回路例を示す。Ｃ１、Ｃ２が直列に接続された直流電源（大容量コンデンサでも代用）で、正側電位をＣｐ、負側電位をＣｎ、中点電位をＣｍ（Ｃｍ１、Ｃｍ２）としている。一般に本直流電源を交流電源システムより構成する場合は、整流器と大容量の電解コンデンサなどを適用することで構成することが可能である。

３、４が正側電位Ｃｐに接続されているＩＧＢＴとダイオードで上アームを、５、６が負側電位Ｃｎに接続されているＩＧＢＴとダイオードで下アームを、各々構成している。上アームと下アームは直列接続されて１相分の相アーム２４を構成する。相アーム２５、２６も同じ構成で、３個の相アームで三相回路を構成する。また、７、８、９、１０は直流電源の中点電位Ｃｍと交流出力端子１１との間に接続された双方向性のスイッチを構成する素子で、７、８がＩＧＢＴで、９、１０がダイオードである。図１６に示す双方向スイッチは、ダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴを逆直列に接続した構成で、各相に適用される。本図ではＩＧＢＴ７とＩＧＢＴ８はエミッタを共通にして逆直列接続しているが、コレクタ共通の構成、あるいは図１８（ｂ）に示すように逆耐圧を有するＩＧＢＴ１２、１３を逆並列接続した構成でも実現できる。

Ｌｏがフィルタ用のリアクトル、２が本システムの負荷である。本回路構成とすることで、出力端子１１には、直流電源の正側電位Ｃｐ、負側電位Ｃｎ、及び中点電位Ｃｍを出力することが可能となる。即ち、本回路は３つのレベルの電圧波形を出力する３レベルインバータの回路となる。図１７に出力電圧（Ｖｏｕｔ）の波形例を示す。２レベルのインバータに対してより低次の高調波成分が少ない（正弦波形に近い）ことが特長であり、出力のフィルタリアクトルＬｏの小型化が可能となる。

また、図１９に交流を直流に変換するＰＷＭコンバータ（ＣＯＮＶ）と直流を交流に変換するＰＷＭインバータ（ＩＮＶ）からなるダブルコンバータタイプの電力変換装置を示す。３相交流電源１を入力として、入力フィルタリアクトルＬｉ、３相の３レベルＰＷＭコンバータCONV、直列に接続された大容量のコンデンサC１、C２、３相の３レベルＰＷＭインバータINV、出力フィルタＬｏにより安定した交流電圧を生成し、負荷２に交流電力を供給する構成である。

図１６に示す３レベル変換回路（コンバータ又はインバータ）を現状市販されているＩＧＢＴモジュールで構成する場合、相アーム２４、２５、２６は２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュールで、双方向スイッチ用のＩＧＢＴモジュール２７〜３２は１ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュールで、各々構成することになる。２ｉｎ１タイプのモジュール例としてその外観を図２０(ａ)、(ｂ)に、その内部回路構成を図２１に示す。図２０(ａ)はモジュールの上部に出力端子が設置されているタイプ、図２０(ｂ)はモジュールの端辺側に出力端子が設置されているタイプである。出力端子としては、直流電源の正側電位Ｃｐに接続される端子Ｐ（３３、３４）、負側電位Ｃｎに接続される端子Ｎ（３５、３６）、負荷出力及び双方向性スイッチ素子に接続される端子Ｕ（３７、３８ａ、３８ｂ）となり、一般に図示の順番で端子が構成される。ここで、端子Ｕは、端子Ｐや端子Ｎに比べ電流容量が大きくなるため、図２０(ｂ)では２端子構造としている。また、１ｉｎ１タイプのモジュール例とその内部回路構成を図２２、図２３に示す。出力端子としては、コレクタ端子３９とエミッタ端子４０より構成される。

これらモジュールを用いて図１６に示す回路の１相分を構成した場合の構造図（上面図）例を図２４に示す。本図は図２０(ａ)のタイプのモジュールMJ2-1（２ｉｎ１タイプ）と図２２に示すモジュールMJ1-1（１ｉｎ１タイプ）と直流電源となる電解コンデンサＣ１、Ｃ２より構成し、それぞれを銅バー（導体Ａ〜Ｅ）で配線した例である。モジュールの端子位置の関係で、必然的に配線の形状が複雑で、モジュール（MJ2-1、MJ1-1）と電解コンデンサＣ１、Ｃ２間の配線長が長くなる。この傾向は図２０(ｂ)タイプのモジュールを適用した場合でも同様となる。

３レベルインバータの主回路構成については、特許文献１に、また従来モジュールの外形及び構成図については、非特許文献１に示されている。

特開２００８−１９３７７９号公報

富士電機デバイステクノロジー株式会社著、「FUJI Power Semiconductors IGBT Modules」 Sep. 2007、 PMJ01c

上述のように、半導体モジュールと直流電源の配線長が長くなると、配線インダクタンスが大きくなり、スイッチング動作時におけるサージ電圧が過大となる問題が生じる。
図２５に、図１６の１相分回路の配線インダクタンスに着目して描いた等価回路を示す。各インダクタンス（Ｌ１〜Ｌ５）は主にモジュール間及びモジュールと直流電源（コンデンサC１、C２）間の配線によるものである。各配線は通常数ｃｍから１０数ｃｍ程度あるため、各インダクタンス値は１０ｎＨから数１０ｎＨ程度となる。

図２５において、ＩＧＢＴ３がオンの状態では、直流電源Ｃ１→インダクタンスＬ１→ＩＧＢＴ３→リアクトルＬｏ→直流電源Ｃ１の経路で、点線で示す経路の電流Ｉが流れる。この状態から、ＩＧＢＴ３がターンオフすると、ＩＧＢＴ７（事前にオンさせておく）とダイオード１０が導通し、リアクトルＬｏの電流は、インダクタンスＬ２→ＩＧＢＴ７→インダクタンスＬ３→ダイオード１０→インダクタンスＬ４→リアクトルＬｏの経路４１に転流する。その際、過渡的に、インダクタンスＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４にはＩＧＢＴの電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）に応じて、図中の矢印の向きに電圧が発生する。

その結果、ＩＧＢＴ３のコレクタ・エミッタ間には最大、式（１）で示される電圧が印加される。図２６にＩＧＢＴ３ターンオフ時のコレクタ電流（ｉｃ）とコレクタ・エミッタ間電圧（Ｖ_ＣＥ）波形を示す。

Ｖ_{ＣＥ（ｐｅａｋ）}＝Ｅｄｐ＋（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）・ｄｉ／ｄｔ・・・式（１）
サージ電圧ΔＶ＝（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）・ｄｉ／ｄｔ・・・式（２）
Ｅｄｐ：直流電源１の直流電圧
ｄｉ／ｄｔ：ＩＧＢＴターンオフ時のＩＧＢＴの電流変化率
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４：各配線のインダクタンス値
一例として数１００ＡクラスのＩＧＢＴの場合、その電流変化率ｄｉ/ｄｔは最大で５０００Ａ/μｓ程度となるため、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＝１００ｎＨとすると、式（１）によるサージ分の電圧（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）・ｄｉ／ｄｔは、５００Ｖとなる。

従って、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の存在によって、ＩＧＢＴターンオフ時にＩＧＢＴに印加されるピーク電圧値は、直流電圧（Ｅｄｐ）に対して上記式（２）のサージ電圧分が加わった高い電圧となる。この結果、ＩＧＢＴチップ及び並列に接続されているダイオードチップは電圧耐量の高い素子が必要となる。通常、電圧耐量が高いチップは、概ね電圧耐量に比例してチップ面積が大きくなるため、パワー半導体モジュールが大型化し、コストアップとなるという課題がある。また、上記パワー半導体モジュールを使用した変換装置も大型で、高価格となる課題がある。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するＩＧＢＴなどのパワー半導体モジュールにおいて、ダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、エミッタが前記第１のＩＧＢＴのエミッタに接続された逆耐圧を有する第２のＩＧＢＴとを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと、前記第２のＩＧＢＴのコレクタと、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと前記第２のＩＧＢＴのエミッタとの接続点とを、各々外部端子とする。

第２の発明においては、電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するＩＧＢＴなどのパワー半導体モジュールにおいて、ダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、コレクタが前記第１のＩＧＢＴのコレクタに接続された逆耐圧を有する第２のＩＧＢＴとを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと、前記第２のＩＧＢＴのエミッタと、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと前記第２のＩＧＢＴのコレクタとの接続点とを、各々外部端子とする。

第３の発明においては、電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するＩＧＢＴなどのパワー半導体モジュールにおいて、第1のダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、第２のＩＧＢＴと第２のダイオードとの直列回路とを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと前記直列回路の一端との接続点と、前記直列回路の他端とを、各々外部端子とする。

第４の発明においては、電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するＩＧＢＴなどのパワー半導体モジュールにおいて、第1のダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、第２のＩＧＢＴと第２のダイオードとの直列回路とを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと前記直列回路の一端との接続点と、前記直列回路の他端とを、各々外部端子とする。

第５の発明においては、電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するＩＧＢＴなどのパワー半導体モジュールにおいて、ダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、コレクタが前記第１のＩＧＢＴのエミッタに接続された逆耐圧を有する第２のＩＧＢＴとを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと、前記第２のＩＧＢＴのエミッタと、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと前記第２のＩＧＢＴのコレクタとの接続点とを、各々外部端子とする。

第６の発明においては、電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するＩＧＢＴなどのパワー半導体モジュールにおいて、ダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、エミッタが前記第１のＩＧＢＴのコレクタに接続された逆耐圧を有する第２のＩＧＢＴとを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと、前記第２のＩＧＢＴのコレクタと、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと前記第２のＩＧＢＴのエミッタとの接続点とを、各々外部端子とする。

第７の発明においては、電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するＩＧＢＴなどのパワー半導体モジュールにおいて、第1のダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、第２のＩＧＢＴと第２のダイオードとの直列回路とを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと前記直列回路の一端との接続点と、前記直列回路の他端とを、各々外部端子とする。

第８の発明においては、電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するＩＧＢＴなどのパワー半導体モジュールにおいて、第1のダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、第２のＩＧＢＴと第２のダイオードとの直列回路とを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと前記直列回路の一端との接続点と、前記直列回路の他端とを、各々外部端子とする。

第９の発明においては、前記第1〜８の発明において、前記第1のＩＧＢＴと第２のＩＧＢＴとの接続点又は前記第1のＩＧＢＴと前記直列回路の一端との接続点を引出した外部端子を、パッケージの一辺側に設置し、他の外部端子を前記一辺と対向する他辺側に設置する。

第１０の発明においては、前記第1のＩＧＢＴと第２のＩＧＢＴとの接続点を引出した外部端子を、パッケージの一辺側に設置し、他の外部端子を前記一辺と対向する他辺側に設置した、第１の発明に記載のパワー半導体モジュールと第２の発明に記載のパワー半導体モジュールとを、半導体電力変換装置に適用するに際し、一辺側に設置した端子同士と、他辺側に設置した端子同士とが各々同一方向となるように隣接して配置する。

第１１の発明においては、前記第1のＩＧＢＴと前記直列回路の一端との接続点を引出した外部端子を、パッケージの一辺側に設置し、他の外部端子を前記一辺と対向する他辺側に設置した、第３の発明に記載のパワー半導体モジュールと第４の発明に記載のパワー半導体モジュールとを、半導体電力変換装置に適用するに際し、一辺側に設置した端子同士と、他辺側に設置した端子同士とが各々同一方向となるように隣接して配置する。

第１２の発明においては、前記第1のＩＧＢＴと第２のＩＧＢＴとの接続点を引出した外部端子を、パッケージの一辺側に設置し、他の外部端子を前記一辺と対向する他辺側に設置した、第５の発明に記載のパワー半導体モジュールと第６の発明に記載のパワー半導体モジュールとを、半導体電力変換装置に適用するに際し、一辺側に設置した端子同士と、他辺側に設置した端子同士とが各々同一方向となるように隣接して配置する。

第１３の発明においては、前記第1のＩＧＢＴと前記直列回路との接続点を引出した外部端子を、パッケージの一辺側に設置し、他の外部端子を前記一辺と対向する他辺側に設置した、第７の発明に記載のパワー半導体モジュールと第８の発明に記載のパワー半導体モジュールとを、半導体電力変換装置に適用するに際し、一辺側に設置した端子同士と、他辺側に設置した端子同士とが各々同一方向となるように隣接して配置する。

本発明のモジュールを適用することで、交流から直流、又は直流から交流に電力変換する多レベル変換装置における直流部の回路とパワー半導体モジュール間の配線インダクタンスを低減することが可能となり、ＩＧＢＴやＦＷＤ（還流ダイオード）がスイッチングする際に発生するサージ電圧値を低く抑えることが可能となる。その結果、電圧定格の低いＩＧＢＴやダイオードチップの適用が可能となり、小型で安価な電力用半導体モジュールを実現できる。また、これらのパワー半導体モジュールを適用した電力変換装置では、配線数の低減、装置の小型化、低コスト化が可能となる。

本発明の第１の実施例を示すパワー半導体モジュールの構成を示す。本発明の第２の実施例を示すパワー半導体モジュールの構成を示す。本発明の第３の実施例を示すパワー半導体モジュールの構成を示す。本発明の第４の実施例を示すパワー半導体モジュールの構成を示す。本発明の第５の実施例を示すパワー半導体モジュールの構成を示す。本発明の第６の実施例を示すパワー半導体モジュールの構成を示す。本発明の第７の実施例を示すパワー半導体モジュールの構成を示す。本発明の第８の実施例を示すパワー半導体モジュールの構成を示す。インバータでの本発明のモジュールと直流電源（コンデンサ）との配線例を示す。インバータでの本発明のモジュールと直流電源（コンデンサ）との配線構造例を示す。インバータ運転中の電流の転流動作説明図である。コンバータでの本発明のモジュールと直流電源（コンデンサ）との配線例を示す。コンバータでの本発明のモジュールと直流電源（コンデンサ）との配線構造例を示す。コンバータ運転中の電流の転流動作説明図である。５レベルインバータへの本発明のモジュールの適用例である。３レベルインバータの主回路構成例である。３レベルインバータ出力電圧波形例を示す。双方向スイッチ回路の構成例を示す。コンバータ＋インバータ構成の交流−交流変換装置の回路構成例を示す。パワー半導体モジュール（２ｉｎ１タイプ）の外観図である。パワー半導体モジュール（２ｉｎ１タイプ）の内部回路図である。パワー半導体モジュール（１ｉｎ１タイプ）の外観図である。パワー半導体モジュール（１ｉｎ１タイプ）の内部回路図である。従来モジュールを用いた３レベル変換器の主回路配線構造例である。３レベルインバータ１相分回路と配線インダクタンスを示す。ＩＧＢＴターンオフ時の電流、電圧波形例である。

本発明の要点は、１相分の上下アームＩＧＢＴ直列回路の直列接続点と、直流電源の中点との間に双方向スイッチを接続した３レベル以上の変換回路を構成するパワー半導体モジュールとして、上下アームの一方のＩＧＢＴと双方向スイッチを構成する素子の一方を内蔵したパワー半導体モジュールを２種類組合せて３レベル以上の変換回路の１相分を構成するようにした点である。

図１、図２に、本発明の第1の実施例を示す。図１、図２は、各々第１、第２の発明に相当し、直流電源の電位Ｃｍに接続される半導体素子は逆耐圧を有するＩＧＢＴで、かつモジュールの形状は図２０(ｂ)タイプのモジュールである。図９、図１０は、本モジュールを３レベルインバータ（直流から交流への変換器）に適用する場合の実施例である。
図１のモジュールＭＪ１は、ダイオードＤ１を逆並列接続したＩＧＢＴＴ１と、双方向スイッチ用逆阻止型ＩＧＢＴＴ４を内蔵し、端子ＰにＩＧＢＴＴ１のコレクタが、端子Ｍに逆阻止型ＩＧＢＴＴ４のコレクタが、端子Ｕ（Ｕ１、Ｕ２）に逆阻止型ＩＧＢＴＴ１のエミッタとＩＧＢＴＴ１のエミッタとの接続点が、各々接続された構成である。

図２のモジュールＭＪ２は、ダイオードＤ２を逆並列接続したＩＧＢＴＴ２と双方向スイッチ用逆阻止型ＩＧＢＴＴ３を内蔵し、端子ＮにＩＧＢＴＴ２のエミッタが、端子Ｍに逆阻止型ＩＧＢＴＴ３のエミッタが、端子Ｕ（Ｕ１、Ｕ２）にＩＧＢＴＴ２のコレクタと逆阻止型ＩＧＢＴＴ３のコレクタとの接続点が、各々接続されたた構成である。

図９と図１０に図１のモジュールＭＪ１と図２のモジュールＭＪ２を適用して３相インバータ１相分を構成した例を示す。図９において図１のモジュールＭＪ１と図２のモジュールＭＪ２を隣接させて配置することで端子Ｍ同士が近接し、かつ端子Ｐ、端子Ｍ、端子Ｎを直流部の電解コンデンサ１、２と近接させることができる。この結果、図１０に示すように電解コンデンサＣ１、Ｃ２とモジュールＭＪ１、ＭＪ２間の配線長を短くすることが可能で、かつ電位Ｃｐの配線と電位Ｃｍの配線との近接化と、電位Ｃｎの配線と電位Ｃｍの配線との近接化とによる相互インダクタンスの発生によって、各配線の配線インダクタンスの低減が可能となり、スイッチング時のサージ電圧の低減が可能となる（第９と第１０の発明）。

図１１にインバータ運転中の電流の転流動作を示す。図１１（ａ）、図１１（ｂ）が電流が出力側へ流れる場合を、図１１（ｃ）、図１１（ｄ）が電流がその逆の場合を、各々示している。図１１（ａ）、図１１（ｂ）の場合、ＩＧＢＴＴ１のオンオフ動作により電流はＩＧＢＴＴ１またはＴ４を流れる（負荷力率が概ね１の場合）ため、図１に示すようにＩＧＢＴＴ１、ダイオードＤ１及び逆阻止型ＩＧＢＴＴ４は同一モジュール内に設置する。また、図１１（ｃ）、図１１（ｄ）の場合、ＩＧＢＴＴ２のオンオフ動作により電流はＩＧＢＴＴ２またはＴ３を流れる（負荷力率が概ね１の場合）ため、図２に示すようにＩＧＢＴＴ２、ダイオードＤ２及び逆阻止型ＩＧＢＴＴ３は同一モジュール内に設置する。尚、コンバータ回路にも同様に適用できる。

図３、図４に本発明の第２の実施例を示す。図３、図４は、各々第３、第４の発明に相当し、第１の実施例との違いは、電位Ｃｍに接続される素子が逆耐圧を有しないＩＧＢＴである点である。双方向スイッチ用のＩＧＢＴＴ３ａ及びＴ４ａには逆耐圧がないため、各々直列にダイオードＤ３、Ｄ４を接続している。また、モジュールの形状は図２０ (ｂ)タイプのモジュールである。

本モジュールを３レベルインバータ（直流から交流への変換器）に適用する場合の主回路構成及び動作は、図９、図１０、図１１と同様である（第９と第１１の発明）。
また、ダイオードＤ３とＩＧＢＴＴ３ａ、ダイオードＤ４とＩＧＢＴＴ４ａの直列接続順序は逆でも同様の機能となる。尚、コンバータ回路にも同様に適用できる。

図５、図６に本発明の第３の実施例を示す。図５、図６は、各々第５、第６の発明に相当し、Ｃｍ電位に接続されるＩＧＢＴＴ３、Ｔ４は逆耐圧を有する素子で、かつモジュールの形状は図１９(ｂ)タイプのモジュールである。図１２、図１３に、本モジュールを３レベルコンバータ（交流から直流への変換器）に適用する場合の実施例を示す。

図５のモジュールＭＪ５は、ダイオードＤ１を逆並列接続したＩＧＢＴＴ１と、逆阻止型ＩＧＢＴＴ３を内蔵し、ＩＧＢＴＴ１のコレクタが端子Ｐに、ＩＧＢＴＴ３のエミッタが端子Ｎに、ＩＧＢＴＴ１のエミッタとＩＧＢＴＴ３のコレクタとの接続点が端子Ｕ（Ｕ１、Ｕ２）に、各々接続された構成である。

図６のモジュールＭＪ６は、ダイオードＤ２を逆並列接続したＩＧＢＴＴ２と、逆阻止型ＩＧＢＴＴ４を内蔵し、ＩＧＢＴＴ２のエミッタが端子Ｎに、ＩＧＢＴＴ４のコレクタが端子Ｍに、ＩＧＢＴＴ２のコレクタとＩＧＢＴＴ４のエミッタとの接続点が端子Ｕ（Ｕ１、Ｕ２）に、各々接続された構成である。

図１２と図１３に、図５のモジュールＭＪ５と図６のモジュールＭＬ６を適用して３相３レベルコンバータ１相分を構成した例を示す。図１２において、モジュールＭＪ５とＭＪ６を隣接させることで端子Ｍ同士が近接し、かつ端子Ｐ、端子Ｍ、端子Ｎを直流部のコンデンサＣ１、Ｃ２に近接させることができる。この結果、図１３に示すように電解コンデンサＣ１、Ｃ２とモジュール間の配線長を短くすることが可能で、かつ電位Ｃｐ１の配線と電位Ｃｍの配線の近接化と、電位Ｃｎ２の配線と電位Ｃｍの配線の近接化による相互インダクタンスの発生によって、各配線の配線インダクタンスの低減が可能となり、スイッチング時のサージ電圧の低減が可能となる（第９と第１２の発明）。

図１４に整流器（コンバータ）運転中の電流の転流動作を示す。図１４（ａ）、図１４（ｂ）は、電流が入力側から直流電源側に流れる場合の転流動作で、図１４（ｃ）、図１４（ｄ）はその逆の場合の転流動作を示している。図１４（ａ）、図１４（ｂ）の場合、ＩＧＢＴＴ３のオンオフ動作によって、電流はＩＧＢＴＴ３又はダイオードＤ１を流れる（入力力率が概ね１の場合）ため、図５に示すようにＩＧＢＴＴ３、ＩＧＢＴＴ１及びダイオードＤ１は同一モジュール内に設置する。また、図１４（ｃ）、図１４（ｄ）の場合、ＩＧＢＴＴ４のオンオフ動作によって、電流はＩＧＢＴＴ４又はダイオードＤ２を流れる（入力力率が概ね１の場合）ため、図６に示すようにＩＧＢＴＴ４、ＩＧＢＴＴ２及びダイオードＤ２は同一モジュール内に設置する。尚、インバータ回路にも同様に適用できる。

図７、図８に本発明の第４の実施例を示す。図７、図８は、各々第７、第８の発明に相当し、第３の実施例との違いは、電位Ｃｍに接続される素子が逆耐圧を有しないＩＧＢＴである点である。双方向スイッチ用のＩＧＢＴＴ３ａ及びＴ４ａには逆耐圧がないため、各々直列にダイオードＤ３、Ｄ４を接続している。また、モジュールの形状は図２０ (ｂ)タイプのモジュールである。

本モジュールを３レベルコンバータ（交流から直流への変換器）に適用する場合の主回路構成及び動作は、図１２、図１３、図１４と同様である（第９と第１１の発明）。
また、ダイオードＤ３とＩＧＢＴＴ３ａ、ダイオードＤ４とＩＧＢＴＴ４ａの直列接続順序は逆でも同様の機能となる。尚、インバータ回路にも同様に適用できる。

図１５に、本発明の第５の実施例を示す。５レベル電力変換回路への適用例である。直流電源としてのコンデンサＣ１〜Ｃ４を直列接続し、最も高い電位がＣｐ、最も低い電位がＣｎで、５つの電位をつくり、各電位をスイッチ回路で、リアクトルＬｏを介して負荷側に供給する５レベルインバータの１相分の構成である。図９に示した３レベルインバータの構成を５レベル化したもので、３レベルインバータ回路と同様に、本発明のパワー半導体モジュールを適用することができる。図１５の構成では、図５に示したパワー半導体モジュールＭＪ５と、図６に示したパワー半導体モジュールＭＪ６を用いて、最も高い電位Ｃｐ、最も低い電位Ｃｎ、及び中間の電位（Ｃｍ３、Ｃｍ４）をリアクトルＬｏに出力し、第２番目に高い電位（Ｃｍ５、Ｃｍ６）は双方向スイッチＢＤＳ２で、第４番目に高い電位（Ｃｍ１、Ｃｍ２）は双方向スイッチＢＤＳ１で、各々リアクトルＬｏに出力する構成である。モジュールＭＪ５とＭＪ６を隣接して配置することにより、３レベル変換回路と同様の効果が得られる。
また、３レベルインバータやコンバータと同様に、モジュールＭＪ５とＭＪ６の代わりに、モジュールＭＪ１とＭＪ２、ＭＪ３とＭＪ４、ＭＪ７とＭＪ８を、各々用いることができる。

尚、分割された直流電源と、直流電源間に接続された二つの半導体スイッチの直列回路を用い、半導体スイッチの直列接続点と直流電源の分割点との間に双方向スイッチを接続する構成であれば、コンバータ、インバータのいずれでも実現可能である。

本発明は、多レベルの電力変換装置に適用するパワー半導体モジュールとその適用に関する提案であり、無停電電源装置、電動機駆動装置、無効電力補償装置などへの適用が可能である。

１・・・交流電源２・・・負荷
３、５、７、８、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３ａ、Ｔ４ａ・・・ＩＧＢＴ
Ｔ３、Ｔ４、１２、１３・・・逆阻止型ＩＧＢＴ
４、６、９、１０、Ｄ１、Ｄ２・・・ダイオード
ＭＪ１〜ＭＪ８・・・パワー半導体モジュールＬｉ、Ｌｏ・・・リアクトル
Ｃ１〜Ｃ４・・・直流電源（コンデンサ）
ＢＤＳ１、ＢＤＳ２・・・双方向スイッチ
２４〜２６・・・２ｉｎ１モジュール２７〜３２・・・１ｉｎ１モジュール
ＣＯＮＶ・・・ＰＷＭコンバータ（交流−直流変換器）
ＩＮＶ・・・ＰＷＭインバータ（直流−交流変換器）
３３、３４・・・端子Ｐ３５、３６・・・端子Ｎ
３７、３８ａ、３８ｂ・・・端子Ｕ
３９・・・コレクタ端子４０・・・エミッタ端子

Claims

電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するパワー半導体モジュールにおいて、ダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、エミッタが前記第１のＩＧＢＴのエミッタに接続された逆耐圧を有する第２のＩＧＢＴとを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと、前記第２のＩＧＢＴのコレクタと、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと前記第２のＩＧＢＴのエミッタとの接続点とを、各々外部端子としたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するパワー半導体モジュールにおいて、ダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、コレクタが前記第１のＩＧＢＴのコレクタに接続された逆耐圧を有する第２のＩＧＢＴとを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと、前記第２のＩＧＢＴのエミッタと、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと前記第２のＩＧＢＴのコレクタとの接続点とを、各々外部端子としたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するパワー半導体モジュールにおいて、第1のダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、第２のＩＧＢＴと第２のダイオードとの直列回路とを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと前記直列回路の一端との接続点と、前記直列回路の他端とを、各々外部端子としたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するパワー半導体モジュールにおいて、第1のダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、第２のＩＧＢＴと第２のダイオードとの直列回路とを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと前記直列回路の一端との接続点と、前記直列回路の他端とを、各々外部端子としたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するパワー半導体モジュールにおいて、ダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、コレクタが前記第１のＩＧＢＴのエミッタに接続された逆耐圧を有する第２のＩＧＢＴとを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと、前記第２のＩＧＢＴのエミッタと、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと前記第２のＩＧＢＴのコレクタとの接続点とを、各々外部端子としたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するパワー半導体モジュールにおいて、ダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、エミッタが前記第１のＩＧＢＴのコレクタに接続された逆耐圧を有する第２のＩＧＢＴとを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと、前記第２のＩＧＢＴのコレクタと、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと前記第２のＩＧＢＴのエミッタとの接続点とを、各々外部端子としたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するパワー半導体モジュールにおいて、第1のダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、第２のＩＧＢＴと第２のダイオードとの直列回路とを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと前記直列回路の一端との接続点と、前記直列回路の他端とを、各々外部端子としたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
電圧形の３以上の多レベルの変換回路に適用するパワー半導体モジュールにおいて、第1のダイオードが逆並列接続された第１のＩＧＢＴと、第２のＩＧＢＴと第２のダイオードとの直列回路とを、一つのパッケージ内に収納し、前記第1のＩＧＢＴのエミッタと、前記第1のＩＧＢＴのコレクタと前記直列回路の一端との接続点と、前記直列回路の他端とを、各々外部端子としたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
前記第1のＩＧＢＴと第２のＩＧＢＴとの接続点又は前記第1のＩＧＢＴと前記直列回路の一端との接続点を引出した外部端子を、パッケージの一辺側に設置し、他の外部端子を前記一辺と対向する他辺側に設置することを特徴とする請求項1〜８のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。
前記第1のＩＧＢＴと第２のＩＧＢＴとの接続点を引出した外部端子を、パッケージの一辺側に設置し、他の外部端子を前記一辺と対向する他辺側に設置した、請求項１に記載のパワー半導体モジュールと請求項２に記載のパワー半導体モジュールとを、一辺側に設置した端子同士と、他辺側に設置した端子同士とが各々同一方向となるように隣接して配置したことを特徴とする半導体電力変換装置。
前記第1のＩＧＢＴと前記直列回路の一端との接続点を引出した外部端子を、パッケージの一辺側に設置し、他の外部端子を前記一辺と対向する他辺側に設置した、請求項３に記載のパワー半導体モジュールと請求項４に記載のパワー半導体モジュールとを、一辺側に設置した端子同士と、他辺側に設置した端子同士とが各々同一方向となるように隣接して配置したことを特徴とする半導体電力変換装置。
前記第1のＩＧＢＴと第２のＩＧＢＴとの接続点を引出した外部端子を、パッケージの一辺側に設置し、他の外部端子を前記一辺と対向する他辺側に設置した、請求項５に記載のパワー半導体モジュールと請求項６に記載のパワー半導体モジュールとを、一辺側に設置した端子同士と、他辺側に設置した端子同士とが各々同一方向となるように隣接して配置したことを特徴とする半導体電力変換装置。
前記第1のＩＧＢＴと前記直列回路との接続点を引出した外部端子を、パッケージの一辺側に設置し、他の外部端子を前記一辺と対向する他辺側に設置した、請求項７に記載のパワー半導体モジュールと請求項８に記載のパワー半導体モジュールとを、一辺側に設置した端子同士と、他辺側に設置した端子同士とが各々同一方向となるように隣接して配置したことを特徴とする半導体電力変換装置。