JP5581724B2 - Power converter - Google Patents
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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。 The present invention relates to a power conversion device that performs conversion from DC power to AC power, conversion from AC power to DC power, or direct conversion from AC power to AC power.
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。 Conventionally, in the field of a semiconductor device including a power module, such as a power conversion device (an inverter circuit or the like) used to supply power to an electric motor of an air conditioner, when switching elements on and off at high speed, The problem is that a surge voltage is generated by self-inductance. If such a surge voltage is applied to the power module, the power module may be destroyed or noise may be increased. Therefore, it is necessary to take measures to reduce the self-inductance.
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。 Patent Document 1 describes a configuration in which the mutual inductance between wiring conductors is increased to reduce the combined inductance in the main circuit wiring from the AC power supply to the power module.
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。 Specifically, the main circuit wiring includes a wiring conductor for a positive electrode, a wiring conductor for a negative electrode, and an insulating sheet interposed between the wiring conductors. Then, by passing currents having different conduction directions through a pair of wiring conductors arranged close to and in parallel with each other, the mutual inductance between the wiring conductors is increased to reduce the combined inductance.
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。 However, the conventional power conversion device only describes the configuration for reducing the self-inductance of the main circuit wiring from the AC power supply to the power module, and no consideration is given to the self-inductance inside the power module. It has not been. Specifically, if the combined inductance increases between the heat spreaders of the upper and lower arms provided inside the power module, the effect of reducing the combined inductance as a whole device cannot be obtained sufficiently, and the surge voltage is effectively reduced. It is disadvantageous to keep it down.
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。 This invention is made | formed in view of this point, The objective is to reduce the synthetic | combination inductance inside a power module, and to suppress a surge voltage.
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。 The present invention includes a plurality of upper arm side switching elements (15) constituting the upper arm of the inverter circuit (14), and a plurality of lower arm side switching elements (25) constituting the lower arm of the inverter circuit (14). The following solutions were taken for power converters equipped with:
第１の発明は、１枚の板状体で構成され、前記複数の上アーム側スイッチング素子（15）を長手方向に間隔をあけて搭載する上アーム側ヒートスプレッダ（30）と、
１枚の板状体で構成され、前記複数の下アーム側スイッチング素子（25）を長手方向に間隔をあけて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、且つ前記上アーム側ヒートスプレッダ（30）及び前記下アーム側ヒートスプレッダ（40）に搭載する面が絶縁されており、
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、幅方向に並んで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。
The first invention comprises an upper arm side heat spreader (30) which is composed of one plate-like body and mounts the plurality of upper arm side switching elements (15) at intervals in the longitudinal direction ;
A lower arm-side heat spreader (40) configured with a single plate-like body and mounting the plurality of lower-arm switching elements (25) at intervals in the longitudinal direction ;
The upper arm side and lower arm side switching elements (15, 25) are composed of lateral elements in which a source (S), a gate (G), and a drain (D) are arranged in parallel on one side surface, and The surfaces mounted on the upper arm side heat spreader (30) and the lower arm side heat spreader (40) are insulated,
The upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) are arranged in parallel to each other in the width direction, and the conductive directions of currents flowing through the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40), respectively. Are configured to be opposite to each other.
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、上アーム側ヒートスプレッダ（30）及び下アーム側ヒートスプレッダ（40）に搭載する面は絶縁されている。 In the first invention, a plurality of upper arm side and lower arm side switching elements (15, 25) are mounted on the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40), respectively. A source (S), a gate (G), and a drain (D) are juxtaposed on one side surface of the upper arm side and lower arm side switching elements (15, 25). That is, the upper arm side and lower arm side switching elements (15, 25) are composed of lateral elements. The surfaces mounted on the upper arm side heat spreader (30) and the lower arm side heat spreader (40) are insulated.
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、幅方向に並んで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。 The upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) are arranged in parallel to each other in the width direction . The currents flowing through the upper arm side and the lower arm side heat spreaders (30, 40) are opposite to each other in conduction direction.
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。 With such a configuration, the combined inductance can be reduced by increasing the mutual inductance between the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40). Thereby, generation | occurrence | production of a surge voltage can be suppressed, As a result, problems, such as destruction of a power module and noise increase, are eliminated, and the reliability of a product can be ensured.
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）を互いに近接させた状態で平行に配置することで、該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。
According to a second invention, in the first invention,
By arranging the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) close to each other in parallel, there is a capacitance between the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40). Is formed.
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。 In the second invention, a capacitance is formed between the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40). With such a configuration, the upper arm side and the lower arm side heat spreader (30, 40) constitute a capacitor by the capacitance formed between the upper arm side and the lower arm side heat spreader (30, 40). Therefore, the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) function as a snubber circuit and can absorb the surge voltage generated when the upper arm side and lower arm side switching elements (15, 25) are shut off. .
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。
According to a third invention, in the first or second invention,
A dielectric (35) is provided between the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40).
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。 In the third invention, the dielectric (35) is provided between the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40). With this configuration, the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) function as a snubber circuit by the dielectric (35) between the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40). Thus, the surge voltage generated when the upper arm side and lower arm side switching elements (15, 25) are cut off can be absorbed.
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。 According to the present invention, it is possible to increase the mutual inductance between the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) and reduce the combined inductance. Thereby, generation | occurrence | production of a surge voltage can be suppressed, As a result, problems, such as destruction of a power module and noise increase, are eliminated, and the reliability of a product can be ensured.
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。 In addition, by providing a dielectric (35) between the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) to form a capacitance, the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) can be snubbed. It functions as a circuit and can absorb a surge voltage generated when the upper arm side and lower arm side switching elements (15, 25) are cut off.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiments are essentially preferable examples, and are not intended to limit the scope of the present invention, its application, or its use.
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。 FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a power converter according to an embodiment of the present invention. This power conversion device (10) rectifies an AC power supply (11) (for example, commercial power supply) by a converter circuit (13), converts the direct current to three-phase AC by an inverter circuit (14), and converts it into a motor (12). To supply. The motor (12) drives, for example, a compressor provided in a refrigerant circuit of an air conditioner.
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。 Note that the “power conversion device” in this specification includes, for example, only the inverter circuit (14) in addition to the one including both the converter circuit (13) and the inverter circuit (14) as in the present embodiment. It is also a concept including a so-called direct conversion type power conversion device such as a matrix converter.
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。 Moreover, in the following description, the upper surface (or upper side) and lower surface (or lower side) of the switching element are referred to as the lower surface when the switching element faces the heat spreader, and the opposite side is referred to as the upper surface.
−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。
-Switching element-
The inverter circuit (14) includes three upper arm side switching elements (15) constituting the upper arm and three lower arm side switching elements (25) constituting the lower arm. The upper arm side and lower arm side switching elements (15, 25) correspond to the AC phases (U, V, W), respectively.
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 FieldEffect 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。 The switching elements (15, 25) are so-called bidirectional switching elements. This switching element (15, 25) is a unipolar element using a wide band gap semiconductor, and specifically, a heterojunction field effect transistor (HFET) mainly composed of GaN (gallium nitride). It is. The switching elements (15, 25) with this configuration are capable of reverse conduction.
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。 One switching element (15, 25) is formed as one bare chip. This bare chip is composed of a lateral element having a source (S), a gate (G), and a drain (D) formed on one side thereof.
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。 Specifically, as shown in FIG. 2, the switching elements (15, 25) include an insulating buffer layer (17), a GaN layer (18), and n, which are sequentially stacked on a silicon substrate (16). A type AlGaN layer (19). Reference numeral (21) denotes a two-dimensional electron gas layer (21) described later. A source (S) and a drain (D) are formed at both left and right end portions in contact with the n-type AlGaN layer (19).
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。 A p-type gate (G) is formed between the source (S) and the drain (D) in contact with the n-type AlGaN layer (19). Thereby, a depletion layer (20) is formed around the AlGaN layer (19) in contact with the gate (G). That is, when no voltage is applied to the gate (G), the source (S) and the drain (D) are insulated from each other by the depletion layer (20), and a current is generated between the source (S) and the drain (D). Does not flow (normally off), so-called enhancement type transistors are formed.
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。 On the other hand, when a voltage is applied to the gate (G), as shown in FIG. 3, the spread of the depletion layer (20) is suppressed, and the source (S) is passed through the two-dimensional electron gas layer (21) described later. ) And the drain (D).
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。 In the switching element (15, 25) having such an HFET structure, polarization charges are generated in the AlGaN layer (19) due to the piezoelectric polarization effect resulting from the lattice constant of AlGaN being shorter than that of GaN. This polarization charge induces free electrons on the surface of the GaN layer (18), and a high-concentration two-dimensional electron gas layer (21) (two Dimension) is formed at the interface between the GaN layer (18) and the AlGaN layer (19). Electron Gas: 2DEG) is generated. This two-dimensional electron gas layer (21) becomes a current path of the switching elements (15, 25).
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 VaporPhase 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。 The switching elements (15, 25) are formed by growing an epitaxial layer structure on the silicon substrate (16) by, for example, a metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) growth method. .
−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。
-Mounting of switching elements-
In the present embodiment, the inverter circuit (14) is formed on an insulating substrate (not shown), and is housed in a predetermined package (not shown) together with the converter circuit (13) and the drive circuit (not shown). Is configured. FIG. 4 is a plan view schematically showing the mounting state of the switching element.
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。 As shown in FIG. 4, in the inverter circuit (14), the switching elements (15, 25) are electrically connected to the heat spreader (30, 40) and the diode (Di) by the wire wiring (27). Yes. These implementations are described in detail below.
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。 The upper arm side heat spreader (30) on which the upper arm side switching element (15) is mounted is configured by a single plate-like body having a rectangular planar shape. Three upper arm side switching elements (15) are provided corresponding to each phase (U, V, W) of AC, and these upper arm side switching elements (15) are composed of upper arm side heat spreaders (30 ) At intervals in the longitudinal direction. That is, the three upper arm side switching elements (15) share one upper arm side heat spreader (30).
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。 These are mounted on the upper arm side heat spreader (30) so that the surface on which the source (S), drain (D), and gate (G) of the upper arm side switching element (15) are formed is the upper side. Soldered to the arm side heat spreader (30). The drain (D) of the upper arm side switching element (15) is electrically connected to the upper arm side heat spreader (30) by the wire wiring (27).
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。 The upper arm side heat spreader (30) is electrically connected to the positive side node (P) of the converter circuit (13) by the wire wiring (27). That is, the upper arm side switching elements (15) are electrically connected in parallel on the drain (D) side. In FIG. 4, illustration of the gate (G) of the upper arm side switching element (15) is omitted.
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。 A diode (Di) is arranged on the right side of each upper arm side switching element (15). The cathode of the diode (Di) is connected to the upper arm side heat spreader (30) by soldering or the like. The anode of the diode (Di) is connected to the source (S) of the upper arm side switching element (15) by a wire wiring (27). In addition to the anode of the diode (Di), the source (S) of the upper arm side switching element (15) is connected to the drain (D) of the lower arm side switching element (25) described later by wire wiring (27). ing.
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。 Similarly, the lower arm side heat spreader (40) on which the lower arm side switching element (25) is mounted is configured by a single plate-like body having a rectangular planar shape. The lower arm side heat spreader (40) is arranged side by side so as to be parallel to the upper arm side heat spreader (30). Three lower arm side switching elements (25) are provided corresponding to each phase (U, V, W) of AC, and these lower arm side switching elements (25) are composed of lower arm side heat spreaders (40 ) At intervals in the longitudinal direction. That is, one lower arm side heat spreader (40) is shared by the three lower arm side switching elements (25).
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。 These are mounted on the lower arm side heat spreader (40) so that the surface on which the source (S), drain (D) and gate (G) of the lower arm side switching element (25) are formed is the upper side. Soldered to the arm side heat spreader (40). The source (S) of the lower arm side switching element (25) is electrically connected to the lower arm side heat spreader (40) by the wire wiring (27).
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。 The lower arm side heat spreader (40) is electrically connected to the negative node (N) of the converter circuit (13) by a wire wiring (27). That is, the lower arm side switching elements (25) are electrically connected in parallel on the source (S) side. In FIG. 4, the illustration of the gate (G) of the lower arm side switching element (25) is omitted.
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。 A diode (Di) is disposed on the right side of each lower arm side switching element (25). The anode of the diode (Di) is connected to the lower arm side heat spreader (40) by soldering or the like. The cathode of the diode (Di) is connected to the drain (D) of the lower arm side switching element (25) by a wire wiring (27). In addition to the cathode of the diode (Di), the drain (D) of the lower arm switching element (25) is connected to the source (S) of the upper arm switching element (15) and each phase of the motor (12). Wire leads (27) are respectively connected to lead frames (28) corresponding to (U, V, W).
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。 The diode (Di) may not be provided as long as the upper arm side and lower arm side switching elements (15, 25) are configured to perform a return operation.
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。 Here, the conductive directions of the currents flowing through the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) are opposite to each other. Specifically, in the example shown in FIG. 4, the gate (G) of the left upper arm side switching element (15) for supplying current from the positive side node (P) to the U phase of the motor (12), and the motor Voltage is applied to the gate (G) of the lower lower arm side switching element (25) for drawing current from the V phase of (12) to the negative side node (N), respectively, and the upper arm side and lower arm side switching Current flows through the elements (15, 25).
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。 The AC power source (11) is rectified by the converter circuit (13), and the DC current flows leftward from the positive node (P) of the converter circuit (13) through the upper arm side heat spreader (30). The current flowing through the upper arm side heat spreader (30) is supplied from the left upper arm side switching element (15) to the U phase of the motor (12).
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。 Thereafter, a current is drawn from the V phase of the motor (12) toward the central lower arm side switching element (25). The current flowing through the lower arm side switching element (25) flows rightward through the lower arm side heat spreader (40). The current flowing through the lower arm side heat spreader (40) is supplied to the negative side node (N) of the converter circuit (13).
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。 Thus, while the current flows in the left direction in the upper arm side heat spreader (30), the current flows in the right direction in the lower arm side heat spreader (40). That is, the conduction directions of the currents flowing through the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) are opposite to each other. Therefore, in the section where the current flows through the upper arm side heat spreader (30) and the section where the current flows through the lower arm side heat spreader (40), the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40 ) Increase in mutual inductance. Thereby, synthetic | combination inductance can be reduced and generation | occurrence | production of a surge voltage can be suppressed. As a result, problems such as destruction of the power module and increased noise can be solved, and the reliability of the product can be ensured.
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。 Further, since the upper arm side and the lower arm side heat spreader (30, 40) are arranged in parallel in a state of being close to each other, between the upper arm side and the lower arm side heat spreader (30, 40), A capacitance is formed. Therefore, the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) constitute a capacitor, and the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) function as a snubber circuit. Thereby, the surge voltage generated when the upper arm side and lower arm side switching elements (15, 25) are shut off can be absorbed.
《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。
<< Modification of Embodiment >>
FIG. 5 is a diagram for explaining a modification of the present embodiment. In the present modification, as shown in FIG. 5, a dielectric (35) is provided between the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40). With this configuration, the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) constitute a capacitor by the dielectric (35) between the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40). The upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) function as a snubber circuit. Thereby, the surge voltage generated when the upper arm side and lower arm side switching elements (15, 25) are shut off can be absorbed.
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。 The present invention is useful as a power conversion device that performs conversion from DC power to AC power, conversion from AC power to DC power, or direct conversion from AC power to AC power.
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
10 Power converter
14 Inverter circuit
15 Upper arm side switching element
25 Lower arm side switching element
30 Upper arm heat spreader
35 Dielectric
40 Lower arm side heat spreader
S source
G gate
D drain
Claims (3)
１枚の板状体で構成され、前記複数の上アーム側スイッチング素子（15）を長手方向に間隔をあけて搭載する上アーム側ヒートスプレッダ（30）と、
１枚の板状体で構成され、前記複数の下アーム側スイッチング素子（25）を長手方向に間隔をあけて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、且つ前記上アーム側ヒートスプレッダ（30）及び前記下アーム側ヒートスプレッダ（40）に搭載する面が絶縁されており、
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、幅方向に並んで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。 Electric power including a plurality of upper arm side switching elements (15) constituting the upper arm of the inverter circuit (14) and a plurality of lower arm side switching elements (25) constituting the lower arm of the inverter circuit (14) A conversion device,
An upper arm side heat spreader (30) which is composed of a single plate-like body and mounts the plurality of upper arm side switching elements (15) at intervals in the longitudinal direction ;
A lower arm-side heat spreader (40) configured with a single plate-like body and mounting the plurality of lower-arm switching elements (25) at intervals in the longitudinal direction ;
The upper arm side and lower arm side switching elements (15, 25) are composed of lateral elements in which a source (S), a gate (G), and a drain (D) are arranged in parallel on one side surface, and The surfaces mounted on the upper arm side heat spreader (30) and the lower arm side heat spreader (40) are insulated,
The upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) are arranged in parallel to each other in the width direction, and the conductive directions of currents flowing through the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40), respectively. The power converter device is configured to be opposite to each other.
前記上アーム側及び下アーム側ヒートスプレッダ（30,40）を互いに近接させた状態で平行に配置することで、該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。 In claim 1,
By arranging the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40) close to each other in parallel, there is a capacitance between the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40). Is formed. The power converter device characterized by the above-mentioned.
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。 In claim 1 or 2,
A power converter, wherein a dielectric (35) is provided between the upper arm side and lower arm side heat spreaders (30, 40).
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