JP5764446B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動用インバータや系統連系インバータなどの直流を３相交流に、あるいは３相交流を直流に変換する電力変換装置に関し、特に、１相分が２個並列接続したパワーモジュールから成り、装置全体としては３相分６個のパワーモジュールから構成される電力変換装置に関する。

３相交流を直流に、あるいは直流を３相交流に変換する電力変換装置において、１個のパワーモジュールの中に逆並列接続されたスイッチング素子とフライホイールダイオードから成る上アーム素子と下アーム素子を有し、また前記パワーモジュール外部に、上アーム素子のＰ端子と下アーム素子のＮ端子と上下アーム素子の共通接続点となる交流出力端子と上下スイッチング素子のゲート端子とを有したパワーモジュールを使用すると、電力変換装置全体としては３相分を３個のパワーモジュールで構成することが可能となる。この場合、平滑コンデンサのＰ極とＮ極および外部出力交流端子への配線が容易になるので、電力変換装置の小型化は図り易い。

しかし、電力変換装置の１相分の定格電流が大きくなって１個のパワーモジュールで適応できなくなった場合は、例えば、パワーモジュールを１相に付き２並列にして、電力変換装置としては、３相で合計６個のパワーモジュールで構成せねばならず、この場合は、電力変換装置の小型化は難しい。

電力変換装置の配線バー構造における従来技術例としては特許文献１、特許文献２があり、パワーモジュールのＰ端子、Ｎ端子から平滑コンデンサのＰ極、Ｎ極に導き出されるところのＰ極配線バーとＮ極配線バーとを平たく重ね合わせ、Ｐ極配線バーとＮ極配線バーとの間に絶縁物を入れた構造にするといった内容のものがある。この例での特徴的な課題は、配線の低インダクタンス化やパワーモジュールの並列接続における電流分担の均等化であり、配線バー構造の技術的な手段により、電力変換装置の小型化を図ることを課題としていない。

このような背景から、パワーモジュールの配列の方法は、図９に示す３相分水平一列配列や、３相分鉛直一列配列（図９の水平と鉛直方向を逆にしたもの）や３相分離配列（図示せず）などが考えられる。３相分水平一列配列方法の場合は、６個のパワーモジュールを水平１列に配列することになり、パワーモジュールの冷却性は良いが、装置の水平方向寸法が大幅に増大する。また、３相分鉛直一列配列方法の場合は、６個のパワーモジュールを縦１列に配列することになり、装置の水平方向寸法は小さく出来るが、鉛直方向寸法が大幅に増大する。また、鉛直下方に位置する相のスイッチング主素子の熱が、上方に位置する他相のスイッチング主素子の熱に重なることになり、冷却性が悪くなる。３相分離配列方法の場合では、パワーモジュールの出力端子位置と平滑コンデンのＰ極位置、Ｎ極位置が、各相毎に３箇所に離れて配列される為、各相の直流部を一箇所に集合させる配線や出力端子を外部へ引き出す配線が複雑化し易い。また、各相の平滑コンデンサに発生するリップ電流を他の相の平滑コンデンサと互いに分担し合うことが難しい。この為、前記２方式と同容量の平滑コンデンサを用いた場合、前記２方式より平滑コンデンサは発熱しやすいという問題を抱える。

特開平１１−２９９２４０号公報 特開２００３−０６１３６５号公報

本発明が解決しようとするところは、電力変換装置の小型化が主たる課題であるが、小型化するに際し、パワーモジュールの配列方法やパワーモジュール端子から取り出す配線バーの構造の有り方によっては、Ｐ，Ｎ配線バーの低インダクタンス化や２並列パワーモジュール間の電流分担の均一化を阻害する問題や冷却性能を悪くしてしまう問題を生じる。また、パワーモジュールのゲート端子位置に対するゲートドライブ基板の形状やゲートドライブ基板の取り付け板の有り方よっては、ゲート配線の作業性を悪くし、ゲートドライブ回路の安定動作を阻害してしまうなどの問題を生じる。

本発明は、これらの問題にかんがみ、パワーモジュールの配列と、パワーモジュールの各端子の配線バーの配置に工夫を加えて、小形化を図った電力変換装置を提供することにある。

本発明では、１個のパワーモジュールの内部に逆並列接続されたスイッチング素子とフライホイールダイオードから成る上アーム素子と下アーム素子を有し、このパワーモジュールの外部面に、上アーム素子のＰ端子と下アーム素子のＮ端子と上下アーム素子の共通接続点となる交流出力端子と上下アーム素子のゲート端子とを有し、前記ゲート端子位置をケーシングの上端中央および下端中央に持ち、前記Ｐ端子とＮ端子を右端に持ち、前記交流出力極端子を水平方向左端に持つパワーモジュールを使用することを特徴とする。

また、本発明では、前記特徴のパワーモジュールを、１相分につき、鉛直方向上下２並列となるように配列し、これを水平方向に３相分３列となるように配列することを特徴とする。

また、本発明では、前記配列された２並列パワーモジュールのＰ端子同士およびＮ端子同士を短絡して並列接続するＰ極並列配線バーとＮ極並列配線バーの形状を、パワーモジュールそれぞれのＰ端子およびＮ端子にて、Ｌ字状に立ち上げ、この立ち上がった一定の高さのところで、中央部分だけを残し再びパワーモジュール端子平面と並行に曲げ、この中央部分を、平滑コンデンサと接続する為の方向転換接続位置とし、この両極並列配線バー同士が立体交差して、互いに絶縁物を挟んで重ね合わせが出来るようにしたことを主要な特徴とする。

また、本発明では、前記２並列パワーモジュールの交流出力端子同士を短絡して並列接続する交流出力並列配線バーの形状を、パワーモジュールそれぞれの交流出力端子にて、Ｌ字状に直角に立ち上げ、この立ち上がったある一定の高さのところで、中央部分だけを残し、再びパワーモジュール端子平面と並行に曲げ、この中央部分を、外部交流出力端子との方向転換接続位置としたことを特徴とする。

また、本発明では、ゲートドライブ基板の形状と同基板のゲート端子位置を、パワーモジュールのゲート端子位置に平面的に合わせたものとし、また、ゲートドライブ基板を取り付ける板を、ゲートドライブ基板の形状と配線バー通過位置に合わせて、大きく刳り貫いた穴とし、この穴をゲート配線通過用穴としたことを特徴とする。

本発明によれば、パワーモジュールの配列と、パワーモジュールの各端子の配線バーの配置により小形化を図ることができる。上記配列によりパワーモジュール表面を風が流れ易くなり冷却性が良くなる。さらに、Ｐ極、Ｎ極配線バーの低インダクタンス化と２並列素子の電流分担性も阻害されない。

パワーモジュールとゲートドライブ基板間のゲート配線作業が簡単となり、ゲート配線長を短く出来ることからノイズを受けにくくなり、ゲートドライ部回路動作の安定化が図れる。

実施例のＰ極、Ｎ極並列配線バー及び交流出力並列配線バー構造図。 同じく方向変換用Ｐ極、Ｎ極の配線バー及び交流出力配線バー構造図。 同じく方向変換用Ｐ極、Ｎ極の配線バーと平滑コンデンサとの接続構造図。 同じくパワーモジュールの各端子の端子構造図。 同じく配線バー構造の全体構成図。 同じくゲートドライブ基板の形状とゲートドライブ基板取付板の構造図。 図６の１相分の拡大図。 実施例２の配線バー構造の全体構造図。 従来例のパワーモジュールの配置図。 本発明実施例のパワーモジュールの配置図。 パワーモジュール内の回路構成図。 １相分のパワーモジュールの電力変換装置への接続構成図。

電力変換装置の小型化を、使用パワーモジュールの選択と、配列方法の選択と、パワーモジュールに接続される配線バー形状と、パワーモジュールのゲートドライブ基板の形状とゲートドライブ基板の取り付け構造の工夫により、並列パワーモジュールの電流分担の均等化や配線バーの低インダクタンス化や冷却性を阻害することがなく実現した。

本発明の電力変換装置の実施例１について図１〜図７を用いて説明する。

実施例において、３相の各相パワーモジュールは、図１１に示すように構成されている。すなわち、１個のパワーモジュール２のケーシング２ａ内部に、逆並列接続されたスイッチング素子７０とフライホイールダイオード７１から成る上アーム素子７２と下アーム素子７３を有し、このパワーモジュールの外部面に、上アーム素子のＰ端子１１と、下アーム素子のＮ端子１２と、上下アーム素子の共通接続点となる交流出力端子１３と、上下アーム素子のゲート端子１４、１５とを有している。

上記構成のパワーモジュール２は、１相分の定格電流が大きくなって１個のパワーモジュールで適応できなくなった場合は、例えば図１２に示すように、１相につきパワーモジュール２個を並列に接続して用い、電力変換装置全体としては、３相で分の計６個のパワーモジュールで構成される。図１２で、１０はパワーモジュール２のＰ端子１１とＮ端子１２との間に接続される複数の平滑コンデンサである。

本実施例において、上記６個のパワーモジュール２は図１０のように配列される。１相分につきパワーモジュール２を鉛直方向上下２並列となるように配列し、この１相分を水平方向に３相分３列となるように配列することを特徴とする。この配列によれば、図９に示す３相分水平一列配列や、３相分鉛直一列配列（図９の水平と鉛直方向を逆にしたもの）の配列に比べて、水平方向または鉛直方向の長さを小さく抑えることができ、小形化を図ることができる。

次に、１個のパワーモジュールのケーシングの外部面への各端子の配置について図４で説明する。図４において、パワーモジュールのケーシング２ａの４方向を上端、下端、左端、右端で示す。上アーム素子のゲート端子１４をケーシング２ａの上端中央に設け、下アーム素子のゲート端子１５をケーシング２ａの下端中央に設ける。上アーム素子のＰ端子１１と下アーム素子のＮ端子１２をケーシング２ａの右端に設け、前記交流出力端子１３をケーシング２ａの水平方向左端に設ける。

図５は、図１０のように配列されたパワーモジュール２の配線バー構造の全容を平面視したものである。１は電力変換装置であり、装置の側面壁、冷却ファン、端子台など発明に関係しない部分については省略している。本装置の特徴としては、大きくＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３つのブロックに分かれる。ここで、１相分に使用されている配線バーは、他の二相の同じ箇所でも同じものを使用する為、以降の説明では１相分の配線構造についてのみ言及する。

２はパワーモジュールで、この２個を１個の冷却フィン３に並列に並べて、１相分として配列する。また、４はＰ極並列配線バー、５はＮ極並列配線バー、６は交流出力並列配線バーとなっており、それぞれ、２並列のパワーモジュールの同極端子同士を短絡（接続）して並列接続している。７はＰ極配線バー、８はＮ極配線バー、９は交流配線バーであり、これらは、前記４、５、６の並列配線バーに連結され、鉛直床方向、すなわち平滑コンデンサ１０方向へ方向変換する配線バーを成している。

次に、パワーモジュール２の端子について説明する。パワーモジュール２は、図４に示すような端子配列の構成になっている。１１は上アーム素子のＰ端子、１２は下アーム素子のＮ端子、１３は上下アーム素子の共通接続点となる交流出力端子、１４は上アーム素子のゲート端子の設置位置、１５は下アーム素子のゲート端子の設置位置である。

次に、本実施例の主要な特徴となるＰ極並列配線バーおよびＮ極並列配線バーについて、図１〜図３を用いて説明する。図１で、４はＰ極並列配線バー、５はＮ極並列配線バーを示す。これらの配線バーの形状的特徴は、パワーモジュールそれぞれのＰ端子１１およびＮ端子１２に接続されて、この位置からＬ字状に立ち上り、この立ち上がった一定の高さのところで、中央部分だけが再びパワーモジュール端子平面と並行に曲げられ、この中央部分を、平滑コンデンサと接続する為の方向転換接続位置Ｐ極１６とＮ極１７としている点である。

他の特徴としては、天井側パワーモジュールのＰ端子1１から引き出されるＰ極並列配線バー４の足部が、Ｎ極並列配線バー５の立ち上がった部分と立体交差している点と、Ｎ極並列配線バー５のＮ極方向変換位置１７が、Ｐ極並列配線バー４の立ち上がった部分と立体交差している点と、さらには、Ｐ，Ｎ両極並列バー４と５の間に絶縁物１９が挟み込まれ、Ｐ極とＮ極並列配線バーが互いに重ね合わせられようになっている点である。

つづいて、交流出力並列配線バー６の形状的特徴について説明する。この配線バー６の特徴は、パワーモジュールそれぞれの交流出力端子１３にて、Ｌ字状に直角に立ち上り、この立ち上がったある一定の高さのところで、中央部分だけが再びパワーモジュール端子平面と並行に曲げられ、この中央部分を、外部交流出力端子と接続する為の方向転換接続位置としている点である。

以上が、Ｐ極、Ｎ極並列配線バー４、５および交流出力並列配線バー６に関する形状的特長であるが、これらの技術的効果を以下に示しておく。

先ず、第１点目は、前記３種類の並列バー４、５、６は何れも、ほぼ中央位置に方向変換接続位置１６、１７、１８を持っているので、方向転換のし易さだけでなく、２並列パワーモジュールに流れる電流の分担性を良くしている点である。

第２点目は、Ｐ極とＮ極並列配線バー４、５の取り付け方向が床側から天井側に沿って、冷却風の流れ方向に対し壁を作らないので、パワーモジュール表面の熱が逃げ易く、Ｐ極とＮ極並列配線バー４、５自体の熱も逃がしやすくしている点である。

次に、鉛直床方向への方向変換を行うＰ極、Ｎ極配線バーおよび交流出力配線バーについて図１、図２、図３を用いて説明する。

図２で、７、８はそれぞれ、平滑コンデンサと接続する為の方向転換を成すＰ極、Ｎ極の配線バーである。これらＰ極、Ｎ極の配線バーは、図１のＰ極、Ｎ極方向変換接続位置１６と１７に接続され、また、図２、図３に示すように、互いの間に絶縁物２０を挟み、上下重なりあうようにして、平滑コンデンサのＰ極、Ｎ極一括連結バー６０、６１に接続される。ここでの技術的効果は、前記Ｐ極、Ｎ極並列配線バー４、５と、Ｐ極、Ｎ極配線バー７，８とが方向変換しながらも、パワーモジュールから平滑コンデンサまで一連の重ね合わせの構造を成している為、配線バーの低インダクタンス化が図られることである。

つづいて、図２の交流出力配線バー９について説明する。この配線バー９は図１の交流出力変換位置１８に接続され、この位置より外部交流端子に接続される。ここでの構造的特徴は、配線バー９が、前記Ｐ、Ｎ極配線バー７、８とある一定間隔を保った状態で、７、８とは平面的に並行にして鉛直床方向へ引き出されている点である。

以上が１相分の配線バー４〜９であり、装置としてはこれと同じものがＵ、Ｖ、Ｗの３相分を成して、図５に示す電力変換装置全体となる。

次に、ゲートドライブ基板の形状と、ゲートドライブ基板の取付板の構造について、図６と図７を用いて説明する。図６は、本電力変換装置のパワーモジュールを駆動する為のゲートドライブ基板を図５に示される構成の上に配列したものである。図６において、ゲートドライブ基板２１は、各相毎に１枚で合計３枚で構成され、ゲートドライブ基板取付板２２に固定される。１相分のゲート配線は、他２相も同じパターンで配線する為、以下説明では、１相分のみについて説明する。

図７は、１相分の拡大図であり、構造的特徴を以下に示す。第１点目は、ゲートドライブ基板２１からパワーモジュール２の内側のゲート端子４２，４３へのゲート配線作業がし易いように、ゲートドライブ基板取付板２２に大きな刳り貫き穴５０を設け、この穴５０に合わせるように、ゲートドライブ基板２１の形状を図のようにコの字形に切り欠いている。

第２点目は、同基板２１の取り付け幅寸法を、平面的にパワーモジュールの外側のゲート端子４１、４４が上方から見える幅とし、パワーモジュールのゲート端子位置４１〜４４に対するゲートドライブ基板２１上のゲート端子３１〜３４が、３１−４１、３２−４２、３３−４３、３４−４４の端子の組合せとなるように、平面的に位置合せしている。

第３点目は、Ｐ極、Ｎ極配線バー７，８と交流出力配線バー９の間隔、および通過位置が、前記刳り貫き穴と協調した位置取りを成し、各配線バーや、ゲートドライブ基板２１が、パワーモジュールゲート端子位置４１〜４４を平面的に覆わないように構成している点である。この技術的効果は、ゲート配線が最短にして、簡単に行え、また、配線バーからの誘導ノイズを受け難く、ゲートドライブ回路の安定動作を図れる点にある。

次に、実施例２を図８で説明する。図８は、実施例１に対し、パワーモジュールのＰ、Ｎ端子１１、１２と交流出力端子１３の設置位置を、ケーシング２ａで左右反転させたものである。図８において、各部の配線バーの技術的な考え方は、実施例１と同じであり、各配線バーの形状と位置取りを、パワーモジュールのＰ、Ｎ端子と交流出力端子に合わせ、配置としては図１に示す実施例１とは鏡映的に反転したものになっている。この実施例２では、ドライブ基板形状や、取り付け板については特に説明しないが、これらに関しても、図８に示すパワーモジュールの端子位置や、配線バーの位置取りに合わせたものとなる。

１ 本発明の電力変換装置、
２ 本発明に使用するパワーモジュール
２ａ パワーモジュールのケーシング
３ パワーモジュールを載せる冷却フィン
４ Ｐ極並列配線バー（パワーモジュールＰ端子との接続バー）
５ Ｎ極並列配線バー（パワーモジュールＮ端子との接続バー）
６ 交流出力配線バー（パワーモジュール交流端子との接続バー）
７ Ｐ極配線バー（平滑コンデンサとの接続バー）
８ Ｎ極配線バー（平滑コンデンサとの接続バー）
９ 交流出力配線バー（外部交流出力端子との接続）
１０ 平滑コンデンサ
１１ パワーモジュールのＰ端子
１２ パワーモジュールのＮ端子
１３ パワーモジュールの交流出力端子
１４ 上アーム素子ゲート端子の設置位置
１５ 下アーム素子ゲート端子の設置位置
１６ Ｐ極方向変換接続位置
１７ Ｎ極方向変換接続位置
１８ 交流出力方向変換接続位置
１９ Ｐ極並列配線バー−Ｎ極並列配線バー間絶縁物
２０ Ｐ極配線バー−Ｎ極配線バー間絶縁物
２１ ゲートドライブ基板
２２ ゲートドライブ基板取り付け板
３１ ゲートドライブ基板部上ゲート端子（天井側モジュール上アーム用）
３２ ゲートドライブ基板部上ゲート端子（床側側モジュール上アーム用）
３３ ゲートドライブ基板部上ゲート端子（天井側モジュール下アーム用）
３４ ゲートドライブ基板部上ゲート端子（床側モジュール下アーム用）
４１ 天井側パワーモジュール上アーム用ゲート端子
４２ 床側パワーモジュール上アーム用ゲート端子
４３ 天井側パワーモジュール下アーム用ゲート端子
４４ 床側パワーモジュール下アーム用ゲート端子
５０ ゲートドライブ基板取り付け板部ゲート配線通過用穴
６０ 平滑コンデンサＰ極一括短絡配線バー
６１ 平滑コンデンサＮ極一括短絡配線バー
７０ スイッチング素子
７１ フライホイールダイオード
７２ 上アーム素子
７３ 下アーム素子

Claims (4)

1. １個のパワーモジュールのケーシング内部に逆並列接続されたスイッチング素子とフライホイールダイオードから成る上アーム素子と下アーム素子を有し、このパワーモジュールの外部面に、上アーム素子のＰ端子と下アーム素子のＮ端子と上下アーム素子の共通接続点となる交流出力端子と上下アーム素子のゲート端子とを有し、ケーシングの上下に前記ゲート端子を持ち、ケーシングの左右の一方端に前記Ｐ端子とＮ端子を持ち、他方端に交流出力極端子を持つパワーモジュールを備えた電力変換装置において、
   前記のパワーモジュールを、１相分につき、鉛直方向上下２並列となるように配列し、これを水平方向に３相分３列となるように配列し、
   前記パワーモジュールの鉛直床方向に平滑コンデンサを配列し、
   前記配列された２並列のパワーモジュールのＰ端子同士およびＮ端子同士をそれぞれ並列接続するＰ極並列配線バーとＮ極並列配線バーの形状を、それぞれＬ字状に立ち上げ、立体交差させて互いに絶縁物を挟んで重ね合わせ、前記Ｐ極並列配線バーとＮ極並列配線バーそれぞれのほぼ中央位置を前記平滑コンデンサ方向への方向変換接続位置とし、
   前記配列された２並列のパワーモジュールの交流出力端子同士を並列接続する交流出力並列配線バーの形状を、Ｌ字状に立ち上げ、当該交流出力並列配線バーのほぼ中央位置を、鉛直床方向への方向変換接続位置としたことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記Ｐ端子とＮ端子がケーシングの右端、前記交流出力極端子がケーシングの左端の位置にそれぞれ配列され、この向きに合わせて、前記各端子に配線バーが接続されることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記Ｐ端子とＮ端子がケーシングの左端、前記交流出力極端子がケーシングの右端の位置にそれぞれ配列され、この向きに合わせて、前記各端子に配線バーが接続されることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
   さらにゲートドライブ基板とゲートドライブ基板取り付け板を設けて、ゲートドライブ基板上のゲート端子位置をパワーモジュールのケーシングのゲート端子位置に合わせ、前記ゲートドライブ基板とゲートドライブ基板取り付け板に、配線用の刳り貫き穴を設けたことを特徴とした電力変換装置。

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