JP7468158B2 - Power conversion device and semiconductor module - Google Patents
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Description
この発明は、電力変換装置および半導体モジュールに関し、特に、３つのレベルの電位の電力を出力する電力変換装置および３つのレベルの電位の電力を出力する電力変換装置に用いられる半導体モジュールに関する。 This invention relates to a power conversion device and a semiconductor module, and in particular to a power conversion device that outputs power at three levels of potential and a semiconductor module used in a power conversion device that outputs power at three levels of potential.
従来、３つのレベルの電位の電力を出力する３レベル電力変換装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。 Conventionally, a three-level power conversion device that outputs power at three potential levels is known (see, for example, Patent Document 1).
上記特許文献１には、互いに直列に接続される４つのスイッチング素子と、２つのダイオードを備える３レベル電力変換装置が開示されている。２つのダイオードは、互いに直列に接続されているとともに、４つのスイッチング素子のうち、２つのスイッチング素子の接続点と、残りの２つのスイッチング素子の接続点との間に電気的に接続され、クランプダイオードとして動作（機能）する。この特許文献１に記載の３レベル電力変換装置には、２つのスイッチング素子のみが内包された半導体モジュールが１つ設けられ、スイッチング素子およびダイオード素子を各々１つずつ内包する半導体モジュールが２つ設けられている。
The above-mentioned
また、上記特許文献１には、２つのスイッチング素子が内包された半導体モジュールが３つ設けられ、クランプダイオードとしてスイッチング素子を用いる３レベル電力変換装置も開示されている。
The above-mentioned
ここで、上記特許文献１に記載の２つのスイッチング素子が内包された半導体モジュールが３つ設けられる３レベル電力変換装置では、クランプダイオードとしてスイッチング素子を用いる。そのため、３つの半導体モジュールのうち、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いる半導体モジュールは、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるために、半導体モジュール内において、スイッチング素子がダイオードとしてしか機能しないように、スイッチング素子をスイッチング動作が行われない常時オフの状態にするための処理を行う必要がある。一方、上記特許文献１に記載の２つのスイッチング素子のみが内包された半導体モジュールが１つ設けられ、スイッチング素子およびダイオード素子を各々１つずつ内包する半導体モジュールが２つ設けられる３レベル電力変換装置では、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理は不要であるが、スイッチング素子のみが設けられる半導体モジュールと、スイッチング素子およびダイオード素子が設けられる半導体モジュールとが必要となるので、半導体モジュールの種類が増加してしまう。そのため、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理を行うことなく、保守部品の共通化を図ることが困難であるという問題がある。
Here, in the three-level power conversion device in which three semiconductor modules containing two switching elements as described in the
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理を行うことなく、保守部品の共通化を図ることが可能な電力変換装置および半導体モジュールを提供することである。 This invention was made to solve the above problems, and one objective of the invention is to provide a power conversion device and a semiconductor module that enable commonality of maintenance parts without the need for processing to use switching elements as clamp diodes.
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による電力変換装置は、上位電位と中間電位と下位電位との３つのレベルの電位の電力を出力する電力変換装置であって、互いに直列に接続され、スイッチング素子により構成される４つのスイッチング部と、４つのスイッチング部のうち、２つのスイッチング部の接続点と、残りの２つのスイッチング部の接続点との間に電気的に接続されるとともに互いに直列に接続される第１ダイオード部および第２ダイオード部と、を備え、第１ダイオード部および第２ダイオード部は、各々、互いに並列に接続される一対のダイオード素子を含み、スイッチング部と、ダイオード素子とを、電気的に絶縁した状態で各々１つずつ内包する、４つの半導体モジュールが設けられている。 To achieve the above object, a power conversion device according to a first aspect of the present invention is a power conversion device that outputs power at three potential levels: an upper potential, an intermediate potential, and a lower potential, and includes four switching sections that are connected in series with each other and are composed of switching elements, and a first diode section and a second diode section that are electrically connected between the connection point of two of the four switching sections and the connection point of the remaining two switching sections and are connected in series with each other, and each of the first diode section and the second diode section includes a pair of diode elements that are connected in parallel with each other, and four semiconductor modules are provided that each include one switching section and one diode element in an electrically insulated state.
上記第１の局面による電力変換装置では、上記のように、４つのスイッチング部と、第１ダイオード部および第２ダイオード部とを備え、第１ダイオード部および第２ダイオード部は、各々、互いに並列に接続される一対のダイオード素子を含む。そして、スイッチング部と、ダイオード素子とを、電気的に絶縁した状態で各々１つずつ内包する４つの半導体モジュールが設けられている。これにより、４つの半導体モジュールの各々がダイオード素子を含むので、クランプダイオードとしてスイッチング素子を用いる場合と異なり、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理を行う必要がない。また、４つの半導体モジュールの各々が、スイッチング部と、ダイオード素子とを、電気的に絶縁した状態で各々１つずつ内包するので、４つの半導体モジュールの構成要素が、スイッチング部とダイオード素子とが設けられる同一種類の構成となる。したがって、４つの半導体モジュールの保守部品の共通化を図ることができる。その結果、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理を行うことなく、保守部品の共通化を図ることが可能な電力変換装置を提供することができる。 As described above, the power conversion device according to the first aspect includes four switching units, a first diode unit, and a second diode unit, and each of the first diode unit and the second diode unit includes a pair of diode elements connected in parallel to each other. Four semiconductor modules are provided, each including a switching unit and a diode element in an electrically insulated state. As a result, since each of the four semiconductor modules includes a diode element, unlike the case where a switching element is used as a clamp diode, there is no need to perform processing to use the switching element as a clamp diode. Also, since each of the four semiconductor modules includes a switching unit and a diode element in an electrically insulated state, the components of the four semiconductor modules are of the same type, in which a switching unit and a diode element are provided. Therefore, it is possible to standardize the maintenance parts of the four semiconductor modules. As a result, it is possible to provide a power conversion device that can standardize maintenance parts without performing processing to use the switching element as a clamp diode.
上記第１の局面による電力変換装置において、好ましくは、４つの半導体モジュールは、第１半導体モジュールと、第２半導体モジュールと、第３半導体モジュールと、第４半導体モジュールとを含み、第１半導体モジュールおよび第２半導体モジュールの各々に内包されたスイッチング部は、３つのレベルの電位の電力を出力する３レベル電力変換回路における一方のアームとして動作するように配置されており、第３半導体モジュールおよび第４半導体モジュールの各々に内包されたスイッチング部は、３レベル電力変換回路における他方のアームとして動作するように配置されており、第１半導体モジュール、第２半導体モジュール、第３半導体モジュールおよび第４半導体モジュールの各々に内包された４つのダイオード素子のうち、一対のダイオード素子が３レベル電力変換回路において互いに並列に接続され、クランプダイオードとして動作するように配置されている。このように構成すれば、第１半導体モジュール、第２半導体モジュール、第３半導体モジュールおよび第４半導体モジュールの各々がクランプダイオードとして動作するように配置されているダイオード素子を含むので、クランプダイオードとしてスイッチング素子を用いる場合と異なり、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理を行う必要がない。また、第１半導体モジュール、第２半導体モジュール、第３半導体モジュールおよび第４半導体モジュールの各々が、スイッチング部と、ダイオード素子とを、電気的に絶縁した状態で各々１つずつ内包するので、第１半導体モジュール、第２半導体モジュール、第３半導体モジュールおよび第４半導体モジュールの構成要素が、スイッチング部とダイオード素子とが設けられる同一種類の構成となる。したがって、第１半導体モジュール、第２半導体モジュール、第３半導体モジュールおよび第４半導体モジュールの保守部品の共通化を図ることができる。その結果、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理を行うことなく、保守部品の共通化を図ることが可能な電力変換装置１００を提供することができる。
In the power conversion device according to the first aspect, the four semiconductor modules preferably include a first semiconductor module, a second semiconductor module, a third semiconductor module, and a fourth semiconductor module, and the switching units included in each of the first and second semiconductor modules are arranged to operate as one arm in a three-level power conversion circuit that outputs power of three levels of potential, and the switching units included in each of the third and fourth semiconductor modules are arranged to operate as the other arm in the three-level power conversion circuit, and among the four diode elements included in each of the first, second, third, and fourth semiconductor modules, a pair of diode elements are connected in parallel to each other in the three-level power conversion circuit and arranged to operate as clamp diodes. With this configuration, each of the first, second, third, and fourth semiconductor modules includes a diode element arranged to operate as a clamp diode, so that unlike the case where a switching element is used as a clamp diode, there is no need to perform processing to use the switching element as a clamp diode. In addition, since each of the first semiconductor module, the second semiconductor module, the third semiconductor module, and the fourth semiconductor module includes one switching unit and one diode element in an electrically insulated state, the components of the first semiconductor module, the second semiconductor module, the third semiconductor module, and the fourth semiconductor module have the same type of configuration in which a switching unit and a diode element are provided. Therefore, it is possible to standardize the maintenance parts of the first semiconductor module, the second semiconductor module, the third semiconductor module, and the fourth semiconductor module. As a result, it is possible to provide a
この場合、好ましくは、第１半導体モジュール、第２半導体モジュール、第３半導体モジュールおよび第４半導体モジュールの各々は、同一種類のモジュールにより構成されている。このように構成すれば、スイッチング素子およびダイオード素子を各々内包する第１半導体モジュール、第２半導体モジュール、第３半導体モジュールおよび第４半導体モジュールを共通の半導体モジュールにすることができるので、より容易に保守部品の共通化を図ることができる。なお、同一種類の半導体モジュールとは、共通（同一種類）のスイッチング素子とダイオード素子とが設けられる半導体モジュールであって、完全に同一形状のパッケージのみならず、上下左右が反転した略同一形状のパッケージなども含む半導体モジュールである。 In this case, preferably, each of the first semiconductor module, the second semiconductor module, the third semiconductor module, and the fourth semiconductor module is composed of modules of the same type. With this configuration, the first semiconductor module, the second semiconductor module, the third semiconductor module, and the fourth semiconductor module, each of which contains a switching element and a diode element, can be made into a common semiconductor module, making it easier to standardize maintenance parts. Note that the same type of semiconductor module is a semiconductor module in which common (same type) switching elements and diode elements are provided, and includes not only packages of completely the same shape, but also packages of approximately the same shape that are inverted vertically and horizontally.
上記第１の局面による電力変換装置において、好ましくは、第１半導体モジュール、第２半導体モジュール、第３半導体モジュールおよび第４半導体モジュールの各々に内包されたダイオード素子は、バスバーにより互いに電気的に接続されるように構成されている。このように構成すれば、４つの半導体モジュールの各々に内包されたダイオード素子の各々をケーブルや導線により、互いに電気的に接続する場合に比べて、ダイオード素子の間に流れる電流の容量を大きくすることができるとともに、放熱性を向上させることができる。 In the power conversion device according to the first aspect, the diode elements contained in each of the first semiconductor module, the second semiconductor module, the third semiconductor module, and the fourth semiconductor module are preferably configured to be electrically connected to each other by a bus bar. With this configuration, the capacity of the current flowing between the diode elements can be increased and heat dissipation can be improved compared to a case in which each of the diode elements contained in each of the four semiconductor modules is electrically connected to each other by a cable or conductor.
上記第１の局面による電力変換装置において、好ましくは、第１半導体モジュール、第２半導体モジュール、第３半導体モジュールおよび第４半導体モジュールの各々に内包されたスイッチング部は、一対のスイッチング素子により構成されており、一対のスイッチング素子は、３レベル電力変換回路において互いに並列に接続されている。このように構成すれば、スイッチング部が一対のスイッチング素子により構成されているので、半導体モジュールに流れる電流の容量を大きくすることができる。また、半導体にスイッチング素子が１つのみが設けられている場合において、電力変換装置の電流容量を大きくしようとすると半導体モジュールを並列に設ける必要があり、電力変換装置が大型化する。一方、上記のように半導体モジュールの各々に内包されたスイッチング部を一対のスイッチング素子により構成することにより、半導体モジュールを並列に接続することなく電流の容量を大きくすることができる。その結果、接続する半導体モジュールの数を少なくすることができるので、電力変換装置の大型化を抑制することができる。 In the power conversion device according to the first aspect, preferably, the switching unit included in each of the first semiconductor module, the second semiconductor module, the third semiconductor module, and the fourth semiconductor module is composed of a pair of switching elements, and the pair of switching elements is connected in parallel to each other in the three-level power conversion circuit. With this configuration, since the switching unit is composed of a pair of switching elements, the capacity of the current flowing through the semiconductor module can be increased. Also, when only one switching element is provided in the semiconductor, in order to increase the current capacity of the power conversion device, it is necessary to provide the semiconductor modules in parallel, and the power conversion device becomes larger. On the other hand, by configuring the switching unit included in each of the semiconductor modules with a pair of switching elements as described above, the current capacity can be increased without connecting the semiconductor modules in parallel. As a result, the number of semiconductor modules to be connected can be reduced, and the power conversion device can be prevented from becoming larger.
この場合、好ましくは、一対のダイオード素子が３レベル電力変換回路において互いに並列に接続された際のダイオード素子の１つあたりの電流容量は、一対のスイッチング素子に含まれるスイッチング用トランジスタの１つあたりの電流容量とほぼ等しい。このように構成すれば、ダイオード素子は、電流容量が同程度のスイッチング用トランジスタと還流ダイオードとを含むスイッチング素子と比べて大きさを小さくすることができる。その結果、スイッチング用トランジスタと還流ダイオードとを含むスイッチング素子のみが内包された半導体モジュールに比べて、半導体モジュールの大きさを小さくすることができる。また、ダイオード素子は、電流容量が同程度のスイッチング用トランジスタと還流ダイオードとを含むスイッチング素子と比べて大きさを小さくすることができるので、ダイオード素子の大きさを小さくすることにより得られる半導体モジュールの空きスペースに応じて、スイッチング素子を大きくする、または、スイッチング素子を追加配置することができるので、スイッチング部の電流容量を容易に大きくすることができる。 In this case, preferably, the current capacity of each of the pair of diode elements when the pair of diode elements are connected in parallel to each other in the three-level power conversion circuit is approximately equal to the current capacity of each of the switching transistors included in the pair of switching elements. With this configuration, the diode elements can be made smaller in size than switching elements including a switching transistor and a freewheeling diode with the same current capacity. As a result, the size of the semiconductor module can be made smaller than a semiconductor module containing only a switching element including a switching transistor and a freewheeling diode. In addition, since the diode elements can be made smaller in size than switching elements including a switching transistor and a freewheeling diode with the same current capacity, the switching elements can be made larger or additional switching elements can be arranged depending on the free space of the semiconductor module obtained by reducing the size of the diode elements, so the current capacity of the switching section can be easily increased.
上記第１の局面による電力変換装置において、好ましくは、第１半導体モジュール、第２半導体モジュール、第３半導体モジュールおよび第４半導体モジュールの各々に内包されたスイッチング部は、１つのスイッチング素子により構成されている。このように構成すれば、スイッチング部が複数のスイッチング素子により構成される場合に比べて、半導体モジュールを容易に小型化することができる。その結果、流れる電流が比較的少ない電力変換装置に対して、上記スイッチング部が１つのスイッチング素子により構成されている半導体モジュールを用いることによって、電力変換装置の小型化を容易に図ることができる。また、複数のスイッチング素子が４つの半導体モジュールの各々に内包される場合に比べて、半導体モジュールの端子数の増加を抑制することができるので、半導体モジュールの複雑化を抑制することができる。 In the power conversion device according to the first aspect, preferably, the switching unit included in each of the first semiconductor module, the second semiconductor module, the third semiconductor module, and the fourth semiconductor module is composed of one switching element. With this configuration, the semiconductor module can be easily miniaturized compared to when the switching unit is composed of multiple switching elements. As a result, for a power conversion device in which a relatively small current flows, by using a semiconductor module in which the switching unit is composed of one switching element, the power conversion device can be easily miniaturized. In addition, compared to when multiple switching elements are included in each of the four semiconductor modules, an increase in the number of terminals of the semiconductor module can be suppressed, and the complexity of the semiconductor module can be suppressed.
この場合、好ましくは、一対のダイオード素子が３レベル電力変換回路において互いに並列に接続された際のダイオード素子の１つあたりの電流容量は、スイッチング素子に含まれるスイッチング用トランジスタの１つあたりの電流容量よりも小さい。このように構成すれば、ダイオード素子の１つあたりの電流容量が、スイッチング素子に含まれるスイッチング用トランジスタの１つあたりの電流容量と同程度以上の場合に比べて、半導体モジュール内におけるダイオード素子が占める面積の大きさを小さくすることができる。その結果、半導体モジュール内におけるスイッチング部が占める面積の大きさを大きくすることができるので、スイッチング部の電流容量を容易に大きくすることができる。 In this case, preferably, when a pair of diode elements are connected in parallel to each other in a three-level power conversion circuit, the current capacity of each diode element is smaller than the current capacity of each switching transistor included in the switching element. With this configuration, the area occupied by the diode elements in the semiconductor module can be reduced compared to when the current capacity of each diode element is equal to or greater than the current capacity of each switching transistor included in the switching element. As a result, the area occupied by the switching unit in the semiconductor module can be increased, and the current capacity of the switching unit can be easily increased.
上記目的を達成するために、この発明の第２の局面による半導体モジュールは、上記第１の局面による電力変換装置に用いられる。 In order to achieve the above object, a semiconductor module according to a second aspect of the present invention is used in the power conversion device according to the first aspect .
上記第２の局面による半導体モジュールは、上記のように、４つのスイッチング部と、互いに並列に接続される一対のダイオード素子を含む第１ダイオード部および第２ダイオード部とを備え、上位電位と中間電位と下位電位との３つのレベルの電位の電力を出力する電力変換装置に用いられる。そして、上記第２の局面による半導体モジュールは、スイッチング部と、ダイオード素子とを、電気的に絶縁した状態で各々１つずつ内包する。これにより、４つの半導体モジュールの各々がダイオード素子を含むので、クランプダイオードとしてスイッチング素子を用いる場合と異なり、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理を行う必要がない。また、４つの半導体モジュールの各々が、スイッチング部と、ダイオード素子とを、電気的に絶縁した状態で各々１つずつ内包するので、４つの半導体モジュールの構成要素が、スイッチング部とダイオード素子とが設けられる同一種類の構成となる。したがって、４つの半導体モジュールの保守部品の共通化を図ることができる。その結果、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理を行うことなく、保守部品の共通化を図ることが可能な半導体モジュールを提供することができる。 The semiconductor module according to the second aspect includes four switching units and a first diode unit and a second diode unit including a pair of diode elements connected in parallel to each other, as described above, and is used in a power conversion device that outputs power at three levels of potential: an upper potential, an intermediate potential, and a lower potential. The semiconductor module according to the second aspect includes one switching unit and one diode element each in an electrically insulated state. As a result, each of the four semiconductor modules includes a diode element, and unlike the case where a switching element is used as a clamp diode, there is no need to perform processing to use the switching element as a clamp diode. Also, since each of the four semiconductor modules includes one switching unit and one diode element each in an electrically insulated state, the components of the four semiconductor modules have the same type of configuration in which a switching unit and a diode element are provided. Therefore, it is possible to standardize the maintenance parts of the four semiconductor modules. As a result, it is possible to provide a semiconductor module that can standardize maintenance parts without performing processing to use the switching element as a clamp diode.
本発明によれば、上記のように、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理を行うことなく、保守部品の共通化を図ることが可能な電力変換装置および半導体モジュールを提供することができる。 According to the present invention, as described above, it is possible to provide a power conversion device and a semiconductor module that enable the standardization of maintenance parts without performing processing to use switching elements as clamp diodes.
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.
［第１実施形態］
図１～図６を参照して、本発明の第１実施形態による電力変換装置１００の構成について説明する。なお、電力変換装置１００は、鉄道車両９００に搭載される電力変換装置である。
[First embodiment]
The configuration of a
図１に示すように、鉄道車両９００は、交流電源としての架線Ｗから供給される電力により、レールＲ上を走行するように構成されている。以下の説明では、鉄道車両９００の上下方向をＺ方向とする。また、鉄道車両９００の上側（上方向）および下側（下方向）を、それぞれ、Ｚ１側（Ｚ１方向）およびＺ２側（Ｚ２方向）とする。
As shown in FIG. 1, the
鉄道車両９００は、車体９１０と、パンタグラフＰＴと、電力変換装置１００と、駆動輪９２０を回転させる誘導電動機ＩＭと、空調機器や制御機器等のその他の機器類９３０と、を備えている。車体９１０の底部９１１の下側（Ｚ２側）には、電力変換装置１００が取り付けられている。パンタグラフＰＴは、架線Ｗに供給されている電力を受電（集電）する。電力変換装置１００は、鉄道車両９００の走行時に、架線Ｗからの電力をスイッチング素子のスイッチングにより変換して、誘導電動機ＩＭの回転制御を行う。
The
図２に示すように、パンタグラフＰＴから、真空遮断器ＶＣＢ（Ｖａｃｕｕｍ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ）を介して、変圧器Ｔに単相の電圧が入力される。そして、変圧器Ｔの２次巻線Ｔａから、電力変換装置１００に単相の交流電圧が入力される。電力変換装置１００は、コンバータ部１１０と、インバータ部１２０と、を備えている。コンバータ部１１０は、２次巻線Ｔａから入力される単相の交流電圧を、直流電圧に変換する。インバータ部１２０は、コンバータ部１１０から入力される直流電圧を、三相交流電圧に変換する。そして、変換された三相交流電圧が、インバータ部１２０から、鉄道車両９００を駆動するための誘導電動機ＩＭに出力される。
As shown in FIG. 2, a single-phase voltage is input from the pantograph PT to the transformer T via a vacuum circuit breaker VCB. Then, a single-phase AC voltage is input from the secondary winding Ta of the transformer T to the
電力変換装置１００では、コンバータ部１１０は、互いに並列に接続される２つの電力変換部１００ａにより構成されている。また、インバータ部１２０は、互いに並列に接続される３つの電力変換部１００ａにより構成されている。電力変換装置１００では、５つの電力変換部１００ａ（コンバータ部１１０の２つの電力変換部１００ａおよびインバータ部１２０の３つの電力変換部１００ａ）は、互いに略同様の構成である。したがって、以下の説明では、１つの電力変換部１００ａの構成について説明する。なお、電力変換装置１００は、上位電位と中間電位と下位電位との３つのレベルの電位の電力を出力可能な３レベル回路（Ｉ型３レベル変換回路）として構成されている。すなわち、電力変換装置１００は、上位電位と中間電位と下位電位との３つのレベルの電位の電力を出力するように構成されている３レベル電力変換装置である。
In the
図３に示すように、電力変換装置１００の電力変換部１００ａは、ダイオード部１と、ダイオード部２と、スイッチング部３と、スイッチング部４と、スイッチング部５と、スイッチング部６とを備える。なお、ダイオード部１は、特許請求の範囲の「第１ダイオード部」の一例であり、ダイオード部２は、特許請求の範囲の「第２ダイオード部」の一例である。なお、スイッチング部３、４、５および６は、特許請求の範囲の「４つのスイッチング部」の一例である。また、電力変換装置１００の電力変換部１００ａは、コンデンサ７およびコンデンサ８を備える。
As shown in FIG. 3, the
スイッチング部３、４、５および６は、互いに直列に接続されているように構成されている。また、ダイオード部１およびダイオード部２は、互いに直列に接続されており、スイッチング部３～６のうち、スイッチング部３とスイッチング部４との接続点と、スイッチング部５とスイッチング部６との接続点との間に電気的に接続されるように構成されている。
また、スイッチング部３、４、５および６は、正極電位点Ｐと負極電位点Ｎとの間に接続されている。具体的には、スイッチング部３は、正極電位点Ｐに電気的に接続されている。また、スイッチング部３は、スイッチング部４に電気的に接続されている。スイッチング部４は、スイッチング部５に電気的に接続されている。スイッチング部５は、スイッチング部６に電気的に接続されている。スイッチング部６は、負極電位点Ｎに電気的に接続されている。なお、スイッチング部４およびスイッチング部５は、交流（出力）電位点ＡＣに電気的に接続されている。また、誘導電動機ＩＭは、スイッチング部５とスイッチング部６との間の交流（出力）電位点ＡＣに接続されている。なお、図２および図３は、簡略化のため、１つずつのスイッチング素子のみを図示している。
第１実施形態では、ダイオード部１は、互いに並列に接続される一対のダイオード素子１ａおよびダイオード素子１ｂを含む。なお、ダイオード素子１ａとダイオード素子１ｂは、特許請求の範囲の「一対のダイオード素子」の一例である。
In the first embodiment, the
また、ダイオード部２は、互いに並列に接続される一対のダイオード素子２ａおよびダイオード素子２ｂを含む。なお、ダイオード素子２ａとダイオード素子２ｂは、特許請求の範囲の「一対のダイオード素子」の一例である。
The
なお、ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂは、たとえば、シリコン半導体からなるダイオード（チップ）である。また、ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂは、同一種類のダイオードである。
The
ダイオード部１（ダイオード素子１ａおよび１ｂ）は、スイッチング部３および４に電気的に接続されるとともに、ダイオード部２（ダイオード素子２ａおよび２ｂ）に電気的に接続されている。また、ダイオード部２は、スイッチング部５および６に電気的に接続されている。なお、ダイオード部１およびダイオード部２は、中間電位点Ｃに電気的に接続されている。
Diode section 1 (
図４～図６に示すように、本実施形態では、電力変換装置１００の電力変換部１００ａには、半導体モジュール１０と、半導体モジュール２０と、半導体モジュール３０と、半導体モジュール４０とを含む４つの半導体モジュールが設けられている。なお、半導体モジュール１０、半導体モジュール２０、半導体モジュール３０および半導体モジュール４０は、それぞれ特許請求の範囲の「第１半導体モジュール」、「第２半導体モジュール」、「第３半導体モジュール」および「第４半導体モジュール」の一例である。また、半導体モジュール１０、半導体モジュール２０、半導体モジュール３０および半導体モジュール４０は、特許請求の範囲の「４つの半導体モジュール」の一例である。
As shown in Figures 4 to 6, in this embodiment, the
図４に示すように、半導体モジュール１０は、スイッチング部３と、ダイオード素子１ａとを、電気的に絶縁した状態で内包するように構成されており、半導体モジュール２０は、スイッチング部４と、ダイオード素子１ｂとを、電気的に絶縁した状態で内包するように構成されている。また、半導体モジュール３０は、スイッチング部５と、ダイオード素子２ｂとを、電気的に絶縁した状態で内包するように構成されており、半導体モジュール４０は、スイッチング部６と、ダイオード素子２ａとを、電気的に絶縁した状態で内包するように構成されている。すなわち、本実施形態では、４つの半導体モジュールは、スイッチング部と、ダイオード素子とを、電気的に絶縁した状態で各々１つずつ内包するように構成されている。また、半導体モジュール１０、２０、３０および４０は、同一種類のモジュールによって構成されている。
As shown in FIG. 4, the
第１実施形態では、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の各々に内包されたスイッチング部は、一対のスイッチング素子により構成されている。
In the first embodiment, the switching unit included in each of the
具体的には、半導体モジュール１０のスイッチング部３は、半導体モジュール１０に内包されたスイッチング素子３ａおよびスイッチング素子３ｂにより構成されている。なお、スイッチング素子３ａとスイッチング素子３ｂは、特許請求の範囲の「一対のスイッチング素子」の一例である。また、半導体モジュール２０のスイッチング部４は、半導体モジュール２０に内包されたスイッチング素子４ａおよびスイッチング素子４ｂにより構成されている。なお、スイッチング素子４ａとスイッチング素子４ｂは、特許請求の範囲の「一対のスイッチング素子」の一例である。そして、半導体モジュール３０のスイッチング部５は、半導体モジュール３０に内包されたスイッチング素子５ａおよびスイッチング素子５ｂにより構成されている。なお、スイッチング素子５ａとスイッチング素子５ｂは、特許請求の範囲の「一対のスイッチング素子」の一例である。また、半導体モジュール４０のスイッチング部６は、半導体モジュール４０に内包されたスイッチング素子６ａおよびスイッチング素子６ｂにより構成されている。なお、スイッチング素子６ａとスイッチング素子６ｂは、特許請求の範囲の「一対のスイッチング素子」の一例である。
Specifically, the
スイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂは、スイッチング用トランジスタＳＷと、ダイオードＦＤとを含む。第１実施形態では、スイッチング用トランジスタＳＷは、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。また、スイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂの各々のスイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）には、逆並列にダイオードＦＤが接続されている。ダイオードＦＤは、いわゆる、還流ダイオード（Ｆｒｅｅｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）として機能する。また、第１実施形態では、スイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂは、同一種類のＩＧＢＴ（チップ）に同一種類のダイオードＦＤが付属した同一種類のスイッチング素子である。スイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂは、たとえば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのＩＧＢＴ以外の半導体素子を含んでもよい。
The
また、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の各々の内部において、ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ｂおよび２ａと、一対のスイッチング素子により構成されたスイッチング部３、４、５および６とがそれぞれ隣り合うように配置される。
In addition, inside each of the
また、図４に示すように、半導体モジュール１０には、モジュールの外部接続端子として、アノード端子１１と、カソード端子１２と、コレクタ端子１３（コレクタ端子１３ａおよび１３ｂ）と、エミッタ端子１４（エミッタ端子１４ａおよび１４ｂ）とが設けられている。また、半導体モジュール２０には、モジュールの外部接続端子として、アノード端子２１と、カソード端子２２と、コレクタ端子２３（コレクタ端子２３ａおよび２３ｂ）と、エミッタ端子２４（エミッタ端子２４ａおよび２４ｂ）とが設けられている。そして、半導体モジュール３０には、モジュールの外部接続端子として、アノード端子３１と、カソード端子３２と、コレクタ端子３３（コレクタ端子３３ａおよび３３ｂ）と、エミッタ端子３４（エミッタ端子３４ａおよび３４ｂ）とが設けられている。また、半導体モジュール４０には、モジュールの外部接続端子として、アノード端子４１と、カソード端子４２と、コレクタ端子４３（コレクタ端子４３ａおよび４３ｂ）と、エミッタ端子４４（エミッタ端子４４ａおよび４４ｂ）とが設けられている。
4, the
たとえば、半導体モジュール１０、２０、３０および４０は、６端子ＨＰＭ（Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ ＭｏｄｕｌｅまたはＨｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｍｏｄｕｌｅ）パッケージにスイッチング素子とダイオード素子とを内蔵した半導体モジュールである。
For example,
そして、第１実施形態では、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の各々に内包されたスイッチング部を構成する一対のスイッチング素子は、３レベル電力変換回路において互いに並列に接続されている。
In the first embodiment, a pair of switching elements constituting the switching unit contained in each of the
具体的には、スイッチング素子３ａおよび３ｂにそれぞれに対応して設けられたコレクタ端子１３ａおよびコレクタ端子１３ｂが互いに電気的に接続されるとともに、スイッチング素子３ａおよび３ｂにそれぞれに対応して設けられたエミッタ端子１４ａおよびエミッタ端子１４ｂが互いに電気的に接続されることにより、スイッチング素子３ａおよび３ｂは、一対のスイッチング素子として、３レベル電力変換回路において互いに並列に接続されている。
Specifically,
また、スイッチング素子４ａおよび４ｂにそれぞれに対応して設けられたコレクタ端子２３ａおよびコレクタ端子２３ｂが互いに電気的に接続されるとともに、スイッチング素子４ａおよび４ｂにそれぞれに対応して設けられたエミッタ端子２４ａおよびエミッタ端子２４ｂが互いに電気的に接続されることにより、スイッチング素子４ａおよび４ｂは、一対のスイッチング素子として、３レベル電力変換回路において互いに並列に接続されている。
In addition, the
そして、スイッチング素子５ａおよび５ｂにそれぞれに対応して設けられたコレクタ端子３３ａおよびコレクタ端子３３ｂが互いに電気的に接続されるとともに、スイッチング素子５ａおよび５ｂにそれぞれに対応して設けられたエミッタ端子３４ａおよびエミッタ端子３４ｂが互いに電気的に接続されることにより、スイッチング素子５ａおよび５ｂは、一対のスイッチング素子として、３レベル電力変換回路において互いに並列に接続されている。
The
また、スイッチング素子６ａおよび６ｂにそれぞれに対応して設けられたコレクタ端子４３ａおよびコレクタ端子４３ｂが互いに電気的に接続されるとともに、スイッチング素子６ａおよび６ｂにそれぞれに対応して設けられたエミッタ端子４４ａおよびエミッタ端子４４ｂが互いに電気的に接続されることにより、スイッチング素子６ａおよび６ｂは、一対のスイッチング素子として、３レベル電力変換回路において互いに並列に接続されている。
In addition, the
また、第１実施形態では、ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂの１つあたりの電流容量は、スイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂのスイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）１つあたりの電流容量とほぼ等しくなるように構成されている。すなわち、第１実施形態では、一対のダイオード素子（ダイオード素子１ａおよび１ｂ）、（ダイオード素子２ａおよび２ｂ）が３レベル電力変換回路において互いに並列に接続された際のダイオード素子（ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂ）の１つあたりの電流容量が、一対のスイッチング素子（スイッチング素子３ａおよび３ｂ）、（スイッチング素子４ａおよび４ｂ）、（スイッチング素子５ａおよび５ｂ）、（スイッチング素子６ａおよび６ｂ）のスイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）１つあたりの電流容量とほぼ等しい。たとえば、ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂの１つあたりの電流容量（チップ面積の大きさ）は、一対のスイッチング素子のスイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）、ダイオードＦＤ（還流ダイオード）それぞれの１つあたりの電流容量（ＩＧＢＴのチップ面積およびダイオードＦＤのチップ面積のそれぞれの大きさ）と等しい。すなわち、ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂの定格電流容量とスイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂの定格電流容量とが同じになるように構成されている。なお、ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂの電流容量と、スイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂの電流容量は、電力変換装置１００の電力変換部１００ａに流れる電流値に対する電流容量であり、それぞれの電流容量は、鉄道車両９００の速度に対する損失比または温度上昇比に基づいて、変更される。
In the first embodiment, the current capacity of each of the
また、第１実施形態では、ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂの極性の向きは、スイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂの各々に接続されたダイオードＦＤの極性の向きと、同じ向きになるように構成されている。
In addition, in the first embodiment, the polarity direction of the
図４に示すように、４つの半導体モジュールは、正側から順に、半導体モジュール１０、半導体モジュール２０、半導体モジュール３０および半導体モジュール４０の順に直列に接続されている。
As shown in FIG. 4, the four semiconductor modules are connected in series from the positive side in the order of
半導体モジュール１０（スイッチング部３）のコレクタ端子１３は、正極電位点Ｐ（正極端子５１ｃ）に電気的に接続されている。すなわち、半導体モジュール１０のコレクタ端子１３は、上位電位端子である。
The
半導体モジュール１０（スイッチング部３）のエミッタ端子１４は、半導体モジュール２０（スイッチング部４）のコレクタ端子２３に電気的に接続されている。半導体モジュール２０（スイッチング部４）のエミッタ端子２４は、半導体モジュール３０（スイッチング部５）のコレクタ端子３３に電気的に接続されている。半導体モジュール３０（スイッチング部５）のエミッタ端子３４は、半導体モジュール４０（スイッチング部６）のコレクタ端子４３に電気的に接続されている。
The
そして、半導体モジュール４０（スイッチング部６）のエミッタ端子４４は、負極電位点Ｎ（負極端子５２ｃ）に電気的に接続されている。すなわち、半導体モジュール４０のエミッタ端子４４は、下位電位端子である。
The
なお、半導体モジュール２０のエミッタ端子２４および半導体モジュール３０のコレクタ端子３３は、交流（出力）電位点ＡＣに電気的に接続されている。また、前述したように、誘導電動機ＩＭは、半導体モジュール２０（スイッチング部４）と半導体モジュール３０（スイッチング部５）との間の交流（出力）電位点ＡＣに接続されている。
The
半導体モジュール１０（ダイオード素子１ａ）のカソード端子１２と、半導体モジュール２０（ダイオード素子１ｂ）のカソード端子２２と、半導体モジュール１０のエミッタ端子１４と、半導体モジュール２０のコレクタ端子２３とが互いに電気的に接続されている。半導体モジュール１０（ダイオード素子１ａ）のアノード端子１１と、半導体モジュール２０（ダイオード素子１ｂ）のアノード端子２１と、半導体モジュール４０（ダイオード素子２ａ）のカソード端子４２と、半導体モジュール３０（ダイオード素子２ｂ）のカソード端子３２とが互いに電気的に接続されている。
The
また、半導体モジュール４０（ダイオード素子２ａ）のアノード端子４１と、半導体モジュール３０（ダイオード素子２ｂ）のアノード端子３１と、半導体モジュール３０のエミッタ端子３４と、半導体モジュール４０のコレクタ端子４３とが互いに電気的に接続されている。
In addition, the
そして、アノード端子１１、アノード端子２１、カソード端子３２およびカソード端子４２は、中間電位点Ｃ（中間接続端子５３ｅおよび５３ｆ）に電気的に接続されている。すなわち、半導体モジュール１０のアノード端子１１、半導体モジュール２０のアノード端子２１、半導体モジュール３０のカソード端子３２および半導体モジュール４０のカソード端子４２は、中間電位端子である。
The
また、電力変換装置１００には、図３および図４に示すように、コンデンサ７および８が設けられている。図４に示すように、コンデンサ７の正極側端子７ａは、正極端子５１ｃ、および、半導体モジュール１０（スイッチング部３）のコレクタ端子１３に接続されている。また、図４に示すように、コンデンサ７の負極側端子７ｂは、中間接続端子５３ｅを介して、ダイオード部１（ダイオード素子１ａおよび１ｂ）のアノード端子１１および２１に接続されている。
The
そして、図４に示すように、コンデンサ８の正極側端子８ａは、中間接続端子５３ｆを介して、ダイオード部２（ダイオード素子２ａおよび２ｂ）のカソード端子３２および４２に接続されている。また、図４に示すように、コンデンサ８の負極側端子８ｂは、負極端子５２ｃ、および、半導体モジュール４０（スイッチング部６）のエミッタ端子４４に接続されている。コンデンサ７とコンデンサ８は、互いに直列に接続されている。
As shown in FIG. 4, the
第１実施形態では、半導体モジュール１０および半導体モジュール２０の各々に内包されたスイッチング部３および４は、３つのレベルの電位の電力を出力する３レベル電力変換回路における一方のアームとして動作（機能）するように配置（構成）されている。また、半導体モジュール３０および半導体モジュール４０の各々に内包されたスイッチング部５および６は、３レベル電力変換回路における他方のアームとして動作（機能）するように配置（構成）されている。そして、半導体モジュール１０、半導体モジュール２０、半導体モジュール３０および半導体モジュール４０の各々に内包されたダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂのうち、ダイオード素子１ａとダイオード素子１ｂとが３レベル電力変換回路において互いに並列に接続され、クランプダイオードとして動作（機能）するように配置されるとともに、ダイオード素子２ａとダイオード素子２ｂとが３レベル電力変換回路において互いに並列に接続され、クランプダイオードとして動作（機能）するように配置（構成）されている。
In the first embodiment, the switching
ここで、図４を参照して、電力変換部１００ａにおける各素子の電流容量について説明する。たとえば、中間接続端子５３ｅ、ダイオード部１（ダイオード素子１ａおよび１ｂ）、スイッチング部４（スイッチング素子４ａおよび４ｂ）、交流（出力）電位点ＡＣの順（経路）で電流が流れるとき、ダイオード素子１ａとダイオード素子１ｂに流れる電流値の合計値と、スイッチング素子４ａとスイッチング素子４ｂに流れる電流値の合計値とは同じになる。この時、電流はスイッチング素子４ａおよび４ｂのＩＧＢＴ（スイッチング用トランジスタＳＷ）の部分を通過している。
Now, referring to FIG. 4, the current capacity of each element in the
また、中間接続端子５３ｅ、ダイオード部１（ダイオード素子１ａおよび１ｂ）、スイッチング部３（スイッチング素子３ａおよび３ｂ）、正極電位点Ｐ（正極端子５１ｃ）の順（経路）で電流が流れるとき、ダイオード素子１ａとダイオード素子１ｂに流れる電流値の合計値と、スイッチング素子３ａとスイッチング素子３ｂに流れる電流値の合計値とは同じになる。この時、電流はスイッチング素子３ａおよび３ｂのダイオードＦＤ（還流ダイオード）の部分を通過している。
When a current flows in the order (path) of
前述した２例をもとにすると、電力変換部１００ａにおいて必要な電流容量の関係は、ダイオード素子１ａの電流容量＝ダイオード素子１ｂの電流容量＝スイッチング素子３ａのダイオードＦＤの電流容量＝スイッチング素子３ｂのダイオードＦＤの電流容量＝スイッチング素子４ａのスイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）の電流容量＝スイッチング素子４ｂのスイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）の電流容量となる。ここで、スイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂが同一種類のスイッチング素子であるとすると、上記の電流容量の関係から、必要な電流容量（チップ面積）は、ダイオード素子と、スイッチング素子のスイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）と、スイッチング素子のダイオードＦＤ（ＩＧＢＴ付属の還流ダイオード）とで等しくなる。このため、スイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）と還流ダイオードとを組み合わせたスイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂの各々のスイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）のチップ面積とダイオードＦＤ（還流ダイオード）のチップ面積との合計値は、ダイオード素子１ａおよび１ｂ（ダイオード素子２ａおよび２ｂ）の各々のチップ面積の値よりも常に大きくなる。
Based on the two examples described above, the relationship of the current capacity required in the
また、半導体モジュールの電流容量の上限は、各素子を納めるパッケージの大きさに依って決まり、パッケージ内に、電流容量が異なるスイッチング素子とダイオード素子とを、電気的に絶縁して納めることが可能である。第１実施形態では、スイッチング素子とダイオード素子とを組み込んで半導体モジュールを構成しているので、ダイオード素子のみで構成した半導体モジュールを不要とし、３レベル電力変換回路を構成する半導体モジュールの種類および個数を減らすことが可能である。 The upper limit of the current capacity of the semiconductor module is determined by the size of the package that contains each element, and it is possible to contain switching elements and diode elements with different current capacities in a package while electrically isolating them. In the first embodiment, a semiconductor module is constructed by incorporating switching elements and diode elements, making it unnecessary to have a semiconductor module composed only of diode elements, and making it possible to reduce the number and types of semiconductor modules that make up the three-level power conversion circuit.
ダイオード素子（ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂ）は、電流容量が同程度のスイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）とダイオードＦＤ（還流ダイオード）とを含むスイッチング素子（スイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂ）と比べて、半導体モジュール（半導体モジュール１０、２０、３０および４０）内における占有面積（チップ面積）を小さくすることができる。第１実施形態では、このダイオード素子と、スイッチング素子との占有面積（チップ面積）の違いを活用し、半導体内での占有割合をスイッチング素子とダイオード素子とでバランスを取ることによって、半導体モジュール内のスイッチング素子の電流容量に対して必要な電流容量のダイオード素子を半導体モジュール内に配置することが可能である。
The diode elements (
また、図５に示すように、コンデンサ７およびコンデンサ８は、Ｘ方向に並ぶように配置されている。コンデンサ７は、コンデンサ８に対してＸ２方向側に配置されている。コンデンサ７およびコンデンサ８は、略直方体形状を有する。コンデンサ７およびコンデンサ８は、半導体モジュール１０、半導体モジュール２０、半導体モジュール３０および半導体モジュール４０よりも上側（Ｚ１側）に配置されている。また、Ｚ方向（上下方向）において、コンデンサ７およびコンデンサ８と、半導体モジュール１０、半導体モジュール２０、半導体モジュール３０および半導体モジュール４０との間には、後述するバスバー５０が設けられている。なお、図５および図６に示すＸ方向は、Ｚ方向（上下方向）に略直交する方向であり、Ｙ方向は、Ｘ方向とＺ方向とに略直交する方向である。また、Ｘ方向における一方をＸ１方向とし、他方をＸ２方向としている。そして、Ｙ方向における一方をＹ１方向とし、他方をＹ２方向としている。
As shown in FIG. 5, the
図６に示すように、半導体モジュール１０および半導体モジュール２０は、Ｘ方向に沿って、Ｘ２方向側から、半導体モジュール１０、半導体モジュール２０の順に配置されている。半導体モジュール３０および半導体モジュール４０は、Ｘ方向に沿って、Ｘ１方向側から、半導体モジュール３０、半導体モジュール４０の順に配置されている。また、半導体モジュール１０のＹ２方向側に半導体モジュール４０が隣り合うように配置されており、半導体モジュール２０のＹ２方向側に半導体モジュール３０が隣り合うように配置されている。すなわち、半導体モジュール１０および半導体モジュール２０の列と、半導体モジュール３０および半導体モジュール４０の列とは、Ｙ方向において隣り合うように設けられている。
As shown in FIG. 6, the
図６に示すように、半導体モジュール１０、２０、３０および４０は、略直方体形状を有する。半導体モジュール１０のアノード端子１１、カソード端子１２、コレクタ端子１３およびエミッタ端子１４は、略直方体形状を有する半導体モジュール１０の上側（Ｚ１側）に設けられている。
As shown in FIG. 6, the
具体的には、半導体モジュール１０の上側（Ｚ１側）において、Ｘ方向に沿って、Ｘ２方向側から、アノード端子１１、エミッタ端子１４ａ、エミッタ端子１４ｂの順に配置されている。また、半導体モジュール１０の上側（Ｚ１側）において、Ｘ方向に沿って、Ｘ２方向側から、カソード端子１２、コレクタ端子１３ａ、コレクタ端子１３ｂの順に配置されている。アノード端子１１、エミッタ端子１４ａおよびエミッタ端子１４ｂのＹ１方向側には、それぞれカソード端子１２、コレクタ端子１３ａ、コレクタ端子１３ｂが隣り合うように配置されている。
Specifically, on the upper side (Z1 side) of the
また、半導体モジュール２０のアノード端子２１、カソード端子２２、コレクタ端子２３およびエミッタ端子２４は、略直方体形状を有する半導体モジュール２０の上側（Ｚ１側）に設けられている。
The
具体的には、半導体モジュール２０の上側（Ｚ１側）において、Ｘ方向に沿って、Ｘ２方向側から、アノード端子２１、エミッタ端子２４ａ、エミッタ端子２４ｂの順に配置されている。また、半導体モジュール２０の上側（Ｚ１側）において、Ｘ方向に沿って、Ｘ２方向側から、カソード端子２２、コレクタ端子２３ａ、コレクタ端子２３ｂの順に配置されている。アノード端子２１、エミッタ端子２４ａおよびエミッタ端子２４ｂのＹ１方向側には、それぞれカソード端子２２、コレクタ端子２３ａ、コレクタ端子２３ｂが隣り合うように配置されている。
Specifically, on the upper side (Z1 side) of the
そして、半導体モジュール３０のアノード端子３１、カソード端子３２、コレクタ端子３３およびエミッタ端子３４は、略直方体形状を有する半導体モジュール３０の上側（Ｚ１側）に設けられている。
The
具体的には、半導体モジュール３０の上側（Ｚ１側）において、Ｘ方向に沿って、Ｘ２方向側から、アノード端子３１、エミッタ端子３４ａ、エミッタ端子３４ｂの順に配置されている。また、半導体モジュール３０の上側（Ｚ１側）において、Ｘ方向に沿って、Ｘ１方向側から、カソード端子３２、コレクタ端子３３ａ、コレクタ端子３３ｂの順に配置されている。アノード端子３１、エミッタ端子３４ａおよびエミッタ端子３４ｂのＹ１方向側には、それぞれカソード端子３２、コレクタ端子３３ａ、コレクタ端子３３ｂが隣り合うように配置されている。
Specifically, on the upper side (Z1 side) of the
また、半導体モジュール４０のアノード端子４１、カソード端子４２、コレクタ端子４３およびエミッタ端子４４は、略直方体形状を有する半導体モジュール１０の上側（Ｚ１側）に設けられている。
The
具体的には、半導体モジュール４０の上側（Ｚ１側）において、Ｘ方向に沿って、Ｘ２方向側から、アノード端子４１、エミッタ端子４４ａ、エミッタ端子４４ｂの順に配置されている。また、半導体モジュール４０の上側（Ｚ１側）において、Ｘ方向に沿って、Ｘ１方向側から、カソード端子４２、コレクタ端子４３ａ、コレクタ端子４３ｂの順に配置されている。アノード端子４１、エミッタ端子４４ａおよびエミッタ端子４４ｂのＹ１方向側には、それぞれカソード端子４２、コレクタ端子４３ａ、コレクタ端子４３ｂが隣り合うように配置されている。
Specifically, on the upper side (Z1 side) of the
なお、スイッチング部３、４、５および６のスイッチング動作を行うために、半導体モジュール１０、２０、３０および４０には、各々が内包したスイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂのゲートの制御を行うための図示しない制御端子が設けられている。
In order to perform the switching operations of the switching
また、図６に示すように、電力変換装置１００の電力変換部１００ａは、板状のバスバー５０（正側バスバー５１、負側バスバー５２、中間バスバー５３、バスバー５４、バスバー５５およびバスバー５６）を備える。
Also, as shown in FIG. 6, the
また、正側バスバー５１、負側バスバー５２、中間バスバー５３、バスバー５４、バスバー５５およびバスバー５６は、図示しない絶縁層を介して積層（ラミネート）されている。また、正側バスバー５１、負側バスバー５２、中間バスバー５３、バスバー５４、バスバー５５およびバスバー５６の各々は、たとえば銅製である。
The
正側バスバー５１は、４つの半導体モジュールの上方（Ｚ１方向側）に設けられている。正側バスバー５１は、Ｚ１方向側から見て、略矩形形状を有している。正側バスバー５１には、正側導体端子部５１ａおよび５１ｂと、正極端子５１ｃとが設けられている。正極端子５１ｃは、正側導体端子部５１ａおよび５１ｂと導通するように構成されている。正極端子５１ｃは、Ｙ方向に延びる形状を有している。
The
正側導体端子部５１ａおよび５１ｂは、Ｚ１方向側から見て、それぞれ、半導体モジュール１０のコレクタ端子１３ａ、１３ｂとオーバーラップするように設けられており、対応する端子（コレクタ端子１３ａ、１３ｂ）と接続（締結）される。すなわち、正極端子５１ｃは、正側導体端子部５１ａおよび５１ｂを介して、それぞれコレクタ端子１３ａ、１３ｂと導通している。また、正側バスバー５１は、２つの開口部Ａ１を有する。
The positive
また、負側バスバー５２は、正側バスバー５１と同じ高さ位置（Ｚ方向の位置）において、正側バスバー５１と隣り合うように設けられている。負側バスバー５２は、Ｚ１方向側から見て、略矩形形状を有している。なお、正側バスバー５１および負側バスバー５２の各々は、コンデンサ７（図５参照）およびコンデンサ８（図５参照）の下方（Ｚ２方向側）に配置されている。
The
負側バスバー５２には、負側導体端子部５２ａおよび５２ｂと、負極端子５２ｃとが設けられている。負極端子５２ｃは、負側導体端子部５２ａおよび５２ｂと導通するように構成されている。負極端子５２ｃは、Ｙ方向に延びる形状を有している。
The
負側導体端子部５２ａおよび５２ｂは、Ｚ１方向側から見て、それぞれ、半導体モジュール４０のエミッタ端子４４ａ、４４ｂとオーバーラップするように設けられており、対応する端子（エミッタ端子４４ａ、４４ｂ）と接続（締結）される。すなわち、負極端子５２ｃは、負側導体端子部５２ａおよび５２ｂを介して、それぞれエミッタ端子４４ａ、４４ｂと導通している。また、負側バスバー５２は、２つの開口部Ａ１を有する。
When viewed from the Z1 direction, the negative
また、中間バスバー５３は、正側バスバー５１および負側バスバー５２の下部に配置されている。中間バスバー５３は、正側バスバー５１および負側バスバー５２の下部に、図示しない絶縁層を介して積層（ラミネート）されている。中間バスバー５３は、Ｙ方向に延びる略矩形形状を有している。
The
中間バスバー５３には、中間導体端子部５３ａ、５３ｂ、５３ｃおよび５３ｄと、中間接続端子５３ｅおよび５３ｆが設けられている。中間接続端子５３ｅおよび５３ｆは、中間導体端子部５３ａ、５３ｂ、５３ｃおよび５３ｄと導通するように構成されている。中間バスバー５３は、たとえば銅製である。中間接続端子５３ｅおよび５３ｆは、Ｙ方向に延びる形状を有している。
The
中間導体端子部５３ａ、５３ｂ、５３ｃおよび５３ｄは、Ｚ１方向側から見て、それぞれ、半導体モジュール１０のアノード端子１１、半導体モジュール２０のアノード端子２１、半導体モジュール３０のカソード端子３２および半導体モジュール４０のカソード端子４２とオーバーラップするように設けられており、対応する端子（アノード端子１１、アノード端子２１、カソード端子３２およびカソード端子４２）と接続（締結）される。すなわち、中間接続端子５３ｅおよび５３ｆは、中間導体端子部５３ａ、５３ｂ、５３ｃおよび５３ｄを介して、それぞれアノード端子１１、アノード端子２１、カソード端子３２およびカソード端子４２と導通している。
When viewed from the Z1 direction side, the
すなわち、第１実施形態では、４つの半導体モジュール（半導体モジュール１０、２０、３０および４０）の各々に内包されたダイオード素子（ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂ）は、バスバー（中間バスバー５３）により互いに電気的に接続されるように構成されている。なお、中間バスバー５３は、特許請求の範囲の「バスバー」の一例である。
That is, in the first embodiment, the diode elements (
また、中間バスバー５３は、４つの開口部Ａ１と、８つの開口部Ａ２とを有する。
In addition, the
バスバー５４およびバスバー５５の各々は、中間バスバー５３とバスバー５６との間に設けられている。バスバー５４およびバスバー５５の各々は、Ｚ１方向側から見て、略矩形形状を有する。バスバー５４は、バスバー５５と同じ高さ位置（Ｚ方向の位置）において、バスバー５５と隣り合うように設けられている。
Each of
バスバー５４は、半導体モジュール１０のカソード端子１２およびエミッタ端子１４（エミッタ端子１４ａおよび１４ｂ）と、半導体モジュール２０のカソード端子２２およびコレクタ端子２３（コレクタ端子２３ａおよび２３ｂ）とを導通させるように構成されている。
The bus bar 54 is configured to electrically connect the
具体的には、バスバー５４には、接続端子部５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅおよび５４ｆが設けられている。接続端子部５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅおよび５４ｆは、バスバー５４において導通している。そして、カソード端子１２、エミッタ端子１４ａ、エミッタ端子１４ｂ、カソード端子２２、コレクタ端子２３ａおよびコレクタ端子２３ｂは、それぞれ接続端子部５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅおよび５４ｆに電気的に接続される。また、バスバー５４には、６つの開口部Ａ１が設けられている。
Specifically, the bus bar 54 is provided with
また、バスバー５５は、半導体モジュール３０のアノード端子３１およびエミッタ端子３４（エミッタ端子３４ａおよび３４ｂ）と、半導体モジュール４０のアノード端子４１およびコレクタ端子４３（コレクタ端子４３ａおよび４３ｂ）とを導通させるように構成されている。
The
具体的には、バスバー５５には、接続端子部５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅおよび５５ｆが設けられている。接続端子部５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅおよび５５ｆは、バスバー５５において導通している。そして、アノード端子３１、エミッタ端子３４ａ、エミッタ端子３４ｂ、アノード端子４１、コレクタ端子４３ａおよびコレクタ端子４３ｂは、それぞれ接続端子部５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅおよび５５ｆに電気的に接続される。また、バスバー５５には、６つの開口部Ａ１が設けられている。
Specifically, the
また、バスバー５６は、バスバー５４およびバスバー５５と、４つの半導体モジュール（半導体モジュール１０、２０、３０および４０）との間に設けられている。バスバー５６は、Ｚ１方向側から見て、略矩形形状を有する。
バスバー５６は、半導体モジュール２０のエミッタ端子２４ａと、半導体モジュール２０のエミッタ端子２４ｂと、半導体モジュール３０のコレクタ端子３３ａと、半導体モジュール３０のコレクタ端子３３ｂとを導通させるように構成されている。
The
具体的には、バスバー５６には、接続端子部５６ａ、５６ｂ、５６ｃおよび５６ｄが設けられている。接続端子部５６ａ、５６ｂ、５６ｃおよび５６ｄは、バスバー５６において導通している。そして、エミッタ端子２４ａ、エミッタ端子２４ｂ、コレクタ端子３３ａおよびコレクタ端子３３ｂは、それぞれ接続端子部５６ａ、５６ｂ、５６ｃおよび５６ｄに電気的に接続される。また、バスバー５６には、４つの開口部Ａ１および８つの開口部Ａ２が設けられている。
Specifically, the
なお、正側バスバー５１、負側バスバー５２、中間バスバー５３、バスバー５４、バスバー５５、および、バスバー５６に設けられた開口部Ａ１の各々は、４つの半導体モジュールのうち、Ｚ１方向側から見て、開口部Ａ１の各々の下方に配置される端子を取り囲む（端子を露出させる）ように設けられている。また、中間バスバー５３およびバスバー５６に設けられた開口部Ａ２の各々は、４つの半導体モジュールのうち、Ｚ１方向側から見て、開口部Ａ２の各々の下方に配置される対応端子を取り囲む（端子を露出させる）ように設けられている。
Each of the openings A1 provided in the
（第１実施形態の効果）
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
(Effects of the First Embodiment)
In the first embodiment, the following effects can be obtained.
第１実施形態では、４つのスイッチング部（スイッチング部３、４、５および６）と、ダイオード部１およびダイオード部２とを備え、ダイオード部１およびダイオード部２は、各々、互いに並列に接続される一対のダイオード素子（ダイオード素子１ａおよび１ｂと、ダイオード素子２ａおよび２ｂ）を含む。そして、スイッチング部と、ダイオード素子とを、電気的に絶縁した状態で各々１つずつ内包する半導体モジュール１０、２０、３０および４０が設けられている。これにより、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の各々がダイオード素子を含むので、クランプダイオードとしてスイッチング素子を用いる場合と異なり、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理を行う必要がない。また、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の各々が、スイッチング部と、ダイオード素子とを、電気的に絶縁した状態で各々１つずつ内包するので、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の構成要素が、スイッチング部とダイオード素子とが設けられる同一種類の構成となる。したがって、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の保守部品の共通化を図ることができる。その結果、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理を行うことなく、保守部品の共通化を図ることが可能な電力変換装置１００および半導体モジュール１０、２０、３０および４０を提供することができる。
In the first embodiment, the semiconductor device includes four switching units (switching
また、第１実施形態では、上記のように、半導体モジュール１０および半導体モジュール２０の各々に内包されたスイッチング部３および４は、３レベル電力変換回路における一方のアームとして動作するように配置されており、半導体モジュール３０および半導体モジュール４０の各々に内包されたスイッチング部５および６は、３レベル電力変換回路における他方のアームとして動作するように配置されている。そして、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の各々に内包された４つのダイオード素子（ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂ）のうち、ダイオード素子１ａとダイオード素子１ｂの対、ダイオード素子２ａとダイオード素子２ｂの対が３レベル電力変換回路において互いに並列に接続され、クランプダイオードとして動作するように配置されている。これにより、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の各々がクランプダイオードとして動作するように配置されているダイオード素子を含むので、クランプダイオードとしてスイッチング素子を用いる場合と異なり、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理を行う必要がない。また、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の各々が、アームとして動作するように配置されているスイッチング部と、クランプダイオードとして動作するように配置されているダイオード素子とを、電気的に絶縁した状態で各々１つずつ内包するので、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の構成要素が、スイッチング部とダイオード素子とが設けられる同一種類の構成となる。したがって、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の保守部品の共通化を図ることができる。その結果、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理を行うことなく、保守部品の共通化を図ることが可能な電力変換装置１００を提供することができる。
In the first embodiment, as described above, the switching
また、第１実施形態では、上記のように、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の各々は、同一種類の半導体モジュールにより構成されている。これにより、スイッチング素子およびダイオード素子を各々内包する半導体モジュール１０、２０、３０および４０を共通の半導体モジュールにすることができるので、より容易に保守部品の共通化を図ることができる。
In addition, in the first embodiment, as described above, each of the
また、第１実施形態では、上記のように、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の各々に内包されたダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂは、中間バスバー５３により互いに電気的に接続するように構成されている。これにより、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の各々に内包されたダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂの各々をケーブルや導線により、互いに電気的に接続する場合に比べて、ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂの間に流れる電流の容量を大きくすることができるとともに、放熱性を向上させることができる。
In the first embodiment, as described above, the
また、第１実施形態では、上記のように、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の各々に内包されたスイッチング部３、４、５および６の各々の一対のスイッチング素子（スイッチング素子３ａと３ｂ、スイッチング素子４ａと４ｂ、スイッチング素子５ａと５ｂ、スイッチング素子６ａと６ｂ）は、３レベル電力変換回路において互いに並列に接続されている。これにより、スイッチング部３、４、５および６が一対のスイッチング素子により構成されているので、半導体モジュール１０、２０、３０および４０に流れる電流の容量を大きくすることができる。また、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の各々に内包されたスイッチング部を一対のスイッチング素子により構成することにより、半導体モジュールを並列に接続することなく電流の容量を大きくすることができる。その結果、接続する半導体モジュールの数を少なくすることができるので、電力変換装置１００の大型化を抑制することができる。
In the first embodiment, as described above, each pair of switching elements (switching
また、第１実施形態では、上記のように、一対のダイオード素子（ダイオード素子１ａおよび１ｂ）、（ダイオード素子２ａおよび２ｂ）が３レベル電力変換回路において互いに並列に接続された際のダイオード素子（ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂ）の１つあたりの電流容量は、一対のスイッチング素子（スイッチング素子３ａおよび３ｂ）、（スイッチング素子４ａおよび４ｂ）、（スイッチング素子５ａおよび５ｂ）、（スイッチング素子６ａおよび６ｂ）に含まれるスイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）の１つあたりの電流容量とほぼ等しい。これにより、ダイオード素子（ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂ）は、電流容量が同程度のスイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）とダイオードＦＤ（還流ダイオード）とを含むスイッチング素子と比べて大きさを小さくすることができる。その結果、スイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）とダイオードＦＤ（還流ダイオード）とを含むスイッチング素子のみが内包された半導体モジュールに比べて、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の大きさを小さくすることができる。また、ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂは、電流容量が同程度のスイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）とダイオードＦＤ（還流ダイオード）とを含むスイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂと比べて大きさを小さくすることができるので、ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂの大きさを小さくすることにより得られる半導体モジュール１０、２０、３０および４０内の空きスペースに応じて、スイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂを大きくする、または、スイッチング素子を追加配置することができるので、スイッチング部３、４、５および６の電流容量を容易に大きくすることができる。
In the first embodiment, as described above, when a pair of diode elements (
［第２実施形態］
図７を参照して、第２実施形態について説明する。４つの半導体モジュール（半導体モジュール１０、２０、３０および４０）の各々に内包されたスイッチング部（スイッチング部３、４、５および６）が一対のスイッチング素子により構成されている第１実施形態の電力変換装置１００の電力変換部１００ａと異なり、この第２実施形態の電力変換装置２００の電力変換部２００ａは、４つの半導体モジュール（半導体モジュール２１０、２２０、２３０および２４０）の各々に内包されたスイッチング部が１つのスイッチング素子により構成されている。なお、図中において、上記第１実施形態と同様の構成の部分には、同一の符号を付している。
[Second embodiment]
The second embodiment will be described with reference to Fig. 7. Unlike the
具体的には、電力変換装置２００の電力変換部２００ａには、半導体モジュール２１０、２２０、２３０および２４０が設けられている。そして、第２実施形態では、半導体モジュール２１０は、ダイオード素子２０１ａおよびスイッチング部２０３を内包しており、半導体モジュール２２０は、ダイオード素子２０１ｂおよびスイッチング部２０４を内包している。また、半導体モジュール２３０は、ダイオード素子２０２ｂおよびスイッチング部２０５を内包しており、半導体モジュール２４０は、ダイオード素子２０２ａおよびスイッチング部２０６を内包している。
Specifically, the
半導体モジュール２１０のスイッチング部２０３は、半導体モジュール１０に内包されたスイッチング素子２０３ａにより構成されており、半導体モジュール２２０のスイッチング部２０４は、半導体モジュール２２０に内包されたスイッチング素子２０４ａにより構成されている。そして、半導体モジュール２３０のスイッチング部２０５は、半導体モジュール２３０に内包されたスイッチング素子２０５ａにより構成されており、半導体モジュール２４０のスイッチング部２０６は、半導体モジュール２４０に内包されたスイッチング素子２０６ａにより構成されている。
The
第２実施形態では、ダイオード素子２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａおよび２０２ｂの１つあたりの電流容量は、スイッチング素子２０３ａ、２０４ａ、２０５ａおよび２０６ａに含まれるスイッチング用トランジスタＳＷの１つあたりの電流容量よりも小さい。すなわち、ダイオード素子の１つあたりの電流容量は、スイッチング素子に含まれるスイッチング用トランジスタＳＷの１つあたりの電流容量よりも小さい。たとえば、ダイオード素子２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａおよび２０２ｂの１つあたりの電流容量（チップ面積の大きさ）は、スイッチング素子２０３ａ、２０４ａ、２０５ａおよび２０６ａに含まれるスイッチング用トランジスタＳＷの１つあたりの電流容量（チップ面積の大きさ）の半分である。
In the second embodiment, the current capacity of each of the
また、図７に示すように、半導体モジュール２１０には、モジュールの外部接続端子として、アノード端子２１１と、カソード端子２１２と、コレクタ端子２１３と、エミッタ端子２１４とが設けられている。また、半導体モジュール２２０には、モジュールの外部接続端子として、アノード端子２２１と、カソード端子２２２と、コレクタ端子２２３と、エミッタ端子２２４とが設けられている。そして、半導体モジュール２３０には、モジュールの外部接続端子として、アノード端子２３１と、カソード端子２３２と、コレクタ端子２３３と、エミッタ端子２３４とが設けられている。また、半導体モジュール２４０には、モジュールの外部接続端子として、アノード端子２４１と、カソード端子２４２と、コレクタ端子２４３と、エミッタ端子２４４とが設けられている。
As shown in FIG. 7, the
すなわち、第２実施形態の電力変換装置２００の電力変換部２００ａの半導体モジュール２１０、２２０、２３０および２４０は、４端子のＨＰＭパッケージにスイッチング素子とダイオード素子とを内蔵した半導体モジュールとして構成されている。
That is, the
なお、第２実施形態による電力変換装置２００のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
The rest of the configuration of the
（第２実施形態の効果）
第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
(Effects of the Second Embodiment)
In the second embodiment, the following effects can be obtained.
第２実施形態では、スイッチング素子をクランプダイオードとして用いるための処理を行うことなく、保守部品の共通化を図ることが可能な電力変換装置２００および半導体モジュール２１０、２２０、２３０および２４０を提供することができる。
In the second embodiment, it is possible to provide a
また、第２実施形態では、上記のように、半導体モジュール２１０、２２０、２３０および２４０の各々に内包されたスイッチング部が１つのスイッチング素子により構成されている。これにより、スイッチング部２０３、２０４、２０５および２０６が複数のスイッチング素子により構成される場合に比べて、半導体モジュール２１０、２２０、２３０および２４０を容易に小型化することができる。その結果、流れる電流が比較的少ない電力変換装置に対して、スイッチング部２０３、２０４、２０５および２０６が１つのスイッチング素子により構成されている半導体モジュールを用いることによって、電力変換装置２００の小型化を容易に図ることができる。また、複数のスイッチング素子が半導体モジュール２１０、２２０、２３０および２４０の各々に内包される場合に比べて、端子数の増加を抑制することができるので、半導体モジュール２１０、２２０、２３０および２４０の複雑化を抑制することができる。
In the second embodiment, as described above, the switching units included in each of the
また、第２実施形態では、上記のように、一対のダイオード素子（ダイオード素子２０１ａおよび２０１ｂ）、（ダイオード素子２０２ａおよび２０２ｂ）が３レベル電力変換回路において互いに並列に接続された際のダイオード素子２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａおよび２０２ｂの１つあたりの電流容量は、スイッチング素子２０３ａ、２０４ａ、２０５ａおよび２０６ａに含まれるスイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）の１つあたりの電流容量よりも小さい。これにより、ダイオード素子２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａおよび２０２ｂの１つあたりの電流容量が、スイッチング素子２０３ａ、２０４ａ、２０５ａおよび２０６ａに含まれるスイッチング用トランジスタＳＷ（ＩＧＢＴ）の１つあたりの電流容量と同程度以上の場合に比べて、半導体モジュール内におけるダイオード素子２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａおよび２０２ｂが占める面積の大きさを小さくすることができる。その結果、半導体モジュール２１０、２２０、２３０および２４０内におけるスイッチング部２０３、２０４、２０５および２０６が占める面積の大きさを大きくすることができるので、スイッチング部２０３、２０４、２０５および２０６の電流容量を容易に大きくすることができる。
In the second embodiment, as described above, when a pair of diode elements (
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。 The other effects of the second embodiment are the same as those of the first embodiment.
［第３実施形態］
図８を参照して、第３実施形態について説明する。この第３実施形態は、４つの半導体モジュールに内包されたダイオード素子の極性の向きが、スイッチング素子に逆並列に接続された還流ダイオードの極性の向きと、逆向きになるように構成されている。すなわち、本発明の第３実施形態による電力変換装置３００の電力変換部３００ａでは、４つの半導体モジュール（半導体モジュール３１０、３２０、３３０および３４０）に内包されたダイオード素子３０１ａ、３０１ｂ、３０２ａおよび３０２ｂの極性の向きは、スイッチング素子３０３ａ、３０３ｂ、３０４ａ、３０４ｂ、３０５ａ、３０５ｂ、３０６ａおよび３０６ｂの各々に接続されたダイオードＦＤ（還流ダイオード）の極性の向きと、逆向きになるように構成されている。
[Third embodiment]
A third embodiment will be described with reference to Fig. 8. In this third embodiment, the polarity of the diode elements included in the four semiconductor modules is configured to be opposite to the polarity of the free wheel diode connected in inverse parallel to the switching element. That is, in the
また、上記ダイオードＦＤ（還流ダイオード）の極性の向きの変更に伴い、第３実施形態の４つの半導体モジュール（半導体モジュール３１０、３２０、３３０および３４０）に設けられたアノード端子３１１、３２１、３３１および３４１と、カソード端子３１２、３２２、３３２および３４２の配置は、第１実施形態の４つの半導体モジュール（半導体モジュール１０、２０、３０および４０）とは逆の配置となっている。
In addition, due to the change in the polarity direction of the above-mentioned diode FD (freewheel diode), the arrangement of the
具体的には、アノード端子３１１は、半導体モジュール３１０のコレクタ端子３１３ａおよびコレクタ端子３１３ｂが配置される側に設けられており、アノード端子３２１は、半導体モジュール３２０のコレクタ端子３２３ａおよびコレクタ端子３２３ｂが配置される側に設けられている。また、アノード端子３３１は、半導体モジュール３３０のコレクタ端子３３３ａおよびコレクタ端子３３３ｂが配置される側に設けられており、アノード端子３４１は、半導体モジュール３４０のコレクタ端子３４３ａおよびコレクタ端子３４３ｂが配置される側に設けられている。
Specifically, the
そして、カソード端子３１２は、半導体モジュール３１０のエミッタ端子３１４ａおよびエミッタ端子３１４ｂが配置される側に設けられており、カソード端子３２２は、半導体モジュール３２０のエミッタ端子３２４ａおよびエミッタ端子３２４ｂが配置される側に設けられている。また、カソード端子３３２は、半導体モジュール３３０のエミッタ端子３３４ａおよびエミッタ端子３３４ｂが配置される側に設けられており、カソード端子３４２は、半導体モジュール３４０のエミッタ端子３４４ａおよびエミッタ端子３４４ｂが配置される側に設けられている。
The
また、電力変換装置３００の電力変換部３００ａでは、図８に示すように、半導体モジュール３１０に設けられたカソード端子３１２、エミッタ端子３１４ａおよびエミッタ端子３１４ｂには、それぞれ半導体モジュール３２０に設けられたアノード端子３２１、コレクタ端子３２３ａ、コレクタ端子３２３ｂが隣り合うように配置されている。
In addition, in the
半導体モジュール３３０に設けられたカソード端子３３２、エミッタ端子３３４ａおよびエミッタ端子３３４ｂには、それぞれ半導体モジュール３４０に設けられたアノード端子３４１、コレクタ端子３４３ａ、コレクタ端子３４３ｂが隣り合うように配置されている。
The
また、カソード端子３１２と、アノード端子３２１とが隣り合う方向と交差する方向において、すなわち、半導体モジュール３１０と半導体モジュール３２０が隣り合う方向と交差する方向において、半導体モジュール３１０と半導体モジュール３４０が隣り合うように配置されている。また、半導体モジュール３１０と半導体モジュール３２０が隣り合う方向と交差する方向において、半導体モジュール３２０と半導体モジュール３３０が隣り合うように配置されている。
In addition, the
図８に示すように、第３実施形態では、４つの半導体モジュールは、正側から順に、半導体モジュール３１０、半導体モジュール３２０、半導体モジュール３３０および半導体モジュール３４０の順に直列に各々に接続されている。そして、スイッチング部３０３、３０４、３０５および３０６は、互いに直列に接続されるように構成されている。
As shown in FIG. 8, in the third embodiment, the four semiconductor modules are connected in series from the positive side in the order of
なお、第３実施形態による電力変換装置３００のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
The other configurations of the
なお、第３実施形態の効果は、上記第１実施形態と同様である。 The effects of the third embodiment are the same as those of the first embodiment.
［第４実施形態］
図９を参照して、第４実施形態について説明する。この第４実施形態における電力変換装置４００の電力変換部４００ａは、第１実施形態に示した半導体モジュール２０および３０と、第３実施形態に示した半導体モジュール３１０および３４０を組み合わせて構成されている。なお、図中において、上記第１実施形態および上記第３実施形態と同様の構成の部分には、同一の符号を付している。
[Fourth embodiment]
A fourth embodiment will be described with reference to Fig. 9. A
第４実施形態では、図９に示すように、半導体モジュール３１０に設けられたカソード端子３１２、エミッタ端子３１４ａおよびエミッタ端子３１４ｂには、それぞれ半導体モジュール２０に設けられたカソード端子２２、コレクタ端子２３ａ、コレクタ端子２３ｂが隣り合うように配置されている。
In the fourth embodiment, as shown in FIG. 9, the
そして、半導体モジュール３０に設けられたアノード端子３１、エミッタ端子３４ａおよびエミッタ端子３４ｂには、それぞれ半導体モジュール３４０に設けられたアノード端子３４１、コレクタ端子３４３ａ、コレクタ端子３４３ｂが隣り合うように配置されている。
The
また、カソード端子３１２と、カソード端子２２とが隣り合う方向と交差する方向、すなわち、半導体モジュール３１０と、半導体モジュール２０とが隣り合う方向と交差する方向において、半導体モジュール３１０と半導体モジュール３４０が隣り合うように配置されている。また、半導体モジュール３１０と、半導体モジュール２０とが隣り合う方向と交差する方向において、半導体モジュール２０と半導体モジュール３０が隣り合うように配置されている。
In addition, the
図９に示すように、第４実施形態では、４つの半導体モジュールは、正側から順に、半導体モジュール３１０、半導体モジュール２０、半導体モジュール３０および半導体モジュール３４０の順に直列に接続されている。そして、スイッチング部３０３、スイッチング部４、スイッチング部５およびスイッチング部３０６は、互いに直列に接続されているように構成されている。
As shown in FIG. 9, in the fourth embodiment, the four semiconductor modules are connected in series from the positive side in the order of
なお、第４実施形態による電力変換装置４００のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
The rest of the configuration of the
なお、第４実施形態の効果は、上記第１実施形態と同様である。 The effects of the fourth embodiment are the same as those of the first embodiment.
［第５実施形態］
図１０を参照して、第５実施形態について説明する。この第５実施形態における電力変換装置５００の電力変換部５００ａは、第１実施形態に示した半導体モジュール２０および３０と、第３実施形態に示した半導体モジュール３１０および３４０を組み合わせて構成されている。なお、図中において、上記第１実施形態および上記第３実施形態と同様の構成の部分には、同一の符号を付している。
[Fifth embodiment]
A fifth embodiment will be described with reference to Fig. 10. A
第５実施形態では、図１０に示すように、カソード端子３１２と、カソード端子２２とが隣り合う方向と交差する方向、すなわち、半導体モジュール３１０と、半導体モジュール２０とが隣り合う方向と交差する方向において、半導体モジュール３１０と半導体モジュール３０が隣り合うように配置されている。また、半導体モジュール３１０と、半導体モジュール２０とが隣り合う方向と交差する方向において、半導体モジュール２０と半導体モジュール３４０が隣り合うように配置されている。
In the fifth embodiment, as shown in FIG. 10, the
なお、第５実施形態による電力変換装置５００のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
The rest of the configuration of the
なお、第５実施形態の効果は、上記第１実施形態と同様である。 The effects of the fifth embodiment are the same as those of the first embodiment.
［変形例］
今回開示された実施形態は、全ての点で例示であり制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更（変形例）が含まれる。
[Modification]
The embodiments disclosed herein should be considered to be illustrative and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is indicated by the claims rather than the description of the above embodiments, and further includes all modifications (alternatives) within the meaning and scope of the claims.
たとえば、上記第１実施形態では、半導体モジュール１０、２０、３０および４０の各々の内部において、ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ｂおよび２ａと、一対のスイッチング素子により構成されたスイッチング部３、４、５および６とがそれぞれ隣り合うように配置される例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、本発明では、半導体モジュールは、図１１に示した第１変形例による半導体モジュール６１０のように、一対のスイッチング素子であるスイッチング素子６０３ａとスイッチング素子６０３ｂとの間に挟まれるようにダイオード素子６０１ａを配置した状態で、スイッチング素子６０３ａ、スイッチング素子６０３ｂおよびダイオード素子６０１ａを内包するように構成されてもよい。
For example, in the above first embodiment, the
また、上記第３実施形態では、半導体モジュール３１０、３２０、３３０および３４０の各々の内部において、ダイオード素子３０１ａ、３０１ｂ、３０２ｂおよび３０２ａと、一対のスイッチング素子により構成されたスイッチング部３０３、３０４、３０５および３０６とがそれぞれ隣り合うように配置される例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、図１２に示した第２変形例による半導体モジュール７１０のように、一対のスイッチング素子であるスイッチング素子７０３ａとスイッチング素子７０３ｂとの間に挟まれるようにダイオード素子７０１ａを配置した状態で、スイッチング素子７０３ａ、スイッチング素子７０３ｂおよびダイオード素子７０１ａを内包するように構成されてもよい。
In the third embodiment, the
また、上記第１実施形態では、半導体モジュール１０、２０、３０および４０（４つの半導体モジュール）の各々に内包されたダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂは、中間バスバー５３（バスバー）により互いに電気的に接続するように構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、４つの半導体モジュールの各々に内包されたダイオード素子は、ケーブルや導線などの配線によりを互いに電気的に接続するように構成されてもよい。
In the above first embodiment, the
また、上記第１実施形態では、ダイオード素子１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂの１つあたりの電流容量は、スイッチング素子３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂに含まれるスイッチング用トランジスタＳＷの１つあたりの電流容量と等しい。すなわち、ダイオード素子の１つあたりの電流容量は、一対のスイッチング素子に含まれるスイッチング用トランジスタＳＷの１つあたりの電流容量と等しい例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ダイオード素子の１つあたりの電流容量は、スイッチング素子に含まれるスイッチング用トランジスタの１つあたりの電流容量より大きくてもよいし、スイッチング素子に含まれるスイッチング用トランジスタの１つあたりの電流容量より小さくてもよい。
In the above first embodiment, the current capacity of each of the
また、上記第２実施形態では、ダイオード素子２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａおよび２０２ｂの１つあたりの電流容量は、スイッチング素子２０３ａ、２０４ａ、２０５ａおよび２０６ａの１つあたりの電流容量よりも小さい。すなわち、ダイオード素子の１つあたりの電流容量は、スイッチング素子の１つあたりの電流容量よりも小さい例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ダイオード素子の１つあたりの電流容量は、スイッチング素子の１つあたりの電流容量以上でもよい。
In the second embodiment, the current capacity of each of the
また、上記第１～第５実施形態では、電力変換装置１００、２００、３００、４００、および５００の電力変換部１００ａ、２００ａ、３００ａ、および５００ａには、４つの半導体モジュールが設けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電力変換装置の電力変換部には、５つ以上の半導体モジュールが設けられてもよい。
In addition, in the above first to fifth embodiments, the
１ ダイオード部（第１ダイオード部）
１ａ、２０１ａ、３０１ａ ダイオード素子
１ｂ、２０１ｂ、３０１ｂ ダイオード素子
２ ダイオード部（第２ダイオード部）
２ａ、２０２ａ、３０２ａ ダイオード素子
２ｂ、２０２ｂ、３０２ｂ ダイオード素子
３、２０３、３０３ スイッチング部
３ａ、２０３ａ、３０３ａ スイッチング素子
３ｂ、３０３ｂ スイッチング素子
４、２０４、３０４ スイッチング部
４ａ、２０４ａ、３０４ａ スイッチング素子
４ｂ、３０４ｂ スイッチング素子
５、２０５、３０５ スイッチング部
５ａ、２０５ａ、３０５ａ スイッチング素子
５ｂ、３０５ｂ スイッチング素子
６、２０６、３０６ スイッチング部
６ａ、２０６ａ、３０６ａ スイッチング素子
６ｂ スイッチング素子
１０、２１０、３１０ 半導体モジュール（第１半導体モジュール）
２０、２２０、３２０ 半導体モジュール（第２半導体モジュール）
３０、２３０、３３０ 半導体モジュール（第３半導体モジュール）
４０、２４０、３４０ 半導体モジュール（第３半導体モジュール）
５３ 中間バスバー（バスバー）
１００、２００、３００、４００、５００ 電力変換装置
６０１ａ ダイオード素子
６０３ａ スイッチング素子
６０３ｂ スイッチング素子
６１０ 半導体モジュール
７０１ａ ダイオード素子
７０３ａ スイッチング素子
７０３ｂ スイッチング素子
７１０ 半導体モジュール
ＳＷ スイッチング用トランジスタ
1 Diode section (first diode section)
1a, 201a, 301a:
2a, 202a, 302a
20, 220, 320 Semiconductor module (second semiconductor module)
30, 230, 330 Semiconductor module (third semiconductor module)
40, 240, 340 Semiconductor module (third semiconductor module)
53 Intermediate busbar (busbar)
100, 200, 300, 400, 500
Claims (9)
互いに直列に接続され、スイッチング素子により構成される４つのスイッチング部と、
４つの前記スイッチング部のうち、２つの前記スイッチング部の接続点と、残りの２つの前記スイッチング部の接続点との間に電気的に接続されるとともに互いに直列に接続される第１ダイオード部および第２ダイオード部と、を備え、
前記第１ダイオード部および前記第２ダイオード部は、各々、互いに並列に接続される一対のダイオード素子を含み、
前記スイッチング部と、前記ダイオード素子とを、電気的に絶縁した状態で各々１つずつ内包する、４つの半導体モジュールが設けられている、電力変換装置。 A power conversion device that outputs power at three potential levels, including an upper potential, an intermediate potential, and a lower potential,
Four switching units each configured by a switching element and connected in series with each other;
a first diode unit and a second diode unit electrically connected between a connection point of two of the four switching units and a connection point of the remaining two switching units and connected in series with each other,
each of the first diode section and the second diode section includes a pair of diode elements connected in parallel with each other;
A power conversion device comprising four semiconductor modules each including one of the switching units and one of the diode elements in an electrically insulated state.
前記第１半導体モジュールおよび前記第２半導体モジュールの各々に内包された前記スイッチング部は、前記３つのレベルの電位の電力を出力する３レベル電力変換回路における一方のアームとして動作するように配置されており、
前記第３半導体モジュールおよび前記第４半導体モジュールの各々に内包された前記スイッチング部は、前記３レベル電力変換回路における他方のアームとして動作するように配置されており、
前記第１半導体モジュール、前記第２半導体モジュール、前記第３半導体モジュールおよび前記第４半導体モジュールの各々に内包された４つの前記ダイオード素子のうち、前記一対の前記ダイオード素子が前記３レベル電力変換回路において互いに並列に接続され、クランプダイオードとして動作するように配置されている、請求項１に記載の電力変換装置。 the four semiconductor modules include a first semiconductor module, a second semiconductor module, a third semiconductor module, and a fourth semiconductor module;
the switching unit included in each of the first semiconductor module and the second semiconductor module is arranged to operate as one arm of a three-level power conversion circuit that outputs power of the three levels of potential,
the switching unit included in each of the third semiconductor module and the fourth semiconductor module is arranged to operate as the other arm in the three-level power conversion circuit,
2. The power conversion device according to claim 1, wherein, of the four diode elements contained in each of the first semiconductor module, the second semiconductor module, the third semiconductor module, and the fourth semiconductor module, the pair of diode elements are connected in parallel to each other in the three-level power conversion circuit and arranged to operate as clamp diodes.
前記一対の前記スイッチング素子は、前記３レベル電力変換回路において互いに並列に接続されている、請求項２～４のいずれか１項に記載の電力変換装置。 the switching unit included in each of the first semiconductor module, the second semiconductor module, the third semiconductor module, and the fourth semiconductor module is configured with a pair of switching elements,
The power conversion device according to any one of claims 2 to 4, wherein the pair of switching elements are connected in parallel to each other in the three-level power conversion circuit.
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