JPH07245951A

JPH07245951A - 半導体スタック

Info

Publication number: JPH07245951A
Application number: JP6036030A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Osada; 田記明長
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-03-07
Filing date: 1994-03-07
Publication date: 1995-09-19

Abstract

(57)【要約】【目的】回路の配線リアクタンスを減少させると共
に、各素子のスイッチング動作時のサージ電圧を格段に
低く抑えることのできる半導体スタックを得る。【構成】コンバータを構成するスイッチング素子群と
インバータを構成するスイッチング素子群との間にコン
デンサを配置してスタックとする場合、全ての端子が同
一平面上に位置するように配置し、これらの端子に近接
して必要数の導体を積層した積層導体を設置すると共
に、積層導体を貫通する接続手段によって、共通接続さ
れるべき端子を同一の導体に接続する。この場合、コン
バータのみに対応する導体と、インバータのみに対応す
る導体とを同一平面上で互いに絶縁した状態で積層す
る。また、コンバータのみに対応する導体及びインバー
タのみに対応する導体を複数組み設け、単相又は三相の
電力変換装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コンバータとインバー
タとの間に平滑用のコンデンサを接続してなる電力変換
装置に用いる半導体スタックに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の電力変換装置には、高速のスイッ
チング素子が用いられると共に、高周波パルス幅変調
（ＰＷＭ）制御方式が広く採用され、さらに、装置の大
容量化に伴って大容量素子を並列接続したものが用いら
れている。また、高周波パルス幅変調制御方式では、素
子間のリアクタンスに起因してスイッチング時にサージ
電圧が発生し易く、リアクタンスを減少させるために高
速スイッチング素子を互いに近接せしめると共に、接続
回路長が短くなる位置に平滑用のコンデンサを配置して
いる。

【０００３】図４は電力変換装置の一種である無停電電
源装置の構成を示す回路図である。同図において、交流
入力端子101 には、入力フィルタ102 を介して、コンバ
ータ103 の入力端が接続されている。コンバータ103 は
高速のスイッチング素子が三相ブリッジ接続されてお
り、力率が１になるように各スイッチング素子をオン、
オフ制御することによって、交流を直流に変換する。コ
ンバータ103 の出力端には、直流のリップルを除去する
ためのコンデンサ104 と、停電時のバックアップとして
の蓄電池105 とが接続されている。

【０００４】また、コンバータ103 の出力端には、イン
バータ106 の入力端が接続され、インバータ106 の出力
端は、出力フィルタ107 を介して、交流出力端子108 に
接続されている。インバータ106 は高速のスイッチング
素子が三相ブリッジ接続され、これらのスイッチをオ
ン、オフ制御することによって、直流を交流に変換す
る。従って、交流出力端子108 に正弦波交流電圧を発生
させる。

【０００５】図５は上記の電力変換装置の１ブリッジ分
の回路であり、ここに示された要素が半導体スタックと
して組立てられるものである。この回路はトランジスタ
でなる半導体スイッチング素子1a〜1f、2a〜2fと、コン
デンサ3a，3bとを備えている。このうち、スイッチング
素子1a〜1cは互いに並列接続され、スイッチング素子2a
〜2cも互いに並列接続されており、しかも、これらの並
列接続回路が直列に接続されて並直列接続回路を形成し
て、前記コンバータ103 の構成要素とされる。また、ス
イッチング素子1d〜1fは互いに並列接続され、スイッチ
ング素子2d〜2fも互いに並列接続されており、これらの
並列接続回路が直列に接続されて並直列接続回路を形成
して、前記インバータ106 の構成要素とされる。そし
て、コンデンサ3a，3bが並列接続されて、前記コンデン
サ104 の構成要素とされる。

【０００６】ここで、並列接続されたスイッチング素子
1a〜1cの正極端子Ｃは正極側直流導体5aに、負極端子Ｅ
は交流導体6aにそれぞれ接続されている。また、並列接
続されたスイッチング素子2a〜2cの正極端子Ｃは交流導
体6aに、負極端子Ｅは負極側直流導体7aにそれぞれ接続
されている。そして、交流導体6aは交流入力端子13を備
えている。

【０００７】一方、並列接続されたスイッチング素子1d
〜1fの正極端子は正極側直流導体5bに、負極端子は交流
導体6bにそれぞれ接続されている。また、並列接続され
たスイッチング素子2d〜2fの正極端子は交流導体6bに、
負極端子は負極側直流導体にそれぞれ接続されている。
そして、交流導体6bは交流出力端子14を備えている。

【０００８】また、並列接続されたコンデンサ3a，3bの
正極端子はコンデンサ接続導体9aに、その負極端子はコ
ンデンサ接続導体9bにそれぞれ接続されている。さら
に、コンデンサ接続導体9aは、連結用導体8aを介して、
正極側直流導体5aに接続されると共に、連結用導体8bを
介して、正極側直流導体5bに接続されている。そして、
連結用導体8bは蓄電池105 （図４）の正極端子を接続す
る直流端子11を備えている。また、コンデンサ接続導体
9bは、連結用導体8cを介して、負極側直流導体7aに接続
されると共に、連結用導体8dを介して、負極側直流導体
7bに接続されている。そして、連結用導体8dは蓄電池10
5 （図４）の負極端子を接続する直流端子10を備えてい
る。

【０００９】図６は上述した１ブリッジ分の回路を組立
てた従来の半導体スタックの実装状態を示し、(a) はそ
の平面図で、(b) はその側面図である。この図６におい
て、スイッチング素子1a〜1c及び2a〜2cは冷却装置4aに
取付けられ、スイッチング素子1d〜1f及び2d〜2fは冷却
装置4bに取付けられている。これらの冷却装置の中間に
はコンデンサ3a，3bが配置され、スイッチング素子1a〜
1f、2a〜2f及びコンデンサ3a，3bの各端子は略同一平面
上に位置せしめられる。

【００１０】そこで、スイッチング素子1a〜1cの正極端
子Ｃは、板状狭幅に形成された正極側直流導体5aに、負
極端子Ｅは板状広幅に形成された交流導体6aにそれぞれ
接続されている。また、スイッチング素子2a〜2cの正極
端子Ｃは上記交流導体6aに、負極端子Ｅは板状狭幅に形
成された負極側直流導体7aにそれぞれ接続されている。
交流導体6aは一方の端部方向に突出した交流入力端子13
を備えている。

【００１１】一方、スイッチング素子1d〜1fの正極端子
は板状狭幅に形成された正極側直流導体5bに、負極端子
は板状広幅に形成された交流導体6bにそれぞれ接続され
ている。また、並列接続されたスイッチング素子2d〜2f
の正極端子は上記交流導体6bに、負極端子は板状狭幅に
形成された負極側直流導体にそれぞれ接続されている。
交流導体6bは一方の端部方向に突出した交流出力端子14
を備えている。

【００１２】また、並列接続されたコンデンサ3a，3bの
正極端子は細帯状のコンデンサ接続導体9aに、その負極
端子は細帯状のコンデンサ接続導体9bにそれぞれ接続さ
れている。さらに、コンデンサ接続導体9aは、細帯状の
連結用導体8a，8bの一端に共通接続され、連結用導体8a
の他端は正極側直流導体5aに、連結用導体8bの他端は正
極側直流導体5bにそれぞれ接続されている。連結用導体
8bは直流端子11を備えている。また、コンデンサ接続導
体9bは、連結用導体8c，8dの一端に共通接続され、連結
用導体8cの他端は負極側直流導体7aに、連結用導体8dの
他端は負極側直流導体7bにそれぞれ接続されている。連
結用導体8dは直流端子10を備えている。

【００１３】この図６に示した半導体スタックは、コン
デンサ3a，3bの並列接続回路を介して、スイッチング素
子1a〜1fの並直列接続回路と、スイッチング素子2a〜2f
の並直列接続回路とを接続する場合に、接続回路長を短
く抑えてリアクタンスの減少を図り、かつ、正極側と負
極側とを対称にして、リアクタンスの値を等しくしてい
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の半導体
スタックは、狭幅の直流導体、広幅の交流導体、細帯状
の接続導体及び連結用導体を用いることによって、回路
の配線リアクタンスをかなり小さくしている。しかしな
がら、これでもなお、コンデンサとスイッチング素子と
の接続回路長の短縮が十分ではなく、リアクタンスの低
減にも限度があるため、各素子のスイッチング動作時の
サージ電圧を低く抑えるという点では不十分であった。

【００１５】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、回路の配線リアクタンスをより減少させ
ると共に、各素子のスイッチング動作時のサージ電圧を
格段に低く抑えることのできる半導体スタックを得るこ
とを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、端子がそれぞれ同一平面上に配置されたスイッチン
グ素子群及びコンデンサを含み、スイッチング素子群
は、正極側と負極側とに分けられ、正極側どうしの並列
接続回路に負極側どうしの並列接続回路が直列接続され
ると共に、互いに並列接続された第１及び第２の並直列
接続回路を構成し、第１及び第２の並直列接続回路の正
極側の相互接続点にコンデンサの正極端子が、負極側の
相互接続点にコンデンサの負極端子がそれぞれ接続され
た半導体スタックにおいて、第１、第２、第３及び第４
の板状の導体が絶縁物を介して積層され、その積層体が
端子に近接して配置された積層導体と、積層導体を貫通
し、正極側のスイッチング素子の正極端子及びコンデン
サの正極端子を他の導体から絶縁した状態で第１の導体
に接続する第１の接続手段と、積層導体を貫通し、第１
の並直列回路を構成する正極側のスイッチング素子の負
極端子、及び負極側のスイッチング素子の正極端子を他
の導体から絶縁した状態で第２の導体に接続する第２の
接続手段と、積層導体を貫通し、第２の並直列回路を構
成する正極側のスイッチング素子の負極端子、及び負極
側のスイッチング素子の正極端子を他の導体から絶縁し
た状態で第３の導体に接続する第３の接続手段と、積層
導体を貫通し、負極側のスイッチング素子の正極端子及
びコンデンサの負極端子を他の導体から絶縁した状態で
第４の導体に接続する第４の接続手段とを備える。

【００１７】請求項２に記載の発明は、第２及び第３の
導体が同一平面上で互いに絶縁した状態で、第１及び第
４の導体と積層されたものである。

【００１８】請求項３に記載の発明は、２組の第１及び
第２の並直列回路と、互いに絶縁された２組の第２及び
第３の導体とを備えて単相の電力変換装置を構成するも
のである。

【００１９】請求項４に記載の発明は、３組の第１及び
第２の並直列回路と、互いに絶縁された３組の第２及び
第３の導体とを備えて三相の電力変換装置を構成するも
のである。

【００２０】

【作用】請求項１に記載の発明においては、第１乃至第
４の板状導体を絶縁物を介して積層した積層導体を用い
ると共に、この積層導体を貫通する接続手段によって、
スイッチング素子及びコンデンサの互いに接続されるべ
き端子の組毎に、異なる板状導体に接続しているので、
配線長の短縮と併せて配線リアクタンスを減少させるこ
とができ、これによって、スイッチング動作時のサージ
電圧を格段に低く抑えることができる。

【００２１】請求項２に記載の発明においては、第２及
び第３の導体が平面上に並んだ形で他の導体と積層され
るので、第２及び第３の導体として面積が半分以下のも
のを用いるため、積層導体の厚み及び重量を軽減するこ
とができる。

【００２２】請求項３又は４に記載の発明においては、
単相ブリッジ回路又は三相ブリッジ回路を構成する複数
の回路を共通の導体に接続するので、電力変換装置の全
体構成の簡易化が図られる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例によって詳
細に説明する。図１は請求項１に記載の発明に対応する
実施例の構成を示し、(a) はその平面図で、(b) はその
側面図である。図中、図６と同一の符号を付したものは
それぞれ同一の要素を示している。図１において、コン
バータを構成するスイッチング素子1a〜1c及び2a〜2cは
冷却装置4a上に取付けられている。また、インバータを
構成するスイッチング素子1d〜1f及び2d〜2fは冷却装置
4b上に取付けられている。冷却装置4a，4bの中間にコン
デンサ3a，3bが配置されている。これにより、スイッチ
ング素子1a〜1f，2a〜2f、及びコンデンサ3a，3bの各端
子は略同一平面上に位置することになる。そして、これ
らの端子を覆うように積層導体21が設置されている。積
層導体21は略同じ大きさに形成された板状の第１の導体
17、第２の導体18、第３の導体19及び第４の導体20を含
み、これらの導体間にそれぞれ絶縁板12b ，12c 、12d
を介挿し、かつ、第１の導体17の表面に絶縁板12a を、
第４の導体20の裏面に絶縁板12e を重ねた状態で、固定
用絶縁ボルト16によって平面上の４か所を一括して締付
けたものである。なお、第１の導体17には一方の側部に
直流端子11が、第４の導体20には他方の側部に直流端子
10が形成されており、第２の導体18には一方の端部に交
流入力端子13が、第３の導体19には他方の端部に交流出
力端子14が形成されている。

【００２４】ここで、スイッチング素子1a〜1f及びコン
デンサ3a，3bの各端子に対応する位置には、図２に示す
ように、それぞれ導体17〜20のいずれか一つの導体に溶
接され、他の導体とは絶縁して積層導体21を貫通する導
体カラー22が設けられている。そして、端子接続ボルト
15によって導体カラーを端子23に締付けることにより、
素子間を接続するようになっている。特に、図２は、第
１の導体17を介して、スイッチング素子1a〜1fの正極端
子及びコンデンサ3a，3bの正極端子を電気的に接続する
場合を示している。従って、第２の導体18、第３の導体
19、第４の導体20及び絶縁板12a 〜12e には導体カラー
22の外径より直径の大きい孔が穿たれている。なお、導
体カラー22及び端子接続ボルト15が本発明の接続手段に
対応している。

【００２５】また、図２に示したと同様の接続手段によ
り、スイッチング素子1a〜1cの負極端子Ｅ、及びスイッ
チング素子2a〜2cの正極端子Ｃが第２の導体18に接続さ
れ、同様にして、スイッチング素子1d〜1fの負極端子
Ｅ、及びスイッチング素子2d〜2fの正極端子Ｃが第３の
導体19に接続されている。

【００２６】さらにまた、図２に示したと同様の接続手
段により、スイッチング素子2a〜2fの負極端子Ｅ、及び
コンデンサ3a，3bの負極端子が第４の導体20に接続され
ている。

【００２７】この結果、図６を用いて説明したと同様な
接続が行われる。また、図６に示した構成のものと比較
すれば、コンデンサ3a，3bとスイッチング素子1a〜1f、
2a〜2fとを接続する回路長を格段に短くすることができ
ると共に、配線リアクタンスを低減することができる。
また、積層導体21をスイッチング素子1a〜1f及びコンデ
ンサ3a，3bの端子上に位置させて端子接続ボルト15を締
付ける操作で接続が完了するため、図６を用いて説明し
たように種類の異なる導体を順次組付ける場合と比較し
て作業時間を大幅に短縮できる効果もある。

【００２８】図３は請求項２に記載の発明に対応する実
施例の構成を示し、(a) はその平面図で、(b) はその側
面図である。図中、図１と同一の符号を付したものはそ
れぞれ同一の要素を示している。そして、図１を用いて
説明したと同様に、コンバータを構成するスイッチング
素子1a〜1c及び2a〜2cは冷却装置4a上に取付けられてい
る。また、インバータを構成するスイッチング素子1d〜
1f及び2d〜2fは冷却装置4b上に取付けられている。冷却
装置4a，4bの中間にコンデンサ3a，3bが配置されてい
る。これにより、スイッチング素子1a〜1f，2a〜2f、及
びコンデンサ3a，3bの各端子は略同一平面上に位置する
ことになる。そして、これらの端子を覆うように積層導
体41が設置されている。積層導体41は板状の第１の導体
17と、この第１の導体17と比較して長さが半分程度の第
２の導体48，49と、第１の導体17と同じ大きさを有する
第４の導体20とを積層したものである。第２の導体48は
コンバータを構成する素子上に位置し、第３の導体49は
インバータを構成する素子上に位置し、相互に隔間した
状態で第１の導体17と第４の導体20とに挟まれた形で積
層され、かつ、固定用絶縁ボルト16によって平面上の４
か所が一括して締付けられている。なお、第２の導体48
には前述した交流入力端子13が形成され、第３の導体49
には交流出力端子14が形成されている。

【００２９】また、図２に示した接続手段により、第１
の導体17にはスイッチング素子1a〜1fの正極端子及びコ
ンデンサ3a，3bの正極端子が電気的に接続される。同様
にして、第２の導体48にはスイッチング素子1a〜1cの負
極端子Ｅ、及びスイッチング素子2a〜2cの正極端子Ｃが
第２の導体18に接続され、第３の導体49にはスイッチン
グ素子1d〜1fの負極端子Ｅ、及びスイッチング素子2d〜
2fの正極端子Ｃが第３の導体19に接続されている。さら
にまた、スイッチング素子2a〜2fの負極端子Ｅ、及びコ
ンデンサ3a，3bの負極端子が第４の導体20に接続されて
いる。

【００３０】この実施例においても、図６を用いて説明
したと同様な接続が行われる。また、図６に示した構成
のものと比較すれば、接続回路長を短縮でき、しかも、
配線リアクタンスを低減することができる。また、積層
導体21を各素子の端子上に位置させて端子接続ボルト15
を締付ける操作で接続が完了するため、従来のものと比
較して作業時間を大幅に短縮できる効果もある。さら
に、図１に示した実施例と比較して、第２の導体48及び
第３の導体49の長さが半分以下であるため、全体形状及
び重量を減らすことができる。

【００３１】なお、上記実施例では、板状の導体間に絶
縁板を重ね合わせて一体化した積層導体を形成したが、
独立した絶縁板を用いることなく、例えば、表面に絶縁
物をコーテイングした導体を積層してもよい。

【００３２】また、上記実施例では、コンバータ側とイ
ンバータ側とでそれぞれ別個の冷却装置を用いたが、本
発明はこれに適用を限定されるものではなく、単一の冷
却装置に全てのスイッチング素子を取付けても、あるい
は、コンバータ側とインバータ側とで区別することな
く、より多くの冷却装置を用いるものにも適用可能であ
る。

【００３３】さらに、上記実施例ではスイッチング素子
毎に一つの方向に正極端子及び負極端子を導出するもの
について説明したが、正極側のスイッチング素子の負極
端子と、負極側のスイッチング素子の正極端子とが接続
されて共通接続端子が導出された２イン１タイプのスイ
ッチング素子を用いる場合でも、上述した積層導体を適
用することができる。

【００３４】ところで、上記実施例では、１ブリッジ分
の半導体スタックについて説明したが、図３に示した第
１の導体17及び第４の導体20の横幅を拡げると共に、第
２の導体48を横方向に２枚配置し、第３の導体49も横方
向に２枚配置すれば、２ブリッジ分の素子を接続するこ
とができ、これによって、交流を交流に変換する単相の
電力変換装置を構成することができる。

【００３５】また、図３に示した第１の導体17及び第４
の導体20の横幅を拡げると共に、第２の導体48を横方向
に３枚配置し、第３の導体49も横方向に３枚配置すれ
ば、３ブリッジ分の素子を接続することができ、これに
よって、交流を交流に変換する三相の電力変換装置を構
成することができる。

【００３６】このように、単相又は三相の電力変換装置
をスタックとする場合でも、上述した配線リアクタンス
の低減、作業時間の短縮、全体形状及び重量の低減が可
能となる。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明によって明らかなように、本
発明によれば、従来装置と比較して回路の配線リアクタ
ンスを低減することができ、これによってスイッチング
動作時のサージ電圧を格段に低く抑えることができると
いう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に記載の発明に対応する実施例の構成
を示す平面図及び側面図。

【図２】図１に示した実施例の詳細を示す部分断面図。

【図３】請求項２に記載の発明に対応する実施例の構成
を示す平面図及び側面図。

【図４】一般的な電力変換装置の構成を示す回路図。

【図５】図４に示した電力変換装置の１相分の構成を示
す回路図。

【図６】従来の半導体スタックの構成を示す平面図及び
側面図。

【符号の説明】

１ａ〜１ｆ，２ａ〜２ｆスイッチング素子３ａ，３ｂコンデンサ１２ａ〜１２ｅ絶縁板１３交流入力端子１４交流出力端子１５端子接続ボルト１７第１の導体１８，４８第２の導体１９，４９第３の導体２０第４の導体２１，４１積層導体２２導体カラー２３端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】端子がそれぞれ同一平面上に配置されたス
イッチング素子群及びコンデンサを含み、前記スイッチ
ング素子群は、正極側と負極側とに分けられ、正極側ど
うしの並列接続回路に負極側どうしの並列接続回路が直
列接続されると共に、互いに並列接続された第１及び第
２の並直列接続回路を構成し、前記第１及び第２の並直
列接続回路の正極側の相互接続点に前記コンデンサの正
極端子が、負極側の相互接続点に前記コンデンサの負極
端子がそれぞれ接続された半導体スタックにおいて、第１、第２、第３及び第４の板状の導体が絶縁物を介し
て積層され、その積層体が前記端子に近接して配置され
た積層導体と、前記積層導体を貫通し、正極側の前記スイッチング素子
の正極端子及び前記コンデンサの正極端子を他の導体か
ら絶縁した状態で前記第１の導体に接続する第１の接続
手段と、前記積層導体を貫通し、前記第１の並直列回路を構成す
る正極側の前記スイッチング素子の負極端子、及び負極
側の前記スイッチング素子の正極端子を他の導体から絶
縁した状態で前記第２の導体に接続する第２の接続手段
と、前記積層導体を貫通し、前記第２の並直列回路を構成す
る正極側の前記スイッチング素子の負極端子、及び負極
側の前記スイッチング素子の正極端子を他の導体から絶
縁した状態で前記第３の導体に接続する第３の接続手段
と、前記積層導体を貫通し、負極側の前記スイッチング素子
の正極端子及び前記コンデンサの負極端子を他の導体か
ら絶縁した状態で前記第４の導体に接続する第４の接続
手段と、を備えたことを特徴とする半導体スタック。
【請求項２】前記第２及び第３の導体が同一平面上で互
いに絶縁した状態で、前記第１及び第４の導体と積層さ
れたことを特徴とする請求項１記載の半導体スタック。
【請求項３】２組の前記第１及び第２の並直列回路と、
互いに絶縁された２組の前記第２及び第３の導体とを備
えて単相の電力変換装置を構成することを特徴とする請
求項２記載の半導体スタック。
【請求項４】３組の前記第１及び第２の並直列回路と、
互いに絶縁された３組の前記第２及び第３の導体とを備
えて三相の電力変換装置を構成することを特徴とする請
求項２記載の半導体スタック。