JPWO2013161045A1 - ３レベル電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

電力変換回路部を構成する最上位外側スイッチング素子１０ａおよび上位電位側の中性点クランプダイオードとして動作するスイッチング素子１２ａによる第１の組、最下位外側スイッチング素子１２ｂおよび下位電位側の中性点クランプダイオードとして動作するスイッチング素子１０ｂによる第２の組ならびに、上位内側スイッチング素子１０ｃおよび下位内側スイッチング素子１２ｃによる第３の組のそれぞれを２素子入りパワーモジュールであるパワーモジュール１ａ〜１ｃを用いて構成した。

Description

本発明は、パワーモジュールおよびそれを用いた３レベル電力変換装置に関する。
従来の２素子入りパワーモジュールを用いた鉄道車両用３レベル電力変換装置は、直列に接続されて上下アームを構成する４つのスイッチング素子のうち、外側スイッチング素子（最上位電位側に位置するスイッチング素子および最下位電位側に位置するスイッチング素子）同士ならびに内側スイッチング素子（中間に位置する２つのスイッチング素子）同士をそれぞれ２素子入りパワーモジュールで構成すると共に、上アームを構成する２つのスイッチング素子同士の接続点と下アームを構成する２つのスイッチング素子同士の接続点との間に接続されるクランプダイオードとして別途ダイオードモジュールを用いて構成している（例えば、下記特許文献１）。
国際公開第２００８／０７５４１８号
上述のように、従来の２素子入りパワーモジュールを用いた鉄道車両用の３レベル電力変換装置は、外側スイッチング素子同士と内側スイッチング素子同士をそれぞれ２素子入りパワーモジュールで構成している。このため、モジュール内部の低インダクタンス構造が鉄道車両用の３レベル電力変換装置に必要な低インダクタンス回路として寄与する効果が充分ではなく、２素子入りパワーモジュールとしての特徴を充分に発揮できていないという課題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、２素子入りパワーモジュールとしての特徴を充分に発揮し得るパワーモジュールおよびそれを用いた３レベル電力変換装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電力変換回路部を構成する最上位電位側の外側スイッチング素子および上位電位側の中性点クランプダイオードによる第１の組、最下位電位側のスイッチング素子および下位電位側の中性点クランプダイオードによる第２の組ならびに、上位側の内側スイッチング素子および下位側の内側スイッチング素子による第３の組のそれぞれを２素子入りパワーモジュールを用いて構成したことを特徴とする。
この発明によれば、２素子入りパワーモジュールとしての特徴を充分に発揮し得るパワーモジュールおよびそれを用いた３レベル電力変換装置を提供できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る３レベル電力変換装置の部分回路図である。 図２は、２素子入りパワーモジュールとして構成した実施の形態１に係るパワーモジュールの概略形状を示す斜視図である。 図３は、図２に示す２素子入りパワーモジュールの回路図である。 図４は、実施の形態１に係る３レベル電力変換装置の動作を説明するための説明図である。 図５は、実施の形態２で使用する２素子入りパワーモジュールの回路図である。 図６は、実施の形態２に係る３レベル電力変換装置の部分回路図である。 図７は、実施の形態３，４で使用する２素子入りパワーモジュールの回路構成のラインナップを示す図である。 図８は、実施の形態３に係る３レベル電力変換装置の部分回路図である。 図９は、２素子入り４端子パワーモジュールにおける外部接続構造を模式的に示す図である。 図１０は、実施の形態４に係る３レベル電力変換装置の部分回路図である。
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係るパワーモジュールおよび３レベル電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の部分回路図であり、鉄道車両に用いて好適な３レベル電力変換装置における直流回路部分と電力変換回路部の一部分の構成を図示している。この３レベル電力変換装置では、図１に示すように、３つの２素子入り４端子パワーモジュール１ａ〜１ｃが設けられている。具体的に説明すると、３レベル電力変換装置の構成において、最上位電位側の外側に位置するスイッチング素子１０ａおよび上位電位側の中性点クランプダイオードとして動作するスイッチング素子１２ａを第１の組、最下位電位側の外側に位置するスイッチング素子１２ｂおよび下位電位側の中性点クランプダイオードとして動作するスイッチング素子１０ｂを第２の組、中間に位置する２つの内側スイッチング素子１０ｃ，１２ｃを第３の組として区分し、第１の組を２素子入り４端子パワーモジュール１ａにて構成し、第２の組を２素子入り４端子パワーモジュール１ｂにて構成し、第３の組を２素子入り４端子パワーモジュール１ｃにて構成している。なお、スイッチング素子１２ａ，１０ｂは、それぞれが常時ＯＦＦとされ、ダイオード（すなわち一方向性素子）としてしか機能しないスイッチング素子である。
つぎに、実施の形態１の３レベル電力変換装置に用いられる２素子入りパワーモジュールについて説明する。図２は、２素子入りパワーモジュールとして構成した実施の形態１に係るパワーモジュールの概略形状を示す斜視図であり、図３は、図２に示す２素子入りパワーモジュールの回路図である。
図２および図３に示すように、実施の形態１に係る２素子入りパワーモジュール１では、スイッチング素子としてのＩＧＢＴと、所謂フライホイールダイオード（以下「ＦＷＤ」と表記）としてのダイオードとが逆並列に接続された２つの素子対である第１の素子対１０および第２の素子対１２がパッケージ内に収容されている。
これら図２および図３において、第１の素子対１０では、ＩＧＢＴのコレクタとＦＷＤのカソードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続端は引き出されて２素子入りパワーモジュール１の上面に設けられたコレクタ第１電極Ｃ１に接続されると共に、ＩＧＢＴのエミッタとＦＷＤのアノードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続端は引き出されて２素子入りパワーモジュール１の上面に設けられたエミッタ第１電極Ｅ１に接続されるように構成されている。同様に、第２の素子対１２では、ＩＧＢＴのコレクタとＦＷＤのカソードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続端は引き出されて２素子入りパワーモジュール１の上面に設けられたコレクタ第２電極Ｃ２に接続されると共に、ＩＧＢＴのエミッタとＦＷＤのアノードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続端は引き出されて２素子入りパワーモジュール１の上面に設けられたエミッタ第２電極Ｅ２に電気的に接続されるように構成されている。
なお、図２の構造および図３の回路構成から明らかなように、２素子入りパワーモジュール１のエミッタ第１電極Ｅ１とコレクタ第２電極Ｃ２とを、導体バーまたはラミネートブスバーなどで電気的に接続すれば第１の素子対１０と第２の素子対１２とが直列接続されたレグを構成することができる。
つぎに、実施の形態１に係る３レベル電力変換装置の動作について図４を参照して説明する。図４は、実施の形態１に係る３レベル電力変換装置の動作を説明するための説明図であり、図１の回路図に電流経路を付して示している。なお、以下の説明では、３レベル電力変換装置の交流端を成すＡＣ端から出力される電流が正（右向き）の場合を一例として説明する。
まず、最上位電位側の外側に位置するスイッチング素子（以下「最上位外側スイッチング素子」という）１０ａと上位側の内側に位置するスイッチング素子（以下「上位内側スイッチング素子」という）１０ｃがＯＮ、最下位電位側の外側に位置するスイッチング素子（以下「最下位外側スイッチング素子」という）１２ｂと下位側の内側に位置するスイッチング素子（以下「下位内側スイッチング素子」という）１２ｃとがＯＦＦしていると、上位側直流端Ｐからの電流が、最上位外側スイッチング素子１０ａと上位内側スイッチング素子１０ｃに流れてＡＣ端に出力される（電流経路Ａ）。
つぎに、最上位外側スイッチング素子１０ａがＯＦＦすると、中間電位端Ｃからの電流が、スイッチング素子１２ａ（上位電位側の中性点クランプダイオード）を通って上位内側スイッチング素子１０ｃに流れてＡＣ端に出力される（電流経路Ｂ）。ここで、下位内側スイッチング素子１２ｃがＯＮしても電流経路は変わらないが、上位内側スイッチング素子１０ｃがＯＦＦすると、下位側直流端Ｎからの電流が、最下位外側スイッチング素子１２ｂと下位内側スイッチング素子１２ｃに流れてＡＣ端に出力される（電流経路Ｃ）。
このようにして、最上位外側スイッチング素子１０ａ、最下位外側スイッチング素子１２ｂ、上位内側スイッチング素子１０ｃおよび下位内側スイッチング素子１２ｃにおけるＯＮ／ＯＦＦの状態が、最上位外側スイッチング素子１０ａ：ＯＮ、上位内側スイッチング素子１０ｃ：ＯＮ、下位内側スイッチング素子１２ｃ：ＯＦＦ、最下位外側スイッチング素子１２ｂ：ＯＦＦ→最上位外側スイッチング素子１０ａ：ＯＦＦ、上位内側スイッチング素子１０ｃ：ＯＮ、下位内側スイッチング素子１２ｃ：ＯＦＦ、最下位外側スイッチング素子１２ｂ：ＯＦＦ→最上位外側スイッチング素子１０ａ：ＯＦＦ、上位内側スイッチング素子１０ｃ：ＯＮ、下位内側スイッチング素子１２ｃ：ＯＮ、最下位外側スイッチング素子１２ｂ：ＯＦＦ→最上位外側スイッチング素子１０ａ：ＯＦＦ、上位内側スイッチング素子１０ｃ：ＯＦＦ、下位内側スイッチング素子１２ｃ：ＯＮ、最下位外側スイッチング素子１２ｂ：ＯＦＦ→最上位外側スイッチング素子１０ａ：ＯＦＦ、上位内側スイッチング素子１０ｃ：ＯＦＦ、下位内側スイッチング素子１２ｃ：ＯＮ、最下位外側スイッチング素子１２ｂ：ＯＮ→最上位外側スイッチング素子１０ａ：ＯＦＦ、上位内側スイッチング素子１０ｃ：ＯＦＦ、下位内側スイッチング素子１２ｃ：ＯＮ、最下位外側スイッチング素子１２ｂ：ＯＦＦ→……と変化して行く。
このとき、ＡＣ端から流れ出す電流とＡＣ端に流れ込む電流とによる正負両方の電流を考慮すると、これらの電流は、最上位外側スイッチング素子１０ａとスイッチング素子１２ａとの間、上位内側スイッチング素子１０ｃと下位内側スイッチング素子１２ｃとの間、および最下位外側スイッチング素子１２ｂとスイッチング素子１０ｂとの間を転流する。そこで、実施の形態１の３レベル電力変換装置においては、モジュール内に収容することで低インダクタンス構成が可能となる２素子入りパワーモジュールを、それぞれ最上位外側スイッチング素子１０ａおよびスイッチング素子１２ａ、上位内側スイッチング素子１０ｃおよび下位内側スイッチング素子１２ｃならびに、最下位外側スイッチング素子１２ｂおよびスイッチング素子１０ｂの組合せで構成したものである。これらの構成により、パワーモジュール内部の低インダクタンス回路が鉄道車両用の３レベル電力変換装置に必要な低インダクタンス回路に寄与するという効果を得ることができる。
以上のように、実施の形態１に係る３レベル電力変換装置によれば、２素子入りのパワーモジュールにおける一方の素子の上位電位電極および下位電位電極ならびに他方の素子の上位電位電極および下位電位電極がそれぞれ引き出された２素子入り４端子パワーモジュールを用いて構成しているので、１種類のパワーモジュールを使用して鉄道車両用の３レベル電力変換装置を構成できるという効果が得られる。
なお、３レベル電力変換装置における直流回路部の構成において、例えば中間電位端Ｃが接地点の場合、各スイッチング素子のスイッチング状態が変化するとき、最上位外側スイッチング素子１０ａおよびスイッチング素子１２ａは電位Ｐと電位Ｃとの間、上位内側スイッチング素子１０ｃおよび下位内側スイッチング素子１２ｃは電位Ｐと電位Ｃとの間もしくは電位Ｃと電位Ｎとの間、最下位外側スイッチング素子１２ｂとスイッチング素子１０ｂは電位Ｃと電位Ｎとの間を行き来するだけであり、パワーモジュール１ａ〜１ｃは、電圧Ｅに対する対地絶縁耐圧があればよい。このため、実施の形態１に係る３レベル電力変換装置によれば、直流回路部の電圧の１／２に相当する電圧に対する対地絶縁耐圧の小さなパワーモジュールを用いて構成できるという効果が得られる。
また、上述した２素子入りパワーモジュール１は、２レベル電力変換装置にも適用可能であることは言うまでもない。このため、実施の形態１に係る３レベル電力変換装置によれば、２レベル電力変換装置と共用可能な１種類のパワーモジュールを使用して鉄道車両用の３レベル電力変換装置を構成できるという効果が得られる。
実施の形態２．
図５は、実施の形態２で使用する２素子入りパワーモジュールの回路図であり、図６は、実施の形態２に係る３レベル電力変換装置の部分回路図である。実施の形態１に係る３レベル電力変換装置では、パワーモジュール１ａにおけるスイッチング素子１２ａとパワーモジュール１ｂにおけるスイッチング素子１０ｂを常時ＯＦＦとする実施態様により、３レベル電力変換装置を構成するパワーモジュール１ａ〜１ｃを全て同一のパワーモジュール１（図２参照）を用いて構成していた。一方、実施の形態２の３レベル電力変換装置は、図２に示すパワーモジュール１と図５に示すパワーモジュール２を用いて構成したものである。
パワーモジュール２は、図５に示すように、第１の素子対２０および第２の素子２２を備えて構成される。第１の素子対２０は、ＩＧＢＴのコレクタとＦＷＤのカソードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続端が引き出されてコレクタ電極Ｃ１とされ、ＩＧＢＴのエミッタとＦＷＤのアノードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続端が引き出されてエミッタ電極Ｅ１とされる。一方、第２の素子２２は、図２の構成とは異なりダイオードのみが設けられ、ダイオードのカソードが引き出されてカソード電極Ｋ１とされ、ダイオードのアノードが引き出されてアノード電極Ａ１とされる。なお、図５の構成において、各電極の引き出し位置は便宜上のものであり、図示の引き出し位置に限定されるものではない。
電動機を駆動する電力変換装置では、ブレーキチョッパ回路を有する場合があり、図５に示すパワーモジュールはブレーキチョッパ用として用いることが可能な構成である。つまり、実施の形態２に係る３レベル電力変換装置は、ブレーキチョッパ用のパワーモジュールを併用することが可能な構成であり、上位内側スイッチング素子１０ｃおよび下位内側スイッチング素子１２ｃを含むパワーモジュール１ｃを図２のパワーモジュール１で構成し、最上位外側スイッチング素子２０ａおよび上位電位側の中性点クランプダイオード２２ａ、ならびに最下位外側スイッチング素子２０ｂおよび下位電位側の中性点クランプダイオード２２ｂを図５のパワーモジュール２で構成したものである。
実施の形態２に係る３レベル電力変換装置によれば、逆並列に接続されるスイッチング素子を常時ＯＦＦする代わりに、当該スイッチング素子を省略しダイオードのみを設ける構成としたため、実施の形態１よりも中性点クランプダイオードに大容量のものが使用できると共に、簡素な構成となるため、信頼性が向上し、コストおよびサイズの削減にも繋がるという効果が得られる。
また、実施の形態２に係る３レベル電力変換装置によれば、２レベル電力変換装置と共用可能なパワーモジュールを用いることができると共に、ブレーキチョッパ回路と共用可能なパワーモジュールをも用いることができるので、必要なパワーモジュールのラインナップ数を削減できるという効果が得られる。
実施の形態３．
図７は、実施の形態３，４で使用する２素子入りパワーモジュールの回路構成のラインナップを示す図である。より詳細に説明すると、図７（ａ）は、実施の形態３，４の３レベル電力変換装置で使用する２素子入りパワーモジュールであり、図７（ｂ），（ｃ）は実施の形態４のみで使用する２素子入りパワーモジュールである。なお、図７（ｂ），（ｃ）の２素子入りパワーモジュールについては、実施の形態４の項で説明する。
パワーモジュール３は、図７（ａ）に示すように、第１の素子対３０および第２の素子対３２を備えて構成される。第１の素子対３０は、ＩＧＢＴのコレクタとＦＷＤのカソードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続端が引き出されてコレクタ電極Ｃ１とされ、ＩＧＢＴのエミッタとＦＷＤのアノードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続端が引き出されてエミッタ電極Ｅ１とされる。また、第２の素子対３２は、ＩＧＢＴのエミッタとＦＷＤのアノードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続端が引き出されてエミッタ電極Ｅ２とされる一方で、ＩＧＢＴのコレクタとＦＷＤのカソードとがモジュール内で第１の素子対３０におけるＩＧＢＴのエミッタに接続される。この構成により、第２の素子対３２のコレクタ電極Ｃ１はエミッタ電極Ｅ１に一致する。なお、各電極の引き出し位置は便宜上のものであり、図示の引き出し位置に限定されるものではない。
また、図８は、実施の形態３に係る３レベル電力変換装置の部分回路図である。実施の形態１に係る３レベル電力変換装置では、パワーモジュール１ａ〜１ｃを図３に示すような４端子モジュールで構成したが、実施の形態３に係る３レベル電力変換装置では、図７（ａ）に示すような３端子モジュールで構成することとしている。具体的に説明すると、最上位外側スイッチング素子３０ａおよび上位電位側の中性点クランプダイオードとして動作するスイッチング素子３２ａを含むパワーモジュール３ａ、最下位外側スイッチング素子３２ｂおよび下位電位側の中性点クランプダイオードとして動作するスイッチング素子３０ｂを含むパワーモジュール３ｂならびに、上位内側スイッチング素子３０ｃおよび下位内側スイッチング素子３２ｃを含むパワーモジュール３ｃを図７（ａ）に示すパワーモジュール３で構成している。
実施の形態３に係る３レベル電力変換装置によれば、最上位外側スイッチング素子３０ａとスイッチング素子３２ａとの間、最下位外側スイッチング素子３２ｂとスイッチング素子３２ｂとの間および、上位内側スイッチング素子３０ｃと下位内側スイッチング素子３２ｃとの間の電気的接続をパワーモジュールの外部で接続する必要がないので、実施の形態１よりも低インダクタンス回路が実現できるという効果が得られる。
図９は、２素子入り４端子パワーモジュールにおける外部接続構造を模式的に示す図である。２素子入り４端子パワーモジュールを使用する場合、ＡＣ端子部６０を外部接続で構成する必要があるため、ＰＮ接続導体（直流回路部と各スイッチング素子とを接続するための直流配線）６２との間でスペースの取り合いになる。この場合、例えば図９（ｂ）に示すように、ＰＮ接続導体６２を避けて配線する場合には必然的に接続導体長が長くなり、インダクタンスの増加は避けられない。一方、実施の形態３のように、２素子入り３端子パワーモジュールを用いて構成する場合には、ＡＣ端子部６０の接続導体長の増加を抑制できるので、インダクタンスの低減に大きな効果が得られる。
実施の形態４．
図１０は、実施の形態４に係る３レベル電力変換装置の部分回路図である。実施の形態３に係る３レベル電力変換装置では、２素子入り３端子パワーモジュールを用いる構成とした上で、パワーモジュール３ａにおけるスイッチング素子３２ａとパワーモジュール３ｂにおけるスイッチング素子３０ｂを常時ＯＦＦとする実施態様により、３レベル電力変換装置を構成するパワーモジュール３ａ〜３ｃを全て同一のパワーモジュール３（図７（ａ）参照）を用いて構成していた。一方、実施の形態４の３レベル電力変換装置は、図７（ａ）に示すパワーモジュール３に加えて、図７（ｂ）に示すパワーモジュール４および図７（ｃ）に示すパワーモジュール５を用いて構成したものである。
パワーモジュール４は、図７（ｂ）に示すように、第１の素子対４０および第２の素子４２を備えて構成される。第１の素子対４０は、ＩＧＢＴのコレクタとＦＷＤのカソードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続端が引き出されてコレクタ電極Ｃ１とされ、ＩＧＢＴのエミッタとＦＷＤのアノードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続端が引き出されてエミッタ電極Ｅ１とされる。一方、第２の素子４２は、図５の場合と同様に、ダイオードのみが設けられ、ダイオードのアノードが引き出されてアノード電極Ａ１とされ、ダイオードのカソードはモジュール内部において、第１の素子対４０のＩＧＢＴのエミッタに接続される。この構成により、カソード電極Ｋ１はエミッタ電極Ｅ１に一致する。なお、各電極の引き出し位置は便宜上のものであり、図示の引き出し位置に限定されるものではない。
同様に、パワーモジュール５は、図７（ｃ）に示すように、第１の素子対５０および第２の素子５２を備えて構成される。第１の素子対５０は、ＩＧＢＴのコレクタとＦＷＤのカソードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続端が引き出されてコレクタ電極Ｃ１とされ、ＩＧＢＴのエミッタとＦＷＤのアノードとがモジュール内で電気的に接続され、その接続端が引き出されてエミッタ電極Ｅ１とされる。一方、第２の素子５２は、図７（ｂ）の場合と同様に、ダイオードのみが設けられ、ダイオードのカソードが引き出されてカソード電極Ｋ１とされ、ダイオードのアノードはモジュール内部において、第１の素子対５０におけるＩＧＢＴのコレクタに接続される。この構成により、アノード電極Ａ１はコレクタ電極Ｃ１に一致する。なお、各電極の引き出し位置は便宜上のものであり、図示の引き出し位置に限定されるものではない。
実施の形態２の項でも説明したが、電動機を駆動する電力変換装置では、ブレーキチョッパ回路を有する場合があり、図７（ｂ），（ｃ）に示すパワーモジュールはブレーキチョッパ用として用いることが可能な構成である。つまり、実施の形態４に係る３レベル電力変換装置は、ブレーキチョッパ用のパワーモジュールを併用することが可能な構成であり、上位内側スイッチング素子３０ｃおよび下位内側スイッチング素子３２ｃを含むパワーモジュール３ｃを図７（ａ）に示すパワーモジュール３で構成し、最上位外側スイッチング素子４０ａおよび上位電位側の中性点クランプダイオード４２ａを図７（ｂ）に示すパワーモジュール４で構成し、最下位外側スイッチング素子５０ｂおよび下位電位側の中性点クランプダイオード５２ｂを図７（ｃ）に示すパワーモジュール５で構成したものである。
実施の形態４に係る３レベル電力変換装置によれば、逆並列に接続されるスイッチング素子を常時ＯＦＦする代わりに、当該スイッチング素子を省略しダイオードのみを設ける構成としたため、実施の形態３よりも中性点クランプダイオードに大容量のものが使用できると共に、簡素な構成となるため、実施の形態３よりも信頼性が向上し、コストおよびサイズの削減にも繋がるという効果が得られる。
また、実施の形態４に係る３レベル電力変換装置によれば、２レベル電力変換装置と共用可能なパワーモジュールを用いることができると共に、ブレーキチョッパ回路と共用可能なパワーモジュールをも用いることができるので、必要なパワーモジュールのラインナップ数を削減できるという効果が得られる。
また、実施の形態４に係る３レベル電力変換装置によれば、２素子入りのパワーモジュールにおける一方の素子の上位電位電極および他方の素子の下位電位電極がそれぞれ引き出されて第１および第２端子を成すと共に、一方の素子の下位電位電極と他方の素子の上位電位電極とが接続されて共通端子を成した２素子入り３端子パワーモジュールを用いて構成しているので、共通端子となる部位をパワーモジュールの外部で接続する必要がなくなり、実施の形態３よりも低インダクタンスの回路が実現できるという効果が得られる。
実施の形態５．
鉄道車両用の電力変換装置に使用される大容量パワーモジュールとして入手可能な定格のものは、例えば３３００Ｖ／１５００Ａ、４５００Ｖ／１２００Ａ、６５００Ｖ／７５０Ａなどが最大級のものである。このようなパワーモジュールでは、ボルト取付や冷却面の平面度管理などの制約により、１４０ｍｍ×１９０ｍｍのベースサイズであり、現状では、何れも１素子入りパワーモジュールとして構成している。このように、最大級の大容量のパワーデバイスでは、機械的制約の関係から１素子入りとなっているため、実施の形態１〜４に係る３レベル電力変換装置を容易に実現するには、中容量のパワーモジュールを用いるのが望ましい。
そこで、実施の形態５では、実施の形態１〜４のパワーモジュールを実現する半導体材料として、例えばＳｉＣやＧａＮのようなワイドバンドギャップ半導体を用いることにする。ワイドバンドギャップ半導体を用いれば、発生損失が低減でき、同じ電流定格のパワーモジュールであれば、Ｓｉなどのナローバンドギャップ半導体を用いるよりも、小型化することが可能となる。すなわち、実施の形態１〜４に係るパワーモジュールを実現する半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体を用いて形成するようにすれば、例えば大容量の鉄道車両用電力変換装置を構成する場合であっても、２素子入りパワーモジュールを用いて構成することができるので、冷却器の平面度管理が容易となり、作業性が向上するという効果が得られる。
なお、以上の実施の形態１〜５に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲の種々の変更も許容され得ることは言うまでもない。
さらに、以上の実施の形態では、電気鉄道分野への適用を想定したＤＣＤＣ変換装置を対象として発明内容の説明を実施しているが、適用分野はこれに限られるものではなく、種々の産業応用分野（例えば電力系統用、工作機械用など）への応用が可能であることも言うまでもない。
以上のように、本発明は、２素子入りパワーモジュールとしての特徴を充分に発揮し得るパワーモジュールおよび３レベル電力変換装置として有用である。
１，１ａ〜１ｃ，２，３，３ａ〜３ｃ，４，５ パワーモジュール
１０，２０，３０，４０，５０ 第１の素子対
１２，３２， 第２の素子対
２２，４２，５２ 第２の素子
１０ａ，２０ａ，３０ａ，４０ａ 最上位外側スイッチング素子
１２ｂ，２０ｂ，３２ｂ，５０ｂ 最下位外側スイッチング素子
１０ｃ，３０ｃ 上位内側スイッチング素子
１２ｃ，３２ｃ 下位内側スイッチング素子
１２ａ，３２ａ 上位電位側の中性点クランプダイオードとして動作するスイッチング素子
１０ｂ，３０ｂ 下位電位側の中性点クランプダイオードとして動作するスイッチング素子
２２ａ，２２ｂ，４２ａ，５２ｂ 中性点クランプダイオード
６０ ＡＣ端子部
６２ ＰＮ接続導体

Claims (16)

  1. 電力変換回路部を構成する最上位電位側の外側スイッチング素子および上位電位側の中性点クランプダイオードによる第１の組、最下位電位側のスイッチング素子および下位電位側の中性点クランプダイオードによる第２の組ならびに、上位側の内側スイッチング素子および下位側の内側スイッチング素子による第３の組のそれぞれを２素子入りパワーモジュールを用いて構成したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
  2. 前記２素子入りパワーモジュールは、一方の素子の上位電位電極および下位電位電極ならびに他方の素子の上位電位電極および下位電位電極がそれぞれ引き出された２素子入り４端子パワーモジュールであり、前記第１乃至第３の組を前記２素子入り４端子パワーモジュールで構成したことを特徴とする請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
  3. 前記２素子入り４端子パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された２つの素子対を有して構成され、当該２つの素子対を前記一方および他方の素子として用いることを特徴とする請求項２に記載の３レベル電力変換装置。
  4. 前記２素子入り４端子パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された第１の素子対と、ダイオードのみが設けられた第２の素子を有して構成され、前記第１の素子対を前記一方の素子として用い、前記第２の素子を前記他方の素子として用いることを特徴とする請求項２に記載の３レベル電力変換装置。
  5. 前記２素子入りパワーモジュールは、一方の素子の上位電位電極、他方の素子の下位電位電極および一方の素子の下位電位電極と他方の素子の上記電位電極との接続端がそれぞれ引き出された２素子入り３端子パワーモジュールであり、前記第１乃至第３の組を前記２素子入り３端子パワーモジュールで構成したことを特徴とする請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
  6. 前記２素子入り３端子パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された２つの素子対を有して構成され、当該２つの素子対を前記一方および他方の素子として用いることを特徴とする請求項５に記載の３レベル電力変換装置。
  7. 前記２素子入り３端子パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された第１の素子対と、ダイオードのみが設けられた第２の素子を有して構成され、前記第１の素子対を前記一方の素子として用い、前記第２の素子を前記他方の素子として用いることを特徴とする請求項５に記載の３レベル電力変換装置。
  8. 前記２素子入りパワーモジュールにおける一方および他方の素子がワイドバンドギャップ半導体にて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
  9. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項８に記載の３レベル電力変換装置。
  10. 電力変換装置に適用可能に構成されるパワーモジュールであって、
    前記パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された２つの素子対を有して構成され、当該２つの素子対のうちの一方の素子対の上位電位電極および下位電位電極ならびに他方の素子対の上位電位電極および下位電位電極がそれぞれ引き出されて４端子パワーモジュールとして構成されていることを特徴とするパワーモジュール。
  11. 電力変換装置に適用可能に構成されるパワーモジュールであって、
    前記パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された第１の素子対と、ダイオードのみが設けられた第２の素子を有して構成され、前記第１の素子対の上位電位電極および下位電位電極ならびに前記ダイオードのカソード電極およびアノード電極がそれぞれ引き出されて４端子パワーモジュールとして構成されていることを特徴とするパワーモジュール。
  12. 電力変換装置に適用可能に構成されるパワーモジュールであって、
    前記パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された２つの素子対を有して構成され、当該２つの素子対のうちの一方の素子対の上位電位電極、他方の素子対の下位電位電極および前記一方の素子対の下位電位電極と前記他方の素子対の上記電位電極との接続端がそれぞれ引き出されて３端子パワーモジュールとして構成されていることを特徴とするパワーモジュール。
  13. 電力変換装置に適用可能に構成されるパワーモジュールであって、
    前記パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された第１の素子対と、ダイオードのみが設けられた第２の素子を有して構成され、前記第１の素子対の上位電位電極、前記ダイオードのアノード電極および前記第１の素子対の下位電位電極と前記第２の素子のカソード電極との接続端がそれぞれ引き出されて３端子パワーモジュールとして構成されていることを特徴とするパワーモジュール。
  14. 電力変換装置に適用可能に構成されるパワーモジュールであって、
    前記パワーモジュールは、ダイオードとスイッチング素子とが逆並列に接続された第１の素子対と、ダイオードのみが設けられた第２の素子を有して構成され、前記第１の素子対の下位電位電極、前記ダイオードのカソード電極および前記第１の素子対の上位電位電極と前記ダイオードのアノード電極との接続端がそれぞれ引き出されて３端子パワーモジュールとして構成されていることを特徴とするパワーモジュール。
  15. 前記一方の素子対もしくは前記第１の素子対と、前記他方の素子対、前記第２の素子対もしくは前記第２の素子とがワイドバンドギャップ半導体にて形成されていることを特徴とする請求項１０乃至１４の何れか１項に記載のパワーモジュール。
  16. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項１５に記載のパワーモジュール。
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