KR20090005144A - 전력 변환 장치 - Google Patents

Abstract

직류 전원의 정부 단자 사이에 스위칭 반도체 소자(1, 2)의 직렬 회로를 접속하고, 이 직렬 회로의 직렬 접속점으로부터 교류 출력 단자를 도출하고, 이 직렬 회로를 전력 변환 장치의 1상분으로 하고, 모든 스위칭 반도체 소자를 냉각기(11)의 동일 평면상에 배치하고, 냉각기의 냉각부를 복수의 핀으로 구성하고, 핀 사이를 흐르는 냉매에 의해 스위칭 반도체 소자를 냉각하는 차량용의 전력 변환 장치에 있어서, 냉매가 흐르는 방향에 대해, 스위칭 반도체 소자의 긴 쪽 방향이 수직으로 되도록 스위칭 반도체 소자를 냉각기상에 배설했다. 냉각 효율이 높고, 소형, 저비용의 전력 변환 장치를 얻을 수 있다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERTER}

본 발명은 철도 등의 차량용의 전력 변환 장치에 관한 것이다. 특히, 전력 변환 장치의 각 상암(phase arm)을 구성하는 반도체 소자를 냉각기의 동일 평면상에 배치하고, 반도체 소자의 냉각 효율을 높이는 동시에, 배선 인덕턴스(wiring inductance)를 감소시키도록 한 전력 변환 장치에 관한 것이다.

종래의 차량용 전력 변환 장치로서는, 예를 들어 일본 특개 2001-238468호 공보(특허 문헌 1이라고 함)에 나타난 바와 같이, 하나의 히트 블록(heat block)에 전기차 주행 방향으로, 각 상마다 유닛화한 복수의 반도체 유닛을 장착 나사에 의해 장착시켜, 냉각 효율의 향상과 회로 인덕턴스의 감소를 도모한 것이 있다.

또, 전력 변환기의 주회로 배선에 있어서 인덕턴스의 감소, 절연 신뢰성의 향상, 취급성의 향상을 도모한 것으로서, 일본 특개 2001-86731호 공보(특허 문헌 2라고 함)에 나타낸 것이 있다.

이와 같은 특허 문헌 1, 2에 나타나는 차량용 전력 변환 장치에 있어서, 전력 변환 장치의 정측암 및 부측암을 구성하는 IGBT 모듈은 차량 주행 방향에 대해 IGBT 모듈의 단변이 수직으로 되도록 냉각기상에 배치되어 있고, 차량이 주행하여 이동하는 것에 의해 냉각기의 방열부로 바람이 흐르고, 그 바람이 냉각풍으로 되어 방열부에 부딪쳐 냉각기가 냉각되는 구성으로 되어 있다.

특허 문헌 1: 일본 특개 2001-238468호 공보(도 1)

특허 문헌 2: 일본 특개 2001-86731호 공보(도 1)

그렇지만 이와 같은 종래의 전력 변환 장치에 있어서는, 정측 및 부측암을 구성하는 IGBT 모듈의 단변이 냉각풍의 흐름(즉 차량의 주행 방향)과 수직의 관계로 배치되어 있기 때문에, 냉각풍에 대해 바람이 불어 오는 쪽(windward side)에서부터 바람이 불어 가는 쪽(leeward side)까지의 길이가 길고, 바람이 불어 오는 쪽의 IGBT 모듈과 바람이 불어 가는 쪽의 IGBT 모듈에 있어서 온도차가 커진다. 또, 각 IGBT 모듈의 냉각풍에 부딪치는 면적도 작기 때문에 냉각의 효율이 나쁘다. 이 때문에, 차량의 주행에 의해 발생하는 바람을 냉각풍으로서 유효하게 사용하지 못하며, 바람이 불어 가는 쪽의 IGBT 모듈을 충분히 냉각하기 위해서는 냉각 성능을 높게 설정해야 되고, 방열부가 크거나, 또는 효율이 높은 냉각기가 필요하여 장치의 대형화를 초래하는 동시에, 장치의 고비용화를 부른다고 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래 장치의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 정측암 및 부측암을 구성하는 반도체 소자 모듈의 냉각풍을 받는 면적을 크게 확보하는 동시에, 바람이 불어 오는 쪽과 바람이 불어 가는 쪽의 반도체 소자 모듈의 온도차를 작게 할 수 있고, 냉각기의 방열부를 작게 할 수 있어, 장치의 소형화나, 저비용화를 가능하게 한 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 반도체 소자 모듈의 배치 상태에 적절한 배선 구조에 의해, 회로의 인덕턴스를 감소시키고, 장치의 소형화나, 저비용화할 수 있도록 한 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 전력 변환 장치는, 직류 전압원의 정전위측과 부전위측 사이에, 스위칭 반도체 소자로 이루어지는 정측 반도체 스위칭 암과 부측 반도체 스위칭 암의 직렬 회로를 접속하고, 상기 2조의 반도체 스위칭 암의 직렬 접속점으로부터 출력 단자를 도출하고, 정측 반도체 스위칭 암의 양극을 직류 전압원의 정전위측에 접속하고, 부측 반도체 스위칭 암의 음극을 직류 전압원의 부전위측에 접속하고, 상기 2조의 반도체 스위칭 암의 직렬 회로를 전력 변환 장치의 1상분(相分)으로 하고, 반도체 스위칭 암을 구성하는 모든 스위칭 반도체 소자는 냉각기의 동일 평면상에 배치되고, 냉각기의 냉각부는 복수의 핀으로 구성되고, 핀 사이를 흐르는 냉매에 의해 스위칭 반도체 소자가 냉각되도록 한 차량용의 전력 변환 장치로서, 냉매가 흐르는 방향에 대해 반도체 스위칭 암의 긴 쪽 방향이 수직으로 되도록, 상기 스위칭 반도체 소자를 냉각기의 동일 평면상에 배설(配設)한 것이다.

또, 상기와 같이 구성된 전력 변환 장치에 있어서, 일방(一方; 정측)의 반도체 스위칭 암을 구성하는 스위칭 반도체 소자의 양극과 직류 전압원의 정전위측을 연결하는 배선은 전력 변환 장치를 구성하는 모든 상에 대해 공통인 1매의 제1 평판 도체를 사용하고, 타방(他方; 부측)의 반도체 스위칭 암을 구성하는 스위칭 반도체 소자의 음극과 직류 전압원의 부전위측을 연결하는 배선은 전력 변환 장치를 구성하는 모든 상에 대해 공통인 1매의 제2 평판 도체를 사용하고, 직렬 회로를 형성할 일방(정측)의 스위칭 반도체 소자의 음극과 타방(부측)의 스위칭 반도체 소자의 양극을 접속하는 배선에는 각 상마다 제3 평판 도체를 사용하고, 제1 ~ 제3 평판 도체는 적층한 평행 평판으로 하고, 제3 평판 도체는, 음극측이 출력 단자와 접속된 일방(정측)의 스위칭 반도체 소자의 양극을 걸터서고(stride over), 또 양극측이 출력 단자와 접속된 타방(부측)의 스위칭 반도체 소자의 음극을 걸터서서, 출력 단자에 접속되도록 배치한 것이다.

본 발명의 전력 변환 장치에 의하면, 냉각기의 방열부를 소형으로 할 수 있고, 냉각기의 가격을 낮게 억제할 수 있다.

또, 회로의 인덕턴스를 작게 할 수 있으므로, 스너버(snubber) 회로가 불필요하게 되어, 부품을 삭감할 수 있고, 장치의 신뢰성을 높게 하는 동시에 장치의 소형화를 할 수 있고, 또 부품이 적음에 따라 장치의 가격을 낮게 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 전력 변환 장치의 개략 회로 구성도이다.

도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 스위칭 반도체 소자의 냉각기상에 있어서 배치 구성을 나타내는 설명도이다.

도 3은 본 발명의 실시 형태 2에 있어서 전력 변환 장치의 개략 회로 구성도이다.

도 4는 본 발명의 실시 형태 2에 있어서 반도체 소자의 냉각기상에 있어서 배치 구성을 나타내는 설명도이다.

도 5는 본 발명의 실시 형태 3에 있어서 전력 변환 장치의 개략 회로 구성도 이다.

도 6은 본 발명의 실시 형태 3에 있어서 반도체 소자의 냉각기상에 있어서 배치 구성을 나타내는 설명도이다.

도 7은 본 발명의 실시 형태 1의 전력 변환 장치에 있어서 냉각기의 변형예를 나타내는 도면이다.

도 8은 본 발명의 실시 형태 4의 전력 변환 장치에 있어서 정측ㆍ부측암의 반도체 소자의 배열도 및 평판 도체에 의한 배선 회로도이다.

도 9는 본 발명의 실시 형태 4의 전력 변환 장치에 있어서 정측 반도체 소자와 부측 반도체 소자를 접속하는 평판 도체의 배선 구조도이다.

도 10은 본 발명의 실시 형태 4의 전력 변환 장치에 있어서 정측 반도체 소자와 전원의 정전위측의 배선 구조도이다.

도 11은 본 발명의 실시 형태 4의 전력 변환 장치에 있어서 부측 반도체 소자와 전원의 부전위측의 배선 구조도이다.

도 12는 본 발명의 실시 형태 4의 전력 변환 장치에 있어서 평판 도체의 적층 구조를 나타내는 도면이다.

도 13은 본 발명의 실시 형태 4의 전력 변환 장치에 있어서 전류 경로와 배선 인덕턴스의 관계를 설명하는 도면이다.

도 14는 종래 장치에 있어서 배선 경로와 배선 인덕턴스의 설명도이다.

도 15는 본 발명의 실시 형태 4의 전력 변환 장치에 있어서 배선 경로와 배선 인덕턴스의 설명도이다.

도 16은 본 발명의 실시 형태 5의 전력 변환 장치에 있어서 정측 반도체 소자와 부측 반도체 소자를 접속하는 평판 도체의 배선 구조도 및 배선 회로도이다.

도 17은 본 발명의 실시 형태 6의 전력 변환 장치에 있어서 정측 반도체 소자와 부측 반도체 소자를 접속하는 평판 도체의 배선 구조도 및 배선 회로도이다.

부호의 설명

1, 2, 3, 4, 5, 6은 IGBT 모듈,

7, 8, 9는 교류 출력 단자,

10은 직류 전원,

P는 직류 전압원의 정극 단자,

N는 직류 전압원의 부극 단자,

11, 15, 19, 20은 냉각기,

12는 IGBT 모듈,

13은 다이오드 모듈,

14, 18은 교류 출력 단자,

21, 22, 23은 제3 평판 도체,

24는 제1 평판 도체,

25는 제2 평판 도체,

26, 27은 제3 평판 도체,

28은 제1 평판 도체,

29는 제2 평판 도체,

C는 IGBT 모듈의 컬렉터 단자,

E는 IGBT 모듈의 이미터 단자,

A는 다이오드 모듈의 양극 단자,

K는 다이오드 모듈의 음극 단자,

AC는 교류 출력 단자이다.

실시 형태 1.

본 발명의 실시 형태 1의 전력 변환 장치에 대해, 도 1, 도 2를 참조하여 설명한다.

도 1은 3상 전력 변환 장치의 주회로 구성도이고, 도면에 있어서, 1 ~ 6은 예를 들어 IGBT 모듈과 같은 반도체 스위칭 소자 모듈(이하 단지 스위칭 반도체 소자라고도 함)이고, IGBT 모듈(1, 3, 5)은 전력 변환 장치의 정측 반도체 스위칭 암을 구성하고, IGBT 모듈(2, 4, 6)은 부측 반도체 스위칭 암을 구성하고 있다.

즉, IGBT(1, 3, 5)의 각 컬렉터 단자(C)가 직류 전원(필터 컨덴서라고도 함; 10)의 정극 단자(P)에 접속되고, IGBT 모듈(2, 4, 6)의 각 이미터 단자(E)가 직류 전원(10)의 부극 단자(N)에 접속되고, IGBT(1)의 이미터 단자(E)와 IGBT(2)의 컬렉터 단자(C)가 직렬 접속되고, 이 직렬 접속점으로부터 교류 출력 단자(7)를 취출하고 있다.

동양(同樣)으로, IGBT(3)의 이미터 단자(E)와 IGBT(4)의 컬렉터 단자(C)가 직렬 접속되고, 또 IGBT(5)의 이미터 단자(E)와 IGBT(6)의 컬렉터 단자(C)가 직렬 접속되고, 각각의 직렬 접속점으로부터 교류 출력 단자(8, 9)를 취출하고 있다.

또한, 철도 차량용과 같은 대용량의 전력 변환 장치에 있어서, 통상 1개의 스위칭 반도체 소자(IGBT 모듈)내에는 예를 들어 3개의 IGBT가 병렬 접속되어 있고, 1개의 스위칭 반도체 소자(IGBT 모듈)는 3쌍의 컬렉터 단자와 이미터 단자를 갖고 있다.

도 2는 도 1의 IGBT 모듈(1 ~ 6)을 냉각기(11)의 동일 평면상에 배설한 상태를 나타내는 배치 구성도이고, 도 2(a)는 IGBT 모듈 탑재면에서 본 도면이고, 도 2(b)는 냉각기의 측면에서 본 도면이다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 실시 형태 1의 전력 변환 장치에 있어서는 정측 및 부측의 반도체 스위칭 암을 구성하는 모든 IGBT 모듈(1 ~ 6)을 냉각기(11)의 동일 평면상에 배설하는 경우에, 냉각풍의 방향 X(즉, 차량의 진행 방향)에 대해, IGBT 모듈(1 ~ 6)의 장변측이 수직으로 되도록 배치한 것이다.

이와 같이, 배치 구성된 실시 형태 1의 전력 변환 장치에 의하면, IGBT 모듈(1 ~ 6)의 장변측이 냉각풍의 방향(화살표 X)에 대해 수직으로 배치되어 있기 때문에, 각 IGBT 모듈(1 ~ 6)의 냉각풍을 받는 면적을 크게 할 수 있고, 또 바람이 불어 오는 쪽에서부터 바람이 불어 가는 쪽의 방향은 IGBT 모듈의 단변측으로 되어 있으므로, 바람이 불어 오는 쪽에서부터 바람이 불어 가는 쪽까지의 거리를 짧게 할 수 있고, 바람이 불어 오는 쪽과 바람이 불어 가는 쪽의 IGBT 모듈의 온도차를 작게 할 수 있고, 효율적으로 IGBT 모듈을 냉각하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 냉각기(11)의 방열부를 작게 할 수 있고, 냉각기의 소형화를 실현할 수 있어, 냉각 기가 작아지는 만큼, 비용 감소가 가능하게 된다.

또한, 도 7은 냉각기로서 격자형의 핀을 사용한 히트 싱크형의 냉각기(20)를 사용한 경우의 IGBT 모듈(1 ~ 6)의 배치 구성을 나타내는 것이고, 이와 같은 냉각기(20)을 사용해도 상기와 같은 효과가 달성되는 것은 물론이다. 즉, 냉각기는 복수의 핀을 갖고, 냉각풍의 방향에 대해 IGBT 모듈의 장변측을 수직으로 배치하는 것이면, 어떠한 것이어도 된다.

실시 형태 2

도 3, 도 4는 본 발명의 실시 형태 2의 전력 변환 장치를 나타내는 것이고, 도 3은 전력 변환 장치의 주회로 구성도이고, 도 4는 도 3의 반도체 소자 모듈을 냉각기에 배설한 상태를 나타내는 배치 구성도이고, 도 4(a)는 반도체 소자 모듈 탑재면에서 본 도면이고, 도 4(b)는 냉각기의 측면에서 본 도면이다.

도 3, 도 4에 있어서, 12는 실시 형태 1과 동양인 IGBT 모듈이고, 전력 변환 장치의 정측 반도체 스위칭 암을 구성하고, 컬렉터 단자(C)가 직류 전원(10)의 정극 단자(P)에 접속되어 있다. 13은 다이오드 모듈(정류(整流) 반도체 소자라고도 함)이고, 전력 변환 장치의 부측 반도체 정류 암을 구성하고, 양극 단자(A)가 직류 전원(10)의 부극 단자(N)에 접속되고, IGBT 모듈(12)의 이미터 단자(E)와 다이오드 모듈(13)의 음극 단자(K)가 직렬 접속되고, 이 직렬 접속점으로부터 출력 단자(14)를 취출하고 있다.

도 4에 나타나는 바와 같이, IGBT 모듈(12) 및 다이오드 모듈(13)은 냉각기(15)의 동일 평면상에, IGBT 모듈(12) 및 다이오드 모듈(13)의 장변측이 냉각풍 의 방향(즉, 차량의 진행 방향)에 대해 수직으로 되도록 배치되어 있다.

즉, 이 실시 형태 2에 있어서 상기 실시 형태 1과 다른 것은 전력 변환 장치의 주회로 구성이 다를 뿐, 이와 같은 실시 형태 2의 주회로 구성이어도, 냉각기(15)의 동일 평면상에 냉각풍의 방향에 대해 IGBT 모듈(12)의 장변측 및 다이오드 모듈(13)의 장변측이 수직으로 되도록 배치하는 것에 의해, 실시 형태 1과 동양인 효과를 얻을 수 있는 것이다.

즉, 냉각풍의 방향에 대해, IGBT 모듈(12)의 장변측 및 다이오드 모듈(13)의 장변측이 수직으로 배치되어 있기 때문에, IGBT 모듈(12)과 다이오드 모듈(13)의 냉각풍을 받는 면적을 크게 할 수 있고, 또 바람이 불어 오는 쪽에서부터 바람이 불어 가는 쪽의 방향은 IGBT 모듈 및 다이오드 모듈의 단변측으로 되어 있으므로, 바람이 불어 오는 쪽에서부터 바람이 불어 가는 쪽까지의 거리를 짧게 할 수 있고, 효율적으로 냉각하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 냉각기의 방열부를 작게 할 수 있고, 냉각기의 소형화를 실현할 수 있어, 냉각기가 작아지는 만큼, 비용 감소가 가능하게 된다.

실시 형태 3.

도 5, 도 6은 본 발명의 실시 형태 3의 전력 변환 장치를 나타내는 것이고, 도 5는 전력 변환 장치의 주회로 구성도이고, 도 6은 도 5의 반도체 소자 모듈을 냉각기에 배설한 상태를 나타내는 배치 구성도이고, 도 6(a)는 반도체 소자 모듈 탑재면에서 본 도면이고, 도 6(b)는 냉각기의 측면에서 본 도면이다.

도 5, 도 6에 있어서, 12는 실시 형태 2와 같은 IGBT 모듈이고, 전력 변환 장치의 부측 반도체 스위칭 암을 구성하고, 이미터 단자(E)가 직류 전원(10)의 부극 단자(N)에 접속되어 있다. 13은 다이오드 모듈(정류 반도체 소자라고도 함)이고, 전력 변환 장치의 정측 반도체 정류 암을 구성하고, 음극 단자(K)가 직류 전원(10)의 정극 단자(P)에 접속되고, IGBT 모듈(12)의 컬렉터 단자(C)와 다이오드 모듈(13)의 양극 단자(A)가 직렬 접속되고, 이 직렬 접속점(AC)으로부터 출력 단자(18)를 취출하고 있다.

도 6에 나타나는 바와 같이, IGBT 모듈(12) 및 다이오드 모듈(13)은 냉각기(19)의 동일 평면상에, IGBT 모듈 및 다이오드 모듈의 장변측이 냉각풍의 방향(즉, 차량의 진행 방향)에 대해 수직으로 되도록 배치되어 있다.

즉, 이 실시 형태 3이 실시 형태 2와 다른 것은 IGBT 모듈(12)과 다이오드 모듈(13)의 접속 관계가 상하 반대의 관계, 즉 다이오드 모듈(13)이 정측 반도체 정류 암으로 되고, IGBT 모듈(12)이 부측 반도체 스위칭 암으로 됐을 뿐, 이와 같은 실시 형태 3에 의해서도 실시 형태 2와 완전히 동일한 효과가 얻어지는 것이다.

실시 형태 4.

본 발명의 실시 형태 4에 대해, 도8 ~ 도 15를 참조하여 설명한다. 또한, 도중, 동일 부호는 동일 또는 상당 부분을 나타내는 것으로 한다.

이 실시 형태 4의 발명은 상술한 실시 형태 1의 전력 변환 장치에 사용되는 배선 구조에 관한 것이고, 회로의 배선 인덕턴스의 감소를 도모한 것이다.

도 8은 실시 형태 4의 전력 변환 장치에 있어서 정측 및 부측의 IGBT 모듈의 배열도(도 8(a)), 및 평판 도체에 의한 배선 회로도(도 8(b))를 나타내는 것이다.

도 8에 있어서, IGBT 모듈(1 ~ 6)은 3개의 컬렉터 단자(C)와 이미터 단자(E)를 갖는 IGBT 모듈(스위칭 반도체 소자라고도 함)이고, 도 8(b)에 나타내는 바와 같이, IGBT 모듈(1, 3, 5)은 전력 변환 장치의 정측 반도체 스위칭 암을 구성하고, IGBT 모듈(2, 4, 6)이 부측 반도체 스위칭 암을 구성한다. 후술하는 바와 같이, IGBT 모듈(1, 3, 5)은 각각의 컬렉터 단자(C)가 각 상공통(相共通)인 1매의 제1 평판 버스 바(flat bus bar; 제1 평판 도체라고도 함; 24)에 의해 직류 전압원이 되는 필터 컨덴서(10)의 정극 단자(P)에 접속되고, 동양으로 IGBT 모듈(2, 4, 6)의 이미터 단자(E)가 각 상공통인 1매의 제2 평판 버스 바(제2 평판 도체라고도 함; 25)에 의해 필터 컨덴서(10)의 부극 단자(N)에 접속된다.

또, IGBT 모듈(1)의 이미터 단자(E)와 IGBT 모듈(2)의 컬렉터 단자(C)는 제3 평판 버스 바(제3 평판 도체라고도 함; 21)에 의해 접속되고, 이 제3 평판 버스 바(21)는 U상의 교류 출력 단자(7)에 접속된다. 또, IGBT 모듈(3)의 이미터 단자(E)와 IGBT 모듈(4)의 컬렉터 단자(C)는 제3 평판 버스 바(22)에 의해 접속되고, 이 제3 평판 버스 바(22)는 V상의 교류 출력 단자(8)에 접속된다. 동양으로, IGBT 모듈(5)의 이미터 단자(E)와 IGBT 모듈(6)의 컬렉터 단자(C)는 제3 평판 버스 바(23)에 의해 접속되고, 이 제3 평판 버스 바(23)는 W상의 교류 출력 단자(9)에 접속된다.

도 9는 상술한 IGBT 모듈(1 ~ 6)과 제3 평판 버스 바(21, 22, 23)의 접속 구조를 나타내는 도면이고, 제3 평판 버스 바(21)는 IGBT 모듈(1)의 3개 이미터 단자(E)와 IGBT 모듈(2)의 3개 컬렉터 단자(C)에 접속되고, IGBT 모듈(1)의 컬렉터 단자(C), 및 IGBT 모듈(2)의 이미터 단자(E)의 부분과는 접촉하지 않게, 구멍을 뚫어 공간을 만든 구조로 하고 있다.

즉, 제3 평판 버스 바(21)는 IGBT 모듈(1)의 E단자와 IGBT 모듈(2)의 C단자를 접속하고, IGBT 모듈(1)의 C단자 및 IGBT 모듈(2)의 E단자와는 접속되지 않게, 이들 C단자, E단자를 걸터선 상태로 출력 단자(7)와 접속되도록 배설되어 있다.

동양으로, 제3 평판 버스 바(22)는 IGBT 모듈(3)의 3개 이미터 단자(E)와 IGBT 모듈(4)의 3개 컬렉터 단자(C)에 접속되고, IGBT 모듈(3)의 컬렉터 단자(C), 및 IGBT 모듈(4)의 이미터 단자(E)의 부분과 접촉하지 않게, 구멍을 뚫어 공간을 만든 구조로 하고 있다.

즉, 제3 평판 버스 바(22)는 IGBT 모듈(3)의 E단자와 IGBT 모듈(4)의 C단자를 접속하고, IGBT 모듈(3)의 C단자 및 IGBT 모듈(4)의 E단자와는 접속되지 않게, 이들 C단자, E단자를 걸터선 상태로 출력 단자(8)와 접속되도록 배설되어 있다.

제3 평판 버스 바(23)도 또, IGBT 모듈(5)의 3개 이미터 단자(E)와 IGBT 모듈(6)의 3개 컬렉터 단자(C)에 접속되고, IGBT 모듈(5)의 컬렉터 단자(C), 및 IGBT 모듈(6)의 이미터 단자(E)의 부분과 접촉하지 않게, 구멍을 뚫어 공간을 만든 구조로 하고 있다.

즉, 제3 평판 버스 바(23)는 IGBT 모듈(5)의 E단자와 IGBT 모듈(6)의 C단자를 접속하고, IGBT 모듈(5)의 C단자 및 IGBT 모듈(6)의 E단자와는 접속되지 않게, 이들 C단자, E단자를 걸터선 상태로 출력 단자(9)와 접속되도록 배설되어 있다.

도 10은 도 8(b)에 나타나는 직류 전압원인 필터 컨덴서(10)의 정극 단자(P) 와 IGBT 모듈(1, 3, 5) 각각의 컬렉터 단자(C)를 접속하는 제1 평판 버스 바(24)의 배선 구조도이다.

도 10에 나타나는 바와 같이, 제1 평판 버스 바(24)는 IGBT 모듈(1, 3, 5) 각각의 3개 컬렉터 단자(C)를 모두 공통으로 접속하고, 필터 컨덴서(10)의 정극 단자(P)에 접속하도록 구성하고 있다.

또, IGBT 모듈(1, 3, 5)의 각 이미터 단자(E)와 제1 평판 버스 바(24)가 접촉하지 않게, 구멍을 뚫어 공간을 만든 구조로 하고 있다.

도 11은 도 8(b)에 나타나는 필터 컨덴서(10)의 부극 단자(N)와, IGBT 모듈(2, 4, 6) 각각의 이미터 단자(E)를 접속하는 제2 평판 버스 바(25)의 배선 구조를 나타내는 도면이고, 제2 평판 버스 바(25)는 IGBT 모듈(2, 4, 6) 각각의 3개 이미터 단자(E)를 모두 공통으로 접속하고, 필터 컨덴서(10)의 부극 단자(N)에 접속하도록 구성하고 있다.

또, IGBT 모듈(2, 4, 6) 각각의 컬렉터 단자(C)와 제2 평판 버스 바(25)가 접촉하지 않게, 구멍을 뚫어 공간을 만든 구조로 하고 있다.

또한, 상술한 제3 평판 버스 바(21; 또는 22, 23)와 제1 평판 버스 바(24) 및 제2 평판 버스 바(25)의 배치 관계는, 도 12에 나타내는 바와 같이, 각각 서로 겹쳐 맞춘 적층 구조의 평행 평판이 되도록 배설되어 있다.

IGBT의 단자에, 예를 들어 나사 고정하여 제1 ~ 제3 평판 도체를 접속한다. 평판 도체와 단자의 접속에 있어서는, 필요하면 평판 도체를 접어 구부리거나, 돌출부를 만들거나, 칼라(collar)를 붙이는 등의 처치를 행한다. IGBT의 단자와 몇개 의 평판 도체의 접속 개소(箇所) 부근에서는, 다른 평판 도체와 단자가 접속하지 않게, 상술한 바와 같이 다른 평판 도체에 구멍을 마련한다. 도 12에서는 간격을 두어 평판 도체를 배치했지만, 절연재를 사이에 두고 평판 도체를 적층한 것을 사용해도 된다. 또, IGBT 모듈(1 ~ 6)로부터 가까운 쪽부터 제2 평판 도체(25), 제1 평판 도체(24), 제3 평판 도체(21 ~ 23)로 했지만, 평판 도체의 순서를 바꿔 넣어도 된다.

다음에, 이 실시 형태 4의 특징인 주회로 배선 인덕턴스의 감소 작용에 대해 도 13을 사용하여 설명한다.

주회로 배선 인덕턴스의 크기는 배선의 길이, 및 전류가 흐르는 오른 나사의 법칙에 의해 발생하는 자계의 크기에 의해 영향을 받는다. 따라서, 주회로 배선 인덕턴스를 작게 하기 위해서는 (1) 배선 길이를 짧게 하고, (2) 전류가 흐르는 것에 의해 발생하는 자계를 작게 하는 것이 필요하다.

도 13(a)는 전류 방향과 발생 자계의 관계에 대해 설명하는 것이다.

도 13(a)에 있어서, 전류(I)가 흐르는 루프에 있어서 전류(I1)와 전류(I2)를 왕복시키도록 배치한 경우, 전류(I1)에 의해 발생하는 자계 φI1의 방향과, 전류(I2)에 의해 발생하는 자계 φI2의 방향은 반대의 관계가 된다. 따라서, 서로 자계를 상쇄시킴으로써 인덕턴스는 감소한다.

도 13(c)는 예를 들어 U상의 전류 경로를 설명하는 도면이고, 필터 컨덴서(10)의 정극 단자(P)로부터 출력되는 전류는 P단자 → 제1 평판 버스 바(24) → 전류(I1) → 정측암 IGBT 모듈(1)의 C단자 → E단자 → 제3 평판 버스 바(21) → 전류(I2) → U단자를 경유하여 흐른다. 또, U단자로부터 돌아오는 전류는 U단자 → 제3 평판 버스 바(21) → 전류(I3) → 부측암의 IGBT 모듈(2)의 C단자 → E단자 → 전류(I4) → 제2 평판 버스 바(25) → 필터 컨덴서(10)의 부극 단자(N)를 경유하여 흐른다.

도 13(b)는 도 9 ~ 도 11에 나타내는 평판 버스 바(21, 24, 25)의 접속 경로 상태를 도시한 것으로, 상기의 전류(I1, I2, I3, I4)의 전류의 경로를 나타낸 것이다.

도 13(b)로부터 분명하게 알 수 있는 바와 같이, 전류(I1와 I2), 또 전류(I3와 I4)는 각각 왕복하도록 흐른다. 즉, 도9 ~ 도 11에 나타내는 바와 같이, 평판 버스 바를 구성하는 것에 의해 흐르는 전류를 왕복시킬 수 있고, 이것에 의해 도 13(a)에 설명한 바와 같이, 배선의 인덕턴스를 감소시킬 수 있는 것이다.

또한, 본 발명의 실시 형태 4의 전력 변환 장치와 종래 장치의 인덕턴스의 비교를 도 14, 도 15에 의해 설명한다.

도 14는 종래 장치에 있어서 배선 경로와 배선의 인덕턴스를 도시한 것이다. 종래 장치에 있어서는 필터 컨덴서(10)와 U상, 필터 컨덴서(10)와 V상, 필터 컨덴서(10)와 W상 각각이 각 상마다 분할되어 접속되도록 구성되어 있다. 이 때문에, 필터 컨덴서(10)의 P(정측) 단자로부터 U상측(정측)암의 IGBT의 C단자, 필터 컨덴서(10)의 P단자로부터 V상 상측암의 IGBT의 C단자, 필터 컨덴서(10)의 P단자로부터 W상 상측암의 IGBT의 C단자 사이의 각 배선에 인덕턴스 Lp가 존재한다.

또, 필터 컨덴서(10)의 N(부측) 단자로부터 U상 하측(부측)암의 IGBT의 E단 자, 필터 컨덴서(10)의 N단자로부터 V상 하측암의 IGBT의 E단자, 필터 컨덴서(10)의 N단자로부터 W상 하측암의 IGBT의 E단자 사이의 각 배선에 인덕턴스 Ln이 존재한다.

이 때, IGBT의 스위칭시에 발생하는 스위칭 서지 전압(switching surge voltage)은 (Lp+Ln)×IGBT의 스위칭 di/dt의 관계로 나타난다.

한편, 실시 형태 4에 있어서 배선 상태는, 도 15에 나타나는 바와 같이, 필터 컨덴서(10)의 P(정측) 단자로부터, U상, V상, W상의 각 상측(정측)암의 IGBT 모듈의 C단자를 일괄적으로 모아 접속시키고, 필터 컨덴서(10)의 N(부측) 단자로부터, U상, V상, W상의 각 하측(부측)암의 IGBT 모듈의 E단자를 일괄적으로 모아 접속시키고 있기 때문에, 필터 컨덴서의 P단자로부터 상측 암의 IGBT 모듈의 C단자간 배선의 인덕턴스는 U상과 V상과 W상의 배선 인덕턴스가 병렬로 접속된 형태로 되고, 도 14의 종래예와 비교하여, 그 인덕턴스는 종래예의 인덕턴스 Lp의 1/3로 된다. 필터 캐패시터의 N측 단자와 U, V, W 각 상간 배선 인덕턴스에 대해서도 동양으로, 종래예의 인덕턴스 Ln의 1/3로 된다.

이상과 같이, 본 발명의 실시 형태 4의 전력 변환 장치에 의하면, 배선의 인덕턴스를 작게 구성할 수 있고, 통상 필요한 IGBT의 스위칭 서지 전압을 억제하는 스너버 회로가 불필요하게 되고, 부품수가 감소되어 장치의 소형화는 물론, 저비용화를 도모하는 것이 가능하다.

실시 형태 5.

본 발명의 실시 형태 5를 도 16에 나타낸다. 이 실시 형태 5의 발명은 상술 한 실시 형태 2의 전력 변환 장치에 사용되는 배선 구조에 관한 것이고, 회로의 배선 인덕턴스의 감소를 도모한 것이다.

도 16(a)는 전력 변환 장치에 있어서 정측 및 부측 반도체 소자의 배열과 배선 구조를 나타내는 도면이고, 도 16(b)는 평판 버스 바에 의한 배선 회로도를 나타낸다.

도 16에 있어서, 12는 3개의 컬렉터 단자(C)와 이미터 단자(E)를 갖는 IGBT 모듈이고, 전력 변환 장치의 정측 반도체 스위칭 암을 구성하고, 컬렉터 단자(C)가 직류 전원(10)의 정극 단자(P)에 접속된다.

13은 양극 단자(A)와 음극 단자(K)를 갖는 다이오드 모듈(정류 반도체 소자라고도 함)로서, 전력 변환 장치의 부측 반도체 정류 암을 구성하고, 양극 단자(A)가 직류 전원(10)의 부극 단자(N)에 접속되고, IGBT 모듈(12)의 이미터 단자(E)와 다이오드 모듈(13)의 음극 단자(K)가 직렬 접속되고, 이 직렬 접속점으로부터 출력 단자(14)를 취출하고 있다.

또한, 도 16은 전력 변환 장치의 1상분의 출력 암의 구성을 나타내는 것이고, 예를 들어 3상 전력 변환 장치의 경우는 3개의 출력 암이 직류 전원(10)의 정부 단자 사이에 접속되는 것은 물론이다.

여기서, 상술의 실시 형태 4와 동양으로, IGBT 모듈(12)는 컬렉터 단자(C)가 1매의 제1 평판 버스 바(제1 평판 도체라고도 함; 28)에 의해 직류 전원(10)의 정극 단자(P)에 접속되고, 다이오드 모듈(13)의 양극 단자(A)가 1매의 제2 평판 버스 바(제2 평판 도체라고도 함; 29)에 의해 직류 전원(10)의 부극 단자(N)에 접속된 다.

또, IGBT 모듈(12)의 이미터 단자(E)와 다이오드 모듈(13)의 음극 단자(K)가 제3 평판 버스 바(제3 평판 도체라고도 함; 26)에 의해 접속되고, 이 제3 평판 버스 바(26)는 출력 단자(14)에 접속된다.

도 16(a)에 나타내는 바와 같이, 제3 평판 버스 바(26)는 IGBT 모듈(12)의 3개 이미터 단자(E)와 다이오드 모듈(13)의 2개 음극 단자(K)에 접속되고, IGBT 모듈(12)의 컬렉터 단자(C), 및 다이오드 모듈(13)의 양극 단자(A)의 부분과 접촉하지 않게, 구멍을 뚫어 공간을 만든 구조로 하고 있다.

즉, 제3 평판 버스 바(26)는 IGBT 모듈(12)의 E단자와 다이오드 모듈(13)의 음극 단자(K)를 접속하고, IGBT 모듈(12)의 C단자 및 다이오드 모듈(13)의 양극 단자(A)와는 접속되지 않게, 이들 C단자, A단자를 걸터선 상태로 출력 단자(14)와 접속되도록 배설되어 있다.

즉, 이 실시 형태 5에 있어서 실시 형태 4와 상위한 것은 전력 변환 장치의 주회로 구성이 다를 뿐, 이와 같은 실시 형태 5의 주회로 구성이어도, 상기와 같이, 실시 형태 4와 동양인 평판 도체에 의한 배선 구조로 하는 것에 의해, 실시 형태 4와 동일한 효과를 얻을 수 있는 것이다.

실시 형태 6.

도 17은 본 발명의 실시 형태 6을 나타내는 것이고, 도 17(a)는 전력 변환 장치에 있어서 정측 및 부측 반도체 소자의 배열과 배선 구조를 나타내는 도면이고, 도 17(b)는 평판 버스 바에 의한 배선 회로도를 나타낸다.

이 실시 형태 6의 발명은 상술한 실시 형태 3의 전력 변환 장치에 사용되는 배선 구조에 관한 것이고, 이 실시 형태 6이 실시 형태 5와 다른 것은 IGBT 모듈(12)과 다이오드 모듈(13)의 접속 관계가 상하(정부(正負)) 반대의 관계, 즉 다이오드 모듈(13)이 정측 반도체 정류 암으로 되고, IGBT 모듈(12)이 부측 반도체 스위칭 암으로 된 것일 뿐, 그 외의 구성은 실시 형태 5와 완전히 동일한 것이다.

즉, 다이오드 모듈(13)의 음극 단자(K)가 1매의 제1 평판 버스 바(28)에 의해 직류 전원(10)의 정극 단자(P)에 접속되고, IGBT 모듈(12)의 이미터 단자(E)가 1매의 제2 평판 버스 바(29)에 의해 직류 전원(10)의 부극 단자(N)에 접속된다.

또, 다이오드 모듈(13)의 양극 단자(A)와 IGBT 모듈(12)의 컬렉터 단자(C)가 제3 평판 버스 바(27)에 의해 접속되고, 이 제3 평판 버스 바(27)는 출력 단자(18)에 접속된다.

도 17(a)에 나타내는 바와 같이, 제3 평판 버스 바(27)는 다이오드 모듈(13)의 2개 양극 단자(A)와 IGBT 모듈(12)의 3개 컬렉터 단자(C)를 접속하고, 다이오드 모듈(13)의 음극 단자(K), 및 IGBT 모듈(12)의 이미터 단자(E)의 부분과 접촉하지 않게, 구멍을 뚫어 공간을 만든 구조로 되어 있다.

이와 같은 실시 형태 6의 주회로 구성이어도, 실시 형태 4와 동양인 평판 도체에 의한 배선 구조와하는 것에 의해, 실시 형태 4와 동일한 효과를 얻을 수 있는 것이다.

본 발명은 철도 등 차량에 탑재되는 전력 변환 장치에 사용할 수 있다.

Claims (6)

1. 직류 전압원의 정전위측과 부전위측 사이에, 스위칭 반도체 소자로 이루어지는 정측 반도체 스위칭 암과 부측 반도체 스위칭 암의 직렬 회로를 접속하고, 상기 2조의 반도체 스위칭 암의 직렬 접속점으로부터 출력 단자를 도출하고, 상기 정측 반도체 스위칭 암의 양극을 직류 전압원의 정전위측에 접속하고, 상기 부측 반도체 스위칭 암의 음극을 직류 전압원의 부전위측에 접속하고, 상기 2조의 반도체 스위칭 암의 직렬 회로를 전력 변환 장치의 1상분(相分)으로 하고, 상기 반도체 스위칭 암을 구성하는 모든 스위칭 반도체 소자는 냉각기의 동일 평면상에 배치되고, 냉각기의 냉각부는 복수의 핀으로 구성되고, 핀 사이를 흐르는 냉매에 의해 스위칭 반도체 소자가 냉각되도록 한 차량용의 전력 변환 장치로서,

   냉매가 흐르는 방향에 대해 상기 반도체 스위칭 암의 긴 쪽 방향이 수직으로 되도록, 상기 스위칭 반도체 소자를 냉각기의 동일 평면상에 배설(配設)한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
2. 직류 전압원의 정전위측과 부전위측 사이에, 스위칭 반도체 소자로 이루어지는 정측 반도체 스위칭 암과, 정류(整流) 반도체 소자로 이루어지는 부측 반도체 정류 암의 직렬 회로를 접속하고, 상기 반도체 스위칭 암과 상기 반도체 정류 암의 직렬 접속점으로부터 출력 단자를 도출하고, 상기 반도체 스위칭 암의 양극을 직류 전압원의 정전위측에 접속하고, 상기 반도체 정류 암의 양극을 직류 전압원의 부전 위측에 접속하고, 상기 직렬 회로를 전력 변환 장치의 1상분으로 하고, 상기 반도체 스위칭 암 및 상기 반도체 정류 암을 구성하는 모든 반도체 소자는 냉각기의 동일 평면상에 배치되고, 냉각기의 냉각부는 복수의 핀으로 구성되고, 핀 사이를 흐르는 냉매에 의해 반도체 소자가 냉각되도록 한 차량용의 전력 변환 장치로서,

   냉매가 흐르는 방향에 대해 상기 반도체 스위칭 암 및 반도체 정류 암의 긴 쪽 방향이 수직으로 되도록, 상기 반도체 소자를 냉각기의 동일 평면상에 배설한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
3. 직류 전압원의 정전위측과 부전위측 사이에, 정류 반도체 소자로 이루어지는 정측 반도체 정류 암과 스위칭 반도체 소자로 이루어지는 부측 반도체 스위칭 암의 직렬 회로를 접속하고, 상기 반도체 정류 암과 상기 반도체 스위칭 암의 직렬 접속점으로부터 출력 단자를 도출하고, 상기 반도체 정류 암의 음극을 직류 전압원의 정전위측에 접속하고, 상기 반도체 스위칭 암의 음극을 직류 전압원의 부전위측에 접속하고, 상기 직렬 회로를 전력 변환 장치의 1상분으로 하고, 상기 반도체 정류 암 및 상기 반도체 스위칭 암을 구성하는 모든 반도체 소자는 냉각기의 동일 평면상에 배치되고, 냉각기의 냉각부는 복수의 핀으로 구성되고, 핀 사이를 흐르는 냉매에 의해 상기 반도체 소자가 냉각되는 차량용의 전력 변환 장치로서,

   냉매가 흐르는 방향에 대해 상기 반도체 정류 암 및 반도체 스위칭 암의 긴 쪽 방향이 수직으로 되도록, 상기 반도체 소자를 냉각기의 동일 평면상에 배설한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   일방(정측)의 반도체 스위칭 암을 구성하는 스위칭 반도체 소자의 양극과 직류 전압원의 정전위측을 연결하는 배선은 전력 변환 장치를 구성하는 모든 상에 대해 공통인 1매의 제1 평판 도체를 사용하고,

   타방(부측)의 반도체 스위칭 암을 구성하는 스위칭 반도체 소자의 음극과 직류 전압원의 부전위측을 연결하는 배선은 전력 변환 장치를 구성하는 모든 상에 대해 공통인 1매의 제2 평판 도체를 사용하고,

   직렬 회로를 형성하는 상기 일방(정측)의 스위칭 반도체 소자의 음극과 타방(부측)의 스위칭 반도체 소자의 양극을 접속하는 배선에는 각 상마다 제3 평판 도체를 사용하고,

   상기 제1 ~ 제3 평판 도체는 적층한 평행 평판으로 하고,

   상기 제3 평판 도체는, 상기 음극측이 출력 단자와 접속된 일방(정측)의 스위칭 반도체 소자의 양극을 걸터서고(stride over), 또 양극측이 출력 단자와 접속된 타방(부측)의 스위칭 반도체 소자의 음극을 걸터서서, 출력 단자에 접속되도록 배치한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
5. 청구항 2에 있어서,

   일방(정측)의 반도체 스위칭 암을 구성하는 스위칭 반도체 소자의 양극과 직류 전압원의 정전위측을 연결하는 배선은 전력 변환 장치를 구성하는 모든 상에 대 해 공통인 1매의 제1 평판 도체를 사용하고,

   타방(부측)의 반도체 정류 암을 구성하는 정류 반도체 소자의 양극과 직류 전압원의 부전위측을 연결하는 배선은 전력 변환 장치를 구성하는 모든 상에 대해 공통인 1매의 제2 평판 도체를 사용하고,

   직렬 회로를 형성하는 상기 스위칭 반도체 소자의 음극과 정류 반도체 소자의 음극을 접속하는 배선에는 각 상마다 제3 평판 도체를 사용하고,

   상기 제1 ~ 제3 평판 도체는 적층한 평행 평판으로 하고,

   상기 제3 평판 도체는, 상기 음극측이 출력 단자와 접속된 스위칭 반도체 소자의 양극을 걸터서고, 또 음극측이 출력 단자와 접속된 상기 정류 반도체 소자의 양극을 걸터서서, 출력 단자에 접속되도록 배치한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
6. 청구항 3에 있어서,

   일방(정측)의 반도체 정류 암을 구성하는 정류 반도체 소자의 음극과 직류 전압원의 정전위측을 연결하는 배선은 전력 변환 장치를 구성하는 모든 상에 대해 공통인 1매의 제1 평판 도체를 사용하고,

   타방(부측)의 반도체 스위칭 암을 구성하는 스위칭 반도체 소자의 음극과 직류 전압원의 부전위측을 연결하는 배선은 전력 변환 장치를 구성하는 모든 상에 대해 공통인 1매의 제2 평판 도체를 사용하고,

   직렬 회로를 형성하는 상기 정류 반도체 소자의 양극과 상기 스위칭 반도체 소자의 양극을 접속하는 배선에는 각 상마다 제3 평판 도체를 사용하고,

   상기 제1 ~ 제3 평판 도체는 적층한 평행 평판으로 하고,

   상기 제3 평판 도체는, 양극측이 출력 단자와 접속된 상기 정류 반도체 소자의 음극을 걸터서고, 또 양극측이 출력 단자와 접속된 상기 스위칭 반도체 소자의 음극을 걸터서서, 출력 단자에 접속되도록 배치한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.

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