JP2002209391A - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子を複数個並列接続する場合、配線
インダクタンスを低減し、並列接続される半導体素子間
の電流バランスを良好にし、低コストで小型に構する。 【解決手段】 本発明は、単位アーム回路を並列接続の
偶数個の半導体素子で構成すると共に、単位アーム回路
を偶数個、直流電源間に直列に接続し、直列接続された
偶数個の単位アーム回路の中間接続点から交流端子を導
出する半導体電力変換装置に関する。各半導体素子（１
ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）をそれぞれヒートパイプ式冷却
器（１０）の一対の冷却ブロック（１１ａ，１１ｂ）に
よって挟み込む形で単位素子ブロックを構成し、単位素
子ブロックを少なくとも２個上下に積重配置することに
よって直流電源間に接続される単位半導体スタック（Ｕ
１，Ｕ２）を構成してそれを横方向に複数個近接配置
し、横方向に対応する単位素子ブロックを並列接続する
ことによって電力変換装置の１相分を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子を用い
て構成した電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来装置の半導体電力変換装置の構成図
を図８、図９、および図１０に示す。図８は一般的な半
導体電力変換装置の１相分を示しており、図９および図
１０はこのような電力変換装置の従来構造例を示してい
る。

【０００３】電力変換装置を構成するスイッチング素子
としては、高速スイッチングの可能な電力用半導体素
子、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジ
スタ）やＩＥＧＴ（注入エンハンスゲート型トランジス
タ）等が知られている。このような半導体素子は、特に
大容量の電力変換装置に適用される場合、素子単体では
満たし得ない電流定格を、素子を複数個並列接続するこ
とにより満たす場合が多い。以下、並列接続の一例とし
て、電力変換装置の単位アームを２個並列接続した半導
体素子から構成する場合について説明する。

【０００４】図８に示すように、並列接続された２個の
半導体素子１ａ，１ｂからなる正極側アーム１と、並列
接続された２個の半導体素子２ａ，２ｂからなる負極側
アーム２とを、直流電源の正極端子Ｐと負極端子Ｎとの
間に直列に接続して電力変換装置（インバータ）の１相
分を構成し、正極側アーム１と負極側アーム２との接続
点からこの相の交流出力端子３を導出する。なお、図示
の各半導体素子は、スイッチング素子としてのトランジ
スタ部と、それに逆並列接続されたフリーホイーリング
用ダイオード部とからなっている。正極端子Ｐと負極端
子Ｎとの間にフィルタコンデンサ４が並列に接続され、
直列接続関係にある半導体素子１ａ，２ａに対してサー
ジ電圧吸収用コンデンサ５が、同様に直列接続関係にあ
る半導体素子１ｂ，２ｂに対してサージ電圧吸収用コン
デンサ６が並列に接続されている。フィルタコンデンサ
４の容量はサージ電圧吸収用コンデンサ５，６のそれよ
りも大きい。

【０００５】図９および図１０は、図８に示す電力変換
装置の構造図を示すものである。半導体素子１ａ，１
ｂ，２ａ，２ｂは冷却作用を促進するためヒートパイプ
式冷却器１０の電気的良導性の冷却ブロック１１ａ，１
１ｂに挟まれる形の単位素子ブロックとして構成されて
いる。半導体素子１ａ，１ｂの出力端子３側および半導
体素子２ａ，２ｂの出力端子３側は、それぞれ導体ブロ
ック１２ａ，１２ｂにより電気的に接続されている。導
体ブロック１２ａ，１２ｂから配線導体１３を介して出
力端子３が導出される。半導体素子１ａ，１ｂの正極端
子Ｐ側はそれぞれ冷却ブロック１１ａの上に構成された
端子１３ａ，１３ｂおよび配線導体１５を介して正極端
子Ｐに接続され、同様に半導体素子２ａ，２ｂの負極端
子Ｎ側はそれぞれ冷却ブロック１１ｂの上に構成された
端子１４ａ，１４ｂおよび配線導体１６を介して負極端
子Ｎに接続される。フィルタコンデンサ４の正極側は配
線導体１５により正極端子Ｐに接続され、負極側は配線
導体１６により負極端子Ｎに接続される。サージ電圧吸
収用コンデンサ５，６の正極側はそれぞれ配線導体１
７，１９を介して端子１３ａ，１３ｂに接続され、負極
側はそれぞれ配線導体１８，２０を介して端子１４ａ，
１４ｂに接続される。

【０００６】図示のごとく各半導体素子１ａ，１ｂ，２
ａ，２ｂは冷却ブロック１１ａ，１１ｂに挟まれた形で
横一直線上に並置され、かつヒートパイプ式冷却器１０
の側面上に配置されて１相分の半導体スタックを構成し
ている。この半導体スタックは実装上、軸心が左右方向
となるように配置され、ヒートパイプ式冷却器１０の冷
却ブロック１１ａ，１１ｂに設けられた端子１３ａ，１
３ｂ，１４ａ，１４ｂから正極端子Ｐ、負極端子Ｎ、お
よび出力端３子が導出され、半導体スタックの上部直近
にフィルタコンデンサ４が、下部直近にサージ電圧吸収
用コンデンサ５，６を配置している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の電力変換装置で
は、半導体素子を複数個並列接続してアーム回路を構成
する場合、半導体スタックを１軸構造で構成しているた
め、半導体スタックの軸が左右方向に長くなり、装置外
形が大きくなるばかりでなく、ヒートパイプ式冷却器１
０の冷却ブロック１１ａ，１１ｂに接続された端子１３
ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂの間隔距離が、フィルタコ
ンデンサ４およびサージ電圧吸収用コンデンサ５，６の
端子の間隔距離よりも左右方向に長くなるため、半導体
素子１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂとフィルタコンデンサ４、
サージ電圧吸収用コンデンサ５，６の間に配設される配
線導体１５〜２０によって囲まれるループ状回路の面積
が広くなることから、配線インダクタンスが大きくなる
という問題があった。この問題を改善するためには、導
体どうしを重ね合わせ構造とする方式もあるが、短い配
線長のもとでは導体形状が複雑となり、コストアップが
避けられない。さらに、並列接続した半導体素子間の電
流バランスを崩さないため、半導体素子間の配線長はで
きるだけ均等にする必要もあり、導体どうしの接続点の
制約により、導体形状が制約されることから上記課題に
拍車をかけていた。

【０００８】車両等の走行体に半導体電力変換装置を搭
載する場合、ヒートパイプ式冷却器の放熱部に走行風が
半導体スタックの軸心方向に流れるように配置されるた
め、風下の半導体素子は、風上の半導体素子の排熱の影
響を受けることになり、例えば、半導体素子を２個並列
接続したアーム回路で１相分を構成する図８，９の半導
体スタックの場合、最も風下側に位置する半導体素子
は、風上側に位置する３個の半導体素子の排熱の影響を
受けることになり、その結果、風下側の半導体素子は内
部温度が許容値以上となってしまうばかりでなく、半導
体素子間の温度差から各半導体素子内部の電気抵抗値に
差が生じ、これもまた電流バランスを崩す結果となる。

【０００９】そこで、本発明は、半導体素子を複数個並
列接続した場合においても、配線インダクタンスを低減
し、並列接続された半導体素子間の電流バランスを良好
にする、低コストで小型に構成し得る半導体電力変換装
置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に係る半導体電力変換装置は、単位アーム
回路を並列接続の偶数個の半導体素子で構成すると共
に、単位アーム回路を偶数個、直流電源間に直列に接続
し、直列接続された偶数個の単位アーム回路の中間接続
点から交流端子を導出する半導体電力変換装置におい
て、各半導体素子をそれぞれヒートパイプ式冷却器の一
対の冷却ブロックによって挟み込む形で単位素子ブロッ
クを構成し、単位素子ブロックを少なくとも２個上下に
積重配置することによって直流電源間に接続される単位
半導体スタックを構成してそれを横方向に複数個近接配
置し、横方向に対応する単位素子ブロックを電気的に並
列接続することによって電力変換装置の１相分を構成し
たことを特徴とする。これにより、フィルタコンデンサ
の端子と、半導体スタックの正極端子および負極端子と
を、直線的に接続することができ、サージ電圧吸収用コ
ンデンサを半導体スタックの直近に配置することが可能
となるため、導体形状を簡素化することができ、配線イ
ンダクタンスを低減することができる。また、半導体ス
タックを複数個並列配置接続することにより、半導体素
子間を直線的に最短で並列接続することが可能となり、
半導体素子間の電流バランスの均一化でき、半導体スタ
ックの左右方向の半導体素子配列個数を最小化すること
もできるため風下側への排熱によるあおりを最小限とす
ることができ、半導体素子間の温度差も最小限に抑える
ことができる。

【００１１】請求項２に係る発明の半導体電力変換装置
は、請求項１に記載の半導体電力変換装置において、直
流電源間に接続されるフィルタコンデンサを、横方向に
並置された複数個の単位半導体スタックの上部に配置
し、直流電源間に直列接続される少なくとも２個の単位
アーム回路の両端に接続されるフィルタコンデンサを複
数個の単位半導体スタッックの、ヒートパイプ式冷却器
の冷却フィンとは反対側に配置したことを特徴とする。
この配置によれば、装置をコンパクトに配置し、小型化
することができる。

【００１２】請求項３に係る半導体電力変換装置は、請
求項１または２に記載の半導体電力変換装置において、
横方向に対応する単位素子ブロックを並列接続する導体
上に構成される直流正極接続端子、直流負極接続端子、
および出力接続端子の位置を、単位半導体スタックどう
しの、直流正極接続端子または直流負極接続端子から交
流出力接続端子に至る配線導体の長さが互いに均等にな
るように設定したことを特徴とする。これにより、複数
個並列接続された半導体素子間の電流バランスを簡素な
導体形状で均一化することができる。

【００１３】請求項４に係る半導体電力変換装置は、単
位アーム回路を並列接続の偶数個の半導体素子で構成す
ると共に、単位アーム回路を偶数個、直流電源間に直列
に接続し、直列接続された偶数個の単位アーム回路の中
間接続点から交流端子を導出する半導体電力変換装置に
おいて、各半導体素子をそれぞれヒートパイプ式冷却器
の一対の冷却ブロックによって挟み込む形で単位素子ブ
ロックを構成し、それぞれ並列接続される単位素子ブロ
ックを上下に積重配置することによって構成された正極
側および負極側の単位半導体スタックを横方向に近接配
置し、正極側単位半導体スタック、負極側単位半導体ス
タック、直流電源端子、および交流端子相互間に所定の
配線を施すことによって電力変換装置の１相分を構成し
たことを特徴とする。これにより、冷却風を電動送風機
による強制送風、または、車両のように走行風に依存す
る場合、複数個並列接続した半導体素子間の冷却風のあ
おりによる温度上昇値が均一となることから、複数個並
列接続した半導体素子間の温度差に伴う電流アンバラン
スを抑制することができきる。

【００１４】請求項５に係る発明は、請求項４に記載の
半導体電力変換装置において、直流電源間に接続される
フィルタコンデンサを、横方向に並置された複数個の単
位半導体スタックの上部に配置し、直列接続された複数
個の単位アーム回路の両端に接続されるフィルタコンデ
ンサを複数個の単位半導体スタックの、ヒートパイプ式
冷却器の冷却フィンとは反対側に配置したことを特徴と
する。これにより、装置をコンパクトに配置し、小型化
することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】＜第１の実施形態＞（請求項１，
２に対応） （構成）本発明による半導体電力変換装置の第１の実施
形態を図１および図２に示す。本発明は３素子以上の半
導体素子を並列接続する半導体スタックの場合にも適用
可能であるが、ここでは図８に示す２素子並列の電力変
換装置に適用した場合の構成例について説明する。

【００１６】半導体素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄをそれ
ぞれヒートパイプ式冷却器１０の冷却ブロック１１ａ，
１１ｂの間に挟み込む形にした単位素子ブロックとして
構成され、図８の回路図のような相互関係に、すなわち
２並列に係る２素子を横並びにし、正極側を上に、負極
側を下にして、半導体素子１ａ，２ａが垂直方向に、半
導体素子１ｂ，２ｂが垂直方向に重なるように配置す
る。半導体素子１ａ，２ａ間はそれぞれの対向する冷却
ブロックの間に導体ブロック１２ｃ，１２ｄを介挿して
互いに圧接させ、電気的に直列に接続することにより単
位半導体スタックＵ１，Ｕ２を構成する。

【００１７】サージ電圧吸収用コンデンサ５，６はヒー
トパイプ式冷却器１０の放熱部１０ｆとは反対側に、す
なわち冷却ブロック１１ａ，１１ｂに設けられた端子１
３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂの前方に、コンデンサの
接続端子が半導体スタックの冷却ブロック１１ａ，１１
ｂに接続された端子１３ｃ，１３ｄの直近となるように
配置する。フィルタコンデンサ３は単位半導体スタック
Ｕ１，Ｕ２の上部に、コンデンサの接続端子が単位半導
体スタックの最上部に位置する冷却ブロック１１ａに接
続された端子１３ｃ，１３ｄの直近となるように配置す
る。半導体スタックの冷却ブロック１１ａ，１１ｂに接
続された端子１３ｃ，１３ｄとサージ電圧吸収用コンデ
ンサ５，６の端子を配線導体２１，２２で接続し、両単
位半導体スタックＵ１，Ｕ２間を配線導体２３で接続し
て並列接続を達成し、両半導体スタック間を接続した導
体２３とフィルタコンデンサ４の端子および外部接続の
ための直流電源端子Ｐ，Ｎ間を導体２４で接続し、さら
に出力端子３との間を導体２５で接続することにより、
図８に示す電気回路が構成される。

【００１８】（作用および効果）この電力変換装置は、
単位半導体スタックＵ１，Ｕ２を、積重配置構造の単位
半導体スタックの軸心がほぼ垂直になるように配置さ
れ、フィルタコンデンサ４を単位半導体スタックの上部
に配置することにより、単位半導体スタック及びフィル
タコンデンサ４の正極端子および負極端子を直線的に配
列させることができ、これにより、導体２３，２４の形
状が簡素化され、かつ端子間を接続する導体２３，２４
どうしを近づけて並走させることができ、それにより配
線インダクタンスを低減することができる。また、半導
体スタックを２個またはそれ以上並列配置接続とするこ
とにより、半導体素子間を直線的に最短で並列接続する
ことが可能となり、簡素な導体形状で半導体素子間の電
流バランスをとることができ、風下側への排熱によるあ
おりを最小限とすることができると共に、半導体素子間
の温度差を最小限に抑えることができ、その結果、装置
の小型化を達成することができる。

【００１９】＜第２の実施形態＞（請求項３に対応） （構成）本発明による半導体電力変換装置の第２の実施
形態を図３、図４、および図５に示す。

【００２０】本実施形態では、図３に示すように、２個
（一般的には２以上の偶数個）の単位半導体スタックＵ
１，Ｕ２、すなわち半導体素子１ａと１ｂ、半導体素子
２ａと２ｂとの間を配線導体２３で並列接続し、配線導
体２３とフィルタコンデンサ４の端子および正負両極端
子Ｐ，Ｎ間を配線導体２４で接続し、上下中央の配線導
体２３と出力端子３間を配線導体２５で接続する。その
場合、配線導体２３に構成される正極接続端子２６およ
び負極接続端子２７、並びに出力接続端子２８の位置
を、正極接続端子２６から半導体素子１ａを通って出力
接続端子２８に至る配線長Ｌ１と、正極接続端子２６か
ら半導体素子１ｂを通って出力接続端子２８に至る配線
長Ｌ２とが互いに等しく、かつ、負極接続端子２７から
半導体素子２ａを通って出力接続端子２８に至る配線長
Ｌ３と、負極接続端子２７から半導体素子２ｂを通って
出力接続端子２８に至る配線長Ｌ４とが互いに等しくな
るように配置される。

【００２１】図３の配置構成を達成する構造例を図４に
示す。一対の半導体素子１ａ，１ｂ間、および半導体素
子２ａ，２ｂ間を並列接続する配線導体２３のほぼ中心
部に正極接続端子２６、出力接続端子２８、および負極
接続端子２７を、ほぼ一直線上に並ぶように配置する
か、または図５に示すように、一対の半導体素子１ａ，
１ｂ間、および半導体素子２ａ，２ｂ間を並列接続する
配線導体２３の中心位置から左右方向に若干ずらし、例
えば左側に正極接続端子２６および負極接続端子２７
を、右方向に出力接続端子２８を中心位置から同一距離
だけずらした位置に配置する。

【００２２】この実施形態の作用および効果は、第１の
実施形態の作用・効果のほかに、アーム回路を構成する
半導体素子１ａ，１ｂまたは２ａ，２ｂを並列接続した
時の両並列半導体素子間の電流バランスを簡素な形状構
造の配線導体２３で達成することができることである。

【００２３】＜第３の実施形態＞（請求項４，５に対
応） （構成）本発明による半導体電力変換装置の第３の実施
形態を図６および図７に示す。

【００２４】本実施形態は、並列接続される一方の半導
体素子１ａ，１ｂを互いに逆向きにして上下に積層して
単位半導体スタックＵ１を構成し、並列接続される他方
の半導体素子２ａ，２ｂは半導体素子１ａ，１ｂとは逆
向きの関係で同様に互いに逆向きにして上下に積層して
もう一つの単位半導体スタックＵ２を構成する。半導体
素子１ａ，１ｂの並列接続および半導体素子２ａ，２ｂ
の並列接続は、中央部で導体ブロック１２ｃ，１２ｄに
より行い、上下両端で配線導体２９および３０によって
行う。正極端子Ｐおよび負極端子Ｎへの接続は配線導体
２９，３０の中央部から延びる配線導体２４によって行
い、出力端子３への接続は配線導体２３から延びる配線
導体２５によって行う。

【００２５】この実施形態の作用および効果は、第１の
実施形態のそれと同様であるが、ヒートパイプ式冷却器
１０の放熱部１０ｆへの冷却風３０を車両の走行風、ま
たは電動送風機等に依存する場合、並列接続した半導体
素子１ａ，１ｂ間または半導体素子２ａ，２ｂ間の冷却
風３０のあおりによる温度上昇値が均一となることか
ら、複数個並列接続した半導体素子間の温度差に伴う電
流アンバランスを抑制する効果がある。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
半導体素子を複数個並列接続したアーム回路で構成され
る電力変換装置において、上下方向に積重配置した半導
体スタックを横方向に複数個近接配置し、サージ電圧吸
収用コンデンサを半導体スタック直近に配置接続し、半
導体スタックの上側にフィルタコンデンサを配置接続す
ることにより、簡素な導体形状で、配線インダクタンス
の低減化を図り、複数個並列接続された半導体素子間の
電流負担を均一化できると共に、走行風等による風上・
風下における半導体素子間の温度差を最小限に抑えるこ
とができ、装置全体の小型化された、低コストの電力変
換装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態による電力変換装置の正面図。

【図２】図１に示す電力変換装置の右側面図。

【図３】第２の実施形態による電力変換装置を回路図的
に表現した図。

【図４】第２の実施形態による電力変換装置の正面図。

【図５】第２の実施形態による電力変換装置の、図４の
実施形態に対する変形例を示す正面図。

【図６】第３の実施形態による電力変換装置の正面図。

【図７】図６の実施形態による電力変換装置を車両に搭
載した場合の上面図。

【図８】一般的な電力変換装置としてのインバータにお
けるアーム回路の１相分を示す回路図。

【図９】図８に示す電力変換装置の正面図。

【図１０】図９に示す電力変換装置の右側面図。

【符号の説明】

Ｐ 直流正極端子 Ｎ 直流負極端子 Ｕ１，Ｕ２ 単位半導体スタック １ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ 半導体素子 ３ 交流出力端子 ４ フィルタコンデンサ ５，６ サージ電圧吸収用コンデンサ １０ ヒートパイプ式冷却器 １０ｆ 放熱部 １０ｗ 冷却風 １１ａ，１１ｂ 冷却ブロック １２ａ，１２ｂ 導体ブロック １２ｃ，１２ｄ 配線導体 １３ａ，１３ｂ 端子 １４ａ，１４ｂ 配線導体 １５〜２５ 配線導体 ２６ 正極接続端子 ２７ 負極接続端子 ２８ 出力接続端子 ２９，３０ 配線導体

フロントページの続き (72)発明者 福 田 和 明 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中事業所内 Ｆターム(参考） 5H007 AA06 CA01 HA04 HA05 HA06 HA07

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単位アーム回路を並列接続の偶数個の半導
   体素子で構成すると共に、前記単位アーム回路を偶数
   個、直流電源間に直列に接続し、直列接続された偶数個
   の単位アーム回路の中間接続点から交流端子を導出する
   半導体電力変換装置において、前記各半導体素子をそれ
   ぞれヒートパイプ式冷却器の一対の冷却ブロックによっ
   て挟み込む形で単位素子ブロックを構成し、前記単位素
   子ブロックを少なくとも２個上下に積重配置することに
   よって前記直流電源間に接続される単位半導体スタック
   を構成してそれを横方向に複数個近接配置し、横方向に
   対応する単位素子ブロックを電気的に並列接続すること
   によって電力変換装置の１相分を構成したことを特徴と
   する半導体電力変換装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の半導体電力変換装置にお
   いて、前記直流電源間に接続されるフィルタコンデンサ
   を、横方向に並置された前記複数個の単位半導体スタッ
   クの上部に配置し、前記直流電源間に直列接続される少
   なくとも２個の単位アーム回路の両端に接続されるフィ
   ルタコンデンサを複数個の単位半導体スタッックの、前
   記ヒートパイプ式冷却器の冷却フィンとは反対側に配置
   したことを特徴とする半導体電力変換装置。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の半導体電力変換
   装置において、横方向に対応する単位素子ブロックを並
   列接続する導体上に構成される直流正極接続端子、直流
   負極接続端子、および出力接続端子の位置を、単位半導
   体スタックどうしの、直流正極接続端子または直流負極
   接続端子から交流出力接続端子に至る配線導体の長さが
   互いに均等になるように設定したことを特徴とする半導
   体電力変換装置。
4. 【請求項４】単位アーム回路を並列接続の偶数個の半導
   体素子で構成すると共に、前記単位アーム回路を偶数
   個、直流電源間に直列に接続し、直列接続された偶数個
   の単位アーム回路の中間接続点から交流端子を導出する
   半導体電力変換装置において、前記各半導体素子をそれ
   ぞれヒートパイプ式冷却器の一対の冷却ブロックによっ
   て挟み込む形で単位素子ブロックを構成し、それぞれ並
   列接続される単位素子ブロックを上下に積重配置するこ
   とによって構成された正極側および負極側の単位半導体
   スタックを横方向に近接配置し、正極側単位半導体スタ
   ック、負極側単位半導体スタック、直流電源端子、およ
   び交流端子相互間に所定の配線を施すことによって電力
   変換装置の１相分を構成したことを特徴とする半導体電
   力変換装置。
5. 【請求項５】請求項４に記載の半導体電力変換装置にお
   いて、前記直流電源間に接続されるフィルタコンデンサ
   を、横方向に並置された前記複数個の単位半導体スタッ
   クの上部に配置し、直列接続された複数個の単位アーム
   回路の両端に接続されるフィルタコンデンサを前記複数
   個の単位半導体スタックの、前記ヒートパイプ式冷却器
   の冷却フィンとは反対側に配置したことを特徴とする半
   導体電力変換装置。