JP5586866B2

JP5586866B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5586866B2
Application number: JP2009071138A
Authority: JP
Inventors: 敏井堀; 康佐々木; 豊前野; 雅之広田; 一行福島
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2029-03-24
Also published as: US8385078B2; CN101714823B; EP2170025B1; CN102931852B; US8848384B2; CN101714823A; CN102931852A; JP2010104217A; CN102629819B; US20130100632A1; CN102629819A; US20100079956A1; EP2170025A1

Description

本発明は、電力変換装置について、特にその内部の構造に関する。

電力変換装置であるインバータは、産業界の交流電動機の速度制御装置として多く採用され、例えば家電製品や自動車等に搭載されている。このように他の製品に搭載される以外にも電力変換装置は制御盤等に設置されることもある。特に制御盤等の狭小スペースに搭載される場合には、一般的に搭載スペースの制約から小型化の要求が強い。

電力変換装置はＩＧＢＴなどのパワー素子(電力用半導体素子)をスイッチング駆動させることにより電圧・周波数の可変制御が行われるが、近年はこの小型化のため保護回路などの周辺回路を一緒に組込んだ半導体モジュール、いわゆるＩＰＭ(インテリジェントパワーモジュール)が用いられていることが多い。

小型化の見地から提案されているパワーモジュールについての従来技術として特許文献１がある。特許文献１に開示の技術は段落（００１４）や（００１５）に記載があるように、電力変換装置における配線基板を大電流回路用の電源基板と微小電流回路用の制御基板２１に分離し、制御基板だけを主回路モジュールの上面近傍に搭載したものである。

特許文献１の図１５にはその一例が開示されており、このように分離させることで、微小電流が流れる制御回路系配線基板には薄い銅箔のプリント配線板が適用できるため、基板サイズが抑えられ、パワーモジュールの据付占有面積の縮小化を得ようとしている。

特開２００３−３３２５２６

上記特許文献１は薄い銅箔のプリント配線板を適用することにより基板サイズを抑えようとしているが、基板上の配線パターンの縮小を図ろうとするものではない。

電力変換装置における配線基板を大電流回路用の電源基板と微小電流回路用の制御基板とに分離した場合において、大電流回路用の電源基板には数十Ａもの電流が流れることもあるため、この大電流に耐えうる銅箔パターンの厚さと幅が必要となる。この銅箔パターン上にはその他の部品を配置することはできないため、電源基板における前記銅箔パターン面積の占有率を小さくすることが電源基板の小型化、ひいては、電力変換装置自体の小型化にとって望ましい。

一方で、小型化を図るために配線パターンの縮小が図れるようにパワー半導体モジュールのリード端子を電源基板に接続した場合、パワー半導体モジュールのリード端子間に塵埃が溜まり、電力変換装置の設置環境によってはこれが原因となってリード端子間の短絡が生じる虞がある。

例えば、繊維機械の設置されている環境では空中に綿埃が漂い、糸が切れないように加湿することで常に湿気の高い環境下で製作が行われる場合がある。

このような環境において電力変換装置が使用される場合には、上記したようなパワー半導体モジュールの隣接するリード端子間に綿埃が溜まりこの綿埃の吸湿により、隣接するリード端子間が短絡する虞がある。そしてこれによれば結果としては、電力変換装置が正常に機能しなくなるという問題が発生する可能性がある。
本発明の目的は、例えば、電力変換装置の小型化を図ることにある。

また、本発明の他の目的は、例えば、上記したようなリード端子の短絡を防止し、電力変換装置の信頼性の向上を図ることことにある。

上記目的を達成するために、例えば、主回路端子台が備えられているとともに、一端が前記主回路端子台に電気的に接続された銅箔パターンを備える主回路基板と、前記主回路端子台と電気的に接続するためのリード端子が備えられたパワー半導体と、を備え、前記主回路端子台の配線の入出力がなされる側の前記主回路基板の端部と前記銅箔パターンの他端の間に前記リード端子を貫通させるための開口が形成されるという構成をとる。

本発明によれば、例えば、電力変換装置の小型化を図ることができる。

また、本発明によれば、例えば、上記したようなリード端子の短絡を防止し、電力変換装置の信頼性の向上を図ることができる。

以下、本発明について、図１〜図９を用いて説明する。なお、本発明は、図示例に限定されるものではない。また、各図における共通の構成については同一の参照番号を付してある。

本発明における実施例１にかかる電力変換装置１００について図を用いて説明する。

図１は本実施例における電力変換装置１００の回路構成の概要図である。１は交流電力を直流電力に変換する順変換器、２は直流中間回路にある平滑用コンデンサ、３は直流電力を任意の周波数の交流電力に変換する逆変換器、４は電力変換装置１００により制御される交流電動機を示している。６は冷却ファンであり、順変換器および逆変換器などのパワー半導体チップから構成されたパワー半導体モジュール１０の冷却を行う。また、７は電力変換装置１００の各種制御データを設定、変更、異常状態およびモニタ表示が行えるデジタル操作パネルである。

５は逆変換器をはじめとする各スイッチング素子を制御すると共に、電力変換装置１００全体の制御を司る働きをするもので、マイコン（制御演算装置）が搭載された制御回路である。内部構成は省略するが、このマイコンは各種の制御データが格納された記憶部の記憶データからの情報に基づいて演算が行われ、デジタル操作パネル７から入力される各種の制御データに応じて必要な制御処理が行えるように構成されている。なお、このデジタル操作パネル7には異常が発生した場合にその異常が表示される構成になっている。

８は逆変換器をはじめとする各スイッチング素子を駆動するドライバ回路である。

ドライバ回路８は、制御回路５からの指令に基づいて逆変換器３をはじめとする各スイッチング素子を駆動する。また、ドライバ回路８内にはスイッチングレギュレータ回路（DC/DCコンバータ）が搭載されており、電力変換装置１００の運転に必要な各直流電圧を生成し、これらを各構成に対して供給する。

そして、９は交流電動機４を減速した際に発生する回生エネルギーを消費するための回生制動回路である。ここで、パワー半導体モジュール１０内には、代表的なスイッチング素子としてIGBTが搭載されている。この素子はIGBTに限定されるものではなく、スイッチング素子としての形態を有するものであれば良い。

電力変換装置１００であるインバータは公知の技術であるため、詳細な説明は割愛する。

図２、図３は、電力変換装置１００の主要部品が組立てられる状態を説明するための図である。ここで、図２において１０は逆変換器３およびその周辺回路がモジュール化されたパワー半導体モジュール１０であり、２２はこのパワー半導体モジュール１０のモジュールケースである。このパワー半導体モジュール１０はパワー半導体素子であるIGBTにより構成される逆変換器３がチップとして絶縁基板に実装されたものであり、さらに電流検出抵抗や温度保護サーミスタ等の制御素子が同基板に内蔵されている。そして、内部の絶縁および保護のために充填材を封止した状態でパワー半導体モジュール１０は構成されている。なお、本実施例においてはこのように逆変換器３およびその周辺回路をモジュール化したものを採用しているがこれに限定されるわけではなく、このようにモジュール化されていない、いわゆるディスクリート部品により電力変換装置１００の順変換器および逆変換器が構成されている場合であっても本発明の適用が可能である。

そして図２に示すようにパワー半導体モジュール１０を冷却するために冷却フィン１２が備えられており、パワー半導体モジュール１０は、図３に示す樹脂モールドケース１３で覆われ、樹脂モールドケース１３は、冷却フィン１２と接合されるようにようになっている。これにより発熱体であるパワー半導体モジュール１０からの熱が冷却フィン１２に熱伝導され、冷却フィン１２により熱交換を行わせることで放熱させる構造となっている。なお、主回路基板１４には、主回路端子台１７の他に例えば平滑用コンデンサ２等が搭載されている。

ここで、図２に示すとおりパワー半導体モジュール１０からは数組のリード端子１６が露出している。１７は主回路端子台で、パワー半導体モジュール１０のケースから露出した数組のリード端子部１６の各端子が主回路基板１４に備えられた銅箔パターンを通して電気的に主回路端子台１７と接続されるようになっている。

図２に示すようにリード端子１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗは、貫通線Ｃ１からＣ３で示すように主回路基板１４に形成されたスルーホール１８Ｕ、１８Ｖ、１８Ｗを貫通させられ半田によって接続されるようになっている。なお、主回路基板１４は、部品実装後、絶縁強化を目的にワニス処理がなされる。

また、主回路端子台１７は、ユーザが入出力配線しやすいように電力変換装置１００の冷却用空気の上流側（壁面に備え付けられた制御盤に電力変換装置１００を取り付けた場合において下側）に配置されている。なお、図２、図３共に電力変換装置１００を横に倒した状態であり、実際にユーザが使用する場合には樹脂モールドケース１３が正面になるように、つまり、操作パネル７が正面になるように起こした状態で使用される。即ち、電力変換装置１００は、実際の使用状態においてはＡ方向が下側になるように取り付けられることとなる。

主回路端子台１７は大電流用回路基板である主回路基板１４内の銅箔パターンと電気的に接続されており、この銅箔パターンには数十Ａもの電流が流れることもあるため、この電流に耐えうる銅箔パターンの厚さと幅が必要になる。そのため、主回路基板１４内における銅箔パターン面積の占有率が高くなれば、他の部品が実装できなくなるため、装置の小型化に対して大きな制約となる。

そこで、図７に示す銅箔パターン部２４の各パターン２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗは、主回路基板１４内の銅箔パターンの例である。２５は、主回路端子台１７のリード足であり主回路基板１４の裏面において半田で接続されるようになっている。

また、主回路端子台１７の各端子Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｕ、Ｖ、Ｗは、図１に記載した電力変換装置１００を使用するユーザが入出力配線を行なう端子名である。銅箔パターン２４Ｕは主回路端子台１７の端子名Ｕと電気的に接続されており、銅箔パターン２４Ｖは端子Ｖと、銅箔パターン２４Ｗは端子Ｗと各々個別に電気的接続されている。

そして、主回路基板１４内のスルーホール１８Ｕは、図６に示したパワー半導体モジュール１０のケースから露出した数組のリード端子部１６ののうちの端子１６Ｕと半田により電気的接続されており、スルーホール１８Ｖはスルーホール１６Ｖに、端子Ｗはスルーホール１６Ｗに半田により個別に電気的接続されている。

銅箔パターン２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗには数十Ａもの電流が流れるため、銅箔パターンの長さは短く設計することが必要である。銅箔パターンは、電流に耐えうる厚さと幅と各々の銅箔パターン間に絶縁距離が必要であり、銅箔パターンで発生する損失を低減する意味でも銅箔パターンの長さは装置の小型化に対し重要である。

主回路端子台１７は、電力変換装置１００を使用するユーザが入出力配線しやすいように電力変換装置１００の冷却用空気の上流側（壁面に備え付けられた制御盤に電力変換装置１００を取り付けた場合において下側）に配置されているため、主回路基板１４内のスルーホール１８は、主回路端子台１７の近傍に設けることが銅箔パターンで発生する損失低減および装置の小型化に対して大きな効果がある。

図２に示すパワー半導体モジュール１０のケースから露出した数組のリード端子部１６の各端子１６R、１６Ｓ、１６Ｔ、１６−、１６＋、１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗ、１６Ｐ、１６Ｎ、１６ＲＢは、高圧電位が印加される端子であり、このため各リード端子が接続されると、接続された各銅箔パターン間にも高圧電位が印加されることとなる。このため、各銅箔パターン間には規格に沿った絶縁距離が確保されなければならず、この各銅箔パターン間には絶縁距離の問題から異電位の部品を搭載することができないことになり、装置の小型化に対して大きな障壁となる。そのため、パワー半導体モジュール１０のリード端子部１６と主回路端子台１７とを接続する銅箔パターンの長さは、可能な限り短い方が主回路基板１４の小型化、ひいては、電力変換装置１００の小型化につながる。

以上の点から、パワー半導体モジュール１０のリード端子部１６と主回路端子台１７とを接続する銅箔パターンの長さは、可能な限り短い方が主回路基板の小型化、ひいては、電力変換装置の小型化の面で好ましい形態である。なお、上記したように、主回路端子台１７は、電力変換装置のユーザの便宜を考慮して電力変換装置の装置下側に配置された例である。

そこで、本実施例においては、図２のようにパワー半導体モジュールのリード端子のうち、１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗを主回路基板と接続するうえで主回路端子台１７の近傍に、ここではさらに主回路端子台１７の下側、すなわち主回路基板の下端側に配置された主回路端子台１７の下端と主回路基板１４の下端の間であって、主回路端子台の近傍にスルーホール１８Ｕ、１８Ｖ、１８Ｗを設け、スルーホールにリード端子が接続されるようにしている。これによりこれらのリード端子が主回路基板と接続された箇所から主回路端子台に接続されるまでの配線パターンは短くすることが可能となるため、前記銅箔パターンで発生する損失も低減することができ、主回路基板の小型化が可能となる。

主回路端子台１７の近傍とは、一例として、主回路端子台１７の下端から、３〜１０mm程度の距離にスルーホールを設けることが望ましい距離である。即ち、３mm以下では、パワー半導体モジュール１０の各リード端子径に適したスルーホール径が必要であるため、主回路端子台１７の下端にスルーホール１８が接触して、半田のフィレットが充分確保できないことになり、半田の強度が極端に低下する虞がある。

また、１０mm以上では各々の銅箔パターン間(２４Ｕと２４Ｖ間および２４Ｖと２４Ｗ間)に規格に沿った絶縁距離が確保されなければならず、必然的に主回路基板１４の寸法が大きくなり、パワー半導体モジュール１０から主回路基板１４がはみ出すことになり、やはりパワー半導体モジュールが大きくなり、装置の小型化に対して大きな制約となる虞がある。

即ち、主回路端子台１７の近傍とは、パワー半導体モジュール１０の各リード端子を銅箔パターン２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗに接続でき、かつリード端子１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗを貫通させることができるとともに、スルーホール１８Ｕ、１８Ｖ、１８Ｗの端部が主回路端子台１７の下端に接触しない程度の距離であって、主回路基板１４の端部に接触しない程度の距離を意味する。スルーホール１８Ｕ、１８Ｖ、１８Ｗの主回路端子台１７側の周縁部と主回路端子台１７の間の距離は短ければ短いほどよい。そして、スルーホール１８Ｕ、１８Ｖ、１８Ｗが形成される主回路端子台１７の配線の入出力を行なう入出力配線側の端部と入主回路端子台１７の入出力配線側の端部に近接した主回路基板１４の端部までの距離は短ければ短いほどよい。

このように、主回路基板１４の下端側に配置された主回路端子台１７と主回路基板１４の下端の間にスルーホール１８Ｕ、１８Ｖ、１８Ｗを主回路端子台１７に近接させて形成することで、半田のフィレットを十分に確保して、半田の強度の低下を低減できる。

また、リード端子１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗが主回路基板１４と接続された箇所から主回路端子台１７に接続されるまでの配線パターンは短くすることが可能となるため、銅箔パターンで発生する損失も低減することができ、主回路基板１４の小型化が可能となる。

さらに、銅箔パターン間(２４Ｕと２４Ｖ間および２４Ｖと２４Ｗ間)において規格に沿った絶縁距離を確保することができ、主回路基板１４の寸法を小さくしてパワー半導体モジュール１０から主回路基板１４がはみ出すのを防止して、パワー半導体モジュール１０の大型化を防ぎ、ひいては電力変換装置の小型化に資することができる。

なお、図４はこの電力変換装置１００を起こした状態で主回路基板１４と冷却フィン１２、パワー半導体モジュール１０等の位置関係の概念を示した図である。また、図４右はこの起こした状態で横から見た断面の概念を示している。

また、本実施例は上記したように、主回路端子台１７は、電力変換装置１００のユーザの便宜を考慮して電力変換装置１００の装置下側に配置したものである。
本実施例においては１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗを主回路端子台１７よりも下側に接続するようにしたが、本発明は、これに限定されるものではなく、スルーホール１８Ｕ、１８Ｖ、１８Ｗを主回路端子台１７よりも上側に設けて、リード端子１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗを接続する構成としてもよい。

図８は、主回路端子台１７が主回路基板１４に分割されて配置されたものであり、１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗが主回路端子台よりも上側に接続された場合の他の実施例である。
また、順変換器又は逆変換器をディスクリート部品のパワー半導体により構成している場合にはこれらのパワー半導体のいずれかを主回路端子台の近傍において主回路基板と接続されるようにすることで同様に銅箔パターンを短くすることが可能である。

よってこの場合にもパワー半導体モジュールと同様に電力変換装置の小型化を図ることができる。

本発明による電力変換装置の実施例２について図を用いて説明する。

本実施例における電力変換装置１００は実施例１を前提としており、図２に示すとおりパワー半導体モジュール１０の所定のリード端子が主回路端子台１７よりも下側（壁面に備え付けられた制御盤に電力変換装置１００を取り付けた場合において下側）において主回路基板１４と接続されている。この場合には、上記したように主回路基板１４および電力変換装置の小型化が図れる。なお、本実施例においてもパワー半導体がモジュール化されたものを搭載した場合について説明するが、それぞれのパワー半導体がディスクリート部品になっても同ように適用可能である。

ここで、本実施例における電力変換装置の冷却構造について説明する。複合モジュールとして構成されたパワー半導体ジュール１０の中には、図示していない温度検出器が搭載され、これによりパワーモジュール内部の温度が検出される。そして、図４に示すようにパワー半導体モジュール１０は冷却のため、冷却フィン１２と主回路基板１４との間に位置し、冷却フィン１２に取付けられたカバー１３で覆われ、このカバー１３の上面（図示せず）、両側面および底面には図３に示すように複数の開口からなる通風用の複数の開口部１５が形成されている。

なお、冷却ファン６は、発熱体であるパワー半導体モジュール１０からの熱を熱伝導させた冷却フィン１２を強制空冷させるもので、冷却フィン１２に取り付けられたカバー１３で覆われた電力変換装置１００内部を強制空冷させる働きのものではない。このため、電力変換装置１００に設けられたカバー１３の上面、両側面および底面にある通風用の開口部１５に対し、主にカバー１３の両側面および底面から装置周囲の冷たい空気を吸込み、カバー１３上面の開口部から電力変換装置１００内部の温かい空気を流出させるようになっている。

すなわち、電力変換装置１００内部の冷却方式は、冷却ファンによる強制空冷ではなく、電力変換装置１００の外部と内部における温度差による自然対流の循環が形成される構造になっている。このため、空中に漂う綿埃が、自然対流の循環により電力変換装置１００内部に吸込まれる。なお、電力変換装置１００は、実際の使用状態においてはＡ方向が下側になるように取り付けられることとなる。

ここで、小型化を達成する上記の形態では、図４に示すとおりパワー半導体モジュール１０のケースから露出したリード端子(本実施例では１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗ)が電力変換装置１００の冷却用空気の上流側（電力変換装置１００を壁面に備え付けられた制御盤に取り付けた場合における下側）に配置される構造となる。

図５はパワー半導体モジュールのリード端子と主回路基板１４との接続の状態を下から示したものであるがこのように、パワー半導体モジュール１０のケースから露出した隣接するリード端子と主回路基板１４との間の空間において綿埃が溜まり綿埃の吸湿により、隣接するリード端子間が短絡するという危険性がある。

例えば、繊維機械の設置されている環境では空中に綿埃が漂い、糸が切れないように加湿することで常に湿気の高い環境下で製作が行われていることがある。

このような環境において、電力変換装置１００が使用される場合には、電力変換装置１００内部に実装されたパワー半導体モジュール１０の隣接するリード端子間に綿埃が溜まり綿埃の吸湿により、隣接するリード端子間が短絡する虞がある。

そしてこれによれば結果としては、電力変換装置１００が正常に機能しなくなるという問題が発生する可能性がある。

設備に対する予防保全を完全に行うことは不可能であるため、上記のような問題が発生した場合には、要因特定および保守する時間が設備停止の時間とならざるを得ず、設備全体としては、生産性に大きな障害をもたらす原因となりうる。

そのため、このような環境であっても信頼性が高く生産側にとって使い勝手のよい電力変換装置が望まれる。

なお、図２に図示しているように主回路基板１４にはコンデンサ２をはじめとして他の電子部品が実装されており、リード端子部１６の各端子１６Ｒ、１６Ｓ、１６Ｔ、１６−、１６＋、１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗ、１６Ｐ、１６Ｎ、１６ＲＢは、全て高圧電位が掛かる端子であるため、各々の隣接する端子間には絶縁距離が確保された状態で配列されている。

ここで、露出した数組のリード端子部１６の各端子１６Ｒ、１６Ｓ、１６Ｔ、１６−、１６＋、１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗ、１６Ｐ、１６Ｎ、１６ＲＢが主回路基板１４内のスルーホール１８を貫通して半田付けされた後、主回路基板１４から突出したリード端子に絶縁強化を目的にワニス処理することはできるが、パワー半導体モジュール１０と主回路基板１４との間の空間に位置するリード端子部にはワニス処理を施すことができない。すると、電力変換装置１００の設置環境が繊維機械などを設置されている等、綿埃および湿度の高い環境条件の場合には特に、図５に示すように露出した隣接するリード端子間に綿埃が溜まり、さらに、綿埃が吸湿されることにより、隣接するリード端子間が短絡し電力変換装置１００が破損する虞が生じる。

また、電力変換装置１００は一般的に壁掛け型構造で、パネル等の鉄板に垂直に取付けられる装置であるため、設置スペースの制約があることが多く、極力コンパクトであることが要求される。そこで、本実施例においては上記したように、パワー半導体モジュール１０のリード端子の内、１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗを、主回路端子台１７の近傍の主回路基板１４に接続されるようにすることにより、銅箔パターンの配線距離が極力短くなるようにパワー半導体モジュール１０が配置される構造としている。

しかし、主回路端子台１７は、電力変換装置１００設置後に動力線の端子台１７への接続を容易にするため、壁掛け状態で電力変換装置１００の下側（電力変換装置１００を壁面に備え付けられた制御盤に取り付けた場合における下側）に配置されていることから上記構造は小型化が図れる一方で、上記したような綿埃および湿度の高い環境条件に設置されれば、パワー半導体モジュール１０のリード端子１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗ間には綿埃が溜まり易い構造となってしまう。

上記したとおり図５にはこの綿埃などの塵埃が溜まる状態を示している。そして、パワー半導体モジュール１０の隣接するリード端子の内、電力変換装置１００の下側（電力変換装置１００を壁面に備え付けられた制御盤に取り付けた場合における下側）に配置されたリード端子１６Ｖと１６Ｗ間の空間Ｇ１に吸湿した綿埃が落下し蓄積することにより、絶縁距離として確保されていた空間距離がレアショートして隣接した端子間が短絡する危険性がある。

なお図３のように、電力変換装置１００は主要部品が配置されカバー１３で覆われている。そしてパワー半導体モジュール１０を冷却フィン１２に搭載し、パワー半導体モジュールに主回路基板１４を装着した状態（図２）に、絶縁物である樹脂モールドケース１３を上からパワー半導体モジュール１０に嵌合する構造となっている。

インバータの筐体寸法は、容量の小さい小型機種ではパワー半導体モジュール１０の寸法に依存していることが多く、パワー半導体モジュール１０のリード端子部１６の各端子１６Ｒ、１６Ｓ、１６Ｔ、１６−、１６＋、１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗ、１６Ｐ、１６Ｎ、１６ＲＢが主回路基板１４内の銅箔パターンを通して電気的に主回路端子台と接続されている。そして本実施例においては、装置の小型化のため、所定のリード端子から主回路端子台１７までの主回路基板１４内銅箔パターンの配線距離が極力短くなるようにパワー半導体モジュール１０が配置される構造としていることについては説明したとおりである。

このため、パワー半導体モジュール１０のリード端子部は、絶縁物である樹脂モールドケース１３の近くに位置することになり、リード端子部と樹脂モールドケース１３との間の距離は密接に近い状態にある。このような状態が、電力変換装置１００が綿埃の多い、湿度の高い環境条件に設置された場合における、リード端子部１６の各端子間に吸湿した綿埃などの塵埃が溜まってしまう原因をさらに増長している。

上記課題に鑑みなされた本発明について以下に説明する。

図６は、本実施例におけるパワー半導体モジュールについての詳細を示した図である。本実施例のパワー半導体モジュール１０では、主回路端子台１７の近傍に配置される露出したリード端子１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗの上側に隔壁１９を設けている。このようにこれらのリード端子を上側から覆うように隔壁を配置することにより、電力変換装置１００が壁掛け状態においても、吸湿した綿埃などの塵埃がリード端子１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗの上側（電力変換装置１００を壁面に備え付けられた制御盤に取り付けた場合における上側。以下において、上側とはここにおける「上側」と同様の意味とする）に設けた隔壁１９に溜まるため、露出した隣接するリード端子１６Ｕ−１６Ｖ間および１６Ｖ−１６Ｗ間が短絡し、電力変換装置１００が破壊する虞を回避することができる。

また、図４右においてこの隔壁１９とパワー半導体モジュール１０のリード端子１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗとの位置関係の概念を示している。このように電力変換装置１００を使用する際に上記リード端子を上側から覆うように隔壁が設けられているものであり、隔壁１９は、リード端子１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗに接触しない位置に設けられている。

図９の左側に示すように、隔壁１９とリード端子１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗの空間的距離が長いと吸湿した綿埃などの塵埃が図３に示す通風用開口部１５を通してリード端子１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗの上側に設けた隔壁１９と露出した隣接するリード端子に溜まるため、隣接するリード端子１６Ｕ−１６Ｖ間および１６Ｖ−１６Ｗ間が短絡し、電力変換装置１００が破壊する虞を回避することができなくなる。

このため、図９の右側に示すように、隔壁１９は、リード端子(１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗ)に接触しない位置に設けられているのである。

図６に示すリード端子２３は、IGBTのゲート信号端子の一部であり、これらのリード端子にも高圧電位が印加されるので、前記隔壁１９を設ければ同様の効果が期待できる。

なお、パワー半導体モジュール１０のリード端子部１６の各端子は主回路基板１４内のスルーホール１８を貫通して半田にて接続されるため、隔壁１９の高さは、リード端子１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗの高さより低くなるようにして設置される。

このため、リード端子(１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗ)と接触した位置に隔壁１９を設けた場合、吸湿した綿埃などの塵埃が隔壁１９に溜まり結果的には隔壁１９の意味がなく、隣接するリード端子１６Ｕ−１６Ｖ間および１６Ｖ−１６Ｗ間が吸湿した綿埃などの塵埃により短絡し、電力変換装置１００が破壊する虞を回避することができなくなるのである。

また、図６に示すようにパワー半導体モジュール１０のケースから露出したリード端子部１６Ｐ、１６Ｎ、１６ＲＢの端子間に窪みの段差２０を設けてもよい。この窪み２０を設けることにより、綿埃などの塵埃がこの窪みを通過することができるようになるため、綿埃などの塵埃がリード端子部１６Ｐ、１６Ｎ、１６ＲＢ間に溜まりにくくなる。

本実施例では、電力変換装置１００が壁掛け状態において、パワー半導体モジュール１０の隣接するリード端子の内、電力変換装置１００の下部に接続されるリード端子の近傍に隔壁１９を設けた点について説明したが、パワー半導体モジュールから露出するすべてのリード端子の近傍に同様に隔壁を設けることによっても同じ効果が期待できる。

つまり、電力変換装置１００の下部において水平に並んで接続されるリード端子(例えば、図６における１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗ)の方がより綿埃などの塵埃が溜まりやすいため本実施例による隔壁１９の効果が大きいが、縦に沿って並んで接続されるリード端子(例えば、図６における１６Ｒ、１６Ｓ、１６Ｔ、１６−、１６＋、１６Ｐ、１６Ｎ、１６ＲＢ)であっても綿埃などの塵埃が溜まり端子間の短絡を起こすことはあり得る。

あるいは、電力変換装置１００の下部において接続されるリード端子でなくとも水平方向に並んで接続されるような場合(例えば、図６における２３)にも同様に綿埃等が溜まることはあり得る。

したがって、実施例１のように電力変換装置１００の下部においてパワー半導体モジュールが接続されている場合に限らず並んで水平方向に接続されている場合(例えば、図６におけるリード端子１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗ)、あるいは、縦に沿って並んで接続されるリード端子(例えば、図６におけるリード端子１６Ｒ、１６Ｓ、１６Ｔ、１６−、１６＋、１６Ｐ、１６Ｎ、１６ＲＢ)についてもパワー半導体モジュール１０と主回路基板１４との間の空間を覆う隔壁１９を備えれば上記したような短絡を防止することが可能となる。なお、縦に沿って並んで接続されている場合には、各リード端子間に隔壁１９を備えることが必要である。

本実施例によれば、パワー半導体モジュール１０の露出したリード端子１６Ｕ、１６Ｖ、１６Ｗの上側に隔壁１９を設け、塵埃などの塵埃が溜まらないような構造とすることにより、繊維機械等から発生する綿埃および湿度の高い環境においても隣接するリード端子間が短絡し、破損する虞がなく信頼性の高い電力変換装置を提供することができる。

電力変換装置の主回路構成の概要図である。電力変換装置の主要部品配置図の一例である。パワー半導体に主回路基板を実装した実施例鳥瞰図である。電力変換装置の使用状態における部品配置を説明するための図である。本実施例におけるリード端子に綿埃などの塵埃が溜まる状態を説明するための図である。本実施例におけるパワー半導体モジュールの詳細を説明するための図である。本実施例における主回路基板の銅箔パターンを説明するための図である。他実施例における主回路基板の銅箔パターンを説明するための図である。綿塵などに塵埃が溜まることを説明するための図である。

1・・・順変換器、2・・・平滑用コンデンサ、3・・・逆変換器、4・・・交流電動機、5・・・制御回路、6・・・冷却ファン、7・・・デジタル操作パネル、8・・・ドライバ回路、9・・・回生制動回路、10・・・パワー半導体、11・・・電力変換装置、12・・・冷却フィン、13・・・樹脂モールドケース、14・・・主回路基板、15・・・通風用開口部、16・・・露出した数組のリード端子、17・・・主回路端子台、18・・・各スルーホール、16R・・・露出したR相のリード端子、16S・・・露出したS相のリード端子、G1・・・露出したR相のリード端子16RとS相のリード端子16S間の距離、19・・・隔壁、20・・・窪みの段差、16U・・・露出したU相のリード端子、16V・・・露出したV相のリード端子、16W・・・露出したW相のリード端子、24・・・各銅箔パターン、18U・・・露出したU相のリード端子16Uが貫通するスルーホール、18V・・・露出したV相のリード端子16Vが貫通するスルーホール、18W・・・露出したW相のリード端子16Wが貫通するスルーホール、24U・・・主回路端子台の端子名Uに半田接続される銅箔パターン、24V・・・主回路端子台の端子名Vに半田接続される銅箔パターン、24W・・・主回路端子台の端子名Wに半田接続される銅箔パターン

Claims

主回路端子台と、
一端が前記主回路端子台に電気的に接続された銅箔パターンを備える主回路基板と、
前記主回路基板に対して配置されたパワー半導体モジュールと、
前記主回路基板と前記パワー半導体モジュールとの間に配置された隔壁と、
前記主回路基板と前記パワー半導体モジュールとに電気的に接続された複数のリード端子と、
を備え、
前記複数のリード端子は前記隔壁の下に配置され、前記隔壁は少なくとも前記複数のリード端子それぞれの一部を覆うように配置され、
前記複数のリード端子の隣接するリード端子間に窪みの段差を備え、
前記リード端子は前記パワー半導体モジュールのケースから露出した部分を有し、前記隔壁及び前記窪みの段差は、前記パワー半導体モジュールのケースに設けられることを特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記隔壁と前記複数のリード端子とは対向しており、
前記隔壁は、前記主回路端子台の配線の入出力がなされる側の端部である第一の端部と前記第一の端部とは反対側の端部である第二の端部との間に設けられていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記隔壁は前記パワー半導体モジュールに接続されており、
前記複数のリード端子と前記隔壁とは水平方向に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記主回路基板は複数のスルーホールを備え、前記複数のリード端子は該複数のスルーホールを介して前記主回路基板に接続されており、
前記隔壁の長さは前記複数のリード端子の長さより短いことを特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記主回路基板は前記主回路基板に対して前記パワー半導体モジュールと反対側に配置されたステージを含み、
前記隔壁は、前記パワー半導体モジュール側に設けられていることを特徴とする電力変換装置。