JPH07303380A - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体素子と平滑コンデンサを接続する導体の
長さを短縮してインダクタンスを減らし、スナバ損失を
減らす。 【構成】冷却器15の両面にＰ側モジュール４とＮ側モジ
ュール５を極性を揃えて複数個取り付ける。冷却器15に
隣接して複数の平滑コンデンサ３を極性を揃えて複数個
列設する。各平滑コンデンサ３の端子の位置は、Ｐ側モ
ジュール４とＮ側モジュール５の端子の位置と同じ高さ
とする。Ｐ側モジュール４のエミッタ端子とこのエミッ
タ端子に対向するＮ側モジュールのコレクタ端子は、出
力端子接続導体13で直並列に接続する。Ｐ側モジュール
４のコレクタ端子は断面Ｚ字状に形成した正極側コレク
タ接続導体11で、Ｎ側モジュール５のエミッタ端子は、
負極側エミッタ接続導体12でそれぞれ並列に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電力用半導体素子と平
滑コンデンサを直並列に接続した半導体電力変換装置に
係り、特に、主回路の導体のインダクタンスを減らし、
装置の外形を小形化した半導体電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、高速スイッチングが可能
なことから、高性能で高効率に電力を変換するＩＧＢＴ
等の半導体モジュールを使って、高い周波数でスイッチ
ングされる半導体電力変換装置を構成する場合には、こ
の半導体電力変換装置を構成する半導体モジュールなど
を接続する導体のインダクタンスを減らすことが要請さ
れる。また、半導体電力変換装置の設置スペースの制約
などから、半導体電力変換装置の外形を小形化すること
も要請される。

【０００３】図７は、半導体モジュールを正極側と負極
側とも６個並列に接続し、平滑コンデンサ８個を２個直
列かつ４個並列に接続して、大容量のインバータの主回
路を構成した従来のインバータスタックを示す接続図、
図８は、図７で示したインバータスタックの組立状態を
示した正面図、図９は、図８の前面図である。

【０００４】図７，図８及び図９において、直流側の入
力端子１Ａ，１Ｂには、平行に配置された帯板状の接続
導体６Ｃ，７Ｃの左端が破線で示す入力線を介して接続
されている。これらの接続導体６Ｃ，７Ｃとこれらの接
続導体６Ｃ，７Ｃの間に配置された幅が広くて板厚の薄
い帯板状の接続導体８Ａにより、取付板16に取り付けら
れた８個の平滑コンデンサ３が２個直列かつ４個並列に
接続されている。

【０００５】このうち、接続導体６Ｃの右端には、図８
においてＺ字状に折曲形成された正極側の入力導体９の
左端が接続され、接続導体７Ｃの右端にも、入力導体９
と同形の負極側の入力導体10の左端が入力導体９と対称
的に接続されている。

【０００６】一方、図９で示すように、長方形状の冷却
器15の両面の片側には、正極側のＩＧＢＴモジュール４
（以下、Ｐ側モジュールという）が３個ずつ、端子面が
外向きになるように端子の極性を揃えて隣設して取り付
けられている。同じく負極側のＩＧＢＴモジュール（以
下、Ｎ側モジュールという）５が３個ずつ、端子面が外
向きになるように端子の極性を揃えてＰ側モジュール４
と対称的に隣接して取り付けられている。

【０００７】このうち、Ｐ側モジュール４のコレクタ端
子は、帯板状の正極側コレクタ接続導体11Ａで互いに並
列に接続され、Ｎ側モジュール５のエミッタ端子も、同
じく正極側コレクタ接続導体11Ａと同一品の負極側エミ
ッタ接続導体12Ａで互いに並列に接続されている。ま
た、Ｐ側モジュール４のエミッタ端子とＮ側モジュール
５のコレクタ端子は、前述した接続導体８Ａと同様に幅
の広い帯板状の共通の出力端子接続導体13で接続されて
いる。

【０００８】正極側コレクタ接続導体11Ａの左端には、
上述した入力導体９の右端が接続され、負極側エミッタ
接続導体12Ａの左端にも、入力導体10の右端が接続され
ている。出力端子接続導体13の左端には、破線で示す出
力線14の右端が接続され、この出力線14の左端は、出力
端子２に接続されている。

【０００９】周知のように、半導体電力変換装置のスイ
ッチングの高速化に伴う主回路の導体のインダクタンス
の影響は、半導体電力変換装置の容量が増えるほど顕著
となる。モジュールを速いスイッチング周波数でスイッ
チングすると、図７において、平滑コンデンサ３とＰ側
モジュール４及びＮ側モジュール５を接続する入力導体
９，10及び各モジュール間を並列に接続する接続導体11
Ａ，12Ａに起因するインダクタンスが特に問題となる。

【００１０】このように構成されたインバータスタック
において、図７に示す直流電圧Ｖが平滑コンデンサ３に
印加されて、Ｐ側モジュール４がオフしＮ側モジュール
５がオンしたとき、電流の変化率がｄｉ／ｄｔとする
と、オフしたＰ側モジュール４のコレクタとエミッタ間
に印加されるサージ電圧は、Ｖｓ＝Ｌ・ｄｉ／ｄｔ＋Ｖ
となる。

【００１１】ここで、電流ｉはモジュール１個分の電流
で、インダクタンスＬはモジュール毎に異なり、平滑コ
ンデンサ３から離れた位置にあるモジュールのインダク
タンスは、モジュール間の並列接続導体のインダクタン
スの影響によって、平滑コンデンサに近い位置のモジュ
ールのインダクタンスに比べて大きくなる。

【００１２】高速のスイッチングモジュールは、電流の
変化率ｄｉ／ｄｔが大きく、これを小さくすることはモ
ジュール本来の目的に反することから、速いスイッチン
グ周波数でスイッチングされる半導体電力変換装置にお
いては、主回路のインダクタンスの低減が求められる。

【００１３】一般に、インバータの容量が比較的小さい
場合には、主回路のインダクタンスで生じた電磁エネル
ギーは、スナバユニットで消費される。この消費された
エネルギーは、スナバ損失となってインバータ回路の効
率を低下させる。また、スイッチング周波数を可聴周波
数の限界である20ｋＨｚ程度まで引き上げて無騒音化す
ることも困難である。したがって、半導体電力変換装置
の容量が増えれば、それだけ低インダクタンス化が要求
される。

【００１４】一方、主回路を構成する部品の定格には制
限があり、インバータの容量が増大するに従い、半導体
モジュールや平滑コンデンサなどの主回路部品を多数直
並列に接続して電圧・電流容量を上げる必要が生じる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】複数の主回路部品を直
並列に接続するうえで、半導体モジュールの冷却と配線
導体に起因するインダクタンスの均等化などの制約があ
るため、主回路を構成するために必要とするインバータ
スタックの外形が大きくなり、その結果、半導体電力変
化装置の外形が大形となる。

【００１６】しかしながら、半導体電力変換装置が設置
される場所の制約から設置スペースが十分確保できない
場合が多く、半導体電力変換装置の主回路の外形はでき
るかぎり減らす必要がある。

【００１７】このように、速いスイッチング周波数でス
イッチングする半導体電力変換装置においては、サージ
過電圧を減らし、、効率の低下と騒音の増加を防ぐため
に、主回路を構成する導体のインダクタンスの低減が必
要となる。同時に、半導体電力変換装置の外形を小形化
するためには、主回路の部品の占める体積を減らすこと
が必要である。ところが、比較的容量の大きい半導体素
子を複数個直列及び並列に接続して使用する場合には、
冷却器への実装等にからむ構造上の制約のため、主回路
のインダクタンスを低減することが困難となっていた。

【００１８】そこで、本発明の目的は、速いスイッチン
グ周波数でスイッチングする半導体電力変換装置におい
て、主回路の導体のインダクタンスを減らし、サージ電
圧を抑制し、さらに、インダクタンスに起因するスナバ
損失による効率の低下を防ぐことができ、また、設置面
積を減らすことのできる半導体電力変換装置を提供する
ことである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、冷却器の両面に複数の半導体素子が列設され、冷却
器に隣接して複数の平滑コンデンサが列設され、半導体
素子と平滑コンデンサを並列に接続する導体が設けられ
た半導体電力変換装置において、列設された隣接する平
滑コンデンサの端子の向きを逆向きとし、半導体素子の
端子と同一高さとしたことを特徴とする。

【００２０】また、請求項２に記載の発明は、冷却器の
両面に複数の半導体素子が列設され、冷却器に隣接して
複数の平滑コンデンサが列設され、半導体素子と平滑コ
ンデンサを並列に接続する導体が設けられた半導体電力
変換装置において、平滑コンデンサの高さを冷却器に取
り付けられた半導体素子の外側の端子間の２分の１と
し、端子側を外向きにして列設したことを特徴とする。

【００２１】また、請求項３に記載の発明は、冷却器の
両面に複数の半導体素子が列設され、冷却器に隣接して
複数の平滑コンデンサが列設され、半導体素子と平滑コ
ンデンサを並列に接続する導体が設けられた半導体電力
変換装置において、平滑コンデンサの両端面に端子を設
け、この両端面の端子間の高さを冷却器に取り付けられ
た半導体素子の外側の端子間の高さと同一にしたことを
特徴とする。

【００２２】さらに、請求項４に記載の発明は、冷却器
の両面に複数の半導体素子が列設され、冷却器に隣接し
て複数の平滑コンデンサが列設され、半導体素子と平滑
コンデンサを並列に接続する導体が設けられた半導体電
力変換装置において、平滑コンデンサの端子の高さを半
導体素子の端子の高さと同一とし、半導体素子及び平滑
コンデンサの端子を絶縁板を介して重ねられた端子板で
接続したことを特徴とする。

【００２３】

【作用】請求項１，請求項２及び請求項３に記載の発明
においては、半導体素子と平滑コンデンサを接続する導
体の長さは、従来の導体に比べて大幅に短縮され、主回
路を構成するために必要な空間が大幅に縮小され、イン
ダクタンスも減少する。

【００２４】さらに、請求項４に記載の発明において
は、平滑コンデンサと半導体素子を接続する導体の長さ
は、従来の導体と比べて大幅に短縮され、主回路を構成
するために必要な空間も大幅に縮小され、隣接する導体
に流れる電流の方向は逆となるので、インダクタンスが
大幅に減少する。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の半導体電力変換装置の一実施
例を図面を参照して説明する。図１は、請求項１に記載
の発明の半導体電力変換装置を示す正面図で、従来の技
術で示した図８に対応する図、図２は、図１の前面図で
同じく図９に対応する図である。なお、図１，図２と同
一部分には、同一符号を付して説明を省く。

【００２６】図１及び図２において、Ｐ側モジュール４
とＮ側モジュール５は、各々３個づつ端子面を外向きに
し極性を揃えて冷却器15の両面に取り付けられている。
Ｐ側モジュール４のエミッタ端子とＮ側モジュール５の
コレクタ端子は、幅の広い帯板状の出力端子接続導体13
で接続されている。

【００２７】また、Ｐ側モジュール４のコレクタ端子
は、図１のＡ−Ａ断面拡大図を示す図６（ａ）に示すよ
うに、出力端子接続導体13の一部を覆うようにＺ字状に
折曲形成された正極側コレクタ接続導体11で並列に接続
されている。Ｎ側モジュール５のエミッタ端子も、同じ
く出力端子接続導体13の一部を覆うように正極側コレク
タ接続導体11と同形の負極側エミッタ接続導体12で並列
に接続されている。出力端子接続導体13は、皿ねじでＰ
側モジュール４に締め付けることで、正極側コレクタ接
続導体11との間隙が最小で耐電圧を維持するように考慮
されている。

【００２８】平滑コンデンサ３は、Ｐ側モジュール４，
Ｎ側モジュール５の端子の高さに対して、端子面が同一
平面になるように、１個づつ反対向きに取付板16に取り
付けられている。直流側の入力端子１Ａ，１Ｂには、各
々二組の接続導体６，７が接続され、これらの接続導体
６，７は、正極側コレクタ接続導体11と同様に、各々幅
の広い帯板状の接続導体８の一部を覆うようにＺ字状に
折曲形成されている。これらの接続導体６，７，８によ
り、８個の平滑コンデンサ３が２個直列かつ４個並列に
接続されている。

【００２９】接続導体６の右端と正極側コレクタ接続導
体11の左端は、二組の正極側入力導体９で接続され、同
様に、接続導体７の右端と負極側エミッタ接続導体12の
左端も、二組の負極側入力導体10で接続されている。こ
れらの正極側入力導体９，負極側入力導体10も、Ｐ側モ
ジュール４，Ｎ側モジュール５と同様に出力端子接続導
体13の一部を覆うように、図示しない縦断面図ではＺ字
状に折曲形成されている。

【００３０】このように構成された半導体電力変換装置
において、Ｐ側モジュール４，Ｎ側モジュール５と平滑
コンデンサ３との相互間距離を減らし、正極側コレクタ
接続導体11，負極側エミッタ接続導体12，接続導体６，
７については、幅を広くし、出力端子接続導体13または
接続導体８の一部を覆うようにＺ字状としていること
で、上下に近接して対向した導体間に流れる電流は、値
が同じで方向が逆向きとなり、これらの導体に起因する
自己インダクタンス及び導体間の相互インダクタンスを
減らすことができる。

【００３１】また、主回路を構成するために必要な、Ｐ
側モジュール４，Ｎ側モジュール５，冷却器15，平滑コ
ンデンサ３の占める全体の外形を、従来のインバータス
タックの構成に比べて小形化することができる。

【００３２】図３は、請求項２に記載の発明の半導体電
力変換装置を示す正面図で、図１に対応する図である。
図３において、平滑コンデンサ３の高さは図１に示した
ものの約２分の１であり、悲端子側取付面が向い合いか
つ端子面がＰ側モジュール４，Ｎ側モジュール５の端子
面と同一平面になるように二分して取付板16Ａに取り付
けられている。同様に、接続導体６Ａ，７Ａ及び接続導
体８Ａにより、８個の平滑コンデンサ３が２個直列かつ
４個並列に接続されている。

【００３３】このように構成された半導体電力変換装置
においては、二組の正極側入力導体９と二組の負極側入
力導体10の長さを短縮できるとともに、正極側、負極側
各々２個の入力導体の長さを等しくすることができるた
め、図１で示した半導体電力変換装置に比べて更にイン
ダクタンスを減らすことができる。

【００３４】次に図４は、請求項３に記載の発明の半導
体電力変換装置を示す正面図で、同じく図１に対応する
図である。図４において、平滑コンデンサ３は、正極側
と負極側の端子が各々両端面に２個づつ両面に突設され
ている。平滑コンデンサ３の両側の端子面は、各々Ｐ側
モジュール４，Ｎ側モジュール５の端子面と同一平面に
なっている。接続導体６Ａ，７Ａ及び接続導体８Ａによ
り、８個の平滑コンデンサ３が２個直列かつ４個並列に
接続されていることも図１と同様である。

【００３５】このように構成された半導体電力変換装置
においては、請求項１に記載の発明の実施例と比較し
て、平滑コンデンサ３の接続個数を減らすことなく、二
組の正極側入力導体９と二組の負極側入力導体10の長さ
を短縮できるとともに、正極側，負極側各々２個の入力
導体の長さを等しくすることができるため、図３で示し
た実施例と同様に、図１で示した半導体電力変化装置に
比べて更にインダクタンスを減らすことができる。

【００３６】次に、図５は、請求項４に記載の発明の半
導体電力変換装置を示す正面図で、図４に対応する図で
ある。図５において、Ｐ側モジュール４のコレクタ端子
及び平滑コンデンサの正極側端子を並列接続する接続導
体６Ｂ，Ｎ側モジュール５のエミッタ端子及び平滑コン
デンサの負極側端子を並列接続する接続導体７Ｂ、Ｐ側
モジュールのエミッタ端子とＮ側モジュールのコレクタ
端子を並列接続する接続導体13Ａ，平滑コンデンサの直
列接続部を並列接続する接続導体８Ｂを、各々表面積の
大きい平板状としている。

【００３７】各導体の間には、図５のＢ部拡大詳細図の
図６（ｂ）に示すように、絶縁板19を挿入した接続ユニ
ット17を二組備え、これらにより各端子を一括接続す
る。なお、平滑コンデンサ３の配置は、図１に示す請求
項１の実施例あるいは図３に示す請求項２に実施例と同
様とすることもできる。

【００３８】このように構成された半導体電力変換装置
においては、請求項１に記載の発明の実施例と比較し
て、二組の正極側入力導体６Ｂと二組の負極側入力導体
７Ｂの長さを短縮できるとともに、導体の表面積を広く
したことによる導体自身の自己インダクタンスが小さく
なり、各導体を絶縁板19を介して積層して近接したこと
による導体間の相互インダクタンスが小さくなることに
より、実効インダクタンスを更に減らすことができる。
さらに、各導体を接続ユニットの形にして部品点数を削
減することができるため、構成が簡素な半導体電力変換
装置を得ることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上、請求項１に記載の発明によれば、
冷却器の両面に複数の半導体素子が列設され、冷却器に
隣接して複数の平滑コンデンサが列設され、半導体素子
と平滑コンデンサを並列に接続する導体が設けられた半
導体電力変換装置において、列設された隣接する平滑コ
ンデンサの端子の向きを逆向きとし、半導体素子の端子
と同一高さとすることで、半導体素子と平滑コンデンサ
を接続する導体の長さを従来の導体に比べて大幅に短縮
し、主回路を構成するために必要な空間を大幅に縮小し
インダクタンスも減少させたので、主回路の導体のイン
ダクタンスを減らし、サージ電圧を抑制し、さらに、イ
ンダクタンスに起因するスナバ損失による効率の低下を
防ぐことができ、また、設置面積を減らすことのできる
半導体電力変換装置を提供することができる。

【００４０】また、請求項２に記載の発明によれば、冷
却器の両面に複数の半導体素子が列設され、冷却器に隣
接して複数の平滑コンデンサが列設され、半導体素子と
平滑コンデンサを並列に接続する導体が設けられた半導
体電力変換装置において、平滑コンデンサの高さを冷却
器に取り付けられた半導体素子の外側の端子間の２分の
１とし、端子側を外向きにして列設することで、半導体
素子と平滑コンデンサを接続する導体の長さを従来の導
体に比べて大幅に短縮し、主回路を構成するために必要
な空間を大幅に縮小しインダクタンスも減少させたの
で、主回路の導体のインダクタンスを減らし、サージ電
圧を抑制し、さらに、インダクタンスに起因するスナバ
損失による効率の低下を防ぐことができ、また、設置面
積を減らすことのできる半導体電力変換装置を提供する
ことができる。

【００４１】また、請求項３に記載の発明によれば、冷
却器の両面に複数の半導体素子が列設され、冷却器に隣
接して複数の平滑コンデンサが列設され、半導体素子と
平滑コンデンサを並列に接続する導体が設けられた半導
体電力変換装置において、平滑コンデンサの両端面に端
子を設け、この両端面の端子間の高さを冷却器に取り付
けられた半導体素子の外側の端子間の高さと同一とする
ことで、半導体素子と平滑コンデンサを接続する導体の
長さを従来の導体に比べて大幅に短縮し、主回路を構成
するために必要な空間を大幅に縮小しインダクタンスも
減少させたので、主回路の導体のインダクタンスを減ら
し、サージ電圧を抑制し、さらに、インダクタンスに起
因するスナバ損失による効率の低下を防ぐことができ、
また、設置面積を減らすことのできる半導体電力変換装
置を提供することができる。

【００４２】さらに、請求項４に記載の発明によれば、
冷却器の両面に複数の半導体素子が列設され、冷却器に
隣接して複数の平滑コンデンサが列設され、半導体素子
と平滑コンデンサを並列に接続する導体が設けられた半
導体電力変換装置において、平滑コンデンサの端子の高
さを半導体素子の端子の高さと同一とし、半導体素子及
び平滑コンデンサの端子を絶縁板を介して重ねられた端
子板で接続することで、平滑コンデンサと半導体素子を
接続する導体の長さを従来の導体と比べて大幅に短縮
し、主回路を構成するために必要な空間も大幅に縮小
し、隣接する導体に流れる電流の方向を逆としたので、
主回路の導体のインダクタンスを減らし、サージ電圧を
抑制し、さらに、インダクタンスに起因するスナバ損失
による効率の低下を防ぐことができ、また、設置面積を
減らすことのできる半導体電力変換装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に記載の発明の半導体電力変換装置の
一実施例を示す正面図。

【図２】図１の前面図。

【図３】請求項２に記載の発明の半導体電力変換装置の
一実施例を示す正面図。

【図４】請求項３に記載の発明の半導体電力変換装置の
一実施例を示す正面図。

【図５】請求項４に記載の発明の半導体電力変換装置の
一実施例を示す正面図。

【図６】（ａ）は、図１のＡ−Ａ断面拡大図、（ｂ）
は、図５のＢ部拡大詳細図。

【図７】従来の半導体電力変換装置の一例を示す接続
図。

【図８】従来の半導体電力変換装置の一例を示す正面
図。

【図９】図８の前面図。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ…入力端子、２…出力端子、３…平滑コンデ
ンサ、４…Ｐ側モジュール、５…Ｎ側モジュール、６，
６Ａ，６Ｂ，６Ｃ；７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ；８，８Ａ，
８Ｂ…接続導体、９，９Ａ；10，10Ａ…入力導体、11，
11Ａ…正極側コレクタ接続導体、12，12Ａ…負極側エミ
ッタ接続導体、13，13Ａ…出力端子接続導体、14…出力
線、15…冷却器、16，16Ａ…取付板、17…接続ユニッ
ト、19…絶縁板。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却器の両面に複数の半導体素子が列設
   され、前記冷却器に隣接して複数の平滑コンデンサが列
   設され、前記半導体素子と前記平滑コンデンサを並列に
   接続する導体が設けられた半導体電力変換装置におい
   て、前記列設された隣接する平滑コンデンサの端子の向
   きを逆向きとし、前記半導体素子の端子と同一高さとし
   たことを特徴とする半導体電力変換装置。
2. 【請求項２】 冷却器の両面に複数の半導体素子が列設
   され、前記冷却器に隣接して複数の平滑コンデンサが列
   設され、前記半導体素子と前記平滑コンデンサを並列に
   接続する導体が設けられた半導体電力変換装置におい
   て、前記平滑コンデンサの高さを前記冷却器に取り付け
   られた前記半導体素子の外側の端子間の２分の１とし、
   端子側を外向きにして列設したことを特徴とする半導体
   電力変換装置。
3. 【請求項３】 冷却器の両面に複数の半導体素子が列設
   され、前記冷却器に隣接して複数の平滑コンデンサが列
   設され、前記半導体素子と前記平滑コンデンサを並列に
   接続する導体が設けられた半導体電力変換装置におい
   て、前記平滑コンデンサの両端面に端子を設け、この両
   端面の端子間の高さを前記冷却器に取り付けられた前記
   半導体素子の外側の端子間の高さと同一にしたことを特
   徴とする半導体電力変換装置。
4. 【請求項４】 冷却器の両面に複数の半導体素子が列設
   され、前記冷却器に隣接して複数の平滑コンデンサが列
   設され、前記半導体素子と前記平滑コンデンサを並列に
   接続する導体が設けられた半導体電力変換装置におい
   て、前記平滑コンデンサの端子の高さを前記半導体素子
   の端子の高さと同一とし、前記半導体素子及び前記平滑
   コンデンサの端子を絶縁板を介して重ねられた端子板で
   接続したことを特徴とする半導体電力変換装置。