WO2012032642A1 - パワー半導体モジュール、電力変換装置および鉄道車両 - Google Patents

パワー半導体モジュール、電力変換装置および鉄道車両 Download PDF

Info

Publication number
WO2012032642A1
WO2012032642A1 PCT/JP2010/065561 JP2010065561W WO2012032642A1 WO 2012032642 A1 WO2012032642 A1 WO 2012032642A1 JP 2010065561 W JP2010065561 W JP 2010065561W WO 2012032642 A1 WO2012032642 A1 WO 2012032642A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switching elements
switching
terminal
switching element
clamp diode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2010/065561
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
幸夫 中嶋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to PCT/JP2010/065561 priority Critical patent/WO2012032642A1/ja
Priority to EP10856989.8A priority patent/EP2615733A4/en
Priority to US13/821,417 priority patent/US20130169035A1/en
Priority to CN201080068993.6A priority patent/CN103081332B/zh
Priority to JP2011526742A priority patent/JP4869454B1/ja
Priority to BR112013005702A priority patent/BR112013005702A2/pt
Publication of WO2012032642A1 publication Critical patent/WO2012032642A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L1/00—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles
    • B60L1/02—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles to electric heating circuits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/003—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to inverters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/10—Dynamic electric regenerative braking
    • B60L7/14—Dynamic electric regenerative braking for vehicles propelled by AC motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L9/00—Electric propulsion with power supply external to the vehicle
    • B60L9/16—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using AC induction motors
    • B60L9/18—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using AC induction motors fed from DC supply lines
    • B60L9/22—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using AC induction motors fed from DC supply lines polyphase motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61C—LOCOMOTIVES; MOTOR RAILCARS
    • B61C3/00—Electric locomotives or railcars
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC
    • H02M5/42—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters
    • H02M5/44—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC
    • H02M5/453—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/40—DC to AC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2220/00—Electrical machine types; Structures or applications thereof
    • B60L2220/10—Electrical machine types
    • B60L2220/12—Induction machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2220/00—Electrical machine types; Structures or applications thereof
    • B60L2220/10—Electrical machine types
    • B60L2220/14—Synchronous machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/10—Vehicle control parameters
    • B60L2240/36—Temperature of vehicle components or parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/52—Drive Train control parameters related to converters
    • B60L2240/525—Temperature of converter or components thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/327—Means for protecting converters other than automatic disconnection against abnormal temperatures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device applicable to, for example, a railway vehicle, and more particularly to a power semiconductor module suitable for this type of power conversion device.
  • the three-level power conversion device has four switching elements (first to second) in which diodes are connected in antiparallel as a configuration of one arm (one leg) connected to both terminals of a DC voltage circuit having a neutral point.
  • connection point of the second and third switching elements is connected to the neutral point of the DC voltage source
  • each end of two clamp diodes connected in series is connected It is connected to the connection point of the first and second switching elements and the connection point of the third and fourth switching elements, and the connection point of the two clamp diodes is connected to the neutral point of the DC voltage source.
  • the output current is relatively large, and the number of times of switching as seen from the whole power converter increases, so the amount of heat generated by the entire switching element also increases.
  • a configuration having a high cooling capacity using a technique called boiling cooling in which perfluorocarbon (commonly called fluorinate), which is one of alternative chlorofluorocarbons, is used as a refrigerant is adopted.
  • perfluorocarbon commonly called fluorinate
  • SiC semiconductor silicon carbide
  • SiC semiconductor silicon carbide
  • the temperature gradient on the mounting surface of each switching element is reduced by the powerful cooling function, so that the overtemperature control by the overtemperature sensor is also facilitated.
  • the temperature distribution on the mounting surface of the switching element varies depending on the operation mode of the power conversion device, so a new device is required for overtemperature control.
  • the operation mode of the power conversion device is determined by various operating conditions and operating environments, and cannot be controlled on the device side. For this reason, it is difficult to accurately estimate the temperature distribution of the mounting surface of the switching element in a short time.
  • an SiC semiconductor it is possible to operate at a higher temperature than in the prior art.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a power semiconductor module suitable for use in a three-level power conversion device in which a cooler is simplified.
  • an object of this invention is to provide the power converter device provided with the above power semiconductor modules, and the rail vehicle provided with the above power converter devices.
  • a power semiconductor module is a power semiconductor module applied to a three-level power converter for a railway vehicle, and includes a high potential side DC terminal and an AC terminal.
  • the first and second switching elements connected in series in this order and operated under on / off control, and connected in series in this order between the AC terminal and the low potential side DC terminal and controlled on / off.
  • a first clamp diode having a cathode terminal connected to the interconnection point of the first and second switching elements and an anode terminal connected to the DC intermediate terminal;
  • a second clamp diode having a cathode terminal connected to the DC intermediate terminal and an anode terminal connected to an interconnection point of the first and second switching elements.
  • the first to fourth switching elements and the first and second clamp diodes are formed of a wide bandgap semiconductor, and the first switching element, the first clamp diode, and the second switching element Are arranged in tandem in this order on one side of the element substrate along the direction in which the cooling air flows, and the fourth switching element, the second clamp diode, and the third switching element are arranged in the cooling air.
  • the first temperature relays are arranged in tandem in this order on the other side of the element substrate along the flow direction of the first and fourth switches.
  • the second temperature relay is disposed on the side of the element substrate in the vicinity of the second and third switching elements.
  • the first to fourth switching elements, the first and second clamp diodes, and the first and second temperature relays are housed in a single module.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic functional configuration of a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of each switching element in the leg for one phase shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the arrangement of four switching elements and two clamp diodes arranged on an element substrate on which one cooler is mounted.
  • FIG. 4 is a diagram showing a state of temperature rise in the case of operation pattern 1 (for example, regenerative operation).
  • FIG. 5 is a diagram showing a state of temperature rise in the case of operation pattern 2 (for example, power running operation).
  • FIG. 6 is a diagram for explaining an arrangement position of the external element temperature sensor.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining an arrangement position of the temperature sensor for the inner element.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic functional configuration of a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of each switching element in the leg for one
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a wiring region on the element substrate.
  • FIG. 9 is a diagram showing a main circuit inductance loop in a specific switching mode.
  • FIG. 10 is a diagram showing a main circuit inductance loop different from FIG. 9 in a specific switching mode.
  • FIG. 11 is a diagram showing a main circuit inductance loop different from those in FIGS. 9 and 10 in a specific switching mode.
  • FIG. 12 is a diagram showing a main circuit inductance loop different from those of FIGS. 9, 10 and 11 in a specific switching mode.
  • FIG. 13 is a diagram showing first and second inductance loops on the chip layout diagram according to the present embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram showing the third and fourth inductance loops on the chip layout according to the present embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram showing first and second inductance loops on a chip layout diagram shown as a comparative example.
  • FIG. 16 is a diagram showing third and fourth inductance loop
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic functional configuration of a power conversion device according to an embodiment of the present invention, and shows a configuration example of a power conversion device 90 mounted on a railway vehicle 100.
  • the power conversion device 90 includes a converter circuit 70, a DC voltage circuit 75 having a neutral point, and an inverter circuit 80.
  • the DC voltage circuit 75 has capacitors 7 and 8 connected in series, and three potential ends are formed by one end of each of the capacitors 7 and 8 and a connection point of the capacitors 7 and 8. 70 and the inverter circuit 80 operate as a three-level power converter.
  • the railroad vehicle 100 includes a transformer 65 disposed on the input end side of the power conversion device 90 and connected to the converter circuit 70, and disposed on the output end side of the power conversion device 90 and connected to the inverter circuit 80.
  • An electric motor 66 that receives power supplied from the converter 90 and drives the vehicle is mounted.
  • an induction motor or a synchronous motor is suitable as the electric motor 66.
  • One end of the primary winding of the transformer 65 is connected to the overhead wire 61 via the current collector 62, and the other end is connected to the rail 64 that is a ground potential via the wheel 63.
  • the power supplied from the overhead wire 61 is input to the primary winding of the transformer 65 through the current collector 62, and the power generated in the secondary winding of the transformer 65 is input to the converter circuit 70.
  • Converter circuit 70 includes a U-phase positive arm composed of switching elements 11 and 12 and clamp diode 15, a U-phase negative arm composed of switching elements 13 and 14 and clamp diode 16, switching elements 21 and 22 and clamp.
  • a V-phase positive arm composed of the diode 25 and a V-phase negative arm composed of the switching elements 23 and 24 and the clamp diode 26 are configured.
  • the switching elements 11, 12, 13, and 14 are connected in series in this order, and the interconnection point of the switching elements 12 and 13 is connected to one end of the transformer 65.
  • the cathode end of the clamp diode 15 is connected to the interconnection point of the switching elements 11 and 12, and the anode end of the clamp diode 15 is the connection point of the capacitors 7 and 8 which are the neutral points of the DC voltage circuit 75 or the connection point. Is connected to the same potential end.
  • the negative arm has the same configuration, the anode end of the clamp diode 16 is connected to the interconnection point of the switching elements 13 and 14, and the cathode end is the neutral point of the DC voltage circuit 75 (the connection point of the capacitors 7 and 8 or This is an end of the same potential as the connection point and is also the anode end of the clamp diode 15).
  • the U-phase positive arm composed of the switching elements 11 and 12 and the clamp diode 15 and the U-phase negative arm composed of the switching elements 13 and 14 and the clamp diode 16 are connected in series.
  • a circuit part (leg) is comprised. This configuration is the same for the V-phase positive arm and the V-phase negative arm, and the converter circuit 70 includes a single-phase bridge circuit having two sets of legs (for U-phase and V-phase). .
  • the converter circuit 70 performs PWM control of the switching elements 11 to 14 and the switching elements 21 to 24, thereby converting the input AC voltage into a desired DC voltage and outputting it to the DC voltage circuit 75. Note that PWM control for the converter circuit 70 is well-known, and a description thereof is omitted here.
  • An inverter circuit 80 is connected to the output terminal of the DC voltage circuit 75.
  • the inverter circuit 80 receives each DC voltage from the capacitors 7 and 8 and converts it into an AC voltage having an arbitrary voltage and an arbitrary frequency.
  • the leg configuration of the inverter circuit 80 is the same as that of the converter circuit 70, and the difference is the number of phases of the leg. That is, the inverter circuit 80 includes a U-phase positive arm composed of the switching elements 31 and 32 and the clamp diode 35, a U-phase negative arm composed of the switching elements 33 and 34 and the clamp diode 36, and the switching elements 41 and 42. And a V-phase positive side arm composed of switching elements 51 and 52 and a clamp diode 55. The arm and the V-phase negative arm composed of the switching elements 53 and 54 and the clamp diode 56 are provided. The inverter circuit 80 is provided with three sets of legs (U-phase, V-phase, and W-phase). Having a three-phase bridge circuit.
  • the inverter circuit 80 performs PWM control on the switching elements 31 to 34, the switching elements 41 to 44, and the switching elements 51 to 54, thereby converting the input DC voltage into a desired AC voltage and outputting it to the electric motor 66.
  • PWM control for the inverter circuit 80 is well-known, and a description thereof is omitted here.
  • FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of each switching element in the leg for one phase shown in FIG.
  • the switching element 1 includes a SiC-MOSFET 92 based on SiC and a SiC-FWD (Fly Wheel Diode) 94 based on SiC in reverse parallel as the switching elements constituting the leg 9. It is an element connected to.
  • the clamp diode 5 is also a diode (SiC-D) formed of SiC. The same applies to the other switching elements 2 to 4 and the clamp diode 6.
  • the four switching elements and the two clamp diodes thus configured constitute a leg for one phase.
  • the leg 9 shown in FIG. 2 is also a structural unit as a power module, and the switching elements 1 to 4 and the clamp diodes 5 and 6 are housed and packaged in one module including a temperature sensor described later. .
  • the terminal drawn from the connection point of the switching elements 2 and 3 forms a U terminal which is an AC terminal, and the terminal drawn from the drain end of the switching element 1 is connected to the high potential side of the DC voltage circuit.
  • a P terminal (high potential side DC terminal) is formed, a terminal drawn from the source end of the switching element 4 forms an N terminal (low potential side DC terminal) connected to the low potential side of the DC voltage circuit, and is clamped Terminals drawn from the connection points of the diodes 5 and 6 form a C terminal (DC intermediate terminal) connected to the neutral point of the DC voltage circuit.
  • output terminals of two temperature sensors which will be described later, are also drawn out from the module, and these terminals are combined with the terminals of the module.
  • FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the arrangement of four switching elements and two clamp diodes arranged on an element substrate 82 on which one cooler is mounted.
  • the reference numerals of the clamp diodes correspond to those shown in FIG.
  • the first switching element, the first clamp diode, and the second switching element are arranged on one side of the element substrate 82 along the direction in which the cooling air flows. Are arranged in a column in this order.
  • the fourth switching element, the second clamp diode, and the third switching element are arranged in tandem in this order on the other side of the element substrate 82 along the direction in which the cooling air flows.
  • the switching elements 1 and 4 are disposed on the windward side with respect to the cooling air, and the switching elements 2 and 3 are disposed on the leeward side.
  • these arrangement relationships may be reversed. That is, the switching elements 1 and 4 may be disposed on the leeward side of the cooling air, and the switching elements 2 and 3 may be disposed on the leeward side of the cooling air.
  • FIG. 3 is characteristic in the element arrangement shown in FIG. 3, as can be understood from the comparison with FIG. 2, the circuit configuration and the element arrangement are different. Such an element arrangement will be described later.
  • FIGS. 4 and 5 are diagrams showing how the temperature rises due to an operation pattern assumed when the power conversion device of the present embodiment is used for, for example, a railway vehicle.
  • FIG. 4 shows operation pattern 1 (for example, regeneration).
  • FIG. 5 shows a state of temperature increase in the case of operation pattern 2 (for example, power running operation).
  • These element substrates 82 exemplify one of the element substrates mounted on the inverter circuit 80 among the element substrates mounted on the converter circuit 70 and the inverter circuit 80 and constituting one leg.
  • the generation loss of the switching elements 1 and 4 is large and the generation loss of the switching elements 2 and 3 is small. That is, among the four switching elements constituting one leg, the switching element (hereinafter referred to as “outer element”) arranged outside the leg is the switching element (hereinafter referred to as “inner element”) arranged inside the leg. Loss) is greater than Therefore, the temperature of the portion where each switching element is mounted (hereinafter referred to as “mounting surface temperature”) is greater for the outer element than for the inner element.
  • the generation loss of the switching elements 2 and 3 is large, and the generation loss of the switching elements 1 and 4 is small. That is, the reverse of the case of FIG. 4, the generated loss of the inner element is larger than that of the outer element, and the mounting surface temperature of the inner element is larger than that of the outer element.
  • one temperature sensor (outer element temperature sensor 86 ⁇ / b> A) is arranged in the vicinity of switching elements 1 and 4 that are outer elements.
  • another temperature sensor (internal element temperature sensor 86B) is arranged in the vicinity of the switching elements 2 and 3 which are internal elements. If the temperature sensor 86A for the external element is arranged at a substantially equidistant position from the switching elements 1 and 4, the temperature gradient from the switching element 1 and the temperature gradient from the switching element 4 at the position are approximately equal. It becomes possible to accurately detect the temperatures of these switching elements 1 and 4. The same applies to the temperature sensor 86B for the inner element, and the temperature of the switching elements 2 and 3 can be accurately detected by disposing the temperature sensor 86B at approximately the same distance from the switching elements 2 and 3.
  • a simple heat dissipation mechanism such as a heat sink using a three-level power conversion device for a railway vehicle, using a SiC semiconductor as each switching element.
  • the operation of each switching element differs depending on the operation mode unique to the railway vehicle, and the temperature gradient on the element substrate as viewed from the entire element substrate increases.
  • the temperature rise of the switching elements 1 and 4 (that is, the external elements) having a large generation loss and a high mounting surface temperature is caused by the external element temperature sensor 86A. It can be detected with high accuracy. This is because the external element temperature sensor 86A is disposed in the vicinity of the switching elements 1 and 4, and thus the temperature gradient between the external element temperature sensor 86A and the switching elements 1 and 4 is small.
  • the temperature rise of the switching elements 2 and 3 (that is, the inner element) having a large generation loss and a high mounting surface temperature is caused by the inner element temperature sensor 86B. It can be detected with high accuracy. Since the internal element temperature sensor 86B is disposed in the vicinity of the switching elements 2 and 3, the temperature gradient between the internal element temperature sensor 86B and the switching elements 2 and 3 is small. Therefore, it is possible to accurately detect the temperature rise of the switching elements 2 and 3.
  • the over-temperature control by the outer element temperature sensor 86A and the inner element temperature sensor 86B may be, for example, processing using the logical sum output of both. That is, when at least one of the outer element temperature sensor 86A and the inner element temperature sensor 86B detects an overtemperature, the overtemperature control of the entire module may be performed.
  • the outer element temperature sensor 86A and the inner element temperature sensor 86B will be described.
  • Some temperature sensors such as a temperature relay, detect that a set value has been reached and open and close the contacts, while others, such as a thermistor, can detect the temperature itself.
  • the temperature sensor assumed in the present embodiment is the former type.
  • the set values set in the outer element temperature sensor 86A and the inner element temperature sensor 86B are set in consideration of a temperature gradient generated between the switching element to be detected and the sensor position. However, in the power conversion device of the present embodiment, each temperature sensor is disposed at a position where the temperature gradient generated between the switching element to be detected becomes small, and thus operates at a temperature deviating from a desired temperature value. The probability is very low.
  • the set values of the outer element temperature sensor 86A and the inner element temperature sensor 86B do not have to be the same, but are generally different. These set values may be determined in consideration of the strength of the cooling air, the direction of the cooling air, the temperature rise pattern of the switching element according to the operation mode of the power converter. In this sense, any one of the switching elements 1 and 4 or the switching elements 2 and 3 may be located on the cooling wind.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a wiring area on the element substrate 82.
  • the temperature sensor 86A for the external element is arranged on the side of the element substrate 82 in the vicinity of the periphery of the external element (switching elements 1 and 4) is for this reason. is there.
  • the temperature sensor 86B for the inner element is arranged on the side of the element substrate 82 in the vicinity region around the inner elements (switching elements 2 and 3).
  • the region on the left side (side portion side) of the clamp diode 5 and the region on the right side (side portion side) of the clamp diode 6 are not included in the wiring region. It is also possible to arrange a sensor. However, the operation modes of the power conversion device shown in FIGS. 4 and 5 are not preferable because the mounting surface temperatures of the switching element 1 and the switching element 2 are different. For example, when a temperature sensor is arranged at a position approximately equidistant from the switching element 1 and the switching element 2 (region on the left side of the clamp diode 5), the temperature in the vicinity of the average value of both is detected. It is difficult to accurately estimate the mounting surface temperature. However, when the mounting surface temperatures of the switching element 1 and the switching element 2 are increased / decreased at the same time, this area is rather a preferable area for arranging the temperature sensor.
  • FIG. 9 to 12 are diagrams for explaining the influence of the main circuit inductance, and show the main circuit inductance loop in the three-level inverter.
  • FIG. 9 shows a first inductance loop passing through the switching element 1 and the clamp diode 5.
  • FIG. 10 shows a second inductance loop that passes through the switching element 1, the switching element 2, the switching element 3, and the clamp diode 6, and
  • FIG. 11 shows a third inductance loop that passes through the switching element 4 and the clamp diode 6.
  • FIG. 12 shows a fourth inductance loop that passes through the switching element 4, the switching element 3, the switching element 2, and the clamp diode 5. Note that these first to fourth inductance loops indicate a path of back electromotive force (L ⁇ di / dt) in a specific switching mode, and do not indicate a current path in a specific switching mode. .
  • FIG. 13 is a diagram showing the first and second inductance loops on the chip layout according to the present embodiment.
  • an arrow indicated by a thick solid line is a path between chips related to the first inductance loop
  • an arrow indicated by a thick broken line is a path between chips related to the second inductance loop. Since the inductance component in each inductance loop is proportional to the loop length, it can be seen that the L component in the first and second inductance loops is set to a minimum value between the chips.
  • FIG. 14 is a diagram showing the third and fourth inductance loops on the chip layout according to the present embodiment.
  • an arrow indicated by a thick solid line is a path between chips related to the third inductance loop
  • an arrow indicated by a thick broken line is a path between chips related to the fourth inductance loop.
  • the loop length between chips in this loop is longer than the loop length between chips in the first inductance loop shown in FIG.
  • the portions indicated by “ ⁇ ” symbols are portions that are turned back, and the inductance components of these portions are cancelled.
  • the inductance component in the third inductance loop is substantially only the portion indicated by the “ ⁇ ” symbol, and the L component in the third inductance loop is set to be as small as possible. I understand. This effect is the same in the fourth inductance loop, and it can be seen that the L component in the fourth inductance loop is also set to be as small as possible.
  • 15 and 16 are chip layout diagrams shown as comparative examples.
  • the four switching elements and two clamp diodes constituting one leg are visually identical to the circuit diagram shown in FIG. 2 and the like. It is arranged to be.
  • an arrow indicated by a thick solid line is a path between chips related to the first inductance loop
  • an arrow indicated by a thick broken line is a path between chips related to the second inductance loop.
  • an arrow indicated by a thick solid line is a path between chips related to the third inductance loop
  • an arrow indicated by a thick broken line is a path between chips related to the fourth inductance loop.
  • switching elements 1 to 4 and clamp diodes 5 and 6 are formed of a wide band gap semiconductor, and switching element 1, clamp diode 5 and switching element 2 are cooled.
  • the switching element 4, the clamp diode 6 and the switching element 3 are arranged in this order on one side of the element substrate 82 along the flow direction of the wind, and are arranged on the other side of the element substrate 82 along the direction of the cooling air flow.
  • the outer element temperature sensor 86A is arranged on the side of the element substrate 82 in the vicinity of the switching elements 1 and 4 and the inner element temperature sensor 86B is in the vicinity of the vicinity of the switching elements 2 and 3.
  • the switching elements 1 to 4 Since the amplifier diodes 5 and 6, the outer element temperature sensor 86A and the inner element temperature sensor 86B are housed in one module, it is suitable for use in a three-level power conversion device with a simplified cooler. The effect that a semiconductor module can be obtained is obtained.
  • FIG. 4 and 5 are diagrams showing a temperature rise in the one-leg element substrate 82 mounted on the inverter circuit 80.
  • the temperature increase in the element substrate 82 mounted on the converter circuit 70 is as follows. The pattern is the reverse of that of the inverter circuit 80. That is, if the temperature rise on the element substrate 82 mounted on the inverter circuit 80 is in the state shown in FIG. 4, the temperature rise on the element substrate 82 mounted on the converter circuit 70 is in the state shown in FIG. On the contrary, if the temperature rise on the element substrate 82 mounted on the inverter circuit 80 is in the state shown in FIG. 5, the temperature rise on the element substrate 82 mounted on the converter circuit 70 is the state shown in FIG. It becomes. Therefore, the method according to the present embodiment can be applied without distinguishing between the inverter circuit and the converter circuit.
  • the SiC-MOSFET is used as the switching element, and the SiC-FWD is used as the diode (FWD) connected in reverse parallel to the switching element.
  • the effect that the chip size can be reduced can be obtained.
  • SiC-FWD since the on-voltage can be reduced, the effect that the recovery loss can be greatly reduced is also obtained. Note that, for example, if a SiC-based Schottky barrier diode (SiC-SBD) is used as the FWD, an effect that recovery loss can be further reduced can be obtained.
  • SiC-SBD SiC-based Schottky barrier diode
  • the SiC semiconductor is an example of a semiconductor referred to as a wide band gap semiconductor.
  • a semiconductor formed using, for example, a gallium nitride material or diamond belongs to the wide band gap semiconductor. Therefore, a configuration using a wide bandgap semiconductor other than the SiC semiconductor also forms the gist of the present invention.
  • the description of the invention is carried out for a power semiconductor module that is assumed to be applied to a railway vehicle.
  • the application field is not limited to this, and various industrial application fields are applied. Needless to say, this is applicable.
  • the power semiconductor module according to the present invention is useful for a three-level power conversion device with a simplified cooler.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

　鉄道車両用の３レベル電力変換装置に適用されるパワー半導体モジュールにおいて、スイッチング素子１～４およびクランプダイオード５，６は、ワイドバンドギャップ半導体により形成され、スイッチング素子１、クランプダイオード５およびスイッチング素子２は、冷却風の流れる方向に沿って素子基板８２の一方側にこの順序で縦列に配置され、スイッチング素子４、クランプダイオード６およびスイッチング素子３は、冷却風の流れる方向に沿って素子基板８２の他方側にこの順序で縦列に配置され、外素子用温度センサ８６Ａは、スイッチング素子１，４周辺の近傍領域における素子基板８２の辺部側に配置され、内素子用温度センサ８６Ｂは、スイッチング素子２，３周辺の近傍領域における素子基板８２の辺部側に配置され、スイッチング素子１～４、クランプダイオード５，６、外素子用温度センサ８６Ａおよび内素子用温度センサ８６Ｂは、１つのモジュール内に収容されて構成される。

Description

パワー半導体モジュール、電力変換装置および鉄道車両
　本発明は、例えば鉄道車両に適用可能な電力変換装置に係り、詳細には、この種の電力変換装置に好適なパワー半導体モジュールに関する。
　鉄道車両用の電力変換装置としては種々のものがあるが、例えば新幹線のようにパワーの必要な用途では、３レベルの電圧レベルで動作する３レベル電力変換装置が用いられることが多い。３レベル電力変換装置は、中性点を有する直流電圧回路の両端子に接続される１アーム（１レグ）の構成として、ダイオードが逆並列に接続されてなる４つのスイッチング素子（第１～第４のスイッチング素子）を直列に接続すると共に、第２、第３のスイッチング素子の接続点を直流電圧源の中性点に接続し、さらに、直列に接続された２つのクランプダイオードの各端を第１、第２のスイッチング素子の接続点と、第３、第４のスイッチング素子の接続点とに接続すると共に、２つのクランプダイオードの接続点を直流電圧源の中性点に接続する構成である（例えば、特許文献１）。
　３レベル電力変換装置では、出力電流も比較的大きく、かつ、電力変換装置全体から見たスイッチング回数も増加するため、スイッチング素子全体の発熱量も大きくなる。このため、３レベル電力変換装置では、例えば代替フロンの一つであるパーフロロカーボン（通称、フロリナート）を冷媒として用いて冷却を行う沸騰冷却と呼ばれる手法を用いた冷却能力の高い構成が採用されることが多い。
特開平１０－２１０７５９号公報
　ところで、最近では、フロンのみならず、代替フロンについても環境に与える影響が大きいとして、これを規制する活動が見られる。特に、欧州では、規制を強化する方向のコンセンサスが得られており、将来的には、代替フロンを用いた電力変換装置は、全く使用できなくなくなるといった状況も想定される。なお、代替フロンを用いた沸騰冷却装置の代替策としては、純水を用いるヒートパイプ装置や、簡単な放熱機構のみを有するヒートシンクなどが考えられている。
　また、最近の技術動向として、高耐圧および低損失の素子であり、且つ、高電流、高温度および高周波での動作が可能であるＳｉＣ（シリコン・カーバイド）をベースとする半導体（以下「ＳｉＣ半導体」という）が注目されている。このＳｉＣ半導体を用いて電力変換装置を構成する場合、特に、高温度での動作が可能であるため、冷却器の構成を簡素化するには格好の材料である。このため、冷却器の簡素化という観点で、ＳｉＣ半導体を用いることに注目が集まることになる。
　ところが、３レベル電力変換装置のような高出力の電力変換装置にＳｉＣ半導体を適用する場合、話がそう簡単ではなかった。というのも、３レベル電力変換装置を鉄道車両用として用いる場合、鉄道車両特有の動作態様、すなわち電動機を駆動動作させて鉄道車両を加速する力行の場合と、電動機を回生動作させて鉄道車両を減速する回生の場合とで、各スイッチング素子の発熱量が大きく異なり、スイッチング素子の取付面における温度勾配が極めて大きくなるからである。
　ここで、沸騰冷却装置を用いる場合、強力な冷却機能により、各スイッチング素子の取付面における温度勾配は小さくなるので、過温度センサによる過温度制御も容易となる。
　一方、例えばヒートシンクなどの簡易な放熱機構を採用する場合、電力変換装置の動作態様によって、スイッチング素子の取付面の温度分布が異なって来るため、過温度制御に新たな工夫が必要となる。ただし、電力変換装置の動作態様は、種々の運転条件や動作環境によって決まるものであり、装置側で制御できるものではない。このため、スイッチング素子の取付面の温度分布を短時間で正確に推定するのは困難である。また、ＳｉＣ半導体を用いる場合には、従来よりも高温動作が可能であるため、発熱量は従来のものよりも極めて大きくなる点にも配慮が必要である。したがって、３レベル電力変換装置のスイッチング素子としてＳｉＣ半導体を使用し、且つ、簡易な放熱機構を採用する場合には、従来手法を単純に適用することでは不十分であり、素子および温度センサを含む新たな素子配置の開示が要請されることになる。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、冷却器を簡素化した３レベル電力変換装置に用いて好適なパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。
　また、本発明は、上記のようなパワー半導体モジュールを備えた電力変換装置および、上記のような電力変換装置を備えた鉄道車両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、本発明に係るパワー半導体モジュールは、鉄道車両用の３レベル電力変換装置に適用されるパワー半導体モジュールにおいて、高電位側直流端子と交流端子との間にこの順序で直列に接続され、オンオフ制御されて動作する第１、第２のスイッチング素子と、前記交流端子と低電位側直流端子との間にこの順序で直列に接続され、オンオフ制御されて動作する第３、第４のスイッチング素子と、カソード端子が前記第１、第２のスイッチング素子の相互接続点に接続され、アノード端子が直流中間端子に接続される第１のクランプダイオードと、カソード端子が前記直流中間端子に接続され、アノード端子が前記第１、第２のスイッチング素子の相互接続点に接続される第２のクランプダイオードと、前記第１および第２のスイッチング素子の過温度検知を行う第１の温度リレーと、前記第３および第４のスイッチング素子の過温度検知を行う第２の温度リレーと、を有し、前記第１～第４のスイッチング素子および前記第１、第２のクランプダイオードは、ワイドバンドギャップ半導体により形成され、前記第１のスイッチング素子、前記第１のクランプダイオードおよび前記第２のスイッチング素子は、冷却風の流れる方向に沿って素子基板の一方側に、この順序で縦列に配置され、前記第４のスイッチング素子、前記第２のクランプダイオードおよび前記第３のスイッチング素子は、前記冷却風の流れる方向に沿って前記素子基板の他方側に、この順序で縦列に配置され、前記第１の温度リレーは、前記第１、第４のスイッチング素子周辺の近傍領域における前記素子基板の辺部側に配置され、前記第２の温度リレーは、前記第２、第３のスイッチング素子周辺の近傍領域における前記素子基板の辺部側に配置され、前記第１～第４のスイッチング素子、前記第１、第２のクランプダイオードおよび前記第１、第２の温度リレーは、１つのモジュール内に収容されて構成されていることを特徴とする。
　本発明によれば、冷却器を簡素化した３レベル電力変換装置に用いて好適なパワー半導体モジュールを提供することができるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の概略の機能構成を示す図である。 図２は、図１に示した１相分のレグにおける各スイッチング素子の細部構成を示す図である。 図３は、一の冷却器を搭載してなる素子基板上に配置された４つのスイッチング素子および２つのクランプダイオードの配置を概略的に示す模式図である。 図４は、運転パターン１（例えば回生動作）による場合の温度上昇の様子を示す図である。 図５は、運転パターン２（例えば力行動作）による場合の温度上昇の様子を示す図である。 図６は、外素子用温度センサの配置位置を説明する図である。 図７は、内素子用温度センサの配置位置を説明する図である。 図８は、素子基板上の配線領域の一例を示す図である。 図９は、特定のスイッチングモード時における主回路インダクタンスループを示す図である。 図１０は、特定のスイッチングモード時における図９とは異なる主回路インダクタンスループを示す図である。 図１１は、特定のスイッチングモード時における図９および図１０とは異なる主回路インダクタンスループを示す図である。 図１２は、特定のスイッチングモード時における図９、図１０および図１１とは異なる主回路インダクタンスループを示す図である。 図１３は、本実施の形態に係るチップ配置図上に第１、第２のインダクタンスループを示した図である。 図１４は、本実施の形態に係るチップ配置図上に第３、第４のインダクタンスループを示した図である。 図１５は、比較例として示すチップ配置図上に第１、第２のインダクタンスループを示した図である。 図１６は、比較例として示すチップ配置図上に第３、第４のインダクタンスループを示した図である。
　まず、本発明の実施の形態に係る電力変換装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の概略の機能構成を示す図であり、鉄道車両１００に搭載される電力変換装置９０の一構成例を示している。図１に示すように、電力変換装置９０は、コンバータ回路７０、中性点を有する直流電圧回路７５およびインバータ回路８０を備えて構成される。なお、直流電圧回路７５は、直列に接続されるコンデンサ７，８を有し、コンデンサ７，８の各一端と、コンデンサ７，８の接続点とにより、３つの電位端が形成され、コンバータ回路７０およびインバータ回路８０は、３レベル電力変換装置として動作する。
　鉄道車両１００には、電力変換装置９０の入力端側に配置されてコンバータ回路７０に接続される変圧器６５および、電力変換装置９０の出力端側に配置されてインバータ回路８０に接続され、電力変換装置９０からの電力供給を受けて車両を駆動する電動機６６が搭載されている。なお、電動機６６としては、誘導電動機や同期電動機が好適である。
　変圧器６５の一次巻線の一端は集電装置６２を介して架線６１に接続され、他端は車輪６３を介して大地電位であるレール６４に接続されている。架線６１から供給される電力は、集電装置６２を介して変圧器６５の一次巻線に入力されるとともに、変圧器６５の二次巻線に生じた電力がコンバータ回路７０に入力される。
　コンバータ回路７０は、スイッチング素子１１，１２およびクランプダイオード１５で構成されるＵ相正側アーム、スイッチング素子１３，１４およびクランプダイオード１６で構成されるＵ相負側アーム、スイッチング素子２１，２２およびクランプダイオード２５で構成されるＶ相正側アームならびに、スイッチング素子２３，２４およびクランプダイオード２６で構成されるＶ相負側アームを備えて構成される。
　スイッチング素子１１，１２，１３，１４は、この順序で直列に接続され、スイッチング素子１２，１３の相互接続点は変圧器６５の一端に接続される。また、クランプダイオード１５のカソード端はスイッチング素子１１，１２の相互接続点に接続され、クランプダイオード１５のアノード端は直流電圧回路７５の中性点であるコンデンサ７，８の接続点もしくは当該接続点と同電位の端に接続される。
　負側アームも同様な構成であり、クランプダイオード１６のアノード端はスイッチング素子１３，１４の相互接続点に接続され、カソード端は直流電圧回路７５の中性点（コンデンサ７，８の接続点もしくは当該接続点と同電位の端であり、クランプダイオード１５のアノード端でもある）に接続される。
　このようにして、スイッチング素子１１，１２およびクランプダイオード１５で構成されるＵ相正側アームと、スイッチング素子１３，１４およびクランプダイオード１６で構成されるＵ相負側アームとは直列に接続された回路部（レグ）を構成する。この構成は、Ｖ相正側アームおよびＶ相負側アームにおいても同様であり、コンバータ回路７０には、２組（Ｕ相分、Ｖ相分）のレグを有する単相ブリッジ回路が構成される。
　コンバータ回路７０は、スイッチング素子１１～１４およびスイッチング素子２１～２４をＰＷＭ制御することで、入力された交流電圧を所望の直流電圧に変換して直流電圧回路７５に出力する。なお、コンバータ回路７０に対するＰＷＭ制御については公知であるため、ここでの説明は省略する。
　直流電圧回路７５の出力端には、コンデンサ７，８による各直流電圧を入力とし、任意電圧および任意周波数の交流電圧に変換し出力するインバータ回路８０が接続されている。
　インバータ回路８０のレグ構成もコンバータ回路７０と同様であり、相違点はレグの相数である。すなわち、インバータ回路８０は、スイッチング素子３１，３２およびクランプダイオード３５で構成されるＵ相正側アーム、スイッチング素子３３，３４およびクランプダイオード３６で構成されるＵ相負側アーム、スイッチング素子４１，４２およびクランプダイオード４５で構成されるＶ相正側アーム、スイッチング素子４３，４４およびクランプダイオード４６で構成されるＶ相負側アーム、スイッチング素子５１，５２およびクランプダイオード５５で構成されるＷ相正側アームならびに、スイッチング素子５３，５４およびクランプダイオード５６で構成されるＶ相負側アームを備えており、インバータ回路８０には、３組（Ｕ相分、Ｖ相分、Ｗ相分）のレグを有する３相ブリッジ回路が構成される。
　インバータ回路８０は、スイッチング素子３１～３４、スイッチング素子４１～４４およびスイッチング素子５１～５４をＰＷＭ制御することで、入力された直流電圧を所望の交流電圧に変換して電動機６６に出力する。なお、インバータ回路８０に対するＰＷＭ制御については公知であるため、ここでの説明は省略する。
　図２は、図１に示した１相分のレグにおける各スイッチング素子の細部構成を示す図である。図２に示すように、レグ９を構成するスイッチング素子として、例えばスイッチング素子１は、ＳｉＣをベースとするＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ９２と、ＳｉＣをベースとするＳｉＣ－ＦＷＤ(Fly Wheel Diode)９４とが逆並列に接続された素子である。また、クランプダイオード５もＳｉＣベースで形成されたダイオード（ＳｉＣ－Ｄ）である。なお、他のスイッチング素子２～４およびクランプダイオード６についても同様であり、このように構成された４つのスイッチング素子と２つのクランプダイオードとにより、１相分のレグが構成される。
　なお、図２に示すレグ９は、パワーモジュールとしての構成単位でもあり、スイッチング素子１～４およびクランプダイオード５，６は後述する温度センサを含め、１のモジュール内に収容されてパッケージ化される。このとき、スイッチング素子２，３の接続点から引き出された端子は交流端子であるＵ端子を形成し、スイッチング素子１のドレイン端から引き出された端子は直流電圧回路の高電位側に接続されるＰ端子（高電位側直流端子）を形成し、スイッチング素子４のソース端から引き出された端子は直流電圧回路の低電位側に接続されるＮ端子（低電位側直流端子）を形成し、クランプダイオード５，６の接続点から引き出された端子は直流電圧回路の中性点に接続されるＣ端子（直流中間端子）を形成する。なお、図２では図示していないが、後述する２つの温度センサの出力端子もモジュール内から引き出され、これらの各端子と併せてモジュールの端子を構成することは言うまでもない。
　図３は、一の冷却器を搭載してなる素子基板８２上に配置された４つのスイッチング素子および２つのクランプダイオードの配置を概略的に示す模式図であり、各スイッチング素子の符号と、各クランプダイオードの符号は、図２に示す符号に対応している。
　図３には空冷用の冷却風が示されているが、第１のスイッチング素子、第１のクランプダイオードおよび第２のスイッチング素子は、冷却風の流れる方向に沿って素子基板８２の一方側に、この順序で縦列に配置されている。また、第４のスイッチング素子、第２のクランプダイオードおよび第３のスイッチング素子は、冷却風の流れる方向に沿って素子基板８２の他方側に、この順序で縦列に配置されている。さらに、この冷却風に対し、スイッチング素子１，４が風上側に配置され、スイッチング素子２，３が風下側に配置されている。ただし、後述する理由で、これらの配置関係は、逆になっても構わない。すなわち、スイッチング素子１，４が冷却風の風下側に配置され、スイッチング素子２，３が冷却風の風上側に配置されていても構わない。
　図３に示す素子配置において特徴的なことは、図２との比較から理解できるように、回路構成と素子配置とが異なることである。なお、このような素子配置にすることについては後述する。
　図４および図５は、本実施の形態の電力変換装置を例えば鉄道車両用として用いる場合に想定される運転パターンによる温度上昇の様子を示す図であり、例えば図４は運転パターン１（例えば回生動作）による場合の温度上昇の様子であり、図５は運転パターン２（例えば力行動作）による場合での温度上昇の様子である。なお、これらの素子基板８２は、コンバータ回路７０およびインバータ回路８０に搭載されて一のレグを構成する素子基板のうち、インバータ回路８０に搭載される素子基板の一つを例示している。
　図４において、運転パターン１では、スイッチング素子１，４の発生損失が大きく、スイッチング素子２，３の発生損失が小さくなる。すなわち、１レグを構成する４つのスイッチング素子のうち、レグの外側に配置されるスイッチング素子（以下「外素子」という）の方が、レグの内側に配置されるスイッチング素子（以下「内素子」という）よりも発生損失が大きくなる。したがって、各スイッチング素子が取り付けられている部分の温度（以下「取付面温度」という）は、外素子の方が内素子よりも大きくなる。
　一方、運転パターン２では、図５に示すように、スイッチング素子２，３の発生損失が大きく、スイッチング素子１，４の発生損失が小さくなる。すなわち、図４の場合と逆であり、外素子よりも内素子の発生損失が大きくなり、取付面温度は、外素子よりも内素子の方が大きくなる。
　そこで、本実施の形態の電力変換装置では、図６および図７に示すように、外素子であるスイッチング素子１，４の近傍領域に一の温度センサ（外素子用温度センサ８６Ａ）を配置すると共に、内素子であるスイッチング素子２，３の近傍領域に他の温度センサ（内素子用温度センサ８６Ｂ）を配置することとしている。なお、外素子用温度センサ８６Ａをスイッチング素子１，４から概略等距離の位置に配置すれば、当該位置におけるスイッチング素子１からの温度勾配とスイッチング素子４からの温度勾配とが概略等しくなるので、これらスイッチング素子１，４の温度を精度よく検出することが可能となる。内素子用温度センサ８６Ｂについても同様であり、スイッチング素子２，３から概略等距離の位置に配置することにより、スイッチング素子２，３の温度を精度よく検出することが可能となる。
　本実施の形態の電力変換装置の場合、上述したように、３レベル電力変換装置を鉄道車両用として用い、且つ、各スイッチング素子としてＳｉＣ半導体を使用し、且つ、ヒートシンクのような簡易な放熱機構を採用することを視野に入れている。このため、鉄道車両特有の動作態様に応じて、各スイッチング素子の動作が異なり、素子基板全体から見た素子基板上の温度勾配は大きくなる。
　しかしながら、運転パターン１の場合、図６に示すように、発生損失が大きく、取付面温度の高くなっているスイッチング素子１，４（すなわち外素子）の温度上昇は、外素子用温度センサ８６Ａによって精度よく検知可能である。なぜなら、外素子用温度センサ８６Ａはスイッチング素子１，４の近傍に配置されているため、外素子用温度センサ８６Ａとスイッチング素子１，４との間の温度勾配は小さいからである。
　一方、運転パターン２の場合、図７に示すように、発生損失が大きく、取付面温度の高くなっているスイッチング素子２，３（すなわち内素子）の温度上昇は、内素子用温度センサ８６Ｂによって精度よく検知可能である。内素子用温度センサ８６Ｂはスイッチング素子２，３の近傍に配置されているため、内素子用温度センサ８６Ｂとスイッチング素子２，３との間の温度勾配は小さく、運転パターン１のときと同様に、スイッチング素子２，３の温度上昇を精度よく検知することが可能となる。なお、これら外素子用温度センサ８６Ａおよび内素子用温度センサ８６Ｂによる過温度制御については、例えば両者の論理和出力を用いた処理とすればよい。すなわち、外素子用温度センサ８６Ａおよび内素子用温度センサ８６Ｂの少なくとも一方が過温度を検知したときに、モジュール全体の過温度制御を行えばよい。
　つぎに、これら外素子用温度センサ８６Ａおよび内素子用温度センサ８６Ｂについて説明する。温度センサには、温度リレーのように設定値になったことを検知して接点を開閉するセンサもあれば、サーミスタのように温度自体を検出できるセンサもある。本実施の形態において想定する温度センサは、前者のタイプである。外素子用温度センサ８６Ａおよび内素子用温度センサ８６Ｂに設定される設定値は、検出対象のスイッチング素子とセンサ位置との間に生ずる温度勾配を考慮して設定される。ただし、本実施の形態の電力変換装置では、検出対象のスイッチング素子との間に生ずる温度勾配が小さくなる位置に各温度センサを配置しているので、所望の温度値から外れた温度で動作する確率は極めて低い。
　なお、外素子用温度センサ８６Ａおよび内素子用温度センサ８６Ｂの各設定値が同一である必要はなく、むしろ異なってくるのが一般的である。これらの設定値は、冷却風の強さ、冷却風の向き、電力変換装置の動作態様に応ずるスイッチング素子の温度上昇パターンなどを考慮して決定すればよい。この意味で、冷却風の風上にスイッチング素子１，４もしくはスイッチング素子２，３のうちの何れのスイッチング素子が位置していても構わない。
　図８は、素子基板８２上の配線領域の一例を示す図である。図８において、ハッチングで示した配線領域８４には、スイッチング素子間の接続配線や、スイッチング素子とクランプダイオードとの接続配線などが配される。このため、配線領域８４に、温度センサを配置することは製造上、難しくなる。図６および図７において、外素子用温度センサ８６Ａを外素子（スイッチング素子１，４）周辺の近傍領域のうち、素子基板８２の辺部側に配置しているのは、この理由によるものである。内素子用温度センサ８６Ｂについても同様であり、内素子（スイッチング素子２，３）周辺の近傍領域のうち、素子基板８２の辺部側に配置している。
　なお、図８を参照すると、クランプダイオード５の左側（辺部側）の領域や、クランプダイオード６の右側（辺部側）の領域は、配線領域には含まれないため、これらの領域に温度センサを配置することも考えられる。しかしながら、図４および図５に示す電力変換装置の動作態様では、スイッチング素子１とスイッチング素子２の取付面温度が異なってくるため好ましくない。例えばスイッチング素子１とスイッチング素子２から概略等距離の位置（クランプダイオード５の左側の領域）に温度センサを配置した場合、両者の平均値近傍の温度が検出されるため、スイッチング素子１，２の取付面温度を正確に推定することは難しくなる。ただし、スイッチング素子１とスイッチング素子２の取付面温度が同時に上昇／下降するような場合、この領域はむしろ、温度センサを配置するのに好ましい領域となる。
　ＳｉＣ半導体を用いる場合の注意点として、高温動作可能なＳｉＣ半導体では発熱量が従来のものよりも極めて大きくなる点について説明したが、ＳｉＣ半導体では、素子の動作がＳｉ半導体よりも高速になる点も見逃せない事実である。３レベル電力変換装置のように、スイッチング素子を直列に接続して駆動する場合においては、スイッチング素子がターンオフするときには、主回路インダクタンス（Ｌ）および電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）に起因して発生するサージ電圧により、特定のスイッチング素子に定格を超える電圧が印加されて素子破壊を招く可能性があることが指摘されている。したがって、３レベル電力変換装置のスイッチング素子にＳｉＣ半導体を用いる場合には、他の電力変換装置に比して主回路インダクタンスを低減することが求められる。
　図９～図１２は、主回路インダクタンスの影響を説明する図であり、３レベルインバータにおける主回路インダクタンスループを示している。ここで、図９は、スイッチング素子１およびクランプダイオード５を通る第１のインダクタンスループである。以下同様に説明すると、図１０は、スイッチング素子１、スイッチング素子２、スイッチング素子３およびクランプダイオード６を通る第２のインダクタンスループであり、図１１は、スイッチング素子４およびクランプダイオード６を通る第３のインダクタンスループであり、図１２は、スイッチング素子４、スイッチング素子３、スイッチング素子２およびクランプダイオード５を通る第４のインダクタンスループである。なお、これら第１～第４のインダクタンスループは、特定のスイッチングモード時における逆起電力（Ｌ・ｄｉ／ｄｔ）の発生経路を示しており、特定のスイッチングモード時における電流経路を示すものではない。
　つぎに、図９～図１２において示したインダクタンスループと、本実施の形態に係る各スイッチング素子およびクランプダイオードのチップ配置との関係を説明する。
　図１３は、本実施の形態に係るチップ配置図上に第１、第２のインダクタンスループを示した図である。図１３において、太実線で示す矢印は第１のインダクタンスループに係るチップ間の経路であり、太破線で示す矢印は第２のインダクタンスループに係るチップ間の経路である。各インダクタンスループにおけるインダクタンス成分は、ループ長に比例するので、これら第１、第２のインダクタンスループにおけるＬ成分は、チップ間では最小値になるように設定されていることが分かる。
　また、図１４は、本実施の形態に係るチップ配置図上に第３、第４のインダクタンスループを示した図である。図１４において、太実線で示す矢印は第３のインダクタンスループに係るチップ間の経路であり、太破線で示す矢印は第４のインダクタンスループに係るチップ間の経路である。太実線で示す第３のインダクタンスループを見ると、このループにおけるチップ間のループ長は、図１３に示す第１のインダクタンスループにおけるチップ間のループ長よりも長くなっている。しかしながら、「○」記号で示した箇所は折り返しになる部分であり、これらの部分のインダクタンス成分はキャンセルされることになる。よって、第３のインダクタンスループにおけるインダクタンス成分は、実質的には「□」記号で示した部分だけとなり、第３のインダクタンスループにおけるＬ成分は、可能な範囲で小さくなるように設定されていることが分かる。この作用は、第４のインダクタンスループにおいても同様であり、第４のインダクタンスループにおけるＬ成分も、可能な範囲で小さくなるように設定されていることが分かる。
　なお、図１５および図１６は、比較例として示すチップ配置図であり、１レグを構成する４つのスイッチング素子および２つのクランプダイオードを図２などに示されている回路図と目視的に同一になるように配置している。
　まず、図１５において、太実線で示す矢印は第１のインダクタンスループに係るチップ間の経路であり、太破線で示す矢印は第２のインダクタンスループに係るチップ間の経路である。図１３との比較から明らかように、第１、第２のインダクタンスループにおけるチップ間のループ長は、図１５に示す方が長くなっている。したがって、第１、第２のインダクタンスループにおけるＬ成分は、本実施の形態の方が小さくなっていることが分かる。
　つぎに、図１６において、太実線で示す矢印は第３のインダクタンスループに係るチップ間の経路であり、太破線で示す矢印は第４のインダクタンスループに係るチップ間の経路である。図１６の場合には、各インダクタンスループにおいて、折り返しになるような部分はない。したがって、図１４との比較から明らかように、折り返し部分を除いたループ長との比較では本実施の形態の方が短くなっており、第３、第４のインダクタンスループにおけるＬ成分も、本実施の形態の方が小さくなっていることが分かる。
　このように、本実施の形態の電力変換装置によれば、スイッチング素子１～４およびクランプダイオード５，６は、ワイドバンドギャップ半導体により形成され、スイッチング素子１、クランプダイオード５およびスイッチング素子２は冷却風の流れる方向に沿って素子基板８２の一方側にこの順序で縦列に配置され、スイッチング素子４、クランプダイオード６およびスイッチング素子３は冷却風の流れる方向に沿って素子基板８２の他方側にこの順序で縦列に配置され、外素子用温度センサ８６Ａはスイッチング素子１，４周辺の近傍領域における素子基板８２の辺部側に配置され、内素子用温度センサ８６Ｂはスイッチング素子２，３周辺の近傍領域における素子基板８２の辺部側に配置されると共に、スイッチング素子１～４、クランプダイオード５，６、外素子用温度センサ８６Ａおよび内素子用温度センサ８６Ｂは１つのモジュール内に収容されて構成されるので、冷却器を簡素化した３レベル電力変換装置に用いて好適なパワー半導体モジュールを得ることができるという効果が得られる。
　なお、図４および図５は、インバータ回路８０に搭載される１レグの素子基板８２における温度上昇の様子を示した図であり、コンバータ回路７０に搭載される素子基板８２での温度上昇は、インバータ回路８０のものとは逆のパターンになる。すなわち、インバータ回路８０に搭載される素子基板８２での温度上昇が図４に示す状態であれば、コンバータ回路７０に搭載される素子基板８２での温度上昇は図５に示す状態となる。これとは逆に、インバータ回路８０に搭載される素子基板８２での温度上昇が図５に示す状態であれば、コンバータ回路７０に搭載される素子基板８２での温度上昇は図４に示す状態となる。したがって、本実施の形態に係る手法は、インバータ回路、コンバータ回路を区別することなく適用可能である。
　なお、本実施の形態では、スイッチング素子としてＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴを使用し、スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオード（ＦＷＤ）としてＳｉＣ－ＦＷＤを使用することとしているので、チップ厚も薄くすることができ、チップサイズを小型化することができるという効果が得られる。
　また、ＳｉＣ－ＦＷＤの場合、オン電圧を低減することができるので、リカバリ損失も大幅に低減することができるという効果も得られる。なお、ＦＷＤとして、例えばＳｉＣベースのショットキーバリアダイオード（ＳｉＣ－ＳＢＤ）を使用すれば、リカバリ損失の更なる低減が可能になるという効果が得られる。
　このため、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴおよびＳｉＣ－ＦＷＤを使用した場合、チップサイズを削減しても、温度上昇を抑制しつつ、損失を低減することができるという効果が得られる。
　なお、ＳｉＣ半導体は、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例であり、このＳｉＣ半導体以外にも、例えば窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属する。したがって、ＳｉＣ半導体以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いる構成も、本発明の要旨を成すものである。
　また、以上の実施の形態に示した構成は、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で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
　さらに、本実施の形態では、鉄道車両への適用を想定したパワー半導体モジュール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、本発明に係るパワー半導体モジュールは、冷却器を簡素化した３レベル電力変換装置に有用である。
　１～４，１１～１４，２１～２４，３１～３４，４１～４４，５１～５４　スイッチング素子
　５，６，１５，１６，２５，２６，３５，３６，４５，４６，５５，５６　クランプダイオード
　７，８　コンデンサ
　９　レグ
　６１　架線
　６２　集電装置
　６３　車輪
　６４　レール
　６５　変圧器
　６６　電動機
　７０　コンバータ回路
　７５　直流電圧回路
　８０　インバータ回路
　８２　素子基板
　８４　配線領域
　８６Ａ　外素子用温度センサ
　８６Ｂ　内素子用温度センサ
　９０　電力変換装置
　１００　鉄道車両

Claims (5)

  1. 　鉄道車両用の３レベル電力変換装置に適用されるパワー半導体モジュールにおいて、
    　高電位側直流端子と交流端子との間にこの順序で直列に接続され、オンオフ制御されて動作する第１、第２のスイッチング素子と、
    　前記交流端子と低電位側直流端子との間にこの順序で直列に接続され、オンオフ制御されて動作する第３、第４のスイッチング素子と、
    　カソード端子が前記第１、第２のスイッチング素子の相互接続点に接続され、アノード端子が直流中間端子に接続される第１のクランプダイオードと、
    　カソード端子が前記直流中間端子に接続され、アノード端子が前記第１、第２のスイッチング素子の相互接続点に接続される第２のクランプダイオードと、
    　前記第１および第２のスイッチング素子の過温度検知を行う第１の温度リレーと、
    　前記第３および第４のスイッチング素子の過温度検知を行う第２の温度リレーと、
    　を有し、
    　前記第１～第４のスイッチング素子および前記第１、第２のクランプダイオードは、ワイドバンドギャップ半導体により形成され、
    　前記第１のスイッチング素子、前記第１のクランプダイオードおよび前記第２のスイッチング素子は、冷却風の流れる方向に沿って素子基板の一方側に、この順序で縦列に配置され、
    　前記第４のスイッチング素子、前記第２のクランプダイオードおよび前記第３のスイッチング素子は、前記冷却風の流れる方向に沿って前記素子基板の他方側に、この順序で縦列に配置され、
    　前記第１の温度リレーは、前記第１、第４のスイッチング素子周辺の近傍領域における前記素子基板の辺部側に配置され、
    　前記第２の温度リレーは、前記第２、第３のスイッチング素子周辺の近傍領域における前記素子基板の辺部側に配置され、
    　前記第１～第４のスイッチング素子、前記第１、第２のクランプダイオードおよび前記第１、第２の温度リレーは、１つのモジュール内に収容されて構成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  2. 　前記第１の温度リレーは、前記第１のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子とから概略等距離の位置に配置され、
    　前記第２の温度リレーは、前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子とから概略等距離の位置に配置されている
    　ことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 　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１または２に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 　高電位側直流端子と交流端子との間にこの順序で直列に接続され、オンオフ制御されて動作する第１、第２のスイッチング素子と、
    　前記交流出力端子と低電位側直流端子との間にこの順序で直列に接続され、オンオフ制御されて動作する第３、第４のスイッチング素子と、
    　カソード端子が前記第１、第２のスイッチング素子の相互接続点に接続され、アノード端子が直流中間端子に接続される第１のクランプダイオードと、
    　カソード端子が前記直流中間端子に接続され、アノード端子が前記第１、第２のスイッチング素子の相互接続点に接続される第２のクランプダイオードと、
    　前記第１および第２のスイッチング素子の過温度検知を行う第１の温度リレーと、
    　前記第３および第４のスイッチング素子の過温度検知を行う第２の温度リレーと、
    　を具備するレグを複数組有し、
    　前記第１～第４のスイッチング素子および前記第１、第２のクランプダイオードは、ワイドバンドギャップ半導体により形成され、
    　前記第１のスイッチング素子、前記第１のクランプダイオードおよび前記第２のスイッチング素子は、冷却風の流れる方向に沿って素子基板の一方側に、この順序で縦列に配置され、
    　前記第４のスイッチング素子、前記第２のクランプダイオードおよび前記第３のスイッチング素子は、前記冷却風の流れる方向に沿って前記素子基板の他方側に、この順序で縦列に配置され、
    　前記第１の温度リレーは、前記第１、第４のスイッチング素子周辺の近傍領域における前記素子基板の辺部側に配置され、
    　前記第２の温度リレーは、前記第２、第３のスイッチング素子周辺の近傍領域における前記素子基板の辺部側に配置され、
    　前記第１～第４のスイッチング素子、前記第１、第２のクランプダイオードおよび前記第１、第２の温度リレーは、前記レグ毎に１つのモジュール内に収容されて構成されていることを特徴とする電力変換装置。
  5. 　入力された直流電圧または交流電圧を所望の交流電圧に変換して出力する電力変換装置と、前記電力変換装置からの電力供給を受けて車両を駆動する電動機と、を備えた鉄道車両において、
    　前記電力変換装置は、
    　高電位側直流端子と交流端子との間にこの順序で直列に接続され、オンオフ制御されて動作する第１、第２のスイッチング素子と、
    　前記交流出力端子と低電位側直流端子との間にこの順序で直列に接続され、オンオフ制御されて動作する第３、第４のスイッチング素子と、
    　カソード端子が前記第１、第２のスイッチング素子の相互接続点に接続され、アノード端子が直流中間端子に接続される第１のクランプダイオードと、
    　カソード端子が前記直流中間端子に接続され、アノード端子が前記第１、第２のスイッチング素子の相互接続点に接続される第２のクランプダイオードと、
    　前記第１および第２のスイッチング素子の過温度検知を行う第１の温度リレーと、
    　前記第３および第４のスイッチング素子の過温度検知を行う第２の温度リレーと、
    　を具備するレグを複数組有し、
    　前記第１～第４のスイッチング素子および前記第１、第２のクランプダイオードは、ワイドバンドギャップ半導体により形成され、
    　前記第１のスイッチング素子、前記第１のクランプダイオードおよび前記第２のスイッチング素子は、冷却風の流れる方向に沿って素子基板の一方側に、この順序で縦列に配置され、
    　前記第４のスイッチング素子、前記第２のクランプダイオードおよび前記第３のスイッチング素子は、前記冷却風の流れる方向に沿って前記素子基板の他方側に、この順序で縦列に配置され、
    　前記第１の温度リレーは、前記第１、第４のスイッチング素子周辺の近傍領域における前記素子基板の辺部側に配置され、
    　前記第２の温度リレーは、前記第２、第３のスイッチング素子周辺の近傍領域における前記素子基板の辺部側に配置され、
    　前記第１～第４のスイッチング素子、前記第１、第２のクランプダイオードおよび前記第１、第２の温度リレーは、前記レグ毎に１つのモジュール内に収容されて構成されていることを特徴とする鉄道車両。
PCT/JP2010/065561 2010-09-09 2010-09-09 パワー半導体モジュール、電力変換装置および鉄道車両 Ceased WO2012032642A1 (ja)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2010/065561 WO2012032642A1 (ja) 2010-09-09 2010-09-09 パワー半導体モジュール、電力変換装置および鉄道車両
EP10856989.8A EP2615733A4 (en) 2010-09-09 2010-09-09 SEMICONDUCTOR CURRENT MODULE, CURRENT CONVERSION DEVICE AND RAIL VEHICLE
US13/821,417 US20130169035A1 (en) 2010-09-09 2010-09-09 Power semiconductor module, power conversion apparatus, and railroad vehicle
CN201080068993.6A CN103081332B (zh) 2010-09-09 2010-09-09 功率半导体模块、电力转换装置及铁路车辆
JP2011526742A JP4869454B1 (ja) 2010-09-09 2010-09-09 パワー半導体モジュール、電力変換装置および鉄道車両
BR112013005702A BR112013005702A2 (pt) 2010-09-09 2010-09-09 módulo de semicondutor de potência, aparelho de conversão de potência, veículo ferroviário

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2010/065561 WO2012032642A1 (ja) 2010-09-09 2010-09-09 パワー半導体モジュール、電力変換装置および鉄道車両

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012032642A1 true WO2012032642A1 (ja) 2012-03-15

Family

ID=45781896

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2010/065561 Ceased WO2012032642A1 (ja) 2010-09-09 2010-09-09 パワー半導体モジュール、電力変換装置および鉄道車両

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20130169035A1 (ja)
EP (1) EP2615733A4 (ja)
JP (1) JP4869454B1 (ja)
CN (1) CN103081332B (ja)
BR (1) BR112013005702A2 (ja)
WO (1) WO2012032642A1 (ja)

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102739069A (zh) * 2012-06-18 2012-10-17 深圳市英威腾电气股份有限公司 一种功率半导体模块以及应用其的电力电子设备
JP2013090427A (ja) * 2011-10-18 2013-05-13 Hitachi Ltd 電力変換装置
CN103107724A (zh) * 2013-01-29 2013-05-15 上海电气集团股份有限公司 一种三电平变流器的模块化结构
JP2013230010A (ja) * 2012-04-26 2013-11-07 Hitachi Ltd 電力変換装置
JP2014014203A (ja) * 2012-07-03 2014-01-23 Mitsubishi Electric Corp 電力変換装置
CN103973131A (zh) * 2013-02-06 2014-08-06 富士电机株式会社 半导体系统
CN104838576A (zh) * 2013-02-06 2015-08-12 富士电机株式会社 半导体装置
WO2016157532A1 (ja) * 2015-04-03 2016-10-06 株式会社 東芝 電力変換装置
WO2016157533A1 (ja) * 2015-04-03 2016-10-06 株式会社 東芝 電力変換装置
JP2017112690A (ja) * 2015-12-15 2017-06-22 株式会社東芝 電力変換装置
JP2017184387A (ja) * 2016-03-29 2017-10-05 東芝三菱電機産業システム株式会社 セルインバータユニット
JP2019092302A (ja) * 2017-11-15 2019-06-13 富士電機株式会社 電力変換装置および鉄道車両用電力変換装置
WO2020250486A1 (ja) * 2019-06-14 2020-12-17 株式会社日立製作所 電力変換装置
JPWO2020137133A1 (ja) * 2018-12-26 2021-10-14 株式会社日立製作所 鉄道車両用の電力変換装置

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103354973B (zh) * 2011-01-31 2016-08-10 三菱电机株式会社 功率转换装置
CN103138595B (zh) * 2011-11-22 2016-05-25 通用电气公司 中点箝位式变流器的控制系统及控制方法
US20140119088A1 (en) * 2012-10-29 2014-05-01 Huawei Technologies Co., Ltd. Three-level inverter and power supply equipment
CN104038085B (zh) * 2013-03-08 2016-07-06 台达电子工业股份有限公司 三电平变流器
JP2015050257A (ja) * 2013-08-30 2015-03-16 株式会社東芝 車両用電力変換装置及び鉄道車両
EP3084952A4 (en) * 2013-12-18 2017-10-11 Otis Elevator Company Bus capacitor bank configuration for a multi-level regenerative drive
CN104270014A (zh) * 2014-07-31 2015-01-07 深圳市英威腾电气股份有限公司 一种三电平大功率模组结构及功率变换装置
US9954409B2 (en) * 2015-07-27 2018-04-24 Ford Global Technologies, Llc Power supply device
US10858911B2 (en) 2015-09-04 2020-12-08 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Bidirectional chopping of high voltage power in high temperature downhole tools to reduce tool size
JP6395166B1 (ja) * 2017-07-10 2018-09-26 三菱電機株式会社 電力変換装置
US10461651B2 (en) * 2017-12-05 2019-10-29 Abb Schweiz Ag Soft-switching power converters using air-core resonant inductor
CN110581534B (zh) * 2018-06-11 2021-08-03 台达电子工业股份有限公司 温度保护电路
WO2020025376A1 (de) * 2018-07-31 2020-02-06 Siemens Aktiengesellschaft Modularer stromrichter
US10651761B2 (en) * 2018-09-14 2020-05-12 Hamilton Sundstrand Corporation Power converters with segregated switch and drive modules
CN114342209A (zh) 2019-09-13 2022-04-12 米沃奇电动工具公司 具有宽带隙半导体的功率转换器
DE102019214719A1 (de) * 2019-09-26 2021-04-01 Bombardier Transportation Gmbh Stromrichter, elektrisches Antriebssystem und Verfahren zum Betrieb eines Stromrichters
CN113381583B (zh) * 2020-03-09 2024-05-31 株洲中车时代电气股份有限公司 一种牵引变流装置
JP7547987B2 (ja) * 2020-12-18 2024-09-10 株式会社村田製作所 電力増幅器
CN113783436B (zh) * 2021-09-27 2023-10-20 广东电网有限责任公司阳江供电局 一种全功率风电变换器及控制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10210759A (ja) 1997-01-17 1998-08-07 Toyo Electric Mfg Co Ltd ３レベルインバータ装置
JPH1189249A (ja) * 1997-09-08 1999-03-30 Mitsubishi Electric Corp ３レベル電力変換装置
JP2003134823A (ja) * 2001-10-16 2003-05-09 Hitachi Ltd 電力変換装置
JP2005287267A (ja) * 2004-03-31 2005-10-13 Mitsubishi Electric Corp 電力変換装置
JP2010098820A (ja) * 2008-10-15 2010-04-30 Toshiba Corp 電力変換装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6747884B2 (en) * 2001-04-13 2004-06-08 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Power converter device
TW200530566A (en) * 2004-03-05 2005-09-16 Hitachi Ind Equipment Sys Method for detecting temperature of semiconductor element and semiconductor power converter
JP4600159B2 (ja) * 2005-06-01 2010-12-15 三菱電機株式会社 ３レベル電力変換装置
WO2009150889A1 (ja) * 2008-06-11 2009-12-17 シャープ株式会社 液晶温度センサー、液晶温度センサーの温度検出方法、液晶装置及び液晶装置の駆動方法
CA2742809C (en) * 2008-11-11 2014-09-09 Pv Powered, Inc. Solar power inverters, including temperature-controlled solar power inverters, and associated systems and methods
WO2010073635A1 (ja) * 2008-12-26 2010-07-01 ダイキン工業株式会社 電力変換装置
KR101410553B1 (ko) * 2010-07-01 2014-06-20 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 파워 반도체 모듈, 전력 변환 장치, 및 철도 차량
DK2456059T3 (en) * 2010-11-17 2018-08-27 Abb Schweiz Ag Switch branch module for a three level converter and method for controlling this switch branch
JP5663450B2 (ja) * 2011-10-18 2015-02-04 株式会社日立製作所 電力変換装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10210759A (ja) 1997-01-17 1998-08-07 Toyo Electric Mfg Co Ltd ３レベルインバータ装置
JPH1189249A (ja) * 1997-09-08 1999-03-30 Mitsubishi Electric Corp ３レベル電力変換装置
JP2003134823A (ja) * 2001-10-16 2003-05-09 Hitachi Ltd 電力変換装置
JP2005287267A (ja) * 2004-03-31 2005-10-13 Mitsubishi Electric Corp 電力変換装置
JP2010098820A (ja) * 2008-10-15 2010-04-30 Toshiba Corp 電力変換装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2615733A4 *

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013090427A (ja) * 2011-10-18 2013-05-13 Hitachi Ltd 電力変換装置
JP2013230010A (ja) * 2012-04-26 2013-11-07 Hitachi Ltd 電力変換装置
CN102739069A (zh) * 2012-06-18 2012-10-17 深圳市英威腾电气股份有限公司 一种功率半导体模块以及应用其的电力电子设备
JP2014014203A (ja) * 2012-07-03 2014-01-23 Mitsubishi Electric Corp 電力変換装置
CN103107724A (zh) * 2013-01-29 2013-05-15 上海电气集团股份有限公司 一种三电平变流器的模块化结构
CN104838576B (zh) * 2013-02-06 2018-02-23 富士电机株式会社 半导体装置
JP2014155287A (ja) * 2013-02-06 2014-08-25 Fuji Electric Co Ltd 半導体装置
CN104838576A (zh) * 2013-02-06 2015-08-12 富士电机株式会社 半导体装置
CN103973131A (zh) * 2013-02-06 2014-08-06 富士电机株式会社 半导体系统
EP2765602B1 (en) * 2013-02-06 2020-09-16 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor system
WO2016157532A1 (ja) * 2015-04-03 2016-10-06 株式会社 東芝 電力変換装置
WO2016157533A1 (ja) * 2015-04-03 2016-10-06 株式会社 東芝 電力変換装置
JP2017112690A (ja) * 2015-12-15 2017-06-22 株式会社東芝 電力変換装置
JP2017184387A (ja) * 2016-03-29 2017-10-05 東芝三菱電機産業システム株式会社 セルインバータユニット
JP2019092302A (ja) * 2017-11-15 2019-06-13 富士電機株式会社 電力変換装置および鉄道車両用電力変換装置
JPWO2020137133A1 (ja) * 2018-12-26 2021-10-14 株式会社日立製作所 鉄道車両用の電力変換装置
JP7072675B2 (ja) 2018-12-26 2022-05-20 株式会社日立製作所 鉄道車両用の電力変換装置
WO2020250486A1 (ja) * 2019-06-14 2020-12-17 株式会社日立製作所 電力変換装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20130169035A1 (en) 2013-07-04
JP4869454B1 (ja) 2012-02-08
BR112013005702A2 (pt) 2016-05-03
EP2615733A1 (en) 2013-07-17
CN103081332A (zh) 2013-05-01
CN103081332B (zh) 2016-06-01
JPWO2012032642A1 (ja) 2013-12-12
EP2615733A4 (en) 2014-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4869454B1 (ja) パワー半導体モジュール、電力変換装置および鉄道車両
JP5970983B2 (ja) 電力変換装置
CN102781712B (zh) 功率半导体模块、电力转换装置及铁路车辆
JP4722229B1 (ja) パワー半導体モジュール、電力変換装置および鉄道車両
CN107148738B (zh) 电力变换装置
JP5822773B2 (ja) 電力変換装置
JP6329944B2 (ja) 絶縁ゲート型半導体素子の制御装置およびそれを用いた電力変換装置
JP6067136B2 (ja) 電力変換装置
US11267351B2 (en) Power conversion device
JP5851267B2 (ja) インバータ及び車両制御装置
JP5933873B1 (ja) 回生コンバータ
JP5546664B2 (ja) パワー半導体モジュール、電力変換装置および鉄道車両
JP5264863B2 (ja) パワー半導体モジュール、電力変換装置および鉄道車両
JP6778160B2 (ja) 電力変換装置及び電力変換方法
She et al. Performance evaluation of 1.5 kV solar inverter with 2.5 kV silicon carbide MOSFET
JP6007578B2 (ja) パワー半導体モジュールおよびその組立方法
JP6690777B2 (ja) 主変換回路、電力変換装置及び移動体
Mookken SiC MOSFETs enable high frequency in high power conversion systems
JP2020014295A (ja) 電力変換装置及び電力変換装置における電流制御方法
JP4808290B1 (ja) パワー半導体モジュール、電力変換装置および鉄道車両
JP2012055101A (ja) 半導体スイッチング装置

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201080068993.6

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011526742

Country of ref document: JP

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10856989

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13821417

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010856989

Country of ref document: EP

REG Reference to national code

Ref country code: BR

Ref legal event code: B01A

Ref document number: 112013005702

Country of ref document: BR

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 112013005702

Country of ref document: BR

Kind code of ref document: A2

Effective date: 20130308