JP7331497B2 - power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置に関し、特に、電解コンデンサを備えた電力変換装置に適用して有効な技術に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a power converter, and more particularly to a technique effectively applied to a power converter having electrolytic capacitors.
SiC,GaNと言った次世代パワー半導体(ワイドバンドギャップ半導体)の量産化のみならず、Siパワー半導体の性能向上によって、ターンオン・ターンオフにおけるスイッチング特性は高速化、低損失化し、電力変換装置やインバータ装置においては著しく小型化されている。
また、自動車の電化など、これまでインバータ装置が適用されていなかった産業にも適用されることが増えてきており、インバータ装置は優れた耐環境性能(防塵,防水)が求められるようになってきた。例えば、従来から防水仕様のインバータ装置は発売されていたが、より過酷な環境に設置されるために、密閉構造を採用する製品も増えてきている。このような密閉構造のインバータ装置の場合、筐体内に構成部品をコンパクトに収納することや、様々な部品損失に起因する発熱を装置内で如何にして冷却すること、が重要な課題となっている。
In addition to the mass production of next-generation power semiconductors (wide bandgap semiconductors) such as SiC and GaN, improvements in the performance of Si power semiconductors have resulted in faster turn-on/turn-off switching characteristics and lower loss, which has led to power converters and inverters. The device is significantly miniaturized.
In addition, the use of inverters in industries where inverters have not been applied is increasing, such as the electrification of automobiles, and inverters are now required to have excellent environmental resistance (dust and water resistance). Ta. For example, waterproof inverter devices have been on the market for some time, but the number of products adopting a sealed structure is increasing because they are installed in harsher environments. In the case of such a closed-structure inverter device, the important issues are how to compactly store the components in the housing and how to cool the heat generated by the loss of various parts inside the device. there is
特許文献1には、小さな密閉構造のユニット内に構成部品を収納するために、並列接続したコンデンサを横置きに配置することで、薄いユニット構造を実現している。そして、密閉構造のユニット内に収納することでコンデンサの冷却も必要となるため、コンデンサを冷却器に接触させることで冷やすことも提案されている。
一方、コンデンサを横置きにすると、パワー半導体までの距離が長くなること、ラミネート構造を実現し難いことから、配線インダクタンスが増加してしまう課題もある。この課題に対しては、複数のコンデンサを直列接続したコンデンサ部をラミネート構造化することで低インダクタンス化を実現する方法が特許文献2に提案されている。
そこで、本発明者らは、簡単な構成で、低インダクタンス化を実現する方法について検討し、本発明をなした。
In
On the other hand, placing the capacitor horizontally increases the distance to the power semiconductor and makes it difficult to realize a laminate structure, which increases the wiring inductance. To solve this problem,
Accordingly, the present inventors have studied a method for achieving low inductance with a simple configuration, and have completed the present invention.
本発明の目的は、電力変換装置の薄型化を図りつつ、簡単な構成で、低インダクタンス化を図ることが可能な技術を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a technology capable of achieving low inductance with a simple configuration while achieving a reduction in the thickness of a power conversion device.
本発明の一態様に係る電力変換装置は、制御外部端子、正極外部端子及び負極外部端子を有し、かつ制御外部端子に入力される制御信号により正極外部端子及び負極外部端子間の電気的接続をオン・オフするスイッチング素子を有する半導体装置と、各々の長手方向を第1方向に揃えた状態で第1方向と直交する第2方向に沿って配列され、かつ中間導電部材で直列接続された複数のコンデンサを有するコンデンサユニットと、半導体装置の正極外部端子及びコンデンサユニットの一方の端子と電気的に接続された正極導電部材と、半導体装置の負極外部端子及びコンデンサユニットの他方の端子と電気的に接続された負極導電部材と、を備えている。
そして、半導体装置、正極導電部材及び負極導電部材は、第2方向において、コンデンサユニットの中間導電部材側に配置され、中間導電部材、正極導電部材及び負極導電部材は、第1方向及び第2方向と直交する第3方向において、電気的に分離された状態で積層されている。
A power converter according to an aspect of the present invention has a control external terminal, a positive electrode external terminal, and a negative electrode external terminal, and an electrical connection between the positive electrode external terminal and the negative electrode external terminal is established by a control signal input to the control external terminal. a semiconductor device having a switching element for turning on and off; and a semiconductor device arranged along a second direction orthogonal to the first direction with the longitudinal direction aligned with the first direction, and connected in series with an intermediate conductive member a capacitor unit having a plurality of capacitors; a positive conductive member electrically connected to the positive external terminal of the semiconductor device and one terminal of the capacitor unit; and electrically connected to the negative external terminal of the semiconductor device and the other terminal of the capacitor unit. and a negative electrode conductive member connected to.
The semiconductor device, the positive conductive member, and the negative conductive member are arranged on the intermediate conductive member side of the capacitor unit in the second direction, and the intermediate conductive member, the positive conductive member, and the negative conductive member are arranged in the first direction and the second direction. are laminated in an electrically isolated state in a third direction perpendicular to the .
本発明によれば、電力変換装置の薄型化を図りつつ、簡単な構成で、低インダクタンス化を図ることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to reduce the inductance with a simple configuration while reducing the thickness of the power converter.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なる場合がある。また、図面相互間においても寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。
また、以下の実施形態では、空間内で互に直交する三方向において、同一平面内で互に直交する第1方向及び第2方向をそれぞれX方向、Y方向とし、第1方向及び第2方向のそれぞれと直交する第3方向をZ方向とする。
An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like may differ from the actual ones. In addition, portions having different dimensional relationships and ratios may also be included between drawings. Further, the embodiments shown below are examples of devices and methods for embodying the technical idea of the present invention. etc. are not specified below.
Further, in the following embodiments, in the three directions that are orthogonal to each other in space, the first direction and the second direction that are orthogonal to each other in the same plane are defined as the X direction and the Y direction, respectively. A third direction orthogonal to each of is defined as the Z direction.
また、本明細書において、「主電極」とは、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)においてエミッタ電極又はコレクタ電極の何れか一方となる電極を意味する。電界効果トランジスタ(FET)や静電誘導トランジスタ(SIT)においてはソース電極又はドレイン電極の何れか一方となる電極を意味する。より具体的には、上記の「一方となる電極」を「第1主電極」として定義すれば、「他方の電極」は「第2主電極」となる。即ち、「第2主電極」とは、IGBTにおいては第1主電極とはならないエミッタ電極又はコレクタ電極の何れか一方となる電極、FET,SITにおいては上記第1主電極とはならないソース電極又はドレイン電極の何れか一方となる電極を意味する。以下の実施形態では、スイッチング素子としてのIGBTに着目して説明するので、エミッタ電極を「第1主電極」、コレクタ電極を「第2主電極」と呼ぶ。 Further, in this specification, the term "main electrode" means an electrode that serves as either an emitter electrode or a collector electrode in an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). In a field effect transistor (FET) or a static induction transistor (SIT), it means an electrode which is either a source electrode or a drain electrode. More specifically, if the "one electrode" is defined as the "first main electrode", the "other electrode" is the "second main electrode". That is, the "second main electrode" is an electrode that is either an emitter electrode or a collector electrode that is not the first main electrode in an IGBT, and a source electrode that is not the first main electrode or a collector electrode in an FET or SIT. It means an electrode that becomes either one of the drain electrodes. In the following embodiments, since the IGBT as a switching element will be focused on, the emitter electrode will be called the "first main electrode" and the collector electrode will be called the "second main electrode".
(第1実施形態)
<電力変換装置>
図1及び図2に示すように、本発明の第1実施形態に係る電力変換装置1は、電力を直流から交流に変換するインバータユニット2と、インバータユニット2に供給される直流電圧を平滑するコンデンサユニット4とを備えている。
<インバータユニット>
図1から図4に示すように、インバータユニット2は、3つの半導体装置10(10u,10v,10w)と、各半導体装置10とコンデンサユニットとを電気的に接続する正極導電部材20及び負極導電部材30とを備えている。正極導電部材20は図1の正極電源ライン8Pに対応し、負極導電部材30は図1の負極電源ライン8Nに対応する。
(First embodiment)
<Power converter>
As shown in FIGS. 1 and 2, the
<Inverter unit>
As shown in FIGS. 1 to 4, the
3つの半導体装置10は、例えば三相誘導電動機9のU相,V相,W相に対応して設けられている。そして、3つの半導体装置10は、図1に示すように、上アーム11aとしてのスイッチング素子Tr1と、下アーム11bとしてのスイッチング素子Tr2とを直列接続した構成になっている。そして、スイッチング素子Tr1には整流素子Di1が並列に逆接続され、スイッチング素子Tr2には整流素子Di2が並列に逆接続されている。すなわち、3つの半導体装置10の各々は、2つのスイッチング素子Tr1及びTr2を直列接続した1レグで構成されている。スイッチング素子Tr1,Tr2及び整流素子Di1,Di2は、例えばSiC、GaNと言ったワイドバンドギャップ半導体からなる基板を主体とする半導体チップで構成されている。
The three
スイッチング素子Tr1は、第2主電極(C)が正極電源ライン8Pと電気的に接続され、第1主電極(E)がスイッチング素子Tr2の第2主電極(C)と電気的に接続されている。スイッチング素子Tr2の第1主電極(E)は、負極電源ライン8Nと電気的に接続されている。整流素子Di1は、アノード電極(A)がスイッチング素子Tr1の第1主電極(E)と電気的に接続され、カソード電極(K)がスイッチング素子Tr1の第2主電極(C)と電気的に接続されている。整流素子Di2は、アノード電極(A)がスイッチング素子Tr2の第1主電極(E)と電気的に接続され、カソード電極(K)がスイッチング素子Tr2の第2主電極(C)と電気的に接続されている。
The switching element Tr1 has a second main electrode (C) electrically connected to the positive
3つの半導体装置10おいて、各々の一方の入力ノード部Nd1は、正極電源ライン8Pと電気的に接続され、各々の他方の入力ノード部Nd2は、負極電源ライン8Nと電気的に接続されている。すなわち、3つの半導体装置10の各々は、正極電源ライン8Pと負極電源ライン8Nとの間において並列に接続されている。
インバータユニット2は、3つの半導体装置10の各々のスイッチング素子Tr1,Tr2にゲート駆動回路から出力されるゲート信号(制御信号)が入力されることにより、各半導体装置10の出力ノード部Nd3から、U相のモータ駆動電流、V相のモータ駆動電流及びW相のモータ駆動電流が三相誘導電動機9のモータ巻線に通電される。
In three
In the
図2に示すように、3つの半導体装置10の各々は、2つのスイッチング素子Tr1,Tr2及び2つの整流素子Di1,Di2を1つの封止体12で封止した2in1タイプのパッケージ構造になっている。そして、3つの半導体装置10の各々は、封止体12の上面側に、正極外部端子13、負極外部端子14、出力外部端子15及び2つの制御外部端子16a,16bをそれぞれ備えている。2つの制御外部端子16a,16b、正極外部端子13、負極外部端子14及び出力外部端子15は、この順で封止体12の長手方向に沿って配列されている。
As shown in FIG. 2, each of the three
正極外部端子13は、図1の入力ノード部Nd1に対応し、スイッチング素子Tr1の第2主電極(C)と電気的に接続されている。負極外部端子14は、図1の出力ノード部Nd2に対応し、スイッチング素子Tr2の第1主電極(E)と電気的に接続されている。出力外部端子15は、図1の出力ノード部Nd3に対応し、スイッチング素子Tr1の第1主電極(E)及びスイッチング素子Tr2の第2主電極(C)と電気的に接続されている。2つの制御外部端子16a及び16bのうち、一方の制御外部端子16aは、図1に示すように、上アーム11aであるスイッチング素子Tr1の制御電極(G)と電気的に接続され(ゲート(G),エミッタ(E)間に)、ゲート駆動回路から出力されるゲート信号(制御信号)が入力される。他方の制御外部端子16bは、下アーム11bであるスイッチング素子Tr2の制御電極(G)と電気的に接続され、ゲート駆動回路から出力されるゲート信号(制御信号)が入力される。すなわち、3つの半導体装置10の各々は、制御外部端子16a,16bに入力される制御信号により、直列接続された2つのスイッチング素子Tr1及びTr2が正極外部端子13及び負極外部端子14間の電気的接続をオン・オフするように構成されている。
The positive
<コンデンサユニット>
図2に示すように、コンデンサユニット4は、各々の長手方向をX方向に揃えた状態でX方向(第1方向)と直交するY方向(第2方向)に沿って配列され、かつ中間導電部材45で直列接続された複数のコンデンサとして例えば2つ電解コンデンサ41a及び41bを有している。2つの電解コンデンサ41a及び41bとしては、これに限定されないが、同一容量で同一形状のものを用いている。電解コンデンサ41a及び41bは、円柱形状からなり、長手方向の一端面に2つの端子として正極コンデンサ端子42P及び負極コンデンサ端子42Nを有する。
<Capacitor unit>
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように、中間導電部材45は、互いに隣り合う2つの電解コンデンサ41a,41bにおいて、一方の電解コンデンサ41aの負極コンデンサ端子42N及び他方の電解コンデンサ41bの正極コンデンサ端子42Pに電気的にかつ機械的に接続され、互いに隣り合う2つの電解コンデンサ41a及び41bを直列接続している。そして、一方の電解コンデンサ41aの正極コンデンサ端子42Pがコンデンサユニット4の一方の端子としての正極ユニット端子4Pとなり、他方の電解コンデンサ41bの負極コンデンサ端子42Nがコンデンサユニット4の他方の端子としての負極ユニット端子4Nとなる。
As shown in FIG. 2, the intermediate
<導電部材、配置>
図2、図4及び図5に示すように、半導体装置10、正極導電部材20及び負極導電部材30を含むインバータユニット2は、X方向において、コンデンサユニット4の中間導電部材45側に配置されている。
図2から図5に示すように、中間導電部材45、正極導電部材20及び負極導電部材30は、X方向及びY方向と直交するZ方向において、電気的に絶縁分離された状態で積層されている。この実施形態において、中間導電部材45、正極導電部材20及び負極導電部材30は、これに限定されないが、例えば下側から中間導電部材45、絶縁体51、正極導電部材20、絶縁体52、負極導電部材30の順で積層されている。
<Conductive member, placement>
As shown in FIGS. 2, 4 and 5, the
As shown in FIGS. 2 to 5, the intermediate
図4に示すように、正極導電部材20は、半導体装置10の正極外部端子13及びコンデンサユニット4の正極ユニット端子4Pと電気的に接続されている。図2に示すように、負極導電部材30は、半導体装置10の負極外部端子14及びコンデンサユニット4の負極ユニット端子4Nと電気的に接続されている。すなわち、コンデンサユニット4は、図1に示すように、正極電源ライン8Pと負極電源ライン8Nとの間に並列接続で挿入されている。
As shown in FIG. 4 , the positive electrode
図3及び図5に示すように、中間導電部材45は、Z方向において、正極導電部材20及び負極導電部材30と重なる第1導電部46と、第1導電部46からZ方向に立ち上がって電解コンデンサ41a,41bの一端面と対向し、かつ電解コンデンサ41aの負極コンデンサ端子42N及び電解コンデンサ41bの正極コンデンサ端子42Pにそれぞれ接続された第2導電部47とを有するL字形で形成されている。第1導電部46は、一方の電解コンデンサ41aの負極コンデンサ端子42Nと他方の電解コンデンサ41bの正極コンデンサ端子42Pとの離間距離よりもY方向に長く延伸し、正極導電部材20及び負極導電部材30と重なる面積を確保している。中間導電部材45は、第2導電部47が一方の電解コンデンサ41aの負極コンデンサ端子42N及び他方の電解コンデンサ41bの正極コンデンサ端子42Pに締結部材によって締結固定されている。
As shown in FIGS. 3 and 5, the intermediate
図3及び図4に示すように、正極導電部材20は、Z方向において中間導電部材45の第1導電部46と重なる重畳領域21aを有し、かつ中間導電部材45よりも面積が大きい板状の正極バッファ部21と、正極バッファ部21のY方向の両端及びX方向のコンデンサユニット4側とは反対側の端の計3つの端からそれぞれ分岐された正極第1分岐部22と、を備えている。また、正極導電部材20は、正極バッファ部21のY方向の両端のうちの正極ユニット端子4P側の端から分岐された正極第2分岐部23を備えている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the positive electrode
正極第2分岐部23は、これに限定されないが、正極バッファ部21から引き出された正極引出し部24と、この正極引出し部24に連結された正極金具25と、外部電源として第1基準電圧(例えば400V×√2)が印加される第1基準電圧印加部26とを有している。この第1基準電圧印加部26に第1基準電圧を印加することにより、正極導電部材20及び正極ユニット端子4Pが第1基準電圧の電位に電位固定される。
The positive electrode
図2及び図3に示すように、負極導電部材30は、Z方向において中間導電部材45の第1導電部46と重なる重畳領域31aを有し、Z方向において正極バッファ部21と重なり、かつ中間導電部材45よりも面積が大きい板状の負極バッファ部31と、正極第1分岐部22に対応して負極バッファ部31の端からそれぞれ分岐された負極第1分岐部32と、を備えている。また、負極導電部材30は、負極バッファ部31のY方向の両端のうちの負極ユニット端子4N側の端から分岐された負極第2分岐部33を備えている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the negative electrode
負極第2分岐部33は、これに限定されないが、負極バッファ部31から引き出された負極引出し部34と、この負極引出し部34に連結された負極金具35と、外部電源として第1基準電圧よりも低い第2基準電圧(例えば0V)が印加される第2基準電圧印加部36とを有している。この第2基準電圧印加部36に第2基準電圧を印加することにより、負極導電部材30及び負極ユニット端子4Nが第2基準電圧の電位に電位固定される。
The negative electrode
図2及び図4に示すように、第1基準電圧印加部26及び第2基準電圧印加部36は、正極バッファ部21及び負極バッファ部31のコンデンサユニット4側に配置されている。そして、第1基準電圧印加部26及び第2基準電圧印加部36は、図5に示すように、中間導電部材45のY方向の延長線上に配置されている。
図2及び図4に示すように、正極第1分岐部22及び負極第1分岐部32の個数は半導体装置10の個数に対応しており、この実施形態では3つの半導体装置10を備えているので、正極第1分岐部22及び負極第1分岐部32をそれぞれ3つ備えている。
As shown in FIGS. 2 and 4 , the first reference
As shown in FIGS. 2 and 4, the number of positive electrode
図2及び図4に示すように、半導体装置10は、正極バッファ部21及び負極バッファ部31の周囲に正極第1分岐部22及び負極第1分岐部32に対応して配置されている。すなわち、半導体装置10は、正極バッファ部21及び負極バッファ部31のY方向の両端側及びX方向のコンデンサユニット4側とは反対側にそれぞれ配置されている。そして、半導体装置10は、正極外部端子13が正極第1分岐部22に電気的にかつ機械的に接続され、負極外部端子14が負極第1分岐部32に電気的にかつ機械的に接続されている。正極外部端子13と正極第1分岐部22との接続、及び負極外部端子14と負極第1分岐部32との接続は、例えば締結部材の締結力によって行われている。
As shown in FIGS. 2 and 4 , the
3つの半導体装置10(10u,10v,10w)のうちの2つの半導体装置10u及び10wは、封止体12の長手方向がX方向に沿うようにして正極バッファ部21及び負極バッファ部31のY方向の両側に配置されている。そして、残りの半導体装置10vは、封止体12の長手方向がY方向に沿うようにしてX方向のコンデンサユニット4側とは反対側に配置されている。
Of the three semiconductor devices 10 (10u, 10v, 10w), two
図4に示すように、正極導電部材20の正極第2分岐部23は、コンデンサユニット4の正極ユニット端子4Pと電気的にかつ機械的に接続されている。正極第2分岐部23の正極引出し部24は、正極金具25の一端側に例えば締結部材によって締結固定され、正極金具25の他端側はコンデンサユニット4の正極ユニット端子4Pに例えば締結部材によって締結固定されている。
また、図2に示すように、負極導電部材30の負極第2分岐部33は、コンデンサユニット4の負極ユニット端子4Nと電気的にかつ機械的に接続されている。負極第2分岐部33の負極引出し部34は負極金具35の一端側に例えば締結部材の締結力によって固定され、負極金具35の他端側はコンデンサユニット4の負極ユニット端子4Nに例えば締結部材によって締結固定されている。
As shown in FIG. 4 , the positive electrode
Further, as shown in FIG. 2 , the negative electrode
<第1実施形態の効果>
次に、この第1実施形態の主要な効果について説明する。
図6に、スイッチング素子Tr1,Tr2のオン・オフ動作時に負極導電部材30の負極バッファ部31を流れる主回路電流の方向(矢印N1)と、コンデンサユニット4の放電時に中間導電部材45の第1導電部46を流れる電流の方向(矢印S1)を示す。また、図7に、スイッチング素子Tr1,Tr2のオン・オフ動作時に正極導電部材20の正極バッファ部21を流れる主回路電流の方向(矢印P1)と、コンデンサユニット4の放電時に中間導電部材45の第1導電部46を流れる電流の方向(矢印S1)を示す。また、図3に矢印P1及び矢印N1を示す。
<Effects of the first embodiment>
Next, main effects of this first embodiment will be described.
6 shows the direction (arrow N1) of the main circuit current flowing through the negative
この第1実施形態に係る電力変換装置1は、第1基準電圧印加部26及び第2基準電圧印加部36に、外部電源の正極及び負極が接続(第1及び第2基準電圧が印加)される。そして、半導体装置10の制御外部端子16a及び16bに制御信号が印加されてスイッチング素子Tr1及びTr2がオン・オフ動作することにより、正極外部端子13と負極外部端子14との間がオン・オフ状態(導通状態/非導通状態)となる。そして、第1基準電圧印加部26から正極導電部材20、半導体装置10及び負極導電部材30を通して第2基準電圧印加部36までの電流経路に主回路電流が流れる。
In the
このとき、第1基準電圧印加部26と、第2基準電圧印加部36とが、正極バッファ部21及び負極バッファ部31のコンデンサユニット4側に配置されているため、Z方向に互いに近接配置された正極バッファ部21及び負極バッファ部31では、主回路電流の流れが相対的に逆になる。すなわち、図3及び図7に示すように、正極バッファ部21での主回路電流は矢印P1の方向に流れ、図3及び図6に示すように、負極バッファ部31での主回路電流は矢印N1の方向に流れる。したがって、正極導電部材20及び負極導電部材30では発生する磁束が相殺されるため、コンデンサユニット4、正極導電部材20、半導体装置10及び負極導電部材30を含む一巡の電流経路における配線インダクタンスを低減することができる。
At this time, since the first reference
また、図6及び図7に示すように、中間導電部材45の第1導電部46では、コンデンサユニット4の放電時に放電電流が矢印S1の方向に流れる。このとき、図7に示すように、第1基準電圧印加部26が中間導電部材45の第1導電部46のY方向の延長線上に配置されているため、正極バッファ部21の重畳領域21aでの主回路電流の流れ方向(矢印P1)と、中間導電部材45の第1導電部46での放電電流の流れ方向(矢印S1)とが相対的に逆になる。また、図6に示すように、第2基準電圧印加部36が中間導電部材45の第1導電部46のY方向の延長線上に配置されているため、負極バッファ部31の重畳領域31aでの主回路電流の流れ方向(矢印N1)と、中間導電部材45の第1導電部46での放電電流の流れ方向(矢印S1)とが相対的に逆になる。したがって、中間導電部材45では発生する磁束が相殺されるため、コンデンサユニット4、正極導電部材20、半導体装置10及び負極導電部材30を含む一巡の電流経路における配線インダクタンスを更に低減することができる。
Further, as shown in FIGS. 6 and 7, in the first
また、この第1実施形態に係る電力変換装置1では、半導体装置10、正極導電部材20及び負極導電部材30が、電解コンデンサ41a,41bの長手方向(X方向)において、コンデンサユニット4の中間導電部材45側に平面的に配置されている。したがって、電力変換装置1は、電解コンデンサ41a,41bの長手方向をZ方向に揃えた場合(Z方向に立てた場合)や、インバータユニット2とコンデンサユニット4とをZ方向に積層配置した場合と比較して、薄型化を図ことができる。
以上のことから、この第1実施形態の電力変換装置1によれば、薄型化を図りつつ、簡単な構成で、低インダクタンス化を図ることができる。
Further, in the
As described above, according to the
この第1実施形態に係る電力変換装置1では、互いに隣り合う2つの電解コンデンサ41a及び41bを直列接続する中間導電部材45がL字形状になっている。このため、一方の電解コンデンサ41aの負極コンデンサ端子42N及び他方の電解コンデンサ41bの正極コンデンサ端子42Pに中間導電部材45の第2導電部47を締結部材で締結固定してコンデンサユニット4を組み立てた後でも、中間導電部材45の第1導電部46に正極導電部材20及び負極導電部材30を容易に重ね合わせることができるため、電力変換装置1の製造における作業効率を向上させることができる。
In the
この第1実施形態に係る電力変換装置1では、コンデンサユニット4のユニット端子4P,4Nから各半導体装置10までの電流経路の途中に、中間導電部材45の第1導電部46、正極導電部材20の正極バッファ部21及び負極導電部材30の負極バッファ部31を積層した積層体が挿入されている。この積層体は、正極バッファ部21及び負極バッファ部31で主回路電流の流れが相対的に逆になるラミネート構造になっている。また、正極バッファ部21の重畳領域21aでの主回路電流の流れ方向(矢印P1)と、中間導電部材45の第1導電部46での放電電流の流れ方向(矢印S1)とが相対的に逆になるラミネート構造になっている。また、負極バッファ部31の重畳領域31aでの主回路電流の流れ方向(矢印N1)と、中間導電部材45の第1導電部46での放電電流の流れ方向(矢印S1)とが相対的に逆になるラミネート構造になっている。このため、この実施形態に係る半導体装置10では、コンデンサユニット4から各半導体装置10までの配線インダクタンスのアンバランスを低減することができる。
In the
この第1実施形態に係る電力変換装置1では、積層された正極バッファ部21及び負極バッファ部31の周囲に3つの半導体装置10が配置されている。このため、この第1実施形態に係る電力変換装置1では、ラミネート構造になっていない正極第1分岐部22及び負極第1分岐部32の配線長を半導体装置10毎に均一にでき、コンデンサユニット4から各半導体装置10までの配線インダクタンスをバランスさせることができる。
In the
近年、SiC、GaNと言ったワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子では、従来以上にスイッチング特性の高速化、低損失化が進むほど、コンデンサユニット4から各半導体装置10までの配線インダクタンスのバラツキが損失のアンバランスの原因となり、過剰な冷却性能が必要となる場合があるため、装置の大型化が懸念される。これに対し、この第1実施形態に係る電力変換装置1では、コンデンサユニット4から各半導体装置10までの配線インダクタンスのアンバランスを低減することができると共に、配線インダクタンスをバランスさせることができるので、SiC、GaNと言ったワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子Tr1,Tr2を内蔵した半導体装置10を用いても、過剰な冷却性能が不要であり、装置の小型化を図ることもできる。
In recent years, in switching elements made of wide bandgap semiconductors such as SiC and GaN, as the switching characteristics have become faster and the loss has been reduced more than before, variations in the wiring inductance from the
(第2実施形態)
この第2実施形態に係る電力変換装置1Aは、前述の実施形態1に係る電力変換装置1と同様に、インバータユニット2及びコンデンサユニット4を備えている。そして、この第2実施形態に係る電力変換装置1Aは、インバータユニット2及びコンデンサユニット4が取り付けられた取付け面61を有する放熱器60を更に備えている。そして、放熱器60は、その取付け面61とは反対側に、X方向に延伸し、かつY方向に所定の間隔をおいて配置された複数の放熱フィン62を有する。
(Second embodiment)
A
この第2実施形態に係る電力変換装置1Aにおいて、3つの半導体装置10(10u,10v,10w)は、放熱フィン62が延伸するX方向に並列されておらず、物理的配置が三角状になっている。したがって、この第2実施形態に係る電力変換装置1Aでは、隣接する2つの放熱フィン62の間の通路に冷却媒体を流すことにより、3つの半導体装置10の各々を均等に冷却することができる。
In the
なお、上述の第1及び第2実施形態に係る電力変換装置では、三相誘導電動機9のU相,V相,W相に対応して3つの半導体装置10(10u,10v,10w)を備えた場合について説明した。しかしながら、本発明は、3つの半導体装置10に限定されるものではなく、本発明は少なくとも1つ以上の半導体装置10を備えた電力変換装置に適用することができるが、2つ及び3つの半導体装置10を備えた場合に特に有用である。
The power converters according to the first and second embodiments described above are provided with three semiconductor devices 10 (10u, 10v, 10w) corresponding to the U-phase, V-phase, and W-phase of the three-
また、上述の第1及び第2実施形態に係る電力変換装置では、導電部材として、中間導電部材45、正極導電部材20及び負極導電部材30をこの順で積層した場合について説明した。しかしながら、本発明は、この積層順に限定されるものではなく、中間導電部材45、正極導電部材20及び負極導電部材30の積層順は特に問わない。
また、上述の第1及び第2実施形態に係る電力変換装置では、コンデンサとして電解コンデンサを備えた場合について説明した。しかしながら、本発明は、電解コンデンサに限定されるものではなく、他のコンデンサを備えた電力変換装置にも適用することができる。
Further, in the power converters according to the first and second embodiments described above, the cases where the intermediate
Further, in the power converters according to the above-described first and second embodiments, a case where an electrolytic capacitor is provided as a capacitor has been described. However, the present invention is not limited to electrolytic capacitors, and can also be applied to power converters with other capacitors.
また、上述の第1及び第2の実施形態に係る電力変換装置では、半導体装置に搭載されるスイッチング素子としてIGBTに着目して説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばスイッチング素子としてMIS型電界効果トランジスタが搭載された半導体装置を有する電力変換装置にも適用することができる。
以上、本発明を上記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
Further, in the power converters according to the above-described first and second embodiments, the IGBTs have been described as the switching elements mounted on the semiconductor devices. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to, for example, a power converter having a semiconductor device equipped with a MIS field effect transistor as a switching element.
Although the present invention has been specifically described above based on the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and can of course be modified in various ways without departing from the scope of the invention.
1 電力変換装置
2 インバータユニット
4 コンデンサユニット
4P 正極ユニット端子
4N 負極ユニット端子
8P 正極電源ライン
8N 負極電源ライン
9 三相誘導電動機
10(10u,10v,10w) 半導体装置
11a 上アーム
11b 下アーム
12 封止体
13 正極外部端子
14 負極外部端子
15 出力外部端子
16a,16b 制御外部端子
20 正極導電部材
21 正極バッファ部
21a 重畳領域
22 正極第1分岐部
23 正極第2分岐部
24 正極引出し部
25 正極金具
26 第1基準電圧印加部
30 負極導電部材
31 負極バッファ部
31a 重畳領域
32 負極第1分岐部
33 負極第2分岐部
34 負極引出し部
35 負極金具
36 第2基準電圧印加部
41a,41b 電解コンデンサ
42P 正極コンデンサ端子
42N 負極コンデンサ端子
45 中間導電部材
46 第1導電部
47 第2導電部
51,52 絶縁体
60 放熱器
61 取付け面
62 放熱フィン
Tr1,Tr2 スイッチング素子
Di1,Di2 整流素子
REFERENCE SIGNS
Claims (8)
各々の長手方向を第1方向に揃えた状態で前記第1方向と直交する第2方向に沿って配列され、かつ中間導電部材で直列接続された複数のコンデンサを有するコンデンサユニットと、
前記半導体装置の前記正極外部端子及び前記コンデンサユニットの一方の端子と電気的に接続された正極導電部材と、
前記半導体装置の前記負極外部端子及び前記コンデンサユニットの他方の端子と電気的に接続された負極導電部材と、を備え、
前記半導体装置、前記正極導電部材及び前記負極導電部材は、前記第1方向において、前記コンデンサユニットの前記中間導電部材側に平面的に配置され、
前記中間導電部材、前記正極導電部材及び前記負極導電部材は、前記第1方向及び第2方向と直交する第3方向において、電気的に分離された状態で積層されていることを特徴とする電力変換装置。 It has a control external terminal, a positive external terminal, and a negative external terminal, and a switching element that turns on/off electrical connection between the positive external terminal and the negative external terminal according to a control signal input to the control external terminal. a semiconductor device;
a capacitor unit having a plurality of capacitors arranged in a second direction orthogonal to the first direction with their longitudinal directions aligned with the first direction and connected in series by an intermediate conductive member;
a positive conductive member electrically connected to the positive external terminal of the semiconductor device and one terminal of the capacitor unit;
a negative electrode conductive member electrically connected to the negative electrode external terminal of the semiconductor device and the other terminal of the capacitor unit;
the semiconductor device, the positive electrode conductive member, and the negative electrode conductive member are arranged planarly on the intermediate conductive member side of the capacitor unit in the first direction;
The intermediate conductive member, the positive electrode conductive member, and the negative electrode conductive member are laminated while being electrically separated in a third direction orthogonal to the first direction and the second direction. conversion device.
前記中間導電部材は、前記第3方向において前記正極導電部材及び前記負極導電部材と重なる第1導電部と、前記第1導電部から前記第3方向に立ち上がって前記コンデンサの一端面と対向し、かつ前記コンデンサの端子に接続された第2導電部とを有することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 The plurality of capacitors have terminals on one end surface in the longitudinal direction,
the intermediate conductive member includes a first conductive portion overlapping the positive electrode conductive member and the negative electrode conductive member in the third direction, and rising from the first conductive portion in the third direction to face one end surface of the capacitor, and a second conductive portion connected to terminals of the capacitor.
前記負極導電部材は、前記第3方向において前記正極バッファ部と重なり、前記中間導電部材よりも面積が大きい板状の負極バッファ部と、前記正極第1分岐部に対応して前記負極バッファ部の端からそれぞれ分岐された負極第1分岐部と、前記負極バッファ部の前記第2方向の両端のうちの前記コンデンサユニットの他方の端子側の端から分岐された負極第2分岐部と、を有し、
前記半導体装置は、前記正極バッファ部及び前記負極バッファ部の周囲に前記正極第1分岐部及び前記負極第1分岐部に対応して配置され、前記正極外部端子が前記正極第1分岐部に接続され、かつ前記負極外部端子が前記負極第1分岐部に接続されていることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 The positive electrode conductive member includes a plate-shaped positive buffer portion overlapping the first conductive portion of the intermediate conductive member in the third direction and having a larger area than the intermediate conductive member, and a positive electrode buffer portion on the capacitor unit side. is a positive electrode first branch portion branched from at least two ends of a total of three ends, ie, the opposite end and both ends in the second direction; a positive electrode second branch branched from one terminal side end of the capacitor unit,
The negative electrode conductive member includes a plate-shaped negative electrode buffer portion overlapping the positive electrode buffer portion in the third direction and having a larger area than the intermediate conductive member, and a plate-shaped negative electrode buffer portion corresponding to the positive electrode first branch portion. a negative electrode first branched portion branched from each end; and a negative electrode second branched portion branched from one of both ends of the negative electrode buffer portion in the second direction on the other terminal side of the capacitor unit. death,
The semiconductor device is arranged around the positive electrode buffer portion and the negative electrode buffer portion corresponding to the positive electrode first branch portion and the negative electrode first branch portion, and the positive electrode external terminal is connected to the positive electrode first branch portion. 3. The power converter according to claim 2, wherein the negative external terminal is connected to the negative first branch.
前記負極導電部材は、前記第1基準電圧よりも低い第2基準電圧が印加される第2基準電圧印加部を更に有し、
前記第1基準電圧印加部及び前記第2基準電圧印加部は、前記正極バッファ部及び前記負極バッファ部の前記コンデンサユニット側に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。 The positive electrode conductive member further has a first reference voltage applying section to which a first reference voltage is applied,
The negative electrode conductive member further has a second reference voltage applying section to which a second reference voltage lower than the first reference voltage is applied,
4. The power conversion device according to claim 3, wherein the first reference voltage application section and the second reference voltage application section are arranged on the capacitor unit side of the positive electrode buffer section and the negative electrode buffer section. .
2つの前記スイッチング素子は、一方の前記スイッチング素子の第2主電極と他方の前記スイッチング素子の第1主電極とが直列接続され、
一方の前記スイッチング素子の第1主電極は、前記正極外部端子と電気的に接続され、
他方の前記スイッチング素子の第2主電極は、前記負極外部端子と電気的に接続されていることを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の電力変換装置。 The semiconductor device has two switching elements,
the two switching elements are connected in series with a second main electrode of one switching element and a first main electrode of the other switching element;
a first main electrode of one of the switching elements is electrically connected to the positive external terminal;
6. The power converter according to claim 1, wherein the second main electrode of the other switching element is electrically connected to the negative external terminal.
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