Some content of this application is unavailable at the moment.
If this situation persist, please contact us atFeedback&Contact
1. (WO2019026337) POWER CONVERSION DEVICE, POWER CONVERSION SEMICONDUCTOR ELEMENT MODULE, AND POWER CONVERSION METHOD
Document

明 細 書

発明の名称 電力変換装置、電力変換用半導体素子モジュール及び電力変換方法

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005   0006  

課題を解決するための手段

0007   0008   0009  

発明の効果

0010  

図面の簡単な説明

0011  

発明を実施するための形態

0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044  

産業上の利用可能性

0045  

符号の説明

0046  

請求の範囲

1   2   3   4   5  

図面

1   2   3   4   5   6   7  

明 細 書

発明の名称 : 電力変換装置、電力変換用半導体素子モジュール及び電力変換方法

技術分野

[0001]
 本発明は、電力変換装置、電力変換用半導体素子モジュール及び電力変換方法に関し、特に、鉄道車両用の電力変換装置に適用して好適なものである。

背景技術

[0002]
 鉄道車両用の電力変換装置の一例として直流電力を交流電力へ変換するインバータが存在している。インバータでは、直流電力が印加される入力側のP端子とN端子との間に直列接続された2つの半導体スイッチング素子同士の間の接続点から各相の交流電力を取り出す構成とした3組の半導体素子モジュールを用いて三相の交流電力を生成している(例えば特許文献1参照)。なお、このように構成された半導体素子モジュールを「2in1半導体素子モジュール」ともいう。
[0003]
 従来の電力変換装置では、このような3組の2in1半導体素子モジュール全体に対して1つのフィルタコンデンサが並列となるように外部に接続されている。すなわち、このような従来の電力変換装置では、装置全体のコンデンサを兼ねたフィルタコンデンサのみならず平滑コンデンサも2in1半導体素子モジュールの外部に配置されている。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特開2016-213946号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0005]
 しかしながら、このようにこれらのコンデンサを外部に備える構成では、インバータが装置全体でしか動作できず単体で動作することができない。また、このような構成では、装置そのものが大きくなるとともに重くなることで組み立てにくくなったり取り扱いが困難になる。さらに、前述した2in1半導体素子モジュールとフィルタコンデンサとの間にはある程度の距離が生じてしまい、インダクタンスがゼロでないため、跳ね上がり電圧を原因として2in1半導体素子モジュールが損傷することも考え得る。その対策として、従来の電力変換装置では、絶縁体を2枚の薄板状の導体配線で挟んで構成したラミネートバスバーが必要になっていた。
[0006]
 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、単体での動作を可能としつつ小型化、軽量化及び部品点数の低減が可能な電力変換装置、電力変換用半導体素子モジュール及び電力変換方法を提案しようとするものである。

課題を解決するための手段

[0007]
 かかる課題を解決するため、本発明においては、P端子及びN端子への通電態様に応じてスイッチング制御を行うP側及びN側各半導体スイッチング素子と、前記P側及びN側各半導体スイッチング素子に対してそれぞれ並列に接続された各ダイオードと、直列に接続された前記P側及びN側各半導体スイッチング素子の組み合わせに対して並列に接続された平滑コンデンサと、前記P側及びN側各半導体スイッチング素子、前記各ダイオード及び前記平滑コンデンサを内蔵するパッケージと、を有する電力変換用半導体素子モジュールと、前記P端子及び前記N端子にそれぞれ接続された複数のバスバーと、を備えることを特徴とする。
[0008]
 また、本発明においては、P端子及びN端子への通電態様に応じてスイッチング制御を行うP側及びN側各半導体スイッチング素子と、前記P側及びN側各半導体スイッチング素子に対してそれぞれ並列に接続された各ダイオードと、直列に接続された前記P側及びN側各半導体スイッチング素子の組み合わせに対して並列に接続された平滑コンデンサと、前記P側及びN側各半導体スイッチング素子、前記各ダイオード及び前記平滑コンデンサを内蔵するパッケージと、を備えることを特徴とする。
[0009]
 また、本発明においては、P端子及びN端子への通電態様に応じてP側及びN側各半導体スイッチング素子、及び、前記P側及びN側各半導体スイッチング素子に対してそれぞれ並列に接続された各ダイオードを用いてスイッチング制御を行う際に、直列に接続された前記P側及びN側各半導体スイッチング素子の組み合わせに対してそれぞれ並列に接続されたコンデンサを平滑コンデンサとして作動させ、前記P側及びN側各半導体スイッチング素子、前記各ダイオード及び前記平滑コンデンサを内蔵するパッケージとを備える電力変換用半導体素子モジュールが、前記P端子及び前記N端子にそれぞれ接続された複数のバスバーから電力を出力することを特徴とする。

発明の効果

[0010]
 本発明によれば、単体での動作を可能としつつ小型化、軽量化及び部品点数の低減が可能とすることができる。

図面の簡単な説明

[0011]
[図1] 第1の実施の形態による電力変換装置の外観の一例を示す斜視図である。
[図2] 図1に示す電力変換装置の主回路の構成例を示す回路図である。
[図3] 第2の実施の形態による電力変換装置の外観の一例を示す斜視図である。
[図4] 図3に示す電力変換装置の内部構造の一例を示す斜視図である。
[図5] 第3の実施の形態による電力変換装置の外観の一例を示す斜視図である。
[図6] 図5に示す電力変換装置の内部構造の一例を示す斜視図である。
[図7] 第4の実施の形態による電力変換装置の外観の一例を示す斜視図である。

発明を実施するための形態

[0012]
 以下、図面について、本発明の一実施の形態について詳述する。
[0013]
 (1)第1の実施の形態
 図1は、第1の実施の形態による電力変換装置1の外観の一例を示す斜視図である。電力変換装置1は、例えば鉄道車両に用いられ、一例として直流電力を交流電力へ変換するインバータであるものとして説明する。
[0014]
 電力変換装置1は、入力側としてのP端子P1及びN端子N1に印加された直流電力から、U相、V相及びW相の3組の半導体素子モジュール21,22,23を用いて三相の交流電力を生成し、各相の電力をそれぞれ3本の配線U1,V1,W1(図2参照)から出力する。
[0015]
 この電力変換装置1には、装置全体のコンデンサとしての機能を兼ねたフィルタコンデンサC4が設けられている。このフィルタコンデンサC4の詳細な構成については後述する。
[0016]
 図2は、図1に示す電力変換装置1の主回路の構成例を示す回路図である。上述のように電力変換装置1には、装置全体のコンデンサを兼ねたフィルタコンデンサC4が設けられている。このフィルタコンデンサC4は、その両端が、電力変換装置1に対して並列接続となるように、直流電力が印加される入力側のP端子P1とN端子N1に接続されている。
[0017]
 電力変換装置1の主回路は、主として、P端子P1とN端子N1との間に、P側スイッチング素子Q1、N側スイッチング素子Q2、ダイオードD1,D2及び平滑コンデンサC1が1つのパッケージ内に収容された2in1半導体素子モジュール21と、P側スイッチング素子Q3、N側スイッチング素子Q4、ダイオードD3,D4及び平滑コンデンサC2が1つのパッケージ内に収容された2in1半導体素子モジュール22と、P側スイッチング素子Q5、N側スイッチング素子Q6、ダイオードD5、D6及び平滑コンデンサC3が1つのパッケージ内に収容された2in1半導体素子モジュール23と、を備え、コンデンサC4が設けられている。
[0018]
 P側スイッチング素子Q1にはダイオードD1が逆並列に接続されている一方、N側スイッチング素子Q2にはダイオードD2が逆並列に接続されている。P側スイッチング素子Q3にはダイオードD3が逆並列に接続されている一方、N側スイッチング素子Q4にはダイオードD4が逆並列に接続されている。P側スイッチング素子Q5にはダイオードD5が逆並列に接続されている一方、N側スイッチング素子Q6にはダイオードD6が逆並列に接続されている。
[0019]
 2in1半導体素子モジュール21は、P側スイッチング素子Q1とN側スイッチング素子Q2とが直列に接続されており、その接続点が交流U相(U1)の出力点となる。
[0020]
 2in1半導体素子モジュール22は、P側スイッチング素子Q3とN側スイッチング素子Q4とが直列に接続されており、その接続点が交流V相(V1)の出力点となる。
[0021]
 2in1半導体素子モジュール23は、P側スイッチング素子Q5とN側スイッチング素子Q6とが直列に接続されており、その接続点が交流W相(W1)の出力点となる。
[0022]
 本実施の形態においては、上述のように直列に接続されたP側スイッチング素子Q1及びN側スイッチング素子Q2の組み合わせには平滑コンデンサC1が並列に接続されており、同様に直列に接続されたP側スイッチング素子Q3及びN側スイッチング素子Q4の組み合わせには平滑コンデンサC2が並列に接続されており、さらに同様に直列に接続されたP側スイッチング素子Q5及びN側スイッチング素子Q6の組み合わせには平滑コンデンサC3が並列に接続されている。
[0023]
 電力変換装置1は、2in1半導体素子モジュール21,22,23をP端子P1とN端子N1との間でON/OFFのスイッチング動作することで直流電力を三相交流電力へと変換し、これら三相交流電力をそれぞれ配線U1,V1,W1から出力する。なお、この電力変換装置1は、コンバータとして機能する場合には、U1、V1、W1の三相交流電力を直流電力に変換してP端子P1及びN端子N1に出力する。
[0024]
 以上のような構成によれば、電力変換装置1が、インバータの電力変換部として動作することに加え、従来不可能であった装置単体での動作が可能となる。さらに本実施の形態では、各平滑コンデンサC1,C2,C3をそれぞれ各2in1半導体素子モジュール21,22,23に内蔵させたことにより主回路のインダクタンスがゼロに近くなるため、従来、配線として必要とされたラミネートバスバーが不要となる。これにより、主回路の配線として、いわゆるラミネートバスバーの代わりに、図1に示すように一般的な電線またはバスバーを採用することができる。一方、コンデンサC4は必要容量のみを配置すれば良いため、電力変換装置1の体積及び質量を低減することができる。本実施の形態によれば、電力変換装置1の部品点数を削減できるため生産性が向上し、電力変換装置1を小型化するとともに軽量化できる一方、取り扱いが容易となるため安全性を向上することができる。さらには電力変換装置1全体の小型化及び軽量化にも寄与する。
[0025]
 (2)第2の実施の形態
 第2の実施の形態による電力変換装置は、第1の実施の形態による電力変換装置とほぼ同様の構成及び動作であるため、以下異なる点を中心として説明する。
[0026]
 図3は、第2の実施の形態による電力変換装置1Aの外観の一例を示す斜視図である。なお、図3において破線で接続されている配線は各端子同士が電気的に接続されることを示している。
[0027]
 前述した第1の実施の形態では、コンデンサC4が電力変換装置1に設けられていたが、第2の実施の形態では、コンデンサC4が一定の距離を持って電力変換装置1Aの外部に配置されている。
[0028]
 図3に示すようにコンデンサC4は、半導体素子モジュール21,22,23とは破線で示した配線で電気的に接続されているものの、両者は一定の距離を持って離して配置されている。このようにコンデンサC4を電力変換装置1Aから離れた場所に配置することにより電力変換装置1Aの小型化及び軽量化を図ることができる。
[0029]
 また、コンデンサC4にはP端子P2,P3及びN端子N2,N3の4つの端子が設けられており、前述のようにP端子P1と端子P2とが、破線で示した配線によって接続されている一方、N端子N1と端子N2とが、破線で示した配線によって接続されている。
[0030]
 前述のように電力変換装置1Aから離れた場所にコンデンサC4を配置することは、小型及び軽量化を図ることができるばかりでなく、敢えて配線インダクタンスLを大きくすることにより1/2π×√(1/(L×C))で定義される共振周波数を高調波ノイズと合致させないようにすることができるため、ノイズを低く抑えることができる。
[0031]
 (3)第3の実施の形態
 第3の実施の形態による電力変換装置は、第1の実施の形態による電力変換装置とほぼ同様の構成及び動作であるため、以下異なる点を中心として説明する。
[0032]
 (3-1)比較例として構成
 図4は、比較例としてのコンデンサC4の内部構造の一例を示す斜視図である。なお、図4においては説明に不要な部分の図示を省略している。
[0033]
 前述した図3において右側コンデンサセルC42に接続されている、P端子P1からP端子P2までの配線(図示の破線)は、左側コンデンサセルC41に接続されている、P端子P1からP端子P3までの配線(図示の破線)とは長さが等しくない。一方、前述した図3において右側コンデンサセルC42に接続されている、N端子N1からN端子N2までの配線(図示の破線)は、左側コンデンサセルC41に接続されている、N端子N1からN端子N3までの配線(図示の破線)とは長さが等しくない。
[0034]
 このように半導体素子モジュール21,22,23の配線P1,N1から各コンデンサセルC41,C42までの距離が異なるため、一見すると、距離の短い方のコンデンサセルが劣化し易くなる。そこで本実施の形態では、以下のような構成を採用する。
[0035]
 (3-2)本実施の形態の構成
 図5は、第3の実施の形態による電力変換装置1Bの外観の一例を示す斜視図である。なお、図5において破線で接続されている配線は各端子同士が電気的に接続されることを示している。
[0036]
 この電力変換装置1Bは、前述した図3に示す構成とほぼ同様であるが、コンデンサC4がコンデンサC5に置き替えられている。コンデンサC5には、2つの端子P2,N2が設けられている。
[0037]
 図6は、図5に示す電力変換装置1Bの内部構造の一例を示す斜視図である。本実施の形態による電力変換装置1Bは、図示のようにP端子及びN端子を各1個ずつ設けており、コンデンサ内のセルを並列に配置にして各配線の長さが等しくなるように構成されている。
[0038]
 これに対して、第3の実施の形態では、コンデンサC5が、複数の端子P2,N2のうちの一の端子P2と複数のコンデンサセルC51,C52とを接続する一の配線と、複数の端子P2,N2のうちの他の端子N2と複数のコンデンサセルC51,C52とを接続する他の配線と、を備えており、当該一の配線の長さが当該他の配線の長さとほぼ等しく構成されている。
[0039]
 以上のようにすると、これらP端子P1,P2,P3及びN端子N1,N2,N3に各々接続される半導体素子モジュール21,22,23からの配線の長さが互いに等しくならないことにより生ずる可能性がある電流アンバランスが生じないようにすることができる。
[0040]
 (4)第4の実施の形態
 第4の実施の形態による電力変換装置は、第1の実施の形態による電力変換装置とほぼ同様の構成及び動作であるため、以下異なる点を中心として説明する。なお、第4の実施の形態では、第3の実施の形態と同様な構成が採用された場合の弊害に対処している。
[0041]
 図7は、第4の実施の形態による電力変換装置1Cの外観の一例を示す斜視図である。この電力変換装置1Cでは、半導体素子モジュール21におけるP端子P1とコンデンサC6におけるP端子P2とを結ぶ配線の長さが、半導体素子モジュール22におけるP端子P3とコンデンサC6におけるP端子P4とを結ぶ配線の長さと、及び、半導体素子モジュール23におけるP端子P5とコンデンサC6におけるP端子P6とを結ぶ配線の長さとが等しくなるように構成されている。
[0042]
 さらに、この電力変換装置1Cでは、半導体素子モジュール21におけるN端子N1とコンデンサC6におけるN端子N2とを結ぶ配線の長さが、半導体素子モジュール22におけるN端子N3とコンデンサC6におけるN端子N4とを結ぶ配線の長さと、及び、半導体素子モジュール23におけるN端子N5とコンデンサC6におけるN端子N6とを結ぶ配線の長さとが等しくなるように構成されている。
[0043]
 このような構成とすると、コンデンサC6に複数のP端子P2,P4,P6及びN端子N2,N4,N6が設けられている場合において、これらP端子P1,P2,P3及びN端子N1,N2,N3に各々接続される半導体素子モジュール21,22,23からの配線の長さが互いに等しくならないことにより生ずる可能性がある電流アンバランスが生じないようにすることができる。
[0044]
 (5)その他の実施形態
 上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。例えば、上記実施形態では、各種プログラムの処理をシーケンシャルに説明したが、特にこれにこだわるものではない。従って、処理結果に矛盾が生じない限り、処理の順序を入れ替え又は並行動作するように構成しても良い。また、上記実施形態における各処理ブロックを含むプログラムは、例えばコンピュータが読み取り可能な非一時的記憶媒体に格納されている形態であっても良い。

産業上の利用可能性

[0045]
 本発明は、鉄道車両用の電力変換装置に広く適用することができる。

符号の説明

[0046]
 1,1A,1B,1C……電力変換装置、21,22,23……半導体素子モジュール、41~43(43U,43V,43W)……配線、C4~C6……コンデンサ、D1~D6……ダイオード、N1……(直流)N端子、P1……(直流)P端子、Q1,Q3,Q5……P側スイッチング素子、Q2,Q4,Q6……N側スイッチング素子、U1……(交流)U相配線、V1……(交流)V相配線、W1……(交流)W相配線。

請求の範囲

[請求項1]
 P端子及びN端子への通電態様に応じてスイッチング制御を行うP側及びN側各半導体スイッチング素子と、前記P側及びN側各半導体スイッチング素子に対してそれぞれ並列に接続された各ダイオードと、直列に接続された前記P側及びN側各半導体スイッチング素子の組み合わせに対して並列に接続された平滑コンデンサと、前記P側及びN側各半導体スイッチング素子、前記各ダイオード及び前記平滑コンデンサを内蔵するパッケージと、を有する電力変換用半導体素子モジュールと、
 前記P端子及び前記N端子にそれぞれ接続された複数のバスバーと、
 を備えることを特徴とする電力変換装置。
[請求項2]
 前記P端子と前記N端子との間に、前記P端子及び前記N端子が各々接続される複数の端子を有する外付けコンデンサが接続されることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
[請求項3]
 前記外付けコンデンサは、
 蓄電可能な複数のコンデンサセルと、
 前記複数の端子のうちの一の端子と前記複数のコンデンサセルとを接続する一の配線と、
 前記複数の端子のうちの他の端子と前記複数のコンデンサセルとを接続する他の配線と、を備え、
 前記一の配線の長さが前記他の配線の長さとほぼ等しく構成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。
[請求項4]
 P端子及びN端子への通電態様に応じてスイッチング制御を行うP側及びN側各半導体スイッチング素子と、
 前記P側及びN側各半導体スイッチング素子に対してそれぞれ並列に接続された各ダイオードと、
 直列に接続された前記P側及びN側各半導体スイッチング素子の組み合わせに対して並列に接続された平滑コンデンサと、
 前記P側及びN側各半導体スイッチング素子、前記各ダイオード及び前記平滑コンデンサを内蔵するパッケージと、
 を備えることを特徴とする電力変換用半導体素子モジュール。
[請求項5]
 P端子及びN端子への通電態様に応じてP側及びN側各半導体スイッチング素子、及び、前記P側及びN側各半導体スイッチング素子に対してそれぞれ並列に接続された各ダイオードを用いてスイッチング制御を行う際に、直列に接続された前記P側及びN側各半導体スイッチング素子の組み合わせに対してそれぞれ並列に接続されたコンデンサを平滑コンデンサとして作動させ、前記P側及びN側各半導体スイッチング素子、前記各ダイオード及び前記平滑コンデンサを内蔵するパッケージとを備える電力変換用半導体素子モジュールが、前記P端子及び前記N端子にそれぞれ接続された複数のバスバーから電力を出力する
 ことを特徴とする電力変換方法。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]