电力变换装置 本发明涉及一种由IGBT(隔离栅场双极型晶体管)、IEGT(注入增强栅场晶体管)等多个功率元件和多个箝位二极管组成的中性点箝位式电力变换装置。
高性能和高效率地进行电力变换的电力变换装置，其主电路通过多个能够高速开关的IGBT等功率元件组合而成。可是随着对大容量和高性能的需求，装置的大型化便不可避免，但由于装置设置空间等制约，因而需要小型化。
以下说明这种现有的电力变换装置。图15是其主电路构成图，图16示出表示其概略构成的立体图。图15中，IGBT101和续流二极管102经各个绝缘板103搭载在金属板104上，并且置于封闭体105中，构成IGBT模块。
图16示出设有3个IGBT模块的状态。各模块由铜等配线导体106、107并联连接，该配线导体106、107连接有将缓冲二极管108置于封闭体109中的二极管模块和缓冲电容器110所组成的缓冲电路。
而IGBT模块经电线连接有向IGBT101提供控制极信号的控制极电路111和检测电压、电流等进行保护动作的保护电路112。
这样构成的IGBT模块，通过在金属板104表面设置冷却装置13，释放IGBT101和续流二极管102产生的热量，抑制温升。
可是上述现有电力变换装置存在如下问题。也就是说，模块及其外围电路要布置许多所需部件，必须确保有更大的空间。
具体来说，包括下列问题：
(1)模块及其外围电路由许多部件构成，因而难以提高装置可靠性，此外，装置整体外形难以小型化。
(2)模块体型大的结果是，向模块提供电流的平滑电容器起经各个模块的线路较长，浪涌电压增大，而必须增大作为抑制手段的缓冲电容器的电容。
(3)可适应大容量的模块并联数增加时，模块一旦变大，模块间电流的不平衡也加大，因而对于全部模块来说，必须避免每一模块地通电电流超过设计上限值。
(4)功率元件和二极管所产生的热量要充分散热，必须使冷却器大型化。
本发明正是要消除上述问题，其目的在于提供一种可缩短直流端子、中性点端子至功率元件芯片之间线路，从而能够降低电感，可减小各功率元件芯片间电流的不平衡，可提高冷却性能，并且可以使装置整体外形变小的电力变换装置。
为了实现上述目的，本发明的电力变换装置，为一种通过多个单相逆变器单元组合而成，可获得3电平交流输出的电力变换装置，其特征在于，所述逆变器单元包括：第一～第四半导体功率元件串联连接的元件串联电路；该元件串联电路两端连接的直流端子；续流二极管分别与所述元件串联电路中各功率元件并联连接，而且该续流二极管串联连接的续流二极管电路；与所述第二和第三功率元件的串联电路并联连接的第一和第二箝位二极管的串联电路；同所述第一和第二箝位二极管的结点连接的中性点端子；以及同所述第二和第三功率元件的结点连接的交流端子，所述各功率元件芯片分别经封装形成第一、第二、第三、第四元件封装，所述2个中性点箝位二极管芯片经封装形成箝位二极管封装，所述第一和第二以及第三和第四续流二极管芯片分别经封装形成第一和第二续流二极管封装，其中，所述第一和第二续流二极管封装并排设置于所述箝位二极管封装某一壁面，所述第一、第二以及第三、第四元件封装分别并排设置于该续流二极管封装外侧壁面。
而且，本发明的电力变换装置，为一种通过多个单相逆变器单元组合而成，可获得2电平交流输出的电力变换装置，其特征在于，所述逆变器单元包括：第一和第二半导体功率元件串联连接的元件串联电路；该元件串联电路两端连接的直流端子；与所述元件串联电路各功率元件并联连接的箝位二极管构成的箝位二极管串联电路；以及同所述第一和第二功率元件的结点连接的交流端子，所述各功率元件芯片分别经封装形成第一和第二元件封装，所述箝位二极管芯片经封装形成箝位二极管封装，其中，所述第一和第二元件封装并排设置于所述箝位二极管封装某一壁面。
按照本发明，可缩短直流端子、中性点端子至功率元件芯片之间线路，从而能够降低电感，可减小各功率元件芯片间电流的不平衡，并且可以使装置整体外形变小。
本发明其特征在于，所述元件封装包括以下构成：具有配线图版以搭载所述元件芯片集电极的绝缘配线基板；搭载该绝缘配线基板的底板；所述元件芯片发射极处配置的大块电极；该大块电极上配置的发射极梁式引线；从所述配线图版引出的集电极梁式引线；从上面覆盖所述发射极梁式引线、具有插入控制极引线的通孔的控制极基板；以及置放它们的壳体。
这样，便可以使元件封装其外形更小。
而且，最好利用绝缘铸模树脂封闭所述元件芯片周围。
这样，元件芯片周围的绝缘性便提高，能够由此小型化，可使元件芯片得到充分的保护。
本发明其特征在于，所述续流二极管封装包括以下构成：具有配线图版以搭载所述续流二极管芯片的绝缘配线基板；搭载该绝缘配线基板的底板；所述续流二极管芯片上侧配置的大块电极；设于该大块电极上在续流二极管间电连接的梁式引线；以及置放它们的壳体。
这样，便可以使续流二极管封装其外形更小。
所述续流二极管封装最好以2个续流二极管芯片为一组。
而且，最好利用绝缘铸模树脂封闭所述续流二极管芯片周围。
按照本发明，最好是在风冷式散热器和导热管形成为一体的冷却器上，相对于所述续流二极管封装正交，搭载固定所述各功率元件封装，相对于所述续流二极管封装正交，搭载固定所述箝位二极管封装。
这样，功率元件和续流二极管的冷却性能便提高。
按照本发明，最好是两片板状直流端子间靠某一端处配置绝缘体，该直流端子靠另一端处在直流端子的中间配置所述中性点端子，该某一直流端子和该中性点端子间以及该中性点端子和该另一直流端子间分别配置构成缓冲电路的缓冲电容器，在冷却器上装配所述箝位二极管封装和所述续流二极管封装，将所述箝位二极管和所述续流二极管分别以电气和机械方式与所述直流端子和所述中性点端子连接。
这样，就可以使缓冲电容器、直流端子、中性点端子整体小型化，箝位二极管和缓冲二极管的冷却性能提高。
而且，所述中性点端子同所述直流端子两者间最好分别配置缓冲电容器。
所述直流端子间最好配置缓冲电容器。
此外按照本发明，最好是，逆变器单元安装在构成冷却器的导热管的两侧侧面，通过所述导热管中经过的配线进行这些逆变器单元相互间的电连接。
这样，电力变换装置的冷却性能便提高，而且能够小型化。
而且，相互正交配置固定元件封装和箝位二极管封装的话，功率元件和箝位二极管间的线路便变短，因而能够降低电感。
通过参照以下结合下列附图的具体说明进行较好的理解，可方便地得到对本发明及其诸多优点的全面了解。附图包括：
图1是用来说明本发明第一实施例，示意中性点箝位方式单相逆变器单元的概略构成图；
图2示出的是图1中封装配置和电连接关系；
图3是图1和图2所示构成的单相逆变器单元装配于风冷式冷却器的例子的说明图；
图4是图1和图2中元件封装实际结构的说明图；
图5是图4的分解立体图；
图6是图1和图2中控制极配线的说明图；
图7是图1和图2中二极管封装实际结构的说明图；
图8是图7的分解立体图；
图9是用于提高单相逆变器单元电流容量构成的说明图；
图10是在图1和图2所示构成的单相逆变器单元中反向并接二极管，再装配在风冷式冷却器上的例子的说明图；
图11是图1和图2、图13和图14中功率元件芯片其封闭方法的说明图；
图12是图1和图2、图13和图14中功率元件芯片其封闭方法的说明图；
图13是用于说明本发明第九实施例，示出封装配置和电连接关系的示意图；
图14是图13中电连接关系的示意图；
图15是现有电力变换装置主电路的示意图；
图16是示意图15中电力变换装置概略构成的立体图。
<第一实施例>
图1是用来说明第一实施例，示意中性点箝位方式(可获得3电平交流输出的方式)单相逆变器单元的概略构成图，图2示出的是图1中封装配置和电连接关系。
单相逆变器单元依次配置第一～第四半导体功率元件(IEGT1-IEGT4)1、2、3、4，而且具有这些相邻元件其发射极与集电极连接这样串联连接而成的元件串联电路。
此外还包括：元件串联电路两端连接的直流端子P、N；元件串联电路各功率元件1-4分别并联连接有续流二极管(FRD1、FRD2)5、6，并由该续流二极管5、6串联连接而成的续流二极管电路；与第二和第三功率元件2、3的串联电路并联连接的第一和第二箝位二极管(CD)9的串联电路；与第一和第二箝位二极管的结点连接的中性点端子(C)；以及与第二和第三功率元件2、3的结点连接的交流端子AC。
各功率元件1～4中任何一个，具体来说，包括以下构成：功率元件芯片；与各芯片电连接的发射极端子、集电极端子和控制极端子；置放它们并加以封装的壳体，并由各个壳体内注入铸模树脂的第一、第二、第三和第四元件封装所构成。而且，上述第一和第二以及第三和第四续流二极管，由各个二极管芯片和壳体内铸模树脂一起封装的第一和第二续流二极管封装所构成。
此外，2个中性点箝位二极管9，由二极管芯片和壳体内铸模树脂一起封装的箝位二极管封装所构成。
上述第一和第二续流二极管封装并排设置于上述箝位二极管封装某一壁面，上述第一、第二以及第三、第四元件封装分别并排设置于该续流二极管封装外侧壁面。而且，直流端子P和中性点端子C之间、直流端子N和中性点端子C之间分别连接缓冲电容器(SC)7、8。
将多个例如3个这样构成的单相逆变器单元组合构成，由此便成为可获得3电平交流输出的逆变器。
按照上文所述构成的第一实施例，功率元件1-4，续流二极管5、6，箝位二极管9，缓冲电容器7、8相互间连接的线路短，因此能够降低电感，减小各功率元件1～4芯片间电流的不平衡。
此外，将功率元件封装、箝位二极管封装和续流二极管封装构成为如图2所示配置构成，因而可减小装置整体外形。
<第二实施例>
图3示出的是图1和图2所示构成的单相逆变器单元装配于风冷式冷却器的例子，图3(a)是其平面图，图3(b)是正面图，图3(c)是侧面图。具体来说，在风冷式散热器(吸热设备)10和导热管11形成为一体的冷却器上，将各元件封装相对于续流二极管封装正交搭载固定，箝位二极管封装相对于续流二极管封装正交搭载固定。
按照上文所述构成的第二实施例，可以实现冷却器小型化。
<第三实施例>
图4是图1和图2中功率元件1-4当中仅仅是例如功率元件1、2经封装的功率元件封装实际结构的说明图，图4(a)是其平面图，图4(b)是沿图4(a)中A-A线在纸面方向上剖切的正面剖视图，图5是图4的分解立体图。壳体41所具有的收容凹部可放置底板42，底板42上置放有形成了配线图版的例如氮化铝制成的2片耐高压DBC基板(陶瓷线路基板)43，各DBC基板43上搭载构成图1和图2功率元件1和2的4个元件芯片44，使发射极45处于上侧，集电极46处于DBC基板一侧，各元件芯片44的发射极45上分别置放块状的大块电极47，它们与元件芯片44钎焊在一起，而且2片DBC基板43间焊接有配线图版连接件48，由此使DBC基板43两者配线图版电连接，这样配置的芯片44大块电极47上设有发射极梁式引线49，DBC基板43的配线图版上连接配置有集电极梁式引线50，梁式引线49上置放有形成了通孔51a以便能够插入多根配线用线的控制极基板51。
壳体41收容凹部的元件芯片44周围尽管未图示，但充填有环氧类树脂制成的铸模树脂或陶瓷，整体形成为耐高压的气密封闭结构。
对于元件芯片44上表面的发射极45、下表面的集电极46、和共同连接发射极45所用的大块电极47的钎焊材料，采用与元件芯片44热膨胀系数相近的Mo或Cu这种金属包层材料。另外，壳体41中形成了4个封装装配空穴41a。
这样，按照第三实施例，便可获得以下作用和效果。由于将大块电极47直接钎焊于元件芯片44的发射极45，将集电极46直接钎焊于DBC基板的配线图版，因而可降低电感，并且提高冷却效果。
元件芯片44间连接的各自一端部弯曲为L字型的发射极梁式引线49和集电极梁式引线50采用具有柔软性材料，该梁式引线49、50的L字型弯曲部通过熔接或者钎焊方式固定在壳体41收容凹部设置的台阶部。49a是发射极端子，50a是集电极端子。
梁式引线49、50不仅能够降低电感，还可通过例如熔接、钎焊固定Cu类材质，或者利用Cu和Co的金属包层材，来抑制热膨胀。
此外，发射极梁式引线49上设置在元件芯片44上方具有通孔51a的控制极基板51，利用通孔51a进行控制极配线，因而能够使控制极引线最短，可降低电感。
而且，元件芯片44周围用环氧类树脂等进行了铸模封闭，因而形成为对芯片44、DBC基板的加强。该元件芯片44的封闭方法还可以用后面述及的图11和图12中任一方法。
另外，图5中壳体41最好是做成薄型封装，也可以做成底板42具有足够强度就不设置壳体41的封装。
<第四实施例>
图6是图1和图2中发射极端子、控制极端子构成的说明图，图6(a)、图6(b)分别是第一例、第二例。图6(a)是切入梁式引线49的一部分，切入片经弯曲形成发射极引线49b，将该梁式引线49置放于放在元件芯片44上的大块电极47上，将线状控制极引线52固定在元件芯片44的控制极焊盘(未图示)上。图6(b)是将线状控制极引线52固定在元件芯片44的控制极焊盘54上。
这样构成的控制极引线52，不论哪一种都可穿过图5控制极基板51的通孔51a。这样，通过利用具有柔软性的梁式引线49，由此构成发射极引线49b，与用通常电线的场合相比，可以缩短线路，从而能降低电感。
<第五实施例>
图7是图1和图2中续流二极管5或6的续流二极管封装实际结构的说明图，图7(a)是其平面图，图7(b)是沿图7(a)中B-B线在纸面方向上剖切的正面剖视图，图7(c)是侧视图。图8是图7的分解立体图。
壳体61的收容凹部放置基板62，在底板62上留有间隔置放形成有配线图版67的、热传导性良好、例如氮化铝制成的2片耐高压DBC基板(陶瓷配线基板)63，并加以钎焊。各DBC基板63上置放有构成图1和图2中续流二极管5和6的4个二极管芯片64，并经过焊接。
这时，对于某一方例如图7(a)左侧DBC基板63上置放的各个二极管芯片64来说，配置成其阳极位朝上，而对于另一方例如图7(a)右侧DBC基板63上置放的各个二极管芯片64来说，则配置成其阴极K一侧朝上。
这样配置的各个二极管芯片64分别置放块状的大块电极66，它们与二极管芯片64钎焊在一起。而且2片DBC基板63间焊接有梁式引线构成的配线图版连接件68，由此使DBC基板63两者配线图版67电连接。而且，各二极管芯片64上部固定的大块电极66当中，图7(a)上下大块电极66间靠梁式引线69电连接，同样，其他上下配置的大块电极66间设有梁式引线69，各大块电极66分别电连接。
配线图版连接件68的上部置放固定有梁式引线构成的中间端子68a。而壳体61收容凹部的二极管芯片其周围尽管未图示，但充填有环氧类树脂制成的铸模树脂或陶瓷，整体形成为耐高压的气密封闭结构。这样，便可构成图1和图2中的续流二极管5、6。
这样，按照第五实施例，便可获得以下作用和效果。各二极管芯片64中某一个与DBC基板63钎焊在一起，而各二极管芯片64另一个阳电极A、阴电极K上分别钎焊大块电极66，而且图7(a)上下位置配置的各个大块电极66间由梁式引线69连接，因而能够降低电感。而二极管芯片64置放固定在DBC基板63上，因而二极管芯片64冷却效果好。
而且，元件芯片64周围用环氧类树脂等进行了铸模封闭，因而二极管芯片64相互间的绝缘可靠，成为对芯片64、DBC基板63的加强。另外，该芯片44的封闭方法还可以用后面述及的图11和图12中任一方法。而且，图8中壳体61最好是做成薄型封装，底板62只要牢固也可不进行封装。
<第六实施例>
图9为了提高图2或图13中单相逆变器单元电流容量，在构成冷却器并与风冷式散热器成一体的导热管11两侧侧面分别装配图2或图13中逆变器单元20、30，并在导热管11上开有让电连接逆变器单元20、30所用的配线21通过的空穴，该空穴让配线21通过，并联连接各功率元件。
通过这样构成，导热管11的侧面分别装配有逆变器单元20、30，因而逆变器单元20、30冷却效果好，可提高电流容量，可以整体小型化。
<第七实施例>
图10如下文所述构成图1和图2中可获得3电平交流输出的逆变器单元。两片板状直流端子P、N间靠某一端一侧由它们夹着配置绝缘体23，该直流端子P、N靠另一端一侧在它们的中间配置所述中性点端子C，而且，该某一直流端子N和该中性点端子C间以及该中性点端子C和该另一直流端子P间分别配置构成缓冲电路的片状缓冲电容器7、8，在导热管11上装配箝位二极管9封装和续流二极管5、6封装，将箝位二极管9和续流二极管5、6分别以电气和机械方式与直流端子P、N和中性点端子C连接。
按照第七实施例，可以将缓冲电容器7、8，直流端子P、N和中性点端子C整体小型化，装配在导热管11上的箝位二极管9和缓冲二极管5、6其冷却性能提高。
<第八实施例>
图11、图12是图1和图2、图13和图14中功率元件以及二极管芯片其封闭方法的说明图。
图11是在底板42上设置形成有配线图版的DBC基板43，在该基板上焊接功率元件芯片44，在芯片44上固定大块电极47的状态下，在芯片44周围滴下熔融的环氧树脂等，使之硬化形成铸模层74。这时，设法使大块电极47露出至铸模层74外侧。
这样，便在芯片44的周围形成了绝缘性·气密性均出色的铸模层74，因而能够对芯片44、DBC基板43进行保护，元件芯片周围绝缘性提高，因而能够小型化。
这时，铸模层74最好所选择的铸模材料其热膨胀系数与DBC基板43相同，以防止铸模层74龟裂、剥离。
此外，形成铸模层74时，通过向DBC基板43端部一侧铸模层74加压缩力，来增强这部分机械强度，由此使DBC基板43得到充分保护。
如上所述封闭功率元件芯片44的方法，也可以在DBC基板43等小区域内进行。
图12是功率元件封装与图5所示存在壳体41的场合接近的例子。具体来说，是底板42的上表面配置有框体73以包围DBC基板43，通过使熔融的环氧树脂浇灌流入框体73内，在芯片44周围进行铸模。这时，也设法使大块电极47露出至铸模层74外侧。
这样，与图11所示未设置框体73的场合相比，可以更为确实地用铸模层74包围在芯片44的周围。
图11和图12中，不论哪一种情况，均通过露出至铸模层74外侧的大块电极47进行配线，因而可以避免损坏功率元件的封装进行组装和配线。
上述说明尽管是对功率元件芯片44而言的，但不用说，图7和图8中的二极管芯片64与此相同，也可以由环氧树脂等通过铸模方式进行封闭。
按照第八实施例，功率元件芯片44或二极管芯片64周围的绝缘性提高，芯片44或64的保护性能得到提高，因此能够更加小型化。
<第九实施例>
图13是用于说明第九实施例，示出可获得3电平交流输出方式的逆变器单元其单相封装配置和电连接关系的示意图，图14是图13中电连接关系的示意图。本实施例是多个单相逆变器单元组合构成，可获得2电平交流输出的电力变换装置。
逆变器单元包括：第一和第二半导体功率元件1、2串联连接的元件串联电路；该元件串联电路两端连接的直流端子P、N；通过与元件串联电路各功率元件1、2并联连接箝位二极管9a、9b，从而串联连接而成的箝位二极管电路；以及同第一和第二功率元件1、2的结点连接的交流端子AC。
而且，各功率元件芯片1、2分别经封装形成第一和第二元件封装，和箝位二极管芯片9a、9b经封装形成箝位二极管封装，其中，第一和第二元件封装并排设置于箝位二极管封装某一壁面。此外，直流端子P、N间电连接有缓冲电容器7。
按照如上所述的第九实施例，功率元件1、2，箝位二极管9a、9b，缓冲电容器7相互间连接的线路短，因此能够降低电感。而且，将第一和第二元件封装以及箝位二极管封装做成如图13所示的配置构成，因而可减小装置整体外形。
<变形例>
本发明不限于上述实施例，还可以进行如下变形。图2或图13中功率元件和二极管的电连接，也可以构成为在功率元件封装和二极管封装的上部配置一利用较薄的绝缘材料绝缘的层积导体，靠该层积导体对各功率元件和各二极管进行电连接。
综上所述，按照本发明，就可提供一种可缩短直流端子、中性点端子至功率元件芯片之间线路，从而能够降低电感，可减小各功率元件芯片间电流的不平衡，可提高冷却性能，并且可以使装置整体外形变小的电力变换装置。