电力变换装置.pdf

本发明提供电力变换装置，该电力变换装置具有缓冲器模块，不需要用于在功率半导体模块的端子前方设置缓冲器的空间，并且能够减小对功率半导体模块的端子的机械应力。电力变换装置在热管式冷却体的受热块的相对的2个面上分别安装功率半导体模块，各个功率半导体模块的正极和负极经由母线而与平滑电容器连接，所述电力变换装置具有缓冲器模块，该缓冲器模块内置有抑制功率半导体模块开关时的上冲电压的缓冲器，并使多个端子突出，缓冲器模块配置于受热块的下方，端子分别与母线接合。

权利要求书1.  一种电力变换装置，其在热管式冷却体的受热块的相对的2个面上分别安装 功率半导体模块，各个功率半导体模块的正极和负极经由母线而与平滑电容器连接， 其特征在于， 所述电力变换装置具有缓冲器模块，该缓冲器模块内置有抑制所述功率半导体模 块开关时的上冲电压的缓冲器，并使多个端子突出， 所述缓冲器模块配置于所述受热块的下方，所述端子分别与所述母线接合。 2.  根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述缓冲器模块具有第1缓冲器和第2缓冲器， 所述第1缓冲器与一个侧面的所述端子连接， 所述第2缓冲器与另一个侧面的所述端子连接。 3.  根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述端子具有L形端子， 该L形端子的前端部与所述正极和负极中的任意一个接合， 所述前端部的附近与所述母线接合。 4.  根据权利要求1～3中的任意一项所述的电力变换装置，其特征在于， 所述功率半导体模块具有的MOSFET由宽带隙半导体形成。 5.  根据权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于， 所述宽带隙半导体是碳化硅、氮化镓系材料和金刚石中的任意一种。

说明书电力变换装置
技术领域
本发明涉及由整流器(converter)、平滑电容器(smoothing capacitor)和逆变器 (inverter)构成的电力变换装置。
背景技术
通常的电力变换装置由以下部件构成：将交流电源变换为直流的整流器 (converter)；对整流器的输出进行平滑的平滑电容器；以及将直流变换为可变电压 可变频率的逆变器(inverter)。连接整流器和逆变器的主电路布线采用了母线布线 (bus-bar wiring)以减小布线的电感，在该母线布线的中间连接有平滑电容器。
当由于在平滑电容器与逆变器之间的布线流过的电流量较大，因此母线布线的电 感较大时，在逆变器进行开关动作时上冲电压增大。随着该上冲电压增大，电力变换 装置的电力损失增大，当上冲电压进一步增大时，会损坏形成整流器和逆变器的功率 半导体模块(power semiconductor module)内部的半导体元件。因此，为了抑制该上 冲电压，在主电路布线的功率半导体模块的附近设置有缓冲器(snubber)。
作为减小母线布线的电感的技术，例如在专利文献1中，在热管式冷却体(heat  pipe type coolant)的受热块(block)的两面配置构成逆变器的功率半导体模块，并使 功率半导体模块与平滑电容器之间的布线成为最短距离。
【专利文献1】日本特开平7-31165号公报
但是，即使将功率半导体模块与平滑电容器之间的布线设为最短距离，平滑电容 器的数量也对应于流过的电流量而增加，功率半导体模块与增加量的平滑电容器之间 的距离变长，因此在电流量较大的电力变换装置中，无论如何都需要缓冲器。该缓冲 器通常采用与功率半导体模块的端子直接连接的方式，但端子的前方需要用于设置缓 冲器的空间。并且，当缓冲器增大时，质量也增加，当由于输送时等的振动而向功率 半导体模块的端子施加机械应力(mechanical stress)时，有时会使功率半导体模块发 生故障。
发明内容
本发明正是为了解决上述课题而完成的，提供一种具有缓冲器模块的电力变换装 置，不需要用于在功率半导体模块的端子前方设置缓冲器的空间，并且能够减小对功 率半导体模块的端子的机械应力。
本发明的电力变换装置在热管式冷却体的受热块的相对的2个面上分别安装功 率半导体模块，各个功率半导体模块的正极和负极经由母线而与平滑电容器连接，所 述电力变换装置具有缓冲器模块，该缓冲器模块内置有抑制功率半导体模块开关时的 上冲电压的缓冲器，并使多个端子突出，缓冲器模块配置于受热块的下方，端子分别 与母线接合。
如上构成的电力变换装置将缓冲器模块配置于热管式冷却体的受热块的下方，并 将从两侧面突出的端子分别与母线接合，从而不需要用于在功率半导体模块的端子前 方设置缓冲器模块的空间，并且能够减小对功率半导体模块的端子的机械应力，能够 抑制功率半导体模块的故障。
附图说明
图1是本发明实施方式1的电力变换装置的连接图。
图2是本发明实施方式1的电力变换装置的外形图。
图3是本发明实施方式1的电力变换装置的第1单元的展开图。
图4是从下方观察到的本发明实施方式1的第1单元的主要部分。
图5是本发明实施方式1的缓冲器单元的内部电路图。
图6是本发明实施方式2的电力变换装置的第1单元的展开图。
图7是从下方观察到的本发明实施方式2的第1单元的主要部分。
标号说明
2a、2b、2c：功率半导体模块；3：平滑电容器；4a、4b、4c：功率半导体模块； 5a、5b、5c：母线；6a、6b、6c：母线；7a、7b、7c：母线；8a、8b、8c：母线；10、 10A：缓冲器模块；10c：电容器；10c1：第1电容器；10c2：第2电容器；10P1、10AP1、 10P2、10AP2、10N1、10AN1、10N2、10AN2：端子；11、11A：缓冲器模块；11P1、 11P2、11N1、11N2：端子；12、12A：缓冲器模块；12P1、12P2、12N1、12N2：端 子；101a、101b、101c：热管式冷却体。
具体实施方式
实施方式1
下面，根据附图详细说明本发明的实施方式1。图1是本发明实施方式1的电力 变换装置的连接图。电力变换装置具有：将三相交流电源1变换为直流的整流器2； 对整流器2的输出进行平滑的平滑电容器3；以及将由平滑电容器3平滑后的直流变 换为可变电压可变频率的逆变器4。
整流器2具有功率半导体模块2a、2b、2c，所述功率半导体模块2a、2b、2c串 联连接有构成上臂(upper arm)、下臂(lower arm)的MOSFET(Metal Oxide  Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)，并被收纳在 1个封装中，作为功率半导体模块2a、2b、2c各自的正极的上臂的漏极端子通过母 线5a、5b、5c与母线3P连接，母线3P与平滑电容器3的正极端子连接。此外，作 为功率半导体模块2a、2b、2c各自的负极的下臂的源极端子通过母线6a、6b、6c与 母线3N连接，母线3N与平滑电容器3的负极端子连接。并且，功率半导体模块2a、 2b、2c各自的上臂与下臂的连接部通过电线R、S、T与三相交流电源1的R相、S 相、T相连接。
逆变器4具有功率半导体模块4a、4b、4c，所述功率半导体模块4a、4b、4c串 联连接有构成上臂、下臂的MOSFET，并被收纳在1个封装中，作为功率半导体模 块4a、4b、4c各自的正极的上臂的漏极端子通过母线7a、7b、7c与母线3P连接， 母线3P与平滑电容器3的正极端子连接。此外，作为功率半导体模块4a、4b、4c各 自的负极的下臂的源极端子通过母线8a、8b、8c与母线3N连接，母线3N与平滑电 容器3的负极端子连接。并且，功率半导体模块4a、4b、4c各自的上臂与下臂的连 接部通过电线U、V、W与电动机9的U相、V相、W相连接。
此外，缓冲器模块10的端子10P1与母线5a连接，端子10P2与母线7a连接， 端子10N1与母线6a连接，端子10N2与母线8a连接。同样，缓冲器模块11的端子 11P1与母线5b连接，端子11P2与母线7b连接，端子11N1与母线6b连接，端子 11N2与母线8b连接。缓冲器模块12也是同样的，端子12P1与母线5c连接，端子 12P2与母线7c连接，端子12N1与母线6c连接，端子12N2与母线8c连接。
图2是本发明实施方式1的电力变换装置的外形图。电力变换装置由第1单元 100a、第2单元100b、第3单元100c、多个平滑电容器3、连接平滑电容器3的正 极端子的母线3P和连接负极端子的母线3N形成。
在第1单元100a中，在热管式冷却体101a的受热块的一个面上，安装有通过电 线R与三相交流电源1的R相连接的功率半导体模块2a，在受热块的相反侧的面上， 安装有通过电线U与电动机9的U相连接的功率半导体模块4a。同样，在第2单元 100b中，在热管式冷却体101b的受热块的一个面上，安装有通过电线S与三相交流 电源1的S相连接的功率半导体模块2b，在受热块的相反侧的面上，安装有通过电 线V与电动机9的V相连接的功率半导体模块4b。第3单元100c也是同样的，在 热管式冷却体101c的受热块的一个面上，安装有通过电线T与三相交流电源1的T 相连接的功率半导体模块2c，在受热块的相反侧的面上，安装有通过电线W与电动 机9的W相连接的功率半导体模块4c。
即，在第1单元100a、第2单元100b、第3单元100c各自的单面形成整流器2， 在各自的相反侧的面形成逆变器4。来自功率半导体模块2a、2b、2c和功率半导体 模块4a、4b、4c各自的上臂的漏极端子、下臂的源极端子的布线依照图1所示的接 线图与母线3P、3N连接。
接着，说明缓冲器模块10、11、12的安装方法。第1单元100a、第2单元100b、 第3单元100c全部为相同的结构，因此这里作为例子，对第1单元100a的缓冲器模 块10的安装方法进行说明。
图3的(A)是本发明实施方式1的电力变换装置的第1单元100a的展开图， 图3的(B)是其左侧视图。此外，图4是示出图3的箭头X-X的主要部分的图。通 过将从两处安装孔10a插入的安装螺钉20紧固到在热管式冷却体101a的受热块的下 表面设置的螺纹孔，将缓冲器模块10固定到热管式冷却体101a的下表面。这里，热 管式冷却体101a的下方是指接近母线3P、3N一侧。此外，在母线3P、3N的相反侧 即热管式冷却体101a的上部设置有散热部(散热片)。
此外，缓冲器模块10具有从一个侧面突出的L形的端子10P1、10N1和从另一 个侧面突出的L形的端子10P2、10N2，在各个端子设置有2个螺纹孔。缓冲器模块 10使用该螺纹孔与母线接合。具体而言，通过安装螺钉21，端子10P1与母线5a接 合，端子10N1与母线6a接合，端子10P2与母线7a接合，端子10N2与母线8a接 合。
而且，通过安装螺钉22，母线5a与功率半导体模块2a的漏极端子接合，母线 6a与功率半导体模块2a的源极端子接合，母线7a与功率半导体模块4a的漏极端子 接合，母线8a与功率半导体模块4a的源极端子接合。
这里，母线5a和母线6a分别使中间部延伸出，形成为相互延伸出的部分在俯视 时重叠。这是为了利用流过的电流方向相反的母线5a和母线6a的重叠部分的互感减 轻母线5a和母线6a的电感。母线5a相对于平面的母线6a进行Z形弯折，以在通过 Z形弯折而形成的阶差部分夹入绝缘片13的方式形成俯视时重叠的部分。此外，母 线7a与母线5a形状相同，母线8a与母线6a形状相同，从而省略说明。
此外，在该例子中，用L形的例子示出从缓冲器模块10的两侧面突出的端子 10P1、10N1、10P2、10N2的形状，但端子的形状不限于L形，只要从缓冲器模块 10的两侧面突出并具有螺纹孔，则也可以是受热块形状、U形形状等其它形状的端 子。
图5示出缓冲器模块10的内部电路。图5的(A)是在内部具有1个电容器10c 作为缓冲器的内部电路。电容器10c的一侧电极与端子10P1以及端子10P2连接，另 一侧电极与端子10N1以及端子10N2连接。
图5的(B)是在内部具有2个电容器作为缓冲器的内部电路。作为第1缓冲器 的第1电容器10c1的一侧电极与端子10P1连接，另一侧电极与端子10N1连接。此 外，作为第2缓冲器的第2电容器10c2的一侧电极与端子10P2连接，另一侧电极与 端子10N2连接。即，第1电容器10c1与缓冲器模块10的两侧面内的一个侧面的端 子10P1、10N1连接，第2电容器10c2与缓冲器模块10的两侧面内的另一个侧面的 端子10P2、10N2连接。
通过设为图5的(B)的结构，第1电容器10c1成为功率半导体模块2a专用的 缓冲器，第2电容器10c2成为功率半导体模块4a专用的缓冲器，因此能够减少功率 半导体模块2a、功率半导体模块4a进行开关动作时的相互影响。另外，缓冲器模块 11、12的结构和内部电路与缓冲器模块10相同，从而省略说明。
这里，示出电容器10c作为缓冲器、第1电容器10c1作为第1缓冲器、第2电 容器10c2作为第2缓冲器的例子，但缓冲器不限于电容器，也可以是串联连接电容 器和电阻而成的部件、或进一步附加二极管而成的部件等通过与其它部件组合而形成 的部件。能够通过具有上述结构，抑制开关时的上冲电压。
如上构成的电力变换装置在热管式冷却体的受热块的相对的2个面上分别安装 功率半导体模块，各个功率半导体模块的正极和负极经由母线与平滑电容器连接，所 述电力变换装置具有缓冲器模块，所述缓冲器模块内置有抑制功率半导体模块开关时 的上冲电压的缓冲器，并使多个端子突出，缓冲器模块配置于受热块的下方，端子分 别与母线接合。
由此，将缓冲器模块配置于热管式冷却体的受热块的下方，从而不需要用于在功 率半导体模块的端子前方设置缓冲器模块的空间。并且，将从缓冲器模块突出的端子 分别与母线接合，从而能够减小对功率半导体模块的端子的机械应力，能够抑制功率 半导体模块的故障。
此外，也可以是，缓冲器模块具有第1电容器10c1和第2电容器10c2，第1电 容器10c1与一个侧面的端子连接，第2电容器10c2与另一个侧面的端子连接。由此， 通过对两面的功率半导体模块分别设置独立的缓冲器，能够使得一个功率半导体模块 不易受到另一个功率半导体模块开关时的影响。
此外，功率半导体模块具有的MOSFET可以由硅(Si)形成，也可以由带隙(band  gap)比硅大的宽带隙半导体形成。作为宽带隙半导体，例如有碳化硅(SiC)、氮化 镓(GaN)系材料或金刚石(diamond)。
由这样的宽带隙半导体形成的MOSFET的耐电压性较高，允许电流密度较高， 因此能够实现MOSFET的小型化。因此，通过使用小型化的MOSFET，能够实现功 率半导体模块的小型化。
并且，由宽带隙半导体形成的MOSFET的耐热性较高，因此，能够实现热管式 冷却体101a、101b、101c的散热片的小型化，能够实现电力变换装置的小型化。并 且，由宽带隙半导体形成的MOSFET的电力损失较低，因此，能够实现MOSFET的 高效化，能够实现电力变换装置的高效化。
实施方式2
下面，根据附图详细说明本发明的实施方式2。实施方式2的电力变换装置相对 于实施方式1的电力变换装置，仅将缓冲器模块10、11、12替换成端子形状和固定 方法不同的缓冲器模块10A、11A、12A，其它结构与实施方式1相同。图6的(A) 是本发明实施方式2的电力变换装置的第1单元100a的展开图，图6的(B)是其左 侧视图。此外，图7是示出图6的箭头Y－Y的主要部分的图。在图6、图7中，对 与图3、图4相同的部分标注相同标号，并省略与图3、图4重复的结构的说明。
通过将从两处安装孔10a插入的安装螺钉20紧固到在热管式冷却体101a的受热 块的下表面设置的螺纹孔，将缓冲器模块10A固定到热管式冷却体101a的受热块的 下表面。此外，缓冲器模块10A具有从一个侧面突出的L形的端子10AP1、10AN1 和从另一个侧面突出的L形的端子10AP2、10AN2，在各个端子设置有2个螺纹孔， 在端子的前端部设置有1个安装孔。缓冲器模块10A使用该螺纹孔与母线接合。具 体而言，端子10AP1与母线5a接合，端子10AN1与母线6a接合，端子10AP2与母 线7a接合，端子10AN2与母线8a接合。
并且，使用端子10AP1前端部的安装孔，母线5a和端子10AP1通过安装螺钉 22被一并紧固到功率半导体模块2a的漏极端子。同样，通过安装螺钉22，母线6a 和端子10AN1被一并紧固到功率半导体模块2a的源极端子，母线7a和端子10AP2 被一并紧固到功率半导体模块4a的漏极端子，母线8a和端子10AN2被一并紧固到 功率半导体模块4a的源极端子。
实施方式2的电力变换装置的接线仅在图1的接线图中，将缓冲器模块10、11、 12替换成缓冲器模块10A、11A、12A，各个端子标号也对应地进行了替换，连接相 同，因此省略说明。并且，缓冲器模块10A、11A、12A的内部电路也与图5相同， 因此省略说明。
如上构成的电力变换装置的缓冲器模块10A、11A、12A将从两侧面突出的端子 设为L形端子，L形端子的前端部与功率半导体模块的正极和负极接合，并且在前端 部的附近与母线接合。由此，能够扩大从功率半导体模块的正极和负极到缓冲器模块 10A、11A、12A的布线的截面积，进一步减小布线的电感。