功率变换装置制造方法
功率变换装置制造方法
【专利摘要】提供一种功率变换装置，在安装完该功率变换装置的状态下能容易实测电流分担。串联连接第一正极侧开关元件和第一负极侧开关元件而成的第一半导体电路、和串联连接第二正极侧开关元件和第二负极侧开关元件而成的第二半导体电路被并联连接，由此负责交流的一相功率变换，第一和第二半导体电路分别被模块化，被模块化的第一半导体电路具有作为第一正极侧开关元件和第一负极侧开关元件的连接点的第一交流端子，被模块化的第二半导体电路具有作为第二正极侧开关元件和第二负极侧开关元件的连接点的第二交流端子，连接第一交流端子和负载的第一交流导体与连接第二交流端子和负载的第二交流导体在与第一和第二交流端子不同的第三端子处被连接。
【专利说明】功率变换装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种使用由半导体开关元件串联连接而成的模块的功率变换装置，尤其是涉及一种安装并联连接多个模块而构成的功率变换装置的结构。
【背景技术】
[0002]采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等高速半导体开关元件的功率变换装置在各个领域得到了广泛应用。尤其是近年来，随着半导体技术的进步，已经实现了大容量半导体模块。在模块化方面，除了由各个半导体开关模块化而成的模块得到了广泛应用外，将构成逆变器的臂部的上下半导体开关组合成一个模块而构成的臂部的半导体模块也得到了广泛的应用。此外，为了实现大容量化，有时需要并联连接多个臂部的半导体模块加以使用。
[0003]如上所述，为了实现大容量化，无法避免臂部的半导体模块的并联连接，在将半导体模块并联连接时，需要使各个半导体元件模块的电流分担均等化，否则，半导体元件模块的使用条件或者寿命将受到负荷大的一方的半导体元件模块的影响。因此，需要使各个半导体元件模块的电流分担实现平衡。
[0004]在对臂部的半导体模块进行并联连接时，作为影响电流均等化的主要原因，可以列举半导体元件的特性差异、栅极驱动电路的差异以及主电路布线电感的差异等。因此，若针对上述各个原因分别采取对策，能够实现电流均等化。
[0005]作为具体的对策，例如在元件特性的差异方面，大多采取通过甄选使并列连接的元件之间具有相同特性等措施。在栅极驱动电路方面，采取相对于并列连接的元件设置共同的驱动电源电路以及将栅极布线的长度设定为相同长度等对策。
[0006]此外，在主电路布线电感的均等化方面，可以列举出专利文献I和专利文献2所公开的方法。在专利文献I中，采用了降低作为直流电源的平滑电容器和上下IGBT循环电路的电感并使其均等化的结构，如专利文献I的图23所示，将正极导体和负极导体设置成层叠导体。
[0007]在专利文献2中，为了抑制从并联连接的IGBT模块的交流端子朝向负载的电感的不均匀度，采取了在导体上设置切口等的对策。
[0008]专利文献I JP特开2007-151286号公报
[0009]专利文献2 JP特开2012-95472号公报
[0010]如上所述，已经从上述各个视点出发实施了各种对策。以下对其中的半导体元件特性的差异进行详细说明。在甄别半导体开关IGBT的特性方面，由于针对支配导通损失的饱和电压Vce(sat)已经划分了等级等，所以容易进行选择。但是，通常不选择栅极阈值电压Vge(th)和输入容量Cies。在这种情况下，如果半导体元件特性的差异过大，则会产生电流不均匀等情况。
[0011]因此，在功率变换装置中，在并联连接臂部的半导体模块而最终安装在壳体(或者收纳盘)内的状态下，由于IGBT模块周围的布线导体的安装密度高，所以在安装完功率变换装置的状态下，难以对多个臂部的半导体模块之间的电流分担进行实测。
【发明内容】
[0012]鉴于上述原因，本发明所要解决的课题是提供一种在安装完功率变换装置的状态下也能够容易实测电流分担的结构。
[0013]为了解决上述课题，本发明提供一种功率变换装置，其在交流和直流之间进行功率变换，所述功率变换装置的特征在于，串联连接第一正极侧开关元件和第一负极侧开关元件而成的第一半导体电路、和串联连接第二正极侧开关元件和第二负极侧开关元件而成的第二半导体电路被并联连接，由此负责交流的一相功率变换，第一半导体电路和第二半导体电路分别被模块化，被模块化的第一半导体电路具有作为第一正极侧开关元件和第一负极侧开关元件的连接点的第一交流端子，被模块化的第二半导体电路具有作为第二正极侧开关元件和第二负极侧开关元件的连接点的第二交流端子，连接第一交流端子和负载的第一交流导体与连接第二交流端子和负载的第二交流导体在与第一交流端子和第二交流端子不同的第三端子处被连接。
[0014](发明效果)
[0015]通过采用上述结构，能够在安装完功率变换装置的状态下容易观测电流不均等情况。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1表示并联连接了多个半导体模块的结构。
[0017]图2表示由两组交直流变换电路构成的功率变换装置的示例。
[0018]图3(a)表示并联连接了半导体模块的结构的正面。
[0019]图3(b)表示在两个面上安装有半导体模块时的侧视图。
[0020]图4表示在壳体内安装了由两组交直流变换电路构成的功率变换装置的示例。
[0021]图5表示作为共同连接用端子TB的U相共同连接用端子TBU3的结构。
[0022]图6表示测量到的电流的示例。
[0023]符号说明:
[0024]1A、IB:交直流变换电路
[0025]S、SBU、SBV、SBff, SBR、SBS、SBT:半导体开关元件
[0026]C:平滑电容器
[0027]R、S、T:三相交流的相
[0028]U、V、W:三相交流的相
[0029]M、MBU、MBV、MBff, MAR、MAS、MAT:臂部的半导体元件模块
[0030]DC:直流电路
[0031]DC+:正极侧
[0032]DC-:负极侧
[0033]MBUa,MBUb:并联连接的臂部的半导体元件模块
[0034]TBUal、TBUa2、TBUbU TBUb2:直流端子
[0035]TBUa3、TBUb3:交流端子
[0036]13:冷却块[0037]12:冷却器
[0038]TBU3:共同连接用端子
[0039]LBUa, LBUb:布线
【具体实施方式】
[0040]以下，参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。
[0041]在以下的实施例中，说明开关模块分别内置了 2个作为半导体开关元件的IGBT和与IGBT反向并联连接的环流二极管的情况，但也可以采用IGBT以外的其他的开关元件。
[0042]实施例1
[0043]图2表示由两组交直流变换电路构成的功率变换装置的示例。在图2中，两组交直流变换电路1A、IB是采用了半导体开关元件S (例如IGBT)的三相变换电路，由交直流变换电路1A、1B中的一方(例如1A)将交流变换为直流，并且经由直流电路，由交直流变换电路1A、1B中的另一方(例如1B)将直流变换为交流。
[0044]具体来说，在进行逆变器运行的交直流变换电路IB中，将平滑电容器C作为直流电源，根据来自未图示的控制装置的触发信号，使各个开关元件SBU、SBV、SBW断开(OFF)/导通(ON)，由此向负载侧(U、V、W相侧)供应期望的电力。在进行变换器运行的交直流变换电路IA中，根据来自未图示的控制装置的触发信号，使各个开关元件SBR、SBS、SBT断开/导通，由此将交流电源(R、S、T相侧)变换为直流以对平滑电容器C进行充电。
[0045]在未图示的控制装置中，检测流入和流出功率变换装置的电流、直流电路部分的电压以及电动机的速度等，对功率变换装置进行控制。此外，图中省略了用于驱动开关元件的门电路的图示，并且省略了根据需要连接的用于耐压保护的缓冲电路的图示。
[0046]本发明不仅能够应用于具有两组交直流变换电路1A、1B的功率变换装置I中，而且还能够应用于由在交流和直流之间进行变换的一组交直流变换电路(1A或者1B)构成的功率变换装置中。
[0047]在图2中，交直流变换电路IA与以R、S、T相表示的交流电路连接，交直流变换电路IB与以U、V、W相表示的交流电路连接。此外，交直流变换电路1A、1B中的半导体开关元件S采用三相格里茨接线(Graetz connection)方式,半导体开关元件S上的符号A、B表示其是位于交直流变换电路IA和IB侧的元件。符号R、S、T和U、V、W表示三相交流的各个相。此外，通过半导体开关元件S上的符号1、2来区分臂结构中的正侧的元件(I)和负侧的元件(2)。
[0048]另外，符号M表不臂部的半导体兀件模块，附加给M的符号A、B以及符号R、S、T、U、V、W如上所述，用于区分交直流变换电路IA和IB以及表示三相交流的各个相。
[0049]从上述符号的含义可以知道，例如MAR表示与交直流变换电路IA的R相连接的臂部的半导体元件模块，MBU表示与交直流变换电路IB的U相连接的臂部的半导体元件模块。由于其它臂部的半导体元件模块也可以采用相同的方法来理解，所以在此省略各个臂部的半导体元件模块的说明。
[0050]另外，作为臂部的半导体元件模块的例如MAR与2个半导体开关元件SARl和SAR2串联连接，正极侧开关元件SARl的负极侧端子和负极侧开关元件SAR2的正极侧端子、即交流端子通过模块内部的导体而被连接。此外，串联连接的2个半导体开关元件SARl和SAR2的两端与直流电路DC的正极侧DC+和负极侧DC-连接。并且，直流电路DC在正负极之间设置有平滑电容器C。
[0051]图1表示将图2中的一个臂部的半导体模块进一步并联连接了多个的结构。在此，作为臂部的半导体模块，示出了 MBU的示例。在与交直流变换电路IB的U相连接的臂部的半导体元件模块MBU中，MBUa和MBUb并联连接。
[0052]如图1所示，正极侧开关元件SBUll和负极侧开关元件SBU21由一个模块MBUa构成。同样，正极侧开关元件SBU12和负极侧开关元件SBU22也由一个模块MBUb构成。此外，正极侧开关元件SBUll和SBU12并联连接，负极侧开关元件SBU21和SBU22并联连接。另夕卜，正极侧的导体和负极侧的导体采用使并联连接的开关模块的电感变得均匀的方式进行安装。
[0053]作为正极侧开关元件SBUll和负极侧开关元件SBU21的连接点的交流端子TBUa3、和作为正极侧开关元件SBU12和负极侧开关元件SBU22的连接点的交流端子TBUb3在端子TBU3处被连接，构成了耦合2个并列的输入输出的结构。
[0054]另外，用于功率变换装置I的控制中的电流检测器11设置在耦合后的后级。虽然未详细图示，但其它两个相也采用相同的结构。
[0055]以下，进一步对2个模块的外部连接关系进行详细说明。臂部的半导体元件模块MBUa和MBUb分别具有用于与直流电路侧连接的直流端子(TBUal，TBUa2，TBUbl，TBUb2)、和用于与交流电路侧(U相)连接的交流端子(TBUa3和TBUb3)。直流端子(TBUal和TBUbl)与直流电路的正极DC+连接，直流端子(TBUa2和TBUb2)与直流电路的负极DC-连接。
[0056]在本发明中，将用于与交流电路侧(U相)连接的交流端子(TBUa3和TBUb3)共同连接，共同连接用端子TBU3配置在从交流端子(TBUa3和TBUb3)经由布线LBUa、LBUb而较远的位置上。此外，如后述的图示所示，U相的共同连接用端子TBU3与其它相的共同连接用端子汇集后配置在同一部位。
[0057]图3(a)表示并联连接臂部的半导体模块而成的结构的俯视图。在俯视图上示出了 U相的设备配置。在图3(a)中，13表示冷却块，冷却块13上搭载有臂部的半导体模块MBUa和MBUb，并且冷却块13用于对由半导体模块产生的热进行散热。另外，半导体模块产生的热从冷却块13传递到冷却器12从而向外部散热。
[0058]在图3(a)中，在冷却器12的冷却块13上搭载有图1中的4个开关元件SBUl1、SBU12、SBU21、SBU22、也就是2个模块MBUa和MBUb。在此图示了热管式的冷却器，但也可以采用散热片(heat sink)。
[0059]在安装方面优选考虑以下几点。首先，为了抑制开关模块动作时的跳变电压，有必要降低由模块和平滑电容器C构成的循环电路的电感。为此，在安装2个模块MBUa和MBUb的部件时，将2个模块的直流端子设置在中央侧，并且将交流端子TBUa3和TBUb3朝向外侧安装，尤其是在安装2个模块的直流端子时，安装成正极端子和负极端子相对置。在图3 (a)的例中，正极端子TBUal和负极端子TBUb2被配置在相对置的位置上，正极端子TBUbl和负极端子TBUa2被配置在相对置的位置上。
[0060]另外，平滑电容器C的安装位置未示出，其采用使开关模块之间的电感变得均等的方式进行安装。此外，图中省略了导体布线的图示。
[0061 ] 臂部的半导体模块MBUa和MBUb分别具有直流端子(TBUal，TBUa2，TBUbl，TBUb2)以及交流端子(TBUa3和TBUb3)。交流端子TBUa3与共同连接用端子TBU3之间是通过布线LBUa连接的，交流端子TBUb3与共同连接用端子TBU3之间是通过布线LBUb连接的。如上所述，2根布线LBUa、LBUb导入至U相的共同连接用端子TBU3而被连接，并作为U相端子导出到外部。此外，虽然未图示，但直流端子TBUal和TBUbl共同连接于直流电路DC的正极，直流端子TBUa2和TBUb2共同连接于直流电路DC的负极。
[0062]图3(a)表示并联连接臂部的半导体模块而成的结构的正面。通过在背面采用相同的配置结构，可以提高安装密度。图3(b)表示在两个面进行安装时的侧视图。在两个面进行安装时的背面的相可以是相同交直流变换电路内的其它相，而若采用图2所示的由两组交直流变换电路构成的功率变换装置，优选在背面设置其它交直流变换电路内的相。
[0063]图3(b)示出了在背面构成其它交直流变换电路IA内的R相、即臂部的半导体模块MAR的示例。另外，在图2所示的由两组交直流变换电路1A、1B构成的功率变换装置I中，使一方的交直流变换电路发挥变换器的作用，并且使另一方的交直流变换电路发挥逆变器的作用，因此图3的结构应称为变换器/逆变器一相单元。此外，在背面，臂部的半导体模块MAR由MARa和MARb构成，从此伸出的2根布线LARa、LARb被导入R相的共同连接用端子TBR3而被连接，并作为R相端子而导出至外部。此外，U相的共同连接用端子TBU3和R相的共同连接用端子TBR3 —起配置在共同的端子台TUR3上。
[0064]图4示出将图2的由两组交直流变换电路构成的功率变换装置收纳在壳体10内时的图，表示在壳体前面的门打开的状态下可看到的部件的配置关系。在3组变换器/逆变器的一相单元Y(YUR，YVS, YffT)中，高度方向的位置关系是冷却器12配置在上侧、冷却块13配置在下侧，在横向上配置3组。端子台T配置在壳体10的门前面。端子台T由串联配置的3个端子台TUR、TVS、TffT构成。
[0065]其中，在端子台TUR设置有U相的共同连接用端子TBU3、和R相的共同连接用端子TBR3，同样地，在端子台TVS设置有V相的共同连接用端子TBV3和S相的共同连接用端子TBS3，在端子台TWT设置有W相的共同连接用端子TBW3和T相的共同连接用端子TBT3。来自并联连接的臂部的半导体模块的布线被导入至各个共同连接用端子从而被连接在一起。
[0066]图5表示作为共同连接用端子TB的U相的共同连接用端子TBU3的结构。来自同一相的多个臂部的半导体模块MBUa、MBUb的布线LBUa、LBUb在共同连接用端子TBU3处被连接而形成U相。
[0067]在壳体10内，除了上述电路构件以外，还收纳有直流电路的平滑电容器C或者用于各种连接线的布线等。因此，壳体内空间窄小，一般来说，在安装完功率变换装置的状态下难以对多个臂部的半导体模块之间的电流分担进行实测。
[0068]与此相对，在本发明中，能够在设置于壳体10前面的端子台T的共同连接用端子的部分，对多个臂部的半导体模块的电流进行实测。例如，在图5所示的U相的共同连接用端子TBU3上准备了与两组半导体模块连接的端子，所以能够在该部分测量各电流。
[0069]采用图3和图4所示的部件配置时，在图1的各相的开关模块MAR、MAS、MAT、MBU、MBV、MBW中，交流端子配置在外侧，所以如图1所示，在结构上能够在耦合端子TBU3的前级通过通用的电流检测器观测流经第一半导体模块的交流端子TBUa3的电流、和经过第二半导体模块的交流端子TBUb3而流动的电流，由此能够在安装完成后的状态下观测电流的不均匀性。[0070]图6表示通过本发明测量到的波形例。图6示出了与图1对应的U相的各部分电流，iu表示由电流检测器11检测到的U相电流，iua表示由电流检测器Ila检测到的U相电流的模块MBUa侧的电流，iub表示由电流检测器I Ib检测到的U相电流的模块MBUb侧的电流。
[0071]以下是以图1的U相结构表示了以上详细说明的本发明的功率变换装置，其具有:
[0072]由第一正极侧开关元件SBUll和第一负极侧开关元件SBU21串联连接而成的第一半导体电路MBUa ;以及
[0073]由第二正极侧开关元件SBU12和第二负极侧开关元件SBU22串联连接而成的第二半导体电路MBUb ;并且
[0074]具有:作为第一正极侧开关元件SBUll和第一负极侧开关元件SBU21的连接点的第一交流端子TBUa3;以及
[0075]作为第二正极侧开关元件SBU21和第二负极侧开关元件SBU22的连接点的第二交流端子TBUb3，
[0076]连接第一交流端子TBUa3和负载的第一交流导体LBUa和连接第二交流端子TBUb3和负载的第二交流导体LBUb在与第一交流端子和第二交流端子不同的第三交流端子TBU3处被连接。
【权利要求】
1.一种功率变换装置，其在交流和直流之间进行功率变换，该功率变换装置的特征在于， 串联连接第一正极侧开关元件和第一负极侧开关元件而成的第一半导体电路、和串联连接第二正极侧开关元件和第二负极侧开关元件而成的第二半导体电路被并联连接，由此负责所述交流的一相功率变换，所述第一半导体电路和所述第二半导体电路分别被模块化， 被模块化的所述第一半导体电路具有作为所述第一正极侧开关元件和所述第一负极侧开关元件的连接点的第一交流端子， 被模块化的所述第二半导体电路具有作为所述第二正极侧开关元件和所述第二负极侧开关元件的连接点的第二交流端子， 连接所述第一交流端子和负载的第一交流导体与连接所述第二交流端子和负载的第二交流导体在与所述第一交流端子和第二交流端子不同的第三交流端子处被连接。
2.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于， 被模块化的所述第一半导体电路和所述第二半导体电路配置在冷却块的正面上，构成所述交流的其它相的被模块化的所述第一半导体电路和所述第二半导体电路配置在冷却块的背面上。
3.如权利要求2所述的功率变换装置，其特征在于， 所述功率变换装置由将第一交流变换为直流的第一交直流变换电路、和将所述直流变换为第二交流的第二交直流变换电路构成， 在所述冷却块的正面上配置所述第一交直流变换电路的被模块化的所述第一半导体电路和所述第二半导体电路，在所述冷却块的背面上配置所述第二交直流变换电路的被模块化的所述第一半导体电路和所述第二半导体电路，由此形成变换器/逆变器的一相单J Li ο
4.如权利要求1至3的任一项所述的功率变换装置，其特征在于， 构成功率变换装置的各部件收纳在壳体内，所述第三端子配置在壳体的打开门时位于正面的位置上。
5.如权利要求3所述的功率变换装置，其特征在于， 所述第一交流和所述第二交流中的至少一方为三相交流， 构成功率变换装置的各部件收纳在壳体内，3组所述变换器/逆变器的一相单元被并排配置而收纳在壳体内。
6.如权利要求5所述的功率变换装置，其特征在于， 构成功率变换装置的各部件收纳在壳体内，与所述3组变换器/逆变器的一相单元分别对应的多个所述第三端子配置在壳体的打开门时位于正面的位置上。
7.如权利要求1至6的任一项所述的功率变换装置，其特征在于， 在第三端子部分观测流经所述第一交流导体的电流、流经所述第二交流导体的电流和流经第三端子的合成电流。
【文档编号】H02M7/48GK103840677SQ201310581018
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2012年11月21日
【发明者】保立尚史, 森和久, 大沼直人, 迫田友治 申请人:株式会社日立制作所
【专利摘要】提供一种功率变换装置，在安装完该功率变换装置的状态下能容易实测电流分担。串联连接第一正极侧开关元件和第一负极侧开关元件而成的第一半导体电路、和串联连接第二正极侧开关元件和第二负极侧开关元件而成的第二半导体电路被并联连接，由此负责交流的一相功率变换，第一和第二半导体电路分别被模块化，被模块化的第一半导体电路具有作为第一正极侧开关元件和第一负极侧开关元件的连接点的第一交流端子，被模块化的第二半导体电路具有作为第二正极侧开关元件和第二负极侧开关元件的连接点的第二交流端子，连接第一交流端子和负载的第一交流导体与连接第二交流端子和负载的第二交流导体在与第一和第二交流端子不同的第三端子处被连接。
【专利说明】功率变换装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种使用由半导体开关元件串联连接而成的模块的功率变换装置，尤其是涉及一种安装并联连接多个模块而构成的功率变换装置的结构。
【背景技术】
[0002]采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等高速半导体开关元件的功率变换装置在各个领域得到了广泛应用。尤其是近年来，随着半导体技术的进步，已经实现了大容量半导体模块。在模块化方面，除了由各个半导体开关模块化而成的模块得到了广泛应用外，将构成逆变器的臂部的上下半导体开关组合成一个模块而构成的臂部的半导体模块也得到了广泛的应用。此外，为了实现大容量化，有时需要并联连接多个臂部的半导体模块加以使用。
[0003]如上所述，为了实现大容量化，无法避免臂部的半导体模块的并联连接，在将半导体模块并联连接时，需要使各个半导体元件模块的电流分担均等化，否则，半导体元件模块的使用条件或者寿命将受到负荷大的一方的半导体元件模块的影响。因此，需要使各个半导体元件模块的电流分担实现平衡。
[0004]在对臂部的半导体模块进行并联连接时，作为影响电流均等化的主要原因，可以列举半导体元件的特性差异、栅极驱动电路的差异以及主电路布线电感的差异等。因此，若针对上述各个原因分别采取对策，能够实现电流均等化。
[0005]作为具体的对策，例如在元件特性的差异方面，大多采取通过甄选使并列连接的元件之间具有相同特性等措施。在栅极驱动电路方面，采取相对于并列连接的元件设置共同的驱动电源电路以及将栅极布线的长度设定为相同长度等对策。
[0006]此外，在主电路布线电感的均等化方面，可以列举出专利文献I和专利文献2所公开的方法。在专利文献I中，采用了降低作为直流电源的平滑电容器和上下IGBT循环电路的电感并使其均等化的结构，如专利文献I的图23所示，将正极导体和负极导体设置成层叠导体。
[0007]在专利文献2中，为了抑制从并联连接的IGBT模块的交流端子朝向负载的电感的不均匀度，采取了在导体上设置切口等的对策。
[0008]专利文献I JP特开2007-151286号公报
[0009]专利文献2 JP特开2012-95472号公报
[0010]如上所述，已经从上述各个视点出发实施了各种对策。以下对其中的半导体元件特性的差异进行详细说明。在甄别半导体开关IGBT的特性方面，由于针对支配导通损失的饱和电压Vce(sat)已经划分了等级等，所以容易进行选择。但是，通常不选择栅极阈值电压Vge(th)和输入容量Cies。在这种情况下，如果半导体元件特性的差异过大，则会产生电流不均匀等情况。
[0011]因此，在功率变换装置中，在并联连接臂部的半导体模块而最终安装在壳体(或者收纳盘)内的状态下，由于IGBT模块周围的布线导体的安装密度高，所以在安装完功率变换装置的状态下，难以对多个臂部的半导体模块之间的电流分担进行实测。
【发明内容】
[0012]鉴于上述原因，本发明所要解决的课题是提供一种在安装完功率变换装置的状态下也能够容易实测电流分担的结构。
[0013]为了解决上述课题，本发明提供一种功率变换装置，其在交流和直流之间进行功率变换，所述功率变换装置的特征在于，串联连接第一正极侧开关元件和第一负极侧开关元件而成的第一半导体电路、和串联连接第二正极侧开关元件和第二负极侧开关元件而成的第二半导体电路被并联连接，由此负责交流的一相功率变换，第一半导体电路和第二半导体电路分别被模块化，被模块化的第一半导体电路具有作为第一正极侧开关元件和第一负极侧开关元件的连接点的第一交流端子，被模块化的第二半导体电路具有作为第二正极侧开关元件和第二负极侧开关元件的连接点的第二交流端子，连接第一交流端子和负载的第一交流导体与连接第二交流端子和负载的第二交流导体在与第一交流端子和第二交流端子不同的第三端子处被连接。
[0014](发明效果)
[0015]通过采用上述结构，能够在安装完功率变换装置的状态下容易观测电流不均等情况。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1表示并联连接了多个半导体模块的结构。
[0017]图2表示由两组交直流变换电路构成的功率变换装置的示例。
[0018]图3(a)表示并联连接了半导体模块的结构的正面。
[0019]图3(b)表示在两个面上安装有半导体模块时的侧视图。
[0020]图4表示在壳体内安装了由两组交直流变换电路构成的功率变换装置的示例。
[0021]图5表示作为共同连接用端子TB的U相共同连接用端子TBU3的结构。
[0022]图6表示测量到的电流的示例。
[0023]符号说明:
[0024]1A、IB:交直流变换电路
[0025]S、SBU、SBV、SBff, SBR、SBS、SBT:半导体开关元件
[0026]C:平滑电容器
[0027]R、S、T:三相交流的相
[0028]U、V、W:三相交流的相
[0029]M、MBU、MBV、MBff, MAR、MAS、MAT:臂部的半导体元件模块
[0030]DC:直流电路
[0031]DC+:正极侧
[0032]DC-:负极侧
[0033]MBUa,MBUb:并联连接的臂部的半导体元件模块
[0034]TBUal、TBUa2、TBUbU TBUb2:直流端子
[0035]TBUa3、TBUb3:交流端子
[0036]13:冷却块[0037]12:冷却器
[0038]TBU3:共同连接用端子
[0039]LBUa, LBUb:布线
【具体实施方式】
[0040]以下，参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。
[0041]在以下的实施例中，说明开关模块分别内置了 2个作为半导体开关元件的IGBT和与IGBT反向并联连接的环流二极管的情况，但也可以采用IGBT以外的其他的开关元件。
[0042]实施例1
[0043]图2表示由两组交直流变换电路构成的功率变换装置的示例。在图2中，两组交直流变换电路1A、IB是采用了半导体开关元件S (例如IGBT)的三相变换电路，由交直流变换电路1A、1B中的一方(例如1A)将交流变换为直流，并且经由直流电路，由交直流变换电路1A、1B中的另一方(例如1B)将直流变换为交流。
[0044]具体来说，在进行逆变器运行的交直流变换电路IB中，将平滑电容器C作为直流电源，根据来自未图示的控制装置的触发信号，使各个开关元件SBU、SBV、SBW断开(OFF)/导通(ON)，由此向负载侧(U、V、W相侧)供应期望的电力。在进行变换器运行的交直流变换电路IA中，根据来自未图示的控制装置的触发信号，使各个开关元件SBR、SBS、SBT断开/导通，由此将交流电源(R、S、T相侧)变换为直流以对平滑电容器C进行充电。
[0045]在未图示的控制装置中，检测流入和流出功率变换装置的电流、直流电路部分的电压以及电动机的速度等，对功率变换装置进行控制。此外，图中省略了用于驱动开关元件的门电路的图示，并且省略了根据需要连接的用于耐压保护的缓冲电路的图示。
[0046]本发明不仅能够应用于具有两组交直流变换电路1A、1B的功率变换装置I中，而且还能够应用于由在交流和直流之间进行变换的一组交直流变换电路(1A或者1B)构成的功率变换装置中。
[0047]在图2中，交直流变换电路IA与以R、S、T相表示的交流电路连接，交直流变换电路IB与以U、V、W相表示的交流电路连接。此外，交直流变换电路1A、1B中的半导体开关元件S采用三相格里茨接线(Graetz connection)方式,半导体开关元件S上的符号A、B表示其是位于交直流变换电路IA和IB侧的元件。符号R、S、T和U、V、W表示三相交流的各个相。此外，通过半导体开关元件S上的符号1、2来区分臂结构中的正侧的元件(I)和负侧的元件(2)。
[0048]另外，符号M表不臂部的半导体兀件模块，附加给M的符号A、B以及符号R、S、T、U、V、W如上所述，用于区分交直流变换电路IA和IB以及表示三相交流的各个相。
[0049]从上述符号的含义可以知道，例如MAR表示与交直流变换电路IA的R相连接的臂部的半导体元件模块，MBU表示与交直流变换电路IB的U相连接的臂部的半导体元件模块。由于其它臂部的半导体元件模块也可以采用相同的方法来理解，所以在此省略各个臂部的半导体元件模块的说明。
[0050]另外，作为臂部的半导体元件模块的例如MAR与2个半导体开关元件SARl和SAR2串联连接，正极侧开关元件SARl的负极侧端子和负极侧开关元件SAR2的正极侧端子、即交流端子通过模块内部的导体而被连接。此外，串联连接的2个半导体开关元件SARl和SAR2的两端与直流电路DC的正极侧DC+和负极侧DC-连接。并且，直流电路DC在正负极之间设置有平滑电容器C。
[0051]图1表示将图2中的一个臂部的半导体模块进一步并联连接了多个的结构。在此，作为臂部的半导体模块，示出了 MBU的示例。在与交直流变换电路IB的U相连接的臂部的半导体元件模块MBU中，MBUa和MBUb并联连接。
[0052]如图1所示，正极侧开关元件SBUll和负极侧开关元件SBU21由一个模块MBUa构成。同样，正极侧开关元件SBU12和负极侧开关元件SBU22也由一个模块MBUb构成。此外，正极侧开关元件SBUll和SBU12并联连接，负极侧开关元件SBU21和SBU22并联连接。另夕卜，正极侧的导体和负极侧的导体采用使并联连接的开关模块的电感变得均匀的方式进行安装。
[0053]作为正极侧开关元件SBUll和负极侧开关元件SBU21的连接点的交流端子TBUa3、和作为正极侧开关元件SBU12和负极侧开关元件SBU22的连接点的交流端子TBUb3在端子TBU3处被连接，构成了耦合2个并列的输入输出的结构。
[0054]另外，用于功率变换装置I的控制中的电流检测器11设置在耦合后的后级。虽然未详细图示，但其它两个相也采用相同的结构。
[0055]以下，进一步对2个模块的外部连接关系进行详细说明。臂部的半导体元件模块MBUa和MBUb分别具有用于与直流电路侧连接的直流端子(TBUal，TBUa2，TBUbl，TBUb2)、和用于与交流电路侧(U相)连接的交流端子(TBUa3和TBUb3)。直流端子(TBUal和TBUbl)与直流电路的正极DC+连接，直流端子(TBUa2和TBUb2)与直流电路的负极DC-连接。
[0056]在本发明中，将用于与交流电路侧(U相)连接的交流端子(TBUa3和TBUb3)共同连接，共同连接用端子TBU3配置在从交流端子(TBUa3和TBUb3)经由布线LBUa、LBUb而较远的位置上。此外，如后述的图示所示，U相的共同连接用端子TBU3与其它相的共同连接用端子汇集后配置在同一部位。
[0057]图3(a)表示并联连接臂部的半导体模块而成的结构的俯视图。在俯视图上示出了 U相的设备配置。在图3(a)中，13表示冷却块，冷却块13上搭载有臂部的半导体模块MBUa和MBUb，并且冷却块13用于对由半导体模块产生的热进行散热。另外，半导体模块产生的热从冷却块13传递到冷却器12从而向外部散热。
[0058]在图3(a)中，在冷却器12的冷却块13上搭载有图1中的4个开关元件SBUl1、SBU12、SBU21、SBU22、也就是2个模块MBUa和MBUb。在此图示了热管式的冷却器，但也可以采用散热片(heat sink)。
[0059]在安装方面优选考虑以下几点。首先，为了抑制开关模块动作时的跳变电压，有必要降低由模块和平滑电容器C构成的循环电路的电感。为此，在安装2个模块MBUa和MBUb的部件时，将2个模块的直流端子设置在中央侧，并且将交流端子TBUa3和TBUb3朝向外侧安装，尤其是在安装2个模块的直流端子时，安装成正极端子和负极端子相对置。在图3 (a)的例中，正极端子TBUal和负极端子TBUb2被配置在相对置的位置上，正极端子TBUbl和负极端子TBUa2被配置在相对置的位置上。
[0060]另外，平滑电容器C的安装位置未示出，其采用使开关模块之间的电感变得均等的方式进行安装。此外，图中省略了导体布线的图示。
[0061 ] 臂部的半导体模块MBUa和MBUb分别具有直流端子(TBUal，TBUa2，TBUbl，TBUb2)以及交流端子(TBUa3和TBUb3)。交流端子TBUa3与共同连接用端子TBU3之间是通过布线LBUa连接的，交流端子TBUb3与共同连接用端子TBU3之间是通过布线LBUb连接的。如上所述，2根布线LBUa、LBUb导入至U相的共同连接用端子TBU3而被连接，并作为U相端子导出到外部。此外，虽然未图示，但直流端子TBUal和TBUbl共同连接于直流电路DC的正极，直流端子TBUa2和TBUb2共同连接于直流电路DC的负极。
[0062]图3(a)表示并联连接臂部的半导体模块而成的结构的正面。通过在背面采用相同的配置结构，可以提高安装密度。图3(b)表示在两个面进行安装时的侧视图。在两个面进行安装时的背面的相可以是相同交直流变换电路内的其它相，而若采用图2所示的由两组交直流变换电路构成的功率变换装置，优选在背面设置其它交直流变换电路内的相。
[0063]图3(b)示出了在背面构成其它交直流变换电路IA内的R相、即臂部的半导体模块MAR的示例。另外，在图2所示的由两组交直流变换电路1A、1B构成的功率变换装置I中，使一方的交直流变换电路发挥变换器的作用，并且使另一方的交直流变换电路发挥逆变器的作用，因此图3的结构应称为变换器/逆变器一相单元。此外，在背面，臂部的半导体模块MAR由MARa和MARb构成，从此伸出的2根布线LARa、LARb被导入R相的共同连接用端子TBR3而被连接，并作为R相端子而导出至外部。此外，U相的共同连接用端子TBU3和R相的共同连接用端子TBR3 —起配置在共同的端子台TUR3上。
[0064]图4示出将图2的由两组交直流变换电路构成的功率变换装置收纳在壳体10内时的图，表示在壳体前面的门打开的状态下可看到的部件的配置关系。在3组变换器/逆变器的一相单元Y(YUR，YVS, YffT)中，高度方向的位置关系是冷却器12配置在上侧、冷却块13配置在下侧，在横向上配置3组。端子台T配置在壳体10的门前面。端子台T由串联配置的3个端子台TUR、TVS、TffT构成。
[0065]其中，在端子台TUR设置有U相的共同连接用端子TBU3、和R相的共同连接用端子TBR3，同样地，在端子台TVS设置有V相的共同连接用端子TBV3和S相的共同连接用端子TBS3，在端子台TWT设置有W相的共同连接用端子TBW3和T相的共同连接用端子TBT3。来自并联连接的臂部的半导体模块的布线被导入至各个共同连接用端子从而被连接在一起。
[0066]图5表示作为共同连接用端子TB的U相的共同连接用端子TBU3的结构。来自同一相的多个臂部的半导体模块MBUa、MBUb的布线LBUa、LBUb在共同连接用端子TBU3处被连接而形成U相。
[0067]在壳体10内，除了上述电路构件以外，还收纳有直流电路的平滑电容器C或者用于各种连接线的布线等。因此，壳体内空间窄小，一般来说，在安装完功率变换装置的状态下难以对多个臂部的半导体模块之间的电流分担进行实测。
[0068]与此相对，在本发明中，能够在设置于壳体10前面的端子台T的共同连接用端子的部分，对多个臂部的半导体模块的电流进行实测。例如，在图5所示的U相的共同连接用端子TBU3上准备了与两组半导体模块连接的端子，所以能够在该部分测量各电流。
[0069]采用图3和图4所示的部件配置时，在图1的各相的开关模块MAR、MAS、MAT、MBU、MBV、MBW中，交流端子配置在外侧，所以如图1所示，在结构上能够在耦合端子TBU3的前级通过通用的电流检测器观测流经第一半导体模块的交流端子TBUa3的电流、和经过第二半导体模块的交流端子TBUb3而流动的电流，由此能够在安装完成后的状态下观测电流的不均匀性。[0070]图6表示通过本发明测量到的波形例。图6示出了与图1对应的U相的各部分电流，iu表示由电流检测器11检测到的U相电流，iua表示由电流检测器Ila检测到的U相电流的模块MBUa侧的电流，iub表示由电流检测器I Ib检测到的U相电流的模块MBUb侧的电流。
[0071]以下是以图1的U相结构表示了以上详细说明的本发明的功率变换装置，其具有:
[0072]由第一正极侧开关元件SBUll和第一负极侧开关元件SBU21串联连接而成的第一半导体电路MBUa ;以及
[0073]由第二正极侧开关元件SBU12和第二负极侧开关元件SBU22串联连接而成的第二半导体电路MBUb ;并且
[0074]具有:作为第一正极侧开关元件SBUll和第一负极侧开关元件SBU21的连接点的第一交流端子TBUa3;以及
[0075]作为第二正极侧开关元件SBU21和第二负极侧开关元件SBU22的连接点的第二交流端子TBUb3，
[0076]连接第一交流端子TBUa3和负载的第一交流导体LBUa和连接第二交流端子TBUb3和负载的第二交流导体LBUb在与第一交流端子和第二交流端子不同的第三交流端子TBU3处被连接。
【权利要求】
1.一种功率变换装置，其在交流和直流之间进行功率变换，该功率变换装置的特征在于， 串联连接第一正极侧开关元件和第一负极侧开关元件而成的第一半导体电路、和串联连接第二正极侧开关元件和第二负极侧开关元件而成的第二半导体电路被并联连接，由此负责所述交流的一相功率变换，所述第一半导体电路和所述第二半导体电路分别被模块化， 被模块化的所述第一半导体电路具有作为所述第一正极侧开关元件和所述第一负极侧开关元件的连接点的第一交流端子， 被模块化的所述第二半导体电路具有作为所述第二正极侧开关元件和所述第二负极侧开关元件的连接点的第二交流端子， 连接所述第一交流端子和负载的第一交流导体与连接所述第二交流端子和负载的第二交流导体在与所述第一交流端子和第二交流端子不同的第三交流端子处被连接。
2.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于， 被模块化的所述第一半导体电路和所述第二半导体电路配置在冷却块的正面上，构成所述交流的其它相的被模块化的所述第一半导体电路和所述第二半导体电路配置在冷却块的背面上。
3.如权利要求2所述的功率变换装置，其特征在于， 所述功率变换装置由将第一交流变换为直流的第一交直流变换电路、和将所述直流变换为第二交流的第二交直流变换电路构成， 在所述冷却块的正面上配置所述第一交直流变换电路的被模块化的所述第一半导体电路和所述第二半导体电路，在所述冷却块的背面上配置所述第二交直流变换电路的被模块化的所述第一半导体电路和所述第二半导体电路，由此形成变换器/逆变器的一相单J Li ο
4.如权利要求1至3的任一项所述的功率变换装置，其特征在于， 构成功率变换装置的各部件收纳在壳体内，所述第三端子配置在壳体的打开门时位于正面的位置上。
5.如权利要求3所述的功率变换装置，其特征在于， 所述第一交流和所述第二交流中的至少一方为三相交流， 构成功率变换装置的各部件收纳在壳体内，3组所述变换器/逆变器的一相单元被并排配置而收纳在壳体内。
6.如权利要求5所述的功率变换装置，其特征在于， 构成功率变换装置的各部件收纳在壳体内，与所述3组变换器/逆变器的一相单元分别对应的多个所述第三端子配置在壳体的打开门时位于正面的位置上。
7.如权利要求1至6的任一项所述的功率变换装置，其特征在于， 在第三端子部分观测流经所述第一交流导体的电流、流经所述第二交流导体的电流和流经第三端子的合成电流。
【文档编号】H02M7/48GK103840677SQ201310581018
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2012年11月21日
【发明者】保立尚史, 森和久, 大沼直人, 迫田友治 申请人:株式会社日立制作所
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