特許 6648613 インバータ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6648613

(24)【登録日】2020年1月20日

(45)【発行日】2020年2月14日

(54)【発明の名称】インバータ装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20200203BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 Z

【請求項の数】4

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-75513(P2016-75513)

(22)【出願日】2016年4月5日

(65)【公開番号】特開2017-188996(P2017-188996A)

(43)【公開日】2017年10月12日

【審査請求日】2019年2月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 誉人

【審査官】 柳下 勝幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−０６７０８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１３４８２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子のスイッチング動作により直流電源と交流機器との間の電力変換を行うインバータ装置であって、
前記直流電源の正極側に設けられた板状の正極側導体と、
前記直流電源の負極側に設けられた板状の負極側導体と、
前記正極側導体と前記負極側導体との間に直列に接続された第１正極側半導体素子及び第１負極側半導体素子と、
前記正極側導体と前記負極側導体との間に直列に接続された第２正極側半導体素子及び第２負極側半導体素子と、
前記正極側導体と前記負極側導体との間に設けられる絶縁板と、
前記絶縁板の前記正極側導体が設けられた側の板面に対して立設される板状の第１ヒートシンクと、
前記絶縁板の前記負極側導体が設けられた側の板面に対して立設される板状の第２ヒートシンクと、を備え、
前記正極側導体と前記負極側導体は、前記絶縁板を挟んで対向配置され、
前記第１ヒートシンクの一方の面に前記第１正極側半導体素子が設けられ、前記第１ヒートシンクの他方の面に前記第２正極側半導体素子が設けられ、
前記第２ヒートシンクの一方の面に前記第１負極側半導体素子が設けられ、前記第２ヒートシンクの他方の面に前記第２負極側半導体素子が設けられた
ことを特徴とするインバータ装置。

【請求項2】

前記正極側導体と前記負極側導体は、前記絶縁板を介して平行平板状に設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。

【請求項3】

前記第１ヒートシンク及び前記第２ヒートシンクは、水冷または沸騰冷却を含む液冷式のヒートシンクである
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。

【請求項4】

前記第１正極側半導体素子のエミッタに接続される板状の第１導体と、前記第１負極側半導体素子のコレクタに接続される板状の第２導体が、前記絶縁板上に重ねた状態で設けられ、
前記第２正極側半導体素子のエミッタに接続される板状の第３導体と、前記第２負極側半導体素子のコレクタに接続される板状の第４導体が、前記絶縁板上に重ねた状態で設けられた
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のインバータ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インバータ装置に関する。特に、単相インバータ装置の回路インダクタンスを低減させる構造に関する。

【背景技術】

【0002】

図４に一般的な単相インバータの回路図を示す。単相インバータは、アームを構成するスイッチング素子のペア（ＩＧＢＴ₁とＩＧＢＴ₂またはＩＧＢＴ₃とＩＧＢＴ₄）がＰ側導体とＮ側導体の間に直列に接続されている。

【0003】

図５に示すように、従来技術に係る単相インバータ１８は、ヒートシンク１９上に半導体パワーモジュール（ＩＧＢＴ₁６〜ＩＧＢＴ₄９）が配置される。そして、Ｐ側導体２０とＮ側導体２１が絶縁板２２を介して積層されて、この積層部に平滑コンデンサ１０が設けられる。また、Ｐ側導体２０とＮ側導体２１の積層部の一端部からＰ側導体２０が延在し、この延在部がヒートシンク１９上に配置されたＩＧＢＴ₂７のコレクタ端子及びＩＧＢＴ₄９のコレクタ端子に接続される。また、Ｐ側導体２０とＮ側導体２１の積層部の端部からＮ側導体２１が延在し、この延在部がヒートシンク１９上に配置されたＩＧＢＴ₁６のエミッタ端子及びＩＧＢＴ₃８のエミッタ端子に接続される。さらに、ＩＧＢＴ₁６のコレクタ端子とＩＧＢＴ₂７のエミッタ端子には交流出力Ｕの導体２３が設けられ、ＩＧＢＴ₃８のコレクタ端子とＩＧＢＴ₄９エミッタ端子には交流出力Ｖの導体２４が設けられる。この導体２３と導体２４との間には、絶縁板２５が設けられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平７−３１１６５号公報

【特許文献2】特開２０１４−１１８１９号公報

【特許文献3】特開平８−２９４２６６号公報

【特許文献4】特開２０１１−１８８４７号公報

【特許文献5】特開２０１４−５４１０３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、半導体パワーモジュールの端子部周辺では、平滑コンデンサからの電流の導通経路が平面方向に広がるため、回路ループが大きくなり回路のインダクタンスが大きくなるおそれがある。

【0006】

また、流れる電流の向きがお互いに逆向きとなるように導体を沿わせて配置することにより回路インダクタンスを打ち消すことができるが（例えば、特許文献５）、Ｐ側導体では、ＩＧＢＴ₂のコレクタ側の導体とＩＧＢＴ₄のコレクタ側の導体とが分岐しており、Ｎ側導体では、ＩＧＢＴ₁のエミッタ側の導体とＩＧＢＴ₃のエミッタ側の導体とが分岐しており、半導体パワーモジュールの端子部周辺では、流れる電流の向きがお互いに逆向きとなるように導体を沿わせて配置することが困難である。

【0007】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、インバータ装置の回路インダクタンス低減に貢献する技術を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成する本発明のインバータ装置の一態様は、半導体素子のスイッチング動作により直流電源と交流機器との間の電力変換を行うインバータ装置であって、前記直流電源の正極側に設けられた板状の正極側導体と、前記直流電源の負極側に設けられた板状の負極側導体と、前記正極側導体と前記負極側導体との間に直列に接続された第１正極側半導体素子及び第１負極側半導体素子と、前記正極側導体と前記負極側導体との間に直列に接続された第２正極側半導体素子及び第２負極側半導体素子と、前記正極側導体と前記負極側導体との間に設けられる絶縁板と、前記絶縁板の前記正極側導体が設けられた側の板面に対して立設される板状の第１ヒートシンクと、前記絶縁板の前記負極側導体が設けられた側の板面に対して立設される板状の第２ヒートシンクと、を備え、前記正極側導体と前記負極側導体は、前記絶縁板を挟んで対向配置され、前記第１ヒートシンクの一方の面に前記第１正極側半導体素子が設けられ、前記第１ヒートシンクの他方の面に前記第２正極側半導体素子が設けられ、前記第２ヒートシンクの一方の面に前記第１負極側半導体素子が設けられ、前記第２ヒートシンクの他方の面に前記第２負極側半導体素子が設けられたことを特徴としている。

【発明の効果】

【0009】

以上の発明によれば、インバータ装置の回路インダクタンスを低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】（ａ）本発明の実施形態に係るインバータ装置の正面図、（ｂ）同インバータ装置の平面図、（ｃ）同インバータ装置の左側面図、（ｄ）同インバータ装置の右側面図である。

【図2】本発明の実施形態に係るインバータ装置の正面方向から見た斜視図である。

【図3】本発明の実施形態に係るインバータ装置の背面方向から見た斜視図である。

【図4】単相インバータの回路図である。

【図5】（ａ）従来技術に係るインバータ装置の正面図、（ｂ）同インバータ装置の平面図、（ｃ）同インバータ装置の左側面図、（ｄ）同インバータ装置の右側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の実施形態にインバータ装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明のインバータ装置は、以下の実施形態に限定されるものではない。

【0012】

図１に、本発明の実施形態に係るインバータ装置１を示す。また、図２，３にインバータ装置１の斜視図を示す。インバータ装置１の回路図は、図４に示した回路図と同じである。また、図２，３では、説明の便宜上、絶縁板１１を透明な板として、絶縁板１１に隠れた部分が見えるように表示している。

【0013】

図２，３に示すように、インバータ装置１は、Ｐ側導体２及びＮ側導体３と、ヒートシンク４，５と、半導体パワーモジュール（ＩＧＢＴ₁６〜ＩＧＢＴ₄９）と、平滑コンデンサ１０と、を備える。

【0014】

Ｐ側導体２及びＮ側導体３は板状の導体であり、直流電源（図示せず）の正極及び負極に接続される。Ｐ側導体２とＮ側導体３とは絶縁板１１を介して電流の向きが反対となるように沿わせて配置される。つまり、Ｐ側導体２とＮ側導体３とは絶縁板１１を介した平行平板状に設けられる。このＰ側導体２とＮ側導体３の積層部に平滑コンデンサ１０が設けられる。Ｐ側導体２の一端には直流電源に接続される端子部２ａが絶縁板１１から立設した状態で形成される。また、Ｐ側導体２の他端側の側部には一対の接続部２ｂ，２ｃが絶縁板１１から立設した状態で形成される。この接続部２ｂはＩＧＢＴ₂７のコレクタ端子に接続され、接続部２ｃはＩＧＢＴ₄９のコレクタ端子に接続される。同様に、Ｎ側導体３の一端には直流電源に接続される端子部３ａが絶縁板１１から立設した状態で形成され、Ｎ側導体３の他端側の側部には一対の接続部３ｂ，３ｃが絶縁板１１から立設した状態で形成される。この接続部３ｂにＩＧＢＴ₁６のエミッタ端子に接続され、接続部３ｃはＩＧＢＴ₃８のエミッタ端子に接続される。

【0015】

ヒートシンク４は、薄い板状に形成されたものであり、Ｐ側導体２の主面に対して立設して設けられる。ヒートシンク４（及びヒートシンク５）として、例えば、ヒートシンク内部に水が流通する流路が形成された水冷式のヒートシンクや、ヒートシンク内部にヒートパイプが設けられた沸騰冷却式のヒートシンクが用いられる。ヒートシンク４の一方の面にはＩＧＢＴ₂７が設けられ、ヒートシンク４の他方の面にはＩＧＢＴ₄９が設けられる。

【0016】

ヒートシンク５は、薄い板状に形成されたものであり、Ｎ側導体３の主面に対して立設して設けられる。ヒートシンク５の一方の面にはＩＧＢＴ₁６が設けられ、ヒートシンク５の他方の面にはＩＧＢＴ₃８が設けられる。

【0017】

半導体パワーモジュール（ＩＧＢＴ₁６〜ＩＧＢＴ₄９）は、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）とこのスイッチング素子に逆並列に接続される還流ダイオード（図示せず）とがパッケージ化されたモジュールである。なお、スイッチング素子は、ＩＧＢＴに限定されるものではなく、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子でもよい。

【0018】

図２に示すように、ＩＧＢＴ₁６のエミッタ端子は接続部３ｂを介してＮ側導体３と接続される。ＩＧＢＴ₁６のコレクタ端子は交流出力ＵのＵ₁導体１２に接続される。Ｕ₁導体１２は板状の導体であり、絶縁板１１上に設けられる。また、ＩＧＢＴ₂７のコレクタ端子は接続部２ｂを介してＰ側導体２と接続される。ＩＧＢＴ₂７のエミッタ端子は交流出力ＵのＵ₂導体１３に接続される。Ｕ₂導体１３は板状の導体であり、絶縁板１１上に設けられる。つまり、Ｕ₁導体１２とＵ₂導体１３とは接触した状態で積重され絶縁板１１上に配置される。以後、Ｕ₁導体１２とＵ₂導体１３とを重ねた導体をＵ導体１４という。

【0019】

図３に示すように、ＩＧＢＴ₃８のエミッタ端子は接続部３ｃを介してＮ側導体３と接続される。ＩＧＢＴ₃８のコレクタ端子は交流出力ＶのＶ₁導体１５に接続される。Ｖ₁導体１５は板状の導体であり、絶縁板１１上に設けられる。また、ＩＧＢＴ₄９のコレクタ端子は接続部２ｃを介してＰ側導体２と接続される。ＩＧＢＴ₄９のエミッタ端子は交流出力ＶのＶ₂導体１６に接続される。Ｖ₂導体１６は板状の導体であり、絶縁板１１上に設けられる。つまり、Ｖ₁導体１５とＶ₂導体１６とは接触した状態で積重され絶縁板１１上に配置される。以後、Ｖ₁導体１５とＶ₂導体１６とを重ねた導体をＶ導体１７という。なお、Ｕ導体１４とＶ導体１７は、絶縁板１１を挟んで沿った状態で出力側に伸びている。

【0020】

上記のようにインバータ装置１は、直流電流の流れるＰ側導体２とＮ側導体３、交流電流が流れるＵ導体１４及びＶ導体１７を備えている。そして、インバータ装置１では、入力及び平滑コンデンサ１０側からＰ側導体２とＮ側導体３は沿った状態で半導体パワーモジュール（ＩＧＢＴ₁６〜ＩＧＢＴ₄９）の端子部まで伸び、半導体パワーモジュールの端子部周辺で一度上下に分かれて接続される。上下に分かれた半導体パワーモジュールの端子部（ＩＧＢＴ₂７とＩＧＢＴ₄９ではエミッタ端子、ＩＧＢＴ₁６とＩＧＢＴ₃８ではコレクタ端子）からＵ導体１４とＶ導体１７が沿った状態で出力側に伸びている。このように、入力側から出力側までの電流経路において、導通経路の広がりを最小限に抑え、対向する電流方向の導体が極力沿わせて配置されている。

【0021】

以上のような本発明の実施形態に係るインバータ装置１によれば、２枚の薄いヒートシンク４，５に半導体パワーモジュール（ＩＧＢＴ₁６〜ＩＧＢＴ₄９）を設け、ヒートシンク４，５の間に導体（具体的には、Ｐ側導体２とＮ側導体３）を設け、さらに電流の向きが反対の導体を沿わせることで、回路の相互インダクタンスを低減させることができる。

【0022】

つまり、ヒートシンク４の一方の面にＩＧＢＴ₂７を配置し、ヒートシンク４の他方の面にＩＧＢＴ₄９を配置することで、Ｐ側導体２に接続される半導体パワーモジュール（ＩＧＢＴ₂７、ＩＧＢＴ₄９）のコレクタ端子同士を近接させてＩＧＢＴ₂７及びＩＧＢＴ₄９を配置することができる。同様に、ヒートシンク５の一方の面にＩＧＢＴ₁６を配置し、ヒートシンク５の他方の面にＩＧＢＴ₃８を配置することで、Ｎ側導体３に接続される半導体パワーモジュール（ＩＧＢＴ₁６、ＩＧＢＴ₃８）のエミッタ端子同士を近接させてＩＧＢＴ₁６及びＩＧＢＴ₃８を配置することができる。その結果、Ｐ側導体２及びＮ側導体３の幅（ヒートシンク４，５の半導体パワーモジュールの配置面に対して垂直方向の幅）が短くなり、電流の導通経路の広がりが改善され、回路ループが小さくなる。このように、回路ループが小さくなることで、インバータ装置１の直流側の回路インダクタンスが低減し、素子ターンオフ時のサージ電圧が抑制される。また、Ｐ側導体２及びＮ側導体３を絶縁板１１を介した平行平面導体とし、電流の向きが反対となるように沿わせて配置することで、回路インダクタンスを打ち消す効果を生じさせることができる。特に、半導体パワーモジュール（ＩＧＢＴ₁６〜ＩＧＢＴ₄９）の端子部近傍までＰ側導体２とＮ側導体３とを沿わせて配置することができるので、回路インダクタンスが低減し、素子ターンオフ時のサージ電圧を抑制することができる。

【0023】

また、半導体パワーモジュール（ＩＧＢＴ₁６〜ＩＧＢＴ₄９）をヒートシンク４，５に両面実装し、導体（Ｐ側導体２（及びＮ側導体３）とＵ導体１４（及びＶ導体１７））は屈折が少ないため、インバータ装置１を小型化することができる。具体的には、接触回避のための加工部で、Ｕ導体１４（及びＶ導体１７）の素子付近の加工におけるＵ導体１４（及びＶ導体１７）の屈折が少ないため、インバータ装置１を小型化することができる。

【符号の説明】

【0024】

１…インバータ装置
２…Ｐ側導体（正極側導体）
２ａ…端子部、２ｂ，２ｃ…接続部
３…Ｎ側導体（負極側導体）
３ａ…端子部、３ｂ，３ｃ…接続部
４，５…ヒートシンク
６〜９…半導体パワーモジュール（ＩＧＢＴ₁〜ＩＧＢＴ₄）
１０…平滑コンデンサ
１１…絶縁板
１２…Ｕ₁導体、１３…Ｕ₂導体、１４…Ｕ導体
１５…Ｖ₁導体、１６…Ｖ₂導体、１７…Ｖ導体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】