特許 7418276 素子モジュール

(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】

(24)【登録日】2024-01-11

(45)【発行日】2024-01-19

(54)【発明の名称】素子モジュール

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240112BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020075636

(22)【出願日】2020-04-21

(65)【公開番号】P2021175229

(43)【公開日】2021-11-01

【審査請求日】2022-05-06

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100154852

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 太一

(74)【代理人】

【識別番号】100135301

【弁理士】

【氏名又は名称】梶井 良訓

(72)【発明者】

【氏名】古谷 峻千

(72)【発明者】

【氏名】加々美 明

【審査官】東 昌秋

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－２００３９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６１６９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１０３２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１１５１５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４２－７／９８

Ｈ０２Ｍ １／００－１／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

仮想球面上に配置され、複数種類の素子を有する素子群と、
前記素子群に設けられた複数の前記素子のうち、同一種類の前記素子から同一距離に配置されて各前記素子の状態を検出するセンサと、
前記素子群に電気的に接続される正極端子及び負極端子と、
を備え、
前記素子群を複数有し、
各前記素子群は、少なくとも１つの所定の円周の周方向に沿って配置されており、
単一の前記素子群内の各前記素子は、同一種類の前記素子が周方向に等間隔をあけて配置されており、
前記正極端子及び前記負極端子は、各々の配線が各前記素子群に対して同一長さとなるように配置されている
素子モジュール。

【請求項2】

複数の前記素子群は、２つ以上の複数の円周の周方向に沿ってそれぞれ配置されており、
前記複数の円周は、同一直径の円周であり、互いに平行である
請求項１に記載の素子モジュール。

【請求項3】

複数の前記素子群は、多相交流の複数相に対応する
請求項１又は請求項２に記載の素子モジュール。

【請求項4】

前記センサは、前記複数の前記素子の温度状態を検出する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の素子モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、素子モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、所定方向に沿って配列された複数の素子を基板上に備える電力変換装置がある。電力変換装置は、複数の素子の各々の発熱状態を監視するために、隣り合う素子の間等に配置された複数の温度センサを備える。
しかしながら、電力変換装置を構成する素子の数が増大することに伴って各素子の温度を検出する温度センサの数が増大すると、装置の構成に要する費用が嵩むとともに、装置が大型になる可能性があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１０－２１５５７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明が解決しようとする課題は、複数の素子の状態を検知するセンサの数の増大を抑制し、装置を小型化できる素子モジュールを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の素子モジュールは、素子群と、センサと、正極端子及び負極端子と、を備える。素子群は、仮想球面上に配置され、複数種類の素子を有する。センサは、素子群に設けられた複数の素子のうち、同一種類の素子から同一距離に配置されている。センサは、各素子の状態を検出する。正極端子及び負極端子は素子群に電気的に接続される。素子群を複数有する。各素子群は、少なくとも１つの所定の円周の周方向に沿って配置されている。単一の素子群内の各素子は、同一種類の素子が周方向に等間隔をあけて配置されている。正極端子及び負極端子は、各々の配線が各素子群に対して同一長さとなるように配置されている。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本発明の実施形態での素子モジュールの斜視図。

【図2】実施形態の素子モジュールを備える電力変換装置の回路図。

【図3】実施形態の素子モジュールを備える電力変換装置の斜視図であって、複数の半導体素子の一部を示す図。

【図4】実施形態の変形例での素子モジュールを備える電力変換装置の回路図。

【図5】実施形態の変形例での素子モジュールを備える電力変換装置の斜視図であって、複数の半導体素子の一部を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、実施形態の素子モジュールを、図面を参照して説明する。

【0008】

図１は、実施形態での素子モジュール１の斜視図である。以下において、３次元空間で互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向は、各軸に平行な方向である。例えば、素子モジュール１の上下方向は、Ｚ軸方向と平行である。素子モジュール１の上下方向に直交する方向は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向と平行である。

【0009】

図１に示すように、素子モジュール１は、例えば発電システム、電源装置及びモータ駆動装置等に搭載される電力変換装置等を構成するパワーモジュールである。
図１に示すように、実施形態の素子モジュール１は、複数の素子群３と、１つの温度センサ５と、基板７とを備える。

【0010】

複数の素子群３の各々は、少なくとも１つの素子を備える。各素子は、例えばトランジスタ及びダイオード等の半導体素子である。複数の素子群３は、例えば任意の自然数ｎによって、第１の素子群３－１と、第２の素子群３－２と、…、第ｎの素子群３－ｎとを備える。
複数の素子群３は、仮想球面Ｓ上に配置されている。例えば、複数の素子群３は仮想球面Ｓ上での任意の円周Ｆの周方向（つまり配列方向）に沿って等間隔をあけて配置されている。

【0011】

温度センサ５は、複数の素子群３を構成する複数の素子から同一距離に配置されている。例えば、温度センサ５は、複数の素子群３を構成する全ての素子のうち少なくとも同種の複数の素子から同一距離に配置されている。例えば、複数の素子群３が複数の第１素子（例えば、トランジスタ等）及び複数の第２素子（例えば、ダイオード等）を備える場合、温度センサ５は、複数の第１素子から所定の第１距離に配置されるとともに、第２素子から所定の第２距離に配置される。所定の第１距離及び第２距離は、例えば、同一でもよいし、又は、相違していてもよい。
温度センサ５は、仮想球面Ｓの中心Ｏに配置されている。仮想球面Ｓは、任意の大きさの球面である。温度センサ５は、複数の素子群３を構成する複数の素子の温度を検出する。
基板７は、複数の素子群３及び温度センサ５を保持する。

【0012】

以下、上述した実施形態の素子モジュール１を備える電力変換装置１０を、図面を参照して説明する。

【0013】

図２は、素子モジュール１を備える電力変換装置１０の回路図である。
図２に示すように、電力変換装置１０は、例えばモータ駆動装置に設けられる。電力変換装置１０は、例えば、３相の３レベルコンバータのうち中性点クランプ型（ＮＰＣ：Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌａｍｐｅｄ）のコンバータである。

【0014】

電力変換装置１０は、３つの単相（つまり３相）のコンバータを備える。電力変換装置１０は、３相の各相に、複数の半導体素子として、例えば４つのトランジスタと６つのダイオードとを備える。４つのトランジスタは、第１トランジスタＱ１、第２トランジスタＱ２、第３トランジスタＱ３及び第４トランジスタＱ４である。６つのダイオードは、第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２、第３ダイオードＤ３、第４ダイオードＤ４、正極側ダイオードＤＰ及び負極側ダイオードＤＮである。

【0015】

電力変換装置１０は、３相の各相に、正極側から負極側に向かって順次に配置された第１トランジスタＱ１及び第１ダイオードＤ１と、第２トランジスタＱ２及び第２ダイオードＤ２と、正極側ダイオードＤＰ及び負極側ダイオードＤＮと、第３トランジスタＱ３及び第３ダイオードＤ３と、第４トランジスタＱ４及び第４ダイオードＤ４とを備える。

【0016】

各トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子である。各トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、コレクタ－エミッタ間でエミッタからコレクタに向けて順方向となる各ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４と接続されている。

【0017】

第１トランジスタＱ１のコレクタは、正極配線ＰＬによって正極端子Ｐに接続されている。第１トランジスタＱ１のエミッタは、第２トランジスタＱ２のコレクタに接続されている。第１トランジスタＱ１のエミッタと第２トランジスタＱ２のコレクタとの接続点は、正極側ダイオードＤＰのカソードに接続されている。

【0018】

第２トランジスタＱ２のエミッタと第３トランジスタＱ３のコレクタとは、入出力配線ＳＬに接続されている。第３トランジスタＱ３のエミッタは、第４トランジスタＱ４のコレクタに接続されている。第３トランジスタＱ３のエミッタと第４トランジスタＱ４のコレクタとの接続点は、負極側ダイオードＤＮのアノードに接続されている。第４トランジスタＱ４のエミッタは、負極配線ＮＬによって負極端子Ｎに接続されている。正極側ダイオードＤＰのアノードと負極側ダイオードＤＮのカソードとは基準配線ＣＬによって基準端子Ｃに接続されている。

【0019】

電力変換装置１０の３相の入出力配線ＳＬは、モータＭの３相のコイルに接続されている。モータＭは、３相の誘導電動機又は３相の同期電動機等である。
電力変換装置１０は、３相の各相で共通に、正極端子Ｐと基準端子Ｃとの間及び負極端子Ｎと基準端子Ｃとの間の各々に接続されるコンデンサＥを備える。

【0020】

図３は、素子モジュール１を備える電力変換装置１０の斜視図であり、複数の半導体素子の一部を示す図である。
図２及び図３に示すように、電力変換装置１０は、３相に対応する３つの素子群３を備える。３つの素子群３は、例えばＵ相、Ｖ相及びＷ相の３相の場合、Ｕ相に対応する第１の素子群３－１と、Ｖ相に対応する第２の素子群３－２と、Ｗ相に対応する第３の素子群３－３とである。
３つの素子群３は、任意の円周Ｆの周方向に沿って等間隔をあけて基板７上に配置されている。３つの素子群３は、仮想球面Ｓ及び円周Ｆの共通の中心Ｏの周りに１２０°間隔で配置されている。

【0021】

３つの素子群３に備えられる各トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、中心Ｏに対する任意の第１円周に沿って同一の配列順序で配置されている。３つの素子群３に設けられる各ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、中心Ｏに対する任意の第２円周に沿って同一の配列順序で配置されている。第１円周及び第２円周は、同一でもよいし、又は、相違していてもよい。例えば第１円周の直径は第２円周の直径よりも小さい。
各素子群３の各トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４及び各ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、例えばＺ軸方向の正方向側から見て時計回りの順序で配列されている。各素子群３の各トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４と中心Ｏとの間の距離は、同一の第１距離である。各素子群３の各ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４と中心Ｏとの間の距離は、同一の第２距離である。第１距離及び第２距離は、同一でもよいし、又は、相違していてもよい。例えば第１距離は第２距離よりも小さい。

【0022】

各素子群３の第１トランジスタＱ１と正極端子Ｐとを接続する各正極配線ＰＬの長さは、互いに同一である。各素子群３の第４トランジスタＱ４と負極端子Ｎとを接続する各負極配線ＮＬの長さは、互いに同一である。各素子群３の第２トランジスタＱ２及び第３トランジスタＱ３とモータＭのコイルとを接続する各入出力配線ＳＬの長さは、互いに同一である。

【0023】

電力変換装置１０は、仮想球面Ｓ及び円周Ｆの共通の中心Ｏで基板７上に配置された温度センサ５を備える。温度センサ５は、各素子群３の各トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４から互いに同一の所定の第１距離に配置されるとともに、各素子群３の各ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４から互いに同一の所定の第２距離に配置される。

【0024】

以上説明した実施形態によれば、素子モジュール１は、複数の半導体素子から同一距離に配置された温度センサ５を備えることにより、複数の半導体素子の温度状態を同時的に検出することができる。素子モジュール１は、１つの温度センサ５を備えることによって、複数の半導体素子に対応してセンサの数が増大することを抑制することができる。このため、素子モジュール１を小型化できる。
素子モジュール１は、任意の円周Ｆの周方向に沿って配置された複数の素子群３を備えることにより、複数の素子群３を構成する複数の半導体素子と温度センサ５との間の距離を容易に同一距離に設定することができる。
素子モジュール１は、任意の円周Ｆの周方向等の配列方向に等間隔をあけて配置された複数の素子群３を備えることにより、各素子群３の温度状態を精度良く検出することができる。

【0025】

素子モジュール１は、仮想球面Ｓの中心Ｏに配置された温度センサ５を備えることにより、複数の素子群３を構成する複数の半導体素子の温度状態を容易に精度良く検出することができる。
電力変換装置１０は、３相に対応する３つ素子群３を備えることにより、各素子群３を単相のコンバータによって構成することができ、３つの素子群３の空間的な配置の対称性を向上させることができる。３つの素子群３の空間対称性を向上させることによって、各種の配線の長さを容易に同一長さにすることができ、例えば電流のアンバランス等の異常が発生することを抑制することができる。

【0026】

以下、変形例について説明する。
上述した実施形態において、電力変換装置１０は、３相の３レベルコンバータのうち中性点クランプ型（ＮＰＣ：Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌａｍｐｅｄ）のコンバータであるとしたが、これに限定されない。電力変換装置１０は、例えば、３レベルコンバータのうち双方向スイッチ型のコンバータでもよい。電力変換装置１０は、３レベルコンバータに限定されず、例えば２レベル又は５レベル等の適宜の複数レベルのコンバータでもよい。電力変換装置１０は、３相に限定されず、他の多相のコンバータでもよい。

【0027】

以下に、上述した実施形態の変形例の電力変換装置１０Ａを、図面を参照して説明する。図４は、素子モジュール１を備える変形例の電力変換装置１０Ａの回路図である。
図４に示すように、変形例の電力変換装置１０Ａは、例えばモータ駆動装置に備えられる。電力変換装置１０Ａは、例えば、３相の２レベルコンバータである。

【0028】

電力変換装置１０Ａは、３つの単相（つまり３相）のコンバータを備える。電力変換装置１０Ａは、３相の各相に、複数の半導体素子として、例えば２つのトランジスタと２つのダイオードとを備える。２つのトランジスタは、ハイ側トランジスタＱＨ及びロー側トランジスタＱＬである。２つのダイオードは、ハイ側ダイオードＤＨ及びロー側ダイオードＤＬである。
電力変換装置１０Ａは、３相の各相に、正極側から負極側に向かって順次に配置されたハイ側トランジスタＱＨ及びハイ側ダイオードＤＨと、ロー側トランジスタＱＬ及びロー側ダイオードＤＬとを備える。

【0029】

各トランジスタＱＨ，ＱＬは、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子である。各トランジスタＱＨ，ＱＬは、コレクタ－エミッタ間でエミッタからコレクタに向けて順方向となる各ダイオードＤＨ，ＤＬと接続されている。
ハイ側トランジスタＱＨのコレクタは、正極配線ＰＬによって正極端子Ｐに接続されている。ハイ側トランジスタＱＨのエミッタはロー側トランジスタＱＬのコレクタに接続されている。ロー側トランジスタＱＬのエミッタは、負極配線ＮＬによって負極端子Ｎに接続されている。

【0030】

電力変換装置１０Ａの３相の入出力配線ＳＬは、モータＭの３相のコイルに接続されている。モータＭは、３相の誘導電動機又は３相の同期電動機等である。
電力変換装置１０は、３相の各相で共通に、正極端子Ｐと負極端子Ｎとの間に接続されるコンデンサＥを備える。

【0031】

図５は、素子モジュール１を備える変形例の電力変換装置１０Ａの斜視図であって、複数の半導体素子の一部を示す図である。
図４及び図５に示すように、電力変換装置１０は、例えば、ハイ側で３相に対応する３つの素子群３Ｈと、ロー側で３相に対応する３つの素子群３Ｌとを備える。ハイ側及びロー側の各々で３つの素子群３は、例えばＵ相、Ｖ相及びＷ相の３相の場合、Ｕ相に対応する第１の素子群３－１と、Ｖ相に対応する第２の素子群３－２と、Ｗ相に対応する第３の素子群３－３とである。
ハイ側の３つの素子群３Ｈは、任意の第１円周Ｆ１の周方向に沿って等間隔をあけて配置されている。ハイ側の３つの素子群３Ｈは、任意の第１円周Ｆ１の中心の周りに１２０°間隔で配置されている。
ロー側の３つの素子群３Ｌは、任意の第２円周Ｆ２の周方向に沿って等間隔をあけて配置されている。ロー側の３つの素子群３Ｌは、任意の第２円周Ｆ２の中心の周りに１２０°間隔で配置されている。
任意の第１円周Ｆ１及び第２円周Ｆ２は、例えば、仮想球面Ｓ上の同一直径の円周であり、互いに平行である。

【0032】

ハイ側の３つの素子群３Ｈの各々は、ハイ側トランジスタＱＨ及びハイ側ダイオードＤＨを備える。ロー側の３つの素子群３Ｌの各々は、ロー側トランジスタＱＬ及びロー側ダイオードＤＬを備える。
ハイ側の３つの素子群３Ｈのハイ側トランジスタＱＨと仮想球面Ｓの中心Ｏとの間の距離と、ロー側の３つの素子群３Ｌのロー側トランジスタＱＬと仮想球面Ｓの中心Ｏとの間の距離とは、同一の第１距離である。

【0033】

ハイ側の３つの素子群３Ｈのハイ側ダイオードＤＨと仮想球面Ｓの中心Ｏとの間の距離と、ロー側の３つの素子群３Ｌのロー側ダイオードＤＬと仮想球面Ｓの中心Ｏとの間の距離とは、同一の第２距離である。
第１距離及び第２距離は、同一でもよいし、又は、相違していてもよい。例えば、ハイ側の各素子群３Ｈでハイ側トランジスタＱＨがハイ側ダイオードＤＨよりも内周側に配置され、ロー側の各素子群３Ｌでロー側トランジスタＱＬがロー側ダイオードＤＬよりも内周側に配置された場合、第１距離は第２距離よりも小さい。

【0034】

ハイ側の各素子群３Ｈのハイ側トランジスタＱＨと正極端子Ｐとを接続する各正極配線ＰＬの長さは、互いに同一である。ロー側の各素子群３Ｌのロー側トランジスタＱＬと負極端子Ｎとを接続する各負極配線ＮＬの長さは、互いに同一である。ハイ側の各素子群３Ｈのハイ側トランジスタ及びロー側の各素子群３Ｌのロー側トランジスタＱＬとモータＭのコイルとを接続する各入出力配線ＳＬの長さは、互いに同一である。

【0035】

電力変換装置１０Ａは、仮想球面Ｓの中心Ｏに配置された温度センサ５を備える。温度センサ５は、ハイ側の各素子群３Ｈのハイ側トランジスタＱＨ及びロー側の各素子群３Ｌのロー側トランジスタＱＬから互いに同一の所定の第１距離に配置されるとともに、ハイ側の各素子群３Ｈのハイ側ダイオードＤＨ及びロー側の各素子群３Ｌのロー側ダイオードＤＬから互いに同一の所定の第２距離に配置される。

【0036】

以上説明した実施形態の変形例によれば、複数の円周（例えば、第１円周Ｆ１及び第２円周Ｆ２）の周方向に沿って配置された複数の素子群（例えば、ハイ側の各素子群３Ｈ及びロー側の各素子群３Ｌ）を備えることにより、複数の素子群の配置に要するスペースが増大することを抑制できる。このため、複数の素子群を配置するにあたって、スペース効率を向上させることができる。

【0037】

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、複数の半導体素子から同一距離に配置された温度センサ５を備えることにより、複数の半導体素子の各々の温度状態を同時的に検出することができる。素子モジュール１は、１つの温度センサ５を備えることによって、複数の半導体素子に対応してセンサの数が増大することを抑制することができる。

【0038】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0039】

１…素子モジュール、３…素子群、３－１…第１の素子群、３－２…第２の素子群、３－ｎ…第ｎの素子群、５…温度センサ、７…基板、１０，１０Ａ…電力変換装置、Ｑ１…第１トランジスタ（半導体素子）、Ｑ２…第２トランジスタ（半導体素子）、Ｑ３…第３トランジスタ（半導体素子）、Ｑ４…第４トランジスタ（半導体素子）、ＱＨ…ハイ側トランジスタ（半導体素子）、ＱＬ…ロー側トランジスタ（半導体素子）、Ｄ１…第１ダイオード（半導体素子）、Ｄ２…第２ダイオード（半導体素子）、Ｄ３…第３ダイオード（半導体素子）、Ｄ４…第４ダイオード（半導体素子）、ＤＰ…正極側ダイオード（半導体素子）、ＤＮ…負極側ダイオード（半導体素子）、ＤＨ…ハイ側ダイオード（半導体素子）、ＤＬ…ロー側ダイオード（半導体素子）、Ｅ…コンデンサ（素子）、Ｓ…仮想球面、Ｆ…円周、Ｆ１…第１円周、Ｆ２…第２円周、Ｏ…中心、Ｐ…正極端子、ＰＬ…正極配線（配線）、Ｎ…負極端子、ＮＬ…負極配線（配線）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】