特許 7421259 電力変換装置

(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】

(24)【登録日】2024-01-16

(45)【発行日】2024-01-24

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240117BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20240117BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20240117BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

H01L25/04 C

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020200337

(22)【出願日】2020-12-02

(65)【公開番号】P2022088084

(43)【公開日】2022-06-14

【審査請求日】2023-02-06

(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】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】山川 智之

(72)【発明者】

【氏名】花岡 勇

(72)【発明者】

【氏名】柏木 航平

【審査官】井上 弘亘

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－１８８８６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０９９０８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０４６５５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２２０８８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

導電性を有する第１ヒートシンクおよび第２ヒートシンクと、前記第１ヒートシンクと前記第２ヒートシンクとの間に設けられた第１回路構造体と、を含むスタックと、
前記第１回路構造体に電気的に接続された第１コンデンサと、
を含む電力変換部を備え、
前記第１回路構造体は、
第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子に直列に接続された第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子に逆並列に接続された第１ダイオードと、
前記第２スイッチング素子に逆並列に接続された第２ダイオードと、
を含み、
前記第１回路構造体では、前記第２スイッチング素子のコレクタ端子上に前記第１ダイオードのアノード端子が設けられ、前記第１ダイオードのカソード端子上に前記第１スイッチング素子のコレクタ端子が設けられ、前記第１スイッチング素子のエミッタ端子上に前記第２ダイオードのカソード端子が設けられた直列接続体が設けられ、
前記第１コンデンサは、前記第２スイッチング素子のエミッタ端子と前記第１ダイオードのカソード端子との間に接続され、
前記第１ヒートシンクおよび前記第２ヒートシンクは、前記スタックおよび前記第１コンデンサを収納する筐体内に設けられた導電性を有するフレームの電位に等しい電位とされた電力変換装置。

【請求項2】

前記スタックは、２つの前記第１回路構造体と、前記第１ヒートシンクおよび前記第２ヒートシンクから電気的に分離された導電性を有する第３ヒートシンクおよび第４ヒートシンクと、を含み、
前記２つの第１回路構造体のうちの１つは、前記第１ヒートシンクと前記第２ヒートシンクとの間に設けられ、
前記２つの第１回路構造体のうちの他の１つは、前記第３ヒートシンクと前記第４ヒートシンクとの間に設けられ、
前記２つの第１回路構造体は、カスケードに接続された請求項１記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記スタックは、
導電性を有する第３ヒートシンクおよび第４ヒートシンクと、
前記第３ヒートシンクと前記第４ヒートシンクとの間に設けられた第２回路構造体と、
を含み、
前記電力変換部は、前記第２回路構造体に電気的に接続された第２コンデンサを含み、
前記第２回路構造体は、
第３スイッチング素子と、
前記第３スイッチング素子に直列に接続された第４スイッチング素子と、
前記第３スイッチング素子に逆並列に接続された第３ダイオードと、
前記第４スイッチング素子に逆並列に接続された第４ダイオードと、
を含み、
前記第２回路構造体では、前記第４ダイオードのアノード端子上には前記第４スイッチング素子のエミッタ端子が設けられ、前記第４スイッチング素子のコレクタ端子上には前記第３スイッチング素子のエミッタ端子が設けられ、前記第３スイッチング素子のコレクタ端子上には前記第３ダイオードのカソード端子が設けられ、
前記第２コンデンサは、前記第４スイッチング素子のエミッタ端子と前記第３スイッチング素子のコレクタ端子との間に接続され、
前記第２回路構造体は、前記第１回路構造体にカスケード接続された請求項１記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、圧接型半導体モジュールで構成されたスタックを用いた電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力システムの運用に用いられる電力変換装置には、大電力を取り扱うため圧接型半導体モジュールが用いられることがある。このような圧接型半導体モジュールは、たとえば回路ブロックごとにヒートシンクとともに上下に重ねられて、スタックに組み付けられた上で装置に収納される。

【0003】

このような電力変換装置においては、小型化や省スペース化等の要求は強く、装置の構成要素であるスタックを含めた各種部品の小型化、省スペース化等が求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１６－２０８７０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

実施形態は、小型化、省スペース化を実現した電力変換装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態に係る電力変換装置は、導電性を有する第１ヒートシンクおよび第２ヒートシンクと、前記第１ヒートシンクと前記第２ヒートシンクとの間に設けられた第１回路構造体と、を含むスタックと、前記第１回路構造体に電気的に接続された第１コンデンサと、を含む電力変換部を備える。前記第１回路構造体は、第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子に直列に接続された第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子に逆並列に接続された第１ダイオードと、前記第２スイッチング素子に逆並列に接続された第２ダイオードと、を含む。前記第１回路構造体では、前記第２スイッチング素子のコレクタ端子上に前記第１ダイオードのアノード端子が設けられ、前記第１ダイオードのカソード端子上に前記第１スイッチング素子のコレクタ端子が設けられ、前記第１スイッチング素子のエミッタ端子上に前記第２ダイオードのカソード端子が設けられた直列接続体が設けられる。前記第１コンデンサは、前記第２スイッチング素子のエミッタ端子と前記第１ダイオードのカソード端子との間に接続される。前記第１ヒートシンクおよび前記第２ヒートシンクは、前記スタックおよび前記第１コンデンサを収納する筐体内に設けられた導電性を有するフレームの電位に等しい電位とされる。

【発明の効果】

【0007】

本実施形態では、小型化、省スペース化を実現した電力変換装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１の実施形態に係る電力変換装置の一部を例示する模式的な等価回路図である。

【図2】図２（ａ）は、第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的な構成図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の構成を実体的に表した模式的な等価回路図である。

【図3】図３（ａ）は、比較例の電力変換装置の一部を例示する模式的な構成図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の構成を実体的に表した模式的な等価回路図である。

【図4】図４（ａ）は、第１の実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的な構成図である。図４（ｂ）は、比較例の電力変換装置の動作を説明するための模式的な構成図である。

【図5】図５（ａ）は、第２の実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的な構成図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の構成を実体的に表した模式的な等価回路図である。

【図6】図６（ａ）は、比較例の電力変換装置の一部を例示する模式的な構成図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の構成を実体的に表した模式的な等価回路図である。的な正面図である。

【図7】図７（ａ）は、第３の実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的な構成図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の構成を実体的に表した模式的な等価回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

【0010】

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置の一部を例示する模式的な等価回路図である。
図１に示すように、電力変換装置は、電力変換部３００を備える。電力変換部３００は、端子３０ａ，３０ｂを含む。電力変換部３００は、端子３０ａ，３０ｂを介して、たとえば、交流回路に接続される。交流回路には、交流で動作する負荷、たとえば電動機等を含むことができる。交流回路は、端子３０ａ，３０ｂに現れる交流電圧を、直流や含有される高調波の割り合いがより小さい交流電圧に変換するフィルタ等であってもよい。電力変換部３００では、端子３０ａ，３０ｂから交流電圧を出力する場合に限らず、端子３０ａ，３０ｂに交流電圧を入力してもよい。

【0011】

電力変換部３００は、ハーフブリッジ形式の電力変換回路である。電力変換部３００は、スイッチング素子３１ａ，３１ｂと、ダイオード３２ａ，３２ｂと、コンデンサ３３と、を含む。スイッチング素子３１ａ，３１ｂは、直列に接続されている。スイッチング素子３１ａは、スイッチング素子３１ｂよりも高電位側に接続されている。ダイオード３２ａは、スイッチング素子３１ａに逆並列に接続されている。ダイオード３２ｂは、スイッチング素子３１ｂに逆並列に接続されている。

【0012】

スイッチング素子３１ａ，３１ｂの直列回路およびダイオード３２ａ，３２ｂの直列回路のうち、高電位側に接続されたスイッチング素子３１ａおよびダイオード３２ａをハイサイド側の素子のように呼び、低電位側に接続されたスイッチング素子３１ｂおよびダイオード３２ｂをローサイド側の素子のように呼ぶことがある。

【0013】

コンデンサ３３は、スイッチング素子３１ａ，３１ｂの直列回路およびダイオード３２ａ，３２ｂの直列回路に並列に接続されている。コンデンサ３３の両端には、電圧Ｖｄｃを印加することができ、端子３０ａ，３０ｂを介して、コンデンサ３３を充電してもよいし、端子３０ａ，３０ｂを介して、コンデンサ３３から電荷を放電してもよい。

【0014】

本実施形態および後述する他の実施形態において、電力変換部は、図１のハーフブリッジ形式の回路構成をとるものとし、各実施形態の電力変換装置は、ハーフブリッジ形式の電力変換部を備えるものとする。

【0015】

図２（ａ）は、第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的な構成図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の構成を実体的に表した模式的な等価回路図である。
図２（ａ）は、図１のハーフブリッジ形式の電力変換部３００のうち、スイッチング素子およびダイオードのそれぞれを圧接型半導体モジュールとし、これらをスタックとした場合に、構成したスタックをフレーム１６０に組み付けた場合の例を示している。フレーム１６０は、電力変換部３００を収納する変換器モジュールの筐体内に設けられている。
図２（ｂ）は、図２（ａ）を実体的な等価回路図に表したもので、図１の等価回路と実質的に同じものである。

【0016】

図２（ａ）に示すように、スタックは、ヒートシンク１４１～１４５と、回路構造体（第１回路構造体）１３０と、を含む。回路構造体１３０は、スイッチング素子（第２スイッチング素子）１３１ｂ、ダイオード（第１ダイオード）１３２ａ、スイッチング素子（第１スイッチング素子）１３１ａおよびダイオード（第２ダイオード）１３２ｂを含んでいる。スイッチング素子１３１ｂ、ダイオード１３２ａ、スイッチング素子１３１ａおよびダイオード１３２ｂは、この図の下から上へ、この順に重ねられている。

【0017】

スイッチング素子１３１ａ，１３１ｂおよびダイオード１３２ａ，１３２ｂは、それぞれ圧接型パッケージに収納された圧接型半導体モジュールである。よく知られているように、圧接型半導体モジュールでは、この図の上下に位置する両端の導電部が主端子を形成している。スイッチング素子１３１ａ，１３１ｂは、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の自己消弧型の半導体素子である。ＩＧＢＴに代えてＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）やＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体を用いた接合側ＦＥＴ等であってもよいが、以下では、スイッチング素子１３１ａ，１３１ｂは、ＩＧＢＴスイッチング素子であるものとして説明する。

【0018】

以下では、図１等の回路図におけるスイッチング素子３１ａ，３１ｂに対応する圧接型半導体モジュールの素子をスイッチング素子１３１ａ，１３１ｂと表記し、ダイオード３２ａ，３２ｂに対応する圧接型半導体モジュールの素子をダイオード１３２ａ，１３２ｂと表記するものとする。また、スイッチング素子１３１ａ，１３１ｂでは、両端の導電部がコレクタ端子およびエミッタ端子であり、ダイオード１３２ａ，１３２ｂでは、両端の導電部がアノード端子およびカソード端子である。コレクタ端子をＣ端子、エミッタ端子をＥ端子、アノード端子をＡ端子、カソード端子をＫ端子と呼ぶことがある。

【0019】

スイッチング素子１３１ａ，１３１ｂおよびダイオード１３２ａ，１３２ｂは、相互に接続する場合に、それぞれの主端子の間に導電性のヒートシンク１４２～１４４を介在させて接続する。回路構造体１３０の上下の両端にもヒートシンク１４１，１４５が設けられる。つまり、回路構造体１３０は、ヒートシンク１４１，１４５の間に挟まれた状態でスタックに組み込まれる。ヒートシンク１４１～１４５は、素子間の電気的接続とともに、素子間の熱的結合をはかり、各素子の熱抵抗を低減して、スタックの放熱性能を向上させるために設けられる。

【0020】

なお、図中、ヒートシンク１４１，１４５に記された“Ｎ”は、電力変換部３０のコンデンサ３３の負側端子Ｎに電気的に接続されることを示している。ヒートシンク１４３に記された“Ｐ”は、図２（ｂ）に示すように、電力変換部３０のコンデンサ３３の正側端子Ｐに電気的に接続されることを示している。ヒートシンク１４２，１４４に記された“ＡＣ”は電力変換部３０の端子３０ａの電圧を示している。

【0021】

ローサイド側のスイッチング素子１３１ｂは、ヒートシンク１４４，１４５の間に接続されている。ハイサイド側のダイオード１３２ａは、ヒートシンク１４３，１４４の間に接続されている。ハイサイド側のスイッチング素子１３１ａは、ヒートシンク１４２，１４３の間に接続されている。ローサイド側にダイオード１３２ｂは、ヒートシンク１４１，１４２の間に接続されている。

【0022】

ローサイド側のスイッチング素子１３１ｂでは、Ｅ端子がヒートシンク１４５に接続され、Ｃ端子がヒートシンク１４４を介して、ハイサイド側のダイオード１３２ａのＡ端子に接続されている。ハイサイド側のダイオード１３２ａのＫ端子は、ヒートシンク１４３を介して、ハイサイド側のスイッチング素子１３１ａのＣ端子に接続されている。ハイサイド側のスイッチング素子１３１ａのＥ端子は、ローサイド側のダイオード１３２ｂのＫ端子に接続されている。ローサイド側のダイオード１３２ｂのＡ端子は、ヒートシンク１４１に接続されている。

【0023】

ヒートシンク１４５は、導電性の接続部材１５４を介して、ヒートシンク１４１に接続されている。接続部材１５４は、導電性の接続部材１５５に接続されており、接続部材１５５は、図２（ｂ）のコンデンサ３３の負側端子Ｎに接続される。ヒートシンク１４３は、導電性の接続部材１５３に接続されており、接続部材１５３は、コンデンサ３３の正側端子Ｐに接続される。

【0024】

ヒートシンク１４２，１４４は、導電性の接続部材１５１によって接続されている。接続部材１５１は、導電性の接続部材１５２に接続されている。接続部材１５２は、図２（ｂ）の端子３０ａに接続される。

【0025】

回路構造体１３０の両端のヒートシンク１４１，１４５は、コンデンサ３３の負側端子Ｎに接続される。たとえば、フレーム１６０をコンデンサ３３の負側端子Ｎと同電位とすれば、ヒートシンク１４１，１４５とフレーム１６０との間は同電位となる。端子３０ｂの電位は、負側端子Ｎの電位であり、フレーム１６０を端子３０ｂとして利用することができる。

【0026】

このようにして、スタックは、素子相互およびコンデンサ３３との間で電気的に接続されている。

【0027】

このように接続することによって、回路構造体１３０の両端のヒートシンク１４１，１４５の電位は、コンデンサ３３の負側端子Ｎの電位とすることができる。スタックやコンデンサ３３等を含む電力変換部３００は、変換器モジュール内に収納され、スタックは、変換器モジュール内のフレーム１６０に固定されたり、フレーム１６０の近傍に配置されたりすることがある。フレーム１６０は、強度や熱伝導性能等の観点から金属等の導電性を有する部材で形成されている。フレーム１６０をコンデンサ３３の負側端子Ｎの電位とする場合には、ヒートシンク１４５とフレーム１６０との間に、絶縁構造を設ける必要がなく、ヒートシンク１４５とフレーム１６０との間の距離を短くすることができる。図示しないが、ヒートシンク１４１の側にもフレームが設けられ、フレーム１６０と同電位とした場合には、ヒートシンク１４１の電位と同電位とすることができる。したがって、ヒートシンク１４１とフレームとの間に絶縁構造を設ける必要がなく、ヒートシンク１４１とフレームとの間の距離を短くすることができる。これらにより、スタックの上下方向の長さ、すなわち、ヒートシンク１４５側のフレーム１６０と、ヒートシンク１４１側のフレームとの間の距離を短くすることができ、スタックの小型化、省スペース化をはかることが可能になる。

【0028】

図３（ａ）は、比較例の電力変換装置の一部を例示する模式的な構成図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の構成を実体的に表した模式的な等価回路図である。
比較例の電力変換装置に用いられる回路構造体１３０Ｘは、ダイオード１３２ｂ、スイッチング素子１３１ｂ、スイッチング素子１３１ａおよびダイオード１３２ａを含んでいる。ダイオード１３２ｂ、スイッチング素子１３１ｂ、スイッチング素子１３１ａおよびダイオード１３２ａは、この図の下から上へ、この順に重ねられている。

【0029】

回路構造体１３０Ｘでは、ローサイド側のダイオード１３２ｂは、ヒートシンク１４４，１４５の間に接続されている。ローサイド側のスイッチング素子１３１ｂは、ヒートシンク１４３，１４４の間に接続されている。ハイサイド側のスイッチング素子１３１ａは、ヒートシンク１４２，１４３の間に接続されている。ハイサイド側のダイオード１３２ａは、ヒートシンク１４１，１４２の間に接続されている。

【0030】

ローサイド側のダイオード１３２ｂでは、Ｋ端子がヒートシンク１４５に接続され、Ａ端子がヒートシンク１４４を介して、ローサイド側のスイッチング素子１３１ｂのＥ端子に接続されている。ローサイド側のスイッチング素子１３１ｂのＣ端子は、ヒートシンク１４３を介して、ハイサイド側のスイッチング素子１３１ａのＥ端子に接続されている。ハイサイド側のスイッチング素子１３１ａのＣ端子は、ハイサイド側のダイオード１３２ａのＫ端子に接続されている。ハイサイド側のダイオード１３２ａのＫ端子は、ヒートシンク１４１に接続されている。

【0031】

この比較例のスタックでは、ヒートシンク１４４が接続部材１５５を介して、コンデンサ３３（図３（ｂ））の負側端子Ｎに接続され、ヒートシンク１４２が接続部材１５３を介して、コンデンサ３３の正側端子Ｐに接続される。このようにして、スタックとコンデンサ３３とは、図３（ｂ）のように電気的に接続される。

【0032】

比較例の場合には、このように各素子を配置し、接続することによって、スタックとコンデンサ３３との間を、均等な長さの接続部材１５５，１５３を用いて接続することができる。

【0033】

その一方で、フレーム１６０をコンデンサ３３の負側端子Ｎの電位とすると、ヒートシンク１４５の電位は、端子３０ａの電位であり、最大でＶｄｃまで上昇する。そのため、ヒートシンク１４５とフレーム１６０との間には、Ｖｄｃ以上の電圧を絶縁できる絶縁構造を設ける必要がある。同様に、ヒートシンク１４１側に設ける図示しないフレームもフレーム１６０と同電位にするのが通常であり、ヒートシンク１４１とフレームとの間には、Ｖｄｃ以上の電圧を絶縁できる絶縁構造を設ける必要がある。

【0034】

これにより、上下のフレーム間の長さは、ヒートシンク１４１とフレームとの距離、および、ヒートシンク１４５とフレーム１６０との距離の分だけ、少なくとも実施形態の場合のスタックの上下のフレーム間の距離よりも長くなる。

【0035】

なお、比較例のスタックにおいて、フレームの電位を端子３０ａの電位とした場合には、ヒートシンクとフレームとの間の絶縁構造を省略することができる。しかしながら、フレームとコンデンサ３３との間や他の回路要素との間での絶縁が必要になるので、全体として小型化、省スペース化するのが困難である。

【0036】

図４（ａ）は、本実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的な構成図である。図４（ｂ）は、比較例の電力変換装置の動作を説明するための模式的な構成図である。
本実施形態の電力変換装置に用いられるスタックでは、スイッチング素子１３１ａ，１３１ｂおよびダイオード１３２ａ，１３２ｂを上述のように配置することによって、電力変換部３００（図１）のスイッチング動作時のサージ電圧発生を抑制することが可能になる。

【0037】

電力変換部３００のスイッチング動作時のサージ電圧発生を生じる場合の代表的な経路は、ハイサイド側のダイオード１３２ａが導通した後に、そのダイオード１３２ａに直列に接続されたローサイド側のスイッチング素子１３１ｂがオンする場合に生じる経路である。ダイオード１３２ａが導通した後、遮断されることによって、ダイオード１３２ａには、逆回復現象による電流が流れる。この逆回復電流によるｄｉ／ｄｔおよび電流経路の寄生インダクタンスによって、サージ電圧が発生する。ｄｉ／ｄｔは、スイッチング素子１３１ｂのオン時間によって決定されるので、これを抑制することは、回路機能、回路性能上等から困難な場合が多い。そのため、ダイオード１３２ａのＡ端子とスイッチング素子１３１ｂのＣ端子との接続部における寄生インダクタンスを低減させることがサージ電圧を抑制するのに効果的である。

【0038】

図４（ａ）に示すように、本実施形態では、ダイオード１３２ａのＡ端子とスイッチング素子１３１ｂのＣ端子とは、ヒートシンク１４４を介して、ほぼ直接接続されている。そのため、ダイオード１３２ａのＡ端子とスイッチング素子１３１ｂのＣ端子との間の電流経路は、もっとも短くなっている。また、Ａ端子およびＣ端子は、もっとも広い面積で接続されている。したがって、この電流経路における寄生インダクタンスは、非常に小さく抑えることが可能であり、スイッチング素子１３１ｂのターンオンによるｄｉ／ｄｔおよび電流経路の寄生インダクタンスにもとづいて発生するサージ電圧を抑制することができる。

【0039】

図４（ｂ）に示すように、比較例の場合には、ダイオード１３２ａの逆回復時の電流は、ハイサイド側のダイオード１３２ａのＡ端子から、一旦接続部材１５１を介して、ローサイド側のスイッチング素子１３１ｂのＣ端子へ流れ込む。したがって、ヒートシンク１４１，１４３の間の接続部材１５１の有限な長さにもとづく寄生インダクタンスが発生する。ヒートシンク１４１，１４３の間の長さは、ダイオード１３２ａの圧接パッケージの厚さ、スイッチング素子１３１ｂの圧接パッケージの厚さおよびヒートシンク１４２の厚さで決定されるため、これ以下に長さを短縮することは困難である。したがって、比較例の場合には、実施形態の場合よりも、サージ電圧の大きさが大きくなる。

【0040】

本実施形態の電力変換装置の効果について説明する。
本実施形態では、回路構造体１３０を、コンデンサ３３の負側端子Ｎの電位が印加されるヒートシンク１４１，１４５で挟むようにスタックを構成することによって、スタックの両端のヒートシンク１４１，１４５の電位をほぼ一定の低い電位に維持することできる。

【0041】

フレーム１６０の電位をコンデンサ３３の負側端子Ｎの電位と等しくする場合には、フレーム１６０と回路構造体１３０との間の絶縁構造を設ける必要がないので、スタック全体の形状を小型化することができる。

【0042】

電力変換部３００の筐体の電位をコンデンサ３３の負側端子Ｎの電位に等しくする場合には、筐体と、スタックおよびそのフレーム１６０との間の絶縁のための構造を省略することができ、さらなる小型化、省スペース化が可能になる。

【0043】

ダイオード１３２ａのＡ端子と、ダイオード１３２ａに直列接続されたスイッチング素子１３１ｂのＣ端子とを、ヒートシンク１４４を介して、直接接続することによって、これらの間の電流経路における寄生インダクタンスを小さくすることができる。そのため、スイッチング素子１３１ｂのオン時に発生するサージ電圧の大きさを抑制することができ、ダイオード１３２ａのサージ電圧による破損等の不具合の発生を低減させることができる。

【0044】

ダイオード１３２ａのＡ端子とスイッチング素子１３１ｂのＣ端子との間の電流経路の寄生インダクタンスを小さくすることによって、サージ電圧の発生を抑制できるので、スイッチング素子１３１ｂのスイッチング性能を十分に活かした回路設計ができる。そのため、スイッチング時の損失を低減することが可能になり、電力変換部３００の小型化、省スペース化が可能になる。

【0045】

（第２の実施形態）
図５（ａ）は、本実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的な構成図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の構成を実体的に表した模式的な等価回路図である。
本実施形態では、第１の実施形態のスタックを構成する回路構造体１３０がカスケードに接続されてスタックを構成する場合の構成となる。本実施形態の電力変換装置は、回路構造体１３０－１，１３０－２を備える。回路構造体１３０－１，１３０－２は、第１の実施形態の場合の回路構造体１３０と同じ構成をそれぞれ有する。本実施形態では、第１の実施形態の各構成要素に“－１”を付加することによって、回路構造体１３０－１の構成要素であるものとし、第１の実施形態の各構成要素に“－２”を付加することによって回路構造体１３０－２の構成要素であるものとする。

【0046】

２つの回路構造体１３０－１，１３０－２は、カスケードに接続されており、具体的には、回路構造体１３０－１に設けられたヒートシンク１４１－１は、接続部材１５５に接続されており、接続部材１５５は、回路構造体１３０－２の導電性の接続部材１５１－２に接続されている。図示しないが、回路構造体１３０－２のヒートシンク１４１－２から導電性の接続部材を介して、次段の回路構造体に接続するようにしてもよい。

【0047】

本実施形態では、カスケード接続された２つの回路構造体１３０－１，１３０－２を１つのスタックに組み込む場合に、フレーム１６０の電位をたとえば回路構造体１３０－１のヒートシンク１４１－１と同電位とすることができる。この場合には、回路構造体１３０－１とフレーム１６０との絶縁構造を省略することができる。なお、回路構造体１３０－１にカスケード接続された回路構造体１３０－２では、ヒートシンク１４１－２の電位は、ヒートシンク１４１－１の電位よりも、コンデンサ３３（図１）の電圧Ｖｄｃ分だけ低くなるために、両者の間には絶縁構造を設ける必要がある。

【0048】

図６（ａ）は、比較例の電力変換装置の一部を例示する模式的な構成図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の構成を実体的に表した模式的な等価回路図である。
この比較例においては、図３（ａ）および図３（ｂ）において説明した比較例の回路構造体１３０Ｘと同じ構成の回路構造体１３０Ｘ－１，１３０Ｘ－２がカスケード接続されている。回路構造体１３０Ｘ－１のヒートシンク１４２－１に接続部材１５５－１が接続されており、接続部材１５５－１は、回路構造体１３０Ｘ－２の接続部材１５１－２に接続されている。

【0049】

この比較例では、フレーム１６０の電位を回路構造体１３０Ｘ－１に設けられたヒートシンク１４２－１の電位としている。回路構造体１３０Ｘ－１とフレーム１６０の電位差は、最大でコンデンサ３３の電圧Ｖｄｃ分あり、回路構造体１３０Ｘ－２とフレーム１６０との電位差も最大で電圧Ｖｄｃ分ある。したがって、いずれの回路構造体１３０Ｘ－１，１３０Ｘ－２をフレーム１６０に組み付ける場合にも、絶縁構造を設ける必要がある。

【0050】

本実施形態の電力変換装置の効果について説明する。
本実施形態では、カスケードに接続された回路構造体１３０－１，１３０－２の少なくとも一方について、第１の実施形態の場合と同じ効果を有する。たとえば、回路構造体１３０－１では、コンデンサ３３の負側端子の電位が印加されるヒートシンク１４１－１，１４５－１で挟むように回路構造体１３０－１を構成することによって、回路構造体１３０－１の両端のヒートシンク１４１－１，１４５－１の電位をほぼ一定の低い電位に維持することできる。したがって、フレーム１６０との絶縁構造を省略することができるので、装置の小型化、省スペース化が可能になる。

【0051】

また、回路構造体１３０－１，１３０－２とも、ハイサイド側のダイオード１３２ａのＡ端子とローサイド側のスイッチング素子１３１ｂのＣ端子とは、ヒートシンクを介して直接的に接続されるので、寄生インダクタンスを小さくすることができ、サージ電圧の発生を抑制することができる。

【0052】

（第３の実施形態）
図７（ａ）は、本実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的な構成図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の構成を実体的に表した模式的な等価回路図である。
本実施形態では、第１の実施形態のスタックを構成する回路構造体と比較例のスタックを構成する回路構造体とを組み合わせることによって、いずれの回路構造体ともフレーム１６０との絶縁構造を省略することができる。なお、回路構造体１３０－１は、図５（ａ）の回路構造体１３０－１と同じ構成を有し、回路構造体１３０Ｘ－２は、図６（ａ）の回路構造体１３０Ｘ－２と同じ構成を有している。

【0053】

図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、回路構造体１３０－１では、ヒートシンク１４１－１が接続部材１５５に接続されている。接続部材１５５は、回路構造体（第２回路構造体）１３０Ｘ－２の接続部材１５１に接続されており、接続部材１５１を介して、ヒートシンク１４１－２，１４３－２，１４５－２に接続されている。

【0054】

フレーム１６０を回路構造体１３０－１側のコンデンサ３３の負側端子Ｎの電位とすると、回路構造体１３０－１のヒートシンク１４１－１の電位も負側端子Ｎの電位となる。そして、回路構造体１３０Ｘ－２のヒートシンク１４１－２の電位も負側端子Ｎの電位となり、ヒートシンク１４１－１，１４１－２とフレーム１６０との間の絶縁構造を省略することができる。ヒートシンク１４５－１，１４５－２側の図示しないフレームについても、ヒートシンク１４５－１，１４５－２と同電位とすることができ、絶縁構造を省略することができる。

【0055】

本実施形態の電力変換装置の効果について説明する。
本実施形態では、複数の回路構造体をカスケード接続してスタックに組み込む場合に、第１の実施形態のスタックを構成する回路構造体１３０－１と、その比較例のスタックを構成する回路構造体１３０Ｘ－２を交互に接続することによって、両端のヒートシンクの電位をコンデンサ３３の負側端子Ｎの電位とすることができる。そのため、フレーム１６０をコンデンサ３３の負側端子Ｎの電位とした場合に、ヒートシンクとの間の絶縁構造を省略することができ、スタックのより一層の小型化、省スペース化が可能になる。

【0056】

本実施形態では、回路構造体１３０－１では、ハイサイド側のダイオード１３２ａおよびローサイド側のスイッチング素子１３１ｂの経路によるサージ電圧は、十分抑制されるが、回路構造体１３０Ｘ－２では、接続部材１５１による寄生インダクタンス等によって、サージ電圧の抑制が十分でない場合が起こり得る。したがって、本実施形態では、スイッチング素子のスイッチング性能や流れる電流値等により、サージ電圧発生の少ない場合等に適用されることができる。

【0057】

このようにして、小型化、省スペース化を実現した電力変換装置が実現される。

【0058】

以上、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。これら新規な実施形態は、その他のさまざま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ともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

【符号の説明】

【0059】

３０，３００ 電力変換部、３１ａ，３１ｂ，１３１ａ，１３１ｂ，１３１ａ－１，１３１ｂ－１，１３１ａ－２，１３１ｂ－２ スイッチング素子、３２ａ，３２ｂ，１３２ａ，１３２ｂ，１３２ａ－１，１３２ｂ－１，１３２ａ－２，１３２ｂ－２ ダイオード、３３ コンデンサ、１３０，１３０－１，１３０－２，１３０Ｘ－２ 回路構造体、１６０ フレーム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】