JP2001086731A - 電力変換器の主回路構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電力変換器の主回路配線におけるインダクタン
スの低減、絶縁の信頼性の向上、取り扱い性の向上を、
簡単な構成で実現することにある。 【解決手段】電力変換器の主回路を構成する各導体を平
板状の形状とし、半導体モジュールに近い方から正側導
体、交流側導体、負側導体の順もしくはその逆順に設置
し、互いの間隔を所定の値（例えば、ボルトの頭の高
さ）に設定した上で、上層導体に、下層導体を固定する
ボルトの真上にスリットや穴を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両用の電力
変換器など電力変換器一般の実装構造、特に電力変換器
の主回路構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電力変換器の配線は、特開平１−
１６０３７３号公報に示すような細長い導体バーや電線
が使用されていた。このような構成では、配線のインダ
クタンスが大きいため、ＩＧＢＴモジュールをオン、オ
フした際の電流や電圧の跳ね上がりが大きく、場合によ
っては半導体素子耐圧を超過しうる。また、ＩＧＢＴモ
ジュールを保護するため、大きな容量のスナバ回路等を
接続する必要があり、装置の小型化の障害となってい
た。

【０００３】ところで、インダクタンスを低減するに
は、電流の経路である導体をできるだけ平たい形状と
し、かつ往路と復路の導体をできるだけ近接して設置す
る、いわゆる平行平板状にすれば良いことが知られてい
る。これは、往路と復路が作る磁束の変化が互いに相殺
し、見かけ上磁束の変化が殆どなくなるからである。

【０００４】このような原理を使用した配線方法として
は、特開平８−１９２４５号公報、特開平６−３２７２
６６号公報、特開平７−２４５９５１号公報、特開平９
−２０５７７８号公報および特開平９−４７０３６号公
報などに記載の技術があげられる。これらはいずれも上
述のように絶縁層などを挾んで平板状導体を近接配置し
た平行平板状の配線を用いており、インダクタンス低減
を実現している。

【０００５】しかしながら、導体とＩＧＢＴモジュール
を固定するボルトなどの固定具の取付けのため、導体や
絶縁層などに貫通穴をあける必要がある。この貫通穴に
おける絶縁距離を確保するため、穴を大きくとる必要が
あり、このため導体の面積が狭くなった部分に電流が集
中し、所定のインピーダンス目標を満足できないことが
あり得る。貫通穴のまわりを絶縁物で覆えば、導体の穴
自体を小さくできるが、導体断面を絶縁するために導体
および絶縁物の構造が複雑になりがちである。

【０００６】また、一方で導体間の間隔が狭いほどイン
ダクタンスは低減するものの、その低減効果は飽和して
いく。例えば、導体間隔を１０ｃｍから１ｃｍに低減し
た場合は大幅なインダクタンス低減が得られるが、１ｃ
ｍから１ｍｍに低減する場合にはさほどインダクタンス
は低減しない。従って、必ずしも導体間隔を極限まで
（例えば絶縁板厚程度まで）狭くしなくても、インダク
タンスを低減することは可能である。

【０００７】上記のような状況は、平行平板状の導体を
ボルトの頭の高さ以上に離して設置することで、あるい
は、平行平板状導体の端部を折り曲げ、その高さを、各
導体間が所望の間隔となるように設定することで解決す
ることが可能である。

【０００８】しかしながらこのような構成では、すべて
の導体を半導体素子モジュールにボルトで組み付けた
後、下層導体（便宜上、半導体素子モジュールに近い方
を下層、遠い方を上層と称する）のボルトがきちんと締
まっているか否かの確認をするためなどに、目視で確認
することができなかった。さらにはこれらのボルトに、
レンチなどの工具が届かず、上層の導体をはずさない限
り、下層導体のボルトを増し締めしたり、緩めたりする
ことは不可能であり、取り扱い上不便だった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、電力
変換器の主回路配線におけるインダクタンスの低減、絶
縁性能の向上、および取り扱い性の向上を図り、かつ、
簡単な構成で実現することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題は、電力変換器
の主回路を構成する各導体を平板状の形状とし、半導体
モジュールに近い方から正側導体、交流側導体、負側導
体の順もしくはその逆順に設置し、互いの間隔を所定の
値（例えば、ボルトの頭の高さ）に設定した上で、上層
導体に、下層導体を固定するボルトの真上にスリットや
穴を設けることで、解決される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。

【００１２】図１は、本発明の第１の実施形態を正面お
よび側面から見た図であり、２レベルインバータ３相分
の構成であるが、わかりやすくするため、一部部品を省
略もしくは透過して示している。例えば、Ｕ相およびＶ
相の一部導体を省略し、また絶縁板を透過して示してい
る。

【００１３】ＩＧＢＴモジュール１および２は、ヒート
ブロック１０１に取り付けられており、発生した熱を冷
却し、ＩＧＢＴモジュール１、２が過熱しないようにす
る。ＩＧＢＴモジュール１、２の端子は、導体３、４、
５により、図示しないフィルタコンデンサや電源、負荷
などの外部回路と接続される。ＩＧＢＴモジュール１、
２はいずれも１つのモジュールに３組のコレクタ・エミ
ッタ端子を有する構成であり、電気的にはＩＧＢＴモジ
ュールを３並列にするのと等価である。

【００１４】また図２に、導体３〜５のそれぞれの外形
を示す。

【００１５】正側導体３の端部に所定の深さのスリット
３Ｓを設け、これを折り曲げることにより、脚５ｆを形
成する。脚５ｆの先には、ＩＧＢＴモジュール１と接続
するＩＧＢＴ端子部３５が設けられており、ボルト６ａ
〜ｃによりＩＧＢＴモジュール１のコレクタ端子Ｃ１、
Ｃ２、Ｃ３と電気的及び機械的に接続されている。

【００１６】交流側導体４の、ＩＧＢＴモジュール１の
エミッタ端子Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３およびＩＧＢＴモジュー
ル２のコレクタ端子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３と接続する部分
も、同様に脚４ｆおよびＩＧＢＴ端子部４８ａ、４８ｂ
が設けられ、間にはスリット４ｓが設けられる。ＩＧＢ
Ｔ端子部４８ａ、４８ｂは、ボルト７ａ〜ｃ、８ａ〜ｃ
によりＩＧＢＴモジュール１、２に接続される。脚４ｆ
の高さは導体３の脚３ｆよりも高く設定しているため、
交流側導体４は正側導体３よりも上層に設置されること
になる。このような構成のため、両導体の間隔は、ボル
ト６ａ〜ｃの頭の高さとは独立に設定できる。さらに導
体４の、ボルト６ａ〜ｃの直上にある部分には、スリッ
ト４１と穴４２が形成される。スリット４１と穴４２
は、ボルト６ａ〜ｃを緩めたり締め付けたりするのに使
用される工具（例えばレンチなど）が入る大きさに設定
される。このため、導体３と導体４を組み付けた後、ボ
ルト６ａ〜ｃを増締めしたり、緩めたりする必要がある
際でも、導体４をはずしたり、組み付け直す必要がない
ため、組立や保守作業が簡単になる。

【００１７】スリット４１は、導体の端部にあるため
に、製作の簡単化をねらってスリットとしたものである
が、これは４２同様の穴でも効果は同じである。

【００１８】導体３と４の間には絶縁板１４が設けられ
る。ここでは、絶縁板１４は、導体３とも４とも離れて
設置されるため、導体の放熱性がよく、温度上昇を抑え
ることができ、導体により多くの電流を流すことができ
る。導体３と４間が、絶縁距離を保つのに十分離れてい
れば、絶縁板を省略することができる。また、導体に流
れる電流がそれほど多くなく、導体の発熱量が特別問題
とならない場合には、絶縁板１４を導体３もしくは４に
密着させたり、あるいは導体３と４を絶縁板１４を介し
て密着させることにより、インダクタンスのさらなる低
下や、省スペース化、部品数低減を実施できる。

【００１９】また絶縁板１４には、特別にボルト６〜ｃ
の組付けを考慮した穴を設けない。このため、絶縁板１
４が設置された状態では、導体４のスリット４１や穴４
２からは、絶縁板１４が見えるだけでボルト６ａ〜ｃに
アクセスすることはできないが、このような構造をとる
ことにより絶縁の信頼性を向上することができる。ボル
ト６ａ〜ｃを増締めしたり緩めたりする必要がある場合
には、図示しない絶縁板１４の固定具をはずし、絶縁板
１４を取り去ることにより、スリット４１や穴４２から
ボルト６ａ〜ｃを目視できるようになる。さらに、レン
チなどの工具をスリット４１や穴４２から挿入し、ボル
ト６ａ〜ｃにアクセスできる。

【００２０】負側導体５の、ＩＧＢＴモジュール２と接
続する部分も、同様に脚５ｆおよびＩＧＢＴ端子部５５
が設けられ、間にはスリット５ｓが設けられる。ＩＧＢ
Ｔ端子部５５はボルト９ａ〜ｃによりＩＧＢＴモジュー
ル２と接続される。脚５ｆの高さは、導体４の脚４ｆよ
り大きく、導体４と適当な間隔を置くように設定され
る。

【００２１】さらに導体５の、ボルト６ａ〜ｃ、７ａ〜
ｃ、８ａ〜ｃの直上の部分には、スリット５１および穴
５２が形成されている。導体４と５の間には、絶縁板１
５が配置されるが、絶縁板１５にはボルト６ａ〜ｃ、７
ａ〜ｃ、８ａ〜ｃに関連した穴は設けていないため、絶
縁の信頼性を高めることができる。図示しない絶縁板１
５の固定具をはずし、絶縁板１５を取り去ることによ
り、スリット５１および穴５２を通して、導体５を取り
外すことなく、レンチなどの工具を挿入し、ボルト７ａ
〜ｃ、８ａ〜ｃにアクセスし、増締めや緩めること、あ
るいはこれらのボルトの目視が可能である。さらに絶縁
板１４を取り去ることにより、導体４および５を取り去
ることなく、ボルト６ａ〜ｃにアクセスもしくは目視す
る事が可能である。

【００２２】ＩＧＢＴモジュールを並列接続した場合
（および図１のように複数端子を持つＩＧＢＴモジュー
ルを用いた場合も同じ）、各端子の電流をバランス化す
ることが重要である。しかしながらブス導体の形状によ
っては、各端子からみたインダクタンスのアンバランス
が生じ、このため端子電流アンバランスが発生する。こ
の場合、導体３を例に取ると、ＩＧＢＴモジュール１内
の配線と、導体３によりできるループを横流電流が流れ
ることになる。例えば、３ｆ→３→３ｆ→１内部配線、
の経路で横流電流が流れる。スリット３ｓを設けること
により、この横流電流の流れるループの長さをのばすこ
とができ、ループのインダクタンスが増大し、横流電流
が減るので、端子電流のバランス化が可能となる。交流
側導体４、負側導体５についても同様であり、スリット
４ｓ、５ｓを設けることにより、端子電流のバランス化
を図っている。

【００２３】以上により、簡単な構成により、主回路配
線インダクタンスを低減でき、絶縁性能を向上し、かつ
取り扱い性の向上を図ることができる。

【００２４】自明のことながら、上記で中層導体と最上
層導体の出力端子の左右が入れ替わっても効果は同じで
ある。また、負側が最下層、正側が最上層のように、導
体順が入れ替わっても、本発明の利点は同じである。

【００２５】また、本実施例では絶縁板のある構成を示
したが、絶縁距離が十分にとれる場合には、これらを省
略してもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な構成により、主回路配線インダクタンスを低減で
き、絶縁性能を向上し、かつ上層の導体を取り外さなく
ても下層導体の固定具を増締めあるいは緩めることがで
き、取り扱い性の向上を図ることができる。

【００２７】また、各導体は、いずれも平板状の導体を
切って穴を開けただけの簡単な構成であるので、加工や
組立が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す図。

【図２】図１の実施形態の正側導体、交流側導体、およ
び負側導体の形状を示す図。

【符号の説明】

１、２…ＩＧＢＴモジュール、３…正側導体、３ｆ、４
ｆ、５ｆ…導体の脚、３ｓ、４ｓ、５ｓ…スリット、４
…交流側導体、５…負側導体、１４、１５…絶縁板、６
ａ〜ｃ、７ａ〜ｃ、８ａ〜ｃ、９ａ〜ｃ…ボルト、３
０、４０、５０…出力端子、４１、５１…導体のスリッ
ト、４２、５２…導体の穴、３５、４８、４９、５５…
ＩＧＢＴ端子、１０１…ヒートブロック。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小柳 阿佐子 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 豊田 瑛一 茨城県ひたちなか市市毛1070番地 株式会 社日立製作所水戸事業所内 Ｆターム(参考） 5H740 BA11 MM10 PP03 PP04 PP05

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の半導体素子により直流を交流に変
   換またはその逆変換をする電力変換器であって、該変換
   器は前記半導体素子とその素子のコレクタ端子およびエ
   ミッタ端子が同一方向側面から取り出す構成で一体成型
   された半導体モジュールを１相分として少なくとも２個
   備え、その一方の半導体モジュールのコレクタ端子（Ｐ
   Ｃ）と直流電源の正極を接続する正側導体と、その他方
   の半導体モジュールのエミッタ端子（ＮＥ）と前記直流
   電源の負極を接続する負側導体と、前記一方の半導体素
   子のエミッタ端子（ＰＥ）及び前記他方の半導体モジュ
   ールのコレクタ端子（ＮＣ）を交流側に接続する交流側
   導体と、前記各導体はそれぞれ平板状の形状で、各平板
   導体が前記半導体モジュール端子面に対して所望の電気
   絶縁を持たせて階層状に構成されてなる電力変換器の主
   回路構造において、前記２個の半導体モジュールがその
   端子の順として、ＰＣ、ＰＥ、ＮＣ、ＮＥの一列になる
   ように配置された場合、前記各平板導体が半導体モジュ
   ールに近い方から正側導体、交流側導体、負側導体の順
   に設置、または、半導体モジュールに近い方から負側導
   体、交流側導体、正側導体の順に設置され、各導体間は
   所定の間隔があくように設置され、かつ半導体モジュー
   ルに近い導体の固定具の直上に、半導体モジュールに遠
   い方の導体にスリットあるいは穴を設けることを特徴と
   する電力変換器の主回路構造。
2. 【請求項２】 請求項１において、各導体間には絶縁板
   が設置され、かつこれら導体には、半導体モジュールに
   近い導体の固定具の直上に設けられた、半導体モジュー
   ルのスリットもしくは穴をふさぐような形状に形成され
   てなる電力変換器の主回路構造。