TOP特許意匠商標
特許ウォッチ DM通知 Twitter
公開番号2021005984
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210114
出願番号2019120147
出願日20190627
発明の名称電力変換装置
出願人富士電機株式会社
代理人個人,個人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20201211BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】ゲートドライブ回路を構成する部品の小型化を図りながら低インダスタンス化及び安定したスイッチング動作を実現し、構造設計の制約を小さくすることができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】ゲートドライブ回路5Aは、半導体スイッチング素子Q1をオン・オフさせるトランジスタ10と、フォトカプラ11と、複数のゲート抵抗の一部12、14と、第1コネクタ22とがゲートドライブ主基板20に実装され、複数のゲート抵抗うちの残りのゲート抵抗17と、プルダウン抵抗19と、ゲートコンデンサ18と、第2コネクタ23とがゲートドライブ副基板に実装されている。ゲートドライブ副基板が、半導体デバイスを内蔵した半導体モジュールPM1に接続され、ゲートドライブ主基板の第1コネクタと、ゲートドライブ副基板の第2コネクタとが、一対のハーネス24aで接続されている。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
半導体デバイスを内蔵した半導体モジュールと、前記半導体デバイスを駆動するゲートドライブ回路と、を備え、前記ゲートドライブ回路は、前記半導体デバイスをオン・オフさせるトランジスタと、前記トランジスタの駆動制御を行うフォトカプラと、前記半導体デバイスのスイッチングスピードを調整する複数のゲート抵抗と、駆動特性を調整するゲートコンデンサと、前記半導体デバイスの誤動作を防止するプルダウン抵抗と、を備えている電力変換装置において、
前記ゲートドライブ回路の前記トランジスタと、前記フォトカプラと、前記複数のゲート抵抗の一部と、信号出力側の制御経路及びグランド経路に接続する第1コネクタと、がゲートドライブ主基板に実装され、
前記ゲートドライブ回路の前記複数のゲート抵抗うちの残りのゲート抵抗と、前記プルダウン抵抗と、前記ゲートコンデンサと、信号入力側の制御経路及びグランド経路に設けた第2コネクタと、がゲートドライブ副基板に実装されており、
前記ゲートドライブ副基板が前記半導体モジュールに接続され、
前記ゲートドライブ主基板の前記第1コネクタと、前記ゲートドライブ副基板の前記第2コネクタとが、一対のハーネスで接続されていることを特徴とする電力変換装置。
続きを表示(約 450 文字)【請求項2】
前記一対のハーネスの長さは100mm以上に設定されていることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
【請求項3】
一対の前記半導体デバイスを直列に接続して内蔵した複数の前記半導体モジュールを備え、
複数の前記半導体モジュールの各々に、前記一対の半導体デバイスを駆動する複数の前記ゲートドライブ副基板が接続され、
複数の前記ゲートドライブ副基板の各々と、複数の前記ゲートドライブ主基板とが、複数対のハーネスを介して接続されているとともに、
前記複数対のハーネスの各々の外周には、電磁ノイズ抑制コアが装着されていることを特徴とする請求項1又は2記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記ゲートドライブ副基板は、その外周形状が前記半導体モジュールのモジュール実装面に接続したときに、前記モジュール実装面の外縁から外側にはみ出さない大きさの形状で形成されていることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体モジュールを駆動するゲートドライブ回路を備えた電力変換装置に関する。
続きを表示(約 8,600 文字)【背景技術】
【0002】
インバータ装置、無停電電源装置、パワーコンディショナー、鉄道車両用各種電力変換装置、工作機械および産業用ロボット等の電力変換機器を構成する電力変換装置は、スイッチングを行うパワー半導体デバイスを搭載したパワー半導体モジュールと、パワー半導体デバイスを駆動するゲートドライブ回路とを備えている。
パワー半導体デバイスとしては、Si(シリコン)からなるMOSFETやIGBTが広く利用されている。近年では、SiC(シリコンカーバイト)やGaN(ガリウムナイトライド)といったワイドバンドギャップ半導体の研究・開発および実用化検討も活発になされており、SiC−MOSFET、SiC−JFET、GaN−HEMTといったスイッチング素子に関しても、一部は既に実用に供されつつある。
【0003】
とりわけ、パワー半導体モジュールの分野では、1モジュールの内部に、1群のスイッチング素子からなる組が2直列に内蔵された2in1モジュールがよく知られている。2in1モジュールは、電力変換回路の分野で知られるハーフブリッジ回路を1モジュールで構成でき、たとえば、三相インバータ回路の1相分を1モジュールで担うことができる。2in1モジュールでは、正極側のアームを上アーム、負極側のアームを下アームと呼ぶ。
【0004】
近年は、SiC−MOSFETなどのワイドバンドギャップ半導体からなるパワー半導体モジュールのみならず、Si−IGBT,Si−MOSFETの性能向上(低損失化、高速スイッチング化)が著しく、パワー半導体モジュールを安全かつ確実に駆動させるゲートドライブ回路の発明が多く提案されている。
例えば、以下に示す特許文献1〜3には、パワー半導体モジュールを並列に接続して大容量(大電流)の電力変換を行うゲートドライブ回路の技術が記載されている。
【0005】
ここで、パワー半導体デバイスのスイッチング速度、ひいてはスイッチング損失を決定する支配的な要因は、ゲートドライブ回路に搭載されているゲート抵抗とゲートコンデンサである。なお、ゲートコンデンサは、MOSFETを駆動する場合にはG−S間コンデンサと称し、IGBTを駆動する場合にはG−E間コンデンサ等と称している。そして、ゲートドライブ回路のターンオン、ターンオフを異なるゲート抵抗で駆動する場合には、ダイオードを用いて定数を変更する場合もある。ゲートドライブ回路のゲートコンデンサは、静電容量と並列に接続されることにより、ゲートの充放電時間を遅らせ、或いはゲート電圧を安定に保つ必要がある場合に追加されることがある。
【0006】
上記のようにゲート抵抗とゲートコンデンサを搭載しているゲートドライブ回路は、配線インダクタンスなどの寄生成分が形成され、安定なスイッチング動作を損なう原因となる。特に、SiC−MOSFETなどの高速スイッチングで動作させるパワー半導体デバイスでは、寄生成分の影響が無視できなくなる。
そこで、特許文献1の発明では、ゲートドライブ回路からパワー半導体デバイスまでの配線をラミネート構造とすることで、低インダクタンス化及び安定したスイッチング動作を実現している。
また、特許文献2の発明では、パワー半導体モジュールとゲートドライブ回路を一体化するように直近で固定する構造とすることで、低インダクタンス化や絶縁などを実現している。
【0007】
さらに、特許文献3の発明では、複数のパワー半導体モジュールとこれらを駆動する駆動装置とを接続する信号用中継基板が設けられており、信号用中継基板に、駆動装置のゲート抵抗以降の回路部品を実装している。これにより、特許文献3の発明は、電力容量を高めるために複数のパワー半導体モジュールを並列に接続する場合であっても、電気的接続を容易に行うことができるとともに、信号用中継基板に実装されている配線パターン構造の低インダクタンス化を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
特開2015−198545号公報
特開2018−61406号公報
特許第6103122号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかし、特許文献1のようにゲートドライブ回路からパワー半導体デバイスまでの配線をラミネート構造とする場合、或いは、特許文献2のようにパワー半導体モジュールとゲートドライブ回路を一体化するように直近で固定する構造とする場合は、製造コスト及び小型化の面で問題がある。
また、特許文献3では、信号用中継基板に実装する回路部品(駆動装置のゲート抵抗以降の回路部品)が多く、絶縁構造を考慮すると大型基板となるので、電力変換装置に組み込んだ際に振動により破損するおそれがある。また、ゲートドライブ回路とパワー半導体モジュールの距離をできる限り近づけることが必須となることから、構造設計の制約が大きいという課題もある。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ゲートドライブ回路を構成する部品の小型化を図りながら低インダクタンス化及び安定したスイッチング動作を実現することができるとともに、構造設計の制約を小さくしながら絶縁や振動の問題も解決することができる電力変換装置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】
【0010】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る電力変換装置は、半導体デバイスを内蔵した半導体モジュールと、半導体デバイスを駆動するゲートドライブ回路と、を備え、ゲートドライブ回路は、半導体デバイスをオン・オフさせるトランジスタと、トランジスタの駆動制御を行うフォトカプラと、半導体デバイスのスイッチングスピードを調整する複数のゲート抵抗と、駆動特性を調整するゲートコンデンサと、半導体デバイスの誤動作を防止するプルダウン抵抗と、を備えている。ここで、ゲートドライブ回路のトランジスタと、フォトカプラと、複数のゲート抵抗の一部と、信号出力側の制御経路及びグランド経路に接続する第1コネクタと、がゲートドライブ主基板に実装されている。また、
ゲートドライブ回路の複数のゲート抵抗うちの残りのゲート抵抗と、プルダウン抵抗と、ゲートコンデンサと、信号入力側の制御経路及びグランド経路に設けた第2コネクタと、がゲートドライブ副基板に実装されている。そして、ゲートドライブ副基板が半導体モジュールに接続され、ゲートドライブ主基板の前記第1コネクタと、ゲートドライブ副基板の前記第2コネクタとが、一対のハーネスで接続されている。
【発明の効果】
【0011】
本発明に係る電力変換装置によると、ゲートドライブ回路を構成する部品の小型化を図りながら低インダスタンス化及び安定したスイッチング動作を実現し、構造設計の制約を小さくしながら絶縁や振動の問題も解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
本発明に係る電力変換装置の一例を示す全体構成図である。
本発明に係る半導体モジュールに内蔵されている半導体デバイスと、この半導体デバイスを駆動するゲートドライブ回路の構成を示す図である。
本発明に係る2in1モジュールで構成した第1パワー半導体モジュールと、これを駆動する第1及び第2ゲートドライブ回路を示す図である。
本発明に係る2in1モジュールで構成した第1〜第3パワー半導体モジュールと、これらを駆動する第1〜第6ゲートドライブ回路を示す図である。
本発明に係る他の実施形態として、一つのゲートドライブ回路が、第1〜第3パワー半導体モジュールの3つの上アームを構成する半導体デバイスに並列に接続している状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
次に、図面を参照して、本発明に係る一実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す一実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【0014】
<電力変換装置>
図1は、本発明に係る一実施形態の電力変換装置1を示す回路図であり、インバータ回路2、平滑回路3、整流回路4、ゲートドライブ回路5A〜5F、コントローラ6を備え、三相電源(不図示))から交流入力端子7を介して入力した交流電力の電力変換を行って負荷8に供給する装置である。
インバータ回路2は、第1〜第3パワー半導体モジュールPM1,PM2,PM3が並列に接続されている。これら第1〜第3パワー半導体モジュールPM1,PM2,PM3のそれぞれは、2in1モジュールで構成されている。2in1モジュールは、1モジュールの内部に、一対のパワー半導体デバイスからなる上アーム及び下アームが直列に内蔵されたモジュールである。
【0015】
2in1モジュールである第1パワー半導体モジュールPM1の上アームは、パワー半導体デバイスとしての半導体スイッチング素子Q1と、半導体スイッチング素子Q1と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードDとを備え、第1パワー半導体モジュールPM1の下アームは、パワー半導体デバイスとしての半導体スイッチング素子Q2と、半導体スイッチング素子Q2と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードDとを備えている。半導体スイッチング素子Q1,Q2は、Si(シリコン)からなるMOSFETやIGBT、或いは、SiC−MOSFET、SiC−JFET、SiC−IGBT、GaN−HEMT、GaN−MOSFETといったパワー半導体デバイスである。
【0016】
半導体スイッチング素子Q1,Q1のそれぞれは、高電位側端子thと、制御端子tcと、低電位側端子tgと、を備えている。また、主回路の電圧、電流にアクセスする主端子として半導体スイッチング素子Q1の高電位側端子thに接続するP端子tpと、半導体スイッチング素子Q1の低電位側端子tgおよび半導体スイッチング素子Q2の高電位側端子thに接続するM端子tm、半導体スイッチング素子Q2の低電位側端子tgに接続するN端子tnを備えている。
【0017】
第2パワー半導体モジュールPM2及び第3パワー半導体モジュールPM3も、第1パワー半導体モジュールPM1と同様に、一対のパワー半導体デバイスからなる上アーム及び下アームが直列に内蔵されたモジュールであり、上アームに、上述した構成の半導体スイッチング素子Q1と、半導体スイッチング素子Q1と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードDとを備え、下アームに、上述した構成の半導体スイッチング素子Q2と、半導体スイッチング素子Q2と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードDとを備えている。
【0018】
インバータ回路2は、第1〜第6ゲートドライブ回路5A〜5Fによって駆動制御される。
第1ゲートドライブ回路5Aは、第1パワー半導体モジュールPM1の上アームの半導体スイッチング素子Q1に制御信号を出力し、第2ゲートドライブ回路5Bは、第1パワー半導体モジュールPM1の下アームの半導体スイッチング素子Q2に制御信号を出力する。
また、第3ゲートドライブ回路5Cは、第2パワー半導体モジュールPM2の上アームの半導体スイッチング素子Q1に制御信号を出力し、第4ゲートドライブ回路5Dは、第2パワー半導体モジュールPM2の下アームの半導体スイッチング素子Q2に制御信号を出力する。
さらに、第5ゲートドライブ回路5Eは、第3パワー半導体モジュールPM3の上アームの半導体スイッチング素子Q1に制御信号を出力し、第6ゲートドライブ回路5Fは、第3パワー半導体モジュールPM3の下アームの半導体スイッチング素子Q2に制御信号を出力する。
【0019】
<第1パワー半導体モジュールの上アームの半導体スイッチング素子と第1ゲートドライブ回路の回路図>
図2は、第1パワー半導体モジュールPM1の上アームの半導体スイッチング素子Q1に接続する第1ゲートドライブ回路5Aを具体的に示した回路図である。
第1ゲートドライブ回路5Aは、正極側電源9a、負極側電源9b、トランジスタ10、フォトカプラ11、第1ゲート抵抗12、ターンオン用ダイオード13、第2ゲート抵抗14、ターンオフ用ダイオード15、ダンピング抵抗16、第3ゲート抵抗17、ゲートコンデンサ18、プルダウン抵抗19、を備えている。
【0020】
トランジスタ10は、半導体スイッチング素子Q1をオン・オフさせるスイッチ素子であり、ターンオン用スイッチ素子10aがNPNトランジスタで構成され、ターンオフ用スイッチ素子10bがPNPトランジスタで構成されている。このトランジスタ10は、フォトカプラ11からH(ハイ)、L(ロー)の信号が入力することで、半導体スイッチング素子Q1に制御信号を出力して半導体スイッチング素子Q1のオン・オフ制御を行う。
【0021】
また、第1ゲート抵抗12及びターンオン用ダイオード13は直列に接続され、第2ゲート抵抗14及びターンオフ用ダイオード15も直列に接続されている。そして、第1ゲート抵抗12及びターンオン用ダイオード13は、第2ゲート抵抗14及びターンオフ用ダイオード15に対して並列に配置されて制御配線に接続されている。そして、制御配線に直列に接続した第1ゲート抵抗12及びターンオン用ダイオード13(或いは、制御配線に直列に接続した第2ゲート抵抗14及びターンオフ用ダイオード15)に対して、第3ゲート抵抗17が制御配線上で直列に接続されている。
【0022】
これら第1ゲート抵抗12、第2ゲート抵抗14及び第3ゲート抵抗17は、半導体スイッチング素子Q1のスイッチング速度、スイッチング損失を調整する機能を有する。
また、ターンオン用ダイオード13及びターンオフ用ダイオード15に対して半導体スイッチング素子Q1側に実装され、制御配線と基準電位配線との間に接続されているダンピング抵抗16は、安定したスイッチング動作を図る素子である。
【0023】
また、制御配線と基準電位配線との間に接続されているゲートコンデンサ18は、ゲートの充放電時間を遅らせ、或いは、ゲート電圧を安定に保つなどの駆動特性を調整する素子である。さらに、ゲートコンデンサ18に対して半導体スイッチング素子Q1に寄った位置で制御配線と基準電位配線との間に接続されているプルダウン抵抗19は、半導体スイッチング素子Q1の誤動作を防止する素子である。
【0024】
ここで、第1ゲートドライブ回路5Aの正極側電源9a、負極側電源9b、トランジスタ10、フォトカプラ11、第1ゲート抵抗12、ターンオン用ダイオード13、第2ゲート抵抗14、ターンオフ用ダイオード15及びダンピング抵抗16は、ゲートドライブ主基板20に実装されている。
また、第1ゲートドライブ回路5Aの、第3ゲート抵抗17、ゲートコンデンサ18及びプルダウン抵抗19は、ゲートドライブ分割ユニット21として、第1パワー半導体モジュールPM1側に設けられている。ゲートドライブ分割ユニット21の構成部品は、後述するゲートドライブ副基板26に実装されている。
【0025】
ゲートドライブ主基板20には、ダンピング抵抗16が実装されている一端側の制御配線と基準電位配線に接続する主基板側コネクタ22が設けられている。
ゲートドライブ分割ユニット21には、プルダウン抵抗19が実装されている一端側の制御配線と基準電位配線に半導体スイッチング素子Q1の制御端子tcと低電位側端子tgが接続されているとともに、他端側の制御配線と基準電位配線に接続する副基板側コネクタ23が設けられている。
【0026】
そして、主基板側コネクタ22及び副基板側コネクタ23が、ツイストペア線(一対のハーネス)24aを介して接続されている。
そして、コントローラ6は、第1ゲートドライブ回路5Aのフォトカプラ11に対して、トランジスタ10にH(ハイ)、L(ロー)の信号を入力させる制御を行い、トランジスタ10は、フォトカプラ11からH(ハイ)、L(ロー)の信号が入力することで、半導体スイッチング素子Q1に制御信号が出力され、半導体スイッチング素子Q1のオン・オフ制御が行われる。
【0027】
<第1〜第3パワー半導体モジュールと第1〜第6ゲートドライブ回路の接続構造>
図3は、第1パワー半導体モジュールPM1と、第1ゲートドライブ回路5A及び第2ゲートドライブ回路5Bの具体的な接続構造を示す図である。なお、第2ゲートドライブ回路5Bも、第1ゲートドライブ回路5Aと同一の構造とされ、第1パワー半導体モジュールPM1の下アームの半導体スイッチング素子Q2に同一の構造で接続されている。
第1パワー半導体モジュールPM1は、前述したように、2in1モジュールで構成されており、モジュール基板25の内部に、上アームを構成する半導体スイッチング素子Q1及びフリーホイールダイオードDと、下アームを構成する半導体スイッチング素子Q2及びフリーホイールダイオードDが実装されている。
【0028】
モジュール基板25の長方形状の外面(以下、モジュール実装面と称する)には、モジュール基板25の内部でP端子tpに接続する正極側外部端子Tpと、モジュール基板25の内部でM端子tmに接続する負極側外部端子Tnと、モジュール基板25の内部でN端子tnに接続する出力側外部端子Tmと、が長手方向に離間して実装されている。
また、モジュール基板25のモジュール実装面の長手方向の一端側には、ゲートドライブ副基板26が実装されている。
【0029】
このゲートドライブ副基板26は、第1ゲートドライブ回路5Aの前述したゲートドライブ分割ユニット21(第3ゲート抵抗17、ゲートコンデンサ18及びプルダウン抵抗19)と、第2ゲートドライブ回路5Bの前述したゲートドライブ分割ユニット21(第3ゲート抵抗17、ゲートコンデンサ18及びプルダウン抵抗19)とが実装された1枚の基板である。このゲートドライブ副基板26には副基板側コネクタ23が設けられており、第1ゲートドライブ回路5Aの主基板側コネクタ22に接続したツイストペア線24aと、第2ゲートドライブ回路5Bの主基板側コネクタ22に接続したツイストペア線24bとが接続している。
【0030】
そして、モジュール基板25のモジュール実装面にゲートドライブ副基板26が実装されることで、第1ゲートドライブ回路5Aのゲートドライブ分割ユニット21のプルダウン抵抗19が実装されている一端側の制御配線と、上アームの半導体スイッチング素子Q1の制御端子tcとが接続されるとともに、第1ゲートドライブ回路5Aのゲートドライブ分割ユニット21のプルダウン抵抗19が実装されている一端側の基準電位配線と、上アームの半導体スイッチング素子Q1の低電位側端子tgが接続される。また、第1ゲートドライブ回路5Bのゲートドライブ分割ユニット21のプルダウン抵抗19が実装されている一端側の制御配線と、下アームの半導体スイッチング素子Q2の制御端子tcとが接続されるとともに、基準電位配線と、下アームの半導体スイッチング素子Q2の低電位側端子tgとが接続される。
(【0031】以降は省略されています)

この特許をJ-PlatPatで参照する

関連特許

富士電機株式会社
変圧器
富士電機株式会社
調理装置
富士電機株式会社
除湿装置
富士電機株式会社
解凍装置
富士電機株式会社
冷却装置
富士電機株式会社
熱交換器
富士電機株式会社
電子機器
富士電機株式会社
抵抗素子
富士電機株式会社
駆動回路
富士電機株式会社
駆動回路
富士電機株式会社
冷却装置
富士電機株式会社
搬送装置
富士電機株式会社
冷却構造
富士電機株式会社
溶解装置
富士電機株式会社
充電装置
富士電機株式会社
搬送装置
富士電機株式会社
分析装置
富士電機株式会社
検査装置
富士電機株式会社
半導体装置
富士電機株式会社
棚支持装置
富士電機株式会社
ガスセンサ
富士電機株式会社
半導体装置
富士電機株式会社
半導体装置
富士電機株式会社
エンコーダ
富士電機株式会社
半導体装置
富士電機株式会社
半導体装置
富士電機株式会社
半導体装置
富士電機株式会社
半導体装置
富士電機株式会社
ガス遮断器
富士電機株式会社
温水タンク
富士電機株式会社
半導体装置
富士電機株式会社
半導体装置
富士電機株式会社
半導体装置
富士電機株式会社
半導体装置
富士電機株式会社
自動販売機
富士電機株式会社
真空遮断器
続きを見る