JP5516623B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
図7は、インバータを用いた半導体電力変換装置の一例を示す図である。
図7において、三相交流電源101は、整流器102および平滑コンデンサC4を介してインバータ103に接続され、インバータ103はモータ104に接続されている。そして、三相交流電源101の各相は、コモンモードノイズを低減するために、接地コンデンサC1〜C3をそれぞれ介して接地されている。ここで、整流器102には、整流ダイオードD1〜D6が設けられるとともに、インバータ103には、スイッチング素子M11〜M16およびスイッチング素子M11〜M16にそれぞれ逆並列接続された帰還ダイオードD11〜D16が設けられている。
そして、三相交流電源101にて生成された交流電圧は整流器102および平滑コンデンサC4にて直流電圧に変換され、整流器102および平滑コンデンサC4にて生成された直流電圧はインバータ103にて交流電圧に変換されてモータ104に供給される。
そして、インバータモジュールは、冷却のためにヒートシンク105上に設置され、このヒートシンク105は、一般に安全のためにアース電位に接続される。
図8において、IGBT111は封止樹脂にて封止され、IGBT111のゲート端子111a、正側出力端子に接続されるコレクタ端子111bおよび負側出力端子に接続されるエミッタ端子111cが封止樹脂から取り出されている。
図9および図10において、IGBT111にてインバータを構成する場合、IGBT111は、放熱のためにアース電位に接続されたヒートシンク123にねじ止めされる。例えば、三相インバータでは、上アーム用として3個、下アーム用として3個のIGBT111を1組として同一のヒートシンク123にねじ止めすることができる。
そして、ヒートシンク123にねじ止めされたIGBT111は、プリントパターン122が形成されたプリント基板121上に実装され、ゲート端子111a、コレクタ端子111bおよびエミッタ端子111cがプリントパターン122に接続される。
図11において、インバータモジュールは、アース電位と同電位のヒートシンク105上に実装され、上アーム側コレクタとヒートシンク105との間および下アーム側コレクタとヒートシンク105との間に形成される浮遊容量C5、C6もアース電位に接続される。これらの浮遊容量C5、C6の充放電電流がコモンモード電流となり、このコモンモード電流は、浮遊容量C5、C6を通るコモンモード電流経路RCを介して主に流れる。同様に、プリントパターン122とヒートシンク123との間の浮遊容量C121の充放電電流がコモンモード電流となる。
また、特許文献1には、電力変換回路から浮遊容量を介して流れる充放電電流によって発生する不要電磁波を、電力変換回路の半導体モジュール内の電流ループの面積を小さくすることで低く抑えられるようにするために、電力変換回路を構成する半導体モジュールに直流正側電位の出力電極、直流負側電位の出力電極および負荷と接続される出力電極のほかに、アース電位等と同電位となる出力電極を設けるとともに、これを、銅バーを介してアース電位と同電位の銅ベースへ接続する方法が開示されている。
また、特許文献1に開示された方法では、コモンモード電流経路を小さくすることができるが、プリントパターン122とヒートシンク123との間の浮遊容量C121については考慮されていないため、コモンモード電流の大きさを低減することができないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、半導体スイッチング素子の実装時のレイアウトに起因するコモンモード電流の増大を抑制することが可能な電力変換装置を提供することである。
これにより、第2プリントパターンから導電体に到達する電気力線を減らすことができ、第2プリントパターンと導電体との間に形成される浮遊容量を小さくすることが可能となることから、半導体スイッチング素子の実装時のレイアウトに起因するコモンモード電流の増大を抑制することが可能となる。
図1は、本発明に関連する第1実施形態に係る電力変換装置のIGBTの実装方法を示す断面図である。
図1において、IGBT14は、放熱のためにアース電位に接続されたヒートシンク13にねじ止めされている。例えば、三相インバータでは、上アーム用として3個、下アーム用として3個のIGBT14を1組として同一のヒートシンク13にねじ止めすることができる。
ここで、ヒートシンク13は、IGBT14のスイッチング動作にて電位が変動する端子に接続されたプリントパターン12と対向しない位置に配置することができる。例えば、IGBT14を用いて三相インバータを構成した場合、上下アーム接続点に接続されたプリントパターン12はヒートシンク13と対向しない位置に配置することができる。
図2において、IGBT24は、放熱のためにアース電位に接続されたヒートシンク23にねじ止めされている。例えば、三相インバータでは、上アーム用として3個、下アーム用として3個のIGBT24を1組として同一のヒートシンク23にねじ止めすることができる。
図3において、IGBT34は、放熱のためにアース電位に接続されたヒートシンク33にねじ止めされている。例えば、三相インバータでは、上アーム用として3個、下アーム用として3個のIGBT34を1組として同一のヒートシンク33にねじ止めすることができる。
また、プリント基板31の表面には、プリントパターン32bが形成されるとともに、プリント基板31の裏面には、プリントパターン32aが形成されている。ここで、プリントパターン32bは、プリントパターン32aとヒートシンク33とが重なり合う領域が覆われるようにプリント基板31の表面に配置するとともに、プリントパターン32bに流れる電流を確保するための必要最小限の面積に設定することができる。
例えば、IGBT34を用いて三相インバータを構成した場合、上下アーム接続点に接続される端子はプリントパターン32aに接続し、電力変換器の正極や負極に接続される端子はプリントパターン32bに接続することができる。ここで、プリントパターン32bはヒートシンク33との間で浮遊容量を形成した場合においても、IGBT34のスイッチング動作にて電位が変動しないことから、コモンモード電流が流れることはない。一方、プリントパターン32aと対向するようにしてプリントパターン32bを形成することにより、プリントパターン32a、32b間の静電結合を強めることができ、プリントパターン32aからヒートシンク33に到達する電気力線をプリントパターン22bにて遮蔽することができる。
図4において、IGBT44は、放熱のためにアース電位に接続されたヒートシンク43にねじ止めされている。例えば、三相インバータでは、上アーム用として3個、下アーム用として3個のIGBT44を1組として同一のヒートシンク43にねじ止めすることができる。
図5において、2in1タイプのIGBT54は、放熱のためにアース電位に接続されたヒートシンク53にねじ止めされている。また、プリント基板51の表面にはプリントパターン52が形成され、プリントパターン52はスルーホール57を介してプリント基板51の裏面に引き出されている。そして、IGBT54の出力端子に接続された電極56は、バスバー55を介してプリントパターン52に接続されている。
ここで、プリントパターン52は、IGBT54のスイッチング動作にて電位が変動する端子に接続することができ、例えば、IGBT54を用いて三相インバータを構成した場合、上下アーム接続点に接続することができる。
これにより、プリントパターン52とヒートシンク53とが対向して配置された場合においても、プリントパターン52の面積を極力小さくすることが可能となることから、プリントパターン52とヒートシンク53との間に形成される浮遊容量C51を小さくすることが可能となる。このため、IGBT54の実装時のレイアウトに起因するコモンモード電流の増大を抑制することが可能となり、伝導ノイズや放射ノイズを低減することができる。
また、上述した実施形態では、スイッチングアームの直列回路で構成したインバータを例にとって説明したが、スイッチング素子が一つだけからなる電力変換装置に適用してもよい。
図6において、フライバックコンバータでは、図11のスイッチング素子M11および帰還ダイオードD11の代わりに、トランス62の1次側が上アーム側に接続される。そして、トランス62の2次側には、ダイオードD61を介してコンデンサC61と抵抗R61との並列回路が接続されている。
12、22a、22b、32a、32b、42a、42b、52…プリントパターン
13、23、33、43、53…ヒートシンク
14、24、34、44、54…IGBT
55…バスバー
56…電極
57…スルーホール
C11、C21、C31、C41、C51…浮遊容量
Claims (2)
- スイッチング動作を行う半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子が表面側に実装されたプリント基板と、
前記プリント基板の表面側に配置され、前記半導体スイッチング素子から発生する熱を放熱する導電体と、
前記プリント基板の表面側に形成され、前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作にて電位が変動しない端子に接続された第1プリントパターンと、
前記プリント基板の裏面側に形成され、前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作にて電位が変動する端子に接続された第2プリントパターンと、を備え、
前記第2プリントパターンと前記導電体とが重なり合う領域が覆われるように前記第1プリントパターンを配置することを特徴とする電力変換装置。 - 前記第1プリントパターンと前記導電体とが重なり合う領域は、前記第2プリントパターンと前記導電体とが重なり合う領域よりも面積が大きいことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
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