專利名稱：功率半導(dǎo)體模塊、電力轉(zhuǎn)換裝置及鐵路車輛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如可以在鐵路車輛中應(yīng)用的電力轉(zhuǎn)換裝置，更詳細地說，涉及適宜這種電力轉(zhuǎn)換裝置的功率半導(dǎo)體模塊。
背景技術(shù)：
作為鐵路車輛用的電力轉(zhuǎn)換裝置，種類甚多。例如在像新干線這樣需要大功率的用途中，往往使用以3電平的電壓電平動作的3電平電力轉(zhuǎn)換裝置。作為與具有中性點的直流電壓電路的兩個端子連接的I臂(I支線)的結(jié)構(gòu)，3電平電力轉(zhuǎn)換裝置采用下述結(jié)構(gòu)在將二極管反并聯(lián)連接而成的4個開關(guān)元件(第I 第4開關(guān)元件)串聯(lián)連接的同時，還將第2、第3開關(guān)元件的連接點與直流電壓源的中性點連接，進而將串聯(lián)連接的兩個箝位二極管的各端與第1、第2開關(guān)元件的連接點和第3、第4開關(guān)元件的連接點連接，并將兩個箝位二極管的連接點與直流電壓源的中性點連接(例如專利文獻I)。在3電平電力轉(zhuǎn)換裝置中，由于輸出電流比較大，而且從整個電力轉(zhuǎn)換裝置上看的開關(guān)次數(shù)也增加，所以開關(guān)元件整體的發(fā)熱量也增大。因此在3電平電力轉(zhuǎn)換裝置中，大多采用冷卻能力高的結(jié)構(gòu)，使用被稱作沸騰冷卻的手法，例如將氟里昂替代物之一的全氟化碳(通常稱作“Fluorinert”)作為致冷劑使用進行冷卻。專利文獻1:日本特開平10 - 210759號公報?？墒亲罱?，人們認為不僅氟里昂，而且氟里昂的替代物也嚴重地影響著環(huán)境，出現(xiàn)了限制使用它的活動。特別是在歐洲，已經(jīng)在強化限制的方向上達成了共識，將來還一定會出現(xiàn)使用氟里昂替代物的電力轉(zhuǎn)換裝置根本不能夠投付使用的狀況。此外，作為使用氟里昂替代物的沸騰冷卻裝置的替代措施，人們想出了使用純水的冷卻導(dǎo)熱管裝置，以及只具有簡單的散熱機構(gòu)的降溫裝置等。另外，作為最近的技術(shù)動向，將高耐壓及低損耗的元件，而且能夠以大電流在高溫及高頻中動作的SiC (碳化硅)作為基體的半導(dǎo)體(以下稱作“SiC半導(dǎo)體”)令人矚目。使用該SiC半導(dǎo)體構(gòu)成電力轉(zhuǎn)換裝置時，由于能夠在高溫中動作，所以是特別有利于簡化冷卻器的結(jié)構(gòu)的材料。因此，從簡化冷卻器這一觀點上說，使用SiC半導(dǎo)體就成為眾望所歸?？墒?，將SiC半導(dǎo)體應(yīng)用于3電平電力轉(zhuǎn)換裝置這種高輸出的電力轉(zhuǎn)換裝置時，事情卻并沒有那么簡單。這是因為將3電平電力轉(zhuǎn)換裝置作為鐵路車輛用使用時，鐵路車輛特有的動作樣態(tài)即在牽引時和再生時，各開關(guān)兀件的發(fā)熱量相差較大，開關(guān)兀件的安裝面中的溫度梯度變得極大的緣故，其中牽引是指使電動機進行驅(qū)動動作，將鐵路車輛加速的情況，再生是指使電動機進行再生動作，將鐵路車輛減速的情況。在這里，使用沸騰冷卻裝置時，由于各開關(guān)元件的安裝面中的溫度梯度在強有力的冷卻功能的作用下變小，所以利用過溫度傳感器進行的過溫度控制也變得容易起來。另一方面，例如采用降溫裝置等簡單的散熱機構(gòu)時，由于開關(guān)元件的安裝面中的溫度分布隨著電力轉(zhuǎn)換裝置的動作樣態(tài)而變，所以需要在過溫度控制上想新的辦法。不過，電力轉(zhuǎn)換裝置的動作樣態(tài)取決于各種運轉(zhuǎn)條件及動作環(huán)境，不能夠在裝置側(cè)進行控制。因此，難以在短時間內(nèi)正確地推斷開關(guān)元件的安裝面的溫度分布。另外，使用SiC半導(dǎo)體時，由于可以在比以往高的溫度中動作，所以還需要考慮到發(fā)熱量比以往大得多的情況。這樣，作為3電平電力轉(zhuǎn)換裝置的開關(guān)元件使用SiC半導(dǎo)體，而且采用簡單的散熱機構(gòu)時，單純地應(yīng)用現(xiàn)有手法遠遠不夠，要求開發(fā)包含元件及溫度傳感器在內(nèi)的新的元件配置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明考慮上述的現(xiàn)有問題而構(gòu)思，其目的在于提供宜于在簡化了冷卻器的3電平電力轉(zhuǎn)換裝置中應(yīng)用的功率半導(dǎo)體模塊。另外，本發(fā)明的目的還在于提供具備上述那種功率半導(dǎo)體模塊的電力轉(zhuǎn)換裝置及具備上述那種電力轉(zhuǎn)換裝置的鐵路車輛。為了解決上述課題并達到上述目的，本發(fā)明涉及的功率半導(dǎo)體模塊，適用于鐵路車輛用的3電平電力轉(zhuǎn)換裝置，所述功率半導(dǎo)體模塊的特征在于，具有 第1、第2開關(guān)元件，該第1、第2開關(guān)元件按照該順序在高電位側(cè)直流端子和交流端子之間串聯(lián)連接，且受通斷控制而進行動作；第3、第4開關(guān)元件，該第3、第4開關(guān)元件按照該順序在所述交流端子和低電位側(cè)直流端子之間串聯(lián)連接，且受通斷控制而進行動作；第I箝位二極管，該第I箝位二極管的負極端子與所述第1、第2開關(guān)元件的相互連接點連接，正極端子與直流中間端子連接；第2箝位二極管，該第 2箝位二極管的負極端子與所述直流中間端子連接，正極端子與所述第1、第2開關(guān)元件的相互連接點連接；第I溫度繼電器，該第I溫度繼電器探測所述第I及第2開關(guān)元件的過溫度；以及第2溫度繼電器，該第2溫度繼電器探測所述第3及第4開關(guān)元件的過溫度，所述第I 第4開關(guān)元件及所述第1、第2箝位二極管由寬帶隙半導(dǎo)體形成，在元件基板的一側(cè)，所述第I開關(guān)元件、所述第I箝位二極管及所述第2開關(guān)元件按照該順序沿著冷卻風的流動方向縱列配置，在所述元件基板的另一側(cè)，所述第4開關(guān)元件、所述第2箝位二極管及所述第3開關(guān)元件按照該順序沿著所述冷卻風的流動方向縱列配置，所述第I溫度繼電器被配置在所述第1、第4開關(guān)元件周邊的附近區(qū)域中的所述元件基板的邊部側(cè)，所述第2溫度繼電器被配置在所述第2、第3開關(guān)元件周邊的附近區(qū)域中的所述元件基板的邊部側(cè)，所述第I 第4開關(guān)元件、所述第1、第2箝位二極管及所述第1、第2溫度繼電器,被收容在一個模塊內(nèi)而構(gòu)成。依據(jù)本發(fā)明，可以獲得能夠提供宜于在簡化了冷卻器的3電平電力轉(zhuǎn)換裝置中應(yīng)用的功率半導(dǎo)體模塊的效果。


圖1是表示本發(fā)明的實施方式涉及的電力轉(zhuǎn)換裝置的簡要的功能結(jié)構(gòu)的 圖2是表示圖1所示的I個相的支線中的各開關(guān)元件的詳細結(jié)構(gòu)的 圖3是簡要地表示在搭載I個冷卻器而成的元件基板上配置的4個開關(guān)元件及2個箝位二極管的配置的示意 圖4是表示采用運轉(zhuǎn)模式I (例如再生動作)時的溫度上升的情況的 圖5是表示采用運轉(zhuǎn)模式2 (例如牽引動作)時的溫度上升的情況的 圖6是講述外元件用溫度傳感器的配置位置的 圖7是講述內(nèi)元件用溫度傳感器的配置位置的圖； 圖8是表示元件基板上的布線區(qū)域的一個例子的 圖9是表示特定的開關(guān)模式時的主電路電感回路的 圖10是表示特定的開關(guān)模式時的與圖9不同的主電路電感回路的 圖11是表不特定的開關(guān)1旲式時的與圖9及圖10不同的主電路電感回路的 圖12是表不特定的開關(guān)|旲式時的與圖9、圖10及圖11不同的主電路電感回路的圖； 圖13是在本實施方式涉及的芯片配置圖上表示第1、第2電感回路的 圖14是在本實施方式涉及的芯片配置圖上表示第3、第4電感回路的 圖15是在作為比較例示出的芯片配置圖上表示第1、第2電感回路的 圖16是在作為比較例示出的芯片配置圖上表示第3、第4電感回路的圖。
具體實施例方式首先，講述本發(fā)明的實施方式涉及的電力轉(zhuǎn)換裝置。圖1是表示本發(fā)明的實施方式涉及的電力轉(zhuǎn)換裝置的簡要的功能結(jié)構(gòu)的圖，示出鐵路車輛100搭載的電力轉(zhuǎn)換裝置90的一個構(gòu)成例。如圖1所示，電力轉(zhuǎn)換裝置90具備變頻器電路70、具有中性點的直流電壓電路75及逆變器電路80。此外，直流電壓電路75具有串聯(lián)連接的電容器7、8，由電容器7、8的各一端和電容器7、8的連接點形成3個電位端，變頻器電路70及逆變器電路80作為3電平電力轉(zhuǎn)換裝置動作。在鐵路車輛100中搭載著配置在電力轉(zhuǎn)換裝置90的輸入端側(cè)、與變頻器電路70連接的電壓器65，以及配置在電力轉(zhuǎn)換裝置90的輸出端側(cè)、與逆變器電路80連接、接受來自電力轉(zhuǎn)換裝置90的電力供給后驅(qū)動車輛的電動機66。此外，作為電動機66，既可以是感應(yīng)電動機，也可以是同步電動機。變壓器65的一次線圈的一端，經(jīng)由集電裝置62與架空線61連接，另一端經(jīng)由車輪63與大地電位即軌道64連接。架空線61供給的電力，經(jīng)由集電裝置62輸入變壓器65的一次線圈，并且變壓器65的二次線圈產(chǎn)生的電力輸入變頻器電路70。變頻器電路70的結(jié)構(gòu)包括用開關(guān)元件11、12及箝位二極管15構(gòu)成的U相正側(cè)臂；用開關(guān)元件13、14及箝位二極管16構(gòu)成的U相負側(cè)臂；用開關(guān)元件21、22及箝位二極管25構(gòu)成的V相正側(cè)臂；用開關(guān)元件23、24及箝位二極管26構(gòu)成的V相負側(cè)臂。開關(guān)元件11、12、13、14按照該順序串聯(lián)連接，開關(guān)元件12、13的相互連接點與變壓器65的一端連接。另外，箝位二極管15的負極端與開關(guān)元件11、12的相互連接點連接，箝位二極管15的正極端與直流電壓電路75的中性點即電容器7、8的連接點或與該連接點電位相同的一端連接。負側(cè)臂也同樣構(gòu)成，箝位二極管16的正極端與開關(guān)元件13、14的相互連接點連接，負極端與直流電壓電路75的中性點(電容器7、8的連接點或與該連接點電位相同的一端，也可以是箝位二極管15的正極端)連接。這樣，用開關(guān)元件11、12及箝位二極管15構(gòu)成的U相正側(cè)臂和用開關(guān)元件13、14及箝位二極管16構(gòu)成的U相負側(cè)臂，構(gòu)成串聯(lián)連接的電路部(支線)。該結(jié)構(gòu)在V相正側(cè)臂及V相負側(cè)臂中也同樣，在變頻器電路70中構(gòu)成具有2組(U相部分、V相部分)支線的單相電橋電路。變頻器電路70對開關(guān)元件11 14及開關(guān)元件21 24進行PWM控制，從而將輸Λ的交流電壓轉(zhuǎn)換成所需的直流電壓后向直流電壓電路75輸出。此外，關(guān)于對變頻器電路70進行的PWM控制，由于它是眾所周知的，所以在這里不再贅述。將電容器7、8產(chǎn)生的各直流電壓作為輸入、轉(zhuǎn)換成為任意電壓及任意頻率的交流電壓后輸出的逆變器電路80，與直流電壓電路75的輸出端連接。逆變器電路80的支線結(jié)構(gòu)也和變頻器電路70同樣，不同之處是支線的相數(shù)。就是說，逆變器電路80具備用開關(guān)元件31、32及箝位二極管35構(gòu)成的U相正側(cè)臂、用開關(guān)元件33、34及箝位二極管36構(gòu)成的U相負側(cè)臂、用開關(guān)元件41、42及箝位二極管45構(gòu)成的V相正側(cè)臂、用開關(guān)元件43、44及箝位二極管46構(gòu)成的V相負側(cè)臂、用開關(guān)元件51、52及箝位二極管55構(gòu)成的W相正側(cè)臂、用開關(guān)元件53、54及箝位二極管56構(gòu)成的V相負側(cè)臂。在逆變器電路80中，構(gòu)成具有3組(U相部分、V相部分、W相部分)支線的3相電橋電路。逆變器電路80對開關(guān)元件31 34、開關(guān)元件41 44及開關(guān)元件51 54進行PWM控制,從而將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成所需的交流電壓后向電動機66輸出。此外,關(guān)于對于逆變器電路80進行的PWM控制，由于它是眾所周知的技術(shù)，所以在這里不再贅述。圖2是表示圖1所示的I個相的支線中的各開關(guān)元件的詳細結(jié)構(gòu)的圖，如圖2所示，作為構(gòu)成支線9的開關(guān)元件，例如開關(guān)元件I是將SiC作為基體的SiC - M0SFET92和將SiC作為基體的SiC —FWD(Fly Wheel Diode)94反并聯(lián)連接的元件。另外，箝位二極管5也是用SiC基體形成的二極管(SiC - D)。此外，其它的開關(guān)元件2 4及箝位二極管6也同樣，由這樣構(gòu)成的4個開關(guān)元件和2個箝位二極管構(gòu)成I個相的支線。此外，圖2所示的支線9也是作為功率模塊的構(gòu)成單位，開關(guān)元件I 4及箝位二極管5、6包含后文講述的溫度傳感器，被收容在I個模塊內(nèi)地封裝。這時，從開關(guān)元件2、3的連接點引出的端子形成交流端子即U端子，從開關(guān)元件I的漏極端引出的端子形成與直流電壓電路的高電位側(cè)連接的P端子(高電位側(cè)直流端子)，從開關(guān)元件4的源極端引出的端子形成與直流電壓電路的低電位側(cè)連接的N端子(低電位側(cè)直流端子)，從箝位二極管5、6的連接點引出的端子形成與直流電壓電路的中性點連接的C端子(直流中間端子)。此外，雖然在圖2中沒有繪出，但是毫無疑義，后文講述的2個溫度傳感器的輸出端子也從模塊內(nèi)引出，和這些各端子一起構(gòu)成模塊的端子。圖3是簡要地表示在搭載I個冷卻器而成的元件基板82上配置的4個開關(guān)元件及2個箝位二極管的配置的示意圖，各開關(guān)元件的符號和各箝位二極管的符號與圖2所示的符號對應(yīng)。圖3示出空冷用的冷卻風，第I開關(guān)元件、第I箝位二極管及第2開關(guān)元件沿著冷卻風的流動方向，按照該順序縱列配置在元件基板82的一側(cè)。另外，第4開關(guān)元件、第2箝位二極管及第3開關(guān)元件沿著冷卻風的流動方向，按照該順序縱列配置在元件基板82的另一側(cè)。進而，對于該冷卻風而言，開關(guān)元件1、4配置在上風頭側(cè)，開關(guān)元件2、3配置在下風頭側(cè)。不過，根據(jù)后文講述的理由，這些配置關(guān)系也可以相反。就是說，也可以將開關(guān)元件1、4配置在冷卻風的下風頭側(cè)，開關(guān)元件2、3配置在冷卻風的上風頭側(cè)。在圖3所示的元件配置中，富有特征的地方是就像與圖2加以比較后能夠理解的那樣，電路構(gòu)成和元件配置不同。此外，關(guān)于進行這種元件配置的情況，將在后文講述。圖4及圖5是表示例如作為鐵路車輛用而使用本實施方式的電力轉(zhuǎn)換裝置時設(shè)想的運轉(zhuǎn)模式下產(chǎn)生的溫度上升的情況的圖，例如圖4是采用運轉(zhuǎn)模式I (例如再生動作)時產(chǎn)生的溫度上升的情況，圖5是采用運轉(zhuǎn)模式2 (例如牽引動作)時產(chǎn)生的溫度上升的情況。此外，這些元件基板82是搭載于變頻器電路70及逆變器電路80而構(gòu)成I個支線的元件基板中搭載于逆變器電路80的元件基板的一個示例。在圖4中，采用運轉(zhuǎn)模式I時，開關(guān)元件1、4產(chǎn)生的損耗較大，開關(guān)元件2、3產(chǎn)生的損耗較小。就是說，構(gòu)成I個支線的4個開關(guān)元件中，配置在支線外側(cè)的開關(guān)元件(以下稱作“外元件”)產(chǎn)生的損耗大于配置在支線內(nèi)側(cè)的開關(guān)元件(以下稱作“內(nèi)元件”)。這樣，安裝各開關(guān)元件的部分的溫度(以下稱作“安裝面溫度”)，外元件就大于內(nèi)元件。另一方面，采用運轉(zhuǎn)模式2時，如圖5所示，開關(guān)元件2、3產(chǎn)生的損耗較大，開關(guān)元件1、4產(chǎn)生的損耗較小。就是說，與圖4的情況相反，內(nèi)元件產(chǎn)生的損耗大于外元件產(chǎn)生的損耗，內(nèi)元件的安裝面溫度大于外元件的安裝面溫度。因此，在本實施方式的電力轉(zhuǎn)換裝置中，如圖6及圖7所示，在外元件的開關(guān)元件
1、4的附近區(qū)域配置一個溫度傳感器(外元件用溫度傳感器86A)，同時還在內(nèi)元件的開關(guān)元件2、3的附近區(qū)域配置另一個溫度傳感器(內(nèi)元件用溫度傳感器86B)。此外，如果在到開關(guān)元件1、4的距離大致相等的位置配置外元件用溫度傳感器86A，那么該位置中的來自開關(guān)元件I的溫度梯度和來自開關(guān)元件4的溫度梯度就大致相等，所以能夠高精度地檢測出這些開關(guān)元件1、4的溫度。內(nèi)元件用溫度傳感器86B也同樣，在到開關(guān)元件2、3的距離大致相等的位置配置后，就能夠高精度地檢測出開關(guān)元件2、3的溫度。如上所述，本實施方式的電力轉(zhuǎn)換裝置推出了作為鐵路車輛用使用3電平電力轉(zhuǎn)換裝置，且作為各開關(guān)元件使用SiC半導(dǎo)體，而且采用降溫裝置之類簡單的散熱機構(gòu)的方法。因此，各開關(guān)元件的動作隨著鐵路車輛特有的動作樣態(tài)的不同而不同，從整個元件基板上看的元件基板上的溫度梯度變大。不過，采用運轉(zhuǎn)模式I時，如圖6所示，可以利用外元件用溫度傳感器86A高精度地探測出發(fā)生損耗較大、安裝面溫度較高的開關(guān)元件1、4 (即外元件)的溫度上升。這是因為外元件用溫度傳感器86A配置在開關(guān)元件1、4的附近，外元件用溫度傳感器86A和開關(guān)元件1、4之間的溫度梯度較小的緣故。另一方面，采用運轉(zhuǎn)模式2時，如圖7所示，可以利用內(nèi)元件用溫度傳感器86B高精度地探測出發(fā)生損耗較大、安裝面溫度較高的開關(guān)元件2、3 (即內(nèi)元件)的溫度上升。因為內(nèi)元件用溫度傳感器86B配置在開關(guān)元件2、3的附近，所以內(nèi)元件用溫度傳感器86B和開關(guān)元件2、3之間的溫度梯度較小，和采用運轉(zhuǎn)模式I時同樣，能夠高精度地探測出開關(guān)元件2、3的溫度上升。此外，關(guān)于利用這些外元件用溫度傳感器86A及內(nèi)元件用溫度傳感器86B所進行的過溫度控制，例如可以視為使用兩者的邏輯和輸出的處理。就是說，外元件用溫度傳感器86A及內(nèi)元件用溫度傳感器86B中的至少一個探測到過溫度時，就可以進行模塊整體的過溫度控制。接著，講述這些外元件用溫度傳感器86A及內(nèi)元件用溫度傳感器86B。溫度傳感器既有像溫度繼電器那樣地探測成為設(shè)定值的情況后開閉接點的傳感器，也有像熱敏電阻那樣地能夠檢測出溫度本身的傳感器。本實施方式設(shè)想的溫度傳感器的類型為前者。被外元件用溫度傳感器86A及內(nèi)元件用溫度傳感器86B設(shè)定的設(shè)定值，在考慮檢測對象的開關(guān)元件和傳感器位置之間產(chǎn)生的溫度梯度后設(shè)定。不過，在本實施方式的電力轉(zhuǎn)換裝置中，因為在和檢測對象的開關(guān)元件之間產(chǎn)生的溫度梯度較小的位置配置各溫度傳感器，所以在偏離所需的溫度值的溫度中動作的概率極低。此外，外元件用溫度傳感器86A及內(nèi)元件用溫度傳感器86B的各設(shè)定值不必相同，甚至可以說通常不同。只要考慮冷卻風的大小、冷卻風的方向、與電力轉(zhuǎn)換裝置的動作樣態(tài)對應(yīng)的開關(guān)元件的溫度上升模式等后決定這些設(shè)定值即可。從這個意義上說，開關(guān)元件1、4或開關(guān)元件2、3中的某一個開關(guān)元件可以位于冷卻風的上風頭。圖8是表示元件基板82上的布線區(qū)域的一個例子的圖。在圖8中，將開關(guān)元件間的連接布線及開關(guān)元件和箝位二極管的連接布線等配置在用剖面線表示的布線區(qū)域84中。因此，在制造上難以將溫度傳感器配置在布線區(qū)域84中。在圖6及圖7中，之所以將外元件用溫度傳感器86A配置在外元件(開關(guān)元件1、4)周邊的附近區(qū)域中元件基板82的邊部側(cè)，其理由就在于此。對于內(nèi)元件用溫度傳感器86B也同樣，配置在內(nèi)元件(開關(guān)元件
2、3)周邊的附近區(qū)域中元件基板82的邊部側(cè)。此外，從圖8中可知，箝位二極管5的左側(cè)(邊部側(cè))的區(qū)域及箝位二極管6的右側(cè)(邊部側(cè))的區(qū)域未包含在布線區(qū)域內(nèi)，所以可以考慮在這些區(qū)域配置溫度傳感器。不過，由于在圖4及圖5所示的電力轉(zhuǎn)換裝置的動作樣態(tài)中，開關(guān)元件I和開關(guān)元件2的安裝面溫度不同，所以不理想。例如在到開關(guān)元件I和開關(guān)元件2的距離大致相等的位置(箝位二極管5的左側(cè)的區(qū)域)配置溫度傳感器時，由于檢測出兩者的平均值附近的溫度，所以難以正確地推斷開關(guān)元件1、2的安裝面溫度。不過。當開關(guān)元件I和開關(guān)元件2的安裝面溫度同時上升/下降時，該區(qū)域反而成為配置溫度傳感器的理想?yún)^(qū)域。作為使用SiC半導(dǎo)體時的注意事項，講述了可以在高溫中動作的SiC半導(dǎo)體發(fā)熱量遠遠大于以往的元件的情況。但是，SiC半導(dǎo)體的元件的動作速度大于Si半導(dǎo)體，這也是不容忽視的事實。已有文獻指出在像3電平電力轉(zhuǎn)換裝置那樣地將開關(guān)元件串聯(lián)連接后驅(qū)動的情況下，開關(guān)元件關(guān)斷時，由于起因于主電路電感(L)及電流的變化率(di/dt)而產(chǎn)生的浪涌電壓的作用，超過額定值的電壓被施加給特定的開關(guān)元件，有可能帶來元件的損壞。因此，在3電平電力轉(zhuǎn)換裝置的開關(guān)元件中使用SiC半導(dǎo)體時，與其它的電力轉(zhuǎn)換裝置相比，要求降低主電路電感。圖9 圖12是講述主電路電感的影響的圖，繪出3電平逆變器中的主電路電感回路。在這里，圖9是通過開關(guān)元件I及箝位二極管5的第I電感回路。以下同樣，圖10是通過開關(guān)元件1、開關(guān)元件2、開關(guān)元件3及箝位二極管6的第2電感回路，圖11是通過開關(guān)元件4及箝位二極管6的第3電感回路，圖12是通過開關(guān)元件4、開關(guān)元件3、開關(guān)元件2及箝位二極管5的第4電感回路。此外，這些第I 第4電感回路表示特定的開關(guān)模式中的反電動勢(L · di/dt)的產(chǎn)生路徑，不表示特定的開關(guān)模式中的電流路徑。接著，講述圖9 圖12所示的電感回路和本實施方式涉及的各開關(guān)元件及箝位二極管的芯片配置的關(guān)系。圖13是在本實施方式涉及的芯片配置圖上表示第1、第2電感回路的圖。在圖13中，用粗實線表示的箭頭是第I電感回路涉及的芯片間的路徑，用粗虛線表示的箭頭是第2電感回路涉及的芯片間的路徑。由于各電感回路中的電感分量與回路長度成正比，所以可知這些第1、第2電感回路中的L分量被設(shè)定為在芯片間成為最小值。另外，圖14是在本實施方式涉及的芯片配置圖上表示第3、第4電感回路的圖。在圖14中，用粗實線表示的箭頭是第3電感回路涉及的芯片間的路徑，用粗虛線表示的箭頭是第4電感回路涉及的芯片間的路徑。仔細觀察用粗實線表示的第3電感回路，可知該回路中的芯片間的回路長度比圖13所示的第I電感回路中的芯片間的回路長度長。不過，用記號“〇”表示的部位是成為折回的部分，這些部分的電感分量被抵消。因此可知:第3電感回路中的電感分量實質(zhì)上成為只用記號“□”表示的部分，第3電感回路中的L分量被設(shè)定為在可能的范圍內(nèi)變小。該作用在第4電感回路中也同樣，第4電感回路中的L分量也被設(shè)定為在可能的范圍內(nèi)變小。此外，圖15及圖16是作為比較例繪出的芯片配置圖，肉眼看上去和圖2等所示的電路圖一樣地配置構(gòu)成I支線的4個開關(guān)元件及兩個箝位二極管。首先，在圖15中，用粗實線表示的箭頭是第I電感回路涉及的芯片間的路徑，用粗虛線表示的箭頭是第2電感回路涉及的芯片間的路徑。與圖13加以比較后可知:第1、第2電感回路中的芯片間的回路長度中，圖15所示的較長。因此可知:第1、第2電感回路中的L分量，在本實施方式中較小。然后，在圖16中，用粗實線表示的箭頭是第3電感回路涉及的芯片間的路徑，用粗虛線表示的箭頭是第4電感回路涉及的芯片間的路徑。在圖16中，在各電感回路中沒有成為折回的那種部分。因此，與圖14加以比較后可知:在與除了折回部分的回路長度的比較中，本實施方式中的較短，第3、第4電感回路中的L分量也是本實施方式中的較小。這樣，依據(jù)本實施方式的電力轉(zhuǎn)換裝置，開關(guān)元件I 4及箝位二極管5、6用寬帶隙半導(dǎo)體形成；開關(guān)元件1、箝位二極管5及開關(guān)元件2按照該順序沿著冷卻風的流動方向，縱列配置在元件基板82的一側(cè)；開關(guān)元件4、箝位二極管6及開關(guān)元件3按照該順序沿著冷卻風的流動方向，縱列配置在元件基板82的另一側(cè)；外元件用溫度傳感器86A被配置在開關(guān)元件1、4周邊的附近區(qū)域中的元件基板82的邊部側(cè)；內(nèi)元件用溫度傳感器86B被配置在開關(guān)元件2、3周邊的附近區(qū)域中的元件基板82的邊部側(cè)；并且開關(guān)元件I 4、箝位二極管5、6和外兀件用溫度傳感器86A及內(nèi)兀件用溫度傳感器86B被收容在一個模塊內(nèi)而構(gòu)成。因此，能夠獲得宜于在簡化了冷卻器的3電平電力轉(zhuǎn)換裝置中應(yīng)用的功率半導(dǎo)體模塊的效果。此外，圖4及圖5是表示在被逆變器電路80搭載的I個支線的元件基板82中的溫度上升的情況的圖，逆變器電路80搭載的元件基板82中的溫度上升，與逆變器電路80的溫度上升成為相反的模式。就是說，逆變器電路80搭載的元件基板82中的溫度上升如果是圖4所示的狀態(tài)，那么變頻器電路70搭載的元件基板82中的溫度上升就成為圖5所示的狀態(tài)。反之，逆變器電路80搭載的元件基板82中的溫度上升如果是圖5所示的狀態(tài)，那么變頻器電路70搭載的元件基板82中的溫度上升就成為圖4所示的狀態(tài)。因此，本實施方式涉及的手法能夠不區(qū)別逆變器電路、變頻器電路地應(yīng)用。此外，在本實施方式中，由于作為開關(guān)元件使用SiC - M0SFET，作為與開關(guān)元件反并聯(lián)連接的二極管(FWD)使用SiC - FWD，所以還能夠使芯片厚度變薄，能夠獲得可以使芯片尺寸小型化的效果。另外，使用SiC - FffD時，因為能夠降低導(dǎo)通電壓，所以還能夠獲得大幅度降低恢復(fù)損耗的效果。此外，作為FWD，例如使用SiC基體的肖特基勢壘二極管(SiC - SBD)的情況下，能夠獲得可以進一步降低恢復(fù)損耗的效果。

因此，使用SiC - MOSFET及SiC — FWD時，即使削減芯片尺寸，也能夠獲得可以一邊抑制溫度上升一邊降低損耗的效果。此外，SiC半導(dǎo)體是被稱作寬帶隙半導(dǎo)體的一個半導(dǎo)體例子，除了該SiC半導(dǎo)體以夕卜，例如使用氮化鎵類材料或金剛石形成的半導(dǎo)體也屬于寬帶隙半導(dǎo)體。因此，使用SiC半導(dǎo)體以外的其它寬帶隙半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)也成為本發(fā)明的要點。另外，以上實施方式所示的結(jié)構(gòu)是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的一個例子，毫無疑問，可以和別的眾所周知的技術(shù)組合，還可以在不超出本發(fā)明的要點的范圍內(nèi)省略一部分等，變更而構(gòu)成。進而，在本實施方式中，將假設(shè)在鐵路車輛中應(yīng)用的功率半導(dǎo)體模塊作為對象講述了發(fā)明內(nèi)容，但是毫無疑問，適用范圍并不局限于此，可以在各種產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用。產(chǎn)業(yè)上的利用可能性
綜上所述，本發(fā)明涉及的功率半導(dǎo)體模塊在簡化了冷卻器的3電平電力轉(zhuǎn)換裝置中大有用處。符號說明
I 4、11 14,21 24,31 34,41 44,51 54 開關(guān)元件;5、6、15、16、25、26、35、36、45、46、55、56箝位二極管；7、8電容器；9支線；61架空線；62集電裝置；63車輪；64軌道；65變壓器；66電動機；70變頻器電路；75直流電壓電路；80逆變器電路；82元件基板；84布線區(qū)域；86A外元件用溫度傳感器；86B內(nèi)元件用溫度傳感器；90電力轉(zhuǎn)換裝置；100鐵路車輛。
權(quán)利要求
1.一種適用于鐵路車輛用的3電平電力轉(zhuǎn)換裝置的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，具有: 第1、第2開關(guān)元件，該第1、第2開關(guān)元件按照該順序在高電位側(cè)直流端子和交流端子之間串聯(lián)連接，且受通斷控制而進行動作； 第3、第4開關(guān)元件，該第3、第4開關(guān)元件按照該順序在所述交流端子和低電位側(cè)直流端子之間串聯(lián)連接，且受通斷控制而進行動作； 第I箝位二極管，該第I箝位二極管的負極端子與所述第1、第2開關(guān)元件的相互連接點連接，正極端子與直流中間端子連接； 第2箝位二極管，該第2箝位二極管的負極端子與所述直流中間端子連接，正極端子與所述第1、第2開關(guān)元件的相互連接點連接； 第I溫度繼電器，該第I溫度繼電器探測所述第I及第2開關(guān)元件的過溫度；以及 第2溫度繼電器，該第2溫度繼電器探測所述第3及第4開關(guān)元件的過溫度， 所述第I 第4開關(guān)元件及所述第1、第2箝位二極管由寬帶隙半導(dǎo)體形成， 在元件基板的一側(cè)，所述第I開關(guān)元件、所述第I箝位二極管及所述第2開關(guān)元件按照該順序沿著冷卻風的流動方向縱列配置， 在所述元件基板的另 一側(cè)，所述第4開關(guān)元件、所述第2箝位二極管及所述第3開關(guān)元件按照該順序沿著所述冷卻風的流動方向縱列配置， 所述第I溫度繼電器被配置在所述第1、第4開關(guān)元件周邊的附近區(qū)域中的所述元件基板的邊部側(cè)， 所述第2溫度繼電器被配置在所述第2、第3開關(guān)元件周邊的附近區(qū)域中的所述元件基板的邊部側(cè)， 所述第I 第4開關(guān)元件、所述第1、第2箝位二極管及所述第1、第2溫度繼電器，被收容在一個模塊內(nèi)而構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于， 所述第I溫度繼電器，被配置在到所述第I開關(guān)元件和所述第4開關(guān)元件的距離大致相等的位置； 所述第2溫度繼電器，被配置在到所述第2開關(guān)元件和所述第3開關(guān)元件的距離大致相等的位置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于， 所述寬帶隙半導(dǎo)體，是使用碳化硅、氮化鎵類材料或金剛石的半導(dǎo)體。
4.一種電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 具有多組支線，這些支線具備: 第1、第2開關(guān)元件，該第1、第2開關(guān)元件按照該順序在高電位側(cè)直流端子和交流端子之間串聯(lián)連接，且受通斷控制而進行動作； 第3、第4開關(guān)元件，該第3、第4開關(guān)元件按照該順序在所述交流輸出端子和低電位側(cè)直流端子之間串聯(lián)連接，且受通斷控制而進行動作； 第I箝位二極管，該第I箝位二極管的負極端子與所述第1、第2開關(guān)元件的相互連接點連接，正極端子與直流中間端子連接； 第2箝位二極管，該第2箝位二極管的負極端子與所述直流中間端子連接，正極端子與所述第1、第2開關(guān)元件的相互連接點連接； 第I溫度繼電器，該第I溫度繼電器探測所述第I及第2開關(guān)元件的過溫度；以及 第2溫度繼電器，該第2溫度繼電器探測所述第3及第4開關(guān)元件的過溫度， 所述第I 第4開關(guān)元件及所述第1、第2箝位二極管由寬帶隙半導(dǎo)體形成， 在元件基板的一側(cè)，所述第I開關(guān)元件、所述第I箝位二極管及所述第2開關(guān)元件按照該順序沿著冷卻風的流動方向縱列配置， 在所述元件基板的另一側(cè)，所述第4開關(guān)元件、所述第2箝位二極管及所述第3開關(guān)元件按照該順序沿著所述冷卻風的流動方向縱列配置， 所述第I溫度繼電器被配置在所述第1、第4開關(guān)元件周邊的附近區(qū)域中的所述元件基板的邊部側(cè)， 所述第2溫度繼電器被配置在所述第2、第3開關(guān)元件周邊的附近區(qū)域中的所述元件基板的邊部側(cè)， 所述第1 第4開關(guān)元件、所述第1、第2箝位二極管及所述第1、第2溫度繼電器，按每個所述支線被收容在一個模塊內(nèi)而構(gòu)成。
5.一種鐵路車輛，具備將輸入的直流電壓或交流電壓轉(zhuǎn)換成所需的交流電壓后輸出的電力轉(zhuǎn)換裝置、和接受來自所述電力轉(zhuǎn)換裝置的電力供給后驅(qū)動車輛的電動機，所述鐵路車輛的特征在于: 所述電力轉(zhuǎn)換裝置具有多組支線，這些支線具備: 第1、第2開關(guān)元件，該第1、第2開關(guān)元件按照該順序在高電位側(cè)直流端子和交流端子之間串聯(lián)連接，且受通斷控制而進行動作； 第3、第4開關(guān)元件，該第3、第4開關(guān)元件按照該順序在所述交流輸出端子和低電位側(cè)直流端子之間串聯(lián)連接，且受通斷控制而進行動作； 第I箝位二極管，該第I箝位二極管的負極端子與所述第1、第2開關(guān)元件的相互連接點連接，正極端子與直流中間端子連接； 第2箝位二極管，該第2箝位二極管的負極端子與所述直流中間端子連接，正極端子與所述第1、第2開關(guān)元件的相互連接點連接； 第I溫度繼電器，該第I溫度繼電器探測所述第I及第2開關(guān)元件的過溫度；以及 第2溫度繼電器，該第2溫度繼電器探測所述第3及第4開關(guān)元件的過溫度， 所述第I 第4開關(guān)元件及所述第1、第2箝位二極管由寬帶隙半導(dǎo)體形成， 在元件基板的一側(cè)，所述第I開關(guān)元件、所述第I箝位二極管及所述第2開關(guān)元件按照該順序沿著冷卻風的流動方向縱列配置， 在所述元件基板的另一側(cè)，所述第4開關(guān)元件、所述第2箝位二極管及所述第3開關(guān)元件按照該順序沿著所述冷卻風的流動方向縱列配置， 所述第I溫度繼電器被配置在所述第1、第4開關(guān)元件周邊的附近區(qū)域中的所述元件基板的邊部側(cè)， 所述第2溫度繼電器被配置在所述第2、第3開關(guān)元件周邊的附近區(qū)域中的所述元件基板的邊部側(cè)， 所述第I 第4開關(guān)元件、所述第1、第2箝位二極管及所述第1、第2溫度繼電器，按每個所述支線被收容在一個模塊內(nèi)而構(gòu)成。
全文摘要
在適用于鐵路車輛用的3電平電力轉(zhuǎn)換裝置的功率半導(dǎo)體模塊中，開關(guān)元件(1～4)及箝位二極管(5、6)由寬帶隙半導(dǎo)體形成，在元件基板(82)的一側(cè)，開關(guān)元件(1)、箝位二極管(5)及開關(guān)元件(2)按照該順序沿著冷卻風的流動方向縱列配置，在元件基板(82)的另一側(cè)，開關(guān)元件(4)、箝位二極管(6)及開關(guān)元件(3)按照該順序沿著冷卻風的流動方向縱列配置，外元件用溫度傳感器(86A)被配置在開關(guān)元件(1、4)周邊的附近區(qū)域中的元件基板(82)的邊部側(cè)，內(nèi)元件用溫度傳感器(86B)被配置在開關(guān)元件(2、3)周邊的附近區(qū)域中的元件基板(82)的邊部側(cè)，開關(guān)元件(1～4)、箝位二極管(5、6)、外元件用溫度傳感器(86A)及內(nèi)元件用溫度傳感器(86B)被收容在一個模塊內(nèi)而構(gòu)成。
文檔編號H02M7/487GK103081332SQ201080068993
公開日2013年5月1日 申請日期2010年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者中島幸夫 申請人:三菱電機株式會社