JP3637276B2 - ３レベル電力変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，３レベル電力変換装置の実装技術に係り，特に直流電圧源，スイッチング素子間のインダクタンスの低減技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流電圧源とスイッチング素子とによって構成され，直流と交流との間で電力の変換を行う電力変換装置において、スイッチング素子がターンオフするとき、直流電圧源とスイッチング素子間の配線インダクタンスにサージ電圧が誘起され、スイッチング素子に印加される。このため配線インダクタンスが大きいと、それだけスイッチング素子の耐圧を高く設計しなければならない。
【０００３】
配線のインダクタンスを低減するために，電流の経路である導体をできるだけ幅広の平板状とし，かつターンオフによって電流が変化する電流経路（以下、転流経路と称する）の往路と復路の導体をできるだけ近接して接続するいわゆる平行平板状とすることが知られている。これは，転流経路の往路と復路を流れる電流によって発生する磁束を互いに相殺することで見かけ上の磁束の変化すなわちインダクタンスを小さくできるからである。ここで言うスイッチング素子の転流経路とは、そのスイッチング素子がターンオフする瞬間に生じている変換装置内の有電流路であって、そのスイッチング素子のターンオフによって電流が変化させられることでサージ電圧を発生する要因となるインダクタンスをもつ電路である。具体的には後述する。
【０００４】
配線インダクタンスを低減する手段として，たとえば特開平１１−８９２４９号公報には、直流電圧源の正側アーム部は、前記直流電圧源に対して第２のスイッチング素子を最も近く、第１のスイッチング素子を最も遠く、第１の結合ダイオードを第１および第２のスイッチング素子の中間にそれぞれ配置し、負側アーム部は、直流電圧源に対して第３のスイッチング素子を最も近く、第４のスイッチング素子を最も遠く、第２の結合ダイオードを第３および第４のスイッチング素子の中間にそれぞれ配置することが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術においては、まだ、スイッチング素子に加わるサージ電圧が大きく、電力変換装置としての信頼性を確保するためには、導体が大きくなり装置の小型軽量化が不充分であった。
【０００６】
本発明の目的は，３レベル電力変換装置におけるスイッチング素子のターンオフ時のサージ電圧を抑制し，電力変換装置を小形軽量化することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
４つのスイッチング素子がターンオフする時の転流経路は、種類として２通りが考えられる。第１，第４のスイッチング素子の転流経路と、第２，第３のスイッチング素子の転流経路である。第１，第４のスイッチング素子の転流経路は比較的短く、他方、第２，第３のスイッチング素子の転流経路は比較的長くなる。したがって，第２，第３のスイッチング素子に印加されるサージ電圧は、第１，第４のスイッチング素子に印加されるサージ電圧より大きくなる。
【０００８】
そこで、本発明はその一面において、物理的に長くなる第２，第３のスイッチング素子の転流経路における配線インダクタンスを低減するため、転流経路をできるだけ短くするだけでなく、ターンオフするスイッチング素子の電流が流れる第１の電流路と、この第１の電流路の電流の減少に伴って電流が増大する第２の電流路の配線を沿わせるように構成することを特徴とする。
【０００９】
これらの第１、第２の電流路を流れる電流は、詳細を後述するように、転流時に僅かの時間的重なりをもって一方が減少し他方が増大する。あるいは時間的に重ならないで、瞬間的に一方が消滅し、他方が立上がる。これら２つの電流路のインダクタンスを抑制するために、両者の配線を沿わせることが効果的である。
【００１０】
本発明は他の一面において、前記第１、第２の電流路の長さがほぼ同一となるように、直流電圧源の接続端子を配置することを特徴とする。
【００１１】
これにより、両電流路がバランスして、互いに相殺し合い、ターンオフ時のインダクタンスはより小さく抑えられる。
【００１２】
本発明の望ましい一実施態様においては、平滑コンデンサ（単位電圧源）の接続端子を、直線状に配列された素子群のうち、結合ダイオードに最も近くなるように配置する。
【００１３】
これによって、第２，第３のスイッチング素子の転流経路における上記第１、第２の電流路がバランスし、また配線の重なり部分が生じてターンオフ時の実質的なインダクタンスを小さく抑え、サージ電圧は小さくなる。
【００１４】
本発明の他の一実施態様においては、直流電圧源と直線状に配列された素子群とに挟まれるように配置された２層の平板状の導体の間に、平板状の絶縁層を設ける。
【００１５】
これによって、２層の平板状の導体をより接近して配置でき、さらに転流経路の短縮と、配線の重なりを強めることができ、よりサージ電圧は小さくなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１７】
図１は本発明の第１の実施例による３レベル電力変換装置の１相分の側面図、図２は同じく１相分の電気回路図、図３は同じく１相分の平面図である。ここでは，便宜上スイッチング素子としてＩＧＢＴを例にとって説明するが，ＭＯＳＦＥＴ，バイポーラトランジスタなど，他のスイッチング素子を用いた場合も同様の効果が得られる。ここで，各スイッチング素子の正側の端子をコレクタ，負側の端子をエミッタと称する。
【００１８】
図１〜３において，電力変換装置の一相分は図２の電気回路を構成しており、直線状に並べられた素子群と、直流電圧源を構成する第１，第２の単位電圧源である平滑コンデンサとが、平板状の導体層を挟むように配置されている。
【００１９】
まず、素子群の構成から述べると、図１及び図３に示すように、第１のスイッチング素子１，中間電位導出用の第１の結合ダイオード５，第２のスイッチング素子２，第３のスイッチング素子３，中間電位導出用の第２の結合ダイオード６及び第４のスイッチング素子４が、ほぼ直線上に並べて配置される。
【００２０】
次に，前記素子群の上側に、上下２層の平板状の導体層が配置される。導体層の下層は，図３（ｂ）に示すように、第１の中間電位導体１２，交流側導体１３，第２の中間電位導体１４からなり，図１に示すように，素子と平行となる平板状の部分は図３（ｃ）の素子層の上側で同一平面内にある。導体層の上層は、図３（ａ）に示すように、正極側導体９，第３の中間電位導体１１，負極側導体１０からなり，図１から明らかなように，素子群と平行となる平板状の部分は導体層下層の上側に配置され、これら導体層の上層と下層は平行の関係にある。
【００２１】
最後に、直流電圧源７，８が、この直流電圧源と前記素子群とで前記導体層を挟むように配置されている。直流電圧源は、単位電圧源である第１，第２の平滑コンデンサ７，８で構成されている。
【００２２】
この実施例においては、第１の単位電圧源７の負極端子１１ｐを，前記素子群の中で第１の結合ダイオード５に最も近くなるように配置するとともに、前記第２の単位電圧源８の正極端子１１ｎを前記素子群の中で第２の結合ダイオード６に最も近くなるように配置している。
【００２３】
次に，導体層による接続関係を述べる。導体層下層から述べると，第１の中間電位導体１２は、第１のスイッチング素子１のエミッタと第２のスイッチング素子２のコレクタと第１の結合ダイオード５のカソードを接続しており、図３（ｂ）に示すように、第１の結合ダイオードのアノードと接続される第３の中間電位導体１１との絶縁用の穴もしくは切り込み１５が設けてある。交流側導体１３は、第２のスイッチング素子２のエミッタと第３のスイッチング素子のコレクタを接続しており，任意の場所に交流出力端子（図示せず）を設けている。第２の中間電位導体１４は、第３のスイッチング素子３のエミッタと第４のスイッチング素子４のコレクタ及び第２の結合ダイオードのアノードを接続するものであり、図３（ｂ）に示すように、第２の結合ダイオードのカソードと接続される第３の中間電位導体１１との絶縁用の穴または切り込み１６を設けている。
【００２４】
一方、導体層上層での接続は、正極側導体９が，第１のスイッチング素子１のコレクタと第１の平滑コンデンサ７の正極端子９ｐを接続している。負極側導体１０は、第４のスイッチング素子４のエミッタと第２の平滑コンデンサ８の負極端子１０ｎを接続している。第３の中間電位導体１１は，第１のダイオード５のアノードと第２のダイオード６のカソードを接続するとともに、第１の平滑コンデンサ７の負極端子１１ｐと第２の平滑コンデンサ８の正極端子１１ｎに接続している。
【００２５】
ここで，各スイッチング素子のコレクタ，エミッタはそれぞれ一つずつ図示してあるが，コレクタ，エミッタをそれぞれ複数個有するスイッチング素子であっても同様の構成が可能である。また、各スイッチング素子１〜４は，図２に示すように、電流をオンオフするスイッチング機能部と，これに逆並列接続された環流ダイオード、すなわち交流回路に対するフリーホイール機能部で構成される。以上、特に図３（ｃ）に示すように、一列に配置した前記素子群は、これら全ての素子の陽極端子（スイッチング素子のコレクタＣ，ダイオードのアノードＡ）と陰極端子（スイッチング素子のエミッタＥ，ダイオードのカソードＫ）とをほぼ一直線状に配置している。また、平板状の導体９〜１４は、同図（ａ），（ｂ）から明らかなように、前述端子群Ｃ，Ｅ，Ａ及びＫよりも十分に広い幅を持ち、その表裏方向に配置した前記直流電圧源７，８と前記素子群１〜６とにより挟まれるように配置している。
【００２６】
さて、各スイッチング素子がターンオフする時の転流経路は、図４（ａ）〜（ｄ）に示した４経路である。正側アームの第１のスイッチング素子１の転流経路（ａ）と負側アームの第４のスイッチング素子４の転流経路（ｄ）及び正側アームの第２のスイッチング素子２の転流経路（ｂ）と負側アームの第３のスイッチング素子３の転流経路（ｃ）は、それぞれ電気回路上，相似の関係であり，物理的空間的にも相似の位置関係に配置すれば、インダクタンスも同等となる。したがって，転流経路の種類としては（ａ），（ｄ）と（ｂ），（ｃ）の２通りを考えればよい。ここでは転流経路（ａ）と（ｂ）について説明し、（ｃ）と（ｄ）については省略するが、全く同様に理解することができる。
【００２７】
まず、転流経路（ａ）は、スイッチング素子１がターンオフする瞬間に生じていた変換器内の有電流路であって、スイッチング素子１のターンオフによって電流が遮断させられることで高電圧を発生する要因となるインダクタンスをもつ電路である。スイッチング素子１がオンしているときは必ずスイッチング素子２もオンしており、「第２の平滑コンデンサ８の正極→結合ダイオード５→第２のスイッチング素子２→交流端子→交流（負荷）回路→他相のスイッチング素子３，４→第２の平滑コンデンサ８の負極」の経路でダイオード５が通流している。したがって、その電流の大きさの範囲内ではダイオード５は逆方向にも通流し得るので、図４（ａ）に太線で示すように、スイッチング素子１のターンオフ時の転流経路は、「第１の平滑コンデンサ７の正極→第１のスイッチング素子１→ダイオード５（逆方向）→第１の平滑コンデンサ７の負極」の経路であり、スイッチング素子１がターンオフするとき、この転流経路の電流が遮断され、この経路のインダクタンスによってサージ電圧が発生し、スイッチング素子１に印加される。
【００２８】
この転流経路（ａ）は比較的短く，配線インダクタンスも比較的小さいので、第１のスイッチング素子１に印加されるサージ電圧は小さく問題はない。特に、本実施例においては、図５に破線で示すように、転流経路（ａ）は短くなる。
【００２９】
次に、転流経路（ｂ）は、スイッチング素子２がターンオフする瞬間（前後の短時間）に生じる変換器内の有電流路であって、スイッチング素子２のターンオフによって電流が変化させられることでサージ電圧を発生する要因となるインダクタンスをもつ電路である。スイッチング素子２がターンオフするときは、第３，第４のスイッチング素子３，４内のフリーホイルダイオードが「交流（負荷）回路→スイッチング素子４，３の逆並列のダイオード→交流端子→交流（負荷）回路」の経路で導通し得る状態にあるため、図４（ｂ）に太線で示すように、「第２の平滑コンデンサ８の正極→結合ダイオード５→第２のスイッチング素子２→第３，第４のスイッチング素子３，４のフリーホイルダイオード（逆方向）→第２の平滑コンデンサ８の負極」の経路で電流が流れ得る。スイッチング素子２がターンオフするとき、この転流経路のインダクタンスによって高電圧を発生し、スイッチング素子２に印加される。図６は、この転流経路（ｂ）を破線で示す側面図である。
【００３０】
ここで、この転流経路（ｂ）の配線インダクタンスについて考える。この転流経路（ｂ）は図からも明らかなように前記転流経路（ａ）に比べ比較的長くならざるを得ない。配線インダクタンスは経路の長さによって大きくなるため、転流経路をできる限り短く設計しなければならない。更に、スイッチング素子２がターンオフする直前，直後の電流経路が如何に沿わされ（重ねられ）ているかも重要である。３レベル電力変換装置は、ＰＷＭ制御によって交流端子に、短時間に直流の３レベルに電圧を切替え出力する。一方、交流負荷電流は、負荷のインダクタンスを電流源としており、各スイッチング素子のターンオフ時間のようなPWＭ制御のごく短時間の出来事の間では殆ど変化しない。この交流負荷電流の継続のためにフリーホイルダイオードが設けられている。さて、スイッチング素子２がターンオフする直前の交流負荷への電流Ｉ１は、「コンデンサ８の正極→ダイオード５→スイッチング素子２→交流負荷→他の相のスイッチング素子３，４→コンデンサ８の負極」の経路で流れており、一方、スイッチング素子２がターンオフした直後の交流負荷の電流Ｉ２は、「交流負荷→他の相のスイッチング素子３，４→スイッチング素子４，３のフリーホイルダイオード→交流負荷」の経路で流れる。図７は、本実施例におけるこれらの電流Ｉ１，Ｉ２を加筆した側面図である。電流Ｉ１が減少するのに合せて電流Ｉ２は増加し、あるいは、電流Ｉ１が消滅すると同時に電流Ｉ２が立上がる関係にある。これらの電流が図７の（ｅ）部で重なり合って同方向に流れることで、ターンオフの瞬間における実質的なインダクタンスを減少させることができる。すなわち、この部分においては、一方の増大（立上り）と他方の減少（消滅）とが重なり合って、トータルの電流変化ｄＩ／ｄｔが小さくなり、実質的なインダクタンスが小さくなるのである。この結果、スイッチング素子２に印加されるサージ電圧を小さく抑制することができる。スイッチング素子３についても全く同様である。実験によれば、先に述べた公報に記載された従来技術に比べ、スイッチング素子２，３へのサージ電圧の大きさを２０％低減することができた。
【００３１】
このように、本実施態様においては、スイッチング素子がターンオフする時の（ａ），（ｂ）の２種類の転流経路のうち、特に，転流経路が長く配線インダクタンスが大きくなる転流経路（ｂ）の配線インダクタンスを低減するため、第１の直流電圧源としての平滑コンデンサ７は、その負極端子１１ｐが，第１の結合ダイオード５に最も近くなるように配置され，他方，第２の直流電圧源としての平滑コンデンサ８は、その正極端子１１ｎが，第２の結合ダイオード６に最も近くなるように配置される。すなわち、導体層の一個所の表裏に、その一方に第１の直流電圧源の負極端子１１ｐがあり，その他方に第１の結合ダイオード５のアノード端子が存在するという位置関係である。同様に、導体層のもうひとつの個所の表裏に、その一方に第２の直流電圧源の正極端子１１ｎがあり，その他方に第２の結合ダイオード６のカソード端子が存在する。
【００３２】
このようにして、第２のスイッチング素子２のターンオフ直前に前記交流端子に向って電流Ｉ１が流れる第１の電流路と、前記第２のスイッチング素子２のターンオフ直後に前記交流端子に向って電流Ｉ２が流れる第２の電流路とを、ほぼ同一の長さとする位置（この実施例では結合ダイオード５，６に近接する位置）にそれぞれ前記第１，第２の単位電圧源７及び８の接続端子９ｐ、１１ｐ及び１０ｎ，１１ｎを配置するとともに、前記第１，第２の電流路を（ｅ）部で互いに沿わせて配置するのである。
【００３３】
図８は，本発明の第２の実施形態を示す側面図である。図１〜７の構成に加え，導体層の上層と下層との間に絶縁層１７を設けたものである。絶縁層１７は例えば絶縁材料でできた平板であり，第１及び第２の中間電位導体の絶縁確保用の穴または切り込みに合わせて穴または切り込みが設けられている。絶縁層を設けることにより，導体層の上層と下層の距離を近くすることが可能となり，相互誘導をさらに強めることができるので，さらにインダクタンスを低減可能である。絶縁層は上層，下層のどちらか一方または両方に接触していても構わない。
【００３４】
図９は，本発明の第３の実施形態の平面図であり、上層、下層の導体層及び素子層を示している。この実施の形態は，第１の実施形態において，各スイッチング素子１〜４及びダイオード５，６をそれぞれ２つずつ並列に接続し、電流容量を２倍としたものである。この場合にも、上記実施例と同様の効果を奏する。主回路構成は前述した特開平１１−８９２４９号公報の図１８と同一となる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、スイッチング素子のターンオフ時のサージ電圧を抑制でき、小形軽量化された３レベル電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による３レベル電力変換装置の１相分の側面図である。
【図２】本発明の一実施例による３レベル電力変換装置の１相分の電気回路図である。
【図３】本発明の一実施例による３レベル電力変換装置の１相分の平面図である。
【図４】本発明の一実施例による４種の転流経路を示した電気回路図である。
【図５】本発明の一実施例による転流経路（ａ）を加筆した側面図である。
【図６】本発明の一実施例による転流経路（ｂ）を加筆した側面図である。
【図７】本発明の一実施例による転流経路（ｂ）の電流路を加筆した側面図である。
【図８】絶縁層を付加した本発明の他の実施例の側面図である。
【図９】並列接続した本発明の他の実施例の平面図である。
【符号の説明】
１…第１のスイッチング素子、２…第２のスイッチング素子、３…第３のスイッチング素子、４…第４のスイッチング素子、５…第１の結合ダイオード、６…第２の結合ダイオード、７，８…第１，第２の単位電圧源（平滑コンデンサ）、９〜１４…平板状導体、１７…絶縁層、９ｐ，１１ｐ…第１の単位電圧源の接続端子、１０ｎ，１１ｎ…第２の単位電圧源の接続端子。

Claims (8)

1. 直列接続された第１，第２の単位電圧源を含み，３つの直流電圧レベルの３端子を有する直流電圧源と、前記第１の単位電圧源の正極端子と交流端子との間に直列接続された第１，第２のスイッチング素子と、その直列接続点と前記第１，第２の単位電圧源の直列接続点との間に接続された第１の結合ダイオードと、前記交流端子と前記第２の単位電圧源の負極端子との間に直列接続された第３，第４のスイッチング素子と、その直列接続点と前記第１，第２の単位電圧源の直列接続点との間に接続された第２の結合ダイオードと、前記第１のスイッチング素子，第１の結合ダイオード，第２のスイッチング素子，第３のスイッチング素子，第２の結合ダイオード及び第４のスイッチング素子の順に一列に配置した素子群と、この素子群と前記直流電圧源とに挟まれるように配置され，前記の電気接続を担う平板状の導体とを備え、前記交流端子に３つの電圧レベルを出力する３レベル電力変換装置において、前記導体層の略同一個所の表裏の一方に第１の単位電圧源の負極端子を配置し，その他方に第１の結合ダイオードのアノード端子を配置し、導体層のもうひとつの略同一個所の表裏の一方に第２の単位電圧源の正極端子を配置し，その他方に第２の結合ダイオードのカソード端子を配置したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
2. 請求項１において、一列に配置した前記素子群は、これら全ての素子の陽極端子と陰極端子とをほぼ一直線状に配置し、前記平板状の導体は、これらの端子群よりも十分に広い幅を持ち、その表裏方向に配置した前記直流電圧源と前記素子群とにより挟まれるように配置したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
3. 請求項１又は２において、前記第２のスイッチング素子のターンオフ直前の電流が流れる平板状導体と、前記第２のスイッチング素子のターンオフ直後の電流が流れる平板状導体とを沿わせて配置するとともに、前記第３のスイッチング素子のターンオフ直前の電流が流れる平板状導体と、前記第３のスイッチング素子のターンオフ直後の電流が流れる平板状導体とを沿わせて配置したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
4. 直列接続された第１，第２の単位電圧源を含み，３つの直流電圧レベルの３端子を有する直流電圧源と、前記第１の単位電圧源の正極端子と交流端子との間に直列接続された第１，第２のスイッチング素子と、その直列接続点と前記第１，第２の単位電圧源の直列接続点との間に接続された第１の結合ダイオードと、前記交流端子と前記第２の単位電圧源の負極端子との間に直列接続された第３，第４のスイッチング素子と、その直列接続点と前記第１，第２の単位電圧源の直列接続点との間に接続された第２の結合ダイオードと、前記第１〜第４のスイッチング素子を一列に配置した素子群と、この素子群と前記直流電圧源とに挟まれるように配置され，前記の電気接続を担う平板状の導体とを備え、前記交流端子に３つの電圧レベルを出力する３レベル電力変換装置において、一列に配置した前記素子群は、これら全ての素子の陽極端子と陰極端子とをほぼ一直線状に配置し、前記平板状の導体は、これらの端子群よりも十分に広い幅を持ち、その表裏方向に配置した前記直流電圧源と前記素子群とにより挟まるように配置するとともに、前記第２のスイッチング素子のターンオフ直前に前記交流端子に向って電流が流れる電流路と、前記第２のスイッチング素子のターンオフ直後に前記交流端子に向って電流が流れる電流路とを、ほぼ同一の長さとする位置に前記第１，第２の単位電圧源の接続端子を配置したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
5. 請求項４において、前記第２のスイッチング素子のターンオフ直前に前記交流端子に向って電流が流れる第１の電流路と、前記第２のスイッチング素子のターンオフ直後に前記交流端子に向って電流が流れる第２の電流路とを、ほぼ同一の長さとする位置に前記第１，第２の単位電圧源の接続端子を配置するとともに、前記第１，第２の電流路の一部を互いに沿わせて配置したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
6. 請求項１〜５のうちのいずれかにおいて、下記（１）と（２）との間に挟まれるように平板状の絶縁層を設けたことを特徴とする３レベル電力変換装置。
   （１）第１の単位電圧源の正極端子と第１のスイッチング素子とを接続する平板状の導体，第２の単位電圧源の負極端子と第４のスイッチング素子とを接続する平板状の導体及び第１，第２の単位電圧源を接続する平板状の導体。
   （２）第１と第２のスイッチング素子を接続する平板状の導体，第２と第３のスイッチング素子を接続する平板状の導体及び第３と第４のスイッチング素子を接続する平板状の導体。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、第１〜第４のスイッチング素子及び第１及び第２のダイオードをそれぞれ並列に接続された複数のスイッチング素子及びダイオードで構成したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、前記第１及び第２の単位電圧源はそれぞれ第１及び第２のコンデンサを備えたことを特徴とする３レベル電力変換装置。

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