JP2001078467A - 電力変換装置 - Google Patents
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- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、電源一括スナバのみでサージ電
圧を抑制し、半導体素子をサージ過電圧から保護するこ
とができる電力変換装置を提供する。 【解決手段】 本発明は、直流電源である平滑コンデ
ンサ１と、ＩＥＧＴとこのＩＥＧＴに逆並列接続された
ダイオードとから成る第１〜４のスイッチング素子６〜
９と、第１及び第２の結合ダイオード１０，１１と、コ
ンデンサ１２ａ（以下スナバコンデンサ）とダイオード
１２ｂ（以下スナバダイオード）と放電抵抗器１２ｃと
から成るスナバ回路１２とから構成されている。このグ
ループ単位で１相とし、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３レベルＮ
ＰＣ主回路を構成している。
圧を抑制し、半導体素子をサージ過電圧から保護するこ
とができる電力変換装置を提供する。 【解決手段】 本発明は、直流電源である平滑コンデ
ンサ１と、ＩＥＧＴとこのＩＥＧＴに逆並列接続された
ダイオードとから成る第１〜４のスイッチング素子６〜
９と、第１及び第２の結合ダイオード１０，１１と、コ
ンデンサ１２ａ（以下スナバコンデンサ）とダイオード
１２ｂ（以下スナバダイオード）と放電抵抗器１２ｃと
から成るスナバ回路１２とから構成されている。このグ
ループ単位で１相とし、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３レベルＮ
ＰＣ主回路を構成している。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速スイッチング
半導体素子を使用した電力変換装置のスナバ回路に係
り、特にサージ電圧の抑制に作用するスナバ回路の配線
構造に関するものである。
半導体素子を使用した電力変換装置のスナバ回路に係
り、特にサージ電圧の抑制に作用するスナバ回路の配線
構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】コンバータやインバータに使用される電
力用半導体素子は、近年高速スイッチング化への発展が
目覚しい。高速スイッチング素子としては、たとえば電
流駆動型ではＧＣＴなどが、電圧駆動型では絶縁ゲート
型であるＩＧＢＴ、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gat
e Transistor）がある。これら高速スイッチング素子
は、現在、電圧３ｋ〜６ｋＶ、遮断電流３ｋ〜４ｋＡが
開発され実用化されはじめている。また、ターンオフ時
のｄＶ／ｄｔ耐量も向上してきているので、従来の素子
に比較しスナバ回路の小型化、低損失化が検討されてい
る。
力用半導体素子は、近年高速スイッチング化への発展が
目覚しい。高速スイッチング素子としては、たとえば電
流駆動型ではＧＣＴなどが、電圧駆動型では絶縁ゲート
型であるＩＧＢＴ、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gat
e Transistor）がある。これら高速スイッチング素子
は、現在、電圧３ｋ〜６ｋＶ、遮断電流３ｋ〜４ｋＡが
開発され実用化されはじめている。また、ターンオフ時
のｄＶ／ｄｔ耐量も向上してきているので、従来の素子
に比較しスナバ回路の小型化、低損失化が検討されてい
る。
【０００３】図７は、従来のＮＰＣ主回路図を表しスイ
ッチング素子としてＧＴＯを使用した例であり、ＧＴＯ
素子２〜５のスイッチングサージを抑制するコンデン
サ、抵抗器で構成するスナバ回路２ａ〜５ａをＧＴＯ素
子毎に設けている。
ッチング素子としてＧＴＯを使用した例であり、ＧＴＯ
素子２〜５のスイッチングサージを抑制するコンデン
サ、抵抗器で構成するスナバ回路２ａ〜５ａをＧＴＯ素
子毎に設けている。
【０００４】最近では高性能のＧＣＴ、ＩＧＢＴ、ＩＥ
ＧＴの製品化によって、直流電源部に一括のスナバ回路
やコンデンサを設けることが行われている。高速スイッ
チング素子は、その動作上１μ〜２μ秒で数ｋＡの電流
はゼロまで減少することができる。この時配線インダク
タンスＬ＊ｄｌ／ｄｔのサージ電圧が発生する。このサ
ージ電圧ピークやｄＶ／ｄｔが高速スイッチング素子の
電圧耐量より大きい場合には、その素子を永久破壊する
場合がある。このサージ電圧はスイッチング素子の耐量
以下に抑えることが重要である。
ＧＴの製品化によって、直流電源部に一括のスナバ回路
やコンデンサを設けることが行われている。高速スイッ
チング素子は、その動作上１μ〜２μ秒で数ｋＡの電流
はゼロまで減少することができる。この時配線インダク
タンスＬ＊ｄｌ／ｄｔのサージ電圧が発生する。このサ
ージ電圧ピークやｄＶ／ｄｔが高速スイッチング素子の
電圧耐量より大きい場合には、その素子を永久破壊する
場合がある。このサージ電圧はスイッチング素子の耐量
以下に抑えることが重要である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】近年の大容量高速スイ
ッチング素子を使用した大容量の変換装置では、充放電
スナバやクランプスナバを各素子に設けているが、装置
の外形が大きくなることや経済的でないことから中小容
量の高速スイッチング素子の場合ように素子個別のスナ
バ回路を設けず、電源の一括スナバ回路だけでサージ電
圧を押さえる工夫が望まれている。
ッチング素子を使用した大容量の変換装置では、充放電
スナバやクランプスナバを各素子に設けているが、装置
の外形が大きくなることや経済的でないことから中小容
量の高速スイッチング素子の場合ように素子個別のスナ
バ回路を設けず、電源の一括スナバ回路だけでサージ電
圧を押さえる工夫が望まれている。
【０００６】そこで、本発明は、前述の点に鑑み、電源
一括スナバのみでサージ電圧を抑制し、半導体素子をサ
ージ過電圧から保護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する。
一括スナバのみでサージ電圧を抑制し、半導体素子をサ
ージ過電圧から保護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する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、半導体素子と冷却フィンを
串刺しにして圧接構成される半導体スタックの冷却フィ
ンに一括スナバ回路のコンデンサ端子の一方を上記冷却
フィンに直付けできる配置とし、コンデンサの他方の端
子はダイオードの一端に直付けし、ダイオードの他方の
端子は他の冷却フィンに直付けすることにより一括スナ
バの配線ループインダクタンスを極小化するように構成
したものである。
に、請求項１記載の発明は、半導体素子と冷却フィンを
串刺しにして圧接構成される半導体スタックの冷却フィ
ンに一括スナバ回路のコンデンサ端子の一方を上記冷却
フィンに直付けできる配置とし、コンデンサの他方の端
子はダイオードの一端に直付けし、ダイオードの他方の
端子は他の冷却フィンに直付けすることにより一括スナ
バの配線ループインダクタンスを極小化するように構成
したものである。
【０００８】請求項２記載の発明は、３レベル電力変換
装置において、一括スナバ回路を正極電源と中性点及び
負極電源と中性点それぞれに一括スナバ回路を設け、コ
ンデンサの一端は正極（又負極）電源電位である冷却フ
ィンに直付け出来る位置に配置し、コンデンサの他方の
端子はダイオードの一端に直付けし、ダイオードの他方
の端子は中性点電位の冷却フィンに直付けすることによ
り一括スナバの配線ループインダクタンスを極小化した
ものである。
装置において、一括スナバ回路を正極電源と中性点及び
負極電源と中性点それぞれに一括スナバ回路を設け、コ
ンデンサの一端は正極（又負極）電源電位である冷却フ
ィンに直付け出来る位置に配置し、コンデンサの他方の
端子はダイオードの一端に直付けし、ダイオードの他方
の端子は中性点電位の冷却フィンに直付けすることによ
り一括スナバの配線ループインダクタンスを極小化した
ものである。
【０００９】また、請求項３記載の発明は、コンデンサ
端子の一方は、コンデンサのケースの一部を端子として
使用し、他方の端子は複数個の接続端子を設けたもので
ある。
端子の一方は、コンデンサのケースの一部を端子として
使用し、他方の端子は複数個の接続端子を設けたもので
ある。
【００１０】更に、請求項４記載の発明は、ダイオード
端子の接続と冷却を兼ねる冷却フィンの取付を、ス夕ッ
クの中央部に配置した中性点クランプダイオードのカソ
ード、アノード電極であるブスバーに取付、このブスバ
ー形状は、上記スナバダイオードを冷却する冷却フィン
平面の面積以上の幅広導体にしたものである。
端子の接続と冷却を兼ねる冷却フィンの取付を、ス夕ッ
クの中央部に配置した中性点クランプダイオードのカソ
ード、アノード電極であるブスバーに取付、このブスバ
ー形状は、上記スナバダイオードを冷却する冷却フィン
平面の面積以上の幅広導体にしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて説明する。 （第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態である
ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）を用
いた３レベルＮＰＣ電力変換装置について図１乃至図５
を用いて説明する。
て、図面を用いて説明する。 （第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態である
ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）を用
いた３レベルＮＰＣ電力変換装置について図１乃至図５
を用いて説明する。
【００１２】図１に示すように、本実施の形態における
主回路は、直流電源である平滑コンデンサ１と、ＩＥＧ
ＴとこのＩＥＧＴに逆並列接続されたダイオードとから
成る第１〜４のスイッチング素子６〜９と、第１及び第
２の結合ダイオード１０，１１と、コンデンサ１２ａ
（以下スナバコンデンサ）とダイオード１２ｂ（以下ス
ナバダイオード）と放電抵抗器１２ｃとから成るスナバ
回路１２とから構成されている。このグループ単位で１
相とし、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３レベルＮＰＣ主回路を構
成している。
主回路は、直流電源である平滑コンデンサ１と、ＩＥＧ
ＴとこのＩＥＧＴに逆並列接続されたダイオードとから
成る第１〜４のスイッチング素子６〜９と、第１及び第
２の結合ダイオード１０，１１と、コンデンサ１２ａ
（以下スナバコンデンサ）とダイオード１２ｂ（以下ス
ナバダイオード）と放電抵抗器１２ｃとから成るスナバ
回路１２とから構成されている。このグループ単位で１
相とし、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３レベルＮＰＣ主回路を構
成している。
【００１３】次に、上記主回路を実装する半導体スタッ
ク１８について説明する。一般に、主回路は、風冷また
は水冷により、冷却されている。図２は、図１に示した
主回路半導体素子１相分を縦列配置締結して構成する水
冷式の半導体スタック１８を示している。但し、水冷用
配管についての説明は省略する。
ク１８について説明する。一般に、主回路は、風冷また
は水冷により、冷却されている。図２は、図１に示した
主回路半導体素子１相分を縦列配置締結して構成する水
冷式の半導体スタック１８を示している。但し、水冷用
配管についての説明は省略する。
【００１４】図２に示すように、半導体スタック１８に
おいて、第１と第２の結合ダイオード１０，１１は、中
性点ブスバー１４Ｃを介して直列に半導体スタック１８
の中央に配置する。結合ダイオード１０，１１の中性点
の電極となるブスバー１４Ｃを境にして、図中右側にな
る正極側には、第１の結合ダイオード１０、絶縁スペー
サ１６、第１及び第２のＩＥＧＴ６，７、ＩＥＧＴ６，
７を冷却する冷却フィン１３を介して配置している。ま
た、図中左側になる負極側には、第２の結合ダイオード
１１、絶縁スペーサ１６、第３及び第４のＩＥＧＴ８，
９、ＩＥＧＴ８，９を冷却する冷却フィン１３を介して
配置している。
おいて、第１と第２の結合ダイオード１０，１１は、中
性点ブスバー１４Ｃを介して直列に半導体スタック１８
の中央に配置する。結合ダイオード１０，１１の中性点
の電極となるブスバー１４Ｃを境にして、図中右側にな
る正極側には、第１の結合ダイオード１０、絶縁スペー
サ１６、第１及び第２のＩＥＧＴ６，７、ＩＥＧＴ６，
７を冷却する冷却フィン１３を介して配置している。ま
た、図中左側になる負極側には、第２の結合ダイオード
１１、絶縁スペーサ１６、第３及び第４のＩＥＧＴ８，
９、ＩＥＧＴ８，９を冷却する冷却フィン１３を介して
配置している。
【００１５】そして、ＩＥＧＴ、結合ダイオード、冷却
フィン、絶縁スペーサは一括で所定の圧力で締結されて
いる。このように一括に締結した串状のスタックは以下
に説明するように、直流電源に設け一括スナバ回路１２
を取り付ける。
フィン、絶縁スペーサは一括で所定の圧力で締結されて
いる。このように一括に締結した串状のスタックは以下
に説明するように、直流電源に設け一括スナバ回路１２
を取り付ける。
【００１６】スナバコンデンサ１２ａのケース１２ａ１
自身の材質は、導電材料である黄銅等で電極を形成して
おり、そのケース１２ａ１は、ＩＥＧＴ６，９を冷却す
る冷却フィン１３に直接取り付けている。他方の端子は
複数本で構成され、碍子１２ａを有し、ケースとは電気
的にで絶縁されており、スナバダイオード１２ｂの一端
（アノード電極またはカソード電極に直付けしている。
スナバダイオード１２ｂの他方の端子は中性点電位であ
り、スナバダイオード１２ｂの冷却フィン１７に直付け
している。
自身の材質は、導電材料である黄銅等で電極を形成して
おり、そのケース１２ａ１は、ＩＥＧＴ６，９を冷却す
る冷却フィン１３に直接取り付けている。他方の端子は
複数本で構成され、碍子１２ａを有し、ケースとは電気
的にで絶縁されており、スナバダイオード１２ｂの一端
（アノード電極またはカソード電極に直付けしている。
スナバダイオード１２ｂの他方の端子は中性点電位であ
り、スナバダイオード１２ｂの冷却フィン１７に直付け
している。
【００１７】また、スナバダイオード１２ｂの端子の接
続と冷却を兼ねる冷却フィン１７は、ＮＰＣ回路の中性
点である中性点ブスバー１４ｃに取り付けられている。
中性点ブスバー１４ｃは、半導体スタック１８の中央部
に配置した結合ダイオード１０，１１のカソード電極と
アノード電極との間にあり、Ｔ形形状をしている。その
Ｔ形の水平部分のブスバーは、スナバダイオード１２ｂ
を冷却する冷却フィン１７平面の面積以上の幅広導体に
なっている。
続と冷却を兼ねる冷却フィン１７は、ＮＰＣ回路の中性
点である中性点ブスバー１４ｃに取り付けられている。
中性点ブスバー１４ｃは、半導体スタック１８の中央部
に配置した結合ダイオード１０，１１のカソード電極と
アノード電極との間にあり、Ｔ形形状をしている。その
Ｔ形の水平部分のブスバーは、スナバダイオード１２ｂ
を冷却する冷却フィン１７平面の面積以上の幅広導体に
なっている。
【００１８】本実施の形態における中性点ブスバー１４
ｃは、Ｔ形形状であるが、結合ダイオード１０，１１の
アノード電極、カソード電極それぞれに接続する逆Ｌ形
形状でも、Ｌの底辺部をスナバダイオード１２ｂを冷却
する冷却フィン１７の平面の１／２以上の面積であれ
ば、Ｔ形と等価の効果が得られる。
ｃは、Ｔ形形状であるが、結合ダイオード１０，１１の
アノード電極、カソード電極それぞれに接続する逆Ｌ形
形状でも、Ｌの底辺部をスナバダイオード１２ｂを冷却
する冷却フィン１７の平面の１／２以上の面積であれ
ば、Ｔ形と等価の効果が得られる。
【００１９】第１の実施の形態による半導体スタック１
８でのプラス（正極）、零（中性点）、マイナス（負
極）の３レベルを出力するＮＰＣ通電モードについて、
図２及び図３を用いて説明する。
８でのプラス（正極）、零（中性点）、マイナス（負
極）の３レベルを出力するＮＰＣ通電モードについて、
図２及び図３を用いて説明する。
【００２０】尚、マイナスレベルの出力モードについて
は、プラス出力モードの電流方向が反転しただけで、半
導体スタック内の素子、冷却片及びブスバーに対する通
電方向の関係は同じであるので、説明は省略する。
は、プラス出力モードの電流方向が反転しただけで、半
導体スタック内の素子、冷却片及びブスバーに対する通
電方向の関係は同じであるので、説明は省略する。
【００２１】プラス出力の回路図での通電モードを図３
のＡ矢印で示す。直流電源である正極ブスバー１３Ｐか
らＩＥＧＴ６→ＩＥＧＴ７→出力ブス１４Ｕの順番で電
流が流れる。このＩＥＧＴ６，７を実装した半導体スタ
ック１８においての電流の流れは、図２に示す矢印Ａの
方向に、正極ブスバー１４Ｐ→冷却フィン１３→ＩＥＧ
Ｔ６→冷却フィン１３→ＩＥＧＴ７→冷却フィン１３→
出力ブスバー１４Ｕの経路で流れる。
のＡ矢印で示す。直流電源である正極ブスバー１３Ｐか
らＩＥＧＴ６→ＩＥＧＴ７→出力ブス１４Ｕの順番で電
流が流れる。このＩＥＧＴ６，７を実装した半導体スタ
ック１８においての電流の流れは、図２に示す矢印Ａの
方向に、正極ブスバー１４Ｐ→冷却フィン１３→ＩＥＧ
Ｔ６→冷却フィン１３→ＩＥＧＴ７→冷却フィン１３→
出力ブスバー１４Ｕの経路で流れる。
【００２２】零出力の回路図での通電モードを図３のＢ
矢印で示す。直流電源の中性点ブスバー１４Ｃから、第
１の結合ダイオード１０→ＩＥＧＴ７→出力ブスバー１
４Ｕと出力ブスバー１４Ｕ→ＩＥＧＴ８→第２の結合ダ
イオード１１→中性点ブスバー１４Ｃの順番で電流が流
れる。この結合ダイオード１０とＩＥＧＴ７を実装した
半導体スタック１８においての電流の流れは、図２の矢
印Ｂの方向に、中性点のブスバー１４Ｃ→結合ダイオー
ド１０→冷却フィン１３→ブスバー１５Ｐ→冷却フィン
１３→ＩＥＧＴ７→冷却フィン１３→出力ブスバー１４
Ｕと出力ブスバー１５Ｎ→冷却フィン１３→ＩＥＧＴ８
→冷却フィン１３→ブスバー１５Ｎ→冷却フィン１３→
結合ダイオード１１→中性点ブスバー１４Ｃの経路で流
れる。
矢印で示す。直流電源の中性点ブスバー１４Ｃから、第
１の結合ダイオード１０→ＩＥＧＴ７→出力ブスバー１
４Ｕと出力ブスバー１４Ｕ→ＩＥＧＴ８→第２の結合ダ
イオード１１→中性点ブスバー１４Ｃの順番で電流が流
れる。この結合ダイオード１０とＩＥＧＴ７を実装した
半導体スタック１８においての電流の流れは、図２の矢
印Ｂの方向に、中性点のブスバー１４Ｃ→結合ダイオー
ド１０→冷却フィン１３→ブスバー１５Ｐ→冷却フィン
１３→ＩＥＧＴ７→冷却フィン１３→出力ブスバー１４
Ｕと出力ブスバー１５Ｎ→冷却フィン１３→ＩＥＧＴ８
→冷却フィン１３→ブスバー１５Ｎ→冷却フィン１３→
結合ダイオード１１→中性点ブスバー１４Ｃの経路で流
れる。
【００２３】この通電モードでのサージ電圧の発生原理
について、図４を用いて説明する。今、ＩＥＧＴ６とＩ
ＥＧＴ７がオン状態で負荷電流ＩＬが流れている時、図
４の時刻ｔ１でＩＥＧＴ６のゲート電圧Ｖｇｅを負バイ
アスすると、ＩＥＧＴ６はオフされ電圧が上昇し、ＩＥ
ＧＴ６を流れていた電流Ｉｃは減少する。この時の電流
減少率（−ｄＩ／ｄｔ）と配線インダクタンスにより半
導体素子ＩＥＧＴ６にはサージ電圧が発生する。図４の
時刻ｔ１で発生するサージ電圧Ｖｓ１は以下の式で示さ
れる。サージ電圧を抑えるには配線インダクタンスの低
減と過渡オン電圧の小さいダイオードが必要である。
について、図４を用いて説明する。今、ＩＥＧＴ６とＩ
ＥＧＴ７がオン状態で負荷電流ＩＬが流れている時、図
４の時刻ｔ１でＩＥＧＴ６のゲート電圧Ｖｇｅを負バイ
アスすると、ＩＥＧＴ６はオフされ電圧が上昇し、ＩＥ
ＧＴ６を流れていた電流Ｉｃは減少する。この時の電流
減少率（−ｄＩ／ｄｔ）と配線インダクタンスにより半
導体素子ＩＥＧＴ６にはサージ電圧が発生する。図４の
時刻ｔ１で発生するサージ電圧Ｖｓ１は以下の式で示さ
れる。サージ電圧を抑えるには配線インダクタンスの低
減と過渡オン電圧の小さいダイオードが必要である。
【００２４】
【数１】 Ｖｓ１＝ Ｖｏ＋Ｌ・ｄｌ／ｄｔ＋Ｖｆｒ …… （１） また、時刻ｔ２で発生する電圧Ｖｓ２は次の式で示され
る。
る。
【００２５】
【数２】 Ｖｓ２＝ Ｖｏ＋（√Ｌｏ／√Ｃ）＊Ｉｃ …… （２） ここで、Ｖｏ：直流電圧、Ｌｏ：電源コンデンサから一
括スナバまでのＬ、Ｌ：Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ
５、Ｃ：スナバコンデンサ容量、Ｖｆｒ：スナバＤの過
渡オン電圧を示す。
括スナバまでのＬ、Ｌ：Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ
５、Ｃ：スナバコンデンサ容量、Ｖｆｒ：スナバＤの過
渡オン電圧を示す。
【００２６】このように構成された第１の実施の形態に
よれば、スナバコンデンサケース自身の電極化、冷却フ
ィンへの直接接続、スナバダイオードの取付ブスバー形
状の構成、最小ループ面積になる近接配置により、回路
の配線のインダクタンスを極小化が可能となり、３レベ
ル動作の通電モードによるスイッチング素子に加わるサ
ージ電圧を抑制することができ、ＩＥＧＴの個別スナバ
レス化が可能となる。
よれば、スナバコンデンサケース自身の電極化、冷却フ
ィンへの直接接続、スナバダイオードの取付ブスバー形
状の構成、最小ループ面積になる近接配置により、回路
の配線のインダクタンスを極小化が可能となり、３レベ
ル動作の通電モードによるスイッチング素子に加わるサ
ージ電圧を抑制することができ、ＩＥＧＴの個別スナバ
レス化が可能となる。
【００２７】また、スナバ回路に関わる配線、構造部材
を最小にでき、組立工数も削減できる。なお、スナバダ
イオード１２ｂは、過渡オン電圧の小さい特性のものを
用いている。図５に示すように、一般にダイオードは順
方向にｄｉ／ｄｔの大きい電流が流れようとすると、ダ
イオード内部ペレット全域に電流が広がるまでの短時間
に、過渡的に大きな順電圧Ｖｆｒが発生する。
を最小にでき、組立工数も削減できる。なお、スナバダ
イオード１２ｂは、過渡オン電圧の小さい特性のものを
用いている。図５に示すように、一般にダイオードは順
方向にｄｉ／ｄｔの大きい電流が流れようとすると、ダ
イオード内部ペレット全域に電流が広がるまでの短時間
に、過渡的に大きな順電圧Ｖｆｒが発生する。
【００２８】従って、第１の実施例の形態で説明した
（１）式のように、ＩＥＧＴに加わるサージ電圧Ｖｓ１
には、スナバダイオードの過渡オン電圧Ｖｆｒは重要に
なる。また、上述した過渡オン電圧の小さいスナバダイ
オード１２ｂを複数個直並列に接続している。複数個直
列にすると、１個当たりの定格電圧を低いダイオードに
できる。一般的に定格電圧の低いダイオードの特性は、
過渡オン電圧が大幅に低くなることが知られている。
（１）式のように、ＩＥＧＴに加わるサージ電圧Ｖｓ１
には、スナバダイオードの過渡オン電圧Ｖｆｒは重要に
なる。また、上述した過渡オン電圧の小さいスナバダイ
オード１２ｂを複数個直並列に接続している。複数個直
列にすると、１個当たりの定格電圧を低いダイオードに
できる。一般的に定格電圧の低いダイオードの特性は、
過渡オン電圧が大幅に低くなることが知られている。
【００２９】スナバダイオードを並列にすると、スナバ
充電流が１／並列個数に分流され、図５に示す過渡オン
電圧は、約１／並列個数に低減される。更に、ＩＥＧＴ
６〜８及び結合ダイオード１０、１１を冷却する冷却フ
ィン１３とブスバー１５Ｐ、１５Ｎ、１４Ｎは低インダ
クタンス配線が必要であるために、極めて近接配置が必
要である。この絶縁を行うための代表的な方法として、
電気的に絶縁する絶縁板を挿入した複合絶縁方式があ
る。
充電流が１／並列個数に分流され、図５に示す過渡オン
電圧は、約１／並列個数に低減される。更に、ＩＥＧＴ
６〜８及び結合ダイオード１０、１１を冷却する冷却フ
ィン１３とブスバー１５Ｐ、１５Ｎ、１４Ｎは低インダ
クタンス配線が必要であるために、極めて近接配置が必
要である。この絶縁を行うための代表的な方法として、
電気的に絶縁する絶縁板を挿入した複合絶縁方式があ
る。
【００３０】この方法であると、絶縁物を固定するため
に接着、ねじ固定の方法がある。前者は高電圧箇所で、
しかも風冷等での接着材の風化等の耐候性で問題があ
る。後者のねじ固定は、金属ねじは使用できなく絶縁ね
じになる。この絶縁ねじは長年に亘る軸力低下問題及び
締め付け部分には穴があり、絶縁距離、沿面の問題でも
信頼性が低下する。
に接着、ねじ固定の方法がある。前者は高電圧箇所で、
しかも風冷等での接着材の風化等の耐候性で問題があ
る。後者のねじ固定は、金属ねじは使用できなく絶縁ね
じになる。この絶縁ねじは長年に亘る軸力低下問題及び
締め付け部分には穴があり、絶縁距離、沿面の問題でも
信頼性が低下する。
【００３１】これらの問題を回避するために、素子間を
亘るブスバーに、電極部を除いて全周に亘り絶縁被覆を
行っている。例えば流動浸漬によるエボキシ絶縁被覆ま
たは熱収縮チューブ等を施している。
亘るブスバーに、電極部を除いて全周に亘り絶縁被覆を
行っている。例えば流動浸漬によるエボキシ絶縁被覆ま
たは熱収縮チューブ等を施している。
【００３２】このように構成された本発明の実施の形態
によれば、冷却片とブスバーの間隔を最小にすることが
でき、極めて低いインダクタンスの実現が図れ、３レベ
ル通電モードでのスイッチング素子へのサージ電圧を最
小に押さえる作用がある。
によれば、冷却片とブスバーの間隔を最小にすることが
でき、極めて低いインダクタンスの実現が図れ、３レベ
ル通電モードでのスイッチング素子へのサージ電圧を最
小に押さえる作用がある。
【００３３】また、ＩＥＧＴ及び結合ダイオードの発熱
により、半導体素子及び冷却フィン等の部品は、その発
熱に応じ、熱膨張が生じる。半導体スタックは、締め付
けボルト（図示省略）により、半導体素子に適した所定
締め付け圧力で締めつけられている。ボルトによりＩＥ
ＧＴ、結合ダイオード及び冷却フィン等の構造物は拘束
されているので、初期の圧力に更に発熱による熱応力が
加わり、半導体素子の規定圧力を超え破損することがあ
る。その状態を極力回避するためにも、スタックの一端
には板ばね又は皿ばねを設けている。
により、半導体素子及び冷却フィン等の部品は、その発
熱に応じ、熱膨張が生じる。半導体スタックは、締め付
けボルト（図示省略）により、半導体素子に適した所定
締め付け圧力で締めつけられている。ボルトによりＩＥ
ＧＴ、結合ダイオード及び冷却フィン等の構造物は拘束
されているので、初期の圧力に更に発熱による熱応力が
加わり、半導体素子の規定圧力を超え破損することがあ
る。その状態を極力回避するためにも、スタックの一端
には板ばね又は皿ばねを設けている。
【００３４】このような状態で、素子間の接続を行うブ
スバーがリジットな状態では、ばねの効果は損なわれ
る。そのためにブスバー形状を折り曲げ形状にし、熱膨
張による熱応力を緩和する効果がある。
スバーがリジットな状態では、ばねの効果は損なわれ
る。そのためにブスバー形状を折り曲げ形状にし、熱膨
張による熱応力を緩和する効果がある。
【００３５】また、より効果をアップするために、ブス
バー自身を焼き鈍し、更に熱膨張に対しての影響を低減
する。尚、半導体スタックの素子の並びが変わった場合
にも同様の考え方で、スナバ配線を構成できる。
バー自身を焼き鈍し、更に熱膨張に対しての影響を低減
する。尚、半導体スタックの素子の並びが変わった場合
にも同様の考え方で、スナバ配線を構成できる。
【００３６】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態について、図６を用いて説明する。図６に
示すように、スナバダイオード１２ｂの一方の端子の接
続は、スナバーダイオード１２ｂを冷却する冷却フィン
１９に行い、その冷却フィン１９は、結合ダイオード１
０、１１を冷却する冷却フィンも兼ねるようにした。ま
た、前冷却フィン１９は、図２に示した中性点出力端子
１４ｃも兼ね、中性点出力ブスバー１４ｃを接続する穴
を設けている。冷却フィン１９の幅は、低インダクタン
ス化を図るために、他の冷却フィン１３と同じく幅広い
形状である。従って、第１の実施の形態と同じく、最小
配線長、最小面積が可能になり、低インダクタンス化が
実現できる。
の実施の形態について、図６を用いて説明する。図６に
示すように、スナバダイオード１２ｂの一方の端子の接
続は、スナバーダイオード１２ｂを冷却する冷却フィン
１９に行い、その冷却フィン１９は、結合ダイオード１
０、１１を冷却する冷却フィンも兼ねるようにした。ま
た、前冷却フィン１９は、図２に示した中性点出力端子
１４ｃも兼ね、中性点出力ブスバー１４ｃを接続する穴
を設けている。冷却フィン１９の幅は、低インダクタン
ス化を図るために、他の冷却フィン１３と同じく幅広い
形状である。従って、第１の実施の形態と同じく、最小
配線長、最小面積が可能になり、低インダクタンス化が
実現できる。
【００３７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、一
括スナバの配線ループインダクタンスを極小化が可能と
なり、電力変換装置を構成する半導体素子各々個別にス
ナバ回路を設けることなく電源に一括スナバのみ設ける
だけでサージ電圧を抑制できる。
括スナバの配線ループインダクタンスを極小化が可能と
なり、電力変換装置を構成する半導体素子各々個別にス
ナバ回路を設けることなく電源に一括スナバのみ設ける
だけでサージ電圧を抑制できる。
【００３８】また、スナバ回路を配線、実装するための
配線、構造部材及び作業工数を大幅に削減できる。従っ
て、半導体素子へのサージ電圧を抑制することができ、
経済的で信頼性の高い電力変換装置を提供することがで
きる。
配線、構造部材及び作業工数を大幅に削減できる。従っ
て、半導体素子へのサージ電圧を抑制することができ、
経済的で信頼性の高い電力変換装置を提供することがで
きる。
【図１】 本発明の第１の実施の形態における３レベル
電力変換装置の主回路を示す概要構成図。
電力変換装置の主回路を示す概要構成図。
【図２】 本発明の第１の実施の形態における半導体ス
タックを示す概要構成図。
タックを示す概要構成図。
【図３】 ３レベル電力変換装置の１相分の主回路にお
けるサージ電圧の発生原理を説明する図。
けるサージ電圧の発生原理を説明する図。
【図４】 ３レベル電力変換装置のスイッチング素子に
加わるサージ電圧波形を示すタイムチャート。
加わるサージ電圧波形を示すタイムチャート。
【図５】 ダイオードの過渡ＯＮ電圧、過渡ＯＮ電流特
性を示す図。
性を示す図。
【図６】 本発明の第２の実施の形態における半導体ス
タックを示す概要構成図。
タックを示す概要構成図。
【図７】 従来のＧＴＯを用いた３レベル電力変換装置
の主回路を示す概要構成図。
の主回路を示す概要構成図。
１…平滑コンデンサ、２〜５…ＧＴＯ、６〜９…ＩＥＧ
Ｔ、１０，１１…結合ダイオード、１２…スナバ回路、
１２ａ…スナバコンデンサ、１２ｂ…スナバダイオー
ド、１２ｃ…放電抵抗器、１３，１９…冷却フィン、１
４Ｃ…中性点ブスバー、１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗ…出力
ブスバー、１４Ｐ…正極ブスバー、１４Ｎ…負極ブスバ
ー、１５Ｐ…正極ブスバー、１５Ｎ…負極ブスバー、１
６…絶縁スペーサ、１７…冷却フィン、１８…半導体ス
タック
Ｔ、１０，１１…結合ダイオード、１２…スナバ回路、
１２ａ…スナバコンデンサ、１２ｂ…スナバダイオー
ド、１２ｃ…放電抵抗器、１３，１９…冷却フィン、１
４Ｃ…中性点ブスバー、１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗ…出力
ブスバー、１４Ｐ…正極ブスバー、１４Ｎ…負極ブスバ
ー、１５Ｐ…正極ブスバー、１５Ｎ…負極ブスバー、１
６…絶縁スペーサ、１７…冷却フィン、１８…半導体ス
タック
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中嶋 亮 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 Ｆターム(参考） 5H007 CA01 CC04 CC06 CC14 FA01 FA12 FA20 HA05
Claims (4)
- 【請求項１】 直流電源と、この直流電源に接続さ
れ、複数種の半導体素子からなる半導体素子群と冷却フ
ィンとを圧接した半導体スタックと、前記直流電源に並
列接続され、コンデンサとダイオードとを直列接続し抵
抗を前記ダイオードに並列接続したスナバ回路とを具備
し、前記スナバ回路の前記コンデンサの一方の端子を前
記冷却フィンに近接配置し、当該コンデンサの他方の端
子を前記ダイオードの一端に接続し、当該ダイオードの
他方の端子を前記冷却フィンに接続したことを特徴とす
る電力変換装置。 - 【請求項２】 正極、負極及び中性点を有する直流電
源と、この直流電源に接続され、複数種の半導体素子か
らなる半導体素子群と冷却フィンとを圧接した半導体ス
タックと、コンデンサとダイオードとを直列接続し、抵
抗を前記ダイオードに並列接続し形成され、前記直流電
源の正極と中性点間の正極電源ライン及び前記直流電源
の負極と中性点間の負極電源ラインのそれぞれに接続さ
れたスナバ回路とを具備し、前記コンデンサの一端を正
極又は負極電位にある前記冷却フィンに近接配置し、前
記コンデンサの他方の端子を前記ダイオードの一端に接
続し、当該ダイオードの他方の端子は中性点電位にある
前記冷却フィンに接続したことを特徴とする電力変換装
置。 - 【請求項３】 前記コンデンサ端子の一方は、前記コ
ンデンサのケースの一部を端子として使用し、他方の端
子は複数個の接続端子を設けた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】 前記ダイオードの端子と接続される前
記冷却フィンは、前記半導体スタックの中央部に配置し
た前記半導体素子の電極であるブスバーに取付けられ、
前記ブスバー形状は、前記ダイオードを冷却する冷却フ
ィン平面の面積以上の幅広導体であ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。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25105199A JP3652934B2 (ja) | 1999-09-06 | 1999-09-06 | 電力変換装置 |
| US09/649,001 US6272028B1 (en) | 1999-09-06 | 2000-08-28 | Power converter apparatus |
| CA002317350A CA2317350C (en) | 1999-09-06 | 2000-09-05 | Power converter apparatus |
| CN00126368.4A CN1197232C (zh) | 1999-09-06 | 2000-09-06 | 电源转换器装置 |
| DE60044009T DE60044009D1 (de) | 1999-09-06 | 2000-09-06 | Leistungsumrichter |
| EP00119313A EP1081833B1 (en) | 1999-09-06 | 2000-09-06 | Power converter apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25105199A JP3652934B2 (ja) | 1999-09-06 | 1999-09-06 | 電力変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001078467A true JP2001078467A (ja) | 2001-03-23 |
| JP3652934B2 JP3652934B2 (ja) | 2005-05-25 |
Family
ID=17216898
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25105199A Expired - Lifetime JP3652934B2 (ja) | 1999-09-06 | 1999-09-06 | 電力変換装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6272028B1 (ja) |
| EP (1) | EP1081833B1 (ja) |
| JP (1) | JP3652934B2 (ja) |
| CN (1) | CN1197232C (ja) |
| CA (1) | CA2317350C (ja) |
| DE (1) | DE60044009D1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006271131A (ja) * | 2005-03-24 | 2006-10-05 | Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp | 電力変換装置 |
| JP2009071935A (ja) * | 2007-09-11 | 2009-04-02 | Denso Corp | 電力変換装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2360883B (en) * | 2000-03-31 | 2004-04-21 | Nordson Corp | Inverter circuit |
| JP3665934B2 (ja) * | 2001-08-03 | 2005-06-29 | 株式会社日立製作所 | ３レベルインバータ装置 |
| JP2003079162A (ja) * | 2001-09-03 | 2003-03-14 | Toshiba Transport Eng Inc | 電力変換装置 |
| JP4600159B2 (ja) * | 2005-06-01 | 2010-12-15 | 三菱電機株式会社 | ３レベル電力変換装置 |
| EP2302772A1 (en) * | 2009-09-28 | 2011-03-30 | ABB Oy | Inverter |
| FR2962608B1 (fr) * | 2010-07-07 | 2012-08-10 | Toulouse Inst Nat Polytech | Nouvelles structures de redondance pour convertisseurs statiques |
| DE102010038511A1 (de) * | 2010-07-28 | 2012-02-02 | Robert Bosch Gmbh | Überspannungsschutzschaltung für mindestens einen Zweig einer Halbbrücke, Wechselrichter, Gleichspannungswandler und Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Maschine |
| JP5999677B2 (ja) * | 2011-09-20 | 2016-09-28 | ローム株式会社 | 電子回路 |
| JP5663450B2 (ja) * | 2011-10-18 | 2015-02-04 | 株式会社日立製作所 | 電力変換装置 |
| JP5655846B2 (ja) * | 2012-12-04 | 2015-01-21 | 株式会社デンソー | 電力変換装置 |
| DE202013104510U1 (de) * | 2013-10-04 | 2013-11-14 | Abb Technology Ag | Halbleiterstapel für Umrichter mit Snubber-Kondensatoren |
| CN104953857A (zh) * | 2015-06-18 | 2015-09-30 | 国电南瑞科技股份有限公司 | 一种基于iegt的大功率三电平变流器功率单元 |
| US10850623B2 (en) * | 2017-10-30 | 2020-12-01 | Sf Motors, Inc. | Stacked electric vehicle inverter cells |
| US10790758B2 (en) | 2018-03-08 | 2020-09-29 | Chongqing Jinkang New Energy Vehicle Co., Ltd. | Power converter for electric vehicle drive systems |
| US10779445B2 (en) | 2018-03-23 | 2020-09-15 | Chongqing Jinkang New Energy Vehicle Co., Ltd. | Inverter module having multiple half-bridge modules for a power converter of an electric vehicle |
| US10778118B2 (en) | 2018-03-23 | 2020-09-15 | Chongqing Jinkang New Energy Vehicle Co., Ltd. | Inverter module having multiple half-bridge modules for a power converter of an electric vehicle |
| US10772242B2 (en) | 2018-04-17 | 2020-09-08 | Chongqing Jinkang New Energy Vehicle Co., Ltd. | Inverter module of an electric vehicle |
| US10778117B2 (en) | 2018-04-17 | 2020-09-15 | Chongqing Jinkang New Energy Vehicle Co., Ltd. | Inverter module of an electric vehicle |
| US10660242B2 (en) | 2018-04-26 | 2020-05-19 | Chongqing Jinkang New Energy Vehicle Co., Ltd. | Electric vehicle inverter module heat sink |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5866575A (ja) * | 1981-10-13 | 1983-04-20 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体装置 |
| JPH04322174A (ja) * | 1991-04-19 | 1992-11-12 | Toshiba Corp | 車両用電力変換装置 |
| JPH05227764A (ja) * | 1992-02-10 | 1993-09-03 | Toshiba Corp | 逆変換装置 |
| JPH0756629A (ja) | 1993-08-18 | 1995-03-03 | Daifuku Co Ltd | 移動車の誘導設備 |
| JP3153408B2 (ja) * | 1994-03-10 | 2001-04-09 | 株式会社日立製作所 | 直列多重電力変換器 |
| JPH0869893A (ja) | 1994-08-30 | 1996-03-12 | Hitachi Medical Corp | インバータ式ｘ線装置 |
| JPH09285136A (ja) | 1996-04-19 | 1997-10-31 | Toshiba Corp | 電力変換装置 |
| BR9710387A (pt) * | 1996-07-22 | 1999-08-17 | Hydro Quebec | MÄdulo de conversÆo de for-a com baixa indut-ncia de interconexÆo err tica para converter uma voltagem de corrente continua em uma voltagem de corrente alternada combina-Æo de mÄdulos e m-todo para utiliza-Æo do mesmo |
| JPH1094256A (ja) * | 1996-09-19 | 1998-04-10 | Toshiba Corp | 電力変換素子モジュール |
| JP3229931B2 (ja) | 1997-09-08 | 2001-11-19 | 三菱電機株式会社 | ３レベル電力変換装置 |
-
1999
- 1999-09-06 JP JP25105199A patent/JP3652934B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
2000
- 2000-08-28 US US09/649,001 patent/US6272028B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2000-09-05 CA CA002317350A patent/CA2317350C/en not_active Expired - Lifetime
- 2000-09-06 CN CN00126368.4A patent/CN1197232C/zh not_active Expired - Lifetime
- 2000-09-06 EP EP00119313A patent/EP1081833B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2000-09-06 DE DE60044009T patent/DE60044009D1/de not_active Expired - Lifetime
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|---|---|---|---|---|
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Also Published As
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| US6272028B1 (en) | 2001-08-07 |
| CN1197232C (zh) | 2005-04-13 |
| DE60044009D1 (de) | 2010-04-29 |
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