JP2001238458A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 浮遊インダクタンスの低減化を図り、逆変換
器のスイッチング素子へのサージ電圧を抑制することが
可能な電力変換装置を提供する。 【解決手段】 順変換器、順変換器で変換された直流を
平滑化する平滑コンデンサ、及び平滑化された直流を交
流に逆変換する逆変換器を有する電力変換装置におい
て、平滑コンデンサ３の各電極端子３Ｐ、３Ｎを複数個
交互に配置するとともに、正極端子３Ｐ、負極端子３Ｎ
をそれぞれ、正極導体５、負極導体６で接続する。正極
端子３Ｐと負極端子３Ｎが近接配置になるため、電流方
向が逆向きになる正極導体５と負極導体６の重なり面積
が多くなり、磁束相殺効果により浮遊インダクタンスが
低減化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【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に係り、特に直流電
源平滑回路におけるサージ電圧の抑制に関する配線構造
に関する。

【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、例えば電
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 Ｅ
ｎｈａｎｃｅｄ Ｇａｔｅ 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。

【０００３】反面、高速でスイッチング動作を行うの
で、素子周辺の電気用品及び配線用品のインダクタンス
によるスイッチングサージが問題になり、またそれらを
回避する低インダクタンス実装構造が益々難しくなって
いるのが現状である。

【０００４】図６は、一般的な高速スイッチング素子を
適用した電力変換装置の主回路を示した図で、交流電源
７の電圧を整流器１で直流電圧に変換し、リアクトル２
と平滑コンデンサ３で平滑化された直流電圧とし、更
に、フリーホイールダイオードを有する複数のＩＧＢＴ
４からなるインバータ回路で所望の交流電力に変換して
負荷に供給する。

【０００５】このように構成された電力変換装置では、
主回路の浮遊インダクタンスに蓄積されたエネルギーに
よって、各ＩＧＢＴ４のスイッチオフ時にサージ電圧
（スパイク電圧）が発生してＩＧＢＴ４にストレスを与
えるのでこのサージ電圧を抑制するためには、平滑コン
デンサ３と各ＩＧＢＴ４との間の配線５、６の浮遊イン
ダクタンスを極力小さくする必要がある。すなわち、Ｉ
ＧＢＴ４がターンオフする際に、主回路電流の急激な変
化により、主回路浮遊インダクタンスに高い電圧が誘起
され、ターンオフ過程のサージ電圧が発生する。尚、サ
ージ電圧を抑制するためにスナバー回路を設けている
が、図では省略する。

【０００６】また、電力変換装置の容量が大きくなれば
なるほど大きな平滑コンデンサ３の数が必要となり、平
滑コンデンサ３は複数個並列接続されて構成される。こ
の場合に各コンデンサに流れる電流に不平衡が生じると
平滑コンデンサ３の寿命に大きく影響するため、この電
流の不平衡を低減するのも重要である。

【０００７】上述の配線５、６の浮遊インダクタンスを
減らすために、従来、下記に示す種々の方法が用いられ
ている。 （１）磁束の変化を打ち消す配線とする。 （２）導体の表面を広くし、表皮効果による電流集中を
避ける。 （３）配線長を最短にする。 （４）並列接続とし電流を分散させる。

【０００８】図７（ａ）、（ｂ）は従来の平滑コンデン
サ３における電極端子３Ｐ、３Ｎへの接続方法の一例を
示す平面図及び側面図である。平滑コンデンサ３の電極
端子３Ｐ、３Ｎの配置において、正極端子３Ｐと負極端
子３Ｎとは離れている。平滑コンデンサ３とインバータ
装置間のインダクタンスを低減するために、この平滑コ
ンデンサ３とインバータ装置間の接続導体である正極導
体５、及び負極導体６は同図（ａ）に示すように幅広導
体とし、同図（ｂ）に示すように正極導体５と負極導体
６および負極端子３Ｎと間に所定のギャップＧを保ち、
最短配線で行っている。

【０００９】図７（ｃ）は、前述した同図（ａ）、
（ｂ）のコンデンサ３に対して、コンデンサ３自身のイ
ンダクタンスを低減する目的で、複数の正極端子３Ｐ、
及び負極端子３Ｎを設けた例である。すなわち、この電
極は、複数個の正極端子３Ｐ、及び複数個の負極端子３
Ｎが各々群をなして配置されている。（なお、図７
（ｃ）において、幅広導体５、６の図示を省略してい
る。）つまり、前者及び後者とも、前述した様なインダ
クタンス低減策（１）〜（４）を行っている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の前者
は、せっかくインダクタンス削減手法をとっていても、
平滑コンデンサ３自身の正極端子３Ｐ、負極端子３Ｎが
それぞれ一個の電極端子であるため、平滑コンデンサ３
自身の内部インダクタンスが大きい。そして局部過熱の
状態にもなり得る。特に高速、高周波スイッチング動作
では、更に局部過熱することも懸念される。また、その
一個の電極端子に電流が集中し、幅広導体のインダクタ
ンス削減効果も薄くなる。

【００１１】後者は、せっかく複数電極端子にし、平滑
コンデンサ３内部のインダクタンス低減、及び局部加熱
・放熱効果アップが図れても、異なる極性の電極端子間
が離れており、導体５、６間の重なり長さ（面積）が少
ないので磁束相殺作用の効果が少なく、浮遊インダクタ
ンスを低減する効果が少ない。

【００１２】これらを解決する手段として、平滑コンデ
ンサ３を複数個並列にし、容量アップ及び個々のコンデ
ンサの電流を減らす方法がある。この方法は、装置の大
型化になりコストアップにもなり、個々のコンデンサ間
の電流アンバランスの面でも最良の手段とは言いがた
い。

【００１３】本発明は、従来のこのような点に鑑み為さ
れたもので、浮遊インダクタンスの低減化を図り、逆変
換器のスイッチング素子へのサージ電圧を抑制すること
が可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【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項に記載の発明は、交流を直流に変換する順
変換器と、この順変換器で変換された直流を平滑化する
平滑コンデンサと、この平滑コンデンサで平滑化された
直流を交流に逆変換する逆変換器とを有する電力変換装
置において、平滑コンデンサは各極性の電極端子をそれ
ぞれ複数個有し、複数個の各異なる極性の電極端子を交
互に配置するとともに、複数個の同じ極性の電極端子を
導体で接続したものである。

【００１５】請求項１項に記載の発明によれば、第１極
性の電極端子とこれと異なる第２極性の電極端子がそれ
ぞれ複数個に分散し、第１極性の電極端子と第２極性の
電極端子が近接配置されることになるため、電流方向が
互いに逆方向となる、第１極性の電極端子を接続する導
体と、第２極性の電極端子を接続する導体との重なり長
さ（面積）を多くすることができ、磁束相殺効果を向上
させることができるので、浮遊インダクタンスを低減さ
せることができる。

【００１６】請求項２に記載の発明は、導体が幅広導体
である請求項１に記載の電力変換装置である。

【００１７】請求項２項に記載の発明によれば、導体が
幅広導体であることにより、電流の流れる経路が広がる
ことになり、更に浮遊インダクタンスを低減させること
ができる。

【００１８】請求項３に記載の発明は、導体間に絶縁板
を挿入した請求項１または請求項２に記載の電力変換装
置である。

【００１９】請求項４に記載の発明は、導体に絶縁被覆
を施した請求項１または請求項２に記載の電力変換装置
である。

【００２０】

【発明の実態の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について詳細に説明する。

【００２１】（第１の実施形態）本発明の第１の実施形
態として、図６に示すようなＩＧＢＴを用いた２レベル
のインバータ装置の平滑コンデンサの電極端子の接続構
成について説明する。

【００２２】図１（ａ）は、第１の実施形態における平
滑コンデンサの電極端子とこれを接続する導体の配置を
示す平面図である。図示のように、正極端子３Ｐ、負極
端子３Ｎを各々２個ずつ設け、しかも正極端子３Ｐ、負
極端子３Ｎを交互に配置している。即ち、１個の正極端
子３Ｐに近接して１個の負極端子３Ｎを設けて第１の群
を形成し、更にもう１個の正極端子３Ｐに近接してもう
１個の負極端子３Ｎを設けて第２の群を形成するように
配置している。そして、各正極端子３Ｐは幅広の正極導
体５により接続し、各負極端子３Ｐは幅広の負極導体６
により接続する。

【００２３】図１（ｂ）は、同図（ａ）に示すものの変
形例で、更に電極端子数を増やした例である。すなわ
ち、同図（ａ）における第１の群、及び第２の群におけ
るそれぞれの正極端子３Ｐ及び負極端子３Ｎをそれぞれ
図示横方向に複数個並ぶように電極端子数を増やしたも
のである。この場合も図示縦方向については正極端子３
Ｐと負極端子３Ｎとを交互に配置していることになる。
そして、この場合も各正極端子３Ｐは幅広の正極導体５
により接続し、各負極端子３Ｐは幅広の負極導体６によ
り接続する。

【００２４】図１（ｃ）は、同図（ｂ）に示すものの変
形例で、各電極端子が２個以上の複数個で、平滑コンデ
ンサ３の平面の縦横に、交互に、正極端子３Ｐ及び負極
端子３Ｎを配置している。従って、この図１（ｃ）の場
合は、幅広導体（幅広ブスバー）５、６を、縦方向に伸
ばして引き出した場合でも、横方向に伸ばして引き出し
た場合でも、正極端子３Ｐを接続する正極導体（正極ブ
スバー）５と、負極端子３Ｎを接続する負極導体（負極
ブスバー）６との（電流が流れる部分の）重なり長さ
（面積）を多くすることができ、いずれの場合にも磁束
相殺効果を向上させることができる。

【００２５】このように配置した電極端子３Ｐ、３Ｎへ
の主回路接続は、幅広導体（幅広ブスバー）５、６で行
い、図１及び図２に示すように、各正極端子３Ｐを接続
する正極導体（正極ブスバー）５と、各負極端子３Ｎを
接続する負極導体（負極ブスバー）６との間に電気的に
絶縁する絶縁板８を挿入し、正極端子３Ｐと、負極電極
３Ｎとの間の電気的な絶縁を保っている。そして、重な
り合っている幅広導体５、６に、それぞれ対応する電極
端子３Ｐ、３Ｎを中心とした丸穴をあけ空間を保ってい
る。例えば、各正極端子３Ｐを接続する正極導体５と、
異なる極性の負極端子３Ｎとは、正極導体５にあけた丸
穴の直径である空間ギャップＧで絶縁が保たれている。

【００２６】尚、この電気的な絶縁は、前述のように絶
縁板８を挿入する方法の他に、幅広導体５、６自身に粉
体塗装または熱収縮チューブ等の絶縁被覆を施しても同
様の機能は得られる。

【００２７】このように構成した２レベルのインバータ
装置のコンデンサ電極端子配置における、磁束の相殺作
用は下記のようになる。

【００２８】正極端子・負極端子が複数個に分散し近接
配置になるため、電流方向が逆向きになる正極導体５と
負極導体６の重なり面積が多くなり、磁束相殺効果が向
上する。

【００２９】なお、本実施形態において、正極端子Ｐ、
負極端子Ｎの一方、例えば負極端子Ｎを平滑コンデンサ
３のケースと同電位にしておくこともできる。

【００３０】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、平滑コンデンサ３とインバータ間の配線インダクタ
ンスを最小にでき、且つ電流は幅広導体５、６内をイン
ダクタンスが最小になる様に分布して流れることになり
低インダクタンス化が可能になる。これによりターンオ
フ電圧を小さく抑えることが可能になり、スナバー回路
を小さくでき、装置の小型化、低損失化、組立て配線作
業工数削減により低価格化が実現できる。

【００３１】また、導体５、６を幅広導体（幅広ブスバ
ー）とすることにより、主回路ブスの表面が広くなり、
放熱効果も向上する。

【００３２】（第２の実施形態）図３（ａ）は、本発明
の第２の実施形態における平滑コンデンサの電極端子と
これを接続する導体の配置を示す平面図であり、正極端
子９Ｐ、中性電極端子９Ｃ、負極端子９Ｎをそれぞれ複
数個設け、正極端子９Ｐ、中性電極端子９Ｃを交互に各
々２個ずつ、そして負極端子９Ｎ、正極端子９Ｐを交互
に各々２個ずつ設けているもので、３レベルのインバー
タ装置に適用する平滑コンデンサ９の構成を示すもので
ある。即ち、同図に示すように、１個の正極端子３Ｐと
中性電極端子９Ｃを交互に設けて第１の群を形成し、更
に負極端子３Ｎと中性電極端子９Ｃを交互に設けて第２
の群を形成するように配置している。そして各正極端子
３Ｐは幅広の正極導体（正極ブスバー）１０Ｐにより接
続し、各中性極端子３Ｃは幅広の中性極導体（中性極ブ
スバー）１０Ｃにより接続し、各負極端子３Ｐは幅広の
負極導体（負極ブスバー）１０Ｎにより接続する。

【００３３】図３（ｂ）は、同図（ａ）に示すものの変
形例で、各電極端子９Ｐ、９Ｃ、９Ｎが２個以上の複数
個で、平滑コンデンサ９の平面の縦横に、交互に正極端
子９Ｐ、中性極端子９Ｃ、及び負極端子９Ｎを順次設け
て、第１の群、及び第２の群をそれぞれ形成するように
配置している。

【００３４】このように配置した電極端子９Ｐ、９Ｃ、
９Ｎへの主回路接続は、幅広導体（幅広ブスバー）１０
Ｐ、１０Ｃ、１０Ｎで行い、幅広導体（幅広ブスバー）
１０Ｐ、１０Ｃ、１０Ｎ間に電気的に絶縁する絶縁板１
１を挿入し、各電極端子９Ｐ、９Ｃ、９Ｎ間の電気的な
絶縁を保っている。

【００３５】尚、重なり合っている幅広導体１０Ｐ、１
０Ｃ、１０Ｎと電極端子９Ｐ、９Ｃ、９Ｎ間の電気的な
絶縁は、前述の第１の実施形態の場合と同様に、幅広導
体１０Ｐ、１０Ｃ、１０Ｎに、それぞれ対応する電極端
子９Ｐ、９Ｃ、９Ｎを中心とした丸穴をあけ空間を保っ
ている。例えば、各正極端子３Ｐを接続する正極導体１
０Ｐと、異なる極性の中性極端子９Ｃ及び負極端子９Ｎ
とは、正極導体１０Ｐにあけた丸穴の直径である空間ギ
ャップＧで絶縁が保たれている。

【００３６】また、電気的な絶縁は、前述のように絶縁
板１１を挿入する方法の他に、幅広導体１０Ｐ、１０
Ｃ、１０Ｎ自身に粉体塗装または熱収縮チューブ等の絶
縁被覆を施しても同様の機能は得られる。

【００３７】このように構成した３レベルのインバータ
装置のコンデンサ電極端子の接続構成における磁束の相
殺作用は下記のようになる。

【００３８】図４に３レベルの主回路の１相分を表す。
プラス出力の通電モードを同図に、矢印Ａで示す。直流
電源である正極導体（正極ブスバー）１０ＰからＩＧＢ
Ｔ１４→ＩＧＢＴ１５→出力ブス１０Ｕの順番で電流Ｉ
Ｌが流れる。

【００３９】この通電モードでのサージ電圧の発生原理
は、図４及び図５を用いて次のように説明できる。

【００４０】今、ＩＧＢＴ１４とＩＧＢＴ１５がオン状
態で負荷電流ＩＬが流れている時、図５の時刻ｔ１でＩ
ＧＢＴ１４のゲート電圧Ｖｇｅを負バイアスすると、Ｉ
ＧＢＴ１４はオフとされて電圧が上昇し、ＩＧＢＴ１４
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ス
イッチング素子であるＩＧＢＴ１４にはサージ電圧が発
生する。

【００４１】図５の時刻ｔ１で発生するサージ電圧Ｖｓ
１は、以下の式（１）で示される。

【００４２】

【数１】 Ｖｓ１＝Ｖｏ＋Ｌｓ・ｄＩ／ｄｔ＋Ｖｆｒ （１） また、時刻ｔ２で発生するサージ電圧Ｖｓ２は次の式
（２）で示される。

【００４３】

【数２】 Ｖｓ２＝Ｖｏ＋（√Ｌｃ／√Ｃ）＊Ｉｃ （２） ただし、

【００４４】

【数３】Ｌｓ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５ Ｌｃ＝Ｌ０＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ６ である。

【００４５】ここで、Ｖｏ＝直流電圧、Ｌｓ＝一括スナ
バループ１３のインダクタンス、Ｌｃ＝電源コンデンサ
から一括スナバループ１３のインダクタンス、Ｃ＝スナ
バコンデンサ容量、Ｖｆｒ＝スナバダイオードの過渡オ
ン電圧である。

【００４６】つまり、ＩＧＢＴ１４へのサージ電圧は、
ターンオフ過程のサージ電圧Ｖｓ１とターンオフ後のサ
ージ電圧Ｖｓ２があり、この第２の実施形態は、Ｌ０と
Ｌ６を減らすことにより、後者のＶｓ２を減らす方法で
ある。

【００４７】Ｌ０、Ｌ６は平滑コンデンサ９とインバー
タ間のインダクタンスで、本実施形態においては、最短
・最小ループ面積・幅広導体・近接配置で行っている。

【００４８】即ち、コンデンサ９の電極端子９Ｐ、９
Ｃ、９Ｎとインバータ間の配線インダクタンスは、本実
施形態により極小化が可能となり、３レベル動作の通電
モードによるＩＧＢＴに加わるサージ電圧を抑制するこ
とができる。

【００４９】また、直流一括スナバー回路１３のコンデ
ンサの最小化・配線・構造部材の最小化及びその回路の
組立て配線工数の削減にも寄与する。

【００５０】つまり、３レベルのモードにおいて磁束相
殺効果を高めるのには、正極端子９Ｐと中性極端子９
Ｃ、負極端子９Ｎを近接配置し、重なり合う面積を多く
することがポイントで本実施形態はそれを満たしたもの
となる。

【００５１】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、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
は割愛する。

【００５２】また、本実施形態において、正極端子９
Ｐ、中性極端子９Ｃ、及び負極端子９Ｎのうちの一つ、
例えば中性極端子９Ｃを平滑コンデンサ９のケースと同
電位にしておくこともできる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
平滑コンデンサと逆変換器間の配線インダクタンスを低
減させることができる。これにより逆変換器のスイッチ
ング素子のターンオフ電圧を小さく抑えることが可能に
なり、スナバー回路を小さくでき、装置の小型化、低損
失化、組立て配線作業工数削減により低価格化が実現で
きる。

【００５４】従って、逆変換器のスイッチング素子への
サージ電圧を抑制することができ、経済的で信頼性の高
い電力変換装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態及びその変形例にお
ける平滑コンデンサの電極端子とこれを接続する導体の
配置を示す平面図。

【図２】 本発明の第１の実施形態及びその変形例にお
ける平滑コンデンサの電極端子とこれを接続する導体の
配置を示す側面図。

【図３】 本発明の第２の実施形態及びその変形例にお
ける平滑コンデンサの電極端子とこれを接続する導体の
配置を示す平面図。

【図４】 本発明の第２の実施形態におけるサージ電圧
の発生原理を説明するための１相分の主回路図。

【図５】 本発明の第２の実施形態におけるサージ電圧
の発生原理を説明するための各信号の波形図。

【図６】 ２レベルインバータ装置の主回路構成図。

【図７】 従来例の構成を示す図で、（ａ）はその平滑
コンデンサの電極端子とこれを接続する導体の配置の例
を示す平面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）は平滑コン
デンサの電極端子の配置の他の例を示す平面図。

【符号の説明】

１…順変換器 ２…リアクトル ３、９…平滑コンデンサ ３Ｐ、９Ｐ…正極端子 ３Ｎ、９Ｎ…負極端子 ９Ｃ…中性極端子 ４、１４、１５…ＩＧＢＴ ５、１０Ｐ…正極導体（正極ブスバー） ６、１０Ｎ…負極導体（負極ブスバー） ７…交流電源 ８、１１…絶縁板 １０Ｃ…中性極導体（中性極ブスバー） １３…直流一括スナバ回路

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｍ 7/12 Ｈ０２Ｍ 7/12 Ｊ 7/5387 7/5387 Ｚ Ｆターム(参考） 5H006 CA01 CB01 CC03 FA01 HA84 5H007 AA06 CA01 CB05 CC04 CC06 CC14 FA01 FA13 FA20 HA03 5H740 AA04 BA11 BB05 BB08 BC01 BC02 MM03 PP01 PP02 PP03

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流を直流に変換する順変換器と、この順
   変換器で変換された直流を平滑化する平滑コンデンサ
   と、この平滑コンデンサで平滑化された直流を交流に逆
   変換する逆変換器とを有する電力変換装置において、前
   記平滑コンデンサは各極性の電極端子をそれぞれ複数個
   有し、前記複数個の各異なる極性の電極端子を交互に配
   置するとともに、複数個の同じ極性の電極端子を導体で
   接続したことを特徴とする電力変換装置。
2. 【請求項２】前記導体は幅広導体であることを特徴とす
   る請求項１に記載の電力変換装置。
3. 【請求項３】前記導体間に絶縁板を挿入したことを特徴
   とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 【請求項４】前記導体に絶縁被覆を施したことを特徴と
   する請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。