JP2001245480A - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体電力変換装置において、構造上簡単な導
体構成によってインダクタンスを低減することによって
装置の小型化及びコスト低減を図る。 【解決手段】２直列、複数個並列接続されたコンデンサ
を２列に並べて、正極導体と接続するコンデンサと負極
導体に接続するコンデンサとを少なくとも１個以上は同
じ列に配置することによって、導体形状を複雑にしない
でインダクタンスを低減する。 【効果】半導体電力変換装置において、簡単な形状の導
体でインダクタンスを低減することにより、小型でかつ
コストのかからない装置を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体スイッチン
グ素子を用いた電力変換装置に関し、特にスイッチング
時の電圧跳ね上がり抑制及び装置の小型化に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、絶縁ゲート型バイポーラトランジ
スタ（ＩＧＢＴ）等の高速半導体スイッチング素子を用
いた電力変換装置が様々な分野で使われている。その一
例として図２に可変周波数電源等の三相電力変換装置の
回路構成を示す。すなわち、平滑コンデンサ群１を介し
てコンバータ２とインバータ３が接続されている。コン
バータ２は、ＩＧＢＴモジュール２１ａ〜２２ｃ及びそ
れらを接続する導体２３ａ〜２５ｃで構成されている。
またＩＧＢＴモジュール２１ａ〜２２ｃはそれぞれスイ
ッチング素子（ここではＩＧＢＴ）とダイオードで構成
されている。導体２３ａ〜２３ｃは共通導体２３を介し
てコンデンサ正極同士を接続している導体４１と接続さ
れている。導体２５ａ〜２５ｃも同様に共通導体２５を
介してコンデンサ負極同士を接続している導体４３と接
続されている。インバータ３も、コンバータ２と同じよ
うにＩＧＢＴモジュール３１ａ〜３２ｃ及び導体３３ａ
〜３５ｃで構成されており、導体３３ａ〜３３ｃは共通
導体３３を介してコンデンサ正極同士を接続している導
体４１と接続されている。また導体３５ａ〜３５ｃも同
様に共通導体３５を介してコンデンサ負極同士を接続し
ている導体４３と接続されている。

【０００３】このような半導体電力変換装置において
は、コンデンサ１及び一対の半導体スイッチング素子
（例えば３１ａと３２ａ）で構成される一巡ループのイ
ンダクタンスを低減することが重要である。インダクタ
ンスが大きい場合にはＩＧＢＴスイッチング時の跳ね上
がり電圧が高くなり、容量の大きなスナバ回路が必要と
なり装置が大型化し、極端な場合にはＩＧＢＴ破損の危
険性がある。そのため往復電流が流れる箇所では導体を
対向させて、それらの相互インダクタンスにより全体の
インダクタンス分を低減する等、各部分の配線インダク
タンスを低減される工夫がなされている。

【０００４】例えば、図１０は公開特許公報の特開平１
０−９４２５６号公報記載の電力変換素子モジュールの
構成である。冷却ヒートシンクの両面に半導体スイッチ
ング素子を取付け、その下方に設置したコンデンサと導
体を介して接続されている。半導体スイッチング素子に
接続した導体とコンデンサに接続した導体との接続部が
図１０（ｂ）中で右側に偏っているので、左側の面と右
側の面とでインダクタンスの差が生じ好ましくない。ま
た、冷却ヒートシンクの両側の導体間で反対向きの電流
が流れ電流変化による磁束変化を打ち消すとしている
が、導体間の距離はヒートシンク及び半導体スイッチン
グ素子の厚みがあって大きいのであまり効果は期待でき
ず、跳ね上がり電圧はそれほど抑制されない。コンデン
サ端子付近の構造を図１１に示すが、一括積層導体には
なっていないが、極めて複雑な形状をしているため、コ
ストもあまり低減できない。また、図１１において水平
面にある導体は幅広で、間隔はあるが積層になっている
のに対して、垂直方向の部分では極端に細い導体になっ
ているためインダクタンス低減が効果的ではない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、複数の半
導体スイッチング素子及び複数のコンデンサから構成さ
れる電力変換装置において、跳ね上がり電圧を抑制する
ためにインダクタンスを低減することにより導体構造が
複雑になり、コスト低減が効果的ではないという問題が
発生する。

【０００６】本発明の目的は、複雑な構造をもつことな
くインダクタンス低減でき跳ね上がり電圧が抑制される
導体構成をもつ電力変換装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１に記載の例では、少なくとも２個
以上直列接続された半導体素子群を１組以上有し、かつ
２直列×ｎ（ｎは２以上の自然数）並列接続され、か
つ、正負一対の電極端子を有する同じ形状のコンデンサ
群を具備し、正極側コンデンサの正極端子同士を接続す
る第１の導体、正極側コンデンサの負極端子及び負極側
コンデンサの正極端子同士を接続する第２の導体及び負
極側コンデンサの負極端子同士を接続する第３の導体を
具備しており、前記半導体素子群の正極に接続された少
なくとも１個以上の第４の導体と前記第１の導体が電気
的に接続されており、前記半導体素子群の負極に接続さ
れた少なくとも１個以上の第５の導体と前記第３の導体
が電気的に接続されている半導体電力変換装置におい
て、前記コンデンサ群をすべてのコンデンサ端子が同じ
平面に並ぶように、２列に配置され、かつ各コンデンサ
の一対の端子を結ぶ直線と同じ列のコンデンサ中心を結
ぶ直線とが平行にならないように配置されており、前記
コンデンサ群を構成するすべてのコンデンサの片側の端
子が前記第２の導体と電気的に接続され、前記第２の導
体を電気的に接続されていないコンデンサ端子のうち、
前記第１の導体と電気的に接続される端子を有する第１
のコンデンサ群の少なくとも１個以上のコンデンサと前
記第３の導体を電気的に接続される端子を有する第２の
コンデンサ群の少なくとも１個以上のコンデンサとが同
じ列に並んでいるような構成にしている。

【０００８】また、請求項２に記載の例では、前記第１
の導体、第２の導体及び第３の導体がそれぞれ絶縁物あ
るいは空気を介して積層された構成をしており、前記第
１〜第３の導体各々のコンデンサ端子との接続部分が他
の導体を貫通していない構成となっている。

【０００９】さらに請求項３の例では、前記第２の導体
が前記第１の導体及び第３の導体から絶縁された状態
で、前記第１から第５の導体とは別の導体を接続できる
構成になっている。

【００１０】請求項４の例では、コンデンサとして電解
コンデンサを使用した構成となっている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
用いて説明する。

【００１２】図１に本発明の第１の実施例を示す。

【００１３】図１（ａ）がコンデンサ部分の正面、
（ｂ）がコンデンサ端子の配置及び（ｃ）がコンデンサ
に接続される各導体の形状を示している。図１（ｂ）に
示したように、８個のコンデンサ１１ａ〜１２ｄの端子
１１ａ１，１１ａ２，…，１２ｄ１、１２ｄ２が同じ平
面になるように２列に配置されている。また、コンデン
サ端子は同じコンデンサの両端子（例えば１１ａ１と１
１ａ２）を結ぶ直線が図中横向きであるのに対して、同
じ列のコンデンサ（例えば、１１ａ，１２ａ，１１ｃ及
び１２ｃ）の中心を結ぶ直線は図中の上下方向となって
おり、互いに平行ではない。また、各コンデンサの片端
子１１ａ２，１２ａ１，１１ｃ２，１２ｃ１，１２ｂ
１，１１ｂ２，１２ｄ１及び１１ｄ２は中間導体４２に
接続されている。そして残った端子については、同じ列
のコンデンサの半分（例えば１１ａ及び１１ｃ）の端子
１１ａ１及び１１ｃ１は正極導体４１に接続され、残っ
たコンデンサ（１２ａ及び１２ｃ）の端子１２ａ２及び
１２ｃ２は負極導体４３に接続されている。他方の列に
ついても同様で、コンデンサ１１ｂ及び１１ｄの端子１
１ｂ１及び１１ｄ１が正極導体４１に接続され、残りの
コンデンサ１２ｂ及び１２ｄの端 子１２ｂ２及び１２
ｄ２は負極導体４３に接続されている。このように、同
じ列には、正極導体４１に接続されるコンデンサ（例え
ば１１ａ，１１ｃ）と負極導体４３に接続されるコンデ
ンサ（例えば１２ａ，１２ｃ）との両方が存在してい
る。

【００１４】図１（ａ）に示すように、３つの導体４
１，４２及び４３は各々が絶縁された状態で積層されて
いる。ただし、各導体４１，４２及び４３のコンデンサ
端子との接続箇所は他の導体を貫通することなく、コン
デンサと接続してある。

【００１５】また、図１（ａ），（ｃ）からわかるよう
にコンデンサの左右両側で、半導体スイッチング素子の
正極導体及び負極導体を接続することが可能である。

【００１６】このように他導体を接続するために導体を
くりぬく等の手間をかけることなく、また複雑な曲げを
有することなくシンプルな構造になっている。

【００１７】同じようにシンプルな構成としては図３に
示すように、図中の右の列ではコンデンサ端子が片方は
中間導体４２に接続され、残りの端子はすべて正極導体
４１に接続され、もう一方の列のコンデンサでは、負極
導体４３に接続されている。

【００１８】ここで、図１２にあるようなヒートシンク
の両面に半導体スイッチング素子を取り付けた場合を考
える。ヒートシンクとして例えばヒートパイプ方式等の
冷媒沸騰による方法を採れば、スイッチング素子を取り
付ける部分はかなり薄くすることが可能となり、両面の
ＩＧＢＴに接続された導体の間隔が狭くなる。そのた
め、コンデンサ部導体とＩＧＢＴ部導体との接続部が外
側のコンデンサ端子に近接していて、図３に示した配置
では絶縁距離が確保できない。そのため、図３に示した
構成の場合には、ＩＧＢＴ部導体のＩＧＢＴ接続部分の
高さを高くして間隔を広げる等の対策が必要になり、そ
の部分のインダクタンスが増大してしまう。それに対し
て、図１の場合は、コンデンサ端子の近傍には同電位の
導体があるだけなので絶縁の問題はなく、インダクタン
ス増大することはない。あるいは絶縁距離を確保するた
めにコンデンサ端子部分を絶縁物で覆い、沿面距離を確
保する方法もあるが、絶縁物が複雑な構造となりコスト
アップするため好ましくない。

【００１９】また、コンデンサ２直列の電流経路を図４
に示す。（ａ）が図１に示したコンデンサ配置の場合
で、（ｂ）が図３に示したコンデンサ配置の場合であ
る。（ａ）に比べて（ｂ）の方がループ長さが長く、イ
ンダクタンスは大きい。（ｂ）の場合で往復対向電流が
あるため相互インダクタンスの作用でインダクタンス低
減をするためには近接して対向させる必要があるため、
コンデンサ端子部分をくり貫く等の加工が必要である。
そのためコストアップになる。また、電流経路に穴があ
いてしまうので、電流の通り道が狭くなり、インダクタ
ンス低減が効果的ではない。

【００２０】図４（ａ）の場合は往復対向電流部分が多
くないので、図１に示すように、中間導体４２と正極導
体４１との間隔は広げることが可能なので、図１（ｃ）
では、図３に示すような端子部分のくり貫き穴を必要と
しないため製作コストも低減できる。

【００２１】図５に第２の実施例を示す。

【００２２】図５の例は図１の例の一部のコンデンサの
向きを変えたものである。電力変換装置が大容量の場合
には、図１（ａ）の左右に同じコンデンサユニットを複
数並べた構成となることがある。図１の構成では隣のユ
ニットで向かい合っているのは、図１（ｃ）に示した記
号で４１１と４３４及び４１２と４３３というふうに違
う極性になっているためその間の接続が単純でなくな
る。これに対して、図５の例では向かい合っているのが
４１１と４１２、４３１と４３３及び４３２と４３４と
いうふうに同じ極性であるため接続が容易である。

【００２３】図８に第３の実施例を示す。

【００２４】図８の例もコンデンサの向きを一部変更し
たものである。図５の例の場合は、コンデンサ接続導体
で図５（ｃ）に示したように２種類の平面形状（４１と
４３）となっていた。図８の例では、コンデンサ端子と
導体との距離が異なるので、全く同一のものを使うこと
はできないが、平面形状は同一であり、かつユニット間
の接続も単純な構造で可能であり、一層の導体コストの
低減が図れる。

【００２５】なお、電力変換装置全体の小型化を図るた
めに、小型で大きな静電容量を有する電解コンデンサを
用いることがよくある。電解コンデンサ形状の代表例を
図９に示す。図９に示したように電解コンデンサには防
爆弁があり、図示した位置にあることが多い。電解コン
デンサでリップル電流が多いなどの理由で温度が上昇し
たた際に破裂等を防ぐために圧力を下げるための弁で、
弁の周辺は圧力が逃げるための空間を確保することが必
要である。図１（ａ）に示した正面図において、最もコ
ンデンサに近いコンデンサ中間導体は防爆弁にかぶさら
ずに、またその他の導体はコンデンサからやや離れてい
るので、防爆弁のための穴などを導体にあける必要がな
く、これも導体製造上有利である。

【００２６】以上は、コンデンサが２直列×４並列の例
であるが、並列数が違う場合でも同様である。例えば２
直列×３並列の場合を図８に示す。この場合は４並列と
異なりバリエーションはないがインダクタンス低減効果
は同じである。

【００２７】コンデンサはすべて同じものを使うことを
考えているが、コンデンサを２直列する場合には、もれ
電流のばらつきによって電圧分担が偏ってしまうことが
懸念されるため、図９（ｃ）に示すようにコンデンサと
並列に分圧抵抗９１、９２を接続することが多い。その
ためにはコンデンサ群１の正極と負極は各導体４１及び
４３のいずれかの接続部（例えば４１１や４３１）にリ
ード線を接続して抵抗を接続すればよいが、２直列コン
デンサの中点にも抵抗を接続する必要がある。この場合
には、図９（ａ），（ｂ）に示すように中間導体４２か
ら接続用端子４２１を設けておけば分圧抵抗９１，９２
を接続することが可能である。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、簡単な導体構造でイン
ダクタンスを低減でき、スイッチング時の跳ね上がり電
圧を抑制できるので、電力変換装置のコスト低減及び小
型化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す図。

【図２】本発明に関する電力変換装置の回路構成を示す
図。

【図３】本発明に関する従来例を示す図。

【図４】本発明の効果説明図。

【図５】本発明の第２の実施例を示す図。

【図６】本発明の第３の実施例を示す図。

【図７】電解コンデンサの外観を示す図。

【図８】本発明の第４の実施例を示す図。

【図９】本発明の第５の実施例を示す図。

【図１０】従来技術の例を示す図。

【図１１】従来技術の例を示す図。

【符号の説明】

１…コンデンサ群、１１ａ〜１２ｄ…コンデンサ、１１
ａ１〜１２ｄ２…コンデンサ端子、２…コンバータ、３
…インバータ、２１ａ〜２２ｃ、３１ａ〜３２ｃ…スイ
ッチングモジュール、２３ａ〜２５ｃ、３３ａ〜３５ｃ
…スイッチング素子部導体、２３，２５，３３，３５…
スイッチング素子−コンデンサ接続部導体、４１〜４３
…コンデンサ部導体、５…絶縁層、６…ヒートシンク、
７１…スナバダイオード、７２…スナバコンデンサ、７
３…スナバ抵抗、８…モジュール基体、９１，９２…分
圧抵抗、１１０…電解コンデンサ、１１１，１１２…コ
ンデンサ端子、１１３…電解コンデンサ防爆弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三根 俊介 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所昇降機グループ内 (72)発明者 岸川 孝生 茨城県ひたちなか市市毛1070番地 株式会 社日立製作所昇降機グループ内 (72)発明者 迫田 友治 茨城県ひたちなか市市毛1070番地 株式会 社日立製作所昇降機グループ内 (72)発明者 福田 哲 東京都千代田区神田錦町一丁目６番地 株 式会社日立ビルシステム内 (72)発明者 小柳 阿佐子 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 5H006 CA01 CB01 CC08 HA03 HA41 HA83 5H007 CA01 CB05 CC12 CC23 HA00 HA03 HA06

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２個以上直列接続された半導
   体素子群を１組以上有し、かつ２直列×ｎ（ｎは２以上
   の自然数）並列接続され、かつ、正負一対の電極端子を
   有する同じ形状のコンデンサ群を具備し、正極側コンデ
   ンサの正極端子同士を接続する第１の導体、正極側コン
   デンサの負極端子及び負極側コンデンサの正極端子同士
   を接続する第２の導体及び負極側コンデンサの負極端子
   同士を接続する第３の導体を具備しており、前記半導体
   素子群の正極に接続された少なくとも１個以上の第４の
   導体と前記第１の導体が電気的に接続されており、前記
   半導体素子群の負極に接続された少なくとも１個以上の
   第５の導体と前記第３の導体が電気的に接続されている
   半導体電力変換装置において、前記コンデンサ群をすべ
   てのコンデンサ端子が同じ平面に並ぶように、２列に配
   置され、かつ各コンデンサの一対の端子を結ぶ直線と同
   じ列のコンデンサ中心を結ぶ直線とが平行にならないよ
   うに配置されており、前記コンデンサ群を構成するすべ
   てのコンデンサの片側の端子が前記第２の導体と電気的
   に接続され、前記第２の導体を電気的に接続されていな
   いコンデンサ端子のうち、前記第１の導体と電気的に接
   続される端子を有する第１のコンデンサ群の少なくとも
   １個以上のコンデンサと前記第３の導体を電気的に接続
   される端子を有する第２のコンデンサ群の少なくとも１
   個以上のコンデンサとが同じ列に並んでいることを特徴
   とした半導体電力変換装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体電力変換装置に
   おいて、前記第１の導体、第２の導体及び第３の導体が
   それぞれ絶縁物あるいは空気を介して積層された構成を
   しており、前記第１〜第３の導体各々のコンデンサ端子
   との接続部分が他の導体を貫通していないことを特徴と
   した半導体電力変換装置。
3. 【請求項３】 請求項１あるいは請求項２に記載の半導
   体電力変換装置において、前記第２の導体は、前記第１
   の導体及び第３の導体から絶縁された状態で、前記第１
   から第５の導体とは別の導体を接続できる構造になって
   いることを特徴とした半導体電力変換装置。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３に記載の半導体電
   力変換装置において、前記コンデンサ群が電解コンデン
   サであることを特徴とした半導体電力変換装置。