JP2004236374A - 交流−交流直接変換形電力変換装置の構成方法 - Google Patents
交流−交流直接変換形電力変換装置の構成方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】配線インダクタンスをできるだけ小さくして交流スイッチの破壊や装置の大型化、コスト上昇を防止した交流−交流直接変換形電力変換装置を提供する。
【解決手段】多相の入力端子と多相の出力端子との間に接続された複数の交流スイッチと、装置の配線インダクタンスに蓄えられたエネルギーを吸収するフィルタとを備え、前記交流スイッチのオン、オフ動作により多相交流入力を多相交流出力に直接変換する交流−交流直接変換形電力変換装置に関する。ある入力相(例えばR相)に接続されるフィルタコンデンサ21と、当該R相に接続される交流スイッチSRUと、この交流スイッチSRUと出力相が同一(U相)であって他の入力相(例えばS相)に接続される他の交流スイッチSSUとを有する電流経路(ブスバー31,32)によって囲まれる面積が最小になるようにして、配線インダクタンスを小さくする。
【選択図】 図1
【解決手段】多相の入力端子と多相の出力端子との間に接続された複数の交流スイッチと、装置の配線インダクタンスに蓄えられたエネルギーを吸収するフィルタとを備え、前記交流スイッチのオン、オフ動作により多相交流入力を多相交流出力に直接変換する交流−交流直接変換形電力変換装置に関する。ある入力相(例えばR相)に接続されるフィルタコンデンサ21と、当該R相に接続される交流スイッチSRUと、この交流スイッチSRUと出力相が同一(U相)であって他の入力相(例えばS相)に接続される他の交流スイッチSSUとを有する電流経路(ブスバー31,32)によって囲まれる面積が最小になるようにして、配線インダクタンスを小さくする。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多相交流入力から直流に変換することなく多相交流出力を得る交流−交流直接変換形電力変換装置に関し、特に、配線インダクタンスの減少を可能にした電力変換装置の構成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図6は、従来技術として、3相入力から3相出力を得るマトリクスコンバータの回路構成を示している。電源側の入力相及び入力端子をR,S,Tとし、負荷側の出力相及び出力端子をU,V,Wと称して、その構成及び動作を以下に説明する。
【0003】
図6(a)において、電源側の入力端子Rには交流スイッチ(双方向スイッチ)SRU,SRV,SRWの各一端が接続され、入力端子Sには交流スイッチSSU,SSV,SSWの各一端が接続され、入力端子Tには交流スイッチSTU,STV,STWの各一端が接続されており、交流スイッチSRU,SSU,STUの各他端は一括して負荷側の出力端子Uに、同SRV,SSV,STVの各他端は一括して負荷側の出力端子Vに、同SRW,SSW,STWの各他端は一括して負荷側の出力端子Wにそれぞれ接続されている。
【0004】
上記交流スイッチSRU〜STWは、図6(b)に示すように、例えばダイオードDa,Dbが逆並列接続されたIGBT等の単方向の半導体スイッチング素子Sa,Sbを逆直列に接続したり、逆耐圧能力がある場合には半導体スイッチング素子Sa,Sbだけを逆並列に接続して構成されている。
【0005】
図7は、交流スイッチSRU〜STWの配置構造を示す図であり、前記単方向半導体スイッチング素子Sa,Sbからなる9個の交流スイッチSRU〜STWがマトリクス状に配置されている。なお、交流スイッチSRU〜STWのゲート駆動回路については、本発明に関わる部分ではないため説明を省略する。
このマトリクスコンバータでは、入力側に交流フィルタFを設け、3相交流入力から、交流スイッチSRUをはじめとする9個の交流スイッチSRU〜STWがオン、オフを繰り返すスイッチング動作を行うことにより、所望の3相交流出力を得ている。
【0006】
なお、この種のマトリクスコンバータは、例えば下記の特許文献に「同期電動機の駆動制御装置」として記載されている。
【0007】
【特許文献1】
特開平11−18489号公報(図1,図4,図5等)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
次に、図8は、前記マトリクスコンバータにおいて、電源側のR,S,T相から交流スイッチSRU,SSU,STUを介して負荷側のU相に至る回路を等価的に示したものである。マトリクスコンバータでは、図8に示すように、各相の入力電源VR,VS,VTと交流スイッチSRU,SSU,STUとの間に配線のインダクタンスLR,LS,LTが存在する。これらの配線インダクタンスLR,LS,LTの大きさは、電流経路(図8の電流経路a,b,c)の長さが長くなるほど、言い換えれば、上記電流経路によって包囲される面積が大きくなるほど増加する。
【0009】
上記配線インダクタンスは、交流スイッチがオフしたときに過大なサージ電圧を発生して交流スイッチを破壊する場合がある。また、交流スイッチをサージ電圧から保護するために、交流スイッチ近辺に抵抗、コンデンサ、ダイオード等からなるスナバ回路等の保護回路を設けることは、装置の大型化につながり、コストが上昇する。
そこで本発明は、配線インダクタンスをできるだけ小さくして交流スイッチの破壊や装置の大型化、コスト上昇を防止するようにしたマトリクスコンバータ等の交流−交流直接変換形電力変換装置を提供しようとするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1に記載した発明は、多相の入力端子と多相の出力端子との間に接続された複数の交流スイッチと、装置の配線インダクタンスに蓄えられたエネルギーを吸収するフィルタとを備え、前記交流スイッチのオン、オフ動作により多相交流入力を多相交流出力に直接変換する交流−交流直接変換形電力変換装置において、
ある入力相に接続される前記フィルタと、当該入力相に接続される一の交流スイッチと、この交流スイッチと出力相が同一であって他の入力相に接続される他の交流スイッチとを有する電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにして前記配線インダクタンスを小さくするものである。
【0011】
請求項2に記載した発明は、請求項1に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
中性点電位または接地電位を有する導体と各相の入力端子との間に前記フィルタを接続したものである。
【0012】
請求項3に記載した発明は、請求項1に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
入出力の相数が同一であり、多相の入力端子のうち1相の入力端子を出力端子に直接接続すると共に、多相の入力端子のうち残りの相の入力端子をそれぞれ交流スイッチを介して同数の出力端子にそれぞれ接続し、かつ、すべての出力端子間に別の交流スイッチをそれぞれ接続したものである。
すなわち、例えば3相入出力の交流−交流直接変換形電力変換装置において、入力相の1相(例えばS相)を出力相の1相(例えばV相)に接続し、他の入力相(R相、T相)と他の出力相(U相、W相)との間、及び、各出力相間(U相−V相間、V相−W相間)にそれぞれ交流スイッチを接続して3相V結線とするものである。
【0013】
また、請求項4に記載した発明は、請求項1,2または3に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
前記電流経路の一部を、互いに逆方向に電流が流れる導体を絶縁したうえ積層して構成したものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態を示す上面図(図1(a))、側面図(同(b))及び正面図(同(c))である。この実施形態は、請求項1,4に記載した発明に相当する。
これらの図において、11は電源側の入力端子R,S,T及び中性点端子Nが配置される端子台、12は負荷側の出力端子U,V,Wが配置される端子台であり、入力端子R,S,Tと中性点端子Nとの間には、フィルタコンデンサ21,22,23がスター結線されている。なお、フィルタコンデンサ21,22,23は、入力端子R,S,Tの相互間にそれぞれ接続してΔ結線としても良い。上記フィルタコンデンサ21,22,23は入力電圧を平滑すると共に、配線インダクタンスに蓄積されたエネルギーを吸収する作用をなす。
【0015】
また、入力端子Rには、複数の直線部分を折曲してほぼ櫛状に形成された銅製のブスバー31の一端が接続されており、その3つの他端は交流スイッチSRU,SRV,SRW内の一方の半導体スイッチング素子Saにそれぞれ接続され、交流スイッチSRU,SRV,SRW内の他方の半導体スイッチング素子Sbは、共通ブスバー40を介して出力端子U,V,Wにそれぞれ接続されている。
入力端子Tにも、同じく複数の直線部分を折曲してほぼ櫛状に形成された銅製のブスバー33の一端が接続されており、その3つの他端は交流スイッチSTU,STV,STW内の一方の半導体スイッチング素子Saにそれぞれ接続され、交流スイッチSTU,STV,STW内の他方の半導体スイッチング素子Sbは、共通ブスバー40を介して出力端子U,V,Wにそれぞれ接続されている。
【0016】
更に、入力端子Sには、ほぼ直線状のブスバー32(図1(b),(c)参照)の一端が接続され、その3つの他端は交流スイッチSSU,SSV,SSW内の一方の半導体スイッチング素子Saにそれぞれ接続され、交流スイッチSSU,SSV,SSW内の他方の半導体スイッチング素子Sbは、共通ブスバー40を介して出力端子U,V,Wにそれぞれ接続されている。
なお、これらの入力端子R,S,T、出力端子U,V,W間の9個の交流スイッチSRU〜STWの電気的な接続状態は、図7と同様であり、図1のフィルタコンデンサ21〜23は図7における交流フィルタFに相当する。
【0017】
ここで、ブスバー31,32,33,40は、入力端子R,S,Tと出力端子U,V,Wとの間で各交流スイッチSRU〜STWをできるだけ短い距離で接続するように直線部分のみからなっていると共に、図1(c)の中央部分30では、3本のブスバー31,32,33が適宜な間隔をおいて絶縁されたうえ、上下に積層される構造となっている。
また、ある入力相(例えばR相)の入力端子Rに接続されるフィルタコンデンサ21と、当該R相に接続される一の交流スイッチ(例えばSRU)と、この交流スイッチSRUと出力相が同一(例えばU相)であって他の入力相(例えばS相)の入力端子Sに接続される他の交流スイッチ(例えばSSU)とを有する電流経路が最小になるように構成されており、言い換えればその電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにして当該電流経路の配線インダクタンスを小さくするように配慮されている。この構造は、他の入力相、フィルタコンデンサ、交流スイッチ、出力相についても同様である。
【0018】
ここで、前記中央部分30では、図8から明らかなごとく、異なる相のブスバーにはそれぞれ逆方向に電流が流れるため磁束が打ち消し合うので、入力端子R,S,Tと交流スイッチSRU〜STWとの間の配線インダクタンスを減少させることができ、本実施形態では、既に述べたごとく前述の電流経路によって囲まれる面積を最小にすることと相まって、回路全体の配線インダクタンスを低減することができる。
【0019】
次に、図2は本発明の第2実施形態を示しており、この実施形態も請求項1,4に記載した発明に相当する。
本実施形態では、出力端子U,V,Wにそれぞれ接続される各3個の交流スイッチを1個の交流スイッチモジュールとして一体化し、全体で3個の交流スイッチモジュール51,52,53を形成する。例えば、出力側のU相を例にとると、3個の交流スイッチSRU,SSU,STUを1パッケージとして交流スイッチモジュール51を構成する。
【0020】
また、平板で直線状の銅製のブスバー61,62,63が交流スイッチモジュール51,52,53の端部において互いに絶縁されたうえ3段に積層配置されており、入力端子R,S,Tと交流スイッチモジュール51,52,53内の交流スイッチSRU〜STWとは、前記ブスバー61,62,63を介してそれぞれ接続されている。
入力側のフィルタコンデンサ24は、例えば1個のモジュール52の入力端子R,S,Tに近接して3相分を集中的に配置するか、各モジュール51,52,53に1相分ずつ分散して配置する。
【0021】
この実施形態においても、異なる相のブスバーにはそれぞれ逆方向に電流が流れると共に、交流スイッチSRU,SRV,SRW同士をブスバー61により、同SSU,SSV,SSW同士をブスバー62により、同STU,STV,STW同士をブスバー63によりそれぞれ最短距離にて接続することで、ある入力相に接続されるフィルタと、当該入力相に接続される一の交流スイッチと、この交流スイッチと出力相が同一であって他の入力相に接続される他の交流スイッチとを有する電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにし、これによって配線インダクタンスを最小にすることができる。
【0022】
なお、本実施形態において、交流スイッチモジュール51,52,53を一つにまとめ、各出力相をモジュール内部で絶縁して1モジュール構成とすることもできる。また、ブスバーの代わりにツイスト線を用いてもよい。
【0023】
次いで、図3、図4は本発明の第3実施形態を示している。この実施形態は、請求項2,4に記載した発明に相当する。
本実施形態でも、図3に示すごとく、第2実施形態と同様に3個の交流スイッチモジュール51,52,53を形成し、入力端子R,S,Tと交流スイッチモジュール51,52,53内の交流スイッチSRU〜STWとが、ブスバー71,72,73を介してそれぞれ接続されている。
【0024】
更にこの実施形態では、入力相に中性点を設け、この中性点をN相として共通ブスバー74により前記ブスバー71〜73と並設して3相4線式とする。
そして、共通ブスバー74と各相の入力端子R,S,Tとの間には、図4に示すようにフィルタコンデンサ24がスター結線される。なお、図4は入力端子R,S,Tと出力端子Uとの間の1相分(U相)の接続状態を示したものである。
【0025】
この実施形態においても、異なる相のブスバーにはそれぞれ逆方向に電流が流れ、また、各相の入力端子R,S,Tと交流スイッチSRU〜STWとの間をブスバー71,72,73によりそれぞれ最短距離にて接続することで、例えば出力相のU相については、図4に示されるd,e,fの電流経路の配線インダクタンスを小さくすることができる。
つまり、ある入力相(例えばR相)に接続されるフィルタ24と、当該R相に接続される一の交流スイッチSRUと、この交流スイッチSRUと出力相が同一(例えばU相)であって他の入力相(例えばS相)に接続される他の交流スイッチSSUとを有する電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにし、これによって配線インダクタンスを最小にすることができる。
【0026】
なお、フィルタコンデンサ24を各相ごとに分散配置しても良い点、交流スイッチモジュール51,52,53を1モジュール構成としても良い点、及び、ブスバーの代わりにツイスト線を用いても良い点は第2実施形態と同様である。
また、N相については、中性点電位以外に装置のフレーム等から接地電位を引き出してもよい。
【0027】
次に、図5は本発明の第4実施形態を示すものであり、請求項3,4に記載した発明に相当する。
この実施形態は3相V結線とした例であり、3相V結線では、交流スイッチ81〜84からなる交流スイッチ群80を図5のように接続する。すなわち、3相の入力端子のうち1相(例えばS相)を出力相の1相(例えばV相)に接続し、他の入力相(R相、T相)と他の出力相(U相、W相)との間、及び、各出力相間(U相−V相間、V相−W相間)に、それぞれ交流スイッチ81,84,82,83を接続して3相V結線とする。なお、交流スイッチ81〜84の構成は、前述した図6(b)と同様である。
【0028】
図示されていないが、この実施形態でもブスバー71,72,73及び共通ブスバー74を絶縁したうえ積層して配置し、異なる相のブスバーを流れる電流が互いに逆方向になるようにすると共に、各相の入力端子R,S,Tと交流スイッチSRU〜STWとの間をブスバー71,72,73によりそれぞれ最短距離にて接続し、所定の電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにすることで、図5におけるg,h,iの電流経路の配線インダクタンスを小さくする。
なお、本実施形態では、第2実施形態と同様に中性点を引き出さずに構成してもよい。
【0029】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、交流−交流直接変換形電力変換装置において、ある入力相に接続されるフィルタと、当該入力相に接続される一の交流スイッチと、この交流スイッチと出力相が同一であって他の入力相に接続される他の交流スイッチとを有する電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにしたため、配線インダクタンスを減少させることができる。特に、上記電流経路を積層状の複数のブスバーにより形成してその一部に互いに逆方向に電流が流れるようにすれば、磁束が打ち消されて配線インダクタンスの低減に一層効果的である。
この結果、大形のスナバ回路を設けなくても交流スイッチに過大なサージ電圧が発生せず、交流スイッチの破壊を防いで安価かつ小型の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実施形態の構成図である。
【図2】本発明の第2実施形態の構成図である。
【図3】本発明の第3実施形態の構成図である。
【図4】本発明の第3実施形態における出力相1相分の等価回路図である。
【図5】本発明の第4実施形態における全体の等価回路図である。
【図6】マトリクスコンバータの構成図である。
【図7】マトリクスコンバータにおける交流スイッチの配置構造を示す図である。
【図8】マトリクスコンバータにおける出力相1相分の等価回路図図である。
【符号の説明】
SRU,SRV,SRW,SSU,SSV,SSW,STU,STV,STW:交流スイッチ
Sa,Sb:半導体スイッチング素子
Da,Db:ダイオード
11,12:端子台
21,22,23,24:フィルタコンデンサ
30:中央部分
31,32,33,61,62,63,71,72,73:ブスバー
40,74:共通ブスバー
51,52,53:交流スイッチモジュール
80:交流スイッチ群
81,82,83,84::交流スイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、多相交流入力から直流に変換することなく多相交流出力を得る交流−交流直接変換形電力変換装置に関し、特に、配線インダクタンスの減少を可能にした電力変換装置の構成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図6は、従来技術として、3相入力から3相出力を得るマトリクスコンバータの回路構成を示している。電源側の入力相及び入力端子をR,S,Tとし、負荷側の出力相及び出力端子をU,V,Wと称して、その構成及び動作を以下に説明する。
【0003】
図6(a)において、電源側の入力端子Rには交流スイッチ(双方向スイッチ)SRU,SRV,SRWの各一端が接続され、入力端子Sには交流スイッチSSU,SSV,SSWの各一端が接続され、入力端子Tには交流スイッチSTU,STV,STWの各一端が接続されており、交流スイッチSRU,SSU,STUの各他端は一括して負荷側の出力端子Uに、同SRV,SSV,STVの各他端は一括して負荷側の出力端子Vに、同SRW,SSW,STWの各他端は一括して負荷側の出力端子Wにそれぞれ接続されている。
【0004】
上記交流スイッチSRU〜STWは、図6(b)に示すように、例えばダイオードDa,Dbが逆並列接続されたIGBT等の単方向の半導体スイッチング素子Sa,Sbを逆直列に接続したり、逆耐圧能力がある場合には半導体スイッチング素子Sa,Sbだけを逆並列に接続して構成されている。
【0005】
図7は、交流スイッチSRU〜STWの配置構造を示す図であり、前記単方向半導体スイッチング素子Sa,Sbからなる9個の交流スイッチSRU〜STWがマトリクス状に配置されている。なお、交流スイッチSRU〜STWのゲート駆動回路については、本発明に関わる部分ではないため説明を省略する。
このマトリクスコンバータでは、入力側に交流フィルタFを設け、3相交流入力から、交流スイッチSRUをはじめとする9個の交流スイッチSRU〜STWがオン、オフを繰り返すスイッチング動作を行うことにより、所望の3相交流出力を得ている。
【0006】
なお、この種のマトリクスコンバータは、例えば下記の特許文献に「同期電動機の駆動制御装置」として記載されている。
【0007】
【特許文献1】
特開平11−18489号公報(図1,図4,図5等)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
次に、図8は、前記マトリクスコンバータにおいて、電源側のR,S,T相から交流スイッチSRU,SSU,STUを介して負荷側のU相に至る回路を等価的に示したものである。マトリクスコンバータでは、図8に示すように、各相の入力電源VR,VS,VTと交流スイッチSRU,SSU,STUとの間に配線のインダクタンスLR,LS,LTが存在する。これらの配線インダクタンスLR,LS,LTの大きさは、電流経路(図8の電流経路a,b,c)の長さが長くなるほど、言い換えれば、上記電流経路によって包囲される面積が大きくなるほど増加する。
【0009】
上記配線インダクタンスは、交流スイッチがオフしたときに過大なサージ電圧を発生して交流スイッチを破壊する場合がある。また、交流スイッチをサージ電圧から保護するために、交流スイッチ近辺に抵抗、コンデンサ、ダイオード等からなるスナバ回路等の保護回路を設けることは、装置の大型化につながり、コストが上昇する。
そこで本発明は、配線インダクタンスをできるだけ小さくして交流スイッチの破壊や装置の大型化、コスト上昇を防止するようにしたマトリクスコンバータ等の交流−交流直接変換形電力変換装置を提供しようとするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1に記載した発明は、多相の入力端子と多相の出力端子との間に接続された複数の交流スイッチと、装置の配線インダクタンスに蓄えられたエネルギーを吸収するフィルタとを備え、前記交流スイッチのオン、オフ動作により多相交流入力を多相交流出力に直接変換する交流−交流直接変換形電力変換装置において、
ある入力相に接続される前記フィルタと、当該入力相に接続される一の交流スイッチと、この交流スイッチと出力相が同一であって他の入力相に接続される他の交流スイッチとを有する電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにして前記配線インダクタンスを小さくするものである。
【0011】
請求項2に記載した発明は、請求項1に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
中性点電位または接地電位を有する導体と各相の入力端子との間に前記フィルタを接続したものである。
【0012】
請求項3に記載した発明は、請求項1に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
入出力の相数が同一であり、多相の入力端子のうち1相の入力端子を出力端子に直接接続すると共に、多相の入力端子のうち残りの相の入力端子をそれぞれ交流スイッチを介して同数の出力端子にそれぞれ接続し、かつ、すべての出力端子間に別の交流スイッチをそれぞれ接続したものである。
すなわち、例えば3相入出力の交流−交流直接変換形電力変換装置において、入力相の1相(例えばS相)を出力相の1相(例えばV相)に接続し、他の入力相(R相、T相)と他の出力相(U相、W相)との間、及び、各出力相間(U相−V相間、V相−W相間)にそれぞれ交流スイッチを接続して3相V結線とするものである。
【0013】
また、請求項4に記載した発明は、請求項1,2または3に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
前記電流経路の一部を、互いに逆方向に電流が流れる導体を絶縁したうえ積層して構成したものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態を示す上面図(図1(a))、側面図(同(b))及び正面図(同(c))である。この実施形態は、請求項1,4に記載した発明に相当する。
これらの図において、11は電源側の入力端子R,S,T及び中性点端子Nが配置される端子台、12は負荷側の出力端子U,V,Wが配置される端子台であり、入力端子R,S,Tと中性点端子Nとの間には、フィルタコンデンサ21,22,23がスター結線されている。なお、フィルタコンデンサ21,22,23は、入力端子R,S,Tの相互間にそれぞれ接続してΔ結線としても良い。上記フィルタコンデンサ21,22,23は入力電圧を平滑すると共に、配線インダクタンスに蓄積されたエネルギーを吸収する作用をなす。
【0015】
また、入力端子Rには、複数の直線部分を折曲してほぼ櫛状に形成された銅製のブスバー31の一端が接続されており、その3つの他端は交流スイッチSRU,SRV,SRW内の一方の半導体スイッチング素子Saにそれぞれ接続され、交流スイッチSRU,SRV,SRW内の他方の半導体スイッチング素子Sbは、共通ブスバー40を介して出力端子U,V,Wにそれぞれ接続されている。
入力端子Tにも、同じく複数の直線部分を折曲してほぼ櫛状に形成された銅製のブスバー33の一端が接続されており、その3つの他端は交流スイッチSTU,STV,STW内の一方の半導体スイッチング素子Saにそれぞれ接続され、交流スイッチSTU,STV,STW内の他方の半導体スイッチング素子Sbは、共通ブスバー40を介して出力端子U,V,Wにそれぞれ接続されている。
【0016】
更に、入力端子Sには、ほぼ直線状のブスバー32(図1(b),(c)参照)の一端が接続され、その3つの他端は交流スイッチSSU,SSV,SSW内の一方の半導体スイッチング素子Saにそれぞれ接続され、交流スイッチSSU,SSV,SSW内の他方の半導体スイッチング素子Sbは、共通ブスバー40を介して出力端子U,V,Wにそれぞれ接続されている。
なお、これらの入力端子R,S,T、出力端子U,V,W間の9個の交流スイッチSRU〜STWの電気的な接続状態は、図7と同様であり、図1のフィルタコンデンサ21〜23は図7における交流フィルタFに相当する。
【0017】
ここで、ブスバー31,32,33,40は、入力端子R,S,Tと出力端子U,V,Wとの間で各交流スイッチSRU〜STWをできるだけ短い距離で接続するように直線部分のみからなっていると共に、図1(c)の中央部分30では、3本のブスバー31,32,33が適宜な間隔をおいて絶縁されたうえ、上下に積層される構造となっている。
また、ある入力相(例えばR相)の入力端子Rに接続されるフィルタコンデンサ21と、当該R相に接続される一の交流スイッチ(例えばSRU)と、この交流スイッチSRUと出力相が同一(例えばU相)であって他の入力相(例えばS相)の入力端子Sに接続される他の交流スイッチ(例えばSSU)とを有する電流経路が最小になるように構成されており、言い換えればその電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにして当該電流経路の配線インダクタンスを小さくするように配慮されている。この構造は、他の入力相、フィルタコンデンサ、交流スイッチ、出力相についても同様である。
【0018】
ここで、前記中央部分30では、図8から明らかなごとく、異なる相のブスバーにはそれぞれ逆方向に電流が流れるため磁束が打ち消し合うので、入力端子R,S,Tと交流スイッチSRU〜STWとの間の配線インダクタンスを減少させることができ、本実施形態では、既に述べたごとく前述の電流経路によって囲まれる面積を最小にすることと相まって、回路全体の配線インダクタンスを低減することができる。
【0019】
次に、図2は本発明の第2実施形態を示しており、この実施形態も請求項1,4に記載した発明に相当する。
本実施形態では、出力端子U,V,Wにそれぞれ接続される各3個の交流スイッチを1個の交流スイッチモジュールとして一体化し、全体で3個の交流スイッチモジュール51,52,53を形成する。例えば、出力側のU相を例にとると、3個の交流スイッチSRU,SSU,STUを1パッケージとして交流スイッチモジュール51を構成する。
【0020】
また、平板で直線状の銅製のブスバー61,62,63が交流スイッチモジュール51,52,53の端部において互いに絶縁されたうえ3段に積層配置されており、入力端子R,S,Tと交流スイッチモジュール51,52,53内の交流スイッチSRU〜STWとは、前記ブスバー61,62,63を介してそれぞれ接続されている。
入力側のフィルタコンデンサ24は、例えば1個のモジュール52の入力端子R,S,Tに近接して3相分を集中的に配置するか、各モジュール51,52,53に1相分ずつ分散して配置する。
【0021】
この実施形態においても、異なる相のブスバーにはそれぞれ逆方向に電流が流れると共に、交流スイッチSRU,SRV,SRW同士をブスバー61により、同SSU,SSV,SSW同士をブスバー62により、同STU,STV,STW同士をブスバー63によりそれぞれ最短距離にて接続することで、ある入力相に接続されるフィルタと、当該入力相に接続される一の交流スイッチと、この交流スイッチと出力相が同一であって他の入力相に接続される他の交流スイッチとを有する電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにし、これによって配線インダクタンスを最小にすることができる。
【0022】
なお、本実施形態において、交流スイッチモジュール51,52,53を一つにまとめ、各出力相をモジュール内部で絶縁して1モジュール構成とすることもできる。また、ブスバーの代わりにツイスト線を用いてもよい。
【0023】
次いで、図3、図4は本発明の第3実施形態を示している。この実施形態は、請求項2,4に記載した発明に相当する。
本実施形態でも、図3に示すごとく、第2実施形態と同様に3個の交流スイッチモジュール51,52,53を形成し、入力端子R,S,Tと交流スイッチモジュール51,52,53内の交流スイッチSRU〜STWとが、ブスバー71,72,73を介してそれぞれ接続されている。
【0024】
更にこの実施形態では、入力相に中性点を設け、この中性点をN相として共通ブスバー74により前記ブスバー71〜73と並設して3相4線式とする。
そして、共通ブスバー74と各相の入力端子R,S,Tとの間には、図4に示すようにフィルタコンデンサ24がスター結線される。なお、図4は入力端子R,S,Tと出力端子Uとの間の1相分(U相)の接続状態を示したものである。
【0025】
この実施形態においても、異なる相のブスバーにはそれぞれ逆方向に電流が流れ、また、各相の入力端子R,S,Tと交流スイッチSRU〜STWとの間をブスバー71,72,73によりそれぞれ最短距離にて接続することで、例えば出力相のU相については、図4に示されるd,e,fの電流経路の配線インダクタンスを小さくすることができる。
つまり、ある入力相(例えばR相)に接続されるフィルタ24と、当該R相に接続される一の交流スイッチSRUと、この交流スイッチSRUと出力相が同一(例えばU相)であって他の入力相(例えばS相)に接続される他の交流スイッチSSUとを有する電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにし、これによって配線インダクタンスを最小にすることができる。
【0026】
なお、フィルタコンデンサ24を各相ごとに分散配置しても良い点、交流スイッチモジュール51,52,53を1モジュール構成としても良い点、及び、ブスバーの代わりにツイスト線を用いても良い点は第2実施形態と同様である。
また、N相については、中性点電位以外に装置のフレーム等から接地電位を引き出してもよい。
【0027】
次に、図5は本発明の第4実施形態を示すものであり、請求項3,4に記載した発明に相当する。
この実施形態は3相V結線とした例であり、3相V結線では、交流スイッチ81〜84からなる交流スイッチ群80を図5のように接続する。すなわち、3相の入力端子のうち1相(例えばS相)を出力相の1相(例えばV相)に接続し、他の入力相(R相、T相)と他の出力相(U相、W相)との間、及び、各出力相間(U相−V相間、V相−W相間)に、それぞれ交流スイッチ81,84,82,83を接続して3相V結線とする。なお、交流スイッチ81〜84の構成は、前述した図6(b)と同様である。
【0028】
図示されていないが、この実施形態でもブスバー71,72,73及び共通ブスバー74を絶縁したうえ積層して配置し、異なる相のブスバーを流れる電流が互いに逆方向になるようにすると共に、各相の入力端子R,S,Tと交流スイッチSRU〜STWとの間をブスバー71,72,73によりそれぞれ最短距離にて接続し、所定の電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにすることで、図5におけるg,h,iの電流経路の配線インダクタンスを小さくする。
なお、本実施形態では、第2実施形態と同様に中性点を引き出さずに構成してもよい。
【0029】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、交流−交流直接変換形電力変換装置において、ある入力相に接続されるフィルタと、当該入力相に接続される一の交流スイッチと、この交流スイッチと出力相が同一であって他の入力相に接続される他の交流スイッチとを有する電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにしたため、配線インダクタンスを減少させることができる。特に、上記電流経路を積層状の複数のブスバーにより形成してその一部に互いに逆方向に電流が流れるようにすれば、磁束が打ち消されて配線インダクタンスの低減に一層効果的である。
この結果、大形のスナバ回路を設けなくても交流スイッチに過大なサージ電圧が発生せず、交流スイッチの破壊を防いで安価かつ小型の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実施形態の構成図である。
【図2】本発明の第2実施形態の構成図である。
【図3】本発明の第3実施形態の構成図である。
【図4】本発明の第3実施形態における出力相1相分の等価回路図である。
【図5】本発明の第4実施形態における全体の等価回路図である。
【図6】マトリクスコンバータの構成図である。
【図7】マトリクスコンバータにおける交流スイッチの配置構造を示す図である。
【図8】マトリクスコンバータにおける出力相1相分の等価回路図図である。
【符号の説明】
SRU,SRV,SRW,SSU,SSV,SSW,STU,STV,STW:交流スイッチ
Sa,Sb:半導体スイッチング素子
Da,Db:ダイオード
11,12:端子台
21,22,23,24:フィルタコンデンサ
30:中央部分
31,32,33,61,62,63,71,72,73:ブスバー
40,74:共通ブスバー
51,52,53:交流スイッチモジュール
80:交流スイッチ群
81,82,83,84::交流スイッチ
Claims (4)
- 多相の入力端子と多相の出力端子との間に接続された複数の交流スイッチと、装置の配線インダクタンスに蓄えられたエネルギーを吸収するフィルタとを備え、前記交流スイッチのオン、オフ動作により多相交流入力を多相交流出力に直接変換する交流−交流直接変換形電力変換装置において、
ある入力相に接続される前記フィルタと、当該入力相に接続される一の交流スイッチと、この交流スイッチと出力相が同一であって他の入力相に接続される他の交流スイッチとを有する電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにして前記配線インダクタンスを小さくすることを特徴とする交流−交流直接変換形電力変換装置の構成方法。 - 請求項1に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
中性点電位または接地電位を有する導体と各相の入力端子との間に前記フィルタを接続したことを特徴とする交流−交流直接変換形電力変換装置の構成方法。 - 請求項1に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
入出力の相数が同一であり、多相の入力端子のうち1相の入力端子を出力端子に直接接続すると共に、多相の入力端子のうち残りの相の入力端子をそれぞれ交流スイッチを介して同数の出力端子にそれぞれ接続し、かつ、すべての出力端子間に別の交流スイッチをそれぞれ接続したことを特徴とする交流−交流直接変換形電力変換装置の構成方法。 - 請求項1,2または3に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
前記電流経路の一部を、互いに逆方向に電流が流れる導体を絶縁したうえ積層して構成したことを特徴とする交流−交流直接変換形電力変換装置の構成方法。
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