JP2005065412A

JP2005065412A - 電力変換装置のスタック構造

Info

Publication number: JP2005065412A
Application number: JP2003292440A
Authority: JP
Inventors: Akitake Takizawa; 聡毅滝沢
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】インバータ等の電力変換装置の直流中間のブスバーを低インダクタンス化し、サージ電圧や放射ノイズの低減化を図る。
【解決手段】ＩＧＢＴモジュール１１と第１のコンデンサ群１４，１５とを結線する負側電位用導体３６と、同じく正側電位用導体３７と、ＩＧＢＴモジュール１１と第２のコンデンサ群１２，１３とを結線する負側電位用導体３８とを設け、第２のコンデンサ群１２，１３の正側電位は導体３７と共通にする。すなわち、第２のコンデンサ群１２，１３を従来のように平面的ではなく、第１のコンデンサ群１４，１５の例えば上部に空間的（立体的）に配置することにより、インダクタンス値の低減化を図る。
【選択図】図１−１

Description

この発明は、電力用半導体モジュールを使用した電力変換装置のスタック構造に関する。

図３に一般的なインバータの主回路図を示す。１は交流を直流に変換するダイオード整流器、２は直流平滑用コンデンサで、通常大容量の電解コンデンサが使用される。３はモータなどの負荷、４は電力用半導体で構成されるインバータ部である。また、５は電力用半導体としてのＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）、６はこれに逆並列に接続されるダイオードで、これらが６回路で構成されている。電力用半導体モジュールは通常上下アーム２素子分を１組とするか、または６素子分を１組としており、インバータ構成とする場合は、２素子入りのモジュールを３並列接続するか、または６素子入りのものをそのまま使用する（図は６素子入りの例を示す）。

図４に正側直流端子（ｐ）７および負側直流端子（ｎ）８が、ともにモジュールの或る一辺側に配置された２素子入り電力用半導体モジュール外観図の１例を示す。このようなモジュールでは、出力端子（ｕ）９は図示のように、直流端子の対向側に設置されているのが一般的である。なお、１０は上アーム側および下アーム側ＩＧＢＴのゲート制御端子である。

図５に複数のコンデンサと電力用半導体モジュールとを結線したスタック外観図を示す。これは、電力用半導体モジュール１１（２素子入りモジュール３台または６素子入りモジュール１台）と、４並列接続された電解コンデンサ１２，１３，１４，１５による構成を示す。このときの電気回路図を図６に、また、図７に側面から見た図、図８に上面からみた図をそれぞれ示す。

図７，図８に示すように、結線用導体として、正側電位用と負側電位用の２電位分の導体１６（Ｐ），１７（Ｎ）が必要となる。また、導体１６と１７は低インダクタンス化を図るため、図示されない絶縁材をはさんで並行に近接した配線構造（ラミネート構造）を採るのが普通である。なお、図６のインダクタンス１８，１９，２０，２１（Ｌ１〜Ｌ４）は、各導体の等価的な漏れインダクタンスを示している。この例は、２００Ｖ入力系で直流電圧Edが３００Ｖ程度のインバータを代表するものである。

図９，図１０に電力用半導体モジュール２２と、２直列２並列（２つが並列接続されたものが２つ直列）接続された電解コンデンサ２３，２４，２５，２６による構成の側面図，上面図をそれぞれ示し、このときの電気回路図を図１１に示す。図９，図１０に示すように、結線用導体として、正側電位用と負側電位用と中間電位用の３電位分の導体２７（Ｐ），２８（Ｎ），２９（Ｍ）が必要となる。また、図７，図８と同様、これらの導体はラミネート構造を採るのが普通である。なお、図１１のインダクタンス３０，３１，３２，３３，３４（Ｌ５〜Ｌ９）は、各導体の等価的な漏れインダクタンスを示している。この例は、４００Ｖ入力系で直流電圧Ｅｄが６００Ｖ程度のインバータを代表するものである。以上ような結線構造は、例えば引用文献１に開示されている。

特開平１１−０９８８１５号公報（第３−４頁、図1−３）

しかし、図８や図１０のようなスタック構造の場合、電解コンデンサ１２，１３や２３，２４は電力用半導体モジュール１１から遠く、漏れインダクタンスＬ１〜Ｌ４，Ｌ５〜Ｌ９があるため、このインダクタンス分が大きいと、ＩＧＢＴには下記（１）式に基づき高いサージ電圧が（Ｖ_surge）が印加されたり、導体長が長いため導体自体がアンテナとなり、放射ノイズが増大するという問題がある。
Ｖ_surge＝Ｅｄ＋Ｌ・ｄｉ／ｄｔ …（１）

そのため、従来はサージ電圧を抑えるスナバ回路を接続したり、放射ノイズに対してはシールドを設けるなどの対策が必要で、装置が大型化し，コストアップするという問題が発生する。
したがって、この発明の課題は、サージ電圧や放射ノイズを、装置を大型化，コストアップさせることなく低減することにある。

このような課題を解決するために、請求項１の発明では、電力変換装置の直流部に接続される複数の直流平滑用コンデンサを、電力用半導体素子に結線する第１の電位用としての第１の導体を板状の平面構造とし、第２の電位用としての第２の導体を前記第１の導体とほぼ同形でラミネート化が可能な導体部と、前記ラミネート化が可能な導体部と電気的に接続され垂直方向に伸びる導体部とを組み合わせたほぼＴ字形構造とし、さらに、第３の電位用としての第３の導体を前記第２の導体の水平方向と垂直方向のそれぞれとラミネート化が可能なようなほぼＬ字形構造とし、前記複数の直流平滑用コンデンサのうちの第１の直流平滑用コンデンサ群を前記第１の導体および第２の導体と結線し、第２の直流平滑用コンデンサ群を前記第２の導体および第３の導体と結線し、第１の導体と第３の導体とを電気的に短絡したことを特徴とする。

請求項２の発明では、電力変換装置の直流部に接続される複数の直流平滑用コンデンサを、電力用半導体素子に結線する第１の電位用としての第１の導体を板状の平面構造とし、第２の電位用としての第２の導体を前記第１の導体の一部または全部とラミネート化が可能な導体部と、前記ラミネート化が可能な導体部と電気的に接続され垂直方向に伸びる導体部とを組み合わせたほぼＴ字形またはＬ字形構造とし、さらに、第３の電位用としての第３の導体を前記第１の導体と第２の導体の垂直方向の導体部にラミネート化が可能なようなほぼＬ字形またはＴ字形構造とし、前記複数の直流平滑用コンデンサのうちの第１の直流平滑用コンデンサ群を前記第１の導体および第３の導体と結線し、第２の直流平滑用コンデンサ群を前記第２の導体および第３の導体と結線したことを特徴とする。

この発明によれば、電力用半導体モジュールと電解コンデンサ間を配線する導体長が短くなるので、本配線間のインダクタンス値が小さくなり、その結果電力用半導体モジュールとしての、ＩＧＢＴがスイッチングする際に発生するサージ電圧や放射ノイズが低減する。これにより、スナバ回路の省略や放射ノイズ対策としてのシールド材が不要になるなど、装置の小型化，低コスト化が実現できる。

図１−１，図１−２はそれぞれこの発明の第１の実施の形態を示す側面図，上面図である。ただし、上面図は１相分のみを示している。
すなわち、ＩＧＢＴモジュールと直流平滑用コンデンサとを結線する導体は、第１のコンデンサ群１４，１５とＩＧＢＴモジュール１１とを結線する負側電位用導体Ｎ２（３６）、同じく正側電位用導体Ｐ（３７）および第２のコンデンサ群１２，１３とＩＧＢＴモジュール１１とを結線する負側電位用導体Ｎ１（３８）により構成し、第２のコンデンサ群１２，１３の正側電位は、導体３７と共通である。

各導体の形状は図１−１のように、Ｎ２（３６）は平面構造、Ｐ（３７）はＴ（逆Ｔ）字構造、Ｎ１（３８）はＬ字構造とし、第２のコンデンサ群１２，１３は、図７に示す従来例に対し第１のコンデンサ群１４，１５の上部に配置して構成される。なお、各導体間は低インダクタンス化のため近接させており、図示されない絶縁材を挟む構造となっている。また、導体Ｎ１とＮ２は電位的に同電位とするため、図１−２のように螺子などの導電体３９によりＩＧＢＴのｎ出力端子部で短絡されている。
以上より、構造的には図７の従来例に対し、第２のコンデンサ群１２，１３とＩＧＢＴモジュール１１間の配線距離が短くなった構造といえる。

図１−４に図１−１（図１−２）に対する等価回路図を示す。符号４０〜４４（Ｌ１０〜Ｌ１４）が各導体の漏れインダクタンスを示す。各インダクタンス値は、図６に示す等価回路図の場合と比べて（２）式〜（５）式のような関係となり、トータルのインダクタンスは（６）式のように、第２のコンデンサ群に関連のインダクタンスが低減する分、従来のものより低減することになる。

Ｌ１≒Ｌ１０＋Ｌ１２ …（２）
Ｌ１＋Ｌ２＞Ｌ１０＋Ｌ１１ …（３）
Ｌ４≒Ｌ１３ …（４）
Ｌ３＋Ｌ４＞Ｌ１４ …（５）
Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＞Ｌ１０＋（Ｌ１１＋Ｌ１４）／／（Ｌ１２＋Ｌ１３）
…（６）
なお、（６）式の「／／」は並列であることを示す。

図１−３に図１−１の変形例を示す。
これは、第２のコンデンサ群の位置を、図１−１に対してＰ導体とＮ１導体を挟んで、反対側に設置した例である。インダクタンス値としては、図１−１のものに対しＰ導体とＮ１導体で若干のプラスマイナスがあるが、トータルインダクタンスは図１−１とほぼ同様となり、従来のものよりも低減する。

図２−１，図２−２はそれぞれこの発明の第２の実施の形態を示す側面図，上面図である。ただし、上面図は１相分のみを示している。
すなわち、ＩＧＢＴモジュールと直流平滑用コンデンサとを結線する導体は、第１のコンデンサ群２５，２６とＩＧＢＴモジュール１１とを結線する負側電位用導体Ｎ（４５），第２のコンデンサ群２３，２４とＩＧＢＴモジュール１１とを結線する正側電位用導体Ｐ（４６）および第１のコンデンサ群２５，２６と第２のコンデンサ群２３，２４とを結線する中間電位用導体Ｍ（４７）により構成する。

各導体の形状は図２−１のように、Ｎ（４５）は平面構造、Ｐ（４６）とＭ（４７）はＬ字構造とし、第２のコンデンサ群２３，２４は、図９に示す従来例に対し第１のコンデンサ群２５，２６の上部に配置して構成される。なお、各導体間は低インダクタンス化のため近接させており、図示されない絶縁材を挟む構造となっている。構造的には図９の従来例に対し、第２のコンデンサ群２３，２４とＩＧＢＴモジュール１１間の配線距離が短くなった構造といえる。

図２−３，図２−４は第２の発明の第２，第３の実施例を示す。
図２−３は導体Ｐを導体ＭとＮの間に挟み、その形状をＴ（逆Ｔ）字構造にしたものであり、図２−４は導体Ｍを導体ＰとＮの間に挟み、その形状をＴ（逆Ｔ）字構造にしたものである。図２−１に比べ各導体の自己インダクタンス値や相互インダクタンス値が若干異なるが、原理的には同じなので以下の説明は図２−１について行なうこととする。

図２−６に図２−１の等価回路図を示す。同図の符号４８〜５０（Ｌ１５〜Ｌ１７）は各導体の漏れインダクタンスを示す。各インダクタンス値は、図６に示す等価回路図の場合と比べて（２）式〜（５）式のような関係となり、トータルのインダクタンスは（６）式のように、第２のコンデンサ群に関連のインダクタンスが低減する分、従来のものより低減することになる。

Ｌ６＋Ｌ５＞Ｌ１５ …（７）
Ｌ７≒Ｌ１６ …（８）
Ｌ８＋Ｌ９＞Ｌ１７ …（９）
Ｌ５＋Ｌ６＋Ｌ７＋Ｌ８＋Ｌ９＞Ｌ１５＋Ｌ１６＋Ｌ１７ …（１０）

図２−５に図２−１の変形例を示す。
これは、第２のコンデンサ群の位置を、図２−１に対してＰ導体とＭ導体を挟んで、反対側に設置した例である。インダクタンス値としては、図２−１のものに対しＰ導体とＭ導体で若干のプラスマイナスがあるが、トータルインダクタンスは図２−１とほぼ同様となり、従来のものよりも低減する。

この発明の第１の実施の形態を示す側面図この発明の第１の実施の形態を示す上面図図１−１の変形例を示す側面図図１−１の場合の等価回路図この発明の第２の実施の形態を示す側面図この発明の第２の実施の形態を示す上面図この発明の第２の実施の形態の第１の実施例を示す側面図この発明の第２の実施の形態の第２の実施例を示す側面図この発明の第２の実施の形態の変形例を示す側面図この発明の第２の実施の形態の等価回路図一般的なインバータ主回路図２素子入り半導体モジュールの外観図スタック外観図図２−１の場合の等価回路図スタック側面図スタック上面図スタック側面図スタック上面図図９の場合の等価回路図

符号の説明

１１…電力用半導体モジュール（ＩＧＢＴ）、１２，１３，１４，１５…直流平滑用（電解）コンデンサ、１６，１７…導体、３６（Ｎ２），３８（Ｎ１），４５（Ｎ）…負側電位用導体、３７，４６（Ｐ）…正側電位用導体、３９…螺子、４０，４１，４２，４３，４４，４８，４９，５０…インダクタンス、４７（Ｍ）…中間電位用導体。

Claims

電力変換装置の直流部に接続される複数の直流平滑用コンデンサを、電力用半導体素子に結線する第１の電位用としての第１の導体を板状の平面構造とし、第２の電位用としての第２の導体を前記第１の導体とほぼ同形でラミネート化が可能な導体部と、前記ラミネート化が可能な導体部と電気的に接続され垂直方向に伸びる導体とを組み合わせたほぼＴ字形構造とし、さらに、第３の電位用としての第３の導体を前記第２の導体の水平方向と垂直方向の導体部のそれぞれとラミネート化が可能なようなほぼＬ字形構造とし、前記複数の直流平滑用コンデンサのうちの第１の直流平滑用コンデンサ群を前記第１の導体および第２の導体と結線し、第２の直流平滑用コンデンサ群を前記第２の導体および第３の導体と結線し、第１の導体と第３の導体とを電気的に短絡したことを特徴とする電力変換装置のスタック構造。
電力変換装置の直流部に接続される複数の直流平滑用コンデンサを、電力用半導体素子に結線する第１の電位用としての第１の導体を板状の平面構造とし、第２の電位用としての第２の導体を前記第１の導体の一部または全部とラミネート化が可能な導体部と、前記ラミネート化が可能な導体部と電気的に接続され垂直方向に伸びる導体とを組み合わせたほぼＴ字形またはＬ字形構造とし、さらに、第３の電位用としての第３の導体を前記第１の導体と第２の導体の垂直方向の導体部にラミネート化が可能なようなほぼＬ字形またはＴ字形構造とし、前記複数の直流平滑用コンデンサのうちの第１の直流平滑用コンデンサ群を前記第１の導体および第３の導体と結線し、第２の直流平滑用コンデンサ群を前記第２の導体および第３の導体と結線したことを特徴とする電力変換装置のスタック構造。