JP2006333590A - Ａｃ−ａｃ電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マトリックスコンバータの交流スイッチング素子に付属するスナバ回路の責務を低減してユニット，装置盤の小形化が図れるようにその組立，配線構造を改良する。
【解決手段】交流スイッチング素子のオン，オフ制御により３相交流入力を所望の交流出力に変換するＡＣ−ＡＣ電力変換装置（マトリックスコンバータ）において、交流スイッチング素子として両端に端子を配したパッケージ構造になるＩＧＢＴモジュール、フィルタコンデンサには各相に分けたフィルムコンデンサを採用し、ユニットケース１３の内部に、端子の向きを左右に揃えて前記ＩＧＢＴモジュールを上下一列に整列して配置し、かつ各相のフィルムコンデンサをＩＧＢＴモジュール列の側方に近接して並置配備した上で、接続バー（平角導体）を介して各相のフィルムコンデンサをこれに対応するＩＧＢＴモジュールの入力端子に接続してΔ結線する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マトリックスコンバータとして知られているＡＣ−ＡＣ電力変換装置に関し、詳しくはそのユニットの組立構造に係わる。

近年になり、ＰＷＭコンバータとインバータを組合せた在来の電源装置に代わる次世代の電源装置としてマトリックスコンバータが注目され、その製品開発が進められている。
周知のように、マトリックスコンバータは複数の双方向交流スイッチング素子素子をマトリックス状に配置し、その交流スイッチング素子をオン，オフ制御して入力交流電圧を裁断／結合させることで、任意の交流電圧に変換して出力できるようにしたものである。
このマトリックスコンバータは、直流を介さずに直接ＡＣ−ＡＣ変換を行うため、コンバータとインバータを組合せた在来の電源装置に比べ運転損失も低くて省エネ効果が高く、またインバータ回路，およびコンバータとの間のＤＣリンク回路に配した大容量の平滑コンデンサ，直流リアクトルが不要となるので装置の小形化が可能であることから、垂直搬送機器（エレベータ）を始めとする各種産業機器に適用する電源装置への適用が期待されている。

次に、前記マトリックスコンバータのシステム概略を図４に示す。図において、１は３相交流電源、２は電動機などの負荷、３はマトリックスコンバータ、４はノーマルモードノイズ対策として電源ラインに接続して高調波を減衰させるフィルタ回路（ＡＣフィルタ）である。
ここで、マトリックスコンバータ３は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相に対応してマトリックス状に配置し、３相電源１に接続した合計９個の双方向交流スイッチング素子５を備えており、この双方向交流スイッチング素子５は、図５（ａ）のように半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴ５ａをダイオード５ｂと組合せて逆並列に接続するか、あるいは図５（ｂ）のうように逆阻止形ＩＧＢＴ５ｃの２素子を逆並列に接続したＩＧＢＴモジュールで構成されている。なお、図示してないが、交流スイッチング素子５のオン，オフに伴って発生するサージ電圧からＩＧＢＴを保護するために、交流スイッチング素子５の入力側および出力側にコンデンサ，ダイオードを組合せたスナバ回路を備えている。

また、フィルタ回路４はフィルタコンデンサ６，フィルタリアクトル７（直列リアクトル），フィルタ抵抗８の組合せたからなり、フィルタコンデンサ６として従来では、インバータ方式の電源装置に採用されているフィルタコンデンサと同様に、３組のコンデンサ素子（例えばオイルコンデンサ，電解コンデンサ）をスター結線してパッケージに収めた３相コンデンサ（市販品）の採用を想定している。
そして、各種産業機器に適用するマトリックスコンバータを構築するには、前記の交流スイッチング素子，スナバ回路部品をケース内に配置してユニット化し、このユニットをフィルタ回路部品（フィルタコンデンサ６，フィルタリアクトル７），制御回路部とともに装置盤に搭載して製品を構成するようにしている。
一方、マトリックスコンバータの組立構造に関して、入力端子と出力端子との間に接続する交流スイッチング素子，入力用フィルタコンデンサの配置，およびその相互間を接続するブスバーの配線経路を規定してユニットの配線インダクタンスを低め、交流スイッチング素子をサージ電圧から保護するようにした構成が本発明と同一出願人より先に提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−２３６３７４号公報

ところで、前記の特許文献１に開示されているマトリックスコンバータの組立構造は、各相に対応する交流スイッチング素子を碁盤目状に分散して配置し，フィルタコンデンサは入力側の端子台の近傍に配置して各相の入力端子と中性点端子との間にスター結線した上で、端子台の入力端子と各交流スイッチング素子との間に各相のブスバーを配線するようにしていることから、フィルタコンデンサから見て各相の交流スイッチング素子に至るブスバーの配線長さの短小化には限度がある。したがって、この配線構造を先記のようにサージ電圧抑制のために交流スイッチング素子（半導体スイッチング素子）にスナバ回路を組合せたマトリックスコンバータにそのまま適用すると、前記配線経路に敷設したブスバーの配線インダクタンスがスナバ回路の責務として加わるようになり、このためにスナバ回路のダイオード，コンデンサ部品が大形（スナバ回路部品はその責務にほぼ比例して大きさが決まる）になる。したがって、装置の小形化を推進するには、スナバ回路に対する責務の軽減対策も重要な課題となる。

また、前記のフィルタコンデンサについて、先記のように３相用のオイルコンデンサを採用してマトリックスコンバータのユニットに組み込もうとすると、フィルタコンデンサの占有スペースが大きくなるために、ユニット，およびユニットを収納する装置盤が大形化する問題もある。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は交流スイッチング素子に付属させるスナバ回路の責務を低減してユニット，装置盤の小形化が図れるようにユニットの組立，配線構造を改良したＡＣ−ＡＣ電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、入力端子と出力端子の間に、マトリックス状に組合せた双方向交流スイッチング素子、交流スイッチング素子のスナバ回路、および電源ラインのフィルタコンデンサを接続して構築したユニットになり、前記交流スイッチング素子のオン，オフ制御により３相交流入力を所望の交流出力に変換するＡＣ−ＡＣ電力変換装置において、
ユニットケースの内部に、端子の向きを左右に揃えて前記交流スイッチング素子を上下一列に整列して配置し、かつ各相に分けたフィルタコンデンサを交流スイッチング素子列の側方に近接して並置配備した上で、接続バーを介して各相のフィルタコンデンサをこれに対応する交流スイッチング素子の入力端子に接続してΔ結線するものとし（請求項１）、その具体的な態様として、
（１）Δ結線する各相のフィルタコンデンサに、フィルムコンデンサを採用する（請求項２）。
（２）双方向交流スイッチング素子を、逆並列接続のＩＧＢＴを搭載し、その入力，出力側端子を両端に配したパッケージ構造のＩＧＢＴモジュールで構成する（請求項３）。

上記のように、交流スイッチング素子としてパッケージ両端に入力，出力側端子を配したＩＧＢＴモジュールを上下一列に配列し、その側方に各相に分けたフィルタコンデンサを近接配置した上で、接続バーを介して各相のフィルタコンデンサを交流スイッチング素子の入力側端子との間でΔ結線することにより、接続バーの配線長さを短小にしてその配線インダクタンスを小さく抑え、これによりスナバ回路の責務を低減させてその回路部品を小形化できる。
また、３相分のフィルタコンデンサをΔ結線とすることにより、Ｙ結線に比べて各相のコンデンサ容量を１／３（Ｙ結線とΔ結線の置換）に低めることが可能となり、これによりオイルコンデンサなどに比べてサイズが小形で、かつ高周波の周波数特性，許容電流，耐圧性にも優れたフィルムコンデンサを採用してユニットを小形化できる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。
まず、本発明の実施例による主回路の結線図を図３に示す。図において、１は３相交流電源、２は負荷、３はマトリックスコンバータのユニット、４はユニット３の電源側に接続したフィルタ回路（フィルタコンデンサ６，フィルタリアクトル７，フィルタ抵抗８）、５は交流スイッチング素子（図５（ａ）に示したＩＧＢＴモジュール）、９は交流スイッチング素子５に対する入力側のスナバ回路、１０は出力側のスナバ回路、１１はユニット３の入力端子（Ｒ，Ｓ，Ｔ）、１２は出力端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ）である。
ここで、フィルタ回路４のフィルタコンデンサ６については、各相に分けてフィルムコンデンサ（市販品で外装角形）を採用した上で、後記のように交流スイッチング素子５，スナバ回路９，１０とともにユニットケース内に組み込んでコンデンサをΔ結線し、マトリックスコンバータのユニット３を構築するようにしている。

次に、前記したマトリックスコンバータのユニット３を構成する具体的な組立構造，およびその配線構造を図１，図２に示す。まず、図１はユニット３の部品配置を表した正面図であり、ユニットケース１３の内部中央にはＵ，Ｖ，Ｗ相に対応する合計９個の交流スイッチング素子５が上下に並べて配置されている。ここで、交流スイッチング素子５は、図５に示した逆並列接続のＩＧＢＴを搭載し、その入力，出力側端子を両端に配したパッケージ構造になるＩＧＢＴモジュールであり、図示のように端子の向きを左右に揃えて上下一列に整列して配置し、その両側に入力，出力側のスナバ回路９，１０を配置して端子に接続した上で、ブスバー（図示せず）を介してユニットケース１３の左右下部に配した入力端子１１と出力端子１２に接続している。
一方、図３で述べたように３相の各相別に分けたフィルタコンデンサ（フィルムコンデンサ）６は、上下に整列した交流スイッチング素子５の側方に近接してその入力側端子に対向配置している。なお、図示例では各相ごとに２個のフィルムコンデンサを並列接続し、合計６個のフィルムコンデンサを３組に分けてＵ，Ｖ，Ｗ相に対応する交流スイッチング素子５の側方に並置しているが、コンデンサの使用個数は２個に限定するものではなく、マトリックスコンバータの容量に応じて１個あるいは複数個を並列接続して使用するものとする。そして、各個のフィルタコンデンサ６の端子とこれに対応する交流スイッチング素子５の入力側端子との間に図２に示す接続バー１４を配線してΔ結線（図３参照）するようにしている。なお、１５は半導体スイッチング素子５の入力ラインに接続した保護用ヒューズである。

また、前記の接続バー１４は、その配線インダクタンスをできるだけ小さくするように断面積を定めた銅製の平角導体を使用し、交流スイッチング素子５の配列に沿ってスナバ回路９の裏側に重なるよう敷設し、その接続地点から側方に分岐した接続端部をスナバ回路９の端子に重ねてスイッチング素子の端子に共締めするようにしている。
上記実施例の組立，配線構造によれば、フィルタコンデンサ６と交流スイッチング素子５との間の配線長を最短化してスナバ回路の責務を低減し、スナバ回路を小形化できる。また、交流スイッチング素子５を上下一列に整列してその側方にフィルタコンデンサ６を各相に分けて配列したことでユニット３の構成がコンパクトになり、このユニット３を搭載する装置盤の横幅寸法も大幅に縮減できる。なお、図示してないが、ユニットケース１３は背面に交流スイッチング素子５の放熱フィンを装備し、装置盤に収納して送風冷却するようにしている。

本発明の実施例によるマトリックスコンバータのユニット組立構造の正面図 図１におけるフィルタコンデンサ／交流スイッチング素子間の配線構造を表す部分拡大図 図１に対応するマトリックスコンバータの結線図 マトリックスコンバータのシステム概略図 図４における双方向交流スイッチング素子に適用する半導体スイッチング素子の構成図で、（ａ）はＩＧＢＴをダイオードと組合せて逆並列に接続したＩＧＢＴモジュール、（ｂ）逆阻止形ＩＧＢＴの２素子を逆並列に接続したＩＧＢＴモジュールの回路図

符号の説明

１ ３相交流電源
２ 負荷
３ マトリックスコンバータユニット
４ フィルタ回路
５ 交流スイッチング素子
６ フィルタコンデンサ
９，１０ スナバ回路
１１ 入力端子
１２ 出力端子
１３ ユニットケース
１４ 接続バー

Claims (3)

1. 入力端子と出力端子の間に、マトリックス状に組合せた双方向交流スイッチ、交流スイッチのスナバ回路、および電源ラインのフィルタコンデンサを接続して構築したユニットになり、双方向交流スイッチのスイッチング制御により三相交流入力を所望の交流出力に変換するＡＣ−ＡＣ電力変換装置ものにおいて、
   ユニットケースの内部に、端子の向きを左右に揃えて前記交流スイッチング素子を上下一列に整列して配置し、かつ各相に分けたフィルタコンデンサを交流スイッチング素子列の側方に近接して並置配備した上で、接続バーを介して各相のフィルタコンデンサをこれに対応する交流スイッチング素子の入力端子に接続してΔ結線したことを特徴とするＡＣ−ＡＣ電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置において、各相のフィルタコンデンサがフィルムコンデンサであることを特徴とするＡＣ−ＡＣ電力変換装置。
3. 請求項１記載の電力変換装置において、双方向交流スイッチング素子が、逆並列接続のＩＧＢＴを搭載し、その入力，出力側端子を両端に配したパッケージ構造のＩＧＢＴモジュールであることを特徴とするＡＣ−ＡＣ電力変換装置。

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