JP2007053839A - スナバ回路及びこれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で比較的簡単な構造を有するスナバ回路とこれを用いた電力変換装置を提供する
【解決手段】 電力変換用スイッチング素子１のコレクタ１１に接続され、このコレクタ１１の直近位置に第１の張り出し部２Ａ１を有する第１のブスバー２Ａと、前記スイッチング素子のエミッタ１２に接続され、このエミッタ１２の直近位置に前記第１の張り出し部２Ａ１と平行に重なり合う第２の張り出し部２Ｂ１を有する第２のブスバー２Ｂと、前記第１の張り出し部２Ａ１と前記第２の張り出し部２Ｂ１との間に設けられた誘電性フィルム３と、前記第１のブスバー２Ａのインダクタンスを増加させるスナバリアクトル形成手段４とによりスナバ回路を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スナバ回路及びこれを用いた電力変換装置に係り、特に高周波で使用するスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置に関する。

スイッチング素子として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のような電圧駆動型半導体素子を主回路に適用した電力変換装置は広く用いられている。この電力変換装置は、スイッチング素子をあるスイッチング周波数でオン・オフさせることにより、直流電圧を交流電圧に変換するなどの機能を有している。

このような電力変換装置の出力電圧は、直流電圧をスイッチングした電圧波形であるため、スイッチング周波数に対応した周波数成分を含んでいる。この周波数成分はモータなどにストレスを与えるため、電力変換装置の出力側にフィルタ回路を設けてこの周波数成分を取り除くことが行われる。しかし、このフィルタ回路はサイズが大きく、そのため電力変換装置も大型になってしまう。

そこで、スイッチング速度を上げ、スイッチング周波数を高くすれば、フィルタ回路が小型となり、電力変換装置の小型化を図ることが可能となるが、スイッチングの際に発生するサージ電圧が増大する。このサージ電圧はスイッチング素子にダメージを与えるのでこれを吸収するためのスナバ回路（サージ吸収回路）が必要となる。スイッチング素子の周辺回路としてスナバ回路を設けると、この部分の容積が増大し、装置が大型となってしまう。そこでスナバ回路のコンデンサ部を小型化するため、ブスバーでコンデンサを押圧挟持することにより、高周波ノイズを効率的に吸収する方法が提案されている。（例えば特許文献１参照。）。
特開平０７−２１１５８５号公報（全体）

特許文献１に示された手法は、スナバ回路のコンデンサの小型化には寄与するが、構造が複雑となる上、スナバ回路全体としては、追加用品によるサイズの増大は避けられず、変換装置のサイズも大きくなってしまう。一方、小型化のためにスナバ回路を用いない電力変換装置があるが、この場合はスイッチングによるノイズを低減させることは困難である。

本発明は上記に鑑み為されたもので、小型で比較的簡単な構造を有するスナバ回路とこれを用いた電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のスナバ回路は、電力変換用スイッチング素子のコレクタに接続され、前記コレクタの直近位置に第１の張り出し部を有する第１のブスバーと、前記スイッチング素子のエミッタに接続され、前記エミッタの直近位置に前記第１の張り出し部と平行に重なり合う第２の張り出し部を有する第２のブスバーと、前記第１の張り出し部と前記第２の張り出し部との間に設けられた誘電性フィルムと、前記第１のブスバーのインダクタンスを増加させるスナバリアクトル形成手段とを具備したことを特徴としている。

また、本発明の電力変換装置は、１個または複数個のスイッチング素子と、このスイッチング素子のサージ電圧吸収用スナバ回路を備え、前記スナバ回路は、前記スイッチング素子のコレクタに接続され、前記コレクタの直近位置に第１の張り出し部を有する第１のブスバーと、前記スイッチング素子のエミッタに接続され、前記エミッタの直近位置に前記第１の張り出し部と平行に重なり合う第２の張り出し部を有する第２のブスバーと、前記第１の張り出し部と前記第２の張り出し部との間に設けられた誘電性フィルムと、前記第１のブスバーのインダクタンスを増加させるスナバリアクトル形成手段とを具備してなることを特徴としている。

本発明によれば、コンデンサやインダクタンスの機能を従来のブスバーに持たせるようにしたので、小型で比較的簡単な構造を有するスナバ回路とこれを用いた電力変換装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、図１及び図２を参照して本発明の第1の実施例に係るスナバ回路を説明する。図1は、本発明の第1の実施例に係るスナバ回路を示す構造図であり、図１（ａ）に全体の平面図を示す。

モジュール型ＩＧＢＴ１は、その上面部にコレクタ電極１１、エミッタ電極１２及びゲート電極１３を備え、取り付け穴１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ及び１４Ｄによりその底面部が図示しない電力変換装置のヒートシンク部に取り付けられている。このモジュール型ＩＧＢＴ１のコレクタ電極にブスバー２Ａ、エミッタ電極にブスバー２Ｂが取り付けボルト１１Ａ及び１２Ａにより夫々締付接続されている。ブスバー２Ａはブスバー２Ｂに対し、やや高い位置に取り付けられ、図１（ｂ）の斜視図に示したように、モジュール型ＩＧＢＴ１の直近部に張り出し部２Ａ１を設けている。ブスバー２Ｂにも同様に張り出し部２Ｂ１が設けられ、図１（ｃ）の断面図に示したように、張り出し部２Ａ１と張り出し部２Ｂ１は互いに上下に重なり合っている。そして、この重なり合った部分に誘電性フィルム３が挟まれている。

また、ブスバー２Ａにはコア４が設置されている。このコア４は通常はフェライトコアを使用する。このコア４はブスバー２Ａを囲むように取り付けるのが普通であるが、ブスバー２Ａの表面に接着剤などで貼り付けても良い。

本実施例の作用効果について図２を参照して以下に説明する。図２は本発明の機能を説明するための回路図である。

図２において、モジュール型ＩＧＢＴ１はスイッチング素子１Ａとこれと逆並列に接続されたダイオード１Ｂから構成されており、図１（ａ）には図示していないゲート抵抗２０を介してオンオフ駆動されている。モジュール型ＩＧＢＴ１のコレクタ側にはスナバリアクトル４Ａが直列に設けられ、コレクターエミッタ間に並列に接続されたスナバコンデンサ６と共にスナバ回路５を形成している。

ここで、スナバリアクトル４Ａは、図１（ａ）のブスバー２Ａとコア４に相当し、スイッチング素子１Ａのターンオン時には流れる電流のｄｉ／ｄｔを抑制する。また、スナバコンデンサ６は、図１（ｃ）に示したように、ブスバー２Ａの張り出し部２Ａ１とブスバー２Ｂの張り出し部２Ｂ１と、この間に挟まれた誘電性フィルム３とで構成され、スイッチング素子１Ａのターンオフ時のｄｖ／ｄｔあるいはサージ電圧を抑制する。スナバコンデンサ６の容量を増加させるには、ブスバー２Ａの張り出し部２Ａ１とブスバー２Ｂの張り出し部２Ｂ１の重なり合う面積を大きくすれば良い。

尚、上記張り出し部２Ａ１及び張り出し部２Ｂ１はブスバー２Ａ及びブスバー２Ｂと夫々一体の構造であっても、ハンダ等の接合材を介して接合したものであっても良い。

本実施例によれば、スナバコンデンサ６の電極として使用している導体がブスバーを流用しており、且つスイッチング素子１Ａの直近にスナバコンデンサ６を形成しているため、スナバコンデンサ６が小型になると共に、スナバコンデンサ６を接続するための直列インダクタンスを小さく抑えることができる。また、ブスバー２Ａに対し、コア４を付けることによってリアクトル４Ａを形成するようにしたので、リアクトル４Ａを小型化することが可能となる。

図３は本発明の実施例４に係るスナバ回路の平面図である。この実施例４の各部について、図１（ａ）の実施例１に係るスナバ回路の平面図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、コレクタ側のブスバー２Ａに迂回部２Ａ２を設け、この迂回部２Ａ２によりインダクタンスを得る構成とした点である。

実施例１ではインダクタンスを形成するためにコア４を用いて、ブスバー２Ａに流れる電流とコア４との鎖交磁束を増加させるようにしてスナバリアクトル４Ａを形成していたが、本実施例では、ブスバー自身のインダクタンスを大きくする導体構造としている。ブスバーの磁束が鎖交する領域が大きくなるとそのインダクタンスも大きくなる。そこで、本実施例ではブスバー２Ａに迂回部２Ａ２を設けた。

本実施例によれば、迂回部２Ａ２を設けることにより鎖交する磁束を大きくでき、インダクタンスも大きくできる。従って、コアが無くてもスナバリアクトル４Ａを得ることが可能である。尚、本実施例は特にスナバリアクトル４Ａのインダクタンスが小さい値でも良いような応用に適している。

図４は本発明の実施例３に係るスナバ回路の平面図である。この実施例３の各部について、図１（ａ）の実施例１に係るスナバ回路の平面図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、ブスバー２Ａをコレクタ電極１１の直近で曲げ、ブスバー２Ａとブスバー２Ｂとの横方向の距離を大きくするようにした点である。

本実施例の作用について以下に説明する。ブスバー２Ａはモジュール型ＩＧＢＴ１のコレクタ電極１１に、ブスバー２Ｂはエミッタ電極１２に接続されており、電流の向きは逆方向となる。そのため、ブスバー２Ａとブスバー２Ｂが近接しているとこの逆向きの電流が互いに磁束を打ち消し合い、インダクタンスは小さくなる。そこで、ブスバー２Ａとブスバー２Ｂの間の距離を大きくして、磁束の打ち消しを小さくし、インダクタンスを持たせている。言い換えると、ブスバー２Ａとブスバー２Ｂの相互インダクタンスが大きくなるようにしている。

このように、本実施例によれば、実施例２の場合と同様、コアを用いることなく、スナバリアクトル４Ａを得ることができる。

図５は本発明の実施例４に係るスナバ回路の平面図である。この実施例３の各部について、図１（ａ）の実施例１に係るスナバ回路の平面図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、ブスバー２Ａとブスバー２Ｂ、誘電性フィルム３を多層に積み重ねる構造とした点である。

上記の多層構造を図５（ｂ）の斜視図及び図５（ｃ）の断面図を参照して説明する。図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、ブスバー２Ｂのコンデンサを形成する張り出し部２Ｂ１の下部に誘電体フィルム３Ａを設け、この下部に、ブスバー２Ａに接続されたブスバー２ＡＡの張り出し部２ＡＡ１を重ね合わせ、更にこの下部に誘電体フィルム３Ｂを設け、この下部に、ブスバー２Ｂに接続されたブスバー２ＢＡの張り出し部２ＢＡ１を重ね合わせるように構成する。

本実施例の作用を以下に説明する。ブスバー２Ａとブスバー２Ｂの間に誘電性フィルム３を挟むことによりスナバコンデンサ６が形成されるが、1枚の誘電性フィルム３では、そのコンデンサ容量が小さい。コンデンサ容量は電極間の面積に比例するため、必要となるコンデンサ容量が大きい時には、スナバコンデンサ６を形成している電極部の面積を大きくする必要がある。しかし、面積が大きくなると、ブスバーが大型化してしまう。そこで、ブスバー２Ａとブスバー２Ｂの重なり合う領域内で上述のようにスナバコンデンサ６を並列に構成する。このようにコンデンサを並列に接続すると、全体のコンデンサ容量は個々のコンデンサ容量の総和となる。

この実施例４では、ブスバー４本に対し、誘電性フィルム３枚でスナバコンデンサ６を形成する例を示したが、ブスバー３本と誘電性フィルム２枚で構成しても良く、また逆に更に多層にしてスナバコンデンサ６の容量を増大させることも可能である。

以下、本発明の実施例５に係るスナバ回路を図６及び図７を参照して説明する。

図６は本発明の実施例５に係るスナバ回路の平面図である。この実施例５の各部について、図１（ａ）の実施例１に係るスナバ回路の平面図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例５が実施例１と異なる点は、ブスバー２Ａ上にコア７を追加した点である。

この実施例５の作用について図７を参照して説明する。図７は実施例５の機能を説明するための回路図である。

図７に示すように図１で設けたコア７はスナバコンデンサ６に直列に設けられたスナバ抵抗７Ａに相当する。これは次の理由による。即ち、図７におけるスナバコンデンサ６は、図６のブスバー２Ａの張り出し部２Ａ１とブスバー２Ｂの張り出し部２Ｂ１とこの両張り出し部に挟まれた誘電性フィルム３とで構成される。従ってスナバコンデンサ６に流れる電流は張り出し部２Ａ１から張り出し部２Ｂ１に向かって、あるいはこの逆に流れることになる。張り出し部２Ａ１の位置にこのスナバコンデンサ６に流れる電流が作る磁束と鎖交するようにコア７を設け、このコア７として、例えばＥＭＩ対策用に市販されているような高周波で損失が生ずるフェライトコアを適用すれば、スイッチングの高周波成分に対しては、コア７が抵抗として機能することになる。

以上説明したように、本実施例によれば、スナバコンデンサ６とスナバリアクトル４Ａに加えて、スナバコンデンサ６と直列にスナバ抵抗７Ａを挿入した形の小型のスナバ回路を得ることができる。

図８は本発明に係るスナバ回路を使用した電力変換装置の一例を示すブロック構成図である。商用３相入力をコンバータ３０で直流に変換し、この直流をコンデンサ３１で平滑して単相インバータ３２に供給する。単相インバータ３２は、逆並列に接続されたダイオードを有する４個のスイッチング素子から構成されるアームがブリッジ接続され、各々々のスイッチング素子にはサージ電圧を吸収するためのスナバ回路５Ａ、５Ｂ、５Ｃ及び５Ｄが設けられている。

このように単相インバータ３２のスイッチング素子用のサージ吸収回路として本発明に係るスナバ回路５を適用することにより、小型で、比較的簡単な構造を有する電力変換装置を提供することが可能となる。

尚、本実施例では電力変換装置の主回路を構成するスイッチング素子が４個の場合について説明したが、スイッチング素子は１個であっても、また任意の複数個であっても良いことは明らかである。

本発明の第1の実施例に係るスナバ回路を示す構造図。 本発明のスナバ回路の機能説明用回路図。 本発明の第２の実施例に係るスナバ回路を示す平面図。 本発明の第３の実施例に係るスナバ回路を示す平面図。 本発明の第４の実施例に係るスナバ回路を示す構造図。 本発明の第５の実施例に係るスナバ回路を示す平面図。 本発明の第５の実施例に係るスナバ回路の機能説明用回路図。 本発明のスナバ回路を使用した電力変換装置のブロック構成図。

符号の説明

１ モジュール型ＩＧＢＴ
１Ａ スイッチング素子
１Ｂ ダイオード
２Ａ、２Ｂ ２ＡＡ、２ＢＡ ブスバー
２Ａ１、２Ｂ１、２ＡＡ１，２ＢＡ１ 張り出し部
２Ａ２ 迂回部
３、３Ａ、３Ｂ 誘電性フィルム
４ コア
４Ａ スナバリアクトル
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ スナバ回路
６ スナバコンデンサ
７ コア
７Ａ スナバ抵抗
１１ コレクタ電極
１２ エミッタ電極
１１Ａ、１２Ａ 取り付けボルト
１３ ゲート電極
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ 取り付け穴
２０ ゲート抵抗
３０ コンバータ
３１ 平滑コンデンサ
３２ 単相インバータ

Claims (7)

1. 電力変換用スイッチング素子のコレクタに接続され、前記コレクタの直近位置に第１の張り出し部を有する第１のブスバーと、
   前記スイッチング素子のエミッタに接続され、前記エミッタの直近位置に前記第１の張り出し部と平行に重なり合う第２の張り出し部を有する第２のブスバーと、
   前記第１の張り出し部と前記第２の張り出し部との間に設けられた誘電性フィルムと、
   前記第１のブスバーのインダクタンスを増加させるスナバリアクトル形成手段と
   を具備したことを特徴とするスナバ回路。
2. 電力変換用スイッチング素子のコレクタに接続され、前記コレクタの直近位置に第１の張り出し部を有する多層構造の第１のブスバーと、
   前記スイッチング素子のエミッタに接続され、前記エミッタの直近位置に前記多層構造の第１の張り出し部と交互に平行に重なり合う第２の張り出し部を有する多層構造の第２のブスバーと、
   前記多層構造の第１の張り出し部と前記多層構造の第２の張り出し部との間の各層間に設けられた誘電性フィルムと、
   前記第１のブスバーのインダクタンスを増加させるスナバリアクトル形成手段と
   を具備したことを特徴とするスナバ回路。
3. 前記第１の張り出し部に、
   前記第１の張り出し部と前記第２の張り出し部間に流れる誘電電流の作る磁束と鎖交するようにコアを取り付けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスナバ回路。
4. 前記スナバリアクトル形成手段は、
   前記第１のブスバーに流れる電流が作る磁束と鎖交するように、前記第１のブスバーにコアを取り付けてなることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のスナバ回路。
5. 前記スナバリアクトル形成手段は、
   前記第１のブスバーに流れる電流が作る磁束が増大するように、前記第１のブスバーに迂回部を設けてなることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のスナバ回路。
6. 前記スナバリアクトル形成手段は、
   前記第１のブスバーと前記第２のブスバーの相互インダクタンスが増大するように、前記第１のブスバーと前記第２のブスバー間の距離を、前記コレクタと前記エミッタ間の距離以上に拡げてなることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のスナバ回路。
7. １個または複数個のスイッチング素子と、このスイッチング素子のサージ電圧吸収用スナバ回路を備え、
   前記スナバ回路は、
   前記スイッチング素子のコレクタに接続され、前記コレクタの直近位置に第１の張り出し部を有する第１のブスバーと、
   前記スイッチング素子のエミッタに接続され、前記エミッタの直近位置に前記第１の張り出し部と平行に重なり合う第２の張り出し部を有する第２のブスバーと、
   前記第１の張り出し部と前記第２の張り出し部との間に設けられた誘電性フィルムと、
   前記第１のブスバーのインダクタンスを増加させるスナバリアクトル形成手段と
   を具備してなることを特徴とする電力変換装置。

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