JP2008193813A - 電力変換装置および直流電流供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電流を流す配線の往路と復路とで経路長や流れる電流量が異なっていても、配線インダクタンスの低減効果が確実に得られる電力変換装置を提供する。
【解決手段】インバータ装置１は、平滑コンデンサ４とブリッジ回路８を構成する３個のスイッチング素子モジュール１０とにより構成され、平滑コンデンサ４の直流入力端子Ｔａ（Ｔｂ）と各スイッチング素子モジュール１０の入力端子Ｔｐ（Ｔｎ）とは、電源供給導体１２（１４）により接続されている。電源供給導体１２（１４）は、同一材質で同一断面積を有し、並列接続された一対の導線１２ａ，１２ｂ（１４ａ，１４ｂ）からなり、その一対の導線１２ａ，１２ｂ（１４ａ，１４ｂ）は、断面円形の棒状コアからなる正極用コア１３（１５）に、同一ピッチ（単位面積当たりの巻き数が同じ）で互いに逆方向に同じ長さだけ巻き付けられており、巻き付け方向以外は全て同じ条件に設定された一対のコイルを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流経路を断続するスイッチング素子を含んだ回路を用いて、直交変換および交直変換のうち少なくとも一方を行う電力変換装置、及びその電力変換装置において直流電流を供給する部位に適用される直流電流供給方法に関する。

従来より、例えばブリッジ回路のように、電流経路を断続するスイッチング素子を含んだ回路を用いて直交変換や交直変換を行う電力変換装置が知られている。
ここで、図５に、この種の電力変換装置の一つである、直流入力から三相交流出力を得るインバータ装置の回路構成を示す。

図５に示すように、インバータ装置１００は、直流電源に接続される入力端子２（直流入力正極端子Ｔａ，直流入力負極端子Ｔｂ）を有し、入力端子２を介して供給される主電流を平滑化する平滑コンデンサ４と、平滑コンデンサ４により平滑化された主電流の供給を受けて三相交流出力を生成し、これを交流出力端子６（Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗ）を介して出力するブリッジ回路８とからなる。

そして、ブリッジ回路８は、直列接続された一対のスイッチング素子ＳＷｐ，ＳＷｎからなるスイッチング素子モジュール１０を、並列に３組接続することで構成されており、各スイッチング素子モジュール１０を構成する一対のスイッチング素子ＳＷｐ，ＳＷｎの接続部分が交流出力端子６（Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗ）に接続されている。

なお、各スイッチング素子ＳＷｐ，ＳＷｎは、電流経路をオンオフするトランジスタと、トランジスタに対して逆並列に接続された還流ダイオードとからなる周知のものである。以下では、スイッチング素子モジュール１０の正極入力端子をＴｐ、負極入力端子をＴｎで示すものとする。

このように構成されたインバータ装置１では、ブリッジ回路８を構成する各スイッチング素子モジュール１０のスイッチング素子ＳＷｐ，ＳＷｎを、それぞれ一方がオン，他方がオフとなり、且つ、オンオフが切り替わるタイミング（位相）が、各スイッチング素子モジュール１０間で１２０°ずつ異なるように駆動することにより、交流出力端子６から三相交流出力が得られる。

次に、図６は、インバータ装置１００を構成する平滑コンデンサ４とスイッチング素子モジュール１０との接続状態を示す説明図である。
図６に示すように、インバータ装置１００では、平滑コンデンサ４の直流入力正極端子Ｔａと各スイッチング素子モジュール１０の正極入力端子Ｔｐと（以下「正極側端子群」という）が一列に並び、且つ、平滑コンデンサ４の直流入力負極端子Ｔｂと各スイッチング素子モジュール１０の負極入力端子Ｔｎと（以下「負極側端子群」という）が一列に並ぶように、平滑コンデンサ４及びスイッチング素子モジュール１０が配置されている。そして、正極側端子群同士及び負極側端子群同士は、それぞれ長尺の薄板状に形成された正極電源供給導体１１２及び負極電源供給導体１１４により接続されている。

ところで、正極電源供給導体１１２，及び負極電源供給導体１１４の持つ配線インダクタンスは、スイッチング素子のオンオフによって主電流の大きさが急激に変化する際に、サージ電圧を発生させる原因となる。

このサージ電圧を抑制するには、配線インダクタンスを低減する以外に、主電流の変化を小さくしてもよい。しかし、出力を高精度化するために、スイッチング素子のスイッチングを高速化する傾向にあり、主電流の変化を小さくすることは困難であるため、結局、配線インダクタンスを低減する必要がある。

そして、配線インダクタンスを低減する手法として、直流電流を流す配線の往路及び復路、即ち、正極電源供給導体１１２及び負極電源供給導体１１４を近接配置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

即ち、図１に示すように、負荷に電流を供給する配線の往路および復路を形成する平行に配置された二つの導体について、各導体の自己インダクタンスをＬ₁ ，Ｌ₂ 、各導体間の相互インダクタンスをＭとすると、トータル配線インダクタンスＬ_total は、（１）式により算出される。また、（１）式中の相互インダクタンスＭは、真空の誘電率をμ₀ 、導体の長さをｌ、導体間の中心距離をｄとして、（２）式により算出される。

上式から明らかなように、導体を互いに接近させて配置（ｄを小さく）すれば、相互インダクタンスＭが大きくなり、トータル配線インダクタンスが低減されることがわかる。
特開平６−２２５５４５号公報

この手法は、図６中の入力端子２から平滑コンデンサ４に最も近いスイッチング素子モジュール１０までの区間Ａのように、平行導体に流れる電流が常に等量で逆向きである場合には、配線インダクタンスを低減する効果が得られる。しかし、前記区間Ａ以外の区間Ｂのように、各スイッチング素子モジュール１０でのスイッチングタイミングが異なることにより、平行導体に流れる電流が必ずしも等量とはならない場合には、配線インダクタンスを低減する効果が十分に得られないという問題があった。

また、上述の手法は、正極電源供給導体１１２と負極電源供給導体１１４とで経路長が異なる場合にも、配線インダクタンスの低減効果を十分に得られないという問題もあった。

本発明は、上記問題点を解決するために、直流電流を流す配線の往路と復路とで経路長や流れる電流量が異なっていても、配線インダクタンスの低減効果が確実に得られる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なされた本発明の電力変換装置では、直流電流を流す直流配線の少なくとも一部が、該直流電流を二分割して流す一対の導線からなり、且つ、該一対の導線は、電流を流した時に発生する磁界が互いに相殺し合う向きとなるよう同一のコアに巻回されている（図４参照）。

つまり、従来装置のように往路と復路との間で磁界を相殺し合うのではなく、往路だけ、または復路だけで、それぞれ相反する磁界を発生させて、その磁界を相殺している。
従って、本発明の電力変換装置によれば、直流配線の往路と復路とで経路長や流れる電流量が異なっていても、配線インダクタンスを確実に低減させることができる。

なお、請求項２に記載のように、一対の導線は、同一材質で同一断面積を有し、且つ、両導線をそれぞれ前記コアに巻回することによって形成される各コイルが、同一長さで同一巻数を有することが望ましい。

即ち、図４に示すように、各導線をｉ＝１，２で識別するものとして、各導線が形成する各コイルの自己インダクタンスをＬ₁ ，Ｌ₂ 、一方のコイルの他方のコイルに対する相互インダクタンスをＭ₁₂，Ｍ₂₁、コアの透磁率をμ、導線の断面積をＳ、各コイルの長さをｌ₁ ，ｌ₂ 、各コイルの単位長さ当たりの巻き数をｎ₁ ，ｎ₂ 、各コイル（導線）に流れる電流をＩ₁ ，Ｉ₂ とすると、トータルインダクタンスＬ_total は、（３）式で算出される。

（３）式からわかるように、同一材質で同一断面積を有する一対の導線により形成される各コイルを、巻き付ける方向以外は、全く同じ条件（ｌ₁ ＝ｌ₂ ，ｎ₁ ＝ｎ₂ ）とすることで、各コイルに流れる電流も同じ大きさ（Ｉ₁ ＝Ｉ₂ ）となり、その結果、理論上では、トータルインダクタンスＬ_total をゼロとすることができるのである。

また、コアは、例えば、棒状コアを用いてもよいが、請求項３に記載のように、ループ状コアを用いることが望ましい。
つまり、棒状コアでは、コアの端面からの磁束漏れによりインダクタンスを発生させてしまうが、ループ状コアでは、コアの端面がないため、コアからの磁束漏れを最小限に抑えることができ、配線インダクタンスを効率良く低減することができる。

また、請求項４に記載のように、コアの材質としては、ケイ素鋼，アモルファス，鉄系超微細結晶軟磁性合金，フェライト等を用いることができる。これらの材質は、スイッチングの周波数やコアでの許容損失などを考慮して適宜選択すればよい。

次に、請求項５に記載の直流電流供給方法は、直流経路を断続するスイッチング素子を含んだ回路を用いて、直交変換および交直変換のうち少なくとも一方を行う電力変換装置において直流電流を供給する部位に適用される。そして、本発明の直流電流供給方法では、電流を二分割して流し、且つ電流を流した時に発生する磁界が相殺し合う向きとなるよう同一のコアに巻回された一対の導線を介して直流電流を供給する。

このような本発明の直流電流供給方法によれば、請求項１に記載の電力変換装置と同様に、直流配線の往路と復路とで電流量や経路長が異なっていても、配線インダクタンスの低減効果を確実に得ることができる。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
ここでは、直流入力から三相交流を得る、いわゆる直交変換を行う電力変換装置であるインバータ装置１について説明する。なお、インバータ装置１の回路構成は、従来技術の欄にて、図５を用いて説明した内容と同じであるため、ここでは説明を省略する。

図１は、インバータ装置１を構成する平滑コンデンサ４とブリッジ回路８を構成する３個のスイッチング素子モジュール１０との接続状態を示す説明図である。
図１に示すように、インバータ装置１では、平滑コンデンサ４の直流入力正極端子Ｔａと各スイッチング素子モジュール１０の正極入力端子Ｔｐと（以下「正極側端子群」という）が一列に並び、且つ、平滑コンデンサ４の直流入力負極端子Ｔｂと各スイッチング素子モジュール１０の負極入力端子Ｔｎと（以下「負極側端子群」という）が一列に並ぶように、平滑コンデンサ４及びスイッチング素子モジュール１０が配置されている。そして、正極側端子群同士は、正極電源供給導体１２により、また、負極側端子群同士は、負極電源供給導体１４により、それぞれ接続されている。

正極電源供給導体１２は、同一材質で同一断面積を有し、並列接続された一対の導線１２ａ，１２ｂからなり、その一対の導線１２ａ，１２ｂは、棒状コアからなる正極用コア１３に、同一ピッチ（単位面積当たりの巻き数が同じ）で互いに逆方向に同じ長さだけ巻き付けられている。つまり、一対の導線１２ａ，１２ｂは、巻き付け方向以外は全て同じ条件に設定された一対のコイルを形成するようにされている。

また、負極電源供給導体１４は、正極電源供給導体１２と同様に、同一材質で同一断面積を有し、並列接続された一対の導線１４ａ，１４ｂからなり、その一対の導線１４ａ，１４ｂは、棒状コアからなる負極用コア１５に、同一ピッチ（単位面積当たりの巻き数が同じ）で互いに逆方向に同じ長さだけ巻き付けられている。つまり、一対の導線１４ａ，１４ｂも、巻き付け方向以外は全て同じ条件に設定された一対のコイルを形成するようにされている。

なお、正極用コア１３及び負極用コア１５は、同一形状，同一材質のものが用いられている。特に、コアの材質は、例えば、ケイ素鋼，アモルファス，鉄系超微細結晶軟磁性合金，フェライト等を用いることができ、スイッチング素子モジュール１０を駆動する周波数やコアでの許容損失などを考慮して適宜選択すればよい。

図２は、電源供給導体１２（１４）と、各端子Ｔａ，Ｔｐ（Ｔｂ，Ｔｎ）との接続状態を示す説明図であり、各端子Ｔａ，Ｔｐ（Ｔｂ，Ｔｎ）の位置で電源供給導体１２（１４）を構成する両導線１２ａ，１２ｂ（１４ａ，１４ｂ）が交差し、その交差した部位を端子Ｔａ，Ｔｐ（Ｔｂ，Ｔｎ）に固定するようにされている。

このように構成されたインバータ装置１では、電源供給導体１２（１４）を構成する一対の導線１２ａ，１２ｂ（１４ａ，１４ｂ）は、コア１３（１５）への巻き付け方向以外の条件が全て同一にされている。このため、直流電源から入力端子２への電源供給が行われた時に、両導線１２ａ，１２ｂ（１４ａ，１４ｂ）には同じ大きさの電流が流れ、その電流が流れることにより、各導線１２ａ，１２ｂ（１４ａ，１４ｂ）により形成されたコイルは、同じ大きさで互いに逆向きの磁界を発生させる。

つまり、電源供給導体１２（１４）に電流が流れても、その電源供給導体１２（１４）を構成する一対の導線１２ａ，１２ｂ（１４ａ，１４ｂ）は、発生する磁界を相殺し合うようにされている。

従って、インバータ装置１によれば、電源供給導体１２，１４の配線インダクタンスを低減することができる。しかも、電流が流れることで発生する磁界を、電源供給導体１２，１４間で相殺するのではなく、それぞれの電源供給導体１２，１４内で相殺しているため、電源供給導体１２，１４間で配線長や流れる電流量が異なっていても、確実に配線インダクタンスを低減することができる。

また、配線インダクタンスが低減することにより、スイッチング素子モジュール１０でのスイッチング時に発生するサージ電圧を抑制することができると共に、スイッチング素子モジュール１０では、より高速で低損失なスイッチングが可能となるため、当該インバータ装置１の性能（出力電圧の精度や低損失）を向上させることができる。

また、電源供給導体１２，１４を、その配線長に縛られることなく任意の経路で配線できるため、スイッチング素子モジュール１０等の配置の自由度が高くなり、装置の小型化が可能な配置や、組み付けが容易な配置などを採用することができる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。

なお、本実施形態のインバータ装置１ａでは、第１実施形態のインバータ装置１とは、導線１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂを巻き付けるコアの構成が異なるだけであるため、この構成の異なる部分を中心に説明する。

第１実施形態のインバータ装置１では、正極電源供給導体１２を構成する導線１２ａ，１２ｂ及び負極電源供給導体１４を構成する導線１４ａ，１４ｂを巻回するコアとして、別体に形成された二つの棒状コア（正極用コア１３，負極用コア１５）を用いているが、本実施形態のインバータ装置１ａでは、図３に示すように、正極用コア１３及び負極用コア１５の両端部を接続した形状を有する単一のループ状コア１６を用いている。

このように構成されたインバータ装置１ａでは、ループ状コア１６には、棒状コアとは異なりコア端が存在せず、コア端からの磁束漏れがないため、コア全体としての漏れ磁束が大幅に低減され、導線の配線インダクタンスを更に低減することができる。
［他の実施形態］
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、直交変換を行う電力変換装置であるインバータ装置１，１ａに本発明を適用した例を示したが、交直変換を行うコンバータ装置や、直交変換後に交直変換を行うにＤＣ−ＤＣコンバータ装置等の電力変換装置に適用してもよい。

また、上記実施形態では、スイッチング素子モジュール１０の端子配置が、正極入力端子Ｔｐ、負極入力端子Ｔｎ、交流出力端子６の順に並んだものを用いているが、本発明を適用した電力変換装置では、入力端子Ｔｐ，Ｔｎに接続される電源供給導体１２，１４を、配線インダクタンス低減のために近接させる必要がないため、スイッチング素子モジュール１０の端子の配列を任意に設定してもよい。このため、例えば、寄生インダクタンスが最小となるような端子配列を採用すれば、より配線インダクタンスを低減することができる。

第１実施形態のインバータ装置における当該装置を構成する部品の接続状態を示す説明図。 電源供給導体と端子との接続状態を示す説明図。 第２実施形態のインバータ装置における当該装置を構成する部品の接続状態を示す説明図。 本発明により配線インダクタンスが低減することの原理を示すための説明図。 インバータ装置の回路構成を示す回路図。 従来のインバータ装置における当該装置を構成する部品の接続状態を示す説明図。 従来装置において配線インダクタンスが低減することの原理を示すための説明図。

符号の説明

１，１ａ…インバータ装置 ２…入力端子 ４…平滑コンデンサ ６…交流出力端子 ８…ブリッジ回路 １０…スイッチング素子モジュール １２…正極電源供給導体 １３…正極用コア １４…負極電源供給導体 １５…正極用コア１３及び負極用コア １５…負極用コア １６…ループ状コア ＳＷｐ，ＳＷｎ…スイッチング素子

Claims (5)

1. 電流経路を断続するスイッチング素子を含んだ回路を用いて、直交変換および交直変換のうち少なくとも一方を行う電力変換装置において、
   直流電流を流す配線の少なくとも一部が、該直流電流を二分割して流す一対の導線からなり、且つ、該一対の導線は、電流を流した時に発生する磁界が相殺し合う向きとなるよう同一のコアに巻回されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記一対の導線は、同一材質で同一断面積を有し、且つ、両導線をそれぞれ前記コアに巻回することによって形成される各コイルが、同一長さで同一巻数を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記コアは、ループ状コアからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記コアの材質が、ケイ素鋼，アモルファス，鉄系超微細結晶軟磁性合金，フェライトのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. 電流経路を断続するスイッチング素子を含んだ回路を用いて、直交変換および交直変換のうち少なくとも一方を行う電力変換装置において直流電流を供給する部位に適用される直流電流供給方法であって、
   電流を二分割して流し、且つ電流を流した時に発生する磁界が相殺し合う向きとなるよう同一のコアに巻回された一対の導線を介して直流電流を供給することを特徴とする直流電流供給方法。