JP2009219175A

JP2009219175A - 電力変換装置

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Publication number: JP2009219175A
Application number: JP2008057155A
Authority: JP
Inventors: Hideki Ayano; 秀樹綾野; Hiromi Inaba; 博美稲葉; Naoto Onuma; 大沼　　直人; Kazuhisa Mori; 和久森; Kiyoharu Hiruta; 清玄蛭田; Tomoji Sakota; 友治迫田; Fumiaki Mita; 三田　　史明; Hisafumi Hotate; 尚史保立
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-07
Also published as: CN101527523A; EP2099117A2; JP4597202B2; CN101527523B; EP2099117A3

Abstract

【課題】プリント基板等の導体基板に複数のコンデンサを配置する平滑コンデンサの実装構成において、半導体スイッチングデバイスのスイッチング時にコンデンサに流れる電流のばらつきを低減できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】半導体スイッチング素子１ａ〜１ｃの各々における正極端子及び負極端子の並ぶ方向と、各半導体スイッチング素子の近傍に位置するコンデンサ４ａ〜４ｇの正極端子及び負極端子の並ぶ方向を略同じとし、かつ、各半導体スイッチング素子の正極端子及び負極端子の並ぶ順序と、各半導体スイッチング素子の近傍に位置するコンデンサの正極端子及び負極端子の並ぶ順序が相反するように、半導体スイッチング素子およびコンデンサを配置する。半導体スイッチングデバイスとコンデンサとの間の各電流経路におけるインピーダンスの大きさの違いが緩和され、各コンデンサに流れる電流のばらつきを低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は電力変換装置に関わり、特に、平滑コンデンサ部分の実装構成に関する。

電力変換装置の整流器とインバータの間の直流リンク部に配置される平滑コンデンサの実装構成として、従来はパルス幅変調すなわちＰＷＭ（Pulse Width Modulation）整流器を構成する半導体スイッチングデバイスとインバータを構成する半導体スイッチングデバイスの間、あるいは、半導体スイッチングデバイスの脇にコンデンサを配置し、リード線あるいはブスバー等により接続していた。この場合にはリード線・ブスバー等の配線インダクタンスの影響で、半導体スイッチングデバイスのスイッチング時にデバイスの端子間に過電圧が発生し、破損をもたらす可能性があった。この対策としては一般的に過電圧抑制用のスナバ回路が使用されている。一方、特開２００６−１９７７３５号公報（特許文献１）および特開２００３−２１９６６１号公報（特許文献２）に記載された従来技術では、プリント基板等の導体基板に複数の小型コンデンサを配置することにより配線インダクタンスを低減し、スナバ回路の削減あるいは小型化を実現している。

特開２００６−１９７７３５号公報特開２００３−２１９６６１号公報

プリント基板に複数の小型コンデンサを配置する方式では、従来使用していた大型コンデンサと同等の静電容量を多数のコンデンサを並列配置することで実現している。ところが、個々のコンデンサに流入する電流のばらつきについては、従来技術では考慮されていない。

図９は、プリント基板に小型コンデンサを配置する場合の一般的な従来例である。電力変換装置の主回路が、ＰＷＭ整流器側の半導体スイッチングデバイス１ａ〜１ｃ，インバータ側の半導体スイッチングデバイス２ａ〜２ｃ，プリント基板３，コンデンサ４ａ〜４ｈにより構成される。プリント基板３に搭載されたコンデンサは耐圧を満足するために２直列、所用容量を確保するために４並列の構成にしている。すなわち、コンデンサ４ａとコンデンサ４ｂ，コンデンサ４ｃとコンデンサ４ｄ，コンデンサ４ｅとコンデンサ４ｆ，コンデンサ４ｇとコンデンサ４ｈがそれぞれ直列接続され、コンデンサ４ａ，コンデンサ４ｃ，コンデンサ４ｆ，コンデンサ４ｈの各負極端子（−極端子）が直流リンク部の負極に接続され、かつ、コンデンサ４ｂ，コンデンサ４ｄ，コンデンサ４ｅ，コンデンサ４ｇの各正極端子（＋極端子）が直流リンク部の正極に接続される。

図９では、ＰＷＭ整流器側の半導体スイッチングデバイスとＰＷＭ整流器側のコンデンサの正極端子と負極端子、および、インバータ側の半導体スイッチングデバイスとインバータ側のコンデンサの正極端子と負極端子がそれぞれ同様に並ぶように半導体スイッチングデバイスとコンデンサを配置している。この構成では、プリント基板のパターン配線やプリント基板の取り付け作業などが容易になる。しかし、本発明者が得た新規な知見によれば、半導体スイッチングデバイスのスイッチング時に各コンデンサへ流入する電流にばらつきが発生する。

図１０は、本発明者による新規な検討結果、すなわち図９の従来例におけるコンデンサの電流分布のシミュレーション結果を示す。インバータ側の半導体スイッチングデバイス２ａがスイッチングし、このデバイスに、立ち上がり時間を有する振幅１（ｐｕ）のステップ電流を流す場合である。図１０より、立ち上がり時に半導体スイッチングデバイス２ａの直近のコンデンサ４ｂに流れる電流が大きくなり、平均０.２５（ｐｕ）に対して０.３１（ｐｕ）となる。また、離れたコンデンサ４ｇでは、立ち上がり時の電流が０.２１（ｐｕ）と少なくなる。これは、プリント基板３上での配線距離に依存するインピーダンスの違いによるものであり、例えば、並列段数がさらに多く図面縦方向の長さが増加する場合には、半導体スイッチングデバイス近傍のコンデンサへの電流集中が増加し、かつ、離れたコンデンサの電流がさらに低下するため、ばらつきはさらに増加する。このように、電流が均一に分散できず、特定のコンデンサに集中する場合には、そのコンデンサの負担が増大し、寿命の低下をもたらす可能性がある。

本発明は、上記の問題点を考慮してなされたものであり、プリント基板等の導体基板に複数のコンデンサを配置する平滑コンデンサの実装構成において、半導体スイッチングデバイスのスイッチング時にコンデンサに流れる電流のばらつきを低減できる電力変換装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、複数の半導体スイッチング素子上に配置される基板導体に複数のコンデンサを搭載し、半導体スイッチング素子の各々における正極端子及び負極端子の並ぶ方向と、各半導体スイッチング素子の近傍に位置するコンデンサの正極端子及び負極端子の並ぶ方向を略同じとし、かつ、各半導体スイッチング素子の正極端子及び負極端子の並ぶ順序と、各半導体スイッチング素子の近傍に位置するコンデンサの正極端子及び負極端子の並ぶ順序が相反するように、半導体スイッチング素子およびコンデンサを配置する。

上記手段によれば、各半導体スイッチング素子の近傍に位置する各コンデンサの正極端子と半導体スイッチング素子の正極端子とを結ぶ基板導体上の電流経路と、各半導体スイッチング素子の近傍に位置する各コンデンサの負極端子と半導体スイッチング素子の負極端子とを結ぶ基板導体上の電流経路とが交差することにより、半導体スイッチングデバイスとその近傍のコンデンサとの間のインピーダンスが増加する。これにより、半導体スイッチングデバイスとその近傍のコンデンサとの間のインピーダンスと、離れたコンデンサとの間のインピーダンスの大きさの違いが緩和される。従って、半導体スイッチングデバイスのスイッチング時に各コンデンサに流れる電流のばらつきを低減できる。

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の第一実施例である電力変換装置を示す。本電力変換装置は、ＰＷＭ整流器側の半導体スイッチングデバイス１ａ〜１ｃ，インバータ側の半導体スイッチングデバイス２ａ〜２ｃ，プリント基板３，コンデンサ４ａ〜４ｈ，抵抗５ａ〜５ｄにより構成されている。プリント基板３は、ＰＷＭ整流器の直流側とインバータの直流側を接続して直流リンク部を形成しており、直流リンク部の正極と負極の間に、複数のコンデンサ４ａ〜４ｈから成る平滑コンデンサが接続される。半導体スイッチングデバイス１ａ〜１ｃおよび２ａ〜２ｃは直列接続された２個のスイッチ素子（トランジスタ，ＩＧＢＴなど）が搭載されたデバイスであり、第一のスイッチ素子のコレクタ部分が正極側端子Ｃ（＋）として、第二のスイッチ素子のエミッタ部分が負極側端子Ｅ（−）として、第一および第二のスイッチ素子を直列接続する接点である第一のスイッチ素子のエミッタ部分と第二のスイッチ素子のコレクタ部分が交流端子として、それぞれ外部に接続される。

図２は、図１下部の矢印方向から見た矢視図である。ＰＷＭ整流器側およびインバータ側の半導体スイッチングデバイスの上部にプリント基板３を配置しており、プリント基板３上にコンデンサおよび抵抗を実装している。

図３は、第一実施例の回路図である。本回路において、ＰＷＭ整流器は電源の商用交流電力を直流に変換し、インバータは直流を任意周波数の交流に逆変換する。図１のプリント基板３は、ＰＷＭ整流器およびインバータの正極端子（＋極端子）どうしと負極端子（−極端子）どうしを接続しており、図３のように正極端子と負極端子の間にコンデンサおよび抵抗を接続している。また、図１のプリント基板３に搭載されたコンデンサは耐圧を満足するために図３のように２直列４並列の構成にしている。すなわち、図１のコンデンサ４ａとコンデンサ４ｂ，コンデンサ４ｃとコンデンサ４ｄ，コンデンサ４ｅとコンデンサ４ｆ，コンデンサ４ｇとコンデンサ４ｈがそれぞれ直列接続される。さらに、コンデンサ４ａ，コンデンサ４ｃ，コンデンサ４ｅ，コンデンサ４ｇの各正極端子がＰＷＭ整流器およびインバータの正極に接続され、コンデンサ４ｂ，コンデンサ４ｄ，コンデンサ４ｆ，コンデンサ４ｈの各負極端子がＰＷＭ整流器およびインバータの負極に接続される。また、抵抗５ａ〜５ｄは直列接続されたコンデンサの電圧バランスを補償するためのバランス抵抗であり、図３のように、抵抗５ａと抵抗５ｂ、および、抵抗５ｃと抵抗５ｄを直列接続し、その中点を、直列接続したコンデンサの中点に接続する。

図１の第一実施例において、ＰＷＭ整流器を構成する各半導体スイッチングデバイスは、正極端子および負極端子の並ぶ方向および並ぶ順序が同一になるように配置される。また、インバータを構成する各半導体スイッチングデバイスも同様に配置される。ＰＷＭ整流器側半導体スイッチングデバイス１ａ〜１ｃ近傍のコンデンサ４ｅ〜４ｈの正極端子および負極端子が並ぶ方向は半導体スイッチングデバイス１ａ〜１ｃと略同じであるが、並ぶ順序は相反する。同様に、インバータ側半導体スイッチングデバイス２ａ〜２ｃ近傍のコンデンサ４ａ〜４ｄの正極端子および負極端子が並ぶ方向は半導体スイッチングデバイス２ａ〜２ｃと略同じであるが、並ぶ順序は相反する。このような配置によれば、任意の１つの半導体スイッチングデバイス（例えば２ａ）の正極端子と、その半導体スイッチングデバイスの近傍に位置する直列コンデンサの組（例えば、４ａと４ｂ）の正極端子とを結ぶプリント基板上の電流経路と、同じ半導体スイッチングデバイスの負極端子と、同じ直列コンデンサの組の負極端子とを結ぶプリント基板上の電流経路とが交差する。

この場合は、例えば、インバータ側の半導体スイッチングデバイス２ａがスイッチングすると、近傍の直列コンデンサ４ａ，４ｂの正極端子に流れる電流の経路と負極端子に流れる電流の経路が、図１のプリント基板３上に示す実線矢印のように互いに交わるので、電流により発生する磁束は強めあう方向になるためインピーダンスが増加する。一方、離れた位置の直列コンデンサ４ｅ，４ｆでは、図１のプリント基板３上に示す点線矢印のように互いに正極端子に流れる電流と負極端子に流れる電流が相反する向きに流れるため、発生する磁束は相殺されインピーダンスは低下する。すなわち、半導体スイッチングデバイス２ａと近傍のコンデンサとの間のインピーダンスと、半導体スイッチングデバイス２ａと離れたコンデンサとの間のインピーダンスの違いが低減される。この結果、コンデンサに流れる電流のばらつきを低減できる。

なお、図１の実施例では、各半導体スイッチングデバイスにおいて、正極端子Ｃ（＋），Ｃ（−）および交流端子が、この順序で直線的に配置される。さらに、プリント基板３の縦方向に対して半導体スイッチングデバイスとコンデンサを線対称に配置している。これにより、ＰＷＭ整流器およびインバータの各相の交流端子がプリント基板３の外側に配置され、外部接続が容易にできる。

図４は第一実施例のプリント基板３のパターンの一例を示す。プリント基板３は両面導体基板であり、表面に正極側の層（Ｐ層）を裏面に中点の層（Ｃ１層，Ｃ２層）および負極側の層（Ｎ層）を有している。インバータ側の半導体スイッチングデバイス２ａがスイッチングした場合の電流経路としては、半導体スイッチングデバイス２ａから離れた位置のコンデンサではプリント基板の表裏で相反する方向に電流が流れるが、近傍のコンデンサ（例えばコンデンサ４ａ，４ｂ）では、磁束が強め合う経路を避けるために電流は迂回して流れることになる。この結果、電流経路のインピーダンスのばらつきが小さくなり、コンデンサに流れる電流のばらつきが低減される。

なお、図１に示すように、ＰＷＭ整流器側の直列コンデンサ（４ｅと４ｆ，４ｇと４ｈ）の一方の端子である各負極端子と、インバータ側の直列コンデンサ（４ａと４ｂ，４ｃと４ｄ）の一方の端子である各負極端子が、プリント基板３の中央部において対向している。すなわち、これら負極端子がプリント基板中央部に集まっている。これにより、図４に示すような表裏両面に導体層を有する比較的簡単な構成の１枚の導体基板で、ＰＷＭ整流器側とインバータ側両方における多数のコンデンサを接続して、平滑コンデンサを構成することができる。

図５は、本発明者が行った、第一実施例におけるコンデンサの電流分布のシミュレーションの結果を示す。インバータ側の半導体スイッチングデバイス２ａをスイッチングし、立ち上がり時間を有する振幅１（ｐｕ）のステップ電流を流した場合である。図５より、コンデンサ４ｅにおいて立ち上がり時に最大の電流が流れ、平均０.２５（ｐｕ）に対して０.２８（ｐｕ）となる。これは、図１０の従来の場合の０.３１（ｐｕ）よりも低減されている。さらに、最小電流も平均値に近づいており電流のばらつきが低減できている。

また、図４の基板構成において、図４（ｂ）の基板裏面の負極側の層（Ｎ層）における縦方向の電流経路部分の幅Ｘが広い方が、電流の相殺効果が大きくインピーダンスを低下できる。この場合、スイッチングする半導体スイッチングデバイスから離れたコンデンサの電流に対するばらつきの低減効果が大きくなる。実装構成としては、インバータ側のコンデンサ４ａ〜４ｄとＰＷＭ整流器側のコンデンサ４ｅ〜４ｈの距離を広げる、つまり、直列接続したコンデンサ４ａとコンデンサ４ｂの距離よりもインバータ側のコンデンサ４ｂとＰＷＭ整流器側のコンデンサ４ｅの距離が大きくなるようにコンデンサを配置する。

さらに、図１の第一実施例では、図３の回路図および図４の基板構成のように、ＰＷＭ整流器側の中点の層（Ｃ１層）とインバータ側の中点の層（Ｃ２層）を電気的に分離しており、ＰＷＭ整流器側とインバータ側のそれぞれに電圧バランス用の抵抗を接続している。これにより、コンデンサと抵抗間のインピーダンスが均等化され、かつ、Ｃ１層とＣ２層の間に不要な循環電流が流れることを防止できる。従って、安定したバランス効果を得られる。

図６は、本発明の第二実施例である電力変換装置を示す。本実施例では、第一実施例よりもコンデンサの並列数を増やしている。図６では２直列８並列の構成であり、コンデンサ４ａとコンデンサ４ｂ，コンデンサ４ｃとコンデンサ４ｄ，コンデンサ４ｅとコンデンサ４ｆ，コンデンサ４ｇとコンデンサ４ｈ，コンデンサ４ｉとコンデンサ４ｊ，コンデンサ４ｋとコンデンサ４ｌ，コンデンサ４ｍとコンデンサ４ｎ，コンデンサ４ｏとコンデンサ４ｐがそれぞれ直列接続される。さらに、コンデンサ４ａ，コンデンサ４ｃ，コンデンサ４ｅ，コンデンサ４ｇ，コンデンサ４ｊ，コンデンサ４ｌ，コンデンサ４ｎ，コンデンサ４ｐの各正極端子がＰＷＭ整流器およびインバータの正極に接続され、コンデンサ４ｂ，コンデンサ４ｄ，コンデンサ４ｆ，コンデンサ４ｈ，コンデンサ４ｉ，コンデンサ４ｋ，コンデンサ４ｍ，コンデンサ４ｏの各負極端子がＰＷＭ整流器およびインバータの負極に接続される。

本実施例においても、図１の第一実施例と同様に、ＰＷＭ整流器側およびインバータ側の各々において、半導体スイッチングデバイスの正および負極端子とコンデンサの正および負極端子の並ぶ方向が略同じになり、かつ、並ぶ順序が相反するように、半導体スイッチングデバイスとコンデンサが配置される。これにより、コンデンサに流れる電流のばらつきを低減できる。このばらつき低減効果は、コンデンサの並列段数が多くなり半導体スイッチングデバイスと、これから最も離れたコンデンサとの距離が長くなるほど顕著に現れ、コンデンサの負担を分散できる。従って、コンデンサが長寿命化できる。

図７は、本発明の第三実施例である電力変換装置を示す。また、本実施例の回路図を図８に示す。本実施例では、電圧耐量の大きいコンデンサ６ａ〜６ｄを使用しているので、直流リンク部の正極（Ｐ）と負極（Ｎ）の間には、各コンデンサが単独で接続される。すなわち、複数のコンデンサを直列接続することなく、単独のコンデンサが４個並列に接続され、平滑コンデンサが構成されている。このため、バランス用の抵抗は接続しない。本実施例においても、第一および第二実施例と同様に、本実施例においても、図１の第一実施例と同様に、ＰＷＭ整流器側およびインバータ側の各々において、半導体スイッチングデバイスの正および負極端子とコンデンサの正および負極端子の並ぶ方向が同じになり、かつ、並ぶ順序が相反するように、半導体スイッチングデバイスとコンデンサが配置される。これにより、コンデンサに流れる電流のばらつきを低減できる。

第一および第二実施例では、ＰＷＭ整流器側とインバータ側の半導体スイッチングデバイスおよびコンデンサを共にプリント基板で接続しているが、別の導体基板を使用し、コンデンサが接続されたプリント基板と並列に、ＰＷＭ整流器側半導体スイッチングデバイスとインバータ側半導体スイッチングデバイスのそれぞれの正極端子同士および負極端子同士を接続しても良い。この場合は、プリント基板には高周波のリプル成分が主に流れ、主電流成分が別の導体基板を流れるので、プリント基板の発熱を抑制できる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で様々な形態が可能である。

本発明の第一実施例である電力変換装置を示す。図１下部の矢印方向から見た矢視図である。第一実施例の回路図である。第一実施例のプリント基板のパターンの一例を示す。本発明者が行った、第一実施例におけるコンデンサの電流分布のシミュレーションの結果を示す。本発明の第二実施例である電力変換装置を示す。本発明の第三実施例である電力変換装置を示す。第三実施例の回路図である。プリント基板に小型コンデンサを配置する場合の一般的な従来例である。図９の従来例におけるコンデンサの電流分布のシミュレーション結果を示す。

符号の説明

１ａ〜１ｃＰＷＭ整流器側の半導体スイッチングデバイス
２ａ〜２ｃインバータ側の半導体スイッチングデバイス
３プリント基板
４ａ〜４ｐ，６ａ〜６ｃコンデンサ
５ａ〜５ｄ抵抗

Claims

複数の半導体スイッチング素子と、
前記複数の半導体スイッチング素子上に配置される基板導体に搭載され、前記複数の半導体スイッチング素子の正極端子と負極端子の間に接続される複数のコンデンサと、
を備える電力変換装置において、
前記半導体スイッチング素子の各々における正極端子及び負極端子の並ぶ方向と、前記複数のコンデンサの内、前記各半導体スイッチング素子の近傍に位置するコンデンサの正極端子及び負極端子の並ぶ方向は略同じであり、かつ、前記各半導体スイッチング素子の正極端子及び負極端子の並ぶ順序と、前記各半導体スイッチング素子の近傍に位置する前記コンデンサの正極端子及び負極端子の並ぶ順序は相反することを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、前記複数の半導体スイッチング素子および前記複数のコンデンサは、前記各正極端子及び前記各負極端子の位置関係が線対称になるように配置されることを特徴とする電力変換装置。
請求項２において、前記複数のコンデンサの各々は２直列以上に直列接続した構成であり、前記線対称配置の一方側におけるコンデンサにおいて直列接続の中点同士を短絡し、かつ、前記線対称配置の他方側におけるコンデンサにおいて直列接続の中点同士を短絡し、前記一方側に配置したコンデンサの前記中点と、前記他方側に配置したコンデンサの前記中点は電気的に分離し、前記一方側に配置されるコンデンサの中点と前記一方側に配置される半導体スイッチング素子の正極端子及び負極端子との間、並びに前記他方側に配置されるコンデンサの中点と前記他方側に配置される半導体スイッチング素子の正極端子及び負極端子との間に、それぞれ抵抗を接続したことを特徴とする電力変換装置。
請求項３において、前記一方側に配置される直列接続のコンデンサ間の距離あるいは前記他方側に配置される直列接続のコンデンサ間の距離よりも、前記一方側に配置される直列接続のコンデンサと前記他方側に配置されるコンデンサとの最短距離の方が大きいことを特徴とする電力変換装置。
請求項３または請求項４において、前記基板導体は表裏二面に導体層を有し、少なくとも一方の面に、前記一方側に配置されるコンデンサの直列接続の中点を短絡する導体パターンと、前記他方側に配置されるコンデンサの直列接続の中点を短絡する導体パターンを設け、前記各導体パターンがそれぞれ前記導体基板の異なる端部に位置することを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜５のいずれか一項において、前記各半導体スイッチング素子の近傍に位置する前記各コンデンサの正極端子と前記半導体スイッチング素子の正極端子とを結ぶ基板導体上の電流経路と、前記各半導体スイッチング素子の近傍に位置する前記各コンデンサの負極端子と前記半導体スイッチング素子の負極端子とを結ぶ基板導体上の電流経路とが交差することを特徴とする電力変換装置。
複数の半導体スイッチング素子と、
前記複数の半導体スイッチング素子上に配置される基板導体に搭載され、前記複数の半導体スイッチング素子の正極端子と負極端子の間に接続される複数のコンデンサと、
を備える電力変換装置において、
前記各半導体スイッチング素子の近傍に位置するコンデンサの正極端子と前記各半導体スイッチング素子の正極端子とを結ぶ前記基板導体上の電流経路と、前記各半導体スイッチング素子の近傍に位置する前記コンデンサの負極端子と前記各半導体スイッチング素子の負極端子とを結ぶ前記基板導体上の電流経路とが交差することを特徴とする電力変換装置。