JP2010115045A - 電力変換装置におけるインバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明では、直流接続されたスイッチング素子の全てを破壊してしまい、重大な事故に発展するのを防止するようにした。
【解決手段】この発明では直列接続された２以上の平滑コンデンサにより、直流電圧源が分圧され、２相以上のスイッチングアームのスイッチング素子群をオンオフ制御することで、前記平滑コンデンサによる分圧直流電圧に基づく３レベル以上の電位をもつ交流出力電圧を得る電力変換装置において、前記スイッチング素子群を構成するスイッチ素子と、クランプ電位を設定するクランプダイオードとを１つの同一パッケージに封入したパッケージ（ＰＣ１，ＰＣ３）と、前記スイッチング素子群を構成する複数のスイッチ素子を１つの同一パッケージに封入したパッケージ（ＰＣ２）を用いて構成した。
【選択図】 図１

Description

この発明は電力変換装置におけるインバータ装置に関するもので、特にスイッチング素子の全破壊を防ぎ大事故に発展するのを防止できるようにしたものである。

一般に、交流電力を直流電力に、または直流電力を交流電力に変換する電力変換装置においては、スイッチング素子である絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（以下ＩＧＢＴと略称）とクランプダイオードとはそれぞれ別々に封入したパッケージで構成されている。このような電力変換装置におけるインバータ装置としては、スナバレス３レベルインバータ回路というものがある（例えば特許文献１）。

この種、電力変換装置におけるインバータ装置にあってはスイッチング素子の誤点弧によりスイッチング素子全部が破損することがある。スイッチング素子全部が破損すると、負荷に大電流がながれ大事故につながる危険性がある。

例えば３レベル電力変換装置におけるインバータ装置は、通常、複数のスイッチング素子を直列接続して構成され、接続中間点Ｍから交流出力を得るようにしている。

図６はこの種の３レベル電力変換装置におけるインバータ装置（３レベルインバータ）の１相分の主回路構成例を示す回路図である。なお、単相、３相出力電力変換装置におけるインバータ装置の場合には、他の相および２相も同様に構成される。図６において、直流電源Ｖd１、Ｖd２は、互いに直列接続された第１、第２、第３、第４の４個のスイッチング素子（例えば、絶縁ゲート形トランジスタ：ＩＧＢＴ等の自己消弧形素子）ＳＷ１−ＳＷ４の直列回路を接続している。そして第２、第３のスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３の接続点より、負荷Ｌが接続される交流端子Ｍを導出し、さらに第１、第２のスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の接続点と直流電圧源の中間電位点Ｃとの間に、第１の結合ダイオードであるクランプダイオードＤＰを接続し、かつ第３、第４のスイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の接続点と直流電圧源の中間電位点Ｃとの間に、第２の結合ダイオードであるクランプダイオードＤＮを接続して構成している。なおＬd1、Ｌd2、Ｌｓ１、Ｌｓ２は配線インダクタンスをそれぞれ示している。

スイッチング素子ＳＷ１−ＳＷ４は、それぞれＩＧＢＴ素子であり、それぞれがパッケージＰＣ１−ＰＣ４に封入されている。またクランプダイオードＤＰ，ＤＮは１つのパッケージに封入されている。スイッチング素子ＳＷ１−ＳＷ４の制御電極にはゲート回路ｇ１−ｇ４がそれぞれ接続され、オンオフ制御信号が与えられる。

かかる構成の３レベル電力変換装置におけるインバータ装置において、負荷Ｌに印加する出力電圧（Ｍ−Ｃ間電圧）をＶoutとすると、出力電圧Ｖoutは、次のような動作によって出力される。

すなわち、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２がオンの時、Ｖout=＋ＶＤ１、スイッチング素子ＳＷ２とスイッチング素子ＳＷ３がオンの時、Ｖout=０、スイッチング素子ＳＷ３とスイッチング素子ＳＷ４がオンの時、Ｖout=−ＶＤ２となる。

スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を上記のように選択的に動作させることによって、３レベルの電圧を出力させることができる。

上記の場合、通常は、スイッチング素子を２個ずつオンさせるが、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、またはスイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４の３個のスイッチング素子が同時にオンになると、平滑コンデンサＦＣ１→スイッチング素子ＳＷ１→スイッチング素子ＳＷ２→スイッチング素子ＳＷ３→クランプダイオードＤＮの経路で短絡され、その経路を過大な短絡電流が流れ、スイッチング素子を破壊することがある。

したがって、実際の制御は、短絡を防止するために、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ３を逆動作させ、またスイッチング素子ＳＷ２とスイッチング素子ＳＷ４を逆動作させるようにしている。

すなわち、スイッチング素子ＳＷ１がオンの時はスイッチング素子ＳＷ３をオフするようにバイアスし、スイッチング素子ＳＷ３がオンの時はスイッチング素子ＳＷ１をオフさせるようにバイアスしている。

同様に、スイッチング素子ＳＷ２がオンの時はスイッチング素子ＳＷ４をオフさせ、スイッチング素子ＳＷ４がオンの時はスイッチング素子ＳＷ２をオフさせるようにしている。

しかしながら、前述した従来の３レベル電力変換装置におけるインバータ装置においては、次のような問題点がある。

すなわち、前述したように、正電圧出力の場合、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２がオンの時に、スイッチング素子ＳＷ３が誤点弧して平滑コンデンサＦＣ１に短絡状態が発生することがある。このような場合、例えば図７に示すように、過大な充放電電流（振動電流）流れる。

この放電状態のときは、平滑コンデンサＦＣ１（＋）→配線インダクタンスＬＳ１→スイッチング素子ＳＷ１→スイッチング素子ＳＷ２→スイッチング素子ＳＷ３→クランプダイオードＤＮ→平滑コンデンサＦＣＮ（−）の経路で短絡電流が流れる。

一方、負電圧出力のときであってスイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４がオンの時に、スイッチング素子ＳＷ２が誤点弧すると、平滑コンデンサＦＣ２（＋）→クランプダイオードＤＰ→スイッチング素子ＳＷ２→スイッチング素子ＳＷ３→スイッチング素子ＳＷ４→配線インダクタンスＬＳ２→平滑コンデンサＦＣ２（−）の経路で流れる。

そして、この電流のピーク値は、大容量の電力変換装置では数十ＫＡ以上の電流値になる。

その結果、スイッチング素子の異常過熱や過電流のために、スイッチング素子ＳＷ１−ＳＷ４の全て破壊してしまうことがある。つまりパッケージＰＣ１−ＰＣ４が全て破壊してしまうことがある。

以上のように従来の３レベル電力変換装置におけるインバータ装置においては、スイッチング素子の誤点弧によって平滑コンデンサの端子間に短絡が発生すると、正常なスイッチング素子、特にＳＷ４まで破壊し、結果全スイッチング素子ＳＷ１−ＳＷ４を破壊してしまうことがある。
特開平１１−３４１８２２号公報

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、直流接続されたスイッチング素子の全てを破壊してしまい、重大な事故に発展するのを防止するようにした電力変換装置におけるインバータ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、直列接続された２以上の平滑コンデンサにより、直流電圧源が分圧され、２相以上のスイッチングアームのスイッチング素子群をオンオフ制御することで、前記平滑コンデンサによる分圧直流電圧に基づく３レベル以上の電位をもつ交流出力電圧を得る電力変換装置において、前記スイッチング素子群を構成する一部のスイッチ素子と、クランプ電位を設定する一部のクランプダイオードとを同一パッケージに封入した第１のタイプのパッケージと、前記スイッチング素子群を構成する複数のスイッチ素子を１つの同一パッケージに封入した第２のタイプのパッケージを用いて構成したことを特徴とする。

上記の手段によると、一部のスイッチング素子で短絡事故が生じたとしても、スイッチング素子とクランプダイオードの同一パッケージがあるために、素子間で同一条件ならばクランプダイオードの方へサージ電流が流れ易いという性質が活かされて、他の短絡していないスイッチング素子へ大電流が流れて破壊してしまうという現象を防止することができる。つまり前記スイッチング素子群を構成する一部のスイッチ素子と、クランプ電位を設定する一部のクランプダイオードとを１つの同一パッケージに封入した第１のタイプのパッケージが用いられることにより、他のパッケージで破壊があっても、この第１のタイプのパッケージが保護され、全素子破損という事故が防止される。

以下図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。図１はこの発明の一実施の形態である。

回路構成から説明すると以下の通りである。第１、第２の直流電源Ｖｄ１，Ｖｄ２が直列接続される。第１の直流電源Ｖｄ１に第１の平滑コンデンサＦＣ１が並列接続され、第２の直流電源Ｖｄ２に第２の平滑コンデンサＦＣ２が並列接続される。

つぎに第１と第２の直流電源Ｖｄ１，Ｖｄ２による直列回路に対して、第１乃至第４のスイッチング素子ＳＷ１−ＳＷ４による直列回路が並列に接続される。

さらに第１と第２の平滑コンデンサＦＣ１，ＦＣ２の接続点と第１と第２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の接続点との間に第１のクランプダイオードＤＰ１が接続される。また第３と第４のスイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の接続点と第１と第２の平滑コンデンサＦＣ１，ＦＣ２の接続点との間に第２のクランプダイオードＤＮが接続される。

ここで第２と第３のスイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ３の接続点Ｍと第１と第２のクランプダイオードＤＰ，ＤＮの接続点Ｃに負荷接続用の端子が設けられ、負荷Ｌが接続される。

スイッチング素子ＳＷ１−ＳＷ４は、それぞれＩＧＢＴ素子である。スイッチング素子ＳＷ１−ＳＷ４の制御電極にはゲート回路ｇ１−ｇ４がそれぞれ接続され、図示しない制御部によりオンオフ制御信号が与えられる。

なおＬd1、Ｌd2、Ｌｓ１、Ｌｓ２は配線インダクタンスをそれぞれ示している。

ここで、本実施の形態においては、パッケージＰＣ１にスイッチング素子ＳＷ１，クランプダイオードＤＰが封入され、パッケージＰＣ２にスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３が封入されている。そしてパッケージＰＣ３にスイッチング素子ＳＷ２とクランプダイオードＤＮが封入されている。

上記の回路は、３レベル電力変換装置におけるインバータ装置（３レベルインバータ）の１相分の主回路構成例を代表して示している。上記の３レベル電力変換装置におけるインバータ装置において、負荷Ｌに印加する出力電圧（Ｍ−Ｃ間電圧）をＶoutとすると、出力電圧Ｖoutは、次のような動作によって出力される。

すなわち、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２がオンの時、Ｖout=＋ＶＤ１、スイッチング素子ＳＷ２とスイッチング素子ＳＷ３がオンの時、Ｖout=０、スイッチング素子ＳＷ３とスイッチング素子ＳＷ４がオンの時、Ｖout=−ＶＤ２となる。

スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を上記のように選択的に動作させることによって、３レベルの電圧を出力させることができる。

つまり、直列接続された２以上の平滑コンデンサにより、直流電圧源が分圧されさている。そして２相以上のスイッチングアームのスイッチング素子群をオンオフ制御することで、平滑コンデンサによる分圧直流電圧に基づく３レベル以上の電位をもつ交流出力電圧を得ている。ここでスイッチング素子群を構成する１つのスイッチ素子と、クランプ電位を設定する１つのクランプダイオードとを１つの同一パッケージに封入した第１のタイプのパッケージ（ＰＣ１，ＰＣ３）と、スイッチング素子群を構成する複数のスイッチ素子を１つの同一パッケージに封入した第２のタイプのパッケージＰＣ２とが用いて構成されている。

実際の制御では、短絡を防止し安全性を高めるために、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ３を逆動作させ、またスイッチング素子ＳＷ２とスイッチング素子ＳＷ４を逆動作させるようにしている。

すなわち、スイッチング素子ＳＷ１がオンの時はスイッチング素子ＳＷ３をオフするようにバイアスし、スイッチング素子ＳＷ３がオンの時はスイッチング素子ＳＷ１をオフさせるようにバイアスしている。

同様に、スイッチング素子ＳＷ２がオンの時はスイッチング素子ＳＷ４をオフさせ、スイッチング素子ＳＷ４がオンの時はスイッチング素子ＳＷ２をオフさせるようにしている。

ここで例えば正電圧出力の場合、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２がオンの時に、スイッチング素子ＳＷ３が誤点弧して平滑コンデンサＦＣ１に短絡状態が発生したとする。すると先に説明したように、過大な充放電電流（振動電流）が流れる。

平滑コンデンサＦＣ１（＋）→配線インダクタンスＬＳ１→スイッチング素子ＳＷ１→スイッチング素子ＳＷ２→スイッチング素子ＳＷ３→クランプダイオードＤＮ→平滑コンデンサＦＣＮ（−）の経路で短絡電流が流れる。

一方、負電圧出力のときであってスイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４がオンの時に、スイッチング素子ＳＷ２が誤点弧すると、平滑コンデンサＦＣ２（＋）→クランプダイオードＤＰ→スイッチング素子ＳＷ２→スイッチング素子ＳＷ３→スイッチング素子ＳＷ４→配線インダクタンスＬＳ２→平滑コンデンサＦＣ２（−）の経路で流れる。

このような短絡状態のときは電流のピーク値は、大容量の電力変換装置におけるインバータ装置では数十ＫＡ以上の電流値になる。

このような場合、本発明の装置であると、正電圧出力のときはスイッチング素子ＳＷ４に対して過大電流が流れるのを回避することができる。これは、同じパッケージに封入された同一耐圧定格のＩＢＧＴ（スイッチング素子ＳＷ４）とクランプダイオードＤＮを比べた場合、ＩＧＢＴよりもクランプダイオードの方が順方向サージ電流許容範囲が大きいからである。このために、スイッチング素子ＳＷ４に対して、過大な電流が印加される前にクランプダイオードＤＮに電流が流れる。結果、スイッチング素子ＳＷ４の破壊が回避される。

負電圧出力のときも同様な原理である。即ち、スイッチング素子ＳＷ２が誤点弧し、スイッチング素子ＳＷ１に対して過大な電流が印加される前にクランプダイオードＤＰに電流が流れる。結果、スイッチング素子ＳＷ１の破壊が回避されることになる。

このように本発明の装置であると、同一耐圧定格のＩＧＢＴとクランプダイオードを同一パッケージ内に封入した構成を採用することで、全素子の破壊を防止することが可能となる。よって、直流接続されたスイッチング素子の全てを破壊してしまい、重大な事故に発展するのを防止することができる。

ここで仮にスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３が破壊され、スイッチング素子ＳＷ４の破壊を回避できた場合、さらに付加的な効果として、パッケージ交換は２つのパッケージＰＣ１，ＰＣ２の交換でよいことになる。つまり作業性良く、修復が可能となる。

図２には、前記第１、第２、第３のパッケージＰＣ１，ＰＣ２及びＰＣ３の概観を示し、平板上の冷却ブロック４００の上面に配置された例を示している。

第１のパッケージＰＣ１の端子１１は、導体１０１を介して平滑コンデンサＦＣ１の一方の電極に接続される。第１のパッケージＰＣ１の端子１２は、導体１０２を介して平滑コンデンサＦＣ１の他方の電極に接続される。第１のパッケージＰＣ１の端子１３は、導体１０３を介して、第２のパッケージＰＣ２の端子２１に接続される。

第２のパッケージＰＣ２の端子２２は、導体３０３を介して第３のパッケージＰＣ３の端子３３に接続される。第２のパッケージＰＣ２の端子２３は、導体２０１を介して負荷用の端子に接続される。

第３のパッケージＰＣ３の端子３１は、導体３０１を介して平滑コンデンサＦＣ２の一方の電極に接続されている。第３のパッケージＰＣ３の端子３２は、導体３０２を介して平滑コンデンサＦＣ２の他方の電極に接続される。

上記したパッケージの多さは、電力変換装置の最大出力電力にもよるが、厚み数センチ、縦・横はそれぞれ数センチから十数センチ規模である。また部品間の配線、つまり導体も厚さ数ミリ、幅数センチ程度の大きさである。

冷却ブロック４００は、各パッケージ、平滑コンデンサ、トランスなどの熱を放熱するのに好適な熱伝導の良い材料（アルミニウム）などが使用される。また放熱のためのフィンが形成されるものもある。

図３には、一例として例えばパッケージＰＣ１の概観と導体１０１の一部、それに冷却ブロック４００の一部断面を示している。上記の外形構造は、一例であって各種の形状や形態が可能である。

この発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、図４に示すような実施形態であってもよい。図１と同一部分には同じ符号を付している。この実施の形態は、パッケージＰＣ２とパッケージＰＣ３との距離Ｄを物理的にさらに離している。つまり第２のパッケージＰＣ２と第３のパッケージＰＣ３との距離Ｄは、第１のパッケージＰＣ１と第２のパッケージＰＣ２との距離よりも大きくして配置されているこの距離Ｄを設定することにより、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３が短絡して、パッケージＰＣ２全体が破壊したとしても、パッケージＰＣ３に対してその影響が少ないからである。図５には図４の回路が冷却ブロック４００に実装された様子の一例を示している。同一部分にはどう符号を付している。

つまりこの実施の形態では、第１のタイプのパッケージ（スイッチング素子とクランプダイオード封入）のクランプダイオードの端子と第２のタイプパッケージ（スイッチング素子のみの直列回路封入）の端子と接続された状態で、両パッケージ間の間隔は、第２のパッケージの短絡事故時に第１のタイプのパッケージが影響を受けない程度の距離が設定されている。

この発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、直列接続されるスイッチング素子の数は上記の実施形態に限定されるものではない。また分圧値も上記の３値に限定されるものではない。さらにまた、クランプダイオードも１個に限定されず、複数が直列接続されたものであってもよい。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

この発明の一実施の形態を示す構成説明図である。 図１の部品の実装状態の例を示す図である。 図１のパッケージの１つを取り出して示す斜視図である。 この発明の他の実施の形態を示す構成説明図である。 図４の部品の実装状態の例を示す図である。 電力装置おけるインバータ装置の従来構成説明図である。 インバータ装置において短絡事故が発生したときの振動電流波形を示す説明図である。

符号の説明

ＳＷ１−ＳＷ４・・・スイッチング素子、ＰＣ１−ＰＣ３・・・パッケージ、Ｖｄ１，Ｖｄ２・・・直流電源、ＦＣ１，ＦＣ２・・・平滑コンデンサ。

Claims (4)

1. 直列接続された２以上の平滑コンデンサにより、直流電圧源が分圧され、２相以上のスイッチングアームのスイッチング素子群をオンオフ制御することで、前記平滑コンデンサによる分圧直流電圧に基づく３レベル以上の電位をもつ交流出力電圧を得る電力変換装置において、
   前記スイッチング素子群を構成する一部のスイッチ素子と、クランプ電位を設定する一部のクランプダイオードとを１つの同一パッケージに封入した第１のタイプのパッケージと、
   前記スイッチング素子群を構成する複数のスイッチ素子を１つの同一パッケージに封入した第２のタイプのパッケージと
   を用いて構成したことを特徴とする電力変換装置におけるインバータ装置。
2. 前記第１のタイプのパッケージのクランプダイオードの端子と前記第２のタイプパッケージの端子と接続された状態で、両パッケージ間の間隔は、第２のパッケージの短絡事故時に第１のタイプのパッケージが影響を受けない程度の距離が設定されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置におけるインバータ装置。
3. 直列接続された第１、第２の直流電源と、前記第１の直流電源に並列接続された第１の平滑コンデンサと、前記第２の直流電源に並列接続された第２の平滑コンデンサと、前記第１と第２の直流電源による直列回路に対して並列に接続された第１乃至第４のスイッチング素子による直列回路と、前記第１と第２の平滑コンデンサの接続点と前記第１と第２のスイッチング素子の接続点との間に接続される第１のクランプダイオードと、前記第３と第４のスイッチング素子の接続点と前記第１と第２の平滑コンデンサの接続点との間に接続される第２のクランプダイオードと、前記第２と第３のスイッチング素子の接続点と前記第１と第２のクランプダイオードの接続点に設けられる負荷接続用の端子とを有し、
   前記第１のスイッチング素子と第１のクランプダイオードを第１のパッケージに封入し、前記第２と第３のスイッチング素子を第２のパッケージに封入し、前記第４のスイッチング素子と第２のクランプダイオードとを第３のパッケージに封入した構成としたことを特徴とする電力変換装置におけるインバータ装置。
4. 前記第２と第３のパッケージとの距離は、
   前記第１と第２のパッケージとの距離よりも大きくして配置されていることを特徴とする請求項４記載の電力変換装置におけるインバータ装置。

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