JP2015012742A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このうち直流電源ラインは、直流電圧を出力するコンバータの出力端子に接続されている。直流中間コンデンサは、コンバータの出力する直流電圧を平滑化して安定化させる素子である。直流中間コンデンサは直流電源ラインに接続されている。インバータは直流中間コンデンサによって平滑化された直流電源電圧を3相交流電圧に変換する回路である。インバータは、直流電源ラインに接続されている。
零点周波数fcz<並列共振周波数fsp<極周波数fcpの周波数の関係を有するように選定する。
次に、補償インピーダンスの端子間のインピーダンスの零点周波数fczと極周波数fcpを(2)式で示す。これらは図3の特性L2の最小値と最大値を示す周波数である。なお(1)式は寄生成分Lsp、Cspで表現されているが、(2)式は実際に補償インピーダンス回路8として装備する回路素子の値で表現されている。この式でC81は第1のコンデンサ81の容量、C82は第2のコンデンサ82の容量、L83はリアクタンス83の容量である。従って、これらは任意に選択可能な値である。
補償インピーダンスを接続した後の、スイッチング素子42のドレイン・ソースから電力変換器を見た場合のインピーダンスの、2つのピーク周波数fsp1とfsp2を(3)式で示す。
この(3)式でLsp1、Csp1およびLsp2、Csp2は補償インピーダンス回路8の素子値を含み、また、スイッチング時の過渡電流の流れる経路のインダクタンスと容量によって決まる値である。これらは図3の特性L3の2つの最大値を示す周波数である。
(5)式は、図1に示す補償インピーダンス自体のインピーダンス特性ZDS2を示す。
(6)式は、補償インピーダンス回路を付加した場合の、スイッチング素子42のドレイン・ソースから電力変換器を見た場合のインピーダンスZDS3を示す。ZDS1とZDS2の並列接続によって算出でき、分母のLsp1、Csp1およびLsp2、Csp2は、ZDS3に発生する2つの極周波数の角周波数を示しており、その詳細な代数表現は多項となるためここでは割愛する。
(4)式と(6)式より、LspとCspから決まっていた共振極周波数((4)式)が、Lsp1とCsp1、およびLsp2とCsp2の2つの共振極周波数((6)式)へと分散することが明らかに理解できる。また、その共振周波数でのインピーダンスの大きさについては、図3の例に示すように、補償インピーダンス回路の付加により低減することも明らかとなっている。
2:平滑コンデンサ
3a:正電源配線
3b:負電源配線
4:パワー半導体モジュール
5:ゲート駆動制御回路
6:誘導性負荷
7:スナバ回路
8:補償インピーダンス回路
11:配線
41,42:スイッチング素子
43,44:還流ダイオード
47:正電源端子
48:負電源端子
49:中間端子
81:第2のコンデンサ
82:第1のコンデンサ
83:リアクタンス
84a、84b、84c:ビアホール
85:絶縁基板
86a、86b、86c:導体
100:電力変換回路
Claims (13)
- 直流電源と並列に、平滑コンデンサ回路と、スイッチング素子による第1の直列回路と、スナバ回路による第2の直列回路とを接続するとともに、前記第1の直列回路の前記スイッチング素子の接続点と前記第2の直列回路の前記スナバ回路の接続点との間を接続して構成された電力変換装置であって、
前記直流電源と並列に、第1のコンデンサとリアクタンスとの並列回路に第2のコンデンサを直列接続して構成された補償インピーダンス回路が接続される
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記補償インピーダンス回路の入出力間のインピーダンスの周波数特性は、少なくとも1つ以上の極周波数と1つ以上の零点周波数とを有している
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項2に記載の電力変換装置において、
前記補償インピーダンス回路の前記極周波数および前記零点周波数は、前記電力変換装置のスイッチングに伴って発生するサージ電圧振動に含まれる共振周波数に対して、前記零点周波数の1つが低周波側に配置され、前記極周波数の1つが高周波側に配置される
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記スイッチング素子による前記第1の直列回路はモジュールを構成し、前記モジュールの正電源端子と負電源端子との間に前記補償インピーダンス回路が接続される
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記スイッチング素子による前記第1の直列回路は正電源端子と負電源端子とを備えたモジュールを構成し、かつ上側アームを構成する前記スイッチング素子のドレイン近傍と、下側アームを構成する前記スイッチング素子のソース近傍との間に前記補償インピーダンス回路が接続される
ことを特徴とする電力変換装置。 - 直流電源と、
配線を介して前記直流電源に接続される平滑コンデンサと、
正電源配線および負電源配線を介して前記平滑コンデンサと接続されるパワー半導体モジュールと、
前記パワー半導体モジュールに接続されるゲート駆動制御回路と、
前記パワー半導体モジュールの中間出力端子に接続される誘導性負荷と、
前記パワー半導体モジュールの正電源端子と前記中間出力端子との間および負電源端子と前記中間出力端子との間に接続されるスナバ回路と、
前記パワー半導体モジュールの前記正電源端子と前記負電源端子とに接続される補償インピーダンス回路と
を備えた電力変換装置であって、
前記補償インピーダンス回路は、入出力の2端子を有し、入出力間のインピーダンスの周波数特性は、少なくとも1つ以上の極周波数と1つ以上の零点周波数とを有し、前記電力変換装置のスイッチングに伴って発生するサージ電圧振動に含まれる周波数成分のうち抑制しようとする周波数に対して、前記零点周波数の一つが低周波側に配置され、前記極周波数の1つが高周波側に配置され、前記電力変換装置のサージ電圧振動の振幅を抑制する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項6に記載の電力変換装置において、
前記補償インピーダンス回路は、第1のコンデンサの一方の端子と第2のコンデンサの一方の端子とを直列接続し、前記第2のコンデンサの2つの端子間にインダクタンスを並列接続し、前記第1のコンデンサの他方の端子と前記第2のコンデンサの他方の端子との2端子を前記補償インピーダンス回路の入出力端子とすることにより構成され、
前記補償インピーダンス回路のインピーダンスの周波数依存性は、前記第1の零点周波数の1つを低周波側に配置し、前記第1の極周波数の1つを高周波側に配置するよう、前記第1のコンデンサの容量、前記第2のコンデンサの容量、および前記インダクタンスの少なくともいずれか1つが調整されていることにより調整されている
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項7に記載の電力変換装置において、
前記補償インピーダンス回路は、絶縁基板を挟む複数の導体で構成され、
前記複数の導体のうちの第1の導体と第2の導体との間に前記第1のコンデンサが構成され、前記複数の導体のうちの前記第1の導体と第3の導体との間に前記第2のコンデンサが構成され、前記第3の導体によって前記インダクタンスが構成され、
前記第2の導体および前記第3の導体にそれぞれ接続された2つの接続端子が、前記パワー半導体モジュールの前記正電源端子と前記負電源端子とに接続される
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項8に記載の電力変換装置において、
前記補償インピーダンス回路は、前記第2の導体および前記第3の導体の少なくともいずれか一方の導体パターンの一部の切り離しにより、前記第1のコンデンサの容量および前記第2のコンデンサの容量の少なくともいずれか一方を変更することが可能な構成であり、
前記第1のコンデンサの容量および前記第2のコンデンサの容量の少なくともいずれか一方の変更は、前記電力変換装置のサージ電圧振動の振幅の抑制を最大にするように行われる
ことを特徴とする電力変換装置。 - 直流電源と、
配線を介して前記直流電源に接続される平滑コンデンサと、
正電源配線および負電源配線を介して前記平滑コンデンサと接続されるパワー半導体モジュールと、
該パワー半導体モジュールに接続されるゲート駆動制御回路と、
前記パワー半導体モジュールの中間出力端子に接続される誘導性負荷と、
前記パワー半導体モジュールの正電源端子と前記中間出力端子との間および負電源端子と前記中間出力端子との間に接続されるスナバ回路と、
前記パワー半導体モジュールに内包される補償インピーダンス回路と
を備えた電力変換装置であって、
前記補償インピーダンス回路は、入出力の2端子を有し、入出力間のインピーダンスの周波数特性は、少なくとも1つ以上の極周波数と1つ以上の零点周波数とを有し、前記電力変換装置のスイッチングに伴って発生するサージ電圧振動に含まれる周波数成分のうち抑制しようとする周波数に対して、前記零点周波数の一つが低周波側に配置され、前記極周波数の1つが高周波側に配置され、前記電力変換装置のサージ電圧振動の振幅を抑制する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項10に記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体モジュールは、正電源側の主端子と、負電源側の主端子と、中間出力端子と、前記主端子群が接続される第1の絶縁基板とを有し、
前記補償インピーダンス回路は、前記第1の絶縁基板に接続される
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項10または11に記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体モジュールは、絶縁基板を挟む複数の導体で構成され、
前記補償インピーダンス回路は、前記複数の導体のうちの第1の導体が前記複数の導体のうちの第2の導体との間に絶縁基板を誘電体として見込む第1の並行平板容量を構成し、前記複数の導体のうちの第3の導体が前記第2の導体との間に絶縁基板を誘電体として見込む第2の並行平板容量を構成し、前記第3の導体の一部にインダクタンスを発生するミアンダ状パターンが形成され、さらに前記ミアンダ上パターンの一端が第1のビアホール群によって前記第2の導体と接続され、前記第1の導体と前記第3の導体とをそれぞれ入力端子と出力端子とすることにより構成され、
前記第1の導体は前記複数の導体のうちの第4の導体と接続され、前記第3の導体は前記複数の導体のうちの第5の導体と接続され、前記第4の導体および前記第5の導体はそれぞれ正電源端子用主端子および負電源端子用主端子と接続されてそれぞれ前記パワー半導体モジュールの前記正電源端子および前記負電源端子に接続され、
前記第4の導体は第1のスイッチング素子チップのドレインおよび還流ダイオードチップのカソードと接続され、前記複数の導体のうちの第6の導体はボンディングワイヤを介して前記第1のスイッチング素子チップのゲート端子と接続され、
前記複数の導体のうちの第7の導体は、前記第1のスイッチング素子チップのソースおよび前記還流ダイオードチップのアノードとボンディングワイヤを介して接続され、かつ、第2のスイッチング素子チップのドレインおよび還流ダイオードチップのカソードと接続され、かつ、前記パワー半導体モジュールの中間端子の主端子と接続され、
前記複数の導体のうちの第8の導体は、ボンディングワイヤを介して前記第2のスイッチング素子チップのゲート端子と接続され、
前記複数の導体のうちの第9の導体は、前記第2のスイッチング素子チップのソースおよび前記還流ダイオードチップのアノードとボンディングワイヤを介して接続され、かつ、第2のビアホール群を介して前記複数の導体のうち裏面側導体である第10の導体と接続され、
前記第10の導体は、第3のビアホール群を介して前記第5の導体と接続され、
前記補償インピーダンス回路は、前記パワー半導体モジュールと共通の混載基板上に形成される
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項10乃至12のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記補償インピーダンス回路の入出力端子間の絶縁耐圧は、前記電力変換装置の前記直流電源電圧の2倍以上の絶縁耐圧である
ことを特徴とする電力変換装置。
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