JP2015089185A - ３レベル電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３レベル電力変換回路では、直流電源と並列に４個の半導体スイッチ直列回路が接続され、この回路と直流電源の中間極との間にダイオードが２個接続される。近接配線による配線インダクタンスの低減により２個の半導体スイッチのスナバは削除できるが、内部の２個にはスナバが必要で、装置が大型で、高価格となる課題がある。
【解決手段】直流電源と半導体スイッチ回路との配線を近接配線し、配線インダクタンスを低減するとともに、第１~第４の４個の半導体スイッチ直列回路の中の内部の第２と第３の半導体スイッチは、第１及び第４の半導体スイッチの素子耐圧より配線インダクタンスの大きい分だけ、高い耐圧の素子で構成し、スナバを削除する。
【選択図】図１

Description

本発明は、３レベル電力変換装置のスイッチング素子のスナバレス化に関し、内部回路の配線インダクタンスの低減構造と異なる耐圧の半導体スイッチング素子で電力変換装置を構成するスナバレス化技術に関する。

特許文献１に示された３レベル電力変換回路１相分の回路構成と、配線インダクタンスと半導体スイッチのターンオフ時に半導体スイッチに印加される電圧との関係を、図３と図４に示す。また、図５に、特許文献２に示されたスナバ回路例を示す。
３レベル電力変換回路の１相分の回路構成は、正極端子Pと、中間極端子Mと、負極端子Nとを備えた直流電源DCPの正極端子Pと負極端子Nとの間にダイオードを逆並列接続したスイッチング素子（この例ではＩＧＢＴ）で構成した半導体スイッチＴ１〜Ｔ４を直列接続した半導体スイッチ直列回路を接続し、半導体スイッチＴ１とＴ２との接続点と直流電源ＤＣＰの中間極端子Ｍとの間にダイオードＤ１を、半導体スイッチＴ３とＴ４との接続点と直流電源ＤＣＰの中間極端子Ｍとの間にダイオードＤ２を、各々接続した構成で、半導体スイッチＴ２とＴ３の接続点が交流端子ＡＣとなる。この回路を２回路用いると単相電力変換回路が、３回路用いると３相電力変換回路が、各々構成できる。また、直流電源ＤＣＰは、二つの直流電源（ここではコンデンサＣｐ、Ｃｎで表わしている）を直列接続した構成や、交流電源を入力とした２つの整流回路の直流出力を直列接続した回路などで構成される。

この様な回路構成において、交流端子ＡＣには、半導体スイッチＴ１とＴ２をオンすると直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐの電圧が、半導体スイッチＴ２とＴ３をオンすると直流電源ＤＣＰの中間極端子Ｍの電圧が、半導体スイッチＴ３とＴ４をオンすると直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎの電圧が、各々出力される３レベル電力変換回路の動作となる。

図３は、直流電源ＤＣＰから交流端子ＡＣへ電流を流す時の動作説明図である。図３（ａ）は、半導体スイッチＴ１とＴ２をオンしている状態で直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐから交流端子ＡＣへ電流が流れている状態から半導体スイッチＴ１をオフし、ダイオードＤ１がオンとなり直流電源ＤＣＰの中間極端子ＭからダイオードＤ１を介して交流端子ＡＣへ電流を流す転流モードを示す。この時、半導体スイッチＴ３は交流端子ＡＣから電流が流れ込む場合を考慮してオンさせる。図３（ｂ）は、直流電源ＤＣＰの中間極端子ＭからダイオードＤ１を介して交流端子ＡＣへ電流を流している状態から、半導体スイッチＴ２をオフさせ、直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎから交流端子ＡＣへ電流を流す転流モードを示す。この時、半導体スイッチＴ３、Ｔ４は交流端子ＡＣから電流が流れ込む場合を考慮してオンさせる。

本回路構成において、Ｌ１は直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐと半導体スイッチＴ１の正側端子を接続する導体の配線インダクタンスを、Ｌ２は直流電源ＤＣＰの中間極ＭとダイオードＤ１のアノード及びダイオードＤ２のカソードとを接続する導体の配線インダクタンスを、Ｌ３は半導体スイッチＴ１とＴ２の接続点とダイオードＤ１のカソードとを接続する導体の配線インダクタンスを、Ｌ４は半導体スイッチＴ３とＴ４の接続点とダイオードＤ２のアンードとを接続する導体の配線インダクタンスを、Ｌ５は直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎと半導体スイッチＴ４の負側端子とを接続する導体の配線インダクタンスを、各々示す。

この様な構成において、図３（ａ）に示す半導体スイッチＴ１がターンオフするモードの時、電流の変化率ｄｉ／ｄｔに配線インダクタンスＬ１を乗算して得られる電圧Ｖ１が矢印の方向に誘起される。同様に配線インダクタンスＬ２には矢印の方向にＶ２が、配線インダクタンスＬ３には矢印の方向にＶ３が、各々誘起される。この結果、半導体スイッチＴ１の主端子間に印加される電圧Ｖｔ１は、直流電源の正極端子Ｐと中間極端子Ｍとの間の電圧をＥｐとすると、Ｖｔ１＝Ｅｐ＋Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３となる。
また、図３（ｂ）に示す半導体スイッチＴ２がターンオフするモードの時、半導体スイッチＴ２の主端子間に印加される電圧Ｖｔ２は、直流電源の中間極端子Ｍと負極端子Ｎとの間の電圧をＥｎとすると、Ｖｔ２＝Ｅｎ＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ５となる。

図４は、交流端子ＡＣから直流電源ＤＣＰへ電流を流す時の動作説明図である。図４（ａ）は、半導体スイッチＴ３とＴ４をオンしている状態で交流端子ＡＣから直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎへ電流が流れている状態から半導体スイッチＴ４をオフし、ダイオードＤ２がオンとなり交流端子ＡＣから直流電源ＤＣＰの中間極端子ＭへダイオードＤ２を介して電流を流す転流モードを示す。この時、半導体スイッチＴ２は交流端子ＡＣへ電流が流れ出す場合を考慮してオンさせる。図４（ｂ）は、交流端子ＡＣから直流電源ＤＣＰの中間極端子ＭへダイオードＤ２を介して電流を流している状態から、半導体スイッチＴ３をオフさせ、交流端子ＡＣから直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐへ電流を流す転流モードを示す。この時、半導体スイッチＴ１、Ｔ２は交流端子ＡＣへ電流が流れ出す場合を考慮してオンさせる。

本回路構成において、Ｌ１は直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐと半導体スイッチＴ１の正側端子を接続する導体の配線インダクタンスを、Ｌ２は直流電源ＤＣＰの中間極ＭとダイオードＤ１のアノード及びダイオードＤ２のカソードとを接続する導体の配線インダクタンスを、Ｌ３は半導体スイッチＴ１とＴ２の接続点とダイオードＤ１のカソードとを接続する導体の配線インダクタンスを、Ｌ４は半導体スイッチＴ３とＴ４の接続点とダイオードＤ２のアンードとを接続する導体の配線インダクタンスを、Ｌ５は直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎと半導体スイッチＴ４の負側端子とを接続する導体の配線インダクタンスを、各々示す。

この様な構成において、図４（ａ）に示す半導体スイッチＴ４がターンオフするモードの時、電流の変化率ｄｉ／ｄｔに配線インダクタンスＬ５を乗算して得られる電圧Ｖ５が矢印の方向に誘起される。同様に配線インダクタンスＬ２には矢印の方向にＶ２が、配線インダクタンスＬ４には矢印の方向にＶ４が、各々誘起される。この結果、半導体スイッチＴ４の主端子間に印加される電圧Ｖｔ４は、直流電源の負極Ｎと中間極Ｍとの間の電圧をＥｎとすると、Ｖｔ４＝Ｅｎ＋Ｖ２＋Ｖ４＋Ｖ５となる。また、図４（ｂ）に示す半導体スイッチＴ３がターンオフするモードの時、半導体スイッチＴ３の主端子間に印加される電圧Ｖｔ３は、直流電源の正極端子Ｐと中間極端子Ｍとの間の電圧をＥｐとすると、Ｖｔ３＝Ｅｐ＋Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ４となる。

上述の配線インダクタンスによるサージ電圧を抑制するためには、配線インダクタンスＬ１〜Ｌ５を小さくすることが必要である。配線インダクタンスＬ１及びＬ２を小さくする対策として、直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐと半導体スイッチＴ１の正側端子を接続する導体と、直流電源ＤＣＰの中間極端子ＭとダイオードＤ１のアノード端子を接続する導体とをラミネート配線構造などにより近接配線する方法が提案されている。
同様に、配線インダクタンスＬ２及びＬ５を小さくする対策として、直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎと半導体スイッチＴ４の負側端子を接続する導体と、直流電源ＤＣＰの中間極端子ＭとダイオードＤ２のカソード端子とを接続する導体とをラミネート配線構造などにより近接配線する方法が提案されている。

上述の対策では、直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐ→半導体スイッチＴ１→ダイオードＤ１→直流電源ＤＣＰの中間極端子Ｍのループのインダクタンスと、直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎ→半導体スイッチＴ４→ダイオードＤ２→直流電源ＤＣＰの中間極端子Ｍのループとのインダクタンスは十分低減可能で、半導体スイッチＴ１及びＴ４はスナバレス化が可能となる。しかし、直流電源の中間極端子Ｍ→ダイオードＤ１→半導体スイッチＴ２→半導体スイッチＴ３→半導体スイッチＴ４→直流電源の負極端子Ｎのループ及び直流電源の中間極端子Ｍ→ダイオードＤ２→半導体スイッチＴ３→半導体スイッチＴ２→半導体スイッチＴ１→直流電源の正極端子Ｐのループにおいては、半導体の数と半導体間を接続する導体数が多いため、配線インダクタンスの低減が十分に実現できないため、半導体スイッチＴ２とＴ３に印加されるサージ電圧がスナバレスでは抑制できないという課題がある。

この対策として、半導体スイッチ２及び３に、各々電圧クランプ形のスナバ回路を設ける提案が特許文献２などに示されている。図５に特許文献２に示された３レベル電力変換装置の１相分の回路構成を示す。主回路構成は図３、図４と同じであるので、説明は省略するが、半導体スイッチＴ２と並列にコンデンサＣｓ１とダイオードＤｓ１との直列回路で構成された放電阻止形スナバが接続され、コンデンサＣｓ１とダイオードＤｓ１との直列回路の接続点と直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎとの間に抵抗ＲｂとダイオードＤｂとの直列回路が接続される。また、半導体スイッチＴ３と並列にダイオードＤｓ２とコンデンサＣｓ２との直列回路で構成された放電阻止形スナバが接続され、ダイオードＤｓ２とコンデンサＣｓ２との直列回路の接続点と直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐとの間に抵抗ＲａとダイオードＤａとの直列回路が接続される。この様に、半導体スイッチＴ２とＴ３にスナバを並列接続することにより、半導体スイッチＴ２又はＴ３がターンオフ時のサージ電圧を抑制することができる。

特開平１１−８９２４９号公報 特開平１１−４１９４７号公報

上述のように、３レベル電力変換回路の直流電源と並列に接続された第１〜第４の半導体スイッチの直列回路の中で、半導体スイッチのターンオフ時のサージ電圧を抑制するために交流端子に接続される内部の２個の半導体スイッチにスナバ回路を並列接続すると、高電圧の回路においては、スナバ回路用の部品が大型で、構造が複雑となり、装置が大型で高価格になる問題がある。
従って、本発明の課題は、スナバ回路が不要で、部品点数の削減、装置の小型化、低価格化を図れる高電圧回路に適用可能な３レベル電力変換装置を提供することである。

上述の課題を解決するために、第1の発明は、正極端子と中間極端子と負極端子とを備えた直流電源と、前記直流電源の正極端子と負極端子との間に接続される、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子からなる第１〜第４の半導体スイッチを正極端子側からこの順に直列接続した半導体スイッチ直列回路と、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点と前記直流電源の中間極端子との間に接続される第１のダイオードと、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点と前記直流電源の中間極端子との間に接続される第２のダイオードと、を備え、前記第２の半導体スイッチと前記第３の半導体スイッチとの接続点を交流端子とし、前記交流端子に３つのレベルの電圧を選択的に出力する３レベル電力変換装置に関する。前記第1〜第4の半導体スイッチ各々はダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子を内蔵した半導体スイッチモジュールで、前記第１及び第２のダイオード各々はダイオードを内蔵したダイオードモジュールで、各々構成される。前記第1〜第4の半導体スイッチは冷却体の素子取付け面上にこの順に順次配置され、前記第１及び第２のダイオードは前記順次配置された第1〜第4の半導体スイッチの一方の傍らの前記直流電源に近い側にこの順に配置される。前記直流電源の正極端子と第１の半導体スイッチの正側端子とを接続する導体は、前記第１のダイオードのアノード端子と前記直流電源の中間極端子とを接続する導体及び前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点と前記第１のダイオードのカソード端子とを接続する導体と近接配線される。前記直流電源の負極端子と第４の半導体スイッチの負側端子とを接続する導体は、前記第２のダイオードのカソード端子と前記直流電源の中間極端子とを接続する導体及び前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点と前記第２のダイオードのアノード端子とを接続する導体と、近接配線される。前記第２及び第３の半導体スイッチは、耐圧が前記第１及び第４の半導体スイッチの耐圧に比べて、所定量高い耐圧のある半導体素子で構成する。

第２の発明は、正極端子と中間極端子と負極端子とを備えた直流電源と、前記直流電源の正極端子と負極端子との間に接続される、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子からなる第１〜第４の半導体スイッチを正極側からこの順に直列接続した半導体スイッチ直列回路と、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点と前記直流電源の中間極端子との間に接続される第１のダイオードと、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点と前記直流電源の中間極端子との間に接続される第２のダイオードと、を備え、前記第２の半導体スイッチと前記第３の半導体スイッチとの接続点を交流端子とし、前記交流端子に３つのレベルの電圧を選択的に出力する３レベル電力変換装置に関する。
前記第1〜第4の半導体スイッチ各々はダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子を内蔵した半導体スイッチモジュールで、前記第１及び第２のダイオード各々はダイオードを内蔵したダイオードモジュールで、各々構成され、前記第1〜第４の半導体スイッチ及び前記第１及び第２のダイオードは冷却体の素子取付け面上に第１の半導体スイッチ、第１のダイオード、第２の半導体スイッチ、第３の半導体スイッチ、第２のダイオード、第４の半導体スイッチの順に順次配置される。前記直流電源の正極と第１の半導体スイッチの正側端子とを接続する導体は、前記第１のダイオードのアノード端子と前記直流電源の中間極端子とを接続する導体と、近接配線される。前記直流電源の負極端子と第４の半導体スイッチの負側端子とを接続する導体は、前記第２のダイオードのカソード端子と前記直流電源の中間極端子とを接続する導体と、各々近接配線される。前記第２及び第３の半導体スイッチは、耐圧が前記第１及び第４の半導体スイッチの耐圧に比べて、所定量高い耐圧のある半導体素子で構成する。

第３の発明においては、請求項１又は２に記載の３レベル電力変換装置において、前記第１の半導体スイッチの耐圧に対する前記第２の半導体スイッチの前記所定量高い耐圧は、前記直流電源の正極、前記第１の半導体スイッチの正側端子、前記第１の半導体スイッチの負側端子、前記第１のダイオードのカソード端子、前記第１のダイオードのアノード端子及び前記直流電源の中間極端子を経由する回路の配線インダクタンスと、前記直流電源の中間極端子、前記第１のダイオードのアノード端子、前記第１のダイオードのカソード端子、前記第２の半導体スイッチの正側端子、前記第２の半導体スイッチの負側端子、前記第３の半導体スイッチの正側端子、前記第３の半導体スイッチの負側端子、前記第４の半導体スイッチの正側端子、前記第４の半導体スイッチの負側端子、前記直流電源の負極端子を経由する回路の配線インダクタンスと、の差に応じて決定する。

第４の発明においては、請求項１又は２に記載の３レベル電力変換装置において、前記第４の半導体スイッチの耐圧に対する前記第３の半導体スイッチの前記所定量高い耐圧は、前記直流電源の負極、前記第４の半導体スイッチの負側端子、前記第４の半導体スイッチの正側端子、前記第２のダイオードのアノード端子、前記第２のダイオードのカソード端子及び前記直流電源の中間極端子を経由する回路の配線インダクタンスと、前記直流電源の中間極端子、前記第２のダイオードのカソード端子、前記第２のダイオードのアノード端子、前記第３の半導体スイッチの負側端子、前記第３の半導体スイッチの正側端子、前記第２の半導体スイッチの負側端子、前記第２の半導体スイッチの正側端子、前記第１の半導体スイッチの負側端子、前記第１の半導体スイッチの正側端子、前記直流電源の正極端子を経由する回路の配線インダクタンスと、の差に応じて決定する。

本発明では、３レベル電力変換装置の半導体スイッチとダイオードの配置に応じて直流電源と半導体スイッチ及びダイオードとの導体を近接配線により配線インダクタンスを低減し、第１〜第４の半導体スイッチの中で第２と第３の半導体スイッチは第１と第４の半導体スイッチの耐圧より所定量高い耐圧の半導体スイッチで構成している。また、半導体スイッチの耐圧差による価格差は小さいので、耐圧の高い素子を適用することによるコストの増加分は小さい。。
この結果、第１〜第４の半導体スイッチのスナバ回路が不要となり、部品点数の削減、装置の小型化、低価格化を図れる高電圧回路に適用可能な３レベル電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施例である。 本発明の第２の実施例である。 配線インダクタンスを考慮した３レベル電力変換回路の第１の動作例である。 配線インダクタンスを考慮した３レベル電力変換回路の第２の動作例である。 スナバ回路を用いた従来の３レベル電力変換装置の１相分の回路図である。

本発明の要点は、３レベル電力変換装置の半導体スイッチとダイオードの配置に応じて直流電源と半導体スイッチ及びダイオードとの導体を近接配線により低インダクタンス化し、さらに第１〜第４の半導体スイッチの中で第２と第３の半導体スイッチは第１と第４の半導体スイッチの耐圧より所定量高い耐圧の半導体スイッチで構成している点である。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。上側の図が平面図で、下側の図が正面図である。電気回路の構成は、図３、図４で説明した従来回路と同様であるので、説明は省略する。
冷却体１３の素子取付け面上の図面上部から順に、ダイオードが逆並列接続された半導体スイッチ素子が内蔵されたモジュール構造の半導体スイッチＴ１からＴ４がこの順に配置される。この種の半導体スイッチモジュールは１個入りのモジュールと呼ばれる。半導体スイッチＴ１からＴ４の左側である直流電源ＤＣＰ側にはダイオードが内蔵された１個入りモジュール構造のダイオードＤ１とＤ２がこの順に配置される。冷却体１３の左傍らには、熱の影響を受けないように間隔を設けて、正極端子Ｐ、中間極端子Ｍ及び負極端子Ｎを備えた直流電源ＤＣＰが配置される。

第１の半導体スイッチＴ１の負側端子Ｅ１と第２の半導体スイッチＴ２の正側端子Ｃ２とは導体６で、第２の半導体スイッチＴ２の負側端子Ｅ２と第３の半導体スイッチＴ３の正側端子Ｃ３とは導体７で、第３の半導体スイッチＴ３の負側端子Ｅ３と第４の半導体スイッチＴ４の正側端子Ｃ４とは導体８で、各々接続され、半導体スイッチ直列回路を構成する。ここで、第２の半導体スイッチＴ２の負側端子Ｅ２と第３の半導体スイッチＴ３の正側端子Ｃ３とを接続する導体７は交流端子ＡＣの機能を備えている。半導体スイッチＴ１の負側端子Ｅ１と第１のダイオードＤ１のカソード端子Ｋ１とは導体３で、半導体スイッチＴ３とＴ４との接続点と第２のダイオードＤ２のアノード端子Ａ２とは導体４で、第１のダイオードのアノード端子Ａ１及び第２のダイオードのカソード端子Ｋ２と直流電源ＤＣＰの中間極端子とは導体２で、各々接続される。

第１の半導体スイッチＴ１の正側端子Ｃ１と直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐとは導体１で接続され、導体１と２は絶縁材９を挟んだラミネート構造で、導体１と３は絶縁材１０を挟んだラミネート構造で、各々近接配線される。
第４の半導体スイッチＴ４の負側端子Ｅ４と直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎとは導体５で接続され、導体５と２は絶縁材１１を挟んだラミネート構造で、導体５と４は絶縁材１２を挟んだラミネート構造で、各々近接配線される。

この様な配置配線構造においては、図３に示した配線インダクタンスＬ１とＬ２、及び配線インダクタンスＬ１とＬ３とは、各々近接配線により低減され、半導体スイッチＴ１がオフする時のサージ電圧を抑制することができる。また、配線インダクタンスＬ５とＬ２、及び配線インダクタンスＬ５とＬ４とは、各々近接配線により低減され、半導体スイッチＴ４がオフする時のサージ電圧を抑制することができる。

まず、半導体スイッチ１と半導体スイッチ２の耐圧について説明する。半導体スイッチＴ１がターンオフする時に半導体スイッチＴ１の主端子間（Ｃ１−Ｅ１間）に印加される電圧Ｖｔ１は、直流電源の正極端子Ｐと中間極端子Ｍとの間の電圧をＥｐ、直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐ→半導体スイッチＴ１→ダイオードＤ１→直流電源ＤＣＰの中間極端子ＭのループＡのインダクタンスＬａに半導体スイッチＴ１遮断時の電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）を乗算して得られるサージ電圧をＶｓ１とすると、Ｖｔ１＝Ｅｐ＋Ｖｓ１となる。また、半導体スイッチＴ２がターンオフする時に半導体スイッチＴ２の主端子間（Ｃ２−Ｅ２間）に印加される電圧Ｖｔ２は、直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎと中間極端子Ｍとの間の電圧をＥｎ、直流電源ＤＣＰの中間極端子Ｍ→ダイオードＤ１→半導体スイッチＴ２→半導体スイッチＴ３→半導体スイッチＴ４→直流電源ＤＣＰの負極端子ＮのループＢのインダクタンスＬｂに半導体スイッチＴ２遮断時の電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）を乗算して得られるサージ電圧をＶｓ２とすると、Ｖｔ２＝Ｅｎ＋Ｖｓ２となる。

ここで、ループＡは直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐと中間極Ｍとの間に半導体スイッチＴ１とダイオードＤ１を導体１、３及び９で接続する構成で、ループＢは直流電源ＤＣＰの中間極端子Ｍと負極端子Ｎとの間に、ダイオードＤ１、半導体スイッチＴ２、Ｔ３及びＴ４を導体２、３、６、７、8及び５で接続した構成である。近接配線した部分の配線インダクタンスは低減できるが、ループＢはループＡに比べて配線導体数と半導体部品数が多く、導体のインダクタンスと半導体部品のインダクタンスとの和となるループＢのインダクタンスＬｂは、ループＡのインダクタンスＬａに比べて大きくなる。

直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐと中間極端子Ｍとの間の電圧Ｅｐと直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎと中間極端子Ｍとの間の電圧Ｅｎは等しくなるように選択され、半導体スイッチのターンオフ時の電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）はほぼ等しい。従って、サージ電圧Ｖｓ１、Ｖｓ２は配線インダクタンスに比例した値となり、半導体スイッチＴ１の耐圧はＶｔ１＝Ｅｐ＋Ｖｓ１に耐える耐圧の半導体スイッチを、半導体スイッチＴ２の耐圧はＶｔ２＝Ｅｎ＋Ｖｓ２に耐える耐圧の半導体スイッチを用いる。

次に半導体スイッチＴ３とＴ４の耐圧について説明する。半導体スイッチＴ４がターンオフする時に半導体スイッチＴ４の主端子間（Ｃ４−Ｅ４間）に印加される電圧Ｖｔ４は、直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎと中間極端子Ｍとの間の電圧をＥｎ、直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎ→半導体スイッチＴ４→ダイオードＤ２→直流電源ＤＣＰの中間極端子ＭのループＣのインダクタンスＬｃに半導体スイッチＴ４遮断時の電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）を乗算して得られるサージ電圧をＶｓ４とすると、Ｖｔ４＝Ｅｎ＋Ｖｓ４となる。また、半導体スイッチＴ３がターンオフする時に半導体スイッチＴ３の主端子間（Ｃ３−Ｅ３間）に印加される電圧Ｖｔ３は、直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐと中間極端子Ｍとの間の電圧をＥｐ、直流電源ＤＣＰの中間極端子Ｍ→ダイオードＤ２→半導体スイッチＴ３→半導体スイッチＴ２→半導体スイッチＴ１→直流電源の正極端子ＰのループＤのインダクタンスＬｄに半導体スイッチＴ３遮断時の電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）を乗算して得られるサージ電圧をＶｓ３とすると、Ｖｔ３＝Ｅｐ＋Ｖｓ３となる。

ここで、ループＣは直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎと中間極端子Ｍとの間に半導体スイッチＴ４とダイオードＤ２を導体５、８、４及び２で接続する構成で、ループＤは直流電源ＤＣＰの中間極端子Ｍと正極端子Ｐとの間に、ダイオードＤ２、半導体スイッチＴ３、Ｔ２及びＴ１を導体２、４、７、６及び１で接続した構成である。近接配線した部分のインダクタンスは低減できるが、ループＤはループＣに比べて配線導体数と半導体部品数が多く、配線導体のインダクタンスと半導体部品のインダクタンスとの和となるループＤのインダクタンスＬｄは、ループＣのインダクタンスＬｃに比べて大きくなる。

直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐと中間極端子Ｍとの間の電圧Ｅｐと直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎと中間極端子Ｍとの間の電圧Ｅｎは等しくなるように選択され、半導体スイッチのターンオフ時の電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）はほぼ等しい。従って、サージ電圧Ｖｓ３、Ｖｓ４は配線インダクタンスに比例した値となり、半導体スイッチＴ４の耐圧はＶｔ４＝Ｅｎ＋Ｖｓ３に耐える耐圧の半導体スイッチを、半導体スイッチＴ３の耐圧はＶｔ３＝Ｅｐ＋Ｖｓ４に耐える耐圧の半導体スイッチを用いる。
半導体スイッチの耐圧の違いによる価格差は、例えば１２００Ｖ耐圧の素子と１７００Ｖ耐圧の素子とでは小さく、ほとんどコストアップせずにスナバ回路を削減できる。

図２に、本発明の第２の実施例を示す。図２は冷却体の素子取付け面の平面図である。電気回路の構成は、図３、図４で説明した従来回路と同様であるので、説明は省略する。
半導体スイッチとダイオードの種類は、実施例１と同じである。実施例１との違いは、ダイオードＤ１、Ｄ２の配置である。

冷却体２９の素子取付け面上の図面上部から順に、半導体スイッチＴ１、ダイオードＤ１、半導体スイッチＴ２、半導体スイッチＴ３、ダイオードＤ２及び半導体スイッチＴ４がこの順に配置される。また、冷却体２９の左傍らには熱の影響を受けないように間隔を設けて、正極端子Ｐ、中間極端子Ｍ及び負極端子Ｎを備えた直流電源ＤＣＰが配置される。

第１の半導体スイッチＴ１の負側端子Ｅ１と第１のダイオードＤ１のカソード端子及び第２の半導体スイッチＴ２の正側端子Ｃ２とは導体２２で、第２の半導体スイッチＴ２の負側端子Ｅ２と第３の半導体スイッチＴ３の正側端子Ｃ３とは導体２４で、第３の半導体スイッチＴ３の負側端子Ｅ３と第２のダイオードＤ２のアノード端子及び第４の半導体スイッチＴ４の正側端子Ｃ４とは導体２７で、各々接続され、半導体スイッチ直列回路とダイオード回路を構成する。ここで、第２の半導体スイッチＴ２の負側端子Ｅ２と第３の半導体スイッチＴ３の正側端子Ｃ３とを接続する導体２４は交流端子ＡＣの機能を備えている。ダイオードＤ１のアノード端子Ａ１とダイオードＤ２のカソード端子Ｋ２は導体２３、２６及び２８で接続され、導体２８はさらに直流電源ＤＣＰの中間極端子に接続される。

第１の半導体スイッチＴ１の正側端子Ｃ１と直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐとは導体２１で接続され、導体２１と２３及び導体２１と２８は絶縁材３０を挟んだラミネート構造で、近接配線される。第４の半導体スイッチＴ４の負側端子Ｅ４と直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎとは導体２５で接続され、導体２５と２６及び導体２５と２８は絶縁材３１を挟んだラミネート構造で、近接配線される。

この様な配置配線構造においては、図３に示した配線インダクタンスＬ１とＬ２は、近接配線により低減され、半導体スイッチＴ１がオフする時のサージ電圧を抑制することができる。また、配線インダクタンスＬ５とＬ２は、近接配線により低減され、半導体スイッチＴ４がオフする時のサージ電圧を抑制することができる。

まず、半導体スイッチＴ１と半導体スイッチＴ２の耐圧について説明する。半導体スイッチＴ１がターンオフする時に半導体スイッチＴ１の主端子間（Ｃ１−Ｅ１間）に印加される電圧Ｖｔ１は、直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐと中間極端子Ｍとの間の電圧をＥｐ、直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐ→半導体スイッチＴ１→ダイオードＤ１→直流電源ＤＣＰの中間極端子ＭのループＡのインダクタンスＬａに半導体スイッチＴ１遮断時の電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）を乗算して得られるサージ電圧をＶｓ１とすると、Ｖｔ１＝Ｅｐ＋Ｖｓ１となる。また、半導体スイッチＴ２がターンオフする時に半導体スイッチＴ２の主端子間（Ｃ２−Ｅ２間）に印加される電圧Ｖｔ２は、直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎと中間極端子Ｍとの間の電圧をＥｎ、直流電源ＤＣＰの中間極端子Ｍ→ダイオードＤ１→半導体スイッチＴ２→半導体スイッチＴ３→半導体スイッチＴ４→直流電源ＤＣＰの負極端子ＮのループＢのインダクタンスＬｂに半導体スイッチＴ２遮断時の電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）を乗算して得られるサージ電圧をＶｓ２とすると、Ｖｔ２＝Ｅｎ＋Ｖｓ２となる。

ここで、ループＡは直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐと中間極Ｍとの間に半導体スイッチＴ１とダイオードＤ１を導体２１、２２及び２３で接続する構成で、ループＢは直流電源ＤＣＰの中間極端子Ｍと負極端子Ｎとの間に、ダイオードＤ１、半導体スイッチＴ２、Ｔ３及びＴ４を導体２８、２３、２２、２４、２７及び２５で接続した構成である。近接配線した部分のインダクタンスは低減されるが、ループＢはループＡに比べて配線導体数と半導体部品数が多く、配線導体のインダクタンスと半導体部品のインダクタンスとの和となるループＢのインダクタンスＬｂは、ループＡのインダクタンスＬａに比べて大きくなる。

直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐと中間極端子Ｍとの間の電圧Ｅｐと直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎと中間極端子Ｍとの間の電圧Ｅｎは等しくなるように選択され、半導体スイッチのターンオフ時の電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）はほぼ等しい。従って、サージ電圧Ｖｓ１、Ｖｓ２は配線インダクタンスに比例した値となり、半導体スイッチＴ１の耐圧はＶｔ１＝Ｅｐ＋Ｖｓ１に耐える耐圧の半導体スイッチを、半導体スイッチＴ２の耐圧はＶｔ２＝Ｅｎ＋Ｖｓ２に耐える耐圧の半導体スイッチを用いる。

次に半導体スイッチＴ３とＴ４の耐圧について説明する。半導体スイッチＴ４がターンオフする時に半導体スイッチＴ４の主端子間（Ｃ４−Ｅ４間）に印加される電圧Ｖｔ４は、直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎと中間極端子Ｍとの間の電圧をＥｎ、直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎ→半導体スイッチＴ４→ダイオードＤ２→直流電源ＤＣＰの中間極端子ＭのループＣのインダクタンスＬｃに半導体スイッチＴ４遮断時の電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）を乗算して得られるサージ電圧をＶｓ４とすると、Ｖｔ４＝Ｅｎ＋Ｖｓ４となる。また、半導体スイッチＴ３がターンオフする時に半導体スイッチＴ３の主端子間（Ｃ３−Ｅ３間）に印加される電圧Ｖｔ３は、直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐと中間極端子Ｍとの間の電圧をＥｐ、直流電源ＤＣＰの中間極端子Ｍ→ダイオードＤ２→半導体スイッチＴ３→半導体スイッチＴ２→半導体スイッチＴ１→直流電源の正極端子ＰのループＤのインダクタンスＬｄに半導体スイッチＴ３遮断時の電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）を乗算して得られるサージ電圧をＶｓ３とすると、Ｖｔ３＝Ｅｐ＋Ｖｓ３となる。

ここで、ループＣは直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎと中間極端子Ｍとの間に半導体スイッチＴ４とダイオードＤ２を導体２５、２７、２６及び２８で接続する構成で、ループＤは直流電源ＤＣＰの中間極端子Ｍと正極端子Ｐとの間に、ダイオードＤ２、半導体スイッチＴ３、Ｔ２及びＴ１を導体２８、２６、２７、２４、２２及び２１で接続した構成である。この結果、ループＤはループＣに比べて配線導体数と半導体部品数が多く、配線導体のインダクタンスと半導体部品のインダクタンスとの和となるループＤのインダクタンスＬｄは、ループＣのインダクタンスＬｃに比べて大きくなる。

直流電源ＤＣＰの正極端子Ｐと中間極端子Ｍとの間の電圧Ｅｐと直流電源ＤＣＰの負極端子Ｎと中間極端子Ｍとの間の電圧Ｅｎは等しくなるように選択され、半導体スイッチのターンオフ時の電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）はほぼ等しい。従って、サージ電圧Ｖｓ３、Ｖｓ４は配線インダクタンスに比例した値となり、半導体スイッチＴ４の耐圧はＶｔ４＝Ｅｎ＋Ｖｓ３に耐える耐圧の半導体スイッチを、半導体スイッチＴ３の耐圧はＶｔ３＝Ｅｐ＋Ｖｓ４に耐える耐圧の半導体スイッチを用いる。

半導体スイッチの耐圧の違いによる価格差は、例えば１２００Ｖ耐圧の素子と１７００Ｖ耐圧の素子とでは小さく、ほとんどコストアップせずにスナバ回路を削減できる。
尚、上記実施例には、近接配線構造として導体間に絶縁材を挟んで例を示したが、導体を絶縁樹脂等でコーティングする構造や大電流プリント板などでも実現可能である。

本発明は、高圧回路に適用する３レベル電力変換装置に適用する半導体スイッチングのスナバを削減する技術であり、高圧電動機駆動装置、系統連系用インバータ、系統電圧補償装置などへの適用が可能である。

Ｔ１〜Ｔ４・・・半導体スイッチ ＤＣＰ・・・直流電源
Ｄ１、Ｄ２・・・ダイオード Ｃｐ、Ｃｎ・・・コンデンサ
Ｃｓ１、Ｃｓ２・・・コンデンサ Ｒａ、Ｒｂ・・・抵抗
Ｄｓ１、Ｄｓ２、Ｄａ、Ｄｂ・・・ダイオード
１〜８、２１〜２８・・・導体 ９〜１２、３０、３１・・・絶縁材
１３、２９・・・冷却体 Ｌ１〜Ｌ５・・・配線インダクタンス

Claims (4)

1. 正極端子と中間極端子と負極端子とを備えた直流電源と、前記直流電源の正極端子と負極端子との間に接続される、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子からなる第１〜第４の半導体スイッチを正極端子側からこの順に直列接続した半導体スイッチ直列回路と、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点と前記直流電源の中間極端子との間に接続される第１のダイオードと、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点と前記直流電源の中間極端子との間に接続される第２のダイオードと、を備え、前記第２の半導体スイッチと前記第３の半導体スイッチとの接続点を交流端子とし、前記交流端子に３つのレベルの電圧を選択的に出力する３レベル電力変換装置において、
   前記第1〜第4の半導体スイッチ各々はダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子を内蔵した半導体スイッチモジュールで、前記第１及び第２のダイオード各々はダイオードを内蔵したダイオードモジュールで、各々構成され、前記第1〜第4の半導体スイッチは冷却体の素子取付け面上にこの順に順次配置され、前記第１及び第２のダイオードは順次配置された前記第1〜第4の半導体スイッチの一方の傍らの前記直流電源に近い側にこの順に配置され、前記直流電源の正極端子と第１の半導体スイッチの正側端子とを接続する導体は、前記第１のダイオードのアノード端子と前記直流電源の中間極端子とを接続する導体及び前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点と前記第１のダイオードのカソード端子とを接続する導体と、前記直流電源の負極端子と第４の半導体スイッチの負側端子とを接続する導体は、前記第２のダイオードのカソード端子と前記直流電源の中間極とを接続する導体及び前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点と前記第２のダイオードのアノード端子とを接続する導体と、各々近接配線され、前記第２及び第３の半導体スイッチは、耐圧が前記第１及び第４の半導体スイッチの耐圧に比べて、所定量高い耐圧の半導体素子で構成することを特徴とする３レベル電力変換装置。
2. 正極端子と中間極端子と負極端子とを備えた直流電源と、前記直流電源の正極端子と負極端子との間に接続される、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子からなる第１〜第４の半導体スイッチを正極側からこの順に直列接続した半導体スイッチ直列回路と、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点と前記直流電源の中間極端子との間に接続される第１のダイオードと、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点と前記直流電源の中間極端子との間に接続される第２のダイオードと、を備え、前記第２の半導体スイッチと前記第３の半導体スイッチとの接続点を交流端子とし、前記交流端子に３つのレベルの電圧を選択的に出力する３レベル電力変換装置において、
   前記第1〜第4の半導体スイッチ各々はダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子を内蔵した半導体スイッチモジュールで、前記第１及び第２のダイオード各々はダイオードを内蔵したダイオードモジュールで、各々構成され、前記第1〜第４の半導体スイッチ及び前記第１及び第２のダイオードは冷却体の素子取付け面上に第１の半導体スイッチ、第１のダイオード、第２の半導体スイッチ、第３の半導体スイッチ、第２のダイオード、第４の半導体スイッチの順に順次配置され、前記直流電源の正極と第１の半導体スイッチの正側端子とを接続する導体は、前記第１のダイオードのアノード端子と前記直流電源の中間極端子とを接続する導体と、前記直流電源の負極端子と第４の半導体スイッチの負側端子とを接続する導体は、前記第２のダイオードのカソード端子と前記直流電源の中間極端子とを接続する導体と、各々近接配線され、前記第２及び第３の半導体スイッチは、耐圧が前記第１及び第４の半導体スイッチの耐圧に比べて、所定量高い耐圧の半導体素子で構成することを特徴とする３レベル電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載の３レベル電力変換装置において、前記第１の半導体スイッチの耐圧に対する前記第２の半導体スイッチの前記所定量高い耐圧は、前記直流電源の正極、前記第１の半導体スイッチの正側端子、前記第１の半導体スイッチの負側端子、前記第１のダイオードのカソード端子、前記第１のダイオードのアノード端子及び前記直流電源の中間極端子を経由する回路の配線インダクタンスと、前記直流電源の中間極端子、前記第１のダイオードのアノード端子、前記第１のダイオードのカソード端子、前記第２の半導体スイッチの正側端子、前記第２の半導体スイッチの負側端子、前記第３の半導体スイッチの正側端子、前記第３の半導体スイッチの負側端子、前記第４の半導体スイッチの正側端子、前記第４の半導体スイッチの負側端子、前記直流電源の負極端子を経由する回路の配線インダクタンスと、の差に応じて決定することを特徴とする３レベル電力変換装置。
4. 請求項１又は２に記載の３レベル電力変換装置において、前記第４の半導体スイッチの耐圧に対する前記第３の半導体スイッチの前記所定量高い耐圧は、前記直流電源の負極、前記第４の半導体スイッチの負側端子、前記第４の半導体スイッチの正側端子、前記第２のダイオードのアノード端子、前記第２のダイオードのカソード端子及び前記直流電源の中間極端子を経由する回路の配線インダクタンスと、前記直流電源の中間極端子、前記第２のダイオードモジュールのカソード端子、前記第２のダイオードのアノード端子、前記第３の半導体スイッチの負側端子、前記第３の半導体スイッチの正側端子、前記第２の半導体スイッチの負側端子、前記第２の半導体スイッチの正側端子、前記第１の半導体スイッチの負側端子、前記第１の半導体スイッチの正側端子、前記直流電源の正極端子を経由する回路の配線インダクタンスと、の差に応じて決定することを特徴とする３レベル電力変換装置。