JP2015091178A

JP2015091178A - ３レベル電力変換装置

Info

Publication number: JP2015091178A
Application number: JP2013229890A
Authority: JP
Inventors: 佑介上高; Yusuke Kamitaka
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2015-05-11
Anticipated expiration: 2033-11-06
Also published as: JP6268939B2

Abstract

【課題】３レベル電力変換装置において、低インダクタンス、かつ、シンプルな配線構造とする。【解決手段】Ｐ側導体Ｐは直流コンデンサＣ１の正極と第１半導体スイッチング素子Ｔ１とを接続し、Ｎ側導体Ｎは直流コンデンサＣ２の負極と第４半導体スイッチング素子Ｔ４とを接続し、Ｍ点導体Ｍは、中性点と双方向スイッチを接続する。Ｐ側導体Ｐ，Ｎ側導体ＮおよびＭ点導体Ｍの平板導体を３層に積層し、Ｐ側導体Ｐと、Ｎ側導体Ｎは隣り合う層に配置し、第１，第４半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ４は直流コンデンサＣ１，Ｃ２の隣に配置する。【選択図】図２

Description

本発明は、３レベル電力変換装置の主回路配線構造に関する。

図５は、３レベル電力変換装置（Ａ−ＮＰＣ型）の１相分の回路図である。３相の電力変換装置では図５の回路を３並列に構成し、単相インバータでは図５の回路を２並列に構成する。電流容量を拡大するときは、図６に示すように、図５の素子を必要数並列に配置して対応している。

特開２０１１−２５４６７２号公報

しかしながら、３レベル電力変換装置は、２レベル電力変換装置に比べて半導体素子数が多いため、配線数も多くなる。また、素子の信頼性を高めて使う一要素として電流遮断時のサージ電圧を抑制する必要がある。サージ電圧の発生要因の一つとして配線のインピーダンスがあり、サージ電圧を抑制するためには配線のインピーダンスを低減する必要がある。

以上示したように、３レベル電力変換装置において、低インダクタンス、かつ、シンプルな配線構造とすることが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、直流電源の正負極間に直列接続され、両極間の直流電圧を１／２に分圧し、この分圧点を中性点とする複数の直流コンデンサと、前記直流コンデンサに対して並列、かつ、直流電源の正負極間に順次直列接続された第１，第４半導体スイッチング素子と、前記中性点と、第１，第４半導体スイッチング素子の共通接続点との間に接続された双方向スイッチと、直流電源の正極に接続された直流コンデンサの正極と、第１半導体スイッチング素子と、を接続するＰ側導体と、直流電原の負極に接続された直流コンデンサの負極と、第４半導体スイッチング素子と、を接続するＮ側導体と、前記中性点と、双方向スイッチを接続するＭ点導体と、を備えた３レベル電力変換装置であって、Ｐ側導体，Ｎ側導体およびＭ点導体の平板導体を３層に積層し、Ｐ側導体と、Ｎ側導体は隣り合う層に配置し、第１，第４半導体スイッチング素子は直流コンデンサの隣りに配置したことを特徴とする。

本発明によれば、３レベル電力変換装置において、低インダクタンス、かつ、シンプルな配線構造とすることが可能となる。

実施形態における３レベル電力変換装置の主回路示す回路構成図。実施形態における３レベル電力変換装置の配線構造を示す図。半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ４から成るモジュールの回路と端子位置を示す概略図。Ｕ，Ｖ相の出力端子に負荷抵抗を接続した回路構成図。従来の３レベル電力変換装置の一例を示す回路構成図。従来の３レベル電力変換装置の他例を示す回路構成図。

以下、本実施形態における３レベル電力変換装置を図１〜図４に基づいて詳細に説明する。

［実施形態］
図１（ａ）は、本願発明における３レベル電力変換装置の１相分の基本回路を示す回路構成図である。３レベル電力変換装置は、直流から交流、もしくは、交流から直流に３レベル変換する。

図１（ａ）に示すように、直流電源の正極Ｐ（P側導体），負極（N側導体）Ｎ間に直流コンデンサＣ１，Ｃ２が順次直列接続される。直流コンデンサＣ１，Ｃ２は正極Ｐ，負極Ｎ間の直流電圧を１／２に分圧し、この分圧点を中性点とする。なお、本実施形態では、２つの直流コンデンサＣ１，Ｃ２を設けているが、直流コンデンサＣ１，Ｃ２を２つ以上を直列接続した構成でもよい。

また、直流電源の正極Ｐ，負極Ｎ間には、直流コンデンサＣ１，Ｃ２に対して並列に、半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ４が直列接続される。直流コンデンサＣ１，Ｃ２の中性点（Ｍアーム）と、半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ４の共通接続点と、の間には、双方向スイッチが接続される。本実施形態では、半導体スイッチング素子Ｔ２，Ｔ３を逆直列接続して双方向スイッチを構成している。図１では、半導体スイッチング素子Ｔ２と半導体スイッチング素子Ｔ３はエミッタ共通接続となっているが、コレクタ共通接続による構成、もしくは、逆耐圧を有するＩＧＢＴを逆並列接続する構成でも実現できる。

図１（ｂ）は、本実施形態におけるＡ−ＮＰＣ型の３レベル電力変換装置であり、半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ４の（２ｉｎ１）モジュール１ａ〜１ｄを４つ、Ｍアームの半導体スイッチング素子Ｔ２の（１ｉｎ１）モジュールＴ２ａ，Ｔ２ｂを２つ、Ｍアームの半導体スイッチング素子Ｔ３の（１ｉｎ１）モジュールＴ３ａ，Ｔ３ｂを２つ，直流コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂ，Ｃ２ａ，Ｃ２ｂを、をそれぞれ別に備えている。

図２は、本実施形態における３レベル電力変換装置の配線構造を示す図である。図２（ａ）は平面図，図２（ｂ）は側面図（分解図），図２（ｃ）は側面図（完成図）を示している。

図２（ａ）に示すように、Ｍアームの半導体スイッチング素子のモジュールＴ２ａ→Ｔ３ａ→Ｔ２ｂ→Ｔ３ｂの順にＸ方向に並べられ、半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ４から成るモジュール１ａ→１ｂ→１ｃ→１ｄの順にＸ方向に並べられ、直流コンデンサＣ１ａ→Ｃ１ｂの順にＸ方向に並べられ、直流コンデンサＣ２ａ→Ｃ２ｂの順にＸ方向に並べられる。

また、Ｍアームの半導体スイッチング素子のモジュールＴ２ａ，Ｔ２ｂ，Ｔ３ａ，Ｔ３ｂ→半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２から成るモジュール１ａ〜１ｄ→直流コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂ→直流コンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂの順にＹ方向に並べられる。

図３は、半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ４から成るモジュール１ａ〜１ｄの回路と端子位置を示す概略図である。図３に示すように、前記モジュール１ａ〜１ｄは、半導体スイッチング素子Ｔ１のコレクタ端子ｃ１，半導体スイッチング素子Ｔ１のエミッタ端子と半導体スイッチング素子Ｔ４のコレクタ端子の共通接続点ｃ２ｅ１，半導体スイッチング素子Ｔ４のエミッタ端子ｅ２を有する。また、前記共通接続点ｅ１ｃ２→エミッタ端子ｅ２→コレクタ端子ｃ１の順にＹ方向に配置されている。

次に、図２（ｂ）に基づいて導体の接続方法について説明する。本実施形態では、導体を３層に積層して配置する。ここで、素子に近い方から順に第１層，第２層，第３層と呼称することとする。なお、Ｐ側導体Ｐ，Ｎ側導体Ｎ，Ｍ点導体Ｍ，ＡＣ導体ＡＣ，導体２は平板導体である。

まず、第１層には、導体２とＭ点導体Ｍが配置される。導体２は、半導体スイッチング素子のモジュールＴ２ａ，Ｔ３ａ，Ｔ３ｂ，Ｔ２ｂのエミッタ端子ｅを接続する。Ｍ点導体は、半導体スイッチング素子のモジュールＴ２ａ，Ｔ２ｂと、直流コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂの負極端子と直流コンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂのコレクタ端子ｃの正極端子（中性点）と、を接続する。

第１層の次に、絶縁体３ａを介して第２層が配置される。第２層には、ＡＣ導体ＡＣと、Ｎ側導体Ｎが配置される。ＡＣ導体ＡＣは、半導体スイッチング素子のモジュールＴ３ａ，Ｔ３ｂのコレクタ端子ｃと、各モジュール１ａ〜１ｄの共通接続点ｃ２ｅ１を接続する。Ｎ側導体Ｎは、各モジュール１ａ〜１ｄのエミッタ端子ｅ２と、直流コンデンサＣ２ａ，Ｃ２ｂの負極端子と、を接続する。

第２層の次に、絶縁体３ｂを介して第３層が積層される。第３層には、Ｐ側導体Ｐが配置される。Ｐ側導体Ｐは、各モジュール１ａ〜１ｄのコレクタ端子ｃ１と、直流コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂの正極端子と、が接続される。

本実施形態の目的は、電流遮断時のサージ電圧の抑制と配線の簡易化である。電圧サージは、回路のインダクタンスと遮断電流値により発生する。低インダクタンスは電圧源からの電流ループの面積を小さくすることで実現できる。本実施形態における回路の各部の電流値は異なる。

図４は、Ｕ，Ｖ相のＡＣ導体ＡＣに抵抗負荷Ｒを接続した回路を示す図である。なお、図４では、簡略化し、各素子を並列接続していないものとして表す。図４での電流責務は以下のようになる。Ｐ側導体Ｐに流れる電流をＩ１，Ｍ点導体Ｍに流れる電流をＩ２（右方向），Ｉ３（左方向），Ｎ側導体Ｎに流れる電流をＩ４とし、Ｕ−Ｖ相のＡＣ導体ＡＣに抵抗負荷Ｒを接続したとする。Ｔ２Ｕ，Ｔ３ＵおよびＴ２Ｖ，Ｔ３Ｖは１素子の双方向性のスイッチとしてみる。基本の電流モードとして、Ｕ相に着目すると、電流責務は以下の２種類となる。

１．Ｔ１ＵとＴ４Ｙをオン
Ｉ１＝Ｉ４＝２Ｅ／Ｒの電流がＰ側導体ＰとＮ側導体Ｎおよび半導体スイッチング素子Ｔ１ＵとＴ４Ｙに流れる。

２．Ｔ１ＵとＴ２Ｖ，Ｔ３Ｖをオン
Ｉ１＝Ｉ２＝Ｅ／Ｒの電流がＰ側導体ＰとＭ点導体ＭおよびＴ１ＵとＴ２Ｖ，Ｔ３Ｖに流れる。

半導体スイッチング素子の電流責務の点から見ると、半導体スイッチング素子Ｔ２Ｕ，Ｔ３Ｕ，Ｔ２Ｖ，Ｔ３Ｖは電流責務がＥ／Ｒであり、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相，Ｘ相，Ｙ相，Ｚ相の半導体スイッチング素子Ｔ１Ｕ，Ｔ１Ｖ，Ｔ１Ｗ，Ｔ４Ｘ，Ｔ４Ｙ，Ｔ４Ｚは電流責務が２Ｅ／Ｒであるため、半導体スイッチング素子Ｔ１Ｕ，Ｔ１Ｖ，Ｔ１Ｗ，Ｔ４Ｘ，Ｔ４Ｙ，Ｔ４Ｚほうが２倍となっている。また、導体の電流責務も、Ｍ点導体Ｍは電流責務がＥ／Ｒであり、Ｐ側導体Ｐ，Ｎ側導体Ｎは電流責務が２Ｅ／Ｒであるため、Ｐ側導体Ｐ，Ｎ側導体Ｎのほうが２倍となっている。

本実施形態では、Ｐ側導体ＰとＮ側導体Ｎを隣り合う層に配置させることにより接近させ、電流の向きが異なるのを利用して、Ｐ側導体ＰおよびＮ側導体Ｎに流れる電流によって発生する磁界を相殺させ、インダクタンスを抑制している。これにより、配線のインダクタンスを低減し、配線のインピーダンスおよびサージ電圧を低減している。

また、半導体スイッチング素子のモジュールＴ２ａ，Ｔ３ａ，Ｔ３ｂ，Ｔ２ｂよりも電流責務が大きい半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ４から成るモジュール１ａ〜１ｄを直流コンデンサＣ１ａ，Ｃ１ｂ，Ｃ２ａ，Ｃ２ｂに近い位置に配置し、接続距離を小さくすることにより、インダクタンスを低減し、配線のインピーダンスの低減，サージ電圧の抑制を図っている。

本実施形態のように、３層配線構造とすることにより、低インダクタンス、かつ、シンプルな配線構造となり、サージ電圧の抑制，小型化，低コスト化を図ることが可能となる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、実施形態では、特定の構成の３レベル電力変換装置の配線構造について説明したが、Ｐ側導体Ｐ，Ｎ側導体Ｎ，およびＭ点導体Ｍの平板導体を３層に積層し、Ｐ側導体ＰとＮ側導体Ｎは隣り合う層に配置し、第１，第４半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ４から成るモジュール１ａ〜１ｄは直流コンデンサＣ１，Ｃ２の隣りに配置すれば、その他の構成であってもよい。

Ｃ１，Ｃ２…直流コンデンサ
Ｔ１〜Ｔ４…半導体スイッチング素子
１ａ〜１ｄ…半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ４から成るモジュール
Ｐ…Ｐ側導体
Ｎ…Ｎ側導体
Ｍ…Ｍ点導体
ＡＣ…ＡＣ導体
２…導体

Claims

直流電源の正負極間に直列接続され、両極間の直流電圧を１／２に分圧し、この分圧点を中性点とする複数の直流コンデンサと、
前記直流コンデンサに対して並列、かつ、直流電源の正負極端子間に順次直列接続された第１，第４半導体スイッチング素子と、
前記中性点と、第１，第４半導体スイッチング素子の共通接続点との間に接続された双方向スイッチと、
直流電源の正極に接続された直流コンデンサの正極と、第１半導体スイッチング素子と、を接続するＰ側導体と、
直流電原の負極に接続された直流コンデンサの負極と、第４半導体スイッチング素子と、を接続するＮ側導体と、
前記中性点と、双方向スイッチを接続するＭ点導体と、を備えた３レベル電力変換装置であって、
Ｐ側導体，Ｎ側導体およびＭ点導体の平板導体を３層に積層し、Ｐ側導体と、Ｎ側導体は隣り合う層に配置し、第１，第４半導体スイッチング素子は直流コンデンサの隣りに配置したことを特徴とする３レベル電力変換装置。