JP2017175868A

JP2017175868A - 電力変換装置

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Publication number: JP2017175868A
Application number: JP2016062195A
Authority: JP
Inventors: 翔平加藤; Shohei Kato
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: JP6545117B2

Abstract

【課題】スイッチング素子の短絡時の短絡電流を抑制することのできる電力変換装置を提供することにある。
【解決手段】電力変換装置は、電力変換回路を構成するスイッチング素子スタック２と、平滑コンデンサ４と、スイッチング素子スタック２及び平滑コンデンサ４と同一直線上に、スイッチング素子スタック２と平滑コンデンサ４との間に配置され、電力変換回路を構成するダイオードスタック３と、スイッチング素子スタック２と平滑コンデンサ４とを電気的に接続する導体とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

一般に、容量の小さい複数の単位コンデンサを直並列に接続して、インバータの平滑コンデンサとして用いることが知られている。また、コンデンサの爆発を防ぐために、ヒューズを設けることが開示されている（特許文献１参照）。

特開平５−２０７７４６号公報

しかしながら、スナバレスなどの電力変換回路では、ターンオフ時のサージ電圧を抑制するために、スイッチング素子と直流コンデンサとの間の配線インダクタンスを可能な限り低減する必要がある。このように、スイッチング素子と直流コンデンサとの間の配線インダクタンスを低減した回路の場合、スイッチング素子の短絡時の短絡電流が増大する。短絡電流が増大すると、その電磁力により導体が変形するなどの問題が生じ、思わしくない。

そこで、本発明の目的は、スイッチング素子の短絡時の短絡電流を抑制することのできる電力変換装置を提供することにある。

本発明の観点に従った電力変換装置は、電力変換回路を構成するスイッチング素子と、直流コンデンサと、前記スイッチング素子及び前記直流コンデンサと同一直線上に、前記スイッチング素子と前記直流コンデンサとの間に配置され、前記電力変換回路を構成する部品と、前記スイッチング素子と前記直流コンデンサとを電気的に接続する導体とを備える。

本発明によれば、スイッチング素子の短絡時の短絡電流を抑制することのできる電力変換装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るチョッパセルの構成の側面を示す側面図。第１の実施形態に係るチョッパセルの構成の上面を示す上面図。第１の実施形態に係る電力変換装置のモジュール回路を示す回路図。本発明の第２の実施形態に係るチョッパセルの構成の側面を示す側面図。第２の実施形態に係るチョッパセルの構成の上面を示す上面図。第２の実施形態に係る電力変換装置のモジュール回路を示す回路図。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るチョッパセル１の構成の側面を示す側面図である。図２は、第１の実施形態に係るチョッパセル１の構成の上面を示す上面図である。図３は、第１の実施形態に係る電力変換装置のモジュール回路１０を示す回路図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。

チョッパセル１は、２つのスイッチング素子スタック２、２つのダイオードスタック３、ベース板９、平滑コンデンサ（直流コンデンサ）４、及び７つの導体（配線）Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を備える。

ベース板９は、チョッパセル１を構成する素子及び部品などを実装する土台（ベース）である。ベース板９は、素子等を実装するための面積を確保して、余分なスペースが無いように加工されている。例えば、ベース板９の素子等を実装しない部分には、穴ＨＬが空けられる。これにより、ベース板９の軽量化又は材料費の削減などができる。例えば、ベース板９は、絶縁板であってもよく、金属板、又は金属或いは絶縁物のフレーム構造として、図示されていないサポートなどでスイッチング素子スタック２、ダイオードスタック３、及び平滑コンデンサ４を支える構造でチョッパセル１を構成してもよい。なお、ここでは、ベース板９は、平面が長方形の平板形状であるものとして説明するが、スイッチング素子スタック２、ダイオードスタック３、及び平滑コンデンサ４が同一直線上に配置される構造であればどのような形状でもよい。ここで、複数の物を同一直線上に配置するとは、配置された全ての物を貫く直線が少なくとも１本引けることをいうものとする。

平滑コンデンサ４は、ベース板９の表面の長手方向の中央から一端に寄せた位置（図１及び図２では右側）に設けられる。平滑コンデンサ４は、支持部材などによりベース板９の表面から浮かせるように設けられてもよい。なお、平滑コンデンサ４は、１つのコンデンサで構成されたものに限らない。平滑コンデンサ４は、直列又は並列に接続された複数のコンデンサで構成されたものでもよい。

２つのスイッチング素子スタック２には、それぞれ１つのスイッチング素子２ｅが内蔵されている。例えば、スイッチング素子２ｅは、ＩＥＧＴ(injection enhanced gate transistor)である。スイッチング素子スタック２は、ベース板９の表面の長手方向の中央から平滑コンデンサ４と反対側の一端に寄せた位置（図１及び図２では左側）に設けられる。２つのスイッチング素子スタック２は、ベース板９の表面の長手方向と垂直方向に並べて設けられる。スイッチング素子スタック２は、支持部材などによりベース板９の表面から浮かせるように設けられてもよい。２つのスイッチング素子スタック２の間は、導体Ｌ３で電気的に接続される。これにより、２つのスイッチング素子スタック２の２つのスイッチング素子２ｅは、直列に接続される。なお、２つのスイッチング素子スタック２の代わりに、２つのスイッチング素子２ｅが内蔵されている１つのスイッチング素子スタックを設けてもよい。

平滑コンデンサ４は、２つのスイッチング素子スタック２とそれぞれ２つの導体Ｌ１（正極側導体及び負極側導体）で電気的に接続される。これにより、平滑コンデンサ４は、２つのスイッチング素子スタック２の直列に接続された２つのスイッチング素子２ｅと並列に接続される。

２つのダイオードスタック３には、それぞれダイオードが内蔵されている。２つのダイオードスタック３は、ベース板９の表面の平滑コンデンサ４と２つのスイッチング素子スタック２とのそれぞれの間に設けられる。これにより、２つのダイオードスタック３は、それぞれスイッチング素子スタック２及び平滑コンデンサ４と同一直線上に配置される。２つのダイオードスタック３は、支持部材などによりベース板９の表面から浮かせるように設けられてもよい。２つのダイオードスタック３は、２つのスイッチング素子スタック２とそれぞれ２つの導体Ｌ２（正極側導体及び負極側導体）で電気的に接続される。これにより、２つのダイオードスタック３のダイオードは、それぞれ２つのスイッチング素子スタック２のスイッチング素子２ｅに逆並列に接続される。

モジュール回路１０は、２つのチョッパセル１を直列に接続して２段にした構成の電力変換回路である。チョッパセル１は、スナバレスの回路である。２つのチョッパセル１のそれぞれの２つのスイッチング素子スタック２（２つのスイッチング素子２ｅ）の接続点（導体Ｌ３が位置する箇所）が、モジュール回路１０の交流端子となり図示されていない他のチョッパセルや電源回路等にブス等接続される。なお、図１及び図２にはこの他のチョッパセルや電源回路に接続するブス等は図示されていない。さらに、２つのチョッパセル１は、１つのベース板９で構成されていてもよい。

平滑コンデンサ４とスイッチング素子スタック２を電気的に接続する導体Ｌ１は、長さに応じた配線インダクタンスＬｓを有する。平滑コンデンサ４とスイッチング素子スタック２との距離を長くするために、平滑コンデンサ４とスイッチング素子スタック２との間に、ダイオードスタック３を挟んで配置する。これにより、平滑コンデンサ４とスイッチング素子スタック２を接続する導体Ｌ１の長さが長くなるため、配線インダクタンスＬｓが増加する。このように、配線インダクタンスＬｓを増加させることで、スイッチング素子２ｅの短絡時に流れる短絡電流が抑制される。なお、図１及び図２において、ブスＬ１は直線状の形状であるが、必要な配線インダクタンスを得るために折り曲げ構造にしたり曲線構造にしてその長さを調整してもよい。

本実施形態によれば、以下の作用効果を得ることができる。

ここで、サージ電圧を抑制するには、平滑コンデンサ４とスイッチング素子スタック２との距離を短くなるように配置する必要がある。これにより、平滑コンデンサ４とスイッチング素子スタック２を電気的に接続する導体Ｌ１の長さを短くし、配線インダクタンスＬｓを低減することで、サージ電圧を抑制する。このようなサージ電圧の抑制方法は、例えば、スナバレス回路のモジュール構成で行われる。

しかし、配線インダクタンスＬｓが低減すると、スイッチング素子２ｅの短絡時に流れる短絡電流が増大する。短絡電流が増大すると、例えば、短絡電流の電磁力により導体Ｌ１〜Ｌ３などの配線が変形するなどの弊害を引き起こす可能性がある。

そこで、平滑コンデンサ４とスイッチング素子スタック２との距離を長くするように、平滑コンデンサ４とスイッチング素子スタック２との間に、ダイオードスタック３を挟んで、これらを同一直線上に配置することで、平滑コンデンサ４とスイッチング素子スタック２を電気的に接続する導体Ｌ１の配線インダクタンスＬｓを増加させることができる。

これにより、モジュール回路１０を実装する電力変換装置は、スイッチング素子２ｅの短絡時の短絡電流のピークを抑制することができる。これにより、短絡電流の電磁力による導体等の変形を防ぐことができる。

また、平滑コンデンサ４とスイッチング素子スタック２との間に、電力変換装置を構成する部品であるダイオードスタック３を配置することで、ベース板９の表面のスペースを有効活用できる。なお、ダイオードスタック３の代わりに、その他の電力変換装置を構成する部品（素子など）を配置してもよい。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るチョッパセル１Ａの構成の側面を示す側面図である。図５は、第２の実施形態に係るチョッパセル１Ａの構成の上面を示す上面図である。図６は、第２の実施形態に係る電力変換装置のモジュール回路１０Ａを示す回路図である。

チョッパセル１Ａは、図１，２に示す第１の実施形態に係るチョッパセル１において、サージ抑制用コンデンサ（直流コンデンサ）５及び２つの配線導体Ｌ４を設けたものである。モジュール回路１０Ａは、第１の実施形態に係るチョッパセル１の代わりにチョッパセル１Ａで構成したものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

サージ抑制用コンデンサ５は、ベース板９の表面の長手方向で、スイッチング素子スタック２に対してダイオードスタック３と反対側に設けられる。サージ抑制用コンデンサ５は、２つの配線導体Ｌ４（正極側導体及び負極側導体）で、２つのスイッチング素子スタック２とそれぞれ電気的に接続される。サージ抑制用コンデンサ５は、直列に接続された２つのスイッチング素子２ｅと並列に接続される。サージ抑制用コンデンサ５は、サージ電圧を抑制するために設けられるコンデンサである。サージ抑制用コンデンサ５は、平滑コンデンサ４のコンデンサ容量よりもコンデンサ容量が小さい。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、サージ抑制用コンデンサ５を設けることで、サージ電圧を抑制することができる。

なお、サージ抑制用コンデンサ５は、第２の実施形態で説明した箇所に限らず、何処に設けてもよい。例えば、サージ抑制用コンデンサ５は、ベース板９の表面上で、空いている空間の何処に配置してもよい。例えば、サージ抑制用コンデンサ５は、スイッチング素子スタック２の上でもよい。また、サージ抑制用コンデンサ５とダイオードスタック３の位置を入れ替えてもよい。

なお、本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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…チョッパセル、２…スイッチング素子スタック、３…ダイオードスタック、４…平滑コンデンサ、９…ベース板、Ｌ１〜Ｌ３…導体。

Claims

電力変換回路を構成するスイッチング素子と、
直流コンデンサと、
前記スイッチング素子及び前記直流コンデンサと同一直線上に、前記スイッチング素子と前記直流コンデンサとの間に配置され、前記電力変換回路を構成する部品と、
前記スイッチング素子と前記直流コンデンサとを電気的に接続する導体と
を備えることを特徴とする電力変換装置。
前記電力変換回路は、スナバレス回路であること
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記部品は、前記スイッチング素子と逆並列に接続されるダイオードであること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
前記スイッチング素子と接続され、サージ電圧を抑制するサージ抑制用コンデンサ
を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記部品は、前記スイッチング素子と接続され、サージ電圧を抑制するサージ抑制用コンデンサであること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。