JP3391348B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】自己消弧形半導体素子を適用した
インバータ装置等の電力変換装置に関するものであり、
特に自己消弧形半導体素子の保護回路であるスナバ回路
の構成要素の配置および接続方法に関し、スナバ回路内
のインダクタンスを低減するスナバ回路の構造に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図２９は、例えば特開平４-２２９０７
８号公報に示された従来の電力変換装置の、特に自己消
弧形半導体素子のスナバ回路の配置および接続方法に関
するものである。従来例において、１は自己消弧形半導
体素子の一例としてのＧＴＯ(Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−ｏ
ｆｆ) サイリスタ（以下ＧＴＯと略す）、２はスナバダ
イオード、３はスナバコンデンサであり、スナバダイオ
ード２とスナバコンデンサ３の直列体からなるスナバ回
路が自己消弧形半導体素子１のバイパス回路を構成して
いる。４はスナバコンデンサ３の電極の一端であるコン
デンサフード、５はスナバコンデンサ３の電極の他端、
６はスナバダイオード２の陽極とスナバコンデンサ３の
電極４との接続体、７はＧＴＯ１とスナバコンデンサの
電極５との接続体、８はＧＴＯ１の冷却フィン、９はＧ
ＴＯ１とスナバダイオード２の冷却フィンである。この
公報には、図示していないスナバ回路に存在する寄生イ
ンダクタンスの低減がＧＴＯ１に接続されるスナバ回路
を構成するスナバコンデンサ３の一方の端子４を、コン
デンサ３を部分的に取り囲む良導電性のコンデンサフー
ドとして構成することにより達成され、この手段はスナ
バ回路の電気的な線路ループ長を出来るだけ小さく保持
するという思想に基づいていると記載されている。また
対象となるＧＴＯ１として２ｋＡのターンオフ電流を有
し、４．５ｋＶ程度の定格電圧を有するＧＴＯを対象と
している。この程度の電気定格を有する現状のＧＴＯの
シリコンウエハーの直径は約４インチ程度である。また
スナバコンデンサ３の静電容量は２．５μＦと記載され
ている。更に従来例の具体的なスナバダイオード２とし
ては、定格電流が低く、比較的寄生インダクタンスの大
きいスタッド形ダイオードを用いている。このスナバダ
イオード２は冷却フィン９に固定接続されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の電力変換装置は
以上のように構成されているので、例えば現在開発中の
直径が６インチ以上のシリコンウエハーを用いて製造さ
れる自己消弧形半導体素子、例えばＧＴＯを適用した場
合、その電気定格は６ｋＶ、６ｋＡ以上となる。従って
従来のシリコンウエハーの直径が４インチ程度のＧＴＯ
に対する絶縁レベルとは絶縁レベルが全く異なり、必要
な絶縁距離が必然的に長くなる。また自己消弧形半導体
素子がターンオフして遮断する電流値が大きくなり、ス
ナバ回路にバイパスされる電流値が大きくなるために、
定格電流の大きく、かつ静電容量の大きなスナバコンデ
ンサ（例えばターンオフ電流が６ｋＡであれば６μＦ程
度）とスナバダイオードが必要となり、接続すべき端子
間距離が必然的に長くなる。従ってスナバ回路の電気的
な線路ループ長が必然的に大きくなり、従来のスナバ回
路の接続方法をそのまま適用しても、電気的な線路ルー
プ長を出来るだけ小さく保持するという従来例の基本思
想を遵守することが容易ではなくなる。また従来例では
触れられていないが、自己消弧形半導体素子、例えば電
力変換器の制御性能を向上させるために、ＧＴＯのスイ
ッチング周波数を高周波化すると、スナバ回路に流れ込
む実効電流値が大きくなり、スナバコンデンサ、スナバ
ダイオードが大型化して、前述した基本思想を遵守する
ことが更に困難になる。

【０００４】さて、スナバ回路に存在する寄生インダク
タンスが増加すると、自己消弧形半導体素子の電流遮断
時のターンオフ損失が増加する。これを図３０を用いて
説明する。図３０は自己消弧形半導体素子の電流遮断時
の典型的なアノードカソード間電圧Ｖ_AK、アノードカソ
ード電流Ｉ_AKの波形である。自己消弧形半導体素子の電
流が遮断電流から降伏していくと、余剰電流はスナバ回
路にバイパスされる。このバイパスされる電流Ｉ_SNはス
ナバコンデンサの充電電圧Ｖ_CSを発生する。加えてバイ
パス電流Ｉ_SNは、図示した降伏していく電流Ｉ_AKの電流
変化率ｄｉ／ｄｔの絶対値と同じ電流変化率を伴うの
で、その電流変化率と寄生インダクタンスとの積で決ま
る電圧Ｖ_LSがスナバ回路内に発生する。またスナバダイ
オードにおいて発生する過渡電圧Ｖ_DSは、電流変化率ｄ
ｉ／ｄｔの絶対値の増加に伴って増加する。従って自己
消弧形半導体素子に印加される電圧は、スナバコンデン
サの充電電圧Ｖ_CSと寄生インダクタンスの誘起電圧Ｖ_LS
とスナバダイオードの過渡電圧Ｖ_DSの和となり、図中時
刻Ｔ１に示されるスパイク状電圧Ｖ_DSP を生じる。スナ
バ回路にバイパスされる電流Ｉ_SNの変化率ｄｉ／ｄｔに
起因している電圧は、自己消弧形半導体素子がターンオ
フ動作を完了するＴ１以降になれば発生しなくなり、自
己消弧型半導体素子にかかる電圧Ｖ_AKはスナバコンデン
サの充電電圧Ｖ _CSだけになる。一方、寄生インダクタン
スに蓄積されたエネルギーは、スナバコンデンサの過剰
な充電電圧を発生させ、時刻Ｔ２における自己消弧形半
導体素子に印加される電圧の最大値Ｖ_DMを増加させる要
因の一つとなる。また、このターンオフ動作における自
己消弧形半導体素子の損失は、自己消弧形半導体素子の
電流Ｉ_AKと電圧Ｖ_AKの積により近似的に求められるた
め、スナバ回路に存在する寄生インダクタンスは、その
損失を増加させる要因と成る。この損失は、電力変換器
の効率低下要因となるだけでなく、その損失量の程度に
よっては、自己消弧形半導体素子の冷却能力との平衡状
態を崩すことになり、温度上昇による素子破壊の要因と
なる。

【０００５】このようにスナバ回路に存在する寄生イン
ダクタンスの増加は、スナバ回路が持つ基本機能である
自己消弧形半導体素子の保護回路の役割を果たせないど
ころか、電力変換器の信頼性を低下させる、あるいは自
己消弧形半導体素子をターンオフ電流を低減して使用し
なければならず、素子利用率を低下させるなどの問題が
あった。

【０００６】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、自己消弧形半導体素子の電気定
格が大きく、その保護回路であるスナバ回路の構成部品
が大型化した場合でも、スナバ回路に存在する寄生イン
ダクタンスを低減できる電力変換装置を得ることを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる電力変換
装置は、両端に各々電極を有してなる円盤状の自己消弧
型半導体素子と、両端に各々電極を有し上記自己消弧型
半導体素子のバイパス回路として上記自己消弧型半導体
素子の一方の電極と電気的に接続される円盤状のスナバ
ダイオードと、一端が上記自己消弧型半導体素子の一方
の電極に他端が上記スナバダイオードの一方の電極に接
続される第１の幅広導体と、少なくとも２つの電極を有
し上記自己消弧型半導体素子のバイパス回路として一方
の電極が上記自己消弧型半導体素子の他方の電極に他方
の電極が上記スナバダイオードの他方の電極に電気的に
接続されるスナバコンデンサと、一端が上記自己消弧型
半導体素子の他方の電極に他端が上記スナバコンデンサ
の一方の電極に接続され上記自己消弧型半導体素子の電
極面と平行な方向に延在する第２の幅広導体と、一端が
上記スナバダイオードの他方の電極に他端が上記スナバ
コンデンサの他方の電極に接続され上記自己消弧型半導
体素子の電極面と平行な方向に上記第２の幅広導体と所
定距離へだてて対向しながら延在する第３の幅広導体と
を備えたものである。

【０００８】また、本発明にかかる電力変換装置は、両
端に各々電極を有してなる円盤状の自己消弧型半導体素
子及び両端に各々電極を有してなる円盤状のダイオード
で構成され、上記自己消弧型半導体素子の一方の電極に
上記ダイオードの一方の電極が接続された半導体直列体
と、両端に各々電極を有し上記自己消弧型半導体素子の
バイパス回路として上記半導体直列体の一方の電極と電
気的に接続される円盤状のスナバダイオードと、一端が
上記半導体直列体の一方の電極に他端が上記スナバダイ
オードの一方の電極に接続される第１の幅広導体と、少
なくとも２つの電極を有し上記自己消弧型半導体素子の
バイパス回路として一方の電極が上記半導体直列体の他
方の電極に他方の電極が上記スナバダイオードの他方の
電極に電気的に接続されるスナバコンデンサと、一端が
上記半導体直列体の他方の電極に他端が上記スナバコン
デンサの一方の電極に接続され上記自己消弧型半導体素
子の電極面と平行な方向に延在する第２の幅広導体と、
一端が上記スナバダイオードの他方の電極に他端が上記
スナバコンデンサの他方の電極に接続され上記自己消弧
型半導体素子の電極面と平行な方向に上記第２の幅広導
体と所定距離へだてて対向しながら延在する第３の幅広
導体とを備えたものである。

【０００９】また、スナバダイオードが、自己消弧型半
導体素子の一方の電極面を含む平面と上記自己消弧型半
導体素子の他方の電極面を含む平面との間に位置するよ
うにしてもよい。

【００１０】また、自己消弧型半導体素子の一方の電極
が、陽極とこの陽極に接続された冷却体又は導体とを有
しており、他方の電極が、陰極とこの陰極に接続された
冷却体又は導体とを有するようにしてもよい。

【００１１】また、自己消弧型半導体素子の他方の電極
に電気的に接続されるスナバコンデンサの電極と、スナ
バダイオードの他方の電極に電気的に接続される上記ス
ナバコンデンサの電極とが上記スナバコンデンサの同一
面に設けられるようにしてもよい。

【００１２】また、自己消弧型半導体素子の電極面がス
ナバダイオードの電極面と平行になるように配置しても
よい。

【００１３】また、第１の導体が自己消弧型半導体素子
の電極面と平行な方向に延在するように配置してもよ
い。

【００１４】また、第２の幅広導体と第３の幅広導体と
の間が所定距離になるよう上記第２の幅広導体と上記第
３の幅広導体との間に誘電体を配置してもよい。

【００１５】また、幅広導体の幅が、この幅広導体が接
続される電極面の上記幅広導体の幅方向の長さよりも大
きくなるようにしてもよい。

【００１６】また、上記電力変換装置を複数備え、上記
電力変換装置の自己消弧型半導体素子が各々直列又は直
並列に接続されるようにしてもよい。

【００１７】さらに、電力変換装置が３レベルインバー
タであってもよい。

【００１８】また、本発明にかかる電力変換装置は、自
己消弧型半導体素子と、上記自己消弧型半導体素子のバ
イパス回路として上記自己消弧型半導体素子に電気的に
接続されたスナバダイオード及びスナバコンデンサとを
備えた電力変換装置において、上記自己消弧型半導体素
子と上記スナバダイオードが取付けられ、上記自己消弧
型半導体素子と上記スナバダイオードとを電気的に接続
する第１の導体と、上記スナバダイオードの上記第１の
導体が取付けられた面とは反対側の面と上記スナバコン
デンサとを接続するように取付けられた第２の導体と、
上記スナバコンデンサと上記自己消弧型半導体素子の上
記第１の導体が取付けられた面とは反対側の面とを接続
し上記第２の導体と平行となるように取付けられた第３
の導体と、上記第２の導体と上記第３の導体の間に誘電
体とが設けられたものである。

【００１９】

【作用】本発明にかかる電力変換装置は、スナバ回路の
インダクタンスを低減でき、従って自己消弧形半導体素
子の遮断時における損失を低減することができる。

【００２０】また、第２の幅広導体と第３の幅広導体と
の間が所定距離になるよう上記第２の幅広導体と上記第
３の幅広導体との間に誘電体を配置することで、スナバ
コンデンサの容量を等価的に増加させ、自己消弧形半導
体素子の遮断時における損失を低減することができる。

【００２１】また、上記電力変換装置を複数備え、上記
電力変換装置の自己消弧型半導体素子が各々直列又は直
並列に接続されるようにすることで、高電圧または大電
力の電力変換装置においてスナバ回路のインダクタンス
を低減し、自己消弧形半導体素子の遮断時における損失
を低減することができる。

【００２２】また、電力変換装置が３レベルインバータ
であれば、３レベルインバータにおいて、スナバ回路の
インダクタンスを低減し、自己消弧形半導体素子の遮断
時における損失を低減することができる。

【００２３】

【実施例】実施例１．この発明の第１の実施例を図につ
いて説明する。図１は自己消弧形半導体素子のスナバ回
路の構造の側面図を示す。ここでは自己消弧形半導体素
子１の一例として、ＧＴＯサイリスタ（以下ＧＴＯ）を
取り上げるが、電極面が平形であれば、逆導通形ＧＴＯ
サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＳＩサイリスタ、ＳＩＣなどに
も適用できる。なお図１では、フリーホイールダイオー
ド、スナバ抵抗あるいはスナバエネルギー回生回路など
に用いられる追加的な構成要素は省略しているが、ここ
で示す基本構造に適用できることは言うまでもない。ま
た絶縁物、圧接用構造体等も省略している。１はＧＴ
Ｏ、２はスタッド形ではなく、平形のスナバダイオー
ド、３はスナバコンデンサ、１０はＧＴＯ１の陽極に圧
接された冷却フィン（導体でも良い）、１１はＧＴＯ１
の陰極に圧接された冷却フィン（導体でも良い）、１
２、１３はスナバコンデンサ３の電極、１４は冷却フィ
ン１０（ＧＴＯ１の陽極の延長）とスナバダイオード２
の陽極とを接続する帯状の幅広導体、１５はスナバダイ
オード２の陰極とスナバコンデンサ３の電極１２とを接
続する幅広導体、１６はスナバコンデンサ３の電極１３
と冷却フィン１１（ＧＴＯ１の陰極の延長）を接続する
幅広導体である。なおスナバダイオード２の冷却につい
ては、冷却フィン１０と幅広導体１４との一体化におい
て実現しても良いし、個別に冷却フィンなどの冷却手段
を追加しても良い。

【００２４】まず「電極面の平行の位置関係」について
説明する。スナバ回路構造の側面図である図１に示すよ
うに、６つ全ての電極面同士が角度を持たない、つまり
ＧＴＯ１の陽極面あるいは陰極面に対して、スナバダイ
オード２の陽極面、陰極面、スナバコンデンサ３の電極
１２、１３の電極面の延長平面が空間で交わらない関係
にある。このような位置関係にある場合を「電極面の平
行の位置関係」と呼ぶことにする。これにより従来例に
比較して組立技術を各段に単純化でき、組立作業の簡素
化が図れる。特に幅広導体１４、１５、１６についてＵ
字形曲げ等の加工を必要としないため、導体構造コスト
も低減できる。また、この構成は、後述する幅広導体の
平行な位置関係を可能にし、線路インダクタンスの低減
を可能にする。

【００２５】次に「電極面の直線の位置関係」について
説明する。スナバ回路構造の平面図を図２に示す。説明
の都合上、図２ではＧＴＯ１とスナバダイオード２との
接続と、スナバダイオード２とスナバコンデンサ３との
接続と、スナバコンデンサ３とＧＴＯ１との接続につい
て個別に記載しているが、本来は重なって組立てられる
ものである。図２に示すように、前提条件としては上面
図で見て、ＧＴＯ１の中心Ａとスナバダイオードの中心
Ｂを直線で結んだ中心線ＡＢと、スナバダイオード２の
中心Ｂとスナバコンデンサ３の電極１２の中心Ｃを直線
で結んだ中心線ＢＣと、スナバコンデンサ３の電極１３
の中心ＤとＧＴＯ１の中心Ａとを直線で結んだ中心線Ｄ
Ａとが、一直線上にあるような位置関係にある場合を
「電極面の直線の位置関係」と呼ぶことにする。なおス
ナバコンデンサ３の電極１２、１３については、通常図
３に示すように、平面図で見ると幾つかの端子（ここで
は端子数を３とした）の集合体となっている。ここで示
すスナバコンデンサ３の電極１２、１３の中心として
は、図３に示すように、端子の集合体の中心を意味して
いる。この構成は、幅広導体の平面図上での重なりを確
保し、後述の線路インダクタンスの低減を可能にする。

【００２６】次に「幅広導体の平行の位置関係」につい
て説明する。スナバ回路構造の側面図である図１におい
て、幅広導体１４、１５、１６同士が角度を持たない、
つまりＧＴＯ１の陽極面あるいは陰極面に対して、幅広
導体１４、１５、１６の延長平面が空間で交わらない関
係にある。このような位置関係にある場合を「幅広導体
の平行の位置関係」と呼ぶことにする。この構成は、後
述の線路インダクタンスの低減を可能にする。

【００２７】次に幅広導体の幅の規定について説明す
る。具体的には少なくとも２つの電極端子を接続する導
体が、接続される少なくとも２つの端子の幅について小
さい方の端子の幅以上の幅広導体であることについて説
明する。ＧＴＯ１の陽極（陰極）、スナバダイオード２
の陽極（陰極）、スナバコンデンサ３の電極１２、１３
が全て同じ幅を持つものである場合は極めて少ない。従
って、スナバ回路構造の上面図である図２に示すよう
に、例えば電極の幅を、ＧＴＯ１、スナバコンデンサ
３、スナバダイオード２の順に大きい場合を仮定して説
明する。ＧＴＯ１の冷却フィン１０とスナバダイオード
２の陽極を接続する幅広導体１４については、少なくと
もスナバダイオード２の電極幅以上の幅広導体を適用
し、スナバダイオード２の陰極とスナバコンデンサ３の
電極１２を接続する幅広導体15については、少なくとも
スナバダイオード２の電極幅以上の幅広導体１５を適用
し、スナバコンデンサ３の電極１３とＧＴＯ１の冷却フ
ィン１１を接続する幅広導体１６については、少なくと
もスナバコンデンサ３の電極１３の幅以上の幅広導体１
６を適用する。図２に示す幅広導体１４、１５、１６
は、前述した幅広導体の幅の規定を満足した具体例であ
り、この導体幅の最小条件を「幅広導体の幅の規定」と
呼ぶことにする。この構成は、高周波電流の均一な分布
を実現し、後述の線路インダクタンスの低減を可能にす
る。

【００２８】更に幅広導体間の相互結合の規定について
説明する。具体的にはスナバダイオード２の陰極とスナ
バコンデンサ３の電極１２とを接続する幅広導体15とス
ナバコンデンサ３の電極１３とＧＴＯ１の陰極とを接続
する幅広導体１６間の相互インダクタンスによる結合を
持たせることについて説明する。まず「電気工学ハンド
ブック 電気学会」を参照すると、２本の閉回路間相互
インダクタンスＭはノイマン公式である（１） 式で求
められる。

【００２９】

【数１】

【００３０】これより、２本の電流値が等しければ、相
互インダクタンスＭは線路間距離ｒに反比例し、電流ベ
クトルが作る角度θの余弦に比例する。それぞれの線路
の自己インダクタンスをＬ_S とすれば、線路インダクタ
ンスＬは（２）式で求められる。

【００３１】

【数２】

【００３２】この値は負にはならないため、極力小さい
値とするためには、相互インダクタンスＭは符号を負と
する可能な限り大きな値とし、Ｌ_Sの値に近づける必要
がある。つまり２本の線路に流れる電流の向きを正反
対、角度θで言えば、１８０°（従ってｃｏｓθ＝−
１）とし、線路間距離ｒを可能な限り小さく取ることに
なる。この条件を満足する導体の配置関係を「幅広導体
間の相互結合の規定」と呼ぶことにする。この構成によ
り線路インダクタンスの低減が可能となる。

【００３３】次に図１、図２の具体例を用いて説明す
る。図１では、幅広導体１４と幅広導体１６、幅広導体
１５と幅広導体１６が前述した２本の線路の関係にあ
る。まず幅広導体１４、１５、１６に流れる電流につい
てであるが、ＧＴＯ１が電流遮断を行うと、遮断された
電流は図１の回路にバイパスされるため、電流の絶対値
としては全ての幅広導体において同じであることは、キ
ルヒホッフの法則により明らかである。また幅広導体１
４、１５の電流ベクトルと幅広導体１６の電流ベクトル
が持つ角度θは図２から分かるように１８０°である。
さらにＧＴＯ１が電流を遮断する際、幅広導体１４、１
５、１６に流れる電流は高周波電流となるため、当然の
ことながら表皮効果を伴い、各幅広導体には電流が均一
に流れる。これにより、幅広導体１４と１６について
は、幅広導体１４から発生する磁束と、幅広導体１６か
ら発生する磁束とが効果的に打ち消し合い、相互インダ
クタンスＭの絶対値の増加、ひいては線路インダクタン
スＬの低減につながる。この線路インダクタンスＬの低
減効果を証明するために、図４に示す簡易モデル形状に
対する中間くぼみ幅Ｘをパラメータとしたときの、線路
インダクタンスと実抵抗の三次元解析結果を図５に示
す。この結果は、Ｘの増加に従ってインダクタンスが減
少しており、前述した線路間距離ｒの低減による線路イ
ンダクタンスＬの低減が可能であることを示している。

【００３４】従って以上の事柄をまとめると、ＧＴＯ１
の電極面、スナバダイオード２の電極面、スナバコンデ
ンサ３の「電極面に関する平行の位置関係」は、各電極
面の接続手段に曲げ加工の少ない幅広導体を用いること
を可能とし、接続手段の自己インダクタンスが低減で
き、ひいてはスナバ回路内インダクタンスが低減する条
件となる。またＧＴＯ１の電極面、スナバダイオード２
の電極面、スナバコンデンサ３の「電極面に対する直線
の位置関係」は、幅広導体の電流の向きを０°と１８０
°のみとし、幅広導体間の相互インダクタンスが増加で
き、ひいてはスナバ回路内インダクタンスが低減できる
条件となる。また「幅広導体の平行の位置関係」及び
「幅広導体の幅の規定」について、特に、接続する２つ
の電極のうち、電極幅の小さい方の幅以上の幅広導体の
適用は、幅広導体表面に均一に高周波電流を流すことを
可能とし、スナバ回路内インダクタンスが低減できる条
件となる。更に電流の向きが反対方向にある幅広導体間
距離を、相互結合を密にして相互インダクタンスの絶対
値を増加させるために近接させる「幅広導体間の相互結
合の規定」は、スナバ回路内インダクタンスを低減でき
る条件となる。またこれらの基本条件を遵守して実現し
たスナバ回路を自己消弧形半導体素子のバイパス回路に
接続することにより、図３０に示すスパイク的に発生す
る電圧Ｖ_DSP を低減でき、ターンオフ損失を低減できる
ことになる。また、上記の構成は自己消弧形半導体素
子、スナバダイオード、スナバコンデンサおよび幅広導
体が構成する回路の側面図上での面積を総断面積に比べ
て縮小する構成でもある。回路のインダクタンスは他の
条件が同じであれば回路の囲む面積にほぼ比例する性質
があるので、上記の構成によりインダクタンスの低減が
可能となる。

【００３５】実施例２．この発明の第２の実施例を図に
ついて説明する。図６は、実施例１の設計概念にもとづ
く他の組合せによる自己消弧形半導体素子のスナバ回路
の構造を示す。１はＧＴＯ、２はスナバダイオード、３
はスナバコンデンサ、１０はＧＴＯ１の陽極に圧接され
た冷却フィン（導体でも良い）、１１はＧＴＯ１の陰極
に圧接された冷却フィン（導体でも良い）、１２、１３
はスナバコンデンサ３の電極、１４は冷却フィン１１
（ＧＴＯ１の陰極の延長）とスナバダイオード２の陰極
とを接続する幅広導体、１５はスナバダイオード２の陽
極とスナバコンデンサ３の電極12とを接続する幅広導
体、１６はスナバコンデンサ３の電極１３と冷却フィン
１０（ＧＴＯ１の陽極の延長）とを接続する幅広導体で
ある。なおスナバダイオード２の冷却については、冷却
フィン１１と幅広導体１４との一体化において実現して
も良いし、個別に冷却フィンなどの冷却手段を追加して
も良い。

【００３６】図６において図１と異なる点は、ＧＴＯ１
に並列接続されるスナバダイオード２、スナバコンデン
サ３の接続順序であり、具体的には、図１では、ＧＴＯ
１に並列にＧＴＯ１の陽極側から、スナバダイオード
２、スナバコンデンサ３の順で接続しているが、図６で
は、ＧＴＯ１に並列にＧＴＯ１の陽極側から、スナバコ
ンデンサ３、スナバダイオード２の順で接続している。
図６はスナバ回路構造の側面図であり、全ての電極面が
平行の位置関係に配置されており、全ての幅広導体が平
行の位置関係にある。また図７の平面図に示すように、
全ての電極面が直線の位置関係に配置されている。更に
幅広導体の幅の規定も、幅広導体間の相互結合関係も図
１と同様である。つまり図６のスナバ回路構造は、図１
で示したスナバ回路内インダクタンスの低減効果は同等
であることは明かである。

【００３７】実施例３．この発明の第３の実施例を図に
ついて説明する。図８は、実施例１の設計概念にもとづ
く他の組合せによる自己消弧形半導体素子のスナバ回路
の構造を示す。１はＧＴＯ、２はスナバダイオード、３
はスナバコンデンサ、１０はＧＴＯ１の陽極に圧接され
た冷却フィン（導体でも良い）、１１はＧＴＯ１の陰極
に圧接された冷却フィン（導体でも良い）、１２、１３
はスナバコンデンサ３の電極、１４は冷却フィン１０と
スナバダイオード２の陽極とを接続する幅広導体、１５
はスナバダイオード２の陰極とスナバコンデンサ３の電
極１２とを接続する幅広導体、１６はスナバコンデンサ
３の電極１３と冷却フィン１１を接続する幅広導体であ
る。

【００３８】図８において図１と異なる点は、ＧＴＯ１
に対するスナバダイオード２、スナバコンデンサ３の距
離関係であり、具体的には、図１では、ＧＴＯ１に対し
て、スナバダイオード２がスナバコンデンサ３より近く
配置されているが、図８では、ＧＴＯ１に対して、スナ
バコンデンサ３がスナバダイオード２より近く配置され
ている。図８に対するスナバ回路構造の側面図は省略す
るが、図８のスナバ回路構造は、図１で示したスナバ回
路内インダクタンスの低減方法を適用していることは明
かであり、スナバ回路内インダクタンスの低減は可能で
ある。

【００３９】実施例４．この発明の第４の実施例を図に
ついて説明する。図９は、実施例１の設計概念にもとづ
く他の組合せによる自己消弧形半導体素子のスナバ回路
の構造を示す。１はＧＴＯ、２はスナバダイオード、３
はスナバコンデンサ、１０はＧＴＯ１の陽極に圧接され
た冷却フィン（導体でも良い）、１１はＧＴＯ１の陰極
に圧接された冷却フィン（導体でも良い）、１２、１３
はスナバコンデンサ３の電極、１４は冷却フィン１１と
スナバダイオード２の陰極とを接続する幅広導体、１５
はスナバダイオード２の陽極とスナバコンデンサ３の電
極１２とを接続する幅広導体、１６はスナバコンデンサ
３の電極１３と冷却フィン１０とを接続する幅広導体で
ある。

【００４０】図９において図６と異なる点は、ＧＴＯ１
に対するスナバダイオード２、スナバコンデンサ３の距
離関係であり、具体的には、図６では、ＧＴＯ１に対し
て、スナバダイオード２がスナバコンデンサ３より近く
配置されているが、図９では、ＧＴＯ１に対して、スナ
バコンデンサ３がスナバダイオード２より近く配置され
ている。図９に対するスナバ回路構造の側面図は省略す
るが、図９のスナバ回路構造は、図６で示したスナバ回
路内インダクタンスの低減方法を適用していることは明
かであり、スナバ回路内インダクタンスの低減は可能で
ある。

【００４１】実施例５．この発明の第５の実施例を図に
ついて説明する。図１０は、実施例１の設計概念を一部
変形して実施した自己消弧形半導体素子のスナバ回路の
構造を示す。１はＧＴＯ、２はスナバダイオード、３は
スナバコンデンサ、１０はＧＴＯ１の陽極に圧接された
冷却フィン（導体でも良い）、１１はＧＴＯ１の陰極に
圧接された冷却フィン（導体でも良い）、１２、１３は
スナバコンデンサ３の電極、１４は冷却フィン１０とス
ナバダイオード２の陽極とを接続する幅広導体、１５は
スナバダイオード２の陰極とスナバコンデンサ３の電極
１２とを接続する幅広導体、１６はスナバコンデンサ３
の電極１３と冷却フィン１１とを接続する幅広導体であ
る。

【００４２】図１０において図１と異なる点は、ＧＴＯ
１、スナバダイオード２の電極面に対して、スナバコン
デンサ３の電極１２、１３の電極面が平行の位置関係に
配置されていない点である。具体的には、図１では、ス
ナバコンデンサ３の電極１２、１３の高さを異ならせて
全ての電極を平行の位置関係に配置していたが、図１０
では、同じ高さの電極１２、１３を持つスナバコンデン
サ３を適用し、さらにＬ字形の幅広導体１５、１６を適
用している。これにより図１に比較して図１０の有利な
点は、幅広導体１５の自己インダクタンスが低減され、
ひいてはスナバ回路内インダクタンスを低減できること
である。これは幅広導体１５、１６の平行でない部分
が、図１の幅広導体１６の方に、図１０の幅広導体１６
よりも多く存在していることに起因する。図１０に対す
るスナバ回路構造の側面図は省略するが、図１０のスナ
バ回路構造は、図１で示したスナバ回路内インダクタン
スの低減効果と同等以上とすることが可能であることは
明かである。

【００４３】実施例６．この発明の第６の実施例を図に
ついて説明する。図１１は、実施例１の設計概念を一部
変形して実施した自己消弧形半導体素子のスナバ回路の
構造を示す。１はＧＴＯ、２はスナバダイオード、３は
スナバコンデンサ、１０はＧＴＯ１の陽極に圧接された
冷却フィン（導体でも良い）、１１はＧＴＯ１の陰極に
圧接された冷却フィン（導体でも良い）、１２、１３は
スナバコンデンサ３の電極、１４は冷却フィン１１とス
ナバダイオード２の陰極とを接続する幅広導体、１５は
スナバダイオード２の陽極とスナバコンデンサ３の電極
１２とを接続する幅広導体、１６はスナバコンデンサ３
の電極１３と冷却フィン１０とを接続する幅広導体であ
る。

【００４４】図１１において図６と異なる点は、ＧＴＯ
１、スナバダイオード２の電極面に対して、スナバコン
デンサ３の電極１２、１３の電極面が平行の位置関係に
配置されていない点である。具体的には、図６では、ス
ナバコンデンサ３の電極１２、１３の高さを異ならせて
全ての電極を平行の位置関係に配置していたが、図１１
では、同じ高さの電極１２、１３を持つスナバコンデン
サ３を適用し、さらにＬ字形の幅広導体１５、１６を適
用している。これにより図６に比較して図１１の有利な
点は、幅広導体１６の自己インダクタンスが低減され、
ひいてはスナバ回路内インダクタンスを低減できること
である。これは幅広導体１５、１６の平行でない部分
が、図６の幅広導体１６の方に、図１１の幅広導体１６
よりも多く存在していることに起因する。図１１に対す
るスナバ回路構造の側面図は省略するが、図１１のスナ
バ回路構造は、図６で示したスナバ回路内インダクタン
スの低減効果と同等以上とすることが可能であることは
明かである。

【００４５】実施例７．この発明の第７の実施例を図に
ついて説明する。図１２は、実施例１の設計概念を一部
変形して実施した自己消弧形半導体素子のスナバ回路の
構造を示す。１はＧＴＯ、２はスナバダイオード、３は
スナバコンデンサ、１０はＧＴＯ１の陽極に圧接された
冷却フィン（導体でも良い）、１１はＧＴＯ１の陰極に
圧接された冷却フィン（導体でも良い）、１２、１３は
スナバコンデンサ３の電極、１４は冷却フィン１０とス
ナバダイオード２の陽極とを接続する幅広導体、１５は
スナバダイオード２の陰極とスナバコンデンサ３の電極
１２とを接続する幅広導体、１６はスナバコンデンサ３
の電極１３と冷却フィン１１とを接続する幅広導体であ
る。

【００４６】図１２において図２と異なる点は、スナバ
ダイオード２、スナバコンデンサ３の電極面に対して、
ＧＴＯ１の電極面が直線の位置関係に配置されていない
点である。具体的には、図２では、直線ＡＢ、直線Ｂ
Ｃ、直線ＤＡが一直線上に位置するが、図１２では直線
ＡＢ、直線ＡＤが直線ＢＣの直線上に位置しない。しか
し図１２に対するスナバ回路構造の側面図が図１と同じ
である場合、全ての電極面は平行の位置関係にあり、全
ての幅広導体は平行の位置関係にある。また図１２に示
す様に幅広導体の幅の規定も満足している。図１２のス
ナバ回路構造は、全ての電極面が直線上にないこと以外
は、図２で示したスナバ回路内インダクタンスの低減効
果とほぼ同等とすることが可能であることは明かであ
る。

【００４７】実施例８．この発明の第８の実施例を図に
ついて説明する。図１３は、実施例１の設計概念を一部
変形して実施した自己消弧形半導体素子のスナバ回路の
構造を示す。１はＧＴＯ、２はスナバダイオード、３は
スナバコンデンサ、１０はＧＴＯ１の陽極に圧接された
冷却フィン（導体でも良い）、１１はＧＴＯ１の陰極に
圧接された冷却フィン（導体でも良い）、１２、１３は
スナバコンデンサ３の電極、１４は冷却フィン１０とス
ナバダイオード２の陽極とを接続する幅広導体、１５は
スナバダイオード２の陰極とスナバコンデンサ３の電極
１２とを接続する幅広導体、１６はスナバコンデンサ３
の電極１３と冷却フィン１１とを接続する幅広導体であ
る。

【００４８】図１３において図２と異なる点は、スナバ
ダイオード２、スナバコンデンサ３の電極面に対して、
ＧＴＯ１の電極面が直線の位置関係に配置されていない
点である。具体的には、図２では、直線ＡＢ、直線Ｂ
Ｃ、直線ＤＡが一直線上に位置するが、図１３では直線
ＡＢ、直線ＡＤが直線ＢＣの直線上に位置しない。しか
し図１３に対するスナバ回路構造の側面図が図１と同じ
である場合、全ての電極面は平行の位置関係にあり、全
ての幅広導体は平行の位置関係にある。図１３に示す様
に幅広導体の幅の規定も満足している。更にその幅広導
体の幅について図１２に比較して有利な点は、上面図か
ら見て、ＧＴＯ１の電極とスナバダイオード２の電極と
の接線Ｐ１、Ｐ２が幅広導体１４の内側にあり、スナバ
ダイオード２の電極とスナバコンデンサ３の電極１２と
の接線Ｑ１、Ｑ２が幅広導体１５の内側にあり、更にス
ナバコンデンサ３の電極１３とＧＴＯ１の電極との接線
Ｒ１、Ｒ２が幅広導体１６の内側にあるため、ＧＴＯ１
の遮断時のスナバ回路にバイパスされる高周波電流によ
る電界集中を避けることができる。図１２では、特に冷
却フィン１０と幅広導体１４の接続部において電界集中
が生じる場合がある。電界集中が生じると局部的に熱損
失が発生し、ＧＴＯ１の接合温度上昇を招き、ひいては
素子破壊の要因となる。従って図１３に示すスナバ回路
構造は、全ての電極が直線上にないこと以外は、図２で
示したスナバ回路内インダクタンスの低減効果とほぼ同
等とすることが可能であり、幅広導体内の温度上昇の均
一化が可能なことは明かである。なおこの電界集中を避
けるための幅広導体の幅についての考え方は、他の実施
例に適用できることは言うまでもない。更に図１３では
幅広導体１４、１５、１６を上面図で見て、長方形のも
のを適用したが、例えば幅広導体１４であれば、接線Ｐ
１に沿って切断された形状の幅広導体14を適用するなど
して、幅広導体のコストを低減することも可能である。
またインダクタンスの低減の観点からは、各電極中心が
直線上になくても、平面図上で重なり合う２つの幅広導
体のうち幅のせまいものが幅のひろいものに平面図上で
含まれていればよい。

【００４９】実施例９．この発明の第９の実施例を図に
ついて説明する。図１４は、実施例１の設計概念を直列
接続された複数の自己消弧形半導体素子のスナバ回路に
適用した場合の構造を示す。１Ａ、１ＢはＧＴＯ、２
Ａ、２Ｂはスナバダイオード、３Ａ、３Ｂはスナバコン
デンサである。ＧＴＯ１Ａに注目すると、１０ＡはＧＴ
Ｏ１Ａの陽極に圧接された冷却フィン（導体でも良
い）、１１ＡはＧＴＯ１の陰極に圧接された冷却フィン
（導体でも良い）、１２Ａ、１３Ａはスナバコンデンサ
３Ａの電極、１４Ａは冷却フィン１０Ａとスナバダイオ
ード２Ａの陽極とを接続する幅広導体、１５Ａはスナバ
ダイオード２Ａの陰極とスナバコンデンサ３Ａの電極１
２Ａとを接続する幅広導体、１６Ａはスナバコンデンサ
３Ａの電極１３Ａと冷却フィン１１Ａとを接続する幅広
導体である。なおスナバダイオード２Ａの冷却について
は、冷却フィン１０Ａと幅広導体１４Ａとの一体化にお
いて実現しても良いし、個別に冷却フィンなどの冷却手
段を追加しても良い。またＧＴＯ１Ｂの構造についても
ＧＴＯ１Ａに対する構造と同じであるため、説明は省略
する。

【００５０】図１４は直列接続された複数のＧＴＯ１
Ａ、１Ｂの陽極と陰極に対して、図１をそのまま適用し
た場合を示している。従ってスナバ回路内インダクタン
スの低減効果は、図１と同等であることは明かである。
また複数の直列接続されたＧＴＯに並列接続されるスナ
バ回路の接続方法は図15に示す４通りが考えられる。図
１４は図１５（１）の具体的構造であるが、例えば図１
５（２）について側面図を考慮すれば、図１と図６の組
合せ、あるいは図１０と図１１の組合せ等からも構成可
能であることは明かである。他の図１５（３） 、
（４）についても既に記載した実施例の組合せにより実
現できる。

【００５１】また、この実施例では複数の自己消弧型半
導体素子を直列接続したものを示したが、直並列接続し
たものについても同様にこの発明を適用できる。

【００５２】実施例１０．この発明の第１０の実施例を
図について説明する。図１６、図１７は、実施例１の設
計概念を一部変形して実施した自己消弧形半導体素子の
スナバ回路の構造を示す。図１６は平面図、図１７は側
面図であり、スナバコンデンサとその接続手段などは説
明上省略している。図１４と異なる点は、スナバダイオ
ード２Ａ、２Ｂの中心Ｂ１、Ｂ２が、平面図で見て同じ
位置に無い点である。しかし、図１６のように全ての電
極面が平行の位置関係にあり、また幅広導体が平行の位
置関係にあり、かつＧＴＯ１Ａに対してスナバダイオー
ド２Ａ、図示しないスナバコンデンサ３Ａが中心線ＳＳ
上にありＧＴＯ１Ｂに対してスナバダイオード２Ｂ、図
示しないスナバコンデンサ３Ｂが中心線ＳＳと角度を持
つ中心線ＴＴ上にある場合、結局方向１、方向２から見
たそれぞれのスナバ回路構造の側面図は図１と同じであ
る。従って図１と同様に、各々のスナバ回路内インダク
タンスの低減を実現できることは明かである。なお図１
６では、中心線ＳＳと中心線ＴＴが作る内角が直角であ
る場合を示したが、この内角が直角である必然性は無
く、特に制限はない。

【００５３】実施例１１．この発明の第１１の実施例を
図について説明する。図１８は中間電位点Ｃを有する直
流電源１７の正負母線Ｐ、Ｎ間に直列接続された自己消
弧形半導体素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ（一例としてＧ
ＴＯ）と、それらの各々に逆並列接続されたフリーホイ
ールダイオード１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄと、Ｇ
ＴＯ１ＡとＧＴＯ１Ｂとの接続点および中間電位点Ｃ間
に接続されたクランプダイオード１９Ａと、ＧＴＯ１Ｃ
とＧＴＯ１Ｄとの接続点および中間電位点Ｃ間に接続さ
れたクランプダイオード１９Ｂと、ＧＴＯ１ＢとＧＴＯ
１Ｃとの接続点に設けられた出力端子Ｏとを備え、ＧＴ
Ｏ１ＡからＧＴＯ１Ｄのスイッチング動作により直流電
源１７の正負母線Ｐ、Ｎの電圧と中間電位点Ｃの電圧の
３つの電圧レベルを出力端子Ｏに出力できる電力変換装
置、即ち３レベルインバータ装置である。なおアノード
リアクトル、スナバ抵抗あるいはスナバエネルギー回生
回路など追加的な構成要素は、本発明に直接関係しない
ため省略している。

【００５４】この３レベルインバータ装置を構成する各
々のＧＴＯの電流遮断時にかかる急峻な電圧上昇率を抑
制するためのスナバ回路の接続について説明する。この
３レベルインバータ装置のスナバ回路としては、ＧＴＯ
１Ａに並列接続されたスナバコンデンサ３Ａとスナバダ
イオード２Ａからなるスナバ回路と、クランプダイオー
ド１９Ａの陽極とフリーホイールダイオード１８Ｃの陽
極に接続されたスナバダイオード２Ｂとスナバコンデン
サ３Ｂからなるスナバ回路と、フリーホイールダイオー
ド１８Ｂの陰極とクランプダイオード１９Ｂの陰極に接
続されたスナバコンデンサ３Ｃとスナバダイオード２Ｃ
からなるスナバ回路と、ＧＴＯ１Ｄに並列接続されたス
ナバコンデンサ３Ｄとスナバダイオード２Ｄからなるス
ナバ回路が接続されている。例えばＧＴＯ１Ａについて
は、図１９（１）に示すように、電流（ａ）をＧＴＯ１
Ａが遮断すると、電流（ｂ）にバイパスされ、スナバ回
路にあるスナバコンデンサ３Ａの充電動作により、ＧＴ
Ｏ１Ａにかかる電圧上昇率を抑制することができる。Ｇ
ＴＯ１Ｄについても同様である。またＧＴＯ１Ｂについ
ては、図１９（２）に示すように、電流（ａ）をＧＴＯ
１Ｂが遮断すると、電流（ｂ）にバイパスされ、スナバ
回路にあるスナバコンデンサ３Ｂの充電動作により、Ｇ
ＴＯ１Ｂにかかる電圧上昇率を抑制することができる。
ＧＴＯ１Ｃについても同様である。

【００５５】図１８に示すＧＴＯ１Ａ、ＧＴＯ１Ｄに対
するスナバ回路については、前述したスナバ回路構造の
実施例のいずれかをそのまま適用できる。しかしＧＴＯ
１Ｂ、ＧＴＯ１Ｃに対するスナバ回路については、前述
した実施例をそのまま適用できないことは、図１９
（１）と図１９（２）に示す電流遮断動作の違いからも
明かである。

【００５６】ここでは特にＧＴＯ１Ｂ、ＧＴＯ１Ｃに対
して、インダクタンス低減が実現できるスナバ回路の構
造について図を用いて説明する。まず図２０にはＧＴＯ
１Ｂに対するスナバ回路の構造の側面図を示す。１Ｂは
ＧＴＯ、２Ｂはスナバダイオード、３Ｂはスナバコンデ
ンサ、１０ＢはＧＴＯ１Ｂの陽極に圧接された冷却フィ
ン（導体でも良い）、１１ＢはＧＴＯ１Ｂの陰極に圧接
された冷却フィン（導体でも良い）であり、出力端子Ｏ
に接続される。２０Ｂはクランプダイオード１９Ａの冷
却フィン（導体でも良い）であり、中間電位点Ｃと接続
される。２１Ｂはフリーホイールダイオード１８Ｃの冷
却フィン（導体でも良い）である。１２Ｂ、１３Ｂはス
ナバコンデンサ３Ｂの電極、１４Ｂは冷却フィン２０Ｂ
とスナバダイオード２Ｂの陽極とを接続する幅広導体、
１５Ｂはスナバダイオード２Ｂの陰極とスナバコンデン
サ３Ｂの電極１２Ｂとを接続する幅広導体、１６Ｂはス
ナバコンデンサ３Ｂの電極１３Ｂと冷却フィン２１Ｂを
接続する幅広導体である。なおスナバダイオード２Ｂの
冷却については、冷却フィン２０Ｂと幅広導体１４Ｂと
の一体化において実現しても良いし、個別に冷却フィン
などの冷却手段を追加しても良い。

【００５７】図２０では、全ての電極面が平行の位置関
係にあり、かつ直線の位置関係にもある。また幅広導体
の規定も満足することが可能である。図１に追加された
クランプダイオード１９Ａ 、フリーホイールダイオー
ド１８Ｃについては、クランプダイオード１９Ａとスナ
バダイオード２Ｂとの、あるいはフリーホイールダイオ
ード１８Ｃと幅広導体１５Ｂの斜線部分との電流極性が
逆方向であることを考慮すれば、相互結合関係にある。
また幅広導体１５Ｂと１６Ｂは、部分的ではあるが極力
平行の位置関係を保つように配置されている。すなわ
ち、本実施例においても実施例１の設計概念を可能な限
り適用しているので、実施例１と同様にスナバ回路内イ
ンダクタンスの低減を実現できる。

【００５８】次に、図２１にはＧＴＯ1Cに対するスナバ
回路の構造の側面図を示す。１ＣはＧＴＯ、２Ｃはスナ
バダイオード、３Ｃはスナバコンデンサ、１０ＣはＧＴ
Ｏ１Ｃの陽極に圧接された冷却フィン（導体でも良い）
であり、出力端子Ｏに接続される。１１ＣはＧＴＯ１Ｃ
の陰極に圧接された冷却フィン（導体でも良い）であ
り、２０Ｃはクランプダイオード１９Ｂの冷却フィン
（導体でも良い）であり、中間電位点Ｃと接続される。
２１Ｃはフリーホイールダイオード１８Ｂの冷却フィン
（導体でも良い）である。１２Ｃ、１３Ｃはスナバコン
デンサ３Ｃの電極、１４Ｃは冷却フィン２０Ｃとスナバ
ダイオード２Ｃの陰極とを接続する幅広導体、１５Ｃは
スナバダイオード２Ｃの陽極とスナバコンデンサ３Ｃの
電極１２Ｃとを接続する幅広導体、１６Ｃはスナバコン
デンサ３Ｃの電極１３Ｃと冷却フィン２１Ｃを接続する
幅広導体である。なおスナバダイオード２Ｃの冷却につ
いては、冷却フィン２０Ｃと幅広導体１４Ｃとの一体化
において実現しても良いし、個別に冷却フィンなどの冷
却手段を追加しても良い。

【００５９】図２１においても図２０と同様、全ての電
極面が平行の位置関係にあり、かつ直線の位置関係にも
ある。また幅広導体の幅の規定も満足することが可能で
ある。図１に追加されたクランプダイオード１９Ｂ 、
フリーホイールダイオード１８Ｂについては、クランプ
ダイオード１９Ｂとスナバダイオード２Ｃとの、あるい
はフリーホイールダイオード１８Ｂと幅広導体１５Ｃの
斜線部分との電流極性が逆方向であることを考慮すれ
ば、相互結合関係にある。また幅広導体１５Ｃと１６Ｃ
は、部分的ではあるが極力平行の位置関係を保つように
配置されている。すなわち、本実施例においても実施例
１の設計概念を可能な限り適用しているので、実施例１
と同様にスナバ回路内インダクタンスの低減を実現でき
る。

【００６０】なお、当然のことながら前述した他の実施
例を、ＧＴＯ１Ｂ、ＧＴＯ１Ｃのスナバ回路に適用し、
スナバ回路内インダクタンスを低減することも可能であ
る。例えば図２０のスナバコンデンサ３Ｂについて、図
１０に示したスナバコンデンサを適用しても良いことな
どは言うまでもない。

【００６１】実施例１２．この発明の第１２の実施例を
図について説明する。図２２は中間電位点Ｃを有する直
流電源１７の正負母線Ｐ、Ｎ間に直列接続された自己消
弧形半導体素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ（一例としてＧ
ＴＯ）と、それらの各々に逆並列接続されたフリーホイ
ールダイオード１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄと、Ｇ
ＴＯ１ＡとＧＴＯ１Ｂとの接続点および中間電位点Ｃ間
に接続されたクランプダイオード１９Ａと、ＧＴＯ１Ｃ
とＧＴＯ１Ｄとの接続点および中間電位点Ｃ間に接続さ
れたクランプダイオード１９Ｂと、ＧＴＯ１ＢとＧＴＯ
１Ｃとの接続点に設けられた出力端子Ｏとを備え、ＧＴ
Ｏ１ＡからＧＴＯ１Ｄのスイッチング動作により直流電
源１７の正負母線Ｐ、Ｎの電圧と中間電位点Ｃの電圧の
３つの電圧レベルを出力端子Ｏに出力できる電力変換装
置、即ち３レベルインバータ装置である。なおアノード
リアクトル、スナバ抵抗あるいはスナバエネルギー回生
回路など追加的な構成要素は、本発明に直接関係しない
ため省略している。

【００６２】この３レベルインバータ装置を構成する各
々のＧＴＯの電流遮断時にかかる急峻な電圧上昇率を抑
制するためのスナバ回路の接続について説明する。この
装置のスナバ回路としては、ＧＴＯ１Ａに並列接続され
たスナバコンデンサ３Ａとスナバダイオード２Ａからな
るスナバ回路と、クランプダイオード１９Ａの陽極とＧ
ＴＯ１Ｂの陰極に接続されたスナバコンデンサ３Ｂとス
ナバダイオード２からなるスナバ回路と、ＧＴＯ１Ｃの
陽極とクランプダイオード１９Ｂの陰極に接続されたス
ナバダイオード２Ｃとスナバコンデンサ３Ｃからなるス
ナバ回路と、ＧＴＯ１Ｄに並列接続されたスナバダイオ
ード２Ｄとスナバコンデンサ３Ｄからなるスナバ回路が
接続されている。例えばＧＴＯ１Ａについては、図２３
（１）に示すように、電流（ａ）をＧＴＯ１Ａが遮断す
ると、電流（ｂ）にバイパスされ、スナバ回路にあるス
ナバコンデンサ３Ａの充電動作により、ＧＴＯ１Ａにか
かる電圧上昇率を抑制することができる。ＧＴＯ１Ｄに
ついても同様である。またＧＴＯ１Ｂについては、図２
３（２）に示すように、電流（ａ）をＧＴＯ１Ｂが遮断
すると、電流（ｂ）にバイパスされ、スナバ回路にある
スナバコンデンサ３Ｂの充電動作により、ＧＴＯ１Ｂに
かかる電圧上昇率を抑制することができる。ＧＴＯ１Ｃ
についても同様である。

【００６３】図２２に示すＧＴＯ１Ａ、ＧＴＯ１Ｄに対
するスナバ回路については、前述したスナバ回路構造の
実施例のいずれかをそのまま適用できる。しかしＧＴＯ
１Ｂ、ＧＴＯ１Ｃに対するスナバ回路については、前述
した実施例をそのまま適用できないことは、図２３
（１）と図２３（２）に示す電流遮断動作の違いからも
明かである。

【００６４】ここでは特にＧＴＯ１Ｂ、ＧＴＯ１Ｃに対
して、インダクタンス低減が実現できるスナバ回路の構
造について図を用いて説明する。まず図２４にはＧＴＯ
１Ｂに対するスナバ回路の構造の側面図を示す。１Ｂは
ＧＴＯ、２Ｂはスナバダイオード、３Ｂはスナバコンデ
ンサ、１０ＢはＧＴＯ１Ｂの陽極に圧接された冷却フィ
ン（導体でも良い）、１１ＢはＧＴＯ１Ｂの陰極に圧接
された冷却フィン（導体でも良い）であり、出力端子Ｏ
に接続される。２０Ｂはクランプダイオード１９Ａの冷
却フィン（導体でも良い）であり、中間電位点Ｃと接続
される。１２Ｂ、１３Ｂはスナバコンデンサ３Ｂの電
極、１４Ｂは冷却フィン１１Ｂとスナバダイオード２Ｂ
の陰極とを接続する幅広導体、１５Ｂはスナバダイオー
ド２Ｂの陽極とスナバコンデンサ３Ｂの電極１２Ｂとを
接続する幅広導体、１６Ｂはスナバコンデンサ３Ｂの電
極１３Ｂと冷却フィン２０Ｂを接続する幅広導体であ
る。なおスナバダイオード２Ｂの冷却については、冷却
フィン１１Ｂと幅広導体１４Ｂとの一体化において実現
しても良いし、個別に冷却フィンなどの冷却手段を追加
しても良い。

【００６５】図２４では、全ての電極面が平行の位置関
係にあり、かつ直線の位置関係にもある。また幅広導体
の幅の規定も満足することが可能である。図１に追加さ
れたクランプダイオード１９Ａについては、クランプダ
イオード１９Ａと幅広導体１５Ｂの斜線部分との電流極
性が逆方向であることを考慮すれば、相互結合関係にあ
る。また幅広導体１５Ｂと１６Ｂは、部分的ではあるが
極力平行の位置関係を保つように配置されている。すな
わち、本実施例においても実施例１の設計概念を可能な
限り適用しているので、実施例１と同様にスナバ回路内
インダクタンスの低減を実現できる。

【００６６】次に、図２５にはＧＴＯ1Cに対するスナバ
回路の構造の側面図を示す。１ＣはＧＴＯ、２Ｃはスナ
バダイオード、３Ｃはスナバコンデンサ、１０ＣはＧＴ
Ｏ１Ｃの陽極に圧接された冷却フィン（導体でも良い）
であり、出力端子Ｏに接続される。１１ＣはＧＴＯ１Ｃ
の陰極に圧接された冷却フィン（導体でも良い）であ
り、２０Ｃはクランプダイオード１９Ｂの冷却フィン
（導体でも良い）であり、中間電位点Ｃと接続される。
１２Ｃ、１３Ｃはスナバコンデンサ３Ｃの電極、１４Ｃ
は冷却フィン１０Ｃとスナバダイオード２Ｃの陽極とを
接続する幅広導体、１５Ｃはスナバダイオード２Ｃの陰
極とスナバコンデンサ３Ｃの電極１２Ｃとを接続する幅
広導体、１６Ｃはスナバコンデンサ３Ｃの電極１３Ｃと
冷却フィン２０Ｃを接続する幅広導体である。なおスナ
バダイオード２Ｃの冷却については、冷却フィン１０Ｃ
と幅広導体１４Ｃとの一体化において実現しても良い
し、個別に冷却フィンなどの冷却手段を追加しても良
い。

【００６７】図２５においても図２４と同様、全ての電
極面が平行の位置関係にあり、かつ直線の位置関係にも
ある。また幅広導体の幅の規定も満足することが可能で
ある。図１に追加されたクランプダイオード１９Ｂにつ
いては、クランプダイオード１９Ｂと幅広導体１５Ｃの
斜線部分との電流極性が逆方向であることを考慮すれ
ば、相互結合関係にある。また幅広導体１５Ｃと１６Ｃ
は、部分的ではあるが極力平行の位置関係を保つように
配置されている。すなわち、本実施例においても実施例
１の設計概念を可能な限り適用しているので、実施例１
と同様にスナバ回路内インダクタンスの低減を実現でき
る。

【００６８】なお、当然のことながら前述した他の実施
例を、ＧＴＯ１Ｂ、ＧＴＯ１Ｃのスナバ回路に適用し、
スナバ回路内インダクタンスを低減することも可能であ
る。例えば図２５のスナバコンデンサ３Ｃについて、図
１０に示したスナバコンデンサを適用しても良いことな
どは言うまでもない。

【００６９】実施例１３．この発明の第１３の実施例を
図について説明する。図２６、図２７は、実施例１の設
計概念を一部変形して実施した自己消弧形半導体素子の
スナバ回路の構造を示す。１はＧＴＯ、２はスナバダイ
オード、３はスナバコンデンサ、１０はＧＴＯ１の陽極
に圧接された冷却フィン（導体でも良い）、１１はＧＴ
Ｏ１の陰極に圧接された冷却フィン（導体でも良い）、
１２、１３はスナバコンデンサ３の電極、１４は冷却フ
ィン１１とスナバダイオード２の陽極とを接続する幅広
導体、１５はスナバダイオード２の陰極とスナバコンデ
ンサ３の電極１２とを接続する幅広導体、１６はスナバ
コンデンサ３の電極１３と冷却フィン１１とを接続する
幅広導体である。

【００７０】図１と異なる点はスナバダイオード２の電
極間距離と、スナバコンデンサ３の電極１２、１３の電
極間距離との和より、かなりＧＴＯ１の電極間距離が大
きい点である。この様な場合に、スナバ回路内インダク
タンスを低減するためには、図２６、図２７に示すよう
に、全ての電極面が直線の位置関係にあるように配置
し、幅広導体の幅の規定を遵守し、幅広導体１５と１
６、幅広導体１４と１６を極力、相互結合関係を持たせ
るよう近接させて配置することが有利である。

【００７１】実施例１４．この発明の第１４の実施例を
図について説明する。図２８は、実施例１の設計概念を
一部変形して実施した自己消弧形半導体素子のスナバ回
路の構造を示す。１はＧＴＯ、２はスナバダイオード、
３はスナバコンデンサ、１０はＧＴＯ１、スナバダイオ
ード２に圧接された冷却フィン（導体でも良い）、１１
はＧＴＯ１の陰極に圧接された冷却フィン（導体でも良
い）、１２、１３はスナバコンデンサ３の電極、１５は
スナバダイオード２の陰極とスナバコンデンサ３の電極
１２とを接続する幅広導体、１６はスナバコンデンサ３
の電極１３と冷却フィン１１とを接続する幅広導体であ
る。

【００７２】図１と異なる点はＧＴＯ１とスナバダイオ
ード２を同じ圧接構造内に収めた点である。前述した実
施例に用いた図においては、ＧＴＯ１とスナバダイオー
ド２の電極面の直径についてはＧＴＯ１が大きく、同じ
圧接構造内に収めた場合に、均一な電極面同士の接触が
不可能である場合を仮定した。即ちＧＴＯ１とスナバダ
イオード２は異なる圧接構造に収められることを前提と
した。しかし図28のようにＧＴＯ１とスナバダイオード
２の電極面の直径が、同一圧接構造内に収めることを許
容できる条件にある場合に、スナバ回路内インダクタン
スを低減するためには、図２８に示すように全ての電極
面が直線の位置関係にあるように配置し、幅広導体の幅
の規定を遵守し、幅広導体１５と１６を極力、相互結合
関係を持たせるよう近接させて配置することが有利であ
る。

【００７３】実施例１５．前述した実施例の説明に用い
た図において、自己消弧形半導体素子、ダイオード、冷
却フィンなどを圧接して、熱伝導を保証し、温度分布の
均一化を図るための圧接手段は実用上は必ず追加されな
ければならない。さらに絶縁距離あるいは縁面距離を保
証するための絶縁物の挿入などは自己消弧形半導体素子
に印加される電圧に依存するため省略しているが、これ
についても実用上は適宜追加されなければならない。例
えば図１において、特に幅広導体１５と幅広導体１６の
間に挿入される絶縁物については、誘電率の大きな誘電
体を挿入すれば、等価的にスナバコンデンサの静電容量
が増加され、自己消弧形半導体素子が電流遮断した場合
にかかる電圧上昇率を抑制でき、ひいては自己消弧形半
導体素子の損失を低減できる。

【００７４】

【発明の効果】本発明にかかる電力変換装置は、スナバ
回路のインダクタンスを低減でき、従って自己消弧形半
導体素子の遮断時における損失を低減することができ
る。

【００７５】また、第２の幅広導体と第３の幅広導体と
の間が所定距離になるよう上記第２の幅広導体と上記第
３の幅広導体との間に誘電体を配置する場合には、スナ
バコンデンサの容量を等価的に増加させ、自己消弧形半
導体素子の遮断時における損失を低減することができ
る。

【００７６】また、上記電力変換装置を複数備え、上記
電力変換装置の自己消弧型半導体素子が各々直列又は直
並列に接続されるようにする場合には、高電圧または大
電力の電力変換装置においてスナバ回路のインダクタン
スを低減し、自己消弧形半導体素子の遮断時における損
失を低減することができる。

【００７７】また、電力変換装置が３レベルインバータ
である場合には、３レベルインバータにおいて、スナバ
回路のインダクタンスを低減し、自己消弧形半導体素子
の遮断時における損失を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の第１の実施例によるスナバ回路構
造の側面図である。

【図２】 この発明の第１の実施例によるスナバ回路構
造の平面図である。

【図３】 スナバコンデンサ電極の中心を説明する図で
ある。

【図４】 スナバ回路の構造モデルを示す図である。

【図５】 スナバ回路内インダクタンス特性を示す図で
ある。

【図６】 この発明の第２の実施例によるスナバ回路構
造の側面図である。

【図７】 この発明の第２の実施例によるスナバ回路構
造の平面図である。

【図８】 この発明の第３の実施例によるスナバ回路構
造の側面図である。

【図９】 この発明の第４の実施例によるスナバ回路構
造の側面図である。

【図１０】 この発明の第５の実施例によるスナバ回路
構造の側面図である。

【図１１】 この発明の第６の実施例によるスナバ回路
構造の側面図である。

【図１２】 この発明の第７の実施例によるスナバ回路
構造の側面図である。

【図１３】 この発明の第８の実施例によるスナバ回路
構造の平面図である。

【図１４】 この発明の第９の実施例によるスナバ回路
構造の平面図である。

【図１５】 直列接続された自己消弧形半導体素子に対
するスナバ回路の接続例を示す図である。

【図１６】 この発明の第１０の実施例によるスナバ回
路構造の平面図である。

【図１７】 この発明の第１０の実施例によるスナバ回
路構造の側面図である。

【図１８】 この発明の第１１の実施例に記載の３レベ
ルインバータ装置の回路構成図である。

【図１９】 この発明の第１１の実施例に記載の３レベ
ルインバータ装置に適用するスナバ回路の動作を説明す
る図である。

【図２０】 この発明の第１１の実施例によるスナバ回
路構造の側面図である。

【図２１】 この発明の第１１の実施例によるスナバ回
路構造の側面図である。

【図２２】 この発明の第１２の実施例に記載の３レベ
ルインバータ装置の回路構成図である。

【図２３】 この発明の第１２の実施例に記載の３レベ
ルインバータ装置に適用するスナバ回路の動作を説明す
る図である。

【図２４】 この発明の第１２の実施例によるスナバ回
路構造の側面図である。

【図２５】 この発明の第１２の実施例によるスナバ回
路構造の側面図である。

【図２６】 この発明の第１３の実施例によるスナバ回
路構造の側面図である。

【図２７】 この発明の第１３の実施例によるスナバ回
路構造の側面図である。

【図２８】 この発明の第１４の実施例によるスナバ回
路構造の側面図である。

【図２９】 従来のスナバ回路構造を示す図である。

【図３０】 自己消弧形半導体素子に適用するスナバ回
路の動作を説明する図である。

【符号の説明】

１ 自己消弧形半導体素子 ２ スナバ
ダイオード ３ スナバコンデンサ １０、１１
冷却フィン １２、１３ スナバコンデンサの電極 １４、１５、
１６ 幅広導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/48 H02M 1/00 H02M 1/06 H02M 7/5387

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両端に各々電極を有してなる円盤状の自
   己消弧型半導体素子と、両端に各々電極を有し上記自己
   消弧型半導体素子のバイパス回路として上記自己消弧型
   半導体素子の一方の電極と電気的に接続される円盤状の
   スナバダイオードと、一端が上記自己消弧型半導体素子
   の一方の電極に他端が上記スナバダイオードの一方の電
   極に接続される第１の幅広導体と、少なくとも２つの電
   極を有し上記自己消弧型半導体素子のバイパス回路とし
   て一方の電極が上記自己消弧型半導体素子の他方の電極
   に他方の電極が上記スナバダイオードの他方の電極に電
   気的に接続されるスナバコンデンサと、一端が上記自己
   消弧型半導体素子の他方の電極に他端が上記スナバコン
   デンサの一方の電極に接続され上記自己消弧型半導体素
   子の電極面と平行な方向に延在する第２の幅広導体と、
   一端が上記スナバダイオードの他方の電極に他端が上記
   スナバコンデンサの他方の電極に接続され上記自己消弧
   型半導体素子の電極面と平行な方向に上記第２の幅広導
   体と所定距離へだてて対向しながら延在する第３の幅広
   導体とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 【請求項２】 両端に各々電極を有してなる円盤状の自
   己消弧型半導体素子及び両端に各々電極を有してなる円
   盤状のダイオードで構成され、上記自己消弧型半導体素
   子の一方の電極に上記ダイオードの一方の電極が接続さ
   れた半導体直列体と、両端に各々電極を有し上記自己消
   弧型半導体素子のバイパス回路として上記半導体直列体
   の一方の電極と電気的に接続される円盤状のスナバダイ
   オードと、一端が上記半導体直列体の一方の電極に他端
   が上記スナバダイオードの一方の電極に接続される第１
   の幅広導体と、少なくとも２つの電極を有し上記自己消
   弧型半導体素子のバイパス回路として一方の電極が上記
   半導体直列体の他方の電極に他方の電極が上記スナバダ
   イオードの他方の電極に電気的に接続されるスナバコン
   デンサと、一端が上記半導体直列体の他方の電極に他端
   が上記スナバコンデンサの一方の電極に接続され上記自
   己消弧型半導体素子の電極面と平行な方向に延在する第
   ２の幅広導体と、一端が上記スナバダイオードの他方の
   電極に他端が上記スナバコンデンサの他方の電極に接続
   され上記自己消弧型半導体素子の電極面と平行な方向に
   上記第２の幅広導体と所定距離へだてて対向しながら延
   在する第３の幅広導体とを備えたことを特徴とする電力
   変換装置。
3. 【請求項３】 スナバダイオードが、自己消弧型半導体
   素子の一方の電極面を含む平面と上記自己消弧型半導体
   素子の他方の電極面を含む平面との間に位置することを
   特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装
   置。
4. 【請求項４】 自己消弧型半導体素子の一方の電極は、
   陽極とこの陽極に接続された冷却体又は導体とを有して
   おり、他方の電極は、陰極とこの陰極に接続された冷却
   体又は導体とを有していることを特徴とする請求項３記
   載の電力変換装置。
5. 【請求項５】 自己消弧型半導体素子の他方の電極に電
   気的に接続されるスナバコンデンサの電極と、スナバダ
   イオードの他方の電極に電気的に接続される上記スナバ
   コンデンサの電極とが上記スナバコンデンサの同一面に
   設けられていることを特徴とする請求項１または請求項
   ２に記載の電力変換装置。
6. 【請求項６】 自己消弧型半導体素子の電極面がスナバ
   ダイオードの電極面と平行になるように配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の
   電力変換装置。
7. 【請求項７】 第１の導体が自己消弧型半導体素子の電
   極面と平行な方向に延在するように配置されていること
   を特徴とする請求項６記載の電力変換装置。
8. 【請求項８】 第２の幅広導体と第３の幅広導体との間
   が所定距離になるよう上記第２の幅広導体と上記第３の
   幅広導体との間に誘電体を配置したことを特徴とする請
   求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 【請求項９】 幅広導体の幅は、この幅広導体が接続さ
   れる電極面の上記幅広導体の幅方向の長さよりも大きい
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の
   電力変換装置。
10. 【請求項１０】 請求項１〜５のいずれか１項に記載の
    電力変換装置を複数備え、上記電力変換装置の自己消弧
    型半導体素子が各々直列又は直並列に接続されているこ
    とを特徴とする電力変換装置。
11. 【請求項１１】 電力変換装置が３レベルインバータで
    あることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記
    載の電力変換装置。
12. 【請求項１２】 自己消弧型半導体素子と、上記自己消
    弧型半導体素子のバイパス回路として上記自己消弧型半
    導体素子に電気的に接続されたスナバダイオード及びス
    ナバコンデンサとを備えた電力変換装置において、 上記自己消弧型半導体素子と上記スナバダイオードが取
    付けられ、上記自己消弧型半導体素子と上記スナバダイ
    オードとを電気的に接続する第１の導体と、上記スナバ
    ダイオードの上記第１の導体が取付けられた面とは反対
    側の面と上記スナバコンデンサとを接続するように取付
    けられた第２の導体と、上記スナバコンデンサと上記自
    己消弧型半導体素子の上記第１の導体が取付けられた面
    とは反対側の面とを接続し上記第２の導体と平行となる
    ように取付けられた第３の導体と、上記第２の導体と上
    記第３の導体の間に誘電体とが設けられたことを特徴と
    する電力変換装置。