JP3550050B2

JP3550050B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP3550050B2
Application number: JP17045999A
Authority: JP
Inventors: 公之小柳; 三樹生別所
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-06-17
Filing date: 1999-06-17
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2019-06-17
Also published as: JP2001008437A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧接型の自己消弧素子、特にＧＴＯ、ＧＣＴをスイッチング素子として組み込んだスタックから成る大容量インバータ装置等の電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
まず圧接型自己消弧素子を組み込んだ電力変換装置のスタックについて、一般的な構造を示す。図８は、例えば特開平１０−１９１６４４号公報に記載され、圧接型自己消弧素子にゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）を用いた電力変換装置の構造を示す側面図である。
図に示すように、ベース部材１の上に、絶縁座２ａ、ヒートシンク３、フライホイールダイオード４、ヒートシンク３ａ、ＧＴＯ５ａ、ヒートシンク３、絶縁座２ｂ、バネ座６、皿バネ７等が同一軸上に積み重ねられてメインのスタックを構成し、これらがベース部材１とロックプレート８との間でクランプロッド９を介してロックナット１０により締め付けられており、取り付けプレート１１を介して取り付けられた油圧ジャッキ１２による圧力で締め付けを行う。
ＧＴＯ５ａを取り付けているヒートシンク３ａには、ＧＴＯ５ａの後方にスナバダイオード１３が取り付けられ、スナバダイオード１３の上側には、ブス１４ａ、絶縁板１５、ブス１４ｂ、絶縁座２ｃ、ブス１４ｃ、回生ダイオード１６、ヒートシンク１７、ブス１４ｄ、絶縁座２ｄ等が積み重ねられてサブのスタックを構成し、これらが取り付けスタッド１８およびナット１９により板バネ２０を介して所定圧力で締め付けられている。ブス１４ａは、スナバダイオード１３のカソードとスナバコンデンサ２１とを接続し、ブス１４ｂはＧＴＯ５ａのカソードとスナバコンデンサ２１とをヒートシンク３を介して接続している。なお、ヒートシンク３、３ａは導電体で構成される。
【０００３】
サブのスタックは付近にスナバコンデンサ２１が配置されて、これらでＧＴＯ５ａのターンオフ時のｄｖ／ｄｔ抑制用である外部回路を構成し、メインのスタックにおける、ＧＴＯ５ａのアノード電極とカソード電極との間に接続される。また、図示されていないが、ＧＴＯ５ａのゲート電極にはゲート駆動装置がゲート接続線にて接続されており、さらにまたヒートシンク３、３ａ等にブスバーが設けられてＧＴＯ５ａは電源装置や負荷回路とも接続される。
【０００４】
図９は、ＧＴＯを用いた一般的な電力変換装置の例である三相２レベルインバータの単相分の主回路を示すもので、外部回路は一般的な充放電型スナバ回路である。この回路の中でＧＴＯであるＧＴ１、ＧＴ２と、フライホイールダイオードであるＤＦ１、ＤＦ２とがメインのスタックに組み込まれ、これに、スナバダイオードであるＤｓ１、Ｄｓ２、スナバコンデンサであるＣｓ１、Ｃｓ２およびスナバ抵抗であるＲｓ１、Ｒｓ２で構成される外部回路が接続される。
図１０は、圧接型自己消弧素子に転流型ゲートターンオフサイリスタ（ＧＣＴ）を用いた一般的な電力変換装置の例である三相２レベルインバータの単相分の主回路を示すもので、外部回路は一般的な電圧クランプ型スナバ回路である。このＧＣＴは、素子の最外周部をリング状ゲート電極で構成し、ターンオフ時に主電流を全て瞬時にゲート回路に転流させるものである。この回路においても、ＧＣＴであるＧＴ１、ＧＴ２と、フライホイールダイオードであるＤＦ１、ＤＦ２とがメインのスタックに組み込まれ、これに、クランプダイオードであるＤｃ１、Ｄｃ２、クランプコンデンサであるＣｃ１、Ｃｃ２およびクランプ抵抗であるＲｃ１、Ｒｃ２で構成される外部回路が接続される。
なお、ＧＣＴは、上記図９に示した回路構成にも適用できる。
【０００５】
次に、ＧＴＯ、ＧＣＴ等の圧接型自己消弧素子とこれに接続するゲート駆動装置、外部回路および電源回路、負荷回路との接続部の従来の配置を、メインのスタック構造の上面図により図１１に示す。
リード線等のゲート接続線２４にてゲート駆動装置２２が圧接型自己消弧素子５に接続される接続位置を正面側と定義して、圧接型自己消弧素子５の右面側にブスバー等の外部接続線２５にて外部回路２３を接続し、圧接型自己消弧素子５の左面側に同じくブスバー等の入出力端子２６にて電源回路、負荷回路を接続する。ゲート駆動装置２２の接続位置に対して、外部回路２３および電源回路、負荷回路の接続位置は、圧接型自己消弧素子５の中心を軸にしてそれぞれ右に約９０度および左に約９０度の配置関係である。
【０００６】
次に、図１１に示すように配置された、例えばＧＴＯ５ａを用いた電力変換装置で、ＧＴＯ５ａ内部の動作領域と電流の流れる関係を図１２により説明する。図１２（ａ）は一般的なＧＴＯサイリスタの大口径ウェハのパターンで、数千個のサイリスタで構成されるものである。スタックに組み込まれた状態ではサイリスタが動作している領域のみに電流が流れる。図１２（ｂ）はターンオン時にオン領域（サイリスタがオンの部分）が時間と共にゲート駆動装置２２の接続位置（ゲート接続点）から徐々に拡がっていく様子を示している。図１２（ｃ）はターンオフ時にオフ領域（サイリスタがオフの部分）が時間と共にゲート接続点から徐々に拡がっていく様子を示している。
ターンオンが完了した時点では、ＧＴＯ５ａのウェハは全てオン領域になっている。そこからターンオフを開始すると、ゲート接続点近傍、および外部回路２３の接続位置（外部回路接続点）近傍の主電流は、各々外部駆動装置２２および外部回路２３へ、図１１に示す矢印Ｆ１、Ｆ２の向きに流れて、それらの近傍のウェハ上から無くなるが、スタックの軸に対して、ゲート接続点と対称位置のウェハ上では、最もオフ領域になるのが遅く、電流が残っていまい、わずかなオン領域に電流が集中する状態になると考えられる。
【０００７】
次に図１３は、図１１に示すように配置された電力変換装置で、ＧＣＴ５ｂがターンオフを行ったときのターンオフ波形を示す図である。
ＧＣＴ５ｂのアノード電極Ａとカソード電極Ｋとの両端電圧Ｖａｋ、アノード電極Ａを流れるアノード電流Ｉａ、およびゲート電極Ｇとカソード電極Ｋとの間の４方向のゲート電圧をモニタしたものである。ここでいう、モニタする４方向のゲート電圧とは、ＧＣＴ５ｂの最外周のゲート電極Ｇにおいて、電源回路、負荷回路との接続点でのゲート電圧Ｖｇ１、この点とＧＣＴ５ｂの中心を軸にして右９０度の配置関係である点でのゲート電圧Ｖｇ２、さらにＧＣＴ５ｂの中心を軸にして右９０度の配置関係で、外部回路２３との接続点でのゲート電圧Ｖｇ３、および、さらにＧＣＴ５ｂの中心を軸にして右９０度の配置関係で、ゲート駆動装置２２との接続点でのゲート電圧Ｖｇ４とする（図１１参照）。
【０００８】
以下、図１３に基づいてターンオフ動作時のＶａｋ、Ｉａ、およびゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇ４の変化を説明する。
ターンオフ動作は、前記ＧＣＴ５ｂがオンの状態でゲート電極Ｇとカソード電極Ｋとの間に逆バイアス電圧を印加した時に開始される。従って、ゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇ４は＋の値から−の値に減少する。
転流型ターンオフサイリスタであるＧＣＴ５ｂでは、素子に流れる電流がゲート電極Ｇへ全て流れ込むため（転流）、転流期間中はゲート接続線２４を通ってゲート駆動装置２２に電流が最も多く流れる。また、ゲート電圧Ｖｇは次式（１）のようにオフゲート電圧Ｖｇｑとゲートアバランシェ降服電圧Ｖｇｒ（ＡＶＬ）から成り、
Ｖｇ＝Ｖｇｑ＋Ｖｇｒ（ＡＶＬ） −−−−式（１）
オフゲート電圧Ｖｇｑは正味のオフゲート電流Ｉｇｑに影響されるので、ターンオフ電流ＩＴｑが正味のオフゲート電流Ｉｇｑの制限値より充分に小さいときはゲートアバランシェ降服電圧Ｖｇｒ（ＡＶＬ）によって逆バイアス電圧保持値Ｖｇ（ＤＣ）より大きな逆バイアス電圧ピーク値が現れる。
従って、ゲート駆動回路（ゲート駆動装置２２）との接続点のゲート電圧Ｖｇ４が最も−方向に大きくなり、この点と素子の中心、即ちスタックの軸に対して対称な点でのゲート電圧Ｖｇ２が最も−方向に小さくなる。
【０００９】
転流が完了しても、ＶａｋがＤＣ電圧の値以上に回復するまで、素子内部をＩａが流れ続ける。
ＶａｋがＤＣ電圧の値以上になると、Ｉａが外部回路２３へ流れ込むことが可能となり、Ｉａは減少していく。それと同時にゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇ４も変化するが、外部回路２３にＩａが流れ込むので外部回路２３との接続点のゲート電圧Ｖｇ３が−方向に最も大きくなる。その時、ゲート電圧Ｖｇ２が最も−方向に小さい。Ｉａが素子内部の残留キャリアによる電流値（テール電流）まで低下するとゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇ４は逆バイアス電圧保持値定常値Ｖｇ（ＤＣ）（一般に約−２０Ｖ前後）まで回復する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上のゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇ４の変化から、ターンオフ時には外部回路２３との接続点、およびゲート駆動装置２２との接続点に電流が流れ込み易いが、図１１に示すような配置構造では、ゲート駆動装置２２との接続点と、圧接型自己消弧素子５の中心を通るスタックの軸に対して対称な点（ゲート電圧Ｖｇ２測定点）では、他のエリアに比べて電流が残りやすく、アンバランスな電流分布となることが判る。特にこのゲート電圧Ｖｇ２測定点は最もオフするのが遅い部分であり、この部分に残存する電流により、局部的に熱集中が起こり易く、ターンオフ電流が高くなると熱集中部分の温度も高くなって、素子の破壊が発生し易いという問題点があった。
【００１１】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、ターンオフ時の局部的な熱集中による素子の破壊を防止して、ターンオフ耐量を高く出来る圧接型自己消弧素子のスタックを得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る請求項１記載の電力変換装置は、カソード電極、アノード電極およびゲート電極を有する圧接型の自己消弧素子を含む被圧接部材を同一軸上に加圧状態で積層して成るスタックを備え、上記自己消弧素子内部を電流がバランス良く流れるように、上記ゲート電極に接続されるゲート駆動回路の接続位置と、上記アノード、カソード電極間に接続される、抵抗、コンデンサおよびダイオードから成り急激な電圧変化抑制の為の外部回路の接続位置とが、上記スタックの軸に対して対称な方向に配置されるものである。
【００１３】
またこの発明に係る請求項２記載の電力変換装置は、カソード電極、アノード電極およびゲート電極を有する圧接型の自己消弧素子を含む被圧接部材を同一軸上に加圧状態で積層して成るスタックを備え、上記アノード、カソード電極間に、抵抗、コンデンサおよびダイオードから成る複数個の外部回路が急激な電圧変化抑制の為に接続され、上記自己消弧素子内部を電流がバランス良く流れるように、該複数個の外部回路のそれぞれの接続位置が、上記スタックの軸を中心にして、上記ゲート電極に接続されるゲート駆動回路の接続位置から左右双方に９０度以上離れた角度に配置されるものである。
【００１４】
またこの発明に係る請求項３記載の電力変換装置は、請求項１または２において、圧接型自己消弧素子が、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）である。
【００１５】
またこの発明に係る請求項４記載の電力変換装置は、請求項１または２において、圧接型自己消弧素子が、該素子の最外周部をリング状ゲート電極で構成した転流型ゲートターンオフサイリスタ（ＧＣＴ）であり、上記ゲート電極全周をゲート駆動回路との接続部に接続させたものである。
【００１６】
またこの発明に係る請求項５記載の電力変換装置は、請求項３において、外部回路が充放電型スナバ回路である。
【００１７】
またこの発明に係る請求項６記載の電力変換装置は、請求項４において、外部回路が電圧クランプ型スナバ回路あるいは充放電型スナバ回路である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による圧接型自己消弧素子のスタック構造を示す側面構成図であり、図２は図１をＡ方向に見た上面構成図である。
図１および２に示すように、圧接型自己消弧素子のスタックは、圧接型自己消弧素子５、その電流還流用であるフライホイールダイオード４、圧接型自己消弧素子５およびフライホイールダイオード４を冷却するヒートシンク３、および図示しない絶縁部材、板バネ、ベース等を同一軸上に垂直に積み重ねて、垂直方向から圧力を加えて共締めされて構成される。このとき、スタックの軸は圧接型自己消弧素子５のほぼ中心を通るものとする。そして、圧接型自己消弧素子５のゲート電極Ｇにはゲート接続線２４によってゲート駆動装置２２を、圧接型自己消弧素子５のアノード電極Ａとカソード電極Ｋとの間には外部接続線２５によってスパイク電圧を抑制する抵抗、コンデンサ、ダイオードから成るスナバ回路等の外部回路２３を接続する。
ゲート駆動装置２２の接続位置をスタックの正面側とすると、外部回路２３は、スタックの軸に対してゲート駆動装置２２接続側と対称な方向であるスタックの奥側に接続される。また、圧接型自己消弧素子５の左面側に入出力端子２６にて電源回路、負荷回路を接続する。
【００１９】
次に、図２に示すように配置された、例えばＧＴＯ５ａを用いた電力変換装置で、ＧＴＯ５ａ内部の動作領域と電流の流れる関係を説明する。
図１２で示したように、ターンオンが完了した時点では、ＧＴＯ５ａのウェハは全てオン領域になっている。そこからターンオフを開始すると、ゲート接続点近傍、および外部回路２３の接続位置（外部回路接続点）近傍の主電流は、各々外部駆動装置２２および外部回路２３へ、図２に示す矢印Ｆ１、Ｆ２の向きに流れて、それらの近傍のウェハ上から無くなる。図１２（ｃ）で示したように、スタックの軸に対してゲート接続点と対称位置のウェハ上では、通常、最もオフ領域になるのが遅いものであるが、この場合、その位置に外部回路２３が接続されて外部回路２３へ電流が流れるため、電流が残存しない。このため、素子内部を電流がバランス良く流れて電流の集中が起こることがない。
【００２０】
次に図３は、図２に示すように配置された電力変換装置で、圧接型自己消弧素子５がターンオフを行ったときのターンオフ波形を示す図である。
圧接型自己消弧素子５のアノード電極Ａとカソード電極Ｋとの両端電圧Ｖａｋ、アノード電極Ａを流れるアノード電流Ｉａ、およびゲート電極Ｇとカソード電極Ｋとの間の４方向のゲート電圧をモニタしたものである。ここでいう、モニタする４方向のゲート電圧とは、圧接型自己消弧素子５の最外周において、電源回路、負荷回路との接続点でのゲート電圧Ｖｇ１、この点と圧接型自己消弧素子５の中心を軸にして右９０度の配置関係で、外部回路２３との接続点でのゲート電圧Ｖｇ２、さらに圧接型自己消弧素子５の中心を軸にして右９０度の配置関係である点のゲート電圧Ｖｇ３、および、さらに圧接型自己消弧素子５の中心を軸にして右９０度の配置関係で、ゲート駆動装置２２との接続点でのゲート電圧Ｖｇ４とする（図２参照）。
【００２１】
電源電圧が入力されると、圧接型自己消弧素子５のアノード電極Ａ及びカソード電極Ｋの両端に電圧が印加される。その状態で圧接型自己消弧素子５のゲート電極Ｇにオン／オフの信号を与えることで、圧接型自己消弧素子５はターンオン／ターンオフ動作を行う。
以下、図３に基づいてターンオフ動作時のＶａｋ、Ｉａ、およびゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇ４の変化を説明する。
ターンオフ動作は、圧接型自己消弧素子５がオンの状態でゲート電極Ｇとカソード電極Ｋとの間に逆バイアス電圧を印加した時に開始される。従って、ゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇ４は＋の値から−の値に減少する。
従来例で述べたように、ターンオフ動作で初めにゲート駆動装置２２へ電流が流れる。その場合、圧接型自己消弧素子５内部のゲート駆動装置２２との接続部分に最も近いエリアに電流が流れやすい。従って、ゲート駆動装置２２との接続点のゲート電圧Ｖｇ４が最も−方向に大きくなり、この点とスタックの軸に対して対称な点でのゲート電圧Ｖｇ２が最も−方向に小さくなる。
【００２２】
次にターンオフ時に発生するエネルギーの余分なものを外部回路２３で消費するために電流が流れ込む。即ち、ＶａｋがＤＣ電圧の値以上になると、Ｉａが外部回路２３へ流れ込むため、Ｉａは減少し始め、同時にゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇ４は−方向に大きくなる。外部回路２３にＩａが流れ込むので、圧接型自己消弧素子５内部の外部回路２３との接続部分に最も近いエリアに電流が流れやすい。従って、外部回路２３との接続点のゲート電圧Ｖｇ２が−方向に最も大きくなる。２番目にゲート電圧Ｖｇ４が−方向に大きく、ゲート電圧Ｖｇ１、Ｖｇ３は同じ程度の大きさで最も小さい。Ｉａが素子内部の残留キャリアによる電流値（テール電流）まで低下するとゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇ４は逆バイアス電圧保持値定常値Ｖｇ（ＤＣ）（一般に約−２０Ｖ前後）まで回復する。
【００２３】
上記のゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇ４の変化から、電流は、圧接型自己消弧素子５の中心を通るスタックの軸に対して対象な配置関係であるゲート駆動装置２２との接続点と、外部回路２３との接続点とに多く流れ込むのが判る。また、他の２点（ゲート電圧Ｖｇ１測定点とゲート電圧Ｖｇ３測定点）とに、同じ大きさの電流が流れていることから素子内部をバランス良く電流が流れていると考えられる。
【００２４】
この実施の形態では、上記のように、ターンオフ時に圧接型自己消弧素子５に接続されたゲート駆動装置２２へ転流する電流と、外部回路２３へ流れ込む電流があることに着目し、ゲート駆動回路２２の接続位置と、外部回路２３の接続位置とをスタックの軸に対して対称な方向に配置することにより、２つの電流の流れる向きがスタックの軸に対して正反対同士になるようにした。このため、素子内部をバランス良く電流が流れて局部的な熱集中を防止でき、ターンオフ耐量が向上すると共に、素子の破壊を招くことも無い。
【００２５】
なお、圧接型自己消弧素子５のスタックは、圧接型自己消弧素子５を含む被圧接部材で構成されていれば良く、フライホイールダイオード４等、他の素子は、サブのスタック内に備えても良い。
【００２６】
実施の形態２．
上記実施の形態１において、圧接型自己消弧素子５にゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ５ａ）を適用した場合について説明する。
図４は、この発明の実施の形態２による圧接型自己消弧素子のスタック構造を示す上面構成図および部分側面図である。
図に示すように、ＧＴＯ５ａのゲート電極Ｇ及びカソード電極Ｋ各々から１本ずつリード線２７を取り出し、２本が平行に隣接した状態のまま、ゲート駆動装置２２のゲート端子、カソード端子に接続する。この２本の平行に隣接されたリード線２７は一般にゲートリード線と呼ばれている。ＧＴＯ５ａのゲート電極Ｇ並びにカソード電極Ｋとゲートリード線２７とは、各々僅か１カ所でしか接続されないため、ゲート信号のオン／オフの際にその位置に電流が集中しやすいものである。
【００２７】
この実施の形態では、ＧＴＯ５ａのゲートリード線２７接続位置、即ちゲート駆動回路２２の接続位置と、外部回路２３、即ち充放電型スナバ回路の接続位置とをスタックの軸に対して対称な方向に配置したため、ターンオフ時の電流の流れを２方向に分散できる。このため、ＧＴＯ５ａのゲートリード線２７接続位置での電流の集中が抑制できて素子内部をバランス良く電流が流れ、特に最もオフするのが遅い領域での局部的な熱集中を防止でき、ターンオフ耐量が向上すると共に、素子の破壊を招くことも無い。
【００２８】
実施の形態３．
上記実施の形態１において、圧接型自己消弧素子５に転流型ゲートターンオフサイリスタ（ＧＣＴ５ｂ）を適用した場合について説明する。
図５は、この発明の実施の形態３による圧接型自己消弧素子のスタック構造を示す上面構成図および部分側面図である。
図に示すように、ＧＣＴ５ｂのカソード電極Ｋを、多層の積層基板２８とスイッチング回路とを備えたゲート駆動装置２２に設けられた凹部にはめこんで、カソード電極Ｋ同士を圧接し、ＧＣＴ５ｂ最外周部に設けられたリング状のゲート電極Ｇ２９と、積層基板２８におけるゲート駆動装置２２のゲート電極Ｇとを、図中の固定位置３０でネジを用い固定する。
ＧＣＴ５ｂのリング状のゲート電極Ｇ２９とゲート駆動装置２２のゲート電極ＧとがＧＣＴ５ｂの全周で接続されるため、ターンオフ時の電流の流れ方は、上記ＧＴＯ５ａのように１カ所へ集中し易くなることは無いが、スイッチング回路２２ａが位置する部分までの積層基板２８内のパターンの長さが、リングの手前、横、奥とで異なるため、配線インダクタンスがリングの手前、横、奥の順に大きくなる（図に示すように、ゲート駆動装置２２接続位置を手前とする）。そのため、ターンオフ時のゲート駆動装置２２への電流の流れ方はリングの奥、横、手前の順に大きくなる傾向がある。
【００２９】
この実施の形態では、ＧＣＴ５ｂのスイッチング回路に最も近いＧＣＴ５ｂのリング状ゲート２９部分、即ちゲート駆動回路２２の接続位置と、外部回路２３、即ち電圧クランプ型スナバ回路あるいは充放電型スナバ回路の接続位置とをスタックの軸に対して対称な方向に配置したため、ターンオフ時の電流の流れを２方向に分散できる。このため、素子内部をバランス良く電流が流れて、特に最もオフするのが遅い領域での局部的な熱集中を防止でき、ターンオフ耐量が向上すると共に、素子の破壊を招くことも無い。
【００３０】
実施の形態４．
次に、接続される外部回路が複数個ある場合について以下に示す。外部回路に大容量のスナバコンデンサあるいはクランプコンデンサを必要とする場合、コンデンサ１個では寸法が大きくなりすぎるため複数個に分割することがあり、その場合、外部回路が複数個となる。
図６は、この発明の実施の形態４による圧接型自己消弧素子のスタック構造を示す上面構成図である。
図に示すように、２個の外部回路２３ａ、２３ｂがそれぞれ外部接続線２５ａ、２５ｂを介して、アノード電極Ａとカソード電極Ｋとの間に接続される。ゲート駆動装置２２の接続位置をスタックの正面側とすると、一方の外部回路２３ａは、スタックの軸を中心として、ゲート駆動装置２２の接続位置の右９０度の位置に接続され、他方の外部回路２３ｂはスタックの軸に対してゲート駆動装置２２接続側と対称な方向であるスタックの奥側に接続される。また、圧接型自己消弧素子５の左面側に入出力端子２６にて電源回路、負荷回路が接続される。
【００３１】
図７は、この発明の実施の形態４の別例による圧接型自己消弧素子のスタック構造を示す上面構成図である。
図６と同様に、２個の外部回路２３ａ、２３ｂがそれぞれ外部接続線２５ａ、２５ｂを介して接続され、スタックの軸を中心として、一方の外部回路２３ａはゲート駆動装置２２の接続位置の右１２０度の位置に、他方の外部回路２３ｂはゲート駆動装置２２の接続位置の左１２０度の位置に、配置される。
【００３２】
図６、図７に示したように、この実施の形態では、外部回路２３を２個備え、それぞれの接続位置を、スタックの軸を中心として、ゲート駆動装置２２の接続位置から左右双方に９０度以上離れた角度に配置した。このため、ターンオフ時の電流の流れをバランス良く３方向（２個の外部回路２３とゲート駆動装置２２とに流れる方向）に分散できる。このため、素子内部をバランス良く電流が流れて、特に最もオフするのが遅い領域での局部的な熱集中を防止でき、ターンオフ耐量が向上すると共に、素子の破壊を招くことも無い。
【００３３】
なお、外部回路２３は３個以上備えても良く、それぞれの接続位置を、スタックの軸を中心として、ゲート駆動装置２２の接続位置から左右双方に９０度以上離れた角度に配置すれば、上記実施の形態４と同様の効果が得られる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る請求項１記載の電力変換装置は、カソード電極、アノード電極およびゲート電極を有する圧接型の自己消弧素子を含む被圧接部材を同一軸上に加圧状態で積層して成るスタックを備え、上記自己消弧素子内部を電流がバランス良く流れるように、上記ゲート電極に接続されるゲート駆動回路の接続位置と、上記アノード、カソード電極間に接続される、抵抗、コンデンサおよびダイオードから成り急激な電圧変化抑制の為の外部回路の接続位置とが、上記スタックの軸に対して対称な方向に配置されるものであるため、圧接型自己消弧素子のターンオフ時に素子内部に流れる電流の方向を２方向に分散し、熱集中が発生しにくい構造にし、ターンオフ耐量を向上させることが出来、圧接型自己消弧素子をスイッチング素子として使用する大容量インバータ装置等の電力変換装置について大きな信頼性が得られる効果がある。
【００３５】
またこの発明に係る請求項２記載の電力変換装置は、カソード電極、アノード電極およびゲート電極を有する圧接型の自己消弧素子を含む被圧接部材を同一軸上に加圧状態で積層して成るスタックを備え、上記アノード、カソード電極間に、抵抗、コンデンサおよびダイオードから成る複数個の外部回路が急激な電圧変化抑制の為に接続され、上記自己消弧素子内部を電流がバランス良く流れるように、該複数個の外部回路のそれぞれの接続位置が、上記スタックの軸を中心にして、上記ゲート電極に接続されるゲート駆動回路の接続位置から左右双方に９０度以上離れた角度に配置されるものであるため、圧接型自己消弧素子のターンオフ時に素子内部に流れる電流の方向を３方向以上に分散し、熱集中が発生しにくい構造にし、ターンオフ耐量を向上させることが出来、圧接型自己消弧素子をスイッチング素子として使用する大容量インバータ装置等の電力変換装置について大きな信頼性が得られる効果がある。
【００３６】
またこの発明に係る請求項３記載の電力変換装置は、請求項１または２において、圧接型自己消弧素子が、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）であるため、局部的な電流集中を効果的に抑制でき、請求項１または２による効果が確実に得られる。
【００３７】
またこの発明に係る請求項４記載の電力変換装置は、請求項１または２において、圧接型自己消弧素子が、該素子の最外周部をリング状ゲート電極で構成した転流型ゲートターンオフサイリスタ（ＧＣＴ）であり、上記ゲート電極全周をゲート駆動回路との接続部に接続させたものであるため、電流を素子内部で効果的にバランス良く流し、請求項１または２による効果が確実に得られる。
【００３８】
またこの発明に係る請求項５記載の電力変換装置は、請求項３において、外部回路が充放電型スナバ回路であるため、局部的な電流集中を効果的に抑制でき、請求項３による効果が確実に得られる。
【００３９】
またこの発明に係る請求項６記載の電力変換装置は、請求項４において、外部回路が電圧クランプ型スナバ回路あるいは充放電型スナバ回路であるため、電流を素子内部で効果的にバランス良く流し、請求項４による効果が確実に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による圧接型自己消弧素子のスタック構造を示す側面構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による圧接型自己消弧素子のスタック構造を示す上面構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１による、圧接型自己消弧素子のターンオフ波形を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２による圧接型自己消弧素子のスタック構造を示す上面および部分側面図である。
【図５】この発明の実施の形態３による圧接型自己消弧素子のスタック構造を示す上面および部分側面図である。
【図６】この発明の実施の形態４による圧接型自己消弧素子のスタック構造を示す上面構成図である。
【図７】この発明の実施の形態４の別例による圧接型自己消弧素子のスタック構造を示す上面構成図である。
【図８】従来の圧接型自己消弧素子のスタック構造を示す側面図である。
【図９】圧接型自己消弧素子を使用する一般的な電力変換装置の主回路および外部回路を示す回路図である。
【図１０】転流型ゲートターンオフサイリスタを使用する一般的な電力変換装置の主回路および外部回路を示す回路図である。
【図１１】従来の圧接型自己消弧素子のスタック構造の上面構成図である。
【図１２】従来のＧＴＯ内部の動作領域と電流の流れる関係を説明する図である。
【図１３】従来の圧接型自己消弧素子のスタック構造での一般的なターンオフ波形を示す図である。
【符号の説明】
５圧接型自己消弧素子、５ａＧＴＯ、５ｂＧＣＴ、
２２ゲート駆動装置、２３，２３ａ，２３ｂ外部回路、２９ゲート電極。

Claims

カソード電極、アノード電極およびゲート電極を有する圧接型の自己消弧素子を含む被圧接部材を同一軸上に加圧状態で積層して成るスタックを備えた電力変換装置において、上記自己消弧素子内部を電流がバランス良く流れるように、上記ゲート電極に接続されるゲート駆動回路の接続位置と、上記アノード、カソード電極間に接続される、抵抗、コンデンサおよびダイオードから成り急激な電圧変化抑制の為の外部回路の接続位置とが、上記スタックの軸に対して対称な方向に配置されることを特徴とする電力変換装置。
カソード電極、アノード電極およびゲート電極を有する圧接型の自己消弧素子を含む被圧接部材を同一軸上に加圧状態で積層して成るスタックを備えた電力変換装置において、上記アノード、カソード電極間に、抵抗、コンデンサおよびダイオードから成る複数個の外部回路が急激な電圧変化抑制の為に接続され、上記自己消弧素子内部を電流がバランス良く流れるように、該複数個の外部回路のそれぞれの接続位置が、上記スタックの軸を中心にして、上記ゲート電極に接続されるゲート駆動回路の接続位置から左右双方に９０度以上離れた角度に配置されることを特徴とする電力変換装置。
圧接型自己消弧素子が、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）であることを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。
圧接型自己消弧素子が、該素子の最外周部をリング状ゲート電極で構成した転流型ゲートターンオフサイリスタ（ＧＣＴ）であり、上記ゲート電極全周をゲート駆動回路との接続部に接続させたことを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。
外部回路が充放電型スナバ回路であることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
外部回路が電圧クランプ型スナバ回路あるいは充放電型スナバ回路であることを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。