JP3567099B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体自己消弧素子を使用する電力変換装置に関し、特に改良されたスナバを備えた電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
トランジスタ,IGBT等の自己消弧素子を用いた電力変換装置において、自己消弧素子が電流を遮断する際の回路インダクタンスによる跳ね上がり電圧を抑制するため、インダクタンスに蓄積されたエネルギーをバイパスさせる目的で、自己消弧素子の両端間にスナバ回路が接続される。
【0003】
電流容量が大きくスイッチング周波数が比較的高い自己消弧素子におけるスナバ回路としては、実開平6−77259号公報図3に開示されているように、コンデンサとダイオードを直列接続し、コンデンサの充電エネルギーを抵抗を介して放電する方式が知られている。
【0004】
また、上記スナバダイオードのリカバリーによる跳ね上がり電圧の抑制のために、特開平3−107328 号公報図4に開示されているように、スナバダイオードと並列にコンデンサと抵抗器の直列回路を接続するものがある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、スナバダイオードのリカバリーによる跳ね上がり電圧の抑制や振動抑制効果が十分ではなく、ノイズを発生し、特に数MHzから数十MHz 帯にかけてのノイズレベルを押し上げ、ノイズフィルタ等のノイズ抑制装置を大きくせざるを得ないという問題があった。
【0006】
本発明の目的は、スナバダイオードのリカバリーによる跳ね上がり電圧の抑制効果を高めた改良された電力変換装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明はその一面において、電力変換装置の構成部品である半導体素子に並列接続される第1のコンデンサとダイオードの第1の直列接続体と、このダイオードに並列接続された第2のコンデンサと抵抗器の第2の直列接続体とを備えた電力変換装置において、これら第1,第2の直列接続体を一体にモールドしたことを特徴とする。
【0008】
この構成によれば、第2のスナバをスナバダイオードに近接して配置することができ、このスナバ回路のインダクタンスを小さく抑え、スナバダイオードのリカバリーによる跳ね上がり電圧を小さく抑制できる。
【0009】
本発明は他の一面において、電力変換装置の構成部品である半導体素子に並列接続される第1のコンデンサとダイオードの第1の直列接続体と、このダイオードに並列接続された第2のコンデンサと抵抗器の第2の直列接続体とを備えた電力変換装置において、第1の直列接続体と第2のコンデンサを一体にモールドしたことを特徴とする。
【0010】
この構成によれば、第2のコンデンサをスナバダイオードに近接して配置することができ、回路のインダクタンスを小さく抑え、スナバダイオードのリカバリーによる跳ね上がり電圧を小さく抑制できるほか、前記第2の抵抗器の発熱による第1及び第2のコンデンサへの熱的影響を防ぐ事が出来る。
【0011】
本発明はまた他の一面において、前記スナバダイオードと第2のコンデンサをほぼ同一平面上に位置させかつ前記第1のコンデンサに寄添うように配置して、前記第1の直列接続体と第2のコンデンサを一体にモールドしたことを特徴とする。
【0012】
この構成によれば、比較的容積の大きな第1のコンデンサに、比較的容積の小さな前記スナバダイオードとそのスナバを構成する第2のコンデンサを寄添うように配置してモジュール化することにより、スナバ配線を極めて短くでき、よりインダクタンスを小さく抑え、スナバダイオードのリカバリーによる跳ね上がり電圧や振動を極めて小さく抑制することができる。
【0013】
本発明は更に他の一面において、前記スナバダイオードと第2のコンデンサを、前記半導体素子と前記第1のスナバコンデンサとに挟まれたスナバ引出し端子の導体板に配置して、前記第1の直列体と第2のコンデンサを一体にモールドしたことを特徴とする。
【0014】
この構成によれば、前記第2のスナバを半導体素子に接続されるスナバ端子の導体板に極めて接近して配線出来るので、前記第2のスナバの配線を前記第1のコンデンサと前記スナバ端子の導体版の間に接続されるスナバダイオードに対して極めて短くでき、よりインダクタンスを小さく抑え、スナバダイオードのリカバリーによる跳ね上がり電圧を極めて小さく抑制することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一実施例による電力変換装置の回路図である。1及び2はIGBT等の自己消弧素子であり、直流端子3,4間に直列接続されている。5は回路の配線インダクタンスを示したものである。スナバモジュール6,7は、自己消弧素子であるIGBT1及び2の両端間に接続される。これらスナバモジュール6,7は、それぞれスナバコンデンサ8,9とスナバダイオード10,11の第1の直列接続体(CDスナバと略称する)を備えている。これらの各直列接続点12,13は、引出し線(端子)14,15によってモジュール外へ引出され、各直流端子4,3との間に放電抵抗器16,17を接続する。前記各スナバダイオード10,11の両端間にはそれぞれ第2のスナバコンデンサ18又は19と抵抗器20又は21の第2の直列接続体からなるCRスナバ22又は23が接続されている。
【0016】
以上で電力変換装置の1相分24を構成しており、他の2相分25及び26とにより、3相電力変換装置を構成する。27,28及び29はその3相交流端子である。
【0017】
CDスナバ8,10又は9,11は、各IGBT1又は2がオフした時の配線インダクタンス5に蓄積されたエネルギーを各IGBTからバイパスさせ吸収するように働き、過電圧の発生を抑制する。即ち、IGBT1又は2がオフしても、スナバコンデンサ8又は9を充電するようにダイオード10又は11を経由して電流が流れ続けることで過電圧の発生を抑制している。この充電は、配線インダクタンス5の蓄積エネルギーがスナバコンデンサ8又は9の充電エネルギーと等しくなるまで続き、やがて停止する。コンデンサへの充電が終了すると、コンデンサ8又は9に貯えられたエネルギーは、直流電源(図示せず)を介して放電抵抗器16又は17に放電を開始する。スナバコンデンサ8又は9が充電から放電に移行する段階で、スナバダイオード10又は11に僅かに逆電流(リカバリー電流)が流れ、やがて急峻に停止する。これにより、スナバダイオード10又は11の両端にひげ状の電圧振動が発生する。このダイオードのリカバリーによる振動は、電磁ノイズを発生させ、機器の誤動作,音響機器へのノイズ発生等、障害を引き起こす。このため、ノイズフィルタを挿入する等の外部対策が必要であり、リカバリー電圧が大きいとフィルタも大型のものが必要である。ダイオードのリカバリーによる振動を内部で抑制するため、前述したようにスナバダイオード10又は11の両端にCRスナバ22又は23が接続される。
【0018】
この実施例においては、これらCRスナバ22又は23はスナバモジュール6又は7の内部に一体的に組み込まれる。その構成を以下に説明する。
【0019】
図2は本発明による電力変換装置の1相片アームの斜視図である。IGBT1を収納したIGBTモジュール30の端子にスナバモジュール6からの引出し端子31,32がねじ止めされる。スナバモジュール6には、図1の電気回路で説明したように、スナバ(第1の)コンデンサ8とスナバダイオード10の直列接続体からなり引出し端子31と32間に接続されたCDスナバと、そのダイオード10に並列接続され第2のコンデンサ18と抵抗器20の直列接続体からなるCRスナバ22を内蔵している。
【0020】
さて、一方の引出し端子31から、直角に立上った頚部33を介して再び直角に折れた導体板34及びこの導体板34から更に直角に立上がる立上がり部35に繋がる導体バーを構成している。この立上がり部35の先端には、モジュール内で最も大きい部品であるスナバ(第1の)コンデンサ8の一端が接続されている。他方の引出し端子32からも、直角に立上った頚部36を介して再び直角に折れた導体板37に繋がる導体バーを構成している。この導体板37上にスナバダイオード10の一端101を接続して載置し、このダイオード10の他端102 はスナバコンデンサ8の他端に貼付けるように接続された導体板38へリード 39にて接続されている。更に、スナバダイオード10と同一平面上に位置するように、CRスナバ22のスナバ(第2の)コンデンサ18と抵抗器20が接続,配置されている。すなわち、スナバダイオード10のアノード端子101は導体板37に接続され、コンデンサ18の一端181がこの導体板37に接続される。コンデンサ18の他端182は抵抗器20の一端に接続され、更に抵抗器 20の他端は前記ダイオード10の他端103に接続されている。ダイオード 10の他端102と103は内部で繋がっている。これらを一体として樹脂でモールドし、スナバモジュール6を構成する。
【0021】
ほぼ同一平面上に位置するダイオード10,第2のコンデンサ18及び抵抗器20は、スナバ(第1の)コンデンサ8に寄添うように配置され、また、スナバ(第1の)コンデンサ8と導体板37とに挟まれるように配置され、更に、スナバ(第1の)コンデンサ8とIGBT1とに挟まれるように配置される。
【0022】
これにより、CDスナバとCRスナバを一体にモジュールし、同一パッケージ内に収納する事により、CRスナバの配置の自由度が増し、図2に示す如く極小スペース内での配線が可能となり、CDスナバの電流のループが極小スペース内に納まり、配線インダクタンスを小さく抑えることができる。更に、CRスナバコンデンサと抵抗に流れる電流と、導体板37内を流れる電流の向きを逆向きとしているので配線の磁束が打消され、配線インダクタンスを更に小さく抑えることができる。これにより、ダイオードのリカバリーによる跳ね上がり電圧及び振動を極めて有効に抑制できる。
【0023】
この結果、IGBT1に接続するCDスナバを構成するコンデンサ8とダイオード10の配線長を短くし、また、ダイオード10に接続するCRスナバの配線長を、従来のCDスナバモジュールの外部に引出した2つの引出し端子14と 31との間にCRスナバ22を接続するものに比べ、著しく短くでき、配線インダクタンスを極小とすることができ、前述したダイオードのリカバリーによる振動電圧を十分に抑制することができる。
【0024】
図3は、本発明の一実施例の効果を説明するためのIGBTの電流,電圧特性図である。同図(a)が従来のCRスナバ22や23を外付けした場合の特性である。円で囲んだ部分41に示すようにIGBTのコレクタ・エミッタ間電圧 VCDが振動している。同図(b)は本発明の一実施例によりCRスナバ22や 23をスナバモジュール6及び7内に一体にモールドした場合の特性である。円で囲んだ部分42に示すようにIGBTのコレクタ・エミッタ間電圧VCDの振動は小さく抑制されている。
【0025】
次に、図4〜図6を参照して本発明の第2の実施例を説明する。
【0026】
図4は、図1に対応する本発明の他の一実施例による電力変換装置の回路図であり、同一部品には同一符号を付けて説明を省略する。この実施例においては、CDスナバ8,10又は11,13と、CRスナバ22又は23中の第2のコンデンサ18又は19を、スナバモジュール61又は71の内部に一体的に組み込む。CRスナバ22又は23中の抵抗器20又は21はモジュールの外に配置している。
【0027】
図5は、図2に対応する本発明による他の一実施例電力変換装置の1相片アームの斜視図であり、図6は図5の矢印VI方向から見た視図である。
【0028】
スナバモジュール61内では、スナバダイオード10と同一平面上に位置するように、CRスナバ22のスナバ(第2の)コンデンサ18が接続,配置されている。しかし、抵抗器20は、モジュール61から引出されたリード線41,42によりモジュール外に引出され、モジュール61のすぐそばに配置されている。
【0029】
ほぼ同一平面上に位置するダイオード10,第2のコンデンサ18は、スナバ(第1の)コンデンサ8とIGBTモジュール30の間にあるスナバ引出し端子の導体板に寄添うように配置され、これらのダイオード10,第2のコンデンサ18と、外付けの抵抗器20は、更に、スナバ(第1の)コンデンサ8とIGBTモジュール30とに挟まれるように配置される。
【0030】
この結果、前述した実施例と同様に、ダイオードのリカバリーによる振動電圧を十分に抑制することができるほか、抵抗器20の発熱がスナバモジュール61に伝わりにくくなるので、抵抗器20の温度上昇によるスナバモジュール61の温度上昇を抑制することができる。
【0031】
以上の実施例では、インバータ装置のプラス側自己消弧素子1のスナバを例に採って説明したが、マイナス側の自己消弧素子2のスナバについても極性,配置が入れ替るのみで同様である。
【0032】
【発明の効果】
本発明によれば、CDスナバモジュールパッケージのモールドを利用してCRスナバを固定できるので、CRモジュールの配置の自由度が増し、CDスナバのダイオードに近接して配置する事ができるので、CRスナバ回路のインダクタンスを極めて小さく出来、スナバダイオードのリカバリーによる跳ね上がり電圧や振動を効果的に抑制できる。従って、ノイズの発生を抑制でき、外部機器の誤動作の抑制又はノイズフィルタのコスト低減に効果がある。また、CRスナバ抵抗器をモジュールのそばに外付けした場合には、モジュールの温度上昇を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による電力変換装置の電気回路図。
【図2】同じく本発明の一実施例による電力変換装置の1相片アームの構造を示す斜視図。
【図3】本発明の一実施例の効果を示す半導体素子の電圧・電流特性図。
【図4】本発明の他の実施例による電力変換装置の電気回路図。
【図5】同じく本発明の他の実施例による電力変換装置の1相片アームの構造を示す斜視図。
【図6】図5の矢印VI方向視図である。
【符号の説明】
1,2…IGBT(半導体自己消弧素子)、3,4…電力変換装置の直流端子、5…配線インダクタンス、6、61及び7…スナバモジュール、8,9…CDスナバコンデンサ、10,11…CDスナバダイオード、14,15,31,32…引出し端子、16,17…放電抵抗器、18,19…CRスナバコンデンサ、20,21…CRスナバ抵抗器、22,23…CRスナバ、24〜26…電力変換装置の各相分、27〜29…電力変換装置の交流端子、30…IGBTモジュール、34,37,38…導体板、39…リード、41,42…抵抗器20の引出しリード線。
Claims (4)
- 電力変換装置の構成部品である半導体素子に引出し端子によって並列接続された第1のコンデンサとダイオードの第1の直列接続体と、このダイオードに並列接続された第2のコンデンサと抵抗器の第2の直列接続体とを備えた電力変換装置において、前記第1の直列接続体と前記第2のコンデンサを一体にし、且つ前記ダイオードと前記第2のコンデンサを、前記引出し端子から繋がる導体板に載置して、ほぼ同一平面上に配置し、前記第1のコンデンサに添わせてモールドしたことを特徴とする電力変換装置。
- 第1のコンデンサとダイオードの第1の直列接続体と、このダイオードに並列接続された第2のコンデンサと抵抗器の第2の直列接続体と、前記第1の直列接続体が接続される引出し端子と、前記第1の直列接続体と前記第2のコンデンサを一体にし、且つ前記ダイオードと前記第2のコンデンサを、前記引出し端子から繋がる導体板に載置して、ほぼ同一平面上に配置し、前記第1のコンデンサに近接してモールドしたパッケージを備えたことを特徴とする自己消弧素子用スナバモジュール。
- 請求項1において、前記導体板は、前記半導体素子と前記第1のコンデンサとに挟まれることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1において、前記ダイオードと前記第2のコンデンサが前記半導体素子と前記第1のコンデンサとの間に位置することを特徴とする電力変換装置。
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