JP3873743B2 - Power converter - Google Patents

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JP3873743B2 JP2001533614A JP2001533614A JP3873743B2 JP 3873743 B2 JP3873743 B2 JP 3873743B2 JP 2001533614 A JP2001533614 A JP 2001533614A JP 2001533614 A JP2001533614 A JP 2001533614A JP 3873743 B2 JP3873743 B2 JP 3873743B2
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阿佐子 小柳
仲田　　清
知 伊東
聡 稲荷田
将一 久田
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections

Description

技術分野
本発明は、電力変換装置に関わり、特に、直流平滑用コンデンサとインバータ部分の間の配線のインダクタンスを低減させる実装構造を持つ３レベル電力変換装置に関する。
背景技術
電力変換装置において配線のインダクタンスが大きい場合には、半導体素子のスイッチング時に配線のインダクタンスに発生する電圧が素子にかかり、素子の破壊の可能性がある。
そのため、例えば、特開平１１−８９２４９号公報では、第一のスイッチング素子及び第二のスイッチング素子と第一のダイオードからなる正側アームと第三のスイッチング素子及び第四のスイッチング素子と第二のダイオードからなる負側アームを直流電源の両側に配置することで、３レベル電力変換装置の転流経路を考慮したインダクタンス低減することが記載される。
発明の開示
上記従来技術の構造では、インダクタンス低減のためには複数の平板状の配線は最低でも３層の積層構造とする必要があった。
本発明の目的は、より単純な配線構造によって低インダクタンスの３レベル電力変換装置を提供することである。
本発明の他の目的は、複数の並列なスイッチング素子あるいは複数の並列な端子を有するスイッチング素子を用いた３レベル電力変換装置において、各並列素子あるいは並列端子に均等に電流が流れるようにすることである。
本発明の特徴は、第一のスイッチング素子及び第二のスイッチング素子と第一のダイオードと第三のスイッチング素子及び第四のスイッチング素子と第二のダイオードと第一の平滑コンデンサと第二の平滑コンデンサとを有する３レベル電力変換装置であって、第一の平滑コンデンサの端子を上記スイッチング素子及びダイオードの内第一のスイッチング素子に最も近くなるように、第二の平滑コンデンサの端子は上記スイッチング素子及びダイオードの内第四のスイッチング素子に最も近くなるように配置することである。
本発明の他の特徴は、３レベル電力変換装置の一相分を構成するスイッチング素子及びダイオードをほぼ直線状に配置することである。
本発明のその他の特徴は、３レベル電力変換装置を構成するスイッチング素子及びダイオードを交流導体上の転流経路を、一つのスイッチング素子の並列な端子間を接続する導体の幅の２倍以上に長くすることである。
電力変換装置において、配線のインダクタンスが大きい場合には、半導体素子のスイッチング時に配線のインダクタンスに発生する電圧が素子にかかり、素子の破壊の可能性がある。この過電圧を抑制して半導体素子の負担を軽減するための手段として、インダクタンスのエネルギを一旦コンデンサに吸収させるスナバ回路を設ける方法が考えられる。しかし、配線インダクタンスの大きさに応じてスナバコンデンサも大容量化する必要があり、装置のさらなる小型化の障害となる。このため、配線インダクタンスの低減によるスナバ回路の小型化あるいはスナバ回路の不要な電力変換装置が望ましい。
配線のインダクタンスを低減するためには、電流の経路である導体をできるだけ幅広の板状とし、かつスイッチング時に電流が変化する電流経路、即ち転流経路の往路と復路の導体をできるだけ近接して接続するいわゆる平行平板状にすることが望ましい。これは、往路と復路を流れる電流によって発生する磁束の変化が互いに相殺し、見かけ上磁束の変化がほとんどなくなるからである。
また、電力変換器の大容量化に伴い、複数のスイッチング素子を並列に接続して電力変換器を構成したり、複数の並列端子を有する大容量のスイッチング素子を用いたりすることが望ましい。この場合、スイッチング素子の電流容量をより活用するためには、並列素子あるいは並列端子間のインダクタンスをバランスさせ、各素子あるいは端子に均等に電流を配分することが望ましい。本発明では、並列素子あるいは並列端子間のインダクタンスのバランスを考慮している。
本発明の上記及び上記以外の特徴については、以下の記載によりさらに明らかにされる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず、以下の説明及び図面に使用される符号を説明する。１，１ａ，１ｂは第一のスイッチング素子、２，２ａ，２ｂは第二のスイッチング素子、３，３ａ，３ｂは第三のスイッチング素子、４，４ａ，４ｂは第四のスイッチング素子、２ｅは第二のスイッチング素子のエミッタ端子、３ｃは第三のスイッチング素子のコレクタ端子、５，５ａ，５ｂは第一のダイオード、６，６ａ，６ｂは第二のダイオード、７，７ａ，７ｂは第一の平滑コンデンサ、８，８ａ，８ｂは第二の平滑コンデンサ、１１は正極側導体、１２は負極側導体、１３，１４，１５は第一，第二，第三の中間電位導体、１６は交流側導体、１１ｐは正極側導体の正極側接続部、１５ｐは第三の中間電位導体の正極側接続部、１５ｎは第三の中間電位導体の負極側接続部、１２ｎは負極側導体の負極側接続部、１６Ｌは交流側導体の交流出力部、１７は交流側導上のスリット、２１は絶縁層を示す。
第１図は、本発明の第一の実施形態を側面から見た図である。第２図は、これに対応する３レベル電力変換装置の回路図である。スイッチング素子１〜４の一例としてＩＧＢＴを用いている。各スイッチング素子１〜４の正側の端子をコレクタ、負側の端子をエミッタと呼ぶことにする。また、各スイッチング素子１〜４は、電流をオンオフするスイッチ部分と、これに並列にコレクタ側にカソードを、エミッタ側にアノードを接続された還流ダイオードで構成されているものとする。３レベル電力変換装置は、電気車両等に使用する際は、二相あるいは三相分必要とされる。本実施形態では一相分に付いて、説明する。
第１図において、素子層１０１には、第一のスイッチング素子１，第一のダイオード５，第二のスイッチング素子２，第三のスイッチング素子３，第二のダイオード６，第四のスイッチング素子４を順にほぼ直線状に並べる。第一の導体層１００は、正極側導体１１，第一の中間電位導体１３，交流側導体１６，第二の中間電位導体１４，負極側導体１２からなる。各導体の素子（スイッチング素子およびダイオード）に接続される部分（いわゆる導体の足の部分）を除く平板状の部分は素子層１０１の上の同じ平面内にある。さらに第二の導体層２００は、第三の中間電位導体１５である。この第三の中間電位導体１５の素子に接続される部分を除く平板状の部分は第一の導体層１００の上にあって第一の導体層１００とは平行平面の関係にある。各導体層１００，２００は互いに絶縁されている。第一の平滑コンデンサ７は、第一のスイッチング素子１に最も近いところで正極側導体１１と第三の中間電位導体１５の正極側接続部１５ｐに接続されている。第二の平滑コンデンサ８は、第四のスイッチング素子４に最も近いところで負極側導体１２と第三の中間電位導体１５の負極側接続部１５ｎに接続されている。
第３図は、第１図で説明した素子層１０１，第一の導体層１００及び第二の導体層２００をそれぞれ上から見た図である。正極側導体１１は第一のスイッチング素子１のコレクタに接続されている。また、正極側接続部１１ｐは図示されていない第一の平滑コンデンサ７に接続されている。第一の中間電位導体１３は第一のスイッチング素子１のエミッタｅと、第二のスイッチング素子２のコレクタｃと、第一のダイオード５のアノードａに接続されており、第一のダイオード５のカソードｋとの絶縁を保つために穴または切り込みが設けられている。交流側導体１６は第二のスイッチング素子２のエミッタｅと、第三のスイッチング素子３のコレクタｃに接続されており、導体１６の任意の場所に設けられた交流出力部１６Ｌから交流電力を出力する。第二の中間電位導体１４は第三のスイッチング素子３のエミッタｅと、第四のスイッチング素子４のコレクタｃと、第二のダイオード６のカソードｋに接続されており、第二のダイオード６のアノードａとの絶縁を保つために穴または切り込みが設けられている。正極側導体１２は第四のスイッチング素子４のエミッタｅに接続されている。また、負極側接続部１２ｎは図示されていない第二の平滑コンデンサ８に接続されている。第二の導体層２００を構成する第三の中間電位導体１５は、第一のダイオード５のカソードと、第二のダイオード６のアノードに接続されている。また、正極側接続部１５ｐは図示されていない第一の平滑コンデンサ７に、負極側接続部１５ｎは図示されていない第二の平滑コンデンサ８に、それぞれ接続されている。尚、各スイッチング素子のコレクタｃ，エミッタｅはそれぞれ一つずつ図示してあるが、コレクタ，エミッタをそれぞれ複数個有するスイッチング素子であっても同様の構成が可能である。
第４図は、第一の実施形態において平滑コンデンサを素子層とほぼ同じ面に配置した変形例の側面図である。第一の平滑コンデンサ７を、第一のスイッチング素子１に最も近いところで正極側導体１１と第三の中間電位導体１５の正極側接続部１５ｐに接続し、第二の平滑コンデンサ８を、第四のスイッチング素子４に最も近いところで負極側導体１２と第三の中間電位導体１５の負極側接続部１５ｎに接続することにより、平滑コンデンサの配置の自由度が増し、第１図の態様と比較して、全体をさらに薄型にすることが可能となる。
第５図、第６図は、本発明の第一の実施例の側面図に転流経路を記入した図である。第一のスイッチング素子１をターンオフする時の転流経路は、正極側導体１１の正極側接続部１１ｐから、第一のスイッチング素子１，第一のダイオード２を通って第三の中間電位導体１５の正極側接続部１５ｐに至るループを形成する。第５図に示すように、本実施形態の導体構成によれば、このループは近接した導体中を往復するので、相互誘導によってループ全体のインダクタンスはループを構成する各導体の自己インダクタンスの和よりも小さくなる。第四のスイッチング素子４のターンオフ時の転流経路も同様である。
次に、第二のスイッチング素子２をターンオフする時の転流経路は第６図のようになる。この場合も、転流経路は近接した導体中を往復するので、相互誘導によってループ全体のインダクタンスはループを構成する各導体の自己インダクタンスの和よりも小さくなる。第三のスイッチング素子３のターンオフ時の転流経路も同様である。
第７図は、本発明の第二の実施形態を素子層１０１，第一の導体層１００ないし第三の導体層３００に分けて、それぞれ上から見た図である。本実施形態は、スイッチング素子の配置が略一列状ではなく、コの字形状（又は四角形状）の配置となっている場合について説明している。素子層１０１には、第一のスイッチング素子１，第一のダイオード５，第二のスイッチング素子２を順に一列に並べてた上アームと、第三のスイッチング素子３，第二のダイオード６，第四のスイッチング素子４を順に一列に並べた下アームとを有している。そして、第一のスイッチング素子１及び第四のスイッチング素子４が隣り合うように、上アームと下アームとを平行に配置してある。この上に、正極側導体１１，第一の中間電位導体１３，第二の中間電位導体１４，負極側導体１２からなる第一の導体層１００，第三の中間電位導体１５からなる第二の導体層２００，交流側導体１６からなる第三の導体層３００が順に積層されている。ここで交流側導体１６には、第二のスイッチング素子２から第三のスイッチング素子３に至る転流経路が、一つのスイッチング素子の並列な端子間を接続する導体の幅の２倍より長くなるようにスリット１７が設けられている。スリット１７の形状については、第８図を用いてさらに説明する。
第８図は、第７図の第二のスイッチング素子２から第三のスイッチング素子３に至る転流経路の概念を示す図である。第二及び第三のスイッチング素子２，３として、複数の素子を並列に用いた場合あるいは復数の並列な端子を有する素子を用いた場合、第二のスイッチング素子２のエミッタ端子２ｅから第三のスイッチング素子３のコレクタ端子３ｃに至る転流経路は第８図に示すようになる。この時、第８図（ａ）のように転流経路が短いと、互いに近い距離にある素子または端子間の転流経路が並列な他の端子間の転流経路に対して短くなるため、この端子に電流が集中する。これに対し、第８図（ｂ）のように一つのスイッチング素子２又は３の並列な端子間を接続する導体の幅Ｌ１よりも深い、深さＬ２のスリット１７を設けている。これにより、転流経路を一つのスイッチング素子２又は３の並列な端子間を接続する導体の幅の２倍より長くすると、並列な素子あるいは端子間の転流経路長のバランスが改善され、特定の素子あるいは端子への電流の集中を緩和できる。この時、交流側導体１６上の転流経路は第三の中間電位導体１５上の転流経路と重なって磁場の発生を抑制するので、転流経路が長くなることによるインダクタンスの増加はわずかである。スリット１７の形状は、交流側導体１６の平面形状が、コの字形状又は、略凹形状となるような形状をしている。スリット１７の幅は、スリット１７内側に、電流経路が集中しないような程度の幅が必要である。
第９図は、本発明の第三の実施形態を側面から見た図である。第一の実施形態と比較して、第一の導体層１００と第二の導体層２００の間に絶縁層２１を設ける点が異なる。絶縁層２１は例えば絶縁材料でできた平板であり、第一及び第二の中間電位導体の絶縁用の穴または切り込みに合せて穴または切り込みが設けられている。絶縁層２１を設けることにより、第一の導体層１００と第二の導体層２００をより近接することが可能になり、相互誘導を強めて転流経路のインダクタンスをさらに低減できる。絶縁層２１は第一の導体層１００及び第二の導体層２００のどちらか一方または両方に接触していてもかまわない。
第１０図は、本発明の第四の実施形態において素子層、第一の導体層及び第二の導体層を上から見た図である。第一の実施形態の構造と比較して、スイッチング素子１〜４，ダイオード５，６はそれぞれ二つずつ並列に接続されている点で異なる。すなわち、スイッチング素子１ａ〜４ａ，１ｂ〜４ｂ，ダイオード５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂが、それぞれ並列に接続されて、３レベル電力変換器を構成している。側面から見た図は第１図と同様である。このように、構成することにより、容易に大容量の３レベル電力変換器が構成できる。また、大容量の３レベル電力変換器がバランス良く構成できる。本態様では、２組の構成を並列に接続した例を示した。また、３組以上の構成を並列に接続した場合は更に大容量化を達成できる。
第１１図は、本発明の第四の実施形態の別の例で、素子層、第一の導体層及び第二の導体層を上から見た図である。第二の実施形態の構造と比較して、スイッチング素子１〜４，ダイオード５，６はそれぞれ二つずつ並列に接続されている点で異なる。すなわち、スイッチング素子１ａ〜４ａ，１ｂ〜４ｂ，ダイオード５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂが、それぞれ並列に接続されて、３レベル電力変換器を構成している。第１０図の場合と比較して、本実施形態では、スイッチング素子の配置が略一列状ではなく、コの字形状（又は四角形状）の配置となっている点で異なる。こうすることで装置全体の縦横比を小さくできる。また、大容量の３レベル電力変換器がバランス良く構成できる。
以上のように、以上説明したように第一の実施態様によれば、単純な構造で、どのスイッチング素子のターンオフに対しても転流経路のインダクタンスが小さく、ターンオフサージの小さい３レベル電力変換器を提供できる。また、平滑コンデンサの配置の自由度が大きくなる。
さらに、スイッチング素子を配置する平面の形状がコンパクトで、さらに並列素子あるいは並列端子の電流バランスが良いため、素子の電流容量が最大限に活かせる３レベル電力変換器を提供できる。またさらに、低インダクタンスな３レベル電力変換器を提供できる。またさらに大容量の３レベル電力変換器を提供できる。
本発明によれば、より単純な配線構造によって低インダクタンスの３レベル電力変換装置を提供できる。
また、本発明によれば、複数の並列なスイッチング素子あるいは複数の並列な端子を有するスイッチング素子を用いた３レベル電力変換装置において、各並列素子あるいは並列端子に均等に電流が流れるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の第一の実施形態の側面図である。
第２図は、第一の実施形態の３レベル電力変換器の基本回路図である。
第３図は、本発明の第一の実施形態を構成する各層の上面図である。
第４図は、本発明の第一の実施形態の別の形態の側面図である。
第５図は、本発明の第一の実施形態の側面図を用いた転流経路の説明図である。
第６図は、本発明の第一の実施形態の側面図を用いた転流経路の説明図である。
第７図は、本発明の第二の実施形態を構成する各層の上面図である。
第８図は、交流側導体上の転流経路を示す図である。
第９図は、本発明の第三の実施形態の側面図である。
第１０図は、本発明の第四の実施形態を構成する各層の上面図である。
第１１図は、本発明の第四の実施形態の別の形態を構成する各層の上面図である。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a power conversion device, and more particularly to a three-level power conversion device having a mounting structure that reduces the inductance of wiring between a DC smoothing capacitor and an inverter portion.
BACKGROUND ART When wiring inductance is large in a power converter, a voltage generated in wiring inductance at the time of switching of a semiconductor element is applied to the element, and the element may be destroyed.
Therefore, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-89249, the first switching element, the second switching element, the positive arm composed of the first diode, the third switching element, the fourth switching element, and the second switching element are used. It is described that inductance is reduced in consideration of a commutation path of a three-level power converter by disposing a negative arm made of a diode on both sides of a DC power supply.
DISCLOSURE OF THE INVENTION In the above prior art structure, a plurality of flat wirings have to have a laminated structure of at least three layers in order to reduce inductance.
An object of the present invention is to provide a three-level power converter having a low inductance with a simpler wiring structure.
Another object of the present invention is to allow a current to flow evenly through each parallel element or parallel terminal in a three-level power converter using a plurality of parallel switching elements or switching elements having a plurality of parallel terminals. It is.
The present invention is characterized in that the first switching element, the second switching element, the first diode, the third switching element, the fourth switching element, the second diode, the first smoothing capacitor, and the second smoothing capacitor. A three-level power converter having a capacitor, wherein the terminal of the second smoothing capacitor is the switching element so that the terminal of the first smoothing capacitor is closest to the first switching element of the switching element and the diode. The element and the diode are arranged so as to be closest to the fourth switching element.
Another feature of the present invention is that the switching elements and diodes constituting one phase of the three-level power conversion device are arranged substantially linearly.
Another feature of the present invention is that the switching element and the diode constituting the three-level power conversion device have a commutation path on the AC conductor that is more than twice the width of the conductor connecting the parallel terminals of one switching element. To make it longer.
In the power conversion device, when the inductance of the wiring is large, a voltage generated in the inductance of the wiring at the time of switching the semiconductor element is applied to the element, and the element may be destroyed. As a means for suppressing the overvoltage and reducing the burden on the semiconductor element, a method of providing a snubber circuit that temporarily absorbs the energy of the inductance can be considered. However, it is necessary to increase the capacity of the snubber capacitor according to the magnitude of the wiring inductance, which becomes an obstacle to further downsizing of the device. Therefore, it is desirable to reduce the size of the snubber circuit by reducing the wiring inductance or to use a power converter that does not require a snubber circuit.
In order to reduce the inductance of the wiring, the conductor that is the current path is made as wide as possible, and the current path where the current changes during switching, that is, the forward and return conductors of the commutation path are connected as close as possible. The so-called parallel plate shape is desirable. This is because changes in the magnetic flux generated by the current flowing in the forward path and the return path cancel each other, and apparently there is almost no change in the magnetic flux.
As the capacity of the power converter increases, it is desirable to configure a power converter by connecting a plurality of switching elements in parallel, or to use a large capacity switching element having a plurality of parallel terminals. In this case, in order to further utilize the current capacity of the switching element, it is desirable to balance the inductance between the parallel elements or the parallel terminals and distribute the current evenly to each element or terminal. In the present invention, the balance of inductance between parallel elements or parallel terminals is considered.
The above and other features of the present invention will be further clarified by the following description.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, reference numerals used in the following description and drawings will be described. 1, 1a, 1b are first switching elements, 2, 2a, 2b are second switching elements, 3, 3a, 3b are third switching elements, 4, 4a, 4b are fourth switching elements, and 2e is The emitter terminal of the second switching element, 3c is the collector terminal of the third switching element, 5, 5a, 5b are the first diode, 6, 6a, 6b are the second diode, and 7, 7a, 7b are the first. 8, 8a, 8b are second smoothing capacitors, 11 is a positive conductor, 12 is a negative conductor, 13, 14, 15 are first, second, and third intermediate potential conductors, and 16 is an alternating current. 11p is the positive electrode side connection part of the positive electrode side conductor, 15p is the positive electrode side connection part of the third intermediate potential conductor, 15n is the negative electrode side connection part of the third intermediate potential conductor, and 12n is the negative electrode side of the negative electrode side conductor. Connection part, 16L is AC side conductor AC output section, 17 a slit on the AC side guide, 21 denotes an insulating layer.
FIG. 1 is a side view of the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a circuit diagram of a three-level power converter corresponding to this. An IGBT is used as an example of the switching elements 1 to 4. The positive terminal of each switching element 1 to 4 is called a collector, and the negative terminal is called an emitter. Each of the switching elements 1 to 4 is composed of a switch portion for turning on and off current, and a free-wheeling diode having a cathode connected to the collector side and an anode connected to the emitter side in parallel therewith. The three-level power converter is required for two or three phases when used for an electric vehicle or the like. In the present embodiment, one phase is described.
In FIG. 1, the element layer 101 includes a first switching element 1, a first diode 5, a second switching element 2, a third switching element 3, a second diode 6, and a fourth switching element 4. Are arranged almost linearly in order. The first conductor layer 100 includes a positive electrode side conductor 11, a first intermediate potential conductor 13, an AC side conductor 16, a second intermediate potential conductor 14, and a negative electrode side conductor 12. A flat portion excluding a portion (so-called conductor foot portion) connected to each conductor element (switching element and diode) is in the same plane on the element layer 101. Furthermore, the second conductor layer 200 is the third intermediate potential conductor 15. The plate-like portion excluding the portion connected to the element of the third intermediate potential conductor 15 is on the first conductor layer 100 and is in a parallel plane relationship with the first conductor layer 100. The conductor layers 100 and 200 are insulated from each other. The first smoothing capacitor 7 is connected to the positive electrode side conductor 11 and the positive electrode side connection portion 15 p of the third intermediate potential conductor 15 at a position closest to the first switching element 1. The second smoothing capacitor 8 is connected to the negative electrode side conductor 12 and the negative electrode side connection portion 15 n of the third intermediate potential conductor 15 closest to the fourth switching element 4.
FIG. 3 is a view of the element layer 101, the first conductor layer 100, and the second conductor layer 200 described in FIG. 1 as viewed from above. The positive electrode side conductor 11 is connected to the collector of the first switching element 1. Moreover, the positive electrode side connection part 11p is connected to the 1st smoothing capacitor 7 which is not illustrated. The first intermediate potential conductor 13 is connected to the emitter e of the first switching element 1, the collector c of the second switching element 2, and the anode a of the first diode 5. A hole or notch is provided to maintain insulation from the cathode k. The AC side conductor 16 is connected to the emitter e of the second switching element 2 and the collector c of the third switching element 3, and outputs AC power from an AC output unit 16 </ b> L provided at an arbitrary position of the conductor 16. To do. The second intermediate potential conductor 14 is connected to the emitter e of the third switching element 3, the collector c of the fourth switching element 4, and the cathode k of the second diode 6. A hole or notch is provided to maintain insulation from the anode a. The positive conductor 12 is connected to the emitter e of the fourth switching element 4. Moreover, the negative electrode side connection part 12n is connected to the 2nd smoothing capacitor 8 which is not illustrated. The third intermediate potential conductor 15 constituting the second conductor layer 200 is connected to the cathode of the first diode 5 and the anode of the second diode 6. The positive electrode side connection portion 15p is connected to the first smoothing capacitor 7 (not shown), and the negative electrode side connection portion 15n is connected to the second smoothing capacitor 8 (not shown). Although one collector c and one emitter e are shown for each switching element, a similar configuration is possible even with a switching element having a plurality of collectors and emitters.
FIG. 4 is a side view of a modified example in which the smoothing capacitor is arranged on substantially the same surface as the element layer in the first embodiment. The first smoothing capacitor 7 is connected to the positive electrode side conductor 11 and the positive electrode side connection portion 15p of the third intermediate potential conductor 15 at a position closest to the first switching element 1, and the second smoothing capacitor 8 is connected to the fourth smoothing capacitor 8. By connecting to the negative electrode side conductor 12 and the negative electrode side connection portion 15n of the third intermediate potential conductor 15 at the closest point to the switching element 4, the degree of freedom of arrangement of the smoothing capacitor is increased, compared with the embodiment of FIG. Thus, the whole can be further reduced in thickness.
5 and 6 are diagrams in which commutation paths are entered in the side view of the first embodiment of the present invention. The commutation path when the first switching element 1 is turned off is from the positive electrode side connection portion 11p of the positive electrode side conductor 11 through the first switching element 1 and the first diode 2 to the third intermediate potential conductor 15. A loop reaching the positive electrode side connection portion 15p is formed. As shown in FIG. 5, according to the conductor configuration of the present embodiment, this loop reciprocates in the adjacent conductors, so that the inductance of the entire loop by mutual induction is based on the sum of the self-inductance of each conductor constituting the loop. Becomes smaller. The same applies to the commutation path when the fourth switching element 4 is turned off.
Next, the commutation path when the second switching element 2 is turned off is as shown in FIG. Also in this case, since the commutation path reciprocates in the adjacent conductors, the inductance of the entire loop becomes smaller than the sum of the self-inductances of the respective conductors constituting the loop by mutual induction. The same applies to the commutation path when the third switching element 3 is turned off.
FIG. 7 is a view of the second embodiment of the present invention divided into the element layer 101 and the first conductor layer 100 to the third conductor layer 300, respectively, as viewed from above. In the present embodiment, the case where the switching elements are arranged in a U-shape (or a square shape) instead of a substantially single line is described. The element layer 101 includes an upper arm in which the first switching element 1, the first diode 5, and the second switching element 2 are sequentially arranged in a line, the third switching element 3, the second diode 6, and the fourth diode. And the lower arm in which the switching elements 4 are sequentially arranged in a line. The upper arm and the lower arm are arranged in parallel so that the first switching element 1 and the fourth switching element 4 are adjacent to each other. On top of this, a first conductor layer 100 composed of a positive electrode side conductor 11, a first intermediate potential conductor 13, a second intermediate potential conductor 14, a negative electrode side conductor 12, and a second intermediate potential conductor 15 composed of a third intermediate potential conductor 15. A conductor layer 200 and a third conductor layer 300 composed of the AC side conductor 16 are laminated in this order. Here, in the AC side conductor 16, the commutation path from the second switching element 2 to the third switching element 3 becomes longer than twice the width of the conductor connecting the parallel terminals of one switching element. A slit 17 is provided. The shape of the slit 17 will be further described with reference to FIG.
FIG. 8 is a diagram showing a concept of a commutation path from the second switching element 2 to the third switching element 3 in FIG. When a plurality of elements are used in parallel as the second and third switching elements 2 and 3 or an element having a multiple number of parallel terminals is used, the emitter terminal 2e of the second switching element 2 is The commutation path to the collector terminal 3c of the switching element 3 is as shown in FIG. At this time, if the commutation path is short as shown in FIG. 8 (a), the commutation path between the elements or terminals that are close to each other is shorter than the commutation path between the other terminals in parallel. Current concentrates on this terminal. On the other hand, as shown in FIG. 8B, a slit 17 having a depth L2 deeper than the width L1 of the conductor connecting the parallel terminals of one switching element 2 or 3 is provided. As a result, when the commutation path is longer than twice the width of the conductor connecting the parallel terminals of one switching element 2 or 3, the balance of the commutation path length between the parallel elements or terminals is improved and specified. The current concentration on the element or terminal can be alleviated. At this time, the commutation path on the AC side conductor 16 overlaps with the commutation path on the third intermediate potential conductor 15 to suppress the generation of the magnetic field, so that an increase in inductance due to the length of the commutation path is slight. is there. The shape of the slit 17 is such that the planar shape of the AC side conductor 16 is a U-shape or a substantially concave shape. The width of the slit 17 needs to be such that the current path is not concentrated inside the slit 17.
FIG. 9 is a side view of the third embodiment of the present invention. Compared to the first embodiment, the difference is that an insulating layer 21 is provided between the first conductor layer 100 and the second conductor layer 200. The insulating layer 21 is a flat plate made of an insulating material, for example, and is provided with holes or notches in accordance with the insulating holes or notches of the first and second intermediate potential conductors. By providing the insulating layer 21, the first conductor layer 100 and the second conductor layer 200 can be brought closer to each other, and mutual induction can be strengthened to further reduce the inductance of the commutation path. The insulating layer 21 may be in contact with one or both of the first conductor layer 100 and the second conductor layer 200.
FIG. 10 is a view of the element layer, the first conductor layer, and the second conductor layer as viewed from above in the fourth embodiment of the present invention. Compared with the structure of the first embodiment, the switching elements 1 to 4 and the diodes 5 and 6 are different in that two each are connected in parallel. That is, the switching elements 1a to 4a and 1b to 4b and the diodes 5a, 5b, 6a, and 6b are respectively connected in parallel to constitute a three-level power converter. The side view is the same as FIG. By configuring in this way, a large-capacity three-level power converter can be easily configured. In addition, a large-capacity three-level power converter can be configured with good balance. In this aspect, the example which connected 2 sets of structures in parallel was shown. Further, when three or more sets of configurations are connected in parallel, the capacity can be further increased.
FIG. 11 is a view of the element layer, the first conductor layer, and the second conductor layer as seen from the top in another example of the fourth embodiment of the present invention. Compared with the structure of the second embodiment, the switching elements 1 to 4 and the diodes 5 and 6 are different in that two each are connected in parallel. That is, the switching elements 1a to 4a and 1b to 4b and the diodes 5a, 5b, 6a, and 6b are respectively connected in parallel to constitute a three-level power converter. Compared with the case of FIG. 10, the present embodiment is different in that the arrangement of the switching elements is not substantially in a line but in a U-shape (or a square shape). By doing so, the aspect ratio of the entire apparatus can be reduced. In addition, a large-capacity three-level power converter can be configured with good balance.
As described above, according to the first embodiment as described above, the three-level power converter has a simple structure, a small commutation path inductance with respect to any switching element turn-off, and a small turn-off surge. Can provide. In addition, the degree of freedom in arranging the smoothing capacitor is increased.
Furthermore, since the planar shape on which the switching elements are arranged is compact and the current balance of the parallel elements or parallel terminals is good, it is possible to provide a three-level power converter that can maximize the current capacity of the elements. Furthermore, a three-level power converter with low inductance can be provided. Furthermore, a three-level power converter having a larger capacity can be provided.
According to the present invention, a three-level power converter with low inductance can be provided with a simpler wiring structure.
In addition, according to the present invention, in a three-level power conversion device using a plurality of parallel switching elements or a switching element having a plurality of parallel terminals, a current is allowed to flow evenly through each parallel element or parallel terminal. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of the first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a basic circuit diagram of the three-level power converter of the first embodiment.
FIG. 3 is a top view of each layer constituting the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a side view of another embodiment of the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a commutation path using a side view of the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a commutation path using a side view of the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a top view of each layer constituting the second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a commutation path on the AC side conductor.
FIG. 9 is a side view of the third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a top view of each layer constituting the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a top view of each layer constituting another form of the fourth embodiment of the present invention.

Claims (6)

直流電源の正極端子と中間端子の間に接続された第一の平滑コンデンサと、上記中間端子と直流電源の負極端子の間に接続された第二の平滑コンデンサを有し、
上記正極端子と負極端子の間に順に直列に接続された第一，第二，第三，第四のスイッチング素子及び上記第一ないし第四のスイッチング素子に並列に接続された還流ダイオードと、
上記中間端子にアノード側を、上記第一及び第二のスイッチング素子の接続点にカソード側を接続された第一のクランプダイオードと、上記第三及び第四のスイッチング素子の接続点にアノード側を、上記中間端子にカソード側を接続された第二のクランプダイオードからなり、
上記第二及び第三のスイッチング素子の接続点に交流出力端子を接続して３レベル電圧出力を得る３レベル電力変換装置において、
上記スイッチング素子及びダイオードを第一のスイッチング素子，第一のダイオード，第二のスイッチング素子，第三のスイッチング素子，第二のダイオード，第四のスイッチング素子の順に一列に並べて配置し上記第一の平滑コンデンサの端子を上記第一のスイッチング素子に最も近く、上記第二の平滑コンデンサの端子は上記第四のスイッチング素子に最も近くなるように配置し、
各平滑コンデンサ，スイッチング素子，ダイオードは板状の導体で接続され、第一及び第二の平滑コンデンサを接続する中間点の導体とそれ以外の導体は互いに並行に近接して配置されていることを特徴とする３レベル電力変換装置。A first smoothing capacitor connected between the positive electrode terminal and the intermediate terminal of the DC power supply, and a second smoothing capacitor connected between the intermediate terminal and the negative electrode terminal of the DC power supply,
A first, second, third, fourth switching element connected in series between the positive terminal and the negative terminal in order, and a free wheel diode connected in parallel to the first to fourth switching elements;
The first clamp diode having the anode side connected to the intermediate terminal, the cathode side connected to the connection point of the first and second switching elements, and the anode side connected to the connection point of the third and fourth switching elements A second clamp diode having a cathode connected to the intermediate terminal,
In the three-level power converter for obtaining a three-level voltage output by connecting an AC output terminal to the connection point of the second and third switching elements,
The first switching element, the first diode, the second switching element, the third switching element, the second diode, and the fourth switching element are arranged in a line in the order of the first switching element and the diode. The terminal of the smoothing capacitor is disposed closest to the first switching element, and the terminal of the second smoothing capacitor is disposed closest to the fourth switching element.
Each smoothing capacitor, switching element, and diode are connected by a plate-shaped conductor, and the conductor at the midpoint connecting the first and second smoothing capacitors and the other conductors are arranged close to each other in parallel. A characteristic three-level power converter. 直流電源の正極端子と中間端子の間に接続された第一の平滑コンデンサと、上記中間端子と直流電源の負極端子の間に接続された第二の平滑コンデンサを有し、
上記正極端子と負極端子の間に順に直列に接続された第一，第二，第三，第四のスイッチング素子及び上記第一ないし第四のスイッチング素子に並列に接続された還流ダイオードと、
上記中間端子にアノード側を、上記第一及び第二のスイッチング素子の接続点にカソード側を接続された第一のクランプダイオードと、上記第三及び第四のスイッチング素子の接続点にアノード側を、上記中間端子にカソード側を接続された第二のクランプダイオードからなり、
上記第二及び第三のスイッチング素子の接続点に交流出力端子を接続して３レベル電圧出力を得る３レベル電力変換装置において、
上記第一のスイッチング素子，第一のダイオード，第二のスイッチング素子を順に一列に並べてた上アームと、上記第三のスイッチング素子，第二のダイオード，第四のスイッチング素子を順に一列に並べた下アームを、上記第一及び第四のスイッチング素子が隣り合うように並行に配置し、
上記第一の平滑コンデンサの端子を上記第一のスイッチング素子に最も近く、上記第二の平滑コンデンサの端子は上記第四のスイッチング素子に最も近くなるように配置し、
各平滑コンデンサ，スイッチング素子，ダイオードは板状の導体で接続され、第一及び第二の平滑コンデンサを接続する中間点の導体とそれ以外の導体は互いに並行に近接して配置され、
さらに、前記第二のスイッチング素子のエミッタと前記第三のスイッチング素子のコレクタに接続された交流導体上の転流経路長が、前記第二のスイッチング素子又は前記第三のスイッチング素子の並列な端子間を接続する導体の幅の２倍よりも長いことを特徴とする３レベル電力変換装置。A first smoothing capacitor connected between the positive electrode terminal and the intermediate terminal of the DC power supply, and a second smoothing capacitor connected between the intermediate terminal and the negative electrode terminal of the DC power supply,
A first, second, third, fourth switching element connected in series between the positive terminal and the negative terminal in order, and a free wheel diode connected in parallel to the first to fourth switching elements;
The first clamp diode having the anode side connected to the intermediate terminal, the cathode side connected to the connection point of the first and second switching elements, and the anode side connected to the connection point of the third and fourth switching elements A second clamp diode having a cathode connected to the intermediate terminal,
In the three-level power converter for obtaining a three-level voltage output by connecting an AC output terminal to the connection point of the second and third switching elements,
The upper arm in which the first switching element, the first diode, and the second switching element are sequentially arranged in a line, and the third switching element, the second diode, and the fourth switching element are arranged in a line in order. The lower arm is arranged in parallel so that the first and fourth switching elements are adjacent to each other,
The terminal of the first smoothing capacitor is disposed closest to the first switching element, and the terminal of the second smoothing capacitor is disposed closest to the fourth switching element.
Each smoothing capacitor, switching element, and diode are connected by a plate-like conductor, and the conductor at the intermediate point connecting the first and second smoothing capacitors and the other conductors are arranged close to each other in parallel,
Further, the commutation path length on the AC conductor connected to the emitter of the second switching element and the collector of the third switching element is the parallel terminal of the second switching element or the third switching element. A three-level power converter characterized in that it is longer than twice the width of the conductor connecting them. 請求項１または２において、第一及び第二の平滑コンデンサを接続する中間点の導体とそれ以外の導体の間に絶縁層を設けたことを特徴とする３レベル電力変換装置。  3. The three-level power converter according to claim 1, wherein an insulating layer is provided between the intermediate conductor connecting the first and second smoothing capacitors and the other conductor. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、各第一ないし第四のスイッチング素子及び第一及び第二のダイオードをそれぞれ並列に接続された複数のスイッチング素子及びダイオードで構成したことを特徴とする３レベル電力変換装置。  4. The three-level circuit according to claim 1, wherein each of the first to fourth switching elements and the first and second diodes is composed of a plurality of switching elements and diodes connected in parallel. Power conversion device. 請求項２において、前記交流導体の平面形状が、凹形状であることを特徴とする３レベル電力変換装置。3. The three-level power conversion device according to claim 2 , wherein the planar shape of the AC conductor is a concave shape. 請求項５において、前記凹形状は、凹部の幅に対して奥行きが２倍以上であることを特徴とする３レベル電力変換装置。  6. The three-level power converter according to claim 5, wherein the concave shape has a depth that is at least twice the width of the concave portion.
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