JP4296960B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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本発明は、一定周波数の交流電源から任意周波数の交流出力を直接生成する電力変換装置に関する。
これまで可変速駆動用の電力変換装置としては、交流電源を順変換して平滑化した直流電圧を逆変換して任意の周波数を供給する方式(インバータ)が主流であった。これに対して、非特許文献2に記載されるように一定周波数の交流を任意の周波数に直接変換(交流−交流直接変換)するマトリクスコンバータによる駆動の例が挙げられている。
また、非特許文献3では、従来のインバータで使われている還流ダイオードを逆並列接続したIGBT2個を、逆向きに直列接続して構成される双方向スイッチ9個をモジュールに内蔵してマトリクスコンバータを構成した例が紹介されている。
一方、マトリクスコンバータを構成するには、非特許文献3のような双方向スイッチではなく、非特許文献1に記載されるような逆阻止型のスイッチング素子を適用することで効率向上が図られる。
しかし現状では、逆阻止型のスイッチング素子は大容量モジュールが出現していない。そのため、小容量のモジュールを複数個並列接続して大容量化を図らざるを得ない。
その時に注意すべきこととして、半導体素子の冷却及び跳上り電圧の抑制が挙げられる。また、並列接続された半導体素子間のアンバランスにも留意する必要がある。
富士時報Vol.75 No.8 2002 逆阻止IGBTの適用技術 安川技報Vol.67 No.2 2003 エレベータ駆動制御システム IEEE Trans. on Industrial Electronics Vol.49 No.2 2002
本発明が解決しようとする課題は、小容量の半導体モジュールを用いながらも、交流−交流直接変換が可能な電力変換装置を大容量化することである。
本発明による電力変換装置においては、交流−交流直接変換のための半導体モジュールが、3相交流電源の3相と3相交流負荷の1相(例えばU相)との間に接続される。3相交流負荷の他の相(例えば、V相,W相)の各々についても、同様に交流−交流直接変換のための半導体モジュールが接続される。
本発明によれば、小容量の交流−交流直接変換用半導体モジュールであっても、大容量の交流−交流直接変換用電力変換装置を構成することができる。
以下本発明の詳細について図面を用いながら説明する。
図1に、本発明による電力変換装置に用いられる半導体モジュールの一例を示す。本図においては、半導体モジュール1における半導体チップ及び端子配置,内部概略配線を示す。図1においては、マトリクスコンバータを構成する9個の双方向スイッチとして、逆阻止IGBTを含む半導体スイッチを用いている。
図2に、図1に示した半導体モジュール1個を用いたマトリクスコンバータの概略回路構成を示す。図1に示した逆阻止IGBTの符号は、図2に示した回路における符号と一致している。
図1,図2に示すように、1個の双方向スイッチにおいては、2個の逆阻止IGBTが互いに逆並列に接続される。例えば、逆阻止IGBTであるrup(311)およびrun(312)は、電源側主端子R(21)と負荷側主端子U(24)との間に接続される1個の双方向スイッチとして動作する。ここで、rup,runなどの逆阻止IGBTを示す記号において、r,s,tは、それぞれ電源側主端子R(21) ,S(22) ,T(23)に接続されることを表し、u,v,wは、それぞれ負荷側主端子U(24),V(25),W(26)に接続されることを表す。またpは電源側主端子から負荷側主端子に向かって電流を流すIGBTであることを示し、nはその反対の向きに電流を流すIGBTであることを示す。
図1に示すように、矩形状の半導体モジュール1の一辺に沿って電源側主端子R,S,Tが、この順に配置される。この1辺に対向する半導体モジュールの他の一辺に沿って、負荷側主端子U,V,Wがこの順番に、かつR,S,Tとそれぞれ対向するように、配置される。負荷側主端子U,V,Wからは、双方向スイッチを接続するための接続導体が、それぞれ電源側主端子R,S,Tに向かって延びている。各接続導体に隣接して、かつ接続導体の長手方向に沿って、その接続導体の端部となる負荷側主端子に接続される3個の双方向スイッチが1列に配置される。従って、3個の接続導体と3個の双方向スイッチ列が、それらの長手方向がほぼ同じ方向を向くようにして、交互に配置される。各双方向スイッチ列においては、1個の双方向スイッチが2個のIGBTを含むので、6個のIGBTが1列に配列される。また、各双方向スイッチ列における3個の双方向スイッチは、電源側主端子から負荷側主端子に向かって、それぞれ電源主端子R,S,Tに接続される。
例えば、負荷側主端子Uから電源側主端子Rに向かって延びる接続導体には、3個の双方向スイッチ、すなわち、逆阻止IGBTであるrup(311)およびrun(312)を含む双方向スイッチ,sup(321)およびsun(322)を含む双方向スイッチ,tup(331)およびtun(332)を含む双方向スイッチが接続される。これら3個の双方向スイッチは、電源側主端子Rから負荷側主端子Uに向かう順に、それぞれ電源側主端子R,S,Tに接続され、かつ負荷側主端子Uから延びる接続導体に隣接し、その長手方向に沿って配置される。1個の双方向スイッチが2個のIGBTを含むので、双方向スイッチ列は、6個の逆阻止IGBT、すなわち、rup,run,sup,sun,tup,tunを含む。本実施例においては、これら6個の逆阻止IGBTが、電源側主端子Rから負荷側主端子Uに向かって、前記の順番に、接続導体に隣接しかつその長手方向に沿うように、1列に配列される。
図1,図2に示す半導体モジュールの構成をさらに詳細に説明する。
電源側主端子R,S,T(第1,第2および第3の電源側主端子)は、それぞれ3相交流電源73(図2)の1相に接続され、かつ、半導体モジュールの一つの端部となる矩形状モジュール外形の一辺の付近において1列に配置される。また、負荷側主端子U,V,W(第1,第2および第3の負荷側主端子)は、それぞれ3相交流負荷8(図2)の1相に接続され、かつ電源側主端子R,S,Tが配置される一つの端部の反対側端部となる矩形状モジュール外形の他の一辺の付近において1列に配置される。電源側主端子R,S,Tの列の長手方向と負荷側主端子の列の長手方向は互いに略平行である。
負荷側主端子Uに接続される3個の双方向スイッチ、すなわちrup(311)とrun(312)を含み電源側主端子Rに接続される双方向スイッチ(第1の双方向スイッチ),sup(321)とsun(322)を含み電源側主端子Sに接続される双方向スイッチ(第2の双方向スイッチ),tup(331)とtun(332)を含み電源側主端子Tに接続される双方向スイッチ(第3の双方向スイッチ)は、1列に配列される(第1の双方向スイッチ列)。また、負荷側主端子Vに接続される3個の双方向スイッチ、すなわちrvp(341)とrvn(342)を含み電源側主端子Rに接続される双方向スイッチ(第4の双方向スイッチ),svp(351)とsvn(352)を含み電源側主端子Sに接続される双方向スイッチ(第5の双方向スイッチ),tvp(361)とtvn
(362)を含み電源側主端子Tに接続される双方向スイッチ(第6の双方向スイッチ)も、1列に配列される(第2の双方向スイッチ列)。さらに、負荷側主端子Wに接続される3個の双方向スイッチ、すなわちrwp(371)とrwn(372)を含み電源側主端子Rに接続される双方向スイッチ(第7の双方向スイッチ),swp(381)とswn(382)を含み電源側主端子Sに接続される双方向スイッチ(第8の双方向スイッチ),twp(391)とtwn(392)を含み電源側主端子Tに接続される双方向スイッチ(第9の双方向スイッチ)も、1列に配列される(第3の双方向スイッチ列)。各双方向スイッチ列は、電源側主端子R,S,Tの列と負荷側主端子U,V,Wの列の間において、各双方向スイッチ列の各々の長手方向が、電源側主端子から負荷側主端子へ向かう方向となるように配置される。従って、双方向スイッチ列の各々の長手方向は、電源側主端子の列の長手方向および負荷側主端子の列の長手方向と略垂直である。図1においては、いわば、9個の双方向スイッチが、電源側主端子の列と負荷側主端子の列の間において、電源側主端子の列および負荷側主端子の列の長手方向を行の方向とする3行3列の行列状に配列されている。
負荷のU相電流は、電流が正の場合には3個の逆阻止IGBTすなわち、rup(311),sup(321),tup(331)で転流する。スムーズに転流することで、跳ね上がり電圧が低減される。例えば、sup(321)からtup(331)にスムーズに転流するためには、図2に破線で示したループのインダクタンスを低減することが有効である。
そのためには、モジュール外部のフィルタコンデンサCstまでの配線インダクタンスを低減することが有効であり、Crs,Ctrまでの配線インダクタンスも低減することが好ましいので、フィルタコンデンサ71をR,S,T主端子(それぞれ、21,22,23)に近接して配置することが好ましい。図1に示した構成ならば、半導体モジュール1を冷却するためのヒートシンク9に流れる冷却風は、図1に示すように紙面の横方向、すなわち、双方向スイッチ列の長手方向に略直交する方向であるため、フィルタコンデンサ71を電源側主端子R,S,Tに近接して配置しても冷却風の妨げにはならない。
非特許文献3で記載の例では、冷却方向とモジュールとの向きがはっきりとわからないが、主端子からの配線インダクタンス低減を優先させると、冷却方向はモジュールの長手方向となり、この方向に沿って半導体チップが9個並んでいるので、風上に配置された半導体チップと風下に配置された半導体チップとでは温度差が大きくなるため、風下側のチップ温度で制約されてしまう。図1に示した配置ならば、冷却風の方向には半導体チップが3個しか配置されていないので温度差は比較的小さい。
また、マトリクスコンバータでは低速駆動時に電流責務が複数の素子で分担されるが、非常に低速の場合は、負荷電流の変化が極端に少なくほぼ一定となる。従来のインバータでは、その相の上下どちらかのアームのスイッチング素子と対アームの還流ダイオードに電流責務が集中する。これに対して、マトリクスコンバータでは、例えば、U相電流が正ならば、rup(311),sup(321),tup(331)の3個で分担しているため、1個あたりの発熱は低減できる。しかし、この3個が冷却風の向きに配置されていると、最も風下には結局3個分の温度上昇が降りかかってくる。しかし、図1に示した配置であれば、この3個の逆阻止IGBT、rup,sup,tupが冷却風に対して並列配置されているため、温度上昇は自身の発熱相当となり低減できる。
以上は、9個の双方向スイッチ(18個の逆阻止IGBT)が内蔵された半導体モジュールを1個用いたマトリクスコンバータの一例である。
次に、逆阻止IGBTが3並列接続された場合について説明する。
図3及び図4は、本発明による実施例である電力変換装置(マトリクスコンバータ)の回路構成を示す。
図3,図4においては、図1に示した半導体モジュール1が、3相交流電源の3相と3相交流負荷の1相に接続される。なお、両図ともに、3相交流負荷の各相にそれぞれ1個の半導体モジュールが同様に接続されている。すなわち、電源と負荷の間に半導体モジュールが3個並列に接続され、これにより、後述するように、3相交流電源の任意の1相と3相交流負荷の任意の1相の間に、3個の双方向スイッチが並列接続される。なお、図3,図4においては、U相に接続される半導体モジュール1Uのみを示し、他相(VおよびW相)に接続される半導体モジュール(1V,1W)は図示を省略している。
図3,図4における各逆阻止IGBT(311〜391)の符号は図1と一致させている。図2において、電源側端子Rと負荷側端子Uの間に接続され、電源側端子Rから負荷側端子Uに向かって電流を流す逆阻止IGBTrup(311)と同様の動作をする回路部分が、図3では、3個の逆阻止IGBT312,322,332の並列接続である。図2において、電源側端子Rと負荷側端子Uの間に接続され、負荷側端子Uから電源側端子Uに向かって電流を流す逆阻止IGBTrun(312)と同様に動作する回路部分が、図3では、3個の逆阻止IGBT311,321,331の並列接続である。他の電源側端子および負荷側端子間に接続される逆阻止IGBTについても同様である。
図3では、図1及び図2における電源側端子であったR(21) ,S(22) ,T(23)を一括して3相交流負荷の1相(図中U′)に接続している。図1及び図2における負荷側端子であったU(24),V(25),W(26)をそれぞれ3相交流電源の1相(図中R′,S′,T′)に接続している。
このように接続することで、1個の半導体モジュールで扱える電力容量よりも大きな電力容量を有するマトリクスコンバータを実現できる。また、図1に示したように、図3において並列接続される3個の逆阻止IGBT(例えば、311,321,331)が、図1に示すように冷却風に対して並列に配置されるので、これら3個の逆阻止IGBT間で温度差が生じ難い。このため、温度差に伴う、各逆阻止IGBTのスイッチング動作のアンバランスを低減できる。
なお、図4に示すように、図1及び図2における電源側端子R(21),S(22),T(23)をそのまま電源側端子として使い、負荷側端子であったU(24),V(25),W(26)を一括して3相交流負荷の1相に接続することも可能である。としている。
次に本発明による電力変換装置(マトリクスコンバータ)の実装例について説明する。
図5は本発明の実施例である電力変換装置内部における主要部品の配置を示す。また図5中の2点鎖線での矢視A−A′図を図6に示す。半導体モジュールの構成は図1と同様であり、回路構成は図3と同様である。
3個の半導体モジュール1U,1V,1Wはそれぞれヒートシンク9に取り付けられており、ファン900により冷却されている。各半導体モジュール1U,1V,1Wには、モジュール内の逆阻止IGBTのゲートに制御電圧を供給するゲート駆動回路基板5が接続されている。駆動回路基板5は、制御回路500からの指令信号を受けて、各半導体モジュール内の逆阻止IGBTをオン,オフする。逆阻止IGBTがオン,オフして、各双方向スイッチがスイッチング動作することにより、3相交流電源から供給される一定周波数の3相交流電力(第1の交流電力)が、所定あるいは任意の周波数を有し3相交流負荷に供給される3相交流電力(第2の交流電力)へ直接変換される。また、各半導体モジュールは、ファン900が発生する冷却風の風向が図1に示すような向きになるように、ヒートシンク9に取り付けられる。このため、冷却風の流れが、フィルタコンデンサ71や配線導体61〜63に妨げられない。従って、各半導体モジュールは効率よく冷却される。また、本実施例においても、図3において述べたように、各半導体モジュール内において並列接続される3個の逆阻止IGBTが冷却風に対して並列に配置されるので、これら3個の逆阻止IGBT間で温度差が生じ難い。このため、温度差に伴う、各逆阻止IGBTのスイッチング動作のアンバランスを低減できるので、電力変換装置としての動作の安定性や信頼性が向上する。
また、図5,図6の実施例においては、外部の3相交流電源が、受電用の端子台731,保護機能付き開閉器732及び電磁接触器733を介してリアクトル72に接続され、さらにフィルタコンデンサ71に接続されてから配線導体61〜63により半導体モジュール1U〜1Wに接続されている。なお配線導体61〜63を除いた配線部分は省略した。図5,図6の実施例における、3相交流電源から半導体モジュールまでの回路接続構成の詳細を図示したものが図7である。
図7からわかるようにフィルタコンデンサ71には2並列に端子が設けられており、配線導体の接続を容易にしている。配線導体61〜63の詳細形状は省略するが、コンデンサを含む回路の配線インダクタンスを低減するために、積層導体を用いている。外部の3相交流負荷は、図5右下にある端子台81を介して半導体モジュール1U〜1Wの端子に接続される。配線導体62は、フィルタコンデンサ71の端子に比較的近いため配線長さは短い。3本の導体を直接コンデンサ端子に接続しても構わないが、ここでは配線導体
61の途中部分(図中6100)で接続している。
図8は、本発明による他の実施例である電力変換装置(マトリクスコンバータ)を示す。本実施例は、ファンによる冷却の代わりにヒートパイプ式冷却を用いた場合である。半導体モジュール1は吸熱ブロック91に取り付けられており、吸熱ブロック91からヒートパイプ921〜923を介して放熱フィン93に熱輸送され、放熱フィン93から周辺空気に放熱されることで半導体モジュールの温度上昇が抑制される。なお、本図においては、制御駆動基板については記載を省略してある。また、ヒートパイプを3本(921〜923)としたが、発熱量及び装置の寸法に応じて、本数は適宜変更できる。さらには吸熱ブロック91と放熱フィン93との熱輸送を行うヒートパイプ921〜923にしても、途中で曲げる等の形状変更も可能である。
図9は、図8の実施例の概略回路構成を示す。図8の実施例では、フィルタコンデンサを、図9に示すように、3分割している(711〜713)。フィルタコンデンサを分割することで各半導体モジュールとフィルタコンデンサとの間の配線インダクタンスが低減できるため、スイッチング時の跳上り電圧を低減することができる。
図8,図9における半導体モジュール1U〜1Wの端子接続構成としては、図3と図4に示すものの両方が可能である。ファンによる冷却の場合は、図3の端子接続構成の方が比較的好ましい。これに対し、ヒートパイプは熱輸送能力が高いため、パイプ方向での温度差は比較的小さいので、図3および図4のどちらの端子接続構成でも、同等の冷却性能が得られる。
なお、上記各実施例に限らず、本発明の技術的思想の範囲内において、種々の変形例が可能である。例えば、半導体スイッチとしては、IGBTの他、バイポーラトランジスタ,MOSFETや、これらの素子やダイオードなどの他の回路素子を組み合わせた種々のスイッチ回路を適用できる。また、上記各実施例における1個の逆阻止IGBTに代えて、互いに並列接続される複数個の逆阻止IGBTを用いることができる。
本発明による電力変換装置に用いられる半導体モジュールの一例を示す。 図1に示した半導体モジュール1個を用いたマトリクスコンバータの概略回路構成を示す。 本発明による実施例である電力変換装置(マトリクスコンバータ)の回路構成を示す。 本発明による実施例である電力変換装置(マトリクスコンバータ)の回路構成を示す。 本発明の実施例である電力変換装置内部における主要部品の配置を示す。 図5中の2点鎖線での矢視A−A′図を示す。 3相交流電源から半導体モジュールまでの回路接続構成の詳細を示す。 本発明による他の実施例である電力変換装置(マトリクスコンバータ)を示す。 図8の実施例の概略回路構成を示す。
符号の説明
1,1U,1V,1W…半導体モジュール、5…駆動回路基板、8…3相交流負荷、9…ヒートシンク、21〜23…電源側端子、24〜26…負荷側端子、61〜63…配線導体、71,711〜713…フィルタコンデンサ、72…リアクトル、73…3相交流電源、81…負荷端子台、91…吸熱ブロック、93…放熱フィン、311〜392…逆阻止IGBT、500…制御回路、731…受電端子台、732…保護機能付き開閉器、733…電磁接触器、900…送風ファン、921〜923…ヒートパイプ。

Claims (2)

  1. 複数の双方向スイッチのスイッチング動作により、第1の3相交流電力を直接第2の3相交流電力に変換するための半導体モジュールを複数備え、
    前記複数の半導体モジュールの各々は、前記第1の3相交流電力を供給する3相交流電源の3相と前記第2の交流電力を供給される3相交流負荷の1相との間に接続され、
    前記3相交流電源の1相と前記3相交流負荷の1相との間に、前記複数の双方向スイッチの内の複数個が並列接続され、
    並列接続される前記複数の双方向スイッチの内の前記複数個が、冷却風の方向に対して並列に配置される電力変換装置。
  2. 請求項1において、前記半導体モジュールは3個の電源側端子と3個の負荷側端子を備え、前記3個の電源側端子は前記3相交流負荷の1相に接続され、前記3個の負荷側端子はそれぞれ前記3相交流電源の1相に接続される電力変換装置。
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