JP4296960B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

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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