JP4488978B2 - 電力変換器の主回路構造 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両用の電力変換器など電力変換器一般の実装構造、特に電力変換器の主回路構造に関する。

従来、電力変換器の配線は、細長い導体バーや電線が使用されることが一般的であった。このような構成では、配線のインダクタンスが大きいため、半導体素子をオン／オフした際の電流や電圧の跳ね上がりが大きいという問題があった。このため、半導体素子を保護するため、大きな要領のスナバ回路等を接続する必要があり装置の小型化の障害となっていた。

ところで、配線のインダクタンスを低減するには、電流の経路である導体をできるだけ平たい板状とし、かつ往路と復路の導体をできるだけ近接して配置するいわゆる平行平板状にすれば良い事が知られている。これは、往路と復路がつくる磁束の変化が互いに相殺し、見かけ上の磁束の変化が殆んど無くなるからである。このような原理を利用し、半導体素子のスイッチング時に問題となる転流インダクタンスを低減する技術が既にいくつか知られている。

しかしながら、これらの技術は、平行平板状の導体を半導体素子を接続する導体に用いた場合でも、これら導体と直流電圧を平滑するコンデンサとの間の接続部の構成において考慮がなされてなく、この部分でインダクタンスが大きくなるために、結果として全体のインダクタンスがあまり低減されないことになる。

例えば、従来の技術では、コンデンサを接続する導体として従来構成と同様の細長い導体が使用されており、この部分でのインダクタンスが大きく半導体素子間を接続する導体を平行平板状としても全体としてあまりインダクタンスが低減されないという問題がある（例えば、特許文献1、特許文献２、特許文献３など参照）。

また、半導体素子を接続する平板状の導体にコンデンサも接続するようにすることが提案されており、これにより、コンデンサ接続部分を含む主回路配線のインダクタンス全体を低減することができるが、半導体素子とコンデンサが必然的に一体となり、特に容量の大きな装置の場合、全体の質量が大きくなり組立や保守等の場合の取り扱いが困難になるという問題がある（例えば、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７など参照）。

電力変換装置をコンデンサ部と半導体素子部に分割できれば、取扱いが容易となるが、上記のような構成では実現が困難である。

また、コンデンサ部と半導体素子部を分割し、分割部において導体が細長い形状となる端子構造を形成し、正側導体もしくは負側導体において、電流の流れる経路の長さが長い導体の端子部の幅を広くすることにより、分割部の配線インダクタンスを低減する構造が提案されている。しかしながら、この構造においても、半導体素子部から端部への導体幅縮小による配線インダクタンスの増加が妨げられず、全体としてインダクタンスが大きくなるという問題がある（例えば、特許文献８参照）。
特開平１−１６０３７３号公報 特開平７−１３１９８１号公報 特開平６−３２７２６６号公報 特開平４−１３３６６９号公報 特開平６−３８５０７号公報 特開平６−２２５５４５号公報 特開平７−２４５９５１号公報 特開平１１−３１３４８５号公報

本発明の課題は、電力変換器の主回路配線の半導体素子を接続する導体と、直流電圧を平滑するコンデンサとの間のインダクタンスを低減し、かつ、取扱いが簡単な電力変換器の主回路構造を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、半導体素子側の正側導体もしくは負側導体のいずれかを、コンデンサ側接続導体と平行になるよう折り曲げ、半導体素子側の正側導体とコンデンサ側の正側導体の接続ボルト接続方向と半導体素子側の負側導体とコンデンサ側の負側導体の接続ボルト接続方向を異なる方向とし、接続部において、導体の幅を広く確保しながら、半導体素子側およびコンデンサ側の導体を接続可能な構造としている。ここで、半導体素子側の正側導体は、半導体素子接続部の導体幅と同じ幅で接続部まで延び、コンデンサ側の正側導体も、コンデンサ端子接続部の導体幅と同じ幅で接続部まで延び、途中、幅が広い状態で、２枚の導体が接続可能となる。このとき、負側導体も同様である。これにより、従来技術の接続部における、導体幅が縮小しその部において配線インダクタンスが増加することを防ぐことができ、全体としてインダクタンスを低減できる。

以上説明したように、本発明によれば、半導体素子の端子と直流電圧を平滑するコンデンサの端子間を接続する各導体を、それぞれ半導体素子側部とコンデンサ側部に分割するので、電力変換装置をコンデンサ部と半導体素子部に分割することが容易になり、また、電力変換装置からのコンデンサの取付け、取外しが容易になり、取り扱いの便を向上させることができる。その上、導体本体を平行平板状にすると同時に、正側導体もしくは負側導体の一方を折り曲げ、半導体素子側の導体とコンデンサ側の導体の接続部でボルト締結方向を異なる向きとすることにより、接続部における導体の幅を広い状態で接続できるため、接続部のインダクタンスを極力抑制することができ、回路全体のインダクタンスの低減が可能になる。

本発明が適用される電力変換器の主回路の構成を、図４を用いて説明する。図４は、２レベルの電力変換器の平滑コンデンサとインバータの１相分のスイッチ回路の構成を説明する図である。電力変換器の主回路は、ＩＧＢＴ（正側）１Ｐと、ＩＧＢＴ（負側）１Ｎと、直流電圧を平滑するコンデンサ２と、正側導体３と、負側導体４と、正側導体５、と負側導体６と、交流側導体７とを有して構成される。ＩＧＢＴ（正側）１ＰのコレクタＰＣは、正側導体３に接続され、端子Ｐを介してコンデンサ２の正側端子ＣＰに接続される。ＩＧＢＴ（負側）１ＮのエミッタＮＥは、負側導体４に接続され、端子Ｎを介してコンデンサ２の負側端子ＣＮに接続される。ＩＧＢＴ１ＰのエミッタＰＥとＩＧＢＴ１ＰＮのコレクタＮＣは交流側導体７に接続される。平滑コンデンサ２の正側端子ＣＰは正側導体５に接続され端子Ｐに接続される。コンデンサ２の負側端子ＮＣは負側導体６に接続され端子Ｎに接続される。

本発明は、少なくとも２個の半導体素子と、直流電圧を平滑するコンデンサと、前記半導体素子の端子と前記コンデンサの端子間を接続する平板形状の正側導体および負側導体と、半導体素子の端子を交流側に接続する平板形状の交流側導体から構成され、正側導体および負側導体をそれぞれ半導体素子側部とコンデンサ側部に分割可能とする構造を有する電力変換器の主回路構造において、半導体素子側部の正側導体と負側導体のいずれかをコンデンサ側接続導体と平行になるよう折り曲げた。

また、本発明は、上記電力変換器の主回路構造において、半導体素子側の正側導体と負側導体のいずれかまたは両方をコンデンサ側接続導体と平行になるように折り曲げた構造において、折り曲げ部の導体幅を広くした。

さらに、本発明は、上記電力変換器の主回路構造において、前記半導体素子の端子の配列方向とコンデンサの端子の配列方向が直交するように配列し、２つの半導体素子の端子の正側とコンデンサの正側を接続する平板形状の正側導体および２つの半導体素子の端子の負側とコンデンサの負側を接続する平板形状の負側導体をそれぞれ２つに分割可能に構成し、二つに分割可能にされた正側導体および負側導体のそれぞれ一方をＬ型に折り曲げ、正側導体同士および負側導体同士を接続部材で接続固定した。

本発明は、上記電力変換器の主回路構造において、前記平行する正側導体および負側導体の幅を等しくした。

以下、本発明の一実施の形態を図１〜９に基づいて説明する。図１は、本発明に係る電力変換器の主回路構造を示した側面図である。本発明に係る電力変換器の主回路の構造は、ＩＧＢＴ素子（正側）1ＰとＴＧＢＴ素子（負側）１Ｎとコンデンサ２とを、半導体素子接続部の平板形状の正側導体３、半導体素子接続部の平板形状の負側導体４、コンデンサ接続部の平板形状の正側導体５、コンデンサ接続部の平板形状の負側導体６、半導体素子接続部の平板形状の交流側導体７を用いて接続して構成される。

ＩＧＢＴ素子（正側）１ＰのエミッタＰＥは、端子スペーサ１２Ｐを介してボルト８２により交流側導体７に接続される。ＩＧＢＴ素子（正側）１ＰのコレクタＰＣは、端子スペーサ１１Ｐを介してボルト８１により半導体素子接続部の正側導体３に接続される。ＩＧＢＴ（負側）１ＮのコレクタＮＣは、端子スペーサ１２Ｎを介してボルト８３により交流側導体７に接続される。ＩＧＢＴ（負側）１ＮのエミッタＮＥは、端子スペーサ１１Ｎを介してボルト８４により半導体素子接続部の負側導体４に接続される。コンデンサ２の正側端子ＣＰは、端子スペーサ２１を介してボルト８８によりコンデンサ接続部の正側導体５に接続される。コンデンサ２の負側端子ＣＮは、端子スペーサ２２を介してボルト８７によりコンデンサ接続部の負側端子１８に接続される。

正側導体３と負側導体４および正側導体５と負側導体６は、それぞれ互いに平行に配置され、それぞれの導体の間隔は接近して、かつ等間隔に配置される。

正側導体３には、隣接する導体との絶縁をとるための絶縁材３９が施される。負側導体４には、隣接する導体との絶縁をとるための絶縁材４９が施される。同様に、正側導体５には、隣接する導体との絶縁をとるための絶縁材５９が施される。負側導体６には、隣接する導体との絶縁をとるための絶縁材６９が施される。

半導体素子接続部の正側導体３とコンデンサ接続部の正側導体５は、接続部材を構成する端子台Ｐおよびボルト８５により、互いに接続される。半導体素子接続部の負側導体４とコンデンサ接続部の負側導体６は、接続部材を構成する絶縁端子台７２およびボルト８６により、互いに接続される。

ここで、半導体素子接続部の正側導体３と半導体素子接続部の負側導体４と交流側導体７、コンデンサ接続部の正側導体５とコンデンサ接続部の負側導体６はそれぞれ平行に配置し、半導体素子接続部の正側導体３および半導体素子接続部の負側導体４は、コンデンサ接続部の正側導体５とコンデンサ接続部の負側導体６と同一面になるよう途中折り曲げている。また、半導体素子接続部の正側導体３とコンデンサ接続部の正側導体５は接続部において各々９０°曲げし絶縁端子台Ｐとボルト８５で接続される。さらに、半導体素子接続部の負側導体４とコンデンサ接続部の負側導体６は接続部においてボルト８６と絶縁端子台Ｎにて接続される。ＩＧＢＴ素子１Ｐのコレクタ端子をＰＣ、エミッタ端子をＰＥと称する。同様にＩＧＢＴ素子１Ｎのコレクタ端子、エミッタ端子をそれぞれＮＣ、ＮＥと称する。また、コンデンサ２の正側端子をＣＰ、負側端子をＣＮと称する。さらに、正側導体３と正側導体５を接続する端子をＰ、負側導体４と負側導体６を接続する端子をＮと称する。

図２は、図１の左側から見た正面図（但し、簡単のためコンデンサ２等は省いている。）、図３は、同じく図１の上方から見た平面図である。半導体素子接続部の正側導体３はＩＧＢＴ１Ｐの端子ＰＣと端子Ｐを、コンデンサ接続部の正側導体５は、端子Ｐとコンデンサ２の端子ＣＰをそれぞれ接続する。半導体素子接続部の負側導体４はＩＧＢＴ１Ｎの端子ＮＥと端子Ｎを、コンデンサ接続部の負側導体６は端子Ｎとコンデンサ２の端子ＣＮをそれぞれ接続する。半導体素子接続部の交流側導体７は、ＩＧＢＴ１Ｐのエミッタ端子ＰＥとＩＧＢＴ１Ｎのコレクタ端子ＮＣおよび図示しない交流負荷を接続する。図示しない交流電源の正極は正側導体３と正側導体５の少なくともいずれか一方に、また、同じく負極は負側導体４と負側導体６の少なくともいずれか一方に、それぞれ接続する。

図１〜図３において、便宜上、半導体素子接続部においてはＩＧＢＴ１ＰおよびＩＧＢＴ１Ｎに近い方の導体もしくは絶縁板を下層、遠い方を上層と称することにする。同じく、コンデンサ接続部においてはコンデンサ２に近い方の導体もしくは絶縁板を下層、遠い方を上層と称することにする。

図１の半導体素子接続部において、最下層に正側導体３を配し、正側導体３をボルト８１と端子スペーサ１１Ｐを介してＩＧＢＴ１Ｐのコレクタ端子ＰＣに接続する。ここで正側導体３には、絶縁材３９が外表面についており、負側導体４および交流側導体７との絶縁を確保している。ボルト８１と端子スペーサ１１Ｐは、導体でできており、コレクタ端子ＰＣと正側導体３を電気的に接続する一方、機械的に支持する役目を果たす。絶縁端子台７１とボルト８５は、この正側導体３とコンデンサ接続部の正側導体５を電気的（Ｐ端子として）に接続すると共に、機械的に支持する役目を果たす。

正側導体３の上層に負側導体４を配置し、負側導体４をボルト８４と端子スペーサ１１Ｎを介してＩＧＢＴ１Ｎのエミッタ端子ＮＥに接続する。ここで、負側導体４には、絶縁材４９が外表面についており、正側導体３および交流側導体７との絶縁を確保している。ボルト８４と端子スペーサ１１Ｎは導体でできており、エミッタ端子ＮＥと負側導体４を電気的に接続する一方、機械的に支持する役目を果たす。絶縁端子台７２とボルト８６は、この負側導体４とコンデンサ接続部の負側導体６を電気的（Ｎ端子として）に接続すると共に、機械的に支持する役目を果たす。

負側導体４の上層に交流側導体７を配置する。交流側導体７は、ボルト８２よび端子スペーサ１２Ｐを介してＩＧＢＴ１Ｐのエミッタ端子ＰＥに、また、ボルト８３と端子スペーサ１２Ｎを介してＩＧＢＴ１Ｎのコレクタ端子ＮＣに、それぞれ電気的に接続し、機械的に支持する。ここで、負側導体４には、ボルト８３の頭と端子スペーサ１２Ｎを貫通させるための穴およびボルト８２の頭と端子スペーサ１２Ｐを貫通させるための穴を設けている。

図２と同じ方向から見た正側導体３の形状を、図５を用いて説明する。正側導体３は、平板状の形状であり、図面の下側にはボルト８１を接続するための穴３１があいている。また、絶縁端子台７１へのボルト８５による接続用に２つの穴３２があいている。

図２と同じ方向から見た負側導体４の形状を、図６を用いて説明する。負側導体４は、上端部が手前に折り曲げられた平板状の形状を有しており、ＩＧＢＴ（負側）１ＮのエミッタＮＥを接続するボルト８４のための穴４１と、ＩＧＢＴ（負側）１ＮのコレクタＮＣのスペーサ１２Ｎと接続ボルト８３を避ける穴４２と、ＩＧＢＴ（正側）１ＰのコレクタＰＣのスペーサ１１Ｐおよびボルト８１と、およびエミッタＰＥのスペーサ１２Ｐおよびボルト８２避ける穴４３を有しており、さらに上端で手前に折り曲げられた折り曲げ部４４が設けられている。

図２と同じ方向から見た交流側導体７の形状を、図７を用いて説明する。交流側導体７は、右側に張出部が設けられた平板状の形状を有しており、ＩＧＢＴ（負側）１ＮのコレクタＮＣを接続するボルト８３のための穴７１と、ＩＧＢＴ（正側）１ＰのエミッタＰＥを接続するボルト８２ための穴７２を有し、端部が折り曲げられた張出部７３には、交流側端子が接続される穴を有している。

図３と同じ方向から見た正側導体５の形状を、図８を用いて説明する。正側導体５は、右側に上方向に折り曲げられた折曲部５４を有する平板状の形状を有しており、コンデンサ２の正側端子ＰＣを接続するボルト８８のための穴５１と、コンデンサ２の負側端子ＣＮを避ける穴５２と、端子Ｎのボルト８６を避ける２つの穴５３を有している。折曲部５４には端子Ｐのボルト８５が接続される２つの穴が設けられている。

図３と同じ方向から見た負側導体６の形状を、図９を用いて説明する。負側導体６は、コンデンサ２の負側端子ＣＮを接続するボルト８７のための穴６１と、負側導体４と接続するための負側端子Ｎのボルト８６を接続するための２つの穴６２を有している。

これらの正側導体３および負側導体６は、例えばＬ型の導体、負側導体４および正側導体５は、例えば平板状の導体で構成されているが、半導体素子部とコンデンサ部を接続する正側導体３と正側導体５、負側導体５と負側導体６の接続部は、半導体接続部と同じ幅とする。このような構成にすることで、ボルト８５，およびボルト８６により、電力変換器をコンデンサ部と半導体素子部に分割することができ、取り扱いの便が向上する。

この接続部において、正側導体および負側導体の各導体は幅が広い状態で接続されるので、接続部における配線インダクタンスの減少を防ぐことができる。また、交流側導体７には、図示しない負荷が接続されるが、一般には負荷は高インダクタンスを持っている。また、この部分のインダクタンスは、半導体素子スイッチングの際の転流には関わらない。したがって、交流側導体７の端子部のインダクタンスを低減することはあまり意味がないので、この部分の端子形状は、この部に流れる電流容量の温度上昇にさしつかえがないことおよびボルトの接続にさしつかえがない範囲で任意に設定する。このような構成とすることにより、装置の限られた幅の中で、導体間の絶縁距離を確保した上で、転流に関連する正側および負側導体のインダクタンスを全体として低減することができる。

なお、絶縁材３９、４９、５９、６９の支持方法は、正側導体３、負側導体４、正側導体５、負側導体６に接着もしくは、適当な支持材により支持される。また、必要に応じて正側導体３、負側導体４、正側導体５、負側導体６なども他の支持物で支持されても良い。また、ＩＧＢＴ１Ｐ，ＩＧＢＴ１Ｎ、コンデンサ２、絶縁端子台７１、７２などは、特に図示していないが、適当な台枠、基板、冷却器などに固定されるのは自明のことである。なお、絶縁材３９、４９、５９、６９は導体間隔が十分に広い場合、あるいは電圧が低い場合など、絶縁距離が十分に取れる場合には、これを省略しても良い。

図１の実施形態の電力変換器の構成、導体の順番、端子部の形状等はいずれも一例であり、本発明は、この一例のみに縛られるものではない。正側と負側の導体の端子部のうち、いずれかを折り曲げ（今回の発明では９０°）、正側の接続部のボルト方向と負側の接続部のボルト方向を異なる向き（今回の発明では９０°）に接続するという基本ルールを適用すれば、どのような主回路構成であっても、図１の実施形態と同じ効果を得ることができる。また、図１の実施形態は、２レベル電力変換器の１相分に相当するが、同じような構成を多レベルあるいは多相の電力変換装置に適用可能であるのは自明である。

本発明に係る電力変換器の主回路構造を説明する側面図。 図１の正面図。 図１の平面図。 図１の電力縁喚起の主回路を説明する回路図。 図１の半導体素子側の正側導体の形状を示す図。 図１の半導体素子側の負側導体の形状を示す図。 図１の半導体素子側の交流側導体の形状を示す図。 図１のコンデンサ側の正側導体の形状を示す図。 図１のコンデンサ側の負側導体の形状を示す図。

符号の説明

１Ｐ，１Ｎ…ＩＧＢＴ素子、２…コンデンサ、３…半導体素子接続部の正側導体、４…半導体素子接続部の負側導体、５…コンデンサ接続部の正側導体、６…コンデンサ接続部の負側導体、７…半導体素子接続部の交流側導体、１１Ｐ、１１Ｎ、１２Ｐ、１２Ｎ…端子スペーサ、２１、２２…端子スペーサ、３９、４９、５９、６９…絶縁材、７１、７２…絶縁端子台、８１〜８８…ボルト。

Claims (4)

1. 少なくとも２個の半導体素子と、直流電圧を平滑するコンデンサと、前記半導体素子の端子と前記コンデンサの端子間を接続する平板形状の正側導体および負側導体と、半導体素子の端子を交流側に接続する平板形状の交流側導体から構成され、正側導体および負側導体をそれぞれ半導体素子側部とコンデンサ側部に分割可能とする構造を有する電力変換器の主回路構造において、
   前記半導体素子の端子の配列方向とコンデンサの端子の配列方向が直交するように配列し、
   ２つの半導体素子の端子の正側とコンデンサの正側を接続する平板形状の正側導体および２つの半導体素子の端子の負側とコンデンサの負側を接続する平板形状の負側導体をそれぞれ２つに分割可能に構成し、
   半導体素子側の平板形状の正側導体と平板形状の負側導体のいずれかをコンデンサ側接続導体と平行になるようＬ型に折り曲げるとともに、正側導体同士および負側導体同士を接続する接続部材が異なる方向となるよう位置決めされる
   ことを特徴とする電力変換器の主回路構造。
2. 請求項１に記載の電力変換器の主回路構造において、
   前記平行する正側導体および負側導体の幅を等しくした
   ことを特徴とする電力変換器の主回路構造。
3. 請求項１又は２記載の電力変換器の主回路構造において、
   前記半導体素子側の正側導体と負側導体および前記コンデンサ側の正側導体と負側導体は、略長方形の平板形状、または略長方形の平板形状をＬ字に折り曲げた形状であることを特徴とする電力変換器の主回路構造。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載の電力変換器の主回路構造において、
   前記コンデンサ側の正側導体と負側導体は、互いに平行かつ近接して配置され、
   前記半導体素子側の正側導体と負側導体も、互いに平行かつ近接して配置されることを特徴とする電力変換器の主回路構造。

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