JP4765017B2 - AC-AC power converter - Google Patents

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Description

本発明は、マトリックスコンバータとして知られているAC−AC電力変換装置に関し、詳しくはそのユニットの組立構造に係わる。   The present invention relates to an AC-AC power converter known as a matrix converter, and more particularly to an assembly structure of the unit.

近年になり、PWMコンバータとインバータを組合せた在来の電源装置に代わる次世代の電源装置としてマトリックスコンバータが注目され、その製品開発が進められている。
周知のように、マトリックスコンバータは複数の双方向交流スイッチング素子素子をマトリックス状に配置し、その交流スイッチング素子をオン,オフ制御して入力交流電圧を裁断/結合させることで、任意の交流電圧に変換して出力できるようにしたものである。
このマトリックスコンバータは、直流を介さずに直接AC−AC変換を行うため、コンバータとインバータを組合せた在来の電源装置に比べ運転損失も低くて省エネ効果が高く、またインバータ回路,およびコンバータとの間のDCリンク回路に配した大容量の平滑コンデンサ,直流リアクトルが不要となるので装置の小形化が可能であることから、垂直搬送機器(エレベータ)を始めとする各種産業機器に適用する電源装置への適用が期待されている。
In recent years, matrix converters have attracted attention as a next-generation power supply device that replaces a conventional power supply device that combines a PWM converter and an inverter, and product development has been promoted.
As is well known, a matrix converter has a plurality of bidirectional AC switching element elements arranged in a matrix, and the AC switching elements are turned on and off to cut / combine the input AC voltage so that an arbitrary AC voltage can be obtained. It can be converted and output.
Since this matrix converter performs AC-AC conversion directly without using direct current, the operating loss is lower and the energy saving effect is higher than that of a conventional power supply device combining a converter and an inverter. Since a large capacity smoothing capacitor and direct current reactor arranged in the DC link circuit between the two are not required, the device can be miniaturized. Therefore, the power supply device can be applied to various industrial equipment such as vertical transport equipment (elevators). Application to is expected.

次に、前記マトリックスコンバータのシステム概略を図4に示す。図において、1は3相交流電源、2は電動機などの負荷、3はマトリックスコンバータ、4はノーマルモードノイズ対策として電源ラインに接続して高調波を減衰させるフィルタ回路(ACフィルタ)である。
ここで、マトリックスコンバータ3は、U,V,W相に対応してマトリックス状に配置し、3相電源1に接続した合計9個の双方向交流スイッチング素子5を備えており、この双方向交流スイッチング素子5は、図5(a)のように半導体スイッチング素子であるIGBT5aをダイオード5bと組合せて逆並列に接続するか、あるいは図5(b)のうように逆阻止形IGBT5cの2素子を逆並列に接続したIGBTモジュールで構成されている。なお、図示してないが、交流スイッチング素子5のオン,オフに伴って発生するサージ電圧からIGBTを保護するために、交流スイッチング素子5の入力側および出力側にコンデンサ,ダイオードを組合せたスナバ回路を備えている。
Next, the system outline of the matrix converter is shown in FIG. In the figure, 1 is a three-phase AC power source, 2 is a load such as an electric motor, 3 is a matrix converter, and 4 is a filter circuit (AC filter) that is connected to a power line as a countermeasure for normal mode noise and attenuates harmonics.
Here, the matrix converter 3 includes a total of nine bidirectional AC switching elements 5 arranged in a matrix corresponding to the U, V, and W phases and connected to the three-phase power supply 1, and this bidirectional alternating current is provided. As shown in FIG. 5 (a), the switching element 5 is formed by combining the IGBT 5a, which is a semiconductor switching element, with the diode 5b and connecting them in reverse parallel, or by using two elements of the reverse blocking IGBT 5c as shown in FIG. 5 (b). It consists of IGBT modules connected in reverse parallel. Although not shown, a snubber circuit in which capacitors and diodes are combined on the input side and output side of the AC switching element 5 in order to protect the IGBT from the surge voltage generated when the AC switching element 5 is turned on and off. It has.

また、フィルタ回路4はフィルタコンデンサ6,フィルタリアクトル7(直列リアクトル),フィルタ抵抗8の組合せたからなり、フィルタコンデンサ6として従来では、インバータ方式の電源装置に採用されているフィルタコンデンサと同様に、3組のコンデンサ素子(例えばオイルコンデンサ,電解コンデンサ)をスター結線してパッケージに収めた3相コンデンサ(市販品)の採用を想定している。
そして、各種産業機器に適用するマトリックスコンバータを構築するには、前記の交流スイッチング素子,スナバ回路部品をケース内に配置してユニット化し、このユニットをフィルタ回路部品(フィルタコンデンサ6,フィルタリアクトル7),制御回路部とともに装置盤に搭載して製品を構成するようにしている。
一方、マトリックスコンバータの組立構造に関して、入力端子と出力端子との間に接続する交流スイッチング素子,入力用フィルタコンデンサの配置,およびその相互間を接続するブスバーの配線経路を規定してユニットの配線インダクタンスを低め、交流スイッチング素子をサージ電圧から保護するようにした構成が本発明と同一出願人より先に提案されている(特許文献1参照)。
特開2004−236374号公報
The filter circuit 4 is composed of a combination of a filter capacitor 6, a filter reactor 7 (series reactor), and a filter resistor 8. As the filter capacitor 6, a filter capacitor 4 conventionally used in an inverter-type power supply device 3 It is assumed that a three-phase capacitor (commercially available product) in which a set of capacitor elements (for example, an oil capacitor and an electrolytic capacitor) is star-connected in a package is used.
In order to construct a matrix converter to be applied to various industrial equipment, the AC switching element and the snubber circuit component are arranged in a case to form a unit, and this unit is a filter circuit component (filter capacitor 6, filter reactor 7). The product is configured by mounting it on the device panel together with the control circuit.
On the other hand, with regard to the assembly structure of the matrix converter, the wiring inductance of the unit is defined by defining the AC switching element connected between the input terminal and the output terminal, the arrangement of the input filter capacitor, and the bus path of the bus bar connecting between them. Has been proposed prior to the same applicant as the present invention (see Patent Document 1).
JP 2004-236374 A

ところで、前記の特許文献1に開示されているマトリックスコンバータの組立構造は、各相に対応する交流スイッチング素子を碁盤目状に分散して配置し,フィルタコンデンサは入力側の端子台の近傍に配置して各相の入力端子と中性点端子との間にスター結線した上で、端子台の入力端子と各交流スイッチング素子との間に各相のブスバーを配線するようにしていることから、フィルタコンデンサから見て各相の交流スイッチング素子に至るブスバーの配線長さの短小化には限度がある。したがって、この配線構造を先記のようにサージ電圧抑制のために交流スイッチング素子(半導体スイッチング素子)にスナバ回路を組合せたマトリックスコンバータにそのまま適用すると、前記配線経路に敷設したブスバーの配線インダクタンスがスナバ回路の責務として加わるようになり、このためにスナバ回路のダイオード,コンデンサ部品が大形(スナバ回路部品はその責務にほぼ比例して大きさが決まる)になる。したがって、装置の小形化を推進するには、スナバ回路に対する責務の軽減対策も重要な課題となる。   By the way, the assembly structure of the matrix converter disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 has AC switching elements corresponding to each phase distributed and arranged in a grid pattern, and the filter capacitor is arranged in the vicinity of the terminal block on the input side. Since the star connection is made between the input terminal of each phase and the neutral point terminal, the bus bar of each phase is wired between the input terminal of the terminal block and each AC switching element. There is a limit to shortening the wiring length of the bus bar from the filter capacitor to the AC switching element of each phase. Therefore, when this wiring structure is applied as it is to a matrix converter in which a snubber circuit is combined with an AC switching element (semiconductor switching element) to suppress surge voltage as described above, the wiring inductance of the bus bar laid in the wiring path is reduced to a snubber. As a duty of the circuit, the diode and capacitor parts of the snubber circuit become large (for this reason, the size of the snubber circuit part is almost proportional to the duty). Therefore, in order to promote the miniaturization of the device, a countermeasure for reducing the duty to the snubber circuit is also an important issue.

また、前記のフィルタコンデンサについて、先記のように3相用のオイルコンデンサを採用してマトリックスコンバータのユニットに組み込もうとすると、フィルタコンデンサの占有スペースが大きくなるために、ユニット,およびユニットを収納する装置盤が大形化する問題もある。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は交流スイッチング素子に付属させるスナバ回路の責務を低減してユニット,装置盤の小形化が図れるようにユニットの組立,配線構造を改良したAC−AC電力変換装置を提供することにある。
In addition, when the filter capacitor described above is installed in a matrix converter unit using an oil capacitor for three phases as described above, the occupied space of the filter capacitor increases. There is also a problem that the apparatus panel to be accommodated becomes larger.
The present invention has been made in view of the above points, and its purpose is to improve the assembly and wiring structure of the unit so that the duty of the snubber circuit attached to the AC switching element can be reduced and the unit and the device panel can be miniaturized. An AC-AC power converter is provided.

上記目的を達成するために、本発明によれば、入力端子と出力端子の間に、マトリックス状に組合せた双方向交流スイッチング素子、交流スイッチング素子のスナバ回路、および電源ラインのフィルタコンデンサを接続して構築したユニットになり、前記交流スイッチング素子のオン,オフ制御により3相交流入力を所望の交流出力に変換するAC−AC電力変換装置において、
ユニットケースの内部に、端子の向きを左右に揃えて前記交流スイッチング素子を上下一列に整列して配置し、かつ各相に分けたフィルタコンデンサを交流スイッチング素子列の側方に近接して並置配備した上で、接続バーを介して各相のフィルタコンデンサをこれに対応する交流スイッチング素子の入力端子に接続してΔ結線するものとし(請求項1)、その具体的な態様として、
(1)Δ結線する各相のフィルタコンデンサに、フィルムコンデンサを採用する(請求項2)。
(2)双方向交流スイッチング素子を、逆並列接続のIGBTを搭載し、その入力,出力側端子を両端に配したパッケージ構造のIGBTモジュールで構成する(請求項3)。
In order to achieve the above object, according to the present invention, a bidirectional AC switching element, a snubber circuit of an AC switching element, and a filter capacitor of a power supply line combined in a matrix are connected between an input terminal and an output terminal. In an AC-AC power converter that converts a three-phase AC input into a desired AC output by on / off control of the AC switching element,
Inside the unit case, the AC switching elements are aligned in a vertical line with the terminals facing left and right, and the filter capacitors divided into each phase are placed side by side close to the side of the AC switching element line Then, the filter capacitor of each phase is connected to the input terminal of the AC switching element corresponding to this via the connection bar and is Δ-connected (Claim 1).
(1) A film capacitor is employed as a filter capacitor for each phase to be Δ-connected.
(2) The bidirectional AC switching element is composed of an IGBT module having a package structure in which an IGBT connected in antiparallel is mounted and the input and output side terminals are arranged at both ends.

上記のように、交流スイッチング素子としてパッケージ両端に入力,出力側端子を配したIGBTモジュールを上下一列に配列し、その側方に各相に分けたフィルタコンデンサを近接配置した上で、接続バーを介して各相のフィルタコンデンサを交流スイッチング素子の入力側端子との間でΔ結線することにより、接続バーの配線長さを短小にしてその配線インダクタンスを小さく抑え、これによりスナバ回路の責務を低減させてその回路部品を小形化できる。
また、3相分のフィルタコンデンサをΔ結線とすることにより、Y結線に比べて各相のコンデンサ容量を1/3(Y結線とΔ結線の置換)に低めることが可能となり、これによりオイルコンデンサなどに比べてサイズが小形で、かつ高周波の周波数特性,許容電流,耐圧性にも優れたフィルムコンデンサを採用してユニットを小形化できる。
As described above, IGBT modules with input and output terminals arranged at both ends of the package as AC switching elements are arranged in a row in the top and bottom, and filter capacitors divided into each phase are arranged close to each other, and then the connection bar is By connecting the filter capacitor of each phase to the input side terminal of the AC switching element via Δ, the wiring length of the connection bar is shortened to reduce the wiring inductance, thereby reducing the duty of the snubber circuit Therefore, the circuit component can be miniaturized.
In addition, by using a Δ connection for the filter capacitors for three phases, it is possible to reduce the capacitor capacity of each phase to 1/3 (substitution of Y connection and Δ connection) compared to the Y connection. The size of the unit can be reduced by adopting a film capacitor that is smaller in size than other devices, and has excellent high frequency characteristics, allowable current, and pressure resistance.

以下、本発明の実施の形態を図1〜図3に示す実施例に基づいて説明する。
まず、本発明の実施例による主回路の結線図を図3に示す。図において、1は3相交流電源、2は負荷、3はマトリックスコンバータのユニット、4はユニット3の電源側に接続したフィルタ回路(フィルタコンデンサ6,フィルタリアクトル7,フィルタ抵抗8)、5は交流スイッチング素子(図5(a)に示したIGBTモジュール)、9は交流スイッチング素子5に対する入力側のスナバ回路、10は出力側のスナバ回路、11はユニット3の入力端子(R,S,T)、12は出力端子(U,V,W)である。
ここで、フィルタ回路4のフィルタコンデンサ6については、各相に分けてフィルムコンデンサ(市販品で外装角形)を採用した上で、後記のように交流スイッチング素子5,スナバ回路9,10とともにユニットケース内に組み込んでコンデンサをΔ結線し、マトリックスコンバータのユニット3を構築するようにしている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below based on the examples shown in FIGS.
First, FIG. 3 shows a connection diagram of the main circuit according to the embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a three-phase AC power source, 2 is a load, 3 is a matrix converter unit, 4 is a filter circuit (filter capacitor 6, filter reactor 7, filter resistor 8) connected to the power source side of unit 3, and 5 is an AC Switching element (the IGBT module shown in FIG. 5A), 9 is a snubber circuit on the input side with respect to the AC switching element 5, 10 is a snubber circuit on the output side, and 11 is an input terminal (R, S, T) of the unit 3 , 12 are output terminals (U, V, W).
Here, as for the filter capacitor 6 of the filter circuit 4, after adopting a film capacitor (commercially available exterior square) for each phase, a unit case together with the AC switching element 5, the snubber circuits 9 and 10 as described later. The matrix converter unit 3 is constructed by incorporating the capacitors and Δ-connecting them.

次に、前記したマトリックスコンバータのユニット3を構成する具体的な組立構造,およびその配線構造を図1,図2に示す。まず、図1はユニット3の部品配置を表した正面図であり、ユニットケース13の内部中央にはU,V,W相に対応する合計9個の交流スイッチング素子5が上下に並べて配置されている。ここで、交流スイッチング素子5は、図5に示した逆並列接続のIGBTを搭載し、その入力,出力側端子を両端に配したパッケージ構造になるIGBTモジュールであり、図示のように端子の向きを左右に揃えて上下一列に整列して配置し、その両側に入力,出力側のスナバ回路9,10を配置して端子に接続した上で、ブスバー(図示せず)を介してユニットケース13の左右下部に配した入力端子11と出力端子12に接続している。
一方、図3で述べたように3相の各相別に分けたフィルタコンデンサ(フィルムコンデンサ)6は、上下に整列した交流スイッチング素子5の側方に近接してその入力側端子に対向配置している。なお、図示例では各相ごとに2個のフィルムコンデンサを並列接続し、合計6個のフィルムコンデンサを3組に分けてU,V,W相に対応する交流スイッチング素子5の側方に並置しているが、コンデンサの使用個数は2個に限定するものではなく、マトリックスコンバータの容量に応じて1個あるいは複数個を並列接続して使用するものとする。そして、各個のフィルタコンデンサ6の端子とこれに対応する交流スイッチング素子5の入力側端子との間に図2に示す接続バー14を配線してΔ結線(図3参照)するようにしている。なお、15は半導体スイッチング素子5の入力ラインに接続した保護用ヒューズである。
Next, a specific assembly structure constituting the matrix converter unit 3 and its wiring structure are shown in FIGS. First, FIG. 1 is a front view showing the component arrangement of the unit 3, and a total of nine AC switching elements 5 corresponding to the U, V, and W phases are arranged side by side in the center of the unit case 13. Yes. Here, the AC switching element 5 is an IGBT module having a package structure in which the antiparallel-connected IGBT shown in FIG. 5 is mounted and the input and output side terminals are arranged at both ends. Are arranged in a line in the vertical direction, input and output snubber circuits 9 and 10 are arranged on both sides thereof and connected to terminals, and then a unit case 13 through a bus bar (not shown). Are connected to an input terminal 11 and an output terminal 12 arranged at the lower left and right.
On the other hand, the filter capacitor (film capacitor) 6 divided into each of the three phases as described in FIG. 3 is arranged close to the side of the AC switching elements 5 aligned vertically and opposed to the input side terminal. Yes. In the illustrated example, two film capacitors are connected in parallel for each phase, and a total of six film capacitors are divided into three sets and juxtaposed to the side of the AC switching element 5 corresponding to the U, V, and W phases. However, the number of capacitors used is not limited to two, and one or a plurality of capacitors are connected in parallel depending on the capacity of the matrix converter. A connecting bar 14 shown in FIG. 2 is wired between the terminals of each filter capacitor 6 and the corresponding input side terminal of the AC switching element 5 so as to be Δ-connected (see FIG. 3). Reference numeral 15 denotes a protective fuse connected to the input line of the semiconductor switching element 5.

また、前記の接続バー14は、その配線インダクタンスをできるだけ小さくするように断面積を定めた銅製の平角導体を使用し、交流スイッチング素子5の配列に沿ってスナバ回路9の裏側に重なるよう敷設し、その接続地点から側方に分岐した接続端部をスナバ回路9の端子に重ねてスイッチング素子の端子に共締めするようにしている。
上記実施例の組立,配線構造によれば、フィルタコンデンサ6と交流スイッチング素子5との間の配線長を最短化してスナバ回路の責務を低減し、スナバ回路を小形化できる。また、交流スイッチング素子5を上下一列に整列してその側方にフィルタコンデンサ6を各相に分けて配列したことでユニット3の構成がコンパクトになり、このユニット3を搭載する装置盤の横幅寸法も大幅に縮減できる。なお、図示してないが、ユニットケース13は背面に交流スイッチング素子5の放熱フィンを装備し、装置盤に収納して送風冷却するようにしている。
Further, the connecting bar 14 is made of a copper rectangular conductor having a cross-sectional area determined so as to make the wiring inductance as small as possible, and is laid so as to overlap the back side of the snubber circuit 9 along the arrangement of the AC switching elements 5. The connection end branching laterally from the connection point is overlapped with the terminal of the snubber circuit 9 and fastened together with the terminal of the switching element.
According to the assembly and wiring structure of the above embodiment, the wiring length between the filter capacitor 6 and the AC switching element 5 can be minimized to reduce the duty of the snubber circuit, and the snubber circuit can be miniaturized. In addition, the AC switching elements 5 are arranged in a vertical line, and the filter capacitors 6 are arranged on the sides of the AC switching elements 5 so that the configuration of the unit 3 is compact. The width of the device panel on which the unit 3 is mounted is reduced. Can be greatly reduced. Although not shown, the unit case 13 is equipped with a heat radiation fin of the AC switching element 5 on the back surface, and is housed in an apparatus panel for cooling by blowing.

本発明の実施例によるマトリックスコンバータのユニット組立構造の正面図The front view of the unit assembly structure of the matrix converter by the Example of this invention 図1におけるフィルタコンデンサ/交流スイッチング素子間の配線構造を表す部分拡大図Partial enlarged view showing the wiring structure between the filter capacitor and the AC switching element in FIG. 図1に対応するマトリックスコンバータの結線図Connection diagram of matrix converter corresponding to FIG. マトリックスコンバータのシステム概略図System schematic of matrix converter 図4における双方向交流スイッチング素子に適用する半導体スイッチング素子の構成図で、(a)はIGBTをダイオードと組合せて逆並列に接続したIGBTモジュール、(b)逆阻止形IGBTの2素子を逆並列に接続したIGBTモジュールの回路図FIG. 5 is a configuration diagram of a semiconductor switching element applied to the bidirectional alternating current switching element in FIG. Circuit diagram of IGBT module connected to

符号の説明Explanation of symbols

1 3相交流電源
2 負荷
3 マトリックスコンバータユニット
4 フィルタ回路
5 交流スイッチング素子
6 フィルタコンデンサ
9,10 スナバ回路
11 入力端子
12 出力端子
13 ユニットケース
14 接続バー
1 Three-phase AC power supply 2 Load 3 Matrix converter unit 4 Filter circuit 5 AC switching element 6 Filter capacitor 9, 10 Snubber circuit 11 Input terminal 12 Output terminal 13 Unit case 14 Connection bar

Claims (3)

入力端子と出力端子の間に、マトリックス状に組合せた双方向交流スイッチ、交流スイッチのスナバ回路、および電源ラインのフィルタコンデンサを接続して構築したユニットになり、双方向交流スイッチのスイッチング制御により三相交流入力を所望の交流出力に変換するAC−AC電力変換装置において、
ユニットケースの内部に、端子の向きを左右に揃えて前記交流スイッチング素子を上下一列に整列して配置し、かつ各相に分けたフィルタコンデンサを交流スイッチング素子列の側方に近接してその入力端子に対向配置した上で、接続バーを介して各相のフィルタコンデンサをこれに対応する交流スイッチング素子の入力端子に接続してΔ結線したことを特徴とするAC−AC電力変換装置。
It is a unit constructed by connecting a bidirectional AC switch combined in a matrix, an AC switch snubber circuit, and a power line filter capacitor between the input terminal and the output terminal. Oite the AC-AC power conversion equipment for converting phase AC input to a desired AC output,
Inside the unit case, the AC switching elements are aligned in a vertical line with the terminals facing left and right, and the filter capacitors divided into each phase are input close to the side of the AC switching element line. An AC-AC power converter characterized in that a filter capacitor of each phase is connected to an input terminal of an AC switching element corresponding to this via a connection bar after being arranged opposite to the terminal and Δ connected.
請求項1記載の電力変換装置において、各相のフィルタコンデンサがフィルムコンデンサであることを特徴とするAC−AC電力変換装置。 2. The AC-AC power converter according to claim 1, wherein the filter capacitor of each phase is a film capacitor. 請求項1記載の電力変換装置において、双方向交流スイッチング素子が、逆並列接続のIGBTを搭載し、その入力,出力側端子を両端に配したパッケージ構造のIGBTモジュールであることを特徴とするAC−AC電力変換装置。 2. The power converter according to claim 1, wherein the bidirectional AC switching element is an IGBT module having a package structure in which an antiparallel-connected IGBT is mounted and input and output side terminals are arranged at both ends. -AC power converter.
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