JP4793090B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、各アームに電圧駆動型半導体素子を複数個直列接続して構成される電力変換装置に関する。

図７に一般的な電力変換装置の構成を示す。
図７では、３相交流電源Ｖｓの電圧は、ダイオードで構成される整流回路Ｒｅｃにより直流電圧Ｖｄに変換され、コンデンサＣｄに蓄えられる。直流に変換された電力は、半導体素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚをオン，オフすることで任意の電力に変換され、モータＭ等の負荷に供給される。

ＩＧＢＴの耐圧に比べて直流電圧Ｖｄが大きいときには、ＩＧＢＴを直列接続して用いることがあり、図７ではＩＧＢＴを２直列接続した例を示している。直列接続したときは例えば図８（ａ）のように、ＩＧＢＴと並列に抵抗（Ｒｄ１，Ｒｄ２）を接続するとともに、スイッチングタイミングを調整する回路Ｔｓｅｔを設けるのが一般的である。図９にはＱｘ１，Ｑｘ２のスイッチングタイミングを揃える具体的な例を示し、例えば特許文献１，２などに開示されている。

一方、ＩＧＢＴの動作に伴って発生する熱は、例えば図１０（ａ）や図１０（ｂ）のように、スイッチング素子モジュールＭｕ１，Ｍｕ２を冷却体Ｆｕ１，Ｆｕ２に直接取り付けて放熱するようにしている。モジュール内部とモジュールベースＣｕ（Ｂ）間は、絶縁材Ｉｓｏなどにより絶縁されている。したがって、モジュールＭｕと冷却体Ｆｕ間の浮遊容量の影響により浮遊電位となるため、冷却体を接地するなどの構成にするのが一般的である。
また、直列接続などによって装置が高圧化し冷却体を設置できない場合には、ＩＧＢＴモジュールとベース間の浮遊容量により浮遊電位となるおそれがあることから、例えば特許文献３，４のように冷却体の電位を固定するか、または冷却体を分割するなどの対策を施している。

特開平０９−２８５１０５号公報 特開２００２−２０４５７８号公報 特開２００３−１７４７８２号公報 特開２００５−２７８３８４号公報

上記のようにＩＧＢＴを直列接続する場合、図１１のように電圧分担を図るために分圧抵抗（Ｒｄｕ１〜Ｒｄｘ２）が必要であり、冷却体の電位を固定するために中間点を直接接続すれば、特許文献３に示すように各端子と冷却体間に発生する浮遊容量により、ＩＧＢＴスイッチング時のノイズが増加し、また、抵抗を介して接続すれば部品の増加でコスト高になるだけでなく、装置が複雑になるなどの問題が発生する。
したがって、この発明の課題は、部品点数を増加させることなく電圧分担の均一化を図り、ＩＧＢＴの耐圧を超えないようにすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、各アームに、モジュール内部とモジュールベース間が絶縁された電圧駆動型半導体素子１個入りのモジュール又は２個入りのモジュールの複数個の直列回路と、前記モジュール毎に取り付けられた冷却体と、を備えた電力変換装置において、
前記モジュールと並列に抵抗値の等しい２個の抵抗を直列接続した抵抗直列回路を接続し、前記抵抗直列回路の直列接続点を、前記モジュールを冷却する冷却体に接続することを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記抵抗直列回路の直列接続点と前記冷却体との接続点は、前記モジュールと冷却体を固定する取付穴であることができる（請求項２の発明）。

この発明によれば、電圧駆動型半導体素子を複数個直列接続した電力変換装置において、分圧抵抗と冷却体電位を固定するための抵抗を共用するようにしたので、部品点数を増加させることなく電圧分担を均等化できるだけでなく、冷却体電位を固定することで、半導体素子チップに耐圧を超える電圧が印加されないようにすることが可能となる。

図１はこの発明の実施の形態を示す回路図で、各アームにＩＧＢＴが２直列接続された電力変換器１相分の構成を示す。図示のように、各ＩＧＢＴに並列に接続される分圧抵抗Ｒｄｕ１１，Ｒｄｕ１２、Ｒｄｕ２１，Ｒｄｕ２２、Ｒｄｘ１１，Ｒｄｘ１２、Ｒｄｘ２１，Ｒｄｘ２２の一端をＩＧＢＴの一端に接続し、他端を冷却体Ｆｕ１，Ｆｕ２，Ｆｘ１，Ｆｘ２に接続して構成している。

図１の機能または作用について図２を参照して説明する。なお、図２において、各ＩＧＢＴに丸印を付した図２（ｃ）のものはオン状態を、丸印を付さない図２（ｄ）のものはオフ状態を示す。図２（ａ）のようにＱｕ１，Ｑｕ２がオンしていると、Ｑｘ１，Ｑｘ２間に直流電圧が印加される。このとき、Ｑｘ１，Ｑｘ２の各々には、抵抗Ｒｄｘ１１とＲｄｘ１２，抵抗Ｒｄｘ２１とＲｄｘ２２でそれぞれ分圧された電圧が印加されるから、Ｒｄｘ１１＝Ｒｄｘ１２＝Ｒｄｘ２１＝Ｒｄｘ２２とすれば、Ｖｄとなる。

一方、冷却体の電位（フィン電位）も同様に、各抵抗で分圧され、
Ｖｆ１（ｘ１）＝Ｖｄ・Ｒｄｘ１２／（Ｒｄｘ１１＋Ｒｄｘ１２）
Ｖｆ２（ｘ２）＝Ｖｄ・Ｒｄｘ２２／（Ｒｄｘ２１＋Ｒｄｘ２２）
となるから、各抵抗をＲｄとすれば、
Ｖｆ１（ｘ１）＝Ｖｄ・Ｒｄ／２Ｒｄ＝Ｖｄ／２
Ｖｆ２（ｘ２）＝Ｖｄ・Ｒｄ／２Ｒｄ＝Ｖｄ／２
となる。

したがって、冷却体の電位を基準に考えれば、Ｑｘ１，Ｑｘ２はそれぞれ最大で、
ＶＣＥ（ｘ１−ｆ）＝±Ｖｄ／２
ＶＣＥ（ｘ２−ｆ）＝±Ｖｄ／２
となり、ＩＧＢＴの電圧分担が均等化するとともに、冷却体の電位も固定することができ、かつ絶縁耐圧を超えない電圧範囲になる。
また、図２（ｂ）に示すようにＱｕ１，Ｑｕ２がオフでＱｘ１，Ｑｘ２がオンのときは、Ｑｕ１，Ｑｕ２間に直流電圧が印加され、同様の効果が得られる。

図３に図１の第１変形例を示す。これは、モジュール内に２個の素子が直列に接続されている場合である。その作用について、図４を参照して説明する。
図４（ａ）において、Ｑｕ１，Ｑｕ２がオンしていると、Ｑｘ１，Ｑｘ２間に直流電圧２Ｖｄが印加され、冷却体Ｆｘは抵抗Ｒｄｘ１，Ｒｄｘ２で分圧されるから、
Ｖ（Ｆｘ）＝Ｒｄｘ２・２Ｖｄ／（Ｒｄｘ１＋Ｒｄｘ２）＝Ｖｄ
となる。ただし、Ｒｄｘ１＝Ｒｄｘ２＝Ｒｄとする。

図４（ｂ）の場合も同様に、Ｑｘ１，Ｑｘ２がオンしていると、Ｑｕ１，Ｑｕ２間に直流電圧２Ｖｄが印加され、冷却体Ｆｕは抵抗Ｒｄｕ１，Ｒｄｕ２で分圧されるから、
Ｖ（Ｆｕ）＝Ｒｄｕ２・２Ｖｄ／（Ｒｄｕ１＋Ｒｄｕ２）＝Ｖｄ
となる。ただし、Ｒｄｕ１＝Ｒｄｕ２＝Ｒｄである。
したがって、冷却体の電位を固定できるとともに、モジュールと冷却体間の浮遊容量の影響による電圧アンバランスを回避することができる。

図５に図１の第２変形例を示す。これは、２つのモジュールを１つの冷却体に取り付けたものである。このようにしても、図１や図３の場合と同様に冷却体の電位を固定できるとともに、モジュールと冷却体間の浮遊容量の影響による電圧アンバランスを解消できることは言うまでもない。

図６にこの発明による抵抗の接続形態を示す。
図６（ａ）は、冷却体Ｆに抵抗Ｒｄ１，Ｒｄ２を接続する場合に、冷却体ＦとモジュールＭを固定する部分に取り付けた場合の斜視図を示す。分圧抵抗値は、ＩＧＢＴ漏れ電流に対し数倍〜十数倍の抵抗値を用いるのが一般的であり、抵抗と冷却体の接触抵抗や金具部分の抵抗値による影響は小さいので、ここでは、モジュールの上面図を示す図６（ｂ）のように、抵抗Ｒｄ１，Ｒｄ２を、モジュールＭと冷却体Ｆを固定する取付穴Ｈ１を利用して取り付けている。

すなわち、モジュールＭと冷却体Ｆとを固定する場合、モジュールの四隅（両端の場合もある）に貫通穴があり、冷却体にネジ穴（タップ）を開けてネジ止めするのが一般的である。そして、この部分は一般的に鉄などの金属部品であり、抵抗の一端と共締めすることで電気的に接続できるので、この取付穴Ｈ１に抵抗の一端を接続するものである。なお、図６（ｂ）のＨ２は、抵抗他端の各電極との接続用ネジ穴を示す。

この発明の実施の形態を示す回路図 図１の動作説明用の回路図 図１の変形例を示す回路図 図３の動作説明用の回路図 図１の別の変形例を示す回路図 抵抗の接続形態説明図 一般的な電力変換装置を示す構成図 複数素子のスイッチングタイミング調整手段と等価回路の説明図 スイッチングタイミング調整手段の具体例と動作説明図 素子冷却方法の説明図 分圧抵抗と冷却体の電位固定用抵抗の説明図

符号の説明

Ｃｄ…コンデンサ、Ｑｕ１〜Ｑｘ２…電圧駆動型半導体素子（ＩＧＢＴ）、Ｒｄｕ１１〜Ｒｄｘ２２…抵抗、Ｆ，Ｆｕ１〜Ｆｘ２…冷却体、Ｍ…モジュール、Ｈ１…取付穴。

Claims (2)

1. 各アームに、モジュール内部とモジュールベース間が絶縁された電圧駆動型半導体素子１個入りのモジュール又は２個入りのモジュールの複数個の直列回路と、前記モジュール毎に取り付けられた冷却体と、を備えた電力変換装置において、
   前記モジュールと並列に抵抗値の等しい２個の抵抗を直列接続した抵抗直列回路を接続し、前記抵抗直列回路の直列接続点を、前記モジュールを冷却する冷却体に接続することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記抵抗直列回路の直列接続点と前記冷却体との接続点は、前記モジュールと冷却体を固定する取付穴であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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