JP4842018B2

JP4842018B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP4842018B2
Application number: JP2006151557A
Authority: JP
Inventors: 政臣小西出; 正浩長洲; 恭彦河野; 豊田　　瑛一
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: JP2007325387A

Description

本発明は電力変換装置の実装技術に係り、特に電力変換装置の交流入出力端子の接続方法に関する。

現在、直流と交流の相互の電力変換には半導体スイッチング素子を使った電力変換装置が普及している。電力変換装置では、スイッチング素子のスイッチング時に、回路に存在する寄生インダクタンスにより高いサージ電圧が発生するため、サージ電圧を低減する技術としてスイッチング素子の間やスイッチング素子と電源コンデンサなど間を接続する回路として、導線ではなく導体板が使われている。これによれば、反対方向の電流が流れる導体板同士を近接して配置することで相互インダクタンスにより寄生インダクタンスを低減し、サージ電圧を抑制できる。
このようなサージ電圧を低減する構造は、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されている。特許文献１ではＰ側モジュール４とＮ側モジュール５との間などを上述の導体板で接続する構造となっており、平滑コンデンサ３とＰ側モジュール４およびＮ側モジュール５との間だけではなく、出力端子２への接続も出力端子接続導体１４で構成している。
特開平６−３２７２６６号公報特開平７−１３１９８１号公報

しかしながら上記の従来技術では、複数の端子を持つスイッチング素子を使った場合や、スイッチング素子を複数並列接続した場合には、負荷の接続にも導体板を使っているため、スイッチング素子の特定の端子に電流が集中し、スイッチング素子が破壊してしまうという問題があった。これを、図１３を使って説明する。

図１３は、従来技術を使った２レベルインバータの構造の一部を示しており、特に、上アームＩＧＢＴモジュールと下アームＩＧＢＴモジュールの接続部だけを示している。１０１は上アームＩＧＢＴモジュール、１０２は下アームＩＧＢＴモジュール、１２１，１２２は下アームＩＧＢＴモジュールのコレクタ端子、１１３，１１４は上アームＩＧＢＴモジュールのエミッタ端子、４０１はエミッタ端子１１３，１１４と、コレクタ端子１２１，１２２と、電動機への配線とを接続する交流出力導体板、４１１は交流出力導体板４０１と電動機への配線とを接続する交流電圧出力端子である。また、４２１は電流の流れを模式的に示した電流流線であり、本数が電流の大小を示す。

電動機から下アームＩＧＢＴモジュール１０２に電流が流れる場合を考えると、交流出力端子４１１までの経路長が短くなる交流電圧出力端子４１１に近いコレクタ端子１２１には電流が多く流れ、遠い端子１２２に流れる電流は端子１２１に比べて少なくなる。これは交流出力端子に近い方が抵抗やインダクタンスが小さいためである。

一般にＩＧＢＴモジュールは内部で複数のＩＧＢＴチップが並列に接続されている。それぞれの端子には複数のＩＧＢＴチップが並列に接続されているため、特定の端子に電流が多く流れると、特定のＩＧＢＴチップの電流が多くなる。すると、ＩＧＢＴモジュールとしては定格電流以下で使っている場合でも、ＩＧＢＴチップとしては定格以上の電流が流れて、ＩＧＢＴチップが過電流により破壊する場合があり、問題になっていた。

また、特定のＩＧＢＴチップに電流が集中すると、そのチップの発熱が大きくなるために、過電流が流れない場合でも熱破壊する可能性があった。このために現在は大きな冷却器を使うなどして冷却性能を高め、ＩＧＢＴの熱破壊を防ぐ構成が広く使われているが、装置が大型化し、コストが増大する等の問題が発生していた。

上記課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、直流電圧が印加されている正極端子および負極端子を有するコンデンサと、前記コンデンサの正極端子と第１の導体板を介して接続される第１のスイッチングモジュールと、前記コンデンサの負極端子と第２の導体板を介して接続される第２のスイッチングモジュールと、前記第１のスイッチングモジュールの複数の交流端子と前記第２のスイッチングモジュールの複数の交流端子とを接続する第３の導体板と、を備えた電力変換装置において、前記第３の導体板は、前記第１のスイッチングモジュールの複数の交流端子及び前記第２のスイッチングモジュールの複数の交流端子と接続されており、複数の入出力端子を有し、前記複数の入出力端子から前記第１のスイッチングモジュールの複数の交流端子への経路長は、それぞれ均等であり、前記複数の入出力端子から前記第２のスイッチングモジュールの複数の交流端子への経路長は、それぞれ均等であることとする。

また、直流電圧が印加されている正極端子および負極端子を有するコンデンサと、前記コンデンサの正極端子と第１の導体板を介して接続される複数の第１のスイッチングモジュールと、前記コンデンサの負極端子と第２の導体板を介して接続される複数の第２のスイッチングモジュールと、前記複数の第１のスイッチングモジュールの複数の交流端子と前記複数の第２のスイッチングモジュールの複数の交流端子とを接続する第３の導体板と、を備えた電力変換装置において、前記第３の導体板は、前記複数の第１のスイッチングモジュールの複数の交流端子及び前記複数の第２のスイッチングモジュールの複数の交流端子と接続されており、複数の入出力端子を有し、前記複数の入出力端子から前記複数の第１のスイッチングモジュールの複数の交流端子への経路長は、それぞれ均等であり、前記複数の入出力端子から前記複数の第２のスイッチングモジュールの複数の交流端子への経路長は、それぞれ均等であることでも上記課題を解決できる。

本発明によれば、交流電圧出力端子を少なくとも２ヵ所設けることで、交流電圧出力端子からスイッチング素子の端子までの経路長を均一にし、端子の電流を均一にできる。これにより、電流集中によるチップの破壊を防止でき、電力変換装置の信頼性を向上できる。また、特定のチップに電流が集中することによるチップの過剰な温度上昇を防止できるため、冷却装置の小型化、低コスト化が可能である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１〜図４に本発明による実施例１の構造図および回路図を示す。図１（ａ）は実施例１となる電力変換装置を上面から見た場合のスイッチング素子と、スイッチング素子の上に配置した導体板を示した図、図１（ｂ）は図１（ａ）の上に配置した導体板を示した図、図２は図１（ｂ）の右側面図、図３は図１および図２の等価回路、図４に交流出力導体板１０８での電流流線を示している。交流電圧出力端子の位置を説明する便宜上、図１では平滑コンデンサ１０３と冷却装置１０９を省略している。また、実施例の説明ではスイッチング素子として、ＩＧＢＴおよびＩＧＢＴと逆並列接続したダイオードを同一パッケージに内蔵したＩＧＢＴモジュールを用いる。

２レベル電力変換装置は、正極端子１３２と負極端子１３４を持つ直流電源用の平滑コンデンサ１０３、正極端子１３２と接続する上アームＩＧＢＴモジュール１０１、負極端子１３４と接続する下アームＩＧＢＴモジュール１０２、正極端子１３２とコレクタ端子１１１、１１２とを接続する正側導体板１０４、負極端子１３４とエミッタ端子１２３，１２４と接続する負側導体板１０６、エミッタ端子１１３，１１４とコレクタ端子１２１，１２２と接続して、交流電圧を出力する交流出力導体板１０８、交流出力導体板１０８と電動機からの配線を接続する交流電圧出力端子１３５，１３６、ＩＧＢＴモジュール１０１と１０２での発熱を冷却する冷却装置１０９で構成される。なお、ＩＧＢＴモジュールのオン、オフのタイミングを制御するパルス発生装置、およびＩＧＢＴのゲート駆動装置は省略している。

ここで、電動機から下アームＩＧＢＴモジュール１０２に電流が流れる場合の電流経路を説明する。電流は、交流電圧出力端子１３５、１３６から、交流出力導体板１０８、下アームＩＧＢＴモジュール１０２、負側導体板１０６を通って、負極端子１３４に流れる。

本実施例の特徴は、交流出力導体板１０８の両端に交流電圧出力端子１３５，１３６を設けている点である。これにより、交流電圧出力端子１３５からコレクタ端子１２１までの経路長と、交流電圧出力端子１３６からコレクタ端子１２２までの経路長が均等になる。

このため、交流電圧出力端子１３５からコレクタ端子１２１に流れる電流と、交流電圧出力端子１３６からコレクタ端子１２２に流れる電流が均一化する。よって、モジュール内のＩＧＢＴチップに流れる電流が均一になり、ＩＧＢＴチップの過電流による破壊を防止できる。

同様に、負極端子１３４からＩＧＢＴと逆並列接続しているダイオードを通って電動機に電流が流れる場合でも、交流出力導体板１０８の両側に交流電圧出力端子１３５と１３６があるため、コレクタ端子１２１、１２２から交流電圧出力端子に流れる電流が均一になる。これより、モジュール内のダイオードチップに流れる電流を均一にでき、ＩＧＢＴモジュール内のダイオードチップが過電流破壊することを防止できる。以上、下アームＩＧＢＴモジュール１０２に電流が流れる場合を説明したが、上アームＩＧＢＴモジュール１０１に電流が流れる場合でも同じ効果が得られる。

本実施例では、交流電圧出力端子を２ヵ所設けた場合を示したが、３ヶ所以上設けた場合でも、交流出力端子とＩＧＢＴモジュールの端子の経路長をそれぞれ均一にすることで同様の効果を得られる。また、本実施例では、交流電圧出力端子と電動機への配線をボルト等で接続する構造を示しているが、導体板のろう付け等で、交流出力導体板１０８と電動機の配線を接続した場合でも同様の効果を得られる。

なお、交流電圧出力端子１３５と１３６から電動機の間は、それぞれ配線で接続する、あるいは、電力変換装置内に電動機からの配線を接続する中継端子を設けて、電動機から中継端子までを１本の配線で接続し、中継端子から交流電圧出力端子までをそれぞれ個別の配線で接続する構成が考えられる。

本発明による実施例２として、鉄道等の大容量の電力変換装置で広く使われる３端子対構成のＩＧＢＴモジュールを３並列接続した場合を説明する。図５（ａ）は実施例２となる電力変換装置を上面から見た場合のスイッチング素子の配置図、図５（ｂ）は図５（ａ）の上に配置した導体板を示した図、図５（ｃ）は図５（ｂ）の上に配置した導体板を示した図、図６は図５（ｃ）の右側面図、図７は交流出力導体板２１２の電流流線を示している。実施例１の図１と同様に交流電圧出力端子の位置を説明する便宜上、図５では平滑コンデンサ２０７と冷却装置２１４を省略している。

本実施例の特徴は、交流出力導体板２１２と接続する上アームＩＧＢＴモジュールのエミッタ端子２３１〜２３９を交流電圧出力端子として、電動機への配線を接続する点である。これにより、各交流出力電圧端子と上アームＩＧＢＴモジュールのエミッタ端子２３１〜２３９の経路長を均等にできる。また、交流電圧出力端子と下アームＩＧＢＴモジュールのコレクタ端子２４１〜２４９までの経路長も均等にできる。このため、交流電圧出力端子から各ＩＧＢＴの端子に流れる電流が均一化して、ＩＧＢＴチップに流れる電流が均一化する。また、実施例１と同様に、コレクタ端子２４１〜２４９から交流出力端子に流れる電流も均一になるため、ダイオードチップに流れる電流が均一化する。

なお、図５はエミッタ端子２３１〜２３９に導体で構成された端子スペーサ２６１〜２６９を接続し、端子スペーサ２６１〜２６９と電動機への配線を接続する構成であるが、端子スペーサ２６１〜２６９を設けずにＩＧＢＴモジュール端子と直接電動機への配線を接続する構成でも同様の効果を得られる。また、図５はエミッタ端子２３１〜２３９に電動機への配線を接続した構成であるが、コレクタ端子２４１〜２４９を交流電圧出力端子とした構成でも、ＩＧＢＴチップ、およびダイオードチップに流れる電流を均一にできる。さらに、本実施例では下アームＩＧＢＴモジュールに電流が流れた場合について説明したが、上アームＩＧＢＴモジュールに電流が流れた場合も同じ効果が得られる。

本発明による実施例３として、実施例２において交流電圧出力端子から電動機への配線を１枚の導体板で構成した場合を説明する。図８は実施例３となる電力変換装置を上面から見た場合の導体板の構造、図９は図８の右側面図を示している。交流電圧出力端子から電動機への配線となる導体板を説明する便宜上、図８では平滑コンデンサ２０７と冷却装置２１４を省略している。

本実施例の特徴は、交流電圧出力端子を兼ねる上アームＩＧＢＴモジュールのエミッタ端子２３１〜２３９から電動機までの配線に導体板２１３を使用する点である。各々のエミッタ端子２３１〜２３９から配線を個別に９本引き出す場合と比較すると、電動機もしくは中継端子での配線の本数を少なくできるため、組立時の取扱性が向上するという効果がある。

なお、導体板２１３は配置場所に関わりなく、特定の端子への電流集中の防止効果を得られる。ただし、正側導体板２０８と負側導体板２１０の間に導体板２１３を配置した場合には、導体板２１３が正側導体板２０８と負側導体板２１０の間の磁気結合を遮るため、正側導体板２０８と負側導体板２１０の相互インダクタンスによる寄生インダクタンスの低減効果がなくなり、サージ電圧を抑制することが困難になる。よって、図９に示す導体板２１３と冷却装置２１４の間に正側導体板２０８と負側導体板２１０を配置するか、正側導体板２０８および負側導体板２１０と冷却装置２１４の間に導体板２１３を配置する構造が望ましい。

また、本実施例で示すように、導体板２１３を介して交流電圧出力端子と電動機を接続する場合には、導体板２１３の形状によっては導体板２１３内を流れる電流の分布に不均一が発生し、エミッタ端子２３１〜２３９に流れる電流とコレクタ端子２４１〜２４９に流れる電流が不均一になる場合があるために注意を要する。この現象を防止するためには、交流電圧出力端子から中継端子までの経路長を、少なくともエミッタ端子２３１〜２３９からコレクタ端子２４１〜２４９までの距離よりも長くすることが好ましい。

本発明による実施例４として、３レベル電力変換装置に適用した場合を説明する。図１０は３レベル電力変換装置の等価回路図、図１１（ａ）はＩＧＢＴモジュール３０１〜３０４および結合ダイオードモジュール３０５，３０６を直線配置した場合の３レベル電力変換装置の素子配置を上面から見た図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の上に配置した導体板を示した図、図１１（ｃ）は図１１（ｂ）の上に配置した導体板を示した図、図１２は図１１（ｃ）の電力変換装置を紙面下側から見た図である。

本実施例の特徴は３レベル電力変換装置の交流電圧出力端子を２ヵ所設けた点である。この構成によれば、交流電圧出力端子３５１とコレクタ端子３１５の経路長と、交流電圧出力端子３５２とコレクタ端子３１６の経路長を均等にできるため、ＩＧＢＴモジュール３０３のコレクタ端子に流れる電流が均一化する。

また、実施例２と同様に、図１１で交流電圧出力端子３５１と３５２を設けず、代わりにＩＧＢＴモジュール３０２のエミッタ端子３２１，３２２を交流電圧出力端子として、エミッタ端子３２１，３２２に電動機への配線を接続することでも、交流電圧出力端子からコレクタ端子３１５，３１６に流れる電流が均一化する。なお、コレクタ端子３１５，３１６を交流電圧出力端子とした場合でも同様の効果を得られる。

以上の実施例１〜実施例４では、スイッチング素子としてＩＧＢＴモジュールを用いた場合を説明したが、バイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴを用いた場合でも同様の効果を得られる。また、ＩＧＢＴモジュールのターンオフ時に発生するサージ電圧を抑制するスナバ回路を取り付けていない電力変換装置について説明したが、スナバ回路を取り付けた電力変換装置においても、交流電圧出力端子を少なくとも２ヵ所以上設けることにより特定のＩＧＢＴモジュール端子に電流が集中する現象を防止できる。さらに、実施例の図は導体板間の絶縁処理を空間距離にて確保する構造となっているが、導体板の間隔を更に短くして導体板の間に絶縁板を用いて絶縁を確保する方法でも同じ効果を得ることができる。さらに、実施例の説明ではインバータについて説明したが、コンバータに関しても適用することができる。

本発明は１モジュールで複数の端子対を持つスイッチング素子、およびスイッチング素子を並列接続する電力変換装置に利用できる。特に、鉄道、圧延機、電力分野等の大容量の電力変換装置が必要となる分野において、電流集中を防止することによる冷却装置の小型化、スイッチング素子の長寿命化の効果が大きくなる。

本発明の実施例１を示した図（平滑コンデンサ、冷却装置を除く）である。図１を右側面から見た図である。２レベル電力変換装置の回路図である。図１において導体板１０８での電流流線を示した図である。本発明の実施例２を示した図（平滑コンデンサ、冷却装置を除く）である。図５を右側面から見た図である。図５における導体板２１２での電流流線を示した図である。本発明の実施例３を示した図（平滑コンデンサ、冷却装置を除く）である。図８を右側面から見た図である。３レベル電力変換装置の回路図である。本発明の実施例４を示した図（平滑コンデンサ、冷却装置を除く）である。図１０を下面から見た図である。従来技術において導体板４０１での電流流線を示した図である。

符号の説明

１０１２レベル電力変換装置の上アームＩＧＢＴモジュール
１０２２レベル電力変換装置の下アームＩＧＢＴモジュール
１０３平滑コンデンサ
１０４正側導体板
１０６負側導体板
１０８交流出力導体板
１０９冷却装置
１１１，１１２ＩＧＢＴモジュールコレクタ端子
１１３，１１４ＩＧＢＴモジュールエミッタ端子
１２１，１２２ＩＧＢＴモジュールコレクタ端子
１２３．１２４ＩＧＢＴモジュールエミッタ端子
１３２正極電源端子
１３４負極電源端子
１３５，１３６交流電圧出力端子
１４１，１４２導体板を流れる電流流線
２０１〜２０３２レベル電力変換装置の上アームＩＧＢＴモジュール
２０４〜２０６２レベル電力変換装置の下アームＩＧＢＴモジュール
２０７平滑コンデンサ
２０８正側導体板
２１０負側導体板
２１２交流出力導体板
２１３交流出力導体板と同電位で交流電圧出力端子を兼ねるエミッタ端子と接続する導体板
２１４冷却装置
２２１〜２２９ＩＧＢＴモジュールコレクタ端子
２３１〜２３９ＩＧＢＴモジュールエミッタ端子
２４１〜２４９ＩＧＢＴモジュールコレクタ端子
２５１〜２５９ＩＧＢＴモジュールエミッタ端子
２６１〜２６９端子スペーサ
２７１〜２７３正極電源端子
２７４〜２７６負極電源端子
２８１〜２８３導体板を流れる電流流線
２９１〜２９９絶縁確保用の空隙
３０１〜３０４３レベル電力変換装置のＩＧＢＴモジュール
３０５，３０６結合ダイオード
３０７，３０８平滑コンデンサ
３１１〜３１８ＩＧＢＴモジュールコレクタ端子
３１９〜３２６ＩＧＢＴモジュールエミッタ端子
３２７〜３３０結合ダイオードアノード端子
３３１〜３３４結合ダイオードカソード端子
３４１ＩＧＢＴのエミッタ端子とＩＧＢＴのコレクタ端子と結合ダイオードのアノード端子を接続する導体板
３４２交流出力導体板
３４３ＩＧＢＴのエミッタ端子とＩＧＢＴのコレクタ端子と結合ダイオードのカソード端子を接続する導体板
３４４正側導体板
３４５中性点接続導体板
３４６負側導体板
３５１，３５２交流電圧出力端子
３６１正極電源端子
３６２，３６３中性点電源端子
３６４負極電源端子
４０１交流出力導体板
４１１交流電圧出力端子
４２１導体板を流れる電流流線

Claims

直流電圧が印加されている正極端子および負極端子を有するコンデンサと、
前記コンデンサの正極端子と第１の導体板を介して接続される第１のスイッチングモジュールと、
前記コンデンサの負極端子と第２の導体板を介して接続される第２のスイッチングモジュールと、
前記第１のスイッチングモジュールの複数の交流端子と前記第２のスイッチングモジュールの複数の交流端子とを接続する第３の導体板と、を備えた電力変換装置において、
前記第３の導体板は、前記第１のスイッチングモジュールの複数の交流端子及び前記第２のスイッチングモジュールの複数の交流端子と接続されており、複数の入出力端子を有し、
前記複数の入出力端子から前記第１のスイッチングモジュールの複数の交流端子への経路長は、それぞれ均等であり、
前記複数の入出力端子から前記第２のスイッチングモジュールの複数の交流端子への経路長は、それぞれ均等であることを特徴とする電力変換装置。
直流電圧が印加されている正極端子および負極端子を有するコンデンサと、
前記コンデンサの正極端子と第１の導体板を介して接続される複数の第１のスイッチングモジュールと、
前記コンデンサの負極端子と第２の導体板を介して接続される複数の第２のスイッチングモジュールと、
前記複数の第１のスイッチングモジュールの複数の交流端子と前記複数の第２のスイッチングモジュールの複数の交流端子とを接続する第３の導体板と、を備えた電力変換装置において、
前記第３の導体板は、前記複数の第１のスイッチングモジュールの複数の交流端子及び前記複数の第２のスイッチングモジュールの複数の交流端子と接続されており、複数の入出力端子を有し、
前記複数の入出力端子から前記複数の第１のスイッチングモジュールの複数の交流端子への経路長は、それぞれ均等であり、
前記複数の入出力端子から前記複数の第２のスイッチングモジュールの複数の交流端子への経路長は、それぞれ均等であることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記第３の導体板は対向する２辺の対を２組以上有し、一方の対の一方の辺に沿って前記第１のスイッチングモジュールの複数の交流端子が配列され、一方の対の他方の辺に沿って前記第２のスイッチングモジュールの複数の交流端子が接続されており、前記入出力端子が前記他方の対のそれぞれの辺に少なくとも１個づつ設けられていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
前記第１のスイッチングモジュールの少なくとも２個の交流端子が、前記入出力端子を兼ねていることを特徴とする電力変換装置。
請求項４に記載の電力変換装置において、
前記第１のスイッチングモジュールの全ての交流端子が、前記入出力端子を兼ねていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
前記第２のスイッチングモジュールの少なくとも２個の交流端子が、前記入出力端子を兼ねていることを特徴とする電力変換装置。
請求項６に記載の電力変換装置において、
前記第２のスイッチングモジュールの全ての交流端子が、前記入出力端子を兼ねていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の電力変換装置において、
前記入出力端子と外部の回路を第４の導体板で接続することを特徴とする電力変換装置。
請求項８に記載の電力変換装置において、
前記第４の導体板が、前記第１の導体板を挟んで、前記第２の導体板と相対する位置にあることを特徴とする電力変換装置。
請求項８に記載の電力変換装置において、
前記第４の導体板が、前記第２の導体板を挟んで、前記第１の導体板と相対する位置にあることを特徴とする電力変換装置。