JP5503864B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents
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Description
を備える。
まず、本発明によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の例を説明する。
順変換器1は、交流電圧を直流に整流する。平滑コンデンサ2は、整流された直流電圧の脈動分を平滑化する。逆変換器3は、平滑化された直流電圧を周波数の調整可能な交流電圧として出力する。交流電動機4は、出力された交流電圧により制御される。ドライバ回路7は、逆変換器3の交流周波数を制御する。
図2は、電力変換装置の主回路部品配置図である。本発明の電力変換装置は、順変換器1、逆変換器3及び回生制動回路9が一個のモジュール内に搭載された複合モジュールとして構成されたパワー半導体モジュール10、冷却フィン12、および冷却ファン6、平滑コンデンサ2を備えた主回路基板14、樹脂モールドケース13を備える 発熱体であるパワー半導体モジュール10からの熱は、冷却フィン12に熱伝導され、冷却ファン6によって冷却フィンに空気が送られ、熱交換されて放熱される配置構造となっている。
電力変換装置11により駆動される交流電動機4が減速するとき、回転体である交流電動機の慣性により、回転エネルギーは電力に変換され、電力変換装置内部の平滑コンデンサ2に帰還され、静電エネルギーとして貯蔵される。ところが、平滑コンデンサの静電容量は比較的小さいため、収まりきらない余剰エネルギーは、平滑コンデンサの両端電圧VPNを増加させる。
上記回転エネルギーを回生制動抵抗器19に熱として消費させる方法は、交流電動機を減速させることはできても、急停止させることはできない。慣性によって回転エネルギーを保った交流電動機4は発電機として電力を発生し、所定の抵抗値を持つ回生制動抵抗がその電力を消費することで回転を徐々に減速していくからである。
この速度起電力E(残留電圧)は、接続された負荷特性により減衰挙動が異なる。
図5は、本発明の第一の実施形態に係るダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載したパワー半導体モジュール10の構成を示す図である。端子Uと端子Wとの間には、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15が設けられている。このスイッチング素子15をオンさせることで、交流電動機4の端子Uおよび端子Wが短絡される。つまり、交流電動機4に発生していた各相の速度起電力Eu(U相)、Ew(W相)が短絡され、回転エネルギーが交流電動機の内部インピーダンスで熱として消費されることになる。
図6は、本発明の第二の実施形態に係るダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載したパワー半導体モジュール10の構成を示す図である。ここでは、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子18として、逆阻止能力を有するIGBTを使用する点が図5と異なる。
図7は、本発明の第三の実施形態に係るダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載したパワー半導体モジュール10の構成を示す図である。ここでは、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15を、SH1端子と、U端子との間に設ける。緊急停止時には、このスイッチング素子15をオンさせることで、制動電流は、V端子またはW端子に接続する下アーム部のスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードを通じて、交流電動機4へ帰還する。本構成では、交流電動機4の端子U,Vおよび端子U,Wが短絡される。つまり、交流電動機4に発生していた各相の速度起電力Eu(U相)、Ev(V相)、Ew(W相)が、短絡されることになる。
図8は、本発明の第四の実施形態に係るダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載したパワー半導体モジュール10の構成を示す図である。ここでは、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15を、順変換器1の基準と同電位であるN端子と、U端子との間に設ける。上述した第三の実施形態と比較すると、電流検出用のシャント抵抗17の設置場所が相違する。
図9は、本発明の第五の実施形態に係るダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載したパワー半導体モジュール10の構成を示す図である。ここでは、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子18として、2個の逆阻止能力を有するIGBTを設ける。また、交流電動機の巻線抵抗が小さい場合に、制動電流を抑える目的で、外部に直列に制動抵抗Rを接続する端子DB1、DB2を設ける。この場合の制動電流は、
図10は、本発明の第六の実施形態に係るダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載したパワー半導体モジュール10の構成を示す図である。ここでは、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子18の内部に、2個の逆阻止能力を有するIGBTを設ける。本実施形態は、上記第一〜第四の実施形態で、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15としての逆阻止能力を有するIGBTが1個であったものを、2個にしたものである。
以上の実施形態では、交流電動機を急停止させる目的で上位から制動開始指令信号DBSを受けた場合について説明したが、予め制動開始周波数と制動時間を前記操作パネル7により設定出来る構成にしても、同様の効果が得られることは言うまでもない。
本発明によれば、パワー半導体モジュール内部にダイナミックブレーキ用スイッチング素子を設け、交流電動機の各相を前記スイッチング素子で短絡し、交流電動機に制動電流を流し交流電動機を急停止させる。これにより、電力変換装置にダイナミックブレーキ用の個別モジュールを付加することなく、電動機の停止性能を向上させ、装置の小型化およびコスト削減を図ることができる。
Claims (10)
- 筐体内部の絶縁基板上に電子部品が搭載され、前記筐体外部に備えられた三相交流電動機を制御するパワー半導体モジュールであって、
前記絶縁基板上に、
互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組のスイッチング素子と、
該スイッチング素子の各々に逆並列に接続されたダイオード素子と、
前記三相交流電動機のうちいずれか一相と前記下段側素子のソース端子との間に設けられたダイナミックブレーキ用スイッチング素子と、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 筐体内部の絶縁基板上に電子部品が搭載され、前記筐体外部に備えられた三相交流電動機を制御するパワー半導体モジュールであって、
前記絶縁基板上に、
互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組のスイッチング素子と、
該スイッチング素子の各々に逆並列に接続されたダイオード素子と、
前記下段側素子のソース端子と基準電位との間に設けられた抵抗素子と、
前記三相交流電動機のうちいずれか一相と前記基準電位との間に設けられたダイナミックブレーキ用スイッチング素子と、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 筐体内部の絶縁基板上に電子部品が搭載され、前記筐体外部に備えられた三相交流電動機を制御するパワー半導体モジュールであって、
前記絶縁基板上に、
互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組のスイッチング素子と、
該スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオード素子と、
前記三相交流電動機のうちいずれか二相間に並列接続された2個のダイナミックブレーキ用スイッチング素子と、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、さらに、
互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組の整流用のダイオード素子と、
サイリスタ素子と、
回生制動用スイッチング素子と、
該回生制動用スイッチング素子に接続された還流用ダイオード素子と、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記素子の各々はチップ素子であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記ダイナミックブレーキ用スイッチング素子はIGBT素子であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記ダイナミックブレーキ用スイッチング素子はダイナミックブレーキ用サイリスタ素子であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記ダイナミックブレーキ用スイッチング素子は逆阻止能力を有することを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項3に記載のパワー半導体モジュールであって、
さらに、前記ダイナミックブレーキ用スイッチング素子に直列に接続される端子を有することを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 請求項3に記載のパワー半導体モジュールであって、
前記2個のダイナミックブレーキ用スイッチング素子は、互いに逆向きに接続されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
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