JP6293941B2 - 3レベル電力変換装置 - Google Patents
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電力変換セルの幅寸法はある程度の上限が設けられるため、3レベル電力変換装置の幅寸法を大幅に小さくするには、電力変換セルを垂直方向に積み上げる方針で組み立てる必要がある。しかし、単に電力変換セルを垂直方向に積み上げると、高さ寸法が大きくなり過ぎてしまう。
そして、上記3レベル電力変換装置においては、電力変換モジュール集合体の主面に配置された複数個の電力変換モジュールは、その長手方向を水平方向にして規定の長さの範囲内で当該装置筐体の水平方向に順次並べて配置され、規定の長さを越える分の電力変換モジュールについては、段を変えて配置され、そして複数個の電力変換モジュール集合体は、各々の主面が鉛直方向と平行、かつ、各々の長手方向が平行となるように、縦積みで実装され、縦積みされた複数個の電力変換モジュール集合体が対向するように各相に対応して設けられている。
まず、3レベル電力変換回路について説明する。図1は、本発明の一実施の形態に係る3レベル電力変換回路を示す回路図である。
3レベル電力変換装置に使用されるU相,V相,W相の3レベル電力変換回路10は、3相とも同一の構成である。U相,V相,W相の各相において、図1に示すような3レベル電力変換回路10を複数個並列に組むことにより、3レベル電力変換装置の出力容量を増加させることができる。
第1の中性点IGBTモジュール2及び第2の中性点IGBTモジュール3は、中性点直流電源母線(以下、「C母線」と記述する)の電位を出力する。以下、第1の中性点IGBTモジュール2及び第2の中性点IGBTモジュール3を、単にIGBTモジュール2及びIGBTモジュール3と記述することもある。
負側IGBTモジュール4は、負側直流電源母線(以下、「N母線」と記述する)の電位を出力する。負側IGBTモジュール4を、単にIGBTモジュール4と記述することもある。
これらIGBTモジュール1〜4は、P母線とN母線との間に直列に接続される。
正側IGBTモジュール1と第1の中性点IGBTモジュール2の接続点とC母線の間に、C母線の電位を出力するための正側ダイオードモジュール5が接続される。
また、第2の中性点IGBTモジュール3と負側IGBTモジュール4の接続点とC母線の間に、C母線の電位を出力するための負側ダイオードモジュール6が接続される。
正側ダイオードモジュール5及び負側ダイオードモジュール6は、いわゆる中性点クランプダイオードモジュールである。以下、正側ダイオードモジュール5及び負側ダイオードモジュール6をそれぞれ、単にダイオードモジュール5及びダイオードモジュール6とも記述する。
第1の中性点IGBTモジュール2のエミッタ主端子は、第2の中性点IGBTモジュール3のコレクタ主端子に接続される。
第2の中性点IGBTモジュール3のエミッタ主端子は、負側IGBTモジュール4のコレクタ主端子に接続される。
負側IGBTモジュール4のエミッタ主端子は、Nブス17を介して負側端子11N(N母線)と接続される。
正側ダイオードモジュール5のカソード主端子は、正側中性点クランプ用ブス14を介して、正側IGBTモジュール1と第1の中性点IGBTモジュール2との接続点に接続される。そのアノード主端子は、Cブス13を介して中性点端子11C(C母線)と接続される。
負側ダイオードモジュール6のカソード主端子は、Cブス13を介して中性点端子11C(C母線)と接続される。そのアノード主端子は、負側中性点クランプ用ブス15を介して、第2の中性点IGBTモジュール3と負側IGBTモジュール4との接続点に接続される。
第1の中性点IGBTモジュール2と第2の中性点IGBTモジュール3との接続点が、交流電力の出力点になる。第1の中性点IGBTモジュール2と第2の中性点IGBTモジュール3との接続点から、交流電力が出力用ブス18を介して交流電動機側へ出力される。
ところで、スイッチング素子によって回路の電流を突然遮断すると自己インダクタンスによって電圧が急上昇することが知られている。この対策のため、スイッチング素子のターンオフ時に生じる過渡的な高電圧を吸収する保護回路として、スナバ回路が設けられる。スナバ回路がスパイク状の高電圧を抑制することで、スイッチング素子自身や周囲の電子部品の損傷を防ぎ電磁ノイズを最小化する。一般に、コンデンサ(キャパシタ)と抵抗器を直列に接続したものをスイッチング素子に並列に配置する回路が多い。これにダイオードを組み合わせたものなどもある。
以下に述べる実施の形態では、電力変換モジュールを、その長手方向を電力変換装置の底面と平行にして、横方向に順次並べて電力変換セルに配置する。
より具体的には、電力変換モジュールを、その長手方向を装置筐体の底面と平行にして、規定の長さの範囲内で当該装置筐体の底面と平行な方向に順次並べて、電力変換セルに配置する。ここで、規定の長さを越える分の電力変換モジュールについては、段を変えて電力変換セルに配置する。
図2に示す電力変換セルは、IGBTモジュール1〜4と、ダイオードモジュール5,6と、複数のブスから構成される電気部品の集合体(電力変換モジュール集合体)である。以下、電力変換セルを、IGBTセルと記述する。
同様に、IGBTモジュール2からIGBTモジュール1へ向かう向きを正とし、IGBTモジュールの長手方向に平行な向きにX軸を設定する。
また、Cブス13からIGBTモジュールへの向きを正とし、X軸及びZ軸に直交する軸をY軸と設定する。IGBTモジュールの主面は、X−Z平面に平行である。Cブス13は、ダイオードモジュール5のアノード主端子とダイオードモジュール6のカソード主端子とC母線とを等電位に接続する、板状のブスである。
正側中性点クランプ用ブス14は、IGBTモジュール1のエミッタ主端子と、IGBTモジュール2のコレクタ主端子と、ダイオードモジュール5のカソード主端子とを等電位に接続する、板状のブスである。
負側中性点クランプ用ブス15は、IGBTモジュール3のエミッタ主端子と、IGBTモジュール4のコレクタ主端子と、ダイオードモジュール12のアノード主端子とを等電位に接続する、板状のブスである。
正側中性点クランプ用ブス14と負側中性点クランプ用ブス15の下側に、Pブス16、Nブス17、及び出力用ブス18が配置されている。
以下、正側中性点クランプ用ブス14及び負側中性点クランプ用ブス15を、単にブス14及びブス15と記述することもある。
Pブス16は、IGBTモジュール1のコレクタ主端子とP母線とを等電位に接続する、板状のブスである。
Nブス17は、IGBTモジュール4のエミッタ主端子とN母線とを等電位に接続する、板状のブスである。
出力用ブス18は、IGBTモジュール2のエミッタ主端子とIGBTモジュール3のコレクタ主端子とを等電位に接続し、交流電力を出力する、板状のブスである。
また、IGBTモジュール1とIGBTモジュール2の短手方向(短辺)同士、及び、IGBTモジュール3とIGBTモジュール4の短手方向同士を、それぞれ対向するように隣接させて実装する。
また、ダイオードモジュール5とダイオードモジュール6の長手方向同士を、それぞれ対向するように隣接させて実装する。
さらに、IGBTモジュール2とダイオードモジュール5の短手方向同士、並びに、IGBTモジュール3とダイオードモジュール6の短手方向同士を、それぞれ対向するように隣接させて実装する。
図6に示す電力変換装置30は、上記の3レベル電力変換回路10(図1参照)を採用した、U相,V相,W相の3相の3レベル電力変換装置31U,31V,31Wを備えている。3レベル電力変換装置31U,31V,31Wは、図7〜図9を参照して後述するように、複数の電力変換セルを有する。V相とW相の回路構成はU相と同一であるので、図6では、U相の3レベル電力変換装置31Uのみ内部の回路構成を示している。
1個の電力変換セルに対して、2個の平滑コンデンサが割り当てられる。IGBTセル20−1の3レベル電力変換回路の正側端子11Pと中性点端子11Cとの間に、1個目の平滑コンデンサ21が接続される。また、IGBTセル20−1の3レベル電力変換回路の中性点端子11Cと負側端子11Nとの間に、2個目の平滑コンデンサ22が接続される。
次に、図7〜図9を参照して、上記の3レベル電力変換回路を備える3レベル電力変換装置31U,31V,31W及び電力変換装置30の構造を説明する。
図7は、3相の3レベル電力変換装置31U,31V,31Wを備える電力変換装置30の構造例を示す概略正面図である。
図8は、3相の3レベル電力変換装置31U,31V,31Wを備える電力変換装置30の構造例を示す概略背面図である。
図9は、図7に示した電力変換装置30のA−A線に沿う概略断面図である。
例えば、3レベル電力変換回路に6個のIGBTモジュールを用い、IGBTセルの長手方向に3列、短手方向に3行のIGBTモジュールを配置する構成としてもよい。
また、例えば3レベル電力変換回路に8個のIGBTモジュールを用いた場合、規定の長さの範囲を超えないよう1段目に4個のIGBTモジュールを配置し、2段目も4個のIGBTモジュールを配置する構成としてもよい。
または、8個のIGBTモジュールを用いて、規定の長さの範囲を超えないよう1段目と2段目に3個のIGBTモジュールを配置し、3段目に2個のIGBTモジュールを配置する構成としてもよい。この場合、3段目の空きスペースに、2個の中性点クランプ用のダイオードモジュールを配置することで、空きスペースを有効活用して電力変換セルの外形を大きくすることなく、ダイオードモジュールを配置することができる。
Claims (4)
- 正側直流電源、中性点直流電源及び負側直流電源がそれぞれ正側端子と接続する正側板状導体、中性点端子と接続する中性点板状導体及び負側端子と接続する負側板状導体を介して供給され、スイッチング素子及びこのスイッチング素子に並列に接続された還流ダイオードを少なくとも1組以上を内部に含む、複数個の電力変換モジュールと、中性点クランプ用の第1及び第2のダイオードモジュールとが主面に配置された複数個の電力変換モジュール集合体と、
両端を前記電力変換モジュール集合体の前記正側端子及び前記中性点端子と直結された第1の平滑コンデンサと、
両端を前記電力変換モジュール集合体の前記中性点端子及び前記負側端子と直結された第2の平滑コンデンサと、
を備え、
前記電力変換モジュール集合体の主面に配置された複数個の前記電力変換モジュールは、その長手方向を水平方向にして規定の長さの範囲内で3レベル電力変換装置の筐体の水平方向に順次並べて配置され、前記規定の長さを越える分の電力変換モジュールについては、段を変えて配置され、そして複数個の前記電力変換モジュール集合体は、各々の主面が鉛直方向と平行、かつ、各々の長手方向が平行となるように、縦積みで実装され、縦積みされた複数個の前記電力変換モジュール集合体が対向するように各相に対応して設けられており、
前記電力変換モジュール集合体は、
前記スイッチング素子として、前記正側板状導体と前記負側板状導体との間に順次直列に接続された第1〜第4のスイッチング素子と、
前記還流ダイオードとして、前記第1〜第4のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された第1〜第4の還流ダイオードと、
前記中性点板状導体にアノード側を、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子との接続点である正側中性点クランプ用板状導体にカソード側を接続された前記第1のダイオードモジュールと、
前記第3のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子との接続点である負側中性点クランプ用板状導体にアノード側を、前記中性点板状導体にカソード側を接続された前記第2のダイオードモジュールと、を備え、
前記第2のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子との接続点である出力用板状導体から3レベルの交流電圧の出力を得るように構成され、
前記正側板状導体、前記中性点板状導体、前記負側板状導体、前記正側中性点クランプ用板状導体、前記負側中性点クランプ用板状導体、及び前記出力用板状導体は、前記電力変換モジュール集合体の主面に平行に配置されており、
前記正側板状導体、前記負側板状導体及び前記出力用板状導体はそれぞれ、同一平面に配置された複数個の前記電力変換モジュールのうち対応する電力変換モジュールの表面に平行に配置されており、
前記正側中性点クランプ用板状導体及び前記負側中性点クランプ用板状導体は、略同一平面となるように配置された前記正側板状導体、前記負側板状導体及び前記出力用板状導体と対向するように配置されており、
前記中性点板状導体は、前記正側中性点クランプ用板状導体及び前記負側中性点クランプ用板状導体と対向するように配置されている
3レベル電力変換装置。 - 前記電力変換モジュール集合体の主面の長手方向が、前記筐体の奥行き方向と平行である
請求項1に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記電力変換モジュール集合体において、隣り合う前記電力変換モジュールの長手方向同士、及び隣り合う前記電力変換モジュールの短手方向同士が隣接して配置されている
請求項2に記載の3レベル電力変換装置。 - 前記スイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタである
請求項3に記載の3レベル電力変換装置。
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