JP6955205B2

JP6955205B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6955205B2
Application number: JP2017185608A
Authority: JP
Inventors: 拡田久保
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: JP2019062659A

Description

この発明は、複数の半導体スイッチング素子が並列接続される電力変換装置に関し、詳しくは、スイッチング素子に駆動信号を供給する信号ケーブル間の電磁的干渉による誤動作や信号ケーブルの絶縁破壊等を防止するための技術に関するものである。

インバータ等の電力変換装置の出力電流を増加させるため、各相の上下アームを、複数のスイッチング素子を並列接続して構成する場合がある。
図３は、このような電力変換装置の一相分の回路を示しており、Ｑ_１Ｐ，Ｑ_１Ｎ，Ｑ_２Ｐ，Ｑ_２ＮはＳｉＣ（炭化ケイ素）−ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子、１１０，１２０はそれぞれスイッチング素子Ｑ_１Ｐ，Ｑ_１Ｎ、及びＱ_２Ｐ，Ｑ_２Ｎからなる直列回路、１１１〜１１４，１２１〜１２４は信号ケーブル、２００Ｐはスイッチング素子Ｑ_１Ｐ，Ｑ_２Ｐに対する同一の駆動信号を生成する正極側駆動回路、２００Ｎはスイッチング素子Ｑ_１Ｎ，Ｑ_２Ｎに対する同一の駆動信号を生成する負極側駆動回路、３００は直流電源、４００Ｕは例えばＵ相の交流出力端子である。図から明らかなように、上アームのスイッチング素子Ｑ_１Ｐ，Ｑ_２Ｐは並列に接続され、下アームのスイッチング素子Ｑ_１Ｎ，Ｑ_２Ｎも並列に接続されている。

一般に、スイッチング素子の制御端子に接続される信号ケーブルと基準電位になるグラウンド側の信号ケーブルとは、互いに撚り合されてツイストペアハーネスを構成しており、これによって外来ノイズに起因するスイッチング素子の誤動作を防止している。図３の例では、信号ケーブル１１１，１１２、同１１３，１１４、同ケーブル１２１，１２２、同ケーブル１２３，１２４が、それぞれツイストペアハーネスとなっている。
ここで、上アームのスイッチング素子Ｑ_１Ｐ，Ｑ_２Ｐと下アームのスイッチング素子Ｑ_１Ｎ，Ｑ_２Ｎとは基準電位が異なるので、上アームのソース側の信号ケーブル１１２，１２２と下アームのソース側の信号ケーブル１１４，１２４とは、共通にすることができない。

一方、図４は、特許文献１に記載された電力変換装置の一相分の回路である。この回路の図３との相違点は、スイッチング素子Ｑ_１Ｐ〜Ｑ_２ＮとしてＩＧＢＴが使用されている点、上下アーム（正極側及び負極側）のスイッチング素子の駆動回路２００が一つにまとめられている点のみであり、基本的な回路構成は図３と同様である。

この従来技術では、並列接続されるスイッチング素子Ｑ_１Ｐ，Ｑ_２Ｐの信号ケーブルの長さと断面積、及び、スイッチング素子Ｑ_１Ｎ，Ｑ_２Ｎの信号ケーブルの長さと断面積を、それぞれ等しくすることにより、信号ケーブルのインダクタンスやインピーダンスほぼ同一にしている。具体的には、信号ケーブル１１１，１２１、同１１２，１２２、同１１３，１２３、同１１４，１２４の長さと断面積を、それぞれ等しくする。
これにより、信号ケーブルと主回路側配線ケーブルとを経由する循環電流や電圧の振動を抑制してスイッチング素子の安定的な駆動を可能にしている。

特許第５５５９２６５号公報（段落［００２６］〜［００４１］、図１，図２等）

図４に示した従来技術によると、一部の信号ケーブルを必要以上の長さにしなくてはならず、多数かつ長尺の信号ケーブルが雑然と引き回される懸念がある。特に、高速にて駆動されるスイッチング素子を用いる場合には、信号ケーブル間の急激な電位変動により電磁的干渉が発生し、スイッチング素子が誤動作するという問題があった。
特に、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とは、基準電位差が数百［Ｖ］に達する場合もあるため、信号ケーブルが絶縁破壊される恐れもあった。

そこで、本発明の解決課題は、信号ケーブル間の電磁的干渉や絶縁破壊を防止してスイッチング素子を安定して駆動可能とした電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、互いに並列接続され、かつ、基準電位が等しく、同一の駆動信号によって駆動される複数の半導体スイッチング素子を備えた電力変換装置において、
前記複数の半導体スイッチング素子に前記駆動信号を供給するための複数の信号ケーブルの全長を被覆するように、前記複数の信号ケーブルを絶縁性の結束部材により一括して結束したものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、前記複数の半導体スイッチング素子の制御端子にそれぞれ接続される信号ケーブルの長さを等しくすると共に、前記複数の半導体スイッチング素子の出力端子にそれぞれ接続される信号ケーブルの長さを等しくしたものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した電力変換装置において、前記複数の半導体スイッチング素子の制御端子にそれぞれ接続される信号ケーブルの断面積を等しくすると共に、前記複数の半導体スイッチング素子の出力端子にそれぞれ接続される信号ケーブルの断面積を等しくしたものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変換装置において、前記半導体スイッチング素子の制御端子に接続される信号ケーブルと当該半導体スイッチング素子の出力端子に接続される信号ケーブルとを、ツイストペアハーネスにより構成したものである。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した電力変換装置において、前記複数の半導体スイッチング素子が、一相分の上アームまたは下アームを構成しているものである。

本発明によれば、互いに並列接続されて基準電位が共通する複数のスイッチング素子の信号ケーブル同士を結束することにより、上下アームの信号ケーブル間の電磁的干渉や絶縁破壊を防止することができる。このため、スイッチング素子を安定的に駆動することが可能になり、信号ケーブルの絶縁耐圧を低下させてコストの低減を図ることができる。

本発明の第１実施形態を示す回路図である。本発明の第２実施形態を示す回路図である。従来技術を示す回路図である。特許文献１に記載された従来技術を示す回路図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す回路図である。図１において、図３と同一の部分については同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では図３との相違点を中心に説明する。

この第１実施形態では、互いに並列接続されていて基準電位が同一である上アームのスイッチング素子Ｑ_１Ｐ，Ｑ_２Ｐの信号ケーブル１１１，１１２，１２１，１２２が結束部材５０１Ｐにより一括して結束され、同様に、下アームのスイッチング素子Ｑ_１Ｎ，Ｑ_２Ｎの信号ケーブル１１３，１１４，１２３，１２４が結束部材５０１Ｎにより一括して結束されている。
ここで、結束部材５０１Ｐ，５０１Ｎとしては、絶縁性の結束バンド、スパイラルチューブ、ビニールテープ等を用いることができる。

なお、図１における結束部材５０１Ｐ，５０１Ｎは、当該箇所のみを部分的に結束することを示すものではなく、各駆動回路２００Ｐ，２００Ｎからスイッチング素子Ｑ_１Ｐ，Ｑ_２Ｐ，Ｑ_１Ｎ，Ｑ_２Ｎの各端子（電極）に至る信号ケーブルの、できれば全長を被覆するように結束部材５０１Ｐ，５０１Ｎを使用することが望ましい。
このことは、後述する第２実施形態においても同様である。

また、スイッチング素子Ｑ_１Ｐの制御端子（ゲート）に接続される信号ケーブル１１１と出力端子（ソース）に接続される信号ケーブル１１２、同じくスイッチング素子Ｑ_２Ｐの信号ケーブル１２１と信号ケーブル１２２、同じくスイッチング素子Ｑ_１Ｎの信号ケーブル１１３と信号ケーブル１１４、同じくスイッチング素子Ｑ_２Ｎの信号ケーブル１２３と信号ケーブル１２４とは、何れもツイストペアハーネスにより構成されている。
ここで、上記のように各スイッチング素子の一対の信号ケーブルにツイストペアハーネスを使用することは、本発明において必ずしも必須要件ではない。
なお、この実施形態においても、特許文献１と同様に、信号ケーブル１１１と１２１との長さや断面積を等しくし、同様に信号ケーブル１１２と１２２、１１３と１２３、１１４と１２４についても、長さや断面積を等しくすることが望ましい。

この実施形態において、上アームのスイッチング素子Ｑ_１Ｐ，Ｑ_２Ｐは、正極側駆動回路２００Ｐから供給される同一の駆動信号によりオン・オフし、下アームのスイッチング素子Ｑ_１Ｎ，Ｑ_２Ｎは負極側駆動回路２００Ｎから供給される同一の駆動信号により、スイッチング素子Ｑ_１Ｐ，Ｑ_２Ｐとは逆のタイミングでオン・オフする。これにより、交流出力端子４００Ｕからは所定の大きさと周波数の交流電圧が出力される。

ここで、上アーム側の信号ケーブル１１１，１１２，１２１，１２２、下アーム側の信号ケーブル１１３，１１４，１２３，１２４は、結束部材５０１Ｐ，５０１Ｎによりそれぞれ結束されているため、基準電位が異なる上アーム側の信号ケーブルと下アーム側の信号ケーブルとを分離して配置でき、両ケーブルが混在するのを回避することができる。
これにより、上アーム側の信号ケーブルと下アーム側の信号ケーブルとの電磁的干渉を防止してスイッチング素子の誤動作を防止することができる。
また、基準電位が異なる信号ケーブルを分離して配置することによって信号ケーブルの絶縁破壊を防ぎ、低耐圧の信号ケーブルを使用可能としてコストの低減に寄与することができる。

次に、図２は本発明の第２実施形態を示す回路図である。この第２実施形態は、第１実施形態を三相インバータに適用した場合のものである。
図２において、Ｑ_１Ｐ，Ｑ_１Ｎ，Ｑ_２Ｐ，Ｑ_２ＮはＵ相のスイッチング素子、２０１Ｐは正極側駆動回路、４００ＵはＵ相の交流出力端子、Ｑ_３Ｐ，Ｑ_３Ｎ，Ｑ_４Ｐ，Ｑ_４ＮはＶ相のスイッチング素子、２０２Ｐは正極側駆動回路、４００ＶはＶ相の交流出力端子、Ｑ_５Ｐ，Ｑ_５Ｎ，Ｑ_６Ｐ，Ｑ_６ＮはＷ相のスイッチング素子、２０３Ｐは正極側駆動回路、４００ＷはＷ相の交流出力端子、２０１Ｎは全相に共通の負極側駆動回路である。

１１１〜１１４，１２１〜１２４は、前記同様にツイストペアハーネスを構成する信号ケーブルであり、図２では、煩雑さを避けるために、Ｕ相のスイッチング素子Ｑ_１Ｐ，Ｑ_１Ｎ，Ｑ_２Ｐ，Ｑ_２Ｎのみに信号ケーブルの参照符号を付してある。
更に、５０１Ｐ，５０２Ｐ，５０３Ｐは各相の上アーム側の信号ケーブルをそれぞれ結束する結束部材、５０１Ｎ，５０２Ｎ，５０３Ｎは各相の下アーム側の信号ケーブルをそれぞれ結束する結束部材、５０４Ｎは下アーム側の全相の信号ケーブルを一括して結束する結束部材である。この実施形態においては、相ごとに、互いに並列接続されて基準電位が同一であるスイッチング素子の複数の信号ケーブルが、結束部材によって結束されることになる。

この実施形態によれば、第１実施形態と同様な効果が得られるほか、多数の信号ケーブルを相ごとに分離して配置できるため、各相間での電磁的干渉を防止することが可能である。

なお、上述した各実施形態では、一相分の上アーム及び下アームが、それぞれ２個のスイッチング素子を並列接続して構成されているが、スイッチング素子の並列接続数は３個以上であっても良い。また、電力変換装置の相数も、単相、三相を問わず、更に多相であっても良い。
加えて、電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ、バイポーラパワトランジスタ等、各種の素子を使用することができる。

本発明は、互いに並列接続された複数のスイッチング素子を有するインバータやコンバータ、チョッパ等の電力変換装置に利用することができる。

１１１〜１１４，１２１〜１２４：信号ケーブル
２００Ｐ，２０１Ｐ，２０２Ｐ，２０３Ｐ：正極側駆動回路
２００Ｎ，２０１Ｎ：負極側駆動回路
３００：直流電源
４００Ｕ，４００Ｖ，４００Ｗ：交流出力端子
５０１Ｐ，５０２Ｐ，５０３Ｐ，５０１Ｎ，５０２Ｎ，５０３Ｎ，５０４Ｎ：結束部材
Ｑ_１Ｐ，Ｑ_１Ｎ，Ｑ_２Ｐ，Ｑ_２Ｎ，Ｑ_３Ｐ，Ｑ_３Ｎ，Ｑ_４Ｐ，Ｑ_４Ｎ，Ｑ_５Ｐ，Ｑ_５Ｎ，Ｑ_６Ｐ，Ｑ_６Ｎ：半導体スイッチング素子

Claims

互いに並列接続され、かつ、基準電位が等しく、同一の駆動信号によって駆動される複数の半導体スイッチング素子を備えた電力変換装置において、
前記複数の半導体スイッチング素子に前記駆動信号を供給するための複数の信号ケーブルの全長を被覆するように、前記複数の信号ケーブルを絶縁性の結束部材により一括して結束したことを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載した電力変換装置において、
前記複数の半導体スイッチング素子の制御端子にそれぞれ接続される信号ケーブルの長さを等しくすると共に、前記複数の半導体スイッチング素子の出力端子にそれぞれ接続される信号ケーブルの長さを等しくしたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１または２に記載した電力変換装置において、
前記複数の半導体スイッチング素子の制御端子にそれぞれ接続される信号ケーブルの断面積を等しくすると共に、前記複数の半導体スイッチング素子の出力端子にそれぞれ接続される信号ケーブルの断面積を等しくしたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変換装置において、
前記半導体スイッチング素子の制御端子に接続される信号ケーブルと当該半導体スイッチング素子の出力端子に接続される信号ケーブルとを、ツイストペアハーネスにより構成したことを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜４の何れか１項に記載した電力変換装置において、
前記複数の半導体スイッチング素子が、一相分の上アームまたは下アームを構成していることを特徴とする電力変換装置。