JPH04322174A - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は車両用電力変換装置に係
わり、特に高速スイッチング素子を用いターンオフ時の
サージ電圧の発生を低減した車両用電力変換装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】車両用電力変換装置としてバイポーラ・
ダーリントン・トランジスタ（以下ＧＴＲと称す）を用
いたＰＷＭ制御による駆動電動機可変速装置が広く採用
されているが、そのスイッチング周波数は素子の特性上
の理由により１〜５ｋＨｚ程度に制限されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように素子の特性
上の制約によりスイッチング周波数に限度があり次のよ
うな問題が生じる。

【０００４】（１）この素子を用いた電力変換装置の出
力電流のリップルが小さくならず、モータ騒音の主因と
なり、さらにモータの発熱損も増加し、このための絶縁
を強固にする必要からモータの形状も大形化する。 （２）このリップルを除去するためフィルタ回路が必要
となり装置が大形化する。 （３）電力変換装置の構成部品は使用周波数が高くなる
と一般に小型化することができるが、このメリットが得
られない。

【０００５】又車両固有の制約として、特に床下機器等
では、機器に割り当てられるスペースが限られており、
それより高実装密度が要求される。更にメンテナンスフ
リーの風潮の中にあり、素子冷却を自冷とする事が必須
となる。これらの条件下において、従来よりの一般の電
力変換装置でみられる、盤構造型の実装技術は適用でき
ないものである。

【０００６】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、高速スイッチング素子を用い、装置およびシステム
の小形化、軽量化を図り騒音の少ない電力変換装置を提
供する事を目的とする。 ［発明の構成］

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
高速スイッチング素子を用いるが、この素子の使用に付
随する問題を配置的に解決するようにしたもので、本発
明の電力変換装置は直流電力を交流電力変換する電力変
換装置に於て、交流各相の上アーム、下アームを高速ス
イッチング素子で構成し、それと近接して対応するスナ
バ抵抗４又はスナバコンデンサ３を配設したスタックで
、これに接続される導体は重ね合わせた形で接続された
ものである。

【０００８】

【作用】一般に高速スイッチング素子（以下ＩＧＢＴと
称す。ＩＧＢＴはＩｎｓｕｌａｔｅｄ　　Ｇａｔｅ　　
Ｂｉｐｏｌａｒ　　Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒの略）を電力
変換装置に適用する場合その高速性（例えばスイッチン
グ周波数が１０ｋＨｚ以上となる）のため、ＧＴＲを用
いた場合よりターンオフ時のサージ電圧が大きくなる。 図１５はこれを説明するもので、ターンオフ時の電圧波
形３０、電流波形３１、エネルギ損３２、サージ電圧３
０ａを表わしている。サージ電圧３０ａは、下記式でも
明らかな様にサージ電圧３０ａ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔ

【０００９】素子廻りのインダクタンスＬに大きく影響
される、又ｄｉ／ｄｔが大きくなる、すなわち高速にな
るにつれて大きくなる。これが高速化の妨げであり又サ
ージ電圧３０ａが大きくなる事は、素子特性である耐圧
の利用率を悪くする事であり、これにより素子の直列数
が増加し、装置を長大化し、さらに無駄な部分を多く作
る事にもつながる。

【００１０】このサージ電圧３０ａを低く抑制するには
、配線インダクタンスＬ及びｄｉ／ｄｔを小さくする事
にあるが、ｄｉ／ｄｔは素子の大容量化及び高速化と相
反するもので避けられないものであり、これより今まで
以上に配線インダクタンスＬを極限に近づくよう小さく
しなければならない。これが最終的な課題とも言えよう
。

【００１１】本発明は上記構成により、スナバ回路を構
成するスナバ抵抗又はスナバコンデンサを、対応するＩ
ＧＢＴに近接して配置して配線長を短くし、スナバ回路
のインダクタンスを低くし、サージ電圧３０ａを抑制す
る事はもとより、更にこれらＩＧＢＴ２に接続される主
回路導体（直流入力導体及び交流導体）を密着の如く重
ね合わせる事により、磁束の打ち消し合いの効果により
インダクタンスＬを激減させる事ができる。この時導体
間の絶縁は充分に考えられているものである。又直流導
体ばかりでなく交流導体をも重ね合わせる事により一層
低減の効果が得られる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図６を用いて
説明する。

【００１３】図１は図４に示した回路図の上下アーム（
相）に相当する部分の実装状態を示したもので、左半分
が上アーム、右半分が下アームに相当する。ＩＧＢＴ２
　は特に冷却上の都合によりヒートパイプ１に実装し、
それに対応するスナバ抵抗３又はスナバコンデンサ４は
ヒートパイプ１の裏面もしくは上下面に配置し、極めて
近接した配置として低インダクタンスを実現している。 こうして得られた上アームスタックもしくは下アームス
タックを、ＩＧＢＴ３の実装面が相対するよう配置する
事により、これらに接続される直流入力導体６，７及び
交流入力導体８が重ね合わされる形で接続され、これら
導体を流れる電流によって生じる。磁束が打ち消し合う
事により低インダクタンス化を実現する。図２はヒート
パイプ１にＩＧＢＴ２を実装したものを示し上もしくは
下アームの素子部を表わしている。ＩＧＢＴ２はヒート
パイプ面に物理的に可能な限り夫々近接して配置するも
のとしている。図３はスタックに接続される導体を示し
たものである。図５はスナバ抵抗４、スナバコンデンサ
３等を実装したものを表わしておりできる限りＩＧＢＴ
２に近づく配置としている。図６はこれら相ユニット９
を３個組込み更に制御部１０を要し、いわゆる電力変換
装置として構成したものである。

【００１４】以上のように構成された電力変換装置にお
いてＩＧＢＴ２とそれに対応するスナバ抵抗４又はスナ
バコンデンサ３が近接されたスタックで、それに接続さ
れる入出力導体は重ね合わせた形で接続されることによ
り、その低インダクタンス化によりＩＧＢＴ２のターン
オフ時のサージ電圧３０ａを激減する事ができる。これ
により容易にスイッチング周波数の高速化が実現する。 すなわちＩＧＢＴ２の特徴を活かす事ができると言える
。 次に図７〜図１２を用いて第２の実施例を説明する。

【００１５】図７は図９〜図１１に示す回路図、すなわ
ち車両用架線に直接接続した３分圧電力変換装置の１段
分のスタック図を示す。ＩＧＢＴ２ａの接続は図１１の
如く１Ｓ２Ｐ接続とし１相で４個のＩＧＢＴ２ａを要す
。この１相分をヒートパイプ１に配置する。

【００１６】この相ユニット９１　を３相分並べ１段分
の変換部分としたものである。この場合でも図８に示す
ように直流入力導体６ａ，７ａは重ね合わせ又交流出力
導体５ａも重ね合っている。

【００１７】第１の実施例における図３と第２の実施例
における図８は原理的には同じである。又図１２は３分
圧時に於ける変換器２４のベクトル的に示したもので、
この方式では３段とも全く同じタイミングでスイッチン
グする事となる。図１３は図７、１段分の変換部分を３
段分並べて、更に架線直線接続特有の機器サイリスタス
イッチ２０等を有している。制御部１０ａは、どの場合
でも必要不可欠の部品である。これらをまとめて架線直
接接続の電力変換装置としたものである。

【００１８】図１４は第２の実施例における図７の変形
例でＩＧＢＴ２ａに対応するスナバコンデンサ４ａ、ス
ナバ抵抗３ａをＩＧＢＴ２ａ側上位面に配置したもので
、スナバ回路のインダクタンス低減に効果している事は
前例と変わらない。第２の実施例に於ける作用効果は第
１実施例と同様である。以上に述べる第１及び第２実施
例の効果は次の通りである。 （１）出力電流のリップルを小さくする事により、モー
タの小形化及低騒音化ができる。更に変換装置そのもの
の静音化にも大きな効果がある。 （２）出力フィルタ回路が省略できシステムの小形化、
簡素化ができる。 （３）高い周波数域で運転できるので主回路電気品の小
形化ができる。 （４）ＩＧＢＴはＭｏｓゲート入力の為（電圧駆動形）
駆動電力が極めて小さくて済みベース駆動回路の小形化
ができる。以上の複合作用によりシステムの小形化、軽
量化、低騒音化が図れる。又車両固有の制約条件にも良
く適合した実装技術となる。

【００１９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明は
高速スイッチング素子を用い、各構成部品を近接し、か
つ接続導体を重ね合わせる事により、サージ電圧の発生
を激減し、小形、軽量で低騒音の車両用電力変換装置を
実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のスタック構成を示す図。

【図２】同スタックの側面図でＩＧＢＴ配置を示す図。

【図３】ＩＧＢＴに接続される導体を示した図。

【図４】第１実施例の１相当たりの回路図。

【図５】スタック側面図でスナバ部品の配置を示す図。

【図６】第１実施例の変換装置を示す図。

【図７】第２実施例のスタック構成図。

【図８】この場合のＩＧＢＴに接続される導体を示した
図。

【図９】第２実施例の回路図。

【図１０】第２実施例の回路図。

【図１１】第２実施例の回路図。

【図１２】１相当たりの回路図である。

【図１３】第２実施例の変換装置を示す図。

【図１４】図７における変形例。

【図１５】ＩＧＢＴのターンオフ特性を示す図。

【符号の説明】

１…ヒートパイプ、２，２ａ…ＩＧＢＴ、３…スナバコ
ンデンサ、４，４ａ…スナバ抵抗、５，６，７…入出力
導体、８…亘り導体、９，９ａ，９１…スタック（ユニ
ット）、１０，１０ａ…制御部、１１，１１ａ…変換装
置、１２…フィルタコンデンサユニット、１３…スナバ
コンデンサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　直流電力を交流電力変換する車両用電
   力変換装置において、交流各相の上アーム、下アームを
   高速スイッチング素子で構成し、それと近接して対応す
   るスナバ抵抗又はスナバコンデンサを配設したスタック
   でこれに接続される導体は、重ね合わせた形で接続され
   る事を特徴とする車両用電力変換装置。