JPH11155286A

JPH11155286A - 電力変換装置

Info

Publication number: JPH11155286A
Application number: JP9322677A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Sakamoto; 坂本　　潔; Takashi Ikimi; 高志伊君; Kenichi Onda; 謙一恩田; Masahiro Tobiyo; 飛世　　正博
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-11-25
Filing date: 1997-11-25
Publication date: 1999-06-08
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: KR19990045432A; KR100661473B1; US6028779A; CN1108657C; CN1218328A; JP3424532B2

Abstract

(57)【要約】【課題】すべての動作状態でサージ電圧を低減でき、か
つ構造の簡単な電力変換装置を提供することにある。【解決手段】半導体スイッチ素子１１〜１４，ダイオー
ド２１，２２、および平滑用コンデンサ３１，３２を板
状導体５１〜５６により接続してなる中性点クランプ式
３値レベル型の電力変換装置において、ダイオード２
１，２２および平滑用コンデンサ３１，３２を接続する
板状導体５６上に、絶縁物を介して、板状導体５１〜５
５を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体スイッチ素子
を用いた電力変換装置に係り、特に半導体スイッチ素子
のスイッチングの際に発生するサージ電圧を低減できる
電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体スイッチ素子を用いて構成される
電力変換装置では、半導体スイッチ素子のスイッチング
の際に、スパイク状のサージ電圧が発生することが知ら
れている。このサージ電圧は、電流が変化率ｄｉ／ｄｔ
で増減する場合、配線導体自身が持つ浮遊インダクタン
スＬに対して−Ｌ・ｄｉ／ｄｔの大きさの電圧が誘導さ
れるものである。近年、半導体スイッチ素子のスイッチ
ング速度の高速化が進み、電流の変化率も増加してきて
おり、発生するサージ電圧が高くなる傾向にある。この
ため、半導体スイッチ素子をサージ電圧から守る目的
で、配線導体のインダクタンスを小さくする技術が考案
されている。

【０００３】上述の配線導体のインダクタンスを低減さ
せるための技術として、例えば特開平7−203686 号公報
（以下、第１の従来技術と呼ぶ）に記載されているよう
に、逆向きの電流が流れる２つの配線導体を幅の広い導
体板で構成し、導体板を互いに近接させる方法がある。
この第１の従来技術について図１０を用いて説明する。
図１０の回路図において、直流電源部１と３相インバー
タ部２とは、正極側と負極側の２つの配線導体で接続さ
れている。この２つの配線導体には常に逆方向の電流が
流れるため、この２つの配線導体を近接させることによ
り、互いの電流から生じる磁束が相殺される。このこと
により、インダクタンスＬ₁およびＬ₂を低減することが
できる。

【０００４】また、配線導体のインダクタンスを低減さ
せるための他の技術として、特開平7−131981 号公報
（以下、第２の従来技術と呼ぶ）に記載のように、複数
の導体板を絶縁物を介して積層した一括配線導体を用い
る方法もある。この方法によっても配線導体のインダク
タンスを減らすことができ、また、一括配線導体を用い
ることによって電力変換装置の組み立て工数を減らすこ
ともできる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】比較的容量の大きい電
力変換装置では、装置が大型化し配線インダクタンスが
増加するため、一般に電力変換装置では各相毎に平滑用
コンデンサを備える。例えば、中性点クランプ式の３値
レベルインバータは図４に示す回路構成となる。この図
におけるインバータは、それぞれ平滑用コンデンサ３１
および３２を備えている。このようにインバータが各相
毎に平滑用コンデンサを備える場合、スイッチ素子のス
イッチング時に発生するサージ電圧の大きさは、インバ
ータの平滑用コンデンサとスイッチング素子間の配線イ
ンダクタンスの大きさにより決まる。このため、インダ
クタンスの大きい直流配線母線の影響による高電圧のサ
ージ電圧の発生を防ぐことができる。

【０００６】しかし、半導体スイッチ素子としてＩＧＢ
Ｔ等の高速スイッチング素子を用いる場合、転流電流の
変化率も大きくなるため、各インバータ内の配線につい
ても、出来る限り配線インダクタンスを低減することが
求められている。しかし、前述の従来技術を、図４に示
す中性点クランプ式の３値レベルインバータを用いた電
力変換装置に適用すると以下の問題を生じる。

【０００７】中性点クランプ式の３値レベルインバータ
では、６つの配線導体５１〜５６が使われる。ここで、
第１の従来技術を適用するには、常に逆向きの電流が流
れる２つの配線導体を互いに近接させる必要がある。し
かし、３値レベルインバータではスイッチ素子のオン，
オフ状態の違いや負荷電流の向きによって配線導体を流
れる電流が変化し、常に逆向きの電流が流れる２つの配
線導体の組み合わせが存在しない。仮に、ある特定の２
つの配線導体を近接させた場合は、インバータの動作に
よってはインダクタンス低減の効果が得られず、サージ
電圧を抑制することができない。

【０００８】一方、第２の従来技術を適用して、配線導
体をすべて同サイズの幅広の導体板とし、６つの導体板
を絶縁層を介して近接させる方法も考えられる。この場
合には、配線導体の低インダクタンス化を図ることがで
きると考えられる。しかし、３値レベルインバータで
は、配線に必要な導体板を６層重ねることになり構造が
複雑化する問題がある。例えば、ある配線導体に電気部
品の端子を接続する場合、残りの５個の配線導体には、
前記接続部と電気的に接触しないように逃げ穴を作る必
要がある。これにより製造コストが増加する問題があ
る。また別の問題として、同じ大きさの導体板を６枚も
必要とするため、配線に必要な配線導体の重量が増加し
機械的に不安定になる問題がある。

【０００９】本発明の目的は、すべての動作状態でサー
ジ電圧を低減でき、かつ構造の簡単な電力変換装置を提
供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する第１
の発明の特徴は、複数の半導体スイッチ素子，ダイオー
ドおよびコンデンサを板状導体により接続してなる電力
変換装置であって、前記板状導体は、任意の前記半導体
スイッチ素子がスイッチングする前後において電流が流
れない板状導体を含み、全ての前記半導体スイッチ素子
のスイッチングに対してそのスイッチングの前あるいは
後のいずれか一方で電流が流れる第１板状導体上に、絶
縁物を介して、他の板状導体が配置されることにある。

【００１１】第１板状導体には全ての半導体スイッチ素
子のスイッチングに対してそのスイッチングの前あるい
は後のいずれか一方で電流が流れるため、半導体スイッ
チ素子がスイッチングすると、第１板状導体では電流が
増加あるいは減少する。一方、他の板状導体のうちのい
ずれかにおいては、半導体スイッチ素子のスイッチング
により、第１板状導体における電流の変化とは逆に電流
が減少あるいは増加する。このような第１板状導体上に
他の板状導体が配置されるため、半導体スイッチ素子の
スイッチングの際に、増加する電流と減少する電流とを
近接させることができ、電流変化に伴う磁束変化を互い
に打消し、スイッチングの前後で磁束を一定に保つこと
ができる。従って、半導体スイッチ素子のスイッチング
の際に発生するサージ電圧を低減できる。

【００１２】上記目的を達成する第２の発明の特徴は、
第１〜第４の半導体スイッチ素子と、前記第１の半導体
スイッチ素子と前記第２の半導体スイッチ素子とを直列
に接続する第１の板状導体と、前記第２の半導体スイッ
チ素子と前記第３の半導体スイッチ素子とを直列に接続
し、かつ交流端子を有する第２の板状導体と、前記第３
の半導体スイッチ素子と前記第４の半導体スイッチ素子
とを直列に接続する第３の板状導体と、直列に接続され
た前記第１〜第４の半導体スイッチ素子と第４及び第５
の板状導体により並列に接続され、かつ中間電圧点を有
するコンデンサと、前記コンデンサの中間電圧点から前
記第１の板状導体へ順方向電流を流す極性で、一端が第
６の板状導体により前記コンデンサの中間電圧点と接続
され、かつ他端が前記第１の板状導体に接続された第１
のダイオードと、前記第３の板状導体から前記コンデン
サの中間電圧点へ順方向電流を流す極性で、一端が前記
第６の板状導体に接続され、かつ他端が前記第３の板状
導体に接続された第２のダイオードとを備えた中性点ク
ランプ式３値レベル型の電力変換装置において、前記第
６の板状導体上に、絶縁物を介して、前記第１〜第３の
板状導体が配置されることにある。

【００１３】第６の板状導体には全ての半導体スイッチ
素子のスイッチングに対してそのスイッチングの前ある
いは後のいずれか一方で電流が流れるため、半導体スイ
ッチ素子がスイッチングすると、第６の板状導体では電
流が増加あるいは減少する。一方、第１〜第５の板状導
体のうちのいずれかにおいては、半導体スイッチ素子の
スイッチングにより、第６の板状導体における電流の変
化とは逆に電流が減少あるいは増加する。このような第
６の板状導体上に第１〜第５の板状導体が配置されるた
め、半導体スイッチ素子のスイッチングの際に、増加す
る電流と減少する電流とを近接させることができ、電流
変化に伴う磁束変化を互いに打消し、スイッチングの前
後で磁束を一定に保つことができる。従って、半導体ス
イッチ素子のスイッチングの際に発生するサージ電圧を
低減できる。

【００１４】上記目的を達成する第３の発明の特徴は、
第１〜第５の板状導体は、同一平面に配置されることに
ある。

【００１５】他の板状導体を同一平面に配置することに
より、電力変換装置の配線を第６の板状導体と第１〜第
５の板状導体との２層で構成することができ、機械的安
定性を向上することができる。

【００１６】上記目的を達成する第４の発明の特徴は、
絶縁物は空気層であることにある。絶縁物として空気層
を用いることにより、第６の板状導体と第１〜第５の板
状導体とを間隔を開けて配置するだけで絶縁でき、電力
変換装置の構造を簡単化できる。

【００１７】上記目的を達成する第５の発明の特徴は、
複数の半導体スイッチ素子のうち最も高圧側のスイッチ
素子と最も低圧側のスイッチ素子は、コンデンサに近接
させて配置されることにある。

【００１８】最も高圧側のスイッチ素子と最も低圧側の
スイッチ素子は、コンデンサに近接させて配置されるこ
とにより、最も高圧側のスイッチ素子および最も低圧側
のスイッチ素子と、コンデンサとを結ぶ板状導体を短く
することができ、その板状導体における電流の変化によ
り発生するサージ電圧を低減できる。

【００１９】上記目的を達成する第６の発明の特徴は、
第１の板状導体は、第１のスイッチ素子の接続点と第２
のスイッチ素子の接続点との間に、第１のダイオードの
接続点を設けることにある。

【００２０】第１のスイッチ素子の接続点と第２のスイ
ッチ素子の接続点との間に、第１のダイオードの接続点
を設けることにより、第１の半導体スイッチ素子のスイ
ッチングの際に変化する電流の経路が、第１の半導体ス
イッチ素子と第１のダイオードの間のみとなるため、サ
ージ電圧をより低減できる。

【００２１】上記目的を達成する第７の発明の特徴は、
第３の板状導体は、第３のスイッチ素子の接続点と第４
のスイッチ素子の接続点との間に、第２のダイオードの
接続点を設けることにある。

【００２２】第３のスイッチ素子の接続点と第４のスイ
ッチ素子の接続点との間に、第２のダイオードの接続点
を設けることにより、第４の半導体スイッチ素子のスイ
ッチングの際に変化する電流の経路が、第４の半導体ス
イッチ素子と第２のダイオードの間のみとなるため、サ
ージ電圧をより低減できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
例を詳細に説明する。

【００２４】図１は本発明の好適な一実施例である電力
変換装置の構成図である。なお、本実施例の電力変換装
置は中性点クランプ式３値レベルインバータである。

【００２５】本実施例の電力変換装置は、半導体スイッ
チ素子（モジュール）１１〜１４，ダイオード２１，２
２および平滑用コンデンサ３１，３２の上に板状導体５
６を配置し、更にその上に板状導体５１〜５５を配置し
た構成となっている。なお半導体スイッチ素子は、半導
体スイッチとダイオードとを逆並列接続して構成され
る。この半導体スイッチ素子１１〜１４は図１に示され
るように正側端子Ｃおよび負側端子Ｅを有する。また、
スイッチ素子１１〜１４は制御用端子を有しており（図
示せず）、制御用回路によりオン，オフが制御される。
以下、本実施例では、半導体スイッチ素子をスイッチ素
子，平滑用コンデンサをコンデンサ，板状導体を導体と
呼ぶ。

【００２６】図１において、スイッチ素子１１の正側端
子Ｃは、導体５１によりコンデンサ３１の正側端子と接
続される。また、スイッチ素子１１の負側端子Ｅは導体
５２によりダイオード２１のカソード端子Ｋ、およびス
イッチ素子１２の正側端子Ｃと接続される。スイッチ素
子１２の負側端子Ｅは、導体５３によりスイッチ素子１
３の正側端子Ｃと接続される。導体５３には電力変換装
置の交流端子Ｔout が設けられ負荷が接続される。スイ
ッチ素子１３の負側端子Ｅは、導体５４によってダイオ
ード２２のアノード端子Ａ、およびスイッチ素子１４の
正側端子Ｃと接続される。スイッチ素子１４の負側端子
Ｅは、導体５５により、コンデンサ３２の負側端子に接
続される。また、ダイオード２１のアノード端子Ａ、ダ
イオード２２のカソード端子Ｋ、コンデンサ３１の負側
端子、およびコンデンサ３２の正側端子は、導体５６に
より接続される。

【００２７】以上のように、スイッチ素子１１〜１４は
４直列に接続される。スイッチ素子のうち最も高圧側の
スイッチ素子１１と最も低圧側のスイッチ素子１４は、
コンデンサ３１，３２に近接して、かつ導体５１と導体
５５が隣り合うように配置する。また、導体５６は他の
導体５１〜５５と比較して面積が広く、導体５１〜５５
は導体５６との絶縁のため、空気の層を介して導体５６
の上に配置される。図２は、図１に示す電力変換装置の
側面図である。図２において冷却装置６は、スイッチ素
子１１〜１４、およびダイオード２１，２２を冷却し、
スイッチ素子１１〜１４、およびダイオード２１，２２
の過熱を防止する。スイッチ素子１１，１２、およびダ
イオード２１は導体５１〜５３と筒状の導体であるスペ
ーサ７Ｃ〜７Ｅを用いて接続される。コンデンサ３１も
同様にスペーサ７Ａ，７Ｂによって導体５１および５６
と接続される。なお、スペーサ７Ｂ〜７Ｅは、導体５６
に設けられた穴（穴の径はスペーサ７Ｂ〜７Ｅの径より
も大きい）を導体５６とは接触せずに貫通しており、ス
イッチ素子１１，１２，ダイオード２１、およびコンデ
ンサ３１の正側端子は導体５６とは絶縁されている。な
お、スイッチ素子１３，１４，ダイオード２２、および
コンデンサ３２もスペーサを用いて各導体と接続され
る。また、図面では省略しているが、各素子の端子およ
び導体と、スペーサとの固定はボルトあるいはネジによ
って行う。

【００２８】図２に示すように、スペーサ７Ａ〜７Ｅに
よって導体５６と導体５１〜５５との間にはほぼ一定の
間隔が確保され、前述のように絶縁層である空気の層が
形成される。なお、導体５１〜５５と導体５６の間に板
状の固体絶縁物を挿入し、複数の配線導体と絶縁物を一
体化することもできる。

【００２９】図３はスイッチ素子１１〜１４，ダイオー
ド２１，２２およびコンデンサ３１，３２と、導体５６
との接続関係を示す。前述したように、ダイオード２１
のアノード端子Ａ、ダイオード２２のカソード端子Ｋ、
コンデンサ３１の負側端子およびコンデンサ３２の正側
端子は、導体５６に接続される。その他の端子は、図に
も示すようにスペーサが導体５６に設けられた穴を導体
５６とは接触せずに貫通しており、導体５６とは絶縁さ
れている。

【００３０】図４は、図１に示す電力変換装置を３台用
いて構成した３相交流モータドライブ装置の回路構成図
である。コンバータ９は交流電源８から供給された交流
電力を直流電力に変換する。コンバータ９から出力され
た直流電圧は、コンデンサにより分圧され、３レベルの
直流電圧となる。コンバータ９から出力された３レベル
の直流電圧は、３本の直流電圧母線により各電力変換装
置の導体５１，５５，５６に導かれる。また、各電力変
換装置の交流端子Ｔout には負荷４が接続される。

【００３１】次に、本実施例の電力変換装置の構成によ
り、配線導体のインダクタンスを低減し、スイッチ素子
がスイッチングする際に発生するサージ電圧を低減でき
る原理について説明する。

【００３２】図５および図６は、本実施例の電力変換装
置である中性点クランプ式３値レベルインバータ回路に
おける全ての電流経路を示す。電流経路は電流の方向や
スイッチ素子のオン，オフ状態の違いにより異なる。電
流の方向が交流端子Ｔout から負荷４へ向かう場合を図
５に示し、一方、電流の方向が負荷４から交流端子Tout
へ向かう場合を図６に示す。

【００３３】図５（ａ）はスイッチ素子１１，１２がオ
ン、スイッチ素子１３，１４がオフの場合の電流経路を
示す。電流は導体５１，スイッチ素子１１，導体５２，
スイッチ素子１２，導体５３の順に流れる。図５（ａ）
の状態から、スイッチ素子１１がオフに、またスイッチ
素子１３がオンに変化すると、電流経路は図５(ｂ)に示
す経路に変化する。この場合、電流は導体５６，ダイオ
ード２１，導体５２，スイッチ素子１２，導体５３の順
に流れる。なお、図５（ａ）に示す電流経路から図５
（ｂ）に示す電流経路に変化するということは、導体５
１およびスイッチ素子１１に流れる電流が減少し、導体
５６およびダイオード２１に流れる電流が増加するとい
うことである。更に図５（ｂ）の状態から、スイッチ素
子１２がオフに、スイッチ素子１４がオンに変化する
と、電流経路は図５（ｃ）に示す経路に変化する。この
場合、電流は導体５５，スイッチ素子１４，導体５４，
スイッチ素子１３，導体５３の順に流れる。なお、図５
（ｂ）に示す電流経路から図５（ｃ）に示す電流経路に
変化するということは、導体５６，ダイオード２１，導
体５２およびスイッチ素子１２に流れる電流が減少し、
導体５５，スイッチ素子１４，導体５４およびスイッチ
素子１３に流れる電流が増加するということである。

【００３４】図６（ａ）はスイッチ素子１１，１２がオ
ン、スイッチ素子１３，１４がオフの場合の電流経路を
示す。電流は導体５３，スイッチ素子１２，導体５２，
スイッチ素子１１，導体５１の順に流れる。図６（ａ）
の状態から、スイッチ素子１１がオフに、またスイッチ
素子１３がオンに変化すると、電流経路は図６(ｂ)に示
す経路に変化する。この場合、電流は導体５３，スイッ
チ素子１３，導体５４，ダイオード２２，導体５６の順
に流れる。なお、図６（ａ）に示す電流経路から図６
（ｂ）に示す電流経路に変化するということは、スイッ
チ素子１２，導体５２，スイッチ素子１１および導体５
１に流れる電流が減少し、スイッチ素子１３，導体５
４，ダイオード２２および導体５６に流れる電流が増加
するということである。更に図６（ｂ）の状態から、ス
イッチ素子１２がオフに、スイッチ素子１４がオンに変
化すると、電流経路は図６（ｃ）に示す経路に変化す
る。この場合、電流は導体５３，スイッチ素子１３，導
体５４，スイッチ素子１４，導体５５の順に流れる。な
お、図６（ｂ）に示す電流経路から図６（ｃ）に示す電
流経路に変化するということは、ダイオード２２および
導体５６に流れる電流が減少し、スイッチ素子１４およ
び導体５５に流れる電流が増加するということである。

【００３５】ところで、同じ方向に流れる２つの電流が
近接していて、一方が増加し一方が減少する場合は、配
線のインダクタンスが低減され、サージ電圧を抑えられ
る効果がある。以下、数式を用いて説明する。一般に互
いに平行で同方向に２つの電流ｉ₁とｉ₂が流れている場
合、電流ｉ₁の周辺に作られる磁束の鎖交数は(数１）
のように表わされる。

【００３６】

【数１】 Φ＝Ｌ_１ｉ₁＋Ｍ₁₂ｉ₂…（数
１）ここで、Ｌ₁はｉ₁経路の自己インダクタンス、Ｍ₁₂は
ｉ₁−ｉ₂経路間の相互インダクタンスである。電流
ｉ₁，ｉ₂とも互いに同じ方向を正と決めると、相互イン
ダクタンスＭ₁₂は正となる。ここで鎖交磁束数に変化が
生じると起電力ΔＶが発生する。起電力ΔＶは（数２）
で表わされる。

【００３７】

【数２】

【００３８】（数２）より、電流に変化が生じるとＬ₁
の回路に起電力ΔＶが発生することがわかる。スイッチ
素子がスイッチングすることにより生じるサージ電圧
は、この起電力ΔＶにより生じるものである。ここで電
流が（数３）のように変化した場合を考える。

【００３９】

【数３】

【００４０】すなわち、電流ｉ₁，ｉ₂の一方が増加し、
もう一方が減少する場合である。このとき、起電力ΔＶ
は（数４）で表わされる。

【００４１】

【数４】

【００４２】相互インダクタンスＭ₁₂は正であり、Ｌ₁
とＭ₁₂の差はＬ₁に比べて小さくなる。つまり（数４）
で表わされる起電力ΔＶは電流ｉ₁が単独で変化する場
合に比べて小さくなる。また、２つの電流経路が近接す
ればＬ₁とＭ₁₂の値は近くなるため、起電力ΔＶをさら
に小さくすることができる。

【００４３】前述したように、本実施例では、どのスイ
ッチ素子がスイッチングした場合にも、導体５６に流れ
る電流が増加あるいは減少する。また、スイッチ素子が
スイッチングする場合、他の導体５１〜５５に流れる電
流のうち何れかが、導体５６に流れる電流の変化とは逆
に減少あるいは増加する。よって、本実施例のように導
体５６の上に他の導体５１〜５５を近接させて配置する
ことにより、増加する電流と減少する電流を近接させる
ことができる。従って、導体のインダクタンスが低減さ
れ、サージ電圧を抑制することができる。以下、図を用
いて詳細に説明する。

【００４４】図７（ａ),（ｂ）は、図５（ａ）に対する
図１の電力変換装置における電流経路を示し、図７
（ｃ),（ｄ）は、図５（ａ）から図５（ｂ）に電流経路
が変化した場合における、図１の電力変換装置での過渡
的な電流経路の変化を示す。なお、図７（ａ),（ｃ）は
導体５６における電流経路を表わし、図７（ｂ),（ｄ）
は導体５１〜５５における電流経路を表わす。

【００４５】図５（ａ）では前述したように、電流がコ
ンデンサ３１から交流端子Ｔout へ導体５１，スイッチ
素子１１，導体５２，スイッチ素子１２，導体５３の順
に流れる。従って、図７（ａ）に示すように導体５６に
は電流が流れず、図７(ｂ)に示すように導体５１〜５３
には図の矢印の方向に電流が流れる。

【００４６】スイッチ素子のスイッチングにより図５
（ａ）から図５（ｂ）へと電流経路が変化すると、導体
５１およびスイッチ素子１１に流れる電流が減少し、導
体５６およびダイオード２１に流れる電流が増加する。
すなわち、図７（ｃ）のの電流が増加し、図７（ｄ）
のの電流が減少する。なお、図７（ｃ）の導体５６に
おいて電流の経路がの様になるのは、図７（ｄ）の
の電流が減少することにより、導体５６のうちの直下
の部分（すなわちの部分）に電磁誘導作用が働き、
の部分に電流が集中するためである。電磁誘導作用と
は、周囲の磁束を一定に保とうとして、電流が自然に集
中することである。また、この電流集中は過渡的なもの
であり、スイッチ素子のスイッチング後しばらくすれば
電流は導体５６の幅に広がって流れる。

【００４７】上述のように、本実施例では増加電流と
減少電流を近接させることができる。両電流は方向が
同じであり、電流変化率は（数３）の条件をほぼ満た
す。また、，の両経路のインダクタンスもほとんど
等しくなる。従って、スイッチ素子のスイッチングによ
り図５（ａ）から図５（ｂ）へ電流経路が変化する際に
発生するサージ電圧を低く抑えることができる。

【００４８】なお、本実施例では、電流経路が図５
（ａ）から図５（ｂ）へ変化するときとほぼ同様の作用
により、電流経路が図６（ｃ）から図６（ｂ）へ変化す
る際にもサージ電圧を低く抑えることができる。

【００４９】なお、上述のスイッチ素子１１のスイッチ
ング時に発生するサージ電圧と、スイッチ素子１４のス
イッチング時に発生するサージ電圧の両方を抑制するた
めに、本実施例ではスイッチ素子１１〜１４のうち最も
高圧側の素子１１と最も低圧側の素子１４を、コンデン
サ３１，３２の近傍に配置している。このことにより、
スイッチ素子１１および１４のスイッチングによるサー
ジ電圧を抑制することができる。また、最も高圧側の素
子１１と最も低圧側の素子１４を、コンデンサ３１，３
２の近傍に配置することにより、導体５１及び５５を短
くすることができ、そのことによってもサージ電圧が低
減できる。

【００５０】本実施例では導体５２において、スイッチ
素子１１の負側端子Ｅとスイッチ素子１２の正側端子Ｃ
との間にダイオード２１のカソード端子を接続してい
る。このことにより、スイッチ素子１１がスイッチング
してもダイオード２１とスイッチ素子１２の間の電流を
一定に保つことができ、導体５２において電流が変化す
るのはスイッチ素子１１とダイオード２１との間とな
る。このように電流の変化する部分を短くすることによ
り、サージ電圧が大きくなるのを防ぐことができる。な
お、スイッチ素子１１の負側端子Ｅとダイオード２１の
カソード端子Ｋとの間の配線長を短くすればするほど、
スイッチ素子１１のスイッチングにより電流の変化する
部分が少なくなり、サージ電圧をより低く抑えることが
できる。これと同様に、本実施例では導体５４の中央部
にダイオード２２のアノード端子Ａを接続しており、ス
イッチ素子１４のスイッチングによるサージ電圧が大き
くなるのを防ぐことができる。また、導体５２におい
て、スイッチ素子１１の負側端子Ｅを導体５２の中央に
接続し、ダイオード２１のカソード端子Ｋとスイッチ素
子１２の正側端子Ｃを導体５２の両端に接続しても、同
様にサージ電圧を抑えることができる。更に、導体５４
における素子の接続位置を変えて、スイッチ素子１４の
正側端子Ｃを導体５４の中央に接続し、ダイオード２２
のアノード端子Ａとスイッチ素子１３の負側端子Ｅを導
体５４の両端に接続しても、サージ電圧を抑えることが
できる。

【００５１】図８（ａ),（ｂ）は、図６（ｂ）に対する
図１の電力変換装置における電流経路を示し、図７
（ｃ),（ｄ）は、図６（ａ）に対する図１の電力変換装
置での電流経路を示す。なお、図８（ａ),（ｃ）は導体
５６における電流経路を表わし、図８（ｂ),（ｄ）は導
体５１〜５５における電流経路を表わす。

【００５２】図６（ｂ）では前述したように、電流が交
流端子Ｔout からコンデンサ３１，３２へ導体５３，ス
イッチ素子１３，導体５４，ダイオード２２，導体５６
の順に流れる。従って、図８（ａ）に示すように導体５
６には全面にわたって、ダイオード２２のカソード端子
Ｋからコンデンサ３１，３２へ矢印の方向に電流が流
れ、図８（ｂ）に示すように導体５３，５４には図の矢
印の方向に電流が流れる。

【００５３】図８（ａ),（ｂ）において、導体５３及び
５４を流れる電流の直下には、導体５６に逆向きの電
流が流れている。このように電流が近接している部分
においては電流の和を取り、全体的に見た電流の流れを
考えると、図９（ａ）のように表わすことができる。一
方、図８（ｃ）において導体５６には電流が流れず、図
８（ｄ）において電流は導体５１，導体５２，導体５３
に図の矢印の方向に流れる。従ってこの場合は、全体的
に見た電流の流れも図９（ｂ）に示すように導体５１，
５２，５３に集中する。

【００５４】すなわち、スイッチ素子１３のターンオフ
による電流の過渡変化を考えると、図９（ａ）に示すよ
うに導体全体に広がって流れていた電流のうち、導体５
４側の電流が減少すると共に、導体５２側の電流が増加
し、最終的には図９（ｂ）に示すように導体５１〜５３
のみに電流は流れる。このように電流が増加あるいは減
少する場合、電流の変化に伴って磁束も増加あるいは減
少するが、電磁誘導作用により導体５６にはこの磁束の
増加あるいは減少を打ち消す方向に電流が流れる。つま
り、導体５４側では、スイッチ素子１３から１４の方向
へ流れていた電流が減少するため磁束も減少するが、電
磁誘導作用によって発生する起電力により磁束の減少を
打ち消す方向の電流、すなわちスイッチ素子１３から１
４の方向の電流が導体５６に流れる。

【００５５】導体５６において発生したこの電流は、図
９（ｃ）に示すように導体５６を矢印の方向に周回する
渦電流となる。導体５２側ではこの渦電流により磁束が
増加するため、その磁束の増加を打ち消す方向に電流を
流すような起電力が生じる。つまり、スイッチ素子１２
から１１の方向へ電流を流すような起電力が生じる。ま
た、前述のように導体５２側では、スイッチ素子１２か
ら１１の方向へ流れる電流が増加するため、それを打ち
消す方向、つまりスイッチ素子１１から１２の方向へ電
流を流すような起電力も生じる。この電流増加に伴う起
電力と、前述の渦電流による起電力とは極性が反対であ
るため、互いに打ち消しあう。すなわち渦電流を介する
ことによって、導体５４側における電流減少によって発
生した起電力と、導体５２における電流増加によって発
生した起電力とが相殺されるため、これらの起電力によ
り発生するサージ電圧を抑制することができる。

【００５６】なお、本実施例では、電流経路が図６
（ｂ）から図６（ａ）へ変化する場合とほぼ同様の作用
により、電流経路が図５（ｂ）から図５（ｃ）へ変化す
る際にもサージ電圧を低く抑えることができる。

【００５７】以上、説明したように本実施例によれば、
中性点クランプ式３値レベル変換器に必要な板状導体の
うち、導体５６だけを大きくすればよく、他の導体５１
〜５５は必要最小限の大きさがあればよい。このため、
配線導体群の構造を簡単化することができ、導体群の重
量を低く抑えることができる。また、導体５６の片側面
に他の導体５１〜５５が配置されるため、配線導体群の
構造が簡単化される。

【００５８】更に本実施例によれば、中性点電圧を導く
導体５６を大きくし、その表面に他の導体５１〜５５を
配置するため、定常時における導体５６と他の導体５１
〜５５との間の印加電圧はコンバータ９が出力する直流
電圧の１／２となる。このため、導体間に挿入する絶縁
物として、絶縁耐圧の低い安価な材料を使用することが
できる。

【００５９】本実施例では導体５１〜５５と導体５６と
は、導体間に空気の層をつくることにより絶縁する構成
としているが、空気の層よりも絶縁性の高い板状の絶縁
物を導体間に挿入し、絶縁物と複数の配線導体を固定し
て一括化した積層導体板を用いて配線を行う構成として
もよい。この場合、絶縁物の絶縁性が高いため、導体間
の距離を短くすることができ、転流時に増減する電流を
より近接させることができる。従って、サージ電圧をさ
らに抑制することができる。

【００６０】また、本実施例における電流経路の変化
は、スナバ回路などのサージ電圧抑制回路を備えた場合
でも変わらないため、本実施例の構成はスナバ回路など
のサージ電圧抑制回路を備えた場合にも用いることがで
き、スナバ回路の損失低減と小型化が実現できる。従っ
て、損失の少ない高効率な電力変換装置を提供すること
ができる。

【００６１】なお、本実施例では平滑用コンデンサ３１
及び３２を、スイッチ素子１１〜１４やダイオード２
１，２２からなる電力変換回路に近接して配置した例に
ついて説明したが、平滑用コンデンサが存在せず、直流
電圧の配線母線が導体５１，５５，５６の端子に接続さ
れる場合にも、同様に導体５１〜５６のインダクタンス
を低減させることができ、サージ電圧を抑制することが
できる。

【００６２】

【発明の効果】以上、説明したように、第１の発明によ
れば、半導体スイッチ素子のスイッチングの際に発生す
るサージ電圧を低減できる。

【００６３】第２の発明によれば、機械的安定性を向上
することができる。

【００６４】第３の発明によれば、電力変換装置の構造
を簡単化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施例である電力変換装置の
構成図である。

【図２】図１に示す電力変換装置の側面図である。

【図３】図１の半導体スイッチ素子１１〜１４，ダイオ
ード２１，２２、および平滑用コンデンサ３１，３２と
板状導体５６との接続関係を示す図である。

【図４】図１に示す電力変換装置を用いて構成した３相
交流モータドライブ装置の回路構成図である。

【図５】中性点クランプ式３値レベル変換器回路におけ
る電流経路を示す図である。

【図６】中性点クランプ式３値レベル変換器回路におけ
る電流経路を示す図である。

【図７】図１の電力変換装置における電流経路を示す図
である。

【図８】図１の電力変換装置における電流経路を示す図
である。

【図９】図８に示す電流経路を実効的な電流経路として
示した図である。

【図１０】従来の電力変換装置の回路図である。

【符号の説明】

４…負荷、６…冷却装置、７…スペーサ、８…交流電
源、９…コンバータ、１１〜１４…半導体スイッチ素
子、２１，２２…ダイオード、３１，３２…平滑用コン
デンサ、５１〜５６…板状導体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者飛世正博茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所大みか工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の半導体スイッチ素子，ダイオードお
よびコンデンサを板状導体により接続してなる電力変換
装置であって、前記板状導体は、任意の前記半導体スイ
ッチ素子がスイッチングする前後において電流が流れな
い板状導体を含み、全ての前記半導体スイッチ素子のスイッチングに対して
そのスイッチングの前あるいは後のいずれか一方で電流
が流れる第１板状導体上に、絶縁物を介して、他の板状
導体が配置されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】第１〜第４の半導体スイッチ素子と、前記
第１の半導体スイッチ素子と前記第２の半導体スイッチ
素子とを直列に接続する第１の板状導体と、前記第２の
半導体スイッチ素子と前記第３の半導体スイッチ素子と
を直列に接続し、かつ交流端子を有する第２の板状導体
と、前記第３の半導体スイッチ素子と前記第４の半導体
スイッチ素子とを直列に接続する第３の板状導体と、直
列に接続された前記第１〜第４の半導体スイッチ素子と
第４及び第５の板状導体により並列に接続され、かつ中
間電圧点を有するコンデンサと、前記コンデンサの中間
電圧点から前記第１の板状導体へ順方向電流を流す極性
で、一端が第６の板状導体により前記コンデンサの中間
電圧点と接続され、かつ他端が前記第１の板状導体に接
続された第１のダイオードと、前記第３の板状導体から
前記コンデンサの中間電圧点へ順方向電流を流す極性
で、一端が前記第６の板状導体に接続され、かつ他端が
前記第３の板状導体に接続された第２のダイオードとを
備えた中性点クランプ式３値レベル型の電力変換装置に
おいて、前記第６の板状導体上に、絶縁物を介して、第１〜第５
の板状導体が配置されることを特徴とする電力変換装
置。
【請求項３】前記第１〜第５の板状導体は、同一平面に
配置されることを特徴とする請求項２記載の電力変換装
置。
【請求項４】前記絶縁物は空気層であることを特徴とす
る請求項２および３のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項５】複数の前記半導体スイッチ素子のうち最も
高圧側のスイッチ素子と最も低圧側のスイッチ素子は、
前記コンデンサに近接させて配置されることを特徴とす
る請求項２乃至４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項６】前記第１の板状導体は、前記第１のスイッ
チ素子の接続点と前記第２のスイッチ素子の接続点との
間に、前記第１のダイオードの接続点を設けることを特
徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の電力変換装
置。
【請求項７】前記第３の板状導体は、前記第３のスイッ
チ素子の接続点と前記第４のスイッチ素子の接続点との
間に、前記第２のダイオードの接続点を設けることを特
徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の電力変換装
置。