JPH11313485A

JPH11313485A - 電力変換器の主回路構造

Info

Publication number: JPH11313485A
Application number: JP13440398A
Authority: JP
Inventors: Satoru Ito; 知伊東; Kiyoshi Nakada; 仲田　　清; Asako Koyanagi; 阿佐子小柳; Akira Mishima; 彰三島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1999-11-09

Abstract

(57)【要約】【課題】電力変換器の主回路配線における半導体素子
を接続する導体と、直流電圧を平滑するコンデンサとの
間のインダクタンスを低減し、かつ、組立、保守時の取
扱いが簡単な構成を提供することにある。【解決手段】少なくとも２個の半導体素子１，２と、
直流電圧を平滑するコンデンサ１６と、半導体素子の端
子とコンデンサの端子間を接続する平板形状の正側導体
および負側導体と、半導体素子の端子を交流側に接続す
る平板形状の交流側導体４から構成される電力変換器に
おいて、正側導体および負側導体をそれぞれ半導体素子
１，２部とコンデンサ１６部に分割すると共に、分割し
たそれぞれの正側導体３と１７および負側導体５と１８
に細長い形状の端子部Ｐ，Ｎを形成し、電流の流れる経
路の長さが長い導体の端子部の幅を他の導体の幅より広
くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両用の電力
変換器など電力変換器一般の実装構造、特に電力変換器
の主回路構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電力変換器の配線は、細長い導体
バーや電線が使用されていた。このような構成では、配
線のインダクタンスが大きいため、半導体素子をオン、
オフした際の電流や電圧の跳ね上がりが大きい、という
問題がある。そのため、半導体素子を保護するため、大
きな容量のスナバ回路等を接続する必要があり、装置の
小型化の障害となっていた。ところで、配線のインダク
タンスを低減するには、電流の経路である導体をできる
だけ平たい形状とし、かつ往路と復路の導体をできるだ
け近接して設置する、いわゆる平行平板状にすれば良い
ことが知られている。これは、往路と復路が作る磁束の
変化が互いに相殺し、見かけ上磁束の変化が殆どなくな
るからである。このような原理を利用し、半導体素子の
スイッチング時に問題となる転流インダクタンスを低減
する技術が既にいくつか知られている。しかしながら、
これらの技術は、平行平板状の導体を半導体素子を接続
する導体に用いた場合でも、これら導体と直流電圧を平
滑するコンデンサとの間の接続部の構成には考慮がなさ
れてなく、この部分でインダクタンスが大きくなるため
に、結果として全体のインダクタンスがあまり低減され
ないことになる。例えば、特開平１−１６０３７３号公
報、特開平７−１３１９８１号公報、特開平６−３２７
２６６号公報に記載されている技術では、コンデンサを
接続する導体として従来構成と同様の細長い導体が使用
されており、この部分でのインダクタンスが大きく、半
導体素子間を接続する導体を平行平板状としても全体と
してあまりインダクタンスが低減されない。そのうえ、
平行平板状の構成とするために、高価な絶縁物や複雑な
絶縁方式を用いざるを得ず、全体としてさして性能は上
がらず、コストアップとなる場合がある。また、特開平
４ー１３３６６９号公報、特開平６−３８５０７号公
報、特開平６ー２２５５４５号公報、特開平７−２４５
９５１号公報に記載されている技術は、半導体素子を接
続する平板状の導体にコンデンサも接続するようにした
ものである。これによりコンデンサ接続部分を含む主回
路配線のインダクタンス全体を低減することができる
が、半導体素子とコンデンサが必然的に一体となり、特
に容量の大きな装置の場合、全体の重量が大きくなり、
組立や保守等の場合の取扱いが困難になる。装置をコン
デンサ部と半導体素子部に分割できれば、取扱いが容易
となるが、上記のような構成では実現が困難である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、電力
変換器の主回路配線の半導体素子を接続する導体と、直
流電圧を平滑するコンデンサとの間のインダクタンスを
低減し、かつ、取扱いが簡単な電力変換器の主回路構造
を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題は、半導体素子
の端子と直流電圧を平滑するコンデンサの端子間を接続
する平板形状の正側導体および負側導体をそれぞれ半導
体素子部とコンデンサ部に分割すると共に、分割したそ
れぞれの正側導体および負側導体に細長い形状の端子部
を形成し、電流の流れる経路の長さが長い導体の端子部
の幅を他の導体の幅より広くすることにより、解決され
る。ここで、コンデンサの端子と接続する正側導体およ
び負側導体にそれぞれ細長い形状の端子部を形成する。
また、交流側導体に細長い形状の端子部を形成し、この
端子部の幅を分割した正側導体および負側導体の端子部
の幅より狭くする。また、コンデンサ側の分割した正側
導体と負側導体の間隔を半導体素子側の分割した正側導
体と交流側導体または分割した負側導体と交流側導体の
間隔よりも小さくする。または、コンデンサ側の分割し
た正側導体と負側導体の間隔をこれらの間に挿入される
絶縁板の厚さと等しくする。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態を示す側
面図である。１はＩＧＢＴ素子（正側）、２はＩＧＢＴ
素子（負側）、３は半導体素子接続部の平板形状の正側
導体、４は同じく交流側導体、５は同じく負側導体、６
〜９はボルト、１０〜１３は端子スペーサである。ま
た、１４、１５は絶縁板である。１６は直流電圧を平滑
するコンデンサ、１７はコンデンサ接続部の正側導体、
１８は同じく負側導体、１９は同じく絶縁板、２０、２
１はナットである。ここで、半導体素子接続部の正側導
体３と交流側導体４と負側導体５、コンデンサ接続部の
正側導体１７と負側導体１８はそれぞれ平行に配置す
る。ＩＧＢＴ素子１のコレクタ端子をＰＣ、エミッタ端
子をＰＥと称する。同様にＩＧＢＴ素子２のコレクタ端
子、エミッタ端子をそれぞれＮＣ、ＮＥと称する。ま
た、コンデンサ１６の正側端子をＣＰ、負側端子をＣＮ
と称する。さらに、正側の導体３と１７を接続する端子
をＰ、負側の導体５と１８を接続する端子をＮと称す
る。

【０００６】図２は、本実施形態の正面図（但し、簡単
のためコンデンサ１６等は省いている。）、図３は、同
じく上面図、図４は、本実施形態に対応する回路図であ
る。図４に示すように、本実施形態は、２レベルの電力
変換装置の１相分を示している。半導体素子接続部の正
側導体３はＩＧＢＴ１の端子ＰＣと端子Ｐを、コンデン
サ接続部の正側導体１７は端子Ｐとコンデンサ１６の端
子ＣＰをそれぞれ接続する。半導体素子接続部の負側導
体５はＩＧＢＴ２の端子ＮＥと端子Ｎを、コンデンサ接
続部の負側導体１８は端子Ｎとコンデンサ１６の端子Ｃ
Ｎをそれぞれ接続する。半導体素子接続部の交流側導体
４は、ＩＧＢＴ１の端子ＰＥとＩＧＢＴ２の端子ＮＣお
よび図示しない交流負荷を接続する。図示しない直流電
源の正極は導体３と１７の少なくともいずれか一方に、
また、同じく負極は導体５と１８の少なくともいずれか
一方に、それぞれ接続する。

【０００７】図１〜図３において、便宜上、半導体素子
接続部においてはＩＧＢＴ１および２に近い方の導体も
しくは絶縁板を下層、遠い方を上層と称することにす
る。同じく、コンデンサ接続部においてはコンデンサ１
６に近い方の導体もしくは絶縁板を下層、遠い方を上層
と称することにする。図１の半導体素子接続部におい
て、最下層に正側導体３を配し、正側導体３をボルト６
と端子スペーサ１０を介してＩＧＢＴ１の端子ＰＣに接
続する。ボルト６と端子スペーサ１０は、導体でできて
おり、端子ＰＣと正側導体３を電気的に接続する一方、
機械的に支持する役目を果たす。絶縁支持棒２４とボル
ト２０は、この正側導体３とコンデンサ接続部の正側導
体１７を電気的（Ｐ端子として）に接続すると共に、機
械的に支持する役目を果たす。正側導体３の上層に絶縁
板１４を配置し、そのすぐ上層に交流側導体４を配置す
る。交流側導体４は、ボルト７および端子スペーサ１１
を介してＩＧＢＴ１の端子ＰＥに、また、ボルト８と端
子スペーサ１２を介してＩＧＢＴ２の端子ＮＣに、それ
ぞれ電気的に接続し、機械的に支持する。交流側導体４
より上層に、絶縁板１５を配置する。そのすぐ上層に負
側導体５を配置し、負側導体５をボルト９と端子スペー
サ１３を介してＩＧＢＴ２の端子ＮＥに接続する。ボル
ト９と端子スペーサ１３は、導体でできており、端子Ｎ
Ｅと負側導体５を電気的に接続する一方、機械的に支持
する役目を果たす。絶縁支持棒２５とボルト２１は、こ
の負側導体５とコンデンサ接続部の負側導体１８を電気
的（Ｎ端子として）に接続すると共に、機械的に支持す
る役目を果たす。ここでは、正側導体３と交流側導体４
の両者の間隔、交流側導体４と負側導体５の両者の間隔
は、いずれもボルト６、７、８の頭の高さよりも大き
い。これにより、交流側導体４、負側導体５にはボルト
６、７、８の頭を貫通させるための穴を開ける必要がな
い。

【０００８】図２と同じ方向から見た正側導体３の形状
を図５に示す。正側導体３は、平板状の形状であり、図
面の下側にはボルト６を接続するための穴があいてい
る。また、絶縁指示棒２４へのボルト２０による接続用
に穴があいている。同様に、交流側導体４を図６に、負
側導体５を図７に、正側導体１７を図８に、負側導体１
８を図９にそれぞれ示す。いずれも平行平板状の導体で
構成されているが、半導体素子部とコンデンサ部を接続
する正側導体３と１７、負側導体５と１８の接続部は、
細長い形状とする。このような構成にすることで、ボル
ト２０と２１により、本電力変換装置をコンデンサ部と
半導体素子部に分割することができ、取り扱いの便が向
上する。

【０００９】一方で、正側導体３と１７、負側５と１８
の接続部は、それぞれ幅の狭い端子部となることが余儀
なくされる。一般に導体のインダクタンスは、狭くて長
いほど大きくなるから、このままではこの端子部分のイ
ンダクタンスが大きく、せっかく導体本体を平行平板状
にしてインダクタンスを低減した効果が弱まる。端子部
の幅を単純に広くすると、装置全体の幅が広がり、小型
化の障害になり、導体間の絶縁距離を十分とれなくな
る。また、絶縁支持棒２４、２５による支持を放棄すれ
ば、幅広の導体のままでの接続が可能であるが、振動な
どによる部品の破壊や騒音の発生が心配される。ここ
で、正導体の経路、即ち正側導体３と１７の端子Ｐ部分
の長さと、負導体の経路、即ち負側導体５と１８の端子
Ｎ部分の長さを比較すると、Ｐ端子部の導体の長さの方
が長い。そのため、Ｐ端子部の導体の長さによってこの
端子部分のインダクタンスが大きくなるが、経路の長い
Ｐ端子部の導体の幅ＷｐをＮ端子部の導体の幅Ｗｎより
も広く設定する。このように、Ｐ端子部の導体の幅Ｗｐ
を広くすることにより、このＰ端子部の導体によるイン
ダクタンスをＮ端子部の導体によるインダクタンス並み
に低減できる。また、交流側導体４には、図示しない負
荷が接続されるが、一般には負荷は高インダクタンスを
持っている。また、この部分のインダクタンスは、半導
体素子スイッチングの際の転流には関わらない。従っ
て、交流側導体４の端子部のインダクタンスを低減する
ことはあまり意味がないので、この部分の端子幅Ｗｕを
ボルトの接続等に支障しない範囲で狭く設定する。この
ような構成とすることにより、装置の限られた幅の中
で、導体間の絶縁距離を確保した上で、転流に関連する
正側および負側導体のインダクタンスを全体として低減
することができる。

【００１０】なお、絶縁板１４、１５、１９の支持方法
は、説明を簡単にするため、図示していないが、当然の
ことながら、適当な支持材により支持される。また、必
要に応じて導体４、１７、１８なども他の支持物で支持
されても良い。また、ＩＧＢＴ１、２、コンデンサ１
６、支持棒２４、２５などは、特に図示していないが、
適当な台枠、基盤等に固定されるのは自明のことであ
る。また、絶縁板１４は、正側導体３およびボルト６と
交流側導体４の間の絶縁を確保するために、絶縁板１５
は、交流側導体４およびボルト７、８と負側導体５の間
のの絶縁を確保するために、また、絶縁板１９は、負側
導体１８およびボルト２３と正側導体１７の間の絶縁を
確保するためにそれぞれ設ける。勿論、これらの導体間
隔が十分に広い場合、あるいは電圧が低い場合など、絶
縁距離が十分にとれる場合には、これらを省略しても良
い。

【００１１】図１０は、本発明の他の実施形態を示す側
面図である。また、図１１にその正面図を、図１２にそ
の上面図をそれぞれ示す。また、図１２〜図１７に本実
施形態の正側導体３、交流側導体４、負側導体５、正側
導体１７、負側導体１８の形状をそれぞれ示す。本実施
形態は、正側導体１７と負側導体１８にフィルタコンデ
ンサ１６の端子ＣＰとＣＮを接続するための細長い形状
の端子部を設け、フィルタコンデンサ側正側導体１７と
負側導体１８の間隔を半導体素子側の正側導体３と交流
側導体４または交流側導体４と負側導体５の間隔より狭
く設定することに特徴がある。ここでは、絶縁板１９を
はさんで密着させている。また、ここでも、電流経路長
の長い正側導体端子部の幅Ｗｐを負側導体の幅Ｗｎより
も広く設定する。本実施形態では、正側導体１７と負側
導体１８の間隔を狭め、かつ、正側導体端子部の幅Ｗｐ
を広く設定することにより、図１の実施形態に比べ、一
層インダクタンスを低減することができる。また、正側
導体１７と負側導体１８にコンデンサ１６の端子を接続
するための細長い形状を形成することにより、コンデン
サ１６の取付け、取外しが簡単になり、電力変換装置と
しての取り扱いの便が向上する。

【００１２】図１および図１０の実施形態の電力変換器
の構成、導体の順番、端子部の形状等はいずれも一例で
あり、本発明は、この一例のみに縛られるものではな
い。正側と負側の導体の端子部うち、経路長が長い方の
幅を大きくし、また、交流側導体の端子部の幅を狭く設
定するという基本ルールを適用すれば、どのような主回
路構成であっても、図１および図１０の実施形態と同じ
効果を得ることができる。また、図１の実施形態は、２
レベル電力変換器の１相分に相当するが、同じような構
成を多レベルあるいは多相の電力変換装置に適用可能で
あるのは自明である。

【００１３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体素子の端子と直流電圧を平滑するコンデンサの端
子間を接続する各導体をそれぞれ半導体素子部とコンデ
ンサ部に分割すると共に、分割したそれぞれの導体に細
長い形状の端子部を形成し、また、コンデンサの端子と
接続する各導体にそれぞれ細長い形状の端子部を形成す
るので、電力変換装置をコンデンサ部と半導体素子部に
分割することが容易になり、また、電力変換装置からの
コンデンサの取付け、取外しが容易になり、取り扱いの
便を向上させることができる。その上、導体本体を平行
平板状にすると同時に、細長い形状を形成した各導体に
おいて、電流の流れる経路の長さが長い導体の端子部の
幅を他の導体の幅より広くすることにより、接続部のイ
ンダクタンスを極力抑制することができ、回路全体のイ
ンダクタンスの低減が可能になる。また、コンデンサ側
の分割した各導体の間隔を半導体素子側の分割した各導
体の間隔よりも小さく、または、コンデンサ側の分割し
た各導体間に挿入される絶縁板の厚さと等しくすること
により、回路全体のインダクタンスを一層低減すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す側面図

【図２】図１の実施形態の正面図

【図３】図１の実施形態の上面図

【図４】図１の実施形態に相当する回路図

【図５】図１の実施形態における半導体素子側の正側導
体の形状を示す図

【図６】図１の実施形態における半導体素子側の交流側
導体の形状を示す図

【図７】図１の実施形態における半導体素子側の負側導
体の形状を示す図

【図８】図１の実施形態におけるコンデンサ側の正側導
体の形状を示す図

【図９】図１の実施形態におけるコンデンサ側の負側導
体の形状を示す図

【図１０】本発明の他の実施形態を示す側面図

【図１１】図１０の実施形態の正面図

【図１２】図１０の実施形態の上面図

【図１３】図１０の実施形態における半導体素子側の正
側導体の形状を示す図

【図１４】図１０の実施形態における半導体素子側の交
流側導体の形状を示す図

【図１５】図１０の実施形態における半導体素子側の負
側導体の形状を示す図

【図１６】図１０の実施形態におけるコンデンサ側の正
側導体の形状を示す図

【図１７】図１０の実施形態におけるコンデンサ側の負
側導体の形状を示す図

【符号の説明】

１〜２…ＩＧＢＴ素子、３…半導体素子接続部の正側導
体、４…半導体素子接続部の交流側導体、５…半導体素
子接続部の負側導体、６〜９…ボルト、１０〜１３…端
子スペーサ、１４〜１５…絶縁板、１６…コンデンサ、
１７…コンデンサ接続部の正側導体、１８…コンデンサ
接続部の負側導体、１９…絶縁板、２０〜２１…ボル
ト、２２〜２３…ナット、２４〜２５…絶縁支持棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三島彰茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２個の半導体素子と、直流電
圧を平滑するコンデンサと、前記半導体素子の端子と前
記コンデンサの端子間を接続する平板形状の正側導体お
よび負側導体と、前記半導体素子の端子を交流側に接続
する平板形状の交流側導体から構成される電力変換器に
おいて、前記正側導体および前記負側導体をそれぞれ前
記半導体素子部と前記コンデンサ部に分割すると共に、
分割したそれぞれの正側導体および負側導体に細長い形
状の端子部を形成し、電流の流れる経路の長さが長い導
体の端子部の幅を他の導体の幅より広くすることを特徴
とする電力変換器の主回路構造。
【請求項２】請求項１において、前記コンデンサの端
子と接続する前記正側導体および前記負側導体にそれぞ
れ細長い形状の端子部を形成することを特徴とする電力
変換器の主回路構造。
【請求項３】請求項１または請求項２において、前記
交流側導体に細長い形状の端子部を形成し、前記端子部
の幅を前記分割した正側導体および負側導体の端子部の
幅より狭くすることを特徴とする電力変換器の主回路構
造。
【請求項４】請求項１から請求項３のいずれかにおい
て、前記コンデンサ側の分割した正側導体と負側導体の
間隔を半導体素子側の分割した正側導体と交流側導体ま
たは分割した負側導体と交流側導体の間隔よりも小さく
することを特徴とする電力変換器の主回路構造。
【請求項５】請求項１から請求項３のいずれかにおい
て、前記コンデンサ側の分割した正側導体と負側導体の
間隔をこれらの間に挿入される絶縁板の厚さと等しくす
ることを特徴とする電力変換器の主回路構造。