JPWO2008075418A1

JPWO2008075418A1 - ３レベル電力変換装置

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Publication number: JPWO2008075418A1
Application number: JP2007521735A
Authority: JP
Inventors: 力正小野; 田中　毅; 毅田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2010-04-02
Also published as: US20100315776A1; WO2008075418A1; CN101563838B; KR101038175B1; KR20090077084A; CN101563838A; US8111530B2

Abstract

【課題】装置を小型化し、素子間を接続する配線の浮遊インダクタンスを低減させるとともに、スナバ回路の取り付けを容易にする３レベル電力変換装置を提供する。【解決手段】第1乃至第4のスイッチング素子１〜４をオンオフ制御して交流出力端子ＡＣから３レベルの電圧を出力する３レベル電力変換装置において、第１及び第４のスイッチング素子１、４を構成単位とする第１のモジュール１１と、第２及び第３のスイッチング素子２，３を構成単位とする第２のモジュール１２と、第１の結合ダイオード５を構成単位とする第３のモジュール１４と、第２の結合ダイオードを構成単位とする第４のモジュール１３とを備え、交流出力端子ＡＣに近い位置から、第２のモジュール１１、第４のモジュール１４、第３のモジュール１３、第１のモジュール１１を順次一列に配置した。

Description

この発明はＩＧＢＴなどのスイッチング素子を用いて３レベルの電圧を出力する３レベル電力変換装置に関するものである。

従来の３レベル電力変換装置は、特許文献１に示すように、正極端子と中間端子と負極端子とを有する直流電圧源、正極端子と交流出力端子との間に順次直列に接続された第１および第２のＩＧＢＴと、第１および第２のＩＧＢＴの接続点と中間端子との間に接続された第１の結合ダイオードと、交流出力端子と負極端子との間に順次直列に接続された第３および第４のＩＧＢＴと、第３および第４のＩＧＢＴの接続点と中間端子との間に接続された第２の結合ダイオードとを備え、上記第1乃至第4のＩＧＢＴを適宜オンオフ制御して交流出力端子から３レベルの電圧を出力するように構成されている。

特許第３２２９９３１号公報

従来の３レベル電力変換装置においては、1個のＩＧＢＴを搭載したモジュールを４個用いるために装置が大型になり、そのことにより素子間を接続する各配線の浮遊インダクタンスが大きくなることでターンオフサージ電圧が高くなる。
このターンオフサージ電圧を抑制する方法として、別途コンデンサを用いて配線の浮遊インダクタンスのエネルギーを吸収するスナバ回路を各ＩＧＢＴと並列に接続する方法があるが、配線インダクタンスが大きいとそのエネルギーを吸収するスナバ回路のコンデンサ容量も大きくなる上、素子配置によって素子の発熱量が変わらないのにも関わらず冷却器が大きくなる場合があり、装置損失の増加、装置外形の大型化、装置コストの増加、部品数の増大による信頼性の低下を招くことになる。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、装置を小型化し、素子間を接続する配線の浮遊インダクタンスを低減させるとともに、スナバ回路の取り付けを容易にする３レベル電力変換装置を提供するものである。

この発明は、正極端子と中間端子と負極端子とを有する直流電圧源、上記正極端子と交流出力端子との間に順次直列に接続された第１および第２のスイッチング素子と、上記第１および第２のスイッチング素子の接続点と上記中間端子との間に接続された第１の結合ダイオードと、上記交流出力端子と上記負極端子との間に順次直列に接続された第３および第４のスイッチング素子と、上記第３および第４のスイッチング素子の接続点と上記中間端子との間に接続された第２の結合ダイオードとを備え、上記第1乃至第4のスイッチング素子をオンオフ制御して上記交流出力端子から３レベルの電圧を出力する３レベル電力変換装置において、上記第１及び第４のスイッチング素子を一組の構成単位とする第１のモジュールと、上記第２及び第３のスイッチング素子を一組の構成単位とする第２のモジュールと、上記第１の結合ダイオードを含む第３のモジュールと、上記第２の結合ダイオードを含む第４のモジュールとを備え、上記交流出力端子に近い位置から、上記第２のモジュール、第４のモジュール、第３のモジュール、第１のモジュールを順次一列に配置したものである。

この発明によれば、装置を小型化し、素子間を接続する配線の浮遊インダクタンスを低減させるとともに、装置の容量に応じたスナバ回路の取り付けを容易に行える３レベル電力変換装置を実現することができる。

この発明の実施の形態１を示す３レベル電力変換装置の主回路構成を示す回路図である。図１の主回路における動作状態の一例を示す説明図である。図１の主回路における動作状態の他の一例を示す説明図である。実施の形態１における３レベル電力変換装置のモジュール配置構成を示す平面図である。図４のモジュール配置構成における素子間接続を示す説明図である。実施の形態１において、モジュールの冷却器ベースにヒートパイプを設けた場合の平面図である。この発明の実施の形態２としてスナバ回路を設けた場合の回路図である。実施の形態２において用いるスナバユニットの例を示す構成図である。実施の形態２においてスナバユニットを設けた場合の一例を示す構成図である。実施の形態２においてスナバユニットを設けた場合の他の例を示す構成図である。実施の形態２においてスナバユニットを設けた場合の更に他の例を示す構成図である。実施の形態２においてスナバユニットを設けた場合の装置全体の一例を模式的に示す側面図である。実施の形態２においてスナバユニットを設けた場合の装置全体の他の例を模式的に示す側面図である。実施の形態２においてスナバユニットを設けた場合の装置全体の更に他の例を模式的に示す側面図である。この発明の実施の形態３における３レベル電力変換装置のモジュール配置構成を示す平面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における３レベル電力変換装置を示す回路構成図である。図において、直流電圧源は、コンデンサ７および８の直列体からなり、正極端子Ｐ、中間端子Ｃおよび負極端子Ｎを備えている。
直流電圧源の正極端子Ｐと交流出力端子ＡＣとの間の正側アーム部は、第１及び第２のＩＧＢＴ１，２と第１の結合ダイオード５とから構成されており、第１のＩＧＢＴ１のコレクタは正極端子Ｐに接続され、同エミッタは第２のＩＧＢＴ２のコレクタおよび第１の結合ダイオード５のカソードに接続されている。第１の結合ダイオード５のアノードは中間端子Ｃに接続され、第２のＩＧＢＴ２のエミッタは交流出力端子ＡＣに接続されている。

次に、交流出力端子ＡＣと負極端子Ｎとの間の負側アーム部は、第３及び第４のＩＧＢＴ３，４と、第２の結合ダイオード６とから構成されており、第３のＩＧＢＴ３のコレクタは交流出力端子ＡＣに接続され、同エミッタは第４のＩＧＢＴ４のコレクタＣおよび第２の結合ダイオード６のアノードに接続されている。第２の結合ダイオード６のカソードは中間端子Ｃに接続され、第４のＩＧＢＴ４のエミッタは負極端子Ｎに接続されている。
なお、第１及び第２の結合ダイオード５，６にはそれぞれ分圧抵抗Ｒａ，Ｒｂが並列に接続されている。

上記のように構成された３レベル電力変換装置は、交流出力端子ＡＣから３レベルの電圧を出力するよう周知の方法で第１乃至第４のＩＧＢＴ１〜４を適宜オンオフ制御されるが、これらのＩＧＢＴ１〜４をターンオフするとき、素子間を接続する各配線の浮遊インダクタンスにより、高いターンオフサージ電圧が発生する。
図２，３は３レベル電力変換装置の動作状態における電流経路の一例を示す説明図で、Ｌ１〜Ｌ５は素子間を接続する各配線の浮遊インダクタンスである。ここで、図２に示すようにＩＧＢＴ１，２が共にオンの状態からＩＧＢＴ１がターンオフすると、電流Ｉ１から電流Ｉ２へ転流する場合、各配線インダクタンスに誘起される電圧によりＩＧＢＴ１にはコンデンサ７の電圧＋Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３の電圧がサージ電圧として印加される。
また、図３に示すようにＩＧＢＴ２がターンオフしてＩＧＢＴ３，４のフライホイールダイオードがオンする場合、即ち、電流Ｉ２から電流Ｉ３へ転流する場合、ＩＧＢＴ２にはコンデンサ８の電圧＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ５の電圧がサージ電圧として印加される。
これらはターンオフサージ電圧と呼ばれるもので、これらのターンオフサージ電圧をＩＧＢＴの安全動作領域内に抑えないとＩＧＢＴを破壊にいたらしめることになる。

従来の３レベル電力変換装置の場合には、１個のＩＧＢＴを搭載したモジュールを４個直列に接続しているために装置が大型になり、そのことにより各配線の浮遊インダクタンスが大きくなることでターンオフサージ電圧が高くなる。このためターンオフサージ電圧からＩＧＢＴを保護するために通常スナバ回路を各ＩＧＢＴに取り付けているが、これが更に装置の大型化を招く結果となっている。

そこで、この発明の実施の形態１による３レベル電力変換装置おいては、図４に示すように、ＩＧＢＴ２素子を含むモジュールを用い、外側素子である第１及び第４のＩＧＢＴを一組の構成単位として第１のモジュール１１を構成し、また内側素子である第２及び第３のＩＧＢＴ２,３を一組の構成単位として第２のモジュール１２を構成すると共に、これらモジュール１１，１２を両端に配置し、その間に第１の結合ダイオードを含む第３のモジュール１３、第２の結合ダイオードを含む第４のモジュール１４を配置し、交流出力端子ＡＣに近い位置から、第２のモジュール１２、第４のモジュール１４、第３のモジュール１３、第１のモジュール１１を順次一列に並べるモジュール配置構成とし、直流電圧源であるコンデンサ７および８に対して、図５に示すように各モジュールの素子間を接続している。なお、図４においてＣ，Ｅは各ＩＧＢＴのカソード、アノード、Ａ，Ｋは各結合ダイオードのカソード、アノードを表している。
このようなモジュール配置構成にすれば、従来のように１個のＩＧＢＴを搭載したモジュール４個と、ダイオードモジュール２個を一列に配置し、素子間を接続している構成に比べて、装置の小型化を図ることができ、各配線の浮遊インダクタンスを低減できる。

また、各モジュールの冷却手段としてヒートパイプを用いる場合は、図６に示すように各モジュール１１〜１４のねじ止め部１６がヒートパイプ１５を通す方向の辺部に沿って平行に配列されるようにすることによって、ヒートパイプ１５を各モジュールのねじ止め部１６に遮られずに各モジュールの冷却器に通すことができ、冷却構造を小型化することができる。

実施の形態２．
実施の形態２は上記実施の形態１における３レベル電力変換装置にスナバ回路を設ける場合の例を示すものである。
図７は、上記実施の形態１における３レベル電力変換装置において、第１乃至第４のＩＧＢＴ１乃至４にそれぞれ並列接続されたスナバ回路を付加した場合の回路構成を示すものである。
図７において、第２のＩＧＢＴ２に対するスナバ回路は、第２のＩＧＢＴ２のコレクタ側にアノードを接続されダイオードＤ２と、このダイオードのカソード側と第２の結合ダイオード６のカソード側との間に接続されたコンデンサＣ２と、このコンデンサとダイオード６のカソードとの接続点と正極側端子Ｐとの間に接続された放電用抵抗Ｒ２とで形成されている。
第３のＩＧＢＴ３に対するスナバ回路は、第３のＩＧＢＴ３のエミッタ側にカソードを接続されダイオードＤ３と、このダイオードのアノード側と第１の結合ダイオードａのアノード側との間に接続されたコンデンサＣ３と、このコンデンサとダイオードＤ３のカソードとの接続点と負極側端子Ｎとの間に接続された放電用抵抗Ｒ３とで形成されている。

更に第１のＩＧＢＴ１に対するスナバ回路は、第１のＩＧＢＴ１のコレクタ側に一端を接続されたコンデンサＣ１と、第１のＩＧＢＴ１のエミッタ側にカソードを接続されアノードをコンデンサＣ１の他端に接続されたダイオードＤ１と、コンデンサＣ１とダイオードＤ１との接続点と直流電源の中間端子Ｃとの間に接続された放電用抵抗Ｒ１とで形成されている。
第４のＩＧＢＴ１に対するスナバ回路は、第４のＩＧＢＴ４のエミッタ側に一端を接続されたコンデンサＣ４と、第４のＩＧＢＴ４のコレクタ側にアノードを接続されカソードをコンデンサＣ４の他端に接続されたダイオードＤ４と、コンデンサＣ４とダイオードＤ４との接続点と直流電源の中間端子Ｃの間に接続された放電用抵抗Ｒ４とで形成されている。

そして、この実施の形態２では、実施の形態１に示したモジュール配置構成に対応して上記第１乃至第４のスナバ回路の取り付けを容易にするため、図８に示すようにスナバユニットとして構成される。
図８（ａ）は、第２及び第３のＩＧＢＴ２，３に対するスナバ回路のうち放電用抵抗Ｒ２，Ｒ３を除いた回路部分を共通の基板に形成して第１のスナバユニット２１を構成した例、同（ｂ）は、第１及び第４のＩＧＢＴ１，４に対するスナバ回路のうち放電抵抗Ｒ１，Ｒ４を除いた回路部分をそれぞれ別個の基板に形成し第２及び第３のスナバユニット２２，２３を構成した例、同（ｃ）は、第１及び第４のＩＧＢＴ１，４に対するスナバ回路のうち放電抵抗Ｒ１，Ｒ４を除いた回路部分を共通の基板に形成し第４のスナバユニット２４を構成した例を示している。
なお、図中、Ｃ，ＥはＩＧＢＴのカソード、アノードに対応する接続端子部、Ａ，Ｋは結合ダイオードのカソード、アノードに対応する接続端子部、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４は放電用抵抗Ｒ１〜Ｒ４との接続端子部をそれぞれ示す。

図８に示した第１乃至第４のスナバユニット２１〜２４は、必要に応じて図５に示したモジュール配置構成において一列に配置されたモジュールの上方に重なるように配置され、互いに絶縁板を介して近接して配置される複数の平板状の配線板を利用してモジュールの各素子と接続される。
図９は第１のスナバユニット２１、第３のスナバユニット２３及び第２のスナバユニット２２の順次一列に配置した例、図１０は第１のスナバユニット２１と第４のスナバユニット２４を隣接配置した例を示している。

なお、主回路の内部インダクタンスによっては外側素子である第１及び第４のＩＧＢＴに対するスナバ回路を必要としない場合があるが、その場合には、図１１に示すように第１のスナバユニット２１のみを設置すればよい。
このようにスナバユニットを内側素子用と外側素子用に分割することによって主回路のインダクタンスの大きさに応じて適宜使い分けることができる。

図１２乃至１４はスナバユニットを設けた場合の装置全体を模式的に示す側面図で、図１２は図９に対応し、図１３は図１０に対応し、図１４は図１１に対応する場合で、モジュール１１〜１４に共通の冷却器ベース３０、モジュール１１〜１４の本体、スナバユニット２１〜２４、コンデンサ７，８の順に立体的に積み重ねられている。
各図（ａ）は各モジュール１１〜１４の側面を絶縁板４０でカバーし、この絶縁板４０に分圧用抵抗Ｒａ，Ｒｂ及び放電用抵抗Ｒ１〜Ｒ４を取り付けた状態、各図（ｂ）は上記絶縁板４０を除去し、素子間接続を行う配線板５０を見えるようにした状態を示している。
なお、スナバユニット２１〜２４を用いない場合は、絶縁板４０はなくなり、分圧用抵抗Ｒａ，Ｒｂは第１及び第２の結合ダイオードのモジュール１３，１４上に直接設けられる。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、ＩＧＢＴを含むモジュール１１，１２を両端に配置し、その間に第２の結合ダイオードを含むモジュール１３、第１の結合ダイオードを含むモジュール１４を順次一列に配置するモジュール配置構成としているが、図１５に示すように、上側素子である第１及び第２のＩＧＢＴ１，２を一組の構成単位として第５のモジュール１７を構成し、また下側素子である第３及び第４のＩＧＢＴ３，４を一組の構成単位として第６のモジュール１８を構成して、これらのモジュール１７，１８を挟むようにして第１の結合ダイオード５を含む第７のモジュール１９及び第２の結合ダイオード６を含む第８のモジュール２０を配置し、交流出力端子ＡＣに近い位置から、第８のモジュール２０，第６のモジュール１８，第５のモジュール１７，第７のモジュール１９の順に一列に並べるモジュール配置構成としてもよい。
このモジュール配置構成においても、装置の小型化を図って各配線の浮遊インダクタンスを低減できる上、大容量電力変換装置に適用される場合、図８に示したスナバユニット２１〜２４を適宜用いることができる。
また、上側素子もしくは下側素子で故障があった場合において、実施の形態１におけるモジュール配置構成の場合は２個のモジュールを交換しなくてはならないが、この実施の形態によるモジュール配置構成によれば１個のモジュール交換だけで済む。

なお、以上では、スイッチング素子としてＩＧＢＴを使用した場合について説明したが、他のスイッチング素子、例えば、トランジスタ、インテリジェントパワーモジュールあるいはＦＥＴ等であってもこの発明は同様に適用でき、同等の効果を奏する。

この発明は、正極端子と中間端子と負極端子とを有する直流電圧源、上記正極端子と交流出力端子との間に順次直列に接続された第１および第２のスイッチング素子と、上記第１および第２のスイッチング素子の接続点と上記中間端子との間に接続された第１の結合ダイオードと、上記交流出力端子と上記負極端子との間に順次直列に接続された第３および第４のスイッチング素子と、上記第３および第４のスイッチング素子の接続点と上記中間端子との間に接続された第２の結合ダイオードとを備え、上記第1乃至第4のスイッチング素子をオンオフ制御して上記交流出力端子から３レベルの電圧を出力する３レベル電力変換装置において、上記第１及び第４のスイッチング素子を一組の構成単位とする第１のモジュールと、上記第２及び第３のスイッチング素子を一組の構成単位とする第２のモジュールと、上記第１の結合ダイオードを含む第３のモジュールと、上記第２の結合ダイオードを含む第４のモジュールとを備え、上記交流出力端子に近い位置から、上記第２のモジュール、第４のモジュール、第３のモジュール、第１のモジュールを順次一列に配置すると共に、これら一列に配置されたモジュール上に上記各モジュールを構成するスイッチング素子間の接続を行う平板状の配線板を設け、この配線板の反モジュール側に、上記スイッチング素子に並列接続されたスナバ回路を含むスナバユニットを積み重ねて立体的に配置し得る空間を形成したものである。

Claims

正極端子と中間端子と負極端子とを有する直流電圧源、上記正極端子と交流出力端子との間に順次直列に接続された第１および第２のスイッチング素子と、上記第１および第２のスイッチング素子の接続点と上記中間端子との間に接続された第１の結合ダイオードと、上記交流出力端子と上記負極端子との間に順次直列に接続された第３および第４のスイッチング素子と、上記第３および第４のスイッチング素子の接続点と上記中間端子との間に接続された第２の結合ダイオードとを備え、上記第1乃至第4のスイッチング素子をオンオフ制御して上記交流出力端子から３レベルの電圧を出力する３レベル電力変換装置において、
上記第１及び第４のスイッチング素子を一組の構成単位とする第１のモジュールと、
上記第２及び第３のスイッチング素子を一組の構成単位とする第２のモジュールと、
上記第１の結合ダイオードを含む第３のモジュールと、
上記第２の結合ダイオードを含む第４のモジュールとを備え、
上記交流出力端子に近い位置から、上記第２のモジュール、第４のモジュール、第３のモジュール、第１のモジュールを順次一列に配置した
ことを特徴とする３レベル電力変換装置。
上記第２及び第３のスイッチング素子にそれぞれ並列接続されたスナバ回路を有し、これらのスナバ回路を共通の基板に形成して第１のスナバユニットとして構成したことを特徴とする請求項１記載の３レベル電力変換装置。
上記第１及び第４のスイッチング素子にそれぞれ並列接続されたスナバ回路を有し、これらのスナバ回路をそれぞれ別個の基板に形成し第２及び第３のスナバユニットとして構成したことを特徴とする請求項２記載の３レベル電力変換装置。
上記第１及び第４のスイッチング素子にそれぞれ並列接続されたスナバ回路を有し、これらのスナバ回路を共通の基板に形成して第４のスナバユニットとして構成した
ことを特徴とする請求項２記載の３レベル電力変換装置。
上記第１のスナバユニットは、
上記第２のスイッチング素子の入力側にアノードを接続されたダイオードと、このダイオードのカソード側と上記第２の結合ダイオードのカソード側との間に接続されたコンデンサと、このコンデンサと上記ダイオードのカソードとの接続点と上記正極端子との間に接続された放電用抵抗とで形成されたスナバ回路と、
上記第３のスイッチング素子の出力側にカソードを接続されたダイオードと、このダイオードのアノード側と上記第１の結合ダイオードのアノード側との間に接続されたコンデンサと、このコンデンサと上記ダイオードのカソードとの接続点と上記負極端子との間に接続された放電用抵抗とで形成されたスナバ回路とを含む
ことを特徴とする請求項２記載の３レベル電力変換装置。
上記第２のスナバユニットは、
上記第１のスイッチング素子の入力側に一端を接続されたコンデンサと、上記第１のスイッチング素子の出力側にカソードを接続されアノードを上記コンデンサの他端に接続されたダイオードと、上記コンデンサとダイオードとの接続点と上記直流電源の中間端子との間に接続された放電用抵抗とで形成された第３のスナバ回路を含み、
上記第３のスナバユニットは、
上記第４のスイッチング素子の出力側に一端を接続されたコンデンサと、上記第４のスイッチング素子の入力側にアノードを接続されカソードを上記コンデンサの他端に接続されたダイオードと、上記コンデンサとダイオードとの接続点と上記直流電源の中間端子との間に接続された放電用抵抗とで形成されたスナバ回路を含む
ことを特徴とする請求項３記載の３レベル電力変換装置。
上記第４のスナバユニットは、
上記第１のスイッチング素子の入力側に一端を接続されたコンデンサと、第１のスイッチング素子の出力側にカソードを接続されアノードを上記コンデンサの他端に接続されたダイオードと、上記コンデンサとダイオードとの接続点と上記直流電源の中間端子との間に接続された放電用抵抗とで形成されたスナバ回路と、
上記第４のスイッチング素子の出力側に一端を接続されたコンデンサと、第４のスイッチング素子の入力側にアノードを接続されカソードを上記コンデンサの他端に接続されたダイオードと、上記コンデンサとダイオードとの接続点と上記直流電源の中間端子との間に接続された放電用抵抗とで形成されたスナバ回路とを含む
ことを特徴とする請求項４記載の３レベル電力変換装置。
順次一列に配置された上記第２のモジュール、第４のモジュール、第３のモジュール、第１のモジュールの冷却器に、それらの配置方向に沿って共通のヒートパイプを設けた
ことを特徴とする請求項１記載の３レベル電力変換装置。
正極端子と中間端子と負極端子とを有する直流電圧源、上記正極端子と交流出力端子との間に順次直列に接続された第１および第２のスイッチング素子と、上記第１および第２のスイッチング素子の接続点と上記中間端子との間に接続された第１の結合ダイオードと、上記交流出力端子と上記負極端子との間に順次直列に接続された第３および第４のスイッチング素子と、上記第３および第４のスイッチング素子の接続点と上記中間端子との間に接続された第２の結合ダイオードとを備え、上記第1乃至第4のスイッチング素子をオンオフ制御して上記交流出力端子から３レベルの電圧を出力する３レベル電力変換装置において、
上記第１及び第２のスイッチング素子を一組の構成単位とする第５のモジュールと、
上記第３及び第４のスイッチング素子を一組の構成単位とする第６のモジュールと、
上記第１の結合ダイオードを含む第７のモジュールと、
上記第２の結合ダイオードを含む第８のモジュールとを備え、
上記交流出力端子に近い位置から、上記第８のモジュール、第６のモジュール、第５のモジュール、第７のモジュールを順次一列に配置した
ことを特徴とする３レベル電力変換装置。