JPWO2016163201A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

パワーモジュール(8)のプラス端子から突入防止回路(3)までを接続するブスバー(12)と平滑コンデンサ(6)のマイナス側端子からパワーモジュール(8)のマイナス端子までを接続するブスバー(14)を対向して配置させるとともに、ブスバー(12)に流れる電流の向きとブスバー(14)に流れる電流の向きが逆になるようにし、更に突入防止回路(3)から平滑コンデンサ(6)のプラス側端子までを接続するブスバー(13)とブスバー(14)を対向して配置させるとともに、ブスバー(13)に流れる電流の向きとブスバー(14)に流れる電流の向きが逆になるようにすることにより、パワーモジュール(8)のプラス端子とマイナス端子間のインダクタンスを小さくする。

Description

この発明は電力変換装置に関するものであり、特に電源投入時に発生する平滑コンデンサへの突入電流を抑制する回路構造に関するものである。
インバータ等の電力変換器では整流後の直流電圧を安定化させるために、大容量のコンデンサが設置されていることが多い。これら大容量のコンデンサを設置した場合、電源投入時にコンデンサの短絡が発生し、大電流が流れ、機器の破損に繋がる。これを防ぐために突入防止回路が用いられることはよく知られている。突入防止回路は一般的に整流直後の直流ラインに挿入する。この場合突入防止回路と平滑コンデンサを直列に配置することができる。特許文献1においては、突入防止回路を平滑コンデンサと直列に配置した例が開示されている。
このように突入防止回路を平滑コンデンサと直列に配置することにより、誤ってインバータ側の出力端子に電源が接続されても、突入電流が流れることを防止し、インバータの電子部品を破損させることがないという利点がある。さらに突入防止回路のスイッチに流れる電流の大きさは、インバータに分流した後の電流となるため、後で述べる図1の構成に比べ、図2に示すように突入防止回路と平滑コンデンサを直列に接続した場合に電流の大きさは小さくなる。そのためスイッチとして使用するリレー、サイリスタまたはトランジスタの定格容量を下げ、低コスト、小型化を図ることができるという利点がある(特許文献1参照)。
特開平1−214270号公報
上記特許文献1に示すように突入防止回路と平滑コンデンサとを直列に配置した場合、インバータと平滑コンデンサの間に突入防止回路を挿入するため、インバータのプラス端子からマイナス端子までの距離が大きくなってしまう。このためインピーダンスが大きくなり、インバータスイッチング時のサージ電圧の増加に繋がってしまう。従ってインバータの近くに配置されるスナバコンデンサの容量を大きくする必要があり、電力変換器のコスト増加に繋がってしまう。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、回路全体のインピーダンスの増加を抑え、電力変換装置のコスト増加を防ぐことを目的とするものである。
この発明に係る電力変換装置は、交流電源から出力される交流を直流に変換するコンバータと、直流を充電する平滑コンデンサと、直流を交流に変換するインバータとを備え、
インバータのプラス端子とコンバータのプラス端子とを結ぶ線と、インバータのマイナス端子とコンバータのマイナス端子とを結ぶ線との間において、平滑コンデンサと突入防止回路とを直列に接続したものであって、
インバータのプラス端子から突入防止回路までを接続する第1導体と平滑コンデンサのマイナス側端子からインバータのマイナス端子までを接続する第3導体を対向して配置させるとともに、第1導体に流れる電流の向きと第3導体に流れる電流の向きが逆になるようにし、
更に突入防止回路から平滑コンデンサのプラス側端子までを接続する第2導体と第3導体を対向して配置させるとともに、第2導体に流れる電流の向きと第3導体に流れる電流の向きが逆になるようにしたものである。
以上のように構成することにより、回路全体のインピーダンスの増加を抑えることができ、サージ電圧が大きくならないため、電力変換装置のコストの増加を防ぐことができる。
一般的な電力変換装置を示す回路図である。 実施の形態1による電力変換装置を示す回路図である。 実施の形態1による回路配置構造を示す斜視図である。 実施の形態1による電力変換装置を示す主要回路図である。 実施の形態2による回路配置構造を示す斜視図である。 実施の形態3による電力変換装置を示す回路図である。 実施の形態4による電力変換装置を示す回路図である。 実施の形態5による電力変換装置を示す回路図である。 実施の形態6による電力変換装置を示す回路図である。 実施の形態6による電力変換装置を示す回路図である。 パワーリレーの動作を説明するための模式図である。 実施の形態7によるパワーリレーを示す斜視図である。 実施の形態7によるパワーリレーとブスバーの関係を示す斜視図である。 スイッチ側Yを示す模式図である。 実施の形態8による回路配置構造を示す斜視図である。 実施の形態9による突入防止回路の構成を示した回路図である。
実施の形態1.
図1は一般的な電力変換装置を示す回路図であり、突入防止回路と平滑コンデンサが直列に接続されていない回路図である。図2は突入防止回路と平滑コンデンサを直列に配置した例を示すものであり、本実施形態の基本回路構成を示すものである。図2において、三相電源1を整流器2(コンバータ)へ入力することで交流を直流に変換し、平滑コンデンサ6に充電する。図2においては整流器2としてダイオードを使用し、ダイオードをブリッジ構成した整流器2により全波整流するようにしている。平滑コンデンサ6の突入防止回路3は平滑コンデンサ6に対して直列に接続され、抵抗4とスイッチ5が並列に接続されている。本実施形態ではスイッチ5としてパワーリレーを使用する場合について説明する。又パワーリレーの他にサイリスタやトランジスタを使用してもよい。パワーモジュール8はインバータ回路を構成している。スナバコンデンサ7はパワーモジュール8の近くに配置され、スイッチング時のサージ電圧を抑制する役割を持つ。パワーモジュール8の出力にはモータ9を設置する。本実施形態においては、パワーモジュール8のプラス端子(P端子)10と整流器2のプラス端子とを結ぶ線と、パワーモジュール8のマイナス端子(N端子)11と整流器2のマイナス端子とを結ぶ線との間において、平滑コンデンサ6と突入防止回路3とを直列に接続したものである。
次に突入防止回路3の動作について説明する。電源投入時はスイッチ5をOFFし、平滑コンデンサ6に抵抗4を介して充電させることによって、突入電流を抑制する。平滑コンデンサ6が充電された後、スイッチ5をONして、抵抗4に電流が流れないようにする。これにより突入電流を抑制することができる。突入防止回路3を平滑コンデンサ6と直列に配置したことにより、パワーモジュール8のプラス端子(P端子)10から突入防止回路3及び平滑コンデンサ6を介したパワーモジュール8のマイナス端子(N端子)11までの距離が長くなってしまい、インピーダンスが増加する。
特にインダクタタンス成分が問題であり、パワーモジュール8のスイッチング時のP端子とN端子間のサージ電圧が大きくなり、パワーモジュール8の耐圧を超えてしまうことが懸念される。そこでスナバコンデンサ7の容量を増加させて、サージ電圧を抑制する必要があるため、電力変換装置のコスト増加を招く。従来においては、突入防止回路を平滑コンデンサと直列に挿入しても、インダクタンスの上昇を抑制することを考慮しておらず、コストの増加が避けられなかった。
そこで本実施形態ではインダクタンスの増加を抑制することのできる電力変換装置の部品の配置及び配線を構成したものである。即ち、パワーモジュール8のスイッチング素子を接続状態から切断状態にすることにより、電圧曲線にオーバーシュートの部分が生じ、このときの電圧がサージ電圧となる。このようにスイッチング素子が動作して電気回路が接続されている状態から切断されている状態に移行するときに生じるサージ電圧のうち定常的な電圧からの電圧増分ΔVは、配線のインダクタンスをL、電流をi、および時間をtとしたときに、ΔV=L・(di/dt)で表される。従ってサージ電圧を小さくするためには、配線インダクタンスによるインダクタンスLを小さくすることが好ましいので、本発明ではこの配線インダクタンスを小さくするよう工夫をするものである。
図3は実施の形態1による回路配置構造を示す斜視図であり、パワーモジュール8のP端子とN端子間の構造を示している。又図4は主要回路図である。図3において、本実施形態において重要な構成要素となるスイッチ5、平滑コンデンサ6、パワーモジュール8及びそれらを結線するためのブスバーを抽出して示している。結線するための配線は3つ存在し、ブスバー12(第1導体)、ブスバー13(第2導体)、ブスバー14(第3導体)が必要となる。ブスバー12はパワーモジュール8のP端子10から突入防止回路3までを結線する。ブスバー13は突入防止回路3から平滑コンデンサ6のプラス側端子までを接続する。そしてブスバー14は平滑コンデンサ6のマイナス側端子からパワーモジュール8のN端子11まで接続する。本実施形態においては、第1導体、第2導体、第3導体として立体的な構造を有するブスバー12、13、14を採用したものである。
そしてブスバー12とブスバー13はプラス側電位となり、ブスバー14がマイナス側電位となる。図3に示すように、ブスバー12とブスバー14を対向して配置するとともに、ブスバー12を突入防止回路3に接続させる。そしてブスバー13とブスバー14を対向して配置するとともに、それぞれ平滑コンデンサ6の端子に接続させる。こうすることでパワーモジュール8のP端子とN端子間のインダクタンスが小さくなる。即ちブスバー12とブスバー14が対向している部分でブスバー12に流れる電流とブスバー14に流れる電流の向きが逆であるから、相互インダクタンスが負となり、又ブスバー13とブスバー14が対向している部分でブスバー13に流れる電流とブスバー14に流れる電流の向きが逆であるから、相互インダクタンスが負となり、従って自己インダクタンスとの和であるインダクタンス全体の値が小さくなる。以上のように構成することにより、パワーモジュール8のP端子とN端子間のインピーダンスの増加を抑えることができ、スナバコンデンサ7の大容量化を防ぐことができる。よって電力変換装置のコストの上昇を抑えることができる。
実施の形態2.
図5は実施の形態2による回路配置構造を示す斜視図であり、パワーモジュール8のP端子とN端子間の構造を示している。図5においては、本実施形態において重要な構成要素となるスイッチ5、平滑コンデンサ6、パワーモジュール8及びそれらを結線するためのブスバーを抽出して示している。図5において、パワーモジュール8と突入防止回路3と平滑コンデンサ6を一直線上に配置し、これらを結線する構成としたものである。即ち本実施形態においては、パワーモジュール8と突入防止回路3と平滑コンデンサ6の端子が設置されている上面部を同一平面上に配置するとともに、パワーモジュール8と突入防止回路3と平滑コンデンサ6の端子が一直線上に配置されるようにしたものである。更にブスバー12、ブスバー13、ブスバー14の構成において、ブスバー12とブスバー14を対向して配置するとともに、ブスバー12を突入防止回路3に接続させる。そしてブスバー13とブスバー14を対向して配置するとともに、それぞれ平滑コンデンサ6の端子に接続させる。
このようにパワーモジュール8と突入防止回路3と平滑コンデンサ6を一直線上に配置することで、入出力間の配線の長さが更に短くなり、実施の形態1と比較して、更にP端子とN端子間のインピーダンスを低減することができる。又実施の形態1と同様に、P端子とN端子間のブスバーを対向させることによって、パワーモジュール8のP端子とN端子間のインダクタンスを小さくすることもできる。以上のように本実施形態によれば、パワーモジュール8のP端子とN端子間のインピーダンスの増加を抑えることができ、スイッチ切替時のサージ電圧を小さくしてスナバコンデンサ7の大容量化を防ぐことができる。これにより電力変換装置のコスト上昇を抑えることができる。
実施の形態3.
図6は実施の形態3による電力変換装置を示す回路図である。図6において、三相電源1から整流器2を用いて直流に変換し、この直流部には電源電流の高調波を抑えるため、直流リアクトル15が配置されている。突入防止回路3は平滑コンデンサ6と直列に接続され、抵抗4とスイッチ5が並列に接続されていることにより構成されている。パワーモジュール8はインバータ回路を構成している。
スナバコンデンサ7はパワーモジュール8の近くに配置し、スイッチング時のサージ電圧を抑制する役割を持つ。パワーモジュール8の出力にはモータ9を設置する。本実施形態においては、新たに直流リアクトル15を追加した場合においても、上記実施の形態1、2で説明した配線構造と同一の構造を採用したものである。これによりP端子とN端子間のインダクタンスを低減することができ、サージ電圧が大きくならないため、スナバコンデンサ7の容量を抑えることができる。さらに電力変換装置のコスト上昇を抑えることができる。
実施の形態4.
図7は実施の形態4による電力変換装置を示す回路図である。図7において、三相電源1と整流器2の間に電源電流の高調波を抑えるため、交流リアクトル16が配置されている。三相電源1から整流器2を用いて直流に変換する。突入防止回路3は平滑コンデンサ6と直列に接続され、抵抗4とスイッチ5が並列に接続されることにより構成される。パワーモジュール8はインバータ回路を構成している。
スナバコンデンサ7はパワーモジュール8の近くに配置し、スイッチング時のサージ電圧を抑制する役割を持つ。パワーモジュール8の出力にはモータ9を設置する。本実施形態においては、新たに交流リアクトル16を追加した場合においても、上記実施の形態1、2で説明した配線構造と同一の構造を採用したものである。これによりP端子とN端子間のインダクタンスを低減することができ、サージ電圧が大きくならないため、スナバコンデンサ7の容量を抑えることができる。さらに電力変換装置のコスト上昇を抑えることができる。
実施の形態5.
図8は実施の形態5による電力変換装置を示す回路図である。本実施形態においては、単相電源17を適用したものである。単相電源17から整流器18を用いて直流に変換し、平滑コンデンサ6に充電する。突入防止回路3は平滑コンデンサ6と直列に接続され、抵抗4とスイッチ5が並列に接続されることにより構成される。パワーモジュール8はインバータ回路を構成している。スナバコンデンサ7はパワーモジュール8の近くに配置し、スイッチング時のサージ電圧を抑制する役割を持つ。パワーモジュール8の出力にはモータ9を設置する。
本実施形態においても、上記実施の形態3、実施の形態4のように、直流リアクトルや交流リアクトルを挿入してもよい。本実施形態では単相整流器を用いた場合においても、上記実施の形態1、2で説明した配線構造と同一の構造を採用したものである。これによりP端子とN端子間のインダクタンスを低減することができ、サージ電圧が大きくならないため、スナバコンデンサ7の容量を抑えることができる。さらに電力変換装置のコスト上昇を抑えることができる。
実施の形態6.
図9は実施の形態6による電力変換装置を示す回路図である。本実施形態においては、入力側のコンバータとして、スイッチング素子をブリッジ構成した整流回路を採用したものである。即ち図9においてはパワートランジスタ等を使用してコンバータを構成し、点弧制御できるようにしたものである。三相電源1からコンバータ19を用いて直流に変換し、平滑コンデンサ6に充電する。突入防止回路3は平滑コンデンサ6と直列に接続され、抵抗4とスイッチ5が並列に接続されることにより構成される。又図9においては図示されていないが、突入防止回路3及び平滑コンデンサ6の右横にはインバータ回路を構成するパワーモジュール及びモータが設置されている。スナバコンデンサ7はパワーモジュールの近くに配置し、スイッチング時のサージ電圧を抑制する役割を持つ。パワーモジュールの出力にはモータを設置する。
三相電源1側の電力変換器がスイッチングする点で上記実施形態1〜5とは異なる。図10は別の形態による電力変換装置を示す回路図である。図10に示すように、入力側の電力変換器を単相の回路としてもよい。本実施形態においても、上記実施の形態1、2で説明した配線構造と同一の構造を採用したものである。これによりP端子とN端子間のインダクタンスを低減することができ、サージ電圧が大きくならないため、スナバコンデンサ7の容量を抑えることができる。さらに電力変換装置のコスト上昇を抑えることができる。
実施の形態7.
前記においてスイッチ5としてパワーリレーを使用することに言及したが、本実施形態では、このパワーリレー内部のインダクタンスも低減するための構造について説明する。図11はパワーリレーの動作を説明するための模式図、図12はパワーリレーを示す斜視図である。図11において、パワーリレーはON/OFFを制御する電磁側Xとスイッチとして動作するスイッチ側Yとから構成される。突入防止回路3において電流が流れるのはスイッチ側Yである。電磁側Xにおいて操作コイル30に電流が流れ鉄心100が磁化されることにより、鉄片101が移動し、この動きが伝えられることにより(矢印Z)、スイッチ側Yにおいて可動接点31が固定接点32に接触することにより電流が流れる。
図12において、電磁側Xの入出力端子21が細い端子2つに相当しており、スイッチ側Yの入出力端子22が太い端子2つに相当しており、スイッチの内部配線23は、2つの入出力端子22を結ぶように構成される。図13はパワーリレーとブスバーの関係を示す斜視図である。ブスバー14とブスバー12を対向させて配置させるとともに、ブスバー13とブスバー14を対向させて配置させる。本実施形態においては更にパワーリレー内部のインダクタンスを低減するために、マイナス側のブスバーであるブスバー14をリレーの内部配線23と平行になるように配線する。これにより内部配線23に流れる電流とブスバー14に流れる電流の向きが逆となり、相互インダクタンスが負となり、従って自己インダクタンスとの和であるインダクタンス全体の値が小さくなる。図14はスイッチ側Yを示す模式図であり、図14(A)はOFFの状態を示すとともに、図14(B)はONの状態を示している。図14(B)に示すように、ONの状態においては内部配線23とブスバー14とが平行になっている。これによりパワーリレーの内部インピーダンスを低減することができ、スナバコンデンサ7の容量の低減を実現することができる。さらに電力変換装置のコスト上昇を抑えることができる。
実施の形態8.
上記実施の形態1から実施の形態7においては、パワーモジュール8とスイッチ5と平滑コンデンサ6をそれぞれ接続するための配線としてブスバーを用いた場合について説明した。これに対してプリント基板上に配線を実装して構成することもできる。
図15は本実施の形態を示す斜視図であり、プリント基板24に整流器2(コンバータ)とパワーモジュール8とスイッチ5と平滑コンデンサ6が接続されている。次にプリント基板24の実装方法を説明する。例えば2層基板の上面にブスバー12に相当する第1パターン(第1導体)、下面にブスバー14に相当する第3パターン(第3導体)を配置することによって両者を対向させることができ、これによりインダクタンスを低減することができる。同様に2層基板の上面をブスバー13に相当する第2パターン(第2導体)、下面にブスバー14に相当する第3パターンを配置することによって両者を対向させることができ、これによりインダクタンスを低減することができる。即ち第1導体、第2導体、第3導体としてプリント基板24に実装されたパターンを採用したものである。又図15では、パワーモジュール8とスイッチ5と平滑コンデンサ6はプリント基板24のすべて上面に配置されている場合を示しているが、それぞれの部品に対し上面下面のどちらに実装してもよい。本実施の形態を適用することで、インダクタンスを低減することができる。
尚回路図及び動作原理については上記実施の形態1で説明した場合と同じである。又本実施形態においても上記実施の形態2〜7の構成を採用することができる。例えばパワーモジュール8と突入防止回路3と平滑コンデンサ6の端子が設置されている面を同一平面上に配置するとともに、パワーモジュール8と突入防止回路3と平滑コンデンサ6の端子を一直線上に配置させることができる。又コンバータとしてダイオードをブリッジ構成した整流回路を使用することができる。又コンバータとしてスイッチング素子をブリッジ構成した整流回路を使用することができる。更には、突入防止回路3は抵抗4とスイッチ5が並列に接続されることにより構成され、スイッチ5を構成する内部配線と第3パターンを対向して配置させるとともに、内部配線に流れる電流の向きと第3パターンに流れる電流の向きが逆になるようにすることもできる。
実施の形態9.
実施の形態1から実施の形態8においては、突入防止回路3の構造は抵抗4とスイッチ5が並列接続されるリレーについて説明した。本実施の形態ではこれとは異なる突入防止回路の構成について説明する。スイッチとしては、トランジスタ等の半導体素子で代用できる。図16はスイッチとして半導体素子を採用したものを示す回路図であり、図16(A)はスイッチとしてサイリスタ25を用いた場合を示しており、スイッチをサイリスタ25とダイオード26の逆並列で構成したものである。簡単な動作例については、サイリスタ25をOFFした場合、抵抗4を介して平滑コンデンサ6を充電する。充電が完了したら、サイリスタ25をONして突入防止回路3を短絡させる。逆並列にダイオード26を設けているのは、平滑コンデンサ6が放電するために必要だからであり、ダイオード26が無いと、平滑コンデンサ6は放電できなくなる。
図16(B)はMOSFET27を用いた場合を示す回路図である。この場合についても上記と同様な方法で動作させることができる。MOSFET27を用いる場合、MOSFETは逆向きに流すことができるので、ダイオード26を省略することもできる。図16(C)はIGBT28を用いた場合を示す斜視図である。この場合についてもサイリスタを用いた場合と同様な手段で動作させることができる。本実施の形態の突入防止回路を用いることで実施の形態1と同様回路のインダクタンスを低減することができる。
尚本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
この発明に係る電力変換装置は、交流電源から出力される交流を直流に変換するコンバータと、直流を充電する平滑コンデンサと、直流を交流に変換するインバータとを備え、
インバータのプラス端子とコンバータのプラス端子とを結ぶ線と、インバータのマイナス端子とコンバータのマイナス端子とを結ぶ線との間において、平滑コンデンサと突入防止回路とを直列に接続したものであって、
インバータのプラス端子から突入防止回路までを接続する第1導体と平滑コンデンサのマイナス側端子からインバータのマイナス端子までを接続する第3導体を対向して配置させるとともに、第1導体に流れる電流の向きと第3導体に流れる電流の向きが逆になるようにし、
突入防止回路から平滑コンデンサのプラス側端子までを接続する第2導体と第3導体を対向して配置させるとともに、第2導体に流れる電流の向きと第3導体に流れる電流の向きが逆になるようにし
更に突入防止回路は抵抗とスイッチが並列に接続されることにより構成され、スイッチを構成する内部配線と第3導体を対向して配置させるとともに、内部配線に流れる電流の向きと第3導体に流れる電流の向きが逆になるようにしたものである。

Claims (9)

  1. 交流電源から出力される交流を直流に変換するコンバータと、上記直流を充電する平滑コンデンサと、上記直流を交流に変換するインバータとを備え、
    上記インバータのプラス端子と上記コンバータのプラス端子とを結ぶ線と、上記インバータのマイナス端子と上記コンバータのマイナス端子とを結ぶ線との間において、上記平滑コンデンサと突入防止回路とを直列に接続した電力変換装置において、
    上記インバータの上記プラス端子から上記突入防止回路までを接続する第1導体と上記平滑コンデンサのマイナス側端子から上記インバータのマイナス端子までを接続する第3導体を対向して配置させるとともに、上記第1導体に流れる電流の向きと上記第3導体に流れる電流の向きが逆になるようにし、
    更に上記突入防止回路から上記平滑コンデンサのプラス側端子までを接続する第2導体と上記第3導体を対向して配置させるとともに、上記第2導体に流れる電流の向きと上記第3導体に流れる電流の向きが逆になるようにした電力変換装置。
  2. 上記第1導体、上記第2導体、上記第3導体としてブスバーを採用した請求項1記載の電力変換装置。
  3. 上記コンバータと上記平滑コンデンサと上記インバータとを接続するプリント基板を設け、上記第1導体、上記第2導体、上記第3導体として上記プリント基板に実装されたパターンを採用した請求項1記載の電力変換装置。
  4. 上記インバータと上記突入防止回路と上記平滑コンデンサの端子が設置されている面を同一平面上に配置するとともに、上記インバータと上記突入防止回路と上記平滑コンデンサの端子を一直線上に配置させた請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  5. 上記コンバータとしてダイオードをブリッジ構成した整流回路を使用した請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  6. 上記コンバータとしてスイッチング素子をブリッジ構成した整流回路を使用した請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  7. 上記突入防止回路は抵抗とスイッチが並列に接続されることにより構成され、上記スイッチを構成する内部配線と上記第3導体を対向して配置させるとともに、上記内部配線に流れる電流の向きと上記第3導体に流れる電流の向きが逆になるようにした請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  8. 上記突入防止回路は抵抗と半導体素子が並列に接続されることにより構成され、上記半導体素子にはダイオードが逆並列に接続されている請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  9. 上記突入防止回路の上記半導体素子はサイリスタ、IGBT、MOSFETのいずれかにより構成されている請求項8に記載の電力変換装置。
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