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技術 電力変換器の主回路構造

出願人 富士電機株式会社
発明者 滝沢聡毅
出願日 2010年11月16日 (10年0ヶ月経過) 出願番号 2010-255895
公開日 2012年6月7日 (8年5ヶ月経過) 公開番号 2012-110099
状態 特許登録済
技術分野 インバータ装置
主要キーワード 線対称軸 正側電位 負側電位 ターンオフサージ 各電解コンデンサ ダイオード整流回路 並列構成 コンデンサ間
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2012年6月7日)のものです。
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図面 (18)

課題

解決手段

直流回路部を構成する電解コンデンサ1〜6と、電力変換部を構成するパワー半導体モジュール11〜16との配置を図示のように工夫することで、例えば電解コンデンサ1,2,3とパワー半導体モジュール11,13,15間、電解コンデンサ4,5,6とパワー半導体モジュール12,14,16間の配線インダクタンスが互いに略等しくなるようにし、掲記課題の解決を図る。

概要

背景

図5にこの種の一般的な例として、インバータ回路例を示す。
符号1〜6が直流回路部に設けられたコンデンサで、正側電位をPc,負側電位をNcとして、通常動作時は直流変動のない平滑化された電圧となる。一般に、本直流回路部を交流電源から構成する場合は、図示されないダイオード整流回路を介して形成することができる。ここでは、大容量化のため6並列接続の例が示され、コンデンサ1〜6には電解コンデンサが用いられることが多い。

7,8は正側電位Pcに接続されたIGBTダイオード、9,10は負側電位Ncに接続されたIGBTとダイオードで、これらが1組で1相分パワー半導体モジュールを構成し、3台使用することで3相分の直流−交流変換回路を構成することができる。図5では大容量化のため1相分を2並列構成としているため、パワー半導体モジュールは11と12,13と14,15と16の6台で構成されている。17は3相交流負荷で、モータ交流電動機)が代表的である。

図6には、図5に対してさらに大容量化のために、パワー半導体モジュールを1相分あたり6並列構成とした回路(1相分のみ図示)を示す。
図7には、パワー半導体モジュールの外観例を示す。Pc電位に接続されるC1端子18、Nc電位に接続されるE2端子19、および交流出力に接続されるU端子(交流出力端子)20などが図示されている。

電解コンデンサ6台とパワー半導体モジュール6台の設置例を図8,図9に上面図として示す。
図8には6台の電解コンデンサおよびパワー半導体モジュールを、ともに横一列に並べた例を、また、図9には6台の電解コンデンサおよびパワー半導体モジュールを、2×3の配置で縦,横方向に配置した例を示す。

また、図10,図11に図8,図9に対応する側面図を示す。
21,22はパワー半導体モジュール冷却用放熱器、23,24は負側電位Ncの配線導体、25,26は正側電位Pcの配線導体をそれぞれ示す。
このような電解コンデンサとパワー半導体モジュールの設置または配置については、例えば特許文献1等に示されている。

概要

電力変換器を構成するスタックの横長化,電解コンデンサの大容量化,並列接続されるパワー半導体モジュール間発生損失アンバランス化,ターンオフ時のサージ電圧低圧化などをる。直流回路部を構成する電解コンデンサ1〜6と、電力変換部を構成するパワー半導体モジュール11〜16との配置を示のように工夫することで、例えば電解コンデンサ1,2,3とパワー半導体モジュール11,13,15間、電解コンデンサ4,5,6とパワー半導体モジュール12,14,16間の配線インダクタンスが互いに略等しくなるようにし、掲記課題の解決をる。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

直流回路部には大容量化のためにコンデンサ複数台並列接続するとともに、電力変換部には大容量化のためにパワー半導体素子モジュールを複数台並列接続し、直流から交流または交流から直流に変換する電力変換器において、複数台並列接続されるコンデンサを2つに分けて対向配置し、この対向配置された各コンデンサ間に、前記パワー半導体素子モジュールを少なくとも2台対向配置し、コンデンサとパワー半導体モジュール間をそれぞれ配線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

前記コンデンサとパワー半導体モジュールの配置を、並列接続されるパワー半導体モジュール間を対称軸として、線対称となるように配置することを特徴とする請求項1に記載の電力変換器の主回路構造。

請求項3

前記パワー半導体モジュールは、その交流出力端子側が前記線対称軸に最も近くなるように配置することを特徴とする請求項2に記載の電力変換器の主回路構造。

技術分野

0001

この発明は、直流から交流、または交流から直流に変換する電力変換器、特に直流部の大容量コンデンサ電力変換部のパワー半導体モジュールとの配置構造に関する。

背景技術

0002

図5にこの種の一般的な例として、インバータ回路例を示す。
符号1〜6が直流回路部に設けられたコンデンサで、正側電位をPc,負側電位をNcとして、通常動作時は直流変動のない平滑化された電圧となる。一般に、本直流回路部を交流電源から構成する場合は、図示されないダイオード整流回路を介して形成することができる。ここでは、大容量化のため6並列接続の例が示され、コンデンサ1〜6には電解コンデンサが用いられることが多い。

0003

7,8は正側電位Pcに接続されたIGBTダイオード、9,10は負側電位Ncに接続されたIGBTとダイオードで、これらが1組で1相分のパワー半導体モジュールを構成し、3台使用することで3相分の直流−交流変換回路を構成することができる。図5では大容量化のため1相分を2並列構成としているため、パワー半導体モジュールは11と12,13と14,15と16の6台で構成されている。17は3相交流負荷で、モータ交流電動機)が代表的である。

0004

図6には、図5に対してさらに大容量化のために、パワー半導体モジュールを1相分あたり6並列構成とした回路(1相分のみ図示)を示す。
図7には、パワー半導体モジュールの外観例を示す。Pc電位に接続されるC1端子18、Nc電位に接続されるE2端子19、および交流出力に接続されるU端子(交流出力端子)20などが図示されている。

0005

電解コンデンサ6台とパワー半導体モジュール6台の設置例を図8図9に上面図として示す。
図8には6台の電解コンデンサおよびパワー半導体モジュールを、ともに横一列に並べた例を、また、図9には6台の電解コンデンサおよびパワー半導体モジュールを、2×3の配置で縦,横方向に配置した例を示す。

0006

また、図10図11図8図9に対応する側面図を示す。
21,22はパワー半導体モジュール冷却用放熱器、23,24は負側電位Ncの配線導体、25,26は正側電位Pcの配線導体をそれぞれ示す。
このような電解コンデンサとパワー半導体モジュールの設置または配置については、例えば特許文献1等に示されている。

先行技術

0007

特開2006−042406号公報

発明が解決しようとする課題

0008

図8の構成で、パワー半導体モジュール1相分あたり6並列接続し、3相分構成した例を図12(a)に示す。図示のように18台のパワー半導体モジュールが横一列に並ぶため、横方向に極めて長くなり、これらのスタックを盤内に収容しようとすると、盤自体が非常に大型化するという問題がある。なお、図8の構成で3相分を一列に設置せずに、相毎に分けて盤内に設置すれば、盤自体を大きくせずに収容可能であるが、この場合、電解コンデンサには相毎の交流分の電流が流れるため、図12(a)のような3相一括とする方式に比べ、電解コンデンサ容量が大きくなるという問題が生じる。

0009

一方、図9の構成では、図12(b)のように3相一括とした場合でも、スタックが横に広がるのを回避することができるが、図14のような配線インダクタンスを考慮した等価回路図にも示されるように、電解コンデンサに近い側のパワー半導体モジュール11,13および15と、遠い側の12,14および16とでは、電解コンデンサとの物理的な距離の違いにより、両者間の配線インダクタンス値に差(L1とL1+L2)が生じることになる。なお、図8の構成では、配線インダクタンス値は全パワー半導体モジュール間でほぼ等しくL1となる。この場合の等価回路図を、図13に示す。

0010

図16に、配線インダクタンス値に差がある場合の、並列接続されているパワー半導体モジュール各々の、IGBTのターンオン時の波形例を示す。なお、この場合のパワー半導体モジュールは、例えば図17のように、2並列構成であるとする。
一般に、IGBTがターンオンする際のコレクタ電流変化率di/dtは、パワー半導体モジュールと電解コンデンサ間の配線インダクタンス値に依存する。すなわち、配線インダクタンス値の大きい方(L1+L2)のパワー半導体モジュールはdi/dtが小さくなり(図17ではIc2側)、配線インダクタンス値の小さい方(L1)のパワー半導体モジュールはdi/dtが大きくなる(図17ではIc1側)。

0011

その結果、特に電流波形図16のように大きく相違し、ターンオン損失(Eon=∫Vce・Icdt)にも両者間に大きな差異が発生する。また、電解コンデンサから遠い側のパワー半導体モジュールと、電解コンデンサ間は距離があるため、その配線インダクタンス値の絶対値(L1+L2)も大きくなり、ターンオフ時のサージ電圧も高くなる。
これに対し、図8の構成では、並列接続されているパワー半導体モジュール間で配線インダクタンス値はほぼ等しく、また、その値も小さい(L1)ため、ターンオン時の波形は図15のようになり、ターンオン損失はほぼ等しくなり、ターンオフ時のサージ電圧の高圧化も抑制される。

0012

以上のことから、図9の構成で、放熱器設計やIGBTのジャンクション温度設計を実施する場合は、発生損失やサージ電圧が大きくなる側のパワー半導体モジュール基準で実施する必要があるため、全体として見た場合、高い放熱能力低熱抵抗のものが必要となり、装置の大型化やコストアップの一因ともなっている。
従って、この発明の課題は、電解コンデンサとパワー半導体モジュールとの配置に工夫を凝らすことにより、スタックの横長化,電解コンデンサの大容量化,並列接続されるパワー半導体モジュール間の発生損失のアンバランス化,ターンオフ時のサージ電圧の低圧化を図ることにある。

課題を解決するための手段

0013

このような課題を解決するため、請求項1の発明では、直流回路部には大容量化のためにコンデンサを複数台並列接続するとともに、電力変換部には大容量化のためにパワー半導体素子モジュールを複数台並列接続し、直流から交流または交流から直流に変換する電力変換器において、
複数台並列接続されるコンデンサを2つに分けて対向配置し、この対向配置された各コンデンサ間に、前記パワー半導体素子モジュールを少なくとも2台対向配置し、コンデンサとパワー半導体モジュール間をそれぞれ配線することを特徴とする。

0014

上記請求項1の発明においては、前記コンデンサとパワー半導体モジュールの配置を、並列接続されるパワー半導体モジュール間を対称軸として、線対称となるように配置することができ(請求項2の発明)、この請求項2の発明においては、前記パワー半導体モジュールは、その交流出力端子側が前記線対称軸に最も近くなるように配置することができる(請求項3の発明)。

発明の効果

0015

この発明によれば、直流部のコンデンサやパワー半導体モジュールをそれぞれ複数並列接続して大容量化を図る電力変換システムでは、スタックの横長化,電解コンデンサの大容量化,並列接続されるパワー半導体モジュール間の発生損失のアンバランス化およびターンオフサージ電圧の高圧化などを防止することができる。その結果、小型で安価な電力変換システムを構築することができる。なお、パワー半導体モジュールが2並列,6並列の場合について説明したが、4並列,8並列でも同様の効果が得られることは勿論である。

図面の簡単な説明

0016

この発明の実施形態を示す構成図。
図1に対応する等価回路図。
この発明の別の実施の形態を示す上面図。
この発明のさらに別の実施の形態を示す上面図。
一般的なインバータ主回路の一例を示す回路図。
一般的なインバータ主回路の別の例を示す回路図。
一般的なパワー半導体モジュールの一例を示す外観図
パワー半導体モジュールと電解コンデンサの配置例を示す上面図。
パワー半導体モジュールと電解コンデンサの別の配置例を示す上面図。
図8の側面図。
図9の側面図。
図8図9図1との相違を対比して示す上面図。
図8の場合の主回路等価図。
図9の場合の主回路等価図。
図8の場合のターンオン波形図。
図9の場合のターンオン波形図。
図9の場合の等価回路図。

実施例

0017

図1はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
図示のように、電解コンデンサ1,2,3と電解コンデンサ4,5,6を対向配置するとともに、各電解コンデンサに対しパワー半導体モジュール11〜16をそれぞれ対向配置して構成する。パワー半導体モジュールを6並列とする場合は、パワー半導体モジュール11〜16が図2(b)のように全て並列接続され、1相分を構成する。また、2並列とする場合は、パワー半導体モジュール11と12,13と14,15と16が図2(a)のように並列接続され(13と14,15と16は省略)、3相分を構成する。いずれの場合も、図1(a)にXで示す対称軸で対称配置される。

0018

図1の構成では、電解コンデンサ1,2,3とパワー半導体モジュール11,13,15間、電解コンデンサ4,5,6とパワー半導体モジュール12,14,16間の配線インダクタンス27および28がほぼ等しく(L1)なるため、各IGBTのターンオン波形は図15のように、全パワー半導体モジュールでほぼ等しくなる。また、電解コンデンサとパワー半導体モジュール間の距離も、全パワー半導体モジュールでほぼ等しくなり、図9の場合のパワー半導体モジュール12,14,16についても、低配線インダクタンス化が実現できる。さらに、図1のように構成した場合を図8図9の場合と対比させて示す図12においては、図12(c)のように体積的にも図12(b)の場合とほぼ等しくなり、現実的な構成となる。

0019

図3図4に別の実施の形態を示す。
図3がパワー半導体モジュール2並列構成の場合、図4が6並列構成の場合である。これらは、交流出力端子(U端子;29〜31(図3),32(図4))が中央に来るように、パワー半導体モジュールを配置したものである。これにより、並列接続されるパワー半導体モジュールの交流出力端子が互いに接近するため、配線が容易となる。

0020

以上では、電解コンデンサとパワー半導体モジュールとの配置を、中心軸に対して線対称としたが、厳密な線対称にしなくても(例えば、電解コンデンサの電極位置図1とは反対(逆)にするなど)、対向配置される電解コンデンサ間にパワー半導体モジュールを2台以上設置する構造であれば、概ね同様の効果を得ることができる。

0021

1〜6…電解コンデンサ、7,9…IGBT、8,10…ダイオード、11〜16…パワー半導体モジュール、17…3相負荷(モータ)、18…C1端子、19…E2端子、20…U端子、21,22…放熱器、23〜26…配線導体、27,28(L1)…配線インダクタンス、29〜32…交流出力端子。

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