(57)【要約】【課題】交流電動機の停止性能を向上させ、小型化及びコスト削減を図った、ダイナミックブレーキ機能を備えた電力変換装置を提供する。【解決手段】パワー半導体モジュール内部にダイナミックブレーキ用スイッチング素子を設け、スイッチング素子をオンすることにより、交流電動機の各相端子をスイッチング素子で短絡して、交流電動機に制動電流を流し交流電動機を急停止させる。【選択図】図8
2010098919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体内部の絶縁基板上に電子部品が搭載され、前記筐体外部に備えられた三相交流電動機を制御するパワー半導体モジュールであって、
前記絶縁基板上に、
互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組のスイッチング素子と、
該スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオード素子と、
前記三相交流電動機のうちいずれか二相間に設けられたダイナミックブレーキ用スイッチング素子と、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
筐体内部の絶縁基板上に電子部品が搭載され、前記筐体外部に備えられた三相交流電動機を制御するパワー半導体モジュールであって、
前記絶縁基板上に、
互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組のスイッチング素子と、
該スイッチング素子の各々に逆並列に接続されたダイオード素子と、
前記三相交流電動機のうちいずれか一相と前記下段側素子のソース端子との間に設けられたダイナミックブレーキ用スイッチング素子と、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】
筐体内部の絶縁基板上に電子部品が搭載され、前記筐体外部に備えられた三相交流電動機を制御するパワー半導体モジュールであって、
前記絶縁基板上に、
互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組のスイッチング素子と、
該スイッチング素子の各々に逆並列に接続されたダイオード素子と、
前記下段側素子のソース端子と基準電位との間に設けられた抵抗素子と、
前記三相交流電動機のうちいずれか一相と前記基準電位との間に設けられたダイナミックブレーキ用スイッチング素子と、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項４】
筐体内部の絶縁基板上に電子部品が搭載され、前記筐体外部に備えられた三相交流電動機を制御するパワー半導体モジュールであって、
前記絶縁基板上に、
互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組のスイッチング素子と、
該スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオード素子と、
前記三相交流電動機のうちいずれか二相間に並列接続された2個のダイナミックブレーキ用スイッチング素子と、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項５】
筐体内部の絶縁基板上に電子部品が搭載され、前記筐体外部に備えられた三相交流電動機を制御するパワー半導体モジュールであって、
前記絶縁基板上に、
互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組のスイッチング素子と、
該スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオード素子と、
前記三相交流電動機のうちいずれか一相と残りの二相との間にそれぞれ接続された2個のダイナミックブレーキ用スイッチング素子と、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、さらに、
互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組の整流用のダイオード素子と、
サイリスタ素子と、
回生制動用スイッチング素子と、
該回生制動用スイッチング素子に接続された還流用ダイオード素子と、
を備えることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記素子の各々はチップ素子であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記ダイナミックブレーキ用スイッチング素子はIGBT素子であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記ダイナミックブレーキ用スイッチング素子はダイナミックブレーキ用サイリスタ素子であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記ダイナミックブレーキ用スイッチング素子は逆阻止能力を有することを特徴とするパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールに関し、ダイナミックブレーキ機能を備え、交流電動機を制御するためのパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にインバータとして知られ、直流電力を交流電力へ電気的に変換する電力変換装置は、交流電動機の速度制御装置として、産業界をはじめ家電製品にも多く採用されている。
【０００３】
交流電動機を減速停止する場合、電動機の減速時回転エネルギーは、電力変換装置内に設けられたパワー半導体モジュール内部の直流中間回路にある平滑コンデンサに静電エネルギーとして蓄積される。しかし、その静電容量は小さく、収まりきらない静電エネルギーにより、平滑コンデンサの両端電圧が上昇する。すると、直流中間回路に設けられた過電圧検出保護回路が動作し、電力変換装置が停止する。この過電圧検出保護回路の動作により、電力変換装置が停止すると、交流電動機は制御不能となってしまう。
【０００４】
このため、電力変換装置には、上記直流中間回路に回生制動回路が搭載されており、交流電動機の減速時回転エネルギーを回生制動抵抗器で熱エネルギーとして消費する構成になっている。この回生制動回路は、通常動作時において、交流電動機の回転を減速、停止させる場合に用いられる。
【０００５】
上記回生制動抵抗器で発生した熱は、電力変換装置内の基板を伝わり、周辺部品の温度を上昇させる。加えて、電力変換装置に用いられるIGBTなどのパワー半導体は、電力変換時における電気発生損失により発熱する。このような環境下で、半導体素子の動作限界温度を超え、なお発熱したままで使用した場合、半導体素子は熱破壊に至り動作しなくなる虞がある。このため、パワー半導体を冷却するための冷却フィンと冷却ファンとを備え、発熱体であるパワー半導体からの熱を冷却フィンに熱伝導させ、冷却ファンによって冷却フィンに空気を送り熱交換させて放熱させる。  
【０００６】
また、上記回生制動回路とは別に、緊急時などに備え、交流電動機を直ちに停止させることができるようにダイナミックブレーキ回路を設ける必要がある。回生制動回路によって交流電動機を減速モードにしても、瞬時には交流電動機を停止させることが出来ないからである。一般的に、電力変換装置に緊急停止用のダイナミックブレーキ機能を備えるには、順変換器及び逆変換器等を備えたパワー半導体モジュールと、ダイナミックブレーキ回路等を備えた付帯モジュールとを有するのが一般的であり、たとえば特許文献1〜3には、ダイナミックブレーキとしての付帯モジュールを個別に設けた電力変換装置等が記載されている。
【特許文献１】特開平6-178567号公報
【特許文献２】特開2000-270577号公報
【特許文献３】特開平6-46505号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献1〜3は、電力変換装置内部の順変換器及び逆変換器を搭載したパワー半導体モジュールとは別に、ダイナミックブレーキ用としての遮断器やサイリスタモジュールなどの付帯モジュールを個別に設けているため、付帯モジュール追加による電力変換装置全体の据付面積増大及びコスト増加に関する配慮がなされていないという問題がある。また、モジュールからモジュールへ接続される配線の複雑化、ノイズの発生、取り扱いの利便性等に関しても問題がある。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、小型化及びコスト削減を図った、ダイナミックブレーキ機能を備えた電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を解決するための本発明の具体的態様は、以下の通りである。
【００１０】
本発明は、電力変換装置にダイナミックブレーキ用の付帯モジュールを別途設置する代わりに、パワー半導体モジュール内部にダイナミックブレーキ用スイッチング素子を設ける。そのスイッチング素子をオンさせることにより、交流電動機の各相端子をスイッチング素子で短絡させる。すると、交流電動機の一の相端子から発生する電流が、他の相端子へ帰還されることで制動電流となり、交流電動機が急停止する。
【００１１】
すなわち、本発明のパワー半導体モジュールは、筐体内部の絶縁基板上に電子部品が搭載され、前記筐体外部に備えられた三相交流電動機を制御するパワー半導体モジュールであって、前記絶縁基板上に、互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組のスイッチング素子と、該スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオード素子と、前記三相交流電動機のうちいずれか二相間に設けられたダイナミックブレーキ用スイッチング素子と、を備える。
【００１２】
または、本発明のパワー半導体モジュールは、筐体内部の絶縁基板上に電子部品が搭載され、前記筐体外部に備えられた三相交流電動機を制御するパワー半導体モジュールであって、前記絶縁基板上に、互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組のスイッチング素子と、該スイッチング素子の各々に逆並列に接続されたダイオード素子と、前記三相交流電動機のうちいずれか一相と前記下段側素子のソース端子との間に設けられたダイナミックブレーキ用スイッチング素子と、を備える。
【００１３】
または、本発明のパワー半導体モジュールは、筐体内部の絶縁基板上に電子部品が搭載され、前記筐体外部に備えられた三相交流電動機を制御するパワー半導体モジュールであって、前記絶縁基板上に、互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組のスイッチング素子と、該スイッチング素子の各々に逆並列に接続されたダイオード素子と、前記下段側素子のソース端子と基準電位との間に設けられた抵抗素子と、前記三相交流電動機のうちいずれか一相と前記基準電位との間に設けられたダイナミックブレーキ用スイッチング素子と、を備える。
【００１４】
または、本発明のパワー半導体モジュールは、筐体内部の絶縁基板上に電子部品が搭載され、前記筐体外部に備えられた三相交流電動機を制御するパワー半導体モジュールであって、前記絶縁基板上に、互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組のスイッチング素子と、該スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオード素子と、前記三相交流電動機のうちいずれか二相間に並列接続された2個のダイナミックブレーキ用スイッチング素子と、を備える。
【００１５】
または、本発明のパワー半導体モジュールは、筐体内部の絶縁基板上に電子部品が搭載され、前記筐体外部に備えられた三相交流電動機を制御するパワー半導体モジュールであって、前記絶縁基板上に、互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組のスイッチング素子と、該スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオード素子と、前記三相交流電動機のうちいずれか一相と残りの二相との間にそれぞれ接続された2個のダイナミックブレーキ用スイッチング素子と、を備える。
【００１６】
または、本発明のパワー半導体モジュールは、請求項１〜５のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、さらに、互いに直列接続された上段側素子と下段側素子のペアを有する複数組の整流用のダイオード素子と、サイリスタ素子と、回生制動用スイッチング素子と、該回生制動用スイッチング素子に接続された還流用ダイオード素子と、
を備える。
【００１７】
上記の場合において、前記素子の各々はチップ素子であってもよく、あるいは前記ダイナミックブレーキ用スイッチング素子はIGBT素子であってもよい。
【００１８】
または、前記ダイナミックブレーキ用スイッチング素子はダイナミックブレーキ用サイリスタ素子であってもよく、あるいは前記ダイナミックブレーキ用スイッチング素子は逆阻止能力を有してもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、電動機の停止性能の向上を図りつつ、電力変換装置の小型化及びコスト削減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は、本発明を実現するための一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。
【００２１】
＜電力変換装置の構成＞
まず、本発明によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置の例を説明する。  
【００２２】
図1は本実施形態における、交流電動機４を制御する電力変換装置11の回路構成の概要図である。
【００２３】
電力変換装置11は、パワー半導体チップを備えるパワー半導体モジュール10、平滑コンデンサ2、回生制動抵抗19、スタートアップ抵抗20、制御回路5、冷却ファン6、デジタル操作パネル7、ドライバ回路8を有する。
【００２４】
パワー半導体モジュール10は、制御装置全体の動力源となる三相交流電源が接続されるR・S・T 端子、順変換器1、逆変換器3、回生制動回路9、サイリスタ16、シャント抵抗17、を含む。また、代表的なスイッチング素子としてIGBTが搭載されているが、この素子はIGBTに限定されるものではなく、例えばサイリスタ等のスイッチング素子としての形態を有するものであれば良い。
【００２５】
また、本実施形態の操作パネル7としては、特に種類が限られるものではないが、デジタル操作パネルとして装置使用者の操作性を考慮して表示部の表示を見ながら操作が行えるように構成するのが良い。
【００２６】
なお、表示部は必ずしも操作パネル7と一体に構成する必要はないが、操作パネル7の操作者が、表示を見ながら操作できるように一体構成とすることが望ましい。
【００２７】
操作パネル7から入力された電力変換装置の各種制御データは図示しない記憶部に格納される。
【００２８】
＜電力変換装置の動作＞
順変換器１は、交流電圧を直流に整流する。平滑コンデンサ2は、整流された直流電圧の脈動分を平滑化する。逆変換器3は、平滑化された直流電圧を周波数の調整可能な交流電圧として出力する。交流電動機４は、出力された交流電圧により制御される。ドライバ回路７は、逆変換器３の交流周波数を制御する。
【００２９】
制御回路５は、マイコン（制御演算装置）が搭載されており、デジタル操作パネル7から入力される各種の制御データに応じて逆変換器3のスイッチング素子を制御する他、装置全体に必要な制御処理を行う。また、デジタル操作パネル7は、異常を表示する。
【００３０】
冷却ファン６は、発熱による素子破壊を防止するため、パワー半導体モジュール10を冷却する。
【００３１】
操作パネル７は、電力変換装置の各種制御データの設定及び変更が可能である。操作パネル7には異常表示が可能な表示部が設けられており、電力変換装置における異常が検出されると当該表示部に表示される。
【００３２】
ドライバ回路８は、制御回路5からの指令に基づいて逆変換器をはじめとする各スイッチング素子を駆動する。また、ドライバ回路8内にはスイッチングレギュレータ回路（DC/DCコンバータ）が搭載されており、電力変換装置の運転に必要な各直流電圧を生成し、これらを各構成に対して供給する。
【００３３】
回生制動回路9は、回生制動抵抗19と組み合わせることで、交流電動機4を減速する際に発生する回生エネルギーを熱に変換して消費する。
【００３４】
＜電力変換装置の部品配置＞
図2は、電力変換装置の主回路部品配置図である。本発明の電力変換装置は、順変換器1、逆変換器3及び回生制動回路9が一個のモジュール内に搭載された複合モジュールとして構成されたパワー半導体モジュール10、冷却フィン12、および冷却ファン6、平滑コンデンサ2を備えた主回路基板14、樹脂モールドケース13を備える  発熱体であるパワー半導体モジュール10からの熱は、冷却フィン12に熱伝導され、冷却ファン6によって冷却フィンに空気が送られ、熱交換されて放熱される配置構造となっている。
【００３５】
複合モジュールとして構成されたパワー半導体モジュール10の中には、図示しない温度検出器が搭載されており、パワーモジュール内部の温度を検出する。この温度検出器は、温度により抵抗値が変化するサーミスタで構成されている。
【００３６】
ここでは特に、樹脂モールドケース13に収容される各部品にダイナミックブレーキ回路モジュールが含まれていない点に注意されたい。
【００３７】
＜通常時の交流電動機の停止動作＞
電力変換装置11により駆動される交流電動機4が減速するとき、回転体である交流電動機の慣性により、回転エネルギーは電力に変換され、電力変換装置内部の平滑コンデンサ2に帰還され、静電エネルギーとして貯蔵される。ところが、平滑コンデンサの静電容量は比較的小さいため、収まりきらない余剰エネルギーは、平滑コンデンサの両端電圧VPNを増加させる。
【００３８】
そのため、電力変換装置には、交流電動機が減速する際に発生する余剰エネルギーを回生制動抵抗器19で熱として消費するための回生制動回路が設けられ、平滑コンデンサの両端電圧VPNに過電圧がかからないようになっている。
【００３９】
ただし、万が一平滑コンデンサ2に過電圧がかかる場合に備え、平滑コンデンサを保護するための過電圧保護機能を設けている。この過電圧保護機能は、電圧VPNを検出し、検出電圧値が規定電圧VPND0以上になると電力変換装置の出力を遮断する。この過電圧保護機能が動作すると、電力変換装置が停止するため、交流電動機は制御不能となってしまう。
【００４０】
＜緊急時の交流電動機の停止動作＞
上記回転エネルギーを回生制動抵抗器19に熱として消費させる方法は、交流電動機を減速させることはできても、急停止させることはできない。慣性によって回転エネルギーを保った交流電動機4は発電機として電力を発生し、所定の抵抗値を持つ回生制動抵抗がその電力を消費することで回転を徐々に減速していくからである。
【００４１】
そこで、交流電動機を急停止させるために、交流電動機の各相端子を短絡し、交流電動機内部の速度起電力を短時間に消滅させる。以下、図を参照しながら、緊急時の交流電動機の停止動作について説明する。
【００４２】
図3は、通常のPWM制御時における逆変換器3を構成している各相のスイッチング素子に流れる電流のルートを示す図である。この例では、上アームのスイッチング素子UPと下アームのスイッチング素子VN及びスイッチング素子WNがオンした状態を示したものである。
【００４３】
交流電動機の速度起電力(残留電圧)の減衰特性は、例えば、交流電動機4が商用電源で駆動されている状態から商用電源を遮断した場合、電動機4には電源遮断時に回転していた速度に比例した速度起電力Eが発生する。
この速度起電力E(残留電圧)は、接続された負荷特性により減衰挙動が異なる。
【００４４】
前記残留電圧Eは、下式で表される。
【００４５】
2010098919.tif 000003
ここで、Edoは電源遮断時の残留初期電圧値、τは交流電動機の回路時定数(L/R)、ωrは交流電動機の回転子角速度、tは時間、である。
【００４６】
上記残留電圧Eは、交流電動機の回転角周波数ωrと交流電動機の回路時定数τに従って減衰する特性を有している。電源遮断後の交流電動機残留電圧の減衰挙動については、電力変換装置で駆動した場合においても商用電源駆動時と同様である。
【００４７】
この残留電圧Eを急速に減衰させ交流電動機を急停止させるために、パワー半導体モジュール10の内部にスイッチング素子を設け、交流電動機の各相端子をスイッチング素子で短絡する。そして、回転エネルギーを交流電動機が有する内部インピーダンスに熱として消費させる。この交流電動機の内部インピーダンスを利用するのは、上記回生制動抵抗の値よりも数十〜数千分の一程度小さいため、回生制動抵抗よりも発熱が大きく、瞬時にエネルギーが消費されるためである。
【００４８】
より詳細には、次式のように、交流電動機4のU相には、前記速度起電力Eu(U相)を交流電動機の巻線抵抗Ru(U相)とリアクタンスXu(U相)の回路インピーダンスで割った電流Iu(U相)が流れる。
【００４９】
2010098919.tif 000004
このように交流電動機4の入力端子をスイッチング素子15で短絡することにより、制動電流が流れ、交流電動機を急停止させることができる。
【００５０】
図4は、ダイナミックブレーキ機能が動作した際のスイッチング素子と交流電動機4に流れる電流ルートを示す。交流電動機を急停止させる目的で上位から制動開始指令信号DBSを受けると、ドライバ回路8は、逆変換器3を構成する全素子UP,VP,WP,UN,VN,WNを一旦オフさせ、その後パワー半導体モジュール10の内部に設けたダイナミックブレーキ用スイッチング素子15をオンさせることで交流電動機の各相端子をスイッチング素子15で短絡し、交流電動機に制動電流を流す。
【００５１】
ここで、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15内のダイオードは、IGBTに逆電圧が印加されるのを阻止するためのブロックダイオードである。
【００５２】
＜第一の実施形態＞
図5は、本発明の第一の実施形態に係るダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載したパワー半導体モジュール10の構成を示す図である。端子Uと端子Wとの間には、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15が設けられている。このスイッチング素子15をオンさせることで、交流電動機4の端子Uおよび端子Wが短絡される。つまり、交流電動機4に発生していた各相の速度起電力Eu(U相)、Ew(W相)が短絡され、回転エネルギーが交流電動機の内部インピーダンスで熱として消費されることになる。
【００５３】
このようにすることで、ダイナミックブレーキ回路を搭載したモジュールを個別に設けることなく、ダイナミックブレーキ機能を備える電力変換装置が構築される。つまり、１つのパワー半導体モジュール内にダイナミックブレーキ機能と電力変換機能を収容できるので、個別の筐体、部品を搭載する基板、モジュール間を接続する配線等が必要ない。特に、個別に基板を設けるときはその基板の基準電位のための配線層を広く確保する必要があり大きな面積を要するため、本実施形態の構成を採れば装置の小型化が実現できる。
【００５４】
したがって、電動機の停止性能の向上を図りつつ、電力変換装置の小型化及びコスト削減が可能となる。
【００５５】
ここで、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15がオンする間は、逆変換器に含まれる6個のスイッチング素子はオフするので、通常時と緊急停止時とで使用するスイッチング素子が異なる。電力変換装置の駆動可能な電動機容量は予め決まっており、電力変換装置の定格容量表示には、仕様電圧、出力電流と駆動可能な電動機最大容量等が記載されている。その記載から、交流電動機4の巻線抵抗値を知ることができるので、電動機4の巻線抵抗値から制動電流の最大値を求め、スイッチング素子15の定格電流を選定しておけばよい。
【００５６】
したがって、逆変換器3を構成する6個のスイッチング素子の定格電流とは無関係に、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15の定格電流を選定することができる。また、上記のように選定したダイナミックブレーキ用スイッチング素子15を用いて設計しておけば、前記巻線抵抗を通して制動電流を流しても、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15をダイナミックブレーキ時の過電流により破壊する虞がなくなる。この場合、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15の定格電流は、逆変換器3を構成する6個のスイッチング素子の定格電流とは全く異なるため、ダイナミックブレーキ専用スイッチング素子15の選定の設計的自由度を増すことができる。
【００５７】
なお、図5では、回路図を簡略化する都合上、逆変換器3に含まれるスイッチング素子のゲート配線をまとめて表記しているが、各スイッチング素子6個のゲート配線は独立している。以下で参照する図6〜10についても同様である。
【００５８】
＜第二の実施形態＞
図6は、本発明の第二の実施形態に係るダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載したパワー半導体モジュール10の構成を示す図である。ここでは、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子18として、逆阻止能力を有するIGBTを使用する点が図5と異なる。
【００５９】
このようにすることで、図5に示すダイナミックブレーキ用スイッチング素子15内のブロックダイオードは不要となる。一般的に、装置の小型化やスペース制限等の事情により、構成部品の大きさ、数等は重要な位置付けを占める。構成部品はその数が１つでも少ないほうが、取り扱い、コスト、スペース等の面で有利である。
【００６０】
したがって、本実施形態では、第一の実施形態の効果に加え、さらに電力変換装置の小型化及びコスト削減が可能となる。
【００６１】
なお、本実施形態のダイナミックブレーキ用スイッチング素子18を交流電動機のU-V間とV-W間とU-W間の各端子に接続できる構成にしても発明の効果は同様である。
【００６２】
＜第三の実施形態＞
図7は、本発明の第三の実施形態に係るダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載したパワー半導体モジュール10の構成を示す図である。ここでは、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15を、SH1端子と、U端子との間に設ける。緊急停止時には、このスイッチング素子15をオンさせることで、制動電流は、Ｖ端子またはＷ端子に接続する下アーム部のスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードを通じて、交流電動機4へ帰還する。本構成では、交流電動機4の端子U,Vおよび端子Ｕ,Wが短絡される。つまり、交流電動機4に発生していた各相の速度起電力Eu(U相)、Ev(V相)、Ew(W相)が、短絡されることになる。
【００６３】
このようにすることで、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15のソース電位が、逆変換器3の下アームを構成する3個のスイッチング素子の基準と同電位となる。つまり、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15をオンさせるためのゲート電位は、逆変換器3の下アームを構成する3個のスイッチング素子ゲート電位と同等でよいことになる。
【００６４】
したがって、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15のゲートに入力する電源と、逆変換器3の下アームを構成する3個のスイッチング素子ゲートに入力する電源とを共用することができ、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15のために特別な電源を設ける必要がない。この構成によれば、単一電源を用いること、および電源配線の引きまわしが少ないことから、外来ノイズによるドライブ回路の誤動作の面でも有利である。
【００６５】
また、U相が負の電位となる場合であっても、V端子またはW端子に接続する下アーム部のスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードが存在するため、V相またはW相からU相へ電流が逆流することはない。
【００６６】
したがって、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15は逆阻止能力を有する必要はなく、逆変換器3に使用されているスイッチング素子と同じ標準的な素子を使用することができる。
【００６７】
本実施形態は、上記第一および第二の実施形態で述べた効果に加えてさらに上述の効果が得られるため、非常に有用である。
【００６８】
＜第四の実施形態＞
図8は、本発明の第四の実施形態に係るダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載したパワー半導体モジュール10の構成を示す図である。ここでは、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15を、順変換器1の基準と同電位であるN端子と、U端子との間に設ける。上述した第三の実施形態と比較すると、電流検出用のシャント抵抗17の設置場所が相違する。
【００６９】
第三の実施形態の場合は、制動電流が電流検出用のシャント抵抗17を流れないが、本実施形態では、制動電流が電流検出用のシャント抵抗17を流れる構成になっている。ただし、制動電流のような大きな電流をシャント抵抗17に流す場合は発熱の問題を考慮する必要があるので、制動電流値を左右する交流電動機の内部インピーダンスや、外部抵抗の接続（図9）の有無等に応じて、第三の実施形態と使い分けるのが良い。
【００７０】
このようにすることで、制動電流は電流検出用のシャント抵抗17を流れ、この電流値とシャント抵抗17の抵抗値によってN端子とSH1端子間に電位差が生ずる。
【００７１】
したがって、本実施形態は第三の実施形態で得られる効果に加え、上記電位差をモニタしておくことによって、電力変換装置の定格容量表示より大きい交流電動機4を誤って接続した場合でも、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15を的確に遮断でき、スイッチング素子15を過電流による破壊から保護することができる。また、制動電流の異常を検出した場合には、前記図1に記載したデジタル操作パネル7に制動電流の異常の表示をすることも可能である。
【００７２】
交流電動機4はその定格容量が大きいほど、巻線抵抗値は小さくなり、制動電流は大きくなる。交流電動機4の並列駆動等のアプリケーションを鑑みると、制動電流を検出し、制動電流の異常の表示ができる本実施形態は、システムの構築エラーを設備立ち上げ時に事前検証できる有効な方法である。
【００７３】
＜第五の実施形態＞
図9は、本発明の第五の実施形態に係るダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載したパワー半導体モジュール10の構成を示す図である。ここでは、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子18として、2個の逆阻止能力を有するIGBTを設ける。また、交流電動機の巻線抵抗が小さい場合に、制動電流を抑える目的で、外部に直列に制動抵抗Rを接続する端子DB1、DB2を設ける。この場合の制動電流は、
【００７４】
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となるので、外部に設けた制動抵抗Rによりスイッチング素子18に流れる電流は制限される。
【００７５】
このようにすることで、U端子からW端子へ、W端子からU端子へと双方向に制動電が流れる。上記第一〜第四の実施形態では、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15として、逆阻止能力を有するIGBTが1個のみであったため、交流電動機から生ずる電流を一方向に流すことしかできず、交流電動機4へ十分な電流を帰還させることができなかった。しかし、本実施形態では、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子18は、交流電流の正負を問わず、逆阻止能力を有するIGBTの2個のうちどちらかを通じて交流電動機4へ帰還される。
【００７６】
したがって、緊急停止時の制動力を更に増加させることができる。また、交流電動機4の内部抵抗Ruが小さい場合であっても、制動電流を抑制することができるので、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子の定格（すなわち素子の大きさ）を自由選択できる上、安全面が配慮され、耐久性を増加させた電力変換装置を得ることができる。
【００７７】
なお、図9では、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子に2個のNPNを使用しているが、一方あるいは双方をPNPにすることも可能である。
【００７８】
また、制動抵抗接続端子DB1、DB2は、上述した第一〜第四の実施形態あるいは以下で説明する第六の実施形態に適用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、本実施形態のダイナミックブレーキ用スイッチング素子18を交流電動機のU-V間とV-W間とU-W間の各端子に接続できる構成にしても同様の効果が得られるのは言うまでもない。
【００７９】
＜第六の実施形態＞
図10は、本発明の第六の実施形態に係るダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載したパワー半導体モジュール10の構成を示す図である。ここでは、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子18の内部に、2個の逆阻止能力を有するIGBTを設ける。本実施形態は、上記第一〜第四の実施形態で、ダイナミックブレーキ用スイッチング素子15としての逆阻止能力を有するIGBTが1個であったものを、2個にしたものである。
【００８０】
このようにすることで、交流電動機のU-V間とU-W間に制動電流が流れる。帰還先の負荷となる交流電動機の内部インピーダンスが並列接続となるので、U端子から流れる制動電流は、半減されるので増加する。
【００８１】
したがって、緊急停止時の制動時間を更に短縮させることができる。
【００８２】
＜その他＞
以上の実施形態では、交流電動機を急停止させる目的で上位から制動開始指令信号DBSを受けた場合について説明したが、予め制動開始周波数と制動時間を前記操作パネル7により設定出来る構成にしても、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００８３】
また、各構成部品はチップ素子を用いるのが望ましく、これによりさらに装置の小型化が促進される。
【００８４】
＜まとめ＞
本発明によれば、パワー半導体モジュール内部にダイナミックブレーキ用スイッチング素子を設け、交流電動機の各相を前記スイッチング素子で短絡し、交流電動機に制動電流を流し交流電動機を急停止させる。これにより、電力変換装置にダイナミックブレーキ用の個別モジュールを付加することなく、電動機の停止性能を向上させ、装置の小型化およびコスト削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】電力変換装置の主回路構成の概要図
【図２】電力変換装置の主回路部品配置図
【図３】通常のPWM制御時における電流ルート図
【図４】交流電動機の簡易等価回路に流れる制動電流ルート図
【図５】本発明のダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載した電力変換装置
【図６】本発明のダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載した電力変換装置
【図７】本発明のダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載した電力変換装置
【図８】本発明のダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載した電力変換装置
【図９】本発明のダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載した電力変換装置
【図１０】本発明のダイナミックブレーキ用スイッチング素子を搭載した電力変換装置
【符号の説明】
【００８６】
1…順変換器、2…平滑用コンデンサ、3…逆変換器、4…交流電動機、5…制御回路、6…冷却ファン、7…デジタル操作パネル、8…ドライバ回路、9…回生制動回路、10…パワー半導体モジュール、11…電力変換装置、12…冷却フィン、13…樹脂モールドケース、14…主回路基板、15…ダイナミックブレーキ用スイッチング素子、16…サイリスタ、17…シャント抵抗、18…逆阻止IGBTで構成されたダイナミックブレーキ用スイッチング素子、19…回生制動抵抗、20…スタートアップ抵抗、R,S,T…電力変換器の入力電源端子、U,V,W…電力変換器の出力端子、Iu,Iw…交流電動機の各相電流、Ru…交流電動機のU相巻線抵抗、Xu…交流電動機のU相リアクタンス、Eu…交流電動機のU相速度起電力、GT,G1,G2,G21,G22,G3,G4,G5…各素子のゲート信号端子、BR…回生用制動抵抗、DBS…制動開始指令信号、DB1,DB2…ダイナミックブレーキ用制動抵抗接続端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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