(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷電流を制御する半導体スイッチグ素子のオン・オフ制御に伴い、電流の大きさが等しく互いに反対方向に流れる２つの配線導体を絶縁物を介して近接配置した電力変換装置の配線構造において、
前記絶縁物は、前記各配線導体に接する狭小部と前記配線導体に前記狭小部を介して接する幅広部とから構成され、前記各配線導体に接する狭小部は配線導体より幅狭く構成し、前記幅広部の前記狭小部に接しない部分は配線導体より幅広に構成し、かつ前記幅広部の前記狭小部を介して配線導体に接する部分は前記各配線導体に接する各狭小部の中間に配置したことを特徴とする電力変換装置の配線構造。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置の配線構造において、
前記絶縁物の前記配線導体に接する狭小部は、前記配線導体の長手方向に所定の間隔をもって配置されていることを特徴とする電力変換装置の配線構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の電力変換装置の配線構造において、
前記２つの配線導体が、前記半導体スイッチング素子のスナバ回路の導体であって、前記２つの配線導体の端部においてスナバコンデンサに接続され、前記絶縁物の前記配線導体に接しない幅広部が、前記端部より前記スナバコンデンサ側に突出していることを特徴とする電力変換装置の配線構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換装置の配線構造に係わり、特に、高電圧が印加される配線間の部分放電を防止した電力変換装置の配線構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧延機の誘導電動機の駆動等にＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）インバータが用いられている。このインバータとして、３レベルインバータが用いられるが、図６にその１相分のインバータの回路例を示す。
【０００３】
図において、１〜４はＧＴＯ、５〜８はフリーホイールダイオード、９，１０はアノードリアクトル、１１〜１４はスナバダイオード、１５〜１８はスナバコンデンサ、１９〜２２は電圧クランプ回路のダイオード、２３，２４は３レベル用のクランプダイオード、２５〜２８は電圧クランプ回路コンデンサ、２９，３０は電源コンデンサ、３１，３２は直流電源、３３，３４はエネルギー回生回路、３５は抵抗、３６は出力端子である。
【０００４】
この回路には、各ＧＴＯ１〜４のターンオフ時のサージ電圧を抑制してＧＴＯの破壊を防止するためのダイオード１１〜１４とコンデンサ１５〜１８からなるスナバ回路が接続されている。
【０００５】
このスナバ回路の動作をＧＴＯ１がターンオフする時について説明する。
【０００６】
ＧＴＯ１がターンオンした時、ＧＴＯ１に流れる電流経路は、直流電源３１−アノ−ドリアクトル９−ＧＴＯ１−ＧＴＯ２−出力端子３６−負荷−直流電源３２である。この状態でＧＴＯ１がターンオフすると、ＧＴＯ１の電流が減少するとともに減少した分の電流がスナバダイオード１１とスナバダイオード１５の経路に流れる。ＧＴＯ１の電流が零になった後もアノードリアクトル９に蓄積したエネルギーによってスナバコンデンサ１５が充電されるので、スナバコンデンサ１５の電圧は直流電源３１より過大になり、その電圧がＧＴＯ１に印加されることになる。他のＧＴＯ２〜４のターンオフ時も、ＧＴＯ１と同様に動作する。
【０００７】
図７はターンオフする時のＧＴＯ１〜４の電流波形と電圧波形を示したものである。
【０００８】
ＧＴＯ１〜４の電流が減少する時には、図示するように、スパイク状の電圧がＧＴＯ１〜４の両端に印加される。この電圧の波高値をＶｄｓｐとし、ＧＴＯ１〜４の電流変化率ｄｉ／ｄｔ、スナバ回路の配線インダクタンスｌｓ、スナバダイオード１１〜１４の電圧Ｖｄｓ、スナバコンデンサ１５〜１８の電圧Ｖｃｓとすると、以下の関係式が得られる。
【０００９】
Ｖｄｓｐ＝ｌｓ×ｄｉ／ｄｔ＋Ｖｄｓ＋Ｖｃｓ
ＧＴＯ１〜４の電圧のＶｄｓｐが大きくなりすぎるとスイッチングパワーでＧＴＯ１〜４が破壊しＧＴＯの性能が出せなくなることが知られている。このため、上式から解るように、スナバ回路の配線インダクタンスｌｓを可能な限り小さくすることが重要である。
【００１０】
図８はＧＴＯ１〜４のスナバ回路の配線インダクタンスｌｓを小さくするための原理を説明する図である。
【００１１】
図示するように、スナバダイオード１１からスナバコンデンサ１５に至る配線としての導体Ａとスナバコンデンサ１５からＧＴＯ１に至る配線としての導体Ｂとを近接して平行に配置し、導体Ａと導体Ｂの間に固体絶縁物Ｃを配置する。その結果、スナバ回路に流れる電流、即ち導体Ａと導体Ｂに流れる電流ｉを、そのの大きさが同じで、互いに逆向きに流すことによって、両方の電流ｉによって発生する磁束を互いに打ち消して、導体Ａと導体Ｂの配線インダクタンスを小さくすることができる。
【００１２】
次に、従来のスナバ回路の配線構造の一例について説明する。
【００１３】
図９（ａ）は導体Ａ、導体Ｂおよび絶縁物Ｃからなる配線構造を示す一部平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）に示す配線構造の断面図である。
【００１４】
これらの図に示すように、導体Ａ，Ｂの幅より絶縁物Ｃの幅を大きくとっている。このように構成することにより、導体Ａ，Ｂ間に高電圧が印加された時、絶縁物Ｃの表面を介して放電する沿面放電を防止することができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の配線構造では、配線インダクタンスを軽減するために、絶縁物を介在して導体を近接配置するため、ＧＴＯがターンオフし導体間に大きな電圧、例えば、数千ボルトに及ぶ高電圧が印加されると、絶縁物の中で部分的な放電が発生し、絶縁物中に局部的な絶縁劣化が進み、ついには絶縁破壊に至ることがある。また、沿面放電を防止するために、導体Ａ，Ｂの幅より絶縁物Ｃの幅を大きくとらなければならない等の問題がある。
【００１６】
本発明は、上記従来の種々の問題点に鑑みて、絶縁物中の部分放電を防止して絶縁物の劣化を防止すると共に、簡単な構造で導体間の沿面距離を長くとることを可能にした電力変換装置の配線構造を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
負荷電流を制御する半導体スイッチグ素子のオン・オフ制御に伴い、電流の大きさが等しく互いに反対方向に流れる２つの配線導体を絶縁物を介して近接配置した電力変換装置の配線構造において、
前記絶縁物は、前記各配線導体に接する狭小部と前記配線導体に前記狭小部を介して接する幅広部とから構成され、前記各配線導体に接する狭小部は配線導体より幅狭く構成し、前記幅広部の前記狭小部に接しない部分は配線導体より幅広に構成し、かつ前記幅広部の前記狭小部を介して配線導体に接する部分は前記各配線導体に接する各狭小部の中間に配置したことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態を図１を用いて説明する。
【００２３】
図１（ａ）は、図８に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す配線構造の断面図である。
【００２４】
Ａは、図８に示すスナバダイオード１１からスナバコンデンサ１５に至る配線としての導体、Ｂはスナバコンデンサ１５からＧＴＯ１に至る配線としての導体、Ｃは近接して平行して配置された導体Ａと導体Ｂの間に配置される固体絶縁物である。
【００２５】
この固体絶縁物Ｃは、図示するように、導体Ａ，Ｂより幅広に構成される幅広部ｃ２と、この幅広部ｃ２と一体に構成され、導体Ａより幅狭く形成され導体Ａと接触する狭小部ｃ１、および導体Ｂより幅狭く形成され導体Ｂと接触する狭小部ｃ３とから構成される。なお、狭小部ｃ１，ｃ３，および拡大部ｃ２の厚さは、任意に設定できるが、本実施形態では、ほぼ同一厚さに形成している。
【００２６】
上記のごとく、本実施形態によれば、固体絶縁物Ｃをこのように構成することにより、導体Ａから導体Ｂに至る固体絶縁物Ｃ上の沿面距離を、従来例に示した同じ幅広の絶縁物に比べて長くすることができ、ＧＴＯがターンオフし導体Ａ，Ｂ間に高電圧が印加されても、沿面放電を十分防止できる。また、固体絶縁物Ｃは、導体Ａと導体Ｂとの間は、狭小部ｃ１，ｃ３を介して接触するように構成したので、この狭小部での部分放電を従来のものより少なくすることができる。さらにまた、導体Ａ，Ｂの端部における電界強度を弱めることができ、端部からの部分放電を防止することができる。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態を図２を用いて説明する。
【００２８】
図２（ａ）は、図８に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）に示す配線構造の断面図である。
【００２９】
本実施形態は、第１の実施形態と比べて、第１の実施形態に示す固体絶縁物Ｃの狭小部ｃ１，ｃ３が幅広部ｃ２と一体に構成されていたのに対して、本実施形態では、狭小部ｃ１，ｃ３および幅広部ｃ２をそれぞれ別体に構成した点で相違し、その他の構成は相違しない。
【００３０】
本実施形態では、第１の実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、重ね合わせる固体絶縁物の枚数を任意に設定でき、その結果、狭小部ｃ１，ｃ２および幅広部ｃ２の厚さ、幅をそれぞれ独立して設定することができる。
【００３１】
次に、本発明の第３の実施形態を図３を用いて説明する。
【００３２】
図３（ａ）は、図８に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す配線構造の一部側面図である。
【００３３】
本実施形態は、第１，第２の実施形態と比べて、第１，第２の実施形態に示す固体絶縁物Ｃの狭小部ｃ１，ｃ３が幅広部ｃ２と同様に、長さ方向に連続して設けられていたのに対して、本実施形態では、狭小部ｃ１および狭小部ｃ３が、それぞれ導体Ａと幅広部ｃ２および導体Ｂと幅広部ｃ２との間に長さ方向に所定の間隔を置いて点在するように配置されている点で相違し、その他の構成は相違しない。
【００３４】
本実施形態では、第１、第２の実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、配線構造の強度、ターンオフ時に印加される高電圧の大きさを考慮して、狭小部ｃ１，ｃ３の配置、個数等を任意に設定することができる。
【００３５】
次に、本発明の第４の実施形態を図４を用いて説明する。
【００３６】
図４（ａ）は、図８に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示す配線構造の断面図である。
【００３７】
本実施形態は、第３の実施形態と比べて、導体Ａの固体絶縁物Ｃが配置される側とは反対側の面に、図８に示すスナバダイオード１１（１２〜１４）のカソード電極を重ねて接続した点で相違し、その他の構成は相違しない。なお、Ｈはスナバダイーオード１１（１２〜１４）の放熱のために設けられるヒートシンクである。
【００３８】
本実施形態によれば、第３の実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、スナバダイオード１１（１２〜１４）と導体Ａとを直結するように構成したので、配線構造をコンパクトに構成できるとともに、配線インダクタンスを軽減することができる。
【００３９】
さらに、本実施形態によれば、このようにして構成された配線構造ユニットを４個のスナバダイオード１１〜１４に相当する４段分をネジで共締めすることにより一体化する。このように構成することにより、複数のスナバ回路をコンパクトに構成できる。
【００４０】
次に、本発明の第５の実施形態を図５を用いて説明する。
【００４１】
図５は、図８に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部断面図である。
【００４２】
本実施形態は、第３の実施形態と比べて、導体Ａ，Ｂの長さ方向の端部に接続されるスナバコンデンサ１５を接続するに当たって、固体絶縁物Ｃの幅広部ｃ２の長さ方向の長さを、導体Ａ，Ｂの前記端部より長くした点で相違し、その他の構成は相違しない。
【００４３】
本実施形態は、第３の実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、スナバコンデンサ１５の端子間の沿面距離を長くでき、沿面放電を防止できる。
【００４４】
なお、上記の各実施形態では、ＧＴＯインバータのスナバ回路のインダクタンスを低減するための導体と絶縁物との配置構造について説明したが、スナバ回路以外でも、例えば、図６のインバータ回路において、電源３１からアノードリアクトル９間の配線と電源３２からアノードリアクトル１０間の配線間のように、電流の大きさが同じで、流れる方向が反対であるような配線構造においても、上記各実施形態を適用できることはいうまでもない。また、スイッチング素子としてＧＴＯについて説明したが、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等を用いても上記各実施形態と同様の効果が得られる。
【００４５】
上記のごとく、本発明によれば、負荷電流を制御する半導体スイッチグ素子のオン・オフ制御に伴い、電流の大きさが等しく互いに反対方向に流れる２つの配線導体を絶縁物を介して近接配置した電力変換装置の配線構造において、配線導体に接する部分は配線導体より幅狭く構成し、配線導体に接しない部分は配線導体より幅広に構成したので、配線導体間の沿面距離が長くとることができ、導体端部の電界強度を弱めることができ、さらに導体間に大きな電圧が印加した場合でも絶縁物の部分放電を防止することができ、絶縁物の絶縁劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる、図８に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図および断面図である。面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係わる、図８に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図および断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係わる、図８に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図および一部側面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係わる、図８に示す電力変換装置のスナバ回路のスナバダイオードを結合した配線構造の一例を示す一部平面図および断面図である。
【図５】本発明の第５の実施形態に係わる、図８に示す電力変換装置のスナバ回路のスナバコンデンサを接続した配線構造の一例を示す一部側面図である。
【図６】インバータの一相分の回路例である。
【図７】インバータに用いられるＧＴＯがターンオフするときの電圧電流波形である。
【図８】インバータのスナバ回路の配線インダクタンスを小さくする原理を説明する図である。
【図９】従来例に係わる、図８に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図および一部断面図である。
【符号の説明】
１〜４  ＧＴＯ
１１〜１４  スナバダイオード
１５〜１８  スナバコンデンサ
Ａ  配線導体
Ｂ  配線導体
Ｃ  固体絶縁物
ｃ１，ｃ３  固体絶縁物の狭小部
ｃ２  固体絶縁物の幅広部
【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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