(57)【要約】【課題】配線を極力少なくし大型の部品点数を少なくして、装置の小型化・コストダウンを図り、冷却を容易にする。【解決手段】図１（ａ）は５レベルインバータの基本回路を示し、ＩＧＢＴとクランプダイオードの直列回路を構成するＱｕ１とＤｕ１、Ｑｕ２とＤｃ１、Ｑｕ３とＤｘ１、Ｄｕ４とＱｘ２、Ｄｃ４とＱｘ３およびＤｘ４とＱｘ４をそれぞれ単一のモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ５，Ｍ６およびＭ７として構成する。また、クランプダイオードどうしの直列回路からなるＤｕ２とＤｕ３、Ｄｃ２とＤｃ３およびＤｘ２とＤｘ３もそれぞれ単一のモジュールＭ８，Ｍ９およびＭ１０として、さらにＩＧＢＴどうしの直列回路からなるＱｕ４とＱｘ１も単一のモジュールＭ４としてそれぞれ構成することで、配線数を少なくし掲記課題の解決を図る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の異なる電位を持つ直流電源と、この正負極間に複数のスイッチング素子とクランプダイオードを含む半導体素子でアームを構成するマルチレベルインバータにおいて、
前記スイッチング素子とクランプダイオードの直列回路は単一のモジュールで構成し、スイッチング素子とクランプダイオードの直列回路以外の他の直列回路を単一のモジュールで構成することを特徴とするマルチレベルインバータ。
【請求項２】
前記クランプダイオードと逆並列にスイッチング素子を接続した回路を、単一のモジュールで構成することを特徴とする請求項１に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項３】
前記直流電源に直接接続されるモジュールは、各相すべて単一のモジュールとすることを特徴とする請求項１または２に記載のマルチレベルインバータ。
【請求項４】
前記直流電源に直接接続されるモジュールは、共通の冷却体に配置することを特徴とする請求項１または２に記載のマルチレベルインバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換装置、特に複数の異なるレベルの電圧を出力することができるマルチレベルインバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、スイッチング素子にＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いた電力変換装置（インバータ）の１相分を示す。
図６（ａ１）は２レベルインバータ、同（ｂ１）は３レベルインバータ、同（ｃ１）は５レベルインバータをそれぞれ示す。各ＩＧＢＴを任意にオン・オフさせることで、図６（ａ１〜ａ３）では出力電圧ＶｏがＰ・Ｎの２電位、同（ｂ１〜ｂ３）ではＰ・Ｃ・Ｎの３電位、同（ｃ１〜ｃ３）ではＰ・Ｐ’・Ｃ・Ｎ’・Ｎの５電位を出力することができる。３つ以上の電位を出力できるインバータを総称して、マルチレベルインバータとも云う。
【０００３】
ＩＧＢＴに与えるオン・オフ信号は、出力したい電圧波形Ｖｓと三角波Ｖｃとの比較により決定する方式が一般的である。三角波Ｖｃの周波数はスイッチング周波数またはキャリア周波数と呼ばれ、この周波数を高くすることでインバータから出力されるリップルが抑えられるが、ＩＧＢＴのスイッチング時に発生する損失が増大すると言うトレードオフがある。また、２レベルインバータよりはマルチレベルインバータとすることで、スイッチング周波数を高くすることなく出力電流のリップルが抑えられるが、使用素子数が増加し配線が複雑になると言うトレードオフがある。
【０００４】
一方、インバータに使用されるＩＧＢＴモジュールは、パッケージに１素子入っているもの（１イン（ｉｎ）１）以外に、図７（ａ）のように２素子直列に接続して用いられるモジュール（２イン１）があり、図示のＣ１，Ｅ２端子を銅などの導体で接続し、各モジュールのＣ２，Ｅ１端子をモータ等の負荷に接続するだけで、２レベルインバータによるモータ駆動システムを構築することができる。図７（ｂ）には、２イン１モジュールを３個並べた３相インバータの例が示されている。
以上のようにモジュール化またはパッケージ化する例は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００５】
さらには、図８のような外観のパッケージ構造もあり、パッケージ内部で図９のように３相インバータ結線されたモジュールもあり、インバータを構成するためには、直流電源との接続、負荷との接続、ゲート線の接続だけで済むものもある。
また、３レベルインバータなどのマルチレベルインバータでは、２レベルインバータに比べて素子使用数が増加し、配線が長くなることで配線に寄生するインダクタンス成分が大きくなる。これらの不都合を解消するため、図１０に示すように、各相対応に直流電圧を平滑するコンデンサＣｄｕ，Ｃｄｘ，Ｃｄｖ，Ｃｄｙ，Ｃｄｗ，Ｃｄｚを設ける例が、例えば特許文献２に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平０５−００８３９４７号公報（第５頁，図１）
【特許文献２】特許第２６６４２７５号公報（第３−４頁，図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
マルチレベルインバータでは、直流電圧を平滑するためのコンデンサが複数直列接続されているため、各相毎にコンデンサを接続すると、大型の部品点数が増加しコストアップや装置が大型化する。また、特許文献１のように、直列接続されたＩＧＢＴを１つのパッケージで構成すると、パッケージ内部での発熱が大きくなり、パッケージ毎の冷却効率を大きくしなければならないだけでなく、パッケージ全体の温度変化によるサイクルが大きくなるなどの問題が発生する。
【０００８】
また、特許文献２のように、２個直列に接続されるＩＧＢＴを単一パッケージにしてしまうと、図１１のように２個直列にされたＩＧＢＴ双方に損失が発生することで同時に発熱する期間が生じ、モジュールパッケージ自身の温度が上昇してしまう。さらに、直流電圧が高いと、図１２に示す主端子間とベース板の絶縁耐圧（ＩＳＯＬ）も考慮しなければならず、全てのパッケージを同一の冷却体に配置することは困難になる。その結果、冷却体はパッケージ毎に分割して配置するか、それぞれのベース板に絶縁耐圧を持たせるなどすると、熱抵抗が大きくなり冷却を充分にしきれなくなる可能性がある。
【０００９】
したがって、この発明の課題は、配線を極力少なくし大型の部品点数を少なくして、装置の小型化・コストダウンを図り、冷却を容易にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、複数の異なる電位を持つ直流電源と、この正負極間に複数のスイッチング素子とクランプダイオードを含む半導体素子でアームを構成するマルチレベルインバータにおいて、
前記スイッチング素子とクランプダイオードの直列回路は単一のモジュールで構成し、スイッチング素子とクランプダイオードの直列回路以外の他の直列回路を単一のモジュールで構成することを特徴とする。
【００１１】
上記請求項１の発明においては、前記クランプダイオードと逆並列にスイッチング素子を接続した回路を、単一のモジュールで構成することができる（請求項２の発明）。また、請求項１の発明においては、前記直流電源に直接接続されるモジュールは、各相すべて単一のモジュールとすること（請求項３の発明）、または、前記直流電源に直接接続されるモジュールは、共通の冷却体に配置することができる（請求項４の発明）。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、マルチインバータの動作を勘案し、同時にオンしない素子どうしを同一のパッケージで構成し、かつパッケージ間の配線を少なくする。また、電位の違いが小さな素子は各相一括してパッケージ化することで、配線を極力少なくし、大型の部品点数を少なくすることで、装置の小型化・コストダウンを図る。その結果、パッケージの熱責務や耐圧責務も軽減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１にこの発明の実施の形態を示す。これは、図６（ｃ１）に示す回路をモジュール単位で示すものである。
すなわち、図１（ａ）のようにＩＧＢＴとクランプダイオードの直列回路を構成するＱｕ１とＤｕ１、Ｑｕ２とＤｃ１、Ｑｕ３とＤｘ１、Ｄｕ４とＱｘ２、Ｄｃ４とＱｘ３およびＤｘ４とＱｘ４をそれぞれ単一のモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ５，Ｍ６およびＭ７として構成している。また、上記以外のクランプダイオードどうしで直列回路を構成するＤｕ２とＤｕ３、Ｄｃ２とＤｃ３およびＤｘ２とＤｘ３がそれぞれ単一のモジュールＭ８，Ｍ９およびＭ１０として構成され、さらにはＩＧＢＴどうしの直列回路を構成するＱｕ４とＱｘ１が単一のモジュールＭ４として構成されている。このように、２素子直列接続された２イン１モジュールを用いることで、配線が容易になることは明らかである。例えば、Ｑｕ１とＤｕ１の接続、Ｑｕ２とＤｃ１の接続、Ｑｕ３とＱｘ１の接続、…はモジュール内部で接続されているため、この部分の配線が不要となる。
【００１４】
５レベルインバータにおけるＱｕ１とＤｕ１の動作について、図３を参照して説明する。Ｑｕ１とＤｕ１は交互にオンし、同時に電流は流れない。つまり、図３（ａ），（ｃ）のようにＱｕ１がオンしているときにはＤｕ１はオフで、図３（ｂ），（ｄ）のようにＤｕ１がオンしているときにはＱｕ１はオフである。電流の向きが逆の場合同様に、Ｑｕ１のＦＷＤがオンしているときはＤｕ１はオフであり、Ｄｕ１がオンしているときはＱｕ１のＦＷＤはオフである。同様に、Ｑｕ２とＤｃ１、Ｑｕ３とＱｘ１…のように単一のモジュールとされたものについては、同時にオンする期間がないため、図１１に示したＱｕ１とＱｕ２のように、同時にオンする期間を有する素子同士を同一パッケージで構成する場合に比べ、パッケージ内部での温度差ΔＴは小さくなる。
【００１５】
これらのことは、ダイオード同士の直列回路を構成するＤｕ２とＤｕ３の単一モジュールＭ９、ＩＧＢＴの直列回路を構成するＱｕ４とＱｘ１の単一モジュールＭ４についても、図２の動作経路から明らかである。
次に、Ｄｕ２とＤｕ３、Ｄｘ２とＤｘ３は同時にオンする期間が発生するが、ダイオードであるためＩＧＢＴの導通損失よりも小さい。また、逆回復時はＥｄ／４の直流電圧に対して３素子で分圧するため逆回復損失は小さく、したがって発熱は小さい。また、Ｑｕ１〜Ｑｕ４、Ｑｘ１〜Ｑｘ４の素子はそれぞれ責務が異なるので、同一パッケージ内に収められるＩＧＢＴを選別せずに、モジュール単体で選別することも可能となる。
【００１６】
以上のように、配線が容易になる上に、パッケージ単位の熱分散が良くなる効果が得られる。また、ＩＧＢＴチップとダイオードチップが同じ定格の場合には、ダイオードチップの方がチップサイズは小さいため、ＩＧＢＴとＦＷＤチップ、ダイオードチップを収納すれば、他のモジュールサイズも小さくなり、小型化を図ることができる。
なお、図１（ａ）の回路は、図７（ａ）に示す一般的なＩＧＢＴの２イン１モジュールを用いて、図１（ｂ）のように構成しても良いのは勿論である。
【００１７】
図４にこの発明の別の実施の形態を示す。これは、３相インバータの例である。
図示のように、平滑コンデンサＣＰ２，ＣＰ１，ＣＮ１，ＣＮ２に直接接続されるモジュールＭ１１１，Ｍ８８８，Ｍ１００，Ｍ９９９，Ｍ７７７については６イン１モジュールを用いている。
モジュールＭ１１１，Ｍ８８８，Ｍ１００，Ｍ９９９，Ｍ７７７のコンデンサＣＰ１，ＣＰ２，ＣＮ１，ＣＮ２とは反対側の端子は、それぞれ各相を構成するＳＴｕ，ＳＴｖ，ＳＴｗに接続され、各交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから負荷へ接続する構成とすることで、各相に配置する大型のコンデンサが不要になる。
【００１８】
Ｕ，Ｖ，Ｗから任意の電圧を出力しても、モジュールＭ１１１，Ｍ８８８，Ｍ１００，Ｍ９９９，Ｍ７７７についてはコンデンサに直接接続された電位を基準として、２×Ｅｄ／４＋ΔＶｓｐ分の電位のみが印加されるため、パッケージの絶縁耐圧を大きくすることなく使用可能である。
【００１９】
図４のように電流定格が大きく、３相一括で単一のパッケージ構成にできない場合は図５のように、それぞれのアームをコンデンサの直近に配置すれば良い。このとき、図４と同様に各ＩＧＢＴパッケージの絶縁耐圧Ｖ（ＩＳＯＬ）は、Ｅｄ／４＋ΔＶ分の絶縁耐圧があればよく、また、一方の電位が固定されているため、図５に示すように同一の冷却体Ｆ１，Ｆ７，Ｆ８，Ｆ９，Ｆ１０に設置することができる。冷却体の電位は、コンデンサの電位が固定されている電位と接続すれば良い。
【００２０】
図５では、コンデンサに直接接続されるＩＧＢＴとクランプダイオードの直列回路のみパッケージを個別にしたが、ダイオードの直列回路を構成するモジュールＭ８８８，Ｍ９９９，Ｍ１００についても同様にすることができるのは勿論である。
また、コンデンサに直接接続されるモジュールＭ１ｒ，Ｍ１ｓ，Ｍ１ｔ，ＭＤ１ｒ，ＭＤ１ｓ，ＭＤ１ｔ，ＭＤ７ｒ，ＭＤ７ｓ，ＭＤ７ｔ，Ｍ７ｒ，Ｍ７ｓ，Ｍ７ｔに１個組（１イン１）を用いたが、一般的な２イン１モジュールを用いても良いことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の実施の形態を説明するための回路構成図
【図２】図１の動作を説明する電流経路図
【図３】図１の動作説明図
【図４】この発明の別の実施の形態を示す回路構成図
【図５】この発明のさらに別の実施の形態を示す回路構成図
【図６】従来のインバータを説明する回路図および出力電圧波形図
【図７】一般的なＩＧＢＴモジュールとその接続例説明図
【図８】一般的なＩＧＢＴモジュールの外観図
【図９】６イン１モジュールの内部配線図
【図１０】一般的な３レベル３相インバータ例を示す回路図
【図１１】直列接続の２つのＩＧＢＴの動作説明図
【図１２】主端子間とベース板の絶縁耐圧説明図
【符号の説明】
【００２２】
ＣＰ１，ＣＰ２，ＣＮ１，ＣＮ２…平滑コンデンサ、Ｐ，Ｐ’，Ｃ，Ｎ’，Ｎ…電位、Ｑｕ１〜Ｑｕ４，Ｑｘ１〜Ｑｘ４…ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、Ｄｕ１〜Ｄｕ４，Ｄｃ１〜Ｄｃ４，Ｄｘ１〜Ｄｘ４…ダイオード、Ｍ１〜Ｍ１１，Ｍ２２，Ｍ３３，Ｍ５５，Ｍ６６，Ｍ７７，Ｍ１００，Ｍ１１１，Ｍ７７７，Ｍ８８８，Ｍ９９９…モジュール、Ｆ１〜Ｆ１０…冷却体。
【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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【図１１】
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【図１２】
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