(57)【要約】【課題】  本発明者らによる先願発明による電力変換装置（MCI）において、より低損失、低コストの回路構成や駆動方法を提供する。【解決手段】  直流電圧源の出力電圧から交流電圧波形をパルス状電圧で生成する電力変換装置(300a)であって、前記直流電圧源は共通電位を含めて３つ以上の電位を出力する電圧源出力部(10,20)を備え、前記電力変換装置は前記３つ以上の電位の１つに接続し、電圧を前記電力変換装置の出力部に印加するスイッチング手段(301a,302a,303a)を各々備え、前記スイッチング手段は、前記３つ以上の電位に各々に接続してオンオフのパルス幅を制御することにより前記パルス状電圧を生成し、前記スイッチング手段は複数の双方向スイッチを含み、前記双方向スイッチの少なくとも１つが２つの逆導通型素子(Tr201,Tr202など)を逆向きに直列接続した構成の電力変換装置を提供する。【選択図】図５
2006296040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧源の出力電圧から交流電圧波形をパルス状電圧で生成する電力変換装置であって、
前記直流電圧源は、共通電位を含めて３つ以上の電位を出力する電圧源出力部を備え、
前記電力変換装置は、前記３つ以上の電位の１つに接続し、電圧を前記電力変換装置の出力部に印加するスイッチング手段を各々備え、
前記スイッチング手段は、前記３つ以上の電位に各々に接続してオンオフのパルス幅を制御することにより前記パルス状電圧を生成し、
前記スイッチング手段の各々は、少なくとも１つの双方向スイッチを含み、
前記双方向スイッチの少なくとも１つが、２つの逆導通型素子を逆向きに直列接続した構成である、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記３つ以上の電位のうち中間電位に接続されているアームから電力変換装置の出力部に供給可能な電力量が、他のアームから供給可能な電力量よりも小さく、
かつ、前記３つ以上の電位のうち中間電位に接続しているアームを構成している双方向スイッチが、２つの逆導通型素子を逆向きに直列接続した構成である、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電力変換装置において、
前記３つ以上の電位のうち中間電位に接続されたアームからの電力供給割合を、このアームが接続する電位以外の電位に接続されたアームからの電力供給割合よりも小さくする、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記逆向きに直列接続された２つの逆導通型素子のうちの少なくとも１組が、
２つの逆導通型素子の電流流入側端子同士が同一端子に接続された構成である、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記逆向きに直列接続された２つの逆導通型素子のうちの少なくとも１組が、
２つの逆導通型素子の電流流出側端子同士が同一端子に接続された構成である、
ことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、燃料電池を主電源として高効率に高応答にモータを駆動するための構成が、特開２００２−１１８９８１号公報（特許文献１を参照されたい。）で開示されている。この従来例は、図１０に示すように蓄電器がＤＣ-ＤＣコンバータを介して燃料電池と並列に接続された２電源を備える車両構成になっており、ＤＣ-ＤＣコンバータの出力電圧を制御することで電源としての出力効率を改善することを狙ったものである。また、モータ駆動用の蓄電器と補機駆動用蓄電器の２電源を備えた電動車両においても、両蓄電器間にＤＣ−ＤＣコンバータを介して接続することにより両蓄電器間の電力移動を可能としている。さらに、従来技術として特開２００４−２３６３７４号公報（特許文献２を参照されたい。）でマトリクスコンバータ回路構成（当該文献の図６）が開示されている。この従来例においては、双方向スイッチの構成法としてダイオードとIGBTのパラレル接続（すなわち逆導通型IGBTと同機能）を逆直列接続した構成と、逆阻止型IGBTを逆並列接続した構成が記載されているが、マトリクスコンバータとしての構成法の詳細については触れていない。
【０００３】
しかしながら、図１０に示す従来技術では、ＤＣ-ＤＣコンバータを使って、燃料電池とバッテリを並列に接続する構成となっていたため、以下の問題点がある。
１）ＤＣ-ＤＣコンバータを使用しているため、システムのサイズが大きくなるとともに、コストが高い、損失が大きいなどの問題が生じる。
２）燃料電池の出力ラインにダイオードが存在するため、損失が大きい。
【０００４】
そこで、本発明者らは、複数電源を用いて電圧変換をする電力変換装置に関するものであり、その複数電源の入出力電力の切り替えや配分などを自由にコントロールすることを可能とし、電圧源の供給電力を制御することを可能とする技術（MCIと称する）を開発した（特願2004-200483号、および特願2004-200545号）。
これらの発明は双方向スイッチを基本的な構成要素として用いており、双方向スイッチを用いる双方向スイッチの実現例として逆阻止IGBTの逆並列構成を用いた実施例を記載してある。双方向スイッチを用いる電力変換器としてマトリクスコンバータがある。これは、全アームを双方向スイッチで構成しており、双方向スイッチの構成方法として逆阻止IGBTの逆並列構成や逆導通IGBTの逆直列構成が知られている。
図１〜図4に示す本発明者らによる先願では、逆阻止型素子を逆並列に接続した双方向スイッチの構成について実施例に記載してあり、その効果を記載してある。
【特許文献１】特開２００２-１１８９８１号公報（段落0004-0006、図１）
【特許文献２】特開２００４−２３６３７４号公報（段落0010-0013、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者らによる前述の２つの発明では、双方向スイッチの接続形態（回路トポロジー）や駆動方法を数例しか挙げておらず、これらの接続形態や駆動方法には改良の余地が残されている。そこで、本発明は、前述した２つの発明による電力変換装置（MCI）において、より低損失、低コストの回路構成や駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した諸課題を解決すべく、第１の発明による電力変換装置は、
直流電圧源の出力電圧から交流電圧波形をパルス状電圧で生成する電力変換装置であって、
前記直流電圧源は、共通電位を含めて３つ以上の電位を出力する電圧源出力部を備え、
前記電力変換装置は、前記３つ以上の電位の１つに接続し、電圧を前記電力変換装置の出力部に印加するスイッチング手段を各々備え、
前記スイッチング手段は、前記３つ以上の電位に各々に接続してオンオフのパルス幅を制御することにより前記パルス状電圧を生成し、
前記スイッチング手段の各々は、少なくとも１つの双方向スイッチを含み、
前記双方向スイッチの少なくとも１つ（好適には全ての双方向スイッチ）が、２つの逆導通型素子を（そのスイッチング可能な方向を）逆向きに直列接続した構成である、
ことを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明による電力変換装置は、
前記３つ以上の電位のうち中間電位に接続されているアームから電力変換装置の出力部（即ちモータなどの負荷）に供給可能な電力量が、他のアームから供給可能な電力量よりも小さく、
かつ、前記３つ以上の電位のうち中間電位に接続しているアームを構成している双方向スイッチが、２つの逆導通型素子を（そのスイッチング可能な方向を）逆向きに直列接続した構成である、
ことを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明による電力変換装置は、
前記３つ以上の電位のうち中間電位に接続されたアームからの電力供給割合を、このアームが接続する電位以外の電位に接続されたアーム（即ち、上アーム及び下アームなど）からの電力供給割合よりも小さくする、ことを特徴とする。
【０００９】
また、第４の発明による電力変換装置は、
前記逆向きに直列接続された２つの逆導通型素子のうちの少なくとも１組（好適には全ての組）が、２つの逆導通型素子の電流流入側端子同士（コレクタ端子、ドレイン端子など）が同一端子に接続された構成である、ことを特徴とする。
【００１０】
また、第５の発明による電力変換装置は、
前記逆向きに直列接続された２つの逆導通型素子のうちの少なくとも１組（好適には全ての組）が、２つの逆導通型素子の電流流出側端子同士（エミッタ端子、ソース端子など）が同一端子に接続された構成である、ことを特徴とする。
上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法としても実現され得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、MCI構成の電力変換装置において、双方向スイッチの構成を、逆導通素子を逆向きに直列接続した構成としているので、逆導通型固有の効果として素子の実装面積を小さくでき、従って、素子パッケージ自体も小さくなり結果として電力変換装置のサイズも小さくできる。
【００１２】
第２の発明によれば、逆導通型固有の効果として素子の実装面積を小さくでき、従って、素子パッケージ自体も小さくなり結果として電力変換装置のサイズも小さくできる。さらに、中間電圧源（電位）に接続されているアームからモータに供給可能な電力量が他のアームが供給可能な電力量よりも小さく、かつ当該アームを構成している双方向スイッチが逆導通型素子を逆向きに直列接続した構成としてあるため、逆導通時に生じる損失を抑制することができる。即ち、逆導通型素子の欠点を解消することが可能となる。
【００１３】
第３の発明によれば、中間電圧源に接続されたアームからの電力供給割合を他の電圧源（電位）に接続されたアームからの電力供給割合よりも小さくするという構成としているので、中間電圧源に接続されている。一般的に電圧ドロップの大きいアームでの発生損失を小さくすることができ、さらに、この結果、第１および第２の発明による電力変換装置において、本電力変換装置のサイズを小さくできるという効果を保持したまま、本電力変換装置の損失も小さく出来る。
【００１４】
第４の発明によれば、双方向スイッチの構成が、複数の逆導通型素子のコレクタ端子、ドレイン端子などの電流流入側端子同士が同一端子に接続された構成となっているので、素子実装面積を小さくできる。
【００１５】
第５の発明によれば、双方向スイッチの構成が、複数の逆導通型素子のエミッタ端子、ソース端子などの電流流出側端子同士が同一端子に接続された構成となっているので、これら素子の駆動回路の構成が簡単になり、駆動回路の個数低減やコスト低減が可能になる。即ち、素子実装面積を小さくしつつ、共通端子であるため当該端子への駆動信号や駆動回路を共用できるなどの利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以降、諸図面を参照しつつ、本発明の実施態様を詳細に説明する。
第一実施例（エミッタ共通）
前述した先願には記載されていないが、逆導通IGBT型の双方向スイッチを用いて先願と同様の動作を実現できる実施例を構成できる。この場合は、電力変換器のサイズを小さくできるという効果がある。図５に第１の実施例による回路構成図を示す。10が高電位Vhを供給する第１のバッテリ、20が中間電位Vmを供給する第２のバッテリ、C1,C2がコンデンサ、40がモータ、300aが電力変換装置、301a,302a,303aがそれぞれU相、V相、W相のスイッチ群、Tr101-Tr901が逆導通型IGBTである。本実施例の構成は、図１に記載した先願における逆阻止型IGBTを逆並列に接続した双方向スイッチ構成から、図５に記載のように逆導通型IGBT(Tr201およびTr202など)のエミッタ共通型逆直列に接続した双方向スイッチに変更している。V相、W相ついても同様である。また、図６には、第１実施例に記載の回路において、ある相、例えばU相の各スイッチを実際に基板上に配置したレイアウト図を示している。絶縁基板101上面にチップ裏面電極板102を配置してある。Tr101、Tr201、Tr202、Tr301は、これらのチップ裏面電極板上にそれぞれが配置されており、Tr202とTr301はコレクタ同士、すなわちチップ裏面同士が同じ端子に結線される為、同一のチップ裏面電極板上に配置されている。
【００１７】
さらに、高電位Vh、中間電位Vm、低電位（共通電位）Vlの電極を取り出すために、Vh電極取り出し領域104、Vm電極取り出し領域103、Vl電極取り出し領域105が101上に配置されており、ここで、VhとVmについては、Tr101とTr201のコレクタ電極と接続する回路構成となっているためチップ裏面電極102をそのまま延伸して104,103と為す構成になっている。一方、Vlについては、Tr301のエミッタ電極すなわちチップ表面電極と接続する回路構成のため、Tr301の表面電極から配線ワイヤをワイヤボンディングにより105に電気接続する構成となっている。このほか、Tr101のエミッタ（チップ表面）はTr301のコレクタ（チップ裏面）と接続する回路構成のためTr301の下面の電極板102にあるワイヤボンディング領域102aにワイヤボンディングで接続されており、また、Tr201のエミッタ（チップ表面）とTr202のエミッタ（チップ表面）もワイヤボンディング接続されている。
【００１８】
次に作用を説明する。ここでは、図７に示した先願との比較で説明する。先願では、実際の基板上の配置については説明していないが、先願に記載されている図７に記載の回路を実現しようとすると、図７右に図示したようなレイアウト図となる。すなわち、絶縁基板101上面にチップ裏面電極板102を配置してある。IGBTであるTr11、Tr21、Tr22、Tr31は、これらのチップ裏面電極板上にそれぞれが配置されており、Tr22とTr31はコレクタ同士、すなわちチップ裏面同士が同じ端子に結線される為、同一のチップ裏面電極板上に配置されている。
【００１９】
さらに、高電位Vh、中間電位Vm、低電位（共通電位）Vlの電極を取り出すために、Vh電極取り出し領域104、Vm電極取り出し領域103、Vl電極取り出し領域105が101上に配置されており、ここで、VhとVmについては、Tr11とTr21のコレクタ電極と接続する回路構成となっているためチップ裏面電極102をそのまま延伸して104,103と為す構成になっている。一方、Vlについては、Tr31のエミッタ電極すなわちチップ表面電極と接続する回路構成のため、Tr31の表面電極から配線ワイヤをワイヤボンディングにより領域105に電気接続する構成となっている。
なお、ワイヤボンディングで配線加工を行うためには、ボンディング装置で結線をする箇所にはボンディング装置が他の部材に接触するのを防ぎながらボンディング装置が配線敷設の動作をスムーズに行うための作業領域が必要であり、下記のようなある程度の面積を持つワイヤボンディング領域を確保する必要がある。
【００２０】
このほか、Tr11のエミッタ（チップ表面）はTr31のコレクタ（チップ裏面）と接続する回路構成のためTr31の下面に形成されている102におけるワイヤボンディング領域102aにワイヤボンディングで接続されている。また、Tr21とTr22を逆並列接続する構成とするため、Tr21のエミッタ（チップ表面）とTr22のコレクタすなわちチップ裏面電極がワイヤボンディングで接続され、Tr22のエミッタ（チップ表面）とTr21のコレクタすなわちチップ裏面電極がワイヤボンディングで接続されている。このとき、Tr22エミッタからのワイヤを接続するワイヤボンディング領域102bおよびTr21エミッタからのワイヤを接続するワイヤボンディング領域102cがそれぞれチップ裏面電極上に必要なため、図６に示した本願第一実施例における配置図と比較すると、領域102b,102cの面積だけ図７の先願の方がより大きな面積が必要である。
具体的に規格化したサイズで比較すると、図７の先願においては３３(6×5.5)の面積を要するのに対し、第一実施例では２７．５(5×5.5)となり、約20%の面積低減効果がある。以上説明したように、本実施例においては、同一の機能を達成するために、先願よりも実装面積を小さくできるためスイッチ素子の小型化を達成でき、ひいては本発明による電力変換器全体のサイズダウンとコストダウンができるという効果がある。
【００２１】
第二実施例（コレクタ共通）
この実施例は、前述した第一実施例の効果に加えて駆動回路を簡略化できるという効果がある。さらに、我々の先願の回路構成においては、その駆動方法として、高電圧電源および中電圧電源からの電力供給比率を交流モータの運転状況に応じて変えることが可能となる。例えば、高電圧電源と中電圧電源それぞれの供給割合を、中電圧側が少なくなるように設定しておけば一般的に損失が大きくなる可能性のある逆導通IGBT型双方向スイッチの損失を抑えることが出来る。そして、逆導通IGBT型双方向スイッチにおいて問題になる損失を、通過電力を減らすことにより低減できるという効果があり、結果として,サイズ低減と損失低減を両立できるという効果がある。
【００２２】
図８に本発明の第2の実施例の回路構成図を示す。本実施例においては、双方向スイッチの構成が、例えば、逆導通型IGBT(Tr210),(Tr220)のコレクタ同士を接続した逆直列接続の構造と成っている。本実施例において、第一実施例と同様にレイアウト図を示したのが図９である。絶縁基板101上面にチップ裏面電極板102を配置してある。Tr101、Tr210、Tr220、Tr301は、これらのチップ裏面電極板上にそれぞれが配置されており、Tr210とTr220はコレクタ同士、すなわちチップ裏面同士が同じ端子に結線される為、同一のチップ裏面電極板上に配置されている。本構成でも、ワイヤボンディング領域は、領域102aと102dとの２箇所で済むため、実装面積を小さくできる。
【００２３】
さらに、高電位Vh、中間電位Vm、低電位（共通電位）Vlの電極を取り出すために、Vh電極取り出し領域104、Vm電極取り出し領域103、Vl電極取り出し領域105が101上に配置されており、ここで、Vhについては、Tr101のコレクタ電極と接続する回路構成となっているためチップ裏面電極102をそのまま延伸して104と為す構成になっている。一方、Vm、Vlについては、それぞれTr210、Tr301のエミッタ電極すなわちチップ表面電極と接続する回路構成のため、Tr210、Tr301の表面電極から配線ワイヤをワイヤボンディングによりそれぞれ103、105に電気接続する構成となっている。このほか、Tr101のエミッタ（チップ表面）およびTr220のエミッタ（チップ表面）はTr301のコレクタ（チップ裏面）と接続する回路構成のためTr301の下面に形成されている102にワイヤボンディングで接続されている。
【００２４】
次に作用を説明する。本実施例において、先の実施例と同様に規格化したサイズで比較すると約30となり、先願に対して約10%の面積低減効果がある。さらに、本実施例特有の作用として、駆動回路の簡素化がある。以下、これを詳しく説明する。図８に示した全体回路図において、例えば、Tr101とTr220のように、エミッタが共通電位となっているIGBTチップは同一グラウンド電位を有する駆動回路で駆動できるが、例えばTr210とTr220のようにエミッタ電位が異なるIGBTチップについてはお互い絶縁された駆動回路で駆動する必要がある。このことから、本実施例においては、エミッタ共通のグループが５個あることから５つの絶縁された駆動回路が必要になる。一方、図５に示す第一実施例においては7つの絶縁された駆動回路が必要になることから、第二実施例においては、第一実施例よりも駆動回路を実現する為のサイズ、コストが小さくてすむという効果がある。
【００２５】
なお、本願においては、双方向スイッチにおける損失を小さくすることが重要となる。なぜならば、本願においては、双方向スイッチを逆導通型IGBTの逆直列として構成しているため、逆阻止型IGBTを逆並列接続したタイプの双方向スイッチよりも一般的にオン電圧が大きく、同じ電流を流せば損失が大きくなってしまうからである。この点に鑑みて、本願では、第一実施例、第二実施例に共通の、以下に説明する特徴的な回路の構成および駆動方法を取る事で損失を減らせるという効果をあげている。すなわち、第二実施例を用いて説明すると、本願では図８に記載の実施例においてVhから供給する電力量とVmから供給する電力量を自由に設定できる。そこで、例えば、U相で説明すると、Vhに接続されているTr101および両方の電源にコモン端子に接続されているTr301の供給可能な電力量に比してTr210、Tr220から構成される双方向スイッチの供給可能な電力量を小さく設定されるように、具体的には例えばチップ面積を小さくしておき、さらにある出力要求に対してVmからの電力供給割合をVhからの電力供給割合よりも小さく制御する。こうすることにより、ここで述べた双方向スイッチが一般的に持っているオン電圧が大きいという特性の影響を最小限に抑えることができ、前述のサイズ、コストが小さいという効果を損なうことなく複数電源からの自由分配電力供給が出来る。
【００２６】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
例えば、第一実施例、第二実施例においては、逆導通型素子として逆導通IGBTを用いて説明したが、MOS型の逆導通素子をはじめとして、いかなる種類の逆導通素子でも同様の構成を実現でき、同様の効果を得ることができるのは言うまでも無い。
また、本明細書で説明した回路構成では、主に双方向スイッチ素子が中央アームに位置する形態のみを記載したが、ＭＣＩ構成では他のアームにも双方向スイッチを使用することができ、そのような他のアームの双方向素子に対しても本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明者らの先願における電力変換装置の回路構成を示す図である。
【図２】本発明者らの先願における電力変換装置の４２V電源車両適用の一例を示す図である。
【図３】本発明者らの先願における電力変換装置のハイブリッド電気自動車適用の一例を示す図である。
【図４】本発明者らの先願における電力変換装置の燃料電池車適用の一例を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例の回路構成を示す図である。
【図６】本発明の第１実施例の双方向スイッチのレイアウト図である。
【図７】先願の双方向スイッチ構成のレイアウト図である。
【図８】第２実施例の回路構成図である。
【図９】第２実施例の双方向スイッチ構成のレイアウト図である。
【図１０】従来の電力変換装置の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
10  第１のバッテリ
20  第２のバッテリ
C1,C2  コンデンサ
40  モータ
300a  電力変換装置
301a,302a,303a  U相、V相、W相のスイッチ群
350a  電力変換装置
310a,320a,330a  U相、V相、W相のスイッチ群
Tr101-Tr901  逆導通型IGBT
101  絶縁基板
102  チップ裏面電極板
102a-102d  ワイヤボンディング領域
103  Vm電極取り出し領域
104  Vh電極取り出し領域
105  Vl電極取り出し領域
【図１】
2006296040.tif 000003
【図２】
2006296040.tif 000004
【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】
2006296040.tif 000009
【図８】
2006296040.tif 000010
【図９】
2006296040.tif 000011
【図１０】
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