(57)【要約】【課題】配線インダクタンスをできるだけ小さくして交流スイッチの破壊や装置の大型化、コスト上昇を防止した交流−交流直接変換形電力変換装置を提供する。【解決手段】多相の入力端子と多相の出力端子との間に接続された複数の交流スイッチと、装置の配線インダクタンスに蓄えられたエネルギーを吸収するフィルタとを備え、前記交流スイッチのオン、オフ動作により多相交流入力を多相交流出力に直接変換する交流−交流直接変換形電力変換装置に関する。ある入力相（例えばＲ相）に接続されるフィルタコンデンサ２１と、当該Ｒ相に接続される交流スイッチＳＲＵと、この交流スイッチＳＲＵと出力相が同一（Ｕ相）であって他の入力相（例えばＳ相）に接続される他の交流スイッチＳＳＵとを有する電流経路（ブスバー３１，３２）によって囲まれる面積が最小になるようにして、配線インダクタンスを小さくする。【選択図】  図１
2004236374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相の入力端子と多相の出力端子との間に接続された複数の交流スイッチと、装置の配線インダクタンスに蓄えられたエネルギーを吸収するフィルタとを備え、前記交流スイッチのオン、オフ動作により多相交流入力を多相交流出力に直接変換する交流−交流直接変換形電力変換装置において、
ある入力相に接続される前記フィルタと、当該入力相に接続される一の交流スイッチと、この交流スイッチと出力相が同一であって他の入力相に接続される他の交流スイッチとを有する電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにして前記配線インダクタンスを小さくすることを特徴とする交流−交流直接変換形電力変換装置の構成方法。
【請求項２】
請求項１に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
中性点電位または接地電位を有する導体と各相の入力端子との間に前記フィルタを接続したことを特徴とする交流−交流直接変換形電力変換装置の構成方法。
【請求項３】
請求項１に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
入出力の相数が同一であり、多相の入力端子のうち１相の入力端子を出力端子に直接接続すると共に、多相の入力端子のうち残りの相の入力端子をそれぞれ交流スイッチを介して同数の出力端子にそれぞれ接続し、かつ、すべての出力端子間に別の交流スイッチをそれぞれ接続したことを特徴とする交流−交流直接変換形電力変換装置の構成方法。
【請求項４】
請求項１，２または３に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
前記電流経路の一部を、互いに逆方向に電流が流れる導体を絶縁したうえ積層して構成したことを特徴とする交流−交流直接変換形電力変換装置の構成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多相交流入力から直流に変換することなく多相交流出力を得る交流−交流直接変換形電力変換装置に関し、特に、配線インダクタンスの減少を可能にした電力変換装置の構成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来技術として、３相入力から３相出力を得るマトリクスコンバータの回路構成を示している。電源側の入力相及び入力端子をＲ，Ｓ，Ｔとし、負荷側の出力相及び出力端子をＵ，Ｖ，Ｗと称して、その構成及び動作を以下に説明する。
【０００３】
図６（ａ）において、電源側の入力端子Ｒには交流スイッチ（双方向スイッチ）ＳＲＵ，ＳＲＶ，ＳＲＷの各一端が接続され、入力端子Ｓには交流スイッチＳＳＵ，ＳＳＶ，ＳＳＷの各一端が接続され、入力端子Ｔには交流スイッチＳＴＵ，ＳＴＶ，ＳＴＷの各一端が接続されており、交流スイッチＳＲＵ，ＳＳＵ，ＳＴＵの各他端は一括して負荷側の出力端子Ｕに、同ＳＲＶ，ＳＳＶ，ＳＴＶの各他端は一括して負荷側の出力端子Ｖに、同ＳＲＷ，ＳＳＷ，ＳＴＷの各他端は一括して負荷側の出力端子Ｗにそれぞれ接続されている。
【０００４】
上記交流スイッチＳＲＵ〜ＳＴＷは、図６（ｂ）に示すように、例えばダイオードＤａ，Ｄｂが逆並列接続されたＩＧＢＴ等の単方向の半導体スイッチング素子Ｓａ，Ｓｂを逆直列に接続したり、逆耐圧能力がある場合には半導体スイッチング素子Ｓａ，Ｓｂだけを逆並列に接続して構成されている。
【０００５】
図７は、交流スイッチＳＲＵ〜ＳＴＷの配置構造を示す図であり、前記単方向半導体スイッチング素子Ｓａ，Ｓｂからなる９個の交流スイッチＳＲＵ〜ＳＴＷがマトリクス状に配置されている。なお、交流スイッチＳＲＵ〜ＳＴＷのゲート駆動回路については、本発明に関わる部分ではないため説明を省略する。
このマトリクスコンバータでは、入力側に交流フィルタＦを設け、３相交流入力から、交流スイッチＳＲＵをはじめとする９個の交流スイッチＳＲＵ〜ＳＴＷがオン、オフを繰り返すスイッチング動作を行うことにより、所望の３相交流出力を得ている。
【０００６】
なお、この種のマトリクスコンバータは、例えば下記の特許文献に「同期電動機の駆動制御装置」として記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−１８４８９号公報（図１，図４，図５等）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
次に、図８は、前記マトリクスコンバータにおいて、電源側のＲ，Ｓ，Ｔ相から交流スイッチＳＲＵ，ＳＳＵ，ＳＴＵを介して負荷側のＵ相に至る回路を等価的に示したものである。マトリクスコンバータでは、図８に示すように、各相の入力電源ＶＲ，ＶＳ，ＶＴと交流スイッチＳＲＵ，ＳＳＵ，ＳＴＵとの間に配線のインダクタンスＬＲ，ＬＳ，ＬＴが存在する。これらの配線インダクタンスＬＲ，ＬＳ，ＬＴの大きさは、電流経路（図８の電流経路ａ，ｂ，ｃ）の長さが長くなるほど、言い換えれば、上記電流経路によって包囲される面積が大きくなるほど増加する。
【０００９】
上記配線インダクタンスは、交流スイッチがオフしたときに過大なサージ電圧を発生して交流スイッチを破壊する場合がある。また、交流スイッチをサージ電圧から保護するために、交流スイッチ近辺に抵抗、コンデンサ、ダイオード等からなるスナバ回路等の保護回路を設けることは、装置の大型化につながり、コストが上昇する。
そこで本発明は、配線インダクタンスをできるだけ小さくして交流スイッチの破壊や装置の大型化、コスト上昇を防止するようにしたマトリクスコンバータ等の交流−交流直接変換形電力変換装置を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、多相の入力端子と多相の出力端子との間に接続された複数の交流スイッチと、装置の配線インダクタンスに蓄えられたエネルギーを吸収するフィルタとを備え、前記交流スイッチのオン、オフ動作により多相交流入力を多相交流出力に直接変換する交流−交流直接変換形電力変換装置において、
ある入力相に接続される前記フィルタと、当該入力相に接続される一の交流スイッチと、この交流スイッチと出力相が同一であって他の入力相に接続される他の交流スイッチとを有する電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにして前記配線インダクタンスを小さくするものである。
【００１１】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
中性点電位または接地電位を有する導体と各相の入力端子との間に前記フィルタを接続したものである。
【００１２】
請求項３に記載した発明は、請求項１に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
入出力の相数が同一であり、多相の入力端子のうち１相の入力端子を出力端子に直接接続すると共に、多相の入力端子のうち残りの相の入力端子をそれぞれ交流スイッチを介して同数の出力端子にそれぞれ接続し、かつ、すべての出力端子間に別の交流スイッチをそれぞれ接続したものである。
すなわち、例えば３相入出力の交流−交流直接変換形電力変換装置において、入力相の１相（例えばＳ相）を出力相の１相（例えばＶ相）に接続し、他の入力相（Ｒ相、Ｔ相）と他の出力相（Ｕ相、Ｗ相）との間、及び、各出力相間（Ｕ相−Ｖ相間、Ｖ相−Ｗ相間）にそれぞれ交流スイッチを接続して３相Ｖ結線とするものである。
【００１３】
また、請求項４に記載した発明は、請求項１，２または３に記載した交流−交流直接変換形電力変換装置において、
前記電流経路の一部を、互いに逆方向に電流が流れる導体を絶縁したうえ積層して構成したものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す上面図（図１（ａ））、側面図（同（ｂ））及び正面図（同（ｃ））である。この実施形態は、請求項１，４に記載した発明に相当する。
これらの図において、１１は電源側の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ及び中性点端子Ｎが配置される端子台、１２は負荷側の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗが配置される端子台であり、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと中性点端子Ｎとの間には、フィルタコンデンサ２１，２２，２３がスター結線されている。なお、フィルタコンデンサ２１，２２，２３は、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔの相互間にそれぞれ接続してΔ結線としても良い。上記フィルタコンデンサ２１，２２，２３は入力電圧を平滑すると共に、配線インダクタンスに蓄積されたエネルギーを吸収する作用をなす。
【００１５】
また、入力端子Ｒには、複数の直線部分を折曲してほぼ櫛状に形成された銅製のブスバー３１の一端が接続されており、その３つの他端は交流スイッチＳＲＵ，ＳＲＶ，ＳＲＷ内の一方の半導体スイッチング素子Ｓａにそれぞれ接続され、交流スイッチＳＲＵ，ＳＲＶ，ＳＲＷ内の他方の半導体スイッチング素子Ｓｂは、共通ブスバー４０を介して出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗにそれぞれ接続されている。
入力端子Ｔにも、同じく複数の直線部分を折曲してほぼ櫛状に形成された銅製のブスバー３３の一端が接続されており、その３つの他端は交流スイッチＳＴＵ，ＳＴＶ，ＳＴＷ内の一方の半導体スイッチング素子Ｓａにそれぞれ接続され、交流スイッチＳＴＵ，ＳＴＶ，ＳＴＷ内の他方の半導体スイッチング素子Ｓｂは、共通ブスバー４０を介して出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗにそれぞれ接続されている。
【００１６】
更に、入力端子Ｓには、ほぼ直線状のブスバー３２（図１（ｂ），（ｃ）参照）の一端が接続され、その３つの他端は交流スイッチＳＳＵ，ＳＳＶ，ＳＳＷ内の一方の半導体スイッチング素子Ｓａにそれぞれ接続され、交流スイッチＳＳＵ，ＳＳＶ，ＳＳＷ内の他方の半導体スイッチング素子Ｓｂは、共通ブスバー４０を介して出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗにそれぞれ接続されている。
なお、これらの入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ間の９個の交流スイッチＳＲＵ〜ＳＴＷの電気的な接続状態は、図７と同様であり、図１のフィルタコンデンサ２１〜２３は図７における交流フィルタＦに相当する。
【００１７】
ここで、ブスバー３１，３２，３３，４０は、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗとの間で各交流スイッチＳＲＵ〜ＳＴＷをできるだけ短い距離で接続するように直線部分のみからなっていると共に、図１（ｃ）の中央部分３０では、３本のブスバー３１，３２，３３が適宜な間隔をおいて絶縁されたうえ、上下に積層される構造となっている。
また、ある入力相（例えばＲ相）の入力端子Ｒに接続されるフィルタコンデンサ２１と、当該Ｒ相に接続される一の交流スイッチ（例えばＳＲＵ）と、この交流スイッチＳＲＵと出力相が同一（例えばＵ相）であって他の入力相（例えばＳ相）の入力端子Ｓに接続される他の交流スイッチ（例えばＳＳＵ）とを有する電流経路が最小になるように構成されており、言い換えればその電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにして当該電流経路の配線インダクタンスを小さくするように配慮されている。この構造は、他の入力相、フィルタコンデンサ、交流スイッチ、出力相についても同様である。
【００１８】
ここで、前記中央部分３０では、図８から明らかなごとく、異なる相のブスバーにはそれぞれ逆方向に電流が流れるため磁束が打ち消し合うので、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと交流スイッチＳＲＵ〜ＳＴＷとの間の配線インダクタンスを減少させることができ、本実施形態では、既に述べたごとく前述の電流経路によって囲まれる面積を最小にすることと相まって、回路全体の配線インダクタンスを低減することができる。
【００１９】
次に、図２は本発明の第２実施形態を示しており、この実施形態も請求項１，４に記載した発明に相当する。
本実施形態では、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗにそれぞれ接続される各３個の交流スイッチを１個の交流スイッチモジュールとして一体化し、全体で３個の交流スイッチモジュール５１，５２，５３を形成する。例えば、出力側のＵ相を例にとると、３個の交流スイッチＳＲＵ，ＳＳＵ，ＳＴＵを１パッケージとして交流スイッチモジュール５１を構成する。
【００２０】
また、平板で直線状の銅製のブスバー６１，６２，６３が交流スイッチモジュール５１，５２，５３の端部において互いに絶縁されたうえ３段に積層配置されており、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと交流スイッチモジュール５１，５２，５３内の交流スイッチＳＲＵ〜ＳＴＷとは、前記ブスバー６１，６２，６３を介してそれぞれ接続されている。
入力側のフィルタコンデンサ２４は、例えば１個のモジュール５２の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔに近接して３相分を集中的に配置するか、各モジュール５１，５２，５３に１相分ずつ分散して配置する。
【００２１】
この実施形態においても、異なる相のブスバーにはそれぞれ逆方向に電流が流れると共に、交流スイッチＳＲＵ，ＳＲＶ，ＳＲＷ同士をブスバー６１により、同ＳＳＵ，ＳＳＶ，ＳＳＷ同士をブスバー６２により、同ＳＴＵ，ＳＴＶ，ＳＴＷ同士をブスバー６３によりそれぞれ最短距離にて接続することで、ある入力相に接続されるフィルタと、当該入力相に接続される一の交流スイッチと、この交流スイッチと出力相が同一であって他の入力相に接続される他の交流スイッチとを有する電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにし、これによって配線インダクタンスを最小にすることができる。
【００２２】
なお、本実施形態において、交流スイッチモジュール５１，５２，５３を一つにまとめ、各出力相をモジュール内部で絶縁して１モジュール構成とすることもできる。また、ブスバーの代わりにツイスト線を用いてもよい。
【００２３】
次いで、図３、図４は本発明の第３実施形態を示している。この実施形態は、請求項２，４に記載した発明に相当する。
本実施形態でも、図３に示すごとく、第２実施形態と同様に３個の交流スイッチモジュール５１，５２，５３を形成し、入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと交流スイッチモジュール５１，５２，５３内の交流スイッチＳＲＵ〜ＳＴＷとが、ブスバー７１，７２，７３を介してそれぞれ接続されている。
【００２４】
更にこの実施形態では、入力相に中性点を設け、この中性点をＮ相として共通ブスバー７４により前記ブスバー７１〜７３と並設して３相４線式とする。
そして、共通ブスバー７４と各相の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔとの間には、図４に示すようにフィルタコンデンサ２４がスター結線される。なお、図４は入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと出力端子Ｕとの間の１相分（Ｕ相）の接続状態を示したものである。
【００２５】
この実施形態においても、異なる相のブスバーにはそれぞれ逆方向に電流が流れ、また、各相の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと交流スイッチＳＲＵ〜ＳＴＷとの間をブスバー７１，７２，７３によりそれぞれ最短距離にて接続することで、例えば出力相のＵ相については、図４に示されるｄ，ｅ，ｆの電流経路の配線インダクタンスを小さくすることができる。
つまり、ある入力相（例えばＲ相）に接続されるフィルタ２４と、当該Ｒ相に接続される一の交流スイッチＳＲＵと、この交流スイッチＳＲＵと出力相が同一（例えばＵ相）であって他の入力相（例えばＳ相）に接続される他の交流スイッチＳＳＵとを有する電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにし、これによって配線インダクタンスを最小にすることができる。
【００２６】
なお、フィルタコンデンサ２４を各相ごとに分散配置しても良い点、交流スイッチモジュール５１，５２，５３を１モジュール構成としても良い点、及び、ブスバーの代わりにツイスト線を用いても良い点は第２実施形態と同様である。
また、Ｎ相については、中性点電位以外に装置のフレーム等から接地電位を引き出してもよい。
【００２７】
次に、図５は本発明の第４実施形態を示すものであり、請求項３，４に記載した発明に相当する。
この実施形態は３相Ｖ結線とした例であり、３相Ｖ結線では、交流スイッチ８１〜８４からなる交流スイッチ群８０を図５のように接続する。すなわち、３相の入力端子のうち１相（例えばＳ相）を出力相の１相（例えばＶ相）に接続し、他の入力相（Ｒ相、Ｔ相）と他の出力相（Ｕ相、Ｗ相）との間、及び、各出力相間（Ｕ相−Ｖ相間、Ｖ相−Ｗ相間）に、それぞれ交流スイッチ８１，８４，８２，８３を接続して３相Ｖ結線とする。なお、交流スイッチ８１〜８４の構成は、前述した図６（ｂ）と同様である。
【００２８】
図示されていないが、この実施形態でもブスバー７１，７２，７３及び共通ブスバー７４を絶縁したうえ積層して配置し、異なる相のブスバーを流れる電流が互いに逆方向になるようにすると共に、各相の入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと交流スイッチＳＲＵ〜ＳＴＷとの間をブスバー７１，７２，７３によりそれぞれ最短距離にて接続し、所定の電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにすることで、図５におけるｇ，ｈ，ｉの電流経路の配線インダクタンスを小さくする。
なお、本実施形態では、第２実施形態と同様に中性点を引き出さずに構成してもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、交流−交流直接変換形電力変換装置において、ある入力相に接続されるフィルタと、当該入力相に接続される一の交流スイッチと、この交流スイッチと出力相が同一であって他の入力相に接続される他の交流スイッチとを有する電流経路によって囲まれる面積が最小になるようにしたため、配線インダクタンスを減少させることができる。特に、上記電流経路を積層状の複数のブスバーにより形成してその一部に互いに逆方向に電流が流れるようにすれば、磁束が打ち消されて配線インダクタンスの低減に一層効果的である。
この結果、大形のスナバ回路を設けなくても交流スイッチに過大なサージ電圧が発生せず、交流スイッチの破壊を防いで安価かつ小型の電力変換装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態の構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態の構成図である。
【図４】本発明の第３実施形態における出力相１相分の等価回路図である。
【図５】本発明の第４実施形態における全体の等価回路図である。
【図６】マトリクスコンバータの構成図である。
【図７】マトリクスコンバータにおける交流スイッチの配置構造を示す図である。
【図８】マトリクスコンバータにおける出力相１相分の等価回路図図である。
【符号の説明】
ＳＲＵ，ＳＲＶ，ＳＲＷ，ＳＳＵ，ＳＳＶ，ＳＳＷ，ＳＴＵ，ＳＴＶ，ＳＴＷ：交流スイッチ
Ｓａ，Ｓｂ：半導体スイッチング素子
Ｄａ，Ｄｂ：ダイオード
１１，１２：端子台
２１，２２，２３，２４：フィルタコンデンサ
３０：中央部分
３１，３２，３３，６１，６２，６３，７１，７２，７３：ブスバー
４０，７４：共通ブスバー
５１，５２，５３：交流スイッチモジュール
８０：交流スイッチ群
８１，８２，８３，８４：：交流スイッチ
【図１】
2004236374.tif 000003
【図２】
2004236374.tif 000004
【図３】
2004236374.tif 000005
【図４】
2004236374.tif 000006
【図５】
2004236374.tif 000007
【図６】
2004236374.tif 000008
【図７】
2004236374.tif 000009
【図８】
2004236374.tif 000010