(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に接続される各相入力端子と、任意の直交流電圧を出力する各相出力端子と、逆方向に直列接続された半導体スイッチング素子と前記各半導体スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードを備える双方向スイッチと、前記各相入力端子と各相出力端子との間を繋ぐ各前記双方向スイッチで構成される双方向スイッチ群を備え、前記双方向スイッチ群をＰＷＭ制御して前記交流電源電圧を任意の直交流電圧に変換して前記各相出力端子から出力するマトリクスコンバータ装置において、
前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子の直列接続部と前記相入力端子または相出力端子との間に接続された抵抗器を備えたことを特徴とするマトリクスコンバータ装置。
【請求項２】
交流電源に接続される各相入力端子と、任意の直交流電圧を出力する各相出力端子と、順方向に直列接続された半導体スイッチング素子とダイオードとの接続体が２個逆並列に接続された双方向スイッチと、前記各相入力端子と各相出力端子との間を繋ぐ各前記双方向スイッチで構成される双方向スイッチ群を備え、前記双方向スイッチ群をＰＷＭ制御して前記交流電源電圧を任意の直交流電圧に変換して前記各相出力端子から出力するマトリクスコンバータ装置において、
前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子とダイオードとの直列接続部と前記相入力端子または相出力端子との間に接続された抵抗器を備えたことを特徴とするマトリクスコンバータ装置。
【請求項３】
交流電源に接続される各相入力端子と、任意の直交流電圧を出力する各相出力端子と、順方向に直列接続されたダイオードの接続体が２個並列接続された並列接続体と前記並列接続体に逆並列接続された半導体スイッチング素子を備える双方向スイッチと、前記各相入力端子と各相出力端子との間を繋ぐ各前記双方向スイッチで構成される双方向スイッチ群を備え、前記双方向スイッチ群をＰＷＭ制御して前記交流電源電圧を任意の直交流電圧に変換して前記各相出力端子から出力するマトリクスコンバータ装置において、
前記双方向スイッチを構成する並列接続体の一方の並列接続点と前記相入力端子または相出力端子との間に接続された抵抗器、および前記並列接続体のもう一方の並列接続点と前記相入力端子または相出力端子との間に接続された抵抗器を備えたことを特徴とするマトリクスコンバータ装置。
【請求項４】
交流電源に接続される各相入力端子と、任意の直交流電圧を出力する各相出力端子と、順方向に直列接続されたダイオードの接続体が２個並列接続された並列接続体と前記並列接続体に逆並列接続された半導体スイッチング素子を備える双方向スイッチと、前記各相入力端子と各相出力端子との間を繋ぐ各前記双方向スイッチで構成される双方向スイッチ群を備え、前記双方向スイッチ群をＰＷＭ制御して前記交流電源電圧を任意の直交流電圧に変換して前記各相出力端子から出力するマトリクスコンバータ装置において、
前記双方向スイッチを構成する並列接続体に並列接続された抵抗器を備えたことを特徴とするマトリクスコンバータ装置。
【請求項５】
交流電源に接続される各相入力端子と、任意の直交流電圧を出力する各相出力端子と、エミッタ端子どおしを共通接続されたＩＧＢＴトランジスタの直列接続体と前記各ＩＧＢＴトランジスタに逆並列接続されたダイオードを備える双方向スイッチと、前記各相入力端子と各相出力端子との間を繋ぐ各前記双方向スイッチで構成される双方向スイッチ群を備え、前記双方向スイッチ群をＰＷＭ制御して前記交流電源電圧を任意の直交流電圧に変換して前記各相出力端子から出力するマトリクスコンバータ装置において、
前記双方向スイッチを構成するＩＧＢＴトランジスタのオンオフ駆動用信号入力端子と前記相入力端子または相出力端子との間に接続されたインピーダンス低減手段を備えたことを特徴とするマトリクスコンバータ装置。
【請求項６】
交流電源に接続される各相入力端子と、任意の直交流電圧を出力する各相出力端子と、ＩＧＢＴトランジスタのエミッタ端子とダイオードのアノード端子が接続されたＩＧＢＴトランジスタおよびダイオードによる直列接続体が２個逆並列に接続された双方向スイッチと、前記各相入力端子と各相出力端子との間を繋ぐ各前記双方向スイッチで構成される双方向スイッチ群を備え、前記双方向スイッチ群をＰＷＭ制御して前記交流電源電圧を任意の直交流電圧に変換して前記各相出力端子から出力するマトリクスコンバータ装置において、
前記双方向スイッチを構成するＩＧＢＴトランジスタのオンオフ駆動用信号入力端子と前記相入力端子または相出力端子との間に接続されたインピーダンス低減手段を備えたことを特徴とするマトリクスコンバータ装置。
【請求項７】
前記双方向スイッチ群を内蔵するモジュール構造体を備え、
前記モジュール構造体は前記抵抗器を内蔵することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のマトリクスコンバータ装置。
【請求項８】
交流電源に接続される各相入力端子と、任意の直交流電圧を出力する各相出力端子と、接地端子と、逆方向に直列接続された半導体スイッチング素子と前記各半導体スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードを備える双方向スイッチと、前記各相入力端子と各相出力端子との間を繋ぐ各前記双方向スイッチで構成される双方向スイッチ群を備え、前記双方向スイッチ群をＰＷＭ制御して前記交流電源電圧を任意の直交流電圧に変換して前記各相出力端子から出力するマトリクスコンバータ装置において、
前記接地端子と前記各相入力端子および各相出力端子との間の絶縁耐圧試験に際して、前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子の直列接続部と前記相入力端子または相出力端子との間のインピーダンスが低減するように切換接続できる手段を備えたことを特徴とするマトリクスコンバータ装置。
【請求項９】
交流電源に接続される各相入力端子と、任意の直交流電圧を出力する各相出力端子と、接地端子と、順方向に直列接続された半導体スイッチング素子とダイオードとの接続体が２個逆並列に接続された双方向スイッチと、前記各相入力端子と各相出力端子との間を繋ぐ各前記双方向スイッチで構成される双方向スイッチ群を備え、前記双方向スイッチ群をＰＷＭ制御して前記交流電源電圧を任意の直交流電圧に変換して前記各相出力端子から出力するマトリクスコンバータ装置において、
前記接地端子と前記各相入力端子および各相出力端子との間の絶縁耐圧試験に際して、前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子とダイオードとの直列接続部と前記相入力端子または相出力端子との間のインピーダンスが低減するように切換接続できる手段を備えたことを特徴とするマトリクスコンバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多相交流電源を入力として任意の多相交流または直流の電圧出力を行うマトリクスコンバータ装置において、前記装置の必須構成要素となる双方向スイッチを構成しているＩＧＢＴトランジスタ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）等の半導体スイッチング素子が、マトリクスコンバータ装置の組み立て品質検査のため行われる絶縁耐圧試験に際して、過電圧破壊するのを防止する機能を備えたマトリクスコンバータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的なマトリクスコンバータ装置は交流電源の各相入力端子と任意の直交流電圧を出力する各相出力端子との間を繋ぐ各双方向スイッチで構成される双方向スイッチ群を備えた構成となっており、これを具体的に示したのが図１である。図１において、双方スイッチＳ１ないしＳ９をＣＰＵ（図示していない）等の制御装置を介してオン・オフＰＷＭ制御することで、交流電源電圧を任意の直交流電圧に変換出力する。
【０００３】
双方向スイッチはＩＧＢＴトランジスタ等の半導体スイッチング素子を基本にして構成されるが、双方向スイッチの各種接続構成例を具体的に示したのが図１７ないし図１９である。図１７では、ＩＧＢＴトランジスタ１０２および１０３が逆方向に直列接続され、この各ＩＧＢＴに対してダイオード１０４および１０５が逆並列に接続されて双方向スイッチ１００が構成される。ＩＧＢＴトランジスタ１０２のエミッタ端子は相入力端子Ｒに接続され、ＩＧＢＴトランジスタ１０３のエミッタ端子側は相出力端子Ｕに接続される。共通接続されたＩＧＢＴトランジスタの各コレクタ端子は、各相入出力端子とは接続されてない。
図１７の双方向スイッチ１００に対しＩＧＢＴトランジスタ１０２および１０３のコレクタ端子相互間の接続を切り離したものが、図１８に示す双方向スイッチ１１０である。双方向スイッチ１１０においても、ＩＧＢＴトランジスタの各コレクタ端子は各相入出力端子とは接続されてない。
図１９は、ブリッジ構成のダイオード１２２ないし１２５とＩＧＢＴトランジスタ１２１とを逆並列に接続して双方向スイッチ１２０を構成したものである。この場合にも、ＩＧＢＴトランジスタのコレクタ端子およびエミッタ端子は、各相入出力端子とは接続されてない。
【０００４】
ところで、マトリクスコンバータ装置で用いる双方向スイッチはＩＧＢＴトランジスタ等の高速半導体スイッチング素子で構成されるため、ＩＧＢＴトランジスタの瞬時オフ動作によって導通電流が瞬時遮断され、ＩＧＢＴトランジスタの出力端子間にはサージ電圧が発生する。大電流の遮断を行う大容量機種では、サージ電圧を吸収抑制するためのスナバ回路を適切な回路位置に接続配置するのが一般的である（例えば、特許文献１参照。）。好適な位置にスナバ回路を接続するため、前記双方向スイッチ１００をモジュール構成とした上で、ＩＧＢＴトランジスタのコレクタ端子共通接続部をモジュールの外部端子とするものもある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２６２２６４号公報（第９図）
【特許文献２】特開２００３−３３３８２６号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
マトリクスコンバータ装置はＡＣ２００ＶまたはＡＣ４００Ｖの商用交流電源を入力とし、その出力も入力と同様の高電圧出力となるため、組み立て品の製造品質試験の際、あるいはマトリクスコンバータ装置を機器に据付けた際には、絶縁耐圧試験が実施される。
絶縁耐圧試験では、交流電源入力を遮断した上でマトリクスコンバータ装置の全ての相入力端子および相出力端子を一括コモンにして共通接続し、この共通接続点およびマトリクスコンバータ装置の接地端子との間に６０Ｈｚ、ＡＣ３０００Ｖ等の交流電圧を印加し、その際に発生する漏れ電流量の大小に応じて絶縁耐圧試験の合否判定を行う手法が採られている。
【０００７】
ところが、双方向スイッチを構成するＩＧＢＴトランジスタ等の半導体スイッチング素子には相入出力端子に接続されないＩＧＢＴトランジスタ出力端子が存在することから、前記絶縁耐圧試験での高圧交流電圧印加に際し、ＩＧＢＴトランジスタと双方向スイッチ各部との間に存在する浮遊容量の影響で、前記ＩＧＢＴトランジスタのコレクタ・エミッタ端子間に高電圧が発生し、ＩＧＢＴトランジスタが過電圧破壊するという、通常のインバータ装置では起こり得ない、マトリクスコンバータ装置に特有の課題の存在することが判明した。
【０００８】
この過電圧破損に至る原因を、図１７の双方向スイッチ１００を例に説明する。図２は図１７の双方向スイッチ１００を断面構造的に示したものである。ＩＧＢＴトランジスタ１０２および１０３の各コレクタ・エミッタ端子間には浮遊容量Ｃｐｓが各々存在し、ＩＧＢＴトランジスタ１０２および１０３のコレクタ端子共通部と各ＩＧＢＴトランジスタが搭載された銅ベース（ケースの放熱面）５１との間には浮遊容量Ｃｍが存在する。面積、距離、構造等の関係から、Ｃｐｓに比してＣｍを大幅に小さくすることはできない。また、銅ベース５１は、そのままマトリクスコンバータ装置の放熱用フィンに接触実装されるが、銅ベース、放熱用フィンともに金属であり、放熱用フィンはマトリクスコンバータ装置の接地端子に電気的に接触接続されるので、前記浮遊容量ＣｍはＩＧＢＴトランジスタのコレクタ端子と接地端子との間の浮遊容量とほぼ等しくなる。
【０００９】
この浮遊容量をも含めて、双方向スイッチ１００を電気回路図として示したものが、図３である。絶縁耐圧試験に際しては、相入力端子Ｒおよび相出力端子Ｕを一括コモンにして共通接続し、この共通接続点および接地端子との間にＡＣ３０００Ｖの電圧印加を行うことになる。そこで絶縁耐圧試験時の回路図を示したものが、図４である。ＡＣ３０００Ｖの電圧印加に際しては、ダイオード１０４および１０５があるためにＩＧＢＴトランジスタのコレクタ・エミッタ端子間で高電圧が発生するのは、接地端子側が高電位になる時に限られるが、説明の簡略化のために、以下の計算式ではダイオードの存在を考慮していない。そうすると、ＩＧＢＴトランジスタ１０２および１０３の各コレクタ・エミッタ端子間には、√２・３０００・Ｃｍ／（Ｃｍ＋２・Ｃｐｓ）の最大電圧が発生することになる。ＣｍがＣｐｓに比べ大幅に小さくはならないので、ＩＧＢＴトランジスタのコレクタ・エミッタ端子間には当該端子間の最大許容電圧を容易に越えてしまう。ＡＣ４００Ｖ入力用のマトリクスコンバータ装置では、ＩＧＢＴトランジスタの最大許容電圧は１２００Ｖｄｃとなり、ＡＣ２００Ｖ用ならば６００Ｖｄｃとなるのが一般的である。従って、Ｃｍ＞２．６０５・Ｃｐｓならば、前記絶縁耐圧試験においてＩＧＢＴトランジスタのコレクタ・エミッタ端子間の最大許容電圧１２００Ｖを越える電圧が発生し、当該ＩＧＢＴトランジスタは過電圧破壊する。このように絶縁耐圧試験において、極めて容易にＩＧＢＴトランジスタ等の半導体スイッチング素子が破損し、マトリクスコンバータ装置が破損するという事態が発生することになる。
【００１０】
また、マトリクスコンバータ装置の動作中に双方向スイッチを構成するＩＧＢＴトランジスタ１０２，１０３がともにオフしている場合には、各コレクタ端子は電気的に浮いた状態となり、装置内部または外部からの侵入ノイズに対し、誤動作し易い不安定な状態にもなっている。
【００１１】
そこで本発明は双方向スイッチを備えたマトリクスコンバータ装置に潜在する特有の課題を抽出し、この課題を解決して、絶縁耐圧試験に際してもマトリクスコンバータ装置が破損することのない、更には、通常動作中において前記半導体スイッチング素子が電気的に浮いた不安定な状態となり誤動作するのを防止できるマトリクスコンバータ装置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】
【００１２】
上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、交流電源に接続される各相入力端子と、任意の直交流電圧を出力する各相出力端子と、逆方向に直列接続された半導体スイッチング素子と前記各半導体スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードを備える双方向スイッチと、前記各相入力端子と各相出力端子との間を繋ぐ各前記双方向スイッチで構成される双方向スイッチ群を備え、前記双方向スイッチ群をＰＷＭ制御して前記交流電源電圧を任意の直交流電圧に変換して前記各相出力端子から出力するマトリクスコンバータ装置において、前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子の直列接続部と前記相入力端子または相出力端子との間に接続された抵抗器を備えたことを特徴としている。
前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子の直列接続部と前記相入力端子または相出力端子との間に接続された抵抗器を備えることで、半導体スイッチング素子の出力端子間のインピーダンス値を低減でき、マトリクスコンバータ装置の絶縁耐圧試験に際して半導体スイッチング素子の出力端子間に発生する電圧を低減できるので、半導体スイッチング素子を過電圧破壊から防止できる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、交流電源に接続される各相入力端子と、任意の直交流電圧を出力する各相出力端子と、順方向に直列接続された半導体スイッチング素子とダイオードとの接続体が２個逆並列に接続された双方向スイッチと、前記各相入力端子と各相出力端子との間を繋ぐ各前記双方向スイッチで構成される双方向スイッチ群を備え、前記双方向スイッチ群をＰＷＭ制御して前記交流電源電圧を任意の直交流電圧に変換して前記各相出力端子から出力するマトリクスコンバータ装置において、前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子とダイオードとの直列接続部と前記相入力端子または相出力端子との間に接続された抵抗器を備えたことを特徴としている。
請求項１記載の発明に対して双方スイッチの構成が異なるものであるが、抵抗器を接続することで半導体スイッチング素子の出力端子間のインピーダンス値を低減でき、マトリクスコンバータ装置の絶縁耐圧試験に際して半導体スイッチング素子の出力端子間に発生する電圧を低減でき、半導体スイッチング素子が過電圧破壊するのを防止できる。
【００１４】
また請求項３記載の発明は、交流電源に接続される各相入力端子と、任意の直交流電圧を出力する各相出力端子と、順方向に直列接続されたダイオードの接続体が２個並列接続された並列接続体と前記並列接続体に逆並列接続された半導体スイッチング素子を備える双方向スイッチと、前記各相入力端子と各相出力端子との間を繋ぐ各前記双方向スイッチで構成される双方向スイッチ群を備え、前記双方向スイッチ群をＰＷＭ制御して前記交流電源電圧を任意の直交流電圧に変換して前記各相出力端子から出力するマトリクスコンバータ装置において、前記双方向スイッチを構成する並列接続体の一方の並列接続点と前記相入力端子または相出力端子との間に接続された抵抗器、および前記並列接続体のもう一方の並列接続点と前記相入力端子または相出力端子との間に接続された抵抗器を備えたことを特徴としている。
前記抵抗器を備えることで、半導体スイッチング素子の出力端子間のインピーダンス値を低減でき、マトリクスコンバータ装置の絶縁耐圧試験に際して半導体スイッチング素子の出力端子間に発生する電圧を低減でき、半導体スイッチング素子が過電圧破壊するのを防止できる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明に対して抵抗器の接続位置を変更したものであるが、半導体スイッチング素子の出力端子間のインピーダンス値を低減でき、マトリクスコンバータ装置の絶縁耐圧試験に際して半導体スイッチング素子の出力端子間に発生する電圧を低減でき、半導体スイッチング素子が過電圧破壊するのを防止できる。
【００１６】
請求項５記載の発明は、交流電源に接続される各相入力端子と、任意の直交流電圧を出力する各相出力端子と、エミッタ端子どおしを共通接続されたＩＧＢＴトランジスタの直列接続体と前記各ＩＧＢＴトランジスタに逆並列接続されたダイオードを備える双方向スイッチと、前記各相入力端子と各相出力端子との間を繋ぐ各前記双方向スイッチで構成される双方向スイッチ群を備え、前記双方向スイッチ群をＰＷＭ制御して前記交流電源電圧を任意の直交流電圧に変換して前記各相出力端子から出力するマトリクスコンバータ装置において、前記双方向スイッチを構成するＩＧＢＴトランジスタのオンオフ駆動用信号入力端子と前記相入力端子または相出力端子との間に接続されたインピーダンス低減手段を備えたことを特徴としている。
【００１７】
エミッタ端子どおしを共通接続したＩＧＢＴトランジスタの直列接続体としたことで、オンオフ駆動用信号入力端子が前記直列接続部分を代用する外部端子となり、この代用外部端子に前記インピーダンス低減手段を接続することで、前記直列接続部分に接続したのと同様の効果を奏することができる。
双方向スイッチをモジュール構成にした場合、ＩＧＢＴトランジスタの直列接続部分は外部にでないのが通常のため、前記直列接続部分にインピーダンス低減手段を接続するためには、特別仕様によって直列接続部分を外部端子化する必要があるが、請求項５記載の発明ならば、ＩＧＢＴトランジスタの直列接続部分がオンオフ駆動用信号入力端子で代用外部端子化されるので、特別仕様を用いることなくインピーダンス低減手段を当該部に接続することが可能となる。インピーダンス低減手段はオンオフ駆動用信号入力端子に接続されており、小電流が流れる信号入力端子に接続され、大電流の導通経路とは異なる部位に接続されるものなので、大電流スイッチングによるサージ電圧を吸収するスナバ回路とは異なったものとなる。また、インピーダンス低減手段は抵抗器に限定されるものではなく、コンデンサによるもの、コンデンサと抵抗器とを組み合わせるもの等、インピーダンスを低減するものであればよい。
【００１８】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明に対して双方向スイッチの接続構成を変更したものであるが、ＩＧＢＴトランジスタとダイオードとの直列接続部がＩＧＢＴトランジスタのオンオフ駆動用信号入力端子で代用外部端子化されており、この代用外部端子化で生ずる効果は請求項５記載の発明と同様である。
【００１９】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし請求項４記載のマトリクスコンバータ装置において、前記双方向スイッチ群を内蔵するモジュール構造体を備え、前記モジュール構造体は前記抵抗器を内蔵することを特徴とするものである。
前記抵抗器は、マトリクスコンバータ装置の絶縁耐圧試験に際して半導体スイッチング素子の出力端子間で発生する電圧を当該部間の最大許容電圧以下に抑制することが目的であり、実際の各部浮遊容量値との関係から、数百ｋオームの高抵抗値であれば十分な電圧抑制効果を発揮することが確認されている。このように、抵抗器として数百ｋオームの高抵抗値を使用できるので、抵抗器内部の発熱量を抑制して小形で小容量の抵抗器を使用でき、モジュール構造体に内蔵することが可能となる。モジュール構造体に抵抗器を内蔵するので、ＩＧＢＴトランジスタ等の直列接続部分をモジュールの外部端子とする必要もなくなる。
【００２０】
請求項８記載の発明は、交流電源に接続される各相入力端子と、任意の直交流電圧を出力する各相出力端子と、接地端子と、逆方向に直列接続された半導体スイッチング素子と前記各半導体スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードを備える双方向スイッチと、前記各相入力端子と各相出力端子との間を繋ぐ各前記双方向スイッチで構成される双方向スイッチ群を備え、前記双方向スイッチ群をＰＷＭ制御して前記交流電源電圧を任意の直交流電圧に変換して前記各相出力端子から出力するマトリクスコンバータ装置において、前記接地端子と前記各相入力端子および各相出力端子との間の絶縁耐圧試験に際して、前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子の直列接続部と前記相入力端子または相出力端子との間のインピーダンスが低減するように切換接続できる手段を備えたことを特徴としている。
マトリクスコンバータ装置の絶縁耐圧試験に際して、インピーダンスが低減するように切換接続し、半導体スイッチング素子の出力端子間に高電圧が発生するのを防止するものである。なお、通常動作中はインピーダンスを低減させる手段は機能していない。このように絶縁耐圧試験に際してインピーダンスが低減するように切換接続するものであるから、インピーダンスを低減させる手段の全てをマトリクスコンバータ装置に内蔵しておく必要はなく、従って、インピーダンスを低減させる手段全体として小形・低コストである必要がなくなる。
【００２１】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の発明に対して双方向スイッチの構成を変えたものであり、作用効果については請求項８記載の発明と同様である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、マトリクスコンバータ装置に関し、組み立て品の製造品質試験の際、あるいはマトリクスコンバータ装置を機器に据付けた際に行われる絶縁耐圧試験において、マトリクスコンバータ装置内の双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子の端子間に最大許容電圧を越える過電圧が印加され、当該半導体スイッチング素子が過電圧破壊するのを、いいかえればマトリクスコンバータ装置が破壊するのを防止できるという効果がある。
【００２３】
また、マトリクスコンバータ装置の動作中に双方向スイッチを構成する直列接続された両半導体スイッチング素子がともにオフしている場合には、半導体スイッチング素子の出力端子が電気的に浮いた状態となり、装置内部または外部からの侵入ノイズに対して極めて誤動作し易い不安定な状態になり得るのに対し、このような場合でも当該部を電気的に固定して電気的に浮いた不安定な状態となることを防止し、誤動作を防止できるという効果もある。
また双方向スイッチ群をモジュール構造とした場合にも、特別仕様的なモジュール構造を用いることなく、極めて容易に本発明を実施することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の各実施形態について図を用いて説明する。
図1には本発明の前提となる一般的なマトリクスコンバータ装置の構成を示している。３相交流電源１、前記交流電源に接続された各相入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔ、電動機９、前記電動機に任意の直交流電圧を出力する各相出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗ、各相入力端子と各相出力端子との間を繋ぐ双方向スイッチＳ１ないしＳ９、双方向スイッチＳ１ないしＳ９で構成される双方向スイッチ群５を備えたマトリクスコンバータ装置を示したものである。
【実施例１】
【００２５】
図５は本発明の第１の実施例を示したものである。図１のマトリクスコンバータ装置を前提に、双方向スイッチＳ１ないしＳ９において本発明を実施したものである。双方向スイッチＳ１を代表例で説明（以下の各実施例においても同様）するが、双方向スイッチＳ２ないしＳ９もＳ１同様の構成となっている。図５に示す双方向スイッチＳ１は、図１７の双方向スイッチ１００に対して抵抗器Ｒ１およびＲ２（抵抗値はともにＲ０とする）を付加した点が異なる。従って共通箇所の器具符号は同じとしている。ＩＧＢＴトランジスタ１０２および１０３の両コレクタ端子と接地端子間の浮遊容量をＣｍ、各コレクタ・エミッタ端子間の浮遊容量をＣｐｓとし、絶縁耐圧試験に際しては相入力端子Ｒおよび相出力端子Ｕとが共通接続されるので、抵抗器を含むこれらの電気回路図は図６の構成となる。本発明の作用効果に関する説明を容易にするため、以下の電圧計算式では、図６におけるダイオード１０４および１０５の存在は考慮しないこととする。すなわち絶縁耐圧試験に際しては、ダイオード１０４および１０５があるため、ＩＧＢＴトランジスタのコレクタ・エミッタ端子間に高電圧の発生するのは接地端子１０６側が正電位となる場合に限られるが、便宜上、ダイオードをないものとして、接地端子側が負電位の場合にもＩＧＢＴトランジスタのコレクタ・エミッタ端子間に高電圧が発生すると考える。このようにすると交流電圧式を用いた簡略的な説明ができるので、抵抗器Ｒ１、Ｒ２を当該部に接続した意味およびその効果の理解も容易になる。
【００２６】
端子Ｒおよび端子Ｕと接地端子１０６との間にＡＣ３０００Ｖ、６０Ｈｚの電圧印加を行うと、ＩＧＢＴトランジスタ１０２および１０３の各コレクタ・エミッタ端子間に発生する最大電圧Ｖｃｅは、Ｖｃｅ＝｜√２・３０００・Ｚ０／（Ｚ０＋１／（ｊ・１２０・π・Ｃｍ））｜＝√２・３０００／√（（１＋２・Ｃｐｓ／Ｃｍ）２＋１／（６０・π・Ｃｍ・Ｒ０）２）となる。（但し、Ｚ０＝（（Ｒ０／２）・１／（ｊ・２４０・π・Ｃｐｓ））／（Ｒ０／２＋１／（ｊ・２４０・π・Ｃｐｓ））とする。）
従って、抵抗器がない場合（Ｒ０＝∞）の√２・３０００／（１＋２・Ｃｐｓ／Ｃｍ）に比べて、前記端子間に発生する電圧を低減できる。
【００２７】
なお、図６からも明らかであるが、抵抗器がＲ１のみの場合、あるいはＲ２のみの場合も図６と同様な回路構成となるので（但し、抵抗値はＲ０／２⇒Ｒ０となる）、この場合にもコレクタ・エミッタ端子間に発生する電圧を低減できることになる。この場合には、コレクタ・エミッタ端子間で発生する電圧が√２・３０００／√（（１＋２・Ｃｐｓ／Ｃｍ）２＋１／（１２０・π・Ｃｍ・Ｒ０）２）となるので、抵抗器がない場合に比べて、該端子間に発生する電圧は低減される。
なお本実施例では、ＩＧＢＴトランジスタ１０２および１０３のコレクタ端子共通接続部が抵抗器を介して相入力端子Ｒおよび相出力端子Ｕに接続されているが、その接続先は前記以外の相入力端子Ｓ，Ｔ、または相出力端子Ｖ，Ｗのいずれであっても差し支えはない。絶縁耐圧試験に際しては入出力端子が全相一括コモンに共通接続されるからであり、抵抗器が高抵抗値なので、通常運転中において他相から高抵抗値の抵抗器を介して受ける干渉は無視できる程に小さいものだからである。このことは以下の各実施例においても同様である。
【実施例２】
【００２８】
図７は本発明の第２の実施例を示したものである。図１のマトリクスコンバータ装置を前提に、双方向スイッチＳ１ないしＳ９において本発明を実施したものである。図７に示す双方向スイッチＳ１は、図１８の双方向スイッチ１１０に対して抵抗器Ｒ３およびＲ４（抵抗値はともにＲ０とする）を付加した点が異なる。従って共通箇所の器具符号は同じとしている。ＩＧＢＴトランジスタ１１２および１１３のコレクタ端子と接地端子間の各浮遊容量をＣｍ、コレクタ・エミッタ端子間の各浮遊容量をＣｐｓとし、絶縁耐圧試験に際しては相入力端子Ｒおよび相出力端子Ｕとが共通接続されるので、抵抗器を含むこれらの電気回路図は、図８に示す構成となる。端子Ｒおよび端子Ｕと接地端子との間にＡＣ３０００Ｖ６０Ｈｚの電圧印加を行うと、前記同様の簡略化した計算式によれば、ＩＧＢＴトランジスタ１１２および１１３の各コレクタ・エミッタ端子間に発生する電圧は、√２・３０００／√（（１＋Ｃｐｓ／Ｃｍ）２＋１／（１２０・π・Ｃｍ・Ｒ０）２）となり、抵抗器がない場合の√２・３０００／（１＋Ｃｐｓ／Ｃｍ）に比べて、該端子間に発生する電圧を低減できる。
なお図８からも明らかであるが、抵抗器Ｒ３に代えてダイオード１１４に並列に抵抗器Ｒ５を接続した場合、あるいは抵抗器Ｒ４に代えてダイオード１１５に並列に抵抗器Ｒ６を接続した場合、更には抵抗Ｒ３ないしＲ６の全てを接続した場合のいずれにおいても、コレクタ・エミッタ端子間に発生する電圧を低減できることになる。
【実施例３】
【００２９】
図９は本発明の第３の実施例を示したものである。図９に示す双方向スイッチＳ１は、図１９の双方向スイッチ１２０に対して抵抗器Ｒ７およびＲ８（抵抗値はともにＲ０とする）を付加した点が異なる。従って共通箇所の器具符号は同じとしている。ＩＧＢＴトランジスタ１２１のコレクタ端子と接地端子間の浮遊容量をＣｍ、エミッタ端子と接地端子間の浮遊容量をＣｎ、コレクタ・エミッタ端子間の浮遊容量をＣｐｓとし、絶縁耐圧試験に際しては相入力端子Ｒおよび相出力端子Ｕとが共通接続されるので、抵抗器を含むこれらの電気回路図は図１０に示す構成となる。
端子Ｒおよび端子Ｕと接地端子との間にＡＣ３０００Ｖ６０Ｈｚの電圧印加を行い、接地端子側に対して端子Ｒおよび端子Ｕ側が正電位となる場合には、図１０の回路図は図１１（ａ）のように簡略化できる。この場合にＩＧＢＴトランジスタ１２１のコレクタ・エミッタ端子間に発生する電圧は、前記同様の簡略化計算によれば、√２・３０００／√（（１＋Ｃｐｓ／Ｃｎ）２＋１／（１２０・π・Ｃｎ・Ｒ０）２）となり、抵抗器がない場合の√２・３０００／（１＋Ｃｐｓ／Ｃｎ）に比べて、前記端子間に発生する電圧を低減できる。また、接地端子側に対して端子Ｒおよび端子Ｕ側が負電位となる場合には、図１１（ｂ）のように簡略化でき、この場合にＩＧＢＴトランジスタ１２１のコレクタ・エミッタ端子間に発生する電圧は、√２・３０００／√（（１＋Ｃｐｓ／Ｃｍ）２＋１／（１２０・π・Ｃｍ・Ｒ０）２）となり、抵抗器がない場合の√２・３０００／（１＋Ｃｐｓ／Ｃｍ）に比べて、前記端子間に発生する電圧を低減できる。
【実施例４】
【００３０】
図１２は本発明の第４の実施例を示したものである。図１２に示す双方向スイッチＳ１は、図１９の双方向スイッチ１２０に対して抵抗器Ｒ９（抵抗値はＲ０とする）を付加した点が異なる。従って共通箇所の器具符号は同じとしている。ＩＧＢＴトランジスタ１２１のコレクタ端子と接地端子間の浮遊容量をＣｍ、エミッタ端子と接地端子間の浮遊容量をＣｎ、コレクタ・エミッタ端子間の浮遊容量をＣｐｓとし、絶縁耐圧試験に際しては相入力端子Ｒおよび相出力端子Ｕとが共通接続されるので、抵抗器を含むこれらの電気回路図は図１３に示す構成となる。
端子Ｒおよび端子Ｕと接地端子との間にＡＣ３０００Ｖ６０Ｈｚの電圧印加を行い、接地端子側に対して端子Ｒおよび端子Ｕ側が正電位となる場合には前記図１１（ａ）の回路図と等価（但し、器具符号Ｒ８はＲ９になる）となる。また、接地端子側に対して端子Ｒおよび端子Ｕ側が負電位となる場合には、前記図１１（ｂ）の回路図と等価（但し、器具符号Ｒ７はＲ９になる）になる。従って前記第３の実施例と同様に、ＩＧＢＴトランジスタ１２１のコレクタ・エミッタ端子間に発生する電圧を低減できる。
【実施例５】
【００３１】
図１４は本発明の第５の実施例として、モジュール化された双方向スイッチＳ１を示したものである。双方向スイッチＳ１はＩＧＢＴトランジスタ１３１および１３２のエミッタ端子を共通接続点とする直列接続により構成される。大電流の流れるこの共通接続点はモジュール外部には出ないが、ＩＧＢＴトランジスタのオンオフ駆動用信号入力端子がこの共通接続点の代用として外部端子化されている。ここで例えばオンオフ駆動用信号入力端子のうちエミッタ側の信号入力端子と相入力端子Ｒ、または相出力端子Ｓとの間に抵抗器またはコンデンサ等で構成される所定のインピーダンス値を有する回路を接続すれば、絶縁耐圧試験に際してＩＧＢＴ１３１および１３２のコレクタ・エミッタ端子間に発生する電圧を低減できる。またＩＧＢＴトランジスタのゲート・エミッタ間に前記所定のインピーダンス値よりも小さなインピーダンス値を有する抵抗器等の素子を接続すれば、ゲート側の信号入力端子と相入力端子Ｒ、または相出力端子Ｓとの間に所定のインピーダンス値を有する回路を接続した場合にも、ＩＧＢＴ１３１および１３２のコレクタ・エミッタ端子間に発生する電圧を低減できる。
【実施例６】
【００３２】
前記実施例１ないし４において、絶縁耐圧試験に際し、ＩＧＢＴトランジスタのコレクタ・エミッタ端子間に発生する電圧を低減するための抵抗器は、数百ｋΩ程度の抵抗値でも十分に機能する。抵抗値が大きくなれば、抵抗器内部で消費される熱エネルギーは少なくて済むので、抵抗器サイズを十分に小さくすることが可能となる。そこで双方向スイッチＳ１、双方向スイッチＳ１ないしＳ３、または双方向スイッチＳ１ないしＳ９を一つのモジュールで構成した場合において、前記抵抗器を当該モジュールに内蔵させることが可能となる。内蔵の方法には、モジュール内部の基板に抵抗器が実装される場合だけでなく、例えば、モジュール上蓋としての機能も備えた基板に抵抗器を実装する等の場合も考えられる。
【実施例７】
【００３３】
図１５はモジュール化された双方向スイッチＳ１を示したものであり、双方向スイッチＳ１はＩＧＢＴトランジスタ１４１および１４２のコレクタ端子を共通接続点とする直列接続により構成され、前記直列接続点を大電流用外部端子としている。この外部端子は主回路基板上に半田接続されており、双方向スイッチＳ２ないしＳ９でも同様に、前記直列接続点は主回路基板上に半田接続されている。各双方向スイッチの共通接続点の外部端子は、主回路基板の導体パターン線等を介して図１６に示すマトリクスコンバータ装置の外部ケーブル接続用入出力端子部の近くに配列された各ピン端子に各々接続されている。絶縁耐圧試験に際しては、各相入出力端子を一括コモンに共通接続し、更に前記各ピン端子も一括コモンにして各相入出力端子と共通接続する。こうすることで、絶縁耐圧試験に際してＩＧＢＴトランジスタの直列接続点と各相入出力端子とのインピーダンスをほぼゼロにでき、ＩＧＢＴトランジスタのコレクタ・エミッタ端子間に高電圧が発生するのを防止できる。
なお図１８に示す構成の双方向スイッチを用いて、各ＩＧＢＴトランジスタのコレクタ端子を外部端子とし、これをマトリクスコンバータ装置の入出力端子部の近くに配列された各ピン端子に接続した場合、あるいは図１９に示す構成の双方向スイッチを用いてＩＧＢＴトランジスタのコレクタ、エミッタ各端子を外部端子とし、前記同様に前記各ピン端子に接続した場合にも、ＩＧＢＴトランジスタのコレクタ・エミッタ端子間に電圧が発生するのを防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は多相交流電源を入力とし、直接変換によって任意の多相交流または直流の電圧出力を行うマトリクスコンバータ装置に関するものである。
また本発明は、マトリクスコンバータ装置組み立て品の製造品質試験の際、あるいはマトリクスコンバータ装置を機器に据付けた際に行われる絶縁耐圧試験において、マトリクスコンバータ装置内の双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子に最大許容電圧を越える過電圧が発生し、半導体スイッチング素子が過電圧破壊もしくは劣化するのを防止して、高信頼・高品質のマトリクスコンバータ装置を提供でき、更には、マトリクスコンバータ装置を据えつけた装置全体としての高信頼・高品質化を実現したマトリクスコンバータ装置に関するものである。
また本発明は、マトリクスコンバータ装置の動作中に双方向スイッチを構成する直列接続された両ＩＧＢＴ等がともにオフしてＩＧＢＴトランジスタのコレクタまたはエミッタ端子が電気的に浮いた状態となり、装置内部または外部からの侵入ノイズに対して極めて誤動作し易い不安定な状態となる場合にも、当該部を電気的に電位固定して、安定した動作を実現できるマトリクスコンバータ装置に関するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の前提となる一般的なマトリクスコンバータ装置の構成図
【図２】双方向スイッチを断面構造的に示したもの
【図３】各部間に存在する浮遊容量を考慮した双方向スイッチの回路図
【図４】絶縁耐圧試験時における図３の双方向スイッチの回路図
【図５】本発明の第１の実施例を示したもの
【図６】本発明の第１の実施例における絶縁耐圧試験時の双方向スイッチ部の回路図
【図７】本発明の第２の実施例を示したもの
【図８】本発明の第２の実施例における絶縁耐圧試験時の双方向スイッチ部の回路図
【図９】本発明の第３の実施例を示したもの
【図１０】本発明の第３の実施例における絶縁耐圧試験時の双方向スイッチ部の回路図
【図１１】図１０の回路図を簡略化した回路図
【図１２】本発明の第４の実施例を示したもの
【図１３】本発明の第４の実施例における絶縁耐圧試験時の双方向スイッチ部の回路図
【図１４】本発明の第６の実施例における双方向スイッチモジュール構成図
【図１５】本発明の第７の実施例における双方向スイッチモジュール構成図
【図１６】本発明の第７の実施例におけるマトリクスコンバータ装置
【図１７】双方向スイッチの第１例の回路図
【図１８】双方向スイッチの第２例の回路図
【図１９】双方向スイッチの第３例の回路図
【符号の説明】
【００３６】
１      ３相交流電源
５      双方向スイッチ群
９      モータ
１１、１２    ＩＧＢＴトランジスタ
１３，１４    ダイオード
１６    絶板（絶縁層）
１７    導体パターン
４１，４２    双方向スイッチの外部端子
４３，４４    オンオフ駆動用信号入力端子（ゲート側入力端子）
５１    銅ベース
５２    放熱用フィン
５３、１０６    接地端子
５４    接地線
６０    マトリクスコンバータ装置
６１    外部ケーブル接続用入出力端子部
６２    ピン端子
６３    オペレータ
１００、１１０、１２０    双方向スイッチ
１０２，１０３、１１２，１１３、１２１    ＩＧＢＴトランジスタ
１３１，１３２，１４１，１４２    ＩＧＢＴトランジスタ
１０４，１０５、１１４，１１５、１２２〜１２５    ダイオード
１３３，１３４，１４３，１４４    ダイオード
１３５、１４５    双方向スイッチＳ１の外部端子（相入力端子Ｒ側）
１３６、１４７    双方向スイッチＳ１の外部端子（相出力端子Ｕ側）
１３７、１３９、１４９、１５０    オンオフ駆動用信号入力端子（ゲート側入力端子）
１３８、１４８、１５１    オンオフ駆動用信号入力端子（エミッタ側入力端子）
１４０、１５２    双方向スイッチモジュール
１４６    共通接続部の外部端子
Ｒ、Ｓ，Ｔ    相入力端子
Ｕ，Ｖ，Ｗ    相出力端子
Ｓ１〜Ｓ９    双方向スイッチ
Ｒ１〜Ｒ９    抵抗器
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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