(57)【要約】【課題】逆阻止型電力半導体素子を互いに逆並列に接続した双方向スイッチを、スイッチング素子として用いた電力変換装置の配線構造等を工夫することで、双方向スイッチを駆動する電源数を少なくし装置の小型化を図る。【解決手段】サイクロコンバータやインバータのスイッチング素子に、素子を逆並列に接続した双方向スイッチを用いる場合、例えば電源側につながる電極バーＢ（Ｒ），Ｂ（Ｓ），Ｂ（Ｔ）を行方向に、負荷側につながる電極バーＢ（Ｕ），Ｂ（Ｖ），Ｂ（Ｗ）を列方向に配置し、それらの交点近傍に双方向スイッチＳｒｕ〜Ｓｔｗｕを配置する。こうすれば、例えば列方向のＳｒｕ，Ｓｒｖ，Ｓｒｗや行方向のＳｒｕ，Ｓｓｕ，Ｓｔｕを同一の電源で駆動できるので、電源数が少なくなり装置全体が小型になる。【選択図】図１
2005117782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
順方向電圧に対してはゲート端子のオン，オフ信号に応じてオン，オフ制御され、逆方向電圧に対してはオフする逆阻止型半導体素子を、互いに逆並列に接続して構成される双方向スイッチを用いた交流−交流変換装置において、
電源側につながる電極バーと負荷側につながる電極バーとを互いに直交させて配置し、電極バーの交点近傍に前記双方向スイッチをそれぞれ配置することを特徴とする交流−交流変換装置。
【請求項２】
前記各電極バーには、それぞれ共通の電源を供給することを特徴とする請求項１に記載の交流−交流変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、逆阻止型ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いて、交流から交流へ電力を変換する交流交流直接変換装置など、特に半導体モジュールの構成方法を改良した交流−交流変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な交流交流直接変換装置として、例えば非特許文献１に開示されているような、マトリクッスコンバータ（またはサイクロコンバータ）と呼ばれるものがある。
その例を図４（ａ）に示す。これは、電源Ｖｓと負荷Ｍとの間に、双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｒｖ，Ｓｒｗ、Ｓｓｕ，Ｓｓｖ，Ｓｓｗ、Ｓｔｕ，Ｓｔｖ，Ｓｔｗをそれぞれ図示のように接続することで、交流電源Ｖｓから供給される交流電力を、直接負荷Ｍへ任意の交流電力に変換して与えるものである。
【０００３】
図４（ｂ）は現在最も多く使用されている交流交流変換装置で、交流電源ＶｓをスイッチＳｒｐ，Ｓｒｎ、Ｓｓｐ，Ｓｓｎ、Ｓｔｐ，Ｓｔｎを任意にオン，オフさせることで一旦直流に変換し、直流に変換された電力をスイッチＳｕｐ，Ｓｕｎ、Ｓｖｐ，Ｓｖｎ、Ｓｗｐ，Ｓｗｎを任意にオン，オフさせて負荷Ｍに供給する。
図４（ａ）は双方向スイッチを用いるため図４（ｂ）よりもスイッチ数が多くなる反面、図４（ｂ）に示すような大容量のコンデンサＣｄｃが不要になるので、電力変換装置の小型化と長寿命化が期待できる。
【０００４】
図４（ａ）では双方向にオン，オフを制御できる双方向スイッチが必要になる。一方で、電力変換装置に使用されるスイッチングデバイスはサイリスタをはじめ、ＧＴＯサイリスタ，トランジスタ，ＭＯＳＦＥＴなどから最近はＩＧＢＴが主流になってきている。ＩＧＢＴは一般に逆方向の耐圧がないため、ダイオードを逆並列に接続して使用する。したがって、図４（ａ）に示す回路構成において、任意のスイッチＳｉｊ（ｉ＝ｒ，ｓ，ｔ、ｊ＝ｕ，ｖ，ｗ）をＩＧＢＴで構成するためには、図５（ａ）または（ｂ）に示すように、ＩＧＢＴを互いに逆直列に接続して用いられる。
【０００５】
図５（ａ）または（ｂ）では、スイッチＳｉｊに流れる電流はＩＧＢＴＱｆ→ダイオードＤｒ、またはＩＧＢＴＱｒ→ダイオードＤｆのように、２つのデバイスに通流することになる。その結果、電流が流れることによってデバイスに発生する損失が２倍となり、効率の低下を招くことになる。これを解消するため、近年開発された逆方向の耐圧を持つ逆阻止型ＩＧＢＴ（非特許文献２参照）を用いることが考えられる。そのスイッチＳｉｊは図５（ｃ）のように示され、電流の通流経路がデバイス１つになるため、電力変換装置の効率が向上する。
【０００６】
また、双方向スイッチを用いる場合、ＩＧＢＴをオン，オフ制御するためのゲート駆動回路ＧＤの構成は、例えば図６（ａ）〜（ｃ）のようになる。
図６（ａ）の場合、ＩＧＢＴＱｆ，Ｑｒのエミッタ電位が共通であるため、ゲート駆動回路ＧＤは電源Ｖｆｒの1つで済む。
一方、図６（ｂ）または（ｃ）のの場合、ＩＧＢＴＱｆ，Ｑｒのエミッタ電位が異なるため、それぞれ電源電圧の異なる駆動回路ＧＤｆ，ＧＤｒが必要となる。
【０００７】
【非特許文献１】電学論Ｄ，１１３巻９号，平成５年，ｐ．１０８６−１０９２「電圧ＰＷＭサイクロコンバータ」
【非特許文献２】ＯＨＭ，２００３年4月号，ｐ．５４−５６「新しいパワーデバイス  マトリックスコンバータに適用される逆阻止ＩＧＢＴ」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図５（ｃ）のようなＩＧＢＴを図４のマトリックスコンバータに適用した場合の例を、図７に示す。この場合、電源側の電位Ｖｒ，Ｖｓ，Ｖｔは同じで、負荷側の電位Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗも同じと考えて良いので、ゲート駆動回路としては電源側Ｓｒ（ｉ）−ＧＤＵ，Ｓｓ（ｉ）−ＧＤＵ，Ｓｔ（ｉ）−ＧＤＵと、負荷側Ｓ（ｉ）ｕ−ＧＤＵ，Ｓ（ｉ）ｖ−ＧＤＵ，Ｓ（ｉ）ｗ−ＧＤＵの計６個で済むことになる。
【０００９】
しかし、実際に双方向スイッチを接続する場合、Ｓｒｕ，Ｓｒｖ，Ｓｒｗ，Ｓｓｕ，Ｓｓｖ，Ｓｓｗ，Ｓｔｕ，Ｓｔｖ，Ｓｔｗへの接続線が長くなるため、この間に存在する図８に示すような寄生インダクタンスＬｒｕ，Ｌｒｗ，Ｌｓｕ，Ｌｓｗ，Ｌｔｕ，Ｌｔｗの影響により過渡的に起電圧が発生し、例えばＳｒｕ，Ｓｒｖ，Ｓｒｗ間のそれぞれのエミッタ電位が異なる可能性が発生する。このため、双方向スイッチモジュールを接続するのが困難となり、その結果、図８に示すように電源側に接続される各素子について、ゲート駆動回路とその駆動電源が必要になる。図８ではＳｒ（ｉ）−ＧＤＵ，Ｓｓ（ｉ）−ＧＤＵ，Ｓｔ（ｉ）−ＧＤＵのそれぞれに3個ずつ必要で、出力側を合わせると１２個必要となり、装置が大型化し複雑化するという問題がある。
したがって、この発明の課題は、ゲート駆動回路とその駆動電源を少なくし装置の小型化を図ることにある。
【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に、請求項１の発明では、順方向電圧に対してはゲート端子のオン，オフ信号に応じてオン，オフ制御され、逆方向電圧に対してはオフする逆阻止型半導体素子を、互いに逆並列に接続して構成される双方向スイッチを用いた交流−交流変換装置において、電源側につながる電極バーと負荷側につながる電極バーとを互いに直交させて配置し、各電極バーの交点近傍に前記双方向スイッチをそれぞれ配置することを特徴とする。この請求項１の発明においては、前記各電極バーには、それぞれ共通の電源を供給することができる（請求項２の発明）。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、逆阻止型ＩＧＢＴ素子で構成される交流交流直接変換装置の、素子チップの配線構造を工夫して電極バーの寄生インダクタンスを小さくし、素子駆動のための電源数を少なくすることにより、装置の小型，簡素化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
これは、電源側Ｒ，Ｓ，Ｔの各電極バーＢ（Ｒ），Ｂ（Ｓ），Ｂ（Ｔ）を図の行方向に配置し、同様に負荷側Ｕ，Ｖ，Ｗの各電極バーＢ（Ｕ），Ｂ（Ｖ），Ｂ（Ｗ）を図の列方向に配置し、これらの交点に近接してそれぞれ双方向スイッチＳｒｕ，Ｓｒｖ，Ｓｒｗ，Ｓｓｕ，Ｓｓｖ，Ｓｓｗ，Ｓｔｕ，Ｓｔｖ，Ｓｔｗを配置したものである。勿論、電源側電極バーを列方向に、負荷側電極バーを行方向にそれぞれ配置するようにしても良い。
【００１３】
図１の双方向スイッチＳｒｕの詳細構成を図２に示す。双方向スイッチＳｒｕは図２（ａ１）に示すように、ＩＧＢＴＳｒｕ−ｒとＩＧＢＴＳｒｕ−ｕを互いに逆並列になるように接続して構成される。スイッチＳｒｕの側面には、電源側バーＢ（Ｒ）と負荷側バーＢ（Ｕ）が互いに直角になるように配置されている。ＩＧＢＴＳｒｕ−ｒとＩＧＢＴＳｒｕ−ｕは図２（ｂ１）のように別チップとなり、製作上から下面がコレクタ面で、上面がエミッタ面になる（図２（ｂ）参照）。コレクタ面は電極ＣｒまたはＣｕの上に配置し、それぞれのエミッタ面を互いの電極Ｃｒ，Ｃｕに、図２（ｂ）のようにワイヤボンディングして接続する。
【００１４】
以上の関係は他の双方向スイッチについても、同様である。その結果、電源Ｒを基準として動作するＩＧＢＴＳｒｕ−ｒ，Ｓｒｖ−ｒ，Ｓｒｗ−ｒは、電源側バーＢ（Ｒ）に接近して配置されることにより、電源側電極バーの寄生インダクタンスが小さくなり、同一のゲート電源で駆動することが可能となる。同様にして、電源Ｓ，Ｔを基準として駆動するＩＧＢＴ、および負荷側Ｕ，Ｖ，Ｗを基準として駆動するＩＧＢＴを、図３に白丸印Ｇで示すような端子配置とすることにより、負荷側電極バーの寄生インダクタンスが小さくなり、同一のゲート電源で駆動することができる。よって、ゲート電源は６個で済むことになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態を示す構成図
【図２】図１の一部を抽出して説明する詳細説明図
【図３】図１の端子配置を示す構造図
【図４】一般的な電力変換装置の例を示す回路図
【図５】双方向スイッチの構成例図
【図６】ゲート駆動回路例を示す構成図
【図７】ゲート駆動回路を含む電力変換装置を示す構成図
【図８】図７で寄生インダクタンスの影響を説明するための説明図
【符号の説明】
【００１６】
Ｂ（Ｒ），Ｂ（Ｓ），Ｂ（Ｔ）…電源側電極バー、Ｂ（Ｕ），Ｂ（Ｖ），Ｂ（Ｗ）…負荷側電極バー、Ｓｒｕ，Ｓｒｖ，Ｓｒｗ，Ｓｓｕ，Ｓｓｖ，Ｓｓｗ，Ｓｔｕ，Ｓｔｖ，Ｓｔｗ…双方向スイッチ、Ｃｒ，Ｃｕ…電極、Ｇ…端子。
【図１】
2005117782.tif 000003
【図２】
2005117782.tif 000004
【図３】
2005117782.tif 000005
【図４】
2005117782.tif 000006
【図５】
2005117782.tif 000007
【図６】
2005117782.tif 000008
【図７】
2005117782.tif 000009
【図８】
2005117782.tif 000010