(57)【要約】【課題】小型で低インダクタンス化、電流分担の均等化が可能で且つ電圧・電流振動の低減化が可能な自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置に用いられる自己消弧型素子のスナバ回路５を、スイッチングレグ４に並列に接続し、スナバコンデンサ５２と表皮効果応用素子５１とを直列接続して構成する。ここで、表皮効果応用素子５１は低周波域ではインダクタンスとして動作し、高周波域になるとその抵抗値が急激に増大する特性を有する素子である。【選択図】図１
2007306692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置のスイッチングレグに並列に接続され、スナバコンデンサと表皮効果応用素子を直列接続して成ることを特徴とする自己消弧型素子のスナバ回路。
【請求項２】
前記表皮効果応用素子の材料に、
低めの電気伝導性を持つ金属またはエンジニアリングプラスチックを用いたことを特徴とする請求項１に記載の自己消弧型素子のスナバ回路。
【請求項３】
前記表皮効果応用素子の材料に、
高い透磁性を持つ金属またはエンジニアリングプラスチックを用いたことを特徴とする請求項１に記載の自己消弧型素子のスナバ回路。
【請求項４】
前記表皮効果応用素子は、
高い電気伝導性を持つ金属の表面に低めの電気伝導性及び高い透磁性を持つ金属またはエンジニアリングプラスチックを被覆して成ることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の自己消弧型素子のスナバ回路。
【請求項５】
前記表皮効果応用素子の表面に凹凸を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の自己消弧型素子のスナバ回路。
【請求項６】
電力変換装置のスイッチングレグに並列に接続され、スナバコンデンサと、スナバ抵抗とスナバインダクタンスの並列接続体とを直列接続して成ることを特徴とする自己消弧型素子のスナバ回路。
【請求項７】
直流電源と、
この直流電源の電圧を平滑する平滑コンデンサと、
平滑された直流電源に並列に接続され、自己消弧型素子の直列接続体で構成されるスイッチングレグと、
前記スイッチングレグに並列に接続された自己消弧型素子のスナバ回路と
を具備し、
前記自己消弧型素子のスナバ回路は、
スナバコンデンサと表皮効果応用素子を直列接続して成ることを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
直流電源と、
この直流電源の電圧を平滑する平滑コンデンサと、
平滑された直流電源に並列に接続され、自己消弧型素子の直列接続体で構成される複数個のスイッチングレグと、
前記各々のスイッチングレグに並列に接続された自己消弧型素子のスナバ回路と
を具備し、
前記自己消弧型素子のスナバ回路は、
スナバコンデンサと表皮効果応用素子を直列接続して成ることを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
直流電源と、
この直流電源の電圧を平滑する平滑コンデンサと、
平滑された直流電源に並列に接続され、自己消弧型素子の直列接続体で構成される複数個のスイッチングレグと、
前記各々のスイッチングレグに並列に接続された自己消弧型素子のスナバ回路と
を具備し、
前記自己消弧型素子のスナバ回路は、
スナバコンデンサとスナバ抵抗とスナバインダクタンスの並列接続体とを直列接続して成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】
本発明は改良された自己消弧型素子のスナバ回路及びこのスナバ回路を用いた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置に使用される自己消弧型素子は、そのターンオフ時において、配線インダクタンス等の回路インダクタンスの影響によりサージ電圧が発生する。このサージ電圧を抑制するためにスナバ回路が使用される。一般的に高周波インバータに適用されるスナバ回路として、従来は直流クランプ方式、個別クランプ方式によるスナバ回路などが用いられていた。
【０００３】
直流クランプ方式は変換用のスイッチングレグに印加される電圧が、また個別クランプ方式は正及び負の夫々の変換アームに印加される電圧が所定レベル以下となるようにクランプする構成を採るが、クランプ用ダイオード等の部品点数が多く、大型となるばかりでなく、ターンオン時の並列電流バランスを取るのが困難であるという問題があった。
【０００４】
このため、特に小容量の電力変換装置にあっては、スナバ回路を省略した所謂スナバレス方式も採用されている。
【０００５】
このスナバレス方式の場合、１つの課題は、低インダクタンス化の限界である。往復密着配線などで配線部分のインダクタンスを限りなくゼロに近づけても、変換アームを構成するパワーモジュール、またヒューズ及び平滑コンデンサの内部インダクタンスのため、理想的な状態であってもモジュールあたり約１００ｎＨ程度に抑えるのが限界である。もう１つの課題は、直流クランプ方式や個別クランプ方式以上にターンオン時の並列電流バランスが悪化してしまうことである。これは、ターンオン中は直流電圧の一部を主回路が分担するため、わずか数ｎＨの違いで数Ｖオーダの電圧差が並列駆動ゲート回路に重畳するためである。
【０００６】
上記状況から、変換レグの近傍に変換レグと並列に高周波用の直流コンデンサを設けるようにした直流C方式が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−２５４３５５号公報（第４−５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
直流Ｃ方式の場合、スナバコンデンサとして動作する直流コンデンサ（以下、スナバコンデンサと呼称する。）の容量の大小により課題の違いはあるが、何れの場合も低インダクタンス化には好適で、変換用のスイッチングレグ毎にスナバコンデンサを付加すればターンオン時の並列電流バランスを均等化することができる。
【０００８】
スナバコンデンサの容量が大（数十μＦ以上）の場合は、平滑コンデンサとスナバコンデンサとの間に生ずる電圧振動は、周期が大となり且つ振幅が小となるので発生しても問題は生じない。しかしながら、スナバコンデンサのサイズが大きくなり、スナバ回路が大型となるという問題がある。
【０００９】
これに対し、スナバコンデンサの容量が小（数μＦ以下）の場合は、スナバ回路の小型化は達成できるが、平滑コンデンサとスナバコンデンサの間に共振が生じ電圧電流振動が発生する。このため、電圧過大或いは電流振動による素子の破壊の恐れ、電流振動による実効電流の増加に伴う悪影響、また電圧電流振動による伝導・放射ノイズの増加等の問題が生ずる。
【００１０】
本発明は上記に鑑みて為されたもので、小型で低インダクタンス化、電流分担の均等化が可能で且つ電圧・電流振動の低減化が可能な自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の第１の発明である自己消弧型素子のスナバ回路は、電力変換装置のスイッチングレグに並列に接続され、スナバコンデンサと表皮効果応用素子を直列接続して成ることを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の第２の発明である自己消弧型素子のスナバ回路は、電力変換装置のスイッチングレグに並列に接続され、スナバコンデンサと、スナバ抵抗とスナバインダクタンスの並列接続体とを直列接続して成ることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の第３の発明である電力変換装置は、直流電源と、この直流電源の電圧を平滑する平滑コンデンサと、平滑された直流電源に並列に接続され、自己消弧型素子の直列接続体で構成される複数個のスイッチングレグと、前記各々のスイッチングレグに並列に接続された自己消弧型素子のスナバ回路とを具備し、前記自己消弧型素子のスナバ回路は、スナバコンデンサと表皮効果応用素子を直列接続して成ることを特徴としている。
【００１４】
更に、本発明の第４の発明である電力変換装置は、直流電源と、この直流電源の電圧を平滑する平滑コンデンサと、平滑された直流電源に並列に接続され、自己消弧型素子の直列接続体で構成される複数個のスイッチングレグと、前記各々のスイッチングレグに並列に接続された自己消弧型素子のスナバ回路とを具備し、前記自己消弧型素子のスナバ回路は、スナバコンデンサとスナバ抵抗とスナバインダクタンスの並列接続体とを直列接続して成ることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、小型で低インダクタンス化、電流分担の均等化が可能で且つ電圧・電流振動の低減化が可能な自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
以下、本発明の実施例１に係る自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置について、図１及び図２を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施例１に係る自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置の回路構成図である。
【００１９】
直流電源１から供給される直流電圧は、平滑コンデンサ２によって平滑され、主回路インダクタンス３を介してスイッチングレグ４に与えられる。スイッチングレグ４は正側変換アームを構成する自己消弧型素子４１及び負側変換アームを構成する自己消弧型素子４２の直列回路から成り、各々の自己消弧型素子４１及び４２には還流ダイオード４３及び４４が夫々逆並列に接続されている。そして自己消弧型素子４１及び４２を適切にオンオフ制御することにより自己消弧型素子４１及び４２の中点から交流出力が得られる構成となっている。
【００２０】
スイッチングレグ４と並列にスナバ回路５が接続されている。このスナバ回路５は、表皮効果応用素子５１とスナバコンデンサ５の直列回路で構成されている。表皮効果応用素子５１は低周波域ではインダクタンスとして動作し、高周波域になるとインダクタンス値は若干低減し、抵抗値が急激に増大する特性を有する素子である。この表皮効果応用素子５１の具体例とその特性について図２の説明図を参照して以下に説明する。
【００２１】
図２（ａ）は、表皮効果応用素子５１のシミュレーション演算結果の１例である。このシミュレーションは図２（ｂ）に示すように、ＣＡＳＥ１の直径１ｍｍの銅線と、ＣＡＳＥ２の直径１ｍｍの銅線に５０μｍの鉄の皮膜を設けたものについてその抵抗値とインダクタンス値について比較演算を行なったものである。尚このシミュレーションは、ＣＡＳＥ１、ＣＡＳＥ２共銅線長１００ｍｍ当たりの抵抗値とインダクタンス値の周波数特性を示している。
【００２２】
図２（ａ）に示したようにＣＡＳＥ１、ＣＡＳＥ２の何れの場合も周波数が１０ｋＨｚ以上になるとインダクタンス値が減少していくが、その度合いは緩やかである。一方抵抗値の増大は１ＭＨｚあたりから顕著になり、ＣＡＳＥ２の方がＣＡＳＥ１に比べてより急激にその抵抗値が増大している。以下、このシミュレーション結果に基づいて図１に示した回路構成における動作を説明する。
【００２３】
自己消弧型素子４１がターンオフすると、主回路インダクタンス３に流れていた電流による磁束エネルギは、スナバコンデンサ５２に流入して電圧による電荷エネルギに変換され、自己消弧型素子４１のサージ電圧として印加される。その後、平滑コンデンサ２とスナバコンデンサ５２と主回路インダクタンス３よる共振が開始されるが、その共振電流の高周波成分は表皮効果応用素子５１の抵抗成分を通過する閉回路を通ってすみやかに減衰する。また共振電流の低周波成分は表皮効果応用素子５１のインダクタンス成分を通過する閉回路を通って緩やかに減衰しながら一部平滑コンデンサ２へ回収される。
【００２４】
図２に示したような表皮効果による抵抗値の増大とインダクタンス値の減少は、電流が流れる断面の形状、材料の伝導率と透磁率によって決まる。特にその高周波特性は、表皮効果による電流集中のため表皮部分の断面形状、材料の伝導率及び透磁率によって支配される。表皮効果応用素子５１を自己消弧型素子のスナバ回路に適用する場合、周波数１００ｋＨｚ程度で、略数ｍΩ以上の抵抗値となるように、断面の形状、材料の伝導率と透磁率を選択すれば好適なスナバ回路を得ることができる。
【００２５】
図２（ｂ）にＣＡＳＥ２として示した表皮効果応用素子は、銅芯に鉄をメッキ等によって被覆したものであるが、芯部は銅に限らずアルミ等の伝導率の高い金属であれば良く、また被覆部は、鉄に限らず低めの伝導率と高透磁率を有する金属であっても良く、またエンジアリングプラスチックをコーティングしたものであっても良い。また、必ずしも低めの伝導率と高透磁率の両方を満たした材料でなくても、その一方だけで十分な場合もある。
【００２６】
尚、実施例において表皮効果応用素子５１は、素子として独立したものとして説明したが、図２（ｂ）に示したように配線そのものを適用し、その配線に工夫を施すことによってこれを実現しても良い。
【実施例２】
【００２７】
以下、本発明の実施例２に係る自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置について、図３及び図４を参照して説明する。
【００２８】
図３は本発明の実施例２１に係る自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、スナバコンデンサ５２の負極を、表皮効果応用素子５１Ａを介して直流電源１の負極に接続するようにしてスナバ回路５Ａを構成した点である。
【００２９】
図４は、図３におけるスイッチングレグ４とスナバ回路５Ａを一体に実装したモジュールの構造斜視図である。図３におけるスイッチングレグ４は、図４において直流正極端子４５Ｐ、直流負極端子４５Ｎ及び交流端子４６を有する所謂２ｉｎ１モジュールとなっている。そして、この２ｉｎ１モジュールの直流正極端子４５Ｐに密着して表皮効果応用素子５１が、また直流負極端子４５Ｎに密着して表皮効果応用素子５１Ａが配置され、表皮効果応用素子５１及び表皮効果応用素子５１Ａの各々の上面側は、接続用の電極を介してスナバコンデンサ５２の正極及び負極に夫々接続されている。
【００３０】
以上のように表皮効果応用素子を複数個設ける構成とし、スイッチングレグの構造に合わせてその構造を選定すれば、小型で高機能のスナバ回路を得ることができる。この実施例２においては、高周波で表面に電流が集中する発熱体としての表皮効果応用素子を分散して配置したので、その冷却も好適に行うことが可能となる。
【００３１】
尚、図４に示した表皮効果応用素子は、その固定方法等を考慮して中空円筒形状としているが、必ずしも円筒形状にする必要はなく角形状であっても良い。また、図示は省略したが、表皮効果応用素子の表面に凹凸部を設けることにより、その表面積を大きくして、表皮効果応用素子の小型化を図ることも可能である。
【実施例３】
【００３２】
図５は本発明の実施例３に係る自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置の回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の実施例１に係る自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、スイッチングレグをスイッチングレグ４Ｕ及び４Ｖと２回路並列に設けるようにした点、また、スイッチング４Ｕ、４Ｖに並列にスナバ回路５Ｕ、５Ｖを夫々接続する構成とした点である。ここでスイッチングレグ４Ｕは夫々還流ダイオード４３Ｕ、４４Ｕを逆並列接続した自己消弧型素子４１Ｕ、４２Ｕから構成され、スイッチングレグ４Ｖは夫々還流ダイオード４３Ｖ、４４Ｖを逆並列接続した自己消弧型素子４１Ｖ、４Ｖから構成されている。またスナバ回路５Ｕは、表皮効果応用素子５１Ｕとスナバコンデンサ５２Ｕの直列回路、スナバ回路５Ｖは、表皮効果応用素子５１Ｖとスナバコンデンサ５２Ｖの直列回路から構成されている。
【００３３】
このようにスイッチングレグ数が増大して電力変換装置が扱う交流の相数が増大したとき、各々の相に対応するスイッチングレグ毎にスナバ回路を設けることにより各相の自己消弧型素子のターンオン時の電流分担を均一化することが可能となる。尚、各相の自己消弧型素子のターンオフ時の動作は、実施例１で説明した内容と基本的に同一であるのでその説明を省略する。
【実施例４】
【００３４】
図６は本発明の実施例４に係る自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置の回路構成図である。この実施例４の各部について、図１の実施例１に係る自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、表皮効果応用素子５１に代えてスナバインダクタンス５３とスナバ抵抗５４の並列回路を設けた点である。
【００３５】
実施例１の場合と同様に、自己消弧型素子４１がターンオフしたときの動作を考える。このとき、主回路インダクタンス３に流れていた電流による磁束エネルギは、スナバコンデンサ５２に流入して電圧による電荷エネルギに変換され、自己消弧型素子４１のサージ電圧として印加される。その後、平滑コンデンサ２とスナバコンデンサ５２と主回路インダクタンス３よる共振が開始されるが、その共振電流の高周波成分は抵抗５４を通過する閉回路を通ってすみやかに減衰する。また共振電流の低周波成分はスナバインダクタンス５３を通過する閉回路を通って緩やかに減衰しながら一部平滑コンデンサ２へ回収される。
【００３６】
このように、スナバインダクタンス５３とスナバ抵抗５４を適切に選定すれば、表皮効果応用素子を用いることなく小型で低インダクタンス化、電流分担の均等化が可能で且つ電圧・電流振動の低減化が可能な自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例１に係る自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置の回路構成図。
【図２】表皮効果応用素子の具体例とシミュレーション結果の説明図。
【図３】本発明の実施例２に係る自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置の回路構成図。
【図４】本発明の実施例２に係る自己消弧型素子のスナバ回路を有するモジュールの構造斜視図。
【図５】本発明の実施例３に係る自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置の回路構成図。
【図６】本発明の実施例４に係る自己消弧型素子のスナバ回路及びこれを用いた電力変換装置の回路構成図。
【符号の説明】
【００３８】
１  直流電源
２  平滑コンデンサ
３  主回路インダクタンス
４、４Ｕ、４Ｖ  スイッチングレグ
４１、４２、４１Ｕ、４１Ｖ、４２Ｕ、４２Ｖ  自己消弧型素子
４３、４４、４３Ｕ、４３Ｖ、４４Ｕ、４４Ｖ  還流ダイオード
４５Ｐ  直流正極端子
４５Ｎ  直流負極端子
４６  交流端子
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｕ、５Ｖ  スナバ回路
５１、５１Ａ、５１Ｕ、５１Ｖ  表皮効果応用素子
５２、５２Ｕ、５２Ｖ  スナバコンデンサ
５３  スナバインダクタンス
５４  スナバ抵抗
【図１】
2007306692.tif 000003
【図２】
2007306692.tif 000004
【図３】
2007306692.tif 000005
【図４】
2007306692.tif 000006
【図５】
2007306692.tif 000007
【図６】
2007306692.tif 000008