(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の正極端子と中間端子の間に接続された第一の平滑コンデンサと、上記中間端子と直流電源の負極端子の間に接続された第二の平滑コンデンサを有し、
上記正極端子と負極端子の間に順に直列に接続された第一，第二，第三，第四のスイッチング素子及び上記第一ないし第四のスイッチング素子に並列に接続された還流ダイオードと、
上記中間端子にアノード側を、上記第一及び第二のスイッチング素子の接続点にカソード側を接続された第一のクランプダイオードと、上記第三及び第四のスイッチング素子の接続点にアノード側を、上記中間端子にカソード側を接続された第二のクランプダイオードからなり、
上記第二及び第三のスイッチング素子の接続点に交流出力端子を接続して３レベル電圧出力を得る３レベル電力変換装置において、
上記スイッチング素子及びダイオードを第一のスイッチング素子，第一のダイオード，第二のスイッチング素子，第三のスイッチング素子，第二のダイオード，第四のスイッチング素子の順に一列に並べて配置し上記第一の平滑コンデンサの端子を上記第一のスイッチング素子に最も近く、上記第二の平滑コンデンサの端子は上記第四のスイッチング素子に最も近くなるように配置し、
各平滑コンデンサ，スイッチング素子，ダイオードは板状の導体で接続され、第一及び第二の平滑コンデンサを接続する中間点の導体とそれ以外の導体は互いに並行に近接して配置されていることを特徴とする３レベル電力変換装置。
【請求項２】
直流電源の正極端子と中間端子の間に接続された第一の平滑コンデンサと、上記中間端子と直流電源の負極端子の間に接続された第二の平滑コンデンサを有し、
上記正極端子と負極端子の間に順に直列に接続された第一，第二，第三，第四のスイッチング素子及び上記第一ないし第四のスイッチング素子に並列に接続された還流ダイオードと、
上記中間端子にアノード側を、上記第一及び第二のスイッチング素子の接続点にカソード側を接続された第一のクランプダイオードと、上記第三及び第四のスイッチング素子の接続点にアノード側を、上記中間端子にカソード側を接続された第二のクランプダイオードからなり、
上記第二及び第三のスイッチング素子の接続点に交流出力端子を接続して３レベル電圧出力を得る３レベル電力変換装置において、
上記第一のスイッチング素子，第一のダイオード，第二のスイッチング素子を順に一列に並べてた上アームと、上記第三のスイッチング素子，第二のダイオード，第四のスイッチング素子を順に一列に並べた下アームを、上記第一及び第四のスイッチング素子が隣り合うように並行に配置し、
上記第一の平滑コンデンサの端子を上記第一のスイッチング素子に最も近く、上記第二の平滑コンデンサの端子は上記第四のスイッチング素子に最も近くなるように配置し、
各平滑コンデンサ，スイッチング素子，ダイオードは板状の導体で接続され、第一及び第二の平滑コンデンサを接続する中間点の導体とそれ以外の導体は互いに並行に近接して配置され、
さらに、前記第二のスイッチング素子のエミッタと前記第三のスイッチング素子のコレクタに接続された交流導体上の転流経路長が、前記第二のスイッチング素子又は前記第三のスイッチング素子の並列な端子間を接続する導体の幅の２倍よりも長いことを特徴とする３レベル電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２において、第一及び第二の平滑コンデンサを接続する中間点の導体とそれ以外の導体の間に絶縁層を設けたことを特徴とする３レベル電力変換装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、各第一ないし第四のスイッチング素子及び第一及び第二のダイオードをそれぞれ並列に接続された複数のスイッチング素子及びダイオードで構成したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
【請求項５】
請求項２において、前記交流導体の平面形状が、凹形状であることを特徴とする３レベル電力変換装置。
【請求項６】
請求項５において、前記凹形状は、凹部の幅に対して奥行きが２倍以上であることを特徴とする３レベル電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、電力変換装置に関わり、特に、直流平滑用コンデンサとインバータ部分の間の配線のインダクタンスを低減させる実装構造を持つ３レベル電力変換装置に関する。
背景技術
電力変換装置において配線のインダクタンスが大きい場合には、半導体素子のスイッチング時に配線のインダクタンスに発生する電圧が素子にかかり、素子の破壊の可能性がある。
そのため、例えば、特開平１１−８９２４９号公報では、第一のスイッチング素子及び第二のスイッチング素子と第一のダイオードからなる正側アームと第三のスイッチング素子及び第四のスイッチング素子と第二のダイオードからなる負側アームを直流電源の両側に配置することで、３レベル電力変換装置の転流経路を考慮したインダクタンス低減することが記載される。
発明の開示
上記従来技術の構造では、インダクタンス低減のためには複数の平板状の配線は最低でも３層の積層構造とする必要があった。
本発明の目的は、より単純な配線構造によって低インダクタンスの３レベル電力変換装置を提供することである。
本発明の他の目的は、複数の並列なスイッチング素子あるいは複数の並列な端子を有するスイッチング素子を用いた３レベル電力変換装置において、各並列素子あるいは並列端子に均等に電流が流れるようにすることである。
本発明の特徴は、第一のスイッチング素子及び第二のスイッチング素子と第一のダイオードと第三のスイッチング素子及び第四のスイッチング素子と第二のダイオードと第一の平滑コンデンサと第二の平滑コンデンサとを有する３レベル電力変換装置であって、第一の平滑コンデンサの端子を上記スイッチング素子及びダイオードの内第一のスイッチング素子に最も近くなるように、第二の平滑コンデンサの端子は上記スイッチング素子及びダイオードの内第四のスイッチング素子に最も近くなるように配置することである。
本発明の他の特徴は、３レベル電力変換装置の一相分を構成するスイッチング素子及びダイオードをほぼ直線状に配置することである。
本発明のその他の特徴は、３レベル電力変換装置を構成するスイッチング素子及びダイオードを交流導体上の転流経路を、一つのスイッチング素子の並列な端子間を接続する導体の幅の２倍以上に長くすることである。
電力変換装置において、配線のインダクタンスが大きい場合には、半導体素子のスイッチング時に配線のインダクタンスに発生する電圧が素子にかかり、素子の破壊の可能性がある。この過電圧を抑制して半導体素子の負担を軽減するための手段として、インダクタンスのエネルギを一旦コンデンサに吸収させるスナバ回路を設ける方法が考えられる。しかし、配線インダクタンスの大きさに応じてスナバコンデンサも大容量化する必要があり、装置のさらなる小型化の障害となる。このため、配線インダクタンスの低減によるスナバ回路の小型化あるいはスナバ回路の不要な電力変換装置が望ましい。
配線のインダクタンスを低減するためには、電流の経路である導体をできるだけ幅広の板状とし、かつスイッチング時に電流が変化する電流経路、即ち転流経路の往路と復路の導体をできるだけ近接して接続するいわゆる平行平板状にすることが望ましい。これは、往路と復路を流れる電流によって発生する磁束の変化が互いに相殺し、見かけ上磁束の変化がほとんどなくなるからである。
また、電力変換器の大容量化に伴い、複数のスイッチング素子を並列に接続して電力変換器を構成したり、複数の並列端子を有する大容量のスイッチング素子を用いたりすることが望ましい。この場合、スイッチング素子の電流容量をより活用するためには、並列素子あるいは並列端子間のインダクタンスをバランスさせ、各素子あるいは端子に均等に電流を配分することが望ましい。本発明では、並列素子あるいは並列端子間のインダクタンスのバランスを考慮している。
本発明の上記及び上記以外の特徴については、以下の記載によりさらに明らかにされる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず、以下の説明及び図面に使用される符号を説明する。１，１ａ，１ｂは第一のスイッチング素子、２，２ａ，２ｂは第二のスイッチング素子、３，３ａ，３ｂは第三のスイッチング素子、４，４ａ，４ｂは第四のスイッチング素子、２ｅは第二のスイッチング素子のエミッタ端子、３ｃは第三のスイッチング素子のコレクタ端子、５，５ａ，５ｂは第一のダイオード、６，６ａ，６ｂは第二のダイオード、７，７ａ，７ｂは第一の平滑コンデンサ、８，８ａ，８ｂは第二の平滑コンデンサ、１１は正極側導体、１２は負極側導体、１３，１４，１５は第一，第二，第三の中間電位導体、１６は交流側導体、１１ｐは正極側導体の正極側接続部、１５ｐは第三の中間電位導体の正極側接続部、１５ｎは第三の中間電位導体の負極側接続部、１２ｎは負極側導体の負極側接続部、１６Ｌは交流側導体の交流出力部、１７は交流側導上のスリット、２１は絶縁層を示す。
第１図は、本発明の第一の実施形態を側面から見た図である。第２図は、これに対応する３レベル電力変換装置の回路図である。スイッチング素子１〜４の一例としてＩＧＢＴを用いている。各スイッチング素子１〜４の正側の端子をコレクタ、負側の端子をエミッタと呼ぶことにする。また、各スイッチング素子１〜４は、電流をオンオフするスイッチ部分と、これに並列にコレクタ側にカソードを、エミッタ側にアノードを接続された還流ダイオードで構成されているものとする。３レベル電力変換装置は、電気車両等に使用する際は、二相あるいは三相分必要とされる。本実施形態では一相分に付いて、説明する。
第１図において、素子層１０１には、第一のスイッチング素子１，第一のダイオード５，第二のスイッチング素子２，第三のスイッチング素子３，第二のダイオード６，第四のスイッチング素子４を順にほぼ直線状に並べる。第一の導体層１００は、正極側導体１１，第一の中間電位導体１３，交流側導体１６，第二の中間電位導体１４，負極側導体１２からなる。各導体の素子（スイッチング素子およびダイオード）に接続される部分（いわゆる導体の足の部分）を除く平板状の部分は素子層１０１の上の同じ平面内にある。さらに第二の導体層２００は、第三の中間電位導体１５である。この第三の中間電位導体１５の素子に接続される部分を除く平板状の部分は第一の導体層１００の上にあって第一の導体層１００とは平行平面の関係にある。各導体層１００，２００は互いに絶縁されている。第一の平滑コンデンサ７は、第一のスイッチング素子１に最も近いところで正極側導体１１と第三の中間電位導体１５の正極側接続部１５ｐに接続されている。第二の平滑コンデンサ８は、第四のスイッチング素子４に最も近いところで負極側導体１２と第三の中間電位導体１５の負極側接続部１５ｎに接続されている。
第３図は、第１図で説明した素子層１０１，第一の導体層１００及び第二の導体層２００をそれぞれ上から見た図である。正極側導体１１は第一のスイッチング素子１のコレクタに接続されている。また、正極側接続部１１ｐは図示されていない第一の平滑コンデンサ７に接続されている。第一の中間電位導体１３は第一のスイッチング素子１のエミッタｅと、第二のスイッチング素子２のコレクタｃと、第一のダイオード５のアノードａに接続されており、第一のダイオード５のカソードｋとの絶縁を保つために穴または切り込みが設けられている。交流側導体１６は第二のスイッチング素子２のエミッタｅと、第三のスイッチング素子３のコレクタｃに接続されており、導体１６の任意の場所に設けられた交流出力部１６Ｌから交流電力を出力する。第二の中間電位導体１４は第三のスイッチング素子３のエミッタｅと、第四のスイッチング素子４のコレクタｃと、第二のダイオード６のカソードｋに接続されており、第二のダイオード６のアノードａとの絶縁を保つために穴または切り込みが設けられている。正極側導体１２は第四のスイッチング素子４のエミッタｅに接続されている。また、負極側接続部１２ｎは図示されていない第二の平滑コンデンサ８に接続されている。第二の導体層２００を構成する第三の中間電位導体１５は、第一のダイオード５のカソードと、第二のダイオード６のアノードに接続されている。また、正極側接続部１５ｐは図示されていない第一の平滑コンデンサ７に、負極側接続部１５ｎは図示されていない第二の平滑コンデンサ８に、それぞれ接続されている。尚、各スイッチング素子のコレクタｃ，エミッタｅはそれぞれ一つずつ図示してあるが、コレクタ，エミッタをそれぞれ複数個有するスイッチング素子であっても同様の構成が可能である。
第４図は、第一の実施形態において平滑コンデンサを素子層とほぼ同じ面に配置した変形例の側面図である。第一の平滑コンデンサ７を、第一のスイッチング素子１に最も近いところで正極側導体１１と第三の中間電位導体１５の正極側接続部１５ｐに接続し、第二の平滑コンデンサ８を、第四のスイッチング素子４に最も近いところで負極側導体１２と第三の中間電位導体１５の負極側接続部１５ｎに接続することにより、平滑コンデンサの配置の自由度が増し、第１図の態様と比較して、全体をさらに薄型にすることが可能となる。
第５図、第６図は、本発明の第一の実施例の側面図に転流経路を記入した図である。第一のスイッチング素子１をターンオフする時の転流経路は、正極側導体１１の正極側接続部１１ｐから、第一のスイッチング素子１，第一のダイオード２を通って第三の中間電位導体１５の正極側接続部１５ｐに至るループを形成する。第５図に示すように、本実施形態の導体構成によれば、このループは近接した導体中を往復するので、相互誘導によってループ全体のインダクタンスはループを構成する各導体の自己インダクタンスの和よりも小さくなる。第四のスイッチング素子４のターンオフ時の転流経路も同様である。
次に、第二のスイッチング素子２をターンオフする時の転流経路は第６図のようになる。この場合も、転流経路は近接した導体中を往復するので、相互誘導によってループ全体のインダクタンスはループを構成する各導体の自己インダクタンスの和よりも小さくなる。第三のスイッチング素子３のターンオフ時の転流経路も同様である。
第７図は、本発明の第二の実施形態を素子層１０１，第一の導体層１００ないし第三の導体層３００に分けて、それぞれ上から見た図である。本実施形態は、スイッチング素子の配置が略一列状ではなく、コの字形状（又は四角形状）の配置となっている場合について説明している。素子層１０１には、第一のスイッチング素子１，第一のダイオード５，第二のスイッチング素子２を順に一列に並べてた上アームと、第三のスイッチング素子３，第二のダイオード６，第四のスイッチング素子４を順に一列に並べた下アームとを有している。そして、第一のスイッチング素子１及び第四のスイッチング素子４が隣り合うように、上アームと下アームとを平行に配置してある。この上に、正極側導体１１，第一の中間電位導体１３，第二の中間電位導体１４，負極側導体１２からなる第一の導体層１００，第三の中間電位導体１５からなる第二の導体層２００，交流側導体１６からなる第三の導体層３００が順に積層されている。ここで交流側導体１６には、第二のスイッチング素子２から第三のスイッチング素子３に至る転流経路が、一つのスイッチング素子の並列な端子間を接続する導体の幅の２倍より長くなるようにスリット１７が設けられている。スリット１７の形状については、第８図を用いてさらに説明する。
第８図は、第７図の第二のスイッチング素子２から第三のスイッチング素子３に至る転流経路の概念を示す図である。第二及び第三のスイッチング素子２，３として、複数の素子を並列に用いた場合あるいは復数の並列な端子を有する素子を用いた場合、第二のスイッチング素子２のエミッタ端子２ｅから第三のスイッチング素子３のコレクタ端子３ｃに至る転流経路は第８図に示すようになる。この時、第８図（ａ）のように転流経路が短いと、互いに近い距離にある素子または端子間の転流経路が並列な他の端子間の転流経路に対して短くなるため、この端子に電流が集中する。これに対し、第８図（ｂ）のように一つのスイッチング素子２又は３の並列な端子間を接続する導体の幅Ｌ１よりも深い、深さＬ２のスリット１７を設けている。これにより、転流経路を一つのスイッチング素子２又は３の並列な端子間を接続する導体の幅の２倍より長くすると、並列な素子あるいは端子間の転流経路長のバランスが改善され、特定の素子あるいは端子への電流の集中を緩和できる。この時、交流側導体１６上の転流経路は第三の中間電位導体１５上の転流経路と重なって磁場の発生を抑制するので、転流経路が長くなることによるインダクタンスの増加はわずかである。スリット１７の形状は、交流側導体１６の平面形状が、コの字形状又は、略凹形状となるような形状をしている。スリット１７の幅は、スリット１７内側に、電流経路が集中しないような程度の幅が必要である。
第９図は、本発明の第三の実施形態を側面から見た図である。第一の実施形態と比較して、第一の導体層１００と第二の導体層２００の間に絶縁層２１を設ける点が異なる。絶縁層２１は例えば絶縁材料でできた平板であり、第一及び第二の中間電位導体の絶縁用の穴または切り込みに合せて穴または切り込みが設けられている。絶縁層２１を設けることにより、第一の導体層１００と第二の導体層２００をより近接することが可能になり、相互誘導を強めて転流経路のインダクタンスをさらに低減できる。絶縁層２１は第一の導体層１００及び第二の導体層２００のどちらか一方または両方に接触していてもかまわない。
第１０図は、本発明の第四の実施形態において素子層、第一の導体層及び第二の導体層を上から見た図である。第一の実施形態の構造と比較して、スイッチング素子１〜４，ダイオード５，６はそれぞれ二つずつ並列に接続されている点で異なる。すなわち、スイッチング素子１ａ〜４ａ，１ｂ〜４ｂ，ダイオード５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂが、それぞれ並列に接続されて、３レベル電力変換器を構成している。側面から見た図は第１図と同様である。このように、構成することにより、容易に大容量の３レベル電力変換器が構成できる。また、大容量の３レベル電力変換器がバランス良く構成できる。本態様では、２組の構成を並列に接続した例を示した。また、３組以上の構成を並列に接続した場合は更に大容量化を達成できる。
第１１図は、本発明の第四の実施形態の別の例で、素子層、第一の導体層及び第二の導体層を上から見た図である。第二の実施形態の構造と比較して、スイッチング素子１〜４，ダイオード５，６はそれぞれ二つずつ並列に接続されている点で異なる。すなわち、スイッチング素子１ａ〜４ａ，１ｂ〜４ｂ，ダイオード５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂが、それぞれ並列に接続されて、３レベル電力変換器を構成している。第１０図の場合と比較して、本実施形態では、スイッチング素子の配置が略一列状ではなく、コの字形状（又は四角形状）の配置となっている点で異なる。こうすることで装置全体の縦横比を小さくできる。また、大容量の３レベル電力変換器がバランス良く構成できる。
以上のように、以上説明したように第一の実施態様によれば、単純な構造で、どのスイッチング素子のターンオフに対しても転流経路のインダクタンスが小さく、ターンオフサージの小さい３レベル電力変換器を提供できる。また、平滑コンデンサの配置の自由度が大きくなる。
さらに、スイッチング素子を配置する平面の形状がコンパクトで、さらに並列素子あるいは並列端子の電流バランスが良いため、素子の電流容量が最大限に活かせる３レベル電力変換器を提供できる。またさらに、低インダクタンスな３レベル電力変換器を提供できる。またさらに大容量の３レベル電力変換器を提供できる。
本発明によれば、より単純な配線構造によって低インダクタンスの３レベル電力変換装置を提供できる。
また、本発明によれば、複数の並列なスイッチング素子あるいは複数の並列な端子を有するスイッチング素子を用いた３レベル電力変換装置において、各並列素子あるいは並列端子に均等に電流が流れるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の第一の実施形態の側面図である。
第２図は、第一の実施形態の３レベル電力変換器の基本回路図である。
第３図は、本発明の第一の実施形態を構成する各層の上面図である。
第４図は、本発明の第一の実施形態の別の形態の側面図である。
第５図は、本発明の第一の実施形態の側面図を用いた転流経路の説明図である。
第６図は、本発明の第一の実施形態の側面図を用いた転流経路の説明図である。
第７図は、本発明の第二の実施形態を構成する各層の上面図である。
第８図は、交流側導体上の転流経路を示す図である。
第９図は、本発明の第三の実施形態の側面図である。
第１０図は、本発明の第四の実施形態を構成する各層の上面図である。
第１１図は、本発明の第四の実施形態の別の形態を構成する各層の上面図である。
【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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