(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極から第２電極に向かう電流の通流、遮断を、第２電極と制御電極との間に印加される電圧あるいは制御電極に流入する電流によって制御可能であり、かつ、第２電極から第１電極に向かう電流を常に遮断する逆阻止形半導体スイッチング素子を複数備え、これら複数の逆阻止形半導体スイッチング素子の各第２電極をそれぞれほぼ等しい配線長で単一の出力端子に共通接続し、かつ、前記複数の逆阻止形半導体スイッチング素子の第１電極をそれぞれ個別の入力端子に接続すると共に、前記複数の逆阻止形半導体スイッチング素子を共通の電源により駆動する半導体素子モジュールを構成し、
この半導体素子モジュールを入力相数に等しい数の逆阻止形半導体スイッチング素子により構成し、かつ、このモジュールを出力相数に等しい数だけ設けると共に、これらのモジュール内の各半導体スイッチング素子の第１電極を各相の交流入力端子にそれぞれ接続し、モジュールごとに共通接続された第２電極を各相の交流出力端子にそれぞれ接続してなる正側ユニットと、
前記半導体素子モジュールを出力相数に等しい数の逆阻止形半導体スイッチング素子により構成し、かつ、このモジュールを入力相数に等しい数だけ設けると共に、これらのモジュール内の各半導体スイッチング素子の第１電極を各相の交流出力端子にそれぞれ接続し、モジュールごとに共通接続された第２電極を各相の交流入力端子にそれぞれ接続してなる負側ユニットと、を備え、
前記半導体スイッチング素子のスイッチングにより、前記各相の交流入力端子に入力される多相交流電圧を所定の大きさ及び周波数を有する多相交流電圧に直接変換して前記各相の交流出力端子から出力させることを特徴とする交流−交流電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の逆阻止能力を有する半導体スイッチング素子を用いた半導体素子モジュールを使用して多相交流電圧を所定の大きさと周波数を有する多相交流電圧に直接変換する交流−交流電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、ＩＧＢＴからなる半導体素子モジュール、及び、このモジュールを用いた交流−交流電力変換装置の従来技術を示す回路図である。
図４において、１０１〜１０９はそれぞれ２個のＩＧＢＴ１００からなる半導体素子モジュールである。ここで、図示のＩＧＢＴ１００は、ゲート−エミッタ（それぞれＧ，Ｅと略記する）間に電圧を印加することでコレクタ（同じくＣと略記する）からエミッタへの電流の通流、遮断を制御可能であると共に、逆阻止能力を持たない一般的なＩＧＢＴと異なり、エミッタからコレクタに向かう電流に対しては常に遮断状態となる、いわゆる逆阻止形の半導体スイッチング素子として動作する。
【０００３】
上記半導体素子モジュール１０１〜１０９は、それぞれ２個のＩＧＢＴ１００を逆並列接続して構成されているので、正逆両方向の電流の通流、遮断を制御可能な双方向スイッチを構成している。
ここで、逆阻止能力を有する半導体スイッチング素子としては、逆導通形の素子または逆耐圧を持たない素子とダイオードとを直列に接続し、全体として逆阻止能力を有するように構成することも可能である。
【０００４】
また、Ｒ，Ｓ，Ｔは三相交流電源に接続される交流入力端子であり、端子Ｒはモジュール１０１，１０４，１０７の一端（２個のＩＧＢＴ１００同士の接続点の一端）に接続され、端子Ｓはモジュール１０２，１０５，１０８の一端に接続され、端子Ｔはモジュール１０３，１０６，１０９の一端に接続されている。
更に、Ｕ，Ｖ，Ｗは三相負荷に接続される交流出力端子であり、端子Ｕはモジュール１０１〜１０３の他端（２個のＩＧＢＴ１００同士の接続点の他端）に接続され、端子Ｖはモジュール１０４〜１０６の他端に接続され、端子Ｗはモジュール１０７〜１０９の他端に接続されている。
【０００５】
１１０〜１２７は、各ＩＧＢＴ１００にゲート−エミッタ間電圧（以下、単にゲート電圧という）を与えるためのゲート駆動回路（ＧＤと略記する）であり、ゲート電源１２８〜１３３からそれぞれ電力が供給されている。なお、ゲート駆動回路１１０〜１２７は、図示されていないゲート信号線からの信号により、ゲート電圧を出力するようになっている。
【０００６】
上記構成の電力変換装置は、ゲート駆動回路１１０〜１２７によってモジュール１０１〜１０９内の所定のＩＧＢＴ１００をスイッチング動作させることにより、端子Ｒ，Ｓ，Ｔから入力される三相交流電圧を直流電圧に変換することなく、所定の大きさと周波数を有する三相交流電圧に直接変換して端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力するマトリクスコンバータとして知られている。
【０００７】
ここで、各モジュール内の２個のＩＧＢＴ１００のエミッタは、交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔまたは交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続されるため、電位が互いに異なっている。従って、各ＩＧＢＴ１００は、出力がそれぞれ絶縁された異なるゲート電源によって駆動することが必要になる。
しかし、ゲート電源は、必ずしもすべてのＩＧＢＴ１００の数（ゲート駆動回路１１０〜１２７の数）だけ必要な訳ではなく、原理的には、エミッタ電位が共通するＩＧＢＴ１００（ゲート駆動回路）に対しては同一のゲート電源を使用することができる。図４の例では、ＩＧＢＴ１００の数が全体で１８個であるのに対し、エミッタ電位が共通であるＩＧＢＴ１００が各端子Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕ，Ｖ，Ｗごとに３個ずつ存在するため、これらの端子数に応じた６個のゲート電源１２８〜１３３で足りることになる。
【０００８】
なお、図４のように、エミッタ電位が共通である複数のＩＧＢＴに対してゲート電源を共用化することにより、回路構成の簡略化を図った電力変換装置が、下記の特許文献１に記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−６１２７５号公報（［００２９］，［００４０］，図１，図５等）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示した電力変換装置において、共通接続されたエミッタ同士であっても、現実には共通接続線の長さに応じた配線インダクタンスが存在し、かつ、それぞれの配線インダクタンスとこれに流れる電流の変化率との積である誘起電圧が異なるため、各エミッタ間に電位差を生じ得る。特に、図４の回路構成では交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ側の共通接続線が長くなるので、配線インダクタンスも大きくなり、この配線インダクタンスに発生した電圧がゲート電圧に擾乱を与え、装置の誤動作や性能の低下を引き起こすおそれがある。これらの問題を抜本的に解決するためには、結局、ゲート駆動回路ごとにゲート電源を設けざるを得ず、その結果として装置の大型化やコストの増加を招くという問題があった。
【００１１】
そこで本発明は、複数の逆阻止形半導体スイッチング素子の共通接続線を短くして交流出力端子からエミッタ等の共通接続電極に至るまでの配線長をほぼ等しくし、配線インダクタンスに起因する共通接続電極の電位差を小さくした半導体素子モジュールを有する小型かつ安価な交流−交流電力変換装置を提供しようとするものである。
【００１２】
【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に記載した交流−交流電力変換装置は、第１電極から第２電極に向かう電流の通流、遮断を、第２電極と制御電極との間に印加される電圧あるいは制御電極に流入する電流によって制御可能であり、かつ、第２電極から第１電極に向かう電流を常に遮断する逆阻止形半導体スイッチング素子を複数備え、これら複数の逆阻止形半導体スイッチング素子の各第２電極をそれぞれほぼ等しい配線長で単一の出力端子に共通接続し、かつ、前記複数の逆阻止形半導体スイッチング素子の第１電極をそれぞれ個別の入力端子に接続すると共に、前記複数の逆阻止形半導体スイッチング素子を共通の電源により駆動する半導体素子モジュールを構成し、
この半導体素子モジュールを入力相数に等しい数の逆阻止形半導体スイッチング素子により構成し、かつ、このモジュールを出力相数に等しい数だけ設けると共に、これらのモジュール内の各半導体スイッチング素子の第１電極を各相の交流入力端子にそれぞれ接続し、モジュールごとに共通接続された第２電極を各相の交流出力端子にそれぞれ接続してなる正側ユニットと、
前記半導体素子モジュールを出力相数に等しい数の逆阻止形半導体スイッチング素子により構成し、かつ、このモジュールを入力相数に等しい数だけ設けると共に、これらのモジュール内の各半導体スイッチング素子の第１電極を各相の交流出力端子にそれぞれ接続し、モジュールごとに共通接続された第２電極を各相の交流入力端子にそれぞれ接続してなる負側ユニットと、を備え、
前記半導体スイッチング素子のスイッチングにより、前記各相の交流入力端子に入力される多相交流電圧を所定の大きさ及び周波数を有する多相交流電圧に直接変換して前記各相の交流出力端子から出力させるものである。
【００１６】
【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。まず図１は請求項１に係る発明の実施形態を示す回路構成図である。
この図１において、１〜６は半導体素子モジュールであり、図４の説明で述べた逆阻止形の半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴ１００をそれぞれ３個内蔵していると共に、これらのＩＧＢＴ１００のエミッタ同士を共通接続して構成されている。
ここで、本実施形態におけるＩＧＢＴ１００のコレクタは請求項における逆阻止形半導体スイッチング素子の第１電極、同じくエミッタは第２電極、同じくゲートは制御電極に相当する。
【００１７】
３個のモジュール１〜３は正側ユニット４０Ｐを構成しており、各モジュール１〜３内の３個のＩＧＢＴ１００のコレクタは交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔに各々接続されている。つまり、交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔに対して３個のモジュール１〜３が並列的に接続されている。
また、各モジュール１〜３内のＩＧＢＴ１００の共通接続されたエミッタは、交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに各々接続されている。
更に、各モジュール１〜３内のＩＧＢＴ１００のゲート−エミッタ間にはゲート駆動回路７〜１５がそれぞれ個別に接続され、これらのゲート駆動回路７〜１５には、個々のモジュール１〜３に一対一で対応するゲート電源２５，２６，２７からそれぞれ電力が供給されている。
【００１８】
他方、残りの３個のモジュール４〜６は負側ユニット４０Ｎを構成しており、各モジュール１〜３内の３個のＩＧＢＴ１００のコレクタは交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに各々接続されている。つまり、交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに対して３個のモジュール４〜６が並列的に接続されている。
また、各モジュール４〜６内のＩＧＢＴ１００の共通接続されたエミッタは、交流入力端子Ｔ，Ｓ，Ｒに各々接続されている。
更に、各モジュール４〜６内のＩＧＢＴ１００のゲート−エミッタ間にはゲート駆動回路１６〜２４がそれぞれ個別に接続され、これらのゲート駆動回路１６〜２４には、個々のモジュール４〜６に一対一で対応するゲート電源２８，２９，３０からそれぞれ電力が供給されている。
【００１９】
上記構成において、各モジュール１〜６は図４のモジュール１０１〜１０９と異なって双方向スイッチを構成しておらず、それぞれ３個のＩＧＢＴ１００のコレクタ（第１電極）の何れかからエミッタ（第２電極）方向に電流を流す単方向スイッチを構成している。
また、電力変換装置全体として双方向性を持たせるために、交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ側から交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ側に電流を流すための正側ユニット４０Ｐと、これとは逆に交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ側から交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔ側に電流を流すための負側ユニット４０Ｎとからなっている。
【００２０】
既に明らかなように、正側ユニット４０Ｐでは、各モジュール１〜３が入力相数に等しい数のＩＧＢＴ１００により構成され、かつ、モジュール１〜３の数は出力相数に等しい。また、負側ユニット４０Ｎでは、各モジュール４〜６が出力相数に等しい数のＩＧＢＴ１００により構成され、かつ、モジュール４〜６の数は入力相数に等しい。
本実施形態では入力相数＝出力相数＝３であるから、全てのモジュール１〜６が何れも３個のＩＧＢＴ１００により構成され、正側ユニット４０Ｐ、負側ユニット４０Ｎ内のモジュール数もそれぞれ３個となっている。
【００２１】
ここで、図２は図１の実施形態の等価回路図であり、図１におけるゲート電源２５〜３０及びゲート駆動回路７〜２４を省略すると共に、図１の１８個のＩＧＢＴ１００を、スイッチとダイオードとの直列接続による単方向性のスイッチＳ1〜Ｓ１８として表現してある。
また、図３は図４の従来技術の等価回路図であり、図４におけるゲート電源１２８〜１３３及びゲート駆動回路１１０〜１２７を省略し、図４の逆並列接続された２個のＩＧＢＴ１００からなるモジュール１０１〜１０９を、それぞれ単一の双方向スイッチ１０１〜１０９により表現したものである。
【００２２】
これらの図において、図２のＩＧＢＴ Ｓ１，Ｓ１６が図３のモジュール（双方向スイッチ）１０１に、同じくＩＧＢＴ Ｓ２，Ｓ１３がモジュール１０２に、同じくＩＧＢＴ Ｓ３，Ｓ１０がモジュール１０３に、同じくＩＧＢＴ Ｓ４，Ｓ１７がモジュール１０４に、同じくＩＧＢＴ Ｓ５，Ｓ１４がモジュール１０５に、同じくＩＧＢＴ Ｓ６，Ｓ１１がモジュール１０６に、同じくＩＧＢＴ Ｓ７，Ｓ１８がモジュール１０７に、同じくＩＧＢＴ Ｓ８，Ｓ１５がモジュール１０８に、同じくＩＧＢＴ Ｓ９，Ｓ１２がモジュール１０９にそれぞれ相当することが明らかである。
【００２３】
すなわち、図１，図２に示す実施形態では、交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗとの間に接続された正側ユニット４０Ｐ（モジュール１〜３あるいはＩＧＢＴ Ｓ１〜Ｓ９）及び負側ユニット４０Ｎ（モジュール４〜６あるいはＩＧＢＴ Ｓ１０〜Ｓ１８）により、交流−交流電力変換装置としてのマトリクスコンバータが構成され、ＩＧＢＴ Ｓ１〜Ｓ１８のスイッチング動作によって、端子Ｒ，Ｓ，Ｔから入力される三相交流電圧を直流電圧に変換することなく所定の大きさと周波数を有する三相交流電圧に直接変換して端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力するものである。
【００２４】
上記のように、本実施形態では、３個のＩＧＢＴ１００のエミッタを共通接続して１個の半導体素子モジュールを構成し、３個の半導体素子モジュール１〜３により正側ユニット４０Ｐを構成すると共に、各エミッタ共通接続線を交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗにそれぞれ接続している。
同様にして、３個のＩＧＢＴ１００のエミッタを共通接続して１個の半導体素子モジュールを構成し、３個の半導体素子モジュール４〜６により負側ユニット４０Ｎを構成すると共に、各エミッタ共通接続線を交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔにそれぞれ接続している。
【００２５】
このような構成により、ＩＧＢＴ１００のエミッタをごく短い配線長で共通接続することができ、これによって交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから各エミッタに至るまでの配線長をほぼ等しくすることができる。このため、共通接続線の配線インダクタンス自体を小さくし、また、配線インダクタンスに起因する各エミッタの電位差を極力低減することが可能である。従って、従来技術のようにゲート電圧の擾乱による装置の誤動作や性能の低下を招くおそれもない。
また、これらの半導体素子モジュール１〜６を用いたマトリクスコンバータ等の交流−交流電力変換装置では、ゲート駆動回路ごとにゲート電源を設ける必要もないので、装置の大型化やコストの増加を回避することができる。
【００２９】
なお、上記実施形態では、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを使用した例につき説明したが、本発明の半導体素子モジュールは、第１電極から第２電極への電流の通流、遮断を、第１または第２電極と制御電極との間の印加電圧あるいは制御電極への流入電流によって制御することが可能であり、しかも、第２電極から第１電極に向かう電流を常に遮断する逆阻止形半導体スイッチング素子であれば、パワトランジスタ（通常のバイポーラトランジスタ）、サイリスタ、ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を使用したモジュールも含むものである。
更に前述の如く、本発明は、交流入力が三相以外の場合でも入力相数と同数の半導体スイッチング素子を内蔵したモジュールを用いれば、前記実施形態と同じ効果を得ることができるのは言うまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明の交流−交流電力変換装置によれば、逆阻止形半導体スイッチング素子の共通接続線を短くして交流出力端子から各エミッタ等の共通接続電極に至るまでの配線長をほぼ等しくすることができ、これによって配線インダクタンスに起因する各共通接続電極の電位差を低減することが可能である。このため、駆動電圧の擾乱による装置の誤動作や性能の低下を防止できる効果がある。
また、本発明の交流−交流電力変換装置では、素子の駆動回路ごとに電源を設ける必要もないため、装置の大型化やコストの増加を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す回路図である。
【図２】図１の実施形態の等価回路図である。
【図３】図４の従来技術の等価回路図である。
【図４】半導体素子モジュール及びこのモジュールを用いた交流−交流電力変換装置の従来技術を示す回路図である。
【符号の説明】
１〜６：半導体素子モジュール
７〜２４：ゲート駆動回路
２５〜３０：ゲート電源
４０Ｐ：正側ユニット
４０Ｎ：負側ユニット
１００，Ｓ１〜Ｓ１８：ＩＧＢＴ
Ｒ，Ｓ，Ｔ：交流入力端子
Ｕ，Ｖ，Ｗ：交流出力端子
【図１】
0004074991.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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