(57)【要約】【課題】電力変換回路を構成する半導体素子と、直流中間回路との間の配線を低インダクタンス化し、小型，低コスト化を図る。【解決手段】例えば３レベルインバータの直流回路（電解コンデンサ）２５，２６と、インバータ部１６の半導体素子との間を接続する場合に、中間電位部Ｍの配線導体を４５ａ，４５ｂのように２分割し、Ｐ導体３３とＮ導体３７をそれぞれ絶縁物（図示なし）を介して挟み込む構造とすることにより、配線インダクタンスを小さくして装置全体の小型，低コスト化を実現できるようにする。【選択図】図２
2009022062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源回路の正側端子にコレクタが接続される第１のスイッチ素子およびこれと逆並列接続されるダイオードと、直流電源回路の負側端子にエミッタが接続される第２のスイッチ素子およびこれと逆並列接続されるダイオードと、前記第１のスイッチ素子のエミッタと前記第２のスイッチ素子のコレクタとの接続点と前記直流電源回路の中間電位点との間に接続される双方向性の第３のスイッチ素子と第４のスイッチ素子との直列回路とを備え、３レベルの電位を出力する３レベル電力変換回路において、
前記直流電源回路の正側端子と前記第１のスイッチ素子とを結線する第１の導体と、前記直流電源回路の負側端子と前記第２のスイッチ素子とを結線する第２の導体とを絶縁物を挟んで密接構造にするとともに、前記第３，第４のスイッチ素子を結線する前記直流電源回路の中間電位点には２分割された第３，第４の導体を配置し、この第３，第４の導体間に前記第１，第２の導体を挟み込んで４層配線構造とすることを特徴とする３レベル電力変換回路の配線構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、インバータなどの電力変換回路、特にその配線構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３に電力変換装置の代表装置として直流から交流に変換する３インバータの主回路構成を示す。同図において、１，２は直列接続の直流電源で、正側電位をＰ、負側電位をＮ、中点電位をＭとしている。図示の直流電源を交流電源システムで構成する場合は、一般に、図示されないダイオード整流器と、大容量の電解コンデンサなどが用いられる。
【０００３】
３と４はＰ側電位に接続されているＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）とダイオード、５と６はＮ側電位に接続されているＩＧＢＴとダイオード、７，８，９，１０はＭ電位と交流出力端子１１との間に接続された双方向スイッチ素子で、ＩＧＢＴと逆並列に接続されたダイオードの組を逆直列接続した構成で、各相共通に構成される。ここではＩＧＢＴどうしはエミッタ共通となっているが、コレクタ共通でも良い。なお、このような双方向スイッチ素子を、図３の点線丸印のように表記することもある。
【０００４】
１２，１３，１４はフィルタ用のリアクトル、１５は本システムの負荷である。このような構成とすることによりＰ電位，Ｎ電位およびＭ電位を出力することができ、３レベルのインバータとなる。図４に、出力電圧波形例を示す。２レベルタイプのインバータに対し低次の高調波成分が無いことが特徴で、出力フィルタの小型化が可能となる。
【０００５】
また、このような３レベルインバータをＩＧＢＴモジュールと、直流電源装置としての大容量電解コンデンサで構成する場合、例えば１６，１７，１８を２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュール、１９〜２４を１ｉｎ１タイプのＩＧＢＴモジュール、直流電源１，２を直列接続の電解コンデンサにより構成する。その１相分の回路図を図５に、その構造図を図６に示す。ただし、電解コンデンサをここでは２並列２直列（２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ）構造としている。
【０００６】
２ｉｎ１タイプのモジュールの例を図７（（ａ）：外観図、（ｂ）：内部回路図）に示す。この場合の出力端子としては、Ｐ電位に接続されるＣ１端子（２７）、Ｎ電位に接続されるＥ２端子（２８）、負荷出力および双方向性スイッチ素子に接続されるＥ１Ｃ２端子（２９）となり、一般に図示の順番で端子が構成される。また、１ｉｎ１タイプのモジュールの例を図８（（ａ）：外観図、（ｂ）：内部回路図）に示す。ここでの出力端子としては、コレクタ端子Ｃ（３０）とエミッタ端子Ｅ（３１）より構成される。
【０００７】
また、図５において、ＩＧＢＴモジュール１６，１９と電解コンデンサ２５，２６との配線は、ＩＧＢＴモジュール１６の上アーム側のコレクタ端子２７と、電解コンデンサの正側電位端子３２間を結線する導体３３と、ＩＧＢＴモジュール１９のコレクタ端子３０と直列接続された電解コンデンサ２５，２６との接続点３４間を接続する導体３５と、ＩＧＢＴ１６の下アーム側のエミッタ端子２８と電解コンデンサの負側電位端子３６間を結線する導体３７とからなる。一般にこれら各導体は、図５に示す電流経路Ｉ１とＩ２の一巡のインダクタンス値を低減する目的で、図６（ｂ），（ｃ）に示すように、絶縁物３８，３９を挟んだ３層ラミネート構造としている。
【０００８】
図６は３レベルインバータ１相分の従来例を示す構成図で、同図（ａ）は上面図、同（ｂ）は同図（ａ）を左側からみた側面図、同図（ｃ）は同図（ａ）を右側からみた側面図である。図示のような構造により、導体３３と３５および導体３５と３７が近接配置され、低インダクタンス化が実現できる。なお、上記のようなモジュール構造に就いては例えば非特許文献１に、３レベルインバータ回路例としては例えば特許文献１に開示されている。また、回路構成は若干異なるが、３レベルインバータにおけるＩＧＢＴモジュールと、電解コンデンサ間の配線を３層ラミネート構造とする例については、例えば特許文献２に記載されている。
【０００９】
【非特許文献１】富士ＩＧＢＴモジュールアプリケーションマニュアル（２００４年                    ２月発行  １−７ページ参照）
【特許文献１】特開２００２−２４７８６２号公報
【特許文献２】特開平１１−０８９２４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図９に、図５の導体３３，３５，３７のインダクタンスＬｐ，Ｌｍ，Ｌｎに着目して描いた等価回路図を示す。各導体の配線長は通常数ｃｍから数十ｃｍ程度あるため、インダクタンス値は１０ｎＨから数１０ｎＨ程度となる。
いま、図１０（ａ）のように、スイッチＴ１とＴｖが導通状態で電流Ｉ３が流れている状態において、Ｔ１がターンオフするとＴｕが導通し、電流（Ｉ４）の経路は図１０（ｂ）のようになる。その際、過渡的にインダクタンスＬｐ，ＬｍにはＩＧＢＴの電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）に応じて、図中の極性の向きに電圧が発生する。
【００１１】
その結果、Ｔ１のコレクタ−エミッタ間には、最大で次の（１）式で示す電圧が印加される。図１１に、Ｔ１オフ時のコレクタ電流ｉｃとコレクタ−エミッタ間電圧（ＶCE）の波形例を示す。
ＶCE(peak)＝Ｅｄ／２＋（Ｌｐ＋Ｌｍ）・ｄｉ／ｄｔ…（１）
【００１２】
一般に、数１００ＡクラスのＩＧＢＴの場合、そのｄｉ／ｄｔは最大で５０００Ａ／μｓ程度となるため、Ｌｐ＋Ｌｍ＝１００ｎＨとすると、次の（２）式で示すように、サージ電圧分ΔＶは５００Ｖとなる。
ΔＶ＝（Ｌｐ＋Ｌｍ）・ｄｉ／ｄｔ…（２）
【００１３】
よって、Ｌｐ，ＬｍまたはＬｎの存在により、ＩＧＢＴターンオフ時に、ＩＧＢＴに印加されるピーク電圧値は上記（１）式に基づくため、ＩＧＢＴおよびこれに並列に接続されるＦＷＤチップには、電圧耐量が高いものが必要となる。この電圧耐量が高いチップは、概ね電圧耐量に比例して面積が広くなるため、モジュールの大型化，コストアップにつながることになる。
【００１４】
このような課題に対し、通常は図６のように配線を３層ラミネート構造にし、導体を極力近接させることにより、ＬｐとＬｍ間またはＬｎとＬｍ間の相互インダクタンスを大きくし、一巡のインダクタンス値を小さくすることで、サージ電圧の低減を図っている。
ここで、Ｌｐs，Ｌｍsの自己インダクタンスを、両者の相互インダクタンスをＬMとすると、電流経路Ｉ３の一巡のインダクタンス値Ｌtotは、次の（３）式のようになる。
Ｌtot＝Ｌｐs＋Ｌｍs−２ＬM…（３）
【００１５】
図６（ｂ）に示すように、導体間隔をδとすると、相互インダクタンスＬMはδが小さいほど大きくなり、その結果上記（３）式で示すＬtot値は低減する。
図６の構成では、導体３３と３５および導体３５と３７が近接しているため、インダクタンス値Ｌtotを十分小さくすることが可能といえる。
【００１６】
ところが、図１２（ａ）のように、スイッチＴ１とＴ４が導通状態で図示のような電流Ｉ５が流れている状態で、Ｔ１がターンオフすると、Ｔ３のダイオードが導通し、図１２（ｂ）の電流経路Ｉ６に転流する。その際、過渡的にインダクタンスＬｐ，ＬｎにはＩＧＢＴの電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）に応じて、図中の極性の向きに電圧が発生する。
【００１７】
その結果、Ｔ１のコレクタ−エミッタ間には、最大で次の（４）式のような電圧が印加される。図１３に、Ｔ１オフ時のコレクタ電流ｉｃとコレクタ−エミッタ間電圧（ＶCE）の波形例を示す。
ＶCE(peak)＝Ｅｄ＋（Ｌｐ＋Ｌｍ）・ｄｉ／ｄｔ…（４）
【００１８】
図６の構造では、導体３３と導体３７の間隔は、導体３５の厚みを無視すると２δとなり、その分相互インダクタンスは小さくなり、Ｌtotが図１０のケースと比べて大きくなる。その結果、サージ電圧が高くなるとともに、図１０のモードに比べて直流電圧値が高いため、より高いサージ電圧がターンオフ時に発生するという問題がある。なお、３レベルインバータにおいて、図１２（ａ）のような動作モードとする制御方式については、例えば特開２００６−３０４５３０号公報に記載されている。
【００１９】
したがって、この発明の課題は、どのような動作モードにあっても、直流電源とモジュール間の配線インダクタンスを低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
このような課題を解決するため、この発明では、直流電源回路の正側端子にコレクタが接続される第１のスイッチ素子およびこれと逆並列接続されるダイオードと、直流電源回路の負側端子にエミッタが接続される第２のスイッチ素子およびこれと逆並列接続されるダイオードと、前記第１のスイッチ素子のエミッタと前記第２のスイッチ素子のコレクタとの接続点と前記直流電源回路の中間電位点との間に接続される双方向性の第３のスイッチ素子と第４のスイッチ素子との直列回路とを備え、３レベルの電位を出力する３レベル電力変換回路において、
前記直流電源回路の正側端子と前記第１のスイッチ素子とを結線する第１の導体と、前記直流電源回路の負側端子と前記第２のスイッチ素子とを結線する第２の導体とを絶縁物を挟んで密接構造にするとともに、前記第３，第４のスイッチ素子を結線する前記直流電源回路の中間電位点には２分割された第３，第４の導体を配置し、この第３，第４の導体間に前記第１，第２の導体を挟み込んで４層配線構造とすることを特徴とする。
【００２１】
すなわち、この発明は、直流電源とモジュール間の配線構造において、直流電源の中間電位部の配線導体を２分割し、これにＰＮ（正負極）導体を挟み込む構造とすることで、相互インダクタンス値を大きくし、低インダクタンス化を図るものである。
【発明の効果】
【００２２】
この発明によれば、直流電源とモジュール間の配線インダクタンスを低減でき、ＩＧＢＴやＦＷＤがスイッチングする際に発生するサージ電圧値が低くなるため、電圧定格の低いＩＧＢＴやＦＷＤチップの適用が可能となり、小型で安価な回路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】
【００２３】
図１はこの発明の実施の形態を示す構成図で、同図（ａ）は上面図、同（ｂ）は同図（ａ）を左側からみた側面図、同図（ｃ）は同図（ａ）を右側からみた側面図を示す。
図６の従来構造に対し、導体３３（Ｌｐ）と導体３７（Ｌｎ）は図１（ａ），（ｂ）のように、絶縁物４４を介して近接配線される。Ｌｍについては、電解コンデンサ２５の正極付近とＩＧＢＴモジュール１９のコレクタ端子付近で電気的に接続される２分割導体４５を配置し、これにより導体３３と導体３７を挟み込む近接構造としている。ただし、導体４５と導体３３間、および導体４５と導体３７間は、それぞれ絶縁物４６，４８を挟んで配置される。
【００２４】
導体３３と導体４５間、導体３７と導体４５間および導体３３と導体３７間は、図１（ｂ）に示すように導体間距離はいずれもδとなるため、各導体間には大きい値の相互インダクタンスＭが発生する。このことを回路的に説明するのが図２で、各導体間に同じ大きさの相互インダクタンスＭが発生することが分かる。なお、導体４５は、図２では４５ａ，４５ｂのように２分割して示されている。
図２Ａは従来例の場合の相互インダクタンスを説明するもので、ここでは導体３３と導体３７との間は、距離的に大きく離れることになるため、大きな相互インダクタンスが得られないことを示している。
【００２５】
なお、以上では主として３レベルインバータについて説明したが、この発明は、これと同様のコンバータについても同様にして適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の実施の形態を示す構造図で、同図（ａ）は上面図、同（ｂ）は左側面図、同図（ｃ）は右側面図
【図２】図１の各導体間の相互インダクタンスに着目した回路図
【図２Ａ】従来例を図２と対比して説明するための回路図
【図３】一般的な３レベルインバータの主回路構成図
【図４】一般的な３レベルインバータの出力電圧波形例図
【図５】３レベルインバータの１相分を示す回路図
【図６】図４の構成を示す構造図
【図７】２ｉｎ１モジュールの説明図
【図８】１ｉｎ１モジュールの説明図
【図９】図３について配線インダクタンスに着目した回路概略図
【図１０】図９における電流経路説明図
【図１１】図１０でスイッチ素子がオフした場合の電流，電圧波形例図
【図１２】図９における別の電流経路説明図
【図１３】図１２でスイッチ素子がオフした場合の電流，電圧波形例図
【符号の説明】
【００２７】
１６，１９，２０…ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）モジュール、２５，２５ａ，２５ｂ，２６，２６ａ，２６ｂ…電解コンデンサ、３３，３７，４５，４５ａ，４５ｂ…導体、４４，４６，４８…絶縁物。
【図１】
2009022062.tif 000003
【図２】
2009022062.tif 000004
【図２Ａ】
2009022062.tif 000005
【図３】
2009022062.tif 000006
【図４】
2009022062.tif 000007
【図５】
2009022062.tif 000008
【図６】
2009022062.tif 000009
【図７】
2009022062.tif 000010
【図８】
2009022062.tif 000011
【図９】
2009022062.tif 000012
【図１０】
2009022062.tif 000013
【図１１】
2009022062.tif 000014
【図１２】
2009022062.tif 000015
【図１３】
2009022062.tif 000016