JP2007185026A

JP2007185026A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2007185026A
Application number: JP2006000718A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kosaka; 広小坂
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2007-07-19

Abstract

【課題】電力変換器のスイッチング素子のゲート、エミッタ端子とゲートドライバの制御信号出力部を結ぶ制御信号配線のインダクタンスを低減し、主回路ノイズの影響を受けにくく、かつ高速制御可能な主回路を有する電力変換装置を提供する。
【解決手段】自己消弧型のスイッチング素子、主回路配線の平板状導体を具備する電力変換装置において、平板状導体の少なくとも１箇所以上に該平板状導体を貫通する穴を設け、該スイッチング素子を制御する信号線を該貫通穴に通して構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両用の電力変換装置など電力変換装置一般に関わり、特に主回路を構成するスイッチング素子を高速かつ、安定動作させた電力変換装置に関する。

従来、電力変換器の主回路配線は、細長い導体バーや電線が使用されてきた。しかし、この構成では主回路配線のインダクタンスが大きく、スイッチング素子をオン、オフした際の跳ね上り電圧が大きくなる問題がある。このため、近年、配線インダクタンスを低減する方法として、特許文献１から特許文献６などに記載の通り、主回路配線を幅広の平板状導体としかつ主回路を構成するループ上の往路と復路を極力近接して配置する手法がとられている。

特開平６−３８５０７号公報特開平６−２２５５４５号公報特開平６−３２７２６６号公報特開平７−１３１９８１号公報特開平９−４７０３６号公報特開平９−７０１８４号公報

上記のような幅広の平板状導体により主回路を構成すると、スイッチング素子として、近年の電力変換装置における主流である、外部制御信号を利用する自己消弧型の素子を利用する場合、スイッチング素子の信号入力部であるゲート及びエミッタ端子と、制御信号をスイッチング素子に供給するゲートドライバ間のゲート制御信号配線は主回路を迂回する必要があり、配線が長くなる。この結果、ゲート制御信号配線の寄生インダクタンスが大きくなり、主回路電流の影響を受けやすくなってゲート誤動作により素子破壊を起こし電力変換器が機能停止したり、スイッチング素子の高速な制御が妨げられて、電力変換器の低損失化が実現できないといった状況が発生する。

本発明の課題は、電力変換器のスイッチング素子のゲート、エミッタ端子とゲートドライバの制御信号出力部を結ぶゲート制御信号配線の寄生インダクタンスを低減することにより、誤動作しにくく、かつ高速制御可能な主回路を有する主変換装置を実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、自己消弧型のスイッチング素子、該スイッチング素子の主端子間および他の構成部品とを接続する平板状導体、該スイッチング素子を制御するゲートドライバ、とを具備する電力変換装置において、平板状導体の少なくとも１箇所以上に該平板状導体を貫通する穴を設け、該スイッチング素子を制御する信号線を該貫通穴に通して構成することを特徴とする。

本発明によれば、平板状導体を貫通する穴を利用することにより、ゲート制御信号を配線するにあたり、主回路配線を構成する平板状導体を迂回することなく、貫通穴を経由して最短で制御信号を配線することができ、ゲート制御配線インダクタンスを低減できる。また、平板状導体に設けた貫通穴を通る制御配線は平板状導体に対して直交するため、平板状導体を流れる主回路電流の誘導を受けにくく、誤動作しにくい。この結果、誤動作しにくく、かつ高速制御可能な主回路を有する主変換装置装置を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１の電力変換装置の平面図を示す。ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いた２レベル電力変換器の例である。簡単のため一相分のみを示し、本発明に関わる部分である、主回路を構成する平板状導体部分、スイッチング素子であるＩＧＢＴ、ＩＧＢＴの主端子及びゲート制御端子、ゲートドライバ、ゲート制御配線を示し、フィルタコンデンサなどの他の構成部品は省略してある。

１は電源正側に接続される平板状の正側導体、２は交流出力側の平板状の交流側導体、３は電源負側に接続される平板状の負側導体、５は２レベル電力変換器の上アーム側ＩＧＢＴ、６は下アーム側ＩＧＢＴである。５０は上アーム側ＩＧＢＴ５のコレクタ主端子であり、正側導体１と電気的に接続する。５１は上アーム側ＩＧＢＴ５のエミッタ主端子であり、交流側導体２と電気的に接続する。５２は下アーム側ＩＧＢＴ６のコレクタ主端子であり、交流側導体２と電気的に接続する。５３は下アーム側ＩＧＢＴ６のエミッタ主端子であり、負側導体３と電気的に接続する。９は負側導体３とＩＧＢＴ６のエミッタ主端子５３間を電気的に接続するために交流側導体２に設けた主回路配線用の貫通穴、２５はＩＧＢＴのゲート制御用のゲート・エミッタ端子である。３０、３１はゲートドライバで、ゲート制御配線１０を通じて、ＩＧＢＴのゲート・エミッタ端子２５と電気的に接続する。

１０は概念的に判り易いよう一部を除き一本線で示してあるが、実際には往路と復路からなる２本線で構成し、絶縁被覆を有するとともに、低インダクタンス化やノイズの誘導を防ぐため同軸もしくは撚り線とする。７０はゲートドライバ固定板でゲートドライバ３０、３１を固定する。４はゲート制御配線１０を通すために、交流側導体２と負側導体３にそれぞれ設けた貫通穴である。１００はＩＧＢＴ用の放熱板であり、上アーム側ＩＧＢＴ５、下アーム側ＩＧＢＴ６の放熱ベースに接触する。

図５には、図１にある３つの平板状導体の構造が容易に判るように、それぞれ単体で示す。図４には、図１の実施例１に相当する回路図を示す。２００は正側導体１、並びに負側導体３に電気的に接続し、これら導体の電圧レベルを安定させるフィルタコンデンサである。単相、並びに多相電力変換器の基本となる一相分の構成であり、この回路構成を内包する種々の電力変換器で本発明の効果を期待できる。

図２は、図１の実施例１を側面からみた図である。最下層に放熱板１００に接する形でＩＧＢＴ５、６を配置し、各々の上層に近接して、正側導体１、交流側導体２を、１、２の上層に負側導体３を近接して配置する。さらに、これらの上層にゲートドライバ３０、３１をゲートドライバ固定板７０に固定して配置する。正側導体１は上アーム側ＩＧＢＴ５のコレクタ主端子５０と端子スペーサ６０を介して電気的に接続する。交流側導体２は一方で上アーム側ＩＧＢＴ５のエミッタ主端子５１と端子スペーサ６１を介して電気的に接続し、もう一方で下アーム側ＩＧＢＴ６のコレクタ主端子５２と端子スペーサ６２を介して電気的に接続する。負側導体３は、交流側導体２に設けた貫通穴９を２と電気的に絶縁させて貫通する端子スペーサ６３を介して、下アーム側ＩＧＢＴ６のエミッタ主端子５３と電気的に接続する。ゲート制御配線１０は、交流側導体２と負側導体３に設けた貫通穴４を経由することにより、ゲートドライバ配置平面とＩＧＢＴ配置平面間を最短で配線する。

図３は、従来方式の形態を図１との対比で示した図である。図３の従来方式では、主回路を構成する平板状導体である交流側導体２、負側導体３は制御配線用の貫通穴を有しておらず、ＩＧＢＴゲート・エミッタ端子２５とゲートドライバ３０、３１を電気的に接続するゲート制御配線１０は、平板状導体２、３を迂回して配線している。このようにゲート制御配線が長くなると、ゲート配線のインダクタンスが大きくなり、主回路スイッチングに伴うノイズがゲート制御配線に誘導しやすくなり、ＩＧＢＴのゲート制御信号に誤信号がのってＩＧＢＴを誤動作させる危険性が大きくなり、誤動作のタイミングによっては、上下アームＩＧＢＴを同時オンさせて、素子破壊し、電力変換器の機能が停止する場合がある。また、ゲート配線インダクタンスが大きいと、ゲート制御信号を鈍らせやすくなり、高速な制御を妨げることになる。スイッチング素子は近年性能向上のために高速化が図られており、ゲート制御も高速な動作が要求されつつあるため、充分にスイッチング素子の性能を活用できず、電力変換器としての性能も制限されてしまう。

一方、本発明によれば、図１にあるように、主回路を構成する平板状導体にゲート制御配線を通すための貫通穴を設けてあり、この貫通穴を経由することで、自己消弧型素子のゲート・エミッタ制御端子とゲートドライバの間のゲート制御配線を最短で結ぶことができる。この結果、ゲート制御配線の配線インダクタンスを小さくでき、主回路スイッチング素子のスイッチングノイズの誘導を小さくし、ゲート信号の誤動作が発生しにくいとともに、高速なゲート信号の伝達も妨げにくくなり、高速制御可能な主変換装置装置を実現する。

図６、７は、本発明の実施例２の電力変換装置を示す。図６は平面図を、図７はその側面図を示す。図１において、ＩＧＢＴ５に対し１８０回転した向きにあるＩＧＢＴ６の配置を、ＩＧＢＴ５と同じ向きとして配置した構造を有する。主回路構造がより単純となり、図１の実施例１において必要であった、交流側導体２と下アーム側ＩＧＢＴ６のエミッタ主端子５３を電気的に接続するために負側導体２に設けた貫通穴９が不要となるほか、下アーム側ＩＧＢＴ６についてはそのゲート・エミッタ端子２５が平板状導体で覆われないため、制御配線用の貫通穴は上アーム側ＩＧＢＴ５についてのみ設ければ良い。この場合についても、図１の実施例１同様、ゲート制御配線の短縮が図られ、同様な効果が実現できる。

本発明は、図１、図６に示した実施例１、実施例２に限定されるものでなく、これらの各実施例の中においても種々の変形が可能なのはもちろんである。
例えば、図１、図６の各実施例において、ゲート制御配線用の貫通穴４はゲート・エミッタ端子の直上に配置してあるが、必ずしもこのような配置とする必要はなく、平板状導体の幅に対して、ゲート・エミッタ端子とゲート制御配線が経由する貫通穴の距離が充分短ければ、本発明の効果は達成される。また、貫通穴４の大きさは概念的に判りやすいように大きく示してあるが、平板状導体との間で必要な電気絶縁が確保される範囲において充分小さくでき、主回路電流の流路への影響を最小限にできる。

主回路構成についても、上記の例であげたＩＧＢＴ素子２直列で構成される２レベル電力変換器に限定されず、ＩＧＢＴ素子４個直列で構成される３レベル電力変換器や、可制御電流を増やすためＩＧＢＴ素子を複数個並列で構成したものについても容易に拡張することができる。これらの例では主回路構造がより複雑化し、平板状導体の大きさも拡大するため、従来方式におけるゲート制御配線の迂回による配線長もさらに増加する。そのため、本発明による改善がより一層期待できる。

また、構成要素であるスイッチング素子についてもＩＧＢＴに限定されず、他の種々の自己消弧型素子を使用しても同様に適用できるほか、スイッチング素子の主端子構造も上記の実施形態に示した３端子に限定されることなく種々の主端子構造のものに適用できることはもちろんである。

また、製造上の種々の変形も可能であり、図２に示した平板状導体と端子スペーサは図のように個別に製造することのほか、互いに電気的に接続する平板状導体と端子スペーサをそれぞれ一体化して製造することも可能である。この場合でも、本発明による効果は同様に達せられる。

上記の各実施例は電力変換器の一相分の構造を取り出して示してある。従って、単相はもちろん、３相以上の多相の変換器においても適用することが可能である。

本発明の実施例１の電力変換装置を示す平面図である。図１の実施例１の側面図である。従来例の電力変換装置の例を示す平面図である。図１の実施例１に相当する回路図である。図１の実施例１における各平板状導体の平面形状を示す図である。本発明の実施例２の電力変換装置を示す平面図である。図６の実施例２の側面図である。

符号の説明

１正側導体（Ｐ）
２交流側導体（Ｍ）
３負側導体（Ｎ）
４導体貫通穴（ゲート制御配線用）
５上アーム側ＩＧＢＴモジュール
６下アーム側ＩＧＢＴモジュール
９導体貫通穴（主回路用）
１０ＩＧＢＴゲート制御配線
２５ＩＧＢＴ制御用ゲート・エミッタ端子
５０上アーム側ＩＧＢＴコレクタ主端子
５１上アーム側ＩＧＢＴエミッタ主端子
５２下アーム側ＩＧＢＴコレクタ主端子
５３下アーム側ＩＧＢＴエミッタ主端子
６０〜６３端子スペーサ
３０〜３１ゲートドライバ
７０ゲートドライバ固定板
１００放熱板
２００フィルタコンデンサ

Claims

自己消弧型のスイッチング素子、該スイッチング素子の主端子間および他の構成部品とを接続する平板状導体、該スイッチング素子を制御するゲートドライバ、とを具備する電力変換装置において、
該平板状導体の少なくとも１箇所以上に該平板状導体を貫通する穴を設け、該スイッチング素子を制御する信号線を該貫通穴に通してあることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
該貫通穴を該スイッチング素子の制御端子を含む平面に投影した少なくとも一部が、該平面上において、該制御端子を基点とし該制御端子と該平板状導体との距離で囲んだ領域内に含まれてあることを特徴とする電力変換装置。