JP2002153078A - ３レベル電力変換装置 - Google Patents
３レベル電力変換装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ３レベル電力変換装置の小形軽量化。
【解決手段】 ３レベルインバータの４つの直列スイッ
チング素子１〜４と２つの結合ダイオード５，６からな
る素子群を一直線上に配置し、平滑コンデンサ７，８を
それらの接続端子９ｐ，１１ｐ及び１０ｎ，１１ｎが、
これらの素子群のうち結合ダイオード５，６に最も近い
位置にくるように配置する。 【効果】 ターンオフ直前，直後の２つの電流路の長さ
をバランスさせ、かつ、沿わせることで、ターンオフ時
の配線インダクタンスを低減し、サージ電圧を抑制し、
小形軽量化された３レベルインバータを提供する。
チング素子１〜４と２つの結合ダイオード５，６からな
る素子群を一直線上に配置し、平滑コンデンサ７，８を
それらの接続端子９ｐ，１１ｐ及び１０ｎ，１１ｎが、
これらの素子群のうち結合ダイオード５，６に最も近い
位置にくるように配置する。 【効果】 ターンオフ直前，直後の２つの電流路の長さ
をバランスさせ、かつ、沿わせることで、ターンオフ時
の配線インダクタンスを低減し、サージ電圧を抑制し、
小形軽量化された３レベルインバータを提供する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は，３レベル電力変換
装置の実装技術に係り，特に直流電圧源，スイッチング
素子間のインダクタンスの低減技術に関する。
装置の実装技術に係り，特に直流電圧源，スイッチング
素子間のインダクタンスの低減技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】直流電圧源とスイッチング素子とによっ
て構成され，直流と交流との間で電力の変換を行う電力
変換装置において、スイッチング素子がターンオフする
とき、直流電圧源とスイッチング素子間の配線インダク
タンスにサージ電圧が誘起され、スイッチング素子に印
加される。このため配線インダクタンスが大きいと、そ
れだけスイッチング素子の耐圧を高く設計しなければな
らない。
て構成され，直流と交流との間で電力の変換を行う電力
変換装置において、スイッチング素子がターンオフする
とき、直流電圧源とスイッチング素子間の配線インダク
タンスにサージ電圧が誘起され、スイッチング素子に印
加される。このため配線インダクタンスが大きいと、そ
れだけスイッチング素子の耐圧を高く設計しなければな
らない。
【０００３】配線のインダクタンスを低減するために，
電流の経路である導体をできるだけ幅広の平板状とし，
かつターンオフによって電流が変化する電流経路（以
下、転流経路と称する）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とすることが知
られている。これは，転流経路の往路と復路を流れる電
流によって発生する磁束を互いに相殺することで見かけ
上の磁束の変化すなわちインダクタンスを小さくできる
からである。ここで言うスイッチング素子の転流経路と
は、そのスイッチング素子がターンオフする瞬間に生じ
ている変換装置内の有電流路であって、そのスイッチン
グ素子のターンオフによって電流が変化させられること
でサージ電圧を発生する要因となるインダクタンスをも
つ電路である。具体的には後述する。
電流の経路である導体をできるだけ幅広の平板状とし，
かつターンオフによって電流が変化する電流経路（以
下、転流経路と称する）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とすることが知
られている。これは，転流経路の往路と復路を流れる電
流によって発生する磁束を互いに相殺することで見かけ
上の磁束の変化すなわちインダクタンスを小さくできる
からである。ここで言うスイッチング素子の転流経路と
は、そのスイッチング素子がターンオフする瞬間に生じ
ている変換装置内の有電流路であって、そのスイッチン
グ素子のターンオフによって電流が変化させられること
でサージ電圧を発生する要因となるインダクタンスをも
つ電路である。具体的には後述する。
【０００４】配線インダクタンスを低減する手段とし
て，たとえば特開平１１−８９２４９号公報には、直流
電圧源の正側アーム部は、前記直流電圧源に対して第２
のスイッチング素子を最も近く、第１のスイッチング素
子を最も遠く、第１の結合ダイオードを第１および第２
のスイッチング素子の中間にそれぞれ配置し、負側アー
ム部は、直流電圧源に対して第３のスイッチング素子を
最も近く、第４のスイッチング素子を最も遠く、第２の
結合ダイオードを第３および第４のスイッチング素子の
中間にそれぞれ配置することが開示されている。
て，たとえば特開平１１−８９２４９号公報には、直流
電圧源の正側アーム部は、前記直流電圧源に対して第２
のスイッチング素子を最も近く、第１のスイッチング素
子を最も遠く、第１の結合ダイオードを第１および第２
のスイッチング素子の中間にそれぞれ配置し、負側アー
ム部は、直流電圧源に対して第３のスイッチング素子を
最も近く、第４のスイッチング素子を最も遠く、第２の
結合ダイオードを第３および第４のスイッチング素子の
中間にそれぞれ配置することが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術にお
いては、まだ、スイッチング素子に加わるサージ電圧が
大きく、電力変換装置としての信頼性を確保するために
は、導体が大きくなり装置の小型軽量化が不充分であっ
た。
いては、まだ、スイッチング素子に加わるサージ電圧が
大きく、電力変換装置としての信頼性を確保するために
は、導体が大きくなり装置の小型軽量化が不充分であっ
た。
【０００６】本発明の目的は，３レベル電力変換装置に
おけるスイッチング素子のターンオフ時のサージ電圧を
抑制し，電力変換装置を小形軽量化することである。
おけるスイッチング素子のターンオフ時のサージ電圧を
抑制し，電力変換装置を小形軽量化することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】４つのスイッチング素子
がターンオフする時の転流経路は、種類として２通りが
考えられる。第１，第４のスイッチング素子の転流経路
と、第２，第３のスイッチング素子の転流経路である。
第１，第４のスイッチング素子の転流経路は比較的短
く、他方、第２，第３のスイッチング素子の転流経路は
比較的長くなる。したがって，第２，第３のスイッチン
グ素子に印加されるサージ電圧は、第１，第４のスイッ
チング素子に印加されるサージ電圧より大きくなる。
がターンオフする時の転流経路は、種類として２通りが
考えられる。第１，第４のスイッチング素子の転流経路
と、第２，第３のスイッチング素子の転流経路である。
第１，第４のスイッチング素子の転流経路は比較的短
く、他方、第２，第３のスイッチング素子の転流経路は
比較的長くなる。したがって，第２，第３のスイッチン
グ素子に印加されるサージ電圧は、第１，第４のスイッ
チング素子に印加されるサージ電圧より大きくなる。
【０００８】そこで、本発明はその一面において、物理
的に長くなる第２，第３のスイッチング素子の転流経路
における配線インダクタンスを低減するため、転流経路
をできるだけ短くするだけでなく、ターンオフするスイ
ッチング素子の電流が流れる第１の電流路と、この第１
の電流路の電流の減少に伴って電流が増大する第２の電
流路の配線を沿わせるように構成することを特徴とす
る。
的に長くなる第２，第３のスイッチング素子の転流経路
における配線インダクタンスを低減するため、転流経路
をできるだけ短くするだけでなく、ターンオフするスイ
ッチング素子の電流が流れる第１の電流路と、この第１
の電流路の電流の減少に伴って電流が増大する第２の電
流路の配線を沿わせるように構成することを特徴とす
る。
【０００９】これらの第１、第２の電流路を流れる電流
は、詳細を後述するように、転流時に僅かの時間的重な
りをもって一方が減少し他方が増大する。あるいは時間
的に重ならないで、瞬間的に一方が消滅し、他方が立上
がる。これら２つの電流路のインダクタンスを抑制する
ために、両者の配線を沿わせることが効果的である。
は、詳細を後述するように、転流時に僅かの時間的重な
りをもって一方が減少し他方が増大する。あるいは時間
的に重ならないで、瞬間的に一方が消滅し、他方が立上
がる。これら２つの電流路のインダクタンスを抑制する
ために、両者の配線を沿わせることが効果的である。
【００１０】本発明は他の一面において、前記第１、第
２の電流路の長さがほぼ同一となるように、直流電圧源
の接続端子を配置することを特徴とする。
２の電流路の長さがほぼ同一となるように、直流電圧源
の接続端子を配置することを特徴とする。
【００１１】これにより、両電流路がバランスして、互
いに相殺し合い、ターンオフ時のインダクタンスはより
小さく抑えられる。
いに相殺し合い、ターンオフ時のインダクタンスはより
小さく抑えられる。
【００１２】本発明の望ましい一実施態様においては、
平滑コンデンサ（単位電圧源）の接続端子を、直線状に
配列された素子群のうち、結合ダイオードに最も近くな
るように配置する。
平滑コンデンサ（単位電圧源）の接続端子を、直線状に
配列された素子群のうち、結合ダイオードに最も近くな
るように配置する。
【００１３】これによって、第２，第３のスイッチング
素子の転流経路における上記第１、第２の電流路がバラ
ンスし、また配線の重なり部分が生じてターンオフ時の
実質的なインダクタンスを小さく抑え、サージ電圧は小
さくなる。
素子の転流経路における上記第１、第２の電流路がバラ
ンスし、また配線の重なり部分が生じてターンオフ時の
実質的なインダクタンスを小さく抑え、サージ電圧は小
さくなる。
【００１４】本発明の他の一実施態様においては、直流
電圧源と直線状に配列された素子群とに挟まれるように
配置された２層の平板状の導体の間に、平板状の絶縁層
を設ける。
電圧源と直線状に配列された素子群とに挟まれるように
配置された２層の平板状の導体の間に、平板状の絶縁層
を設ける。
【００１５】これによって、２層の平板状の導体をより
接近して配置でき、さらに転流経路の短縮と、配線の重
なりを強めることができ、よりサージ電圧は小さくな
る。
接近して配置でき、さらに転流経路の短縮と、配線の重
なりを強めることができ、よりサージ電圧は小さくな
る。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
用いて説明する。
用いて説明する。
【００１７】図１は本発明の第１の実施例による３レベ
ル電力変換装置の１相分の側面図、図２は同じく１相分
の電気回路図、図３は同じく１相分の平面図である。こ
こでは，便宜上スイッチング素子としてＩＧＢＴを例に
とって説明するが，ＭＯＳＦＥＴ，バイポーラトランジ
スタなど，他のスイッチング素子を用いた場合も同様の
効果が得られる。ここで，各スイッチング素子の正側の
端子をコレクタ，負側の端子をエミッタと称する。
ル電力変換装置の１相分の側面図、図２は同じく１相分
の電気回路図、図３は同じく１相分の平面図である。こ
こでは，便宜上スイッチング素子としてＩＧＢＴを例に
とって説明するが，ＭＯＳＦＥＴ，バイポーラトランジ
スタなど，他のスイッチング素子を用いた場合も同様の
効果が得られる。ここで，各スイッチング素子の正側の
端子をコレクタ，負側の端子をエミッタと称する。
【００１８】図１〜３において，電力変換装置の一相分
は図２の電気回路を構成しており、直線状に並べられた
素子群と、直流電圧源を構成する第１，第２の単位電圧
源である平滑コンデンサとが、平板状の導体層を挟むよ
うに配置されている。
は図２の電気回路を構成しており、直線状に並べられた
素子群と、直流電圧源を構成する第１，第２の単位電圧
源である平滑コンデンサとが、平板状の導体層を挟むよ
うに配置されている。
【００１９】まず、素子群の構成から述べると、図１及
び図３に示すように、第１のスイッチング素子１，中間
電位導出用の第１の結合ダイオード５，第２のスイッチ
ング素子２，第３のスイッチング素子３，中間電位導出
用の第２の結合ダイオード６及び第４のスイッチング素
子４が、ほぼ直線上に並べて配置される。
び図３に示すように、第１のスイッチング素子１，中間
電位導出用の第１の結合ダイオード５，第２のスイッチ
ング素子２，第３のスイッチング素子３，中間電位導出
用の第２の結合ダイオード６及び第４のスイッチング素
子４が、ほぼ直線上に並べて配置される。
【００２０】次に，前記素子群の上側に、上下２層の平
板状の導体層が配置される。導体層の下層は，図３
（ｂ）に示すように、第１の中間電位導体１２，交流側
導体１３，第２の中間電位導体１４からなり，図１に示
すように，素子と平行となる平板状の部分は図３（ｃ）
の素子層の上側で同一平面内にある。導体層の上層は、
図３（ａ）に示すように、正極側導体９，第３の中間電
位導体１１，負極側導体１０からなり，図１から明らか
なように，素子群と平行となる平板状の部分は導体層下
層の上側に配置され、これら導体層の上層と下層は平行
の関係にある。
板状の導体層が配置される。導体層の下層は，図３
（ｂ）に示すように、第１の中間電位導体１２，交流側
導体１３，第２の中間電位導体１４からなり，図１に示
すように，素子と平行となる平板状の部分は図３（ｃ）
の素子層の上側で同一平面内にある。導体層の上層は、
図３（ａ）に示すように、正極側導体９，第３の中間電
位導体１１，負極側導体１０からなり，図１から明らか
なように，素子群と平行となる平板状の部分は導体層下
層の上側に配置され、これら導体層の上層と下層は平行
の関係にある。
【００２１】最後に、直流電圧源７，８が、この直流電
圧源と前記素子群とで前記導体層を挟むように配置され
ている。直流電圧源は、単位電圧源である第１，第２の
平滑コンデンサ７，８で構成されている。
圧源と前記素子群とで前記導体層を挟むように配置され
ている。直流電圧源は、単位電圧源である第１，第２の
平滑コンデンサ７，８で構成されている。
【００２２】この実施例においては、第１の単位電圧源
７の負極端子１１ｐを，前記素子群の中で第１の結合ダ
イオード５に最も近くなるように配置するとともに、前
記第２の単位電圧源８の正極端子１１ｎを前記素子群の
中で第２の結合ダイオード６に最も近くなるように配置
している。
７の負極端子１１ｐを，前記素子群の中で第１の結合ダ
イオード５に最も近くなるように配置するとともに、前
記第２の単位電圧源８の正極端子１１ｎを前記素子群の
中で第２の結合ダイオード６に最も近くなるように配置
している。
【００２３】次に，導体層による接続関係を述べる。導
体層下層から述べると，第１の中間電位導体１２は、第
１のスイッチング素子１のエミッタと第２のスイッチン
グ素子２のコレクタと第１の結合ダイオード５のカソー
ドを接続しており、図３（ｂ）に示すように、第１の結
合ダイオードのアノードと接続される第３の中間電位導
体１１との絶縁用の穴もしくは切り込み１５が設けてあ
る。交流側導体１３は、第２のスイッチング素子２のエ
ミッタと第３のスイッチング素子のコレクタを接続して
おり，任意の場所に交流出力端子（図示せず）を設けて
いる。第２の中間電位導体１４は、第３のスイッチング
素子３のエミッタと第４のスイッチング素子４のコレク
タ及び第２の結合ダイオードのアノードを接続するもの
であり、図３（ｂ）に示すように、第２の結合ダイオー
ドのカソードと接続される第３の中間電位導体１１との
絶縁用の穴または切り込み１６を設けている。
体層下層から述べると，第１の中間電位導体１２は、第
１のスイッチング素子１のエミッタと第２のスイッチン
グ素子２のコレクタと第１の結合ダイオード５のカソー
ドを接続しており、図３（ｂ）に示すように、第１の結
合ダイオードのアノードと接続される第３の中間電位導
体１１との絶縁用の穴もしくは切り込み１５が設けてあ
る。交流側導体１３は、第２のスイッチング素子２のエ
ミッタと第３のスイッチング素子のコレクタを接続して
おり，任意の場所に交流出力端子（図示せず）を設けて
いる。第２の中間電位導体１４は、第３のスイッチング
素子３のエミッタと第４のスイッチング素子４のコレク
タ及び第２の結合ダイオードのアノードを接続するもの
であり、図３（ｂ）に示すように、第２の結合ダイオー
ドのカソードと接続される第３の中間電位導体１１との
絶縁用の穴または切り込み１６を設けている。
【００２４】一方、導体層上層での接続は、正極側導体
９が，第１のスイッチング素子１のコレクタと第１の平
滑コンデンサ７の正極端子９ｐを接続している。負極側
導体１０は、第４のスイッチング素子４のエミッタと第
２の平滑コンデンサ８の負極端子１０ｎを接続してい
る。第３の中間電位導体１１は，第１のダイオード５の
アノードと第２のダイオード６のカソードを接続すると
ともに、第１の平滑コンデンサ７の負極端子１１ｐと第
２の平滑コンデンサ８の正極端子１１ｎに接続してい
る。
９が，第１のスイッチング素子１のコレクタと第１の平
滑コンデンサ７の正極端子９ｐを接続している。負極側
導体１０は、第４のスイッチング素子４のエミッタと第
２の平滑コンデンサ８の負極端子１０ｎを接続してい
る。第３の中間電位導体１１は，第１のダイオード５の
アノードと第２のダイオード６のカソードを接続すると
ともに、第１の平滑コンデンサ７の負極端子１１ｐと第
２の平滑コンデンサ８の正極端子１１ｎに接続してい
る。
【００２５】ここで，各スイッチング素子のコレクタ，
エミッタ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。また、各スイッチ
ング素子１〜４は，図２に示すように、電流をオンオフ
するスイッチング機能部と，これに逆並列接続された環
流ダイオード、すなわち交流回路に対するフリーホイー
ル機能部で構成される。
エミッタ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。また、各スイッチ
ング素子１〜４は，図２に示すように、電流をオンオフ
するスイッチング機能部と，これに逆並列接続された環
流ダイオード、すなわち交流回路に対するフリーホイー
ル機能部で構成される。
【００２６】さて、各スイッチング素子がターンオフす
る時の転流経路は、図４（ａ）〜（ｄ）に示した４経路
である。正側アームの第１のスイッチング素子１の転流
経路（ａ）と負側アームの第４のスイッチング素子４の
転流経路（ｄ）及び正側アームの第２のスイッチング素
子２の転流経路（ｂ）と負側アームの第３のスイッチン
グ素子３の転流経路（ｃ）は、それぞれ電気回路上，相
似の関係であり，物理的空間的にも相似の位置関係に配
置すれば、インダクタンスも同等となる。したがって，
転流経路の種類としては（ａ），（ｄ）と（ｂ），
（ｃ）の２通りを考えればよい。ここでは転流経路
（ａ）と（ｂ）について説明し、（ｃ）と（ｄ）につい
ては省略するが、全く同様に理解することができる。
る時の転流経路は、図４（ａ）〜（ｄ）に示した４経路
である。正側アームの第１のスイッチング素子１の転流
経路（ａ）と負側アームの第４のスイッチング素子４の
転流経路（ｄ）及び正側アームの第２のスイッチング素
子２の転流経路（ｂ）と負側アームの第３のスイッチン
グ素子３の転流経路（ｃ）は、それぞれ電気回路上，相
似の関係であり，物理的空間的にも相似の位置関係に配
置すれば、インダクタンスも同等となる。したがって，
転流経路の種類としては（ａ），（ｄ）と（ｂ），
（ｃ）の２通りを考えればよい。ここでは転流経路
（ａ）と（ｂ）について説明し、（ｃ）と（ｄ）につい
ては省略するが、全く同様に理解することができる。
【００２７】まず、転流経路（ａ）は、スイッチング素
子１がターンオフする瞬間に生じていた変換器内の有電
流路であって、スイッチング素子１のターンオフによっ
て電流が遮断させられることで高電圧を発生する要因と
なるインダクタンスをもつ電路である。スイッチング素
子１がオンしているときは必ずスイッチング素子２もオ
ンしており、「第２の平滑コンデンサ８の正極→結合ダ
イオード５→第２のスイッチング素子２→交流端子→交
流（負荷）回路→他相のスイッチング素子３，４→第２
の平滑コンデンサ８の負極」の経路でダイオード５が通
流している。したがって、その電流の大きさの範囲内で
はダイオード５は逆方向にも通流し得るので、図４
（ａ）に太線で示すように、スイッチング素子１のター
ンオフ時の転流経路は、「第１の平滑コンデンサ７の正
極→第１のスイッチング素子１→ダイオード５（逆方
向）→第１の平滑コンデンサ７の負極」の経路であり、
スイッチング素子１がターンオフするとき、この転流経
路の電流が遮断され、この経路のインダクタンスによっ
てサージ電圧が発生し、スイッチング素子１に印加され
る。
子１がターンオフする瞬間に生じていた変換器内の有電
流路であって、スイッチング素子１のターンオフによっ
て電流が遮断させられることで高電圧を発生する要因と
なるインダクタンスをもつ電路である。スイッチング素
子１がオンしているときは必ずスイッチング素子２もオ
ンしており、「第２の平滑コンデンサ８の正極→結合ダ
イオード５→第２のスイッチング素子２→交流端子→交
流（負荷）回路→他相のスイッチング素子３，４→第２
の平滑コンデンサ８の負極」の経路でダイオード５が通
流している。したがって、その電流の大きさの範囲内で
はダイオード５は逆方向にも通流し得るので、図４
（ａ）に太線で示すように、スイッチング素子１のター
ンオフ時の転流経路は、「第１の平滑コンデンサ７の正
極→第１のスイッチング素子１→ダイオード５（逆方
向）→第１の平滑コンデンサ７の負極」の経路であり、
スイッチング素子１がターンオフするとき、この転流経
路の電流が遮断され、この経路のインダクタンスによっ
てサージ電圧が発生し、スイッチング素子１に印加され
る。
【００２８】この転流経路（ａ）は比較的短く，配線イ
ンダクタンスも比較的小さいので、第１のスイッチング
素子１に印加されるサージ電圧は小さく問題はない。特
に、本実施例においては、図５に破線で示すように、転
流経路（ａ）は短くなる。
ンダクタンスも比較的小さいので、第１のスイッチング
素子１に印加されるサージ電圧は小さく問題はない。特
に、本実施例においては、図５に破線で示すように、転
流経路（ａ）は短くなる。
【００２９】次に、転流経路（ｂ）は、スイッチング素
子２がターンオフする瞬間（前後の短時間）に生じる変
換器内の有電流路であって、スイッチング素子２のター
ンオフによって電流が変化させられることでサージ電圧
を発生する要因となるインダクタンスをもつ電路であ
る。スイッチング素子２がターンオフするときは、第
３，第４のスイッチング素子３，４内のフリーホイルダ
イオードが「交流（負荷）回路→スイッチング素子４，
３の逆並列のダイオード→交流端子→交流（負荷）回
路」の経路で導通し得る状態にあるため、図４（ｂ）に
太線で示すように、「第２の平滑コンデンサ８の正極→
結合ダイオード５→第２のスイッチング素子２→第３，
第４のスイッチング素子３，４のフリーホイルダイオー
ド（逆方向）→第２の平滑コンデンサ８の負極」の経路
で電流が流れ得る。スイッチング素子２がターンオフす
るとき、この転流経路のインダクタンスによって高電圧
を発生し、スイッチング素子２に印加される。図６は、
この転流経路（ｂ）を破線で示す側面図である。
子２がターンオフする瞬間（前後の短時間）に生じる変
換器内の有電流路であって、スイッチング素子２のター
ンオフによって電流が変化させられることでサージ電圧
を発生する要因となるインダクタンスをもつ電路であ
る。スイッチング素子２がターンオフするときは、第
３，第４のスイッチング素子３，４内のフリーホイルダ
イオードが「交流（負荷）回路→スイッチング素子４，
３の逆並列のダイオード→交流端子→交流（負荷）回
路」の経路で導通し得る状態にあるため、図４（ｂ）に
太線で示すように、「第２の平滑コンデンサ８の正極→
結合ダイオード５→第２のスイッチング素子２→第３，
第４のスイッチング素子３，４のフリーホイルダイオー
ド（逆方向）→第２の平滑コンデンサ８の負極」の経路
で電流が流れ得る。スイッチング素子２がターンオフす
るとき、この転流経路のインダクタンスによって高電圧
を発生し、スイッチング素子２に印加される。図６は、
この転流経路（ｂ）を破線で示す側面図である。
【００３０】ここで、この転流経路（ｂ）の配線インダ
クタンスについて考える。この転流経路（ｂ）は図から
も明らかなように前記転流経路（ａ）に比べ比較的長く
ならざるを得ない。配線インダクタンスは経路の長さに
よって大きくなるため、転流経路をできる限り短く設計
しなければならない。更に、スイッチング素子２がター
ンオフする直前，直後の電流経路が如何に沿わされ（重
ねられ）ているかも重要である。３レベル電力変換装置
は、ＰＷＭ制御によって交流端子に、短時間に直流の３
レベルに電圧を切替え出力する。一方、交流負荷電流
は、負荷のインダクタンスを電流源としており、各スイ
ッチング素子のターンオフ時間のようなPWＭ制御のごく
短時間の出来事の間では殆ど変化しない。この交流負荷
電流の継続のためにフリーホイルダイオードが設けられ
ている。さて、スイッチング素子２がターンオフする直
前の交流負荷への電流Ｉ１は、「コンデンサ８の正極→
ダイオード５→スイッチング素子２→交流負荷→他の相
のスイッチング素子３，４→コンデンサ８の負極」の経
路で流れており、一方、スイッチング素子２がターンオ
フした直後の交流負荷の電流Ｉ２は、「交流負荷→他の
相のスイッチング素子３，４→スイッチング素子４，３
のフリーホイルダイオード→交流負荷」の経路で流れ
る。図７は、本実施例におけるこれらの電流Ｉ１，Ｉ２
を加筆した側面図である。電流Ｉ１が減少するのに合せ
て電流Ｉ２は増加し、あるいは、電流Ｉ１が消滅すると
同時に電流Ｉ２が立上がる関係にある。これらの電流が
図７の（ｅ）部で重なり合って同方向に流れることで、
ターンオフの瞬間における実質的なインダクタンスを減
少させることができる。すなわち、この部分において
は、一方の増大（立上り）と他方の減少（消滅）とが重
なり合って、トータルの電流変化ｄＩ／ｄｔが小さくな
り、実質的なインダクタンスが小さくなるのである。こ
の結果、スイッチング素子２に印加されるサージ電圧を
小さく抑制することができる。スイッチング素子３につ
いても全く同様である。実験によれば、先に述べた公報
に記載された従来技術に比べ、スイッチング素子２，３
へのサージ電圧の大きさを２０％低減することができ
た。
クタンスについて考える。この転流経路（ｂ）は図から
も明らかなように前記転流経路（ａ）に比べ比較的長く
ならざるを得ない。配線インダクタンスは経路の長さに
よって大きくなるため、転流経路をできる限り短く設計
しなければならない。更に、スイッチング素子２がター
ンオフする直前，直後の電流経路が如何に沿わされ（重
ねられ）ているかも重要である。３レベル電力変換装置
は、ＰＷＭ制御によって交流端子に、短時間に直流の３
レベルに電圧を切替え出力する。一方、交流負荷電流
は、負荷のインダクタンスを電流源としており、各スイ
ッチング素子のターンオフ時間のようなPWＭ制御のごく
短時間の出来事の間では殆ど変化しない。この交流負荷
電流の継続のためにフリーホイルダイオードが設けられ
ている。さて、スイッチング素子２がターンオフする直
前の交流負荷への電流Ｉ１は、「コンデンサ８の正極→
ダイオード５→スイッチング素子２→交流負荷→他の相
のスイッチング素子３，４→コンデンサ８の負極」の経
路で流れており、一方、スイッチング素子２がターンオ
フした直後の交流負荷の電流Ｉ２は、「交流負荷→他の
相のスイッチング素子３，４→スイッチング素子４，３
のフリーホイルダイオード→交流負荷」の経路で流れ
る。図７は、本実施例におけるこれらの電流Ｉ１，Ｉ２
を加筆した側面図である。電流Ｉ１が減少するのに合せ
て電流Ｉ２は増加し、あるいは、電流Ｉ１が消滅すると
同時に電流Ｉ２が立上がる関係にある。これらの電流が
図７の（ｅ）部で重なり合って同方向に流れることで、
ターンオフの瞬間における実質的なインダクタンスを減
少させることができる。すなわち、この部分において
は、一方の増大（立上り）と他方の減少（消滅）とが重
なり合って、トータルの電流変化ｄＩ／ｄｔが小さくな
り、実質的なインダクタンスが小さくなるのである。こ
の結果、スイッチング素子２に印加されるサージ電圧を
小さく抑制することができる。スイッチング素子３につ
いても全く同様である。実験によれば、先に述べた公報
に記載された従来技術に比べ、スイッチング素子２，３
へのサージ電圧の大きさを２０％低減することができ
た。
【００３１】このように、本実施態様においては、スイ
ッチング素子がターンオフする時の（ａ），（ｂ）の２
種類の転流経路のうち、特に，転流経路が長く配線イン
ダクタンスが大きくなる転流経路（ｂ）の配線インダク
タンスを低減するため、第１の直流電圧源としての平滑
コンデンサ７は、その負極端子１１ｐが，第１の結合ダ
イオード５に最も近くなるように配置され，他方，第２
の直流電圧源としての平滑コンデンサ８は、その正極端
子１１ｎが，第２の結合ダイオード６に最も近くなるよ
うに配置される。すなわち、導体層の一個所の表裏に、
その一方に第１の直流電圧源の負極端子１１ｐがあり，
その他方に第１の結合ダイオード５のアノード端子が存
在するという位置関係である。同様に、導体層のもうひ
とつの個所の表裏に、その一方に第２の直流電圧源の正
極端子１１ｎがあり，その他方に第２の結合ダイオード
６のカソード端子が存在する。
ッチング素子がターンオフする時の（ａ），（ｂ）の２
種類の転流経路のうち、特に，転流経路が長く配線イン
ダクタンスが大きくなる転流経路（ｂ）の配線インダク
タンスを低減するため、第１の直流電圧源としての平滑
コンデンサ７は、その負極端子１１ｐが，第１の結合ダ
イオード５に最も近くなるように配置され，他方，第２
の直流電圧源としての平滑コンデンサ８は、その正極端
子１１ｎが，第２の結合ダイオード６に最も近くなるよ
うに配置される。すなわち、導体層の一個所の表裏に、
その一方に第１の直流電圧源の負極端子１１ｐがあり，
その他方に第１の結合ダイオード５のアノード端子が存
在するという位置関係である。同様に、導体層のもうひ
とつの個所の表裏に、その一方に第２の直流電圧源の正
極端子１１ｎがあり，その他方に第２の結合ダイオード
６のカソード端子が存在する。
【００３２】このようにして、第２のスイッチング素子
２のターンオフ直前に前記交流端子に向って電流Ｉ１が
流れる第１の電流路と、前記第２のスイッチング素子２
のターンオフ直後に前記交流端子に向って電流Ｉ２が流
れる第２の電流路とを、ほぼ同一の長さとする位置（こ
の実施例では結合ダイオード５，６に近接する位置）に
それぞれ前記第１，第２の単位電圧源７及び８の接続端
子９ｐ、１１ｐ及び１０ｎ，１１ｎを配置するととも
に、前記第１，第２の電流路を（ｅ）部で互いに沿わせ
て配置するのである。
２のターンオフ直前に前記交流端子に向って電流Ｉ１が
流れる第１の電流路と、前記第２のスイッチング素子２
のターンオフ直後に前記交流端子に向って電流Ｉ２が流
れる第２の電流路とを、ほぼ同一の長さとする位置（こ
の実施例では結合ダイオード５，６に近接する位置）に
それぞれ前記第１，第２の単位電圧源７及び８の接続端
子９ｐ、１１ｐ及び１０ｎ，１１ｎを配置するととも
に、前記第１，第２の電流路を（ｅ）部で互いに沿わせ
て配置するのである。
【００３３】図８は，本発明の第２の実施形態を示す側
面図である。図１〜７の構成に加え，導体層の上層と下
層との間に絶縁層１７を設けたものである。絶縁層１７
は例えば絶縁材料でできた平板であり，第１及び第２の
中間電位導体の絶縁確保用の穴または切り込みに合わせ
て穴または切り込みが設けられている。絶縁層を設ける
ことにより，導体層の上層と下層の距離を近くすること
が可能となり，相互誘導をさらに強めることができるの
で，さらにインダクタンスを低減可能である。絶縁層は
上層，下層のどちらか一方または両方に接触していても
構わない。
面図である。図１〜７の構成に加え，導体層の上層と下
層との間に絶縁層１７を設けたものである。絶縁層１７
は例えば絶縁材料でできた平板であり，第１及び第２の
中間電位導体の絶縁確保用の穴または切り込みに合わせ
て穴または切り込みが設けられている。絶縁層を設ける
ことにより，導体層の上層と下層の距離を近くすること
が可能となり，相互誘導をさらに強めることができるの
で，さらにインダクタンスを低減可能である。絶縁層は
上層，下層のどちらか一方または両方に接触していても
構わない。
【００３４】図９は，本発明の第３の実施形態の平面図
であり、上層、下層の導体層及び素子層を示している。
この実施の形態は，第１の実施形態において，各スイッ
チング素子１〜４及びダイオード５，６をそれぞれ２つ
ずつ並列に接続し、電流容量を２倍としたものである。
この場合にも、上記実施例と同様の効果を奏する。主回
路構成は前述した特開平１１−８９２４９号公報の図１
８と同一となる。
であり、上層、下層の導体層及び素子層を示している。
この実施の形態は，第１の実施形態において，各スイッ
チング素子１〜４及びダイオード５，６をそれぞれ２つ
ずつ並列に接続し、電流容量を２倍としたものである。
この場合にも、上記実施例と同様の効果を奏する。主回
路構成は前述した特開平１１−８９２４９号公報の図１
８と同一となる。
【００３５】
【発明の効果】本発明によれば、スイッチング素子のタ
ーンオフ時のサージ電圧を抑制でき、小形軽量化された
３レベル電力変換装置を提供することができる。
ーンオフ時のサージ電圧を抑制でき、小形軽量化された
３レベル電力変換装置を提供することができる。
【図１】本発明の一実施例による３レベル電力変換装置
の１相分の側面図である。
の１相分の側面図である。
【図２】本発明の一実施例による３レベル電力変換装置
の１相分の電気回路図である。
の１相分の電気回路図である。
【図３】本発明の一実施例による３レベル電力変換装置
の１相分の平面図である。
の１相分の平面図である。
【図４】本発明の一実施例による４種の転流経路を示し
た電気回路図である。
た電気回路図である。
【図５】本発明の一実施例による転流経路（ａ）を加筆
した側面図である。
した側面図である。
【図６】本発明の一実施例による転流経路（ｂ）を加筆
した側面図である。
した側面図である。
【図７】本発明の一実施例による転流経路（ｂ）の電流
路を加筆した側面図である。
路を加筆した側面図である。
【図８】絶縁層を付加した本発明の他の実施例の側面図
である。
である。
【図９】並列接続した本発明の他の実施例の平面図であ
る。
る。
１…第１のスイッチング素子、２…第２のスイッチング
素子、３…第３のスイッチング素子、４…第４のスイッ
チング素子、５…第１の結合ダイオード、６…第２の結
合ダイオード、７，８…第１，第２の単位電圧源（平滑
コンデンサ）、９〜１４…平板状導体、１７…絶縁層、
９ｐ，１１ｐ…第１の単位電圧源の接続端子、１０ｎ，
１１ｎ…第２の単位電圧源の接続端子。
素子、３…第３のスイッチング素子、４…第４のスイッ
チング素子、５…第１の結合ダイオード、６…第２の結
合ダイオード、７，８…第１，第２の単位電圧源（平滑
コンデンサ）、９〜１４…平板状導体、１７…絶縁層、
９ｐ，１１ｐ…第１の単位電圧源の接続端子、１０ｎ，
１１ｎ…第２の単位電圧源の接続端子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 仲田 清 茨城県ひたちなか市市毛1070番地 株式会 社日立製作所交通システム事業部水戸交通 システム本部内 (72)発明者 小柳 阿佐子 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 Ｆターム(参考） 5H007 AA06 CA01 CB05 CC04 CC06 CC14 FA01 FA13 HA03
Claims (8)
- 【請求項１】直列接続された第１，第２の単位電圧源を
含み，３つの直流電圧レベルの３端子を有する直流電圧
源と、前記第１の単位電圧源の正極端子と交流端子との
間に直列接続された第１，第２のスイッチング素子と、
その直列接続点と前記第１，第２の単位電圧源の直列接
続点との間に接続された第１の結合ダイオードと、前記
交流端子と前記第２の単位電圧源の負極端子との間に直
列接続された第３，第４のスイッチング素子と、その直
列接続点と前記第１，第２の単位電圧源の直列接続点と
の間に接続された第２の結合ダイオードと、前記第１の
スイッチング素子，第１の結合ダイオード，第２のスイ
ッチング素子，第３のスイッチング素子，第２の結合ダ
イオード及び第４のスイッチング素子の順に一列に配置
した素子群と、この素子群と前記直流電圧源とに挟まれ
るように配置され，前記の電気接続を担う平板状の導体
とを備え、前記交流端子に３つの電圧レベルを出力する
３レベル電力変換装置において、前記第１の単位電圧源
の負極端子を，前記素子群の中で第１の結合ダイオード
に最も近くなるように配置するとともに、前記第２の単
位電圧源の正極端子を前記素子群の中で第２の結合ダイ
オードに最も近くなるように配置したことを特徴とする
３レベル電力変換装置。 - 【請求項２】直列接続された第１，第２の単位電圧源を
含み，３つの直流電圧レベルの３端子を有する直流電圧
源と、前記第１の単位電圧源の正極端子と交流端子との
間に直列接続された第１，第２のスイッチング素子と、
その直列接続点と前記第１，第２の単位電圧源の直列接
続点との間に接続された第１の結合ダイオードと、前記
交流端子と前記第２の単位電圧源の負極端子との間に直
列接続された第３，第４のスイッチング素子と、その直
列接続点と前記第１，第２の単位電圧源の直列接続点と
の間に接続された第２の結合ダイオードと、前記第１の
スイッチング素子，第１の結合ダイオード，第２のスイ
ッチング素子，第３のスイッチング素子，第２の結合ダ
イオード及び第４のスイッチング素子の順に一列に配置
した素子群と、この素子群と前記直流電圧源とに挟まれ
るように配置され，前記の電気接続を担う平板状の導体
とを備え、前記交流端子に３つの電圧レベルを出力する
３レベル電力変換装置において、前記導体層の略同一個
所の表裏の一方に第１の単位電圧源の負極端子を配置
し，その他方に第１の結合ダイオードのアノード端子を
配置し、導体層のもうひとつの略同一個所の表裏の一方
に第２の単位電圧源の正極端子を配置し，その他方に第
２の結合ダイオードのカソード端子を配置したことを特
徴とする３レベル電力変換装置。 - 【請求項３】直列接続された第１，第２の単位電圧源を
含み，３つの直流電圧レベルの３端子を有する直流電圧
源と、前記第１の単位電圧源の正極端子と交流端子との
間に直列接続された第１，第２のスイッチング素子と、
前記交流端子と前記第２の単位電圧源の負極端子との間
に直列接続された第３，第４のスイッチング素子と、前
記第１〜第４のスイッチング素子を一列に配置した素子
群と、この素子群と前記直流電圧源とに挟まれるように
配置され，前記の電気接続を担う平板状の導体とを備
え、前記交流端子に３つの電圧レベルを出力する３レベ
ル電力変換装置において、前記第２のスイッチング素子
のターンオフ直前の電流が流れる平板状導体と、前記第
２のスイッチング素子のターンオフ直後の電流が流れる
平板状導体とを沿わせて配置するとともに、前記第３の
スイッチング素子のターンオフ直前の電流が流れる平板
状導体と、前記第３のスイッチング素子のターンオフ直
後の電流が流れる平板状導体とを沿わせて配置したこと
を特徴とする３レベル電力変換装置。 - 【請求項４】直列接続された第１，第２の単位電圧源を
含み，３つの直流電圧レベルの３端子を有する直流電圧
源と、前記第１の単位電圧源の正極端子と交流端子との
間に直列接続された第１，第２のスイッチング素子と、
前記交流端子と前記第２の単位電圧源の負極端子との間
に直列接続された第３，第４のスイッチング素子と、前
記第１〜第４のスイッチング素子を一列に配置した素子
群と、この素子群と前記直流電圧源とに挟まれるように
配置され，前記の電気接続を担う平板状の導体とを備
え、前記交流端子に３つの電圧レベルを出力する３レベ
ル電力変換装置において、前記第２のスイッチング素子
のターンオフ直前に前記交流端子に向って電流が流れる
電流路と、前記第２のスイッチング素子のターンオフ直
後に前記交流端子に向って電流が流れる電流路とを、ほ
ぼ同一の長さとする位置に前記第１，第２の単位電圧源
の接続端子を配置したことを特徴とする３レベル電力変
換装置。 - 【請求項５】直列接続された第１，第２の単位電圧源を
含み，３つの直流電圧レベルの３端子を有する直流電圧
源と、前記第１の単位電圧源の正極端子と交流端子との
間に直列接続された第１，第２のスイッチング素子と、
前記交流端子と前記第２の単位電圧源の負極端子との間
に直列接続された第３，第４のスイッチング素子と、前
記第１〜第４のスイッチング素子を一列に配置した素子
群と、この素子群と前記直流電圧源とに挟まれるように
配置され，前記の電気接続を担う平板状の導体とを備
え、前記交流端子に３つの電圧レベルを出力する３レベ
ル電力変換装置において、前記第２のスイッチング素子
のターンオフ直前に前記交流端子に向って電流が流れる
第１の電流路と、前記第２のスイッチング素子のターン
オフ直後に前記交流端子に向って電流が流れる第２の電
流路とを、ほぼ同一の長さとする位置に前記第１，第２
の単位電圧源の接続端子を配置するとともに、前記第
１，第２の電流路の一部を互いに沿わせて配置したこと
を特徴とする３レベル電力変換装置。 - 【請求項６】請求項１〜５のうちのいずれかにおいて、
下記（１）と（２）との間に挟まれるように平板状の絶
縁層を設けたことを特徴とする３レベル電力変換装置。 （１）第１の単位電圧源の正極端子と第１のスイッチン
グ素子とを接続する平板状の導体，第２の単位電圧源の
負極端子と第４のスイッチング素子とを接続する平板状
の導体及び第１，第２の単位電圧源を接続する平板状の
導体。 （２）第１と第２のスイッチング素子を接続する平板状
の導体，第２と第３のスイッチング素子を接続する平板
状の導体及び第３と第４のスイッチング素子を接続する
平板状の導体。 - 【請求項７】請求項１、２又は６のいずれかにおいて、
第１〜第４のスイッチング素子及び第１及び第２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８】請求項１〜７のいずれかにおいて、前記第
１及び第２の単位電圧源はそれぞれ第１及び第２のコン
デンサを備えたことを特徴とする３レベル電力変換装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000342023A JP3637276B2 (ja) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | ３レベル電力変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000342023A JP3637276B2 (ja) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | ３レベル電力変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002153078A true JP2002153078A (ja) | 2002-05-24 |
| JP3637276B2 JP3637276B2 (ja) | 2005-04-13 |
Family
ID=18816656
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000342023A Expired - Lifetime JP3637276B2 (ja) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | ３レベル電力変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3637276B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| CN100403644C (zh) * | 2003-12-15 | 2008-07-16 | 株式会社东芝 | 功率变换器 |
| JP2010200525A (ja) * | 2009-02-26 | 2010-09-09 | Fuji Electric Systems Co Ltd | ３レベルインバータ回路 |
| JP2011078194A (ja) * | 2009-09-30 | 2011-04-14 | Mitsubishi Electric Corp | 電子回路装置 |
| US8111530B2 (en) | 2006-12-20 | 2012-02-07 | Mitsubishi Electric Corporation | 3-level power converter |
| JP2013090427A (ja) * | 2011-10-18 | 2013-05-13 | Hitachi Ltd | 電力変換装置 |
| JP2013192375A (ja) * | 2012-03-14 | 2013-09-26 | Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp | ３レベル電力変換器 |
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| JP2015223019A (ja) * | 2014-05-22 | 2015-12-10 | 富士電機株式会社 | 直列接続コンデンサの配置配線構造 |
| WO2016031295A1 (ja) * | 2014-08-26 | 2016-03-03 | 富士電機株式会社 | ３レベル電力変換装置 |
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|---|---|---|---|---|
| JP6098207B2 (ja) * | 2013-02-13 | 2017-03-22 | 富士電機株式会社 | 電力変換装置 |
-
2000
- 2000-11-09 JP JP2000342023A patent/JP3637276B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| WO2016031295A1 (ja) * | 2014-08-26 | 2016-03-03 | 富士電機株式会社 | ３レベル電力変換装置 |
| JPWO2016031295A1 (ja) * | 2014-08-26 | 2017-04-27 | 富士電機株式会社 | ３レベル電力変換装置 |
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