JP2007089293A

JP2007089293A - 電力変換装置のスタック構造

Info

Publication number: JP2007089293A
Application number: JP2005274350A
Authority: JP
Inventors: Takaomi O; 啓臣王; Michio Tamate; 道雄玉手; Masaru Nakai; 勝中井
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】直流中間コンデンサと半導体デバイスをブスバーにより結線する場合の、配線インダクタンス値のアンバランスを回避する。
【解決手段】並列接続されている直流中間コンデンサ３ａ，３ｂと、電力変換装置の図示されない半導体デバイスとを接続するＰ側ブスバー７とＮ側ブスバー８のそれぞれに「Ｌ字形」のスリット９を形成することにより、半導体デバイスのプラス（またはマイナス）極から、直流中間コンデンサ３ａ，３ｂのプラス（またはマイナス）極までの距離の調整を可能とし、配線インダクタンス値を互いにバランスさせる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力用半導体デバイスを使用したＤＣ−ＡＣ（直流−交流）変換装置などの電力変換装置、特にそのスタック構造に関する。

図５にインバータ主回路の一般的な例を示す。１は交流電源回路、２はＡＣ−ＤＣ変換装置（コンバータ）、３はエネルギーを蓄積するための直流中間コンデンサ、４はＤＣ−ＡＣ変換装置（インバータ）、１０はモータなどの負荷である。
近年、電力変換装置の大型化（大電力化）に伴い、直流中間コンデンサを並列接続して使用する場合がある。このとき、スイッチング時における半導体デバイスのサージ電圧を低く抑制するために、半導体デバイスと直流中間コンデンサとを接続する導体板を、ラミネート構造にして配線インダクタンスを低減することが、例えば特許文献１に開示されている。

図６に直流中間コンデンサの接続構成例を、図７にその等価回路を示す。
図６はＤＣ−ＡＣ変換装置で直流中間コンデンサを、半導体デバイスの配列に対して縦（直角）方向に配置する場合を示しており、符号７は直流中間コンデンサ３ａ，３ｂのプラス（＋）極と接続するブスバー、８は同じくマイナス（−）極と接続するブスバーである。この場合、直流中間コンデンサ３ａ，３ｂのプラス（またはマイナス）極から、ＤＣ−ＡＣ変換装置の半導体デバイスのプラス（またはマイナス）極までの距離が異なり、配線インダクタンスが異なることになる。

すなわち、直流中間コンデンサ３ａの方が構造上半導体デバイスに近接していることから、図７の等価回路に示すように、半導体デバイスまでの配線インダクタンス５ａ，５ｂ（５ａ＋５ｂ＝Ｌａ＋Ｌｃ）に対し、６ａ，６ｂ（６ａ＋６ｂ＝Ｌａ＋Ｌｂ＋Ｌｃ＋Ｌｄ）の方が大きくなる。つまり、直流中間コンデンサ３ａ，３ｂの配置位置の関係から、配線インダクタンスにアンバランスが生じることになる。

特開２００４−１３５４４４号公報

上述のように、図６のようなスタック構造では、並列接続される直流中間コンデンサのプラス（またはマイナス）端子から、半導体デバイスのプラス（またはマイナス）端子までの配線インダクタンス値の相違が原因で、直流中間コンデンサ３ａ，３ｂに流れる電流にアンバランスが発生する。これにより、電流分担率が高い直流中間コンデンサには熱が発生し、最悪の場合は電流定格を超え、直流中間コンデンサが破壊するおそれを生じると云う問題がある。
したがって、この発明の課題は、直流中間コンデンサと半導体デバイスをブスバーにより結線する場合の、配線インダクタンス値のアンバランスを回避することにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、半導体デバイスを直流中間コンデンサとブスバーにより結線する電力変換装置のスタック構造において、
前記直流中間コンデンサを前記半導体デバイスに対して同じ方向にｎ（２以上の整数）個並列に接続するに当り、半導体デバイス側に最も近い第１の直流中間コンデンサと半導体デバイス間の電流経路、半導体デバイス側に２番目に近い第２の直流中間コンデンサと半導体デバイス間の電流経路、以下同様に、半導体デバイス側にｎ−１番目に近い第ｎ−１の直流中間コンデンサと半導体デバイス間の電流経路、の各距離が互いにほぼ等しくなるように、前記ブスバーにｎ−１個のスリットを形成することを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記スリットは「Ｌ字形」または「Ｕ字形」もしくは「Ｌ字形の組み合わせ」，「Ｕ字形の組み合わせ」のいずれかとすることができる（請求項２の発明）。

この発明によれば、電力変換装置の半導体デバイスに対し、直流中間コンデンサを縦（同じ）方向に並列接続するブスバーにスリットを形成することで、上記配線インダクタンス値のアンバランスを回避でき、並列接続される直流中間コンデンサに流れる電流がバランスし、その結果、直流中間コンデンサの過熱や破壊を防ぐことができる。

図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図で、直流中間コンデンサを２並列接続する場合の例である。図１（ａ）はＰ（プラス）側ブスバー、図１（ｂ）はＮ（マイナス）側ブスバーを示す。
図からも明らかなように、図６に示される従来例に対し、並列接続されている直流中間コンデンサ３ａ，３ｂと、電力変換装置の半導体デバイスとを接続するＰ側ブスバー７とＮ側ブスバー８のそれぞれに「Ｌ字形」のスリット９を形成した点が特徴である。これにより、半導体デバイスのプラス（またはマイナス）極から、直流中間コンデンサ３ａ，３ｂのプラス（またはマイナス）極までの距離の調整が可能となる。

つまり、図１（ａ）のＰ側ブスバー７では、半導体デバイスのプラス極から直流中間コンデンサ３ａのプラス極までのインダクタンス値ＬＰ１は、ＬＰ１＝Ｌ１＋Ｌ２であり、同じく直流中間コンデンサ３ｂのプラス極までのインダクタンス値ＬＰ２は、ＬＰ２＝Ｌ１＋Ｌ３である。従って、スリット９の長さを調整してＬ２＝Ｌ３とすれば、ＬＰ１＝ＬＰ２とすることができる。

同様に、図１（ｂ）のＮ側ブスバー８についても、半導体デバイスのプラス極から直流中間コンデンサ３ａのマイナス極までのインダクタンス値ＬＮ１は、ＬＮ１＝Ｌ１＋Ｌ２であり、同じく直流中間コンデンサ３ｂのマイナス極までのインダクタンス値ＬＮ２は、ＬＮ２＝Ｌ１＋Ｌ３である。従って、スリット９の長さを調整してＬ２＝Ｌ３とすれば、ＬＮ１＝ＬＮ２とすることができる。
以上により、並列接続直流中間コンデンサの配線インダクタンス値が等しくなり（ＬＰ１＋ＬＮ１＝ＬＰ２＋ＬＮ２）、電流バランス化を実現できる。

図２はこの発明の他の実施形態を示す構成図である。
図１との相違は、並列接続されている直流中間コンデンサ３ａ，３ｂと、電力変換装置の半導体デバイスとを接続するＰ側ブスバー７とＮ側ブスバー８のそれぞれに形成するスリット９を、「Ｌ字形」から「Ｕ字形」に形成した点にある。
図２（ａ）のＰ側ブスバー７でも、半導体デバイスのプラス極から直流中間コンデンサ３ａのプラス極までのインダクタンス値はＬＰ１＝Ｌ１＋Ｌ２であり、同じく直流中間コンデンサ３ｂのプラス極までのインダクタンス値はＬＰ２＝Ｌ１＋Ｌ３である。従って、スリット９の長さを調整してＬ２＝Ｌ３とすれば、ＬＰ１＝ＬＰ２とすることができる。
同様に、図２（ｂ）のＮ側ブスバー８にもスリットを入れることで、並列接続直流中間コンデンサの配線インダクタンス値が等しくなり、電流バランス化を実現できる。

図３は図１の変形例を示す構成図で、並列接続される直流中間コンデンサが３つの場合である。
これは、並列接続されている直流中間コンデンサ３ａ，３ｂと、電力変換装置の半導体デバイスとを接続するＰ側ブスバー７とＮ側ブスバー８のそれぞれに、２つの「Ｌ字形」のスリット９を形成した点が特徴である。このとき、第１のスリット９は図１と同様に形成し、第２のスリット９は、半導体デバイスから２番目に近い直流中間コンデンサ３ａ，３ｂの接続端子を囲むように形成する。

図４は図２の変形例を示す構成図で、並列接続される直流中間コンデンサが３つの場合である。
これは、並列接続されている直流中間コンデンサ３ａ，３ｂと、電力変換装置の半導体デバイスとを接続するＰ側ブスバー７とＮ側ブスバー８のそれぞれに、２つの「Ｕ字形」のスリット９を形成した点が特徴である。このとき、第１のスリット９は図１と同様に形成し、第２のスリット９を第１のスリット９内に収まるように、逆向きに形成する。

以上と同様にして、並列接続される直流中間コンデンサがｎ個の場合は、Ｕ（Ｌ）字形の第１のスリット内に第２のスリットを逆向きに、第２のスリット内に第３のスリットを逆向きに、以下同じく第ｎ−２のスリット内に第ｎ−１のスリットを逆向きに、それぞれ入れる。これにより、並列素子の配線インダクタンス値が等しくなり、電流バランスを図ることが可能となる。
以上では、主としてＤＣ−ＡＣ変換装置について説明したが、この発明は電力変換装置一般に用いることができる。

この発明の実施形態を示す構成図この発明の他の実施形態を示す構成図この発明のさらに他の実施形態を示す構成図この発明の別の実施形態を示す構成図一般的なインバータの構成図スタック構造の従来例を示す構成図図５の１相分の等価回路図

符号の説明

１…交流電圧回路、２…ＡＣ−ＤＣ変換装置、３，３ａ，３ｂ，３ｃ…直流中間コンデンサ、４…ＤＣ−ＡＣ変換装置、５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，Ｌ１〜Ｌ８，Ｌａ〜Ｌｄ…インダクタンス、７，８…ブスバー、９…スリット、１０…負荷。

Claims

半導体デバイスを直流中間コンデンサとブスバーにより結線する電力変換装置のスタック構造において、
前記直流中間コンデンサを前記半導体デバイスに対して同じ方向にｎ（２以上の整数）個並列に接続するに当り、半導体デバイス側に最も近い第１の直流中間コンデンサと半導体デバイス間の電流経路、半導体デバイス側に２番目に近い第２の直流中間コンデンサと半導体デバイス間の電流経路、以下同様に、半導体デバイス側にｎ−１番目に近い第ｎ−１の直流中間コンデンサと半導体デバイス間の電流経路、の各距離が互いにほぼ等しくなるように、前記ブスバーにｎ−１個のスリットを形成することを特徴とする電力変換装置のスタック構造。
前記スリットは「Ｌ字形」または「Ｕ字形」もしくは「Ｌ字形の組み合わせ」，「Ｕ字形の組み合わせ」のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置のスタック構造。