JP3660480B2 - 電力変換装置の配線構造 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換装置の配線構造に係わり、特に、高電圧が印加される配線間の部分放電を防止した電力変換装置の配線構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、圧延機の誘導電動機の駆動等にGTO(ゲートターンオフサイリスタ)インバータが用いられている。このインバータとして、3レベルインバータが用いられるが、図6にその1相分のインバータの回路例を示す。
【0003】
図において、1〜4はGTO、5〜8はフリーホイールダイオード、9,10はアノードリアクトル、11〜14はスナバダイオード、15〜18はスナバコンデンサ、19〜22は電圧クランプ回路のダイオード、23,24は3レベル用のクランプダイオード、25〜28は電圧クランプ回路コンデンサ、29,30は電源コンデンサ、31,32は直流電源、33,34はエネルギー回生回路、35は抵抗、36は出力端子である。
【0004】
この回路には、各GTO1〜4のターンオフ時のサージ電圧を抑制してGTOの破壊を防止するためのダイオード11〜14とコンデンサ15〜18からなるスナバ回路が接続されている。
【0005】
このスナバ回路の動作をGTO1がターンオフする時について説明する。
【0006】
GTO1がターンオンした時、GTO1に流れる電流経路は、直流電源31−アノ−ドリアクトル9−GTO1−GTO2−出力端子36−負荷−直流電源32である。この状態でGTO1がターンオフすると、GTO1の電流が減少するとともに減少した分の電流がスナバダイオード11とスナバダイオード15の経路に流れる。GTO1の電流が零になった後もアノードリアクトル9に蓄積したエネルギーによってスナバコンデンサ15が充電されるので、スナバコンデンサ15の電圧は直流電源31より過大になり、その電圧がGTO1に印加されることになる。他のGTO2〜4のターンオフ時も、GTO1と同様に動作する。
【0007】
図7はターンオフする時のGTO1〜4の電流波形と電圧波形を示したものである。
【0008】
GTO1〜4の電流が減少する時には、図示するように、スパイク状の電圧がGTO1〜4の両端に印加される。この電圧の波高値をVdspとし、GTO1〜4の電流変化率di/dt、スナバ回路の配線インダクタンスls、スナバダイオード11〜14の電圧Vds、スナバコンデンサ15〜18の電圧Vcsとすると、以下の関係式が得られる。
【0009】
Vdsp=ls×di/dt+Vds+Vcs
GTO1〜4の電圧のVdspが大きくなりすぎるとスイッチングパワーでGTO1〜4が破壊しGTOの性能が出せなくなることが知られている。このため、上式から解るように、スナバ回路の配線インダクタンスlsを可能な限り小さくすることが重要である。
【0010】
図8はGTO1〜4のスナバ回路の配線インダクタンスlsを小さくするための原理を説明する図である。
【0011】
図示するように、スナバダイオード11からスナバコンデンサ15に至る配線としての導体Aとスナバコンデンサ15からGTO1に至る配線としての導体Bとを近接して平行に配置し、導体Aと導体Bの間に固体絶縁物Cを配置する。その結果、スナバ回路に流れる電流、即ち導体Aと導体Bに流れる電流iを、そのの大きさが同じで、互いに逆向きに流すことによって、両方の電流iによって発生する磁束を互いに打ち消して、導体Aと導体Bの配線インダクタンスを小さくすることができる。
【0012】
次に、従来のスナバ回路の配線構造の一例について説明する。
【0013】
図9(a)は導体A、導体Bおよび絶縁物Cからなる配線構造を示す一部平面図、図9(b)は図9(a)に示す配線構造の断面図である。
【0014】
これらの図に示すように、導体A,Bの幅より絶縁物Cの幅を大きくとっている。このように構成することにより、導体A,B間に高電圧が印加された時、絶縁物Cの表面を介して放電する沿面放電を防止することができる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の配線構造では、配線インダクタンスを軽減するために、絶縁物を介在して導体を近接配置するため、GTOがターンオフし導体間に大きな電圧、例えば、数千ボルトに及ぶ高電圧が印加されると、絶縁物の中で部分的な放電が発生し、絶縁物中に局部的な絶縁劣化が進み、ついには絶縁破壊に至ることがある。また、沿面放電を防止するために、導体A,Bの幅より絶縁物Cの幅を大きくとらなければならない等の問題がある。
【0016】
本発明は、上記従来の種々の問題点に鑑みて、絶縁物中の部分放電を防止して絶縁物の劣化を防止すると共に、簡単な構造で導体間の沿面距離を長くとることを可能にした電力変換装置の配線構造を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
負荷電流を制御する半導体スイッチグ素子のオン・オフ制御に伴い、電流の大きさが等しく互いに反対方向に流れる2つの配線導体を絶縁物を介して近接配置した電力変換装置の配線構造において、
前記絶縁物は、前記各配線導体に接する狭小部と前記配線導体に前記狭小部を介して接する幅広部とから構成され、前記各配線導体に接する狭小部は配線導体より幅狭く構成し、前記幅広部の前記狭小部に接しない部分は配線導体より幅広に構成し、かつ前記幅広部の前記狭小部を介して配線導体に接する部分は前記各配線導体に接する各狭小部の中間に配置したことを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施形態を図1を用いて説明する。
【0023】
図1(a)は、図8に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図、図1(b)は図1(a)に示す配線構造の断面図である。
【0024】
Aは、図8に示すスナバダイオード11からスナバコンデンサ15に至る配線としての導体、Bはスナバコンデンサ15からGTO1に至る配線としての導体、Cは近接して平行して配置された導体Aと導体Bの間に配置される固体絶縁物である。
【0025】
この固体絶縁物Cは、図示するように、導体A,Bより幅広に構成される幅広部c2と、この幅広部c2と一体に構成され、導体Aより幅狭く形成され導体Aと接触する狭小部c1、および導体Bより幅狭く形成され導体Bと接触する狭小部c3とから構成される。なお、狭小部c1,c3,および拡大部c2の厚さは、任意に設定できるが、本実施形態では、ほぼ同一厚さに形成している。
【0026】
上記のごとく、本実施形態によれば、固体絶縁物Cをこのように構成することにより、導体Aから導体Bに至る固体絶縁物C上の沿面距離を、従来例に示した同じ幅広の絶縁物に比べて長くすることができ、GTOがターンオフし導体A,B間に高電圧が印加されても、沿面放電を十分防止できる。また、固体絶縁物Cは、導体Aと導体Bとの間は、狭小部c1,c3を介して接触するように構成したので、この狭小部での部分放電を従来のものより少なくすることができる。さらにまた、導体A,Bの端部における電界強度を弱めることができ、端部からの部分放電を防止することができる。
【0027】
次に、本発明の第2の実施形態を図2を用いて説明する。
【0028】
図2(a)は、図8に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図、図2(b)は図2(a)に示す配線構造の断面図である。
【0029】
本実施形態は、第1の実施形態と比べて、第1の実施形態に示す固体絶縁物Cの狭小部c1,c3が幅広部c2と一体に構成されていたのに対して、本実施形態では、狭小部c1,c3および幅広部c2をそれぞれ別体に構成した点で相違し、その他の構成は相違しない。
【0030】
本実施形態では、第1の実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、重ね合わせる固体絶縁物の枚数を任意に設定でき、その結果、狭小部c1,c2および幅広部c2の厚さ、幅をそれぞれ独立して設定することができる。
【0031】
次に、本発明の第3の実施形態を図3を用いて説明する。
【0032】
図3(a)は、図8に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図、図3(b)は図3(a)に示す配線構造の一部側面図である。
【0033】
本実施形態は、第1,第2の実施形態と比べて、第1,第2の実施形態に示す固体絶縁物Cの狭小部c1,c3が幅広部c2と同様に、長さ方向に連続して設けられていたのに対して、本実施形態では、狭小部c1および狭小部c3が、それぞれ導体Aと幅広部c2および導体Bと幅広部c2との間に長さ方向に所定の間隔を置いて点在するように配置されている点で相違し、その他の構成は相違しない。
【0034】
本実施形態では、第1、第2の実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、配線構造の強度、ターンオフ時に印加される高電圧の大きさを考慮して、狭小部c1,c3の配置、個数等を任意に設定することができる。
【0035】
次に、本発明の第4の実施形態を図4を用いて説明する。
【0036】
図4(a)は、図8に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図、図4(b)は図4(a)に示す配線構造の断面図である。
【0037】
本実施形態は、第3の実施形態と比べて、導体Aの固体絶縁物Cが配置される側とは反対側の面に、図8に示すスナバダイオード11(12〜14)のカソード電極を重ねて接続した点で相違し、その他の構成は相違しない。なお、Hはスナバダイーオード11(12〜14)の放熱のために設けられるヒートシンクである。
【0038】
本実施形態によれば、第3の実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、スナバダイオード11(12〜14)と導体Aとを直結するように構成したので、配線構造をコンパクトに構成できるとともに、配線インダクタンスを軽減することができる。
【0039】
さらに、本実施形態によれば、このようにして構成された配線構造ユニットを4個のスナバダイオード11〜14に相当する4段分をネジで共締めすることにより一体化する。このように構成することにより、複数のスナバ回路をコンパクトに構成できる。
【0040】
次に、本発明の第5の実施形態を図5を用いて説明する。
【0041】
図5は、図8に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部断面図である。
【0042】
本実施形態は、第3の実施形態と比べて、導体A,Bの長さ方向の端部に接続されるスナバコンデンサ15を接続するに当たって、固体絶縁物Cの幅広部c2の長さ方向の長さを、導体A,Bの前記端部より長くした点で相違し、その他の構成は相違しない。
【0043】
本実施形態は、第3の実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、スナバコンデンサ15の端子間の沿面距離を長くでき、沿面放電を防止できる。
【0044】
なお、上記の各実施形態では、GTOインバータのスナバ回路のインダクタンスを低減するための導体と絶縁物との配置構造について説明したが、スナバ回路以外でも、例えば、図6のインバータ回路において、電源31からアノードリアクトル9間の配線と電源32からアノードリアクトル10間の配線間のように、電流の大きさが同じで、流れる方向が反対であるような配線構造においても、上記各実施形態を適用できることはいうまでもない。また、スイッチング素子としてGTOについて説明したが、MOSFETやIGBT等を用いても上記各実施形態と同様の効果が得られる。
【0045】
上記のごとく、本発明によれば、負荷電流を制御する半導体スイッチグ素子のオン・オフ制御に伴い、電流の大きさが等しく互いに反対方向に流れる2つの配線導体を絶縁物を介して近接配置した電力変換装置の配線構造において、配線導体に接する部分は配線導体より幅狭く構成し、配線導体に接しない部分は配線導体より幅広に構成したので、配線導体間の沿面距離が長くとることができ、導体端部の電界強度を弱めることができ、さらに導体間に大きな電圧が印加した場合でも絶縁物の部分放電を防止することができ、絶縁物の絶縁劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係わる、図8に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図および断面図である。面図である。
【図2】本発明の第2の実施形態に係わる、図8に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図および断面図である。
【図3】本発明の第3の実施形態に係わる、図8に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図および一部側面図である。
【図4】本発明の第4の実施形態に係わる、図8に示す電力変換装置のスナバ回路のスナバダイオードを結合した配線構造の一例を示す一部平面図および断面図である。
【図5】本発明の第5の実施形態に係わる、図8に示す電力変換装置のスナバ回路のスナバコンデンサを接続した配線構造の一例を示す一部側面図である。
【図6】インバータの一相分の回路例である。
【図7】インバータに用いられるGTOがターンオフするときの電圧電流波形である。
【図8】インバータのスナバ回路の配線インダクタンスを小さくする原理を説明する図である。
【図9】従来例に係わる、図8に示す電力変換装置のスナバ回路に用いられる配線構造の一例を示す一部平面図および一部断面図である。
【符号の説明】
1〜4 GTO
11〜14 スナバダイオード
15〜18 スナバコンデンサ
A 配線導体
B 配線導体
C 固体絶縁物
c1,c3 固体絶縁物の狭小部
c2 固体絶縁物の幅広部
Claims (3)
- 負荷電流を制御する半導体スイッチグ素子のオン・オフ制御に伴い、電流の大きさが等しく互いに反対方向に流れる2つの配線導体を絶縁物を介して近接配置した電力変換装置の配線構造において、
前記絶縁物は、前記各配線導体に接する狭小部と前記配線導体に前記狭小部を介して接する幅広部とから構成され、前記各配線導体に接する狭小部は配線導体より幅狭く構成し、前記幅広部の前記狭小部に接しない部分は配線導体より幅広に構成し、かつ前記幅広部の前記狭小部を介して配線導体に接する部分は前記各配線導体に接する各狭小部の中間に配置したことを特徴とする電力変換装置の配線構造。 - 請求項1記載の電力変換装置の配線構造において、
前記絶縁物の前記配線導体に接する狭小部は、前記配線導体の長手方向に所定の間隔をもって配置されていることを特徴とする電力変換装置の配線構造。 - 請求項1または請求項2記載の電力変換装置の配線構造において、
前記2つの配線導体が、前記半導体スイッチング素子のスナバ回路の導体であって、前記2つの配線導体の端部においてスナバコンデンサに接続され、前記絶縁物の前記配線導体に接しない幅広部が、前記端部より前記スナバコンデンサ側に突出していることを特徴とする電力変換装置の配線構造。
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