JP4487682B2 - コンデンサとその設置方法 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置や信号回路などに適用されるコンデンサの構造およびその設置方法に関する。

図５に、電力変換装置の代表的な回路としてインバータ主回路の一般的な例を示す。
１１は直流電源回路、１２はモータなどの負荷、１３は電力用半導体素子からなるインバータ部で、電圧と周波数の可変出力が可能である。直流電源回路１１は通常、図示していない交流電源とダイオード整流器を介して、大容量の直流電解コンデンサで構成されるのが一般的である。また、インバータ部１３の、符号１４はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのスイッチング素子、１５はこれに逆並列に接続されるダイオードであり、これらが６回路で構成されている。電力用半導体モジュール１６ａ〜１６ｃは通常、上下アーム２素子分を１組としている。

図６に、ＩＧＢＴモジュールの外観図を示す。
ＩＧＢＴモジュールは図示のように、正側直流出力端子（Ｐ端子）と、負側直流出力端子（Ｎ端子）と、交流出力端子（Ｕ端子）とを備えている。また、３相出力のインバータ構成とする場合に、ある程度の容量以上の装置では図示のモジュールを並列接続し、３の倍数台適用して構成することが多い。また、図５の１７ａ〜１７ｃはスナバコンデンサで、ＩＧＢＴがスイッチングする際、直流電源回路１とＩＧＢＴモジュール１６ａ〜１６ｃ間の配線インダクタンス（Ｌ３）１８の電流エネルギ吸収用（サージ電圧の抑制用）として、各ＩＧＢＴモジュール毎に１ないし２個接続されており、ある程度の容量以上の装置には必須である。
図７にＩＧＢＴモジュールにスナバコンデンサモジュールを接続した例を示す。これは、ＩＧＢＴモジュールを２並列構成で合計６モジュール構成とし、スナバコンデンサモジュール３を各ＩＧＢＴモジュール毎に１個接続した例である。

図８に、例えば特許文献１に開示されているスナバコンデンサの外観と内部構成例を示す。
先の図７に示すように、ＩＧＢＴモジュール上のＰ端子とＮ端子間に設置され、Ｐ側引出し端子１とＮ側引出し端子２と樹脂モールドされ、外観が例えば図８（ａ）のように示されるスナバコンデンサモジュール３の内部は、図８（ｂ）のようにＰ側導体板４と、Ｎ側導体板５とコンデンサ自身となるフィルムエレメント６とから構成される（フィルムコンデンサには極性はないが、ここではＩＧＢＴ側の極性と合わせて記載した）。

特開２０００−１０２２４１号公報（第４頁、図２）

図９に、ＩＧＢＴがターンオフする際のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖ_CEとコレクタ電流ｉ_cの波形を示す。
図示の期間ｔにおいて、コレクタ電流ｉ_cのｄｉ／ｄｔにより、高いサージ電圧が発生する。このサージ電圧Ｖ_CE(PEAK)は、次の（１）式により概略計算できる。
Ｖ_CE(PEAK)＝Ｅｄ＋Ｌ１・ｄｉ／ｄｔ＋Ｌ２・ｄｉ／ｄｔ …（１）
Ｅｄ：直流電圧
Ｌ１：スナバコンデンサの内部配線などのインダクタンス値
Ｌ２：ＩＧＢＴモジュール内部の配線インダクタンス値（図示なし）
ｄｉ／ｄｔ：ＩＧＢＴターンオフ時の電流変化率
上記（１）式から、スナバコンデンサの内部インダクタンス値が大きいとＶ_CE(PEAK)が高くなり、そのため耐圧の高いＩＧＢＴが必要となる。

図１０にスナバコンデンサの内部に基く等価回路を示す。上記（１）式のＬ１はＰ，Ｎの引出し端子，各導体板およびフィルムエレメント（Ｌ１ｐ，Ｌ１ｎ，Ｌ１ｐｐ，Ｌ１ｎｎ，Ｌ１ｅ）よりなるが、配線長からＬ１ｅが最も支配的となる。
Ｌ１ｐ：Ｐ側引出し端子部インダクタンス，Ｌ１ｎ：Ｎ側引出し端子部インダクタンス
Ｌ１ｐｐ：Ｐ側導体板インダクタンス
Ｌ１ｎｎ：Ｎ側導体板インダクタンス
Ｌ１ｅ：フィルムエレメントのインダクタンス

また、別の問題として、ＩＧＢＴがスイッチングする際、スナバコンデンサ自身の容量と配線インダクタンス１８（図５参照）との共振現象（通常数１００ｋＨｚ）や、スナバコンデンサとＩＧＢＴモジュール内部の浮遊容量と、その間の配線インダクタンスによって発生する共振現象（通常数１０ＭＨｚ）により、スナバコンデンサ自身がノイズ源となり、周辺回路が誤動作するという問題も生じる。
したがって、この発明の課題は、スイッチ素子によるスイッチング時のサージ電圧の低減、自身がノイズ源となることによる周辺回路誤動作の低減を図ることが可能なコンデンサとその設置方法を提供することにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、正側電位用端子と負側電位用端子の引き出し端子と、容量成分となるエレメントを支持するそれぞれの導体板とが、前記正側電位用端子と負側電位用端子とを挟む中心線に対し反対側に位置するように、内部または外部に電位極性反転用導体を設けることを特徴とする。

上記請求項１に記載のコンデンサと従来タイプのコンデンサとを、隣り合わせにして電子機器またはプリント基板上に設置することができる（請求項２の発明）。
また、請求項１に記載のコンデンサと従来タイプのコンデンサとを、１つのモジュール内に収納することができる（請求項３の発明）。

この発明によれば、特に従来タイプのコンデンサと隣り合わせで用いることで、両コンデンサから発生する漏洩磁界を低減させ、スイッチ素子によるスイッチング時のサージ電圧の低減、自身がノイズ源となることによる周辺回路誤動作の低減を図れるようにする。その結果、スイッチ素子の電圧定格の低減化によるコストダウンや、周辺回路を誤動作させない高信頼の装置を提供することができる。

図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
これは、Ｐ側引出し端子１とＮ側引出し端子２に対し、Ｐ側の導体板５とＮ側の導体板４が、中心線ｃに対して反対側に位置するように、導体７を追加して構成される。フィルムエレメント６に着目した場合、図１のものと従来タイプのコンデンサとでは、流れる電流が互いに逆になる。

図２は図１の変形例を示す構成図である。
図２（ａ）は図１に示すものに対し、導体７をコンデンサモジュール３内（コンデンサチップ内部）に収めた例であり、図２（ｂ）は導体７をコンデンサモジュール３内に収めず、外付け（コンデンサチップ外部）とした例である。なお、図１では導体７を端子１や端子２と同一導体を想定しているが、別の導体をねじ留めや半田付けで接続するようにしても良い。

図３はこの発明の第２の実施の形態を説明するための説明図である。
これは、例えば３相出力インバータで、ＩＧＢＴモジュール２０ａと２０ｂ，２１ａと２１ｂ，２２ａと２２ｂを２並列接続した例である。つまり、従来タイプのコンデンサ９１，９２，９３をＩＧＢＴモジュール２０ｂ，２１ｂ，２２ｂ上にそれぞれ配置するとともに、この発明によるコンデンサ９５，９６，９７をＩＧＢＴモジュール２０ａ，２１ａ，２２ａ上にそれぞれ配置して構成する。これにより、隣り合うコンデンサのフィルムエレメント内に流れる電流の向きは、図の矢印で示すように互いに反対方向となる。

図４にこの発明の第３の実施の形態を示す。
図３では、コンデンサ９１と９５、コンデンサ９２と９６およびコンデンサ９３と９７はそれぞれ別のコンデンサであるが、ここでは同一のモジュール８内に収めて構成される。こうすることで、図３のものより一層低インダクタンス化や低ノイズ化が図られ、小型化，低コスト化も可能となる。

以上では、電力変換装置に用いるスナバコンデンサを例に説明したが、この発明はプリント板上に設置されるフィルムコンデンサや積層チップコンデンサ等にも、同様にして適用することができる。例えば、バイパスコンデンサ用のチップコンデンサにおいて、隣り合って設置する場合などに用いることができる。

この発明の第１の実施の形態を示す構成図 図１の変形例を示す構成図 この発明の第２の実施の形態を示す構成図 この発明の第３の実施の形態を示す構成図 インバータ回路の一般的な例を示す回路図 一般的なＩＧＢＴモジュールの外観図 ＩＧＢＴモジュールにスナバコンデンサを接続した例を示す構成図 スナバコンデンサの従来例の説明図 図５のＩＧＢＴターンオフ時の動作波形図 コンデンサの内部等価回路図

符号の説明

１…Ｐ側引出し端子、２…Ｎ側引出し端子、３…スナバコンデンサモジュール、４…Ｐ側導体板、５…Ｎ側導体板、６…フィルムエレメント、７…導体、８…モジュール、９１，９２，９３，９５，９６，９７…コンデンサ、２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ…ＩＧＢＴモジュール。

Claims (3)

1. 正側電位用端子と負側電位用端子の引き出し端子と、容量成分となるエレメントを支持するそれぞれの導体板とが、前記正側電位用端子と負側電位用端子とを挟む中心線に対し反対側に位置するように、内部または外部に電位極性反転用導体を設けることを特徴とするコンデンサ。
2. 前記請求項１に記載のコンデンサと従来タイプのコンデンサとを、隣り合わせにして電子機器またはプリント基板上に設置することを特徴とするコンデンサの設置方法。
3. 請求項１に記載のコンデンサと従来タイプのコンデンサとを、１つのモジュール内に収納したことを特徴とするコンデンサ。
   
   

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