JP6998104B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

電力変換装置として、チョッパ制御を利用したものがある。チョッパ制御回路は、直流バスや直流リンクを介した交流－交流変換器や、交流電動機等の交流負荷を駆動するインバータ装置等において、回生電力を処理する場合等に用いられる。

チョッパ制御回路では、回生電力を消費する抵抗器と抵抗器に直列に接続されたスイッチング素子とを直流バス間に挿入して、たとえば直流バスの電圧に応じて、スイッチング素子をオンオフ制御する。

発電設備や、電動車両等では、大きな力行電力が必要とされ、回生電力も大きくなる傾向にある。そのため、余分な回生電力を消費するチョッパ制御回路では、抵抗器の寸法が大きくなり、抵抗器が有する寄生インダクタンス成分も大きくなる。

チョッパ制御回路では、寄生インダクタンスによるサージ電圧の発生からスイッチング素子を保護するために、各種保護回路が用いられる。保護回路として還流ダイオードを用いることが、部品点数も少なく、回路構成も簡素で好ましい。

一方で、大きな寸法の抵抗器に対して、保護回路をどのように配置するか問題となる場合がある。

特許第６１５４２６６号公報

実施形態は、スイッチング素子へのサージ電圧を抑制した電力変換装置を提供する。

実施形態に係る電力変換装置は、直流バス間に接続されて、前記直流バスを流れる回生電力を消費する。この電力変換装置は、スイッチング素子と、前記直流バス間で前記スイッチング素子に直列に接続された抵抗器と、前記抵抗器に並列に接続され、前記抵抗器の寄生インダクタンスによる逆電圧を還流させるダイオードと、前記スイッチング素子の高電位側の主端子と前記ダイオードのアノード電極との間に設けられ、前記高電位側の主端子と前記アノード電極とを電気的に接続する導電性の第１ヒートシンクと、を備える。前記スイッチング素子および前記ダイオードは、それぞれ圧接型パッケージに収納され、前記スイッチング素子と前記ダイオードとの間に前記第１ヒートシンクを設けて積層されたスタックである。前記スイッチング素子と前記ダイオードとの間の第１配線の長さは、前記抵抗器と前記ダイオードとの間の第２配線の長さよりも短い。前記第１ヒートシンクは、前記第１配線を兼用する。前記抵抗器は、前記第１ヒートシンクとは異なる放熱性のよい場所に設けられる。

本実施形態では、スイッチング素子へのサージ電圧を抑制した電力変換装置が実現される。

実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。 図１の電力変換装置の一部を例示する模式図である。 図１の電力変換装置の一部を例示する模式図である。 図４（ａ）～図４（ｄ）は、電力変換装置の動作を説明するための簡易的なブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、電力変換装置１０は、端子１１ａ，１１ｂを介して、直流回路１，２の間に設けられた直流バス３ａ，３ｂに接続される。直流バス３ａ，３ｂ間には、コンデンサ４が接続されている。つまり、コンデンサ４は、電力変換装置１０に並列に接続されている。この例では、直流バス３ａは、直流バス３ｂの電位よりも高い電位を有する。

直流回路１，２は、直流電圧を出力する直流電源であり、または直流電圧を入力する直流負荷である。たとえば、直流回路１，２は、双方向の交流－直流電力変換器である。直流回路１が交流電圧を直流電圧に変換して出力し、直流回路２は、直流バス３ａ，３ｂを介して直流電圧を入力し、交流電圧に変換して出力する。直流回路１，２は、双方向の変換器に限らず、一方向の変換器であってもよい。直流回路１，２のいずれかは、蓄電池や太陽光発電パネル等の直流電源等を含んでもよい。

電力変換装置１０は、スイッチング素子１２と、還流ダイオード１３と、抵抗器１４と、を備える。スイッチング素子１２および還流ダイオード（ダイオード）１３は、配線（第２配線）２１ａを介して、直列に接続され、スイッチング素子１２および還流ダイオード１３の直列回路は、配線（第３、第４配線）２１ｂ，２１ｃを介して、端子１１ａ，１１ｂにそれぞれ接続されている。端子１１ａ，１１ｂは、直流バス３ａ，３ｂに接続される。

配線２１ａ～２１ｃは、スイッチング素子１２および抵抗器１４に流れる電流に応じた十分な幅および厚さを有する導電部材によって形成されている。後述するように、実施形態によっては、配線２１ａ～２１ｃは、圧接型パッケージに圧接接続された導電性のヒートシンクを含んでもよい。

スイッチング素子１２は、オンすることによって抵抗器１４に電流を流し、オフすることによって抵抗器１４に流れる電流を遮断する。電力変換装置１０は、図示しない制御部によって、スイッチング素子１２のオンデューティを制御して、抵抗器１４で余剰な回生電力を消費する。スイッチング素子１２は、自己消弧型の半導体スイッチング素子である。スイッチング素子１２は、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等である。以下では、スイッチング素子１２は、ＩＧＢＴであるものして説明する。

還流ダイオード１３は、抵抗器１４や配線に起因して発生する寄生インダクタンスによる逆起電力を還流して、スイッチング素子１２を過電圧から保護する。

抵抗器１４は、還流ダイオード１３に並列に接続されている。より具体的には、抵抗器１４は、一端に接続された配線２２ａを介して、還流ダイオード１３のカソード端子に接続され、他端に接続された配線（第１配線）２２ｂを介して、還流ダイオード１３のアノード端子に接続されている。

配線２２ａ，２２ｂは、抵抗器１４に流す電流値に応じて、幅や厚さ、材質が設定されている。抵抗器１４の許容電力は、直流回路１，２間の回生電力によって決定される。直流回路１，２が電力系統の一部である場合等には、抵抗器１４の許容電力は数ｋＷ以上にもおよび、抵抗器１４の外形寸法も一辺が１ｍを超える場合もある。したがって、抵抗器１４の配置は、配線２２ａ，２２ｂを長く引き伸ばして、電力変換装置１０の筐体（図示せず）から離れた場所とされる場合もある。

上述した配線２１ａ～２１ｃの合計の長さは、配線２２ａ，２２ｂの合計の長さよりも十分に短くなるように設定されている。このため、配線２１ａ～２１ｃの長さに起因する寄生インダクタンスの大きさは、配線２２ａ，２２ｂに起因する寄生インダクタンスの大きさよりも十分小さくなる。

好ましくは、電力変換装置１０は、コンデンサ４に近接させて配置される。あるいは、コンデンサ４は、電力変換装置１０に近接させて配置される。具体的には、電力変換装置１０の端子１１ａとコンデンサ４の高電位側の端子との配線の長さ、および電力変換装置１０の端子１１ｂとコンデンサ４の低電位側の端子との配線の長さが十分短くなるような配置とされる。コンデンサ４および電力変換装置１０の端子１１ａ，１１ｂを含む電流経路が十分短くなることによって、この電流経路に起因して発生する寄生インダクタンスを小さくすることができ、スイッチング素子１２のオフ時の過電圧からスイッチング素子１２を保護することができる。

たとえば、配線２１ａ～２１ｃのそれぞれの長さ、コンデンサ４の高電位側の端子から端子１１ａまでの配線の長さ、および、コンデンサ４の低電位側の端子から端子１１ｂまでの配線の長さの合計は、配線２２ａ，２２ｂのそれぞれの長さの合計よりも短くされる。

抵抗器１４に接続される配線２２ａ，２２ｂは、配線２１ａ～２１ｃや、コンデンサ４との配線よりも長くなってもかまわないので、抵抗器１４は、その配置場所の自由度を高くすることができる。たとえば、抵抗器１４は放熱性のよい場所に配置されることが可能となる。

図２は、電力変換装置の一部を例示した模式的な配線図である。
図２には、スイッチング素子１２および還流ダイオード１３の配置および接続の形態の一例が示されている。図２に示すように、スイッチング素子１２および還流ダイオード１３は、いずれも圧接型のパッケージに収納されている。スイッチング素子１２のコレクタ電極と、還流ダイオード１３のアノード電極との間には、ヒートシンクが設けられている。ヒートシンクは、導電性を有しており、配線２１ａを兼ねている。

還流ダイオード１３のカソード電極には、配線２１ｂを兼ねたヒートシンクが設けられており、スイッチング素子１２のエミッタ電極には、配線２１ｃを兼ねたヒートシンクが設けられている。配線２１ｂを兼ねたヒートシンクおよび配線２１ｃを兼ねたヒートシンクは、たとえばブスバーを介して、直流バス３ａ，３ｂにそれぞれ接続される。

抵抗器１４は、配線２１ｂを兼ねたヒートシンクおよび配線２１ａを兼ねたヒートシンクに接続され、配線２２ａ，２２ｂとしてのブスバーを介して接続されている。

スイッチング素子１２および還流ダイオード１３は、スイッチング素子１２および還流ダイオード１３の直列回路の両端のヒートシンクを圧接されて固定される。ヒートシンクは、水冷もよいし、空冷でもよい。冷却方式は、スイッチング素子１２および還流ダイオード１３の発熱量等に応じて決定される。

この例では、配線２１ａ～２１ｃが十分な大きさを有するヒートシンクであり、低抵抗とすることができるとともに、寄生インダクタンスの大きさを十分に小さくすることができる。したがって、配線２１ａ～２１ｃに起因する寄生インダクタンスによって発生する逆起電力を非常に小さくすることができる。一方、還流ダイオード１３は、配線２２ａ，２２ｂを介して抵抗器１４に並列に接続されている。そのため、還流ダイオード１３は、抵抗器１４の寄生インダクタンスおよび配線２２ａ，２２ｂに起因する寄生インダクタンスによって発生する逆起電力を還流させて、スイッチング素子１２のコレクタ－エミッタ間に印加されるサージ電圧を吸収することができる。

図３は、電力変換装置の一部を例示した模式的な配線図である。
図３には、スイッチング素子１２および還流ダイオード１３が同一のパワーモジュールに内蔵されている場合の例が示されている。図３に示すように、スイッチング素子１２および還流ダイオード１３は、いずれも同一のパワーモジュールのパッケージ１０１に収納されている。スイッチング素子１２および還流ダイオード１３は、パッケージ１０１内で直列に接続されている。

図示しないが、パッケージ１０１内部には、セラミック等の絶縁性の基板が設けられており、基板上にスイッチング素子１２および還流ダイオード１３がベアチップの状態で配置されている。基板上に描かれた導電パターン上には、スイッチング素子１２のコレクタ電極が接続されるとともに、還流ダイオード１３のアノード電極が接続されている。この導電パターンが、配線２１ａである。還流ダイオード１３のカソード電極は、基板上に設けられた導電性の接続パッドと、配線部材によって接続されている。この配線部材が配線２１ｂに対応する。スイッチング素子１２のエミッタ電極は、基板上に設けられた導電性の接続パッドと配線部材によって接続される。この配線部材が、配線２１ｃに対応する。

配線２１ａは、基板上の導電パターンであり、長さを十分短くすることができる。また、配線２１ｂ，２１ｃについても、同一パッケージ１０１内の配線部材の長さであり、十分短い長さとすることができる。

この例のようにスイッチング素子１２および還流ダイオード１３が同一のパワーモジュールに内蔵されている場合についても、配線２１ａ～２１ｃのそれぞれの長さの合計を十分に短くすることができ、配線２１ａ～２１ｃに起因する寄生インダクタンスの大きさを小さくして、スイッチング素子１２の両端に印加されるサージ電圧を抑制することができる。

実施形態の電力変換装置１０の動作について、原理を含めて図を参照しながら説明する。
図４（ａ）～図４（ｄ）は、電力変換装置の動作を説明するための簡易的なブロック図である。
図４（ａ）は、電力変換装置１０の機能および動作を説明するためのブロック図である。図４（ａ）に示すように、スイッチング素子１２は、オンして抵抗器１４に電流を流し、オフして抵抗器１４に流れる電流を遮断する。たとえば直流バス３ａ，３ｂ間の電圧が所定値よりも高い場合に、図示しない制御装置は、スイッチング素子１２のオンデューティ比を大きい値に設定する。スイッチング素子１２がオンしている期間が相対的に長いので、抵抗器１４に流れる電流の平均値は大きくなり、抵抗器１４で消費される電力も大きくなる。

たとえば直流バス３ａ，３ｂ間の電圧が所定値よりも低い場合には、制御装置は、スイッチング素子１２のオン／オフのデューティ比を小さい値に設定する。スイッチング素子１２がオンしている期間が相対的に短いので、抵抗器１４に流れる電流の平均値は小さくなり、抵抗器１４で消費される電力は小さくなる。

抵抗器１４で消費される電力は、直流回路１，２間でやり取りされる回生電力であり、たとえば回生電力の余剰分である。直流回路１が、交流から直流に変換するコンバータ装置であり、直流回路２が直流から交流に変換するインバータ装置であり、インバータ装置が交流電動機を駆動している場合には、交流電動機が回生運転をするときには、直流回路２から直流回路１に回生電力が流れる。このとき、直流回路１であるコンバータ装置は、インバータ動作をして、交流系統側に電力を回生するが、交流系統側の状態によってすべての回生電力を回生できるとは限らない。余剰の回生電力が生じたときには、直流バス３ａ，３ｂ間の直流電圧が上昇するので、これを抑制する必要がある。

なお、直流回路１が交流を直流に変換する回路であって、整流装置のように一方向の変換を行う場合には、直流回路２から回生される回生電力のすべてを電力変換装置１０で処理する。

理想的には、抵抗器１４は純抵抗であるが、抵抗器１４の許容電力は、消費すべき回生電力に応じて大きくなるので、抵抗器１４の外形寸法は消費する電力に応じて大きくなる。そのため、抵抗器１４は、寄生インダクタンスを有する。また、配線２２ａ，２２ｂの長さに起因して寄生インダクタンスが発生する。したがって、抵抗器１４および配線２２ａ，２２ｂからなる回路は、純抵抗１４ａと寄生インダクタンス１４ｂとの直列回路と考えられる。ここで、寄生インダクタンス１４ｂは、抵抗器１４の有する寄生インダクタンスと配線２２ａ，２２ｂの寄生インダクタンスとの和である。

図４（ｂ）は、抵抗器１４および配線２２ａ，２２ｂの寄生インダクタンス１４ｂを考慮した回路図である。図４（ｂ）に示すように、寄生インダクタンス１４ｂは、純抵抗１４ａに直列に接続され、スイッチング素子１２がオンして抵抗器１４に流れる電流によって励磁される。

励磁された寄生インダクタンス１４ｂに対して、この図のように、還流ダイオードを用いずにスイッチング素子１２をオフした場合には、Ｌ・ｄｉ／ｄｔの電圧がコンデンサ４の両端の電圧に加えて、スイッチング素子１２のコレクタ－エミッタ間に印加される。ここで、Ｌは寄生インダクタンス１４ｂの大きさであり、ｉは寄生インダクタンス１４ｂに流れる電流である。

図４（ｃ）に示すように、配線２２ａ，２２ｂと抵抗器１４との直列回路を、還流ダイオード１３に並列に接続することによって、寄生インダクタンス１４ｂに流れる電流は、還流ダイオード１３に還流する。

一般に寄生インダクタンスは、配線の長さに応じて発生するので、抵抗器１４の寄生インダクタンスによる電圧サージの印加を防止するためには、スイッチング素子１２と還流ダイオード１３との配線の長さを極力短くする必要がある。

図４（ｄ）は、図１で示した回路構成に、寄生インダクタンスの影響を低減させるための配置を示した図である。
スイッチング素子１２のコレクタ－エミッタ間に印加されるサージ電圧を抑制するためには、寄生インダクタンスを低減させる必要がある。図４（ｄ）に示すように、配線２１ａに起因する寄生インダクタンスを小さくするには、スイッチング素子１２と還流ダイオード１３との間の配線を短くすることが効果的である。

また、還流ダイオード１３のカソード端子から電力変換装置１０の端子１１ａまでの配線、スイッチング素子１２のエミッタ端子から電力変換装置１０の端子１１ｂまでの配線、コンデンサ４の高電位側の端子から端子１１ａまでの配線、およびコンデンサ４の低電位側の端子から端子１１ｂまでの配線のそれぞれの長さの合計を極力短くする。それによって、スイッチング素子１２に印加されるサージ電圧を小さくすることができる。つまり、図の経路Ｌ１の配線長を短くし、経路Ｌ１で囲まれる面積をより小さくすることが寄生インダクタンスを小さくする上で好ましい。

なお、還流ダイオード１３と抵抗器１４との間の配線２２ａ，２２ｂの長さは、配線２２ａ，２２ｂの長さにもとづく寄生インダクタンスによる逆電圧が、還流ダイオード１３によって十分に還流させることができるので、特に制限はない。一方、抵抗器１４に流れる電流の立ち上がり時間が、自己および配線２２ａ，２２ｂの寄生インダクタンスで抑制されすぎないように留意する必要がある。たとえば、制御装置によって、スイッチング素子１２の最小のオン時間を設定したときであっても、十分にそのオン時間を確保できる程度とすることが望ましい。

以上説明した実施形態によれば、スイッチング素子へのサージ電圧を抑制した電力変換装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１，２ 直流回路、３ａ，３ｂ 直流バス、４ コンデンサ、１０ 電力変換装置、１２ スイッチング素子、１３ 還流ダイオード、１４ 抵抗器、２１ａ～２１ｃ，２２ａ，２２ｂ 配線、１０１ パッケージ

Claims (3)

1. 直流バス間に接続されて、前記直流バスを流れる回生電力を消費する電力変換装置であって、
   スイッチング素子と、
   前記直流バス間で前記スイッチング素子に直列に接続された抵抗器と、
   前記抵抗器に並列に接続され、前記抵抗器の寄生インダクタンスによる逆電圧を還流させるダイオードと、
   前記スイッチング素子の高電位側の主端子と前記ダイオードのアノード電極との間に設けられ、前記高電位側の主端子と前記アノード電極とを電気的に接続する導電性の第１ヒートシンクと、
   を備え、
   前記スイッチング素子および前記ダイオードは、それぞれ圧接型パッケージに収納され、
   前記スイッチング素子と前記ダイオードとの間に前記第１ヒートシンクを設けて積層されたスタックであり、
   前記スイッチング素子と前記ダイオードとの間の第１配線の長さは、
   前記抵抗器と前記ダイオードとの間の第２配線の長さよりも短く、
   前記第１ヒートシンクは、前記第１配線を兼用し、
   前記抵抗器は、前記第１ヒートシンクとは異なる放熱性のよい場所に設けられた電力変換装置。
2. 直流バス間に接続されて、前記直流バスを流れる回生電力を消費する電力変換装置であって、
   スイッチング素子と、
   前記直流バス間で前記スイッチング素子に直列に接続された抵抗器と、
   前記抵抗器に並列に接続され、前記抵抗器の寄生インダクタンスによる逆電圧を還流させるダイオードと、
   第２ヒートシンクと、
   を備え、
   前記スイッチング素子および前記ダイオードは、ともに同一の絶縁性のパッケージに収納され、前記パッケージ内で相互に接続され、前記第２ヒートシンク上に設けられたパワーモジュールであり、
   前記スイッチング素子と前記ダイオードとの間の第１配線の長さは、
   前記抵抗器と前記ダイオードとの間の第２配線の長さよりも短く、
   前記抵抗器は、前記第２ヒートシンクとは異なる放熱性のよい場所に設けられた電力変換装置。
3. 前記直流バス間に接続されたコンデンサと前記ダイオードのカソード端子との間の第３配線、および、前記コンデンサと前記スイッチング素子の低電位側の主端子との間の第４配線の合計の長さは、前記第２配線の長さよりも短い請求項１または２に記載の電力変換装置。

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