KR19990088125A

KR19990088125A - 전력변환장치

Info

Publication number: KR19990088125A
Application number: KR1019990016369A
Authority: KR
Inventors: 다나카다케시; 이시다다쓰미
Original assignee: 다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시; 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 1999-12-27
Also published as: JP3046276B2; US6021060A; KR100324802B1; CN1235402A; JPH11332253A; CN1169283C

Abstract

주회로 인덕턴스 저감의 철저를 도모함으로써, 스나버(snubber)회로를 필요로 하지 않고, 소형,저손실,저가격이고 또 신뢰도가 높은 전력변환장치를 얻는다.

이렇게 하기 위한 수단으로, 교류출력단자(7)(AC)로부터 스위칭소자 SW2 를 거쳐서, 콘덴서(10)의 부극단자 N 에 이르는 전류 ①의 전류로, 및 교류출력단자 (7)(AC)로부터 스위칭 소자 SW1 을 거쳐 콘덴서(10)의 정극단자 P 에 이르는 전류 ② 의 전류로가 모두 그 왕로와 복로가 서로 근접하는 왕복로를 형성하도록, 각 단자 및 각 단자간의 접속수단을 배치한다.

Description

전력변환장치{POWER CONVERTER DEVICE}

본 발명은 직류와 2레벨 교류사이에서 전력변환을 하는 2레벨 인버터나, 2레벨 컨버터의 전력변환장치에 관해, 특히 그 내부의 인덕턴스의 저감기술에 관한 것이다.

도 18 은 예를들면 일본국 특개평 6-225545 호 공보에 기재된 전력변환장치로, 직류전력을 3상교류전력으로 변환하는 2레벨 전력변환장치의 주회로를 표시한다.

도면에서, 10 은 직류전압원인 콘덴서, 1~6 은 브리지에 결선된 스위칭소자 SW1~SW6 로, 각각 1GBT 1A~6A 와 이에 역병렬 접속된 플라이 휠 다이오드 1B~6B 로 구성되어 있다.

7~9 는 교류출력단자이다.

이 종류의 전력변환장치의 일반적인 회로동작에 대해서는 주지하고 있으므로, 그 설명은 생략하나, 특히 각 스위칭소자의 턴 오프동작에 따른 전력변화비율 di/dt 와 회로배선에 존재하는 인덕턴스와의 적에 의해 발생하는 유기전압이 문제가 된다.

즉 이들 유기전압이 스위칭소자의 내압을 위협하게 되기 때문이다.

이 대책으로서 통상은 소위 스나버회로를 설치해서, 회로의 인덕턴스에 의해 발생하는 전자 에너지를 이 스나버회로에서 소비시키는 방법이 채용된다.

인덕턴스가 크면 스나버회로를 구성하는 컨덴서의 용량이 증대해서 장치가 대형화되어 손실이 증대하는 등의 폐해가 생긴다.

이에 대해 상기한 문헌은 회로배선의 인덕턴스, 특히 콘덴서(10)의 정극단자와 스위칭소자 SW1 의 양극단자 사이를 접속하는 배선의 인덕턴스 LSa 와 콘덴서(10)의 부극단자와 스위칭소자 SW2 의 음극단자 사이를 접속하는 배선의 인덕턴스 Lsb 에 주목해, 이 부분의 배선을 한쌍의 도판과 그 사이에 삽입설치된 고유전율재의 간격판으로 구성함으로써, 그 인덕턴스의 저감을 도모하고 있다.

종래의 전력변환장치에서의 인덕턴스의 저감은 이상과 같이 되고 있으므로, 스위칭소자의 대용량화나 스위칭 주파수의 증대등이 요청된 경우에는 반드시 충분한 결과가 얻어지지는 않았다.

즉 상세하게는 후술하나, 스위칭소자 자체를 포함해서 직류 전압원의 정극단자 P로부터 부극단자 N 에 이르는 전류로를 대상으로 해서 포착해서 그 인덕턴스를 최소로 하는 구성을 검토할 필요가 있다.

본 발명은 이상과 같은 관점에서 된것으로, 회로배선의 인덕턴스의 철저한 저감이 가능해지는 전력변환장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

청구항 1 에 관한 전력변환장치는, 정극단자와 부극단자를 갖는 직류전압원, 양극단자가 상기 직류전압원의 정극단자에 접속된 제1의 스위칭소자,양극단자가 상기 제1의 스위칭소자의 음극단자에 접속되고 음극단자가 상기 직류전압원의 부극단자에 접속된 제2의 스위칭소자 및 상기 제1의 스위칭소자와 제2의 스위칭소자의 접속점에서 도출된 교류출력단자를 구비한 전력변환장치에 있어서, 상기 교류 출력단자로부터, 상기 제2의 스위칭소자를 거쳐서, 상기 직류 전압원의 부극단자에 이르는 제1의 전류로가 왕로와 복로가 서로 근접하는 왕복로를 형성하도록 또 상기 교류출력단자로부터 상기 제1의 스위칭소자를 거쳐서, 상기 직류전압원의 정극단자에 이르는 제2의 전류로가, 왕로와 복로가 서로 근접하는 왕복로를 형성하도록 상기 각 단자 및 각 단자간의 접속수단을 배치하도록 한 것이다.

또, 청구항 2 에 관한 전력변환장치는, 청구항 1 에서, 그 제1및 제2의 스위칭소자의 각 단자가 거의 직선상에 위치하도록 상기 제1및 제2의 스위칭소자를 배치하고, 직류 전압원의 양단자를 연결하는 방향이 상기 직선의 방향과 거의 평행이 되도록 상기 직류전압원을 배치하고, 교류출력단자를 상기 직류전압원의 양단자의 거의 중간위치에 배치한 것이다.

또, 청구항 3 에 관한 전력변환장치는, 청구항 2 에서, 그 직류전압원의 정극단자로부터 부극단자에의 향이 제1의 스위칭의 양극단자로서 음극단자 그리고 제2의 스위칭소자의 양극단자로부터 음극단자에의 향과 일치하도록 상기 직류전압원 과 제1및 제2의 스위칭소자를 배치한 것이다.

또, 청구항 4 에 관한 전력변환장치는 청구항 2 에서, 그 직류전압원의 정극단자로부터 부극단자에의 향이, 제1의 스위칭소자의 음극단자로부터 양극단자 그리고 제2의 스위칭소자의 음극단자로부터 양극단자에 향과 일치하도록, 상기 직류전압원과 제1및 제2의 스위칭소자를 배치한 것이다.

또, 청구항 5 에 관한 전력변환장치는 청구항 1 에서, 그 제1및 제2의 스위칭소자의 각 단자가 거의 직선상에 위치하도록 상기 제1및 제2의 스위칭소자를 배치하고, 직류전압원의 양단자를 연결하는 방향이 상기 직선의 방향과 거의 직각이 되도록 상기 직류전압원을 배치하고, 교류출력단자를 상기 직류전압원의 양단자의 거의 중간위치에 배치한 것이다.

또, 청구항 6 에 관한 전력변환장치는, 청구항 5 에서, 그 제2의 스위칭소자에 대해 제1의 스위칭소자를 직류전압원에 근접시켜서 배치한 것이다.

또, 청구항 7 에 관한 전력변환장치는 청구항 5 에서, 그 제1의 스위칭소자에 대해, 제2의 스위칭소자를 직류전압원에 근접시켜서 배치한 것이다.

또, 청구항 8 에 관한 전력변환장치는, 청구항 1 내지 7 의 어느한항에서, 그 직류전압원의 정극단자와 제1의 스위칭소자의 양극단자와의 접속수단, 상기 직류전압원의 부극단자와 제2의 스위칭소자의 음극단자와의 접속수단, 및 상기 제1의 스위칭소자의 음극단자와 상기 제2의 스위칭소자의 양극단자와 교류출력단자의 접속수단을 절연판을 통해서 서로 평행으로 겹쳐서 배치된 평판상의 배선판으로 한 것이다.

또, 청구항 9 에 관한 전력변환장치는, 청구항 1 내지 8 의 어느한항에 기재한 전력변환장치를 다수 구비하고, 서로 위상차를 갖는 여러상의 교류전압을 출력하는 구성으로 한 것이다.

도 1 은 본 발명의 실시의 형태1에서의 전력변환장치의 기기, 단자배치 및 접속의 구성을 표시하는 도면.

도 2 는 도 1 을 간편화해서 표시한 회로도.

도 3a, 도 3b 는 전류동작을 설명하기 위한 도면.

도 4 는 전류동작의 각 파형을 표시하는 도면.

도 5 는 주회로 배선 인덕턴스를 저감하기 위한 원리를 설명하기 위한 도면.

도 6 은 도 1 에 전류 ①,②의 통전로를 더 그린 도면.

도 7a , 도 7b , 도 7c 는 평판상의 배선판을 사용했을때의 접속의 구성을 표시하는 평면도.

도 8 은 평판상의 배선판의 조합상태를 설명하기 위한 사시도.

도 9a , 도 9b , 도 9c 는 본 발명의 실시의 형태 2 에서의 전력변환장치를 표시하는 평면도.

도 10 은 본 발명의 실시의 형태 3 에서의 전력변환장치의 기기,단자 배치 및 접속의 구성을 표시하는 도면.

도 11 은 도 10 에 전류 ①,②의 통전로를 덧 그린 도면.

도 12a, 도 12b , 도 12c 는 평판상의 배선판을 사용했을때의 접속의 구성을 표시하는 평면도.

도 13 은 본 발명의 실시의 형태 4 에서의 전력변환장치의 기기, 단자배치 및 접속의 구성을 표시하는 도면.

도 14 는 도 13 에 전류 ①,②의 통전로를 덧그린 도면.

도 15a, 15b , 15c 는 평판상의 배선판을 사용한 경우의 접속의 구성을 표시하는 평면도.

도 16 은 도 15 의 전력변환장치의 측면에서 본 도면.

도 17a,17b,17c 는 본 발명의 실시의 형태 5 에서의 전력변환장치를 표시하는 평면도.

도 18 은 3상의 전력변환장치의 주회로구성을 표시하는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1.(SW1), 2. (SW2)스위칭소자,

1A,2A IGBT, 1B,2B, 플라이휠다이오드,

C1,C2, 콜렉터단자, E1,E2, 이미터단자,

7(AC)교류출력단자, 10.콘덴서,

P. 정극단자, N. 부극단자,

11,17,20,22. N배선판, 12,16,19,23. P 배선판,

13,18,21,24. AC 배선판, 14,15. 절연판.

실시의 형태 1

도 1 은 본 발명의 실시의 형태 1 에서의 전력변환장치로 그 1상분의 각 구성부품의 배치, 그 단자위치 및 접속요령을 표시하는 것이다.

도면에서, 1 은 스위칭소자 SW1 이고, IGBT 1A 와 여기에 역병렬 접속된 플라이 휠 다이오드 1B 로 되어 있고, C1 은 스위칭소자 SW1 의 양극단자인 콜렉터단자, E1 은 음극단자인 이미터단자이다.

2 는 스위칭소자 SW2 이고, IGBT 2A 와 플라이 휠 다이오드 2B 로 되어 있고, C2 는 스위칭소자 SW 2 의 양극단자인 콜렉터단자, E2 는 음극단자인 이미터 단자이다.

그리고 스위칭소자 1 및 2 는 양자의 각 단자와 도면중 우측에서 좌측을 향해서, C1,E1,C2,E2 의 순으로 일직선상에 위치하도록 배치되어 있다.

10 은 직류전압원인 콘덴서로, P 는 정극단자, N 는 부극단자이다.

그리고 정극단자 P 와 부극단자 N 를 연결하는 방향이, 상술한 각 단자 C1~E2 가 연결되는 방향과 평행이 되도록, 스위칭소자 1,2 및 콘덴서(10)의 상대적 배치가 결성되어 있다.

이와같이 본 발명에서는 배선 인덕턴스의 더한층의 저감을 도모하기 위해, 각 구성부품의 상대적 위치는 물론, 각 단자위치에 대해서도 특정한다.

아래에 이들의 배치를 채용하는 근거를 표시하기 위해 , 우선 이 종류의 전력변환장치의 대표적인 전류동작에 대해 상세하게 설명한다.

도 2 는 아래의 설명의 편의상, 도 1 을 보통의 접속도의 형태로 표시한 것이다.

다음, 이 도 2 를 기초로 그린 도 3 에 의해, 대표적인 전류(轉流)동작에 대해 설명한다.

우선, 도3(a)는 스위칭소자 SW2 가 온, 스위칭소자 SW1 이 오프의 상태에서 스위칭소자 SW 2 의 IGBT 2A 가 턴 오프할때의 전류동작을 표시한다.

즉 IGBT 2A 가 온이고, 전류 ①가 콘덴서(10)의 정극단자 P → 부하 LL → 교류출력단자 7 → IGBT 2A → 콘덴서(10)의 부극단자 N 의 루트로 흐르고 있으므로, IGBT 2A 가 턴오프동작을 개시하면, 부하 LL 의 전류는 일정치를 유지하면서, 전류는 먼저의 전류 ①에서 전류 ②; 즉 콘덴서 (10)의 정극단자 P → 부하 LL → 교류출력단자 7 → 플라이 휠 다이오드 1B → 콘덴서(10)의 정극단자 P → 부하 LL → 교류출력단자 7 → 플라이 휠 다이오드 1B → 콘덴서(10)의 정극단자 P 의 루트의 전류에 전류한다.

이때의 스위칭소자 SW2 의 전압 VSW 2 와 전류 ①, 전류 ② 의 파형을 도 4 에 표시한다.

이 전류시, 전류 ① 은 IGBT 2A 에 의해 결정되는 전류변화비율 di/dt 에 의해 감소하고 주회로배선 인덕턴스 L2 , L4 에는 상기 di/dt 에 의해 각각 도면중 화살표로 표시하는 방향으로 VL2=L2·di/dT, VL 4=L4·L4 ·di/dt 의 유지전압이 발생한다.

여기서 주회로 배선 인덕턴스 L2 는 콘덴서(10)의 부극단자 N 과 스위칭소자 SW2 의 이미터단자 E2 사이에 존재하는 인덕턴스를 생전한것, 즉 회로배선 인덕턴스 L4 는 스위칭소자 SW2 의 이미터 단자 E2 와 교류출력단자 7(양 스위칭소자 SW1,SW2 의 접속점이 교류출력단자(7)보다 앞에 위치할때는 당해 스위칭소자 SW1, SW2 의 접속점)사이에 존재하는 인덕턴스를 상정한 것이다.

한편 플라이 휠 다이오드 1B 를 통해서 흐르는 전류 ②는 동 di/dt 에 의해 역으로 전류가 증가하고, 주회로 배선 인덕턴스 L1,L3 에는 상기 di/dt 에 의해 각각 도면중 화살표로 표시하는 방향에 VL1=L1·di/dt, VL3=L3·di/dt 의 유기전압이 발생한다.

여기서 주회로배선 인덕턴스 L1 은 콘덴서(10)의 정극단자(P)와 스위칭소자 SW1 의 콜렉터단자 C1 사이에 존재하는 인덕턴스를 상정한것, 주회로 배선 인덕턴스 L3 는 스위칭소자 SW1 의 콜렉터 단자 C1 과 교류출력단자(7)(양 스위칭 소자 SW1, SW2 의 접속점이 교류출력단자(7)보다 앞에 위치할때는 당해 스위칭소자 SW1,SW2 의 접속점)과의 사이에 존재하는 인덕턴스를 상정한 것이다.

이상의 결과, 스위칭소자 SW2 의 턴오프시에는 콘덴서(10)의 전압 E+VL1+VL2+VL3+VL4 의 전압 VSW2 가 턴오프 서지전압으로 인가된다.

다음에, 스위칭소자 SW1 의 턴오프시의 동작을 도 3(b)를 참조해서 설명한다.

IGBT1A 가 온에서 전류 ①가 콘덴서(10)의 정극단자 P→IGBT1A→교류출력단자(7)→부하 LL → 콘덴서(10)의 부극단자 N 의 루트로 흐르고 있는 상태에서 IGBT1A 가 턴 오프동작을 개시하면, 부하 LL 의 전류는 일정치를 유지하면서, 전류는 전류 ①에서 전류 ②, 즉 콘덴서(10)의 부극단자 N→플라이 휠 다이오드 2B →교류출력단자(7)→부하 LL→콘덴서(10)의 부극단자 N 의 루트의 전류에 전류한다.

이때의 스위칭소자 SW1 의 전압 VSW1 과 전류 ① , 전류 ②의 파형은 먼저 스위칭소자 SW2 에서 설명한 도 4 와 같아진다.

그리고 이 전류시, 전류 ① 은 IGBT1A 에 의해 결정되는 전류변화 비율 di/dt 에 의해 감소하고, 주회로 배선 인덕턴스 L1,L3 에는 상기 di/dt에 의해 각각 도면중 화살표에 표시하는 향으로 VL1=L1·di/dt, VL3=L3·di/dt 의 유기전압이 발생한다.

한편 플라이 휠 다이오드 2B 를 통해서 흐르는 전류 ② 는 등 di/dt 에 의해 역으로 전류가 증가하고, 주회로배선 인덕턴스 L2,L4 는 상기 di/dt 에 의해 각각 도면중 화살표에 표시하는 향에 VL2=L2·di/dt, VL4 = L4·di/dt 의 유기전압이 발생한다.

이상의 결과, 스위칭소자 SW1 의 턴 오프시에는 콘덴서(10)의 전압 E+VL1+ VL2+VL3+VL4 의 전압 VSW1 이 턴 오프 서지전압으로서 인가된다.

이상의 설명에서 아는 바와같이 도3(a)와(b)의 전류동작은 대칭의 내용이 되어 있고, 이하의 인덕턴스의 저감책은, 편의상, 도 3(a), 즉 스위칭소자 SW2 의 턴 오프시의 동작을 대상으로 설명하기로 한다.

따라서, 아래에 동작하는 전류 ①, 전류 ② 는 도 3(a)에서 기재하고 있는 것으로 한다.

그런데 주회로배선 인덕턴스는 배선의 길이 및 이 배선에 전류가 흘렀을때, 소위 우나사의 법칙에 의해 발생하는 자계의 크기에 영향된다.

따라서 주회로배선 인덕턴스를 저감하기 위해서는, 배선길이를 짧게 하는 것만으로는 부족하고 전류가 흐름으로써 발생하는 자계를 작게하는 것이 중요하다.

도 5 는 예를들면 전류 ①에 대해 이 통전로에 발생하는 주회로 배선 인덕턴스 L2, L4 를 저감하기 위한 원리를 설명하는 것이다.

즉 전류 ① 의 유로를 왕로와 복로로 되는 왕복도로 형성되고, 또 이 왕로와 복로의 거리 D 를 적극적으로 작게 한다.

도 5 에 표시하는바와같이, 왕로전류에 의해 생기는 자계와 복로 전류에 의해 생기는 자계와는 그 방향이 역이 되기 때문에, 상기 거리 D 를 작게함으로써, 양자계가 서로 상쇄되는 성분이 중대하고, 결과로서 주회로배선 인덕턴스의 인덕턴스가 대폭적으로 저감하게 되는 것이다.

여기서, 상기 왕복로로서 대상이 되는 범위는 도 3(a)에서, 전류 ①에 대해서는, 교류출력단자(7)→스위칭소자 SW2→콘덴서(10)의 부극단자 N, 전류 ②에 대해서는 교류출력단자(7)→스위칭소자 SW1 → 콘덴서(10)의 정극단자 P 를 설정하면 충분하다.

도 6 은 먼저 도 1 의 구성도에 상술한 전류 ① 및 전류 ②의 루트를 추가 기록한 것이다.

즉 굵은 실선으로 표시하는 전류 ① 의 왕복로는 교류출력단자(7)→SW2 의 콜렉터단자 C2→등 이미터단자 E2→콘덴서(10)의 부극단자 N 의 루트로 형성되고, 그 왕로와 복로가 항상 근접하도록 구성되어 있다.

또 굵은 쇄선으로 표시하는 전류 ②의 왕복로는, 교류출력단자(7)→SW1의 이미터 단자 E1→동콜렉터단자 C1→ 콘덴서(10)의 정극단자 P 의 루트로 형성되고, 또 그 왕로와 복로가 항상 근접하도록 구성되어 있다.

이상의 결과, 턴 오프 서지전압에 영향을 미치는 주회로 배선인덕턴스 L2,L4 및 L1,L3 가 모두 대폭적으로 감소한다.

도7,도 8 은 각 단자간의 접속수단으로 평판상의 배선판을 사용함으로써, 주회로 배선 인덕턴스의 한층의 저감을 도모한 것으로, 도 7 은 그 평면도, 도 8 은 그 조합상태를 설명하기 위한 사시도이다.

도면에서, 11 은 최상단에 배치된 N배선판으로, 콘덴서(10)의 부극단자 N 과 스위칭소자 SW2 의 이미터 단자 E2 를 접속하는 평판상의 배선판이다.

또 이 N 배선판(11)과 스위칭소자 SW2 의 이미터 단자 E2 와의 접속은, 예를들면 스위칭소자 SW2 에 설치된 스터드나사를 N 배선판(11)까지 관통시켜서 너트로 체결해준다.

이때문에 N배선판(11)보다 하단에 위치하는 P배선판(12)등에는, 이 스터드나사와 전기적 절연을 확보하기 위해 도면에 표시하는바와같은, 필요한 직경의 개공을 설치하고 있다.

또, 도 7(a)중, 11a 로 표시하는 것은, N배선판(11)의 일부에 형성된 슬릿으로, 콘덴서(10)의 부극단자 N 과 SW2 의 이미터단자 E2 사이의 전류로를 적극적으로 N배선판(11)의 중앙부분으로 인도해서 먼저 설명한 왕로복로간의 실질적인 거리의 더 한층의 단축을 도모하기 위한 것이다.

12 는 절연판(14)을 통해서 N배선판(11)의 하방에 배치된 P배선판으로, 콘덴서(10)의 정극단자 P 와 스위칭소자 SW1 의 콜렉터단자 C1 을 접속하는 평판상의 배선판이다.

또 12a 는 기술한 슬릿(11a)과 같은 목적때문에 P배선판(12)의 일부에 형성된 슬릿이다.

13 은 절연판(15)을 통해서 P배선판(12)의 하방에 배치된 AC 배선판으로 교류출력단자(7)과 스위칭소자 SW1 의 이미터 단자 E1 과 SW2 의 콜렉터단자 C2 를 접속하는 평판상의 배선판이다.

이상과 같이 각 배선판(11~13)은 각각 대면적을 갖고, 또 이들이 상호간에 평행하게 약간의 치수를 통해서 중첩해서 배치된 구조에 의해 먼저의 전류 ①의 왕복로 및 전류 ②의 왕복로가 모두 형성되어 있으므로 각 주회로 배선 인덕턴스가 대폭적으로 저감되고, 턴 오프 서지전압을 작게 억제할수가 있게되고, 스나버회로가 불필요하게 되고, 장치의 소형화 저손실화 저가격화, 또 부품수의 삭감으로부터 장치로서의 신뢰성이 향상된다.

실시의 형태 2

도 9 는 본 발명의 실시의 형태 2 에서의 전력변환장치를 표시하는 것으로, 먼저의 실시의 형태 1 의 도 7 에 대응해서, 특히 그 각 배선판(11),(12),(13)의 평면도를 표시하는 것이다.

도 7 의 구조와의 차는 도면중, 좌우방향의 배열을 모두 반대로 한 것이다.

따라서 각 단자간의 접속구조도 도 7 에 대해서 모두 좌우대칭이 되고, 이들 접속구조, 접속배치의 상대적 위치 관계로부터 결정되는 각 주회로 배선 인덕턴스는 도 7 의 경우와 전연동일해진다.

따라서, 세부의 설명의 중복은 피하나, 도 7 의 경우와 같이 각 주회로배선 인덕턴스가 대폭적으로 저감된다.

실시의 형태 3

도 10 은 본 발명의 실시의 형태 3 에서의 전력변환장치로, 그 1상분의 각 구성부품의 배치, 그 단자위치 및 접속요령을 표시하는 것이다.

먼저의 도 1 의 것과 다른것은, 양 스위칭 소자 SW1,SW2 의 단자의 위치이다.

즉 도 1 에서는 우측에서 좌측을 향해 C1,E1,C2,E2 의 순으로 각 단자가 일직선상에 놓여 있는데 대해, 이 도 10 에서는 우측에서 좌측을 향해, E1,C1,E2,C2 의 순으로 각 단자가 일직선상에 놓여 있다.

도 11 은 도 10 의 구성도에, 전류 ①및 전류 ②의 루트를 다시 그려넣은 것이다.

즉 굵은 실선으로 표시하는 전류 ①의 왕복로는 교류출력단자(7)→SW2의 콜렉터단자 C2 → 동일이미터단자 E2 → 콘덴서(10)의 부극단자 N 의 루트로 형성되고 그 왕로와 복로가 항상 근접하도록 구성되어 있다.

또 굵은 쇄선으로 표시하는 전류 ②의 왕복로는 교류출력단자 (7)→SW1 의 이미터단자 E1 →동 콜렉터단자 C1 → 콘덴서(10)의 정극단자 P 의 루트로 형성되고, 마찬가지로 그 왕로와 복로가 항상 근접하도록 구성되어 있다.

이상의 결과, 실시의 형태 1 의 경우와 같이 턴 오프 서지전압에 영향을 미치는 주회로 배선 인덕턴스 L2,L4 및 L1,L3 가 모두 대폭적으로 감소하게 되는 것이다.

도 12 는 도 10, 11 에서 표시하는 각 단자간에 접속수단으로서 평판상의 배선판을 채용함으로써, 주회로배선 인덕턴스의 또 한층의 저감을 도모한 것으로, 실시의 형태 1 의 도 7 에 대응하는 것이다.

도면에서 16 은 최상단에 배치된 P배선판으로, 콘덴서(10)의 정극단자 P 와 스위칭소자 SW1 의 콜렉터단자 C1 을 접속하는 평판상의 배선판이다.(동 도면 (a)) 16a 는 슬릿이다.

17 은 도시하지 않은 절연판을 통해서 P배선판(16)의 하방에 배치된 N배선판으로 콘덴서(10)의 부극단자 N 과 스위칭소자 SW2 의 이미터단자 E2 를 접속하는 평판상의 배선판이다(동도면(b)). 17a 는 슬릿이다.

18 은 도시하지 않은 절연판으로 통해서 N배선판(17)의 하방에 배치된 AC 배선판으로 교류출력단자(7)와 스위칭소자 SW1 의 이미터단자 E1 와 SW2 의 콜렉터 C2 를 접속하는 평판상의 배선판이다.

이 경우도, 먼저의 도 7 에서 표시한 것과 같이, 각 배선판(16~18)은 각각 대면적을 갖고, 또 이들의 서로 평행하게 약간의 치수를 통해서 중첩해서 배치된 구조에 의해 먼저의 전류 ①의 왕복로가 모두 형성되어 있으므로, 각 주회로 배선 인덕턴스가 대폭적으로 저감되고, 턴 오프 서지전압을 작게 억제할 수가 있고, 스나버회로가 불필요해지고, 장치의 소형화, 저손실화,저가격화, 또 부품수의 삭감으로부터 장치로서의 신뢰성이 향상된다.

실시의 형태 4

도 13 은 본 발명의 실시의 형태 4 에서의 전력변환장치로, 그 1 성분의 각 구성기기의 배치, 그 단자위치 및 접속요령을 표시하는 것이다.

이 배치는 먼저의 각 형태예와는 크게 다르다.

즉 양 스위칭소자 SW1 , SW2 의 각 단자는 일직선상에 배치되어 있으나, 이 직선의 방향이 콘덴서(10)의 단자 P, N 을 연결하는 방향과 직각이 되어 있다.

그리고 스위칭소자 SW1 에 대해 스위칭소자 SW2 를 콘덴서(10)에 근접시켜 배치하고 있다.

또 도 13(후술하는 도 14 도같다)에서는, 각 스위칭소자내의 IGBT 플라이 휠 다이오드의 도시는 생략하고 있다.

도 14 는 도 13 의 구성도에 도 3(a)의 전류 ① 및 전류 ②의 루트를 더 그려 넣은 것이다.

즉 굵은 실선으로 표시한 전류 ①의 왕복로는 교류출력단자 (7)→SW2 의 콜렉터 단자 C2→이미터단자 E2 → 콘덴서(10)의 부극단자 N 의 루트로 형성되고 그 왕로와 복로가 항상 근접하도록 구성되어 있다.

또 굵은 쇄선으로 표시한 전류 ②의 왕복로는, 교류출력단자(7)→SW1 의 이미터단자 E1 → 동 콜렉터단자 C1 → 콘덴서(10)의 정극단자 P 의 루트로 형성되고, 마찬가지로 그 완로와 복로가 항상 근접하도록 구성되어 있다.

이상과 결과, 이 경우도 실시의 형태 1 의 경우와 같이, 턴 오프 서지전압에 영향을 미치는 주회로 배선 인덕턴스 L2,L4 및 L1,L3 가 함께 대폭적으로 감소하게 되는 것이다.

도 15 는 도 13 , 14 에서 표시한 각 단자간의 접속수단으로서 평판상의 배선판을 채용함으로써, 주회로배선 인덕턴스의 가일충의 저감을 도모한 것으로, 실시의 형태 1 의 도 7 에 대응하는 것이다.

도면에서, 19 는 최상단에 배치된 P 배선판으로, 콘덴서(10)의 정극단자 P 와 스위칭소자 SW1 의 콜렉터 단자 C1 을 접속하는 평판상의 배선판이다(동도면 (a)).

20 은 도시하지 않은 절연판을 통해서 P 배선판(19)의 하방에 배치된 N배선판으로, 콘덴서(10)의 부극단자 N 과 스위칭소자 SW2 의 이미터단자 E2 를 접속하는 평판상의 배선판이다(동도면(b)). 21 은 도시하지 않은 절연판을 통해서 N배선판(20)의 하방에 배치된 AC 배선판으로, 교류출력단자(7)와 스위칭소자 SW1 의 이미터단자 E1 과 SW2 의 콜렉터 단자 C2 를 접속하는 평판상의 배선판이다.

도 16 은 도 15 의 각 배선판(19~21)을 사용해서 조립한 상태의 측면도를 표시한다.

이 도 16 에서는, 콘덴서(10)의 형상을 고려해서, 각 배선판 및 절연판을 도중에서 직각으로 구부린 것으로 하고, 장치 전체의 외형의 저감을 도모하였다.

이상과 같이, 이 경우도, 먼지의 도7에서 표시한 것과 같이, 각 배선판(19~21)은 각각 대면적을 갖고, 또 이들이 서로 평행하게 약간의 치수를 두고 겹쳐서 설치된 구조에 의해 먼저의 전류 ①의 왕복로 및 전류②의 왕복로가 공히 형성되어 있으므로, 각 주회로배선 인덕턴스가 대폭적으로 저감되어, 턴 오프 서지전압을 작게 억제하는 것이 가능해지고, 스나버회로가 불필요해지고, 장치의 소형화, 저손실화,저가격화,또 부품수의 삭감으로부터 장치로서의 신뢰성이 향상된다.

실시의 형태 5

도 17 은 본 발명의 실시의 형태 5 에서의 전력변환장치를 표시하는 것으로, 먼저의 실시의 형태 4 의 도 15 에 대응해서 특히 그 배선판의 평면도를 표시하는 것이다.

도면에서, 22 는 최상단에 배치된 N배선판이고, 콘덴서(10)의 부극단자 N 과 스위칭소자 SW2 의 이미터단자 E2 를 접속하는 평판상의 배선판이다(동 도면(a)).

23 은 도시하지 않은 절연판을 통해서 N 배선판(22)의 하방에 배치된 P 배선판으로 콘덴서(10)의 정극단자 P 와 스위칭소자 SW1 의 콜렉터 단자 C1 을 접속하는 평판상의 배선판이다(동 도면 (b)). 24 는 도시하지 않은 절연판을 통해서, P 배선판 (23)의 하방에 배치된 AC 배선판으로, 교류출력단자(7)와 스위칭소자 SW1 의 이미터단자 E1 와 SW2 의 콜렉터 단자 C2 를 접속하는 평판상의 배선판이다.

이상과 같이 이 경우에도 먼저의 도 15 에서 표시한것과 같이 각 배선판 (22~24)는 각각 대면적을 갖고, 또 이들이 서로 평행되게 약간의 치수를 통해서 중첩되어 배치된 구조에 의해 먼저의 전류 ①의 왕복로 및 전류 ② 의 왕복로가 함께 형성되어 있으므로, 각 주회로 배선 인덕턴스가 대폭으로 저감되고, 턴 오프 서지전압을 작게 억제할수가 있고, 스나버 회로가 불필요해지고, 장치의 소형화, 저손실화,저가격화 또 부품점수의 삭감에서 장치로서의 신뢰성이 향상된다.

또 상술 각 실시의 형태에서는 어느것이나 단상분으로 설명하였으나 3상등 복수상의 전력변환장치로서 구성가능한 것을 물론이고, 또 각 스위칭소자로서 1병렬의 IGBT 모듈을 사용하는 것으로 하였으나, 2개 이상의 복수의 병렬 접속한 것을 사용하도록 해도 된다.

또 스위칭소자로는 IGBT 에 한하지 않고, 트랜지스터, 인델리전트 파워모듈, 또는 FET, GCT(Gate Camunicated Thy-ristor)등 여러가지의 타입의 것을 사용할수가 있다.

이상과 같이 청구항 1 에 관한 전력변환장치는 정극단자와 부극단자를 갖는 직류전압원, 양극단자가 상기 직류전압원의 정극단자에 접속된 제1의 스위칭소자, 양극단자가 상기 제1의 스위칭소자의 음극단자에 접속되어 음극단자가 상기 직류전압원의 부극단자에 접속된 제2의 스위칭소자, 및 상기 제1의 스위칭소자와 제2의 스위칭소자와의 접속점에서 도출된 교류출력단자를 구비한 전력변환장치에서, 상기 교류출력단자로부터 상기 제2의 스위칭소자를 거쳐 상기 직류전압원의 부극단자에 이르는 제1의 전류로가 왕로와 복로가 서로 근접하는 왕복로를 형성하도록, 또 상기 교류출력단자로부터 상기 제1의 스위칭소자를 거쳐서상기 직류전압원의 정극단자에 이르는 제2의 전류로가, 왕로와 복로가 서로 근접하는 왕복로를 형성하도록 상기 각 단자 및 각 단자간의 접속수단을 설치하도록 하였으므로, 주회로배선 인덕턴스의 철저한 저감이 실현되고, 스위칭소자의 전류에 의해 스위칭소자에 인가되는 턴 오프 서지전압이 대폭적으로 억제된다.

또, 청구항 2 에 관한 전력변환장치는 그 제1및 제2의 스위칭소자의 각 단자가 거의 직선상에 위치하도록 상기 제1및 제2의 스위칭소자를 배치하고 직류전압원의 양단자를 연결하는 방향이 상기 직선의 방향과 거의 평행이 되도록 상기 직류 전압원을 배치하고, 교류출력단자를 상기 직류전압원의 양단자의 거의 중간위치에 배치하였으므로, 주회로배선 인덕턴스저감을 확실하게 실현할 수 있는 기기배치가 얻어진다.

또, 청구항 3 에 관한 전력변환장치는, 그 직류전압원의 정극단자로부터 부극단자에의 향이, 제1의 스위칭의 양극단자로부터 음극단자 그리고 제2의 스위칭소자에의 양극단자로부터 음극단자에의 향과 일치하도록, 상기 직류전압원과, 제1및 제2의 스위칭소자를 배치하였으므로, 주회로배선 인덕턴스 저감을 확실하게 실현할 수 있는 단자 배치가 얻어진다.

또 청구항 4 에 관한 전력변환장치는, 그 직류전압원의 정극단자로부터 부극단자에의 향이, 제1의 스위칭 소자의 음극단자로부터 양극단자 그리고 제2의 스위칭소자의 음극단자로부터 양극단자에의 향과 일치하도록 상기 직류전압원과 제1및 제2의 스위칭소자를 배치하였으므로, 주회로 배선 인덕턴스저감을 확실하게 실현할 수 있는 단자배치가 얻어진다.

또 청구항 5 에 관한 전력변환장치는, 그 제1및 제2의 스위칭소자의 각 단자가 거의 직선상에 위치하도록 상기 제1및 제2의 스위칭소자를 배치하고, 직류전압원의 양단자를 연결하는 방향이 상기 직선의 방향과 거의 직각이 되도록 상기 직류전압원을 배치하고 교류출력단자를 상기 직류전압원의 양단자의 거의 중간위치에 배치하였으므로, 주회로배선 인덕턴스 저감을 확실하게 실현할 수 있는 기기 배치가 얻어진다.

또 청구항 6 에 관한 전력변환장치는, 그 제2의 스위칭소자에 대해 제1의 스위칭소자를 직류전압원에 근접시켜서 배치하였으므로, 주회로 배선 인덕턴스 저감을 확실하게 실현할 수 있는 단자 배치가 얻어진다.

또 청구항 7 에 관한 전력변환장치는, 그 제1의 스위칭소자에 대해, 제2의 스위칭소자를 직류전압원에 근접시켜서 배치하였으므로, 주 회로배선 인덕턴스 저감을 확실하게 실현시킬수 있는 단자 배치가 얻어진다.

또 청구항 8 에 관한 전력변환장치는, 그 직류전압원의 정극단자와 제1의 스위칭소자의 양극단자와의 접속수단, 상기 직류전압원의 부극단자와 제2의 스위칭소자의 음극단자와의 접속수단, 및 상기 제1의 스위칭소자의 음극단자와 상기 제2의 스위칭소자의 양극단자와 교류출력과의 접속수단을 절연판을 통해서 서로 평행하게 겹쳐서 배치된 평판상의 배선판으로 하였으므로, 주 회로배선 인덕턴스가 한층더 저감한다.

또 청구항 9 에 관한 전력변환장치는 청구항 1 내지 8 의 어느한항에 기재한 전력변환장치를 다수 구비하고, 서로 위상차를 갖는 다수상의 교류전압을 출력하는 구성으로 하였으므로, 주회로배선 인덕턴스를 저감한 여러상의 전력변화장치를 실현할수가 있다.

Claims

정극단자와 부극단자를 갖는 직류전압원, 양극단자가 상기 직류전압원의 정극단자에 접속된 제1의 스위칭소자 양극단자가 상기 제1의 스위칭소자의 음극단자에 접속되어 음극단자가 상기 직류전압원의 부극단자에 접속된 제2의 스위칭소자 및 상기 제1의 스위칭소자와 제2의 스위칭소자와의 접속점에서 도출된 교류출력단자를 구비한 전력변환장치에서, 상기 교류출력단자로부터 상기 제2의 스위칭소자를 거쳐 상기 직류전압원의 부극단자에 이르는 제1의 전류로가, 왕로와 복로가 서로 근접하는 왕복로를 형성하도록 또 상기 교류출력단자로부터 상기 제1의 스위칭소자를 거쳐 상기 직류전압원의 정극단자에 이르는 제2의 전류로가, 왕로와 복로가 서로 근접하는 왕복로를 형성하도록, 상기 각 단자 및 각 단자간의 접속수단을 배치하도록 한 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
제 1 항에 있어서,

제1및 제2의 스위칭소자의 각 단자가 거의 직선상에 위치하도록 상기 제1및 제2의 스위칭소자를 배치하고, 직류전압원의 양단자를 연결하는 방향이 상기 직선의 방향과 거의 평행이 되도록 상기 직류전압원을 배치하고, 교류출력단자를 상기 직류전압원의 양단자의 거의 중간위치에 배치한 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
제 2 항에 있어서,

직류전압원의 정극단자로부터 부극단자에의 향이, 제1의 스위칭의 양극단자로부터 음극단자 그리고 제2의 스위칭소자의 양극단자로부터 음극단자에의 향과 일치하도록 상기 직류전압원과 제1및 제2의 스위칭 소자를 배치한 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
제 2 항에 있어서,

직류전압원의 정극단자로부터 부극단자에의 향이, 제1의 스위칭소자의 음극단자로부터 양극 단자 그리고 제2의 스위칭소자의 음극단자로부터 양극단자에의 향과 일치하도록, 상기 직류전압원과 제1및 제2의 스위칭소자를 배치한 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
제 1 항에 있어서,

제1및 제2의 스위칭 소자의 각 단자가 거의 직선상에 위차하도록 상기 제1및 제2의 스위칭소자를 배치하고 직류전압원의 양단자를 연결하는 방향이 상기 직선의 방향과 거의 직각이 되도록 상기 직류전압원을 배치하고, 교류출력단자를 상기 직류전압원의 양단자간의 거의 중간위치에 배치한 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
제 5 항에 있어서,

제2의 스위칭소자에 대해 제1의 스위칭소자를 직류전압원에 근접시켜 배치한 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
제 5 항에 있어서,

제1의 스위칭소자에 대해 제2의 스위칭소자를 직류전압원에 근접시켜서 배치한 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
제 1 항 내지 제 7 항의 어느한항에 있어서,

직류전압의 정극단자와 제1의 스위칭소자의 양극단자와의 접속수단, 상기 직류전압원의 부극단자와 제2의 스위칭소자의 음극단자와의 접속수단 및 상기 제1의 스위칭소자의 음극단자와 상기 제2의 스위칭소자의 양극단자와 교류출력단자와의 접속수단을, 절연판을 통해서 서로 평행되게 겹쳐서 배치된 평판상의 배선판으로 한 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
제 1 항 내지 제 8 항의 어느한항에 기재한 전력변환장치를 여러개 구비하고, 서로 위상차를 갖는 다수상의 교류전압을 출력하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 전력변환장치.