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JP5328706B2 - Power converter - Google Patents

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JP5328706B2
JP5328706B2 JP2010075025A JP2010075025A JP5328706B2 JP 5328706 B2 JP5328706 B2 JP 5328706B2 JP 2010075025 A JP2010075025 A JP 2010075025A JP 2010075025 A JP2010075025 A JP 2010075025A JP 5328706 B2 JP5328706 B2 JP 5328706B2
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健次 萩野
直史 後藤
哲嗣 土斐崎
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Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Kitashiba Electric Co Ltd
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Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Kitashiba Electric Co Ltd
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Description

本発明は、半導体スイッチング素子を用いた電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device using a semiconductor switching element.

一般的に、半導体スイッチング素子を用いた電力変換装置では、負荷の高力率化や回路サ―ジ電圧の発生抑制の観点から、コンデンサと各半導体スイッチング素子との間の配線インダクタンスを小さくすることが求められている。   Generally, in a power converter using a semiconductor switching element, the wiring inductance between the capacitor and each semiconductor switching element is reduced from the viewpoint of increasing the power factor of the load and suppressing the occurrence of circuit surge voltage. Is required.

例えば、下記特許文献1の電力変換装置では、配線インダクタンスを小さくするために、電流経路としてコンデンサに至る複数の往路の距離の和と、複数の復路の距離の和とが、大きさがほぼ等しく、向きが逆となるように往路と復路を各々1枚の導体板で構成している。   For example, in the power conversion device disclosed in Patent Document 1 below, in order to reduce the wiring inductance, the sum of the distances of the plurality of forward paths to the capacitor as the current path and the sum of the distances of the plurality of return paths are substantially equal. The forward path and the return path are each composed of one conductive plate so that the directions are reversed.

特開2007−228639号公報JP 2007-228639 A

しかしながら、従来の電力変換装置では、配線インダクタンスの低減は図れるものの、半導体スイッチング素子の並列数が多くなると、往路と復路の各々の導体板の面積が大きくなり、装置が大型化すると共に、平板薄板の導体板の製作も困難となる。   However, in the conventional power conversion device, although the wiring inductance can be reduced, when the number of parallel semiconductor switching elements increases, the area of each of the conductor plates on the forward path and the return path increases, and the device becomes larger and the thin plate is thin. It is also difficult to manufacture the conductor plate.

そこで、本発明は、上記事情に鑑みて、配線インダクタンスの低減を図りつつ小型化を実現することができる電力変換装置を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the power converter device which can implement | achieve size reduction, aiming at reduction of wiring inductance in view of the said situation.

上記課題を解決するために、第1発明の電力変換装置は、1または複数の半導体スイッチング素子が直列に接続されたアームを2つ直列に接続した複数の第1レグ回路と、前記アームを2つ直列に接続した、前記第1レグ回路と同数の第2レグ回路とを、前記複数の第1レグ回路を第一相とし、前記複数の第2レグ回路を第二相として単相フルブリッジ接続した電力変換装置において、
各々ナンバーリングされて2個の並列構成となっている前記複数の第1レグ回路(1番目、2番目と、前記複数の第1レグ回路に対応して各々ナンバーリングされて2個の並列構成となっている前記複数の第2レグ回路(1番目、2番目とは、任意の自然数n(ただしnは、n≦)に対して、
(2n−1)番目の第1レグ回路の上アームと、(2n−1)番目の第2レグ回路の下アームとが、電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなると共に、該(2n−1)番目の第1レグ回路の下アームと、該(2n−1)番目の第2レグ回路の上アームとが、電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなるように、該(2n−1)番目の第1レグ回路を対称面の表面に、該(2n−1)番目の第2レグ回路を該対称面の裏面に配置し、
2n番目の第1レグ回路の上アームと、2n番目の第2レグ回路の下アームとが、電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなると共に、該2n番目の第1レグ回路の下アームと、該2n番目の第2レグ回路の上アームとが、電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなるように、該2n番目の第1レグ回路を前記対称面の裏面に、該2n番目の第2レグ回路を対称面の表面に配置することを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, a power converter according to a first aspect of the present invention includes a plurality of first leg circuits in which two arms each having one or more semiconductor switching elements connected in series are connected in series, and two arms. The same number of second leg circuits connected in series as the first leg circuit, the plurality of first leg circuits as a first phase, and the plurality of second leg circuits as a second phase, a single-phase full bridge In the connected power converter,
Each number said that the ring has been a two-parallel configuration plurality of first leg circuit (first, second) and each numbering has been two parallel corresponding to said plurality of first leg circuit The plurality of second leg circuits (first and second ) having a configuration is an arbitrary natural number n (where n is n ≦ 2 ),
The upper arm of the (2n-1) -th first leg circuit and the lower arm of the (2n-1) -th second leg circuit have a current path that is plane-symmetric and the direction of the current is reversed. The lower arm of the (2n-1) th first leg circuit and the upper arm of the (2n-1) th second leg circuit have a current path that is plane-symmetric and the direction of the current is reversed. Thus, the (2n-1) th first leg circuit is arranged on the surface of the symmetry plane, and the (2n-1) th second leg circuit is arranged on the back surface of the symmetry plane,
The upper arm of the 2n-th first leg circuit and the lower arm of the 2n-th second leg circuit have a current path that is plane-symmetric and the direction of the current is reversed, and the 2n-th first leg circuit The 2n-th first leg circuit is connected to the plane of symmetry so that the current path is plane-symmetric and the direction of the current is reverse to the lower arm and the upper arm of the 2n-th second leg circuit. The 2n-th second leg circuit is arranged on the surface of the symmetry plane on the back surface.

かかる第1発明の電力変換装置によれば、偶数配列構成(2並列、4並列、・・2m並列構成)の場合にも、1または複数の第1レグ回路および第2レグ回路が次の条件を満たすように、各素子が配置される。   According to the power conversion device of the first aspect of the present invention, even in the case of an even array configuration (2-parallel, 4-parallel,... 2m parallel configuration), one or more first leg circuits and second leg circuits satisfy the following conditions: Each element is arrange | positioned so that it may satisfy | fill.

すなわち、第1レグ回路の上アームと、ナンバーリングにより対応付けられた第2レグ回路の下アームとが電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなると共に、第1レグ回路の下アームと、ナンバーリングにより対応付けられた第2レグ回路の上アームとが電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなるように、対称面の表側と裏側に配置される。   In other words, the current path of the upper arm of the first leg circuit and the lower arm of the second leg circuit associated by numbering are symmetrical with respect to the current path, and the direction of the current is reversed. The arm and the upper arm of the second leg circuit associated with each other by the number ring are arranged on the front side and the back side of the symmetry plane so that the current path is plane-symmetric and the direction of the current is opposite.

さらに、上記第1レグ回路およびこれに対応する第2レグ回路に付されたナンバーと前後するナンバーリングがされた第1レグ回路および第2レグ回路では、表裏を逆にして、電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなるように上アームと下アームが対称面の裏面および表面に配置される。   Further, in the first leg circuit and the second leg circuit that are numbered in the first leg circuit and the second leg circuit corresponding to the first leg circuit, the current path is reversed with the front and back reversed. The upper arm and the lower arm are arranged on the back surface and the front surface of the symmetrical surface so as to be symmetric and the direction of the current is reversed.

このように、電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなるように上アームと下アームとを配置することで、半導体スイッチング素子やこれらを接続する配線導体の間の相互インダクタンスを負として配線インダクタンスの低減を図ることができる。   Thus, by arranging the upper arm and the lower arm so that the current path is plane-symmetric and the direction of the current is opposite, the mutual inductance between the semiconductor switching element and the wiring conductor connecting them is negative. As a result, the wiring inductance can be reduced.

また、半導体スイッチング素子やこれらを接続する配線導体を対称面の表面と裏面に分散して配置することができ、装置の小型化を図ることができる。加えて、配線導体である配線導体板(ブスバー)の面積を小さくすることができ、配線導体板の工作性も向上させることができる。   Further, the semiconductor switching elements and the wiring conductors connecting them can be distributed and arranged on the front and back surfaces of the symmetry plane, and the device can be miniaturized. In addition, the area of the wiring conductor plate (bus bar) that is the wiring conductor can be reduced, and the workability of the wiring conductor plate can also be improved.

なお、奇数配列構成(3並列、5並列、・・(2m+1)並列構成)の場合にも、第1発明の電力変換装置と同様に、電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなるように上アームと下アームとを配置することで、半導体スイッチング素子やこれらを接続する配線導体の間の相互インダクタンスを負として配線インダクタンスの低減を図ることができる。 In the case of an odd array configuration (3 parallels, 5 parallels,... (2m + 1) parallel configuration), the current path is plane-symmetric and the direction of the current is reverse as in the power converter of the first invention. By arranging the upper arm and the lower arm in such a manner, it is possible to reduce the wiring inductance by making the mutual inductance between the semiconductor switching element and the wiring conductor connecting them negative.

また、半導体スイッチング素子やこれらを接続する配線導体を対称面の表面と裏面に分散して配置することができ、装置の小型化を図ることができる。加えて、配線導体である配線導体板(ブスバー)の面積を小さくすることができ、配線導体板の工作性も向上させることができる。   Further, the semiconductor switching elements and the wiring conductors connecting them can be distributed and arranged on the front and back surfaces of the symmetry plane, and the device can be miniaturized. In addition, the area of the wiring conductor plate (bus bar) that is the wiring conductor can be reduced, and the workability of the wiring conductor plate can also be improved.

発明の電力変換装置は、第1発明において、
ナンバーリングにより対応付けられた前記第1レグ回路および前記第2レグ回路は、該第1レグ回路の上アームと、該第2レグ回路の下アームとが、冷却器を挟んで配置されると共に、該第1レグ回路の下アームと、該第2レグ回路の上アームとが、前記冷却器を挟んで配置されることを特徴とする。
Power converter of the second aspect, in the first shot Akira,
In the first leg circuit and the second leg circuit associated by numbering, an upper arm of the first leg circuit and a lower arm of the second leg circuit are arranged with a cooler interposed therebetween. The lower arm of the first leg circuit and the upper arm of the second leg circuit are arranged with the cooler interposed therebetween.

発明の電力変換装置によれば、ナンバーリングにより対応付けられた第1レグ回路および第2レグ回路の上・下アームを冷却器を挟んで配置することで、レグ回路を構成する素子や冷却器を空間的に集約して装置の小型化を図ることができ、さらに装置の小型化を図る際に問題となる放熱性を併せて解決することができる。 According to the power conversion device of the second invention, by arranging the upper and lower arms of the first leg circuit and the second leg circuit associated by numbering with the cooler interposed therebetween, the elements constituting the leg circuit It is possible to reduce the size of the apparatus by spatially consolidating the coolers, and to solve the heat dissipation that becomes a problem when the size of the apparatus is further reduced.

発明の電力変換装置は、第1または発明のいずれかにおいて、
前記複数の第1レグ回路の上アームは、直流導体からそれぞれ上アームを経由して負荷へ至る各電流経路の長さがすべて同一であり、且つ、該複数の第1レグ回路の下アームは、負荷からそれぞれ下アームを経由して直流導体へ至る各電流経路の長さがすべて同一であり、
前記複数の第2レグ回路の上アームは、直流導体からそれぞれ上アームを経由して負荷へ至る各電流経路の長さがすべて同一であり、且つ、該複数の第2レグ回路の下アームは、負荷からそれぞれ下アームを経由して直流導体へ至る各電流経路の長さがすべて同一であることを特徴とする。
The power converter of the third invention is either the first or second invention,
The upper arms of the plurality of first leg circuits have the same length of each current path from the DC conductor to the load via the upper arm, and the lower arms of the plurality of first leg circuits are The length of each current path from the load to the DC conductor via the lower arm is the same,
The upper arms of the plurality of second leg circuits have the same length of each current path from the DC conductor to the load via the upper arm, and the lower arms of the plurality of second leg circuits are The length of each current path from the load to the DC conductor via the lower arm is the same.

発明の電力変換装置によれば、第1レグ回路は、上アームを経由して負荷へ至る複数の電流経路がすべて同一であり、複数の経路の間で電流アンバランスを生じることがない。同様に、第1レグ回路は、負荷から下アームを経由して直流導体へ至る複数の電流経路がすべて同一であり、複数の経路の間で電流アンバランスを生じることがない。 According to the power conversion device of the third invention, the first leg circuit has the same plurality of current paths that reach the load via the upper arm, and does not cause current imbalance among the plurality of paths. . Similarly, in the first leg circuit, the plurality of current paths from the load to the DC conductor via the lower arm are all the same, and current imbalance does not occur between the plurality of paths.

これは、第2レグ回路についても同様である。すなわち、第2レグ回路の上アームを経由して負荷へ至る複数の電流経路がすべて同一で、電流アンバランスを生じることがない。また、負荷から下アームを経由して直流導体へ至る複数の電流経路がすべて同一で、電流アンバランスを生じることがない。そのため、上述のように配線インダクタンスの低減を図りながら、特定の素子に過大な電流が流れることを防止することができる。   The same applies to the second leg circuit. That is, a plurality of current paths that reach the load via the upper arm of the second leg circuit are all the same, and current imbalance does not occur. Further, the plurality of current paths from the load to the DC conductor via the lower arm are all the same, and current imbalance does not occur. Therefore, it is possible to prevent an excessive current from flowing through a specific element while reducing the wiring inductance as described above.

なお、補足をすると、従前の電力変換装置に対して、第1〜第発明の電力変換装置は、以下の点においても優れた作用効果を奏するものである。 In addition, as a supplement, the power converters according to the first to third inventions have excellent operational effects in the following respects as compared with the conventional power converters.

まず、従前の電力変換装置では、IGBT等の半導体スイッチング素子の並列数の増加に伴い、往路と復路の導体板の面積が各々広くなり、導体板に空いている半導体スイッチング素子の端子との絶縁距離を確保するための開口穴の数が多くなるが、本発明の電力変換装置は、素子の端子に接続されている導体板が単独かつ同一形状で構成されているため、開口穴が不要であり、各アームの電流密度に差異がなく局部加熱が生じることもない。   First, in the conventional power conversion device, as the number of parallel semiconductor switching elements such as IGBTs increases, the area of the forward and return conductor plates increases, and insulation from the terminals of the semiconductor switching elements that are vacant in the conductor plates occurs. Although the number of opening holes for securing the distance increases, the power converter according to the present invention does not need an opening hole because the conductor plate connected to the terminal of the element is configured independently and in the same shape. There is no difference in the current density of each arm, and local heating does not occur.

また、従前の電力変換装置では、往路と復路の平行平板導体が各々1枚で構成されており、全ての半導体スイッチング素子の端子と接続されているため、少なくとも1つの素子が破損して、これを交換する場合には、前記平行平板導体と接続されているすべての素子を切り離す必要があるが、本発明では、素子の端子に接続されている導体板が単独かつ分割可能であるため、かかる事態を回避して、良好なメンテナンス性を実現することができる。   Further, in the conventional power converter, each of the parallel plate conductors of the forward path and the return path is composed of one sheet and is connected to the terminals of all the semiconductor switching elements. In the present invention, it is necessary to disconnect all elements connected to the parallel plate conductors. The situation can be avoided and good maintainability can be realized.

本実施形態の電力変換装置の回路図。The circuit diagram of the power converter of this embodiment. 図1の電力変換装置の素子の配置を示す説明図。Explanatory drawing which shows arrangement | positioning of the element of the power converter device of FIG. 図2のIII−III線で切断した断面図。Sectional drawing cut | disconnected by the III-III line | wire of FIG. 定常状態における電流経路を示す説明図。Explanatory drawing which shows the electric current path in a steady state. 転流時における電流経路を示す説明図。An explanatory view showing a current course at the time of commutation.

図1を参照して、本実施形態の電力変換装置について説明する。電力変換装置は、例えば、誘導加熱装置や誘導溶解炉等に用いられるものである。   With reference to FIG. 1, the power converter device of this embodiment is demonstrated. A power converter is used for an induction heating device, an induction melting furnace, etc., for example.

具体的に、電力変換装置は、電源1と、三相順変換器2と、直流リアクトル3と、逆変換器4と、力率改善用コンデンサ11(本発明のコンデンサに相当する)と、加熱コイル12とを備える。   Specifically, the power converter includes a power source 1, a three-phase forward converter 2, a DC reactor 3, an inverse converter 4, a power factor improving capacitor 11 (corresponding to the capacitor of the present invention), heating, and the like. A coil 12.

電源1は、商用周波数の交流電源であって、三相順変換器2に接続されている。   The power source 1 is a commercial frequency AC power source and is connected to the three-phase forward converter 2.

三相順変換器2は、電源1の交流電力を直流電力に変換する回路であり、具体的には、サイリスタ等により構成される。   The three-phase forward converter 2 is a circuit that converts AC power of the power source 1 into DC power, and specifically includes a thyristor or the like.

直流リアクトル3は、三相順変換器2で生成された直流電圧のリプル分を除去すると共に、逆変換器4、力率改善用コンデンサ11および加熱コイル12の破損時に発生し得る過電流の急激な増加を抑制する。   The DC reactor 3 removes a ripple component of the DC voltage generated by the three-phase forward converter 2 and causes a sudden overcurrent that may occur when the inverse converter 4, the power factor improving capacitor 11, and the heating coil 12 are damaged. Increase.

逆変換器4は、複数の逆変換スタック41〜44(本発明のレグ回路)により構成され、三相順変換器2で変換された直流電力を交流電力に変換して、加熱コイル12側へ出力する。なお、逆変換器4の詳細は、後述する。   The inverse converter 4 is configured by a plurality of inverse conversion stacks 41 to 44 (leg circuit of the present invention), converts the DC power converted by the three-phase forward converter 2 into AC power, and moves to the heating coil 12 side. Output. Details of the inverse converter 4 will be described later.

配線インダクタンス9は、逆変換器4と力率改善用コンデンサ11との間に発生するインダクタンスである。   The wiring inductance 9 is an inductance generated between the inverse converter 4 and the power factor improving capacitor 11.

力率改善用コンデンサ11は、加熱コイル12の遅れ力率を進み力率に改善するためのコンデンサである。   The power factor improving capacitor 11 is a capacitor for improving the delay power factor of the heating coil 12 to a leading power factor.

加熱コイル12は、例えば、コイル12を巻回した炉内に鉄等の金属材料を投入して、逆変換器4から高周波電力を供給することで、炉内の金属材料に渦電流を発生させて、金属材料をジュール熱により加熱溶解させるものである。   The heating coil 12, for example, puts a metal material such as iron into a furnace around which the coil 12 is wound and supplies high frequency power from the inverse converter 4, thereby generating an eddy current in the metal material in the furnace. Thus, the metal material is heated and dissolved by Joule heat.

次に、説明を後回しにした逆変換器4の構成について説明する。   Next, the configuration of the inverse converter 4 that will be described later will be described.

逆変換器4を構成する逆変換スタック41は、半導体スイッチング素子としてのIGBT45a(絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ)と逆阻止ダイオード51を配線導体61で直列に接続したものから構成される上アームと、IGBT45bと逆阻止ダイオード55を配線導体65で直列に接続したものから構成される下アームとを、配線導体71で直列に接続したものであり、本発明の第1レグ回路(より正確には、第1番目の第1レグ回路)に相当する。   The reverse conversion stack 41 constituting the reverse converter 4 includes an upper arm composed of an IGBT 45a (insulated gate bipolar transistor) as a semiconductor switching element and a reverse blocking diode 51 connected in series by a wiring conductor 61, and an IGBT 45b. And a lower arm constituted by connecting the reverse blocking diode 55 in series with a wiring conductor 65 and connected in series with a wiring conductor 71. The first leg circuit of the present invention (more precisely, the first Corresponds to the first first leg circuit).

同様に、逆変換スタック42は、IGBT46aと逆阻止ダイオード52を配線導体62で直列に接続したものから構成される上アームと、IGBT46bと逆阻止ダイオード56を配線導体66で直列に接続したものから構成される下アームとを、配線導体72で直列に接続したものであり、第1レグ回路(第2番目の第1レグ回路)に相当する。   Similarly, the reverse conversion stack 42 includes an upper arm composed of an IGBT 46a and a reverse blocking diode 52 connected in series by a wiring conductor 62, and an IGBT 46b and a reverse blocking diode 56 connected in series by a wiring conductor 66. The lower arm to be configured is connected in series by a wiring conductor 72, and corresponds to a first leg circuit (second first leg circuit).

逆変換スタック43は、IGBT47aと逆阻止ダイオード53を配線導体63で直列に接続したものから構成される上アームと、IGBT47bと逆阻止ダイオード57を配線導体67で直列に接続したものから構成される下アームとを、配線導体73で直列に接続したものであり、逆変換スタック41と対をなす第2レグ回路(より正確には、第1番目の第2レグ回路)に相当する。なお、逆変換スタックの対については、後述する。   The reverse conversion stack 43 is composed of an upper arm composed of an IGBT 47a and a reverse blocking diode 53 connected in series by a wiring conductor 63, and an IGBT 47b and a reverse blocking diode 57 connected in series by a wiring conductor 67. The lower arm is connected in series with the wiring conductor 73, and corresponds to a second leg circuit (more precisely, the first second leg circuit) paired with the inverse conversion stack 41. The pair of inverse transform stacks will be described later.

逆変換スタック44は、IGBT48aと逆阻止ダイオード54を配線導体64で直列に接続したものから構成される上アームと、IGBT48bと逆阻止ダイオード58を配線導体68で直列に接続したものから構成される下アームとを、配線導体74で直列に接続したものであり、逆変換スタック42と対をなす第2レグ回路(第2番目の第2レグ回路)に相当する。   The reverse conversion stack 44 is composed of an upper arm composed of an IGBT 48a and a reverse blocking diode 54 connected in series by a wiring conductor 64, and an IGBT 48b and a reverse blocking diode 58 connected in series by a wiring conductor 68. The lower arm is connected in series by the wiring conductor 74, and corresponds to a second leg circuit (second second leg circuit) paired with the inverse conversion stack.

そして、これらの逆変換スタック41〜44は、逆変換スタック41,42の上アームと下アームとの間で、単相交流のU相(第一相)として加熱コイル12およびコンデンサ11の一端に接続されると共に、逆変圧スタック43,44の上アームと下アームとの間で、単相交流のV相(第二相)として、加熱コイル12およびコンデンサ11の一端に接続された単相フルブリッジ構成となっている。   These reverse conversion stacks 41 to 44 are connected to one end of the heating coil 12 and the capacitor 11 as a U-phase (first phase) of single-phase alternating current between the upper arm and the lower arm of the reverse conversion stacks 41 and 42. A single-phase full connected to one end of the heating coil 12 and the capacitor 11 as a V-phase (second phase) of a single-phase alternating current between the upper arm and the lower arm of the reverse transformation stacks 43 and 44. It has a bridge configuration.

図2を参照して、これら逆変換スタック41〜44の素子の配置について説明する。図2は、左側が逆変換器4を正面(本発明の対称面の表面に相当する)から見た外形図であり、右側が背面(本発明の対称面の裏面に相当する)から見た外形図となっている。   With reference to FIG. 2, the arrangement | positioning of the element of these inverse transformation stacks 41-44 is demonstrated. FIG. 2 is an external view of the inverse converter 4 viewed from the front (corresponding to the surface of the symmetric surface of the present invention) on the left side, and viewed from the back (corresponding to the back surface of the symmetric surface of the present invention). It is an outline drawing.

逆変換スタック41(第1番目の第1レグ回路)は、正面側(図中左側)に配置され、逆変換スタック43(第1番目の第2レグ回路)が、背面側(図中右側)に、電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなるように配置され、これら逆変換スタック41と逆変換スタック43が対となっている。   The inverse transformation stack 41 (first first leg circuit) is arranged on the front side (left side in the figure), and the inverse transformation stack 43 (first second leg circuit) is arranged on the back side (right side in the figure). In addition, the current paths are arranged in plane symmetry and the direction of the current is reversed, and the inverse transformation stack 41 and the inverse transformation stack 43 are paired.

また、逆変換スタック42(第2番目の第1レグ回路)は、背面側(図中右側)に配置され、逆変換スタック44(第2番目の第2レグ回路)が、正面側(図中左側)に、電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなるように配置され、これら逆変換スタック42と逆変換スタック44が対となっている。   The inverse transformation stack 42 (second first leg circuit) is arranged on the back side (right side in the figure), and the inverse transformation stack 44 (second second leg circuit) is arranged on the front side (in the figure). On the left side, the current path is symmetrical and the direction of the current is reversed, and the inverse transformation stack 42 and the inverse transformation stack 44 are paired.

補足すると、複数の第1レグ回路に相当する逆変換スタック41,42は、第1番目、第2番目のようにナンバーリングにより区別されており、このナンバーリングに対応した形で対をなす、複数の第2レグ回路に相当する逆変換スタック43,44にナンバーリングが付されている。   Supplementally, the inverse transformation stacks 41 and 42 corresponding to a plurality of first leg circuits are distinguished by numbering such as first and second, and are paired in a form corresponding to this numbering. Numbering is given to the inverse transformation stacks 43 and 44 corresponding to a plurality of second leg circuits.

次に、各逆変換スタック41〜44の具体的な構成について説明する。   Next, a specific configuration of each of the inverse transform stacks 41 to 44 will be described.

まず、ナンバーリングの第1番目の逆変換スタック41と逆変換スタック43は、逆変換スタック41を構成するIGBT45a,45bと、逆変換スタック43を構成するIGBT47b,47aとが、正面側と背面側に配置される。また、逆変換スタック41を構成する逆阻止ダイオード51,55と、逆変換スタック43を構成する逆阻止ダイオード57,53とが、正面側と背面側に配置される。さらに、逆変換スタック41で素子間の接続を行う接続導体61,65、直流側(入力側)のP側直流導体5および交流側(出力側)のU相交流導体7と、逆変換スタック43で素子間の接続を行う接続導体67,63、直流側のN側直流導体6および交流側のV相交流導体8とが、正面側と背面側に配置される。   First, the first inverse transformation stack 41 and the inverse transformation stack 43 of the numbering ring are the IGBTs 45a and 45b that constitute the inverse transformation stack 41, and the IGBTs 47b and 47a that constitute the inverse transformation stack 43. Placed in. Further, reverse blocking diodes 51 and 55 constituting the reverse conversion stack 41 and reverse blocking diodes 57 and 53 constituting the reverse conversion stack 43 are arranged on the front side and the back side. Further, the connection conductors 61 and 65 for connecting elements in the inverse conversion stack 41, the P-side DC conductor 5 on the DC side (input side), the U-phase AC conductor 7 on the AC side (output side), and the inverse conversion stack 43 The connection conductors 67 and 63 for connecting the elements, the N-side DC conductor 6 on the DC side, and the V-phase AC conductor 8 on the AC side are arranged on the front side and the back side.

また、ナンバーリングの第2番目の逆変換スタック42と逆変換スタック44は、逆変換スタック44を構成するIGBT48a,48bと、逆変換スタック42を構成するIGBT46b,46aとが、正面側と背面側に配置される。また、逆変換スタック44を構成する逆阻止ダイオード54,58と、逆変換スタック42を構成する逆阻止ダイオード56,52とが、正面側と背面側に配置される。さらに、逆変換スタック44で素子間の接続を行う接続導体64,68、直流側のP側直流導体5および交流側のV相交流導体8と、逆変換スタック42で素子間の接続を行う接続導体66,62、直流側のN側直流導体6および交流側のU相交流導体7とが、正面側と背面側に配置される。   In addition, the second inverse transformation stack 42 and the inverse transformation stack 44 of the numbering ring are the IGBTs 48a and 48b constituting the inverse transformation stack 44 and the IGBTs 46b and 46a constituting the inverse transformation stack 42 on the front side and the rear side. Placed in. Further, reverse blocking diodes 54 and 58 constituting the reverse conversion stack 44 and reverse blocking diodes 56 and 52 constituting the reverse conversion stack 42 are arranged on the front side and the back side. Further, the connection conductors 64 and 68 for connecting the elements in the inverse conversion stack 44, the P-side DC conductor 5 on the DC side, and the V-phase AC conductor 8 on the AC side, and the connections for connecting the elements in the inverse conversion stack 42 The conductors 66 and 62, the N-side DC conductor 6 on the DC side, and the U-phase AC conductor 7 on the AC side are arranged on the front side and the back side.

図3を参照して、正面側と背面側における逆変換スタック41〜44の素子の配置について補足説明する。   With reference to FIG. 3, the arrangement of the elements of the inverse transformation stacks 41 to 44 on the front side and the back side will be described supplementarily.

逆変換器4の両側に、直流側(入力側)のP側直流導体5と、N側直流導体6とが極性を換えて上下に配置されている。また、逆変換器4の中央部には、一端(図中左側)からそれぞれ上下方に分岐して、逆変換器4の中央部へ延設された交流側(出力側)のU相交流導体7と、V相交流導体8とが配置され、これらの導体5,7と6,8との間に、逆変換スタック41〜44を構成する各素子が、平板状の冷却器13を挟んで背中合わせに配置される。   On both sides of the inverse converter 4, a P-side DC conductor 5 on the DC side (input side) and an N-side DC conductor 6 are arranged above and below with different polarities. In addition, an AC side (output side) U-phase AC conductor branching upward and downward from one end (left side in the figure) to the center of the inverse converter 4 and extending to the center of the inverse converter 4. 7 and the V-phase AC conductor 8 are arranged, and the elements constituting the inverse conversion stacks 41 to 44 are sandwiched between the conductors 5, 7 and 6, 8 with the flat plate cooler 13 interposed therebetween. Arranged back to back.

なお、補足すると、背中合わせに配置される素子の組合せは、図2で説明したように、対をなす逆変換スタック41と43、42と44の素子であり、平板状の冷却器が本発明の対称面に相当する。   Supplementally, as described in FIG. 2, the combination of the elements arranged back to back is the elements of the inverse transformation stacks 41 and 43, and 42 and 44 that form a pair. Corresponds to the plane of symmetry.

また、直流側(入力側)のP側直流導体5とN側直流導体6との間には、図示しない絶縁板が挿入されており、同様に、交流側(出力側)のU相交流導体7とV相交流導体8との間には、図示しない絶縁板が挿入されている。   Further, an insulating plate (not shown) is inserted between the P-side DC conductor 5 on the DC side (input side) and the N-side DC conductor 6, and similarly, the U-phase AC conductor on the AC side (output side). An insulating plate (not shown) is inserted between 7 and the V-phase AC conductor 8.

このように、対をなす逆変換スタック41と43、42と44の素子同士を正面側と背面側に分散して配置することができ、素子や冷却器を空間的に集約して装置の小型化を図ることができる。さらに、対をなす逆変換スタック41と43、42と44の冷却器を共通化することで冷却効率の向上および部品点数の削減を図ることができる。   In this way, the elements of the inverse conversion stacks 41 and 43 and 42 and 44 that make a pair can be distributed and arranged on the front side and the back side, and the elements and coolers can be spatially concentrated to reduce the size of the device. Can be achieved. Further, by using a common cooler for the reverse conversion stacks 41 and 43 and 42 and 44 that make a pair, it is possible to improve the cooling efficiency and reduce the number of parts.

次に、図4を参照して、定常状態における電流経路の一例について説明する。   Next, an example of a current path in a steady state will be described with reference to FIG.

図4は、逆変換スタック41のIGBT45aおよび逆変換スタック42のIGBT46aと、逆変換スタック43のIGBT47bおよび逆変換スタック44のIGBT48bとがONしている期間における経路であって、直流側(入力側)のP側直流導体5から、U相交流導体7、出力側の力率改善用コンデンサ11および加熱コイル12を経て、V相交流導体8からN側直流導体6へ戻る経路となっている。なお、かかる定常状態における電流経路は、逆変換スタック41〜44のIGBT45a,45b〜48a,48bのON/OFFに応じて半サイクル毎に変化する。   FIG. 4 is a path in a period in which the IGBT 45a of the inverse transformation stack 41 and the IGBT 46a of the inverse transformation stack 42, the IGBT 47b of the inverse transformation stack 43, and the IGBT 48b of the inverse transformation stack 44 are ON, and the DC side (input side) ) Through the U-phase AC conductor 7, the output-side power factor improving capacitor 11, and the heating coil 12 to return from the V-phase AC conductor 8 to the N-side DC conductor 6. The current path in the steady state changes every half cycle according to ON / OFF of the IGBTs 45a, 45b to 48a, 48b of the inverse conversion stacks 41 to 44.

より具体的には、かかる定常状態の電流経路は、図4(a)に示すように、第1レグ回路である逆変換スタック41,42の上アームを経てU相交流導体7へ至る電流経路A,Bと、V相交流導体8から、第2レグ回路である逆変換スタック43,44の下アームを経てN側直流導体6へ戻る電流経路C,Dにより構成される。   More specifically, as shown in FIG. 4A, the steady-state current path is a current path that reaches the U-phase AC conductor 7 via the upper arms of the inverse conversion stacks 41 and 42 that are the first leg circuits. A and B, and current paths C and D that return from the V-phase AC conductor 8 to the N-side DC conductor 6 via the lower arms of the inverse conversion stacks 43 and 44 that are the second leg circuits.

ここで、電流経路A,Bは、図4(b)に示すように、これらの経路長が同一となっている。さらに、電流経路A,B上に存在する素子も同一である。これは、電流経路C,Dについても同様であり、これら電流経路C,Dの経路長が同一であり、経路上に存在する素子も同一である。   Here, the current paths A and B have the same path length as shown in FIG. Further, the elements existing on the current paths A and B are the same. The same applies to the current paths C and D, the path lengths of the current paths C and D are the same, and the elements existing on the paths are also the same.

このように、電流経路A,Bの経路長を同一とし、電流経路C,Dの経路長を同一とすることで、これらの間に電流アンバランスを生じること回避することができ、特定の素子に過大な電流が流れることを防止することができる。   In this way, by making the path lengths of the current paths A and B the same and the path lengths of the current paths C and D the same, it is possible to avoid the occurrence of current imbalance between them. It is possible to prevent an excessive current from flowing through.

さらに、この場合には、対をなす逆変換スタック41と43、42と44では、その電流経路とが、正面側と背面側で面対称となっている。   Further, in this case, in the inverse transformation stacks 41 and 43, 42, and 44 that make a pair, the current paths are plane-symmetrical on the front side and the back side.

より具体的には、対をなす逆変換スタック41と43では、電流経路Aと電流経路Cとが、正面側と背面側で面対称で電流の向きが逆向きとなっている。   More specifically, in the inverse transformation stacks 41 and 43 that make a pair, the current path A and the current path C are plane-symmetrical on the front side and the back side, and the direction of the current is reversed.

これは、対をなす逆変換スタック42と44についても同様であり、電流経路Bと電流経路Dとが、背面側と正面側で面対称で電流の向きが逆向きとなっている。   This is the same for the pair of inverse transformation stacks 42 and 44. The current path B and the current path D are symmetrical with respect to the back side and the front side, and the direction of the current is reversed.

このように、対をなす逆変換スタック41と43、42と44の電流経路が面対称で電流の向きが逆向きとなるように配置することで、IGBT45a,45b〜48a,48bやこれらを接続する配線導体61〜68等の間の相互インダクタンスを負として配線インダクタンスの低減を図ることができる。   In this way, the IGBTs 45a, 45b to 48a, 48b and these are connected by arranging the current paths of the paired inverse transformation stacks 41 and 43, 42 and 44 so that the current paths are symmetrical and the directions of the currents are reversed. The wiring inductance can be reduced by setting the mutual inductance between the wiring conductors 61 to 68 to be negative.

次に、図5を参照して、転流時における電流経路一例について説明する。   Next, an example of a current path at the time of commutation will be described with reference to FIG.

図5は、図4の状態から、逆変換スタック41のIGBT45bおよび逆変換スタック42のIGBT46bと、逆変換スタック43のIGBT47aおよび逆変換スタック44のIGBT48aとをONさせた際の負荷電圧による過渡的な転流の経路を示したものである。   FIG. 5 shows a transient state due to the load voltage when the IGBT 45b of the reverse conversion stack 41 and the IGBT 46b of the reverse conversion stack 42, and the IGBT 47a of the reverse conversion stack 43 and the IGBT 48a of the reverse conversion stack 44 are turned on from the state of FIG. Shows the path of commutation.

より具体的には、ここでの転流経路は、図5(a)に示すように、第1には、逆変換スタック41の上アームから逆変換スタック44の上アームへの転流経路Xと、逆変換スタック42の上アームから逆変換スタック43の上アームへの転流経路Yである。また、第2には、逆変換スタック44の下アームから逆変換スタック41の下アームへの転流経路Zと、逆変換スタック43の下アームから逆変換スタック42の下アームへの転流経路Wがある。   More specifically, as shown in FIG. 5A, first, the commutation path here is a commutation path X from the upper arm of the inverse conversion stack 41 to the upper arm of the inverse conversion stack 44. And the commutation path Y from the upper arm of the reverse conversion stack 42 to the upper arm of the reverse conversion stack 43. Second, the commutation path Z from the lower arm of the reverse conversion stack 44 to the lower arm of the reverse conversion stack 41, and the commutation path from the lower arm of the reverse conversion stack 43 to the lower arm of the reverse conversion stack 42 There is W.

ここで、転流経路X,Wは、図5(b)に示すように、すべての区間において両経路は構造的に正反対となっており、且つ転流経路の方向が逆となっている。これは、転流経路Y,Zについても同様であり、すべての区間において両経路は構造的に正反対となっており、且つ転流経路の方向が逆となっている。そのため、上述の定常状態の場合と同様、IGBT45a,45b〜48a,48bやこれらを接続する配線導体61〜68等の間の相互インダクタンスを負として配線インダクタンスの低減を図ることができる。   Here, as shown in FIG. 5B, the commutation paths X and W are structurally opposite in both sections, and the direction of the commutation path is reversed in all sections. The same applies to the commutation paths Y and Z. In all the sections, both paths are structurally opposite and the directions of the commutation paths are reversed. Therefore, as in the case of the steady state described above, it is possible to reduce the wiring inductance by setting the mutual inductance between the IGBTs 45a, 45b to 48a, 48b and the wiring conductors 61 to 68 connecting them as negative.

さらに、転流経路X,Yは、図5(b)に示すように、これらの経路長が同一となっている。そのため、これらの間に電流アンバランスを生じること回避することができ、特定の素子に過大な電流が流れることを防止することができる。これは、さらに、転流経路Z,Wについても同様であり、これらの経路長が同一であり、電流アンバランスを生じること回避することができ、特定の素子に過大な電流が流れることを防止することができる。   Further, the commutation paths X and Y have the same path length as shown in FIG. Therefore, it is possible to avoid the occurrence of current imbalance between them, and it is possible to prevent an excessive current from flowing through a specific element. This is also true for the commutation paths Z and W. These path lengths are the same, and it is possible to avoid the occurrence of current imbalance and to prevent an excessive current from flowing through a specific element. can do.

以上、詳しく説明したように、本実施形態の電力変換装置の逆変換器4の構成によれば、配線インダクタンスおよび電流アンバランスの低減を図りつつ、装置の小型化を実現することができる。   As described above in detail, according to the configuration of the inverter 4 of the power conversion device of the present embodiment, it is possible to reduce the size of the device while reducing the wiring inductance and the current imbalance.

また、本実施形態の電力変換装置によれば、配線導体板(ブスバー)の面積を小さくすることができ、配線導体板の工作性も向上させることができる。   Moreover, according to the power converter device of this embodiment, the area of a wiring conductor board (bus bar) can be made small and the workability of a wiring conductor board can also be improved.

なお、本実施形態の逆変換器4では、第1レグ回路に相当する逆変換スタック41,42と、第2レグ回路に相当する逆変換スタック43,44とをそれぞれ2つ備える2並列構成について説明したが、これに限定されるものではなく、4並列、・・2mの偶数並列構成や、3並列、5並列、・・(2m+1)の奇数配列構成であってもよい。   Note that the inverse converter 4 of the present embodiment has a two parallel configuration including two inverse conversion stacks 41 and 42 corresponding to the first leg circuit and two inverse conversion stacks 43 and 44 corresponding to the second leg circuit. However, the present invention is not limited to this, and may be a 4-parallel, 2m even-numbered parallel configuration, or a 3-parallel, 5-parallel, ... (2m + 1) odd-numbered array configuration.

1…電源(商用交流電源)、2…三相順変換器、3…直流リアクトル、4…逆変換器、9…配線インダクタンス、11…力率改善用コンデンサ、12…加熱コイル、13…冷却器、41…逆変換スタック(第1番目の第1レグ回路)、42…逆変換スタック(第2番目の第1レグ回路)43…逆変換スタック(第1番目の第2レグ回路)、44…逆変換スタック(第2番目の第2レグ回路)、45a〜48a,45b〜48b…IGBT(半導体スイッチング素子)、51〜58…逆阻止ダイオード(ダイオード)。 1 ... Power (commercial AC power supply), 2 ... three-phase forward converter, 3 ... DC reactor, 4 ... inverse transformer, 9 ... wiring inductance, 11 ... Power factor improving capacitor, 12 ... heating coil, 13 ... cooler , 41 ... inverse transform stack (the first first-leg circuit), 42 ... inverse transform stack (the second first-leg circuit) 43 ... inverse transform stack (the first second-leg circuit), 44 ... Inverse conversion stack (second second leg circuit), 45a to 48a, 45b to 48b... IGBT (semiconductor switching element), 51 to 58... Reverse blocking diode (diode).

Claims (3)

1または複数の半導体スイッチング素子が直列に接続されたアームを2つ直列に接続した複数の第1レグ回路と、前記アームを2つ直列に接続した、前記第1レグ回路と同数の第2レグ回路とを、前記複数の第1レグ回路を第一相とし、前記複数の第2レグ回路を第二相として単相フルブリッジ接続した電力変換装置において、
各々ナンバーリングされて2個の並列構成となっている前記複数の第1レグ回路(1番目、2番目と、前記複数の第1レグ回路に対応して各々ナンバーリングされて2個の並列構成となっている前記複数の第2レグ回路(1番目、2番目とは、任意の自然数n(ただしnは、n≦)に対して、
(2n−1)番目の第1レグ回路の上アームと、(2n−1)番目の第2レグ回路の下アームとが、電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなると共に、該(2n−1)番目の第1レグ回路の下アームと、該(2n−1)番目の第2レグ回路の上アームとが、電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなるように、該(2n−1)番目の第1レグ回路を対称面の表面に、該(2n−1)番目の第2レグ回路を該対称面の裏面に配置し、
2n番目の第1レグ回路の上アームと、2n番目の第2レグ回路の下アームとが、電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなると共に、該2n番目の第1レグ回路の下アームと、該2n番目の第2レグ回路の上アームとが、電流経路が面対称でかつ電流の向きが逆向きとなるように、該2n番目の第1レグ回路を前記対称面の裏面に、該2n番目の第2レグ回路を対称面の表面に配置することを特徴とする電力変換装置。
A plurality of first leg circuits in which two arms each having one or more semiconductor switching elements connected in series are connected in series, and the same number of second legs as the first leg circuits in which two arms are connected in series. In a power conversion device in which a plurality of first leg circuits are used as a first phase and a plurality of second leg circuits are used as a second phase in a single-phase full-bridge connection,
Each number said that the ring has been a two-parallel configuration plurality of first leg circuit (first, second) and each numbering has been two parallel corresponding to said plurality of first leg circuit The plurality of second leg circuits (first and second ) having a configuration is an arbitrary natural number n (where n is n ≦ 2 ),
The upper arm of the (2n-1) -th first leg circuit and the lower arm of the (2n-1) -th second leg circuit have a current path that is plane-symmetric and the direction of the current is reversed. The lower arm of the (2n-1) th first leg circuit and the upper arm of the (2n-1) th second leg circuit have a current path that is plane-symmetric and the direction of the current is reversed. Thus, the (2n-1) th first leg circuit is arranged on the surface of the symmetry plane, and the (2n-1) th second leg circuit is arranged on the back surface of the symmetry plane,
The upper arm of the 2n-th first leg circuit and the lower arm of the 2n-th second leg circuit have a current path that is plane-symmetric and the direction of the current is reversed, and the 2n-th first leg circuit The 2n-th first leg circuit is connected to the plane of symmetry so that the current path is plane-symmetric and the direction of the current is reverse to the lower arm and the upper arm of the 2n-th second leg circuit. A power conversion device, wherein the 2n-th second leg circuit is disposed on the surface of a symmetry plane on the back surface.
請求項1記載の電力変換装置において、
ナンバーリングにより対応付けられた前記第1レグ回路および前記第2レグ回路は、該第1レグ回路の上アームと、該第2レグ回路の下アームとが、冷却器を挟んで配置されると共に、該第1レグ回路の下アームと、該第2レグ回路の上アームとが、前記冷却器を挟んで配置されることを特徴とする電力変換装置。
The power converter of claim 1 Symbol placement,
In the first leg circuit and the second leg circuit associated by numbering, an upper arm of the first leg circuit and a lower arm of the second leg circuit are arranged with a cooler interposed therebetween. The power conversion device, wherein a lower arm of the first leg circuit and an upper arm of the second leg circuit are arranged with the cooler interposed therebetween.
請求項1または2記載の電力変換装置において、
前記複数の第1レグ回路の上アームは、直流導体からそれぞれ上アームを経由して負荷へ至る各電流経路の長さがすべて同一であり、且つ、該複数の第1レグ回路の下アームは、負荷からそれぞれ下アームを経由して直流導体へ至る各電流経路の長さがすべて同一であり、
前記複数の第2レグ回路の上アームは、直流導体からそれぞれ上アームを経由して負荷へ至る各電流経路の長さがすべて同一であり、且つ、該複数の第2レグ回路の下アームは、負荷からそれぞれ下アームを経由して直流導体へ至る各電流経路の長さがすべて同一であることを特徴とする電力変換装置。
The power conversion device according to claim 1 or 2 ,
The upper arms of the plurality of first leg circuits have the same length of each current path from the DC conductor to the load via the upper arm, and the lower arms of the plurality of first leg circuits are The length of each current path from the load to the DC conductor via the lower arm is the same,
The upper arms of the plurality of second leg circuits have the same length of each current path from the DC conductor to the load via the upper arm, and the lower arms of the plurality of second leg circuits are A power conversion device characterized in that the length of each current path from the load to the DC conductor via the lower arm is the same.
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