説明

半導体電力変換装置の積層配線導体

【課題】半導体電力変換装置に用いられる積層配線導体において、ターンオフサージ電圧をより良く抑制する構造のヒューズ接続部を備えた積層配線導体を提供する。
【解決手段】積層配線導体1の絶縁部材17を除いた内部では、平板導体11及び12と、平板導体13とが夫々の平面部分が互いに向かい合って且つ平行に配置され、平板導体11の引き出し部11aと平板導体12の引き出し部12a間にヒューズ14がその端子14a及び14bを介して固定して接続される。平板導体13とヒューズ14とが対向する部分には平板導体11及び12の延出平面部11b及び12bが介在する。平板導体11及び13間にスイッチング素子Q1及びQ2を接続し、平板導体12及び13間にコンデンサCを接続する。平板導体11及び12と平板導体13とで電流の向きが異なり磁束の向きが互いに打ち消し合いインダクタンス成分を相殺するのでスイッチング素子のターンオフ時のサージ電流が抑制される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体電力変換装置に用いられ、ターンオフサージ電圧をより良く抑制する構造のヒューズ接続部を備えた積層配線導体に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、商用交流電源などから得られた入力電力を、半導体スイッチング素子を用いて所定の周波数の電力に変換して出力するものとして、インバータなどの半導体電力変換装置が用いられる。
【0003】
半導体電力変換装置には、直流回路の平滑コンデンサと半導体スイッチング素子との間の配線インタクタンスが存在し、また、過電流保護用ヒューズの内部インダクタンスが存在する。このため、スイッチング時の電流の変化に伴ってサージ電圧が発生する。
【0004】
図4はスイッチング素子にI GBT(insulated gate bipolar transistor) が適用された2レベル電力変換装置の1相分の回路構成を示す図である。図4において、スイッチング素子Q1及びQ2には、帰還ダイオードD1及びD2がそれぞれ逆並列接続され、スィッチング素子Q1、Q2は互いに直列接続されている。
【0005】
ここで、スイッチング素子Q1及びQ2の接続点には交流端子Uが設けられ、直列接続されたスイッチング素子Q1及びQ2の両端には、直流電源正側端子Pおよび直流電源負側端子Nがそれぞれ設けられている。また、直列接続されたスイッチング素子Q1及びQ2には、平滑コンデンサCが並列接続されている。また配線55と配線56の間にはヒューズFが接続されている。
【0006】
そして、平滑コンデンサC→配線53→配線55→ヒューズF→配線56→スイッチング素子Q1→配線57→スイッチング素子Q2→配線58→配線54→平滑コンデンサCの経路上には配線インダクタンスが存在する。
【0007】
スイッチング時の電流の変化に伴ってサージ電圧が発生すると、そのサージ電圧は直流電圧に加え合わされてスイッチング素子Q1及びQ2に印加される。そして、その印加された電圧の値がスイッチング素子Q1及びQ2の電圧定格を超えると、スイッチング素子Q1及びQ2が破壊されるという不具合が引き起こされる。
【0008】
このような不具合な現象を回避するために、スイッチング時の電流の変化に伴うサージ電圧を抑制する方法として、配線インダクタンスを小さくする方法やスイッチング素子Q1及びQ2に流れる電流を小さくする方法などが考えられる。
【0009】
スイッチング素子Q1及びQ2に流れる電流を小さくする方法としては、電力変換装置の容量を下げることが考えられる。しかし、電力変換装置の容量を下げると、下げた容量に相等する分だけ出力を上げるために増幅器等の出力増幅装置を付加する必要が生じ、これがコストアップの要因になる。このため、配線インダクタンスを小さくすることで、スイッチング時の電流の変化に伴うサージ電圧を抑制することが通常行われる。
【0010】
配線インダクタンスを小さくする方法としては、平滑コンデンサC→配線53→配線55→ヒューズF→配線56→スイッチング素子Q1→配線57→スイッチング素子Q2→配線58→配線54→平滑コンデンサCの経路上において、スイッチングのターンオフ時に電流が増加する部分と、スイッチングのターンオフ時に電流が減少する部分の配線を対にして配置することでインダクタンス成分を相殺する方法がある(例えば、特許文献1参照)。
【0011】
この方法は、具体的には、いま、スイッチング素子Q1がオンし、平滑コンデンサC→配線53→配線55→ヒューズF→配線56→スイッチング素子Q1→配線57→交流端子Uの経路K1を介して負荷に電流が流れているものとする。
【0012】
そして、この状態からスイッチング素子Q1がターンオフすると、経路K1に流れる電流が減少する。このとき、電流変化に伴って発生する配線53、55、56のインダクタンスによる電圧は、平滑コンデンサCに対してスイッチング素子Q1の方が高くなる向きに発生する。
【0013】
一方、スイッチング素子Q1が上記のようにターンオフすると、平滑コンデンサC→配線54→配線58→スイッチング素子Q2→配線57→交流端子Uの経路K2に流れる電流が増加する。このとき、電流変化に伴って発生する配線54、58のインダクタンスによる電圧は、スイッチング素子Q2に対して平滑コンデンサCの方が高くなる向きに発生する。
【0014】
すなわち、スイッチング素子Q1のターンオフ時には、配線53、55、56と配線54、58とでは、電流変化の向きが互いに異なるようになり、したがって、磁束の向きも互いに異なるようになる。
【0015】
このため、配線53と配線54を対にして配置するとともに、配線55、56と配線58を対にして配置することで、スイッチング素子Q1のターンオフ時に発生する磁束を打ち消し合わせることができ、これにより、インダクタンス成分を相殺することが可能となり、結果としてスイッチング時の電流の変化に伴うサージ電圧を抑制することができる。
【0016】
このように配線53と配線54を対にして配置し、配線55、56と配線58を対にして配置するために、配線53〜58に平板導体を使用し、電流の変化の向きが互いに異なる部分の面を向かい合わせて平行に配置し、これらの平板導体間を絶縁物にて絶縁して、配線部分を積層配線導体とする方法がある。
【0017】
図5(a) は、従来の2レベル電力変換装置における積層配線導体のヒューズ接続部の概略構成を示す斜視図であり、図5(b) は、図5(a) の積層配線導体の導体部分の概略構成を示す斜視図である。
【0018】
図5(a),(b) において、積層配線導体4には平板導体41、42、43が設けられている。平板導体41及び42と、平板導体43とは、それらの平面部分が互いに向かい合って且つ平行に配置されている。平板導体41、42、及び43間、並びにそれらの周囲は、絶縁材47により覆われている。
【0019】
平板導体41及び42には、それぞれの平面部分から、その垂直方向に形成された引き出し部41a及び42aがそれぞれ設けられ、それらの引き出し部41a及び42aは絶縁材47から露出されている。
【0020】
そして、それらの引き出し部41a及び42aに差し渡されるように配置されたヒューズ44が、その端子44a及び44bを、それぞれボルト45及び46によって、引き出し部41a及び42aに固定されている。なお、ヒューズ44の部分には平板導体43と向かい合う平板導体は存在しない。
【0021】
この構成において、図4のスイッチング素子Q1のターンオフ時には、平板導体41及び42と、平板導体43とでは、電流変化の向きが互いに異なるようになり、したがって磁束の向きが互いに異なるようになる。
【0022】
つまり、スイッチング素子Q1のターンオフ時に発生する磁束を打ち消し合わせることができ、これにより、インダクタンス成分を相殺することが可能となることから、スイッチング時の電流の変化に伴うサージ電圧を抑制することができるというものである。
【特許文献1】実用新案登録公報第2543166号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0023】
しかしながら、図5(a),(b) に示す積層配線導体4の構造では、ヒューズ44の部分には平板導体43と向かい合う平板導体が存在しないため、その分だけインタクタンス成分を相殺することができない。そのため、サージ電流は平板導体43側に多く偏って流れることになる。
【0024】
通常、ヒューズ44の内部には、特には図示しないが、複数本の細いヒューズ素子が平行に束ねられて配置され、平行する部分は相互に絶縁され、両端部がそれぞれ端子44a及び44bに接続されて直方体状の保護外被中に収容されている。また、ヒューズ44は、積層配線導体4の構造を出来るだけ小さく構成するために平板導体43に出来るだけ近接して配置される。
【0025】
ヒューズ44がこのような構造のため、サージ電流が平板導体43側に多く偏って流れると、その平板導体43側に多く偏って流れるサージ電流で引き起こされる磁束線からの影響で、ヒューズ44内部において板導体43に最も近接する位置に配置されたヒューズ素子に流れるサージ電流が、インタクタンス成分を相殺することができない分だけ多く流れる。
【0026】
これにより、ヒューズ44のヒューズ素子全体では定格電流となるサージ電流でも、最も平板導体43に近接するヒューズ素子にとっては定格以上の電流となって先ずこのヒューズ素子が溶断する。
【0027】
ヒューズ素子が一本でも溶断すると、その分だけ残りのヒューズ素子に加わる負荷が増大し、次に平板導体43に近接して配置されているヒューズ素子が上記と同様の状態となって溶断する。結果として、定格電流よりも低い電流でヒューズ44が溶断するという問題があった。
【0028】
本発明の目的は、上記従来の実情に鑑み、半導体電力変換装置に用いられる積層配線導体において、ターンオフサージ電圧をより良く抑制する構造のヒューズ接続部を備えた積層配線導体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0029】
本発明の積層配線導体は、第1及び第2の平板導体と、該第1及び第2の平板導体の引き出し部間に接続されたヒューズと、上記第1及び第2の平板導体の平面部分とそれぞれ対向し且つ並行に配置された平面部分を有する第3の平板導体と、上記第1の平板導体、上記第2の平板導体、及び上記第3の平板導体のそれぞれを絶縁する絶縁部材と、を有し、上記第1及び第2の平板導体の上記平面部分は、上記第3の平板導体の平面部分と上記ヒューズとの対向部分にも延在するよう形成されていることを特徴とする。
【0030】
上記第3の平板導体は、例えば、上記第1及び第2の平板導体とは異なる電位の電流を通電されることを特徴とする。
また、上記引き出し部は、例えば、上記第1及び第2の平板導体の上記第3の平板導体の平面部分と上記ヒューズとの対向部分にも延在するよう形成されている平面部からそれぞれ垂直方向に且つ上記第1及び第2の平板導体を通過する電流経路と垂直方向に形成され上記絶縁部材から露出して配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【0031】
本発明によれば、半導体電力変換装置に用いられる積層配線導体において、ターンオフサージ電圧をより良く抑制する構造のヒューズ接続部を備えた積層配線導体を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0032】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例1】
【0033】
図1(a) は、本発明の実施例1におけるヒューズ接続部を備えた積層配線導体の概略構成を示す斜視図であり、図1(b) は図1(a) の積層配線導体の絶縁部材を除いて平板導体の内部構成を示す分解斜視図である。
【0034】
図1(a),(b) に示すように、本例の積層配線導体1は、平板導体11、12及び13を備えている。平板導体11及び12と、平板導体13とは、それらの平面部分が互いに向かい合って且つ平行に配置されている。また、平板導体11、12、及び13間、並びにそれらの周囲は、絶縁部材17により覆われている。
【0035】
上記の平板導体11及び12には、絶縁部材17から外部に露出する引き出し部11a及び12aがそれぞれ形成されている。
そして、引き出し部11a及び12a間に差し渡されるように、ヒューズ14が配設されている。ヒューズ14は、その端子14a及び14bを、それぞれボルト15及び16によって、引き出し部11a及び12aに固定されている。
【0036】
上記の平板導体11及び12の平面部分には、平板導体13とヒューズ14とが対向する部分に延在し且つ双方それぞれが位置的に干渉しないような形状の延出平面部11b及び12bが形成されている。
【0037】
本例では、延出平面部11b及び12bは、それぞれの本体平面部分の電流経路幅のおよそ1/2を切り欠いた残り部分を、平板導体13とヒューズ14とが対向する部分に相互に入れ込む形で且つ相互に干渉しない形に形成されている。
【0038】
そして、上記の引き出し部11a及び12aは、延出平面部11b及び12bからそれぞれ垂直に且つ平板導体11及び12を通過する電流経路18の方向に平行に沿って電流経路18に対し垂直に形成されている。
【0039】
この積層配線導体1の構成において、平板導体11、12及び13を、それぞれ図4の配線55、56及び58として使用し、図4のスイッチング素子Q1、Q2及びコンデンサCを接続する。
【0040】
この構成の積層配線導体1の効果としては、図4のスイッチング素子Q1のターンオフ時には、平板導体11及び12と平板導体13とでは、電流変化の向きが互いに異なるので、結果として磁束の向きが互いに打ち消し合うことになり、インダクタンス成分を相殺することが可能となり、スイッチング時の電流の変化に伴って発生するサージ電圧を抑制することができる。
【0041】
そして、この抑制力は、ヒューズ14に対向する部分の平板導体13の平面部分に対しても、平板導体11及び12の平面部分の延長である延出平面部11b及び12bが平行に配置されているので、平板導体11及び12と、平板導体13とで互いに打ち消し合う磁束量はほぼ同一の磁束量となり、サージ電圧への抑制力は、図5(a),(b) に示した従来例に比較して、より有効に作用する。
【0042】
すなわち、平板導体11及び12の平面部分の延長としての延出平面部11b及び12bがヒューズ14と平板導体13間にも配置されるので、このヒューズ14配置部分でも平板導体11及び12と平板導体13との間でインダクタンス成分が相殺されることにより、ヒューズ14内部を流れる電流が平板導体13を流れる電流による影響を受ける割合が大幅に低減する。
【0043】
これにより、ヒューズ14内部の各ヒューズ素子を流れる電流の偏りを抑制でき、ヒューズ14が定格電流よりも低い電流で溶断する不具合を避けることができるようになる。
図2(a) は、本発明の実施例2におけるヒューズ接続部を備えた積層配線導体の概略構成を示す斜視図であり、同図(b) は同図(a) の積層配線導体の絶縁部材を除いて平板導体の内部構成を示す分解斜視図である。
【0044】
図2(a),(b) に示すように、本例の積層配線導体2は、平板導体21、22及び23を備えている。平板導体21及び22と、平板導体23とは、それらの平面部分が互いに向かい合って且つ平行に配置されている。また、平板導体21、22、及び23間、並びにそれらの周囲は、絶縁部材27により覆われている。
【0045】
上記の平板導体21及び22には、絶縁部材27から外部に露出する引き出し部21a及び22aがそれぞれ形成されている。
そして、引き出し部21a及び22a間に差し渡されるように、ヒューズ24が配設されている。ヒューズ24は、その端子24a及び24bを、それぞれボルト25及び26によって、引き出し部21a及び22aに固定されている。
【0046】
上記の平板導体21及び22の平面部分には、平板導体23とヒューズ24とが対向する部分に延在し且つ双方それぞれが位置的に干渉しないような形状の延出平面部21b及び22bが形成されている。
【0047】
本例では、延出平面部21b及び22bは、それぞれの本体平面部分を電流経路方向へ延出させた部分を斜めに切り欠き、欠いた残り部分を、平板導体23とヒューズ24とが対向する部分に相互に入れ込む形で且つ相互に干渉しない形に形成されている。
【0048】
そして、上記の引き出し部21a及び22aは、延出平面部21b及び22bからそれぞれ垂直に且つ平板導体21及び22を通過する電流経路28の方向に平行に沿って電流経路28に対し垂直に形成されている。
【0049】
この積層配線導体2の構成において、平板導体21、22及び23を、それぞれ図4の配線55、56及び58として使用し、図4のスイッチング素子Q1、Q2及びコンデンサCを接続する。
【0050】
この構成の積層配線導体2に関する電気現象及びその効果は、前述した実施例1の場合と同様である。
図3(a) は、本発明の実施例3におけるヒューズ接続部を備えた積層配線導体の概略構成を示す斜視図であり、同図(b) は同図(a) の積層配線導体の絶縁部材を除いて平板導体の内部構成を示す分解斜視図である。
【0051】
図3(a),(b) に示すように、本例の積層配線導体3は、平板導体31、32及び33を備えている。平板導体31及び32と、平板導体33とは、それらの平面部分が互いに向かい合って且つ平行に配置されている。また、平板導体31、32、及び33間、並びにそれらの周囲は、絶縁部材37により覆われている。
【0052】
上記の平板導体31及び32には、絶縁部材37から外部に露出する引き出し部31a及び32aがそれぞれ形成されている。
そして、引き出し部31a及び32a間に差し渡されるように、ヒューズ34が配設されている。ヒューズ34は、その端子34a及び34bを、それぞれボルト35及び36によって、引き出し部31a及び32aに固定されている。
【0053】
上記の平板導体33は、ほぼ中央に、電流経路38に直交する形状で直角に折り曲げられた折り曲げ部33aを形成されている。これにより、図3(b) に示す図では、平板導体33は、形状的に、折り曲げ部33aから立設する一方の平板部33bと、折り曲げ部33aから水平に張り出す平板部33cとに分けられている。
【0054】
平板導体33の平板部33bと向かい合って且つ平行に配置される平板導体31の折り曲げ部側端部31bには、その一方の側縁から上記の引き出し部31aが、折り曲げ部側端部31bに垂直に且つ平板導体31を通過する電流経路38の方向に平行に沿って電流経路38に対し垂直に形成されている。
【0055】
また、平板導体33の平板部33cに向かい合って且つ平行に配置される平板導体32の折り曲げ部側端部32bには、その一方の側縁(平板導体31の折り曲げ部側端部31bの一方の側縁に対向する位置の側縁)から上記の引き出し部32aが、折り曲げ部側端部32bに垂直に且つ平板導体32を通過する電流経路38の方向に平行に沿って電流経路38に対し垂直に形成されている。
【0056】
ヒューズ34は、この平板導体31、32及び33からなる積層配線導体3の直角に折り曲げられている部分に近接して配置される。すなわち、直方体を成すヒューズ34の端子34a及び34bを除く4面のうち2面が、それぞれ平板導体31の折り曲げ部側端部31b、又は平板導体32の折り曲げ部側端部32bに近接して対向する位置に配置される。
【0057】
すなわち、平板導体33とヒューズ34とが対向する部分において、平板導体33の平板部33bとヒューズ34の2面のうちの一面とが対向する部分には平板導体31の折り曲げ部側端部31bが配置され、平板導体33の平板部33cとヒューズ34の2面のうちの他の一面とが対向する部分には平板導体32の折り曲げ部側端部32bが配置されている。
【0058】
平板導体31の折り曲げ部側端部31bと、平板導体32の折り曲げ部側端部32bとは、平板導体33の折り曲げ部33aを境界線として上下に配置されるので、近接した配置ながら、位置的に相互に干渉することはない。
【0059】
この積層配線導体3の構成において、平板導体31、32及び33を、それぞれ図4の配線55、56及び58として使用し、図4のスイッチング素子Q1、Q2及びコンデンサCを接続する。
【0060】
この構成の積層配線導体3に関する電気現象及びその効果は、前述した実施例1及び実施例2の場合と同様である。
また、本例のように、積層配線導体上に折り曲げ部を有する場合は、折り曲げ部にヒューズを配置することにより半導体電力変換装置の小型化に有効な配置となる。
【0061】
また、上述した実施例1、2及び3は、2レベル電力変換装置への適用を想定した積層配線導体を示したが、これらの積層配線導体のヒューズ、接続構造を2つ以上並列配置したり、例えば図1において、平板導体13に背中合わせに他の平板導体11、12、及びヒューズ14を配置することにより、3レベル電力変換装置への適用も可能である。
【0062】
このように、本発明によれば、半導体電力変換装置などの積層配線導体のヒューズ接続部において、ヒューズを接続しない平板導体とヒューズとが対向して配置された間にも、ヒューズを接続する平板導体を延在するように配置することにより、ヒューズを接続しない平板導体側とヒューズを接続した平板導体側との間で積層配線導体のインダクタンス成分を相殺することができる。
【0063】
したがって、積層配線導体のヒューズ接続部の配線インダクタンスを小さくでき、これにより、ヒューズ内部の電流の偏りを抑制して、ヒューズが定格電流よりも低い電流で溶断するような不具合の生じない半導体電力変換装置の積層配線導体を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0064】
【図1】(a) は本発明の実施例1におけるヒューズ接続部を備えた積層配線導体の概略構成を示す斜視図、(b) は(a) の積層配線導体の絶縁部材を除いて平板導体の内部構成を示す分解斜視図である。
【図2】(a) は本発明の実施例2におけるヒューズ接続部を備えた積層配線導体の概略構成を示す斜視図、(b) は(a) の積層配線導体の絶縁部材を除いて平板導体の内部構成を示す分解斜視図である。
【図3】(a) は本発明の実施例3におけるヒューズ接続部を備えた積層配線導体の概略構成を示す斜視図、(b) は(a) の積層配線導体の絶縁部材を除いて平板導体の内部構成を示す分解斜視図である。
【図4】スイッチング素子にI GBT(insulated gate bipolar transistor) が適用された2レベル電力変換装置の1相分の回路構成を示す図である。
【図5】(a) は従来の2レベル電力変換装置における積層配線導体のヒューズ接続部の概略構成を示す斜視図、(b) は(a) の積層配線導体の導体部分の概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【0065】
1 積層配線導体
11、12、13 平板導体
11a、12a 引き出し部
11b、12b 延出平面部
14 ヒューズ
14a、14b 端子
15、16 ボルト
17 絶縁部材
18 電流経路
2 積層配線導体
21、22、23 平板導体
21a、22a 引き出し部
21b、22b 延出平面部
24 ヒューズ
24a、24b 端子
25、26 ボルト
27 絶縁部材
28 電流経路
3 積層配線導体
31、32、33 平板導体
31a、32a 引き出し部
31b、32b 折り曲げ側端部
33a 折り曲げ部
33b、33c 平板部
34 ヒューズ
34a、34b 端子
35、36 ボルト
37 絶縁部材
38 電流経路
53、54、55、56、57、58 配線
C 平滑コンデンサ
D1、D2 帰還ダイオード
F ヒューズ
N 直流電源負側端子
P 直流電源正側端子
Q1、Q2 スイッチング素子
U 交流端子

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1及び第2の平板導体と、
該第1及び第2の平板導体の引き出し部間に接続されたヒューズと、
前記第1及び第2の平板導体の平面部分とそれぞれ対向し且つ並行に配置された平面部分を有する第3の平板導体と、
前記第1の平板導体、前記第2の平板導体、及び前記第3の平板導体のそれぞれを絶縁する絶縁部材と、
を有し、
前記第1及び第2の平板導体の前記平面部分は、前記第3の平板導体の平面部分と前記ヒューズとの対向部分にも延在するよう形成されている、
ことを特徴とする積層配線導体。
【請求項2】
前記第3の平板導体は、前記第1及び第2の平板導体とは異なる電位の電流を通電される、ことを特徴とする請求項1記載の積層配線導体。
【請求項3】
前記引き出し部は、前記第1及び第2の平板導体の前記第3の平板導体の平面部分と前記ヒューズとの対向部分にも延在するよう形成されている平面部からそれぞれ垂直方向に且つ前記第1及び第2の平板導体を通過する電流経路と垂直方向に形成され前記絶縁部材から露出して配置される、
ことを特徴とする請求項1記載の積層配線導体。

【図4】
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【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図5】
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【公開番号】特開2010−148176(P2010−148176A)
【公開日】平成22年7月1日(2010.7.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−320042(P2008−320042)
【出願日】平成20年12月16日(2008.12.16)
【出願人】(591083244)富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Fターム(参考)】