3 相 5 レベル ANPC インバータの理論体積と実験 ... - 長岡技術科学大学

3 相 5 レベル ANPC インバータの 理 論 体 積 と 実 験
機 の 体 積 に 対 する 一 考 察
樫 原 有 吾 * , 伊 東 淳 一 ( 長 岡 技 術 科 学 大 学 )
A Consideration about Volume of Calculation and Experimental Value of a Three-phase Five-level ANPC Inverter
Yugo Kashihara, Jun-ichi Itoh (Nagaoka University of Technology)
1.はじめに
近 年 , 電 力 変 換 器 の 損 失 や 体 積 を 数 学 的 に 求 め, 最 適 化
する 技 術 が 盛 んに 研 究 されている。 筆 者 らは,これまでに 5
レベルアクティブ 中 性 点 クランプ 形 ( 以 下 ANPC)インバー
タに 注 目 して, 数 式 を 用 いたパラメータ 設 計 法 について 検
討 を 行 ってきた (1)-(2) 。しかしながら, 実 際 の 変 換 器 の 体 積 は,
半 導 体 素 子 のスイッチングによって 発 生 する 熱 や 部 品 間 の
配 線 などで, 変 換 器 中 の 部 品 体 積 の 総 和 よりも 大 きくなる (3) 。
本 論 文 では, 数 式 を 用 いて 変 換 器 の 実 体 積 を 定 量 的 に 評
価 することを 目 的 として, 電 力 変 換 器 の「 実 装 率 」を 定 義
し,その 検 討 を 行 なう。 一 例 として,3 相 10kW ANPC イン
バータの 設 計 と 実 機 検 証 を 行 い, 実 装 率 について 考 察 する。
2.ANPC トポロジー
Fig.1 に 5 レベル ANPC インバータの 回 路 図 (1 相 分 )を 示
す。Fig.1 より, 本 回 路 は 一 相 あたり 8 つの 素 子 と 3 つのキ
ャパシタで 構 成 される。スイッチングによってキャパシタ
電 圧 を 加 減 算 することで 複 数 の 電 圧 を 出 力 する。
Table1 に 変 換 器 の 仕 様 と 製 作 に 用 いる 素 子 を 示 す。 入 力
は 350V, 出 力 電 力 は 10kVA とする。
3. 回 路 設 計 手 順
Fig.2 に 変 換 器 の 設 計 フローチャートを 示 す。Fig.2 の 設 計
チャートは, 変 換 器 の 仕 様 やデバイスパラメータを 入 力 と
する。これらのパラメータを 用 いて, 変 換 器 の 各 素 子 のパ
ラメータを 計 算 し, 変 換 器 全 体 の 効 率 と 体 積 ,パワー 密 度
を 導 出 する。 効 率 ANPC は 変 換 器 の 各 素 子 の 損 失 総 和 P Loss
から(1)~(2) 式 で, 変 換 器 体 積 Vol ANPC は 各 素 子 の 体 積 総 和 か
ら(3) 式 で, 変 換 器 のパワー 密 度 ANPC は 各 素 子 のパワー 密 度
の 総 和 から(4) 式 で 得 られる。
P P P
.............................................................(1)
Loss
Sw
C L
P P
in Loss
ANPC
..........................................................(2)
Pin
Vol
ANPC
ANPC
Vol
sw
sw
Vol
C
C
H
Vol
H
........................................ (3)
...................................................(4)
ここで,P sw は 半 導 体 素 子 の 損 失 ,P C はキャパシタ 素 子 の
E dc
損 失 , P in は 変 換 器 の 入 力 電 力 ,Vol sw は 半 導 体 素 子 の 体 積 ,
Vol C はキャパシタ 素 子 の 体 積 ,Vol H はヒートシンクの 体 積 ,
sw は 半 導 体 素 子 のパワー 密 度 , C はキャパシタ 素 子 のパワ
ー 密 度 , H はヒートシンクのパワー 密 度 である。
さ ら に , (3) 式 と 実 際 の 変 換 器 体 積 か ら 実 装 率
PVR(Package Volumetric Ratio)を 定 義 する。 実 装 率 は, 変 換
器 の 実 際 の 体 積 に 対 する 変 換 器 素 子 の 体 積 が 占 める 割 合 で,
この 値 が 1 に 近 いほど 部 品 の 集 積 化 が 大 きいことを 示 し,
(5) 式 で 表 される。
Vol
PVR ...............................(5)
Conv Conv
Conv
C 2
C 3
H
Cell2
W
S 5
S 6
C 1
S 7
S 8
ここで,Vol は 変 換 器 の 各 素 子 の 体 積 の 総 和 ,Conv H は
D
Cell1
Fig.1. Five-level ANPC inverter circuit topology.
Input voltage
Output voltage
Output current
Switching
device
Cell1
Cell2
Flying capacitor
DC smoothing
capacitor
Table 1 Design parameters.
(a) converter specification
350V Rated power
200V Output frequency
29A Switching frequency
(b) device lists
S 3
S 1
S 2
S 4 V out
10kW
50Hz
20kHz
MOSFET:IRFP4668pBF(IR)
MOSFET:IXFB170N30P(IXYS)
EEUEE2C331
5 parallel connection (Panasonic)
ESMQ251VSN182MA45S
2 parallel connection (Nippon chemi-con)

変 換 器 の 高 さ,Conv W は 変 換 器 の 幅 ,Conv D は 変 換 器 の 奥 行
きである。 実 体 積 を 理 論 体 積 と 実 装 率 を 用 いて 表 すことで,
回 路 トポロジーが 小 型 化 に 寄 与 する 部 分 と 実 装 技 術 により
小 型 化 する 部 分 を 分 離 して 考 えることが 出 来 る。
4. 試 作 機 による 評 価
Table 1 の 変 換 器 の 試 作 と Fig.2 の 変 換 器 設 計 チャートを
用 いて 10kW の 3 相 ANPC インバータを 試 作 し, 体 積 につ
いて 検 討 した。なお, 今 回 は, 変 換 器 設 計 は 主 回 路 部 分 の
みとし,リアクトルは 考 慮 しない。 主 回 路 部 分 は 4 層 のプ
リント 基 板 を 用 いて 試 作 し, 効 率 が 高 いため 放 熱 フィンは
縦 型 のものを 用 いている。
実 験 結 果
Fig.3 に,3 相 10kW ANPC インバータの 動 作 波 形 を 示 す。
Fig.3 より 出 力 電 流 は 良 好 な 正 弦 波 が 出 力 されている。また,
出 力 線 間 電 圧 は 直 流 中 点 を 基 準 とする 出 力 相 電 圧 は 指 令 値
に 追 従 し,9 レベルの 出 力 相 電 圧 波 形 が 得 られた。さらに,
フライングキャパシタ 電 圧 は 入 力 の 1/4 である 87.5V になっ
ており,5 レベル ANPC インバータの 基 本 動 作 を 確 認 した。
実 装 した 最 大 効 率 は 出 力 9.2kW のとき 98.6%であり, 理 論
解 析 (98.7% at 9.2kW 出 力 )とよく 一 致 している。
体 積 比 較
Fig.4 に Table1 の 条 件 を 用 いて 設 計 した 変 換 器 を,Fig.5
に 変 換 器 の 理 論 体 積 と 実 体 積 を 比 較 した 結 果 示 す。Fig.5 よ
り,5 レベル ANPC インバータの 理 論 体 積 が 0.9dm 3 , 実 体
積 が 1.55dm 3 となった。ここで, 実 際 の 変 換 器 体 積 は, 変 換
器 の 幅 と 奥 行 きを 主 回 路 基 板 の 幅 と 奥 行 きとして, 変 換 器
の 高 さを 実 装 した 部 品 のなかで 最 も 高 い 素 子 の 高 さとして
導 出 を 行 なった。 理 論 体 積 を 用 い た パ ワ ー 密 度 は
10.2kW/dm 3 であり, 実 際 は 5.9kW/dm 3 となった。(5) 式 を 用
いて 実 装 率 を 求 めると 0.58 となった。 実 体 積 の 解 析 結 果 よ
り, 部 品 の 配 置 , 配 線 によって 生 じた 空 間 体 積 は 実 機 の 40%
を 占 めている。この 空 間 体 積 は, 変 換 器 のヒートシンクの
熱 設 計 や 冷 却 方 式 に 大 きく 依 存 し,パッケージング 技 術 と
して 最 適 化 する 余 地 がある。
5. 結 論
本 論 文 では, 実 装 率 を 導 入 することによって 回 路 トポロ
ジーにより 小 型 化 に 寄 与 する 部 分 と 実 装 技 術 により 小 型 化
に 寄 与 する 部 分 を 分 離 する 試 みを 行 なった。 実 装 率 を 向 上
させるには 熱 処 理 とパターンの 引 き 回 しなどが 重 要 となる。
今 後 は, 変 換 器 のヒートシンクの 熱 設 計 と 実 装 率 につい
て 検 討 を 行 なう。
文 献
(1) 樫 原 有 吾 ・ 伊 東 淳 一 : 電 学 論 D, Vol 131, No12 ,2011
(2) 樫 原 有 吾 ・ 伊 東 淳 一 :SPC-11-157, 2011
(3) J. W. Kolar, etc.: IPEMC 2009-China, 2009
Deptt 0.5dm
Hight 0.5dm
Input
Specification
Device parameters
Semiconductor
Losses Prediction
Capacitor
Design Parameter (ripple current, capacity, loss, volume)
& selection
Inductor
Design parameter (inductor, ripple current, loss, volume)
& selection
Heatsink
Design parameter (thermal resistance, volume)
& selection
Output
Efficiency & Volume
& Power density
Fig.2. Inverter design procedure
Output line voltage [200V/div]
Flying capacitor voltage [50V/div]
Output current [50A/div]
Fig.3. Experimental waveform.
Width 2dm
(a) Top side
Width 2dm
(b) Front side
Fig.4. A three-phase five-level ANPC inverter.
5msec/div
Heatsink
DC smoothing capacitor
Flying capacitor
Calculation
Switching device
Connecter
value
Current transducer
Measurrement
Terminal block
Space
value
0 0.5 1 1.5 2
Volume[dm 3 ]
Fig.5. Volume of ANPC inverter.