JP2007006584A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造を最適化することにより、浮遊インピーダンス低減、装置の小型化およびメンテナンスを容易にすることができる電力変換装置を得る。
【解決手段】 第１，第２のコンデンサ群３ａ，３ｂと、その正極および負極電位部の間に直列接続の第１〜第４のスイッチング素子ＳＤと、各スイッチング素子に並列接続のダイオードＤ１と、中間電位部にアノード側を、第１，第２のスイッチング素子の接続点にカソード側を接続したダイオードＤ２と、第３，第４のスイッチング素子の接続点にアノード側を、中間電位部にカソード側を接続したダイオードＤ３とを備え、第２，第３のスイッチング素子の接続点に交流端子を接続して３レベルの電圧切り換えを行い、ダイオードＤ２のアノードと第１のコンデンサ群の負極側を接続する第１の中間電位導体と、ダイオードＤ３のカソードと第２のコンデンサ群の正極側を接続する第２の中間電位導体を、Ｄ２、Ｄ３が接続された端と反対側の端で接続する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、電力変換装置に関し、特に、自己消弧型半導体素子とそれに逆並列接続されたダイオードを内蔵したパワーモジュールを用いて構成した電力変換装置に関するものである。

従来の電力変換装置として、３レベルインバータを用いた回路構造のものがあり、この３レベルインバータは、直流電源が３つの異なる電位を持ち、４つのスイッチング素子と２つのダイオードの導通状態を制御することによって出力端子に直流電源の各電位を選択的に出力するようにしている。また、この３レベルインバータは、ＩＧＢＴとそれに逆並列に接続されたダイオードを内蔵するパワーモジュールおよびダイオードモジュールで構成されたアームを冷却基板の両面に搭載しており、さらに、各パワーモジュールの電極端子を適宜貫通穴が設けられた導電体ブスバーにて接続し、スナバ回路の構成部品を備えている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２０１２４９号公報

ところで、従来の電力変換装置では、インバータの直流電源として電力を供給している装置は明示されていないが、直流電源にはコンバータを使用する例が多く、また、インバータ、コンバータ間には直流電圧の変動を抑制するためにコンデンサが直流回路に並列に入れられている。このような構成の場合、コンバータ、コンデンサ、インバータ間の浮遊インピーダンスを極力小さくするような構成をとらなければ、サージ電圧を吸収するためのスナバ回路が必要となる。また、サージ電圧はスナバ回路のコンデンサにより吸収され、吸収されたエネルギーはスナバ回路の抵抗によって消費され、損失となる。従って、従来の電力変換装置の場合には、パワーモジュールがスイッチングするたびに損失が発生するので、スイッチング回数に比例して電力変換装置の損失が増大するという問題点があった。

また、電力変換装置の小型化のためには、実装密度を上げる必要があり、従来の電力変換装置のようにインバータ、コンデンサだけでなく、コンバータを含めて浮遊インダクタンスが小さく、装置サイズがコンパクトで、メンテナンスが容易な構造が必要である。また、電力変換装置が大容量化するとコンデンサにも容量が求められるため、複数のコンデンサを並列接続することで大容量に対応することが多い。

また、単相の交流電力系統から単相コンバータを用いて交流電力を直流電力に変換を行い、３相インバータを用いて３相交流電動機を駆動している場合は、単相の交流系統からは得られる電力は基本波周波数の２倍の周波数で脈動した電力となるため、電力変換装置の直流電圧の脈動が生じ、それを抑制するために、３相コンバータより大きなコンデンサ容量が必要であり、コンデンサの並列数が多くなる。従って、コンデンサを並列接続して用いると、インバータやコンバータに近くに配置されたコンデンサは配線のインピーダンスが小さく電流が集中しやすいので、コンデンサに流れる電流に差がある場合、電流が集中するコンデンサが早く劣化するので、メンテナンスコストの増加に繋がるという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、構造を最適化することにより、浮遊インピーダンス低減、装置の小型化およびメンテナンスを容易にすることができる電力変換装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電力変換装置は、３レベル電力変換装置で正側のアームと第一のコンデンサ群を正極電位導体および第一の中間電位導体で配線し、負側のアームと第二のコンデンサ群を第二の中間電位導体と負極電位導体で配線し、第一の中間電位導体と第二の中間電位導体は第１および第２のクランプダイオードが接続された端と反対側に位置する端で接続したものである。
この発明に係る電力変換装置は、正と負のアームを構成するパワーモジュールをそれぞれ別個の冷却基板に取り付け、絶縁された平板導体によりパワーモジュールの配線を行い、冷却基板上のパワーモジュールを対向させて配置し、平板導体を近接させて配置したものである。

この発明によれば、並列に接続された各コンデンサの電流経路のインピーダンスを平均化でき、特定のコンデンサに電流が集中することによる寿命の短命化を防ぐことができるという効果がある。
また、この発明によれば、電力変換装置の浮遊インダクタンスを減少させ、スイッチングによるサージ電圧を低下させることができ、サージ電圧を吸収してスイッチング素子を保護するための補助回路を不要とすることができ、電力変換装置の部品数を減少させ、装置の小型化および補助回路損失をなくすことによる装置の効率化を図ることができるという効果がある。

以下、この発明の実施の一形態を、図１〜図１８を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置を示す構成図であって、ここでは、単相３レベルコンバータと３相２レベルインバータを組み合わせた場合の一例を示すもので、図２はその回路図である。
図１において、第１のコンデンサ群としてのコンデンサ５０ａ、５０ｂが並列に接続されると共に、第２のコンデンサ群としてのコンデンサ５０ｃ、５０ｄが並列に接続される。なお、コンデンサ５０ａ、５０ｂは、図２のコンデンサ３ａに相当し、コンデンサ５０ｃ、５０ｄは、図２のコンデンサ３ｂに相当するものである。また、コンデンサ５０ａ〜５０ｄの下方には、３相２レベルインバータ用パワーユニット４０が配置される。なお、コンデンサ５０ａ〜５０ｄで見えないが、後述する単相３レベルコンバータ用パワーユニット２０（図４）が２つ配置されている。

図２において、コンデンサ３ａの正側（上側）の電位をＰ、コンデンサ３ａの負側（下側）およびコンデンサ３ｂの正側（上側）の電位をＣ、コンデンサ３ｂの負側（下側）の電位をＮとする。
コンデンサ３ａの正側とコンデンサ３ｂの負側の間に、パワーモジュール１ａ〜１ｄの直列回路と、パワーモジュール１ｇ〜１ｊの直列回路が並列に接続され、パワーモジュール１ｂ，１ｃと並列にパワーモジュール１ｅ，１ｆの直列回路が接続され、パワーモジュール１ｈ，１ｉと並列にパワーモジュール１ｋ，１ｌの直列回路が接続される。そして、パワーモジュール１ｂ，１ｃの接続点とパワーモジュール１ｈ，１ｉの接続点にそれぞれコンバータ入力端子（交流入力端子）４ａ，４ｂが接続され、また、パワーモジュール１ｅ，１ｆの接続点とパワーモジュール１ｋ，１ｌの接続点が共に電位がＣのコンデンサ３ａ，３ｂの接続点に接続される。

そして、パワーモジュール１ａ〜１ｌは共にスイッチング素子（ＳＤ、以下同様）とこのスイッチング素子のコレクターエミッタ間に逆向きに接続されたダイオードを含み、そのスイッチング素子のコレクタ側にそれぞれ接続されたコレクタ端子６ａ〜６ｌと、エミッタ側に接続されたエミッタ端子７ａ〜７ｌを有する。なお、図２においてパワーモジュール１ａ〜１ｄ，１ｇ〜１ｊ中のスイッチング素子ＳＤに逆向きに接続されたダイオードＤ１は、所謂還流ダイオードとして機能し、パワーモジュール１ｅ，１ｆとパワーモジュール１ｋ，１ｌ中のスイッチング素子ＳＤに逆向きにそれぞれ接続されたダイオードＤ２，Ｄ３は、所謂クランプダイオードとして機能する。

また、コンデンサ３ａの正側とコンデンサ３ｂの負側の間に、パワーモジュール２ａ，２ｂの直列回路と、パワーモジュール２ｃ，２ｄの直列回路と、パワーモジュール２ｅ，２ｆの直列回路が並列に接続される。そして、パワーモジュール２ａ，２ｂの接続点、パワーモジュール２ｃ，２ｄの接続点およびパワーモジュール２ｅ，２ｆの接続点にそれぞれインバータ出力端子（交流出力端子）５ａ，５ｂおよび５ｃが接続される。そして、パワーモジュール２ａ〜２ｆは共にスイッチング素子とこのスイッチング素子のコレクターエミッタ間に逆向きに接続されたダイオードを含み、そのスイッチング素子のコレクタ側にそれぞれ接続されたコレクタ端子８ａ〜８ｆと、エミッタ側に接続されたエミッタ端子９ａ〜９ｆを有する。

図３は、この発明の実施の形態１による電力変換装置に使用するパワーモジュールの概観図である。
図３において、パワーユニットに用いられるパワーモジュール１１は、複数の電極をなす端子１２、端子１３を有し、端子１２がエミッタ端子で、端子１３がコレクタ端子であり、ここでは、パワーモジュール１１は、コレクタの端子１２、エミッタの端子１３の各電極がそれぞれ３つずつ付いている。
ただし、本実施の形態の電力変換装置では、パワーモジュール１１の上面にコレクタ端子、エミッタ端子を備えていれば、端子数が図３のパワーモジュールと異なるなど違う形状でもかまわない。

図４は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の単相３レベルコンバータユニットの概観図および分解図である。
図４（ａ）において、単相３レベルコンバータ用のパワーユニット２０は、２枚の冷却基板２１ａ、２１ｂを組み合わせて構成されている。また、冷却配管２２ａ〜２２ｄが設けられ、冷却配管２２ａ〜２２ｄより冷媒が出入りし、冷却基板２１ａ、２１ｂ内部の水路を流れ、冷却基板２１ａ、２１ｂ上のパワーモジュール１ａ，１ｂ，１ｅおよび１ｃ，１ｄ，１ｆの冷却を行う。冷媒は図示しないポンプにより循環させ、図示しない熱交換器で冷媒の冷却を行う。またこの冷却配管２２ａ〜２２ｄの先端はポンプや熱交換器への配管と着脱が可能なコネクタとする。

冷却基板２１ａと２１ｂの内側を、図４（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す。冷却基板２１ａと２１ｂは内側にパワーモジュール１ａ〜１ｆを図示した順番に取り付けてある。このパワーモジュール１ａ〜１ｆは、図２のパワーモジュール１ａ〜１ｆにそれぞれ対応する。
図４（ｂ）において、パワーモジュール１ｅ、１ｆ、１ｋ、１ｌは、通常の３レベル回路ではダイオードが用いられる。本実施の形態では、各モジュールの外形を揃えるため、一例としてＩＧＢＴを含んだパワーモジュールを用いているが、ダイオードモジュールを使用してもかまわない。ここで、パワーモジュール１ｅ、１ｆ、１ｋ、１ｌにＩＧＢＴを含むパワーモジュールを使用する場合は、そのゲート・エミッタ間に負の電圧をかけるか短絡して、ダイオードとして使用する。

図４（ｂ）（ｃ）（ｄ）において、ラミネートブスバー２３ａ、２３ｂ、２４〜２９が設けられ、これらのラミネートブスバー２３ａ、２３ｂ、２４〜２９は、いずれも平板導体を絶縁フィルムでラミネートしたものである。ラミネートブスバー２３ａは、パワーモジュール１ｂのエミッタ端子７ｂに接続されている。ラミネートブスバー２３ｂは、パワーモジュール１ｃのコレクタ端子６ｃに接続されている。
冷却基板２１ａ、２１ｂを合わせて図４（ａ）の状態にした場合は、ラミネートブスバー２３ａ、２３ｂの水平部が接触した状態で重なるようになっており、この接触部分には絶縁フィルムでラミネートされていない部分を設けて、ラミネートブスバー２３ａと２３ｂは通電できる構造とする。この部分は、図２ではコンバータ入力端子４ａに相当する。

ラミネートブスバー２５は、パワーモジュール１ｂのコレクタ端子６ｂとパワーモジュール１ａのエミッタ端子７ａ、パワーモジュール１ｅのコレクタ端子６ｅを接続するラミネートブスバーであり、ラミネートブスバー２４は、パワーモジュール１ｅのエミッタ端子７ｅに接続されたラミネートブスバーであり、図２の直流回路で電位Ｃとなる部分に相当する。また、ラミネートブスバー２８は、パワーモジュール１ａのコレクタ端子６ａに接続されたラミネートブスバーであり、図２の直流回路で電位Ｐとなる部分に相当する。

また、ラミネートブスバー２６は、パワーモジュール１ｃのエミッタ端子７ｃとパワーモジュール１ｄのコレクタ端子６ｄ、パワーモジュール１ｆのエミッタ端子７ｆを接続するラミネートブスバーであり、ラミネートブスバー２７は、パワーモジュール１ｆのコレクタ端子６ｆに接続されたラミネートブスバーであり、図２の直流回路で電位Ｃとなる部分に相当する。また、ラミネートブスバー２９は、パワーモジュール１ｄのエミッタ端子７ｄに接続されたラミネートブスバーであり、図２の直流回路で電位Ｎとなる部分に相当する。

ラミネートブスバーとパワーモジュールの端子はボルトを使って結合されており、ラミネートブスバーのボルト止めを行う部分は、ボルト頭が隠れるように窪んだ形状とする。これは、ラミネートブスバー同士をなるべく近接させるためである。また、上記のようなボルト頭部分が窪んだブスバー形状としても対向するパワーモジュール端子のボルト頭同士の絶縁が確保できないため、図４（ｂ）の絶縁板３０を図のように両方または片方の基板に取り付ける必要がある。

パワーユニットを組み立てるときは、まず、冷却基板２１ａ〜２１ｂにパワーモジュール１ａ〜１ｆを取り付ける。これに、図４（ｄ）のようにラミネートブスバー２３ａをパワーモジュール１ｂにボルトで取り付け、ラミネートブスバー２３ｂをパワーモジュール１ｃに取り付け、ラミネートブスバー２５はパワーモジュール１ａ、１ｂ、１ｅに取り付ける。また、ラミネートブスバー２８はパワーモジュール１ａに取り付け、ラミネートブスバー２９はパワーモジュール１ｄに取り付け、さらに、この上から、図４（ｃ）のようにラミネートブスバー２４、２６、２７を取り付ける。

また、ラミネートブスバー２４は、パワーモジュール１ｅに取り付ける。ラミネートブスバー２４とパワーモジュール１ｅの間には、先に取り付けたラミネートブスバー２５があるが、ラミネートブスバー２５には十分なサイズの貫通穴を設け、この貫通穴にラミネートブスバー２４のボルト頭を隠すためのくぼみを通し、ボルトでパワーモジュール１ｅにラミネートブスバー２４を固定する。ラミネートブスバー２６はパワーモジュール１ｃ、１ｄ、１ｆに取り付ける。

ラミネートブスバー２６とパワーモジュール１ｆの間には先に取り付けたラミネートブスバー２９があるが、ラミネートブスバー２９には十分なサイズの貫通穴を設け、この貫通穴にラミネートブスバー２６のボルト頭を隠すためのくぼみを通し、ボルトでパワーモジュール１ｆにラミネートブスバー２６を固定する。ラミネートブスバー２７はパワーモジュール１ｆに取り付ける。ラミネートブスバー２７とパワーモジュール１ｆ間にはラミネートブスバー２９があるが、ラミネートブスバー２９の貫通穴にラミネートブスバー２７のボルト頭隠すためのくぼみを通して、ボルトでパワーモジュール１ｆにラミネートブスバー２７を取り付ける。さらに、図４（ｂ）にあるように、絶縁板３０を挟み込むように冷却基板２１ａ、２１ｂを合わせて、１つの３レベルコンバータ用パワーユニット２０を組み立てる。

このようにして、図２の単相３レベルコンバータの１レグ分を構成する。図２のように単相フルブリッジ構成にするには、パワーユニット２０が２セット必要になる。このラミネートブスバー群はパワーモジュールに固定する前に、ラミネートブスバー同士を接着し、一体の部品として着脱する構造としてもよい。

図５は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の単相３レベルコンバータユニットの電流経路を説明するためのもので、３レベルコンバータの上面図を簡略化したものである。
以下に、この図５を参照して、負荷電流の転流経路と相互結合関係を説明する。図中の太線はいずれも初期状態の電流を表す。
図５（ａ）において、負荷電流が電位Ｃ点→エミッタ端子７ｅ→コレクタ端子６ｅ→コレクタ端子６ｂ→エミッタ端子７ｂ→コンバータ入力端子４ａの経路に流れている状態を初期状態とする。この状態からパワーモジュール１ａのＩＧＢＴがターンオンすると、パワーモジュール１ｅのダイオードに生じる逆回復電流は、電位Ｐ点→コレクタ端子６ａ→エミッタ端子７ａ→コレクタ端子６ｅ→エミッタ端子７ｅ→電位Ｃ点の経路で流れる。

また、負荷電流は、電位Ｐ点→コレクタ端子６ａ→エミッタ端子７ａ→コレクタ端子６ｅ→コレクタ端子６ｂ→エミッタ端子７ｂ→コンバータ入力端子４ａの経路に転流する。従って、コレクタ端子６ｅからコンバータ入力端子４ａの経路に流れる電流は変化がなく、また、電位Ｐ点からコレクタ端子６ｅの経路へ向かう電流とコレクタ端子６ｅから電位Ｃ点の経路へ戻る電流とは、方向が反対かつ同じ電流変化率を伴うことになる。

次に、図５（ｂ）において、負荷電流は、電位Ｎ点→エミッタ端子７ｄ→コレクタ端子６ｄ→エミッタ端子７ｃ→コレクタ端子６ｃ→コンバータ入力端子４ａの経路に流れている状態を初期状態とする。この状態からパワーモジュール１ｂのＩＧＢＴがターンオンすると、パワーモジュール１ｄのダイオードに生じる逆回復電流は、電位Ｃ点→エミッタ端子７ｅ→コレクタ端子６ｅ→コレクタ端子６ｂ→エミッタ端子７ｂ→コレクタ端子６ｃ→エミッタ端子７ｃ→コレクタ端子６ｄ→エミッタ端子７ｄ→電位Ｎ点の経路で流れる。また、負荷電流は電位Ｃ点→エミッタ端子７ｅ→コレクタ端子６ｅ→コレクタ端子６ｂ→エミッタ端子７ｂ→コンバータ入力端子４ａの経路に転流する。

従って、電位Ｃ点からエミッタ端子７ｂの経路へ向かう電流とコレクタ端子６ｃから電位Ｎ点の経路へ戻る電流とは、方向が反対かつ同じ電流変化率を伴うことになる。このように、本実施の形態によれば、電流の出入りがあるパワーモジュールが必ず対向する関係をもつようなパワーモジュールの配置となっており、電流の変動による磁束の変化が互いにうち消されるようになっている。

図６は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の３相２レベルインバータユニットの概観図および分解図である。
図６（ａ）において、３相２レベルインバータ用のパワーユニット４０は、２枚の冷却基板４１ａ，４１ｂを組み合わせて構成されている。また、冷却配管４２ａ〜４２ｄが設けられ、この冷却配管４２ａ〜４２ｄから冷媒が出入りし冷却基板４１ａ，４１ｂ内部の水路を流れ、冷却基板４１ａ，４１ｂ上のパワーモジュールの冷却を行う。冷媒は、図示しないポンプにより循環させ、図示しない熱交換器で冷媒の冷却を行う。また、この冷却配管４２ａ〜４２ｄの先端はポンプや熱交換器につながる配管と着脱が可能なコネクタとする。

冷却基板４１ａと４１ｂの内側を、図６（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す。冷却基板４１ａと４１ｂは、内側にパワーモジュール２ａ〜２ｆを図示したように取り付けてある。このパワーモジュール２ａ〜２ｆは、図２のパワーモジュール２ａ〜２ｆにそれぞれ対応する。図６（ｂ）（ｃ）（ｄ）におけるラミネートブスバー４３ａ〜４３ｆ、４４、４５は、平板導体を絶縁フィルムでラミネートしたものである。ラミネートブスバー４３ａと４３ｄ、ラミネートブスバー４３ｂと４３ｅ、ラミネートブスバー４３ｃと４３ｆは、図２のインバータ出力端子５ａ，５ｂ，５ｃにそれぞれ相当する。

ラミネートブスバー４３ａは、パワーモジュール２ａのエミッタ端子９ａに接続され、ラミネートブスバー４３ｂは、パワーモジュール２ｃのエミッタ端子９ｃに接続され、ラミネートブスバー４３ｃは、パワーモジュール２ｅのエミッタ端子９ｅに接続され、ラミネートブスバー４３ｄは、パワーモジュール２ｂのコレクタ端子８ｂに接続され、ラミネートブスバー４３ｅは、パワーモジュール２ｄのコレクタ端子８ｄに接続され、ラミネートブスバー４３ｆは、パワーモジュール２ｆのコレクタ端子８ｆに接続されている。

冷却基板４１ａ、４１ｂを合わせて図６（ａ）の状態にした場合は、ラミネートブスバー４３ａと４３ｄ、ラミネートブスバー４３ｂと４３ｅ、ラミネートブスバー４３ｃと４３ｆの水平部が接触した状態で重なるようになっており、この接触部分には絶縁フィルムでラミネートされない部分を設けてラミネートブスバー４３ａと４３ｄ、ラミネートブスバー４３ｂと４３ｅ、ラミネートブスバー４３ｃと４３ｆは通電できる構造とする。

ラミネートブスバー４４は、パワーモジュール２ａのコレクタ端子８ａとパワーモジュール２ｃのコレクタ端子８ｃ、パワーモジュール２ｅのコレクタ端子８ｅを接続するラミネートブスバーであり、図２の直流回路で電位Ｐとなる部分に相当する。また、ラミネートブスバー４５はパワーモジュール２ｂのエミッタ端子９ｂとパワーモジュール２ｄのエミッタ端子９ｄ、パワーモジュール２ｆのエミッタ端子９ｆを接続するラミネートブスバーであり、図２の直流回路で電位Ｎとなる部分に相当する。

ラミネートブスバーとパワーモジュールの端子は、ボルトを使って結合されており、ラミネートブスバーのボルト接合部分は、ボルト頭が隠れるように窪んだ形状とする。これはラミネートブスバー同士をなるべく近接させるためである。また、上記のようなボルト頭部分が窪んだブスバー形状としても対向するパワーモジュール端子のボルト頭同士の絶縁が確保できないため、図６（ｂ）の絶縁板４６を、図のように間に挟みこむ形で両方または片方の基板に取り付ける必要がある。このようにして、図２の３相２レベルインバータを構成する。

図７は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の３相２レベルインバータユニットの電流経路を説明するためのもので、２レベルインバータの１相分のパワーモジュールが対向して配置された状態を簡略化して上から見た図である。
図７では、正側アームのパワーモジュール２ａと負側アームのパワーモジュール２ｂを互いの電極が向かい合うような状態に配置し、かつパワーモジュール２ａのコレクタ端子８ａ、エミッタ端子９ａそれぞれをパワーモジュール２ｂのエミッタ端子９ｂ、コレクタ端子８ｂにずれることなく面合わせした状態に配置する。

また、図７では、上方がインバータ出力端子５ａとなり、下方が直流回路の電位Ｎ，Ｐの部分となる。このような配置にすると、電位Ｐの部分からインバータ出力端子５ａを介して電位Ｎの部分に戻る経路を完全に対向させることを可能とする。例えば、パワーモジュール２ｂのダイオードに負荷電流が流れているときに、パワーモジュール２ａのＩＧＢＴのターンオン動作によって生じるパワーモジュール２ｂのダイオードの逆回復電流が、図７の太線に流れる。この電流が作る磁束の変化は、パワーモジュール２ａを介してインバータ出力端子５ａに流れる電流が作る磁束の変化と同じであって向きが逆となる、いわゆる相互結合の関係を持つ。従って、この経路を流れる電流によって生じる磁束を相殺する効果が最大限に発揮されるような構造になっている。つまり、浮遊インダクタンスを最大限に抑制、ひいてはサージ電圧を最大限に抑制可能となる。

また、パワーモジュール２ａのＩＧＢＴのターンオフ動作によって直流回路の電位Ｐの部分からインバータ出力端子５ａに流れる負荷電流を遮断した場合には、その電流は電位Ｎの部分からパワーモジュール２ｂのダイオードを介してインバータ出力端子５ａに流れる転流動作が生じる。この転流動作期間においては、パワーモジュール２ａのＩＧＢＴを流れる電流の減少率とパワーモジュール２ｂのダイオードを流れる電流の増加率が同じになる。この電流の経路も前述した逆回復電流が流れる経路と同じであって相互結合の関係が成立する。つまり、この経路を流れる電流によって生じる磁束を相殺する効果が最大限に発揮されるような構造になっている。つまり、浮遊インダクタンスを最大限に抑制、ひいてはサージ電圧を最大限に抑制可能となる。

図８は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の分解図であって、図１のコンバータ・インバータのパワーユニットを取り外したところである。単相３レベルコンバータ用パワーユニット２０が２つ、３相２レベルインバータ用パワーユニット４０が１つが組み合わされており、これらのパワーユニット２０，４０とコンデンサ５０ａ〜５０ｄとの配線は、ラミネートブスバー５１、５２、５３で行う。

ラミネートブスバー５１は、ラミネートブスバー２枚を組み合わせたものであり、それぞれのラミネートブスバーは直流回路の電位Ｐと電位Ｎの部分となる。ラミネートブスバー５２は、ラミネートブスバー４枚を組み合わせたものであり、それぞれ直流回路の電位Ｐの部分が１枚と電位Ｎの部分が１枚、電位Ｃの部分が２枚である。ラミネートブスバー５３は、ラミネートブスバー４枚を組み合わせたものであり、それぞれ直流回路の電位Ｐの部分が１枚と電位Ｎの部分が１枚、電位Ｃの部分が２枚である。

ラミネートブスバー５１は、３相２レベルインバータ用パワーユニット４０の電位Ｐ部分のラミネートブスバー４４（図５）とラミネートブスバー５３の電位Ｐ部分のラミネートブスバー、パワーユニット４０の電位Ｎ部分のラミネートブスバー４５（図５）とラミネートブスバー５３の電位Ｎ部分のラミネートブスバーを接続するものである。ラミネートブスバー５２は、２つの単相３レベルコンバータ用パワーユニット２０の電位Ｐ部分のラミネートブスバー２８（図４）同士、電位Ｎ部分のラミネートブスバー２９（図４）同士、電位Ｃ部分のラミネートブスバー２４同士と２７（図４）同士を接続するものである。

ラミネートブスバー５１は、３相２レベルインバータ用パワーユニット４０と単相３レベルコンバータ用パワーユニット２０の直流回路の同電位になるラミネートブスバーを連結する。ラミネートブスバー５２は、２つの単相３レベルコンバータ用パワーユニット２０における直流回路の同電位になるラミネートブスバーを連結する。ラミネートブスバー５１、５２は、一体として、コンバータ、インバータのパワーユニットのブスバーや、ラミネートブスバー５３にコネクタを設けて、はめ込むような形状とすることもできる。
ラミネートブスバー５３は、図８の３つのパワーユニットのうち中央の単相３レベルコンバータ用パワーユニット２０のブスバーとラミネートブスバー５２の間に取り付けられ、上方にはコンデンサ５０ａ〜５０ｄが取り付けられている。

図９は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の直流回路部の分解図であって、図８のラミネートブスバー５３とコンデンサ５０ａ〜５０ｄを分解した図である。
図９において、図８のラミネートブスバー５３は、電位Ｐのラミネートブスバー５９と、中間電位である電位Ｃの第１の中間電位導体としてのラミネートブスバー６０と、電位Ｃの第２の中間電位導体としてのラミネートブスバー６１と、電位Ｎのラミネートブスバー６２を合わせたものである。コンデンサの端子とラミネートブスバーはボルトで結合してあり、ラミネートブスバーはラミネートブスバー同士を近接させるためボルト頭が隠れるようくぼみがあるが、対向するボルト頭間の絶縁のため、絶縁板５６を挟み込む必要がある。

図１０は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の直流回路における３相２レベルインバータによる電流経路を示す図であって、図９におけるラミネートブスバー５９〜６２とコンデンサ５０ａ〜５０ｄを上方から見た場合の概略図である。
コンデンサ５０ａ、５０ｂのプラス端子を電位Ｐのラミネートブスバー５９に接続し、コンデンサ５０ａ、５０ｂのマイナス端子を電位Ｃのラミネートブスバー６０に接続する。また、コンデンサ５０ｃ、５０ｄのプラス端子を電位Ｃのラミネートブスバー６１に接続、コンデンサ５０ｃ、５０ｄのマイナス端子を電位Ｎのラミネートブスバー６２に接続する。コンデンサそれぞれの端子は、コンデンサ５０ａのプラス端子とコンデンサ５０ｃのマイナス端子、コンデンサ５０ａのマイナス端子とコンデンサ５０ｃのプラス端子が対向する位置になるように配置し、コンデンサ５０ｂと５０ｄも同様の配置とする。また、ラミネートブスバー６０、６１は絶縁板５６（図９）より長くし、図１０の上方でボルト等で結合することにより通電できる構造とする。

図１１は、図１０の構成としなかった場合の電流経路の一例を示すもので、ラミネートブスバー５３（図８）の電位Ｃのラミネートブスバー６０’、６１’の接続部を図の下方に持ってきた場合の概略図である。
３相２レベルインバータが動作してコンデンサ５０ａ〜５０ｄに電流が流れる場合、例えば電位Ｎから電位Ｐに電流が流れた場合は、図１１の構成では矢印で示すように、電流は図９下方から電位Ｎのラミネートブスバー６２を通り、コンデンサ５０ｃ、５０ｄの何れかを通り、電位Ｃのラミネートブスバー６１’に流れる。これが、図９下方でラミネートブスバー５３の電位Ｃのラミネートブスバー６０’に流れ、コンデンサ５０ｂ、５０ａの何れかを通り、電位Ｐのラミネートブスバー５９に流れる。

このとき、電流はラミネートブスバー６２の下から流入し、コンデンサ５０ｃ、５０ｄの何れかを通り、ラミネートブスバー６１’を下に向かって流れる。このとき、電流がコンデンサ５０ｃを通る場合とコンデンサ５０ｄを通る場合で、その電流経路の長さが異なる。電流経路が長くなるコンデンサ５０ｄを通る経路では、浮遊インダクタンスや抵抗といった電流経路のインピーダンスが相対的に大きく、流れる電流が少なくなる。なお、図１０、図１１では、コンデンサの並列数は二つだが、コンデンサの並列数が増えるほどこの傾向は顕著になる。ラミネートブスバー６０’、５９においても同様の経路となり、電流経路が相対的に長いコンデンサ５０ｂへ流れる電流は少なくなる。

図１０において、電流が電位Ｎから電位Ｐの流れる場合の電流経路を矢印で示している。
電流は、図１０の下方から電位Ｎのラミネートブスバー６２を通り、コンデンサ５０ｃ、５０ｄの何れかを通り電位Ｃのラミネートブスバー６１に流れる。この電流は、ラミネートブスバー６１と６０の接続箇所が図１０の上方にあるため、図１０の上方に向かって流れる。その結果、コンデンサ５０ｃを通る経路でもコンデンサ５０ｄを通る経路でも、ほとんどインピーダンスは変わらす、各コンデンサに流れる電流が均等になる。

図１０のように、電位Ｃのラミネートブスバー６０、６１を図の上方で接続することにより、コンデンサ５０ａ〜５０ｄに流れる電流が均等になる作用がある。これは２レベルインバータがコンバータとして動作した場合には、電流の向きが逆になるが、同様の原理でコンデンサ５０ａから５０ｄに流れる電流が均等になる作用がある。また、ラミネートブスバー６０と６１、ラミネートブスバー５９と６２は、往復電流が流れて磁束をうち消し合うために、インダクタンスが低減されて、スイッチング時のサージ電圧を抑制できる。

単相３レベルコンバータにおいて、図２のコンバータ入力端子４ａから４ｂに電流が流れる場合にコンバータが出力しているパルスは、その電位差がＰＮ、ＰＣ、ＣＮ、ＣＣ、ＮＣ、ＣＰ、ＮＰの７つのいずれかであり、このときの回路図上の電流経路は、図１２，図１３および図１４に示すようになる。即ち、図１２（ａ）および（ｂ）には、それぞれ電位差がＰＮおよびＰＣのときの電流径路が矢印の太線で示され、図１３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）には、それぞれ電位差がＣＮ、ＣＣおよびＮＣのときの電流径路が矢印の太線で示され、図１４（ａ）および（ｂ）には、それぞれ電位差がＣＰおよびＮＰのときの電流径路が矢印の太線で示されている。

また、このときのコンデンサ５０ａ〜５０ｄの電流経路を図１５，図１６および図１７に示す。即ち、図１５（ａ）および（ｂ）には、それぞれ電位差がＰＮおよびＰＣのときの電流径路が矢印の太線で示され、図１６（ａ）および（ｂ）には、それぞれ電位差がＣＮおよびＣＣのときの電流径路が矢印の太線で示され、図１７（ａ）、（ｂ）および（ｃ）には、それぞれ電位差がＮＣ、ＣＰおよびＮＰのときの電流径路が矢印の太線で示されている。
電位差がＰＮ、ＣＣ、ＮＣ、ＣＰ、ＮＰである電流経路の場合は、電流が必ずラミネートブスバー６０と６１の連結点を通って流れるため、どの経路でもインピーダンスがほとんど同じになり、よって、コンデンサごとの電流のばらつきをほとんど生じない。

コンバータが出力しているパルスの電位差がＰＣの電流径路の場合、電流はラミネートブスバー６０と６１の連結点を通らないため、コンデンサ５０ａを通る電流経路はコンデンサ５０ｂを通る電流経路に比べ相対的にインダクタンスが小さい。しかし、パルスが電位差ＰＣになる前のパルスの電位差は、ＰＮまたはＣＣである。パルスの電位差がＰＮのときは、コンデンサ５０ａ、コンデンサ５０ｂに均等に電流が流れており、パルスの電位差がＰＣに変わると、ラミネートブスバー５９およびコンデンサ５０ａ、５０ｂのインダクタンスは、電流の変動を抑制する方向に働き、コンデンサ５０ａへの電流の集中は抑制される。

パルスの電位差がＣＣの場合は、ラミネートブスバー６１からブスバーの連結点を通り、ラミネートブスバー６０へ電流が流れる。ここで電位差ＰCのパルスへスイッチングすると、ラミネートブスバー６１を流れていた電流がラミネートブスバー５９およびコンデンサ５０ａ、５０ｂへ転流する。ラミネートブスバー５９→コンデンサ５０ｂ→ラミネートブスバー６０を流れる電流経路は、本来ラミネートブスバー５９→コンデンサ５０ａ→ラミネートブスバー６０を流れる電流経路よりインダクタンスが大きくなるが、パルスの電位差がＣＣのときにラミネートブスバー６０に電流が流れていたため、ラミネートブスバー５９のインダクタンスが電流増加を抑制する方向に働く作用を、ラミネートブスバー６０のインダクタンスが電流減少を抑制する方向に働きうち消すことになり、コンデンサを流れる電流が均等化されることになる。

なお、この例では、単相３レベルコンバータの場合で説明したが、３相３レベルコンバータの場合でも重ねの理から成り立つことは自明であるし、コンバータがインバータの場合でも同様に成立する。
また、コンバータ・インバータを組み立てる場合は、ラミネートブスバー５３にコンデンサ５０ａ〜５０ｄを組み付ける。これに、絶縁板５６を挟んでコンデンサの端子が対向するように設置する。図示しないコンバータ・インバータの筐体には、筐体の上部にコンデンサを支持する部材を設けて、そこに、コンデンサ５０ａ〜５０ｄを組みつけられたブスバーを設置する。

図８のように単相３レベルコンバータ用パワーユニット２０を２つと３相２レベルインバータ用パワーユニット４０を１つ、コンデンサ５０ａ〜５０ｄの下に入れて、パワーユニットの直流ブスバーと、図８に示すラミネートブスバー５１，５２，５３をボルトで固定する。コンバータ・インバータの筐体には、パワーユニット２０と４０を垂直に支持する部材を設置する。また、このときに冷却基板２１ａ，２１ｂ（図４）と冷却基板４１ａ，４１ｂ（図６）にそれぞれ設置されている冷却配管２２ａ〜２２ｄ（図４）と冷却配管４２ａ〜４２ｄ（図６）を図示しないポンプや熱交換器の配管に接続する。コンバータやインバータの交流入出力端子、即ち図２のコンバータ入力端子４ａ，４ｂやインバータ出力端子５ａ，５ｂ，５ｃは、ブスバーやケーブルを用いて結線する。パワーユニット２０，４０の支持部材と筐体下面は、配線材のための空間がある構造とする。筐体の下面はパネルを取り外し可能な構造とすることで、パワーユニット２０，４０下の交流配線も可能になる。

図１８は、この発明の実施の形態１による電力変換装置を電車に搭載する場合のその断面を示す概略図である。
通常、車体６４の床下には、コンバータ・インバータなどの推進装置がある。この推進装置に対して冷却装置６３が設けられ、この冷却装置６３の中には、図４に示す冷却基板２１ａ、２１ｂ内や、図６に示す冷却基板４１ａ、４１ｂ内を流れる冷媒を循環させるためのポンプや、冷媒の冷却を行う熱交換器等が含まれている。

このような構造とすることで、比較的メンテナンスの頻度が高いパワーユニットが簡単に取り外すことができる。すなわち、筐体の下面のパネルを外し、パワーユニット下方の交流端子の配線を外し、同時に前面のラミネートブスバー５１、５２、５３（図１）を取り外すことにより、パワーユニット２０（図４）、パワーユニット４０（図６）を車体６４の側面から引き出すことができる。

なお、本実施の形態では、単相３レベルコンバータ、３相２レベルインバータの場合について説明したが、コンバータが３相である場合もパワーユニットの数を増加させることにより同様に対応できる。また、コンバータを３レベル回路から２レベル回路に変更した場合や、あるいは、インバータも３レベル回路に変更した場合も同様に適用でき、同様の効果を得ることが可能である。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、第１のクランプダイオードのアノードと第１のコンデンサ群の負極側を接続する第１の中間電位導体と、第２のクランプダイオードのカソードと第２のコンデンサ群の正極側を接続する第２の中間電位導体を、第１および第２のクランプダイオードから電気的に最も離れた点で接続するようにしたので、３レベル電力変換装置に用いられる複数のコンデンサの負担を平均化し、コンデンサの劣化を一様にすることによりメンテナンス頻度を下げることができる。

また、第１のコンデンサ群と第２のコンデンサ群の端子部を対向させ、第１のコンデンサ群に接続されている正極電位導体と第１の中間電位導体、第２のコンデンサ群に接続されている第２の中間電位導体と負極電位導体を、絶縁物を介して挟み込んだ構造としたので、３レベル電力変換装置に用いられる複数のコンデンサを接続するための直流回路部の浮遊インダクタンスが低減でき、スイッチング時のサージ電圧の低減し、サージ電圧を吸収してサージ電圧からスイッチング素子を保護するための補助回路としてのスナバ回路を小型化または不要とすることができる。

また、電力変換装置の正側および負側の各アームを別の２枚の冷却基板上に設置し、絶縁物を介してパワーモジュール群の各パワーモジュールが対向するように２枚の冷却基板を平行に近接させて配置し、各パワーモジュール間の配線およびパワーモジュール群のエミッタ端子およびコレクタ端子の接続された交流回路への配線、直流回路への配線を平行に近接した配置とした構造としたので、パワーユニット部の浮遊インダクタンスを減少させることができ、スイッチング時のサージ電圧の低減し、サージ電圧を吸収してサージ電圧からスイッチング素子を保護するための補助回路としてのスナバ回路を小型化または不要とすることができる。

また、パワーモジュール群を含むパワーユニットを、それぞれの冷却基板が互いに平行になるように並べて配置し、冷媒を冷却するための冷却装置とは容易に着脱可能なコネクタを用いて接続することによりコンバータとインバータを構成したので、パワーユニットの液冷回路部の着脱が容易となりメンテナンス性が向上する。

さらに、パワーユニット群とコンデンサ群を設け、コンデンサ群に含まれるコンデンサの端子面がパワーユニット群に含まれるパワーユニットの冷却基板に平行になるよう隣接配置し、隣接面以外の面でインバータ、コンバータおよびコンデンサの電気的接続を行うので、パワーユニットとコンデンサを隣接して配置することができ、実装密度を上げることにより、電力変換装置の小型化ができる。また、パワーユニットとコンデンサの着脱が容易になりメンテナンス性が向上する。

この発明の実施の形態１による電力変換装置を示す概観図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の回路図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置に使用するパワーモジュールの概観図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の単相３レベルコンバータユニットの概観図および分解図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の単相３レベルコンバータユニットの電流経路を説明する図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の３相２レベルインバータユニットの概観図および分解図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の３相２レベルインバータユニットの電流経路を説明する図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の分解図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の直流回路部の分解図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の直流回路における３相２レベルインバータによる電流経路を示す図である。 図１０の構成としなかった場合の電流経路を示す図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の単相３レベルコンバータ回路図上での電流経路を示す図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の単相３レベルコンバータ回路図上での電流経路を示す図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の単相３レベルコンバータ回路図上での電流経路を示す図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の直流回路における単相３レベルコンバータによる電流経路を示す図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の直流回路における単相３レベルコンバータによる電流経路を示す図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の直流回路における単相３レベルコンバータによる電流経路を示す図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置を電車に搭載する場合の概略図である。

符号の説明

１ａ〜１ｌ，２ａ〜２ｆ パワーモジュール、３ａ〜３ｂ，５０ａ〜５０ｄ コンデンサ、４ａ〜４ｂ コンバータ入力端子、５ａ〜５ｃ インバータ出力端子、６ａ〜６ｌ，８ａ〜８ｆ，１３ コレクタ端子、７ａ〜７ｌ，９ａ〜９ｆ，１２ エミッタ端子、２０ 単相３レベルコンバータ用パワーユニット、２１ａ，２１ｂ，４１ａ，４１ｂ 冷却基板、２２ａ〜２２ｄ，４２ａ〜４２ｄ 冷却配管、２３ａ，２３ｂ，２４，２５，２６，２７，２８，２９，５１，５２，５３，５９，６０，６１，６２ ラミネートブスバー、３０，４６，５６ 絶縁板、４０ ３相２レベルインバータ用パワーユニット、４３ａ〜４３ｆ，４４，４５ ラミネートブスバー、６３ 冷却装置、６４ 車体。

Claims (5)

1. 直流回路に並列接続され、正極電位、中間電位、負極電位の３つの電位部を有する第１および第２のコンデンサ群と、上記正極電位部と上記負極電位部の間に直列接続された第１，第２，第３および第４のスイッチング素子と、該第１スイッチング素子から第４のスイッチング素子に並列に接続された還流ダイオードと、上記中間電位部にアノード側を、上記第１および第２のスイッチング素子の接続点にカソード側を接続された第１のクランプダイオードと、上記第３および第４のスイッチング素子の接続点にアノード側を、上記中間電位部にカソード側を接続された第２のクランプダイオードとを備え、上記第２および第３のスイッチング素子の接続点に交流端子を接続して３レベルの電圧切り換えを行う電力変換装置において、
   上記第１のクランプダイオードのアノードと上記第１のコンデンサ群の負極側を接続する第１の中間電位導体と、上記第２のクランプダイオードのカソードと上記第２のコンデンサ群の正極側を接続する第２の中間電位導体を、上記第１および第２のクランプダイオードが接続された端と反対側に位置する端で接続したことを特徴とする電力変換装置。
2. 上記第１のコンデンサ群と上記第２のコンデンサ群の端子部を対向させ、上記第１のコンデンサ群に接続されている正極電位導体と上記第１の中間電位導体、上記第２のコンデンサ群に接続されている上記第２の中間電位導体と負極電位導体を、絶縁物を介して挟み込んだ構造としたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 正側および負側の各アームを、エミッタ端子、コレクタ端子を上面に備えスイッチング素子および該スイッチング素子と逆並列に接続されたダイオードを内蔵したパワーモジュール群で構成した電力変換装置において、
   上記正側および負側の各アームを別の２枚の冷却基板上に設置し、絶縁物を介して上記パワーモジュール群の各パワーモジュールが対向するように上記２枚の冷却基板を平行に近接させて配置し、上記各パワーモジュール間の配線および上記パワーモジュール群のエミッタ端子およびコレクタ端子の接続された交流回路への配線、直流回路への配線を平行に近接した配置の構造としたことを特徴とする電力変換装置。
4. 上記パワーモジュール群を含むパワーユニットを、それぞれの冷却基板が互いに平行になるように並べて配置し、冷媒を冷却するための冷却装置とは容易に着脱可能なコネクタを用いて接続することによりコンバータとインバータを構成したことを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
5. 請求項４記載のパワーユニット群と、請求項２記載のコンデンサ群を、上記コンデンサ群に含まれるコンデンサの端子面が上記パワーユニット群に含まれるパワーユニットの冷却基板に平行になるよう隣接配置し、隣接面以外の面で上記インバータ、コンバータおよびコンデンサの電気的接続を行うことを特徴とする電力変換装置。

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