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JP4929299B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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JP4929299B2 JP2009034088A JP2009034088A JP4929299B2 JP 4929299 B2 JP4929299 B2 JP 4929299B2 JP 2009034088 A JP2009034088 A JP 2009034088A JP 2009034088 A JP2009034088 A JP 2009034088A JP 4929299 B2 JP4929299 B2 JP 4929299B2
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Description

本発明は、電力変換装置に関わり、特に、直流リンク部に配置される平滑コンデンサの実装構造に関する。
整流部とインバータ部を接続する直流リンク部を備えた電力変換装置において、直流リンク部に配置されるコンデンサの実装構造としては、特許文献1,特許文献2が知られている。特許文献1に記載されたサーボアンプ、および特許文献2に記載されたインバータ装置には、プリント基板等の導体板に複数の小型コンデンサを配置することによって配線インピーダンスを小さくし、かつ、装置全体の小型化を実現する手法が示されている。
特開2003−219661公報 特開2006−197735公報
電力変換装置の直流リンク部に設置する平滑コンデンサには、電解コンデンサが広く使用される。特に、プリント基板等の導体板に搭載するコンデンサとしては基板自立型のアルミ電解コンデンサが用いられる。ところが、基板自立型のアルミ電解コンデンサはアルミフレームが負極に接続され、負極と同電位になっている場合がある。 アルミ電解コンデンサのフレーム表面には印字用に被覆等が施されているが、この被覆は絶縁を目的としたものではないため、接触などで生じるキズや経年劣化等によりフレーム面が露出する虞がある。
また、プリント基板においても、配線パターンの錆防止用に被覆がなされるが、これも絶縁を目的としたものではなく、前記アルミ電解コンデンサのフレームの被覆と同様に、キズや経年劣化等でフレーム面が露出する虞がある。このため、基板自立型のアルミ電解コンデンサのアルミフレームとプリント基板の配線パターンとの絶縁確保に留意する必要がある。特に、電力変換装置の直流リンク部の電位が高くなる場合は耐電圧の観点からコンデンサを直列接続した構成にするが、一方のコンデンサの正極と他方のコンデンサの負極が接続される形態になるため、それぞれのアルミフレームは異なる電位になる。このような場合には、基板パターンが複雑化する。
このような問題に対して、特許文献1では、導体板の表面を絶縁体で被覆することにより電解コンデンサとの絶縁を図っている。前記絶縁には樹脂等でモールドする方法、絶縁シート等を敷いたりする方法が採用されるが、工数の増加やコストの増加は避けられない。
特許文献2には、プリント配線板に複数のコンデンサを配置した例が記載されている。一般的にコンデンサ搭載のプリント配線板では、パターンを積層させることにより配線インダクタンスを大幅に低下させることができる。しかし、特許文献2にはプリント配線板のパターンと電解コンデンサ間の絶縁処理に関しては触れられていない。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、複数のコンデンサをプリント配線板上に配置したコンデンサ搭載板を使用する電力変換装置において、コンデンサとプリント配線板パターンの間の絶縁性能を高め、かつ配線の低インダクタンス化を実現できる電力変換装置を提供することである。
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
各相に挿入したスイッチング素子を開閉して、供給された交流電力を直流電力に変換する整流部、変換された直流電力を各相に挿入されたスイッチング素子を開閉して交流電力に変換して負荷に供給するインバータ部、および前記整流部とインバータ部を接続する直流リンク部を備えた電力変換装置において、前記直流リンク部は、複数のコンデンサを直列および並列接続してなる平滑回路を搭載したプリント配線板を備え、該プリント配線板は、絶縁基板の上面側に前記直流リンク部の負極を構成する負極パターンを、また前記絶縁基板の下面側に前記直流リンク部の正極を構成する正極パターンおよび該正極パターンに並置され前記直列接続されたコンデンサの中間接続電極を構成する中間電極パターンを具備し、前記負極パターンは、前記直列接続されたコンデンサのうち前記直流リンク部の正極側に接続されたコンデンサが投影された領域以外の部分に形成した。
本発明は、以上の構成を備えるため、コンデンサとコンデンサを搭載するプリント配線板の間の絶縁性能を高め、かつ配線の低インダクタンス化を実現できる。
本発明の実施形態に係る電力変換装置を説明する図である。 図1の側面図(矢視図)である。 図1に示すプリント配線板の回路図である。 図2の一部(点線部分)拡大図である。 図1に示すプリント配線板のパターンにおける電流分布のシミュレーション結果を示す図である。 図1に示す配線導体のパターンにおける電流分布のシミュレーション結果を示す図である。 従来のプリント配線板を説明する図である。 従来のプリント配線板における配線導体パターンの例を説明する図である。
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施形態にかかる電力変換装置を説明する図である。図に示すように、コンデンサを搭載したプリント配線板(コンデンサ板)1は、プリント配線板に搭載されたコンデンサ2p1〜2p8、2n1〜2n8、PWM整流器側のスイッチング素子3R、3S、3T、および、インバータ側のスイッチング素子3U、3V、3Wを備える。
図2は、図1のプリント配線板を矢印(A)方向から見た側面図(矢視図)であり、図に示すように、プリント配線板1とスイッチング素子との間にP側配線導体4PとN側配線導体4Nが配置されている。
図3は、図1に示すプリント配線板の回路図であり、整流器側のスイッチング素子3R、3S、3Tとインバータ側のスイッチング素子3U、3V、3Wは、直流リンク部を介して接続しており、直流リンク部の正極側(P側)はプリント配線板1のP極パターンおよびP側配線導体4Pに接続し、直流リンク部の負極側(N側)はプリント配線板1のN極パターンおよびN側配線導体4Nに接続している。
なお、コンデンサ2p1〜2p8、2n1〜2n8は、直流リンク部分の電圧値が大きい場合を想定し、コンデンサ2p1とコンデンサ2n1、コンデンサ2p2とコンデンサ2n2、・・・というようにプリント配線板1において正極側と負極側の間を直列接続して耐電圧を確保している。さらに、複数のコンデンサを並列に接続することにより静電容量を確保している(図1の第一実施例は2直列8並列の構成となっている)。また、直列接続したそれぞれのコンデンサの中間点同士は、プリント配線板1の中間点パターン(C極パターン)に接続している。
このように小型のコンデンサを多数使用して直並列に接続することにより、コンデンサ1個当りの高さ(図1おいて紙面に鉛直方向の長さ)を低減することができる。また、単体の重量を小さくできるため、コンデンサの支持部分を簡素化できる。
整流器側のスイッチング素子3R、3S、3Tおよびインバータ側のスイッチング素子3U、3V、3Wは、図3に示すように1つのデバイス内に2個のスイッチング素子を搭載した、いわゆる2in1タイプの素子を使用し、図1に示すようにプリント配線板1の中心に対して線対称に配置している。
2in1タイプの素子においては、一般的にコレクタ端子(正極(P)側に接続する端子)、エミッタ端子(負極(N)側に接続する端子)、および、交流側端子がある。図1の例では、基板中心側の端子がコレクタ接続端子、真ん中の端子がエミッタ端子、基板外側の端子が交流側端子である素子を例としている。図1のようにスイッチング素子を配置することにより、PWM整流器およびインバータのスイッチング素子の底部に接続する図示していないヒートシンクあるいはヒートパイプ等の冷却装置を共通化することができ、小型化・低コスト化の効果がある。さらに、スイッチング素子の交換に際しては、コンデンサが実装されたプリント配線板の端子部分にスイッチング素子に接続するのみで良いため、交換作業の工数の低減に効果がある。なお、図1に示すプリント配線板1は表および裏面を利用した両面基板で構成している。
図4は、図2の点線部分の拡大図である。プリント配線板において、コンデンサ側の面(図2におけるプリント配線板1の上側面)の配線パターン(斜線部分)は直流リンク部のN側となるN極パターンとなるようにしている。また、コンデンサ2p1〜2p8の下部においては配線パターンは設けず、基板の生地面(導体パターンが形成されていない樹脂面)が露出している。
これは、コンデンサとして、コンデンサのアルミフレームが負極に接続されている基板自立型電解コンデンサを使用した場合においても、コンデンサフレームとプリント配線板1の配線パターンとの間の絶縁を確保できるためである。つまり、図1の例では、コンデンサ2n1〜2n8の負極はN側パターンと同電位であるため、アルミフレームとN側パターンとの間には電位差は発生しないが、コンデンサ2p1〜2p8の負極はコンデンサ2n1〜2n8の正極と接続されているため、コンデンサ2p1〜2p8のアルミフレームとN側パターンの間にはコンデンサ2n1〜2n8の電位分だけ電位差が発生する。
アルミ電解コンデンサのフレーム表面には印字用に被覆等が施されているが、これは絶縁を目的としたものではないため、接触などで生じるキズや経年劣化等によりフレーム面が露出する虞がある。また、プリント基板においても、配線パターンの錆防止用に被覆がなされるが、これも絶縁を目的としたものではないため、前記コンデンサフレームの被覆と同様に、キズや経年劣化等でフレーム面が露出する虞がある。
従来は図7に示す基板面のように、絶縁を確保するために絶縁板や絶縁シート等の絶縁体5を挿入して対応していた。しかし、図1のようにコンデンサ2が配置される側の面でコンデンサ2p1〜2p8の下部には配線パターンを敷かず、基板の生地面を露出させることで絶縁体を挿入することなく絶縁を確保することができる。
しかし、このように構成すると、コンデンサ側の面のコンデンサ2p1〜2p8の下部にはパターンが存在しないため、正極層(P極パターン)および中間極層(C極パターン)と負極層(N極パターン)との間で、配線パターンの積層効果はほとんど期待できない。なお、積層効果とは、積層した配線パターン間で互いに逆方向に電流が流れるように構成することにより、それぞれに流れる電流が発生する磁束が互いに相殺され、配線経路のインダクタンスを低減できる効果である。
このため、図1に示すプリント配線板1を単体で使用する場合は、配線経路のインダクタンスが無視できなくなる。この結果、例えばU相スイッチング素子3Uがスイッチングをした場合には、近傍のコンデンサ2p1、コンデンサ2n1の充放電経路は配線経路が短いため低インピーダンスとなる。一方、コンデンサ2p8、コンデンサ2n8の充放電経路は配線経路が長いため高インピーダンスとなる。このため、コンデンサに流入出する電流量(電荷の供給量)に大きなばらつきが発生し、コンデンサの寿命低下や破壊をもたらす虞がある。
そこで、図1の例では、プリント配線板1とスイッチング素子の間にP側配線導体4PとN側配線導体4Nを配置している。P側配線導体4PとN側配線導体4Nは図示していない絶縁物等を介して近接させて積層して配置し、前述の積層効果によって配線経路の低インダクタンス化を実現している。
つまり、図1の例のようにプリント配線板1と、P側配線導体4PおよびN側配線導体4Nを電気的に並列接続する構成とすることにより、いずれのスイッチング素子がスイッチングをした場合においても、コンデンサから流出入する電流の大部分は、一旦、各コンデンサに最も近いスイッチング素子の端子部分を通り、その後配線インダクタンスの小さいP側配線導体4P、N側配線導体4Nを通ってスイッチングした素子に流出入する。この結果、各コンデンサから流入出する電流量のばらつきは小さくなり、コンデンサの寿命低下等の悪影響を抑制できる効果がある。
図5は、図1の例におけるプリント配線板1のパターン図および電流分布のシミュレーション結果を示す図である。ここで、図5(a)はプリント配線板1のコンデンサ側面(図2におけるプリント配線板1の上側面)のパターン図であり、N極パターンのみで構成している。また、図中の点線円は、コンデンサ2p1〜2p8、2n1〜2n8の投影部分である。
プリント配線板1のコンデンサ側基板面では、直流リンクのP側に接続されたコンデンサ2p1〜2p8が投影された領域にはN極パターンは無く、プリント基板の生地面(導体パターンが形成されない絶縁体面)としている。さらに、直流リンクのN側に接続されたコンデンサ2n1〜2n8が投影された領域にはN極パターン或いはN極パターンの一部が敷かれる構造となっており、コンデンサ2n1〜2n8の負極端子はN極パターンと接続している。
図5(b)はプリント配線板のスイッチ素子側の面(図2のプリント配線板1の下側面)のパターン図であり、C極パターンおよびP極パターンで構成しており、それぞれのパターンは絶縁距離を保って切り離されている。C極パターンにはコンデンサ2n1〜2n8の正極端子とコンデンサ2p1〜2p8の負極端子が接続されており、P極パターンにはコンデンサ2p1〜2p8が接続されている。
図5(a)(b)の基板面に描かれた線は、U相スイッチング素子3Uのスイッチングを想定して、U相素子エミッタ端子およびU相素子コレクタ端子間からみた電流分布、すなわち、コンデンサ2p1〜2p8、2n1〜2n8から供給される電流の分布を電磁場シミュレーションにより演算したものである。
すなわち、線間が狭い部分は電流密度が高いことを示している。また、図5(a)(b)に示すように、コンデンサ2p1〜2p8、2n1〜2n8に流入出する電流は、U相スイッチング素子3Uに近いコンデンサ2p1、2n1の電流が若干多いものの、ほぼ均一に流れていることが判る。なお、図5(a)(b)は、スイッチング直後の過渡状態のシミュレーション結果であるため、時間が経過して定常状態になると均一性が更に増す結果になる。また、図5(a)(b)よりコンデンサ2p1〜2p8、2n1〜2n8に流入出する電流は、U相スイッチング素子3Uがスイッチングをしているにも関わらず、各コンデンサから最も近い素子の端子に流れていることが確認できる。
図6は、図1の例における配線導体のパターン図および電流分布のシミュレーション結果を示す図である。図6(a)は図1におけるN側の配線導体4Nを示す図であり、図6(b)は図1におけるP側の配線導体4Pを示す図である。
それぞれの配線導体4N,4Pは近接して積層されており、特に、P側の配線導体4PをN側の配線導体4Nに投影すると、大部分が重なる形態である。また、それぞれの配線導体の中央部分では、それぞれの導体部分が完全に積層されている。
図6(a)(b)に示すように、各素子の端子から流入出する電流(図5のプリント配線板から流出入する電流)は、中央部分の積層部を通ってU相スイッチング素子3Uに流れる。それぞれの導体基板における積層部分の電流は互いに逆方向に流れるため、発生する磁束が相殺され、インダクタンスを低減できる。
すなわち、図5においてコンデンサ2p1〜2p8、2n1〜2n8に流入出する電流が直近素子の端子に流れている要因も導体基板のインダクタンスが極めて小さいことの効果であり、導体基板での低インダクタンス化が各コンデンサに流れる電流の均一化に寄与していると言える。これにより、特定のコンデンサへの過度の電流集中を防止できるため、コンデンサの長寿命化を図ることができる。
また、図5に示すプリント配線板の構造のみではパターンの積層効果が得られないためスイッチング素子から離れた位置にあるコンデンサにおいては経路のインダクタンスが大きくなる。しかし、図6に示す積層した配線導体を使用する構造では直近の素子端子を通る経路によって低インダクタンス化を図ることができる。
これにより、インダクタンスに蓄積されたエネルギーにより素子のスイッチング時に発生する跳ね上がり電圧現象を抑制することができる。このため、保護用に接続していたスナバ回路を削減できる効果がある。この効果は、プリント配線板1が図7の従来技術のように自身で積層効果を持つ場合においては、電流がプリント配線板1のパターンを通って低インダクタンスの経路で流れることが可能なため、低インダクタンス化を図ることができる。このような場合は、図8に示す従来技術における配線導体パターンの例のように配線導体に積層効果を持たせる必要は無く、低周波の電流成分(主電流成分)のみが流れることになる。
すなわち、本発明はプリント配線板とコンデンサフレーム間の絶縁を簡略化し、絶縁確保用の絶縁物を削減することが一つの特徴である。また、図1の例では、配線導体には、低周波の電流成分(主電流成分)とコンデンサに流入出しインダクタンスの影響を受ける高周波の電流成分が流れることも特徴である。
また、図6(a)のN側配線導体では、配線導体の上下方向(長手方向)の端部において、左右端をつなぐ電流経路を設けており、U相スイッチ素子への電流の導入が可能な形態としている。これにより、素子端子近傍の電流集中を緩和することができる。さらに、図6(b)も同様に配線導体の上下方向(長手方向)を延ばすことによりP側配線導体との積層部分を拡大でき、更なる低インダクタンス化を実現できる効果がある。
また、図5においては、両面基板で実施した構成を例として説明しているが、プリント配線板のコンデンサ側面にはN極のパターンがあり、そのパターンの少なくとも一部が直流リンクのN側に接続されたコンデンサ2n1〜2n8の下のみに位置する点が重要であって、この条件を満足するような複数層基板をプリント配線板として使用しても良いことは言うまでもない。また、図6においては、N極の配線導体よりもP極の配線導体の方が横方向に狭い形状であるが、積層することによって重なり合う部分の面積を増やすことが重要であり、P極の配線導体の方にくり抜き穴を設けてN極の配線導体と同じ大きさにするなどの形状でも良いことは言うまでもない。さらに、図1の例ではPWM整流器とインバータを使用するシステムを前提としたが、平滑コンデンサを直列接続にした形態である点が本発明の特徴のの一つであるため、PWM整流器の代わりにダイオード整流器や直流電源が使用される形態であっても同様な効果を奏することは言うまでもない。
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、複数の小型コンデンサをプリント配線板上に搭載したプリント配線板および積層構成の配線導体を備え、前記プリント配線板においては、コンデンサ側面の主たる配線パターンは電力変換器の直流リンクのN極パターンとなるように構成し、素子側面の主たる配線パターンは直流リンクのP極パターン、および直列接続したコンデンサの中間点パターン(C極パターン)となるように構成する。また、直流リンクのP側に接続されるコンデンサの下部においてコンデンサ側面の配線パターンが存在しない構成とし、プリント配線板と並列に積層構造の配線導体を配置した構成とする。このように、配線導体を積層構成としているため、コンデンサから流入出する電流はコンデンサ近傍の素子端子を介して配線導体に流れ、低インダクタンス化を図ることができる。このように、コンデンサと該コンデンサを搭載したプリント配線板パターンとの間の絶縁性能を高めて絶縁確保用の絶縁体を削減できる上、配線経路の低インダクタンス化を実現することができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で様々変形して実施できることは言うまでもない。
1 コンデンサを搭載したプリント配線板(コンデンサ板)
2p1〜2p8 直流リンクのP側に接続されたコンデンサ
2n1〜2n8 直流リンクのN側に接続されたコンデンサ
3R R相スイッチング素子
3S S相スイッチング素子
3T T相スイッチング素子
3U U相スイッチング素子
3V V相スイッチング素子
3W W相スイッチング素子
4P P側配線導体
4N N側配線導体
5 絶縁物

Claims (6)

  1. 各相に挿入したスイッチング素子を開閉して、供給された交流電力を直流電力に変換する整流部、変換された直流電力を各相に挿入されたスイッチング素子を開閉して交流電力に変換して負荷に供給するインバータ部、および前記整流部とインバータ部を接続する直流リンク部を備えた電力変換装置において、
    前記直流リンク部は、複数のコンデンサを直列および並列接続してなる平滑回路を搭載したプリント配線板を備え、
    該プリント配線板は、絶縁基板の上面側に前記直流リンク部の負極を構成する負極パターンを、また前記絶縁基板の下面側に前記直流リンク部の正極を構成する正極パターンおよび該正極パターンに並置され前記直列接続されたコンデンサの中間接続電極を構成する中間電極パターンを具備し、
    前記負極パターンは、前記直列接続されたコンデンサのうち前記直流リンク部の正極側に接続されたコンデンサが投影された領域以外の部分に形成したことを特徴とする電力変換装置。
  2. 各相に挿入したスイッチング素子を開閉して、供給された交流電力を直流電力に変換する整流部、変換された直流電力を各相に挿入されたスイッチング素子を開閉して交流電力に変換して負荷に供給するインバータ部、および前記整流部とインバータ部を接続する直流リンク部を備えた電力変換装置において、
    前記直流リンク部は、複数のコンデンサを直列および並列接続してなる平滑回路を搭載したプリント配線板と、
    整流部およびインバータ部を構成するスイッチング素子の正極端子間を接続するP側配線導体並びに整流部およびインバータ部を構成するスイッチング素子の負極端子間を接続するN側配線導体とを備え、
    前記プリント配線板は、絶縁基板の上面側に前記直流リンク部の負極を構成する負極パターンを、また前記絶縁基板の下面側に前記直流リンク部の正極を構成する正極パターンおよび該正極パターンに並置され前記直列接続されたコンデンサの中間接続電極を構成する中間電極パターンを具備し、
    前記負極パターンは、前記直列接続されたコンデンサのうち前記直流リンク部の正極側に接続されたコンデンサが投影された領域以外の部分に形成し、前記正極パターンに接続するP側配線導体板と負極パターンに接続するN側配線導体板とは互いに重なるように積層配置したことを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項1または2に記載の電力変換装置において、
    前記プリント配線板は両面基板構造であり、直流電位を分圧するコンデンサは2直列の構成であり、前記プリント配線板のコンデンサ側基板面の主たる配線パターンは直流電位の負極側と同電位であり、前記プリント配線板のもう一方の面の主たる配線パターンは直流電位の正極側と同電位のパターンと直流電位の中間点と同電位のパターンであることを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項1から3の何れかに記載の電力変換装置において、
    インバータ部および整流部として動作する半導体デバイスは単独のデバイスの中に2個の半導体スイッチを備えた構成であり、前記複数のコンデンサを搭載したプリント配線板の中心に対して線対称に前記インバータ部として動作する半導体デバイスと前記整流部として動作する半導体デバイスを配置する形態であり、分圧接続したコンデンサのうち直流電位の負極側に接続されるコンデンサは前記プリント配線板の端部に配置され、直流電位の正極側に接続されるコンデンサは前記プリント配線板の中央部に配置されることを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項1から4の何れかに記載の電力変換装置において、
    インバータ部として動作する半導体デバイスと、整流部として動作する半導体デバイスは単独のデバイスの中に2個の半導体スイッチを備えた構成であり、前記複数のコンデンサを搭載したプリント配線板の中心に対して線対称に前記インバータ部として動作する半導体デバイスと前記整流部として動作する半導体デバイスを配置する形態であり、かつ、前記整流部と前記インバータ部の間のリンク部における正極と負極にそれぞれ接続された配線導体は前記プリント配線板と前記半導体デバイスとの間に配置され、かつ、前記配線導体のそれぞれの端部付近において前記半導体デバイスと接続され、かつ、前記それぞれの配線導体の中央部は積層されていることを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項1から5の何れかに記載の電力変換装置において、
    前記整流部と前記インバータ部の間のリンク部の正極と負極にそれぞれ接続された配線導体は互いに積層され、それぞれが向かい合う面において少なくとも一方の配線導体の外形は長方形であり、かつ、長方形の辺のうち一方の長い辺の端部付近にインバータとして動作する半導体デバイスに接続される端子が設けられ、他方の長い辺の端部付近に整流部として動作する半導体デバイスに接続される端子が設けられ、かつ、前記端子のうち長方形の短い辺側に設けられた端子よりも端部側において、整流部とインバータ部を電気的に接続できる経路が設けれていることを特徴とする電力変換装置。
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