JP6302655B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

一般に、電力変換装置として、ＭＭＣ(modular multilevel converter)が知られている。ＭＭＣは、複数のチョッパーセル（単位変換器）で構成された電力変換装置である。チョッパーセルは、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)などのスイッチング素子と直流コンデンサで構成されている。

例えば、あらゆる動作モードにおいて直流コンデンサの電圧を安定に維持しつつ制御可能なＭＭＣが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１８２５１７号公報

しかしながら、ＭＭＣの運転時のセル電圧制御による電圧リプルを抑制するには、直流コンデンサの容量を大きくする必要がある。容量を大きくするには、複数の直流コンデンサを並列に接続する。このとき、スイッチング素子と各直流コンデンサとの間の距離（即ち、配線インダクタンス）にバラつきがあると、スイッチング素子に近い直流コンデンサと遠い直流コンデンサとで、責務（コンデンサ電流）が異なる。また、共振が生じる要因にもなる。直流コンデンサの直流電圧が高い場合には、１つの直流コンデンサの容量が大きくなるため、これらの問題はより重要となる。

そこで、本発明の目的は、複数の直流コンデンサの責務を均等にした電力変換装置を提供することにある。

本発明の観点に従った電力変換装置は、複数のスイッチング素子が直列に接続された１つの素子直列回路と、全て同じ配線インダクタンスで前記１つの素子直列回路とそれぞれ並列に接続された複数の直流コンデンサとを備え、前記複数の直流コンデンサは、前記１つの素子直列回路を中心とした円状として前記中心から等距離の円周上に配置される。

本発明によれば、複数の直流コンデンサの責務を均等にした電力変換装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す構成図。 第１の実施形態に係る電力変換装置の回路を示す回路図。 第１の実施形態に係る圧接型の電力変換装置の構成を示す斜視図。 本発明の第２の実施形態に係るモジュール型の電力変換装置の構成を示す構成図。 本発明の第３の実施形態に係る圧接型の電力変換装置の構成を示す模式図。 第３の実施形態に係る電力変換装置の回路を立体的に示す構成図。 本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す構成図。 第４の実施形態に係る電力変換装置の回路を立体的に示す回路図。 第４の実施形態に係る圧接型の電力変換装置の構成を示す模式図。 本発明の第５の実施形態に係るモールド型の電力変換装置の構成を示す模式図。 本発明の第６の実施形態に係る圧接型の電力変換装置の構成を示す模式図。 本発明の第７の実施形態に係るモールド型の電力変換装置の構成を示す模式図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置３の構成を示す構成図である。図２は、本実施形態に係る電力変換装置３の回路を示す回路図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

電力変換装置３は、ＩＧＢＴスタック１及び２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂを備える。電力変換装置３は、ＭＭＣ(modular multilevel converter)を構成するチョッパーセル（単位変換器）である。２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂは、ＩＧＢＴスタック１に対して、等距離で左右対称に配置されている。なお、直流コンデンサ２ａ，２ｂは、対称に配置されていれば、線対称又は点対称のいずれでもよい。左側の直流コンデンサ２ａは、２つの導体Ｗａｐ，ＷａｎでＩＧＢＴスタック１に接続されている。右側の直流コンデンサ２ｂは、２つの導体Ｗｂｐ，ＷｂｎでＩＧＢＴスタック１に接続されている。

４つの導体Ｗａｐ，Ｗａｎ，Ｗｂｐ，Ｗｂｎは、ＩＧＢＴスタック１と直流コンデンサ２ａ，２ｂとのそれぞれの配線インダクタンスが同じになるように形成されている。例えば、４つの導体Ｗａｐ，Ｗａｎ，Ｗｂｐ，Ｗｂｎは、同じ形状で同じ材質である。

なお、左側の直流コンデンサ２ａに接続される２つの導体Ｗａｐ，Ｗａｎの合計の配線インダクタンスと、右側の直流コンデンサ２ｂに接続される２つの導体Ｗｂｐ，Ｗｂｎの合計の配線インダクタンスが同じであれば、４つの導体Ｗａｐ，Ｗａｎ，Ｗｂｐ，Ｗｂｎのそれぞれがどのような形状でどのような材質でもよい。例えば、４つの導体Ｗａｐ，Ｗａｎ，Ｗｂｐ，Ｗｂｎは、それぞれ異なる形状で異なる材質でもよい。また、４つの導体Ｗａｐ，Ｗａｎ，Ｗｂｐ，Ｗｂｎは、同極性になる導体同士を一体形成にして、２つの導体にしてもよい。具体的には、２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂにそれぞれ接続される正極側の２つの導体Ｗａｐ，Ｗｂｐを１つの導体にし、２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂにそれぞれ接続される負極側の２つの導体Ｗａｎ，Ｗｂｎを１つの導体にしてもよい。

ＩＧＢＴスタック１は、２つのＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)１１ａ，１１ｂ、２つのダイオード１２ａ，１２ｂ、及び２つのゲートドライブ回路１３ａ，１３ｂを備える。２つのＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂは、直列に接続されている。２つのダイオード１２ａ，１２ｂは、それぞれ２つのＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂに逆並列に接続されている。２つのゲートドライブ回路１３ａ，１３ｂは、２つのＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂに対応して設けられている。

ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂ及びダイオード１２ａ，１２ｂは、半導体素子である。ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂは、ゲートドライブ回路１３ａ，１３ｂから入力されたゲート信号（ゲート電圧）により駆動（スイッチング）するスイッチング素子である。ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂが駆動することにより、電力変換装置３が電力変換を行う。

２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂは、直列に接続された２つのＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂと並列に接続されている。

図３は、本実施形態に係る圧接型の電力変換装置３の構成を示す斜視図である。

圧接型の電力変換装置３では、３つのヒートシンク４及び２つのＩＧＢＴパッケージ５ａ，５ｂがＩＧＢＴスタック１に設けられている。各ＩＧＢＴパッケージ５ａ，５ｂには、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂ、ダイオード１２ａ，１２ｂ、及びゲートドライブ回路１３ａ，１３ｂが１つずつ実装されている。

ヒートシンク４は、厚みのある円板形状である。ＩＧＢＴパッケージ５ａ，５ｂは、厚みのある長方形の板形状である。ＩＧＢＴパッケージ５ａ，５ｂの平面部分（最も広い面）は、ヒートシンク４の平面部分（最も広い面で、円状の面）で全て覆われる面積である。２つのＩＧＢＴパッケージ５ａ，５ｂは、３つのヒートシンク４の２つの間にそれぞれ挟まれるように配置される。ＩＧＢＴスタック１は、３つのヒートシンク４と２つのＩＧＢＴパッケージ５ａ，５ｂを交互に重ね合わせたものを圧接した構造になる。各ＩＧＢＴパッケージ５ａ，５ｂは、上下に隣接するヒートシンク４により冷却される。

２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂは、円筒形状である。２つのＩＧＢＴパッケージ５ａ，５ｂと２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂを接続する４つの導体Ｗａｐ，Ｗａｎ，Ｗｂｐ，Ｗｂｎの形状及び長さは全て同じである。

本実施形態によれば、圧接型の電力変換装置３において、２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂをＩＧＢＴスタック１に対して左右対称に配置して、直列に接続されたＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂと各直流コンデンサ２ａ，２ｂとの配線インダクタンスを同じにすることで、２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂの責務（コンデンサ電流）を同じにすることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るモジュール型の電力変換装置３Ａの構成を示す構成図である。

電力変換装置３Ａは、図３に示す第１の実施形態に係る圧接型の電力変換装置３と形状が異なる点以外は、第１の実施形態と同様である。

直流コンデンサ２ａＡ，２ｂＡは、第１の実施形態に係る直流コンデンサ２ａ，２ｂをそれぞれ直方体形状にしたものである。ヒートシンク４Ａは、第１の実施形態に係る３つのヒートシンク４を１つにし、直方体形状にしたものである。ＩＧＢＴパッケージ５ａ，５ｂは、ヒートシンク４Ａの上に配置されている。ＩＧＢＴスタック１Ａは、ヒートシンク４Ａ及びＩＧＢＴパッケージ５ａ，５ｂにより構成される。４つの導体ＷａｐＡ，ＷａｎＡ，ＷｂｐＡ，ＷｂｎＡは、第１の実施形態に係る４つの導体Ｗａｐ，Ｗａｎ，Ｗｂｐ，Ｗｂｎを板状のバスバーにしたものである。

２つの直流コンデンサ２ａＡ，２ｂＡは、第１の実施形態と同様に、ＩＧＢＴスタック１Ａに対して等距離で左右対称に配置されている。２つの直流コンデンサ２ａＡ，２ｂＡ及び２つのＩＧＢＴパッケージ５ａ，５ｂにそれぞれ設けられた４つの導体ＷａｐＡ，ＷａｎＡ，ＷｂｐＡ，ＷｂｎＡを接続するための端子は、同一平面上に位置するように設けられている。４つの導体ＷａｐＡ，ＷａｎＡ，ＷｂｐＡ，ＷｂｎＡは、全て同じ形状で同じ材質である。これにより、ＩＧＢＴスタック１Ａと直流コンデンサ２ａＡ，２ｂＡとのそれぞれの配線インダクタンスは、同じになる。なお、４つの導体ＷａｐＡ，ＷａｎＡ，ＷｂｐＡ，ＷｂｎＡは、第１の実施形態と同様に、ＩＧＢＴスタック１Ａと直流コンデンサ２ａＡ，２ｂＡとのそれぞれの配線インダクタンスが同じになるのであれば、それぞれが異なる形状で異なる材質でもよい。また、４つの導体ＷａｐＡ，ＷａｎＡ，ＷｂｐＡ，ＷｂｎＡは、同極性になる導体同士を一体形成して、２つの導体にしてもよい。

本実施形態によれば、モジュール型の電力変換装置３Ａにおいて、第１の実施形態と同様に、２つの直流コンデンサ２ａＡ，２ｂＡをＩＧＢＴスタック１Ａに対して左右対称に配置して、各直流コンデンサ２ａＡ，２ｂＡの配線インダクタンスを同じにすることで、２つの直流コンデンサ２ａＡ，２ｂＡの責務を同じにすることができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る圧接型の電力変換装置３Ｂの構成を示す模式図である。図６は、本実施形態に係る電力変換装置３Ｂの回路を立体的に示す構成図である。

電力変換装置３Ｂは、図３に示す第１の実施形態に係る電力変換装置３の２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂの配置を変えたものである。２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂは、ＩＧＢＴスタック１から等距離で片側に寄せて配置されている。図５及び図６では、２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂは、右側に配置されている。即ち、２つのＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂが直列に接続された回路と２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂをそれぞれ結んだ２つの線で成す角θが１８０度未満となる。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

４つの導体Ｗａｐ，Ｗａｎ，Ｗｂｐ，Ｗｂｎは、第１の実施形態と同様に、各直流コンデンサ２ａ，２ｂの配線インダクタンスが同じになるように設けられている。２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂは、ＩＧＢＴスタック１から等距離に配置されているため、４つの導体Ｗａｐ，Ｗａｎ，Ｗｂｐ，Ｗｂｎを同形状で同材質にすれば、各直流コンデンサ２ａ，２ｂの配線インダクタンスは同じになる。

電力変換装置３Ｂの直流コンデンサ２ａ，２ｂが設けられていない側（図５及び図６では、左側）は、ＩＧＢＴスタック１にアクセスするための開口部（扉など）が設けられる。直流コンデンサ２ａ，２ｂが反対側に設けられているため、ＩＧＢＴスタック１のメンテナンスなどの作業をするための空間が広く確保できる。

本実施形態によれば、２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂをＩＧＢＴスタック１から等距離に配置して、各直流コンデンサ２ａ，２ｂの配線インダクタンスを同じにすることで、２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂの責務を同じにすることができる。

また、２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂをＩＧＢＴスタック１に対して片側に寄せて配置することで、ＩＧＢＴスタック１にアクセスし易くなり、メンテナンスなどの作業性を向上させることができる。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置３Ｃの構成を示す構成図である。図８は、本実施形態に係る電力変換装置３Ｃの回路を立体的に示す回路図である。図９は、本実施形態に係る圧接型の電力変換装置３Ｃの構成を示す模式図である。

電力変換装置３Ｃは、図１に示す第１の実施形態に係る電力変換装置３において、２つの直流コンデンサ２ｃ，２ｄを追加したものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂが、ＩＧＢＴスタック１に対して左右対称に設けられているのに対して、２つの直流コンデンサ２ｃ，２ｄは、上下対称に設けられている。２つの直流コンデンサ２ｃ，２ｄは、左右対称に設けられた２つの直流コンデンサ２ａ，２ｂと同様に設けられている。

各直流コンデンサ２ａ〜２ｄにそれぞれ接続される２つの導体Ｗａｐ〜Ｗｄｎの合計の配線インダクタンスは、全て同じになるように、各直流コンデンサ２ａ〜２ｄが導体Ｗａｐ〜Ｗｄｎで配線されている。なお、全ての直流コンデンサ２ａ〜２ｄの配線インダクタンスが同じであれば、第１の実施形態と同様に、導体Ｗａｐ〜Ｗｄｎは、それぞれ形状及び材質がどのようなものでもよい。

図８は、電力変換装置３Ｃの回路を立体的に示したものである。４つの直流コンデンサ２ａ〜２ｄを、ＩＧＢＴスタック１を中心として等距離に四方に配置して、各直流コンデンサに接続される導体Ｗａｐ〜Ｗｄｎの配線インダクタンスが同じになるようにする。電力変換装置３Ｃの外形を模式的に示すと、図９のようになる。

本実施形態によれば、圧接型の電力変換装置３Ｃにおいて、４つの直流コンデンサ２ａ〜２ｄをＩＧＢＴスタック１から等距離に四方に配置して、各直流コンデンサ２ａ〜２ｂの配線インダクタンスを同じにすることで、４つの直流コンデンサ２ａ〜２ｄの責務を同じにすることができる。

（第５の実施形態）
図１０は、本発明の第５の実施形態に係るモールド型の電力変換装置３Ｄの構成を示す模式図である。

電力変換装置３Ｄは、第４の実施形態に係る圧接型の電力変換装置３Ｃをモールド型に変えたものである。４つの直流コンデンサ２ａ〜２ｄは、ドーナツ形状に封止材６で封止されている。ドーナツ形状の真ん中に、ＩＧＢＴスタック１が配置されている。その他の点は、第４の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、モールド型の電力変換装置３Ｄにおいて、第４の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第６の実施形態）
図１１は、本発明の第６の実施形態に係る圧接型の電力変換装置３Ｅの構成を示す模式図である。

電力変換装置３Ｅは、第４の実施形態に係る圧接型の電力変換装置３Ｃに、４つの直流コンデンサ２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈを追加したものである。４つの直流コンデンサ２ｅ〜２ｈは、四方に配置された４つの直流コンデンサ２ａ〜２ｄのそれぞれの間に、ＩＧＢＴスタック１から等距離に配置されている。即ち、８つの直流コンデンサ２ａ〜２ｈは、ＩＧＢＴスタック１を中心として円周上に配置されている。その他の点は、第４の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、８つの直流コンデンサ２ａ〜２ｈを用いた電力変換装置３Ｅにおいても、全ての直流コンデンサ２ａ〜２ｈをＩＧＢＴスタック１を中心として円周上に等距離に配置することで、第４の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、２以上のいくつの直流コンデンサでも、ＩＧＢＴスタック１を中心として円周上に等距離に配置して、本実施形態と同様に構成することで、第４の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第７の実施形態）
図１２は、本発明の第７の実施形態に係るモールド型の電力変換装置３Ｆの構成を示す模式図である。

電力変換装置３Ｆは、図１１に示す第６の実施形態に係る圧接型の電力変換装置３Ｅをモールド型に変えたものである。８つの直流コンデンサ２ａ〜２ｈは、ドーナツ形状に封止材６で封止されている。ドーナツ形状の真ん中に、ＩＧＢＴスタック１が配置されている。その他の点は、第６の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、モールド型の電力変換装置３Ｆにおいて、第６の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、各実施形態では、圧接型、モジュール型、又はモールド型のいずれか１つの構造で説明したが、いずれの構造に変更してもよい。また、ＩＧＢＴに限らず、スイッチング素子であれば何でもよい。さらに、スイッチング素子の数及び直流コンデンサの数は、２以上であればいくつにしてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…ＩＧＢＴスタック、２ａ，２ｂ…直流コンデンサ、３…電力変換装置、Ｗａｐ，Ｗａｎ，Ｗｂｐ，Ｗｂｎ…導体。

Claims (5)

1. 複数のスイッチング素子が直列に接続された１つの素子直列回路と、
   全て同じ配線インダクタンスで前記１つの素子直列回路とそれぞれ並列に接続された複数の直流コンデンサとを備え、
   前記複数の直流コンデンサは、前記１つの素子直列回路を中心とした円状として前記中心から等距離の円周上に配置されること
   を特徴とする電力変換装置。
2. 前記複数の直流コンデンサは、前記１つの素子直列回路から等距離に配置されること
   を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記複数の直流コンデンサは、前記１つの素子直列回路に対して対称に配置されること
   を特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記複数の直流コンデンサは、前記１つの素子直列回路に対して、片側に寄せられて配置されること
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 複数のスイッチング素子を直列に接続して１つの素子直列回路を構成し、
   複数の直流コンデンサを、前記１つの素子直列回路と全て同じ配線インダクタンスでそれぞれ並列に接続し、
   前記複数の直流コンデンサを、前記１つの素子直列回路を中心とした円状として前記中心から等距離の円周上に配置すること
   を含むことを特徴とする電力変換装置の製造方法。

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