CN103858329B - 电力变换装置 - Google Patents

Abstract

一种将多相交流电力直接变换为交流电力的电力变换装置(3)，具备：变换电路，其具有与上述多相交流电力的各相(R、S、T)连接并能够切换向双方向的通电的多个第一开关单元(311、313、315)和与上述各相连接并能够切换向双方向的通电的多个第二开关单元(312、314、316)；与上述变换电路连接的输入线(333、334、335)；以及与上述变换电路连接的多个电容器(82L、82R)，其中，上述多个第一开关单元和上述多个第二开关单元被配置成成对的输入端子排成一列，上述输入线沿成对的上述输入端子排列的一个方向引入，并从其中一方的输入端子延伸至另一方的输入端子。

Description

电力变换装置

技术领域

本发明涉及一种将商用频率的交流电力直接变换为任意的交流电力的电力变换装置。

背景技术

作为构成装置的部件件数少、能够使装置小型化并将交流电力直接且高效地变换为交流电力的电力变换装置，已知有矩阵变换器(专利文献1)。

专利文献1：日本特开2006-333590号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，在上述以往的矩阵变换器中，存在如下问题：因为将多个IGBT配置成串联状，将向各IGBT的输入线分别进行连接，所以难以等距离地配置滤波电容器。

本发明要解决的课题在于提供一种能够等距离地布置滤波电容器的电力变换装置。

用于解决问题的方案

本发明通过下面的方式解决上述课题：将多对开关单元的输入端子并列配置，从其中一方的开关单元引入输入线并使其延伸至另一方的开关单元。

发明的效果

根据本发明，由于多相输入线沿着多对开关单元排列，因此能够等距离地配置在各相间连接的电容器。

附图说明

图1是表示应用了本发明的一个实施方式的电力变换系统的电路图。

图2是表示本发明的一个实施方式所涉及的电力变换装置的俯视图、左右侧视图、主视图以及后视图。

图3是表示图2的电力变换装置的IGBT、滤波电容器以及母线的布局的俯视图。

图4是表示图2的电力变换装置部分的俯视图、侧视图、主视图以及后视图。

图5是简化示出图2的电力变换装置部分的俯视图和主视图。

具体实施方式

<<电力变换系统1的概要>>

首先，参照图1说明应用了本发明的一个实施方式的电力变换系统的概要。本例的电力变换系统1为如下的系统：将从三相交流电源2供给的三相交流电力通过本发明的一个实施方式所涉及的电力变换装置3直接变换为单相交流电力，将其通过变压器4升高或降低为适当的电压之后，通过整流器5变换为直流电力来对二次电池6充电。此外，7是平滑电路。

在本例的电力变换系统1中，在从三相交流电源2供给三相交流电力的输出线(R相、S相、T相所示)的各相上，作为应对噪声的对策而设置有使高频衰减的滤波电路8。本例的滤波电路8具备与各相R、S、T相连接的三个滤波电抗器81以及连接在各相R、S、T之间的六个滤波电容器82L、82R。稍后记述滤波电容器82L、82R(在图2、4中用滤波电容器821～836表示)的布局。

在本例的电力变换系统1中，三相交流电力经由滤波电路8被供给到电力变换装置3，并被变换为单相交流电力。本例的电力变换装置3与R相、S相、T相对应地具备排列成矩阵状的六个双向开关元件31(311～316)。下面在统称一个双向开关元件的情况下使用附图标记31进行说明，另一方面，在如图1所示那样表示六个双向开关元件中的特定元件的情况下使用311～316进行说明。

本例的双向开关元件31中的各个开关元件由将作为半导体开关元件的IGBT与回流二极管组合且反并联连接得到的IGBT模块构成。此外，一个双向开关元件31的结构不限定于图示的结构，除此以外，例如也可以是将反向阻断型IGBT的两个元件反并联连接得到的结构。

在双向开关元件31的各个中，为了保护该双向开关元件31免受与该双向开关元件31的接通/断开动作同时产生的浪涌电压的影响，而在双向开关元件31的输入侧和输出侧设置有一个缓冲电容器327(参照该图右下方的电路图)以及将三个二极管组合而成的缓冲电路32(321～326)。下面，在统称一个缓冲电路的情况下使用附图标记32，在如图1所示那样表示六个缓冲电路中的特定的缓冲电路的情况下使用321～326。

本例的电力变换系统1为了对电力变换装置3的双向开关元件31中的各个进行接通/断开控制而具备矩阵变换器控制电路9。矩阵变换器控制电路9输入从三相交流电源2供给的电压值、当前正在输出的直流电流值以及目标电流指令值，根据这些值来控制双向开关元件31中的各个的栅极信号，调整向变压器4输出的单相交流电力，由此获得与目标一致的直流电力。

变压器4将由电力变换装置3变换得到的单相交流电力的电压升高或降低为规定值。整流器5具备四个整流二极管51～54，将调压后的单相交流电力变换为直流电力。另外，平滑电路7具备线圈71和电容器72，将整流后的直流电流中所包含的脉动电流平滑化来形成为更接近直流的状态。

通过如以上那样构成的本例的电力变换系统1，从三相交流电源2供给的三相交流电力被电力变换装置3直接变换为单相交流电力，在被调整为适当的电压之后变换为直流电力。由此，对二次电池6充电。此外，上述的电力变换系统1是应用了本发明所涉及的电力变换装置3的一例，本发明不仅仅限定于应用到该电力变换系统1中。即，只要变换源和变换目的地中的至少一方的电力是多相交流电力即可，也能够应用于其它的电力变换系统。

<<电力变换装置3的部件配置>>

接着，参照图2～图5说明构成图1的电力变换装置3的部件的配置结构。此外，设为通过对与图1相同的部件附加相同的附图标记，来表示彼此的对应关系。另外，图2～图3中还示出了本例的电力变换装置3以外的整流器5和平滑电路7，但是图1的变压器4被设置在图外。

图3是表示在散热片10的上面安装六个双向开关元件31(将其一体也称为IGBT模块。)并在其上安装将各双向开关元件31的端子连接的母线而成的装配中途的状态的俯视图，图2是表示在其上安装有构成缓冲电路32的三个二极管和滤波电路8的六个滤波电容器82的装配状态的俯视图、左右侧视图、主视图以及后视图。构成本例的电力变换装置3的部件在俯视图中相互重叠，因此在下面的说明中，在其它图(图4、5)中示出主要部分，有时也参照该图。

本例的双向开关元件31如图3、5所示那样在模块封装的上面设置有双向开关元件31的输入侧端子、输出侧端子以及成对的两个IGBT的中点端子。图3、5所示的六个双向开关元件311～316中的左侧的三个双向开关元件311、313、315的左端的端子为输入端子(在图3中被母线333、334、335隐藏)，右端的端子为输出端子，中央的端子为中点端子。另外，图3、5所示的六个双向开关元件311～316中的右侧三个双向开关元件312、314、316的右端的端子为输入端子(在图3中被母线333、334、335隐藏)，左端的端子为输出端子，中央的端子为中点端子。此外，双向开关元件31的栅极端子被设置在模块封装的其它部分。

如图2、3、5所示，六个双向开关元件311～316通过螺栓等固定单元被固定在散热片10的上面。这六个双向开关元件311～316如该图所示那样将成对的双向开关元件311和312、双向开关元件313和314、双向开关元件315和316被配置分别排列在中心线CL的左右。换言之，沿着一个双向开关元件31的三个端子(输入端子、中点端子、输出端子)的延伸方向将成对的两个双向开关元件311和312、双向开关元件313和314、双向开关元件315和316被配置分别排列在中心线CL的左右。下面，将该排列也说成“相对于中心线CL或将输出端子连结的输出线P、N并列地配置”。此外，成对的双向开关元件是指输入线相同的与相R、S、T相连接的一对双向开关元件。

这样，成对的双向开关元件311和312、双向开关元件313和314、双向开关元件315和316被配置分别排列在中心线CL的左右，由此形成能够向一个方向以最短距离引出输出线P、N(母线331a、332a)的布局。如果输出高频交流电力的配线长度长，则容易受到L成分的影响，因此根据本例的配置，能够抑制L成分的影响。即，直至到达变压器4为止至少形成包含接近直线的输出线的输出线P、N。

另外，如上所述，中心线CL左侧的双向开关元件311、313、315的右端的端子都是输出端子，左端的端子都是输入端子。相反地，中心线CL右侧的双向开关元件312、314、316的左端的端子都是输出端子，右端的端子都是输入端子。

而且，利用母线333、334、335将三相交流电源2的输入线R、S、T朝向中心线CL连接在中心线CL左侧的双向开关元件311、313、315的左端的输入端子上，另一方面，这些母线333、334、335进一步延伸构成的输入线R、S、T被连接在中心线CL右侧的双向开关元件312、314、316的右端的输入端子上。即，双向开关元件311、312的输入端子连接R相、双向开关元件313、314的输入端子连接S相、双向开关元件315、316的输入端子连接T相。通过从左右中的一方引入作为输入线R、S、T的母线333、334、335，并使其延伸至左右中的另一方，由此能够缩短散热片10的左右方向的距离，并且能够均等地配置后述的滤波电容器82L、82R，使布局简单化，从而有助于节省空间。

另外，构成输入线R的母线333将配置在中心线CL左右的成对的双向开关元件311与312的输入端子间连接，构成输入线S的母线334将双向开关元件313与314的输入端子间连接，构成输入线T的母线335将双向开关元件315与316的输入端子间连接。在图1的等效电路中，也用相同的附图标记表示相当于这些母线333、334、335的配线。此外，在电力变换装置3的功能方面，利用这些母线333～335的连接构造不是必须的。

将配置在中心线CL左右的成对的双向开关元件311和312、双向开关元件313和314、双向开关元件315和316通过这些母线333、334、335分别进行连接，由此能够彼此共享设置于各相间的滤波电容器82L、82R。即，在图的左侧的R相与S相之间设置有滤波电容器821，在右侧的R相与S相之间设置有滤波电容器824，被输入R相的双向开关元件311、312的输入端子通过母线333进行连接。因而，两个滤波电容器821、824相协作地对三相交流电源2的R相的噪声进行过滤，因此能够使一个滤波电容器小容量化，结果能够使滤波电容器小型化。可以说，关于S相和T相也相同。

这些母线333～335与构成输出线P、N的母线331、332在俯视图中相交叉，但是如图2、5的主视图所示那样，输出线P、N的母线331、332被设定在比将输入端子间连接的母线333～335高的位置，由此构成为两者立体交叉而不相干扰。

此外，在图1中，构成为从三相交流电源2至电力变换装置3的输入线R、S、T在滤波电抗器81与滤波电容器82L、82R之间形成分支，但是也可以在滤波电抗器81的上游侧形成分支，在分支后的输入线R、S、T的各个上设置滤波电抗器81。

另外，中心线CL左侧的双向开关元件311、313、315的右端的输出端子上连接构成电力变换装置3的输出线P的一条母线331a，另一方面，中心线CL右侧的双向开关元件312、314、316的左端的输出端子上连接有构成电力变换装置3的输出线N的一条母线332a。这些母线331a、332a的顶端侧与变压器4连接。此外，包含这些母线331a、332a在内，下面的母线由铜等导电性好的导体构成。

构成电力变换装置3的输出线P、N的一对母线331a、332a相对于后述的母线331b、332b相对地形成为宽幅状，被配置成如图2的俯视图和主视图所示那样相对于散热片10的主面直立地排列。这些母线331a、332a的宽度尺寸由额定电流决定，但是通过形成为宽幅状，能够利用高频电流的集肤效应流动大电流。另外，通过形成为宽幅状并直立地进行配置，能够缩短左侧的双向开关元件311、313、315与右侧的双向开关元件312、314、316之间的距离，能够使电力变换装置3在左右方向上变小。

对于此，构成电力变换装置3的输出线P、N的一对母线331b、332b连接固定在母线331a、332a的顶端，被配置成如图2的俯视图和主视图所示那样相对于散热片10的主面沿水平方向排列。另外，这些母线331b、332b相对于母线331a、332a相对地形成为窄幅，但是如图2的主视图所示那样，一个母线331b、332b各自以多个(在本例中为2个)母线隔开规定间隔进行层叠的方式配置而成。由于相对于母线331a、332a相对地形成为窄幅，因此如果由一个构成，则由于集肤效应而高频电流的电流密度变大，但是通过由多个构成，能够流动与母线331a、332a同等的高频电流。此外，通过将母线331b、332b沿水平方向并列配置，能够如图2的俯视图所示那样在右端使针对变压器4的连接端子以相同的姿势排列。

在本例中，滤波电路8包括六个滤波电容器821～826，如图2、4、5所示那样，在中心线CL的左侧和右侧的输入线上各配置三个。左侧的滤波电容器821设置在与双向开关元件311的输入端子对应的R相与S相之间。同样地，左侧的滤波电容器822设置在与双向开关元件313的输入端子对应的S相与T相之间，左侧的滤波电容器823设置在与双向开关元件315的输入端子对应的T相与R相之间。另外，右侧的滤波电容器824设置在与双向开关元件312的输入端子对应的R相与S相之间，右侧的滤波电容器825设置在与双向开关元件314的输入端子对应的S相与T相之间，右侧的滤波电容器826设置在与双向开关元件316的输入端子对应的T相与R相之间。

针对像这样在中心线CL的左右各配置三个的六个双向开关元件311～316，分别相对应地配置有在中心线CL的左右各三个的六个滤波电容器821～826，由此能够缩短滤波电容器821～826与双向开关元件311～316的各个连接配线的布线距离。

在本例中，左右各三个的滤波电容器821～826配置在相对于中心线CL比设置有六个双向开关元件311～316的区域更靠外侧的位置。具体地说，如图2、4、5所示那样被固定在母线333、334、335的上部。通过将滤波电容器821～826配置在双向开关元件311～316的外侧，能够使左右的双向开关元件31L、31R的左右方向的间隔最短，因此能够将散热片10的左右方向的距离设定为最短距离，其结果，与将六个滤波电容器排列在中央的情况相比能够使散热片10小型化。

接着，根据图2～4的实际的俯视图等侧视图说明在中心线CL的左右各设置三个的滤波电容器821～826的实际安装状态。

在这之前再次说明母线的连接结构，如图3所示，母线331a是将双向开关元件311、313、315的输出端子连接、通过母线331b到达变压器4的输出线P，母线332a是将双向开关元件312、314、316的输出端子连接、通过母线332b到达变压器4的输出线N。

母线333是连接输入线R相并将双向开关元件311与312的输入端子连接的母线，从两个输入端子向左右外侧延伸，在此，直接连接滤波电容器821、823、824、826。同样地，母线334是连接输入线S相并将双向开关元件313与314的输入端子连接的母线，从两个输入端子向左右外侧延伸，在此直接连接滤波电容器821、822、824、825。母线335是连接输入线T相并将双向开关元件315与316的输入端子连接的母线，从两个输入端子向左右外侧延伸，在此直接连接滤波电容器822、823、825、826。像这样将滤波电容器821～826与母线333～335直接连接，因此使连接结构简单化。

左右分别配置的各三个滤波电容器82L、82R如图2、4、5所示那样相对于中心线CL配置在外侧且以滤波电容器821、822、823的中心位于一个顶点朝向外方向的三角形(等腰三角形或正三角形更为优选)的各顶点的方式进行配置。通过将三个滤波电容器82L、82R配置在三角形的各顶点，能够将各电容器间的配线长度设定为最短距离，能够实现电力变换装置3的小型化，还能够取得电容器间的同步。另外，通过设为一个顶点朝向外方向的配置，与一个顶点朝向内方向的排列相比，与各电容器连接的配线的均衡提高，并且到各母线333、334、335的距离也变短。并且，通过将各滤波电容器821～826配置在母线的上面、换言之相对于母线在双向开关元件311～316的相反侧配置滤波电容器821～826，由此滤波电容器821～826的布局的设计自由度变大。

接着，说明构成图1所示的一个缓冲电路32的三个二极管以及一个缓冲电容器327的安装例。如图1所示，例如双向开关元件311的缓冲电路321的一个端子与双向开关元件311的输入端子连接，另一个端子与双向开关元件311的中点端子连接，其它的端子还与双向开关元件311的输出端子连接。因此，三个二极管如图2所示那样分别固定和连接在与各双向开关元件31L、31R的中点端子相连接的由导体构成的托架351～356上。

另外，在本例中，缓冲电容器327使用比较大型的电解电容器，六个缓冲电路321～326采用共同的缓冲电容器327(参照图2)。此外，该缓冲电容器327与三个二极管通过配线进行连接。

根据以上的实施方式，具有下面的效果。

1)在本例中，针对在中心线CL的左右各配置三个的六个双向开关元件311～316，分别对应地配置在中心线CL的左右各三个的六个滤波电容器821～826，因此能够缩短滤波电容器821～826与双向开关元件311～316的各个的连接布线的布线距离。

2)在本例中，成对的双向开关元件311和312、双向开关元件313和314、双向开关元件315和316被配置成分别排列在中心线CL的左右，因此形成为能够向一个方向较短地引出输出线P、N(母线331a、332a)的布局。因而，如果输出高频交流电力的配线长度长，则容易受到L成分的影响，但是根据本例的配置，能够抑制L成分的影响。

3)在本例中，构成输出线P、N的一对母线331a、332a相对于母线331b、332b相对地形成为宽幅状，被配置成相对于散热片10的主面直立地排列。通过像这样形成为宽幅状，能够利用高频电流的集肤效应流动大电流。另外，通过形成为宽幅状并直立地进行配置，能够缩短左侧的双向开关元件311、313、315与右侧的双向开关元件312、314、316的距离，能够使电力变换装置3在左右方向上变小。

4)在本例中，构成输出线P、N的一对母线331b、332b相对于母线331a、332a相对地形成为窄幅，但是一个母线为多个母线被配置成隔开规定间隔层叠并且相对于散热片10的主面沿水平方向排列。将母线331b、332b相对于母线331a、332a相对地形成为窄幅，因此空间的占用为最小限即可，由于能够配置成沿水平方向排列，因此能够使针对变压器4的连接端子以相同的姿势排列。另外，由于一个母线为多个母线以规定的间隔层叠而成，因此能够利用集肤效应流动与母线331a、332a同等的高频电流。

5)在本例中，左右各三个的滤波电容器821～826相对于中心线CL配置在比设置有六个双向开关元件311～316的区域更靠外侧的位置，因此能够使左右的双向开关元件31L、31R的左右方向的间隔最短。因而，能够将散热片10的左右方向的距离设定为最短距离，其结果，能够使散热片10小型化。

6)在本例中，从左右中的一方引入构成输入线的母线333、334、335，其沿左右中的另一方延伸，由此配置在中心线CL左右的成对的双向开关元件311和312、双向开关元件313和314、双向开关元件315和316的输入端子分别进行连接。由此，能够缩短散热片10的左右方向的距离，并且能够均等地配置后述的滤波电容器82L、82R，使布局简单化，从而有助于节省空间。另外，由于能够彼此共享设置于各相间的滤波电容器82L、82R，因此能够使一个滤波电容器小容量化，结果能够使滤波电容器小型化。

7)在本例中，由于将各滤波电容器821～826配置在母线333、334、335的上面、换言之相对于母线在双向开关元件311～316的相反侧配置滤波电容器821～826，因此滤波电容器821～826的布局的设计自由度变大。

8)在本例中，由于将三个滤波电容器821、822、823配置在三角形的各顶点，因此能够将各电容器间的配线长度设定为最短距离，能够实现电力变换装置3的小型化，并且能够取得电容器间的同步。

9)在本例中，由于设为配置成三角形的三个滤波电容器的一个顶点朝向外方向的配置，因此与一个顶点朝向内方向的排列相比，与各电容器连接的配线的均衡提高，并且到各母线333、334、335的距离也变短。

<<其它实施方式>>

本发明除了上述的实施方式以外，还能够适当地改变。下面说明本发明的变形例，但是本发明并非旨在仅限定于上述的实施方式和下面的实施方式。

在上述的实施方式中，将左右各三个的滤波电容器82L、82R相对于中心线CL配置在双向开关元件311、313、315以及312、314、316的外侧，但是也能够配置在相对于中心线CL而左右排列的双向开关元件311、313、315以及312、314、316之间。

另外，在上述的实施方式中，关于六个双向开关元件311～316，相对于中心线CL在左侧配置双向开关元件311、313、315、在右侧配置双向开关元件312、314、316，但是也可以沿着中心线CL配置双向开关元件311、313、315以及双向开关元件312、314、316。

另外，在上述的实施方式中，关于六个双向开关元件311～316，相对于中心线CL在左侧配置双向开关元件311、313、315、在右侧配置双向开关元件312、314、316，将各双向开关元件的输入端子和输出端子相对于中心线CL呈线对称地进行设置，但是也可以相对于中心线CL在左侧配置双向开关元件311、313、315、在右侧配置双向开关元件312、314、316，将各双向开关元件的输入端子和输出端子设为相同的配置。

另外，在上述的实施方式中，以与六个双向开关元件311～316的各个一一对应的方式将滤波电容器821～826设置在各相间，但是也可以针对六个双向开关元件311～316的各个以分别对应多个的方式将滤波电容器821～826设置在各相间。在这种情况下，滤波电容器的配置可以在电力变换装置3的中央，也可以在电力变换装置3的外侧。当配置在电力变换装置3的中央时，由于能够利用空闲空间，因此能够尽可能地抑制电力变换装置3的大小。

上述双向开关元件311、313、315相当于本发明所涉及的第一开关单元，上述双向开关元件312、314、316相当于本发明所涉及的第二开关单元，上述电力变换装置3相当于本发明所涉及的变换电路，上述母线331a、332a相当于本发明所涉及的第一输出线，母线331b、332b相当于本发明所涉及的第二输出线。

附图标记说明

1：电力变换系统；2：三相交流电源；3：电力变换装置；31、311～316：双向开关元件；32、321～326：缓冲电路；327：缓冲电容器；331～348：母线；351～356：托架；4：变压器；5：整流器；6：二次电池；7：平滑电路；8：滤波电路；81：滤波电抗器；82L、82R、821～826、831～836：滤波电容器；9：矩阵变换器控制电路；10：散热片。

Claims (9)

1.一种电力变换装置，将多相交流电力直接变换为单相交流电力，该电力变换装置具备：

变换电路，其具有多个第一开关单元和多个第二开关单元，该多个第一开关单元与上述多相交流电力的各相连接，能够切换向双方向的通电，该多个第二开关单元与上述多相交流电力的各相连接，能够切换向双方向的通电；

输入线，其与上述变换电路相连接；以及

多个电容器，该多个电容器与上述变换电路相连接，

其中，上述多个第一开关单元和上述多个第二开关单元被配置成成对的输入端子排成一列，成对的输入端子在外侧，成对的输出端子在内侧，

上述输入线沿上述成对的输入端子排列的一个方向引入，从其中一方的输入端子延伸至另一方的输入端子。

2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

上述多个电容器配置在上述第一开关单元和上述第二开关单元的列的外侧。

3.根据权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于，

将与上述第一开关单元相连接的电容器和与上述第二开关单元相连接的电容器连接。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的电力变换装置，其特征在于，

还具备与上述变换电路相连接的输出线，

上述多个第一开关单元和上述多个第二开关单元配置成各自的输出端子分别排成一列，

上述输出线包含一对第一输出线，该一对第一输出线与上述输出端子连接并沿一个方向引出，被配置成将宽幅状母线沿直立方向排列。

5.根据权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于，

上述输出线还包含一对第二输出线，该一对第二输出线与上述一对第一输出线的各顶端连接，与上述第一输出线相比形成为窄幅并沿水平方向配置，

一个上述第二输出线为将多个输出线隔开规定的间隙层叠而成。

6.根据权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于，

上述输出线在上下方向上配置在上述输入线的上侧。

7.根据权利要求5所述的电力变换装置，其特征在于，

上述输出线在上下方向上配置在上述输入线的上侧。

8.根据权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于，

上述输出线与设置在上述输入端子的内侧的输出端子相连接。

9.根据权利要求5所述的电力变换装置，其特征在于，

上述输出线与设置在上述输入端子的内侧的输出端子相连接。