JP2005237197A

JP2005237197A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2005237197A
Application number: JP2005126101A
Authority: JP
Inventors: Kiyotaka Kobayashi; 清隆小林; Hiroshi Nagata; 永田　　寛; Katsuaki Kanazawa; 勝昭金沢; Takashi Ikimi; 高志伊君
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】
本発明の目的は、モジュール型電力変換素子の漏れ電流を低減して制御装置の誤動作を防止できる電力変換装置を提供することにある。
【解決手段】
本発明の特徴とするところは、電力変換を行う複数個のモジュール型電力変換素子を冷却板に取付け筐体に収納する際に、複数個のモジュール型電力変換素子を大地と電気的に絶縁する絶縁手段３８を設けたことにある。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換を行う複数個のモジュール型電力変換素子を冷却板に取付け筐体に収納するようにした電力変換装置に関する。

一般に、交流を直流に変換するコンバータや直流を交流に変換するインバータ
などの電力変換装置は交流電動機を駆動するのに採用されている。特に、近年は
交流電動機を駆動するのに中性点クランプ型電力変換装置が多く用いられている。中性点クランプ型電力変換装置は、３レベルの電圧を出力するので高調波を低減できる等の利点があり、大型の交流電動機の駆動に多く用いられている。

電力変換装置は、スイッチング素子、ダイオード、コンデンサ、抵抗などの電気部品により構成される。スイッチング素子としては、サイリスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、トランジスタなどが用いられる。

ところで、電力変換装置を構成するスイッチング素子とダイオードの電力変換素子は放熱のために冷却板に取付けられる。冷却板はヒートシンクと称されており、導電体で構成される。冷却板は放熱フィンを設けられている複数本のヒートパイプを介して放熱するようにしている。

ヒートパイプなどの放熱部材を備えた冷却板に電力変換素子を取付けた後に筐体（金属製）に収納している。通常、電力変換装置の各相単位に一つの筐体に収
納し、これらの筐体を制御盤に取付け収納している。制御盤は一般に接地されており、筐体つまり冷却板も接地された状態にある。

一方、電力変換素子（スイッチング素子）としては、平型構造とモジュール型
構造のものとがある。近年、ＩＧＢＴ、トランジスタなどの電力変換素子は、実装をネジ止めするだけで簡単に行えるモジュール型構造のものが多く用いられるようになっている。モジュール型電力変換素子は素子内部のチップと素子自体のベース板（冷却板）の間に絶縁材を設け絶縁するようにしている。なお、モジュール型電力変換素子はフラットベース型電力変換素子と呼称されることもある。

大型の交流電動機の駆動に用いられる電力変換装置は、大容量になり直流電圧で数ｋＶになっている。例えば、直流電圧は３．３ｋＶになっている。電力変換
装置が大容量になるとモジュール型電力変換素子であるスイッチング素子も大容量のものが用いられる。
モジュール型電力変換素子は素子自体のベース板（冷却板）を大地電位にするとベース板を介して大地に漏れ電流が流れる。電力変換装置の電圧仕様が大になり、すなわちモジュール型電力変換素子が大容量のものになると大地への漏れ電流が大きくなり無視できないものとなる。大地への漏れ電流は制御盤に実装してある制御装置（プリント基板）へのノイズとなり制御装置が誤動作するという問題を発生する。

なお、モジュール型電力変換素子の素子自体の絶縁材は素子寸法の大きさから制限され、チップと素子自体のベース板との間を電気的に完全に絶縁することは実用上困難なことである。

本発明は上記点に対処してなされたもので、その目的とするところはモジュール型電力変換素子の漏れ電流を低減して制御装置の誤動作を防止できる電力変換装置を提供することにある。

本発明の特徴とするところは、電力変換を行う複数個のモジュール型電力変換素子を冷却板に取付け筐体に収納する際に、複数個のモジュール型電力変換素子を大地と電気的に絶縁する絶縁手段を設けたことにある。

本発明は複数個のモジュール型電力変換素子つまり素子自体のベース板と大地を電気的に絶縁する絶縁しているので、漏れ電流を低減でき制御装置の誤動作を防止することができる。

ここで、本明細書においては、電力変換素子内部のチップと素子自体のベース板（冷却板）の間に絶縁材を設け絶縁するようにした電力変換素子をモジュール型電力変換素子と称する。

本発明は複数個のモジュール型電力変換素子つまり素子自体のベース板と大地を電気的に絶縁しているので、漏れ電流を低減でき制御装置の誤動作を防止することができる。

以下、本発明の一実施例を図１〜５を用いて説明する。

図５は、３レベルの中性点クランプ型電力変換装置をインバータとして用いた場合の主回路構成を示している。

図５において、インバータ５１は、Ｕ相ユニット５１ｕ、Ｖ相ユニット５１ｖ、Ｗ相ユニット５１ｗの３ユニットで構成されている。各相ユニットは同じ構成であり、Ｕ相ユニット５１ｕについて説明をする。Ｕ相ユニット５１ｕは、直流電源に接続する正側電位端子Ｐ、中性点電位端子ＣＯＭ、負側電位端子Ｎと、交流電動機５３に接続する交流端子Ｕを備えている。

ユニット５１ｕの内部は、モジュール型電力変換素子である４個のスイッチング素子ＱＰ，ＱＰＣ，ＱＮＣ，ＱＮと２個のクランプダイオードＤＣＰ、ＤＣＮで構成されている。４個のスイッチング素子ＱＰ，ＱＰＣ，ＱＮＣ，ＱＮのスイッチング動作は周知であり説明を省略する。

平滑コンデンサ５２ａと５２ｂの直列接続点はインバータ５１の中性点電位端子ＣＯＭと接続される。また、平滑コンデンサ５２ａの他の端子はインバータ５１の正側電位端子Ｐと接続され、平滑コンデンサ５２ｂの他の端子はインバータ５１の負側電位端子Ｎと接続される。インバータ５１の出力は、交流出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗより交流電動機５３に供給される。

図３は、図５に示すインバータ（電力変換装置）を制御盤に実装した一例構成図を示す。

制御盤（筐体）３１に平滑コンデンサ５２ｕ、５２ｖ、５２ｗが取付けられている。なお、図５に示す平滑コンデンサ５１ａ、５１ｂを１個の平滑コンデンサ５２ｕ（５２ｖ、５２ｗ）として図示している。モジュール型電力変換素子である４個のスイッチング素子ＱＰ，ＱＰＣ，ＱＮＣ，ＱＮと２個のクランプダイオードＤＣＰ、ＤＣＮを収納した３つのユニット（筐体）は、上から順にＵ相ユニット５１ｕ、Ｖ相ユニット５１ｖ、Ｗ相ユニット５１ｗと取付けられている。

平滑コンデンサ５２ｕ、５２ｖ、５２ｗは、主回路母線（ブスバー）３２によりユニット５１ｕ、５１ｖ、５１ｗとそれぞれ接続されている。三相交流電力は、主回路母線（ブスバー）３３ｕ、３３ｖ、３３ｗにより交流電動機５３に供給される。

図１にＵ相ユニット５１ｕの上視図と平滑コンデンサ５２ａ、５２ｂを示す。また、図２にＵ相ユニット５１ｕの側面図と平滑コンデンサ５２ａ、５２ｂを示す。図１、２では、平滑コンデンサ５２ａ、５２ｂを１個で図示している。

インバータは、図３に示すようにＵ相ユニット５１ｕ、Ｖ相ユニット５１ｖ、Ｗ相ユニット５１ｗの３ユニットで構成されているが、各相ユニットとも同じ構成であるため、Ｕ相ユニット５１ｕのみ説明する。

Ｕ相ユニット５１ｕの構成部品は、ユニット筐体１１の中に実装されている。ヒートシンクＨＰ１０（ＨＰ２０）は、ヒートパイプ方式を採用していて複数のヒートパイプＨＰ１１（ＨＰ２１）とアルミブロックＨＰ１２（ＨＰ２２）と複数の放熱フィンＨＰ１３（ＨＰ２３）より構成されている。

モジュール型のスイッチング素子ＱＰ、ＱＰＣ（ＱＮ、ＱＮＣ）とモジュール型のクランプダイオードＤＣＰ（ＤＣＮ）はアルミブロックＨＰ１２（ＨＰ２２）に取付けられる。アルミブロックＨＰ１２（ＨＰ２２）はこれらの電力変換素子を冷却する。

アルミブロックＨＰ１２（ＨＰ２２）は、ヒートシンク固定板１２に固定され、複数の絶縁物１３ａ〜１３ｃ（２３ａ〜２３ｃ）を介し筐体１１に固定されている。このため、ヒートシンクＨＰ１０（ＨＰ２０）は、ユニット筐体１１の間に空間３８を形成され大地電位と絶縁されている。
主回路バー１５は、正側電位Ｐバー、中性点電位ＣＯＭバー、負側電位Ｎバー及び出力Ｕバーで構成されている。主回路バー１５は、複数の接続導体１４を介しモジュール形のスイッチング素子ＱＰ、ＱＰＣ（ＱＮ、ＱＮＣ）とモジュール型のクランプダイオードＤＣＰ（ＤＣＮ）に接続される。また、主回路バー１５は、複数の接続導体３２を介しユニット（筐体）１１の外側で平滑コンデンサ５１ａ、５２ｂと接続されている。

図４は、３レベル(中性点クランプ方式)インバータにおけるモジュール型のスイッチング素子ＱＰ、ＱＰＣ（ＱＮ、ＱＮＣ）とモジュール型クランプダイオードＤＣＰ（ＤＣＮ）とヒートシンクＨＰ１０（ＨＰ２０）と主回路配線（バー）の実装の概念図を示す。

図４において、ヒートシンクＨＰ１０（ＨＰ２０）には、スイッチング素子ＱＰ、ＱＰＣ（ＱＮ、ＱＮＣ）とクランプダイオードＤＣＰ（ＤＣＮ）が実装されている。主回路配線（バー）４１〜４６は、図５の３レベル(中性点クランプ方式)インバータを構成するように接続されている。

Ｅ端子、Ｃ端子は、それぞれスイッチング素子ＱＰ、ＱＰＣ（ＱＮ、ＱＮＣ）のエミッタとコレクタを表わす。また、Ｋ端子、Ａ端子は、クランプダイオードＤＣＰ（ＤＣＮ）のカソードとアノードを表わす。

図１、２に示す構成では、ヒートシンクＨＰ１０（ＨＰ２０）とユニット筐体１１の間は、空間３８が形成され絶縁されている。一般に、ユニット筐体１１・盤筐体３１は、大地電位となるため、ヒートシンクＨＰ１０（ＨＰ２０）は、大地電位と絶縁されている。

また、ヒートシンクＨＰ１０（ＨＰ２０）が浮遊電位となり部分放電が問題になる場合は、主回路バー４０を用いヒートシンクＨＰ１０（ＨＰ２０）とユニットの中性点電位端子ＣＯＭを接続し、電位固定をする。この時、主回路配線（バー）は、電線を用いても良い。ヒートシンクＨＰ１０（ＨＰ２０）に中性点電位端子ＣＯＭを接続することは、電位固定手段を構成する。

図６に本発明の他の実施例を示す。

図６の実施例は、ヒートシンクＨＰ１０（ＨＰ２０）とユニット筐体１１を絶縁構造とする代わりに、スイッチング素子ＱＰ、ＱＰＣ（ＱＮ、ＱＮＣ）とモジュール形クランプダイオードＤＣＰ（ＤＣＮ）とヒートシンクＨＰ１０（ＨＰ２０）間に絶縁物３９を設けたものである。

この実施例においてもヒートシンクＨＰ１０（ＨＰ２０）は、大地電位と絶縁され、同等の効果が得られる。

図７，８に本発明の他の実施例を示す。
図７は、２レベルインバータの主回路構成図である。インバータ７１は、Ｕ相ユニット７１ｕ、Ｖ相ユニット７１ｖ、Ｗ相ユニット７１ｗの３ユニットで構成されている。各相ユニットは同じ構成であるため、Ｕ相ユニット７１ｕの説明をする。

Ｕ相ユニット７１ｕは、直流電源に接続する正側電位端子Ｐ、負側電位端子Ｎと、交流電動機５３に接続する交流端子Ｕを備えている。ユニット内部は、スイッチング素子ＱＰ，ＱＮの２個と、主回路母線（ブスバー）、および冷却部材（ヒートシンク）で構成されている。なお、ヒートシンクは図示していない。各素子の基本動作は、周知のとおりであるため省略する。

平滑コンデンサ７２の両端子は、インバータ７１の各正側電位端子Ｐと各負側電位端子Ｎに接続する。インバータ７１の出力は、出力端子Ｕ・Ｖ・Ｗより交流電動機７３に供給される。

図８は、２レベルインバータにおけるモジュール型のスイッチング素子ＱＰ、ＱＮとヒートシンクＨＰ８０と主回路配線（バー）の実装の概念図を示す。ヒートシンクＨＰ８０には、スイッチング素子ＱＰ、ＱＮが実装されている。主回路配線（バー）８１〜８３は、図７の２レベルインバータを構成するように接続されている。Ｅ端子、Ｃ端子は、それぞれスイッチング素子ＱＰ、ＱＮのエミッタとコレクタを表わす。

図１、２に示す実施例と同様に、ヒートシンクＨＰ８０は、複数の絶縁物を介してユニット筐体１１と絶縁されている。一般に、ユニット筐体１１と盤筐体３１は大地電位となるため、ヒートシンクＨＰ８０は空間３８により大地電位と絶縁されている。

また、ヒートシンクＨＰ８０が浮遊電位となり部分放電が問題になる場合は、平滑コンデンサ７２を平滑コンデンサ７２ａ・７２ｂと２直列構成とし、その直列接続点（この点も中性点と呼ぶ）とヒートシンクＨＰ８０を主回路配線（バー）８０により接続し電位固定をする。この時、主回路配線（バー）は、電線を用いても良い。

以上のようにしてモジュール型電力変換素子をヒートシンクで冷却するのであるが、電力変換を行う複数個のモジュール型電力変換素子を冷却板に取付け筐体に収納する際に、複数個のモジュール型電力変換素子を大地と電気的に絶縁する絶縁手段を設けている。したがって、複数個のモジュール型電力変換素子つまり素子自体のベース板と大地を電気的に絶縁する絶縁手段を新たに設けているので、漏れ電流を大幅に低減でき制御装置の誤動作を防止することができる。

また、上述の実施例はヒートシンクを中性点電位に電位固定しているので、ＩＧＢＴ素子などの電力変換素子の必要耐電圧は、大地電位ではなく中性点電位が基準となり、耐電圧の低い電力変換素子の採用が可能となる。

本発明の一実施例を示す上視した構成図である。図１の側面図である。電力変換器制御盤の一例を示す構成図である。３レベルインバータ（１相分）の主回路構成の概念図である。３レベルインバータの主回路構成図である。本発明の他の実施例を示す主回路構成の要部概念図である。２レベルインバータの主回路構成図である。本発明の他の実施例を示す主回路構成の要部概念図である。

符号の説明

ＨＰ１０、ＨＰ２０…ヒートパイプ式ヒートシンク、ＨＰ１１、ＨＰ２１…ヒートパイプ、ＨＰ１２、ＨＰ２２…ヒートシンクのアルミブロック、ＨＰ１３、ＨＰ２３…ヒートシンクのアルミフィン、１１…ユニットの筐体、１２…ヒートシンクの固定板、１３ａ〜１３ｃ、２３ａ〜２３ｃ…絶縁物、１４…接続導体、１５…主回路バー（正側電位Ｐ、中性点電位ＣＯＭ、負側電位Ｎ）、３１…制御盤（筐体）、３２…接続導体、３３ｕ，３３ｖ，３３ｕ…交流出力用バー、４０〜４６、８０〜８３…接続バー、５１…３レベルインバータ、５１ｕ，５１ｖ，５１ｗ…３レベル用ユニット、５２ｕ，５２ｖ，５２ｗ，５２ａ，５３ｂ…平滑コンデンサ、７２、７２ａ，７２ｂ…平滑コンデンサ、５３、７３…交流電動機、７１…２レベルインバータ、７１ｕ，７１ｖ，７１ｗ…３レベル用ユニット。

Claims

電力変換を行う複数個のモジュール型電力変換素子を冷却板に取付け筐体に収納するものであって、前記複数個の電力変換素子を大地と電気的に絶縁したことを特徴とする電力変換装置。
電力変換を行う複数個のモジュール型電力変換素子を冷却板に取付け、接地されている筐体に収納するものであって、前記冷却板と前記筐体を電気的に絶縁したことを特徴とする電力変換装置。
電力変換を行う複数個のモジュール型電力変換素子を冷却板に取付け、接地されている筐体に収納するものであって、前記冷却板と前記筐体の間に複数個の絶縁部材を介在させ前記冷却板と前記筐体の間に空間を形成するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
ヒートパイプを介して放熱する冷却板に電力変換を行う複数個のモジュール型電力変換素子を取付け、接地されている筐体に収納するものであって、前記冷却板と前記筐体の間に複数個の絶縁部材を介在させ前記冷却板と前記筐体を電気的に絶縁する空間を形成するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
電力変換を行う複数個のモジュール型電力変換素子を冷却板に取付け筐体に収納するものであって、前記複数個の電力変換素子を大地と電気的に絶縁する絶縁手段と、前記冷却板の電位を大地電位に固定する電位固定手段とを設けたことを特徴とする電力変換装置。
電力変換を行う複数個のモジュール型電力変換素子を冷却板に取付け筐体に収納するものであって、前記冷却板を大地と電気的に絶縁する絶縁手段と、前記冷却板の電位を中性点電位に固定する電位固定手段とを設けたことを特徴とする電力変換装置。
中性点クランプ型電力変換装置を構成する一つの相の正側の２個のモジュール型スイッチング素子とクランプダイオードを取付けられる第１の冷却板と、前記一つの相の負側の２個のモジュール型スイッチング素子とクランプダイオードを取付けられる第２の冷却板と、前記第１の冷却板と前記第２の冷却板を収納する筐体と、前記第１、第２の冷却板と前記筐体の間に配置され、前記冷却板と前記筐体の間に空間を形成する複数個の絶縁部材とを具備することを特徴とする電力変換装置。
中性点クランプ型電力変換装置を構成する一つの相の正側の２個のモジュール型スイッチング素子とクランプダイオードを取付けられる第１の冷却板と、前記一つの相の負側の２個のモジュール型スイッチング素子とクランプダイオードを取付けられる第２の冷却板と、前記第１の冷却板と前記第２の冷却板を収納する筐体と、前記第１、第２の冷却板と前記筐体の間に配置され、前記冷却板と前記筐体の間に空間を形成する複数個の絶縁部材と、前記冷却板の電位を中性点電位に固定する電位固定手段とを具備することを特徴とする電力変換装置。
中性点クランプ型電力変換装置を構成する一つの相の４個のモジュール型スイッチング素子と２個のクランプダイオードを取付けられる冷却板と、前記冷却板の放熱を行わせるヒートパイプと、前記冷却板と前記ヒートパイプを収納する筐体と、前記冷却板と前記筐体の間に配置され、前記冷却板と前記筐体の間に空間を形成する複数個の絶縁部材と、前記冷却板に接続される中性点母線とを具備することを特徴とする電力変換装置。