JP2009055664A - ３レベル電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配線の低インダクタンス化、フィルタコンデンサや直流電源端子の配線構造の合理化を図り、装置全体の小形化、軽量化を可能にする。
【解決手段】複数相の３レベル変換回路と複数のフィルタコンデンサとを備え、前記３レベル変換回路を構成するスイッチング素子及び結合ダイオード素子を全相共通の冷却体受熱部５０５に装着し、積層配線部５０３により前記各素子の端子間を接続すると共に、積層配線部５０３に近接して配置されたフィルタコンデンサを３レベル変換回路の直流電源端子に接続してなる３レベル電力変換装置において、各相のフィルタコンデンサを正，負アーム側に分けて配置し、各アーム側において、各フィルタコンデンサ４１〜４３，５１〜５３の同一極性の端子同士を直流電源端子に接続するための各２個の平板導体１０１，１０２及び１０３，１０４を、絶縁板５０１，５０２を挟んで積層して配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主としてフィルタコンデンサの配線構造を改良した３レベル電力変換装置に関するものである。

例えば電気車両分野において、直流給電電車及び交流給電電車の大容量電力変換用として３レベル方式の電力変換装置が広く適用されている。
図１０は、最近の代表的な交流電車の主回路構成を示している。図において、ＰＴはパンタグラフ、ＨＢは高速度遮断器、ＭＴｒは主変圧器、ｗｇ_１１は１次巻線、ｗｇ_２１，ｗｇ_２２，ｗｇ_２３は２次巻線である。

電力変換装置は、前記２次巻線ｗｇ_２１に接続されたコンバータＣｏｎｖ及び３相の３レベルインバータＩｎｖから構成されている。コンバータＣｏｎｖは、２次巻線ｗｇ_２１の単相電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧をＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）インバータとしてのインバータＩｎｖにより３相交流電圧に変換し、電車駆動用の誘導電動機ＩＭに可変電圧可変周波数の交流電力を供給している。
なお、図１０において、ＱはＩＧＢＴ等のスイッチング素子、Ｄ_Ｃは結合ダイオード、Ｃ_Ｆはフィルタコンデンサ、Ｅ_Ｐは直流正電源電圧、Ｅ_Ｃは同中性点電圧、Ｅ_Ｎは同負電源電圧を示す。

この種の電力変換装置を構成するインバータは、例えば特許文献１に記載されているように、１相分の回路が一つのユニット構造に纏められている。
すなわち、３相インバータであれば、３個のユニットで１台のインバータを構成する方法が採られる。従って、図１０に示したようなフィルタコンデンサＣ_Ｆも、相ごとに分けてそれぞれ別ユニット内に設けられる。

更に、３レベル電力変換装置の１相分の回路を一つのユニットに纏めて構成する例としては、特許文献２が挙げられる。
この従来技術では、ＩＧＢＴモジュール、クランプダイオード（ダイオードモジュール）、スナバ抵抗器等が冷却体の受熱部材上に取り付けられ、フィルタコンデンサを支持枠により受熱部材と離れた位置に配置する構造が採られている。

ここで、各相のフィルタコンデンサがスイッチング素子と離れていると、ＩＧＢＴモジュール及びクランプダイオードから構成されるスイッチング回路とフィルタコンデンサとの間の配線長が長くなってインダクタンスが増加し、３レベル電力変換装置の転流時に発生するスイッチングサージ電圧が大きくなるという問題がある。

そこで、スイッチング素子とフィルタコンデンサの両極端子との間の配線長を短くして低インダクタンス化する従来技術が、特許文献３に開示されている。
しかし、この従来技術は、もっぱら２レベル電力変換装置、すなわち正負の直流電源を備えた電力変換装置を対象としており、３レベル電力変換装置における各相間の転流電流の分流抑制や、正側アーム、負側アームの配線構造の均一性等を考慮した対策については言及されていない。

さて、図１１は、図１０に示したインバータＩｎｖを抜き出して示した図である。
図１１において、Ｐは直流正電源端子、Ｃは中性点電源端子、Ｎは直流負電源端子、Ｕ，Ｖ，Ｗは各相の交流出力端子、Ｑ_Ｕ１，Ｑ_Ｕ２，Ｑ_Ｖ１，Ｑ_Ｖ２，Ｑ_Ｗ１，Ｑ_Ｗ２，Ｑ_Ｘ１，Ｑ_Ｘ２，Ｑ_Ｙ１，Ｑ_Ｙ２，Ｑ_Ｚ１，Ｑ_Ｚ２は図１０のスイッチング素子Ｑに相当するＩＧＢＴモジュール、Ｄ_Ｕ，Ｄ_Ｖ，Ｄ_Ｗ，Ｄ_Ｘ，Ｄ_Ｙ，Ｄ_Ｚは図１０の結合ダイオードＤ_Ｃに相当するダイオードモジュール、Ｃ_ＦＵ，Ｃ_ＦＸ，Ｃ_ＦＶ，Ｃ_ＦＹ，Ｃ_ＦＷ，Ｃ_ＦＺは図１０のフィルタコンデンサＣ_Ｆに相当するフィルタコンデンサである。

ここで、Ｑ_Ｕ１，Ｑ_Ｕ２，Ｑ_Ｘ１，Ｑ_Ｘ２をＵ相ＩＧＢＴモジュール、Ｑ_Ｖ１，Ｑ_Ｖ２，Ｑ_Ｙ１，Ｑ_Ｙ２をＶ相ＩＧＢＴモジュール、Ｑ_Ｗ１，Ｑ_Ｗ２，Ｑ_Ｚ１，Ｑ_Ｚ２をＷ相ＩＧＢＴモジュールともいい、Ｄ_Ｕ，Ｄ_ＸをＵ相ダイオードモジュール、Ｄ_Ｖ，Ｄ_ＹをＶ相ダイオードモジュール、Ｄ_Ｗ，Ｄ_ＺをＷ相ダイオードモジュールともいう。また、Ｃ_ＦＵ，Ｃ_ＦＸをＵ相フィルタコンデンサ、Ｃ_ＦＶ，Ｃ_ＦＹをＶ相フィルタコンデンサ、Ｃ_ＦＷ，Ｃ_ＦＺをＷ相フィルタコンデンサともいう。

更に、図１１におけるＭ_ＵをＵ相３レベル変換回路、Ｍ_ＶをＶ相３レベル変換回路、Ｍ_ＷをＷ相３レベル変換回路という。また、中性点電圧Ｅ_Ｃを基準として正電源電圧Ｅ_Ｐ側のアームを正側アームと呼び、負電源電圧Ｅ_Ｎ側のアームを負側アームと呼ぶこととする。

上記ＩＧＢＴモジュールＱ_Ｕ１〜Ｑ_Ｘ２，Ｑ_Ｖ１〜Ｑ_Ｙ２，Ｑ_Ｗ１〜Ｑ_Ｚ２は、交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの電圧がＰＷＭ制御された３相の正弦波電圧となるように、正電源電圧Ｅ_Ｐ、中性点電圧Ｅ_Ｃ及び負電源電圧Ｅ_Ｎの３値を選択し、各相間に１２０度の位相差をもってスイッチングされる。この場合、Ｕ相、Ｖ相，Ｗ相とも、出力電圧の３値を選択するための切換時に、ＩＧＢＴモジュール、ダイオードモジュール及びフィルタコンデンサを通して転流電流が流れる。
上記転流電流の経路のインダクタンス、すなわち、転流回路のインダクタンスと転流電流により発生するサージ電圧とを極力小さくするためには、ＩＧＢＴモジュール、ダイオードモジュール及びフィルタコンデンサの配置とそれらの間の配線について充分に検討し、上記インダクタンスを最小化するような設計がなされなければならない。

ここで、図１２は、図１１におけるＵ相の転流回路を示したものである。なお、Ｖ相及びＷ相についても同様の転流回路によって説明される。

図１２（ａ）は、出力電流Ｉ_Ｕが正の場合、すなわち、交流出力端子Ｕから負荷に向かって電流が流出している場合に、ＩＧＢＴモジュールＱ_Ｕ１のオン→オフ切換時、または、Ｑ_Ｕ１のオフ→オン切換に伴うダイオードモジュールＤ_Ｕのオフ時に形成される転流回路であり、i ，iiは転流電流の経路を示している。
このとき、Ｑ_Ｕ１またはＤ_Ｕには、回路のインダクタンスに起因するサージ電圧が発生する。

また、図１２（ｂ）は、出力電流Ｉ_Ｕが負の場合、すなわち、負荷から交流出力端子Ｕに向かって電流が流入している場合に、ＩＧＢＴモジュールＱ_Ｘ２のオン→オフ切換時、または、Ｑ_Ｘ２のオフ→オン切換に伴うダイオードモジュールＤ_Ｘのオフ時に形成される転流回路であり、iii，ivは転流電流の経路を示している。
このとき，Ｑ_Ｘ２またはＤ_Ｘには、回路のインダクタンスに起因するサージ電圧が発生する。

スイッチング動作に伴って発生するサージ電圧は、上述のように回路のインダクタンスに起因し、モジュール素子を破壊する原因となるため、小さくする必要がある。この原因となる回路のインダクタンスを小さくするためには、前記経路i〜ivに存在するＩＧＢＴモジュール、ダイオードモジュール及びフィルタコンデンサ間の配線長を、それぞれ小さくしなければならない。
更に、経路iと経路iii、経路iiと経路ivを見ると、それぞれ、中性点電源端子Ｃが接続された線（中性点電圧Ｅ_Ｃの線）を中心線として対称になっているので、正負アームの転流回路が有するインダクタンスの偏差を極力小さくするためには、各経路上のＩＧＢＴモジュール、ダイオードモジュール、フィルタコンデンサ、及び電源端子Ｐ，Ｃ，Ｎ、交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ、配線用部材等の配置に関して、幾何学的な意味で対称的であることが望ましい。

なお、３レベル電力変換装置において、配線インダクタンスを最小化するための素子の配列と素子端子間の配線方法が、特許文献４及び特許文献５に開示されている。
このうち、特許文献４に係る３レベル電力変換装置は、正側アーム、負側アームの両方においてスイッチング素子、結合ダイオード及び直流電圧源をほぼ直線上に配置し、各スイッチング素子及び結合ダイオードの全ての接続部を同一方向に突出させ、この方向と直交し、かつ互いに絶縁された複数の平板状の配線板を用いて、前記接続部間の所定の接続を行うように構成されている。

また、特許文献５に係る３レベル電力変換装置は、複数のスイッチング素子と、結合ダイオードと、直流電圧源（平滑コンデンサ）と、前記スイッチング素子及び直流電圧源に挟まれるように配置される平板状導体と、を備えており、前記スイッチング素子及び結合ダイオードを一列に配置すると共に、平板状導体のほぼ同一箇所の表裏を介して直流電圧源と結合ダイオードとを接続するように構成されている。また、この３レベル電力変換装置では、ターンオフするスイッチング素子の電流が流れる第１の電流路と、この第１の電流路の電流の減少に伴って電流が増大する第２の電流路との配線を沿わせるように構成している。

特許第２８９６４５４号公報（段落［００４５］〜［００４８］、図３〜図５等） 特許第３３６７４１１号公報（段落［００１６］〜［００１９］、図１〜図４等） 特開２０００−０６９７６６号公報（段落［００２３］〜［００２５］、図１，図２，図５，図６等） 特許第３２２９９３１号公報（段落［００１９］〜［００２６］、図７〜図１０等） 特許第３６３７２７６号公報（段落［００１８］〜［００３２］、図１〜図７等）

特許文献１のように、インバータ等の電力変換装置を構成する各相の回路を別々のユニットとして構成する場合には、回路上の共通電圧の導体がユニットごとに必要となり、装置全体の大形化や重量増加を招く。
また、特許文献２においても、スイッチング素子とフィルタコンデンサとの間の配線長に起因するインダクタンスが大きくなるという問題がある。このインダクタンスはスイッチング動作に伴って大きなサージ電圧を発生させ、素子を破壊する原因となるが、サージ電圧吸収用にスナバ回路を追加すると、スナバ回路の構成部品によってインバータやコンバータのユニットが大形化し、結果的に装置全体が大形化し、重量増加の原因となる。

更に、特許文献４，５に記載された従来技術によれば、配線インダクタンスの低減はある程度可能であるが、装置の小形化等の観点から、フィルタコンデンサの配線構造や両極端子、直流電源端子の配置等に関して更に改良の余地を残している。

そこで、本発明の解決課題は、
（１）フィルタコンデンサを含んだスイッチング素子周りの配線の低インダクタンス化
（２）フィルタコンデンサの配線構造の合理化（部品点数の削減、部品の共通化等）
（３）各相の直流端子及びフィルタコンデンサの両極端子の合理的配置
を行い、装置全体の小形化、軽量化を可能にした３レベル電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、複数相の３レベル変換回路及び複数のフィルタコンデンサを備えた３レベル電力変換装置において、各相の配線インダクタンスを最小化するために、フィルタコンデンサの両極端子を２個の平板導体の重ね配線構造によって直流端子に接続することを基本としている。

すなわち、前述の図１１に示した３レベルインバータ等の３レベル電力変換装置において、本発明の主な特徴は以下の通りである。
まず、各相の正側アームのフィルタコンデンサＣ_ＦＵ，Ｃ_ＦＶ，Ｃ_ＦＷの両極端子を、全相分一括して、直流正電源端子Ｐ及び中性点電源端子Ｃに接続される２個の平板導体にそれぞれ接続し、これらの平板導体を絶縁板を介して積層配置する（なお、このような２個の平板導体による積層状の配線構造を重ね配線ともいう）。同様に、負側アームのフィルタコンデンサＣ_ＦＸ，Ｃ_ＦＹ，Ｃ_ＦＺの両極端子を、全相分一括して、中性点電源端子Ｃ及び直流負電源端子Ｎに接続される２個の平板導体にそれぞれ接続し、これらの平板導体を絶縁板を介して積層配置する。

また、各相共に正側アーム及び負側アームの配線インダクタンスが均衡して最小値となるように、正側アーム及び負側アームを構成するスイッチング素子モジュールとしてのＩＧＢＴモジュールＱ_Ｕ１，Ｑ_Ｕ２，Ｑ_Ｖ１，Ｑ_Ｖ２，Ｑ_Ｗ１，Ｑ_Ｗ２，Ｑ_Ｘ１，Ｑ_Ｘ２，Ｑ_Ｙ１，Ｑ_Ｙ２，Ｑ_Ｚ１，Ｑ_Ｚ２並びにダイオードモジュールＤ_Ｕ，Ｄ_Ｖ，Ｄ_Ｗ，Ｄ_Ｘ，Ｄ_Ｙ，Ｄ_Ｚを、中性点電圧Ｅ_Ｃに対応する導体の一点を幾何学的中心点としてほぼ対称となるように配置し、その配線部材も前記幾何学的中心点を中心としてほぼ対称となるように配置する。
更に、直流正電源端子Ｐ、中性点電源端子Ｃ及び直流負電源端子Ｎにそれぞれ接続されるフィルタコンデンサの各電源端子は、各相とも前記幾何学的中心点を中心として対称となるように配置し、各相の交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗは前記幾何学的中心点を含む直線上に配置する。

また、電源端子Ｐ，Ｃ，Ｎ及び交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗについては、フィルタコンデンサＣ_ＦＵ，Ｃ_ＦＶ，Ｃ_ＦＷ，Ｃ_ＦＸ，Ｃ_ＦＹ，Ｃ_ＦＺの平板導体による重ね配線化と外部端子配線の広幅導体による重ね配線化を行うために、適正な位置決めを行う。

各相の３レベル変換回路Ｍ_Ｕ，Ｍ_Ｖ，Ｍ_Ｗの素子間を接続するための積層配線部は、正側アームと負側アームとの中間部でスイッチング素子等の素子群とは反対側に突出した凸部を備えている。この凸部の表面には、３レベル変換回路Ｍ_Ｕ，Ｍ_Ｖ，Ｍ_Ｗの電源端子Ｐ，Ｃ，Ｎにそれぞれ接続されるフィルタコンデンサの各電源端子を、また、裏面には交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗを、正側アームと負側アームとの中間線上の特定点を中心点として対称となる位置に配置する。

各相の３レベル変換回路Ｍ_Ｕ，Ｍ_Ｖ，Ｍ_Ｗを構成するスイッチング素子の転流時に発生する転流電流が、相間で相互に分流するのを阻止して転流電流を各相で均一化するために、隣接する相のフィルタコンデンサ間の平板導体の所定位置に、分流電流を抑制するための切り欠き部をそれぞれ設ける。

フィルタコンデンサが各アーム当たり１個で構成される場合には、各フィルタコンデンサの両極端子の配列方向を、積層配線部の表面に対して平行にする。
また、フィルタコンデンサが各アーム当たり複数個のコンデンサユニットにて構成される場合には、各コンデンサユニットの両極端子の配列方向を、積層配線部の表面に対して垂直にする。更に、隣接するコンデンサユニットの両極端子の極性が交互に変わるように配置する。

通常、３相インバータの場合、フィルタコンデンサは各アーム当たり少なくとも１個設置されるから、電源端子Ｐ，Ｃ，Ｎからフィルタコンデンサまでの配線数は１相あたり最小で３本必要となり、３相では最小で９本必要となる。また、２相コンバータの場合でも電源端子Ｐ，Ｃ，Ｎからフィルタコンデンサまでの配線数は１相当たり最小で３本必要となり、２相では最小で６本必要となる。

これに対し、本発明によれば、電源端子Ｐ，Ｃ，Ｎから一括して平板導体による重ね配線となるので、配線のインダクタンスが低減される。更に、電源端子Ｐ，Ｃ，Ｎからフィルタコンデンサまでの配線数は、インバータ等の相数に関係なく正側アーム用が２個、負側アーム用が２個で計４個となり、部品点数の低減と部品の共通化が可能となり、配線の簡単化、組み立て工数の低減、装置の小形・コンパクト化、軽量化が可能となる。

各相のスイッチング素子、結合ダイオード、電源端子、交流出力端子等の配線は幾何学的中心点を中心としてすべての相が対称的に配置され、正側アーム用，負側アーム用フィルタコンデンサも同様に対称的に配置されるので、転流ループのインダクタンスの最小化と均一化が可能になる。
従って、各アームのスイッチング素子は、スナバ回路を付加しなくても、充分小さいサージ電圧でスイッチングすることができる。更に、２枚重ねの平板導体とこれらに挟まれた絶縁板とは、両アームとも同一形状、同一構造であるから、部品の共通化と部品点数の削減に有効である。

各相の電源端子及び交流出力端子は、直流電圧の配線及び交流電圧の配線を広幅の平板導体による重ね配線を行うために最も効果的な位置に設けられるので、電源及び交流出力の配線インダクタンスを低減でき、近傍の電子回路への誘導障害が低減される。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を３相の３レベルインバータに適用した場合のものである。
まず、図１は、３相の３レベルインバータの各相について、図１２に示した転流回路のインダクタンスを最小化するためのフィルタコンデンサの配置構造及び接続状態を説明するための配線図である。

図１において、１，２，３はそれぞれＵ相，Ｖ相，Ｗ相３レベル変換回路であり、図１１における各相３レベル変換回路Ｍ_Ｕ，Ｍ_Ｖ，Ｍ_Ｗに相当する。各３レベル変換回路１〜３は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相ＩＧＢＴモジュール１１〜１４，２１〜２４，３１〜３４、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相ダイオードモジュール１５，１６、２５，２６、３５，３６から構成されている。

４は正側アーム用フィルタコンデンサ接続回路であり、正側アーム用Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ４１，４２，４３と、これらを並列接続する２個の正側アーム用フィルタコンデンサ接続平板導体１０１，１０２とからなっている。なお、平板導体１０１を正電源平板導体、１０２を中性点電源平板導体ともいう。上記フィルタコンデンサ４１，４２，４３は、図１１におけるフィルタコンデンサＣ_ＦＵ，Ｃ_ＦＶ，Ｃ_ＦＷに相当する。
前記平板導体１０１には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ直流電源端子１１１，２１１，３１１が設けられ、平板導体１０２には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ直流電源端子１１２，２１２，３１２が設けられている。

一方、５は負側アーム用フィルタコンデンサ接続回路であり、負側アーム用Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ５１，５２，５３と、これらを並列接続する２個の負側アーム用フィルタコンデンサ接続平板導体１０３，１０４とからなっている。なお、平板導体１０３を中性点電源平板導体、１０４を負電源平板導体ともいう。上記フィルタコンデンサ５１，５２，５３は、図１１におけるフィルタコンデンサＣ_ＦＸ，Ｃ_ＦＹ，Ｃ_ＦＺに相当する。
前記平板導体１０３には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ直流電源端子１１３，２１３，３１３が設けられ、平板導体１０４には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ直流電源端子１１４，２１４，３１４が設けられている。

ここで、Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ直流電源端子１１１，２１１，３１１は、後述する積層配線部５０３上の導体を介して直流正電源端子Ｐに接続され、Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ直流電源端子１１４，２１４，３１４は同じく直流負電源端子Ｎに接続されている。同時に、直流電源端子１１１，２１１，３１１はＩＧＢＴモジュール１１，２１，３１のコレクタに、直流電源端子１１４，２１４，３１４はＩＧＢＴモジュール１４，２４，３４のエミッタにも接続されている。
また、Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ直流電源端子１１２，２１２，３１２，１１３，２１３，３１３は、後述する積層配線部５０３上の導体を介して中性点電源端子Ｃに接続されている。
更に、各相３レベル変換回路１，２，３の正側アームと負側アームとの接続点は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相交流出力端子１１５，２１５，３１５となっている。

次に、図２は、図１の配線図に対応する３レベルインバータのパワーユニットの構造図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の右側面図である。
図２（ａ）において、ＣＬ_Ｕ，ＣＬ_Ｖ，ＣＬ_Ｗは、それぞれ正側アーム用Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ４１，４２，４３、負側アーム用Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ５１，５２，５３の中心を通るＵ，Ｖ，Ｗ相中心線であり、ＣＬ_Ｃは正負アームの中間点を通る中間線である。また、平板導体１０１〜１０４及び各相の電源端子１１１〜１１４，２１１〜２１４，３１１〜３１４は、各端子の位置関係を明示するため上下方向に離れた位置に描かれているが、実際は正負アーム中間線ＣＬ_Ｃに近接して配置される。特に、平板導体１０１，１０２及び１０３，１０４は、それぞれ２枚重ねされて積層構造となっている。

なお、図２（ｂ）において、５０１は平板導体１０１，１０２間を絶縁する絶縁板、５０２は平板導体１０３，１０４間を絶縁する絶縁板、５０３は表裏の導体相互間に絶縁板を挟んで形成したプリント基板等の積層配線部、５０４はＩＧＢＴモジュールやダイオードモジュール（図示せず）が実装され、かつ積層配線部５０３及び平板導体１０１〜１０４を介してフィルタコンデンサ４１〜４３，５１〜５３や各相の電源端子１１１〜１１４，２１１〜２１４，３１１〜３１４、各相交流出力端子１１５，２１５，３１５に接続されるモジュール取付部、５０５は放熱のための冷却体受熱部である。

更に詳述すると、正側アーム用のフィルタコンデンサ４１，４２，４３及び負側アーム用のフィルタコンデンサ５１，５２，５３は、それぞれ２枚重ねの平板導体１０１，１０２及び１０３，１０４によりアームごとに並列接続されている。また、平板導体１０１は、直線上に配置されて積層配線部５０３上の導体により互いに導通している電源端子１１１，２１１，３１１に、平板導体１０２，１０３は同じく直線上に配置されて互いに導通している電源端子１１２，２１２，３１２及び１１３，２１３，３１３に、平板導体１０４は同じく直線上に配置されて互いに導通している電源端子１１４，２１４，３１４に、それぞれ接続されている。

図２（ａ）から明らかなように、正側アーム用フィルタコンデンサ接続回路４内のフィルタコンデンサ４１〜４３と負側アーム用フィルタコンデンサ接続回路５内のフィルタコンデンサ５１〜５３、及び各相の電源端子１１１〜１１４，２１１〜２１４，３１１〜３１４は、Ｖ相３レベル変換回路２の中心点、すなわち、正負アーム中間線ＣＬ_ＣとＶ相中心線ＣＬ_Ｖとの交点を中心にして、１８０度回転した位置（点対称）となるように対称に配置される。
更に、電源端子１１１〜１１４，２１１〜２１４，３１１〜３１４については各相ともに、その相の中心線と正負アーム中間線ＣＬ_Ｃとの交点を中心にして点対称となるように、例えばＵ相の場合、電源端子１１１，１１２と電源端子１１４，１１３とは、Ｕ相中心線ＣＬ_Ｕと正負アーム中間線ＣＬ_Ｃとの交点を中心にして点対称となるように配置されている。

また、図２（ｂ）には示されていないが、各相３レベル変換回路１〜３を構成するＩＧＢＴモジュール１１〜１４，２１〜２４，３１〜３４及びダイオードモジュール１５，１６、２５，２６、３５，３６も、前記モジュール取付部５０４において、各相とも正側アーム、負側アームの中間点を中心にして１８０度回転した位置となるように対称に配置されており、モジュールの端子間配線を最も合理的に配置できる位置に装着されている。

各モジュールの端子は、積層配線部５０３の中心部において各モジュールとは反対側（平板導体１０１〜１０４側）に突出した凸部５０３ａに集約されている。この凸部５０３ａの表面の導体には、各相の電源端子１１１，２１１，３１１（図２（ｂ）では便宜上、符号３１１のみを表記する）、１１２，１１３，２１２，２１３，３１２，３１３（同じく符号３１３のみを表記する）、１１４，２１４，３１４（同じく符号３１４のみを表記する）が配置され、裏面の正負アーム中間線ＣＬ_Ｃと各相中心線ＣＬ_Ｕ，ＣＬ_Ｖ，ＣＬ_Ｗとの交点には、各相の交流出力端子１１５，２１５，３１５がそれぞれ配置される。
交流出力端子１１５，２１５，３１５を上記の位置に配置することにより、積層配線部５０３上の出力電流を平面的に平準化することができる。

なお、この実施形態において、積層配線部５０３の表面側では、平板導体１０１〜１０４と各電源端子Ｐ，Ｎ，Ｃとが各相につきそれぞれ１個の電源端子により接続される例を示しているが、複数の電源端子により接続しても良い。同様に、裏面側の交流出力端子１１５，２１５，３１５についても、それぞれ複数の出力端子によって構成しても良い。

次に、図３は、この実施形態における積層配線部５０３の各電源端子Ｐ，Ｃ，Ｎと、交流出力端子１１５，２１５，３１５に接続された各相の交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの配線状態を示している。
図３に示すように、積層配線部５０３の裏面において、交流出力端子１１５，２１５，３１５を正負アーム中間線ＣＬ_Ｃと各相中心線ＣＬ_Ｕ，ＣＬ_Ｖ，ＣＬ_Ｗとの交点にそれぞれ配置し、広幅導体５１０を相間の隙間から上面に出して重ね配線することにより、電源端子１１１，２１１，３１１，１１２，１１３，２１２，２１３，３１２，３１３，１１４，２１４，３１４と各電源端子Ｐ，Ｃ，Ｎとを接続する広幅導体５１１と区分可能としている。

各相の端子をこのように配置することにより、パワーユニットの外線端子、すなわち、各電源端子Ｐ，Ｃ，Ｎ及び交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに至る広幅導体５１０，５１１を重ねて構成することができ、電源及び交流出力の配線インダクタンスを小さくして近傍の電子回路への誘導障害を低減することができる。

図４（ａ）は図２（ａ）のＹ−Ｙ断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の右側面図であり、正側アーム用Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ４１〜４３と正側アーム用フィルタコンデンサ接続平板導体１０１，１０２との接続状態を示している。なお、Ａ，Ｂはフィルタコンデンサ４１〜４３の両極端子であり、一方が正極端子、他方が負極端子である。
ここで、図４に示す平板導体１０１，１０２を平板導体の第１実施例というものとする。

図４に示すフィルタコンデンサ４１〜４３及び平板導体１０１，１０２の接続構造を、例えば接続端子１１２を中心として１８０°回転させれば、負側アーム用Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ５１〜５３と負側アーム用フィルタコンデンサ接続平板導体１０４，１０３との接続構造と実質的に同様になる。言い換えれば、平板導体１０１，１０４及び１０２，１０３の形状、構造をそれぞれ同一にすることができる。
このことは、後述する平板導体の第２実施例〜第４実施例においても同様である。
ここで、平板導体による重ね配線構造及び転流電流の流れは正側、負側で全く同様であるため、以下では正側アームについて平板導体１０１，１０２による重ね配線の特徴を説明する。

図４において、各相のフィルタコンデンサ４１〜４３の端子Ａは正電源用の平板導体１０１に接続され、端子Ｂは中性点電源用の平板導体１０２に接続されている。また、平板導体１０１，１０２の間には、両導体間の印加電圧に充分に耐えると共にできるだけ薄い絶縁板５０１を挟むことにより、フィルタコンデンサに至る配線のインダクタンスを最小化する。
更に、端子Ｂと平板導体１０１との間の耐圧、端子Ａと平板導体１０２との間の耐圧にそれぞれ充分耐えるように空間距離を保有させるための孔１０１ａ，１０２ａが、平板導体１０１，１０２に設けられている。
正電源用の平板導体１０１には、前記積層配線部５０３の正電源端子Ｐに接続される電源端子１１１，２１１，３１１が、中性点電源用の平板導体１０２には、積層配線部５０３の中性点電源端子Ｃに接続される電源端子１１２，２１２，３１２がそれぞれ設けられている。

次に、図５は、図１２（ａ）における転流電流の経路iを、平板導体１０１，１０２上の電流経路として単線で示したものである。図５において、太線は転流相フィルタコンデンサへの主電流を、細線は他相フィルタコンデンサへの分流電流を示し、実線は手前の平板導体１０２上の電流を、点線は背後の平板導体１０１上の電流を示す。

図５に示すように、実線の電流と点線の電流とは、電磁作用により平板導体１０１，１０２上をペアで重なって端子Ａ，Ｂと電源端子Ｐ，Ｃとの間を流れるので、これらの端子間のインダクタンスは効果的に低減される。なお、図１２（ｂ）における転流電流の経路ivについても、同様に説明することができる。
前述したように、負側アームは正側アームと対称的に配置・配線されているので、図１２（ａ），（ｂ）における負側アームのフィルタコンデンサの転流電流の経路ii，iiiについても、正側アームと同様に説明可能である。

なお、図５では、説明を単純化するために転流電流を単線で示してあるが、点線で示す正電源用の平板導体１０１上の電流と、実線で示す中性点電源用の平板導体１０２上の電流は、実際はに各相のフィルタコンデンサの端子Ａ，Ｂと電源端子Ｐ，Ｃとの幾何学的配置関係によって決まる幅状電流となって、両平板導体１０１，１０２上を互いに逆方向に流れる。このように幅状電流が流れることにより、配線インダクタンスは一層効果的に低減される。
また、以下に説明する第２〜第４実施例においても転流電流を単線で示すが、実際の電流はコンデンサ端子と電源端子との幾何学的配置関係によって決まる幅状電流となる。

次に、図６は平板導体の第２実施例を示している。この実施例では、図５に細線で示した他相フィルタコンデンサへの分流電流を低減して各相の電流を均一化するために、平板導体１０１Ａ，１０２Ａにそれぞれ切り欠き部Ｃｕｔ１，Ｃｕｔ２を設けてある。
すなわち、図６では、各電源端子１１１〜３１２の近傍に切り欠き部Ｃｕｔ１，Ｃｕｔ２を設けることにより、平板導体１０１Ａ，１０２Ａの各相間下部の分流電流の経路を遮断するようにした。

また、図７は平板導体の第３実施例を示している。この実施例では、各相のフィルタコンデンサ４１〜４３の相互間において、平板導体１０１Ｂでは下部に、平板導体１０２Ｂでは上部に、それぞれ切り欠き部Ｃｕｔ１，Ｃｕｔ２を設けたものである。
このように切り欠き部Ｃｕｔ１，Ｃｕｔ２によって平板導体１０１Ｂ，１０２Ｂの各相間に空隙部を形成することにより、分流電流がペアとなって重なって流れるのを抑制することができる。

なお、以上の説明は、フィルタコンデンサが各アーム当たり１個で構成される場合のものである。この場合、図４〜図７に示したように、コンデンサの両極端子Ａ，Ｂの配列方向は、平板導体１０１（１０１Ａ，１０１Ｂ），１０２（１０２Ａ，１０２Ｂ）の電源端子１１１〜３１２が接続される図２（ｂ）の積層配線部５０３（凸部５０３ａ）の表面に対して平行になっている。これにより、平板導体１０１（１０１Ａ，１０１Ｂ），１０２（１０２Ａ，１０２Ｂ）上の電流経路が対称的かつ最短となる。

次いで、図８は平板導体の第４実施例を示しており、フィルタコンデンサが各アーム当たり複数個（図８では２個）のコンデンサユニットにより構成される場合のものである。すなわち、フィルタコンデンサ４１〜４３は、互いに並列接続されたコンデンサユニット４１１，４１２、４２１，４２２、４３１，４３２によってそれぞれ構成されている。

この場合、フィルタコンデンサ４１〜４３はアームごとに隣接して配置され、各コンデンサユニット４１１，４１２、４２１，４２２、４３１，４３２の両極端子Ａ，Ｂの配列方向は、平板導体１０１Ｃ，１０２Ｃの電源端子１１１〜３１２が取り付けられる図２（ｂ）の積層配線部５０３（凸部５０３ａ）の表面に対して垂直になっている。また、相隣り合うコンデンサユニットは、端子Ａ，Ｂが交互に配置されており、全ての端子は直線上で２列に整列して平板導体１０１Ｃ，１０２Ｃに接続されている。
なお、図８においても、図７と同様に分流電流を抑制するための切り欠き部Ｃｕｔ１，Ｃｕｔ２が、平板導体１０１Ｃ，１０２Ｃの各相間に形成されている。

図９は、この実施例における各相電流の平板導体１０１Ｃ，１０２Ｃ上の電流経路を示している。
フィルタコンデンサ４１〜４３を構成するコンデンサユニット４１１，４１２、４２１，４２２、４３１，４３２は、それぞれ異極性の端子Ａ，Ｂが隣り合うように順次配置されているため、上側の端子を流れる電流と下側の端子を流れる電流とが逆向きになり、これらの電流がペアを構成して重なって流れることになるので、配線のインダクタンスが効果的に低減されることになる。

なお、上述した実施形態では本発明を３相３レベルインバータに適用した場合について説明したが、２相３レベルコンバータの場合も、前記同様のフィルタコンデンサ、平板導体及び積層配線部等の配線構造、接続構造を適用することができる。また、各アームを構成するスイッチング素子及び結合ダイオードがそれぞれ複数の並列接続によって使用される場合にも、同様の配線構造、接続構造を適用可能である。

本発明の実施形態を示す配線図である。 実施形態におけるパワーユニットの構造図である。 実施形態における電源端子及び交流出力端子の配線状態を示す図である。 平板導体の第１実施例におけるフィルタコンデンサと平板導体との接続状態を示す図である。 図４における平板導体上の電流経路を示した図である。 平板導体の第２実施例におけるフィルタコンデンサと平板導体との接続状態を示す図である。 平板導体の第３実施例におけるフィルタコンデンサと平板導体との接続状態を示す図である。 平板導体の第４実施例におけるフィルタコンデンサと平板導体との接続状態を示す図である。 図８における平板導体上の電流経路を示した図である。 交流電車の主回路構成図である。 ３レベルインバータの主回路構成図である。 図１１におけるＵ相の転流回路を示す図である。

符号の説明

１：Ｕ相３レベル変換回路
２：Ｖ相３レベル変換回路
３：Ｗ相３レベル変換回路
４：正側アーム用フィルタコンデンサ接続回路
５：負側アーム用フィルタコンデンサ接続回路
１１〜１４：Ｕ相ＩＧＢＴモジュール
２１〜２４：Ｖ相ＩＧＢＴモジュール
３１〜３４：Ｗ相ＩＧＢＴモジュール
１５，１６：Ｕ相ダイオードモジュール
２５，２６：Ｖ相ダイオードモジュール
３５，３６：Ｗ相ダイオードモジュール
４１，４２，４３：正側アーム用Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ
５１，５２，５３：負側アーム用Ｕ，Ｖ，Ｗ相フィルタコンデンサ
１０１，１０２，１０１Ａ，１０２Ａ，１０１Ｂ，１０２Ｂ，１０１Ｃ，１０２Ｃ：正側アーム用フィルタコンデンサ接続平板導体
１０１ａ，１０２ａ：孔
１０３，１０４：負側アーム用フィルタコンデンサ接続平板導体
（１０１：正電源平板導体，１０４：負電源平板導体，１０２，１０３：中性点電源平板導体）
１１１〜１１４：Ｕ相フィルタコンデンサ直流電源端子
２１１〜２１４：Ｖ相フィルタコンデンサ直流電源端子
３１１〜３１４：Ｗ相フィルタコンデンサ直流電源端子
１１５：Ｕ相出力端子
２１５：Ｖ相出力端子
３１５：Ｗ相出力端子
４１１，４１２，４２１，４２２，４３１，４３２：コンデンサユニット
５０１，５０２：絶縁板
５０３：積層配線部
５０３ａ：凸部
５０４：モジュール取付部
５０５：冷却体受熱部
５１０，５１１：広幅導体
Ｐ，Ｃ，Ｎ：電源端子
Ｕ，Ｖ，Ｗ：交流出力端子
Ａ，Ｂ：端子
ＣＬ_Ｃ：正負アーム中間線
ＣＬ_Ｕ：Ｕ相中心線
ＣＬ_Ｖ：Ｖ相中心線
ＣＬ_Ｗ：Ｗ相中心線
Ｃｕｔ１，Ｃｕｔ２：切り欠き部

Claims (6)

1. 複数相の３レベル変換回路と、これらの３レベル変換回路に対応して設けられた複数のフィルタコンデンサとを備え、
   前記３レベル変換回路を構成するスイッチング素子及び結合ダイオード素子を全相共通の冷却体受熱部に装着し、導体相互間に絶縁板を挟んで形成した積層配線部により前記各素子の端子間を接続すると共に、前記積層配線部に近接して配置された前記フィルタコンデンサを前記３レベル変換回路の直流端子に接続してなる３レベル電力変換装置において、
   各相の前記フィルタコンデンサを正アーム側及び負アーム側に分けて配置し、各アーム側において、各フィルタコンデンサの同一極性の端子同士を前記直流端子に接続するための２個の平板導体を、絶縁板を挟んで積層して配置したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
2. 請求項１に記載した３レベル電力変換装置において、
   前記積層配線部は、正側アームと負側アームとの間で前記各素子とは反対側に突出した凸部を備え、この凸部の表面に前記３レベル変換回路の各相直流端子が、裏面には交流端子が、正側アームと負側アームとの中間線上の特定点を中心として対称の位置に配置され、前記各相直流端子をそれぞれ対応する前記平板導体に接続したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２に記載した３レベル電力変換装置において、
   正アーム側及び負アーム側の前記平板導体並びに前記絶縁板が、同一形状、同一構造であることを特徴とする３レベル電力変換装置。
4. 請求項２または請求項３に記載した３レベル電力変換装置において、
   前記平板導体に、ある相の直流端子から他相のフィルタコンデンサの端子に流れる分流電流を低減させるための切り欠き部を設けたことを特徴とする３レベル電力変換装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載した３レベル電力変換装置において、
   フィルタコンデンサが各アーム当たり１個で構成される場合に、各フィルタコンデンサの両極端子の配列方向を、前記積層配線部の表面に対して平行にしたことを特徴とする３レベル電力変換装置。
6. 請求項１〜４の何れか１項に記載した３レベル電力変換装置において、
   フィルタコンデンサが各アーム当たり複数個のコンデンサユニットにて構成される場合に、各コンデンサユニットの両極端子の配列方向を、前記積層配線部の表面に対して垂直にしたことを特徴とする３レベル電力変換装置。

Images