JP2010259139A - 絶縁ブスバー及びこれを使用した電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高絶縁性能を容易に確保することができる例えば１０００ボルトを超える高電圧、大容量の電力変換装置に使用するブスバーを提供する。
【解決手段】高圧、大容量の電力変換装置に使用するブスバー２１，２２であって、金属製導電部２９，３０の少なくとも部分放電発生部位に部分放電耐圧を有する樹脂層３１，３２を形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、高圧、大容量の電力変換装置に適用する絶縁ブスバー及びこれを使用した電力変換装置に関する。

近年、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に代表されるようなパワー半導体素子の耐圧が上がり、従来のサイリスタなどで構成されていた高圧、大容量の電力変換装置にもＩＧＢＴが使用されるようになってきた。ＩＧＢＴはその優れたスイッチング特性、すなわち、低オン抵抗、サブマイクロ秒のターンオン、ターンオフにより、高効率な電力変換装置を提供することが可能である。

しかしながら、その優れたターンオフ、ターンオン特性ゆえに電流流路のリアクタンスＬにより発生するサージ電圧が大きくなってしまい、結果としてパワー半導体素子の性能を最大限に使うことができないといった問題が生じてしまう。
かなり大まかに考えれば、金属のリアクタンスＬは１００ｍｍで１００ｎＨといった値となる。しかしながら、高圧、大容量の電力変換装置では、キャパシタンスやパワー半導体素子といったもののサイズがその耐圧のために大きくなってしまい、スタックでも容易に１ｍサイズを超えてしまう。

したがって、全体のリアクタンスＬとしては容易に１０００ｎＨオーダーとなってしまう。１００ｎＨ程度でも４０００Ｖクラスの高圧電力変換装置ではターンオフ時に電流経路のリアクタンスＬにより１ｋＶ程度のサージ電圧が発生してしまう。これが１０００ｎＨとなってしまっては半導体素子の耐圧の略全てをサージ電圧のために割いてしまい、電力変換装置として成り立たなくなってしまう。

そこで、通常は、図６に示すように、パワー半導体素子１００に正極ブスバー１０１及び負極ブスバー１０２を接続する場合を考えると、例えばパワー半導体素子１００の端子部１００ａに負極ブスバー１０２を接続する際に、負極ブスバー１０２に電気的に接続された接続端子１０３を使用して接続することになるが、この負極ブスバー１０２に絶縁板１０４を介して正極ブスバー１０１を積層し、電流の往復を考えて正極ブスバー１０１及び負極ブスバー１０２間を狭くして相互インダクタンスによってリアクタンスＬ分を相殺することにより、１ｍサイズのスタックでも電流経路のインダクタンスＬを１００ｎＨオーダーにする工夫がなされている。このとき、正極ブスバー１０１には接続端子１０３を挿通する挿通孔１０５が形成されている。

しかしながら、正極ブスバー１０１及び負極ブスバー１０２間を接近させるということはその分、絶縁として厳しい方向に行く。数百Ｖ程度の電力変換装置ではそれでも大きな問題とならないが、本願が対象としているような数千Ｖの高圧、大容量の電力変換装置では正極ブスバー１０１及び負極ブスバー１０２間の絶縁が大きな問題となる。
１０００Ｖを超えるような電圧では、電極が空気に露出しているとその端部に電界強調が発生し、部分放電が発生してしまうといった未解決の課題がある。特に、図６で拡大図示すように、正極ブスバー１０１の接続端子１０４と対向する対向面に製造時のプレス成型等によって形成されるバリ１０６が存在すると、このバリ１０６で部分放電を発生することになる。

一般的な絶縁物の絶縁耐圧は１０ｋＶ／ｍｍを超えているが、電極端部の部分放電によりその良好な絶縁性を十分に活用できないといった問題がある。
この問題点を解決するため、インバータ制御を採用した高電圧の電気機器やオーディオ、コンピュータディスプレイ、モニターテレビ等の高周波電圧を用いる電気機器に使用される平角状電線の絶縁構造として、特許文献１に記載されているように、断面平角状の導体と、その外周に形成された半導電層とで平角状電線を構成し、半導電層において、コーナー部の膜厚Ａと平坦部の膜厚ＢとがＡ≧０．６×Ｂの関係を満たすようにしたものが知られている。

特開２００８−４１５６８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、あくまでも電線に対する絶縁対策を目的として、平角状の導体の外周に半導電層を形成するものであり、過大なサージ電圧が発生したときのコロナ放電や高周波電圧を印加することにより発生するコロナ放電を抑制するができるが、この効果を発揮することができる電圧としては数百ボルトが限界であり、これ以上の高電圧に対処可能なブスバーを作成することはできないという未解決の課題がある。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、高絶縁性能を容易に確保することができる例えば１０００ボルトを超える高電圧、大容量の電力変換装置に使用するブスバーを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係るブスバーは、高圧、大容量の電力変換装置に使用するブスバーであって、金属製導電部の少なくとも部分放電発生部位に部分放電抑制樹脂層を形成したことを特徴としている。
この構成によると、金属製の導体の少なくとも部分放電を発生する部位に例えば導電性フィラー、高抵抗フィラー等を含有する部分放電抑制樹脂層を形成することにより、放電開始電圧及び放電消滅電圧を樹脂層を設けない場合の１．５〜２倍程度上昇させることができると共に、数千ボルトの耐圧をもったブスバーを低コストで生産することができるという効果が得られる。

また、請求項２に係るブスバーは、高圧、大容量の電力変換装置に使用するブスバーであって、金属製導電部の周囲に部分放電抑制樹脂層を形成し、該樹脂層を絶縁樹脂材で覆うようにしたことを特徴としている。
この構成によると、金属性導電部の周囲に部分放電抑制樹脂層を形成し、この樹脂層をさらに絶縁樹脂材で覆うようにしたので、より高耐圧のブスバーを提供することができる。

また、請求項３に係るブスバーは、正極ブスバーと負極ブスバーとを絶縁板を介して積層して形成されたブスバーであって、前記絶縁板の前記正極ブスバー及び前記負極ブスバーとの対向面に部分放電抑制樹脂層を形成したことを特徴としている。
この構成によると、絶縁板の正極ブスバー及び負極ブスバーとの対向面に部分放電抑制樹脂層を形成したので、正極ブスバー及び負極ブスバーと絶縁板との間の耐圧を上昇させたブスバーを提供することができる。

また、請求項４に係るブスバーは、請求項１乃至３の何れか１項に係る発明において、前記部分放電抑制樹脂層は、導電性フィラー及び高抵抗性フィラーの何れか一方を合成樹脂材に混入して形成されていることを特徴としている。
この構成によると、導電性フィラー又は高抵抗性フィラーを合成樹脂材に混入して樹脂層を形成するので、導電性又は高抵抗性を有する樹脂層を容易に形成することができる。

さらに、請求項５に係るブスバーは、請求項１乃至４の何れか１項に係る発明において、前記電力変換装置は、直流入力電圧が千ボルト以上であることを特徴としている。
この請求項５に係る発明は、千ボルト以上の直流入力電圧の電力変換装置に適用して高耐圧を発揮することができる。

本発明によれば、例えば１０００ボルト以上の高電圧を使用する電力変換装置に適用することができる部分放電開始、消滅電圧を例えば１．５〜２．０倍程度上昇させたブスバーを容易に製造することができるという効果が得られる。

本発明を適用し得る高電圧、大容量電力変換装置を示す回路図である。 本発明によるブスバーの第１の実施形態を示す断面図である。 本発明によるブスバーの第２の実施形態を示す断面図である。 本発明によるブスバーの第３の実施形態を示す断面図である。 本発明によるブスバーの第４の実施形態を示す断面図である。 従来のブスバーをその要部を拡大して示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明を適用し得る高電圧、大容量の電力変換装置を示す回路であって、正極ラインＰ及び負極ラインＮ間に３列のスイッチングアームＳＡ１〜ＳＡ３が並列に接続されている。これらスイッチングアームＳＡ１〜ＳＡ３の夫々は、２つの直列に接続されたスイッチング素子としてのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１１及び１２と、これらＩＧＢＴ１１及び１２に逆並列に接続されたダイオードＤ１１及びＤ１２とで構成されている。そして、ＩＧＢＴ１１のコレクタが正極ラインＰに接続され、エミッタがＩＧＢＴ１２のコレクタに接続され、ＩＧＢＴ１２のエミッタが負極ラインＮに接続され、さらにＩＧＢＴ１１及び１２の接続点が高電圧負荷１３に接続されている。

そして、正極ラインＰ及び負極ラインＮを構成する正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２は、電流の往復を考慮して相互リアクタンスによりリアクタンスＬ成分を相殺するように、図２に示すように絶縁板２３を挟んで上下に積層されて積層ブスバー２４が形成されている。
この積層ブスバー２４の例えば負極ブスバー２２をＩＧＢＴ１２のエミッタ端子に接続する場合には、図２に示すように、負極ブスバー２２に貫通孔２５を形成すると共に、絶縁板２３に貫通孔２５より僅かに大きな貫通孔２６を形成し、さらに貫通孔２６に対向する正極ブスバー２１に貫通孔２６より大きな径の開口２７を形成する。

そして、積層ブスバー２４の貫通孔２５、２６及び開口２７内に逆Ｔ字形の接続端子２８を下側から嵌挿する。この接続端子２８には中心部に固定ねじ３５を挿通する挿通孔２８ａが形成されている。
この接続端子２８の下端の端子部２８ｂをＩＧＢＴ１２のエミッタ端子１２ａに接触させた状態で、挿通孔２８ａ内に固定ねじ３５を挿通して固定ねじ３５をエミッタ端子１２ａに形成した雌ねじに螺合させることにより、接続端子２８をエミッタ端子１２ａに固定する。

ここで、正極ブスバー２１は例えば平角状の金属製導電部２９の部分放電発生部位となる絶縁板２３とは反対側の上面及び開口２７の内周面には部分放電抑制樹脂層としての導電性を有する樹脂層３１が形成されている。同様に、負極ブスバー２２は例えば平角状の金属製導電部３０の部分放電発生部位となる絶縁板２３とは反対側の下面には部分放電抑制樹脂層としての導電性の樹脂層３２が形成されている。

ここで、樹脂層３１及び３２は、エボキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂などの熱硬化樹脂材に銀などの導電性フィラー又はカーボンなどの高抵抗性フィラーを混入させて含有する溶剤に、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２をディッピングすることにより、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２の部分放電発生部位に溶剤を付着させ、その後加熱することにより、導電性樹脂層又は高抵抗樹脂層を成形する。このとき、ディッピングのむらや導電部のプレス加工時のバリなどの影響を低減させるために、上記ディッピング及び加熱処理を３回程度繰り返して行い、樹脂層の厚さを０．１ｍｍ以上とすることが望ましい。なお、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２における樹脂層３１及び３２を形成する必要が無い面については予め離型剤を塗布して溶剤が付着しないようにしたり、マスキング処理を行なう。

このように、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２に導電性又は高抵抗の樹脂層３１及び３２を形成することより、金属のプレス加工などと異なり、バリが発生する可能性は殆ど無いので、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２の端部における部分放電開始電圧及び部分放電消滅電圧を、樹脂層３１及び３２が無い場合の１．５〜２倍程度に上昇させることが可能となり、部分放電抑制効果を発揮することができる。

したがって、後述するように正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２を個別に絶縁部材で覆って積層する積層ラミネート構造を採用することなく、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２間に絶縁板２３を介挿して積層した簡単な構成で数千ボルトの耐圧を持ったブスバーを容易に製造することができる。しかも、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２への樹脂層３１及び３２の形成をディッピング及び加熱処理によって行うことにより、低コストで数千ボルトの耐圧を持ったブスバーを容易に製造することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図３について説明する。
この第２の実施形態では、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２に導電性の樹脂層を形成する場合に代えて、絶縁板２３に樹脂層を形成するようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、絶縁板２３の正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２に対向する上下面に夫々上述した第１の実施形態と同様の方法で部分放電抑制樹脂層としての高導電性樹脂層又は高抵抗性樹脂層でなる導電性を有する樹脂層４１及び４２を形成したことを除いては前述した第１の実施形態と同様の構成を有し、図２との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。この場合、樹脂層４１及び４２は、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２の周囲よりも外方に突出する領域まで形成する。また、樹脂層４１及び４２の厚さはディッピングのむらや導電部のバリなどの影響を低減させるために０．１ｍｍ以上が望ましい。この場合も、高抵抗樹脂層５１を形成しない領域には離型剤を塗布したり、マスキング処理を行ない、高抵抗樹脂層５１が付着しないようにする。

この第２の実施形態によると、絶縁板２３と正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２との間に導電性樹脂層又は高抵抗樹脂層でなる樹脂層４１及び４２が形成されているので、上述した第１の実施形態と同様に、部分放電開始電圧、部分放電消滅電圧を、樹脂層４１及び４２を形成し無い場合に比較して１．５〜２倍程度上昇させることが可能となる。
しかも、絶縁板２３のみに樹脂層４１及び４２を形成するだけで良いので、絶縁板２３に対する一回のディッピング及び加熱処理で樹脂層４１及び４２を形成することでき、樹脂層形成処理を簡略化することができる。

次に、本発明の第３の実施形態を図４について説明する。
この第３の実施形態では、積層ブスバー２４を形成した状態で、ディッピングによって正極ブスバー及び負極ブスバーに高抵抗の樹脂層を形成するようにしたものである。
すなわち、第３の実施形態では、図４に示すように、積層ブスバー２４に接続端子２８を装着した状態で、全体を、カーボンなどの高抵抗性フィラーを混入した熱硬化樹脂材の溶剤中にディッピングしてから加熱処理することにより、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２の露出面の全体に高抵抗樹脂層５１を形成することを除いては、前述した第１及び第２の実施形態と同様の構成を有し、図２及び図３との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。この場合も、高抵抗樹脂層５１を形成しない領域には離型剤を塗布したり、マスキング処理を行ない、高抵抗樹脂層５１が付着しないようにする。

この第３の実施形態では、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２が高抵抗樹脂層５１で覆われることになるので、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２間の短絡を防止するために、高抵抗樹脂層５１の抵抗率が重要となる。このため、表面抵抗として、１０⁸〜１０⁹Ω／ｍ²、体積抵抗率として１０⁹〜１０¹⁰Ω・ｍ程度に設定することが好ましい。これらの範囲内であれば、高抵抗樹脂層５１の抵抗値が絶縁板２３と比較して十分に低く、金属製導電部２９及び３０と高抵抗樹脂層５１とが等電位と見做せ、且つ正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２間の抵抗値も十分に大きいので、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２間に電流が流れることを確実に阻止することができる。なお、高抵抗フィラーとしてカーボンフィラーを使用すると、目標とする抵抗率にするためには熱硬化樹脂に対する含有率は概ね５〜１０％程度である。

このように、第３の実施形態によると、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２が高抵抗樹脂層５１で覆われているので、前述した第１及び第２の実施形態と同様に、高抵抗樹脂層５１が無い場合に比較して部分放電開始電圧及び部分放電消滅電圧を１．５〜２倍程度上昇させることが可能となる。しかも、高抵抗樹脂層５１の表面抵抗が１０⁸〜１０⁹Ω／ｍ²、体積抵抗率が１０⁹〜１０¹⁰Ω・ｍ程度に設定されていることにより、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２間が高抵抗樹脂層５１で連結されていても、両者間に電流が流れることを阻止することができる。

また、この第３の実施形態では、接続端子２８を連結した積層ブスバー２４の全体をディッピングするので、ディッピング工程が前述した第２の実施形態と同様に１回で済むことから製造工程を簡略化することができる。
次に、本発明の第５の実施形態を図５について説明する。
この第４の実施形態においては、絶縁板２３を省略して、積層ラミネートブスバーを形成するようにしたものである。

すなわち、第４の実施形態では、図５に示すように、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２を構成する金属製導電部２９及び３０の全周に前述した第１及び第２の実施形態と同様の部分放電抑制樹脂層としての高導電性樹脂層又は高抵抗性樹脂層でなる導電性を有する樹脂層６１及び６２をディッピング及び加熱処理によって形成し、これら樹脂層６１の周囲を覆うように絶縁樹脂材６３及び６４をラミネート処理して正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２を形成し、形成した正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２を積層して、積層ラミネートブスバー６５が形成されている。

この第４の実施形態によると、正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２が平角状の金属性導電部２９及び３０の周囲に高導電性樹脂層又は高抵抗性樹脂層でなる導電性を有する樹脂層６１及び６２を形成し、これら樹脂層６１及び６２を覆うように絶縁樹脂材が射出成形されているので、樹脂層６１及び６２によって部分放電開始電圧及び部分放電消滅電圧を樹脂層６１及び６２が無い場合の１．５〜２倍に上昇することができる。しかも、これら樹脂層６１及び６２を覆うように絶縁樹脂材６３及び６４が射出成形されて正極ブスバー２１及び負極ブスバー２２が形成されているので、絶縁樹脂材６３及び６４によってより高電圧、大容量の電力変換装置に適用することが可能となる。

すなわち、樹脂層６１及び６２を省略した状態の積層ラミネートブスバーでは、部分放電開始電圧及び部分放電消滅電圧が５ｋＶ程度であるが、これに樹脂層６１及び６２を形成することにより、部分放電開始電圧及び部分放電消滅電圧を倍の１０ｋＶ程度まで上昇させることが可能となり、電力変換装置の更なる高電圧化にも対応することが可能となる。

なお、上記第４の実施形態においては、樹脂層６１及び６２をディッピングによって塗布して加熱することにより形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、絶縁樹脂６３及び６４のラミネート時に最初の積層に使用するプリプレグに銀やカーボンなどの導電性又は高抵抗のフィラーを混合させて樹脂層６１及び６２を形成するようにしてもよい。この場合には、プリプレグに導電性又は高抵抗のフィラーを混合させるので、厚さが０．１ｍｍ以上の導電性樹脂層又は高抵抗樹脂層を容易に成形することができる。

ＳＡ１〜ＳＡ３…スイッチングアーム、１１，１２…ＩＧＢＴ、１３…高電圧負荷、２１…正極ブスバー、２２…負極ブスバー、２３…絶縁板、２４…積層ブスバー、２８…接続端子、２９，３０…金属性導電部、３１，３２，４１，４２…樹脂層、５１…高抵抗樹脂層、６１，６２…樹脂層、６３，６４…絶縁材

Claims (5)

1. 高圧、大容量の電力変換装置に使用するブスバーであって、
   金属製導電部の少なくとも部分放電発生部位に部分放電抑制樹脂層を形成したことを特徴とするブスバー。
2. 高圧、大容量の電力変換装置に使用するブスバーであって、
   金属製導電部の周囲に部分放電抑制樹脂層を形成し、該部分放電抑制樹脂層を絶縁樹脂材で覆うようにしたことを特徴とするブスバー。
3. 正極ブスバーと負極ブスバーとを絶縁板を介して積層して形成されたブスバーであって、
   前記絶縁板の前記正極ブスバー及び前記負極ブスバーとの対向面に部分放電抑制樹脂層を形成したことを特徴とするブスバー。
4. 前記部分放電抑制樹脂層は、導電性フィラー及び高抵抗性フィラーの何れか一方を合成樹脂材に混入して形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のブスバー。
5. 前記電力変換装置は、直流入力電圧が千ボルト以上であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のブスバー。

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