JP2011258848A

JP2011258848A - コンデンサ

Info

Publication number: JP2011258848A
Application number: JP2010133505A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Kominami; 勉小南; Hideki Ayano; 秀樹綾野; Masamitsu Kunihiro; 真実国広; Katsumi Ishikawa; 勝美石川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2011-12-22

Abstract

【課題】コンデンサ装置の低インダクタンス化を実現すること、および各コンデンサ素子に流れる電流の分布を均一化することを目的とする。
【解決手段】第１のコンデンサ素子と第１のコンデンサ素子と極性を対向させ配置した第２のコンデンサ素子を有し、第１のコンデンサ素子の正極に接続する導体と第２のコンデンサ素子の負極に接続する導体を接近配置し、第１のコンデンサ素子の負極に接続する導体と第２のコンデンサ素子の正極に接続する導体を接近配置し、各導体をケース外部へ引き出すことにより、外部回路との接続端子とする。
【選択図】図１

Description

本発明は複数のコンデンサ素子を導体で接続したコンデンサ装置に関する。

高耐圧・大容量の電力変換器などに用いられるコンデンサ装置は、コンデンサ装置内部にて複数のコンデンサ素子を導体により直列および並列接続していた。このとき、複数のコンデンサ素子を導体にて接続するため、コンデンサ装置と外部回路との接続端子から見て手前に接続されたコンデンサ素子と、離れた位置に接続されたコンデンサ素子では、コンデンサ装置の外部回路接続端子と各コンデンサ素子端子間のインダクタンスに差異が生じるため、特に高周波領域では電流分布が均一となっておらず、コンデンサ装置のインダクタンスが大きくなっていた。また、インダクタンスに差異が存在するため、コンデンサ装置の外部回路接続端子から見た手前のコンデンサ素子に電流の高周波成分が集中し、外部回路接続端子から離れた位置に接続されたコンデンサ素子に対し発熱が大きくなる。ヒートサイクルはコンデンサの寿命を決める一因であり、コンデンサ装置の寿命を決める場合、最も条件の厳しい手前のコンデンサ素子に依存していた。

従来技術の特許文献には、正極および負極導体を接近配置させることにより互いの導体が作る磁束を相殺することにより低インダクタンス化を図り、各コンデンサ素子の電流分布均一化を行っているが、導体が接近配置されていない箇所があるため、低インダクタンス化・電流分布均一化に限界があった。また、あるコンデンサ素子の正極と、これに隣接するコンデンサ素子の負極が全て接近配置されるため、コンデンサ素子電極の沿面距離を確保する必要があり、高耐圧かつ大電流が必要なコンデンサ素子では小型化に限界があった。

特開２００５−９３５１６号公報特開平９−３０８２６７号公報

従来技術では図１２において、電流経路対向部３９ではブスバーに流れる電流方向が対向しており、インダクタンスの低減に効果があるが、電流経路非対向部４０が存在し、この部分においてインダクタンスの低減ができていない。

図１３に従来技術のもう一つの例を示す。図１３において、切欠きの入った正極および負極導体を、切欠きが交互となるよう接近配置し、隣接するコンデンサ素子の正極および負極が対向するようコンデンサ素子を接続している。これにより正極および負極導体の電流経路が対向すること、およびコンデンサ素子に流れる電流経路が対向することによるインダクタンス低減を実現している。しかし図１３において、隣り合うコンデンサ素子４３とコンデンサ素子４４は異なる電位の電極が接近しており、高耐圧かつ大電流の用途において大きな沿面距離を確保する必要があり、小型化には向かない。また、コンデンサ素子単体の静電容量を大きくし、コンデンサ装置を大静電容量化する場合、コンデンサ素子の径を大きくする、または高さを伸ばす必要がある。径を大きくした場合、電流経路が対向していないコンデンサ素子の電極から、正極または負極導体までの距離が伸びるためインダクタンスが増大する。また、コンデンサ素子の高さを伸ばした場合、コンデンサ素子の高さ分だけ必要となる導体が増えるため、コンデンサ装置が重くなる。

本発明は上記の欠点を改善するために提案されたもので、その目的は、コンデンサ装置内部における正極・負極ブスバーの電流経路を全て対向させることによる、コンデンサ装置全体の低インダクタンス化およびコンデンサ装置内部ブスバーの低インダクタンス化による各コンデンサ素子に流れる電流分布の均一化を図ることにある。また、コンデンサ素子の異なる電位の電極が接近する箇所を少なくすることによるコンデンサ装置の小型化を図ることにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、コンデンサ素子を収納するケースと、上面と底面に正極または負極を有する２つのコンデンサと、各コンデンサ素子の電極を接続する導体と、各コンデンサ素子および導体の絶縁を確保するための絶縁物と、各コンデンサ素子および導体を支持する構造物と、ケース外部に正極端子、および負極端子を有するコンデンサ装置において、第１のコンデンサ素子と第１のコンデンサ素子と極性を対向させ配置した第２のコンデンサ素子を有し、第１のコンデンサ素子の正極に接続する導体と第２のコンデンサ素子の負極に接続する導体を接近配置し、第１のコンデンサ素子の負極に接続する導体と第２のコンデンサ素子の正極に接続する導体を接近配置し、各導体をケース外部へ引き出すことにより、外部回路との接続端子とすることを特徴とするコンデンサ装置を発明の要旨とするものである。

本発明によって、複数のコンデンサ素子を並列接続することにより大静電容量を実現するコンデンサ装置において、コンデンサ装置全体の低インダクタンス化および内部コンデンサ素子に流れる電流分布を均一化することが可能となる。

本発明のコンデンサ装置、第１の実施例を示す。本発明のコンデンサ装置、第２の実施例を示す。コンデンサ素子間および導体間の絶縁物挿入例を示す。コンデンサ素子間および導体間の絶縁物挿入例を示す。コンデンサ素子間および導体間の絶縁物挿入例を示す。第１および第２の実施例に示すコンデンサ装置と外部回路の接続端子構造を示す。コンデンサ素子の支持方法例を示す。コンデンサ素子と導体の接続例を示す。本発明の第３の実施例を示す。第３の実施例に示すコンデンサ装置とスイッチング素子との接続例を示す。第３の実施例に示すコンデンサ装置とスイッチング素子との接続例を示す。従来例を示す。従来例を示す。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例について説明する。図１は本発明の第１の実施例を示す。図において、１はケース、２は第１のコンデンサ素子、３は第２のコンデンサ素子、４は正極端子および各コンデンサ素子の正極に接続された導体、５は負極端子および各コンデンサ素子の負極に接続された導体、６は各コンデンサ素子および導体間の絶縁を確保するための絶縁物である。図１の様に、第１のコンデンサ素子と第２のコンデンサ素子を配置し、上下から正極導体と負極導体を接近配置した構成で導体を接続することにより、正極および負極導体に流れる電流経路が対向するため、インダクタンスの低減が可能となる。これにより、コンデンサ装置の外部回路と接続するための入出力端子から各コンデンサ素子端子までのインダクタンスの差が小さくなり、各コンデンサに流れる電流が均一となる。

図２は本発明の第２の実施例を示す。図２において、７は第１のコンデンサ素子群、８は第２のコンデンサ素子群、９は各コンデンサ素子群の正極端子に接続される正極導体、１０は各コンデンサ素子群の負極端子に接続される負極導体、１１は各導体を接近配置したものである。図２に示す様に、各導体の電流経路が対向することにより、低インダクタンス化を図る。コンデンサ素子間の沿面距離は、第１のコンデンサ素子群７と第２のコンデンサ素子群８間のみ考慮すればよく、各コンデンサ素子群内のコンデンサ素子間においては考慮する必要がない。

第１〜２の実施例に記載のコンデンサ装置において、各コンデンサ素子に流れる電流分布が均一化するため、各コンデンサ素子の温度変化が均一化する。これによりヒートサイクルによって決まる各コンデンサ素子の寿命を均一化する。

図３は第１〜２の実施例に記載のコンデンサ装置において、各導体間の絶縁を確保するための絶縁物１５と、各コンデンサ素子または素子群１２間の沿面距離を確保するための絶縁物１６の挿入位置の一例を示したものである。絶縁距離および沿面距離は、コンデンサ装置の電流・電圧定格による所定の距離を確保する。

図４は第１〜２の実施例に記載のコンデンサ装置において、コンデンサ素子または素子群１２の配置を変更したものの一例を示したものである。この例において、隣り合うコンデンサユニット１７間の極性が対向しているため、コンデンサユニット１７間の沿面距離を確保するための絶縁物１８を挿入する。

図５は第１〜２の実施例に記載のコンデンサ装置において、図４に示すコンデンサユニット配置を変更したものの一例を示したものである。この例において、隣り合うコンデンサユニット１７間の極性は一致しており、コンデンサユニット１７間の沿面距離を考慮する必要はない。

図６は第１〜２の実施例に記載のコンデンサ装置において、コンデンサ装置外部回路との接続のための入出力端子取り出し方法の一例を示したものである。外部回路との接続端子２１を備えた、正極取り出し端子１９および負極取り出し端子を各コンデンサ素子に接続された導体と接続する。

図７は第１〜２の実施例に記載のコンデンサ装置において、コンデンサ素子２２の支持方法の一例を示したものである。コンデンサ素子２２を複数使用する場合は、支持部材２３によりコンデンサ素子２２を束ね、支持する。なお、使用するコンデンサ素子２２全てを一括して支持部材２３により支持せず、いくつかに分けて支持してもよい。また、支持部材は各コンデンサ素子間，各導体間に存在する絶縁物によって兼ねてもよい。

図８は第１〜２の実施例に記載のコンデンサ装置において、コンデンサ素子２２と導体２４の接続方法の一例を示したものである。コンデンサ素子２２と導体２４は、接続部２５により接続され、コンデンサ素子２２の電極形状により、半田，ねじ止め，コネクタ等による接続が考えられる。

図９は本発明の第３の実施例を示す。第１〜２の実施例に示したコンデンサ装置を直流平滑コンデンサ２６に用いた半導体電力変換器において、半導体スイッチを導通させた際、直流平滑コンデンサ２６・半導体電力変換器２７・負荷２８および各要素を接続する導体で構成される電流経路での総インダクタンスは、コンデンサ装置が低インダクタンスとなることにより小さくなる。電流経路が低インダクタンスとなるため、半導体スイッチを高速でスイッチングし、スイッチング損失を低減する場合において電圧跳ね上がりが小さくすることが可能である。これにより半導体電力変換器の冷却機構を簡素化することができる。

図１０および図１１は第３の実施例において、直流平滑コンデンサと半導体電力変換器との接続例を示したものである。

本発明は両端面に電極を持つコンデンサ素子を複数並列接続し、所望の静電容量を実現するコンデンサ装置に関するものである。特に、高耐圧大容量を必要とする自動車，鉄道車両や自然エネルギーなどの変換器におけるフィルタコンデンサに適用可能である。

１ケース
２第１のコンデンサ
３第２のコンデンサ
４正極端子
５負極端子
６，１５，１６，１８絶縁物
７第１のコンデンサ素子群
８第２のコンデンサ素子群
９，１３，３３，３７，４１正極導体
１０，１４，３４，３８，４２負極導体
１１正極導体と負極導体を組み合わせ導体
１２コンデンサ素子または素子群
１７コンデンサユニット
１９正極取り出し端子
２０負極取り出し端子
２１外部回路との接続端子
２２，４３，４４コンデンサ素子
２３支持部材
２４導体
２５接続部
２６直流平滑コンデンサ
２７半導体電力変換器
２８負荷
２９直流電源
３０直流平滑リアクトル
３１ＩＧＢＴモジュール
３２ベース
３５出力導体
３６コンデンサ装置
３９電流経路対向部
４０電流経路非対向部

Claims

コンデンサ素子を収納するケースと、上面と底面に正極または負極を有する２つのコンデンサ素子と、各コンデンサ素子の電極を接続する導体と、各コンデンサ素子および導体の絶縁を確保するための絶縁物と、各コンデンサ素子の支持部材と、ケース外部に正極端子、および負極端子を有するコンデンサ装置において、第１のコンデンサ素子と第１のコンデンサ素子と極性を対向させ配置した第２のコンデンサ素子を有し、第１のコンデンサ素子の正極に接続する導体と第２のコンデンサ素子の負極に接続する導体を接近配置し、第１のコンデンサ素子の負極に接続する導体と第２のコンデンサ素子の正極に接続する導体を接近配置し、各導体をケース外部へ引き出すことにより、外部回路との接続端子とすることを特徴とするコンデンサ装置。
請求項１に記載のコンデンサ装置において、第１のコンデンサ素子を複数有する第１のコンデンサ素子群と、第２のコンデンサ素子を複数有する第２のコンデンサ素子群を有することを特徴とするコンデンサ装置。
請求項１または２に記載のコンデンサ装置において、第１のコンデンサ素子または素子群と第２のコンデンサ素子または素子群を接続する導体間に絶縁物を挿入し、所定の絶縁距離を確保し、導体をラミネートブスバーとすることを特徴とするコンデンサ装置。
請求項１または２または３に記載のコンデンサ装置において、第１のコンデンサ素子または素子群と第２のコンデンサ素子または素子群間の、電極間を所定の沿面距離を確保することを特徴とするコンデンサ装置。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のコンデンサ装置を搭載した電力変換装置。
請求項５に記載の電力変換装置において、コンデンサ装置を直流平滑コンデンサとして用い、スイッチング素子とラミネートブスバーで接続することを特徴とする電力変換装置。