JP2014011846A - 電力変換器の主回路構造 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換器の主回路構造として、幅広構造の平板導体はそれ自体の取付け固定部から導体端部までの幅が広くなることに伴い、導体端部（特にその角部）が振動の影響を最も受け振動に対して脆弱になるため、それを防ぐためには導体端部（角部）に振動抑制部品等を取り付ける必要があった。特に、鉄道車両等の車載用の電力変換器では、車両等の運行により発生する振動による影響は顕著で、そのため電力変換器の信頼性の面及び保守や部品点数の増加によるコスト面等に問題があった。
【解決手段】本発明は、上記課題を解決するために、電力変換器の主回路配線の半導体素子を接続する導体としてインダクタンス低減に概ね影響を及ぼさない平板導体を採用し、該平板導体はその角部を少なくとも１か所以上鈍角形状とする構造である。また、その鈍角形状の採用により元の角部形状から空いたスペース部分に、接地端子台、接地抵抗器等の部品を配置するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両用の電力変換器など電力変換器一般の実装構造、特に電力変換器の主回路構造に関する。

本発明が属する技術分野の背景技術として、特開２００７−４９８４８号公報（特許文献１）がある。この公報には、「半導体素子を接続する導体と直流電圧を平滑するコンデンサとの間のインダクタンスを低減し、取扱いが簡単な電力変換器の主回路構造を提供する。」（［要約］参照）と記載されている。

従来、電力変換器の配線は、細長い導体バーや電線が使用されることが一般的であり、このような構成では、配線のインダクタンスが大きいため、半導体素子をオン／オフした際の電流や電圧の跳ね上がりが大きいという問題があった。このため、半導体素子を保護するために大容量のスナバ回路等を接続する必要があり、装置の小型化、軽量化、低コスト化の障害となっていた。

ところで、配線のインダクタンスを低減するには、電流の経路である導体をできるだけ平らな板状の平板導体とし、かつ往路と復路の平板導体をできるだけ近接して配置する平行平板状にすれば良いことが知られている。これは、往路と復路がつくる磁束の変化が互いに相殺し、見かけ上の磁束の変化が概ね無くなるからであり、この原理を利用して、半導体素子のスイッチ動作時に問題となる転流インダクタンスを低減する技術が知られている。

また、電流の経路を妨げぬように上記平板導体を幅広構造にして、例えばこの平板導体を固定する部分から導体端部までの幅を広くした場合、導体端部、特に導体角部においては電流が集中しにくく、この導体角部がインダクタンスに対してほぼ影響を及ぼさないことが知られている。

特に電力変換器においては、半導体素子側の正側導体および負側導体を、直流平滑用コンデンサ側接続端子と平行になるよう折り曲げ、導体の幅を広く確保しながら、半導体素子側端子および直流平滑用コンデンサ側端子を接続可能とする構造が用いられている。

そしてまた、同様に背景技術として、特開２０００−６９７６６号公報（特許文献２）及び特開２０１１−１３５７６９号公報（特許文献３）がある。両者は共に、直流平滑用コンデンサとインバータ部分を接続する配線インダクタンスの低減を図るものであり、またその時に、平板上の導体の角部分は電流分布が少なく及ぼす影響が少ないことから、該角部分を削り取って丸みをつけた構造にする技術に関するものである。これにより、装置の小型化、軽量化を図るようにしたものである。

しかしながら、これらの技術は、インダクタンスを低減することや装置の小型軽量化には寄与するところ、一方で、平板導体は幅広構造であり、該平板導体自体を特定箇所で取付け固定することから、該固定部分から導体端部（中でも導体角部）までの幅（距離）が広くなってしまい、特に該固定部分から遠い導体角部はその幅（距離）が大きくなり振動に対して著しく弱くなることが懸念される。それを回避するために、導体端部（導体角部）に対し振動抑制部品を取り付ける等の対策が採られた。特に、鉄道車両等の車載用電力変換器にあっては、車両等の運行により発生する振動による影響は顕著であり、そのため電力変換器の信頼性の面及び保守や部品点数の増加によるコスト面等で問題となっていた。

また、幅広構造で導体幅が大きくなることにより、接地端子台の収納場所が作業者から離れた場所になるため、組立や保守等の取り扱いが困難となり、さらに、接地抵抗器等の部品をユニット内部に収納できないためにユニット外部に収納しなければならず、装置の小型化、軽量化、低コスト化の障害となっていた。

特開２００７−４９８４８号公報 特開２０００−６９７６６号公報 特開２０１１−１３５７６９号公報

上記背景技術で示した技術は、インダクタンスを低減することには寄与するが、一方で、平板導体を幅広構造としたことで該平板導体自体の取付け固定部から導体端部までの幅が広くなることに伴い、導体端部（中でも導体角部）が振動の影響を最も受け振動に対して著しく弱くなるため、それを防ぐためには導体端部（導体角部）に対し振動抑制部品等を取り付ける必要があった。特に、鉄道車両等の車載用電力変換器にあっては、車両等の運行により発生する振動による影響は顕著であり、そのため電力変換器の信頼性の面及び保守や部品点数の増加によるコスト面等で問題となっていた。

また、幅広構造で導体幅が大きくなることにより、接地端子台の収納場所が作業者から離れた場所になるため、組立や保守等の取り扱いが困難となり、さらに、接地抵抗器等の部品を変換器ユニットの内部に収納できないため、それらを変換器ユニットの外部に収納しなければならず、装置の小型化、軽量化、低コスト化の障害となっていた。

本発明は、上記課題を解決するために、電力変換器の主回路配線の半導体素子を接続する導体としてインダクタンス低減に概ね影響を及ぼさない平板導体を採用し、該平板導体はその角部を少なくとも１か所以上鈍角形状とする構造のものである。また、その鈍角形状とすることにより元の角部形状から空いたスペース部分に、接地端子台、接地抵抗器等の部品を配置するものである。

以上のとおり、本発明によれば、インダクタンス低減に概ね影響を及ぼすことなく、導体端部（中でも導体角部）の振動強度を向上させ、振動抑制部品を不要とすることにより、電力変換器の安定性、安全性等を高めその信頼性を向上させることができ、併せて、組立てや保守等の取扱いを容易にし振動抑制部品も不要となり、コストを削減することができる。

また、導体角部の鈍角形状により元の角部形状から空いたスペースに接地端子台、接地抵抗器等の部品を配置することにより、装置全体の小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる。

車両用電力変換器に搭載されるパワーユニットの構成図の例（平面図）である。 車両用電力変換器に搭載されるパワーユニットの構成図の例（正面図）である。 車両用電力変換器に搭載されるパワーユニットの構成図の例（右側面図）である。 鉄道車両の構成図の例である。 パワーユニットの主回路図の例である。 パワーユニットの主回路構成図の例（右側面図）である。 パワーユニットの主回路構成図の例（正面図）である。 パワーユニットの主回路構成図の例（平面図）である。 パワーユニットの正側導体図の例（正面図）である。 パワーユニットの負側導体図の例（正面図）である。 パワーユニットの交流側導体図の例（正面図）である。 パワーユニットの正側導体図の例（平面図）である。 パワーユニットの負側導体図の例（平面図）である。 パワーユニットの正側導体従来品の電流分布図の例（平面図）である。

車両用電力変換器を鉄道車両に取り付けた状態の一例を図４に示す。パワーユニットの平面図を図１、その正面図を図２、その右側面図を図３、パワーユニット主回路の回路図を図５、に示す。

図４に示されるように、車両用電力変換器１Ｂは車体１Ａの床下に取り付けられ、パワーユニット１Ｃはこの電力変換器１Ｂに内蔵されている。
上記パワーユニット１Ｃは、少なくとも１個の半導体素子１Ｐ、１Ｎ、平板導体３、４、５、少なくとも１個の直流平滑用コンデンサ２、冷却器８、絶縁端子台６、１０、接地抵抗器７、フレーム９で構成されている。平板導体３、４、５は、主回路インダクタンス低減のため、正側導体、負側導体、交流側導体を薄い平板幅広形状としたもので、パワーユニット内でそれぞれを接近させた構造としている。半導体素子１Ｐおよび１Ｎが、図示しない制御装置によってオンオフ制御され、正側導体３および負側導体４間から供給される直流の電流を交流に変換して、交流側導体５に出力する。

本発明が適用される電力変換器の主回路の構成を、図１〜３、５を用いて説明する。図５は、２レベルの電力変換器の直流平滑用コンデンサとインバータの１相分のスイッチ回路の構成を説明する図である。電力変換器の主回路は、ＩＧＢＴ（正側）１Ｐ、ＩＧＢＴ（負側）１Ｎ、直流平滑用コンデンサ２、正側導体３、負側導体４、交流側導体５から構成される。ＩＧＢＴ（正側）１ＰのコレクタＰＣは、正側導体３に接続され、直流平滑用コンデンサ２の正側端子ＣＰおよび入出力端子Ｐに接続される。ＩＧＢＴ（負側）１ＮのエミッタＮＥは、負側導体４に接続され、直流平滑用コンデンサ２の負側端子ＣＮおよび入出力端子Ｎに接続される。ＩＧＢＴ（正側）１ＰのエミッタＰＥとＩＧＢＴ（負側）１ＮのコレクタＮＣは交流側導体５および端子Ｍに接続される。接地抵抗器７は冷却器８および接地端子台６に接続される。

本発明は、少なくとも１個の半導体素子、少なくとも１個の直流電圧を平滑するコンデンサ、前記半導体素子の端子と前記コンデンサの端子間を接続し自らを特定箇所で取付け固定する少なくとも１枚の平板幅広形状を有する正側導体又は負側導体の少なくとも一方の平板導体、半導体素子の端子を交流側に接続する平板形状の交流側導体から構成され、正側導体および負側導体がそれぞれ半導体素子側部とコンデンサ側部で一体となる構造を有する電力変換器の主回路構造において、前記平板導体のうち少なくとも１枚が、前記自らを取付け固定する特定箇所から遠い方の少なくとも一方の角部を少なくとも１か所以上鈍角形状とする構造であることを特徴とする。ここで、鈍角形状を角丸めを有する形状としても何ら差し支えない。

また、本発明は、前記鈍角形状により元の角部形状から空いたスペースに、抵抗器、端子台等の部品を配置することを特徴とする。

本発明の実施の形態を図１〜３、５〜１３に基づいて説明する。図６は、本発明に関する電力変換器の主回路構造を示した側面図である。本発明に関する電力変換器の主回路の構造は、ＩＧＢＴ（正側）１ＰとＩＧＢＴ素子（負側）１Ｎと直流平滑用コンデンサ２とを、平板形状の正側導体３、負側導体４、交流側導体５を用いて接続して構成される。

ＩＧＢＴ（正側）１Ｐのエミッタ端子ＰＥは、ボルトＢ２により交流側導体５に接続される。ＩＧＢＴ（正側）１Ｐのコレクタ端子ＰＣは、ボルトＢ１により正側導体３に接続される。ＩＧＢＴ（負側）１Ｎのコレクタ端子ＮＣは、ボルトＢ３により交流側導体５に接続される。ＩＧＢＴ（負側）１Ｎのエミッタ端子ＮＥは、端子スペーサ１３を介してボルトＢ４により負側導体４に接続される。直流平滑用コンデンサ２の正側端子ＣＰは、ボルトＢ５により正側導体３に接続される。直流平滑用コンデンサ２の負側端子ＣＮは、ボルトＢ６により負側導体４に接続される。接地抵抗器７はボルトＢ７によりフレーム９に固定される（図１）。

正側導体３、負側導体４、交流側導体５は、それぞれ互いに平行に配置され、それぞれの導体同士は接近しかつ等間隔に配置される。

正側導体３には、隣接する導体との絶縁をとるための絶縁材１１が施される。負側導体４には、隣接する導体との絶縁をとるための絶縁材１２が施される。

ここで、正側導体３、負側導体４は途中で折り曲げることで、半導体接続部および直流平滑用コンデンサ２接続部でそれぞれ平行に配置している。また、正側導体３と負側導体４は、直流平滑用コンデンサ２接続側端部で各々９０°曲げにし、外部入出力端子Ｐ、Ｎとしている。交流側導体５は、端部を９０°曲げにし、外部入出力端子Ｍとしている。ＩＧＢＴ（正側）１Ｐのコレクタ端子をＰＣ、エミッタ端子をＰＥと称する。同様にＩＧＢＴ（負側）１Ｎのコレクタ端子をＮＣ、エミッタ端子をＮＥと称する。また、直流平滑用コンデンサ２の正側端子をＣＰ、負側端子をＣＮと称する。さらに、正側導体３の外部入出力端子をＰ、負側導体４の外部入出力端子をＮ、交流側導体５の外部入出力端子をＭと称する。

図７は図６の左側から見た正面図、図８は同じく図６の上方から見た平面図である。正側導体３は、ＩＧＢＴ（正側）１Ｐのコレクタ端子ＰＣと外部入出力端子Ｐ、直流平滑用コンデンサ２端子ＣＰをそれぞれ接続する。負側導体４は、ＩＧＢＴ（負側）１Ｎのエミッタ端子ＮＥと端子Ｎ、直流平滑用コンデンサ２端子ＣＮをそれぞれ接続する。交流側導体５は、ＩＧＢＴ（正側）１Ｐのエミッタ端子ＰＥとＩＧＢＴ（負側）１Ｎのコレクタ端子ＮＣおよび図示しない交流負荷を接続する。

図６〜８において、便宜上、半導体素子接続部においてはＩＧＢＴ（正側）１ＰおよびＩＧＢＴ（負側）１Ｎに近い方の導体を下層、遠い方を上層と称することにする。同じく、直流平滑用コンデンサ２接続部においては直流平滑用コンデンサ２に近い方の導体を下層、遠い方を上層と称することにする。

図６〜８の半導体素子接続部において、最下層に正側導体３を配置し、正側導体３をボルトＢ１にてＩＧＢＴ（正側）１Ｐのコレクタ端子ＰＣに接続する。ここで正側導体３には、絶縁材１１が外表面についており、負側導体４および交流側導体５との絶縁を確保している。ボルトＢ１は導体でできており、コレクタ端子ＰＣと正側導体３を電気的に接続する一方、機械的に支持する役目を果たす。

図６〜８の半導体接続部において、最下層に交流側導体５を配置し、交流側導体５をボルトＢ２にてＩＧＢＴ（正側）１Ｐのエミッタ端子ＰＥに、ボルトＢ３にてＩＧＢＴ（負側）１Ｎのコレクタ端子ＮＣに接続する一方、機械的に支持する役目を果たす。

図６〜８の半導体接続部において、交流側導体５と正側導体３の上層に負側導体４を配置し、負側導体４をボルトＢ４にて端子スペーサ１３を介してＩＧＢＴ（負側）１Ｎのエミッタ端子ＮＥに接続する。ここで、負側導体４には、絶縁材１２が外表面についており、正側導体３および交流側導体５との絶縁を確保している。ボルトＢ４と端子スペーサ１３は導体でできており、エミッタ端子ＮＥと負側導体４を電気的に接続する一方、機械的に支持する役目を果たす。

図７（正面図）と同じ方向から見た正側導体３の形状を、図９を用いて説明する。正側導体３は、上端部がＺ形状に折り曲げられた平板状の形状を有し、ＩＧＢＴ（正側）１Ｐのコレクタ端子ＰＣを接続するボルトＢ１のための穴Ｈ１を３か所、外部入出力端子Ｐを接続する図示しないボルトのための穴Ｈ２を有し、さらに上端で手前に折り曲げられた折り曲げ部Ｍ１、外部入出力端子Ｐを設けるための折り曲げ部Ｍ２が設けられている。

図７（正面図）と同じ方向から見た負側導体４の形状を、図１０を用いて説明する。負側導体４は、上端部がＺ形状に折り曲げられた平板状の形状を有し、ＩＧＢＴ（負側）１Ｎのエミッタ端子ＮＥを接続するボルトＢ４のための穴Ｈ３を３か所、外部入出力端子Ｎを接続する図示しないボルトのための穴Ｈ４を有し、さらに上端で手前に折り曲げられた折り曲げ部Ｍ３、外部入出力端子Ｎを設けるための折り曲げ部Ｍ４が設けられている。

図７（正面図）と同じ方向から見た交流側導体５の形状を、図１１を用いて説明する。交流側導体５は、上下端部がそれぞれＺ形状に折り曲げられた平板状の形状を有し、ＩＧＢＴ（正側）１Ｐのエミッタ端子ＰＥを接続するボルトＢ２のための穴Ｈ５を３か所、ＩＧＢＴ（負側）１Ｎのコレクタ端子ＮＣを接続するボルトＢ３のための穴Ｈ６を３か所有し、外部入出力端子Ｍを設けるため、手前に折り曲げられた曲げ部Ｍ５が設けられている。

図８（平面図）と同じ方向から見た正側導体３の形状を、図１２を用いて説明する。正側導体３は、上端部に奥方向に折り曲げられた曲げ部Ｍ６、下端部に手前方向に折り曲げられた曲げ部Ｍ７を有する平板形状であり、コンデンサ２の正側端子ＣＰを接続するボルトＢ５のための穴Ｈ７と、コンデンサ２の負側端子ＣＮのボルトＢ６を避ける穴Ｈ８を有している。また、正側導体３の左右手前側（図面上は左右下側）の角部をそれぞれ２か所ずつ鈍角形状としている。

図８（平面図）と同じ方向から見た負側導体４の形状を、図１３を用いて説明する。負側導体４は、上端部に奥方向に折り曲げられた曲げ部Ｍ８、下端部に手前方向に折り曲げられた曲げ部Ｍ９を有する平板状の形状を有しており、コンデンサ２の正側端子ＣＰを接続するボルトＢ５のための切り欠きＨ１１と、コンデンサ２の負側端子ＣＮを接続するボルトＢ６のための穴Ｈ１０を有している。また、負側導体４の左右手前側（図面上は左右下側）の角部をそれぞれ２か所ずつ鈍角形状としている。

また、図１０には図示しなかったが、負側導体４の平面図の形状においても、その左右下側の角部に適宜鈍角形状を設けることができる。

交流側導体５には図示しない負荷が接続され、一般には負荷は高インダクタンスを持っているが、この部分のインダクタンスは、半導体素子がスイッチングする際の転流には関わらないため、交流側導体５の端子部のインダクタンスを低減することはあまり意味がない。そのため、この部分の端子形状は、この部分を流れる電流による温度上昇にさしつかえがないこと、およびボルト接続にさしつかえがない範囲で任意に設定する。このような構成とすることにより、装置の限られた幅の中で、導体間の絶縁距離を確保した上で、転流に関連する正側および負側導体のインダクタンスを全体として低減することができる。

絶縁材１１、１２の支持方法としては、正側導体３、負側導体４に接着、もしくは適当な支持材により支持される。また、必要に応じて正側導体３、負側導体４なども他の支持物で支持されても良い。絶縁材１１、１２は、導体間隔が十分に広い場合、あるいは電圧が低い場合など、電気的絶縁距離が十分に取れる場合にはこれを省略しても良い。

本発明における正側導体について、その角部が直角形状の場合の電流分布（シミュレーションによる解析）を図１４に示す。電流が流れるルートは一般的に最短距離であり、端子から距離のある導体角部には電流は流れにくく、インダクタンスに対して概ね影響を及ぼさないことは、背景技術でも示したように公知である。したがって、このように電流が流れにくい導体角部を削除し鈍角形状としても、電流の経路を妨げることはなく、インダクタンスに対して概ね影響を及ぼすこともない。

そして、平板導体を固定する部位から最も離れた導体角部が振動に対して最も影響を受ける部分であるところ、このように導体角部を鈍角形状とすることにより、その振動強度を向上させることが可能となり、当該電力変換器の安定性、安全性等を高めその信頼性を向上させることができる。併せて、組立てや保守等の取扱いを容易にし振動抑制部品も不要となり、コストを削減することができる。特に、鉄道車両等の車載用電力変換器のような振動による影響が顕著なものにおいては、その効果は大きい。

併せて、導体角部の鈍角形状により元の角部形状から空いたスペースに、接地用端子、接地抵抗器などの部品を配置することが可能となるので、装置全体の小型化、軽量化、低コスト化に寄与するものでもある。

また、図６〜８に示す実施形態の電力変換器の構成、導体の順番、導体の形状、導体の数、端子部の形状等はいずれも一例であり、本発明がこの一例のみに縛られるものでないことは当業者に明らかである。そして、正側と負側の平板導体をそれぞれ平行に配置し、導体角部を１箇所以上鈍角形状とするという基本ルールを適用すれば、どのような主回路構成であっても、図６〜８に示す実施形態と同じ効果を得ることができる。そしてまた、図６〜８に示す実施形態は、２レベル電力変換器の１相分に相当するが、同じような構成を多レベル、あるいは多相の構成を有する電力変換器にも適用可能であることも当業者に明らかである。

１Ａ 鉄道車両車体部
１Ｂ 鉄道車両用電力変換器
１Ｃ 鉄道車両用電力変換器用パワーユニット
１Ｐ ＩＧＢＴ（正側導体接続側）
１Ｎ ＩＧＢＴ（負側導体接続側）
２ 直流平滑コンデンサ
３ 正側導体
４ 負側導体
５ 交流側導体
６ 接地端子台
７ 接地抵抗器
８ 冷却器
９ フレーム
１０ 交流側端子台
１１ 絶縁材（正側導体部）
１２ 絶縁材（負側導体部）
１３ ＩＧＢＴ接続部スペーサ（負側導体接続側）
Ｐ 正側入出力端子
Ｎ 負側入出力端子
Ｍ 交流側入出力端子
ＰＣ 正側ＩＧＢＴのコレクタ端子
ＰＥ 正側ＩＧＢＴのエミッタ端子
ＮＣ 負側ＩＧＢＴのコレクタ端子
ＮＥ 負側ＩＧＢＴのエミッタ端子
ＣＰ 直流平滑コンデンサ正側端子
ＣＮ 直流平滑コンデンサ負側端子
Ｂ１ 正側導体をＩＧＢＴに接続するためのボルト
Ｂ２ 交流側導体をＩＧＢＴに接続するためのボルト（正側ＩＧＢＴ）
Ｂ３ 交流側導体をＩＧＢＴに接続するためのボルト（負側ＩＧＢＴ）
Ｂ４ 負側導体をＩＧＢＴに接続するためのボルト
Ｂ５ 正側導体を直流平滑コンデンサに接続するためのボルト
Ｂ６ 負側導体を直流平滑コンデンサに接続するためのボルト
Ｂ７ 接地抵抗器を筺体に固定するためのボルト
Ｈ１ 正側導体取付穴
Ｈ２ 正側導体取付穴
Ｈ３ 負側導体取付穴
Ｈ４ 負側導体取付穴
Ｈ５ 交流側導体取付穴
Ｈ６ 交流側導体取付穴
Ｈ７ 負側導体穴部
Ｈ８ 負側導体穴部
Ｈ９ 負側導体穴部
Ｈ１０ 負側導体穴部
Ｈ１１ 負側導体穴部
Ｈ１２ 負側導体穴部
Ｍ１ 正側導体曲げ部
Ｍ２ 正側導体曲げ部
Ｍ３ 負側導体曲げ部
Ｍ４ 負側導体曲げ部
Ｍ５ 交流側導体曲げ部
Ｍ６ 正側導体曲げ部
Ｍ７ 正側導体曲げ部
Ｍ８ 負側導体曲げ部
Ｍ９ 負側導体曲げ部

Claims (3)

1. 少なくとも１個の半導体素子、少なくとも１個の直流電圧を平滑するコンデンサ、前記半導体素子の端子と前記コンデンサの端子間を接続し自らを特定箇所で取付け固定する少なくとも１枚の平板幅広形状を有する正側導体又は負側導体である少なくとも一方の平板導体、半導体素子の端子を交流側に接続する平板形状の交流側導体から構成され、正側導体および負側導体がそれぞれ半導体素子側部とコンデンサ側部で一体となる構造を有する電力変換器の主回路構造において、
   前記平板導体のうち少なくとも１枚が、前記自らを取付け固定する特定箇所から遠い方の少なくとも一方の角部を少なくとも１か所以上鈍角形状とする構造であることを特徴とする電力変換器の主回路構造。
2. 請求項１記載の電力変換器の主回路構造において、
   少なくとも２枚の正側導体及び負側導体を成す平板導体の幅を等しくすることを特徴とする電力変換器の主回路構造。
3. 請求項１又は２記載の電力変換器の主回路構造において、
   前記鈍角形状により元の角部形状から空いたスペースに、抵抗器、端子台等の部品を配置することを特徴とする電力変換器の主回路構造。

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