JP2014110721A

JP2014110721A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2014110721A
Application number: JP2012265118A
Authority: JP
Inventors: Hirosuke Mori; 啓輔森
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-06-12
Also published as: EP2741411A2; EP2741411B1; CN103856068B; KR20140071899A; EP2741411A3; CN103856068A; US20140153300A1; KR102149314B1; US9444359B2

Abstract

【課題】コンデンサを結合する導電体のインダクタンスがより小さくされた電力変換装置を提供する。
【解決手段】直列に接続された第１および第２電解コンデンサと、直列に接続された第３および第４電解コンデンサとを含む平滑回路を備えた電力変換装置であって、第１電解コンデンサの正極端子と、第３電解コンデンサの負極端子との距離は、第１電解コンデンサの正極端子と、第４電解コンデンサの正極端子との距離よりも短く、第４電解コンデンサの正極端子と、第２電解コンデンサの負極端子との距離は、第４電解コンデンサの正極端子と、第１電解コンデンサの正極端子との距離よりも短い。
【選択図】図６

Description

本開示は、コンデンサを有する平滑回路を備えた電力変換装置に関する。

交流を入力として受け取り、負荷に電力を供給するために、交流を出力する電力変換装置が知られている。このような電力変換装置は、入力された交流を整流器および平滑回路によって直流にまず変換する。次に電力変換装置は、直流をインバータによって交流に変換し、得られた交流を出力する。

このような従来技術による電力変換装置は、例えば特許文献１に記載されている。

特開２０１０−１９３５９３号公報

平滑回路は、整流器から出力された脈流を直流に変換する。この平滑回路は、複数の電解コンデンサを含む。これら複数個の電解コンデンサは、導電体によって結合される。この導電体のインダクタンスをなるべく小さくすることが好ましい。本発明の目的は、コンデンサを結合する導電体のインダクタンスがより小さくされた電力変換装置を提供することにある。

本発明のさまざまな実施形態によれば、直列に接続された第１および第２電解コンデンサと、直列に接続された第３および第４電解コンデンサとを含む平滑回路を備えた電力変換装置であって、前記第１電解コンデンサの正極端子と、前記第４電解コンデンサの正極端子とは、正電位導電体に接続され、前記第２電解コンデンサの負極端子と、前記第３電解コンデンサの負極端子とは、負電位導電体に接続され、前記第１電解コンデンサの負極端子と、前記第２電解コンデンサの正極端子とは、共通電位導電体に接続され、前記第３電解コンデンサの正極端子と、前記第４電解コンデンサの負極端子とは、前記共通電位導電体に接続され、前記第１電解コンデンサの正極端子と、前記第３電解コンデンサの負極端子との距離は、前記第１電解コンデンサの正極端子と、前記第４電解コンデンサの正極端子との距離よりも短く、前記第４電解コンデンサの正極端子と、前記第２電解コンデンサの負極端子との距離は、前記第４電解コンデンサの正極端子と、前記第１電解コンデンサの正極端子との距離よりも短い電力変換装置が提供される。

本発明によれば、コンデンサを結合する導電体のインダクタンスがより小さくされた電力変換装置を提供することができる。

本発明のある実施形態による電力変換装置を示す図である。電力変換装置の斜視図である。プリント回路基板に設けられた正電位導電体Ｐである正電位パターンを示す図である。プリント回路基板に設けられた負電位導電体Ｎである負電位パターンを示す図である。代替の実施形態による電力変換装置の斜視図である。電解コンデンサの正極端子および負極端子の配置を示す図である。プリント回路基板などに設けられた導電体を示す図である。プリント回路基板などに設けられた導電体を示す図である。従来技術の平滑回路の図である。本発明のある実施形態による平滑回路の図である。平滑回路の正電位導電体および負電位導電体の概略図である。

以下、本発明による電力変換装置の例示的実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。図面において同一又は同様の構成要素は、同じ参照符号によって表される。

（システムの概略）
図１は、本発明のある実施形態による電力変換装置１００を示す図である。電力変換装置１００は、整流器１１０、平滑回路１２０、およびインバータ１３０を含む。整流器１１０は、その入力ノードにおいて例えば三相交流を受け取る。インバータ１３０は、その出力ノードにおいて例えば三相交流を出力する。

整流器１１０は、例えば３つのレグ３Ｒ，３Ｓ，および３Ｔを含む。レグ３Ｒ，３Ｓ，および３Ｔのそれぞれのレグは、２つのスイッチング素子を含む。スイッチング素子は、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体型電界効果トランジスタ）である。整流器１１０は、例えばＰＷＭ（パルス幅変調）によって制御される。整流器１１０は、ダイオードブリッジであってもよい。整流器１１０は、任意の適切なタイプの整流器ならよい。整流器１１０は、任意の適切なスイッチング素子または整流素子を任意の適切な個数、含んでよい。

平滑回路１２０は、例えば８個のコンデンサＣ１〜Ｃ８を含む。平滑回路１２０が含むコンデンサの個数は、８個には限定されず、適切な個数であればよい。コンデンサＣ１〜Ｃ８は、典型的には大容量の電解コンデンサである。平滑回路１２０は、任意の適切なコンデンサを任意の適切な個数、含んでよい。

正電位導電体Ｐは、コンデンサＣ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ８の正極端子を互いに接続する。正電位導電体Ｐは、プリント回路基板に含まれる導電パターンであってもよく、または金属製のバスバー（ブスバーとも呼ばれる）であってもよい。負電位導電体Ｎは、コンデンサＣ２，Ｃ３，Ｃ６，Ｃ７の負極端子を互いに接続する。負電位導電体Ｎは、プリント回路基板に含まれる導電パターンであってもよく、または金属製のバスバーであってもよい。共通電位導電体Ｃは、コンデンサＣ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ８の負極端子と、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ６，Ｃ７の正極端子とを互いに接続する。共通電位導電体Ｃは、プリント回路基板に含まれる導電パターンであってもよく、または金属製のバスバーであってもよい。

インバータ１３０は、３つのレグ３Ｕ，３Ｖ，および３Ｗを含む。レグ３Ｕ，３Ｖ，および３Ｗのそれぞれのレグは、２つのスイッチング素子を含む。スイッチング素子は、例えばＭＯＳＦＥＴである。インバータ１３０は、任意の適切なタイプのインバータならよい。インバータ１３０は、任意の適切なスイッチング素子を任意の適切な個数、含んでよい。例えば、それぞれのレグに含まれるスイッチング素子の個数は、上記具体的な個数には限定されず、適切な個数であればよい。

図２は、電力変換装置１００の斜視図である。電解コンデンサＣ１〜Ｃ８は、プリント回路基板２１０上に設けられる。電解コンデンサＣ１〜Ｃ８の近傍には、インバータ１３０のレグ３Ｕ，３Ｖ，および３Ｗが設けられる。電解コンデンサＣ１〜Ｃ８は、レグ３Ｕ，３Ｖ，および３Ｗのうちの対応するレグと結合される。

プリント回路基板２２０上には、典型的には電力変換装置１００に付随する電子回路の部品が設けられる。プリント回路基板２１０および２２０の配置関係は図示されたものには限定されず、任意の適切な配置関係を取りえる。前述の正電位導電体Ｐ、負電位導電体Ｎ、および共通電位導電体Ｃは、例えばプリント回路基板２１０の導電パターンとして実現される。正電位導電体Ｐ、負電位導電体Ｎ、および共通電位導電体Ｃを金属製のバスバーで実現すれば、プリント回路基板と比較してより大きい電流を流すことができる。

（導電体パターン）
図３は、プリント回路基板２１０に設けられた正電位導電体Ｐである正電位パターン３１０を示す図である。図３の紙面の奥の側に電解コンデンサＣ１〜Ｃ８がある。電解コンデンサＣ１〜Ｃ８は、正極端子（参照符号Ｐで表す）および負極端子（参照符号Ｎで表す）をそれぞれ有する。例えば電解コンデンサＣ１は、正極端子Ｃ１Ｐおよび負極端子Ｃ１Ｎを有する。このような参照符号の付け方は、電解コンデンサＣ２〜Ｃ８についても同様である。

正電位パターン３１０は、電解コンデンサＣ１の正極端子Ｃ１Ｐ，電解コンデンサＣ４の正極端子Ｃ４Ｐ，電解コンデンサＣ５の正極端子Ｃ５Ｐ，および電解コンデンサＣ８の正極端子Ｃ８Ｐを互いに接続する。ノード３９１〜３９３は、インバータ１３０のレグ３Ｕ，３Ｖ，および３Ｗの正極に接続される。正電位パターン３１０は、インバータ１３０に正の電圧を供給する。図３の矢印は、正極端子Ｃ１ＰおよびＣ４Ｐからノード３９１に向かって流れる電流のパスを表す。

共通電位パターン３５２は、電解コンデンサＣ１の負極端子Ｃ１Ｎ，電解コンデンサＣ２の正極端子Ｃ２Ｐ，電解コンデンサＣ３の正極端子Ｃ３Ｐ，および電解コンデンサＣ４の負極端子Ｃ４Ｎを互いに接続する。共通電位パターン３５４は、電解コンデンサＣ５の負極端子Ｃ５Ｎ，電解コンデンサＣ６の正極端子Ｃ６Ｐ，電解コンデンサＣ７の正極端子Ｃ７Ｐ，および電解コンデンサＣ８の負極端子Ｃ８Ｎを互いに接続する。

共通電位パターン３５２および３５４は、電力変換装置１００の共通電位を有する。すなわち共通電位パターン３５２および３５４は、電力変換装置１００のグラウンドとして機能する。図３に示された参照符号のうち、上の説明で参照されなかったものは図４についての下の説明で参照される。

図４は、プリント回路基板２１０に設けられた負電位導電体Ｎである負電位パターン４１０を示す図である。負電位パターン４１０は、電解コンデンサＣ２の負極端子Ｃ２Ｎ，電解コンデンサＣ３の負極端子Ｃ３Ｎ，電解コンデンサＣ６の負極端子Ｃ６Ｎ，および電解コンデンサＣ７の負極端子Ｃ７Ｎを互いに接続する。ノード４９１〜４９３は、インバータ１３０のレグ３Ｕ，３Ｖ，および３Ｗの負極に接続される。負電位パターン４１０は、インバータ１３０に負の電圧を供給する。図４の矢印は、ノード４９１から負極端子Ｃ２ＮおよびＣ３Ｎに向かって流れる電流のパスを表す。

正電位パターン３１０および負電位パターン４１０は、整流器１１０から脈流電力を受け取り、平滑化し、インバータ１３０に直流電力を供給する。正電位パターン３１０および負電位パターン４１０は、ノード３９１〜３９３および４９１〜４９３に加えて、整流器１１０からの電力を受け取るためのノードを含んでもよい。そのようなノードは、例えば、正電位パターン３１０および負電位パターン４１０上であって、ノード３９１〜３９３および４９１〜４９３が位置する辺に対向する辺の近傍に位置する。これらノードは、任意の適切な形状や位置を取りえる。

プリント回路基板２１０は例えば２層以上のレイヤを有する。典型的には正電位パターン３１０および負電位パターン４１０は、プリント回路基板２１０の複数のレイヤのうちの２つにそれぞれ設けられる。

代替の実施形態においては、正電位パターン３１０および負電位パターン４１０は、異なるプリント回路基板上に設けられてもよい。例えば、正電位パターン３１０および負電位パターン４１０は、図２のプリント回路基板２１０および２２０に別個に設けられてもよい。

プリント回路基板２１０を用いる代替として、正電位パターン３１０および負電位パターン４１０は、バスバーによって実現されてもよい。

図５は、代替の実施形態による電力変換装置５００の斜視図である。電力変換装置５００では、正電位導電体Ｐ、負電位導電体Ｎ、および共通電位導電体Ｃのうちの少なくとも２つは、金属製のバスバー５１０および５２０である。バスバー５１０および５２０は、半導体スイッチング素子５９１〜５９２に接続される。

（コンデンサ端子の配置関係）
図６は、電解コンデンサＣ１〜Ｃ４の正極端子および負極端子の配置を示す図である。電解コンデンサＣ１およびＣ２は直列接続され、電解コンデンサＣ３およびＣ４も直列接続される。これら直列接続された電解コンデンサＣ１およびＣ２のペアと、直列接続された電解コンデンサＣ３およびＣ４のペアとは、並列に接続される。図６の電解コンデンサＣ１〜Ｃ４は、図１の平滑回路１２０の一部である。具体的には、平滑回路１２０は、図６の電解コンデンサＣ１〜Ｃ４を２セット含む。このとき、８個の電解コンデンサは、図３の正電位パターン３１０および図４の負電位パターン４１０によって接続される。

本発明のさまざまな実施形態によれば、ｄ１＜ｄ２およびｄ３＜ｄ４という関係（以下「配置関係」という）が成り立つ。ここでｄ１は、電解コンデンサＣ１の正極端子Ｃ１Ｐと、電解コンデンサＣ３の負極端子Ｃ３Ｎとの距離を表す。ｄ２は、電解コンデンサＣ１の正極端子Ｃ１Ｐと、電解コンデンサＣ２の負極端子Ｃ２Ｎとの距離を表す。ｄ３は、電解コンデンサＣ４の正極端子Ｃ４Ｐと、電解コンデンサＣ２の負極端子Ｃ２Ｎとの距離を表す。ｄ４は、電解コンデンサＣ４の正極端子Ｃ４Ｐと、電解コンデンサＣ３の負極端子Ｃ３Ｎとの距離を表す。換言すれば、本発明のさまざまな実施形態による配置関係においては、電解コンデンサＣ１の正極端子Ｃ１Ｐと、電解コンデンサＣ４の正極端子Ｃ４Ｐとを結ぶ線分は、電解コンデンサＣ２の負極端子Ｃ２Ｎと、電解コンデンサＣ３の負極端子Ｃ３Ｎとを結ぶ線分と交わる。

図３の正電位パターン３１０および図４の負電位パターン４１０は、図６の電解コンデンサＣ１〜Ｃ４を含むグループを２セット含む。さまざまな実施形態は、２セットには限定されず、任意の適切な個数の電解コンデンサグループを含んでよい。代替の実施形態においては、直列接続された電解コンデンサＣ１およびＣ２の代わりに単一の電解コンデンサを用い、直列接続された電解コンデンサＣ３およびＣ４の代わりに単一の電解コンデンサを用いてもよい。

本発明のさまざまな実施形態は、上記配置関係を満足する。このとき、図３および図４に示されるように、電解コンデンサＣ１〜Ｃ４を流れる電流は互いに対向する向きに流れる。その結果、後述する相互インダクタンスによって、平滑回路１２０のインダクタンスが低減される格別な効果が得られる。さらに正電位導電体Ｐ、負電位導電体Ｎ、および共通電位導電体Ｃを同一のプリント回路基板２１０によって実現すれば、さらに電流の流路が近接するのでさらにインダクタンスを低減できる。

図７は、プリント回路基板などに設けられた導電体７１０を示す図である。導電体７１０は、長さｌ、幅ｗ、および厚さｔを有する。このとき導電体７１０のインダクタンスＬは、Ｌ＝μ_０ｌ／２π［ｌｎ（２ｌ／ｗ＋ｔ）＋１／２＋０．２２３５（ｗ＋ｔ）／ｌ］で与えられる。μ_０は、真空の透磁率であり、πは、円周率であり、ｌｎは、自然対数である。

図８は、プリント回路基板などに設けられた導電体８１０および８１２を示す図である。導電体８１０および８１２は、長さｌ、幅ｗ、および厚さｔをそれぞれ有し、間隔ｄを空けて配置される。このとき導電体８１０がインダクタンスＬｇを有し、導電体８１２がインダクタンスＬｓを有し、導電体８１０および８１２の相互インダクタンスがＭだとすると、導電体８１０および８１２の合成インダクタンスＬは、Ｌ＝Ｌｇ＋Ｌｓ−２Ｍである。導電体８１０および８１２の相互インダクタンスＭは、Ｍ＝μ_０ｌ／２π［ｌｎ（２ｌ／ｄ）−１＋ｄ／ｌ］で与えられる。

（インダクタンス低減）
図９は、従来技術の平滑回路９００の図である。平滑回路９００は、直列接続された電解コンデンサＣ１およびＣ２と、直列接続された電解コンデンサＣ３およびＣ４とが並列に接続されている。パターン９１０は、電解コンデンサＣ１の正極端子Ｐ１と電解コンデンサＣ４の正極端子Ｐ２とを互いに接続する。パターン９１２は、電解コンデンサＣ２の負極端子Ｎ１と電解コンデンサＣ３の負極端子Ｎ２とを互いに接続する。

具体的には平滑回路９００においては、電解コンデンサＣ１の正極端子Ｐ１と電解コンデンサＣ３の負極端子Ｎ２との距離が、電解コンデンサＣ１の正極端子Ｐ１と電解コンデンサＣ４の正極端子Ｐ２との距離よりも長い。加えて、平滑回路９００においては、電解コンデンサＣ２の負極端子Ｎ１と電解コンデンサＣ４の正極端子Ｐ２との距離が、電解コンデンサＣ２の負極端子Ｎ１と電解コンデンサＣ３の負極端子Ｎ２との距離よりも長い。

パターン９１０および９１２の厚さは０．０１８ｍｍ、パターン幅は５ｍｍである。このときループＬＰ１のインダクタンスは、１４ｎＨ＋１４ｎＨ＝２８ｎＨである。

図１０は、本発明のある実施形態による平滑回路１０００の図である。平滑回路１０００は、直列接続された電解コンデンサＣ１およびＣ２と、直列接続された電解コンデンサＣ３およびＣ４とが並列に接続されている。パターン１０１０は、電解コンデンサＣ１の正極端子Ｐ１と電解コンデンサＣ３の負極端子Ｎ２とを互いに接続する。パターン１０１２は、電解コンデンサＣ２の負極端子Ｎ１と電解コンデンサＣ４の正極端子Ｐ２とを互いに接続する。

具体的には平滑回路１０００においては、電解コンデンサＣ１の正極端子Ｐ１と電解コンデンサＣ３の負極端子Ｎ２との距離が、電解コンデンサＣ１の正極端子Ｐ１と電解コンデンサＣ４の正極端子Ｐ２との距離よりも短い。加えて、平滑回路１０００においては、電解コンデンサＣ２の負極端子Ｎ１と電解コンデンサＣ４の正極端子Ｐ２との距離が、電解コンデンサＣ２の負極端子Ｎ１と電解コンデンサＣ３の負極端子Ｎ２との距離よりも短い。

パターン１０１０および１０１２の厚さは０．０１８ｍｍ、パターン幅は５ｍｍである。このときループＬＰ２のインダクタンスは、１４ｎＨ＋１４ｎＨ−１２ｎＨ＝１６ｎＨである。したがって平滑回路１０００のループＬＰ２のインダクタンスは、従来のループＬＰ１のインダクタンスよりも小さい。

図１１は、平滑回路１２０の正電位導電体１１１０および負電位導電体１１２０の概略図である。領域１１１２および１１２２には、インバータ１３０の正極および負極がそれぞれ位置する。導電体１１１０および１１２０は、図３の正電位パターンおよび図４の負電位パターンをそれぞれ２セット有する。

インバータ正電位導電体１１１０および負電位導電体１１２０は、例えば、正電位パターン３１０および負電位パターン４１０にそれぞれ対応する。したがって正電位導電体１１１０および負電位導電体１１２０は、プリント回路基板２１０のレイヤのうちの２つに設けられる。プリント回路基板２１０を用いる代替として、正電位導電体１１１０および負電位導電体１１２０は、図５に示されるように金属製のバスバーによって実現されてもよい。

正電位導電体１１１０においては、電解コンデンサに電流Ｐｆ１およびＰｆ２が流れる。負電位導電体１１２０においては、電解コンデンサに電流Ｎｆ１およびＮｆ２が流れる。本発明のさまざまな実施形態によれば、電流Ｐｆ１とＮｆ１とは互いに打ち消し合い、電流Ｐｆ２とＮｆ２とは互いに打ち消し合う。換言すれば、近接するパターン（またはバスバー）に流れる電流Ｐｆ１とＮｆ１とは互いに対向する向きに流れ、近接するパターン（またはバスバー）に流れる電流Ｐｆ２とＮｆ２とは互いに対向する向きに流れる。図１０で示したように、相互インダクタンスを低減することができる。

電力変換装置１００は、整流器１１０、平滑回路１２０、およびインバータ１３０以外の追加の要素を含んでもよい。反対に電力変換装置１００は、整流器１１０、平滑回路１２０、およびインバータ１３０の一部の要素が省略されてもよい。電力変換装置１００が有するさまざまな機能は、整流器１１０、平滑回路１２０、およびインバータ１３０のようにブロック化される必要はなく、任意の適切なやり方でブロック化され得る。

さまざまな実施形態で用いられる正電位、負電位、および共通電位導電体は、任意の適切な材料で作られる。そのような材料には、例えば、銅、黄銅、鉄、ステンレス鋼がある。正電位、負電位、および共通電位導電体は、前述の配置関係を満足する限り、任意の適切なパターン形状およびパターン厚さを利用してよい。

当業者には理解されるように、上述のさまざまな要素（例えばハードウェアの要素）は、その一部が省略されてもよい。逆に、付加的な要素を用いてもよい。

本発明によれば、コンデンサを結合する導電体のインダクタンスがより小さくされた電力変換装置を提供することができる点で有用である。

Ｃ１〜Ｃ４電解コンデンサ
ｄ１〜ｄ４距離
Ｃ１Ｐ〜Ｃ４Ｐ正極端子
Ｃ１Ｎ〜Ｃ４Ｎ負極端子

Claims

直列に接続された第１および第２電解コンデンサと、
直列に接続された第３および第４電解コンデンサと
を含む平滑回路を備えた電力変換装置であって、
前記第１電解コンデンサの正極端子と、前記第４電解コンデンサの正極端子とは、正電位導電体に接続され、
前記第２電解コンデンサの負極端子と、前記第３電解コンデンサの負極端子とは、負電位導電体に接続され、
前記第１電解コンデンサの負極端子と、前記第２電解コンデンサの正極端子とは、共通電位導電体に接続され、
前記第３電解コンデンサの正極端子と、前記第４電解コンデンサの負極端子とは、前記共通電位導電体に接続され、
前記第１電解コンデンサの正極端子と、前記第３電解コンデンサの負極端子との距離は、前記第１電解コンデンサの正極端子と、前記第４電解コンデンサの正極端子との距離よりも短く、
前記第４電解コンデンサの正極端子と、前記第２電解コンデンサの負極端子との距離は、前記第４電解コンデンサの正極端子と、前記第１電解コンデンサの正極端子との距離よりも短い
電力変換装置。
プリント回路基板が前記正電位導電体、前記負電位導電体、および前記共通電位導電体を設ける請求項１に記載の電力変換装置。
整流器およびインバータをさらに備える請求項２に記載の電力変換装置。
前記電力変換装置は３相電力を変換するために、３個のセットの前記平滑回路を備える請求項３に記載の電力変換装置。