JP2014222962A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電力変換装置の小型化にある。【解決手段】パワーモジュール群15U〜15Wは、X方向に隣接して配置される。各パワーモジュール群15は、Y方向に隣接して配置された少なくともひとつのパワーモジュール16を含む。各相のP極ブスバー42は、(i)Y方向に延伸し、かつYZ面と平行な面を有し、(ii)対応する相のパワーモジュール群15に含まれるパワーモジュール16それぞれのP極直流端子30同士を接続するとともに、P極電源ラインと接続されている。各相のP極ブスバー44は、(i)Y方向に延伸し、かつYZ面と平行な面を有し、(ii)対応する相のパワーモジュール群15に含まれるM個のパワーモジュール16それぞれのN極直流端子32同士を接続するとともに、N極電源ラインと接続されている。同じ相のP極ブスバー42とN極ブスバー44は、絶縁された状態で重ね合わされている。【選択図】図3
Description
本発明は、電力変換装置に関する。
交流電動機などの負荷を駆動するために、電力変換装置(インバータ)が利用される。図1は、電力変換装置の構成を示す回路図である。電力変換装置2は、多相負荷、たとえば三相負荷である電動機に電力を供給し、その回転を制御する。
電力変換装置2は、P極電源ライン10、N極電源ライン12、平滑コンデンサ14、相U〜Wごとに設けられたパワーモジュール16U〜16W、相U〜Wごとに設けられた駆動回路18U〜18W、複数のスナバコンデンサ20U、20V、20W、コントローラ22を備える。
平滑コンデンサ14は、P極電源ライン10とN極電源ライン12の間に設けられ、それらの間の直流電圧VDCを安定化させる。
パワーモジュール16U〜16Wはそれぞれ、P極直流端子30、N極直流端子32、交流端子34、制御端子36を有する。各パワーモジュール16は、P極直流端子30と交流端子34の間に設けられた上アームトランジスタ38、交流端子34とN極直流端子32の間に設けられた下アームトランジスタ40を含む。上アームトランジスタ38、下アームトランジスタ40は、FET(Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、バイポーラトランジスタである。
大容量の電力変換装置2では、パワーモジュールに大電流が流れるため、各相ごとに、複数のパワーモジュール16が設けられる。図1では、各相に2個のパワーモジュール16が設けられる。上アームトランジスタ38、下アームトランジスタ40の制御電極は、制御端子36P、36Nそれぞれに接続されている。
各相のスナバコンデンサ20は、対応するパワーモジュール16のP極直流端子30とN極直流端子32の間に設けられる。
コントローラ22は、負荷4の状態に応じて変調された制御信号S1U〜S1Wを生成する。各相の駆動回路18は、対応する制御信号S1に応じて、対応するパワーモジュール16に含まれる上アームトランジスタ38および下アームトランジスタ40を駆動する。
以上が電力変換装置2の構成である。大容量の電力変換装置2では、配線抵抗による損失を低減するために、大電流が流れる経路にはブスバー(バスバーともいう)が利用される。具体的には、P極電源ライン10、N極電源ライン12、P極電源ライン10とP極直流端子30を接続する配線、N極電源ライン12とN極直流端子32を接続する配線、交流端子34と出力端子OUTを接続する配線は、ブスバーで形成される。
図2(a)、(b)は、本発明者らが検討した比較技術に係る電力変換装置2のレイアウト図である。図2(a)には平面図が、図2(b)には、U相の正面図が示される。
各相のパワーモジュール群16U、16V、16Wは、第1方向(X方向)に順に配置される。各相は、実質的に同様に構成されるため、U相のみに着目しその具体的なレイアウトを説明する。
各相に含まれる複数のパワーモジュール16U_1、16_2は、第1方向と直角な第2方向に同じ向きで配置される。図2(a)に示すパワーモジュール16は、矩形であり、その一辺側にP極直流端子30およびN極直流端子32が、対向する一辺側に交流端子34が設けられている。図2(a)では、制御端子36は省略している。また、P極直流端子30、N極直流端子32、交流端子34それぞれは、2個ずつ設けられており、各端子には、ねじ穴が設けられる。
P極ブスバー42Uは、パワーモジュール16U_1、16U_2それぞれのP極直流端子30同士を接続するとともに、図示しないP極電源ライン10に対応するブスバーと接続される。N極ブスバー44Uは、パワーモジュール16U_1、16U_2それぞれのN極直流端子32同士を接続するとともに、図示しないN極電源ライン12に対応するブスバーと接続される。出力ブスバー46Uは、パワーモジュール16U_1、16U_2それぞれの交流端子34同士を接続するとともに、図示しない出力端子OUTと接続される。
ブスバー42、44、46は平面状の銅プレートを組み合わせて形成され、各ブスバーの主たる部分は、X方向に幅Wを有し、Y方向に延伸している。また、P極ブスバー42UとN極ブスバー44Uは、P極電源ライン10とN極電源ライン12の間の等価的な容量成分を増大させるために、絶縁した状態でZ方向に重ねて配置される。P極ブスバー42とパワーモジュール16のP極直流端子30の間は、N極ブスバー44とN極直流端子32の間、出力ブスバー46と交流端子34の間は、それぞれ接続用ブスバー50、52、54により接続される。
図2のレイアウトでは、U相のパワーモジュール16UとV相のパワーモジュール16Vの間には、P極ブスバー42U、N極ブスバー44U、出力ブスバー46Vが配置される。P極ブスバー42およびN極ブスバー44の幅をW1、出力ブスバー46の幅をW2とすると、パワーモジュール16Uと16Vの間には、少なくとも(W1+W2)のスペースが必要となり、さらにはパワーモジュール16とブスバー間、あるいはブスバー同士のクリアランスも必要となる。このことから、図2のレイアウトでは、隣接する相の間のパワーモジュール16の間隔dが大きくなり、電力変換装置2のX方向のサイズが大きくなるという問題がある。
本発明者は、かかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、電力変換装置の小型化にある。
本発明のある態様は、L相(Lは2以上の整数)の負荷を駆動する電力変換装置に関する。電力変換装置は、P極電源ラインと、N極電源ラインと、L相に対応づけられたL個の出力端子と、L相に対応づけられたL個のパワーモジュール群と、L相に対応づけられたL個のP極ブスバーと、L相に対応づけられたL個のN極ブスバーと、L相に対応づけられたL個の駆動回路と、パワーモジュールごとに設けられたL×M個のスナバコンデンサと、を備える。
(i)L個のパワーモジュール群は、X方向に隣接して配置されている。また(ii)各相のパワーモジュール群は、少なくともひとつのパワーモジュールを含んでいる。(iii)各パワーモジュールは、X方向と垂直なY方向に伸びる一辺に沿って設けられたP極直流端子およびN極直流端子と、Y方向に伸びる別の一辺に沿って設けられた交流端子と、P極直流端子と交流端子の間に設けられた上アームトランジスタ、交流端子とN極直流端子の間に設けられた下アームトランジスタ、を有する。
各相のP極ブスバーは、(i)Y方向に延伸し、かつYZ面と平行な面を有し、(ii)対応する相のパワーモジュール群に含まれるパワーモジュールそれぞれのP極直流端子と接続されるとともに、P極電源ラインと接続されている。各相のN極ブスバーは、(i)Y方向に延伸し、かつYZ面と平行な面を有し、(ii)対応する相のパワーモジュール群に含まれるパワーモジュールそれぞれのN極直流端子と接続されるとともに、N極電源ラインと接続されており、かつ(iii)対応する相のP極ブスバーと絶縁された状態で重ね合わされている。各相の駆動回路は、(i)対応する相のパワーモジュール群を制御し、(ii)対応する相のパワーモジュール群が配置される領域とオーバーラップする箇所に配置されている。各スナバコンデンサは、対応するパワーパワージュールとオーバーラップする箇所に配置されている。
(i)L個のパワーモジュール群は、X方向に隣接して配置されている。また(ii)各相のパワーモジュール群は、少なくともひとつのパワーモジュールを含んでいる。(iii)各パワーモジュールは、X方向と垂直なY方向に伸びる一辺に沿って設けられたP極直流端子およびN極直流端子と、Y方向に伸びる別の一辺に沿って設けられた交流端子と、P極直流端子と交流端子の間に設けられた上アームトランジスタ、交流端子とN極直流端子の間に設けられた下アームトランジスタ、を有する。
各相のP極ブスバーは、(i)Y方向に延伸し、かつYZ面と平行な面を有し、(ii)対応する相のパワーモジュール群に含まれるパワーモジュールそれぞれのP極直流端子と接続されるとともに、P極電源ラインと接続されている。各相のN極ブスバーは、(i)Y方向に延伸し、かつYZ面と平行な面を有し、(ii)対応する相のパワーモジュール群に含まれるパワーモジュールそれぞれのN極直流端子と接続されるとともに、N極電源ラインと接続されており、かつ(iii)対応する相のP極ブスバーと絶縁された状態で重ね合わされている。各相の駆動回路は、(i)対応する相のパワーモジュール群を制御し、(ii)対応する相のパワーモジュール群が配置される領域とオーバーラップする箇所に配置されている。各スナバコンデンサは、対応するパワーパワージュールとオーバーラップする箇所に配置されている。
この態様によると、P極ブスバーおよびN極ブスバーを、複数のパワーモジュールが配置されるXY平面と垂直方向に設置することにより、それらをXY平面と平行に配置した場合に比べて、隣接する相のパワーモジュール群の間隔を狭めることができる。加えて、駆動回路およびスナバコンデンサは、パワーモジュール群に対してZ方向にスタックして配置されている。これらによって、電力変換装置を小型化できる。
ある態様の電力変換装置は、L相に対応づけられたL個の出力ブスバーをさらに備えてもよい。各相の出力ブスバーは、(i)Y方向に延伸し、かつYZ面と平行な面を有し、(ii)対応する相のパワーモジュール群に含まれるパワーモジュールそれぞれの交流端子と接続されるとともに、対応する相の出力端子と接続されてもよい。
出力ブスバーも、P極ブスバー、N極ブスバーと同様に、XY平面と垂直方向に設置することにより、隣接する相のパワーモジュール群の間隔をさらに狭めることができ、より電力変換装置を小型化できる。
出力ブスバーも、P極ブスバー、N極ブスバーと同様に、XY平面と垂直方向に設置することにより、隣接する相のパワーモジュール群の間隔をさらに狭めることができ、より電力変換装置を小型化できる。
ある態様の電力変換装置は、P極電源ラインに相当するP極ブスバープレートと、N極電源ラインに相当するN極ブスバープレートと、P極電源ラインとN極電源ラインの間に並列に設けられた複数の平滑コンデンサと、をさらに備えてもよい。P極ブスバープレートは、XY平面と平行に設置され、L個のパワーモジュール群が配置される領域に対してY方向に隣接する領域に設けられる。N極ブスバープレートは、P極ブスバープレートと絶縁された状態で重ね合わせて配置されている。複数の平滑コンデンサはそれぞれが、XY平面と平行な面に設けられた2個の電極を有し、一方の電極がP極ブスバープレートと接続され、他方の電極がN極ブスバープレートと接続されている。P極ブスバーは、P極ブスバープレートと接続され、N極ブスバーは、N極ブスバープレートと接続される。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、電力変換装置を小型化できる。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
図3(a)、(b)は、実施の形態に係る電力変換装置(インバータ)のレイアウト図である。電力変換装置2の等価回路図は、図1と同様であるため説明を省略する。図3(a)には平面図が、図3(b)には、U相の正面図が示される。図4は、図3(a)、(b)の電力変換装置の斜視図である。
電力変換装置2は、L相(Lは2以上の整数)の負荷(不図示)を駆動する。本実施の形態では、三相負荷を例に、L=3の場合を説明する。
図3(a)には、電力変換装置2の構成のうち、パワーモジュール群15U〜15W、駆動回路18U〜18W、P極ブスバー42U〜42W、N極ブスバー44U〜44W、出力ブスバー46U〜46W、スナバコンデンサ20U〜20Wが示され、その他の部材は省略される。
電力変換装置2は、相ごとのユニット60U〜60WがX方向に並べて配置される。各ユニットは同様に構成されるため、以下ではU相に着目してその構成を説明する。
L個のパワーモジュール群15U〜15Wはそれぞれ、相ごとに設けられる。L個のパワーモジュール群15U〜15Wは、X方向に隣接して配置される。パワーモジュール群15Uは、X方向と垂直なY方向に隣接して配置されたM個(Mは2以上の整数)のパワーモジュール16U_1、16U_2を含む。本実施の形態ではM=2であるが、その個数は、各モジュールの電流容量と負荷の定格電流に応じて任意に定めることができる。
パワーモジュール16は、Y方向と平行な一辺E1に沿って設けられたP極直流端子30およびN極直流端子32と、Y方向と平行な別の一辺E2に沿って設けられた交流端子34と、を備える。さらにパワーモジュール16は、その内部に、P極直流端子30と交流端子34の間に設けられた上アームトランジスタ(不図示)、交流端子34とN極直流端子32の間に設けられた下アームトランジスタ(不図示)、を有する。
L個のP極ブスバー42U〜42Wはそれぞれ、相ごとに設けられる。各相のP極ブスバー42Uは、(i)Y方向に延伸し、かつYZ面と平行な面を有する。P極ブスバー42Uは、(ii)対応するU相のパワーモジュール群15Uに含まれるM個のパワーモジュール16U_1、16U_2それぞれのP極直流端子30同士を接続するとともに、図示しないP極電源ラインと接続されている。
P極ブスバー42は、接続用ブスバー50を介してパワーモジュール16のP極直流端子30と電気的かつ機械的に接続される。接続用ブスバー50の一端は開口されており、接続用ブスバー50の一端とP極直流端子30はねじ止めされる。接続用ブスバー50の他端も開口され、P極ブスバー42とねじ止めされてもよい。あるいは接続用ブスバー50とP極ブスバー42は一体形成されてもよい。
L個のN極ブスバー44U〜44Wはそれぞれ、相ごとに設けられる。各相のN極ブスバー44Uは、(i)Y方向に延伸し、かつYZ面と平行な面を有する。N極ブスバー44Uは、(ii)対応するU相のパワーモジュール群15Uに含まれるM個のパワーモジュール16U_1、16U_2それぞれのN極直流端子32同士を接続するとともに、図示しないN極電源ラインと接続されている。またN極ブスバー44Uは、(iii)対応するU相のP極ブスバー42Uと絶縁された状態で重ね合わされている。P極ブスバー42UとN極ブスバー44Uを重ね合わせることで、それらの間に容量が形成されるため、各ブスバーのインダクタンスの影響を低減することができる。
N極ブスバー44Uとパワーモジュール16のN極直流端子32の間は、接続用ブスバー52を介して接続される。接続用ブスバー52は、接続用ブスバー50と同様である。
L個の駆動回路18U〜18Wはそれぞれ、相ごとに設けられる。各相の駆動回路18Uは、(i)対応するU相のパワーモジュール群15Uを制御する。パワーモジュール16Uは、(ii)対応するU相のパワーモジュール群15Uが配置される領域とオーバーラップする箇所に配置される。具体的には駆動回路18Uは、パワーモジュール群15Uの直上に、その直下のパワーモジュール16U_1、16U_1それぞれの端子30、32、34が露出するようにして配置される。
L×M個のスナバコンデンサ20はそれぞれ、パワーモジュール16ごとに設けられる。各スナバコンデンサ20は、対応するパワーモジュール16とオーバーラップする箇所に配置される。具体的にはスナバコンデンサ20は、駆動回路18の上面であって、対応するパワーモジュール16のP極直流端子30およびN極直流端子32の直近に配置される。スナバコンデンサ20は2本の電極を有しており、各電極はP極直流端子30、N極直流端子32と接続されている。
L個の出力ブスバー46U〜46Wはそれぞれ、相ごとに設けられる。各相の出力ブスバー46Uは、(i)Y方向に延伸し、かつYZ面と平行な面を有する。出力ブスバー46Uは(ii)対応するU相のパワーモジュール群15Uに含まれるM個のパワーモジュール16U_1、16U_2それぞれの交流端子34同士を接続するとともに、対応するU相の出力端子(不図示)と接続されている。
出力ブスバー46Uとパワーモジュール16の交流端子34の間は、接続用ブスバー54を介して接続される。接続用ブスバー54は、出力ブスバー46と一体形成されてもよい。
図5(a)は、電力変換装置2の斜視図であり、図5(b)は、図5(a)の電力変換装置2のA−A線断面図である。図5には、図3、図4の構成に加えて、図1のP極電源ライン10、N極電源ライン12、平滑コンデンサ14に相当する箇所がさらに示される。図5(a)には、U相のみが示される。
P極ブスバープレート70は、L個のパワーモジュール群15が配置される領域に対してY方向に隣接する領域に、XY平面と平行に設けられる。このP極ブスバープレート70は、図1のP極電源ライン10に相当する。
N極ブスバープレート72はP極ブスバープレート70と同様に、L個のパワーモジュール群15が配置される領域に対してY方向に隣接する箇所に、XY平面と平行に設けられる。P極ブスバープレート70とN極ブスバープレート72は、互いに絶縁された状態で重ね合わせて配置される。N極ブスバープレート72は、図1のN極電源ライン12に相当する。
N極ブスバープレート72はP極ブスバープレート70と同様に、L個のパワーモジュール群15が配置される領域に対してY方向に隣接する箇所に、XY平面と平行に設けられる。P極ブスバープレート70とN極ブスバープレート72は、互いに絶縁された状態で重ね合わせて配置される。N極ブスバープレート72は、図1のN極電源ライン12に相当する。
複数の平滑コンデンサ14は、図1の等価回路の平滑コンデンサ14に対応する。平滑コンデンサ14は、P極電源ライン10に相当するP極ブスバープレート70と、N極電源ライン12に相当するN極ブスバープレート72の間に、電気的に並列に設けられる。図5(b)に示すように、平滑コンデンサ14は、XY平面と平行な面に設けられた2個の電極74P、74Nを有し、一方の電極74PがP極ブスバープレート70と接続され、他方の電極74NがN極ブスバープレート72と接続されている。
P極ブスバー42Uは、接続用ブスバー56を介してP極ブスバープレート70と接続される。またN極ブスバー44Uは、接続用ブスバー58を介してN極ブスバープレート72と電気的かつ機械的に接続される。接続用ブスバー56、58の形状は特に限定されない。また接続用ブスバー56、58はそれぞれ、P極ブスバープレート70、N極ブスバープレート72と一体に形成されてもよい。および/または、接続用ブスバー56、58はそれぞれ、P極ブスバー42U、N極ブスバー44Uと一体に形成されてもよい。
以上が電力変換装置2の構成である。
電力変換装置2によれば、P極ブスバー42およびN極ブスバー44を、複数のパワーモジュール16が配置されるXY平面と垂直方向に設置することにより、それらをXY平面と平行に配置した場合に比べて、隣接する相のパワーモジュール群15の間隔dを狭めることができる。これにより電力変換装置2を小型化できる。
加えて、駆動回路18およびスナバコンデンサ14は、パワーモジュール群15に対してZ方向にスタックして配置されている。これらによって、駆動回路18、平滑コンデンサ14等を、パワーモジュール群15と同じ平面上に配置した場合に比べて、電力変換装置2を小型化できる。
さらに、実施の形態に係る電力変換装置2は、相ごとのユニット60単位で組み立てることができる。そのため、組み立て工程を簡素化でき、および/またはメンテナンスや設計変更が容易となる。
また出力ブスバー46も、P極ブスバー42、N極ブスバー44と同様に、XY平面と垂直方向に設置することにより、隣接する相のパワーモジュール群15の間隔dをさらに狭めることができ、より電力変換装置2を小型化できる。
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
2…電力変換装置、4…負荷、10…P極電源ライン、12…N極電源ライン、14…平滑コンデンサ、15…パワーモジュール群、16…パワーモジュール、18…駆動回路、20…スナバコンデンサ、22…コントローラ、30…P極直流端子、32…N極直流端子、34…交流端子、36…制御端子、38…上アームトランジスタ、40…下アームトランジスタ、42…P極ブスバー、44…N極ブスバー、46…出力ブスバー、50,52,54,56,58…接続用ブスバー、60…ユニット、70…P極ブスバープレート、72…N極ブスバープレート、74…電極。
Claims (3)
- L相(Lは2以上の整数)の負荷を駆動する電力変換装置であって、
P極電源ラインと、
N極電源ラインと、
L相に対応づけられたL個の出力端子と、
L相に対応づけられたL個のパワーモジュール群であって、(i)前記L個のパワーモジュール群は、X方向に隣接して配置され、かつ、(ii)各相のパワーモジュール群は、少なくともひとつのパワーモジュールを含んでおり、(iii)各パワーモジュールは、X方向と垂直なY方向に伸びる一辺に沿って設けられたP極直流端子およびN極直流端子と、前記Y方向に伸びる別の一辺に沿って設けられた交流端子と、前記P極直流端子と前記交流端子の間に設けられた上アームトランジスタ、前記交流端子と前記N極直流端子の間に設けられた下アームトランジスタ、を有する、L個のパワーモジュール群と、
L相に対応づけられたL個のP極ブスバーであって、各相のP極ブスバーは、(i)Y方向に延伸し、かつYZ面と平行な面を有し、(ii)対応する相のパワーモジュール群に含まれるパワーモジュールそれぞれのP極直流端子と接続されるとともに、前記P極電源ラインと接続されている、L個のP極ブスバーと、
L相に対応づけられたL個のN極ブスバーであって、各相のN極ブスバーは、(i)Y方向に延伸し、かつYZ面と平行な面を有し、(ii)対応する相のパワーモジュール群に含まれるパワーモジュールそれぞれのN極直流端子と接続されるとともに、前記N極電源ラインと接続されており、かつ(iii)対応する相の前記P極ブスバーと絶縁された状態で重ね合わされている、L個のP極ブスバーと、
L相に対応づけられたL個の駆動回路であって、各相の駆動回路は、(i)対応する相のパワーモジュール群を制御し、(ii)対応する相のパワーモジュール群が配置される領域とオーバーラップする箇所に配置されている、L個の駆動回路と、
前記パワーモジュールごとに設けられたL×M個のスナバコンデンサであって、それぞれが、対応するパワーモジュールとオーバーラップする箇所に配置されている、L×M個のスナバコンデンサと、
を備えることを特徴とする電力変換装置。 - L相に対応づけられたL個の出力ブスバーであって、各相の出力ブスバーは、(i)Y方向に延伸し、かつYZ面と平行な面を有し、(ii)対応する相のパワーモジュール群に含まれるパワーモジュールそれぞれの交流端子に接続されるとともに、対応する相の出力端子と接続されている、L個の出力ブスバーをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記L個のパワーモジュール群が配置される領域に対してY方向に隣接する領域にXY平面と平行に設けられた、前記P極電源ラインに相当するP極ブスバープレートと、
前記P極ブスバープレートと絶縁された状態で重ね合わせて配置されている、前記N極電源ラインに相当するN極ブスバープレートと、
前記P極電源ラインと前記N極電源ラインの間に並列に設けられた複数の平滑コンデンサであって、それぞれが、XY平面と平行な面に設けられた2個の電極を有し、一方の電極が前記P極ブスバープレートと接続され、他方の電極が前記N極ブスバープレートと接続されている、複数の平滑コンデンサと、
をさらに備え、
前記P極ブスバーは、前記P極ブスバープレートと接続され、前記N極ブスバーは、前記N極ブスバープレートと接続されることを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2016140138A (ja) * | 2015-01-26 | 2016-08-04 | 株式会社Ihi | 電力変換装置 |
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-
2013
- 2013-05-13 JP JP2013101229A patent/JP2014222962A/ja active Pending
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