JP2015233394A - 車両用電力変換装置 - Google Patents

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佑介 河野
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雅之 野木
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Nobumitsu Tada
伸光 田多
勇起 月成
Yuki Tsukinari
勇起 月成
中沢　洋介
Yosuke Nakazawa
洋介 中沢
牧野　友由
Tomoyoshi Makino
友由 牧野
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Abstract

【課題】構造を簡素化できる。【解決手段】実施形態の車両用電力変換装置は、単相交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、２レベルコンバータと、３レベルコンバータと、１つの冷却装置と、を備える。冷却装置は、２レベルコンバータを構成するスイッチングデバイスを内蔵するパワーモジュールと、３レベルコンバータを構成するスイッチングデバイスを内蔵するパワーモジュールと、を設置する。３レベルコンバータを構成するスイッチングデバイスを内蔵するパワーモジュールは、３レベルコンバータを構成する２個直列接続されるコンデンサのうち、いずれか一つに印加可能な電圧以上の絶縁耐圧を有する。２レベルコンバータを構成するスイッチングデバイスを内蔵するパワーモジュールは、３レベルコンバータを構成する２個直列接続されるコンデンサのうちいずれか一つ及び２レベルコンバータを構成するコンデンサに印加可能な電圧の合計以上の絶縁耐圧を有する。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、車両用電力変換装置に関する。
従来、コンバータがダイオードクランプ形３レベル回路で構成されていることは多かった。このコンバータに対して、近年、開発が進められているシリコンカーバイド素子等の低損失デバイスを適用することで、コンバータ装置を小型化することが期待されている。
しかしながら、現在提供されているシリコンカーバイド素子等においては、高い電圧に耐えられる素子が出始めているが、高価で、信頼性の検証も必要である。このため、現状では低耐圧のシリコンカーバイド素子の使用が実用的であるが、素子の直列化や、現存のシリコン素子と組み合わせたマルチレベル化を行う必要がある。この２つのうち、素子の直列化は、損失増加、素子数増加、バランス制御等の課題があるため、現状ではマルチレベル化が有利である。
そこで、単相３レベルコンバータと、単相２レベルコンバータと、を直列接続したマルチレベル回路が提案されている。
特開２００４−７９４１号公報
しかしながら、従来技術においては、マルチレベル回路を構成する、単相２レベルコンバータを構成するパワーモジュールと、単相３レベルコンバータを構成するパワーモジュールと、を冷却させるために冷却装置を備える必要がある。この冷却装置が、車両の走行風で冷却させるために外部環境に露出している場合、当該冷却装置を接地する必要がある。この場合、冷却装置とパワーモジュールとの間に電位差が生じるため、冷却装置とパワーモジュールとの間に絶縁媒体を設ける等が必要となり、構造が複雑になる上に、絶縁媒体を挟むことで冷却性能が低下することが考えられる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、構造を簡素化することが可能な車両用電力変換装置を提供することを目的とする。
実施形態の車両用電力変換装置は、単相交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、２レベルコンバータと、３レベルコンバータと、１つの冷却装置と、を備える。冷却装置は、２レベルコンバータを構成するスイッチングデバイスを内蔵するパワーモジュールと、３レベルコンバータを構成するスイッチングデバイスを内蔵するパワーモジュールと、を設置する。３レベルコンバータを構成するスイッチングデバイスを内蔵するパワーモジュールは、３レベルコンバータを構成する２個直列接続されるコンデンサのうち、いずれか一つに印加可能な電圧以上の絶縁耐圧を有する。２レベルコンバータを構成するスイッチングデバイスを内蔵するパワーモジュールは、３レベルコンバータを構成する２個直列接続されるコンデンサのうちいずれか一つ及び２レベルコンバータを構成するコンデンサに印加可能な電圧の合計以上の絶縁耐圧を有する。
図１は、第１の実施形態にかかる車両用電力変換装置の構成を示した図である。 図２は、第１の実施形態にかかる車両用電力変換装置に対する出力電圧指示に対応する各コンバータの指令値電圧を示した図である。 図３は、第１の実施形態にかかる各コンバータに含まれているスイッチングデバイスによるスイッチ制御を示した図である。 図４は、車両用電力変換装置を構成するパワーモジュールの配置例を示した図である。 図５は、第１の実施形態にかかる車両用電力変換装置のパワーモジュールの側面を例示した図である。 図６は、第１の実施形態にかかるコンデンサを上方から見た場合の配置例を示した図である。 図７は、第１の実施形態にかかる車両用電力変換装置を側面から見た場合の配置例を示した図である。 図８は、第２の実施形態の車両用電力変換装置を構成するパワーモジュールの配置例を示した図である。 図９は、第２の実施形態にかかるコンデンサを上方から見た場合の配置例を示した図である。 図１０は、第２の実施形態にかかる車両用電力変換装置を側面から見た場合の配置例を示した図である。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる車両用のマルチレベルコンバータ１を含む車両用電力変換装置１１の構成を示した図である。図１に示すように、本実施形態にかかる車両用電力変換装置１１は、単相３レベルコンバータ５０と、単相２レベルコンバータ４０と、を直列接続している。
そして、車両用電力変換装置１１は、リアクトル成分を有する受動素子２を介して電力系統等の交流電源１００と接続し、単相交流電力を直流電力に変換した後、負荷３に対して電力を供給する。なお、本実施形態は、車両用電力変換装置１１が搭載される車両を制限するものではなく、様々な車両に搭載して良い。負荷３は、本実施形態ではインバータとモータで構成されているが、どのような構成でも良い。
制御部１５０は、単相３レベルコンバータ５０と、単相２レベルコンバータ４０と、を制御する。
単相２レベルコンバータ４０は、単相コンバータであり、スイッチングデバイス４ａ〜４ｄと、（直流）コンデンサ１４と、で構成される。また、単相２レベルコンバータ４０では、スイッチングデバイス４ａ、４ｂが、単相交流電力を供給する交流電源１００と接続される第１の接続点４１を介して２個直列且つ当該コンデンサ１４と並列に接続され、スイッチングデバイス４ｃ、４ｄが、第２の接続点４２を介して２個直列且つコンデンサ１４と並列に接続される。
なお、各スイッチングデバイス４ａ〜４ｄには、自己消弧能力を有すると共にスイッチングを行うトランジスタ（スイッチング素子）４ａａ、４ｂａ、４ｃａ、４ｄａと、トランジスタ４ａａ、４ｂａ、４ｃａ、４ｄａに対して逆並列に接続された（還流）ダイオード４ａｂ、４ｂｂ、４ｃｂ、４ｄｂと、が含まれている。本実施形態にかかる単相２レベルコンバータ４０は、ＳｉＣ（シリコンカーバイドデバイス）で構成される。単相２レベルコンバータ４０は、ＳｉＣ（シリコンカーバイドデバイス）を用いることで、スイッチング損失を低減できる。
単相２レベルコンバータ４０は、コンデンサ１４より交流電源１００側に、スイッチングデバイス４ａと、スイッチングデバイス４ｂと、を直列に接続している。スイッチングデバイス４ａは、コンデンサ１４の正電位側に設けられ、スイッチングデバイス４ｂは、コンデンサ１４の負電位側に設けられている。そして、単相２レベルコンバータ４０は、スイッチングデバイス４ａとスイッチングデバイス４ｂとの間の第１の接続点４１を交流入出力点とし、第１の接続点４１から、リアクトル成分を有する受動素子２を介して電力系統等の交流電源１００と接続されている。
また、単相２レベルコンバータ４０は、コンデンサ１４より負荷３側に、スイッチングデバイス４ｃと、スイッチングデバイス４ｄと、を直列に接続している。スイッチングデバイス４ｃは、コンデンサ１４の正電位側に設けられ、スイッチングデバイス４ｄは、コンデンサ１４の負電位側に設けられている。そして、スイッチングデバイス４ｃとスイッチングデバイス４ｄと、の間の第２の接続点４２（交流入出力点）から単相３レベルコンバータ５０と接続されている。
次に、単相２レベルコンバータ４０と負荷３との間に接続されている単相３レベルコンバータ５０について説明する。単相３レベルコンバータ５０は、２個のレグと、双方向スイッチングデバイス７と、（コンデンサ１５ａ、コンデンサ１５ｂで構成される）コンデンサ部１５と、を備える。
単相３レベルコンバータ５０は、２個直列接続されたコンデンサ１５ａ、１５ｂが設けられ、スイッチングデバイス５ａ、５ｂが（第２の接続点４２と接続される）第３の接続点４２ａを介して２個直列且つ２個直列接続されるコンデンサ１５ａ、１５ｂと並列に接続され、スイッチングデバイス５ｃ、５ｄが、第４の接続点４２ｂを介して２個直列且つ２個直列接続されるコンデンサ１５ａ、１５ｂと並列に接続され、第４の接続点４２ｂから中性点９までの経路上に、複数のスイッチングデバイス５ｅ、５ｆを逆極性に直列に接続する双方向スイッチングデバイス７が設けられている。
なお、各スイッチングデバイス５ａ〜５ｆには、自己消弧能力を有すると共にスイッチングを行うトランジスタ（スイッチング素子）５ａａ、５ｂａ、５ｃａ、５ｄａ、５ｅａ、５ｆａと、トランジスタ５ａａ、５ｂａ、５ｃａ、５ｄａ、５ｅａ、５ｆａに対して逆並列に接続された（還流）ダイオード５ａｂ、５ｂｂ、５ｃｂ、５ｄｂ、５ｅｂ、５ｆｂとが含まれている。
単相３レベルコンバータ５０が備える２個のレグのうち一方は、スイッチングデバイス５ａ、スイッチングデバイス５ｂにより構成される。スイッチングデバイス５ａ、５ｂは直列に接続される。スイッチングデバイス５ａは、コンデンサ部１５の正電位と第３の接続点４２ａとの間に接続される。スイッチングデバイス５ｂは、コンデンサ部１５の負電位と第３の接続点４２ａとの間に接続される。第３の接続点４２ａは、第２の接続点４２と接続する点とする。
単相３レベルコンバータ５０が備える２個のレグのうち他方は、スイッチングデバイス５ｃ、スイッチングデバイス５ｄにより構成される。スイッチングデバイス５ｃ、５ｄは直列に接続される。スイッチングデバイス５ｃは、コンデンサ部１５の正電位と（双方向スイッチングデバイス７及び中性点９側と接続する）第４の接続点４２ｂとの間に接続される。スイッチングデバイス５ｄは、コンデンサ部１５の負電位と第４の接続点４２ｂの間に接続される。
単相３レベルコンバータ５０では、スイッチングデバイス５ｃ、５ｄ、５ｅを接続する第４の接続点４２ｂを交流入出力点とし、リアクトル成分を有する受動素子２を介して電力系統等の交流電源１００と接続される。
２個のレグの第４の接続点４２ｂ（他方の交流入出力点）の負荷３側には双方向スイッチングデバイス７が接続される。双方向スイッチングデバイス７は、逆極性に直列接続されたスイッチングデバイス５ｅ、５ｆを有している。双方向スイッチングデバイス７の負荷３側は、コンデンサ部１５と接続される。
コンデンサ部１５は、コンデンサ１５ａ、コンデンサ１５ｂを有している。コンデンサ１５ａとコンデンサ１５ｂは直列に接続される。コンデンサ１５ａは、負荷３の正電位導線１０ａを正側に、中性点９を負側に接続する。コンデンサ１５ｂは、中性点９を正側に、負荷３の負電位導線１０ｂを負側に接続する。コンデンサ部１５内で直列接続されたコンデンサ１５ａ、１５ｂの間は、中性点９と接続される。
本実施形態にかかる単相２レベルコンバータ４０は、上述したように、スイッチング損失が少ないシリコンカーバイドデバイス（ＳｉＣ）等で構成され、単相３レベルコンバータ５０は、高耐圧のシリコンデバイス等で構成される。これにより、単相２レベルコンバータ４０は、単相３レベルコンバータ５０より、スイッチング損失を少なくできる。これにより、単相２レベルコンバータ４０のスイッチング回数を多くした場合でも、スイッチング損失を抑えることができる。一方、単相３レベルコンバータ５０は、単相２レベルコンバータ４０より、耐電圧性が高くなる。
図１に示されるように、中性点９を接地した場合、接地点に対してスイッチングデバイス５ａ〜５ｆは、中性点９を基点として、コンデンサ１５ａ又は１５ｂの電圧分の電位を有する。これに対して、スイッチングデバイス４ａ〜４ｄは、中性点９を基点として、コンデンサ１５ａ又は１５ｂの電圧に、さらにコンデンサ１４の電圧を加算した電圧分の電位となる。このため、車両用電力変換装置１１では、単相３レベルコンバータ５０と、単相２レベルコンバータ４０と、の間の電位差を考慮して、絶縁設計を行う必要がある。
単相３レベルコンバータ５０の基本出力周期内では、単相３レベルコンバータ５０の出力電圧が５段階で調整可能である。当該単相３レベルコンバータ５０が有する（可制御）スイッチングデバイス５ａ〜５ｆの切り替え位相を制御する。次に、単相３レベルコンバータ５０の５段階の出力電圧を含めて、車両用電力変換装置１１の指令値電圧について説明する。
図２は、第１の実施形態にかかる車両用電力変換装置１１に対する出力電圧指示に対応する各コンバータの指令値電圧を示した図である。図２には、車両用電力変換装置１１の出力電圧指令値Ｖｒｅｆ２０１と、単相３レベルコンバータ５０の指令値電圧２０２と、単相２レベルコンバータ４０の指令値電圧２０３と、単相２レベルコンバータ４０の出力電圧２０４と、が示されている。
つまり、本実施形態にかかる車両用電力変換装置１１は、単相３レベルコンバータ５０の指令値電圧２０２と単相２レベルコンバータ４０の指令値電圧２０３とを組み合わせることで、車両用電力変換装置１１の出力電圧指令値Ｖｒｅｆ２０１を実現している。
そして、本実施形態にかかる車両用電力変換装置１１は、スイッチング損失が低い単相２レベルコンバータ４０を、単相３レベルコンバータ５０よりスイッチング周波数を高くした上で、出力電圧指令値Ｖｒｅｆ２０１の詳細な変化に追従するように単相２レベルコンバータ４０を制御する。これにより詳細な電圧の制御と、スイッチング損失の低減とを実現する。
一般に、シリコンカーバイドデバイスなどのスイッチング損失が少ない素子は、耐電圧性が低いことが多い。そこで、本実施形態では、電圧の大きな変化を可能とするために、耐電圧性の高い単相３レベルコンバータ５０に対して、階段波形を実現するための制御を行うこととした。
本実施形態では、車両用電力変換装置１１の出力電圧指令値Ｖｒｅｆ２０１について、単相３レベルコンバータ５０のコンデンサ１５ａ、１５ｂの直流電圧を出力するための閾値が設けられている。例えば、単相３レベルコンバータ５０のコンデンサ１５ａ、１５ｂのいずれか１つで直流電圧を出力するための電圧の閾値を±Ｖｔｈｒ１とする。さらには、単相３レベルコンバータ５０のコンデンサ１５ａ、１５ｂの両方の直流電圧を出力するための電圧の閾値を±Ｖｔｈｒ２とする。そして、制御部１５０は、出力電圧指令値Ｖｒｅｆが、電圧の閾値±Ｖｔｈｒ１及び電圧の閾値±Ｖｔｈｒ２を超えたか否かに基づいて、単相３レベルコンバータ５０に含まれるスイッチングデバイス５ａ〜５ｆを制御する。
図２の指令値電圧２０２に示されるように、単相３レベルコンバータ５０の出力電圧値は、負の（コンデンサ１５ａ、１５ｂによる）全電圧、負の（コンデンサ１５ａ、１５ｂのいずれか一方による）半電圧、０、正の（コンデンサ１５ａ、１５ｂのいずれか一方による）半電圧、及び正の（コンデンサ１５ａ、１５ｂによる）全電圧の５段階で出力電圧値が制御される。そして、制御部１５０は、出力電圧値を５段階で切り替えるタイミングである、時刻ｔ１〜ｔ８に対応する位相の制御を行う。
さらには、単相２レベルコンバータ４０の指令値電圧２０３に基づいて、制御部１５０は、単相２レベルコンバータ４０の出力電圧２０４となるよう制御する。次に具体的なスイッチングデバイスの制御について説明する。
図３は、各コンバータに含まれているスイッチングデバイスによるスイッチ制御を示した図である。図３に示す例では、単相３レベルコンバータ５０側のスイッチングデバイス５ａ〜５ｆのスイッチ制御と、単相２レベルコンバータ４０側のスイッチングデバイス４ａ〜４ｄのスイッチ制御と、が示されている。
そして、Ｖｔｈｒ１≧Ｖｒｅｆ≧−Ｖｔｈｒ１の条件を満たす場合（時間０〜ｔ１、ｔ４〜ｔ５、ｔ８以降）、制御部１５０は、単相３レベルコンバータ５０に含まれる「スイッチングデバイス５ａ且つスイッチングデバイス５ｃ」の組み合わせ、及び「スイッチングデバイス５ｂ且つスイッチングデバイス５ｄ」の組み合わせ、のうちいずれか１つの組み合わせをオン状態とする。これにより、単相３レベルコンバータ５０出力電圧には、コンデンサ１５ａ、１５ｂの電圧が重畳されず、制御部１５０が、単相２レベルコンバータ４０に対するパルス幅変調制御でコンバータ全体の出力電圧指令値Ｖｒｅｆを出力する。
Ｖｔｈｒ２≧Ｖｒｅｆ＞Ｖｔｈｒ１の条件を満たす場合（時刻ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４）、制御部１５０は、単相３レベルコンバータ５０に含まれるスイッチングデバイス５ａ、５ｅ、５ｆをオン状態に制御する。これにより、コンバータ出力電圧に、コンデンサ１５ａの電圧が足されるため、単相２レベルコンバータ４０は、コンバータ全体の出力電圧指令値Ｖｒｅｆからコンデンサ１５ａの電圧を差し引いた差分電圧を、制御部１５０によるパルス幅変調制御に従って出力する。
Ｖｒｅｆ＞Ｖｔｈｒ２の条件を満たす場合（時刻ｔ２〜ｔ３）、制御部１５０は、単相３レベルコンバータ５０に含まれるスイッチングデバイス５ａ、５ｄをオン状態とする。これにより、コンバータ出力電圧に、コンデンサ１５ａ、１５ｂの電圧が足されるため、単相２レベルコンバータ４０はコンバータ全体の出力電圧指令値Ｖｒｅｆからコンデンサ１５ａ、１５ｂの電圧を差し引きした差分電圧を、制御部１５０によるパルス幅変調制御により出力する。
−Ｖｔｈｒ１＞Ｖｒｅｆ≧−Ｖｔｈｒ２の条件を満たす場合（時刻ｔ５〜ｔ６、ｔ７〜ｔ８）、制御部１５０は、単相３レベルコンバータ５０に含まれるスイッチングデバイス５ｂ、５ｅ、及び５ｆをオン状態とする。これにより、コンバータ出力電圧から、コンデンサ１５ｂの電圧が引かれるため、単相２レベルコンバータ４０はコンバータ全体の出力電圧指令値Ｖｒｅｆにコンデンサ１５ａの電圧を加算した差分電圧を、制御部１５０によるパルス幅変調制御により出力する。
−Ｖｔｈｒ２＞Ｖｒｅｆの条件を満たす場合（時刻ｔ６〜ｔ７）、制御部１５０は、単相３レベルコンバータ５０に含まれるスイッチングデバイス５ｂ、及び５ｃをオン状態とする。これにより、コンバータ出力電圧からコンデンサ１５ａ、１５ｂの電圧が引かれるため、単相２レベルコンバータ４０は、コンバータ全体の出力電圧指令値Ｖｒｅｆに、コンデンサ１５ａ、１５ｂを加算した差分電圧を、制御部１５０によるパルス幅変調制御により出力する。
このように、本実施形態にかかる制御部１５０は、単相３レベルコンバータ５０に含まれるスイッチングデバイス５ａ〜５ｆを、所定電圧単位（閾値±Ｖｔｈｒ２、閾値±Ｖｔｈｒ１）で制御する。そして、制御部１５０は、所定電圧より小さい出力電圧の変化に対応して、単相２レベルコンバータ４０に含まれるスイッチングデバイス４ａ〜４ｄを制御する。
図４は、車両用電力変換装置１１を構成するパワーモジュールの配置例を示した図である。図４に示されるように、車両用電力変換装置１１には、冷却装置７２０が設けられている。そして冷却装置７２０の上に、単相２レベルコンバータ４０用に設けられた２レベル用領域７０１と、単相３レベルコンバータ５０用に設けられた３レベル用領域７０２と、が設けられている。また、図４に示されるパワーモジュール（例えば、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄ、７０５ａ〜７０５ｆ）一つにつき、スイッチングデバイス（例えば、スイッチングデバイス４ａ〜４ｄ、５ａ〜５ｆ）が一つ内蔵されている。尚、図４では、１つのパワーモジュールに１つのスイッチングデバイスとして説明するが、１つのパワーモジュールに２つ以上のスイッチングデバイスを内蔵してもよい。
単相２レベルコンバータ４０用に設けられた２レベル用領域７０１には、単相２レベルコンバータ４０用のスイッチング回路が構成されており、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄが配置されている。これらパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄには、スイッチングデバイス４ａ〜４ｄが内蔵されている。なお、単相２レベルコンバータ４０用のコンデンサ１４の配置については後述する。
単相３レベルコンバータ５０用に設けられた３レベル用領域７０２には、単相３レベルコンバータ５０用のスイッチング回路が構成されており、パワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆが配置されている。これらパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆには、スイッチングデバイス５ａ〜５ｆが内蔵されている。なお、単相３レベルコンバータ５０用のコンデンサ１５ａ、１５ｂの配置については後述する。
図４に示されるように、単相２レベルコンバータ４０のパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄと、単相３レベルコンバータ５０のパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆと、が同一の冷却装置７２０上に設けられている。
本実施形態の冷却装置７２０は、冷却フィンとして構成され、車両の走行風等により、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄ、及びパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆを冷却させている。このような冷却装置７２０は、冷却効率を上昇させるために、外部から接触可能な場所に設置することが多い。このように、冷却装置７２０を接触可能な場所に設置する場合には、安全性を確保するために、当該冷却装置７２０を接地する必要がある。
上述したように、スイッチングデバイス４ａ〜４ｄを内蔵したパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄと、スイッチングデバイス５ａ〜５ｆを内蔵したパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆと、では電位が異なる。これらを考慮すると、冷却装置７２０と、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄ及びパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆと、の間に絶縁媒体を設ける必要があるが、構造が複雑になる上に冷却性能が低下する可能性がある。
そこで、本実施形態では、冷却装置７２０と、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄ及びパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆと、の間に絶縁媒体を設けないこととした。その上で、本実施形態では、パワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆとして、コンデンサ１５ａ又は１５ｂに印加可能な電圧の電位以上の絶縁耐圧を備えたものを用いると共に、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄとして、コンデンサ１５ａ又は１５ｂに印加可能な電圧に、コンデンサ１４に印加可能な電圧を加算して導出される電位以上の絶縁耐圧を備えたものを用いることとした。
このように、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄは、パワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆと比べて高い絶縁耐圧を備えることになる。つまり、耐電圧性は、単相２レベルコンバータ４０のパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄと比べて単相３レベルコンバータ５０のパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆの方が高くなる一方、絶縁耐圧は、単相３レベルコンバータ５０のパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆと比べて単相２レベルコンバータ４０のパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄの方が高くなる。
絶縁耐圧を向上させる手法の一つとしては、パワーモジュールの沿面距離を稼ぐ手法が考えられる。図５は、パワーモジュール７０４ａの側面を例示した図である。図５に示されるように、パワーモジュール７０４ａの側面部が凹凸形状で構成して、沿面距離を稼ぐことで、絶縁耐圧を高くすることができる。なお、図５では、パワーモジュール７０４ａの場合について説明したが他のパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄも、（必要に応じてはパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆも）同様の形状を備えているものとする。なお、図５に示す例は、沿面距離を稼ぐためのパワーモジュールの形状の例を示したものであり、沿面距離を稼げれば他の形状でもよい。さらには、沿面距離を稼ぐ以外の手法で、絶縁耐圧を向上させても良い。
次に、コンデンサの配置について説明する。図６は、本実施形態にかかるコンデンサを上方から見た場合の配置例を示した図である。図６に示される例では、２レベル用領域７０１のパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄの上部に、コンデンサ１４が配置されている。さらには、３レベル用領域７０２のパワーモジュール７０５ａ、７０５ｃ、７０５ｅの上部に、コンデンサ１５ａが配置され、３レベル用領域７０２のパワーモジュール７０５ｂ、７０５ｄ、７０５ｆの上部に、コンデンサ１５ｂが配置されている。
図７は、本実施形態にかかる車両用電力変換装置１１を側面から見た場合の配置例を示した図である。図１０に示されるように、冷却装置７２０の放熱部１００１は、車両用電力変換装置１１の外部に露出しており、当該放熱部１００１を構成しているフィン（放熱板）は、車両の走行時に走行風で冷却されるように進行方向に沿うように配置されている。
そして、冷却装置７２０の上に、パワーモジュール７０４ｂ、７０４ｄ、７０５ｂ、７０５ｄ、７０５ｆが配置されている。また、図７からは視認できないパワーモジュール７０４ａ、７０４ｃ、７０５ａ、７０５ｃ、７０５ｅも同様に、冷却装置７２０の上に配置されている。
そして、図７に示されるように、単相２レベルコンバータ４０に設けられたコンデンサ１４は、パワーモジュール（７０４ａ〜７０４ｄ）の上方向且つ近傍に設けられている。同様に、単相３レベルコンバータ５０に設けられたコンデンサ１５ａ、１５ｂは、パワーモジュール（７０５ａ〜７０５ｆ）の上方向且つ近傍に設けられている。
そして、単相２レベルコンバータ４０の回路は、コンデンサ１４と、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄと、の間１００２に設けられる。このように、コンデンサ１４、及びパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄが近接しているため、単相２レベルコンバータ４０の回路内の電流経路が短くなる。
同様に、単相３レベルコンバータ５０の回路は、コンデンサ１５ａ、１５ｂと、パワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆと、の間１００３に設けられる。このように、コンデンサ１５ａ、１５ｂ、及びパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆが近接しているため、単相３レベルコンバータ５０の回路内の電流経路が短くなる。
つまり、コンバータ回路内の電流経路が長くなればなるほど回路インダクタンスが増加するが、本実施形態では、各コンバータ（単相２レベルコンバータ４０、及び単相３レベルコンバータ５０）を構成するパワーモジュール（パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄ、及びパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆ）の上方向且つ近傍にコンデンサ（コンデンサ１４、及びコンデンサ１５ａ、１５ｂ）を設置することで、回路インダクタンスを低減させることができる。
ところで、単相２レベルコンバータ４０のスイッチングデバイス４ａ〜４ｄを構成する（低耐圧の）パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄは、スイッチングデバイス５ａ〜５ｆを構成する（高耐圧の）パワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆと比べて、スイッチング損失を低減できる。しかしながら、単相２レベルコンバータ４０は、単相３レベルコンバータ５０と比べて、高速なスイッチング動作が行われるため、スイッチング回数が多い。さらには、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄは、パワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆと比べて、放熱面積が小さい。このため、単相２レベルコンバータ４０のパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄは、単相３レベルコンバータ５０のパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆと比べて、温度上昇が高くなる可能性がある。
そこで、本実施形態では、単相２レベルコンバータ４０を構成するスイッチングデバイス４ａ〜４ｄを内蔵するパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄを、単相３レベルコンバータ５０を構成するスイッチングデバイス５ａ〜５ｆを内蔵するパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆより、動作温度上限値が高いものを用いる。これにより、高速なスイッチング動作が行われる場合でも安定性を向上させることができる。
本実施形態では、上述した構成を備えることで、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄ及びパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆを、接地された同一の冷却装置７２０に直接配置できる。これにより、絶縁媒体等を設ける必要がないため、構造を簡素化した上で、冷却性能を向上させることができる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、単相２レベルコンバータ４０を構成するスイッチングデバイス４ａ〜４ｄを内蔵するパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄと、単相３レベルコンバータ５０を構成するスイッチングデバイス５ａ〜５ｆを内蔵するパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆと、を同一の冷却装置７２０上に配置した例について説明した。しかしながら、上述した実施形態は、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄと、パワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆと、を同一の冷却装置７２０に配置することに制限するものではない。そこで、第２の実施形態では、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄと、パワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆと、を異なる冷却装置上に配置する例について説明する。
第２の実施形態の車両用電力変換装置１１は、第１の実施形態の車両用電力変換装置１１（の図１で示した構成）と同様の回路構成を備えているものとして説明を省略する。
図８は、第２の実施形態の車両用電力変換装置１１を構成するパワーモジュールの配置例を示した図である。図８に示されるように、単相２レベルコンバータ４０用の２レベル用冷却装置１１２０と、単相３レベルコンバータ５０用の３レベル用冷却装置１１２１と、が設けられている。
そして２レベル用冷却装置１１２０上に、単相２レベルコンバータ４０用に設けられた２レベル用領域１１３０が設けられている。また、３レベル用冷却装置１１２１上に、単相３レベルコンバータ５０用に設けられた３レベル用領域１１３１が設けられている。また、図８に示されるパワーモジュール（例えば、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄ、７０５ａ〜７０５ｆ）一つにつき、スイッチングデバイス（例えば、スイッチングデバイス４ａ〜４ｄ、５ａ〜５ｆ）が一つ内蔵されている。尚、図８では、１つのパワーモジュールに１つのスイッチングデバイスとして説明するが、１つのパワーモジュールに２つ以上のスイッチングデバイスを内蔵してもよい。
２レベル用冷却装置１１２０上に、単相２レベルコンバータ４０用に設けられた２レベル用領域１１３０には、単相２レベルコンバータ４０用のスイッチング回路が構成されており、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄが配置されている。これらパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄには、スイッチングデバイス４ａ〜４ｄが内蔵されている。なお、単相２レベルコンバータ４０用のコンデンサ１４の配置については後述する。
３レベル用冷却装置１１２１上に、単相３レベルコンバータ５０用に設けられた３レベル用領域１１３１には、単相３レベルコンバータ５０用のスイッチング回路が構成されており、パワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆが配置されている。これらパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆには、スイッチングデバイス５ａ〜５ｆが内蔵されている。なお、単相３レベルコンバータ５０用のコンデンサ１５ａ、１５ｂの配置については後述する。
次に、コンデンサの配置について説明する。図９は、本実施形態にかかるコンデンサを上方から見た場合の配置例を示した図である。図９に示される例では、２レベル用領域１１３０のパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄの上部に、コンデンサ１４が配置されている。さらには、３レベル用領域１１３１のパワーモジュール７０５ｂ、７０５ｄ、７０５ｆの上部に、コンデンサ１５ａが配置され、３レベル用領域１１３１のパワーモジュール７０５ａ、７０５ｃ、７０５ｅの上部に、コンデンサ１５ｂが配置されている。
そして、単相２レベルコンバータ４０と単相３レベルコンバータ５０間の配線インダクタンスは高くても問題ないため、２レベル用冷却装置１１２０を外部から接触不可能な場所に設置し、２レベル用冷却装置１１２０を接地不要にすれば、第１の実施形態のようなパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄの絶縁耐圧を考慮しなくてよくなる。
図１０は、本実施形態にかかる車両用電力変換装置１１を側面から見た場合の配置例を示した図である。図１０では、単相２レベルコンバータ４０が配置された２レベル用冷却装置１１２０は装置内部に配置され、単相３レベルコンバータ５０が配置された３レベル用冷却装置１１２１はその一部が装置外部に露出するように配置され、単相２レベルコンバータ４０と単相３レベルコンバータ５０とは接続導体１３０１で接続される。
図１０に示されるように、３レベル用冷却装置１１２１の放熱部１３０２は、車両用電力変換装置１１の外部環境に露出しており、当該放熱部１３０２を構成しているフィン（放熱板）は、車両の走行時に走行風（空気）で冷却されるように進行方向に沿うように配置されている。このため、３レベル用冷却装置１１２１は接地すると共に、パワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆは第１の実施形態と同様の絶縁耐圧を備えている必要がある。
一方、２レベル用冷却装置１１２０は、車両用電力変換装置１１の内部に格納される（換言すれば外部環境に露出しないように構成する）と共に、２レベル用冷却装置１１２０に対して（図示しない）ファン（冷却部）等を用いて強制冷却を行う。つまり、２レベル用冷却装置１１２０を外部から接触不可能な場所に配置したことで、走行風による冷却効果が弱まると考えられる。このため、ファン等を用いて強制冷却を行うこととした。さらに、２レベル用冷却装置１１２０を接地しないよう構成したことで、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄと２レベル用冷却装置１１２０との間に第１の実施形態のような電位差は生じないため、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄは第１の実施形態のような絶縁耐圧を備えた構成でなくともよい。
そして、単相２レベルコンバータ４０に設けられたコンデンサ１４は、パワーモジュール（７０４ａ〜７０４ｄ）の上方向且つ近傍に設けられている。同様に、単相３レベルコンバータ５０に設けられたコンデンサ１５ａ、１５ｂは、パワーモジュール（７０５ａ〜７０５ｆ）の上方向且つ近傍に設けられている。
これにより、第１の実施形態と同様に、単相２レベルコンバータ４０、及び単相３レベルコンバータ５０の回路内の電流経路が短くできる。つまり、本実施形態の単相２レベルコンバータ４０及び単相３レベルコンバータ５０においては、第１の実施形態と同様に、回路インダクタンスを低減できる。
さらに、単相２レベルコンバータ４０のパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄは、単相３レベルコンバータ５０の（高耐圧の）パワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆと比べて、スイッチング損失を低減できる。しかしながら、単相２レベルコンバータ４０は、単相３レベルコンバータ５０と比べて、スイッチング回数が多く、放熱面積が小さいため、温度上昇が高くなる可能性がある。
そこで、本実施形態では、単相２レベルコンバータ４０のパワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄを、単相３レベルコンバータ５０のパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆより、動作温度上限値が高いものを用いることとした。これにより、高速なスイッチング動作が行われる場合でも安定性を向上させることができる。
本実施形態では、上述した構成を備えることで、パワーモジュール７０４ａ〜７０４ｄと２レベル用冷却装置１１２０との間、及びパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆとパワーモジュール７０５ａ〜７０５ｆとの間に、絶縁媒体等を設ける必要が無いため、構造を簡素化すると共に、冷却性を向上させることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…マルチレベルコンバータ、２…受動素子、３…負荷、４ａ〜４ｄ…スイッチングデバイス、４ａａ、４ｂａ、４ｃａ、４ｄａ…トランジスタ、４ａｂ、４ｂｂ、４ｃｂ、４ｄｂ…ダイオード、５ａ〜５ｆ…スイッチングデバイス、５ａｂ、５ｂｂ、５ｃｂ、５ｄｂ、５ｅｂ、５ｆｂ…ダイオード、５ａａ、５ｂａ、５ｃａ、５ｄａ、５ｅａ、５ｆａ…トランジスタ、７…双方向スイッチングデバイス、９…中性点、１１…車両用電力変換装置、１５…コンデンサ部、１４、１５ａ、１５ｂ…コンデンサ、４０…単相２レベルコンバータ、５０…単相３レベルコンバータ、１００…交流電源、１５０…制御部、７０４ａ〜７０４ｄ…パワーモジュール、７０５ａ〜７０５ｆ…パワーモジュール、７２０…冷却装置、１００１…放熱部、１１２０…２レベル用冷却装置、１１２１…３レベル用冷却装置、１３０１…接続導体、１３０２…放熱部

Claims (7)

  1. 単相交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、
    コンデンサが設けられ、自己消弧能力を有するスイッチング素子と当該スイッチング素子と逆並列に接続されるダイオードとを有する一方のスイッチングデバイスが、前記単相交流電力を供給する電源と接続される第１の接続点を介して２個直列且つ前記コンデンサに並列に接続され、他方のスイッチングデバイスが、第２の接続点を介して２個直列且つ前記コンデンサと並列に接続される２レベルコンバータと、
    ２個直列接続されるコンデンサが設けられ、一方のスイッチングデバイスが前記第２の接続点と接続される第３の接続点を介して２個直列且つ前記２個直列接続されるコンデンサと並列に接続され、他方のスイッチングデバイスが、第４の接続点を介して２個直列且つ前記２個直列接続されるコンデンサと並列に接続され、前記第４の接続点から中性点までの経路上に、複数のスイッチングデバイスを逆極性に直列に接続する双方向スイッチが設けられる３レベルコンバータと、
    前記２レベルコンバータを構成するスイッチングデバイスを内蔵するパワーモジュールと、前記３レベルコンバータを構成するスイッチングデバイスを内蔵するパワーモジュールと、を設置する１つの冷却装置と、を備え、
    前記３レベルコンバータを構成するスイッチングデバイスを内蔵するパワーモジュールは、前記３レベルコンバータを構成する２個直列接続されるコンデンサのうち、いずれか一つに印加可能な電圧以上の絶縁耐圧を有し、
    前記２レベルコンバータを構成するスイッチングデバイスを内蔵するパワーモジュールは、前記３レベルコンバータを構成する２個直列接続されるコンデンサのうちいずれか一つ及び前記２レベルコンバータを構成するコンデンサに印加可能な電圧の合計以上の絶縁耐圧を有する、
    車両用電力変換装置。
  2. 前記２レベルコンバータに設けられた前記コンデンサは、前記２レベルコンバータを構成する前記スイッチングデバイスを内蔵する前記パワーモジュールの上方向且つ近傍に設置され、
    前記３レベルコンバータに設けられた前記コンデンサは、前記３レベルコンバータを構成する前記スイッチングデバイスを内蔵する前記パワーモジュールの上方向且つ近傍に設置された、
    請求項１に記載の車両用電力変換装置。
  3. 請求項１の電力変換装置において、
    前記２レベルコンバータを構成する前記スイッチングデバイスを内蔵する前記パワーモジュールは、前記３レベルコンバータを構成する前記スイッチングデバイスを内蔵する前記パワーモジュールより動作温度上限値が高い、
    請求項１に記載の車両用電力変換装置。
  4. 単相交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、
    コンデンサが設けられ、自己消弧能力を有するスイッチング素子と当該スイッチング素子と逆並列に接続されるダイオードとを有する一方のスイッチングデバイスが、前記単相交流電力を供給する電源と接続される第１の接続点を介して２個直列且つ前記コンデンサと並列に接続され、他方のスイッチングデバイスが、第２の接続点を介して２個直列且つ前記コンデンサと並列に接続される２レベルコンバータと、
    ２個直列接続されるコンデンサが設けられ、一方のスイッチングデバイスが前記第２の接続点と接続される第３の接続点を介して２個直列且つ前記２個直列接続されるコンデンサと並列に接続され、他方のスイッチングデバイスが、第４の接続点を介して２個直列且つ前記２個直列接続されるコンデンサと並列に接続され、前記第４の接続点から中性点までの経路上に、複数のスイッチングデバイスを逆極性に直列に接続する双方向スイッチが設けられた３レベルコンバータと、
    前記２レベルコンバータを構成するスイッチングデバイスを内蔵するパワーモジュールを第１の冷却装置に設置し、前記３レベルコンバータを構成するスイッチングデバイスを内蔵するパワーモジュールを第２の冷却装置に設置する、
    車両用電力変換装置。
  5. 前記第１の冷却装置は、接地せず且つ外部環境に露出しないように設けた上、冷却部を用いて強制冷却し、
    前記第２の冷却装置は、接地し且つ外部環境に露出した、
    請求項４に記載の車両用電力変換装置。
  6. 前記２レベルコンバータに設けられた前記コンデンサは、前記２レベルコンバータを構成する前記スイッチングデバイスを内蔵する前記パワーモジュールの上方向且つ近傍に設置され、
    前記３レベルコンバータに設けられた前記コンデンサは、前記３レベルコンバータを構成する前記スイッチングデバイスを内蔵する前記パワーモジュールの上方向且つ近傍に設置された、
    請求項４に記載の車両用電力変換装置。
  7. 前記２レベルコンバータを構成する前記スイッチングデバイスを内蔵する前記パワーモジュールは、前記３レベルコンバータを構成する前記スイッチングデバイスを内蔵する前記パワーモジュールより動作温度上限値が高い、
    請求項４に記載の車両用電力変換装置。
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