JP2018182869A - ５レベルインバータの導体接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】５レベルインバータの直流部１０１の出力と各相の交流部の入力とを短い導体距離で接続するとともに、導体積層体の積層方向の寸法を小さくする。【解決手段】積層方向の中央に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相電圧出力導体１，２，３を互いに重ならないように配置し、その外側に、一対の中性点電位用導体４，５を積層する。さらに外側に、＋側中間電位用導体６、−側中間電位用導体７を積層し、さらに外側に、＋側最大電位用導体８、−側最大電位用導体９を積層する。積層方向と直交するｘ方向の一方の側に直流部１０１のモジュールを配置し、他方の側に３つの交流部のモジュールを配置することで、直流部１０１の出力と交流部の入力とを短い導体距離で接続できる。中性点電位用導体４，５の介在により、相電圧出力導体１，２，３と最大電位用導体８，９との間の電位差が分割される。【選択図】図２

Description

この発明は、５段階の電位を用いる５レベルインバータに関し、特に、５段階の電位を供給する直流部の出力と相毎に設けられる複数の交流部の入力との間を板状の導体を用いて接続する導体接続構造に関する。

図１は、本出願人が先に提案した特許文献１の図２３に開示されている５レベルインバータの回路図である。この５レベルインバータは、例えば３相の電力変換装置として構成されており、５段階の電位を供給する各相に共通な直流部と、相毎の交流部つまりＵ相部、Ｖ相部およびＷ相部と、を備えている。

直流部は、直流電圧源となる＋側および−側の直流コンデンサ（ＤＣＰ，ＤＣＮ）と、＋側および−側のフライングコンデンサ（ＦＣＰ，ＦＣＮ）と、フライングコンデンサの充電もしくは放電の経路の少なくとも一部を構成する複数個の半導体スイッチ（Ｓａ〜Ｓｈ）と、を備えており、Ｕ相部、Ｖ相部、Ｗ相部の各々に、中性点電位ＮＰを含む５段階のレベルの電位（＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ）を供給する。

各相の交流部は、上記直流部から上記の５段階の電位の供給を受けて、複数の半導体スイッチのスイッチングにより各相の相電圧を形成するものであり、図示例では、Ｕ相部は、複数のダイオード（Ｄｕ１ａ〜Ｄｕ２ｂ）と複数の相電力制御用半導体スイッチ（Ｓｕ１ａ〜Ｓｕ５ｂ）とを含んで構成される。Ｖ相部およびＷ相部も同様に複数のダイオードと複数の相電力制御用半導体スイッチを含んで構成される。

ここで、大きな電力を取り扱うインバータ装置にあっては、直流部と各交流部との間を、電線ではなく、板状の導体で接続することが一般的である。そして、半導体スイッチに接続される複数の導体を積層化して、電流が流れる導体のループ面積を小さくすることで、磁界の発生を低減し、ノイズによる誤作動を発生しにくくする技術が従来から知られている。また、積層した２つの導体で逆方向に電流が流れるようにすれば、各々で発生する磁界が互いに打ち消し合うことも知られている。

特許文献２には、２レベルインバータの１つの相を構成する並列接続した複数の半導体スイッチング素子に関して、上アームとなる複数の半導体スイッチング素子の＋側入力端子に接続された＋側短絡バーと、下アームとなる複数の半導体スイッチング素子の−側入力端子に接続された−側短絡バーと、各半導体スイッチング素子の出力端子に接続された出力側短絡バーと、この出力側短絡バーと端部で接続された出力バーと、の４つの導体を積層した構成が開示されている。＋側短絡バーの一端部と−側短絡バーの一端部は、平滑コンデンサの各々の極に接続されており、この平滑コンデンサとは反対側となる側において、出力側短絡バーと出力バーとが接続されている。

国際公開第２０１５／０１５８８５号 特開平６−２３３５５４号公報

特許文献２は、２レベルインバータの１つの相を構成する１つのモジュールにおける導体接続構造を示すものであって、例えば図１に例示したような直流部と複数の交流部との間の接続にそのまま適用することはできない。

例えば、複数の相の交流部に対して特許文献２のような導体積層体を個々に設けた場合には、５レベルインバータの装置全体が平面的に大型化するとともに、導体距離が長くなり易い。

また、各相に共通なコンデンサ（直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮおよびフライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮ）と各相の交流部の入力との間の導体距離を、各相で等しくすることが望ましいが、特許文献２の導体積層体を３相分設けると、導体距離を等しくすることは困難である。

また、（＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ）の５段階のレベルの電位を用いる５レベルインバータにあっては、導体の組み合わせによっては、隣接する導体間に最大で４Ｅの電位差が生じる可能性があり、このような電位差に耐えうる絶縁設計が要求される。つまり、仮に各導体を単純に積層したのでは、導体間の絶縁距離を大きく確保する必要が生じ、導体積層体が積層方向に大型化してしまう。

この発明は、５レベルインバータの導体接続構造として、各相の導体距離を大きく異ならせることなく全体として小型に構成でき、かつ種々のスイッチングパターンの下で積層した２つの導体において逆向きの電流が流れるようにした導体接続構造を提供することを目的としている。

この発明の導体接続構造は、中性点電位、＋側最大電位、＋側中間電位、−側最大電位および−側中間電位の５段階の電位を供給する直流部と、複数の相にそれぞれ対応して設けられ、上記直流部から上記の５段階の電位の供給を受けて、複数の半導体スイッチのスイッチングにより各相の相電圧を形成する複数の交流部と、を備えた５レベルインバータにおいて、上記直流部と上記複数の交流部との間を板状の導体を用いて接続する導体接続構造であって、
互いに重ならないように並べて配置され、かつ複数の交流部の出力と負荷側の各相の入力とをそれぞれ接続する複数の相電圧出力導体と、
この複数の相電圧出力導体を中央に挟むように両側にそれぞれ積層して配置され、上記直流部の中性点電位出力と各交流部の中性点電位入力とを接続する一対の中性点電位用導体と、
一方の中性点電位用導体の外側に積層して配置され、上記直流部の＋側中間電位出力と各交流部の＋側中間電位入力とを接続する＋側中間電位用導体と、
他方の中性点電位用導体の外側に積層して配置され、上記直流部の−側中間電位出力と各交流部の−側中間電位入力とを接続する−側中間電位用導体と、
上記＋側中間電位用導体の外側に積層して配置され、上記直流部の＋側最大電位出力と各交流部の＋側最大電位入力とを接続する＋側最大電位用導体と、
上記−側中間電位用導体の外側に積層して配置され、上記直流部の−側最大電位出力と各交流部の−側最大電位入力とを接続する−側最大電位用導体と、
を備えて構成され、
上記の中性点電位用導体、＋側中間電位用導体、−側中間電位用導体、＋側最大電位用導体、−側最大電位用導体、における上記直流部の各電位出力との接続部は、上記複数の相電圧出力導体の上記負荷側への接続部とともに、積層方向と直交する方向の一方の側に配置されており、
上記の中性点電位用導体、＋側中間電位用導体、−側中間電位用導体、＋側最大電位用導体、−側最大電位用導体、における各交流部の各電位入力との接続部は、上記複数の相電圧出力導体の各交流部の出力との接続部とともに、積層方向と直交する方向の他方の側に配置されている、ことを特徴としている。

上記の構成では、各導体を積層した導体積層体の一方の側に直流部を配置し、他方の側に各相の交流部を配置することで、直流部の出力と各相の交流部の入力とを、短い導体距離でかつ各相でほぼ等しい導体距離でもって接続することが可能となる。つまり、積層方向と直交する方向での導体積層体の寸法を小型化することができる。

また、直流部との接続部と交流部との接続部がそれぞれ反対側に設けられているとともに、積層方向の中央に位置する複数の相電圧出力導体を挟んで、直流部の出力と交流部の入力とを接続した＋側および−側の各導体が積層されているので、どのようなスイッチングパターンであっても、相電圧出力導体と他のいずれかの導体とで互いに逆方向に電流が流れ、各々で発生する磁界を打ち消し合う作用が得られる。

さらに、上記構成では、中性点電位用導体を一対備えており、各相の相電圧出力導体と他の最大電位用導体等との間に中性点電位用導体が介在するので、積層された導体間の電位差が最大でも２Ｅとなる。従って、導体間の絶縁設計がより簡易となり、積層される導体間の絶縁距離を短くして、導体積層体の積層方向の小型化が図れる。

より好ましい本発明の一つの態様においては、上記一対の中性点電位用導体の間において、互いに隣接する２つの相電圧出力導体の間に設けられ、かつ中性点電位に保持されるセパレータ、をさらに備えている。互いに重ならないように並べて配置された複数の相電圧出力導体の間では、最大で４Ｅの電位差が生じるが、両者間に中性点電位となるセパレータを介在させることで、一方の相電圧出力導体とセパレータとの間、およびセパレータと他方の相電圧出力導体との間、でそれぞれ２Ｅの電位差に分割される。従って、複数の相電圧出力導体をより近付けて配置することが可能となり、積層方向と直交する面における導体積層体の占有面積をより小型化できる。

本発明の一つの実施例では、上記複数の相電圧出力導体は、実質的に一つの平面に沿って配置されている。そして、上記平面と平行に各導体が積層されている。但し、本発明においては、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば緩く湾曲した曲面に沿って複数の相電圧出力導体を配置する、などの構成も可能である。さらには、導体積層体が全体としてＬ字形やステップ状に屈曲した形状をなすように構成することもできる。

また本発明の一つの態様では、各導体を積層方向に投影したときに、上記一対の中性点電位用導体の外形の内側に他の導体の外形が位置している。つまり、電位差の半減に寄与する中性点電位用導体の外縁から他の導体がはみ出ないように構成されている。

本発明の導体接続構造が適用される一実施例の５レベルインバータにおいては、
上記直流部は、中性点電位を挟んで＋側および−側にそれぞれ設けられた直流コンデンサと、同じく＋側および−側にそれぞれ設けられたフライングコンデンサと、上記フライングコンデンサの充電もしくは放電の経路を構成する第１〜第８の半導体スイッチと、から構成されており、
回路構成として、
上記＋側直流コンデンサの正極と上記中性点電位との間に第１〜第４の半導体スイッチが直列に接続され、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチの中間接続点と、第３の半導体スイッチと第４の半導体スイッチの中間接続点と、の間に＋側フライングコンデンサが接続されており、
上記中性点電位と上記−側直流コンデンサの負極との間に第５〜第８の半導体スイッチが直列に接続され、第５の半導体スイッチと第６の半導体スイッチの中間接続点と、第７の半導体スイッチと第８の半導体スイッチの中間点接続と、の間に−側フライングコンデンサが接続されている。

また、一実施例の５レベルインバータにおいては、
上記交流部として、それぞれ、半導体スイッチからなる複数のアームと複数のダイオードとを含むＵ相部とＶ相部とＷ相部と、を有し、
これらのＵ相部、Ｖ相部、Ｗ相部は、それぞれ、回路構成として、
＋側最大電位入力と＋側中間電位入力との間に直列に接続された第１，第２アームと、 これら第１，第２アームの中間接続点と相電圧出力との間に直列に接続された第３，第４アームと、
中性点電位入力と第３，第４アームの中間接続点との間に挿入されたダイオードと、
−側最大電位入力と−側中間電位入力との間に直列に接続された第５，第６アームと、
これら第５，第６アームの中間接続点と相電圧出力との間に直列に接続された第７，第８アームと、
これら第７，第８アームの中間接続点と中間電位入力との間に挿入されたダイオードと、
を備えて構成されている。

この発明に係る５レベルインバータの導体接続構造においては、５段階の電位を供給する直流部の出力と各相の交流部の入力とを、短い導体距離でかつ各相でほぼ等しい導体距離でもって接続することができるとともに、積層される導体間の絶縁距離を短くすることができる。これにより、導体積層体の占有面積ならびに積層方向の寸法の双方を小さくでき、導体積層体の小型化ひいては５レベルインバータの装置全体の小型化が図れる。

また、各スイッチングパターンにおいて、各相の相電流出力導体と他のいずれかの導体とで互いに逆方向に電流が流れるため、磁界を打ち消し合う作用が確実に得られる。

この発明の一実施例の導体接続構造が適用される５レベルインバータの回路図。 一実施例の導体接続構造を示す各導体の分解斜視図。 図１の回路図上で各導体の対応する回路配線部分を図示した回路図。 積層した導体間での最大電位差を説明するための図２と同様の分解斜視図。 あるスイッチングパターンにおける各導体の電流の流れを示した図２と同様の分解斜視図。 図５に対応する電流の流れを回路図上で示した説明図。 セパレータを付加した第２実施例を示す各導体の分解斜視図。

以下、この発明の一実施例を図２〜図６に基づいて詳細に説明する。

この実施例は、前述した図１の５レベルインバータにおける直流部の出力と交流部の入力とを接続する導体接続構造として本発明を適用したものである。前述したように、図１の５レベルインバータは、３相の電力変換装置として構成されたインバータ装置であり、各相に共通な直流部１０１と、相毎の交流部であるＵ相部１０２と、Ｖ相部１０３と、Ｗ相部１０４と、に大別される。

直流部１０１は、３つの交流部つまりＵ相部１０２とＶ相部１０３とＷ相部１０４とに、５段階の電位を供給するものであって、直流電圧源となる２つの直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮと、２つのフライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮと、フライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮの充電もしくは放電の経路の少なくとも一部を構成する８個の半導体スイッチＳａ〜Ｓｈと、を備えて構成されている。半導体スイッチＳａ〜Ｓｈは、例えばＩＧＢＴからなり、それぞれ還流ダイオードを含んでいる。なお、これらの半導体スイッチＳａ〜Ｓｈ例えばＩＧＢＴは、「２ｉｎ１」あるいは「４ｉｎ１」等の適宜な形態のモジュールとして構成されている。

２つの直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮは、中性点電位ＮＰを挟んで＋側および−側にそれぞれ挿入されている。つまり、＋側入力Ｐと中性点電位ＮＰとの間に＋側直流コンデンサＤＣＰが接続され、−側入力Ｎと中性点電位ＮＰとの間に−側直流コンデンサＤＣＮが接続される。

＋側直流コンデンサＤＣＰの正極と中性点電位ＮＰとの間には、第１〜第４の半導体スイッチＳａ〜Ｓｄが直列に接続されている。そして、＋側フライングコンデンサＦＣＰは、第１の半導体スイッチＳａと第２の半導体スイッチＳｂの中間接続点に一方の極が接続され、第３の半導体スイッチＳｃと第４の半導体スイッチＳｄの中間接続点に他方の極が接続されている。

同様に、中性点電位ＮＰと−側直流コンデンサＤＣＮの負極との間には、第５〜第８の半導体スイッチＳｅ〜Ｓｈが直列に接続されている。そして、−側フライングコンデンサＦＣＮは、第５の半導体スイッチＳｅと第６の半導体スイッチＳｆの中間接続点に一方の極が接続され、第７の半導体スイッチＳｇと第８の半導体スイッチＳｈの中間接続点に他方の極が接続されている。

また、第２の半導体スイッチＳｂと第３の半導体スイッチＳｃの中間接続点の電位が＋側中間電位出力ＦＣＰＭとして直流部１０１から引き出されている。同様に、第６の半導体スイッチＳｆと第７の半導体スイッチＳｇの中間接続点の電位が−側中間電位出力ＦＣＮＭとして直流部１０１から引き出されている。

フライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮは、半導体スイッチＳａ〜Ｓｈのスイッチング動作によって充放電制御される。詳しくは、直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮの電圧をそれぞれ±２Ｅとしたときに、フライングコンデンサＦＣＰ，ＦＣＮの電圧が±Ｅとなるように制御される。従って、＋側および−側の中間電位出力ＦＣＰＭ，ＦＣＮＭの電位は、それぞれ＋Ｅ，−Ｅとなる。

上記の＋側入力Ｐ、−側入力Ｎ、中性点電位ＮＰ、における電位は、それぞれ＋側最大電位（＋２Ｅ）、−側最大電位（−２Ｅ）、中性点電位（０）として、Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４へ出力される。また、＋側中間電位出力ＦＣＰＭおよび−側中間電位出力ＦＣＮＭにおける電位は、それぞれ＋側中間電位（＋Ｅ）および−側中間電位（−Ｅ）として、Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４へ出力される。従って、直流部１０１の全体としては、Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４の各々に、中性点電位（０）を含む５段階のレベルの電位（＋２Ｅ、＋Ｅ、０、−Ｅ、−２Ｅ）を供給する。

Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４の各々は、上記直流部１０１から上記の５段階の電位の供給を受けて、複数の半導体スイッチのスイッチングにより各相の相電圧を形成し、各々の相電圧出力Ｕ，Ｖ，Ｗから出力する。

Ｕ相部１０２は、４個のダイオードＤｕ１ａ，Ｄｕ１ｂ，Ｄｕ２ａ，Ｄｕ２ｂと、１０個の相電力制御用半導体スイッチＳｕ１ａ，Ｓｕ１ｂ，Ｓｕ２ａ，Ｓｕ２ｂ，Ｓｕ３ａ，Ｓｕ３ｂ，Ｓｕ４ａ，Ｓｕ４ｂ，Ｓｕ５ａ，Ｓｕ５ｂと、を含んで構成されている。相電力制御用半導体スイッチＳｕ１ａ〜Ｓｕ５ｂは、例えばＩＧＢＴからなり、それぞれ還流ダイオードを含んでいる。

詳しくは、＋側最大電位入力Ｎと＋側中間電位入力ＦＣＰＭとの間に、第１アームとなる半導体スイッチＳｕ１ｂと第２アームとなる半導体スイッチＳｕ２ｂとが直列に接続されている。これら２つのアームの中間接続点と相電圧出力Ｕとの間に、第３アームとなる半導体スイッチＳｕ２ｂ３と第４アームとなる半導体スイッチＳｕ５ａ，Ｓｕ５ｂとが直列に接続されている。そして、中性点電位入力ＮＰと第３，第４アームの中間接続点との間に、ダイオードＤｕ２ａ，Ｄｕ２ｂが挿入されている。

また、−側最大電位入力Ｎと−側中間電位入力ＦＣＮＭとの間に、第５アームとなる半導体スイッチＳｕ１ａと第６アームとなる半導体スイッチＳｕ２ａとが直列に接続されている。これら２つのアームの中間接続点と相電圧出力Ｕとの間に、第７アームとなる半導体スイッチＳｕ３ａと第８アームとなる半導体スイッチＳｕ４ａ，Ｓｕ４ｂとが直列に接続されている。そして、第７，第８アームの中間接続点と中間電位入力ＮＰとの間に、ダイオードＤｕ１ａ，Ｄｕ１ｂが挿入されている。

なお、１つのアームとして単純に２直列に配置されている２個の半導体スイッチ（例えば、半導体スイッチＳｕ４ａと半導体スイッチＳｕ４ｂ、など）は、１個の半導体スイッチで代替することも可能である。単純に２直列に配置されている２個のダイオード（例えば、ダイオードＤｕ１ａとダイオードＤｕ１ｂ、など）も、１個のダイオードで代替することが可能である。

例えばＩＧＢＴからなる上記の半導体スイッチｕ１ａ〜Ｓｕ５ｂは、「２ｉｎ１」あるいは「３ｉｎ１」等の適宜な形態のモジュールとして構成されている。

Ｖ相部１０３も同様に、４個のダイオードＤｖ１ａ〜Ｄｖ２ｂと、ＩＧＢＴからなる１０個の相電力制御用半導体スイッチＳｖ１ａ〜Ｓｖ５ｂと、を含んで構成されている。Ｗ相部１０４も同様に、４個のダイオードＤｗ１ａ〜Ｄｗ２ｂと、ＩＧＢＴからなる１０個の相電力制御用半導体スイッチＳｗ１ａ〜Ｓｗ５ｂと、を含んで構成されている。

図２は、上記のような回路構成を有する５レベルインバータにおいて、直流部１０１の各電位の出力と各相の交流部の入力との間を板状の導体を用いて接続する導体接続構造を示しており、特に、導体積層体を構成する各導体を積層方向に離して図示した分解斜視図である。また、図３は、図１と同じ実施例の回路図であるが、図２における各導体が構成する回路配線を、各導体の参照符号と同じ参照符号の太実線でもって示してある。

図２中の３次元を示す矢印ｘ，ｙ，ｚは、説明の便宜のために付したものであり、積層方向をｚ方向とし、この積層方向と直交する平面の２方向をｘ方向およびｙ方向とする。

図２には、５レベルインバータを構成する半導体スイッチのモジュールや直流コンデンサＤＣＰ，ＤＣＮ等は図示していないが、直流部１０１と３つの交流部（Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４）は、図２に示す導体積層体を中央に挟んでｘ方向に互いに反対側に位置している。具体的には、図２の矢印Ｘ１側に直流部１０１のモジュールが配置され、矢印Ｘ２側に３つの交流部（Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４）のモジュールが配置される。そして、３つの交流部のモジュールは、ｙ方向に並んで配置されている。具体的には、ｙ方向の下部にＵ相部１０２が、中間部にＶ相部１０３が、上部にＷ相部１０４が、それぞれ位置している。

この導体積層体は、全体として７層構造を有しており、積層方向の中央部に各相の相電圧出力導体１，２，３が配置されている。これらの相電圧出力導体１，２，３は、互いに重ならないように並べて配置されている。詳しくは、板状をなす導体１，２，３の面が積層方向と直交する平面に沿うようにそれぞれ配置されており、かつ実質的に１つの平面に沿って位置している。

下部に位置するＵ相相電圧出力導体１は、ほぼ直線状に構成され、交流部との接続部となる一端部１ａが図外の導体を介してＵ相部１０２の相電圧出力Ｕ（半導体スイッチＳｕ５ｂ，Ｓｕ４ｂの中間接続点：図３参照）に接続されるとともに、負荷側への接続部となる他端部１ｂが図外の導体を介して負荷側のＵ相入力に接続される。ｙ方向の中間部に位置するＶ相相電圧出力導体２は、ステップ状に形成され、交流部との接続部となる一端部２ａが図外の導体を介してＶ相部１０３の相電圧出力Ｖ（半導体スイッチＳｖ５ｂ，Ｓｖ４ｂの中間接続点：図３参照）に接続されるとともに、負荷側への接続部となる他端部２ｂが図外の導体を介して負荷側のＶ相入力に接続される。ｙ方向の上部に位置するＷ相相電圧出力導体３は、Ｖ相相電圧出力導体２の側縁に沿うようにステップ状に形成され、交流部との接続部となる一端部３ａが図外の導体を介してＷ相部１０４の相電圧出力Ｗ（半導体スイッチＳｗ５ｂ，Ｓｗ４ｂの中間接続点：図３参照）に接続されるとともに、負荷側への接続部となる他端部３ｂが図外の導体を介して負荷側のＷ相入力に接続される。

すなわち、３つの相電圧出力導体１，２，３の一端部１ａ，２ａ，３ａは、導体積層体のｘ方向の一端部においてｙ方向に並んで位置し、それぞれに、Ｕ相部１０２，Ｖ相部１０３，Ｗ相部１０４の相電圧出力が接続される。そして、各導体１，２，３の他端部１ｂ，２ｂ，３ｂは、導体積層体のｘ方向の他端部において、負荷への出力端子として３つ並んで位置している。

従って、これら３つの相電圧出力導体１，２，３は、図３に示すように、負荷へ相電圧をそれぞれ出力する回路配線の一部を構成する。

３つの相電圧出力導体１，２，３の外側には、比較的大きな外形状を有する中性点電位用導体４，５が、それぞれ相電圧出力導体１，２，３に対し絶縁状態でもって積層されている。つまり一対の中性点電位用導体４，５が、３つの相電圧出力導体１，２，３を中央に挟むように両側にそれぞれ積層して配置されている。２つの中性点電位用導体４，５は、基本的に同一（換言すれば対称）の形状を有しており、積層方向に投影したときに、３つの相電圧出力導体１，２，３を包含する大きさを有する。各中性点電位用導体４，５は、交流部（Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４）側の一端部４ａ，５ａが３つの部分に切り欠かれており、交流部との接続部として、それぞれ各交流部（Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４）の中性点電位入力（ダイオードＤｕ１ａ，Ｄｕ２ａの中間接続点、ダイオードＤｖ１ａ，Ｄｖ２ａの中間接続点、ダイオードＤｗ１ａ，Ｄｗ２ａの中間接続点：図３参照）に図外の導体を介して接続される。そして、直流部１０１側の他端部４ｂ，５ｂが、直流部１０１との接続部として、直流部１０１の中性点電位出力ＮＰ（半導体スイッチＳｄ，Ｓｅの中間接続点）に図外の導体を介して接続される。なお、２つの中性点電位用導体４，５は、図外の導体を介して互いに導通しており、同電位（中性点電位）に保たれている。

従って、中性点電位用導体４，５は、図３に示すように、直流部１０１の中性点電位出力ＮＰと各交流部の中性点電位入力とを接続する回路配線の一部を構成する。

中性点電位用導体４の外側には、＋側中間電位用導体６が、該中性点電位用導体４に対し絶縁状態でもって積層されている。また、中性点電位用導体５の外側には、−側中間電位用導体７が、該中性点電位用導体５に対し絶縁状態でもって積層されている。これら２つの中間電位用導体６，７は、基本的に同一（換言すれば対称）の形状を有しており、積層方向に投影したときに、中性点電位用導体４，５の外形の内側に包含される大きさないし外形を有する。

＋側中間電位用導体６は、交流部（Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４）側の一端部６ａが３つの端子形状に切り欠かれており、交流部との接続部として、それぞれ各交流部（Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４）の＋側中間電位入力（半導体スイッチＳｕ２ｂ，Ｓｖ２ｂ，Ｓｗ２ｂのエミッタ端子：図３参照）に図外の導体を介して接続される。そして、直流部１０１側の他端部６ｂが、直流部１０１との接続部として、直流部１０１の＋側中間電位出力（半導体スイッチＳｂ，Ｓｃの中間接続点：図３参照）に図外の導体を介して接続される。

同様に、−側中間電位用導体７は、交流部（Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４）側の一端部７ａが３つの端子形状に切り欠かれており、交流部との接続部として、それぞれ各交流部（Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４）の−側中間電位入力（半導体スイッチＳｕ２ａ，Ｓｖ２ａ，Ｓｗ２ａのコレクタ端子：図３参照）に図外の導体を介して接続される。そして、直流部１０１側の他端部７ｂが、直流部１０１との接続部として、直流部１０１の−側中間電位出力（半導体スイッチＳｆ，Ｓｇの中間接続点：図３参照）に図外の導体を介して接続される。

従って、＋側中間電位用導体６および−側中間電位用導体７は、図３に示すように、直流部１０１の＋側中間電位出力および−側中間電位出力と各交流部の＋側および−側の中間電位入力とをそれぞれ接続する回路配線の一部を構成する。

＋側中間電位用導体６の外側には、＋側最大電位用導体８が、該＋側中間電位用導体６に対し絶縁状態でもって積層されている。また、−側中間電位用導体７の外側には、−側最大電位用導体９が、該−側中間電位用導体７に対し絶縁状態でもって積層されている。これら２つの最大電位用導体８，９は、基本的に同一（換言すれば対称）の形状を有しており、積層方向に投影したときに、中性点電位用導体４，５の外形の内側に包含される大きさないし外形を有する。また、最大電位用導体８，９は、端子部分の形状を除き、中間電位用導体６，７と同様の外形状を有している。

＋側最大電位用導体８は、交流部（Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４）側の一端部８ａが３つの端子形状に切り欠かれており、交流部との接続部として、それぞれ各交流部（Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４）の＋側最大電位入力（半導体スイッチＳｕ１ｂ，Ｓｖ１ｂ，Ｓｗ１ｂのコレクタ端子：図３参照）に図外の導体を介して接続される。そして、直流部１０１側の他端部８ｂが、直流部１０１との接続部として、直流部１０１の＋側最大電位出力（＋側直流コンデンサＤＣＰの正極：図３参照）に図外の導体を介して接続される。

同様に、−側最大電位用導体９は、交流部（Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４）側の一端部９ａが３つの端子形状に切り欠かれており、交流部との接続部として、それぞれ各交流部（Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４）の−側最大電位入力（半導体スイッチＳｕ１ａ，Ｓｖ１ａ，Ｓｗ１ａのエミッタ端子：図３参照）に図外の導体を介して接続される。そして、直流部１０１側の他端部９ｂが、直流部１０１との接続部として、直流部１０１の−側最大電位出力（−側直流コンデンサＤＣＮの負極：図３参照）に図外の導体を介して接続される。

従って、＋側最大電位用導体８および−側最大電位用導体９は、図３に示すように、直流部１０１の＋側最大電位出力および−側最大電位出力と各交流部の＋側および−側の最大電位入力とをそれぞれ接続する回路配線の一部を構成する。

上述したように３つの相電圧出力導体１，２，３は、実質的に１つの平面に沿って互いに重ならないように配置されており、残りの導体４〜９は、上記の平面と平行に配置されている。図２は、各導体を積層方向（ｚ方向）に離して図示しているが、これらは、実際には、絶縁に必要な比較的小さな間隙を介して積層されている。なお、「実質的に１つの平面に沿っている」とは、３つの相電圧出力導体１，２，３が、互いに対向する一対の中性点電位用導体４，５の間の比較小さな間隙の中に並んで配置されていることを意味し、ｚ方向に多少ずれていてもよい。

上記の構成では、各導体１〜９を積層した導体積層体の一方の側に直流部１０１を配置し、他方の側に各相の交流部を配置することで、直流部１０１の出力と各相の交流部の入力とを、短い導体距離でかつ各相でほぼ等しい導体距離でもって接続することが可能となる。つまり、積層方向（ｚ方向）と直交するｘ方向での導体積層体の寸法を小型化することができる。また、３つの交流部（Ｕ相部１０２、Ｖ相部１０３、Ｗ相部１０４）をｙ方向に並べて配置することで、ｙ方向についても導体積層体の小型化が図れる。これにより、ひいては電力変換器全体の小型化に寄与する。

さらに、相電圧出力導体１，２，３の各々と他の導体６〜９との間の積層方向（ｚ方向）の距離が均等であり、相毎の差異がない。そのため、各相で電流が流れるときに生じる磁界が、相毎に不均等となるおそれがない。

また、上記の導体積層体は、中性点電位用導体４，５を一対備えており、各相の相電圧出力導体１，２，３と他の導体６〜９との間に中性点電位用導体４，５が介在するので、積層された導体間の電位差が小さくなる。すなわち、図４に導体間の最大電位差を示したように、最大でも、相電圧出力導体１，２，３と中性点電位用導体４，５との間で±２Ｅの電位差であり、中性点電位用導体４，５と最大電位用導体８，９との間で同じく±２Ｅの電位差である。換言すれば、相電圧出力導体１，２，３と最大電位用導体８，９との間における±４Ｅの最大電位差が、中性点電位用導体４，５の介在によって２分割されて±２Ｅずつとなる。

従って、導体間の絶縁設計がより簡易となり、積層される導体間の絶縁距離を短くして、導体積層体の積層方向の小型化が図れる。中電圧用途では、電位差とその絶縁距離は直線比例の関係にはなく、例えば、電位差２Ｅに必要な絶縁距離をｋとしたときに、電位差４Ｅに必要な絶縁距離は３ｋとなりうる。そのため、上記のように中性点電位用導体４，５の介在により最大電位差を分割することで、積層方向での導体間の距離を小さくすることができ、導体積層体が小型化する。また、積層された導体間の距離を小さくすることで、後述する逆向きの電流による磁界低減効果をより大きく得ることができる。

なお、仮により大きな電位差（例えば４Ｅ）に耐える絶縁設計とするには、導体積層体の大型化、導体間の距離の拡大による磁界低減効果の低減、絶縁材の使用量増加によるコスト増、といった不利益が伴う。

また、上記実施例の構成では、積層方向の中央に位置する複数の相電圧出力導体１，２，３を挟んで、直流部１０１の出力と交流部の入力とを接続した＋側および−側の各導体４〜９が積層されているので、どのようなスイッチングパターンであっても、相電流出力導体１，２，３と他のいずれかの導体４〜９とで互いに逆方向に電流が流れ、各々で発生する磁界を打ち消し合う作用が得られる。

例えば、図６（ａ）に示すように、負荷となるモータＭの巻線を介して、矢印で示すようにＵ相部１０２からＷ相部１０４へと単相出力による電流が流れたときには、図６（ｂ）に示すように、＋側最大電位用導体８とＵ相相電圧出力導体１とに電流が流れ、同様に、Ｗ相相電圧出力導体３と−側中間電位用導体７とに電流が流れる。このとき、＋側最大電位用導体８とＵ相相電圧出力導体１とにおいて、図５に実線矢印で示すように、互いに逆方向に電流が流れ、Ｗ相相電圧出力導体３と−側中間電位用導体７とにおいて、図５に破線矢印で示すように、互いに逆方向に電流が流れる。従って、いわゆる往復並行導体として各々の導体で生じる磁界が互いに打ち消しあい、外部へ与える磁界の影響が少なくなる。上記実施例の５レベルインバータの回路構成では、単相出力のスイッチングパターンは、「５×５」の２５通り存在するが、いずれのスイッチングパターンにおいても、互いに逆方向に電流が流れる往復並行導体があるため、どのスイッチングパターンの出力においても磁界の影響を低減できる。Ｕ相とＶ相を出力した場合、あるいは、Ｖ相とＷ相を出力した場合、においても同様である。

次に、図７に基づいて、本発明の第２実施例を説明する。この実施例は、一対の中性点電位用導体４，５の間に、板状の導体を折り曲げ形成してなるセパレータ１１を付加したものである。セパレータ１１は、逆向きの２つのハット形断面を連続させたような断面形状を有するように折り曲げられている。詳しくは、他の導体１〜９と平行な面を呈する４つの平行部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、他の導体１〜９の面に対し直交する３つの直交部１１ｅ，１１ｆ，１１ｇと、を有し、３つの相電圧出力導体１，２，３の直流部１０１寄りの部分を覆うように配置されている。このセパレータ１１は、相電圧出力導体１，２，３に対しては絶縁状態に保たれており、かつ、平行部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが中性点電位用導体４，５に直接に接することで、あるいは他の導体を介して接続されることで、中性点電位用導体４，５と同電位つまり中性点電位に保持されるようになっている。そして、互いに隣接する２つの相電圧出力導体の間、つまり相電圧出力導体１，２の間および相電圧出力導体２，３の間を、直交部１１ｅ，１１ｆが仕切っている。

このような中性点電位となるセパレータ１１を具備した第２実施例においては、例えば、Ｕ相相電圧出力導体１とＶ相相電圧出力導体２との間の最大電位差（±４Ｅ）が、中性点電位であるセパレータ１１によって±２Ｅずつに２分割されることとなり、Ｕ相相電圧出力導体１とＶ相相電圧出力導体２とをそれだけ近付けて配置することが可能となる。Ｖ相相電圧出力導体２とＷ相相電圧出力導体３とについても同様である。つまり、３つの相電圧出力導体１，２，３を比較的近付けた構成が可能となる。従って、これに応じて他の導体４〜９も小型化することで、導体積層体全体として積層方向に投影したときの外形寸法（換言すれば占有面積）が小さくなる。これにより、電力変換器全体の小型化に寄与する。

以上、本発明の一実施例を詳細に説明したが、本発明の導体接続構造は、上記実施例の回路構成の５レベルインバータに必ずしも限定されるものではなく、他の回路構成を有する５レベルインバータにも適用することが可能である。また、上記実施例においては、半導体スイッチとしてＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴ等の他の半導体スイッチを用いることも可能である。

１…Ｕ相相電圧出力導体
２…Ｖ相相電圧出力導体
３…Ｗ相相電圧出力導体
４，５…中性点電位用導体
６…＋側中間電位用導体
７…−側中間電位用導体
８…＋側最大電位用導体
９…−側最大電位用導体
１１…セパレータ

Claims (7)

1. 中性点電位、＋側最大電位、＋側中間電位、−側最大電位および−側中間電位の５段階の電位を供給する直流部と、複数の相にそれぞれ対応して設けられ、上記直流部から上記の５段階の電位の供給を受けて、複数の半導体スイッチのスイッチングにより各相の相電圧を形成する複数の交流部と、を備えた５レベルインバータにおいて、上記直流部と上記複数の交流部との間を板状の導体を用いて接続する導体接続構造であって、
   互いに重ならないように並べて配置され、かつ複数の交流部の出力と負荷側の各相の入力とをそれぞれ接続する複数の相電圧出力導体と、
   この複数の相電圧出力導体を中央に挟むように両側にそれぞれ積層して配置され、上記直流部の中性点電位出力と各交流部の中性点電位入力とを接続する一対の中性点電位用導体と、
   一方の中性点電位用導体の外側に積層して配置され、上記直流部の＋側中間電位出力と各交流部の＋側中間電位入力とを接続する＋側中間電位用導体と、
   他方の中性点電位用導体の外側に積層して配置され、上記直流部の−側中間電位出力と各交流部の−側中間電位入力とを接続する−側中間電位用導体と、
   上記＋側中間電位用導体の外側に積層して配置され、上記直流部の＋側最大電位出力と各交流部の＋側最大電位入力とを接続する＋側最大電位用導体と、
   上記−側中間電位用導体の外側に積層して配置され、上記直流部の−側最大電位出力と各交流部の−側最大電位入力とを接続する−側最大電位用導体と、
   を備えて構成され、
   上記の中性点電位用導体、＋側中間電位用導体、−側中間電位用導体、＋側最大電位用導体、−側最大電位用導体、における上記直流部の各電位出力との接続部は、上記複数の相電圧出力導体の上記負荷側への接続部とともに、積層方向と直交する方向の一方の側に配置されており、
   上記の中性点電位用導体、＋側中間電位用導体、−側中間電位用導体、＋側最大電位用導体、−側最大電位用導体、における各交流部の各電位入力との接続部は、上記複数の相電圧出力導体の各交流部の出力との接続部とともに、積層方向と直交する方向の他方の側に配置されている、ことを特徴とする５レベルインバータの導体接続構造。
2. 上記一対の中性点電位用導体の間において、互いに隣接する２つの相電圧出力導体の間に設けられ、かつ中性点電位に保持されるセパレータ、をさらに備えた請求項１に記載の５レベルインバータの導体接続構造。
3. 上記複数の相電圧出力導体は、実質的に一つの平面に沿って配置されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の５レベルインバータの導体接続構造。
4. 上記平面と平行に各導体が積層されている、ことを特徴とする請求項３に記載の５レベルインバータの導体接続構造。
5. 各導体を積層方向に投影したときに、上記一対の中性点電位用導体の外形の内側に他の導体の外形が位置する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の５レベルインバータの導体接続構造。
6. 上記直流部は、中性点電位を挟んで＋側および−側にそれぞれ設けられた直流コンデンサと、同じく＋側および−側にそれぞれ設けられたフライングコンデンサと、上記フライングコンデンサの充電もしくは放電の経路を構成する第１〜第８の半導体スイッチと、から構成されており、
   回路構成として、
   上記＋側直流コンデンサの正極と上記中性点電位との間に第１〜第４の半導体スイッチが直列に接続され、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチの中間接続点と、第３の半導体スイッチと第４の半導体スイッチの中間接続点と、の間に＋側フライングコンデンサが接続されており、
   上記中性点電位と上記−側直流コンデンサの負極との間に第５〜第８の半導体スイッチが直列に接続され、第５の半導体スイッチと第６の半導体スイッチの中間接続点と、第７の半導体スイッチと第８の半導体スイッチの中間点接続と、の間に−側フライングコンデンサが接続されている、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の５レベルインバータの導体接続構造。
7. 上記交流部として、それぞれ、半導体スイッチからなる複数のアームと複数のダイオードとを含むＵ相部とＶ相部とＷ相部と、を有し、
   これらのＵ相部、Ｖ相部、Ｗ相部は、それぞれ、回路構成として、
   ＋側最大電位入力と＋側中間電位入力との間に直列に接続された第１，第２アームと、 これら第１，第２アームの中間接続点と相電圧出力との間に直列に接続された第３，第４アームと、
   中性点電位入力と第３，第４アームの中間接続点との間に挿入されたダイオードと、
   −側最大電位入力と−側中間電位入力との間に直列に接続された第５，第６アームと、
   これら第５，第６アームの中間接続点と相電圧出力との間に直列に接続された第７，第８アームと、
   これら第７，第８アームの中間接続点と中間電位入力との間に挿入されたダイオードと、
   を備えて構成されている、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の５レベルインバータの導体接続構造。

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