JP2020068601A - 電力変換装置 - Google Patents

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正幸 伊村
Masayuki Imura
正幸 伊村
勇 花岡
Isamu Hanaoka
勇 花岡
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東芝三菱電機産業システム株式会社
Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp
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Abstract

【課題】コロナ放電を生じにくい配線構造を有する電力変換装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る電力変換装置は、絶縁性の第1押え部材と、前記第1押え部材に対向して設けられた絶縁性の第2押え部材と、前記第1押え部材と前記第2押え部材との間に設けられた第1配線部材と、前記第1配線部材と前記第2押え部材との間に設けられた第2配線部材と、前記第1配線部材と前記第2配線部材との間に設けられた絶縁材と、前記第1押え部材と前記第2押え部材との間で、前記第1配線部材、前記絶縁材および前記第2配線部材をこの順で積層した積層体に隣接して設けられ、前記第1押え部材および前記第2押え部材を支持する絶縁性の支持部材と、前記第1押え部材、前記支持部材および前記第2押え部材を貫通して締結する締結部材と、を含む配線構造を備える。前記支持部材の高さは、前記積層体の厚さよりも低い。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。
電力変換装置では、配線の導体に発生する寄生インダクタンスを低減するため、逆方向の電流が流れる導体を平行して近接配置することが行われている。導体間の絶縁性能は、導体間に絶縁材を挟んで確保される。このような構造の配線において、導体間にコロナ放電が発生すると絶縁性能が徐々に低下し、やがて絶縁破壊に至る場合がある。
図6(a)〜図6(c)は、配線構造の内部でコロナ放電を生じる場合の例を示す模式的な断面図である。
図6(a)に示すように、2つの導体M1間に絶縁材I1が設けられた配線構造において、導体M1と絶縁材I1との間にすき間が生じると、絶縁材I1の誘電率がすき間の空気の誘電率に比べて大きいため、すき間(空気)の静電容量値は、絶縁材の静電容量値よりも大きくなる。そのため、すき間の電界強度は、絶縁材の電界強度よりも高くなり、コロナ放電が生じ得る。すき間が狭いほど、すき間に生じる電界強度は高くなる。
図6(b)に示すように、配線部材M2および絶縁材I2の接続面に凹凸があると、これらを接続したときに、すき間が生じる。そのため、すき間の電界強度が高くなりコロナ放電が生じ得る。
図6(c)に示すように、配線部材M3と絶縁材I3との接続面が十分密着して、接続面におけるすき間が生じない場合であっても、絶縁材I3中にボイドを生じているときがある。絶縁材I3中のボイドは、絶縁材の形成中等に生じるものであり、材質や製造方法等に起因して一定の割り合いで含まれ得る。一般にボイドは、十分小さいのでボイドの空気の電界強度が高くなりコロナ放電が生じ得る。
特開2010−259139号公報
実施形態は、コロナ放電を生じにくい配線構造を有する電力変換装置を提供する。
実施形態に係る電力変換装置は、絶縁性の第1押え部材と、前記第1押え部材に対向して設けられた絶縁性の第2押え部材と、前記第1押え部材と前記第2押え部材との間に設けられた第1配線部材と、前記第1配線部材と前記第2押え部材との間に設けられた第2配線部材と、前記第1配線部材と前記第2配線部材との間に設けられた絶縁材と、前記第1押え部材と前記第2押え部材との間で、前記第1配線部材、前記絶縁材および前記第2配線部材をこの順で積層した積層体に隣接して設けられ、前記第1押え部材および前記第2押え部材を支持する絶縁性の支持部材と、前記第1押え部材、前記支持部材および前記第2押え部材を貫通して締結する締結部材と、を含む配線構造を備える。前記支持部材の前記積層体の積層方向の長さは、前記積層体の積層方向の長さよりも短い。
本実施形態では、確実に過電流保護が可能な電力変換装置が実現される。
第1の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。 図2(a)は、第1の実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。図2(b)は、比較例の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。 図3(a)は、第2の実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。図3(b)は、比較例の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。 図4(a)は、第3の実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。図4(b)は、比較例の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。 第4の実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。 図6(a)〜図6(c)は、配線構造の内部でコロナ放電を生じる場合の例を模式的に示す断面図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図1に示すように、この例では、電力変換装置10は、直流回路1と交流回路2との間に接続されている。直流回路1は、直流電源や直流送電線、その他の直流電圧で動作する負荷等を含む。直流電源は、電池や太陽光発電パネルの出力、あるいは交流電圧を入力して直流電圧を出力する整流装置等によって、供給されてもよい。交流回路2は、交流電源や交流の電力系統、その他の交流電圧で動作する負荷等を含む。
電力変換装置10は、直流端子11a,11bと交流端子11c,11dとを含む。電力変換装置10は、直流端子11a,11bを介して直流回路1に接続され、交流端子11c,11dを介して交流回路2に接続され得る。
電力変換装置10は、配線20と、変換回路30と、コンデンサ40と、を備える。配線20は、変換回路30とコンデンサ40とを電気的に接続する。コンデンサ40は、直流端子11a,11b間に接続されている。コンデンサ40は、直流端子11a,11b間に印加される直流電圧のリプルやノイズ、外部回路、内部回路による変動等を吸収して、安定した直流電圧を出力し、あるいは入力する。
変換回路30は、コンデンサ40によって供給される直流電圧を交流電圧に変換する。変換回路30は、入出力される電圧や電流の範囲、電力容量等に応じて適宜、適切な形式が選定される。この例では、変換回路30は、スイッチング素子31を4つ有するフルブリッジ形式の変換回路である。
配線20は、配線部材21a,21bを含む。配線20は、後に詳述するが、配線部材21a,21bの間に絶縁材が設けられている。配線部材21a,21bの間に絶縁材を設けることによって、配線部材21a,21bを十分近接させて配置することができる。
配線20は、好ましくは、この例のように、配線部材21aに流れる電流の大きさと、配線部材21bに流れる電流の大きさとは、ほぼ等しい。そして、配線部材21aに流れる電流の方向と、配線部材21bに流れる電流方向とは逆方向となっている。そのため、電流によって発生する磁界によって、配線部材21a,21bのインダクタンスが低減される。
この例では、電力変換装置は、直流電圧を交流電圧に変換し、交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流電力変換装置であり、変換の方向は、一方向でもよいし、双方向でもよい。電力変換装置10は、用いられる配線20が以下に説明する構造を有していればよく、交流−直流電力変換に限らず、直流−直流の電力変換装置であってもよいし、交流−交流の電力変換装置であってもよい。変換回路もフルブリッジ形に限らず、入出力の電圧の範囲や出力する電力容量等によって適切な形式が選定される。
図2(a)は、第1の実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。
図2(a)に示すように、本実施形態の電力変換装置10では、配線(配線構造)20は、配線部材21a,21bと、絶縁材22と、押え部材23a,23bと、支持部材24a,24b,25a,25bと、ボルト26a,27aおよびナット26b,27b(締結部材)を含む。
配線部材21a,21bは、紙面に垂直な方向に延伸する導電性の板であり、主として紙面に垂直な方向に沿って電流が流れ得る。上述したように、配線部材21a,21bには、大きさがほぼ同じで、流れる方向が逆となる電流が流れる。たとえば、配線部材21aに紙面手前から向こう側に電流が流れる場合には、配線部材21bには、紙面向こう側から手前に電流が流れる。配線部材21a,21bは、たとえば銅や銅の合金を含む金属からなる。配線部材21a,21bの幅や厚さは、配線部材に流れる電流に応じて適切に設定される。
なお、配線部材21a,21b、絶縁材22および押え部材23a,23bの長さというときには、配線部材21a,21bに流れる方向に沿う長さをいうものとする。配線部材21a,21b、絶縁材22および押え部材23a,23bの厚さというときには、配線部材21a,21bに電流が流れる方向に垂直な方向であり、配線部材21a,21bおよび絶縁材22が積層されている方向の長さをいうものとする。また、配線部材21a,21b、絶縁材22および押え部材23a,23bの幅というときには、配線部材21a,21bに電流が流れる方向および厚さ方向に垂直な方向の長さをいうものとする。後述の他の実施形態においても同様である。
絶縁材22は、配線部材21a,21bの間に設けられている。絶縁材22は、紙面垂直な方向に延伸する絶縁性の材料で形成された板材である。絶縁材22は、配線部材21a,21bとほぼ同じか、配線部材21a,21bよりも長い長さおよび幅を有する。絶縁材22の厚さは、配線部材21a,21bの間に印加される電圧値に応じて設定される。電圧値によっては、絶縁材22は、フィルム状の部材を用いることができる。絶縁材22の材質は、配線部材21a,21bの間に印加される電圧値や使用温度等に応じて適切なものが選定され、たとえばPET(PolyEthylene Terephthalate)やPC(PolyCarbonate)等の合成樹脂やガラス繊維を含むエポキシ樹脂等が用いられる。
配線部材21a、絶縁材22、および配線部材21bは、この順で、たとえば接着剤等によりすき間ができないよう、十分密着して積層される。
配線部材21a、絶縁材22、および配線部材21bの積層体(以下、単に積層体ともいう)は、2つの押え部材23a,23bの間に配置されている。押え部材23a,23bは、積層体と同程度の長さを有する。押え部材23a,23bの幅は、積層体よりも長く設定されている。押え部材23a,23bの幅方向の縁部には、固定用のボルトナットを挿通するための挿通口が設けられており、少なくとも挿通口が形成される領域に応じた長さの分だけ、積層体の幅よりも長く設定されている。
押え部材23a,23bは、絶縁性の材料で形成された板材である。押え部材23a,23bの厚さは、材料の強度の応じて適切に設定される。押え部材23a,23bに用いられる材料は、十分な強度を確保する観点から、たとえば繊維強化プラスチック(Fiber-Reinforced Plastics、FRP)が用いられる。好ましくは、押え部材23a,23bは、ガラス繊維強化プラスチック(Glass-Fiber-Reinforced Plastics、GFRP)である。
支持部材24a,24bは、押え部材23a,23bの間に設けられている。支持部材24a,24bは、押え部材23a,23bの幅方向の一方の縁部に設けられた挿通口の位置に合わせて設けられている。支持部材25a,25bは、押え部材23a,23bの間に設けられている。支持部材25a,25bは、押え部材23a,23bの幅方向の他方の縁部に設けられた挿通口の位置に合わせて設けられている。挿通口および支持部材24a,24b,25a,25bは、押え部材23a,23bおよび積層体の長さ方向に沿って、たとえば等間隔に設けられている。
支持部材24a,24b,25a,25bは、たとえば中空の円筒形状の部材である。支持部材24a,24b,25a,25bは、押え部材23a,23bと同様の絶縁性の材質で形成されており、たとえば材質は、FRPであり好ましくはGFRPである。
ボルト26aは、押え部材23aの挿通口、支持部材24a,24b、および押え部材23bの挿通口を貫通するように挿通され、ナット26bによって締結されている。ボルト27aは、押え部材23aの挿通口、支持部材25a,25b、および押え部材23bの挿通口を貫通するように挿通され、ナット27bによって締結されている。
一方の縁部の側の支持部材24a,24bの合計の高さHs0は、積層体の厚さW0よりもやや低く設定されている。他方の縁部の側の支持部材25a,25bの合計の高さも、Hs0であり、積層体の厚さW0よりもやや低く設定されている。押え部材23a,23bは、適度な弾性を有しているので、ボルト26a,27aおよびナット26b,27bによって締め上げていくと、図の一点鎖線にようにたわみを生じる。そのため、押え部材23a,23bは、積層体を押圧して、積層体を構成する配線部材21aと絶縁材22、および配線部材21bと絶縁材22との密着度を高める。押え部材23a,23bがたわむことによって、押え部材23a,23bは積層体の全体に均一に押圧を加えることができる。
たとえば、押え部材23a,23bの弾性を利用して、押え部材23a,23bの中央部から縁部に向かってあらかじめ反りを設け、ボルトナットで締結し、押え部材23a,23bがたわんだときに平行になるようにすると、より均一に積層体に押圧を印加することができる。
図2(b)は、比較例の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。
図2(b)に示すように、比較例の配線120では、支持部材124a,124bおよび支持部材125a,125bの高さHs1が積層体の厚さよりも高く設定されている。このような場合には、積層体を構成する配線部材21a,21bと絶縁材22との密着が十分でなく、間にすき間が生じ得る。たとえば支持部材の高さを、積層体の厚さに等しくなるように設定しても、支持部材の高さの設定精度や積層体の厚さの設定精度には、誤差を生じ得るので、支持部材の高さが高めにばらつき、積層体の厚さが薄めにばらつくと、すき間が生じ得る。
これに対して、本実施形態では、支持部材24a,24bおよび支持部材25a,25bの高さをそれぞれ積層体の厚さよりも低く設定している。たとえば、支持部材の高さが高めとなり、積層体の厚さが薄めとなったときでも、Hs0<W0となるように設定される。支持部材の高さが低めとなり、積層体の厚さが厚めとなったときには、ボルトナットの締め付けを調整することによって、押え部材23a,23bのたわみを適切な範囲に抑制することができる。したがって、押え部材23a,23bは、積層体を均一に押圧することができ、配線部材21a,21bおよび絶縁材22の間にすき間を生じにくくすることができる。
(第2の実施形態)
図3(a)は、第2の実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。
図3(a)に示すように、本実施形態では、配線220は、配線部材221a,221bと、絶縁材222と、充填材231a,231bと、を含む。
配線部材221a,221bは、上述の実施形態の場合と同様の材質で形成されており、たとえば銅を含む金属である。絶縁材222も上述の実施形態の場合と同様の材質で形成されており、たとえば、PET等を含む合成樹脂である。これらの材質では、十分な密着性を確保できるように、接続面が十分平坦化されているが、線間の電圧が数kVを超えるような高電圧領域においては、微細なすき間等が生じても、コロナ放電を発生し、絶縁性能が劣化し得る。
本実施形態では、配線部材221aと絶縁材222との間に充填材231aを設け、配線部材221bと絶縁材222との間にも充填材231bを設けている。充填材231a,231bは、配線部材221a,221bおよび絶縁材222の凹凸面を充填して空間が生じないように充填される。充填材231a,231bは、好ましくは、導電性を有する部材、たとえば導電性塗料である。なお、図では、凹凸面は強調して示されている。
配線部材221a,221bおよび絶縁材222の接続面に、あらかじめ導電性塗料を吹き付けて、その後、配線部材221a,221bおよび絶縁材222を密着させて接続する。
充填材231a,231bは、配線部材221a,221bおよび絶縁材222の接続面の凹凸の状況に応じて適切な部材を用いることができる。たとえば、導電性接着剤や十分な柔軟性、弾性を有する導電シート等を用いるようにしてもよい。
図3(b)は、比較例の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。
図3(b)に示すように、比較例の電力変換装置の配線220rは、配線部材221a,221bと、絶縁材222と、を含んでいるが、充填材を含まない。充填材を設けず、配線部材221a,221bの間に絶縁材222を設けた場合には、配線部材221a,221bおよび絶縁材222の接続面の凹凸の状況によっては、空間232a,232bが生じて、コロナ放電を生じ得る。コロナ放電が継続することによって、絶縁材222の絶縁性能が劣化し、不具合に至るおそれがある。
(第3の実施形態)
図4(a)は、本実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。
図4(a)に示すように、配線320は、配線部材321a,321bと、絶縁材322と、を含む。配線部材321a,321bおよび絶縁材322の接続面は、十分な平坦面を有しているものとする。絶縁材322は、配線部材321a,321bの間に設けられ、これらに十分密着して接続されている。
配線部材321a,321bは、上述の他の実施形態の場合と同様の材質で形成されている。一方、絶縁材322は、内部にボイドを生じにくい材質を用いて形成されている。絶縁材322は、たとえばポリテトラフルオロエチレン(PolyTetraFluoroEthylene、PTFE)である。PTFEは、テフロン(登録商標)の名称で知られている。あるいは、絶縁材322は、たとえばシリコーンゴムである。シリコーンゴムの場合には、その弾性によって変形して、接続面の凹凸を吸収することもできる。
図4(b)は、比較例の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。
図4(b)に示すように、比較例の配線320rは、実施形態の場合と異なる絶縁材322rを有している。絶縁材322rは、内部にボイド331を含んでいる。ボイド331は空気で満たされており、ボイド331中では電界が集中し、コロナ放電を生じ得る。
(第4の実施形態)
上述の各実施形態は、適宜組み合わることができる。もっとも好ましくは、すべての実施形態の要素をすべて組み合わせた構成とすることである。
図5は、本実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。
図5に示すように、本実施形態では、配線420は、配線部材21a,21bと、絶縁材322と、充填材231a,231bと、押え部材23a,23bと、支持部材24a,24b,25a,25bと、を含む。絶縁材322は、第3の実施形態の場合の絶縁材であり、ボイドを生じにくい材質によって形成されている。充填材231a,231bは、第2の実施形態の場合の充填材であり、配線部材21a,21および絶縁材322の接続面の凹凸を充填する。押え部材23a,23bおよび支持部材24a,24b,25a,25bは、上述の第1の実施形態の場合の押え部材である。
本実施形態によれば、配線420では、押え部材23a,23bのたわみによって、積層体を均一に押圧することができ、積層体に生じ得るすき間の発生が抑制される。
配線420は、配線部材21aと絶縁材322との間に充填材231aを含み、配線部材21bと絶縁材322との間に充填材231bを含んでいるので、配線部材21a,21bおよび絶縁材322の接続面の凹凸を吸収して、すき間の発生を抑制することができる。
充填材231a,231bは、たとえば適度な弾性を有する導電シートとすることができ、押え部材23a,23bによって押圧を加えることによって、各接続面に対してより密着度を高めることができる。そのため、すき間の発生がより抑制される。
配線420は、絶縁材322として、ポリテトラフルオロエチレンまたはシリコーンゴムとすることができ、これらを用いることによって、ボイドによるコロナ放電を低減することができる。
シリコーンゴムは、弾性を有するので、押え部材23a,23bによって押圧を加えることによって、各接続面をより均一に接続し、密着度を高めることができる。
以上説明した実施形態によれば、コロナ放電を生じにくい配線構造を有する電力変換装置を実現することができる。
以上、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、その他のさまざま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およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
1 直流回路、2 交流回路、10 電力変換装置、20,220、320,420 配線、21a,21b,221a,221b,321a,321b 配線部材、22,222,322 絶縁材、23a,23b 押え部材、24a,24b,25a,25b 支持部材、26a,27a ボルト、26b,27b ナット、30 変換回路、31 スイッチング素子、40 コンデンサ、231a,231b 充填材

Claims (5)

  1. 絶縁性の第1押え部材と、
    前記第1押え部材に対向して設けられた絶縁性の第2押え部材と、
    前記第1押え部材と前記第2押え部材との間に設けられた導電性の第1配線部材と、
    前記第1配線部材と前記第2押え部材との間に設けられた導電性の第2配線部材と、
    前記第1配線部材と前記第2配線部材との間に設けられた絶縁材と、
    前記第1押え部材と前記第2押え部材との間で、前記第1配線部材、前記絶縁材および前記第2配線部材をこの順で積層した積層体に隣接して設けられ、前記第1押え部材および前記第2押え部材を支持する絶縁性の支持部材と、
    前記第1押え部材、前記支持部材および前記第2押え部材を貫通して締結する締結部材と、
    を含む配線構造
    を備え、
    前記支持部材の前記積層体の積層方向の長さは、前記積層体の積層方向の長さよりも短い電力変換装置。
  2. 前記配線構造は、
    前記第1配線部材と前記絶縁材との間に前記第1配線部材および前記絶縁材の接続面の凹凸を充填する導電性の第1充填材と、
    前記第2配線部材と前記絶縁材との間に前記第2配線部材および前記絶縁材の接続面の凹凸を充填する導電性の第2充填材と、
    を含む請求項1記載の電力変換装置。
  3. 導電性の第1配線部材と、
    前記第1配線部材に対向して設けられた導電性の第2配線部材と、
    前記第1配線部材と前記第2配線部材との間に設けられた絶縁材と、
    前記第1配線部材と前記絶縁材との間に前記第1配線部材および前記絶縁材の接続面の凹凸を充填する導電性の第1充填材と、
    前記第2配線部材と前記絶縁材との間に前記第2配線部材および前記絶縁材の接続面の凹凸を充填する導電性の第2充填材と、
    を含む配線構造
    を備えた電力変換装置。
  4. 前記絶縁材は、ポリテトラフルオロエチレンまたはシリコーンゴムのいずれかを含む請求項1〜3のいずれか1つに記載の電力変換装置。
  5. 導電性の第1配線部材と、
    前記第1配線部材に対向して設けられた導電性の第2配線部材と、
    前記第1配線部材と前記第2配線部材との間に設けられた絶縁材と、
    を含む配線構造
    を備え、
    前記絶縁材は、ポリテトラフルオロエチレンまたはシリコーンゴムのいずれかを含む電力変換装置。
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