JP2020184854A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサの発熱を抑制した電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１０は、第１端子２１ｐ１と、第２端子２１ｎ１と、第１、第２端子間で直列に接続された第１、第２スイッチング素子２５ａ１、２５ｂ１と、を含む第１パワーモジュール２０−１と、第３端子２１ｐ２と、第４端子２１ｎ２と、第３、第４端子間で直列に接続された第３、第４スイッチング素子２５ａ２、２５ｂ２と、を含む第２パワーモジュール２０−２と、複数の単位コンデンサ３６と、複数の単位コンデンサを相互に並列に接続する第１導体３４ｐ、３３ｐと、第２導体３４ｎ、３３ｎと、第１導体に接続され第１、第２端子に接続された第１コンデンサ端子と、第２導体に接続され第３、第４端子に接続された第２コンデンサ端子と、を含むコンデンサ３０と、第１、第３端子間に接続された第１短絡導体２２ｐと、第２、第４端子間に接続された第２短絡導体２２ｎと、を備える。【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。

直流と交流とを双方向に、あるいは一方向に変換する電力変換装置では、ブリッジ回路を含む変換器を備えたものがある。ブリッジ回路は、直流電圧を平滑するために、直流側にコンデンサを有する。電力変換器の出力容量等によっては、大容量のコンデンサが必要となり、多数のコンデンサを並列に接続することがある。

大きな静電容量値を実現するために、複数の単位コンデンサを並列に接続して１つのコンデンサのようにして用いることがある。また、このような並列接続された複数の単位コンデンサを単一のケースに収納したコンデンサが用いられることもある。これらのコンデンサでは、単位コンデンサを並列に接続するために、ラミネート製のブスバーや内部導体を用いて、単位コンデンサを互いに接続する構造を有していることがある。

ブリッジ回路は、さまざまな制御方式によって制御されるが、ほとんどの制御方式で少なくとも２つの動作モードを有する。第１の動作モードは、直流−交流間で電流を入出力するモードである。この動作モードでは、異なるレグにおいて、高電位側のスイッチング素子と低電位側のスイッチング素子がスイッチング動作する。レグを切り替えることによって、電流の方向を変えることができる。第２の動作モードは、交流側にのみ電流を入出力するモードである。この動作モードでは、異なるレグにおいて、高電位側の２つのスイッチング素子がスイッチング動作し、または、低電位側のスイッチング素子がスイッチング動作する。

単位コンデンサを並列接続されたコンデンサでは、第２の動作モードの期間にブスバーや内部導体に循環電流が流れる経路が発生し得る。ブスバーや内部導体に電流が流れると、これらで損失が発生し、損失によって発生した発熱が単位コンデンサに影響を及ぼすおそれがある。単位コンデンサの周囲が発熱すると、静電容量が低下したり、コンデンサの寿命が低下したりといった懸念が生じ得る。

特開２０１８−１０７８５８号公報

実施形態は、コンデンサの発熱を抑制した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、高電位側の第１端子と、低電位側の第２端子と、前記第１端子と前記第２端子との間で、直列に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、を含む第１パワーモジュールと、高電位側の第３端子と、低電位側の第４端子と、前記第３端子と前記第４端子との間で、直列に接続された第３スイッチング素子および第４スイッチング素子と、を含む第２パワーモジュールと、複数の単位コンデンサと、前記複数の単位コンデンサを高電位側で相互に並列に接続する第１導体と、前記複数の単位コンデンサを低電位側で相互に並列に接続する第２導体と、前記第１導体に接続され、前記第１端子および前記第３端子に接続された第１コンデンサ端子と、前記第２導体に接続され、前記第２端子および前記第４端子に接続された第２コンデンサ端子と、を含むコンデンサと、前記第１端子と前記第３端子との間に接続された第１短絡導体と、前記第２端子と前記第４端子との間に接続された第２短絡導体と、を備える。前記第１短絡導体の前記第１端子と前記第３端子との間のインピーダンスの大きさは、前記第１スイッチング素子および前記第３スイッチング素子に流れる循環電流および前記第１導体に流れる電流にもとづいて設定される。前記第２短絡導体の前記第２端子と前記第４端子との間のインピーダンスの大きさは、前記第２スイッチング素子および前記第４スイッチング素子に流れる循環電流および前記第２導体に流れる電流にもとづいて設定される。

本実施形態では、コンデンサの発熱を抑制した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模式的な平面図である。 図２（ａ）は、第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的な平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡＡ’線における模式的な矢視断面図である。 第１の実施形態に係る電力変換装置を例示する簡略化された回路図である。 比較例の電力変換装置を例示する模式的な平面図である。 比較例の電力変換装置を例示する簡略化された回路図である。 比較例の電力変換装置を例示する模式的な平面図である。 第２の実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的な平面図である。 電力変換装置に用いられるコンデンサの例である。

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模式的な平面図である。
図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１０は、パワーモジュール２０−１，２０−２と、コンデンサ３０と、短絡導体２２ｐ，２２ｎと、を備える。

パワーモジュール（第１パワーモジュール）２０−１は、スイッチング素子（第１スイッチング素子、第２スイッチング素子）２５ａ１，２５ｂ１を含み、同一のケース内にスイッチング素子２５ａ１，２５ｂ１を収納している。パワーモジュール（第２パワーモジュール）２０−２は、スイッチング素子（第３スイッチング素子、第４スイッチング素子）２５ａ２，２５ｂ２を含み、同一のケース内にスイッチング素子２５ａ２，２５ｂ２を収納している。

パワーモジュール２０−１は、端子（第１端子、第２端子）２１ｐ１，２１ｎ１を有し、パワーモジュール２０−２は、端子（第３端子、第４端子）２１ｐ２，２１ｎ２を有している。スイッチング素子２５ａ１〜２５ｂ２は、ブリッジ回路を構成している。スイッチング素子２５ａ１〜２５ｂ２は、交流の各相に対応するレグごとにパワーモジュール２０−１，２０−２に収納されている。

コンデンサ３０は、端子３１ｐ１，３１ｎ１，３１ｐ２，３１ｎ２（図２（ａ））を有している。パワーモジュール２０−１の端子２１ｐ１，２１ｎ１は、コンデンサ３０の端子（第１コンデンサ端子、第２コンデンサ端子）３１ｐ１，３１ｎ１に接続されている。パワーモジュール２０−２の端子２１ｐ２，２１ｎ２は、コンデンサ３０の端子（第３コンデンサ端子、第４コンデンサ端子）３１ｐ２，３１ｎ２に接続されている。つまり、パワーモジュール２０−１，２０−２は、端子２１ｐ１〜２１ｎ２および端子３１ｐ１〜３１ｎ２を介してコンデンサ３０に電気的に接続されている。

短絡導体（第１短絡導体）２２ｐは、パワーモジュール２０−１の端子２１ｐ１，２１ｐ２間およびコンデンサ３０の端子３１ｐ１，３１ｐ２間を、電気的に接続している。短絡導体（第２短絡導体）２２ｎは、パワーモジュール２０−２の端子２１ｎ１，２１ｎ２間およびコンデンサ３０の端子３１ｎ１，３１ｎ２間を、電気的に接続している。

コンデンサ３０は、複数の単位コンデンサ３６を含む。複数の単位コンデンサ３６は、コンデンサ３０の内部で導体３４ｐ，３４ｎ，３３ｐ，３３ｎを用いて並列に接続されている。導体（第１導体）３４ｐ，３３ｐは、端子３１ｐ１，３１ｐ２に接続されている。導体（第２導体）３４ｎ，３３ｎは、端子３１ｎ１，３１ｎ２に接続されている。

以下では、インピーダンスや入力インピーダンスというときには、誘導性インピーダンスと抵抗値とのベクトル和をいうものとし、インピーダンスの大きさや入力インピーダンスの大きさは、このベクトル和の大きさ（長さ）をいうものとする。つまり、インピーダンスＺは、Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬをいうものとする。したがって、インピーダンスＺの大きさ｜Ｚ｜は、（Ｒ^２＋ω^２Ｌ^２）^１／２である。ここで、Ｒは、抵抗値、Ｌはインダクタンス値、ωは角周波数である。ＲおよびＬは、配線や導体等の形状等に起因する寄生的なものを含む。

また、以下では、スイッチング素子２５ａ１，２５ａ２および交流回路に電流が流れる動作を還流動作といい、スイッチング素子２５ｂ１，２５ｂ２および交流回路に電流が流れる動作も還流動作ということとする。また、還流動作によりスイッチング素子２５ａ１，２５ａ２および交流回路に流れる電流を循環電流といい、循環電流は、スイッチング素子２５ｂ１，２５ｂ２および交流回路の経路にも流れ得る。

短絡導体２２ｐは、端子３１ｐ１，３１ｐ２間から見た入力インピーダンスに流れる電流を分流することができるインピーダンスを有する。短絡導体２２ｎは、端子３１ｎ１，３１ｎ２から見た入力インピーダンスに流れる電流を分流することができるインピーダンスを有する。短絡導体２２ｐおよび短絡導体２２ｎは、上述の端子間に接続されることによって、ブリッジ回路の高電位側のスイッチング素子２５ａ１，２５ａ２がスイッチング動作する場合、または低電位側のスイッチング素子２５ｂ１，２５ｂ２がスイッチング動作する場合に、コンデンサ３０内に流れる電流を抑制する。

電流の流入あるいは流出が抑制されたコンデンサ３０内では、導体３４ｐ，３４ｎ，３３ｐ，３３ｎに流れる電流が抑制されるので、導体３４ｐ，３４ｎ，３３ｐ，３３ｎの有する抵抗成分で発生する損失および発熱が低減される。

短絡導体２２ｐ，２２ｎのインピーダンスは、循環電流およびコンデンサ３０内部の導体３４ｐ，３４ｎ，３３ｐ，３３ｎ等に許容される損失および発熱にもとづいて、決定される。

たとえば、短絡導体２２ｐは、端子３１ｐ１，３１ｐ２間から見た入力インピーダンスの大きさよりも十分小さいインピーダンスの大きさを有するように設定されている。短絡導体２２ｎは、端子３１ｎ１，３１ｎ２間から見た入力インピーダンスの大きさよりも小さいインピーダンスを有するように設定されている。

短絡導体２２ｐ，２２ｎを用いることによって、ブリッジ回路の還流動作時に、コンデンサ３０内の導体に循環電流が流れることによって生じる発熱を抑制することができる。

パワーモジュール２０−１，２０−２は、端子２３−１，２３−２をそれぞれ有し、電力変換装置１０は、端子２３−１，２３−２を介して、交流回路に接続されている。この例では、交流回路は２つの相を有しており、一方がＵ相であり、他方がＶ相である。

コンデンサ３０は、端子３２ｐ，３２ｎを有し、電力変換装置１０は、端子３２ｐ，３２ｎを介して、直流回路に接続されている。

電力変換装置１０は、端子２３−１，２３−２を介して接続された交流回路と、端子３２ｐ，３２ｎを介して接続された直流回路との間で相互に、あるいはいずれか一方向に電力変換する。

以下では、３次元座標を用いて説明することがある。パワーモジュール２０−１，２０−２およびコンデンサ３０は、ＸＹ平面上に載置されているものとする。パワーモジュール２０−１，２０−２は、ＸＹ平面にほぼ平行な底面を有する立方体または直方体形状を有する。パワーモジュール２０−１，２０−２は、Ｘ軸方向に沿って配置されている。コンデンサ３０は、並置されたパワーモジュール２０−１，２０−２の載置方向に直交するＹ軸方向に配置されている。

パワーモジュール２０−１，２０−２の端子２１ｐ１〜２１ｎ２は、ＸＺ平面にほぼ平行なパワーモジュール２０−１，２０−２の側面に設けられている。端子２１ｐ１〜２１ｎ２は、パワーモジュール２０−１，２０−２の側面からＺ軸の負方向に向かって延伸している。

この例では、パワーモジュール２０−１，２０−２の端子２３−１，２３−２は、端子２１ｐ１〜２１ｎ２が設けられた側面に対向する側面に設けられており、Ｚ軸の正方向に向かって延伸している。

コンデンサ３０は、ＸＹ平面にほぼ平行な底面を有する立方体または直方体形状を有する。コンデンサ３０の端子３１ｐ１〜３１ｎ２は、ＸＺ平面にほぼ平行な側面に設けられており、Ｚ軸の正方向に向かって延伸している。

この例では、コンデンサ３０の端子３２ｐ，３２ｎは、端子３１ｐ１〜３１ｎ２が設けられた側面に対向する側面に設けられており、Ｚ軸の負方向に向かって延伸している。

端子２１ｐ１〜２１ｎ２および端子３１ｐ１〜３１ｎ２は、それぞれ同様の形状を有している。また、端子２１ｐ１〜２１ｎ２および端子３１ｐ１〜３１ｎ２は、十分な幅および厚さを有している。端子２１ｐ１〜２１ｎ２および端子３１ｐ１〜３１ｎ２は、Ｘ軸方向に沿って、ほぼ等間隔に配置されている。端子２１ｐ１〜２１ｎ２は、端子３１ｐ１〜３１ｎ２の位置に対応するように設けられている。

端子２１ｐ１，３１ｐ１は、互いに重ね合わせてネジ等で締結等され接続される。端子２１ｎ１，３１ｎ１、端子２１ｐ２，３１ｐ２、端子２１ｎ２，３１ｎ２も同様に、互いに重ね合わせてネジ等で締結等される。

パワーモジュール２０−１，２０−２およびコンデンサ３０は、このような配置および端子形状とすることによって、パワーモジュール２０−１，２０−２とコンデンサ３０との間の配線の長さを短くすることができ、配線によるインダクタンスを低減することができる。パワーモジュール２０−１，２０−２とコンデンサ３０との間の配線によるインダクタンス値を低減することによって、不要なサージ電圧の発生や各相のパワーモジュール２０−１，２０−２に流れる電流の非対称性等を抑制する。

本実施形態の電力変換装置１０の動作を説明するために、コンデンサ３０の構成例について詳述する。
図２（ａ）は、本実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的な平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡＡ’線における模式的な矢視断面図である。
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、コンデンサ３０は、複数の単位コンデンサ３６と、導体３３ｐ，３３ｎ，３４ｐ，３４ｎと、を含む。

複数の単位コンデンサ３６は、ＸＹ平面上で、たとえば格子状に配列されている。この例では、Ｘ軸方向に沿って４個の単位コンデンサ３６が配列され、Ｙ軸方向に沿って４個の単位コンデンサが配列されている。

単位コンデンサ３６は、この例ではＺ軸方向に沿って延伸する円柱形状の外囲器に封止されている。円柱の上下の両端に端子３７ｐ，３７ｎが設けられている。単位コンデンサ３６は、たとえば無極性のコンデンサであり、フィルムコンデンサ等である。

導体３４ｐは、Ｙ軸方向に延伸して設けられ、Ｙ軸方向に配列された４つの単位コンデンサ３６の上方の端子にそれぞれ接続されている。

導体３４ｎは、導体３４ｐとほぼ平行するように設けられ、４つの単位コンデンサ３６の下方の端子にそれぞれ接続されている。

導体３４ｐ，３４ｎおよび導体３４ｐ，３４ｎによって接続された４つの単位コンデンサ３６の組は、Ｘ軸方向にほぼ均等な間隔で配置されている。

導体３３ｐは、Ｘ軸方向に延伸して設けられ、導体３４ｐと交差する箇所で導体３４ｐと接続されている。導体３３ｐは、単位コンデンサ３６のＹ軸方向の配置に応じて４つ設けられている。

導体３３ｎは、導体３３ｐとほぼ平行に設けられ、導体３４ｎと交差する箇所で導体３４ｎと接続されている。導体３３ｎは、単位コンデンサ３６のＹ軸方向の配置に応じて４つ設けられている。

導体３４ｐ，３３ｐの接続および導体３４ｎ，３３ｎの接続は、たとえばハンダ接合や溶接等の周知の技術を用いて行われる。

上述のように、コンデンサ３０は、導体３３ｐ〜３４ｎを用いて互いに接続された単位コンデンサ３６を含んでいる。導体３３ｐ〜３４ｎは、有限のインピーダンスを有するので、パワーモジュール２０−１，２０−２や直流回路との間で電流が入出力するのにともなって、損失を生じ得る。

図３は、本実施形態に係る電力変換装置を例示する簡略化された回路図である。
図３では、回路素子および端子のうち図１および図２と同じものについては、同一の符号を付してある。
図３に示すように、本実施形態の電力変換装置１０は、スイッチング素子２５ａ１〜２５ｂ２からなるブリッジ回路を有している。ブリッジ回路では、スイッチング素子２５ａ１，２５ｂ１は、直列に接続され、Ｕ相のレグを構成する。スイッチング素子２５ａ２，２５ｂ２は、直列に接続され、Ｖ相のレグを構成する。

スイッチング素子２５ａ１，２５ｂ１の直列回路は、パワーモジュール２０−１に収納されている。スイッチング素子２５ａ２，２５ｂ２の直列回路は、パワーモジュール２０−２に収納されている。

スイッチング素子２５ａ１，２５ｂ１の直列回路は、パワーモジュール２０−１の端子２１ｐ１，２１ｎ１を介して、コンデンサ３０に接続されている。スイッチング素子２５ａ２，２５ｂ２の直列回路は、パワーモジュール２０−２の端子２１ｐ２，２１ｎ２を介して、コンデンサ３０に接続されている。

２つのパワーモジュール２０−１，２０−２の正電位側の端子２１ｐ１，２１ｐ２間および負電位側の端子２１ｎ１，２１ｎ２間には、インピーダンス素子１２２ｐ，１２２ｎがそれぞれ接続されている。インピーダンス素子１２２ｐは、端子２１ｐ１，２１ｐ２間における短絡導体２２ｐの等価的なインピーダンスを表している。インピーダンス素子１２２ｎは、端子２１ｎ１，２１ｎ２間における短絡導体２２ｎの等価的なインピーダンスを表している。インピーダンス素子１２２ｐおよびインピーダンス素子１２２ｎは、短絡導体２２ｐ，２２ｎのインピーダンスＺ３を有する。

単位コンデンサ３６と端子３１ｐ１との間には、インピーダンス素子１３３ｐ１が接続されている。単位コンデンサ３６と端子３１ｐ２との間には、インピーダンス素子１３３ｐ２が接続されている。インピーダンス素子１３３ｐ１，１３３ｐ２は、コンデンサ３０の端子３１ｐ１，３１ｐ２から見たときの等価的な入力インピーダンスを表している。インピーダンス素子１３３ｐ１，１３３ｐ２のインピーダンスは、主として、導体３４ｐ，３３ｐの有する抵抗成分および寄生インダクタンスからなる。

単位コンデンサ３６と端子３１ｎ１との間には、インピーダンス素子１３３ｎ１が接続されている。単位コンデンサ３６と端子３１ｎ２との間には、インピーダンス素子１３３ｎ２が接続されている。インピーダンス素子１３３ｎ１，１３３ｎ２は、コンデンサ３０の端子３１ｎ１，３１ｎ２から見たときの等価的な入力インピーダンスを表している。インピーダンス素子１３３ｎ１，１３３ｎ２のインピーダンスは、主として、導体３４ｎ，３３ｎの有する抵抗成分および寄生インダクタンスからなる。

インピーダンス素子１２２ｐ，１２２ｎは、これに限るものではないが、この例では、ほぼ等しいインピーダンスの大きさ｜Ｚ３｜を有するものとする。インピーダンス素子１３３ｐ１，１３３ｎ１およびインピーダンス素子１３３ｐ２，１３３ｎ２は、インピーダンスＺ１，Ｚ２を有しており、端子３１ｐ１，３１ｐ２から見たインピーダンスは、Ｚ１＋Ｚ２であり、その大きさは｜Ｚ１＋Ｚ２｜と表されるものとする。

本実施形態の電力変換装置１０では、それぞれのインピーダンス素子のインピーダンスの大きさ｜Ｚ１＋Ｚ２｜，｜Ｚ３｜は、たとえば、パワーモジュール２０−１，２０−２に実際に流れ得る循環電流およびコンデンサ３０に流入し、またはコンデンサ３０から流出する電流によって生じる発熱の許容値にもとづいて決定される。

たとえば、実際に流れ得る循環電流Ｉａとし、インピーダンス素子１３３ｐ１，１３３ｐ２（または１３３ｎ１，１３３ｎ２）の発熱の許容値にもとづいて計算される電流Ｉｂとすると、インピーダンス素子１２２ｐ（または１２２ｎ）に流れる電流Ｉｃは、以下のように求められる。

Ｉｃ＝Ｉａ×｜Ｚ１＋Ｚ２｜／｛｜Ｚ３｜＋｜Ｚ１＋Ｚ２｜｝ （１）

したがって、インピーダンス素子１２２ｐ（または１２２ｎ）のインピーダンスの大きさ｜Ｚ３｜は、以下のように求められる。

｜Ｚ３｜＝Ｉｂ×｜Ｚ１＋Ｚ２｜／Ｉｃ （２）

つまり、本実施形態では、短絡導体２２ｐ，２２ｎは、有限のインピーダンスの大きさ｜Ｚ３｜を有するので、端子３１ｐ１，３１ｐ２または端子３１ｎ１，３１ｎ２に流れ込む、あるいは、流れ出す電流を分流することができる。これにより、ブリッジ回路が還流動作をしている場合に、循環電流の大部分が短絡導体２２ｐまたは短絡導体２２ｎを流れるので、コンデンサ３０側に流れる循環電流を小さくすることができる。

式（１）および式（２）において、ＩａやＩｂは、実測され、あるいはシミュレーション等により解析的に求められるので、短絡導体２２ｐ，２２ｎのインピーダンスの大きさは適切に設定されることができる。

短絡導体２２ｐ，２２ｎのインピーダンスの大きさ｜Ｚ３｜を、端子３１ｐ１，３１ｐ２または端子３１ｎ１，３１ｎ２から見た入力インピーダンスの大きさ｜Ｚ１＋Ｚ２｜よりも十分小さくすることによって、コンデンサ３０側に流れる循環電流を十分に小さくすることができ、より好ましい。

コンデンサ３０に流れる電流が低減されることによって、導体３３ｐ〜３４ｎでの発熱が低減され、コンデンサ３０側の発熱を抑制することができる。

本実施形態の効果について、比較例の電力変換装置と比較しつつ説明する。
図４は、比較例の電力変換装置を例示する模式的な平面図である。
図４に示すように、比較例の電力変換装置１１０では、端子３２ｐ１，３２ｐ２間の短絡導体および端子３２ｎ１，３２ｎ２間の短絡導体が接続されていない点で上述の実施形態の場合と相違する。他の点では相違しない。
図５は、比較例の電力変換装置を例示する簡略化された回路図である。
図５に示すように、端子２１ｐ１，２１ｐ２間および端子２１ｎ１，２１ｎ２間に短絡導体が接続されていないことによって、これらの端子間の入力インピーダンスの大きさは理想的には無限大である。

したがって、ブリッジ回路を還流する電流は、インピーダンス素子１３３ｐ１，１３３ｐ２（図４中の太線）または１３３ｎ１，１３３ｎ２に流れる。

ブリッジ回路は、ＰＷＭ動作等するときには、高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子が動作するモードと、同じ電位の側のスイッチング素子が動作するモード（還流動作）と、を有している。ブリッジ回路は、動作状態に応じて、これらの動作モードを随時切り替えて動作する。

還流動作では、ブリッジ回路の動作原理上、コンデンサ３０に電流は流入し、あるいはコンデンサ３０から電流が流出することはない。しかしながら、比較例の電力変換装置１１０の場合には、還流動作において、パワーモジュール２０−１，２０−２からコンデンサ３０に電流が流出入する経路が、コンデンサ３０の内部の導体を介して形成される。そのため、ブリッジ回路が還流動作するときに、コンデンサ３０の内部の導体に流れる電流で、導体のインピーダンスの抵抗成分による損失が発生する。

たとえば、ＰＷＭ制御されたブリッジ回路では、低デューティの場合に還流動作の期間が長くなることがあり、コンデンサ３０の内部における損失が大きくなる傾向にある。また、電力系統用途や鉄道用途等のような大電力を扱う電力変換装置では、非常に大きな循環電流が流れることを想定して、コンデンサ３０の内部の導体のインピーダンスの大きさを小さくするために、導体の幅や厚さが増大し、コンデンサ３０自体が大型化するおそれもある。

図６は、比較例の電力変換装置を例示する模式的な平面図である。
図６に示すように、比較例の電力変換装置１１０ａでは、大電力を扱うために、パワーモジュール２０−１，２０−２をそれぞれを並列に接続する場合がある。端子１３２ｐ，１３２ｎを介して直流回路に接続されるコンデンサ１３０では、内部の単位コンデンサの並列数を増やして、静電容量が増大される。

このような場合に、パワーモジュール２０−１，２０−２をＸ軸方向に沿って配列し、それに応じて、コンデンサ１３０もＸ軸方向に単位コンデンサの並列を増大させることによって、相互に接続したときにインダクタンス値を低減することができる。

一方で、このように並列接続されたパワーモジュール２０−１，２０−２に循環電流を流すと、図示した矢印の太さで示したように、両側のパワーモジュール２０−１，２０−２よりも中央の中側のパワーモジュール２０−１，２０−２に関連する電流経路に循環電流がより集中し、コンデンサ１３０内の損失および発熱が大きくなる。

これに対して、本実施形態の電力変換装置１０では、パワーモジュール２０−１，２０−２の正側の端子２１ｐ１，２１ｐ２間および負側の端子２１ｎ１，２１ｎ２間に短絡導体２２ｐ，２２ｎをそれぞれ接続している。短絡導体２２ｐ，２２ｎのインピーダンスの大きさは、コンデンサ３０内に流入あるいは流出する循環電流を分流して、コンデンサ３０内の導体の発熱を低減するように設定されている。たとえば、短絡導体２２ｐおよび短絡導体２２ｎが接続されたコンデンサ３０の端子３１ｐ１，３１ｐ２間および端子３１ｎ１，３１ｎ２間のそれぞれの入力インピーダンスの大きさよりも十分小さく設定されている。

そのため、還流動作時に流れる電流は、主として短絡導体２２ｐまたは短絡導体２２ｎを流れ、短絡導体２２ｐ，２２ｎのインピーダンスの大きさに応じた損失に低減される。短絡導体２２ｐ，２２ｎは、パワーモジュール２０−１，２０−２およびコンデンサ３０の外部に設けられるので、短絡導体２２ｐ，２２ｎの損失による発熱は、パワーモジュール２０−１，２０−２およびコンデンサ３０の温度上昇に直接の影響を小さくすることができる。

（第２の実施形態）
図７は、本実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的な平面図である。
図７に示すように、本実施形態の電力変換装置２１０では、コンデンサ２３０は、直流側の端子を有していない。直流側の端子は、短絡導体２２２ｐ，２２２ｎに設けられている。

短絡導体２２２ｐは、パワーモジュール２０−１の端子２１ｐ１，２１ｐ２間およびコンデンサ３０の端子３１ｐ１，３１ｐ２間を、電気的に接続するとともに、導体部分から突出する接続部を介して、直流回路に接続することができる。短絡導体２２２ｎは、パワーモジュール２０−２の端子２１ｎ１，２１ｎ２間およびコンデンサ３０の端子３１ｎ１，３１ｎ２間を、電気的に接続するとともに、導体部分から突出する接続部を介して、直流回路に接続することができる。

本実施形態では、短絡導体２２２ｐ，２２２ｎが直流側の端子を兼ねることによって、コンデンサ２３０の直流側の端子を不要とすることができ、コンデンサ２３０の構造を簡素化することが可能になる。

コンデンサに直流側の端子を設けたままとしてもよく、その場合には、直流側の配線や配置の自由度を高めることができる。

上述の各実施形態においては、コンデンサ３０は、複数の単位コンデンサ３６を含むものとして説明したが、これら複数の単位コンデンサ３６は、必ずしも単一のケース内に収納されてコンデンサ３０を構成していなくてもよい。たとえば、図８に示すように、単一ケースに収納された単位コンデンサ２３６を正負の端子２３７ｐ，２３７ｎを介して、ブス（第１導体、第２導体）２３４ｐ，２３４ｎに接続されていてもよい。ブス２３４ｐ，２３４ｎによって並列接続された複数の単位コンデンサ２３６を、コンデンサ２３０ａとして取り扱うようにしてももちろんよい。

上述の他の実施形態の場合のように、正負の端子は、単位コンデンサの上下に設けられている場合に限らず、図８のように、単位コンデンサ２３６の一方の面に設けられていてももちろんかまわない。端子が同じ面に設けられることによって、正負のブス２３４ｐ，２３４ｎ間の距離を短くすることができ、ブス２３４ｐ，２３４ｎによるインダクタンス値を低減することができる。正負のブス２３４ｐ，２３４ｎは、たとえばラミネートブスバー等を用いることができる。

以上説明した実施形態によれば、コンデンサの発熱を抑制した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。

１０，２１０ 電力変換装置、２０−１，２０−２ パワーモジュール、２１ｐ１，２１ｎ１，２１ｐ２，２１ｎ２ 端子、２２ｐ，２２ｎ，２２２ｐ，２２２ｎ 短絡導体、２５ａ１，２５ｂ１，２５ａ２，２５ｂ２ スイッチング素子、３０，２３０，２３０ａ コンデンサ、３１ｐ１，３１ｎ１，３１ｐ２，３１ｎ２ 端子、３３ｐ，３３ｎ，３４ｐ，３４ｎ 導体、３６，２３６ 単位コンデンサ

Claims (5)

1. 高電位側の第１端子と、
   低電位側の第２端子と、
   前記第１端子と前記第２端子との間で、直列に接続された第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、
   を含む第１パワーモジュールと、
   高電位側の第３端子と、
   低電位側の第４端子と、
   前記第３端子と前記第４端子との間で、直列に接続された第３スイッチング素子および第４スイッチング素子と、
   を含む第２パワーモジュールと、
   複数の単位コンデンサと、
   前記複数の単位コンデンサを高電位側で相互に並列に接続する第１導体と、
   前記複数の単位コンデンサを低電位側で相互に並列に接続する第２導体と、
   前記第１導体に接続され、前記第１端子および前記第３端子に接続された第１コンデンサ端子と、
   前記第２導体に接続され、前記第２端子および前記第４端子に接続された第２コンデンサ端子と、
   を含むコンデンサと、
   前記第１端子と前記第３端子との間に接続された第１短絡導体と、
   前記第２端子と前記第４端子との間に接続された第２短絡導体と、
   を備え、
   前記第１短絡導体の前記第１端子と前記第３端子との間のインピーダンスの大きさは、前記第１スイッチング素子および前記第３スイッチング素子に流れる循環電流および前記第１導体に流れる電流にもとづいて設定され、
   前記第２短絡導体の前記第２端子と前記第４端子との間のインピーダンスの大きさは、前記第２スイッチング素子および前記第４スイッチング素子に流れる循環電流および前記第２導体に流れる電流にもとづいて設定された電力変換装置。
2. 前記コンデンサは、
   前記第１導体に接続され、前記第１端子および前記第３端子に接続された第３コンデンサ端子と、
   前記第２導体に接続され、前記第２端子および前記第４端子に接続された第４コンデンサ端子と、
   をさらに含み、
   前記第１端子、前記第２端子、前記第３端子および前記第４端子は、第１方向に沿ってこの順に配列され、
   前記第１コンデンサ端子、前記第２コンデンサ端子、前記第３コンデンサ端子および前記第４コンデンサ端子は、前記第１方向に沿ってこの順に配列されるとともに、前記第１端子、前記第２端子、前記第３端子および前記第４端子に対向する位置にそれぞれ設けられた請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記第１短絡導体および前記第２短絡導体は、それぞれ突出部を有し、前記突出部を介して直流回路に接続し得る請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１短絡導体は、前記第１スイッチング素子および前記第３スイッチング素子がオンしたときに電流を流し、
   前記第２短絡導体は、前記第２スイッチング素子および前記第４スイッチング素子がオンしたときに電流を流す請求項１〜３のいずれか１つの記載の電力変換装置。
5. 前記第１短絡導体の前記第１端子と前記第３端子との間のインピーダンスの大きさは、前記第１端子および前記第３端子から前記第１導体の側を見たインピーダンスの大きさよりも小さく、
   前記第２短絡導体の前記第２端子と前記第４端子との間のインピーダンスの大きさは、前記第２端子および前記第４端子から前記第２導体の側を見たインピーダンスの大きさよりも小さい請求項１〜４のいずれか１つに記載の電力変換装置。

Images