JP2023128422A - Electric power convertor - Google Patents

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洋平 久保田
Yohei Kubota
元紀 西尾
Motoki Nishio
卓郎 新井
Takuro Arai
夏美 小日向
Natsumi Kohinata
天 藍
Ten Ai
浩由 森本
Hiroyoshi Morimoto
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Abstract

To provide an electric power convertor making it possible to suppress an increase in size and a rise in cost.SOLUTION: An electric power convertor is connected in parallel with a load connected onto each of power lines of a three-phase ac power supply, and includes plural semiconductor switch elements which are connected to the respective power lines, whose resistible voltage is lower than a line voltage of the three-phase ac power supply, and which are directly attached to a mounting surface of a circuit board, and a convertor that suppresses a harmonic component of a current flowing into the load.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、負荷が接続される三相交流電源の各電源ラインにその負荷とは並列の関係に接続される電力変換装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a power conversion device that is connected in parallel to each power line of a three-phase AC power source to which the load is connected.

電気機器等の負荷が接続される三相交流電源の各電源ラインにその負荷と並列に接続され、負荷に流れる電流に含まれる高調波成分を抑制するアクティブフィルタ等の電力変換装置が知られている。 Power conversion devices such as active filters are known, which are connected in parallel to each power line of a three-phase AC power supply to which loads such as electrical equipment are connected, and which suppress harmonic components contained in the current flowing through the loads. There is.

この電力変換装置は、スイッチ素子を含み、スイッチ素子のスイッチングにより、負荷から生じる高調波成分を抑制するための補償電流(負荷電流に足し合わせるべき補償電流)を各電源ラインに供給する。 This power conversion device includes a switch element, and supplies a compensation current (a compensation current to be added to the load current) to suppress harmonic components generated from the load to each power supply line by switching the switch element.

国際公開第2021/016960号International Publication No. 2021/016960 特許第6648159号公報Patent No. 6648159 特許第6902399号公報Patent No. 6902399

三相交流電源の線間電圧が200Vの場合、電力変換装置の各スイッチ素子として、耐圧が例えば600Vの半導体スイッチ素子が用いられる。
このような、高耐圧の半導体スイッチ素子では発熱量が大きくなり、それに対応するための大きな放熱用フィンやこのフィンに通風するための冷却用ファンを設けることが必要で装置の大型化や複雑化、それによるコストの上昇を招くことになる。
When the line voltage of the three-phase AC power supply is 200V, a semiconductor switch element with a withstand voltage of, for example, 600V is used as each switch element of the power conversion device.
Such high-voltage semiconductor switch elements generate a large amount of heat, and it is necessary to provide large heat dissipation fins and cooling fans to ventilate these fins, making the device larger and more complex. , which will lead to an increase in costs.

本発明の実施形態の目的は、大型化やコスト上昇を抑えることができる電力変換装置を提供することである。 An object of the embodiments of the present invention is to provide a power conversion device that can suppress increase in size and cost.

実施形態の電力変換装置は、負荷が接続される三相交流電源の各電源ラインにその負荷とは並列の関係に接続されるものであって;前記各電源ラインに接続され、かつ前記三相交流電源の線間電圧より耐圧が低く回路基板の実装面に直接的に取付けられる複数の半導体スイッチ素子を含み、前記負荷に流れる電流の高調波成分を抑制する変換器を備える。 The power conversion device of the embodiment is connected to each power line of a three-phase AC power supply to which a load is connected in a parallel relationship with the load; The converter includes a plurality of semiconductor switch elements having a withstand voltage lower than the line voltage of the AC power supply and is directly attached to the mounting surface of the circuit board, and includes a converter that suppresses harmonic components of the current flowing through the load.

一実施形態の構成を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an embodiment. 一実施形態における各単位変換器の構成を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of each unit converter in one embodiment. 一実施形態における各半導体スイッチ素子のスイッチングを示す図。FIG. 3 is a diagram showing switching of each semiconductor switch element in one embodiment. 一実施形態における共振回路のゲイン特性を示す図。FIG. 3 is a diagram showing gain characteristics of a resonant circuit in one embodiment. 一実施形態における各マルチレベル変換器の回路基板およびその回路基板上の部品配置を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a circuit board of each multilevel converter and the arrangement of components on the circuit board in one embodiment. 図5のX-X線に沿う断面を矢印方向に視た図。FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 5, viewed in the direction of the arrow. 一般的なダイオードクランプ型マルチレベル変換器の構成を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a general diode clamp type multilevel converter. 一般的なフライングキャパシタ型マルチレベル変換器の構成を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a general flying capacitor type multilevel converter.

本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1に示すように、三相交流電源1のU相,V相,W相電源ライン(第1,第2,第3電源ライン)Lu,Lv,Lwに負荷である例えば空気調和機2が接続されている。空気調和機2は、ブリッジ接続した複数のダイオードにより電源ラインLu,Lv,Lwの電源電圧Eu,Ev,Ewを整流する整流回路3、この整流回路3の出力電圧が直流リアクトル4を介して印加されるコンデンサ5、このコンデンサ5の両端間に接続されその直流電圧を所定周波数の交流電圧に変換し出力するインバータ6、このインバータ6の出力により動作する圧縮機モータ7などを含む。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, a load such as an air conditioner 2 is connected to the U-phase, V-phase, and W-phase power lines (first, second, and third power lines) Lu, Lv, and Lw of the three-phase AC power supply 1. It is connected. The air conditioner 2 includes a rectifier circuit 3 that rectifies the power supply voltages Eu, Ev, Ew of the power lines Lu, Lv, Lw using a plurality of bridge-connected diodes, and the output voltage of the rectifier circuit 3 is applied via a DC reactor 4. It includes a capacitor 5 , an inverter 6 connected between both ends of the capacitor 5 that converts the DC voltage into an AC voltage of a predetermined frequency, and a compressor motor 7 operated by the output of the inverter 6 .

この空気調和機2が接続されている電源ラインLu,Lv,Lwに、本実施形態の電力変換装置10が、空気調和機2とは並列の関係に接続されている。 The power conversion device 10 of this embodiment is connected in parallel with the air conditioner 2 to the power lines Lu, Lv, and Lw to which the air conditioner 2 is connected.

ここで、電力変換装置10は、アクティブフィルタであり(以下、アクティブフィルタ10ともいう)、パッシブフィルタ11、リアクトル14u,14v,14w、これらパッシブフィルタ11およびリアクトル14u,14v,14wを介して電源ラインLu,Lv,Lwに接続されたマルチレベル変換器20、電源ラインLu,Lv,Lwにおけるパッシブフィルタ11の接続位置より空気調和機2側の位置に配置され空気調和機2に流れる電流(負荷電流という)Iu,Iv,Iwを検出する検出部15、リアクトル14u,14v,14wとマルチレベル変換器20との間の通電路に流れる電流Icu,Icv,Icwを検出する検出部16、三相交流電源1の電源電圧Eu,Ev,Ewの位相を検出する検出部17、これら検出部15,16,17の検出結果に応じてマルチレベル変換器20を制御する制御部18を含む。 Here, the power converter 10 is an active filter (hereinafter also referred to as active filter 10), and includes a passive filter 11, reactors 14u, 14v, and 14w, and a power supply line that connects the passive filter 11 and the reactors 14u, 14v, and 14w. The multilevel converter 20 connected to the power lines Lu, Lv, and Lw is located at a position closer to the air conditioner 2 than the connection position of the passive filter 11 on the power lines Lu, Lv, and Lw, and the current flowing through the air conditioner 2 (load current a detection unit 15 that detects Iu, Iv, and Iw; a detection unit 16 that detects currents Icu, Icv, and Icw flowing in the current path between the reactors 14u, 14v, and the multilevel converter 20; and a three-phase AC It includes a detection section 17 that detects the phases of the power supply voltages Eu, Ev, and Ew of the power supply 1, and a control section 18 that controls the multilevel converter 20 according to the detection results of these detection sections 15, 16, and 17.

パッシブフィルタ11は、リアクトル12uとコンデンサ13uから成るLC回路、リアクトル12vとコンデンサ13vから成るLC回路、リアクトル12wとコンデンサ13wから成るLC回路を含む。なお、抑制する高調波が小さければ、リアクトルの代わりとして電力配線に生じるリアクタンスでまかなうことができるため、パッシブフィルタ11とリアクトル14u,14v,14wは設けなくてもよい。 The passive filter 11 includes an LC circuit including a reactor 12u and a capacitor 13u, an LC circuit including a reactor 12v and a capacitor 13v, and an LC circuit including a reactor 12w and a capacitor 13w. Note that if the harmonics to be suppressed are small, the reactance generated in the power wiring can be used instead of the reactor, so the passive filter 11 and the reactors 14u, 14v, and 14w do not need to be provided.

マルチレベル変換器20は、電源ラインLu,Lv,Lwの相ごとに3つ以上のレベルの直流電圧を選択的に生成し出力する第1,第2,第3クラスタ21u,21v,21wを含む。 The multilevel converter 20 includes first, second, and third clusters 21u, 21v, and 21w that selectively generate and output DC voltages of three or more levels for each phase of the power lines Lu, Lv, and Lw. .

アクティブフィルタ10は、補償対象となる上記ダイオード整流の整流回路3の転流時における急峻な電流に対応するため、高速な電流制御性が求められる。ただし、アクティブフィルタ10では後述のPWM制御のスイッチングに伴う矩形波成分を平滑化するための連系用リアクトルとしてリアクトル14u,14v,14wを備えており、そのリアクトル14u,14v,14wのインダクタンスが大きいほど電流変化率が悪化する。 The active filter 10 is required to have high-speed current controllability in order to cope with the steep current at the time of commutation of the diode rectifier rectifier circuit 3 to be compensated. However, the active filter 10 is equipped with reactors 14u, 14v, and 14w as interconnection reactors for smoothing rectangular wave components accompanying PWM control switching, which will be described later, and the inductance of the reactors 14u, 14v, and 14w is large. The more the current change rate worsens.

そこで、電源ラインLu,Lv,Lwの相ごとに3つ以上のレベルの直流電圧を選択的に生成し出力するクラスタ21u,21v,21wを採用することで、リアクトル14u,14v,14wに印加される電圧の変化幅を小さくすることが可能となり、結果として、インダクタンスの小さなリアクトル14u,14v,14wを採用することが可能となる。これは、EMIノイズの低減にも寄与する。 Therefore, by adopting clusters 21u, 21v, and 21w that selectively generate and output DC voltages of three or more levels for each phase of power lines Lu, Lv, and Lw, the voltage applied to reactors 14u, 14v, and 14w can be reduced. This makes it possible to reduce the width of change in voltage, and as a result, it becomes possible to use reactors 14u, 14v, and 14w with small inductance. This also contributes to reducing EMI noise.

クラスタ21uは、それぞれが複数レベル(マルチレベル)の直流電圧をスイッチングにより選択的に生成し出力する複数(3つ)の単位変換器(セル)31u,32u,33uを直列接続(カスケード接続)してなるいわゆる多直列変換器クラスタであり、単位変換器31u~33uの出力電圧(セル出力電圧)Vcu1,Vcu2,Vcu3を足し合わせることにより高調波を低減するための正弦波に近い波形の交流電圧Vcu0(=Vcu1+Vcu2+Vcu3)を生成し出力する。 The cluster 21u has a plurality of (three) unit converters (cells) 31u, 32u, and 33u connected in series (cascaded), each of which selectively generates and outputs a multilevel DC voltage by switching. It is a so-called multi-serial converter cluster consisting of unit converters 31u to 33u, which generates an AC voltage with a waveform close to a sine wave to reduce harmonics by adding up the output voltages (cell output voltages) Vcu1, Vcu2, and Vcu3 of the unit converters 31u to 33u. Generate and output Vcu0 (=Vcu1+Vcu2+Vcu3).

クラスタ21vは、それぞれが複数レベルの直流電圧をスイッチングにより選択的に生成し出力する複数(3つ)の単位変換器31v,32v,33vを直列接続してなるいわゆる多直列変換器クラスタであり、単位変換器31v~33vの出力電圧Vcv1,Vcv2,Vcv3を足し合わせることにより高調波を低減するための正弦波に近い波形の交流電圧Vcv0(=Vcv1+Vcv2+Vcv3)を生成し出力する。 The cluster 21v is a so-called multi-series converter cluster formed by connecting a plurality (three) unit converters 31v, 32v, and 33v in series, each of which selectively generates and outputs multiple levels of DC voltage by switching. By adding the output voltages Vcv1, Vcv2, and Vcv3 of the unit converters 31v to 33v, an AC voltage Vcv0 (=Vcv1+Vcv2+Vcv3) with a waveform close to a sine wave for reducing harmonics is generated and output.

クラスタ21wは、それぞれが複数レベルの直流電圧をスイッチングにより選択的に生成し出力する複数(3つ)の単位変換器31w,32w,33wを直列接続してなるいわゆる多直列変換器クラスタであり、単位変換器31w~33wの出力電圧Vcw1,Vcw2,Vcw3を足し合わせることにより高調波を低減するための正弦波に近い波形の交流電圧Vcw0(=Vcw1+Vcw2+Vcw3)を生成し出力する。 The cluster 21w is a so-called multi-series converter cluster formed by connecting a plurality (three) unit converters 31w, 32w, 33w in series, each of which selectively generates and outputs multiple levels of DC voltage by switching. By adding together the output voltages Vcw1, Vcw2, and Vcw3 of the unit converters 31w to 33w, an AC voltage Vcw0 (=Vcw1+Vcw2+Vcw3) with a waveform close to a sine wave for reducing harmonics is generated and output.

クラスタ21uの単位変換器31u,32u,33uは、1つの回路基板40uに実装されている。同様にクラスタ21vの単位変換器31v,32v,33v、およびクラスタ21wの単位変換器31w,32w,33wも、各々が1つの回路基板40v,40wに実装されている。マイクロコンピュータ及びその周辺回路等で構成される制御部18は、上記クラスタ21u,21v,21wが実装されている回路基板40u,40y,40wとは別の1つの制御回路基板60に設けられている。 Unit converters 31u, 32u, 33u of cluster 21u are mounted on one circuit board 40u. Similarly, the unit converters 31v, 32v, 33v of the cluster 21v and the unit converters 31w, 32w, 33w of the cluster 21w are each mounted on one circuit board 40v, 40w. The control unit 18, which is composed of a microcomputer and its peripheral circuits, is provided on a control circuit board 60 that is separate from the circuit boards 40u, 40y, and 40w on which the clusters 21u, 21v, and 21w are mounted. .

クラスタ21u、21v、21wの構成は同一であるため、クラスタ21uを例にとって説明する。単位変換器31u,32u,33uの直列回路の一端がパッシブフィルタ11およびリアクトル14uを介して電源ラインLuに接続され、単位変換器31v,32v,33vの直列回路の一端が電源ラインLvに接続され、単位変換器31w,32w,33wの直列回路の一端が電源ラインLwに接続されている。そして、単位変換器31u,32u,33uの直列回路の他端、単位変換器31v,32v,33vの直列回路の他端、単位変換器31w,32w,33wの直列回路の他端が相互接続(N端子:スター結線)されている。 Since the clusters 21u, 21v, and 21w have the same configuration, the cluster 21u will be explained as an example. One end of the series circuit of the unit converters 31u, 32u, 33u is connected to the power line Lu via the passive filter 11 and the reactor 14u, and one end of the series circuit of the unit converters 31v, 32v, 33v is connected to the power line Lv. , one end of a series circuit of unit converters 31w, 32w, and 33w is connected to a power supply line Lw. The other end of the series circuit of unit converters 31u, 32u, 33u, the other end of the series circuit of unit converters 31v, 32v, 33v, and the other end of the series circuit of unit converters 31w, 32w, 33w are interconnected ( N terminal: star connection).

単位変換器31u,32u,33uの具体的な構成を図2に示す。
単位変換器31uは、一対の出力端子、それぞれ還流ダイオードDを有する半導体スイッチ素子Q1a,Q1b,Q1c,Q1d、これら半導体スイッチ素子Q1a~Q1dを介して上記出力端子に接続されたコンデンサ(直流コンデンサ)C1、制御部18からの制御信号に応じて半導体スイッチ素子Q1a~Q1dを駆動するゲートドライブ回路31a、このゲートドライブ回路31aの動作用電圧をコンデンサC1の電圧(コンデンサ電圧)から得る給電回路31b、コンデンサC1の電圧を検出して制御部18に知らせる電圧検出回路31cを含み、半導体スイッチ素子Q1~Q1dのスイッチング(オン,オフ)による複数の通電路の選択的な形成により複数レベルの直流電圧を生成し出力する。なお、半導体スイッチ素子Q1にMOSFETを用いる場合には、還流ダイオードDは、寄生ダイオードで兼用することができる。
A specific configuration of the unit converters 31u, 32u, and 33u is shown in FIG.
The unit converter 31u includes a pair of output terminals, semiconductor switching elements Q1a, Q1b, Q1c, and Q1d each having a freewheeling diode D, and a capacitor (DC capacitor) connected to the output terminal via these semiconductor switching elements Q1a to Q1d. C1, a gate drive circuit 31a that drives the semiconductor switching elements Q1a to Q1d in accordance with a control signal from the control unit 18, a power supply circuit 31b that obtains the operating voltage of the gate drive circuit 31a from the voltage of the capacitor C1 (capacitor voltage); It includes a voltage detection circuit 31c that detects the voltage of the capacitor C1 and reports it to the control unit 18, and generates multiple levels of DC voltage by selectively forming a plurality of conductive paths by switching (ON, OFF) the semiconductor switching elements Q1 to Q1d. Generate and output. Note that when a MOSFET is used as the semiconductor switching element Q1, the free-wheeling diode D can also be used as a parasitic diode.

単位変換器31vは、一対の出力端子、それぞれ還流ダイオードDを有する半導体スイッチ素子Q2a,Q2b,Q2c,Q2d、これら半導体スイッチ素子Q2a~Q2dを介して上記出力端子に接続されたコンデンサ(直流コンデンサ)C2、制御部18からの制御信号に応じて半導体スイッチ素子Q2a~Q2dを駆動するゲートドライブ回路32a、このゲートドライブ回路32aの動作用電圧をコンデンサC2の電圧(コンデンサ電圧)から得る給電回路32b、コンデンサC2の電圧を検出して制御部18に知らせる電圧検出回路32cを含み、半導体スイッチ素子Q2a~Q2dのスイッチング(オン,オフ)による複数の通電路の選択的な形成により複数レベルの直流電圧を生成し出力する。 The unit converter 31v includes a pair of output terminals, semiconductor switching elements Q2a, Q2b, Q2c, and Q2d each having a freewheeling diode D, and a capacitor (DC capacitor) connected to the output terminal via these semiconductor switching elements Q2a to Q2d. C2, a gate drive circuit 32a that drives the semiconductor switching elements Q2a to Q2d in accordance with a control signal from the control unit 18, a power supply circuit 32b that obtains the operating voltage of the gate drive circuit 32a from the voltage of the capacitor C2 (capacitor voltage); It includes a voltage detection circuit 32c that detects the voltage of the capacitor C2 and notifies the control unit 18, and generates multiple levels of DC voltage by selectively forming a plurality of conductive paths by switching (ON, OFF) the semiconductor switching elements Q2a to Q2d. Generate and output.

単位変換器31wは、一対の出力端子、それぞれ還流ダイオードDを有する半導体スイッチ素子Q3a,Q3b,Q3c,Q3d、これら半導体スイッチ素子Q3a~Q3dを介して上記出力端子に接続されたコンデンサ(直流コンデンサ)C3、制御部18からの制御信号に応じて半導体スイッチ素子Q3a~Q3dを駆動するゲートドライブ回路33a、このゲートドライブ回路33aの動作用電圧をコンデンサC3の電圧(コンデンサ電圧)から得る給電回路33b、コンデンサC3の電圧を検出して制御部18に知らせる電圧検出回路33cを含み、半導体スイッチ素子Q3a~Q3dのスイッチング(オン,オフ)による複数の通電路の選択的な形成により複数レベルの直流電圧を生成し出力する。 The unit converter 31w includes a pair of output terminals, semiconductor switching elements Q3a, Q3b, Q3c, and Q3d each having a free wheel diode D, and a capacitor (DC capacitor) connected to the output terminal via these semiconductor switching elements Q3a to Q3d. C3, a gate drive circuit 33a that drives the semiconductor switching elements Q3a to Q3d in accordance with a control signal from the control unit 18, a power supply circuit 33b that obtains the operating voltage of the gate drive circuit 33a from the voltage of the capacitor C3 (capacitor voltage); It includes a voltage detection circuit 33c that detects the voltage of the capacitor C3 and notifies the control unit 18, and generates multiple levels of DC voltage by selectively forming a plurality of conductive paths by switching (ON, OFF) the semiconductor switching elements Q3a to Q3d. Generate and output.

半導体スイッチ素子Q1a~Q3dに対し例えば2レベル変調によるスイッチングを行う場合の制御部18によるパルス幅変調制御(PMW制御)を図3に示す。
制御部18は、三相交流電源1の交流電圧Euとほぼ同じ波形の交流電圧をクラスタ12uで生成させるための交流電圧指令値Vcu sinθを設定し、単位変換器31u,32u,33uの個数と同じ個数で互いに位相が異なる三角波状のキャリア信号V1,V2,V3の電圧レベルとその交流電圧指令値Vcu sinθの電圧レベルとを比較するパルス幅変調により、単位変換器31u,32u,33uの半導体スイッチ素子Q1a~Q3dに対するスイッチング用の制御信号(ゲート信号ともいう)を生成する。
FIG. 3 shows pulse width modulation control (PMW control) by the control unit 18 when performing switching by two-level modulation, for example, on the semiconductor switching elements Q1a to Q3d.
The control unit 18 sets an AC voltage command value Vcu sinθ for causing the cluster 12u to generate an AC voltage with almost the same waveform as the AC voltage Eu of the three-phase AC power supply 1, and sets the AC voltage command value Vcu sinθ and the number of unit converters 31u, 32u, 33u. The semiconductors of unit converters 31u, 32u, 33u are A switching control signal (also referred to as a gate signal) for the switch elements Q1a to Q3d is generated.

この制御信号の生成に際し、制御部18は、単位変換器31uにおいて互いに直列に配置されているスイッチ素子Q1a,Q1bのオンとオフの間、および互いに直列に配置されているスイッチ素子Q1c,Q1dのオンとオフの間に、それぞれ短絡防止のためにオフ状態となるデッドタイムを確保する。同様に、単位変換器31vにおいて互いに配置されているスイッチ素子Q2a,Q2bのオンとオフの間、および互いに直列に配置されているスイッチ素子Q2c,Q2dのオンとオフの間に、それぞれ短絡防止のためにオフ状態となるデッドタイムを確保する。単位変換器31wにおいて互いに直列に配置されているスイッチ素子Q3a,Q3bのオンとオフの間、および互いに直列に配置されているスイッチ素子Q3c,Q3dのオンとオフの間に、それぞれ短絡防止のためにオフ状態となるデッドタイムを確保する。 When generating this control signal, the control unit 18 controls the switching elements Q1a, Q1b arranged in series in the unit converter 31u between on and off, and the switching elements Q1c, Q1d arranged in series in the unit converter 31u. A dead time is ensured between on and off to prevent short circuits. Similarly, in the unit converter 31v, short-circuit prevention is applied between the ON and OFF of the switching elements Q2a and Q2b arranged mutually, and between the ON and OFF of the switching elements Q2c and Q2d arranged in series with each other. Securing a dead time in which the device is turned off. In the unit converter 31w, between the on and off of the switching elements Q3a and Q3b arranged in series with each other, and between the on and off of the switching elements Q3c and Q3d arranged in series with each other, to prevent short circuits. Securing a dead time in which the device is turned off.

2レベル変調によるスイッチングの場合、単位変換器31u,32u,33uはそれぞれ“正レベル”“負レベル”の2レベルの直流電圧を選択的に生成し出力する。3レベル変調によるスイッチングであれば、単位変換器31u,32u,33uはそれぞれ“正レベル”“零レベル”“負レベル”の3レベルの直流電圧を選択的に生成し出力する。 In the case of switching by two-level modulation, the unit converters 31u, 32u, and 33u selectively generate and output two-level DC voltages of "positive level" and "negative level," respectively. In the case of switching by three-level modulation, the unit converters 31u, 32u, and 33u selectively generate and output three-level DC voltages of "positive level," "zero level," and "negative level," respectively.

以上述べたクラスタ21uの単位変換器31u,32u,33uの構成およびスイッチングは、クラスタ21vの単位変換器31v,32v,33vの構成およびスイッチングについても同様であり、クラスタ21wの単位変換器31w,32w,33wの構成およびスイッチングについても同様である。 The configuration and switching of the unit converters 31u, 32u, 33u of the cluster 21u described above are the same for the configuration and switching of the unit converters 31v, 32v, 33v of the cluster 21v, and the unit converters 31w, 32w of the cluster 21w. The same applies to the configuration and switching of , 33w.

制御部18は、三相交流電源1の交流電圧Evとほぼ同じ波形の交流電圧をクラスタ12vで生成させるための交流電圧指令値Vcv sinθを設定し、三相交流電源1の交流電圧Ewとほぼ同じ波形の交流電圧をクラスタ変換器12wで生成させるための交流電圧指令値Vcw sinθを設定する。交流電圧指令値Vcu sinθ,Vcv sinθ,Vcw sinθは、互いの位相が120°ずれている。 The control unit 18 sets an AC voltage command value Vcv sinθ for causing the cluster 12v to generate an AC voltage with a waveform that is approximately the same as the AC voltage Ev of the three-phase AC power supply 1, and sets an AC voltage command value Vcv sinθ that is approximately equal to the AC voltage Ew of the three-phase AC power supply 1. An AC voltage command value Vcw sinθ is set to cause the cluster converter 12w to generate an AC voltage with the same waveform. The AC voltage command values Vcu sinθ, Vcv sinθ, and Vcw sinθ are out of phase with each other by 120°.

[半導体スイッチ素子の耐圧]
クラスタ21u,21v,21wにおけるすべての半導体スイッチ素子Q1a~Q3dは、例えばMOSFETやIGBTなどのシリコン製半導体スイッチ素子であり、三相交流電源1の線間電圧Eu,Ev,Ewより耐圧が低いものを用いている。例えば、三相交流電源1の線間電圧Eu,Ev,Ewが200Vの場合、耐圧が200V未満のいわゆる低耐圧の半導体スイッチ素子Q1a~Q3dを用いる。この低耐圧の半導体スイッチ素子Q1a~Q3dは、回路基板40u,40v,40wのそれぞれ実装面に直接的に取付けられ、配線される。回路基板40u,40v,40wの導電パターンが、直接的に取付けられた半導体スイッチ素子Q1a~Q3dの放熱用部材として機能する。
[Withstand voltage of semiconductor switch element]
All the semiconductor switching elements Q1a to Q3d in the clusters 21u, 21v, and 21w are silicon semiconductor switching elements such as MOSFETs and IGBTs, and have a withstand voltage lower than the line voltages Eu, Ev, and Ew of the three-phase AC power supply 1. is used. For example, when the line voltages Eu, Ev, and Ew of the three-phase AC power supply 1 are 200V, so-called low-voltage semiconductor switching elements Q1a to Q3d with a withstand voltage of less than 200V are used. These low-voltage semiconductor switch elements Q1a to Q3d are directly attached and wired to the respective mounting surfaces of the circuit boards 40u, 40v, and 40w. The conductive patterns on the circuit boards 40u, 40v, and 40w function as heat dissipating members for the directly attached semiconductor switch elements Q1a to Q3d.

低耐圧の半導体スイッチ素子Q1a~Q3dは、耐圧が例えば600Vのいわゆる高耐圧の半導体スイッチ素子よりもオン抵抗が小さくスイッチング速度も速いので、電力変換効率が高い。このため、低耐圧の半導体スイッチ素子Q1a~Q3dは、高耐圧の半導体スイッチ素子に比べて発熱量が少なく、上記のように回路基板40u,40v,40wのそれぞれ実装面に直接的に取付けるだけで、素子の取付面にある銅箔などで形成された導電パターンで十分に放熱することができる。よって、高耐圧の半導体スイッチ素子の採用に際して必須となる放熱用フィンや冷却用ファンが不要となり、ひいては装置の大型化やコストの上昇を抑えることができる。半導体スイッチ素子の個々に放熱用フィンを取付ける作業が不要となるので、装置の製造時の作業効率が向上する。 The low-voltage semiconductor switching elements Q1a to Q3d have lower on-resistance and faster switching speed than so-called high-voltage semiconductor switching elements with a breakdown voltage of, for example, 600V, and therefore have higher power conversion efficiency. Therefore, the low-voltage semiconductor switch elements Q1a to Q3d generate less heat than the high-voltage semiconductor switch elements, and can be mounted directly on the respective mounting surfaces of the circuit boards 40u, 40v, and 40w as described above. , a conductive pattern made of copper foil or the like on the mounting surface of the element can sufficiently dissipate heat. Therefore, heat dissipation fins and cooling fans, which are essential when employing a high-voltage semiconductor switch element, are not required, and it is possible to suppress the increase in size and cost of the device. Since there is no need to attach heat dissipation fins to each semiconductor switch element, work efficiency during device manufacturing is improved.

なお、必要があれば、回路基板40u,40v,40wの半導体スイッチ素子Q1a~Q3dが接続される導電パターン部分に小形の放熱用フィンを基板実装として半田付けする構成としてもよい。この場合、半導体スイッチ素子Q1a~Q3dと同じように自動半田付けが可能であるため、半導体スイッチ素子の個々にヒートシンクを作業者が手作業でネジ止めする場合に比べ格段に作業効率が向上する。 If necessary, a small heat dissipation fin may be soldered to the conductive pattern portions of the circuit boards 40u, 40v, and 40w to which the semiconductor switch elements Q1a to Q3d are connected as board mounting. In this case, automatic soldering is possible in the same way as the semiconductor switch elements Q1a to Q3d, so work efficiency is significantly improved compared to the case where an operator manually screws the heat sink to each semiconductor switch element.

[スイッチング周波数]
リアクトル12u,12v,12wおよびコンデンサ13u,13v,13wから成るパッシブフィルタ11と、リアクトル14u,14v,14wとにより、PWM制御のスイッチングに伴う矩形波成分を除去するためのLCLの共振回路が形成される。この共振回路のゲイン特性を図4に示す。
リアクトル12u,12v,12wのインダクタンスをLf、コンデンサ13u,13v,13wの容量をCf、リアクトル14u,14v,14wのインダクタンスをLbとすると、この共振回路の共振周波数fcは下式で表わされる。
[Switching frequency]
A passive filter 11 consisting of reactors 12u, 12v, 12w and capacitors 13u, 13v, 13w, and reactors 14u, 14v, 14w form an LCL resonant circuit for removing rectangular wave components accompanying PWM control switching. Ru. The gain characteristics of this resonant circuit are shown in FIG.
When the inductance of the reactors 12u, 12v, 12w is Lf, the capacitance of the capacitors 13u, 13v, 13w is Cf, and the inductance of the reactors 14u, 14v, 14w is Lb, the resonant frequency fc of this resonant circuit is expressed by the following formula.

Figure 2023128422000002
Figure 2023128422000002

一般にPWM制御のスイッチングに伴う矩形波成分を除去するための共振回路では、設計上、アクティブフィルタ10のスイッチング周波数よりも低いカットオフ周波数つまり共振周波数fcが設定される。言い換えると、従来のアクティブフィルタでは、そのスイッチング周波数を共振周波数fcより高くする必要がある。このため、アクティブフィルタにおける半導体スイッチ素子のスイッチング周波数を高くせざるをえず、損失が大きくなる。 Generally, in a resonant circuit for removing rectangular wave components associated with PWM control switching, a cutoff frequency, that is, a resonant frequency fc, which is lower than the switching frequency of the active filter 10 is set in design. In other words, a conventional active filter requires its switching frequency to be higher than the resonant frequency fc. For this reason, the switching frequency of the semiconductor switching element in the active filter must be increased, resulting in increased loss.

これに対し、本実施形態のアクティブフィルタ10は、クラスタ21u,21v,21wの採用によって相ごとの出力電圧をマルチレベル化しているので、実際のスイッチング周波数fs、すなわち各単位変換器31内の各々の半導体スイッチ素子Q1のスイッチング周波数、を共振周波数fcより低くしても、等価的なスイッチング周波数は共振周波数fcより高い“N×fs”(ここで、Nは、1つのクラスタの単位変換器の段数を意味し、図1,図3に示すクラスタにおいては3段である)とすることができる。例えば、共振周波数fcが8kHzの場合、スイッチング周波数fsをこの共振周波数fcよりも低い5kHzとしても、等価的なスイッチング周波数“N×fs”は3×5=15kHzとなることから、実質的なアクティブフィルタ10のスイッチング周波数を共振周波数fcよりも高くして、共振を避けることができる。 On the other hand, the active filter 10 of this embodiment multi-levels the output voltage for each phase by employing the clusters 21u, 21v, and 21w. Even if the switching frequency of the semiconductor switching element Q1 is lower than the resonant frequency fc, the equivalent switching frequency is higher than the resonant frequency fc by "N x fs" (here, N is the number of unit converters in one cluster). In the cluster shown in FIGS. 1 and 3, there are three stages). For example, if the resonant frequency fc is 8 kHz, even if the switching frequency fs is 5 kHz, which is lower than the resonant frequency fc, the equivalent switching frequency "N x fs" is 3 x 5 = 15 kHz, so the actual active Resonance can be avoided by making the switching frequency of the filter 10 higher than the resonant frequency fc.

このようにアクティブフィルタ10の実際のスイッチング周波数fsを共振周波数fcより低くすることで、マルチレベル変換器20のクラスタ21u,21v,21wにおける半導体スイッチ素子Q1a~Q3dのスイッチング損失を低減することができる。これにより、半導体スイッチ素子Q1a~Q3dの温度上昇を抑えることができる。半導体スイッチ素子Q1a~Q3dの温度上昇を抑えることができるので、本実施形態のように、回路基板40u,40v,40wを半導体スイッチ素子Q1a~Q3dの放熱用部材として用いる構成であっても、すなわち放熱用フィンや冷却用ファンを設けることなく、半導体スイッチ素子Q1a~Q3dに対する十分な放熱作用を得ることができる。 By making the actual switching frequency fs of the active filter 10 lower than the resonant frequency fc in this way, the switching loss of the semiconductor switching elements Q1a to Q3d in the clusters 21u, 21v, and 21w of the multilevel converter 20 can be reduced. . This makes it possible to suppress the temperature rise of the semiconductor switching elements Q1a to Q3d. Since the temperature rise of the semiconductor switch elements Q1a to Q3d can be suppressed, even if the circuit boards 40u, 40v, and 40w are used as heat dissipation members for the semiconductor switch elements Q1a to Q3d as in this embodiment, that is, A sufficient heat dissipation effect for the semiconductor switch elements Q1a to Q3d can be obtained without providing heat dissipation fins or cooling fans.

[回路基板]
マルチレベル変換器20におけるクラスタ21u、21v、21wはそれぞれが同一の1枚の基板上に構成される。各基板の構成は共通であるので、ここでは図5を用いて、クラスタ変換器21uの回路基板を例にとって説明する。回路基板40uの実装面である上面に、制御部18とクラスタ21uの単位変換器31u,32u,33uとの間の信号を中継する細長形状のコネクタ(第1コネクタ)50が配置されるとともに、クラスタ21uの外部接続端子(L端子という)51aおよび外部接続端子(N端子という)51bが配置されている。
[Circuit board]
The clusters 21u, 21v, and 21w in the multilevel converter 20 are each constructed on one and the same substrate. Since the configuration of each board is common, the circuit board of the cluster converter 21u will be explained here using FIG. 5 as an example. An elongated connector (first connector) 50 that relays signals between the control unit 18 and the unit converters 31u, 32u, and 33u of the cluster 21u is arranged on the upper surface, which is the mounting surface of the circuit board 40u. An external connection terminal (referred to as L terminal) 51a and an external connection terminal (referred to as N terminal) 51b of cluster 21u are arranged.

L端子51aは、交流電源ラインの1相、ここではU相、に接続され、N端子51bは、クラスタ変換器21u、21v、21wの相互接続点に繋がる配線接続部である。各単位変換器31u,32u,33uのスイッチング素子は、コネクタ50を介して送られてくる制御部18からの信号に基づいてオン,オフ動作する。また、各単位変換器31u,32u,33uの電圧検出回路31c、32c、33cの出力がコネクタ50を介して制御部18に送られる。そして、回路基板40uの実装面である上面において、コネクタ50を周りから囲んでそのコネクタ50とそれぞれ対峙する位置に、単位変換器31u,32u,33uおよび外部接続端子51a,51bが配置されている。 The L terminal 51a is connected to one phase of the AC power supply line, here the U phase, and the N terminal 51b is a wiring connection part connected to the interconnection point of the cluster converters 21u, 21v, and 21w. The switching elements of each unit converter 31u, 32u, 33u are turned on and off based on a signal sent from the control section 18 via the connector 50. Further, the outputs of the voltage detection circuits 31c, 32c, 33c of the unit converters 31u, 32u, 33u are sent to the control section 18 via the connector 50. On the upper surface, which is the mounting surface, of the circuit board 40u, unit converters 31u, 32u, 33u and external connection terminals 51a, 51b are arranged at positions surrounding the connector 50 and facing the connector 50, respectively. .

具体的には、コネクタ50の長手方向に沿う一方の側辺部50aと対峙する位置に一段目の単位変換器31uが配置され、コネクタ50の長手方向に沿う一端部50bと対峙する位置に二段目の単位変換器32uが配置され、コネクタ50の長手方向に沿う他方の側辺部50cと対峙する位置に最終段(三段目)の単位変換器33uが配置され、コネクタ50の長手方向に沿う他端部50dと対峙する位置にL端子端子51a,N端子51bが配置されている。 Specifically, the first unit converter 31u is arranged at a position facing one side 50a along the longitudinal direction of the connector 50, and the second unit converter 31u is arranged at a position facing one end 50b along the longitudinal direction of the connector 50. The unit converter 32u of the first stage is disposed, and the final stage (third stage) unit converter 33u is disposed at a position facing the other side 50c along the longitudinal direction of the connector 50. An L terminal 51a and an N terminal 51b are arranged at positions facing the other end 50d along the line.

このように、コネクタ50を囲む状態に単位変換器31u,32u,33uおよびL端子51a,N端子51bを配置することで、回路基板40uの面積をできるだけ縮小することができるとともに、コネクタ50と単位変換器31uとの間、コネクタ50と単位変換器32uとの間、コネクタ50と単位変換器33uとの間の各信号線路をそれぞれ短縮することができる。 In this way, by arranging the unit converters 31u, 32u, 33u and the L terminals 51a, N terminals 51b in a state surrounding the connector 50, the area of the circuit board 40u can be reduced as much as possible, and the connector 50 and the unit Each signal line between the converter 31u, between the connector 50 and the unit converter 32u, and between the connector 50 and the unit converter 33u can be shortened.

一段目の単位変換器31uとL端子51aとが接近するので、単位変換器31uとL端子51aとの間の外部接続用通電路(後述の導電パターン41a)の長さをできるだけ短縮することができる。最終段の単位変換器33uとN端子51bとが接近するので、単位変換器33uとN端子51bとの間の外部接続用通電路(後述の導電パターン41b)の長さをできるだけ短縮することができる。 Since the first-stage unit converter 31u and the L terminal 51a are close to each other, it is possible to shorten the length of the external connection conductive path (conductive pattern 41a to be described later) between the unit converter 31u and the L terminal 51a as much as possible. can. Since the final stage unit converter 33u and the N terminal 51b are close to each other, it is possible to shorten the length of the external connection conductive path (conductive pattern 41b described later) between the unit converter 33u and the N terminal 51b as much as possible. can.

これら信号線路および通電路の短縮により、外部ノイズの影響をできるだけ排除できるとともに、装置の製造時の作業効率が向上する。L端子51a,N端子51bが隣接しているので、コモンモードのノイズフィルタを設ける場合にそのノイズフィルタの接続作業が容易となる。 By shortening these signal lines and current-carrying paths, the influence of external noise can be eliminated as much as possible, and work efficiency during device manufacturing can be improved. Since the L terminal 51a and the N terminal 51b are adjacent to each other, when a common mode noise filter is provided, the work of connecting the noise filter becomes easy.

回路基板40uにおいて単位変換器31uが配置される領域およびその周辺には、半導体スイッチ素子Q1a,Q1bとL端子51aとの間の外部接続用通電路となる導電パターン41a、半導体スイッチ素子Q1a,Q1cとコンデンサC1の正極との間の正側通電路(+)となる正側導電パターン42、コンデンサC1の負極と半導体スイッチ素子Q1b,Q1dとの間の負側通電路(-)となる負側導電パターン43、半導体スイッチ素子Q1c,Q1dと後段の単位変換器32uとの間の外部接続用通電路となる導電パターン44が配置されている。 In the area where the unit converter 31u is arranged on the circuit board 40u and its surroundings, there are conductive patterns 41a, which serve as conductive paths for external connection between the semiconductor switch elements Q1a, Q1b and the L terminal 51a, and the semiconductor switch elements Q1a, Q1c. A positive conductive pattern 42 serves as a positive conductive path (+) between the positive electrode of the capacitor C1 and the positive electrode of the capacitor C1, and a negative conductive pattern 42 serves as a negative conductive path (-) between the negative electrode of the capacitor C1 and the semiconductor switch elements Q1b and Q1d. A conductive pattern 44 that serves as a conductive path for external connection between the conductive pattern 43, the semiconductor switch elements Q1c and Q1d, and the subsequent unit converter 32u is arranged.

これら導電パターン41a,42,43,44は、回路基板の絶縁基板にエッチングなどで形成された銅配線パターンであり、回路基板40uにおける存在そのものを模式的に示したもので、実際には図5のX-X線に沿う断面を矢印方向に視た図6に示すように、回路基板40uの実装面である上面Aおよびその上面Aとは反対側の下面Bとに分けて配置される。すなわち、外部接続用通電路である導電パターン41aは、上面Aに配置されている。コンデンサC1の正極に導通する正側導電パターン42は、半導体スイッチ素子Q1aにつながる一部のみ上面Aに配置され、残りのほぼ全域が下面Bに配置されている。コンデンサC1の負極に導通する負側導電パターン43は、全域が上面Aに配置されている。 These conductive patterns 41a, 42, 43, and 44 are copper wiring patterns formed by etching or the like on the insulating substrate of the circuit board, and their existence on the circuit board 40u is schematically shown. As shown in FIG. 6, which is a cross section taken along the line XX of FIG. That is, the conductive pattern 41a, which is a conductive path for external connection, is arranged on the upper surface A. The positive conductive pattern 42 that is electrically connected to the positive electrode of the capacitor C1 has only a portion connected to the semiconductor switching element Q1a disposed on the upper surface A, and almost the entire remaining portion thereof is disposed on the lower surface B. The entire negative conductive pattern 43 that is electrically connected to the negative electrode of the capacitor C1 is arranged on the upper surface A.

低耐圧の半導体スイッチ素子Q1a~Q1dを用いる場合、サージ電圧への余裕が少なくなるため、サージ電圧の主要因となる回路上の浮遊インダクタンスを低減する必要がある。浮遊インダクタンスを低減するには、半導体スイッチ素子Q1a~Q1dとコンデンサC1との間の導電パターンを短くすることが効果的であるこのため、まずは半導体スイッチ素子Q1a~Q1dおよびコンデンサC1を同じ1つの回路基板40uに実装している。さらに、コンデンサC1の正極に導通する正側導電パターン42のほぼ全域と、コンデンサC1の負極に導通する負側導電パターン43とを、回路基板40uを間に挟んでラミネート上に配置し、これにより生じる相互インダクタンスによって上記浮遊インダクタンスをさらに低減させている。 When using low-voltage semiconductor switching elements Q1a to Q1d, there is less margin for surge voltage, so it is necessary to reduce stray inductance on the circuit, which is the main cause of surge voltage. To reduce stray inductance, it is effective to shorten the conductive pattern between the semiconductor switch elements Q1a to Q1d and the capacitor C1. Therefore, first, connect the semiconductor switch elements Q1a to Q1d and the capacitor C1 in the same circuit. It is mounted on the board 40u. Further, almost the entire area of the positive conductive pattern 42 that is electrically connected to the positive electrode of the capacitor C1 and the negative conductive pattern 43 that is electrically conductive to the negative electrode of the capacitor C1 are placed on the laminate with the circuit board 40u in between. The resulting mutual inductance further reduces the stray inductance.

回路基板40uにおいて単位変換器32uが配置される領域およびその周辺には、前段の単位変換器31uと半導体スイッチ素子Q2a,Q2bとの間の外部接続用通電路となる上記導電パターン44、半導体スイッチ素子Q2a,Q2cとコンデンサC2の正極との間の正側通電路(+)となる正側導電パターン45、コンデンサC2の負極と半導体スイッチ素子Q2b,Q2dとの間の負側通電路(-)となる負側導電パターン46、半導体スイッチ素子Q2c,Q2dと後段の単位変換器33uとの間の外部接続用通電路となる導電パターン47が配置されている。 In the area where the unit converter 32u is arranged on the circuit board 40u and its surrounding area, the conductive pattern 44, which serves as a conduction path for external connection between the previous unit converter 31u and the semiconductor switch elements Q2a, Q2b, and the semiconductor switch are arranged. A positive conductive pattern 45 serving as a positive conduction path (+) between the elements Q2a, Q2c and the positive electrode of the capacitor C2, and a negative conduction path (-) between the negative electrode of the capacitor C2 and the semiconductor switch elements Q2b, Q2d. A negative-side conductive pattern 46 is arranged, and a conductive pattern 47 is arranged as a conductive path for external connection between the semiconductor switch elements Q2c, Q2d and the subsequent unit converter 33u.

これら導電パターン44,45,46,47も、銅配線であり、回路基板40uにおける存在そのものを示したもので、実際には単位変換器31uの41a,42,43,44と同じく、回路基板40uの上面Aと下面Bとに分けて配置される。
この単位変換器32uの配置に関しても、単位変換器31uのところで述べた効果と同じく、浮遊インダクタンスを低減させることができる。
These conductive patterns 44, 45, 46, 47 are also copper wiring, indicating their existence on the circuit board 40u, and are actually the same as 41a, 42, 43, 44 of the unit converter 31u. It is arranged separately on an upper surface A and a lower surface B.
With regard to the arrangement of this unit converter 32u, stray inductance can also be reduced, similar to the effect described for the unit converter 31u.

回路基板40uにおいて単位変換器33uが配置される領域およびその周辺には、前段の単位変換器32uと半導体スイッチ素子Q3a,Q3bとの間の外部接続用通電路となる上記導電パターン47、半導体スイッチ素子Q3a,Q3cとコンデンサC3の正極との間の正側通電路(+)となる正側導電パターン48、コンデンサC3の負極と半導体スイッチ素子Q3b,Q3dとの間の負側通電路(-)となる負側導電パターン49、半導体スイッチ素子Q3c,Q3dとN端子51bとの間の外部接続用通電路となる導電パターン41bが配置されている。 In the area where the unit converter 33u is arranged on the circuit board 40u and its surroundings, the conductive pattern 47, which serves as a conduction path for external connection between the previous unit converter 32u and the semiconductor switch elements Q3a, Q3b, and the semiconductor switch are arranged. A positive conductive pattern 48 serving as a positive conduction path (+) between the elements Q3a, Q3c and the positive electrode of the capacitor C3, and a negative conduction path (-) between the negative electrode of the capacitor C3 and the semiconductor switch elements Q3b, Q3d. A negative-side conductive pattern 49 is arranged, and a conductive pattern 41b is arranged as a conductive path for external connection between the semiconductor switch elements Q3c, Q3d and the N terminal 51b.

これら導電パターン47,48,49,41bも、銅配線であり、回路基板40uにおける存在そのものを示したもので、実際には単位変換器31uの41a,42,43,44と同じく、回路基板40uの上面Aと下面Bとに分けて配置される。
この単位変換器33uの配置に関しても、単位変換器31uのところで述べた効果と同じく、浮遊インダクタンスを低減させることができる。
These conductive patterns 47, 48, 49, 41b are also copper wiring, indicating their existence on the circuit board 40u, and are actually the same as 41a, 42, 43, 44 of the unit converter 31u, on the circuit board 40u. It is arranged separately on an upper surface A and a lower surface B.
With regard to the arrangement of the unit converter 33u, stray inductance can also be reduced, similar to the effect described for the unit converter 31u.

以上述べた回路基板40uの構成は、クラスタ21vの単位変換器31v,32v,33vが実装される回路基板40vの構成についても同様であり、クラスタ21wの単位変換器31w,32w,33wが実装される回路基板40wの構成についても同様である。すなわち、回路基板40vには、制御部18と単位変換器31v,32v,33vとの間の信号を中継する細長形状のコネクタ(第2コネクタ)50が配置されるとともに、導電パターン41a,42~49,41bが配置される。回路基板40wには、制御部18と単位変換器31w,32w,33wとの間の信号を中継する細長形状のコネクタ(第3コネクタ)50が配置されるとともに、導電パターン41a,42~49,41bが配置される。 The configuration of the circuit board 40u described above is the same for the configuration of the circuit board 40v on which the unit converters 31v, 32v, and 33v of the cluster 21v are mounted, and the configuration of the circuit board 40v on which the unit converters 31w, 32w, and 33w of the cluster 21w are mounted. The same applies to the configuration of the circuit board 40w. That is, an elongated connector (second connector) 50 that relays signals between the control unit 18 and the unit converters 31v, 32v, and 33v is arranged on the circuit board 40v, and conductive patterns 41a, 42 to 49 and 41b are arranged. An elongated connector (third connector) 50 that relays signals between the control unit 18 and the unit converters 31w, 32w, 33w is arranged on the circuit board 40w, and conductive patterns 41a, 42 to 49, 41b is placed.

[マルチレベル変換器について]
マルチレベル変換器20としてスター結線したクラスタ21u,21v,21wを採用しているので、クラスタ21u,21v,21wの各単位変換器に加わる電圧をできるだけ低下させることができる。この結果、低耐圧の各半導体スイッチ素子を用いることができるようになる。
[About multilevel converter]
Since the star-connected clusters 21u, 21v, and 21w are used as the multilevel converter 20, the voltage applied to each unit converter of the clusters 21u, 21v, and 21w can be reduced as much as possible. As a result, it becomes possible to use semiconductor switch elements with low breakdown voltages.

マルチレベル変換器20として、図7に示すように、相ごとに、多数の半導体スイッチ素子S、多数のダイオードD、および多数のコンデンサCからなるダイオードクランプ型マルチレベル変換器の採用が考えられる。あるいは、図8に示すように、相ごとに、多数の半導体スイッチ素子Sおよび多数のコンデンサCからなるフライングキャパシタ型マルチレベル変換器の採用が考えられる。ただし、これらは、そもそも構成が複雑で部品数も多く、本実施形態のように大型化やコスト上昇を抑えることが目的の電力変換装置には適さない。 As the multilevel converter 20, as shown in FIG. 7, a diode clamp type multilevel converter including a large number of semiconductor switching elements S, a large number of diodes D, and a large number of capacitors C for each phase may be adopted. Alternatively, as shown in FIG. 8, it is conceivable to adopt a flying capacitor type multilevel converter consisting of a large number of semiconductor switching elements S and a large number of capacitors C for each phase. However, these devices have complicated configurations and a large number of parts, and are not suitable for power conversion devices whose purpose is to suppress increase in size and cost, as in this embodiment.

[変形例]
上記実施形態では、クラスタ21u,21v,21wの各単位変換器の個数が相ごとに3つの場合について説明したが、その個数については適宜に設定することが可能である。この個数は、各単位変換器内のスイッチング素子の駆動信号の関係上、奇数であることが望ましい。例えば、各クラスタ内の各単位変換器を5個あるいは7個と増加する場合の回路基板構成としては、図5に示すコネクタ50の端子が増加してコネクタ50の形状が長手方向に延びるため、コネクタの長手方向に沿って、増加する単位変換器31を追加して配置すれば良い。すなわち、図5において、単位変換器31uおよび単位変換器33uの各々の図面上の上方、すなわち単位変換器31uと単位変換器32uの相互間と、単位変換器33uと単位変換器32uの相互間に、追加対称の単位変換器を単位変換器31u~33uの回路素子配置と同じ回路素子配置で設ければよい。
[Modified example]
In the above embodiment, a case has been described in which the number of unit converters in the clusters 21u, 21v, and 21w is three for each phase, but the number can be set as appropriate. This number is desirably an odd number in view of the drive signals for the switching elements in each unit converter. For example, when increasing the number of unit converters in each cluster to 5 or 7, the circuit board configuration is such that the number of terminals of the connector 50 shown in FIG. 5 increases and the shape of the connector 50 extends in the longitudinal direction. An increasing number of unit converters 31 may be additionally arranged along the longitudinal direction of the connector. That is, in FIG. 5, the upper part of the drawing of each of the unit converter 31u and the unit converter 33u, that is, between the unit converter 31u and the unit converter 32u, and between the unit converter 33u and the unit converter 32u. In addition, an additional symmetrical unit converter may be provided with the same circuit element arrangement as that of the unit converters 31u to 33u.

上記実施形態および変形例は、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。これら実施形態および変形例は、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、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態および変形例は、発明の範囲は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。 The embodiments and modifications described above are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments and modifications can be implemented in various other forms, and various omissions, rewrites, and changes can be made without departing from the gist of the invention. The scope of these embodiments and modifications is included in the gist of the invention, and is also included in the scope of the invention described in the claims and its equivalents.

1…三相交流電源、Lu,Lv,Lw…電源ライン、3…空気調和機(負荷)、10…電力変換装置(アクティブフィルタ)、11…パッシブフィルタ、14u,14v,14w…リアクタ、18…制御部、20…マルチレベル変換機、21u…第1クラスタ、21v…第2クラスタ、21w…第3クラスタ、31u~31w…単位変換器、Q1a~Q3d…半導体スイッチ素子、C1~C3…コンデンサ 1... Three-phase AC power supply, Lu, Lv, Lw... Power line, 3... Air conditioner (load), 10... Power converter (active filter), 11... Passive filter, 14u, 14v, 14w... Reactor, 18... Control unit, 20... Multilevel converter, 21u... First cluster, 21v... Second cluster, 21w... Third cluster, 31u to 31w... Unit converter, Q1a to Q3d... Semiconductor switch element, C1 to C3... Capacitor

Claims (8)

負荷が接続される三相交流電源の各電源ラインにその負荷とは並列の関係に接続される電力変換装置であって、
前記各電源ラインに接続され、かつ前記三相交流電源の線間電圧より耐圧が低く回路基板の実装面に直接的に取付けられる複数の半導体スイッチ素子を含み、前記負荷に流れる電流の高調波成分を抑制する変換器と、
を備える電力変換装置。
A power conversion device that is connected in parallel to each power line of a three-phase AC power source to which the load is connected,
The harmonic component of the current flowing through the load includes a plurality of semiconductor switching elements connected to each of the power supply lines and having a withstand voltage lower than the line voltage of the three-phase AC power supply and directly attached to the mounting surface of the circuit board. a converter for suppressing
A power conversion device comprising:
前記変換器は、前記各電源ラインの相ごとに3つ以上のレベルの直流電圧を前記各半導体スイッチ素子のスイッチングにより選択的に生成し出力する、
請求項1に記載の電力変換装置。
The converter selectively generates and outputs DC voltages of three or more levels for each phase of each power supply line by switching each of the semiconductor switch elements.
The power conversion device according to claim 1.
前記変換器と前記各電源ラインの間にパッシブフィルタおよびリアクトルが挿入され、
前記各半導体スイッチ素子のスイッチング周波数は、前記パッシブフィルタおよび前記リアクトルにより形成される共振回路の共振周波数より低い、
請求項2に記載の電力変換装置。
A passive filter and a reactor are inserted between the converter and each of the power lines,
The switching frequency of each of the semiconductor switching elements is lower than the resonant frequency of a resonant circuit formed by the passive filter and the reactor.
The power conversion device according to claim 2.
前記変換器は、
前記三相交流電源の線間電圧より耐圧が低い複数の第1半導体スイッチ素子および1つの第1コンデンサから成りそれぞれが複数レベルの直流電圧を選択的に出力する複数の第1単位変換器を含み、これら第1単位変換器を直列接続するとともに1つの第1回路基板の実装面に直接的に取付けた第1クラスタと、
前記三相交流電源の線間電圧より耐圧が低い複数の第2半導体スイッチ素子および1つの第2コンデンサから成りそれぞれが複数レベルの直流電圧を選択的に出力する複数の第2単位変換器を含み、これら第2単位変換器を直列接続するとともに1つの第2回路基板の実装面に直接的に取付けた第2クラスタと、
前記三相交流電源の線間電圧より耐圧が低い複数の第3半導体スイッチ素子および1つの第3コンデンサから成りそれぞれが複数レベルの直流電圧を選択的に出力する複数の第3単位変換器を含み、これら第3単位変換器を直列接続するとともに1つの第3回路基板の実装面に直接的に取付けた第3クラスタと、
を含むマルチレベル変換器であり、
前記各第1単位変換器の直列回路の一端が前記パッシブフィルタおよび前記リアクトルを介して前記各電源ラインの第1電源ラインに接続され、前記各第2単位変換器の直列回路の一端が前記パッシブフィルタおよび前記リアクトルを介して前記各電源ラインの第2電源ラインに接続され、前記各第3単位変換器の直列回路の一端が前記パッシブフィルタおよび前記リアクトルを介して前記各電源ラインの第3電源ラインに接続され、
前記各第1単位変換器の直列回路の他端、前記各第2単位変換器の直列回路の他端、および前記各第3単位変換器の直列回路の他端が相互接続されている、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の電力変換装置。
The converter is
A plurality of first unit converters each consisting of a plurality of first semiconductor switching elements having a withstand voltage lower than the line voltage of the three-phase AC power supply and one first capacitor, each of which selectively outputs a plurality of levels of DC voltage; , a first cluster in which these first unit converters are connected in series and attached directly to the mounting surface of one first circuit board;
A plurality of second unit converters each consisting of a plurality of second semiconductor switching elements having a withstand voltage lower than the line voltage of the three-phase AC power supply and one second capacitor, each selectively outputting a plurality of levels of DC voltage; , a second cluster in which these second unit converters are connected in series and attached directly to the mounting surface of one second circuit board;
A plurality of third unit converters each consisting of a plurality of third semiconductor switching elements having a withstand voltage lower than the line voltage of the three-phase AC power supply and one third capacitor, each of which selectively outputs a plurality of levels of DC voltage; , a third cluster in which these third unit converters are connected in series and attached directly to the mounting surface of one third circuit board;
It is a multi-level converter including
One end of the series circuit of each of the first unit converters is connected to the first power supply line of each of the power supply lines via the passive filter and the reactor, and one end of the series circuit of each of the second unit converters is connected to the first power supply line of each of the power supply lines through the passive filter and the reactor. It is connected to the second power supply line of each of the power supply lines through the filter and the reactor, and one end of the series circuit of each of the third unit converters is connected to the third power supply line of each of the power supply lines through the passive filter and the reactor. connected to the line,
The other end of the series circuit of each of the first unit converters, the other end of the series circuit of each of the second unit converters, and the other end of the series circuit of each of the third unit converters are interconnected;
The power conversion device according to any one of claims 1 to 3.
前記第1回路基板は、当該第1回路基板の実装面である上面およびその上面とは反対側の下面を有し、前記各第1半導体スイッチ素子と前記第1コンデンサとの間の正側通電路となる正側導電パターンおよび負側通電路となる負側導電パターンを、当該上面と当該下面とに分けて配置し、
前記第2回路基板は、当該第2回路基板の実装面である上面およびその上面とは反対側の下面を有し、前記各第2半導体スイッチ素子と前記第2コンデンサとの間の正側通電路となる正側導電パターンおよび負側通電路となる負側導電パターンを、当該上面と当該下面とに分けて配置し、
前記第3回路基板は、当該第3回路基板の実装面である上面およびその上面とは反対側の下面を有し、前記各第3半導体スイッチ素子と前記第3コンデンサとの間の正側通電路となる正側導電パターンおよび負側通電路となる負側導電パターンを、当該上面と当該下面とに分けて配置している、
請求項4に記載の電力変換装置。
The first circuit board has an upper surface that is a mounting surface of the first circuit board and a lower surface opposite to the upper surface, and has a positive side communication between each of the first semiconductor switch elements and the first capacitor. A positive conductive pattern serving as an electric path and a negative conductive pattern serving as a negative conductive path are arranged separately on the upper surface and the lower surface,
The second circuit board has an upper surface that is a mounting surface of the second circuit board and a lower surface opposite to the upper surface, and has a positive side communication between each of the second semiconductor switch elements and the second capacitor. A positive conductive pattern serving as an electric path and a negative conductive pattern serving as a negative conductive path are arranged separately on the upper surface and the lower surface,
The third circuit board has an upper surface that is a mounting surface of the third circuit board and a lower surface opposite to the upper surface, and has a positive side communication between each of the third semiconductor switch elements and the third capacitor. A positive conductive pattern serving as an electric path and a negative conductive pattern serving as a negative conductive path are arranged separately on the upper surface and the lower surface,
The power conversion device according to claim 4.
1つの制御回路基板に設けられ、前記各第1半導体スイッチ素子、前記各第2半導体スイッチ素子、および前記各第3半導体スイッチ素子を制御する制御部と、
前記第1回路基板の実装面に設けられ、前記制御部と前記各第1単位変換器との間の信号を中継する第1コネクタと、
前記第2回路基板の実装面に設けられ、前記制御部と前記各第2単位変換器との間の信号を中継する第2コネクタと、
前記第3回路基板の実装面に設けられ、前記制御部と前記各第3単位変換器との間の信号を中継する第3コネクタと、
をさらに備え、
前記各第1単位変換器は、前記第1回路基板の実装面において前記第1コネクタを囲む状態に配置され、
前記各第2単位変換器は、前記第2回路基板の前記実装面において前記第2コネクタを囲む状態に配置され、
前記各第3単位変換器は、前記第3回路基板の前記実装面において前記第3コネクタを囲む状態に配置されている、
請求項4または請求項5に記載の電力変換装置。
a control unit that is provided on one control circuit board and controls each of the first semiconductor switch elements, the second semiconductor switch elements, and the third semiconductor switch elements;
a first connector provided on a mounting surface of the first circuit board and relaying signals between the control section and each of the first unit converters;
a second connector provided on the mounting surface of the second circuit board and relaying signals between the control section and each of the second unit converters;
a third connector provided on the mounting surface of the third circuit board and relaying signals between the control section and each of the third unit converters;
Furthermore,
Each of the first unit converters is arranged to surround the first connector on the mounting surface of the first circuit board,
Each of the second unit converters is arranged to surround the second connector on the mounting surface of the second circuit board,
Each of the third unit converters is arranged to surround the third connector on the mounting surface of the third circuit board.
The power conversion device according to claim 4 or claim 5.
前記変換器は、
前記三相交流電源の線間電圧より耐圧が低い複数の半導体スイッチ素子および1つのコンデンサから成りそれぞれが複数レベルの直流電圧を選択的に出力する複数の単位変換器を含み、これら単位変換器を直列接続して成るクラスタを前記相ごとに設けた、
請求項2に記載の電力変換装置。
The converter is
It includes a plurality of unit converters each consisting of a plurality of semiconductor switching elements and one capacitor each having a withstand voltage lower than the line voltage of the three-phase AC power supply and selectively outputs a plurality of levels of DC voltage. A series-connected cluster is provided for each phase,
The power conversion device according to claim 2.
少なくとも1つの前記クラスタの各半導体スイッチ素子は、1つの回路基板の実装面に直接的に取付けられ、
前記回路基板は、当該回路基板の実装面である上面およびその上面とは反対側の下面を有し、前記各半導体スイッチ素子と前記コンデンサとの間の正側通電路となる正側導電パターンおよび負側通電路となる負側導電パターンを、当該上面と当該下面とに分けて配置し、
さらに、前記回路基板の外に設けられた前記各半導体スイッチ素子を制御する制御部と、
前記回路基板の実装面に設けられ、前記制御部と前記各単位変換器との間の信号を中継するコネクタと、
を備え、
前記各単位変換器は、前記回路基板の実装面において前記コネクタを囲む状態に配置されている、
請求項7に記載の電力変換装置。
each semiconductor switch element of the at least one cluster is directly attached to a mounting surface of one circuit board;
The circuit board has a top surface that is a mounting surface of the circuit board and a bottom surface opposite to the top surface, and includes a positive conductive pattern that serves as a positive conduction path between each of the semiconductor switch elements and the capacitor; A negative conductive pattern serving as a negative conduction path is arranged separately on the upper surface and the lower surface,
Further, a control unit that controls each of the semiconductor switch elements provided outside the circuit board;
a connector provided on the mounting surface of the circuit board and relaying signals between the control unit and each unit converter;
Equipped with
Each of the unit converters is arranged to surround the connector on the mounting surface of the circuit board,
The power conversion device according to claim 7.
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