JP3532386B2 - コンデンサの接続方法及び電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンデンサで平滑
された直流電圧を交流電圧に変換するインバータを備え
た電力変換装置につき、特にコンデンサを直並列接続す
るブスバの配線インダクタンスを低減し、各コンデンサ
に流れる電流の不平衡を低減するコンデンサの接続方法
及び電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電力変換装置としては、交流電源から直
流電圧を得、その直流電圧をコンデンサで平滑した後、
交流電圧に変換するインバータを備えたものが一般的に
使用されている。

【０００３】図１０は、最も多く採用されているトラン
ジスタインバータを備えた電力変換装置の主回路を示し
た図である。交流電源１２の電圧を整流器ブリッジ１で
直流電圧に変換し、リアクトル２とコンデンサ３で平滑
された直流電圧とされ、さらに複数のトランジスタ４か
ら成るインバータ回路で所定の交流電力に変換し、負荷
に供給する。このように構成された電力変換装置では、
主回路の配線インダクタンスに貯蓄されたエネルギーに
よって、各トランジスタ４のスイッチオフ時にスパイク
電圧が発生し、トランジスタ４にストレスを与えてしま
うため、このスパイク電圧を抑制すべく、コンデンサ３
と各トランジスタ４間の配線５、６の配線インダクタン
スを極力小さくする必要が生じる。なお、スパイク電圧
を抑制するためにスナバ回路が設けられているが、図で
は省力している。

【０００４】また、電力変換装置の容量が大きくなれば
なるほど、より大きな容量のコンデンサが必要となり、
コンデンサ３は複数個のコンデンサを並列接続して構成
される。この場合、 (1) いかにコンパクトにコンデンサを配置させるか (2) 各コンデンサに流れる電流に不平衡が生じるとコン
デンサ３の寿命に大きく影響するため、この電流の不平
衡を低減すること が重要になる。

【０００５】この(1) 配線のインダクタンスの低減と
(2) 電流の不平衡の低減のために、従来から種々の方法
が用いられている。図１０に示すインバータ回路では、
Ｕ相、Ｚ相の各トランジスタ４がオン状態で、他のトラ
ンジスタ４がオフ状態の時、コンデンサ３で平滑された
直流電圧の正極側から、正極側配線５、Ｕ相のトランジ
スタ４、負荷Ｕ−Ｗ、Ｚ相のトランジスタ４、負極側配
線６を通り、直流電圧の負荷側へ電流が流れる。この
時、正極側配線５と負荷側配線６は、近接、または撚り
合わされて、電流で発生される磁束の向きが互いに打ち
消されるようにして配線のインダクタンスを低減する。

【０００６】一方、コンデンサ３を複数個のコンデンサ
を並列接続して構成する場合は、図１１に示すように、
複数個のコンデンサ３ａ〜３ｄを一列に並べ、ブスバ
７、８で各コンデンサ３ａ〜３ｄの端子を並列接続し、
直流電源側からの電線９をブスバ７、８に一端に接続
し、ブスバ７、８に流れる電流が矢印Ｂ、Ｃのように互
いに反対方向に流れるようにしてブスバ７、８の配線イ
ンダクタンスを低減している。この場合、電線９（直流
電源）に近い側のコンデンサに多く電流が流れ、不平衡
が生じるため、図１２に示すように、直流電源の正極側
の電線９をブスバ７の一端に接続すると共に負極側の電
線９をブスバ８の他端に接続し、負極側の電線９をブス
バ７、８の間に渡し、このブスバ７、８と負極側の電線
９に流れる電流の向きが矢印Ｄ，Ｅ，Ｆのように向き合
うように配置し、ブスバ７、８の配線のインダクタンス
を低減すると共に各コンデンサに流れる電流の不平衡を
低減している。

【０００７】また、図１３に、コンデンサの正負極ブス
バを平板にした時の図を示す。負極側が平板の影響で打
ち消し合って負極ブスバ２５、２５′のインダクタンス
が０となると、各コンデンサの流れる電流は、インダク
タンスのみを考えた場合、正極側に多く流れることにな
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のコンデンサ接続方または電力変換装置は、図１
１のものは各コンデンサの正負の端子の間が離れている
ため、磁束の相殺作用が少なく、配線インダクタンスを
低減する効果が少ないという問題があった。また、各コ
ンデンサに流れる電流は一様ではなく、直流電源に近い
コンデンサに多く流れ、それが寿命に大きく影響する。

【０００９】従って、予め平衡を考慮してコンデンサの
並列数を増やす必要があり、装置の実装スペースも増え
ると共に外形も大きくなる。また、図１２のものは、各
コンデンサに流れる電流の不平衡は改善されるが、ブス
バ７、８と負極側の電線９が密着するまでに至らないた
め、やはり磁束の相殺作用が少なく、配線インダクタン
スを低減する効果が少なく、大きな改善が望めない。

【００１０】また、前者、後者とも電力変換装置の容量
が大きくなると、コンデンサ３の容量も必然的に増え、
多数のコンデンサを直並列接続して構成し、構造的にも
かなり大きくなり、配線が複雑になるため、電流の平衡
と配線インダクタンスの低減は更に困難になるという問
題があった。さらに、図１３のように、コンデンサの正
負極ブスバを平板にした場合には、負極側が平板の影響
で打ち消し合って負極ブスバ２５、２５′のインダクタ
ンスが０となった場合、各コンデンサの流れる電流がイ
ンダクタンスのみを考えた場合、正極側に多く流れると
いう問題点があった。

【００１１】つまり、各コンデンサに影響するインダク
タンスは、コンデンサ固有のインダクタンス分・ブスバ
固有のインダクタンス分・抵抗等で実際はここまで極端
にはならないが、概念的には下記のようになり、数値の
小さい方に電流が集中してしまう。

【００１２】 コンデンサ３ａ＝１＋０＝１ コンデンサ３ｂ＝１＋１＋０＝２ コンデンサ３ｃ＝１＋１＋１＋０＝３ コンデンサ３ｄ＝１＋１＋１＋１＋０＝４ 接続ブスバの低インダクタンス化を目指して、ブスバを
広げると、負極ブスバ間寸法が短くなり、上記のような
現象が生じてしまうという問題があった。

【００１３】そこで、本発明は、上記問題点を鑑み、多
数のコンデンサを直並列接続する場合、よりコンパクト
な構造にし配線のインダクタンスを低減させると共に、
各コンデンンサに流れる電流の不均衡を低減し、寿命が
長く信頼性に優れたコンデンサの接続方法及び電力変換
装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、導体にて並列接続されるコ
ンデンサを、前記コンデンサの正負極いずれかの端子が
相対するようにＵ字状に配置し、前記導体の断面形状を
Ｌ字状またはコの字状としたことを特徴とする。

【００１５】請求項２記載の発明は、導体にて並列接続
されるコンデンサを、前記コンデンサの正負極いずれか
の端子が相対するようにＵ字状に配置し、このＵ字状に
配置したコンデンサをＵ字、逆Ｕ字と交互になるように
直列または並列接続し、前記導体の断面形状をＬ字状ま
たはコの字状としたことを特徴とする。

【００１６】請求項３記載の発明は、前記導体の正負極
間に絶縁板を挟んだことを特徴とする。請求項４記載の
発明は、導体にて並列接続されるコンデンサを、前記コ
ンデンサの正負極いずれかの端子が相対するようにＵ字
状に配置し、前記Ｕ字状の底辺付近部から新たら導体に
より、直流電源を配線したことを特徴とする。

【００１７】請求項５記載の発明は、交流電力と、前記
交流電力から直流電力に変換するコンバータ回路と、前
記直流電力を平滑化し、前記請求項１乃至４いずれか記
載のコンデンサ接続方法に基づき構成されるコンデンサ
と、前記平滑化された直流電力を交流電力に変換し、所
定の交流電力を負荷に供給するインバータ回路と、を具
備したことを特徴とする電力変換装置に関する。

【００１８】

【発明の実施の形態】前述した図１０のトランジスタイ
ンバータの直流電圧を平滑にするためのコンデンサ３
に、本発明を適用した場合の実施の形態を図面を参照し
て以下説明する。

【００１９】尚、各実施の形態は、コンデンサのＵ字配
置の内側に負極端子・外側に正極端子を設置し、並列接
続する場合を例としている。本発明の第１の実施の形態
を図１〜３を用いて説明する。図１は本実施の形態の電
力変換装置に用いるコンデンサの実装方法を示す図であ
る。

【００２０】複数個のコンデンサ３ａ〜３ｄと３ａ′〜
３ｄ′はコンデンサ端子の同一極性が相対するようにＵ
字型に並列配置する。ブスバ２０と２０′、４０と４
０′の両端を解放した状態で、コンデンサの正極端子・
負極端子をＵ字型にそれぞれ接続し、正負極それぞれの
ブスバの相対的に位置するブスバ４０と２０′に直流電
源を接続している。

【００２１】図２は、各ブスバ２０、２０′４０、４
０′と各コンデンサ３ａ〜３ｄと３ａ′〜３ｄ′間の接
続状態を示した図である。コンデンサ３ａ〜３ｄの正極
がＵ字の外側ブスバ４０に接続され、負極がＵ字の内側
ブスバ２０に接続され、コンデンサ３ａ′〜３ｄ′の正
極が、Ｕ字の外側ブスバ４０′に接続され、負極がＵ字
の内側ブスバ２０′に接続される。

【００２２】直流電圧の正極側Ｐをブスバ４０の一端に
接続し、負極側Ｎをブスバ２０′の一端に接続し、各ブ
スバ２０、２０′、４０、４０′に流れる電流が矢印で
示す方向に流れるようにする。

【００２３】また、図３（図１におけるＡ−Ａ矢視）に
示すようにブスバ２０、２０′、４０、４０′をＬ字状
の断面形状とすることにより、図１３に示す従前の形態
で見られた問題点、即ち、ブスバ間Ｓ寸法が小さい場合
に、電流によって生じる磁束が互いに相殺される結果、
負極のブスバ２０、２０′の配線インダクタンスだけが
小さくなり、正極のブスバ４０、４０′との配線インダ
クタンスのバランスがとれなくなり、電流不平衡の原因
となってしまうという点を解消することが可能となる。

【００２４】コンデンサ接続ブスバの断面形状を正負極
共にＬ字型にすることによって、Ｕ字型に構成している
コンデンサの相対する内側同士の同極ブスバの間隔を広
げられ、内側ブスバ間の配線インダクタンスの相殺作用
を回避することができる。その結果、直流電源→正極ブ
スバ→各コンデンサ→負極ブスバ→直流電源までのブス
バによる配線インピーダンスを均等にすることができる
ため、各コンデンサに流れる電流が均等になり、電流の
不均等が低減される。

【００２５】更に、ブスバの断面形状をＬ字型にしてい
るため、内側ブスバの配線インダクタンスの相殺を回避
するためにＬ型の横寸法を縮めるかわりに、縦寸法を広
げることによってブスバの電流容量を確保できる。仮
に、Ｕ字型構成の内側の同極ブスバ−間の配線インダク
タンスを相殺させてしまうと、正極負極とのブスバの配
線インピーダンスに偏りが生じて、コンデンサに流れる
電流の不平衡に至ってしまう。このように、本実施の形
態により、多数のコンデンサを並列接続する必要がある
場合でも、よりコンパクトで電流バランスのとれたコン
デンサ配置及び接続方法が可能となる。なお、本実施の
形態（図１〜図３）では、Ｕ字状の例として、底辺部が
直線で、ブスバ２０′、４０′とブスバ２０、４０とが
ほぼ直角の構成を挙げているが、本発明は、この形状に
限定されるものでなく、Ｖ字であっても、もちろん曲線
で構成されているものをも含んでおり、同様の効果が得
られることはいうまでもない。また、図３において、正
負極両端子をＬ字型としているが、負極ブスバ距離が十
分であるのであれば、正極ブスバは、必ずしも負極ブス
バと同形状でなければならないわけではない。

【００２６】次に、本発明の第２の実施の形態を図４を
用いて説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態の
Ｕ字のコンデンサ配置をＵ字・逆Ｕ字と交互になる矩形
配置にし、並列接続したものである。

【００２７】この結果、第１の実施の形態の作用に加
え、並列接続によるコンデンサの容量アップに伴う外形
の増加を最小限に抑え、並列接続されたそれぞれのＵ字
構成の一群のコンデンサを矩形配置で並列接続すること
によりコンパクトでより大容量のコンデンサ接続構成が
実現できる。

【００２８】次に、本発明の第３の実施の形態について
図５を用いて説明する。本実施の形態は、第１の実施の
形態のＵ字のコンデンサ配置をＵ字・逆Ｕ字と交互にな
る矩形配置にし、直列接続させている。

【００２９】上記構成とすることにより、第１の実施の
形態の作用に加え、並列接続によるコンデンサの容量ア
ップに伴う外形の増加を最小限に抑え、並列接続された
それぞれのＵ字構成の一群のコンデンサを矩形配置で直
列接続することにより高圧回路でのコンパクトでより大
容量のコンデンサ接続構成が実現できる。

【００３０】次に、本発明の第４の実施の形態を図６を
用いて説明する。図６は、図１におけるＡ−Ａ矢視を示
す。Ｕ字配置させた複数のコンデンサ３ａ〜３ｄと３
ａ′〜３ｄ′を接続しているブスバ４０、４０′２０、
２０′を図６においては４１、４１′、２１、２１′と
表現する。第１の実施の形態の構造と同様に断面形状が
Ｌ型の接続ブスバ４１、４１′、２１、２１′を使用
し、負極ブスバ２１、２１′間の距離Ｓを保ちつつ、各
々のコンデンサの正負極端子を接続しているブスバ４１
と２１の間、４１′と２１′の間に耐電圧を保つように
絶縁板（例えば、エボキシ樹脂等の絶縁物を注入等）３
０、３０′を挟み込んで絶縁する。

【００３１】上記構成とすることによって、ブスバ４１
と２１、４１′と２１′がより密着に構成され、ブスバ
４１と２１に流れる電流の磁束がより打ち消され、ブス
バ４１′と２１′に流れる電流の磁束が打ち消される。

【００３２】従って、正負極間でのブスバによる配線の
インダクタンスを低減することができる。また、各コン
デンサ側から見た電源側インピーダンスを均等にするこ
とができ、電流の不平衡を低減することができる。

【００３３】次に、第５の本発明の実施の形態を図７を
用いて説明する。図７は、同一極性が相対するＵ字構成
内側のコンデンサ接続ブスバ２０、２０′の断面形状
を、図７のブスバ２２、２２′のようにコの字形状にし
て、Ｕ字外側のブスバ４０、４０′がコンデンサ端子接
続部を除き、コの字と平行になるような構造のブスバ４
２、４２′にしている。

【００３４】上記構成とすることによって、第１の実施
の形態の作用に加え、低インダクタンス化と放熱効果の
作用を得ることができる。次に第６の本発明の実施の形
態を図８を用いて説明する。

【００３５】図８は、複数のコンデンサ３ａ〜３ｄと３
ａ′〜３ｄ′を接続する正負極それぞれのブスバ４０、
４０′、２０、２０′をＵ字配置し、このブスバ構成で
配置したコンデンサ部の正極・負極端子部の他に、ブス
バ４０、４０′、２０、２０′の正極・負極それぞれの
Ｕ字の底辺部から、新たに電線またはブスバ５０、５
０′で直流電源を配線した構成になっている。

【００３６】図２においては、ブスバ４０のA −B に流
れる電流はブスバ２０のＡ′−Ｂ′に流れる電流より大
きい。そのため、A −Ａ′、B −B ′の閉回路内には、
図２の紙面の上から下へ貫通する方向の磁束が増加し、
その誘起電圧によって図２の矢印で示す方向に循環電流
ｉ′が流れる。この電流が本来の電流ｉに重畳し、コン
デンサ３ａの電流上昇率を高め( ｉ+ ｉ′）、コンデン
サ３ｂの電流上昇率を低める( ｉ−ｉ′）作用がある。
同様に、B −Ｂ′、C −C ′の閉回路内でも同じことが
いえる。

【００３７】このような理由により、複数のコンデンサ
が図１のように正負極のブスバの抵抗値すなわち同断面
積で配線長さが等しく並列に接続されていても、電流分
担は両端が大きく中央が小さく、図９に示すような分布
となる。そのため、コンデンサを接続するブスバをＵ字
配置し、前記ブスバ構成で配置したコンデンサ部の正
極、負極端子部の他に前記配置したブスバの正極、負極
それぞれのＵ字の底辺部から新たに電線またはブスバで
配置することによって、複数のコンデンサを並列接続し
た場合に起こりうるＵ字中央部分での電流不均衡を低減
できる。

【００３８】上記構成とすることによって、第１の実施
の形態の作用に加えて、複数のコンデンサを並列接続し
た場合に起こりうるコンデンサ構成中央部分での電流の
不平衡を低減することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上の通り、本発明のコンデンサ接続方
法及びこの接続方法により構成されたコンデンサを含む
電力変換装置によれば、並列接続される複数個のコンデ
ンサを有する電力変換装置において、コンデンサを並列
接続するブスバの配線インダクタンスを低減することが
でき、インパー夕のスイッチング素子のオフ時に生じる
スパイク電圧を抑制することができる。さらに、並列接
続されたコンデンサに流れる電流の不平衡を低減するこ
とができ、コンデンサの寿命を長くし、信頼性に優れた
電力変換装置を得ることができる。

【００４０】また、予めアンバランスを見込んでコンデ
ンサの容量を増やしたり、並列数を増やす必要がなく、
複数のコンデンサが必要とされる場合でも、本実施の形
態のコンデンサ配置構造によりコンデンサの直並列数を
増やすことができ、コンデンサの実装スペースを減らし
つつも大容量化ができ、小形化された電力変換装置を提
供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態におけるコンデンサ
の接続構造図。

【図２】本発明の第１の実施の形態におけるコンデンサ
の配置回路図。

【図３】本発明の第１の実施の形態におけるコンデンサ
の接続断面図。

【図４】本発明の第２の実施の形態におけるコンデンサ
の接続構成図。

【図５】本発明の第３の実施の形態におけるコンデンサ
の接続構成図。

【図６】本発明の第４の実施の形態におけるコンデンサ
の接続断面図。

【図７】本発明の第５の実施の形態におけるコンデンサ
の接続断面図。

【図８】本発明の第６の実施の形態におけるコンデンサ
の接続構成図。

【図９】本発明の第６の実施の形態におけるコンデンサ
の電流分担図。

【図１０】従来の電力変換装置の構成図。

【図１１】従来のコンデンサ接続構造図。

【図１２】従来のコンデンサ接続構造図。

【図１３】従来のコンデンサ接続構造図。

【符号の説明】

１ 整流器ブリッジ ２ リアクトル ３ コンデンサ ４ トランジスタ ５ 正極側配線 ６ 負極側配線 ７ 正極側ブスバ ８ 負極側ブスバ ９ 直流電源電線 １２ 交流電源 ２０〜２５ 負極側ブスバ ４０〜４５ 正極側ブスバ ５０ 直流電源バイパス用配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 和弘 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝 府中工場内 (56)参考文献 特開 平１−137615（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−307244（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−303380（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−292756（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−285570（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−57232（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 1/14 H02J 1/00 H02M 7/06 H02M 7/5387

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導体にて並列接続されるコンデンサを、前
   記コンデンサの正負極いずれかの端子が相対するように
   Ｕ字状に配置し、前記導体の断面形状をＬ字状またはコ
   の字状としたことを特徴とするコンデンサの接続方法。
2. 【請求項２】導体にて並列接続されるコンデンサを、前
   記コンデンサの正負極いずれかの端子が相対するように
   Ｕ字状に配置し、このＵ字状に配置したコンデンサをＵ
   字、逆Ｕ字と交互になるように直列または並列接続し、
   前記導体の断面形状をＬ字状またはコの字状としたこと
   を特徴とするコンデンサの接続方法。
3. 【請求項３】前記導体の正負極間に絶縁板を挟んだこと
   を特徴とする請求項１または２記載のコンデンサ接続方
   法。
4. 【請求項４】導体にて並列接続されるコンデンサを、前
   記コンデンサの正負極いずれかの端子が相対するように
   Ｕ字状に配置し、前記Ｕ字状の底辺付近部から新たら導
   体により、直流電源を配線したことを特徴とするコンデ
   ンサの接続方法。
5. 【請求項５】交流電力と、 前記交流電力から直流電力に変換するコンバータ回路
   と、 前記直流電力を平滑化し、前記請求項１乃至４いずれか
   記載のコンデンサ接続方法に基づき構成されるコンデン
   サと、 前記平滑化された直流電力を交流電力に変換し、所定の
   交流電力を負荷に供給するインバータ回路と、 を具備したことを特徴とする電力変換装置。