JP3755812B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高電圧の電力変換装置に係わり、特に小型、低廉化と信頼性向上を図った電力変換装置の配置構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置においては、小型、高性能、安価といった市場ニーズに応えるため、ＩＧＢＴなどの高速スイッチング素子の利用が一般化すると共に、高速スイッチング素子の高電圧大容量化、および素子の多重多並列化技術の確立によって、高電圧で大容量の電力変換装置が開発されている。
【０００３】
また、主回路を構成する高速スイッチング素子やコンデンサなどの電気部品が装置の高電圧大容量化に伴って大型化、あるいは多重多並列化することに対応して、保守や組み立てのしやすさの考慮から、必要に応じ電気回路を任意の単位に分割してユニットを構成し装置に収納する方法が一般に用いられている。
【０００４】
さらに、主回路電位である高速スイッチング素子のゲート電圧と制御電位である高速スイッチング素子のゲート制御回路を電気的に絶縁して接続する必要と、ゲート電圧を主回路のノイズなどの電気的なノイズの影響から保護する必要から、ゲート信号の伝達に電気信号を光信号に変換して接続する光ケーブルを用いる手法が一般化している。
【０００５】
図６は、パッケージタイプの高速スイッチング素子を用いて構成した単位インバータユニット２０を、多重多並列に組み合わせて高電圧インバータを構成した電力変換装置の一例である。この例では、単位インバータユニット２０を３段収納したインバータ収納盤２１を横方向に３面並べ、その右側に制御盤２２を配置している。単位インバータユニット２０の上部には、光コネクタ１０を備えたゲート分配基板２３を備える。制御盤２２の内部には、ゲートコントロール基板２４と、光コネクタ１０を備えた光信号分配基板２５を備える。
【０００６】
ゲートコントロール基板２４で生成されたゲート信号は、ゲートコントロール基板２４から低圧の信号ケーブル２６を介して光信号分配基板２５に送られる。光信号分配基板２５で光信号に変換されたゲート信号は、光ケーブル１１を介して、各単位インバータユニット２０に備えたゲート分配基板２３に伝送される。
【０００７】
図７は、前記単位インバータユニット２０の内部構成を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。単位インバータユニット２０は箱状のユニットシャーシ２７を外郭として備え、内部に４個の高速スイッチング素子９と、この高速スイッチング素子９を冷却する冷却フィン２９と、高速スイッチング素子９の上部に備えた前記ゲート分配基板２３、及び他の電気器具から構成されている。
【０００８】
光ケーブル１１を介してゲート分配基板２３に伝送されたゲート信号は、光信号から電気信号に再変換され、ツイストペア電線１２を介して高速スイッチング素子９に伝達される。
【０００９】
図８は、高電圧大容量の高速スイッチング素子９を用いて高電圧インバータを構成した電力変換装置の他の一例である。この例では、インバータユニット２７を３段収納するインバータ収納盤２１とその右側に設けた制御盤２２とで構成される。
【００１０】
制御盤２２の内部には、ゲートコントロール基板２４と、光コネクタ１０を備えた光信号分配基板２５とを備える。
【００１１】
インバータユニット２７は４個の平型の高速スイッチング素子９を、他の素子や主回路導体、冷却フィンとともに直線状に並べて圧接したスタックと、スナバ回路等を構成する他の電気部品で構成されている。高速スイッチング素子９の近傍には、それぞれに光コネクタを備えたゲート基板２８を備える。
【００１２】
図８において、制御盤２２に備えたゲートコントロール基板２４で生成されたゲート信号は、ゲートコントロール基板２４から低圧の信号ケーブル２６を介して光信号分配基板２５に送られる。光信号分配基板２５で光信号に変換されたゲート信号は、光ケーブル１１を介して、各インバータユニット２７に備えたゲート基板２８に伝送される。ゲート基板２８に伝送されたゲート信号は、光信号から電気信号に再変換され、ツイストペア電線１２を介して高速スイッチング素子９に伝達される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような電力変換装置において、高速スイッチング素子におけるゲート信号の電圧は１５Ｖ程度であるため、主回路のノイズに影響されやすい。このため、従来から各高速スイッチング素子の基準電位であるエミッタ電位とゲート電位をツイストペアにして配線する方法や、ゲート電位をエミッタ電位で覆うシールド線を用いる方法などを用いている。
【００１４】
また、制御電位である高速スイッチング素子のゲート制御回路を構成するゲートコントロール基板も、主回路から隔離するために接地電位の筐体で囲われた制御盤内に設けることが一般的である。
【００１５】
図６及び図７に示した構成の単位インバータユニット２０内部のゲート信号の伝達において、ゲート分配基板２３と高速スイッチング素子９との物理的距離が比較的短い。このため、エミッタ電位とゲート電位をツイストペアにして配線するツイストペア電線１２を用いている。ゲート分配基板２３にはゲートコントロール基板２４から光ケーブル１１を接続する。このためゲート分配基板２３の物理的位置は、装置の保守面（本例では装置前方）の接続作業が容易な位置に限定される。
【００１６】
一方、装置を構成する電気部品の冷却において本例のような風冷の装置では、他の電気部品に比べて発熱量の大きい高速スイッチング素子９は、発熱によるユニット内に備えた他の電気部品への影響を少なくしようとして、装置内部での物理的配置を冷却風経路の風下に配置する。昨今では、装置の設置スペースを縮小したいという市場要求から装置を前面保守とする場合が多く、前述の風下側は保守面から見て遠い位置となることが多い。更に高電圧大電流化した高速スイッチング素子は物理的形状が大きくなる。
【００１７】
上述の理由から、ゲート分配基板２３と高速スイッチング素子９との物理的距離は拡大する傾向にある。主回路ノイズの影響は電圧が高くなるほど顕著となり、またゲート分配基板２３と高速スイッチング素子９とを接続する電気的なゲート配線は長くなるにつれて主回路ノイズの影響を強く受ける。このため、高電圧大電流化した高速スイッチング素子を利用する場合、上述の方法はゲート信号に対する主回路ノイズの影響を考慮すると好ましくない。
【００１８】
また、図６及び図７に示した構成において、単位インバータユニット２０に備えたゲート分配基板２３と光信号分配基板２５との接続は光ケーブル１１を用いている。光ケーブルは絶縁物でありまた電気信号に依らず光を用いて信号を伝送するため主回路ノイズなどの電気的な影響を受けない。このため電線と比較して電気ノイズに強いといったメリットがあり、本例のように盤間をまたいだ長いゲート配線に光ケーブルを用いることは電気ノイズの影響を排除する上で好ましい。
【００１９】
一方、輸送や、設置における制約から列盤間を分割する場合や、保守のために単位インバータユニット２０を装置から取り外す場合は、光ケーブル１１の取り外しと再配線が必要となる。光ケーブルは電線との比較の上で、物理的に折れやすく、また受光部の汚れなどで性能が著しく低下するという信頼性の上で好ましくない特徴を持つ。
【００２０】
さらに、光ケーブルは曲げ半径を大きくする必要から配線スペースが比較的大きくなり、装置の小型に対する市場の要求に反する。また光ケーブルは電線と比較して高価であり、本例のように配線長が長いというのは装置の低価格化という市場ニーズに相反する。
【００２１】
さらに、本例ではゲートコントロール基板２４と各ユニットのゲート分配基板２３との距離がそれぞれのユニットごとに異なるために、光ケーブルの長さを一定にできないことから製造上の量産効果を得ることができず、装置の低廉化を妨げる。
【００２２】
図８は、上述の問題点をふまえて開発された装置である。
【００２３】
すなわち、図６に示したような単位インバータの多重多並列構成で得ていた容量を、高電圧大電流化された高速スイッチング素子９を用いて確保してユニット数を削減している。さらに、高速スイッチング素子９の高圧大電流化に依る物理的距離の増大に伴うゲート電位への影響を軽減するために、高速スイッチング素子９の近傍にゲート基板２８を設け、光信号分配基板２５との間を光ケーブル１１で接続している。
【００２４】
本例に依れば、ゲート信号の伝送経路において主回路電位の影響を受ける電気的配線は、ゲート基板２８と高速スイッチング素子９の間のツイストペア電線１２のみであり、電気信号の配線を最短にして、主回路電位の影響が軽減できる。
【００２５】
一方、個々の高速スイッチング素子９それぞれに光ケーブル１１を接続する必要がある。このためインバータユニット２７を保守するために取り外すことや、装置組み立ての作業性を考慮すると、必然的に、ゲート基板２８を保守面である装置前方に向けることとなる。このため、インバータユニット２７を収納する装置の横幅が長くなる。
【００２６】
一般的に市場に於いては、奥行きに比べて横幅を縮小する事が要求されることが多く、本構成は好ましくない。
【００２７】
さらに、本例に於いても、輸送や、設置における制約からインバータ収納盤２１と制御盤２２の列盤間を分割する場合や、保守のためにインバータユニット２７を装置から取り外す場合は、光ケーブル１１を外して、再度配線する必要があり、図６における説明同様、信頼性の上で好ましくないといえる。
【００２８】
さらに、比較的高価である光ケーブルの配線長が長くなって、低価格化という市場ニーズに相反する。さらに、ゲートコントロール基板２４側からみた各ユニット２７のゲート基板２８の距離がそれぞれ異なるために、量産効果を得られず、装置の低廉化を妨げる。
【００２９】
図９は、図８で示したような平型の高速スイッチング素子９の高電圧大電流化に依ってインバータを構成するユニット数を削減しさらに、高速スイッチング素子９の高圧大電流化に依る物理的距離の増大に伴うゲート電位への影響を軽減するために、高速スイッチング素子９の近傍にゲート基板２８を設け、光信号分配基板２５との間を光ケーブル１１で接続する構成を、使いやすいパッケージタイプの高速スイッチング素子９を用いて構成した場合を示す図である。
【００３０】
図９において、高速スイッチング素子９は高電圧大容量化によって外形が大きくなっている。更に、高速スイッチング素子９の熱密度の増大に対応して大容量冷却器３０を備えている。また、大容量冷却器３０の平板状の凝縮部３１の向かい合った２つの平板面にはそれぞれに高速スイッチング素子９とゲート基板２８を配置している。また高速スイッチング素子９近傍にはゲート基板２８を備える。
【００３１】
図９に示すインバータユニットをインバータ収納盤２１に収納する場合には以下の問題がある。図９の矢視Ａのごとく凝縮部３１のいずれか一面を装置前方に向けると、凝縮部３１を介して反対側となる面に備えたゲート基板は、平板状の凝縮部３１の陰となってしまう。光ケーブルを接続する場合、前記の陰となるゲート基板を直接視認して作業を行えないため、接続が難しくまた接続の確認に手間がかかる。一方、前記凝縮部３１を図９の矢視Ｂのごとく装置前面に対して垂直方向に向けると、奥側となるゲート基板２８が保守面から遠くなり、光ケーブルの接続が困難となるとともに、接続の確認に手間がかかる。
【００３２】
市場における良好な保守性への要求と、装置の信頼性を考慮すると、上述の装置は構成として好ましくない。
【００３３】
本発明の目的は、装置の信頼性を確保しつつ、高速スイッチング素子の高電圧大容量化に適応して、小型で安価な電力変換装置を提供することにある。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、筐体に収納した複数個の電力変換ユニットと、コントロール基板とを有する電力変換装置に於いて、
電力変換ユニットは、
複数の高速スイッチング素子と、
複数の高速スイッチング素子のそれぞれに対に備えかつ近傍に配置したゲート基板を備えて構成するパワーモジュールと、
パワーモジュールを収納するシャーシと、
シャーシの近傍に配置しシャーシと同一の構造体とするとともに、筐体に対して引き出し自在とした電気的に接地電位又は所定の基準電位に固定されたパネルと、
パネルに取り付けられたゲート分配基板とを備え、
ゲート基板には高速スイッチング素子に電気信号によるゲート信号を与えるための電気信号端子と、光信号によるゲート信号を受けるための光端子と、光信号を電気信号に変換する光・電気変換回路とを備え、
ゲート分配基板には、コントロール基板と接続して電気信号を受ける電気信号端子と、光信号によるゲート信号を発信するための光端子と、電気信号を光信号に変換する電気・光変換回路とを備え、
複数のゲート基板の光端子とゲート分配基板の光端子とを、光ケーブルを用いて接続することを特徴とする。
【００３５】
従って、電力変換ユニット内部に於いて、ノイズの影響を受けやすい高速スイッチング素子のゲート信号の電気的配線長を短くして、高電圧化が進む主回路のスイッチングノイズから保護して信頼性を向上させると共に、光ケーブルを物理的構成の等しい複数のユニットに用いることで同一長さの光ケーブルを多く使用し量産効果による低廉化と、輸送や保守における光ケーブルの取り外しや再配線を無くすことによる信頼性の向上を併せ持つことを可能とする。
【００３６】
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、パワーモジュールとゲート分配基板とを遮蔽する導電性の金属から成る遮蔽板を備え、遮蔽板の電位を接地電位又はゲート分配基板内を流れる電気信号の基準電位に固定することを特徴とする。
【００３７】
従って、電力変換ユニット内部に於いて、ノイズの影響を受けやすい、高速スイッチング素子のゲート信号における制御回路電圧を持つ電気的配線を含む基板を電気的に遮蔽して、高電圧化が進む主回路のスイッチングノイズから保護して信頼性を向上させる。
【００３８】
請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、パネルとシャーシとを絶縁物を介し電気的に絶縁して構成することを特徴とする。
【００３９】
従って、必要に応じてシャーシを主回路電位に固定する場合や、シャーシの接地配線経路と、制御回路の接地配線経路を分離する場合において、制御電位のゲート信号の電気的配線を含む制御回路電圧を持つ基板を絶縁して、高電圧の装置への適用を可能とする。
【００４０】
請求項４に記載の本発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、パネルをシャーシの下方に配置すると共に、パネルを電力変換ユニットの基台として電力変換ユニットを収納する筐体と引き出し自在に連結すると共に、パネルと筐体を電気的に接続して構成することを特徴とする。
【００４１】
従って、パネルを基台として電力変換ユニットを保持すると共に、パネルを接地電位である筐体に近接させて装置を小型化すると共に、制御電位のゲート信号の電気的配線を含む制御回路電圧を持つ基板への電気的配線をユニット主回路からできるだけ遠ざけて、主回路のスイッチングノイズから保護して、装置の信頼性を向上させる。
【００４２】
請求項５に記載の本発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、高速スイッチング素子のそれぞれに対に備えかつ近傍に配置するゲート基板を、必要な単位に一体化して構成することを特徴とする。
【００４３】
従って、ゲート基板の取り付けを容易にして装置を低廉化し、保守性を向上させる。
【００４４】
請求項６に記載の本発明は、請求項１に記載の電力変換ユニットにおいて、高速スイッチング素子のそれぞれに対に備えかつ近傍に配置するゲート基板と、高速スイッチング素子の各相の主回路端子にそれぞれ接続され主回路電流を流す複数の主回路導体とを、物理的に一体化して基板を構成することを特徴とする。
【００４５】
従って、ゲート基板の取り付けを容易にして装置を低廉化し、保守性を向上させる。
【００４６】
請求項７に記載の本発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、ゲート分配基板に備えた電気信号端子における電線接続方向と、パネルの平板面が垂直方向となるように配置すると共に、パネルの平板面に電気信号端子の位置に対応する貫通穴を設け、電気信号端子に接続する電線を、貫通穴を介して接続することを特徴とする。
【００４７】
従って、制御電位のゲート信号の電気的配線を含む制御回路電圧を持つ基板への電気的配線を、主回路接続の集中する装置前方とは別の面から電力変換ユニットに接続することを可能として、主回路のスイッチングノイズから保護して、装置の信頼性を向上させる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００４９】
図１は本発明の一実施形態に係る電力変換装置における電力変換ユニットの具体的な構造を示す図である。また、図３は本発明の一実施形態に係る電力変換装置１と図１に示す電力変換ユニットをなす単位インバータユニット２０の物理的配置を示す図である。図３において、単位インバータユニット２０は電力変換装置１の上段に横に３個並べ、交流出力の各相をなして配置している。
【００５０】
図１において、３０は凝縮部３１と冷却ブロック３２をＴ字状に組み合わせて構成した熱サイフォン式冷却器である。冷却ブロック３２の向かい合う平板面には、それぞれ２個の高速スイッチング素子９及び１個の中性点クランプダイオード１３を横に並べて取り付け、高速スイッチング素子９及び中性点クランプダイオード１３を、大容量冷却器３０の下方に配置した平滑コンデンサ１４と接続する主回路導体群１５を介して接続して主回路を構成している。さらに、前記主回路を、鋼板を方形に組み合わせて構成したユニットシャーシ３９に収納すると共に、ユニットシャーシ３９の前面をなす１面に絶縁ガイシ３３を介して主回路の入出力導体群１６を備える。尚本図には表していないが、入出力導体群１６は主回路導体１５と電気的に接続して、電力変換装置のパワーモジュール８を構成している。
【００５１】
本図に於いて、パワーモジュール８は高電圧大容量の装置の主回路を構成するものであり、高速スイッチング素子９も高電圧大容量の性能をもつものが選定されている。さらに、高速スイッチング素子９にはそれぞれにゲート基板２８を備える。
【００５２】
図２は、高速スイッチング素子９とゲート基板２８の詳細構成を示す図で、図１に記載のパワーモジュール８において、パワーモジュール８の前方をなす入出力導体群１６の取付面から見て、左奥に備えた高速スイッチング素子９の部分の拡大図である。
【００５３】
ゲート基板２８は、電気信号によるゲート信号を与えるための電気信号端子３４と、光信号によるゲート信号を受けるための光端子３５と、光信号を電気信号に変換する光・電気変換回路３６とを備え、電気信号端子３４と高速スイッチング素子９に備わるゲート端子３８とを、ネジを介して接続している。
【００５４】
図１において、ユニットシャーシ３９には、接地電位に電位固定したパネル４０が取り付けられ、ユニットシャーシ３９と同一の構造体として構成されている。
【００５５】
パネル４０には、光信号によるゲート信号を与えるための光端子４１と、制御電位の電気信号によるゲート信号を受けるための電気信号端子４２と、電気信号を光信号に変換する電気・光変換回路４３とを備えるゲート分配基板２３を備え、ゲート基板２８に備えた光端子３５と、ゲート分配基板２３に備えた光端子４１とを光ケーブル４５で接続して、単位インバータユニット２０を構成している。なお、パネル４０は、上述のように接地電位に電位固定する代わりに、電気・光変換回路４３内を流れる電気信号の基準電位に電位固定してもよい。
【００５６】
単位インバータユニット２０の内部において、ゲート信号は、電気信号としてゲート分配基板２３に備えた電気信号端子４２に与えられ、電気・光変換回路４３を経て光信号に変換され、光端子４１から主回路ノイズの発生源である高速スイッチング素子９、主回路導体群１５、及びユニットシャーシ３９の近傍を光ケーブル４５によって接続することで、ゲート信号に対する主回路ノイズの影響を排除しつつ、ゲート基板２８の光端子３５に伝送され、光・電気変換回路３６を介して電気信号に再変換され、電気信号端子３４と高速スイッチング素子９のゲート端子３８の接続を介して、高速スイッチング素子９に与えられる。
【００５７】
光ケーブル４５は、単位インバータユニット２０の内部で完結しているため、単位インバータユニット２０の組み込み、取り外しにおいて光ケーブル４５に人為的なストレスを与えないため、物理的な応力や、受光面の汚れに弱い光ケーブルを保護して信頼性を向上させる。更に電力変換ユニットの奥行き方向に向かって高速スイッチング素子９を配置することを可能として、電力変換装置の横方向の寸法を縮小して市場ニーズに答える。
【００５８】
図１において、ゲート分配基板２３の４角のうち３つの角に設けた絶縁スタッドと、残りの１角に設けた導電性スタッド４８とを介してパワーモジュール８とゲート分配基板２３との間の空間に、導電性の金属から成る遮蔽板４７を設けている。
【００５９】
ゲート分配基板２３の導電性スタッド４８取付部には、遮蔽板４７の電位を接地電位に電位固定するためのパターンが施されている。なお、必要に応じゲート分配基板２３内を流れる電気信号の基準電位に電位固定してもよい。
【００６０】
制御回路電位であって、主回路ノイズに影響を受けやすいゲート分配基板２３の電気信号端子４２および電気・光変換回路４３を遮蔽板４７によって、主回路ノイズの発生源である高速スイッチング素子９、主回路導体群１５、及びユニットシャーシ３９と電気的に遮蔽することで、高電圧化が進む主回路のスイッチングノイズから保護して信頼性を向上させることを可能とする。
【００６１】
図１において、パネル４０は絶縁ガイシ３３を介しユニットシャーシ３９と電気的に絶縁すると共に、ユニットシャーシ３９を接地電位から絶縁し、直流主回路の中点電位に固定することで電気部品の定格絶縁電圧を下げまた、パワーモジュール８内部の絶縁距離を小さくして、パワーモジュール８の小型化を可能とする。また他方、必要によりユニットシャーシ３９の接地配線経路と、制御回路の接地配線経路を分離することも可能となる。
【００６２】
また、上述のような場合において、低圧の制御回路電位を含むゲート分配基板２３をユニットシャーシ３９から絶縁して、高電圧の装置への適用を可能とする。
【００６３】
図１及び図３において、パネル４０はＵ字状の形状を持ち、パワーモジュール８の下方に配置し、ゲート分配基板２３を取り付けた平面を上方に向けるとともに、側面となる平面を下側に向けて、制御回路電位であって、主回路ノイズに影響を受けやすいゲート分配基板２３と、電力変換装置１の下方に配置したゲートコントロール基板３とを接続して、ゲート信号における制御電位の電気信号を伝送するケーブルを主回路電位から遮蔽するとともに、パネル４０の側面となる平面に、単位インバータユニット２０を引き出し自在に収納し固定する金属製のスライドレール４９を備える。
【００６４】
さらに、図３に示すように、スライドレールの固定端を電力変換装置１のフレーム２に固定し、単位インバータユニット２０を物理的に保持するとともに、パネル４０を金属製のスライドレール４９を介して接地電位であるフレーム２に電位固定している。
【００６５】
図４は、本発明の他の実施形態としての、高速スイッチング素子９とゲート基板２８の詳細構成を示す図である。図４において、光・電気変換一体基板５０は、前述の高速スイッチング素子９にそれぞれ対にして設けたゲート基板２８のうち、大容量冷却器３０の冷却ブロック３２の平板面を共有する２個の高速スイッチング素子９と対になるゲート基板２８を物理的に一体にして基板化して構成している。
【００６６】
すなわち、１個の基板に、２組の光・電気変換回路３６、光端子３５、電気信号端子３４を備えている。このとき、電気信号端子３４は、対となる高速スイッチング素子９のゲート端子１７の近傍となる位置に配置している。
【００６７】
光・電気変換一体基板５０は、主回路導体群１５に絶縁スタッド４６を介して必要な絶縁距離を確保して固定されている。また、電気信号端子３４と高速スイッチング素子９のゲート端子１７は高速スイッチング素子９のエミッタ電位とゲート電位をツイストペアした電線で接続している。
【００６８】
これにより、ゲート基板２８の数量を削減すると共に取り付けを容易にして装置を低廉化し、保守性を向上させている。
【００６９】
図５は、本発明のさらに他の実施形態としての、高速スイッチング素子９とゲート基板２８及び主回路導体群１５の詳細構成を示す図である。
【００７０】
図５において、光・電気変換一体基板５０に搭載される２組の光・電気変換回路３６、光端子３５、電気信号端子３４を、それぞれ対となる高速スイッチング素子９のゲート端子１７の近傍となる位置に寄せて配置するとともに、光・電気変換一体基板５０の中央部を主回路導体群１５に直接載せ、主回路導体群１５のうち光・電気変換一体基板５０と接触する範囲を、光・電気変換一体基板５０と一緒に絶縁性の樹脂で、固めて一体化している。
【００７１】
これにより、ゲート基板２８及び主回路導体群１５の取り付けを容易にして装置を低廉化し、保守性を向上させている。
【００７２】
また、図１において、ゲート分配基板２３に搭載する電気信号端子４２は、電線の接続を容易にするためにコネクタを用いている。このコネクタはゲート分配基板２３の平面と垂直に抜き差しする方向に取り付けるとともに、パネル４０と正対する方向に取り付けている。パネル４０の平面部には、ゲート分配基板２３の電気信号端子４２を抜き差しするための穴を設け、筐体側から供給されるゲート信号における制御電位の電気信号を伝送するためのゲートケーブル５１を貫通させて接続している。
【００７３】
これにより、ゲートケーブル５１を、入出力導体群１６及び本図には描かれない主回路の入出力電線が集中する単位インバータユニット２０の前方を避けて接続することを可能とし、主回路のスイッチングノイズから保護して、装置の信頼性を向上させる。
【００７４】
【発明の効果】
本発明の電力変換装置によれば、電力変換ユニット内部に於いて、ノイズの影響を受けやすい高速スイッチング素子のゲート信号の電気的配線長を短くして、高電圧化が進む主回路のスイッチングノイズから保護して信頼性を向上させると共に、光ケーブルを物理的構成の等しい複数のユニットに用いることで同一長さの光ケーブルを多く使用し、量産効果による低廉化と、輸送や保守における光ケーブルの取り外しや再配線を無くすことによる信頼性の向上を併せ持つことを可能とする。
【００７５】
さらに必要に応じてシャーシを主回路電位に固定する場合や、シャーシの接地配線経路と、制御回路の接地配線経路を分離する場合において、制御電位のゲート信号の電気的配線を含む制御回路電圧を持つ基板を絶縁して、高電圧の装置への適用を可能とする。
【００７６】
また、パネルを基台として電力変換ユニットを保持すると共に、パネルを接地電位である筐体に近接させて装置を小型化すると共に、制御電位のゲート信号の電気的配線を含む制御回路電圧を持つ基板への電気的配線をユニット主回路からできるだけ遠ざけて、主回路のスイッチングノイズから保護して、装置の信頼性を向上させる。
【００７７】
さらにゲート基板の取り付けを容易にして装置を低廉化し、保守性を向上させる。
【００７８】
さらに制御電位のゲート信号の電気的配線を含む制御回路電圧を持つ基板への電気的配線を、主回路接続の集中する装置前方とは別の面から電力変換ユニットに接続することを可能として、主回路のスイッチングノイズから保護して、装置の信頼性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る電力変換装置における電力変換ユニットの具体的な構造を示す斜視図。
【図２】 本発明の一実施形態における高速スイッチング素子とゲート基板の詳細構成を示す斜視図。
【図３】 本発明の一実施形態に係る電力変換装置と単位インバータの物理的配置を示す図。
【図４】 本発明の他の実施形態における高速スイッチング素子とゲート基板の詳細構成を示す斜視図。
【図５】 本発明のさらに他の実施形態における高速スイッチング素子とゲート基板及び主回路導体群の詳細構成を示す斜視図。
【図６】 従来の電力変換装置の構成例を示す正面図。
【図７】 従来の電力変換装置に収納される単位インバータユニットの構成を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図。
【図８】 従来の電力変換装置の他の構成例を示す正面図。
【図９】 従来の電力変換装置におけるインバータユニットの構成例を示す斜視図。
【符号の説明】
１…電力変換装置
２…フレーム
３…ゲートコントロール基板
８…パワーモジュール
９…高速スイッチング素子
１０…光コネクタ
１１…光ケーブル
１２…ツイストペア電線
１３…中性点クランプダイオード
１４…平滑コンデンサ
１５…主回路導体群
１６…入出力導体群
１７…ゲート端子
２０…単位インバータユニット
２１…インバータ収納盤
２２…制御盤
２３…ゲート分配基板
２４…ゲートコントロール基板
２５…光信号分配基板
２６…信号ケーブル
２７…インバータユニット
２８…ゲート基板
２９…冷却フィン
３０…大容量冷却器
３１…凝縮部
３２…冷却ブロック
３３…絶縁ガイシ
３４…電気信号端子
３５…光端子
３６…光・電気変換回路
３８…導体群
３９…ユニットシャーシ
４０…パネル
４１…光端子
４２…電気信号端子
４３…電気・光変換回路
４５…光ケーブル
４６…絶縁スタッド
４７…遮蔽板
４８…導電性スタッド
４９…スライドレール
５０…光・電気変換一体基板
５１…ゲートケーブル
【発明の属する技術分野】
本発明は高電圧の電力変換装置に係わり、特に小型、低廉化と信頼性向上を図った電力変換装置の配置構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置においては、小型、高性能、安価といった市場ニーズに応えるため、ＩＧＢＴなどの高速スイッチング素子の利用が一般化すると共に、高速スイッチング素子の高電圧大容量化、および素子の多重多並列化技術の確立によって、高電圧で大容量の電力変換装置が開発されている。
【０００３】
また、主回路を構成する高速スイッチング素子やコンデンサなどの電気部品が装置の高電圧大容量化に伴って大型化、あるいは多重多並列化することに対応して、保守や組み立てのしやすさの考慮から、必要に応じ電気回路を任意の単位に分割してユニットを構成し装置に収納する方法が一般に用いられている。
【０００４】
さらに、主回路電位である高速スイッチング素子のゲート電圧と制御電位である高速スイッチング素子のゲート制御回路を電気的に絶縁して接続する必要と、ゲート電圧を主回路のノイズなどの電気的なノイズの影響から保護する必要から、ゲート信号の伝達に電気信号を光信号に変換して接続する光ケーブルを用いる手法が一般化している。
【０００５】
図６は、パッケージタイプの高速スイッチング素子を用いて構成した単位インバータユニット２０を、多重多並列に組み合わせて高電圧インバータを構成した電力変換装置の一例である。この例では、単位インバータユニット２０を３段収納したインバータ収納盤２１を横方向に３面並べ、その右側に制御盤２２を配置している。単位インバータユニット２０の上部には、光コネクタ１０を備えたゲート分配基板２３を備える。制御盤２２の内部には、ゲートコントロール基板２４と、光コネクタ１０を備えた光信号分配基板２５を備える。
【０００６】
ゲートコントロール基板２４で生成されたゲート信号は、ゲートコントロール基板２４から低圧の信号ケーブル２６を介して光信号分配基板２５に送られる。光信号分配基板２５で光信号に変換されたゲート信号は、光ケーブル１１を介して、各単位インバータユニット２０に備えたゲート分配基板２３に伝送される。
【０００７】
図７は、前記単位インバータユニット２０の内部構成を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。単位インバータユニット２０は箱状のユニットシャーシ２７を外郭として備え、内部に４個の高速スイッチング素子９と、この高速スイッチング素子９を冷却する冷却フィン２９と、高速スイッチング素子９の上部に備えた前記ゲート分配基板２３、及び他の電気器具から構成されている。
【０００８】
光ケーブル１１を介してゲート分配基板２３に伝送されたゲート信号は、光信号から電気信号に再変換され、ツイストペア電線１２を介して高速スイッチング素子９に伝達される。
【０００９】
図８は、高電圧大容量の高速スイッチング素子９を用いて高電圧インバータを構成した電力変換装置の他の一例である。この例では、インバータユニット２７を３段収納するインバータ収納盤２１とその右側に設けた制御盤２２とで構成される。
【００１０】
制御盤２２の内部には、ゲートコントロール基板２４と、光コネクタ１０を備えた光信号分配基板２５とを備える。
【００１１】
インバータユニット２７は４個の平型の高速スイッチング素子９を、他の素子や主回路導体、冷却フィンとともに直線状に並べて圧接したスタックと、スナバ回路等を構成する他の電気部品で構成されている。高速スイッチング素子９の近傍には、それぞれに光コネクタを備えたゲート基板２８を備える。
【００１２】
図８において、制御盤２２に備えたゲートコントロール基板２４で生成されたゲート信号は、ゲートコントロール基板２４から低圧の信号ケーブル２６を介して光信号分配基板２５に送られる。光信号分配基板２５で光信号に変換されたゲート信号は、光ケーブル１１を介して、各インバータユニット２７に備えたゲート基板２８に伝送される。ゲート基板２８に伝送されたゲート信号は、光信号から電気信号に再変換され、ツイストペア電線１２を介して高速スイッチング素子９に伝達される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような電力変換装置において、高速スイッチング素子におけるゲート信号の電圧は１５Ｖ程度であるため、主回路のノイズに影響されやすい。このため、従来から各高速スイッチング素子の基準電位であるエミッタ電位とゲート電位をツイストペアにして配線する方法や、ゲート電位をエミッタ電位で覆うシールド線を用いる方法などを用いている。
【００１４】
また、制御電位である高速スイッチング素子のゲート制御回路を構成するゲートコントロール基板も、主回路から隔離するために接地電位の筐体で囲われた制御盤内に設けることが一般的である。
【００１５】
図６及び図７に示した構成の単位インバータユニット２０内部のゲート信号の伝達において、ゲート分配基板２３と高速スイッチング素子９との物理的距離が比較的短い。このため、エミッタ電位とゲート電位をツイストペアにして配線するツイストペア電線１２を用いている。ゲート分配基板２３にはゲートコントロール基板２４から光ケーブル１１を接続する。このためゲート分配基板２３の物理的位置は、装置の保守面（本例では装置前方）の接続作業が容易な位置に限定される。
【００１６】
一方、装置を構成する電気部品の冷却において本例のような風冷の装置では、他の電気部品に比べて発熱量の大きい高速スイッチング素子９は、発熱によるユニット内に備えた他の電気部品への影響を少なくしようとして、装置内部での物理的配置を冷却風経路の風下に配置する。昨今では、装置の設置スペースを縮小したいという市場要求から装置を前面保守とする場合が多く、前述の風下側は保守面から見て遠い位置となることが多い。更に高電圧大電流化した高速スイッチング素子は物理的形状が大きくなる。
【００１７】
上述の理由から、ゲート分配基板２３と高速スイッチング素子９との物理的距離は拡大する傾向にある。主回路ノイズの影響は電圧が高くなるほど顕著となり、またゲート分配基板２３と高速スイッチング素子９とを接続する電気的なゲート配線は長くなるにつれて主回路ノイズの影響を強く受ける。このため、高電圧大電流化した高速スイッチング素子を利用する場合、上述の方法はゲート信号に対する主回路ノイズの影響を考慮すると好ましくない。
【００１８】
また、図６及び図７に示した構成において、単位インバータユニット２０に備えたゲート分配基板２３と光信号分配基板２５との接続は光ケーブル１１を用いている。光ケーブルは絶縁物でありまた電気信号に依らず光を用いて信号を伝送するため主回路ノイズなどの電気的な影響を受けない。このため電線と比較して電気ノイズに強いといったメリットがあり、本例のように盤間をまたいだ長いゲート配線に光ケーブルを用いることは電気ノイズの影響を排除する上で好ましい。
【００１９】
一方、輸送や、設置における制約から列盤間を分割する場合や、保守のために単位インバータユニット２０を装置から取り外す場合は、光ケーブル１１の取り外しと再配線が必要となる。光ケーブルは電線との比較の上で、物理的に折れやすく、また受光部の汚れなどで性能が著しく低下するという信頼性の上で好ましくない特徴を持つ。
【００２０】
さらに、光ケーブルは曲げ半径を大きくする必要から配線スペースが比較的大きくなり、装置の小型に対する市場の要求に反する。また光ケーブルは電線と比較して高価であり、本例のように配線長が長いというのは装置の低価格化という市場ニーズに相反する。
【００２１】
さらに、本例ではゲートコントロール基板２４と各ユニットのゲート分配基板２３との距離がそれぞれのユニットごとに異なるために、光ケーブルの長さを一定にできないことから製造上の量産効果を得ることができず、装置の低廉化を妨げる。
【００２２】
図８は、上述の問題点をふまえて開発された装置である。
【００２３】
すなわち、図６に示したような単位インバータの多重多並列構成で得ていた容量を、高電圧大電流化された高速スイッチング素子９を用いて確保してユニット数を削減している。さらに、高速スイッチング素子９の高圧大電流化に依る物理的距離の増大に伴うゲート電位への影響を軽減するために、高速スイッチング素子９の近傍にゲート基板２８を設け、光信号分配基板２５との間を光ケーブル１１で接続している。
【００２４】
本例に依れば、ゲート信号の伝送経路において主回路電位の影響を受ける電気的配線は、ゲート基板２８と高速スイッチング素子９の間のツイストペア電線１２のみであり、電気信号の配線を最短にして、主回路電位の影響が軽減できる。
【００２５】
一方、個々の高速スイッチング素子９それぞれに光ケーブル１１を接続する必要がある。このためインバータユニット２７を保守するために取り外すことや、装置組み立ての作業性を考慮すると、必然的に、ゲート基板２８を保守面である装置前方に向けることとなる。このため、インバータユニット２７を収納する装置の横幅が長くなる。
【００２６】
一般的に市場に於いては、奥行きに比べて横幅を縮小する事が要求されることが多く、本構成は好ましくない。
【００２７】
さらに、本例に於いても、輸送や、設置における制約からインバータ収納盤２１と制御盤２２の列盤間を分割する場合や、保守のためにインバータユニット２７を装置から取り外す場合は、光ケーブル１１を外して、再度配線する必要があり、図６における説明同様、信頼性の上で好ましくないといえる。
【００２８】
さらに、比較的高価である光ケーブルの配線長が長くなって、低価格化という市場ニーズに相反する。さらに、ゲートコントロール基板２４側からみた各ユニット２７のゲート基板２８の距離がそれぞれ異なるために、量産効果を得られず、装置の低廉化を妨げる。
【００２９】
図９は、図８で示したような平型の高速スイッチング素子９の高電圧大電流化に依ってインバータを構成するユニット数を削減しさらに、高速スイッチング素子９の高圧大電流化に依る物理的距離の増大に伴うゲート電位への影響を軽減するために、高速スイッチング素子９の近傍にゲート基板２８を設け、光信号分配基板２５との間を光ケーブル１１で接続する構成を、使いやすいパッケージタイプの高速スイッチング素子９を用いて構成した場合を示す図である。
【００３０】
図９において、高速スイッチング素子９は高電圧大容量化によって外形が大きくなっている。更に、高速スイッチング素子９の熱密度の増大に対応して大容量冷却器３０を備えている。また、大容量冷却器３０の平板状の凝縮部３１の向かい合った２つの平板面にはそれぞれに高速スイッチング素子９とゲート基板２８を配置している。また高速スイッチング素子９近傍にはゲート基板２８を備える。
【００３１】
図９に示すインバータユニットをインバータ収納盤２１に収納する場合には以下の問題がある。図９の矢視Ａのごとく凝縮部３１のいずれか一面を装置前方に向けると、凝縮部３１を介して反対側となる面に備えたゲート基板は、平板状の凝縮部３１の陰となってしまう。光ケーブルを接続する場合、前記の陰となるゲート基板を直接視認して作業を行えないため、接続が難しくまた接続の確認に手間がかかる。一方、前記凝縮部３１を図９の矢視Ｂのごとく装置前面に対して垂直方向に向けると、奥側となるゲート基板２８が保守面から遠くなり、光ケーブルの接続が困難となるとともに、接続の確認に手間がかかる。
【００３２】
市場における良好な保守性への要求と、装置の信頼性を考慮すると、上述の装置は構成として好ましくない。
【００３３】
本発明の目的は、装置の信頼性を確保しつつ、高速スイッチング素子の高電圧大容量化に適応して、小型で安価な電力変換装置を提供することにある。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、筐体に収納した複数個の電力変換ユニットと、コントロール基板とを有する電力変換装置に於いて、
電力変換ユニットは、
複数の高速スイッチング素子と、
複数の高速スイッチング素子のそれぞれに対に備えかつ近傍に配置したゲート基板を備えて構成するパワーモジュールと、
パワーモジュールを収納するシャーシと、
シャーシの近傍に配置しシャーシと同一の構造体とするとともに、筐体に対して引き出し自在とした電気的に接地電位又は所定の基準電位に固定されたパネルと、
パネルに取り付けられたゲート分配基板とを備え、
ゲート基板には高速スイッチング素子に電気信号によるゲート信号を与えるための電気信号端子と、光信号によるゲート信号を受けるための光端子と、光信号を電気信号に変換する光・電気変換回路とを備え、
ゲート分配基板には、コントロール基板と接続して電気信号を受ける電気信号端子と、光信号によるゲート信号を発信するための光端子と、電気信号を光信号に変換する電気・光変換回路とを備え、
複数のゲート基板の光端子とゲート分配基板の光端子とを、光ケーブルを用いて接続することを特徴とする。
【００３５】
従って、電力変換ユニット内部に於いて、ノイズの影響を受けやすい高速スイッチング素子のゲート信号の電気的配線長を短くして、高電圧化が進む主回路のスイッチングノイズから保護して信頼性を向上させると共に、光ケーブルを物理的構成の等しい複数のユニットに用いることで同一長さの光ケーブルを多く使用し量産効果による低廉化と、輸送や保守における光ケーブルの取り外しや再配線を無くすことによる信頼性の向上を併せ持つことを可能とする。
【００３６】
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、パワーモジュールとゲート分配基板とを遮蔽する導電性の金属から成る遮蔽板を備え、遮蔽板の電位を接地電位又はゲート分配基板内を流れる電気信号の基準電位に固定することを特徴とする。
【００３７】
従って、電力変換ユニット内部に於いて、ノイズの影響を受けやすい、高速スイッチング素子のゲート信号における制御回路電圧を持つ電気的配線を含む基板を電気的に遮蔽して、高電圧化が進む主回路のスイッチングノイズから保護して信頼性を向上させる。
【００３８】
請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、パネルとシャーシとを絶縁物を介し電気的に絶縁して構成することを特徴とする。
【００３９】
従って、必要に応じてシャーシを主回路電位に固定する場合や、シャーシの接地配線経路と、制御回路の接地配線経路を分離する場合において、制御電位のゲート信号の電気的配線を含む制御回路電圧を持つ基板を絶縁して、高電圧の装置への適用を可能とする。
【００４０】
請求項４に記載の本発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、パネルをシャーシの下方に配置すると共に、パネルを電力変換ユニットの基台として電力変換ユニットを収納する筐体と引き出し自在に連結すると共に、パネルと筐体を電気的に接続して構成することを特徴とする。
【００４１】
従って、パネルを基台として電力変換ユニットを保持すると共に、パネルを接地電位である筐体に近接させて装置を小型化すると共に、制御電位のゲート信号の電気的配線を含む制御回路電圧を持つ基板への電気的配線をユニット主回路からできるだけ遠ざけて、主回路のスイッチングノイズから保護して、装置の信頼性を向上させる。
【００４２】
請求項５に記載の本発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、高速スイッチング素子のそれぞれに対に備えかつ近傍に配置するゲート基板を、必要な単位に一体化して構成することを特徴とする。
【００４３】
従って、ゲート基板の取り付けを容易にして装置を低廉化し、保守性を向上させる。
【００４４】
請求項６に記載の本発明は、請求項１に記載の電力変換ユニットにおいて、高速スイッチング素子のそれぞれに対に備えかつ近傍に配置するゲート基板と、高速スイッチング素子の各相の主回路端子にそれぞれ接続され主回路電流を流す複数の主回路導体とを、物理的に一体化して基板を構成することを特徴とする。
【００４５】
従って、ゲート基板の取り付けを容易にして装置を低廉化し、保守性を向上させる。
【００４６】
請求項７に記載の本発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、ゲート分配基板に備えた電気信号端子における電線接続方向と、パネルの平板面が垂直方向となるように配置すると共に、パネルの平板面に電気信号端子の位置に対応する貫通穴を設け、電気信号端子に接続する電線を、貫通穴を介して接続することを特徴とする。
【００４７】
従って、制御電位のゲート信号の電気的配線を含む制御回路電圧を持つ基板への電気的配線を、主回路接続の集中する装置前方とは別の面から電力変換ユニットに接続することを可能として、主回路のスイッチングノイズから保護して、装置の信頼性を向上させる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００４９】
図１は本発明の一実施形態に係る電力変換装置における電力変換ユニットの具体的な構造を示す図である。また、図３は本発明の一実施形態に係る電力変換装置１と図１に示す電力変換ユニットをなす単位インバータユニット２０の物理的配置を示す図である。図３において、単位インバータユニット２０は電力変換装置１の上段に横に３個並べ、交流出力の各相をなして配置している。
【００５０】
図１において、３０は凝縮部３１と冷却ブロック３２をＴ字状に組み合わせて構成した熱サイフォン式冷却器である。冷却ブロック３２の向かい合う平板面には、それぞれ２個の高速スイッチング素子９及び１個の中性点クランプダイオード１３を横に並べて取り付け、高速スイッチング素子９及び中性点クランプダイオード１３を、大容量冷却器３０の下方に配置した平滑コンデンサ１４と接続する主回路導体群１５を介して接続して主回路を構成している。さらに、前記主回路を、鋼板を方形に組み合わせて構成したユニットシャーシ３９に収納すると共に、ユニットシャーシ３９の前面をなす１面に絶縁ガイシ３３を介して主回路の入出力導体群１６を備える。尚本図には表していないが、入出力導体群１６は主回路導体１５と電気的に接続して、電力変換装置のパワーモジュール８を構成している。
【００５１】
本図に於いて、パワーモジュール８は高電圧大容量の装置の主回路を構成するものであり、高速スイッチング素子９も高電圧大容量の性能をもつものが選定されている。さらに、高速スイッチング素子９にはそれぞれにゲート基板２８を備える。
【００５２】
図２は、高速スイッチング素子９とゲート基板２８の詳細構成を示す図で、図１に記載のパワーモジュール８において、パワーモジュール８の前方をなす入出力導体群１６の取付面から見て、左奥に備えた高速スイッチング素子９の部分の拡大図である。
【００５３】
ゲート基板２８は、電気信号によるゲート信号を与えるための電気信号端子３４と、光信号によるゲート信号を受けるための光端子３５と、光信号を電気信号に変換する光・電気変換回路３６とを備え、電気信号端子３４と高速スイッチング素子９に備わるゲート端子３８とを、ネジを介して接続している。
【００５４】
図１において、ユニットシャーシ３９には、接地電位に電位固定したパネル４０が取り付けられ、ユニットシャーシ３９と同一の構造体として構成されている。
【００５５】
パネル４０には、光信号によるゲート信号を与えるための光端子４１と、制御電位の電気信号によるゲート信号を受けるための電気信号端子４２と、電気信号を光信号に変換する電気・光変換回路４３とを備えるゲート分配基板２３を備え、ゲート基板２８に備えた光端子３５と、ゲート分配基板２３に備えた光端子４１とを光ケーブル４５で接続して、単位インバータユニット２０を構成している。なお、パネル４０は、上述のように接地電位に電位固定する代わりに、電気・光変換回路４３内を流れる電気信号の基準電位に電位固定してもよい。
【００５６】
単位インバータユニット２０の内部において、ゲート信号は、電気信号としてゲート分配基板２３に備えた電気信号端子４２に与えられ、電気・光変換回路４３を経て光信号に変換され、光端子４１から主回路ノイズの発生源である高速スイッチング素子９、主回路導体群１５、及びユニットシャーシ３９の近傍を光ケーブル４５によって接続することで、ゲート信号に対する主回路ノイズの影響を排除しつつ、ゲート基板２８の光端子３５に伝送され、光・電気変換回路３６を介して電気信号に再変換され、電気信号端子３４と高速スイッチング素子９のゲート端子３８の接続を介して、高速スイッチング素子９に与えられる。
【００５７】
光ケーブル４５は、単位インバータユニット２０の内部で完結しているため、単位インバータユニット２０の組み込み、取り外しにおいて光ケーブル４５に人為的なストレスを与えないため、物理的な応力や、受光面の汚れに弱い光ケーブルを保護して信頼性を向上させる。更に電力変換ユニットの奥行き方向に向かって高速スイッチング素子９を配置することを可能として、電力変換装置の横方向の寸法を縮小して市場ニーズに答える。
【００５８】
図１において、ゲート分配基板２３の４角のうち３つの角に設けた絶縁スタッドと、残りの１角に設けた導電性スタッド４８とを介してパワーモジュール８とゲート分配基板２３との間の空間に、導電性の金属から成る遮蔽板４７を設けている。
【００５９】
ゲート分配基板２３の導電性スタッド４８取付部には、遮蔽板４７の電位を接地電位に電位固定するためのパターンが施されている。なお、必要に応じゲート分配基板２３内を流れる電気信号の基準電位に電位固定してもよい。
【００６０】
制御回路電位であって、主回路ノイズに影響を受けやすいゲート分配基板２３の電気信号端子４２および電気・光変換回路４３を遮蔽板４７によって、主回路ノイズの発生源である高速スイッチング素子９、主回路導体群１５、及びユニットシャーシ３９と電気的に遮蔽することで、高電圧化が進む主回路のスイッチングノイズから保護して信頼性を向上させることを可能とする。
【００６１】
図１において、パネル４０は絶縁ガイシ３３を介しユニットシャーシ３９と電気的に絶縁すると共に、ユニットシャーシ３９を接地電位から絶縁し、直流主回路の中点電位に固定することで電気部品の定格絶縁電圧を下げまた、パワーモジュール８内部の絶縁距離を小さくして、パワーモジュール８の小型化を可能とする。また他方、必要によりユニットシャーシ３９の接地配線経路と、制御回路の接地配線経路を分離することも可能となる。
【００６２】
また、上述のような場合において、低圧の制御回路電位を含むゲート分配基板２３をユニットシャーシ３９から絶縁して、高電圧の装置への適用を可能とする。
【００６３】
図１及び図３において、パネル４０はＵ字状の形状を持ち、パワーモジュール８の下方に配置し、ゲート分配基板２３を取り付けた平面を上方に向けるとともに、側面となる平面を下側に向けて、制御回路電位であって、主回路ノイズに影響を受けやすいゲート分配基板２３と、電力変換装置１の下方に配置したゲートコントロール基板３とを接続して、ゲート信号における制御電位の電気信号を伝送するケーブルを主回路電位から遮蔽するとともに、パネル４０の側面となる平面に、単位インバータユニット２０を引き出し自在に収納し固定する金属製のスライドレール４９を備える。
【００６４】
さらに、図３に示すように、スライドレールの固定端を電力変換装置１のフレーム２に固定し、単位インバータユニット２０を物理的に保持するとともに、パネル４０を金属製のスライドレール４９を介して接地電位であるフレーム２に電位固定している。
【００６５】
図４は、本発明の他の実施形態としての、高速スイッチング素子９とゲート基板２８の詳細構成を示す図である。図４において、光・電気変換一体基板５０は、前述の高速スイッチング素子９にそれぞれ対にして設けたゲート基板２８のうち、大容量冷却器３０の冷却ブロック３２の平板面を共有する２個の高速スイッチング素子９と対になるゲート基板２８を物理的に一体にして基板化して構成している。
【００６６】
すなわち、１個の基板に、２組の光・電気変換回路３６、光端子３５、電気信号端子３４を備えている。このとき、電気信号端子３４は、対となる高速スイッチング素子９のゲート端子１７の近傍となる位置に配置している。
【００６７】
光・電気変換一体基板５０は、主回路導体群１５に絶縁スタッド４６を介して必要な絶縁距離を確保して固定されている。また、電気信号端子３４と高速スイッチング素子９のゲート端子１７は高速スイッチング素子９のエミッタ電位とゲート電位をツイストペアした電線で接続している。
【００６８】
これにより、ゲート基板２８の数量を削減すると共に取り付けを容易にして装置を低廉化し、保守性を向上させている。
【００６９】
図５は、本発明のさらに他の実施形態としての、高速スイッチング素子９とゲート基板２８及び主回路導体群１５の詳細構成を示す図である。
【００７０】
図５において、光・電気変換一体基板５０に搭載される２組の光・電気変換回路３６、光端子３５、電気信号端子３４を、それぞれ対となる高速スイッチング素子９のゲート端子１７の近傍となる位置に寄せて配置するとともに、光・電気変換一体基板５０の中央部を主回路導体群１５に直接載せ、主回路導体群１５のうち光・電気変換一体基板５０と接触する範囲を、光・電気変換一体基板５０と一緒に絶縁性の樹脂で、固めて一体化している。
【００７１】
これにより、ゲート基板２８及び主回路導体群１５の取り付けを容易にして装置を低廉化し、保守性を向上させている。
【００７２】
また、図１において、ゲート分配基板２３に搭載する電気信号端子４２は、電線の接続を容易にするためにコネクタを用いている。このコネクタはゲート分配基板２３の平面と垂直に抜き差しする方向に取り付けるとともに、パネル４０と正対する方向に取り付けている。パネル４０の平面部には、ゲート分配基板２３の電気信号端子４２を抜き差しするための穴を設け、筐体側から供給されるゲート信号における制御電位の電気信号を伝送するためのゲートケーブル５１を貫通させて接続している。
【００７３】
これにより、ゲートケーブル５１を、入出力導体群１６及び本図には描かれない主回路の入出力電線が集中する単位インバータユニット２０の前方を避けて接続することを可能とし、主回路のスイッチングノイズから保護して、装置の信頼性を向上させる。
【００７４】
【発明の効果】
本発明の電力変換装置によれば、電力変換ユニット内部に於いて、ノイズの影響を受けやすい高速スイッチング素子のゲート信号の電気的配線長を短くして、高電圧化が進む主回路のスイッチングノイズから保護して信頼性を向上させると共に、光ケーブルを物理的構成の等しい複数のユニットに用いることで同一長さの光ケーブルを多く使用し、量産効果による低廉化と、輸送や保守における光ケーブルの取り外しや再配線を無くすことによる信頼性の向上を併せ持つことを可能とする。
【００７５】
さらに必要に応じてシャーシを主回路電位に固定する場合や、シャーシの接地配線経路と、制御回路の接地配線経路を分離する場合において、制御電位のゲート信号の電気的配線を含む制御回路電圧を持つ基板を絶縁して、高電圧の装置への適用を可能とする。
【００７６】
また、パネルを基台として電力変換ユニットを保持すると共に、パネルを接地電位である筐体に近接させて装置を小型化すると共に、制御電位のゲート信号の電気的配線を含む制御回路電圧を持つ基板への電気的配線をユニット主回路からできるだけ遠ざけて、主回路のスイッチングノイズから保護して、装置の信頼性を向上させる。
【００７７】
さらにゲート基板の取り付けを容易にして装置を低廉化し、保守性を向上させる。
【００７８】
さらに制御電位のゲート信号の電気的配線を含む制御回路電圧を持つ基板への電気的配線を、主回路接続の集中する装置前方とは別の面から電力変換ユニットに接続することを可能として、主回路のスイッチングノイズから保護して、装置の信頼性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る電力変換装置における電力変換ユニットの具体的な構造を示す斜視図。
【図２】 本発明の一実施形態における高速スイッチング素子とゲート基板の詳細構成を示す斜視図。
【図３】 本発明の一実施形態に係る電力変換装置と単位インバータの物理的配置を示す図。
【図４】 本発明の他の実施形態における高速スイッチング素子とゲート基板の詳細構成を示す斜視図。
【図５】 本発明のさらに他の実施形態における高速スイッチング素子とゲート基板及び主回路導体群の詳細構成を示す斜視図。
【図６】 従来の電力変換装置の構成例を示す正面図。
【図７】 従来の電力変換装置に収納される単位インバータユニットの構成を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図。
【図８】 従来の電力変換装置の他の構成例を示す正面図。
【図９】 従来の電力変換装置におけるインバータユニットの構成例を示す斜視図。
【符号の説明】
１…電力変換装置
２…フレーム
３…ゲートコントロール基板
８…パワーモジュール
９…高速スイッチング素子
１０…光コネクタ
１１…光ケーブル
１２…ツイストペア電線
１３…中性点クランプダイオード
１４…平滑コンデンサ
１５…主回路導体群
１６…入出力導体群
１７…ゲート端子
２０…単位インバータユニット
２１…インバータ収納盤
２２…制御盤
２３…ゲート分配基板
２４…ゲートコントロール基板
２５…光信号分配基板
２６…信号ケーブル
２７…インバータユニット
２８…ゲート基板
２９…冷却フィン
３０…大容量冷却器
３１…凝縮部
３２…冷却ブロック
３３…絶縁ガイシ
３４…電気信号端子
３５…光端子
３６…光・電気変換回路
３８…導体群
３９…ユニットシャーシ
４０…パネル
４１…光端子
４２…電気信号端子
４３…電気・光変換回路
４５…光ケーブル
４６…絶縁スタッド
４７…遮蔽板
４８…導電性スタッド
４９…スライドレール
５０…光・電気変換一体基板
５１…ゲートケーブル
Claims (7)
- 筐体に収納した複数個の電力変換ユニットと、コントロール基板とを有する電力変換装置に於いて、
前記電力変換ユニットは、
複数の高速スイッチング素子と、
前記複数の高速スイッチング素子のそれぞれに対に備えかつ近傍に配置したゲート基板を備えて構成するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールを収納するシャーシと、
前記シャーシの近傍に配置し前記シャーシと同一の構造体とするとともに、前記筐体に対して引き出し自在とした電気的に接地電位又は所定の基準電位に固定されたパネルと、
前記パネルに取り付けられたゲート分配基板とを備え、
前記ゲート基板には前記高速スイッチング素子に電気信号によるゲート信号を与えるための電気信号端子と、光信号によるゲート信号を受けるための光端子と、光信号を電気信号に変換する光・電気変換回路とを備え、 前記ゲート分配基板には、前記コントロール基板と接続して電気信号を受ける電気信号端子と、光信号によるゲート信号を発信するための光端子と、電気信号を光信号に変換する電気・光変換回路とを備え、
前記複数のゲート基板の光端子と前記ゲート分配基板の光端子とを、光ケーブルを用いて接続することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１に記載の電力変換装置において、前記パワーモジュールと前記ゲート分配基板とを遮蔽する導電性の金属から成る遮蔽板を備え、前記遮蔽板の電位を接地電位又は前記ゲート分配基板内を流れる電気信号の基準電位に固定することを特徴とする電力変換装置。
- 請求項１に記載の電力変換装置において、前記パネルと前記シャーシとを絶縁物を介し電気的に絶縁して構成することを特徴とする電力変換装置。
- 請求項１に記載の電力変換装置において、前記パネルを前記シャーシの下方に配置すると共に、前記パネルを前記電力変換ユニットの基台として前記電力変換ユニットを収納する筐体と引き出し自在に連結すると共に、前記パネルと前記筐体を電気的に接続して構成することを特徴とする電力変換装置。
- 請求項１に記載の電力変換装置において、前記高速スイッチング素子のそれぞれに対に備えかつ近傍に配置する前記ゲート基板を、必要な単位に一体化して構成することを特徴とする電力変換装置。
- 請求項１に記載の電力変換ユニットにおいて、前記高速スイッチング素子のそれぞれに対に備えかつ近傍に配置する前記ゲート基板と、前記高速スイッチング素子の各相の主回路端子にそれぞれ接続され主回路電流を流す複数の主回路導体とを、物理的に一体化して基板を構成することを特徴とする電力変換装置。
- 請求項１に記載の電力変換装置において、前記ゲート分配基板に備えた電気信号端子における電線接続方向と、前記パネルの平板面が垂直方向となるように配置すると共に、前記パネルの平板面に前記電気信号端子の位置に対応する貫通穴を設け、前記電気信号端子に接続する電線を、前記貫通穴を介して接続することを特徴とする電力変換装置。
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