JP4911370B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータコントローラ（マトリクスコンバータ、インバータ、サーボコントローラ等）や電源装置（UPSや溶接機電源等）等において、パワーモジュール、コンデンサ
、リアクトル等を接続するのに使用されるバスバーの構成方法に関するものである。

従来、IGBTやIPM等のパワーモジュールとコンデンサ、リアクトル等の電気部品間はケ
ーブル配線やバスバーで行われている。また、インバータ等では電気回路中の直流部のバスバーを積層して配置しているものもある。（例えば、特許公開２００５−６５４１２）
特許公開２００５−６５４１２号公報

従来のケーブル配線では電気部品・端子の配置にあわせてケーブルを加工して、組み付け作業を行っており、ケーブルの固定と同時に別の端子や電気部品を組み付けることも多く作業が煩雑である。この場合、配線距離、経路がばらつきやすく、インダクタンスの増加分を見込んだサージ電圧抑制回路の付加、大型化が必要となり装置が大型化、複雑化する問題がある。また、電気部品の端子同士は近接していることが多く、ケーブル配線作業時の付け間違いによる誤配線や同時に取り付ける端子や電気部品の異極同士を接触させて組み付けてしまった場合、装置や部品を破損してしまうこともある。
一方、バスバーによる配線を行う場合にも電気部品、および、その端子の接続経路が適切でないとバスバーの経路が複雑になり、インダクタンスの増加によるサージ電圧の増大、放射ノイズの増大、電気抵抗の増大による発熱等の問題がある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電気部品の端子間をバスバーで最適に接続するとともに組み付け作業を簡便化し、導体の各層間に薄板状の絶縁物を挿入することでインダクタンスを低減させることができるバスバーの構成方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明の電力変換装置は、
直線状に並んだ第１、第２及び第３の３箇所の端子を有するＡＣコンデンサと、
直線状に並んだ第１、第２及び第３の３箇所の入力端子を有するＩＧＢＴと、
前記ＡＣコンデンサの３箇所の端子と前記ＩＧＢＴの３箇所の入力端子とを各々接続するバスバーと、を備え、
直線状に並んだ前記ＡＣコンデンサの端子と前記ＩＧＢＴの入力端子とが、互いに平行であって、且つ前記ＡＣコンデンサの第１の端子、第２の端子、第３の端子に対して、前記ＩＧＢＴの第１の入力端子、第２の入力端子、第３の入力端子がそれぞれ近接するよう前記ＡＣコンデンサと前記ＩＧＢＴとを設置し、
前記バスバーを、３枚の板状バスバーを積層して各々のバスバーの間と表裏とに絶縁体を有するよう積層の一体構成にし、
該板状バスバーの各々には、前記ＡＣコンデンサの３箇所の端子と前記ＩＧＢＴの３箇所の入力端子の近接する端子同士を接続する内部端子を互いに重なり合わない位置に形成するとともに、板状バスバーの経路を重ね合わせた、各々同一の略長方形状の領域の全面で、板状バスバー同士が隣接する形状に形成し、
さらに、前記３枚の板状バスバーの、前記第１の端子と前記第１の入力端子の間と、前記第３の端子と前記第３の入力端子の間とに貫通する孔部を設け、
該孔部を迂回する前記第１の端子と前記第１の入力端子間の電流経路と、該孔部を迂回する前記第３の端子と前記第３の入力端子間の電流経路とが、前記第２の端子と前記第２の入力端子の電流経路と略重なるようにしたことを特徴とするものである。

本発明によると、電気部品の端子間を最短で接続することができ、組み付け作業を簡便化することができる。
また、各層間のインダクタンスを低減することができ、サージ電圧抑制回路の削減、小型化、低発熱化、ノイズの低減等ができる。

本発明のバスバー構成方法による第１実施例を示す斜視図 第1実施例のバスバー構成方法を示す斜視図 第１実施例のバスバーの断面図 第１実施例のバスバーの上面透視図 本発明のバスバー構成方法による第２実施例を示す斜視図 本発明のバスバー構成方法による第３実施例を示す斜視図 本発明のバスバー構成方法の第４実施例を示す斜視図 第４実施例のバスバーの上面透視図 本発明のバスバー構成方法の第５実施例を示す斜視図 第５実施例のバスバーの上面透視図 マトリクスコンバータの主回路構成図

符号の説明

１０ ＡＣコンデンサ
１１ａ,１１ｂ，１１ｃ 端子
２０ ＩＧＢＴ
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 入力端子
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 出力端子
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ ネジ
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ ネジ
１００ 積層バスバー
１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ バスバー
１０２，１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ 絶縁体
１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ 内部端子
１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ 内部端子
１０５ 領域Ａ
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ バスバー
１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ バスバー
１３０ 積層バスバー
１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃ バスバー
１３２，１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄ 絶縁体
１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃ 内部端子
１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ 内部端子
１３５ 領域Ａ
１４０ 積層バスバー
１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ バスバー
１４２，１４２ａ，１４２ｂ，１４２ｃ，１４２ｄ 絶縁体
１４３ａ，１４３ｂ，１４３ｃ 内部端子
１４４ａ，１４４ｂ，１４４ｃ 内部端子
１４５ 領域Ａ
１４６ａ，１４６ｂ，１４６ｃ 領域Ｂ

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１１は、本発明のバスバーを適用する代表的なマトリクスコンバータの主回路構成図を示している。図において、１１１は３相の交流電源、１１２はコンバータの駆動対象であるモータ、２０は双方向スイッチを内蔵したＩＧＢＴモジュール（以下ＩＧＢＴ）、１０はフィルタ用のコンデンサを内蔵したコンデンサ群（以下ＡＣコンデンサ）である。つまりマトリクスコンバータでは３相の電源に対してフィルタ用の１０ＡＣコンデンサと、双方向スイッチを含む２０ＩＧＢＴとが接続されている。マトリクスコンバータでは交流−交流直接変換を達成するため、頻繁にＩＧＢＴの双方向スイッチが接断されており、これによるＡＣコンデンサ〜ＩＧＢＴ間に発生するサージ電圧を低下させる工夫が必要であり、このため、これらの接続は低インダクタンス化が必須である。
図１は、本発明のバスバー構成方法であって、マトリクスコンバータの１０ＡＣコンデンサと２０ＩＧＢＴを１００積層バスバーで接続する際の概略を示す斜視図である。ここでは図示していないリアクトルを経て１０ＡＣコンデンサの１１ａ，１１ｂ，１１ｃ端子に交流電源が接続されている。同時に１１ａ，１１ｂ，１１ｃ端子にはそれぞれ１００積層バスバーの１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ内部端子が３０ａ，３０ｂ，３０ｃネジで固定されて、電気的に接続されている。１００積層バスバーの１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ内部端子はそれぞれ１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ内部端子と電気的に接続しているが、１０３ａ（１０４ａ）と１０３ｂ（１０４ｂ），１０３ｃ（１０４ｃ）とはそれぞれ電気的に絶縁されている。１００積層バスバーの詳細な説明は図２，３，４を利用して後述する。１００積層バスバーの１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ内部端子はそれぞれ２０ＩＧＢＴの２１ａ，２１ｂ，２１ｃ入力端子に３１ａ，３１ｂ，３１ｃネジで固定されて、電気的に接続されている。２０ＩＧＢＴは２１ａ，２１ｂ，２１ｃ入力端子に入力された交流を直接変換して２２ａ，２２ｂ，２２ｃ出力端子に交流を出力する。２２ａ，２２ｂ，２２ｃ出力端子にはここでは図示していないモータが接続される。この他に図示していないがコンデンサ、抵抗、ダイオードで構成されるスナバ回路が２１ａ入力端子と２２ａ出力端子間、２１ｂ入力端子と２２ｂ出力端子間、２１ｃ入力端子と２２ｃ出力端子間にそれぞれ接続される。また、１０ＡＣコンデンサと２０ＩＧＢＴは１１ａ端子と２１ａ入力端子間、１１ｂ端子と２１ｂ入力端子間、１１ｃ端子と２１ｃ入力端子間が最短となるように近接して配置されている。なお、図示の都合上、２１ａ，２１ｂ入力端子、２２ａ，２２ｂ出力端子は図２中には表れていないが、２０ＩＧＢＴの２１ａ，２１ｂ、２１ｃ入力端子、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ出力端子の位置は図６の図示と同じ位置関係にある。

１００積層バスバーの構成方法は図２に示すように板状の導体１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃバスバーの間に薄板状の１０２ｂ，１０２ｃ絶縁体を挿入し、１０１ａ，１０１ｃバスバーの外面に１０２ａ，１０２ｄ絶縁体を配置して積層したものである。１０１ａバスバーは銅を主成分とする銅系合金、あるいは、アルミ系合金といった導体で作られており、１０３ａ内部端子と１０４ａ内部端子間は電気抵抗が小さい。これは１０１ｂ，１０１ｃバスバーも同様である。１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ絶縁体はアラミド紙やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）や集成マイカシートといった薄板状の絶縁体で作られている。図３は１００積層バスバーの断面図である。板状の導体１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃバスバーとその間に挿入された薄板状の１０２ｂ，１０２ｃ絶縁体が平行に密着しており、バスバー間を絶縁するとともにバスバー間のインダクタンスを低減することができる。また、バスバーの外面に１０２ａ，１０２ｄ絶縁体があることで、内部端子の周辺を除いてバスバーの外面全体は絶縁体となり、バスバー自身や周辺に他部品を実装する場合の絶縁を確保することができる。図４は１００積層バスバーを上面から透視した図である。１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ内部端子、１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ内部端子は互いに重なり合わない位置に形成し、バスバーの経路を重ね合わせた１０５領域Ａの全面でバスバー同士は隣接する形状を形成することで、さらにインダクタンスを低減することができる。

以上のように構成した積層バスバーで電気部品の端子間を接続しているので、接続のための組み付け作業を簡便化し、インダクタンスを低減することができる。

図５は第２実施例の構成を示す図である。この実施例では１１ａ端子と２１ａ入力端子、１１ｂ端子と２１ｂ入力端子、１１ｃ端子と２１ｃ入力端子をそれぞれ１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃバスバーで接続している。端子と入力端子間は直線的に接続することができ、隣り合うバスバー同士は平行に配置することで、端子と入力端子を誤った組み合わせで接続することを防止できる。また、接続する端子と入力端子の位置関係がそれぞれ同じになり、バスバーを共用することができる。

図６は第３実施例の構成を示す図である。この実施例では１１ａ，１１ｂ，１１ｃ端子と２１ａ，２１ｂ，２１ｃ入力端子が直角になるように１０ＡＣコンデンサと２０ＩＧＢＴが配置されている。これは他部品の実装や熱設計、絶縁設計といった種々の設計上の制約から起こりえる配置である。１１ａ端子と２１ａ入力端子、１１ｂ端子と２１ｂ入力端子と１１ｃ端子と２１ｃ入力端子をそれぞれ接続する１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃバスバーを経路途中で等しく折り曲げて形成することで、配線経路を等しくすることができる。また、端子と入力端子の間に他の部品を実装する場合でも、バスバーを等しく折り曲げて経路を迂回することで、配線距離を等しくすることができる。

図７は第４実施例の構成を示す図である。板状の導体１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃバスバーの間に薄板状の１３２ｂ，１３２ｃ絶縁体を挿入し、１３１ａ，１３１ｃバスバーの外面に１３２ａ，１３２ｄ絶縁体を配置して積層したものである。１３１ｂバスバーを直線状に形成し、１３１ａ，１３１ｃバスバーは１３１ｂバスバーの経路で平行に重なり合うように形成している。図８は１３０積層バスバーを上面から透視した図である。１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃ内部端子、１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ内部端子は互いに重なり合わない位置に形成し、１３１ｂバスバーの経路に１３１ａ，１３１ｃバスバーの経路を重ね合わせた１３５領域Ａでバスバー同士は隣接する形状を形成している。バスバー同士が隣接する領域を狭くすることで、バスバーと絶縁体を小型化することができる。
バスバーと絶縁体を小型化すれば材料の節約になるだけでなく、別の部品を近接させて実装できる等、装置を小型化することもできる。

図９は第５実施例の構成を示す図である。板状の導体１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃバスバーの間に薄板状の１４２ｂ，１４２ｃ絶縁体を挿入し、１４１ａ，１４１ｃバスバーの外面に１４２ａ，１４２ｄ絶縁体を配置して積層したものである。１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃバスバーには、すべて同じ領域に孔が形成してある。図１０は１４０積層バスバーを上面から透視した図である。接続する相手部品の都合上、１４３ａ，１４３ｂ，１４３ｃ内部端子間の距離は１４４ａ，１４４ｂ，１４４ｃ内部端子間の距離よりも小さくなっている。ここで、１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃバスバーに１４６ａ，１４６ｂの孔（領域Ｂ）を形成する。孔を設けることで１４３ａ〜１４４ａ間と、１４３ｃ〜１４４ｃ間の電流経路は迂回され、図の矢印の経路となる。従ってこれら迂回した経路は、図１０において１４３ｂ〜１４４ｂ間の電流経路と略重なるため、インピーダンスが低減できる。

モータコントローラ（マトリクスコンバータ、インバータ、サーボコントローラ等）や電源装置（UPSや溶接機電源等）等以外にも、バスバーを使用してパワーモジュール、コンデンサ、リアクトル等を接続する必要がある装置に適用できる。

Claims (1)

1. 直線状に並んだ第１、第２及び第３の３箇所の端子を有するＡＣコンデンサと、
   直線状に並んだ第１、第２及び第３の３箇所の入力端子を有するＩＧＢＴと、
   前記ＡＣコンデンサの３箇所の端子と前記ＩＧＢＴの３箇所の入力端子とを各々接続するバスバーと、
   を備え、
   直線状に並んだ前記ＡＣコンデンサの端子と前記ＩＧＢＴの入力端子とが、互いに平行であって、且つ前記ＡＣコンデンサの第１の端子、第２の端子、第３の端子に対して、前記ＩＧＢＴの第１の入力端子、第２の入力端子、第３の入力端子がそれぞれ近接するよう前記ＡＣコンデンサと前記ＩＧＢＴとを設置し、
   前記バスバーを、３枚の板状バスバーを積層して各々のバスバーの間と表裏とに絶縁体を有するよう積層の一体構成にし、
   該板状バスバーの各々には、前記ＡＣコンデンサの３箇所の端子と前記ＩＧＢＴの３箇所の入力端子の近接する端子同士を接続する内部端子を互いに重なり合わない位置に形成するとともに、板状バスバーの経路を重ね合わせた、各々同一の略長方形状の領域の全面で、板状バスバー同士が隣接する形状に形成し、
   さらに、前記３枚の板状バスバーの、前記第１の端子と前記第１の入力端子の間と、前記第３の端子と前記第３の入力端子の間とに貫通する孔部を設け、
   該孔部を迂回する前記第１の端子と前記第１の入力端子間の電流経路と、該孔部を迂回する前記第３の端子と前記第３の入力端子間の電流経路とが、前記第２の端子と前記第２の入力端子の電流経路と略重なるようにしたことを特徴とする電力変換装置。

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