JP4920677B2 - 電力変換装置およびその組み立て方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力用半導体素子を用いた電力変換装置の実装技術に係わり、特に主回路のインダクタンスを低減しつつ、装置を小型、軽量化する技術に関するものである。

従来の電力変換装置の構成としては例えば特許文献１に示されている。同文献は、いわゆる３レベル電力変換装置に関するものであり、その図１に示されているように、冷却板の片面に正側アームを構成する第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子と第１の結合ダイオードとを装着し、逆の面に負側アームを構成する第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子と第２の結合ダイオードとを装着している。各スイッチング素子、結合ダイオード、直流電源であるコンデンサの電気的接続はブスバーを絶縁物を挟んで重ねた積層ブスバーを用いていており、概略全体としてコの字状になるよう構成されている。

別の従来の電力変換装置の構成としては、特許文献２の図３に示されている。図は、いわゆる２レベル電力変換装置を示しており、片アームが３個のスイッチング素子を直列接続した構成となっている。正側アームと負側アームのスイッチング素子は互いに接続面が逆になるように配置され、各スイッチング素子に冷却板が取り付けられている。スイッチング素子と直流電源側への電気的接続は、ブスバーを絶縁物を挟んで重ねた積層ブスバーを用いており、特許文献１と同様に概略全体としてコの字状になるよう構成されている。

更に、別の従来の電力変換装置の構成としては、特許文献３の図４に示されている。図は、コンバータ、インバータより構成される２レベル電力変換装置を示している。１枚の冷却板に１相分、すなわち正側アームのスイッチング素子と負側アームのスイッチング素子とを装着してユニット化し、各ユニット（各相）を冷却板が平行になるように重ねて配置している。

特開平１０−２０１２４９号公報 ＵＳＰ５８３５３６２号公報 特開２００４−９６８３２号公報

上記に示したようなスイッチング素子のオン、オフによって直流−交流等の電力変換を行う電力変換装置では、スイッチング素子をターンオフした際にターンオフ時の電流変化と主回路のインダクタンスによって、ターンオフした素子にサージ電圧が印加される。サージ電圧が高いと素子破壊に至る可能性もあり、この抑制が必要とされる。サージ電圧は主回路のインダクタンスに応じて高くなるため、インダクタンスの抑制がサージ電圧の低減に効果的である。なお、サージ電圧の抑制方法としてはコンデンサ等よりなるスナバ回路にてサージ電圧を吸収する方法も知られているが、スナバ回路の摘要は装置の大型化や信頼性の低下を招くという問題がある。

また、スイッチング素子や結合ダイオードといった電力半導体素子は、通電時やスイッチング時に電力損失を発生する。発生した損失は冷却板等を用いて吸収されるが、素子の損失が大きい場合、あるいは冷却板の冷却能力が低い場合、素子温度が高くなりすぎ素子破壊に至る可能性もあるため、素子温度が高くなり過ぎないよう、冷却板を適正に構成する必要がある。

特許文献１に示された電力変換装置では、電気的接続はブスバーを絶縁物を挟んで重ねた積層ブスバーを用いていており、インダクタンス的には低くなると考えられるが、１枚の冷却板で正側、負側アームのスイッチング素子と結合ダイオードを冷却している。そのため、素子の損失や冷却板の冷却性能によっては、全ての素子を冷却することは困難となる。また、１枚の冷却板に正側、負側アームのスイッチング素子と結合ダイオードを装着しているため、取り扱い単位が大きくなり、製造時や保守時の取り扱い性が悪くなる。

また、特許文献２の図３に示された電力変換装置では、素子毎に冷却板を備えるが、図でも示されているように、正側アームと負側アームの電極が設けられた側は、例えば、収納ケースとの間に必要な電気的絶縁距離を確保する必要があり、一方で、正側アームを装着する冷却板と負側アームを装着する冷却板との間は、電気的な絶縁は要らないが、冷却器の構成（例えば、フィンや熱交換器、装置への固定等）によっては密着することができないため、その間のスペースがデッドスペースとなり、装置全体が大きくなる。

また、特許文献３に示された電力変換装置では、相毎にユニット化し、ユニットをスタック構成とすることで、装置の実装密度が上がり、装置全体を小型、軽量化でき、更に、製造時や保守時の取り扱い性も良くなる可能性はある。しかし、例えば、３レベルの場合等、他の構成は示されていない。また、低インダクタンスとの記述があるが素子付近の具体的な電気的接続方法は示されていない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、主回路インダクタンスを低減し、サージ電圧を抑制するとともに、素子が適正に冷却されるような構成としつつ、装置全体を小型、軽量化し、更に、製造時や保守時の取り扱い性の良い電力変換装置を提供することを目的としている。

第１の発明に係る電力変換装置は、交流端子と直流電源の正極端子との間に接続され正側アームを構成する半導体素子と、交流端子と直流電源の負極端子との間に接続され負側アームを構成する半導体素子とを備え、半導体素子のオンオフ動作により、直流電源と交流端子との間で電力変換を行う電力変換装置において、
正側アームを構成する半導体素子を装着した第１の冷却板と、この第１の冷却板と平行に装着面が同じ方向となるように配置され負側アームを構成する半導体素子を装着した第２の冷却板と、正側アームを構成する半導体素子と直流電源との間、負側アームを構成する半導体素子と直流電源との間、および正側アームを構成する半導体素子と負側アームを構成する半導体素子との間を接続する、導電性のブスバーを絶縁物で挟んで重ねた積層ブスバーとを備え、
直流電源は更に中間端子を備え、
正側アームは、半導体素子として、第１の冷却板に装着された、直流電源の正極端子に接続される第１のスイッチング素子と、この第１のスイッチング素子と直列に接続され交流端子に接続される第２のスイッチング素子と、第１および第２のスイッチング素子の中間接続点と中間端子との間に接続される第１の結合ダイオードとを備え、
負側アームは、半導体素子として、第２の冷却板に装着された、交流端子に接続される第３のスイッチング素子と、この第３のスイッチング素子と直列に接続され直流電源の負極端子に接続される第４のスイッチング素子と、第３および第４のスイッチング素子の中間接続点と中間端子との間に接続される第２の結合ダイオードとを備え、
スイッチング素子のオンオフ動作により、交流端子に、直流電源の正極端子、中間端子および負極端子の３レベルの電位を出力し、
直流電源への接続を、第１および第２の冷却板の各半導体素子が配列される方向の一端側から導出し、
第１および第２の結合ダイオードを直流電源から最も遠い位置に配置したものである。
第２の発明に係る電力変換装置は、交流端子と直流電源の正極端子との間に接続され正側アームを構成する半導体素子と、交流端子と直流電源の負極端子との間に接続され負側アームを構成する半導体素子とを備え、半導体素子のオンオフ動作により、直流電源と交流端子との間で電力変換を行う電力変換装置において、
正側アームを構成する半導体素子を装着した第１の冷却板と、この第１の冷却板と平行に装着面が同じ方向で重なるように配置され負側アームを構成する半導体素子を装着した第２の冷却板と、正側アームを構成する半導体素子と直流電源との間、負側アームを構成する半導体素子と直流電源との間、および正側アームを構成する半導体素子と負側アームを構成する半導体素子との間を接続する、導電性のブスバーを絶縁物で挟んで重ねた積層ブスバーとを備え、
正側アームは、半導体素子として、第１の冷却板に装着された、直流電源の正極端子とＵ相交流端子との間に接続されるＵ相正側スイッチング素子と、直流電源の正極端子とＶ相交流端子との間に接続されるＶ相正側スイッチング素子と、直流電源の正極端子とＷ相交流端子との間に接続されるＷ相正側スイッチング素子とを備え、
負側アームは、半導体素子として、第２の冷却板に装着された、直流電源の負極端子とＵ相交流端子との間に接続されるＵ相負側スイッチング素子と、直流電源の負極端子とＶ相交流端子との間に接続されるＶ相負側スイッチング素子と、直流電源の負極端子とＷ相交流端子との間に接続されるＷ相負側スイッチング素子とを備え、
スイッチング素子のオンオフ動作により、３相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相交流端子に、直流電源の正極端子および負極端子の２レベルの電位を出力し、
直流電源への接続を、第１および第２の冷却板の各半導体素子が配列される方向の一端側から導出し、
第１の冷却板の、直流電源から最も遠い位置に配置される正側スイッチング素子の相種別と同一の相種別の負側スイッチング素子を、第２の冷却板の、直流電源から最も近い位置に配置し、
第１の冷却板の、直流電源から最も近い位置に配置される正側スイッチング素子の相種別と同一の相種別の負側スイッチング素子を、第２の冷却板の、直流電源から最も遠い位置に配置したものである。

第３の発明に係る電力変換装置は、正側アームを構成する半導体素子として、直流電源の正極端子とＵ相交流端子との間に接続されるＵ相正側スイッチング素子と、直流電源の正極端子とＶ相交流端子との間に接続されるＶ相正側スイッチング素子と、直流電源の正極端子とＷ相交流端子との間に接続されるＷ相正側スイッチング素子とを備え、
負側アームを構成する半導体素子として、直流電源の負極端子とＵ相交流端子との間に接続されるＵ相負側スイッチング素子と、直流電源の負極端子とＶ相交流端子との間に接続されるＶ相負側スイッチング素子と、直流電源の負極端子とＷ相交流端子との間に接続されるＷ相負側スイッチング素子とを備え、
スイッチング素子のオンオフ動作により、３相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相交流端子に、直流電源の正極端子および負極端子の２レベルの電位を出力する電力変換装置において、
Ｕ、Ｖ、Ｗ３相の内のいずれか１相の正側および負側スイッチング素子と他の２相のいずれか一方の相の正側または負側スイッチング素子とを装着した第１の冷却板と、この第１の冷却板と平行に装着面が同じ方向となるように配置され、上記他の２相のいずれか一方の相の第１の冷却板に装着されていない負側または正側スイッチング素子と上記他の２相のいずれか他方の相の正側および負側スイッチング素子とを装着した第２の冷却板と、正側アームを構成するスイッチング素子と直流電源との間、負側アームを構成するスイッチング素子と直流電源との間、および正側アームを構成する半導体素子と負側アームを構成する半導体素子との間を接続する、導電性のブスバーを絶縁物で挟んで重ねた積層ブスバーとを備え、
直流電源への接続を、第１および第２の冷却板の各半導体素子が配列される方向の一端側から導出し、
他の２相のいずれか一方の相の正側および負側スイッチング素子を直流電源から最も近い位置に配置したものである。

第４の発明に係る電力変換装置の組み立て方法は、第１の冷却板に装着された半導体素子と第１の積層ブスバーとを接続する第１のステップと、第２の冷却板に装着された半導体素子と第２の積層ブスバーとを接続する第２のステップと、第１および第２のステップ後、第１および第２の積層ブスバーの接続部と第３の積層ブスバーとを接続する第３のステップとを備えたものである。

第１の発明によれば、正側アームの半導体素子と負側アームの半導体素子とは別々の冷却板により冷却されるため、正側、負側アームの半導体素子を１枚の冷却板で冷却する場合に比べて、半導体素子の損失が大きい場合や冷却器の能力が不足する場合でも適正に冷却することができる。
また、冷却板間は素子の配置や絶縁距離のため、あらかじめ離れており、デッドスペース無く構成することができ、一方の冷却板の外方は例えば収納ケースに密着できるので、全体として、装置を小型、軽量化することができる。
また、正側アームと負側アームとを別の冷却板に装着する構成であるので、必ずしも、正側アーム素子と負側アーム素子とを隣接させる必要が無く、相毎に装着する場合より、取りうる構成の自由度が向上する。
更に、正側アームを構成するスイッチング素子と直流電源との間、負側アームを構成するスイッチング素子と直流電源との間、および正側アームを構成する半導体素子と負側アームを構成する半導体素子との間を積層ブスバーで接続しているので、これら接続部分でのインダクタンスを確実に低減することができる。
更に、直流電源は更に中間端子を備え、
正側アームは、半導体素子として、第１の冷却板に装着された、直流電源の正極端子に接続される第１のスイッチング素子と、この第１のスイッチング素子と直列に接続され交流端子に接続される第２のスイッチング素子と、第１および第２のスイッチング素子の中間接続点と中間端子との間に接続される第１の結合ダイオードとを備え、
負側アームは、半導体素子として、第２の冷却板に装着された、交流端子に接続される第３のスイッチング素子と、この第３のスイッチング素子と直列に接続され直流電源の負極端子に接続される第４のスイッチング素子と、第３および第４のスイッチング素子の中間接続点と中間端子との間に接続される第２の結合ダイオードとを備え、
スイッチング素子のオンオフ動作により、交流端子に、直流電源の正極端子、中間端子および負極端子の３レベルの電位を出力するようにしたので、主回路インダクタンスを低減し、サージ電圧を抑制するとともに、素子が適正に冷却されるような構成としつつ、装置全体を小型、軽量化し、更に、製造時や保守時の取り扱い性の良い、３レベル電力変換装置を提供することができ、直流電源への接続を、第１および第２の冷却板の各半導体素子が配列される方向の一端側から導出し、
第１および第２の結合ダイオードを直流電源から最も遠い位置に配置したので、転流経路が短くなりインダクタンスが一層低減する。
また、第２の発明によれば、正側アームは、半導体素子として、第１の冷却板に装着された、直流電源の正極端子とＵ相交流端子との間に接続されるＵ相正側スイッチング素子と、直流電源の正極端子とＶ相交流端子との間に接続されるＶ相正側スイッチング素子と、直流電源の正極端子とＷ相交流端子との間に接続されるＷ相正側スイッチング素子とを備え、
負側アームは、半導体素子として、第２の冷却板に装着された、直流電源の負極端子とＵ相交流端子との間に接続されるＵ相負側スイッチング素子と、直流電源の負極端子とＶ相交流端子との間に接続されるＶ相負側スイッチング素子と、直流電源の負極端子とＷ相交流端子との間に接続されるＷ相負側スイッチング素子とを備え、
スイッチング素子のオンオフ動作により、３相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相交流端子に、直流電源の正極端子および負極端子の２レベルの電位を出力するようにしたので、主回路インダクタンスを低減し、サージ電圧を抑制するとともに、素子が適正に冷却されるような構成としつつ、装置全体を小型、軽量化し、更に、製造時や保守時の取り扱い性の良い、２レベル電力変換装置を提供することができ、直流電源への接続を、第１および第２の冷却板の各半導体素子が配列される方向の一端側から導出し、
第１の冷却板の、直流電源から最も遠い位置に配置される正側スイッチング素子の相種別と同一の相種別の負側スイッチング素子を、第２の冷却板の、直流電源から最も近い位置に配置し、
第１の冷却板の、直流電源から最も近い位置に配置される正側スイッチング素子の相種別と同一の相種別の負側スイッチング素子を、第２の冷却板の、直流電源から最も遠い位置に配置したので、転流経路が３相でほぼ均等となる。

第３の発明によれば、１相分を除く他の２相分では、正側スイッチング素子と負側スイッチング素子とを近接して配置できるので、全体としてインダクタンスが低減する。
また、直流電源への接続を、第１および第２の冷却板の各半導体素子が配列される方向の一端側から導出し、
他の２相のいずれか一方の相の正側および負側スイッチング素子を直流電源から最も近い位置に配置したので、スイッチング素子が２つの冷却板に分けて装着される相のインダクタンスも低く抑えられる。

第４の発明によれば、冷却板への半導体素子の装着およびそれら半導体素子と積層ブスバーとの接続の作業を、各冷却板毎に個別に実行できるので、製造時や保守時の取り扱い性が向上する。

本発明の実施の形態１による電力変換装置の回路図である。 本発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示す図である。 図２の積層ブスバー１１の接続構成を示す斜視図である。 図２の積層ブスバー１２の接続構成を示す斜視図である。 図２の積層ブスバー１３の接続構成を示す斜視図である。 図１における転流ループを示す回路図である。 図２の構成における転流ループを示す図である。 本発明の実施の形態２による電力変換装置の構成を示す図である。 図８の積層ブスバー２６の接続構成を示す斜視図である。 図８の構成における転流ループを示す図である。 本発明の実施の形態３による電力変換装置の回路図である。 本発明の実施の形態３による電力変換装置の構成を示す図である。 図１２の積層ブスバー４１の接続構成を示す斜視図である。 図１２の積層ブスバー４２の接続構成を示す斜視図である。 図１２の積層ブスバー４３の接続構成を示す斜視図である。 図１１における転流ループを示す回路図である。 図１２の構成における転流ループを示す図である。 本発明の実施の形態４による電力変換装置の構成を示す図である。 図１８の積層ブスバー５７の接続構成を示す斜視図である。 図１８の積層ブスバー５８の接続構成を示す斜視図である。 図１８の積層ブスバー５９の接続構成を示す斜視図である。 図１８の構成における転流ループを示す図である。 本発明の実施の形態５による電力変換装置の回路図である。 本発明の実施の形態５による電力変換装置の構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１に、本実施の形態１にて構成する電力変換装置の１相分の回路図を示す。本実施の形態１は、正極（Ｐ）、負極（Ｎ）、中間電位（Ｃ）の３つの電位を有する直流電源と交流との間の電力変換に用いられる３レベル電力変換装置に関わるものである。なお、以下、全ての実施例において、半導体素子であるスイッチング素子としては、ＩＧＢＴモジュールを用いているが、ＭＯＳＦＥＴなど、スイッチング機能を有する半導体素子であれば構成可能である。
正極（Ｐ）と負極（Ｎ）との間には第１のスイッチング素子であるＩＧＢＴモジュール１、第２のスイッチング素子であるＩＧＢＴモジュール２、第３のスイッチング素子であるＩＧＢＴモジュール３、第４のスイッチング素子であるＩＧＢＴモジュール４が直列に接続され、ＩＧＢＴモジュール２とＩＧＢＴモジュール３との接続点は交流端子（ＡＣ）に接続されている。また、ＩＧＢＴモジュール１とＩＧＢＴモジュール２との接続点と中間電位（Ｃ）との間には第１の結合ダイオードである結合ダイオードモジュール５が接続され、ＩＧＢＴモジュール３とＩＧＢＴモジュール４の接続点と中間電位（Ｃ）との間には第２の結合ダイオードである結合ダイオードモジュール６が接続されている。コンデンサ７、コンデンサ８が直列に接続され、直流電源を構成し、正極（Ｐ）、負極（Ｎ）、中間電位（Ｃ）を出力する端子を備えている。

図２に、本実施の形態１である電力変換装置の構成を示す。図は１相分の３レベル電力変換装置を示すもので、正側アームユニット１００、負側アームユニット１０１、第３の積層ブスバー１３およびコンデンサ７、８により構成される。正側アームユニット１００は、ＩＧＢＴモジュール１と結合ダイオードモジュール５とＩＧＢＴモジュール２と、それらの各モジュールを装着する第１の冷却板９と、各モジュールに接続される第１の積層ブスバー１１とによって構成される。負側アームユニット１０１は、ＩＧＢＴモジュール３と結合ダイオードモジュール６とＩＧＢＴモジュール４と、それらの各モジュールを装着する第２の冷却板１０と、各モジュールに接続される第２の積層ブスバー１２とによって構成される。
そして、正側アームユニット１００と負側アームユニット１０１とは、冷却板９と１０とが平行になり、冷却板９、１０の同じ面にモジュールが装着されるよう重ねて配置されており、冷却板９と負側アームユニット１０１のモジュール端子接続部とはその間に適正な絶縁距離が取れるよう離されている。冷却板９、１０はモジュールの発熱を外部に放出するためのもので、液体の循環や沸騰等を利用したものが用いられる。また、本構成では１枚の冷却板に３個のモジュールが装着されているが、特許文献２のように素子毎に冷却板を設けても良い。
正側アームユニット１００と負側アームユニット１０１とは、積層ブスバー１３により、電気的に接続される。積層ブスバー１３は、平面状の導体を形成して作られたブスバーを絶縁物を挟んで重ねたものである。

次に、積層ブスバー１１、１２、１３の構造および接続の構成について図３〜５を用いて詳しく説明する。図３は、正側アームユニット１００を構成するモジュール１、２、５と積層ブスバー１１との接続を説明するための斜視図で、ブスバー間を離反して記載している。なお、以下、全ての積層ブスバーには図示していないがブスバー間には絶縁物が設けられ、互いに絶縁されている。また、ブスバーに設けられた小さな開孔部は接続用のもので、大きな開孔部は隣接するブスバーの接続部との絶縁のために設けられたものである。

積層ブスバー１１は、正側アームユニット１００の各モジュール１、２、５の電位を、直流電源へ接続する方向（図３では、右手前の方向）に位置する接続部に導出するもので、ブスバー１４、１５、１６、１７を重ねて構成される。そして、積層ブスバー１３と接続されるブスバー１４、１６、１７は、図３に示すように、接続部のところで直角に曲げられＬ字状に形成されている。
ブスバー１４は、交流端子（ＡＣ）側に接続されるブスバーで、ＩＧＢＴモジュール２の負極電極であるエミッタ電極（Ｅ２）に接続される。ブスバー１５は、ＩＧＢＴモジュール１のエミッタ電極（Ｅ１）、結合ダイオードモジュール５の負極電極であるカソード電極（Ｋ１）、ＩＧＢＴモジュール２の正極電極であるコレクタ電極（Ｃ２）間を接続する。ブスバー１６は、正極（Ｐ）に接続されるブスバーで、ＩＧＢＴモジュール１のコレクタ電極（Ｃ１）に接続される。ブスバー１７は、中間電位（Ｃ）に接続されるブスバーで、結合ダイオードモジュール５の正極電極であるアノード電極（Ａ１）に接続される。

図４は、負側アームユニット１０１を構成するモジュール３、４、６と積層ブスバー１２との接続を説明するための斜視図である。積層ブスバー１２は、負側アームユニット１０１の各モジュール３、４、６の電位を、直流電源へ接続する方向（図４では、右手前の方向）に位置する接続部に導出するもので、ブスバー１８、１９、２０、２１を重ねて構成される。そして、積層ブスバー１３と接続されるブスバー１８、２０、２１は、図４に示すように、接続部のところで、正側アームユニット１００の積層ブスバー１１と同じ方向に直角に曲げられＬ字状に形成されている。
ブスバー１８は、交流端子（ＡＣ）側に接続されるブスバーで、ＩＧＢＴモジュール３のコレクタ電極（Ｃ３）と接続される。ブスバー１９は、ＩＧＢＴモジュール３のエミッタ電極（Ｅ３）と結合ダイオードモジュール６のアノード電極（Ａ２）とＩＧＢＴモジュール４のコレクタ電極（Ｃ４）間を接続する。ブスバー２０は、負極（Ｎ）に接続されるブスバーで、ＩＧＢＴモジュール４のエミッタ電極（Ｅ４）に接続される。ブスバー２１は、中間電位（Ｃ）に接続されるブスバーで、結合ダイオードモジュール６のカソード電極（Ｋ２）に接続される。

図５は、正側アームユニット１００と負側アームユニット１０１と積層ブスバー１３との接続を説明するための斜視図である。積層ブスバー１３は、積層ブスバー１１、１２の接続部と平行な平面形状に形成され、ブスバー２２、２３、２４、２５によって構成される。
ブスバー２２は、積層ブスバー１１の正極接続部（Ｐ）と接続され、ブスバー２３は、積層ブスバー１１と積層ブスバー１２との中間電位接続部（Ｃ）と接続され、ブスバー２４は、積層ブスバー１２の負極接続部（Ｎ）と接続される。また、図２に示すように、ブスバー２２はコンデンサ７の正極（Ｐ）に、ブスバー２３はコンデンサ７とコンデンサ８との接続点である中間電位（Ｃ）に、ブスバー２４はコンデンサ８の負極（Ｎ）に接続される。ブスバー２５は、積層ブスバー１１と積層ブスバー１２との交流接続部（ＡＣ）間を接続するブスバーで、図２に示すように、交流端子（ＡＣ）へと出力される。なお、図２では、積層ブスバー１１、１２と積層ブスバー１３との交流接続部を交流端子として交流端子（ＡＣ）へ出力しているが、別途、ブスバー２５に交流端子（ＡＣ）へ出力する端子を設けても良い。
また、以上では、正側アームユニット１００のブスバー１４と負側アームユニットのブスバー１８とそれらを接続するブスバー２５とは別々のブスバーで構成しているが一体ものとして構成することも可能である。ただし、その場合にはアーム毎にユニット化する利点は無くなる。

なお、組み立て時には、正側アームユニット１００、負側アームユニット１０１を組み立てた後、積層ブスバー１３に接続し、取り外しには逆に正側アームユニット１００、負側アームユニット１０１を積層ブスバー１３から先に取り外すようにすればアーム毎にユニット化した取り扱いが可能となり、製造時や保守時の取り扱い性が向上する。

以上、１相分の構成について説明したが、２相分を組み合わせて単相の、あるいは３相の電力変換装置を構成する場合には、正側アームユニット１００と負側アームユニット１０１の組み合わせを、さらに重ねて構成すればよい。

次に、本構成により主回路インダクタンスを抑制できることを説明する。主回路インダクタンスが大きいとターンオフに伴い発生するサージ電圧が高くなるため、主回路インダクタンスの抑制は大きな課題となる。スイッチング素子をターンオフする場合、電流はダイオードに転流して流れる。サージ電圧は電流変化率に伴い発生するため、電流が変化する経路、すなわち、ターンオフ前には電流が流れていたが、ターンオフ後には流れなくなった経路と、ターンオフ後に電流が流れ出した経路をつないだループ（以後、転流ループと呼ぶ）のインダクタンスを抑制することが必要である。

３レベル電力変換装置ではスイッチング素子であるＩＧＢＴモジュール１〜４のスイッチングによる４つの転流モードが存在する。図６に転流ループの発生する回路を示す。同図（ａ）は、Ｐ→ＩＧＢＴ１→ＩＧＢＴ２→ＡＣの経路で電流が流れている状態から、ＩＧＢＴモジュール１をターンオフし、結合ダイオードモジュール５に転流した場合を示している。図に太線で示したＩＧＢＴ１→コンデンサ７→結合ダイオード５→ＩＧＢＴ１の転流ループのインダクタンスに発生するサージ電圧がＩＧＢＴモジュール１に印加される。同図（ｂ）は、Ｃ→結合ダイオード５→ＩＧＢＴ２→ＡＣの経路で電流が流れている状態からＩＧＢＴモジュール２をターンオフし、ＩＧＢＴモジュール３、ＩＧＢＴモジュール４の逆接続ダイオードに転流した場合を示す。図に太線で示したＩＧＢＴ２→結合ダイオード５→コンデンサ８→ＩＧＢＴ４→ＩＧＢＴ３→ＩＧＢＴ２の転流ループのインダクタンスに発生する電圧がサージ電圧としてＩＧＢＴモジュール２に印加される。

同様に、図６（ｃ）、（ｄ）は、ＩＧＢＴモジュール３、ＩＧＢＴモジュール４をターンオフした場合で、ＩＧＢＴ３→ＩＧＢＴ２→ＩＧＢＴ１→コンデンサ７→結合ダイオード６→ＩＧＢＴ３の転流ループ、ＩＧＢＴ４→結合ダイオード６→コンデンサ８→ＩＧＢＴ４の転流ループのインダクタンスに発生するサージ電圧がＩＧＢＴモジュール３、ＩＧＢＴモジュール４に印加される。そのため、これらの転流ループのインダクタンスを抑制することでサージ電圧を低減することができる。

図７に、本実施の形態１における転流ループを示す。図は、積層ブスバーの平面と平行な方向より見た概略図で、転流ループを太線で示している。本構成では、各モジュールの電極位置は同一平面上にあるため、積層ブスバーの平面と平行な方向から見た図により説明するが、実際には積層ブスバー１１、１２と積層ブスバー１３の接続点（図５のＰ、Ｃ、Ｎ、ＡＣ）も考慮する必要がある。この接続点のインダクタンスを減らすには図５では、Ｐ、Ｃ、Ｎ、ＡＣを一ヶ所ずつで接続しているが多点数で接続することが有効である。なお、この接続点は積層ブスバーの平面と平行な方向より見た場合、重なるため、図７に太線で示した転流ループではずらして記載している。

図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に対応し、ＩＧＢＴモジュール１、ＩＧＢＴモジュール２、ＩＧＢＴモジュール３、ＩＧＢＴモジュール４をスイッチングした場合の転流ループである。インダクタンスを減らすためにはこのループの面積を極力小さくすることが必要である。図に示す構成では、電流は近接したブスバーを流れるためインダクタンスが小さくなることが判る。また、電流経路を短く取ることもインダクタンスの抑制に有効である。図に示す４つのループにおいて特にインダクタンスが大きくなりやすいのはＩＧＢＴモジュール３個と結合ダイオードモジュール１個を通る（ｂ）、（ｃ）の場合である。そのため、特にこのループを減らすことが必要となり、素子の配置も重要となる。

例えば、同図（ｂ）で、ＩＧＢＴモジュール１と結合ダイオードモジュール５との位置を入れ替えた場合、正側アーム、負側アームともコンデンサより最も遠いモジュールを通ることになり、電流経路が長くなる。今回の配置では、（ｂ）、（ｃ）のループがコンデンサ側より最も遠い素子を、正側アーム、負側アームの両方に通るループは無く、インダクタンスを小さくできている。なお、今回の構成では、コンデンサより遠い順に、正側アームでは、ＩＧＢＴモジュール１、結合ダイオードモジュール５、ＩＧＢＴモジュール２の順に、負側アームでは、ＩＧＢＴモジュール４、結合ダイオードモジュール６、ＩＧＢＴモジュール３の順に配置されているが、同図（ｂ）のループを構成するＩＧＢＴモジュール２、ＩＧＢＴモジュール３、ＩＧＢＴモジュール４、結合ダイオードモジュール５のうちの２つ、かつ、同図（ｃ）のループを構成するＩＧＢＴモジュール１、ＩＧＢＴモジュール２、ＩＧＢＴモジュール３、結合ダイオードモジュール６のうちの２つがコンデンサより最も遠い位置に配置しないよう構成しても良い。すなわち、ＩＧＢＴモジュール１とＩＧＢＴモジュール４とがコンデンサより最も遠い位置になるように構成するか、または、結合ダイオードモジュール５と結合ダイオードモジュール６とが最も遠い位置になるように構成すればよい。

以上の構成により、正側アームのモジュールと負側アームのモジュールとは別々の冷却板により冷却されるため、特許文献１のように、正側、負側アームのモジュールを１枚の冷却板で冷却する場合に比べて、モジュールの損失が大きい場合や冷却器の能力が不足する場合でも適正に冷却することができる。また、特許文献２に示されたように、モジュール毎に冷却板を設けた場合、また、例えば、特許文献１で冷却板を正側アームと負側アームとに分けたとしても、正側アームと負側アームとの冷却板間は冷却器の構成（例えば、フィンや熱交換器、装置への固定等）によっては密着することができないため、その間のスペースがデッドスペースとなり、装置全体が大きくなる。本実施の形態１の構成では、冷却板間はモジュール配置や絶縁距離のため、あらかじめ離れており、デッドスペース無く構成することができるため、装置を小型、軽量化することができる。

なお、本構成では冷却板９と負側アームユニット１０１のモジュール端子接続部との絶縁を確保するため空間的に距離を離しているが、冷却板９と負側アームユニット１０１のモジュール端子接続部との間に絶縁シートを挿入することにより、さらに負側アームユニット１０１と正側アームユニット１００とを近づけることもでき、最短で絶縁シートの厚み分のみ離した構成とすることも可能である。ユニットを複数個、さらに重ねて２相、３相を構成する場合も同様に絶縁シートを挿入することにより、相間距離を短く構成できる。また、特許文献３の図４に示された構成では、各相のユニットとコンデンサと接続されている積層ブスバーとを接続する接続部が、両方向にＬ字状に曲げられており、冷却板やモジュール厚さが薄い場合やユニット間の絶縁距離が短い場合に、各ユニットの接続部が互いに干渉し、ユニット間を近づけることができないが、本構成では正側アームを構成する積層ブスバー１１、負側アームを構成する積層ブスバー１２は、それぞれの積層ブスバー１３との接続部が、同一方向にＬ字状に曲げられて形成されており互いに干渉することがないため、正側アームユニット１００と負側アームユニット１０１との間を、また、複数のユニットをさらに重ねて、２相、３相を構成する場合には、その相間距離を短く構成できる。
また、アーム毎にユニット化しているため、特許文献１のように１相分が一体化されている場合に比べて取り扱い単位が小さくなり、製造時、保守時の取り扱い性が向上する。また、積層ブスバーにより、配線し、さらに、モジュール配置を適正に配置したため、インダクタンスを低く構成できる。

実施の形態２．
図８に、実施の形態２における電力変換装置の構成を示す。また、図９は、負側アームユニット１０２を構成するモジュール３、４、６と積層ブスバー２６との接続を示す斜視図である。正側アームユニット１００の構成は図３と同じため省略する。本構成では、負側アームユニット１０２のＩＧＢＴモジュール３、４および結合ダイオードモジュール６のそれぞれの正極電極と負極電極との配置を反転している。すなわち、ＩＧＢＴモジュール３、４のコレクタ電極（Ｃ）、結合ダイオードモジュールのカソード電極（Ｋ）がコンデンサに近い側に来るように構成している。図３と図９とを比べると判るが、このように構成することにより、負側アームユニット１０２の積層ブスバー２６を構成するブスバー２８〜３１に、正側アームユニット１００の積層ブスバー１１を構成するブスバー１４〜１７と同じ構成のものを使用することができ、ブスバーの種類を減らすことが可能となる。

また、図１０に本構成とした場合の転流ループを示す。図７と同様に、同図（ａ）がＩＧＢＴモジュール１をスイッチングした場合、同図（ｂ）がＩＧＢＴモジュール２をスイッチングした場合、同図（ｃ）がＩＧＢＴモジュール３をスイッチングした場合、同図（ｄ）がＩＧＢＴモジュール４をスイッチングした場合を示している。同図（ａ）の場合は、先の実施の形態１と同じであるが、同図（ｂ）の場合、実施の形態１の図７に示す経路では図７の方向でＩＧＢＴモジュール３の下側の経路を３回通り、ループ長が長くなっているのに対し、本実施の形態２では１回のみとなり、ループ長が短くなるため、インダクタンスを低く抑制することができる。また、同図（ｃ）の場合でも同様に、ＩＧＢＴモジュール３の下側を通る回数が、同図（ｄ）の場合では結合ダイオードモジュール６の下側を通る回数が少なくなり、ループ長が短くなるためインダクタンスを抑制することができる。

以上で示したように、本実施の形態２の構成では、負側アームユニットのモジュールの正極電極と負極電極との配置を反転したため、正側アームに接続されるブスバーと負側アームに接続されるブスバーの形状とを同じにすることができ、ブスバーの種類を減らすことができる。また、転流経路のループ長が短くなるため、主回路インダクタンスを抑制することができる。
なお、本実施の形態２では、負側アームのモジュール全てを反転しているが、例えばＩＧＢＴモジュール３のみ、結合ダイオードモジュール６のみを反転した場合でもインダクタンスを抑制する効果は得られる。

実施の形態３．
図１１に、本実施の形態３にて構成する電力変換装置の回路図を示す。本実施の形態３は、正極（Ｐ）、負極（Ｎ）の２つの電位を有する直流電源と交流との間の電力変換に用いられる２レベル電力変換装置に関わるもので、交流側が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相を有する場合を示している。正極（Ｐ）と負極（Ｎ）との間には、Ｕ、Ｖ、Ｗ相とも、半導体素子であるスイッチング素子として、ＩＧＢＴモジュール３２、３４、３６とＩＧＢＴモジュール３３、３５、３７とが直列に接続され、ＩＧＢＴモジュール３２、３４、３６とＩＧＢＴモジュール３３、３５、３７との接続点は、交流端子（Ｕ、Ｖ、Ｗ）側に接続されている。コンデンサ３８は、直流電源を構成し、正極（Ｐ）、負極（Ｎ）を出力する端子を備えている。

図１２に、本実施の形態３である電力変換装置の構成を示す。図は、３相分の２レベル電力変換装置を示すもので、正側アームユニット２００と負側アームユニット２０１と第３の積層ブスバー４３とコンデンサ３８とにより構成される。正側アームユニット２００は、Ｕ相ＩＧＢＴモジュール３２、Ｖ相ＩＧＢＴモジュール３４、Ｗ相ＩＧＢＴモジュール３６とそれらのモジュールを装着する第１の冷却板３９と各モジュールに接続される第１の積層ブスバー４１とで構成され、負側アームユニット２０１は、Ｕ相ＩＧＢＴモジュール３３、Ｖ相ＩＧＢＴモジュール３５、Ｗ相ＩＧＢＴモジュール３７とそれらのモジュールが接続される第２の冷却板４０と各モジュールに接続される第２の積層ブスバー４２とで構成される。正側アームユニット２００のモジュールは、コンデンサ３８より遠い側よりＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順に配置されているのに対し、負側アームユニット２０１のモジュールは、コンデンサ３８より遠い方からＷ相、Ｖ相、Ｕ相の順に配置されている。

正側アームユニット２００と負側アームユニット２０１とは、冷却板３９と４０とが平行になり、冷却板３９、４０の同じ面にモジュールが装着されるよう重ねて配置されており、冷却板３９と負側アームユニット２０１のモジュール端子接続部とはその間に適正な絶縁距離が取れるよう離されている。冷却板３９、４０はモジュールの発熱を外部に放出するためのもので、液体の循環や沸騰等を利用したものが用いられる。また、本構成では１枚の冷却板に３個のモジュールが装着されているが、特許文献２のように素子毎に冷却板を設けても良い。
正側アームユニット２００と負側アームユニット２０１とは、積層ブスバー４３により、電気的に接続される。積層ブスバー４３は、平面状の導体を形成して作られたブスバーを絶縁物を挟んで重ねたものである。

次に、積層ブスバー４１、４２、４３の構造および接続の構成について図１３〜１５を用いて詳しく説明する。図１３は、正側アームユニット２００を構成するモジュール３２、３４、３６と積層ブスバー４１との接続を説明するための斜視図で、ブスバー間を離反して記載している。積層ブスバー４１は、正側アームユニット２００の各モジュール３２、３４、３６の電位を、直流電源へ接続する方向（図１３では、右手前の方向）に位置する接続部に導出するもので、ブスバー４４、４５、４６、４７を重ねて構成される。そして、積層ブスバー４３と接続されるブスバー４４、４５、４６、４７は、図１３に示すように、接続部のところで直角に曲げられＬ字状に形成されている。
ブスバー４４は、正極（Ｐ）に接続されるブスバーで、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の正側アームのＩＧＢＴモジュール３２、３４、３６のコレクタ電極（Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗ）に接続される。ブスバー４５、４６、４７は、それぞれ交流端子（Ｕ、Ｖ、Ｗ）と接続されるブスバーで、ＩＧＢＴモジュール３２、３４、３６のエミッタ電極（Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗ）と接続される。

図１４は、負側アームユニット２０１を構成するモジュール３３、３５、３７と積層ブスバー４２との接続を説明するための斜視図で、ブスバー間を離反して記載している。積層ブスバー４２は、負側アームユニット２０１の各モジュール３７、３５、３３の電位を、直流電源へ接続する方向（図１４では、右手前の方向）に位置する接続部に導出するもので、ブスバー４８、４９、５０、５１を重ねて構成される。そして、積層ブスバー４３と接続されるブスバー４８、４９、５０、５１は、図１４に示すように、接続部のところで、正側アームユニット２００の積層ブスバー４１と同じ方向に直角に曲げられＬ字状に形成されている。
ブスバー４８は、負極（Ｎ）に接続されるブスバーで、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の負側アームのＩＧＢＴモジュール３３、３５、３７のエミッタ電極（Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗ）に接続される。ブスバー４９、５０、５１は、それぞれ交流端子（Ｗ、Ｖ、Ｕ）と接続されるブスバーで、ＩＧＢＴモジュール３７、３５、３３のコレクタ電極（Ｃｗ、Ｃｖ、Ｃｕ）と接続される。

図１５は、正側アームユニット２００と負側アームユニット２０１と積層ブスバー４３との接続を説明するための斜視図である。積層ブスバー４３は、積層ブスバー４１、４２の接続部と平行な平面形状に形成され、ブスバー５２〜５６を重ねて構成される。
ブスバー５２は、積層ブスバー４１の正極接続部（Ｐ）と接続され、ブスバー５３は、積層ブスバー４２の負極接続部（Ｎ）と接続される。また、図１２に示すように、ブスバー５２はコンデンサ３８の正極（Ｐ）に、ブスバー５３は負極（Ｎ）に接続される。ブスバー５４、５５、５６は、積層ブスバー４１と積層ブスバー４２との交流接続部（Ｕ、Ｖ、Ｗ）間を接続するブスバーで、図１２に示すように、交流端子（Ｕ、Ｖ、Ｗ）へと出力される。なお、図１２では、積層ブスバー４１、４２とブスバー４３との交流接続部より交流端子（Ｕ、Ｖ、Ｗ）へ出力しているが、別途、ブスバー５４、５５、５６に交流端子（ＡＣ）へ出力する端子を設けても良い。

図１６に、３相２レベル電力変換装置の転流ループの発生する回路を示す。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の転流ループを（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で示している。２レベル電力変換装置において、正側アームのＩＧＢＴモジュール３２、３４、３６をターンオフし、負側アームのＩＧＢＴモジュール３３、３５、３７のダイオードに転流した場合、図に矢印で示すＩＧＢＴモジュール３２、３４、３６→コンデンサ３８→ＩＧＢＴモジュール３３、３５、３７→ＩＧＢＴモジュール３２、３４、３６の転流ループでサージ電圧が発生する。そのため、この転流ループのインダクタンスを抑制する必要がある。負側アームのＩＧＢＴモジュールをターンオフした場合も、モジュール内部でＩＧＢＴを通るかダイオードを通るか、サージが印加されるＩＧＢＴモジュールが正側か負側かの違いはあるが、モジュールの外側のループは同じである。

図１７に、本実施の形態３における転流ループを示す。図は、積層ブスバーの平面と平行な方向より見た概略図で転流ループを太線で示している。同図（ａ）はＵ相、同図（ｂ）はＶ相、同図（ｃ）はＷ相の転流ループである。ブスバーには積層ブスバーを用いているため、電流は近接したブスバー間を通り、ループの面積は小さくなり、インダクタンスは抑制される。また、本構造では、ＩＧＢＴモジュールの配置は、正側アームユニット２００では、コンデンサ側から遠い方からＵ相、Ｖ相、Ｗ相とし、負側アームユニット２０１では、コンデンサから遠い方よりＷ相、Ｖ相、Ｕ相としているため、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相でループ長が概略同程度になり、インダクタンスをほぼ同程度にすることができる。また、Ｕ相のモジュールを正側アーム、負側アーム共に、コンデンサから最も遠くに配置した場合に比べ、インダクタンスを小さくすることができる。
なお、本実施の形態３においても先の実施の形態２と同様に、正側アームユニット２００、もしくは、負側アームユニット２０１のモジュールをそのコレクタ電極とエミッタ電極との配置が逆になるように反転し、積層ブスバー４３と適切に接続するよう構成すれば、積層ブスバー４１と積層ブスバー４２とを同じ形状のものにすることができる。

以上に示したように、正側アームのモジュールと負側アームのモジュールとは別々の冷却板により冷却されるため、特許文献１のように、正側、負側アームの全てのモジュールを１枚の冷却板で冷却する場合に比べて、モジュールの損失が大きい場合や冷却器の能力が不足する場合でも適正に冷却することができる。また、特許文献２に示されたような構成では、正側アームと負側アームの冷却板間は冷却器の構成（例えば、フィンや熱交換器、装置への固定等）によっては密着することができないため、その間のスペースがデッドスペースとなり、装置全体が大きくなる。本実施の形態３の構成では、冷却板間はモジュール配置や絶縁距離のため、あらかじめ離れており、デッドスペース無く構成することができるため、装置を小型、軽量化することができる。
また、アーム毎にユニット化しているため、取り扱い単位が小さくなり、製造時、保守時の取り扱い性が向上する。また、特許文献３に示されたような相毎のユニット化ではなく、アーム毎のユニット化が可能になり、必ずしも正側アームと負側アームのモジュールを隣接する必要が無く、装置構成の自由度が向上する。本実施の形態３では、３相分の構成を示したが、正側アーム、負側アームとも１個のモジュールを取り付けて１相分を構成することや、２個のモジュールを取り付けて２相分を構成することも自由にできる。また、積層ブスバーにより、配線しているため、インダクタンスを低く構成できる。さらに、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の正側アームと負側アームのモジュール配置を適正に配置したため、インダクタンスを低く構成できる。

実施の形態４．
図１８に、実施の形態４における電力変換装置の構成を示す。本実施の形態４も、先の実施の形態３と同様、３相２レベル電力変換装置に関わるものである。実施の形態３では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相全てにおいて、正側アームと負側アームのＩＧＢＴモジュールが別の冷却板に取り付けられていたが、本構成では、Ｖ相のみ正側アームと負側アームのＩＧＢＴモジュールが別々の冷却板に装着されている。それにより、Ｕ相の正側アームのＩＧＢＴモジュール３２と、負側アームのＩＧＢＴモジュール３３と、Ｖ相正側アームのＩＧＢＴモジュール３４と、それらを装着する冷却板３９と、各モジュールに接続される積層ブスバー５７とでユニット２０２が構成され、Ｖ相負側アームのＩＧＢＴモジュール３５と、Ｗ相正側アームのＩＧＢＴモジュール３６と、Ｗ相負側アームのＩＧＢＴモジュール３７と、それらを装着する冷却板４０と、各モジュールに接続される積層ブスバー５８とでユニット２０３が構成される。ユニット２０２と２０３とは、積層ブスバー５９により電気的に接続される。

次に、積層ブスバー５７、５８、５９の構造および接続の構成について図１９〜２１を用いて詳しく説明する。図１９は、ユニット２０２のＩＧＢＴモジュール３２、３３、３４と積層ブスバー５７との接続を説明するための斜視図で、ブスバー間を離反して記載している。積層ブスバー５７は、ブスバー６０〜６３で構成され、先の形態例と同様、図１９の右手前に位置する接続部のところで直角に曲げられＬ字状に形成されている。
そして、Ｕ相正側アームのＩＧＢＴモジュール３２とＶ相正側アームのＩＧＢＴモジュール３４のコレクタ電極（Ｃｕｐ、Ｃｖｐ）は、正極（Ｐ）へ接続されるブスバー６２と接続される。Ｕ相正側アームのＩＧＢＴモジュール３２のエミッタ電極（Ｅｕｐ）とＵ相負側アームのＩＧＢＴモジュール３３のコレクタ電極（Ｃｕｎ）は、ブスバー６０と接続され、交流端子（Ｕ）と接続される。Ｕ相負側アームのＩＧＢＴモジュール３３のエミッタ電極（Ｅｕｎ）は負極（Ｎ）へ接続されるブスバー６３と接続される。Ｖ相正側アームのＩＧＢＴモジュール３４のエミッタ電極（Ｅｖｐ）は、交流端子（Ｖ）へ接続されるブスバー６１と接続される。

図２０は、ユニット２０３のＩＧＢＴモジュール３５、３６、３７と積層ブスバー５８との接続を説明するための斜視図で、ブスバー間を離反して記載している。積層ブスバー５８はブスバー６４〜６７で構成され、先の形態例と同様、図２０の右手前に位置する接続部のところで直角に曲げられＬ字状に形成されている。
そして、Ｗ相正側アームのＩＧＢＴモジュール３６のコレクタ電極（Ｃｗｐ）は、正極（Ｐ）へ接続されるブスバー６６と接続される。Ｗ相正側アームのＩＧＢＴモジュール３６のエミッタ電極（Ｅｗｐ）とＷ相負側アームのＩＧＢＴモジュール３７のコレクタ電極（Ｃｗｎ）は、ブスバー６４と接続され、交流端子（Ｗ）と接続される。Ｗ相負側アームのＩＧＢＴモジュール３７のエミッタ電極（Ｅｗｎ）とＶ相負側アームのＩＧＢＴモジュール３５のエミッタ電極（Ｅｖｎ）は、負極（Ｎ）への接続端子を有するブスバー６７と接続される。Ｖ相負側アームのＩＧＢＴモジュール３５のコレクタ電極（Ｃｖｎ）は、交流端子（Ｖ）へ接続されるブスバー６５と接続される。

図２１は、ユニット２０２と、ユニット２０３と、積層ブスバー５９との接続を説明するための斜視図である。積層ブスバー５９は、ブスバー６８、６９、７０を重ねて構成される。ブスバー６８、６９は、それぞれ積層ブスバー５７と積層ブスバー５８との正極接続部（Ｐ）、負極接続部（Ｎ）と接続される。また、図１８に示すように、ブスバー６８はコンデンサ３８の正極（Ｐ）に、ブスバー６９は負極（Ｎ）に接続される。ブスバー７０は、積層ブスバー５７と積層ブスバー５８との交流接続部（Ｖ）間を接続するブスバーで、図１８に示すように交流端子（Ｖ）へと出力される。また、Ｕ相、Ｗ相については積層ブスバー５９に接続されることなく、交流端子（Ｕ、Ｗ）へと出力される。なお、図１８では積層ブスバー５７、５８とブスバー７０との交流接続部より交流端子（Ｖ）へ出力しているが、別途、ブスバー７０に交流端子（ＡＣ）へ出力する端子を設けても良い。

図２２に、本実施の形態４の転流ループを示す。同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１６の転流ループに対応し、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相を示している。本構成においては、実施の形態３と異なり、Ｕ相（ａ）、Ｗ相（ｃ）のループは、積層ブスバーと積層ブスバーとの接続部を２回しか通っていない。一般に、積層ブスバーと積層ブスバーとの接続部は、インダクタンスが大きくなる傾向がある。そのため、本構成ではＵ相、Ｗ相のインダクタンスを低減することができる。また、Ｖ相（ｂ）については、積層ブスバーと積層ブスバーとの接続部は実施の形態３と同様に４回通る構成であるが、Ｖ相正側アームのＩＧＢＴモジュール３４、Ｖ相負側アームのＩＧＢＴモジュール３５ともコンデンサ接続部に最も近い位置に配置しているため、ループ長が短くなり、インダクタンスを低減することができる。
なお、本実施の形態４においても先の実施の形態２、３と同様に、冷却板３９、もしくは４０に接続されるモジュールをコレクタ電極とエミッタ電極との配置が逆になるように反転し、積層ブスバー５９と適切に接続するよう構成すれば、積層ブスバー５７と積層ブスバー５８とを同じ形状にすることができる。

以上に示したように、Ｕ相の正負側アームとＶ相の正側アームとのモジュールと、Ｖ相の負側アームとＷ相の正負側アームのモジュールとは別々の冷却板により冷却されるため、特許文献１のように、正側、負側アームの全てのモジュールを１枚の冷却板で冷却する場合に比べて、モジュールの損失が大きい場合や冷却器の能力が不足する場合でも適正に冷却することができる。また、特許文献２に示されたような構成では、冷却板間は冷却器の構成（例えば、フィンや熱交換器、装置への固定等）によっては密着することができないため、その間のスペースがデッドスペースとなり、装置全体が大きくなる。本実施の形態４の構成では、冷却板間はモジュール配置や絶縁距離のため、あらかじめ離れており、デッドスペース無く構成することができるため、装置を小型、軽量化することができる。また、Ｕ相とＶ相の正側アームと、Ｖ相の負側アームとＷ相とでユニット化しているため、取り扱い単位が小さくなり、製造時、保守時の取り扱い性が向上する。また、特許文献３に示されたような相毎のユニット化ではなく、Ｕ相とＶ相の正側アームと、Ｖ相の負側アームとＷ相とでユニット化しているため、装置構成の自由度が向上する。また、積層ブスバーにより、配線しているため、インダクタンスを低く構成できる。

また、先の実施の形態３と比べて、Ｖ相のみの正側アームと負側アームのＩＧＢＴモジュールを別々の冷却板に装着したため、実施の形態３で示したＵ相とＷ相の正側アームと負側アームを接続するブスバー５６、５４が不要になり、ブスバー数を減らすことができる。また、Ｕ相とＷ相は積層ブスバー間の接続点が減るため、インダクタンスを低減することができる。また、Ｖ相のＩＧＢＴモジュールをコンデンサの最も近くに配置したため、インダクタンスを低減することができる。

実施の形態５．
図２３に、本実施の形態５における回路図を示す。３レベル電力変換装置２相分と３相２レベル電力変換装置とを用い、単相交流−直流−３相交流の電力変換を行うコンバータ−インバータを構成している。
図２４に、実施の形態５における電力変換装置の構成を示す。先の実施の形態１に示した３レベル電力変換装置の正側アームユニット１００と負側アームユニット１０１とを２相分と、先の実施の形態４に示した３相２レベル電力変換装置のユニット２０２とユニット２０３とを各冷却板が平行になるよう、また、冷却板とモジュール接続部の端子間の絶縁が適切な距離となるよう離して配置している。なお、実施の形態１に示した積層ブスバー１３と実施の形態４に示した積層ブスバー５９とは、積層ブスバー７１として一体にて構成し、３相２レベル電力変換装置のユニット２０２、２０３には正極（Ｐ）と負極（Ｎ）が接続され、３レベル電力変換装置のユニット１００、１０１には正極（Ｐ）、負極（Ｎ）、中間電位（Ｃ）が接続される。コンデンサ７２は、内部にコンデンサユニットを２つ持ち、その端子を正極（Ｐ）、中間電位（Ｃ）、中間電位（Ｃ）、負極（Ｎ）と接続することで図２３の回路図の直流電源となるコンデンサ７、８を形成する。なお、図では４個のコンデンサを並列に接続した例を示している。

なお、コンデンサの配置は図では３レベル電力変換装置のユニットの横にしているが、例えば、２レベル電力変換装置のユニットと３レベル電力変換装置のユニットの間としても良いし、積層ブスバーで接続するのであれば２レベル電力変換装置のユニットや３レベル電力変換装置のユニットの上に配置しても良い。３レベル電力変換装置のユニットから交流側への接続は実施の形態１の図２で積層ブスバー１１、１２と１３との接続部からＡＣとして出力したのと同じように、積層ブスバー７１との接続点より接続され、２相の内、１つの出力がＵ相、他相がＶ相となる。２レベル電力変換ユニットからの交流側への接続も実施の形態４の図１８と同様に積層ブスバー５７、５８からＵ、Ｗが、積層ブスバーの接続部よりＶ相が出力される。

このような構成とすることにより、３レベル電力変換装置のユニット、２レベル電力変換装置のユニットのモジュールが装着される冷却板間はモジュール配置や絶縁距離のため、あらかじめ離れており、デッドスペース無く構成することができるため、装置を小型、軽量化することができる。また、３レベル電力変換装置のユニットと２レベル電力変換装置のユニットはどちらも一つの冷却板に３個のモジュールを装着し、冷却板が平行になるよう並べて配置したため、３レベルと２レベルの組み合わせであっても、モジュールの実装密度が上がり、装置全体を小型軽量化することができる。また、３レベル変換装置のユニットと２レベル変換装置のユニットに用いるモジュールの装着面を同じにする、または、どちらのモジュールも装着できるよう冷却板を構成すれば、３レベル変換装置のユニットと２レベル変換装置のユニットで同じ冷却板を用いることができる。

また、３レベル電力変換装置のユニット、２レベル電力変換装置のユニットどちらの場合も、実施の形態１、４で示したように積層ブスバーで配線され、モジュール配置も適切に成されているので主回路インダクタンスを抑制することができる。
なお、ここでは実施の形態１の３レベル電力変換装置と実施の形態４の２レベル電力変換装置を組み合わせているが、実施の形態１と２の一つと実施の形態３と４の一つを組み合わせて構成しても良い。また、実施の形態１〜４の電力変換装置を自由に組み合わせて２レベル３相交流−直流−２レベル３相交流の変換を行う電力変換装置や３レベル３相交流−直流−２レベル３相交流の変換を行う電力変換装置など２レベル、３レベル、単相、３相等で構成される回路を適宜組み合わせて構成することが可能である。

また、この発明の各変形例において、第１および第２の冷却板に装着された半導体素子の正極電極と負極電極との配置を、第１の冷却板と第２の冷却板とで互いに逆向きとなるようにしたので、各積層ブスバーの構成を同じにできる。

また、直流電源への接続が、第１および第２の冷却板の各半導体素子が配列される方向の一端側から導出される場合、
積層ブスバーは、第１の冷却板に装着された半導体素子の電位を冷却板の一端側に位置する接続部に導出する第１の積層ブスバーと、第２の冷却板に装着された半導体素子の電位を冷却板の一端側に位置する接続部に導出する第２の積層ブスバーと、第１の積層ブスバーの接続部と第２の積層ブスバーの接続部と直流電源とを接続する第３の積層ブスバーとで構成したので、積層ブスバーを別々に切り離したことで片側の冷却板とその冷却板に装着される各半導体素子とそれらに接続される積層ブスバーとを一つのユニットとし、他方の冷却板と装着される各半導体素子とそれらに接続される積層ブスバーを別のユニットとして、ユニット毎に取り扱えるため、製造時や保守時の取り扱い性が向上する。

また、第１および第２の積層ブスバーは、冷却板の互いに平行する面と平行な平面形状で上記半導体素子の電位を接続部まで導出する部分と、平面形状の接続部の部分とが第１および第２の積層ブスバーとで互いに同一の方向に直角に曲げられたＬ字状に形成され、第３の積層ブスバーは、両接続部と平行な平面形状に形成されているので、片側の積層ブスバーのＬ字状に曲げられた接続部と、他方の積層ブスバーのＬ字状に曲げられた接続部とが互いに干渉することがないため、片側の冷却板、各半導体素子、積層ブスバーよりなるユニットと、他方の冷却板、各半導体素子、積層ブスバーよりなるユニットとの間の距離を短くすることができる。

また、３レベルであって請求項１ないし１０のいずれかに記載の電力変換装置と、２レベルであって請求項１ないし１０のいずれかに記載の電力変換装置とを、冷却板の全てを互いに平行で半導体素子の装着面が同じ方向となるように配置し、交流−直流−交流の変換を行う変換器を構成したので、３レベル変換ユニットと２レベル変換ユニットとの組み合わせにおいてもモジュールの実装密度が上がり、装置全体を小型軽量化することができる。また、３レベル変換ユニットと２レベル変換ユニットに用いるモジュールの装着面を同じにする、または、どちらのモジュールも装着できるよう冷却板を構成すれば、３レベル変換ユニットと２レベル変換ユニットとで同じ冷却板を用いることができる。

Claims (8)

1. 交流端子と直流電源の正極端子との間に接続され正側アームを構成する半導体素子と、上記交流端子と上記直流電源の負極端子との間に接続され負側アームを構成する半導体素子とを備え、上記半導体素子のオンオフ動作により、上記直流電源と交流端子との間で電力変換を行う電力変換装置において、
   上記正側アームを構成する半導体素子を装着した第１の冷却板と、この第１の冷却板と平行に装着面が同じ方向で重なるように配置され上記負側アームを構成する半導体素子を装着した第２の冷却板と、上記正側アームを構成する半導体素子と上記直流電源との間、上記負側アームを構成する半導体素子と上記直流電源との間、および上記正側アームを構成する半導体素子と上記負側アームを構成する半導体素子との間を接続する、導電性のブスバーを絶縁物で挟んで重ねた積層ブスバーとを備え、
   上記直流電源は更に中間端子を備え、
   上記正側アームは、上記半導体素子として、上記第１の冷却板に装着された、上記直流電源の正極端子に接続される第１のスイッチング素子と、この第１のスイッチング素子と直列に接続され上記交流端子に接続される第２のスイッチング素子と、上記第１および第２のスイッチング素子の中間接続点と上記中間端子との間に接続される第１の結合ダイオードとを備え、
   上記負側アームは、上記半導体素子として、上記第２の冷却板に装着された、上記交流端子に接続される第３のスイッチング素子と、この第３のスイッチング素子と直列に接続され上記直流電源の負極端子に接続される第４のスイッチング素子と、上記第３および第４のスイッチング素子の中間接続点と上記中間端子との間に接続される第２の結合ダイオードとを備え、
   上記スイッチング素子のオンオフ動作により、上記交流端子に、上記直流電源の正極端子、中間端子および負極端子の３レベルの電位を出力し、
   上記直流電源への接続を、上記第１および第２の冷却板の上記各半導体素子が配列される方向の一端側から導出し、
   上記第１および第２の結合ダイオードを上記直流電源から最も遠い位置に配置したことを特徴とする電力変換装置。
2. 交流端子と直流電源の正極端子との間に接続され正側アームを構成する半導体素子と、上記交流端子と上記直流電源の負極端子との間に接続され負側アームを構成する半導体素子とを備え、上記半導体素子のオンオフ動作により、上記直流電源と交流端子との間で電力変換を行う電力変換装置において、
   上記正側アームを構成する半導体素子を装着した第１の冷却板と、この第１の冷却板と平行に装着面が同じ方向で重なるように配置され上記負側アームを構成する半導体素子を装着した第２の冷却板と、上記正側アームを構成する半導体素子と上記直流電源との間、上記負側アームを構成する半導体素子と上記直流電源との間、および上記正側アームを構成する半導体素子と上記負側アームを構成する半導体素子との間を接続する、導電性のブスバーを絶縁物で挟んで重ねた積層ブスバーとを備え、
   上記正側アームは、上記半導体素子として、上記第１の冷却板に装着された、上記直流電源の正極端子とＵ相交流端子との間に接続されるＵ相正側スイッチング素子と、上記直流電源の正極端子とＶ相交流端子との間に接続されるＶ相正側スイッチング素子と、上記直流電源の正極端子とＷ相交流端子との間に接続されるＷ相正側スイッチング素子とを備え、
   上記負側アームは、上記半導体素子として、上記第２の冷却板に装着された、上記直流電源の負極端子と上記Ｕ相交流端子との間に接続されるＵ相負側スイッチング素子と、上記直流電源の負極端子と上記Ｖ相交流端子との間に接続されるＶ相負側スイッチング素子と、上記直流電源の負極端子と上記Ｗ相交流端子との間に接続されるＷ相負側スイッチング素子とを備え、
   上記スイッチング素子のオンオフ動作により、３相の上記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相交流端子に、上記直流電源の正極端子および負極端子の２レベルの電位を出力し、
   上記直流電源への接続を、上記第１および第２の冷却板の上記各半導体素子が配列される方向の一端側から導出し、
   上記第１の冷却板の、上記直流電源から最も遠い位置に配置される正側スイッチング素子の相種別と同一の相種別の負側スイッチング素子を、上記第２の冷却板の、上記直流電源から最も近い位置に配置し、
   上記第１の冷却板の、上記直流電源から最も近い位置に配置される正側スイッチング素子の相種別と同一の相種別の負側スイッチング素子を、上記第２の冷却板の、上記直流電源から最も遠い位置に配置したことを特徴とする電力変換装置。
3. 正側アームを構成する半導体素子として、直流電源の正極端子とＵ相交流端子との間に接続されるＵ相正側スイッチング素子と、上記直流電源の正極端子とＶ相交流端子との間に接続されるＶ相正側スイッチング素子と、上記直流電源の正極端子とＷ相交流端子との間に接続されるＷ相正側スイッチング素子とを備え、
   負側アームを構成する半導体素子として、上記直流電源の負極端子と上記Ｕ相交流端子との間に接続されるＵ相負側スイッチング素子と、上記直流電源の負極端子と上記Ｖ相交流端子との間に接続されるＶ相負側スイッチング素子と、上記直流電源の負極端子と上記Ｗ相交流端子との間に接続されるＷ相負側スイッチング素子とを備え、
   上記スイッチング素子のオンオフ動作により、３相の上記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相交流端子に、上記直流電源の正極端子および負極端子の２レベルの電位を出力する電力変換装置において、
   上記Ｕ、Ｖ、Ｗ３相の内のいずれか１相の正側および負側スイッチング素子と他の２相のいずれか一方の相の正側または負側スイッチング素子とを装着した第１の冷却板と、この第１の冷却板と平行に装着面が同じ方向で重なるように配置され、上記他の２相のいずれか一方の相の上記第１の冷却板に装着されていない負側または正側スイッチング素子と上記他の２相のいずれか他方の相の正側および負側スイッチング素子とを装着した第２の冷却板と、上記正側アームを構成するスイッチング素子と上記直流電源との間、上記負側アームを構成するスイッチング素子と上記直流電源との間、および上記正側アームを構成する半導体素子と上記負側アームを構成する半導体素子との間を接続する、導電性のブスバーを絶縁物で挟んで重ねた積層ブスバーとを備え、
   上記直流電源への接続を、上記第１および第２の冷却板の上記各半導体素子が配列される方向の一端側から導出し、
   上記他の２相のいずれか一方の相の正側および負側スイッチング素子を上記直流電源から最も近い位置に配置したことを特徴とする電力変換装置
4. 上記第１および第２の冷却板に装着された半導体素子の正極電極と負極電極との配置を、上記第１の冷却板と第２の冷却板とで互いに逆向きとなるようにしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 上記直流電源への接続を、上記第１および第２の冷却板の上記各半導体素子が配列される方向の一端側から導出し、
   上記積層ブスバーは、上記第１の冷却板に装着された半導体素子の電位を上記冷却板の上記一端側に位置する接続部に導出する第１の積層ブスバーと、上記第２の冷却板に装着された半導体素子の電位を上記冷却板の上記一端側に位置する接続部に導出する第２の積層ブスバーと、上記第１の積層ブスバーの接続部と上記第２の積層ブスバーの接続部と上記直流電源とを接続する第３の積層ブスバーとで構成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 上記第１および第２の積層ブスバーは、上記冷却板の互いに平行する面と平行な平面形状で上記半導体素子の電位を上記接続部まで導出する部分と、平面形状の上記接続部の部分とが上記第１および第２の積層ブスバーとで互いに同一の方向に直角に曲げられたＬ字状に形成され、上記第３の積層ブスバーは、上記両接続部と平行な平面形状に形成されていることを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
7. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力変換装置であって交流−直流変換を行う第１の電力変換装置と、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力変換装置であって直流−交流変換を行う第２の電力変換装置とを、上記冷却板の全てを互いに平行で上記半導体素子の装着面が同じ方向となるように配置し、交流−直流−交流の変換を行う変換器を構成したことを特徴とする電力変換装置。
8. 上記第１の冷却板に装着された半導体素子と上記第１の積層ブスバーとを接続する第１のステップと、上記第２の冷却板に装着された半導体素子と上記第２の積層ブスバーとを接続する第２のステップと、上記第１および第２のステップ後、上記第１および第２の積層ブスバーの接続部と上記第３の積層ブスバーとを接続する第３のステップとを備えたことを特徴とする請求項６記載の電力変換装置の組み立て方法。

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