JP5220245B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流リアクトルを搭載する電力変換装置に関する。

電力変換装置に直流リアクトル（以下「ＤＣＬ」と表記）を搭載すると高調波成分を抑制する能力が増大し、製品の環境性能を向上させることができる。このため、電力変換装置にＤＣＬを搭載した製品が存在する。

ＤＣＬを搭載した電力変換装置として、例えば下記特許文献１に示されたものがある。この特許文献１では、電子回路を内蔵したインバータ装置本体と、インバータ装置本体を囲む本体ケースと、本体ケースの内部の一端に設けられた端子部とを有するインバータ装置において、本体ケースの端子部側の一端に端子保護カバーからなるリアクトル収納体を着脱自在に取り付け、リアクトル収納体内に端子部と電気的に接続された直流リアクトルを配置する構成が開示されている。また、必要に応じて、リアクトル収納体にリアクトル用冷却ファンやヒートシンクを配置することも考慮されている。

特開２００７−１８１３１６号公報

しかしながら、一般的にＤＣＬは実装面積や体積が大きくなるのと共に、ＤＣＬの巻線温度は１００℃以上となる場合がある。このため、電力変換装置にＤＣＬを搭載する場合、装置の設置面積や内部温度を増加させる要因となっていた。

また、上記特許文献１では、リアクトル収納体にリアクトル用冷却ファンやヒートシンクを配置することも考慮されているが、リアクトル実装用のスペースを別途確保する必要があり、装置の大型化が不可避であった。

また、上記特許文献１の構成では、リアクトルを収納するケースを別途製作する必要があり、装置が大型化し、コストも増大するという問題点があった。

さらに、例えばＤＣＬ非搭載の電力変換装置をＤＣＬ内蔵の電力変換装置に更新する場合、顧客からは、従来のものと同じ、もしくは同程度の設置面積にして欲しい旨の要望を受けることが多くあり、ＤＣＬ搭載の電力変換装置の実装面積をＤＣＬ非搭載の電力変換装置と同等程度に小さくすることが望まれていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ＤＣＬを搭載した場合であっても、実装面積やコストの増加を抑制することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、電力変換素子を実装する電力変換モジュール、直流リアクトルおよび、前記電力変換モジュールを冷却する冷却フィンを有する電力変換装置において、前記電力変換モジュールは、前記冷却フィンのベース部に実装され、前記直流リアクトルは、前記冷却フィンのベース部の下面に取り付けられた羽根部の下層に配置され、前記冷却フィンには空隙部が設けられ、前記電力変換モジュールと前記直流リアクトルとの間の電気的接続を得るための端子台を前記空隙部の空間を利用して配置したことを特徴とする。

この発明によれば、ＤＣＬを搭載した場合であっても、実装面積やコストの増加を抑制することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置の一構成例を示す斜視図である。 図２は、実施の形態１にかかる電力変換装置の他の構成例を示す斜視図である。 図３は、ＤＣＬ、整流モジュールおよびインバータモジュール間の電気的な接続構成を模式的に示す図である。 図４は、冷却ファンを設けた場合の冷却風の流れを模式的に示す図である。 図５は、実施の形態１の電力変換装置における主回路コンデンサの搭載位置の一例を示す図である。 図６は、実施の形態２にかかる電力変換装置の一構成例を示す斜視図である。 図７は、図６の構成における端子台の他の構成例を示す斜視図である。 図８は、図６，７の構成における端子台の構成を示す上面図および斜視図である。 図９は、図６の構成における浮遊容量の形成位置を示す部分断面図を含む正面図である。 図１０は、図６，７の構成における浮遊容量の形成位置を等価回路上に示す図である。 図１１は、実施の形態２にかかる電力変換装置の他の構成例を示す斜視図である。 図１２は、図１１の構成における端子台の構成を示す上面図および斜視図である。 図１３は、図１１の構成における浮遊容量の形成位置を等価回路上に示す図である。 図１４は、実施の形態３における浮遊容量の形成位置を示す部分断面図を含む正面図である。 図１５は、図１４の構成における浮遊容量の形成位置を等価回路上に示す図である。 図１６は、実施の形態３における浮遊容量の他の形成位置を等価回路上に示す図である。 図１７は、浮遊容量の更なる増加を可能とする実施の形態４にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。 図１８は、ＳｉＣ素子を用いた実施の形態５にかかる電力変換装置の一構成例を示す斜視図である。 図１９は、図１８の構成における端子台の他の構成例を示す斜視図である。 図２０は、図１９の構成における電力変換装置の部分断面図を含む正面図である。 図２１は、実施の形態６にかかる電力変換装置の一構成例を示す部分断面図を含む正面図である。 図２２は、浮遊容量の更なる増加を可能とする実施の形態７にかかる電力変換装置一構成例を示す図である。 図２３は、実施の形態８にかかる電力変換装置の一構成例を示す部分断面図を含む正面図である。 図２４は、図２３の構成における端子台の一構成例を示すＡ−Ａ’線断面図である。 図２５は、実施の形態８にかかる端子台の他の構成例を示す断面図である。 図２６は、浮遊容量の更なる増加を可能とする実施の形態９にかかる端子台の一構成例を示す断面図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
実施の形態１にかかる電力変換装置の構成について、図１〜図５の図面を参照して説明する。図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置の一構成例を示す斜視図であり、図２は、実施の形態１にかかる電力変換装置の他の構成例を示す斜視図であり、図３は、ＤＣＬ、整流モジュールおよびインバータモジュール間の電気的な接続構成を模式的に示す図であり、図４は、冷却ファンを設けた場合の冷却風の流れを模式的に示す図であり、図５は、実施の形態１の電力変換装置における主回路コンデンサの搭載位置の一例を示す図である。

実施の形態１にかかる電力変換装置は、電力変換機能を具現する主たる回路部として、ＤＣＬ２、整流モジュール５Ａ、インバータモジュール５Ｂおよび主回路コンデンサ１１（図３，５参照）を備え、これらの回路部間を図３に示す電気的接続とするための部材として端子台４が設けられる。また、これらの回路部を保持し、あるいは、整流モジュール５Ａおよびインバータモジュール５Ｂの温度上昇を抑制するための部材として、冷却フィン３Ａ、冷却フィン３Ｂ、底板８およびＤＣＬ固定部材９を備えて構成される。なお、整流モジュール５Ａは、電力変換機能を有するコンバータモジュールであっても構わない。

冷却フィン３Ａは、底面となるベース部３１および、ベース部３１の下面に所定間隔を空けて一体的に併設された一群の金属板からなる羽根部３２を有して成る。ベース部３１の上面には、図示しない交流電源からの電力を整流する整流モジュール５Ａおよび、整流モジュール５Ａの出力（直流電力）を所望の交流電力に変換するインバータモジュール５Ｂが実装される。ベース部３１の下面には羽根部３２が設けられ、この羽根部３２の下層には、薄く平たく形成したＤＣＬ２が配置される。ＤＣＬ２は、ＤＣＬコア２１および、ＤＣＬコア２１に巻回された巻線部２２を有して成り、整流モジュール５Ａとインバータモジュール５Ｂとの間に直列に接続される。これらの構成により、実施の形態１にかかる電力変換装置は、上面（上層）から下面（下層）に向かって、第１階層には電力変換モジュール（整流モジュール５Ａおよびインバータモジュール５Ｂ）、第２階層には冷却フィン（ベース部、羽根部）、第３階層にはＤＣＬという順の階層構成にて配置される。

ＤＣＬ１の左右端における冷却フィン３Ａの下部（底板８の上部）には、冷却フィン３Ａと同様な羽根部を有する冷却フィン３Ｂが設けられている。この冷却フィン３Ｂは、冷却フィン３Ａと一体的に形成することも可能である。

冷却フィン３Ａのほぼ中央には、空隙部１０が設けられている。この空隙部１０には、ＤＣＬ２を各モジュール間に直列に接続するための端子台４が設けられる。なお、端子台４の代わりに平角銅線などの電気伝導性のある材料を冷却フィン３Ａの空隙部に挿入できるように形成し、各モジュールとＤＣＬ２とを接続してもよい。

ＤＣＬ固定部材９は、電力変換装置の最下層に設けた底板８上に設けられ、ＤＣＬ２の上部および少なくとも一部の周辺部を覆うようにして、ＤＣＬ２を固定する。ＤＣＬ固定部材９は、ＤＣＬコア２１内を通過する磁束が流れ込まないように非磁性材料で製作される。ＤＣＬ固定部材９によるＤＣＬ２の固定は、ＤＣＬ２を固定できればどのような手法を用いてもよい。例えば、巻線部２２とＤＣＬ固定部材９との間の空間に熱伝導性に優れた樹脂等を注入し、ＤＣＬ固定部材９と冷却フィンとを接触させることで固定することが考えられる。なお、接触させる冷却フィンは、ＤＣＬ２の上面に配置した冷却フィン３Ａでもよいし、ＤＣＬ２の左右に配置した冷却フィン３Ｂでもよい。

また、整流モジュール５Ａおよびインバータモジュール５Ｂは、それぞれを別々のケースに収納してもよいし、同一のケースに収納してもよい。例えば容量の大きな機種の場合、別々のケースに収納することが多く、例えば図１に示すような構成となる。一方、容量の小さな機種の場合、同一のケースに収納することができ、例えば図２に示すような構成となる。

実施の形態１の電力変換装置によれば、整流モジュール５Ａ、インバータモジュール５Ｂ、冷却フィン３Ａ（冷却フィン３Ｂ）およびＤＣＬ２を上面から下面に向かって垂直方向に階層的に配置したので、実装面積を増大することなくＤＣＬ２を搭載することができる。なお、ＤＣＬ２は、薄く平たく形成できるため高さ方向の寸法増加も極力小さくすることができる。

また、実施の形態１の電力変換装置では、整流モジュール５Ａおよびインバータモジュール５ＢとＤＣＬ２との間に冷却フィン３Ａ（冷却フィン３Ｂ）を配置しているので、例えば図４に示すように、水平方向から冷却ファン１２の風を当てることにより、電力変換モジュール５（整流モジュール５Ａおよびインバータモジュール５Ｂ）の下流側にある主回路コンデンサ１１ならびに、主回路コンデンサ１１よりも下層側に配置されているＤＣＬ２の両者の温度上を低下させることが可能となる。特に、ＤＣＬ２とモジュールと電力変換モジュール５とはＤＣＬ固定部材９によって隔離されているので、双方の温度が影響し合わないという利点がある。

また、実施の形態１の電力変換装置では、ＤＣＬ２を電力変換装置に内蔵することにより、主回路電流のリップル成分を小さくすることができ、リップル耐量の小さい小型の主回路コンデンサを使用できる。このため、主回路コンデンサ１１の実装スペースを小さくすることができ、例えば図５に示すように、ＤＣＬ２の上面部のスペースに配置することが可能となる。なお、図５では、主回路コンデンサ１１をインバータモジュール５Ｂ側に配置しているが、整流モジュール５Ａ側に配置することも無論可能である。

以上説明したように、実施の形態１の電力変換装置によれば、電力変換素子を実装する電力変換モジュールを冷却フィンのベース部に実装し、ＤＣＬを冷却フィンのベース部の下面に取り付けた羽根部の下層に配置し、電力変換モジュールとＤＣＬとの間の電気的接続を得るための端子台を冷却フィンに設けた空隙部の空間を利用して配置したので、電力変換装置にＤＣＬを搭載した場合であっても、実装面積やコストの増加を抑制することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、整流モジュールとインバータモジュールとを共通の冷却フィンのベース部に実装する実施形態について説明したが、実施の形態２は、整流モジュールとインバータモジュールとを個別の冷却フィンのベース部に実装する実施の形態であり、当該実施の形態について、図６〜図１３の図面を参照して説明する。図６は、実施の形態２にかかる電力変換装置の一構成例を示す斜視図であり、図７は、図６の構成における端子台の他の構成例を示す斜視図であり、図８は、図６，７の構成における端子台の構成を示す上面図（同図（ａ））および斜視図（同図（ｂ））であり、図９は、図６の構成における浮遊容量の形成位置を示す部分断面図を含む正面図であり、図１０は、図６，７の構成における浮遊容量の形成位置を等価回路上に示す図であり、図１１は、実施の形態２にかかる電力変換装置の他の構成例を示す斜視図であり、図１２は、図１１の構成における端子台の構成を示す上面図（同図（ａ））および斜視図（同図（ｂ））であり、図１３は、図１１の構成における浮遊容量の形成位置を等価回路上に示す図である。

実施の形態２にかかる電力変換装置では、図６に示すように、図１の冷却フィン３Ａに対応するものとして、個別の冷却フィン３Ｃ（第１の冷却フィン）および冷却フィン３Ｄ（第２の冷却フィン）が設けられる。整流モジュール５Ａは、冷却フィン３Ｃ側に実装され、インバータモジュール５Ｂは、冷却フィン３Ｄ側に実装される。これら冷却フィン３Ｃ，３Ｄ間には必然的に空間が形成され、この空間に端子台４が配置される。なお、端子台４は、図６に示すように、ＤＣＬ固定部材９の上部に設置してもよいし、図７に示すように、ＤＣＬ固定部材９に空隙を設け、ＤＣＬコア２１の上部に設置してもよい。また、ＤＣＬ２は、実施の形態１と同様な理由により、冷却フィン３Ｃおよび冷却フィン３Ｄの下層に配置する。

図８に示すように、端子台４の内部には、電力変換モジュールの高圧側端子に接続されるＰ側入力導体（第１の正側接続導体）４１とＰ側出力導体（第２の正側接続導体）４２とが収納される。Ｐ側入力導体４１は、整流モジュール５ＡのＰ側端子５１とＤＣＬ２との間の電気的接続を得るための接続導体であり、図６に示すように、端子台４の上部側に設けられる端子６１と端子台４の側部側に設けられる端子６３を介してＰ側端子５１とＤＣＬ２とが電気的に接続される。同様に、Ｐ側出力導体４２はインバータモジュール５ＢのＰ側端子５２とＤＣＬ２との間の電気的接続を得るための接続導体であり、端子台４の上部側に設けられる端子６２と端子台４の側部側に設けられる端子６４を介してＰ側端子５２とＤＣＬ２とが電気的に接続される。

Ｐ側入力導体４１およびＰ側出力導体４２は、図９に示すように、冷却フィン３Ｃ，３Ｄの隣接する側面部３４と同等の表面積で相対するような形状とすることが好ましい。なお、Ｐ側入力導体４１およびＰ側出力導体４２の断面積は、流れる電流容量によって設計すればよい。これらの構成により、Ｐ側入力導体４１およびＰ側出力導体４２と各側面部３４との間で浮遊容量１４が形成され、冷却フィン３Ｃ，３Ｄを電力変換装置のＧＮＤ端子（ＦＧ）に接続すれば、図１０に示す等価回路が構成される。

また、図６，７の構成は、整流モジュール５Ａおよびインバータモジュール５ＢのＰ側端子にのみＤＣＬ２を接続する形態であったが、図１１の構成図に示すように、整流モジュール５Ａおよびインバータモジュール５ＢのＰ側端子およびＮ側端子の双方にＤＣＬ２を接続する構成としてもよい。この構成の場合、例えば図１２に示す端子台４が用いられる。

図１２において、端子台４の内部には、Ｐ側入力導体４１およびＰ側出力導体４２に加え、電力変換モジュールの低圧側端子に接続されるＮ側（負側）入力導体４３およびＮ側（負側）出力導体４４が収納される。Ｎ側入力導体４３は、整流モジュール５ＡのＮ側端子５３と、ＤＣＬのうちの一方側（Ｎ側）のＤＣＬ（ＤＣＬ２Ｂ）との間の電気的接続を得るための接続導体であり、図１１に示すように、端子台４の上部側に設けられる端子６５と端子台４の側部側に設けられる端子６７を介してＮ側端子５３とＤＣＬ２Ｂの一端とを電気的に接続する。同様に、Ｎ側出力導体４４はインバータモジュール５ＢのＮ側端子５４と、ＤＣＬ２Ｂとの間の電気的接続を得るための接続導体であり、端子台４の上部側に設けられる端子６６と端子台４の側部側に設けられる端子６８を介してＮ側端子５４とＤＣＬ２Ｂの他端とを電気的に接続する。なお、Ｐ側端子５１，５２と、ＤＣＬのうちの他方側（Ｐ側）のＤＣＬ（ＤＣＬ２Ａ）との間の電気的接続も図示しない背面側にて正面側と同様な接続がとられる。これらの構成により、Ｐ側入力導体４１、Ｐ側出力導体４２、Ｎ側入力導体４３およびＮ側出力導体４４と隣接する冷却フィン３Ｃまたは冷却フィン３Ｄの側面部との間で浮遊容量１４が形成され、冷却フィン３Ｃ，３Ｄを電力変換装置のＧＮＤ端子（ＦＧ）に接続すれば、図１３に示す等価回路が構成される。

上述したように、実施の形態２の電力変換装置によれば、ＤＣＬを電力変換装置に内蔵することにより、高調波の低減と共に、ＤＣＬと浮遊容量とで形成されるノイズフィルタにより高周波ノイズの低減も可能となる。さらに、整流出力のＰ側，Ｎ側の双方において、ＤＣＬと浮遊容量とで形成されるノイズフィルタにより、高調波および高周波ノイズの低減効果を増大することができる。

なお、図１２において、Ｐ側入力導体４１とＮ側入力導体４３とが近接する箇所および、Ｐ側出力導体４２とＮ側出力導体４４とが近接する箇所の双方に誘電体を挿入してもよい。このように構成すれば、それぞれの導体間に上記の浮遊容量とは異なる浮遊容量を形成することができ、当該浮遊容量をスナバコンデンサとして利用することが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態２では、端子台内部の導体と整流モジュールおよびインバータモジュールの各冷却フィンとの間で浮遊容量を形成する実施形態について説明したが、実施の形態３は、整流モジュールの冷却フィンとの間の浮遊容量よりもインバータモジュールの冷却フィンとの間の浮遊容量の方を大きくする実施の形態であり、当該実施の形態について、図１４〜図１６の図面を参照して説明する。図１４は、実施の形態３における浮遊容量の形成位置を示す部分断面図を含む正面図であり、図１５は、図１４の構成における浮遊容量の形成位置を等価回路上に示す図であり、図１６は、浮遊容量の他の形成位置を等価回路上に示す図である。

実施の形態２の電力変換装置では、図９に示すように、端子台４を冷却フィン３Ｃ，３Ｄから概略等距離の位置に配置したが、実施の形態３では、図１４に示すように、端子台４を冷却フィン３Ｃ側との距離よりも冷却フィン３Ｄ側との距離の方が小さくなるように配置している。この構成により、Ｐ側出力導体４２と冷却フィン３Ｄの側面部との間で形成される浮遊容量１４が大きくなり、図１５に示すような等価回路が形成される。なお、Ｐ側入力導体４１と冷却フィン３Ｃの側面部との間でも浮遊容量が形成されるが、その容量値はＰ側出力導体４２と冷却フィン３Ｄの側面部との間で形成される浮遊容量１４よりも小さく、回路的には無視できるため、図１５の等価回路上では省略している。

実施の形態２において、ＤＣＬと浮遊容量とで形成されるノイズフィルタにより高調波および高周波ノイズが低減されると説明したが、ＤＣＬの入力側（整流モジュール側）に容量値が存在する場合、フィルタ特性が悪くなる場合がある。例えば、インバータモジュール側から整流モジュール側の高調波または高周波ノイズが伝達されようとするとき、これらのノイズ成分はＤＣＬのインダクタンス成分で阻止されると共に、ＤＣＬの出力側（インバータモジュール側）の浮遊容量でＦＧに流出する。一方、ＤＣＬの入力側（整流モジュール側）に浮遊容量が形成される場合、その容量値と阻止したい周波数成分により、出力側から入力側を見たインピーダンスが小さくなり、フィルタ特性が悪化する場合もある。このような場合を想定し、実施の形態３では、ＤＣＬの入力側の浮遊容量よりもＤＣＬの出力側の浮遊容量の方が大きくなる（すなわち、ＤＣＬの出力側の浮遊容量が支配的になる）ように端子台４の配置を工夫したものである。

このように実施の形態３では、ＤＣＬの出力側の浮遊容量が支配的になるように構成したので、特定の周波数成分においてフィルタ特性が悪化するような状況を回避することができ、高調波および高周波ノイズの帯域全般に渡り、良好なフィルタ特性を構築することが可能となる。

なお、図１５では、Ｐ側出力導体４２と冷却フィン３Ｄの側面部との間で浮遊容量１４が形成される構成を示したが、整流出力のＰ側，Ｎ側の双方において、浮遊容量を形成してもよい。この場合、図１６の等価回路に示すように、Ｎ側出力導体４４と冷却フィン３Ｄとの間にも浮遊容量が形成される。

実施の形態４．
実施の形態３では、整流モジュールの冷却フィンとの間の浮遊容量よりもインバータモジュールの冷却フィンとの間の浮遊容量の方が大きい実施形態について説明したが、実施の形態４は、当該浮遊容量を増大させる実施の形態であり、当該実施の形態について、図１７の図面を参照して説明する。図１７は、実施の形態３にて形成した浮遊容量をさらに増加させる一例を示す図である。

実施の形態４の電力変換装置では、整流モジュール５Ａとインバータモジュール５Ｂとの間のＰ側端子にのみＤＣＬ２を接続する図１４の構成において、インバータモジュール５Ｂが実装される冷却フィン３Ｄと端子台４のＰ側出力導体４２との間に誘電体１６を挿入する。この誘電体１６は、端子台４と一体に形成してもよいし、冷却フィン３Ｄと一体に形成してもよい。なお、整流モジュール５Ａとインバータモジュール５Ｂとの間のＮ側端子にもＤＣＬを接続する場合には、冷却フィン３ＤとＰ側出力導体４２との間のみならず、冷却フィン３ＤとＮ側出力導体４４との間にも誘電体を挿入すればよい。

実施の形態４の電力変換装置によれば、更なる浮遊容量の増加によりＬＣフィルタによるフィルタ効果を高めることができ、高周波電流の系統電源側への流出を阻止する効果を増大させることができる。

実施の形態５．
実施の形態１〜４の電力変換装置で用いられる素子としては、Ｓｉ（珪素）を素材とする半導体トランジスタ素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなど）および、同じくＳｉを素材とする半導体ダイオード素子とを用いる構成が一般的である。

一方、上記実施の形態１〜４の電力変換装置は、Ｓｉを素材として形成されたスイッチング素子に限定されるものではない。このＳｉに代え、近年注目されているＳｉＣ（炭化珪素）を素材とする半導体トランジスタ素子および半導体ダイオード素子を用いることも無論可能である。そこで、実施の形態５では、ＳｉＣ素子を用いて構成した電力変換装置について、図１８〜図２０の図面を参照して説明する。図１８は、ＳｉＣ素子を用いた実施の形態５にかかる電力変換装置の一構成例を示す斜視図であり、図１９は、図１８の構成における端子台の他の構成例を示す斜視図であり、図２０は、図１９の構成における電力変換装置の部分断面図を含む正面図である。

ＳｉＣ素子は、従来のＳｉ素子に比べ高温動作が可能であるため、電力変換モジュール用の冷却フィンを不要とすることができると共に、高温となる直流リアクトルの近傍にＳｉＣ素子で構成された電力変換モジュールを実装することができる。このような特徴により、実施の形態５にかかる電力変換装置では、ＤＣＬ固定部材９の上面に整流モジュール５Ａおよびインバータモジュール５Ｂを実装するようにしている。なお、整流モジュール５Ａおよびインバータモジュール５Ｂの下部（下層）にＤＣＬ２を配置する点は、実施の形態１〜４と同様である。これらの構成により、実施の形態５の電力変換装置は、実施の形態１〜４の電力変換装置に比べて高さ方向の寸法を小さくすること（低背化）が可能となる。

なお、端子台４は、図１８に示すように、整流モジュール５Ａとインバータモジュール５Ｂとの間のＤＣＬ固定部材９の上部に設置してもよいし、図１９，２０に示すように、ＤＣＬ固定部材９に空隙を設け、この空隙を貫くようにＤＣＬコア２１の上部に設置してもよい。

以上説明したように、実施の形態５の電力変換装置によれば、整流モジュールおよびインバータモジュールに実装される素子として、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されるので、冷却フィンを不要とすることができ、電力変換装置の更なる小型化（特に低背化）が可能となる。

また、実施の形態５の電力変換装置によれば、整流モジュールおよびインバータモジュールは、直流リアクトルの上部および少なくとも一部の周辺部を覆うようにして直流リアクトルを固定する固定部材の上部に実装され、整流モジュールと直流リアクトルとの間の電気的接続およびインバータモジュールと直流リアクトルとの間の電気的接続を得るための端子台を固定部材の上部と、整流モジュールと、インバータモジュールとが作る空間を利用して配置したので、電力変換装置にＤＣＬを搭載した場合であっても、実装面積やコストの増加を抑制することができる。

なお、ＳｉＣは、Ｓｉよりもバンドギャップが大きいという特性を捉えて、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例である。このＳｉＣ以外にも、例えば窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属しており、それらの特性もＳｉＣに類似した点が多い。したがって、ＳｉＣ以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いる構成も、本実施の形態の要旨を成すものである。

また、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたトランジスタ素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、トランジスタ素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたトランジスタ素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ電力変換モジュールの小型化が可能となる。

さらに、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたトランジスタ素子やダイオード素子は、電力損失が低いため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いては電力変換モジュールの高効率化が可能になる。

実施の形態６．
実施の形態２〜４の電力変換装置では、冷却フィンにおける高さ方向の厚みを利用して形成される浮遊容量とＤＣＬとで構成されるＬＣフィルタ（ノイズフィルタ）により、高調波および高周波ノイズの低減効果を増大する実施の形態について説明した。一方、実施の形態５の電力変換装置は、電力変換モジュールの素子としてＳｉＣ素子を用いることにより、電力変換モジュール用の冷却フィンを省略できる構成であるため、冷却フィンにおける高さ方向の厚みが充分ではなく、浮遊容量を形成し難い構造になっている。そこで、実施の形態６の電力変換装置では、端子台におけるＰ側出力導体の形状を所要の浮遊容量が形成されるような形状に変更している。

図２１は、実施の形態６にかかる電力変換装置の一構成例を示す部分断面図を含む正面図である。実施の形態６では、図２０に示す実施の形態５の電力変換装置において、ＤＣＬ固定部材９の高さ方向の寸法を延伸し、ＤＣＬ固定部材９の下面（詳細にはＤＣＬ固定部材９とＤＣＬ２の巻線部２２とで作る空間）にて、ＤＣＬ固定部材９の電力変換モジュール実装面（水平面）に並行に走るＰ側出力導体４２を設けている。すなわち、実施の形態６のＰ側出力導体４２は、端子台４の下端から出てＤＣＬ固定部材９を貫通する垂直導体と、インバータモジュール５Ｂ側にあるＤＣＬ固定部材９の電力変換モジュール実装面に並行して配置される水平導体とを含んで構成される。なお、ＤＣＬ固定部材９は、非磁性の導体であり、底板８と共にＦＧに接続される。

上記の構成により、Ｐ側出力導体４２の水平導体とインバータモジュール５Ｂ側にあるＤＣＬ固定部材９の水平面との間で図２１に示すような浮遊容量が形成される。

以上説明したように、実施の形態６の電力変換装置によれば、ＤＣＬ固定部材の下面にて、インバータモジュール側にあるＤＣＬ固定部材の素子実装面に並行して配置されるＰ側出力導体とＤＣＬ固定部材の素子実装面とを相対させて浮遊容量を形成したので、この浮遊容量とＤＣＬのインダクタンス成分とで構成されるＬＣフィルタを得ることができ、高周波電流の系統電源側への流出を阻止する効果を高めることが可能となる。

なお、Ｐ側出力導体４２は直流高圧端子であり、ＤＣＬ固定部材９との間の距離が近接し、これらの各部間の絶縁距離が問題となる場合には、例えば所要の絶縁性能を有する絶縁紙１７を挟み込むようにすればよい。

実施の形態７．
実施の形態６では、Ｐ側出力導体の水平導体とインバータモジュール側にあるＤＣＬ固定部材の水平面との間で浮遊容量を形成する実施形態について説明したが、実施の形態７は、当該浮遊容量を増大させる実施の形態であり、当該実施の形態について、図２２の図面を参照して説明する。図２２は、実施の形態６にて形成した浮遊容量をさらに増加させる一例を示す図である。

実施の形態７にかかる電力変換装置では、図２２に示すように、ＤＣＬ固定部材９の水平面上に突設部（第１の突設部）９１を設けるようにしている。この突設部９１は、端子台４のＰ側出力導体４２と面対称になるような平板上に形成され、端子台４とインバータモジュール５Ｂとの間から垂直方向に延びるようにＤＣＬ固定部材９の水平面上に配置される。この構成により、突設部９１とＰ側出力導体４２との間で浮遊容量が形成され、実施の形態６で形成した浮遊容量に加算される。なお、図２２では、インバータモジュール５Ｂの側面部脇から突設部９１が延びるように図示しているが、この位置に限定されるものではなく、Ｐ側出力導体４２と相対して浮遊容量を形成できる位置であれば何れの位置であっても構わない。

このように実施の形態７の電力変換装置では、ＤＣＬ固定部材９の水平面上に突設部を設け、この突設部をＰ側出力導体４２と面対称になるように配置したので、ＤＣＬとインバータモジュールとの間に形成される浮遊容量を増加することができ、ＬＣフィルタによるフィルタ効果を高めて、高周波電流の系統電源側への流出を阻止する効果を増大させることができる。

実施の形態８．
実施の形態７では、Ｐ側出力導体側の浮遊容量を増大させる実施形態について説明したが、実施の形態８は、Ｐ側出力導体側の浮遊容量をさらに増大させる実施の形態であり、当該実施の形態にかかる端子台の構成について、図２３〜図２５の図面を参照して説明する。図２３は、実施の形態８にかかる電力変換装置の一構成例を示す部分断面図を含む正面図であり、図２４は、図２３の構成における端子台の構成を示すＡ−Ａ’線断面図であり、図２５は、実施の形態８にかかる端子台の他の構成例を示す断面図である。

実施の形態８にかかる端子台４の内部には、Ｐ側入力導体４１と、Ｐ側入力導体４１を取り囲むように矩形環状に配置されたＰ側出力導体４２とが収納される。このとき、Ｐ側入力導体４１およびＰ側出力導体４２は、所要の絶縁距離が確保できる程度に隔離して配置すればよい。また、実施の形態８では、整流モジュール５Ａの側面部脇において、矩形環状に形成されたＰ側出力導体４２と面対称になる突設部（第２の突設部）９２をさらに設けている。これらの構成により、Ｐ側出力導体４２と突設部９１，９２との間で浮遊容量が形成される。

ここで、このときに形成される浮遊容量はＤＣＬ２の出力側（インバータモジュール５Ｂ側）に形成される浮遊容量である（図１５の等価回路を参照）。すなわち、実施の形態８では、Ｐ側出力導体４２を矩形環状に形成したので、整流モジュール５Ａ側に配置した突設部９２との間の浮遊容量は、ＤＣＬ２の出力側に形成される浮遊容量である。このため、実施の形態８の電力変換装置によれば、回路的にはＤＣＬ２の出力側に加わる浮遊容量をＤＣＬ２の入力側のスペースを利用して形成したことになり、電力変換装置の空きスペースを効果的に利用して浮遊容量を形成する実施の形態であると言える。

なお、図１６の等価回路に示すようにＰ側端子とＮ側端子の双方にＤＣＬ２を接続する場合には、端子台４の内部の導体配置として、例えば図２５に示すように収納すればよい。また、図２５において、Ｐ側出力導体４２とＮ側出力導体４４との間の絶縁距離を確保しつつ、近接する箇所の双方に誘電体を挿入してもよい。このように構成すれば、それぞれの導体間に上記の浮遊容量とは異なる浮遊容量を形成することができ、当該浮遊容量をスナバコンデンサとして利用することが可能となる。

実施の形態９．
実施の形態９は、実施の形態８において形成した浮遊容量をさらに増大させる実施の形態であり、図２６の図面を参照して説明する。図２６は、浮遊容量の更なる増加を可能とする端子台の一構成例を示す断面図である。

実施の形態９の電力変換装置では、Ｐ側入力導体４１の周囲にＰ側出力導体４２を矩形環状に形成した図２４の構成において、Ｐ側出力導体４２とＤＣＬ固定部材９の突設部９１，９２との間に誘電体１８を挿入する。なお、図２６では、誘電体１８を、端子台４の内部に収容する構成を例示しているが、端子台４の外部にて突設部９１，９２に接するように配置してもよいし、Ｐ側出力導体４２および突設部９１，９２の双方に接するように配置してもよい。

実施の形態９の電力変換装置によれば、更なる浮遊容量の増加によりＬＣフィルタによるフィルタ効果を高めることができ、高周波電流の系統電源側への流出を阻止する効果を増大させることができる。

なお、以上の実施の形態１〜９に示した構成は、本発明の構成の一例であり、実施の形態１〜９における幾つかの実施の形態を組み合わせたり、別の公知の技術と組み合わせたりすることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本実施の形態にかかる電力変換装置は、ＤＣＬを搭載した場合であっても、実装面積やコストの増加を抑制することができる発明として有用である。

２ ＤＣＬ（直流リアクトル）
３Ａ，３Ｂ 冷却フィン
３Ｃ 冷却フィン（第１の冷却フィン）
３Ｄ 冷却フィン（第２の冷却フィン）
４ 端子台
５ 電力変換モジュール
５Ａ 整流モジュール
５Ｂ インバータモジュール
８ 底板
９ ＤＣＬ固定部材
１０ 空隙部
１１ 主回路コンデンサ
１２ 冷却ファン
１４ 浮遊容量
１６，１８ 誘電体
１７ 絶縁紙
２１ ＤＣＬコア
２２ 巻線部
３１ ベース部
３２ 羽根部
３４ 側面部
４１ Ｐ側入力導体（第１の正側接続導体）
４２ Ｐ側出力導体（第２の正側接続導体）
４３ Ｎ側入力導体（第１の負側接続導体）
４４ Ｎ側出力導体（第２の負側接続導体）
５１，５２ Ｐ側端子
５３，５４ Ｎ側端子
６１〜６８ 端子
９１ 突設部（第１の突設部）
９２ 突設部（第２の突設部）

Claims (20)

1. 電力変換素子を実装する電力変換モジュール、直流リアクトルおよび、前記電力変換モジュールを冷却する冷却フィンを有する電力変換装置において、
   前記電力変換モジュールは、前記冷却フィンのベース部に実装され、
   前記直流リアクトルは、前記冷却フィンのベース部の下面に取り付けられた羽根部の下層に配置され、
   前記冷却フィンには空隙部が設けられ、前記電力変換モジュールと前記直流リアクトルとの間の電気的接続を得るための端子台を前記空隙部の空間を利用して配置したことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記端子台の内部には、前記直流リアクトルとの電気的接続を得るための接続導体が形成され、当該接続導体と前記空隙部にて隣接する前記冷却フィンの側面とを相対させて浮遊容量を形成することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記接続導体と前記冷却フィンの側面との間に誘電体を挿入したことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記接続導体は、前記電力変換モジュールの高圧側端子に接続される正側接続導体と、前記電力変換モジュールの低圧側端子に接続される負側接続導体とを有して成り、
   前記正側接続導体と前記負側接続導体との間に誘電体を挿入したことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記直流リアクトルの上部および少なくとも一部の周辺部を覆うようにして当該直流リアクトルを固定する固定部材が設けられ、当該固定部材の上部に前記端子台が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
6. 前記電力変換モジュールは、整流モジュールおよびインバータモジュールを有して構成され、これら整流モジュールおよびインバータモジュールは、それぞれが個別の冷却フィンのベース部に搭載され、
   前記直流リアクトルの上部および少なくとも一部の周辺部を覆うようにして、当該直流リアクトルを固定する固定部材が設けられ、
   前記空隙部は、前記固定部材の上部と、前記整流モジュール用の冷却フィンと、前記インバータモジュール用の冷却フィンとが作る空間にて形成され、
   前記固定部材の上部に前記端子台が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
7. 前記端子台の内部には、前記直流リアクトルとの電気的接続を得るための接続導体が形成され、
   前記接続導体のうち、前記インバータモジュールと前記直流リアクトルとの間の電気的接続を得る接続導体と、前記インバータモジュール用の冷却フィンの側面とを相対させて浮遊容量を形成することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記接続導体と前記インバータモジュール用の冷却フィンの側面との間に誘電体を挿入したことを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記直流リアクトルは、前記整流モジュールと前記インバータモジュールの各高圧側端子間および各低圧側端子間の双方に接続されることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
10. 前記端子台の内部には、前記直流リアクトルとの電気的接続を得るための接続導体が形成され、
    前記接続導体のうち、前記整流モジュールと前記直流リアクトルとの間の電気的接続を得る接続導体と、前記整流モジュール用の冷却フィンの側面とを相対させて浮遊容量を形成すると共に、前記インバータモジュールと前記直流リアクトルとの間の電気的接続を得る接続導体と、前記インバータモジュール用の冷却フィンの側面とを相対させて浮遊容量を形成することを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
11. 前記接続導体は、前記整流モジュールの高圧側端子に接続される第１の正側接続導体と、前記整流モジュールの低圧側端子に接続される第１の負側接続導体と、前記インバータモジュールの高圧側端子に接続される第２の正側接続導体と、前記インバータモジュールの低圧側端子に接続される第２の負側接続導体とを有して成り、
    前記第１の正側接続導体と前記第１の負側接続導体との間および、前記第２の正側接続導体と前記第２の負側接続導体との間のそれぞれに誘電体を挿入したことを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 電力変換素子を実装する整流モジュール、インバータモジュールおよび直流リアクトルを有する電力変換装置において、
    前記直流リアクトルの上部および少なくとも一部の周辺部を覆うようにして当該直流リアクトルを固定する固定部材が設けられ、
    前記整流モジュールおよび前記インバータモジュールは、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されて前記固定部材の上部に実装され、
    前記整流モジュールと前記直流リアクトルとの間の電気的接続および、前記インバータモジュールと前記直流リアクトルとの間の電気的接続を得るための端子台が設けられ、
    前記端子台は、前記固定部材の上部と、前記整流モジュールと、前記インバータモジュールとが作る空間を利用して配置されていることを特徴とする電力変換装置。
13. 前記端子台の内部には、前記直流リアクトルとの電気的接続を得るための接続導体が形成され、
    前記接続導体は、前記整流モジュールの高圧側端子に接続される第１の正側接続導体と、前記インバータモジュールの高圧側端子に接続される第２の正側接続導体とを有して成り、
    前記第２の正側接続導体は、前記端子台の下端から出て前記固定部材を貫通する垂直導体と、前記固定部材の下面にて、前記インバータモジュール側にある前記固定部材の素子実装面に並行して配置される水平導体とを含んで構成され、
    前記水平導体は、前記固定部材の素子実装面と相対して浮遊容量を形成することを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置。
14. 前記固定部材の素子実装面と前記水平導体との間に絶縁紙を挟み込んで構成したことを特徴とする請求項１３に記載の電力変換装置。
15. 前記固定部材には、平板状に形成され、かつ、前記端子台と前記インバータモジュールとの間から垂直方向に延びる突設部が設けられ、
    前記突設部は、前記第２の正側接続導体の垂直導体と相対して浮遊容量を形成することを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置。
16. 前記端子台の内部には、前記直流リアクトルとの電気的接続を得るための接続導体が形成され、
    前記接続導体は、前記整流モジュールの高圧側端子に接続される第１の正側接続導体と、前記インバータモジュールの高圧側端子に接続される第２の正側接続導体とを有して成り、
    前記第２の正側接続導体は、前記端子台の下端から出て前記固定部材を貫通する垂直導体と、前記固定部材の下面にて、前記インバータモジュール側にある前記固定部材の素子実装面に並行して配置される水平導体とを含んで構成され、
    前記固定部材には、平板状に形成され、かつ、前記端子台と前記インバータモジュールとの間から垂直方向に延びる第１の突設部と、平板状に形成され、かつ、前記端子台と前記整流モジュールとの間から垂直方向に延びる第２の突設部とが設けられ、
    前記垂直導体の一部は、前記第１の正側接続導体を取り囲むように矩形環状に形成され、
    前記水平導体は、前記固定部材の素子実装面と相対して浮遊容量を形成すると共に、前記垂直導体の一部は、前記第１および第２の突設部と相対して浮遊容量を形成することを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置。
17. 前記第２の正側接続導体の垂直導体の一部と前記第１の突設部との間および、前記第２の正側接続導体の垂直導体の一部と前記第２の突設部との間の双方に誘電体を挿入したことを特徴とする請求項１６に記載の電力変換装置。
18. 前記端子台の内部には、前記直流リアクトルとの電気的接続を得るための接続導体が形成され、
    前記接続導体は前記整流モジュールの高圧側端子に接続される第１の正側接続導体と、前記整流モジュールの低圧側端子に接続される第１の負側接続導体と、前記インバータモジュールの高圧側端子に接続される第２の正側接続導体と、前記インバータモジュールの低圧側端子に接続される第２の負側接続導体とを有して成り、
    前記第２の正側接続導体は、前記端子台の下端から出て前記固定部材を貫通する垂直導体と、前記固定部材の下面にて、前記インバータモジュール側にある前記固定部材の素子実装面に並行して配置される水平導体とを含んで構成され、
    前記第２の負側接続導体は、前記端子台の下端から出て前記固定部材を貫通する垂直導体と、前記固定部材の下面にて、前記インバータモジュール側にある前記固定部材の素子実装面に並行して配置される水平導体とを含んで構成され、
    前記固定部材には、平板状に形成され、かつ、前記端子台と前記インバータモジュールとの間から垂直方向に延びる第１の突設部と、平板状に形成され、かつ、前記端子台と前記整流モジュールとの間から垂直方向に延びる第２の突設部とが設けられ、
    前記第２の正側接続導体の垂直導体の一部は、前記第１の正側接続導体を取り囲むように矩形環状に形成され、
    前記第２の負側接続導体の垂直導体の一部は、前記第１の負側接続導体を取り囲むように矩形環状に形成され、
    前記第２の正側接続導体の水平導体は、前記固定部材の素子実装面と相対して浮遊容量を形成すると共に、前記第２の正側接続導体の垂直導体の一部は、前記第１および第２の突設部と相対して浮遊容量を形成し、
    前記第２の負側接続導体の垂直導体の一部は、前記第１および第２の突設部と相対して浮遊容量を形成する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置。
19. 前記第２の正側接続導体の垂直導体の一部と前記第１の突設部との間および、前記第２の正側接続導体の垂直導体の一部と前記第２の突設部との間の双方に誘電体を挿入すると共に、前記第２の負側接続導体の垂直導体の一部と前記第１の突設部との間および、前記第２の負側接続導体の垂直導体の一部と前記第２の突設部との間の双方に誘電体を挿入したことを特徴とする請求項１８に記載の電力変換装置。
20. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項１２〜１９に記載の電力変換装置。

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