JP6143967B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来の電力変換装置は、低インダクタンスの構造を得るために、幅広の接続導体を用いてコンデンサ端子部とＩＧＢＴ素子の端子部との間を電気的に接続していた（例えば特許文献１）。

特開２０１１−２３９６７９号公報

しかしながら、上記従来の電力変換装置では、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）を素材として作成されたスイッチング素子（以下「ＳｉＣ素子」と表記）のように素子許容温度が高いスイッチング素子を採用した場合には、接続導体を介してコンデンサに伝わる温度も高くなるため、耐熱性のあるコンデンサ（以下「耐熱コンデンサ」という）を使用しなければならず、コストが高くなってしまうという問題があった。

また、コスト増を避けるため、耐熱コンデンサを使用せずに構成することも可能ではあるが、その場合には、スイッチング素子とコンデンサとの間の距離が長くなり、その結果として、装置のサイズが大きくなってしまうという問題と共に、低インダクタンス性が損なわれるという別の問題もあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストおよびサイズの増加を抑制しつつ、低インダクタンス性が損なわれない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に、本発明は、直流電力を蓄積するフィルタコンデンサと、当該フィルタコンデンサに蓄積される直流電力を交流電力に変換するためのスイッチング動作を行う半導体素子モジュールとが同一の筐体内に配置される構成の電力変換装置において、前記フィルタコンデンサは、第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサよりも耐熱性が高い第２のコンデンサと、に区分され、前記第２のコンデンサは、接続導体を用いて前記半導体素子モジュールに接続されると共に、前記接続導体とは異なるブスバーに電気的に接続され、前記第１のコンデンサは、前記ブスバー、前記接続導体および前記第２のコンデンサを介して前記半導体素子モジュールとの電気的接続がとられることを特徴とする。

この発明によれば、コストおよびサイズの増加を抑制しつつ、スイッチング素子とコンデンサとの間を低インダクタンスに構成できる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１の電力変換装置における主回路の構成を示す図である。 図２は、実施の形態１に係る電力変換装置を鉄道車両に搭載した場合の一構成例を示す図（上面図）である。 図３は、図２に示した電力変換装置の内部を矢視のＡ方向から視認したときの側面図である。 図４は、耐熱コンデンサの一構成例を示す斜視図である。 図５は、実施の形態２に係る電力変換装置の図２とは異なる一構成例を示す図（上面図）である。 図６は、実施の形態３に係る電力変換装置の図２および図５とは異なる一構成例を示す図（上面図）である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係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．
図１は、実施の形態１の電力変換装置における主回路の構成を示す図である。主回路１００は、図１に示すように、半導体素子モジュール１０１〜１０６を備えて構成される。半導体素子モジュール１０１〜１０６に搭載されるスイッチング素子は、例えばＳｉＣ素子である。なお、ＳｉＣは、珪素（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、ワイドバンドギャップ半導体を素材として作成された素子を用いる構成も、本発明の要旨を成すものである。

図１に戻り、正側（高電位側）の直流母線２００Ｐと負側（低電位側）の直流母線２００Ｎとの間には、正側アームを成す半導体素子モジュール１０１と負側アームを成す半導体素子モジュール１０２とが直列に接続され、半導体素子モジュール１０１，１０２の接続点は引き出されてＵ相交流（ＡＣ）端子を形成する。以下同様に、正側アームを成す半導体素子モジュール１０３と負側アームを成す半導体素子モジュール１０４とが直流母線２００Ｐ，２００Ｎ間に直列に接続され、半導体素子モジュール１０３，１０４の接続点は引き出されてＶ相交流端子を形成し、正側アームを成す半導体素子モジュール１０５と負側アームを成す半導体素子モジュール１０６とが直流母線２００Ｐ，２００Ｎ間に直列に接続され、半導体素子モジュール１０５，１０６の接続点は引き出されてＷ相交流端子を形成する。

直流母線２００Ｐ，２００Ｎには、正極（Ｐ）および負極（Ｎ）の電位を有する第１のコンデンサであるフィルタコンデンサ１２０が接続される。実施の形態１の電力変換装置では、フィルタコンデンサ１２０に加え、フィルタコンデンサ１２０よりも相対的に耐熱性が高い第２のコンデンサである耐熱コンデンサ１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃを有している。フィルタコンデンサ１２０が、直流母線２００Ｐ，２００Ｎに電気的に接続されるのに対し、耐熱コンデンサ１１０ａ〜１１０ｃのそれぞれは、各正側アームの半導体素子モジュールと各負側アームの半導体素子モジュールとによる直列回路（以下必要に応じて「アーム回路」と称する）に接続される。なお、図示のように、耐熱コンデンサ１１０ａ〜１１０ｃは、フィルタコンデンサ１２０に並列に接続されるので、フィルタコンデンサとしての機能の一部を補完することができる。半導体素子モジュール１０１〜１０６は、フィルタコンデンサ１２０および耐熱コンデンサ１１０ａ〜１１０ｃに蓄積される直流電力を交流電力に変換するためのスイッチング動作を行う。

半導体素子モジュール１０１は、トランジスタ素子の一例であるＩＧＢＴ１１１と、このＩＧＢＴ１１１に逆並列接続されるフライホイールダイオード（以下「ＦＷＤ」と表記）１１２とを有して構成され、ＩＧＢＴ１１１のコレクタとＦＷＤ１１２のカソードが接続されて端子Ｃ１を形成し、ＩＧＢＴ１１１のエミッタとＦＷＤ１１２のアノードが接続されて端子Ｅ１を形成する。また、半導体素子モジュール１０２は、ＩＧＢＴ１２１と、ＩＧＢＴ１２１に逆並列接続されるＦＷＤ１２２とを有して構成され、ＩＧＢＴ１２１のコレクタとＦＷＤ１２２のカソードが接続されて端子Ｃ２を形成し、ＩＧＢＴ１２１のエミッタとＦＷＤ１２２のアノードが接続されて端子Ｅ２を形成する。

つぎに、実施の形態１に係る電力変換装置の構成について、図１〜図４の図面を参照して説明する。図２は、実施の形態１に係る電力変換装置を鉄道車両に搭載した場合の一構成例を示す図であり、鉄道車両に搭載される電力変換装置１の内部を車両上部側からレール側に向けて視認したときの正視図である。図３は、図２に示した電力変換装置の内部を矢視のＡ方向から視認したときの側面図である。図４は、耐熱コンデンサ１１の一構成例を示す斜視図である。

電力変換装置１は、ゲート制御ユニット２、断流器・Ｉ／Ｆユニット３、インバータ制御部４および、放熱器５を備えて構成される。また、インバータ制御部４は、ゲート駆動回路１０、耐熱コンデンサ１１、フィルタコンデンサ１２、素子部１４、ブスバー１７、遮蔽板１８などを有して構成される。なお、実際の車両搭載状態では、放熱器５を除く、ゲート制御ユニット２、断流器・Ｉ／Ｆユニット３およびインバータ制御部４は、筐体６の内部に収容されて外気から遮蔽される。一方、放熱器５は、外気に触れるように筐体６の外部に取り付けられ、必要に応じて冷却風にて冷却可能に構成される。

素子部１４は、図１で説明した複数の半導体素子モジュールを含む構成部である。ゲート制御ユニット２は、素子部１４の半導体素子モジュールをＰＷＭ駆動するのに必要な制御信号を生成する構成部である。断流器・Ｉ／Ｆユニット３は、主回路１００に流れる電流を遮断する機能および、ゲート制御ユニット２とゲート駆動回路１０との間の信号授受を行う機能を有する構成部である。ゲート駆動回路１０は、ゲート制御ユニット２が生成した制御信号に基づいて素子部１４の半導体素子モジュールを駆動する構成部（駆動回路）である。フィルタコンデンサ１２は、電力変換に必要な直流電力を蓄積する構成部（電力供給源）である。

耐熱コンデンサ１１には、図４に示すように、耐熱コンデンサ１１の筐体における第１の面には６つの接続導体１６が設けられ、当該第１の面の反対側（裏面側）に位置する第２の面には２つの接続端子２２が設けられている。耐熱コンデンサ１１と素子部１４とは、接続導体１６によって電気的に接続される。接続導体１６は、素子部１４の直流側端子１５と耐熱コンデンサ１１とを電気的に接続する導体である。なお、図４では接続導体１６をクランク形状に形成した場合の一例を示し、図２では接続導体１６をＬ字形状に形成した場合の一例を示しているように、電気的な接続機能を有していればよく、その形状は任意（例えば直線状）である。例えば、耐熱コンデンサ１１における接続導体を引き出すための位置を、第２の面に直交する第３の面とすれば、接続導体を直線状に形成することができる。

耐熱コンデンサ１１は、２つの接続端子２２によってブスバー１７に接続される。ブスバー１７は、例えば薄板銅板を絶縁物を介して重ねて低インダクタンスで構成した積層ブスバーや、積層ブスバーの外部面を例えば樹脂製のフィルムであるラミネート材で被覆したラミネートブスバーなどが代表的である。

フィルタコンデンサ１２は、素子部１４には接続されず、ブスバー１７に接続される。すなわち、フィルタコンデンサ１２と素子部１４との電気的接続は、ブスバー１７、耐熱コンデンサ１１および接続導体１６を介してとられる。フィルタコンデンサ１２は、素子部１４に直接、接続されないため、素子部１４と距離を離して配置することができる。一方、耐熱コンデンサ１１は、フィルタコンデンサ１２よりも耐熱性が高いため、素子部１４の近くに配置することができる。

なお、耐熱コンデンサ１１は、フィルタコンデンサ１２への熱の影響を軽減するために設けられるものであり、容量的には小さくてもよい。実施の形態１では、フィルタコンデンサ１２よりも容量値の小さなものを使用しているため、サイズ的にも小さくなり、構造物が配置されない空間が生じてしまうことになる。そこで、実施の形態１では、構造物が配置されない空間に熱を遮蔽するための遮蔽板１８を設けるようにしている。

つぎに、実施の形態１に係る電力変換装置が具備する作用について説明する。なお、ここでの説明では、素子部１４の半導体素子モジュールがＳｉＣ素子であると仮定する。

ＳｉＣ素子の場合、従来のＳｉ素子と比べ半導体素子モジュールの許容温度を、例えば５０℃程度高く設定できる。このため、ＳｉＣ素子がスイッチング動作を行うと、その発熱量は、Ｓｉ素子に比べて非常に多くなる。スイッチング動作による熱の多くは、放熱器５の方向へ移動して冷却フィンから放熱されるが、一部の熱はコンデンサ側に移動する。

一方、実施の形態１では、耐熱性が相対的に高い耐熱コンデンサ１１をフィルタコンデンサ１２よりも素子側に配置しているので、フィルタコンデンサ１２が受ける熱の影響を小さくすることが可能となる。特に、実施の形態１では、構造物が配置されない空間を埋めるように遮蔽板１８が設けられており、この遮蔽板１８が対流、輻射による熱の流れを遮蔽するので、耐熱コンデンサ１１を必要以上のサイズにする必要がなく、コスト増の抑制に効果的である。

熱の流れは、対流、輻射以外にも熱伝導がある。フィルタコンデンサ１２は、素子部１４の直流部との電気的接続をとる必要があり、電気的接続をとる接続導体を介して熱伝導による熱の移動がある。実施の形態１では、熱の移動量が対流、輻射よりも大きい熱伝導に対して、発熱源である素子部１４をフィルタ容量の大部分を成すフィルタコンデンサ１２と接続することなく、耐熱コンデンサ１１と接続するように構成したので、フィルタコンデンサ１２の耐熱性をそれ程高める必要はなくなり、ＳｉＣ素子を用いたとしても、フィルタコンデンサ１２のコスト増を抑制することが可能となる。

以上説明したように、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、フィルタコンデンサとして構成すべきコンデンサを、第１のコンデンサと、当該第１のコンデンサよりも耐熱性が高い第２のコンデンサと、に区分し、当該第２のコンデンサは、接続導体を用いて半導体素子モジュールに接続すると共に、当該接続導体とは異なるブスバーにも電気的に接続し、第１のコンデンサと半導体素子モジュールとの間の電気的接続を、ブスバー、接続導体および第２のコンデンサを介してとるようにしたので、コストおよびサイズの増加を抑制しつつ、スイッチング素子とコンデンサとの間を低インダクタンスに構成できる、という効果が得られる。

また、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、耐熱コンデンサ１１のサイズをフィルタコンデンサ１２のサイズよりも小さく形成し、耐熱コンデンサ１１と１つのフィルタコンデンサ１２のサイズの差異により生じた空間に遮蔽板を設けるようにしたので、対流、輻射による熱の流れを効果的に遮蔽することが可能となる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る電力変換装置の図２とは異なる一構成例を示す図（上面図）であり、図２に示した電力変換装置の構成から、遮蔽板１８を取り外し、その空いた空間を熱のあおりの影響を小さくするための離間空間２８として構成したものである。なお、その他の構成については、図２に示した実施の形態１の構成と同一または同等であり、それら共通の構成部には同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。

素子部１４で発生した熱が対流によって移動する場合、暖められた空気は重力とは反対方向に移動する。すなわち、図５では、紙面の裏側から表側に向かって熱の移動が起こる。よって、実施の形態１のように遮蔽板を設けなくても熱のあおりの影響を小さくするための離間空間２８が形成されるように熱設計を行えば、耐熱性の高くない従来型のフィルタコンデンサを用いることが可能となり、コストの増加を抑制することができるという効果が得られる。

以上説明したように、実施の形態２に係る電力変換装置によれば、耐熱コンデンサのサイズをフィルタコンデンサのサイズよりも小さく形成し、耐熱コンデンサと１つのフィルタコンデンサのサイズの差異により生じた空間を熱のあおりの影響を小さくするための離間空間として構成したので、実施の形態１のように遮蔽板を設ける必要がなくなり、部品点数を減らすことで、コストの増加を抑制することが可能となる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る電力変換装置の図２および図５とは異なる一構成例を示す図（上面図）であり、図５に示した電力変換装置の構成において、熱のあおりの影響を小さくするための離間空間２８を耐熱コンデンサ１１の筐体で埋めたものである。なお、図２の構成との比較であれば、耐熱コンデンサ１１の筐体を遮蔽板（遮蔽物）として機能させると言うこともできる。

実施の形態３に係る電力変換装置によれば、耐熱コンデンサ１１のサイズは大きくなるものの、耐熱コンデンサ１１の容量値（キャパシタンス）が大きくなるので、フィルタコンデンサ１２の容量値を小さくすることができる。このため、実施の形態１，２に比して、フィルタコンデンサ１２のサイズを小さくすることができ、電力変換装置をコンパクトに構成することができるという効果が得られる。

なお、以上の実施の形態１〜３に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせ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。

また、実施の形態１〜３において、半導体素子モジュール１０１〜１０６に搭載されるスイッチング素子が、ＳｉＣ素子に代表されるワイドバンドギャップ半導体で形成されたスイッチング素子として説明したが、高速なスイッチング駆動が可能なスイッチング素子であれば、上記のような問題点は生じ得るものである。このため、Ｓｉ素子に代表されるナローバンドギャップ半導体で形成されたスイッチング素子を使用する場合も、本発明の要旨を成すものである。

以上のように、本発明は、コストおよびサイズの増加を抑制しつつ、低インダクタンス性が損なわれない電力変換装置として有用である。

１ 電力変換装置、２ ゲート制御ユニット、３ 断流器・Ｉ／Ｆユニット、４ インバータ制御部、５ 放熱器、６ 筐体、１０ ゲート駆動回路、１１，１１０ａ〜１１０ｃ 耐熱コンデンサ（第２のコンデンサ）、１２，１２０ フィルタコンデンサ（第１のコンデンサ）、１４ 素子部、１５ 直流側端子、１６ 接続導体、１７ ブスバー、１８ 遮蔽板、２２ 接続端子、２８ 離間空間、１００ 主回路、１０１〜１０６ 半導体素子モジュール、２００Ｐ，２００Ｎ 直流母線。

Claims (8)

1. 直流電力を蓄積するフィルタコンデンサと、当該フィルタコンデンサに蓄積される直流電力を交流電力に変換するためのスイッチング動作を行う半導体素子モジュールとが同一の筐体内に配置される構成の電力変換装置において、
   前記フィルタコンデンサは、第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサよりも耐熱性が高い第２のコンデンサと、に区分され、
   前記第２のコンデンサは、接続導体を用いて前記半導体素子モジュールに接続されると共に、前記接続導体とは異なるブスバーに電気的に接続され、
   前記第１のコンデンサは、前記ブスバーに接続されることにより、前記第２のコンデンサおよび前記接続導体を介して前記半導体素子モジュールとの電気的接続がとられ、
   前記第２のコンデンサのサイズを前記第１のコンデンサのサイズよりも小さく形成し、
   前記第１および第２のコンデンサのサイズの差異により前記第２のコンデンサの前記ブスバーと接続される側とは反対側に生じた空間に遮蔽板を設けたことを特徴とする電力変換装置。
2. 直流電力を蓄積するフィルタコンデンサと、当該フィルタコンデンサに蓄積される直流電力を交流電力に変換するためのスイッチング動作を行う半導体素子モジュールとが同一の筐体内に配置される構成の電力変換装置において、
   前記フィルタコンデンサは、第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサよりも耐熱性が高い第２のコンデンサと、に区分され、
   前記第２のコンデンサは、接続導体を用いて前記半導体素子モジュールに接続されると共に、前記接続導体とは異なるブスバーに電気的に接続され、
   前記第１のコンデンサは、前記ブスバーに接続されることにより、前記第２のコンデンサおよび前記接続導体を介して前記半導体素子モジュールとの電気的接続がとられ、
   前記第２のコンデンサのサイズを前記第１のコンデンサのサイズよりも小さく形成し、
   前記第１および第２のコンデンサのサイズの差異により前記第２のコンデンサの前記ブスバーと接続される側とは反対側に生じた空間を、前記半導体素子モジュールから伝わる熱のあおりの影響を小さくするための離間空間としたことを特徴とする電力変換装置。
3. 前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサは、それぞれ前記ブスバーに接続される側の端部が揃えられて配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記第２のコンデンサは、前記半導体素子モジュールから見て前記第１のコンデンサを遮蔽するように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。
5. 前記第２のコンデンサの筐体における第１の面には前記接続導体と接続するための第１の端子が設けられ、
   前記第２のコンデンサの筐体における前記第１の面とは異なる第２の面には前記ブスバーと接続するための第２の端子が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
6. 前記接続導体はＬ字形状、クランク形状または直線状であることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
7. 前記半導体素子モジュールに搭載されるスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体にて形成されることを特徴とする請求項１、２または６に記載の電力変換装置。
8. 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７に記載の電力変換装置。

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