JP6327983B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源から供給される直流電力を複数相の交流電力に変換する電力変換装置に関する。

従来では、円環状の正極側導電体及び負極側導電体を備えた電力変換装置として、特許文献１が開示されている。特許文献１に開示された電力変換装置では、正極側導電体と負極側導電体との間に並列にコンデンサを接続し、これらのコンデンサを等間隔に配置していた。

特開２０１１−３０３２１号公報

しかしながら、上述した従来の電力変換装置では、コンデンサを等間隔に配置していたので、コンデンサ間に小さな隙間が均等に存在していた。このようなコンデンサ間の小さな隙間には他の部品を実装できないので、無駄なスペースとなり、その結果、装置自体を小型化することができないという問題点があった。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、コンデンサ間に他の部品を実装するためのスペースを確保して装置自体を小型化することの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するために、本発明の一態様に係る電力変換装置は、直流電源に接続された円環状の正極側導電体及び負極側導電体と、正極側導電体と負極側導電体との間に並列に接続された複数のコンデンサ及びスイッチングモジュールとを備える。そして、電力変換装置は、少なくとも２つの隣接するコンデンサを近接して配置して複数のコンデンサグループを形成する。さらに、電力変換装置は、第１のスイッチングモジュールと第１のコンデンサグループを構成するコンデンサとの間の電流経路の長さが、第２のスイッチングモジュールと第２のコンデンサグループを構成するコンデンサとの間の電流経路の長さと同一とする。

本発明によれば、コンデンサグループ内ではコンデンサを近接して密に配置し、コンデンサグループ同士の間は間隔をあけて疎に配置するので、他の部品を実装するためのスペースを確保することができ、これによって装置自体を小型化することが可能となる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。 図２は、第１比較例に係る電力変換装置の構成を示す図である。 図３は、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。 図４は、第２比較例に係る電力変換装置の構成を示す図である。 図５は、本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。 図６は、第３比較例に係る電力変換装置の構成を示す図である。 図７は、本発明の第４実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。 図８は、本発明の第５実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。

以下、本発明を適用した第１〜第５実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は本実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１は、正極側導電体３と、負極側導電体５と、複数のコンデンサＣ１〜Ｃ６と、複数のパワーモジュールＵ１、Ｕ２とを備えている。

電力変換装置１は、直流電源から供給される直流電力を複数相の交流電力に変換して負荷に供給する装置であり、本実施形態では３相のインバータを一例として説明する。

正極側導電体３は、直流電源に接続され、円環状の形状をしたＰ側バスバーである。

負極側導電体５は、直流電源に接続され、円環状の形状をしたＮ側バスバーである。

コンデンサＣ１〜Ｃ６は、正極側導電体３と負極側導電体５との間に並列に接続され、少なくとも２つの隣接するコンデンサを近接して配置することで複数のコンデンサグループＧ１、Ｇ２を形成している。例えば、図１では、コンデンサＣ１〜Ｃ３を近接して配置することでコンデンサグループＧ１を形成し、コンデンサＣ４〜Ｃ６を近接して配置することでコンデンサグループＧ２を形成している。尚、図１では６個のコンデンサを記載しているが、コンデンサの数は６個に限定されるわけではなく、パワーモジュールの数の倍数となる。

パワーモジュールＵ１、Ｕ２は、正極側導電体３と負極側導電体５との間に並列に接続され、ＩＧＢＴ等の半導体素子のスイッチング動作によって直流電源からの電流のスイッチングを行うスイッチングモジュールである。尚、図１では、Ｕ相のパワーモジュールＵ１、Ｕ２のみを記載しているが、実際にはその他のＶ相やＷ相のパワーモジュールも設置されている。

上述したように、本実施形態に係る電力変換装置１では、隣接するコンデンサを近接して配置して複数のコンデンサグループＧ１、Ｇ２を形成する。これにより、コンデンサグループ内にあるコンデンサ間の隙間をなくしてコンデンサグループＧ１、Ｇ２の間に大きなスペースＳ１、Ｓ２を形成することができる。このようにコンデンサグループ内ではコンデンサを近接して密に配置し、コンデンサグループ同士の間は間隔をあけて疎に配置することでスペースＳ１、Ｓ２を他の部品の実装スペースとして活用することができ、装置自体を小型化することが可能となる。

これに対して、第１比較例に係る電力変換装置では、図２に示すようにコンデンサＣａ〜Ｃｆを等間隔に配置していたので、コンデンサの間に同じ大きさのスペースＳａ〜Ｓｆが存在していた。スペースＳａ〜Ｓｆは隙間のような小さなスペースであるため、他の部品を実装することはできず、無駄なスペースとなり、装置を小型化することはできなかった。

また、本実施形態に係る電力変換装置１では、図１の点線矢印１１、１３に示すように、パワーモジュールＵ１とコンデンサＣ１との間の電流経路の長さが、パワーモジュールＵ２とコンデンサＣ４との間の電流経路の長さと同一になっている。すなわち、パワーモジュールＵ１とコンデンサＣ１との間で正極側導電体３及び負極側導電体５を経由した電流ループの長さが、パワーモジュールＵ２とコンデンサＣ４との間で正極側導電体３及び負極側導電体５を経由した電流ループの長さと同一になっている。

同様に、パワーモジュールＵ１とコンデンサＣ２、Ｃ３との間の電流経路の長さも、パワーモジュールＵ２とコンデンサＣ５、Ｃ６との間の電流経路の長さと同一になっている。ただし、電流経路の長さは正確に同一である必要はなく、略同一であればよい。

これにより、パワーモジュールＵ１に対するコンデンサＣ１〜Ｃ３のインピーダンス特性と、パワーモジュールＵ２に対するコンデンサＣ４〜Ｃ６のインピーダンス特性を等しくすることができる。

さらに、パワーモジュールＵ１、Ｕ２の左右に配置されるコンデンサの数を同一にすることにより、パワーモジュールから流れる電流のバランスをよくしてコンデンサ間の共振電流を抑制することができる。例えば、図１ではパワーモジュールＵ１のスペースＳ２側にはコンデンサＣ１が１個配置され、パワーモジュールＵ２のスペースＳ２側にはコンデンサＣ４が１個配置されている。したがって、パワーモジュールＵ１からの電流とパワーモジュールＵ２からの電流が等しくなるので、電流のバランスがよくなり、コンデンサ間の共振電流を抑制することができる。

同様に、パワーモジュールＵ１のスペースＳ１側にはコンデンサＣ２、Ｃ３の２個が配置され、パワーモジュールＵ２のスペースＳ１側にはコンデンサＣ５、Ｃ６の２個が配置されている。したがって、パワーモジュールＵ１からの電流とパワーモジュールＵ２からの電流が等しくなるので、電流のバランスがよくなり、コンデンサ間の共振電流を抑制することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置について図面を参照して説明する。尚、第１実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。

図３は本実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図３に示すように、本実施形態に係る電力変換装置３１は、同一相のパワーモジュールを奇数個ずつ含んでいる。例えば、図３ではＵ相のパワーモジュールとしてＵ１、Ｕ２、Ｕ３の３個のパワーモジュールを備えている。この場合に、本実施形態では、第１実施形態で説明した構成に加えて、以下のような構成をさらに備えている。すなわち、本実施形態に係る電力変換装置３１は、第１の円環中心線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に対してコンデンサＣ１〜Ｃ６を線対称に配置する。この第１の円環中心線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、パワーモジュールＵ１、Ｕ２、Ｕ３と正極側導電体３及び負極側導電体５の円環中心Ｏとを通るように設定されたものである。

さらに、本実施形態に係る電力変換装置３１は、線対称なコンデンサ同士の正極側端子及び負極側端子も第１の円環中心線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に対して線対称とする。

例えば、図３では、第１の円環中心線Ｌ２に対してコンデンサＣ１とコンデンサＣ４を線対称に配置し、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３を線対称に配置し、コンデンサＣ５とコンデンサＣ６を線対称に配置している。

そして、線対称なコンデンサＣ１、Ｃ４の正極側端子及び負極側端子も第１の円環中心線Ｌ２に対して線対称に配置されている。例えば、図３に示すように、コンデンサＣ１の正極側端子Ｃ１ｐとコンデンサＣ４の正極側端子Ｃ４ｐは第１の円環中心線Ｌ２に対して線対称に配置されている。また、コンデンサＣ１の負極側端子Ｃ１ｎとコンデンサＣ４の負極側端子Ｃ４ｎも第１の円環中心線Ｌ２に対して線対称に配置されている。同様に、線対称なコンデンサＣ２、Ｃ３の正極側端子及び負極側端子も第１の円環中心線Ｌ２に対して線対称に配置され、線対称なコンデンサＣ５、Ｃ６の正極側端子及び負極側端子も第１の円環中心線Ｌ２に対して線対称に配置されている。

同様に、第１の円環中心線Ｌ１、Ｌ３に対してもコンデンサＣ１〜Ｃ６を線対称に配置し、線対称なコンデンサ同士の正極側端子及び負極側端子も第１の円環中心線Ｌ１、Ｌ３に対して線対称に配置する。

このように、本実施形態に係る電力変換装置３１では、線対称なコンデンサ同士の正極側端子及び負極側端子を第１の円環中心線に対して線対称に配置したので、同一相のパワーモジュールに対するコンデンサのインピーダンス特性を等しくすることができる。

これに対して、第２比較例に係る電力変換装置では、図４に示すようにコンデンサＣａ、Ｃｄは第１の円環中心線Ｌａに対して線対称に配置されている。しかし、コンデンサＣａ、Ｃｄの正極側端子及び負極側端子は第１の円環中心線Ｌａに対して線対称に配置されていない。例えば、図４に示すように、コンデンサＣａの正極側端子ＣａｐとコンデンサＣｄの正極側端子Ｃｄｐは第１の円環中心線Ｌａに対して線対称に配置されていない。また、コンデンサＣａの負極側端子ＣａｎとコンデンサＣｄの負極側端子Ｃｄｎも第１の円環中心線Ｌａに対して線対称に配置されていない。したがって、同一相のパワーモジュールに対するコンデンサのインピーダンス特性を等しくすることはできなかった。

また、本実施形態に係る電力変換装置３１は、第１の円環中心線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に対してパワーモジュールＵ１、Ｕ２、Ｕ３についても線対称に配置する。そして、線対称なパワーモジュール同士の正極端子及び負極端子も第１の円環中心線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に対して線対称に配置する。

例えば、図３では、第１の円環中心線Ｌ２に対してパワーモジュールＵ１とパワーモジュールＵ３を線対称に配置している。そして、パワーモジュールＵ１の正極端子Ｕ１ｐとパワーモジュールＵ３の正極端子Ｕ３ｐは第１の円環中心線Ｌ２に対して線対称に配置されている。さらに、パワーモジュールＵ１の負極端子Ｕ１ｎとパワーモジュールＵ３の負極端子Ｕ３ｎも第１の円環中心線Ｌ２に対して線対称に配置されている。

同様に、第１の円環中心線Ｌ１、Ｌ２に対してもパワーモジュールＵ１、Ｕ２、Ｕ３を線対称に配置し、線対称なパワーモジュール同士の正極端子及び負極端子も第１の円環中心線Ｌ１、Ｌ３に対して線対称に配置する。

このように、本実施形態に係る電力変換装置３１では、線対称なパワーモジュール同士の正極端子及び負極端子も第１の円環中心線に対して線対称に配置したので、電流のバランスがよくなり、コンデンサ間の共振電流を抑制することができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る電力変換装置について図面を参照して説明する。尚、第１実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。

図５は本実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図５に示すように、本実施形態に係る電力変換装置５１は、同一相のパワーモジュールを偶数個ずつ含んでいる。例えば、図５ではＵ相のパワーモジュールとしてＵ１、Ｕ２の２個のパワーモジュールを備えている。この場合に、本実施形態では、第１実施形態で説明した構成に加えて、以下のような構成をさらに備えている。すなわち、本実施形態に係る電力変換装置５１は、正極側導電体３及び負極側導電体５の円環中心Ｏを通る第２の円環中心線Ｌ５を設定し、この第２の円環中心線Ｌ５に対して、同一相のパワーモジュールＵ１、Ｕ２を線対称な位置に配置する。

さらに、本実施形態に係る電力変換装置５１は、線対称なパワーモジュール同士の正極端子及び負極端子も第２の円環中心線Ｌ５に対して線対称となるように配置する。

例えば、図５では、第２の円環中心線Ｌ５に対してパワーモジュールＵ１とパワーモジュールＵ２を線対称に配置する。そして、パワーモジュールＵ１の正極端子Ｕ１ｐとパワーモジュールＵ２の正極端子Ｕ２ｐを第２の円環中心線Ｌ５に対して線対称に配置する。同様に、パワーモジュールＵ１の負極端子Ｕ１ｎとパワーモジュールＵ２の負極端子Ｕ２ｎも第２の円環中心線Ｌ５に対して線対称に配置する。

このように、本実施形態に係る電力変換装置５１では、線対称なパワーモジュール同士の正極端子及び負極端子を第２の円環中心線に対して線対称に配置したので、同一相のパワーモジュールに対するコンデンサのインピーダンス特性を等しくすることができる。

これに対して、第３比較例に係る電力変換装置では、図６に示すようにパワーモジュールＵａ、Ｕｂの正極端子及び負極端子は、第２の円環中心線Ｌｂに対して線対称に配置されていない。例えば、パワーモジュールＵａの正極端子ＵａｐとパワーモジュールＵｂの正極端子Ｕｂｐは第２の円環中心線Ｌｂに対して線対称ではない。同様に、パワーモジュールＵａの負極端子ＵａｎとパワーモジュールＵｂの負極端子Ｕｂｎも第２の円環中心線Ｌｂに対して線対称に配置されていない。

したがって、同一相のパワーモジュールに対するコンデンサのインピーダンス特性を等しくすることはできない。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る電力変換装置について図面を参照して説明する。尚、第１及び第３実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。

図７は本実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図７に示すように、本実施形態に係る電力変換装置７１は、第３実施形態で説明した構成に加えて、以下のような構成をさらに備えている。すなわち、本実施形態に係る電力変換装置７１は、コンデンサＣ１〜Ｃ６を第２の円環中心線Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７に対して線対称な位置に配置する。

第３実施形態では第２の円環中心線に対してパワーモジュールを線対称な位置に配置していたが、本実施形態ではコンデンサについても第２の円環中心線に対して線対称な位置に配置する。そして、線対称なコンデンサ同士の正極側端子及び負極側端子も第２の円環中心線に対して線対称に配置する。

例えば、図７では、第２の円環中心線Ｌ５に対してコンデンサＣ３、Ｃ４とコンデンサＣ６、Ｃ５を線対称な位置に配置している。そして、コンデンサＣ４の正極側端子Ｃ４ｐとコンデンサＣ５の正極側端子Ｃ５ｐは第２の円環中心線Ｌ５に対して線対称に配置されている。同様に、コンデンサＣ４の負極側端子Ｃ４ｎとコンデンサＣ５の負極側端子Ｃ５ｎも第２の円環中心線Ｌ５に対して線対称に配置されている。この他のコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ６についても正極側端子及び負極側端子が第２の円環中心線Ｌ５に対して線対称に配置されている。

このように、本実施形態に係る電力変換装置７１では、線対称なコンデンサ同士の正極側端子及び負極側端子を第２の円環中心線に対して線対称に配置している。これにより、同一相のパワーモジュールから流れる電流のバランスがよくなり、コンデンサ間の共振電流を抑制することができる。

これに対して、第３比較例に係る電力変換装置では、図６に示すようにコンデンサの正極側端子及び負極側端子は、第２の円環中心線Ｌｂに対して線対称に配置されていない。例えば、コンデンサＣｃの正極側端子ＣｃｐとコンデンサＣｅの正極側端子Ｃｅｐは第２の円環中心線Ｌｂに対して線対称ではない。同様に、コンデンサＣｃの負極側端子ＣｃｎとコンデンサＣｅの負極側端子Ｃｅｎも第２の円環中心線Ｌｂに対して線対称に配置されていない。

したがって、同一相のパワーモジュールから流れる電流のバランスはよくならないので、コンデンサ間の共振電流を抑制することはできない。

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態に係る電力変換装置について図面を参照して説明する。尚、第１、第３及び第４実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。

図８は本実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図８に示すように、本実施形態に係る電力変換装置８１は、第４実施形態で説明した構成に加えて、以下のような構成をさらに備えている。すなわち、本実施形態に係る電力変換装置８１では、コンデンサの正極側端子に隣接するパワーモジュールは正極端子をコンデンサ側に配置し、コンデンサの負極側端子に隣接するパワーモジュールは負極端子をコンデンサ側に配置する。

例えば、図８では、コンデンサＣ６の負極側端子Ｃ６ｎに隣接するパワーモジュールＵ１は負極端子Ｕ１ｎをコンデンサＣ６側に配置している。同様に、コンデンサＣ１の負極側端子Ｃ１ｎに隣接するパワーモジュールＶ１は負極端子Ｖ１ｎをコンデンサＣ１側に配置し、コンデンサＣ２の負極側端子Ｃ２ｎに隣接するパワーモジュールＷ１は負極端子Ｗ１ｎをコンデンサＣ２側に配置している。

図８ではコンデンサの正極側端子にパワーモジュールが隣接する場合については記載していないが、コンデンサの正極側端子に隣接するパワーモジュールは正極端子をコンデンサ側に配置する。

これにより、本実施形態に係る電力変換装置８１では、コンデンサの正極側端子とパワーモジュールの正極端子との間の距離、あるいはコンデンサの負極側端子とパワーモジュールの負極端子との間の距離を短くできる。したがって、インダクタンスを低下させることが可能となる。

なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１、３１、５１、７１、８１ 電力変換装置
３ 正極側導電体
５ 負極側導電体
Ｃ、Ｃ１〜Ｃ６ コンデンサ
Ｌ１〜Ｌ３ 第１の円環中心線
Ｌ５ 第２の円環中心線
Ｏ 円環中心
Ｓ、Ｓ１、Ｓ２ スペース
Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２ パワーモジュール

Claims (6)

1. 直流電源から供給される直流電力を複数相の交流電力に変換する電力変換装置であって、
   前記直流電源に接続された円環状の正極側導電体と、
   前記直流電源に接続された円環状の負極側導電体と、
   前記正極側導電体と前記負極側導電体との間に並列に接続された複数のコンデンサと、
   前記正極側導電体と前記負極側導電体との間に並列に接続され、前記直流電源からの電流のスイッチングを行う複数のスイッチングモジュールとを備え、
   前記複数のコンデンサのうちの少なくとも２つの隣接するコンデンサを近接して配置して複数のコンデンサグループを形成し、
   前記複数のスイッチングモジュールのうちの第１のスイッチングモジュールと前記複数のコンデンサグループのうちの第１のコンデンサグループを構成するコンデンサとの間の電流経路の長さが、前記第１のスイッチングモジュールと同一相の第２のスイッチングモジュールと前記複数のコンデンサグループのうちの第２のコンデンサグループを構成するコンデンサとの間の電流経路の長さと同一であることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記複数のスイッチングモジュールが同一相のスイッチングモジュールを奇数個ずつ含む場合に、前記正極側導電体及び前記負極側導電体の円環中心と前記スイッチングモジュールとを通る第１の円環中心線に対して、前記複数のコンデンサを線対称に配置し、尚且つ線対称なコンデンサ同士の正極側端子及び負極側端子も前記第１の円環中心線に対して線対称であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記複数のスイッチングモジュールが同一相のスイッチングモジュールを偶数個ずつ含む場合に、前記正極側導電体及び前記負極側導電体の円環中心を通る第２の円環中心線に対して、前記同一相のスイッチングモジュールを線対称に配置することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 線対称に配置された前記同一相のスイッチングモジュール同士の正極端子及び負極端子は前記第２の円環中心線に対して線対称であることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記複数のコンデンサが、前記第２の円環中心線に対して線対称な位置に配置されることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記コンデンサの正極側端子に隣接する前記スイッチングモジュールは、正極端子を前記コンデンサ側に配置され、前記コンデンサの負極側端子に隣接する前記スイッチングモジュールは、負極端子を前記コンデンサ側に配置されることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。

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