JP6346661B2 - 電力変換ユニット、電力変換装置、及び電力変換装置の製造方法 - Google Patents

電力変換ユニット、電力変換装置、及び電力変換装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、電力変換のための回路に関する。
電力変換装置において、その主要部品であるパワー半導体モジュールに用いられるパワー半導体の技術革新により、スイッチング動作が高速化されており、パワー半導体における損失が低減されている。これにより、パワー半導体モジュールを冷却するための冷却器を小型化することができ、その結果、電力変換装置の小型化が実現されている。特に、電力変換装置を有するUPS(Uninterruptible Power Supply、無停電電源装置)は、データセンタ向けに、地価の高い都市近郊に敷設されるため、設置面積の小さいことが望まれている。また、敷設エリアを有効活用するため、UPS内の各電力変換装置は、互いに側面が近接し、裏面が壁に近接した状態で設置される。そのため、メンテナンス時における作業性を考慮して、装置内に搭載される機器または部品類は、装置の前面からアクセスできることが望ましい。
作業性を向上させる電力変換装置が知られている。特許文献1には、冷却フィン等の冷却器を備えた冷却ブロックに複数の半導体素子が搭載されたパワーモジュールユニットと、コンデンサユニットとが、電力変換装置の筺体内に設けられた二つの区画にそれぞれ収められている。これにより、作業性を向上させている。
特開平8−294266号公報
しかしながら、特許文献1に記載の電力変換装置において、パワーモジュールユニットとコンデンサユニットは、互いに異なる区画に収められるため、それらを接続するバスバーのインダクタンスが大きくなってしまう。これにより、共振を伴ったリプル電流が大きくなるため、リプル電流を許容するため大容量のコンデンサが必要となり、電力変換装置が大型化してしまう。また、ユニット同士を接続する作業性は向上しているが、ユニット内のパワーモジュール及びコンデンサに対するアクセス性は考慮されていない。
上記課題を解決するために、本発明の一態様である電力変換装置は、正極導体と負極導体と交流導体とを含む回路接続部と、回路接続部に対して特定方向に位置し正極導体と負極導体と交流導体とに接続されるパワー半導体モジュールと、回路接続部に対して特定方向に位置し正極導体及び負極導体に接続されるコンデンサと、を備える。正極導体は、回路接続部に対して特定方向の逆方向に位置するユニット接続部を介して他の電力変換ユニットの正極導体に接続される。負極導体は、ユニット接続部を介して他の電力変換ユニットの負極導体に接続される。
本発明の一態様によれば、電力変換装置内の電力変換ユニットへのアクセス性を向上させることができる。
実施例のUPSの構成を示す。 コンバータ11の回路構成を示す。 インバータ12の回路構成を示す。 昇圧チョッパ13の回路構成を示す。 電力変換ユニット101の構成を示す。 電力変換部2aの構成を示す斜視図である。 電力変換部2aの構成を示す分解斜視図である。 電力変換部2aの構成を示す正面図である。 電力変換ユニット101の構成を示す右側面図である。 電力変換ユニット101の構成を示す斜視図である。 電力変換ユニット101の前面の構成を示す分解斜視図である。 電力変換ユニット101の背面の構成を示す分解斜視図である。 主回路バスバーアッセンブリ151の前面の構成を示す斜視図である。 主回路バスバーアッセンブリ151の背面の構成を示す斜視図である。 主回路バスバーアッセンブリ151の前面の構成を示す分解斜視図である。 主回路バスバーアッセンブリ151の背面の構成を示す分解斜視図である。 ユニット連結バスバーアッセンブリ161の前面の構成を示す斜視図である。 ユニット連結バスバーアッセンブリ161の背面の構成を示す斜視図である。 ユニット連結バスバーアッセンブリ161の前面の構成を示す分解斜視図である。 ユニット連結バスバーアッセンブリ161の背面の構成を示す分解斜視図である。
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
実施例として、UPS(Uninterruptible Power Supply、無停電電源装置)について説明する。
図1は、実施例のUPSの構成を示す。
このUPS2は、停電時に無瞬断で電力供給を継続できる常時インバータ給電方式を用いる。なお、本発明は、常時インバータ給電方式に限らず、常時商用給電方式等の他の方式にも適用できる。
3相交流の商用電源3は、通常運用時において、コンバータ11とインバータ12を経由して負荷4へ電力を給電する。ここで、コンバータ11は、3相交流の商用電源3を直流電圧5に変換してインバータ12へ供給する。インバータ12は、直流電圧5を3相交流電力6に変換する。これにより、商用電源3に瞬時電圧低下等の電圧変動が生じた場合でも、コンバータ11とインバータ12が制御することで、通常の商用電源と同等の電力を安定して負荷4へ供給できる。
一方、停電時には、インバータ12が起動している状態で、蓄電池14からインバータ12を介して負荷4へ電力を供給する。これにより、UPS2は無瞬断で電力を負荷4へ供給できる。本実施例においては、UPS2の体積を小型化するために、蓄電池14の総電圧は、インバータ12に印加する直流電圧より十分小さくしている。そのため、本実施例のUPS2は、蓄電池14の放電により出力される低圧の直流電圧を所望の直流電圧5まで昇圧させてインバータ12へ出力する昇圧チョッパ13を搭載している。なお、UPS2は、体積の制約が無い場合、昇圧チョッパ13を省き、所望の直流電圧を供給できる高圧の蓄電池14を有するUPS2にも適用できる。
以下の説明において、コンバータ11、インバータ12、及び昇圧チョッパ13を合わせて電力変換部2aと呼ぶ。
UPS2は更に、電力変換部2aを空冷する冷却機構を有していても良い。
バイパス回路17は、指示に応じて電力変換部2aをバイパスし、商用電源3と負荷4を直接接続する。保守バイパス回路16は、電力変換部2a及びバイパス回路17の保守のために、指示に応じて、電力変換部2a及びバイパス回路17をバイパスし、商用電源3と負荷4を直接接続する。
図2は、コンバータ11の回路構成を示す。
商用電源3からの3相交流電力は、コンバータ11の交流端子R,S,Tに供給され、R,S,Tの各相において、上アームのスイッチング素子21及び整流素子23と、下アームのスイッチング素子22及び整流素子24と、コンデンサ群120とにより整流され、直流端子P,Nへ出力される。本実施例においては、スイッチング素子21、22としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、整流素子23、24としてダイオードを用いているが、これらに限らず、他の種類の素子を適用することも可能である。
図3は、インバータ12の回路構成を示す。
コンバータ11または昇圧チョッパ13により変換された直流電圧5は、インバータ12の直流端子P,Nに供給され、U,V,Wの各相において、上アームのスイッチング素子21及び整流素子23と、下アームのスイッチング素子22及び整流素子24と、コンデンサ群120とにより交流電力6に変換され、交流端子U,V,Wへ出力される。交流端子U,V,Wから出力される3相交流は、負荷4へ供給される。
図4は、昇圧チョッパ13の回路構成を示す。
蓄電池14の出力は、入力端子Batへ供給される。下アームのスイッチング素子22がONしている間に、入力端子Batと交流端子Cとの間に接続されたリアクトル15にエネルギーが蓄積される。次に、下アームのスイッチング素子22がOFFした際に、リアクトル15が発する逆起電圧により上アームの整流素子23がONする。これにより、蓄電池14から出力される直流電圧とリアクトル15の逆起電圧の加算電圧が、昇圧チョッパ13の出力端子P,Nに現れ、昇圧された直流電圧が出力される。
以上に述べたように、本実施例のUPS2に搭載されるコンバータ11とインバータ12と昇圧チョッパ13とはいずれも、上アームのスイッチング素子21及び整流素子23と、下アームのスイッチング素子22及び整流素子24とが直列に接続された2レベルハーフブリッジ回路であるパワー半導体モジュール群110と、コンデンサ群120と、正極側のヒューズ131と、負極側のヒューズ132とを含む基本回路を、少なくとも一つ有している。なお、2レベルハーフブリッジ回路の代わりに3レベル以上の変換回路が用いられても良い。
本実施例では、電力変換ユニット101により基本回路を実現し、電力変換ユニット101の組み合わせにより、コンバータ11、インバータ12、昇圧チョッパ13を実現する。これにより、電力変換部2aに使用する部品の種類を共通化すると共に、電力変換部2aの組立及びメンテナンスを容易にする。
図5は、電力変換ユニット101の構成を示す。
電力変換ユニット101においては、それぞれが上下アームを構成する2in1型の第1のパワー半導体モジュール111と第2のパワー半導体モジュール112とを並列接続することにより、パワー半導体モジュール群110を実現する。更に、第1のコンデンサ121と第2のコンデンサ122とを並列接続することにより、コンデンサ群120を実現する。これにより、複数のパワー半導体モジュール及び複数のコンデンサを用いて、電力変換ユニット101に要求される電力に応じたパワー半導体モジュール群110及びコンデンサ群120を実現することができる。
更に、電力変換ユニット101において、パワー半導体モジュール群110とコンデンサ群120とに対し、正極側にヒューズ131が直列に接続されており、負極側にヒューズ132が直列に接続されている。正極側のヒューズ131の第2端子131bは、コンバータ11、インバータ12、昇圧チョッパ13におけるP端子に対応する。負極側のヒューズ132の第2端子132bは、コンバータ11、インバータ12、昇圧チョッパ13におけるN端子に対応する。電力変換ユニット101がヒューズ131,132を有することにより、短絡故障時における電力変換ユニット101の信頼性を向上させることができる。なお、電力変換ユニット101が遮断器により切り離される場合などにおいて、ヒューズ131,132のいずれかまたは両方が省かれても良い。
パワー半導体モジュール111、112のそれぞれは、上アームのスイッチング素子21及び整流素子23と、下アームのスイッチング素子22及び整流素子24とを有する。パワー半導体モジュール111、112のそれぞれにおける上アームと下アームの間は、外部交流端子154Tに接続されている。パワー半導体モジュール111、112のそれぞれの上アームのスイッチング素子21のゲート端子は、ゲート端子111gに接続されている。パワー半導体モジュール111、112のそれぞれの下アームのスイッチング素子22のゲート端子は、ゲート端子112gに接続されている。
図6は、電力変換部2aの構成を示す斜視図である。
以降、UPS2の座標を、X軸、Y軸、Z軸と定める。なお、Y軸方向がUPS2の前向を示し、Z軸方向はUPS2の上方を示し、X軸方向はUPS2の左方を示す。ここで、電力変換部2aは、UPS2の筺体(不図示)内に設けられており、電力変換部2aのY軸方向すなわちUPS2の筺体の前面には、UPS2のメンテナンス時に開かれる開閉扉(不図示)が備えられている。この開閉扉を開くことにより、電力変換部2aの前面に容易にアクセスできる。
電力変換部2aは、X軸方向に配列された複数の電力変換ユニット101を含む。コンバータ11には、商用電源の3相にそれぞれ対応する3つの電力変換ユニット101を含む。インバータ12も同様に、3相にそれぞれ対応する3つの電力変換ユニット101を含む。
昇圧チョッパ13は、並列接続された2つの電力変換ユニット101を含む。なお、昇圧チョッパ13は、1つの電力変換ユニット101であっても良い。昇圧チョッパ13に要求される電力が、電力変換ユニット101に備えられるパワー半導体モジュール群110の定格電力を超える場合、電力変換ユニット101をN個並列接続することで、許容できる電力をN倍化させている。なお、同様の目的で、コンバータ11及びインバータ12のそれぞれは、必要に応じて、1相当り複数並列接続された電力変換ユニット101を有していても良い。
電力変換部2aにおける複数の電力変換ユニット101は、ユニット連結バスバーアッセンブリ161を介して並列接続されている。複数の電力変換ユニット101のそれぞれの長手方向はZ方向であり、複数の電力変換ユニット101は、X方向に配列されている。ユニット連結バスバーアッセンブリ161の長手方向はX方向であり、ユニット連結バスバーアッセンブリ161は、複数の電力変換ユニット101の+Y方向に配置されている。即ち、複数の電力変換ユニット101のそれぞれの長手方向は、ユニット連結バスバーアッセンブリ161の長手方向と交差する。これにより、複数の電力変換ユニット101は、限られた体積内に効率よく配置することができる。
図7は、電力変換部2aの構成を示す分解斜視図である。
各々の電力変換ユニット101の下部の前面に備えられた正極側のヒューズ131の第2端子131bと、負極側のヒューズ132の第2端子132bとには、取付ねじ169を用いてユニット連結バスバーアッセンブリ161が組み付けられている。
図8は、電力変換部2aの構成を示す正面図である。
複数の電力変換ユニット101の上端に設けられている外部交流端子154Tのそれぞれは、コンバータ11のR,S,T端子、インバータ12のU,V,W端子、昇圧チョッパ13のC,C端子(共通)に対応する。ユニット連結バスバーアッセンブリ161の左端に設けられている二つの端子のうち、上の端子はコンバータ11、インバータ12、昇圧チョッパ13におけるP端子、下の端子はコンバータ11、インバータ12、昇圧チョッパ13におけるN端子に対応する。
図9は、電力変換ユニット101の構成を示す右側面図である。
電力変換ユニット101は、パワー半導体モジュール群110と、コンデンサ群120と、ヒューズ131及び132と、これらを電気的に接続する主回路バスバーアッセンブリ151とを有する。なお、空冷フィン113は、パワー半導体モジュール群110の背面(−Y方向)に設けられ、パワー半導体モジュール群110を冷却する。そして、それらは、下(−Z)方向へ、パワー半導体モジュール群110、コンデンサ群120、ヒューズ131及び132、の順で配置されている。なお、主回路バスバーアッセンブリ151の背面側において、空冷フィン113を空冷するための風が上(+Z)方向へ流動するように、筺体が設計され、冷却機構が設けられている。このように配置する理由は、空冷フィン113が、コンデンサ群120に対し風路の風下側、すなわち上(+Z)側に位置することで、コンデンサ群120等が空冷フィン113からのあおり熱を受けないようにするためである。本実施例では、空冷フィン113が−Y方向に設置されているが、例えば風路が−Y方向である場合は、空冷フィン113を+Z方向に設置するなど、空冷フィン113の設置方向は風路に応じて決まる。また、パワー半導体モジュール群110とコンデンサ群120とを隣接させることで、パワー半導体モジュール群110とコンデンサ群120を接続する主回路バスバーアッセンブリ151に形成する寄生インダクタンスを低減でき、スイッチング時に発生するサージ電圧を低減でき、かつ、後述するように、自身の電力変換ユニット101内のパワー半導体モジュール群110から、隣接する電力変換ユニット101内のコンデンサ群120までのインピーダンスを最も小さくできるため、自身の電力変換ユニット101のコンデンサ群120のみならず、他の電力変換ユニット101のコンデンサ群120までも有効活用できるため、結果的に1つの電力変換ユニット101当りに使用するコンデンサ群の容量を低減することができ、電力変換ユニット101の体積も低減できる。
前(+Y)方向に突き出た端子を有するパワー半導体モジュール群110とコンデンサ群120は、主回路バスバーアッセンブリ151に対し後(−Y)方向に配置されている。この配置にすることで、パワー半導体モジュール群110とコンデンサ群120の端子がすべて前面に位置し、メンテナンス時における端子部の点検、または、取り付け及び取り外し等の作業が容易となる。
図10は、電力変換ユニット101の構成を示す斜視図である。
ヒューズ131及び132のそれぞれには、後(−Y)方向に一方の端子が設けられ、前(+Y)方向に他方の端子が設けられている。また、ヒューズ131及び132は、主回路バスバーアッセンブリ151に対して、前(+Y)方向に配置する。すなわち、正極側のヒューズ131の第1端子131aと、負極側のヒューズ132の第1端子132aとは、後(−Y)方向を向き、取付ねじ139により主回路バスバーアッセンブリ151に接続されている。一方、正極側のヒューズ131の第2端子131bと、負極側のヒューズ132の第2端子132bとは、前(+Y)方向を向く。この配置にすることで、自身の電力変換ユニット101を他の電力変換ユニット101と連結するための端子となる、正極側のヒューズ131の第2端子131bと、負極側のヒューズ132の第2端子132bとがUPS2の前面に位置することより、組立時及びメンテナンス時における前面アクセス性が良く、作業性が向上する。ここで、電力変換ユニット101が有する外部端子として、前述したように、他の電力変換ユニット101と接続するためのユニット連結バスバーアッセンブリ161に接続される正極側のヒューズ131の第2端子131bと、負極側のヒューズ132の第2端子132bと、主回路バスバーアッセンブリ151に設けられた外部交流端子154Tとの計3つが存在する。
図11は、電力変換ユニット101の前面の構成を示す分解斜視図であり、図12は、電力変換ユニット101の背面の構成を示す分解斜視図である。
本実施例において、パワー半導体モジュール群110には、それぞれが2レベルハーフブリッジ回路(2in1)であるパワー半導体モジュール111及び112が並列に接続された状態で搭載されている。なお、電力変換ユニット101内におけるパワー半導体モジュールの並列数は、電力変換ユニット101を用いるUPSやその他の電力変換装置のラインナップにおいて最小電力となる機種を基準とし、その電力を許容できる必要最小限の並列数とすると良い。なぜならば、より大きな電力を要求する機種に対しては、電力変換ユニット101を並列化させることで、所望の電力量を満たすことが可能であるためである。本実施例では、上記の点を考慮して、パワー半導体モジュールの並列数を2としている。
パワー半導体モジュール111及び112のそれぞれには、正極端子111p及び112pと、負極端子111n及び112nと、交流端子111ac及び112acと、制御端子群111d及び112dとが備えられている。制御端子群111d及び112dのそれぞれには、ゲート端子111g及び112gを含む。
パワー半導体モジュール群110における正極端子111p及び112pのそれぞれは、主回路バスバーアッセンブリ151における正極の接続端子152pに接続されている。パワー半導体モジュール群110における負極端子111n及び112nのそれぞれは、主回路バスバーアッセンブリ151における負極の接続端子153nに接続されている。パワー半導体モジュール群110における交流端子111ac及び112acのそれぞれは、外部交流端子154Tに接続されている接続端子154acに接続されている。これらの正極端子111p及び112p、負極端子111n及び112n、交流端子111ac及び112acのそれぞれは、主回路バスバーアッセンブリ151に対して溶接等の接合方式を用いて接続されている。なお、これらは、ねじやクリップなどにより接続されても良い。
なお、コンデンサ群120からパワー半導体モジュール111の正極端子111p及び負極端子111nまでの距離と、コンデンサ群120からパワー半導体モジュール112の正極端子112p及び負極端子112nまでの距離との差を抑えるために、一方のパワー半導体モジュール111のX軸方向に並んでいる正極端子111p及び負極端子111nの配置に対し、他方のパワー半導体モジュール112の正極端子112p及び負極端子112nの配置を反転させる。更に、パワー半導体モジュール111における正極端子111p及び負極端子111nを近接させて対面させ、パワー半導体モジュール112における正極端子112p及び負極端子112nを近接させて対面させている。このような配置にすることで、パワー半導体モジュール111及び112とコンデンサ121及び122との間に生じるインピーダンスの差を低減させることで、パワー半導体モジュール111とパワー半導体モジュール112とに流れる電流の均衡を向上させている。
コンデンサ121が有する正極端子121p及び負極端子121nは、主回路バスバーアッセンブリ151に設けられたコンデンサ接続箇所156にコンデンサ取付ねじ129を用いて取り付けられる。同様に、コンデンサ122が有する正極端子122p及び負極端子122nは、主回路バスバーアッセンブリ151に設けられたコンデンサ接続箇所157に、コンデンサ取付ねじ129を用いて取り付けられる。
図13は、主回路バスバーアッセンブリ151の前面の構成を示す斜視図であり、図14は、主回路バスバーアッセンブリ151の背面の構成を示す斜視図である。
コンデンサ接続箇所156の背面にはコンデンサ接続部156p,156nが設けられ、コンデンサ接続箇所157の背面にはコンデンサ接続部157p,157nが設けられている。主回路バスバーアッセンブリ151に対しコンデンサ接続部156p,156nの反対側にはそれぞれコンデンサ取付ねじ接続部156pf,156nfが設けられ、主回路バスバーアッセンブリ151に対しコンデンサ接続部157p,157nの反対側にはコンデンサ取付ねじ接続部157pf,157nfが設けられている。コンデンサ121の正極端子121p及び負極端子121nのそれぞれは、コンデンサ接続箇所156の前面のコンデンサ取付ねじ129を用いてコンデンサ接続箇所156の背面に固定される。これにより、コンデンサ121の正極端子121p及び負極端子121nのそれぞれは、コンデンサ接続部156p,156nに接触し、各コンデンサ取付ねじ129のそれぞれは、コンデンサ取付ねじ接続部156pf,156nfに接触する。更に、コンデンサ122の正極端子122p及び負極端子122nのそれぞれは、コンデンサ接続箇所157の前面のコンデンサ取付ねじ129を用いてコンデンサ接続箇所157の背面に固定される。これにより、コンデンサ122の正極端子122p及び負極端子122nのそれぞれは、コンデンサ接続部157p,157nに接触し、各コンデンサ取付ねじ129のそれぞれは、コンデンサ取付ねじ接続部157pf,157nfに接触する。
主回路バスバーアッセンブリ151の前面にはヒューズ接続部158、159が設けられ、主回路バスバーアッセンブリ151に対しヒューズ接続部158、159の反対側にはそれぞれヒューズ取付ねじ接続部158b及び159bが設けられている。正極側のヒューズ131の第1端子131aは、ヒューズ取付ねじ接続部158bの背面のヒューズ取付ねじ139を用いて、ヒューズ接続部158の前面に固定される。これにより、正極側のヒューズ131の第1端子131aは、ヒューズ接続部158に接触し、ヒューズ取付ねじ139は、ヒューズ取付ねじ接続部158bに接触する。更に、負極側のヒューズ132の第1端子132aは、ヒューズ取付ねじ接続部159bの背面のヒューズ取付ねじ139を用いて、ヒューズ接続部159の前面に固定される。これにより、負極側のヒューズ132の第1端子132aはヒューズ接続部159に接触し、ヒューズ取付ねじ139は、ヒューズ取付ねじ接続部159bに接触する。
図15は、主回路バスバーアッセンブリ151の前面の構成を示す分解斜視図であり、図16は、主回路バスバーアッセンブリ151の背面の構成を示す分解斜視図である。
主回路バスバーアッセンブリ151は、正極導体152と、負極導体153と、交流導体154と、絶縁体155とを有する。正極導体152と、負極導体153と、交流導体154とは、平板状である。パワー半導体モジュール群110とコンデンサ群120との間に現れる寄生インダクタンスを低減するために、正極導体152及び負極導体153は、互いに対向する面が平行で近接するように絶縁体155を介して積層されている。これにより、主回路バスバーアッセンブリ151における電流リプル及びインピーダンスを低減し、スイッチング時に発生するサージ電圧を低減することができる。更に、絶縁体155は、積層配置された正極導体152と、負極導体153と、交流導体154と、が所定の絶縁距離を保つように、それら導体の大部分を覆っている。ここで、放熱性を改善するために、所定の絶縁距離を保つ範囲で、主回路バスバーアッセンブリ151の前面及び背面の導体面を露出させても良い。絶縁体155は、流動性の良い絶縁性の樹脂などが用いられる。
なお、本実施例においては、後(−Y)方向へ、交流導体154、正極導体152、負極導体153の順で配置しているが、これらの導体のうち正極導体152と負極導体153が最も近接するように配置していれば、これら導体の配置順番を変更しても、寄生インダクタンスには影響しない。これらの導体は、銅やアルミなどの導電率の高い材質を用いて、一枚の導体板から切り出しや折り曲げ等の加工により形成されている。正極導体152を例に挙げて説明する。その形成法は、一枚の導体板を基に、正極端子111p及び112pと接続するための接続端子152pとなる部分を導体板の面内に残しつつ、パワー半導体モジュール111及び112の全端子111p,111n,111ac,111d,112p,112n,112ac,112dを貫通させるための開口部152hを切り抜く。そして、導体板の面内に残された接続端子152pとなる部分を前(+Y)方向へ90度折り曲げることで接続端子152pを形成する。以上の形成法は、負極導体153と交流導体154に対しても同様である。
正極導体152は、パワー半導体モジュール群110の正極端子111p及び112pにそれぞれ接続される二つの接続端子152pを含む。負極導体153は、パワー半導体モジュール群110の負極端子111n及び112nにそれぞれ接続される二つの接続端子153nを含む。交流導体154は、パワー半導体モジュール群110の交流端子111ac及び112acにそれぞれ接続される二つの接続端子154acと、外部に接続される外部交流端子154Tとを含む。
コンデンサ接続箇所156及び157においては、コンデンサ121及び122の負極端子121n及び122nが、負極導体153の背面に設けられているコンデンサ接続部156n及び157nに当接する。更に、コンデンサ121及び122の正極端子121p及び122pが、負極導体153の背面と同一の仮想平面にて導体に当接するように、正極導体152から後(−Y)方向へ突出したコンデンサ接続部156p及び157pが設けられている。コンデンサ接続部156p及び157pは、正極導体152とは別体であり、ろう付けやはんだやかしめ等の手段により正極導体152に接続される。また、一枚の導体板からコンデンサ接続部156p及び157pが突出した状態で残るように切削する手段や、ダイカスト等の鋳造の手段によっても、コンデンサ接続部156p及び157pを製造可能である。コンデンサ接続部156p及び157pには、コンデンサ取付ねじ129を通すための穴が設けられている。そして、突出した正極のコンデンサ接続部156p及び157pが負極導体153に接触することを避けるために、負極導体153には開口部156h及び157hが設けられている。
更に、コンデンサ接続箇所156及び157においては、コンデンサ121の正極端子121p及びコンデンサ122の正極端子122pのそれぞれを固定するコンデンサ取付ねじ129が、正極導体152の前面に設けられているコンデンサ接続部156pf及び157pfに当接する。更に、コンデンサ121の負極端子121n及びコンデンサ122の負極端子122nのそれぞれを固定するコンデンサ取付ねじ129が、正極導体152の前面と同一の仮想平面にて導体に当接するように、負極導体153から前(+Y)方向へ突出したコンデンサ接続部156nf及び157nfが設けられている。コンデンサ接続部156nf及び157nfは、負極導体153とは別体であり、コンデンサ接続部156p及び157pと同様の手段により負極導体153に接続される。コンデンサ接続部156nf及び157nfには、コンデンサ取付ねじ129を通すための穴が設けられている。そして、突出した負極のコンデンサ接続部156nf及び157nfが正極導体152に接触することを避けるために、正極導体152には開口部156h及び157hが設けられている。
主回路バスバーアッセンブリ151とヒューズ131,132との接続箇所においては、正極側のヒューズ131の第1端子131aが、正極導体152の前面に設けられているヒューズ接続部158に当接する。更に、負極側のヒューズ132の第1端子132aが、正極導体152の前面と同一の仮想平面(第2仮想平面)にて導体に当接するように、負極導体153から前(+Y)方向へ突出したヒューズ接続部159が設けられている。ヒューズ接続部159は、負極導体153とは別体であり、コンデンサ接続部156p及び157pと同様の手段によって負極導体153に接続される。ヒューズ接続部159には、ヒューズ取付ねじ139を通すための穴が設けられている。そして、突出した負極のヒューズ接続部159が正極導体152に接触することを避けるために、正極導体152には開口部159hが設けられている。
正極側のヒューズ131の第1端子131aと、負極側のヒューズ132の第1端子132aとが、同一の仮想平面内で主回路バスバーアッセンブリ151に当接することにより、ヒューズ131,132の取付けが容易になると共に、主回路バスバーアッセンブリ151の取り扱いが容易になる。
更に、主回路バスバーアッセンブリ151とヒューズ131,132との接続箇所においては、負極側のヒューズ132の第1端子132aを固定するヒューズ取付ねじ139が、負極導体153の後面に設けられているヒューズ接続部158に当接する。更に、正極側のヒューズ131の第1端子131aを固定するヒューズ取付ねじ139が、負極導体153の後面と同一の仮想平面にて導体に当接するように、負極導体153から後(−Y)方向へ突出したヒューズ接続部158bが設けられている。ヒューズ接続部158bは、正極導体152とは別体であり、コンデンサ接続部156p及び157pと同様の手段によって正極導体152に接続される。ヒューズ接続部158bには、ヒューズ取付ねじ139を通すための穴が設けられている。そして、突出した正極のヒューズ接続部158bが負極導体153に接触することを避けるために、負極導体153には開口部158hが設けられている。
図17は、ユニット連結バスバーアッセンブリ161の前面の構成を示す斜視図であり、図18は、ユニット連結バスバーアッセンブリ161の背面の構成を示す斜視図であり、図19は、ユニット連結バスバーアッセンブリ161の前面の構成を示す分解斜視図であり、図20は、ユニット連結バスバーアッセンブリ161の背面の構成を示す分解斜視図である。
ユニット連結バスバーアッセンブリ161は、正極導体162と、負極導体163と、絶縁体164とを有する。正極導体162と、負極導体163とは、平板状である。正極導体162及び負極導体163の左端には、電力変換部2aの外部に接続される外部正極端子162T及び外部負極端子163Tがそれぞれ設けられている。外部正極端子162T及び外部負極端子163Tのそれぞれは、P端子及びN端子に対応する。自身の電力変換ユニット101のヒューズから隣接する電力変換ユニット101のヒューズとの間に現れる寄生インダクタンスを低減するために、正極導体162と負極導体163は、互いに対向する面が平行で近接するように絶縁体164を介して積層されている。これにより、ユニット連結バスバーアッセンブリ161における電流リプル及びインピーダンスを低減し、自身の電力変換ユニット101のパワー半導体モジュール群110から、隣接する電力変換ユニット101が有するコンデンサ群120までのインピーダンスを最も小さくでき、自身の電力変換ユニット101のコンデンサ群120のみならず他の電力変換ユニット101のコンデンサ群120までも有効活用できる。これにより、結果的に1つの電力変換ユニット101当りのコンデンサ群120の容量を低減することができ、電力変換ユニット101の体積も低減できる。絶縁体164は、積層配置した正極導体162と、負極導体163とが所定の絶縁距離を保つように、それら導体の大部分を覆っている。ここで、放熱性を改善するために、所定の絶縁距離を保つ範囲で、ユニット連結バスバーアッセンブリ161の前面及び背面の導体面を露出させても良い。絶縁体164は、流動性の良い絶縁性の樹脂などが用いられる。
なお、本実施例においては、後(−Y)方向へ、負極導体163、正極導体162の順で配置しているが、正極導体162と負極導体163が最も近接するように配置していれば、これら導体の配置順番を変更しても、寄生インダクタンスには影響しない。これらの導体は、銅やアルミなどの導電率の高い材質を用いて、一枚の導体板から切り出し等の加工により形成されている。
ユニット連結バスバーアッセンブリ161とヒューズ131,132との接続箇所においては、正極側のヒューズ131の第2端子131bが、正極導体162の背面に設けられている接続部165に当接する。更に、負極側のヒューズ132の第2端子132bが正極導体162の背面と同一の仮想平面(第1仮想平面)にて負極導体に当接するように、負極導体163から後(−Y)方向へ突出した接続部166が設けられている。接続部166は、負極導体163とは別体であり、主回路バスバーアッセンブリ151におけるコンデンサ接続部156p及び157pと同様の手段によって負極導体163に接続される。接続部166には、取付ねじ169を通すための穴が設けられている。そして、突出した負極の接続部166が正極導体162に接触することを避けるために、正極導体162には開口部166hが設けられている。
正極側のヒューズ131の第2端子131bと、負極側のヒューズ132の第2端子132bとが、同一の仮想平面内でユニット連結バスバーアッセンブリ161に当接することにより、ヒューズ131,132の取付けが容易になると共に、ユニット連結バスバーアッセンブリ161の取り扱いが容易になる。
更に、ユニット連結バスバーアッセンブリ161とヒューズ131,132との接続箇所においては、負極側のヒューズ132の第2端子132bを固定する取付ねじ169が、負極導体163の前面に設けられている接続部166fに当接する。更に、正極側のヒューズ131の第2端子131bを固定する取付ねじ169が負極導体163の前面と同一の仮想平面にて正極導体に当接するように、正極導体162から前(+Y)方向へ突出した接続部165fが設けられている。接続部165fは、正極導体162とは別体であり、主回路バスバーアッセンブリ151におけるコンデンサ接続部156p及び157pと同様の手段によって正極導体162に接続される。接続部165fには、取付ねじ169を通すための穴が設けられている。そして、突出した正極の接続部165fが負極導体163に接触することを避けるために、負極導体163には開口部165hが設けられている。
以上の実施例のような構成とすることにより、所望の電力量及び相数に応じて適切な数の電力変換ユニット101を並列接続することで、コンバータ11やインバータ12や昇圧チョッパ13などの様々な電力変換装置を任意に構成できる。そして、最小構成単位として電力変換ユニット101を製造することで、多品種の電力変換装置に対し部品の共通化が図られ、コスト削減が可能となる。また、共通化された電力変換ユニット101を用いることで、並列配置させた際に整然としたレイアウトとなり、ユニット間接続配線の容易性及び全体組立性が向上する。また、電力変換ユニット101に含まれるパワー半導体モジュールの端子群やコンデンサ端子やヒューズ端子、電力変換ユニット101同士を接続するユニット連結バスバーアッセンブリ161が、電力変換装置の前面に存在するため、組立時及びメンテナンス時における前面アクセス性が良く、作業性が向上する。
電力変換部2aの製造方法について説明する。まず、製造者は、複数の電力変換ユニット101を+X方向に配列し、複数の電力変換ユニット101に対して+Y方向にユニット連結バスバーアッセンブリ161を配置する。その後、製造者は、複数の電力変換ユニット101にそれぞれ含まれる複数の正極導体152を、ユニット連結バスバーアッセンブリ161に含まれる正極導体162を介して接続し、複数の電力変換ユニット101にそれぞれ含まれる複数の負極導体153を、ユニット連結バスバーアッセンブリ161に含まれる負極導体163を介して接続する。これにより、電力変換部2aを製造することができる。また、複数の電力変換ユニット101を用いて、コンバータ11やインバータ12や昇圧チョッパ13等を製造することができる。更に製造者は、複数の電力変換ユニット101にそれぞれ含まれる複数の交流端子154Tに、蓄電池14や保守バイパス回路16やバイパス回路17等を接続することにより、UPS2を製造することができる。
用語について説明する。電力変換ユニットは、電力変換ユニット101等に対応する。正極導体は、正極導体152等に対応する。負極導体は、負極導体153等に対応する。交流導体は、交流導体154等に対応する。回路接続部は、主回路バスバーアッセンブリ151等に対応する。パワー半導体モジュールは、パワー半導体モジュール群110等に対応する。コンデンサは、コンデンサ群120等に対応する。ユニット接続部は、ユニット連結バスバーアッセンブリ161等に対応する。正極接続導体は、正極導体162等に対応する。負極接続導体は、負極導体163等に対応する。二つの2レベルハーフブリッジ回路は、パワー半導体モジュール111、112等に対応する。二つのコンデンサは、コンデンサ121、122等に対応する。正極ヒューズは、ヒューズ131等に対応する。負極ヒューズは、ヒューズ132等に対応する。電力変換装置は、コンバータ11、インバータ12、昇圧チョッパ13、電力変換部2a、UPS2等に対応する。ユニットは、電力変換ユニット101等に対応する。正極接続端子は、第2端子131b等に対応する。負極接続端子は、第2端子132b等に対応する。積層バスバー板は、ユニット連結バスバーアッセンブリ161等に対応する。積層板は、主回路バスバーアッセンブリ151等に対応する。第1のパワー半導体モジュールの一方側端子は、正極端子111p等に対応する。第1のパワー半導体モジュールの他方側端子は、交流端子111ac等に対応する。第2のパワー半導体モジュールの一方側端子は、交流端子112ac等に対応する。第2のパワー半導体モジュールの他方側端子は、負極端子112n等に対応する。
本発明は、以上の実施例に限定されるものでなく、その趣旨から逸脱しない範囲で、他の様々な形に変更することができる。
1:電力変換装置 2:UPS(Uninterruptible Power Supply、無停電電源装置) 11:コンバータ 12:インバータ 13:昇圧チョッパ 101:電力変換ユニット 110:パワー半導体モジュール群 111、112:パワー半導体モジュール 113:空冷フィン 120:コンデンサ群 121、122:コンデンサ 131、132:ヒューズ 151:主回路バスバーアッセンブリ 152:正極導体 153:負極導体 154:交流導体 154T:外部交流端子 155:絶縁体 161:ユニット連結バスバーアッセンブリ 162:正極導体 162T:外部正極端子 163:負極導体 163T:外部負極端子 164:絶縁体

Claims (15)

  1. 正極導体と負極導体と交流導体とを含む回路接続部と、
    前記回路接続部に対して特定方向に位置し前記正極導体と前記負極導体と前記交流導体とに接続されるパワー半導体モジュールと、
    前記特定方向に位置し前記パワー半導体モジュールを冷却するフィンと、
    前記回路接続部に対して前記特定方向に位置し前記正極導体と前記負極導体とに接続されるコンデンサと、を備え、
    前記正極導体は、前記回路接続部に対して前記特定方向の逆方向に位置するユニット接続部を介して他の電力変換ユニットの正極導体に接続され、
    前記負極導体は、前記ユニット接続部を介して他の電力変換ユニットの負極導体に接続され、
    前記他の電力変換ユニットと、前記特定方向とは異なる方向に配列される電力変換ユニット。
  2. 前記正極導体と前記負極導体と前記交流導体とは、絶縁体を介して互いに絶縁され前記特定方向へ積層される請求項1に記載の電力変換ユニット。
  3. 前記回路接続部の長手方向は、前記ユニット接続部の長手方向と交差する請求項1又は2に記載の電力変換ユニット。
  4. 前記正極導体に接続される正極端子と、
    前記負極導体に接続される負極端子と、を更に備え、
    前記正極端子と前記他の電力変換ユニットの正極端子、及び、前記負極端子と前記他の電力変換ユニットの負極端子とは、前記特定方向に垂直な第1仮想平面内で前記ユニット接続部に当接する請求項1乃至3の何れか一項に記載の電力変換ユニット。
  5. 前記パワー半導体モジュールは、2レベルハーフブリッジ回路を含む請求項4に記載の電力変換ユニット。
  6. 前記パワー半導体モジュールは、互いに並列に接続された二つの2レベルハーフブリッジ回路を含み、
    前記コンデンサは、互いに並列に接続された二つのコンデンサを含む請求項5に記載の電力変換ユニット。
  7. 前記正極導体及び前記正極端子の間に接続されるヒューズである正極ヒューズと、
    前記負極導体及び前記負極端子の間に接続されるヒューズである負極ヒューズとを更に備える請求項4乃至6の何れか一項に記載の電力変換ユニット。
  8. 前記正極導体及び前記負極導体のうち前記特定方向の逆方向に位置する第1導体に対し、前記正極ヒューズ及び前記負極ヒューズのうち前記第1導体に接続される第1ヒューズにおいて前記第1導体側の端子である第1ヒューズ端子は、前記特定方向に垂直な第2仮想平面内で前記第1導体に当接し、
    前記第1導体は、前記特定方向に貫通する開口部を含み、
    前記回路接続部は、前記正極導体及び前記負極導体のうち前記特定方向に位置する第2導体から前記第1導体の開口部内を通り前記特定方向の逆方向へ延びる導体であるヒューズ接続導体を含み、
    前記正極ヒューズ及び前記負極ヒューズのうち前記第2導体に接続される第2ヒューズにおいて前記回路接続部側の端子である第2ヒューズ端子は、前記第2仮想平面内で前記ヒューズ接続導体に当接する請求項7に記載の電力変換ユニット。
  9. 前記ユニット接続部は、前記正極導体に接続される導体である正極接続導体と、前記負極導体に接続される導体である負極接続導体とを含み、
    前記正極接続導体と前記負極接続導体とは、絶縁体を介して互いに絶縁され前記特定方向へ積層される請求項1乃至8の何れか一項に記載の電力変換ユニット。
  10. 前記正極接続導体及び前記負極接続導体のうち前記特定方向に位置する第1接続導体に対し、前記正極端子及び前記負極端子のうち前記第1接続導体に接続される第1端子は、前記第1仮想平面内で前記第1接続導体に当接し、
    前記第1接続導体は、前記特定方向に貫通する開口部を含み、
    前記ユニット接続部は、前記正極接続導体及び前記負極接続導体のうち前記特定方向の逆方向に位置する第2接続導体から前記第1接続導体の開口部内を通り前記特定方向へ延びる導体であるユニット接続導体を含み、
    前記正極端子及び前記負極端子のうち前記第2接続導体に接続される第2端子は、前記第1仮想平面内で前記ユニット接続導体に当接する請求項9に記載の電力変換ユニット。
  11. 複数の電力変換ユニットと、
    前記複数の電力変換ユニットを接続するユニット接続部とを備え、
    前記複数の電力変換ユニットのそれぞれは、
    正極導体と負極導体と交流導体とを含む回路接続部と、
    前記回路接続部に対して特定方向に位置し前記正極導体と前記負極導体と前記交流導体とに接続されるパワー半導体モジュールと、
    前記特定方向に位置し前記パワー半導体モジュールを冷却するフィンと、
    前記回路接続部に対して前記特定方向に位置し前記正極導体と前記負極導体とに接続されるコンデンサと、
    を含み、
    前記ユニット接続部は、前記回路接続部に対して前記特定方向の逆方向に位置し、前記複数の電力変換ユニットにそれぞれ含まれる複数の正極導体の間を接続し、前記複数の電力変換ユニットにそれぞれ含まれる複数の負極導体の間を接続し、
    前記他の電力変換ユニットと、前記特定方向とは異なる方向に配列される電力変換装置。
  12. 電力変換装置の製造方法であって、
    複数の電力変換ユニットのそれぞれが、正極導体と負極導体と交流導体とを含む回路接続部と、前記回路接続部に対して特定方向に位置し前記正極導体と前記負極導体と前記交流導体とに接続されるパワー半導体モジュールと、前記特定方向に位置し前記パワー半導体モジュールを冷却するフィンと、前記回路接続部に対して前記特定方向に位置し前記正極導体と前記負極導体とに接続されるコンデンサとを含み、
    前記複数の電力変換ユニットを、前記特定方向とは異なる方向に配列し、
    前記複数の電力変換ユニットにそれぞれ含まれる複数の正極導体を、前記複数の電力変換ユニットに対して前記特定方向の逆方向に位置するユニット接続部を介して接続し、前記複数の電力変換ユニットにそれぞれ含まれる複数の負極導体を、前記ユニット接続部を介して接続することを備える電力変換装置の製造方法。
  13. 正極導体と負極導体と交流導体とを含む回路接続部と、
    前記回路接続部に対して特定方向に位置し前記正極導体と前記負極導体と前記交流導体とに接続されるパワー半導体モジュールと、
    前記特定方向に位置し前記パワー半導体モジュールを冷却するフィンと、
    前記正極導体と前記負極導体とに接続されるコンデンサとを含むユニットを複数有し、
    前記複数のユニットのうち少なくとも2によりインバータを構成し、前記複数のユニットのうち少なくとも2によりコンバータを構成し、
    前記ユニットの各々の前記正極導体の正極接続端子と前記ユニットの各々の前記負極導体の負極接続端子とは共に、前記ユニットに対して同じ側の側面に位置し、
    前記ユニットは、前記側面と略並行方向に配列され、
    前記ユニットの各々の前記正極接続端子を接続すると共に前記ユニットの各々の前記負極接続端子を接続する積層バスバー板を有する電力変換装置。
  14. 正極導体と負極導体と交流導体とを含む回路接続部と、
    前記正極導体と前記負極導体とに接続されるコンデンサと、
    前記回路接続部に対して特定方向に位置し前記正極導体と前記負極導体と前記交流導体とに接続されるパワー半導体モジュールと、
    前記特定方向に位置し前記パワー半導体モジュールを冷却するフィンと、
    積層バスバーとを含むユニットを、複数有し、
    前記正極導体と前記負極導体と前記交流導体とは積層板を構成し、
    前記積層バスバーにより、前記複数のユニットのうちの所定のユニットにおける前記正極導体は他のユニットの正極導体に接続され、前記所定のユニットにおける前記負極導体は他のユニットの負極導体に接続され、
    前記ユニットは、前記積層板と略並行方向に配置される電力変換装置。
  15. 正極導体と負極導体と交流導体とを含む回路接続部と、
    前記回路接続部に対して特定方向に位置する第1のパワー半導体モジュール及び第2のパワー半導体モジュールと、
    前記特定方向に位置し第1のパワー半導体モジュール冷却する第1のフィンと、
    前記特定方向に位置し第2のパワー半導体モジュール冷却する第2のフィンと、
    前記正極導体と前記負極導体とに接続されるコンデンサとを備え、
    前記正極導体と前記負極導体と前記交流導体は、前記正極導体を層とし、前記負極導体を層とし、前記交流導体を層とする積層板を構成し、
    前記正極導体は、前記第1のパワー半導体モジュールの一方側端子に接続され、
    前記交流導体は、前記第1のパワー半導体モジュールの他方側端子に接続されると共に前記第2のパワー半導体モジュールの一方側端子に接続され、
    前記負極導体は、前記第2のパワー半導体モジュールの他方側端子に接続され、
    前記正極導体は、他の電力変換ユニットの正極導体に接続され、
    前記負極導体は、他の電力変換ユニットの負極導体に接続され、
    前記ユニットは、前記積層板と略並行方向に配置される電力変換ユニット。
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