JP6433579B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

近年、太陽光発電装置などを用いる分散電源システムや、蓄電池などを用いる蓄電システムの導入が進んでいる。これらの分散電源システムは、系統連系するために、直流電力を電力変換装置により連系する系統の交流電力に変換する必要がある。また、蓄電システムにおいては、電池の充電のため、交流電力を電力変換装置により直流電力に変換する必要がある。

電力変換装置は、スイッチング素子、ダイオード、平滑コンデンサ、抵抗などの電気部品を含む。スイッチング素子としては、サイリスタ、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、トランジスタなどが用いられる。電力変換装置を構成するスイッチング素子などの半導体素子は放熱のために冷却板に取付けられる。冷却板は冷却フィンと称される。

電力変換装置のスイッチング素子は、高速のスイッチングを繰り返しており、スイッチング時にサージを発生させる。これにより、スイッチング素子の浮遊容量を介して、高周波コモンモード電流が発生する。高周波コモンモード電流の周波数は、スイッチング時のサージの周波数およびその整数倍となり、スイッチング素子の特性にもよるが、数ｋＨｚから数ＭＨｚとなる。

電力変換装置においてスイッチング時に生ずる高周波コモンモード電流の低減方法が、特許文献１に開示されている。特許文献１では、冷却フィンなどの冷却部材の電位を、スイッチングアームの中点が接続される電源電位の安定電位となる１相の電位とすることで、電力変換装置とアースとの間の浮遊容量が高周波コモンモード電流経路となることを防止し、アース線を流れる伝導ノイズを低減している。

特許第５３２１０７１号公報

分散電源システムや蓄電システムなどにおける直流回路は、太陽光発電パネルや蓄電池などと大地との間に大きな浮遊容量を持っている。この浮遊容量と大地を介して、高周波コモンモード電流に対する低インピーダンスの回路が形成される。交流回路も同様に、系統連系用変圧器と大地との間に大きな浮遊容量を持っている。この浮遊容量と大地を介して、高周波コモンモード電流に対する低インピーダンスの回路が形成される。これらの回路は、電力変換装置内のスイッチング素子のスイッチング時に生ずる高周波コモンモード電流の経路となる。

そのため、高周波コモンモード電流が浮遊容量を介した低インピーダンスの回路を流れることで、直流回路と電力変換装置の間の接続ケーブルと、電力変換装置と系統連系用変圧器の間の接続ケーブルにおいて、銅損や交番磁場生成による損失を生じ、分散電源システムや蓄電システムにおける電力変換効率が低下する。

特許文献１のように、冷却フィンの電位を、交流の特定の１相の電位にすると、浮遊容量を含む回路のインピーダンスが冷却フィンを含む回路のインピーダンスより低くなる場合がある。これにより、高周波コモンモード電流を低減する効果が小さくなる。

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、複数の第一半導体スイッチング素子及び第一平滑コンデンサを含み、直流回路から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換器と、前記直流回路又は前記交流回路を含む接続回路に設けられ、前記第一半導体スイッチング素子のスイッチングの高調波に基づくコモンモード電流に対するインピーダンスを有するインピーダンス要素と、前記複数の第一半導体スイッチング素子を冷却する第一フィンと、前記第一フィン及び前記第一平滑コンデンサを電気的に接続し、前記コモンモード電流に対して、前記インピーダンス要素のインピーダンスより低いインピーダンスを有する第一導体と、を備える。

電力変換装置に接続されている回路の浮遊容量が大きい場合に、高周波コモンモード電流による電力変換効率の低下を防ぐことができる。

比較例１の電力変換装置の主回路の構成を示す。 実施例１の電力変換装置の主回路の構成を示す。 比較例２の電力変換装置の主回路の構成を示す。 実施例２の電力変換装置の主回路の構成を示す。 実施例３の電力変換装置の主回路の構成を示す。 接続配線１７の配置を示す。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

まず、比較例１として、太陽光発電システムに用いられる電力変換装置について説明する。

図１は、比較例１の電力変換装置の主回路の構成を示す。

比較例１の太陽光発電システムは、電力変換装置１ａと、太陽光発電パネル２と、系統連系用変圧器３（変圧器）とを含む。電力変換装置１ａは、ＰＣＳ（Power Conditioning System）とも呼ばれる。

電力変換装置１ａの直流端子１９Ｐ，１９Ｎには、太陽光発電パネル２の正極と負極が夫々接続されている。また、電力変換装置１ａの交流端子２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗには、系統連系用変圧器３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相が夫々接続されている。系統連系用変圧器３は電力系統８に接続される。電力変換装置１ａは、２レベルインバータであり、太陽光発電パネル２からの直流電力を交流電力に変換し、系統連系用変圧器３へ出力する。

電力変換装置１ａは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に夫々対応して、電力変換器１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗと、フィルタリアクトル１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗとを含む。電力変換器１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの夫々の直流端子は、直流端子１９Ｐ，１９Ｎに接続されている。フィルタリアクトル１８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗは、電力変換器１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗと交流端子２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗとの間に夫々接続されている。

電力変換器１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの夫々は同一構成のユニットである。即ち、本実施例では、三相の電力変換装置において、各相の電力変換器として、交換可能なユニットを用いることができる。そこで、各電力変換器の内部の素子は同一の記号で示し、１相の電力変換器１１Ｕのみについて説明する。

電力変換器１１Ｕは、半導体スイッチング素子回路１２（複数の第一半導体スイッチング素子）と、冷却フィン１３（第一フィン）と、平滑コンデンサ１４Ａ，１４Ｂ（第一平滑コンデンサ）とを含む。半導体スイッチング素子回路１２は、互いに直列に接続された二つの半導体スイッチング素子を含む。二つの半導体スイッチング素子の夫々は例えば、ＩＧＢＴである。二つの半導体スイッチング素子の夫々には、逆並列に接続された還流ダイオードが接続されている。二つの半導体スイッチング素子を繋ぐ配線には、フィルタリアクトル１８Ｕが接続されている。冷却フィン１３は、半導体スイッチング素子回路１２の放熱のために半導体スイッチング素子回路１２に取り付けられている。互いに直列に接続された平滑コンデンサ１４Ａ，１４Ｂの両端は、直流端子１９Ｐ，１９Ｎに夫々接続されている。

平滑コンデンサ１４Ａ，１４Ｂは、直流端子１９Ｐ，１９Ｎの間に接続された１個のコンデンサでも良い。

また、電力変換装置１ａの筐体は一般的に大地と接続されている。

太陽光発電パネル２で発電された直流電力は、電力変換器１１Ｕで交流電力に変換される。変換された交流電力は高調波成分を含むため、フィルタリアクトル１８Ｕにより高調波成分を除去され、系統連系用変圧器３へ出力される。

電力変換装置１ａは更に、図示しない電力変換器制御装置を含む。電力変換器制御装置は、半導体スイッチング素子回路１２のスイッチングを制御する。電力変換器制御装置の動作については、周知であり、説明を省略する。

半導体スイッチング素子回路１２のスイッチング時には、スイッチングの高調波に基づく高周波コモンモード電流（コモンモード電流）が発生する。

太陽光発電パネル２は、内部の導電部と大地電位である架台との間や、太陽光発電パネル２及び電力変換装置１ａの間を繋ぐ直流ケーブルと大地との間に、浮遊容量４を持っている。ＭＷ級の太陽光発電システムは、数千枚の太陽光発電パネルを含むため、その浮遊容量４が非常に大きくなる。そのため、浮遊容量４と大地により、高周波コモンモード電流に対して低インピーダンスの回路が形成される。

本実施例では、直流電源として太陽光発電パネルを用いる太陽光発電システムについて説明するが、直流電源として蓄電池を用いる蓄電池システムなど、他の電力供給システムに本発明を適用しても、同様の効果が得られる。ＭＷ級の蓄電池システムでは、電池セルが数百個となり、太陽光発電パネルと同様に浮遊容量が非常に大きくなる。

また、系統連系用変圧器３も、変圧器内部の巻線と大地電位である鉄心との間や、電力変換装置１ａ及び系統連系用変圧器３の間を繋ぐ交流ケーブルと大地との間に、浮遊容量５を持つ。そのため、浮遊容量５と大地により、高周波コモンモード電流に対して低インピーダンスの回路が形成される。

半導体スイッチング素子回路１２と冷却フィン１３の間には、浮遊容量１５が存在する。冷却フィン１３と筐体の間には、浮遊容量１６が存在する。電力変換装置１ａの筐体は大地に接続されているため、浮遊容量１５，１６と大地により、高周波コモンモード電流に対する回路が形成される。

半導体スイッチング素子回路１２のスイッチング時に生ずる高周波コモンモード電流は、浮遊容量１５、冷却フィン１３、浮遊容量１６、筐体を介して大地に流れる。更に高周波コモンモード電流は、大地から、浮遊容量４及び直流ケーブルの経路、又は浮遊容量５及び交流ケーブルの経路を介して、半導体スイッチング素子回路１２に戻る。この高周波コモンモード電流の回路は、電力変換装置１ａのサイズに比べて大きな電流ループ（大ループ）となるため、ケーブルで銅損が発生する。更に、高周波コモンモード電流により交番磁場が発生するため、ケーブルがアンテナとなり電磁波が放射される。このように、銅損や電磁波放射による損失が生ずるため、電力変換装置の電力変換効率、及び太陽光発電システムの発電効率が低下する。

以下、実施例１の電力変換装置について説明する。

図２は、実施例１の電力変換装置の主回路の構成を示す。

実施例１の太陽光発電システムにおいて、比較例１の太陽光発電システムと同一の部分を同一の符号で示し、説明は省略する。

比較例１の太陽光発電システムと比較すると、実施例１の太陽光発電システムは、電力変換装置１ａの代わりに電力変換装置１ｂを含み、新たにコモンモードインピーダンス要素６，７（インピーダンス要素）を含む。高周波コモンモード電流に対するコモンモードインピーダンス要素６のインピーダンスは、直流回路及び交流回路のインピーダンスより高い。

コモンモードインピーダンス要素６は、電力変換装置１ｂの直流側の直流回路に設けられている。直流回路は、例えば太陽光発電パネル２と電力変換装置１ｂの直流端子１９Ｐ，１９Ｎとを接続するケーブルである。コモンモードインピーダンス要素６は、例えば直流端子１９Ｐ，１９Ｎに接続されている正極と負極の夫々のケーブルを、同一回数だけ通すコアにより実現される。

また、コモンモードインピーダンス要素７は、電力変換装置１ｂの交流側の交流回路に設けられている。交流回路は、例えば電力変換装置１ｂと系統連系用変圧器３の接続するケーブルである。コモンモードインピーダンス要素７は、例えばＵ相とＶ相とＷ相の夫々のケーブルを、同一回数だけ通すコアにより実現される。

本実施例は、直流回路にコモンモードインピーダンス要素６を設け、交流回路にコモンモードインピーダンス要素７を設ける構成としているが、どちらか片方のみにコモンモードインピーダンス要素を設ける構成でも良い。即ち、直流回路と交流回路を含む接続回路の一部にコモンモードインピーダンス要素が設けられてもよい。接続回路は、太陽光発電パネルや系統連系用変圧器等の外部機器と、外部機器に電力変換装置を接続するケーブルとを含む。また、コモンモードインピーダンス要素６，７として、ケーブルをコアに通す代わりに、ケーブルにリアクトルを追加してもよい。

冷却フィン１３は、接続配線１７（第一導体）を介して、平滑コンデンサ１４Ａと平滑コンデンサ１４Ｂを繋ぐコンデンサ配線５１上の接続点に接続される。高周波コモンモード電流に対する接続配線１７のインピーダンスは、コモンモードインピーダンス要素６，７のインピーダンスより小さい。接続配線１７を太くすることと短くすることの少なくとも何れかにより、接続配線１７のインピーダンスを小さくすることができる。

なお、接続配線１７等、各部の配線は、銅板を用いるブスバーなど、他の導体であってもよい。

なお、接続点は、平滑コンデンサ１４Ａの正極側、もしくは、平滑コンデンサ１４Ｂの負極側であってもよい。この場合、上アームがＯＮである時の回路のインピーダンスと、下アームがＯＮである時の回路のインピーダンスが異なるため、高調波コモンモード電流の大きさが変動する場合がある。そこで、接続点が平滑コンデンサ１４Ａと平滑コンデンサ１４Ｂを繋ぐコンデンサ配線５１上にあることが望ましい。この場合、上アームがＯＮである時の回路のインピーダンスと、下アームがＯＮである時の回路のインピーダンスが等しくなる。

本実施例において、コンデンサ配線５１は、接地されていないとする。この場合、冷却フィン１３を大地電位と絶縁する。即ち、冷却フィン１３を大地から絶縁することにより、コンデンサ配線５１を接地する必要がない。なお、コンデンサ配線５１が、接地されている場合、冷却フィン１３を非絶縁とし、冷却フィン１３を、筐体を介して接地することもできる。

本実施例によれば、コモンモードインピーダンス要素６により、高周波コモンモード電流に対して直流回路のインピーダンスを高くすることが出来る。また、コモンモードインピーダンス要素７により、高周波コモンモード電流に対して交流回路のインピーダンスを高くすることが出来る。そのため、半導体スイッチング素子回路１２、浮遊容量１５、冷却フィン１３、浮遊容量１６、筐体、大地を通り、浮遊容量４及び直流ケーブルの経路、又は浮遊容量５及び交流ケーブルの経路を介して、半導体スイッチング素子回路１２に戻る大ループにおいて、高周波コモンモード電流に対するインピーダンスが高くなる。

なおかつ、高周波コモンモード電流は、半導体スイッチング素子回路１２から、浮遊容量１５、冷却フィン１３、接続配線１７、平滑コンデンサ１４Ａ，１４Ｂを通り、半導体スイッチング素子回路１２に戻る。このように、冷却フィン１３を接続配線１７によりコンデンサ配線５１に接続させることにより、高周波コモンモード電流の回路は、電力変換装置１ｂのサイズに比べて小さな電流ループ（小ループ）となる。接続配線１７のインピーダンスは、コモンモードインピーダンス要素６，７のインピーダンスより小さいため、小ループのインピーダンスは、大ループのインピーダンスにより小さい。これにより、高周波コモンモード電流は、主として小ループを流れることになる。

比較例１と比べて、本実施例では、大ループを流れる高周波コモンモード電流が減少することで、銅損や電磁波放射による損失が減少し、電力変換装置の電力変換効率、及び太陽光発電システムの発電効率を上昇させることが出来る。

また、接続配線１７の配線長が長いと、接続配線１７がアンテナとなり、電磁波が放射されることにより、電力の損失が発生する。接続配線１７の配線長を、高周波コモンモード電流の波長の１／２以下とすることで、接続配線１７からの電磁波の放射を低減することができ、電磁波の放射による損失を低減することが出来る。電磁波放射の更なる低減のために、接続配線１７の配線長は、高周波コモンモード電流の波長の１／２０以下であることが望ましい。ここで、半導体スイッチング素子回路１２のスイッチング周波数は、例えば４ｋＨｚである。高周波コモンモード電流の周波数が最大で１０ＭＨｚ程度であるとすると、１０ＭＨｚの波長の１／２０は１５００ｍｍとなるため、接続配線１７の配線長は１５００ｍｍ以下であることが望ましい。

また、接続配線１７がブスバーのように面状に形成される場合、電流密度を低下させ、電磁波の放射を低減することができる。

実施例２の比較例２として、電力変換器の前段に発電電力用変換器を含む太陽光発電システムについて説明する。

図３は、比較例２の電力変換装置の主回路の構成を示す。

比較例２の太陽光発電システムにおいて、比較例１の太陽光発電システムと同一の部分を同一の符号で示し、説明は省略する。

比較例１の太陽光発電システムと比較すると、比較例２の太陽光発電システムは、電力変換装置１ａの代わりに電力変換装置１ｃを含む。電力変換装置１ａと比較すると、電力変換装置１ｃは、新たに発電電力制御用電力変換器２１（直流電力変換器）を含む。発電電力制御用電力変換器２１の入力端子１９Ｐ，１９Ｎは、太陽光発電パネル２に接続されている。発電電力制御用電力変換器２１の出力端子２９Ｐ，２９Ｎは、３相の電力変換器１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの直流端子に接続されている。

発電電力制御用電力変換器２１は、直流リアクトル２８と、半導体スイッチング素子回路２２（複数の第二半導体スイッチング素子）と、冷却フィン２３（第二フィン）と、平滑コンデンサ２４Ａ，２４Ｂ（第二平滑コンデンサ）とを含む。直流リアクトル２８は、直流端子１９Ｐに接続されている。半導体スイッチング素子回路２２は、互いに直列に接続された二つの半導体スイッチング素子を含む。二つの半導体スイッチング素子の夫々には、逆並列に接続された還流ダイオードが接続されている。冷却フィン２３は、半導体スイッチング素子回路２２の放熱のために、半導体スイッチング素子回路２２に取り付けられている。互いに直列に接続された平滑コンデンサ２４Ａ，２４Ｂの両端は、正極の出力端子２９Ｐと負極の出力端子２９Ｎに夫々接続されている。

平滑コンデンサ２４Ａ，２４Ｂは、入力端子１９Ｐ，１９Ｎの間に接続された１個のコンデンサでも良い。

本実施例の発電電力制御用電力変換器２１は、太陽光発電パネル２からの直流電力を変圧する昇圧チョッパである。なお、発電電力制御用電力変換器２１は、昇降圧チョッパであってもよい。発電電力制御用電力変換器２１は、太陽光発電パネル２からの発電電力の電圧を変換し、出力端子２９Ｐ，２９Ｎに直流電力を出力する。発電電力制御用電力変換器２１から出力された直流電力は、出力端子２９Ｐ，２９Ｎに接続される３相の電力変換器１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗにより、交流電力に変換される。変換された交流電力は高調波成分を含むため、フィルタリアクトル１８Ｕにより高調波成分を除去され、系統連系用変圧器３に出力される。

発電電力制御用電力変換器２１は更に、図示しない発電電力制御装置を含む。発電電力制御装置は、半導体スイッチング素子回路２２のスイッチングを制御する。発電電力制御装置は、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）を行うことにより、太陽光発電パネル２の発電電力が最大になるように太陽光発電パネル２の電圧を制御する。発電電力制御用電力変換器２１を持つ電力変換装置１ｃの電力変換効率は、発電電力制御用電力変換器２１を持たない電力変換装置１ａの電力変換効率に劣る。しかし、電力変換装置１ｃの運転電圧範囲は、電力変換装置１ａの運転電圧範囲より広い。

半導体スイッチング素子回路２２と冷却フィン２３の間には、浮遊容量２５が存在する。冷却フィン２３と筐体の間には、浮遊容量２６が存在する。電力変換装置１ｃの筐体は大地に接続されているため、浮遊容量２５，２６により、大地を介して高周波コモンモード電流に対する回路が形成される。

半導体スイッチング素子回路２２のスイッチング時に生ずる高周波コモンモード電流は、浮遊容量２５、冷却フィン２３、浮遊容量２６、筐体を介して大地に流れる。更に高周波コモンモード電流は、大地から、浮遊容量４及び直流ケーブルを介して、半導体スイッチング素子回路２２に戻る。この高周波コモンモード電流の回路は、電力変換装置１ｃのサイズに比べて大きな電流ループ（大ループ）となるため、銅損や電磁波放射による損失が生じ、電力変換装置の電力変換効率、及び太陽光発電システムの発電効率が低下する。

以下、実施例２の電力変換装置について説明する。

図４は、実施例２の電力変換装置の主回路の構成を示す。

実施例２の太陽光発電システムにおいて、比較例２の太陽光発電システムと同一の部分を同一の符号で示し、説明は省略する。

比較例２の太陽光発電システムと比較すると、実施例２の太陽光発電システムは、電力変換装置１ｃの代わりに電力変換装置１ｄを含み、新たにコモンモードインピーダンス要素６，７を含む。

本実施例は、直流回路にコモンモードインピーダンス要素６を設け、交流回路にコモンモードインピーダンス要素７を設ける構成としているが、どちらか片方のみにコモンモードインピーダンス要素を設ける構成としても良い。

冷却フィン２３は、接続配線２７（第二導体）を介して、平滑コンデンサ２４Ａと平滑コンデンサ２４Ｂを繋ぐコンデンサ配線５２上の接続点に接続される。接続配線２７のインピーダンスは、コモンモードインピーダンス要素６，７より小さい。接続配線２７を太くすることと短くすることの少なくとも何れかにより、接続配線２７のインピーダンスを小さくすることができる。なお、接続配線２７は、ブスバーなど、他の導体であってもよい。

なお、接続点は、平滑コンデンサ２４Ａの正極側、もしくは、平滑コンデンサ２４Ｂの負極側であってもよい。実施例１と同様の理由で、接続点が平滑コンデンサ２４Ａと平滑コンデンサ２４Ｂを繋ぐコンデンサ配線５２上にあることが望ましい。

本実施例において、コンデンサ配線５２は、接地されていないとする。この場合、冷却フィン２３を大地電位と絶縁する。なお、コンデンサ配線５２が、接地されている場合、冷却フィン２３を非絶縁とし、冷却フィン２３を、筐体を介して接地することもできる。

本実施例によれば、コモンモードインピーダンス要素６により、電力変換装置１ｄと太陽光発電パネル２とを接続している配線のコモンモードに対するインピーダンスを高くすることが出来る。また、コモンモードインピーダンス要素７により、高周波コモンモード電流に対して交流ケーブルのインピーダンスを高くすることが出来る。そのため、半導体スイッチング素子回路２２、浮遊容量２５、冷却フィン２３、浮遊容量２６、筐体、大地を通り、浮遊容量４及び直流ケーブルを介して、半導体スイッチング素子回路２２に戻る大ループにおいて、高周波コモンモード電流に対するインピーダンスが高くなる。

なおかつ、高周波コモンモード電流は、半導体スイッチング素子回路２２から、浮遊容量２５、冷却フィン２３、接続配線２７、平滑コンデンサ２４Ａ，２４Ｂを通り、半導体スイッチング素子回路２２に戻る。このように、接続配線２７により冷却フィン２３をコンデンサ配線５２に接続させることにより、高周波コモンモード電流の回路は、電力変換装置１ｄのサイズに比べて小さな電流ループ（小ループ）となる。接続配線２７のインピーダンスは、コモンモードインピーダンス要素６，７のインピーダンスより小さいため、小ループのインピーダンスは、大ループのインピーダンスに比べて小さい。これにより、高周波コモンモード電流は、主として小ループを流れることになる。

比較例３と比べて、本実施例では、大ループを流れる高周波コモンモード電流が減少することで、銅損や電磁波放射による損失が減少し、電力変換装置の電力変換効率、及び太陽光発電システムの発電効率を上昇させることが出来る。

また、接続配線２７には、高周波コモンモード電流が流れるため、交番磁場が生成される。接続配線２７の配線長が長いと、接続配線２７がアンテナとなり、電磁波が放射されることにより、電力の損失が発生する。接続配線２７の配線長を、高周波コモンモード電流の波長の１／２以下とすることで、接続配線２７からの電磁波の放射を低減することができ、電磁波の放射による損失を低減することが出来る。高周波コモンモード電流の周波数が最大で１０ＭＨｚ程度であるとすると、実施例１の接続配線１７と同様、電磁波放射の更なる低減のために、接続配線２７の配線長は１５００ｍｍ以下であることが望ましい。

本実施例では、３レベルインバータを用いる電力変換装置について説明する。

図５は、実施例３の電力変換装置の主回路の構成を示す。

実施例３の太陽光発電システムにおいて、実施例１の太陽光発電システムと同一の部分を同一の符号で示し、説明は省略する。

実施例１の太陽光発電システムと比較すると、実施例３の太陽光発電システムは、電力変換装置１ｂの代わりに電力変換装置１ｅを含む。電力変換装置１ａと比較すると、電力変換装置１ｅは、電力変換器１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの代わりに電力変換器３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗを含む。電力変換器１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの夫々と比較すると、電力変換器３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの夫々は、半導体スイッチング素子回路１２の代わりに半導体スイッチング素子回路３２を含む。

半導体スイッチング素子回路３２は、半導体スイッチング素子３２Ａ，３２Ｂ（二つの第三半導体スイッチング素子）と、半導体スイッチング素子３２Ｃ，３２Ｄ（二つの第四半導体スイッチング素子）とを含む。互いに直列に接続された半導体スイッチング素子３２Ａ，３２Ｂの両端は、直流端子１９Ｐ，１９Ｎに夫々接続されている。互いに逆並列に接続された半導体スイッチング素子３２Ｃ，３２Ｄは、双方向スイッチを成す。双方向スイッチは、電力変換器制御装置から指示された方向へ電流を流すことができる。双方向スイッチの一端は、半導体スイッチング素子３２Ａ，３２Ｂを繋ぐ配線に接続されている。双方向スイッチの他端は、平滑コンデンサ１４Ａ，１４Ｂを繋ぐコンデンサ配線５３に接続されている。

電力変換装置１ｅの構成は、３レベルインバータの回路構成の一つである。

半導体スイッチング素子回路３２において、半導体スイッチング素子３２Ｃ，３２Ｄに印加される電圧は、直流端子１９Ｐ，１９Ｎ間の半分になる。そのため、半導体スイッチング素子３２Ｃ，３２Ｄの素子耐圧は、半導体スイッチング素子３２Ａ，３２Ｂの素子耐圧の半分程度にできる。これにより、素子耐圧を決定する半導体スイッチング素子３２Ｃ，３２Ｄの絶縁層は、半導体スイッチング素子３２Ａ，３２Ｂの絶縁層に比べて薄くなる。絶縁層が薄くなると、半導体スイッチング素子内部の半導体チップ導電部とパッケージとの間の距離が近くなるため、浮遊容量が大きくなる。半導体スイッチング素子３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄのパッケージは、冷却フィン１３と接触しているため、半導体スイッチング素子３２Ｃ，３２Ｄと冷却フィン１３との間の浮遊容量１５Ａが大きくなる。浮遊容量が大きくなると、半導体スイッチング素子のスイッチング時に発生する高周波コモンモード電流が大きくなる。

本実施例において、冷却フィン１３は、接続配線１７により、平滑コンデンサ１４Ａと平滑コンデンサ１４Ｂを繋ぐコンデンサ配線５３上の接続点に接続されている。そのため、半導体スイッチング素子３２Ｃ，３２Ｄのスイッチング時に生ずる高周波コモンモード電流は、浮遊容量１５Ａ、冷却フィン１３、接続配線１７を通り、半導体スイッチング素子３２Ｃ，３２Ｄに戻る。このように、高周波コモンモード電流の回路は、電力変換装置１ｂのサイズに比べて小さい電流ループ（小ループ）となる。小ループは、平滑コンデンサ１４Ａと１４Ｂを通らず、小ループのインピーダンスは、大ループのインピーダンスより低い。これにより、高周波コモンモード電流は、主として小ループを流れることになる。

本実施例の３レベルインバータのように、２レベルインバータに比べて高周波コモンモード電流が大きくなる場合であっても、高周波コモンモード電流が小ループに流れることで、大ループにおける銅損や電磁波放射による損失が減少し、電力変換装置の電力変換効率、及び太陽光発電システムの発電効率を上昇させることが出来る。また、半導体スイッチング素子３２Ｃ，３２Ｄの夫々の耐圧を、半導体スイッチング素子３２Ａ，３２Ｂの夫々の耐圧より低くすることができる。

また、接続配線１７の配線長が長いと、接続配線１７がアンテナとなり、電磁波が放射され、損失が発生する。接続配線１７の配線長を、高周波コモンモード電流の波長の１／２以下とすることで、接続配線１７がアンテナとなって、電磁波が放射されるのを防止することができ、電磁波の放射による損失を低減することが出来る。高周波コモンモード電流の周波数が最大で１０ＭＨｚ程度であるとすると、実施例１と同様、電磁波放射の更なる低減のために、接続配線１７の配線長は１５００ｍｍ以下であることが望ましい。

図６は、接続配線１７の配置を示す。

ここでは、平滑コンデンサ１４Ａ，１４Ｂの夫々が、互いに並列に接続された二つのコンデンサであるとする。平滑コンデンサ１４Ａの負極端子と平滑コンデンサ１４Ｂの正極端子との間は、コンデンサ配線５３により接続されている。コンデンサ配線５３は、例えばブスバーである。半導体スイッチング素子３２Ｃ，３２Ｄの間は、半導体スイッチング素子配線４２により接続されている。半導体スイッチング素子配線４２は、例えばブスバーである。コンデンサ配線５３と半導体スイッチング素子配線４２の間は、接続配線４３により接続されている。

更にコンデンサ配線５３と冷却フィン１３の間は、接続配線１７により電気的に接続されている。ここで、接続配線１７は、接続配線４３に沿って配置されている。これにより、高周波コモンモード電流に対して、接続配線１７のインピーダンスを小さくすることができる。

なお、半導体スイッチング素子配線４２が、多層の導体を含むラミネートブスバーであってもよい。ラミネートブスバーにおいて、表面と、複数の導体の間は、絶縁層により絶縁されている。この場合、ラミネートブスバーの表面又は裏面には、半導体スイッチング素子３２Ｃ，３２Ｄに接続される端子と、接続配線４３に接続される端子とが設けられる。この場合、接続配線１７は、ラミネートブスバー上の端子から、半導体スイッチング素子配線４２を含むラミネートブスバーに沿って配置されてもよい。

接続配線１７は、コンデンサ配線５３内で、半導体スイッチング素子配線４２に最も近い位置に接続されてもよい。また、接続配線１７は、コンデンサ配線５３に沿って配置されてもよい。この場合、接続配線１７は、コンデンサ配線５３内で、平滑コンデンサ１４Ａ，１４Ｂの端子から等距離の位置に接続されてもよい。また、実施例１及び２において、接続配線１７がコンデンサ配線５１に沿って配置されてもよい。また、実施例２において、接続配線２７がコンデンサ配線５２に沿って配置されてもよい。

また、コンデンサ配線５３が、ボルトやナット等で、半導体スイッチング素子配線４２に接続されてもよいし、冷却フィン１３に接続されてもよい。コンデンサ配線５３と半導体スイッチング素子配線４２が一体の導体であってもよいし、コンデンサ配線５３と半導体スイッチング素子配線４２と接続配線１７が一体の導体であってもよい。

なお、直列に接続された二つの半導体スイッチング素子と双方向スイッチとを含む電力変換器３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの代わりに、直列に接続された４個の半導体スイッチング素子を含む電力変換器等、他の構成の３レベルインバータが用いられてもよい。

以上の各実施例によれば、太陽光発電システムや蓄電池システムのように、太陽光発電パネルや蓄電池や系統連系用変圧器等、電力変換装置に対して大きな接続回路を持ち、接続回路と大地の間に大きな浮遊容量がある場合、コモンモードインピーダンス要素により、高周波コモンモード電流に対して接続回路のインピーダンスを、高めることができる。

更に、冷却フィンを平滑コンデンサと電気的に接続する導体を用いることにより、接続回路のループより小さいループを持ち、高周波コモンモード電流に対して接続回路のインピーダンスより低いインピーダンスを持つ内部回路を形成することが出来る。そのため、高周波コモンモード電流は、主に内部回路を通ることとなり、接続回路を流れる高周波コモンモード電流が減少する。これにより、高周波コモンモード電流による接続回路での損失が減少し、電力供給システムにおける電力変換効率が上昇する。

なお、以上の各実施例において一つの電力変換器を用いることにより、本発明を、単相の電力変換装置に適用することができる。

以上、幾つかの実施例を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこれらの実施例にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、他の種々の形態でも実行することが可能である。

１…電力変換装置、 ２…太陽光発電パネル、 ３…系統連系用変圧器、 ４，５…浮遊容量、 ６，７…コモンモードインピーダンス成分、 ８…電力系統、 １１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ…電力変換装器、 １２…半導体スイッチング素子回路、 １２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ…半導体スイッチング素子、 １３…冷却フィン、 １４Ａ，１４Ｂ…平滑コンデンサ、 １５，１５Ａ，１６…浮遊容量、 １７…接続配線、 １８Ｕ，１８Ｖ，１８Ｗ…フィルタリアクトル、 １９Ｐ，１９Ｎ…直流端子、 ２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗ…交流端子、 ２１…発電電力制御用電力変換装器、 ２２…半導体スイッチング素子回路、 ２３…冷却フィン、 ２４Ａ，２４Ｂ…平滑コンデンサ、 ２５，２６…浮遊容量、 ２７…接続配線、 ２８…直流リアクトル、 ２９Ｐ，２９Ｎ…出力端子

Claims (14)

1. 複数の第一半導体スイッチング素子及び第一平滑コンデンサを含み、直流回路から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換器と、
   前記直流回路又は交流回路を含む接続回路の外部機器と前記電力変換器の直流端子又は交流端子の間に設けられ、前記第一半導体スイッチング素子のスイッチングの高調波に基づくコモンモード電流に対するインピーダンスを有するインピーダンス要素と、
   前記複数の第一半導体スイッチング素子を冷却する第一フィンと、
   前記第一フィン及び前記第一平滑コンデンサを電気的に接続し、前記コモンモード電流に対して、前記インピーダンス要素のインピーダンスより低いインピーダンスを有する第一導体と、
   を備える電力変換装置。
2. 前記直流回路は、直流電源を含み、
   前記交流回路は、前記電力変換器からの交流電力を変圧して電力系統へ出力する変圧器を含む、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 複数の第二半導体スイッチング素子及び第二平滑コンデンサを含み、前記直流回路と前記電力変換器の間に設けられ、前記直流電源からの直流電力を制御し、直流電力を前記電力変換器へ出力する直流電力変換器と、
   前記複数の第二半導体スイッチング素子を冷却する第二フィンと、
   前記第二フィン及び前記第二平滑コンデンサを電気的に接続し、前記コモンモード電流に対して、前記インピーダンス要素のインピーダンスより低いインピーダンスを有する第二導体と、
   を更に備える、
   請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第一平滑コンデンサは、互いに直列に接続された二つのコンデンサである、
   請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記第一導体は、前記二つのコンデンサを繋ぐ導体と、前記第一フィンとの間に、電気的に接続されている、
   請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記複数の第一半導体スイッチング素子は、互いに直列に接続された二つの第三半導体スイッチング素子と、互いに逆並列に接続された二つの第四半導体スイッチング素子を含む双方向スイッチとを含み、
   前記双方向スイッチは、前記二つの第三半導体スイッチング素子を繋ぐ導体と、前記二つのコンデンサを繋ぐ導体との間に、接続されている、
   請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記二つの第四半導体スイッチング素子の夫々の耐圧は、前記二つの第三半導体スイッチング素子の夫々の耐圧より低い、
   請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記第一導体は、前記二つのコンデンサと前記双方向スイッチとの間の導体に沿って配置されている、
   請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記第一導体の長さは、前記コモンモード電流の波長の１／２０以下である、
   請求項１に記載の電力変換装置。
10. 前記コモンモード電流の周波数は、１０ＭＨｚ以下であり、
    前記第一導体の長さは、１５００ｍｍ以下である、
    請求項８に記載の電力変換装置。
11. 前記第一フィンは、大地から絶縁されている、
    請求項１に記載の電力変換装置。
12. 前記交流回路は、三相交流回路であり、
    三相の夫々に対し、前記電力変換器と前記第一フィンと前記第一導体とを備える、
    請求項２に記載の電力変換装置。
13. 前記直流電源は、太陽光発電パネルである、
    請求項２に記載の電力変換装置。
14. 前記直流電源は、蓄電池である、
    請求項２に記載の電力変換装置。

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