JP6561663B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、無停電電源装置、モータ駆動装置、パワーコンディショナーなどの、入力交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換装置(AC/DCコンバータ)、あるいは、直流電圧を交流電圧に変換する直流−交流変換装置(インバータ)を有する電力変換装置又は電力変換システム、並びに、電力変換装置の冷却構造に関する。

図４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、特許文献１の図１、図４、図７に開示されている従来の電力変換装置の電力変換回路部の構成を示す図である。
図４Ｃに示す回路は、一相分のコンバータ回路を構成する半導体モジュール２１〜２３、平滑用コンデンサ３ａ，３ｂ、一相分のインバータ回路を構成する半導体モジュール２４〜２６で構成されている。

図４Ａは、図４Ｃの回路構成の構造を示す図である。また図４Ｂは、図４Ａの一相分の回路構成を３相分接続し、３相のコンバータ、インバータ回路を構成した図である。
このように、電力変換回路を大容量化する際、半導体モジュールを複数個、並列接続して一相分の電力変換回路を構成し、その電力変換回路を３個用いて、３相の電力変換回路を構成することができる。

図５Ａ、５Ｂ、５Ｃは、特許文献１の図８、図１０、図１２に開示されている従来の電力変換装置の電力変換回路部の別の構成を示す図である。
図５Ｃに示す回路は、三相分のコンバータ回路を構成する６個の半導体モジュール１ａ〜２ｃ、平滑用コンデンサ３ａ，３ｂ、三相分のインバータ回路を構成する６個の半導体モジュール１ｄ〜２ｆで構成されている。

半導体モジュールの構成としては、図４Ｃと同じであるが、接続方法を変更し、１相分の３並列の回路構成から、３相分の１並列(並列なし)の回路構成としている。
図５Ａは、図５Ｃの回路構成の構造を示す図である。また図５Ｂは、図５Ａの３相分の回路構成を３個接続した構成を示す図である。

このように、３相の回路構成を複数個接続することで、入出力容量を大容量化することができる。

特開２０１２−１６５６１１号公報

上記特許文献１に記載の従来構成では、半導体素子を並列接続して構成した１相分の単位電力変換回路ユニットを３個使用し、大容量の３相電力変換回路を構成したり、３相分の単位電力変換回路ユニットを複数個使用し、大容量の電力変換回路を構成している。

しかしながら、上記従来構成は、単位電力変換回路ユニットを並列にして使用していることから、構造的に電力変換回路部が大きくなり、装置全体の大型化、重量化、コストアップといった課題がある。

本発明は上記の課題に対処すべく創案されたものであり、大容量の電力変換システムの電力変換回路部を小形化して、装置全体としてより小形・軽量な電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換回路を有するか、もしくは、直流電圧を交流電圧に変換する直流−交流変換回路を有する電力変換装置において、
各相の電力変換回路を、互いに並列接続された同一形態の複数個の電力変換回路で構成し、該複数個の電力変換回路を２組に分け、
該２組の電力変換回路のうちの一方の組を構成する半導体モジュールを冷却装置の第１の面に配置し、かつ、該２組の電力変換回路のうちの他方の組を構成する半導体モジュールを、前記冷却装置の前記第１の面とは反対側の第２の面に配置した構造とし、
前記複数個の電力変換回路の各々の入力端子もしくは出力端子に、それぞれ個別にリアクトルを接続したことを特徴とする。

そして本発明は、前記複数個の電力変換回路の各々の入力もしくは出力を構成するスイッチング素子を、位相をずらした搬送波を基にスイッチングさせる構成としたことを特徴とする。

さらに本発明は、上記電力変換回路に用いる半導体スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ素子、もしくは、ワイドバンドギャップ素子とＳｉ素子の複合素子であることを特徴とする。
そしてさらに本発明は、同一相に属する前記２組の電力変換回路の各組を構成する半導体モジュールは、前記冷却装置の前記第１の面と前記第２の面に互いに対称配置されることを特徴とする。

本発明によれば、大容量の電力変換システムの電力変換回路部を小形化できるので、装置全体としてより小形・軽量な電力変換装置を構成することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の冷却構造の概略を示す図である。 本発明の実施形態１に係る電力変換回路の構成を示す図である。 本発明の実施形態２に係る電力変換回路の構成を示す図である。 特許文献１に記載の従来の電力変換回路部の形態を示す構成図である。 特許文献１に記載の従来の電力変換回路部の３相の形態を示す構成図である。 特許文献１に記載の従来の電力変換回路部の回路ブロック図である。 特許文献１に記載の従来の電力変換回路部の別の形態を示す構成図である。 特許文献１に記載の従来の電力変換回路部の大容量化の形態を示す構成図である。 特許文献１に記載の従来の電力変換回路部の別の形態を示す回路ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の冷却構造の概略を示す図である。
図１に示す電力変換装置の冷却構造は、もっぱら電力変換回路部(ＩＧＢＴモジュール部)についての冷却構造を示すものである。

すなわち、各相を、互いに並列接続された２つのＩＧＢＴモジュール（２ａ、２Ａ；２ｂ、２Ｂ；２ｃ、２Ｃ）で構成し、その一方のＩＧＢＴモジュール２ａ、２ｂ、２ｃを冷却装置７の片面（第１の面）に配置し、また、他方のＩＧＢＴモジュール２Ａ、２Ｂ、２Ｃを冷却装置７の裏面（上記第１の面とは反対側の第２の面）に配置して冷却する構造としている。このような冷却構造とすることで、冷却装置７を小型化することができる。

図２は、本発明の実施形態１に係る電力変換回路の構成を示す図である。
図２における電力変換回路は、ＩＧＢＴモジュール２ａ〜２ｃ，２Ａ〜２Ｃを用いた３レベル３相インバータの構成を示すものである。

図２における電力変換回路と一般的な電力変換回路の構成上の違いは、図２では各相を２つのＩＧＢＴモジュール２ａ，２Ａ；２ｂ，２Ｂ；２ｃ，２Ｃで構成し、当該２つのＩＧＢＴモジュールのそれぞれの出力端子を独立させ、各出力端子に個別にリアクトル３ａ、３ｂを接続し構成したことにある。

この様な構成とすることで、両面に分かれたＩＧＢＴモジュール間の電流バランスが改善されるので、配線インダクタンスのバラつきなどを考慮せずにＩＧＢＴモジュールの両面配置が可能となり、接続構成を簡素化することができる。

これにより、装置全体を小形・軽量にできるとともに、装置全体のコストを低減することができる。
図１及び図２では、３レベル３相インバータ回路で説明したが、２レベルの回路やそれ以上のマルチレベルの構成であっても適用することができる。また、３相回路ではなく、単相回路や３相以外の多相回路の構成であっても適用することができる。

図３は、本発明の実施形態２に係る電力変換回路の構成を示す図である。すなわち、
図３は、ワイドバンドギャップ素子２’ａ〜２’ｃ，２’Ａ〜２’Ｃを使用した３レベルモジュール構成例を示す図であって、図２に示す素子ＩＧＢＴやダイオードに代えて、ワイドバンドギャップ素子を使用して構成したものである。

ワイドバンドギャップ素子を使用することにより、半導体素子の損失を低減できるので、冷却フィンをさらに小形にすることが可能となる。
図３に示す回路構成では、すべての半導体素子(例．１１：上アームスイッチ,１２：下アームスイッチ,１３：逆阻止ＩＧＢＴ)をワイドバンドギャップ素子に変更した構成を示しているが、ボディダイオードのみ、若しくは、上下アームのスイッチ素子のみをワイドバンドギャップ素子に変更することもできる。

また、逆阻止ＩＧＢＴだけをワイドバンドギャップ素子に変更した複合モジュールを適用することも可能である。
このような適用例の場合、半導体素子をワイドバンドギャップ素子に変更することによるコスト増を抑制しながら、効率の向上を図ることができる。

なお、ワイドバンドギャップ素子としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）やＧａＮ（窒化ガリウム）などのワイドバンドギャップ素子を用いることができる。
また複合モジュールとしては、Ｓｉ（シリコン）素子とワイドバンドギャップ素子との複合体を使用することができる。

１ 電力変換回路部
２ａ〜２Ｃ ３レベルモジュール
３ａ、３ｂ リアクトル
４ フィルタコンデンサ
７ 冷却装置
１１ 上アームスイッチ
１２ 下アームスイッチ
１３ 逆阻止ＩＧＢＴ
２’ａ〜２’ｃ，２’Ａ〜２’Ｃ ワイドバンドギャップ素子使用３レベルモジュール

Claims (4)

1. 交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換回路を有するか、もしくは、直流電圧を交流電圧に変換する直流−交流変換回路を有する電力変換装置において、
   各相の電力変換回路を、互いに並列接続された同一形態の複数個の電力変換回路で構成し、該複数個の電力変換回路を２組に分け、
   該２組の電力変換回路のうちの一方の組を構成する半導体モジュールを冷却装置の第１の面に配置し、かつ、該２組の電力変換回路のうちの他方の組を構成する半導体モジュールを、前記冷却装置の前記第１の面とは反対側の第２の面に配置した構造とし、
   前記複数個の電力変換回路の各々の入力端子もしくは出力端子に、それぞれ個別にリアクトルを接続したことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記複数個の電力変換回路の各々の入力もしくは出力を構成するスイッチング素子を、位相をずらした搬送波を基にスイッチングさせる構成としたことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
   前記電力変換回路に用いる半導体スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ素子、もしくは、ワイドバンドギャップ素子とＳｉ素子の複合素子であることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
   同一相に属する前記２組の電力変換回路の各組を構成する半導体モジュールは、前記冷却装置の前記第１の面と前記第２の面に互いに対称配置されることを特徴とする電力変換装置。