JP6805865B2 - 単相インバータの出力側接続構造 - Google Patents

Description

この発明は、高周波電源装置において複数の単相インバータユニットの交流出力側を並列もしくは直並列に接続して回路構成する場合の導体を用いた出力側接続構造に関する。

高周波電源装置においては、複数の単相インバータユニットの交流出力側を並列もしくは直並列に接続して回路構成する場合がある。特許文献１には、それぞれが２つのスイッチング回路を含む一対のＩＧＢＴモジュールの交流出力を、板状の導体によって並列に接続した構成が開示されている。２つのＩＧＢＴモジュールの出力端子を互いに並列に接続する板状の導体は、出力配線を兼ねており、入力側の２つの板状導体の上に絶縁板を挟んで積層されている。

特開２０１２−１０５３８２号公報

複数の単相インバータユニットの交流出力側を例えば並列に接続する場合、接続される単相インバータユニットの個数に応じて導体の長さが長くなり、回路のインダクタンスが大きく、ひいてはインピーダンスが高くなり易い。また、交流出力側の導体には高周波の交流電流が流れるため、外部への漏れ磁束が大きく、周囲部品の誘導加熱による発熱等の問題が生じる。

この発明の目的は、複数の単相インバータユニットを接続する交流出力側の導体の低インピーダンス化と、外部への漏れ磁束の低減と、を図ることにある。

なお、特許文献１では、交流出力端子となる導体が入力側の２つの板状導体に重ねられているが、これによる低インピーダンス化や漏れ磁束の低減といった作用は得られない。

この発明は、複数の単相インバータユニットのｕ出力端子およびｖ出力端子を板状の導体によって並列もしくは直並列に接続するに際して、高周波電流が互いに逆方向に流れるように２つの板状導体を広く重ね合わせて構成する。これにより、２つの導体間で自己インダクタンスを打ち消し合う作用が大きく得られ、低インピーダンス化が図れる。また、２つの導体を常に逆方向に電流が流れるので、漏れ磁束が低減する。

すなわち、この発明に係る単相インバータの出力側接続構造は、
並列接続されるｎ個の第１の単相インバータユニットと、並列接続されるｎ個の第２の単相インバータユニットと、を含み、これらが「２行×ｎ列」のマトリクス状に配置されているともに、各単相インバータユニットは、マトリクスの列方向に並んで位置するｕ出力端子とｖ出力端子とを備える複数の単相インバータユニットと、
マトリクスの列方向に互いに隣り合う第１の単相インバータユニットのｕ出力端子もしくはｖ出力端子と第２の単相インバータユニットのｖ出力端子もしくはｕ出力端子とを直列に接続するように、マトリクスの列方向に沿って両出力端子に亘る長さを有し、かつマトリクスの行方向に並んだｎ個の各出力端子を互いに接続するように、マトリクスの行方向に沿ってｎ個の出力端子に亘る幅を有する板状の第１導体と、
ｎ個の第１の単相インバータユニットの他方の出力端子を互いに接続するように、マトリクスの行方向に沿って第１導体と等しい幅を有し、かつ絶縁板を介して第１導体の上に重ねられるとともに、マトリクスの列方向の中間部まで延び、先端部が装置出力端子の一方を構成する板状の第２導体と、
ｎ個の第２の単相インバータユニットの他方の出力端子を互いに接続するように、マトリクスの行方向に沿って第１導体と等しい幅を有し、かつ絶縁板を介して第１導体の上に重ねられるとともに、マトリクスの列方向の中間部まで延び、先端部が装置出力端子の他方を構成する板状の第３導体と、
を備えて構成される。なお、ｎは２以上の任意の自然数である。

この構成では、ｎ個の第１の単相インバータユニットおよび第２の単相インバータユニットがそれぞれ互いに並列に接続された上で、両者が直列に接続された回路構成となる。例えば、第１の単相インバータユニットのｕ出力端子と第２の単相インバータユニットのｖ出力端子とを第１導体が直列に接続する。この第１導体は、同時に、ｎ個の第１の単相インバータユニットのｕ出力端子同士を並列に接続し、ｎ個の第２の単相インバータユニットのｖ出力端子を並列に接続する。第２導体は、ｎ個の第１の単相インバータユニットのｖ出力端子同士を並列に接続した上で、端部がｖ相の装置出力端子となる。第３導体は、ｎ個の第２の単相インバータユニットのｕ出力端子同士を並列に接続した上で、端部がｕ相の装置出力端子となる。

従って、絶縁板を介して互いに重なり合っている第１導体と第２導体とでは、互いに逆方向に高周波電流が流れることとなり、同様に、第１導体と第３導体とでは、互いに逆方向に高周波電流が流れる。これにより、インダクタンスが低減し、漏れ磁束が抑制される。

好ましい一つの態様では、ｎ個の第１の単相インバータユニットは、架台の上段に並んで配置され、ｎ個の第２の単相インバータユニットは、架台の下段に並んで配置され、
各単相インバータユニットは、前面にｕ出力端子およびｖ出力端子を備えるとともに、ｕ出力端子がｖ出力端子に対し相対的に上方に位置しており、
第１導体は、上段に位置する第１の単相インバータユニットのｎ個のｖ出力端子と下段に位置する第２の単相インバータユニットのｎ個のｕ出力端子とに接続されている。

このように上下２段に単相インバータユニットを配置することで、省スペースとなる。

より具体的な一つの態様では、
第１導体は、矩形の板状をなす中央の平面部と、この平面部の両端からそれぞれ断面Ｌ字状をなすように折れ曲がって第１の単相インバータユニットおよび第２の単相インバータユニットのそれぞれｎ個の出力端子に接続される折曲部と、を有し、
第２導体は、上記第１導体の平面部のほぼ半分の大きさを有する矩形の板状をなす平面部と、この平面部の一端から断面Ｌ字状をなすように折れ曲がって第１の単相インバータユニットのｎ個の出力端子に接続される折曲部と、を有し、
第３導体は、上記第１導体の平面部のほぼ半分の大きさを有する矩形の板状をなす平面部と、この平面部の一端から断面Ｌ字状をなすように折れ曲がって第２の単相インバータユニットのｎ個の出力端子に接続される折曲部と、を有する。

この発明によれば、単相インバータの交流出力側の２つの板状導体が、それぞれ逆方向に高周波電流が流れるように組み合わされるとともに広く接するように重ね合わされているので、自己インダクタンスを打ち消し合う作用が大きく得られ、低インピーダンス化が図れる。また、漏れ磁束が低減し、周囲部品の誘導加熱による発熱等が抑制される。

この発明に係る出力側接続構造を備えた第１実施例のインバータ装置全体の正面図。 同じく第１実施例のインバータ装置全体の側面図。 第１〜第３導体の分解斜視図。 第１実施例のインバータ装置の回路構成を示す回路図。 一つの単相インバータユニットの回路構成を示す回路図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

図１および図２は、この発明の出力側接続構造を備えた第１実施例のインバータ装置全体を示す正面図および側面図である。この第１実施例のインバータ装置は、計６個の単相インバータユニット１（１Ａ〜１Ｆ）を備えており、上下２段の支持台２Ｕ，２Ｌを有する架台２の中で、上段の支持台２Ｕに３個の単相インバータユニット１Ａ〜１Ｃが並べて配置され、下段の支持台２Ｌに残りの３個の単相インバータユニット１Ｄ〜１Ｆが並べて配置されている。単相インバータユニット１Ａと単相インバータユニット１Ｄは上下に整列して位置し、単相インバータユニット１Ｂと単相インバータユニット１Ｅは上下に整列して位置し、単相インバータユニット１Ｃと単相インバータユニット１Ｆは上下に整列して位置している。つまり、図１のように正面から見たときに、「２行×３列」のマトリクス状に配置されている。なお、この例では、図１の左右方向がマトリクスの「行方向」、上下方向がマトリクスの「列方向」に相当する。

図４は、第１実施例のインバータ装置の回路構成を示している。３個の単相インバータユニット１Ａ〜１Ｃは、請求項１の「第１の単相インバータユニット」に相当するもので、各々の入力端子Ｐ，Ｎが直流電源Ｐ１，Ｎ１に並列に接続されている。これら３個の単相インバータユニット１Ａ〜１Ｃのｕ出力端子は、互いに並列に接続された上で、装置全体のｕ相出力（Ｕ）として、外部の整合トランス３の入力側に接続されている。また３個の単相インバータユニット１Ａ〜１Ｃのｖ出力端子は、互いに並列に接続されている。これら３個の単相インバータユニット１Ａ〜１Ｃは、制御回路４ＡによってＰＷＭ制御される。

残りの３個の単相インバータユニット１Ｄ〜１Ｆは、請求項１の「第２の単相インバータユニット」に相当するもので、各々の入力端子Ｐ，Ｎが直流電源Ｐ２，Ｎ２に並列に接続されている。これら３個の単相インバータユニット１Ｄ〜１Ｆのｕ出力端子は、互いに並列に接続されている。また３個の単相インバータユニット１Ｄ〜１Ｆのｖ出力端子は、互いに並列に接続された上で、装置全体のｖ相出力（Ｖ）として、整合トランス３の入力側に接続されている。これら３個の単相インバータユニット１Ｄ〜１Ｆは、制御回路４ＢによってＰＷＭ制御される。

そして、前者の並列接続された３個の単相インバータユニット１Ａ〜１Ｃのｖ出力端子が、同じく並列接続された３個の単相インバータユニット１Ｄ〜１Ｆのｕ出力端子に接続されている。従って、６個の単相インバータユニット１Ｄ〜１Ｆは、３並列２直列の回路構成となっている。

個々の単相インバータユニット１（１Ａ〜１Ｆ）は、特に限定されるものではないが、例えば、図５に示すように、２つのＩＧＢＴモジュール１１，１２と平滑コンデンサ１３とを備えて構成されている。ＩＧＢＴモジュール１１は、上アームおよび下アームとなる２つのスイッチング回路Ｓ１，Ｓ２を含み、その中間接続点からｕ出力端子が引き出されている。同様に、ＩＧＢＴモジュール１２は、２つのスイッチング回路Ｓ３，Ｓ４を含み、その中間接続点からｖ出力端子が引き出されている。

図１および図２に示すように、各々の単相インバータユニット１（１Ｄ〜１Ｆ）は、直方体形状の筐体を有し、その前面の中央部にｕ出力端子２１とｖ出力端子２２とが上下に隣接して設けられている。具体的には、ｕ出力端子２１が上方に位置し、ｖ出力端子２２が下方に位置している。これらの出力端子２１，２２は、Ｌ字形に折れ曲がった板状導体からなり、ｕ出力端子２１は上方へ向かって折曲し、ｖ出力端子２２は下方へ向かって折曲している。筐体の背面の中央部には、図２に示すように、Ｐ入力端子２３とＮ入力端子２４がやはり上下に隣接して設けられている。これらＰ入力端子２３およびＮ入力端子２４は、同様にＬ字形に折れ曲がった形状をなし、直流電源（Ｐ１，Ｎ１もしくはＰ２，Ｎ２）からの配線となる入力側導体２５，２６，２７，２８に接続される。

架台２の上段２Ｕに配置された３個の単相インバータユニット１Ａ〜１Ｃのｖ出力端子２２と下段２Ｌに配置された３個の単相インバータユニット１Ｄ〜１Ｆのｕ出力端子２１は、幅広の板状導体からなる第１導体３１によって互いに接続されている。また、上段２Ｕに配置された３個の単相インバータユニット１Ａ〜１Ｃのｕ出力端子２１は、同じく幅広の板状導体からなる第２導体３２によって互いに並列に接続されている。下段２Ｌに配置された３個の単相インバータユニット１Ｄ〜１Ｆのｖ出力端子２２は、同じく幅広の板状導体からなる第３導体３３によって互いに並列に接続されている。

なお、理解を容易にするために、図４の回路図の各配線に、対応する導体等の参照符号を付した。また、図４の回路図において仮想線Ｍで囲む範囲が、図１および図２に示したインバータ装置の構成に相当する。

第１導体３１は、１枚の金属板から形成したもので、図３の分解斜視図にも示すように、矩形の板状をなす中央の平面部４１と、この平面部４１の上端から断面Ｌ字状をなすように直角に折れ曲がって上方の単相インバータユニット１Ａ〜１Ｃのｖ出力端子２２に接続される折曲部４２と、平面部４１の下端から断面Ｌ字形をなすように直角に折れ曲がって下方の単相インバータユニット１Ｄ〜１Ｆのｕ出力端子２１に接続される折曲部４３と、を備えている。なお、折曲部４２，４３の先端は、さらに下方および上方へ向けて折れ曲げられており、Ｌ字状をなすｖ出力端子２２およびｕ出力端子２１の先端部にそれぞれ図示せぬボルト，ナットを介して固定・接続されている。この第１導体３１は、３個の単相インバータユニット１Ａ〜１Ｃのｖ出力端子２２および３個の単相インバータユニット１Ｄ〜１Ｆのｕ出力端子２１を包含し得るだけの幅（図１の左右方向の寸法）を有するとともに、上下に離れたｖ出力端子２２とｕ出力端子２１を包含し得るだけの長さ（図１の上下方向の寸法）を有している。

第２導体３２は、やはり１枚の金属板から形成したもので、第１導体３１の平面部４１と同じ幅でかつほぼ半分の長さを有する矩形の板状をなす平面部４４と、この平面部４４の上端から断面Ｌ字状をなすように直角に折れ曲がって３個の単相インバータユニット１Ａ〜１Ｃのｕ出力端子２１に接続される折曲部４５と、平面部４４の下端から断面Ｌ字形をなすように反対側へ向けて直角に折れ曲がった折曲部４６と、を有する。折曲部４５の先端は、さらに上方へ向けて折り曲げられており、Ｌ字状をなすｕ出力端子２１の先端部にそれぞれ図示せぬボルト，ナットを介して固定・接続されている。また、折曲部４６の先端は、さらに上方へ向けて折り曲げられており、ｕ相装置出力端子４６ａを構成している。

第３導体３３は、第２導体３２と実質的に上下対称な構成のものであり、第１導体３１の平面部４１と同じ幅でかつほぼ半分の長さを有する矩形の板状をなす平面部４７と、この平面部４７の下端から断面Ｌ字状をなすように直角に折れ曲がって３個の単相インバータユニット１Ｄ〜１Ｆのｖ出力端子２２に接続される折曲部４８と、平面部４４の上端から断面Ｌ字形をなすように反対側へ向けて直角に折れ曲がった折曲部４９と、を有する。折曲部４８の先端は、さらに下方へ向けて折り曲げられており、Ｌ字状をなすｖ出力端子２２の先端部にそれぞれ図示せぬボルト，ナットを介して固定・接続されている。また、折曲部４９の先端は、さらに下方へ向けて折り曲げられており、ｖ相装置出力端子４９ａを構成している。

図２に示すように、第２導体３２および第３導体３３は、第１導体３１の表面上に絶縁板５０を介して重ねられている。なお、第２導体３２（あるいは第３導体３３）と絶縁板５０と第１導体３１は、隙間なく接していてもよく、あるいは、極僅かな隙間が存在していてもよい。

このような第１実施例のインバータ装置にあっては、６個の単相インバータユニット１Ａ〜１Ｆを「２×３」の形で上下に配列したので、例えば６個の単相インバータユニット１Ａ〜１Ｆを一列に配置する場合に比較して、装置の設置面積が小さくなって全体として省スペースとなり、かつ回路ループが短くなる。回路ループが短くなることで、回路の低インダクタンス化ひいては低インピーダンス化が図れる。

そして、第１導体３１と第２導体３２および第３導体３３とでは、高周波電流が逆方向に流れるので、自己インダクタンスを打ち消しあう作用が得られるとともに、漏れ磁束が低減する。特に、上記構成では、各導体３１〜３３が幅広であるとともに、互いに重なり合う面積（特に逆方向に高周波電流が流れる部分での重なり合う面積）が大きい。従って、各導体間で自己インダクタンスを打ち消しあう効果が大きくなる。また、表皮効果により各導体３１〜３３の表皮近くでより大きな電流が流れるが、広く重なり合った２つの導体で表皮近くを逆方向に高周波電流が流れることから、上記の作用・効果がより大きく得られる。漏れ磁束の低減により、周囲部品への影響が抑制され、例えば遮蔽板が不要となる。

また、幅広な各々の導体３１〜３３は断面積が大きく確保されるため、表皮効果によって実質的な通電断面積の減少があっても、十分な通電断面積を確保でき、導体３１〜３３における発熱が抑制される。従って、例えば上記のインバータ装置では、導体３１〜３３を液冷せずに風冷化することができる。

なお、上記実施例では、上下２段にそれぞれ３個ずつの単相インバータユニット１Ａ〜１Ｃ，１Ｄ〜１Ｆを配置して「２行×３列」のマトリクス状のレイアウトを実現しているが、例えば、図１のレイアウトを９０°回転した形として「２行×３列」のマトリクス状の配置とすることも可能である。つまり、ｎ個の単相インバータユニットを横方向に並べてもよく、縦方向に並べてもよい。

１（１Ａ〜１Ｆ）…単相インバータユニット
２…架台
３…整合トランス
１１，１２…ＩＧＢＴモジュール
１３…平滑コンデンサ
２１…ｕ出力端子
２２…ｖ出力端子
２３…Ｐ入力端子
２４…Ｎ入力端子
３１…第１導体
３２…第２導体
３３…第３導体
４１…平面部
４２，４３…折曲部
４４…平面部
４５，４６…折曲部
４６ａ…ｕ相装置出力端子
４７…平面部
４８，４９…折曲部
４９ａ…ｖ相装置出力端子
５０…絶縁板

Claims (3)

1. 並列接続されるｎ個（ｎは２以上の自然数）の第１の単相インバータユニットと、並列接続されるｎ個の第２の単相インバータユニットと、を含み、これらが「２行×ｎ列」のマトリクス状に配置されているともに、各単相インバータユニットは、マトリクスの列方向に並んで位置するｕ出力端子とｖ出力端子とを備える複数の単相インバータユニットと、
   マトリクスの列方向に互いに隣り合う第１の単相インバータユニットのｕ出力端子もしくはｖ出力端子と第２の単相インバータユニットのｖ出力端子もしくはｕ出力端子とを直列に接続するように、マトリクスの列方向に沿って両出力端子に亘る長さを有し、かつマトリクスの行方向に並んだｎ個の各出力端子を互いに接続するように、マトリクスの行方向に沿ってｎ個の出力端子に亘る幅を有する板状の第１導体と、
   ｎ個の第１の単相インバータユニットの他方の出力端子を互いに接続するように、マトリクスの行方向に沿って第１導体と等しい幅を有し、かつ絶縁板を介して第１導体の上に重ねられるとともに、マトリクスの列方向の中間部まで延び、先端部が装置出力端子の一方を構成する板状の第２導体と、
   ｎ個の第２の単相インバータユニットの他方の出力端子を互いに接続するように、マトリクスの行方向に沿って第１導体と等しい幅を有し、かつ絶縁板を介して第１導体の上に重ねられるとともに、マトリクスの列方向の中間部まで延び、先端部が装置出力端子の他方を構成する板状の第３導体と、
   を備えてなる単相インバータの出力側接続構造。
2. ｎ個の第１の単相インバータユニットは、架台の上段に並んで配置され、ｎ個の第２の単相インバータユニットは、架台の下段に並んで配置され、
   各単相インバータユニットは、前面にｕ出力端子およびｖ出力端子を備えるとともに、ｕ出力端子がｖ出力端子に対し相対的に上方に位置しており、
   第１導体は、上段に位置する第１の単相インバータユニットのｎ個のｖ出力端子と下段に位置する第２の単相インバータユニットのｎ個のｕ出力端子とに接続されている、
   請求項１に記載の単相インバータの出力側接続構造。
3. 第１導体は、矩形の板状をなす中央の平面部と、この平面部の両端からそれぞれ断面Ｌ字状をなすように折れ曲がって第１の単相インバータユニットおよび第２の単相インバータユニットのそれぞれｎ個の出力端子に接続される折曲部と、を有し、
   第２導体は、上記第１導体の平面部のほぼ半分の大きさを有する矩形の板状をなす平面部と、この平面部の一端から断面Ｌ字状をなすように折れ曲がって第１の単相インバータユニットのｎ個の出力端子に接続される折曲部と、を有し、
   第３導体は、上記第１導体の平面部のほぼ半分の大きさを有する矩形の板状をなす平面部と、この平面部の一端から断面Ｌ字状をなすように折れ曲がって第２の単相インバータユニットのｎ個の出力端子に接続される折曲部と、を有する、
   請求項１または２に記載の単相インバータの出力側接続構造。

Images