JP6884645B2

JP6884645B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6884645B2
Application number: JP2017112783A
Authority: JP
Inventors: 宏和高林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2021-06-09
Anticipated expiration: 2035-04-20
Also published as: JP2017184613A

Description

本発明は、コンバータおよびインバータを具備し、コンバータとインバータとの間にコンデンサを備える電力変換装置に関する。

コンデンサ端子をパワートランジスタモジュール端子に接続する端子接続構造として、コンデンサから導体を引き出し、パワートランジスタモジュール端子に直接接続する手法が知られている（例えば、下記特許文献１）。

特許第５３３５８６８号公報

しかしながら、上記従来技術は、直流電力を交流電力に変換するインバータに対する適用例であり、交流電力を一旦直流電力に変化した後に、再度交流電力に変換する電力変換装置、すなわち電力変換を２回行う電力変換装置への適用例ではない。

電力変換を２回行う電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータが変換した直流電力を交流電力に変換するインバータとがシリーズに接続されて構成される。この構成は、コンバータの英語表記における頭文字の“Ｃ”と、インバータの英語表記における頭文字の“Ｉ”とをとって、ＣＩ構成と称されることがあり、以下「ＣＩ構成」と称する。

ＣＩ構成の電力変換装置の場合、コンバータおよびインバータのそれぞれに対し、上記特許文献１の端子接続構成を適用すると、必然的にコンバータを構成するスイッチング素子の端子に直接接続される第１のコンデンサと、インバータを構成するスイッチング素子の端子に直接接続される第２のコンデンサとが、配線によって電気的に接続される構成とならざるを得ない。この構成の場合、当該配線の配線インダクタンスと第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの各容量にて共振現象が発生し、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの間、すなわち直流電流が通流する直流区間で電流が行き来する現象が発生する可能性があり、直流区間での損失が増加するという問題があった。また、直流区間に別途の配線を設ける場合、配線インダクタンス成分Ｌと、直流電流Ｉの時間変化成分ｄＩ／ｄｔにより、スイッチング素子にＬ（ｄＩ／ｄｔ）による過電圧が発生し、配線インダクタンス成分Ｌが大きい場合には素子破壊に至る場合があるといった問題点もあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＣＩ構成の電力変換装置において、直流区間での損失を低減し、別途の配線を設ける必要のない端子接続構造を具備するコンデンサユニットを備えた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し、目的を達成するために、本発明は、コンバータモジュールを具備し、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、インバータモジュールを具備し、前記コンバータが変換した直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記コンバータが変換した直流電力を蓄積する少なくとも１つのコンデンサセルを具備し、前記コンデンサセルの少なくとも１つが前記コンバータと前記インバータとの間に位置するように設けられるコンデンサユニットと、を備え、前記コンバータと前記インバータとが前記コンデンサユニットを介して電気的にシリーズに接続されてコンバータインバータユニットを構成する電力変換装置であって、前記コンデンサユニットの内部にて前記コンデンサセルの一方の電極に電気的に接続され、第１および第２の端部がそれぞれ前記コンデンサユニットの外部に位置し、前記第１の端部が前記コンバータモジュールの正極側コンデンサ接続端子に接続され、前記第２の端部が前記インバータモジュールの正極側コンデンサ接続端子に接続される第１の導体と、前記コンデンサユニットの内部にて前記コンデンサセルの他方の電極に電気的に接続され、第３および第４の端部がそれぞれ前記コンデンサユニットの外部に位置し、前記第３の端部が前記コンバータモジュールの負極側コンデンサ接続端子に接続され、前記第４の端部が前記インバータモジュールの負極側コンデンサ接続端子に接続される第２の導体と、を備え、前記コンバータは、Ｕ相およびＶ相からなる２組のレグを有する単相ブリッジ回路を構成し、前記インバータは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相からなる３組のレグを有する３相ブリッジ回路を構成し、前記コンバータモジュールまたは前記インバータモジュールに設けられたスイッチング素子がスイッチング動作をするときに、前記第１の導体の前記第１の端部と前記第２の端部との間で直流電流が流れ、および前記第２の導体の前記第３の端部と前記第４の端部との間で直流電流が流れることを特徴とする。

本発明によれば、ＣＩ構成の電力変換装置において、直流区間での損失を低減し、別途の配線を設ける必要のない端子接続構造を具備するコンデンサユニットを備えた電力変換装置を提供できる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る電力変換装置を説明するための回路図実施の形態１に係る電力変換装置の構成区分を図１の回路図上に示した図実施の形態１に係るコンバータモジュールおよびインバータモジュールの配置例を示す平面図実施の形態１に係るコンデンサユニットの構造例を示す断面図実施の形態１に係るコンデンサユニットの図４とは異なる他の構造例を示す断面図実施の形態２に係るコンバータモジュールおよびインバータモジュールの配置例を示す平面図

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置を説明するための回路図である。実施の形態１に係る電力変換装置は、図１に示すように、交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ１０、コンデンサセル１１ａを具備し、コンバータ１０から供給される直流電力を蓄積するコンデンサユニット１１および、コンデンサユニット１１が蓄積した直流電力を交流電力に変換して交流負荷２に供給するインバータ１２を有して構成される。

コンバータ１０は、スイッチング素子１０ａ，１０ｂで構成される上アーム（Ｕ相：１０ａ、Ｖ相：１０ｂ）と、スイッチング素子１０ｃ，１０ｄで構成される下アーム（Ｕ相：１０ｃ、Ｖ相：１０ｄ）とがそれぞれ直列に接続された回路部（以下「レグ」という）を有している。すなわち、コンバータ１０は、Ｕ相およびＶ相からなる２組のレグを有する単相ブリッジ回路を構成している。

コンバータ１０は、スイッチング素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄをスイッチング制御する際にパルス幅を可変する変調制御（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｒａｔｉｏｎ：以下「ＰＷＭ制御」という）を行うことで入力された交流電圧を所望の直流電圧に変換して出力する。

コンバータ１０の出力端には、直流電源となるコンデンサユニット１１が並列に接続されるとともに、コンデンサユニット１１の直流電圧を入力とし、任意電圧および任意周波数の交流電圧に変換し出力するインバータ１２が接続される。

インバータ１２は、スイッチング素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃで構成される上アーム（Ｕ相：１２ａ、Ｖ相：１２ｂ、Ｗ相：１２ｃ）と、スイッチング素子１２ｄ，１２ｅ，１２ｆで構成される下アーム（Ｕ相：１２ｄ、Ｖ相：１２ｅ、Ｗ相：１２ｆ）がそれぞれ直列に接続されたレグを有している。すなわち、インバータ１２は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相からなる３組のレグを有する３相ブリッジ回路を構成している。

インバータ１２は、スイッチング素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆをＰＷＭ制御することで入力された直流電圧を所望の交流電圧に変換して出力する。

つぎに、実施の形態１に係る電力変換装置の要部の構成について、図２から図４の各図面を参照して説明する。

図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の構成区分を図１の回路図上に示した図である。実施の形態１に係る電力変換装置は、図２に示すように、交流電力を直流電力に変換するコンバータ１０と、コンバータ１０が変換した直流電力を交流電力に変換するインバータ１２とがシリーズに接続されたコンバータインバータユニット（以下「ＣＩユニット」と略記する）１４を構成する。ＣＩユニット１４は、コンバータ１０における交流端であり、交流電源１との電気的接続端を成し、交流電源１との間で交流電力を授受する第１の入出力端子Ｕ１，Ｖ１、コンバータ１０におけるコンデンサユニット１１の正極側との電気的接続端を成す正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ１，ＰＣＴ２および、コンバータ１０におけるコンデンサユニット１１の負極側との電気的接続端を成す負極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ１，ＮＣＴ２、ならびに、インバータ１２における交流端であり、交流負荷２との電気的接続端を成し、交流負荷２との間で交流電力を授受する第２の入出力端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２、インバータ１２におけるコンデンサユニット１１の正極側との電気的接続端を成す正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ１，ＰＩＴ２，ＰＩＴ３および、インバータ１２におけるコンデンサユニット１１の負極側との電気的接続端を成す負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ１，ＮＩＴ２，ＮＩＴ３を具備する。

正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ１，ＰＣＴ２は高電位側の端子であり、正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ１は上アーム側にあるスイッチング素子１０ａから引き出され、正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ２は上アーム側にあるスイッチング素子１０ｂから引き出されている。また、負極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ１，ＮＣＴ２は低電位側の端子であり、負極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ１は下アーム側にあるスイッチング素子１０ｃから引き出され、負極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ２は下アーム側にあるスイッチング素子１０ｄから引き出されている。

インバータ１２側においても同様に構成される。すなわち、正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ１，ＰＩＴ２，ＰＩＴ３は高電位側の端子であり、正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ１は上アーム側に位置するスイッチング素子１２ａから引き出され、正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ２は上アーム側に位置するスイッチング素子１２ｂから引き出され、正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ３は上アーム側に位置するスイッチング素子１２ｃから引き出されている。また、負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ１，ＮＩＴ２，ＮＩＴ３は低電位側の端子であり、負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ１は下アーム側に位置するスイッチング素子１２ｄから引き出され、負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ２は下アーム側に位置するスイッチング素子１２ｅから引き出され、負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ３は下アーム側に位置するスイッチング素子１２ｆから引き出されている。

コンデンサユニット１１では、コンデンサセル１１ａの正極端とコンバータ１０の正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ１，ＰＣＴ２とを電気的に接続するための接続導体ＰＣ１，ＰＣ２が引き出されている。接続導体ＰＣ１は正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ１に接続するための導体であり、接続導体ＰＣ２は正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ２に接続するための導体である。コンデンサセル１１ａの負極側においても同様であり、コンデンサセル１１ａの負極端とコンバータ１０の負極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ１，ＮＣＴ２とを電気的に接続するための接続導体ＮＣ１，ＮＣ２が引き出されている。接続導体ＮＣ１は負極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ１に接続するための導体であり、接続導体ＮＣ２は負極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ２に接続するための導体である。

また、コンデンサユニット１１では、コンデンサセル１１ａの正極端とインバータ１２の正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ１，ＰＩＴ２，ＰＩＴ３とを電気的に接続するための接続導体ＰＩ１，ＰＩ２，ＰＩ３が引き出されている。接続導体ＰＩ１は正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ１に接続するための導体であり、接続導体ＰＩ２は正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ２に接続するための導体であり、接続導体ＰＩ３は正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ３に接続するための導体である。コンデンサセル１１ａの負極側においても同様であり、コンデンサセル１１ａの負極端とインバータ１２の負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ１，ＮＩＴ２，ＮＩＴ３とを電気的に接続するための接続導体ＮＩ１，ＮＩ２，ＮＩ３が引き出されている。接続導体ＮＩ１は負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ１に接続するための導体であり、接続導体ＮＩ２は負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ２に接続するための導体であり、接続導体ＮＩ３は負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ３に接続するための導体である。

図３は、実施の形態１に係るコンバータモジュールおよびインバータモジュールの配置例を示す平面図である。実施の形態１では、図３に示すように、後述する冷却器ベース部１５ｂの半導体素子取付面１５ｃ上に、インバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗが、１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの順序で整列して配置され、また、コンバータモジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄが、１０Ａ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｂの順序で整列して配置されている。

ここで、インバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗは、１モジュール内に２つのスイッチング素子と２つのダイオードを搭載した２素子入りのモジュール（以下「２ｉｎ１モジュール」という）である。図２の構成に照らして具体的に説明すると、インバータモジュール１２Ｕでは、Ｕ相上アームのスイッチング素子１２ａとＵ相下アームのスイッチング素子１２ｄとが１つのモジュール内に封止されている。以下同様に、インバータモジュール１２Ｖでは、Ｖ相上アームのスイッチング素子１２ｂとＶ相下アームのスイッチング素子１２ｅとが１つのモジュール内に封止され、インバータモジュール１２Ｗでは、Ｗ相上アームのスイッチング素子１２ｃとＷ相下アームのスイッチング素子１２ｆとがモジュール内に封止されている。

一方、コンバータモジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄは、１モジュール内に１つのスイッチング素子と１つのダイオードを搭載した１素子入りのモジュール（以下「１ｉｎ１モジュール」という）である。図２の構成に照らして説明すると、コンバータモジュール１０Ａには、Ｕ相上アームのスイッチング素子１０ａが封止され、コンバータモジュール１０Ｂには、Ｖ相上アームのスイッチング素子１０ｂが封止され、コンバータモジュール１０Ｃには、Ｕ相下アームのスイッチング素子１０ｃが封止され、コンバータモジュール１０Ｄでは、Ｖ相下アームのスイッチング素子１０ｄが封止されている。

コンバータモジュール１０Ａには、図２の回路図にも示している正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ１および接続端子Ｕ１ａが設けられている。以下同様に、コンバータモジュール１０Ｂには正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ２および接続端子Ｖ１ｂが設けられ、コンバータモジュール１０Ｃには負極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ１および接続端子Ｕ１ｃが設けられ、コンバータモジュール１０Ｄには負極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ２および接続端子Ｖ１ｄが設けられている。

また、インバータモジュール１２Ｕには、図２の回路図にも示している正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ１、負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ１および接続端子Ｕ２ａが設けられている。以下同様に、インバータモジュール１２Ｖには、正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ２、負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ２および接続端子Ｖ２ａが設けられ、インバータモジュール１２Ｗには、正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ３、負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ３および接続端子Ｗ２ａが設けられている。

コンバータモジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄおよびインバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗにおいて、正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ１，ＰＩＴ２，ＰＩＴ３には、コンデンサユニット１１から引き出された接続導体ＰＩ１，ＰＩ２，ＰＩ３が直に接続され、正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ１，ＰＣＴ２には、コンデンサユニット１１から引き出された接続導体ＰＣ１，ＰＣ２が直に接続され、負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ１，ＮＩＴ２，ＮＩＴ３には、コンデンサユニット１１から引き出された接続導体ＮＩ１，ＮＩ２，ＮＩ３が直に接続され、正極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ１，ＮＣＴ２には、コンデンサユニット１１から引き出された接続導体ＮＣ１，ＮＣ２が直に接続される。

一方、コンバータモジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄにおける接続端子Ｕ１ａ，Ｖ１ｂ，Ｕ１ｃ，Ｖ１ｄは、半導体素子取付面１５ｃ上に設けた図２の回路図上にも示す第１の入出力端子Ｕ１，Ｖ１に電気配線される。すなわち、接続端子Ｕ１ａ，Ｖ１ｂ，Ｕ１ｃ，Ｖ１ｄは、交流電源１に直に接続される端子ではなく、交流電源１との接続は、第１の入出力端子Ｕ１，Ｖ１を介して行われる。

インバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗにおいても同様であり、インバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗにおける接続端子Ｕ２ａ，Ｖ２ａ，Ｗ２ａは、半導体素子取付面１５ｃ上に設けた図２の回路図上にも示す第２の入出力端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２に電気配線され、交流負荷２との接続は、第２の入出力端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２を介して行われる。

なお、図３の構成では、インバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗを２ｉｎ１モジュールとして構成し、コンバータモジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄを１ｉｎ１モジュールとして構成しているが、これらの構成に限定されるものではない。例えば、コンバータ１０において、スイッチング素子１０ａ，１０ｃ同士およびスイッチング素子１０ｂ，１０ｄ同士のそれぞれを１つのモジュール内に封止して２ｉｎ１モジュールとして構成してもよいし、逆に、スイッチング素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆのそれぞれを１ｉｎ１モジュールとして構成してもよい。また、小容量の電力変換装置であれば、スイッチング素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの全てを１つのモジュール内に封止して４ｉｎ１モジュールとして構成してもよいし、スイッチング素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆの全てを１つのモジュール内に封止して６ｉｎ１モジュールとして構成してもよい。

また、図３では、コンバータモジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄと、インバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗと、を同一基板である冷却器ベース部１５ｂの半導体素子取付面１５ｃに搭載しているが、コンデンサユニット１１から引き出した第１の導体１６ａが、コンバータモジュールおよびインバータモジュールの正極側コンデンサ接続端子に接続され、且つ、コンデンサユニットから引き出した第２の導体１６ｂが、コンバータモジュールおよびインバータモジュールの負極側コンデンサ接続端子に接続される構成である限りにおいて、異なる基板に搭載されていてもよい。

図４は、実施の形態１に係るコンデンサユニットの構造例を示す断面図である。なお、図４では、図３に示すコンバータモジュールおよびインバータモジュールの配置例において、コンバータモジュール１０Ａおよびインバータモジュール１２Ｕを含む断面形状を示している。また、図４では、コンデンサユニット１１を接続するコンバータモジュール１０Ａおよびインバータモジュール１２Ｕを搭載し、コンバータモジュール１０Ａおよびインバータモジュール１２Ｕを冷却するための冷却器１５の構成を併せて示している。

第１の構造例に係るコンデンサユニット１１では、図示のように５つのコンデンサセル１１ａが整列して配置され、コンデンサセル１１ａの一方の電極を成す正極端子１１ｂ同士が、コンデンサユニット１１の内部にて、板状導体である第１の導体１６ａによって電気的に接続されると共に、コンデンサセル１１ａの他方の電極を成す負極端子１１ｃ同士が、同じくコンデンサユニット１１の内部にて、板状導体である第２の導体１６ｂによって電気的に接続されている。

冷却器１５は、冷却器ベース部１５ｂおよび冷却器ベース部１５ｂに設けられる冷却器放熱部１５ａを備える。ＣＩユニット１４に具備されるスイッチング素子１０ａ，１２ａは、冷却器ベース部１５ｂの半導体素子取付面１５ｃに取り付けられている。半導体素子取付面１５ｃに取り付けられたスイッチング素子１０ａ，１２ａは、冷却器放熱部１５ａを通過する冷却風によって冷却される。

第１の導体１６ａは、コンバータモジュール１０Ａ側において、コンデンサユニット１１の外部に引き出されて上述した接続導体ＰＣ１を構成し、また、インバータモジュール１２Ｕ側において、コンデンサユニット１１の外部に引き出されて上述した接続導体ＰＩ１を構成する。

同様に、第２の導体１６ｂは、コンバータモジュール１０Ａ側において、コンデンサユニット１１の外部に引き出されて上述した接続導体ＮＣ１を構成し、また、インバータモジュール１２Ｕ側において、コンデンサユニット１１の外部に引き出されて上述した接続導体ＮＩ１を構成する。なお、図４では、第１の導体１６ａと第２の導体１６ｂとが積層構造となるように配置しているが、このような構成の場合、第１の導体１６ａと第２の導体１６ｂとの間に絶縁シートが挿入されて電気的な絶縁が施されることは言うまでもない。

上述したように、接続導体ＰＣ１は、コンバータモジュール１０Ａの正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ１に直に接続され、接続導体ＰＩ１は、インバータモジュール１２Ｕの正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ１に直に接続される。また、接続導体ＮＩ１は、インバータモジュール１２Ｕの負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ１に、公知の端子接続構造にて電気的に接続される。なお、接続導体ＮＣ１は、コンバータモジュール１０Ａの端子には電気的に接続されず、コンバータモジュール１０Ｃの負極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ１に電気的に接続されることは上述の通りである。

図５は、実施の形態１に係るコンデンサユニットの図４とは異なる構造例を示す断面図である。図４に示す第１の構造例に係るコンデンサユニット１１では、コンデンサセル１１ａの上部に負極端子１１ｃを配し、下部に正極端子１１ｂを配していたが、図５に示す第２の構造例に係るコンデンサユニット１１では、コンデンサセル１１ａの内部を貫通する導体１１ｄによって負極端子１１ｃと第２の導体１６ｂとを電気的に接続している。この構成により、第１の導体１６ａと第２の導体１６ｂとがコンデンサユニット１１の内部および外部の双方において並行して配設される。ここで、スイッチング素子がスイッチング動作するときに第１の導体１６ａに流れる電流と、第２の導体１６ｂに流れる電流とは大きさが同じで通流方向が逆となるため、並行して配設される部分が長くなる程、インダクタンス低減の効果が大きくなる。このため、第２の構造例に係るコンデンサユニット１１は、第１の構造例に係るコンデンサユニット１１よりも配線インダクタンスが小さくなる。

なお、図４および図５の構成では、第１の導体１６ａと第２の導体１６ｂとによって、コンデンサユニット１１を支える構成であるが、コンデンサユニット１１の重量がある場合、または、第１の導体１６ａおよび第２の導体１６ｂの厚みを薄くするなどして軽量化を図る場合において、第１の導体１６ａおよび第２の導体１６ｂのみでは、コンデンサユニット１１を支えられない場合には、コンデンサユニット１１を収納する構造物によって固定し、また、コンデンサユニット１１の側部に設けた支えフレームによって、固定する構成を採用すればよい。

つぎに、実施の形態１に係る電力変換装置が固有に有する効果について説明する。

まず、実施の形態１に係る電力変換装置における端子接続構造では、ＣＩ構成の電力変換装置において、コンデンサユニット１１から引き出した第１の導体１６ａをコンバータモジュールに直に接続し、且つ、コンデンサユニット１１から引き出した第２の導体１６ｂをインバータモジュールに直に接続する構成としているので、従来よりも配線距離を短くでき、低インダクタンスの配線を行うことが可能となる。

また、実施の形態１に係る端子接続構造では、１つのコンデンサユニットで、ＣＩ構成の電力変換装置を単一のコンデンサユニットで構成でき、コンバータおよびインバータのそれぞれでコンデンサユニットもしくはコンデンサを設ける必要がなくなるので、コンバータ側に設けた第１のコンデンサと、インバータ側に設けた第２のコンデンサとの間の共振現象の発生を抑止することが可能となる。また、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの間、すなわち電力変換装置の直流区間で行き来する可能性のある電流を小さくできるので、直流区間での損失を低減することが可能となる。また、従来よりも、コンデンサの数量を減らすことができ、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの間の配線も不要になるので、製造コストの低減が可能となる。

また、最近の電力変換装置では、用途に応じて、炭化珪素（ＳｉＣ）を素材とする半導体素子（ＳｉＣ素子）の使用が検討されている。ＳｉＣ素子は、珪素（Ｓｉ）を素材とする半導体素子と比較して、熱伝達率が大きい、高温での動作が可能、高速スイッチングが可能といった優れた特性を有している。その一方で、ＳｉＣ素子は、高速スイッチングが可能ゆえに電力変換装置の内部の配線に通流するスイッチング電流の時間変化率が大きいため、配線に発生するサージ電圧が大きく、電力変換装置の内部の部品に加わるサージ電圧が大きくなる。よって、ＳｉＣ素子を用いる場合には、低インダクタンスが求められるが、実施の形態１に係る端子接続構造は低インダクタンスを実現でき、電力変換装置の内部の部品に加わるサージ電圧を小さくすることができるので、ＳｉＣ素子を適用した電力変換装置に特に有用である。

また、ＳｉＣ素子は、高温での動作が可能であるため、冷却器１５を小さくすることができる。ここで、冷却器１５のサイズを小さくできれば、冷却器１５の半導体素子取付面１５ｃに搭載されるコンバータモジュールとインバータモジュールとの間の距離が小さくなるので、接続配線の低インダクタンス化には好ましい方向に作用する。

なお、ＳｉＣは、Ｓｉよりもバンドギャップが大きいという特性を捉えて、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例である（これに対し、Ｓｉは、ナローバンドギャップ半導体と称される）。このＳｉＣ以外にも、例えば窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属しており、それらの特性も炭化珪素に類似した点が多い。したがって、ＳｉＣ以外の他のワイドバンドギャップ半導体素子を用いる構成も、本発明の要旨を成すものである。

実施の形態２．
実施の形態２では、コンバータモジュールおよびインバータモジュールに係る配置のバリエーションについて説明する。図６は、実施の形態２に係るコンバータモジュールおよびインバータモジュールの配置例を示す平面図である。図３では、コンバータモジュールにおける接続端子Ｕ１ａ，Ｕ１ｃ，Ｖ１ｂ，Ｖ１ｄと、インバータモジュールにおける接続端子Ｕ２ａ，Ｖ２ａ，Ｗ２ａと、が搭載面において向かい合うようにコンバータモジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄおよびインバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗを配置していたが、図６では、コンバータモジュールにおける接続端子Ｕ１ａ，Ｕ１ｃ，Ｖ１ｂ，Ｖ１ｄと、インバータモジュールにおける接続端子Ｕ２ａ，Ｖ２ａ，Ｗ２ａと、が基板の外方を向くように、別言すれば、コンバータモジュールにおける正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ１，ＰＣＴ２および負極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ１，ＮＣＴ２と、インバータモジュールにおける正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ１，ＰＩＴ２，ＰＩＴ３および負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ１，ＮＩＴ２，ＮＩＴ３と、が搭載面において向かい合うようにコンバータモジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄおよびインバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗを配置している。

図６の構成の場合、第１の入出力端子Ｕ１，Ｖ１と、コンバータモジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄにおける接続端子Ｕ１ａ，Ｖ１ｂ，Ｕ１ｃ，Ｖ１ｄとの間の距離が図３に比して短くなるので、配線部材の長さの短縮化が可能となる。

また、インバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗにおいても同様であり、第２の入出力端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２と、インバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗとの間の距離が図３に比して短くなるので、配線部材の長さの短縮化が可能となる。

また、図６の構成の場合、コンバータモジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄにおける正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ１，ＰＣＴ２および負極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ１，ＮＣＴ２と、インバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗにおける正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ１，ＰＩＴ２，ＰＩＴ３および負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ１，ＮＩＴ２，ＮＩＴ３との間の距離が短くなるので、コンデンサセル１１ａの容量が小さく、コンデンサユニット１１のサイズが小さい場合には、コンデンサユニット１１から引き出す第１の導体１６ａおよび第２の導体１６ｂの長さを短くできるので、配線の低インダクタンス化には有効に作用する。逆に、コンデンサセル１１ａの容量が大きく、コンデンサユニット１１のサイズが大きい場合には、図３の構成の方が有利になる場合がある。

なお、図３では、コンバータモジュールにおける接続端子Ｕ１ａ，Ｕ１ｃ，Ｖ１ｂ，Ｖ１ｄと、インバータモジュールにおける接続端子Ｕ２ａ，Ｖ２ａ，Ｗ２ａと、が搭載面において向かい合うようにコンバータモジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄおよびインバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗを配置し、図６では、コンバータモジュールにおける正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ１，ＰＣＴ２および負極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ１，ＮＣＴ２と、インバータモジュールにおける正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ１，ＰＩＴ２，ＰＩＴ３および負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ１，ＮＩＴ２，ＮＩＴ３と、が搭載面において向かい合うようにコンバータモジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄおよびインバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗを配置しているが、図３および図６の何れの配置においても何れか一方を反転させて配置してもよい。

すなわち、コンバータモジュールにおける正極側コンデンサ接続端子ＰＣＴ１，ＰＣＴ２および負極側コンデンサ接続端子ＮＣＴ１，ＮＣＴ２と、インバータモジュールにおける接続端子Ｕ２ａ，Ｖ２ａ，Ｗ２ａと、が搭載面において向かい合うようにコンバータモジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄおよびインバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗを配置してもよいし、また、この配置とは逆に、コンバータモジュールにおける接続端子Ｕ１ａ，Ｕ１ｃ，Ｖ１ｂ，Ｖ１ｄと、インバータモジュールにおける正極側コンデンサ接続端子ＰＩＴ１，ＰＩＴ２，ＰＩＴ３および負極側コンデンサ接続端子ＮＩＴ１，ＮＩＴ２，ＮＩＴ３と、が搭載面において向かい合うようにコンバータモジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄおよびインバータモジュール１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗを配置してもよい。

以上、実施の形態１，２に係る電力変換装置および、その端子接続構造について説明してきたが、上述した内容は一例を示すものであり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

１交流電源、２交流負荷、１０コンバータ、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄコンバータモジュール、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆスイッチング素子、１１コンデンサユニット、１１ａコンデンサセル、１１ｂ正極端子、１１ｃ負極端子、１１ｄ導体、１２インバータ、１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗインバータモジュール、１４ＣＩユニット、１５冷却器、１５ａ冷却器放熱部、１５ｂ冷却器ベース部、１５ｃ半導体素子取付面、１６ａ第１の導体、１６ｂ第２の導体、ＰＣ１，ＰＣ２，ＮＣ１，ＮＣ２，ＰＩ１，ＰＩ２，ＰＩ３，ＮＩ１，ＮＩ２，ＮＩ３接続導体、ＰＣＴ１，ＰＣＴ２，ＰＩＴ１，ＰＩＴ２，ＰＩＴ３正極側コンデンサ接続端子、ＮＣＴ１，ＮＣＴ２，ＮＩＴ１，ＮＩＴ２，ＮＩＴ３負極側コンデンサ接続端子、Ｕ１，Ｖ１第１の入出力端子、Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２第２の入出力端子、Ｕ１ａ，Ｖ１ｂ，Ｕ１ｃ，Ｖ１ｄ，Ｕ２ａ，Ｖ２ａ，Ｗ２ａ接続端子。

Claims

コンバータモジュールを具備し、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、インバータモジュールを具備し、前記コンバータが変換した直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記コンバータが変換した直流電力を蓄積する少なくとも１つのコンデンサセルを具備し、前記コンデンサセルの少なくとも１つが前記コンバータと前記インバータとの間に位置するように設けられるコンデンサユニットと、を備え、前記コンバータと前記インバータとが前記コンデンサユニットを介して電気的にシリーズに接続されてコンバータインバータユニットを構成する電力変換装置であって、
前記コンデンサユニットの内部にて前記コンデンサセルの一方の電極に電気的に接続され、第１および第２の端部がそれぞれ前記コンデンサユニットの外部に位置し、前記第１の端部が前記コンバータモジュールの正極側コンデンサ接続端子に接続され、前記第２の端部が前記インバータモジュールの正極側コンデンサ接続端子に接続される第１の導体と、
前記コンデンサユニットの内部にて前記コンデンサセルの他方の電極に電気的に接続され、第３および第４の端部がそれぞれ前記コンデンサユニットの外部に位置し、前記第３の端部が前記コンバータモジュールの負極側コンデンサ接続端子に接続され、前記第４の端部が前記インバータモジュールの負極側コンデンサ接続端子に接続される第２の導体と、
を備え、
前記コンバータは、Ｕ相およびＶ相からなる２組のレグを有する単相ブリッジ回路を構成し、
前記インバータは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相からなる３組のレグを有する３相ブリッジ回路を構成し、
前記コンバータモジュールまたは前記インバータモジュールに設けられたスイッチング素子がスイッチング動作をするときに、前記第１の導体の前記第１の端部と前記第２の端部との間で直流電流が流れ、および前記第２の導体の前記第３の端部と前記第４の端部との間で直流電流が流れる
ことを特徴とする電力変換装置。
コンバータモジュールを具備し、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、インバータモジュールを具備し、前記コンバータが変換した直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記コンバータが変換した直流電力を蓄積する少なくとも１つのコンデンサセルを具備し、前記コンデンサセルの少なくとも１つが前記コンバータと前記インバータとの間に位置するように設けられるコンデンサユニットと、を備え、前記コンバータと前記インバータとが前記コンデンサユニットを介して電気的にシリーズに接続されてコンバータインバータユニットを構成する電力変換装置であって、
前記コンデンサユニットの内部にて前記コンデンサセルの一方の電極に電気的に接続された第１の導体と前記コンデンサユニットの内部にて前記コンデンサセルの他方の電極に電気的に接続された第２の導体とが、前記コンデンサユニットの外部に引き出され、
前記コンデンサユニットの外部に引き出された前記第１の導体は、第１の端部が前記コンバータモジュールの正極側コンデンサ接続端子に、第２の端部が前記インバータモジュールの正極側コンデンサ接続端子にそれぞれ直に接続され、
前記コンデンサユニットの外部に引き出された前記第２の導体は、第３の端部が前記コンバータモジュールの負極側コンデンサ接続端子に、第４の端部が前記インバータモジュールの負極側コンデンサ接続端子にそれぞれ直に接続されており、
前記コンバータは、Ｕ相およびＶ相からなる２組のレグを有する単相ブリッジ回路を構成し、
前記インバータは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相からなる３組のレグを有する３相ブリッジ回路を構成し、
前記第１の導体または前記第２の導体には、前記コンバータモジュールまたは前記インバータモジュールに設けられたスイッチング素子がスイッチング動作をするときに、前記第１の端部と前記第２の端部との間で直流電流が流れ、および前記第３の端部と前記第４の端部との間で直流電流が流れる
ことを特徴とする電力変換装置。
前記コンデンサユニットは、前記コンバータモジュールの前記正極側コンデンサ接続端子および前記負極側コンデンサ接続端子、ならびに前記インバータモジュールの前記正極側コンデンサ接続端子および前記負極側コンデンサ接続端子に対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記コンデンサユニットは、前記第１の導体及び前記第２の導体を介して前記コンバータモジュールと前記インバータモジュールに跨るように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記コンデンサユニットは、前記第１の導体と前記第２の導体とによって支持されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記コンデンサユニットは、当該コンデンサユニットを収納する構造物、または、当該コンデンサユニットの側部に設けられた支えフレームによって支持されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記コンデンサユニットは、前記コンデンサセルの前記一方の電極をなす端子が前記コンバータモジュールおよび前記インバータモジュールに対向するように設けられていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記第１の導体と前記第２の導体は、前記コンデンサユニットの外部において並行して配設されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記コンデンサセルは、当該コンデンサセルの内部を貫通する導体によって前記他方の電極と前記第２の導体とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記第１の導体と前記第２の導体は、前記コンデンサユニットの内部および外部の双方において並行して配設されていることを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
前記第１の導体は、前記コンバータモジュール側において、前記コンデンサユニットの内部から外部に引き出されて第１の接続導体を構成し、前記インバータモジュール側において、前記コンデンサユニットの内部から外部に引き出されて第２の接続導体を構成し、
前記第１の接続導体が前記コンバータモジュールの前記正極側コンデンサ接続端子に直に接続され、前記第２の接続導体が前記インバータモジュールの前記正極側コンデンサ接続端子に直に接続され、
前記第２の導体は、前記コンバータモジュール側において、前記コンデンサユニットの内部から外部に引き出されて第３の接続導体を構成し、前記インバータモジュール側において、前記コンデンサユニットの内部から外部に引き出されて第４の接続導体を構成し、
前記第３の接続導体が前記コンバータモジュールの前記負極側コンデンサ接続端子に直に接続され、前記第４の接続導体が前記インバータモジュールの前記負極側コンデンサ接続端子に直に接続されている
ことを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の電力変換装置。
コンバータモジュールを具備し、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、インバータモジュールを具備し、前記コンバータが変換した直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記コンバータが変換した直流電力を蓄積する少なくとも１つのコンデンサセルを具備し、前記コンデンサセルの少なくとも１つが前記コンバータと前記インバータとの間に位置するように設けられるコンデンサユニットと、を備え、前記コンバータと前記インバータとが前記コンデンサユニットを介して電気的にシリーズに接続されてコンバータインバータユニットを構成する電力変換装置であって、
前記コンデンサユニットの内部にて前記コンデンサセルの一方の電極に電気的に接続され、第１および第２の端部がそれぞれ前記コンデンサユニットの外部に位置し、前記第１の端部が前記コンバータモジュールの正極側コンデンサ接続端子に接続され、前記第２の端部が前記インバータモジュールの正極側コンデンサ接続端子に接続される第１の導体と、
前記コンデンサユニットの内部にて前記コンデンサセルの他方の電極に電気的に接続され、第３および第４の端部がそれぞれ前記コンデンサユニットの外部に位置し、前記第３の端部が前記コンバータモジュールの負極側コンデンサ接続端子に接続され、前記第４の端部が前記インバータモジュールの負極側コンデンサ接続端子に接続される第２の導体と、
を備え、
前記コンデンサユニットは、前記コンデンサセルの前記一方の電極をなす端子が前記コンバータモジュールおよび前記インバータモジュールに対向するように設けられ、
前記コンバータモジュールまたは前記インバータモジュールに設けられたスイッチング素子がスイッチング動作をするときに、前記第１の導体の前記第１の端部と前記第２の端部との間で直流電流が流れ、および前記第２の導体の前記第３の端部と前記第４の端部との間で直流電流が流れる
ことを特徴とする電力変換装置。
コンバータモジュールを具備し、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、インバータモジュールを具備し、前記コンバータが変換した直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記コンバータが変換した直流電力を蓄積する少なくとも１つのコンデンサセルを具備し、前記コンデンサセルの少なくとも１つが前記コンバータと前記インバータとの間に位置するように設けられるコンデンサユニットと、を備え、前記コンバータと前記インバータとが前記コンデンサユニットを介して電気的にシリーズに接続されてコンバータインバータユニットを構成する電力変換装置であって、
前記コンデンサユニットの内部にて前記コンデンサセルの一方の電極に電気的に接続された第１の導体と前記コンデンサユニットの内部にて前記コンデンサセルの他方の電極に電気的に接続された第２の導体とが、前記コンデンサユニットの外部に引き出され、
前記コンデンサユニットの外部に引き出された前記第１の導体は、第１の端部が前記コンバータモジュールの正極側コンデンサ接続端子に、第２の端部が前記インバータモジュールの正極側コンデンサ接続端子にそれぞれ直に接続され、
前記コンデンサユニットの外部に引き出された前記第２の導体は、第３の端部が前記コンバータモジュールの負極側コンデンサ接続端子に、第４の端部が前記インバータモジュールの負極側コンデンサ接続端子にそれぞれ直に接続されており、
前記コンデンサユニットは、前記コンデンサセルの前記一方の電極をなす端子が前記コンバータモジュールおよび前記インバータモジュールに対向するように設けられ、
前記第１の導体または前記第２の導体には、前記コンバータモジュールまたは前記インバータモジュールに設けられたスイッチング素子がスイッチング動作をするときに、前記第１の端部と前記第２の端部との間で直流電流が流れ、および前記第３の端部と前記第４の端部との間で直流電流が流れる
ことを特徴とする電力変換装置。