JP7054309B2

JP7054309B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP7054309B2
Application number: JP2018200610A
Authority: JP
Inventors: 正幸伊村; 勇花岡
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2022-04-13
Anticipated expiration: 2038-10-25
Also published as: JP2020068601A

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

電力変換装置では、配線の導体に発生する寄生インダクタンスを低減するため、逆方向の電流が流れる導体を平行して近接配置することが行われている。導体間の絶縁性能は、導体間に絶縁材を挟んで確保される。このような構造の配線において、導体間にコロナ放電が発生すると絶縁性能が徐々に低下し、やがて絶縁破壊に至る場合がある。

図６（ａ）～図６（ｃ）は、配線構造の内部でコロナ放電を生じる場合の例を示す模式的な断面図である。
図６（ａ）に示すように、２つの導体Ｍ１間に絶縁材Ｉ１が設けられた配線構造において、導体Ｍ１と絶縁材Ｉ１との間にすき間が生じると、絶縁材Ｉ１の誘電率がすき間の空気の誘電率に比べて大きいため、すき間（空気）の静電容量値は、絶縁材の静電容量値よりも大きくなる。そのため、すき間の電界強度は、絶縁材の電界強度よりも高くなり、コロナ放電が生じ得る。すき間が狭いほど、すき間に生じる電界強度は高くなる。

図６（ｂ）に示すように、配線部材Ｍ２および絶縁材Ｉ２の接続面に凹凸があると、これらを接続したときに、すき間が生じる。そのため、すき間の電界強度が高くなりコロナ放電が生じ得る。

図６（ｃ）に示すように、配線部材Ｍ３と絶縁材Ｉ３との接続面が十分密着して、接続面におけるすき間が生じない場合であっても、絶縁材Ｉ３中にボイドを生じているときがある。絶縁材Ｉ３中のボイドは、絶縁材の形成中等に生じるものであり、材質や製造方法等に起因して一定の割り合いで含まれ得る。一般にボイドは、十分小さいのでボイドの空気の電界強度が高くなりコロナ放電が生じ得る。

特開２０１０－２５９１３９号公報

実施形態は、コロナ放電を生じにくい配線構造を有する電力変換装置を提供する。

実施形態に係る電力変換装置は、絶縁性の第１押え部材と、前記第１押え部材に対向して設けられた絶縁性の第２押え部材と、前記第１押え部材と前記第２押え部材との間に設けられた第１配線部材と、前記第１配線部材と前記第２押え部材との間に設けられた第２配線部材と、前記第１配線部材と前記第２配線部材との間に設けられた絶縁材と、前記第１押え部材と前記第２押え部材との間で、前記第１配線部材、前記絶縁材および前記第２配線部材をこの順で積層した積層体に隣接して設けられ、前記第１押え部材および前記第２押え部材を支持する絶縁性の支持部材と、前記第１押え部材、前記支持部材および前記第２押え部材を貫通して締結する締結部材と、を含む配線構造を備える。前記支持部材の前記積層体の積層方向の長さは、前記積層体の積層方向の長さよりも短い。

本実施形態では、確実に過電流保護が可能な電力変換装置が実現される。

第１の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。図２（ａ）は、第１の実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。図２（ｂ）は、比較例の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。図３（ａ）は、第２の実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。図３（ｂ）は、比較例の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。図４（ａ）は、第３の実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。図４（ｂ）は、比較例の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。第４の実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。図６（ａ）～図６（ｃ）は、配線構造の内部でコロナ放電を生じる場合の例を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、この例では、電力変換装置１０は、直流回路１と交流回路２との間に接続されている。直流回路１は、直流電源や直流送電線、その他の直流電圧で動作する負荷等を含む。直流電源は、電池や太陽光発電パネルの出力、あるいは交流電圧を入力して直流電圧を出力する整流装置等によって、供給されてもよい。交流回路２は、交流電源や交流の電力系統、その他の交流電圧で動作する負荷等を含む。

電力変換装置１０は、直流端子１１ａ，１１ｂと交流端子１１ｃ，１１ｄとを含む。電力変換装置１０は、直流端子１１ａ，１１ｂを介して直流回路１に接続され、交流端子１１ｃ，１１ｄを介して交流回路２に接続され得る。

電力変換装置１０は、配線２０と、変換回路３０と、コンデンサ４０と、を備える。配線２０は、変換回路３０とコンデンサ４０とを電気的に接続する。コンデンサ４０は、直流端子１１ａ，１１ｂ間に接続されている。コンデンサ４０は、直流端子１１ａ，１１ｂ間に印加される直流電圧のリプルやノイズ、外部回路、内部回路による変動等を吸収して、安定した直流電圧を出力し、あるいは入力する。

変換回路３０は、コンデンサ４０によって供給される直流電圧を交流電圧に変換する。変換回路３０は、入出力される電圧や電流の範囲、電力容量等に応じて適宜、適切な形式が選定される。この例では、変換回路３０は、スイッチング素子３１を４つ有するフルブリッジ形式の変換回路である。

配線２０は、配線部材２１ａ，２１ｂを含む。配線２０は、後に詳述するが、配線部材２１ａ，２１ｂの間に絶縁材が設けられている。配線部材２１ａ，２１ｂの間に絶縁材を設けることによって、配線部材２１ａ，２１ｂを十分近接させて配置することができる。

配線２０は、好ましくは、この例のように、配線部材２１ａに流れる電流の大きさと、配線部材２１ｂに流れる電流の大きさとは、ほぼ等しい。そして、配線部材２１ａに流れる電流の方向と、配線部材２１ｂに流れる電流方向とは逆方向となっている。そのため、電流によって発生する磁界によって、配線部材２１ａ，２１ｂのインダクタンスが低減される。

この例では、電力変換装置は、直流電圧を交流電圧に変換し、交流電圧を直流電圧に変換する交流－直流電力変換装置であり、変換の方向は、一方向でもよいし、双方向でもよい。電力変換装置１０は、用いられる配線２０が以下に説明する構造を有していればよく、交流－直流電力変換に限らず、直流－直流の電力変換装置であってもよいし、交流－交流の電力変換装置であってもよい。変換回路もフルブリッジ形に限らず、入出力の電圧の範囲や出力する電力容量等によって適切な形式が選定される。

図２（ａ）は、第１の実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。
図２（ａ）に示すように、本実施形態の電力変換装置１０では、配線（配線構造）２０は、配線部材２１ａ，２１ｂと、絶縁材２２と、押え部材２３ａ，２３ｂと、支持部材２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂと、ボルト２６ａ，２７ａおよびナット２６ｂ，２７ｂ（締結部材）を含む。

配線部材２１ａ，２１ｂは、紙面に垂直な方向に延伸する導電性の板であり、主として紙面に垂直な方向に沿って電流が流れ得る。上述したように、配線部材２１ａ，２１ｂには、大きさがほぼ同じで、流れる方向が逆となる電流が流れる。たとえば、配線部材２１ａに紙面手前から向こう側に電流が流れる場合には、配線部材２１ｂには、紙面向こう側から手前に電流が流れる。配線部材２１ａ，２１ｂは、たとえば銅や銅の合金を含む金属からなる。配線部材２１ａ，２１ｂの幅や厚さは、配線部材に流れる電流に応じて適切に設定される。

なお、配線部材２１ａ，２１ｂ、絶縁材２２および押え部材２３ａ，２３ｂの長さというときには、配線部材２１ａ，２１ｂに流れる方向に沿う長さをいうものとする。配線部材２１ａ，２１ｂ、絶縁材２２および押え部材２３ａ，２３ｂの厚さというときには、配線部材２１ａ，２１ｂに電流が流れる方向に垂直な方向であり、配線部材２１ａ，２１ｂおよび絶縁材２２が積層されている方向の長さをいうものとする。また、配線部材２１ａ，２１ｂ、絶縁材２２および押え部材２３ａ，２３ｂの幅というときには、配線部材２１ａ，２１ｂに電流が流れる方向および厚さ方向に垂直な方向の長さをいうものとする。後述の他の実施形態においても同様である。

絶縁材２２は、配線部材２１ａ，２１ｂの間に設けられている。絶縁材２２は、紙面垂直な方向に延伸する絶縁性の材料で形成された板材である。絶縁材２２は、配線部材２１ａ，２１ｂとほぼ同じか、配線部材２１ａ，２１ｂよりも長い長さおよび幅を有する。絶縁材２２の厚さは、配線部材２１ａ，２１ｂの間に印加される電圧値に応じて設定される。電圧値によっては、絶縁材２２は、フィルム状の部材を用いることができる。絶縁材２２の材質は、配線部材２１ａ，２１ｂの間に印加される電圧値や使用温度等に応じて適切なものが選定され、たとえばＰＥＴ（PolyEthylene Terephthalate）やＰＣ（PolyCarbonate）等の合成樹脂やガラス繊維を含むエポキシ樹脂等が用いられる。

配線部材２１ａ、絶縁材２２、および配線部材２１ｂは、この順で、たとえば接着剤等によりすき間ができないよう、十分密着して積層される。

配線部材２１ａ、絶縁材２２、および配線部材２１ｂの積層体（以下、単に積層体ともいう）は、２つの押え部材２３ａ，２３ｂの間に配置されている。押え部材２３ａ，２３ｂは、積層体と同程度の長さを有する。押え部材２３ａ，２３ｂの幅は、積層体よりも長く設定されている。押え部材２３ａ，２３ｂの幅方向の縁部には、固定用のボルトナットを挿通するための挿通口が設けられており、少なくとも挿通口が形成される領域に応じた長さの分だけ、積層体の幅よりも長く設定されている。

押え部材２３ａ，２３ｂは、絶縁性の材料で形成された板材である。押え部材２３ａ，２３ｂの厚さは、材料の強度の応じて適切に設定される。押え部材２３ａ，２３ｂに用いられる材料は、十分な強度を確保する観点から、たとえば繊維強化プラスチック（Fiber-Reinforced Plastics、ＦＲＰ）が用いられる。好ましくは、押え部材２３ａ，２３ｂは、ガラス繊維強化プラスチック(Glass-Fiber-Reinforced Plastics、ＧＦＲＰ)である。

支持部材２４ａ，２４ｂは、押え部材２３ａ，２３ｂの間に設けられている。支持部材２４ａ，２４ｂは、押え部材２３ａ，２３ｂの幅方向の一方の縁部に設けられた挿通口の位置に合わせて設けられている。支持部材２５ａ，２５ｂは、押え部材２３ａ，２３ｂの間に設けられている。支持部材２５ａ，２５ｂは、押え部材２３ａ，２３ｂの幅方向の他方の縁部に設けられた挿通口の位置に合わせて設けられている。挿通口および支持部材２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂは、押え部材２３ａ，２３ｂおよび積層体の長さ方向に沿って、たとえば等間隔に設けられている。

支持部材２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂは、たとえば中空の円筒形状の部材である。支持部材２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂは、押え部材２３ａ，２３ｂと同様の絶縁性の材質で形成されており、たとえば材質は、ＦＲＰであり好ましくはＧＦＲＰである。

ボルト２６ａは、押え部材２３ａの挿通口、支持部材２４ａ，２４ｂ、および押え部材２３ｂの挿通口を貫通するように挿通され、ナット２６ｂによって締結されている。ボルト２７ａは、押え部材２３ａの挿通口、支持部材２５ａ，２５ｂ、および押え部材２３ｂの挿通口を貫通するように挿通され、ナット２７ｂによって締結されている。

一方の縁部の側の支持部材２４ａ，２４ｂの合計の高さＨｓ０は、積層体の厚さＷ０よりもやや低く設定されている。他方の縁部の側の支持部材２５ａ，２５ｂの合計の高さも、Ｈｓ０であり、積層体の厚さＷ０よりもやや低く設定されている。押え部材２３ａ，２３ｂは、適度な弾性を有しているので、ボルト２６ａ，２７ａおよびナット２６ｂ，２７ｂによって締め上げていくと、図の一点鎖線にようにたわみを生じる。そのため、押え部材２３ａ，２３ｂは、積層体を押圧して、積層体を構成する配線部材２１ａと絶縁材２２、および配線部材２１ｂと絶縁材２２との密着度を高める。押え部材２３ａ，２３ｂがたわむことによって、押え部材２３ａ，２３ｂは積層体の全体に均一に押圧を加えることができる。

たとえば、押え部材２３ａ，２３ｂの弾性を利用して、押え部材２３ａ，２３ｂの中央部から縁部に向かってあらかじめ反りを設け、ボルトナットで締結し、押え部材２３ａ，２３ｂがたわんだときに平行になるようにすると、より均一に積層体に押圧を印加することができる。

図２（ｂ）は、比較例の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。
図２（ｂ）に示すように、比較例の配線１２０では、支持部材１２４ａ，１２４ｂおよび支持部材１２５ａ，１２５ｂの高さＨｓ１が積層体の厚さよりも高く設定されている。このような場合には、積層体を構成する配線部材２１ａ，２１ｂと絶縁材２２との密着が十分でなく、間にすき間が生じ得る。たとえば支持部材の高さを、積層体の厚さに等しくなるように設定しても、支持部材の高さの設定精度や積層体の厚さの設定精度には、誤差を生じ得るので、支持部材の高さが高めにばらつき、積層体の厚さが薄めにばらつくと、すき間が生じ得る。

これに対して、本実施形態では、支持部材２４ａ，２４ｂおよび支持部材２５ａ，２５ｂの高さをそれぞれ積層体の厚さよりも低く設定している。たとえば、支持部材の高さが高めとなり、積層体の厚さが薄めとなったときでも、Ｈｓ０＜Ｗ０となるように設定される。支持部材の高さが低めとなり、積層体の厚さが厚めとなったときには、ボルトナットの締め付けを調整することによって、押え部材２３ａ，２３ｂのたわみを適切な範囲に抑制することができる。したがって、押え部材２３ａ，２３ｂは、積層体を均一に押圧することができ、配線部材２１ａ，２１ｂおよび絶縁材２２の間にすき間を生じにくくすることができる。

（第２の実施形態）
図３（ａ）は、第２の実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。
図３（ａ）に示すように、本実施形態では、配線２２０は、配線部材２２１ａ，２２１ｂと、絶縁材２２２と、充填材２３１ａ，２３１ｂと、を含む。

配線部材２２１ａ，２２１ｂは、上述の実施形態の場合と同様の材質で形成されており、たとえば銅を含む金属である。絶縁材２２２も上述の実施形態の場合と同様の材質で形成されており、たとえば、ＰＥＴ等を含む合成樹脂である。これらの材質では、十分な密着性を確保できるように、接続面が十分平坦化されているが、線間の電圧が数ｋＶを超えるような高電圧領域においては、微細なすき間等が生じても、コロナ放電を発生し、絶縁性能が劣化し得る。

本実施形態では、配線部材２２１ａと絶縁材２２２との間に充填材２３１ａを設け、配線部材２２１ｂと絶縁材２２２との間にも充填材２３１ｂを設けている。充填材２３１ａ，２３１ｂは、配線部材２２１ａ，２２１ｂおよび絶縁材２２２の凹凸面を充填して空間が生じないように充填される。充填材２３１ａ，２３１ｂは、好ましくは、導電性を有する部材、たとえば導電性塗料である。なお、図では、凹凸面は強調して示されている。

配線部材２２１ａ，２２１ｂおよび絶縁材２２２の接続面に、あらかじめ導電性塗料を吹き付けて、その後、配線部材２２１ａ，２２１ｂおよび絶縁材２２２を密着させて接続する。

充填材２３１ａ，２３１ｂは、配線部材２２１ａ，２２１ｂおよび絶縁材２２２の接続面の凹凸の状況に応じて適切な部材を用いることができる。たとえば、導電性接着剤や十分な柔軟性、弾性を有する導電シート等を用いるようにしてもよい。

図３（ｂ）は、比較例の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。
図３（ｂ）に示すように、比較例の電力変換装置の配線２２０ｒは、配線部材２２１ａ，２２１ｂと、絶縁材２２２と、を含んでいるが、充填材を含まない。充填材を設けず、配線部材２２１ａ，２２１ｂの間に絶縁材２２２を設けた場合には、配線部材２２１ａ，２２１ｂおよび絶縁材２２２の接続面の凹凸の状況によっては、空間２３２ａ，２３２ｂが生じて、コロナ放電を生じ得る。コロナ放電が継続することによって、絶縁材２２２の絶縁性能が劣化し、不具合に至るおそれがある。

（第３の実施形態）
図４（ａ）は、本実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。
図４（ａ）に示すように、配線３２０は、配線部材３２１ａ，３２１ｂと、絶縁材３２２と、を含む。配線部材３２１ａ，３２１ｂおよび絶縁材３２２の接続面は、十分な平坦面を有しているものとする。絶縁材３２２は、配線部材３２１ａ，３２１ｂの間に設けられ、これらに十分密着して接続されている。

配線部材３２１ａ，３２１ｂは、上述の他の実施形態の場合と同様の材質で形成されている。一方、絶縁材３２２は、内部にボイドを生じにくい材質を用いて形成されている。絶縁材３２２は、たとえばポリテトラフルオロエチレン（PolyTetraFluoroEthylene、ＰＴＦＥ）である。ＰＴＦＥは、テフロン（登録商標）の名称で知られている。あるいは、絶縁材３２２は、たとえばシリコーンゴムである。シリコーンゴムの場合には、その弾性によって変形して、接続面の凹凸を吸収することもできる。

図４（ｂ）は、比較例の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。
図４（ｂ）に示すように、比較例の配線３２０ｒは、実施形態の場合と異なる絶縁材３２２ｒを有している。絶縁材３２２ｒは、内部にボイド３３１を含んでいる。ボイド３３１は空気で満たされており、ボイド３３１中では電界が集中し、コロナ放電を生じ得る。

（第４の実施形態）
上述の各実施形態は、適宜組み合わることができる。もっとも好ましくは、すべての実施形態の要素をすべて組み合わせた構成とすることである。
図５は、本実施形態の電力変換装置の配線を例示する模式的な断面図である。
図５に示すように、本実施形態では、配線４２０は、配線部材２１ａ，２１ｂと、絶縁材３２２と、充填材２３１ａ，２３１ｂと、押え部材２３ａ，２３ｂと、支持部材２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂと、を含む。絶縁材３２２は、第３の実施形態の場合の絶縁材であり、ボイドを生じにくい材質によって形成されている。充填材２３１ａ，２３１ｂは、第２の実施形態の場合の充填材であり、配線部材２１ａ，２１および絶縁材３２２の接続面の凹凸を充填する。押え部材２３ａ，２３ｂおよび支持部材２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂは、上述の第１の実施形態の場合の押え部材である。

本実施形態によれば、配線４２０では、押え部材２３ａ，２３ｂのたわみによって、積層体を均一に押圧することができ、積層体に生じ得るすき間の発生が抑制される。

配線４２０は、配線部材２１ａと絶縁材３２２との間に充填材２３１ａを含み、配線部材２１ｂと絶縁材３２２との間に充填材２３１ｂを含んでいるので、配線部材２１ａ，２１ｂおよび絶縁材３２２の接続面の凹凸を吸収して、すき間の発生を抑制することができる。

充填材２３１ａ，２３１ｂは、たとえば適度な弾性を有する導電シートとすることができ、押え部材２３ａ，２３ｂによって押圧を加えることによって、各接続面に対してより密着度を高めることができる。そのため、すき間の発生がより抑制される。

配線４２０は、絶縁材３２２として、ポリテトラフルオロエチレンまたはシリコーンゴムとすることができ、これらを用いることによって、ボイドによるコロナ放電を低減することができる。

シリコーンゴムは、弾性を有するので、押え部材２３ａ，２３ｂによって押圧を加えることによって、各接続面をより均一に接続し、密着度を高めることができる。

以上説明した実施形態によれば、コロナ放電を生じにくい配線構造を有する電力変換装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１直流回路、２交流回路、１０電力変換装置、２０，２２０、３２０，４２０配線、２１ａ，２１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ，３２１ａ，３２１ｂ配線部材、２２，２２２，３２２絶縁材、２３ａ，２３ｂ押え部材、２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ支持部材、２６ａ，２７ａボルト、２６ｂ，２７ｂナット、３０変換回路、３１スイッチング素子、４０コンデンサ、２３１ａ，２３１ｂ充填材

Claims

絶縁性の第１押え部材と、
前記第１押え部材に対向して設けられた絶縁性の第２押え部材と、
前記第１押え部材と前記第２押え部材との間に設けられた導電性の第１配線部材と、
前記第１配線部材と前記第２押え部材との間に設けられた導電性の第２配線部材と、
前記第１配線部材と前記第２配線部材との間に設けられた絶縁材と、
前記第１押え部材と前記第２押え部材との間で、前記第１配線部材、前記絶縁材および前記第２配線部材をこの順で積層した積層体に隣接して設けられ、前記第１押え部材および前記第２押え部材を支持する絶縁性の支持部材と、
前記第１押え部材、前記支持部材および前記第２押え部材を貫通して締結する締結部材と、
を含む配線構造
を備え、
前記支持部材の前記積層体の積層方向の長さは、前記積層体の積層方向の長さよりも短い電力変換装置。
前記配線構造は、
前記第１配線部材と前記絶縁材との間に前記第１配線部材および前記絶縁材の接続面の凹凸を充填する導電性の第１充填材と、
前記第２配線部材と前記絶縁材との間に前記第２配線部材および前記絶縁材の接続面の凹凸を充填する導電性の第２充填材と、
を含む請求項１記載の電力変換装置。
前記絶縁材は、ポリテトラフルオロエチレンまたはシリコーンゴムのいずれかを含む請求項１または２に記載の電力変換装置。