JP7115379B2 - 導体接続構造及び電力変換ユニット - Google Patents

Description

本発明は、単相電力変換器に係り、特に、複数の単相電力変換ユニットの交流出力側の端子を直列若しくは直並列に接続して回路構成する場合の導体接続構造に関する。

高周波電流が流れる単相電力変換器は以下の点が重要となる。
（１）並列する半導体パワーデバイスの電流バランスを考慮し、導通経路長の均一化が要求される。
（２）サージ電圧、インダクタンスの低減のために導通経路長の縮小化が要求される。
（３）外部への漏れ磁束を低減させるために往復導体の対向近接化が要求される。

以上の要求を充足するために例えば特許文献１～３に開示の導体の配置構造がある。

特許文献１の単相電力変換装置は、半導体パワーデバイス及び平滑コンデンサが横並びに配置され、また、正極導体と負極導体とが対向して近接する共にＵ相導体とＶ相導体とが対向して近接するように配置されている。

特許文献２の電力変換装置は、同一平面上の薄い板状の正極用，負極用のヒートシンクの間に絶縁部材を介して正極導体と負極導体が対向して近接するように配置されている。

特許文献３の電力変換装置は、中央部に平滑コンデンサが配置され、さらに、この平滑コンデンサの周囲に放射状に半導体パワーデバイスが配置されている。

特に、複数の単相電力変換ユニットの交流出力側の端子を直列もしくは直並列に接続させる回路構成を採ると、上記（３）の要求を充足しなくなるので、特許文献４に開示の導体の配置構造が提案されている。

特開２０１７－２２５２３５号公報 特開２０１６－１５８３４２号公報 特許第５２８９３４８号公報 特開２０１８－１３３８６４号公報

しかしながら、特許文献１，３のような導体の配置構造は、半導体パワーデバイスの端子から引き出された後のＵ相導体とＶ相導体とが対向近接していない部分が長くなるので、漏れ磁束が大きくなり易い。

特許文献２のような導体の配置構造は、半導体パワーデバイスと平滑コンデンサとの間の距離が大きくなり易くなるので、導通経路の短縮化が図れない。

特許文献４のような導体の配置構造は、交流出力側の端子の直列数が増えると、システムの大型化を招く。

本発明は、上記の事情を鑑み、単相電力変換器の導体構造において、サージ電圧を抑制すると共に漏れ磁束を低減しつつ、電力変換装置の小型化を図ることを課題とする。

本発明の一態様は、複数の単相電力変換器を接続させる導体接続構造であって、表面に第一単相電力変換器のＵ相側の半導体デバイスが配置される一方で裏面に第二単相電力変換器のＶ相側の半導体デバイスが配置される第一ヒートシンクと、この第一ヒートシンクと並列に配置され、表面に前記第一単相電力変換器のＶ相側の半導体デバイスが配置される一方で裏面に前記第二単相電力変換器のＵ相側の半導体デバイスが配置される第二ヒートシンクと、前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で前記第一単相電力変換器のＵ相側及びＶ相側の半導体デバイスと並列に接続される第一平滑コンデンサと、前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で前記第二単相電力変換器のＵ相側及びＶ相側の半導体デバイスと並列に接続されると共に前記第一平滑コンデンサと対向して配置される第二平滑コンデンサと、前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で前記第一単相電力変換器の半導体デバイスの正極と前記第一平滑コンデンサを接続させる長板状の第一正極導体と、前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で前記第一単相電力変換器の半導体デバイスの負極と前記第一平滑コンデンサとを接続させる前記第一正極導体と同形の第一負極導体と、前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で前記第二単相電力変換器の半導体デバイスの正極と前記第二平滑コンデンサとを接続させる前記第一正極導体と同形の第二正極導体と、前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で前記第二単相電力変換器の半導体デバイスの負極と前記第二平滑コンデンサとを接続させる前記第一正極導体と同形の第二負極導体と、前記第一単相電力変換器のＵ相側の半導体デバイスの共通接続点に接続され、前記第一ヒートシンクの表面側に配置されて当該第一ヒートシンクの一端から張り出した板状の第一Ｕ相導体と、前記第一単相電力変換器のＶ相側の半導体デバイスの共通接続点に接続され、前記第二ヒートシンクの表面側に配置されて当該第二ヒートシンクの一端から張り出した板状の第一Ｖ相導体と、前記第二単相電力変換器のＵ相側の半導体デバイスの共通接続点に接続され、前記第二ヒートシンクの裏面側に配置されて当該第二ヒートシンクの一端から張り出した前記第一Ｖ相導体と同形の第二Ｕ相導体と、前記第二単相電力変換器のＶ相側の半導体デバイスの共通接続点に接続され、前記第一ヒートシンクの裏面側に配置されて当該第一ヒートシンクの一端から張り出した前記第一Ｕ相導体と同形の第二Ｖ相導体と、前記第二ヒートシンクの一端部の近傍にて当該一端部と対向して前記第一Ｖ相導体と前記第二Ｕ相導体とを接続する板状の接続導体と、前記第一Ｕ相導体に接続されて前記第一ヒートシンクの一端側から張り出した板状のＵ相出力導体と、前記第二Ｖ相導体に接続されて前記第一ヒートシンクの一端側から前記Ｕ相出力導体と対向して張り出した前記Ｕ相出力導体と同形のＶ相出力導体と、有し、前記第二ヒートシンクは、前記第一ヒートシンクの表面に平行な方向で当該第一ヒートシンクの表面と当該第二ヒートシンクの表面とが並ぶように、当該第一ヒートシンクと並列に配置され、前記第一平滑コンデンサは、前記第一ヒートシンクの表面及び前記第二ヒートシンクの表面に平行な方向で、当該第一ヒートシンクの表面と当該第二ヒートシンクの表面との間に当該第一平滑コンデンサの一面が存在するように配置され、前記第二平滑コンデンサは、前記第一ヒートシンクの裏面及び前記第二ヒートシンクの裏面に平行な方向で、当該第一ヒートシンクの裏面と当該第二ヒートシンクの裏面との間に当該第二平滑コンデンサの一面が存在するように配置される。

本発明の一態様は、前記導体接続構造において、前記第一ヒートシンク及び前記第二ヒートシンクは、板状またはヒートパイプ式のヒートシンクである。

本発明の一態様は、上記の導体接続構造を複数備えることにより前記複数の単相電力変換器を並列させたユニットを複数直列に接続した電力変換ユニットである。

以上の本発明によれば、単相電力変換器の導体構造において、サージ電圧を抑制すると共に漏れ磁束を低減しつつ、電力変換装置の小型化が図れる。

（ａ）は本発明の実施形態１である導体接続構造の平面図、（ｂ）は当該構造の正面図（ｃ）は当該構造の一方向からの側面図、（ｄ）は当該構造の他方向からの側面図。 （ａ）は本発明の実施形態２である導体接続構造の正面図、（ｂ）は当該構造の側面図。 （ａ）は本発明の実施形態３におけるユニットのブロック図、（ｂ）は当該ユニットの平面図、（ｃ）は当該ユニットの正面図、（ｄ）は当該ユニットの一方向からの側面図、（ｅ）は当該ユニットの他方向からの側面図。 実施形態１～３の単相電力変換器を例示した回路図。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

［実施形態１］
図１に示された本発明の一態様としての導体接続構造１は、図４に例示した複数（例えば、４個）の半導体デバイス（例えば、ＩＧＢＴ）を並列に接続した２個の単相電力変換器を直列した電力変換回路に基づく単相電力変換器の導体接続構造である。

導体接続構造１は、第一ヒートシンク１１、第二ヒートシンク１２、第一正極導体Ｐ１、第一負極導体Ｎ１、第二正極導体Ｐ２、第二負極導体Ｎ２、第一Ｕ相導体Ｕ１、第一Ｖ相導体Ｖ１、第二Ｕ相導体Ｕ２、第二Ｖ相導体Ｖ２、接続導体Ｏ、Ｕ相出力導体Ｕ及びＶ相出力導体Ｖを有する。

第一ヒートシンク１１及び第二ヒートシンク１２は、図１に示されたように、同一の薄板状の鋼材からなり、互いに並列に配置されている。

第一ヒートシンク１１の表面には、第一単相電力変換器ＩＮＶ１のＵ相側の半導体デバイスＴ１１，Ｔ１３，Ｔ１５，Ｔ１７が並列に配置されている。一方、第一ヒートシンク１１の裏面には、第二単相電力変換器ＩＮＶ２のＶ相側の半導体デバイスＴ２２，Ｔ２４，Ｔ２６，Ｔ２８が並列に配置されている。

第二ヒートシンク１２の表面には、第一単相電力変換器ＩＮＶ１のＶ相側の半導体デバイスＴ１２，Ｔ１４，Ｔ１６，Ｔ１８が並列に配置される。一方、第二ヒートシンク１２の裏面には、第二単相電力変換器ＩＮＶ２のＵ相側の半導体デバイスＴ２１，Ｔ２３，Ｔ２５，Ｔ２７が並列に配置されている。

第一正極導体Ｐ１は、第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２との間で第一単相電力変換器ＩＮＶ１の半導体デバイスＴ１１～Ｔ１８の正極と第一平滑コンデンサＣ１とを接続させる長板状の導体から成る。

第一負極導体Ｎ１は、第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２との間で第一単相電力変換器ＩＮＶ１の半導体デバイスＴ１１～Ｔ１８の負極と第一平滑コンデンサＣ１とを接続させる第一正極導体Ｐ１と同形の導体からなる。

第一平滑コンデンサＣ１は、第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２との間で、第一単相電力変換器ＩＮＶ１のＵ相側の半導体デバイスＴ１１，Ｔ１３，Ｔ１５，Ｔ１７及びＶ相側の半導体デバイスＴ１２，Ｔ１４，Ｔ１６，Ｔ１８と並列に接続される。

そして、この第一平滑コンデンサＣ１は、第一単相電力変換器ＩＮＶ１の半導体デバイスＴ１１～Ｔ１８に対応して８個備えられ、第一正極導体Ｐ１及び第一負極導体Ｎ１において立設支持される。

第二正極導体Ｐ２は、第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２との間で第二単相電力変換器ＩＮＶ２の半導体デバイスＴ２１～Ｔ２８の正極と第二平滑コンデンサＣ２とを接続させる第一正極導体Ｐ１と同形の導体からなる。

第二負極導体Ｎ２は、第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２との間で第二単相電力変換器ＩＮＶ２の半導体デバイスＴ２１～Ｔ２８の負極と第二平滑コンデンサＣ２とを接続させる第一正極導体Ｐ１と同形の導体からなる。

第二平滑コンデンサＣ２は、第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２との間で第二単相電力変換器ＩＮＶ２のＵ相側の半導体デバイスＴ２１，Ｔ２３，Ｔ２５，Ｔ２７及びＶ相側の半導体デバイスＴ２２，Ｔ２４，Ｔ２６，Ｔ２８と並列に接続される。

そして、この第二平滑コンデンサＣ２は、第二単相電力変換器ＩＮＶ２の半導体デバイスＴ２１～Ｔ２８に対応して８個備えられ、第二正極導体Ｐ２及び第二負極導体Ｎ２にて第一平滑コンデンサＣ１と対向して立設支持される。

第一Ｕ相導体Ｕ１は、第一単相電力変換器ＩＮＶ１のＵ相側の半導体デバイスＴ１１，Ｔ１３，Ｔ１５，Ｔ１７の共通接続点に接続され、第一ヒートシンク１１の表面側に配置されて第一ヒートシンク１１の一端から張り出した板状の導体からなる。

第一Ｖ相導体Ｖ１は、第一単相電力変換器ＩＮＶ１のＶ相側の半導体デバイスＴ１２，Ｔ１４，Ｔ１６，Ｔ１８の共通接続点に接続され、第二ヒートシンク１２の表面側に配置されて第二ヒートシンク１２の一端から張り出した板状の導体からなる。

第二Ｕ相導体Ｕ２は、第二単相電力変換器ＩＮＶ２のＵ相側の半導体デバイスＴ２１，Ｔ２３，Ｔ２５，Ｔ２７の共通接続点に接続され、第二ヒートシンク１２の裏面側に配置されて第二ヒートシンク１２の一端から張り出した導体からなる。特に、第二Ｕ相導体Ｕ２は第一Ｖ相導体Ｖ１と同形に形成されている。

第二Ｖ相導体Ｖ２は、第二単相電力変換器ＩＮＶ２のＶ相側の半導体デバイスＴ２２，Ｔ２４，Ｔ２６，Ｔ２８の共通接続点に接続され、第一ヒートシンク１１の裏面側に配置されて第一ヒートシンク１１の一端から張り出した板状の導体からなる。特に、第二Ｖ相導体ＵＶは、第一Ｕ相導体Ｕ１と同形に形成されている。

接続導体Ｏは、第二ヒートシンク１２の一端部の近傍にて当該一端部と対向して第一Ｖ相導体Ｖ１と第二Ｕ相導体Ｕ２とを接続する板状の導体からなる。

Ｕ相出力導体Ｕは、第一Ｕ相導体Ｕ１に接続されて第一ヒートシンク１１の一端側から張り出した板状の導体からなる。

Ｖ相出力導体Ｖは、第二Ｕ相導体Ｕ２に接続されて第一ヒートシンク１１の一端側からＵ相出力導体Ｕと図示省略の絶縁部材を介して対向して張り出した導体からなる。特に、Ｖ相出力導体Ｖは、Ｕ相出力導体Ｕと同形に形成されている。

（本実施形態の効果）
以上の導体接続構造１によれば、第一ヒートシンク１１及び第二ヒートシンク１２を介して第一単相電力変換器ＩＮＶ１の半導体デバイスＴ１１～Ｔ１８と第二単相電力変換器ＩＮＶ２の半導体デバイスＴ２１～Ｔ２８とが対称に配置された態様となっている。

特に、第一単相電力変換器ＩＮＶ１と第二単相電力変換器ＩＮＶ２との間で第一ヒートシンク１１及び第二ヒートシンク１２を共用できる態様となっている。

また、半導体デバイスＴ１１～Ｔ１８、半導体デバイスＴ２１～２８、第一平滑コンデンサＣ１及び第二平滑コンデンサＣ２は、第一正極導体Ｐ１、第一負極導体Ｎ１、第二正極導体Ｐ２及び第二負極導体Ｎ２により集約接続された態様となっている。

さらに、第一Ｕ相導体Ｕ１、第一Ｖ相導体Ｖ１、第二Ｕ相導体Ｕ２、第二Ｖ相導体Ｖ２、接続導体Ｏ、Ｕ相出力導体Ｕ及びＶ相出力導体Ｖは、第一ヒートシンク１１及び第二ヒートシンク１２の表面、裏面及び一端面と近傍に配置される態様となっている。

以上のように半導体デバイスＴ１１～Ｔ１８、半導体デバイスＴ２１～Ｔ２８、第一平滑コンデンサＣ１及び第二平滑コンデンサＣ２が集約的に配置され、ヒートシンクは複数の単相電力変換器で共用されるので、単相電力変換器は従来構造よりもコンパクトなものなる。

また、半導体デバイスＴ１１～Ｔ１８、半導体デバイスＴ２１～Ｔ２８、第一平滑コンデンサＣ１及び第二平滑コンデンサＣ２が互いに近傍に配置された態様により、以下の式（１）（２）を根拠に導体の自己インダクタンスが低減してサージ電圧を抑制できる。

すなわち、導体が長いと、式（１）（２）のように、導体の自己インダクタンスＬが大きくなり、単相電力変換器のサージ電圧ΔＥが増大する。

式（１）（２）において、ｌ：導体長さ、Ｒ：自己幾何学的平均距離、Ｋ：配線インダクタンス、Ｍ：相互インダクタンス、ｄｉ／ｄｔ：遮断電流の瞬間変化率である。

また、往復導体の導体間距離が大きいと、導体の配線インダクタンスを低減させる相互インダクタンスが小さくなり、以下の式（３）（４）のように、単相電力変換器のサージ電圧が増大する。式（３）はｌ／ｒが大である場合の相互インダクタンスＭを示す式であり、式（４）はｌ／ｒが小である場合の相互インダクタンスＭ’を示す式であり、ｒ：導体間距離（式（５）も同様）、Ｄ：相互幾何学的平均距離である。

さらに、第一Ｕ相導体Ｕ１、第一Ｖ相導体Ｖ１、第二Ｕ相導体Ｕ２、第二Ｖ相導体Ｖ２、接続導体Ｏ、Ｕ相出力導体Ｕ及びＶ相出力導体Ｖも互いに近傍に配置されているので、以下の式（５）（６）を根拠に漏れ磁束が低減する。

すなわち、往復導体の導体間距離が大きいと、式（５）～（８）から明らかなように、近接する磁性体に作用する漏れ磁束Φが大きくなり、誘導起電圧εおよび渦電流損Ｑが大きくなり易くなる。式（５）～（８）において、Ｘ：磁性体と往路導体の距離、Ｂ：近接する磁性体に作用する磁束密度、Ｂａ，Ｂｂ：磁性体位置の往復導体による磁束密度、μ：透磁率、Ｉ：うず電流、Ｒ：抵抗である。

また、第一正極導体Ｐ１、第一負極導体Ｎ１、第二正極導体Ｐ２及び第二負極導体Ｎ２が同一形状を成しているので、並列する半導体デバイスＴ１１～Ｔ１８、半導体デバイスＴ２１～Ｔ２８の電流バランスが改善する。

［実施形態２］
また、導体接続構造１においては、図２の態様のように、第一ヒートシンク１１及び第二ヒートシンク１２には、板状のヒートシンクに代えて、ヒートパイプ式のヒートシンクを適用してもよい。冷媒としては、水に例示され周知の冷媒を適用すればよい。

図２に示された第一ヒートシンク１１の側面１３及び第二ヒートシンク１２の側面１４には、冷媒を第一ヒートシンク１１及び第二ヒートシンク１２の内部に循環的に供給する複数のヒートパイプ２１が接続されている。さらに、このヒートパイプ２１には複数のフィン２２が周設されている。

本実施形態によれば、ヒートシンクをヒートパイプ式としたとき、単相電力変換器の直列数が増えてもデッドスペースが少なくコンパクトにシステムを構成できる。特に、ヒートシンクを垂直に配置する特徴を生かし、ヒートパイプ内作動液の循環作用を高めて冷却能力を高めることができる。

［実施形態３］
図３（ａ）～図３（ｅ）に示された本実施形態の電力変換ユニット２は、導体接続構造１により複数の単相電力変換器（例えば、第一単相電力変換器ＩＮＶ１及び第二単相電力変換器ＩＮＶ２）を並列させたユニット２０を複数直列に接続している。

本実施形態によれば、同じ単相電力変換器を縦横に並べることで直並列が可能となるので、単相電力変換器間を繋ぐ導体がシンプルとなり、単相電力変換器を複数備えたユニットのシステムをコンパクトに構成できる。

１…導体接続構造
２…電力変換ユニット、２０…ユニット
ＩＮＶ１…第一単相電力変換器、Ｔ１１～Ｔ１８…半導体デバイス、Ｃ１…第一平滑コンデンサ
ＩＮＶ２…第二単相電力変換器、Ｔ２１～Ｔ２８…半導体デバイス、Ｃ２…第二平滑コンデンサ
Ｐ１…第一正極導体、Ｎ１…第一負極導体
Ｐ２…第二正極導体、Ｎ２…第二負極導体
Ｕ１…第一Ｕ相導体、Ｖ１…第一Ｖ相導体
Ｕ２…第二Ｕ相導体、Ｖ２…第二Ｖ相導体、Ｏ…接続導体
Ｕ…Ｕ相出力導体、Ｖ…Ｖ相出力導体
１１…第一ヒートシンク
１２…第二ヒートシンク
２１…ヒートパイプ、２２…フィン

Claims (3)

1. 複数の単相電力変換器を接続させる導体接続構造であって、
   表面に第一単相電力変換器のＵ相側の半導体デバイスが配置される一方で裏面に第二単相電力変換器のＶ相側の半導体デバイスが配置される第一ヒートシンクと、
   この第一ヒートシンクと並列に配置され、表面に前記第一単相電力変換器のＶ相側の半導体デバイスが配置される一方で裏面に前記第二単相電力変換器のＵ相側の半導体デバイスが配置される第二ヒートシンクと、
   前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で前記第一単相電力変換器のＵ相側及びＶ相側の半導体デバイスと並列に接続される第一平滑コンデンサと、
   前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で前記第二単相電力変換器のＵ相側及びＶ相側の半導体デバイスと並列に接続されると共に前記第一平滑コンデンサと対向して配置される第二平滑コンデンサと、
   前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で前記第一単相電力変換器の半導体デバイスの正極と前記第一平滑コンデンサを接続させる長板状の第一正極導体と、
   前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で前記第一単相電力変換器の半導体デバイスの負極と前記第一平滑コンデンサとを接続させる前記第一正極導体と同形の第一負極導体と、
   前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で前記第二単相電力変換器の半導体デバイスの正極と前記第二平滑コンデンサとを接続させる前記第一正極導体と同形の第二正極導体と、
   前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で前記第二単相電力変換器の半導体デバイスの負極と前記第二平滑コンデンサとを接続させる前記第一正極導体と同形の第二負極導体と、
   前記第一単相電力変換器のＵ相側の半導体デバイスの共通接続点に接続され、前記第一ヒートシンクの表面側に配置されて当該第一ヒートシンクの一端から張り出した板状の第一Ｕ相導体と、
   前記第一単相電力変換器のＶ相側の半導体デバイスの共通接続点に接続され、前記第二ヒートシンクの表面側に配置されて当該第二ヒートシンクの一端から張り出した板状の第一Ｖ相導体と、
   前記第二単相電力変換器のＵ相側の半導体デバイスの共通接続点に接続され、前記第二ヒートシンクの裏面側に配置されて当該第二ヒートシンクの一端から張り出した前記第一Ｖ相導体と同形の第二Ｕ相導体と、
   前記第二単相電力変換器のＶ相側の半導体デバイスの共通接続点に接続され、前記第一ヒートシンクの裏面側に配置されて当該第一ヒートシンクの一端から張り出した前記第一Ｕ相導体と同形の第二Ｖ相導体と、
   前記第二ヒートシンクの一端部の近傍にて当該一端部と対向して前記第一Ｖ相導体と前記第二Ｕ相導体とを接続する板状の接続導体と、
   前記第一Ｕ相導体に接続されて前記第一ヒートシンクの一端側から張り出した板状のＵ相出力導体と、
   前記第二Ｖ相導体に接続されて前記第一ヒートシンクの一端側から前記Ｕ相出力導体と対向して張り出した前記Ｕ相出力導体と同形のＶ相出力導体と、
   有し、
   前記第二ヒートシンクは、前記第一ヒートシンクの表面に平行な方向で当該第一ヒートシンクの表面と当該第二ヒートシンクの表面とが並ぶように、当該第一ヒートシンクと並列に配置され、
   前記第一平滑コンデンサは、前記第一ヒートシンクの表面及び前記第二ヒートシンクの表面に平行な方向で、当該第一ヒートシンクの表面と当該第二ヒートシンクの表面との間に当該第一平滑コンデンサの一面が存在するように配置され、
   前記第二平滑コンデンサは、前記第一ヒートシンクの裏面及び前記第二ヒートシンクの裏面に平行な方向で、当該第一ヒートシンクの裏面と当該第二ヒートシンクの裏面との間に当該第二平滑コンデンサの一面が存在するように配置されたこと
   を特徴とする導体接続構造。
2. 前記第一ヒートシンク及び前記第二ヒートシンクは、板状またはヒートパイプ式のヒートシンクであることを特徴とする請求項１に記載の導体接続構造。
3. 請求項１または２に記載の導体接続構造を複数備えることにより前記複数の単相電力変換器を並列させたユニットを複数直列に接続したことを特徴とする電力変換ユニット。

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