JP7203249B2

JP7203249B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7203249B2
Application number: JP2021563558A
Authority: JP
Inventors: 公之小柳
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2023-01-12
Anticipated expiration: 2039-12-13
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Description

本願は、電力変換装置に関する。

モジュラー・マルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）は、ＩＧＢＴなどのオン・オフ制御可能なスイッチング素子と直流コンデンサで構成されたセル変換器の出力端子を直列に接続することで、スイッチング素子の耐圧以上の高電圧を出力できる回路方式である。このＭＭＣは、直流送電システム（ＨＶＤＣ）、無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）などへの応用が期待されている。特許文献１によれば、ＭＭＣは複数のセル変換器を直列（カスケード）接続して構成されている。各セル変換器は、スイッチング素子と直流コンデンサから構成された主回路と、他のセル変換器とカスケード接続するための外部端子で構成されており、スイッチング素子同士のブリッジ接続に外部導体を用いている。

また、セル変換器の電流定格をアップするには、スイッチング素子の電流定格をアップすると共に、直流コンデンサの容量もアップする必要がある。直流コンデンサの容量をアップするには、直流コンデンサの並列個数を増やすことが最も容易な方法である。（例えば特許文献２参照）

特表２０１１－５０３８５２号公報特開２００４－２８９９５５号公報

特許文献２では、並列で使用する直流コンデンサがスイッチング素子に対して同じ距離に取付けられている。そのため、スイッチング素子と各直流コンデンサとを接続するブスバーでの配線インダクタンスはスイッチング素子と各直流コンデンサ間で基本的に各々同じである。したがって、スイッチング素子から各直流コンデンサに流れる電流の大きさも基本的には同じとなる。しかしながら、特許文献２の構成においては、特許文献２の第３図から第７図へと、直流コンデンサを増設する場合、ＨＶＤＣ向け電力変換装置の設置構成において、セル変換器の幅は広くなってしまう。このため、セル変換器収納フレームに収納可能なセル変換器の台数を減らすか、セル変換器収納フレームの横寸法を拡大しなければならない。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、各直流コンデンサに流れる電流の大きさが同じとなるようにしつつ、直流コンデンサの並列使用数を増設してもセル変換器の幅が増加しない電力変換装置を得ることを目的とする。

本願に開示される電力変換装置は、それぞれ正極端子と負極端子とを有する第一スイッチング素子および第二スイッチング素子と、それぞれ正極端子と負極端子とを有する複数の直流コンデンサと、を備え、前記第一スイッチング素子の負極端子と前記第二スイッチング素子の正極端子が接続され、前記第一スイッチング素子の正極端子と前記第二スイッチング素子の負極端子との間に、前記複数の直流コンデンサのそれぞれの直流コンデンサが並列に接続された電力変換装置において、前記第一スイッチング素子、前記第二スイッチング素子、前記複数の直流コンデンサの順に、または前記第二スイッチング素子、前記第一スイッチング素子、前記複数の直流コンデンサの順に、全ての前記正極端子と前記負極端子が同じ側に並ぶように配置され、前記第一スイッチング素子の前記正極端子と前記複数の直流コンデンサのそれぞれの前記正極端子とをそれぞれ接続する、前記直流コンデンサの数と同じ数の複数の正側ブスバーと、前記第二スイッチング素子の前記負極端子と前記複数の直流コンデンサのそれぞれの前記負極端子とをそれぞれ接続する、前記直流コンデンサの数と同じ数の複数の負側ブスバーとを備え、前記複数の正側ブスバーのうち、前記第一スイッチング素子に最も遠い側の直流コンデンサに接続する正側ブスバー以外の正側ブスバーである調整正側ブスバーは、前記第一スイッチング素子の前記正極端子と、前記調整正側ブスバーが接続される直流コンデンサの前記正極端子との間の長さが、前記第一スイッチング素子の前記正極端子と前記調整正側ブスバーが接続される直流コンデンサの前記正極端子間の直線距離よりも長くなるよう、迂回するインダクタンス調整部を有し、前記複数の負側ブスバーのうち、前記第二スイッチング素子に最も遠い側の直流コンデンサに接続する負側ブスバー以外の負側ブスバーである調整負側ブスバーは、前記第二スイッチング素子の前記負極端子と、前記調整負側ブスバーが接続される直流コンデンサの前記負極端子との間の長さが、前記第二スイッチング素子の前記負極端子と前記調整負側ブスバーが接続される直流コンデンサの前記負極端子との間の直線距離よりも長くなるよう、迂回するインダクタンス調整部を有するものである。

また、本願に開示される電力変換装置によれば、各直流コンデンサに流れる電流の大きさが同じとなるようにしつつ、直流コンデンサの並列使用数を増設してもセル変換器の幅が増加しない電力変換装置が得られる。

実施の形態１による電力変換装置の構成を示す第一の概略図である。実施の形態１による電力変換装置の構成を示す第二の概略図である。実施の形態１による電力変換装置の構成を示す第三の概略図である。実施の形態１による電力変換装置の等価回路を示す回路図である。実施の形態１による電力変換装置のブスバーの接続状態を説明するための第一の図である。実施の形態１による電力変換装置のブスバーの接続状態を説明するための第二の図である。実施の形態１による電力変換装置のブスバーの接続状態を説明するための第三の図である。実施の形態１による電力変換装置のブスバーの接続状態を説明するための第四の図である。実施の形態１による電力変換装置のブスバーの接続状態を説明するための第五の図である。実施の形態１による電力変換装置のブスバーの接続状態を説明するための第六の図である。実施の形態１による電力変換装置の別の構成を示す概略図である。実施の形態１による電力変換装置のさらに別の構成を示す概略図である。実施の形態１による電力変換装置をセル変換器とした場合の構成を示す概略図である。実施の形態１による電力変換装置をセル変換器とした場合の等価回路を示す回路図である。実施の形態１による電力変換装置をセル変換器として用いたＨＶＤＣ向け電力変換装置の構成を示す概略図である。実施の形態２による電力変換装置の構成を示す第一の概略図である。実施の形態２による電力変換装置の構成を示す第二の概略図である。実施の形態２による電力変換装置の構成を示す第三の概略図である。実施の形態２による電力変換装置の構成を示す第四の概略図である。実施の形態２による電力変換装置の等価回路を示す回路図である。実施の形態２による電力変換装置のブスバーの接続状態を説明するための第一の図である。実施の形態２による電力変換装置のブスバーの接続状態を説明するための第二の図である。実施の形態２による電力変換装置のブスバーの接続状態を説明するための第三の図である。実施の形態２による電力変換装置のブスバーの接続状態を説明するための第四の図である。実施の形態２による電力変換装置のブスバーの接続状態を説明するための第五の図である。実施の形態２による電力変換装置のブスバーの接続状態を説明するための第六の図である。実施の形態２による電力変換装置のブスバーの接続状態を説明するための第七の図である。実施の形態２による電力変換装置のブスバーの接続状態を説明するための第八の図である。実施の形態３による電力変換装置の構成を示す概略図である。

実施の形態１．
図１から図３は実施の形態１による電力変換装置の部品構成を示す概略図である。図１は上面図、図２、図３は側面図であり、図２は、図１の上面図で示すブスバーのうち一部のブスバーを取り除いて示す側面図である。さらに、図４は図１から図３で示す電力変換装置の等価回路を示す回路図である。すなわち、図１から図３は、図４で示す回路上の部品を配置した概略図となる。実施の形態１による電力変換装置は、第一のスイッチと第一のスイッチに逆並列接続された第一のダイオードとを内蔵した第一スイッチング素子１ａと、第二のスイッチと第二のスイッチに逆並列接続された第二のダイオードとを内蔵した第二スイッチング素子１ｂと、第一直流コンデンサ２ａと、第二直流コンデンサ２ｂと、第一スイッチング素子１ａと第二スイッチング素子１ｂを取付けてスイッチング素子を冷却する冷却器３と、を備えた電力変換装置である。冷却器３の平面部に、ネジ等の固定部材により第一スイッチング素子１ａと第二スイッチング素子１ｂとが冷却器３の形状に対してＸ方向で平行になるように取付けられる。ここで、第一スイッチング素子１ａ、第二スイッチング素子１ｂ、第一直流コンデンサ２ａ、第二直流コンデンサ２ｂは、それぞれ正極端子および負極端子を有しており、全ての正極端子、負極端子が同じ側に、Ｘ方向に並ぶように配置されている。また、第一スイッチング素子１ａと第二スイッチング素子１ｂとが隣接して、第一直流コンデンサ２ａと第二直流コンデンサ２ｂとが隣接して、配置されている。スイッチング素子から遠い側に配置されている直流コンデンサを第一直流コンデンサ２ａとする。

図４の回路を構成するために、各電気部品はブスバーで電気接続される。中点ブスバー１０ｃが、第一スイッチング素子１ａの負極端子Ｅａと第二スイッチング素子１ｂの正極端子Ｃｂとをブリッジ接続する。第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第一直流コンデンサ２ａの正極端子Ｐｂとは、第一正側ブスバー１１ｐで、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第二直流コンデンサ２ｂの正極端子Ｐｂとは、第二正側ブスバー１２ｐで、それぞれ電気接続されている。第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第一直流コンデンサ２ａの負極端子Ｎａとは第一負側ブスバー１１ｎで、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第二直流コンデンサ２ｂの負極端子Ｎｂとは第二負側ブスバー１２ｎで、それぞれ電気接続されている。

ここで、第二正側ブスバー１２ｐの第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第二直流コンデンサ２ｂの正極端子Ｐｂとの間の長さは、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第二直流コンデンサ２ｂの正極端子Ｐｂ間の直線距離よりも長くなるよう迂回するインダクタンス調整部３２ｐを有している。このインダクタンス調整部３２ｐを有する第二正側ブスバー１２ｐを調整正側ブスバー１２ｐと称することもある。また、第二負側ブスバー１２ｎの第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第二直流コンデンサ２ｂの負極端子Ｎｂとの間の長さは、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第二直流コンデンサの負極端子Ｎｂ間の直線距離よりも長くなるよう迂回するインダクタンス調整部３２ｎを有している。このインダクタンス調整部３２ｎを有する第二負側ブスバー１２ｎを調整負側ブスバー１２ｎと称することもある。

各ブスバーは、例えば板状の金属で形成されており、各直流コンデンサに接続される正側ブスバーと負側ブスバーとは、間に一点鎖線で示す絶縁部材４０を介在して板面が対向するよう重ねて配置されている。すなわち、第一正側ブスバー１１ｐと第一負側ブスバー１１ｎとが間に絶縁部材４０を介在して重ねて配置されており、第二正側ブスバー１２ｐと第二負側ブスバー１２ｎとが間に絶縁部材４０を介在して重ねて配置されている。また、第一直流コンデンサ２ａに接続される２本のブスバーのセットと、第二直流コンデンサ２ｂに接続される２本のブスバーのセットとを重ねて配置し、その間に絶縁部材４０を設けても良い。図１では、第一負側ブスバー１１ｎを第一正側ブスバー１１ｐよりもスイッチング素子と直流コンデンサとに近い側に配置しているが、逆でも構わない。同様に、第二負側ブスバー１２ｎを第二正側ブスバー１２ｐよりもスイッチング素子と直流コンデンサとに近い側に配置しているが、逆でも構わない。

図５Ａから図５Ｆは、各ブスバーの状態を分かり易く示すための斜視図である。図５Ａは、ブスバーが無い状態を示す。図５Ｂは、第一負側ブスバー１１ｎで第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第一直流コンデンサ２ａの負極端子Ｎａを接続した状態を示す。図５Ｃは、第一正側ブスバー１１ｐで第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第一直流コンデンサ２ａの正極端子Ｐａを接続した状態を示す。図５Ｄは、インダクタンス調整部３２ｎを有する第二負側ブスバー１２ｎで第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第二直流コンデンサ２ｂの負極端子Ｎｂを接続した状態を示す。図５Ｅは、インダクタンス調整部３２ｐを有する第二正側ブスバー１２ｐで第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第二直流コンデンサ２ｂの正極端子Ｐｂを接続した状態を示す。図５Ｆは、中点ブスバー１０ｃで、第一スイッチング素子１ａの負極端子Ｅａと第二スイッチング素子１ｂの正極端子Ｃｂを接続した状態を示している。

図６は、実施の形態１による電力変換装置の別の部品構成を示す概略図である。直流コンデンサの正極端子と負極端子の並びは、図１の並びに限らず、図６に示すように、正極端子がスイッチング素子から遠い側にあってもよい。正極端子、負極端子いずれがスイッチング素子から遠い側になっても構わない。ただし、各直流コンデンサの正極端子と負極端子の並びは同じであることが好ましい。ただし、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第一直流コンデンサ２ａの正極端子Ｐａとの距離と、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第二直流コンデンサ２ｂの正極端子Ｐｂとの距離の差と、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第一直流コンデンサ２ａの負極端子Ｎａとの距離と、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第二直流コンデンサ２ｂの負極端子Ｎｂとの距離の差とが、同じになるよう、第一直流コンデンサ２ａと第二直流コンデンサ２ｂとの、それぞれの正極端子と負極端子の並びは同じであることが好ましい。

図７は、実施の形態１による電力変換装置のさらに別の部品構成を示す概略図である。図７に示すように、第一スイッチング素子１ａと第二スイッチング素子１ｂとは、第一スイッチング素子１ａの負極端子Ｅａと第二スイッチング素子１ｂの正極端子Ｃｂが接続されていれば、いずれのスイッチング素子が直流コンデンサに近い側に配置されていても構わない。さらに、スイッチング素子については、各スイッチング素子の正極端子と負極端子の並びが逆であっても構わない。

このように、第一スイッチング素子１ａと第二スイッチング素子１ｂとの並び、および正極端子、負極端子の並び、は順序を問わない。また、第一直流コンデンサ２ａと第二直流コンデンサ２ｂについては、正極端子と負極端子の並びが同じであることが好ましい。

各ブスバーの各端子間には、図４の等価回路に示す配線インダクタンスが存在する。すなわち、第一正側ブスバー１１ｐにはＬｐ１、第一負側ブスバー１１ｎにはＬｎ１、第二正側ブスバー１２ｐにはインダクタンス調整部３２ｐのＬｐｂ＋それ以外のＬｐ２、第二負側ブスバー１２ｎにはインダクタンス調整部３２ｎのＬｎｂ＋それ以外のＬｎ２、の配線インダクタンスがそれぞれ存在する。

以上のスイッチング素子と直流コンデンサの配置によるスイッチング素子と直流コンデンサ間の配線インダクタンスは、第二正側ブスバー（調整正側ブスバー）１２ｐの配線インダクタンス、すなわちＬｐ２＋インダクタンス調整部３２ｐの配線インダクタンスＬｐｂ＝第一正側ブスバーの配線インダクタンスＬｐ１となるように、また第二負側ブスバー（調整負側ブスバー）１２ｎの配線インダクタンス、すなわちＬｎ２＋インダクタンス調整部３２ｎの配線インダクタンスＬｎｂ＝第一負側ブスバーの配線インダクタンスＬｎ１となるように各インダクタンス調整部の長さを調整する。すなわち、インダクタンス調整部３２ｐ及びインダクタンス調整部３２ｎにおいて、スイッチング素子から直流コンデンサまでの長さを折曲あるいは湾曲により調整することで、各直流コンデンサ間の電流ばらつきを解消することができる。

また、以上のブスバー構成により、スイッチング素子と第一直流コンデンサ２ａとの経路と、スイッチング素子と第二直流コンデンサ２ｂとの経路の異なる電流が流れる２つのブスバーが存在することになる。これにより、従来のブスバー構成に対して各々のブスバーに流れる電流値は２分の１となり、従来と同じ厚さ寸法であれば、同一電流でのブスバーでの発熱が、従来より減少するため、電力変換装置の出力電流アップが可能となる。また、従来のブスバー構成と同じ発熱が可能であるならば、各ブスバーを従来の２分の１の厚さ寸法にすることができ、ブスバーの折り曲げ等の加工作業が容易となり、またブスバー単体の重量が軽くなるため、組立作業が容易となる。

図８は実施の形態１による電力変換装置をセル変換器６０とした場合の構成を示す概略図、図９はその等価回路を示す図である。図８、図９の図１、図４との相違は、中点ブスバー１０ｃのセル変換器６０の端部となる位置に外部端子Ｘ１、第一負側ブスバー１１ｎおよび第二負側ブスバー１２ｎを接続し、セル変換器６０の端部となる位置に外部端子Ｘ２を設けたものである。外部端子Ｘ１と外部端子Ｘ２はセル変換器６０の前面側に位置する。

図１０は一般的なＨＶＤＣ向け電力変換装置の設置構成を示す概略図であり、図８で示したセル変換器６０を複数用いた接続構成を示したものである。複数のセル変換器６０を水平Ｙ方向に並べて、一つのセル変換器筐体６１に収納される。図１０では一つのセル変換器筐体６１に４個のセル変換器６０を収納した例を示している。上述したように、セル変換器６０は外部端子Ｘ１および外部端子Ｘ２を有しており、セル変換器６０の外部端子Ｘ１と隣接する他のセル変換器６０の外部端子Ｘ２とはセル変換器間接続導体６２を介して接続され、他のセル変換器６０の外部端子Ｘ２と隣接するさらに他のセル変換器６０の外部端子Ｘ１とはセル変換器間接続導体６２を介して接続されて、複数のセル変換器６０が直列接続される。このセル変換器筐体６１に収納された複数のセル変換器６０が直列接続、すなわちカスケード接続された構成をバルブ６３と呼ぶ。出力電圧をアップするために、複数のバルブ６３を鉛直方向（高さ方向、Ｚ方向）に積み上げてバルブ間接続導体６４を介して接続することにより、直列接続されるセル変換器６０の数を、一つのバルブで構成するよりもさらに増加させることができる。バルブ６３間には、カスケード接続されたセル変換器６０の最高電位と他の基準電位間で電気的短絡が発生しないように、絶縁構造体６５を配して、他のバルブ６３及び基準電位６６との距離が確保される。これらの複数のバルブ６３と複数の絶縁構造体６５で構成された構造体をバルブタワー６７と呼ぶ。このバルブタワー６７は外部環境、例えば雨、温度の影響を直接受けないようにバルブホール６８に収納される。

以上の構成において、実施の形態２および実施の形態３において後述するように、直流コンデンサを並列増加しても、セル変換器６０のＹ方向の寸法が増加しないため、セル変換器筐体６１のＹ方向の寸法の増大を避けることができる。あるいは、セル変換器筐体６１のＹ方向の寸法に制約がある場合でも、セル変換器筐体６１に収納可能なセル変換器６０の個数を減少させなくてよい。１つのバルブ６３におけるセル変換器６０の個数が減少しないため、鉛直方向にバルブ６３を増設する必要が無く、バルブタワー６７の高さも高くならないので、バルブホール６８の天井部分との距離が狭くなることも無い。従って、セル変換器６０単体の出力電流定格がアップしても、電力変換装置の全体出力が下がってしまう課題が発生することはない。

実施の形態２．
図１１から図１４は実施の形態２による電力変換装置の部品構成を示す概略図である。図１１は上面図、図１２から図１４は側面図であり、図１２および図１３は、図１１で示すブスバーのうち一部のブスバーを取り除いて示す側面図である。さらに、図１５は図１１から図１４で示す電力変換装置の等価回路を示す回路図である。すなわち、図１１から図１４は、図１５で示す回路上の部品を配置した概略図となる。本実施の形態２による電力変換装置は、実施の形態１の電力変換装置から直流コンデンサの数を１つ増加した、直流コンデンサの数が３個の電力変換装置となっている。第一スイッチング素子１ａと第二スイッチング素子１ｂとは、実施の形態１と同様の構成である。直流コンデンサとして、第一直流コンデンサ２ａ、第二直流コンデンサ２ｂ、第三直流コンデンサ２ｃの３個の直流コンデンサを備えている。ここで、第一スイッチング素子１ａ、第二スイッチング素子１ｂ、第一直流コンデンサ２ａ、第二直流コンデンサ２ｂ、第三直流コンデンサ２ｃは、それぞれ正極端子および負極端子を有しており、全ての正極端子、負極端子が同じ側に並ぶように、Ｘ方向に直線状に配置されている。また、第一スイッチング素子１ａと第二スイッチング素子１ｂとが隣接して、第一直流コンデンサ２ａ、第二直流コンデンサ２ｂ、第三直流コンデンサ２ｃが順に配置されており、スイッチング素子から最も遠い側に配置されている直流コンデンサを第一直流コンデンサ２ａとする。

図１５の回路を構成するために、各電気部品はブスバーで電気接続される。中点ブスバー１０ｃが、第一スイッチング素子１ａの負極端子Ｅａと第二スイッチング素子１ｂの正極端子Ｃｂとをブリッジ接続する。第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第一直流コンデンサ２ａの正極端子Ｐｂとは、第一正側ブスバー１１ｐで、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第二直流コンデンサ２ｂの正極端子Ｐｂとは、第二正側ブスバー１２ｐで、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第三直流コンデンサ２ｃの正極端子Ｐｃとは、第三正側ブスバー１３ｐで、それぞれ電気接続されている。第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第一直流コンデンサ２ａの負極端子Ｎａとは第一負側ブスバー１１ｎで、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第二直流コンデンサ２ｂの負極端子Ｎｂとは第二負側ブスバー１２ｎで、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第三直流コンデンサ２ｃの負極端子Ｎｃとは第三負側ブスバー１３ｎで、それぞれ電気接続されている。

同様に、第三正側ブスバー１３ｐの第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第三直流コンデンサ２ｃの正極端子Ｐｃとの間の長さは、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第三直流コンデンサ２ｃの正極端子Ｐｃ間の直線距離よりも長くなるよう迂回するインダクタンス調整部３３ｐを有している。このインダクタンス調整部３３ｐを有する第三正側ブスバー１３ｐを調整正側ブスバー１３ｐと称することもある。また、第三負側ブスバー１３ｎの第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第三直流コンデンサ２ｃの負極端子Ｎｃとの間の長さは、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第三直流コンデンサ２ｃの負極端子Ｎｃ間の直線距離よりも長くなるよう迂回するインダクタンス調整部３３ｎを有している。このインダクタンス調整部３３ｎを有する第三負側ブスバー１３ｎを調整負側ブスバー１３ｎと称することもある。

各ブスバーは、例えば板状の金属で形成されており、各直流コンデンサに接続される正側ブスバーと負側ブスバーとは、一点鎖線で示す絶縁部材４０を間に介在して板面が対向するよう重ねて配置されている。すなわち、第一正側ブスバー１１ｐと第一負側ブスバー１１ｎとが間に絶縁部材４０を介在して重ねて配置されており、第二正側ブスバー１２ｐと第二負側ブスバー１２ｎとが間に絶縁部材４０を介在して重ねて配置されており、第三正側ブスバー１３ｐと第三負側ブスバー１３ｎとが間に絶縁部材４０を介在して重ねて配置されている。また、第一直流コンデンサ２ａに接続される２本のブスバーのセットと、第二直流コンデンサ２ｂに接続される２本のブスバーのセットと、第三直流コンデンサ２ｃに接続される２本のブスバーのセットとを重ねて配置し、それぞれの間に絶縁部材４０を設けても良い。

図１１では、第二直流コンデンサ２ｂに接続するブスバーのセットと第三直流コンデンサ２ｃに接続するブスバーのセットの間に、最も遠くに配置された第一直流コンデンサ２ａに接続するブスバーのセットを配置した構成としている。ただし、ブスバーを配置する順番はこれに限らない。例えば、電気部品に最も近い側に、最も遠くに配置された第一直流コンデンサ２ａに接続するブスバーのセットを配置し、次に第二直流コンデンサ２ｂに接続するブスバーのセットを配置し、最も外側に第三直流コンデンサ２ｃに接続するブスバーのセットを配置することもできる。また、図１１の、第二直流コンデンサ２ｂに接続するブスバーのセットと第三直流コンデンサ２ｃに接続するブスバーのセットを入れ替えた配置とすることもできる。

また、第二スイッチング素子１ｂを第一スイッチング素子１ａよりも直流コンデンサに近い側に配置しているが、逆の配置であっても良い。さらに、各スイッチング素子の正極端子と負極端子の並びは、いずれか一つのスイッチング素子の正極端子と負極端子の並びが図１１に示す並びと逆であっても、第一スイッチング素子１ａおよび第二スイッチング素子１ｂ共に、正極端子と負極端子の並びが図１１に示す並びと逆であっても構わない。直流コンデンサについても、同様に、正極端子と負極端子の並びは図１１に示す並びに限らない。ただし、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第一直流コンデンサ２ａの正極端子Ｐａとの距離と、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第二直流コンデンサ２ｂの正極端子Ｐｂとの距離の差と、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第一直流コンデンサ２ａの負極端子Ｎａとの距離と、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第二直流コンデンサ２ｂの負極端子Ｎｂとの距離の差とが、同じになることが好ましい。第三直流コンデンサ２ｃについても同様であり、３個の直流コンデンサのそれぞれの正極端子と負極端子の並びは同じであることが好ましい。

図１６Ａから図１６Ｈは、各ブスバーの状態を分かり易く示すための斜視図である。図１６Ａは、ブスバーが無い状態を示す。図１６Ｂは、インダクタンス調整部３２ｎを有する第二負側ブスバー１２ｎで第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第二直流コンデンサ２ｂの負極端子Ｎｂを接続した状態を示す。図１６Ｃは、インダクタンス調整部３２ｐを有する第二正側ブスバー１２ｐで第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第二直流コンデンサ２ｂの正極端子Ｐｂを接続した状態を示す。図１６Ｄは、第一負側ブスバー１１ｎで第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第一直流コンデンサ２ａの負極端子Ｎａを接続した状態を示す。図１６Ｅは、第一正側ブスバー１１ｐで第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第一直流コンデンサ２ａの正極端子Ｐａを接続した状態を示す。図１６Ｆは、インダクタンス調整部３３ｎを有する第三負側ブスバー１３ｎで第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第三直流コンデンサ２ｃの負極端子Ｎｃを接続した状態を示す。図１６Ｇは、インダクタンス調整部３３ｐを有する第三正側ブスバー１３ｐで第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第三直流コンデンサ２ｃの正極端子Ｐｃを接続した状態を示す。図１６Ｈは、中点ブスバー１０ｃで、第一スイッチング素子１ａの負極端子Ｅａと第二スイッチング素子１ｂの正極端子Ｃｂを接続した状態を示している。

各ブスバーの各端子間には、図１５の等価回路に示す配線インダクタンスが存在する。すなわち、第一正側ブスバー１１ｐにはＬｐ１、第一負側ブスバー１１ｎにはＬｎ１、第二正側ブスバー１２ｐにはインダクタンス調整部３２ｐのＬｐｂ＋それ以外のＬｐ２、第二負側ブスバー１２ｎにはインダクタンス調整部３２ｎのＬｎｂ＋それ以外のＬｎ２、第三正側ブスバー１３ｐにはインダクタンス調整部３３ｐのＬｐｃ＋それ以外のＬｐ３、第三負側ブスバー１３ｎにはインダクタンス調整部３３ｎのＬｎｃ＋それ以外のＬｎ３、の配線インダクタンスがそれぞれ存在する。

以上のスイッチング素子と直流コンデンサの配置によるスイッチング素子と直流コンデンサ間の配線インダクタンスは、第二正側ブスバー（調整正側ブスバー）１２ｐの配線インダクタンス、すなわちＬｐ２＋インダクタンス調整部３２ｐの配線インダクタンスＬｐｂと、第三正側ブスバー（調整正側ブスバー）１３ｐの配線インダクタンス、すなわちＬｐ３＋インダクタンス調整部３３ｐの配線インダクタンスＬｐｃとが、いずれも第一正側ブスバー１１ｐの配線インダクタンスＬｐ１となるように各インダクタンス調整部の長さを調整する。同様に、第二負側ブスバー（調整負側ブスバー）１２ｎの配線インダクタンス、すなわちＬｎ２＋インダクタンス調整部３２ｎの配線インダクタンスＬｎｂと、第三負側ブスバー（調整負側ブスバー）１３ｎの配線インダクタンス、すなわちＬｎ３＋インダクタンス調整部３３ｎの配線インダクタンスＬｎｃとが、いずれも第一負側ブスバー１１ｎの配線インダクタンスＬｎ１となるように各インダクタンス調整部の長さを調整する。すなわち、インダクタンス調整部３２ｐとインダクタンス調整部３２ｎ、およびインダクタンス調整部３３ｐとインダクタンス調整部３３ｎにおいて、スイッチング素子から直流コンデンサまでの長さを折曲あるいは湾曲により調整することで、各直流コンデンサ間の電流ばらつきを解消することができる。

また、以上のブスバー構成により、スイッチング素子と第一直流コンデンサ２ａとの経路と、スイッチング素子と第二直流コンデンサ２ｂとの経路と、スイッチング素子と第三直流コンデンサ２ｃとの経路の異なる電流が流れる３つのブスバーが存在することになる。これにより、従来のブスバー構成に対して各々のブスバーに流れる電流値は３分の１となり、従来と同じ厚さ寸法のままでブスバーでの発熱がしにくくなり、電力変換装置の出力電流アップが可能となる。また、従来のブスバー構成と同じ発熱が可能であるならば、各ブスバーを従来の３分の１の厚さ寸法にすることができ、ブスバーの折り曲げ等の加工作業、あるいはブスバー単体の重量が増えることで組立作業、などが難しくなる課題を解消することが可能となる。

また、図１０に示したＨＶＤＣ向け電力変換装置に適用した場合、直流コンデンサを並列増加しても、セル変換器６０のＹ方向の寸法が増加しないため、セル変換器筐体６１のＹ方向の寸法の増大を避けることができる。あるいは、セル変換器筐体６１のＹ方向の寸法に制約がある場合でも、セル変換器筐体６１に収納可能なセル変換器６０の個数を減少させなくてよい。１つのバルブにおけるセル変換器６０の個数が減少しないため、高さ方向にバルブを増設する必要が無く、バルブタワー６７の高さも高くならないので、バルブホール６８の天井部分との距離が狭くなることも無い。従って、セル変換器６０単体の出力電流定格がアップしても、電力変換装置の全体出力が下がってしまう課題が発生することはない。

実施の形態３．
図１７は実施の形態３による電力変換装置の部品構成を示す概略図である。本実施の形態３による電力変換装置は、実施の形態２の電力変換装置から直流コンデンサの数をさらに１つ増加した、直流コンデンサの数が４個の電力変換装置となっている。第一スイッチング素子１ａと第二スイッチング素子１ｂとは、実施の形態１および実施の形態２と同様の構成である。直流コンデンサとして、第一直流コンデンサ２ａ、第二直流コンデンサ２ｂ、第三直流コンデンサ２ｃ、第四直流コンデンサ２ｄの４個の直流コンデンサを備えている。ここで、第一スイッチング素子１ａ、第二スイッチング素子１ｂ、第一直流コンデンサ２ａ、第二直流コンデンサ２ｂ、第三直流コンデンサ２ｃ、第四直流コンデンサ２ｄは、それぞれ正極端子および負極端子を有しており、全ての正極端子、負極端子が同じ側に並ぶように、Ｘ方向に直線状に配置されている。また、第一スイッチング素子１ａと第二スイッチング素子１ｂとが隣接して、第一直流コンデンサ２ａ、第二直流コンデンサ２ｂ、第三直流コンデンサ２ｃ、第四直流コンデンサ２ｄが順に配置されており、スイッチング素子から最も遠い側に配置されている直流コンデンサを第一直流コンデンサ２ａとする。

図１７に示すように、各電気部品はブスバーで電気接続される。中点ブスバー１０ｃが、第一スイッチング素子１ａの負極端子Ｅａと第二スイッチング素子１ｂの正極端子Ｃｂとをブリッジ接続する。第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第一直流コンデンサ２ａの正極端子Ｐｂとは、第一正側ブスバー１１ｐで、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第二直流コンデンサ２ｂの正極端子Ｐｂとは、第二正側ブスバー１２ｐで、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第三直流コンデンサ２ｃの正極端子Ｐｃとは、第三正側ブスバー１３ｐで、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第四直流コンデンサ２ｄの正極端子Ｐｄとは、第四正側ブスバー１４ｐで、それぞれ電気接続されている。第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第一直流コンデンサ２ａの負極端子Ｎａとは第一負側ブスバー１１ｎで、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第二直流コンデンサ２ｂの負極端子Ｎｂとは第二負側ブスバー１２ｎで、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第三直流コンデンサ２ｃの負極端子Ｎｃとは第三負側ブスバー１３ｎで、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第四直流コンデンサ２ｄの負極端子Ｎｄとは第四負側ブスバー１４ｎで、それぞれ電気接続されている。

さらに、第四正側ブスバー１４ｐの第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第四直流コンデンサ２ｄの正極端子Ｐｄとの間の長さは、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと第四直流コンデンサ２ｄの正極端子Ｐｄ間の直線距離よりも長くなるよう迂回するインダクタンス調整部３４ｐを有している。このインダクタンス調整部３４ｐを有する第四正側ブスバー１４ｐを調整正側ブスバー１４ｐと称することもある。また、第四負側ブスバー１４ｎの第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第四直流コンデンサ２ｄの負極端子Ｎｄとの間の長さは、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと第四直流コンデンサ２ｄの負極端子Ｎｄ間の直線距離よりも長くなるよう迂回するインダクタンス調整部３４ｎを有している。このインダクタンス調整部３４ｎを有する第四負側ブスバー１４ｎを調整負側ブスバー１４ｎと称することもある。

各調整正側ブスバーは、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと、各直流コンデンサのそれぞれの正極端子間のインダクタンスが、第一スイッチング素子１ａの正極端子Ｃａと、第一直流コンデンサ２ａの正極端子間のインダクタンスと同じになるように、各インダクタンス調整部の長さを調整する。同様に、各調整負側ブスバーは、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと、各直流コンデンサのそれぞれの負極端子間のインダクタンスが、第二スイッチング素子１ｂの負極端子Ｅｂと、第一直流コンデンサ２ａの負極端子Ｎａ間のインダクタンスと同じになるように、各インダクタンス調整部の長さを調整する。すなわち、インダクタンス調整部３２ｐとインダクタンス調整部３２ｎ、インダクタンス調整部３３ｐとインダクタンス調整部３３ｎ、およびインダクタンス調整部３４ｐとインダクタンス調整部３４ｎにおいて、スイッチング素子から直流コンデンサまでの長さを折曲あるいは湾曲により調整することで、各直流コンデンサ間の電流ばらつきを解消することができる。

また、以上のブスバー構成により、スイッチング素子と第一直流コンデンサ２ａとの経路と、スイッチング素子と第二直流コンデンサ２ｂとの経路と、スイッチング素子と第三直流コンデンサ２ｃと、スイッチング素子と第四直流コンデンサ２ｄとの経路の異なる電流が流れる４つのブスバーが存在することになる。これにより、従来のブスバー構成に対して各々のブスバーに流れる電流値は４分の１となり、従来と同じ厚さ寸法のままでブスバーでの発熱がしにくくなり、電力変換装置の出力電流アップが可能となる。あるいは、従来のブスバー構成と同じ発熱が可能であるならば、各ブスバーを従来の４分の１の厚さ寸法にすることができ、ブスバーの折り曲げ等の加工作業、あるいはブスバー単体の重量が増えることで組立作業、などが難しくなる課題を解消することが可能となる。

さらに、直流コンデンサの数を５個以上に増加させることも可能である。本願に開示する電力変換装置によれば、第一スイッチング素子の負極端子と第二スイッチング素子の正極端子が接続され、第一スイッチング素子の正極端子と第二スイッチング素子の負極端子との間に、複数の直流コンデンサのそれぞれの直流コンデンサが並列に接続された電力変換装置において、第一スイッチング素子、第二スイッチング素子、複数の直流コンデンサの順に、または第二スイッチング素子、第一スイッチング素子、複数の直流コンデンサの順に、全ての正極端子と負極端子が同じ側に並ぶように配置され、スイッチング素子に最も遠い側に配置された直流コンデンサ以外の直流コンデンサとスイッチング素子とを接続するブスバーに、ブスバーの長さを調整してインダクタンスを調整するインダクタンス調整部を設けたので、スイッチング素子と各直流コンデンサとを接続するブスバーのインダクタンスを合わせることができ、各直流コンデンサ間の電流ばらつきを解消することができる。また、従来のブスバー構成に対して、従来と同じ厚さ寸法のままでブスバーでの発熱がしにくくなり、電力変換装置の出力電流アップが可能となる。あるいは、従来のブスバー構成と同じ発熱が可能であるならば、各ブスバーを従来の厚さよりも薄い寸法にすることができ、ブスバーの折り曲げ等の加工作業、あるいはブスバー単体の重量が増えることで組立作業、などが難しくなる課題を解消することが可能となる。

本願には、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ａ第一スイッチング素子、１ｂ第二スイッチング素子、２ａ第一直流コンデンサ、２ｂ第二直流コンデンサ、２ｃ第三直流コンデンサ、２ｄ第四直流コンデンサ、３冷却器、１０ｃ中点ブスバー、１１ｐ第一正側ブスバー、１１ｎ第一負側ブスバー、１２ｐ第二正側ブスバー（調整正側ブスバー）、１２ｎ第二負側ブスバー（調整負側ブスバー）、１３ｐ第三正側ブスバー（調整正側ブスバー）、１３ｎ第三負側ブスバー（調整負側ブスバー）、１４ｐ第四正側ブスバー（調整正側ブスバー）、１４ｎ第四負側ブスバー（調整負側ブスバー）、３２ｐ、３２ｎ、３３ｐ、３３ｎ、３４ｐ、３４ｎインダクタンス調整部、４０絶縁部材、６０セル変換器、６１セル変換器筐体、６３バルブ、６７バルブタワー

Claims

それぞれ正極端子と負極端子とを有する第一スイッチング素子および第二スイッチング素子と、それぞれ正極端子と負極端子とを有する複数の直流コンデンサと、を備え、前記第一スイッチング素子の負極端子と前記第二スイッチング素子の正極端子が接続され、前記第一スイッチング素子の正極端子と前記第二スイッチング素子の負極端子との間に、前記複数の直流コンデンサのそれぞれの直流コンデンサが並列に接続された電力変換装置において、
前記第一スイッチング素子、前記第二スイッチング素子、前記複数の直流コンデンサの順に、または前記第二スイッチング素子、前記第一スイッチング素子、前記複数の直流コンデンサの順に、全ての前記正極端子と前記負極端子が同じ側に並ぶように配置され、前記第一スイッチング素子の前記正極端子と前記複数の直流コンデンサのそれぞれの前記正極端子とをそれぞれ接続する、前記直流コンデンサの数と同じ数の複数の正側ブスバーと、前記第二スイッチング素子の前記負極端子と前記複数の直流コンデンサのそれぞれの前記負極端子とをそれぞれ接続する、前記直流コンデンサの数と同じ数の複数の負側ブスバーとを備え、
前記複数の正側ブスバーのうち、前記第一スイッチング素子に最も遠い側の直流コンデンサに接続する正側ブスバー以外の正側ブスバーである調整正側ブスバーは、前記第一スイッチング素子の前記正極端子と、前記調整正側ブスバーが接続される直流コンデンサの前記正極端子との間の長さが、前記第一スイッチング素子の前記正極端子と前記調整正側ブスバーが接続される直流コンデンサの前記正極端子間の直線距離よりも長くなるよう、迂回するインダクタンス調整部を有し、
前記複数の負側ブスバーのうち、前記第二スイッチング素子に最も遠い側の直流コンデンサに接続する負側ブスバー以外の負側ブスバーである調整負側ブスバーは、前記第二スイッチング素子の前記負極端子と、前記調整負側ブスバーが接続される直流コンデンサの前記負極端子との間の長さが、前記第二スイッチング素子の前記負極端子と前記調整負側ブスバーが接続される直流コンデンサの前記負極端子との間の直線距離よりも長くなるよう、迂回するインダクタンス調整部を有することを特徴とする電力変換装置。
前記複数の正側ブスバーおよび前記複数の負側ブスバーは、それぞれ板状の金属で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記複数の直流コンデンサのうち同一の直流コンデンサに接続する前記正側ブスバーと前記負側ブスバーとは間に絶縁部材を介在して板面が対向するよう重ねて配置されたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記複数の直流コンデンサの数は２であることを特徴とする請求項１から３のいずれか1項に記載の電力変換装置。
前記複数の直流コンデンサの数は３であり、前記第一スイッチング素子に最も遠い位置の直流コンデンサに接続する、重ねて配置された前記正側ブスバーと前記負側ブスバーとは、他の一の直流コンデンサに接続する、重ねて配置された前記調整正側ブスバーと前記調整負側ブスバーと、さらに他の一の直流コンデンサに接続する、重ねて配置された前記調整正側ブスバーと前記調整負側ブスバーと、の間に挟まれて配置されたことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
前記複数の直流コンデンサの数は４以上であり、前記第一スイッチング素子に最も遠い位置の直流コンデンサに接続する、重ねて配置された前記正側ブスバーと前記負側ブスバーとは、他の直流コンデンサに接続する、重ねて配置された前記調整正側ブスバーと前記調整負側ブスバーよりも、前記第一スイッチング素子、前記第二スイッチング素子、および前記複数の直流コンデンサに近い側に配置されたことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置をセル変換器とし、前記セル変換器を複数水平方向に並べてカスケード接続したバルブとし、前記バルブを絶縁構造体を介して鉛直方向に重ねてバルブタワーを構成したことを特徴とする電力変換装置。