JPWO2013179463A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

電力変換装置は、スイッチング素子（４）で構成される複数の電力変換回路（１）を備え、各電力変換回路（１）に設けられ、電力変換回路（１）に直流電力を供給するための直流導体（２Ｐ，２Ｎ）と、各電力変換回路（１）に設けられ、他の電力変換回路（１）から流入するスイッチング素子（４）のスイッチングに伴うリプル電流を抑制するためのインダクタンスを有する長さで、他の電力変換回路（１）と直流導体（２Ｐ，２Ｎ）を接続するための直流接続ブス（３Ｐ，３Ｎ）とを備える。

Description

本発明は、電力変換装置に関する。
一般に、大容量の電力変換装置を構成するために、複数の電力変換回路の直流側を並列に接続する構成が知られている。また、電力変換装置は、損失を低減するためにインピーダンス成分を減らすように構成されることが多い。例えば、電力変換回路を構成するコンデンサ及び半導体素子を薄板状のラミネート化された導体に接続して、インダクタンス成分を低減することが知られている。また、ダンピング抵抗を介して複数台のインバータを接続し、複数台のインバータ間のリプル電流を抑制することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。さらに、電力経路の不均一を改善するように構成して大電流化を可能とする電力変換装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、複数の電力変換回路を並列に接続した電力変換装置の場合、一方の電力変換回路で発生したＰＷＭ(pulse width modulation)制御によるスイッチングに伴うリプル電流が他方の電力変換回路に流入する。インピーダンス成分を低減するように構成された電力変換装置では、このリプル電流が低減され難くいため、影響が大きい。
また、リプル電流を低減するためにリアクトル及び抵抗器等の部品を設けた場合、電力変換装置が大型化する。また、電力変換回路をユニット化している場合、リアクトル及び抵抗器等の部品を設けるスペースをユニット内に確保することが困難である。
特開平７−１２３７２４号公報 特開２０１２−９５４７２号公報
本発明の目的は、複数の電力変換回路を備え、電力変換回路間を流れるスイッチングに伴うリプル電流を抑制し、小型化することのできる電力変換装置を提供することにある。
本発明の観点に従った電力変換装置は、第１のスイッチング素子で構成される第１の電力変換回路と、第２のスイッチング素子で構成される第２の電力変換回路と、前記第１の電力変換回路に設けられ、前記第１の電力変換回路に直流電力を供給するための直流導体と、前記第１の電力変換回路に設けられ、前記第２の電力変換回路の前記第２のスイッチング素子のスイッチングに伴うリプル電流の流入を抑制するためのインダクタンスを有する長さで、前記直流導体と前記第２の電力変換回路を接続するための接続導体とを備える。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換ユニットの構成を示す構成図である。 図２は、第１の実施形態に係る電力変換ユニットの素子の取り付け状態を示す構成図である。 図３は、第１の実施形態に係る４つの電力変換ユニットにより構成された電力変換装置の構成を示す構成図である。 図４は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換ユニットの構成を示す構成図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換ユニット１の構成を示す構成図である。図２は、本実施形態に係る電力変換ユニット１の素子４，５の取り付け状態を示す構成図である。図３は、本実施形態に係る４つの電力変換ユニット１により構成された電力変換装置１０の構成を示す構成図である。なお、図中における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複した説明を省略する。
電力変換装置１０は、４つの電力変換ユニット１により構成されている。全ての電力変換ユニット１の直流側は、２つの直流母線導体６Ｐ，６Ｎにより並列に接続されている。正極側直流母線導体６Ｐは、全ての電力変換ユニット１の正極端子を電気的に接続する。負極側直流母線導体６Ｎは、全ての電力変換ユニット１の負極端子を電気的に接続する。
電力変換ユニット１は、直流電力を三相交流電力に変換する三相インバータである。また、電力変換ユニット１は、三相交流電力を直流電力に変換する。電力変換ユニット１は、電力変換回路（インバータ）がユニット化されたものである。４つの電力変換ユニット１のそれぞれの交流側には、電力系統７が接続されている。電力変換装置１０は、２つの電力系統７の間の電力を融通する。なお、電力系統７は、交流電源又は交流負荷のいずれか１つのみでもよいし、両方設けられていてもよい。また、電力系統７は、商用系統でもよい。
電力変換ユニット１は、正極直流導体２Ｐ、負極直流導体２Ｎ、正極側直流接続ブス３Ｐ、及び負極側直流接続ブス３Ｎ、複数のＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)４、及び複数のコンデンサ５を備えている。
ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５は、正極直流導体２Ｐの平面上に位置するように設けられている。ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５の正極端子は、正極直流導体２Ｐと接続されている。ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５の負極端子は、負極直流導体２Ｎと接続されている。
ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５は、三相分の電力変換回路を構成する素子である。電力変換ユニット１には、電力変換回路を構成する三相分のＩＧＢＴ４及びコンデンサ５が設けられている。また、ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５は、それぞれ複数個を直列又は並列に接続することにより、それぞれの容量を増やしている。このように構成された電力変換回路により、直流電力と交流電力の相互の変換を行う。
ＩＧＢＴ４は、ＰＷＭ制御により、オン及びオフを繰り返すスイッチングを行うスイッチング素子を含む半導体である。ＩＧＢＴ４が駆動（スイッチング）することにより、電力変換動作が行われる。このＰＷＭ制御によるＩＧＢＴ４のスイッチングに伴いリプル電流が発生する。ＩＧＢＴ４には、スイッチング素子と逆並列に接続された逆並列ダイオードが接続されている。
コンデンサ５は、ＩＧＢＴ４と並列に接続されている。コンデンサ５は、直流電圧を平滑化する平滑コンデンサである。 ２つの直流導体２Ｐ，２Ｎは、ラミネート化された薄板状の導体である。直流導体２Ｐ，２Ｎの面積の大きい面は、長方形状になっている。直流導体２Ｐ，２Ｎは、ラミネート化された薄板形状にすることにより、低インピーダンス化を図っている。２つの直流導体２Ｐ，２Ｎは、それぞれを向き合わせて、電気的に絶縁された状態でできる限り近づけることで、低インダクタンス化されている。２つの直流導体２Ｐ，２Ｎには、ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５以外にも電力変換回路に必要な素子などの部品が設けられていてもよい。正極直流導体２Ｐには、直流電圧の正極が印加される。負極直流導体２Ｎには、直流電圧の負極が印加される。
図２を参照して、ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５の取り付け方法について説明する。図２は、ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５を取り付ける正極直流導体２Ｐ側から見た図である。ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５は、取り付け位置を破線で示している。
正極直流導体２Ｐには、多数の取付穴２２Ｐ，２４Ｐが設けられている。取付穴２２Ｐは、コンデンサ５の正極端子を固定するための取付ネジを通す穴である。取付穴２４Ｐは、ＩＧＢＴ４の正極端子を固定するための取付ネジを通す穴である。
コンデンサ５の正極端子は、負極直流導体２Ｎ側（コンデンサ５の取付面と反対側）から取付穴２２Ｐを通した取付ネジで固定される。ＩＧＢＴ４の正極端子は、負極直流導体２Ｎ側（ＩＧＢＴ４の取付面と反対側）から取付穴２４Ｐを通した取付ネジで固定される。取付ネジで固定されることにより、ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５のそれぞれの正極端子は、正極直流導体２Ｐと電気的に接続される。
負極直流導体２Ｎには、多数の取付穴２１Ｎ，２３Ｎが設けられている。正極直流導体２Ｐには、多数の貫通穴２１Ｐ，２３Ｐが設けられている。負極直流導体２Ｎの取付穴２１Ｎ及び正極直流導体２Ｐの貫通穴２１Ｐは、コンデンサ５の負極端子を固定するための取付ネジを通す穴である。負極直流導体２Ｎの取付穴２３Ｎ及び正極直流導体２Ｐの貫通穴２３Ｐは、ＩＧＢＴ４の負極端子を固定するための取付ネジを通す穴である。貫通穴２１Ｐ，２３Ｐは、取付ネジと正極直流導体２Ｐとの絶縁を確保するために、取付穴２１Ｎ，２３Ｎよりも大きい径の穴になっている。
コンデンサ５の負極端子は、負極直流導体２Ｎ側から取付穴２１Ｎ及び貫通穴２１Ｐを順次に通した取付ネジで固定される。ＩＧＢＴ４の負極端子は、負極直流導体２Ｎ側から取付穴２３Ｎ及び貫通穴２３Ｐを順次に通した取付ネジで固定される。取付ネジで固定されることにより、ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５のそれぞれの負極端子は、負極直流導体２Ｎと電気的に接続される。
三相分の交流導体１１には、多数の取付穴２５が設けられている。ＩＧＢＴ４の交流端子は、交流導体１１に設けられた取付穴２５を通した取付ネジで固定される。取付ネジで固定されることにより、ＩＧＢＴ４の交流端子は、交流導体１１と電気的に接続される。交流導体１１は、図３に示す電力系統７と接続するための導体である。 正極側直流接続ブス３Ｐは、正極直流導体２Ｐと電気的に接続されている。正極側直流接続ブス３Ｐは、正極直流導体２Ｐと一体化されていてもよい。正極側直流接続ブス３Ｐは、ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５の正極端子を正極側直流母線導体６Ｐに電気的に接続する。
負極側直流接続ブス３Ｎは、負極直流導体２Ｎと電気的に接続されている。負極側直流接続ブス３Ｎは、負極直流導体２Ｎと一体化されていてもよい。負極側直流接続ブス３Ｎは、ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５の負極端子を負極側直流母線導体６Ｎに電気的に接続する。
直流接続ブス３Ｐ，３Ｎは、薄い帯状の導体である。直流接続ブス３Ｐ，３Ｎの接続側（図１の上方）は、他の電気回路と接続するための接続端子になっている。他の電気回路は、図３では、直流母線導体６Ｐ，６Ｎ又は他の電力変換ユニット１である。直流接続ブス３Ｐ，３Ｎは、直流母線導体６Ｐ，６Ｎと接続する側と反対側から出るように直流導体２Ｐ，２Ｎと接続されている。直流接続ブス３Ｐ，３Ｎは、両方とも同じ負極直流導体２Ｎ側を通って直流母線導体６Ｐ，６Ｎとの接続方向に延びている。
ここで、直流接続ブス３Ｐ，３Ｎを直流導体２Ｐ，２Ｎに接続する箇所について説明する。
直流接続ブス３Ｐ，３Ｎは、スイッチングに伴うリプル電流を抑制するためのインダクタンスを有する長さを確保するために、直流母線導体６Ｐ，６Ｎの接続側と反対側に直流導体２Ｐ，２Ｎと接続されている。このように、直流母線導体６Ｐ，６Ｎと直流導体２Ｐ，２Ｎとの距離が長くなるように構成することで、直流接続ブス３Ｐ，３Ｎは、ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５により構成される電力変換回路と直流接続ブス３Ｐ，３Ｎとの間にインダクタンス成分を持たせるような長さになる。このインダクタンス成分により、他の電力変換ユニット１から流入するリプル電流を抑制する。２つの直流接続ブス３Ｐ，３Ｎは、インダクタンスを同じにするように、略同じ長さになっている。
本実施形態によれば、直流接続ブス３Ｐ，３Ｎにスイッチングに伴うリプル電流を抑制するインダクタンス成分を有するような長さにすることで、他の電力変換ユニット１から流入するリプル電流を抑制することができる。これにより、リアクトルなどのインダクタンス成分を有する素子を別途に設ける必要がない。従って、ユニット化された電力変換ユニット１のユニット内に充分にスペースがない場合であっても、直流接続ブス３Ｐ，３Ｎを設けることで、他の電力変換ユニット１から流入するリプル電流を低減することができる。
ここで、電力変換ユニット１間に流れるリプル電流の流入を防ぐことのみに着目すれば、直流母線導体６Ｐ，６Ｎにインダクタンス成分を持たせることが考えられる。しかし、直流母線導体６Ｐ，６Ｎにインダクタンス成分を持たせると、電位変動を引き起こす可能性がある。例えば、任意の２つの電力変換ユニット１間のインダクタンスが均等でない場合、インダクタンスの低い電力変換ユニット１間に電流が多く流れることになる。このように、流れる電流が特定の電力変換ユニット１に偏ることは、装置として好ましくない。また、電力変換ユニット１間の距離は、２つの電力変換ユニット１の組合せにより基本的に異なる。従って、直流母線導体６Ｐ，６Ｎに長さでインダクタンス成分を持たせた場合、２つの電力変換ユニット１の組合せによって、インダクタンスが異なることになる。
これに対し、直流接続ブス３Ｐ，３Ｎは、直流母線導体６Ｐ，６Ｎと電力変換ユニット１の電力変換回路との間を接続するものである。直流母線導体６Ｐ，６Ｎとそれぞれの電力変換回路との間の距離であれば、ほぼ均等に構成することができる。
従って、直流母線導体６Ｐ，６Ｎと電力変換回路を接続する直流接続ブス３Ｐ，３Ｎにインダクタンス成分を持たせることで、電力変換ユニット１毎に均等にリプル電流を抑制するためのインダクタンス成分を持たせることができる。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換ユニット１Ａの構成を示す構成図である。
電力変換ユニット１Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る電力変換ユニット１において、正極側直流接続ブス３Ｐ及び負極側直流接続ブス３Ｎをそれぞれ正極側直流接続ブス３ＰＡ及び負極側直流接続ブス３ＮＡに代えたものである。
ここでは、２つの直流接続ブス３ＰＡ，３ＮＡについて、第１の実施形態に係る２つの直流接続ブス３Ｐ，３Ｎと主に異なる点について説明し、その他の点は、同様に構成されているものとして説明を省略する。
２つの直流接続ブス３ＰＡ，３ＮＡは、それぞれ直流母線導体６Ｐ，６Ｎとの接続方向と垂直方向に位置する辺の中央部に接続されている。ここで、中央部とは、直流母線導体６Ｐ，６Ｎの接続方向と垂直な切断面で３分割した３つの領域のうち中央に位置する領域である。直流接続ブス３ＰＡ，３ＮＡは、それぞれ直流導体２Ｐ，２Ｎとの接続箇所から接続方向と垂直方向に直流導体２Ｐ，２Ｎの中央部まで延び、そこから直流母線導体６Ｐ，６Ｎとの接続側に向けて接続方向に直角に曲げられた形状になっている。即ち、直流接続ブス３ＰＡ，３ＮＡは、負極直流導体２Ｎ側から見ると、Ｌ字状又は逆Ｌ字状になっている。
本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。
直流接続ブス３ＰＡ，３ＮＡをそれぞれ直流導体２Ｐ，２Ｎの中央部から直流母線導体６Ｐ，６Ｎ（即ち、他の電力変換ユニット１との接続点）に接続する長さにすることで、直流接続ブス３ＰＡ，３ＮＡにインダクタンス成分を持たせることができる。
直流接続ブス３ＰＡ，３ＮＡをそれぞれ直流導体２Ｐ，２Ｎの中央部に接続することで、直流導体２Ｐ，２Ｎに設けられた全ての電気部品と直流母線導体６Ｐ，６Ｎとの間の電気的な距離を均一にすることができる。即ち、直流接続ブス３ＰＡ，３ＮＡと直流導体２Ｐ，２Ｎとの接続部分が、直流導体２Ｐ，２Ｎの任意の位置に接続された素子４，５から平均的な距離になる位置に直流導体２Ｐ，２Ｎの外周側で最も近くなるように構成されている。これにより、直流導体２Ｐ，２Ｎに設けられた全ての電気部品と直流母線導体６Ｐ，６Ｎとの間のインダクタンスを均一にすることができる。
さらに、電力変換回路を構成する電気部品の配置を、直流接続ブス３ＰＡ，３ＮＡと直流導体２Ｐ，２Ｎとの接続部分を中心として左右対称に配置したり、素子４，５を直流導体２Ｐ，２Ｎの全面に配置したりすることで、電力変換回路を構成する電気部品と直流母線導体６Ｐ，６Ｎとの電気的な距離をより均一化することができる。また、直流接続ブス３ＰＡ，３ＮＡと直流導体２Ｐ，２Ｎとの接続部分を中心として、三相のうち真ん中の相を構成する電気部品が中心にくるように配置し、残りの２相を構成する電気部品を中心に対して左右対称に配置することで、三相交流の相間にアンバランスが生じないような構成にすることができる。また、このような配置以外でも、相間で差が出ないように直流接続ブス３ＰＡ，３ＮＡと直流導体２Ｐ，２Ｎとの接続部分から均等に電気部品を配置してもよい。
なお、各実施形態において、直流接続ブス３Ｐ，３Ｎは薄い帯状の形状としたが、この形状に限らない。例えば、螺旋形状にすることにより短い距離で、インダクタンスを増加させることができる。これ以外にも、距離を長くしたり、形状を変えたりすることにより、インダクタンスを任意に調整することができる。
また、直流導体２Ｐ，２Ｎの面積の大きい面を長方形状としたが、これに限らない。例えば、形状は、正方形、円形、楕円形などでもよいし、その他の形状でもよい。任意の形状においては、直流導体２Ｐ，２Ｎを直流母線導体６Ｐ，６Ｎとの接続方向と垂直になる切断面で３分割した３つの領域のうち直流母線導体６Ｐ，６Ｎに最も近い領域以外の２つの領域に直流接続ブス３Ｐ，３Ｎを接続するように構成することで、直流接続ブス３Ｐ，３Ｎにインダクタンス成分を持たせる長さにすることができる。また、直流導体２Ｐ，２Ｎを３分割した領域のうち中央に位置する領域に、直流接続ブス３Ｐ，３Ｎを接続するように構成することで、第２の実施形態と同様の作用効果を得られる構成にすることができる。さらに、直流母線導体６Ｐ，６Ｎに最も近い領域に直流接続ブス３Ｐ，３Ｎを接続するように構成した場合においても、直流接続ブス３Ｐ，３Ｎを直流母線導体６Ｐ，６Ｎと接続するための長さを余分に長くすることで、直流接続ブス３Ｐ，３Ｎにインダクタンス成分を持たせることができる。
さらに、ＩＧＢＴ４及びコンデンサ５は、正極端子を固定するための取付ネジを通すための貫通穴を負極直流導体２Ｎに設けて、負極直流導体２Ｎ側に位置するように設けてもよい。
また、４つの電力変換ユニット１（即ち、電力変換回路）で構成された電力変換装置１０について説明したが、いくつの電力変換ユニット１で、電力変換装置を構成してもよい。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明によれば、複数の電力変換回路を備え、電力変換回路間を流れるスイッチングに伴うリプル電流を抑制し、小型化することのできる電力変換装置を提供することができる。
本発明の観点に従った電力変換装置は、第１のスイッチング素子で構成される第１の電力変換回路と、第２のスイッチング素子で構成される第２の電力変換回路と、前記第１の電力変換回路に設けられ、前記第１の電力変換回路に直流電力を供給するための四角形の板形状の直流導体と、前記第１の電力変換回路に設けられ、前記第２の電力変換回路の前記第２のスイッチング素子のスイッチングに伴うリプル電流の流入を抑制するためのインダクタンスを有する長さで、前記直流導体と前記第２の電力変換回路を電気的に接続するための接続導体とを備え、前記接続導体は、前記直流導体の平面方向にある接続箇所で前記第２の電力変換回路と電気的に接続され、前記直流導体から前記接続箇所への接続方向に垂直な切断面で、前記直流導体を３分割した３つの領域のうち前記接続箇所に最も近い領域以外の２つの領域に接続される。

Claims (6)

  1. 第１のスイッチング素子で構成される第１の電力変換回路と、
    第２のスイッチング素子で構成される第２の電力変換回路と、
    前記第１の電力変換回路に設けられ、前記第１の電力変換回路に直流電力を供給するための直流導体と、
    前記第１の電力変換回路に設けられ、前記第２の電力変換回路の前記第２のスイッチング素子のスイッチングに伴うリプル電流の流入を抑制するためのインダクタンスを有する長さで、前記直流導体と前記第２の電力変換回路を接続するための接続導体と
    を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記接続導体は、前記第２の電力変換回路との接続方向と垂直な切断面で３分割した３つの領域のうち前記第２の電力変換回路との接続側に最も近い領域以外の２つの領域に接続されること
    を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記接続導体は、前記第２の電力変換回路との接続方向と垂直な切断面で３分割した３つの領域のうち中央に位置する領域に接続されること
    を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 前記直流導体は、前記素子が設けられている面が四角形状であり、
    前記接続導体は、前記第２の電力変換回路との接続側に最も近い辺以外の辺から前記直流導体に接続されること
    を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  5. 第１のスイッチング素子で構成される第１の電力変換回路と第２のスイッチング素子で構成される第２の電力変換回路とを接続する電力変換装置の製造方法であって、
    前記第１の電力変換回路に設けられ、前記第１の電力変換回路に直流電力を供給するための直流導体を、前記第１の電力変換回路に設けられ、前記第２の電力変換回路の前記第２のスイッチング素子のスイッチングに伴うリプル電流の流入を抑制するためのインダクタンスを有する長さの接続導体で、前記第２の電力変換回路と接続すること
    を含むことを特徴とする電力変換装置の製造方法。
  6. スイッチング素子で構成される複数の電力変換回路と、
    前記複数の電力変換回路の直流側を並列に接続する直流母線導体と、
    前記各電力変換回路に設けられ、直流電力を供給するための直流導体と、
    前記各電力変換装置に設けられ、前記スイッチング素子のスイッチングに伴うリプル電流の流入を抑制するためのインダクタンスを有する長さで、前記直流母線導体と前記直流導体とを接続するための接続導体と
    を備えたことを特徴とする電力変換装置。
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