WO2021215281A1

WO2021215281A1 - 電力変換ユニットおよび電力変換装置

Info

Publication number: WO2021215281A1
Application number: PCT/JP2021/015110
Authority: WO
Inventors: 央上妻; 公久古川
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2021-10-28
Also published as: JP2021175238A

Abstract

共通の金属製筐体内に複数の電力変換ユニットを収納し、各電力変換ユニットを直列接続して構成するマルチステージ変換方式の電力変換装置において、各電力変換ユニット間、及び各電力変換ユニットと筐体フレーム間の絶縁特性を確保しつつ、小型化が可能な電力変換装置を提供する。共通の金属製筐体内に複数の電力変換ユニットを収納し、各電力変換ユニットを直列接続して構成するマルチステージ変換方式の電力変換装置に用いられる電力変換ユニットにおいて、パワー半導体デバイスが実装された電力変換基板と、前記電力変換基板を内包するユニット筐体と、前記電力変換基板が配置された前記ユニット筐体内の空間に充填された絶縁充填材と、前記金属製筐体の筐体フレームと前記電力変換基板の間に配置された絶縁板と、を備え、前記絶縁板は、内部に一定の厚み以上の空隙を有することを特徴とする。

Description

電力変換ユニットおよび電力変換装置

　本発明は、電力変換装置の構造に係り、特に、複数の電力変換ユニットを直列接続して構成するマルチステージ変換方式の電力変換装置に適用して有効な技術に関する。

　近年の電力変換装置は、その主要部品であるパワー半導体モジュールの技術革新によって、より高速なスイッチング動作を実現し、このパワー半導体から発する損失を低減させている。これにより、特に冷却器を小型化することができ、その結果、電力変換装置を小型化可能である。また、パワー半導体の損失を低減することにより、電力変換装置の効率を向上することができる。

　例えば、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドバンドギャップデバイスは、電子飽和速度がＳｉに対し約２倍以上あることから高速ＳＷ（Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）動作によるＳＷ損失低減、さらに高周波インバータＳＷ動作が可能となる。

　また、産業向け電力変換器では、システムの高効率化のため、システム電圧の高耐圧化が進んでいる。システム電圧を高耐圧化とすることで、同一電力における電流・導通損失を低減でき、システムを高効率化できる。但し、パワー半導体モジュールの耐圧には制限があることから、パワー半導体デバイスを含む複数の電力変換ユニットを直列接続し、電力変換器のシステム電圧を高耐圧化する電力変換器構成が提案されている。

　本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「第１の主回路基板が収容される第１の区画と、冷却風が通風する通風径路を有する第２の区画と、第２の主回路基板が収容される第３の区画と、を形成する筐体を有し、第１のキャパシタの電気端子と、第１の半導体素子の電気端子とが、第１の区画に収納され、第１のキャパシタの少なくとも一部と第１のヒートシンクの少なくとも一部とが、第２の区画に露出し、第２のキャパシタの電気端子と、第２の半導体素子の電気端子とが、第３の区画に収納され、第２のキャパシタの少なくとも一部と第２のヒートシンクの少なくとも一部とが、第２の区画に露出する電力変換装置」が開示されている。（特許文献１の要約等）
　また、特許文献１には、各電力変換装置の後方に排気路が形成され、冷却風は各電力変換装置の前面から吸入されることが記載されている。（特許文献１の段落［００４１］）　また、電力変換器の高耐圧化には、電力変換器を構成する電力変換ユニット内の各部品間やユニット間の絶縁距離を確保する必要があり、電力変換器が大型化する課題がある。

　そこで、絶縁距離を短縮する技術として、例えば、特許文献２のような技術がある。特許文献２では、モジュール内部の複数のパワー半導体デバイス間の絶縁特性を確保するため、モジュール内部はシリコンゲル等の絶縁材が充填され、ケースで封止されている。この構成により、複数のパワー半導体デバイス間の絶縁特性を確保することができる。

国際公開第２０１８／１７３３７９号特開２００８－１２５２４０号公報

　従来の多重絶縁トランスを適用した高圧電力変換器では、多重トランス起因で重量や体積が大型化する課題があった。高周波絶縁トランスを適用したマルチステージ変換器（ＭＳＣ：Ｍｕｌｔｉ　Ｓｔａｇｅ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）は、絶縁トランスの小型化が可能となる。ＭＳＣでは、複数の電力変換ユニットを含む高圧電力変換器は、パワー半導体デバイスを内蔵した電力変換ユニットを複数台直列接続して高圧入力に対応する。

　変換器盤内に複数の電力変換ユニットを配置する際、ユニット間、及びユニットと盤フレーム間の絶縁を確保する必要がある。電力変換ユニット間の絶縁を確保するため、空気層や絶縁材を配置するスペースが必要となる。変換器の小型化には、この必要絶縁スペースを最小化した高密度実装が課題となる。

　上記特許文献２の技術のように、絶縁距離が必要な部品間に、シリコンゲル等の絶縁材を充填する際は、微小な空気層（ボイド）の管理が必須となる。絶縁材の内部、または絶縁材で仕切られた部品間に微小な空気層が存在すると、微小空気層に電界が集中し、空気層でコロナ放電が発生する。

　微小空気層でコロナ放電が発生すると、絶縁材が経年で炭化し、部品間の絶縁特性が劣化し、最終的に部品間が絶縁破壊を引き起こす課題がある。この絶縁層と微小空気層の組み合わせによるコロナ放電を回避するには、微小空気層を無くすか、または空気層の厚みを一定の値以上に管理できる構造が必要となる。

　そこで、本発明の目的は、共通の金属製筐体内に複数の電力変換ユニットを収納し、各電力変換ユニットを直列接続して構成するマルチステージ変換方式の電力変換装置において、各電力変換ユニット間、及び各電力変換ユニットと筐体フレーム間の絶縁特性を確保しつつ、小型化が可能な電力変換装置を提供することにある。

　上記課題を解決するために、本発明は、共通の金属製筐体内に複数の電力変換ユニットを収納し、各電力変換ユニットを直列接続して構成するマルチステージ変換方式の電力変換装置に用いられる電力変換ユニットにおいて、パワー半導体デバイスが実装された電力変換基板と、前記電力変換基板を内包するユニット筐体と、前記電力変換基板が配置された前記ユニット筐体内の空間に充填された絶縁充填材と、前記金属製筐体の筐体フレームと前記電力変換基板の間に配置された絶縁板と、を備え、前記絶縁板は、内部に一定の厚み以上の空隙を有することを特徴とする。

　また、本発明は、上記の電力変換ユニットと、複数の前記電力変換ユニットが収納される金属製筐体とを有することを特徴とする電力変換装置である。

　本発明によれば、共通の金属製筐体内に複数の電力変換ユニットを収納し、各電力変換ユニットを直列接続して構成するマルチステージ変換方式の電力変換装置において、各電力変換ユニット間、及び各電力変換ユニットと筐体フレーム間の絶縁特性を確保しつつ、小型化が可能な電力変換装置を実現することができる。

　これにより、マルチステージ変換方式の電力変換装置の信頼性向上及び小型化の両立が可能となる。

　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。本発明の実施例１に係る電力変換ユニット（コンバータセル）の等価回路図である。本発明の実施例１に係る電力変換装置によるシステム構成図である。本発明の実施例１に係る電力変換装置の動作波形の一例を示す図である。本発明の実施例１に係る電力変換装置（変換器盤）の外観図である。本発明の実施例１に係る電力変換ユニット（コンバータセル）の構成を示す断面図である。本発明の実施例２に係る電力変換ユニット（コンバータセル）の側面図である。本発明の実施例３に係る電力変換ユニット（コンバータセル）の断面図である。本発明の実施例４に係る電力変換ユニット（コンバータセル）の絶縁板を示す斜視図である。

　以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

　図１から図６を参照して、本発明の実施例１に係る電力変換装置について説明する。図１は、本実施例の電力変換装置の概略構成を示す回路図（ブロック図）である。

　図１において、電力変換装置１は、Ｎ台のコンバータセル（電力変換ユニット）２０－１～２０－Ｎを有している。そして、各々のコンバータセル２０－ｋ（但し、ｋは段数番号であり、１≦ｋ≦Ｎ）は、一対の１次側端子２５，２６と、一対の２次側端子２７，２８と、交直変換器１１（上記１次側系統電圧である交流電圧を直流電圧に変換する第１の交直変換器，１次側変換器）と、交直変換器１２（第１の交直変換器により変換された直流電圧を交流電圧に変換する第２の交直変換器，１次側変換器）と、交直変換器１３（第２の交直変換器により変換された交流電圧を直流電圧に変換する第３の交直変換器，２次側変換器）と、交直変換器１４（第３の交直変換器により変換された直流電圧を交流電圧に変換し、２次側電源系統に供給する第４の交直変換器，２次側変換器）と、交直変換器１２と交直変換器１３との間に接続される高周波トランス１５（トランス）と、コンデンサ１７（第１のコンデンサ）と、コンデンサ１８（第２のコンデンサ）とを有している。

　交直変換器１１～１４は、後述するＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、バイポーラトランジスタ、ダイオードなどのパワー半導体デバイスで構成される。

　コンデンサ１７は、交直変換器１１と１２との間に接続され、コンデンサ１８は、交直変換器１３と１４との間に接続されている。

　そして、コンバータセル２０－１～２０－Ｎの１次側端子２５，２６は、順次互いに直列に接続され、これらの直列回路に、１次側電源系統３１が接続されている。また、コンバータセル２０－１～２０－Ｎの２次側端子２７，２８は、順次互いに直列に接続され、これらの直列回路に、２次側電源系統３２が接続されている。各コンバータセル２０－１～２０－Ｎは、１次側端子２５，２６と２次側端子２７，２８との間で双方向または一方向に電力を伝送する。

　１次側電源系統３１及び２次側電源系統３２は、誘導性のインピーダンス、またはフィルタリアクトルを内包するものとする。また、１次側電源系統３１及び２次側電源系統３２としては、例えば商用電源系統、太陽光発電システム、モータ等、様々な発電設備や受電設備を採用することができる。

　１次側電源系統３１の電圧を１次側系統電圧ＶＳ１とし、２次側電源系統３２の電圧を２次側系統電圧ＶＳ２とする。１次側系統電圧ＶＳ１、２次側系統電圧ＶＳ２は、振幅及び周波数が相互に独立しており、電力変換装置１は、１次側電源系統３１、２次側電源系統３２の間で双方向または一方向に電力を伝送する。

　図１に示すように、１次側電源系統３１の一対の端子のうち、一方を１次側基準端子３３と呼び、他方を端子３５と呼ぶ。同様に、２次側電源系統３２の一対の端子のうち、一方を２次側基準端子３６と呼び、他方を端子３４と呼ぶ。１次側基準端子３３は、１次側基準電位が現れる端子であり、２次側基準端子３６は、２次側基準電位が現れる端子である。１次側及び２次側基準電位は、例えば接地電位である。但し、基準電位は必ずしも接地電位でなくてもよい。

　そして、１次側基準端子３３は、コンバータセル２０－１の１次側端子２５に接続され、端子３５は、コンバータセル２０－Ｎの１次側端子２６に接続される。また、２次側基準端子３６は、コンバータセル２０－１の２次側端子２７に接続され、端子３４は、コンバータセル２０－Ｎの２次側端子２８に接続される。

　図２は、図１のコンバータセル２０－ｋ（２０－１～２０－Ｎ）の等価回路を示す回路図（ブロック図）である。

　交直変換器１１～１４は、図２に示すように、各々Ｈブリッジ状に接続された４個のスイッチング素子と、これらのスイッチング素子に逆並列に接続されたＦＷＤ（Ｆｒｅｅ　Ｗｈｅｅｌｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）で構成されている。

　なお、上述したように、これらのスイッチング素子には、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ダイオードなどのパワー半導体デバイスを用いる。

　コンデンサ１７の両端の間に現れる電圧を１次側ＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ１（１次側直流電圧）と呼ぶ。また、１次側端子２５，２６の間に現れる電圧を１次側ＡＣ端子間電圧Ｖ_Ｕ１ｋと呼ぶ。そして、交直変換器１１は、１次側ＡＣ端子間電圧Ｖ_Ｕ１ｋと、１次側ＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ１とを双方向または一方向に変換しつつ電力を伝送する。

　高周波トランス１５は、１次巻線１５ａと、２次巻線１５ｂとを有し、１次巻線１５ａと２次巻線１５ｂとの間で、所定の周波数で電力を伝送する。

　１次側の交直変換器１２及び２次側の交直変換器１３が高周波トランス１５との間で入出力する電流は、高周波である。ここで、高周波とは、例えば１００Ｈｚ以上の周波数であるが、１ｋＨｚ以上の周波数を採用することが好ましく、１０ｋＨｚ以上の周波数を採用することがより好ましい。

　１次側の交直変換器１２は、１次側ＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ１と、１次巻線１５ａに現れる電圧とを双方向または一方向に変換しつつ電力を伝送する。

　コンデンサ１８の両端の間に現れる電圧を２次側ＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ２（２次側直流電圧）と呼ぶ。

　２次側の交直変換器１３は、２次側ＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ２と、２次巻線１５ｂに現れる電圧とを双方向または一方向に変換しつつ電力を伝送する。

　また、２次側端子２７，２８の間に現れる電圧を２次側ＡＣ端子間電圧Ｖ_ｕ２ｋと呼ぶ。そして、２次側の交直変換器１４は、２次側ＡＣ端子間電圧Ｖ_ｕ２ｋと、２次側ＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ２とを双方向または一方向に変換しつつ電力を伝送する。

　図１において、１次側系統電圧ＶＳ１の振幅値をＶ_ｍａｘとし、各コンバータセル２０－ｋの１次側ＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ１が振幅値Ｖ_ｍａｘの１／Ｎであると仮定すると、図２に示した１次側ＡＣ端子間電圧Ｖ_Ｕ１ｋは、±Ｖ_ｍａｘ／Ｎまたは０のいずれかの電圧となる。２次側も同様であるので説明を省略する。

　図２において、交直変換器１１と、コンデンサ１７と、交直変換器１２を含む電力変換器部を１次側電力変換ユニット１０１とし、交直変換器１３と、コンデンサ１８と、交直変換器１４で構成される電力変換器部を２次側電力変換ユニット１０２とする。

　図３は、本実施例の三相交流システムを示すシステム構成図（ブロック図）であり、図１及び図２に示した各コンバータセル２０－１～２０－Ｎによって構成される。

　図３において、１次側三相電源系統のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各端子をそれぞれＵ_１，Ｖ_１，Ｗ_１とし、２次側三相電源系統のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各端子をそれぞれＵ_２，Ｖ_２，Ｗ_２とし、これらの中性点をＮ_１，Ｎ_２とする。図３に示す三相交流システムでは、中性点Ｎ_１，Ｎ_２が１次側及び２次側の基準端子になる。

　１次側の端子Ｕ_１と中性点Ｎ_１との間には、コンバータセル２０－１～２０－Ｎの１次側端子２５，２６（図１及び図２参照）が順次直列に接続されている。また、２次側の中性点Ｎ_２と端子Ｕ_２との間には、２次側端子２７，２８（図１及び図２参照）が順次直列に接続されている。

　Ｖ相，Ｗ相については図示を省略するが、Ｕ相と同様に電力変換装置１が接続されている。

　図４は、１次側系統電圧ＶＳ１及び２次側系統電圧ＶＳ２の波形図の例である。図３のように各コンバータセルの入出力をそれぞれ直列接続し、直列接続されたコンバータセルを制御することで、ＡＣ入力、ＡＣ出力に対応している。

　図５は、電力変換装置１の変換器盤の構成図を示している。図２に示したＡＣ／ＤＣコンバータを構成する１次側電力変換ユニット１０１と、高周波トランス１５と、ＤＣ／ＡＣインバータを構成する２次側電力変換ユニット１０２とが、各電力変換ユニット２０（コンバータセル２０－１～２０－Ｎ）に内蔵される。

　電力変換装置１を構成する複数の電力変換ユニット（コンバータセル）２０は、変換器盤（金属製筐体）２０１内に配置（収納）される。変換器盤（金属製筐体）２０１の変換器盤内フレーム（後述する図６の筐体フレーム３１０）は、例えばＧＮＤ等の特定の電位に固定されている。このとき、変換器盤（金属製筐体）２０１の変換器盤内フレーム（筐体フレーム）と、各電力変換ユニット（コンバータセル）の１次側電力変換ユニット１０１、２次側電力変換ユニット１０２、高周波トランス１５の間には、互いに絶縁が必要となる。

　図６は、電力変換ユニット（コンバータセル）２０の断面図を示している。電力変換ユニット（コンバータセル）２０は、１次側電力変換基板３０１と、パワー半導体デバイス３０２と、パワー半導体デバイス３０２の下部の導電体（金属板）３０５と、冷却媒体路３０４と、冷却媒体路３０４を構成する導電体（金属壁）３０６と、２次側電力変換基板３０８を含んで構成されており、これらは樹脂等のユニット筐体３０９により被覆されている（ユニット筐体３０９に内包されている）。

　１次側電力変換基板３０１側と同様に、２次側電力変換基板３０８側にも、パワー半導体デバイス、パワー半導体デバイス上部の導電体（金属板）、冷却媒体路３０４を構成する導電体（金属壁）が配置されている。

　更に、電力変換ユニット（コンバータセル）２０の内部の１次側電力変換基板３０１及び２次側電力変換基板３０８が搭載される空間には、それぞれゲルや樹脂、油等の絶縁充填材３０３が充填されている。

　冷却媒体路３０４には、水冷方式の場合は冷却された水等の冷却媒体が流れ、空冷方式の場合は空気等の冷却媒体が流れて、パワー半導体デバイス３０２のスイッチング動作に伴う発熱を熱交換によって冷却する。

　電力変換ユニット（コンバータセル）を封止する上下の蓋には、例えば樹脂製の絶縁板３０７が適用され、絶縁板３０７の内部には、１次側電力変換基板３０１と変換器盤内フレーム（筐体フレーム）３１０との間の絶縁耐性を向上させるための空気層３１４が設けられている。上記のような構造で封止された電力変換ユニット（コンバータセル）が、金属製の変換器盤（金属製筐体）２０１に搭載（収納）される。

　なお、図６では、絶縁板３０７の内部に空気層３１４が密閉された空気層内蔵絶縁板を例に示している。空気層３１４を絶縁板３０７の内部に完全に密閉することで、湿度や外部から侵入する金属粉等のパーティクルによる影響を受け難くなり、安定した絶縁性能を担保することができる。

　但し、１次側電力変換基板３０１や２次側電力変換基板３０８と変換器盤内フレーム（筐体フレーム）３１０との間で必要な絶縁耐性が得られるのであれば、絶縁板３０７の形態は必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、絶縁板３０７の一部に小さな穴やスリットが設けられて絶縁板３０７の内部の空間が外部と連通した形態であってもよい。
つまり、密閉されているか否かによらず、絶縁板３０７の内部に一定の厚さ（距離）以上の空隙を設けた形態であればよい。

　また、空気層３１４に替えて、絶縁板３０７の内部に真空空間を設けたり、窒素ガス（Ｎ_２）やアルゴンガス（Ａｒ）等の不活性ガス、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）、絶縁油、水、フッ素系不活性液体等の絶縁材を充填して密閉してもよい。

　また、絶縁板３０７に設けられる空気層３１４や空隙は、電力変換ユニット（コンバータセル）を平面視（上面視）した際に、１次側電力変換基板３０１や２次側電力変換基板３０８の全面を覆うように１次側電力変換基板３０１や２次側電力変換基板３０８のサイズよりも大きく設けるのが望ましい。１次側電力変換基板３０１や２次側電力変換基板３０８と変換器盤内フレーム（筐体フレーム）３１０との間の絶縁耐性を確実に向上するためである。

　絶縁板３０７の材質としては、成形性や強度を考慮してＰＰＳ樹脂（Ｐｏｌｙ　Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　Ｓｕｌｆｉｄｅ)やエポキシ樹脂等が挙げられる。また、本実施例のように絶縁板３０７の内部に一定の厚さ（距離）以上の空気層３１４などの空隙を設けることで、発泡性ウレタン樹脂等の発泡材を用いて絶縁板３０７の軽量化を図ることもできる。
発泡しているため絶縁板３０７自体に多数の気泡が存在することになるが、絶縁板３０７の内部に厚みが一定の値以上に管理された空気層３１４などの空隙が設けられているため、１次側電力変換基板３０１や２次側電力変換基板３０８と変換器盤内フレーム（筐体フレーム）３１０との間の絶縁耐性を確保することができる。

　ユニット筐体３０９の材質としては、絶縁板３０７と同じものを用いてもよく、それぞれ別の樹脂を用いてもよい。

　以上説明したように、本実施例の電力変換装置によれば、１次側電力変換基板３０１及び２次側電力変換基板３０８と金属製の変換器盤内フレーム（筐体フレーム）３１０の間に、特定の厚みで空気層３１４などの空隙が配置されるため、シリコンゲル等の絶縁充填材３０３に微小空気層（ボイド）が存在する場合であっても、微小空気層（ボイド）への電界集中を回避することができ、高耐圧化が可能となる。

　なお、絶縁充填材３０３と絶縁板３０７の間にわずかながら空気層３３０が存在するが、この空気層３３０はゲル充填の際に形成されるものであるため厚さをコントロールすることが困難である。この空気層３３０により多少は絶縁充填材３０３の微小空気層（ボイド）の放電は緩和されるものの、ゲル充填の際に空気層３３０の厚みをコントロールできないので、放電の問題が十分に解決できない。これに対して、本実施例のように絶縁板３０７の内部に空隙を設けることで、空隙の厚さをコントロール可能であり、確実に放電の問題を解決できる。

　さらに、絶縁板３０７の内部に密閉された空気層３１４などの空隙を設けることで、外部から侵入する金属粉等のパーティクルに対する防塵対策ができる。また、温度上昇低減効果による空気層３１４の高耐圧化も可能となる。

　これにより、絶縁に必要な電力変換ユニット内部の充填材料や樹脂フレームの厚みを最小化することができ、電力変換装置の小型化に有利となる。また、各電力変換ユニット間、及び各電力変換ユニットと高周波トランス（トランス）間の熱干渉を低減し、冷却フィン及び電力変換装置の小型化が可能になる。

　図７を参照して、本発明の実施例２に係る電力変換装置について説明する。図７は、本実施例の電力変換ユニット（コンバータセル）の側面図である。

　図７に示すように、本実施例の電力変換ユニット（コンバータセル）では、冷却媒体入出力端子３１３はユニット筐体３０９の右端（一端）側に配置され、１次側電力変換基板３０１への入力端子である１次側入力端子３１１及び２次側電力変換基板３０８からの出力端子である２次側出力端子３１２はユニット筐体３０９の左端（他端）側に配置されている。つまり、冷却媒体入出力端子３１３と１次側入力端子３１１及び２次側出力端子３１２は、ユニット筐体３０９の対向した位置に配置されている。

　図５に示す変換器盤（金属製筐体）２０１では、各電力変換ユニットの冷却媒体入出力端子３１３は、変換器盤（金属製筐体）２０１の前面側で配線（接続）される。一方、各電力変換ユニットの１次側入力端子３１１及び２次側出力端子３１２は、変換器盤（金属製筐体）２０１の背面側で配線（接続）される。

　変換器盤内フレーム（筐体フレーム）３１０はＧＮＤ電位であり、冷却媒体路３０４を構成する導電体３０６と変換器盤内フレーム（筐体フレーム）３１０は同電位（ＧＮＤ電位）に接続され、１次側電力変換基板３０１と２次側電力変換基板３０８は、変換器盤内フレーム（筐体フレーム）３１０の電位（ＧＮＤ電位）とは異なる電位に接続される。

　本実施例によれば、電位の異なる１次側入力端子３１１及び２次側出力端子３１２と、ＧＮＤ電位である冷却媒体入出力端子３１３を電力変換ユニットの長手方向に対向して配置することで、絶縁距離を確保することができ、電力変換装置の小型化に有利となる。

　図８を参照して、本発明の実施例３に係る電力変換装置について説明する。図８は、本実施例の電力変換ユニット（コンバータセル）内部の側面図（断面図）である。

　図８に示すように、本実施例の電力変換ユニット（コンバータセル）の内部には、冷却媒体入出力端子３１３側に高周波トランス１５が配置され、１次側入力端子３１１及び２次側出力端子３１２側に１次側電力変換基板３０１及び２次側電力変換基板３０８が配置されている。

　また、電力変換ユニットの内部には冷却媒体路筐体３２０により形成された冷却媒体路が電力変換ユニットの右端（一端）から左端（他端）に渡って配置されている。パワー半導体デバイス３０２と高周波トランス１５は、冷却媒体路筐体３２０に接する構成となる。なお、図６と同様に、冷却媒体路３０４を構成する冷却媒体路筐体３２０は、導電体（金属壁）３０６と、樹脂等の絶縁材で形成されるユニット筐体３０９とで構成されている。

　本実施例によれば、１次側電力変換基板３０１及び２次側電力変換基板３０８は、ユニット筐体３０９内に設けられた冷却媒体路筐体３２０を挟んで対向して配置されている。
このため、１次側電力変換基板３０１及び１次側のパワー半導体デバイス３０２、２次側電力変換基板３０８及び２次側のパワー半導体素子は絶縁材で形成された冷却媒体路筐体３２０により絶縁される。

　さらに、実施例１と同様に、絶縁板３０７には空気層３１４が形成され、金属製の変換器盤（金属製筐体）２０１内に実装する際の必要な絶縁距離を短縮することができ、電力変換装置の小型化に有利となる。

　図９を参照して、本発明の実施例４に係る電力変換装置について説明する。図９は、本実施例の電力変換ユニット（コンバータセル）に搭載される絶縁板３０７の他の実施形態を示している。

　上述したように、１次側電力変換基板３０１や２次側電力変換基板３０８と変換器盤内フレーム（筐体フレーム）３１０との間で必要な絶縁耐性が得られるのであれば、必ずしも空気層３１４を絶縁板３０７の内部に密閉しなくてもよい。

　図９に示すように、絶縁板３０７の側面に開口部を設けて、絶縁板３０７の内部に厚みが一定の値以上に管理された空隙（外部と連通した空気層）を形成することも可能である。

　本実施例によれば、空気層を有する絶縁板３０７を形成するために必要な材料を削減することができ、電力変換装置の軽量化に有利となる。

　なお、図９では開口部を側面に配置した場合を示したが、開口部は側面以外の場所であってもよい。

　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記の実施例は本発明に対する理解を助けるために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

　１…電力変換装置、１１…パワー半導体デバイス（第１の交直変換器，１次側変換器）、１２…パワー半導体デバイス（第２の交直変換器，１次側変換器）、１３…パワー半導体デバイス（第３の交直変換器，２次側変換器）、１４…パワー半導体デバイス（第４の交直変換器，２次側変換器）、１５…高周波トランス（トランス）、１５ａ…１次巻線、１５ｂ…２次巻線、１７，１８…コンデンサ、２０，２０－１～２０－Ｎ，２０－ｋ…コンバータセル（電力変換ユニット）、２５，２６…１次側端子、２７，２８…２次側端子、３１…１次側電源系統、３２…２次側電源系統、３３…１次側基準端子、３４…（２次側電源系統３２の他方の）端子、３５…（１次側電源系統３１の他方の）端子、３６…２次側基準端子、１０１…１次側電力変換ユニット、１０２…２次側電力変換ユニット、２０１…変換器盤（金属製筐体）、０１…１次側電力変換基板、０２…パワー半導体デバイス、３０３…絶縁充填材、３０４…冷却媒体路、３０５…導電体（金属板）、３０６…導電体（金属壁）、３０７…（空気層内蔵）絶縁板、３０８…２次側電力変換基板、３０９…ユニット筐体、３１０…変換器盤内フレーム（筐体フレーム）、３１１…１次側入力端子、３１２…２次側出力端子、３１３…冷却媒体入出力端子、３１４…空気層、３２０…冷却媒体路筐体、３３０…空気層、Ｖ_ｄｃ１…１次側ＤＣリンク電圧（１次側直流電圧）、Ｖ_ｄｃ２…２次側ＤＣリンク電圧（２次側直流電圧）

Claims

　共通の金属製筐体内に複数の電力変換ユニットを収納し、各電力変換ユニットを直列接続して構成するマルチステージ変換方式の電力変換装置に用いられる電力変換ユニットにおいて、
　パワー半導体デバイスが実装された電力変換基板と、
　前記電力変換基板を内包するユニット筐体と、
　前記電力変換基板が配置された前記ユニット筐体内の空間に充填された絶縁充填材と、　前記金属製筐体の筐体フレームと前記電力変換基板の間に配置された絶縁板と、を備え、
　前記絶縁板は、内部に一定の厚み以上の空隙を有することを特徴とする電力変換ユニット。
　請求項１に記載の電力変換ユニットにおいて、
　前記空隙は、前記電力変換ユニットを平面視した際、前記空隙が前記電力変換基板の全面を覆うように前記電力変換基板よりも大きく設けられていることを特徴とする電力変換ユニット。
　請求項１に記載の電力変換ユニットにおいて、
　前記空隙は、前記絶縁板の内部において密閉された空間であり、
　空気、窒素ガス、アルゴンガス、六フッ化硫黄、絶縁油、水、フッ素系不活性液体のいずれかの絶縁材が充填されていることを特徴とする電力変換ユニット。
　請求項１に記載の電力変換ユニットにおいて、
　前記空隙は、前記絶縁板の内部において密閉された空間であり、
　真空に維持されていることを特徴とする電力変換ユニット。
　請求項１に記載の電力変換ユニットにおいて、
　前記絶縁板は、開口部を有し、
　前記空隙は、前記絶縁板の外部と連通していることを特徴とする電力変換ユニット。
　請求項１に記載の電力変換ユニットにおいて、
　前記電力変換基板は、１次側電力変換基板と２次側電力変換基板を有し、
　前記１次側電力変換基板および前記２次側電力変換基板は、前記ユニット筐体内に設けられた冷却媒体路を挟んで対向して配置されていることを特徴とする電力変換ユニット。
　請求項６に記載の電力変換ユニットにおいて、
　前記冷却媒体路内を冷却水が流れる水冷式または前記冷却媒体路内を空気が流れる空冷式のいずれかであることを特徴とする電力変換ユニット。
　請求項６に記載の電力変換ユニットにおいて、
　前記絶縁板は、前記筐体フレームと前記１次側電力変換基板の間、および前記筐体フレームと前記２次側電力変換基板の間の両方に配置されていることを特徴とする電力変換ユニット。
　請求項６に記載の電力変換ユニットにおいて、
　前記電力変換ユニットの一端側に配置された前記冷却媒体路の入出力端子と、
　前記電力変換ユニットの他端側に配置された前記１次側電力変換基板の入力端子および前記２次側電力変換基板の出力端子と、を有することを特徴とする電力変換ユニット。
　請求項９に記載の電力変換ユニットにおいて、
　前記１次側電力変換基板および前記２次側電力変換基板を電気的に結合する高周波トランスを有し、
　前記高周波トランスは、前記冷却媒体路の入出力端子側に配置され、
　前記１次側電力変換基板および前記２次側電力変換基板は、前記１次側電力変換基板の入力端子および前記２次側電力変換基板の出力端子側に配置されていることを特徴とする電力変換ユニット。
　請求項６に記載の電力変換ユニットにおいて、
　前記ユニット筐体、前記絶縁板、前記冷却媒体路は、樹脂で形成されており、
　前記絶縁充填材は、シリコンゲルであることを特徴とする電力変換ユニット。
　請求項６に記載の電力変換ユニットにおいて、
　前記冷却媒体路を形成する冷却媒体路筐体と前記筐体フレームは同電位に接続され、
　前記１次側電力変換基板と前記２次側電力変換基板は、前記筐体フレームの電位と異なる電位に接続されることを特徴とする電力変換ユニット。
　請求項１から１２の何れか１項に記載の電力変換ユニットと、
　複数の前記電力変換ユニットが収納される金属製筐体とを有することを特徴とする電力変換装置。