WO2023157120A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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capacitors
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悠平 和田
順平 磯崎
多一郎 土谷
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
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    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
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    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the present disclosure relates to power converters.
  • Patent Document 1 discloses a power converter connected between an AC circuit and a DC circuit.
  • a power conversion device includes a power converter including a plurality of switching elements and a plurality of capacitors connected in parallel.
  • a plurality of capacitors smooth the voltages switched by the switching elements.
  • multiple capacitors hold a DC voltage that is switched by a switching element.
  • the plurality of capacitors have a rectangular parallelepiped shape with the same dimensions, and are aligned in the same direction so that one surface of each capacitor faces each other.
  • the present disclosure has been made to solve such problems, and the object thereof is to provide a power conversion device that can ensure the cooling performance of the capacitor without increasing the size of the power conversion device. be.
  • a power converter includes a DC circuit and a power converter.
  • a power converter has a plurality of switching elements, and performs power conversion between a DC circuit and an AC circuit by switching operations of the plurality of switching elements.
  • the DC circuit includes first to third capacitors connected in parallel. Each of the first to third capacitors has the same rectangular parallelepiped shape.
  • the cuboid includes a pair of opposing first surfaces, a pair of opposing second surfaces, and a pair of opposing third surfaces.
  • the first surface has a first side and a second side that are perpendicular to each other.
  • the second surface has a second side and a third side that are perpendicular to each other.
  • the third surface has a third side and a first side that are perpendicular to each other.
  • the length of the first side is at least two times and less than three times the length of the third side.
  • Each of the first and second capacitors is arranged such that the first surface is perpendicular to the installation surface and the second surface is horizontal to the installation surface.
  • the first surface of the first capacitor and the first surface of the second capacitor face each other with a gap therebetween.
  • the third capacitor has a first surface facing and spaced from the second surfaces of the first and second capacitors and a third surface facing the third surfaces of the first and second capacitors. is arranged so as to be flush with the surface of
  • FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the capacitor shown in FIG. 1;
  • FIG. 4 is an external view of a unit capacitor;
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an arrangement example of power converters and unit capacitors according to a first comparative example;
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing heat dissipation of a unit capacitor in a first comparative example;
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing an arrangement example of power converters and unit capacitors according to a second comparative example;
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing heat dissipation of a unit capacitor in a second comparative example;
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an arrangement example of power converters and unit capacitors according to the present embodiment
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing heat dissipation of a unit capacitor according to the embodiment
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing an arrangement example of power converters and unit capacitors according to a modification of the present embodiment
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing heat dissipation of a unit capacitor according to a modification of the embodiment
  • FIG. 1 is a circuit block diagram showing a configuration example of a power converter according to an embodiment.
  • the power converter includes a power converter 1 , a DC circuit 3 and a control circuit 5 .
  • the power converter 1 is a voltage source inverter, and performs power conversion between the AC circuit 4 and the DC circuit 3.
  • the power converter 1 includes a plurality of leg circuits 2u connected in parallel between a positive side DC terminal (that is, a high potential side DC terminal) Np and a negative side DC terminal (that is, a low potential side DC terminal) Nn. , 2v, 2w.
  • the plurality of leg circuits 2u, 2v, and 2w will be collectively referred to as leg circuit 2.
  • the leg circuit 2 is provided for each of the multiple phases that make up the alternating current.
  • FIG. 1 shows a case where the AC circuit 4 is a three-phase AC system, and three leg circuits 2u, 2v, and 2w are provided corresponding to the U-phase, V-phase, and W-phase, respectively.
  • the AC input terminals Nu, Nv, Nw respectively provided in the leg circuits 2u, 2v, 2w are connected to the AC circuit 4.
  • the AC circuit 4 is, for example, an AC power system including a transformer and an AC power supply.
  • the high potential side DC terminal Np and the low potential side DC terminal Nn commonly connected to each leg circuit 2 are connected to the DC circuit 3 .
  • the DC circuit 3 is, for example, a DC terminal of a DC power system or other power converter.
  • the power converter 1 includes a plurality of switching elements Q1-Q6 and a plurality of diodes D1-D6.
  • leg circuit 2u includes switching elements Q1 and Q2 connected in series with each other, and diodes D1 and D2 connected in antiparallel to switching elements Q1 and Q2, respectively.
  • An AC input terminal Nu which is a connection point between the switching elements Q1 and Q2, is connected to the AC circuit 4 .
  • the leg circuit 2v includes switching elements Q3 and Q4 connected in series with each other, and diodes D3 and D4 connected in anti-parallel to the switching elements Q3 and Q4, respectively.
  • An AC input terminal Nv which is a connection point between the switching elements Q3 and Q4, is connected to the AC circuit 4 .
  • the leg circuit 2w includes switching elements Q5 and Q6 connected in series with each other, and diodes D5 and D6 connected in antiparallel to the switching elements Q5 and Q6, respectively.
  • a self arc-extinguishing switching element capable of controlling the switching operation is used for each of the switching elements Q1 to Q6.
  • the switching elements Q1 to Q6 are, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), or a GCT (Gate Commutated Turn-off Thyristor).
  • the power converter 1 is not limited to the circuit configuration shown in FIG. 1, and may have another circuit configuration as long as the DC circuit 3 is connected between the DC terminals Np and Nn.
  • the DC circuit 3 includes a capacitor C.
  • Capacitor C is connected between DC terminals Np and Nn and holds DC voltage (hereinafter also referred to as “capacitor voltage”) Vc between DC terminals Np and Nn.
  • the instantaneous value of capacitor voltage Vc is detected by control circuit 5 .
  • the capacitor C for example, an electrolytic capacitor, a film capacitor, or the like is used. In high-voltage and large-capacity applications, the capacitor C is mainly a film capacitor having a rectangular parallelepiped shape.
  • the control circuit 5 controls power conversion in the power converter 1 . Specifically, control circuit 5 controls switching operations of switching elements Q1 to Q6 based on the AC voltage supplied from AC circuit 4, capacitor voltage Vc, and the like. At this time, the control circuit 5 controls the power converter 1 so that the capacitor voltage Vc becomes a desired target voltage.
  • capacitor current Ic and capacitor voltage Vc periodically fluctuate in synchronization with the switching operations. do.
  • the capacitor current Ic periodically increases and decreases due to repeated charging and discharging of the capacitor C according to the switching operations of the switching elements Q1 to Q6.
  • This capacitor current Ic is also called ripple current.
  • the cycle in which the capacitor current Ic increases and decreases matches the switching cycle of the switching elements Q1 to Q6.
  • the capacitor voltage Vc also periodically fluctuates according to the periodic increase and decrease of the capacitor current Ic. During the period when the capacitor current Ic is positive, the capacitor C is charged, so the capacitor voltage Vc increases. During the period when the capacitor current Ic is negative, the capacitor C discharges, so the capacitor voltage Vc decreases. This voltage variation is superimposed on the DC voltage.
  • the variation width of the capacitor voltage Vc is ⁇ Vc and the capacitance of the capacitor C is C
  • FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the capacitor C shown in FIG.
  • capacitor C includes three unit capacitors UC1-UC3 connected in parallel.
  • Unit capacitors UC1 to UC3 all have the same configuration (capacitance and shape).
  • Unit capacitor UC1 corresponds to an example of "first capacitor”
  • unit capacitor UC2 corresponds to an example of "second capacitor”
  • unit capacitor UC3 corresponds to an example of "third capacitor”. corresponds to
  • unit capacitors UC1 to UC3 are also referred to as unit capacitors UC when generically referred to.
  • the equivalent circuit of the unit capacitor UC can be represented by a series circuit of capacitance C0, ESR (equivalent series resistance) and ESL (equivalent series inductance).
  • FIG. 3 is an external view of the unit capacitor UC. As shown in FIG. 3, the unit capacitor UC has a rectangular parallelepiped shape.
  • the unit capacitor UC is, for example, a film capacitor.
  • a rectangular parallelepiped forming the unit capacitor UC has a pair of first faces P1 facing each other, a pair of second faces P2 facing each other, and a pair of third faces P3 facing each other.
  • the first plane P1 has a first side S1 and a second side S2 orthogonal to each other.
  • the second plane P2 has a second side S2 and a third side orthogonal to each other.
  • the third plane P3 has a first side S1 and a third side S3 orthogonal to each other.
  • Two terminals T1 and T2 are installed on the third surface P3.
  • One of terminals T ⁇ b>1 and T ⁇ b>2 is electrically connected to high potential side DC terminal Np of power converter 1 .
  • the other of terminals T1 and T2 is electrically connected to a low potential side DC terminal Nn of power converter 1 .
  • W be the length of the first side S1
  • H be the length of the second side S2
  • D be the length of the third side S3. Since W is larger than D, the area of the first plane P1 is larger than the area of the second plane P2. Note that W and D are set so that the relationship of D ⁇ 2 ⁇ W ⁇ D ⁇ 3 is established. The relationship between W and D will be described later.
  • FIG. 4 is diagrams schematically showing layout examples of the power converter 1 and the unit capacitors UC1 to UC3.
  • the power converter 1 has a rectangular parallelepiped outer shape and is installed adjacent to the unit capacitors UC1 to UC3 on the installation surface.
  • the heat generated by the unit capacitors UC1 to UC3 is released by natural convection. That is, the unit capacitors UC1 to UC3 are naturally cooled.
  • the arrangement example shown in FIG. 8 is an arrangement example according to the present embodiment.
  • Layout examples shown in FIGS. 4 and 6 correspond to first and second comparative examples, respectively, for the layout example according to the present embodiment.
  • First, an arrangement example according to the comparative example will be described with reference to FIGS. 4 and 6.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an arrangement example of power converter 1 and unit capacitors UC1 to UC3 according to the first comparative example.
  • the unit capacitors UC1 to UC3 are stacked vertically with respect to the installation surface .
  • a gap is formed between two vertically adjacent unit capacitors UC.
  • a first surface P1 of each of the unit capacitors UC1 to UC3 is horizontal to the installation surface 10.
  • a third surface P3 of each of unit capacitors UC1 to UC3 faces power converter 1 and is flush with it.
  • the installation area of the capacitor C can be made equal to the installation area of one unit capacitor UC (that is, the area of the first surface P1).
  • the cooling performance of some unit condensers UC may deteriorate.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing heat dissipation of the unit capacitors UC1 to UC3 in the first comparative example.
  • Broken line arrow A1 in the drawing indicates the movement of heat
  • solid line arrow A2 indicates the flow of air.
  • the heat generated within the unit capacitor UC is released to the outside of the unit capacitor UC.
  • the heat generated in the unit capacitor UC3 is mainly released toward the installation surface 10 by being conducted from the first surface P1 to the installation surface 10. As shown in FIG.
  • the heat generated in the unit capacitor UC1 moves to the air surrounding the unit capacitor UC1. As the air warms, it rises, creating a vertical upward air flow due to natural convection. As a result, the heat generated in the unit capacitor UC1 is radiated vertically upward mainly from the first surface P1.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing an arrangement example of the power converter 1 and the unit capacitors UC1 to UC3 according to the second comparative example.
  • the unit capacitors UC1 to UC3 are arranged side by side in the horizontal direction with respect to the installation surface . However, a gap is formed between two horizontally adjacent unit capacitors UC.
  • the second surfaces P2 of the unit capacitors UC1 to UC3 are in contact with the installation surface 10.
  • a first plane P1 of each of unit capacitors UC1 to UC3 is perpendicular to installation plane .
  • Third surfaces P3 of unit capacitors UC1 to UC3 face power converter 1 and are flush with each other.
  • the installation area of the capacitor C is equivalent to the total installation area of the three unit capacitors UC1 to UC3 (that is, the area of the second surface P2). larger than the installation area of Specifically, the horizontal length of the capacitor C is the sum of three times the length of the third side S3 and twice the gap size ⁇ (D ⁇ 3+ ⁇ 2). . Therefore, as shown in FIG. 6, the horizontal length of capacitor C may be longer than the horizontal length of power converter 1 .
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing heat dissipation of the unit capacitors UC1 to UC3 in the second comparative example.
  • a solid arrow A3 in the drawing indicates the flow of air.
  • each unit capacitor UC moves to the air on both sides of the unit capacitor UC in the horizontal direction through the first surface P1.
  • natural convection causes the air to flow vertically upward.
  • the heat generated in the unit capacitor UC2 moves through the first surface P1 to the air flow in the gaps on both sides in the horizontal direction and is released vertically upward. Therefore, in the second comparative example, the cooling performance of the unit capacitor UC2 can be improved as compared with the first comparative example.
  • the second comparative example has the problem of increasing the installation area of the capacitor C (in particular, the length of the capacitor C in the horizontal direction).
  • the arrangement example according to the present embodiment solves the problems in the first comparative example and the second comparative example.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing an arrangement example of power converter 1 and unit capacitors UC1 to UC3 according to the present embodiment. As shown in FIG. 8 , in the arrangement example according to the present embodiment, unit capacitors UC1 and UC2 are arranged horizontally with respect to installation surface 10 . However, a gap is formed between unit capacitor UC1 and unit capacitor UC2.
  • a first plane P1 of each of the unit capacitors UC1 and UC2 is perpendicular to the installation plane 10.
  • the first surface P1 of the unit capacitor UC1 and the first surface P1 of the unit capacitor UC2 face each other with a gap therebetween.
  • the second surfaces P2 of the unit capacitors UC1 and UC2 are horizontal to the installation surface 10 and are flush with each other.
  • the unit capacitor UC3 is arranged such that the first surface P1 faces the second surfaces P2 of the unit capacitors UC1 and UC2 with a gap therebetween. Third surfaces P3 of unit capacitors UC1 to UC3 face power converter 1 and are flush with each other.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing heat dissipation of unit capacitors UC1 to UC3 according to the present embodiment.
  • a solid arrow A4 in the drawing indicates the flow of air.
  • the heat generated within the unit capacitor UC is released to the outside of the unit capacitor UC.
  • the heat generated in the unit condenser UC moves to the air surrounding the unit condenser UC. When the air is warmed by this heat, it rises and natural convection air flow occurs.
  • the heat generated by the unit capacitors UC1 and UC2 causes an upward air flow in the vertical direction. This air flows horizontally through the gaps between the unit capacitors UC1, UC2 and UC3 and is discharged.
  • the heat generated in the unit capacitor UC3 is mainly radiated vertically upward from the first surface P1.
  • the heat generated in each of the unit capacitors UC1 to UC3 can be released, so that the cooling performance of the unit capacitors UC1 to UC3 can be ensured. As a result, performance deterioration of the unit capacitors UC1 to UC3 can be suppressed.
  • the installation area of the capacitor C is equivalent to the sum of the installation areas of the two unit capacitors UC1 and UC2 (that is, the area of the second surface P2).
  • the length of the capacitor C in the horizontal direction is the sum of twice the length of the third side S3 and the gap size ⁇ (D ⁇ 2+ ⁇ ).
  • the length W of the first side S1 and the length D of the third side S3 are set to D ⁇ 2 ⁇ W ⁇ D. It is set so that the relationship of ⁇ 3 holds.
  • the length of the capacitor C in the horizontal direction can be made equal to or less than the length W of the first side S1 of the unit capacitor UC.
  • the length (D ⁇ 2+ ⁇ ) of the capacitor C in the horizontal direction is equal to the length W of the first side S1 of the unit capacitor UC. According to this, the installation area of the capacitor C can be suppressed to the same extent as in the first comparative example (see FIG. 4). Furthermore, the length of the capacitor C in the vertical direction can be made equal to that of the first comparative example.
  • the length of the capacitor C in the horizontal direction is equal to or greater than that of the second comparative example (see FIG. 6) in which the unit capacitors UC1 to UC3 are arranged horizontally. Also, the length of the capacitor C in the vertical direction is greater than that of the first comparative example (see FIG. 4) in which the unit capacitors UC1 to UC3 are vertically stacked.
  • the length W of the first side S1 and the length D of the third side S3 of the unit capacitor UC are set so as to satisfy the relationship D ⁇ 2 ⁇ W ⁇ D ⁇ 3. . According to this, it is possible to suppress the enlargement of the entire capacitor C while ensuring the cooling performance of each of the unit capacitors UC1 to UC3.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing an arrangement example of power converter 1 and unit capacitors UC1 to UC3 according to the modification of the present embodiment.
  • the unit capacitor UC3 is arranged so that the first surface P1 is in contact with the installation surface 10.
  • Unit capacitors UC1 and UC2 are arranged such that second surfaces P2 face first surface P1 of unit capacitor UC3 with a gap therebetween.
  • a first plane P1 of each of the unit capacitors UC1 and UC2 is perpendicular to the installation plane 10.
  • the first surface P1 of the unit capacitor UC1 faces the first surface P1 of the unit capacitor UC2 with a gap therebetween.
  • Third surfaces P3 of unit capacitors UC1 to UC3 face power converter 1 and are flush with each other.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing heat dissipation of unit capacitors UC1 to UC3 according to the modification of the present embodiment.
  • a solid arrow A5 in the figure indicates the flow of air, and a broken arrow A6 indicates the flow of heat.
  • the heat generated in the unit capacitors UC1 and UC2 causes an upward air flow in the vertical direction in the gap between the unit capacitors UC1 and UC2.
  • air is sucked into the gap between the unit capacitor UC3 and the unit capacitors UC1 and UC2, and flows horizontally through this gap.
  • a flow of air is formed which is taken in in the horizontal direction and directed vertically upward.
  • the heat generated in the unit capacitor UC3 is released toward the installation surface 10 by being conducted from the first surface P1 to the installation surface 10.
  • the heat generated in the unit capacitor UC3 further flows in the horizontal direction due to the air sucked into the gap between the unit capacitor UC3 and the unit capacitors UC1 and UC2. It flows vertically upwards and is released.

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Abstract

第１から第３のコンデンサ（ＵＣ１～ＵＣ３）は互いに等しい直方体の形状を有する。直方体の第１の面（Ｐ１）は、互いに直交する第１および第２の辺を有し、第２の面（Ｐ２）は、互いに直交する第２の辺および第３の辺を有し、第３の面（Ｐ３）は、互いに直交する第３の辺および第１の辺を有する。第１の辺の長さは、第３の辺の長さの２倍以上かつ３倍未満である。第１および第２のコンデンサ（ＵＣ１，ＵＣ２）は、第１の面（Ｐ１）が設置面（１０）に垂直であり、第１の面（Ｐ１）同士が間隔をあけて対向し、かつ、第２の面（Ｐ２）が設置面（１０）に水平となるように配置される。第３のコンデンサ（ＵＣ３）は、第１の面（Ｐ１）が、第１および第２のコンデンサ（ＵＣ１，ＵＣ２）の第２の面（Ｐ２）と間隔をあけて対向し、かつ、第３の面（Ｐ３）が、第１および第２のコンデンサ（ＵＣ１，ＵＣ２）の第３の面（Ｐ３）と面一となるように配置される。

Description

電力変換装置
　本開示は、電力変換装置に関する。
　特開２０２０－０８９１２１号公報（特許文献１）には、交流回路と直流回路との間に接続される電力変換装置を開示する。電力変換装置は、複数のスイッチング素子を含む電力変換器と、並列に接続された複数のコンデンサとを備える。複数のコンデンサは、スイッチング素子によってスイッチングされた電圧を平滑する。あるいは、複数のコンデンサは、スイッチング素子によってスイッチングする直流電圧を保持する。複数のコンデンサは、同一寸法の直方体形状を有しており、向きを揃えて、それぞれの１つの面が対向するように並べられている。
特開２０２０－０８９１２１号公報
　上述した電力変換装置において、電力変換器の運転時には、複数のスイッチング素子のスイッチング動作に応じて、複数のコンデンサの各々には、周期的に変動する電流が流れる。各コンデンサの内部では、ＥＳＲ（Equivalent　Series　Resistance：等価直列抵抗）と電流の二乗との積で与えられる電力損失が発生するため、コンデンサが発熱する。この電力損失による発熱によってコンデンサの温度が上昇することにより、コンデンサの性能劣化を促進させる可能性がある。したがって、各コンデンサの冷却性能を確保する必要がある。
　その一方で、電力変換装置内で各コンデンサで発生した熱を放出するための経路を確保することによって、電力変換装置が大型化することが懸念される。
　本開示はこのような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電力変換装置を大型化させることなくコンデンサの冷却性能を確保することができる電力変換装置を提供することである。
　本開示の一態様に係る電力変換装置は、直流回路と、電力変換器とを備える。電力変換器は、複数のスイッチング素子を有し、複数のスイッチング素子のスイッチング動作によって直流回路と交流回路との間で電力変換を行う。直流回路は、並列接続される第１から第３のコンデンサを含む。第１から第３のコンデンサの各々は、互いに等しい直方体の形状を有している。直方体は、対向する一対の第１の面と、対向する一対の第２の面と、対向する一対の第３の面とを含む。第１の面は、互いに直交する第１の辺および第２の辺を有する。第２の面は、互いに直交する第２の辺および第３の辺を有する。第３の面は、互いに直交する第３の辺および第１の辺を有する。第１の辺の長さは、第３の辺の長さの２倍以上かつ３倍未満である。第１および第２のコンデンサの各々は、第１の面が設置面に対して垂直となり、かつ、第２の面が設置面に対して水平となるように配置される。第１のコンデンサの第１の面と第２のコンデンサの第１の面とは、間隔をあけて対向している。第３のコンデンサは、第１の面が、第１および第２のコンデンサの第２の面と間隔をあけて対向し、かつ、第３の面が、第１および第２のコンデンサの第３の面と面一となるように配置される。
　本開示によれば、電力変換装置を大型化させることなくコンデンサの冷却性能を確保することができる電力変換装置を提供することができる。
実施の形態に係る電力変換装置の構成例を示す回路ブロック図である。 図１に示したコンデンサの等価回路図である。 単位コンデンサの外観図である。 第１比較例に従う電力変換器および単位コンデンサの配置例を模式的に示す図である。 第１比較例における単位コンデンサの放熱を模式的に表した図である。 第２比較例に従う電力変換器および単位コンデンサの配置例を模式的に示す図である。 第２比較例における単位コンデンサの放熱を模式的に表した図である。 本実施の形態に従う電力変換器および単位コンデンサの配置例を模式的に示す図である。 本実施の形態に従う単位コンデンサの放熱を模式的に表した図である。 本実施の形態の変更例に従う電力変換器および単位コンデンサの配置例を模式的に示す図である。 本実施の形態の変更例に従う単位コンデンサの放熱を模式的に表した図である。
　以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。
　図１は、実施の形態に係る電力変換装置の構成例を示す回路ブロック図である。図１に示すように、電力変換装置は、電力変換器１と、直流回路３と、制御回路５とを備える。
　電力変換器１は、電圧形インバータであり、交流回路４と直流回路３との間で電力変換を行う。電力変換器１は、正側直流端子（すなわち、高電位側直流端子）Ｎｐと負側直流端子（すなわち、低電位側直流端子）Ｎｎとの間に互いに並列に接続された複数のレグ回路２ｕ，２ｖ，２ｗを含む。以下の説明では、複数のレグ回路２ｕ，２ｖ，２ｗを総称する場合には、レグ回路２と記載する。
　レグ回路２は、交流を構成する複数相の各々に設けられる。図１には、交流回路４が三相交流系統の場合が示されており、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応して３個のレグ回路２ｕ，２ｖ，２ｗが設けられている。
　レグ回路２ｕ，２ｖ，２ｗにそれぞれ設けられた交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗは、交流回路４に接続される。交流回路４は、例えば、変圧器および交流電源等を含む交流電力系統である。
　各レグ回路２に共通に接続された高電位側直流端子Ｎｐおよび低電位側直流端子Ｎｎは、直流回路３に接続される。直流回路３は、例えば、直流電力系統または他の電力変換装置の直流端子である。
　電力変換器１は、複数のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６と、複数のダイオードＤ１～Ｄ６とを含む。具体的には、レグ回路２ｕは、互いに直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２とそれぞれ逆並列に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点である交流入力端子Ｎｕは、交流回路４と接続される。
　レグ回路２ｖは、互いに直列に接続されたスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４と、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４とそれぞれ逆並列に接続されたダイオードＤ３，Ｄ４とを含む。スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の接続点である交流入力端子Ｎｖは、交流回路４と接続される。
　レグ回路２ｗは、互いに直列に接続されたスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６と、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６とそれぞれ逆並列に接続されたダイオードＤ５，Ｄ６とを含む。スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の接続点である交流入力端子Ｎｗは、交流回路４と接続される。
　スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の各々には、スイッチング動作を制御可能な自己消弧型のスイッチング素子が用いられる。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal　Oxide　Semiconductor　Field　Effect　Transistor）、またはＧＣＴ（Gate　Commutated　Turn-off　thyristor）等である。
　なお、電力変換器１は、図１に示す回路構成に限定されず、直流端子Ｎｐ，Ｎｎ間に直流回路３が接続される回路構成であれば、他の回路構成であってもよい。
　直流回路３は、コンデンサＣを含む。コンデンサＣは、直流端子Ｎｐ，Ｎｎ間に接続され、直流端子Ｎｐ，Ｎｎ間の直流電圧（以下、「コンデンサ電圧」とも称する）Ｖｃを保持する。コンデンサ電圧Ｖｃの瞬時値は、制御回路５によって検出される。コンデンサＣには、例えば、電解コンデンサ、または、フィルムコンデンサ等が用いられる。なお、高電圧大容量の用途においては、コンデンサＣは、直方体の形状を有するフィルムコンデンサが主流となっている。
　制御回路５は、電力変換器１における電力変換を制御する。具体的には、制御回路５は、交流回路４から供給される交流電圧、およびコンデンサ電圧Ｖｃなどに基づいて、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のスイッチング動作を制御する。このとき、制御回路５は、コンデンサ電圧Ｖｃが所望の目標電圧になるように、電力変換器１を制御する。
　電力変換器１におけるスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のスイッチング動作に応じて、コンデンサＣに流れる電流（以下、「コンデンサ電流」とも称する）Ｉｃおよびコンデンサ電圧Ｖｃは、このスイッチング動作に同期して周期的に変動する。
　具体的には、電力変換器１の運転時には、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のスイッチング動作に応じてコンデンサＣの充放電が繰り返されることにより、コンデンサ電流Ｉｃは周期的に増減する。このコンデンサ電流Ｉｃはリプル電流とも呼ばれる。なお、コンデンサ電流Ｉｃが増減する周期は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のスイッチング周期に一致している。
　コンデンサＣの内部では、ＥＳＲ（Equivalent　Series　Resistance：等価直列抵抗）とコンデンサ電流Ｉｃの二乗との積で与えられる電力損失が発生するため、コンデンサＣが発熱する。この電力損失による発熱によってコンデンサＣの温度が上昇することにより、コンデンサＣの性能劣化を促進させる可能性がある。したがって、コンデンサＣの温度上昇を許容値以下に抑制する必要がある。
　コンデンサ電流Ｉｃの周期的な増減に応じて、コンデンサ電圧Ｖｃも周期的に変動する。コンデンサ電流Ｉｃが正の期間では、コンデンサＣが充電されるために、コンデンサ電圧Ｖｃが増加する。コンデンサ電流Ｉｃが負の期間では、コンデンサＣが放電するために、コンデンサ電圧Ｖｃが減少する。この電圧変動は直流電圧に重畳する。
　ここで、コンデンサ電圧Ｖｃの変動幅をΔＶｃとし、コンデンサＣの静電容量をＣとすると、変動幅ΔＶｃは、ΔＶｃ＝１／Ｃ・∫Ｉｃｄｔで表すことができる。すなわち、コンデンサ電圧Ｖｃの変動幅ΔＶｃは、コンデンサＣの静電容量に反比例する。したがって、コンデンサＣの静電容量を大きくすることにより、コンデンサ電圧Ｖｃの変動を低減することが可能となる。
　その一方で、コンデンサの製造においては、製造できる大きさおよび重さに制約が課されているため、単一のコンデンサによって静電容量を大きくすることには限界がある。そのため、本実施の形態では、複数の単位コンデンサを並列に接続する構成を採用することによって、コンデンサ全体で所望の静電容量を実現する。
　図２は、図１に示したコンデンサＣの等価回路図である。図２に示すように、コンデンサＣは、並列に接続された３個の単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３を含む。なお、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３は全て同一の構成（静電容量および形状）を有している。単位コンデンサＵＣ１は「第１のコンデンサ」の一実施例に対応し、単位コンデンサＵＣ２は「第２のコンデンサ」の一実施例に対応し、単位コンデンサＵＣ３は「第３のコンデンサ」の一実施例に対応する。以下の説明では、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３を総称する場合には、単位コンデンサＵＣとも記載する。
　単位コンデンサＵＣの等価回路は、静電容量Ｃ０、ＥＳＲ（等価直列抵抗）およびＥＳＬ（Equivalent　Series　Inductance：等価直列インダクタンス）の直列回路で表すことができる。図２のように３個の単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３を並列に接続することによって、コンデンサＣ全体の静電容量はＣ０の３倍となる。言い換えると、各単位コンデンサＵＣの静電容量Ｃ０を、コンデンサＣ全体に要求される静電容量の１／３とすればよい。
　各単位コンデンサＵＣには、電力変換器１におけるスイッチング素子のスイッチング周期に等しい周期で増減する電流が流れる。この電流の二乗とＥＳＲとの積で与えられる電力損失が発生するため、単位コンデンサＵＣが発熱する。コンデンサＣの性能劣化を抑制するためには、各単位コンデンサＵＣを適当に冷却する必要がある。
　図３は、単位コンデンサＵＣの外観図である。図３に示すように、単位コンデンサＵＣは、直方体の形状を有している。単位コンデンサＵＣは、例えば、フィルムコンデンサである。
　単位コンデンサＵＣを形成する直方体は、互いに対向する一対の第１の面Ｐ１と、互いに対向する一対の第２の面Ｐ２と、互いに対向する一対の第３の面Ｐ３とを有する。第１の面Ｐ１は、互いに直交する第１の辺Ｓ１および第２の辺Ｓ２を有している。第２の面Ｐ２は、互いに直交する第２の辺Ｓ２および第３の辺を有している。第３の面Ｐ３は、互いに直交する第１の辺Ｓ１および第３の辺Ｓ３を有している。
　第３の面Ｐ３には、２つの端子Ｔ１，Ｔ２が設置されている。端子Ｔ１，Ｔ２の一方は、電力変換器１の高電位側直流端子Ｎｐと電気的に接続される。端子Ｔ１，Ｔ２の他方は、電力変換器１の低電位側直流端子Ｎｎと電気的に接続される。
　以下の説明では、第１の辺Ｓ１の長さをＷとし、第２の辺Ｓ２の長さをＨとし、第３の辺Ｓ３の長さをＤとする。ＷはＤよりも大きいため、第１の面Ｐ１の面積は、第２の面Ｐ２の面積よりも大きい。なお、ＷおよびＤは、Ｄ×２≦Ｗ＜Ｄ×３の関係が成り立つように設定される。このＷおよびＤの関係については後述する。
　次に、図１に示した電力変換装置における、電力変換器１およびコンデンサＣ（単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３）の配置について説明する。図４、図６および図８は、電力変換器１および単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の配置例を模式的に示す図である。何れの配置例においても、電力変換器１は、直方体状の外形を有しており、設置面上に、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３と隣接して設置されるものとする。
　なお、本実施の形態では、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３が発生した熱を自然対流によって放出させる。すなわち、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３を自然冷却させる。
　図８に示す配置例は、本実施の形態に従う配置例である。図４および図６に示す配置例は、本実施の形態に従う配置例に対する第１比較例および第２比較例にそれぞれ対応する。最初に、図４および図６を用いて、比較例に従う配置例を説明する。
　図４は、第１比較例に従う電力変換器１および単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の配置例を模式的に示す図である。図４に示す第１比較例では、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３は、設置面１０に対して垂直方向に積み重ねて配置されている。ただし、垂直方向に隣り合う２つの単位コンデンサＵＣの間には隙間が形成されている。
　単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の各々の第１の面Ｐ１は、設置面１０に対して水平である。単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の各々の第３の面Ｐ３は、電力変換器１に対向しており、かつ、面一となっている。
　第１比較例では、コンデンサＣの設置面積を、１個の単位コンデンサＵＣの設置面積（すなわち、第１の面Ｐ１の面積）と等しくすることができる。しかしながら、その一方で、一部の単位コンデンサＵＣの冷却性能が低下することが懸念される。
　図５は、第１比較例における単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の放熱を模式的に表した図である。図中の破線矢印Ａ１は熱の移動を示し、実線矢印Ａ２は空気の流れを示している。
　図５を参照して、単位コンデンサＵＣ内で発生した熱は、単位コンデンサＵＣの外部に放出される。なお、単位コンデンサＵＣ３で発生した熱は、第１の面Ｐ１から設置面１０へ伝導することにより、主に設置面１０に向けて放出される。
　単位コンデンサＵＣ１で発生した熱は、単位コンデンサＵＣ１の周囲の空気へと移動する。空気が暖められると、空気が上昇し、垂直方向上方に向けて自然対流による空気の流れが生じる。その結果、単位コンデンサＵＣ１で発生した熱は、主に第１の面Ｐ１から垂直方向上方に向けて放出される。
　一方、単位コンデンサＵＣ２は、その上下を単位コンデンサＵＣ１，ＵＣ３によって挟まれているため、外部に熱を逃すことができない。その結果、単位コンデンサＵＣ２が高温となり、性能劣化を起こす可能性がある。
　第１比較例において単位コンデンサＵＣ２の冷却性能を高めるためには、隣り合う単位コンデンサＵＣ間の隙間を広げて、単位コンデンサＵＣ２からの熱により暖められた空気の流路を確保する手法を採ることができる。ただし、単位コンデンサＵＣ間の隙間を広げることによって、コンデンサＣ全体の垂直方向における長さを増大させることになる。
　図６は、第２比較例に従う電力変換器１および単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の配置例を模式的に示す図である。図６に示す第２比較例では、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３は、設置面１０に対して水平方向に並べて配置されている。ただし、水平方向に隣り合う２つの単位コンデンサＵＣの間には隙間が形成されている。
　単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の第２の面Ｐ２は、設置面１０に接している。単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の各々の第１の面Ｐ１は、設置面１０に対して垂直である。単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の第３の面Ｐ３は、電力変換器１に対向しており、かつ、面一となっている。
　第２比較例では、コンデンサＣの設置面積は、３個の単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の設置面積（すなわち、第２の面Ｐ２の面積）の合計と同等となるため、第１比較例におけるコンデンサＣの設置面積よりも大きくなる。具体的には、コンデンサＣの水平方向における長さは、第３の辺Ｓ３の長さの３倍に隙間の大きさαの２倍を足し合わせた長さ（Ｄ×３＋α×２）となる。そのため、図６に示すように、コンデンサＣの水平方向における長さが電力変換器１の水平方向における長さよりも長くなる場合がある。
　その一方で、第２比較例では、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の各々で発生した熱を放出させることができる。図７は、第２比較例における単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の放熱を模式的に表した図である。図中の実線矢印Ａ３は空気の流れを示している。
　図７に示すように、各単位コンデンサＵＣで発生した熱は、第１の面Ｐ１を通じて単位コンデンサＵＣの水平方向両側の空気へと移動する。この熱によって空気が暖められると、垂直方向上方に向けて自然対流による空気の流れが生じる。
　単位コンデンサＵＣ２で発生した熱は、第１の面Ｐ１を通じて水平方向両側の隙間の空気の流れに移動して垂直方向上方に放出される。したがって、第２比較例では、第１比較例に比べて、単位コンデンサＵＣ２の冷却性能を向上させることができる。
　その一方で、上述したように、第２比較例は、コンデンサＣの設置面積（特に、コンデンサＣの水平方向における長さ）を増加させるという課題を有している。本実施の形態に従う配置例は、このような第１比較例および第２比較例における課題を解決するものである。
　図８は、本実施の形態に従う電力変換器１および単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の配置例を模式的に示す図である。図８に示すように、本実施の形態に従う配置例では、単位コンデンサＵＣ１および単位コンデンサＵＣ２は、設置面１０に対して水平方向に並べて配置されている。ただし、単位コンデンサＵＣ１および単位コンデンサＵＣ２の間には隙間が形成されている。
　単位コンデンサＵＣ１，ＵＣ２の各々の第１の面Ｐ１は、設置面１０に対して垂直である。単位コンデンサＵＣ１の第１の面Ｐ１と、単位コンデンサＵＣ２の第１の面Ｐ１とは、間隔をあけて互いに対向している。単位コンデンサＵＣ１，ＵＣ２の第２の面Ｐ２は設置面１０に対して水平であり、かつ、面一となっている。
　単位コンデンサＵＣ３は、第１の面Ｐ１が、単位コンデンサＵＣ１，ＵＣ２の第２の面Ｐ２と間隔をあけて対向するように配置される。単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の第３の面Ｐ３は、電力変換器１に対向しており、かつ、面一となっている。
　図９は、本実施の形態に従う単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の放熱を模式的に表した図である。図中の実線矢印Ａ４は空気の流れを示している。
　図９に示すように、単位コンデンサＵＣ内で発生した熱は、単位コンデンサＵＣの外部に放出される。単位コンデンサＵＣで発生した熱は、単位コンデンサＵＣの周囲の空気へと移動する。この熱によって空気が暖められると、空気が上昇し自然対流による空気の流れが生じる。
　このとき、単位コンデンサＵＣ１と単位コンデンサＵＣ２との間の間隙には、単位コンデンサＵＣ１，ＵＣ２で発生した熱によって、垂直方向上方に向かう空気の流れが生じる。この空気は、単位コンデンサＵＣ１，ＵＣ２と単位コンデンサＵＣ３との間の間隙を水平方向に流れて放出される。単位コンデンサＵＣ３で発生した熱は、主に、第１の面Ｐ１から垂直方向上方に向けて放出される。
　このように本実施の形態によれば、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の各々で発生した熱を放出させることができるため、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の冷却性能を確保することができる。その結果、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の性能劣化を抑制することができる。
　なお、コンデンサＣの設置面積は、２個の単位コンデンサＵＣ１，ＵＣ２の設置面積（すなわち、第２の面Ｐ２の面積）の合計と同等となる。コンデンサＣの水平方向における長さは、第３の辺Ｓ３の長さの２倍に隙間の大きさαを足し合わせた長さ（Ｄ×２＋α）となる。
　本実施の形態では、単位コンデンサＵＣを形成する直方体（図３参照）において、第１の辺Ｓ１の長さＷ、および、第３の辺Ｓ３の長さＤを、Ｄ×２≦Ｗ＜Ｄ×３の関係が成り立つように設定する。
　Ｄ×２≦Ｗとすることによって、コンデンサＣの水平方向における長さを、単位コンデンサＵＣの第１の辺Ｓ１の長さＷ以下とすることができる。図８の例では、コンデンサＣの水平方向における長さ（Ｄ×２＋α）と単位コンデンサＵＣの第１の辺Ｓ１の長さＷとが等しくなっている。これによると、コンデンサＣの設置面積を第１比較例（図４参照）と同程度に抑えることができる。さらに、コンデンサＣの垂直方向における長さを第１比較例と同等とすることができる。
　ただし、Ｄ×３≦Ｗとなると、コンデンサＣの水平方向における長さが、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３を水平方向に並べて配置した第２比較例（図６参照）と同等以上となる。また、コンデンサＣの垂直方向における長さは、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３を垂直方向に積層して配置した第１比較例（図４参照）よりも大きくなる。
　そこで、本実施の形態では、単位コンデンサＵＣの第１の辺Ｓ１の長さＷおよび第３の辺Ｓ３の長さＤを、Ｄ×２≦Ｗ＜Ｄ×３の関係が成り立つように設定する。これによると、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の各々の冷却性能を確保しながら、コンデンサＣ全体の大型化を抑制することができる。
　＜本実施の形態の変更例＞
　図８に示した配置例では、単位コンデンサＵＣ１，ＵＣ２の垂直方向上方に単位コンデンサＵＣ３を配置する構成について説明したが、図１０に示すように、単位コンデンサＵＣ１，ＵＣ２の垂直方向下方に単位コンデンサＵＣ３を配置する構成としてもよい。
　図１０は、本実施の形態の変更例に従う電力変換器１および単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の配置例を模式的に示す図である。
　図１０の配置例では、単位コンデンサＵＣ３は、第１の面Ｐ１が設置面１０に接するように配置される。単位コンデンサＵＣ１，ＵＣ２は、第２の面Ｐ２が、単位コンデンサＵＣ３の第１の面Ｐ１と間隔をあけて互いに対向するように配置される。
　単位コンデンサＵＣ１，ＵＣ２の各々の第１の面Ｐ１は、設置面１０に対して垂直である。単位コンデンサＵＣ１の第１の面Ｐ１と、単位コンデンサＵＣ２の第１の面Ｐ１とは、間隔をあけて対向している。単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の第３の面Ｐ３は、電力変換器１に対向しており、かつ、面一となっている。
　図１１は、本実施の形態の変更例に従う単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の放熱を模式的に表した図である。図中の実線矢印Ａ５は空気の流れを示し、破線矢印Ａ６は熱の流れを示している。
　図１０の配置例では、単位コンデンサＵＣ１と単位コンデンサＵＣ２との間の間隙には、単位コンデンサＵＣ１，ＵＣ２で発生した熱によって、垂直方向上方に向かう空気の流れが生じる。これにより、単位コンデンサＵＣ３と単位コンデンサＵＣ１，ＵＣ２との間の間隙に空気が吸気され、この間隙を水平方向に流れる。その結果、図１１に示すように、水平方向に吸気されて垂直上方に向かう空気の流れが形成される。
　単位コンデンサＵＣ３で発生した熱は、第１の面Ｐ１から設置面１０へ伝導することにより、設置面１０に向けて放出される。単位コンデンサＵＣ３で発生した熱はさらに、単位コンデンサＵＣ３と単位コンデンサＵＣ１，ＵＣ２との間の間隙に吸い込まれた空気によって水平方向に流れた後、単位コンデンサＵＣ１と単位コンデンサＵＣ２との間の間隙を垂直方向上方に流れて放出される。
　したがって、図１０に示す配置例においても、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の各々で発生した熱を放出させることができるため、単位コンデンサＵＣ１～ＵＣ３の冷却性能を確保することができる。また、図１０の配置例においても、図８の配置例と同様に、コンデンサＣの大型化を抑制することができる。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　電力変換器、２ｕ，２ｖ，２ｗ　レグ回路、３　直流回路、４　交流回路、５　制御回路、１０　設置面、Ｃ　コンデンサ、ＵＣ１～ＵＣ３　単位コンデンサ、Ｑ１～Ｑ６　スイッチング素子、Ｄ１～Ｄ６　ダイオード、Ｎｐ，Ｎｎ　直流端子、Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗ　交流入力端子、Ｐ１　第１の面、Ｐ２　第２の面、Ｐ３　第３の面、Ｓ１　第１の辺、Ｓ２　第２の辺、Ｓ３　第３の辺。

Claims (5)

  1. 　直流回路と、
    　複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作によって前記直流回路と交流回路との間で電力変換を行う電力変換器とを備え、
    　前記直流回路は、並列接続される第１から第３のコンデンサを含み、前記第１から第３のコンデンサの各々は、互いに等しい直方体の形状を有しており、
    　前記直方体は、対向する一対の第１の面と、対向する一対の第２の面と、対向する一対の第３の面とを含み、
    　第１の面は、互いに直交する第１の辺および第２の辺を有し、第２の面は、互いに直交する前記第２の辺および第３の辺を有し、第３の面は、互いに直交する前記第３の辺および前記第１の辺を有しており、
    　前記第１の辺の長さは、前記第３の辺の長さの２倍以上かつ３倍未満であり、
    　前記第１および第２のコンデンサの各々は、前記第１の面が設置面に対して垂直となり、かつ、前記第２の面が前記設置面に対して水平となるように配置され、
    　前記第１のコンデンサの前記第１の面と前記第２のコンデンサの前記第１の面とは、間隔をあけて対向しており、
    　前記第３のコンデンサは、前記第１の面が、前記第１および第２のコンデンサの前記第２の面と間隔をあけて対向し、かつ、前記第３の面が、前記第１および第２のコンデンサの前記第３の面と面一となるように配置される、電力変換装置。
  2. 　前記第３のコンデンサは、前記第１および第２のコンデンサよりも垂直方向上方に位置するように配置される、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記第３のコンデンサは、前記第１および第２のコンデンサよりも垂直方向下方に位置するように配置される、請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 　前記電力変換器は、直方体状の外形を有しており、前記第１から第３のコンデンサの前記第３の面と対向するように配置される、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  5. 　前記第１から第３のコンデンサは、フィルムコンデンサである、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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