(57)【要約】【課題】電力変換装置のスナバ回路の小形化、簡略化を行いつつ、逆変換部の素子のスイッチング損失の低減をすることにより、装置の小形化などを実現する技術、製品を供給することを課題とする。【解決手段】逆変換部のＰ相、Ｎ相と、平滑コンデンサの正極、または負極とを接続したバスバーと直列接続されたコンデンサの中間層を接続する配線バスバーの形状を大きくし、互いに重なり合う面積を大きくして、流れる電流を互いに逆方向とすることで、インダクタンスを低減する。【選択図】図６
2010154754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源からの電力を直流電力に変換する順変換部と、
前記順変換部からの出力を平滑する第１のコンデンサ部と第２のコンデンサ部とが直列に接続される平滑部と、
前記平滑部の出力を交流電力に変換して出力する逆変換部と、
を有する電力変換装置において、
第１のコンデンサ部と第２のコンデンサ部の４つの電極の端子を平面上で四角形となるように配置し、
第１のコンデンサの正極端子の隣に第２のコンデンサの負極端子配置し、
第１のコンデンサの負極端子の隣に第２のコンデンサの正極端子配置し、
第１のコンデンサの正極端子と逆変換部の正極側のＰ相を接続する第１の配線導体板と、
第２のコンデンサの負極端子と逆変換部の負極側のＮ相を接続する第２の配線導体板と、
第１のコンデンサの負極端子と第２のコンデンサの正極端子とを接続する第３の配線導体板と、
を設けることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記第３の配線導体板の形状を第１のコンデンサの負極端子と第２のコンデンサの正極端子とを結ぶ接続線位置から第１のコンデンサの正極端子と第２のコンデンサの負極端子とを結ぶ接続線の近傍迄拡張させた拡張面を有する形状とすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記第１の配線導体板の形状を第１のコンデンサの正極端子と第２のコンデンサの負極端子とを結ぶ接続線位置から第１のコンデンサの負極端子と第２のコンデンサの正極端子とを結ぶ接続線の近傍迄拡張させた拡張面を有する形状とすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３記載の電力変換装置において、
前記第２の配線導体板の形状を第１のコンデンサの正極端子と第２のコンデンサの負極端子とを結ぶ接続線位置から第１のコンデンサの負極端子と第２のコンデンサの正極端子とを結ぶ接続線の近傍迄拡張させた拡張面を有する形状とすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記第２の配線導体板を流れる電流の向きと
前記第１の配線導体板、または前記第３の配線導体板を流れる電流の向きとが逆向きとされることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記第１の配線導体板の配線導体板面と、
前記第３の配線導体板の配線導体板面との間に、
前記第２の配線導体板が層状に挟まれて設けられることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置を提供する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置の内部の配線に関して、特に平滑コンデンサと逆変換部を接続する配線は、逆変換部の過電圧を抑制して半導体素子を保護するために、インダクタンスを小さくしなくてはならないことが知られている。
【０００３】
このインダクタンスを低減する方法について、特許文献１に開示されている。
【０００４】
特許文献１では、「第１、第２、第３の直流電圧の配線部（２０）を、第１、第２、第３の板状導体（２０１〜２０３）と第１、第２の絶縁シート（２０４、２０５）が交互に積層された構造にしたことを特徴としている。このように絶縁シートで板状導体を挟んだ積層構造にすることによって、３つ以上の直流電圧と交流電圧とを変換する装置においても、配線インダクタンスを低減することができる」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−８９２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１にも問題点などの記載があるように、電力変換装置において、逆変換部の素子のターンオフ時に、それまで特に平滑コンデンサと逆変換部を接続する配線のインダクタンスに蓄えられたエネルギーを半導体素子が遮断するようにすると、図１に示すようにそのデバイス両端に急峻な過電圧（跳ね上がり電圧）が発生する。
【０００７】
この遮断エネルギーをバイパスすることで過電圧（跳ね上がり電圧）を抑制し素子を保護する回路をスナバ回路と言い、この逆変換部の素子のターンオフ時に生じる過電圧（跳ね上がり電圧）を抑制し、半導体素子を保護するために設けることが、一般的に行われている。
【０００８】
しかしながら、急峻で大きな過電圧（跳ね上がり電圧）を抑制するためには、回路構成が簡単なＲＣスナバ回路であれば、大きなコンデンサが必要となり、またコンデンサを小さくするためには、充放電ＲＣＤスナバ回路や放電阻止形ＲＣＤスナバ回路を設ける必要がある。どちらの場合においても、その回路を設けた分、設置するためのスペースが必要となり、またスナバ回路の配線の引き回し等も考慮することが必要となる。
【０００９】
また、この過電圧（跳ね上がり電圧）を防ぐためには、スナバ回路で抑えることの他に、特許文献１に記載があるように、平滑コンデンサと逆変換部を接続する配線導体板のインダクタンスを低減することにより、エネルギーが蓄えられなくなり、過電圧（跳ね上がり電圧）が起きないようすることが出来る。
【００１０】
上述の配線導体板のインダクタンスを低減するにおいて、各配線導体板の設け方によっては、その低減の度合いは変わることが予想される。
【００１１】
従って、設け方を工夫することによって、インダクタンスの低減の度合いを改善することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前記課題を以下のようにして、解決するものである。
【００１３】
２つの直列コンデンサ端子と逆変換部を接続する配線導体板のインダクタンスを従来よりも小さくするために、配線導体板の形状を大きくし、当該各配線導体板で互いに重なり合う面積を大きくして、当該各配線導体板(以下、バスバーと称する)に流れる電流を互いに逆向きとなるようにすることにより達成される。
【００１４】
また、上記２つの直列コンデンサの配置では、各々の正極、負極は、相互に異極となるように配置している。具体的には、一方のコンデンサの正極端子の隣には、他方のコンデンサの負極端子を位置させる。また、一方のコンデンサの負極端子の隣には、他方のコンデンサの正極端子を位置させる。
【００１５】
このようにして、異極同士を相互に隣り合わせるように配置して、正極端子に接続されるＰ相バスバー、負極端子に接続されるＮ相バスバーとで、重なる部分を設け、両者の間隔を小さな距離として、相互に面するようする。
【００１６】
また、２つのコンデンサを直列接続する為の、一方のコンデンサの正極端子と他方のコンデンサの負極端子とを接続するＭ相バスバーは、正極端子と負極端子とを最短で接続する形状に加えて、Ｐ相バスバー及びＮ相バスバーに重なるように平面上でふくらんで拡張させた拡張面を設けるようにしている。
【００１７】
さらに、Ｐ相バスバー及びＮ相バスバーの各々も、他の２つのバスバーと相互に重なるようにふくらんで拡張させた拡張面を設けている。
【００１８】
この３つのバスバーに設けた拡張面に、迂回するように拡張して流れる電流の流れによって、相互でのインダクタンスの低減を図るようにする。
【００１９】
なお、Ｍ相バスバーに対して、Ｐ相バスバー及びＮ相バスバーの各々で挟むように、上下に設け、さらに電流の向きを拡張面も含めて、相互に逆向きとなるようにして、インダクタンスを低減出来るようにする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、従来よりも信頼性を向上させた電力変換装置が提供可能となる。
逆変換部の素子のターンオフ時に生じる過電圧を抑制できるため、電力変換装置のスナバ回路の簡略化や小形化、逆変換部の発熱を低減させることにより、従来よりも装置の小形化が図れ、良好な製品を供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ターンオフ時跳ね上がり電圧の例である。
【図２】本発明の実施例である。
【図３】本発明の実施例のシミュレーション結果例である。
【図４】電力変換装置の回路図の例である。
【図５】本発明の別の実施例である。
【図６】本発明の別の実施例、シミュレーション結果である。
【図７】本発明の別の実施例である。
【図８】本発明の実施例、シミュレーション結果である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を用いて構成される電力変換装置の実施例を図を用いて、説明する。
【００２３】
図４は、電力変換装置の回路図の一実施例である。この図において、電源からの交流電力が順変換（コンバータ）部１にて直流電力に変換後、平滑する平滑コンデンサ２に入力され、平滑コンデンサ２の出力は、制御部（図示せず）からの制御信号による制御によって、逆変換（インバータ）部３にて交流電力に変換される。
【００２４】
電力変換装置の平滑回路に用いられるコンデンサ２は、例として、アルミ電解コンデンサが用いられている。例えば、４００Ｖ入力電圧用の電力変換装置において、一般的なアルミ電解コンデンサのワーキング電圧は、４００Ｖである。このため、入力電源の電圧が４００Ｖの場合、平滑コンデンサ２のワーキング電圧のために、平滑コンデンサ２を２本用いて、平滑コンデンサＣ１の＋（正極）端子と平滑コンデンサＣ２の−（負極）端子を接続し、直列に接続することにより２個の平滑コンデンサで耐圧を８００Ｖ（４００Ｖ＋４００Ｖ）にして使用することが一般的である。このときの、平滑コンデンサＣ１の正極端子と平滑コンデンサＣ２の負極端子を接続した相をＭ相とする。
【００２５】
上記図４での平滑コンデンサＣ１と平滑コンデンサＣ２との直列接続の実施例について、図２、図３を用いて、配線導体板(以下、バスバーと称する。)の設け方と、その場合の電流の流れ方について、説明する。
【００２６】
図２において、平滑コンデンサ４ａ、４ｂには、正極端子５ａ、５ｂと、負極端子６ａ、６ｂとが設けられている。その際に、２つの平滑コンデンサの正極、負極は、相互に異極となるように配置している。具体的には、平滑コンデンサ４ａの正極端子５ａの隣には、平滑コンデンサ４ｂの負極端子６ｂが位置している。また、平滑コンデンサ４ａの負極端子６ａの隣には、平滑コンデンサ４ｂの正極端子５ｂが位置している。なお、このように平滑コンデンサ４ａ、４ｂの正極、負極を相互に異極となるように配置する作業にて、配置間違いを回避する必要がある。図２で、平滑コンデンサ４ａ、４ｂを接続している取り付け部材が図示されており、この取り付け部材の形状、当該部材に設ける取り付け穴等の位置によって、前述の配置作業の間違いの回避を図ることが可能である。
【００２７】
そして、正極端子５ｂと逆変換部の正極側のＰ相に接続されるＰ相バスバー７、負極端子６ａと逆変換部の負極側のＮ相に接続されるＮ相バスバー８がある。
【００２８】
また、平滑コンデンサ４ａと平滑コンデンサ４ｂとを直列接続する為に、平滑コンデンサ４ａの正極端子５ａと平滑コンデンサ４ｂの負極端子６ｂとを接続するように、Ｍ相バスバー９を設ける。なお、Ｐ相バスバー７とＮ相バスバー８との絶縁を行う為に、絶縁物１０も設けている。
【００２９】
そして、図３は、この配置時にバスバーの表面を流れる電流の流れのシミュレーションを行った結果の電流流線である。図３には、バスバーの表面を一様に電流の流れていることが示されている。
【００３０】
上述したが、図２、図３では、２つの平滑コンデンサの正極、負極は、相互に異極となる配置とするように工夫している。このように異極同士を相互に隣り合わせるように配置したので、正極端子５ｂに接続されるＰ相バスバー７、負極端子６ａに接続されるＮ相バスバー８とで、重なる部分を設けることが可能となり、両者の間隔を小さな距離として、相互に面するように出来る。なお、各々のバスバー間の絶縁距離を小さくするとともに、絶縁物１０を挟み込むようにしている。
【００３１】
次に、図７に本発明の別の実施例を説明する。
【００３２】
図２に示す実施例では、Ｐ相バスバー７とＮ相バスバー８とで、重なる部分を設けたが、図７では、さらに、Ｍ相バスバー９も、Ｐ相バスバー７及びＮ相バスバー８と重なる部分を設けるように工夫したものである。こうすることで、図２よりもインダクタンスの低減を狙うものである。
【００３３】
図７に示すように、平滑コンデンサ４ａ、４ｂには、正極端子５ａ、５ｂと、負極端子６ａ、６ｂとが設けられている。正極端子５ａ、５ｂには、Ｐ相バスバー７が接続され、負極端子６ａ、６ｂには、Ｎ相バスバー８接続される。そして、平滑コンデンサ４ａの正極端子５ａと平滑コンデンサ４ｂの負極端子６ｂには、Ｍ相バスバー９が接続される。なお、Ｐ相バスバー７、またはＮ相バスバー８とＭ相バスバー９との間には絶縁物１０が設けられる。
【００３４】
平滑コンデンサ４ａ、４ｂを直列につなぐために、Ｍ相バスバー９を用い、一方を平滑コンデンサ４ａの正極端子５ａ、もう一方を別の平滑コンデンサ４ｂの負極端子６ｂに接続をする。そしてさらに、順変換部１や逆変換部３を接続するバスバー、Ｎ相バスバー８の配線導体板の形状を各々大きくする。
【００３５】
そして、Ｍ相バスバー９の配線導体板の形状をＰ相バスバー７，Ｎ相バスバー８と同じように大きくし、Ｐ相バスバー７，Ｎ相バスバー８の上にＭ相バスバー９を重ねる。そして、各々を互いに重なり合う面積が大きくなるように配置して、さらに各々を近距離の間隔で面するようにする。このために、各々のバスバー間には、絶縁距離を小さくするために、絶縁物１０を挟み込むようにする。
【００３６】
図５、図６に、各々の配線導体板の配置、形状、電流流線のシミュレーション結果を示す。
【００３７】
図５に示すように、Ｍ相バスバー９ｈは、正極端子５ａと負極端子６ｂとを最短で接続する形状に加えて、Ｐ相バスバー７ｈ及びＮ相バスバー８ｈに重なるように平面上でふくらんで拡張させた拡張面を設けるようにしている。
【００３８】
さらに、Ｐ相バスバー７ｈ及びＮ相バスバー８ｈの各々も、他の２つのバスバーと相互に重なるようにふくらんで拡張させた拡張面を設けている。
【００３９】
図６のシミュレーションでは、Ｎ相バスバー８ｈの電流流線が、正極端子６ａと逆変換部へ接続する負極端子とを最短で接続する電流の流れに加えて、Ｍ相バスバー９ｈとも面して流れるような電流が拡張面に流れていることが示されている。
【００４０】
今回のシミュレーションでは、Ｐ相バスバー７ｈ、Ｎ相バスバー８ｈ、Ｍ相バスバー９ｈの３つのバスバーに設けた拡張面に、迂回するように拡張して流れる電流の流れが確認された。これは、電流を流す場合の始端、終端の２つの端子間に対して、電流が最短の電流路を流れるとの予想に反する結果ではあった。しかし、この結果を利用するように上述の拡張面を設けて、相互でのインダクタンスを低減出来る裏づけを得られるものとなった。
【００４１】
また、図５では、Ｍ相バスバー９ｈに対して、Ｐ相バスバー７ｈ及びＮ相バスバー８ｈの各々を挟むように、上下に設け、さらに電流の向きを拡張面も含めて、相互に逆向きとなるようにして、インダクタンスを低減出来るようにしている。
具体的には、図５に示されるように、Ｍ相バスバー９ｈに対して、Ｐ相バスバー７ｈは、相互に逆向きとなる電流の流れとなっている。同様に、Ｍ相バスバー９ｈに対して、Ｎ相バスバー８ｈは、相互に逆向きとなる電流の流れとなっている。
【００４２】
但し、上述の各バスバーの順番は、上記に限定されるものではなく、実装の状態に応じて、適宜順番を変えるものであってもよい。なお、図５のように全ての電流の向きが相互に逆向きとならない場合も想定されるが、少なくとも１組のバスバーが相互に逆向きに流れるものであれば、インダクタンスの低減が図るには好ましいものといえる。
【００４３】
この各々重ねたバスバーの距離は、特に小さく近距離の方が効果があるが、ＵＬ５０８Ｃ、ＥＮ６１８００−５、ＥＮ５１８７０等の規格により、次の絶縁材料を使用した場合においては、材料の厚みが０．７１ｍｍ（０．０２８ｉｎｃｈ）を下回ることが出来ない。この場合の絶縁材料は、Ｄｉａｌｌｙｌ  Ｐｈｔｈａｌａｔｅ、Ｅｐｏｘｙ、Ｍｅｌａｍｉｎｅ、Ｍｅｌａｍｉｎｅ−Ｐｈｅｎｏｌｉｃ、Ｐｈｅｎｏｌｉｃ、Ｕｎｆｉｌｌｅｄ  Ｎｙｌｏｎ、Ｕｎｆｉｌｌｅｄ  Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ、Ｕｒｅａ  Ｆｏｒｍａ
ｌｄｅｈｙｄｅ、Ｃａｍｂｒｉｃ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｇｒａｄｅ  Ｐａｐｅｒ、ＲＴＶ、Ｓｉｌｉｃｏｎｅ、Ｔｒｅａｔｅｄ  Ｃｌｏｔｈ、Ｖｕｌｃａｎｉｚｅｄ  Ｆｉｂｅｒである。
【００４４】
さらに、次の絶縁材料を使用した場合においては、材料の厚みが０．２５ｍｍ（０．０１０ｉｎｃｈ）を下回ることが出来ない。この場合の絶縁材料は、Ａｒａｍｉｄ  Ｐａｐｅｒである。
【００４５】
さらに、次の絶縁材料を使用した場合においては、材料の厚みが０．１５ｍｍ（０．００６ｉｎｃｈ）を下回ることが出来ない。この場合の絶縁材料は、Ｍｉｃａである。
【００４６】
さらに、次の絶縁材料を使用した場合においては、材料の厚みが０．１８ｍｍ（０．００７ｉｎｃｈ）を下回ることが出来ない。この場合の絶縁材料は、Ｍｙｌａｒ（ＰＥＴＰ）である。
【００４７】
さらに、これら以外の材料を用いる場合は、材料の厚みが０．７１ｍｍ（０．０２８ｉｎｃｈ）以上であり、さらに５０００ＶＡＣの耐圧試験を行い、耐圧があると判断され、さらに、規定以上のＲｅｌａｔｉｖｅ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｉｎｄｅｘ（ＲＴＩ）、Ｈｏｔ  Ｗｉｒｅ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ（ＨＷＩ）、Ｈｉｇｈｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ａｒｃ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｔｏ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ（ＨＡＩ）、Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ  Ｉｎｄｅｘ（ＣＴＩ）がある場合使用することが出来る。
【００４８】
このため、例えばバスバーをインサートモールドしてモジュール化等とすることで、絶縁体と一体成形した場合、これらの規定を満足し、射出成形法にて形状を造るためには、絶縁体の厚みが２〜３ｍｍ程度必要となる。
【００４９】
またさらに、シート状の絶縁体を使用した場合においても、バスバーの製作上の公差を考えると、絶縁体のシートの厚みは薄くできても、バスバー同士の距離は１〜３ｍｍ程度になることは、一般的である。
【００５０】
しかし、この程度の距離であれば、経験論的に問題が無く、効果を得ることが出来る。
【００５１】
また、さらに他の実施例のシミュレーション結果を図８に示す。各々のバスバー上の電流流線が他の相の電流の流れと沿っていることが、確認出来る。
【００５２】
なお、図６と図８のシミュレーション結果の違いは、図６が、Ｍ相のバスバーをＰ相とＮ相の間に設置した場合を示し、図８は、Ｍ相のバスバーをＰ相とＮ相の上に設置した場合を示す。この結果から、Ｍ相のバスバーは、Ｐ相またはＮ相の中間若しくは上側に配置した場合でも、各々重なり合う面積を有していることで、各々近距離の間隔にて面するように配置した場合は、インダクタンスの低減については、ほぼ同じ効果が得られることが分かる。
【００５３】
また、図６、図７では、逆変換部の正極側のＰ相に接続される部分、及び逆変換部の負極側のＮ相に接続される部分が、図面の奥手に向かう位置にて設けられているが、これに限定されるものではなく、適宜変更可能である。例えば、図６、図７の図面の奥手とは反対側となる手前に近づく位置に、逆変換部の正極側のＰ相に接続される部分、または、逆変換部の負極側のＮ相に接続される部分を設けるものであっても良い。図にて説明しないが、当該構成であっても、インダクタンスが低減されることをシミュレーションにて確認した。
【００５４】
本発明に基づく上述の実施例によれば、逆変換部の素子のターンオフ時に生じる過電圧を抑制できるため、電力変換装置のスナバ回路の簡略化や小形化、逆変換部の発熱を低減させることにより、従来よりも装置の小形化が図れ、良好な製品を供給することが可能となる。
【符号の説明】
【００５５】
１：順変換（コンバータ）部、２：平滑コンデンサ、
３：逆変換（インバータ）部、４：平滑コンデンサ、５：平滑コンデンサの正極端子、６：平滑コンデンサの負極端子、７：Ｐ相バスバー、８：Ｎ相バスバー、９：Ｍ相バスバー、１０：絶縁物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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