(57)【要約】【課題】製作時、及び運転時の熱膨張による各スタック軸方向の寸法差を抑制し、スタック間接続部の破壊が防止される電力変換装置を提供する。【解決手段】スイッチング素子と、冷却フィンと、伸縮分を補償するばね部材とスイッチング素子の電気的な接続をする接続部材とが２つの金具で締結して構成される第１のスタックと、ダイオード素子と、冷却フィンと、伸縮分を補償するばね部材と、ダイオード素子の電気的な接続をする接続部材とが２つの金具で締結して構成される第２のスタックと、を備え、前記第１のスタックの接続部材と前記第２のスタックの接続部材が電気的に接続されて共用され、前記第１、第２のスタックのそれぞれの締結に用いる２つの金具のうち、一方の金具を前記第１、第２のスタック間で独立して用いられ、もう一方の金具を前記第１、第２のスタック間で共用される。【選択図】図１
2014093927.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子と、
該スイッチング素子を冷却するための冷却フィンと、
前記スイッチング素子の伸縮分を補償するばね部材と、
前記スイッチング素子の電気的な接続をする接続部材と、
が２つの金具で締結して構成される第１のスタックと、
ダイオード素子と、
該ダイオード素子を冷却するための冷却フィンと、
前記ダイオード素子の伸縮分を補償するばね部材と、
前記ダイオード素子の電気的な接続をする接続部材と、
が２つの金具で締結して構成される第２のスタックと、
を備え、
前記第１のスタックの接続部材と前記第２のスタックの接続部材の１つ又は複数が電気的に接続されて共用され、
前記第１、第２のスタックのそれぞれの締結に用いる２つの金具のうち、一方の金具を前記第１、第２のスタック間で独立して用いられ、もう一方の金具を前記第１、第２のスタック間で共用されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記スイッチング素子と前記ダイオード素子は、それぞれ圧接型のスイッチング素子と圧接型のダイオード素子であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
さらに、前記第１、第２のスタック間で共用される金具と、前記第１または第２のスタックで独立して用いられる金具間にスペーサを備え、
前記第１、第２のスタック間で共用される接続部材と、前記第１、第２のスタック間で共用される金具との距離を同一にして前記第１、第２のスタック間で共用される接続部材が一直線状となることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、
前記ばね部材は、前記締結に用いられる金具と、前記第１、第２のスタック間を接続する接続部材、もしくは正電位部材、または負電位部材と、の間に配置されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１または請求項２において、
前記第１、第２のスタック間を電気的に接続する接続部材は、交流出力端子の交流電位部材よりも厚みが薄く、柔軟であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
圧接型のスイッチング素子と、
該スイッチング素子を冷却するための冷却フィンと、
前記スイッチング素子の伸縮分を補償するばね部材と、
前記スイッチング素子の電気的な接続をする接続部材と、
が２つの金具で締結して構成される第１のスタックと、
圧接型のダイオード素子と、
該ダイオード素子を冷却するための冷却フィンと、
前記ダイオード素子の伸縮分を補償するばね部材と、
該ダイオード素子の電気的な接続をする接続部材と、
が２つの金具で締結して構成される第２のスタックと、
を備え、
前記第１のスタックの接続部材と前記第２のスタックの接続部材の１つ又は複数が電気的に接続されて共用され、
前記第１、第２のスタックのそれぞれの締結に用いる２つの金具を前記第１、第２のスタック間で共用されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１または請求項２において、
前記第１のスタックと前記第２のスタックは、それぞれ３つずつ備えられ、３相交流電力を出力することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１または請求項２において、
前記スイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項３において、
前記スペーサは、軸方向における断面の異なるテーパ状に形成さ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、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置を構成する際には、装置のコンパクト化、強度、組立性、保守性、放熱効果、ノイズの低減などが求められる。
これらの特性を考慮しながら、電力変換装置を構成する例として、特許文献１、及び特許文献２には、圧接型のダイオード素子もしくはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）素子、またはその両方を含むスタックを圧接して接続し、複数のスタックで電力変換装置を構成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３４１９６１号公報
【特許文献２】特開２００６−１５８１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１または特許文献２に開示された技術においては、圧接素子からなる複数のスタックをそれぞれ接続した場合、スタックごとの素子の発熱の大きさの違いによる熱膨張の差、及び製作時の製作誤差から、スタックごとの軸方向の長さに差が生じてスタックの接続部分に負荷がかかり、スタックの接続部分が破壊される可能性があるという問題がある。
【０００５】
本発明は、前記した問題に鑑みて創案されたものであり、その目的および課題は、製作時、及び運転時の熱膨張による各スタック軸方向の寸法差を抑制し、スタック間接続部の破壊が防止される電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の課題を解決して、本発明の目的を達成するために、以下のように構成した。
すなわち、本発明の電力変換装置は、スイッチング素子と、該スイッチング素子を冷却するための冷却フィンと、前記スイッチング素子の伸縮分を補償するばね部材と、前記スイッチング素子の電気的な接続をする接続部材と、が２つの金具で締結して構成される第１のスタックと、ダイオード素子と、該ダイオード素子を冷却するための冷却フィンと、前記ダイオード素子の伸縮分を補償するばね部材と、前記ダイオード素子の電気的な接続をする接続部材と、が２つの金具で締結して構成される第２のスタックと、を備え、前記第１のスタックの接続部材と前記第２のスタックの接続部材の１つ又は複数が電気的に接続されて共用され、前記第１、第２のスタックのそれぞれの締結に用いる２つの金具のうち、一方の金具を前記第１、第２のスタック間で独立して用いられ、もう一方の金具を前記第１、第２のスタック間で共用されることを特徴とする。
また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、製作時、及び運転時の熱膨張による各スタック軸方向の寸法差を抑制し、スタック間接続部の破壊が防止される電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電力変換装置が３レベル変換器として構成された場合の１アーム分であるアームユニットのスタックの構成例を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電力変換装置が３レベル変換器として構成された場合の回路例を示す図である。
【図３】比較例として、本発明の第１実施形態とは異なる構造の電力変換装置が、３レベル変換器として構成された１アーム分のアームユニットのスタックの構成例を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の１相分の各部の電圧電流波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本願の発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と称す）を、図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態として、電力変換装置１００の構成例を、図１と図２を参照して説明する。
【００１１】
［電力変換装置１００の構成例］
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置（１００）が３レベル変換器として構成された場合の１アーム（レッグ）分であるアームユニット１０１のスタックの構成例を示す図である。
また、図２は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１００が３レベル変換器（３相３レベル変換器）として構成された場合の回路例を示す図である。すなわち３電位で供給された直流電力を可変電圧可変周波数の３相交流電力に変換する３相３レベル変換器の回路図である。
本発明の第１実施形態の特徴は、図１の構造にあるが、解りやすさの観点から、まず図２の回路構成を説明し、その後、あらためて図１のアームユニット１０１の構造について説明する。
【００１２】
＜電力変換装置１００の回路構成例＞
図２において、正電位直流端子２１２Ｐ（正電位外部接続端子３１２Ｐ、正電位部材２１２Ｐ（図１））と負電位直流端子２１４Ｎ（負電位外部接続端子３１４Ｎ、負電位部材２１４Ｎ（図１））との間に、直列に構成されたＩＧＢＴ（スイッチング素子、逆並列ダイオードを備えたＩＧＢＴ素子）２０５Ａ、ＩＧＢＴ２０５Ｂ、ＩＧＢＴ２０５Ｃ、ＩＧＢＴ２０５Ｄが接続されている。なお、ＩＧＢＴ２０５Ａのコレクタが正電位直流端子２１２Ｐに接続され、ＩＧＢＴ２０５Ｄのエミッタが負電位直流端子２１４Ｎに接続されている。
また、ＩＧＢＴ２０５ＢのエミッタとＩＧＢＴ２０５Ｃのコレクタとの接続点は、交流出力端子２１５（交流出力外部接続端子３１５Ｕ、交流電位部材２１５（図１））となっている。
また、ＩＧＢＴ２０５Ａ、ＩＧＢＴ２０５Ｂ、ＩＧＢＴ２０５Ｃ、ＩＧＢＴ２０５Ｄには、それぞれ逆並列にダイオードが接続されている。このダイオードはそれぞれのＩＧＢＴに寄生して存在するものを利用することもあれば、ＩＧＢＴの外部に付加して設けることもある。
【００１３】
また、直列に構成されたダイオード（ダイオード素子）２０３Ａとダイオード２０３Ｂは、ダイオード２０３Ａのアノードとダイオード２０３Ｂのカソードとが接続されている。この接続点は、中性点電位直流端子２１３Ｃ（中性点電位外部接続端子３１３Ｃ、中性点電位部材２１３Ｃ（図１））に接続されている。
また、ダイオード２０３Ａのカソードが、ＩＧＢＴ２０５ＡのエミッタとＩＧＢＴ２０５Ｂのコレクタとの接続点に接続されている。
また、ダイオード２０３Ｂのアノードが、ＩＧＢＴ２０５ＣのエミッタとＩＧＢＴ２０５Ｄのコレクタとの接続点に接続されている。
【００１４】
以上のＩＧＢＴ２０５Ａ〜Ｄとダイオード２０３Ａ〜Ｂとで、１つのアームであるアームユニット１０１を構成している。
このアームユニット１０１と同一の構成のアームユニットをさらに２つ備え、合計３つのアーム（アームユニット）でＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相の電力変換装置１００が構成される。
したがって、前記したアームユニット１０１の交流出力外部接続端子３１５Ｕは、他の２つのアームユニットでは、それぞれ交流出力外部接続端子３１５Ｖ、交流出力外部接続端子３１５Ｗとなって、電力変換装置１００の３相の交流出力端子を構成している。ただし、図２において、交流出力外部接続端子３１５Ｖ、交流出力外部接続端子３１５Ｗについては、符号を表記していない。
【００１５】
また、正電位外部接続端子３１２Ｐと中性点電位外部接続端子３１３Ｃとの間には、正電位側コンデンサ３２３Ｐが接続されている。また、中性点電位外部接続端子３１３Ｃと負電位外部接続端子３１４Ｎとの間には、負電位側コンデンサ３３４Ｎが接続されている。正電位側コンデンサ３２３Ｐと負電位側コンデンサ３３４Ｎは、電力変換装置１００の変換動作にともなうノイズ、ハザードを軽減するとともに、電力変換装置１００に供給する直流電力の電圧、電位を安定化している。
また、電力変換装置１００は、ＩＧＢＴ２０５Ａ〜Ｄの耐圧を緩和するために、前記した、正電位外部接続端子３１２Ｐと負電位外部接続端子３１４Ｎと中性点電位外部接続端子３１３Ｃとから入力される３電位（正電位、負電位、中性点電位）を設けている。すなわち、３レベル変換器を構成している。
【００１６】
なお、正電位直流端子２１２Ｐと中性点電位直流端子２１３Ｃと負電位直流端子２１４Ｎと交流出力端子２１５の名称は、電力変換装置１００の内部の電気回路の端子を指すものであり、それぞれ、図１の正電位部材２１２Ｐ、中性点電位部材２１３Ｃ、負電位部材２１４Ｎ、交流電位部材２１５に対応している。
また、正電位外部接続端子３１２Ｐと負電位外部接続端子３１４Ｎと中性点電位外部接続端子３１３Ｃの名称は、電力変換装置１００としての外部との接続の観点からの接続端子を示すものである。
【００１７】
＜電力変換装置のスタック構造＞
再び、図１に戻り、電力変換装置の１アーム分のアームユニット１０１のスタック構造を説明する。
図１において、ＩＧＢＴ側スタック１１０（第１のスタック）は、図２の回路におけるＩＧＢＴ２０５Ａ〜Ｄを縦構造にして積み上げて構成したものに関する。
また、ダイオード側スタック１２０（第２のスタック）は、図２に回路におけるダイオード２０３Ａ〜Ｂを縦構造にして積み上げて構成したものに関する。
これらのスタックの構造をＩＧＢＴ側スタック１１０とダイオード側スタック１２０について、順に説明する。
なお、ＩＧＢＴ２０５Ａ〜Ｄとダイオード２０３Ａ〜Ｂは、スタック構造にする際の圧接工程に適した、それぞれ圧接型のＩＧＢＴ（スイッチング）素子と圧接型のダイオード素子で構成されている。
また、図１においては、ＩＧＢＴ側スタック１１０とダイオード側スタック１２０を積み上げた方向を「上方向」としている。また、上または下の方向を軸方向とする。
【００１８】
《ＩＧＢＴ側スタック１１０》
まず、図１におけるＩＧＢＴ側スタック１１０について説明する。
ＩＧＢＴ側スタック１１０は、下から順に、共通金具（金具）１４３、絶縁物（絶縁体）１６４、負電位部材（負電位直流端子）２１４Ｎ、冷却フィン１７５、ＩＧＢＴ２０５Ｄ、接続部材２２６Ｎ、冷却フィン１７５、ＩＧＢＴ２０５Ｃ、冷却フィン１７５、交流電位部材（交流出力端子）２１５、冷却フィン１７５、ＩＧＢＴ２０５Ｂ、冷却フィン１７５、接続部材２２６Ｐ、ＩＧＢＴ２０５Ａ、冷却フィン１７５、正電位部材（正電位直流端子）２１２Ｐ、絶縁物１６４、ばね部材（皿ばね、ばね装置）１５３、独立金具（金具）１４１が積層されている。
また、２つの圧接保持部材１３１が備えられ、共通金具１４３と独立金具１４１とによって、前記の積層された部材などを一括して締結状態を保持し、ＩＧＢＴ側スタック１１０が締結される。
なお、図１の負電位部材２１４Ｎは、図２の回路図では負電位直流端子２１４Ｎに対応しているので、同じ符号を用いている。また、正電位部材（正電位直流端子）２１２Ｐと交流電位部材（交流出力端子）２１５についても同様の理由で、部材と端子とで同じ符号を用いている。
【００１９】
以上の構造において、負電位部材（負電位直流端子）２１４Ｎ、正電位部材（正電位直流端子）２１２Ｐは、他の２つのアーム（アームユニット）と共通に接続される。
また、交流電位部材（交流出力端子）２１５は、交流出力として電力変換装置１００の外部回路と交流出力外部接続端子３１５Ｕを介して接続される。
また、接続部材２２６Ｎと接続部材２２６Ｐは、後記するダイオード側スタック１２０の接続部材２２６Ｎと接続部材２２６Ｐとに、それぞれ共通に用いられる。なお、接続部材２２６Ｎと接続部材２２６Ｐは銅板などの金属が用いられるので、ＩＧＢＴ側スタック１１０とダイオード側スタック１２０における共通の接続部材２２６Ｎと接続部材２２６Ｐは、それぞれ電気的な接続がされている状態にある。
【００２０】
また、負電位部材２１４Ｎ、正電位部材２１２Ｐ、交流電位部材２１５、接続部材２２６Ｎ、接続部材２２６Ｐには電流が流れて発熱するので、これらの部材やスイッチング素子であるＩＧＢＴ２０５Ａ〜Ｄを冷却するために、それぞれには少なくともひとつの冷却フィン１７５が接触して備えられている。
ＩＧＢＴ側スタック１１０内で発生した熱は、主として複数の冷却フィン１７５を介して、電力変換装置１００の外部に放出される。
また、負電位直流端子２１４Ｎ、正電位直流端子２１２Ｐとには、それぞれ共通金具１４３と独立金具１４１から電気的に隔離するために、それらとの間に絶縁物１６４が備えられている。
また、独立金具１４１と正電位部材（正電位直流端子）２１２Ｐとの間には、絶縁物１６４を介して、ばね部材１５３が備えられ、上下方向の伸縮分を補償している。
【００２１】
《ダイオード側スタック１２０》
次に、図１におけるダイオード側スタック１２０について説明する。
ダイオード側スタック１２０は、下から順に、共通金具１４３、スペーサ１８４、絶縁物１６４、接続部材２２６Ｎ、冷却フィン１７５、ダイオード２０３Ｂ、冷却フィン１７５、中性点電位部材（中性点電位直流端子）２１３Ｃ、冷却フィン１７５、ダイオード２０３Ａ、冷却フィン１７５、接続部材２２６Ｐ、絶縁物１６４、ばね部材１５３、独立金具１４２が積層されている。
また、２つの圧接保持部材１３２が備えられ、共通金具１４３と独立金具１４２とによって、ダイオード側スタック１２０が締結される。
【００２２】
以上の構造において、中性点電位部材（中性点電位直流端子）２１３Ｃは、他のアームと共通に接続される。
また、接続部材２２６Ｎと接続部材２２６Ｐは、前記したＩＧＢＴ側スタック１１０の接続部材２２６Ｎと接続部材２２６Ｐとに、それぞれ共通に用いられる。
また、中性点電位部材２１３Ｃ、接続部材２２６Ｎ、接続部材２２６Ｐには電流が流れて発熱するので、これらの部材やダイオード２０３Ａ〜Ｂを冷却するために、それぞれには少なくともひとつの冷却フィン１７５が接触して備えられている。
また、接続部材２２６Ｎ、接続部材２２６Ｐとには、それぞれ共通金具１４３と独立金具１４２から電気的に隔離するために、それらとの間に絶縁物１６４が備えられている。
また、独立金具１４２と接続部材２２６Ｐとの間には、絶縁物１６４を介して、ばね部材１５３が備えられ、上下方向の伸縮分を補償している。
また、接続部材２２６Ｎと共通金具１４３との間の距離を所定の間隔に保つために、絶縁物１６４を介してスペーサ１８４が備えられている。
【００２３】
なお、スペーサ１８４は、軸方向（上下方向）に長さが調整できる構造となっている。
また、絶縁物１６４と共通金具１４３との間において、スペーサ１８４の水平面における断面積が絶縁物１６４との接触面では大きく、共通金具１４３との接触面では小さくなる、つまり軸方向における断面の異なるテーパ状に形成されている。この形状とすることによって、絶縁物１６４との接触面では絶縁物１６４を充分に支える面積を確保し、また、共通金具１４３と所定の強度で確実な接触を確保するとともに、スペーサ１８４の材料を節約して、軽量化とコストの低減とを図っている。
【００２４】
なお、以上の構造の効果をより明確にするために、次に比較例を示し、この比較例と前記した本発明の第１実施形態とを対比することによって、第１実施形態の特徴と効果について説明する。まず、比較例を示し、その後で、第１実施形態の効果についてあらためて述べる。
【００２５】
［比較例の電力変換装置］
図３は、比較例として、本発明の第１実施形態とは異なる構造の電力変換装置が、３レベル変換器として構成された１アーム分のアームユニット１０２のスタックの構成例を示す図である。
なお、比較例の電力変換装置としての回路構成は、図２に示す回路であって、本発明の第１実施形態の回路構成と同様である。したがって、回路としての説明は、重複するので省略する。
【００２６】
＜比較例の電力変換装置のスタック構造＞
図３において、ＩＧＢＴ側スタック１１１は、図２の回路におけるＩＧＢＴ２０５Ａ〜Ｄを縦構造にして積み上げて構成したものに関する。
また、ダイオード側スタック１２１は、図２に回路におけるダイオード２０３Ａ〜Ｂを縦構造にして積み上げて構成したものに関する。
これらのスタックの構造をＩＧＢＴ側スタック１１１とダイオード側スタック１２１について、順に説明する。
なお、図３においては、ＩＧＢＴ側スタック１１１とダイオード側スタック１２１を積み上げた方向を「上方向」としている。また、上または下の方向を軸方向とする。
【００２７】
《ＩＧＢＴ側スタック１１１》
まず、図３におけるＩＧＢＴ側スタック１１１について説明する。
ＩＧＢＴ側スタック１１１は、下から順に、独立金具１４１、ばね部材１５３、絶縁物１６４、負電位部材（負電位直流端子）２１４Ｎ、冷却フィン１７５、ＩＧＢＴ２０５Ｄ、接続部材２２６Ｎ、冷却フィン１７５、ＩＧＢＴ２０５Ｃ、冷却フィン１７５、交流電位部材（交流出力端子）２１５、冷却フィン１７５、ＩＧＢＴ２０５Ｂ、冷却フィン１７５、接続部材２２６Ｐ、ＩＧＢＴ２０５Ａ、冷却フィン１７５、正電位部材（正電位直流端子）２１２Ｐ、絶縁物１６４、ばね部材１５３、独立金具１４１が積層されている。
また、２つの圧接保持部材１３１が備えられ、下部の独立金具１４１と上部の独立金具１４１とによって締結される。
【００２８】
《ダイオード側スタック１２１》
次に、図３におけるダイオード側スタック１２１について説明する。
ダイオード側スタック１２１は、下から順に、独立金具１４２、ばね部材１５３、絶縁物１６４、接続部材２２６Ｎ、冷却フィン１７５、ダイオード２０３Ｂ、冷却フィン１７５、中性点電位部材（中性点電位直流端子）２１３Ｃ、冷却フィン１７５、ダイオード２０３Ａ、冷却フィン１７５、接続部材２２６Ｐ、絶縁物１６４、ばね部材１５３、独立金具１４２が積層されている。
また、２つの圧接保持部材１３３が備えられ、下部の独立金具１４２と上部の独立金具１４２とによって締結される。
【００２９】
《図３と図１との相異点》
図３と図１とに示した電力変換装置の相異点について説明する。
<１> 図１におけるＩＧＢＴ側スタック１１１とダイオード側スタック１２１とにおける共通金具１４３が図３では存在していない。共通金具１４３の代わりに、ＩＧＢＴ側スタック１１１では独立金具１４１、ダイオード側スタック１２１では独立金具１４２を使用している。
<２> 図３においては、ＩＧＢＴ側スタック１１１における下部の独立金具１４１と絶縁物１６４との間に、ばね部材１５３が備えられている。
【００３０】
<３> 図１のダイオード側スタック１２１における、共通金具１４３と絶縁物１６４との間にスペーサ１８４があるが、図３においては、ダイオード側スタック１２１における独立金具１４２と絶縁物１６４との間に、スペーサ（１８４）はなく、その代わりにばね部材１５３が備えられている。
<４> 図１においては、ＩＧＢＴ側スタック１１０における共通金具１４３と接続部材２２６Ｎとの距離Ａ１と、ダイオード側スタック１２０おける共通金具１４３と接続部材２２６Ｎとの距離Ａ２とは等しい（Ａ１＝Ａ２）。
しかしながら、図３においては、ＩＧＢＴ側スタック１１１における独立金具１４１と接続部材２２６Ｎとの距離Ａ３と、ダイオード側スタック１２１おける独立金具１４２と接続部材２２６Ｎとの距離Ａ４とは等しくない（Ａ３≠Ａ４）。
【００３１】
＜圧接型素子を使用した電力変換装置の組み立て＞
図１と図３の効果の相違について述べる前に、圧接型素子を使用した電力変換装置（変換器）の組み立てに関する一般的なことについて、次に説明する。
圧接型素子を使用した電力変換装置の組み立ては、通常、締結のための金具を土台としてスタックを立て、素子やフィンを積み上げ、高さ方向から加圧して、その後、締結をする。
この締結の仕方として、２つのスタック（ＩＧＢＴ側スタック、ダイオード側スタック）をそれぞれ電気的に接続した電力変換装置では、第１の方法として、接続部材を、前記スタック部品とともに、２つのスタックを一緒に締結するやりかたがある。
【００３２】
もしくは、第２の方法として、前記スタック部品のフィンなどにネジ止めして接続するやりかたがある。
第１の方法であるスタック部材とともに圧接する方法では、接続部材と素子の圧接面が直接圧接で接続される。そのため、第２の方法であるネジ止めを行う方式に対して、電流の流れる面積を広く取れ、電流集中による加熱を抑えることができる。また、ネジ脱落による断線の恐れがない、などの特徴、長所がある。
【００３３】
＜図１と図３との効果の比較＞
図１に示した構造では、２つのスタックをそれぞれ電気的に接続した電力変換装置であるので、接続部材を、スタック部品とともに、２つのスタックを一緒に締結することができる。
したがって、前記したように、電流の流れる面積を広く取れ、電流集中による加熱を抑えることができる。また、ネジ脱落による断線の恐れがないという長所を有している。
【００３４】
《図３の比較例の電力変換装置》
一方、それぞれ独立の金具で構成した比較例の図３の構造では、土台となる下の金具と、接続部との軸方向の距離がＩＧＢＴ側スタック１１１とダイオード側スタック１２１とで異なるため、同一平面に立てて確認することができない。
したがって、例えば、横方向に倒してからの確認が必要である。そして、横方向に倒すためには締結して素子の固定が必要である。
そのため、ＩＧＢＴ側スタック１１１とダイオード側スタック１２１に接続される接続部材の高さ方向の変位が認められた際には、変位が少なくなるような調整が必要となるが、調整には前記の締結の解除が必要となる。
すなわち、比較例である図３の構造では、接続部材の高さ方向の変位について、調整に困難が伴う。
【００３５】
《図１の本発明の第１実施形態の電力変換装置》
図１の本発明の第１実施形態では、電力変換装置を製作する際、共通金具１４３を共通の土台にして素子（ＩＧＢＴ、ダイオード）、フィンなどを積み上げていく工程を実施する。
この構成では、共通の土台（共通金具１４３）を持ち、スペーサ１８４を備えているため、スペーサ１８４で調整することにより、土台となる下の金具（共通金具１４３）と、接続部である接続部材２２６Ｎとの軸方向の距離を、ＩＧＢＴ側スタック１１０とダイオード側スタック１２０とで等しくすることができる。したがって、同一平面上で、立てたままでの組み立てが可能である。
また、前記の素子、フィンなどの積み上げ時に、接続部材２２６ＮのＩＧＢＴ側スタック１１０とダイオード側スタック１２０とに接続される接続部材２２６Ｎの高さ方向の変位の確認や、スペーサ、調整治具などによる調整が容易である。
そのため、比較例の図３の構成に対して締結・締結解除の手間が減らせる効果がある。
【００３６】
なお、図１におけるＩＧＢＴ側スタック１１０におけるＩＧＢＴ２０５Ｂ、２０５Ｃ、および４つの冷却フィン１７５を合わせた高さと、ダイオード側スタック１２０におけるダイオード２０３Ａ、２０３Ｂ、および４つの冷却フィン１７５を合わせた高さとが、等しくなるように設計することが必要である。このとき、接続部材２２６Ｎの高さが一定に調整されれば、接続部材２２６Ｐの高さも一定となり歪みが解消される。
このために、ＩＧＢＴ２０５Ｂ、２０５Ｃの高さとダイオード２０３Ａ、２０３Ｂの高さは同一となるように設計することが望ましい。また、冷却フィン１７５の形状もＩＧＢＴ側スタック１１０とダイオード側スタック１２０において同一のものが使用されることが望ましい。
【００３７】
また、締結時の加圧で、ばね部材は縮むが、ばね部材の縮む量は加圧力に比例するため、図３の比較例の構成のように、土台となる下方向の独立金具１４１側にばね部材１５３が存在する場合には、圧接時にＩＧＢＴ側スタック１１１とダイオード側スタック１２１の加圧力の差により、軸方向の変位が発生する。
ひるがえって、図１の本発明の第１実施形態の構成では、共通金具１４３側を下としたとき、ばね部材１５３は、接続部材２２６Ｎ、２２６Ｐより下には存在しない。
ばね部材１５３は、図１に示すように、接続部材２２６Ｎ、２２６Ｐより上である独立金具１４１、１４２側に入っている。
【００３８】
このため、圧接時にＩＧＢＴ側スタック１１０とダイオード側スタック１２０の加圧力の差があっても、変位は接続部材２２６Ｎ、２２６Ｐより上の独立金具１４１、１４２側で発生するので、接続部材２２６Ｎ、２２６Ｐには軸方向の変位は発生しない。
したがって、図１の本発明の第１実施形態の構成では、接続部材２２６Ｎ、２２６Ｐを介する、ＩＧＢＴ側スタック１１０とダイオード側スタック１２０の接続部分に所定以上の負荷がかかることはなく、スタック間接続部の破壊が防止される。
【００３９】
＜３レベル変換器の各部の電圧電流波形＞
図１の本発明の第１実施形態である電力変換装置（３レベル変換器）の各部に流れる電流について説明する。そして図１の構造に関係する事項について説明する。
図４は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置（３レベル変換器）１００の１相（例えばＵ相）分の各部の電圧電流波形を示す図である。
図４において、横軸は時間の推移であり、縦軸は各部の波形の電圧または電流の相対値を示している。また、電力変換装置１００に係る１相分の出力電圧信号波４０１、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成するための搬送波４０２、変換器出力電圧４０３、交流出力電流４０４、接続部材（正電位側）電流４０５、接続部材（負電位側）電流４０６の各波形を示している。
【００４０】
ＩＧＢＴ２０５Ａ〜Ｄ（図２）をＰＷＭ制御しているので、接続部材（正電位側）電流４０５と接続部材（負電位側）電流４０６は、スイッチングされて、交流出力電流４０４よりも少ない電流となる。
そのため、接続部材（２２６Ｎ、２２６Ｐ）は、同じ材料を用いても出力端子よりも長さあたりの抵抗値を大きくしてもさしつかえない。そのため、板状であれば厚みが薄く、断面積の小さい板金を用いることができる。また、あるいは接続部材（２２６Ｎ、２２６Ｐ）が円柱状であれば細く、断面積の小さい針金を用いることができる。
図１に示す第１実施形態の構成では、スタック間を接続する接続部材２２６Ｎ、２２６Ｐには、出力端子の部材よりも柔軟で、厚みの薄い配線材、例えば銅の配線材を用いる。
このため、接続部材２２６Ｎ、２２６Ｐは曲げに強く、スタックの熱膨張による歪を吸収できる。
【００４１】
したがって、図１に示したように、接続部材２２６Ｎと共通金具１４３との間にスペーサ１８４を備えた構造とし、図３のばね部材（皿ばね）１５３は省くことができる。
【００４２】
＜本実施形態の効果＞
以上に述べたように、電力変換装置（１００）は、接続部材２２６Ｎと共通金具１４３との間にスペーサ１８４を備えた構造とすることにより、製作（組立）時、及び運転時の熱膨張による各スタック軸方向の寸法差を抑制することが可能となり、スタック間接続部の破壊を防止する電力変換装置を提供することができる。
また、前記の構成をとることにより、電力変換装置の製作（組立）時の作業が大幅に効率化、かつ軽減できる効果がある。
【００４３】
（その他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、本発明はこれら実施形態、および、その変形に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があってもよく、以下にその例をあげる。
【００４４】
《電力変換装置のレベル数》
図１に示した第１実施形態では、正電位（正電位外部接続端子３１２Ｐ）と負電位（負電位外部接続端子３１４Ｎ）と中性点電位（中性点電位外部接続端子３１３Ｃ）の３電位の３レベル変換装置で説明したが、３レベルに限定されるものではない。
取り扱う電圧が高くなり、ＩＧＢＴの耐圧が問題となる場合には、ＩＧＢＴの段数を増やして、電源としての電位を５レベル以上の構成にしてもよい。この場合にも図１で説明したスタックの構造が適用できる。
また、正電位と負電位の２レベルの場合でも、ＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオードを独立して備える場合には、これらのＩＧＢＴによるスタックとダイオードによるスタックとの間で、図１で説明したスタックの構造が準用できる。
【００４５】
《スペーサの形状》
図１において、スペーサ１８４の形状としては、水平面における断面積が絶縁物１６４との接触面では大きく、共通金具１４３との接触面では小さくなるテーパ状に形成されている例にあげた。
しかしながら、前記の形状に限定されるものではない。例えば、上下の接触面においては、所定の概ね同一面積で接触させ、上下を除く中間における水平面における断面の面積を前記の所定の面積より少なく構成してもよい。このとき、中間におけるスペーサの材料の量が、より低減できるので、低重量、低コストとできる可能性がある。
【００４６】
《スペーサの材質》
図１において、スペーサ１８４の材質については、特に限定しなかった。スペーサ１８４が導電性であれば、絶縁物１６４がスペーサ１８４の上部に必要であるので、絶縁物１６４を備えた例を示した。ただし、スペーサ１８４の一部、または全部を絶縁物（絶縁体）の材質で形成すれば、図１におけるスペーサ１８４の上部の絶縁物１６４を省くことが可能となる。
【００４７】
《接続部材の材質》
図１における接続部材２２６Ｐ、２２６Ｎについては、やわらかく、厚みの薄い、例えば銅の配線材を用いると説明したが、接続部材の材質は必ずしも銅に限定されない。柔らかさ、弾力、強度、導電率、熱伝導率などが銅に概ね相当する金属や合金であれば、他の材質のものを接続部材２２６Ｐ、２２６Ｎとして用いてもよい。
また、やわらかさ、弾力、強度の特性と、導電率、熱伝導率の特性を両立させるために、別々の材質からなる薄板を組み合わせて積層させて用いてもよい。また、別々の材質からなる細い針金を組み合わせて板状や他の所望の形状に形成して用いてもよい。
【００４８】
《締結用の金具を上下共に共用》
図１のＩＧＢＴ側スタック１１０とダイオード側スタック１２０においては、共通金具１４３が共用されるのに対し、独立金具１４１と独立金具１４２は、それぞれ別に用いられていた。
しかしながら、ＩＧＢＴの個数が少ない場合や、ダイオード側スタック１２０の接続部材２２６Ｐの上部に新たなスペーサを追加する場合などの条件が整えば、独立金具１４１と独立金具１４２との高さを揃えることも可能である。このとき、独立金具１４１と独立金具１４２を共用して、１つの独立金具とすることもできる。
このように、ＩＧＢＴ側スタック１１０とダイオード側スタック１２０における上下の金具を共用（共通金具）とすれば、電力変換装置１００を単純な形状とすることが可能であり、取り扱い、運搬、保管などが簡便になる効果がある。
【００４９】
《正電位と負電位の上下、逆の構成》
図１のＩＧＢＴ側スタック１１０とダイオード側スタック１２０においては、共通金具１４３と、負電位部材２１４Ｎがある側の負電位側の接続部材２２６Ｎとの間隔を同一にするためにスペーサ１８４を備えて高さを整合させていた。
しかしながら、この構成に限定されるものではない。例えば、図１の上下の関係を逆にして、独立金具１４１をＩＧＢＴ側スタック１１０とダイオード側スタック１２０の共通金具とし、正電位部材２１２Ｐがある側の正電位側の接続部材２２６Ｐとの間隔を同一にするためにスペーサを備えて高さを整合させる方法もある。他の機器との関係でグランド電位の取り方を正負、逆にとるような場合には、都合がよくなる可能性もある。
【００５０】
《スイッチング素子》
図１でスイッチング素子は、ＩＧＢＴを用いた場合で説明したが、スイッチング素子の機能を有すれば、ＩＧＢＴに限定されない。
例えば、ＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off thyristor）、ＧＴＯ（Gate Turn Off Thyristor）、サイリスタ（Thyristor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等で構成してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１００    電力変換装置、３レベル変換装置、３相３レベル変換装置
１０１、１０２    アームユニット
１１０、１１１    ＩＧＢＴ側スタック（第１のスタック）
１２０、１２１    ダイオード側スタック（第２のスタック）
１３１、１３２、１３３    圧接保持部材
１４１、１４２    独立金具（金具）
１４３    共通金具（金具）
１５３    ばね部材（皿ばね、ばね装置）
１６４    絶縁物（絶縁体）
１７５    冷却フィン
１８４    スペーサ
２０３Ａ〜Ｂ    ダイオード（ダイオード素子）
２０５Ａ〜Ｄ    ＩＧＢＴ(逆並列ダイオードを備えたＩＧＢＴ、スイッチング素子)
２１２Ｐ    正電位部材（正電位直流端子）
２１３Ｃ    中性点電位部材（中性点電位直流端子）
２１４Ｎ    負電位部材（負電位直流端子）
２１５    交流電位部材（交流出力端子）
２２６Ｐ    接続部材(正電位側)
２２６Ｎ    接続部材(負電位側)
３１２Ｐ    正電位外部接続端子
３１３Ｃ    中性点電位外部接続端子
３１４Ｎ    負電位外部接続端子
３１５Ｕ    交流出力外部接続端子
３２３Ｐ    正電位側コンデンサ
３３４Ｎ    負電位側コンデンサ
４０１    出力電圧信号波
４０２    搬送波
４０３    変換器出力電圧
４０４    交流出力電流
４０５    接続部材(正電位側)電流
４０６    接続部材(負電位側)電流
【図２】
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【図４】
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【図１】
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【図３】
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