(57)【要約】【課題】２次側の損失を低減させつつ、熱分散を最適化できる電力変換装置を提供する。【解決手段】直流電源から入力される電力を変換して交流電力を出力する第１変換回路と、第１変換回路に電気的に接続されて、交流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電力を出力する第２変換回路とを備え、第１変換回路は、各相で上アーム及び下アームにそれぞれ接続され、かつ、並列に接続された複数のスイッチング素子を有し、第２変換回路は、各相で上アーム及び下アームにそれぞれ接続され、双方向にスイッチング可能な複数の双方向スイッチング素子を有する。【選択図】  図１
2015208073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から入力される電力を変換して交流電力を出力する第１変換回路と、
前記第１変換回路に電気的に接続されて、交流電力を三相交流電力に変換し、前記三相交流電力を出力する第２変換回路とを備え、
前記第１変換回路は、
各相で上アーム及び下アームにそれぞれ接続され、かつ、並列に接続された複数のスイッチング素子を有し、
前記第２変換回路は、
各相で上アーム及び下アームにそれぞれ接続され、双方向にスイッチング可能な複数の双方向スイッチング素子を有する
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２変換回路を制御するコントローラを備え、
前記コントローラは、
前記第１変換回路から前記第２変換回路へ入力される入力電圧に対して前記第２変換回路から出力されるパルスの密度を調整することで、前記第２変換回路の出力電圧を生成する
ことを特徴する電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電力変換装置において、
前記第１変換回路と前記第２変換回路との間に接続された複数のトランスと、
前記第１変換回路、前記第２変換回路、及び前記複数のトランスを実装した基板とを備え、
前記複数のトランスは前記基板上で列状に配置されている
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記第１変換回路を構成する複数の前記スイッチング素子は、前記基板上で、前記複数のトランスの列と平行な列状に配置されている
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ものである。
【背景技術】
【０００２】
車載バッテリに接続される１次側巻線と車載電気機器に接続される２次側巻線とを有するトランスと、１次側巻線に電流を正逆交互に流すための１次側スイッチング回路と、２次側巻線に電流を正逆交互に流すための２次側スイッチング回路とを備えた直流電圧変換器であって、１次側スイッチング回路と前記２次側スイッチング回路は、それぞれスイッチングする部位に、２つのスイッチング素子を並列に接続したスイッチング素子対を備えることで、１次側スイッチング回路と前記２次側スイッチング回路における電流経路が分散されて、各スイッチング素子に流れる電流が半分に低減することで、各スイッチング素子の発熱を抑制する、直流電圧変換器が開示されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１５２０４３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、上記の直流電圧変換器を交流で駆動する負荷に接続する場合には、直流電圧変換器と負荷との間に、ＡＣ／ＤＣインバータを接続しなければならず、トランスに対して２次側の損失が大きくなり、１次側及び２次側を含め全体の熱の分散性が悪いという問題があった。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、２次側の損失を低減させつつ、熱分散を最適化でき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】
本発明は、直流電源から入力される電力を変換して交流電力を出力する第１変換回路と、交流電力を三相交流電力に変換する第２変換回路とを電気的に接続し、第１変換回路の上アーム及び下アームに並列接続された複数のスイッチング素子をそれぞれ接続し、第２変換回路の上アーム及び下アームにスイッチング可能な双方向スイッチング素子をそれぞれ接続することに、よって上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、第２変換回路に複数の双方向スイッチング素子を接続することで、第２変換回路における損失が低減でき、さらに第１変換回路のスイッチング素子を並列に接続することで、第１、第２変換回路における熱分散を最適化できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換装置の回路図である。
【図２】図１の電力変換装置のレイアウト図である。
【図３】図１の電力変換装置の斜視図である。
【図４】図３の電力変換装置を側方からみた矢視図である。
【図５】図１のセラミックコンデンサの斜視図である。
【図６】図１のコントローラによるＰＤＭ制御を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の回路図である。本例の電力変換装置は、直流電源から入力される直流電力を交流に変換し、変換された交流電力を出力するための装置である。電力変換装置は、例えば、蓄電池などの直流電源の電力を、家屋の外部から宅内配線を介して家屋内の負荷に供給するための装置である。
【００１０】
図１に示すように、電力変換装置は、バッテリ１０と、整流回路２０と、インバータ３０と、トランス４０と、マトリックスコンバータ５０と、整流回路６０と、スナバ回路７０と、コントローラ１００とを備えている。なお、図１では図示を省略しているが、電力変換装置は、インバータ３０への入出力を検出するためのセンサ、及び、マトリックスコンバータ５０への入出力を検出するためのセンサを備えている。センサは、電流センサ、電圧センサである。
【００１１】
バッテリ１０は、直流電源であって、複数の電池を接続することで構成されている。電力変換装置は、車両等の移動体に搭載された電源を利用して電力を出力する場合には、バッテリ１０は移動体に設けられる。また、バッテリ１０は車両に限らず定置用の電力源でもよい。
【００１２】
整流回路２０は、バッテリ１０からインバータ３０に入力される電圧を整流するための回路である。整流回路２０は、ＬＣフィルタ２１と、コンデンサ２２とを備えおり、バッテリ１０とインバータ３０との間に接続されている。ＬＣフィルタ２１は、コイル２１ａとコンデンサ２２、２２ｃとを備えている。コイル２１ａは、バッテリ１０の正極に配線を介して接続されている。コンデンサ２１ｂ、２１ｃは、並列に接続され、並列接続されたコンデンサ２１ｂ、２１ｃが、バッテリ１０の正極及び負極にそれぞれ接続された配線の間に接続されている。コンデンサ２１ｂ、２１ｃはセラミックコンデンサである。なお、コンデンサ２１ｂ、２１ｃの詳細な構造は後述する。
【００１３】
コンデンサ２２は、ＬＣフィルタ２１とインバータ３０との間に接続されている。またコンデンサ２２は正極の配線と負極の配線との間に接続されている。コンデンサ２２には、例えば電界コンデンサが用いられる。
【００１４】
インバータ３０は、バッテリ１０から入力される電力を交流に変換して、変換された交流電力を出力する変換回路である。インバータ３０はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８を備えており、整流回路２０とトランス４０との間に接続されている。スイッチング素子Ｑ１は、トランジスタＴｒ１とダイオードＤ１との並列回路を有している。またスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ８は、スイッチング素子Ｑ１と同様に、トランジスタＴｒ２とダイオードＤ２との並列回路、トランジスタＴｒ３とダイオードＤ３との並列回路、トランジスタＴｒ４とダイオードＤ４との並列回路、トランジスタＴｒ５とダイオードＤ５との並列回路、トランジスタＴｒ６とダイオードＤ６との並列回路、トランジスタＴｒ７とダイオードＤ７との並列回路、及び、トランジスタＴｒ８とダイオードＤ８との並列回路をそれぞれ有している。
【００１５】
なお、図１において、トランジスタＴｒ１とダイオードＤ１との並列回路がスイッチング素子Ｑ１に相当し、トランジスタＴｒ２〜Ｔｒ８及びダイオードＤ１〜Ｄ８の並列回路は、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ８にそれぞれ対応する。
【００１６】
トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ８は、ＩＧＢＴ等により構成されている。トランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ２は並列に接続されている。同様に、トランジスタＴｒ３とトランジスタＴｒ４、トランジスタＴｒ５とトランジスタＴｒ６、及び、トランジスタＴｒ７とトランジスタＴｒ８がそれぞれ並列に接続されている。またトランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ２の並列回路とトランジスタＴｒ３及びトランジスタＴｒ４の並列回路が直列に接続されており、トランジスタＴｒ５及びトランジスタＴｒ６の並列回路とトランジスタＴｒ７及びトランジスタＴｒ８の並列回路が直列に接続されている。
【００１７】
トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ３との接続点（中性点）及びトランジスタＴｒ２とトランジスタＴｒ４との接続点（中性点）がトランス４０の１次巻線の一端に接続されている。また、トランジスタＴｒ５とトランジスタＴｒ７との接続点（中性点）及びトランジスタＴｒ６とトランジスタＴｒ８との接続点（中性点）がトランス４０の１次巻線の他端に接続されている。
【００１８】
これにより、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ８は、バッテリ１０の正極及び負極間で、ブリッジ状に接続されている。また、インバータ３０を構成する変換回路において、並列接続されたトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、及び、並列接続されたトランジスタＴｒ５、Ｔｒ６が各相の上アームにそれぞれ接続され、並列接続されたトランジスタＴｒ３、Ｔｒ４、及び、並列接続されたトランジスタＴｒ７、Ｔｒ８が各相の下アームにそれぞれ接続されている。
【００１９】
ダイオードＤ１〜Ｄ８は還流用の素子であり、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ８に対して、それぞれ並列に接続されている。ダイオードＤ１〜Ｄ８の向き（電流の導通方向）は、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ８の向きとは逆向きに接続されている。トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ８は、コントローラ１００から送信されるスイッチング信号に基づいて、オン、オフを切り替える。なお、図１では図示を省略しているが、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ８とコントローラ１００との間には、駆動回路が接続されており、駆動回路は、コントローラ１００からスイッチング信号に応じて、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４８のオン、オフを切り替えるためのゲートパルスを、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ８に出力する。
【００２０】
トランス４０は、インバータ３０から出力される交流電力の電圧を変えて、マトリックスコンバータ５０の入力側に対して出力する回路である。トランス４０は複数コイル（１次巻線）４１ａ〜４１ｄと複数コイル（二次巻線）４２ａ〜４２ｄとを備えており、インバータ３０とマトリックスコンバータ５０との間に接続されている。
【００２１】
複数コイル４１ａ〜４１ｄは、インバータ３０の接続点に接続された配線間で、並列に接続されている。また複数コイル４１ａ〜４１ｄは、複数コイル４２ａ〜４２ｄに対して電気的（直流的に）に絶縁されている。コイル４２ａ及びコイル４２ｂは、トランスの出力となる一対の配線間で直列に接続されている。また、コイル４２ｃ及びコイル４２ｄは、同様に、一対の配線間で直列に接続されている。
【００２２】
またトランス４０は、４つのトランスで構成されている。コイル４１ａ及びコイル４２ａが第１トランス４０ａを構成し、コイル４１ｂ及びコイル４２ｂが第２トランス４０ｂを構成し、コイル４１ｃ及びコイル４２ｃが第３トランス４０ｃを構成し、コイル４１ｄ及びコイル４２ｄが第４トランス４０ｄを構成している。
【００２３】
マトリックスコンバータ５０は、トランス４０から出力される交流電力を三相交流電力に変換する変換回路である。マトリックスコンバータ５０は、複数の双方向にスイッチング可能なスイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｐ、Ｓｖｎ、Ｓｗｐ、Ｓｗｎを備えている。マトリックスコンバータ５０は、トランス４０と整流回路６０との間に接続されている。
【００２４】
スイッチング素子Ｓｕｐは双方向にスイッチング可能な素子とするために、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのトランジスタＴｒｕｐ１及びトランジスタＴｒｕｐ２と、ダイオードＤｕｐ１及びダイオードＤｕｐ２を有している。トランジスタＴｒｕｐ１及びトランジスタＴｒｕｐ２は互いに逆方向で直列に接続され、ダイオードＤｕｐ１及びダイオードＤｕｐ２は互いに逆方向で直列に接続され、トランジスタＴｒｕｐ１及びダイオードＤｕｐ１は互いに逆方向で並列に接続され、トランジスタＴｒｕｐ２及びダイオードＤｕｐ２は互いに逆方向で並列に接続されている。他のスイッチング素子Ｓｕｎ、Ｓｖｐ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ、Ｓｗｎも同様に、トランジスタＴｒｕｎ１、Ｔｒｕｎ２とダイオードＤｕｎ１、Ｄｕｎ２のブリッジ回路、トランジスタＴｒｖｐ１、Ｔｒｖｐ２とダイオードＤｖｐ１、Ｄｖｐ２のブリッジ回路、トランジスタＴｒｖｎ１、Ｔｒｖｎ２とダイオードＤｖｎ１、Ｄｖｎ２のブリッジ回路、トランジスタＴｒｗｐ１、Ｔｒｗｐ２とダイオードＤｗｐ１、Ｄｗｐ２のブリッジ回路、トランジスタＴｒｗｎ１、Ｔｒｗｎ２とダイオードＤｗｎ１、Ｄｗｎ２のブリッジ回路により構成されている。
【００２５】
なお、トランジスタＴｒｕｐ１、Ｔｒｕｐ２及びダイオードＤｕｐ１、Ｄｕｐ２の回路がスイッチング素子Ｓｕｐに相当し、トランジスタＴｒｕｎ１、Ｔｒｕｎ２及びダイオードＤｕｎ１、Ｄｕｎ２の回路がスイッチング素子Ｓｕｎに相当する、Ｖ相及びＷ相についても、同様の対応関係がある。
【００２６】
そして、２つのスイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｐ、Ｓｖｎ、Ｓｗｐ、Ｓｗｎを直列に接続した３対の回路が、トランス４０の二次巻線４２に対して並列接続されている。そして、三相の出力線が、一対に接続されたスイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｐ、Ｓｖｎ、Ｓｗｐ、Ｓｗｎ同士の接続点（中性点）にそれぞれ接続されている。
【００２７】
これにより、マトリックスコンバータ５０を構成する変換回路において、スイッチング素子Ｓｕｐ、スイッチング素子Ｓｖｐ、及び、スイッチング素子Ｓｗｐが各相の上アームにそれぞれ接続され、スイッチング素子Ｓｕｎ、スイッチング素子Ｓｖｎ、及び、スイッチング素子Ｓｗｎが各相の下アームにそれぞれ接続されている。
【００２８】
整流回路６０は、マトリックスコンバータ５０から出力された三相交流電力を整流することで、負荷で使用される系統電力として出力するためのフィルタ回路である。整流回路６０は、コイル６１ａ〜６１ｃと、コンデンサ６２ａ〜６２ｆと、抵抗６３ａ〜６３ｃを備えている。
【００２９】
コイル６１ａ〜６１ｃは、マトリックスコンバータ５０のｕ相、ｖ相、ｗ相にそれぞれ接続されている。なお、コイル６１ａ〜６１ｃは、後述する基板２００上には実装されておらず、基板上の端子間１ｃ〜１ｈ間に配線で接続されている。
【００３０】
コンデンサ６２ａ及びコンデンサ６２ｂは並列に接続され、並列接続されたコンデンサ６２ａ、６２ｂと抵抗６３ａが直列に接続されている。そして、コンデンサ６２ａ、６２ｂ及び抵抗６３ａを含む回路が、ｕ相の配線とｖ相の配線との間に接続されている。
【００３１】
コンデンサ６２ｃ、６２ｄ及び抵抗６３ｂは、コンデンサ６２ａ、６２ｂと抵抗６３ａと同様の形態で接続され、ｖ相の配線とｗ相の配線との間に接続されている。同様に、コンデンサ６２ｅ、６２ｆ及び抵抗６３ｃは、コンデンサ６２ｅ、６２ｆと抵抗６３ｃと同様の形態で接続され、ｕ相の配線とｗ相の配線との間に接続されている。コンデンサ６２ａ〜６２ｆはセラミックコンデンサである。
【００３２】
スナバ回路７０は、双方から入力されるノイズを吸収することで、電力変換装置内のノイズを抑制するための回路であって、入力を二つ有している。スナバ回路７０の両入力のうち、一方の入力（以下、１次側入力とも称す）はトランス４０の２次側とマトリックスコンバータ５０の入力との間に接続され、他方の入力（以下、２次側入力とも称す）はマトリックスコンバータ５０の出力に接続されている。
【００３３】
スナバ回路７０は、一方の入力を形成する１次側回路７１、ＲＣフィルタ７２、及び、他方の入力を形成する２次側回路７３を備えている。１次側回路７１は、複数のダイオード７１ａ〜７１ｄをブリッジ状にした回路である。ダイオード７１ａとダイオード７１ｂとを接続する接続点、及び、ダイオード７１ｃとダイオード７１ｄとを接続する接続点が、トランス４０とマトリックスコンバータ５０とを接続する一対の配線にそれぞれ接続されている。これにより、１次側回路７１は、インバータ３０とマトリックスコンバータ５０との間に接続されている。また、複数のダイオード７１ａ〜７１ｄの向きは、トランス４０から入力される電流をＲＣフィルタ７２に流す方向であって、ＲＣフィルタ７２からの電流をスナバ回路７０から出力させない方向である。
【００３４】
ＲＣフィルタ７２は、コンデンサ７２ａ〜７２ｃ及び抵抗７２ｄ〜７２ｉを備え、１次側回路７１と２次側回路７３との間に接続されている。コンデンサ７２ａ〜７２ｃは直列に接続され、１次側回路７１と２次側回路７３とを接続する一対の配線の間に接続されている。抵抗７２ｄ、７２ｅの直列回路はコンデンサ７２ａに対して並列に接続されている。抵抗７２ｆ、７２ｇの直列回路はコンデンサ７２ｂに対して並列に接続され、抵抗７２ｇ、７２ｉの直列回路はコンデンサ７２ｃに対して並列に接続されている。コンデンサ７２ａ〜７２ｃはセラミックコンデンサである。
【００３５】
２次側回路７３は、複数のダイオード７３ａ〜７３ｈをブリッジ状にした回路である。ダイオード７３ａとダイオード７３ｂとを接続する接続点、ダイオード７３ｃとダイオード７３ｄとを接続する接続点、及び、ダイオード７３ｅとダイオード７３ｆとを接続する接続点が、マトリックスコンバータ５０の出力側の三相配線にそれぞれ接続されている。
【００３６】
また、複数のダイオード７３ａ〜７３ｆの向きは、マトリックスコンバータ５０の出力側から入力される電流をＲＣフィルタ７２に流す方向であって、ＲＣフィルタ７２からの電流をスナバ回路７０から出力させない方向である。これにより、スナバ回路７０は、両入力をもちつつ、逆流を防止するように構成されている。
【００３７】
端子１ａ、端子１ｂは電力変換装置の入力端子である。バッテリ１０は端子１ａ、１ｃ間に接続される。端子１ｃ〜１ｈは、外付けのコイル６１ａ〜６１ｃ用の端子である。端子１ｉ〜１ｋは電力変換装置の三相出力端子である。
【００３８】
コントローラ１００は、ＣＰＵ等を有し、図示しないセンサの検出値に基づいて、インバータ３０及びマトリックスコンバータ５０を制御するための制御回路である。コントローラ１００は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のオン、オフを切り替えることでインバータ３０を制御し、またスイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｐ、Ｓｖｎ、Ｓｗｐ、Ｓｗｎのオン、オフを切り替えることでマトリックスコンバータ５０を制御する。
【００３９】
次に、図２、図３及び図４を用いて、本例の電力変換装置を構成する回路素子のレイアウトを説明する。図２は、電力変換装置のレイアウト図である。図３は電力変換装置の斜視図であり、図４は電力変換装置を側方（基板の短辺側）からみた矢視図である。なお、基板２００の長辺に沿う軸をｘ軸とし、短辺に沿う軸をｙ軸とする。
【００４０】
基板２００は、本例の電力変換装置を含む回路素子を実装するための配線基板であり、図１に示した回路を形成するための配線パターンを有している。図２及び図３に示すように、図１に示した回路素子は基板２００上に実装されている。図２において、斜線で示す部分は配線パターンを示している。配線パターンは、ラミネート配線で形成されている。
【００４１】
基板上のラミネート配線は、中央付近を境に１次側と２次側とで電気的に絶縁できるように分離されている。そして、トランス４０が、１次側と２次側で電気的に絶縁されている境界部分（以下、絶縁境界部分とも称す）に実装されている。また、トランス４０を構成する第１トランス４０ａ〜第４トランス４０ｄは、基板上の絶縁境界部分に沿うように、基板上で列状に配置されている。そして、図１に示した回路素子のうち、トランス４０の１次側で接続されている、端子１ａ、端子１ｂ、整流回路２０、インバータ３０、及びコイル４１ａ〜４１ｄが、絶縁境界部分に対して１次側の基板上に実装されている。また、図１に示した回路素子のうち、トランス４０の２次側で接続されている、コイル４２ａ〜４２ｄ、マトリックスコンバータ５０、整流回路６０、スナバ回路７０、及び端子１ｃ〜１ｋが、絶縁境界部分に対して２次側の基板上に実装されている。
【００４２】
まず基板上における１次側のレイアウトについて説明する。端子１ａ及び端子１ｂは及びコンデンサ２２は、基板２００の外縁の付近に配置されている。コンデンサ２２の隣の位置（コンデンサ２２の位置に対してｘ軸の正方向の位置）には、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ８を駆動させる駆動回路（ゲートドライバユニット：ＧＵＤ）３１が配置されている。また、駆動回路３１の隣（駆動回路３１の位置に対してｘ軸の正方向の位置）には、列状に配置された複数のスイッチング素子Ｑ１からＱ８が配置されている。複数のスイッチング素子Ｑ１〜スイッチング素子Ｑ８には、ヒートシンク３２ａ〜３２ｈがそれぞれ取り付けられている。ヒートシンク３２ａ〜３２ｈは、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ８の駆動時に発生する熱を放熱する。また、スイッチング素子Ｑ１〜スイッチング素子Ｑ８は、ｙ軸と平行な２列に並べられており、第１トランス４０ａ〜第４トランス４０ｄの列と平行な列状に並べられている。
【００４３】
ファン３００は、列状に並べられたスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８に冷却風を送る装置であって、基板２００の周囲に設けられている。なお、ファン３００は、少なくともスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８に対して風を送る構成であればよく、装置の大きさ及び設置位置は特に問わない。図２では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８への冷却風の流れを分かりやすくするために、ファン３００がスイッチング素子Ｑ４、Ｑ８の付近に設けられている。
【００４４】
ファン３００から送風される冷却風は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の列に沿うように流れる。そのため、列状に並べられたスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の配列方向（ｙ軸に沿う方向）の上流側に、ファン３００が設らけれている。
【００４５】
また、列状に並べられたスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の配列方向（ｙ軸に沿う方向）の下流側には、コンデンサ２１ｂ、２１ｃが配置されている。また、コンデンサ２１ｂ、２１ｃは、隣接した状態で並べて配置されている。コイル２１ａは、コンデンサ２１ｂと、端子１ａとの間に配置されている。
【００４６】
ここで、図５を用いて、コンデンサ２１ｂ、２１ｃの詳細な構造を説明する。図５は、コンデンサ２１ｂ、２１ｃに用いられるセラミックコンデンサの斜視図である。コンデンサ２１ｂ、２１ｃは、積層される複数の内部電極、電極間に狭持される誘電体、及び、内部電極に接続された外部電極を有している。複数の電極は板状に形成されている。誘電体は、セラミック誘電体であって、複数の内部電極の積層面に挟まることで、一対の電極間に狭持される。そして、外部電極は引き出し用の端子を複数有している。このように、コンデンサ２１ｂ、２１ｃは、セラミック誘電体と電極とを積層した多層積層の構造であるため、コンデンサ２１ｂ、２１ｃは、高さを抑制した薄い板状に形成されている。なお、コンデンサ６２ａ〜６２ｆ及びコンデンサ７２ａ〜７２ｃの構造は、コンデンサ２１ｂ、２１ｃと同様の構造である。
【００４７】
図２〜４に戻り、コンデンサ２１ｂ、２１ｃは、列状に並べられたスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の下流側に配置されているが、コンデンサ２１ｂ、２１ｃの高さは、トランス４０の高さよりも低い。
【００４８】
次に、基板上における２次側のレイアウトについて説明する。列状に配置された第１トランス４０ａ〜第３トランス４０ｃの隣（トランス４０の位置に対してｘ軸の正方向の位置）には、駆動回路５１、５２及びスイッチング素子Ｓｕｐ１、Ｓｕｐ２、Ｓｕｎ１、Ｓｕｎ２、Ｓｖｐ１、Ｓｖｐ２、Ｓｖｎ１、Ｓｖｎ２、Ｓｗｐ１、Ｓｗｐ２、Ｓｗｎ１、Ｓｗｎ２（以下、総称する場合にはスイッチング素子Ｓとも称す）が配置されている。なお、スイッチング素子Ｓｕｐ１はトランジスタＴｒｕｐ１及びダイオ−ドＤｕｐ１の並列回路に対応する。
【００４９】
駆動回路５１、５２は、トランジスタを駆動させる駆動回路であって、スイッチング素子Ｓと接続する配線長を短くするために、スイッチング素子Ｓの２列に対応して、２つに分けられている。そして、駆動回路５１、５２の間に、スイッチング素子Ｓが配置されている。
【００５０】
スイッチング素子Ｓは、ｙ軸と平行で、２列に並べられている。２列に並べられたスイッチング素子Ｓのうち、一方の列のスイッチング素子Ｓには、ヒートシンク５３ａが取り付けられ、他方の列のスイッチング素子Ｓには、ヒートシンク５３ｂが取り付けられている。また、一方の列のスイッチング素子Ｓとヒートシンク５３ａの向きについて、一方の列のスイッチング素子Ｓが駆動回路５１に近づくように配置されている。他方の列のスイッチング素子Ｓとヒートシンク５３ａの向きについて、他方の列のスイッチング素子Ｓが駆動回路５２に近づくように配置されている。
【００５１】
駆動回路５２の隣（駆動回路５２の位置に対してｘ軸の正方向の位置）には、端子１ｃ〜１ｈと整流回路６０が配置されている。コンデンサ６２ａ、６２ｂは積層されている。また、コンデンサ６２ｃとコンデンサ６２ｄが積層され、コンデンサ６２ｅとコンデンサ６２ｆが積層されている。そして、それぞれ積層された、コンデンサ６２ａ、６２ｂ、コンデンサ６２ｃ、６２ｄ、及び、コンデンサ６２ｅ、６２ｆが、ｙ軸と平行な列状に配置されている。
【００５２】
抵抗６３ａ〜６３ｃは、コンデンサ６２ａ、６２ｂ、コンデンサ６２ｃ、６２ｄ、及び、コンデンサ６２ｅ、６２ｆの付近にそれぞれ配置されている。端子１ｃ〜１ｈは、コンデンサ６２ａ〜６２ｆ及び抵抗６３ａ〜６３ｃを含む整流回路６０と、駆動回路５２との間に配置されている。出力端子である端子１ｉ〜１ｋは、基板２００の外縁で、端子１ａ、１ｂ（入力端子）と反対側に配置されている。
【００５３】
第４トランス４０ｄの隣（トランス４０の位置に対してｘ軸の正方向の位置）には、スナバ回路７０が配置されている。スナバ回路７０は、スイッチング素子Ｓの列の延長線上（スイッチング素子Ｓの列に沿ってｙ軸の正方向に延びる線上）に配置されている。また、スイッチング素子Ｓの列の延長線を境界線として、１次側回路７１が一方側に配置され、２次側回路７３が他方側に配置されている。１次側回路７１を構成するダイオード７１ａ〜７１ｄは、ｘ軸と平行な列状に配置されている。また、２次側回路７３を構成するダイオード７３ａ〜７３ｆは、ｘ軸と平行な列状に配置されている。
【００５４】
ダイオード７１ａ〜７１ｄ及びダイオード７３ａ〜７３ｆの列と、基板２００の外縁との間には、ＲＣフィルタ７２が配置されている。ＲＣフィルタ７２を構成するコンデンサ７２ａ〜７２ｃ及び抵抗７２ｅ〜７２ｊは、それぞれ一列に並べられている。コンデンサ７２ａ〜７２ｃの列、及び、抵抗７２ｅ〜７２ｊの列は、ダイオード７１ａ〜７１ｄ及びダイオード７３ａ〜７３ｆの列と平行である。
【００５５】
次に、図６を用いてコントローラ１００の制御について説明する。図６は、コントローラ１００によるＰＤＭ制御を説明するための概念図であって、（ａ）はマトリックスコンバータ５０に入力される入力電圧の時間特性を示し、（ｂ）はコントローラ１００で生成されるＰＤＭ信号の時間特性を示し、（ｃ）はマトリックスコンバータ５０の出力電圧の特性を示すグラフである。
【００５６】
コントローラ１００は、ＰＷＭ制御により、インバータ３０のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ８のオンオフを切り替えて、バッテリ１０からインバータ３０に入力される電圧を、高周波の電圧に変換して、トランス４０に出力させる。トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ８を駆動する際には、コントローラ１００は、並列に接続されているトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ８が同時に駆動させる。例えば、トランジスタＴｒ１がターンオンするときには、トランジスタＴｒ２も同時にターンオンする。これにより、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８に流れる電流が分散される。
【００５７】
コントローラ１００はＰＤＭ（パルス密度変調）制御により、マトリックスコンバータ５０のスイッチング素子Ｓを制御している。
【００５８】
インバータ３０から出力され、トランス４０を介してマトリックスコンバータ５０に入力される入力電圧は、図６（ａ）に示すように、高周波の正弦波電圧となる。コントローラ１００は、マトリックスコンバータ５０への入力電圧の半周期を、ＰＤＭ制御の１パルスとして扱って、スイッチング素子Ｓのオン、オフを切り替えているためのスイッチング信号を生成する。この１パルスに相当する時間幅は、マトリックスコンバータ５０の出力の最小単位となり、ＰＷＭ制御は、最小単位の出力パルスの数を調整することで、パルス密度及びパルスの正負で出力電圧の波形を形成している。
【００５９】
ＰＤＭ信号は、パルス密度と対応したデューティをもった矩形波である。ＰＤＭ信号のハイレベルの期間（オン期間）が、パルスの出力期間となる。コントローラ１００は、ＰＤＭ信号を用いて、スイッチング素子Ｓのオン、オフを切り替える。このとき、マトリックスコンバータ５０への入力は単相交流であるため、入力電圧の正負が反転するときに、コントローラ１００は、上下アームのスイッチング素子Ｓのオン、オフを反転させている。そのため、コントローラ１００は、インバータ３０の制御信号（ＰＷＭ制御信号）から、入力電圧の極性を判別し、負の場合には、上下アームのスイッチング信号を入れ替えるように、スイッチング素子Ｓを制御する。
【００６０】
また、入力電圧は正弦波であるため、図６（ａ）に示すように、半周期毎にゼロクロス点が表れる。そして、コントローラ１００は、半周期毎のゼロクロス点に合わせて、スイッチング素子のオン、オフを切り替えている。これにより、スイッチング損失がほぼゼロなり、スイッチング素子Ｓで発生する損失が低減できる。
【００６１】
上記のようなＰＤＭ制御によって、マトリックスコンバータ５０の出力電圧は図６（ｃ）の点線に示すような、入力電圧の周波数よりも低い低周波の波形となる。すなわち、出力させる出力電圧の節の部分では、ＰＤＭ信号のオン期間が短くなり、パルス密度は粗となる。一方、出力させる出力電圧の節と節との間の部分では、ＰＤＭ信号のオン期間が長くなり、パルス密度が密となる。これにより、コントローラ１００は、マトリックスコンバータ５０の入力電圧に対して、マトリックスコンバータ５０から出力されるパルスの密度を調整することで、出力電圧を生成している。
【００６２】
上記のように、本発明の電力変換装置は、インバータ３０の上アームと下アームに、並列接続のスイッチング素子Ｑｕｐ、Ｑｕｎ、Ｑｖｐ、Ｑｖｎ、Ｑｗｐ、Ｑｗｎを接続し（以下パラレル接続とも称す）、双方向にスイッチング可能なスイッチング素子Ｓによりマトリックスコンバータ５０を構成する。
【００６３】
マトリックスコンバータ５０は、スイッチング損失の少ない回路構成であるため、インバータ３０と比較して、スイッチングによる発熱が少ない。一方、インバータ３０は、マトリックスコンバータ５０のようなスイッチング損失の少ない回路構成ではないため、インバータ３０のスイッチング損失による発熱を抑制しなければならない。本例の電力変換装置では、インバータ３０のみ、スイッチング素子Ｑをパラレル接続にして、スイッチング素子Ｑの発熱を抑制している。さらに、本例は、マトリックスコンバータ５０のスイッチング素子Ｓはパラレル接続にしていないため、素子数を抑制しつつ、基板上におけるスイッチング素子Ｓの配置面積も減らしている。その結果として、本例の電力変換装置は、熱分散を最適化できる。
【００６４】
また本発明は、マトリックスコンバータ５０をＰＤＭ制御で制御している。これにより、マトリックスコンバータ５０のスイッチング損失が低減でき、熱分散の最適化を図ることができる。
【００６５】
また本発明は、第１〜第４トランス４０ａ〜４０ｄを基板上で列状に配置している。トランス４０が、複数のトランス４０ａ〜４０ｄで構成されると、トランスの高さが抑制される。そのため、基板上を流れる冷却風が、高さのあるトランス４０によって妨げることがないため、冷却風が流れ易くなる。さらに、複数のトランス４０ａ〜４０ｄが列状に配置されることで、熱源となるインバータ３０のスイッチング素子Ｑと、熱源となるマトリックスコンバータ５０のスイッチング素子Ｓが、トランス４０を境に離れた状態で、基板上に配置できる。これにより、熱源を分散できる。
【００６６】
また本発明は、インバータ３０の複数のスイッチング素子Ｑを、基板上で、複数のトランス４０ａ〜４０ｄの列と平行な列状に配置している。これにより、冷却風が複数のスイッチング素子に対して流れ易くなるため、電力変換装置で発生する熱を抑制できる。
【００６７】
また本発明は、インバータ３０のスイッチング素子Ｑを列状に配置し、列状に並べられたスイッチング素子Ｓの配列方向の下流側に、整流回路２０に含まれる複数のコンデンサ２１ｂ、２１ｃを基板上で並べて配置する。
【００６８】
これにより、スイッチング素子Ｓを流れる冷却風が、冷却風の下流側に配置された回路素子（複数のコンデンサ２１ｂ、２１ｃに相当）により妨げられないため、スイッチング素子Ｓの熱経路を確保できる。その結果として、冷却風を妨げないようなレイアウトを実現できる。
【００６９】
本発明とは異なり、整流回路２０のコンデンサが高さの高い電解コンデンサで構成された場合には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の冷却風を妨げないようにするために、コンデンサをスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８から離れた位置に設けなければならない。一方、本発明では、コンデンサ２１ｂ、２１ｃは高さの低いセラミックコンデンサで構成されているため、コンデンサ２１ｂ、２１ｃをスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の付近に配置することができる。これにより、基板上における素子の配置面積を小さくすることができる。
【００７０】
また本発明は、整流回路６０に含まれるコンデンサ６２ａ〜６２ｆを積層した状態で基板上に配置している。マトリックスコンバータ５０は、スイッチング損失の少ない回路であるため、インバータ３０と比べて熱源になりにくく、基板上２００における２次側のレイアウトは、１次側のように熱経路を確保しなくてもよい。そのため、２次側に配置されるコンデンサ６２ａ〜６２ｆを積層することで、配置面積を減らすことができる。
【００７１】
また本発明は、スナバ回路７０の１次側回路７１を構成するダイオード７１ａ〜７１ｄ及びスナバ回路７０の２次側回路７３を構成するダイオード７３ａ〜７３ｆをそれぞれブリッジ状に接続しつつ、ダイオード７１ａ〜７１ｄの向きを、１次側回路７１の入力からＲＣフィルタ７２に電流を流す向きとし、ダイオード７３ａ〜７３ｆの向きを、２次側回路７３の入力からＲＣフィルタ７２に電流を流す向きとする。
【００７２】
これにより、両方向から入力されるノイズを、ＲＣフィルタ７２の抵抗７２ｄ〜７２ｉで吸収しつつ、またノイズが逆流して、１次側回路７１及び２次側回路７３の入力側から出力することを防ぐ。その結果として、共通したスナバ回路７０で、１次側で発生するノイズと、２次側で発生するノイズとを抑制できる。
【００７３】
また本発明は、１次側回路７１の入力側をインバータ３０とマトリックスコンバータ５０との間に接続する。また本発明はスナバ回路７０をインバータ３０に電気的に接続する。これにより、インバータ３０で発生するノイズが、電力変換装置の外部へ漏洩すること防ぐ。本発明は、２次側回路７３の入力側をマトリックスコンバータ５０に接続する。また本発明はスナバ回路７０をマトリックスコンバータ５０に接続する。これにより、マトリックスコンバータ５０で発生するノイズが、電力変換装置の外部へ漏洩すること防ぐ。
【００７４】
また本発明は、１次側回路７１を、トランス４０とマトリックスコンバータ５０との間に接続している。これにより、基板２００上で、トランス４０の１次側の回路に対して、スナバ回路７０の絶縁性を確保できる。
【００７５】
また本発明は、基板２００上において、トランス４０を境として１次側にインバータ３０を配置し、トランス４０を境として２次側にマトリックスコンバータ５０及びスナバ回路７０を配置している。これにより、スナバ回路７０に接続される配線長を短くすることができる。
【００７６】
なお、本例は、電力変換装置に含まれる回路素子は、図１に示した回路素子に限らず、他の回路素子を含んでいてもよい。そして、本例の電力変換素子に含まれる他の回路素子は、図１に示す回路素子と同様に、基板２００に実装されてもよい。また、電力変換装置に含まれる回路素子のレイアウトは、図２に示したレイアウトに限らず、他のレイアウトでもよい。
【００７７】
なお、コンデンサ２１ｂ、２１ｃは、列状に並べられたスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の配列方向（ｙ軸に沿う方向）の上流側に配置されてもよい。なお、本例ではファン３００を設けたが、ファン３００は必ずしも設ける必要はなく、自然な送風を利用してもよい。
【００７８】
上記のインバータ３０が本発明の「第１変換回路」に相当し、マトリックスコンバータ５０が本発明の「第２変換回路」に相当する。
【符号の説明】
【００７９】
２０…整流回路
２１…ＬＣフィルタ
２１ａ…コイル
２１ｂ、２１ｃ、２２…コンデンサ
３０…インバータ
３１…駆動回路
Ｑ１〜Ｑ８…スイッチング素子
Ｔｒ１〜Ｔｒ８…トランジスタ
Ｄ１〜Ｄ８…ダイオード
４０…トランス
４１ａ〜４１ｄ、４２ａ〜４２ｄ…コイル
５０…マトリックスコンバータ
Ｓｕｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｐ、Ｓｖｎ、Ｓｗｐ、Ｓｗｎ…スイッチング素子
Ｔｒｕｐ１、Ｔｒｕｐ２、Ｔｒｕｎ１、Ｔｒｕｎ２、Ｔｒｖｐ１、Ｔｒｖｐ２、Ｔｒｖｎ１、Ｔｒｖｎ２、Ｔｒｗｐ１、Ｔｒｗｐ２、Ｔｒｗｎ１、Ｔｒｗｎ２…トランジスタ
Ｄｕｐ１、Ｄｕｐ２、Ｄｕｎ１、Ｄｕｎ２、Ｄｖｐ１、Ｄｖｐ２、Ｄｖｎ１、Ｄｖｎ２、Ｄｗｐ１、Ｄｗｐ２、Ｄｗｎ１、Ｄｗｎ２…ダイオード
５１、５２…駆動回路
６０…整流回路
６１ａ〜６１ｃ…コイル
６２ａ〜６２ｆ…コンデンサ
６３ａ〜６３ｃ…抵抗
２００…基板
【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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