(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームと、前記フレームに対向配置した加圧支持板間に複数個の平型半導体素子と冷却フィンとを交互に積層した積層体を配置し、前記積層体に所定の加圧力を与える第１ばねと、
前記第１ばねと前記加圧支持板間に挿入されたばね仕切り板と、
前記ばね仕切り板と前記加圧支持板間に挿入され、当該ばね仕切り板を支える第２ばねと、を備え、
交換対象の前記平型半導体素子に接する前記冷却フィン間を広げたときに、前記広げた距離と対応する距離だけ、前記ばね仕切り板を前記第２ばねに抗して移動させる治具を接続可能なスタック構造を備え、
前記治具は、
交換対象の前記平型半導体素子に接する前記冷却フィン間を広げる第１加圧部と、
前記ばね仕切り板を前記第２ばねに抗して移動させる第２加圧部と、を備え、
前記第２加圧部は、前記第１ばねによる加圧力を一定に保ちつつ、前記ばね仕切り板を移動させることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記第１加圧部と前記第２加圧部は、油圧および／または電磁力を用いて、前記冷却フィン間、および前記ばね仕切り板を移動させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１加圧部と前記第２加圧部は、連結部材により連結されており、
前記冷却フィン間の幅を広げたときに前記連結部材を介して前記ばね仕切り板を移動させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
フレームと、前記フレームに対向配置した加圧支持板間に複数個の平型半導体素子と冷却フィンとを交互に積層した積層体を配置し、前記積層体に所定の加圧力を与える第１ばねを備え、
交換対象の前記平型半導体素子に接する前記冷却フィン間を広げたときに、前記広げた距離と対応する距離だけ、前記複数個の平型半導体素子と冷却フィンとを交互に積層した積層体の少なくとも一部を第２ばねに抗して移動させる治具を接続可能なスタック構造を備え、
前記治具は、
交換対象の前記平型半導体素子に接する前記冷却フィン間を広げる第１加圧部と、
前記第１ばねと前記加圧支持板間に挿入されたばね仕切り板を前記第２ばねに抗して移動させる第２加圧部と、を備え、
前記第２加圧部は、前記第１ばねによる加圧力を一定に保ちつつ、前記ばね仕切り板を移動させることを特徴とする記載の電力変換装置。
【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】
近年、交流を直流にあるいは直流を交流に変換する電力変換装置が多く用いられている。この種の電力変換装置は高電圧の分野にも応用されている。その場合に、例えば、半導体スイッチング素子（Insulated-gate bipolar transistor：ＩＧＢＴなど）を含んだ単位変換器を利用して、この単位変換器を複数直列に接続する。このような構成であればスイッチング素子の耐圧以上の電圧を出力できる。直流送電システム（ＨＶＤＣ）や無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）、モータドライブインバータなどへの応用が期待されている。
【０００３】
このような構成では、例えば、単位変換器を直列に接続しアームとして構成し、さらに、このアームを直列に接続してレグとして構成する。レグにおいてアームの接続点を交流端子とし、一方、レグの他端を直流端子とする。各単位変換器の動作を制御することで、アームに流れる電流を制御して、交流端子と直流端子の間で電力変換を行う。
【０００４】
非特許文献１には、モジュラー・マルチレベルＰＷＭ変換器（Modular Multilevel PMW Converter：ＭＭＣ）が記載されている。
ＭＭＣは、直列（カスケード）接続された１つ又は複数の単位変換器（以下、セルと呼ぶことにする）で構成されたアームをブリッジ状に接続して構成されている。各セルは、例えば双方向チョッパ回路であり、スイッチング素子とコンデンサを備えている。アームのうち半数はＭＭＣの正側直流母線に接続されており、残りの半数はＭＭＣの負側直流母線に接続されている。以下の説明において、正側直流母線に接続されたアームを正側アーム（Ｐ側アーム）、負側直流母線に接続されたアームを負側アーム（Ｎ側アーム）と呼称する。ＭＭＣは、正側アームと、２つのリアクトルと、負側アームの直列回路の並列接続で構成されており、２つのリアクトルの接続点が、ＭＭＣの交流端子となる。
【０００５】
各単位変換器をＰＷＭ（Pulse-Width Modulation）制御している場合、各単位変換器に与えるキャリア波の位相を適切にシフトすることによって、ＭＭＣの出力電圧波形をマルチレベル波形にできる。これによって、２レベル変換器に比較して交流出力の高調波成分を低減することができる。
ここで、変換器を高密度実装するには、多数の単位変換器を一つのスタックに実装することが好ましい。
【０００６】
特許文献１には、圧接型ＩＧＢＴなどの圧接素子を複数個一つのスタックに実装した平型半導体素子用スタックが記載されている。特許文献１に記載の平型半導体素子用スタックは、加圧力を弱めることにより、一つの圧接素子のみを交換する方法を記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４６２０９１０号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】萩原誠・赤木泰文：「モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）のＰＷＭ制御法と動作検証」、電気学会論文誌Ｄ、１２８巻７号、ｐｐ．９５７−９６５。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載の平型半導体素子用スタックでは、圧接素子を交換する際に加圧力を緩めることが前提になっている。しかし、圧接スタックに加圧された冷却フィンや電極などが大型のコンデンサなどに接続されていると、加圧力を緩めた際にバランスを崩して、再加圧したときに、圧接型ＩＧＢＴに圧力が均一に印加されないリスクがある。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、加圧力を緩めずにスタックに組んだまま素子のみを交換することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、フレームと、前記フレームに対向配置した加圧支持板間に複数個の平型半導体素子と冷却フィンとを交互に積層した積層体を配置し、前記積層体に所定の加圧力を与える第１ばねと、前記第１ばねと前記加圧支持板間に挿入されたばね仕切り板と、前記ばね仕切り板と前記加圧支持板間に挿入され、当該ばね仕切り板を支える第２ばねと、を備え、交換対象の前記平型半導体素子に接する前記冷却フィン間を広げたときに、前記広げた距離と対応する距離だけ、前記ばね仕切り板を前記第２ばねに抗して移動させる治具を接続可能なスタック構造を備え、前記治具は、交換対象の前記平型半導体素子に接する前記冷却フィン間を広げる第１加圧部と、前記ばね仕切り板を前記第２ばねに抗して移動させる第２加圧部と、を備え、前記第２加圧部は、前記第１ばねによる加圧力を一定に保ちつつ、前記ばね仕切り板を移動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、加圧力を緩めずにスタックに組んだまま素子を交換することができる電力変換装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の実装構造を示す図である。
【図２】上記第１の実施形態に係る電力変換装置のスタックの特徴部分の構造を示す図である。
【図３】上記第１の実施形態に係る電力変換装置のスタックに接続される油圧加圧装置を示す図である。
【図４】上記第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図５】上記第１の実施形態に係る電力変換装置の単位変換器の構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置のスタックの特徴部分の構造を示す図である。
【図７】上記第２の実施形態に係る電力変換装置の変形例のスタックの特徴部分の構造を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置のスタックの特徴部分の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図４は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１の構成を示す図である。本実施形態の電力変換装置は、モジュラー・マルチレベルＰＷＭ変換器型の電力変換装置に適用した例である。
【００１５】
［電力変換装置の構成］
図４に示すように、電力変換装置１は、カスケード接続した単位変換器２と、制御装置３と、制御装置３からの制御信号を各単位変換器へ伝送する信号線４と、バッファリアクトル５と、を備える。電力変換装置１は、変圧器６を介して交流電力系統７に連系している。
２_U，２_V，２_W，２_u，２_v，２_wは，それぞれ複数の単位変換器２をカスケード状に接続したものであり、これをアームと定義する。上段アームの２_U，２_V，２_Wは、それぞれＵ相正側アーム，Ｖ相正側アーム，Ｗ相正側アームと称する。また、下段アームの２_u，２_v，２_wは、それぞれＵ相負側アーム，Ｖ相負側アーム，Ｗ相負側アームと称する。各上段アーム（Ｕ相正側アーム２_U，Ｖ相正側アーム２_V，Ｗ相正側アーム２_W）と各下段アーム（Ｕ相負側アーム２_u，Ｖ相負側アーム２_v，Ｗ相負側アーム２_w）は、それぞれリアクトル５に接続される。上記各正側アームとリアクトル５の直列体と、上記各負側アームとリアクトル５の直列体との接続点が電力変換装置１の交流出力である。この交流出力と交流電力系統７との間に系統インピーダンス６が接続される。
各アーム２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗ，２_ｕ，２_ｖ，２_ｗはそれぞれ、各アームを構成する単位変換器２の出力電圧の総和の電圧を出力する。
【００１６】
電力変換装置１は、各アーム２_Ｕ，２_Ｖ，２_Ｗ，２_ｕ，２_ｖ，２_ｗの合計電圧を制御することにより、系統７と電力変換装置１の間で電力を授受することができる。また、電力変換装置１は、系統７と同位相で異なる電圧を出力することで、系統７と電力変換装置１の間で電力を授受できる。
一方、２つの電力変換装置１をバック・トゥー・バック（Back to back）で接続することにより、一方の系統７から、２つの電力変換装置１を介して、他方の系統７に有効電力を融通することができる。
なお、図４では、信号線４は、それぞれ３本で示されているが、これは図面描画上の制約であって、実際はセル数分の信号線の数で構成されている。
また、図４では、スイッチング素子にＩＧＢＴの記号を用いているが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）、ＧＣＴ（Ｇate commutated Turn-off Thyristor）、ＧＴＯ（Gate-Turn-Off Thysistor）、その他のオン・オフ制御素子であれば、スイッチング素子として用いることができる。
【００１７】
［単位変換器の構成］
次に、単位変換器２の構成を説明する。
図５は、単位変換器２の構成を示す図である。
図５に示すように、単位変換器２は、圧接型ＩＧＢＴ１１ａと圧接型ＩＧＢＴ１１ｂが直列に接続されたＩＧＢＴレッグと、コンデンサ１２と、自給電源１３と、単位変換器制御回路１４と、ゲートドライバ１５と、出力端子１６ｐ，１６ｎと、を備える。なお、以下の説明において、圧接型ＩＧＢＴ１１ａと圧接型ＩＧＢＴ１１ｂとを区別しない場合は、圧接型ＩＧＢＴ１１と表記する。
単位変換器２は、圧接型ＩＧＢＴ１１ａと圧接型ＩＧＢＴ１１ｂが直列に接続されたＩＧＢＴレッグを有する。圧接型ＩＧＢＴ１１ａと圧接型ＩＧＢＴ１１ｂの直列体であるＩＧＢＴレッグは、コンデンサ１２に接続される。
圧接型ＩＧＢＴ１１ａと圧接型ＩＧＢＴ１１ｂの接続点には、単位変換器２の出力端子１６ｐが接続される。また、圧接型ＩＧＢＴ１１ｂのエミッタには、単位変換器２の出力端子１６ｎが接続される。
【００１８】
各圧接型ＩＧＢＴ１１ａと圧接型ＩＧＢＴ１１ｂは、それぞれ、ゲートドライバ１５によって駆動される。通常、圧接型ＩＧＢＴ１１ａと圧接型ＩＧＢＴ１１ｂとは、相補的に駆動される。本実施形態では、ゲートドライバ１５は、コンデンサ１２に接続された自給電源１３により電源が供給される。ゲートドライバ１５は、単位変換器制御回路１４からゲート信号が供給される。
単位変換器制御回路１４は、中央制御装置（図示省略）から、ゲート信号もしくはゲート信号の算出に用いる信号が供給される。各アーム内の単位変換器２が出力する交流基本波周波数は、大略同じである。ゲートドライバ１５に供給するパルスのタイミングをずらすことにより、各アーム２_U，２_V，２_W，２_u，２_v，２_wは、それぞれ、正弦波や正弦波に直流が重畳した電圧を出力することができる。
【００１９】
［電力変換装置の実装構造］
次に、電力変換装置１の実装構造について説明する。
図１は、本実施形態に係る電力変換装置１の実装構造を示す図である。
図１に示すように、電力変換装置１を実装するためのスタック１００は、２本または４本のスタッドボルトからなるスタックポール１０１と、スタックポール１０１の上部と下部に対向配置された加圧支持板であるスタック板１０２，１０３（加圧支持板）とでフレームを構成する。
スタック１００は、圧接型ＩＧＢＴ１１１〜１１８と、圧接型ＩＧＢＴ１１１〜１１８の冷却および電気的な導通を確保する冷却フィン２０１〜２０１２とを交互に積層して構成する。冷却フィン２０１〜２０１２は、圧接型ＩＧＢＴ１１１〜１１８を冷却するフィンであるとともに、配線基板として端部に電気回路接続端子となる導体２１が接続される。
【００２０】
ここで、圧接型ＩＧＢＴ１１１〜１１８と、冷却フィン２０１〜２０１２と、コンデンサ１２１〜１２４とは、単位変換器２１〜２４を構成する。以下の説明において、圧接型ＩＧＢＴ１１１〜１１８を総称する場合は、圧接型ＩＧＢＴ１１（平型半導体素子）と呼ぶ。同様に、冷却フィン２０１〜２０１２を総称する場合は、冷却フィン２０と呼び、コンデンサ１２１〜１２４を総称する場合は、コンデンサ１２と呼び、各単位変換器２１〜２４を総称する場合は、単位変換器２と呼ぶ。なお、図５の圧接型ＩＧＢＴ１１ａと圧接型ＩＧＢＴ１１ｂは、図１の圧接型ＩＧＢＴ１１１と圧接型ＩＧＢＴ１１２、圧接型ＩＧＢＴ１１３と圧接型ＩＧＢＴ１１４、…、圧接型ＩＧＢＴ１１７と圧接型ＩＧＢＴ１１８に対応する。
【００２１】
スタック１００は、圧接型ＩＧＢＴ１１１〜１１８と冷却フィン２０１〜２０１２とで積層された各単位変換器２１〜２４を絶縁する絶縁物３０１〜３０５と、スタック板１０２と絶縁物３０１との間に配置され、積層された最上位の単位変換器２１の上部を点で支持するボールジョイント１０４と、を備える。また、スタック１００は、スタック板１０３と絶縁物３０５との間に配置された、第１ばね４０と、ばね仕切り板５０と、第２ばね６０と、を備える。
【００２２】
第１ばね４０は、圧接型ＩＧＢＴ１１１〜１１８と冷却フィン２０１〜２０１２とで積層された積層体に一定の加圧力を与える加圧用ばねである。
ばね仕切り板５０は、後記する圧接型ＩＧＢＴ１１の交換時、冷却フィン２０間を広げたときにその分だけ第２ばね６０を押し下げるように移動する。したがって、ばね仕切り板５０から交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１を挟む冷却フィン２０までの距離は、交換時／非交換時時でも変わらない。このため、圧接型ＩＧＢＴ１１１〜１１８と冷却フィン２０１〜２０１２とで積層された積層体を常時、適度な加圧力で加圧することができる。
第２ばね６０は、ばね仕切り板５０を支える。第２ばね６０は、交換時、ばね仕切り板５０によって冷却フィン２０間を広げた分だけ下方に押し下げられる。
【００２３】
本実施形態では、各単位変換器２１〜２４を高密度に実装して、電力変換装置１の体積を小さくする。このために、各単位変換器２１〜２４を構成する各圧接型ＩＧＢＴ１１１〜１１８を１つのスタック１００に実装する。例えば、１つのアームを１つのスタック１００に実装する。なお、１つのアームを構成する単位変換器２の数が多い時には、複数のアームを１つのスタック１００に実装してもよいし、単位変換器２の数が少ないときは、１アームを複数のスタック１００に実装してもよい。
【００２４】
本実施形態では、単位変換器２を構成する全てのＩＧＢＴ１１を１つのスタック１００に実装した。スタック１００には、４段分の単位変換器２１〜２４の圧接型ＩＧＢＴ１１１〜１１８が実装され、各単位変換器２１〜２４は絶縁物３０１〜３０５により絶縁される。
【００２５】
スタック１００は、圧接型ＩＧＢＴ１１１〜１１８やその冷却と電気的な導通を確保する冷却フィン２０１〜２０１２、スタックポール１０１、スタック板１０２，１０３、ボールジョイント１０４、第１ばね４０、ばね仕切り板５０、および第２ばね６０から構成される。４本のスタックポール１０１は、上下に設置したスタック板１０２，１０３を支持・固定する。
【００２６】
ばね仕切り板５０の上に、第１ばね４０を実装し、さらにその上に、各単位変換器２１〜２４を構成する圧接型ＩＧＢＴ１１１〜１１８や冷却フィン２０１〜２０１２、各単位変換器１１１〜１１８を絶縁する絶縁物３０２〜３０５、単位変換器２１とスタック板１０２を絶縁する絶縁物３０１、および中心点で加圧するためのボールジョイント１０４を積層する。実装後に、第１ばね４０を縮めた状態にすることにより、各圧接型ＩＧＢＴ１１１〜１１８に適度な加圧力を与えることができる。
スタック１００は、第１ばね４０とスタック板１０３（加圧支持板）間に挿入されたばね仕切り板５０を有し、ばね仕切り板５０は、スタック板１０３との間に介挿された第２ばね６０で支えられる。
【００２７】
なお、前記のように、１つのアームを構成する単位変換器２の数が多い時には複数のアームを１つのスタックに実装してもよいし、反対に、単位変換器２の数が少ないときは、１アームを複数のスタックに実装してもよい。
本実施形態では、前記のように、アームを構成する全てのＩＧＢＴ１１を一つのスタック１００に実装した。本スタック１００には、４段分の単位変換器２の圧接型ＩＧＢＴ１１が実装され、それぞれの単位変換器２は絶縁物３０により絶縁される。
【００２８】
［単位変換器の実装構造］
単位変換器２の実装構造を説明する。
単位変換器２を構成する２つの圧接型ＩＧＢＴ１１は、それぞれ両面から冷却フィン２０に挟まれてスタック１００に実装されている。例えば、単位変換器２１は、圧接型ＩＧＢＴ１１１，１１２と冷却フィン２０１〜２０３とが交互に積層して構成される。
各単位変換器２１〜２４の最上段と最下段の冷却フィン２０１と２０３，２０４と２０６，２０７と２０９，２０１０と２０１２はそれぞれ、コンデンサ１２１〜１２４のｐ端子１２ｐ，ｎ端子１２ｎに電気的に接続される。
【００２９】
各単位変換器２１〜２４の最下段の冷却フィン２０３，２０６，２０９，２０１２は、各単位変換器２１〜２４を構成する圧接型ＩＧＢＴ１１に挟まれた冷却フィン２０に接続される。例えば、自単位変換器２が単位変換器２２である場合、圧接型ＩＧＢＴ１１１３，１１４に挟まれた冷却フィン２０５は、単位変換器２２より上段の単位変換器２１の最も下段、すなわち電位の低い冷却フィン２０３に電気的に接続される。自単位変換器２が最も高い電位の単位変換器２１であれば、冷却フィン２０１は、アームの最も高電位端子となる。また、自単位変換器２が最も電位の低い単位変換器２４であれば、その下段の冷却フィン２０１２は、単位変換器２４の最も低い電位が接続される。また、冷却フィン２０２，２０１２には、外部への電気回路接続端子となる導体２１が接続される。
【００３０】
［スタックの構造］
図２は、本実施形態に係る電力変換装置１のスタック１００の特徴部分の構造を示す図である。
図２に示すように、スタック１００は、油圧加圧装置２００（治具）を接続することができる。
油圧加圧装置２００は、第１加圧部２１０と、第２加圧部２２０と、第１加圧部２１０と第２加圧部２２０とを接続する油パイプ２３０と、を備える。
第１加圧部２１０は、交換時、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１を挟む冷却フィン２０間の左右両端に接続し、油圧により当該冷却フィン２０間の距離を変える油圧ジャッキである。
第２加圧部２２０は、交換時、ばね仕切り板５０とスタック板１０３間の左右両端に接続し、第１加圧部２１０の油圧動作に連動して油圧によりばね仕切り板５０とスタック板１０３間の距離を変える油圧ジャッキである。
油パイプ２３０は、第１加圧部２１０と第２加圧部２２０とを油圧により接続する。
第１加圧部２１０と第２加圧部２２０とは、油パイプ２３０を連通する油圧で繋がっており、第１加圧部２１０が該当冷却フィン２０間の間隔を広げると、第２加圧部２００がばね仕切り板５０とスタック板１０３の間隔をその分縮める。
【００３１】
第１加圧部２１０は、前記のように、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１を挟む冷却フィン２０の左右両端側から差し込まれて設置される。第１加圧部２１０は、圧接型ＩＧＢＴ１１の交換時、冷却フィン２０間を上下方向に押し広げる。図２の場合、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１４に対し、圧接型ＩＧＢＴ１１４を挟む冷却フィン２０５，２０６の左右両端側から差し込み、この冷却フィン２０５と２０６間を上下方向に広げる。
第２加圧部２２０は、前記のように、ばね仕切り板５０とスタック板１０３の左右両端側から差し込まれて設置される。第２加圧部２２０は、このばね仕切り板５０とスタック板１０３間を上下方向に押し縮める。
なお、本実施形態では、油圧加圧装置２００は、一対の第１加圧部２１０、第２加圧部２２０、および油パイプ２３０を備える構成を示したが、それぞれ、片側の１つでもよい。
【００３２】
［油圧加圧装置の構成］
図３は、スタック１００に接続される油圧加圧装置２００を示す図である。
図３に示すように、油圧加圧装置２００の第１加圧部２１０は、載置台２１１と、載置台２１１に立設された支柱部２１２と、支柱部２１２から載置台２１１上に対向するように延出して、油圧により上下移動するジャッキ部２１３と、を備える。
載置台２１１は、交換時、先端部２１１ａが一方の冷却フィン２０の端部の上面２０ａ（図２参照）上に差し込まれ、当該端面２０ａ（図２参照）に載せられる。
支柱部２１２は、ジャッキ部２１３を上下動可能に支持するとともに、油圧によりジャッキ部２１３を移動させる油圧機構（図示省略）を有する。この油圧機構は、第２加圧部２２０の油圧機構（図示省略）と油パイプ２３０により接続されている。
ジャッキ部２１３は、交換時、先端部２１３ａがばね仕切り板５０の端部の上面５０ａ（図２参照）に接するように差し込まれる。なお、先端部２１３ａにはテーパ２１３ｂが形成されており、テーパ２１３ｂは先端部２１３ａを差し込む際の位置決めを容易にするとともに、圧接型ＩＧＢＴ１１の放熱フィンへの当接を未然に防がれる。
【００３３】
また、油圧加圧装置２００の第２加圧部２２０は、載置台２２１と、載置台２２１に立設された支柱部２２２と、支柱部２２２から載置台２２１上に対向するように延出して、油圧により上下移動するジャッキ部２２３と、を備える。
載置台２２１は、交換時、スタック板１０３（図２参照）上に載せられる。
支柱部２２２は、ジャッキ部２２３を上下動可能に支持するとともに、油圧によりジャッキ部２２３を移動させる油圧機構（図示省略）を有する。
ジャッキ部２２３は、交換時、先端部２２３ａが対向する他方の冷却フィン２０の端部の背面２０ｂ（図２参照）に接するように差し込まれる。なお、先端部２２３ａにはテーパ２２３ｂが形成されており、第１ばね４０への当接を未然に防がれる。
【００３４】
以下、上述のように構成されたスタック１００の圧接型ＩＧＢＴ１１の交換動作について説明する。
スタック１００に実装された圧接型ＩＧＢＴ１１のうち、一つの圧接型ＩＧＢＴが故障したとする。圧型ＩＧＢＴ１１は、故障時には、通常短絡になり、電流経路が確保されるため、そのまま運転継続できる。しかし、出力できる最大電圧が低下するので、故障した圧接型ＩＧＢＴ１１を健全な圧接型ＩＧＢＴに交換したい要請がある。
【００３５】
特許文献１に記載の圧接スタックは、圧接型ＩＧＢＴを交換するには、各圧接型ＩＧＢＴに印加する加圧力を緩めた後に、故障した圧接型ＩＧＢＴを交換する必要があった。しかし、ＭＭＣ方式の電力変換装置においては、この圧接スタックを構成する冷却フィンは大型のコンデンサに接続されている。このため、加圧力を緩めてしまうと、バランスが崩れて、再加圧するときに圧接型ＩＧＢＴを均等加圧に失敗する可能性がある。このようなアンバランスを防止するには、圧接スタックの加圧力を緩めることなく、圧接型ＩＧＢＴを取り出す必要がある。そのため、冷却フィンの間隔を広げると他の圧接型ＩＧＢＴに過剰な圧力が加わってしまう。
【００３６】
そこで、本実施形態では、スタック１００を構成する圧接型ＩＧＢＴ１１を取り出すために冷却フィン２０間を広げるときに、冷却フィン２０間の間隔を広げた分、ばね仕切り板５０を第２ばね６０の反発力に抗して押し下げる。この構成を採ることにより、前記間隔を広げるために移動した冷却フィン２０とばね仕切り板５０との間の距離は変わらない。このため、第１ばね４０の加圧力も一定であり、他の圧接型ＩＧＢＴ１１に印加される圧力を一定に保つことを特徴とする。
【００３７】
再び図２を参照して、スタック１００を構成する圧接型ＩＧＢＴ１１の交換を具体的に説明する。
圧接型ＩＧＢＴ１１のスタック１００は、交換しようとする圧接型ＩＧＢＴ１１の位置に、油圧加圧装置２００を接続することができる。図２では、圧接型ＩＧＢＴ１１４を交換する場合を例に採る。圧接型ＩＧＢＴ１１４は、冷却フィン２０５と冷却フィン２０６間に挟まれている。
交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１４を取り出して交換するために、油圧加圧装置２００を用いて、冷却フィン２０５と冷却フィン２０６間を広げるものである。以下説明する。
【００３８】
<第１加圧部２１０および第２加圧部２２０の接続>
図２に示すように、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１４に対し、この圧接型ＩＧＢＴ１１４を挟む冷却フィン２０５，２０６の端側から、第１加圧部２１０の載置台２１１の先端およびジャッキ部２１３の先端部２１３ａ（図３参照）を差し込む。これにより、載置台２１１の先端の底面は、冷却フィン２０６の上面２０ａに差し込まれ、ジャッキ部２１３の先端部２１３ａの上面は、冷却フィン２０５の裏面２０ｂに差し込まれる。
一方、第２加圧部２２０の載置台２２１をスタック板１０３上に載置するとともに、ジャッキ部２１３の先端部２１３ａ（図３参照）をばね仕切り板５０の上面に差し込む。これにより、第２加圧部２２０は、スタック板１０３上に載置され、ジャッキ部２１３の先端部２１３ａの裏面は、ばね仕切り板５０の上面に差し込まれる。
なお、上述した第１加圧部２１０および第２加圧部２２０の接続は、他方の側面からも同様に行われる。
【００３９】
このように、第２加圧部２２０は、ばね仕切り板５０とスタック板１０３の端側から第１加圧部２１０の載置台２１１の先端およびジャッキ部２１３の先端部２１３ａ（図３参照）を差し込む。これにより、載置台２１１の先端の底面は、冷却フィン２０６の上面２０ａに差し込まれ、ジャッキ部２１３の先端部２１３ａの上面は、冷却フィン２０５の裏面２０ｂに差し込まれる。
以上により、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１４を挟む冷却フィン２０５，２０６へ、第１加圧部２１０が接続され、ばね仕切り板５０の上面に第２加圧部２２０が接続された。
【００４０】
<油圧加圧装置２００による加圧>
第１加圧部２１０および第２加圧部２２０の油圧機構（図示省略）を手動または電動により動作させる。第１加圧部２１０と第２加圧部２２０は、油パイプ２３０で接続されている。このため、一方の加圧部への加圧動作は他方の加圧部に連動する。例えば、第１加圧部２１０を動作させると、第２加圧部２２０も連動して動作する。この場合、第１加圧部２１０のジャッキ部２１３が、載置台２１１に対して上方向に移動し、これに伴い、第２加圧部２２０のジャッキ部２２３も連動して、ばね仕切り板５０を下方向に移動させる。第１加圧部２１０は、冷却フィン２０５と冷却フィン２０６間を広げ、第２加圧部２２０は、ばね仕切り板５０とスタック板１０３間を上下方向に押し縮めることになる。
【００４１】
ここで、冷却フィン２０５と冷却フィン２０６間の間隔を広げた分（距離）、ばね仕切り板５０とスタック板１０３間の距離を縮める。冷却フィン２０５と冷却フィン２０６間の間隔を広げた分、ばね仕切り板５０とスタック板１０３間の距離を縮めるので、ばね仕切り板５０から冷却フィン２０５までの距離は、当該交換動作の前後において一定である。このため、第１ばね４０の加圧力も一定となり、他の圧接型ＩＧＢＴ１１に印加される圧力を一定に保つことができる。
【００４２】
<圧接型ＩＧＢＴの交換>
冷却フィン２０５と冷却フィン２０６間の間隔を広げているときに、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１４を取り出して健全な圧接型ＩＧＢＴと交換する。
【００４３】
<油圧加圧装置２００による加圧停止>
第１加圧部２１０および第２加圧部２２０の油圧機構（図示省略）の動作を停止する。第１加圧部２１０のジャッキ部２１３は、載置台２１１方向に移動し、第２加圧部２２０のジャッキ部２２３は、ばね仕切り板５０を上方向に移動する。
その後、冷却フィン２０５，２０６の間に差し込んだ第１加圧部２１０を取り外すとともに、ばね仕切り板５０とスタック板１０３の間に差し込んだ第２加圧部２２０を取り外すことで、圧接型ＩＧＢＴの交換が完了する。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態の電力変換装置１は、対向配置したスタック板１０２，１０３間に複数個の圧接型ＩＧＢＴ１１と冷却フィン２０とを交互に積層した積層体を配置し、積層体に所定の加圧力を与える第１ばね４０と、第１ばね４０とスタック板１０３間に挿入されたばね仕切り板５０と、ばね仕切り板５０とスタック板１０３間に挿入され、ばね仕切り板５０を支える第２ばね６０と、を備える。電力変換装置１を実装するためのスタック１００は、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１に接する冷却フィン２０間を広げたときに、広げた距離と同じ距離だけ、ばね仕切り板５０を第２ばね６０に抗して移動させる油圧加圧装置２００を接続することができる。油圧加圧装置２００を接続することができるのは、ばね仕切り板５０と第２ばね６０とを備える構成を採り、かつ、冷却フィン２０間に第１加圧部２１０を取付けることができるからである。
【００４５】
このように、油圧加圧装置２００の一方の第１加圧部２１０を交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１に接する冷却フィン２０に接続し、他方の第２加圧部２２０をばね仕切り板５０とスタック板１０３の間に設置する。第１加圧部２１０と第２加圧部２２０は油パイプ２３０で接続されており、第１加圧部２１０を広げた分だけ、第２加圧部２２０を狭める機構を有する。すなわち、ある圧接型ＩＧＢＴ１１を取り出すために、第１加圧部２１０を広げて、冷却フィン２０間の間隔を広げると、第２加圧部２２０の第２加圧部２２０の幅が狭くなり、ばね仕切り板５０とスタック板１０３の間隔がその分縮まる。したがって、第１ばね４０の長さは一定に保たれるので、他の圧接型ＩＧＢＴ１１に印加される圧力を一定に保つことができる。
これにより、交換対象以外の圧接型ＩＧＢＴ１１の加圧力を維持したまま、任意の圧接型ＩＧＢＴ１１を交換することができる。
なお、油圧加圧装置２００はスタック１００に設置されていても、着脱できてもどちらでもよい。
【００４６】
（第２の実施形態）
第１の実施形態は、油圧加圧装置２００を用いて冷却フィン２０の間隔を広げている。第２の実施形態では、電気加圧装置３００を用いて冷却フィンの間隔を広げる例である。
図６は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置のスタック１００の特徴部分の構造を示す図である。図２と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図６に示すように、スタック１００は、電気加圧装置３００（治具）を接続することができる。
電気加圧装置３００は、電磁力を用いて加圧する第１加圧部３１０と、電磁力を用いて加圧する第２加圧部３２０と、第１加圧部３１０と第２加圧部３２０を駆動制御する駆動信号を出力するコントローラ３３０と、を備える。
第１加圧部３１０は、ソレノイドやモータ（図示省略）を備え、電磁力を用いてソレノイドやモータを駆動する。第２加圧部３１０は、載置台３１１と、載置台３１１に立設された支柱部３１２と、支柱部３１２から載置台３１１上に対向するように延出して、電磁力により上下移動するジャッキ部３１３と、を備える。第１加圧部３１０は、交換時、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１を挟む冷却フィン２０間に接続し、電磁力を用いて当該冷却フィン２０間の距離を変える。
【００４７】
第２加圧部３２０は、ソレノイドやモータ（図示省略）を備え、電磁力を用いてソレノイドやモータを駆動する。第２加圧部３２０は、載置台３２１と、載置台３２１に立設された支柱部３２２と、支柱部３２２から載置台３２１上に対向するように延出して、電磁力により上下移動するジャッキ部３２３と、を備える。第２加圧部３２０は、交換時、ばね仕切り板５０とスタック板１０３間に接続し、電磁力を用いてばね仕切り板５０とスタック板１０３間の距離を変える。
コントローラ３３０は、第１加圧部３１０と第２加圧部３２０のジャッキ部３１３，３２３を駆動する駆動信号を出力する。
【００４８】
以下、上述のように構成されたスタック１００の圧接型ＩＧＢＴ１１の交換動作について説明する。
本実施形態は、図２の油圧加圧装置２００が電気加圧装置３００に変更された点が異なる。基本的動作は、第１の実施形態と同様である。
本実施形態では、電気加圧装置３００の電磁力を用いて加圧力を得る。
電気加圧装置３００の第１加圧部３１０を取り出したい圧接型ＩＧＢＴ１１に接する冷却フィン２０に接続する。そして、第２加圧部３２０をばね仕切り板５０とスタック板１０３の間に設置する。図６では、第１加圧部３１０を、圧接型ＩＧＢＴ１１４に接する冷却フィン２０５，２０６間に接続する。そして、第２加圧部３２０をばね仕切り板５０とスタック板１０３の間に設置する。
第１加圧部３１０と第２加圧部３２０は、コントローラ３３０により駆動制御される。換言すれば、第１加圧部３１０と第２加圧部３２０は、コントローラ３３０を介して電気的に接続されている。
【００４９】
コントローラ３３０は、第１加圧部３１０のジャッキ部３１３を広げた分だけ、第２加圧部３２０のジャッキ部３２３を狭めるよう電気的に制御する。すなわち、本実施形態では、第１の実施形態のように、第１加圧部３１０が加圧により冷却フィン２０５，２０６間を広げると、広げた分だけ、第２加圧部３２０が、ばね仕切り板５０とスタック板１０３の間を縮める。したがって、ばね仕切り板５０から冷却フィン２０５までの距離は、当該交換動作の前後において一定であり、第１ばね４０の長さは一定に保たれるので、他の圧接型ＩＧＢＴ１１に印加される圧力を一定に保つことができる。
すなわち、交換対象以外の圧接型ＩＧＢＴ１１の加圧力を維持したまま、任意の圧接型ＩＧＢＴ１１を交換することができる。
なお、電気加圧装置２００はスタック１００に設置されていても、着脱できてもどちらでもよい。
【００５０】
［変形例］
図７は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の変形例のスタック１００の特徴部分の構造を示す図である。図６と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図７の変形例に係るスタック１００は、電気加圧装置４００（治具）を接続することができる。
図７に示すように、電気加圧装置４００は、
電磁力を用いて加圧する第１加圧部３１０と、電磁力を用いて加圧する第２加圧部４２０と、第１加圧部３１０と第２加圧部４２０を駆動制御する駆動信号を出力するコントローラ４３０と、を備える。
本変形例では、第２加圧部３２０（図６参照）に代えて第２加圧部４２０を用いる。
第２加圧部４２０は、コントローラ４３０からの指令を受けて駆動するトルクモータ等のモータ４２１と、モータ４２１の駆動力により回転するボルト４２２と、を備える。ボルト４２２は、ばね仕切り板５０を貫通してスタック板１０３に螺設されたネジ溝にねじ込まれる。
【００５１】
交換時、コントローラ４３０は、モータ４２１を駆動してボルト４２２を回転させる。これに伴い、スタック板１０３に対してばね仕切り板５０を移動させ、ばね仕切り板５０とスタック板１０３の間を縮める。上述したように、第１ばね４０の長さは一定に保たれるので、他の圧接型ＩＧＢＴ１１に印加される圧力を一定に保つことができる。
なお、第１の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせて、一方の加圧部を油圧により駆動して、他方の加圧部を電気的に駆動する構成でもよい。
【００５２】
（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置のスタック１００の特徴部分の構造を示す図である。図２と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図８に示すように、スタック１００は、加圧治具５００（治具）を接続することができる。
加圧治具５００は、加圧治具通しボルト５０１と、フィン・仕切り板加圧部５０２と、加圧防止治具５０３と、を備える。
加圧治具通しボルト５０１は、スタック板１０２とスタック板１０３とを連結するスタッドボルトであり、このネジ溝にはフィン・仕切り板加圧部５０２のフィン加圧部５０２１および仕切り板加圧部５０２２（後記）がねじ込まれている。
フィン・仕切り板加圧部５０２は、フィン加圧部５０２１と、仕切り板加圧部５０２２と、連結部５０２３と、を備える。
【００５３】
フィン加圧部５０２１は、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１を挟む冷却フィン２０のうち、下側の冷却フィン２０の上面２０ａ上に差し込んで下方に加圧する。図８では、フィン加圧部５０２１は、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１２を挟む冷却フィン２０２，２０３のうち、下側の冷却フィン２０３の上面２０ａに差し込まれる。
仕切り板加圧部５０２２は、ばね仕切り板５０上に差し込んで下方に加圧する。図８では、フィン加圧部５０２１は、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１２を挟む冷却フィン２０２，２０３のうち、下側の冷却フィン２０３の上面２０ａに差し込まれる。
連結部５０２３は、フィン加圧部５０２１と仕切り板加圧部５０２２とを一定の間隔に保って連結する。フィン加圧部５０２１、仕切り板加圧部５０２２、および連結部５０２３は、側面視してコの字形状の一体構成であり、フィン加圧部５０２１と仕切り板加圧部５０２２の移動量は同一である。
加圧防止治具５０３は、固定部５０３１と、押さえ部５０３２と、を備える。加圧防止治具５０３は、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１を挟む冷却フィン２０のうち、上側の冷却フィン２０（ここでは冷却フィン２０２）の上面２０ａ上に押さえ部５０３２を当接させて、交換時、上側の冷却フィン２０が移動することが無いよう一時的に固定する。
【００５４】
以上の構成において、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１のばね仕切り板５０側の冷却フィン２０３、ばね仕切り板５０にフィン・仕切り板加圧部５０２のフィン加圧部５０２１と仕切り板加圧部５０２２とを取付ける。また、他方の冷却フィン２０２に加圧防止治具５０３を接続する。
ここで、フィン・仕切り板加圧部５０２は、加圧治具通しボルト５０１を回転することにより、上下方向に移動する。
【００５５】
すなわち、加圧治具通しボルト５０１を回転させて、フィン・仕切り板加圧部５０２を下方向に移動させると、他方の冷却フィン２０２は固定部５０３１および押さえ部５０３２により固定されているため、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１２に接触していた冷却フィン２０２，２０３間の幅が広がり、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１２を取り出すことができる。一方、交換対象の圧接型ＩＧＢＴ１１より上部に実装されていた圧接型ＩＧＢＴ１１２に対しては、加圧防止治具５０３により過剰な圧力は印加されない。交換対象より下の圧接型ＩＧＢＴ１１に関しては、ばね仕切り板５０が下方に移動して、第１ばね４０の厚さが変わらないので、一定の圧力が印加されたままとなる。したがって、他の圧接型ＩＧＢＴ１１に過剰な圧力を印加することなく、任意の圧接型ＩＧＢＴ１１を交換することができる。
【００５６】
本実施形態では、固形治具である加圧治具５００を用いて、冷却フィン２０を広げる力を直接ばね仕切り板５０に伝達し、冷却フィン間の幅を広げた分だけ、ばね仕切り板５０の位置を移動させる。
【００５７】
本発明は上記の実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
例えば、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態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。
【００５８】
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１  電力変換装置
２，２１〜２４  単位変換器
１１，１１１〜１１８  圧接型ＩＧＢＴ（平型半導体素子）
１２，１２１〜１２４  コンデンサ
２０，２０１〜２０１２  冷却フィン
２１  導体
３０，３０１〜３０５  絶縁物
４０  第１ばね
５０  ばね仕切り板
６０  第２ばね
１００  スタック
１０１  スタックポール（フレーム）
１０２，１０３  スタック板（加圧支持板）
１０４  ボールジョイント
２００  油圧加圧装置（治具）
２１０，３１０  第１加圧部
２２０，３２０  第２加圧部
２３０  油パイプ
２１０，３１０  第１加圧部
２１１，２２１，３１１，３２１  載置台
２１２，２２２，３１２，３２２  支柱部
２１３，２２３，３１３，３２３  ジャッキ部
２２０，３２０，４２０  第２加圧部
３００，４００  電気加圧装置（治具）
３３０，４３０  コントローラ
５００  加圧治具（治具）
５０１  加圧治具通しボルト
５０２  フィン・仕切り板加圧部
５０３  加圧防止治具
５０２１  フィン加圧部
５０２２  仕切り板加圧部
５０２３  連結部
５０３１  固定部
５０３２  押さえ部
【図１】
0006491528.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0006491528.tif 000006
【図６】
0006491528.tif 000007
【図７】
0006491528.tif 000008
【図８】
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