(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ入力直列、ＤＣ出力並列型のマルチセルコンバータ構成による直流電源装置において、
電位の同じＤＣ／ＤＣ変換回路を実装する２次側は、共通化したプリント板内で配線し、電位の異なるＡＣ／ＤＣ変換回路を実装する１次側は、前記ＡＣ入力直列の数に応じたプリント板に分割したうえで個々のプリント板内で配線するようにして、回路電位に合わせてプリント板構造を最適化したことを特徴とする直流電源装置。
【請求項２】
請求項１記載の直流電源装置において、
前記共通化した２次側のプリント板に搭載される高周波トランスの１次巻線を基板と絶縁した構造にしたことを特徴とする直流電源装置。
【請求項３】
請求項２記載の直流電源装置において、
前記絶縁した構造は、前記１次巻線を樹脂でモールドすることで行うことを特徴とする直流電源装置。
【請求項４】
請求項１記載の直流電源装置において、
前記１次側のプリント板に実装されるデバイスを樹脂で部分モールドまたは全体モールドすることを特徴とする直流電源装置。
【請求項５】
請求項１、２及び４のいずれか１項に記載の直流電源装置において、
前記１次側のプリント板に実装される半導体デバイスの一部または全部をワイドバンドギャップ半導体デバイスとしたことを特徴とする直流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１次側及び２次側で基板を分割し、２次側は実装する回路電位に合わせてプリント板を共通化するマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、マルチセルコンバータの回路方式を採用した、データセンター向けの電力分配システムが記載されている。すなわち、特許文献１の図２には、コンバータ装置３が３つの単相コンバータユニット２１で構成され、さらに各コンバータユニット２１が複数のコンバータセル２２から成り、コンバータセル２２が、ＡＣ／ＤＣコンバータステージ２３とそれに続くＤＣ／ＤＣコンバータステージ２４とを有する、ことが記載されている。
【０００３】
また下記特許文献２には、双方向のマルチレベルＡＣ−ＤＣコンバータ装置が記載されている。すなわち、特許文献２の図１Ａには、少なくとも１つのコンバータフェースユニット２ａを含むコンバータ装置が記載されている。
【０００４】
コンバータフェースユニット２ａは、高電圧直流電圧(HVDC)として用いられる伝送線(DC1,DC2)を一つの交流線AC1に接続するために用いられる。
そしてコンバータフェースユニット２ａは相互接続されるコンバータセクションモジュール(４1,４２,・・・,４ｎ)を含む。
【０００５】
各コンバータセクションモジュール(４1,４２,・・・,４ｎ)は、ＤＣ／ＤＣコンバータユニット６と、ＤＣリンク１０によってＤＣ／ＡＣコンバータユニットに接続されるＤＣ／ＡＣコンバータユニット８とからなる。ＤＣ／ＡＣコンバータユニット(８1,８２,・・・,８ｎ)は、相互に直列接続され、カスケードモードで動作する。
【０００６】
一方、コンバータセクションモジュールのＤＣ／ＤＣコンバータユニット(６1,６２,・・・,６ｎ)は、直列または並列に相互接続される、ことが記載されている。
しかし上記した特許文献１および２には、マルチセルコンバータの構造的な具体例はいっさい開示されていない。
【０００７】
下記非特許文献１に示される直流電源装置は、ＡＣ入力直列／ＤＣ出力並列型のマルチセルコンバータ方式の構成を採用することにより、直流電源装置を実現している。即ち、
図７は、下記非特許文献１に開示されている、従来例に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の構成を示す図である。図７においては、コンバータセル単位（ＡＣ／ＤＣ変換，絶縁ＤＣ／ＤＣ変換それぞれの回路、構造的なペアが１：１）でプリント板に実装する例を示すものであり、図７（ａ）に示すように、コンバータセル単位を、ＡＣ入力直列、ＤＣ出力並列に複数つなぎ合わせて直流電源装置を構成している。
【０００８】
図７（ｂ）は、図７（ａ）に示されたコンバータセル内部のＡＣ／ＤＣ変換部の回路構成例を示すもので、入力されたＡＣを４つの半導体スイッチング素子を介して整流して直流に変換する。変換された直流は、直流中間コンデンサに保持される。なおこの構成自体は当業者に周知なのでこれ以上の説明を割愛する。
【０００９】
図７（ｃ）は、図７（ａ）に示されたコンバータセル内部のＤＣ／ＤＣ変換部の回路構成例を示すもので、直流中間コンデンサから入力されたＤＣを４つの半導体スイッチング素子を不図示の制御装置によりスイッチング制御してＡＣ変換し、高周波トランスで１次-２次間を絶縁したうえで２次側に結合し、２次側に設けた４つの半導体スイッチング素子を不図示の制御装置によりスイッチング制御してＤＣに変換して出力として取り出す。この構成自体は当業者に周知なのでこれ以上の説明を割愛する。
【００１０】
図８は、下記非特許文献１に開示されている、従来のプリント板構造の例を示す図である。図８においては、プリント板（例．Control board ;Power board）にコンバータセル（ＡＣ／ＤＣ変換回路、絶縁ＤＣ／ＤＣ変換回路）を単位実装する具体例を示すものである。すなわち、
図８の左部は、同右部に示された１つのコンバータセル単位の構造を具体的に示したもので、制御ボードを下層におき、その上にパワーボードをおき、該パワーボード上にトランス等を実装していることが読み取れる。
【００１１】
なお、図８の右部に示されているように、各セル間接続にはコネクタ（不図示）で接続されるようになっている。これについては図９で説明する。
上記において、非特許文献１に示された直流電源装置は、ＡＣ２００Ｖ系の低圧を対象としたものであり、それより高い、例えばＡＣ３３００Ｖ等の高圧に関しては何も言及していない。
【００１２】
図９は、従来のコンバータセル単位でのプリント板実装における各セル間の配置及び接続例を示す図である。
図９に示すように、ＤＣ出力はバスバーなどに各コンバータセルからコネクタを介してケーブル接続され、また制御信号は制御装置からコネクタ付きケーブルを介してコンバータセル間を直列接続している。
【００１３】
また各コンバータセル間は電位が異なるため、所定の絶縁距離を設けて配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】WO2014/026840A2（FIG.2）
【特許文献２】EP2290799A1（FIG.1A）
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Matthias Kasper，外,「Hardware Verification of a Hyper-Efficient (98%) and Super-Compact (2.2kW/dm3) Isolated AC/DC Telecom Power Supply Module based on Multi-Cell Converter Approach」,“APEC 2015”,P65-P71
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記した従来例のプリント板構造では、図８や図９に示されるような構造を採っているため、以下の課題があった。
すなわち、２次側のＤＣ出力をバスバー等に結合するために、コネクタ接続やケーブル接続を採用する必要があり、接続のために格別のインターフェースが必要であった。
【００１７】
またコネクタ接続不良やケーブル断線などの発生で信頼性が低下しないように、対策をあらかじめ採る必要があり、そのため高コストになっていた。
さらに、絶縁距離を各セル間であらかじめ採る必要から装置が大型化していた。
【００１８】
本発明の目的は、１次側及び２次側で基板を分割し、２次側は、実装する回路電位に合わせてプリント板を共通化することで、高信頼性を保ちつつ、小型化、低コスト化を実現するマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の課題を解決するために本発明は、ＡＣ入力直列、ＤＣ出力並列型のマルチセルコンバータ構成による直流電源装置において、
電位の同じＤＣ／ＤＣ変換回路を実装する２次側は、共通化したプリント板内で配線し、電位の異なるＡＣ／ＤＣ変換回路を実装する１次側は、前記ＡＣ入力直列の数に応じたプリント板に分割したうえで個々のプリント板内で配線するようにして、回路電位に合わせてプリント板構造を最適化したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の構成によれば、コンバータセル単位（ＡＣ／ＤＣ変換,絶縁ＤＣ／ＤＣ変換それぞれの回路、構造的なペアを１:１）で分けていた従来のプリント板構造を回路電位に合わせて最適化したので、コンバータセル間の配線や基板間のデッドスペースが削減されることになるため、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００２１】
また本発明の構成によれば、コネクタや配線数が減るため、信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態１に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態２に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の構成例（その１）を示す図である。
【図３】本発明の実施形態２に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の構成例（その２）を示す図である。
【図４】本発明の実施形態３に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態４に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の構成(回路構成)を示す図である。
【図６】本発明の実施形態５に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の構成を示す図である。
【図７】非特許文献１に開示されている、従来例に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の構成を示す図である。
【図８】非特許文献１に開示されている、従来のプリント板構造を示す図である。
【図９】従来のコンバータセル単位でのプリント板実装における各セル間の配置及び接続例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の構成を示す図である。
【００２４】
図１において、本発明の実施形態１に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置は、ＡＣ入力直列、ＤＣ出力並列型のマルチセルコンバータ方式を採っている。
そのうえで、電位の同じＤＣ／ＤＣ変換回路を実装する２次側は、共通化したプリント板内で配線し、電位の異なるＡＣ／ＤＣ変換回路を実装する１次側は、ＡＣ入力直列の数に応じたプリント板に分割したうえで個々のプリント板内で配線するようにして、回路電位に合わせてプリント板構造を最適化したものである。
【００２５】
この点を具体的に説明すれば、図１の左部に示すように、本発明の実施形態に係るプリント板構造は、例えば、１次側はＡＣ入力直列の数に応じた４つのプリント板を配置し、この１次側に配置された４つのプリント板１０に対して２次側は共通化した１つのプリント板２０を配置するものである。
【００２６】
そのうえで、１次側ではケーブル等で４つのプリント板１０間のＡＣ入力側を直列接続するとともに１次側個々のプリント板内に電位の異なるＡＣ／ＤＣ変換回路を実装する。一方、２次側では共通化した１つのプリント板２０内で電位の同じＤＣ／ＤＣ変換回路を実装するとともに並列接続した出力側からＤＣ出力を得る。
【００２７】
なお、２次側には図１右部に示すような高周波トランス４０をプリント板２０上に、１次側個々のプリント板１０対応に搭載し、搭載した高周波トランス４０の１次巻線の端子を１次側プリント板１０に、１次巻線と１次側基板との接続部３０を介して接続する。上記において、１次巻線と１次側基板との接続部３０を樹脂封止し、絶縁強化しても良い。
【００２８】
また２次側は、共通化したプリント板２０内のパターンにより各出力間の配線を行うことで、従来のような２次側の回路間における個々の配線の為のコネクタやケーブル等を廃してその分のコストを削減し且つ信頼性を向上させることが可能となる。
【００２９】
以上に説明した本発明の実施形態１にかかるプリント板構造を纏めると、
(１)電位の同じ、ＤＣ／ＤＣ変換回路を実装する２次側のプリント板を共通化する。
(２)電位の異なる１次側と上記共通化した２次側のプリント板とはプリント板を分割し、１次側ではＡＣ入力直列の直列数に応じて分離したプリント板を配置する。
(３)２次側間の個々の配線を上記共通化したプリント基板内のパターンで行う。
【００３０】
このようなプリント板構造とすることで、本発明は、従来のようなコネクタ、ケーブル等のコストが削減でき、また従来のような接続不良等を無くして信頼性を向上させることができる。
【００３１】
また従来例におけるようなコネクタやケーブル等を廃することで、デッドスペースを削減できるので、装置を小型化することができる。
更に、従来、セルコンバータ外部でつないでいたバスバー等の部分を削減でき、また、セル間のデッドスペース(図９の両矢視線参照)の削減により、基板のサイズを小さくすることができる。
【００３２】
なお、本発明の実施形態１では、２次側プリント板を１枚（４：１）にした例を示したが、分割比を変えて２次側プリント板を２枚（４：２）としても構わない。また１次側プリント板の設置数を増やして、分割比を、例えば、５：１にしても良い。
【００３３】
［実施形態２］
図２は、本発明の実施形態２に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の構成例（その１）を示す図であり、図１に示された構成に対して、高周波トランス４０の１次巻線４２を２次側プリント板２０から浮かせた構造にして１次側のプリント板１０に接続するように構成したものである。
【００３４】
図２において、電位の同じＤＣ／ＤＣ変換回路を実装する２次側は共通化したプリント板２０内で配線し、電位の異なるＡＣ／ＤＣ変換回路を実装する１次側のプリント板１０はＡＣ入力直列の数に応じたプリント板に分割したうえで個々のプリント板内で配線するようにして、回路電位に合わせてプリント板構造を最適化したうえで、図１に示した構成と同様に、高周波トランス４０を共通化したプリント板２０に搭載し、図２右部のイメージ図に示すように、高周波トランス４０の１次巻線４２を浮かせた構造にして１次側のプリント板１０にコネクタ４３を介して接続する。
【００３５】
このように構成することで、本発明の実施形態２は、２次側プリント板２０が低電位部のみとなり、絶縁距離をさらに短くすることができるので、いっそう小型化することができる。
【００３６】
図３は、本発明の実施形態２に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の構成例（その２）を示す図であり、図２に示した高周波トランス４０の構成のみに焦点を当ててその余の構成を省略した図である。
【００３７】
図３における高周波トランス４０の構成では、図２に示した高周波トランス４０の構成を変形したもので、高周波トランス４０の１次巻線４２と２次巻線４４とを分けた構成とし、そのうえで１次巻線４２の引出し線を除き、それ以外の部分を樹脂封止(モールド化)４６する構成としている。
【００３８】
このように構成することで、本実施形態２の変形例は、絶縁性能(耐圧)が上がり、信頼性をさらに向上させることができる。
【００３９】
［実施形態３］
図４は、本発明の実施形態３に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の構成を示す図である。
【００４０】
図４に示す本発明の実施形態３に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置は、図２に示した構成に対し、１次側プリント板１０を樹脂で部分モールドまたは全体モールド化(図４では、モールド化した後のプリント板を１２と示している)して耐熱・防水・難燃性を向上させさらに信頼性を良くしたものである。
【００４１】
また１次側プリント板１２に実装される高電圧部(不図示)を部分モールドまたは全体モールド化して周りから絶縁することで、１次側プリント板間及び２次側プリント板間との距離を狭めて、直流電源装置をいっそう小型化することができる。
【００４２】
また１次側プリント板１２に実装される高電圧部(不図示)のみを樹脂封止(モールド化)するようにすれば、コスト増を抑えることができる。
なお、封止に用いる樹脂としては、耐熱・難燃・絶縁の各特性が優れた樹脂(例．ウレタン樹脂)が選択されることになる。
【００４３】
［実施形態４］
図５は、本発明の実施形態４に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の構成(回路構成)を示す図である。
【００４４】
図５において、本発明の実施形態４に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の回路構成は、１次側のプリント板に実装する半導体デバイス（例．ダイオード、スイッチング素子）の一部、または全部にワイドバンドギャップ半導体デバイスを適用する。図５の例では、ワイドバンドギャップ半導体デバイスを適用する半導体デバイスを丸印で囲むことで明らかにしている。
【００４５】
なお、本実施形態４で用いるワイドバンドギャップ半導体デバイスには、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、または、ダイヤモンド、のいずれか１種または複数種の組合せによって実現されるものを用いることが望ましい。
【００４６】
ワイドバンドギャップ半導体デバイスの特徴としては、Ｓｉ（シリコン；珪素）によるスイッチング素子よりも高耐圧化が容易である点が挙げられる。
直流電源を構成するのにマルチセルコンバータ方式を採用すれば、比較的耐圧の低い半導体デバイスで高電圧に対応できるが、上述したワイドバンドギャップ半導体デバイスのような高耐圧の半導体デバイスを用いることで、さらに高いＡＣ電圧に対応する構成とすることができる。
【００４７】
例えば、図５左部に示す回路構成において、3300V耐圧の半導体デバイスを用い、ＡＣ入力側の回路を５群直列構成とすれば、合計で16,500V(=5×3300V)相当の耐圧を持つことになるので、6600Vの交流系統に直接接続可能な直流電源装置を実現することができる。
【００４８】
その際、１次側の電圧が非常に高くなるので、上述した実施形態２及び３に示したプリント板構造（プリント板モ―ルド等）を用いることで、小型かつ、その絶縁耐圧に対応する直流電源装置を実現することが可能となる。
【００４９】
［実施形態５］
図６は、本発明の実施形態５に係るマルチセルコンバータ方式を用いた直流電源装置の構成を示す図である。
【００５０】
図６に示される直流電源装置の回路構成は、図８の右部に示された従来例の回路構成を模して表現したものであるが、図６に示される直流電源装置の構成は、電位の同じ、ＤＣ／ＤＣ変換回路を実装する２次側を、プリント板共通化部５０（図６のConverter Cell内の破線により囲まれた部分参照）としたものであるので、図８に示された従来例のプリント板構造とは明らかに相異するものである。
【００５１】
そして、図６に示される直流電源装置の構成は、図１ないし図５に示したパワーフローとは逆（図中の最上部に示す矢視線参照）の電源装置であるので、図１ないし図５に示した電源装置においてそのパワーフロー構成が異なるもの(逆)であっても本発明の技術を適用できることを示したものである。
【００５２】
一例を挙げれば、図６の回路右部に示すように、ＤＣ入力(例えば電池等に接続された)を起点に図示回路の左部に示すＡＣ出力を取り出すインバータ装置を実現する構成に適用できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、負荷が複数のサーバであるような装置であっても小型化した直流電源装置として適用可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  １次側プリント板
１２  １次側プリント板(樹脂封止)
２０  ２次側プリント板
３０  １次巻線と１次側基板との接続部
４０  高周波トランス
４２  １次巻線
４３  コネクタ
４４  ２次巻線
４６  樹脂封止
５０  プリント板共通化部
【図１】
0006648535.tif 000002
【図２】
0006648535.tif 000003
【図３】
0006648535.tif 000004
【図４】
0006648535.tif 000005
【図５】
0006648535.tif 000006
【図６】
0006648535.tif 000007
【図７】
0006648535.tif 000008
【図８】
0006648535.tif 000009
【図９】
0006648535.tif 000010