(57)【要約】【課題】  本発明は、電力変換装置において、標準化された主回路ユニットを異なる仕様の他製品に展開する際に、それぞれの仕様変更に柔軟に対応可能な構成を提案するものである。【解決手段】  本発明におけるインバータユニットは、Ｕ、Ｖ、Ｗの三相がそれぞれ、主回路ユニットと呼ばれるパワーモジュール、コンデンサ、それらを接続する積層バスバー等からなる部品で構成されている。前記主回路ユニットに、必要に応じてサブユニットを追加することで、コンデンサ容量の増加、パワーモジュールの並列数増加等の効果が得られることを特徴とする。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーモジュールと、前記パワーモジュールと接続されるコンデンサと、前記パワーモジュールと接続される第１の積層バスバーからなる主回路ユニットを複数配置して構成される電力変換装置であって、
前記パワーモジュールはスイッチング素子とダイオードを含んでおり、
前記主回路ユニットは、相間バスバーで接続されており、
前記第１の積層バスバーに、第２の積層バスバーを有する少なくとも１つのサブユニットを連結することを可能とす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、第２の積層バスバーは、前記相間バスバーと前記第１の積層バスバーの間に接続されることを可能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に記載の電力変換装置において、前記サブユニットが少なくとも１つのコンデンサを有していることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電力変換装置において、前記サブユニットが少なくとも１つのパワーモジュールを有していることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載の電力変換装置において、前記サブユニットと相間バスバーの間にヒューズが配置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に記載の電力変換装置において、前記第１の積層バスバーの一方の層は正側電流が流れ、前記第１の積層バスバーの他方の層は負側電流が流れることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電力変換装置において、前記複数の主回路ユニットは概略同じ形状をしていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
パワーモジュールと、前記パワーモジュールと接続されるコンデンサと、前記パワーモジュールと接続される第１の積層バスバーからなる主回路ユニットを複数配置して構成される電力変換装置であって、
前記パワーモジュールはスイッチング素子とダイオードを含んでおり、
前記インバータ回路の各相は、相間バスバーで接続されており、
前記相間バスバーと、各相の前記第１の積層バスバーとが接続され、
前記相間バスバーに、第２の積層バスバーを有する少なくとも１つのサブユニットを連結することを可能とす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係り、特に、パワーモジュールとコンデンサで構成された主回路部の構成に好適な電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は直流電力と交流電力との間で電力変換する装置であり、例えばインバータとして動作させる場合には、直流電力を変換して負荷に交流電力を供給するものである。一般的な電力変換装置を構成する回路としては、例えば３相交流に用いる場合には、直流電位が供給されるＰ側バスバーとＮ側バスバーとの間に、３相の上アームと下アームを接続する。そして、それぞれの上アームと下アームの間から交流電位がとりだされる。ここで、上アームと下アームのそれぞれはＩＧＢＴ等のスイッチング素子と、それと逆並列に接続されるダイオードで構成される。
【０００３】
このような電力変換の回路では、各相を構成する回路において上アームと下アームにコンデンサを加えて主回路ユニットとなして、この主回路ユニットを複数組み合わせて電力変換の回路を構成する技術が知られている。このような技術は、例えば、特開２０１０−２３７７１２号公報に記載されている
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２３７７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の従来技術では、各相の構成する主回路ユニットの各々にはコンデンサが含まれて構成されるところ、一方、上アーム或いは下アームとしてスイッチング素子を搭載したパワーモジュールを用いる場合、パワーモジュールとコンデンサ間のインダクタンスをできるだけ小さく接続する必要があり、その間の配線はＰ側とＮ側のバスバーを積層させる構造をとることが有利となる。
【０００６】
積層バスバーを用いるとインダクタンスが小さくできるが、しかしながら、例えばコンデンサ或いはパワーモジュールを追加する等の仕様を変更する場合に、新たに、積層バスバーを設計し直すことが必要となってくる。
【０００７】
本発明の目的は、上記の問題点を解決することにあり、既存の主回路ユニットを異なる仕様の回路に展開する際に、それぞれの仕様変更に柔軟に対応可能な電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、パワーモジュールと、前記パワーモジュールと接続されるコンデンサと、前記パワーモジュールと接続される第１の積層バスバーからなる主回路ユニットを複数配置して構成される電力変換装置であって、前記パワーモジュールはスイッチング素子とダイオードを含んでおり、  前記主回路ユニットは、相間バスバーで接続されており、前記第１の積層バスバーに、第２の積層バスバーを有する少なくとも１つのサブユニットを連結することを可能とするように構成した。
【０００９】
あるいは、パワーモジュールと、前記パワーモジュールと接続されるコンデンサと、前記パワーモジュールと接続される第１の積層バスバーからなる主回路ユニットを複数配置して構成される電力変換装置であって、前記パワーモジュールはスイッチング素子とダイオードを含んでおり、前記インバータ回路の各相は、相間バスバーで接続されており、前記相間バスバーと、各相の前記第１の積層バスバーとが接続され、前記相間バスバーに、第２の積層バスバーを有する少なくとも１つのサブユニットを連結することを可能とするように構成した。
【００１０】
具体的には、Ｕ、Ｖ、Ｗの三相がそれぞれ、主回路ユニットと呼ばれるパワーモジュール、コンデンサ、それらを接続する積層バスバー等からなる部品で構成されている。前記主回路ユニットに、必要に応じてサブユニットを追加することで、コンデンサ容量の増加、パワーモジュールの並列数増加等の効果が得られることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、異なる仕様の電力変換装置に対して、主回路部品の共通化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】インバータ回路の構成を示す回路図である。
【図２】主回路ユニットを示す簡易図である。
【図３】インバータ回路の構成を示す回路図である。
【図４】主回路ユニットを示す簡易図である。
【図５】基本主回路ユニットを示す簡易図である。
【図６】サブユニットを示す簡易図である。
【図７】本発明の第２の実施例の主回路ユニットを示す簡易図である。
【図８】本発明の第３の実施例の主回路ユニットを示す簡易図である。。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明の実施例１を図１から図６を用いて説明する。図１は、インバータ回路を示す図である。バッテリ等の直流電源、あるいはコンバータ出力等に接続される直流配線のＰ側配線１１とＮ側配線１２の間に、スイッチング素子である絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下「ＩＧＢＴ」と記述する）３０１ａ〜ｆとダイオード３０２ａ〜ｆおよび平滑コンデンサ２１、２２，２３が接続されて、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相が構成される。
【００１５】
各相は主回路ユニット３１、３２、３３として共通の部品で構成されており、各相の中間電位が交流配線１３（１３ｕ，１３ｖ、１３ｗ）に接続される。
【００１６】
ＩＧＢＴ３０１ａ〜ｆをＯＮ/ＯＦＦ制御することで、直流配線のＰ側配線１１とＮ側配線１２の直流電流を変換して交流配線１３（１３ｕ，１３ｖ、１３ｗ）に交流電流を出力するか、あるいは、交流配線１３（１３ｕ，１３ｖ、１３ｗ）の交流電流を電力変換して直流配線のＰ側配線１１とＮ側配線１２に直流電流を出力する。
【００１７】
Ｕ相主回路ユニット３１は、Ｐ側配線１１とＮ側配線１２の間に、端子６１ａ及び端子６１ｂを介してパワーモジュール５１ａに接続されている。パワーモジュール５１ａは、ＩＧＢＴ３０１ａとＩＧＢＴ３０１ｂの直列回路と、各々のＩＧＢＴ３０１ａ、３０１ｂに逆並列に接続されたダイオード３０２ａ、３０２ｂで形成される。ＩＧＢＴ３０１ａとＩＧＢＴ３０１ｂの接続点は交流端子１３ｕとして用いられる。パワーモジュール５１ａと並列にコンデンサ２１ａ、ｂが接続される。
【００１８】
Ｖ相主回路ユニット３２は、Ｐ側配線１１とＮ側配線１２の間に、端子６２ａ及び端子６２ｂを介してパワーモジュール５２ａに接続されている。パワーモジュール５２ａは、ＩＧＢＴ３０１ｃとＩＧＢＴ３０１ｄの直列回路と、各々のＩＧＢＴ３０１ｃ、３０１ｄに逆並列に接続されたダイオード３０２ｃ、３０２ｄで形成される。ＩＧＢＴ３０１ｃとＩＧＢＴ３０１ｄの接続点は交流端子１３ｖとして用いられる。パワーモジュール５２ａと並列にコンデンサ２２ａ、ｂが接続される。
【００１９】
Ｗ相主回路ユニット３３は、Ｐ側配線１１とＮ側配線１２の間に、端子６３ａ及び端子６３ｂを介してパワーモジュール５３ａに接続されている。パワーモジュール５３ａは、ＩＧＢＴ３０１ｅとＩＧＢＴ３０１ｆの直列回路と、各々のＩＧＢＴ３０１ｅ、３０１ｆに逆並列に接続されたダイオード３０２ｅ、３０２ｆで形成される。ＩＧＢＴ３０１ｅとＩＧＢＴ３０１ｆの接続点は交流端子１３ｗとして用いられる。パワーモジュール５３ａと並列にコンデンサ２３ａ、ｂが接続される。
【００２０】
なお、スイッチング素子はＩＧＢＴに限るものではなく、どのようなスイッチング素子を用いてもよい。
【００２１】
図２は、上記の回路を実現する各相に分かれた主回路ユニット３１、３２、３３からなるインバータ回路の構造の例である。Ｕ相を代表とすると、積層バスバー４１に上下アームのＩＧＢＴとダイオードを内蔵したパワーモジュール５１ａと平滑コンデンサ２１ａが接続されており、各相の積層バスバーは相間を接続する相間バスバー１０により、互いに接続されている。
【００２２】
積層バスバー４１は、図１におけるＰ側配線１１とＮ側配線１２として機能するものであり、積層構造をとっており、上側がＰ側配線１１として機能し、下側がＮ側配線１２として機能する。積層バスバー４１の上側をなすＰ側配線１１は後述する積層バスバーのＰ側配線４１Ｐと接続され、一方、積層バスバー４１の下側をなすＮ側配線１１は後述する積層バスバーのＮ側配線４１Ｎと接続される。
【００２３】
なお、図１では簡略化のために、パワーモジュール５１ａを代表に説明したが、この構造の例では、パワーモジュール５１ａとパワーモジュール５１ｂが並列接続されて用いられる。
【００２４】
ここで、主回路ユニット３１、３２、３３と相間バスバー１０は後述するサブユニット１００が追加できるように、予め、互いに着脱可能に構成される。
【００２５】
図３は、主回路ユニットの積層バスバー４１（積層バスバーのＰ側配線４１Ｐ、積層バスバーのＮ側配線４１Ｎ）とパワーモジュール５１ａ（５１ｂ）、コンデンサ２１ａ、ｂの接続について示した図である。簡略化のため、ＰＮ間の絶縁材、および交流配線は省略している。パワーモジュール５１ａと５２ａは各々ＩＧＢＴとダイオードを搭載した２ｉｎ１のパワーモジュールとして構成される。この上下アームのＩＧＢＴとダイオードを搭載した２ｉｎ１のパワーモジュール５１ａと５２ａを２並列に接続しており、それぞれのモジュールの正極端子、負極端子は積層バスバーの正極配線４１Ｐ、負極配線４１Ｎと接続されている。それぞれの端子位置で接続されない側の配線には、絶縁距離を保つため空間を設けている。コンデンサ２１ａと２１ｂにおいても同様である。なお、交流配線１３（１３ｕ，１３ｖ、１３ｗ）の図示は省略したが、図１に示す通りである。Ｖ相、Ｗ相いおいても同様であるので説明を省略する。
【００２６】
図４は、サブユニット１００（Ｕ相サブユニット４２、Ｖ相サブユニット４３、Ｗ相サブユニット４４）を追加したときのインバータ回路を示す図である。
【００２７】
Ｕ相においては、Ｕ相サブユニット４２を追加することで、端子６１ａ及び端子６１ｂにコンデンサ２１ａ、２１ｂと並列にコンデンサ２１ｃ、２１ｄが接続される。Ｖ相においては、Ｖ相サブユニット４３を追加することで、端子６２ａ及び端子６２ｂにコンデンサ２２ａ、２２ｂと並列にコンデンサ２２ｃ、２２ｄが接続される。Ｗ相においては、Ｗ相サブユニット４４を追加することで、端子６３ａ及び端子６３ｂにコンデンサ２３ａ、２３ｂと並列にコンデンサ２３ｃ、２３ｄが接続される。
【００２８】
図５は、各相の主回路ユニットにサブユニット１００（Ｕ相サブユニット４２、Ｖ相サブユニット４３、Ｗ相サブユニット４４）を追加することで、コンデンサ容量の増加を実現する構成を示した図である。Ｕ相においては、サブユニットの積層バスバー４２にはコンデンサ２１ｃ、２１ｄが接続されており、積層バスバー３１、３２、３３と相間バスバー１０の間に配置される。Ｖ相、Ｗ相においても同様である。
【００２９】
図６は、サブユニットの積層バスバー３１、３２、３３とコンデンサの接続について示した図である。積層バスバーの正極配線４２Ｐ、負極配線４２Ｎと、コンデンサ２１ｃ、２１ｄの正極、負極端子が電気的に接続される。
【００３０】
このように、積層バスバーの正極配線４２Ｐは、積層バスバーのＰ側配線４１Ｐと共に相間バスバー１０の上側配線に接続され、積層バスバーの負極配線４２Ｎは、積層バスバーのＮ側配線４１Ｎと共に相間バスバー１０の下側配線に接続される
また、図５において、サブユニット１００と、積層バスバー３１及び相間バスバー１０とは、互いに凹凸を設けて嵌合するようになして、該凹凸に互い嵌合すると電気的に接続するようにすることが可能である。
【００３１】
以上説明した実施の形態では、ＵＰＳ（無停電電源装置）に利用されることを主として想定して言及しているが、異なる電力変換器への適用も可能であり、上記実施形態の構成に限定されるものではない。
【実施例２】
【００３２】
実施例２を説明する。実施例１と異なる部分を説明する。したがって、説明が省略されている部分は実施例１と同様である。
【００３３】
図７は、本発明の第２の実施の形態を示した図である。
【００３４】
図４に示した第１の実施の形態においては、平滑コンデンサの容量を増加するためにサブユニットを追加する構成であったが、第２の実施の形態では大電流が要求される仕様に適した、パワーモジュール５１ｃ、５１ｄを追加するためにサブユニット１００を用いる構成である。
【実施例３】
【００３５】
実施例３を説明する。実施例１或いは実施例２と異なる部分を説明する。したがって、説明が省略されている部分は実施例１或いは実施例２と同様である。
【００３６】
図８は、平滑コンデンサコンデンサコンデンサ２１ａ、２１ｂ、２１ｅ、２１ｆを搭載している。さらに容量を拡大する場合は、図４に示すサブユニットを追加できるし、また、パワーモジュール５１ｃ、５１ｄを追加するために図7に示すサブユニット１００を用いる構成とするものである。
【符号の説明】
【００３７】
１０…相間バスバー
１１…直流Ｐ側配線
１２…直流Ｎ側配線
１３…交流配線
２１、２２、２３…平滑コンデンサ
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ…平滑コンデンサ
３１…Ｕ相主回路ユニット
３２…Ｖ相主回路ユニット
３３…Ｗ相主回路ユニット
４１…積層バスバー
４１Ｐ…積層バスバーのＰ側配線
４１Ｎ…積層バスバーのＮ側配線
４２…サブユニットの積層バスバー
４２Ｐ…サブユニット積層バスバーのＰ側配線
４２Ｎ…サブユニット積層バスバーのＮ側配線
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ…パワーモジュール
１００…サブユニット
３０１ａ〜ｆ…ＩＧＢＴ
３０２ａ〜ｆ…ダイオード、
【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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