(57)【要約】      （修正有）【課題】空間絶縁距離を短縮して、小形化を図った電力変換器を提供する。【解決手段】電力変換器のユニットセルはＩＧＢＴなどのスイッチング素子２０１と、平滑コンデンサ２０４と制御基板を有している。スイッチング素子２０１には冷却用の放熱フィン２０２が設けられる。スイッチング素子２０１と平滑コンデンサ２０４の間を電気的に接続するためにバスバ２０３と呼ばれる導電体が存在する。ユニット支持筐体の一部をなす盤筐体９１の盤筐体端部９３の幾何形状が鋭く電界集中が高いので、塗装絶縁物４にて固体絶縁した金属カバー３（被絶縁金属体）を、ユニットセルを組立てて完成させた後でユニットセルの側に取り付けて、局所的な放電発生を防止している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユニットセルを有し、前記ユニットセルは、スイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続されるコンデンサと、前記スイッチング素子を冷却する冷却フィンを含んでおり、金属の両面に粉体塗装を施して構成されて前記ユニットセルを覆う複合絶縁物と、前記粉体塗装に係る塗装膨らみで生成される前記ユニットセルと前記複合絶縁物の間隔を保持するように設けられた保持部材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において、前記保持部は、絶縁物であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２において、前記保持部は、前記複合絶縁物の屈曲部に形成される膨らみと同等もしくは同等以上の厚みの絶縁物であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３において、前記保持部は、前記ユニットセルの高電圧部と前記複合絶縁物の間に設けられることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１において、前記保持部は、前記複合部材の膨らみ部以外の領域を複数回塗装することで形成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において、前記保持部は、前記ユニットセルと前記複合部材とを相対的に位置決めすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１において、前記保持部材は、前記複合部材の塗装膨らみと同等もしくは同等以上の厚みの金属板として設けられたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１において、前記コンデンサは複数であり、前記コンデンサと前記スイッチング素子を接続するバスバを前記ユニットセルに格納することを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項８において、前記スイッチング素子は複数であり、前記複数のスイッチング素子のうちの所定のスイッチング素子は、他のスイッチング素子と前記バスバを挟んで対向し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。
【背景技術】
【０００２】
環境調和社会を実現する上で重要な技術の一つとして電気エネルギーの有効活用が挙げられ、そのためには電気の形を最適に変えることができるパワーエレクトロニクス技術が必要不可欠である。
【０００３】
パワーエレクトロニクスにおいて電力変換器は重要なキーコンポーネントであり，その変換効率の向上が重要な課題となっている。また，電力，鉄道，産業などの大型の電力変換器においては省スペース化や直材費削減の観点から電力変換器盤の小形化も重要な課題となっている。
【０００４】
定格５００Vを超えるインバータ，コンバータ，パワーコンディショナなどの電力変換器は、通常、ユニットセルと呼ばれる単位で構成される。インバータ盤は複数のユニットセルを格納する構造となっている。
【０００５】
インバータ盤の筐体とユニットセルとの間、もしくは、ユニットの相互間には空間および沿面絶縁距離を設け、異なる電位を保つ必要がある。絶縁が保てなくなると電力変換器としての機能を失するばかりでなく、短絡時のアーク放電により変換器盤自体を大きく損傷する恐れがある。
【０００６】
空間絶縁距離を空気で絶縁すると絶縁距離を大きくとる必要があり、盤の小型化が難しい状況であるので、母線やスイッチギヤで実用化されている、絶縁性に優れる固体と空気の複合絶縁構造を適用することで変換器盤の絶縁距離の短縮が見込める。
【０００７】
そのため、例えば、電界強調部に固体絶縁した金属を被絶縁金属体として取り付けることにより局所的な放電発生を防止することで、空間絶縁距離を短縮する技術が知られている。このような技術は、例えば、ＷO2014/038000号公報に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＷO2014/038000号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の従来技術では、尖鋭したユニットセル端部などの変換器盤の電界集中部を覆うように，固体絶縁を施した金属板を少なくとも部分的に適用するところ、一般的には、固体絶縁を施した金属板でユニットセルを覆う場合において、固体絶縁を施した金属板を折り曲げてユニットセルに装着することになり、固体絶縁を施した金属板を折り曲げる部分である角部には塗装膨らみが存在する。この塗装膨らのために固定することが難しくなり地震などが発生した時に構造的な強度が維持できなくなる可能性がある。それに伴い、絶縁システムが変形し、絶縁信頼性が低下する恐れがある。
【００１０】
本発明の目的は、折り曲げるように形成された絶縁を施した金属板と、ユニットセルとの位置決めが容易で、絶縁システムの変形によって生じる絶縁信頼性低下を避けることが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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明では、ユニットセルを有し、前記ユニットセルは、スイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続されるコンデンサと、前記スイッチング素子を冷却する冷却フィンを含んでおり、金属の両面に粉体塗装を施して構成されて前記ユニットセルを覆う複合絶縁物と、前記粉体塗装に係る塗装膨らみで生成される前記ユニットセルと前記複合絶縁物の間隔を保持するように設けられた保持部材を有するように構成した。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ユニットセルと被絶縁金属体との位置決めを容易とし、絶縁信頼性と実装性が向上され、さらに、高圧変換器の複合絶縁物の歩留まり率を向上しつつ絶縁実装を簡易とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係る電力変換器の全体図を表す図である。
【図２】第一実施形態に電力変換器のユニット周辺における側面図を示している。
【図３】第一実施形態に係る電力変換器のユニット断面図を示している。
【図４】第二実施形態に係る電力変換器のユニット断面図を示している。
【図５】第二実施形態に係る電力変換器のユニット断面図を示している。
【図６】実施形態に係る電力変換器のシステム構成図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態（以下、適宜「本実施形態」と言う。）に係る電力変換器ユニットの具体例を、図面を参照しながら詳細に説明するが、本実施形態は以下の内容に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施することができる。
【００１５】
図６に本実施例である電力変換器を高圧ダイレクトインバータとして用いた例を示す。具体的にはセルユニットを直列に接続した多重電力変換装置の回路図である。商用電源101からの３相交流電源を，多重変圧器122によって，3×３個の３相交流に分割する。図ではｎ＝３の３段多重を示す。各相３個の交流はセルユニット2-1u，2-2u，2-3u（U相出力用），2-1v，2-2v，2-3v（V相出力用），2-1w，2-2w，2-3w（W相出力用）に入力される。セルユニット２（2-1u，2-2u，2-3u，2-1v，2-2v，2-3v 2-1w，2-2w，2-3の総称）は，例えば，整流部として構成されるスイッチング素子201aと平滑コンデンサ部204，インバータ部として構成されるスイッチング素子201ｂによって構成される。セルユニット2-1u，2-2u，2-3uのU相出力，2-1v，2-2v，2-3vのV相出力，2-1w，2-2w，2-3wのW相出力として、任意の振幅，周波数の交流に変換されて出力される。これらを変換して得られたものを多重接続することで交流信号を電動機104に入力する。
【００１６】
図１は、図６に示す多重電力変換装置の回路について外観全体図を表す図である。図１に示すように、インバータ，コンバータ，パワーコンディショナなどの電力変換器は、ユニットセル２として、ユニット単位で構成される。
【００１７】
変換器盤１は、複数のユニットセル２と、ユニットセル２を空冷するための通風ダクト８と、ユニットセル２を支持するユニットセル支持筐体９と、絶縁板７とを備えている。ユニットセル支持筐体９の上には絶縁板７が敷き詰められるように配置され、ユニットセル支持筐体９の下面には強度を保つために梁９２を設けている。透視図的に記載されているために図示されてないが、セルユニット2-1u，2-1v，2-1wの上にも、ユニットセル支持筐体９（絶縁板７が上面に配置され下面に梁９２を設置されている。）が設けられている。
【００１８】
図１において、ユニットセル２もしくはユニットセル２の内部の部品に高電圧が印加されるため、接地領域と絶縁する必要があり、空間および沿面絶縁距離を確保する必要がある。同様に、ユニットセル２の電位および位相も異なるためそれぞれのユニットセル２の間において空間および沿面絶縁距離を確保する必要がある。
【００１９】
同インバータでは、各段で位相が異なるため規格で定められる絶縁距離を確保することを推奨されている。本構造では、ユニットセル２の下に絶縁板７を敷き、かつ、その絶縁板７の下にユニット支持筐体９（接地金属筐体）としている。つまり、ユニットセル上面とその上部の接地金属筐体の空間絶縁距離が必要となる。規格上、６ｋＶ級ではその距離が６０ｍｍｍと大きい。
【００２０】
上記の空間絶縁空間距離を確保するために、空気のみで絶縁性を確保していたのでは確保が十分でないので、ここに固体と空気の複合絶縁構造を適用することで絶縁距離が短縮することが可能となる。また、上記の絶縁空間にスイッチング素子由来の導電雰囲気が生じても異電位間の短絡を防止し防爆できる。
【００２１】
上述した複合絶縁構造について説明するため、図２に一実施形態に電力変換器のユニット周辺における側面図を示す（図１で規定した「Ａ方向」から見た図である）。同図に示すように変換器盤１の筐体（インバータ盤筐体）として盤筐体の構造強度を保つための梁９２が存在する。ユニットセル２の上部が高電位となることで、このような形態ではユニットセル２と梁の間が最も高電界となり、この空間絶縁距離を短縮するには絶縁性向上が必要となる。
【００２２】
そこで、図２に示すようにユニットセル２の上面と梁９２による高電界部に絶縁物を表面に施した金属で被覆する。これを被絶縁金属体５と称する。被絶縁金属体５についての詳細は後述するが、被絶縁金属体５を取り付けることにより局所的な放電発生を防止することで、空間絶縁距離を短縮し電力変換器の小形化を図れるものである。また、それと同時に、金属カバー３の内側に絶縁物４を挿入することにより、塗装厚みを均一化し、かつ、塗装絶縁部を加工しない構造とすることで、絶縁信頼性を向上しかつ実装効率を向上するものである。加えて、被絶縁金属体５の設計自由度が向上し、スイッチング素子由来の導電ガスによる短絡から防爆することが可能となる。これにより、電力変換器の小形化と信頼性向上が安価に可能となる。梁９２とユニットセル２の空間絶縁距離を短縮することが可能になる。言い換えると、複合絶縁を適用することで空間絶縁距離を５０〜９０％ほど短縮しても、従来の空気絶縁と同等以上の絶縁特性を有することが可能となる。
【００２３】
被金属絶縁体を設置する領域は、スイッチング素子２０１の故障時に由来する導電雰囲気が生じた場合でも充分に絶縁性を保つことができるように調整可能である。
【００２４】
具体的には、梁９２の先端部とユニットセル２の絶縁されていない部分の距離が空間絶縁距離となる。この距離を規格に定める空間絶縁距離の１．５倍以上とすることで導電雰囲気が生じても絶縁が保たれている。
【００２５】
図３は第一実施形態に係る電力変換器のユニット断面図を示している図１で規定した「Ｂ方向」から見た断面図である）。断面は図２の点線部としている。通常、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；以下、適宜「ＩＧＢＴ」と言う。）などのスイッチング素子２０１と，スイッチング素子２０１に電気的に接続される平滑コンデンサ２０４と制御基板（図示せず）を有している。スイッチング素子２０１（ＩＧＢＴ等）は冷却用の放熱フィンが設けられることが多い。スイッチング素子２０１と平滑コンデンサ２０４の間を電気的に接続するためにバスバ２０３と呼ばれる導電体が存在する。バスバは主に銅やアルミなどの素材で製造されている。 
【００２６】
図３の断面図を用いて被絶縁構造体の詳細を説明する。ユニット支持筐体９の一部をなす盤筐体９１の下面には梁９２がある。梁９２の厚みはおおよそ数ｍｍ程度でありその角Ｒは０．５ｍｍ程度である。鉄、ＳＵＳ、溶融鍍金鋼板、アルミなどが適用される。
【００２７】
塗装絶縁部４の厚みは６ｋＶ級インバータで0.1〜1mm程度、11kV級で0.1〜2mm程度とする。これで充分に空気単独より絶縁性を向上できる。塗装絶縁部４としては、エポキシ樹脂による加圧成型、粉体塗装、スプレー絶縁などが適用できるが金属でなければ何でも良い。ただし、金属部との密着性向上により微小放電を防止しながら製造時間を短縮する意味合いにおいて、粉体塗装法が最も適切として適用する。
【００２８】
一方、盤筐体９１は数mm程度の金属板で出来ており、その角Ｒは1mm以下と尖鋭である。つまり、梁９２よりも盤筐体端部９３の方が、幾何形状が鋭く電界集中が高いので、ユニットセルの側を固体絶縁化する。ユニット筐体側は２ｍｍ程度であり、かつ、構造的に丸めることが難しいためである。盤筐体の梁は角Ｒを丸めるなどで電界集中を緩和しやすい。鉄、ＳＵＳ、溶融鍍金鋼板、アルミなどが適用される。
【００２９】
複合絶縁を適用して接地面との空間絶縁距離を短縮したユニットとして、ユニットを組立てて完成させた後で被絶縁金属５を被せる構造としている。これにより、ユニットセルの全面に固体絶縁施す必要が無い。また、金属を仲介としているため、被絶縁金属体の構造強度を保つことが可能である。
【００３０】
本構造では、被絶縁金属５の終端のみ複合絶縁を施さずに金属をむき出しとすることでユニット筐体とのネジ（ボルト）（図示せず。図の符号３２の周辺に配置）止めを可能とし、被絶縁金属体５内部の金属カバー（金属体とも称する）３とユニットセルを同電位化することができる。ただし、むき出し部を作らなくても絶縁部を削って配線でユニット間と導通することで、同電位化すれば良い。金属カバー３は鉄、ＳＵＳ、溶融鍍金鋼板、アルミ、銅などが適用される。
【００３１】
また、金属カバー３の表裏両面に塗装絶縁物４（単に絶縁物とも称する）で、絶縁物を接着させないためのマスキング処理を不要としている。マスキング処理は人為的な処理が必要であるため、コストがかかる。そのため、両面絶縁化することで低コスト化および加工プロセスの簡略化が可能となる。
【００３２】
このとき、ユニットセル２に被絶縁金属５をはめ込むが、金属体３の内側の角部には塗装膨らみが存在する。そのため、ユニット間との位置決めをするために膨らみが無い領域に、別途、板状の絶縁物６１を設置する。絶縁物61の厚みは、塗装膨らみ部分と同等もしくは同等以上とする。
【００３３】
上記構造により、金属体の曲げ部分が一ヶ所のみとなるため塗装時において均一性が確保しやすくなる。これにより、塗装領域が大型化した場合でも、ピンホールや塗装が薄いことが少なくなり生産効率を高めることができる。また、仲介の金属を加工する必要が無い。以上より製造性を簡易化し、絶縁信頼性を強化することが可能となる。
【００３４】
この絶縁物６１が無い場合、被絶縁金属体を固定することが難しくなり地震などが発生した時に構造的な強度が維持できなくなる可能性がある。それに伴い、絶縁システムが変形し、絶縁信頼性が低下する恐れがある。
【００３５】
絶縁物６１の材質は、板状のエポキシ樹脂、ベークライト、ＦＲＰなどの適用が有効であるが、絶縁物一般であれば特に限定するものではない。位置決め強化という点では、膨張性のある絶縁物も良い。
【００３６】
本実施例は、変換器盤の接地筐体とユニット間に複合絶縁とした例を示しているが、上記に限らず、例えばユニット内部の冷却フィンとユニット筐体、スイッチング素子とユニット筐体などの空間絶縁距離にも適用可能である。変圧器盤の異電位間の空間絶縁部全般に適用可能である。
【００３７】
以上のように、本実施を要約すると、尖鋭したユニット端部などの前記変換器盤の電界集中部を覆うように，固体絶縁を施した金属板を少なくとも部分的に適用する。被絶縁金属体の内側に絶縁物を配置して位置決めを容易とし、絶縁信頼性と実装性を向上することが可能となる。また、複合絶縁した金属体を適用することで空間絶縁距離を短縮し、スイッチング素子由来の導電性ガスによる短絡を防止することが可能となる。かつ、高圧変換器の複合絶縁物の歩留まり率を向上し、絶縁実装を簡易とすることが可能である。
【００３８】
図４は、第２実施形態に係る電力変換器の全体図を表す図である。被絶縁金属５について、第１実施形態と異なり塗装絶縁物4において、2度塗りする部位６２（2度塗りする領域とも称する）を設ける。
【００３９】
これにより、ユニットセル２の筐体の金属カバー３への被絶縁金属体５の着脱において、金属カバー３に実施例１で設けた絶縁物を設ける必要が無くなる。2度塗りする領域は可能な限り広範とした方が良い。
【００４０】
ただし、本構造ではボルト締めする部分を局所的にマスキング処理する必要がある。そのため、一般的には実施例１の方が実用的となる。
【００４１】
図５は、第３実施形態に係る電力変換器の全体図を表す図である。本構造では、絶縁物６１の代わりに金属板６３を配置する構造としている。
【００４２】
本構造では、金属板６３と中介の金属カバー3が同一電位となるため、絶縁物の間で放電などが発生せず、絶縁劣化が発生することは無い。本構造も、有効な実装方法のひとつとなる。
【符号の説明】
【００４３】
１  電力変換装置
２  ユニットセル
３  金属カバー
４  絶縁物
５  被絶縁金属体
４１  塗装膨らみ
２０１  スイッチング素子
２０２  放熱フィン
２０３  バスバ
２０４  平滑コンデンサ
【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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