(57)【要約】【課題】電力変換装置の寄生インダクタンスが大きい。【解決手段】実施形態の電力変換装置は、基板と、第１アーム部と、第２アーム部と、蓄電部とを備える。第１アーム部は、直列接続された複数のスイッチング素子を含み、一端が直流電源に接続され、前記基板の一方の面に配置されている。第２アーム部は、直列接続された複数のスイッチング素子を含み、一端が直流電源に接続され、他端が前記第１アーム部の他端に接続され、前記第１アーム部と対向して、前記基板の前記一方の面に配置されている。蓄電部は、一端は前記第１アーム部に接続され、他端は前記第２アーム部に接続され、電荷を蓄える。【選択図】図１
2017158329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
直列接続された複数のスイッチング素子を含み、一端が直流電源に接続され、前記基板の一方の面に配置された第１アーム部と、
直列接続された複数のスイッチング素子を含み、一端が直流電源に接続され、他端が前記第１アーム部の他端に接続され、前記第１アーム部と対向して、前記基板の前記一方の面に配置された第２アーム部と、
一端は前記第１アーム部に接続され、他端は前記第２アーム部に接続され、電荷を蓄える蓄電部と、
を備える電力変換装置。
【請求項２】
前記基板の一方の面に設けられ、前記複数のスイッチング部のオンとオフとを切り替える駆動信号を受信する受信部と、
前記基板の一方の面に設けられ、前記受信部と、前記第１アーム部及び前記第２アーム部とを電気的に絶縁しつつ、前記駆動信号を、前記受信部から前記第１アーム部及び前記第２アーム部へと伝達する絶縁通信部と、
を更に備え、
前記基板は、
前記第１アーム部、前記第２アーム部、及び、前記蓄電部を接地する第１接地部と、
前記第１接地部とは絶縁され、前記受信部を接地する第２接地部と、
を有する請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記基板の一方の面の一辺に設けられ、前記第１アーム部及び前記第２アーム部を直流電下と接続する一対の入力端子と、
一端が前記第１アーム部の前記他端及び前記第２アーム部の前記他端と接続され、他端は前記基板の他方の面において前記一辺へと延びる出力配線と、
を更に備える請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記第１接地部は、前記基板に設けられ、
前記第２接地部は、前記基板の前記第１接地部の外側に設けられ、
前記第１アーム部、前記第２アーム部、及び、前記蓄電部は、前記第１接地部と重ねて設けられ、
前記受信部は、前記第２接地部と重ねて設けられ、
前記絶縁通信部は、前記第１接地部と前記第２接地部とにわたって設けられている
請求項２または３に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】
複数の電圧を出力するマルチレベルの電力変換装置が知られている。例えば、図１４に示す従来の電力変換装置９０は、ＩＧＢＴ等からなる６個のスイッチング素子９２ａ〜９２ｆと、２個のキャパシタ９４ａ、９４ｂと、１または複数（例えば、２個）の直流電源９６と、出力端子９８とを備える。
【０００３】
６個のスイッチング素子９２ａ〜９２ｆは、一直線上に配置されるとともに、直列接続されている。キャパシタ９４ａは、スイッチング素子９２ｂ、９２ｃとの間と、スイッチング素子９２ｄ、９２ｅとの間とに接続されている。キャパシタ９４ｂは、スイッチング素子９２ａ、９２ｂとの間と、スイッチング素子９２ｅ、９２ｆとの間とに接続されている。
【０００４】
電力変換装置９０では、キャパシタ９４ａ、９４ｂに異なる電荷を充電する。電力変換装置９０では、スイッチング素子９２ａ〜９２ｆのいずれかをオンにすることにより、直流電源９６から出力端子９８までの電流の経路を変化させる。これにより、各電流の経路が通るキャパシタ９４ａ、９４ｂが異なる、または、キャパシタ９４ａ、９４ｂを通らせないことによって、出力端子９８から出力される電圧を例えば４レベルで変化させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−９２６５１号公報
【特許文献２】特開２００９−１７７９５１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】小原秀嶺（他）、フライングキャパシタマルチレベル変換器におけるキャパシタ選定指針に関する検討、電気学会論文誌、日本、一般社団法人  電気学会、2011/12/01、Vol.  No.12  pp.1393-1400
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の電力変換装置９０では、キャパシタ９４ａ、９４ｂとスイッチング素子９２ａ〜９２ｆとを接続する配線が長いので、寄生インダクタンスが大きくなるといった課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、実施形態の電力変換装置は、基板と、第１アーム部と、第２アーム部と、蓄電部とを備える。第１アーム部は、直列接続された複数のスイッチング素子を含み、一端が直流電源に接続され、前記基板の一方の面に配置されている。第２アーム部は、直列接続された複数のスイッチング素子を含み、一端が直流電源に接続され、他端が前記第１アーム部の他端に接続され、前記第１アーム部と対向して、前記基板の前記一方の面に配置されている。蓄電部は、一端は前記第１アーム部に接続され、他端は前記第２アーム部に接続され、電荷を蓄える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態の電力変換装置の平面図である。
【図２】図２は、接地部を説明する平面図である。
【図３】図３は、別の層の接地部を説明する平面図である。
【図４】図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った縦断面図である。
【図５】図５は、電力変換装置の主要部の回路図である。
【図６】図６は、実施形態の電力変換装置の動作を説明する図である。
【図７】図７は、比較対象としての図１４に示す電力変換装置の動作を説明する図である。
【図８】図８は、実施形態の電力変換装置の動作を説明する図である。
【図９】図９は、比較対象としての図１４に示す電力変換装置の動作を説明する図である。
【図１０】図１０は、実施形態の電力変換装置の動作を説明する図である。
【図１１】図１１は、比較対象としての図１４に示す電力変換装置の動作を説明する図である。
【図１２】図１２は、実施形態の電力変換装置の動作を説明する図である。
【図１３】図１３は、比較対象としての図１４に示す電力変換装置の動作を説明する図である。
【図１４】図１４は、従来の電力変換装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の例示的な実施形態や変形例には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、同様の構成要素には共通の符号が付されるとともに、重複する説明が部分的に省略される。実施形態や変形例に含まれる部分は、他の実施形態や変形例の対応する部分と置き換えて構成されることができる。また、実施形態や変形例に含まれる部分の構成や位置等は、特に言及しない限りは、他の実施形態や変形例と同様である。
【００１１】
実施形態の電力変換装置は、例えば、太陽光発電及び蓄電池等を系統（例えば、商用電源）に連結するためのパワーコンディショナー（ＰＣＳ）として適用される。実施形態の電力変換装置は、小から中容量（例えば、５ｋＷ〜２５ｋＷ）で高効率の電力変換可能なＰＣＳとして適用できる。
【００１２】
このような電力変換装置において、実施形態は、蓄電部と、スイッチング素子との間の配線を短くして、インダクタンスを小さくすることによって、電流遮断時のサージ電圧を小さくする。
【００１３】
＜実施形態＞
図１は、実施形態の電力変換装置１０の平面図である。電力変換装置１０は、単相で各相が４レベル（３段）の電圧を出力する。
【００１４】
図１に示すように、電力変換装置１０は、基板１２と、複数の受信部１４と、複数の絶縁通信部１６と、複数のドライバ１８と、一対の入力端子２０Ｐ及び入力端子２０Ｎと、出力端子２２と、複数のスイッチング部４０ａ、４０ｂ、４０ｃを有する第１アーム部２４と、複数のスイッチング部４２ａ、４２ｂ、４２ｃを有する第２アーム部２６と、複数の蓄電部２８ａ、２８ｂ、２８ｃと、出力配線３０とを備える。
【００１５】
以下の説明において、複数のスイッチング部４０ａ、４０ｂ、４０ｃを区別する必要がない場合、スイッチング部の符号を４０とする。複数のスイッチング部４２ａ、４２ｂ、４２ｃを区別する必要がない場合、スイッチング部の符号を４２とする。複数の蓄電部２８ａ、２８ｂ、２８ｃを区別する必要がない場合、蓄電部の符号を２８とする。
【００１６】
基板１２は、例えば、板状の部材である。基板１２は、例えば、シリコン等を含む半導体ウエハであってもよく、エポキシ樹脂等を含むプリント配線用基板であってもよい。基板１２は、受信部１４、絶縁通信部１６、ドライバ１８、入力端子２０Ｐ、２０Ｎ、出力端子２２、第１アーム部２４、第２アーム部２６、及び、蓄電部２８を支持する。基板１２は、貫通穴３４に形成された貫通配線部４４と、裏面配線部４６とを有する出力配線３０を有する。出力配線３０については、後述する。基板１２に点線で囲み太線ハッチングで示す分離領域３７の外側は、低電圧領域３６である。基板１２に点線で示す領域の内側は、低電圧領域３６よりも高い電圧が供給される電子部品が配置された高電圧領域３８である。尚、分離領域３７は、断面ではないが、説明のため太線ハッチングを付与している。例えば、交流の電力が供給される場合、低電圧領域３６は２４Ｖ程度の電力が供給される領域であり、高電圧領域３８は２００Ｖ以下の電圧が供給される領域である。分離領域３７の幅は、絶縁距離の規格等によって設計すればよく、例えば、４ｍｍから５ｍｍ程度である。
【００１７】
受信部１４は、抵抗及びキャパシタ等を含む回路によって構成される。複数の受信部１４は、複数のスイッチング部４０、４２と一対一の関係で設けられている。従って、複数の受信部１４の個数は、スイッチング部４０、４２の個数と同じである。受信部１４は、基板１２の表面の低電圧領域３６内であって、高電圧領域３８の外側に配置されている。基板１２の表面は、基板１２の一方の面の一例である。受信部１４は、外部の制御装置と、絶縁通信部１６とに接続されている。受信部１４は、スイッチング部４０及びスイッチング部４２のオンとオフとの切り替えを制御するための駆動信号を外部の制御装置から受信する。
【００１８】
駆動信号は、例えば、正弦変調波と、三角搬送波等の複数のキャリアとを比較して、両波の大小関係に基づいて生成される。キャリアの個数は、段数と等しく、本実施形態では３個である。３個のキャリアは、互いに位相が１２０°ずれている。この場合、駆動信号は、正弦変調波がキャリアよりも大きい場合、スイッチング部４０、４２をオンとする“１”となり、または、正弦変調波がキャリアよりも小さい場合、スイッチング部４０、４２をオフとする“０”となる。受信部１４は、受信した駆動信号を絶縁通信部１６へ出力して伝達する。また、受信部１４は、絶縁通信部１６に動作電圧を印加するとともに、絶縁通信部１６を接地させる。
【００１９】
絶縁通信部１６は、基板１２の表面に、かつ、低電圧領域３６と高電圧領域３８とを絶縁する分離領域３７を跨ぐように配置されている。絶縁通信部１６は、受信部１４と、ドライバ１８とに接続されている。絶縁通信部１６の一例は、絶縁ＩＣ（Integrated  Circuit）またはアイソレータである。絶縁ＩＣは、例えば、入力側において駆動信号を変調する変調器と、変調器とは電気的に絶縁され且つ駆動信号を復調する復調器とを有する。絶縁通信部１６は、低電圧領域３６に配置された受信部１４から取得した駆動信号を変調器によって変調する。絶縁通信部１６は、変調された駆動信号を復調器で復調して、高電圧領域３８に配置されたドライバ１８を介して第１アーム部２４及び第２アーム部２６へと出力する。これにより、絶縁通信部１６は、受信部１４と、ドライバ１８、第１アーム部２４及び第２アーム部２６とを電気的に絶縁しつつ、受信部１４から第１アーム部２４及び第２アーム部２６へと駆動信号を伝達する。尚、絶縁通信部１６は、発光ダイオード等の発光部と、フォトダイオードまたはフォトトランジスタ等の受光部とを有するフォトカプラであってもよい。この場合、絶縁通信部１６は、低電圧領域３６に配置された受信部１４から取得した電気的な信号である駆動信号を発光部によって光信号に変換する。絶縁通信部１６は、受光部で光信号を受光して、再度、電気的な駆動信号に変換して、高電圧領域３８に配置されたドライバ１８を介して第１アーム部２４及び第２アーム部２６へと出力する。
【００２０】
ドライバ１８は、基板１２の表面の高電圧領域３８に配置されている。ドライバ１８は、絶縁通信部１６と、スイッチング部４０、４２とに接続されている。ドライバ１８は、絶縁通信部１６から取得した駆動信号を、スイッチング部４０、４２へ伝達する。例えば、ドライバ１８は、駆動信号を増幅して、スイッチング部４０、４２へ伝達する。
【００２１】
入力端子２０Ｐ、２０Ｎは、基板１２の表面の高電圧領域３８に配置されている。入力端子２０Ｐ、２０Ｎは、基板１２の表面の一辺に設けられている。入力端子２０Ｐは、外部の直流電源の正極に接続される。入力端子２０Ｎは、外部の直流電源の負極に接続される。本実施形態では、入力端子２０ＰにＥｄｃの電圧が印加され、入力端子２０Ｎに‐Ｅｄｃの電圧が印加される。これにより、入力端子２０Ｐ、２０Ｎには、外部の直流電源から直流電力が供給される。
【００２２】
出力端子２２は、基板１２の表面の高電圧領域３８に配置されている。出力端子２２は、基板１２の一辺に設けられている。出力端子２２は、入力端子２０Ｐと入力端子２０Ｎとの間に配置されている。出力端子２２は、外部の商用電源等の系統、または、モータ等に接続される。これにより、出力端子２２は、電力変換装置１０によって生成されたマルチレベルの電圧を、外部の系統等に出力する。
【００２３】
第１アーム部２４の一端は、正極の入力端子２０Ｐに接続されている。これにより、第１アーム部２４の一端は、入力端子２０Ｐを介して、直流電源に接続される。第１アーム部２４は、基板１２の表面の高電圧領域３８に設けられている。
【００２４】
第１アーム部２４は、例えば、３個のスイッチング部４０ａ、４０ｂ、４０ｃを有する。３個のスイッチング部４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、例えば、一直線上に配置されている。３個のスイッチング部４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、直列に接続されている。第１アーム部２４の一端に設けられたスイッチング部４０ａの一端は、正極の入力端子２０Ｐに接続されている。スイッチング部４０ｂの一端は、スイッチング部４０ａの他端と接続されている。スイッチング部４０ｂの他端は、スイッチング部４０ｃの一端と接続されている。第１アーム部２４の他端に設けられたスイッチング部４０ｃの他端は、第１アーム部２４の他端として機能する。
【００２５】
第２アーム部２６の一端は、負極の入力端子２０Ｎに接続されている。これにより、第２アーム部２６の一端は、入力端子２０Ｎを介して、直流電源に接続される。第２アーム部２６の他端は、第１アーム部２４の他端と接続されている。第２アーム部２６は、基板１２の表面の高電圧領域３８に設けられている。第２アーム部２６は、第１アーム部２４と対向（例えば、幾何学的に対向）する位置に配置されている。例えば、第２アーム部２６は、第１アーム部２４と平行に配置されている。
【００２６】
第２アーム部２６は、例えば、３個のスイッチング部４２ａ、４２ｂ、４２ｃを有する。３個のスイッチング部４２ａ、４２ｂ、４２ｃは、例えば、一直線上に配置されている。３個のスイッチング部４２ａ、４２ｂ、４２ｃは、直列に接続されている。第２アーム部２６の一端に設けられたスイッチング部４２ａの一端は、正極の入力端子２０Ｎに接続されている。スイッチング部４２ｂの一端は、スイッチング部４２ａの他端と接続されている。スイッチング部４２ｂの他端は、スイッチング部４２ｃの一端と接続されている。第２アーム部２６の他端に設けられたスイッチング部４２ｃの他端は、第２アーム部２６の他端として、第１アーム部２４のスイッチング部４０ｃの他端と接続される。
【００２７】
スイッチング部４０、４２の一例は、半導体スイッチング素子である。スイッチング部４０、４２は、ドライバ１８から入力された駆動信号に基づいて、オンとオフとが切り替わる。ここで、スイッチング部４０ａ、４２ａには、互いに“１”と“０”とが逆転した同位相の駆動信号が入力される。スイッチング部４０ｂ、４２ｂにも同様に“１”と“０”とが逆転した同位相の駆動信号が入力される。スイッチング部４０ｃ、４２ｃにも同様に“１”と“０”とが逆転した同位相の駆動信号が入力される。スイッチング部４０ａ、４０ｂ、４０ｃには、同じ正弦変調波と、互いに位相が１２０°異なるキャリアとによって生成された駆動信号が入力される。スイッチング部４２ａ、４２ｂ、４２ｃには、同じ正弦変調波と、互いに位相が１２０°異なるキャリアとによって生成された駆動信号が入力される。
【００２８】
複数の蓄電部２８ａ、２８ｂ、２８ｃの個数は、例えば、３個である。蓄電部２８は、電荷を蓄える。蓄電部２８の一端は、第１アーム部２４に接続されている。例えば、蓄電部２８の一端は、第１アーム部２４のスイッチング部４０の一端と隣接するスイッチング部４０の他端とに接続されている。蓄電部２８の他端は、第２アーム部２６に接続されている。例えば、蓄電部２８の他端は、第２アーム部２６のスイッチング部４２の一端と隣接するスイッチング部４２の他端とに接続されている。
【００２９】
具体的には、蓄電部２８ａの一端は、スイッチング部４０ａの一端及び正極の入力端子２０Ｐに接続されている。蓄電部２８ａの他端は、スイッチング部４２ａの一端及び負極の入力端子２０Ｎに接続されている。尚、蓄電部２８ａは、外付けのキャパシタと入力端子２０Ｐ及び入力端子２０Ｎが接続されている場合、省略してもよい。
【００３０】
蓄電部２８ｂの一端は、スイッチング部４０ａの他端及びスイッチング部４０ｂの一端に接続されている。蓄電部２８ｂの他端は、スイッチング部４２ａの他端及びスイッチング部４２ｂの一端に接続されている。蓄電部２８ｂは、例えば、電圧が４Ｅｄｃ／３となる電荷を蓄える。
【００３１】
蓄電部２８ｃの一端は、スイッチング部４０ｂの他端及びスイッチング部４０ｃの一端に接続されている。蓄電部２８ｃの他端は、スイッチング部４２ｂの他端及びスイッチング部４２ｃの一端に接続されている。蓄電部２８ｃには、蓄電部２８ｂとは異なる電圧が印加される。蓄電部２８ｃは、例えば、電圧が２Ｅｄｃ／３となる電荷を蓄える。
【００３２】
出力配線３０は、金属等を含む導電性の材料によって構成されている。出力配線３０は、基板１２の高電圧領域３８の表面から貫通穴３４を介して裏面へと設けられている。
【００３３】
図２は、接地部を説明する図である。図２に示すように、電力変換装置１０の基板１２は、第１接地部４８ａと、第２接地部５０ａとを更に有する。第１接地部４８ａは、断面図でないがドットハッチングを付与している。第２接地部５０ａは、断面図でないが、第１接地部４８ａよりもドットが密なドットハッチングを付与している。第１接地部４８ａは、複数の領域に分割されていてもよい。
【００３４】
第１接地部４８ａ及び第２接地部５０ａは、基板１２の表面と裏面との間の中間層に設けられている。第１接地部４８ａ及び第２接地部５０ａは、金属等を含む導電性の材料を含む。第１接地部４８ａ及び第２接地部５０ａは、エッチング等によってパターニングされ、層状に形成されている。
【００３５】
第１接地部４８ａは、高電圧領域３８に設けられている。第１接地部４８ａは、基板１２の中央部から、出力端子２２が配置された基板１２の一辺へと設けられている。第１接地部４８ａは、入力端子２０Ｎと接続されている。第１接地部４８ａは、入力端子２０Ｎを接地させる。
【００３６】
第２接地部５０ａは、低電圧領域３６に設けられている。第２接地部５０ａは、基板１２の外側であって、第１接地部４８ａを囲むように設けられている。第２接地部５０ａは、第１接地部４８ａと電気的に絶縁されている。第２接地部５０ａは、複数の受信部１４と接続されている。第２接地部５０ａは、複数の受信部１４を接地させる。
【００３７】
図３は、別の層の接地部を説明する平面図である。図３に示すように、電力変換装置１０の基板１２は、裏面配線部４６と同じ層に設けられた第２接地部５０ｂとを更に有する。尚、図３において、裏面配線部４６は、断面図でないがドットハッチングを付与している。第２接地部５０ｂは、断面図でないが、裏面配線部４６よりもドットが密なドットハッチングを付与している。
【００３８】
裏面配線部４６及び第２接地部５０ｂは、基板１２の表面と裏面との間の中間層に設けられている。裏面配線部４６及び第２接地部５０ｂは、第１接地部４８ａ及び第２接地部５０ａと異なる層、例えば、第１接地部４８ａ及び第２接地部５０ａよりも裏面側の層に設けられている。裏面配線部４６及び第２接地部５０ｂは、金属等を含む導電性の材料を含む。裏面配線部４６及び第２接地部５０ｂは、エッチング等によってパターニングされ、層状に形成されている。
【００３９】
裏面配線部４６は、高電圧領域３８に設けられている。裏面配線部４６は、基板１２の中央部から、出力端子２２が配置された基板１２の一辺へと設けられている。裏面配線部４６は、貫通穴３４の貫通配線部４４と電気的に接続されている。裏面配線部４６は、貫通配線部４４を介して第１アーム部２４及び第２アーム部２６と接続されている。
【００４０】
第２接地部５０ｂは、低電圧領域３６に設けられている。第２接地部５０ｂは、基板１２の外側であって、裏面配線部４６を囲むように設けられている。第２接地部５０ｂは、裏面配線部４６と電気的に絶縁されている。第２接地部５０ｂは、複数の受信部１４と接続されている。第２接地部５０ｂは、複数の受信部１４を接地させる。第２接地部５０ｂは、ビア電極等によって、第２接地部５０ａと電気的に接続されていてもよい。このように、第２接地部５０ａは、第２接地部５０ｂと接続されることによって、ノイズをより低減できる。
【００４１】
ドライバ１８、入力端子２０Ｐ、２０Ｎ、出力端子２２、第１アーム部２４、第２アーム部２６、及び、蓄電部２８は、平面視において、基板１２の中央部の高電圧領域３８に設けられた第１接地部４８ａと重ねて設けられている。受信部１４は、平面視において、基板１２の第１接地部４８ａの外側の低電圧領域３６に設けられた第２接地部５０ａ、５０ｂと重ねて設けられている。絶縁通信部１６は、高電圧領域３８の第１接地部４８ａと、低電圧領域３６の第２接地部５０ａ、５０ｂとにわたって設けられている。
【００４２】
図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った縦断面図である。図４に示すように、第１接地部４８ａ及び第２接地部５０ａは、裏面配線部４６及び第２接地部５０ｂと異なる層に設けられている。
【００４３】
図４に示すように、貫通穴３４は、基板１２の表面から裏面側の途中の層まで形成されている。尚、貫通穴３４は、絶縁を確保できれば裏面まで達していてもよい。貫通配線部４４は、基板１２の貫通穴３４に設けられている。従って、貫通配線部４４は、基板１２の表面から途中の層にわたって設けられている。出力配線３０の一端である貫通配線部４４の一端は、基板１２の表面に設けられた第１アーム部２４の他端及び第２アーム部２６の他端に接続されている。貫通配線部４４の他端は、裏面配線部４６の一端に接続されている。裏面配線部４６は、基板１２の裏面側の層に設けられている。出力配線３０の他端である裏面配線部４６の他端は、基板１２の裏面側の層において、出力端子２２及び入力端子２０Ｐ、２０Ｎが設けられた一辺へと延びる。裏面配線部４６の他端は、出力端子２２に接続される。これにより、出力配線３０は、第１アーム部２４の他端及び第２アーム部２６の他端と、出力端子２２とを接続する。
【００４４】
図５は、電力変換装置１０の主要部の回路図である。図５に示すように、スイッチング部４０、４２の一例は、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体トランジスタである。蓄電部２８の一例は、キャパシタである。本実施形態では、蓄電部２８は、接地されておらず、基準電位から浮いたフライングキャパシタである。
【００４５】
次に、上述した実施形態の電力変換装置１０の動作を説明する。電力変換装置１０の動作の説明において、電力変換装置１０のインダクタンスについても説明する。
【００４６】
図６、図８、図１０及び図１２は、実施形態の電力変換装置１０の動作を説明する図である。図７、図９、図１１及び図１３は、比較対象としての図１４に示す電力変換装置９０の動作を説明する図である。電力変換装置１０、９０に入力される直流の電圧の正極側をＥｄｃとして、負極側を−Ｅｄｃとする。
【００４７】
図６に示すように、入力端子２０Ｐから第１アーム部２４または入力端子２０Ｎから第２アーム部２６までの入力のインダクタンスをＬｅ、出力配線３０のインダクタンスをＬｏｕｔ、スイッチング部４０、４２のインダクタンスをＬｓ、蓄電部２８ｃのインダクタンスをＬｃとする。蓄電部２８ｃの電圧は２Ｅｄｃ／３とし、蓄電部２８ｂの電圧は４Ｅｄｃ／３とする。このように、蓄電部２８ｃの２倍の電圧が、蓄電部２８ｂに印加されるので、蓄電部２８ｂは、蓄電部２８ｃの２倍の耐圧が必要となる。２倍の耐圧とするためには、蓄電部２８ｂは、蓄電部２８ｃの２倍の距離が必要となるので、蓄電部２８ｂのインダクタンスは、蓄電部２８ｃのインダクタンスの２倍となる。従って、蓄電部２８ｂのインダクタンスは、２Ｌｃとなる。
【００４８】
図７に示すように、接地端子からスイッチング素子９２ａまたはスイッチング素子９２ｂまでの入力のインダクタンスをＬｅ’、出力用の配線のインダクタンスをＬｏｕｔ’、スイッチング素子９２のインダクタンスをスイッチング部４０、４２と同じＬｓ、キャパシタ９４ａのインダクタンスをＬｃ’とする。キャパシタ９４ａの電圧は２Ｅｄｃ／３とし、キャパシタ９４ｂの電圧は４Ｅｄｃ／３とする。従って、キャパシタ９４ｂのインダクタンスは、２Ｌｃ’とする。
【００４９】
ここで、電力変換装置１０のインダクタンスのうち、ＬｅとＬｏｕｔの和（＝Ｌｅ＋Ｌｏｕｔ）と、電力変換装置９０のインダクタンスのうち、Ｌｅ’とＬｏｕｔ’の和（＝Ｌｅ’＋Ｌｏｕｔ’）は、ほぼ等しいとする。従って、インダクタンスの比較において、これらの和は考慮しない。
【００５０】
実施形態の電力変換装置１０の蓄電部２８と、スイッチング部４０、４２とを接続する配線は、比較例の電力変換装置９０のキャパシタ９４とスイッチング素子９２とを接続する配線よりも短い。従って、蓄電部２８ｃのインダクタンスＬｃは、キャパシタ９４ａのインダクタンスＬｃ’よりも小さい。
【００５１】
図６、及び、図７を参照して、電力変換装置１０、９０が、電圧Ｅｄｃを出力する場合について説明する。
【００５２】
図６に示すように、実施形態の電力変換装置１０では、電圧Ｅｄｃを出力する場合、スイッチング部４０ａ、４０ｂ、４０ｃがオンとなり、スイッチング部４２ａ、４２ｂ、４０ｃがオフとなる。これにより、電流は、一点鎖線の矢印で示すように、入力端子２０Ｐ、スイッチング部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、出力配線３０を順に流れて、出力端子２２から出力される。この場合、電力変換装置１０のインダクタンスは、３Ｌｓとなる。
【００５３】
図７に示すように、実施形態の電力変換装置９０では、電圧Ｅｄｃを出力する場合、スイッチング素子９２ａ、９２ｂ、９２ｃがオンとなり、スイッチング素子９２ｄ、９２ｅ、９２ｆがオフとなる。これにより、電流は、一点鎖線の矢印で示すように、接地端子、スイッチング素子９２ａ、９２ｂ、９２ｃを順に流れて、出力配線から出力される。この場合、電力変換装置９０のインダクタンスは、３Ｌｓ’となる。
【００５４】
従って、電力変換装置１０、９０が電圧Ｅｄｃを出力する場合、それぞれのインダクタンスはほぼ等しい。
【００５５】
図８、及び、図９を参照して、電力変換装置１０、９０が、電圧Ｅｄｃ／３を出力する場合について説明する。
【００５６】
図８に示すように、実施形態の電力変換装置１０では、電圧Ｅｄｃ／３を出力する場合、スイッチング部４０ａ、４２ｂ、４０ｃがオンとなり、スイッチング部４２ａ、４０ｂ、４２ｃがオフとなる。これにより、電流は、一点鎖線の矢印で示すように、入力端子２０Ｐ、スイッチング部４０ａ、蓄電部２８ｂ、スイッチング部４２ｂ、蓄電部２８ａ、スイッチング部４０ｃ、出力配線３０を順に流れて、出力端子２２から出力される。これにより、入力された電圧Ｅｄｃは、蓄電部２８ｂによって４Ｅｄｃ／３下げられた後、蓄電部２８ｃによって２Ｅｄｃ／３上げられるので、出力する電圧はＥｄｃ／３となる。この場合、電力変換装置１０のインダクタンスは、３Ｌｓ＋３Ｌｃとなる。
【００５７】
図９に示すように、比較例の電力変換装置９０では、電圧Ｅｄｃ／３を出力する場合、スイッチング素子９２ａ、９２ｃ、９２ｅがオンとなり、スイッチング素子９２ｂ、９２ｄ、９２ｆがオフとなる。これにより、電流は、一点鎖線の矢印で示すように、接地端子、スイッチング素子９２ａ、キャパシタ９４ｂ、スイッチング素子９２ｅ、キャパシタ９４ａ、スイッチング素子９２ｃを順に流れて、出力配線から出力される。これにより、入力された電圧Ｅｄｃは、キャパシタ９４ｂによって４Ｅｄｃ／３下げられた後、キャパシタ９４ａによって２Ｅｄｃ／３上げられるので、出力する電圧はＥｄｃ／３となる。この場合、電力変換装置９０のインダクタンスは、３Ｌｓ＋３Ｌｃ’となる。
【００５８】
Ｌｃ＜Ｌｃ’なので、電力変換装置１０、９０が電圧Ｅｄｃ／３を出力する場合、電力変換装置１０のインダクタンスは、電力変換装置９０のインダクタンスよりも小さくなる。
【００５９】
図１０、及び、図１１を参照して、電力変換装置１０、９０が、電圧Ｅｄｃ／３を出力する場合について説明する。
【００６０】
図１０に示すように、実施形態の電力変換装置１０では、電圧Ｅｄｃ／３を出力する場合、スイッチング部４０ａ、４０ｂ、４２ｃがオンとなり、スイッチング部４２ａ、４２ｂ、４０ｃがオフとなる。これにより、電流は、一点鎖線の矢印で示すように、入力端子２０Ｐ、スイッチング部４０ａ、４０ｂ、蓄電部２８ｃ、スイッチング部４２ｃ、出力配線３０を順に流れて、出力端子２２から出力される。これにより、入力された電圧Ｅｄｃは、蓄電部２８ｃによって２Ｅｄｃ／３下げられるので、出力する電圧はＥｄｃ／３となる。この場合、電力変換装置１０のインダクタンスは、３Ｌｓ＋Ｌｃとなる。
【００６１】
図１１に示すように、比較例の電力変換装置９０では、電圧Ｅｄｃ／３を出力する場合、スイッチング素子９２ａ、９２ｂ、９２ｄがオンとなり、スイッチング素子９２ｃ、９２ｅ、９２ｆがオフとなる。これにより、電流は、一点鎖線の矢印で示すように、接地端子、スイッチング素子９２ａ、９２ｂ、キャパシタ９４ａ、スイッチング素子９２ｄを順に流れて、出力配線から出力される。これにより、入力された電圧Ｅｄｃは、キャパシタ９４ａによって２Ｅｄｃ／３下げられるので、出力する電圧はＥｄｃ／３となる。この場合、電力変換装置９０のインダクタンスは、３Ｌｓ＋Ｌｃ’となる。
【００６２】
Ｌｃ＜Ｌｃ’なので、電力変換装置１０、９０が電圧Ｅｄｃ／３を出力する場合、電力変換装置１０のインダクタンスは、電力変換装置９０のインダクタンスよりも小さくなる。
【００６３】
図１２、及び、図１３を参照して、電力変換装置１０、９０が、電圧−Ｅｄｃ／３を出力する場合について説明する。
【００６４】
図１２に示すように、実施形態の電力変換装置１０では、電圧−Ｅｄｃ／３を出力する場合、スイッチング部４０ａ、４２ｂ、４２ｃがオンとなり、スイッチング部４２ａ、４０ｂ、４０ｃがオフとなる。これにより、電流は、一点鎖線の矢印で示すように、入力端子２０Ｐ、スイッチング部４０ａ、蓄電部２８ｂ、スイッチング部４２ｂ、４２ｃ、出力配線３０を順に流れて、出力端子２２から出力される。これにより、入力された電圧Ｅｄｃは、蓄電部２８ｂによって４Ｅｄｃ／３下げられるので、出力する電圧は−Ｅｄｃ／３となる。この場合、電力変換装置１０のインダクタンスは、３Ｌｓ＋２Ｌｃとなる。
【００６５】
図１３に示すように、比較例の電力変換装置９０では、電圧−Ｅｄｃ／３を出力する場合、スイッチング素子９２ａ、９２ｅ、９２ｄがオンとなり、スイッチング素子９２ｂ、９２ｃ、９２ｆがオフとなる。これにより、電流は、一点鎖線の矢印で示すように、接地端子、スイッチング素子９２ａ、９２ｅ、キャパシタ９４ｂ、スイッチング素子９２ｄを順に流れて、出力配線から出力される。これにより、入力された電圧Ｅｄｃは、キャパシタ９４ａによって４Ｅｄｃ／３下げられるので、出力する電圧は−Ｅｄｃ／３となる。この場合、電力変換装置９０のインダクタンスは、３Ｌｓ＋２Ｌｃ’となる。
【００６６】
Ｌｃ＜Ｌｃ’なので、電力変換装置１０、９０が電圧−Ｅｄｃ／３を出力する場合、電力変換装置１０のインダクタンスは、電力変換装置９０のインダクタンスよりも小さくなる。
【００６７】
上述したように、電力変換装置１０は、第１アーム部２４と、第２アーム部２６とを対向（例えば、幾何学的に対向）するように配置しているので、第１アーム部２４と第２アーム部２６とに接続される蓄電部２８の配線を短くすることができる。従って、電力変換装置１０は、第１アーム部２４と第２アーム部２６とを一直線上に配置した場合に比べて、蓄電部２８の寄生インダクタンスを小さくできるので、全体の寄生インダクタンスを小さくすることができる。これにより、電力変換装置１０は、電流遮断時のサージ電圧を抑制できるので、スイッチング部４０、４２のスイッチング損失を抑制できる。更に、電力変換装置１０は、各蓄電部２８の配線の長さのばらつきを抑制できるので、異なる電流経路において、寄生インダクタンスのばらつきを抑制できる。
【００６８】
電力変換装置１０は、高電圧領域３８に配置された第１アーム部２４及び第２アーム部２６と、低電圧領域３６に配置された受信部１４とを、絶縁通信部１６によって絶縁しつつ、第１接地部４８ａ及び第２接地部５０ａ、５０ｂによって別々に接地している。これにより、電力変換装置１０は、高電圧領域３８と、低電圧領域３６とを電気的に絶縁できるので、高電圧領域３８のスイッチング部４０、４２のスイッチングノイズが、低電圧領域３６の受信部１４におよぼす影響を低減できる。
【００６９】
電力変換装置１０は、出力配線３０を基板１２の裏面に設けて、入力端子２０Ｐ、２０Ｎが設けられた一辺へと延ばしている。従って、電力変換装置１０は、高電圧が印加される出力配線３０が低電圧領域３６を通過しないように構成できるので、スイッチングノイズが受信部１４におよぼす影響をより低減できる。
【００７０】
本発明の実施形態を説明したが、上述の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上述の新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上述の実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００７１】
上述した実施形態の構成の形状、配置、個数等は適宜変更してよい。
【００７２】
上述の実施形態は、４レベルの電力変換装置を例に挙げたが、他の複数レベルの電力変換装置に上述の実施形態を適用してもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１０…電力変換装置、    １２…基板、    １４…受信部、    １６…絶縁通信部、    ２０Ｎ…入力端子、    ２０Ｐ…入力端子、    ２２…出力端子、    ２４…第１アーム部、    ２６…第２アーム部、    ２８…蓄電部、    ３０…出力配線、    ３６…低電圧領域、    ３８…高電圧領域、    ４０…スイッチング部、    ４２…スイッチング部、    ４８ａ…第１接地部、    ５０ａ、５０ｂ…第２接地部、    Ｌｃ…インダクタンス、    Ｌｃ'…インダクタンス
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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