CN107302316B - 三电平电力转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三电平电力转换装置，实现电力转换装置的小型化，并且减少事故时的二次损害。三电平电力转换装置(1)连接有将直流电压与任意的频率、振幅的交流电压相互转换的多个电力转换主电路(12)。在排列有同一动作单位的IGBT元件的IGBT单元(14～17)和排列有二极管元件(D1、D2)的钳位二极管单元(13)通过不限上下左右的安装而构成的构造体内，使该电力转换主电路(12)并联。

Description

三电平电力转换装置

技术领域

本发明涉及使用多个电力开关元件来构成的三电平电力转换装置。

背景技术

电力转换装置具有通过使多个电力开关元件动作而将直流电力转换为与任意的振幅、频率的交流电压指令等效的电压的交流电力生成功能、与其相逆地进行转换的直流电力生成功能。在该电力转换装置中，将能够向交流端子侧输出正电压、负电压和零电压这三个电压的装置称为三电平电力转换装置。三电平电力转换装置具备具有例如4种开关动作分类的电路结构。该三电平电力转换装置针对交流电压指令，将开关模式的指令信号提供给各栅极驱动器，从而各电力开关元件进行接通(ON)/断开(OFF)的动作，在AC输出端输出与交流电压指令等效的电压。三电平电力转换装置还能够将任意的振幅、频率的交流电压转换为直流电压。

一般，在使用了电力开关元件的三电平电力转换装置中为了使输出容量增加，有将在箱型的框体中汇集了多个电力转换主电路的电力转换单元(电力开关元件集合体)并联地连接多个的方法。该电力转换单元包含上述4种开关动作分类。

伴随着近年来的交流感应电动机的大容量化，三电平电力转换装置期望大容量化和小型化。在专利文献1的摘要的解决手段中记载为“在三电平电力转换装置中，以使包括开关元件和续流二极管的电力转换模块1～4的长度方向与装置框体的底面平行的方式，配置于电力转换模块集合体20。在规定的长度的范围内，将电力转换模块1～4在与装置框体平行的方向上依次排列配置，关于超过上述规定的长度的部分的电力转换模块1～4，改变等级来配置。”。

专利文献1：日本特开2014-116995号公报

发明内容

在该电力转换装置中，以往的电力转换单元是以包含三电平电力转换电路的1相的方式平面状地配置部件而构成的。通过这样的结构，如果以施加电压的提高为目的而将各电力开关元件设为串联两个以上的结构，则存在电路规模变大，电力转换装置大型化的担忧。

同样地，即使在以装置的电力容量的增加为目的而将各电力开关元件进行了并联的结构的情况下，由于安装的制约而使设计的自由度降低，作为结果，存在电力转换装置大型化的担忧。

而且，在电力开关元件中产生了导通损坏等事故时，为了修复电力转换装置，需要使电力开关元件的特性在并联之间一致。因此，不仅是包括损坏的电力转换开关元件的该电力转换单元，而且与该电力转换单元形成并联结构的其它电力转换单元也成为其更换范围。因此，相比于故障范围，更换范围更宽，所以存在修复时间以及修复费用变大的担忧。

并且，在电力转换单元内的电力开关元件在电力转换装置动作中引起短路等故障的情况下，影响会连锁地还波及到处于短路***路径上的其它电力开关元件，存在导通损坏的担忧。因此，期望防止事故时的二次损害。

因此，本发明的课题在于，实现电力转换装置的小型化，并且减少事故时的二次损害。

为了解决所述课题，本发明的三电平电力转换装置连接有将直流电压与任意的频率、振幅的交流电压相互转换的多个电力转换主电路。在排列有同一动作单位的电力开关元件的开关元件构造体和排列有二极管的二极管元件构造体通过不限上下左右的安装而构成的构造体内，使多个所述电力转换主电路并联。

关于其它手段，在具体实施方式中进行说明。

根据本发明，能够提供一种电力转换装置，可实现电力转换装置的小型化，并且减少事故时的二次损害。

附图说明

图1是本实施方式中的三电平电力转换装置的结构图。

图2是示出本实施方式中的三电平电力转换电路的电路图。

图3是示出IGBT单元的详情的电路图。

图4是示出在本实施方式中的三电平电力转换电路中发生了故障的情形的图。

图5是示出在本实施方式中的三电平电力转换电路中在故障之后停止的情形的图。

图6是三电平电力转换电路的主视图。

图7是示出一相部分的三电平电力转换电路的电路图。

图8是电力转换单元的主视图。

图9是电力转换单元的侧视图。

图10是电力转换单元的立体图。

图11是示出钳位二极管单元的主视图。

图12是示出钳位二极管单元的侧视图。

图13是示出钳位二极管单元的立体图。

图14是比较例的三电平电力转换装置的结构图。

图15是示出比较例的三电平电力转换电路的电路图。

图16是示出IGBT元件和栅极驱动器的详情的电路图。

图17是示出在比较例的三电平电力转换电路中发生了故障的情形的图。

图18是示出在比较例的三电平电力转换电路中由于故障而各元件发生了导通损坏的情形的图。

(符号说明)

1：三电平电力转换装置；10：控制部；11u：U相电路；11v：V相电路；11w：W相电路；12、12a～12i：电力转换主电路；13：钳位二极管单元(二极管元件构造体)；14：IGBT单元(第一开关元件构造体)；15：IGBT单元(第二开关元件构造体)；16：IGBT单元(第三开关元件构造体)；17：IGBT单元(第四开关元件构造体)；18：栅极驱动器；19：过电压检测电路；20：过电压抑制电路；21～28、30～34：总线；41～48：总线；50a、50b：散热器；51：支承体；52：金属板；53：金属板；60p、60n：散热器；61：支承板；9：三电平电力转换装置；90：控制部；91u：U相电路；91v：V相电路；91w：W相电路；92、92a～92i：电力转换主电路。

具体实施方式

以下，参照各附图，说明用于实施本发明的方式。此外，在各图中，对共同的构成要素附加同一符号而省略重复的说明。

比较例以及本实施方式的三电平电力转换装置是将直流电压转换为任意的频率、振幅的交流电压的逆变器。该三电平电力转换装置被应用于例如在钢铁压延设备等中使用的交流感应电动机的驱动控制。

《比较例的三电平电力转换装置》

图14是比较例的三电平电力转换装置9的结构图。

三电平电力转换装置9由U相电路91u、V相电路91v、W相电路91w这三相构成。V相电路91v、W相电路91w的结构与U相电路91u相同。

U相电路91u是将电力转换主电路92a～92c并联地连接而构成的。这些电力转换主电路92a～92c分别与正侧直流电源母线(以下记载为“P母线”)、中性点母线(以下记载为“C母线”)、负侧直流电源母线(以下记载为“N母线”)连接而被供给直流电压，向节点UACO输出U相的交流电压。电力转换主电路92b、92c的电路结构与电力转换主电路92a相同。

V相电路91v是将电力转换主电路92d～92f并联地连接而构成的。这些电力转换主电路92d～92f分别与P母线、C母线、N母线连接而被供给直流电压，向节点VACO输出V相的交流电压。电力转换主电路92e、92f的电路结构与电力转换主电路92d相同。

W相电路91w是将电力转换主电路92g～92i并联地连接而构成的。这些电力转换主电路92g～92i分别与P母线、C母线、N母线连接而被供给直流电压，向节点WACO输出W相的交流电压。电力转换主电路92h、92i的电路结构与电力转换主电路92g相同。

以下，在不特别区分电力转换主电路92a～92i时，简单地记载为电力转换主电路92。

负载L与节点UACO、VACO、WACO连接而被施加交流电压。该负载L是例如交流感应电动机等。

关于U相电路91u、V相电路91v以及W相电路91w，三相都是相同的结构。在U相电路91u、V相电路91v、W相电路91w的各相中，通过将同样的电力转换主电路92并联地连接多个，从而能够增加三电平电力转换装置9的输出容量。

图15是示出比较例的电力转换主电路92的电路图。

电力转换主电路92是使用IGBT元件Q11～Q14作为电力开关元件、并利用二极管元件D3、D4而钳位到中性点(中点)的NPC(Neutral Point Clamped，中点钳位)方式的电力转换电路。IGBT元件Q11～Q14是具备绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor：IGBT；以下记载为“IGBT”)以及在集电极-发射极之间连接的续流用二极管的元件。对各IGBT元件Q11～Q14连接有栅极驱动器18，通过控制部90来控制该栅极驱动器18。在后述的图16中，详细说明这些IGBT元件Q11～Q14。

在比较例中，正侧的IGBT元件Q11将P母线的电位经由IGBT元件Q12而输出到节点ACO。对于P母线，通过直流电源Ep而施加直流电压。

第一中性点的IGBT元件Q12以及第二中性点的IGBT元件Q13在IGBT元件Q11、Q12断开时将C母线的电位输出到节点ACO。

负侧的IGBT元件Q14将N母线的电位经由IGBT元件Q13而输出到节点ACO。这些IGBT元件Q11～Q14串联地连接在P母线与N母线之间。各栅极驱动器18与控制部90连接，对各IGBT元件Q11～Q14的栅极供给驱动信号。

另外，在电力转换主电路92中，构成为包括两个钳位用的二极管元件D3、D4。正侧钳位用的二极管元件D3以及负侧钳位用的二极管元件D4是二合一(2in1)二极管元件。在IGBT元件Q11、Q12的连接点与C母线之间，连接用于输出C母线的电位的正侧钳位用的二极管元件D3。另外，在IGBT元件Q13、Q14的连接点与C母线之间，连接用于输出C母线的电位的负侧钳位用的二极管元件D4。在电力转换主电路92中，各IGBT元件Q11～Q14进行开关动作，从而从作为输出点的节点ACO对负载L输出交流电力。

《开关动作》

在向节点ACO输出正电压的脉冲时，控制部90使IGBT元件Q11、Q12接通，使IGBT元件Q13、Q14断开。由此，P母线的电位被输出到节点ACO。

另外，在向节点ACO输出零电压时，控制部90使IGBT元件Q12、Q13接通，使IGBT元件Q11、Q14断开。由此，C母线的电位被输出到节点ACO。

在向节点ACO输出负电压的脉冲时，控制部90使IGBT元件Q13、Q14接通，使IGBT元件Q11、Q12断开。由此，N母线的电位被输出到节点ACO。

电力转换主电路92的控制部90输出由上述那样的以零点为中心的正脉冲和负脉冲构成的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)脉冲，所以相比于二电平电力转换电路，能够向节点ACO输出更接近正弦波的交流电压。

图16是示出IGBT元件Q11和栅极驱动器18等的详情的电路图。

对比较例的IGBT元件Q11连接有栅极驱动器18、过电压检测电路19、过电压抑制电路20。

过电压抑制电路20构成为包括并联地连接在IGBT元件Q11的集电极-栅极之间的齐纳二极管(未图示)。在该过电压抑制电路20中，如果集电极-栅极之间被施加过电压则在齐纳二极管中流过电流，对IGBT元件Q11的栅极供给充电电流。由此，使IGBT元件Q11的阻抗降低，在过电压时保护IGBT元件Q11。

过电压检测电路19和栅极驱动器18连接在栅极-发射极之间。栅极驱动器18使指令信号流向IGBT元件Q11的栅极。过电压检测电路19通过识别为过电压抑制电路20的输出信号与从栅极驱动器18流入IGBT元件Q11的指令信号不一致，判断为产生过电压。由此，控制部90(参照图15)能够停止运转来防止元件的导通损坏。

《比较例的问题点》

在比较例的电力转换主电路92中，在IGBT元件Q11～Q14中的某一个导通损坏时，存在发生二次性的元件损坏的担忧。参照图17和图18对其进行说明。

图17是示出在比较例的电力转换主电路92中发生了故障的情形的图。

将在IGBT元件Q11、Q12接通、IGBT元件Q13、Q14断开时在电力转换主电路92中流过的电流表示为路径73。电流从P母线经由IGBT元件Q11、Q12和节点ACO而流入到负载L。此时，如果IGBT元件Q13错误地接通或者导通损坏，则如图18所示其它元件也导通损坏。

图18示出由于故障而各元件导通损坏的图。

此时，将在电力转换主电路92中流过的电流表示为路径74。电流从P母线经由IGBT元件Q11、Q12、Q13和二极管元件D4而流入到C母线。由于这样的直流短路，导致IGBT元件Q11、Q12和二极管元件D4损坏。

串联连接的IGBT元件Q11被施加与IGBT元件Q11～Q14这四个元件相应的电压而电压上升，但能够通过过电压检测电路19(参照图16)来检测附近的IGBT元件的故障，使运转停止，从而防止进一步的损害。但是，如果考虑IGBT元件Q13由于过电压而受到损伤，则需要在运转停止之后更换IGBT元件Q11～Q14和二极管元件D4。即，必须将1相的结构全部更换。

《本实施方式的电力转换电路结构例》

图1所示的三电平电力转换装置1具备分别使用了3个将直流电压转换为任意的频率、振幅的交流电压的电力转换主电路12(参照图2)的U相电路11u、V相电路11v、W相电路11w这三相。V相电路11v、W相电路11w的结构与U相电路11u的结构相同。

U相电路11u是将电力转换主电路12a～12c并联地连接而构成的。这些电力转换主电路12a～12c分别与P母线、C母线、N母线连接而被供给直流电压，向节点UACO输出U相的交流电压。电力转换主电路12b、12c的电路结构与电力转换主电路12a相同。而且，电力转换主电路12a～12c共有排列有同一动作单位的IGBT元件的IGBT单元14～17、以及排列有二极管的钳位二极管单元13。在这些IGBT单元14～17和钳位二极管单元13通过不限上下左右的安装而构成的构造体内使电力转换主电路12a～12c并联。IGBT元件、二极管分别以同一动作单位被单元化，所以能够容易地进行同一动作单位下的更换。

关于图1的IGBT单元14，记载有表示动作单位的“QP”，与比较例的IGBT元件Q11(参照图15)同样地动作。关于IGBT单元15，记载有表示动作单位的“QPC”，与比较例的IGBT元件Q12(参照图15)同样地动作。关于IGBT单元16，记载有表示动作单位的“QNC”，与比较例的IGBT元件Q13(参照图15)同样地动作。关于IGBT单元17，记载有表示动作单位的“QN”，与比较例的IGBT元件Q14(参照图15)同样地动作。关于钳位二极管单元13，记载有表示动作单位的“D”。

V相电路11v是将电力转换主电路12d～12f并联地连接而构成的。这些电力转换主电路12d～12f分别与P母线、C母线、N母线连接而被供给直流电压，向节点VACO输出V相的交流电压。电力转换主电路12e、12f的结构与电力转换主电路12d的结构相同。而且，电力转换主电路12d～12f共有排列有同一动作单位的IGBT元件的IGBT单元14～17、以及排列有同一动作单位的二极管的钳位二极管单元13。由此，能够以同一动作单位来更换IGBT元件、二极管。

W相电路11w是将电力转换主电路12g～12i并联地连接而构成的。这些电力转换主电路12g～12i分别与P母线、C母线、N母线连接而被供给直流电压，向节点WACO输出W相的交流电压。电力转换主电路12h、12i的电路结构与电力转换主电路12g相同。而且，电力转换主电路12g～12i共有排列有同一动作单位的IGBT元件的IGBT单元14～17、以及排列有同一动作单位的二极管的钳位二极管单元13。由此，能够以同一动作单位来更换IGBT元件、二极管。

以下，在不特别区分电力转换主电路12a～12i时，简单地记载为电力转换主电路12。

U相电路11u、V相电路11v、W相电路11w分别在各单元中并联地配置三个元件而构成三个电力转换主电路12。因此，三电平电力转换装置1的交流电力的输出成为将电力转换主电路12的三个电路合起来的输出。

图2是示出本实施方式中的电力转换主电路12的电路图。

本实施方式的电力转换主电路12与比较例的电力转换主电路92(参照图15)不同的点在于，将进行同样的开关动作的两个IGBT元件串联地连接而构成电力转换单元。由此，能够使两个IGBT元件分担电力转换单元的额定电压，使所输入的直流电压增加到约2倍，能够实现输出的大容量化。

电力转换主电路12是使用IGBT单元14～17作为电力转换单元、并利用钳位二极管单元13而钳位到中性点的NPC方式的电力转换电路。在IGBT单元14中，将进行同样的开关动作的IGBT元件Q1、Q2这两个串联地连接。在IGBT单元15中，将进行同样的开关动作的IGBT元件Q3、Q4串联地连接。在IGBT单元16中，将进行同样的开关动作的IGBT元件Q5、Q6串联地连接。在IGBT单元17中，将进行同样的开关动作的IGBT元件Q7、Q8串联地连接。IGBT单元14～17是将串联连接的两个IGBT元件在三列中进行了排列的开关元件构造体。另外，钳位二极管单元13是将二极管元件D1、D2在三列中进行了排列的二极管元件构造体。由此，如图1所示，能够使三个电力转换主电路12并联。IGBT元件Q1～Q8是具备绝缘栅双极型晶体管以及连接在集电极-发射极之间的续流用二极管的元件。

图3是示出IGBT单元的详情的电路图。

对IGBT元件Q1、Q2，与图16所示的比较例同样地连接有栅极驱动器18、过电压检测电路19以及过电压抑制电路20。

如果IGBT元件Q1、Q2的集电极-栅极之间被施加过电压，则过电压抑制电路20对该IGBT元件的栅极供给充电电流。由此，使IGBT元件Q1、Q2的阻抗降低，在过电压时保护IGBT元件Q1、Q2。

过电压检测电路19和栅极驱动器18连接在IGBT元件Q1、Q2的栅极-发射极之间。栅极驱动器18使指令信号流向IGBT元件Q1、Q2的栅极。过电压检测电路19通过识别为过电压抑制电路20的输出信号与从栅极驱动器18流入到IGBT元件Q1、Q2的指令信号不一致，从而判断为在各IGBT元件中发生了过电压。

由此，IGBT单元14能够检测IGBT元件Q1、Q2的过电压的施加。在IGBT元件Q1、Q2中的一方被施加过电压时，电力转换主电路12的控制部10停止另一方的IGBT元件的运转，减少事故时的二次损害。

同样地，IGBT单元15能够检测IGBT元件Q3、Q4的过电压的施加。在IGBT元件Q3、Q4中的一方被施加过电压时，电力转换主电路12停止另一方的IGBT元件的运转，减少事故时的二次损害。

IGBT单元16能够检测IGBT元件Q5、Q6的过电压的施加。在IGBT元件Q5、Q6中的一方被施加过电压时，电力转换主电路12停止另一方的IGBT元件的运转，减少事故时的二次损害。

IGBT单元17能够检测IGBT元件Q7、Q8的过电压的施加。在IGBT元件Q7、Q8中的一方被施加过电压时，电力转换主电路12停止另一方的IGBT元件的运转，减少事故时的二次损害。

在本实施方式中，正侧的IGBT单元14将P母线的电位输出到节点ACO。P母线通过直流电源Ep而被施加直流电压。

第一中性点的IGBT单元15以及第二中性点的IGBT单元16将C母线的电位输出到节点ACO。

负侧的IGBT单元17将N母线的电位输出到节点ACO。这些IGBT单元14～17串联地连接在P母线与N母线之间。各栅极驱动器18与控制部10连接，对IGBT单元14～17所具备的IGBT元件Q1～Q8的栅极供给驱动信号。

另外，在电力转换主电路12中，构成为包括两个钳位用的二极管元件D1、D2。正侧钳位用的二极管元件D1以及负侧钳位用的二极管元件D2是二合一(2in1)二极管元件。在IGBT单元14、15的连接点与C母线之间，连接用于输出C母线的电位的正侧钳位用的二极管元件D1。另外，在IGBT单元16、17的连接点与C母线之间，连接用于输出C母线的电位的负侧钳位用的二极管元件D2。在电力转换主电路12中，IGBT单元14～17所具备的IGBT元件Q1～Q8进行开关动作，从而从作为输出点的节点ACO向负载L输出交流电力。

《开关动作》

在向节点ACO输出正电压的脉冲时，控制部10使IGBT单元14、15所具备的IGBT元件Q1～Q4接通，使IGBT单元16、17所具备的IGBT元件Q5～Q8断开。由此，P母线的电位被输出到节点ACO。

另外，在向节点ACO输出零电压时，控制部10使IGBT单元15、16所具备的IGBT元件Q3～Q6接通，使IGBT单元14所具备的IGBT元件Q1、Q2与IGBT单元17所具备的IGBT元件Q7、Q8断开。由此，C母线的电位被输出到节点ACO。

在向节点ACO输出负电压的脉冲时，控制部10使IGBT单元16、17所具备的IGBT元件Q5～Q8接通，使IGBT单元14、15所具备的IGBT元件Q1～Q4断开。由此，N母线的电位被输出到节点ACO。

电力转换主电路12的控制部10通过由上述那样的以零点为中心的正脉冲和负脉冲构成的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)脉冲，相比于二电平电力转换电路，能够向节点ACO输出更接近正弦波的交流电压。

《将IGBT元件串联地连接的效果》

在本实施方式的电力转换主电路12中，对IGBT单元14～17分别串联地连接进行同样的开关动作的两个IGBT元件。这通过使两个IGBT元件分担IGBT单元14～17的额定电压，从而能够使所输入的直流电压增加到约2倍。而且，还具有降低某一个IGBT元件导通损坏时的二次性的元件损坏的效果。参照图4和图5对其进行说明。

图4是示出在本实施方式中的电力转换主电路12中发生了故障的情形的图。

将在IGBT元件Q1～Q4接通、IGBT元件Q5～Q8断开时在电力转换主电路12中流过的电流表示为路径71。电流从P母线经由IGBT元件Q1～Q4和节点ACO而流入到负载L。此时，考虑IGBT元件Q5错误地接通或者导通损坏的情况。

图5是示出在故障之后停止的情形的图。

如路径72所示，施加到P母线的电压还被施加到IGBT元件Q6的集电极端子。IGBT元件Q6被施加与IGBT元件Q1～Q5这五个元件相应量的电压，电压上升。但是，控制部10利用过电压抑制电路20以及过电压检测电路19来检测附近的IGBT元件的故障，使该电力转换主电路12的运转停止。由此，电力转换主电路12能够防止进一步的损害。

在本实施方式中，由于IGBT元件Q6断开，所以不会发生直流短路电流。该故障所致的更换部位仅为IGBT元件Q5和由于过电压而受到损伤的IGBT元件Q6。另外，本实施方式的三电平电力转换装置1针对每个开关动作单位进行单元化，所以更换部位仅为IGBT单元16，相比于比较例，更换的部件件数变少。因此，相比于比较例的电力转换主电路92，本实施方式的电力转换主电路12能够减少IGBT元件的损坏所致的二次损害，抑制修复时间、修复费用。

此外，各IGBT单元14～17也可以分别将进行同样的开关动作的三个以上的IGBT元件串联地连接，并不受限定。

《本实施方式的三电平电力转换装置的构造配置例》

图6是构成本实施方式中的电力转换主电路12的IGBT单元14～17和钳位二极管单元13的部件构造的配置例。

在图6的部件构造中，在IGBT单元14～17以及钳位二极管单元13通过不限上下左右的安装而构成的构造体内，在图的纵深方向上按照三列进行了并联。由此，能够容易地实现例如U相电路11u中的被并联的电力转换主电路12a～12c。

此外，在图6的部件构造例中，IGBT单元14～17全部是相同的构造。由此，能够将在IGBT单元的故障时准备的更换部件的种类设为1种，能够减少更换部件的种类和库存数量。

图6的左上所配置的IGBT单元14构成为包括：IGBT元件Q1，集电极端子连接于总线21，发射极端子连接于总线22；以及IGBT元件Q2，集电极端子连接于总线22，发射极端子连接于总线23。

在该IGBT单元14中，IGBT元件Q1的集电极端子经由总线21而与P母线连接，IGBT元件Q2的发射极端子经由总线23、24而与IGBT单元15连接。

图6的右上所配置的IGBT单元15构成为包括：IGBT元件Q3，集电极端子连接于总线25，发射极端子连接于总线26；以及IGBT元件Q4，集电极端子连接于总线26，发射极端子连接于总线27。

在该IGBT单元15中，IGBT元件Q3的集电极端子经由总线25、24、23而与IGBT元件Q2的发射极端子连接，IGBT元件Q3的集电极端子经由总线25、32而与二极管元件D1的阴极端子连接。而且，IGBT元件Q4的发射极端子经由总线27而与总线28连接。该总线28是输出从电力转换主电路12输出的电力的节点ACO。

图6的右中央所配置的钳位二极管单元13具备阳极端子连接于总线31且阴极端子连接于总线32的二极管元件D1。钳位二极管单元13还具备阴极端子连接于总线33且阳极端子连接于总线34的二极管元件D2。

二极管元件D1的阳极端子经由总线31而连接到电位与C母线相同的总线30。二极管元件D1的阴极端子经由总线32而连接到IGBT单元14与IGBT单元15的连接点。

二极管元件D2的阴极端子经由总线33而连接到电位与C母线相同的总线30。二极管元件D1的阳极端子经由总线44而连接到IGBT单元16与IGBT单元17的连接点。

这些二极管元件D1、D2、和与它们连接的总线31、32及总线33、34以面对称的方式被配置。

图6的左下所配置的IGBT单元17构成为包括：IGBT元件Q8，发射极端子连接于总线41，集电极端子连接于总线42；以及IGBT元件Q7，发射极端子连接于总线42，集电极端子连接于总线43。

在该IGBT单元17中，IGBT元件Q8的发射极端子经由总线41而与N母线连接，IGBT元件Q7的集电极端子经由总线43、44而与IGBT单元16连接。

图6的右下所配置的IGBT单元16构成为包括：IGBT元件Q6，发射极端子连接于总线45，集电极端子连接于总线46；以及IGBT元件Q5，发射极端子连接于总线46，集电极端子连接于总线47。

在该IGBT单元16中，IGBT元件Q6的发射极端子经由总线45、44、43而与IGBT元件Q7的集电极端子连接，IGBT元件Q6的发射极端子经由总线45、34而与二极管元件D2的阳极端子连接。而且，IGBT元件Q5的集电极端子经由总线47而与作为节点ACO的总线28连接。

如该图6那样，IGBT单元14和IGBT单元17隔着总线30而面对称地配置。IGBT单元14相对于IGBT单元17而上下反转地配置。

而且，IGBT单元15和IGBT单元16隔着钳位二极管单元13而面对称地配置。IGBT单元14相对于IGBT单元17而上下反转地配置。

而且，钳位二极管单元13的二极管元件D1与二极管元件D1面对称地配置。由此，能够抑制三电平电力转换装置1的宽度。

另外，在IGBT单元14～17与钳位二极管单元13中，能够在三电平电力转换装置1的纵深方向上排列IGBT元件、二极管元件，而将多个电力转换主电路12进行并联。因此，通过将单元布线总线增加到与并联数相同的数量，从而不用增加图6的宽度方向、垂直方向的尺寸，就能够增加三电平电力转换装置1的输出容量。

而且，在三电平电力转换装置1中，以隔着总线31、30、33的方式配置有总线32、34，以隔着总线32、34的方式配置有总线25、26、45、46。另外，在三电平电力转换装置1中，以隔着总线30的方式配置有总线21、22、23、24和总线41、42、43、44。在三电平电力转换装置1中，通过这样配置IGBT单元14～17而使各总线接近，从而能够减小各总线的距离而使互感减少，降低开关动作时的IGBT元件的跳变电压所致的影响。在此，关于各总线，优选配置为即使考虑部件尺寸的公差也不会发生因接触所致的短路事故、并且总线之间的互感减少的距离。两个总线之间的距离例如优选为0.1～10.0mm，更优选为1.0～5.0mm。

本实施方式的三电平电力转换装置1的宽度尺寸能够抑制到约1400mm。以往的具有相同程度的容量的产品在作为本实施方式的最大并联数的3并联结构中进行比较时是约3000mm。

此外，由于本实施方式的构造体复杂，所以为了有助于理解，在图7中示出将IGBT单元14～17和钳位二极管单元13设为与图6同样的配置的电路图。

图7是将图2所示的电力转换主电路12的电路图设为与图6同样的配置的图。

在图7的左侧，配置有P母线、C母线、以及N母线。IGBT单元14、15串联连接在P母线与节点ACO之间。IGBT单元16、17串联连接在节点ACO与N母线之间。钳位二极管单元13具备二极管元件D1、D2。二极管元件D1从C母线朝向IGBT单元14、15的连接节点连接。二极管元件D2从IGBT单元16、17的连接节点朝向C母线连接。

IGBT单元14是对P母线的正极侧直流端子连接一端的第一开关元件构造体。IGBT单元15是连接在IGBT单元14与节点ACO(交流端子)之间的第二开关元件构造体。

另外，IGBT单元17是对N母线的负极侧直流端子连接一端的第四开关元件构造体。IGBT单元16是连接在IGBT单元17与节点ACO(交流端子)之间的第三开关元件构造体。

二极管元件D1是从C母线(中性点)连接到IGBT单元14的另一端的第一二极管元件。二极管元件D2从C母线(中性点)连接到IGBT单元17的另一端。

《电力转换单元的构造例》

图8～图10示出了构成本实施方式的电力转换主电路12的IGBT单元14～17的构造例。IGBT单元14～17全部是同样的结构，所以在此说明IGBT单元14，省略IGBT单元15～17的说明。

图8是IGBT单元14的主视图。在该图8中，从与图6同样的方向观察上下反转的IGBT单元14。

IGBT单元14是在散热器50a、50b上排列三组的IGBT元件Q1、Q2以及总线21、22、23而构成的电气部件的集合体。此外，在此仅图示了三组排列中的一组，其它两组隐藏在背后。IGBT单元14构成为还包括：将散热器50a、50b进行固定的金属板53、支承金属板53和散热器50a、50b的支承体51、以及平板状的金属板52。

金属板53固定散热器50a、50b，并且固定支承体51。该支承体51形成为具有U字型的剖面，上侧被固定到金属板53。金属板52是平板状，被固定到支承体51中的与金属板53、散热器50a、50b相反的一侧。

图9是IGBT单元14的侧视图。在该图9中，从图8中的左侧面观察IGBT单元14。

在图9中，关于IGBT单元14，图示了IGBT元件Q2以及总线23的三个排列、金属板53、支承体51、金属板52。IGBT元件Q1以及总线22、21隐藏在IGBT元件Q2以及总线23的背后。散热器50a、50b隐藏在金属板53的背后。

图10是电力转换单元的立体图。在该图10中，从图8中的右斜上，观察IGBT单元14。

在图10中，示出了在散热器50a、50b上排列三组的IGBT元件Q1、Q2以及总线21、22、23而构成IGBT单元14。这些三组的总线21、22、23被配置为在图的上侧形成同一平面。这些三列的总线21、22、23接近三列的平面状的总线30(参照图6)地被配置。

总线21将P母线和IGBT元件Q1的集电极端子连接为同电位。总线22连接IGBT元件Q1的发射极端子和IGBT元件Q2的集电极端子。总线23连接IGBT元件Q2的发射极端子和所邻接的IGBT单元15的IGBT元件Q3的集电极端子。

三列的IGBT元件Q1被固定于散热器50b，三列的IGBT元件Q2被固定于散热器50a。这些散热器50a、50b被固定到金属板53之上，通过支承体51来支承。支承体51被固定到平板状的金属板52上。

《钳位二极管单元的构造例》

图11～图13示出了构成本实施方式的电力转换主电路12的钳位二极管单元13的构造例。

图11是示出钳位二极管单元13的主视图。在该图11中，从与图6同样的方向，将钳位二极管单元13上下反转而进行观察。

钳位二极管单元13是在散热器60p上排列三组的二极管元件D1以及总线31、32、并在散热器60n上排列三组的二极管元件D2以及总线33、34而构成的电气部件的集合体。此外，在此仅图示了三组排列中的一组，其它两组被隐藏在背后。散热器60p被固定到支承板61的一个面，散热器60n被固定到支承板61的另一个面。

这些二极管元件D1是P侧(二合一)钳位二极管。二极管元件D2是N侧(二合一)钳位二极管。

总线32如图6所示，将IGBT元件Q2的发射极端子和IGBT元件Q3的集电极端子之间、与二极管元件D1的阴极端子之间进行连接。总线31将二极管元件D1的阳极端子、与作为中性点的总线30进行连接。

总线34如图6所示，将IGBT元件Q7的集电极端子和IGBT元件Q6的发射极端子之间、与二极管元件D2的阳极端子之间进行连接。总线33将二极管元件D2的阴极端子、与作为中性点的总线30进行连接。

图12是示出钳位二极管单元13的侧视图。在该图12中，从图11中的左侧面，观察钳位二极管单元13。

在图12中，示出了在钳位二极管单元13中在散热器60p上排列有三组的二极管元件D1以及总线31、32、并在散热器60n上排列有三组的二极管元件D2以及总线33、34的样子。

图13是示出钳位二极管单元13的立体图。在该图13中，从图11中的右斜上，观察钳位二极管单元13。

在该图13中，示出了在钳位二极管单元13中在散热器60p上排列有三组的二极管元件D1以及总线31、32的样子。该散热器60p被固定到支承板61的一个面。而且，在支承板61的下侧，示出了三组的总线33和跟前侧的一组的总线34，但三组的二极管元件D2、和里侧的两组的总线34及散热器60n被支承板61所隐藏。

以上，本发明不限于上述的各实施方式，在不脱离权利要求书所记载的要旨的范围内，显然能够采用其它各种变形例、应用例。

例如，上述的实施方式例是为了易于理解地说明本发明而详细说明的例子，并非限定于一定具备所说明的所有结构的例子。另外，也能够对某个实施方式例的结构的一部分追加其它实施方式例的结构。另外，关于各实施方式例的结构的一部分，能够进行其它结构的追加、删除、置换。并且，关于控制线、信息线，示出了认为在说明方面必要的部分，在产品方面未必示出所有的控制线、信息线。实际上也可以认为几乎所有的结构相互连接。

作为本发明的变形例，例如有接下来的(a)～(e)那样的例子。

(a)本发明的电力转换主电路不限于NPC方式，也可以通过A-NPC(Advanced-NPC)方式来构成。

(b)电力转换主电路的转换动作不限于逆变器(inverter)动作，也可以是变流器(converter)动作。

(c)电力转换单元不限于两个电力开关元件的串联连接。

(d)电力转换单元的并联数不限于三列。

(e)电力转换单元中所使用的电力开关元件不限于IGBT，也可以是例如门控晶闸管(Gate Turn-Off thyristor)等。

Claims (5)

1.一种三电平电力转换装置，连接有将直流电压与任意的频率、振幅的交流电压相互转换的多个电力转换主电路，其特征在于，

在排列有同一动作单位的电力开关元件的开关元件构造体和排列有二极管元件的二极管元件构造体通过不限上下左右的安装而构成的构造体内，使多个所述电力转换主电路并联，

在所述开关元件构造体中，排列有将分别能够检测过电压的施加的两个以上的电力开关元件串联地连接而构成的电力转换单元，

在所述电力转换主电路中，在所述电力转换单元中的串联连接的某一个电力开关元件被施加过电压时，停止该电力转换单元中的串联连接的其它电力开关元件的运转。

2.根据权利要求1所述的三电平电力转换装置，其特征在于，

多个所述电力转换主电路具备：

第一开关元件构造体，一端连接于正极侧直流端子；

第二开关元件构造体，连接于所述第一开关元件构造体与交流端子之间；

第四开关元件构造体，一端连接于负极侧直流端子；以及

第三开关元件构造体，连接于所述第四开关元件构造体与交流端子之间，

所述二极管元件构造体包括：从中性点连接到第一开关元件构造体的另一端的第一二极管元件、以及从所述中性点连接到第四开关元件构造体的另一端的第二二极管元件。

3.根据权利要求2所述的三电平电力转换装置，其特征在于，

所述第一开关元件构造体和所述第四开关元件构造体隔着与所述中性点连接的总线而面对称地配置。

4.根据权利要求2所述的三电平电力转换装置，其特征在于，

构成所述二极管元件构造体的所述第一二极管元件和所述第二二极管元件面对称地配置。

5.根据权利要求4所述的三电平电力转换装置，其特征在于，

所述第二开关元件构造体和所述第三开关元件构造体隔着所述二极管元件构造体而面对称地配置。