JP2017085896A - ３レベル電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換セルを垂直方向に積む場合でも、３レベル電力変換装置の高さ寸法が制限寸法以内に収まるように、電力変換セルの高さ方向の寸法を小さくする。
【解決手段】３レベル電力変換装置において、電力変換モジュール集合体の主面に配置された複数個の電力変換モジュールは、その長手方向を水平方向にして規定の長さの範囲内で装置筐体の水平方向に順次並べて配置され、規定の長さを越える分の電力変換モジュールについては、段を変えて配置される。電力変換モジュール集合体内のスイッチング素子、還流ダイオード及び平滑コンデンサとの間は、板状導体を用いて配線されている。そして複数個の電力変換モジュール集合体は、各々の主面が鉛直方向と平行、かつ、各々の長手方向が平行となるように、縦積みで実装され、縦積みされた複数個の電力変換モジュール集合体が対向するように各相に対応して設けられている。
【選択図】図５

Description

本発明は、３レベル電力変換装置に関し、特に３レベル電力変換装置内における素子配置の技術に関する。

一般に、交流電圧を直流電圧に変換する順変換器（コンバータ）や直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器（インバータ）などの電力変換装置は、交流電動機を駆動するのに採用されている。電力変換装置の一つに、３レベル電力変換装置があり、交流電動機の回転駆動を制御するのによく用いられている。３レベル電力変換装置は、中性点クランプ型電力変換装置とも呼ばれ、３レベルの電圧を出力するので高調波を低減できる等の利点があり、大型の交流電動機の駆動に多く用いられている。

３レベル電力変換装置は、例えば正側直流電源、負側直流電源、並びに正側直流電源と負側直流電源の中間点である中性点直流電源各々に、直流電圧の脈流を平滑化する平滑コンデンサが接続される。そして、正側直流電源、負側直流電源、並びに中性点直流電源は、電力変換素子（スイッチング素子）を介して出力点に接続する構成となっている。３レベル電力変換装置は、それらの電力変換素子を繰り返し導通及び遮断（以後、スイッチングと記す）させることで、直流電圧から実質的な交流電圧を作り出す。このとき、電力変換素子のスイッチングの組み合わせにより、出力点の電位は、正側直流電位、中性点直流電位、負側直流電位の３種類となる。

例えば、特許文献１には、３レベル電力変換装置において、冷却器にスイッチング素子とダイオードを隣接して配置し、モジュールの短辺同士が隣接配置されたものが記載されている。

特開２００６−３４０４９０号公報

モジュール型電力変換素子を用いた３レベル電力変換装置においては、出力容量を増加させるために、箱型の筐体の中に複数の電力変換主回路（電力変換モジュール）を集約した電力変換セルを複数個並列に接続させる場合がある。既存の方法では、電力変換セルを水平方向に並べる方法であったため、３レベル電力変換装置の幅寸法が大きくなる傾向にあった。
電力変換セルの幅寸法はある程度の上限が設けられるため、３レベル電力変換装置の幅寸法を大幅に小さくするには、電力変換セルを垂直方向に積み上げる方針で組み立てる必要がある。しかし、単に電力変換セルを垂直方向に積み上げると、高さ寸法が大きくなり過ぎてしまう。

以上の状況から、電力変換セルを垂直方向に積む場合でも、３レベル電力変換装置の高さ寸法が制限寸法以内に収まるように、電力変換セルの高さ方向の寸法を小さくする方法が要望されていた

本発明の一側面の３レベル電力変換装置では、正側直流電源、中性点直流電源及び負側直流電源がそれぞれ正側端子と接続する正側板状導体、中性点端子と接続する中性点板状導体及び負側端子と接続する負側板状導体を介して供給され、スイッチング素子及びこのスイッチング素子に並列に接続された還流ダイオードを少なくとも１組以上を内部に含む、複数個の電力変換モジュールと、中性点クランプ用の第１及び第２のダイオードモジュールとのうち、少なくとも複数個の電力変換モジュールが主面に配置された複数個の電力変換モジュール集合体と、両端を電力変換モジュール集合体の正側端子及び中性点端子と直結された第１の平滑コンデンサと、両端を電力変換モジュール集合体の中性点端子及び負側端子と直結された第２の平滑コンデンサと、を備える。
そして、上記３レベル電力変換装置においては、電力変換モジュール集合体の主面に配置された複数個の電力変換モジュールは、その長手方向を水平方向にして規定の長さの範囲内で当該装置筐体の水平方向に順次並べて配置され、規定の長さを越える分の電力変換モジュールについては、段を変えて配置され、そして複数個の電力変換モジュール集合体は、各々の主面が鉛直方向と平行、かつ、各々の長手方向が平行となるように、縦積みで実装され、縦積みされた複数個の電力変換モジュール集合体が対向するように各相に対応して設けられている。

本発明の実施の形態によれば、電力変換モジュール集合体の高さ寸法が低減され、電力変換モジュール集合体を、３レベル電力変換装置の高さ制限寸法以内に収まるように垂直方向に積むことができる。それにより、３レベル電力変換装置の幅寸法も小さくすることができ、３レベル電力変換装置の小型化が実現可能になる。

本発明の一実施の形態に係る３レベル電力変換回路を示す回路図である。 ３レベル電力変換回路を構成する複数の電力変換モジュールが搭載された電力変換セルの構造例を示す平面図である。 図２に示した電力変換セルの構造例からＣブスを取り除いた状態を示す平面図である。 図３に示した電力変換セルの構造例から中性点クランプ用ブスを取り除いた状態を示す平面図である。 図４に示した電力変換セルの構造例からＰブス、Ｎブス及び出力用ブスを取り除いた状態を示す平面図である。 図１に示した３レベル電力変換回路を基本とする、３相の３レベル電力変換回路を示す回路図である。 ３相の３レベル電力変換装置を備える電力変換装置の構造例を示す概略正面図である。 ３相の３レベル電力変換装置を備える電力変換装置の構造例を示す概略背面図である。 図７に示した電力変換装置のＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。

以下、本発明を実施するための形態の例について、添付図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

本発明の一実施の形態に係る３レベル電力変換装置は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ（逆変換器）の例である。本発明の一実施の形態に係る３レベル電力変換装置は、例えば、鉄鋼圧延プラントなどに用いられる主機交流電動機の駆動を制御する大容量の３レベル電力変換装置に適用される。

[３レベル電力変換回路の回路例]
まず、３レベル電力変換回路について説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る３レベル電力変換回路を示す回路図である。
３レベル電力変換装置に使用されるＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３レベル電力変換回路１０は、３相とも同一の構成である。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相において、図１に示すような３レベル電力変換回路１０を複数個並列に組むことにより、３レベル電力変換装置の出力容量を増加させることができる。

３レベル電力変換回路１０では、モジュール型電力変換素子（電力変換モジュール）として、４個のＩＧＢＴモジュール１〜４が使用される。ＩＧＢＴモジュールは、スイッチング素子の一例として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）を備えたモジュールである。

図１において、正側ＩＧＢＴモジュール１は、正側直流電源母線（以下、「Ｐ母線」と記述する）の電位を出力する。以下、正側ＩＧＢＴモジュール１を、単にＩＧＢＴモジュール１と記述することもある。
第１の中性点ＩＧＢＴモジュール２及び第２の中性点ＩＧＢＴモジュール３は、中性点直流電源母線（以下、「Ｃ母線」と記述する）の電位を出力する。以下、第１の中性点ＩＧＢＴモジュール２及び第２の中性点ＩＧＢＴモジュール３を、単にＩＧＢＴモジュール２及びＩＧＢＴモジュール３と記述することもある。
負側ＩＧＢＴモジュール４は、負側直流電源母線（以下、「Ｎ母線」と記述する）の電位を出力する。負側ＩＧＢＴモジュール４を、単にＩＧＢＴモジュール４と記述することもある。
これらＩＧＢＴモジュール１〜４は、Ｐ母線とＮ母線との間に直列に接続される。

ＩＧＢＴモジュール１〜４はそれぞれ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴと記述する）１ａ（第１〜第４のスイッチング素子）と、そのコレクタ−エミッタ間に接続された還流ダイオード１ｂ（第１〜第４の還流ダイオード）を有する。ＩＧＢＴ１ａは、スイッチング機能を有する電力変換素子（スイッチング素子）である。ＩＧＢＴモジュール１〜４の各ＩＧＢＴ１ａのゲートに駆動信号を供給する駆動回路については、図示を省略している。

また、３レベル電力変換回路１０では、ダイオードモジュールが、２個使用される。
正側ＩＧＢＴモジュール１と第１の中性点ＩＧＢＴモジュール２の接続点とＣ母線の間に、Ｃ母線の電位を出力するための正側ダイオードモジュール５が接続される。
また、第２の中性点ＩＧＢＴモジュール３と負側ＩＧＢＴモジュール４の接続点とＣ母線の間に、Ｃ母線の電位を出力するための負側ダイオードモジュール６が接続される。
正側ダイオードモジュール５及び負側ダイオードモジュール６は、いわゆる中性点クランプダイオードモジュールである。以下、正側ダイオードモジュール５及び負側ダイオードモジュール６をそれぞれ、単にダイオードモジュール５及びダイオードモジュール６とも記述する。

正側ＩＧＢＴモジュール１のコレクタ主端子は、Ｐブス１６を介して正側端子１１Ｐ（Ｐ母線）に接続される。正側ＩＧＢＴモジュール１のエミッタ主端子は、第１の中性点ＩＧＢＴモジュール２のコレクタ主端子と接続される。
第１の中性点ＩＧＢＴモジュール２のエミッタ主端子は、第２の中性点ＩＧＢＴモジュール３のコレクタ主端子に接続される。
第２の中性点ＩＧＢＴモジュール３のエミッタ主端子は、負側ＩＧＢＴモジュール４のコレクタ主端子に接続される。
負側ＩＧＢＴモジュール４のエミッタ主端子は、Ｎブス１７を介して負側端子１１Ｎ（Ｎ母線）と接続される。
正側ダイオードモジュール５のカソード主端子は、正側中性点クランプ用ブス１４を介して、正側ＩＧＢＴモジュール１と第１の中性点ＩＧＢＴモジュール２との接続点に接続される。そのアノード主端子は、Ｃブス１３を介して中性点端子１１Ｃ（Ｃ母線）と接続される。
負側ダイオードモジュール６のカソード主端子は、Ｃブス１３を介して中性点端子１１Ｃ（Ｃ母線）と接続される。そのアノード主端子は、負側中性点クランプ用ブス１５を介して、第２の中性点ＩＧＢＴモジュール３と負側ＩＧＢＴモジュール４との接続点に接続される。
第１の中性点ＩＧＢＴモジュール２と第２の中性点ＩＧＢＴモジュール３との接続点が、交流電力の出力点になる。第１の中性点ＩＧＢＴモジュール２と第２の中性点ＩＧＢＴモジュール３との接続点から、交流電力が出力用ブス１８を介して交流電動機側へ出力される。

［発明の経緯］
ところで、スイッチング素子によって回路の電流を突然遮断すると自己インダクタンスによって電圧が急上昇することが知られている。この対策のため、スイッチング素子のターンオフ時に生じる過渡的な高電圧を吸収する保護回路として、スナバ回路が設けられる。スナバ回路がスパイク状の高電圧を抑制することで、スイッチング素子自身や周囲の電子部品の損傷を防ぎ電磁ノイズを最小化する。一般に、コンデンサ（キャパシタ）と抵抗器を直列に接続したものをスイッチング素子に並列に配置する回路が多い。これにダイオードを組み合わせたものなどもある。

従来、３レベル電力変換回路においても、スイッチング素子である電力変換素子（ＩＧＢＴ１ａ）のターンオフ時に生じるスパイク状の高電圧を抑制するために、スナバ回路が設けられていた。スナバ回路を設けることにより電気部品が増えるため、従来の電力変換モジュールの小型化には制限があった。そのため、３レベル電力変換回路を構成する複数の電力変換モジュールが搭載される電力変換セルの小型化は困難であった。

この問題に対し、発明者らは、複数の電力変換モジュールが搭載される電力変換セルの高さ方向の寸法を小さくするため、直流電圧の脈流を平滑化する平滑コンデンサ２１，２２を、電力変換セルの端子に直結（又は実質的に直結）することを考えた。すなわち、図１に示すように、平滑コンデンサ２１（第１の平滑コンデンサ）の両端を、正側端子１１Ｐと中性点端子１１Ｃに直結して接続し、また、平滑コンデンサ２２（第２の平滑コンデンサ）の両端を、負側端子１１Ｎと中性点端子１１Ｃに直結して接続する。これにより、電力変換セルと平滑コンデンサ２１，２２を接続する配線が短くなり、３レベル電力変換回路１０の自己インダクタンス値が低減する。そのため、電力変換素子（ＩＧＢＴ１ａ）のターンオフ時に発生する、自己インダクタンス値に比例したスパイク状の高電圧を抑制することができる。したがって、従来用いられていたスナバ回路が不要となり、その分だけ、電力変換モジュールを小型化することができる。その結果、電力変換セルにおいて、複数の電力変換モジュールの配置に関する設計余裕度が生じた。そこで、発明者らは、電力変換セルに搭載する複数の電力変換モジュールの配置を、以下のような方針で配置することを考えた。

［電力変換モジュールの配置例］
以下に述べる実施の形態では、電力変換モジュールを、その長手方向を電力変換装置の底面と平行にして、横方向に順次並べて電力変換セルに配置する。
より具体的には、電力変換モジュールを、その長手方向を装置筐体の底面と平行にして、規定の長さの範囲内で当該装置筐体の底面と平行な方向に順次並べて、電力変換セルに配置する。ここで、規定の長さを越える分の電力変換モジュールについては、段を変えて電力変換セルに配置する。

このように複数の電力変換モジュールを配置することで、電力変換セルの高さ寸法が低減され、電力変換セルを縦積みできるようになる。その結果、３レベル電力変換装置の幅寸法を小さくすることに成功した。以下、３レベル電力変換回路を構成する複数の電力変換モジュールが搭載された電力変換セルの構造例を、図２〜図５を参照して説明する。

図２は、３レベル電力変換回路１０を構成する複数のＩＧＢＴモジュール１〜４が搭載された電力変換セルの構造例を示す平面図である。
図２に示す電力変換セルは、ＩＧＢＴモジュール１〜４と、ダイオードモジュール５，６と、複数のブスから構成される電気部品の集合体（電力変換モジュール集合体）である。以下、電力変換セルを、ＩＧＢＴセルと記述する。

このＩＧＢＴセル２０に対して、３次元空間の座標軸を設定する。ＩＧＢＴセル２０に配置されたＩＧＢＴモジュール４からＩＧＢＴモジュール１へ向かう向きを正とし、ＩＧＢＴモジュールの短手方向に平行な向きにＺ軸を設定する。このＺ軸の正方向は、３レベル電力変換装置を備える電力変換装置３０の高さ方向である。
同様に、ＩＧＢＴモジュール２からＩＧＢＴモジュール１へ向かう向きを正とし、ＩＧＢＴモジュールの長手方向に平行な向きにＸ軸を設定する。
また、Ｃブス１３からＩＧＢＴモジュールへの向きを正とし、Ｘ軸及びＺ軸に直交する軸をＹ軸と設定する。ＩＧＢＴモジュールの主面は、Ｘ−Ｚ平面に平行である。Ｃブス１３は、ダイオードモジュール５のアノード主端子とダイオードモジュール６のカソード主端子とＣ母線とを等電位に接続する、板状のブスである。

図３は、図２に示したＩＧＢＴセル２０の構造例からＣブス１３を取り除いた状態を示す平面図である。図３において、ＩＧＢＴモジュールのコレクタ主端子を表す‘Ｃ’、エミッタ主端子を表す‘Ｅ’、ゲート主端子を表す‘Ｇ’を示す。
正側中性点クランプ用ブス１４は、ＩＧＢＴモジュール１のエミッタ主端子と、ＩＧＢＴモジュール２のコレクタ主端子と、ダイオードモジュール５のカソード主端子とを等電位に接続する、板状のブスである。
負側中性点クランプ用ブス１５は、ＩＧＢＴモジュール３のエミッタ主端子と、ＩＧＢＴモジュール４のコレクタ主端子と、ダイオードモジュール１２のアノード主端子とを等電位に接続する、板状のブスである。
正側中性点クランプ用ブス１４と負側中性点クランプ用ブス１５の下側に、Ｐブス１６、Ｎブス１７、及び出力用ブス１８が配置されている。
以下、正側中性点クランプ用ブス１４及び負側中性点クランプ用ブス１５を、単にブス１４及びブス１５と記述することもある。

図４は、図３に示したＩＧＢＴセル２０の構造例からブス１４とブス１５を取り除いた状態を示す平面図である。
Ｐブス１６は、ＩＧＢＴモジュール１のコレクタ主端子とＰ母線とを等電位に接続する、板状のブスである。
Ｎブス１７は、ＩＧＢＴモジュール４のエミッタ主端子とＮ母線とを等電位に接続する、板状のブスである。
出力用ブス１８は、ＩＧＢＴモジュール２のエミッタ主端子とＩＧＢＴモジュール３のコレクタ主端子とを等電位に接続し、交流電力を出力する、板状のブスである。

図５は、図４に示したＩＧＢＴセル２０の構造例からＰブス１６、Ｎブス１７及び出力用ブス１８を取り除いた状態を示す平面図である。すなわち、図２に示したＩＧＢＴセル２０の構造例からすべてのブスを取り除いた状態を示している。

ＩＧＢＴセル２０は、ＩＧＢＴモジュール１〜４とダイオードモジュール５，６が、それぞれ集合実装されている。ＩＧＢＴモジュール１〜４とダイオードモジュール５，６の各々の主面の形状は、おおよそ矩形である。ＩＧＢＴモジュール１〜４の寸法は、例えば、およそ１９０ｍｍ（長手方向）×１４０ｍｍ（短手方向）×４０ｍｍ（厚さ方向）である。また、ダイオードモジュールの寸法は、およそ１４０ｍｍ（長手方向）×１３０ｍｍ（短手方向）×４０ｍｍ（厚さ方向）である。

なお、図２〜図５に示したＩＧＢＴモジュール１〜４とダイオードモジュール５，６の例では、モジュール内部に予備の半導体素子を備えている。例えば、ＩＧＢＴモジュール１〜４の場合、３個のＩＧＢＴを有している。また、ダイオードモジュール５，６の場合、２個の半導体ダイオードを備えている。

本実施の形態では、図５に示すように、ＩＧＢＴモジュール１とＩＧＢＴモジュール４の長手方向（長辺）同士、及び、ＩＧＢＴモジュール２とＩＧＢＴモジュール３の長手方向同士を、それぞれ対向するように隣接させて実装する。
また、ＩＧＢＴモジュール１とＩＧＢＴモジュール２の短手方向（短辺）同士、及び、ＩＧＢＴモジュール３とＩＧＢＴモジュール４の短手方向同士を、それぞれ対向するように隣接させて実装する。
また、ダイオードモジュール５とダイオードモジュール６の長手方向同士を、それぞれ対向するように隣接させて実装する。
さらに、ＩＧＢＴモジュール２とダイオードモジュール５の短手方向同士、並びに、ＩＧＢＴモジュール３とダイオードモジュール６の短手方向同士を、それぞれ対向するように隣接させて実装する。

このＩＧＢＴセル２０は、ＩＧＢＴモジュール１，４とＩＧＢＴモジュール２，３、さらにダイオードモジュール５，６の長手方向同士をそれぞれ隣接させて実装しているため、Ｚ軸方向の寸法が必要最小限に抑制されている。これにより、同一相において複数台のＩＧＢＴセル２０をＺ軸の正方向に積み重ねて実装する際に、Ｚ軸方向の寸法すなわち３レベル電力変換装置ひいては電力変換装置の高さを抑制することに繋がる。

本実施の形態では、ダイオードモジュール５，６を、ＩＧＢＴモジュール２，３の水平方向に配置している。これにより、ＩＧＢＴモジュール１〜４とダイオードモジュール５，６を一つのＩＧＢＴセル２０に実装する場合でも、ＩＧＢＴセル２０のＺ軸方向の寸法が増大することを抑えられる。なお、ダイオードモジュール５，６は、必ずしもＩＧＢＴセル２０に配置しなくてもよい。

図２〜図５に示した配置例では、ＩＧＢＴセル２０の寸法を、約６００ｍｍ（長手方向）×３００ｍｍ（短手方向）×１５０ｍｍ（厚さ方向）程度の大きさに小型化することに成功している。

図６は、図１に示した３レベル電力変換回路を基本とする、３相の３レベル電力変換回路を示す回路図である。
図６に示す電力変換装置３０は、上記の３レベル電力変換回路１０（図１参照）を採用した、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相の３レベル電力変換装置３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗを備えている。３レベル電力変換装置３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは、図７〜図９を参照して後述するように、複数の電力変換セルを有する。Ｖ相とＷ相の回路構成はＵ相と同一であるので、図６では、Ｕ相の３レベル電力変換装置３１Ｕのみ内部の回路構成を示している。

Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３レベル電力変換装置３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの各々は、図２に示したＩＧＢＴセル２０と同一構成を持つ、４つのＩＧＢＴセル２０−１〜２０−４を備える。すなわち、３レベル電力変換装置３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの３レベル電力変換回路はともに、３レベル電力変換回路１０（図１参照）を４回路ずつ並列接続してなる構成を有する。これにより、各相の３レベル電力変換回路の交流電力の出力は、３レベル電力変換回路１０の４回路分を合わせた出力となる。

３相とも同一構成であるから、Ｕ相の３レベル電力変換装置３１Ｕを例に説明する。
１個の電力変換セルに対して、２個の平滑コンデンサが割り当てられる。ＩＧＢＴセル２０−１の３レベル電力変換回路の正側端子１１Ｐと中性点端子１１Ｃとの間に、１個目の平滑コンデンサ２１が接続される。また、ＩＧＢＴセル２０−１の３レベル電力変換回路の中性点端子１１Ｃと負側端子１１Ｎとの間に、２個目の平滑コンデンサ２２が接続される。

縦方向のブスは、電位に応じてＰブス３３Ｐ、Ｃブス３３Ｃ及びＮブス３３Ｎの３本あり、それぞれ盤上部に実装される直流電源のＰ母線３２Ｐ、Ｃ母線３２Ｃ及びＮ母線３２Ｎに接続している。正側端子１１Ｐ、中性点端子１１Ｃ及び負側端子１１Ｎは、Ｐブス３３Ｐ、Ｃブス３３Ｃ及びＮブス３３Ｎを介して、Ｐ母線３２Ｐ、Ｃ母線３２Ｃ及びＮ母線３２Ｎにそれぞれ接続している。平滑コンデンサ２１，２２は、Ｐブス３３Ｐ、Ｃブス３３Ｃ及びＮブス３３Ｎから供給される直流電力のリップル分を減らし、ＩＧＢＴセル２０−１に電力を供給する。

同様に、ＩＧＢＴセル２０−２，２０−３，２０−４の３レベル電力変換回路の正側端子１１Ｐと中性点端子１１Ｃとの間に平滑コンデンサ２１が、中性点端子１１Ｃと負側端子１１Ｎとの間に平滑コンデンサ２２が接続される。

３レベル電力変換装置３１Ｕ内の４つのＩＧＢＴセル２０−１〜２０−４の各々の出力用ブス１８は、交流電動機（ＡＣＭ）３５と接続された出力端子ＵＡＣと接続している。これにより、４つのＩＧＢＴセル２０−１〜２０−４の各々の交流電力の出力が、出力端子ＵＡＣで一つにまとめられ、交流電動機３５に供給される。

Ｕ相と同様に、３レベル電力変換装置３１Ｖ，３１Ｗ内の４つのＩＧＢＴセル２０−１〜２０−４の各々の出力用ブス１８は、交流電動機（ＡＣＭ）３５と接続された出力端子ＵＡＣ，ＷＡＣと接続している。これにより、３レベル電力変換装置３１Ｖ，３１Ｗの各々の交流電力の出力は、出力端子ＶＡＣ，ＷＡＣで一つにまとめられ、交流電動機３５にそれぞれ供給される。

なお、３レベル電力変換装置３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗが備える３レベル電力変換回路のＩＧＢＴモジュール１〜４にゲート駆動信号を供給するゲート駆動回路は、電力変換装置３０の外部装置に設けられるものとする。ただし、この例に限られるものではなく、ゲート駆動回路を電力変換装置３０内に設けてもよい。

［３レベル電力変換装置（電力変換装置）の構造例］
次に、図７〜図９を参照して、上記の３レベル電力変換回路を備える３レベル電力変換装置３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗ及び電力変換装置３０の構造を説明する。
図７は、３相の３レベル電力変換装置３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗを備える電力変換装置３０の構造例を示す概略正面図である。
図８は、３相の３レベル電力変換装置３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗを備える電力変換装置３０の構造例を示す概略背面図である。
図９は、図７に示した電力変換装置３０のＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。

図７〜図９に示すように、電力変換装置３０の筐体の中に、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相の３レベル電力変換装置３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗが構築される。３相とも同一構成であるから、ここでは、Ｕ相の３レベル電力変換装置３１Ｕを例に説明する。

３レベル電力変換装置３１Ｕは、Ｐブス３３Ｐ、Ｃブス３３Ｃ及びＮブス３３Ｎの３本のブスと、端子が３本のブスに接続される平滑コンデンサ２１，２２（図８参照）と、４つのＩＧＢＴセル２０−１〜２０−４が実装される略箱状の筐体（ユニット４１）を備える。ユニット４１に実装される４つのＩＧＢＴセル２０−１〜２０−４は、ＩＧＢＴセル２０−１，２０−２，２０−３，２０−４の順に積み上げられて収納される。図７中のＰ，Ｃ，Ｎは、それぞれの電位のブスを表している。なお、箱状の筐体であるユニット４１は、その一部の面が開口していてもよい。

平滑コンデンサ２１，２２は、例えば垂直方向の平面を持つ平滑コンデンサ取り付け用ボード２３（図９参照）に取り付けられる。上述したように、平滑コンデンサ２１の両端は、各電力変換セル（３レベル電力変換回路１０）が備える正側端子１１Ｐと中性点端子１１Ｃに、平滑コンデンサ２２は、各電力変換セルが備える中性点端子１１Ｃと負側端子１１Ｎに接続される。すなわち、平滑コンデンサ２１，２２の両端子と３レベル電力変換回路１０を含むＩＧＢＴセル２０の各端子とが、実質的に直結している。

平滑コンデンサ２１，２２には、例えば、乾式フィルムコンデンサが用いられ、その寸法は約３５０ｍｍ（縦）×３００ｍｍ（横）×１５０ｍｍ（奥行き）である。

ユニット４１の内部は、図９に示すように、鉛直方向（Ｚ軸方向）に積み上げられた４台のＩＧＢＴセル２０−１〜２０−４と、各々の電力変換セルの交流電力の出力用ブス１９と、４本の出力用ブス１９を接続するブス１９Ｊから構成される。４台のＩＧＢＴセル２０−１〜２０−４からブス１９Ｊに出力された交流電力は、水平方向に延在するブス４２を介して電流センサ４３に入力される。電流センサ４３は、入力された交流電力の電流値を検出し、電流値に異常がなければ交流電動機３５へ交流電力を出力するなどの動作を行う。

３レベル電力変換装置３１Ｕ（ユニット４１）内のＩＧＢＴセル２０−１〜２０−４は、各々の主面が電力変換装置３０の鉛直方向と平行、かつ、各々の長手方向が電力変換装置３０の奥行き方向（Ｘ方向）と平行となるように、縦積みで実装される。そのため、３相分の３つの３レベル電力変換装置３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗが、図７及び図８に示すように電力変換装置３０の幅方向（Ｙ方向）に実装されたとしても、電力変換装置３０の１面の幅は高々１２００ｍｍ程度となる。

図２〜図５を参照して説明したように、ＩＧＢＴセル２０−１〜２０−４において、内部に配置された各々のＩＧＢＴモジュール１〜４が、その長手方向が電力変換装置３０の底面に平行となるように実装されている（図５参照）。さらに、ＩＧＢＴモジュール１〜４が、規定の長さの範囲内で電力変換装置３０の筐体と平行な方向に順次並べて、ＩＧＢＴセル２０−１〜２０−４に配置されている。この例では、１台のＩＧＢＴセル２０に、４個のＩＧＢＴモジュール１〜４が、垂直方向に２個、水平方向に２個配置される。

上記のように複数のＩＧＢＴモジュール１〜４を電力変換セルに配置することにより、１台の電力変換セルの主面の長手方向の長さを規定の長さの範囲内としつつ、その高さ方向の寸法を極力抑えることができる。そして、高さを抑えた電力変換セルを用いることにより、例えば図７〜９のように４台のＩＧＢＴセル２０−１〜２０−４を鉛直方向に縦積みしても、電力変換装置３０の高さ方向が高々２０００ｍｍ程度に抑えられる。つまり、電力変換セル内において本実施の形態に係るルールに沿ってＩＧＢＴモジュールを配置、実装することにより、電力変換装置３０の小型化が実現可能になる。

すなわち、上述した実施の形態によれば、電力変換セルの高さ寸法が低減され、電力変換セルを、３レベル電力変換装置の高さ制限寸法以内に収まるように垂直方向に積むことができる。それにより、３レベル電力変換装置の幅寸法も小さくすることができ、３レベル電力変換装置の小型化、ひいては電力変換装置の小型化が実現可能となった。

上記のように構成した結果、本実施の形態では、電力変換装置３０の筐体寸法は、幅（Ｙ軸方向）が約１２００ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）が約２０００ｍｍ、奥行き（Ｘ軸方向）が約１８００ｍｍに抑えることが可能となった。

なお、上述した実施の形態では、図５に示すようにダイオードモジュール５，６をＩＧＢＴセル２０内に実装したが、ダイオードモジュール５，６は、必ずしもＩＧＢＴセル２０内に実装しなくてもよく、同一相の３レベル電力変換装置内に実装すればよい。

上述した実施の形態では、３レベル電力変換回路１０に４個のＩＧＢＴモジュール１〜４を用いて、ＩＧＢＴセル２０の長手方向に２例（２個）、短手方向に２段（２個）のＩＧＢＴモジュールを配置した構成を説明したが、この例に限らない。
例えば、３レベル電力変換回路に６個のＩＧＢＴモジュールを用い、ＩＧＢＴセルの長手方向に３列、短手方向に３行のＩＧＢＴモジュールを配置する構成としてもよい。
また、例えば３レベル電力変換回路に８個のＩＧＢＴモジュールを用いた場合、規定の長さの範囲を超えないよう１段目に４個のＩＧＢＴモジュールを配置し、２段目も４個のＩＧＢＴモジュールを配置する構成としてもよい。
または、８個のＩＧＢＴモジュールを用いて、規定の長さの範囲を超えないよう１段目と２段目に３個のＩＧＢＴモジュールを配置し、３段目に２個のＩＧＢＴモジュールを配置する構成としてもよい。この場合、３段目の空きスペースに、２個の中性点クランプ用のダイオードモジュールを配置することで、空きスペースを有効活用して電力変換セルの外形を大きくすることなく、ダイオードモジュールを配置することができる。

以上、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の変形例、応用例を取り得ることは勿論である。

例えば、上記した実施形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１…正側ＩＧＢＴモジュール、２…第１の中性点ＩＧＢＴモジュール、 ３…第２の中性点ＩＧＢＴモジュール、 ４…負側ＩＧＢＴモジュール、 ５…正側ダイオードモジュール 、６…負側ダイオードモジュール、 １０…３レベル電力変換回路、 １１Ｐ…正側端子、 １１Ｃ…中間点端子、 １１Ｎ…負側端子、 １３…Ｃブス、 １４…正側中性点クランプ用ブス、 １５…負側中性点クランプ用ブス、 １６…Ｐブス、 １７…Ｎブス、 １８，１９…出力用ブス、 １９Ｊ…ブス、 ２０…ＩＧＢＴセル、 ２０−１〜２０−４…ＩＧＢＴセル、 ２１，２２…平滑コンデンサ、 ３０…電力変換装置、 ３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗ…３レベル電力変換装置、 ３２Ｐ…Ｐ母線、 ３２Ｃ…Ｃ母線、 ３２Ｎ…Ｎ母線、 ３３Ｐ…Ｐブス、 ３３Ｎ…Ｎブス、 ３３Ｃ…Ｃブス、 ４１…ユニット、 ４２…ブス、 ４３…電流センサ

Claims (6)

1. 正側直流電源、中性点直流電源及び負側直流電源がそれぞれ正側端子と接続する正側板状導体、中性点端子と接続する中性点板状導体及び負側端子と接続する負側板状導体を介して供給され、スイッチング素子及びこのスイッチング素子に並列に接続された還流ダイオードを少なくとも１組以上を内部に含む、複数個の電力変換モジュールと、中性点クランプ用の第１及び第２のダイオードモジュールとのうち、少なくとも前記複数個の電力変換モジュールが主面に配置された複数個の電力変換モジュール集合体と、
   両端を前記電力変換モジュール集合体の前記正側端子及び前記中性点端子と直結された第１の平滑コンデンサと、
   両端を前記電力変換モジュール集合体の前記中性点端子及び前記負側端子と直結された第２の平滑コンデンサと、
   を備え、
   前記電力変換モジュール集合体の主面に配置された複数個の前記電力変換モジュールは、その長手方向を水平方向にして規定の長さの範囲内で当該装置筐体の水平方向に順次並べて配置され、前記規定の長さを越える分の電力変換モジュールについては、段を変えて配置され、そして複数個の前記電力変換モジュール集合体は、各々の主面が鉛直方向と平行、かつ、各々の長手方向が平行となるように、縦積みで実装され、縦積みされた複数個の前記電力変換モジュール集合体が対向するように各相に対応して設けられている
   ３レベル電力変換装置。
2. 前記電力変換モジュール集合体の主面の長手方向が、前記装置筐体の奥行き方向と平行である
   請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
3. 前記電力変換モジュール集合体において、隣り合う前記電力変換モジュールの長手方向同士、及び隣り合う前記電力変換モジュールの短手方向同士が隣接して配置されている
   請求項２に記載の３レベル電力変換装置。
4. 前記スイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタである
   請求項３に記載の３レベル電力変換装置。
5. 前記電力変換モジュール集合体は、
   前記スイッチング素子として、前記正側板状導体と前記負側板状導体との間に順次直列に接続された第１〜第４のスイッチング素子と、
   前記還流ダイオードとして、前記第１〜第４のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された第１〜第４の還流ダイオードと、
   前記中性点板状導体にアノード側を、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との接続点である正側中性点クランプ用板状導体にカソード側を接続された前記第１のダイオードモジュールと、
   前記第３のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子との接続点である負側中性点クランプ用板状導体にアノード側を、前記中性点板状導体にカソード側を接続された前記第２のダイオードモジュールと、を備え、
   前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子との接続点である出力用板状導体から３レベルの交流電圧の出力を得る
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の３レベル電力変換装置。
6. 前記正側板状導体、前記負側板状導体及び前記出力用板状導体はそれぞれ、同一平面に配置された複数個の前記電力変換モジュールのうち対応する電力変換モジュールの表面に配置されており、前記正側中性点クランプ用板状導体及び前記負側中性点クランプ用板状導体は、略同一平面となるように配置された前記正側板状導体、前記負側板状導体及び前記出力用板状導体と対向するように配置されており、前記中性点板状導体は、前記正側中性点クランプ用板状導体及び前記負側中性点クランプ用板状導体と対向するように配置されている
   請求項５に記載の３レベル電力変換装置。