JP2018207563A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置は、コンデンサと、半導体スイッチとを含む電力変換部品と、電力変換部品と電気的に接続する、複数の板状導体と、複数の板状導体に対して複数の板状絶縁体を交互に積層した多層積層導体と、電力変換部品と接続されるヒューズとを備える。ヒューズは、多層積層導体と電気的に接続される。
【選択図】図６

Description

本開示は、電力変換装置に関する。

従来の電力変換装置は、多層積層導体上に複数のスイッチング素子および電解コンデンサが載置されて構成されている（特許文献１および２）。

多層積層導体は、正側の導体板と負側の導体板とが絶縁板を介して積層されて構成されている。各スイッチング素子の正側の端子および負側の端子は、それぞれ多層積層導体の正側の導体板および負側の導体板に接続されている。また、電解コンデンサの正側の端子および負側の端子は、それぞれ多層積層導体の正側の導体板および負側の導体板に接続されている。

複数のスイッチング素子は、多層積層導体の表面上に上下方向に列をなして実装されている。また、電解コンデンサは、複数のスイッチング素子の列の延長上に配置されている。

特許第３５５０９７０号 特許第５４３８７５２号

この点で、上記特許文献では、電力変換装置の直流部について多層積層導体と接続することによりコンパクト化する方式が示されているが、小型化を図る点でさらに工夫する必要がある。

本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであって、小型化が可能な電力変換装置を提供する。

ある局面に従う電力変換装置は、コンデンサと、半導体スイッチとを含む電力変換部品と、電力変換部品と電気的に接続する、複数の板状導体と、複数の板状導体に対して複数の板状絶縁体を交互に積層した多層積層導体と、電力変換部品と接続されるヒューズとを備える。ヒューズは、多層積層導体と電気的に接続される。

好ましくは、複数の板状導体は、複数の直流板状導体と、交流板状導体とを含み、ヒューズは、交流板状導体と電気的に接続される。

好ましくは、コンデンサと半導体スイッチは、多層積層導体の一方側に設けられ、ヒューズは、多層積層導体の他方側に設けられる。

好ましくは、ヒューズは、多層積層導体のコンデンサが設けられる一方側に対向する他方側の領域に設けられる。

好ましくは、ヒューズと接続されるホール素子をさらに備え、ホール素子は、多層積層導体と電気的に接続される。

本発明の電力変換装置は、小型化が可能である。

実施形態に基づく無停電電源装置１の構成を正面視した外観構成図である。 実施形態に基づく無停電電源装置１の側方断面図である。 実施形態に基づく無停電電源装置１の電気回路を示す回路図である。 実施形態に基づく電力変換装置３の構成を説明する図である。 実施形態に基づく多層積層導体１００の構造について説明する図である。 実施形態に基づく電力変換装置３の実装構造について説明する図である。 実施形態に基づく多層積層導体１００のＡＣラインを説明する図である。

本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

一例として三相回転電機用の電力変換装置について説明する。
図１は、実施形態に基づく無停電電源装置１の構成を正面視した外観構成図である。

無停電電源装置１は、盤形状（直方体形状）の筐体ＣＨの内部に構成部品が収納された盤タイプで、ＵＬ(Underwriters Laboratories Inc.)認証が得られる構成である。無停電電源装置１は、通常時（正常時）は、商用電源などの交流電源から供給される交流電力により、負荷に電力を供給する。交流電源が停電すると、蓄電池から供給される直流電力により、負荷に電力を供給する。

図１を参照して、筐体ＣＨの内部には、電力変換装置が収容されている。
具体的には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電力変換装置（コンバータユニット）が設けられている。

本例においては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電力変換装置（コンバータユニット）３〜５が段毎に配置されている。

また、チョッパ回路２も設けられており、電力変換装置３の上層に載置されている場合が示されている。

各電力変換装置（コンバータユニット）は前後方向に挿脱可能に設けられており、保守点検等が容易となるように設けられている。

図２は、実施形態に基づく無停電電源装置１の側方断面図である。
図２を参照して、電力変換装置（コンバータユニット）３〜５は、全てほぼ同形状であり、奥行き及び幅に比べて高さが短い（低い）直方体形状である。電力変換装置３〜５は、無停電電源装置１の前面側で下側の空間に設けられている。電力変換装置（コンバータユニット）３〜５の奥行きは、無停電電源装置１の前面の内側から仕切り板ＢＤまでの長さよりも１回り小さい長さである。従って、電力変換装置（コンバータユニット）３〜５の前面は、盤内の前面に近接（又は接触）し、電力変換装置（コンバータユニット）３〜５の背面は、仕切り板ＢＤに近接（又は接触）している。

電力変換装置３〜５は、多段積みされるように垂直方向に配置されており、各電力変換装置（コンバータユニット）３〜５間には、少し隙間がある。最下段にある電力変換装置５は、無停電電源装置１の底面に接触するように設置されている。電力変換装置４は、電力変換装置５の上に設置されている。電力変換装置３は、電力変換装置４の上に設置されている。チョッパ回路２は、電力変換装置３の上に設置されている。

コンデンサユニット８は、図３に示す入力側コンデンサＣ１及び出力側コンデンサＣ２が収納されたユニットである。コンデンサユニット８は、チョッパ回路２の上に設置されている。

制御ユニット６は、無停電電源装置１の制御を行う基板等が実装されたユニットである。制御ユニット６は、コンデンサユニット８の上の前面側に設置されている。

遮断器ユニット９は、図３に示す２つの遮断器ＣＢ２Ｐ，ＣＢ２Ｎが収納されたユニットである。遮断器ユニット９は、コンデンサユニット８の上の背面側に設置されている。

遮断器ユニット１０は、図３に示す２つの遮断器ＣＢ１，ＣＢ３が収納されたユニットである。

リアクトルＬ１〜Ｌ３は、電力変換装置３〜５が実装されている空間の背面側にある仕切り板ＢＤを隔てた空間に設置されている。リアクトルＬ１〜Ｌ３は、長手方向が垂直方向の直方体形状又は円柱形状である。リアクトルＬ１〜Ｌ３は、垂直方向に積み重なるように配置されている。

図３は、実施形態に基づく無停電電源装置１の電気回路を示す回路図である。
図３を参照して、無停電電源装置１は、チョッパ回路２、三相分の電力変換装置（コンバータユニット）３〜５、冷却ファン７、ダイオード整流器ＤＳＭ、三相分の入力側コンデンサＣ１、三相分の出力側コンデンサＣ２、４つの遮断器ＣＢ１，ＣＢ２Ｐ，ＣＢ２Ｎ，ＣＢ３、３つのリアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３、および２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２を備える。無停電電源装置１は、蓄電池２１、交流電源２２及び負荷２３とそれぞれ接続されている。

無停電電源装置１は、交流電源２２と三相三線式で接続され、負荷２３と三相四線式で接続されている。

電力変換装置３〜５は、それぞれＵ相、Ｖ相及びＷ相に対応して設けられている。
電力変換装置３〜５の各々は、コンバータ回路ＣＮとインバータ回路ＩＮとを含む。また、電力変換装置３〜５の各々は、ヒューズ１５およびホール素子１６を含む。

交流電源２２から入力された交流電力は、遮断器ＣＢ１及びリアクトルＬ２を順次に介して、相毎に電力変換装置３〜５に入力される。電力変換装置３〜５は、入力された三相交流電力を直流電力に変換して、負荷２３に供給する三相交流電力に変換する。電力変換装置３〜５は、変換した三相交流電力をリアクトルＬ３及び遮断器ＣＢ３を順次に介して、負荷２３及び冷却ファン７に出力する。冷却ファン７の入力側には、スイッチＳＷ２が設けられている。無停電電源装置１の入力側の各相は、入力側コンデンサＣ１を介して、無停電電源装置１の出力側の中性点と接続されている。無停電電源装置１の出力側の各相は、出力側コンデンサＣ２を介して、無停電電源装置１の出力側の中性点と接続されている。

蓄電池２１は、交流電源２２の停電時に電力を供給するためのエネルギーを蓄える電池である。蓄電池２１から出力された直流電力は、停電時に、正及び負にそれぞれ設けられた２つの遮断器ＣＢ２Ｐ，ＣＢ２Ｎ及びリアクトルＬ１を順次に介して、チョッパ回路２に供給する。

チョッパ回路２は、入力された直流電圧を調整して、電力変換装置３〜５のそれぞれの直流リンクに直流電力を供給する。蓄電池２１を充電する場合、ダイオード整流器ＤＳＭは、スイッチＳＷ１を介して交流電源２２から入力される三相交流電力を直流電力に変換して、チョッパ回路２に出力する。チョッパ回路２は、電力変換装置３〜５の直流リンク又はダイオード整流器ＤＳＭから入力された直流電力により、蓄電池２１を充電するように動作する。

チョッパ回路２及び電力変換装置３〜５は、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)等のスイッチング素子で構成される電気回路を備える。

なお、図２においては、図３で説明したチョッパ回路２、３つの電力変換装置３〜５、制御ユニット６、コンデンサユニット８、２つの遮断器ユニット９，１０、及び３つのリアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３等が実装されている場合が示されているが、この他にも、無停電電源装置１内には、図３に示す電気回路を構成する素子及び機器などが実装されているが、ここでは省略する。

図４は、実施形態に基づく電力変換装置３の構成を説明する図である。
図４に示されるように、電力変換装置３は、後述する多層積層導体の表面上に半導体モジュール（ＩＧＢＴ）１３、電解コンデンサ１４、ヒューズ１５、ホール素子１６が実装されることにより構成されている。

電力変換装置３は、８つの半導体モジュール１３ａ〜１３ｈ、２つの電解コンデンサ１４ａ，１４ｂ、２つのヒューズ１５ａ，１５ｂ、２つのホール素子１６ａ，１６ｂおよび３つの直流側の電極１７〜１９（正電極（Ｐ極）１７、中性電極（Ｃ極）１８および負電極（Ｎ極）１９）とＡＣラインから構成されている。

交流から直流に変換するコンバータ回路ＣＮについて説明する。
半導体モジュール１３ａ、１３ｂは、正電極１７、中性電極１８および負電極１９に接続されている。半導体モジュール１３ａ，１３ｂは、互いに並列に接続されている。

半導体モジュール１３ｃ，１３ｄは、中性電極１８に直列に接続されている。
電解コンデンサ１４ａ，１４ｂは、正電極１７、中性電極１８および負電極１９に接続され、互いに並列に接続されている。

直流から交流に変換するインバータ回路ＩＮについて説明する。
半導体モジュール１３ｇ、１３ｈは、正電極１７、中性電極１８および負電極１９に接続されている。半導体モジュール１３ｇ，１３ｈは、互いに並列に接続されている。

半導体モジュール１３ｅ，１３ｆ、中性電極１８に直列に接続されている。
ヒューズ１５ａは、中性電極１８に直列に接続される。ヒューズ１５ｂは、中性電極１８に直列に接続されている。ヒューズ１５ａは、半導体モジュール１３ａ，１３ｂを保護するために設けられている。ヒューズ１５ｂは、半導体モジュール１３ｇ，１３ｈを保護するために設けられている。

ホール素子１６ａは、ヒューズ１５ａと直列に接続されている。ホール素子１６ｂは、ヒューズ１５ｂと直列に接続されている。ホール素子１６ａ，１６ｂは、交流電流を計測するために設けられている。

上述の回路構成により、正電極１７、中性電極１８および負電極１９に接続された半導体モジュール１３ａ〜１３ｄは、Ｕ相の交流電流を直流電流に変換し、正電極１７、中性電極１８および負電極１９に接続された半導体モジュール１３ｅ〜１３ｈは、変換された直流電流を交流電流に変換して出力する。

なお、ここでは、電力変換装置３について説明したが、電力変換装置４，５についても同様であるのでその詳細な説明については繰り返さない。

図５は、実施形態に基づく多層積層導体１００の概略構造について説明する図である。
図５に示されるように、多層積層導体１００は、電力変換部品と電気的に接続する、複数の板状導体と、複数の板状導体に対して複数の板状絶縁体を交互に積層した多層積層導体である。具体的には、多層積層導体１００は、第１電極（負電極１９）が形成された第１導体板１２１と、第２電極（中性電極１８）が形成された第２導体板１２２と、第３電極（正電極１７）が形成された第３導体板１２３と、第４電極（ＡＣライン）が形成された第４導体板１２４と、５枚の絶縁板１２５〜１２９とを有する。

これらは、下方から絶縁板１２５、負電極導体板１２１、絶縁板１２６、中性電極導体板１２２、絶縁板１２７、正電極導体板１２３、絶縁板１２８、ＡＣライン導体板１２４、絶縁板１２９の順で積層されている。多層積層導体１００は、板状であり、その板面の形状は、略長方形に形成されている。

第１導体板１２１〜第４導体板１２４および絶縁板１２５〜１２９の所定の位置には、穴あけ加工による複数の接続孔が形成されていて、複数の接続孔には接続用ボルト（図示しない。）が挿入されている。この接続用ボルトにより、ＡＣライン、正電極１７、中性電極１８、負電極１９を所定位置で電気的に接続することが可能に設けられている。

図６は、実施形態に基づく電力変換装置３の実装構造について説明する図である。
図６において、半導体モジュール１３ａ〜１３ｈは、図示されていないが略長方形の板状である。

半導体モジュール１３ａ〜１３ｈは、多層積層導体１００の絶縁板１２５側の表面（以下「多層積層導体１００の背面」と呼ぶ。）上に配置される。

半導体モジュール１３ａ〜１３ｈは、Ｐ相側端子、Ｃ相側端子、Ｎ相側端子およびＡＣ（交流）側端子を有する。多層積層導体１００には、半導体モジュール１３ａ〜１３ｈの端子に対応した位置に、皿絞り加工による複数の接続孔が設けられていて、半導体モジュール１３ａ〜１３ｈのＰ相側端子と正電極１７、Ｃ相側端子と中性電極１８およびＮ相側端子と負電極１９とが接続される。

電解コンデンサ１４ａ，１４ｂは、円筒部とその一端に設けられた２つの端子を有する。電解コンデンサ１４ａは、それぞれＰ相側端子およびＣ相側端子を有する。一方、電解コンデンサ１４ｂは、それぞれＣ相側端子およびＮ相側端子を有する。

電解コンデンサ１４ａは、多層積層導体１００の背面上に起立するように２列に並んで配置されている。

電解コンデンサ１４ｂは、多層積層導体１００の背面上に起立するように２列に並んで配置される。

多層積層導体１００には、電解コンデンサ１４ａの端子に対応した位置に、皿絞り加工による複数の接続孔が設けられていて、電解コンデンサ１４ａのＰ相側端子と正電極１７およびＣ相側端子と中性電極１８とが接続されている。

多層積層導体１００には、電解コンデンサ１４ｂの端子に対応した位置に接続孔が設けられていて、電解コンデンサ１４ｂのＮ相側端子と負電極１９およびＣ相側端子と中性電極１８とが接続されている。

ヒューズ１５ａ，１５ｂは、略直方体形状である。
ヒューズ１５ａ，１５ｂは２つの端子を有し、一方側はＡＣラインと接続される。他方側は、金属片１５０，１５２をそれぞれ介してホール素子１６ａ，１６ｂと接続される。

ヒューズ１５ａ，１５ｂは、多層積層導体１００の背面と反対側の面（以下「多層積層導体１００の正面」）上に配置されている。

ヒューズ１５ａ，１５ｂは、多層積層導体１００の長手方向に沿って、１列に並んで載置されている。

ホール素子１６ａ，１６ｂは、略直方体形状である。
ホール素子１６ａ，１６ｂは２つの端子を有し、一方側は金属片１５０，１５２をそれぞれ介してヒューズ１５ａ，１５ｂと接続される。他方側は、金属片１５１，１５３をそれぞれ介してＡＣラインと接続される。

ホール素子１６ａ，１６ｂは、多層積層導体１００の背面と反対側の面（以下「多層積層導体１００の正面」）上に配置されている。

ホール素子１６ａ，１６ｂは、多層積層導体１００の長手方向に沿って、１列に並んで載置されている。

図７は、実施形態に基づく多層積層導体１００のＡＣラインを説明する図である。
図７（Ａ）には、多層積層導体１００の正面が示されている。

図７（Ｂ）には、多層積層導体１００の絶縁板１２９を取り除いた図が示されている。
図７（Ｃ）には、多層積層導体１００を側方から見た図が示されている。

当該図に示されるように、絶縁板１２８上に積層される第４導体板１２４は、４つの導体領域１２４ａ〜１２４ｄを有する。

導体領域１２４ａは、多層積層導体１００に対して直立する第１直立部を有する。当該第１直立部は、絶縁板１２９を貫通するように設けられている。

導体領域１２４ｂは、多層積層導体１００に対して直立する第２直立部を有する。当該第２直立部は、絶縁板１２９を貫通するように設けられている。

導体領域１２４ｃは、多層積層導体１００に対して直立する第３直立部を有する。当該第３直立部は、絶縁板１２９を貫通するように設けられている。

導体領域１２４ｄは、多層積層導体１００に対して直立する第４直立部を有する。当該第４直立部は、絶縁板１２９を貫通するように設けられている。

ＡＣラインの第１直立部は、ヒューズ１５ａと接続される。ＡＣラインの第２直立部は、ホール素子１６ａと接続される。ＡＣラインの第３直立部は、ヒューズ１５ｂと接続される。ＡＣラインの第４直立部は、ホール素子１６ｂと接続される。

なお、本例においては、ＡＣラインの直立部とヒューズ１５とホール素子１６とが接続するように構成した場合について説明したが、これに限られず、例えば接続孔を設けて接続用ボルトにより接続する方式を採用することも可能である。

本実施形態によれば、ＡＣラインを多層積層導体１００に含めることにより、多層積層導体１００上にＡＣライン上に形成される電気部品（ヒューズ、ホール素子）を配置することが可能である。当該構成により、従来は、電力変換装置と別の位置に配置していたが、電力変換装置の一部とした位置に配置することが可能となる。すなわち、ユニットの一部として配置することにより、小型化された電力変換装置を実現するとともに、ヒューズおよびホール素子の保守交換が容易となる。

また、多層積層導体１００の背面に電界コンデンサおよび半導体モジュールを設け、多層積層導体１００の背面と反対側の多層積層導体１００の正面にヒューズ１５およびホール素子１６を設ける。当該構成によりヒューズ１５およびホール素子１６のレイアウト位置のための余分のスペースを設ける必要がなく、多層積層導体１００の比較的レイアウトが容易な位置に配置することによりコンパクト化を図ることが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 無停電電源装置、２ チョッパ回路、３，４，５ 電力変換装置、６ 制御ユニット、７ 冷却ファン、８ コンデンサユニット、９，１０ 遮断器ユニット、１３ａ〜１３ｈ 半導体モジュール、１４，１４ａ，１４ｂ 電解コンデンサ、１５，１５ａ，１５ｂ ヒューズ、１６，１６ａ，１６ｂ ホール素子、１７〜１９ 電極、２１ 蓄電池、２２ 交流電源、２３ 負荷、１００ 多層積層導体、１２１〜１２４ 導体板、１２５〜１２９ 絶縁板。

Claims (5)

1. コンデンサと、半導体スイッチとを含む電力変換部品と、
   前記電力変換部品と電気的に接続する、複数の板状導体と、前記複数の板状導体に対して複数の板状絶縁体を交互に積層した多層積層導体と、
   前記電力変換部品と接続されるヒューズとを備え、
   前記ヒューズは、前記多層積層導体と電気的に接続される、電力変換装置。
2. 前記複数の板状導体は、
   複数の直流板状導体と、
   交流板状導体とを含み、
   前記ヒューズは、前記交流板状導体と電気的に接続される、請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記コンデンサと前記半導体スイッチは、前記多層積層導体の一方側に設けられ、
   前記ヒューズは、前記多層積層導体の他方側に設けられる、請求項１記載の電力変換装置。
4. 前記ヒューズは、前記多層積層導体の前記コンデンサが設けられる一方側に対向する他方側の領域に設けられる、請求項３記載の電力変換装置。
5. 前記ヒューズと接続されるホール素子をさらに備え、
   前記ホール素子は、前記多層積層導体と電気的に接続される、請求項１記載の電力変換装置。

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