JP2022063459A - 導体ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】インダクタンスを低減することができる導体ユニットを提供することである。【解決手段】実施形態の導体ユニットは、第１導体及び第２導体と、第３導体とを備える。第１導体及び第２導体は、正極及び負極のうちの第１極性とされる少なくとも２つの導電体である。第３導体は、第１導体と第２導体との間に配置される。第３導体は、第１極性とは異なる極性である第２極性とされる少なくとも１つの導電体である。第１導体は、複数のキャパシタのうちの第１キャパシタの両端の第１端子に接続されている。第２導体は、複数のキャパシタのうちの第２キャパシタの両端の第２端子に接続されている。第３導体は、第１キャパシタの両端の第３端子に接続されるとともに、第２キャパシタの両端の第４端子に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、導体ユニットに関する。

従来、少なくとも１つの半導体素子を備える電力変換回路と、電力変換回路の正極及び負極間に接続される平滑用のコンデンサ（キャパシタ）とを備える素子モジュールがある。
しかしながら、半導体素子及びコンデンサ間の浮遊インダクタンスに起因して半導体素子のスイッチング動作に伴うサージ電圧が増大する可能性があった。

特開２００９－４４１５２号公報

本発明が解決しようとする課題は、インダクタンスを低減することができる導体ユニットを提供することである。

実施形態の導体ユニットは、第１導体及び第２導体と、第３導体とを備える。第１導体及び第２導体は、正極及び負極のうちの第１極性とされる少なくとも２つの導電体である。第３導体は、第１導体と第２導体との間に配置される。第３導体は、第１極性とは異なる極性である第２極性とされる少なくとも１つの導電体である。第１導体は、複数のキャパシタのうちの第１キャパシタの両端の第１端子に接続されている。第２導体は、複数のキャパシタのうちの第２キャパシタの両端の第２端子に接続されている。第３導体は、第１キャパシタの両端の第３端子に接続されるとともに、第２キャパシタの両端の第４端子に接続されている。

実施形態の導体ユニットを備える電力変換システムの構成図。 実施形態の電力変換システムの一部の構成図。 実施形態の導体ユニットとキャパシタユニットとの構成図。 実施形態の実施例及び比較例の各々の導体ユニットの電流密度分布の例を示す図。 実施形態の変形例での導体ユニットを備える電力変換システムの構成図。 実施形態の変形例での導体ユニットとキャパシタユニットとの構成図。

以下、実施形態の導体ユニットを、図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の導体ユニット１０を備える駆動システム１の構成図である。図２は、実施形態の電力変換システム４の一部の構成図である。図３は、実施形態の導体ユニット１０とキャパシタユニット１２との構成図である。

図１に示すように、実施形態の駆動システム１は、交流電源２と、回転電機（Ｍ）３と、電力変換システム４とを備える。
交流電源２は、例えば、商用電源又は発電機等である。交流電源２は、例えば３相交流電力等の交流電力を電力変換システム４に供給する。
回転電機３は、例えば誘導電動機及び同期電動機等の交流電動機である。回転電機３は、力行動作時に電力変換システム４から供給される交流電力によって回転駆動力を発生させる。回転電機３は、回生動作してもよい。回転電機３は、回生動作時に回転軸に入力される回転駆動力によって交流電力を発生させる。

電力変換システム４は、交流電源２から供給される交流電力を変換して、変換後の交流電力を回転電機３に供給する。電力変換システム４は、電源回生動作してもよい。電力変換システム４は、電源回生動作時に回転電機３から供給される交流電力を変換して、変換後の交流電力を交流電源２に供給する。
電力変換システム４は、例えば、導体ユニット１０と、第１電力変換器１１と、キャパシタユニット１２と、第２電力変換器１３と、制御部１４と、電流検出器１５とを備える。

導体ユニット１０は、第１電力変換器１１と、キャパシタユニット１２と、第２電力変換器１３とを接続する。導体ユニット１０は、例えば銅板などの複数の導電体を備える。複数の導電体の各々の外形は、例えば平板状である。複数の導電体は、例えば、１つの正極側のＰ相導体（Ｐ）２１と、２つの負極側の第１Ｎ相導体（Ｎ１）２２及び第２Ｎ相導体（Ｎ２）２３とである。各導体２１，２２，２３の最も表面積が大きい表面である主面の面積は同一である。Ｐ相導体２１の厚みは、第１Ｎ相導体２２及び第２Ｎ相導体２３の各々の厚みの２倍である。

図３に示すように、第１Ｎ相導体２２及び第２Ｎ相導体２３は、厚さ方向（Ｚ軸方向）の両側からＰ相導体２１を挟み込んでいる。第１Ｎ相導体２２及び第２Ｎ相導体２３は、同電位に接続されている。
Ｐ相導体２１の第１主面２１Ａと第１Ｎ相導体２２の一方（Ｐ相導体２１側）の主面２２Ａとは、厚さ方向（Ｚ軸方向）に所定距離だけ離れて向かい合い、互いに厚さ方向の直交方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に平行である。Ｐ相導体２１の第２主面２１Ｂと第２Ｎ相導体２３の一方（Ｐ相導体２１側）の主面２３Ａとは、互いの厚さ方向（Ｚ軸方向）に所定距離だけ離れて向かい合い、互いに厚さ方向の直交方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に平行である。
なお、３次元空間で互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向は、各軸に平行な方向である。例えば、Ｚ軸方向は各導体２１，２２，２３の厚さ方向と平行である。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、各導体２１，２２，２３の厚さ方向と直交する方向である。

第１電力変換器１１は、交流電源２から入力される交流電力を直流電力に変換して導体ユニット１０に出力する順変換回路を備える。第１電力変換器１１は、例えば、少なくとも１つのスイッチング素子を備える。スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）又はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉ－ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のトランジスタである。第１電力変換器１１は、制御部１４からスイッチング素子に入力されるスイッチング指令に基づき、オン（導通）及びオフ（遮断）を切り替える。

第１電力変換器１１は、例えば、交流電源２に接続される３相のＵ相端子１１Ｕ、Ｖ相端子１１Ｖ及びＷ相端子１１Ｗを備える。第１電力変換器１１は、導体ユニット１０のＰ相導体２１に接続される正極端子１１Ｐと、導体ユニット１０の第１Ｎ相導体２２及び第２Ｎ相導体２３に接続される負極端子１１Ｎとを備える。

図１、図２及び図３に示すように、キャパシタユニット１２は、導体ユニット１０のＰ相導体２１と第１Ｎ相導体２２及び第２Ｎ相導体２３との間に並列に接続される複数のキャパシタ（コンデンサ）を備える。複数のキャパシタは、例えば３つのキャパシタ、つまり第１キャパシタ（Ｃ１）３１、第２キャパシタ（Ｃ２）３２及び第３キャパシタ（Ｃ３）３３である。キャパシタユニット１２は、第１電力変換器１１及び第２電力変換器１３の各スイッチング素子のオン及びオフの切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。

第１キャパシタ３１は、導体ユニット１０のＰ相導体２１に接続される正極端子３１Ｐと、導体ユニット１０の第１Ｎ相導体２２に接続される負極端子３１Ｎとを備える。
第２キャパシタ３２は、導体ユニット１０のＰ相導体２１に接続される正極端子３２Ｐと、導体ユニット１０の第２Ｎ相導体２３に接続される負極端子３２Ｎとを備える。
第３キャパシタ３３は、導体ユニット１０のＰ相導体２１に接続される正極端子３３Ｐと、導体ユニット１０の第１Ｎ相導体２２及び第２Ｎ相導体２３に接続される負極端子３３Ｎとを備える。
導体ユニット１０に接続されるキャパシタユニット１２の複数の端子のうち、第１Ｎ相導体２２に接続される端子（例えば、負極端子３１Ｎ，３３Ｎ）の接続数と、第２Ｎ相導体２３に接続される端子（例えば、負極端子３２Ｎ，３３Ｎ）の接続数とは同一である。

第２電力変換器１３は、導体ユニット１０から入力される直流電力を交流電力に変換して交流電路４１に出力する逆変換回路を備える。第２電力変換器１３は、例えば、少なくとも１つのスイッチング素子及び整流素子を備える。スイッチング素子は、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタである。整流素子は、トランジスタに並列に接続されるダイオードである。第２電力変換器１３は、例えば、Ａ相及びＢ相の２相でブリッジ接続される複数のスイッチング素子及び整流素子によって形成されるブリッジ回路を備える。

第２電力変換器１３は、Ａ相で対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームＡ相トランジスタＳａＨ，ＳａＬと、Ｂ相で対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームＢ相トランジスタＳｂＨ，ＳｂＬとを備える。第２電力変換器１３は、各トランジスタＳａＨ，ＳａＬ，ＳｂＨ，ＳｂＬのコレクタ－エミッタ間でエミッタからコレクタに向けて順方向に接続される還流ダイオードを備える。

第２電力変換器１３は、ハイサイドアームＡ相トランジスタＳａＨのコレクタに接続される第１正極端子ＰＴ１と、ハイサイドアームＢ相トランジスタＳｂＨのコレクタに接続される第２正極端子ＰＴ２とを備える。第１正極端子ＰＴ１及び第２正極端子ＰＴ２は、導体ユニット１０のＰ相導体２１に接続されている。
第２電力変換器１３は、ローサイドアームＡ相トランジスタＳａＬのエミッタに接続される第１負極端子ＮＴ１と、ローサイドアームＢ相トランジスタＳｂＬのエミッタに接続される第２負極端子ＮＴ２とを備える。第１負極端子ＮＴ１は、導体ユニット１０の第１Ｎ相導体２２に接続されている。第２負極端子ＮＴ２は、導体ユニット１０の第２Ｎ相導体２３に接続されている。

第２電力変換器１３は、ハイサイドアームＡ相トランジスタＳａＨのエミッタ及びローサイドアームＡ相トランジスタＳａＬのコレクタに接続されるＡ相端子ＡＴを備える。第２電力変換器１３は、ハイサイドアームＢ相トランジスタＳｂＨのエミッタ及びローサイドアームＢ相トランジスタＳｂＬのコレクタに接続されるＢ相端子ＢＴを備える。Ａ相端子ＡＴ及びＢ相端子ＢＴは、回転電機３との間の交流電路４１に接続されている。

第２電力変換器１３は、制御部１４から各トランジスタＳａＨ，ＳａＬ，ＳｂＨ，ＳｂＬのゲートに入力されるスイッチング指令に基づき、各相のトランジスタ対のオン（導通）及びオフ（遮断）を切り替える。第２電力変換器１３は、第１正極端子ＰＴ１及び第２正極端子ＰＴ２と第１負極端子ＮＴ１及び第２負極端子ＮＴ２とから入力される直流電力を単相交流電力に変換して、変換後の単相交流電力をＡ相端子ＡＴ及びＢ相端子ＢＴから出力する。

制御部１４は、駆動システム１の動作を制御する。例えば、制御部１４は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、ＣＰＵ等のプロセッサ、プログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びタイマー等の電子回路を備えるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。なお、制御部１４の少なくとも一部は、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の集積回路であってもよい。

制御部１４は、第１電力変換器１１及び第２電力変換器１３の各スイッチング素子のオン及びオフの切換駆動のタイミングを設定し、実際に各スイッチング素子をオン及びオフに駆動するためのゲート信号を生成する。例えば、制御部１４は、交流電路４１に流れる負荷電流を検出する電流検出器１５から出力される検出値の信号等に基づいたフィードバック制御によって、回転電機３の力行動作時に第２電力変換器１３のスイッチング素子にゲート信号を出力する。ゲート信号は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によるパルス信号等である。

以下、キャパシタユニット１２と第１電力変換器１１及び第２電力変換器１３の各スイッチング素子との間の分流バランスについて説明する。
図４は、実施形態の実施例及び比較例の各々の導体ユニットの電流密度分布の例を示す図である。
図４に示す実施例は、上述した実施形態の導体ユニット１０のＰ相導体（Ｐ）２１、第１Ｎ相導体（Ｎ１）２２及び第２Ｎ相導体（Ｎ２）２３の各々の電流密度分布の例である。図７に示す比較例は、導体ユニットを構成する２つの導電体の各々の電流密度分布の例である。比較例の２つの導電体は、Ｐ相導体（Ｐ）及びＮ相導体（Ｎ）である。Ｐ相導体（Ｐ）及びＮ相導体（Ｎ）の互いの厚み及び表面積等の形状は同一である。

板状の導電体に高調波成分を含む電流が流れる場合、導電体の表面積が増大することに伴い、導電体のインダクタンスは低下する。
２つの導電体（Ｐ相導体（Ｐ）及びＮ相導体（Ｎ））を備える比較例の導体ユニットでは、導電体の個数を増やすこと無しに導電体全体としての表面積を増大させる場合、各導電体の形状が大きくなるという問題が生じる。例えば、各導電体の主面の面積を増大させる場合には、厚さ方向に直交する幅方向での寸法が増大するという問題が生じる。

これに対して、導電体の個数を増やして、３つの導電体（Ｐ相導体（Ｐ）２１、第１Ｎ相導体（Ｎ１）２２及び第２Ｎ相導体（Ｎ２）２３）を備える実施例の導体ユニット１０では、３つの導電体が配列される厚さ方向でのわずかな寸法増大のみで、導電体全体としての表面積を増大させている。
実施例では、Ｐ相導体２１は厚さ方向（Ｚ軸方向）の両側から第１Ｎ相導体２２及び第２Ｎ相導体２３により挟み込まれることによって、Ｐ相導体（Ｐ）２１の厚さ方向の両側で電流が集中している２つの領域を、第１Ｎ相導体（Ｎ１）２２と第２Ｎ相導体（Ｎ２）２３との各々に分けて対応させて、均一の分流バランスを確保している。

以上説明した実施形態によれば、導体ユニット１０は、第１Ｎ相導体２２と第２Ｎ相導体２３との間に配置されるＰ相導体２１を備えることにより、各導電体の形状が大きくなることを抑制しながら、導電体全体としての表面積を増大させることができる。導電体全体としての表面積が増大することに伴い、キャパシタユニット１２と第１電力変換器１１及び第２電力変換器１３の各スイッチング素子との間のインダクタンスを低減させることができる。

第１Ｎ相導体２２に接続される端子（例えば、負極端子３１Ｎ，３３Ｎ）の接続数と、第２Ｎ相導体２３に接続される端子（例えば、負極端子３２Ｎ，３３Ｎ）の接続数とが同一であるキャパシタユニット１２を備えることにより、均一の分流バランスを確保することができる。
Ｐ相導体２１の第１主面２１Ａと向かい合う主面２２Ａを有する第１Ｎ相導体２２と、Ｐ相導体２１の第２主面２１Ｂと向かい合う主面２３Ａを有する第２Ｎ相導体２３とを備えることにより、例えば各１つのＰ相導体（Ｐ）及びＮ相導体（Ｎ）を有する比較例等に比べて、表皮効果及び近接効果を低減して、より均一に電流を流すことができる。
Ｐ相導体２１の第１主面２１Ａ及び第２主面２１Ｂの各々の表面積と同一の表面積の各主面２２Ａ，２３Ａを有する第１Ｎ相導体２２及び第２Ｎ相導体２３とを備えることにより、各導電体の形状が大きくなることを抑制しながら、導電体全体としての表面積を増大させることができる。

以下、変形例について説明する。
上述した実施形態では、キャパシタユニット１２は奇数個のキャパシタを備えるとしたが、これに限定されない。キャパシタユニット１２は偶数個のキャパシタを備えてもよい。
図５は、実施形態の変形例での導体ユニット１０を備える電力変換システム４Ａの構成図である。図６は、実施形態の変形例での導体ユニット１０とキャパシタユニット１２Ａとの構成図である。

図５及び図６に示すように、変形例のキャパシタユニット１２Ａは、上述した実施形態のキャパシタユニット１２から第３キャパシタ３３を省略して得られる構成に相当する。
導体ユニット１０に接続されるキャパシタユニット１２Ａの複数の端子のうち、第１Ｎ相導体２２に接続される端子（例えば、負極端子３１Ｎ）の接続数と、第２Ｎ相導体２３に接続される端子（例えば、負極端子３２Ｎ）の接続数とは同一である。

上述した実施形態では、導体ユニット１０は、１つの正極側のＰ相導体（Ｐ）２１と、２つの負極側の第１Ｎ相導体（Ｎ１）２２及び第２Ｎ相導体（Ｎ２）２３とを備えるとしたが、これに限定されない。例えば、導体ユニット１０の複数の導電体の正極及び負極の極性の組み合わせは逆転してもよい。例えば、導体ユニット１０は、２つの正極側の第１Ｐ相導体（Ｐ１）及び第２Ｐ相導体（Ｐ２）と、第１Ｐ相導体（Ｐ１）及び第２Ｐ相導体（Ｐ２）の間に配置される１つの負極側のＮ相導体（Ｎ）とを備えてもよい。

上述した実施形態では、導体ユニット１０は、３つの導電体（つまりＰ相導体２１、第１Ｎ相導体２２及び第２Ｎ相導体２３）を備えるとしたが、これに限定されない。導体ユニット１０は、例えば５つの導電体等のさらに多数個の導電体を備えてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、導体ユニット１０は、第１Ｎ相導体２２と第２Ｎ相導体２３との間に配置されるＰ相導体２１を備えることにより、各導電体の形状が大きくなることを抑制しながら、導電体全体としての表面積を増大させることができる。導電体全体としての表面積が増大することに伴い、キャパシタユニット１２と第１電力変換器１１及び第２電力変換器１３の各スイッチング素子との間のインダクタンスを低減させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１…駆動システム、２…交流電源、３…回転電機（Ｍ）、４，４Ａ…電力変換システム、１０…導体ユニット、１１…第１電力変換器、１２，１２Ａ…キャパシタユニット、１３…第２電力変換器、１４…制御部、２１…Ｐ相導体（Ｐ）、２２…第１Ｎ相導体（Ｎ１）、２３…第２Ｎ相導体（Ｎ２）、３１…第１キャパシタ（Ｃ１）、３１Ｐ…正極端子、３１Ｎ…負極端子、３２…第２キャパシタ（Ｃ２）、３２Ｐ…正極端子、３２Ｎ…負極端子、３３…第３キャパシタ（Ｃ３）、３３Ｐ…正極端子、３３Ｎ…負極端子。

Claims (4)

1. 正極及び負極のうちの第１極性とされる少なくとも２つの導電体である第１導体及び第２導体と、
   前記第１導体と前記第２導体との間に配置され、前記第１極性とは異なる極性である第２極性とされる少なくとも１つの導電体である第３導体とを備え、
   前記第１導体は、複数のキャパシタのうちの第１キャパシタの両端の第１端子に接続され、
   前記第２導体は、前記複数のキャパシタのうちの第２キャパシタの両端の第２端子に接続され、
   前記第３導体は、前記第１キャパシタの両端の第３端子に接続されるとともに、前記第２キャパシタの両端の第４端子に接続されている
   導体ユニット。
2. 前記複数のキャパシタの端子のうち前記第１導体に接続される少なくとも１つの前記端子の接続数と前記第２導体に接続される少なくとも１つの前記端子の接続数とは同一である
   請求項１に記載の導体ユニット。
3. 前記第３導体の２つの主面の第１主面と前記第１導体の前記第３導体側の主面とは互いの厚さ方向で向かい合い、
   前記第３導体の２つの主面の第２主面と前記第２導体の前記第３導体側の主面とは互いの厚さ方向で向かい合っている
   請求項１又は請求項２に記載の導体ユニット。
4. 前記第３導体の２つの主面の各々の表面積は、前記第１導体の前記第３導体側の前記主面の表面積と、前記第２導体の前記第３導体側の前記主面の表面積と同一である
   請求項３に記載の導体ユニット。

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