JP3830669B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両用等一般に利用される電力変換装置に係わり、特に、直流平滑用コンデンサとインバータ部分間の配線インダクタンスを低減させた電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、電力変換装置において、配線インダクタンスが大きい場合には、半導体素子のスイッチング時に半導体素子に過大な電圧が印加されるため、半導体素子を保護するためのスナバ回路が必要となり、装置を小型化することが困難である。
【０００３】
ところで、配線インダクタンスを低減する方法としては、電流の経路である導体をできるだけ幅広の板状とし、かつ往路と復路の導体をできるだけ近接して接続するいわゆる平行平板状にすれば良いことが知られている。これは、往路と復路を流れる電流によって発生する磁束の変化が互いに相殺し、見かけ上磁束の変化がほとんどなくなるからである。
【０００４】
電力変換装置の配線においてもこのような原理を利用して、配線インダクタンスの低減が図られており、特にインバータ部分とコンデンサ部分の接続部のインダクタンスの低減方法が、特開平５−２９２７５６号公報、特開平６−３８５０７号公報、特開平７−２４５９５１号公報、および特開平９−１１７１２６号公報などに開示されている。これらにはいずれも上述の平行平板の配線を利用したものであり、接続端子が一方の導体や両導体間に設けられる絶縁層の貫通穴を通って他方の導体に接続されている。また、特開平６−２２５５４５号公報に開示されていいるものは、上述の平行平板の配線を利用するものであるが、導体を曲げることによって貫通穴を避けるように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の貫通穴を設ける構造では、貫通穴を有する導体と貫通穴を通って他方の導体に接続するため接続端子との絶縁距離を確保するために前記貫通穴を大きくとる必要がある。この場合には、貫通穴周辺の導体の狭くなった部分に電流が集中し、インピーダンスの増大、局所的な発熱等の問題が生じる。さらに、貫通穴付近では電流分布に偏りが生じるため、インダクタンスの低減効果は小さいという問題がある。
【０００６】
また、特開平６−２２５５４５号公報に記載のものは、導体を曲げるなどの加工が必要であり、コストの上昇を免れない。さらに、導体が一部の接続端子を覆うように配置されているため、直流平滑用コンデンサの取り外しが極めて困難である。
【０００７】
本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、直流平滑用コンデンサとインバータ部分を接続する配線インダクタンスの低減を簡単な構成で実現した電力変換装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は以下の特徴を有する。
【０００９】
少なくとも、複数の半導体素子が組み合わされて構成され、入力側を構成する正側端子と負側端子および出力側を構成する交流端子とを備えるインバータ部と、前記正側端子および負側端子間にそれぞれ正極側導体および負極側導体を介して接続される直流平滑用コンデンサとからなる電力変換装置において、前記正極側導体および前記負極側導体を、対角の位置に１組の接続部を有するとともに平板状に形成し、前記１組の接続部を結ぶ線が交差するように各導体面を同方向で互いに平行に配置し、前記各導体の一方の接続部を前記直流平滑用コンデンサに接続するとともに、前記各導体の他方の接続部を前記正側端子および前記負側端子に接続したことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項１に記載の電力変換装置において、前記正極側導体および負極側導体の前記一方の接続部間を結ぶ線と平行な幅が、前記各導体の前記一方の接続部間の距離より大きいことを特徴とする。
【００１１】
また、少なくとも、複数の半導体素子が組み合わされて構成され、入力側を構成する正側端子と負側端子および出力側を構成する交流端子とを備える複数相のインバータ部から構成される多相インバータ部と、前記各相のインバータ部の前記正側端子および負側端子間にそれぞれ正極側導体および負極側導体を介して接続される直流平滑用コンデンサとからなる電力変換装置において、前記正極側導体および前記負極側導体を、前記各導体の一辺の一端側に片寄って分散配置された一方の複数の接続部および前記各導体の前記一辺に対向する辺の他端側に片寄って分散配置された他方の複数の接続部を有するとともに平板状に形成し、前記各導体のそれぞれの前記一端側と前記他端側とを結ぶ線が互いに交差するように各導体面を同方向に平行に配置し、前記各導体の前記一方の複数の接続部を各相のそれぞれの直流平滑用コンデンサに接続するとともに、前記各導体の他方の複数の接続部をそれぞれの各相インバータ部の前記正側端子および前記負側端子に接続したことを特徴とする。
【００１２】
また、少なくとも、複数の半導体素子が組み合わされて構成され、入力側を構成する正側端子と負側端子および出力側を構成する交流端子とを備える複数相のインバータ部から構成される多相インバータ部と、前記各相のインバータ部の前記正側端子および負側端子間に正極側導体および負極側導体を介して接続される直流平滑用コンデンサとからなる電力変換装置において、前記正極側導体および前記負極側導体を、前記各導体の一辺の一端側に片寄って配置された一方の接続部および前記各導体の前記一辺に対向する辺の他端側に片寄って分散配置された他方の複数の接続部を有するとともに平板状に形成し、前記各導体のそれぞれの前記一端側と前記他端側とを結ぶ線が互いに交差するように各導体面を同方向に平行に配置し、前記各導体の前記一方の接続部を直流平滑用コンデンサに接続するとともに、前記各導体の他方の複数の接続部をそれぞれの各相インバータ部の前記正側端子および前記負側端子に接続したことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項１ないしは請求項４のいずれか１つの請求項に記載の電力変換装置おいて、前記正極側導体と負極側導体を略同一形状のものを用いることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
はじめに、本発明の第１の実施形態を図１から図６を用いて説明する。
【００１５】
図３は、本実施形態に係わる電力変換装置に電源、整流器、およびモータ負荷を接続した状態を示す回路構成図である。
【００１６】
同図において、１１は電力変換装置、１４は三相交流電源、１５はこの三相交流電源１４の交流電圧を直流電圧に変換する整流器、１６はモータ負荷、６および７はそれぞれ整流器１５と電力変換装置１１を接続する正側導体および負側導体、８は電力変換装置１１とモータ負荷１６を接続する交流側導体である。
【００１７】
ここで、電力変換装置１１は、Ｕ相変換装置１１１、Ｖ相変換装置１１２、およびＷ相変換装置１１３の３相の変換装置から構成される。
【００１８】
図１および図２は、図３に示す各相の変換装置１１１〜１１３のうちの１つの内部構造を示す図であり、図４は各相変換装置１１１〜１１３のうちの１つの等価回路図である。
【００１９】
これらの図において、１は整流器１５の出力側に接続されるとともに、各相変換装置１１１（１１２〜１１３）内の半導体素子９，１０の入力側に接続される直流平滑用コンデンサ、２は正側導体６と直流平滑用コンデンサ１の正極端子間を接続する正極側導体、３は負側導体７と直流平滑用コンデンサ１の負極端子間を接続する負極側導体、４は正極側導体２と直流平滑用コンデンサ１の正極端子間を接続する接続部、５は負極側導体２と直流平滑用コンデンサ１の負極端子間を接続する接続部、９および１０はそれぞれ正側の半導体素子および負側の半導体素子、１２は正極側導体２と正側導体６との接続部、１３は負極側導体３と負側導体７との接続部である。
【００２０】
ここで、正側の半導体素子９、負側の半導体素子１０、正側導体６、負側導体７、および交流導体８でインバータ部分を構成する。
【００２１】
このインバータ部は、正側の半導体素子９および負側の半導体素子１０が、図示していない制御装置によってオンオフ制御され、正側導体６および負側導体７間から供給される直流の電力を交流に変換して交流側導体８に出力する。
【００２２】
また、直流平滑用コンデンサ１は正極側導体２および負極側導体３を介してインバータ部分と接続されており、正側の半導体素子９あるいは負側の半導体素子１０がスイッチオンした瞬間に電流を供給し、半導体素子９，１０の応答速度を補償している。さらに、正側の半導体素子９あるいは負側の半導体素子１０がスイッチオフした際の過渡電流を吸収する。
【００２３】
また、図１に示すように、正極側導体３は、長方形の一方の対角部分に突出部を有し、一方の突出部上の接続部５において直流平滑用コンデンサ１の負極端子と接続され、もう一方の突出部上の接続部１３において負側導体７と接続される。また、正極側導体２は、負極側導体３の左右を反転した形状の導体板であり、負極側導体３の裏面側に設けられる。正極側導体２も負極側導体３と同様に、接続部４において直流平滑用コンデンサ１の正極端子と接続され、接続部１２において正側導体６と接続される。さらに、正極側導体２と負極側導体３は、互いに平行にかつ中央の長方形の部分が重なりあうように配置され、接続部５と接続部１３、接続部４と接続部１２は互い違いに位置するように配置される。また、正極側導体２と負極側導体３の重なり合った部分の横幅Ｗは直流平滑用コンデンサ１の正極端子と負極端子間の間隔Ｌよりも長く、また、正極側導体２と負極側導体３間は電圧印加時に放電が生じないように間隙が設けられる。ここで、導体２，３間に絶縁材の板を配置すれば、導体間隔を狭めることも可能となる。
【００２４】
図５および図６は、それぞれ正極側導体２および負極側導体３の電流分布を示す図である。
【００２５】
同図において、曲線は電流の流線を示し、この間隔が狭いほど電流密度が大きいことを表している。図５では、直流平滑用コンデンサ１の正極端子との接続部４から流入した電流が、正側導体６との接続部１２に流出している。図６では、負側導体７との接続部１３から流入した電流が直流平滑用コンデンサ１の負極端子との接続部５に流出している。このように、正極側導体２および負極側導体３の電流流線は各導体面内に広がって分布する。これは、一方の導体に流れる電流が、他方の導体の電流密度の高い部分、つまり直流平滑用コンデンサ１の接続部とインバータ側導体の接続部に引き寄せられるためと考えられる。電流流線が面内に広がることにより、直流平滑用コンデンサ１とインバータ部分間の配線インダクタンスが減少する。さらに、正極側導体２の電流と負極側導体３の電流は互いに逆向きになっているため、発生する磁束が互いに相殺され、配線インダクタンスを低減させれることができる。
【００２６】
図７は、本発明の第２の実施形態に係わる正極側導体２１および負極側導体３１の形状を示す図である。
【００２７】
本実施形態の正極側導体２１および負極側導体３１は、第１の実施形態の図１に示したものに比べて、正極側導体２１および負極側導体３１の重なり合う部分の幅を狭くした点で相違する。本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、負極側導体３１と正極側導体２１は、図示するように、長方形部分が重なり合うように構成され、また、各導体２１，３１間に電圧が印加されても放電が生じないように間隙が設けられる。なお、その他の構成は第１の実施形態のものと同じであるので説明を省略する。
【００２８】
本実施形態によれば、第１の実施形態の正極側導体２および負極側導体３に比べて、重なり合う部分の幅が狭くなっているので、装置の軽量化が図られる。また、幅が狭い長方形部分において電流の流路が両導体間で互いに逆向きになり発生する磁束が相殺されるので、第１の実施形態と同様に配線インダクタンスを低減することができる。
【００２９】
図８は、本発明の第３の実施形態に係わる正極側導体２２および負極側導体３２の形状を示す図である。
【００３０】
本実施形態の正極側導体２２および負極側導体３２は、第１の実施形態の図１に示したものに比べて、正極側導体２２および負極側導体３２の対角部分の一部を削った点で相違する。第１の実施形態の正極側導体２および負極側導体３が、図５および図６に示すように、正極側導体２と負極側導体３とが重なり合う部分の対角部分の電流分布が少ないことを考慮して、この対角部分の一部を削り取ったものである。本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、負極側導体３２と正極側導体２２間は電圧を印加した際に放電が生じないように間隙が設けられる。なお、その他の構成は第１の実施形態のものと同じである。
【００３１】
本実施形態によれば、第１の実施形態の正極側導体２および負極側導体３に比べて、上記対角部分が削除されているので、装置の軽量化が図られる。また、第１の実施形態と同様に、電流の流路が両導体間で互いに逆向きになり発生する磁束が相殺されるので、第１の実施形態と同様に配線インダクタンスを低減することができる。
【００３２】
図９は、本発明の第４の実施形態に係わる正極側導体２３および負極側導体３３の形状を示す図である。
【００３３】
本実施形態の正極側導体２３および負極側導体３３は、第１の実施形態の図１に示したものに比べて、負極側導体３３は接続部５，１３と接続するための突出部を有さない長方形とするが、正極側導体２３は負極側導体３３と同じ大きさの長方形であって、同図の点線で示すように、負極側導体３３と直流平滑用コンデンサ１との接続部分５、インバータ部分との接続部分１３の部分にあたる角の部分のみを切り取った形状とする。ここで切り取る大きさは、両導体２３，３３間に電圧を印加した場合に正極側導体２３と接続部５および接続部１３間で放電が生じないような大きさである。なお、その他の構成は第１の実施形態のものと同じである。
【００３４】
本実施形態によれば、第１の実施形態の正極側導体２および負極側導体３に比べて、両導体２３，３３を作成するための加工数を減少させることができる。また、第１の実施形態と同様に、配線インダクタンスの低減効果が得られる。
【００３５】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係わる正極側導体２４および負極側導体３４の形状を示す図である。
【００３６】
本実施形態の正極側導体２４および負極側導体３４は、第１の実施形態の図１に示したものに比べて、正極側導体２４および負極側導体３４の重なり合う部分の幅を狭くするとともに、両導体２４，３４の形状をＳ字型としたものである。なお、その他の構成は第１の実施形態のものと同じである。
【００３７】
本実施形態によれば、第１の実施形態の正極側導体２および負極側導体３に比べて重なり合う部分の幅が狭くなっているので装置の軽量化が図られるとともに、第１の実施形態と同様に、配線インダクタンスの低減効果が得られる。
【００３８】
図１１は、本発明の第６の実施形態に係わる正極側導体２５および負極側導体３５の形状を示す図である。
【００３９】
同図において、正極側導体２５は、各相の電力変換装置１１１〜１１３のそれぞれの直流平滑用コンデンサ１の正極端子との接続部４ｕ，４ｖ，４ｗ、およびＵ相変換装置１１１の正極側との接続部１２ｕ、Ｖ相変換装置１１２の正極側との接続部１２ｖ、およびＷ相変換装置１１３の正極側との接続部１２ｗにそれぞれ相応して設けられる突出部を備え、負極側導体３４も、上記のそれぞれの直流平滑用コンデンサ１の負極端子との接続部５ｕ，５ｖ，５ｗ、およびＵ相変換装置１１１の負極側との接続部１３ｕ、Ｖ相変換装置１１２の負極側との接続部１３ｖ、およびＷ相変換装置１１３の負極側との接続部１３ｗに相応して設けられる突出部を備えている。
【００４０】
本実施形態と第１の実施形態を比べると、第１の実施形態のものが、各相毎の直流平滑用コンデンサ１と各相の変換装置１１１〜１１３間にそれぞれ正極側導体２および負極側導体３を設けているのに対して、本実施形態では、各相毎の直流平滑用コンデンサと各相の変換装置１１１〜１１３間に共用する１組の正極側導体２５および負極側導体３５が設けられている点で相違する。
【００４１】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、それぞれ図１１に示す正極側導体２５および負極側導体３５の電流分布の一例を示す図であり、図１２（ａ）は、各相のそれぞれの直流平滑用コンデンサ１の正極端子の接続部４ｕ，４ｖ，４ｗからＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各変換装置１１１〜１１３の正極側の接続部１２ｕ，１２ｖ，１２ｗへの電流分布、図１２（ｂ）は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各変換装置１１１〜１１３の負極側の接続部１３ｕ，１３ｖ，１３ｗから各相のそれぞれの直流平滑用コンデンサ１の負極端子の接続部５ｕ，５ｖ，５ｗへの電流分布を示す。
【００４２】
本実施形態によれば、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各変換装置１１１〜１１３に共用の１組の正極側導体２４と負極側導体３４を用いるので、第１から第５の実施形態の電力変換装置に比べて部品点数を減らすことができ、また、第１の実施形態と同様に、電流が広がって分布するので、配線インダクタンスの逓減効果が得られる。さらに、本実施形態によれば、直流平滑用コンデンサ１の３組の正極側の接続部４ｕ，４ｖ，４ｗ、および負極側の接続部５ｕ，５ｖ，５ｗから電流が供給されるので、さらに配線インダクタンスを低減することができる。また、インバータ部のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各電力変換装置１１１〜１１３への電流供給のバランスも良くなる。
【００４３】
図１３は、本発明の第７の実施形態に係わる正極側導体２６および負極側導体３６の形状を示す図である。
【００４４】
同図において、正極側導体２６は、各相の変換装置１１１〜１１３に図示されていない共用の直流平滑用コンデンサの正極端子との接続部４、Ｕ相変換装置１１１の正極側との接続部１２ｕ、Ｖ相変換装置１１２の負極側との接続部１２ｖ、およびＷ相変換装置１１３の負極側との接続部１２ｗに相応して設けられる突出部を備え、負極側導体３６は、上記共用の直流平滑用コンデンサの負極端子との接続部５、Ｕ相変換装置１１１の負極側との接続部１３ｕ、Ｖ相変換装置１１２の負極側との接続部１３ｖ、およびＷ相変換装置１１３の負極側との接続部１３ｗに相応して設けられる突出部を備えている。
【００４５】
本実施形態と第１の実施形態を比べると、第１の実施形態のものが、各相毎の直流平滑用コンデンサ１と各相の変換装置１１１〜１１３間にそれぞれ正極側導体２および負極側導体３が設けられているのに対して、本実施形態では、各相に共用する直流平滑用コンデンサと各相の変換装置１１１〜１１３に共用する１組の正極側導体２６および負極側導体３６が設けられている点で相違する。
【００４６】
図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、それぞれ図１３に示す正極側導体２６および負極側導体３６の電流分布の一例を示す図であり、図１４（ａ）は、１つの直流平滑用コンデンサの正極端子の接続部４からＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各変換装置１１１〜１１３の正極側の接続部１２ｕ，１２ｖ，１２ｗへの電流分布を示し、図１４（ｂ）は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各変換装置１１１〜１１３の負極側の接続部１３ｕ，１３ｖ，１３ｗから前記１つの直流平滑用コンデンサの負極端子の接続部５への電流分布を示す。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の電力変換装置によれば、簡単な構成で直流平滑用コンデンサとインバータ部分の間のインダクタンスを低減でき、半導体素子の能力を最大限に利用できる。さらに、過電圧を抑制して半導体素子を保護するためのスナバ回路の容量低減、もしくはスナバレス化にも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる各相の変換装置１１１〜１１３のうちの１つの内部構造を示す正面図である。
【図２】図１に示す上記内部構造の側面図である。
【図３】本実施形態に係わる電力変換装置に電源、整流器、およびモータ負荷を接続した状態を示す回路構成図である。
【図４】図３に示す各相の変換装置１１１〜１１３のうちの１つの等価回路図である。
【図５】図１および図２に示す正極側導体２の電流分布を示す図である。
【図６】図１および図２に示す負極側導体３の電流分布を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係わる正極側導体２１および負極側導体３１の形状を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係わる正極側導体２２および負極側導体３２の形状を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係わる正極側導体２３および負極側導体３３の形状を示す図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係わる正極側導体２４および負極側導体３４の形状を示す図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係わる正極側導体２５および負極側導体３５の形状を示す図である。
【図１２】図１１に示す正極側導体２５および負極側導体３５の電流分布を示す図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態に係わる正極側導体２６および負極側導体３６の形状を示す図である。
【図１４】図１３に示す正極側導体２６および負極側導体３６の電流分布を示す図である。
【符号の説明】
１ 直流平滑用コンデンサ
２，２１，２２，２３，２４，２５，２６ 正極側導体
３，３１，３２，３３，３４，３５，３６ 負極側導体
４，４ｕ，４ｖ，４ｗ 正極側導体における直流平滑用コンデンサの正極端子との接続部分
５，５ｕ，５ｖ，５ｗ 負極側導体における直流平滑用コンデンサの負極端子との接続部分
６ 正側導体
７ 負側導体
８ 交流側導体
９ 正側の半導体素子
１０ 負側の半導体素子
１１ 電力変換装置
１１１，１１２，１１３ Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電力変換装置
１２，１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ 正極側導体と正側導体との接続部
１３，１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ 負極側導体と負側導体との接続部
１４ 三相交流電源
１５ 整流器
１６ モータ負荷
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両用等一般に利用される電力変換装置に係わり、特に、直流平滑用コンデンサとインバータ部分間の配線インダクタンスを低減させた電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、電力変換装置において、配線インダクタンスが大きい場合には、半導体素子のスイッチング時に半導体素子に過大な電圧が印加されるため、半導体素子を保護するためのスナバ回路が必要となり、装置を小型化することが困難である。
【０００３】
ところで、配線インダクタンスを低減する方法としては、電流の経路である導体をできるだけ幅広の板状とし、かつ往路と復路の導体をできるだけ近接して接続するいわゆる平行平板状にすれば良いことが知られている。これは、往路と復路を流れる電流によって発生する磁束の変化が互いに相殺し、見かけ上磁束の変化がほとんどなくなるからである。
【０００４】
電力変換装置の配線においてもこのような原理を利用して、配線インダクタンスの低減が図られており、特にインバータ部分とコンデンサ部分の接続部のインダクタンスの低減方法が、特開平５−２９２７５６号公報、特開平６−３８５０７号公報、特開平７−２４５９５１号公報、および特開平９−１１７１２６号公報などに開示されている。これらにはいずれも上述の平行平板の配線を利用したものであり、接続端子が一方の導体や両導体間に設けられる絶縁層の貫通穴を通って他方の導体に接続されている。また、特開平６−２２５５４５号公報に開示されていいるものは、上述の平行平板の配線を利用するものであるが、導体を曲げることによって貫通穴を避けるように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の貫通穴を設ける構造では、貫通穴を有する導体と貫通穴を通って他方の導体に接続するため接続端子との絶縁距離を確保するために前記貫通穴を大きくとる必要がある。この場合には、貫通穴周辺の導体の狭くなった部分に電流が集中し、インピーダンスの増大、局所的な発熱等の問題が生じる。さらに、貫通穴付近では電流分布に偏りが生じるため、インダクタンスの低減効果は小さいという問題がある。
【０００６】
また、特開平６−２２５５４５号公報に記載のものは、導体を曲げるなどの加工が必要であり、コストの上昇を免れない。さらに、導体が一部の接続端子を覆うように配置されているため、直流平滑用コンデンサの取り外しが極めて困難である。
【０００７】
本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、直流平滑用コンデンサとインバータ部分を接続する配線インダクタンスの低減を簡単な構成で実現した電力変換装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は以下の特徴を有する。
【０００９】
少なくとも、複数の半導体素子が組み合わされて構成され、入力側を構成する正側端子と負側端子および出力側を構成する交流端子とを備えるインバータ部と、前記正側端子および負側端子間にそれぞれ正極側導体および負極側導体を介して接続される直流平滑用コンデンサとからなる電力変換装置において、前記正極側導体および前記負極側導体を、対角の位置に１組の接続部を有するとともに平板状に形成し、前記１組の接続部を結ぶ線が交差するように各導体面を同方向で互いに平行に配置し、前記各導体の一方の接続部を前記直流平滑用コンデンサに接続するとともに、前記各導体の他方の接続部を前記正側端子および前記負側端子に接続したことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項１に記載の電力変換装置において、前記正極側導体および負極側導体の前記一方の接続部間を結ぶ線と平行な幅が、前記各導体の前記一方の接続部間の距離より大きいことを特徴とする。
【００１１】
また、少なくとも、複数の半導体素子が組み合わされて構成され、入力側を構成する正側端子と負側端子および出力側を構成する交流端子とを備える複数相のインバータ部から構成される多相インバータ部と、前記各相のインバータ部の前記正側端子および負側端子間にそれぞれ正極側導体および負極側導体を介して接続される直流平滑用コンデンサとからなる電力変換装置において、前記正極側導体および前記負極側導体を、前記各導体の一辺の一端側に片寄って分散配置された一方の複数の接続部および前記各導体の前記一辺に対向する辺の他端側に片寄って分散配置された他方の複数の接続部を有するとともに平板状に形成し、前記各導体のそれぞれの前記一端側と前記他端側とを結ぶ線が互いに交差するように各導体面を同方向に平行に配置し、前記各導体の前記一方の複数の接続部を各相のそれぞれの直流平滑用コンデンサに接続するとともに、前記各導体の他方の複数の接続部をそれぞれの各相インバータ部の前記正側端子および前記負側端子に接続したことを特徴とする。
【００１２】
また、少なくとも、複数の半導体素子が組み合わされて構成され、入力側を構成する正側端子と負側端子および出力側を構成する交流端子とを備える複数相のインバータ部から構成される多相インバータ部と、前記各相のインバータ部の前記正側端子および負側端子間に正極側導体および負極側導体を介して接続される直流平滑用コンデンサとからなる電力変換装置において、前記正極側導体および前記負極側導体を、前記各導体の一辺の一端側に片寄って配置された一方の接続部および前記各導体の前記一辺に対向する辺の他端側に片寄って分散配置された他方の複数の接続部を有するとともに平板状に形成し、前記各導体のそれぞれの前記一端側と前記他端側とを結ぶ線が互いに交差するように各導体面を同方向に平行に配置し、前記各導体の前記一方の接続部を直流平滑用コンデンサに接続するとともに、前記各導体の他方の複数の接続部をそれぞれの各相インバータ部の前記正側端子および前記負側端子に接続したことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項１ないしは請求項４のいずれか１つの請求項に記載の電力変換装置おいて、前記正極側導体と負極側導体を略同一形状のものを用いることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
はじめに、本発明の第１の実施形態を図１から図６を用いて説明する。
【００１５】
図３は、本実施形態に係わる電力変換装置に電源、整流器、およびモータ負荷を接続した状態を示す回路構成図である。
【００１６】
同図において、１１は電力変換装置、１４は三相交流電源、１５はこの三相交流電源１４の交流電圧を直流電圧に変換する整流器、１６はモータ負荷、６および７はそれぞれ整流器１５と電力変換装置１１を接続する正側導体および負側導体、８は電力変換装置１１とモータ負荷１６を接続する交流側導体である。
【００１７】
ここで、電力変換装置１１は、Ｕ相変換装置１１１、Ｖ相変換装置１１２、およびＷ相変換装置１１３の３相の変換装置から構成される。
【００１８】
図１および図２は、図３に示す各相の変換装置１１１〜１１３のうちの１つの内部構造を示す図であり、図４は各相変換装置１１１〜１１３のうちの１つの等価回路図である。
【００１９】
これらの図において、１は整流器１５の出力側に接続されるとともに、各相変換装置１１１（１１２〜１１３）内の半導体素子９，１０の入力側に接続される直流平滑用コンデンサ、２は正側導体６と直流平滑用コンデンサ１の正極端子間を接続する正極側導体、３は負側導体７と直流平滑用コンデンサ１の負極端子間を接続する負極側導体、４は正極側導体２と直流平滑用コンデンサ１の正極端子間を接続する接続部、５は負極側導体２と直流平滑用コンデンサ１の負極端子間を接続する接続部、９および１０はそれぞれ正側の半導体素子および負側の半導体素子、１２は正極側導体２と正側導体６との接続部、１３は負極側導体３と負側導体７との接続部である。
【００２０】
ここで、正側の半導体素子９、負側の半導体素子１０、正側導体６、負側導体７、および交流導体８でインバータ部分を構成する。
【００２１】
このインバータ部は、正側の半導体素子９および負側の半導体素子１０が、図示していない制御装置によってオンオフ制御され、正側導体６および負側導体７間から供給される直流の電力を交流に変換して交流側導体８に出力する。
【００２２】
また、直流平滑用コンデンサ１は正極側導体２および負極側導体３を介してインバータ部分と接続されており、正側の半導体素子９あるいは負側の半導体素子１０がスイッチオンした瞬間に電流を供給し、半導体素子９，１０の応答速度を補償している。さらに、正側の半導体素子９あるいは負側の半導体素子１０がスイッチオフした際の過渡電流を吸収する。
【００２３】
また、図１に示すように、正極側導体３は、長方形の一方の対角部分に突出部を有し、一方の突出部上の接続部５において直流平滑用コンデンサ１の負極端子と接続され、もう一方の突出部上の接続部１３において負側導体７と接続される。また、正極側導体２は、負極側導体３の左右を反転した形状の導体板であり、負極側導体３の裏面側に設けられる。正極側導体２も負極側導体３と同様に、接続部４において直流平滑用コンデンサ１の正極端子と接続され、接続部１２において正側導体６と接続される。さらに、正極側導体２と負極側導体３は、互いに平行にかつ中央の長方形の部分が重なりあうように配置され、接続部５と接続部１３、接続部４と接続部１２は互い違いに位置するように配置される。また、正極側導体２と負極側導体３の重なり合った部分の横幅Ｗは直流平滑用コンデンサ１の正極端子と負極端子間の間隔Ｌよりも長く、また、正極側導体２と負極側導体３間は電圧印加時に放電が生じないように間隙が設けられる。ここで、導体２，３間に絶縁材の板を配置すれば、導体間隔を狭めることも可能となる。
【００２４】
図５および図６は、それぞれ正極側導体２および負極側導体３の電流分布を示す図である。
【００２５】
同図において、曲線は電流の流線を示し、この間隔が狭いほど電流密度が大きいことを表している。図５では、直流平滑用コンデンサ１の正極端子との接続部４から流入した電流が、正側導体６との接続部１２に流出している。図６では、負側導体７との接続部１３から流入した電流が直流平滑用コンデンサ１の負極端子との接続部５に流出している。このように、正極側導体２および負極側導体３の電流流線は各導体面内に広がって分布する。これは、一方の導体に流れる電流が、他方の導体の電流密度の高い部分、つまり直流平滑用コンデンサ１の接続部とインバータ側導体の接続部に引き寄せられるためと考えられる。電流流線が面内に広がることにより、直流平滑用コンデンサ１とインバータ部分間の配線インダクタンスが減少する。さらに、正極側導体２の電流と負極側導体３の電流は互いに逆向きになっているため、発生する磁束が互いに相殺され、配線インダクタンスを低減させれることができる。
【００２６】
図７は、本発明の第２の実施形態に係わる正極側導体２１および負極側導体３１の形状を示す図である。
【００２７】
本実施形態の正極側導体２１および負極側導体３１は、第１の実施形態の図１に示したものに比べて、正極側導体２１および負極側導体３１の重なり合う部分の幅を狭くした点で相違する。本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、負極側導体３１と正極側導体２１は、図示するように、長方形部分が重なり合うように構成され、また、各導体２１，３１間に電圧が印加されても放電が生じないように間隙が設けられる。なお、その他の構成は第１の実施形態のものと同じであるので説明を省略する。
【００２８】
本実施形態によれば、第１の実施形態の正極側導体２および負極側導体３に比べて、重なり合う部分の幅が狭くなっているので、装置の軽量化が図られる。また、幅が狭い長方形部分において電流の流路が両導体間で互いに逆向きになり発生する磁束が相殺されるので、第１の実施形態と同様に配線インダクタンスを低減することができる。
【００２９】
図８は、本発明の第３の実施形態に係わる正極側導体２２および負極側導体３２の形状を示す図である。
【００３０】
本実施形態の正極側導体２２および負極側導体３２は、第１の実施形態の図１に示したものに比べて、正極側導体２２および負極側導体３２の対角部分の一部を削った点で相違する。第１の実施形態の正極側導体２および負極側導体３が、図５および図６に示すように、正極側導体２と負極側導体３とが重なり合う部分の対角部分の電流分布が少ないことを考慮して、この対角部分の一部を削り取ったものである。本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、負極側導体３２と正極側導体２２間は電圧を印加した際に放電が生じないように間隙が設けられる。なお、その他の構成は第１の実施形態のものと同じである。
【００３１】
本実施形態によれば、第１の実施形態の正極側導体２および負極側導体３に比べて、上記対角部分が削除されているので、装置の軽量化が図られる。また、第１の実施形態と同様に、電流の流路が両導体間で互いに逆向きになり発生する磁束が相殺されるので、第１の実施形態と同様に配線インダクタンスを低減することができる。
【００３２】
図９は、本発明の第４の実施形態に係わる正極側導体２３および負極側導体３３の形状を示す図である。
【００３３】
本実施形態の正極側導体２３および負極側導体３３は、第１の実施形態の図１に示したものに比べて、負極側導体３３は接続部５，１３と接続するための突出部を有さない長方形とするが、正極側導体２３は負極側導体３３と同じ大きさの長方形であって、同図の点線で示すように、負極側導体３３と直流平滑用コンデンサ１との接続部分５、インバータ部分との接続部分１３の部分にあたる角の部分のみを切り取った形状とする。ここで切り取る大きさは、両導体２３，３３間に電圧を印加した場合に正極側導体２３と接続部５および接続部１３間で放電が生じないような大きさである。なお、その他の構成は第１の実施形態のものと同じである。
【００３４】
本実施形態によれば、第１の実施形態の正極側導体２および負極側導体３に比べて、両導体２３，３３を作成するための加工数を減少させることができる。また、第１の実施形態と同様に、配線インダクタンスの低減効果が得られる。
【００３５】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係わる正極側導体２４および負極側導体３４の形状を示す図である。
【００３６】
本実施形態の正極側導体２４および負極側導体３４は、第１の実施形態の図１に示したものに比べて、正極側導体２４および負極側導体３４の重なり合う部分の幅を狭くするとともに、両導体２４，３４の形状をＳ字型としたものである。なお、その他の構成は第１の実施形態のものと同じである。
【００３７】
本実施形態によれば、第１の実施形態の正極側導体２および負極側導体３に比べて重なり合う部分の幅が狭くなっているので装置の軽量化が図られるとともに、第１の実施形態と同様に、配線インダクタンスの低減効果が得られる。
【００３８】
図１１は、本発明の第６の実施形態に係わる正極側導体２５および負極側導体３５の形状を示す図である。
【００３９】
同図において、正極側導体２５は、各相の電力変換装置１１１〜１１３のそれぞれの直流平滑用コンデンサ１の正極端子との接続部４ｕ，４ｖ，４ｗ、およびＵ相変換装置１１１の正極側との接続部１２ｕ、Ｖ相変換装置１１２の正極側との接続部１２ｖ、およびＷ相変換装置１１３の正極側との接続部１２ｗにそれぞれ相応して設けられる突出部を備え、負極側導体３４も、上記のそれぞれの直流平滑用コンデンサ１の負極端子との接続部５ｕ，５ｖ，５ｗ、およびＵ相変換装置１１１の負極側との接続部１３ｕ、Ｖ相変換装置１１２の負極側との接続部１３ｖ、およびＷ相変換装置１１３の負極側との接続部１３ｗに相応して設けられる突出部を備えている。
【００４０】
本実施形態と第１の実施形態を比べると、第１の実施形態のものが、各相毎の直流平滑用コンデンサ１と各相の変換装置１１１〜１１３間にそれぞれ正極側導体２および負極側導体３を設けているのに対して、本実施形態では、各相毎の直流平滑用コンデンサと各相の変換装置１１１〜１１３間に共用する１組の正極側導体２５および負極側導体３５が設けられている点で相違する。
【００４１】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、それぞれ図１１に示す正極側導体２５および負極側導体３５の電流分布の一例を示す図であり、図１２（ａ）は、各相のそれぞれの直流平滑用コンデンサ１の正極端子の接続部４ｕ，４ｖ，４ｗからＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各変換装置１１１〜１１３の正極側の接続部１２ｕ，１２ｖ，１２ｗへの電流分布、図１２（ｂ）は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各変換装置１１１〜１１３の負極側の接続部１３ｕ，１３ｖ，１３ｗから各相のそれぞれの直流平滑用コンデンサ１の負極端子の接続部５ｕ，５ｖ，５ｗへの電流分布を示す。
【００４２】
本実施形態によれば、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各変換装置１１１〜１１３に共用の１組の正極側導体２４と負極側導体３４を用いるので、第１から第５の実施形態の電力変換装置に比べて部品点数を減らすことができ、また、第１の実施形態と同様に、電流が広がって分布するので、配線インダクタンスの逓減効果が得られる。さらに、本実施形態によれば、直流平滑用コンデンサ１の３組の正極側の接続部４ｕ，４ｖ，４ｗ、および負極側の接続部５ｕ，５ｖ，５ｗから電流が供給されるので、さらに配線インダクタンスを低減することができる。また、インバータ部のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各電力変換装置１１１〜１１３への電流供給のバランスも良くなる。
【００４３】
図１３は、本発明の第７の実施形態に係わる正極側導体２６および負極側導体３６の形状を示す図である。
【００４４】
同図において、正極側導体２６は、各相の変換装置１１１〜１１３に図示されていない共用の直流平滑用コンデンサの正極端子との接続部４、Ｕ相変換装置１１１の正極側との接続部１２ｕ、Ｖ相変換装置１１２の負極側との接続部１２ｖ、およびＷ相変換装置１１３の負極側との接続部１２ｗに相応して設けられる突出部を備え、負極側導体３６は、上記共用の直流平滑用コンデンサの負極端子との接続部５、Ｕ相変換装置１１１の負極側との接続部１３ｕ、Ｖ相変換装置１１２の負極側との接続部１３ｖ、およびＷ相変換装置１１３の負極側との接続部１３ｗに相応して設けられる突出部を備えている。
【００４５】
本実施形態と第１の実施形態を比べると、第１の実施形態のものが、各相毎の直流平滑用コンデンサ１と各相の変換装置１１１〜１１３間にそれぞれ正極側導体２および負極側導体３が設けられているのに対して、本実施形態では、各相に共用する直流平滑用コンデンサと各相の変換装置１１１〜１１３に共用する１組の正極側導体２６および負極側導体３６が設けられている点で相違する。
【００４６】
図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、それぞれ図１３に示す正極側導体２６および負極側導体３６の電流分布の一例を示す図であり、図１４（ａ）は、１つの直流平滑用コンデンサの正極端子の接続部４からＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各変換装置１１１〜１１３の正極側の接続部１２ｕ，１２ｖ，１２ｗへの電流分布を示し、図１４（ｂ）は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各変換装置１１１〜１１３の負極側の接続部１３ｕ，１３ｖ，１３ｗから前記１つの直流平滑用コンデンサの負極端子の接続部５への電流分布を示す。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の電力変換装置によれば、簡単な構成で直流平滑用コンデンサとインバータ部分の間のインダクタンスを低減でき、半導体素子の能力を最大限に利用できる。さらに、過電圧を抑制して半導体素子を保護するためのスナバ回路の容量低減、もしくはスナバレス化にも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる各相の変換装置１１１〜１１３のうちの１つの内部構造を示す正面図である。
【図２】図１に示す上記内部構造の側面図である。
【図３】本実施形態に係わる電力変換装置に電源、整流器、およびモータ負荷を接続した状態を示す回路構成図である。
【図４】図３に示す各相の変換装置１１１〜１１３のうちの１つの等価回路図である。
【図５】図１および図２に示す正極側導体２の電流分布を示す図である。
【図６】図１および図２に示す負極側導体３の電流分布を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係わる正極側導体２１および負極側導体３１の形状を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係わる正極側導体２２および負極側導体３２の形状を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係わる正極側導体２３および負極側導体３３の形状を示す図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係わる正極側導体２４および負極側導体３４の形状を示す図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係わる正極側導体２５および負極側導体３５の形状を示す図である。
【図１２】図１１に示す正極側導体２５および負極側導体３５の電流分布を示す図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態に係わる正極側導体２６および負極側導体３６の形状を示す図である。
【図１４】図１３に示す正極側導体２６および負極側導体３６の電流分布を示す図である。
【符号の説明】
１ 直流平滑用コンデンサ
２，２１，２２，２３，２４，２５，２６ 正極側導体
３，３１，３２，３３，３４，３５，３６ 負極側導体
４，４ｕ，４ｖ，４ｗ 正極側導体における直流平滑用コンデンサの正極端子との接続部分
５，５ｕ，５ｖ，５ｗ 負極側導体における直流平滑用コンデンサの負極端子との接続部分
６ 正側導体
７ 負側導体
８ 交流側導体
９ 正側の半導体素子
１０ 負側の半導体素子
１１ 電力変換装置
１１１，１１２，１１３ Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電力変換装置
１２，１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ 正極側導体と正側導体との接続部
１３，１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ 負極側導体と負側導体との接続部
１４ 三相交流電源
１５ 整流器
１６ モータ負荷
Claims (5)
- 少なくとも、複数の半導体素子が組み合わされて構成され、入力側を構成する正側端子と負側端子および出力側を構成する交流端子とを備えるインバータ部と、前記正側端子および負側端子間にそれぞれ正極側導体および負極側導体を介して接続される直流平滑用コンデンサとからなる電力変換装置において、
前記正極側導体および前記負極側導体を、対角の位置に１組の接続部を有するとともに平板状に形成し、前記１組の接続部を結ぶ線が交差するように各導体面を同方向で互いに平行に配置し、前記各導体の一方の接続部を前記直流平滑用コンデンサに接続するとともに、前記各導体の他方の接続部を前記正側端子および前記負側端子に接続したことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１において、前記正極側導体および負極側導体の前記一方の接続部間を結ぶ線と平行な幅が、前記各導体の前記一方の接続部間の距離より大きいことを特徴とする電力変換装置。
- 少なくとも、複数の半導体素子が組み合わされて構成され、入力側を構成する正側端子と負側端子および出力側を構成する交流端子とを備える複数相のインバータ部から構成される多相インバータ部と、前記各相のインバータ部の前記正側端子および負側端子間にそれぞれ正極側導体および負極側導体を介して接続される直流平滑用コンデンサとからなる電力変換装置において、
前記正極側導体および前記負極側導体を、前記各導体の一辺の一端側に片寄って分散配置された一方の複数の接続部および前記各導体の前記一辺に対向する辺の他端側に片寄って分散配置された他方の複数の接続部を有するとともに平板状に形成し、前記各導体のそれぞれの前記一端側と前記他端側とを結ぶ線が互いに交差するように各導体面を同方向に平行に配置し、前記各導体の前記一方の複数の接続部を各相のそれぞれの直流平滑用コンデンサに接続するとともに、前記各導体の他方の複数の接続部をそれぞれの各相インバータ部の前記正側端子および前記負側端子に接続したことを特徴とする電力変換装置。 - 少なくとも、複数の半導体素子が組み合わされて構成され、入力側を構成する正側端子と負側端子および出力側を構成する交流端子とを備える複数相のインバータ部から構成される多相インバータ部と、前記各相のインバータ部の前記正側端子および負側端子間に正極側導体および負極側導体を介して接続される直流平滑用コンデンサとからなる電力変換装置において、
前記正極側導体および前記負極側導体を、前記各導体の一辺の一端側に片寄って配置された一方の接続部および前記各導体の前記一辺に対向する辺の他端側に片寄って分散配置された他方の複数の接続部を有するとともに平板状に形成し、前記各導体のそれぞれの前記一端側と前記他端側とを結ぶ線が互いに交差するように各導体面を同方向に平行に配置し、前記各導体の前記一方の接続部を直流平滑用コンデンサに接続するとともに、前記各導体の他方の複数の接続部をそれぞれの各相インバータ部の前記正側端子および前記負側端子に接続したことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１ないしは請求項４のいずれか１つの請求項において、前記正極側導体と負極側導体を略同一形状のものを用いることを特徴とする電力変換装置。
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