JP5120221B2

JP5120221B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5120221B2
Application number: JP2008293111A
Authority: JP
Inventors: 健一大濱
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-11-17
Also published as: JP2010124523A

Description

本発明は、電力変換回路を構成するスイッチング素子を備えた半導体モジュールを、金属製ケースに配設してなる電力変換装置に関する。

インバータ等の電力変換装置においては、例えば、特許文献１に開示されるように、半導体モジュールを外部のモータ等の負荷に接続するために、アルミニウム等から構成したケースに絶縁を行ってバスバーを配置している。また、特許文献１においては、半導体モジュールから突出するパワー端子をバスバーと接続すること、及び積層配置した複数の冷却管の間に半導体モジュールを挟持し、各冷却管に流す冷却媒体によって半導体モジュールを冷却することが開示されている。
ところで、電力変換装置を構成する際には、電源に接続した平滑コンデンサに蓄えた電荷を微小に放電する放電抵抗、半導体モジュールのスイッチング素子の電流遮断時におけるサージ電圧を吸収するスナバコンデンサ等の発熱部品（電子部品）が使用される。そのため、発熱部品による熱も冷却器へ放熱するようにしている。

また、特許文献２のパイプ保温用ヒータにおいては、熱湯器等のパイプを加熱するために、抵抗素子によって発生させる熱をパイプへ伝達する樹脂製のケースを用いている。そして、樹脂製のケースの取付部をパイプに取り付け、ケース内を絶縁材によって充填することにより、取付作業性及び熱伝達効率を向上させている。

特許４０５２２４１号公報実開平５−３６７９１号公報

しかしながら、特許文献１等に開示された従来の電力変換装置においては、発熱部品と冷却器とは、別々のブラケットによって金属製ケースに取り付けていた。そのため、部品点数を低減させるためには十分ではなく、また、発熱部品によって生じた熱は、金属製ケースを介して冷却器へ逃がしていた。
また、特許文献２は、熱湯器等のパイプにヒータを取り付ける技術を開示するものであり、特許文献２においても、発熱部品と冷却器とを少ない部品点数で金属製ケースに取り付けるための技術は開示されていない。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、発熱部品から発生した熱を冷却接続管へ効果的に逃がすことができると共に、冷却接続管を固定する部品を少なくすることができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、電力変換回路を構成するスイッチング素子を備えた半導体モジュールと、冷媒を流して上記半導体モジュールを冷却する冷却器とを、金属製ケースに配設してなる電力変換装置において、
電源に接続した放電抵抗と、上記スイッチング素子の電流遮断時におけるサージ電圧を吸収するスナバコンデンサとの少なくとも一方である発熱部品は、金属製の兼用ブラケットを介して上記金属製ケースに取り付けてあり、
上記冷却器は、上記半導体モジュールに対面して該半導体モジュールを冷却するための冷却器本体と、該冷却器本体の両側に接続して上記冷媒の循環を行うための一対の冷却接続管とを有しており、
上記兼用ブラケットは、上記冷却接続管を保持して該冷却接続管を上記金属製ケースに固定していることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

本発明の電力変換装置は、発熱部品を金属製ケースに取り付ける機能と、冷却接続管を金属製ケースに取り付ける機能とを、兼用ブラケットに兼用させている。
具体的には、本発明の電力変換装置においては、兼用ブラケットは、放電抵抗とスナバコンデンサとの少なくとも一方である発熱部品を金属製ケースに取り付けると共に、冷却器における冷却接続管を金属製ケースに固定している。
これにより、冷却接続管を金属製ケースに固定するための部品を少なくすることができ、組付に用いる部品点数を低減させることができる。また、発熱部品から発生した熱は、金属製の兼用ブラケットを介して冷却接続管へ効果的に逃がすことができる。

それ故、本発明の電力変換装置によれば、発熱部品から発生した熱を冷却接続管へ効果的に逃がすことができると共に、冷却接続管を固定する部品を少なくすることができる。

上述した本発明の電力変換装置における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記半導体モジュールと上記冷却器本体とは、それぞれ複数個を積層した状態で上記一対の冷却接続管同士の間に配置してあり、上記発熱部品は、上記積層状態の半導体モジュール及び上記冷却器本体に隣接して上記一対の冷却接続管の間に配置してあり、上記兼用ブラケットは、上記発熱部品の裏面に配置して固定具によって金属製ケースに固定したブラケット本体部と、該ブラケット本体部の両側から延設して上記一対の冷却接続管をそれぞれ押さえ付けるための一対の押付部とを有していることが好ましい（請求項２）。
この場合には、兼用ブラケットの構造が簡単であり、発熱部品から発生した熱をブラケット本体部及び一対の押付部を経由して一対の冷却接続管へ効果的に逃がすことができる。

また、上記金属製ケースにおいては、複数個の上記半導体モジュールが配列してあり、該複数個の半導体モジュールの少なくともいずれかは、３相交流モータを駆動するためのブリッジ型駆動回路を構成する３つのプラス側半導体モジュールと３つのマイナス側半導体モジュールとであり、上記３つのプラス側半導体モジュールは、上記金属製ケースにおける一方側に配列してあり、上記３つのマイナス側半導体モジュールは、上記金属製ケースにおける他方側に配列してあり、上記発熱部品において上記一方側に配置したプラス側接続端子は、プラス側バスバーによって、上記３つのプラス側半導体モジュールにおける接続端子と接続してあり、上記発熱部品において上記他方側に配置したマイナス側接続端子は、マイナス側バスバーによって、上記３つのマイナス側半導体モジュールにおける接続端子と接続してあることが好ましい（請求項３）。
この場合には、プラス側バスバー及びマイナス側バスバーを用いることにより、発熱部品と、３つのプラス側半導体モジュール及び３つのマイナス側半導体モジュールとの配線長さを極力短くすることができる。そのため、配線部分の電圧損失による発熱の抑制、配線部分のインダクタンスによるサージ電圧の抑制等を図ることができる。

また、上記発熱部品におけるプラス側接続端子とマイナス側接続端子とは、上記プラス側バスバー又は上記マイナス側バスバーと接続する表面側に突出した表面側端子部分と、該表面側端子部分とは反対の裏面側に突出した裏面側端子部分とを有しており、該裏面側端子部分は、当該発熱部品における両接続端子間の電圧を検出するための電圧検出回路に接続してあることが好ましい（請求項４）。
この場合には、発熱部品の各接続端子から電圧検出回路への配線を、冷却器の表面側から裏面側へと跨って行う必要がなく、当該配線をコンパクトに行うことができる。

以下に、本発明の電力変換装置にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
（実施例１）
本例の電力変換装置１は、図１、図２、図４に示すごとく、電力変換回路を構成するスイッチング素子３２を備えた半導体モジュール３と、冷媒Ｃを流して半導体モジュール３を冷却する冷却器２１とを、金属製ケース２に配設してなる。電源（バッテリー）６３に接続した放電抵抗６５である発熱部品４は、金属製の兼用ブラケット５を介して金属製ケース２に取り付けてある。冷却器２１は、半導体モジュール３に対面して半導体モジュール３を冷却するための冷却器本体２１１と、冷却器本体２１１の両側に接続して冷媒Ｃの循環を行うための一対の冷却接続管２１２とを有している。兼用ブラケット５は、冷却接続管２１２を保持して金属製ケース２に固定している。

以下に、本例の電力変換装置１につき、図１〜図５を参照して詳説する。
図４に示すごとく、本例の電力変換装置１は、ハイブリッド自動車又は電気自動車における３相交流モータ６１を駆動するためのインバータを構成する。なお、３相交流モータ６１は、モータジェネレータとして用いる。なお、電力変換装置１は、車両駆動用（車両走行用）の高圧直流電源６３（約３００Ｖ）から補器用の（オーディオ、計器、ランプ等に用いる）低圧直流電源（約１２Ｖ）を作り出すＤＣ−ＤＣコンバータとすることもできる。

図２に示すごとく、半導体モジュール３と冷却器本体２１１とは、それぞれ複数個を積層した状態で一対の冷却接続管２１２同士の間に配置してある。各冷却器本体２１１は、断面四角形状又は断面扁平形状の管内に、流路を仕切る伝熱フィンを設けて構成されている。各冷却器本体２１１の両端部は、一対の冷却接続管２１２内と連通されている。同図において、便宜上、冷却器２１の部分を斜線でハッチングして示す。
図５には、電力変換装置１において冷媒Ｃを循環する構成を概略的に示す。同図に示すごとく、電力変換装置（インバータ）１の冷却に用いる冷媒Ｃは、ハイブリッド用のラジエータ６７からポンプ６８によって電力変換装置１における冷却器２１に送られ、再びラジエータ６７へと循環される。また、図２に示すごとく、冷却器２１においては、一方の冷却接続管２１２内に供給した冷媒Ｃは、複数個の冷却器本体２１１内を通過する際に半導体モジュール３を冷却し、他方の冷却接続管２１２内を通ってラジエータ６７へと戻される。

図１、図２に示すごとく、発熱部品４は、積層状態の半導体モジュール３及び冷却器本体２１１に隣接して一対の冷却接続管２１２の間に配置してある。
兼用ブラケット５は、発熱部品４の裏面に配置して固定具（ボルト）５３によって金属製ケース２に固定したブラケット本体部５１と、ブラケット本体部５１の両側から延設して一対の冷却接続管２１２をそれぞれ押さえ付けるための一対の押付部５２とを有している。ブラケット本体部５１は、発熱部品４を収納保持する保持部５１１を有しており、押付部５２は、円管形状の冷却接続管２１２を保持する半円形状に形成されている。ブラケット本体部５１は、保持部５１１の両側に設けた固定具５３によって金属製ケース２に固定されている。
また、本例においては、図３に示すごとく、金属製ケース２の側壁２２に形成した溝部２３と、兼用ブラケット５の一対の押付部５２との間に、一対の冷却接続管２１２を挟持して、この一対の冷却接続管２１２を固定する。同図は、金属製ケース２に、発熱部品４を保持した兼用ブラケット５を取り付ける状態を示す。

図２に示すごとく、金属製ケース２においては、冷却器２１の冷却器本体２１１によって挟持された状態で複数個の半導体モジュール３が配列してある。図４に示すごとく、複数個の半導体モジュール３の少なくともいずれかは、３相交流モータ６１を駆動するためのブリッジ型駆動回路６２を構成する３つのプラス側半導体モジュール３Ａと３つのマイナス側半導体モジュール３Ｂとである。３つのプラス側半導体モジュール３Ａは、冷却器２１及び金属製ケース２における横方向Ｗの一方側において、冷却器本体２１１の配列方向Ｄに沿って配列してあり、３つのマイナス側半導体モジュール３Ｂは、冷却器２１及び金属製ケース２における横方向Ｗの他方側において、冷却器本体２１１の配列方向Ｄに沿って配列してある。

電力変換装置１において、ブリッジ型駆動回路６２は、３相交流モータ６１を使用する数、半導体モジュール３を並列に接続する数等に応じて複数設けることができる。本例においては、図２、図４に示すごとく、２つのブリッジ型駆動回路６２が形成されており、６つのプラス側半導体モジュール３Ａと６つのマイナス側半導体モジュール３Ｂとが、冷却器２１及び金属製ケース２において一方側と他方側とに配列されている。
半導体モジュール３は、スイッチング素子３２としてのＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、保護用ダイオード等を備えて構成されている。なお、スイッチング素子３２は、ＭＯＳ型ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等とすることもできる。
本例の金属製ケース２、冷却器２１、兼用ブラケット５は、アルミニウム材料から構成されている。半導体モジュール３は、スイッチング素子３２をモールド樹脂によってモールド成形してなる。兼用ブラケット５は、アルミニウム材料、ステンレス材料等から構成することができる。

図４には、電力変換装置１における電力変換回路の構成を概略的に示す。同図に示すごとく、ブリッジ型駆動回路６２を構成する各プラス側半導体モジュール３Ａの一方の接続端子３１Ａ（パワー端子、コレクタ端子又はドレイン端子）は電源６３のプラス側（Ｐで示す。）に接続されており、各プラス側半導体モジュール３Ａの他方の接続端子３１Ｂ（パワー端子、エミッタ端子又はソース端子）は３相交流モータ６１のコイル６１１に接続されている。また、ブリッジ型駆動回路６２を構成する各マイナス側半導体モジュール３Ｂの一方の接続端子３１Ｃ（パワー端子、コレクタ端子又はドレイン端子）は３相交流モータ６１のコイル６１１に接続されており、各マイナス側半導体モジュール３Ｂの他方の接続端子３１Ｄ（パワー端子、エミッタ端子又はソース端子）は電源６３のマイナス側（Ｎで示す。）に接続されている。電源（バッテリー）６３には、供給電圧を安定させるための平滑コンデンサ６４、放電抵抗６５、及びスナバコンデンサ６６がそれぞれ並列に接続されている。なお、放電抵抗６５は、平滑コンデンサ６４に蓄えた電荷を微小に放電し、スナバコンデンサ６６は、各スイッチング素子３２における電流遮断時に生じるサージ電圧を吸収する。

本例の電力変換装置１は、発熱部品４を金属製ケース２に取り付ける機能と、冷却接続管２１２を金属製ケース２に取り付ける機能とを、兼用ブラケット５に兼用させている。
具体的には、本例の電力変換装置１においては、兼用ブラケット５は、放電抵抗６５である発熱部品４を金属製ケース２に取り付けると共に、冷却器２１における冷却接続管２１２を金属製ケース２に固定している。
これにより、冷却接続管２１２を金属製ケース２に固定するための部品を少なくすることができ、組付に用いる部品点数を低減させることができる。また、発熱部品４から発生した熱Ｈは、金属製の兼用ブラケット５のブラケット本体部５１及び一対の押付部５２を経由して一対の冷却接続管２１２へ効果的に逃がすことができる（図１参照）。

それ故、本例の電力変換装置１によれば、発熱部品４から発生した熱Ｈを一対の冷却接続管２１２へ効果的に逃がすことができると共に、一対の冷却接続管２１２を固定する部品を少なくすることができる。

（実施例２）
本例は、発熱部品４における一対の接続端子４１を半導体モジュール３における一対の接続端子（パワー端子）３１と接続するバスバー７の配線に工夫をした例である。
図６、図７に示すごとく、本例の発熱部品４において横方向Ｗの一方側に配置したプラス側接続端子４１Ａは、プラス側バスバー７Ａによって、６つのプラス側半導体モジュール３Ａにおける接続端子３１と直接接続してあり、発熱部品４において横方向Ｗの他方側に配置したマイナス側接続端子４１Ｂは、マイナス側バスバー７Ｂによって、６つのマイナス側半導体モジュール３Ｂにおける接続端子３１と直接接続してある。図４において、各バスバー７Ａ、７Ｂによる配線部分を２点鎖線で示す。

本例の発熱部品４も上記実施例１と同様の放電抵抗６５である。また、図７に示すごとく、兼用ブラケット５に取り付けた発熱部品４は、一対の接続端子４１が金属製ケース２における横方向Ｗの一方側と他方側とに並ぶ状態で、金属製ケース２に配設してある。放電抵抗６５は、金属製ケース２の横方向Ｗにおいて、一方側におけるプラス側半導体モジュール３Ａの配列位置と、他方側におけるマイナス側半導体モジュール３Ｂの配列位置との中間位置に配設してある。
図４に示すごとく、金属製ケース２の横方向Ｗにおける一方側に配列した各プラス側半導体モジュール３Ａは、そのコイル側接続端子３１Ｂを横方向Ｗの外側位置に配置し、そのプラス側接続端子３１Ａを横方向Ｗの内側位置に配置してなる。金属製ケース２の横方向Ｗにおける他方側に配列した各マイナス側半導体モジュール３Ｂは、そのコイル側接続端子３１Ｃを横方向Ｗの外側位置に配置し、そのマイナス側接続端子３１Ｄを横方向Ｗの内側位置に配置してなる。

本例の各バスバー７は、平板形状に形成してあり、発熱部品４の各接続端子４１と各半導体モジュール３の接続端子３１とを直線状に接続している。
なお、発熱部品４における一対の接続端子４１は、図６に示すごとく、発熱部品４に形成しためねじ接続部として形成することができる。この場合には、各バスバー７をめねじ接続部に螺合するビス４１５によって各接続端子４１に固定することができる。また、発熱部品４における一対の接続端子４１は、図８に示すごとく、発熱部品４から突出させたおねじ接続部として形成することもできる。この場合には、各バスバー７をおねじ接続部に螺合するナット４１６によって各接続端子４１に固定することができる。

本例においては、プラス側バスバー７Ａ及びマイナス側バスバー７Ｂを用いることにより、発熱部品４と、各プラス側半導体モジュール３Ａ及び各マイナス側半導体モジュール３Ｂとの配線長さを極力短くすることができる。そのため、配線部分の電圧損失による発熱の抑制、配線部分のインダクタンスによるサージ電圧の抑制等を図ることができる。

また、本例の電力変換装置１は、一般的な電力変換装置とは異なり、積層冷却構造を採用しているが故に、上述した特殊な構成を有している。すなわち、本例の電力変換装置１は、金属製ケース２と冷却器２１とが別部品から構成されているために、冷却器２１の固定が必要になる。また、半導体モジュール３と冷却器本体２１１とを積層するために、半導体モジュール３は、プラス側半導体モジュール３Ａとマイナス側半導体モジュール３Ｂとを、それぞれ横方向Ｗの一方側と他方側とに一列に配列している。さらに、積層冷却構造を形成するために、発熱部品４は、半導体モジュール３と冷却器本体２１１との積層方向に配置することが適切となる。
従って、本例の電力変換装置１はこれらの特殊構造を有するため、半導体モジュール３と発熱部品４とのバスバー７の最短接続と、冷却器２１の冷却接続管２１２の固定とを最適に行う工夫を行った。
本例においても、その他の構成は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例３）
本例は、発熱部品４における一対の接続端子４１の形状に工夫をした例である。
図９、図１０に示すごとく、本例の発熱部品４におけるプラス側接続端子４１Ａは、プラス側バスバー７Ａと接続する表面側に突出した表面側端子部分４１１と、表面側端子部分４１１とは反対の裏面側に突出した裏面側端子部分４１２とを有している。また、本例の発熱部品４におけるマイナス側接続端子４１Ｂは、マイナス側バスバー７Ｂと接続する表面側に突出した表面側端子部分４１１と、表面側端子部分４１１とは反対の裏面側に突出した裏面側端子部分４１２とを有している。
そして、各裏面側端子部分４１２は、発熱部品４における両接続端子４１間の電圧を検出するための電圧検出回路を構成する基板８に接続してある。

図１０に示すごとく、本例の各接続端子４１は、発熱部品４の側面にオフセットして表面側及び裏面側に引き出して、表面側端子部分４１１及び裏面側端子部分４１２を形成してある。そして、裏面側端子部分４１２は、兼用ブラケット５と冷却器本体２１１との間のスペースを使用して冷却器２１の裏面側に突出させている。
発熱部品４の各接続端子４１における裏面側端子部分４１２は、図９に示すごとく、電圧検出回路を構成する基板８と接続ケーブル４２によって接続することができる。また、発熱部品４の各接続端子４１における裏面側端子部分４１２は、図１１に示すごとく、電圧検出回路を構成する基板８と半田付け４３によって直接接続することもできる。
本例においては、発熱部品４の各接続端子４１から電圧検出回路の基板８への配線を、冷却器２１の表面側から裏面側へと跨って行う必要がなく、当該配線をコンパクトに行うことができる。
本例においても、その他の構成は上記実施例１、２と同様であり、上記実施例１、２と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例４）
本例は、放電抵抗６５及びスナバコンデンサ６６を発熱部品４として、兼用ブラケット５に取り付けた例である。
図１２に示すごとく、本例の兼用ブラケット５のブラケット本体部５１には、放電抵抗６５及びスナバコンデンサ６６が保持してある。そして、兼用ブラケット５は、発熱部品４としての放電抵抗６５及びスナバコンデンサ６６において発生する熱を、一対の冷却接続管２１２へ逃がすことができる。
また、本例の各バスバー７は、放電抵抗６５及びスナバコンデンサ６６における各接続端子と接続されている。さらに、本例の各バスバー７は、平滑コンデンサ６４の接続端子６４１にも接続してある。
本例においても、その他の構成は上記実施例１、２と同様であり、上記実施例１、２と同様の作用効果を得ることができる。

実施例１における、電力変換装置を示す断面説明図。実施例１における、電力変換装置を示す平面説明図。実施例１における、発熱部品を保持した兼用ブラケットを金属製ケースに取り付ける状態の電力変換装置を示す断面説明図。実施例における、電力変換回路の構成を示す概略的な回路図。実施例における、電力変換装置において冷媒を循環する構成を示す概略的な説明図。実施例２における、電力変換装置を示す断面説明図。実施例２における、電力変換装置を示す平面説明図。実施例２における、他の電力変換装置を示す断面説明図。実施例３における、電力変換装置を示す断面説明図。実施例３における、電力変換装置を示す平面説明図。実施例３における、他の電力変換装置を示す断面説明図。実施例４における、電力変換装置を示す平面説明図。

符号の説明

１電力変換装置
２金属製ケース
２１冷却器
２１１冷却器本体
２１２冷却接続管
３半導体モジュール
４発熱部品
５兼用ブラケット
５１ブラケット本体部
５２押付部
６１３相交流モータ
６２ブリッジ型駆動回路
６３電源
６４平滑コンデンサ
６５放電抵抗
６６スナバコンデンサ
７バスバー

Claims

電力変換回路を構成するスイッチング素子を備えた半導体モジュールと、冷媒を流して上記半導体モジュールを冷却する冷却器とを、金属製ケースに配設してなる電力変換装置において、
電源に接続した放電抵抗と、上記スイッチング素子の電流遮断時におけるサージ電圧を吸収するスナバコンデンサとの少なくとも一方である発熱部品は、金属製の兼用ブラケットを介して上記金属製ケースに取り付けてあり、
上記冷却器は、上記半導体モジュールに対面して該半導体モジュールを冷却するための冷却器本体と、該冷却器本体の両側に接続して上記冷媒の循環を行うための一対の冷却接続管とを有しており、
上記兼用ブラケットは、上記冷却接続管を保持して該冷却接続管を上記金属製ケースに固定していることを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、上記半導体モジュールと上記冷却器本体とは、それぞれ複数個を積層した状態で上記一対の冷却接続管同士の間に配置してあり、
上記発熱部品は、上記積層状態の半導体モジュール及び上記冷却器本体に隣接して上記一対の冷却接続管の間に配置してあり、
上記兼用ブラケットは、上記発熱部品の裏面に配置して固定具によって金属製ケースに固定したブラケット本体部と、該ブラケット本体部の両側から延設して上記一対の冷却接続管をそれぞれ押さえ付けるための一対の押付部とを有していることを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は２において、上記金属製ケースにおいては、複数個の上記半導体モジュールが配列してあり、該複数個の半導体モジュールの少なくともいずれかは、３相交流モータを駆動するためのブリッジ型駆動回路を構成する３つのプラス側半導体モジュールと３つのマイナス側半導体モジュールとであり、
上記３つのプラス側半導体モジュールは、上記金属製ケースにおける一方側に配列してあり、上記３つのマイナス側半導体モジュールは、上記金属製ケースにおける他方側に配列してあり、
上記発熱部品において上記一方側に配置したプラス側接続端子は、プラス側バスバーによって、上記３つのプラス側半導体モジュールにおける接続端子と接続してあり、上記発熱部品において上記他方側に配置したマイナス側接続端子は、マイナス側バスバーによって、上記３つのマイナス側半導体モジュールにおける接続端子と接続してあることを特徴とする電力変換装置。
請求項３において、上記発熱部品におけるプラス側接続端子とマイナス側接続端子とは、上記プラス側バスバー又は上記マイナス側バスバーと接続する表面側に突出した表面側端子部分と、該表面側端子部分とは反対の裏面側に突出した裏面側端子部分とを有しており、
該裏面側端子部分は、当該発熱部品における両接続端子間の電圧を検出するための電圧検出回路に接続してあることを特徴とする電力変換装置。