JP7500508B2

JP7500508B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7500508B2
Application number: JP2021122421A
Authority: JP
Inventors: 高明原田; 智大田中
Original assignee: TMEIC Corp
Current assignee: TMEIC Corp
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2024-06-17
Anticipated expiration: 2041-07-27
Also published as: JP2023018359A

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。

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（特許文献１および２）。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。

電力変換装置に多層積層導体を用いることによりインダクタンス低下をさせることが可能であり、回路素子のサージ電圧を低下させることが可能である。

特許５６０９２９８号特許６８２４８４０号

一方で、電力変換装置の多層積層導体に回路素子を配置する際において、回路素子の電流バランスを改善することは重要である。電流バランスが悪い回路素子の配置の場合には発熱量が多くなり電力変換装置の温度許容値を超える可能性があるからである。この点で、電力変換装置において電流バランスを改善す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、電流バランスを改善すること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を備える。多層積層導体は、各相にそれぞれ対応して設けられる、半導体スイッチと接続される第１サブ多層積層導体と、コンデンサと接続される第２サブ多層積層導体とを含む。各相にそれぞれ対応して、第１サブ多層積層導体と第２サブ多層積層導体との間に接続され、正極側に対応して設けられる複数の第１ヒューズと、負極側に対応して設けられる複数の第２ヒューズとをさらに備える。複数の第１および第２ヒューズは、第１方向に沿って配置される。第１サブ多層積層導体と第２サブ多層積層導体との間に配置される複数の第１および第２のヒューズのうちの一方のヒューズが互いに隣接しないように配置する。

好ましくは、電流経路が形成される複数の第１のヒューズおよび複数の第２のヒューズのうちの一方のヒューズは互いに隣接しないように配置する。

好ましくは、複数の第１および第２ヒューズの各々は、交互に順番に配置される。
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る。複数の第１および第２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、各相に対応して設けられる第１サブ多層積層導体は、半導体スイッチと複数の第１および第２ヒューズとの間に開口領域を有する。

本開示の電力変換装置は、電流バランスを改善することが可能である。

実施形態に基づく電力変換システム１の構成について説明する図である。実施形態に基づく双方向変換器２の回路構成について説明する図である。実施形態に基づく双方向変換器２の構成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の概略構造について説明する図である。比較例に基づく電力変換装置のヒューズ２０の配置について説明する図である。比較例に基づく電力変換装置のヒューズ２０の配置に従う電流経路について説明する図である。別の比較例に基づく電力変換装置のヒューズ２０の配置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のヒューズ２０の配置について説明する図である。実施形態および比較例に基づく電流ばらつきの解析結果について説明する図である。実施形態の変形例に従う電力変換装置の多層積層導体について説明する図である。

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。

図１は、実施形態に基づく電力変換システム１の構成について説明する図である。図１を参照して、電力変換システム１は、商用電源５と接続され、交流負荷１５に電力を供給する瞬低補償装置１０を含む。瞬低補償装置１０は、補償給電回路１１と、ハイスピードスイッチ(以下、ＨＳＳとも称する)８と、入力遮断器６と、出力遮断器７，９と、バイパス回路に設けられたバイパス遮断器１２とを含む。補償給電回路１１は、双方向変換器２と、蓄電装置３と、変圧器４とを含む。

本例においては、電力変換装置である主に双方向変換器２について説明するが、その他の電力変換装置についても同様に適用可能である。

双方向変換器２は、蓄電装置３と、変圧器４との間に設けられ、蓄電装置３に充電するために直流電圧を供給し、蓄電装置３から放電される直流電圧を交流電圧に変換して出力する。

図２は、実施形態に基づく双方向変換器２の回路構成について説明する図である。図２を参照して、双方向変換器２は、半導体スイッチである複数の半導体スイッチＩＧＢＴと、複数のコンデンサ４０とを含む。

Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対応して複数の半導体スイッチＩＧＢＴが設けられる。各相に対応して保護回路としてスナバ回路３０が設けられる。スナバ回路３０は、半導体スイッチＩＧＢＴの遮断時に生じる過渡的な高電圧を吸収する。

本例においては、スナバ回路３０～３２（以下、総称してスナバ回路３０とも称する）がそれぞれ設けられている場合が示されている。

また、各相に対応して正極側（Ｐ側）と、負極側（Ｎ側）の電流経路にそれぞれヒューズが設けられている。一例として、Ｕ相の正極側（Ｐ側）にヒューズ２０と、Ｕ相の負極側（Ｎ側）にヒューズ２１とが設けられている。Ｖ相の正極側（Ｐ側）にヒューズ２２と、Ｕ相の負極側（Ｎ側）にヒューズ２３とが設けられている。Ｗ相の正極側（Ｐ側）にヒューズ２４と、Ｕ相の負極側（Ｎ側）にヒューズ２５とが設けられている。本例においては、総称してヒューズ２０とも称する。

複数のコンデンサ４０は、互いに並列に設けられている。正電極ＰＢと中性電極ＭＢとの間および負電極ＮＢと中性電極ＭＢとの間に接続される。

図３は、実施形態に基づく双方向変換器２の構成について説明する図である。
図３を参照して、双方向変換器２は、後述する多層積層導体上に半導体スイッチＩＧＢＴと、コンデンサ４０と、ヒューズ２０と、スナバ回路３０とが実装されることにより構成されている。

双方向変換器２は、複数の半導体スイッチＩＧＢＴと、９つのスナバ回路３０と、１２個のヒューズ２０と、１２個のコンデンサ４０とを含む。

双方向変換器２の各部品は多層積層導体を用いて接続される。
本例においては、各部品は、積層された正電極ＰＢと、中性電極ＭＢと、負電極ＮＢと適宜接続される。

一例として、多層積層導体の上面（表面）側には、スナバ回路３０と、ヒューズ２０とが配置される。多層積層導体の下面（背面）側には、コンデンサ４０と、半導体スイッチＩＧＢＴとが配置される。

多層積層導体の端部領域には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流ラインが接続されている。
図４は、実施形態に基づく多層積層導体について説明する図である。

図４を参照して、本例においては、多層積層導体に実装されるヒューズ２０以外の他の部品を除いた場合が示されている。

多層積層導体は、各（Ｕ、Ｖ、Ｗ）相にそれぞれ対応して設けられる、半導体スイッチＩＧＢＴ等と接続される第１サブ多層積層導体ＳＢ０～ＳＢ２と、コンデンサ４０と接続される第２サブ多層積層導体ＳＢ３とを含む。

また、ヒューズ２０は、各相にそれぞれ対応して、第１サブ多層積層導体ＳＢ０～ＳＢ２と、第２サブ多層積層導体ＳＢ３との間に接続され、電流経路を形成する。

図５は、実施形態に基づく多層積層導体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、多層積層導体は、第１電極（負電極ＮＢ）が形成された第１導体板１２２と、第２電極（中性電極ＭＢ）が形成された第２導体板１２３と、第３電極（正電極ＰＢ）が形成された第３導体板１２４と、４枚の絶縁板１２６～１２９とを有する。

これらは、下方から絶縁板１２６、負電極導体板１２２、絶縁板１２７、中性電極導体板１２３、絶縁板１２８、正電極導体板１２４、絶縁板１２９の順で積層されている。多層積層導体は、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。なお、説明を簡易にするために絶縁板１２６～１２９は省略している。

第１導体板１２２～第３導体板１２４および絶縁板１２６～１２９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、各部品と正電極ＰＢ、中性電極ＭＢ、負電極ＮＢ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、比較例に基づく電力変換装置のヒューズ２０の配置について説明する図である。図６において、多層積層導体の表面側を上面視した場合が示されている。ヒューズ２０は、各相にそれぞれ対応して、第１サブ多層積層導体ＳＢ０～ＳＢ２と、第２サブ多層積層導体ＳＢ３との間に接続され、電流経路を形成している。

複数のヒューズ２０は、水平方向に沿って配置される。各ヒューズ２０は、第２サブ多層積層導体ＳＢ３に対して水平方向と直交する垂直方向に配置された第１サブ多層積層導体ＳＢ０～ＳＢ２と接続されるように配置される。

ここで、ヒューズ２０は、Ｐ側と、Ｎ側とに２個ずつ設けられる。配置順は、各相に対応して左からＮ、Ｎ、Ｐ、Ｐ側の順番でヒューズ２０を配置した場合が示されている。

図７は、比較例に基づく電力変換装置のヒューズ２０の配置に従う電流経路について説明する図である。図７において、Ｖ相のＡＣラインと、Ｕ相のＡＣラインとの間の電流経路が示されている。

本例においては、Ｕ相に対応して設けられた複数の半導体スイッチＩＧＢＴに流れる８つの電流解析パターン（１）～（８）について説明する。

電流解析パターン（１）は、Ｕ相の負極（Ｎ）側の半導体スイッチＩＧＢＴがスイッチングし、Ｖ相の正極（Ｐ）側の半導体スイッチＩＧＢＴが全て常にオンする場合である。

電流経路は、Ｖ相のＡＣライン→Ｖ相の正極（Ｐ）側の半導体スイッチＩＧＢＴ→Ｐ側のヒューズ→Ｐ側コンデンサ→Ｎ側コンデンサ→Ｎ側のヒューズ→Ｕ相の負極（Ｎ）側の半導体スイッチＩＧＢＴ→Ｕ相のＡＣラインとなる。

電流解析パターン（２）は、Ｕ相の負極（Ｎ）側の半導体スイッチＩＧＢＴがスイッチングし、Ｗ相の正極（Ｐ）側の半導体スイッチＩＧＢＴが全て常にオンする場合である。

電流経路は、Ｗ相のＡＣライン→Ｗ相の正極（Ｐ）側の半導体スイッチＩＧＢＴ→Ｐ側のヒューズ→Ｐ側コンデンサ→Ｎ側コンデンサ→Ｎ側のヒューズ→Ｕ相の負極（Ｎ）側の半導体スイッチＩＧＢＴ→Ｕ相のＡＣラインとなる。

電流解析パターン（３）は、Ｕ相の正極（Ｐ）側の半導体スイッチＩＧＢＴがスイッチングし、Ｖ相の負極（Ｎ）側の半導体スイッチＩＧＢＴが全て常にオンする場合である。

電流経路は、Ｕ相のＡＣライン→Ｕ相の正極（Ｐ）側の半導体スイッチＩＧＢＴ→Ｐ側のヒューズ→Ｐ側コンデンサ→Ｎ側コンデンサ→Ｎ側のヒューズ→Ｖ相の負極（Ｎ）側の半導体スイッチＩＧＢＴ→Ｖ相のＡＣラインとなる。

電流解析パターン（４）は、Ｕ相の正極（Ｐ）側の半導体スイッチＩＧＢＴがスイッチングし、Ｗ相の負極（Ｎ）側の半導体スイッチＩＧＢＴが全て常にオンする場合である。

電流経路は、Ｕ相のＡＣライン→Ｕ相の正極（Ｐ）側の半導体スイッチＩＧＢＴ→Ｐ側のヒューズ→Ｐ側コンデンサ→Ｎ側コンデンサ→Ｎ側のヒューズ→Ｗ相の負極（Ｎ）側の半導体スイッチＩＧＢＴ→Ｖ相のＡＣラインとなる。

電流解析パターン（５）は、Ｖ相の正極（Ｐ）側の半導体スイッチＩＧＢＴがスイッチングし、Ｕ相の負極（Ｎ）側の半導体スイッチＩＧＢＴが全て常にオンする場合である。

電流解析パターン（６）は、Ｗ相の正極（Ｐ）側の半導体スイッチＩＧＢＴがスイッチングし、Ｕ相の負極（Ｎ）側の半導体スイッチＩＧＢＴが全て常にオンする場合である。

電流解析パターン（７）は、Ｖ相の負極（Ｎ）側の半導体スイッチＩＧＢＴがスイッチングし、Ｕ相の正極（Ｐ）側の半導体スイッチＩＧＢＴが全て常にオンする場合である。

電流解析パターン（８）は、Ｗ相の負極（Ｎ）側の半導体スイッチＩＧＢＴがスイッチングし、Ｕ相の正極（Ｐ）側の半導体スイッチＩＧＢＴが全て常にオンする場合である。

電流経路は、Ｕ相のＡＣライン→Ｕ相の正極（Ｐ）側の半導体スイッチＩＧＢＴ→Ｐ側のヒューズ→Ｐ側コンデンサ→Ｎ側コンデンサ→Ｎ側のヒューズ→Ｗ相の負極（Ｎ）側の半導体スイッチＩＧＢＴ→Ｗ相のＡＣラインとなる。

実施形態においては、各電流解析パターンの電流ばらつきを算出する。具体的には、電流ばらつき率を算出する。

電流ばらつき率は、（最大電流値－平均電流値）／平均電流値×１００により算出される。すなわち、最大電流値と平均電流値との差が大きいほど電流ばらつき率は大きくなる。電流ばらつき率が低いほど電流バランスが良く、電流ばらつき率が大きいほど電流バランスが悪い。

本例に示されている電流経路は、電流解析パターン（７）に従うものである。この場合、電流ばらつき率が大きい結果が得られた。その理由は、Ｕ相からＶ相に電流が流れる際に電流が流れやすい電流経路が形成されるからである。具体的には、Ｐ側のヒューズが互いに隣接し、Ｎ側のヒューズも互いに隣接し、電流経路として分断されにくい配置となるからである。

また、電流解析パターン（８）もＵ相からＷ相に電流が流れる際に電流が流れやすい電流経路が形成される。Ｐ側のヒューズが互いに隣接し、Ｎ側のヒューズも互いに隣接し、電流経路として分断されにくい配置となるからである。

実施形態においては、電流経路となるヒューズ２０の配置を工夫することにより電流バランスを改善する。

具体的には、隣接する相間であるＵ相とＶ相との間で電流が流れる際に電流経路となるＰ側およびＮ側のヒューズ２０同士がともに隣接しないように配置する。

第１サブ多層積層導体ＳＢ０と第２サブ多層積層導体ＳＢ３との間に配置されるＰ側およびＮ側の一方のヒューズ２０が互いに隣接しないように配置する。

第１サブ多層積層導体ＳＢ１，ＳＢ２と第２サブ多層積層導体ＳＢ３との間に配置されるＰ側およびＮ側のヒューズ２０の配置についても上記と同様のパターン形式である。

図８は、実施形態に基づく電力変換装置のヒューズ２０の配置について説明する図である。図８に示されるように、ヒューズ２０は、Ｐ側と、Ｎ側とに２個ずつ設けられる。配置順は、各相に対応して左からＰ、Ｎ、Ｐ、Ｎ側の順番でヒューズ２０を配置した場合が示されている。Ｐ側、Ｎ側の極性のヒューズ２０を交互に配置する。

この場合、Ｐ側もＮ側もともにヒューズ２０が互いに隣接しない配置である。これにより、電流ばらつき率が比較的小さい結果が得られた。その理由は、電流経路として分断される配置だからである。

図９は、実施形態に基づく電力変換装置のヒューズ２０の配置について説明する図である。図９に示されるように、ヒューズ２０は、Ｐ側と、Ｎ側とに２個ずつ設けられる。配置順は、各相に対応して左からＰ、Ｎ、Ｎ、Ｐ側の順番でヒューズ２０を配置した場合が示されている。

この場合、Ｎ側は互いに隣接しているが、Ｐ側はヒューズ２０が離れた位置に配置されている。これにより、電流ばらつき率が比較的小さい結果が得られた。その理由は、電流経路として分断される配置だからである。

図１０は、実施形態および比較例に基づく電流ばらつきの解析結果について説明する図である。図１０に示されるように、電流解析パターン（１）～（８）において、比較例に従うヒューズ配置と、実施形態に基づくヒューズ配置の電流ばらつき率の結果が示されている。一例として、電流が通過する半導体スイッチＩＧＢＴで電流値を計測した。この点で、電流値のばらつきが大きくなる半導体スイッチＩＧＢＴのターンオフ時に計測した。例えば、電流解析パターン（１）においては、Ｕ相負極側の半導体スイッチＩＧＢＴのターンオフ時に計測した。電流解析パターン（２）においては、Ｕ相負極側の半導体スイッチＩＧＢＴのターンオフ時に計測した。電流解析パターン（３）においては、Ｕ相正極側の半導体スイッチＩＧＢＴのターンオフ時に計測した。電流解析パターン（４）においては、Ｕ相正極側の半導体スイッチＩＧＢＴのターンオフ時に計測した。電流解析パターン（５）においては、Ｖ相正極側の半導体スイッチＩＧＢＴのターンオフ時に計測した。電流解析パターン（６）においては、Ｗ相正極側の半導体スイッチＩＧＢＴのターンオフ時に計測した。電流解析パターン（７）においては、Ｖ相負極側の半導体スイッチＩＧＢＴのターンオフ時に計測した。電流解析パターン（８）においては、Ｗ相負極側の半導体スイッチＩＧＢＴのターンオフ時に計測した。

なお、本例においては、Ｕ相に対応して設けられた複数の半導体スイッチＩＧＢＴに流れる電流解析について説明したが他のＶ相、Ｗ相についても同様に適用可能である。

本例に示されるように、Ｕ相とＶ相との間で電流が流れる際に電流経路となるＰ側およびＮ側のヒューズ２０のうち一方のヒューズ２０が隣接しないように配置する。すなわち、互いに相が異なる第１サブ多層積層導体ＳＢ０，ＳＢ１と第２サブ多層積層導体ＳＢ３との間に配置されるヒューズ２０の一方の極性が互いに隣接しないように配置する。Ｐ側およびＮ側の少なくとも一方の極性のヒューズ２０が分散的に配置されることにより電流経路を分断することが可能である。

この点で、各相に対応するヒューズの配置順として、例えば、Ｐ側およびＮ側を交互に順番に配置してもよいし、水平方向に沿って配置された複数のヒューズ２０を２分する垂直方向の中心線を基準に対称となる順番に配置するようにしてもよい。

当該電力変換装置の構成により、電流バランスを改善することが可能である。
（変形例）
図１１は、実施形態の変形例に従う多層積層導体の構成について説明する図である。図１１に示されるように、図４の多層積層導体の構成と比較して、第１サブ多層積層導体ＳＢ０～ＳＢ２は、それぞれ半導体スイッチＩＧＢＴと複数のヒューズ２０との間に角穴（開口領域）２００を有する。当該構成により、電流経路が直線的に形成されるのを抑制することが可能となる。これにより、電流ばらつきを抑制して電流バランスを改善することが可能である。角穴（開口領域）２００が設けられることにより直線的な電流経路ではなく、角穴（開口領域）２００により電流が分断されるため電流バランスを改善す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。本開示の範囲は、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電力変換システム、２双方向変換器、３蓄電装置、４変圧器、５商用電源、６入力遮断器、７，９出力遮断器、１０瞬低補償装置、１１補償給電回路、１２バイパス遮断器、１５交流負荷、２０～２５ヒューズ、３０～３２スナバ回路、４０コンデンサ。

Claims

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を備え、
前記多層積層導体は、
各相にそれぞれ対応して設けられる、前記半導体スイッチと接続される第１サブ多層積層導体と、
前記コンデンサと接続される第２サブ多層積層導体とを含み、
各相にそれぞれ対応して、前記第１サブ多層積層導体と前記第２サブ多層積層導体との間に接続され、正極側に対応して設けられる複数の第１ヒューズと、負極側に対応して設けられる複数の第２ヒューズとをさらに備え、
前記複数の第１および第２ヒューズは、第１方向に沿って配置され、
前記第１サブ多層積層導体と前記第２サブ多層積層導体との間に配置される前記複数の第１および第２ヒューズのうちの一方のヒューズが互いに隣接しないように配置する、電力変換装置。
電流経路が形成される前記複数の第１ヒューズおよび前記複数の第２ヒューズのうちの一方のヒューズは互いに隣接しないように配置する、請求項１記載の電力変換装置。
前記複数の第１および第２ヒューズの各々は、交互に順番に配置される、請求項１記載の電力変換装置。
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、
前記複数の第１および第２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。
各相に対応して設けられる前記第１サブ多層積層導体は、前記半導体スイッチと前記複数の第１および第２ヒューズとの間に角穴を有する、請求項１記載の電力変換装置。