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公開番号2020171154
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201015
出願番号2019071714
出願日20190404
発明の名称電力変換装置
出願人富士電機株式会社
代理人個人,個人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20200918BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】大型化するのを抑制しながら、電流の流れのアンバランスを低減することが可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】この電力変換装置100は、半導体モジュール32の正側端子32pと平滑コンデンサ20の正側端子21pとに電気的に接続される正側バスバー50と、半導体モジュール32の負側端子32nと平滑コンデンサ20の負側端子21nとに電気的に接続される負側バスバー60とを備える。そして、複数の半導体モジュール32は、直線状に配置された端子21に対して線対称となる端子配置面22に交差する平滑コンデンサ20の側面23に沿うように、側面23において端子配置面22の近傍に配置されている。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
交流電圧を整流する整流回路の出力側に接続される平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサの端子が直線状に配置される端子配置面と、
複数の半導体スイッチング素子部を含み、前記平滑コンデンサに平滑された直流電圧を交流電圧に変換する電力変換部と、
前記半導体スイッチング素子部の正側端子と前記平滑コンデンサの正側端子とに電気的に接続される正側バスバーと、
前記半導体スイッチング素子部の負側端子と前記平滑コンデンサの負側端子とに電気的に接続される負側バスバーとを備え、
前記複数の半導体スイッチング素子部は、前記直線状に配置された端子に対して線対称となる前記端子配置面に交差する前記平滑コンデンサの側面に沿うように、前記側面において前記端子配置面の近傍に配置されている、電力変換装置。
続きを表示(約 850 文字)【請求項2】
前記複数の半導体スイッチング素子部は、前記複数の半導体スイッチング素子部の各々と前記平滑コンデンサとの間のインピーダンスが、略等しくなるように、前記端子配置面に対して一方側と他方側との両方の前記側面に配置されている、請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記平滑コンデンサの正側端子の一方側に配置される一方側半導体スイッチング素子部の正側端子と、前記平滑コンデンサの端子との間の前記正側バスバー上における距離は、前記平滑コンデンサの正側端子の他方側に配置される他方側半導体スイッチング素子部の正側端子と、前記平滑コンデンサの端子との間の前記正側バスバー上における距離と略等しく、
前記一方側半導体スイッチング素子部の負側端子と、前記平滑コンデンサの端子との間の前記負側バスバー上における距離は、前記他方側半導体スイッチング素子部の負側端子と、前記平滑コンデンサの端子との間の前記負側バスバー上における距離と略等しい、請求項2に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記正側バスバーおよび前記負側バスバーは、各々、前記複数の半導体スイッチング素子部に対して共通に設けられているとともに、前記端子配置面と、前記平滑コンデンサの両方の前記側面の領域とを覆う略U字形状を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記平滑コンデンサの端子に対して、一方側の前記側面に配置される前記半導体スイッチング素子部の前記平滑コンデンサに対する高さ位置と、他方側の前記側面に配置される前記半導体スイッチング素子部の、前記平滑コンデンサに対する高さ位置とは、略等しい、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記正側バスバーと前記負側バスバーとのうちの少なくとも一方の表面に設けられ、冷却水が流通する冷却パイプ部をさらに備える、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
この発明は、電力変換装置に関し、特に、複数の半導体スイッチング素子部を備える電力変換装置に関する。
続きを表示(約 6,700 文字)【背景技術】
【0002】
従来、複数のスイッチングモジュール(半導体スイッチング素子部)を備える電力変換装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
【0003】
上記特許文献1では、2つの素子を内部に収容するスイッチングモジュールを備える電力変換装置が開示されている。この電力変換装置では、複数(6個)のスイッチングモジュールが設けられている。また、この電力変換装置には、複数の電解コンデンサが設けられている。また、この電力変換装置には、複数のスイッチングモジュールと、複数の電解コンデンサとを接続する平板状のバスバーが設けられている。バスバーは、バスバーの表面に垂直な方向から見て、略T字形状を有する。略T字形状のバスバーは、横方向に沿った第1直線部と、第1直線部から分岐する縦方向に沿った第2直線部とを含む。そして、複数の電解コンデンサの端子は、第1直線部に接続されている。また、複数のスイッチングモジュールは、第2直線部に接続されている。
【0004】
また、上記特許文献1には明確には記載されていないが、電解コンデンサは、略円筒形状を有すると考えられる。また、電解コンデンサは、平板形状のバスバーの表面に対して垂直な方向に延びるように、平板形状のバスバーに接続されている。また、スイッチングモジュールは、略長方形形状(略平板形状)を有する。そして、複数のスイッチングモジュールは、略平板形状のスイッチングモジュールが、平板形状のバスバーの表面に沿った方向に沿うように、配置されている。つまり、複数のスイッチングモジュールは、略円筒形状の電解コンデンサの側面に直交する方向に沿うように配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2004−135444号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上記特許文献1に記載の電力変換装置では、複数のスイッチングモジュールは、略円筒形状の電解コンデンサの側面に直交する方向に沿うように配置されているため、バスバーの表面に垂直な方向から見て、電力変換装置の大きさ(電解コンデンサと複数のスイッチングモジュールとが配置される領域)が比較的大きくなるという問題点がある。また、複数の電解コンデンサの端子は、第1直線部に接続されており、複数(6個)のスイッチングモジュールは、第2直線部に接続されている。このため、第2直線部の電解コンデンサに近い側に配置されているスイッチングモジュールと、第2直線部の電解コンデンサに遠い側に配置されているスイッチングモジュールとでは、電解コンデンサまでの電流の流れる経路の長さが異なるため、複数のスイッチングモジュールの間において、電流の流れがアンバランスになるという問題点があると考えられる。
【0007】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、大型化するのを抑制しながら、電流の流れのアンバランスを低減することが可能な電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による電力変換装置は、交流電圧を整流する整流回路の出力側に接続される平滑コンデンサと、平滑コンデンサの端子が直線状に配置される端子配置面と、複数の半導体スイッチング素子部を含み、平滑コンデンサに平滑された直流電圧を交流電圧に変換する電力変換部と、半導体スイッチング素子部の正側端子と平滑コンデンサの正側端子とに電気的に接続される正側バスバーと、半導体スイッチング素子部の負側端子と平滑コンデンサの負側端子とに電気的に接続される負側バスバーとを備え、複数の半導体スイッチング素子部は、直線状に配置された端子に対して線対称となる端子配置面に交差する平滑コンデンサの側面に沿うように、側面において端子配置面の近傍に配置されている。
【0009】
この発明の一の局面による電力変換装置では、上記のように、複数の半導体スイッチング素子部は、直線状に配置された端子に対して線対称となる端子配置面に交差する平滑コンデンサの側面に沿うように、側面において端子配置面の近傍に配置されている。これにより、複数の半導体スイッチング素子部が平滑コンデンサの側面に沿うように配置されているので、端子配置面に垂直な方向から見て、平滑コンデンサおよび複数の半導体スイッチング素子部が配置される領域を比較的小さくすることができる。その結果、電力変換装置が大型化するのを抑制することができる。また、直線状に配置された端子に対して線対称となる平滑コンデンサの側面に沿うように半導体スイッチング素子部が配置されるので、線対称となる側面の一方側に配置される半導体スイッチング素子部と平滑コンデンサの端子との間の電流が流れる経路の長さ(距離)と、線対称となる側面の他方側に配置される半導体スイッチング素子部と平滑コンデンサの端子との間の電流が流れる経路の長さとを容易に同じにすることができる。これらによって、大型化するのを抑制しながら、電流の流れのアンバランスを低減することができる。
【0010】
また、複数の半導体スイッチング素子部は、平滑コンデンサの側面において端子配置面の近傍に配置されているので、複数の半導体スイッチング素子部と平滑コンデンサとの間の距離が比較的小さくなる。また、半導体スイッチング素子部の端子と平滑コンデンサの端子とは、導線などと比較してインダクタンスの小さいバスバー(正側バスバーおよび負側バスバー)により接続されている。これらにより、複数の半導体スイッチング素子部と平滑コンデンサとの間のインダクタンスを低減することができる。これにより、スイッチングの際に発生するサージ電圧を低減することができる。また、サージ電圧を低減するためのスナバコンデンサを設ける必要がない程度まで、サージ電圧が低減されれば、スナバコンデンサを設けることに起因する正側バスバーおよび負側バスバーの構成の複雑化を抑制することができる。これにより、正側バスバーおよび負側バスバーなど部品の交換を容易に行うことができる。
【0011】
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、複数の半導体スイッチング素子部は、複数の半導体スイッチング素子部の各々と平滑コンデンサとの間のインピーダンスが、略等しくなるように、端子配置面に対して一方側と他方側との両方の側面に配置されている。このように構成すれば、複数の半導体スイッチング素子部の各々において発生するサージ電圧の大きさのアンバランスを低減することができる。
【0012】
この場合、好ましくは、平滑コンデンサの正側端子の一方側に配置される一方側半導体スイッチング素子部の正側端子と、平滑コンデンサの端子との間の正側バスバー上における距離は、平滑コンデンサの正側端子の他方側に配置される他方側半導体スイッチング素子部の正側端子と、平滑コンデンサの端子との間の正側バスバー上における距離と略等しく、一方側半導体スイッチング素子部の負側端子と、平滑コンデンサの端子との間の負側バスバー上における距離は、他方側半導体スイッチング素子部の負側端子と、平滑コンデンサの端子との間の負側バスバー上における距離と略等しい。このように構成すれば、上記の距離を略等しくするだけで、容易に、複数の半導体スイッチング素子部の各々と平滑コンデンサとの間のインピーダンスを略等しくすることができる。
【0013】
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、正側バスバーおよび負側バスバーは、各々、複数の半導体スイッチング素子部に対して共通に設けられているとともに、端子配置面と、平滑コンデンサの両方の側面の領域とを覆う略U字形状を有する。このように構成すれば、略U字形状の正側バスバーと略U字形状の負側バスバーとが対向する部分が比較的大きくなるので、インダクタンスをより低減することができる。
【0014】
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、平滑コンデンサの端子に対して、一方側の側面に配置される半導体スイッチング素子部の平滑コンデンサに対する高さ位置と、他方側の側面に配置される半導体スイッチング素子部の、平滑コンデンサに対する高さ位置とは、略等しい。このように構成すれば、複数の半導体スイッチング素子部の各々と平滑コンデンサの端子との間の距離(電流が流れる経路の距離)を容易に略等しくすることができる。
【0015】
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、正側バスバーと負側バスバーとのうちの少なくとも一方の表面に設けられ、冷却水が流通する冷却パイプ部をさらに備える。このように構成すれば、正側バスバーと負側バスバーとのうちの少なくとも一方に大電流が流れることに起因して、正側バスバーと負側バスバーとのうちの少なくとも一方の発熱量が大きくなった場合でも、冷却水が流通する冷却パイプ部により、正側バスバーと負側バスバーとのうちの少なくとも一方からの放熱を効果的に行うことができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、上記のように、大型化するのを抑制しながら、電流の流れのアンバランスを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
一実施形態による電力変換装置の回路図である。
一実施形態による電力変換装置のスタックの斜視図である。
一実施形態による電力変換装置のスタックの分解斜視図(1)である。
一実施形態による電力変換装置のスタックの断面図(側面図)である。
一実施形態による電力変換装置のスタックの分解斜視図(2)である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
【0019】
[本実施形態]
図1〜図5を参照して、本実施形態による電力変換装置100の構成について説明する。なお、電力変換装置100は、たとえば、誘導加熱により金属の溶解を行う溶解炉に用いられる誘導加熱装置用の電力変換装置100である。電力変換装置100は、半導体スイッチング素子31を用いて、交流電源200から交流を生成するように構成されている。また、交流電源200は、複数(たとえば、2つ)設けられている。
【0020】
(電力変換装置の回路構成)
図1を参照して、電力変換装置100の回路構成について説明する。電力変換装置100は、複数の整流回路10(整流回路10a〜10d)を備えている。整流回路10は、交流電源200から入力される交流電圧を、直流電圧に変換する。整流回路10は、1つの交流電源200に対して複数設けられている。
【0021】
また、電力変換装置100は、複数の平滑コンデンサ20(平滑コンデンサ20a〜20d)を備えている。平滑コンデンサ20は、交流電圧を整流する整流回路10の出力側に接続されている。平滑コンデンサ20は、整流回路10毎に設けられている。図1には、図示しないが、平滑コンデンサ20は、複数のコンデンサが直列接続または並列接続されて構成される場合もある。
【0022】
電力変換装置100は、複数のインバータ部30(インバータ部30a〜30d)を備えている。インバータ部30は、整流回路10に平滑された直流電圧を、交流電圧に変換する。そして、変換された交流電圧が、インバータ部30から、誘導加熱コイル210に出力される。また、この例では、インバータ部30は、整流回路10毎に設けられているが、1つの整流回路10および1つの平滑コンデンサ20に対して、複数のインバータ部30が接続されていてもよい。なお、インバータ部30(インバータ部30a〜30d)は、特許請求の範囲の「電力変換部」の一例である。
【0023】
また、平滑コンデンサ20とインバータ部30とによって、スタック(回路ユニット)40が構成されている。また、スタック40は、複数(スタック40a〜40d)設けられている。
【0024】
また、インバータ部30は、複数の半導体スイッチング素子31(半導体スイッチング素子31a〜31d)を含む。なお、半導体スイッチング素子31aおよび半導体スイッチング素子31bは、1つの半導体モジュール32(半導体モジュール32a)に収容されている。また、半導体スイッチング素子31cおよび半導体スイッチング素子31dは、1つの半導体モジュール32(半導体モジュール32b)に収容されている。そして、図1には、図示しないが、半導体モジュール32aおよび半導体モジュール32bは、各々、6並列分設けられている。また、半導体スイッチング素子31a〜31dにより、フルブリッジ回路が構成されている。なお、半導体モジュール32は、特許請求の範囲の「半導体スイッチング素子部」の一例である。また、半導体モジュール32aおよび半導体モジュール32bは、それぞれ、特許請求の範囲の「一方側半導体スイッチング素子部」および「他方側半導体スイッチング素子部」の一例である。
【0025】
そして、整流回路10aのアノード側とカソード側とが、それぞれ、整流回路10cのアノード側とカソード側とに電気的に接続されている。また、整流回路10bのアノード側とカソード側とが、それぞれ、整流回路10dのアノード側とカソード側とに電気的に接続されている。
【0026】
また、平滑コンデンサ20aの正極側と負極側とが、それぞれ、平滑コンデンサ20cの正極側と負極側とに電気的に接続されている。また、平滑コンデンサ20bの正極側と負極側とが、それぞれ、平滑コンデンサ20dの正極側と負極側とに電気的に接続されている。
【0027】
また、インバータ部30a(インバータ部30c)の半導体スイッチング素子31aと半導体スイッチング素子31bとの接続点と、誘導加熱コイル210の一方端側とが電気的に接続されている。また、インバータ部30b(インバータ部30d)の半導体スイッチング素子31cと半導体スイッチング素子31dとの接続点と、誘導加熱コイル210の他方端側とが電気的に接続されている。
【0028】
また、インバータ部30aの半導体スイッチング素子31cおよび半導体スイッチング素子31dの接続点と、インバータ部30bの半導体スイッチング素子31aおよび半導体スイッチング素子31bの接続点とが電気的に接続されている。つまり、スタック40aとスタック40bとが直列に電気的に接続される。また、インバータ部30cの半導体スイッチング素子31cおよび半導体スイッチング素子31dの接続点と、インバータ部30dの半導体スイッチング素子31aおよび半導体スイッチング素子31bの接続点とが電気的に接続されている。つまり、スタック40cとスタック40dとが直列に接続される。これにより、電力変換装置100の出力電圧を大きくすることが可能になる。
【0029】
(スタックの具体的な構造)
次に、図2〜図5を参照して、スタック40の具体的な構造について説明する。
【0030】
図2および図3に示すように、平滑コンデンサ20は、略直方体形状を有するフィルムコンデンサからなる。そして、図3に示すように、平滑コンデンサ20は、平滑コンデンサ20の端子21が直線状に配置される端子配置面22を含む。端子配置面22は、平滑コンデンサ20のZ1方向側の面である。また、端子21は、正側端子21pと負側端子21nとを含む。正側端子21pと負側端子21nとは、端子配置面22上において、X方向に沿って、交互に配置されている。
(【0031】以降は省略されています)

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