特開2018-207563(P2018-207563A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2018-207563(P2018-207563A)
(43)【公開日】2018年12月27日
(54)【発明の名称】電力変換装置
(51)【国際特許分類】
   H02M 7/48 20070101AFI20181130BHJP
【FI】
   H02M7/48 Z
   H02M7/48 N
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】OL
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2017-106779(P2017-106779)
(22)【出願日】2017年5月30日
(71)【出願人】
【識別番号】501137636
【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】原田 高明
【テーマコード(参考)】
5H770
【Fターム(参考)】
5H770AA21
5H770AA28
5H770BA15
5H770CA02
5H770CA06
5H770DA04
5H770DA44
5H770HA02Y
5H770LA02W
5H770LA02Y
5H770LA10W
5H770LA10Y
5H770QA06
5H770QA08
5H770QA12
5H770QA14
5H770QA16
5H770QA22
5H770QA28
5H770QA40
(57)【要約】
【課題】小型化が可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】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、電力変換部品と接続されるヒューズとを備える。ヒューズは、多層積層導体と電気的に接続される。
【選択図】図6
【特許請求の範囲】
【請求項1】
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、
前記電力変換部品と接続されるヒューズとを備え、
前記ヒューズは、前記多層積層導体と電気的に接続される、電力変換装置。
【請求項2】
前記複数の板状導体は、
複数の直流板状導体と、
交流板状導体とを含み、
前記ヒューズは、前記交流板状導体と電気的に接続される、請求項1記載の電力変換装置。
【請求項3】
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。
【請求項4】
前記ヒューズは、前記多層積層導体の前記コンデンサが設けられる一方側に対向する他方側の領域に設けられる、請求項3記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記ヒューズと接続されるホール素子をさらに備え、
前記ホール素子は、前記多層積層導体と電気的に接続される、請求項1記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
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(特許文献1および2)。
【0003】
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。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。
【0004】
複数のスイッチング素子は、多層積層導体の表面上に上下方向に列をなして実装されている。また、電解コンデンサは、複数のスイッチング素子の列の延長上に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第3550970号
【特許文献2】特許第5438752号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
この点で、上記特許文献では、電力変換装置の直流部について多層積層導体と接続することによりコンパクト化する方式が示されているが、小型化を図る点でさらに工夫する必要がある。
【0007】
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、小型化が可能な電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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、電力変換部品と接続されるヒューズとを備える。ヒューズは、多層積層導体と電気的に接続される。
【0009】
好ましくは、複数の板状導体は、複数の直流板状導体と、交流板状導体とを含み、ヒューズは、交流板状導体と電気的に接続される。
【0010】
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、ヒューズは、多層積層導体の他方側に設けられる。
【0011】
好ましくは、ヒューズは、多層積層導体のコンデンサが設けられる一方側に対向する他方側の領域に設けられる。
【0012】
好ましくは、ヒューズと接続されるホール素子をさらに備え、ホール素子は、多層積層導体と電気的に接続される。
【発明の効果】
【0013】
本発明の電力変換装置は、小型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】実施形態に基づく無停電電源装置1の構成を正面視した外観構成図である。
図2】実施形態に基づく無停電電源装置1の側方断面図である。
図3】実施形態に基づく無停電電源装置1の電気回路を示す回路図である。
図4】実施形態に基づく電力変換装置3の構成を説明する図である。
図5】実施形態に基づく多層積層導体100の構造について説明する図である。
図6】実施形態に基づく電力変換装置3の実装構造について説明する図である。
図7】実施形態に基づく多層積層導体100のACラインを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
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。
【0016】
一例として三相回転電機用の電力変換装置について説明する。
図1は、実施形態に基づく無停電電源装置1の構成を正面視した外観構成図である。
【0017】
無停電電源装置1は、盤形状(直方体形状)の筐体CHの内部に構成部品が収納された盤タイプで、UL(Underwriters Laboratories Inc.)認証が得られる構成である。無停電電源装置1は、通常時(正常時)は、商用電源などの交流電源から供給される交流電力により、負荷に電力を供給する。交流電源が停電すると、蓄電池から供給される直流電力により、負荷に電力を供給する。
【0018】
図1を参照して、筐体CHの内部には、電力変換装置が収容されている。
具体的には、U相、V相、W相の各電力変換装置(コンバータユニット)が設けられている。
【0019】
本例においては、U相、V相、W相の電力変換装置(コンバータユニット)3〜5が段毎に配置されている。
【0020】
また、チョッパ回路2も設けられており、電力変換装置3の上層に載置されている場合が示されている。
【0021】
各電力変換装置(コンバータユニット)は前後方向に挿脱可能に設けられており、保守点検等が容易となるように設けられている。
【0022】
図2は、実施形態に基づく無停電電源装置1の側方断面図である。
図2を参照して、電力変換装置(コンバータユニット)3〜5は、全てほぼ同形状であり、奥行き及び幅に比べて高さが短い(低い)直方体形状である。電力変換装置3〜5は、無停電電源装置1の前面側で下側の空間に設けられている。電力変換装置(コンバータユニット)3〜5の奥行きは、無停電電源装置1の前面の内側から仕切り板BDまでの長さよりも1回り小さい長さである。従って、電力変換装置(コンバータユニット)3〜5の前面は、盤内の前面に近接(又は接触)し、電力変換装置(コンバータユニット)3〜5の背面は、仕切り板BDに近接(又は接触)している。
【0023】
電力変換装置3〜5は、多段積みされるように垂直方向に配置されており、各電力変換装置(コンバータユニット)3〜5間には、少し隙間がある。最下段にある電力変換装置5は、無停電電源装置1の底面に接触するように設置されている。電力変換装置4は、電力変換装置5の上に設置されている。電力変換装置3は、電力変換装置4の上に設置されている。チョッパ回路2は、電力変換装置3の上に設置されている。
【0024】
コンデンサユニット8は、図3に示す入力側コンデンサC1及び出力側コンデンサC2が収納されたユニットである。コンデンサユニット8は、チョッパ回路2の上に設置されている。
【0025】
制御ユニット6は、無停電電源装置1の制御を行う基板等が実装されたユニットである。制御ユニット6は、コンデンサユニット8の上の前面側に設置されている。
【0026】
遮断器ユニット9は、図3に示す2つの遮断器CB2P,CB2Nが収納されたユニットである。遮断器ユニット9は、コンデンサユニット8の上の背面側に設置されている。
【0027】
遮断器ユニット10は、図3に示す2つの遮断器CB1,CB3が収納されたユニットである。
【0028】
リアクトルL1〜L3は、電力変換装置3〜5が実装されている空間の背面側にある仕切り板BDを隔てた空間に設置されている。リアクトルL1〜L3は、長手方向が垂直方向の直方体形状又は円柱形状である。リアクトルL1〜L3は、垂直方向に積み重なるように配置されている。
【0029】
図3は、実施形態に基づく無停電電源装置1の電気回路を示す回路図である。
図3を参照して、無停電電源装置1は、チョッパ回路2、三相分の電力変換装置(コンバータユニット)3〜5、冷却ファン7、ダイオード整流器DSM、三相分の入力側コンデンサC1、三相分の出力側コンデンサC2、4つの遮断器CB1,CB2P,CB2N,CB3、3つのリアクトルL1,L2,L3、および2つのスイッチSW1,SW2を備える。無停電電源装置1は、蓄電池21、交流電源22及び負荷23とそれぞれ接続されている。
【0030】
無停電電源装置1は、交流電源22と三相三線式で接続され、負荷23と三相四線式で接続されている。
【0031】
電力変換装置3〜5は、それぞれU相、V相及びW相に対応して設けられている。
電力変換装置3〜5の各々は、コンバータ回路CNとインバータ回路INとを含む。また、電力変換装置3〜5の各々は、ヒューズ15およびホール素子16を含む。
【0032】
交流電源22から入力された交流電力は、遮断器CB1及びリアクトルL2を順次に介して、相毎に電力変換装置3〜5に入力される。電力変換装置3〜5は、入力された三相交流電力を直流電力に変換して、負荷23に供給する三相交流電力に変換する。電力変換装置3〜5は、変換した三相交流電力をリアクトルL3及び遮断器CB3を順次に介して、負荷23及び冷却ファン7に出力する。冷却ファン7の入力側には、スイッチSW2が設けられている。無停電電源装置1の入力側の各相は、入力側コンデンサC1を介して、無停電電源装置1の出力側の中性点と接続されている。無停電電源装置1の出力側の各相は、出力側コンデンサC2を介して、無停電電源装置1の出力側の中性点と接続されている。
【0033】
蓄電池21は、交流電源22の停電時に電力を供給するためのエネルギーを蓄える電池である。蓄電池21から出力された直流電力は、停電時に、正及び負にそれぞれ設けられた2つの遮断器CB2P,CB2N及びリアクトルL1を順次に介して、チョッパ回路2に供給する。
【0034】
チョッパ回路2は、入力された直流電圧を調整して、電力変換装置3〜5のそれぞれの直流リンクに直流電力を供給する。蓄電池21を充電する場合、ダイオード整流器DSMは、スイッチSW1を介して交流電源22から入力される三相交流電力を直流電力に変換して、チョッパ回路2に出力する。チョッパ回路2は、電力変換装置3〜5の直流リンク又はダイオード整流器DSMから入力された直流電力により、蓄電池21を充電するように動作する。
【0035】
チョッパ回路2及び電力変換装置3〜5は、IGBT(insulated gate bipolar transistor)等のスイッチング素子で構成される電気回路を備える。
【0036】
なお、図2においては、図3で説明したチョッパ回路2、3つの電力変換装置3〜5、制御ユニット6、コンデンサユニット8、2つの遮断器ユニット9,10、及び3つのリアクトルL1,L2,L3等が実装されている場合が示されているが、この他にも、無停電電源装置1内には、図3に示す電気回路を構成する素子及び機器などが実装されているが、ここでは省略する。
【0037】
図4は、実施形態に基づく電力変換装置3の構成を説明する図である。
図4に示されるように、電力変換装置3は、後述する多層積層導体の表面上に半導体モジュール(IGBT)13、電解コンデンサ14、ヒューズ15、ホール素子16が実装されることにより構成されている。
【0038】
電力変換装置3は、8つの半導体モジュール13a〜13h、2つの電解コンデンサ14a,14b、2つのヒューズ15a,15b、2つのホール素子16a,16bおよび3つの直流側の電極17〜19(正電極(P極)17、中性電極(C極)18および負電極(N極)19)とACラインから構成されている。
【0039】
交流から直流に変換するコンバータ回路CNについて説明する。
半導体モジュール13a、13bは、正電極17、中性電極18および負電極19に接続されている。半導体モジュール13a,13bは、互いに並列に接続されている。
【0040】
半導体モジュール13c,13dは、中性電極18に直列に接続されている。
電解コンデンサ14a,14bは、正電極17、中性電極18および負電極19に接続され、互いに並列に接続されている。
【0041】
直流から交流に変換するインバータ回路INについて説明する。
半導体モジュール13g、13hは、正電極17、中性電極18および負電極19に接続されている。半導体モジュール13g,13hは、互いに並列に接続されている。
【0042】
半導体モジュール13e,13f、中性電極18に直列に接続されている。
ヒューズ15aは、中性電極18に直列に接続される。ヒューズ15bは、中性電極18に直列に接続されている。ヒューズ15aは、半導体モジュール13a,13bを保護するために設けられている。ヒューズ15bは、半導体モジュール13g,13hを保護するために設けられている。
【0043】
ホール素子16aは、ヒューズ15aと直列に接続されている。ホール素子16bは、ヒューズ15bと直列に接続されている。ホール素子16a,16bは、交流電流を計測するために設けられている。
【0044】
上述の回路構成により、正電極17、中性電極18および負電極19に接続された半導体モジュール13a〜13dは、U相の交流電流を直流電流に変換し、正電極17、中性電極18および負電極19に接続された半導体モジュール13e〜13hは、変換された直流電流を交流電流に変換して出力する。
【0045】
なお、ここでは、電力変換装置3について説明したが、電力変換装置4,5についても同様であるのでその詳細な説明については繰り返さない。
【0046】
図5は、実施形態に基づく多層積層導体100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100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100は、第1電極(負電極19)が形成された第1導体板121と、第2電極(中性電極18)が形成された第2導体板122と、第3電極(正電極17)が形成された第3導体板123と、第4電極(ACライン)が形成された第4導体板124と、5枚の絶縁板125〜129とを有する。
【0047】
これらは、下方から絶縁板125、負電極導体板121、絶縁板126、中性電極導体板122、絶縁板127、正電極導体板123、絶縁板128、ACライン導体板124、絶縁板129の順で積層されている。多層積層導体100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。
【0048】
第1導体板121〜第4導体板124および絶縁板125〜129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、ACライン、正電極17、中性電極18、負電極19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。
【0049】
図6は、実施形態に基づく電力変換装置3の実装構造について説明する図である。
図6において、半導体モジュール13a〜13hは、図示されていないが略長方形の板状である。
【0050】
半導体モジュール13a〜13hは、多層積層導体100の絶縁板125側の表面(以下「多層積層導体100の背面」と呼ぶ。)上に配置される。
【0051】
半導体モジュール13a〜13hは、P相側端子、C相側端子、N相側端子およびAC(交流)側端子を有する。多層積層導体100には、半導体モジュール13a〜13hの端子に対応した位置に、皿絞り加工による複数の接続孔が設けられていて、半導体モジュール13a〜13hのP相側端子と正電極17、C相側端子と中性電極18およびN相側端子と負電極19とが接続される。
【0052】
電解コンデンサ14a,14bは、円筒部とその一端に設けられた2つの端子を有する。電解コンデンサ14aは、それぞれP相側端子およびC相側端子を有する。一方、電解コンデンサ14bは、それぞれC相側端子およびN相側端子を有する。
【0053】
電解コンデンサ14aは、多層積層導体100の背面上に起立するように2列に並んで配置されている。
【0054】
電解コンデンサ14bは、多層積層導体100の背面上に起立するように2列に並んで配置される。
【0055】
多層積層導体100には、電解コンデンサ14aの端子に対応した位置に、皿絞り加工による複数の接続孔が設けられていて、電解コンデンサ14aのP相側端子と正電極17およびC相側端子と中性電極18とが接続されている。
【0056】
多層積層導体100には、電解コンデンサ14bの端子に対応した位置に接続孔が設けられていて、電解コンデンサ14bのN相側端子と負電極19およびC相側端子と中性電極18とが接続されている。
【0057】
ヒューズ15a,15bは、略直方体形状である。
ヒューズ15a,15bは2つの端子を有し、一方側はACラインと接続される。他方側は、金属片150,152をそれぞれ介してホール素子16a,16bと接続される。
【0058】
ヒューズ15a,15bは、多層積層導体100の背面と反対側の面(以下「多層積層導体100の正面」)上に配置されている。
【0059】
ヒューズ15a,15bは、多層積層導体100の長手方向に沿って、1列に並んで載置されている。
【0060】
ホール素子16a,16bは、略直方体形状である。
ホール素子16a,16bは2つの端子を有し、一方側は金属片150,152をそれぞれ介してヒューズ15a,15bと接続される。他方側は、金属片151,153をそれぞれ介してACラインと接続される。
【0061】
ホール素子16a,16bは、多層積層導体100の背面と反対側の面(以下「多層積層導体100の正面」)上に配置されている。
【0062】
ホール素子16a,16bは、多層積層導体100の長手方向に沿って、1列に並んで載置されている。
【0063】
図7は、実施形態に基づく多層積層導体100のACラインを説明する図である。
図7(A)には、多層積層導体100の正面が示されている。
【0064】
図7(B)には、多層積層導体100の絶縁板129を取り除いた図が示されている。
図7(C)には、多層積層導体100を側方から見た図が示されている。
【0065】
当該図に示されるように、絶縁板128上に積層される第4導体板124は、4つの導体領域124a〜124dを有する。
【0066】
導体領域124aは、多層積層導体100に対して直立する第1直立部を有する。当該第1直立部は、絶縁板129を貫通するように設けられている。
【0067】
導体領域124bは、多層積層導体100に対して直立する第2直立部を有する。当該第2直立部は、絶縁板129を貫通するように設けられている。
【0068】
導体領域124cは、多層積層導体100に対して直立する第3直立部を有する。当該第3直立部は、絶縁板129を貫通するように設けられている。
【0069】
導体領域124dは、多層積層導体100に対して直立する第4直立部を有する。当該第4直立部は、絶縁板129を貫通するように設けられている。
【0070】
ACラインの第1直立部は、ヒューズ15aと接続される。ACラインの第2直立部は、ホール素子16aと接続される。ACラインの第3直立部は、ヒューズ15bと接続される。ACラインの第4直立部は、ホール素子16bと接続される。
【0071】
なお、本例においては、ACラインの直立部とヒューズ15とホール素子16とが接続するように構成した場合について説明したが、これに限られず、例えば接続孔を設けて接続用ボルトにより接続する方式を採用することも可能である。
【0072】
本実施形態によれば、ACラインを多層積層導体100に含めることにより、多層積層導体100上にACライン上に形成される電気部品(ヒューズ、ホール素子)を配置することが可能である。当該構成により、従来は、電力変換装置と別の位置に配置していたが、電力変換装置の一部とした位置に配置することが可能となる。すなわち、ユニットの一部として配置することにより、小型化された電力変換装置を実現するとともに、ヒューズおよびホール素子の保守交換が容易となる。
【0073】
また、多層積層導体100の背面に電界コンデンサおよび半導体モジュールを設け、多層積層導体100の背面と反対側の多層積層導体100の正面にヒューズ15およびホール素子16を設ける。当該構成によりヒューズ15およびホール素子16のレイアウト位置のための余分のスペースを設ける必要がなく、多層積層導体100の比較的レイアウトが容易な位置に配置することによりコンパクト化を図ることが可能である。
【0074】
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。本発明の範囲は、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。
【符号の説明】
【0075】
1 無停電電源装置、2 チョッパ回路、3,4,5 電力変換装置、6 制御ユニット、7 冷却ファン、8 コンデンサユニット、9,10 遮断器ユニット、13a〜13h 半導体モジュール、14,14a,14b 電解コンデンサ、15,15a,15b ヒューズ、16,16a,16b ホール素子、17〜19 電極、21 蓄電池、22 交流電源、23 負荷、100 多層積層導体、121〜124 導体板、125〜129 絶縁板。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7