特開 2024-47907 マルチレベル電力変換装置

(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】P2024047907

(43)【公開日】2024-04-08

(54)【発明の名称】マルチレベル電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240401BHJP

   H02M 7/49 20070101ALI20240401BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

H02M7/49

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022153676

(22)【出願日】2022-09-27

(71)【出願人】

【識別番号】391017540

【氏名又は名称】東芝ＩＴコントロールシステム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100081961

【弁理士】

【氏名又は名称】木内 光春

(74)【代理人】

【識別番号】100112564

【弁理士】

【氏名又は名称】大熊 考一

(74)【代理人】

【識別番号】100163500

【弁理士】

【氏名又は名称】片桐 貞典

(74)【代理人】

【識別番号】230115598

【弁護士】

【氏名又は名称】木内 加奈子

(72)【発明者】

【氏名】新井 卓郎

(72)【発明者】

【氏名】窓岩 尚史

(72)【発明者】

【氏名】田中 彰

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770AA21

5H770BA11

5H770DA03

5H770DA23

5H770DA41

5H770DA44

5H770HA03W

5H770QA01

5H770QA02

5H770QA08

5H770QA22

5H770QA28

5H770QA33

(57)【要約】      （修正有）

【課題】小型で低コストの、単位変換器が多数直列接続されたマルチレベル電力変換装置を提供する。
【解決手段】マルチレベル電力変換装置は、主回路基板１０と、コンデンサ基板１３と、スイッチング素子Ｓ、セルコンデンサＣａ及びゲート駆動回路２１含む単位変換器と、単位変換器を複数直列に接続した正側変換器アーム及び負側変換器アームを有する。主回路基板１０は、複数の単位変換器に含まれるスイッチング素子Ｓ及びゲート駆動回路２１を実装する。コンデンサ基板１３は、単位変換器毎にセルコンデンサＣａを実装する。主回路基板１０とコンデンサ基板１３とは、積層状態で接続される。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スイッチング素子とセルコンデンサを含む単位変換器と、前記単位変換器を複数直列に接続した変換器アームを有するマルチレベル電力変換装置であって、
複数の前記単位変換器に含まれるスイッチング素子を実装する主回路基板と、
前記単位変換器ごとに前記セルコンデンサを実装するコンデンサ基板と、
を備え、
前記主回路基板と前記コンデンサ基板が積層状態で接続されていることを特徴とするマルチレベル電力変換装置。

【請求項2】

前記スイッチング素子は、前記主回路基板の実装面に直接的に取付けられることを特徴とする請求項１に記載のマルチレベル電力変換装置。

【請求項3】

前記主回路基板のパターンの銅箔厚は、前記コンデンサ基板のパターンの銅箔厚より厚いことを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチレベル電力変換装置。

【請求項4】

前記主回路基板の層数は、前記コンデンサ基板の層数より多いことを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチレベル電力変換装置。

【請求項5】

前記スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路と前記セルコンデンサの電圧を検出する電圧検出回路を備え、
前記ゲート駆動回路と前記電圧検出回路は主回路基板に実装されることを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチレベル電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、単位変換器が多数直列接続されたマルチレベル電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

交流電力と直流電力とを相互に変換する電力変換装置として、複数の単位変換器を多段に接続したモジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）の研究開発が進められている。ＭＭＣは、スイッチング素子とセルコンデンサから構成されるセルを多数直列に接続して構成することで、出力電圧を多レベル化することができる。半導体スイッチのスイッチングに伴う高調波電圧を低減することができるため、電力変換装置のコスト上昇と、重量増加を招いていた大容量のフィルタを小さくすることができる。更には、半導体スイッチのスイッチング周波数も下げることができるため、変換器の高効率化も期待できる。

【0003】

一方で、ＭＭＣのセルコンデンサは大きな静電容量を原理的に必要とすることが知られている。セル数を削減した回路構成や制御法での解決が検討されているが、従来の変換器のコンデンサ（たとえば２レベル変換器）より大型化することは避けられない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５－１４６６９２

【特許文献2】特開２０２１－８７２６２

【0005】

【非特許文献1】赤木泰文・萩原 誠：「モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器（ＭＭＣｃ）の分類と名称」，電気学会全国大会，４－０４３（２０１０）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＭＭＣを数百Ｖ系統などの低圧で用いた場合、セルコンデンサの課題は顕著になる。これは、低圧で用いる場合は基板上にＭＭＣを実装することになり、大きなセルコンデンサを実装するために必要な基板面積を確保しなければならないからである。ＭＭＣを実装する基板は大きな主電流を流したり、多数のゲート信号を配線したりするために、単位面積当たりの基板価格が比較的大きく、基板面積増加はコスト増加に直結する。更に、低圧で用いられる半導体スイッチは、表面実装の非常に小さな素子であるが、大きなコンデンサと併用すると、実装効率が悪く、必要な回路体積が増加する。また、寿命の比較的短いコンデンサを交換するには、基板をすべて取り換える必要があった。

【0007】

本実施形態は、前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたもので、小型で低コストの電力変換装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態のマルチレベル電力変換装置は、次のような構成を備える。
（１）スイッチング素子とセルコンデンサを含む単位変換器と、前記単位変換器を複数直列に接続した変換器アームを有する。
（２）複数の前記単位変換器に含まれるスイッチング素子を実装する主回路基板。
（３）前記単位変換器ごとに前記セルコンデンサを実装するコンデンサ基板。
（４）前記主回路基板と前記コンデンサ基板が積層状態で接続されている。

【0009】

実施形態のマルチレベル電力変換装置は、次のような構成を採用することができる。
（１）前記スイッチング素子は前記主回路基板の実装面に直接的に取付けられる。
（２）前記主回路基板のパターンの銅箔厚は前記コンデンサ基板のパターンの銅箔厚より厚い。
（３）前記主回路基板の層数は前記コンデンサ基板の層数より多い。
（４）前記スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路と前記セルコンデンサの電圧を検出する電圧検出回路を備え、前記ゲート駆動回路と前記電圧検出回路は主回路基板に実装される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】電力変換装置の一例を示す回路図である。

【図2】電力変換装置における単位変換器の一例を示す回路図である。

【図3】アームを流れるアーム電流とセルコンデンサ電流の実効値を示すグラフである。

【図4】第１実施形態の構成を示す平面図と側面図である。

【図5】第２実施形態の分解斜視図である。

【図6】第３実施形態の分解斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

［１．第１実施形態］
第１実施形態を図４により説明する。

【0012】

本実施形態のマルチレベル電力変換装置１は、図１に示すように、交流電源ＡＣと直流電源との間に接続されている。電力変換装置１の正側直流端子ＤＣ１と負側直流端子ＤＣ２の間には正側アームＡ１と負側アームＡ２およびバッファリアクトルＬが接続されている。正側アームＡ１と負側アームＡ２は単位変換器Ｃと呼ばれる単位変換器Ｃを複数直列に接続して構成する。正側アームＡ１と負側アームＡ２の中点は交流電源ＡＣに接続されている。制御装置２０は、電力変換装置１が所望の電力変換ができるように、各単位変換器Ｃのスイッチング素子Ｓを駆動するゲート信号を生成する。

【0013】

本実施形態は単位変換器Ｃを複数直列に接続した回路の一例を示したものであり、アーム同士の接続方法に限定されない。図１の接続はダブルスター型と呼ばれるが、たとえば各相に１つずつアームを有したシングルスター型でも同様の効果を得ることができる。この場合、単位変換器Ｃを複数直列に接続した回路はクラスタと呼ばれることがある。

【0014】

図２に単位変換器Ｃの回路図の一例を示す。単位変換器Ｃは２つのスイッチング素子ＳとセルコンデンサＣａから構成する。制御装置２０が生成するゲート信号に合わせてスイッチング素子Ｓを駆動するゲート駆動回路２１を備える。また、セルコンデンサＣａの電圧を検出する電圧検出回路２２や駆動用の給電回路２３も備える。２つのスイッチング素子Ｓのオンオフ動作によって、セルコンデンサＣａを挿入、もしくはバイパスすることで、電圧を出力する。なお、図２に示す回路はチョッパ単位変換器と呼ばれるが、４つのスイッチング素子Ｓを用いたブリッジ単位変換器でも同様である。

【0015】

図３にアームＡ１，Ａ２を流れるアーム電流とセルコンデンサＣａ電流の実効値を示す。アームＡ１，Ａ２には主電流が流れるため、電流値が大きい。一方、セルコンデンサＣａに流れる電流は、スイッチング素子Ｓのオンオフ動作によってチョッピングされるため、電流値が小さくなる。運転状態にも依存するが、たとえばアーム電流の５５％に低減できる。

【0016】

図４に単位変換器Ｃを複数直列に接続したアームＡ１，Ａ２を基板へ実装した状態を示す。主回路基板１０には、複数の単位変換器Ｃのスイッチング素子Ｓを実装する。その他、ゲート駆動回路２１や電圧検出回路２２を実装する。スイッチング素子Ｓに表面実装素子を適用すれば、主回路基板１０に実装される部品の密度があがり、小型な基板とすることができる

【0017】

複数の単位変換器Ｃを制御するために、ゲート信号線や電圧検出用の信号線が多数必要である。１つの主回路基板１０内で、複数の単位変換器Ｃの信号線１１を基板パターンで接続することで、煩雑な信号線１１を配線することができ、接続間違いなども回避できる。信号数などによっては、主回路基板１０の層数を増加させて複雑な配線ができるようにする。また、主電流であるアーム電流を流す必要があるため、抵抗値を下げるために、基板パターンの銅箔圧を大きくすることが望ましい。

【0018】

主回路基板１０には単位変換器Ｃごとに接続端子１２を設け、複数のコンデンサ基板１３を接続する。基板間のインダクタンスを低減するために、主回路基板１０とコンデンサ基板１３を接続する接続端子間の距離は１ｃｍ以下とすることが望ましい。コンデンサ基板１３は単位変換器Ｃごとに独立して設けることが望ましい。主回路基板１０とコンデンサ基板１３は積層状態に設けられ、両者の間隔を保持するために、支持部材１５が設けられている。主回路基板１０には、配線用のコネクタ１４が設けられ、信号線１１などの基板パターンに接続されている。

【0019】

コンデンサ基板１３には、セルコンデンサＣａのみを実装し、主回路基板１０と分離して接続することで、体積効率の良い、小型な電力変換装置１が構成できる。特に、ＭＭＣのセルコンデンサＣａは比較的大きく、表面実装型のスイッチング素子Ｓやゲート駆動回路２１、電圧検出回路２２、給電回路２３を実装した面積と近いことから、実装密度をあげることができる。

【0020】

図３で示したように、セルコンデンサＣａを流れる電流値は、主回路基板１０を流れるアーム電流より小さい。したがって、主回路基板１０とコンデンサ基板１３の合計の基板面積は大きくなるが、コンデンサ基板１３の銅箔圧は小さくてよいため、安価にできる。すなわち、コンデンサ基板１３の銅箔圧は主回路基板１０と同じかより小さいことが好ましい。

【0021】

更に、コンデンサ基板１３には、セルコンデンサＣａの正極と負極を配線するだけでよいため、基板層数も小さくてよい。低圧向けで想定されるセルコンデンサＣａは電解コンデンサであるため、比較的熱に弱く、周囲の温度上昇によって寿命が下がる傾向にある。主な発熱源であるスイッチング素子Ｓと物理的に基板を分けることで、スイッチング素子Ｓで発生する熱の影響も受けづらい。すなわち、複数の単位変換器Ｃに含まれるスイッチング素子Ｓを実装する主回路基板１０と、単位変換器ＣごとにセルコンデンサＣａを実装するコンデンサ基板１３とを接続すれば、小型でコストの低い電力変換装置１を提供することができる。

【0022】

本実施形態では、セルコンデンサＣａをコンデンサ基板１３にモジュール化し、主回路基板１０とコンデンサ基板１３を接続することで、レイアウトの自由度が高まり、主回路基板１０を小さくできる。また、故障したセルコンデンサＣａをモジュールごと取り換えることが可能になる。なお、スイッチング素子Ｓを別基板（コンデンサ基板１３）に実装すると、体積効率も落ち、接続端子１２が増えるので望ましくない。

【0023】

［２．第２実施形態］
第２実施形態を図５を用いて説明する。一般に、基板同士を直接ハンダで接続すると強度の問題があるため、主回路基板１０とセルコンデンサＣａ基板とは、ねじ端子１６を用いて接続することが望ましい。本実施形態では、図５のように、基板実装型のねじ端子１６を用い、主回路基板１０とコンデンサ基板１３のそれぞれにねじ端子１６を実装する。基板同士をねじ端子１６で接続するために、コンデンサ基板１３側のねじ端子１６は、ねじ切りタップを設けない。更に、コンデンサ基板１３には、ねじ山も貫通する程度の大きさのねじ穴１７を設ける。

【0024】

一方、主回路基板１０側のねじ端子１６はねじ切りタップを設ける。これにより、コンデンサ基板１３はねじ穴１７を貫通しつつ、２つのねじ端子１６をねじ１８で締め付け、固定することが可能になる。図５では、コンデンサ基板１３側にねじ１８が貫通するねじ穴１７を設けたが、主回路基板１０側に設けても同じ効果が得られる。

【0025】

スイッチング素子Ｓの動作を考えたとき、セルコンデンサＣａの正極と接続するねじ端子１６と負極と接続するねじ端子１６はできるだけ近づけることが望ましい。これにより、ねじ端子１６で発生する寄生インダクタンスを低減することができ、スイッチングに伴うサージ電圧を抑制することができる。ねじ端子１６の位置によっては、別途固定用端子１６ａなどを設けても良い。すなわち、図５において、ねじ端子が３つあるが、隣接している右２つのねじ端子１６が、セルコンデンサＣａを電気的に接続している端子で、左の1つは固定用端子16aである。

【0026】

［３．第３実施形態］
第３実施形態を図６を用いて説明する。本実施形態では、片方の基板、たとえば主回路基板１０のみにねじ端子１６を設けている。もう一方のコンデンサ基板１３には、ねじ穴１７とセルコンデンサＣａと電気的に接続する導電パターン１９を設ける。このねじ穴１７は、ねじ山が貫通しない大きさとすることで、コンデンサ基板１３と主回路基板１０側のねじ端子１６とを接続することができる。これにより、部品点数を削減しつつ、回路の小型化が実現できる。

【0027】

［４．他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0028】

１…電力変換装置
１０…主回路基板
１１…信号線
１２…接続端子
１３…コンデンサ基板
１４…コネクタ
１５…支持部材
１６，１６ａ…ねじ端子
１７…ねじ穴
１８…ねじ
１９…導電パターン
２０…制御装置
２１…ゲート駆動回路
２２…電圧検出回路
２３…給電回路
Ａ１…正側アーム
Ａ２…負側アーム
ＡＣ…交流電源
Ｃ…単位変換器
Ｃａ…セルコンデンサ
ＤＣ１…正側直流端子
ＤＣ２…負側直流端子
Ｌ…バッファリアクトル
Ｓ…スイッチング素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】