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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-07
(45)【発行日】2024-06-17
(54)【発明の名称】電力変換装置
(51)【国際特許分類】
   H02M 7/48 20070101AFI20240610BHJP
【FI】
H02M7/48 Z
【請求項の数】 5
(21)【出願番号】P 2021122421
(22)【出願日】2021-07-27
(65)【公開番号】P2023018359
(43)【公開日】2023-02-08
【審査請求日】2023-07-31
(73)【特許権者】
【識別番号】501137636
【氏名又は名称】株式会社TMEIC
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】原田 高明
(72)【発明者】
【氏名】田中 智大
【審査官】三島木 英宏
(56)【参考文献】
【文献】特開2016-072618(JP,A)
【文献】国際公開第2010/097830(WO,A1)
【文献】特開2014-138126(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2019/0214812(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02M 7/48
(57)【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。
【請求項2】
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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。
【請求項5】
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。
【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。
【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(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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特許5609298号
【文献】特許6824840号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【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、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。
【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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【発明の効果】
【0012】
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。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】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2】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3】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4】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5】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6】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7】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8】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。
図9】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10】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11】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。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
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。
【0071】
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。
【0072】
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。
【符号の説明】
【0073】
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。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11