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技術 3レベル電力変換装置

出願人 株式会社日立製作所
発明者 三輪直樹永田寛
出願日 2017年2月21日 (2年8ヶ月経過) 出願番号 2017-029782
公開日 2017年5月18日 (2年6ヶ月経過) 公開番号 2017-085896
状態 特許登録済
技術分野 インバータ装置
主要キーワード 設計余裕度 側板状 自己インダクタンス値 圧延プラント クランプ型 電力変換モジュール 電力変換素子 リップル分
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (10)

課題

電力変換セル垂直方向に積む場合でも、3レベル電力変換装置の高さ寸法が制限寸法以内に収まるように、電力変換セルの高さ方向の寸法を小さくする。

解決手段

3レベル電力変換装置において、電力変換モジュール集合体の主面に配置された複数個の電力変換モジュールは、その長手方向を水平方向にして規定の長さの範囲内で装置筐体の水平方向に順次並べて配置され、規定の長さを越える分の電力変換モジュールについては、段を変えて配置される。電力変換モジュール集合体内スイッチング素子還流ダイオード及び平滑コンデンサとの間は、板状導体を用いて配線されている。そして複数個の電力変換モジュール集合体は、各々の主面が鉛直方向と平行、かつ、各々の長手方向が平行となるように、縦積みで実装され、縦積みされた複数個の電力変換モジュール集合体が対向するように各相に対応して設けられている。

概要

背景

一般に、交流電圧直流電圧に変換する順変換器コンバータ)や直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器インバータ)などの電力変換装置は、交流電動機を駆動するのに採用されている。電力変換装置の一つに、3レベル電力変換装置があり、交流電動機の回転駆動を制御するのによく用いられている。3レベル電力変換装置は、中性点クランプ型電力変換装置とも呼ばれ、3レベル電圧を出力するので高調波を低減できる等の利点があり、大型の交流電動機の駆動に多く用いられている。

3レベル電力変換装置は、例えば正側直流電源、負側直流電源、並びに正側直流電源と負側直流電源の中間点である中性点直流電源各々に、直流電圧の脈流平滑化する平滑コンデンサが接続される。そして、正側直流電源、負側直流電源、並びに中性点直流電源は、電力変換素子スイッチング素子)を介して出力点に接続する構成となっている。3レベル電力変換装置は、それらの電力変換素子を繰り返し導通及び遮断(以後、スイッチングと記す)させることで、直流電圧から実質的な交流電圧を作り出す。このとき、電力変換素子のスイッチングの組み合わせにより、出力点の電位は、正側直流電位、中性点直流電位、負側直流電位の3種類となる。

例えば、特許文献1には、3レベル電力変換装置において、冷却器にスイッチング素子とダイオードを隣接して配置し、モジュールの短辺同士隣接配置されたものが記載されている。

概要

電力変換セル垂直方向に積む場合でも、3レベル電力変換装置の高さ寸法が制限寸法以内に収まるように、電力変換セルの高さ方向の寸法を小さくする。3レベル電力変換装置において、電力変換モジュール集合体の主面に配置された複数個の電力変換モジュールは、その長手方向を水平方向にして規定の長さの範囲内で装置筐体の水平方向に順次並べて配置され、規定の長さを越える分の電力変換モジュールについては、段を変えて配置される。電力変換モジュール集合体内のスイッチング素子、還流ダイオード及び平滑コンデンサとの間は、板状導体を用いて配線されている。そして複数個の電力変換モジュール集合体は、各々の主面が鉛直方向と平行、かつ、各々の長手方向が平行となるように、縦積みで実装され、縦積みされた複数個の電力変換モジュール集合体が対向するように各相に対応して設けられている。

目的

効果

実績

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請求項1

正側直流電源中性点直流電源及び負側直流電源がそれぞれ正側端子と接続する正側板状導体中性点端子と接続する中性点板状導体及び負側端子と接続する負側板状導体を介して供給され、スイッチング素子及びこのスイッチング素子に並列に接続された還流ダイオードを少なくとも1組以上を内部に含む、複数個電力変換モジュールと、中性点クランプ用の第1及び第2のダイオードモジュールとのうち、少なくとも前記複数個の電力変換モジュールが主面に配置された複数個の電力変換モジュール集合体と、両端を前記電力変換モジュール集合体の前記正側端子及び前記中性点端子と直結された第1の平滑コンデンサと、両端を前記電力変換モジュール集合体の前記中性点端子及び前記負側端子と直結された第2の平滑コンデンサと、を備え、前記電力変換モジュール集合体の主面に配置された複数個の前記電力変換モジュールは、その長手方向を水平方向にして規定の長さの範囲内で当該装置筐体の水平方向に順次並べて配置され、前記規定の長さを越える分の電力変換モジュールについては、段を変えて配置され、そして複数個の前記電力変換モジュール集合体は、各々の主面が鉛直方向と平行、かつ、各々の長手方向が平行となるように、縦積みで実装され、縦積みされた複数個の前記電力変換モジュール集合体が対向するように各相に対応して設けられている3レベル電力変換装置

請求項2

前記電力変換モジュール集合体の主面の長手方向が、前記装置筐体の奥行き方向と平行である請求項1に記載の3レベル電力変換装置。

請求項3

前記電力変換モジュール集合体において、隣り合う前記電力変換モジュールの長手方向同士、及び隣り合う前記電力変換モジュールの短手方向同士が隣接して配置されている請求項2に記載の3レベル電力変換装置。

請求項4

前記スイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタである請求項3に記載の3レベル電力変換装置。

請求項5

前記電力変換モジュール集合体は、前記スイッチング素子として、前記正側板状導体と前記負側板状導体との間に順次直列に接続された第1〜第4のスイッチング素子と、前記還流ダイオードとして、前記第1〜第4のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された第1〜第4の還流ダイオードと、前記中性点板状導体にアノード側を、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子との接続点である正側中性点クランプ用板状導体カソード側を接続された前記第1のダイオードモジュールと、前記第3のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子との接続点である負側中性点クランプ用板状導体にアノード側を、前記中性点板状導体にカソード側を接続された前記第2のダイオードモジュールと、を備え、前記第2のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子との接続点である出力用板状導体から3レベル交流電圧の出力を得る請求項1乃至4のいずれか一項に記載の3レベル電力変換装置。

請求項6

前記正側板状導体、前記負側板状導体及び前記出力用板状導体はそれぞれ、同一平面に配置された複数個の前記電力変換モジュールのうち対応する電力変換モジュールの表面に配置されており、前記正側中性点クランプ用板状導体及び前記負側中性点クランプ用板状導体は、略同一平面となるように配置された前記正側板状導体、前記負側板状導体及び前記出力用板状導体と対向するように配置されており、前記中性点板状導体は、前記正側中性点クランプ用板状導体及び前記負側中性点クランプ用板状導体と対向するように配置されている請求項5に記載の3レベル電力変換装置。

技術分野

0001

本発明は、3レベル電力変換装置に関し、特に3レベル電力変換装置内における素子配置の技術に関する。

背景技術

0002

一般に、交流電圧直流電圧に変換する順変換器コンバータ)や直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器インバータ)などの電力変換装置は、交流電動機を駆動するのに採用されている。電力変換装置の一つに、3レベル電力変換装置があり、交流電動機の回転駆動を制御するのによく用いられている。3レベル電力変換装置は、中性点クランプ型電力変換装置とも呼ばれ、3レベル電圧を出力するので高調波を低減できる等の利点があり、大型の交流電動機の駆動に多く用いられている。

0003

3レベル電力変換装置は、例えば正側直流電源、負側直流電源、並びに正側直流電源と負側直流電源の中間点である中性点直流電源各々に、直流電圧の脈流平滑化する平滑コンデンサが接続される。そして、正側直流電源、負側直流電源、並びに中性点直流電源は、電力変換素子スイッチング素子)を介して出力点に接続する構成となっている。3レベル電力変換装置は、それらの電力変換素子を繰り返し導通及び遮断(以後、スイッチングと記す)させることで、直流電圧から実質的な交流電圧を作り出す。このとき、電力変換素子のスイッチングの組み合わせにより、出力点の電位は、正側直流電位、中性点直流電位、負側直流電位の3種類となる。

0004

例えば、特許文献1には、3レベル電力変換装置において、冷却器にスイッチング素子とダイオードを隣接して配置し、モジュールの短辺同士隣接配置されたものが記載されている。

先行技術

0005

特開2006−340490号公報

発明が解決しようとする課題

0006

モジュール型電力変換素子を用いた3レベル電力変換装置においては、出力容量を増加させるために、箱型筐体の中に複数の電力変換主回路電力変換モジュール)を集約した電力変換セル複数個並列に接続させる場合がある。既存の方法では、電力変換セルを水平方向に並べる方法であったため、3レベル電力変換装置の幅寸法が大きくなる傾向にあった。
電力変換セルの幅寸法はある程度の上限が設けられるため、3レベル電力変換装置の幅寸法を大幅に小さくするには、電力変換セルを垂直方向積み上げ方針で組み立てる必要がある。しかし、単に電力変換セルを垂直方向に積み上げると、高さ寸法が大きくなり過ぎてしまう。

0007

以上の状況から、電力変換セルを垂直方向に積む場合でも、3レベル電力変換装置の高さ寸法が制限寸法以内に収まるように、電力変換セルの高さ方向の寸法を小さくする方法が要望されていた

課題を解決するための手段

0008

本発明の一側面の3レベル電力変換装置では、正側直流電源、中性点直流電源及び負側直流電源がそれぞれ正側端子と接続する正側板状導体中性点端子と接続する中性点板状導体及び負側端子と接続する負側板状導体を介して供給され、スイッチング素子及びこのスイッチング素子に並列に接続された還流ダイオードを少なくとも1組以上を内部に含む、複数個の電力変換モジュールと、中性点クランプ用の第1及び第2のダイオードモジュールとのうち、少なくとも複数個の電力変換モジュールが主面に配置された複数個の電力変換モジュール集合体と、両端を電力変換モジュール集合体の正側端子及び中性点端子と直結された第1の平滑コンデンサと、両端を電力変換モジュール集合体の中性点端子及び負側端子と直結された第2の平滑コンデンサと、を備える。
そして、上記3レベル電力変換装置においては、電力変換モジュール集合体の主面に配置された複数個の電力変換モジュールは、その長手方向を水平方向にして規定の長さの範囲内で当該装置筐体の水平方向に順次並べて配置され、規定の長さを越える分の電力変換モジュールについては、段を変えて配置され、そして複数個の電力変換モジュール集合体は、各々の主面が鉛直方向と平行、かつ、各々の長手方向が平行となるように、縦積みで実装され、縦積みされた複数個の電力変換モジュール集合体が対向するように各相に対応して設けられている。

発明の効果

0009

本発明の実施の形態によれば、電力変換モジュール集合体の高さ寸法が低減され、電力変換モジュール集合体を、3レベル電力変換装置の高さ制限寸法以内に収まるように垂直方向に積むことができる。それにより、3レベル電力変換装置の幅寸法も小さくすることができ、3レベル電力変換装置の小型化が実現可能になる。

図面の簡単な説明

0010

本発明の一実施の形態に係る3レベル電力変換回路を示す回路図である。
3レベル電力変換回路を構成する複数の電力変換モジュールが搭載された電力変換セルの構造例を示す平面図である。
図2に示した電力変換セルの構造例からCブスを取り除いた状態を示す平面図である。
図3に示した電力変換セルの構造例から中性点クランプ用ブスを取り除いた状態を示す平面図である。
図4に示した電力変換セルの構造例からPブス、Nブス及び出力用ブスを取り除いた状態を示す平面図である。
図1に示した3レベル電力変換回路を基本とする、3相の3レベル電力変換回路を示す回路図である。
3相の3レベル電力変換装置を備える電力変換装置の構造例を示す概略正面図である。
3相の3レベル電力変換装置を備える電力変換装置の構造例を示す概略背面図である。
図7に示した電力変換装置のA−A線に沿う概略断面図である。

実施例

0011

以下、本発明を実施するための形態の例について、添付図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

0012

本発明の一実施の形態に係る3レベル電力変換装置は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ(逆変換器)の例である。本発明の一実施の形態に係る3レベル電力変換装置は、例えば、鉄鋼圧延プラントなどに用いられる主機交流電動機の駆動を制御する大容量の3レベル電力変換装置に適用される。

0013

[3レベル電力変換回路の回路例]
まず、3レベル電力変換回路について説明する。図1は、本発明の一実施の形態に係る3レベル電力変換回路を示す回路図である。
3レベル電力変換装置に使用されるU相,V相,W相の3レベル電力変換回路10は、3相とも同一の構成である。U相,V相,W相の各相において、図1に示すような3レベル電力変換回路10を複数個並列に組むことにより、3レベル電力変換装置の出力容量を増加させることができる。

0014

3レベル電力変換回路10では、モジュール型電力変換素子(電力変換モジュール)として、4個のIGBTモジュール1〜4が使用される。IGBTモジュールは、スイッチング素子の一例として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)を備えたモジュールである。

0015

図1において、正側IGBTモジュール1は、正側直流電源母線(以下、「P母線」と記述する)の電位を出力する。以下、正側IGBTモジュール1を、単にIGBTモジュール1と記述することもある。
第1の中性点IGBTモジュール2及び第2の中性点IGBTモジュール3は、中性点直流電源母線(以下、「C母線」と記述する)の電位を出力する。以下、第1の中性点IGBTモジュール2及び第2の中性点IGBTモジュール3を、単にIGBTモジュール2及びIGBTモジュール3と記述することもある。
負側IGBTモジュール4は、負側直流電源母線(以下、「N母線」と記述する)の電位を出力する。負側IGBTモジュール4を、単にIGBTモジュール4と記述することもある。
これらIGBTモジュール1〜4は、P母線とN母線との間に直列に接続される。

0016

IGBTモジュール1〜4はそれぞれ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(以下、IGBTと記述する)1a(第1〜第4のスイッチング素子)と、そのコレクタエミッタ間に接続された還流ダイオード1b(第1〜第4の還流ダイオード)を有する。IGBT1aは、スイッチング機能を有する電力変換素子(スイッチング素子)である。IGBTモジュール1〜4の各IGBT1aのゲート駆動信号を供給する駆動回路については、図示を省略している。

0017

また、3レベル電力変換回路10では、ダイオードモジュールが、2個使用される。
正側IGBTモジュール1と第1の中性点IGBTモジュール2の接続点とC母線の間に、C母線の電位を出力するための正側ダイオードモジュール5が接続される。
また、第2の中性点IGBTモジュール3と負側IGBTモジュール4の接続点とC母線の間に、C母線の電位を出力するための負側ダイオードモジュール6が接続される。
正側ダイオードモジュール5及び負側ダイオードモジュール6は、いわゆる中性点クランプダイオードモジュールである。以下、正側ダイオードモジュール5及び負側ダイオードモジュール6をそれぞれ、単にダイオードモジュール5及びダイオードモジュール6とも記述する。

0018

正側IGBTモジュール1のコレクタ主端子は、Pブス16を介して正側端子11P(P母線)に接続される。正側IGBTモジュール1のエミッタ主端子は、第1の中性点IGBTモジュール2のコレクタ主端子と接続される。
第1の中性点IGBTモジュール2のエミッタ主端子は、第2の中性点IGBTモジュール3のコレクタ主端子に接続される。
第2の中性点IGBTモジュール3のエミッタ主端子は、負側IGBTモジュール4のコレクタ主端子に接続される。
負側IGBTモジュール4のエミッタ主端子は、Nブス17を介して負側端子11N(N母線)と接続される。
正側ダイオードモジュール5のカソード主端子は、正側中性点クランプ用ブス14を介して、正側IGBTモジュール1と第1の中性点IGBTモジュール2との接続点に接続される。そのアノード主端子は、Cブス13を介して中性点端子11C(C母線)と接続される。
負側ダイオードモジュール6のカソード主端子は、Cブス13を介して中性点端子11C(C母線)と接続される。そのアノード主端子は、負側中性点クランプ用ブス15を介して、第2の中性点IGBTモジュール3と負側IGBTモジュール4との接続点に接続される。
第1の中性点IGBTモジュール2と第2の中性点IGBTモジュール3との接続点が、交流電力の出力点になる。第1の中性点IGBTモジュール2と第2の中性点IGBTモジュール3との接続点から、交流電力が出力用ブス18を介して交流電動機側へ出力される。

0019

[発明の経緯]
ところで、スイッチング素子によって回路の電流を突然遮断すると自己インダクタンスによって電圧が急上昇することが知られている。この対策のため、スイッチング素子のターンオフ時に生じる過渡的な高電圧を吸収する保護回路として、スナバ回路が設けられる。スナバ回路がスパイク状の高電圧を抑制することで、スイッチング素子自身や周囲の電子部品の損傷を防ぎ電磁ノイズを最小化する。一般に、コンデンサキャパシタ)と抵抗器を直列に接続したものをスイッチング素子に並列に配置する回路が多い。これにダイオードを組み合わせたものなどもある。

0020

従来、3レベル電力変換回路においても、スイッチング素子である電力変換素子(IGBT1a)のターンオフ時に生じるスパイク状の高電圧を抑制するために、スナバ回路が設けられていた。スナバ回路を設けることにより電気部品が増えるため、従来の電力変換モジュールの小型化には制限があった。そのため、3レベル電力変換回路を構成する複数の電力変換モジュールが搭載される電力変換セルの小型化は困難であった。

0021

この問題に対し、発明者らは、複数の電力変換モジュールが搭載される電力変換セルの高さ方向の寸法を小さくするため、直流電圧の脈流を平滑化する平滑コンデンサ21,22を、電力変換セルの端子に直結(又は実質的に直結)することを考えた。すなわち、図1に示すように、平滑コンデンサ21(第1の平滑コンデンサ)の両端を、正側端子11Pと中性点端子11Cに直結して接続し、また、平滑コンデンサ22(第2の平滑コンデンサ)の両端を、負側端子11Nと中性点端子11Cに直結して接続する。これにより、電力変換セルと平滑コンデンサ21,22を接続する配線が短くなり、3レベル電力変換回路10の自己インダクタンス値が低減する。そのため、電力変換素子(IGBT1a)のターンオフ時に発生する、自己インダクタンス値に比例したスパイク状の高電圧を抑制することができる。したがって、従来用いられていたスナバ回路が不要となり、その分だけ、電力変換モジュールを小型化することができる。その結果、電力変換セルにおいて、複数の電力変換モジュールの配置に関する設計余裕度が生じた。そこで、発明者らは、電力変換セルに搭載する複数の電力変換モジュールの配置を、以下のような方針で配置することを考えた。

0022

[電力変換モジュールの配置例]
以下に述べる実施の形態では、電力変換モジュールを、その長手方向を電力変換装置の底面と平行にして、横方向に順次並べて電力変換セルに配置する。
より具体的には、電力変換モジュールを、その長手方向を装置筐体の底面と平行にして、規定の長さの範囲内で当該装置筐体の底面と平行な方向に順次並べて、電力変換セルに配置する。ここで、規定の長さを越える分の電力変換モジュールについては、段を変えて電力変換セルに配置する。

0023

このように複数の電力変換モジュールを配置することで、電力変換セルの高さ寸法が低減され、電力変換セルを縦積みできるようになる。その結果、3レベル電力変換装置の幅寸法を小さくすることに成功した。以下、3レベル電力変換回路を構成する複数の電力変換モジュールが搭載された電力変換セルの構造例を、図2図5を参照して説明する。

0024

図2は、3レベル電力変換回路10を構成する複数のIGBTモジュール1〜4が搭載された電力変換セルの構造例を示す平面図である。
図2に示す電力変換セルは、IGBTモジュール1〜4と、ダイオードモジュール5,6と、複数のブスから構成される電気部品の集合体(電力変換モジュール集合体)である。以下、電力変換セルを、IGBTセルと記述する。

0025

このIGBTセル20に対して、3次元空間の座標軸を設定する。IGBTセル20に配置されたIGBTモジュール4からIGBTモジュール1へ向かう向きを正とし、IGBTモジュールの短手方向に平行な向きにZ軸を設定する。このZ軸の正方向は、3レベル電力変換装置を備える電力変換装置30の高さ方向である。
同様に、IGBTモジュール2からIGBTモジュール1へ向かう向きを正とし、IGBTモジュールの長手方向に平行な向きにX軸を設定する。
また、Cブス13からIGBTモジュールへの向きを正とし、X軸及びZ軸に直交する軸をY軸と設定する。IGBTモジュールの主面は、X−Z平面に平行である。Cブス13は、ダイオードモジュール5のアノード主端子とダイオードモジュール6のカソード主端子とC母線とを等電位に接続する、板状のブスである。

0026

図3は、図2に示したIGBTセル20の構造例からCブス13を取り除いた状態を示す平面図である。図3において、IGBTモジュールのコレクタ主端子を表す‘C’、エミッタ主端子を表す‘E’、ゲート主端子を表す‘G’を示す。
正側中性点クランプ用ブス14は、IGBTモジュール1のエミッタ主端子と、IGBTモジュール2のコレクタ主端子と、ダイオードモジュール5のカソード主端子とを等電位に接続する、板状のブスである。
負側中性点クランプ用ブス15は、IGBTモジュール3のエミッタ主端子と、IGBTモジュール4のコレクタ主端子と、ダイオードモジュール12のアノード主端子とを等電位に接続する、板状のブスである。
正側中性点クランプ用ブス14と負側中性点クランプ用ブス15の下側に、Pブス16、Nブス17、及び出力用ブス18が配置されている。
以下、正側中性点クランプ用ブス14及び負側中性点クランプ用ブス15を、単にブス14及びブス15と記述することもある。

0027

図4は、図3に示したIGBTセル20の構造例からブス14とブス15を取り除いた状態を示す平面図である。
Pブス16は、IGBTモジュール1のコレクタ主端子とP母線とを等電位に接続する、板状のブスである。
Nブス17は、IGBTモジュール4のエミッタ主端子とN母線とを等電位に接続する、板状のブスである。
出力用ブス18は、IGBTモジュール2のエミッタ主端子とIGBTモジュール3のコレクタ主端子とを等電位に接続し、交流電力を出力する、板状のブスである。

0028

図5は、図4に示したIGBTセル20の構造例からPブス16、Nブス17及び出力用ブス18を取り除いた状態を示す平面図である。すなわち、図2に示したIGBTセル20の構造例からすべてのブスを取り除いた状態を示している。

0029

IGBTセル20は、IGBTモジュール1〜4とダイオードモジュール5,6が、それぞれ集合実装されている。IGBTモジュール1〜4とダイオードモジュール5,6の各々の主面の形状は、おおよそ矩形である。IGBTモジュール1〜4の寸法は、例えば、およそ190mm(長手方向)×140mm(短手方向)×40mm(厚さ方向)である。また、ダイオードモジュールの寸法は、およそ140mm(長手方向)×130mm(短手方向)×40mm(厚さ方向)である。

0030

なお、図2図5に示したIGBTモジュール1〜4とダイオードモジュール5,6の例では、モジュール内部に予備半導体素子を備えている。例えば、IGBTモジュール1〜4の場合、3個のIGBTを有している。また、ダイオードモジュール5,6の場合、2個の半導体ダイオードを備えている。

0031

本実施の形態では、図5に示すように、IGBTモジュール1とIGBTモジュール4の長手方向(長辺)同士、及び、IGBTモジュール2とIGBTモジュール3の長手方向同士を、それぞれ対向するように隣接させて実装する。
また、IGBTモジュール1とIGBTモジュール2の短手方向(短辺)同士、及び、IGBTモジュール3とIGBTモジュール4の短手方向同士を、それぞれ対向するように隣接させて実装する。
また、ダイオードモジュール5とダイオードモジュール6の長手方向同士を、それぞれ対向するように隣接させて実装する。
さらに、IGBTモジュール2とダイオードモジュール5の短手方向同士、並びに、IGBTモジュール3とダイオードモジュール6の短手方向同士を、それぞれ対向するように隣接させて実装する。

0032

このIGBTセル20は、IGBTモジュール1,4とIGBTモジュール2,3、さらにダイオードモジュール5,6の長手方向同士をそれぞれ隣接させて実装しているため、Z軸方向の寸法が必要最小限に抑制されている。これにより、同一相において複数台のIGBTセル20をZ軸の正方向に積み重ねて実装する際に、Z軸方向の寸法すなわち3レベル電力変換装置ひいては電力変換装置の高さを抑制することに繋がる。

0033

本実施の形態では、ダイオードモジュール5,6を、IGBTモジュール2,3の水平方向に配置している。これにより、IGBTモジュール1〜4とダイオードモジュール5,6を一つのIGBTセル20に実装する場合でも、IGBTセル20のZ軸方向の寸法が増大することを抑えられる。なお、ダイオードモジュール5,6は、必ずしもIGBTセル20に配置しなくてもよい。

0034

図2図5に示した配置例では、IGBTセル20の寸法を、約600mm(長手方向)×300mm(短手方向)×150mm(厚さ方向)程度の大きさに小型化することに成功している。

0035

図6は、図1に示した3レベル電力変換回路を基本とする、3相の3レベル電力変換回路を示す回路図である。
図6に示す電力変換装置30は、上記の3レベル電力変換回路10(図1参照)を採用した、U相,V相,W相の3相の3レベル電力変換装置31U,31V,31Wを備えている。3レベル電力変換装置31U,31V,31Wは、図7図9を参照して後述するように、複数の電力変換セルを有する。V相とW相の回路構成はU相と同一であるので、図6では、U相の3レベル電力変換装置31Uのみ内部の回路構成を示している。

0036

U相,V相,W相の3レベル電力変換装置31U,31V,31Wの各々は、図2に示したIGBTセル20と同一構成を持つ、4つのIGBTセル20−1〜20−4を備える。すなわち、3レベル電力変換装置31U,31V,31Wの3レベル電力変換回路はともに、3レベル電力変換回路10(図1参照)を4回路ずつ並列接続してなる構成を有する。これにより、各相の3レベル電力変換回路の交流電力の出力は、3レベル電力変換回路10の4回路分を合わせた出力となる。

0037

3相とも同一構成であるから、U相の3レベル電力変換装置31Uを例に説明する。
1個の電力変換セルに対して、2個の平滑コンデンサが割り当てられる。IGBTセル20−1の3レベル電力変換回路の正側端子11Pと中性点端子11Cとの間に、1個目の平滑コンデンサ21が接続される。また、IGBTセル20−1の3レベル電力変換回路の中性点端子11Cと負側端子11Nとの間に、2個目の平滑コンデンサ22が接続される。

0038

縦方向のブスは、電位に応じてPブス33P、Cブス33C及びNブス33Nの3本あり、それぞれ盤上部に実装される直流電源のP母線32P、C母線32C及びN母線32Nに接続している。正側端子11P、中性点端子11C及び負側端子11Nは、Pブス33P、Cブス33C及びNブス33Nを介して、P母線32P、C母線32C及びN母線32Nにそれぞれ接続している。平滑コンデンサ21,22は、Pブス33P、Cブス33C及びNブス33Nから供給される直流電力リップル分を減らし、IGBTセル20−1に電力を供給する。

0039

同様に、IGBTセル20−2,20−3,20−4の3レベル電力変換回路の正側端子11Pと中性点端子11Cとの間に平滑コンデンサ21が、中性点端子11Cと負側端子11Nとの間に平滑コンデンサ22が接続される。

0040

3レベル電力変換装置31U内の4つのIGBTセル20−1〜20−4の各々の出力用ブス18は、交流電動機(ACM)35と接続された出力端子UACと接続している。これにより、4つのIGBTセル20−1〜20−4の各々の交流電力の出力が、出力端子UACで一つにまとめられ、交流電動機35に供給される。

0041

U相と同様に、3レベル電力変換装置31V,31W内の4つのIGBTセル20−1〜20−4の各々の出力用ブス18は、交流電動機(ACM)35と接続された出力端子UAC,WACと接続している。これにより、3レベル電力変換装置31V,31Wの各々の交流電力の出力は、出力端子VAC,WACで一つにまとめられ、交流電動機35にそれぞれ供給される。

0042

なお、3レベル電力変換装置31U,31V,31Wが備える3レベル電力変換回路のIGBTモジュール1〜4にゲート駆動信号を供給するゲート駆動回路は、電力変換装置30の外部装置に設けられるものとする。ただし、この例に限られるものではなく、ゲート駆動回路を電力変換装置30内に設けてもよい。

0043

[3レベル電力変換装置(電力変換装置)の構造例]
次に、図7図9を参照して、上記の3レベル電力変換回路を備える3レベル電力変換装置31U,31V,31W及び電力変換装置30の構造を説明する。
図7は、3相の3レベル電力変換装置31U,31V,31Wを備える電力変換装置30の構造例を示す概略正面図である。
図8は、3相の3レベル電力変換装置31U,31V,31Wを備える電力変換装置30の構造例を示す概略背面図である。
図9は、図7に示した電力変換装置30のA−A線に沿う概略断面図である。

0044

図7図9に示すように、電力変換装置30の筐体の中に、U相,V相,W相の3相の3レベル電力変換装置31U,31V,31Wが構築される。3相とも同一構成であるから、ここでは、U相の3レベル電力変換装置31Uを例に説明する。

0045

3レベル電力変換装置31Uは、Pブス33P、Cブス33C及びNブス33Nの3本のブスと、端子が3本のブスに接続される平滑コンデンサ21,22(図8参照)と、4つのIGBTセル20−1〜20−4が実装される略箱状の筐体(ユニット41)を備える。ユニット41に実装される4つのIGBTセル20−1〜20−4は、IGBTセル20−1,20−2,20−3,20−4の順に積み上げられて収納される。図7中のP,C,Nは、それぞれの電位のブスを表している。なお、箱状の筐体であるユニット41は、その一部の面が開口していてもよい。

0046

平滑コンデンサ21,22は、例えば垂直方向の平面を持つ平滑コンデンサ取り付け用ボード23(図9参照)に取り付けられる。上述したように、平滑コンデンサ21の両端は、各電力変換セル(3レベル電力変換回路10)が備える正側端子11Pと中性点端子11Cに、平滑コンデンサ22は、各電力変換セルが備える中性点端子11Cと負側端子11Nに接続される。すなわち、平滑コンデンサ21,22の両端子と3レベル電力変換回路10を含むIGBTセル20の各端子とが、実質的に直結している。

0047

平滑コンデンサ21,22には、例えば、乾式フィルムコンデンサが用いられ、その寸法は約350mm(縦)×300mm(横)×150mm(奥行き)である。

0048

ユニット41の内部は、図9に示すように、鉛直方向(Z軸方向)に積み上げられた4台のIGBTセル20−1〜20−4と、各々の電力変換セルの交流電力の出力用ブス19と、4本の出力用ブス19を接続するブス19Jから構成される。4台のIGBTセル20−1〜20−4からブス19Jに出力された交流電力は、水平方向に延在するブス42を介して電流センサ43に入力される。電流センサ43は、入力された交流電力の電流値を検出し、電流値に異常がなければ交流電動機35へ交流電力を出力するなどの動作を行う。

0049

3レベル電力変換装置31U(ユニット41)内のIGBTセル20−1〜20−4は、各々の主面が電力変換装置30の鉛直方向と平行、かつ、各々の長手方向が電力変換装置30の奥行き方向(X方向)と平行となるように、縦積みで実装される。そのため、3相分の3つの3レベル電力変換装置31U,31V,31Wが、図7及び図8に示すように電力変換装置30の幅方向(Y方向)に実装されたとしても、電力変換装置30の1面の幅は高々1200mm程度となる。

0050

図2図5を参照して説明したように、IGBTセル20−1〜20−4において、内部に配置された各々のIGBTモジュール1〜4が、その長手方向が電力変換装置30の底面に平行となるように実装されている(図5参照)。さらに、IGBTモジュール1〜4が、規定の長さの範囲内で電力変換装置30の筐体と平行な方向に順次並べて、IGBTセル20−1〜20−4に配置されている。この例では、1台のIGBTセル20に、4個のIGBTモジュール1〜4が、垂直方向に2個、水平方向に2個配置される。

0051

上記のように複数のIGBTモジュール1〜4を電力変換セルに配置することにより、1台の電力変換セルの主面の長手方向の長さを規定の長さの範囲内としつつ、その高さ方向の寸法を極力抑えることができる。そして、高さを抑えた電力変換セルを用いることにより、例えば図7〜9のように4台のIGBTセル20−1〜20−4を鉛直方向に縦積みしても、電力変換装置30の高さ方向が高々2000mm程度に抑えられる。つまり、電力変換セル内において本実施の形態に係るルールに沿ってIGBTモジュールを配置、実装することにより、電力変換装置30の小型化が実現可能になる。

0052

すなわち、上述した実施の形態によれば、電力変換セルの高さ寸法が低減され、電力変換セルを、3レベル電力変換装置の高さ制限寸法以内に収まるように垂直方向に積むことができる。それにより、3レベル電力変換装置の幅寸法も小さくすることができ、3レベル電力変換装置の小型化、ひいては電力変換装置の小型化が実現可能となった。

0053

上記のように構成した結果、本実施の形態では、電力変換装置30の筐体寸法は、幅(Y軸方向)が約1200mm、高さ(Z軸方向)が約2000mm、奥行き(X軸方向)が約1800mmに抑えることが可能となった。

0054

なお、上述した実施の形態では、図5に示すようにダイオードモジュール5,6をIGBTセル20内に実装したが、ダイオードモジュール5,6は、必ずしもIGBTセル20内に実装しなくてもよく、同一相の3レベル電力変換装置内に実装すればよい。

0055

上述した実施の形態では、3レベル電力変換回路10に4個のIGBTモジュール1〜4を用いて、IGBTセル20の長手方向に2例(2個)、短手方向に2段(2個)のIGBTモジュールを配置した構成を説明したが、この例に限らない。
例えば、3レベル電力変換回路に6個のIGBTモジュールを用い、IGBTセルの長手方向に3列、短手方向に3行のIGBTモジュールを配置する構成としてもよい。
また、例えば3レベル電力変換回路に8個のIGBTモジュールを用いた場合、規定の長さの範囲を超えないよう1段目に4個のIGBTモジュールを配置し、2段目も4個のIGBTモジュールを配置する構成としてもよい。
または、8個のIGBTモジュールを用いて、規定の長さの範囲を超えないよう1段目と2段目に3個のIGBTモジュールを配置し、3段目に2個のIGBTモジュールを配置する構成としてもよい。この場合、3段目の空きスペースに、2個の中性点クランプ用のダイオードモジュールを配置することで、空きスペースを有効活用して電力変換セルの外形を大きくすることなく、ダイオードモジュールを配置することができる。

0056

以上、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の変形例、応用例を取り得ることは勿論である。

0057

例えば、上記した実施形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

0058

また、制御線情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

0059

1…正側IGBTモジュール、2…第1の中性点IGBTモジュール、 3…第2の中性点IGBTモジュール、 4…負側IGBTモジュール、 5…正側ダイオードモジュール、6…負側ダイオードモジュール、 10…3レベル電力変換回路、 11P…正側端子、 11C…中間点端子、 11N…負側端子、 13…Cブス、 14…正側中性点クランプ用ブス、 15…負側中性点クランプ用ブス、 16…Pブス、 17…Nブス、 18,19…出力用ブス、 19J…ブス、 20…IGBTセル、 20−1〜20−4…IGBTセル、 21,22…平滑コンデンサ、 30…電力変換装置、 31U,31V,31W…3レベル電力変換装置、 32P…P母線、 32C…C母線、 32N…N母線、 33P…Pブス、 33N…Nブス、 33C…Cブス、 41…ユニット、 42…ブス、 43…電流センサ

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