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発明の名称 コンデンサの接続方法及び電力変換装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平11−55938
公開日 平成11年(1999)2月26日
出願番号 特願平9−208888
出願日 平成9年(1997)8月4日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】外川 英明
発明者 竹重 浩 / 中嶋 亮 / 佐藤 和弘
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】導体にて並列接続されるコンデンサを、前記コンデンサの正負極いずれかの端子が相対するようにU字状に配置し、前記導体の断面形状をL字状またはコの字状としたことを特徴とするコンデンサの接続方法。
【請求項2】導体にて並列接続されるコンデンサを、前記コンデンサの正負極いずれかの端子が相対するようにU字状に配置し、このU字状に配置したコンデンサをU字、逆U字と交互になるように直列または並列接続し、前記導体の断面形状をL字状またはコの字状としたことを特徴とするコンデンサの接続方法。
【請求項3】前記導体の正負極間に絶縁板を挟んだことを特徴とする請求項1または2記載のコンデンサ接続方法。
【請求項4】導体にて並列接続されるコンデンサを、前記コンデンサの正負極いずれかの端子が相対するようにU字状に配置し、前記U字状の底辺付近部から新たら導体により、直流電源を配線したことを特徴とするコンデンサの接続方法。
【請求項5】交流電力と、前記交流電力から直流電力に変換するコンバータ回路と、前記直流電力を平滑化し、前記請求項1乃至4いずれか記載のコンデンサ接続方法に基づき構成されるコンデンサと、前記平滑化された直流電力を交流電力に変換し、所定の交流電力を負荷に供給するインバータ回路と、を具備したことを特徴とする電力変換装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、コンデンサで平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータを備えた電力変換装置につき、特にコンデンサを直並列接続するブスバの配線インダクタンスを低減し、各コンデンサに流れる電流の不平衡を低減するコンデンサの接続方法及び電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】電力変換装置としては、交流電源から直流電圧を得、その直流電圧をコンデンサで平滑した後、交流電圧に変換するインバータを備えたものが一般的に使用されている。
【0003】図10は、最も多く採用されているトランジスタインバータを備えた電力変換装置の主回路を示した図である。交流電源12の電圧を整流器ブリッジ1で直流電圧に変換し、リアクトル2とコンデンサ3で平滑された直流電圧とされ、さらに複数のトランジスタ4から成るインバータ回路で所定の交流電力に変換し、負荷に供給する。このように構成された電力変換装置では、主回路の配線インダクタンスに貯蓄されたエネルギーによって、各トランジスタ4のスイッチオフ時にスパイク電圧が発生し、トランジスタ4にストレスを与えてしまうため、このスパイク電圧を抑制すべく、コンデンサ3と各トランジスタ4間の配線5、6の配線インダクタンスを極力小さくする必要が生じる。なお、スパイク電圧を抑制するためにスナバ回路が設けられているが、図では省力している。
【0004】また、電力変換装置の容量が大きくなればなるほど、より大きな容量のコンデンサが必要となり、コンデンサ3は複数個のコンデンサを並列接続して構成される。この場合、(1) いかにコンパクトにコンデンサを配置させるか(2) 各コンデンサに流れる電流に不平衡が生じるとコンデンサ3の寿命に大きく影響するため、この電流の不平衡を低減することが重要になる。
【0005】この(1) 配線のインダクタンスの低減と(2) 電流の不平衡の低減のために、従来から種々の方法が用いられている。図10に示すインバータ回路では、U相、Z相の各トランジスタ4がオン状態で、他のトランジスタ4がオフ状態の時、コンデンサ3で平滑された直流電圧の正極側から、正極側配線5、U相のトランジスタ4、負荷U−W、Z相のトランジスタ4、負極側配線6を通り、直流電圧の負荷側へ電流が流れる。この時、正極側配線5と負荷側配線6は、近接、または撚り合わされて、電流で発生される磁束の向きが互いに打ち消されるようにして配線のインダクタンスを低減する。
【0006】一方、コンデンサ3を複数個のコンデンサを並列接続して構成する場合は、図11に示すように、複数個のコンデンサ3a〜3dを一列に並べ、ブスバ7、8で各コンデンサ3a〜3dの端子を並列接続し、直流電源側からの電線9をブスバ7、8に一端に接続し、ブスバ7、8に流れる電流が矢印B、Cのように互いに反対方向に流れるようにしてブスバ7、8の配線インダクタンスを低減している。この場合、電線9(直流電源)に近い側のコンデンサに多く電流が流れ、不平衡が生じるため、図12に示すように、直流電源の正極側の電線9をブスバ7の一端に接続すると共に負極側の電線9をブスバ8の他端に接続し、負極側の電線9をブスバ7、8の間に渡し、このブスバ7、8と負極側の電線9に流れる電流の向きが矢印D,E,Fのように向き合うように配置し、ブスバ7、8の配線のインダクタンスを低減すると共に各コンデンサに流れる電流の不平衡を低減している。
【0007】また、図13に、コンデンサの正負極ブスバを平板にした時の図を示す。負極側が平板の影響で打ち消し合って負極ブスバ25、25′のインダクタンスが0となると、各コンデンサの流れる電流は、インダクタンスのみを考えた場合、正極側に多く流れることになる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した従来のコンデンサ接続方または電力変換装置は、図11のものは各コンデンサの正負の端子の間が離れているため、磁束の相殺作用が少なく、配線インダクタンスを低減する効果が少ないという問題があった。また、各コンデンサに流れる電流は一様ではなく、直流電源に近いコンデンサに多く流れ、それが寿命に大きく影響する。
【0009】従って、予め平衡を考慮してコンデンサの並列数を増やす必要があり、装置の実装スペースも増えると共に外形も大きくなる。また、図12のものは、各コンデンサに流れる電流の不平衡は改善されるが、ブスバ7、8と負極側の電線9が密着するまでに至らないため、やはり磁束の相殺作用が少なく、配線インダクタンスを低減する効果が少なく、大きな改善が望めない。
【0010】また、前者、後者とも電力変換装置の容量が大きくなると、コンデンサ3の容量も必然的に増え、多数のコンデンサを直並列接続して構成し、構造的にもかなり大きくなり、配線が複雑になるため、電流の平衡と配線インダクタンスの低減は更に困難になるという問題があった。さらに、図13のように、コンデンサの正負極ブスバを平板にした場合には、負極側が平板の影響で打ち消し合って負極ブスバ25、25′のインダクタンスが0となった場合、各コンデンサの流れる電流がインダクタンスのみを考えた場合、正極側に多く流れるという問題点があった。
【0011】つまり、各コンデンサに影響するインダクタンスは、コンデンサ固有のインダクタンス分・ブスバ固有のインダクタンス分・抵抗等で実際はここまで極端にはならないが、概念的には下記のようになり、数値の小さい方に電流が集中してしまう。
【0012】
コンデンサ3a=1+0=1コンデンサ3b=1+1+0=2コンデンサ3c=1+1+1+0=3コンデンサ3d=1+1+1+1+0=4接続ブスバの低インダクタンス化を目指して、ブスバを広げると、負極ブスバ間寸法が短くなり、上記のような現象が生じてしまうという問題があった。
【0013】そこで、本発明は、上記問題点を鑑み、多数のコンデンサを直並列接続する場合、よりコンパクトな構造にし配線のインダクタンスを低減させると共に、各コンデンンサに流れる電流の不均衡を低減し、寿命が長く信頼性に優れたコンデンサの接続方法及び電力変換装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、請求項1記載の発明は、導体にて並列接続されるコンデンサを、前記コンデンサの正負極いずれかの端子が相対するようにU字状に配置し、前記導体の断面形状をL字状またはコの字状としたことを特徴とする。
【0015】請求項2記載の発明は、導体にて並列接続されるコンデンサを、前記コンデンサの正負極いずれかの端子が相対するようにU字状に配置し、このU字状に配置したコンデンサをU字、逆U字と交互になるように直列または並列接続し、前記導体の断面形状をL字状またはコの字状としたことを特徴とする。
【0016】請求項3記載の発明は、前記導体の正負極間に絶縁板を挟んだことを特徴とする。請求項4記載の発明は、導体にて並列接続されるコンデンサを、前記コンデンサの正負極いずれかの端子が相対するようにU字状に配置し、前記U字状の底辺付近部から新たら導体により、直流電源を配線したことを特徴とする。
【0017】請求項5記載の発明は、交流電力と、前記交流電力から直流電力に変換するコンバータ回路と、前記直流電力を平滑化し、前記請求項1乃至4いずれか記載のコンデンサ接続方法に基づき構成されるコンデンサと、前記平滑化された直流電力を交流電力に変換し、所定の交流電力を負荷に供給するインバータ回路と、を具備したことを特徴とする電力変換装置に関する。
【0018】
【発明の実施の形態】前述した図10のトランジスタインバータの直流電圧を平滑にするためのコンデンサ3に、本発明を適用した場合の実施の形態を図面を参照して以下説明する。
【0019】尚、各実施の形態は、コンデンサのU字配置の内側に負極端子・外側に正極端子を設置し、並列接続する場合を例としている。本発明の第1の実施の形態を図1〜3を用いて説明する。図1は本実施の形態の電力変換装置に用いるコンデンサの実装方法を示す図である。
【0020】複数個のコンデンサ3a〜3dと3a′〜3d′はコンデンサ端子の同一極性が相対するようにU字型に並列配置する。ブスバ20と20′、40と40′の両端を解放した状態で、コンデンサの正極端子・負極端子をU字型にそれぞれ接続し、正負極それぞれのブスバの相対的に位置するブスバ40と20′に直流電源を接続している。
【0021】図2は、各ブスバ20、20′40、40′と各コンデンサ3a〜3dと3a′〜3d′間の接続状態を示した図である。コンデンサ3a〜3dの正極がU字の外側ブスバ40に接続され、負極がU字の内側ブスバ20に接続され、コンデンサ3a′〜3d′の正極が、U字の外側ブスバ40′に接続され、負極がU字の内側ブスバ20′に接続される。
【0022】直流電圧の正極側Pをブスバ40の一端に接続し、負極側Nをブスバ20′の一端に接続し、各ブスバ20、20′、40、40′に流れる電流が矢印で示す方向に流れるようにする。
【0023】また、図3(図1におけるA−A矢視)に示すようにブスバ20、20′、40、40′をL字状の断面形状とすることにより、図13に示す従前の形態で見られた問題点、即ち、ブスバ間S寸法が小さい場合に、電流によって生じる磁束が互いに相殺される結果、負極のブスバ20、20′の配線インダクタンスだけが小さくなり、正極のブスバ40、40′との配線インダクタンスのバランスがとれなくなり、電流不平衡の原因となってしまうという点を解消することが可能となる。
【0024】コンデンサ接続ブスバの断面形状を正負極共にL字型にすることによって、U字型に構成しているコンデンサの相対する内側同士の同極ブスバの間隔を広げられ、内側ブスバ間の配線インダクタンスの相殺作用を回避することができる。その結果、直流電源→正極ブスバ→各コンデンサ→負極ブスバ→直流電源までのブスバによる配線インピーダンスを均等にすることができるため、各コンデンサに流れる電流が均等になり、電流の不均等が低減される。
【0025】更に、ブスバの断面形状をL字型にしているため、内側ブスバの配線インダクタンスの相殺を回避するためにL型の横寸法を縮めるかわりに、縦寸法を広げることによってブスバの電流容量を確保できる。仮に、U字型構成の内側の同極ブスバ−間の配線インダクタンスを相殺させてしまうと、正極負極とのブスバの配線インピーダンスに偏りが生じて、コンデンサに流れる電流の不平衡に至ってしまう。このように、本実施の形態により、多数のコンデンサを並列接続する必要がある場合でも、よりコンパクトで電流バランスのとれたコンデンサ配置及び接続方法が可能となる。なお、本実施の形態(図1〜図3)では、U字状の例として、底辺部が直線で、ブスバ20′、40′とブスバ20、40とがほぼ直角の構成を挙げているが、本発明は、この形状に限定されるものでなく、V字であっても、もちろん曲線で構成されているものをも含んでおり、同様の効果が得られることはいうまでもない。また、図3において、正負極両端子をL字型としているが、負極ブスバ距離が十分であるのであれば、正極ブスバは、必ずしも負極ブスバと同形状でなければならないわけではない。
【0026】次に、本発明の第2の実施の形態を図4を用いて説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態のU字のコンデンサ配置をU字・逆U字と交互になる矩形配置にし、並列接続したものである。
【0027】この結果、第1の実施の形態の作用に加え、並列接続によるコンデンサの容量アップに伴う外形の増加を最小限に抑え、並列接続されたそれぞれのU字構成の一群のコンデンサを矩形配置で並列接続することによりコンパクトでより大容量のコンデンサ接続構成が実現できる。
【0028】次に、本発明の第3の実施の形態について図5を用いて説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態のU字のコンデンサ配置をU字・逆U字と交互になる矩形配置にし、直列接続させている。
【0029】上記構成とすることにより、第1の実施の形態の作用に加え、並列接続によるコンデンサの容量アップに伴う外形の増加を最小限に抑え、並列接続されたそれぞれのU字構成の一群のコンデンサを矩形配置で直列接続することにより高圧回路でのコンパクトでより大容量のコンデンサ接続構成が実現できる。
【0030】次に、本発明の第4の実施の形態を図6を用いて説明する。図6は、図1におけるA−A矢視を示す。U字配置させた複数のコンデンサ3a〜3dと3a′〜3d′を接続しているブスバ40、40′20、20′を図6においては41、41′、21、21′と表現する。第1の実施の形態の構造と同様に断面形状がL型の接続ブスバ41、41′、21、21′を使用し、負極ブスバ21、21′間の距離Sを保ちつつ、各々のコンデンサの正負極端子を接続しているブスバ41と21の間、41′と21′の間に耐電圧を保つように絶縁板(例えば、エボキシ樹脂等の絶縁物を注入等)30、30′を挟み込んで絶縁する。
【0031】上記構成とすることによって、ブスバ41と21、41′と21′がより密着に構成され、ブスバ41と21に流れる電流の磁束がより打ち消され、ブスバ41′と21′に流れる電流の磁束が打ち消される。
【0032】従って、正負極間でのブスバによる配線のインダクタンスを低減することができる。また、各コンデンサ側から見た電源側インピーダンスを均等にすることができ、電流の不平衡を低減することができる。
【0033】次に、第5の本発明の実施の形態を図7を用いて説明する。図7は、同一極性が相対するU字構成内側のコンデンサ接続ブスバ20、20′の断面形状を、図7のブスバ22、22′のようにコの字形状にして、U字外側のブスバ40、40′がコンデンサ端子接続部を除き、コの字と平行になるような構造のブスバ42、42′にしている。
【0034】上記構成とすることによって、第1の実施の形態の作用に加え、低インダクタンス化と放熱効果の作用を得ることができる。次に第6の本発明の実施の形態を図8を用いて説明する。
【0035】図8は、複数のコンデンサ3a〜3dと3a′〜3d′を接続する正負極それぞれのブスバ40、40′、20、20′をU字配置し、このブスバ構成で配置したコンデンサ部の正極・負極端子部の他に、ブスバ40、40′、20、20′の正極・負極それぞれのU字の底辺部から、新たに電線またはブスバ50、50′で直流電源を配線した構成になっている。
【0036】図2においては、ブスバ40のA −B に流れる電流はブスバ20のA′−B′に流れる電流より大きい。そのため、A −A′、B −B ′の閉回路内には、図2の紙面の上から下へ貫通する方向の磁束が増加し、その誘起電圧によって図2の矢印で示す方向に循環電流i′が流れる。この電流が本来の電流iに重畳し、コンデンサ3aの電流上昇率を高め( i+ i′)、コンデンサ3bの電流上昇率を低める( i−i′)作用がある。同様に、B −B′、C −C ′の閉回路内でも同じことがいえる。
【0037】このような理由により、複数のコンデンサが図1のように正負極のブスバの抵抗値すなわち同断面積で配線長さが等しく並列に接続されていても、電流分担は両端が大きく中央が小さく、図9に示すような分布となる。そのため、コンデンサを接続するブスバをU字配置し、前記ブスバ構成で配置したコンデンサ部の正極、負極端子部の他に前記配置したブスバの正極、負極それぞれのU字の底辺部から新たに電線またはブスバで配置することによって、複数のコンデンサを並列接続した場合に起こりうるU字中央部分での電流不均衡を低減できる。
【0038】上記構成とすることによって、第1の実施の形態の作用に加えて、複数のコンデンサを並列接続した場合に起こりうるコンデンサ構成中央部分での電流の不平衡を低減することができる。
【0039】
【発明の効果】以上の通り、本発明のコンデンサ接続方法及びこの接続方法により構成されたコンデンサを含む電力変換装置によれば、並列接続される複数個のコンデンサを有する電力変換装置において、コンデンサを並列接続するブスバの配線インダクタンスを低減することができ、インパー夕のスイッチング素子のオフ時に生じるスパイク電圧を抑制することができる。さらに、並列接続されたコンデンサに流れる電流の不平衡を低減することができ、コンデンサの寿命を長くし、信頼性に優れた電力変換装置を得ることができる。
【0040】また、予めアンバランスを見込んでコンデンサの容量を増やしたり、並列数を増やす必要がなく、複数のコンデンサが必要とされる場合でも、本実施の形態のコンデンサ配置構造によりコンデンサの直並列数を増やすことができ、コンデンサの実装スペースを減らしつつも大容量化ができ、小形化された電力変換装置を提供することが可能となる。




 

 


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