電力變換單元和電力變換裝置的制造方法
【專利摘要】減少電力變換裝置的設置面積。第一功率半導體模塊(111)和第二功率半導體模塊(112)分別與正極導體(152)、負極導體(153)以及交流導體(154)連接，將外部交流端子(154T)、第一功率半導體模塊、第二功率半導體模塊、電容器(121、122)、包含外部正極端子和外部負極端子的外部直流端子(131b、132b)排列于在電路連接部的長邊方向上延伸的直線上，將外部交流端子設置于電路連接部的長邊方向的一端，將外部直流端子設置于電路連接部的長邊方向的另一端。
【專利說明】
電力變換單元和電力變換裝置
技術領域
[0001] 本發明設及一種用于電力變換的電路。
【背景技術】
[0002] 在電力變換裝置中，通過其主要部件即功率半導體模塊中使用的功率半導體的技 術革新，使開關動作高速化，并降低了功率半導體的損失。由此，能夠使用于對功率半導體 模塊進行冷卻的冷卻器小型化，結果，實現電力變換裝置的小型化。特別是，具有電力變換 裝置的UPS(Uninterruptit)Ie Power Supply:不斷電電源裝置)面向數據中屯、，鋪設在地價 高的都市近郊，因此期望設置面積小。另外，在為了輸出額定電流而將電力變換裝置內的構 成電力變換電路的功率半導體模塊進行并聯連接而使用的情況下，期望流過各功率半導體 模塊的電流平衡。
[0003] 已知使并聯連接的功率半導體模塊中流過的電流平衡的電力變換裝置。在專利文 獻1中，對于功率半導體模塊所具備的端子部的排列方向，將多個功率半導體模塊排列成在 側面相互平行。運些多個功率半導體模塊通過由正極導體和負極導體構成的多層層疊板W 及交流導體進行連接。另外，通過在交流導體上設置切口形成部，使流過各功率半導體模塊 的電流平衡。
[0004] 現有技術文獻
[0005] 專利文獻
[0006] 專利文獻1:日本特開2012-95472號公報

【發明內容】

[0007] 發明要解決的課題
[0008] 然而，在專利文獻1所記載的電力變換裝置中，由于將與電力變換裝置相連接的電 抗器等重部件配置于電力變換裝置的下方等理由，在使端子排列方向為電力變換裝置的上 下方向的情況下，多個功率半導體模塊水平地排列，電力變換裝置的寬度方向變大。由此， 使電力變換裝置的設置面積增大。
[0009] 解決課題的手段
[0010] 為了解決上述問題，本發明的一個方式的電力變換單元具備：電路連接部，其包含 具有外部正極端子的正極導體、具有外部負極端子的負極導體W及具有外部交流端子的交 流導體；第一功率半導體模塊，其與上述正極導體、上述負極導體W及上述交流導體相連 接;第二功率半導體模塊，其與上述正極導體、上述負極導體W及上述交流導體相連接；W 及電容器，其與上述正極導體和上述負極導體相連接。上述第一功率半導體模塊包含:第一 直流端子，其具有與上述正極導體相連接的第一正極端子和與上述負極導體相連接的第一 負極端子;第一交流端子，其與上述交流導體相連接，上述第二功率半導體模塊包含:第二 直流端子，其具有與上述正極導體相連接的第二正極端子和與上述負極導體相連接的第二 負極端子;第二交流端子，其與上述交流導體相連接，將上述外部交流端子、上述第一功率 半導體模塊、上述第二功率半導體模塊、上述電容器W及包含上述外部正極端子和上述外 部負極端子的外部直流端子排列于在上述電路連接部的長邊方向上延伸的直線上，將上述 外部交流端子設置于上述電路連接部的長邊方向的一端，將上述外部直流端子設置于上述 電路連接部的長邊方向的另一端。
[0011] 發明的效果
[0012] 根據本發明的一個方式，能夠降低包含并聯連接的多個功率半導體模塊的電力變 換裝置的設置面積。
【附圖說明】
[001引圖1表示實施例的UPS的結構。
[0014] 圖2表示轉換器11的電路結構。
[0015] 圖3表示逆變器12的電路結構。
[0016] 圖4表示升壓斬波器13的電路結構。
[0017]圖5表示電力變換單元101的結構。
[0018] 圖6是表示電力變換單元101的結構的立體圖。
[0019] 圖7是表示電力變換單元101的結構的右側視圖。
[0020] 圖8是表示電力變換單元101的前面的結構的分解立體圖。
[0021] 圖9是表示電力變換單元101的背面的結構的分解立體圖。
[0022] 圖10是表示主電路匯流條組件151的前面的結構的立體圖。
[0023] 圖11是表示主電路匯流條組件151的背面的結構的立體圖。
[0024] 圖12是表示主電路匯流條組件151的前面的結構的分解立體圖。
[0025] 圖13是表示主電路匯流條組件151的背面的結構的分解立體圖。
[00%]圖14是表示主電路匯流條組件151的從外部交流端子154T向負極的烙絲連接部 159的電流路徑的圖。
[0027] 圖15是表示主電路匯流條組件151的從正極的烙絲連接部158向外部交流端子 154T的電流路徑的圖。
[0028] 圖16是表示電力變換部2a的結構的立體圖。
[0029] 圖17是表示電力變換部2a的結構的主視圖。
【具體實施方式】
[0030] W下，使用【附圖說明】本發明的實施例。
[0031 ] 作為本發明的實施例，說明UPS(Uninterruptit)Ie Power Supply:不斷電電源裝 置)。
[0032] 圖1表示實施例的IPS的結構。
[0033] 該UPS 2使用在停電時能夠不間斷地繼續供電的不間斷逆變器供電方式。此外，本 發明并不限于不間斷逆變器供電方式，還能夠用于不間斷商用供電方式等其它方式。
[0034] 3相交流的商用電源3在正常運用時，經由轉換器11和逆變器12向負載4供給電力。 在此，轉換器11將3相交流的商用電源3變換為直流電壓5后提供給逆變器12。逆變器12將直 流電壓5變換為3相交流電力6。由此，在商用電源3中產生了瞬時電壓下降等電壓變動的情 況下，也可通過轉換器11和逆變器12進行控制，從而能夠將與正常的商用電源等同的電力 穩定地提供給負載4。
[0035] 另一方面，在停電時，在逆變器12啟動的狀態下，從蓄電池14經由逆變器12向負載 4供給電力。由此，UPS2能夠不間斷地向負載4供給電力。在本實施例中，為了使UPS 2的體積 小型化，使蓄電池14的總電壓比向逆變器12施加的直流電壓足夠小。因此，本實施例的UPS2 搭載有升壓斬波器13,該升壓斬波器13將通過蓄電池14的放電而輸出的低壓的直流電壓上 升至期望的直流電壓5后向逆變器12輸出。此外，UPS2在沒有體積限制的情況下，省略升壓 斬波器13,還能夠用于具有能夠供給期望的直流電壓的高壓蓄電池14的UPS2。
[0036] 在商用電源3與轉換器11的交流端子之間連接有用于對正弦波進行整形的濾波器 18。濾波器18例如針對各相，包含一端與轉換器11的交流端子串聯連接的電抗器W及與電 抗器的另一端并聯連接的電容器。濾波器18為重部件，因此配置在轉換器11的正下方。在逆 變器12的交流端子與負載4之間連接有濾波器19。濾波器19例如針對各相，包含一端與轉換 器11的交流端子串聯連接的電抗器W及與電抗器的另一端并聯連接的電容器。濾波器19為 重部件，因此配置在逆變器12的正下方。在蓄電池14與升壓斬波器13的交流端子之間連接 有電抗器15。電抗器15為重部件，因此配置在升壓斬波器13的正下方。
[0037] 在W下的說明中，將轉換器11、逆變器12W及升壓斬波器13總稱為電力變換部2a。
[0038] UPS 2還可W具有對電力變換部2a進行空氣冷卻的冷卻機構。
[0039] 旁路電路17根據指示繞過電力變換部2a，將商用電源3與負載4直接進行連接。維 護旁路電路16為了維護電力變換部2a和旁路電路17,根據指示，繞過電力變換部2a和旁路 電路17，將商用電源3與負載4直接進行連接。
[0040] 圖2表示轉換器11的電路結構。
[0041 ]將來自商用電源3的3相交流電力提供給轉換器11的交流端子R、S、T，在R、S、T各相 中，通過上臂的開關元件21和整流元件23、下臂的開關元件22和整流元件24W及電容器群 120進行整流后向直流端子P、N輸出。在本實施例中，作為開關元件21、22使用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor:絕緣柵雙極型晶體管），作為整流元件23、24使用 二極管，但是并不限于此，也可應用其它種類的元件。
[0042] 圖3表示逆變器12的電路結構。
[0043] 把通過轉換器11或升壓斬波器13進行變換后的直流電壓5提供給逆變器12的直流 端子P、N，在U、V、W各相中，通過上臂的開關元件21和整流元件23、下臂的開關元件22和整流 元件24W及電容器群120變換為交流電力6后向交流端子U、V、W輸出。把從交流端子U、V、W輸 出的3相交流提供給負載4。
[0044] 圖4表示升壓斬波器13的電路結構。
[0045] 將蓄電池14的輸出提供給電抗器15的輸入端子Bat。在下臂的開關元件22接通的 期間，在輸入端子Bat與交流端子C之間連接的電抗器15中積蓄能量。接著，在下臂的開關元 件22斷開時，上臂的整流元件23通過電抗器15產生的反電動勢電壓而接通。由此，在升壓斬 波器13的輸出端子P、N出現從蓄電池14輸出的直流電壓與電抗器15的反電動勢電壓的相加 電壓，輸出升壓后的直流電壓。
[0046] 如上所述，本實施例的UPS2中搭載的轉換器11、逆變器12W及升壓斬波器13均具 有至少一個基本電路，該基本電路包含將上臂的開關元件21W及整流元件23與下臂的開關 元件22W及整流元件24串聯連接而成的二電平半橋電路即功率半導體模塊群110、電容器 群120、正極側的烙絲131W及負極側的烙絲132。此外，也可W使用=電平W上的變換電路 來代替二電平半橋電路。
[0047]在本實施例中，通過電力變換單元101來實現基本電路，通過電力變換單元101的 組合，實現轉換器11、逆變器12、升壓斬波器13。由此，使電力變換部2a中使用的部件的種類 通用化，并且容易地進行電力變換部2a的組裝和維護。
[004引圖5表示電力變換單元101的結構。
[0049] 在電力變換單元101中，分別將構成上下臂的二合一型的第一功率半導體模塊111 與第二功率半導體模塊112并聯連接，由此實現功率半導體模塊群110。并且，通過將第一電 容器121與第二電容器122并聯連接，實現電容器群120。由此，能夠使用多個功率半導體模 塊和多個電容器，來實現與向電力變換單元101要求的功率相應的功率半導體模塊群110和 電容器群120。
[0050] 并且，在電力變換單元101中，對于功率半導體模塊群110和電容器群120,在正極 側串聯連接了烙絲131，在負極側串聯連接了烙絲132。正極側的烙絲131的第二端子13化與 轉換器11、逆變器12、升壓斬波器13中的P端子對應。負極側的烙絲132的第二端子13化與轉 換器11、逆變器12、升壓斬波器13中的N端子對應。電力變換單元101具有烙絲131、132,由此 能夠提高短路故障時的電力變換單元101的可靠性。此外，在通過切斷器斷開電力變換單元 101的情況下等，可W省略烙絲13U132中的任意一個或雙方。
[0051] 功率半導體模塊11U112分別具有上臂的開關元件21和整流元件23W及下臂的開 關元件22和整流元件24。在功率半導體模塊11U112各自的上臂與下臂之間，與外部交流端 子154T相連接。功率半導體模塊各自的上臂的開關元件21的柵極端子與柵極端子 Illg相連接。功率半導體模塊111、112各自的下臂的開關元件22的柵極端子與柵極端子 112g相連接。
[0052] 圖6是表示電力變換單元101的結構的立體圖。
[0化3 ] W后，將UPS2的坐標決定為X軸、Y軸、Z軸。此外，Y軸方向表示UPS2的前方，Z軸方向 表示UPS2的上方，X軸方向表示UPS2的左方。在各個烙絲131和132,在后（一Y)方向上設置有 一端子，在前(+Y)方向上設置有另一端子。另外，將烙絲131和132相對于主電路匯流條組件 151配置在前(巧)方向上。即，正極側的烙絲131的第一端子131a和負極側的烙絲132的第一 端子132a朝向后（一Y)方向，通過安裝螺栓139與主電路匯流條組件151連接。另一方面，正 極側的烙絲131的第二端子13化和負極側的烙絲132的第二端子13化朝向前(巧)方向。通過 采取該配置，成為用于將自身的電力變換單元101與其它的電力變換單元101進行連接的端 子的、正極側的烙絲131的第二端子13化和負極側的烙絲132的第二端子13化位于UPS 2的 前面，由此組裝時和維護時前面接近性良好，作業性提高。在此，作為電力變換單元101所具 有的外部端子，如上所述，存在與用于與其它的電力變換單元101連接的單元連接匯流條組 件161相連接的正極側的烙絲131的第二端子13化、負極側的烙絲132的第二端子13化W及 在主電路匯流條組件151中設置的外部交流端子154T運共計=個外部端子。
[0054] 圖7是表示電力變換單元101的結構的右側視圖。
[0055] 電力變換單元101具有功率半導體模塊群110、電容器群120、烙絲131和132W及將 它們電連接的主電路匯流條組件151。此外，將空冷散熱片113設置于功率半導體模塊群110 的背面（一Y方向），對功率半導體模塊群110進行冷卻。而且，將它們向下方（一Z)，W功率半 導體模塊群110、電容器群120、烙絲131和132的順序進行配置。此外，W在主電路匯流條組 件151的背面側，用于對空冷散熱片113進行空氣冷卻的風向上方(+Z)流動的方式設計了殼 體，并設置了冷卻機構。運樣進行配置的理由在于，空冷散熱片113相對于電容器群120位于 風路的下風側、即上(+Z)側，由此電容器群120等不會受到來自空冷散熱片113的沖擊熱。另 夕h通過將發熱量大的烙絲131、132配置于上風側，由此烙絲131、132被高效率地冷卻。在本 實施例中，將空冷散熱片113設置于功率半導體模塊群110的一Y方向，但是例如在風路為一 Y方向的情況下，將空冷散熱片113設置于功率半導體模塊群110的+Z方向上等，根據風路來 決定空冷散熱片113的設置方向。另外，通過使功率半導體模塊群110與電容器群120相鄰， 能夠降低在將功率半導體模塊群110與電容器群120進行連接的主電路匯流條組件151上產 生的寄生電感，能夠降低在進行開關時產生的浪涌電壓，并且能夠使從自身的電力變換單 元101內的功率半導體模塊群110至相鄰的電力變換單元101內的電容器群120為止的阻抗 最小，因此不僅能夠有效利用自身的電力變換單元101的電容器群120,還能夠有效利用其 它的電力變換單元101的電容器群120,因此作為結果，能夠降低在每一個電力變換單元101 中使用的電容器群的電容量，還能夠減小電力變換單元101的體積。
[0056] 將具有向前(+Y)方向突出的端子的功率半導體模塊群110和電容器群120相對于 主電路匯流條組件151配置于后方（一Y)。通過采取該配置，功率半導體模塊群110和電容器 群120的端子全部位于前面，維護時端子部的檢查或安裝和拆下等作業變得容易。
[0057] 圖8是表示電力變換單元101的前面的結構的分解立體圖，圖9是表示電力變換單 元101的背面的結構的分解立體圖。
[0058] 在本實施例中，在功率半導體模塊群110中，在并聯連接的狀態下搭載有分別為二 電平半橋電路(二合一）的功率半導體模塊111和112。此外，關于電力變換單元101內的功率 半導體模塊的并聯數，在使用電力變換單元101的IPS或其它的電力變換裝置的行列中W成 為最小功率的機型為基準，設為能夠允許該功率的所需最小限度的并聯數即可。其原因在 于，針對要求更大功率的機型，通過使電力變換單元101并聯化，能夠滿足期望的電能。在本 實施例中，考慮上述運一點，將功率半導體模塊的并聯數設為2。
[0059] 在功率半導體模塊111和112中分別設置有正極端子Illp和11化、負極端子Illn和 11211、交流端子1113(3和1123(3、控制端子群111(1和112(1。在控制端子群111(1和112(1中分別包 含柵極端子111肖和112邑。
[0060] 將功率半導體模塊群110中的正極端子Illp和11化分別與主電路匯流條組件151 中的正極的連接端子15化相連接。將功率半導體模塊群110中的負極端子Illn和11化分別 與主電路匯流條組件151中的負極的連接端子15化相連接。將功率半導體模塊群110中的交 流端子lilac和112ac分別與連接端子154ac相連接，該連接端子154ac與外部交流端子154T 連接。將運些正極端子Illp和11化、負極端子Illn和11化、交流端子lilac和112ac分別使用 焊接等接合方式與主電路匯流條組件151相連接。也可W通過螺栓或夾子等將它們連接。
[0061] 此外，為了抑制從電容器群120至功率半導體模塊111的正極端子Illp和負極端子 Illn為止的距離與從電容器群120至功率半導體模塊112的正極端子11化和負極端子11化 為止的距離之間的差，相對于一方的功率半導體模塊111的在X軸方向上排列的正極端子 Illp和負極端子Illn的配置，使另一方的功率半導體模塊112的正極端子11化和負極端子 11化的配置反轉。并且，使功率半導體模塊111中的正極端子Illp和負極端子Illn接近且面 對，使功率半導體模塊112中的正極端子11化和負極端子11化接近且面對。即，功率半導體 模塊112相對于功率半導體模塊111在XZ平面內反轉。通過采取運種配置，減小在功率半導 體模塊111W及112與電容器121W及122之間產生的阻抗的差，由此提高流過功率半導體模 塊111和功率半導體模塊112的電流的均衡。
[0062] 使用電容器安裝螺栓129,將電容器121所具有的正極端子121p和負極端子121n安 裝于在主電路匯流條組件151中設置的電容器連接部位156。同樣地，使用電容器安裝螺栓 12則尋電容器122所具有的正極端子12化和負極端子12化安裝于在主電路匯流條組件151中 設置的電容器連接部位157。
[0063] 圖10是表示主電路匯流條組件151的前面的結構的立體圖，圖11是表示主電路匯 流條組件151的背面的結構的立體圖。
[0064] 在電容器連接部位156的背面設置有電容器連接部156p、156n，在電容器連接部位 157的背面設置有電容器連接部157p、157n。對于主電路匯流條組件151在電容器連接部 156p、156n的相反側分別設置有電容器安裝螺栓連接部156pf、156nf，對于主電路匯流條組 件151在電容器連接部157p、157n的相反側設置有電容器安裝螺栓連接部157pf、15化f。使 用電容器連接部位156的前面的電容器安裝螺栓129分別將電容器121的正極端子121p和負 極端子121n固定于電容器連接部位156的背面。由此，電容器121的正極端子121p和負極端 子121n分別與電容器連接部156p、156n接觸，各電容器安裝螺栓129分別與電容器安裝螺栓 連接部156pf、156址接觸。并且，使用電容器連接部位157的前面的電容器安裝螺栓129分別 將電容器122的正極端子122p和負極端子12化固定于電容器連接部位157的背面。由此，電 容器122的正極端子12化和負極端子12化分別與電容器連接部157p、157n接觸，各電容器安 裝螺栓129分別與電容器安裝螺栓連接部157pf、15化巧妾觸。
[0065] 在主電路匯流條組件151的前面設置有烙絲連接部158、159,對于主電路匯流條組 件151在烙絲連接部158、159的相反側分別設置有烙絲安裝螺栓連接部158b和159b。使用烙 絲安裝螺栓連接部158b的背面的烙絲安裝螺栓139,將正極側的烙絲131的第一端子131a固 定于烙絲連接部158的前面。由此，正極側的烙絲131的第一端子131a與烙絲連接部158接 觸，烙絲安裝螺栓139與烙絲安裝螺栓連接部158b接觸。并且，使用烙絲安裝螺栓連接部 159b的背面的烙絲安裝螺栓139,將負極側的烙絲132的第一端子132a固定于烙絲連接部 159的前面。由此，負極側的烙絲132的第一端子132a與烙絲連接部159接觸，烙絲安裝螺栓 139與烙絲安裝螺栓連接部159b接觸。
[0066] 圖12是表示主電路匯流條組件151的前面的結構的分解立體圖，圖13是表示主電 路匯流條組件151的背面的結構的分解立體圖。
[0067] 主電路匯流條組件151具有正極導體152、負極導體153、交流導體154W及絕緣體 155。正極導體152、負極導體153W及交流導體154呈平板狀。為了降低在功率半導體模塊群 110與電容器群120之間出現的寄生電感，將正極導體152和負極導體153, W相互相對的面 平行且接近的方式經由絕緣體155層疊。由此，能夠降低主電路匯流條組件151中的電流紋 波和阻抗，降低在進行開關時產生的浪涌電壓。并且，絕緣體155 W層疊配置的正極導體 152、負極導體153W及交流導體154保持預定的絕緣距離的方式覆蓋運些導體的大部分。在 此，為了改善散熱性，也可W在保持預定的絕緣距離的范圍內使主電路匯流條組件151的前 面和背面的導體面露出。關于絕緣體155,使用流動性良好的絕緣性的樹脂等。
[006引此外，在本實施例中，向后方（一Y) W交流導體154、正極導體152、負極導體153的 順序進行配置，但是如果W運些導體中正極導體152與負極導體153最接近的方式進行配 置，則即使對運些導體的配置順序進行變更，也不會對寄生電感帶來影響。運些導體使用 銅、侶等導電率高的材質，從一個導體板通過切出、彎曲等加工來形成。W正極導體152為例 來進行說明。其形成方法為，基于一片導體板，在導體板的面內保留成為用于與正極端子 Illp和11化連接的連接端子15化的部分，同時切開用于使功率半導體模塊111和112的全部 端子1119、11111、111日(3、111(1、1129、11化、112日。、112(1貫穿的開口部15化。然后，將導體板的 面內保留的成為連接端子15化的部分向前方(+Y)彎折90度，由此形成連接端子15化。上述 的形成方法對于負極導體153和交流導體154也相同。
[0069] 正極導體152包含分別與功率半導體模塊群110的正極端子Illp和11化連接的兩 個連接端子15化。負極導體153包含分別與功率半導體模塊群110的負極端子Illn和11化連 接的兩個連接端子15化。交流導體154包含分別與功率半導體模塊群110的交流端子lilac 和112ac連接的兩個連接端子154acW及與外部連接的外部交流端子154T。
[0070] 在電容器連接部位156和157中，電容器121和122的負極端子121n和12化與設置于 負極導體153的背面的電容器連接部156n和15化抵接。并且，W電容器121和122的正極端子 121p和12化在與負極導體153的背面相同的虛擬平面上與導體抵接的方式，設置了從正極 導體152向后方（一Y)突出的電容器連接部15化和157p。電容器連接部156p和157p與正極導 體152不是一體，通過銅焊、軟針焊、馴接等方法與正極導體152相連接。另外，也可通過從一 片導體板進行切削從而將電容器連接部156P和157P在突出的狀態下保留的方法、壓鑄等鑄 造方法，制造電容器連接部156p和157p。在電容器連接部156p和157p設置有用于使電容器 安裝螺栓129通過的孔。而且，為了避免突出的正極的電容器連接部15化和157p與負極導體 153接觸，在負極導體153上設置有開口部15化和15化。
[0071] 并且，在電容器連接部位156和157中，將電容器121的正極端子121p和電容器122 的正極端子12化分別進行固定的電容器安裝螺栓129與設置于正極導體152的前面的電容 器連接部156pf和157p巧氏接。并且，W將電容器121的負極端子12In和電容器122的負極端 子122n分別進行固定的電容器安裝螺栓129在與正極導體152的前面相同的虛擬平面上與 導體抵接的方式，設置了從負極導體153向前方(+Y)突出的電容器連接部156nf和15化f。電 容器連接部156nf和15化f與負極導體153不是一體，通過與電容器連接部156p和157p相同 的方法與負極導體153連接。在電容器連接部156nf和157nf上設置有用于使電容器安裝螺 栓129通過的孔。而且，為了避免突出的負極的電容器連接部156nf和15化f與正極導體152 接觸，在正極導體152上設置有開口部15化和15化。
[0072] 在主電路匯流條組件151與烙絲131、132的連接部位，正極側的烙絲131的第一端 子131a與設置于正極導體152的前面的烙絲連接部158抵接。并且，W負極側的烙絲132的第 一端子132a在與正極導體152的前面相同的虛擬平面（第二虛擬平面）上與導體抵接的方 式，設置有從負極導體153向前方(+Y)突出的烙絲連接部159。烙絲連接部159與負極導體 153不是一體，通過與電容器連接部156p和157p相同的方法與負極導體153連接。在烙絲連 接部159上設置有用于使烙絲安裝螺栓139通過的孔。而且，為了避免突出的負極的烙絲連 接部159與正極導體152接觸，在正極導體152上設置有開口部15化。
[0073] 正極側的烙絲131的第一端子13 Ia與負極側的烙絲132的第一端子132a在同一虛 擬平面內與主電路匯流條組件151抵接，由此烙絲13U132的安裝變得容易，并且主電路匯 流條組件151的處理變得容易。
[0074] 并且，在主電路匯流條組件151與烙絲131、13 2的連接部位，將負極側的烙絲13 2的 第一端子132a進行固定的烙絲安裝螺栓139與設置于負極導體153的后面的烙絲連接部158 抵接。并且，W將正極側的烙絲131的第一端子131a進行固定的烙絲安裝螺栓139在與負極 導體153的后面相同的虛擬平面上與導體抵接的方式，設置了從負極導體153向后方（一Y) 突出的烙絲連接部158b。烙絲連接部158b與正極導體152不是一體，通過與電容器連接部 156p和157p相同的方法與正極導體152連接。在烙絲連接部158b上設置有用于使烙絲安裝 螺栓139通過的孔。而且，為了避免突出的正極的烙絲連接部158b與負極導體153接觸，在負 極導體153上設置有開口部15化。
[0075] 從上向下（一Z方向），依次配置有外部交流端子154T、功率半導體模塊111、功率半 導體模塊112、電容器121、電容器122 W及烙絲連接部158、159,由此能夠消減電力變換單元 101的水平方向（X方向和Y方向）的大小。另外，本實施例中的功率半導體模塊具有 相同結構，各自Z方向的長度比X方向的長度長。將功率半導體模塊112相對于功率半導體模 塊111在下方（一Z方向）相鄰地進行配置。由此，與水平地排列兩個功率半導體模塊的情況 相比，能夠消減電力變換單元101的X方向的大小。在主電路匯流條組件151的表面(XZ平面） 上，功率半導體模塊11U112的長邊方向朝向主電路匯流條組件151的長邊方向。例如當把 功率半導體模塊111中的從交流端子lilac至正極端子IllpW及負極端子Illn為止的距離 和功率半導體模塊112中的從交流端子112ac至正極端子11化和負極端子11化為止的距離 設為端子間距離時，端子間距離比功率半導體模塊各自的寬度(X方向的長度)長。 另外，在本實施例中，端子間距離大于主電路匯流條組件151的寬度(短邊方向的長度，X方 向的長度）。由此，能夠消減電力變換單元101的X方向的大小。
[0076] 通過采取上述的電力變換單元101的結構，能夠消減UPS2等電力變換裝置的設置 面積。
[0077] 將功率半導體模塊11U112在Z方向上排列，并且相互反轉地配置，由此流過功率 半導體模塊111的電流的路徑與流過功率半導體模塊112的電流的路徑不同，因此有可能產 生運些電流不平衡。W下，說明用于防止該不平衡的結構。
[0078] 首先，說明電流從主電路匯流條組件151的交流側向直流側流動的情況。
[0079] 圖14是表示主電路匯流條組件151中的從外部交流端子154T向負極的烙絲連接部 159的電流路徑的圖。
[0080] 在此，在主電路匯流條組件151的長邊方向上存在的外部交流端子154T、第一功率 半導體模塊111的交流端子lilac、第一功率半導體模塊111的正負極端子Illp和llln、第二 功率半導體模塊112的正負極端子11化和11化、第二功率半導體模塊112的交流端子112ac、 烙絲連接部158或159的位置，分別作為線段hi~h5設置了分區。
[0081] 在此，作為穩定時，考慮假設在電流流入外部交流端子154T的狀況下，各功率半導 體模塊111和112的下臂的IGBT導通的狀況。此時，電流從外部交流端子154T經過交流導體 154，按著功率半導體模塊111、112內的下臂的IGBT、負極導體15 3、負極側的烙絲連接部159 的順序進行流動。考慮將該電流路徑分為經過第一功率半導體模塊111的路徑IW及經過第 二功率半導體模塊112的路徑2。
[0082] 在此，在正極導體152、負極導體153W及交流導體154中，每單位長度的阻抗相等， 將該阻抗設為Ze。另外，功率半導體模塊11U112的阻抗相等，將該阻抗設為Zm。此時，使用hi ~hs用W下式子表示路徑1的阻抗幻、路徑2的阻抗Z2。
[0083] 試1]
[0084] Zi = hiZc+ZM+(h3+h4+h5)Zc ...(1)
[0085] [式 2]
[0086] Z2=化 i+h2+h3+h4)Zc+ZM+化 4+hs)Zc
[0087] ---(2)
[0088] 通過式（1)和式(2)，用W下式子表示阻抗的不平衡Z2-Z1。
[0089] [式 3]
[0090] Z2-Z1=化 2+h4)Zc ---(3)
[0091] 如式(3)所示，根據路徑長度的不平衡h2+h4來決定穩定時的路徑1與路徑2的阻抗 的不平衡。該路徑長度的不平衡由于將功率半導體模塊112相對于功率半導體模塊111反轉 地進行配置而引起。
[0092] 與阻抗的不平衡相對于全部路徑的阻抗的比對應地，產生電流的不平衡，因此為 了減少電流不平衡，路徑長度的不平衡h2+h4與全部路徑長度相比足夠小即可。即，成為W下 關系式。
[0093] 試4]
[0094] h2+h4< <hi+h3+h5 ...(4)
[00巧]換言之，h2+h4足夠小于從外部交流端子154T至烙絲連接部158、159為止的距離減 去h2+h4而得到的值。在此，如上所述需要使第一功率半導體模塊111與第二功率半導體模塊 112接近，因此需要h3短。由此，式(4)意味著hi和hs比h2和h4足夠長即可。根據W上所述，通過 將外部交流端子154T和烙絲連接部158或159分別設置在主電路匯流條組件151的兩端，在 穩定時，能夠使流過第一功率半導體模塊111和第二功率半導體模塊112的電流平衡化。此 外，h2與h4也可W相等。
[0096] 另一方面，在由于電力變換裝置的整體結構上的尺寸限制等而無法充分滿足式 (4)的情況下，電流不平衡增大。在該情況下，還能夠通過對產生不平衡的交流導體154的導 體厚度進行調整，來減少路徑長度的不平衡。
[0097] 在此，設為正極導體152的厚度與負極導體153的厚度相等，并設為交流導體154的 厚度為正極導體152和負極導體153的厚度的n倍。用W下式子表示路徑1的阻抗Zi、路徑2的 阻抗Z2。
[009引[式 5]
[0099] ' ?巧）
[0100] …《技）
[0101]
[0102] 根據式(5)和(6)，Zi與Z2相等的n用W下式子表示。
[0103] [式 7]
[0104]
* * ? m
[0105] 如上所述，通過將交流導體154的厚度相對于正極導體152和負極導體153的厚度 的比設為用式(7)表示的n，能夠抑制阻抗的不平衡，能夠防止路徑1和路徑2之間的電流的 不平衡。
[0106] 接著，說明電流從主電路匯流條組件151的直流側向交流側流動的情況。
[0107] 圖15是表示主電路匯流條組件151中從正極的烙絲連接部158向外部交流端子 154T的電流路徑的圖。
[0108] 在此，作為穩定時，考慮假設在電流從外部交流端子154T流出的狀況下，各功率半 導體模塊111和112的上臂的IGBT導通的狀況。此時，電流從烙絲連接部158經過正極導體 152,按著功率半導體模塊11U112內的上臂的IGBT、交流導體154、外部交流端子154T的順 序流動。考慮將該電流路徑分為經過第一功率半導體模塊111的路徑3和經過第二功率半導 體模塊112的路徑4。此時，路徑3的長度與路徑1的長度相等，路徑4的長度與路徑2的長度相 等。因此，正極導體152、負極導體153W及交流導體154的厚度相等時的各分區的長度的條 件成為上述式(4)。另外，使交流導體154的厚度相對于正極導體152和負極導體153的厚度 不同時的條件成為上述式(7)。
[0109] 圖16是表示電力變換部2a的結構的立體圖。
[0110] 在此，電力變換部2a被設置于UPS 2的殼體(未圖示）內，在電力變換部2a的Y軸方 向即UPS2的殼體的前面設置有在維護UPS2時打開的開關口（未圖示）。通過打開該開關口， 能夠容易地接近電力變換部2a的前面。
[0111] 電力變換部2a包含在X軸方向上排列的多個電力變換單元101。在轉換器11中包含 與商用電源的3相分別對應的S個電力變換單元101。逆變器12也同樣地包含與3相分別對 應的=個電力變換單元101。
[0112] 升壓斬波器13包含并聯連接的兩個電力變換單元101。此外，升壓斬波器13也可W 是一個電力變換單元101。在對升壓斬波器13要求的功率超過電力變換單元101所具備的功 率半導體模塊群110的額定功率的情況下，通過將N個電力變換單元101并聯連接，使能夠允 許的電力成為N倍。通過同樣的目的，轉換器11和逆變器12根據需要也可W分別具有每1相 多個并聯連接的電力變換單元101。
[0113] 將電力變換部2a中的多個電力變換單元101經由單元連接匯流條組件161并聯連 接。多個電力變換單元101各自的長邊方向為Z方向，將多個電力變換單元101在X方向上排 列。單元連接匯流條組件161的長邊方向為X方向，將單元連接匯流條組件161在多個電力變 換單元101的巧方向上配置。即，多個電力變換單元101各自的長邊方向與單元連接匯流條 組件161的長邊方向交叉。由此，能夠在有限的體積內高效地配置多個電力變換單元101。
[0114] 在各個電力變換單元101下部的前面所具備的正極側的烙絲131的第二端子13化 和負極側的烙絲132的第二端子13化上，使用安裝螺栓169安裝有單元連接匯流條組件161。
[0115] 圖17是表示電力變換部2a的結構的主視圖。
[0116] 在多個電力變換單元101的上端設置的外部交流端子154T分別與轉換器11的R、S、 T端子、逆變器12的U、V、W端子、升壓斬波器13的C、C端子(通用）對應。在單元連接匯流條組 件161的左端設置的兩個端子中、上方的端子與轉換器11、逆變器12、升壓斬波器13中的P端 子對應，下方的端子與轉換器11、逆變器12、升壓斬波器13中的N端子對應。
[0117] 通過設為上述實施例的結構，根據期望的電能和相數將適當數量的電力變換單元 101進行并聯連接，由此能夠任意地構成轉換器11、逆變器12、升壓斬波器13等各種電力變 換裝置。而且，作為最小構成單位來制造電力變換單元101，由此針對多種電力變換裝置實 現部件的通用化，能夠消減成本。另外，通過使用通用化的電力變換單元101，并聯配置時成 為整齊的布局，單元間連接布線的便利性和整體組裝性提高。另外，將電力變換單元101中 包含的功率半導體模塊的端子群、電容器端子、烙絲端子、電力變換單元101彼此進行連接 的單元連接匯流條組件161存在于電力變換裝置的前面，因此組裝時和維護時的前面接近 性良好，操作性提高。
[0118] 說明電力變換部2a的制造方法。首先，制造者將多個電力變換單元101在巧方向上 排列，相對于多個電力變換單元101在巧方向上配置單元連接匯流條組件161。之后，制造者 經由單元連接匯流條組件161中包含的正極導體162將多個電力變換單元101內分別包含的 多個正極導體152進行連接，并經由單元連接匯流條組件161中包含的負極導體163將多個 電力變換單元101中分別包含的多個負極導體153進行連接。由此，能夠制造電力變換部2a。 另外，能夠使用多個電力變換單元101來制造轉換器11、逆變器12、升壓斬波器13等。并且， 制造者將蓄電池14、維護旁路電路16、旁路電路17等連接在多個電力變換單元101中分別包 含的多個交流端子154T，由此能夠制造UPS 2。
[0119] 此外，也可W在電力變換單元101中，從上向下（一Z方向）依次配置包含外部正極 端子和外部負極端子的外部直流端子群、功率半導體模塊111、功率半導體模塊112、電容器 121、電容器122W及外部交流端子154T。在該情況下，將外部直流端子群設置于主電路匯流 條組件151的上端，將外部交流端子154T設置于主電路匯流條組件151的下端。在該情況下， 通過將與外部交流端子154T相連接的電抗器等重部件配置在電力變換單元101的下方，能 夠縮短外部交流端子與重部件的距離，將阻抗抑制得低。
[0120]說明術語。電力變換單元與電力變換單元101等對應。正極導體與正極導體152等 對應。負極導體與負極導體153等對應。交流導體與交流導體154等對應。電路連接部與主電 路匯流條組件151等對應。電容器與電容器群120等對應。正極連接導體與正極導體162等對 應。負極連接導體與負極導體163等對應。兩個二電平半橋電路與功率半導體模塊11U112 等對應。兩個電容器與電容器121、122等對應。正極烙絲與烙絲131等對應。負極烙絲與烙絲 132等對應。電力變換裝置與轉換器11、逆變器12、升壓斬波器13、電力變換部2a、UPS 2等對 應。第一功率半導體模塊與功率半導體模塊111等對應。第二功率半導體模塊與功率半導體 模塊112等對應。外部正極端子與烙絲連接部158等對應。外部負極端子與烙絲連接部159等 對應。外部交流端子與外部交流端子154T等對應。第一直流端子與正極端子Illp和負極端 子Illn等對應。第一正極端子與正極端子Illp等對應。第一負極端子與負極端子Illn等對 應。第一交流端子與交流端子lilac等對應。第二直流端子與正極端子11化和負極端子11化 等對應。第二正極端子與正極端子11化等對應。第二負極端子與負極端子11化等對應。第二 交流端子與交流端子112ac等對應。特定方向與一Z方向等對應。排列方向與X方向等對應。a 與h2等對應。b與h4等對應。C與h3等對應。
[0121] 本發明并不限于上述實施例，在不脫離其宗旨的范圍內，能夠變更為其它各種方 式。
[0122] 附圖標記說明
[0123] 1:電力變換裝置；2:UPS(Uninte;r;ruptible Power Supply:不斷電電源裝置）；11: 轉換器;12:逆變器;13:升壓斬波器;101:電力變換單元；110:功率半導體模塊群； 功率半導體模塊；113:空冷散熱片；120:電容器群；121、122:電容器；131、132:烙絲；151:主 電路匯流條組件；152:正極導體；153:負極導體；154:交流導體；154T:外部交流端子；155: 絕緣體；161:單元連接匯流條組件；162:正極導體；162T:外部正極端子；163:負極導體； 163T:外部負極端子;164:絕緣體。
【主權項】
1. 一種電力變換單元，其特征在于，具備： 電路連接部，其包含具有外部正極端子的正極導體、具有外部負極端子的負極導體以 及具有外部交流端子的交流導體； 第一功率半導體模塊，其與上述正極導體、上述負極導體以及上述交流導體相連接； 第二功率半導體模塊，其與上述正極導體、上述負極導體以及上述交流導體相連接；以 及 電容器，其與上述正極導體和上述負極導體相連接， 上述第一功率半導體模塊包含： 第一直流端子，其具有與上述正極導體相連接的第一正極端子和與上述負極導體相連 接的第一負極端子;以及 第一交流端子，其與上述交流導體相連接， 上述第二功率半導體模塊包含： 第二直流端子，其具有與上述正極導體相連接的第二正極端子和與上述負極導體相連 接的第二負極端子;以及 第二交流端子，其與上述交流導體相連接， 將上述外部交流端子、上述第一功率半導體模塊、上述第二功率半導體模塊、上述電容 器以及包含上述外部正極端子和上述外部負極端子的外部直流端子排列于在上述電路連 接部的長邊方向上延伸的直線上， 將上述外部交流端子設置于上述電路連接部的長邊方向的一端， 將上述外部直流端子設置于上述電路連接部的長邊方向的另一端。2. 根據權利要求1所述的電力變換單元，其特征在于， 將上述第一直流端子、上述第一交流端子、上述第二直流端子以及上述第二交流端子 排列在上述直線上， 將上述第一直流端子相對于上述第一交流端子配置在特定方向上， 將上述第二直流端子相對于上述第二交流端子配置在上述特定方向的反方向上。3. 根據權利要求1或2所述的電力變換單元，其特征在于， 上述正極導體、上述負極導體以及上述交流導體各自為平板狀， 將上述正極導體、上述負極導體以及上述交流導體經由絕緣體相互層疊。4. 根據權利要求1~3中的任意一項所述的電力變換單元，其特征在于， 從上述第一交流端子至上述第一直流端子的距離和從上述第二交流端子至上述第二 直流端子的距離各自大于上述電路連接部的平板的短邊方向的長度。5. 根據權利要求2~4中的任意一項所述的電力變換單元，其特征在于， 上述正極導體和上述負極導體各自的厚度為預定厚度， 上述交流導體的厚度大于上述預定厚度， 使用上述第一交流端子與上述第一直流端子之間的距離a、上述第二直流端子與上述 第二交流端子之間的距離b以及上述第一直流端子與上述第二直流端子之間的距離c，來表 示上述交流導體的厚度相對于上述預定厚度的比η。6. 根據權利要求5所述的電力變換單元，其特征在于， 11、&、13、(3的關系通過11=1 + (3+13)/(3來表示。7. 根據權利要求1~4中的任意一項所述的電力變換單元，其特征在于， 上述正極導體的厚度、上述負極導體的厚度以及上述交流導體的厚度相等， 上述第一交流端子與上述第一直流端子之間的距離以及上述第二直流端子與上述第 二交流端子之間的距離之和小于上述外部交流端子與上述外部直流端子之間的距離減去 上述和而得到的值。8. 根據權利要求1~7中的任意一項所述的電力變換單元，其特征在于， 在上述直線上依次配置上述外部交流端子、上述第一功率半導體模塊、上述第二功率 半導體模塊、上述電容器以及上述外部直流端子。9. 根據權利要求1~7中的任意一項所述的電力變換單元，其特征在于， 在上述直線上依次配置上述外部直流端子、上述第一功率半導體模塊、上述第二功率 半導體模塊、上述電容器以及上述外部交流端子。10. 根據權利要求1~9中的任意一項所述的電力變換單元，其特征在于， 將上述第一負極端子相對于上述第一正極端子排列在作為上述電路連接部的短邊方 向的排列方向上， 將上述第二負極端子相對于上述第二正極端子排列在上述排列方向的反方向上。11. 根據權利要求1~10中的任意一項所述的電力變換單元，其特征在于， 上述電容器包含兩個電容器， 將上述兩個電容器配置在上述直線上。12. 根據權利要求1~11中的任意一項所述的電力變換單元，其特征在于， 上述第一功率半導體模塊和上述第二功率半導體模塊各自包含二電平半橋電路。13. 根據權利要求1~12中的任意一項所述的電力變換單元，其特征在于， 還具備與上述外部正極端子相連接的熔絲即正極熔絲以及與上述外部負極端子相連 接的熔絲即負極熔絲中的至少一個。14. 一種電力變換裝置，其特征在于，具備多個電力變換單元， 上述多個電力變換單元各自包含： 電路連接部，其包含具有外部正極端子的正極導體、具有外部負極端子的負極導體以 及具有外部交流端子的交流導體； 第一功率半導體模塊，其包含第一直流端子和第一交流端子，該第一直流端子具有與 上述正極導體相連接的第一正極端子以及與上述負極導體相連接的第一負極端子，該第一 交流端子與上述交流導體相連接； 第二功率半導體模塊，其包含第二直流端子和第二交流端子，該第二直流端子具有與 上述正極導體相連接的第二正極端子以及與上述負極導體相連接的第二負極端子，該第二 交流端子與上述交流導體相連接;以及 電容器，其與上述正極導體和上述負極導體相連接， 將上述外部交流端子、上述第一功率半導體模塊、上述第二功率半導體模塊、上述電容 器以及包含上述外部正極端子和上述外部負極端子的外部直流端子排列于在上述電路連 接部的長邊方向上延伸的直線上， 將上述外部交流端子設置于上述電路連接部的長邊方向的一端， 將上述外部直流端子設置于上述電路連接部的長邊方向的另一端。
【文檔編號】H02M7/48GK105981284SQ201580007585
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年3月2日
【發明人】服部幸男, 上妻央, 川島徹也, 三間彬, 松元大輔, 馬淵雄, 馬淵雄一
【申請人】株式會社日立制作所