电力变换单元和电力变换装置的制造方法

电力变换单元和电力变换装置的制造方法
【专利摘要】减少电力变换装置的设置面积。第一功率半导体模块(111)和第二功率半导体模块(112)分别与正极导体(152)、负极导体(153)以及交流导体(154)连接，将外部交流端子(154T)、第一功率半导体模块、第二功率半导体模块、电容器(121、122)、包含外部正极端子和外部负极端子的外部直流端子(131b、132b)排列于在电路连接部的长边方向上延伸的直线上，将外部交流端子设置于电路连接部的长边方向的一端，将外部直流端子设置于电路连接部的长边方向的另一端。
【专利说明】
电力变换单元和电力变换装置
技术领域
[0001] 本发明设及一种用于电力变换的电路。
【背景技术】
[0002] 在电力变换装置中，通过其主要部件即功率半导体模块中使用的功率半导体的技 术革新，使开关动作高速化，并降低了功率半导体的损失。由此，能够使用于对功率半导体 模块进行冷却的冷却器小型化，结果，实现电力变换装置的小型化。特别是，具有电力变换 装置的UPS(Uninterruptit)Ie Power Supply:不断电电源装置)面向数据中屯、，铺设在地价 高的都市近郊，因此期望设置面积小。另外，在为了输出额定电流而将电力变换装置内的构 成电力变换电路的功率半导体模块进行并联连接而使用的情况下，期望流过各功率半导体 模块的电流平衡。
[0003] 已知使并联连接的功率半导体模块中流过的电流平衡的电力变换装置。在专利文 献1中，对于功率半导体模块所具备的端子部的排列方向，将多个功率半导体模块排列成在 侧面相互平行。运些多个功率半导体模块通过由正极导体和负极导体构成的多层层叠板W 及交流导体进行连接。另外，通过在交流导体上设置切口形成部，使流过各功率半导体模块 的电流平衡。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1:日本特开2012-95472号公报

【发明内容】

[0007] 发明要解决的课题
[0008] 然而，在专利文献1所记载的电力变换装置中，由于将与电力变换装置相连接的电 抗器等重部件配置于电力变换装置的下方等理由，在使端子排列方向为电力变换装置的上 下方向的情况下，多个功率半导体模块水平地排列，电力变换装置的宽度方向变大。由此， 使电力变换装置的设置面积增大。
[0009] 解决课题的手段
[0010] 为了解决上述问题，本发明的一个方式的电力变换单元具备：电路连接部，其包含 具有外部正极端子的正极导体、具有外部负极端子的负极导体W及具有外部交流端子的交 流导体；第一功率半导体模块，其与上述正极导体、上述负极导体W及上述交流导体相连 接;第二功率半导体模块，其与上述正极导体、上述负极导体W及上述交流导体相连接；W 及电容器，其与上述正极导体和上述负极导体相连接。上述第一功率半导体模块包含:第一 直流端子，其具有与上述正极导体相连接的第一正极端子和与上述负极导体相连接的第一 负极端子;第一交流端子，其与上述交流导体相连接，上述第二功率半导体模块包含:第二 直流端子，其具有与上述正极导体相连接的第二正极端子和与上述负极导体相连接的第二 负极端子;第二交流端子，其与上述交流导体相连接，将上述外部交流端子、上述第一功率 半导体模块、上述第二功率半导体模块、上述电容器W及包含上述外部正极端子和上述外 部负极端子的外部直流端子排列于在上述电路连接部的长边方向上延伸的直线上，将上述 外部交流端子设置于上述电路连接部的长边方向的一端，将上述外部直流端子设置于上述 电路连接部的长边方向的另一端。
[0011] 发明的效果
[0012] 根据本发明的一个方式，能够降低包含并联连接的多个功率半导体模块的电力变 换装置的设置面积。
【附图说明】
[001引图1表示实施例的UPS的结构。
[0014] 图2表示转换器11的电路结构。
[0015] 图3表示逆变器12的电路结构。
[0016] 图4表示升压斩波器13的电路结构。
[0017]图5表示电力变换单元101的结构。
[0018] 图6是表示电力变换单元101的结构的立体图。
[0019] 图7是表示电力变换单元101的结构的右侧视图。
[0020] 图8是表示电力变换单元101的前面的结构的分解立体图。
[0021] 图9是表示电力变换单元101的背面的结构的分解立体图。
[0022] 图10是表示主电路汇流条组件151的前面的结构的立体图。
[0023] 图11是表示主电路汇流条组件151的背面的结构的立体图。
[0024] 图12是表示主电路汇流条组件151的前面的结构的分解立体图。
[0025] 图13是表示主电路汇流条组件151的背面的结构的分解立体图。
[00%]图14是表示主电路汇流条组件151的从外部交流端子154T向负极的烙丝连接部 159的电流路径的图。
[0027] 图15是表示主电路汇流条组件151的从正极的烙丝连接部158向外部交流端子 154T的电流路径的图。
[0028] 图16是表示电力变换部2a的结构的立体图。
[0029] 图17是表示电力变换部2a的结构的主视图。
【具体实施方式】
[0030] W下，使用【附图说明】本发明的实施例。
[0031 ] 作为本发明的实施例，说明UPS(Uninterruptit)Ie Power Supply:不断电电源装 置)。
[0032] 图1表示实施例的IPS的结构。
[0033] 该UPS 2使用在停电时能够不间断地继续供电的不间断逆变器供电方式。此外，本 发明并不限于不间断逆变器供电方式，还能够用于不间断商用供电方式等其它方式。
[0034] 3相交流的商用电源3在正常运用时，经由转换器11和逆变器12向负载4供给电力。 在此，转换器11将3相交流的商用电源3变换为直流电压5后提供给逆变器12。逆变器12将直 流电压5变换为3相交流电力6。由此，在商用电源3中产生了瞬时电压下降等电压变动的情 况下，也可通过转换器11和逆变器12进行控制，从而能够将与正常的商用电源等同的电力 稳定地提供给负载4。
[0035] 另一方面，在停电时，在逆变器12启动的状态下，从蓄电池14经由逆变器12向负载 4供给电力。由此，UPS2能够不间断地向负载4供给电力。在本实施例中，为了使UPS 2的体积 小型化，使蓄电池14的总电压比向逆变器12施加的直流电压足够小。因此，本实施例的UPS2 搭载有升压斩波器13,该升压斩波器13将通过蓄电池14的放电而输出的低压的直流电压上 升至期望的直流电压5后向逆变器12输出。此外，UPS2在没有体积限制的情况下，省略升压 斩波器13,还能够用于具有能够供给期望的直流电压的高压蓄电池14的UPS2。
[0036] 在商用电源3与转换器11的交流端子之间连接有用于对正弦波进行整形的滤波器 18。滤波器18例如针对各相，包含一端与转换器11的交流端子串联连接的电抗器W及与电 抗器的另一端并联连接的电容器。滤波器18为重部件，因此配置在转换器11的正下方。在逆 变器12的交流端子与负载4之间连接有滤波器19。滤波器19例如针对各相，包含一端与转换 器11的交流端子串联连接的电抗器W及与电抗器的另一端并联连接的电容器。滤波器19为 重部件，因此配置在逆变器12的正下方。在蓄电池14与升压斩波器13的交流端子之间连接 有电抗器15。电抗器15为重部件，因此配置在升压斩波器13的正下方。
[0037] 在W下的说明中，将转换器11、逆变器12W及升压斩波器13总称为电力变换部2a。
[0038] UPS 2还可W具有对电力变换部2a进行空气冷却的冷却机构。
[0039] 旁路电路17根据指示绕过电力变换部2a，将商用电源3与负载4直接进行连接。维 护旁路电路16为了维护电力变换部2a和旁路电路17,根据指示，绕过电力变换部2a和旁路 电路17，将商用电源3与负载4直接进行连接。
[0040] 图2表示转换器11的电路结构。
[0041 ]将来自商用电源3的3相交流电力提供给转换器11的交流端子R、S、T，在R、S、T各相 中，通过上臂的开关元件21和整流元件23、下臂的开关元件22和整流元件24W及电容器群 120进行整流后向直流端子P、N输出。在本实施例中，作为开关元件21、22使用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极型晶体管），作为整流元件23、24使用 二极管，但是并不限于此，也可应用其它种类的元件。
[0042] 图3表示逆变器12的电路结构。
[0043] 把通过转换器11或升压斩波器13进行变换后的直流电压5提供给逆变器12的直流 端子P、N，在U、V、W各相中，通过上臂的开关元件21和整流元件23、下臂的开关元件22和整流 元件24W及电容器群120变换为交流电力6后向交流端子U、V、W输出。把从交流端子U、V、W输 出的3相交流提供给负载4。
[0044] 图4表示升压斩波器13的电路结构。
[0045] 将蓄电池14的输出提供给电抗器15的输入端子Bat。在下臂的开关元件22接通的 期间，在输入端子Bat与交流端子C之间连接的电抗器15中积蓄能量。接着，在下臂的开关元 件22断开时，上臂的整流元件23通过电抗器15产生的反电动势电压而接通。由此，在升压斩 波器13的输出端子P、N出现从蓄电池14输出的直流电压与电抗器15的反电动势电压的相加 电压，输出升压后的直流电压。
[0046] 如上所述，本实施例的UPS2中搭载的转换器11、逆变器12W及升压斩波器13均具 有至少一个基本电路，该基本电路包含将上臂的开关元件21W及整流元件23与下臂的开关 元件22W及整流元件24串联连接而成的二电平半桥电路即功率半导体模块群110、电容器 群120、正极侧的烙丝131W及负极侧的烙丝132。此外，也可W使用=电平W上的变换电路 来代替二电平半桥电路。
[0047]在本实施例中，通过电力变换单元101来实现基本电路，通过电力变换单元101的 组合，实现转换器11、逆变器12、升压斩波器13。由此，使电力变换部2a中使用的部件的种类 通用化，并且容易地进行电力变换部2a的组装和维护。
[004引图5表示电力变换单元101的结构。
[0049] 在电力变换单元101中，分别将构成上下臂的二合一型的第一功率半导体模块111 与第二功率半导体模块112并联连接，由此实现功率半导体模块群110。并且，通过将第一电 容器121与第二电容器122并联连接，实现电容器群120。由此，能够使用多个功率半导体模 块和多个电容器，来实现与向电力变换单元101要求的功率相应的功率半导体模块群110和 电容器群120。
[0050] 并且，在电力变换单元101中，对于功率半导体模块群110和电容器群120,在正极 侧串联连接了烙丝131，在负极侧串联连接了烙丝132。正极侧的烙丝131的第二端子13化与 转换器11、逆变器12、升压斩波器13中的P端子对应。负极侧的烙丝132的第二端子13化与转 换器11、逆变器12、升压斩波器13中的N端子对应。电力变换单元101具有烙丝131、132,由此 能够提高短路故障时的电力变换单元101的可靠性。此外，在通过切断器断开电力变换单元 101的情况下等，可W省略烙丝13U132中的任意一个或双方。
[0051] 功率半导体模块11U112分别具有上臂的开关元件21和整流元件23W及下臂的开 关元件22和整流元件24。在功率半导体模块11U112各自的上臂与下臂之间，与外部交流端 子154T相连接。功率半导体模块各自的上臂的开关元件21的栅极端子与栅极端子 Illg相连接。功率半导体模块111、112各自的下臂的开关元件22的栅极端子与栅极端子 112g相连接。
[0052] 图6是表示电力变换单元101的结构的立体图。
[0化3 ] W后，将UPS2的坐标决定为X轴、Y轴、Z轴。此外，Y轴方向表示UPS2的前方，Z轴方向 表示UPS2的上方，X轴方向表示UPS2的左方。在各个烙丝131和132,在后（一Y)方向上设置有 一端子，在前(+Y)方向上设置有另一端子。另外，将烙丝131和132相对于主电路汇流条组件 151配置在前(巧)方向上。即，正极侧的烙丝131的第一端子131a和负极侧的烙丝132的第一 端子132a朝向后（一Y)方向，通过安装螺栓139与主电路汇流条组件151连接。另一方面，正 极侧的烙丝131的第二端子13化和负极侧的烙丝132的第二端子13化朝向前(巧)方向。通过 采取该配置，成为用于将自身的电力变换单元101与其它的电力变换单元101进行连接的端 子的、正极侧的烙丝131的第二端子13化和负极侧的烙丝132的第二端子13化位于UPS 2的 前面，由此组装时和维护时前面接近性良好，作业性提高。在此，作为电力变换单元101所具 有的外部端子，如上所述，存在与用于与其它的电力变换单元101连接的单元连接汇流条组 件161相连接的正极侧的烙丝131的第二端子13化、负极侧的烙丝132的第二端子13化W及 在主电路汇流条组件151中设置的外部交流端子154T运共计=个外部端子。
[0054] 图7是表示电力变换单元101的结构的右侧视图。
[0055] 电力变换单元101具有功率半导体模块群110、电容器群120、烙丝131和132W及将 它们电连接的主电路汇流条组件151。此外，将空冷散热片113设置于功率半导体模块群110 的背面（一Y方向），对功率半导体模块群110进行冷却。而且，将它们向下方（一Z)，W功率半 导体模块群110、电容器群120、烙丝131和132的顺序进行配置。此外，W在主电路汇流条组 件151的背面侧，用于对空冷散热片113进行空气冷却的风向上方(+Z)流动的方式设计了壳 体，并设置了冷却机构。运样进行配置的理由在于，空冷散热片113相对于电容器群120位于 风路的下风侧、即上(+Z)侧，由此电容器群120等不会受到来自空冷散热片113的冲击热。另 夕h通过将发热量大的烙丝131、132配置于上风侧，由此烙丝131、132被高效率地冷却。在本 实施例中，将空冷散热片113设置于功率半导体模块群110的一Y方向，但是例如在风路为一 Y方向的情况下，将空冷散热片113设置于功率半导体模块群110的+Z方向上等，根据风路来 决定空冷散热片113的设置方向。另外，通过使功率半导体模块群110与电容器群120相邻， 能够降低在将功率半导体模块群110与电容器群120进行连接的主电路汇流条组件151上产 生的寄生电感，能够降低在进行开关时产生的浪涌电压，并且能够使从自身的电力变换单 元101内的功率半导体模块群110至相邻的电力变换单元101内的电容器群120为止的阻抗 最小，因此不仅能够有效利用自身的电力变换单元101的电容器群120,还能够有效利用其 它的电力变换单元101的电容器群120,因此作为结果，能够降低在每一个电力变换单元101 中使用的电容器群的电容量，还能够减小电力变换单元101的体积。
[0056] 将具有向前(+Y)方向突出的端子的功率半导体模块群110和电容器群120相对于 主电路汇流条组件151配置于后方（一Y)。通过采取该配置，功率半导体模块群110和电容器 群120的端子全部位于前面，维护时端子部的检查或安装和拆下等作业变得容易。
[0057] 图8是表示电力变换单元101的前面的结构的分解立体图，图9是表示电力变换单 元101的背面的结构的分解立体图。
[0058] 在本实施例中，在功率半导体模块群110中，在并联连接的状态下搭载有分别为二 电平半桥电路(二合一）的功率半导体模块111和112。此外，关于电力变换单元101内的功率 半导体模块的并联数，在使用电力变换单元101的IPS或其它的电力变换装置的行列中W成 为最小功率的机型为基准，设为能够允许该功率的所需最小限度的并联数即可。其原因在 于，针对要求更大功率的机型，通过使电力变换单元101并联化，能够满足期望的电能。在本 实施例中，考虑上述运一点，将功率半导体模块的并联数设为2。
[0059] 在功率半导体模块111和112中分别设置有正极端子Illp和11化、负极端子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中分别包 含栅极端子111肖和112邑。
[0060] 将功率半导体模块群110中的正极端子Illp和11化分别与主电路汇流条组件151 中的正极的连接端子15化相连接。将功率半导体模块群110中的负极端子Illn和11化分别 与主电路汇流条组件151中的负极的连接端子15化相连接。将功率半导体模块群110中的交 流端子lilac和112ac分别与连接端子154ac相连接，该连接端子154ac与外部交流端子154T 连接。将运些正极端子Illp和11化、负极端子Illn和11化、交流端子lilac和112ac分别使用 焊接等接合方式与主电路汇流条组件151相连接。也可W通过螺栓或夹子等将它们连接。
[0061] 此外，为了抑制从电容器群120至功率半导体模块111的正极端子Illp和负极端子 Illn为止的距离与从电容器群120至功率半导体模块112的正极端子11化和负极端子11化 为止的距离之间的差，相对于一方的功率半导体模块111的在X轴方向上排列的正极端子 Illp和负极端子Illn的配置，使另一方的功率半导体模块112的正极端子11化和负极端子 11化的配置反转。并且，使功率半导体模块111中的正极端子Illp和负极端子Illn接近且面 对，使功率半导体模块112中的正极端子11化和负极端子11化接近且面对。即，功率半导体 模块112相对于功率半导体模块111在XZ平面内反转。通过采取运种配置，减小在功率半导 体模块111W及112与电容器121W及122之间产生的阻抗的差，由此提高流过功率半导体模 块111和功率半导体模块112的电流的均衡。
[0062] 使用电容器安装螺栓129,将电容器121所具有的正极端子121p和负极端子121n安 装于在主电路汇流条组件151中设置的电容器连接部位156。同样地，使用电容器安装螺栓 12則尋电容器122所具有的正极端子12化和负极端子12化安装于在主电路汇流条组件151中 设置的电容器连接部位157。
[0063] 图10是表示主电路汇流条组件151的前面的结构的立体图，图11是表示主电路汇 流条组件151的背面的结构的立体图。
[0064] 在电容器连接部位156的背面设置有电容器连接部156p、156n，在电容器连接部位 157的背面设置有电容器连接部157p、157n。对于主电路汇流条组件151在电容器连接部 156p、156n的相反侧分别设置有电容器安装螺栓连接部156pf、156nf，对于主电路汇流条组 件151在电容器连接部157p、157n的相反侧设置有电容器安装螺栓连接部157pf、15化f。使 用电容器连接部位156的前面的电容器安装螺栓129分别将电容器121的正极端子121p和负 极端子121n固定于电容器连接部位156的背面。由此，电容器121的正极端子121p和负极端 子121n分别与电容器连接部156p、156n接触，各电容器安装螺栓129分别与电容器安装螺栓 连接部156pf、156址接触。并且，使用电容器连接部位157的前面的电容器安装螺栓129分别 将电容器122的正极端子122p和负极端子12化固定于电容器连接部位157的背面。由此，电 容器122的正极端子12化和负极端子12化分别与电容器连接部157p、157n接触，各电容器安 装螺栓129分别与电容器安装螺栓连接部157pf、15化巧妾触。
[0065] 在主电路汇流条组件151的前面设置有烙丝连接部158、159,对于主电路汇流条组 件151在烙丝连接部158、159的相反侧分别设置有烙丝安装螺栓连接部158b和159b。使用烙 丝安装螺栓连接部158b的背面的烙丝安装螺栓139,将正极侧的烙丝131的第一端子131a固 定于烙丝连接部158的前面。由此，正极侧的烙丝131的第一端子131a与烙丝连接部158接 触，烙丝安装螺栓139与烙丝安装螺栓连接部158b接触。并且，使用烙丝安装螺栓连接部 159b的背面的烙丝安装螺栓139,将负极侧的烙丝132的第一端子132a固定于烙丝连接部 159的前面。由此，负极侧的烙丝132的第一端子132a与烙丝连接部159接触，烙丝安装螺栓 139与烙丝安装螺栓连接部159b接触。
[0066] 图12是表示主电路汇流条组件151的前面的结构的分解立体图，图13是表示主电 路汇流条组件151的背面的结构的分解立体图。
[0067] 主电路汇流条组件151具有正极导体152、负极导体153、交流导体154W及绝缘体 155。正极导体152、负极导体153W及交流导体154呈平板状。为了降低在功率半导体模块群 110与电容器群120之间出现的寄生电感，将正极导体152和负极导体153, W相互相对的面 平行且接近的方式经由绝缘体155层叠。由此，能够降低主电路汇流条组件151中的电流纹 波和阻抗，降低在进行开关时产生的浪涌电压。并且，绝缘体155 W层叠配置的正极导体 152、负极导体153W及交流导体154保持预定的绝缘距离的方式覆盖运些导体的大部分。在 此，为了改善散热性，也可W在保持预定的绝缘距离的范围内使主电路汇流条组件151的前 面和背面的导体面露出。关于绝缘体155,使用流动性良好的绝缘性的树脂等。
[006引此外，在本实施例中，向后方（一Y) W交流导体154、正极导体152、负极导体153的 顺序进行配置，但是如果W运些导体中正极导体152与负极导体153最接近的方式进行配 置，则即使对运些导体的配置顺序进行变更，也不会对寄生电感带来影响。运些导体使用 铜、侣等导电率高的材质，从一个导体板通过切出、弯曲等加工来形成。W正极导体152为例 来进行说明。其形成方法为，基于一片导体板，在导体板的面内保留成为用于与正极端子 Illp和11化连接的连接端子15化的部分，同时切开用于使功率半导体模块111和112的全部 端子1119、11111、111日(3、111(1、1129、11化、112日。、112(1贯穿的开口部15化。然后，将导体板的 面内保留的成为连接端子15化的部分向前方(+Y)弯折90度，由此形成连接端子15化。上述 的形成方法对于负极导体153和交流导体154也相同。
[0069] 正极导体152包含分别与功率半导体模块群110的正极端子Illp和11化连接的两 个连接端子15化。负极导体153包含分别与功率半导体模块群110的负极端子Illn和11化连 接的两个连接端子15化。交流导体154包含分别与功率半导体模块群110的交流端子lilac 和112ac连接的两个连接端子154acW及与外部连接的外部交流端子154T。
[0070] 在电容器连接部位156和157中，电容器121和122的负极端子121n和12化与设置于 负极导体153的背面的电容器连接部156n和15化抵接。并且，W电容器121和122的正极端子 121p和12化在与负极导体153的背面相同的虚拟平面上与导体抵接的方式，设置了从正极 导体152向后方（一Y)突出的电容器连接部15化和157p。电容器连接部156p和157p与正极导 体152不是一体，通过铜焊、软针焊、馴接等方法与正极导体152相连接。另外，也可通过从一 片导体板进行切削从而将电容器连接部156P和157P在突出的状态下保留的方法、压铸等铸 造方法，制造电容器连接部156p和157p。在电容器连接部156p和157p设置有用于使电容器 安装螺栓129通过的孔。而且，为了避免突出的正极的电容器连接部15化和157p与负极导体 153接触，在负极导体153上设置有开口部15化和15化。
[0071] 并且，在电容器连接部位156和157中，将电容器121的正极端子121p和电容器122 的正极端子12化分别进行固定的电容器安装螺栓129与设置于正极导体152的前面的电容 器连接部156pf和157p巧氏接。并且，W将电容器121的负极端子12In和电容器122的负极端 子122n分别进行固定的电容器安装螺栓129在与正极导体152的前面相同的虚拟平面上与 导体抵接的方式，设置了从负极导体153向前方(+Y)突出的电容器连接部156nf和15化f。电 容器连接部156nf和15化f与负极导体153不是一体，通过与电容器连接部156p和157p相同 的方法与负极导体153连接。在电容器连接部156nf和157nf上设置有用于使电容器安装螺 栓129通过的孔。而且，为了避免突出的负极的电容器连接部156nf和15化f与正极导体152 接触，在正极导体152上设置有开口部15化和15化。
[0072] 在主电路汇流条组件151与烙丝131、132的连接部位，正极侧的烙丝131的第一端 子131a与设置于正极导体152的前面的烙丝连接部158抵接。并且，W负极侧的烙丝132的第 一端子132a在与正极导体152的前面相同的虚拟平面（第二虚拟平面）上与导体抵接的方 式，设置有从负极导体153向前方(+Y)突出的烙丝连接部159。烙丝连接部159与负极导体 153不是一体，通过与电容器连接部156p和157p相同的方法与负极导体153连接。在烙丝连 接部159上设置有用于使烙丝安装螺栓139通过的孔。而且，为了避免突出的负极的烙丝连 接部159与正极导体152接触，在正极导体152上设置有开口部15化。
[0073] 正极侧的烙丝131的第一端子13 Ia与负极侧的烙丝132的第一端子132a在同一虚 拟平面内与主电路汇流条组件151抵接，由此烙丝13U132的安装变得容易，并且主电路汇 流条组件151的处理变得容易。
[0074] 并且，在主电路汇流条组件151与烙丝131、13 2的连接部位，将负极侧的烙丝13 2的 第一端子132a进行固定的烙丝安装螺栓139与设置于负极导体153的后面的烙丝连接部158 抵接。并且，W将正极侧的烙丝131的第一端子131a进行固定的烙丝安装螺栓139在与负极 导体153的后面相同的虚拟平面上与导体抵接的方式，设置了从负极导体153向后方（一Y) 突出的烙丝连接部158b。烙丝连接部158b与正极导体152不是一体，通过与电容器连接部 156p和157p相同的方法与正极导体152连接。在烙丝连接部158b上设置有用于使烙丝安装 螺栓139通过的孔。而且，为了避免突出的正极的烙丝连接部158b与负极导体153接触，在负 极导体153上设置有开口部15化。
[0075] 从上向下（一Z方向），依次配置有外部交流端子154T、功率半导体模块111、功率半 导体模块112、电容器121、电容器122 W及烙丝连接部158、159,由此能够消减电力变换单元 101的水平方向（X方向和Y方向）的大小。另外，本实施例中的功率半导体模块具有 相同结构，各自Z方向的长度比X方向的长度长。将功率半导体模块112相对于功率半导体模 块111在下方（一Z方向）相邻地进行配置。由此，与水平地排列两个功率半导体模块的情况 相比，能够消减电力变换单元101的X方向的大小。在主电路汇流条组件151的表面(XZ平面） 上，功率半导体模块11U112的长边方向朝向主电路汇流条组件151的长边方向。例如当把 功率半导体模块111中的从交流端子lilac至正极端子IllpW及负极端子Illn为止的距离 和功率半导体模块112中的从交流端子112ac至正极端子11化和负极端子11化为止的距离 设为端子间距离时，端子间距离比功率半导体模块各自的宽度(X方向的长度)长。 另外，在本实施例中，端子间距离大于主电路汇流条组件151的宽度(短边方向的长度，X方 向的长度）。由此，能够消减电力变换单元101的X方向的大小。
[0076] 通过采取上述的电力变换单元101的结构，能够消减UPS2等电力变换装置的设置 面积。
[0077] 将功率半导体模块11U112在Z方向上排列，并且相互反转地配置，由此流过功率 半导体模块111的电流的路径与流过功率半导体模块112的电流的路径不同，因此有可能产 生运些电流不平衡。W下，说明用于防止该不平衡的结构。
[0078] 首先，说明电流从主电路汇流条组件151的交流侧向直流侧流动的情况。
[0079] 图14是表示主电路汇流条组件151中的从外部交流端子154T向负极的烙丝连接部 159的电流路径的图。
[0080] 在此，在主电路汇流条组件151的长边方向上存在的外部交流端子154T、第一功率 半导体模块111的交流端子lilac、第一功率半导体模块111的正负极端子Illp和llln、第二 功率半导体模块112的正负极端子11化和11化、第二功率半导体模块112的交流端子112ac、 烙丝连接部158或159的位置，分别作为线段hi~h5设置了分区。
[0081] 在此，作为稳定时，考虑假设在电流流入外部交流端子154T的状况下，各功率半导 体模块111和112的下臂的IGBT导通的状况。此时，电流从外部交流端子154T经过交流导体 154，按着功率半导体模块111、112内的下臂的IGBT、负极导体15 3、负极侧的烙丝连接部159 的顺序进行流动。考虑将该电流路径分为经过第一功率半导体模块111的路径IW及经过第 二功率半导体模块112的路径2。
[0082] 在此，在正极导体152、负极导体153W及交流导体154中，每单位长度的阻抗相等， 将该阻抗设为Ze。另外，功率半导体模块11U112的阻抗相等，将该阻抗设为Zm。此时，使用hi ~hs用W下式子表示路径1的阻抗幻、路径2的阻抗Z2。
[0083] 试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] 通过式（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，根据路径长度的不平衡h2+h4来决定稳定时的路径1与路径2的阻抗 的不平衡。该路径长度的不平衡由于将功率半导体模块112相对于功率半导体模块111反转 地进行配置而引起。
[0092] 与阻抗的不平衡相对于全部路径的阻抗的比对应地，产生电流的不平衡，因此为 了减少电流不平衡，路径长度的不平衡h2+h4与全部路径长度相比足够小即可。即，成为W下 关系式。
[0093] 试4]
[0094] h2+h4< <hi+h3+h5 ...(4)
[00巧]换言之，h2+h4足够小于从外部交流端子154T至烙丝连接部158、159为止的距离减 去h2+h4而得到的值。在此，如上所述需要使第一功率半导体模块111与第二功率半导体模块 112接近，因此需要h3短。由此，式(4)意味着hi和hs比h2和h4足够长即可。根据W上所述，通过 将外部交流端子154T和烙丝连接部158或159分别设置在主电路汇流条组件151的两端，在 稳定时，能够使流过第一功率半导体模块111和第二功率半导体模块112的电流平衡化。此 外，h2与h4也可W相等。
[0096] 另一方面，在由于电力变换装置的整体结构上的尺寸限制等而无法充分满足式 (4)的情况下，电流不平衡增大。在该情况下，还能够通过对产生不平衡的交流导体154的导 体厚度进行调整，来减少路径长度的不平衡。
[0097] 在此，设为正极导体152的厚度与负极导体153的厚度相等，并设为交流导体154的 厚度为正极导体152和负极导体153的厚度的n倍。用W下式子表示路径1的阻抗Zi、路径2的 阻抗Z2。
[009引[式 5]
[0099] ' ?巧）
[0100] …《技）
[0101]
[0102] 根据式(5)和(6)，Zi与Z2相等的n用W下式子表示。
[0103] [式 7]
[0104]
* * ? m
[0105] 如上所述，通过将交流导体154的厚度相对于正极导体152和负极导体153的厚度 的比设为用式(7)表示的n，能够抑制阻抗的不平衡，能够防止路径1和路径2之间的电流的 不平衡。
[0106] 接着，说明电流从主电路汇流条组件151的直流侧向交流侧流动的情况。
[0107] 图15是表示主电路汇流条组件151中从正极的烙丝连接部158向外部交流端子 154T的电流路径的图。
[0108] 在此，作为稳定时，考虑假设在电流从外部交流端子154T流出的状况下，各功率半 导体模块111和112的上臂的IGBT导通的状况。此时，电流从烙丝连接部158经过正极导体 152,按着功率半导体模块11U112内的上臂的IGBT、交流导体154、外部交流端子154T的顺 序流动。考虑将该电流路径分为经过第一功率半导体模块111的路径3和经过第二功率半导 体模块112的路径4。此时，路径3的长度与路径1的长度相等，路径4的长度与路径2的长度相 等。因此，正极导体152、负极导体153W及交流导体154的厚度相等时的各分区的长度的条 件成为上述式(4)。另外，使交流导体154的厚度相对于正极导体152和负极导体153的厚度 不同时的条件成为上述式(7)。
[0109] 图16是表示电力变换部2a的结构的立体图。
[0110] 在此，电力变换部2a被设置于UPS 2的壳体(未图示）内，在电力变换部2a的Y轴方 向即UPS2的壳体的前面设置有在维护UPS2时打开的开关口（未图示）。通过打开该开关口， 能够容易地接近电力变换部2a的前面。
[0111] 电力变换部2a包含在X轴方向上排列的多个电力变换单元101。在转换器11中包含 与商用电源的3相分别对应的S个电力变换单元101。逆变器12也同样地包含与3相分别对 应的=个电力变换单元101。
[0112] 升压斩波器13包含并联连接的两个电力变换单元101。此外，升压斩波器13也可W 是一个电力变换单元101。在对升压斩波器13要求的功率超过电力变换单元101所具备的功 率半导体模块群110的额定功率的情况下，通过将N个电力变换单元101并联连接，使能够允 许的电力成为N倍。通过同样的目的，转换器11和逆变器12根据需要也可W分别具有每1相 多个并联连接的电力变换单元101。
[0113] 将电力变换部2a中的多个电力变换单元101经由单元连接汇流条组件161并联连 接。多个电力变换单元101各自的长边方向为Z方向，将多个电力变换单元101在X方向上排 列。单元连接汇流条组件161的长边方向为X方向，将单元连接汇流条组件161在多个电力变 换单元101的巧方向上配置。即，多个电力变换单元101各自的长边方向与单元连接汇流条 组件161的长边方向交叉。由此，能够在有限的体积内高效地配置多个电力变换单元101。
[0114] 在各个电力变换单元101下部的前面所具备的正极侧的烙丝131的第二端子13化 和负极侧的烙丝132的第二端子13化上，使用安装螺栓169安装有单元连接汇流条组件161。
[0115] 图17是表示电力变换部2a的结构的主视图。
[0116] 在多个电力变换单元101的上端设置的外部交流端子154T分别与转换器11的R、S、 T端子、逆变器12的U、V、W端子、升压斩波器13的C、C端子(通用）对应。在单元连接汇流条组 件161的左端设置的两个端子中、上方的端子与转换器11、逆变器12、升压斩波器13中的P端 子对应，下方的端子与转换器11、逆变器12、升压斩波器13中的N端子对应。
[0117] 通过设为上述实施例的结构，根据期望的电能和相数将适当数量的电力变换单元 101进行并联连接，由此能够任意地构成转换器11、逆变器12、升压斩波器13等各种电力变 换装置。而且，作为最小构成单位来制造电力变换单元101，由此针对多种电力变换装置实 现部件的通用化，能够消减成本。另外，通过使用通用化的电力变换单元101，并联配置时成 为整齐的布局，单元间连接布线的便利性和整体组装性提高。另外，将电力变换单元101中 包含的功率半导体模块的端子群、电容器端子、烙丝端子、电力变换单元101彼此进行连接 的单元连接汇流条组件161存在于电力变换装置的前面，因此组装时和维护时的前面接近 性良好，操作性提高。
[0118] 说明电力变换部2a的制造方法。首先，制造者将多个电力变换单元101在巧方向上 排列，相对于多个电力变换单元101在巧方向上配置单元连接汇流条组件161。之后，制造者 经由单元连接汇流条组件161中包含的正极导体162将多个电力变换单元101内分别包含的 多个正极导体152进行连接，并经由单元连接汇流条组件161中包含的负极导体163将多个 电力变换单元101中分别包含的多个负极导体153进行连接。由此，能够制造电力变换部2a。 另外，能够使用多个电力变换单元101来制造转换器11、逆变器12、升压斩波器13等。并且， 制造者将蓄电池14、维护旁路电路16、旁路电路17等连接在多个电力变换单元101中分别包 含的多个交流端子154T，由此能够制造UPS 2。
[0119] 此外，也可W在电力变换单元101中，从上向下（一Z方向）依次配置包含外部正极 端子和外部负极端子的外部直流端子群、功率半导体模块111、功率半导体模块112、电容器 121、电容器122W及外部交流端子154T。在该情况下，将外部直流端子群设置于主电路汇流 条组件151的上端，将外部交流端子154T设置于主电路汇流条组件151的下端。在该情况下， 通过将与外部交流端子154T相连接的电抗器等重部件配置在电力变换单元101的下方，能 够缩短外部交流端子与重部件的距离，将阻抗抑制得低。
[0120]说明术语。电力变换单元与电力变换单元101等对应。正极导体与正极导体152等 对应。负极导体与负极导体153等对应。交流导体与交流导体154等对应。电路连接部与主电 路汇流条组件151等对应。电容器与电容器群120等对应。正极连接导体与正极导体162等对 应。负极连接导体与负极导体163等对应。两个二电平半桥电路与功率半导体模块11U112 等对应。两个电容器与电容器121、122等对应。正极烙丝与烙丝131等对应。负极烙丝与烙丝 132等对应。电力变换装置与转换器11、逆变器12、升压斩波器13、电力变换部2a、UPS 2等对 应。第一功率半导体模块与功率半导体模块111等对应。第二功率半导体模块与功率半导体 模块112等对应。外部正极端子与烙丝连接部158等对应。外部负极端子与烙丝连接部159等 对应。外部交流端子与外部交流端子154T等对应。第一直流端子与正极端子Illp和负极端 子Illn等对应。第一正极端子与正极端子Illp等对应。第一负极端子与负极端子Illn等对 应。第一交流端子与交流端子lilac等对应。第二直流端子与正极端子11化和负极端子11化 等对应。第二正极端子与正极端子11化等对应。第二负极端子与负极端子11化等对应。第二 交流端子与交流端子112ac等对应。特定方向与一Z方向等对应。排列方向与X方向等对应。a 与h2等对应。b与h4等对应。C与h3等对应。
[0121] 本发明并不限于上述实施例，在不脱离其宗旨的范围内，能够变更为其它各种方 式。
[0122] 附图标记说明
[0123] 1:电力变换装置；2:UPS(Uninte;r;ruptible Power Supply:不断电电源装置）；11: 转换器;12:逆变器;13:升压斩波器;101:电力变换单元；110:功率半导体模块群； 功率半导体模块；113:空冷散热片；120:电容器群；121、122:电容器；131、132:烙丝；151:主 电路汇流条组件；152:正极导体；153:负极导体；154:交流导体；154T:外部交流端子；155: 绝缘体；161:单元连接汇流条组件；162:正极导体；162T:外部正极端子；163:负极导体； 163T:外部负极端子;164:绝缘体。
【主权项】
1. 一种电力变换单元，其特征在于，具备： 电路连接部，其包含具有外部正极端子的正极导体、具有外部负极端子的负极导体以 及具有外部交流端子的交流导体； 第一功率半导体模块，其与上述正极导体、上述负极导体以及上述交流导体相连接； 第二功率半导体模块，其与上述正极导体、上述负极导体以及上述交流导体相连接；以 及 电容器，其与上述正极导体和上述负极导体相连接， 上述第一功率半导体模块包含： 第一直流端子，其具有与上述正极导体相连接的第一正极端子和与上述负极导体相连 接的第一负极端子;以及 第一交流端子，其与上述交流导体相连接， 上述第二功率半导体模块包含： 第二直流端子，其具有与上述正极导体相连接的第二正极端子和与上述负极导体相连 接的第二负极端子;以及 第二交流端子，其与上述交流导体相连接， 将上述外部交流端子、上述第一功率半导体模块、上述第二功率半导体模块、上述电容 器以及包含上述外部正极端子和上述外部负极端子的外部直流端子排列于在上述电路连 接部的长边方向上延伸的直线上， 将上述外部交流端子设置于上述电路连接部的长边方向的一端， 将上述外部直流端子设置于上述电路连接部的长边方向的另一端。2. 根据权利要求1所述的电力变换单元，其特征在于， 将上述第一直流端子、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 排列在上述直线上， 将上述第一直流端子相对于上述第一交流端子配置在特定方向上， 将上述第二直流端子相对于上述第二交流端子配置在上述特定方向的反方向上。3. 根据权利要求1或2所述的电力变换单元，其特征在于， 上述正极导体、上述负极导体以及上述交流导体各自为平板状， 将上述正极导体、上述负极导体以及上述交流导体经由绝缘体相互层叠。4. 根据权利要求1~3中的任意一项所述的电力变换单元，其特征在于， 从上述第一交流端子至上述第一直流端子的距离和从上述第二交流端子至上述第二 直流端子的距离各自大于上述电路连接部的平板的短边方向的长度。5. 根据权利要求2~4中的任意一项所述的电力变换单元，其特征在于， 上述正极导体和上述负极导体各自的厚度为预定厚度， 上述交流导体的厚度大于上述预定厚度， 使用上述第一交流端子与上述第一直流端子之间的距离a、上述第二直流端子与上述 第二交流端子之间的距离b以及上述第一直流端子与上述第二直流端子之间的距离c，来表 示上述交流导体的厚度相对于上述预定厚度的比η。6. 根据权利要求5所述的电力变换单元，其特征在于， 11、&、13、(3的关系通过11=1 + (3+13)/(3来表示。7. 根据权利要求1~4中的任意一项所述的电力变换单元，其特征在于， 上述正极导体的厚度、上述负极导体的厚度以及上述交流导体的厚度相等， 上述第一交流端子与上述第一直流端子之间的距离以及上述第二直流端子与上述第 二交流端子之间的距离之和小于上述外部交流端子与上述外部直流端子之间的距离减去 上述和而得到的值。8. 根据权利要求1~7中的任意一项所述的电力变换单元，其特征在于， 在上述直线上依次配置上述外部交流端子、上述第一功率半导体模块、上述第二功率 半导体模块、上述电容器以及上述外部直流端子。9. 根据权利要求1~7中的任意一项所述的电力变换单元，其特征在于， 在上述直线上依次配置上述外部直流端子、上述第一功率半导体模块、上述第二功率 半导体模块、上述电容器以及上述外部交流端子。10. 根据权利要求1~9中的任意一项所述的电力变换单元，其特征在于， 将上述第一负极端子相对于上述第一正极端子排列在作为上述电路连接部的短边方 向的排列方向上， 将上述第二负极端子相对于上述第二正极端子排列在上述排列方向的反方向上。11. 根据权利要求1~10中的任意一项所述的电力变换单元，其特征在于， 上述电容器包含两个电容器， 将上述两个电容器配置在上述直线上。12. 根据权利要求1~11中的任意一项所述的电力变换单元，其特征在于， 上述第一功率半导体模块和上述第二功率半导体模块各自包含二电平半桥电路。13. 根据权利要求1~12中的任意一项所述的电力变换单元，其特征在于， 还具备与上述外部正极端子相连接的熔丝即正极熔丝以及与上述外部负极端子相连 接的熔丝即负极熔丝中的至少一个。14. 一种电力变换装置，其特征在于，具备多个电力变换单元， 上述多个电力变换单元各自包含： 电路连接部，其包含具有外部正极端子的正极导体、具有外部负极端子的负极导体以 及具有外部交流端子的交流导体； 第一功率半导体模块，其包含第一直流端子和第一交流端子，该第一直流端子具有与 上述正极导体相连接的第一正极端子以及与上述负极导体相连接的第一负极端子，该第一 交流端子与上述交流导体相连接； 第二功率半导体模块，其包含第二直流端子和第二交流端子，该第二直流端子具有与 上述正极导体相连接的第二正极端子以及与上述负极导体相连接的第二负极端子，该第二 交流端子与上述交流导体相连接;以及 电容器，其与上述正极导体和上述负极导体相连接， 将上述外部交流端子、上述第一功率半导体模块、上述第二功率半导体模块、上述电容 器以及包含上述外部正极端子和上述外部负极端子的外部直流端子排列于在上述电路连 接部的长边方向上延伸的直线上， 将上述外部交流端子设置于上述电路连接部的长边方向的一端， 将上述外部直流端子设置于上述电路连接部的长边方向的另一端。
【文档编号】H02M7/48GK105981284SQ201580007585
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年3月2日
【发明人】服部幸男, 上妻央, 川岛彻也, 三间彬, 松元大辅, 马渊雄, 马渊雄一
【申请人】株式会社日立制作所