本發(fā)明涉及使用多個電力開關(guān)元件來構(gòu)成的三電平電力轉(zhuǎn)換裝置。

背景技術(shù)：

電力轉(zhuǎn)換裝置具有通過使多個電力開關(guān)元件動作而將直流電力轉(zhuǎn)換為與任意的振幅、頻率的交流電壓指令等效的電壓的交流電力生成功能、與其相逆地進(jìn)行轉(zhuǎn)換的直流電力生成功能。在該電力轉(zhuǎn)換裝置中，將能夠向交流端子側(cè)輸出正電壓、負(fù)電壓和零電壓這三個電壓的裝置稱為三電平電力轉(zhuǎn)換裝置。三電平電力轉(zhuǎn)換裝置具備具有例如4種開關(guān)動作分類的電路結(jié)構(gòu)。該三電平電力轉(zhuǎn)換裝置針對交流電壓指令，將開關(guān)模式的指令信號提供給各柵極驅(qū)動器，從而各電力開關(guān)元件進(jìn)行接通(on)/斷開(off)的動作，在ac輸出端輸出與交流電壓指令等效的電壓。三電平電力轉(zhuǎn)換裝置還能夠?qū)⑷我獾恼穹?、頻率的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。

一般，在使用了電力開關(guān)元件的三電平電力轉(zhuǎn)換裝置中為了使輸出容量增加，有將在箱型的框體中匯集了多個電力轉(zhuǎn)換主電路的電力轉(zhuǎn)換單元(電力開關(guān)元件集合體)并聯(lián)地連接多個的方法。該電力轉(zhuǎn)換單元包含上述4種開關(guān)動作分類。

伴隨著近年來的交流感應(yīng)電動機(jī)的大容量化，三電平電力轉(zhuǎn)換裝置期望大容量化和小型化。在專利文獻(xiàn)1的摘要的解決手段中記載為“在三電平電力轉(zhuǎn)換裝置中，以使包括開關(guān)元件和續(xù)流二極管的電力轉(zhuǎn)換模塊1～4的長度方向與裝置框體的底面平行的方式，配置于電力轉(zhuǎn)換模塊集合體20。在規(guī)定的長度的范圍內(nèi)，將電力轉(zhuǎn)換模塊1～4在與裝置框體平行的方向上依次排列配置，關(guān)于超過上述規(guī)定的長度的部分的電力轉(zhuǎn)換模塊1～4，改變等級來配置?！?。

專利文獻(xiàn)1：日本特開2014-116995號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在該電力轉(zhuǎn)換裝置中，以往的電力轉(zhuǎn)換單元是以包含三電平電力轉(zhuǎn)換電路的1相的方式平面狀地配置部件而構(gòu)成的。通過這樣的結(jié)構(gòu)，如果以施加電壓的提高為目的而將各電力開關(guān)元件設(shè)為串聯(lián)兩個以上的結(jié)構(gòu)，則存在電路規(guī)模變大，電力轉(zhuǎn)換裝置大型化的擔(dān)憂。

同樣地，即使在以裝置的電力容量的增加為目的而將各電力開關(guān)元件進(jìn)行了并聯(lián)的結(jié)構(gòu)的情況下，由于安裝的制約而使設(shè)計的自由度降低，作為結(jié)果，存在電力轉(zhuǎn)換裝置大型化的擔(dān)憂。

而且，在電力開關(guān)元件中產(chǎn)生了導(dǎo)通損壞等事故時，為了修復(fù)電力轉(zhuǎn)換裝置，需要使電力開關(guān)元件的特性在并聯(lián)之間一致。因此，不僅是包括損壞的電力轉(zhuǎn)換開關(guān)元件的該電力轉(zhuǎn)換單元，而且與該電力轉(zhuǎn)換單元形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)的其它電力轉(zhuǎn)換單元也成為其更換范圍。因此，相比于故障范圍，更換范圍更寬，所以存在修復(fù)時間以及修復(fù)費用變大的擔(dān)憂。

并且，在電力轉(zhuǎn)換單元內(nèi)的電力開關(guān)元件在電力轉(zhuǎn)換裝置動作中引起短路等故障的情況下，影響會連鎖地還波及到處于短路系統(tǒng)路徑上的其它電力開關(guān)元件，存在導(dǎo)通損壞的擔(dān)憂。因此，期望防止事故時的二次損害。

因此，本發(fā)明的課題在于，實現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換裝置的小型化，并且減少事故時的二次損害。

為了解決所述課題，本發(fā)明的三電平電力轉(zhuǎn)換裝置連接有將直流電壓與任意的頻率、振幅的交流電壓相互轉(zhuǎn)換的多個電力轉(zhuǎn)換主電路。在排列有同一動作單位的電力開關(guān)元件的開關(guān)元件構(gòu)造體和排列有二極管的二極管元件構(gòu)造體通過不限上下左右的安裝而構(gòu)成的構(gòu)造體內(nèi)，使多個所述電力轉(zhuǎn)換主電路并聯(lián)。

關(guān)于其它手段，在具體實施方式中進(jìn)行說明。

根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種電力轉(zhuǎn)換裝置，可實現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換裝置的小型化，并且減少事故時的二次損害。

附圖說明

圖1是本實施方式中的三電平電力轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是示出本實施方式中的三電平電力轉(zhuǎn)換電路的電路圖。

圖3是示出igbt單元的詳情的電路圖。

圖4是示出在本實施方式中的三電平電力轉(zhuǎn)換電路中發(fā)生了故障的情形的圖。

圖5是示出在本實施方式中的三電平電力轉(zhuǎn)換電路中在故障之后停止的情形的圖。

圖6是三電平電力轉(zhuǎn)換電路的主視圖。

圖7是示出一相部分的三電平電力轉(zhuǎn)換電路的電路圖。

圖8是電力轉(zhuǎn)換單元的主視圖。

圖9是電力轉(zhuǎn)換單元的側(cè)視圖。

圖10是電力轉(zhuǎn)換單元的立體圖。

圖11是示出鉗位二極管單元的主視圖。

圖12是示出鉗位二極管單元的側(cè)視圖。

圖13是示出鉗位二極管單元的立體圖。

圖14是比較例的三電平電力轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖15是示出比較例的三電平電力轉(zhuǎn)換電路的電路圖。

圖16是示出igbt元件和柵極驅(qū)動器的詳情的電路圖。

圖17是示出在比較例的三電平電力轉(zhuǎn)換電路中發(fā)生了故障的情形的圖。

圖18是示出在比較例的三電平電力轉(zhuǎn)換電路中由于故障而各元件發(fā)生了導(dǎo)通損壞的情形的圖。

(符號說明)

1：三電平電力轉(zhuǎn)換裝置；10：控制部；11u：u相電路；11v：v相電路；11w：w相電路；12、12a～12i：電力轉(zhuǎn)換主電路；13：鉗位二極管單元(二極管元件構(gòu)造體)；14：igbt單元(第一開關(guān)元件構(gòu)造體)；15：igbt單元(第二開關(guān)元件構(gòu)造體)；16：igbt單元(第三開關(guān)元件構(gòu)造體)；17：igbt單元(第四開關(guān)元件構(gòu)造體)；18：柵極驅(qū)動器；19：過電壓檢測電路；20：過電壓抑制電路；21～28、30～34：總線；41～48：總線；50a、50b：散熱器；51：支承體；52：金屬板；53：金屬板；60p、60n：散熱器；61：支承板；9：三電平電力轉(zhuǎn)換裝置；90：控制部；91u：u相電路；91v：v相電路；91w：w相電路；92、92a～92i：電力轉(zhuǎn)換主電路。

具體實施方式

以下，參照各附圖，說明用于實施本發(fā)明的方式。此外，在各圖中，對共同的構(gòu)成要素附加同一符號而省略重復(fù)的說明。

比較例以及本實施方式的三電平電力轉(zhuǎn)換裝置是將直流電壓轉(zhuǎn)換為任意的頻率、振幅的交流電壓的逆變器。該三電平電力轉(zhuǎn)換裝置被應(yīng)用于例如在鋼鐵壓延設(shè)備等中使用的交流感應(yīng)電動機(jī)的驅(qū)動控制。

《比較例的三電平電力轉(zhuǎn)換裝置》

圖14是比較例的三電平電力轉(zhuǎn)換裝置9的結(jié)構(gòu)圖。

三電平電力轉(zhuǎn)換裝置9由u相電路91u、v相電路91v、w相電路91w這三相構(gòu)成。v相電路91v、w相電路91w的結(jié)構(gòu)與u相電路91u相同。

u相電路91u是將電力轉(zhuǎn)換主電路92a～92c并聯(lián)地連接而構(gòu)成的。這些電力轉(zhuǎn)換主電路92a～92c分別與正側(cè)直流電源母線(以下記載為“p母線”)、中性點母線(以下記載為“c母線”)、負(fù)側(cè)直流電源母線(以下記載為“n母線”)連接而被供給直流電壓，向節(jié)點uaco輸出u相的交流電壓。電力轉(zhuǎn)換主電路92b、92c的電路結(jié)構(gòu)與電力轉(zhuǎn)換主電路92a相同。

v相電路91v是將電力轉(zhuǎn)換主電路92d～92f并聯(lián)地連接而構(gòu)成的。這些電力轉(zhuǎn)換主電路92d～92f分別與p母線、c母線、n母線連接而被供給直流電壓，向節(jié)點vaco輸出v相的交流電壓。電力轉(zhuǎn)換主電路92e、92f的電路結(jié)構(gòu)與電力轉(zhuǎn)換主電路92d相同。

w相電路91w是將電力轉(zhuǎn)換主電路92g～92i并聯(lián)地連接而構(gòu)成的。這些電力轉(zhuǎn)換主電路92g～92i分別與p母線、c母線、n母線連接而被供給直流電壓，向節(jié)點waco輸出w相的交流電壓。電力轉(zhuǎn)換主電路92h、92i的電路結(jié)構(gòu)與電力轉(zhuǎn)換主電路92g相同。

以下，在不特別區(qū)分電力轉(zhuǎn)換主電路92a～92i時，簡單地記載為電力轉(zhuǎn)換主電路92。

負(fù)載l與節(jié)點uaco、vaco、waco連接而被施加交流電壓。該負(fù)載l是例如交流感應(yīng)電動機(jī)等。

關(guān)于u相電路91u、v相電路91v以及w相電路91w，三相都是相同的結(jié)構(gòu)。在u相電路91u、v相電路91v、w相電路91w的各相中，通過將同樣的電力轉(zhuǎn)換主電路92并聯(lián)地連接多個，從而能夠增加三電平電力轉(zhuǎn)換裝置9的輸出容量。

圖15是示出比較例的電力轉(zhuǎn)換主電路92的電路圖。

電力轉(zhuǎn)換主電路92是使用igbt元件q11～q14作為電力開關(guān)元件、并利用二極管元件d3、d4而鉗位到中性點(中點)的npc(neutralpointclamped，中點鉗位)方式的電力轉(zhuǎn)換電路。igbt元件q11～q14是具備絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor：igbt；以下記載為“igbt”)以及在集電極-發(fā)射極之間連接的續(xù)流用二極管的元件。對各igbt元件q11～q14連接有柵極驅(qū)動器18，通過控制部90來控制該柵極驅(qū)動器18。在后述的圖16中，詳細(xì)說明這些igbt元件q11～q14。

在比較例中，正側(cè)的igbt元件q11將p母線的電位經(jīng)由igbt元件q12而輸出到節(jié)點aco。對于p母線，通過直流電源ep而施加直流電壓。

第一中性點的igbt元件q12以及第二中性點的igbt元件q13在igbt元件q11、q12斷開時將c母線的電位輸出到節(jié)點aco。

負(fù)側(cè)的igbt元件q14將n母線的電位經(jīng)由igbt元件q13而輸出到節(jié)點aco。這些igbt元件q11～q14串聯(lián)地連接在p母線與n母線之間。各柵極驅(qū)動器18與控制部90連接，對各igbt元件q11～q14的柵極供給驅(qū)動信號。

另外，在電力轉(zhuǎn)換主電路92中，構(gòu)成為包括兩個鉗位用的二極管元件d3、d4。正側(cè)鉗位用的二極管元件d3以及負(fù)側(cè)鉗位用的二極管元件d4是二合一(2in1)二極管元件。在igbt元件q11、q12的連接點與c母線之間，連接用于輸出c母線的電位的正側(cè)鉗位用的二極管元件d3。另外，在igbt元件q13、q14的連接點與c母線之間，連接用于輸出c母線的電位的負(fù)側(cè)鉗位用的二極管元件d4。在電力轉(zhuǎn)換主電路92中，各igbt元件q11～q14進(jìn)行開關(guān)動作，從而從作為輸出點的節(jié)點aco對負(fù)載l輸出交流電力。

《開關(guān)動作》

在向節(jié)點aco輸出正電壓的脈沖時，控制部90使igbt元件q11、q12接通，使igbt元件q13、q14斷開。由此，p母線的電位被輸出到節(jié)點aco。

另外，在向節(jié)點aco輸出零電壓時，控制部90使igbt元件q12、q13接通，使igbt元件q11、q14斷開。由此，c母線的電位被輸出到節(jié)點aco。

在向節(jié)點aco輸出負(fù)電壓的脈沖時，控制部90使igbt元件q13、q14接通，使igbt元件q11、q12斷開。由此，n母線的電位被輸出到節(jié)點aco。

電力轉(zhuǎn)換主電路92的控制部90輸出由上述那樣的以零點為中心的正脈沖和負(fù)脈沖構(gòu)成的pwm(pulsewidthmodulation，脈沖寬度調(diào)制)脈沖，所以相比于二電平電力轉(zhuǎn)換電路，能夠向節(jié)點aco輸出更接近正弦波的交流電壓。

圖16是示出igbt元件q11和柵極驅(qū)動器18等的詳情的電路圖。

對比較例的igbt元件q11連接有柵極驅(qū)動器18、過電壓檢測電路19、過電壓抑制電路20。

過電壓抑制電路20構(gòu)成為包括并聯(lián)地連接在igbt元件q11的集電極-柵極之間的齊納二極管(未圖示)。在該過電壓抑制電路20中，如果集電極-柵極之間被施加過電壓則在齊納二極管中流過電流，對igbt元件q11的柵極供給充電電流。由此，使igbt元件q11的阻抗降低，在過電壓時保護(hù)igbt元件q11。

過電壓檢測電路19和柵極驅(qū)動器18連接在柵極-發(fā)射極之間。柵極驅(qū)動器18使指令信號流向igbt元件q11的柵極。過電壓檢測電路19通過識別為過電壓抑制電路20的輸出信號與從柵極驅(qū)動器18流入igbt元件q11的指令信號不一致，判斷為產(chǎn)生過電壓。由此，控制部90(參照圖15)能夠停止運轉(zhuǎn)來防止元件的導(dǎo)通損壞。

《比較例的問題點》

在比較例的電力轉(zhuǎn)換主電路92中，在igbt元件q11～q14中的某一個導(dǎo)通損壞時，存在發(fā)生二次性的元件損壞的擔(dān)憂。參照圖17和圖18對其進(jìn)行說明。

圖17是示出在比較例的電力轉(zhuǎn)換主電路92中發(fā)生了故障的情形的圖。

將在igbt元件q11、q12接通、igbt元件q13、q14斷開時在電力轉(zhuǎn)換主電路92中流過的電流表示為路徑73。電流從p母線經(jīng)由igbt元件q11、q12和節(jié)點aco而流入到負(fù)載l。此時，如果igbt元件q13錯誤地接通或者導(dǎo)通損壞，則如圖18所示其它元件也導(dǎo)通損壞。

圖18示出由于故障而各元件導(dǎo)通損壞的圖。

此時，將在電力轉(zhuǎn)換主電路92中流過的電流表示為路徑74。電流從p母線經(jīng)由igbt元件q11、q12、q13和二極管元件d4而流入到c母線。由于這樣的直流短路，導(dǎo)致igbt元件q11、q12和二極管元件d4損壞。

串聯(lián)連接的igbt元件q11被施加與igbt元件q11～q14這四個元件相應(yīng)的電壓而電壓上升，但能夠通過過電壓檢測電路19(參照圖16)來檢測附近的igbt元件的故障，使運轉(zhuǎn)停止，從而防止進(jìn)一步的損害。但是，如果考慮igbt元件q13由于過電壓而受到損傷，則需要在運轉(zhuǎn)停止之后更換igbt元件q11～q14和二極管元件d4。即，必須將1相的結(jié)構(gòu)全部更換。

《本實施方式的電力轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)例》

圖1所示的三電平電力轉(zhuǎn)換裝置1具備分別使用了3個將直流電壓轉(zhuǎn)換為任意的頻率、振幅的交流電壓的電力轉(zhuǎn)換主電路12(參照圖2)的u相電路11u、v相電路11v、w相電路11w這三相。v相電路11v、w相電路11w的結(jié)構(gòu)與u相電路11u的結(jié)構(gòu)相同。

u相電路11u是將電力轉(zhuǎn)換主電路12a～12c并聯(lián)地連接而構(gòu)成的。這些電力轉(zhuǎn)換主電路12a～12c分別與p母線、c母線、n母線連接而被供給直流電壓，向節(jié)點uaco輸出u相的交流電壓。電力轉(zhuǎn)換主電路12b、12c的電路結(jié)構(gòu)與電力轉(zhuǎn)換主電路12a相同。而且，電力轉(zhuǎn)換主電路12a～12c共有排列有同一動作單位的igbt元件的igbt單元14～17、以及排列有二極管的鉗位二極管單元13。在這些igbt單元14～17和鉗位二極管單元13通過不限上下左右的安裝而構(gòu)成的構(gòu)造體內(nèi)使電力轉(zhuǎn)換主電路12a～12c并聯(lián)。igbt元件、二極管分別以同一動作單位被單元化，所以能夠容易地進(jìn)行同一動作單位下的更換。

關(guān)于圖1的igbt單元14，記載有表示動作單位的“qp”，與比較例的igbt元件q11(參照圖15)同樣地動作。關(guān)于igbt單元15，記載有表示動作單位的“qpc”，與比較例的igbt元件q12(參照圖15)同樣地動作。關(guān)于igbt單元16，記載有表示動作單位的“qnc”，與比較例的igbt元件q13(參照圖15)同樣地動作。關(guān)于igbt單元17，記載有表示動作單位的“qn”，與比較例的igbt元件q14(參照圖15)同樣地動作。關(guān)于鉗位二極管單元13，記載有表示動作單位的“d”。

v相電路11v是將電力轉(zhuǎn)換主電路12d～12f并聯(lián)地連接而構(gòu)成的。這些電力轉(zhuǎn)換主電路12d～12f分別與p母線、c母線、n母線連接而被供給直流電壓，向節(jié)點vaco輸出v相的交流電壓。電力轉(zhuǎn)換主電路12e、12f的結(jié)構(gòu)與電力轉(zhuǎn)換主電路12d的結(jié)構(gòu)相同。而且，電力轉(zhuǎn)換主電路12d～12f共有排列有同一動作單位的igbt元件的igbt單元14～17、以及排列有同一動作單位的二極管的鉗位二極管單元13。由此，能夠以同一動作單位來更換igbt元件、二極管。

w相電路11w是將電力轉(zhuǎn)換主電路12g～12i并聯(lián)地連接而構(gòu)成的。這些電力轉(zhuǎn)換主電路12g～12i分別與p母線、c母線、n母線連接而被供給直流電壓，向節(jié)點waco輸出w相的交流電壓。電力轉(zhuǎn)換主電路12h、12i的電路結(jié)構(gòu)與電力轉(zhuǎn)換主電路12g相同。而且，電力轉(zhuǎn)換主電路12g～12i共有排列有同一動作單位的igbt元件的igbt單元14～17、以及排列有同一動作單位的二極管的鉗位二極管單元13。由此，能夠以同一動作單位來更換igbt元件、二極管。

以下，在不特別區(qū)分電力轉(zhuǎn)換主電路12a～12i時，簡單地記載為電力轉(zhuǎn)換主電路12。

u相電路11u、v相電路11v、w相電路11w分別在各單元中并聯(lián)地配置三個元件而構(gòu)成三個電力轉(zhuǎn)換主電路12。因此，三電平電力轉(zhuǎn)換裝置1的交流電力的輸出成為將電力轉(zhuǎn)換主電路12的三個電路合起來的輸出。

圖2是示出本實施方式中的電力轉(zhuǎn)換主電路12的電路圖。

本實施方式的電力轉(zhuǎn)換主電路12與比較例的電力轉(zhuǎn)換主電路92(參照圖15)不同的點在于，將進(jìn)行同樣的開關(guān)動作的兩個igbt元件串聯(lián)地連接而構(gòu)成電力轉(zhuǎn)換單元。由此，能夠使兩個igbt元件分擔(dān)電力轉(zhuǎn)換單元的額定電壓，使所輸入的直流電壓增加到約2倍，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出的大容量化。

電力轉(zhuǎn)換主電路12是使用igbt單元14～17作為電力轉(zhuǎn)換單元、并利用鉗位二極管單元13而鉗位到中性點的npc方式的電力轉(zhuǎn)換電路。在igbt單元14中，將進(jìn)行同樣的開關(guān)動作的igbt元件q1、q2這兩個串聯(lián)地連接。在igbt單元15中，將進(jìn)行同樣的開關(guān)動作的igbt元件q3、q4串聯(lián)地連接。在igbt單元16中，將進(jìn)行同樣的開關(guān)動作的igbt元件q5、q6串聯(lián)地連接。在igbt單元17中，將進(jìn)行同樣的開關(guān)動作的igbt元件q7、q8串聯(lián)地連接。igbt單元14～17是將串聯(lián)連接的兩個igbt元件在三列中進(jìn)行了排列的開關(guān)元件構(gòu)造體。另外，鉗位二極管單元13是將二極管元件d1、d2在三列中進(jìn)行了排列的二極管元件構(gòu)造體。由此，如圖1所示，能夠使三個電力轉(zhuǎn)換主電路12并聯(lián)。igbt元件q1～q8是具備絕緣柵雙極型晶體管以及連接在集電極-發(fā)射極之間的續(xù)流用二極管的元件。

圖3是示出igbt單元的詳情的電路圖。

對igbt元件q1、q2，與圖16所示的比較例同樣地連接有柵極驅(qū)動器18、過電壓檢測電路19以及過電壓抑制電路20。

如果igbt元件q1、q2的集電極-柵極之間被施加過電壓，則過電壓抑制電路20對該igbt元件的柵極供給充電電流。由此，使igbt元件q1、q2的阻抗降低，在過電壓時保護(hù)igbt元件q1、q2。

過電壓檢測電路19和柵極驅(qū)動器18連接在igbt元件q1、q2的柵極-發(fā)射極之間。柵極驅(qū)動器18使指令信號流向igbt元件q1、q2的柵極。過電壓檢測電路19通過識別為過電壓抑制電路20的輸出信號與從柵極驅(qū)動器18流入到igbt元件q1、q2的指令信號不一致，從而判斷為在各igbt元件中發(fā)生了過電壓。

由此，igbt單元14能夠檢測igbt元件q1、q2的過電壓的施加。在igbt元件q1、q2中的一方被施加過電壓時，電力轉(zhuǎn)換主電路12的控制部10停止另一方的igbt元件的運轉(zhuǎn)，減少事故時的二次損害。

同樣地，igbt單元15能夠檢測igbt元件q3、q4的過電壓的施加。在igbt元件q3、q4中的一方被施加過電壓時，電力轉(zhuǎn)換主電路12停止另一方的igbt元件的運轉(zhuǎn)，減少事故時的二次損害。

igbt單元16能夠檢測igbt元件q5、q6的過電壓的施加。在igbt元件q5、q6中的一方被施加過電壓時，電力轉(zhuǎn)換主電路12停止另一方的igbt元件的運轉(zhuǎn)，減少事故時的二次損害。

igbt單元17能夠檢測igbt元件q7、q8的過電壓的施加。在igbt元件q7、q8中的一方被施加過電壓時，電力轉(zhuǎn)換主電路12停止另一方的igbt元件的運轉(zhuǎn)，減少事故時的二次損害。

在本實施方式中，正側(cè)的igbt單元14將p母線的電位輸出到節(jié)點aco。p母線通過直流電源ep而被施加直流電壓。

第一中性點的igbt單元15以及第二中性點的igbt單元16將c母線的電位輸出到節(jié)點aco。

負(fù)側(cè)的igbt單元17將n母線的電位輸出到節(jié)點aco。這些igbt單元14～17串聯(lián)地連接在p母線與n母線之間。各柵極驅(qū)動器18與控制部10連接，對igbt單元14～17所具備的igbt元件q1～q8的柵極供給驅(qū)動信號。

另外，在電力轉(zhuǎn)換主電路12中，構(gòu)成為包括兩個鉗位用的二極管元件d1、d2。正側(cè)鉗位用的二極管元件d1以及負(fù)側(cè)鉗位用的二極管元件d2是二合一(2in1)二極管元件。在igbt單元14、15的連接點與c母線之間，連接用于輸出c母線的電位的正側(cè)鉗位用的二極管元件d1。另外，在igbt單元16、17的連接點與c母線之間，連接用于輸出c母線的電位的負(fù)側(cè)鉗位用的二極管元件d2。在電力轉(zhuǎn)換主電路12中，igbt單元14～17所具備的igbt元件q1～q8進(jìn)行開關(guān)動作，從而從作為輸出點的節(jié)點aco向負(fù)載l輸出交流電力。

《開關(guān)動作》

在向節(jié)點aco輸出正電壓的脈沖時，控制部10使igbt單元14、15所具備的igbt元件q1～q4接通，使igbt單元16、17所具備的igbt元件q5～q8斷開。由此，p母線的電位被輸出到節(jié)點aco。

另外，在向節(jié)點aco輸出零電壓時，控制部10使igbt單元15、16所具備的igbt元件q3～q6接通，使igbt單元14所具備的igbt元件q1、q2與igbt單元17所具備的igbt元件q7、q8斷開。由此，c母線的電位被輸出到節(jié)點aco。

在向節(jié)點aco輸出負(fù)電壓的脈沖時，控制部10使igbt單元16、17所具備的igbt元件q5～q8接通，使igbt單元14、15所具備的igbt元件q1～q4斷開。由此，n母線的電位被輸出到節(jié)點aco。

電力轉(zhuǎn)換主電路12的控制部10通過由上述那樣的以零點為中心的正脈沖和負(fù)脈沖構(gòu)成的pwm(pulsewidthmodulation，脈沖寬度調(diào)制)脈沖，相比于二電平電力轉(zhuǎn)換電路，能夠向節(jié)點aco輸出更接近正弦波的交流電壓。

《將igbt元件串聯(lián)地連接的效果》

在本實施方式的電力轉(zhuǎn)換主電路12中，對igbt單元14～17分別串聯(lián)地連接進(jìn)行同樣的開關(guān)動作的兩個igbt元件。這通過使兩個igbt元件分擔(dān)igbt單元14～17的額定電壓，從而能夠使所輸入的直流電壓增加到約2倍。而且，還具有降低某一個igbt元件導(dǎo)通損壞時的二次性的元件損壞的效果。參照圖4和圖5對其進(jìn)行說明。

圖4是示出在本實施方式中的電力轉(zhuǎn)換主電路12中發(fā)生了故障的情形的圖。

將在igbt元件q1～q4接通、igbt元件q5～q8斷開時在電力轉(zhuǎn)換主電路12中流過的電流表示為路徑71。電流從p母線經(jīng)由igbt元件q1～q4和節(jié)點aco而流入到負(fù)載l。此時，考慮igbt元件q5錯誤地接通或者導(dǎo)通損壞的情況。

圖5是示出在故障之后停止的情形的圖。

如路徑72所示，施加到p母線的電壓還被施加到igbt元件q6的集電極端子。igbt元件q6被施加與igbt元件q1～q5這五個元件相應(yīng)量的電壓，電壓上升。但是，控制部10利用過電壓抑制電路20以及過電壓檢測電路19來檢測附近的igbt元件的故障，使該電力轉(zhuǎn)換主電路12的運轉(zhuǎn)停止。由此，電力轉(zhuǎn)換主電路12能夠防止進(jìn)一步的損害。

在本實施方式中，由于igbt元件q6斷開，所以不會發(fā)生直流短路電流。該故障所致的更換部位僅為igbt元件q5和由于過電壓而受到損傷的igbt元件q6。另外，本實施方式的三電平電力轉(zhuǎn)換裝置1針對每個開關(guān)動作單位進(jìn)行單元化，所以更換部位僅為igbt單元16，相比于比較例，更換的部件件數(shù)變少。因此，相比于比較例的電力轉(zhuǎn)換主電路92，本實施方式的電力轉(zhuǎn)換主電路12能夠減少igbt元件的損壞所致的二次損害，抑制修復(fù)時間、修復(fù)費用。

此外，各igbt單元14～17也可以分別將進(jìn)行同樣的開關(guān)動作的三個以上的igbt元件串聯(lián)地連接，并不受限定。

《本實施方式的三電平電力轉(zhuǎn)換裝置的構(gòu)造配置例》

圖6是構(gòu)成本實施方式中的電力轉(zhuǎn)換主電路12的igbt單元14～17和鉗位二極管單元13的部件構(gòu)造的配置例。

在圖6的部件構(gòu)造中，在igbt單元14～17以及鉗位二極管單元13通過不限上下左右的安裝而構(gòu)成的構(gòu)造體內(nèi)，在圖的縱深方向上按照三列進(jìn)行了并聯(lián)。由此，能夠容易地實現(xiàn)例如u相電路11u中的被并聯(lián)的電力轉(zhuǎn)換主電路12a～12c。

此外，在圖6的部件構(gòu)造例中，igbt單元14～17全部是相同的構(gòu)造。由此，能夠?qū)⒃趇gbt單元的故障時準(zhǔn)備的更換部件的種類設(shè)為1種，能夠減少更換部件的種類和庫存數(shù)量。

圖6的左上所配置的igbt單元14構(gòu)成為包括：igbt元件q1，集電極端子連接于總線21，發(fā)射極端子連接于總線22；以及igbt元件q2，集電極端子連接于總線22，發(fā)射極端子連接于總線23。

在該igbt單元14中，igbt元件q1的集電極端子經(jīng)由總線21而與p母線連接，igbt元件q2的發(fā)射極端子經(jīng)由總線23、24而與igbt單元15連接。

圖6的右上所配置的igbt單元15構(gòu)成為包括：igbt元件q3，集電極端子連接于總線25，發(fā)射極端子連接于總線26；以及igbt元件q4，集電極端子連接于總線26，發(fā)射極端子連接于總線27。

在該igbt單元15中，igbt元件q3的集電極端子經(jīng)由總線25、24、23而與igbt元件q2的發(fā)射極端子連接，igbt元件q3的集電極端子經(jīng)由總線25、32而與二極管元件d1的陰極端子連接。而且，igbt元件q4的發(fā)射極端子經(jīng)由總線27而與總線28連接。該總線28是輸出從電力轉(zhuǎn)換主電路12輸出的電力的節(jié)點aco。

圖6的右中央所配置的鉗位二極管單元13具備陽極端子連接于總線31且陰極端子連接于總線32的二極管元件d1。鉗位二極管單元13還具備陰極端子連接于總線33且陽極端子連接于總線34的二極管元件d2。

二極管元件d1的陽極端子經(jīng)由總線31而連接到電位與c母線相同的總線30。二極管元件d1的陰極端子經(jīng)由總線32而連接到igbt單元14與igbt單元15的連接點。

二極管元件d2的陰極端子經(jīng)由總線33而連接到電位與c母線相同的總線30。二極管元件d1的陽極端子經(jīng)由總線44而連接到igbt單元16與igbt單元17的連接點。

這些二極管元件d1、d2、和與它們連接的總線31、32及總線33、34以面對稱的方式被配置。

圖6的左下所配置的igbt單元17構(gòu)成為包括：igbt元件q8，發(fā)射極端子連接于總線41，集電極端子連接于總線42；以及igbt元件q7，發(fā)射極端子連接于總線42，集電極端子連接于總線43。

在該igbt單元17中，igbt元件q8的發(fā)射極端子經(jīng)由總線41而與n母線連接，igbt元件q7的集電極端子經(jīng)由總線43、44而與igbt單元16連接。

圖6的右下所配置的igbt單元16構(gòu)成為包括：igbt元件q6，發(fā)射極端子連接于總線45，集電極端子連接于總線46；以及igbt元件q5，發(fā)射極端子連接于總線46，集電極端子連接于總線47。

在該igbt單元16中，igbt元件q6的發(fā)射極端子經(jīng)由總線45、44、43而與igbt元件q7的集電極端子連接，igbt元件q6的發(fā)射極端子經(jīng)由總線45、34而與二極管元件d2的陽極端子連接。而且，igbt元件q5的集電極端子經(jīng)由總線47而與作為節(jié)點aco的總線28連接。

如該圖6那樣，igbt單元14和igbt單元17隔著總線30而面對稱地配置。igbt單元14相對于igbt單元17而上下反轉(zhuǎn)地配置。

而且，igbt單元15和igbt單元16隔著鉗位二極管單元13而面對稱地配置。igbt單元14相對于igbt單元17而上下反轉(zhuǎn)地配置。

而且，鉗位二極管單元13的二極管元件d1與二極管元件d1面對稱地配置。由此，能夠抑制三電平電力轉(zhuǎn)換裝置1的寬度。

另外，在igbt單元14～17與鉗位二極管單元13中，能夠在三電平電力轉(zhuǎn)換裝置1的縱深方向上排列igbt元件、二極管元件，而將多個電力轉(zhuǎn)換主電路12進(jìn)行并聯(lián)。因此，通過將單元布線總線增加到與并聯(lián)數(shù)相同的數(shù)量，從而不用增加圖6的寬度方向、垂直方向的尺寸，就能夠增加三電平電力轉(zhuǎn)換裝置1的輸出容量。

而且，在三電平電力轉(zhuǎn)換裝置1中，以隔著總線31、30、33的方式配置有總線32、34，以隔著總線32、34的方式配置有總線25、26、45、46。另外，在三電平電力轉(zhuǎn)換裝置1中，以隔著總線30的方式配置有總線21、22、23、24和總線41、42、43、44。在三電平電力轉(zhuǎn)換裝置1中，通過這樣配置igbt單元14～17而使各總線接近，從而能夠減小各總線的距離而使互感減少，降低開關(guān)動作時的igbt元件的跳變電壓所致的影響。在此，關(guān)于各總線，優(yōu)選配置為即使考慮部件尺寸的公差也不會發(fā)生因接觸所致的短路事故、并且總線之間的互感減少的距離。兩個總線之間的距離例如優(yōu)選為0.1～10.0mm，更優(yōu)選為1.0～5.0mm。

本實施方式的三電平電力轉(zhuǎn)換裝置1的寬度尺寸能夠抑制到約1400mm。以往的具有相同程度的容量的產(chǎn)品在作為本實施方式的最大并聯(lián)數(shù)的3并聯(lián)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行比較時是約3000mm。

此外，由于本實施方式的構(gòu)造體復(fù)雜，所以為了有助于理解，在圖7中示出將igbt單元14～17和鉗位二極管單元13設(shè)為與圖6同樣的配置的電路圖。

圖7是將圖2所示的電力轉(zhuǎn)換主電路12的電路圖設(shè)為與圖6同樣的配置的圖。

在圖7的左側(cè)，配置有p母線、c母線、以及n母線。igbt單元14、15串聯(lián)連接在p母線與節(jié)點aco之間。igbt單元16、17串聯(lián)連接在節(jié)點aco與n母線之間。鉗位二極管單元13具備二極管元件d1、d2。二極管元件d1從c母線朝向igbt單元14、15的連接節(jié)點連接。二極管元件d2從igbt單元16、17的連接節(jié)點朝向c母線連接。

igbt單元14是對p母線的正極側(cè)直流端子連接一端的第一開關(guān)元件構(gòu)造體。igbt單元15是連接在igbt單元14與節(jié)點aco(交流端子)之間的第二開關(guān)元件構(gòu)造體。

另外，igbt單元17是對n母線的負(fù)極側(cè)直流端子連接一端的第四開關(guān)元件構(gòu)造體。igbt單元16是連接在igbt單元17與節(jié)點aco(交流端子)之間的第三開關(guān)元件構(gòu)造體。

二極管元件d1是從c母線(中性點)連接到igbt單元14的另一端的第一二極管元件。二極管元件d2從c母線(中性點)連接到igbt單元17的另一端。

《電力轉(zhuǎn)換單元的構(gòu)造例》

圖8～圖10示出了構(gòu)成本實施方式的電力轉(zhuǎn)換主電路12的igbt單元14～17的構(gòu)造例。igbt單元14～17全部是同樣的結(jié)構(gòu)，所以在此說明igbt單元14，省略igbt單元15～17的說明。

圖8是igbt單元14的主視圖。在該圖8中，從與圖6同樣的方向觀察上下反轉(zhuǎn)的igbt單元14。

igbt單元14是在散熱器50a、50b上排列三組的igbt元件q1、q2以及總線21、22、23而構(gòu)成的電氣部件的集合體。此外，在此僅圖示了三組排列中的一組，其它兩組隱藏在背后。igbt單元14構(gòu)成為還包括：將散熱器50a、50b進(jìn)行固定的金屬板53、支承金屬板53和散熱器50a、50b的支承體51、以及平板狀的金屬板52。

金屬板53固定散熱器50a、50b，并且固定支承體51。該支承體51形成為具有u字型的剖面，上側(cè)被固定到金屬板53。金屬板52是平板狀，被固定到支承體51中的與金屬板53、散熱器50a、50b相反的一側(cè)。

圖9是igbt單元14的側(cè)視圖。在該圖9中，從圖8中的左側(cè)面觀察igbt單元14。

在圖9中，關(guān)于igbt單元14，圖示了igbt元件q2以及總線23的三個排列、金屬板53、支承體51、金屬板52。igbt元件q1以及總線22、21隱藏在igbt元件q2以及總線23的背后。散熱器50a、50b隱藏在金屬板53的背后。

圖10是電力轉(zhuǎn)換單元的立體圖。在該圖10中，從圖8中的右斜上，觀察igbt單元14。

在圖10中，示出了在散熱器50a、50b上排列三組的igbt元件q1、q2以及總線21、22、23而構(gòu)成igbt單元14。這些三組的總線21、22、23被配置為在圖的上側(cè)形成同一平面。這些三列的總線21、22、23接近三列的平面狀的總線30(參照圖6)地被配置。

總線21將p母線和igbt元件q1的集電極端子連接為同電位?？偩€22連接igbt元件q1的發(fā)射極端子和igbt元件q2的集電極端子?？偩€23連接igbt元件q2的發(fā)射極端子和所鄰接的igbt單元15的igbt元件q3的集電極端子。

三列的igbt元件q1被固定于散熱器50b，三列的igbt元件q2被固定于散熱器50a。這些散熱器50a、50b被固定到金屬板53之上，通過支承體51來支承。支承體51被固定到平板狀的金屬板52上。

《鉗位二極管單元的構(gòu)造例》

圖11～圖13示出了構(gòu)成本實施方式的電力轉(zhuǎn)換主電路12的鉗位二極管單元13的構(gòu)造例。

圖11是示出鉗位二極管單元13的主視圖。在該圖11中，從與圖6同樣的方向，將鉗位二極管單元13上下反轉(zhuǎn)而進(jìn)行觀察。

鉗位二極管單元13是在散熱器60p上排列三組的二極管元件d1以及總線31、32、并在散熱器60n上排列三組的二極管元件d2以及總線33、34而構(gòu)成的電氣部件的集合體。此外，在此僅圖示了三組排列中的一組，其它兩組被隱藏在背后。散熱器60p被固定到支承板61的一個面，散熱器60n被固定到支承板61的另一個面。

這些二極管元件d1是p側(cè)(二合一)鉗位二極管。二極管元件d2是n側(cè)(二合一)鉗位二極管。

總線32如圖6所示，將igbt元件q2的發(fā)射極端子和igbt元件q3的集電極端子之間、與二極管元件d1的陰極端子之間進(jìn)行連接。總線31將二極管元件d1的陽極端子、與作為中性點的總線30進(jìn)行連接。

總線34如圖6所示，將igbt元件q7的集電極端子和igbt元件q6的發(fā)射極端子之間、與二極管元件d2的陽極端子之間進(jìn)行連接?？偩€33將二極管元件d2的陰極端子、與作為中性點的總線30進(jìn)行連接。

圖12是示出鉗位二極管單元13的側(cè)視圖。在該圖12中，從圖11中的左側(cè)面，觀察鉗位二極管單元13。

在圖12中，示出了在鉗位二極管單元13中在散熱器60p上排列有三組的二極管元件d1以及總線31、32、并在散熱器60n上排列有三組的二極管元件d2以及總線33、34的樣子。

圖13是示出鉗位二極管單元13的立體圖。在該圖13中，從圖11中的右斜上，觀察鉗位二極管單元13。

在該圖13中，示出了在鉗位二極管單元13中在散熱器60p上排列有三組的二極管元件d1以及總線31、32的樣子。該散熱器60p被固定到支承板61的一個面。而且，在支承板61的下側(cè)，示出了三組的總線33和跟前側(cè)的一組的總線34，但三組的二極管元件d2、和里側(cè)的兩組的總線34及散熱器60n被支承板61所隱藏。

以上，本發(fā)明不限于上述的各實施方式，在不脫離權(quán)利要求書所記載的要旨的范圍內(nèi)，顯然能夠采用其它各種變形例、應(yīng)用例。

例如，上述的實施方式例是為了易于理解地說明本發(fā)明而詳細(xì)說明的例子，并非限定于一定具備所說明的所有結(jié)構(gòu)的例子。另外，也能夠?qū)δ硞€實施方式例的結(jié)構(gòu)的一部分追加其它實施方式例的結(jié)構(gòu)。另外，關(guān)于各實施方式例的結(jié)構(gòu)的一部分，能夠進(jìn)行其它結(jié)構(gòu)的追加、刪除、置換。并且，關(guān)于控制線、信息線，示出了認(rèn)為在說明方面必要的部分，在產(chǎn)品方面未必示出所有的控制線、信息線。實際上也可以認(rèn)為幾乎所有的結(jié)構(gòu)相互連接。

作為本發(fā)明的變形例，例如有接下來的(a)～(e)那樣的例子。

(a)本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換主電路不限于npc方式，也可以通過a-npc(advanced-npc)方式來構(gòu)成。

(b)電力轉(zhuǎn)換主電路的轉(zhuǎn)換動作不限于逆變器(inverter)動作，也可以是變流器(converter)動作。

(c)電力轉(zhuǎn)換單元不限于兩個電力開關(guān)元件的串聯(lián)連接。

(d)電力轉(zhuǎn)換單元的并聯(lián)數(shù)不限于三列。

(e)電力轉(zhuǎn)換單元中所使用的電力開關(guān)元件不限于igbt，也可以是例如門控晶閘管(gateturn-offthyristor)等。