JP2002034268A - 電力変換装置 - Google Patents
電力変換装置Info
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Abstract
配線インダクタンスを低減すると共に、電力変換モジュ
ール、平滑コンデンサを効率的に冷却し、装置の小型
化、低価格化を実現すること。 【解決手段】直流電源1を平滑する平滑コンデンサ2
と、複数個のスイッチング素子4U〜4Zからなり平滑
コンデンサ2により平滑された直流電源を所定の交流電
源に変換する電力変換モジュール4とを備えて構成され
る電力変換装置において、平滑コンデンサ2と、電力変
換モジュール4と、電力変換モジュール4を冷却するヒ
ートシンク10とを、高さ方向に三層に積み重ねる。
Description
素子を使用した電力変換装置に係り、特に平滑コンデン
サと電力変換モジュールとの間の配線インダクタンスを
低減すると共に、電力変換モジュール、平滑コンデンサ
を効率的に冷却して、装置の小型化、低価格化を実現で
きるようにした電力変換装置に関するものである。
する電力変換装置では、高速スイッチング化への発展が
目覚しいものがある。
流駆動型ではGCT等が、電圧駆動型では絶縁ゲート型
であるIGBT,IEGT(Injection Enhanced Gat
e Transistor)等が、それぞれ多く用いられている。
平型半導体素子と、半導体チップをゲル材でモールドし
てパッケージ化したモジュールタイプとの2種類があ
り、特にモジュールタイプの高電圧大容量化も開発さ
れ、実用化されはじめてきている。
行なうことから、スイッチング素子周辺の電気用品およ
び配線インダクタンスによるスイッチングサージが問題
になり、それらを回避するための低インダクタンス実装
構造が、益々難しくなってきているのが現状である。
グ素子を適用した従来の電力変換装置の主回路構成例を
示す回路図である。
しない整流装置で電力変換した直流電源1、または図示
しないバッテリー等の直流電源1を、平滑コンデンサ2
で平滑し、正極主回路導体3P、負極主回路導体3Nを
介して、複数個のスイッチング素子4U〜4Zとこのス
イッチング素子4U〜4Zのべ一ス信号を制御するゲー
トドライブ基板9とで構成された電力変換モジュール
(以下、IPMと称する)4からなるインバータ回路で
所定の交流電力に変換し、さらにIPM4の3相各相
(R,S,T)の交流出力端子6〜8を介して、図示し
ない電動機等の負荷に供給するようにしている。
正極端子、2Nは平滑コンデンサ2の負極端子、4Pは
IPM4の一方の直流入力端子である正極入力端子、4
NはIPM4の他方の直流入力端子である負極入力端
子、5はIPM4の交流出力電流を検出する電流センサ
ーをそれぞれ示している。
構成された電力変換装置においては、主回路配線となる
平滑コンデンサ2および正極,負極主回路導体3P,3
Nの浮遊インダクタンスに蓄積されたエネルギーによっ
て、IPM4のスイッチング素子4U〜4Zのスイッチ
オフ時にスパイク電圧が発生する。
ZであるIGBTがターンオフする際に、主回路電流の
急激な変化により、主回路浮遊インダクタンスに高い電
圧が誘起されて、ターンオフ過程のスパイク電圧が発生
する。
の配線である正極,負極主回路導体3P,3Nの浮遊イ
ンダクタンスを、極力小さくする必要がある。
るために、従来では、下記に示すような種々の方法が提
案されている。
よる電流集中を避ける。
は、装置の小型化、低価格化を図る上で問題がある。
よって、熱密度も増大の一途をたどっており、スイッチ
ング素子4U〜4Zの発熱に対する冷却も困難となって
きている。
駆動用として適用される電力変換装置の場合には、ほと
んどがクーラント等の液体冷媒による冷却で、その液体
冷媒の温度は、モータ等の冷却も兼ねているため70℃
以上の高温であり、液体冷媒による冷却ともいえ難しく
なっており、装置の小型化を図る上で特に問題となって
いる。
の制約がある。
換モジュールとの間の配線インダクタンスを低減するこ
とができると共に、電力変換モジュール、平滑コンデン
サを効率的に冷却することができ、小型化、低価格化を
実現することが可能な電力変換装置を提供することにあ
る。
めに、請求項1に対応する発明では、直流電源を平滑す
る平滑コンデンサと、複数個のスイッチング素子からな
り平滑コンデンサにより平滑された直流電源を所定の交
流電源に変換する電力変換モジュールとを備えて構成さ
れる電力変換装置において、平滑コンデンサと、電力変
換モジュールと、電力変換モジュールを冷却するヒート
シンクとを、高さ方向に三層に積み重ねている。
換装置においては、平滑コンデンサと、電力変換モジュ
ールと、電力変換モジュールを冷却するヒートシンクと
を、高さ方向に三層に積み重ねることにより、平滑コン
デンサと電力変換モジュールとの間の配線インダクタン
スを低減することができ、低インダクタンス化が可能に
なる。これにより、ターンオフ電圧を小さく抑えること
が可能になり、スナバー回路を小さくまたは削減するこ
とが可能になり、装置の小型化、組み立て配線作業工数
削減により低価格化を実現することができる。よって、
高速スイッチング動作する半導体素子へのサージ電圧を
抑制することができ、経済的で信頼性の極めて高い電力
変換装置を得ることができる。
請求項1に対応する発明の電力変換装置において、電力
変換モジュール、ヒートシンク、平滑コンデンサの順番
に、上から下方向に三層に積み重ねている。
換装置においては、電力変換モジュール、ヒートシン
ク、平滑コンデンサの順番に、上から下方向に積み重ね
ることにより、電力変換モジュールを冷却するヒートシ
ンクを共用することが可能になり、平滑コンデンサのリ
ップル電流が大きく熱的に厳しい場合、あるいは電力変
換装置の設置スペースが限られて小型化が最優先で求め
られる場合に、極めて有効に適用することができる。
記請求項1に対応する発明の電力変換装置において、平
滑コンデンサ、電力変換モジュール、ヒートシンクの順
番に、上から下方向に三層に積み重ねている。
換装置においては、平滑コンデンサ、電力変換モジュー
ル、ヒートシンクの順番に、上から下方向に積み重ねる
ことにより、平滑コンデンサと電力変換モジュールが隣
接するため、電力変換モジュールと平滑コンデンサとの
間のより一層の最短接続が可能になり、平滑コンデンサ
と電力変換モジュールとの間の配線インダクタンスをよ
り一層低減することができる。
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に対応する発明の
電力変換装置において、電力変換モジュールの入力端子
となる直流入力端子、または電力変換モジュールの出力
端子となる交流出力端子のうち、少なくとも直流入力端
子を、電力変換モジュールの側面に設けている。
換装置においては、電力変換モジュールの直流入力端
子、または交流出力端子のうち、少なくとも直流入力端
子を電力変換モジュールの側面に設けることにより、電
力変換モジュールと平滑コンデンサとの間のさらにより
一層の最短接続が可能になり、平滑コンデンサと電力変
換モジュールとの間の配線インダクタンスをさらにより
一層低減することができる。
記請求項1乃至請求項4のいずれか1項に対応する発明
の電力変換装置において、ヒートシンクは、液体冷媒に
よる冷却方式としている。
換装置においては、ヒートシンクを液体冷媒による冷却
方式とすることにより、ヒートシンクを超薄型にするこ
とが可能になり、電力変換モジュールと平滑コンデンサ
との間が極低インダクタンス配線になり、サージ電圧を
最小にすることができる。
ジュールとの間の配線インダクタンスを低減することが
できると共に、電力変換モジュール、平滑コンデンサを
効率的に冷却することができ、小型化、低価格化を実現
することが可能となる。
て図面を参照して詳細に説明する。
対応)図1は、本実施の形態による電力変換装置の実装
構成例を示す正面図であり、図3と同一要素には同一符
号を付して示している。
M4と、IPM4を冷却するヒートシンク10とを、高
さ方向に三層に積み重ねている。
ヒートシンク10、平滑コンデンサ2の順番に、上から
下方向に三層に積み重ねている。
素子4U〜4W,4X〜4Z、およびゲートドライブ基
板9を内蔵している。
コンデンサ2は、以下のような方法により取付けしてい
る。
の皿穴10aと複数個のねじ穴10bとを設けており、
皿穴10aはIPM4を取付け固定するもので、IPM
4の下部には、ねじ穴を有する埋め金4aを4個モール
ドしており、ヒートシンク10の皿穴10aから皿ねじ
11で固定している。
固定用で、平滑コンデンサ2に設けられた取付け穴2a
にねじ12で固定している。
平滑コンデンサ2とIPM4に設けられたそれぞれの正
極,負極端子2P,2Nと正極,負極端子4P,4Nに、
正極主回路導体3P、負極主回路導体3Nで接続してい
る。
Nは、IPM4の一方の側面に設けており、主回路ケー
ブル18を接続している。
IPM4の他方の側面に設けており、主回路ケーブル1
7を接続している。
は、液体冷媒による冷却方式としており、図1中20
は、液体冷媒をヒートシンク10内に導くためのホース
を取り付ける配管口金を示している。
による電力変換装置においては、平滑コンデンサ2と、
IPM4と、ヒートシンク10とを、高さ方向に三層に
積み重ねていることにより、平滑コンデンサ2とヒート
シンク10との間の配線インダクタンスを低減すること
ができ、低インダクタンス化が可能になる。
ることが可能になり、スナバー回路を小さくまたは削減
することが可能になり、もって装置の小型化、組み立て
配線作業工数削減により低価格化を実現することができ
る。
コンデンサ2の順番に、上から下方向に積み重ねている
ことにより、平滑コンデンサ2の冷却を液体冷媒で強制
的に行ない、IPM4を冷却するヒートシンク10を共
用することができ、平滑コンデンサ2のリップル電流が
大きく熱的に厳しい場合、あるいは電力変換装置の設置
スペースが限られて小型化が最優先で求められる場合
に、極めて有効に適用することができる。
Nと、IPM4の交流出力端子6〜8とを、IPM4の
側面に設けていることにより、IPM4と平滑コンデン
サ2との間は、最短接続が可能になり、平滑コンデンサ
2とIPM4との間の配線インダクタンスをさらにより
一層低減することができる。
0mm以上にも及び、そのケース内に収納されるスイッ
チング素子4U〜4Zは発熱体であるが、本実施の形態
では、スイッチング素子4U〜4Zをヒートシンク10
側により近い部所、すなわちIPM4の最も底部分に配
置していることにより、放熱効率を良くして効率的に冷
却することができ、装置のより一層の小型化を実現する
ことができる。
る冷却方式としていることにより、ヒートシンク10を
20mm以下の超薄型にすることが可能になり、IPM
4と平滑コンデンサ2との間の配線となる正極主回路導
体3P、負極主回路導体3Nの長さを、最短にすること
ができて極低インダクタンス配線になり、サージ電圧を
最小にすることができる。
変換装置では、平滑コンデンサ2とIPM4との間の配
線インダクタンスを最小に低減することができ、低イン
ダクタンス化が可能になる。
ることが可能になり、スナバー回路を小さくまたは削減
することが可能になり、装置の小型化、組み立て配線作
業工数削減により、低価格化を実現することができる。
素子4U〜4Zへのサージ電圧を抑制することができ、
経済的で信頼性の極めて高い電力変換装置を得ることが
できる。
対応)図2は、本実施の形態による電力変換装置の実装
構成例を示す正面図であり、図3と同一要素には同一符
号を付して示している。
M4と、IPM4を冷却するヒートシンク10とを、高
さ方向に三層に積み重ねている。
ンサ2、IPM4、ヒートシンク10の順番に、上から
下方向に三層に積み重ねている。
素子4U〜4W,4X〜4Z、およびゲートドライブ基
板9を内蔵している。
コンデンサ2は、以下のような方法により取付けしてい
る。
10cを設けており、IPM4には、貫通穴4bを設
け、平滑コンデンサ2には、貫通穴2bを設け、この貫
通穴2bを通してねじ13により、ヒートシンク10に
設けられたねじ穴10cに締め付けて取付け固定してい
る。
平滑コンデンサ2とIPM4に設けられたそれぞれの正
極,負極端子2P,2Nと正極,負極端子4P,4Nに、
正極主回路導体3P、負極主回路導体3Nで接続してい
る。
Nは、IPM4の一方の側面に設けており、主回路ケー
ブル18を接続している。
IPM4の他方の側面に設けており、主回路ケーブル1
7を接続している。
は、液体冷媒による冷却方式としており、図2中20
は、液体冷媒をヒートシンク10内に導くためのホース
を取り付ける配管口金を示している。
による電力変換装置においては、平滑コンデンサ2と、
IPM4と、ヒートシンク10とを、高さ方向に三層に
積み重ねていることにより、平滑コンデンサ2とヒート
シンク10との間の配線インダクタンスを低減すること
ができ、低インダクタンス化が可能になる。
ることが可能になり、スナバー回路を小さくまたは削減
することが可能になり、もって装置の小型化、組み立て
配線作業工数削減により低価格化を実現することができ
る。
トシンク10の順番に、上から下方向に積み重ねている
ことにより、IPM4の冷却を液体冷媒で効率よく行な
うことができ、平滑コンデンサ2のリップル電流、IP
M4のサージ電圧および設置スペースに比較的余裕があ
る場合に、例えば電気自動車用電力変換装置として、極
めて有効に適用することができる。
Nと、IPM4の交流出力端子6〜8とを、IPM4の
側面に設けていることにより、IPM4と平滑コンデン
サ2との間は、最短接続が可能になり、平滑コンデンサ
2とIPM4との間の配線インダクタンスをさらにより
一層低減することができる。
接しているため、IPM4と平滑コンデンサ2との間の
より一層の最短接続が可能になり、平滑コンデンサ2と
IPM4との間の配線インダクタンスをより一層低減す
ることができる。
0mm以上にも及び、そのケース内に収納されるスイッ
チング素子4U〜4Zは発熱体であるが、本実施の形態
では、スイッチング素子4U〜4Zをヒートシンク10
側により近い部所、すなわちIPM4の最も底部分に配
置していることにより、放熱効率を良くして効率的に冷
却することができ、装置のより一層の小型化を実現する
ことができる。
る冷却方式としていることにより、ヒートシンク10を
20mm以下の超薄型にすることが可能になり、IPM
4と平滑コンデンサ2との間の配線となる正極主回路導
体3P、負極主回路導体3Nの長さを、最短にすること
ができて極低インダクタンス配線になり、サージ電圧を
最小にすることができる。
変換装置では、平滑コンデンサ2とIPM4との間の配
線インダクタンスをより一層最小に低減することがで
き、低インダクタンス化が可能になる。
ることが可能になり、スナバー回路を小さくまたは削減
することが可能になり、装置の小型化、組み立て配線作
業工数削減により、低価格化を実現することができる。
素子4U〜4Zへのサージ電圧を抑制することができ、
経済的で信頼性の極めて高い電力変換装置を得ることが
できる。
では、IPM4の正極,負極端子4P,4N、およびI
PM4の交流出力端子6〜8の両端子を、IPM4の側
面に設ける場合について説明したが、これに限らず、I
PM4の正極,負極端子4P,4NのみをIPM4の側
面に設ける構成としてもよい。
装置によれば、平滑コンデンサと電力変換モジュールと
の間の配線インダクタンスを低減することができると共
に、電力変換モジュール、平滑コンデンサを効率的に冷
却することができ、小型化、低価格化を実現することが
可能となる。
素子へのサージ電圧を抑制することができ、経済的で信
頼性の極めて高い電力変換装置を提供することができ
る。
ジュールとの間の配線インダクタンスを低減することが
できると共に、電力変換モジュール、平滑コンデンサを
効率的に冷却することができ、小型化、低価格化を実現
することが可能となる。
を示す正面図。
を示す正面図。
図。
Claims (5)
- 【請求項1】 直流電源を平滑する平滑コンデンサと、
複数個のスイッチング素子からなり前記平滑コンデンサ
により平滑された直流電源を所定の交流電源に変換する
電力変換モジュールとを備えて構成される電力変換装置
において、 前記平滑コンデンサと、前記電力変換モジュールと、当
該電力変換モジュールを冷却するヒートシンクとを、高
さ方向に三層に積み重ねたことを特徴とする電力変換装
置。 - 【請求項2】 前記請求項1に記載の電力変換装置にお
いて、 前記電力変換モジュール、前記ヒートシンク、前記平滑
コンデンサの順番に、上から下方向に三層に積み重ねた
ことを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項3】 前記請求項1に記載の電力変換装置にお
いて、 前記平滑コンデンサ、前記電力変換モジュール、前記ヒ
ートシンクの順番に、上から下方向に三層に積み重ねた
ことを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項4】 前記請求項1乃至請求項3のいずれか1
項に記載の電力変換装置において、 前記電力変換モジュールの入力端子となる直流入力端
子、または当該電力変換モジュールの出力端子となる交
流出力端子のうち、少なくとも前記直流入力端子を前記
電力変換モジュールの側面に設けたことを特徴とする電
力変換装置。 - 【請求項5】 前記請求項1乃至請求項4のいずれか1
項に記載の電力変換装置において、 前記ヒートシンクは、液体冷媒による冷却方式としたこ
とを特徴とする電力変換装置。
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