【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインバータ装置に関し、詳しくは、電力系統に設置される系統連系装置や無効電力補償装置などの一部を構成するインバータ装置で、電力用半導体素子を筐体に組み込んだ配電盤の内部構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電力系統に設置される系統連系装置や無効電力補償装置などの一部を構成するインバータ装置は、電力用半導体素子を組み込み、筐体である配電盤に収納されている。この配電盤内には、インバータ部、制御機器、変圧器および遮断器などの主回路機器が配置されている。図２に示すように配電盤１内のインバータ部は、図２に示すように電力用半導体素子２、放熱フィン３および冷却ファン４で構成されている。なお、図では、他の主回路機器である制御機器、変圧器および遮断器は省略している。
【０００３】
このインバータ部を構成する電力用半導体素子２は、そのオン電圧（あるいはオン抵抗）と通電電流によって内部損失が発生することにより温度が上昇する。これにより、インバータ装置の定格容量に対して数パーセント程度の損失を生じるため、その電力用半導体素子２に放熱フィン３を取り付けると共にその放熱フィン３に冷却ファン４を取り付けるようにしている。
【０００４】
これにより、電力用半導体素子２からの損失熱を放熱フィン３に吸収し、その放熱フィン３を冷却ファン４で冷却する。このインバータ装置では、電力用半導体素子２を配電盤１内の空気を利用して空冷するため、配電盤１の下部に設けられた換気口５から外部の空気を取り込み、冷却ファン４で放熱フィン３へ送風し、電力用半導体素子１からの損失熱を吸収する放熱フィン３を冷却する。冷却ファン４による送風は放熱フィン３から排気され、配電盤１の上部に設けられた換気ファン６により外部へ排気される。
【０００５】
なお、インバータ装置に組み込まれた電力用半導体素子１を冷却する手段として、ペルチェ素子を用いるものがある（例えば、特許文献１参照）。また、大型のインバータ装置では、電力用半導体素子１を水冷する構造のものもある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１５４７２０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した図２のインバータ装置では、換気口５から取り込まれた空気をすべて電力用半導体素子１の冷却に使用することは非常に困難である。つまり、冷却ファン４により放熱フィン３から排気される暖かい空気の一部は、配電盤１の内部に滞留し、換気口５から取り込まれた空気と混在することから、冷却ファン４および放熱フィン３による電力用半導体素子１の冷却効率が悪くなっている。
【０００８】
また、前述したように放熱フィン３から排気される暖かい空気の一部が配電盤１の内部に滞留するため、配電盤１の内部温度が十分に低下しないことから、大容量の換気ファン６を使用する必要があり、換気ファン６の電力増大を招来し、また、風量の増大により換気ファン６の騒音増加、換気口５の目詰まりなどが発生し易いという問題があった。
【０００９】
さらに、特許文献１に開示された発明のようにペルチェ素子のみで電力用半導体素子１を冷却しても、十分な冷却効果を得ることが困難であり、また、大型のインバータ装置のように水冷方式を用いることは、電気機器を取り扱う上で危険性を伴うことからも、好適な手段であるとは言い難い。
【００１０】
そこで、本発明は前記問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、簡便な手段により電力用半導体素子を効率よく冷却し得る構造としたインバータ装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための技術的手段として、本発明は、電力用半導体素子を含む主回路機器を筐体内に収納し、前記電力用半導体素子に放熱フィンを取り付けると共にその放熱フィンに冷却ファンを付設したインバータ装置であって、前記電力用半導体素子の発熱を吸収するペルチェ素子を電力用半導体素子と放熱フィンとの間に介設すると共に、前記電力用半導体素子を含む主回路機器を収納する機器格納室を設け、前記放熱フィンおよび冷却ファンを前記機器格納室外に配置して主回路機器と分離したことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るインバータ装置では、電力用半導体素子からの損失熱をペルチェ素子により吸収し、そのペルチェ素子で吸収した熱を放熱フィンに伝導する。このように電力用半導体素子と放熱フィン間にペルチェ素子を介設したことにより、このペルチェ素子による強制冷却で電力用半導体素子を効率よく冷却することができる。
【００１３】
また、電力用半導体素子を含む主回路機器を収納する機器格納室外に前記放熱フィンおよび冷却ファンを配置して主回路機器と分離した構造としたことにより、機器格納室内に収納された主回路機器を放熱フィンおよび冷却ファンから隔離することができ、放熱フィンからの排気は機器格納室に入り込むことがなく空気の滞留がなくなるので、冷却ファンおよび放熱フィンによる冷却効率の低下を阻止できる。
【００１４】
このように電力用半導体素子を集中的に効率よく冷却することにより、筐体の内部全体を冷却するような大容量の換気ファンを使用する必要がなくなり、換気ファンの電力および騒音増大、換気口の目詰まり等を回避することができる。
【００１５】
また、前記構成において、放熱フィンおよび冷却ファンを筐体内に収納し、前記機器格納室と分離した換気室を設けた構造とすることが望ましい。このようにすれば、放熱フィンおよび冷却ファンを機器格納室から独立させた換気室を形成することができ、筐体内で空気が滞留することなく、換気室での空気の流れをスムーズにすることができる。
【００１６】
本発明では、前記ペルチェ素子を電力用半導体素子の素子温度に応じて通電制御するようにすれば、インバータ装置の運転状況に応じてペルチェ素子を最適な状態で動作させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係るインバータ装置の実施形態を以下に詳述する。このインバータ装置は、例えば電力系統に設置される系統連系装置や無効電力補償装置などの一部を構成する。
【００１８】
この実施形態のインバータ装置は、図１に示すようにＩＧＢＴ等のスイッチング素子である電力用半導体素子１２を組み込み、筐体である配電盤１１に収納されている。この配電盤１１内には、インバータ部、制御機器、変圧器および遮断器などの主回路機器が配置されている。
【００１９】
このインバータ部を構成する電力用半導体素子１２は、そのオン電圧（あるいはオン抵抗）と通電電流によって内部損失が発生することにより温度が上昇する。これにより、インバータ装置の定格容量に対して数パーセント程度の損失を生じるため、その電力用半導体素子１２に放熱フィン１３を取り付けると共にその放熱フィン１３に冷却ファン１４を取り付ける。なお、放熱フィン１３には、銅、アルミニウム等の熱伝導性のよい金属が使用される。
【００２０】
これらインバータ部、制御機器、変圧器および遮断器などの主回路機器は、配電盤１１の内部空間を二つに区画した室のうち、その一方の機器格納室１７に収納されている。なお、図では、他の主回路機器である制御機器、変圧器および遮断器は省略している。インバータ部は、電力用半導体素子１２、放熱フィン１３および冷却ファン１４で構成され、電力用半導体素子１２は、制御機器、変圧器および遮断器などの他の主回路機器と結線するため、機器格納室１７に収納されているのに対して、放熱フィン１３および冷却ファン１４は他方の区画された室である換気室１８に収納されている。
【００２１】
機器格納室１７に収納された電力用半導体素子１２と換気室１８に配置された放熱フィン１３との間にペルチェ素子１９を介設する。つまり、電力用半導体素子１２の発熱部位、例えば樹脂モールドされたパッケージの裏面にペルチェ素子１９の一方の面を密着させた状態で接合し、そのペルチェ素子１９の他方の面に放熱フィン１３を接合する。なお、ペルチェ素子１９は、その構造上、機器格納室１７あるいは換気室１８のいずれに設置しても差し支えない。
【００２２】
このインバータ装置では、電力用半導体素子１２からの損失熱をペルチェ素子１９により吸収し、そのペルチェ素子１９で吸収した熱を放熱フィン１３に伝導する。その電力用半導体素子１２とペルチェ素子１９の損失熱が伝えられた放熱フィン１３は、機器格納室１７と区画された換気室１８に配置されており、配電盤１１の下部に設けた換気口１５から取り込まれた外部空気を冷却ファン１４により送風することで冷却される。
【００２３】
冷却ファン１４による送風は放熱フィン１３から排気され、配電盤１１の上部に設けられた排気口２０から外部へ排気される。このように換気室１８に形成された換気路でもって、冷却ファン１４による送風を放熱フィン１３を介してスムーズに排気することで電力用半導体素子１２を効率よく冷却することができる。
【００２４】
つまり、電力用半導体素子１２を含む主回路機器を収納する機器格納室１７と、放熱フィン１３および冷却ファン１４を収納した換気室１８とを分離した構造により、機器格納室１７内に収納された電力用半導体素子１２を含む主回路機器を、放熱フィン１３および冷却ファン１４から隔離することができ、放熱フィン１３からの排気は、機器格納室１７に入り込むことがなく配電盤１１内での空気の滞留がなくなるので、電力用半導体素子１２を集中的に冷却することができる。
【００２５】
このように機器格納室１７から分離独立させた換気室１８に放熱フィン１３および冷却ファン１４を配置した構造により、配電盤１１内で空気が滞留することなく、外部から取り込まれた空気を冷却ファン１４により放熱フィン１３を通してスムーズに外部へ排出することができるので、配電盤１１の内部全体を冷却するような大容量の換気ファンを使用する必要がなくなり、換気ファンの電力および騒音増大、換気口１５の目詰まり等を回避することができる。なお、この実施形態では、排気口２０に換気ファンを設置していないが、小型の換気ファンであれば設置することも可能である。
【００２６】
なお、この実施形態のように放熱フィン１３および冷却ファン１４を配電盤１１内に収納した場合には、屋外に設置するインバータ装置に好適であり、屋内に設置するインバータ装置であれば、放熱フィン１３および冷却ファン１４を外部に露呈させる構造であってもよい。
【００２７】
このインバータ装置では、ペルチェ素子１９を電力用半導体素子１２の素子温度に応じて通電制御するようにしてもよい。つまり、電力用半導体素子１２に温度センサを付設し、その温度センサにより電力用半導体素子１２の動作温度を測定し、その測定結果に基づいてペルチェ素子１９の入力電流を制御する。
【００２８】
なお、一般的に電力用半導体素子１２は、最大定格温度が約１２５℃程度で温度破壊する素子で、その最大定格温度によって通電電流（出力電力）が制限されている。
【００２９】
従って、前述したように電力用半導体素子１２をペルチェ素子１９で集中的に局部冷却するに際して、その電力用半導体素子１２の素子温度を監視しながら、その素子温度に基づいてペルチェ素子１９を通電制御することにより、インバータ装置の運転状況に応じてペルチェ素子１９を最適な状態で動作させることができる。また、電力用半導体素子１２の温度を低下させることにより、インバータ装置における装置容量を増大させることが実現容易となり、さらに、装置容量を従前と同一にすれば、装置自体の小型化が実現容易となる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、電力用半導体素子を含む主回路機器を筐体内に収納し、前記電力用半導体素子に放熱フィンを取り付けると共にその放熱フィンに冷却ファンを付設したインバータ装置であって、前記電力用半導体素子の損失熱を吸収するペルチェ素子を電力用半導体素子と放熱フィンとの間に介設したことにより、このペルチェ素子による強制冷却で電力用半導体素子を効率よく冷却することができる。
【００３１】
また、電力用半導体素子を含む主回路機器を収納する機器格納室外に前記放熱フィンおよび冷却ファンを配置して主回路機器と分離した構造としたことにより、機器格納室内に収納された主回路機器を放熱フィンおよび冷却ファンから隔離することができ、放熱フィンからの排気は機器格納室に入り込むことがなく空気の滞留がなくなるので、冷却ファンおよび放熱フィンによる冷却効率の低下を阻止できる。
【００３２】
このように本発明では、簡便な手段により、電力用半導体素子の冷却効率を向上させることができ、大容量の換気ファンが不要となって、電力用半導体素子の熱冷却設計のコンパクト化が容易に図れ、信頼性が高い長寿命のインバータ装置を提供でき、また、大型のインバータ装置であっても、水冷方式を採用することなく、電力用半導体素子を効率よく冷却することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るインバータ装置の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】インバータ装置の従来例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１１ 筐体（配電盤）
１２ 電力用半導体素子
１３ 放熱フィン
１４ 冷却ファン
１７ 格納室
１８ 換気室
１９ ペルチェ素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an inverter device, and more particularly, to an inverter device constituting a part of a system interconnection device or a reactive power compensator installed in a power system, and an internal structure of a switchboard incorporating a power semiconductor element in a housing. About.
[0002]
[Prior art]
For example, an inverter device that constitutes a part of a system interconnection device, a reactive power compensator, and the like installed in a power system incorporates a power semiconductor element and is housed in a switchboard serving as a housing. In the switchboard, main circuit devices such as an inverter unit, a control device, a transformer, and a circuit breaker are arranged. As shown in FIG. 2, the inverter section in the switchboard 1 is composed of a power semiconductor element 2, a radiation fin 3, and a cooling fan 4, as shown in FIG. Note that, in the figure, the control device, the transformer, and the circuit breaker, which are other main circuit devices, are omitted.
[0003]
The temperature of the power semiconductor element 2 constituting the inverter section rises due to the generation of an internal loss due to its ON voltage (or ON resistance) and conduction current. As a result, a loss of about several percent with respect to the rated capacity of the inverter device occurs. Therefore, the radiation fins 3 are attached to the power semiconductor element 2 and the cooling fan 4 is attached to the radiation fins 3.
[0004]
As a result, the heat loss from the power semiconductor element 2 is absorbed by the radiation fins 3, and the radiation fins 3 are cooled by the cooling fan 4. In this inverter device, since the power semiconductor element 2 is air-cooled using the air in the switchboard 1, external air is taken in from a ventilation port 5 provided at a lower portion of the switchboard 1, and is cooled by the cooling fan 4 to the radiation fins 3. The radiating fins 3 that blow air and absorb heat loss from the power semiconductor element 1 are cooled. The air blown by the cooling fan 4 is exhausted from the radiation fins 3, and is exhausted to the outside by the ventilation fan 6 provided above the switchboard 1.
[0005]
As a means for cooling the power semiconductor device 1 incorporated in the inverter device, there is a device using a Peltier device (for example, see Patent Document 1). Some large inverter devices have a structure in which the power semiconductor element 1 is water-cooled.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-11-154720
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the inverter device of FIG. 2 described above, it is very difficult to use all the air taken in from the ventilation port 5 for cooling the power semiconductor element 1. In other words, a part of the warm air exhausted from the radiating fins 3 by the cooling fan 4 stays inside the switchboard 1 and is mixed with the air taken in from the ventilation port 5. The cooling efficiency of the power semiconductor element 1 is poor.
[0008]
Further, as described above, since a part of the warm air exhausted from the radiation fins 3 stays inside the switchboard 1, the internal temperature of the switchboard 1 does not drop sufficiently, so that a large capacity ventilation fan 6 is used. It is necessary to increase the power of the ventilation fan 6, and there is a problem that the noise of the ventilation fan 6 and the clogging of the ventilation port 5 easily occur due to the increase of the air volume.
[0009]
Further, even if the power semiconductor element 1 is cooled only by the Peltier element as in the invention disclosed in Patent Document 1, it is difficult to obtain a sufficient cooling effect. The use of the method is not preferable because it involves danger in handling electric equipment.
[0010]
Therefore, the present invention has been proposed in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an inverter device having a structure capable of efficiently cooling a power semiconductor element by simple means.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As a technical means for achieving the above object, the present invention provides a main circuit device including a power semiconductor element housed in a housing, attaching a radiation fin to the power semiconductor element and a cooling fan at the radiation fin. An inverter device provided, wherein a Peltier element that absorbs heat generated by the power semiconductor element is interposed between the power semiconductor element and a radiating fin, and a main circuit device including the power semiconductor element is housed therein. An equipment storage room is provided, and the radiating fins and the cooling fan are arranged outside the equipment storage room to be separated from a main circuit device.
[0012]
In the inverter device according to the present invention, heat loss from the power semiconductor element is absorbed by the Peltier element, and the heat absorbed by the Peltier element is transmitted to the radiation fins. Since the Peltier element is interposed between the power semiconductor element and the radiation fin as described above, the power semiconductor element can be efficiently cooled by the forced cooling by the Peltier element.
[0013]
In addition, by disposing the radiating fins and the cooling fan outside the device storage room for storing the main circuit device including the power semiconductor element, the main circuit device is housed in the device storage room by being separated from the main circuit device. Can be isolated from the radiating fins and the cooling fan, and the exhaust from the radiating fins does not enter the equipment storage room and the stagnation of air is eliminated, so that the cooling fan and the radiating fins can be prevented from lowering in cooling efficiency.
[0014]
By intensively and efficiently cooling the power semiconductor element in this way, it is not necessary to use a large-capacity ventilation fan that cools the entire inside of the housing. Clogging can be avoided.
[0015]
In the above configuration, it is preferable that the radiation fin and the cooling fan are housed in a housing, and a ventilation room separated from the device storage room is provided. In this way, a ventilation room can be formed in which the radiation fins and the cooling fan are independent of the equipment storage room, and the air flow in the ventilation room can be made smooth without stagnation of air in the housing. Can be.
[0016]
According to the present invention, if the power supply of the Peltier element is controlled in accordance with the element temperature of the power semiconductor element, the Peltier element can be operated in an optimum state according to the operating condition of the inverter device.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the inverter device according to the present invention will be described in detail below. This inverter device constitutes a part of, for example, a system interconnection device or a reactive power compensation device installed in a power system.
[0018]
The inverter device of this embodiment incorporates a power semiconductor element 12 as a switching element such as an IGBT as shown in FIG. 1 and is housed in a switchboard 11 as a housing. In the switchboard 11, main circuit devices such as an inverter unit, a control device, a transformer, and a circuit breaker are arranged.
[0019]
The temperature of the power semiconductor element 12 constituting the inverter section rises due to the occurrence of internal loss due to its on-voltage (or on-resistance) and conduction current. As a result, a loss of about several percent with respect to the rated capacity of the inverter device occurs. Therefore, the radiation fins 13 are attached to the power semiconductor element 12 and the cooling fan 14 is attached to the radiation fins 13. The radiation fins 13 are made of a metal having good thermal conductivity, such as copper or aluminum.
[0020]
The main circuit devices such as the inverter unit, the control device, the transformer, and the circuit breaker are housed in the device storage room 17 of one of the two compartments dividing the internal space of the switchboard 11. Note that, in the figure, the control device, the transformer, and the circuit breaker, which are other main circuit devices, are omitted. The inverter unit includes a power semiconductor element 12, a radiating fin 13, and a cooling fan 14. The power semiconductor element 12 is connected to other main circuit devices such as a control device, a transformer, and a circuit breaker. While the radiating fins 13 and the cooling fan 14 are housed in the room 17, the radiating fins 13 and the cooling fan 14 are housed in a ventilation room 18, which is the other partitioned room.
[0021]
A Peltier element 19 is interposed between the power semiconductor element 12 housed in the equipment storage room 17 and the radiation fin 13 arranged in the ventilation room 18. In other words, one side of the Peltier element 19 is bonded to a heat generating portion of the power semiconductor element 12, for example, the back surface of a resin-molded package, and the radiation fin 13 is bonded to the other surface of the Peltier element 19. I do. The Peltier element 19 may be installed in either the equipment storage room 17 or the ventilation room 18 due to its structure.
[0022]
In this inverter device, heat loss from the power semiconductor element 12 is absorbed by the Peltier element 19, and the heat absorbed by the Peltier element 19 is transmitted to the radiation fins 13. The radiating fins 13 to which the heat loss of the power semiconductor element 12 and the Peltier element 19 have been transmitted are arranged in a ventilation room 18 partitioned from the device storage room 17, and from a ventilation port 15 provided in a lower portion of the switchboard 11. The taken-in external air is blown by the cooling fan 14 to be cooled.
[0023]
The air blown by the cooling fan 14 is exhausted from the radiating fins 13, and is exhausted to the outside from an exhaust port 20 provided at an upper portion of the switchboard 11. Thus, the power semiconductor element 12 can be efficiently cooled by smoothly exhausting the air blown by the cooling fan 14 through the radiation fins 13 by the ventilation path formed in the ventilation room 18.
[0024]
In other words, the device storage room 17 for housing the main circuit device including the power semiconductor element 12 and the ventilation room 18 for housing the radiating fins 13 and the cooling fan 14 are separated from each other and housed in the device storage room 17. The main circuit device including the power semiconductor element 12 can be isolated from the radiating fins 13 and the cooling fan 14, and the exhaust air from the radiating fins 13 does not enter the device storage room 17 and the air in the switchboard 11 does not flow out. Since there is no stagnation, the power semiconductor element 12 can be intensively cooled.
[0025]
With the structure in which the radiating fins 13 and the cooling fan 14 are arranged in the ventilation room 18 which is separated and independent from the device storage room 17, the air taken in from the outside can be cooled without the air staying in the switchboard 11. As a result, the air can be smoothly discharged to the outside through the radiating fins 13, so that it is not necessary to use a large-capacity ventilation fan for cooling the entire inside of the switchboard 11. Clogging and the like can be avoided. In this embodiment, a ventilation fan is not installed in the exhaust port 20, but a small ventilation fan can be installed.
[0026]
When the radiating fins 13 and the cooling fan 14 are housed in the switchboard 11 as in this embodiment, the radiating fins 13 and the cooling fan 14 are suitable for an inverter installed outdoors. Further, the structure may be such that the cooling fan 14 is exposed to the outside.
[0027]
In this inverter device, the conduction of the Peltier element 19 may be controlled according to the element temperature of the power semiconductor element 12. That is, a temperature sensor is attached to the power semiconductor element 12, the operating temperature of the power semiconductor element 12 is measured by the temperature sensor, and the input current of the Peltier element 19 is controlled based on the measurement result.
[0028]
In general, the power semiconductor element 12 is an element whose temperature is destroyed at a maximum rated temperature of about 125 ° C., and the current (output power) is limited by the maximum rated temperature.
[0029]
Therefore, as described above, when the power semiconductor element 12 is locally cooled by the Peltier element 19, while controlling the element temperature of the power semiconductor element 12, the conduction control of the Peltier element 19 is performed based on the element temperature. By doing so, the Peltier element 19 can be operated in an optimal state according to the operation state of the inverter device. In addition, by lowering the temperature of the power semiconductor element 12, it is easy to increase the device capacity of the inverter device, and if the device capacity is made the same as before, it is easy to reduce the size of the device itself. Become.
[0030]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is provided an inverter device in which a main circuit device including a power semiconductor element is housed in a housing, a radiation fin is attached to the power semiconductor element, and a cooling fan is attached to the radiation fin. Since the Peltier element that absorbs the heat loss of the power semiconductor element is interposed between the power semiconductor element and the radiation fins, the power semiconductor element can be efficiently cooled by the forced cooling by the Peltier element.
[0031]
In addition, by disposing the radiating fins and the cooling fan outside the device storage room for storing the main circuit device including the power semiconductor element, the main circuit device is housed in the device storage room by being separated from the main circuit device. Can be isolated from the radiating fins and the cooling fan, and the exhaust from the radiating fins does not enter the equipment storage room and the stagnation of air is eliminated, so that the cooling fan and the radiating fins can be prevented from lowering in cooling efficiency.
[0032]
As described above, according to the present invention, the cooling efficiency of the power semiconductor element can be improved by simple means, a large capacity ventilation fan is not required, and the heat cooling design of the power semiconductor element can be easily made compact. Therefore, it is possible to provide a highly reliable and long-life inverter device, and even for a large-sized inverter device, it is possible to efficiently cool a power semiconductor element without employing a water cooling system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of an inverter device according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a conventional example of an inverter device.
[Explanation of symbols]
11 enclosure (distribution board)
12 Power semiconductor element 13 Radiation fin 14 Cooling fan 17 Storage room 18 Ventilation room 19 Peltier element
