JP2005117783A - 電力変換器のスタック構造 - Google Patents

Abstract

【課題】局部的過熱現象を緩和または解消し、放熱器の小型，低コスト化を図る。
【解決手段】例えば、電力用半導体素子が直列接続された３相の電力変換器の各相を、Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３と、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３とによって３並列接続し、放熱器９で冷却するに当たり、最低２つの異なる相の素子を図示のように組み合わせて群を構成する。従来のように、同一相の素子同士を組み合わせると、３つとも発熱する可能性があるのに対し、図１−１のような構成では、隣り合う３つが同時に発熱することがなくなるため熱集中が緩和され、結果として放熱器の小型，低コスト化が可能となる。
【選択図】図１−１

Description

この発明は、電力用半導体モジュールを並列接続した電力変換器のスタック構造に関する。

図２に電力変換回路の代表回路である、直流から交流に変換するインバータの主回路図を示す。同図の符号１は直流電源回路、２はモータなどの負荷、３は電力用半導体からなるインバータ部で、任意の周波数と電圧が出力可能である。ただし、直流電源回路１は通常、交流電源とダイオード整流器を介して、大容量の電解コンデンサで構成されるのが一般的である。また、インバータ部３の符号４はＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）、５はこれと逆並列に接続されているダイオードであり、これらが６回路で構成されている。電力用半導体モジュールは通常、上下アーム２素子分を１組とするか、または６素子分を１組としており、通常３相出力のインバータ構成とする場合は、或る程度の容量以上の装置は、２素子入りのモジュールを３の倍数個用いて構成することが多い。

また、装置を大容量化する場合、素子の電流定格を大きくする必要がある。その場合、電流定格の大きい素子の適用や、素子の並列接続が必要となる。図３に２素子入りモジュールを、各相毎に３並列接続した場合の回路図を示す。この場合、２素子入りモジュールは３×３＝９個（Ｕ１〜Ｗ３）必要となる。
図４に２素子入りモジュールの概観図を示す。出力端子電極として、正側直流端子（Ｐ）６、負側直流端子（Ｎ）７および出力端子（Ｕ）８を有している。

さらに、通常のＩＧＢＴモジュールは、その発生損失による発熱のため放熱器が必要になる。その放熱器の代表的なものが図５に示すようなヒートシンクで、受熱部９とフィン部１０とにより構成されている。３並列接続されたＩＧＢＴモジュールは、図６のように各相毎に受熱部９に設置される（Ｕ１〜Ｗ３）。
２素子入りモジュールを相単位で並列接続する例として例えば特許文献１が、また、素子をアーム単位で並列接続する例として例えば特許文献２がある。

特開平０７−２４５９５１号（第４頁、図１） 特開平１０−３２７５７３号（第２−３頁、図１，４，５−７）

図３に示すように、ＩＧＢＴモジュールを並列接続するものでは、電流バランスを考慮して図６のように、並列接続されるモジュールは受熱部９上に近接して配置するか、または図７のように各相毎の放熱器９ａ，９ｂ，９ｃ上に設置している。
ところが、ＩＧＢＴモジュールを図６または図７のように各相毎に密集させて設置すると、インバータの出力周波数が極めて低い場合、またはモータロックのような或る特定相のみに直流が流れるような場合は、特定の相のＩＧＢＴモジュールに電流が集中する（図８の場合Ｕ相上アームとＷ相下アーム）ため、その相のＩＧＢＴモジュールおよびそれが設置されている付近の放熱器が過熱する現象が発生する（図８の点線経路の２箇所に集中）。

また、構造的にＩＧＢＴモジュールが各相毎に近接して配置されているため、この過熱現象はさらに助長されることになる。そのため、従来は上述の最悪のケースを考慮した放熱特性の良い放熱器を用いる必要が生じ、装置の大型化やコストアップの要因となっている。
したがって、この発明の課題は、局部的過熱現象を解消し放熱器の小型，低コスト化を図ることにある。

このような課題を解決するために、請求項１の発明では、３相以上の多相の交流出力または入力を行なう電力変換器の１相当たりに複数個並列接続される電力用半導体素子と、これらを冷却する放熱器とを備えた電力変換器のスタック構造において、並列接続されている各相対応の電力用半導体素子のうち、最低２つの異なる相の電力用半導体素子を組み合わせて素子群を形成して１つの放熱器上に配置するか、または、群毎に別の放熱器上にそれぞれ配置することを特徴とする。

上記請求項１の発明においては、前記素子群を形成する電力用半導体素子の素子群間距離を、群内の素子間距離よりも大きくすることができ（請求項２の発明）、これら請求項１または２の発明においては、１つの素子群に同じ相の電力用半導体素子を複数個配置するときは、互いに隣接しないように配置することができる（請求項３の発明）。

この発明によれば、モータロックのようにインバータの特定相に電流が集中する場合でも、電流が流れて発熱するＩＧＢＴモジュールが分散して配置されているため、局部過熱現象が緩和され、その結果、放熱器の小型，低コスト化が可能となる。

図１−１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
これは、図３に示すようなインバータに適用する例を示し、Ｕ相のＩＧＢＴモジュールＵ１，Ｕ２，Ｕ３と、Ｖ相のＩＧＢＴモジュールＶ１，Ｖ２，Ｖ３と、Ｗ相のＩＧＢＴモジュールＷ１，Ｗ２，Ｗ３とある場合に、（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１）、（Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２）、（Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３）をそれぞれ組（群）にして、１つの放熱器９上に配置したものである。

このようにすることで、例えば図８のようにＵ相上アームとＷ相下アームにのみ電流が流れるモードでは、図１−１の点線部分（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の上アーム側とＷ１，Ｗ２，Ｗ３の下アーム側）が発熱する箇所となる。すなわち、図９の従来例では発熱箇所が必ず２箇所に集中するのに対し、この発明のように配置すれば発熱箇所が３〜６箇所に分散されるため、局部過熱現象が解消（緩和）されることになる。

また、図１−１では１台の放熱器９の上にすべてのＩＧＢＴモジュールを設置するようにしたが、例えば図１−２のように各組または群ごとに別の放熱器９ａ，９ｂ，９ｃに設置するようにしても良い。この場合、放熱器間では熱干渉がほとんどなく、かつ１台あたりの必要放熱量も従来の２／３で済むため、その効果は大きい。
なお、図１−１，１−２で同一群での素子間距離をａ、他群との間での素子間距離をそれぞれｂ，ｃ，ｄとするとき、ｂ，ｃ，ｄのいずれもａよりも大きくすることで、熱集中をより一層緩和することが望ましい。

ＩＧＢＴモジュールが４並列以上の場合は、並列数と同数の群に分けることが理想であるが、そうしない場合は例えば（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｗ１）、（Ｕ３，Ｖ２，Ｖ３，Ｗ２）、（Ｕ４，Ｖ４，Ｗ３，Ｗ４）など、同一相のモジュールは極力分散する（重ならない）ように配置する。このとき、特に図１−３のように、（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｗ１）の組はＵ１とＵ２を離して（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２）のように、（Ｕ３，Ｖ２，Ｖ３，Ｗ２）の組はＶ２とＶ３を離して（Ｖ２，Ｗ２，Ｕ３，Ｖ３）のように、また、（Ｕ４，Ｖ４，Ｗ３，Ｗ４）の組はＷ３とＷ４を離して（Ｗ３，Ｕ４，Ｖ４，Ｗ４）のように組（群）分けすると、効果的である。

以上のようにすることで、隣り合う少なくとも３つのモジュールが同時に発熱することがなくなるため、これによる局部過熱現象は緩和または解消される。なお、いずれの例も３つの相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を組み合わせるようにしたが、２つの相（ＵとＶ），（ＶとＷ），（ＵとＷ）を組み合わせるようにしても良い。
以上では３相出力のインバータを例に説明したが、この発明は３相入力のコンバータやＡＣ／ＡＣ変換器だけでなく、３相以上の多相変換器にも適用することができる。

この発明の第１の実施の形態を示す構成図 この発明の第２の実施の形態を示す構成図 この発明の第３の実施の形態を示す構成図 一般的なインバータ主回路図 モジュール３並列の場合のインバータ主回路図 ２素子入りモジュールの外観図 アルミヒートシンク（放熱器）の一般的な例を示す斜視図 １放熱器上に設置するモジュールの配置例図 モジュール群ごとに個々の放熱器上に設置する例を示す配置例図 電流集中の場合の電流経路例の説明図 図８に対応する複数モジュールの局部過熱箇所の説明図

符号の説明

１…直流電源回路、２…負荷（モータ）、３…インバータ部、４…ＩＧＢＴ、５…ダイオード、６…正側直流端子、７…負側直流端子、８…出力端子、９，９ａ，９ｂ，９ｃ…放熱器、１０…フィン。

Claims (3)

1. ３相以上の多相の交流出力または入力を行なう電力変換器の１相当たりに複数個並列接続される電力用半導体素子と、これらを冷却する放熱器とを備えた電力変換器のスタック構造において、
   並列接続されている各相対応の電力用半導体素子のうち、最低２つの異なる相の電力用半導体素子を組み合わせて素子群を形成して１つの放熱器上に配置するか、または、群毎に別の放熱器上にそれぞれ配置することを特徴とする電力変換器のスタック構造。
2. 前記素子群を形成する電力用半導体素子の素子群間距離を、群内の素子間距離よりも大きくすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器のスタック構造。
3. １つの素子群に同じ相の電力用半導体素子を複数個配置するときは、互いに隣接しないように配置することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換器のスタック構造。
   

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