JP2006042406A

JP2006042406A - 電力変換装置のスタック構造

Info

Publication number: JP2006042406A
Application number: JP2004214090A
Authority: JP
Inventors: Akitake Takizawa; 聡毅滝沢
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】電力変換装置の温度バランスを図り、放熱器や素子の低コスト化を図る。
【解決手段】多相の交流出力または入力を行なう電力変換回路等において、１相当り複数個並列接続される電力用半導体素子（ＩＧＢＴ）Ｕ１〜Ｗ３を、図の実線矢印で示す冷却用ファンの通風方向に対し、相ごとに並行に配置することにより、正特性のＩＧＢＴの特長を生かし、モジュールケース温度が高い下流側ＩＧＢＴの電流値を抑制して、温度バランスを図るようにする。なお、１は直流電源としての電解コンデンサ、６はヒューズを示す。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力用半導体モジュールを複数個並列接続した電力変換装置のスタック構造に関する。

図５に電力変換回路の代表回路として、直流から交流に変換するインバータの主回路例を示す。同図において、１は直流電源回路、２はモータなどの負荷、３はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の電力用半導体素子からなるインバータ部で、電圧と周波数の可変出力が可能である。ただし、直流電源回路１は一般に、図示されない交流電源とダイオード整流器および大容量の直流平滑用電解コンデンサで構成されるのが普通である。

インバータ３の中の４はＩＧＢＴ、５はこれに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組としているか、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、あ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の倍数台適用して構成することが多い。また、６は直流平滑用電解コンデンサ１とインバータ３との間に接続されるヒューズで、正側ラインまたは負側ラインに１台接続されることが多く、ＩＧＢＴ４またはダイオード５が何らかの原因でショートしたときの短絡保護用として設けられる。

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。電解コンデンサ１も、直列化や並列化がなされる。
図６に、２素子入りモジュール（２ｉｎ１モジュール）を各相毎に3並列接続した場合の回路例を示す。この場合、２素子入りモジュールは３×３＝９台（Ｕ１〜Ｗ３）必要になる。
図７に、２素子入りモジュールの外観を示す。出力端子電極として正側直流端子Ｐ，負側直流端子Ｎおよび出力端子Ｕを有している。

ＩＧＢＴモジュールは通常、その発生損失による発熱のため、放熱器が必要になる。その代表的なものを、図８に示す。図示のように、受熱部７とフィン部８とから構成され、ファン９により冷却される。通常、並列接続されたＩＧＢＴモジュールは図９に示すように、受熱部７上に各相毎に通風方向に対して直角方向に配置される（４ａ（Ｕ１〜Ｕ３）〜４ｃ（Ｗ１〜Ｗ３）参照）。また、ヒューズ６および直並列接続される電解コンデンサ群１は、図９に示す位置関係で配置されることが多い。
並列接続されるＩＧＢＴモジュールの放熱器への設置方法や主回路構成については、例えば特許文献１，２に開示されている。

特開平０９−１１７１２６号公報（第５−７頁、図１−５）特許第３３００５６６号公報（第２−３頁、図１−４）

図９で並列接続されるＩＧＢＴ４ａ〜４ｃはその特性、特に出力特性は必ずしも一致しないのが普通である。そのため、出力特性の相違によって、並列接続されているＩＧＢＴモジュールに流れる電流値が相違する。並列接続のＩＧＢＴ４ａ〜４ｃが、例えば図１０のような出力特性を持ち、ｉａ＋ｉｂ＋ｉｃ＝６００Ａの電流が流れているとすると、各ＩＧＢＴに流れる電流は、図１０の関係からｉａ＝１５０Ａ、ｉｂ＝２００Ａ、ｉｃ＝２５０Ａとなる。

そのため、最も電流が流れているＩＧＢＴ４ｃは、定常損失だけでなくスイッチング損失も大きくなる。よって、装置の熱設計を実施する場合、下記（１）式で計算されるＩＧＢＴのジャンクション温度（Ｔｊ）が最も高くなるＩＧＢＴ４ｃの出力特性に応じた設計をする必要がある。すなわち、ディレーティングを大きくとる必要があり、コストアップの要因ともなっていた。
Ｔｊ＝ΔＴｊｆ＋ΔＴｆａ＋Ｔａ …（１）
ΔＴｊｆ：ＩＧＢＴのジャンクション−放熱器間の温度
ΔＴｆａ：放熱器−周温間の温度
Ｔａ：周温

また、図６のようにＩＧＢＴを多並列接続するような大容量装置では、並列接続されているＩＧＢＴや電解コンデンサの電流をバランスさせたり、配線インダクタンスを小さくするために、図１２のようにヒューズ６ｕ〜６ｗを並列接続する方式も考えられるが、ＩＧＢＴを図９のように配置した場合、ＩＧＢＴとヒューズ間の配線は、Ｕ１〜Ｕ３を６ｕに、Ｖ１〜Ｖ３を６ｖに、Ｗ１〜Ｗ３を６ｗにそれぞれ配線しなければならず、図１２の各ＩＧＢＴモジュールの正側の配線パターンに示す（負側の配線パターンは省略）ように、立体交差の配線（箇所１０参照）が必要となり、配線構造が複雑になるという問題もある。また、図１２の電解コンデンサは６並列２直列接続の例と、その配線パターン例（電解コンデンサの負側電極とＩＧＢＴの負側端子間の配線は省略）を示している。

また、特許文献２においては、並列接続されるＩＧＢＴモジュールを通風方向に配置する構成としているが、この特許は３レベルインバータへの適用と１素子入りモジュール（１ｉｎ１モジュール）適用を前提としているため、１相あたり、通風方向と垂直に４モジュールを接続（４直列接続）することを前提としている。これに対し、本願発明は２レベルインバータで、かつ基本的には２素子入りモジュール（２ｉｎ１モジュール）を適用することを前提としているため、通風方向と垂直方向にあるモジュールの接続は限定していない。但し、１素子入りモジュールを適用した場合においても、２レベルインバータなので、通風方向と垂直方向に接続されるモジュール数は２で、上記特許とは異なる。

したがって、この発明の課題は、電力変換装置の温度のバランス化を図り、放熱器や素子の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、請求項１の発明では、多相の交流出力または入力を行なう電力変換回路の１相当り複数個並列接続される電力用半導体素子と、これらの電力用半導体素子を冷却するための放熱器と、放熱器冷却用のファンとで構成される電力変換装置のスタック構造において、
前記電力用半導体素子を前記放熱器上に配置するにあたり、前記放熱器冷却用ファンの通風方向に対して相ごとに並行になるように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、前記通風方向に配置される並列接続の電力用半導体素子は、同一電流が流れたときに飽和電圧が低い素子を通風方向の上流側に、飽和電圧が高い素子を通風方向の下流側にそれぞれ配置することができる（請求項２の発明）。

また、請求項１の発明においては、前記電力用半導体素子の直流出力端子間に、各相ごとにヒューズと直流平滑用コンデンサとの直列回路を接続し、かつ前記電力用半導体素子の各相ごとの直流出力端子は、正側端子と負側端子の少なくとも一方を直接短絡せずにヒューズのみを介して短絡する構造とすることができる（請求項３の発明）。さらに、請求項１〜３の発明においては、前記並列接続の電力用半導体素子とヒューズと直流平滑用コンデンサとにより構成するスタック構造を、各相ごとにほぼ同構造とすることができる（請求項４の発明）。

この発明によれば、並列接続されるＩＧＢＴをファンによる通風方向に、相ごとに並行に配置することで、正極性のＩＧＢＴの特徴を生かしモジュールケース温度が高い下流側のＩＧＢＴの電流値を大幅に抑制して温度をバランスさせ、放熱器や素子の低コスト化を図る。

図１はこの発明の実施の形態を示す上面図である。
これは、３相出力インバータにおいて２素子入りモジュールを３並列接続した例で、３並列接続されるＵ相のＩＧＢＴモジュールＵ１，Ｕ２，Ｕ３と、Ｖ相のモジュールＶ１，Ｖ２，Ｖ３と、Ｗ相のモジュールＷ１，Ｗ２，Ｗ３とを各相ごとに、通風方向に図示のように並行に設置した点が特徴である。なお、１は電解コンデンサ、６はヒューズ、９はファンを示す。

この例は、通常ＩＧＢＴの出力特性が、図１１に示すような正特性であること、すなわち、温度が高くなるほど電流が流れ難くなる特性（図１１で、動作点が図示矢印の方向に変化する特性）を利用するものである。
いま、放熱器の下流側に図１０で４ｃのような特性のＩＧＢＴが置かれた場合、放熱器は通常その下流側が上流側に比べて、放熱器のベース温度が高い（ΔＴｆａ（下流）＞ΔＴｆａ（上流））ため、図９のような配置例（並列接続のＩＧＢＴモジュール間では、放熱器のベース温度はほぼ等しい）と比べて、４ｃの特性のＩＧＢＴモジュールに流れる電流値は低減されることになる。

さらに、発生損失の大きい素子（４ｃ特性）を放熱器の上流側に、小さい素子（４ａ特性）を放熱器の下流側にそれぞれ配置することで、ＩＧＢＴのジャンクション温度（Ｔｊ）は、並列接続されているモジュール間で、よりバランスする方向となる。
すなわち、図１０に示す４ｃ特性のＩＧＢＴモジュールを上流側に、４ａ特性のものを下流側に配置することで、
ΔＴｊｆ（上流ＩＧＢＴ）＞ΔＴｊｆ（下流ＩＧＢＴ） …（２）
ΔＴｆａ（上流ＩＧＢＴ）＜ΔＴｆａ（下流ＩＧＢＴ） …（３）
となり、（１）式より、下流側に４ｃ特性のＩＧＢＴが配置される場合と比べて、ＩＧＢＴのジャンクション温度Ｔｊが上流側と下流側とで等しくなる方向となる。

図２は２素子入りモジュールを２並列接続した他は図１と全く同様なので、説明は省略する。
図３はこの発明の別の実施の形態を示す回路図である。
これは、３個のヒューズ６ｕ，６ｖ，６ｗがそれぞれ独立にＵ相，Ｖ相，６Ｗ相のＩＧＢＴの正側端子に接続される、つまりＵ相，Ｖ相，６Ｗ相のＩＧＢＴの正側端子がヒューズのみを介して短絡される回路である。ヒューズ６ｕ，６ｖ，６ｗを正側に接続しているが、負側または正負両側に接続しても良い。

図４はこの発明のさらに別の実施の形態を示す構成図である。
これは、電解コンデンサ１ａ，１ｂ，１ｃを２並列２直列接続したものである。このように、各相ごとに同一構造とすることで、図示のようにＩＧＢＴの正側端子とヒューズ間、およびヒューズと電解コンデンサ間の配線は、各相ごと（点線内の構造）に全く等しくすることができ、その結果、各相間で電気的な特性や熱的な特性をほぼ等しくすることが可能となる。また、配線構造も立体交差することなく、シンプルに構成できる。
以上では、３相出力のインバータについて説明したが、この発明は、３相入力のコンバータや、３相以上の多相の変換器にも適用することができる。

この発明の実施形態を示す上面図図１の変形例を示す上面図この発明の別の実施形態を示す回路図この発明のさらに別の実施形態を示す上面図一般的なインバータ回路図素子モジュール３並列接続のインバータ回路図２素子入りモジュール外観図放熱器およびファン外観図従来のスタック構造例を示す上面図３並列ＩＧＢＴの出力特性例図ＩＧＢＴの出力特性の温度依存性説明図従来の別のスタック構造例を示す上面図

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ…電解コンデンサ（直流電源回路）、２…負荷（モータ）、３…インバータ、４…電力用半導体素子（ＩＧＢＴ）、５…ダイオード、６，６ｕ，６ｖ，６ｗ…ヒューズ、７…受熱部、８…フィン部、９…ファン、１０…立体交差配線。

Claims

多相の交流出力または入力を行なう電力変換回路の１相当り複数個並列接続される電力用半導体素子と、これらの電力用半導体素子を冷却するための放熱器と、放熱器冷却用のファンとで構成される電力変換装置のスタック構造において、
前記電力用半導体素子を前記放熱器上に配置するにあたり、前記放熱器冷却用ファンの通風方向に対して相ごとに並行になるように配置することを特徴とする電力変換装置のスタック構造。
前記通風方向に配置される並列接続の電力用半導体素子は、同一電流が流れたときに飽和電圧が低い素子を通風方向の上流側に、飽和電圧が高い素子を通風方向の下流側にそれぞれ配置することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置のスタック構造。
前記電力用半導体素子の直流出力端子間に、各相ごとにヒューズと直流平滑用コンデンサとの直列回路を接続し、かつ前記電力用半導体素子の各相ごとの直流出力端子は、正側端子と負側端子の少なくとも一方を直接短絡せずにヒューズのみを介して短絡する構造とすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置のスタック構造。
前記並列接続の電力用半導体素子とヒューズと直流平滑用コンデンサとにより構成するスタック構造を、各相ごとにほぼ同構造とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置のスタック構造。