JP2006074963A

JP2006074963A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2006074963A
Application number: JP2004258262A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Sawamura; 信雄澤村
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2004-09-06
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】半導体素子で形成したブリッジ回路に変圧器，平滑リアクトル，フィルターコンデンサなどを組み合わせた構成で、ユニット盤に収容した電力変換装置について、水冷冷却方式を採用して装置の小形，コンパクト化を図る。
【解決手段】ブリッジ回路の組立体，平滑リアクトル，フィルターコンデンサを変圧器の上部に組み立て、ここで半導体素子は逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗とともに一括して水冷冷却体１０に載置し、ヒューズは水冷冷却体兼用のヒューズ接続導体１１に載置する。また、変圧器，平滑リアクトル，フィルターコンデンサについても水冷冷却構造を採用した上で、各回路部品および変圧器の間を連ねて導水ホース１４を配管し、該導水ホースに冷却水（純水）を送水してブリッジ回路の各部品，および変圧器，平滑リアクトルのコイル，フィルターコンデンサを一括して水冷冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子でブリッジ回路を形成した電力変換装置の構成に関し、詳しくは電力変換装置の水冷冷却構造に関する。

頭記の電力変換装置は、複数の半導体素子でブリッジ回路を形成し、かつ各半導体素子に対して半導体保護用ヒューズを直列に、逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗を並列接続した上で、さらにブリッジ回路の入力側に変圧器を、出力側には平滑リアクトル，フィルターコンデンサなどを接続して構成し、ユニット盤などに収容して使用される。
一方、電力用の半導体スタックとして、平形半導体素子と水冷冷却体とを交互に積み重ねて一体化した構造の半導体スタックに対し、該半導体スタックの冷却体に外部から純水を送水して半導体素子を冷却するようにした水冷方式のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−６９５５号公報

上記の電力変換装置をユニット盤などに収容して使用する場合には、装置の冷却方式が問題となる。すなわち、特許文献１に開示されている半導体スタックのようにスタック自身を水冷式としても、該半導体スタックに組み合わせた半導体保護用ヒューズ，変圧器，平滑リアクトル，フィルターコンデンサなどを空冷方式とすると、ユニット盤側に換気通風，およびファン設置のスペース確保などの必要があって装置全体の小形，コンパクト化にも限界がある。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は半導体素子を含めて電力変換装置を構成する回路部品および機器の全てに水冷冷却方式を採用して装置全体を効率よく水冷冷却できるようにした電力変換装置の水冷冷却構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、電力変換装置を次記のように構成するものとする。
（１）複数の半導体素子でブリッジ回路を形成し、かつ前記の各半導体素子に対して半導体保護用ヒューズを直列接続し、逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗を並列接続した電力変換装置において、
前記半導体素子を逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗とともに一括して水冷冷却体上に載置し、半導体保護用ヒューズは水冷冷却体を兼ねたヒューズ接続導体上に載置した上で、前記水冷冷却体およびヒューズ接続導体の冷水通路を連ねて絶縁性の導水ホースを配管し、該導水ホースを通じて外部より半導体素子の水冷冷却体およびヒューズ接続導体に冷却水を送水して半導体素子,ヒューズ,コンデンサ,抵抗の各部品を水冷冷却するようにする（請求項１）。
（２）複数の半導体素子でブリッジ回路を形成し、かつ前記の各半導体素子に対して半導体保護用ヒューズを直列接続し、逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗を並列接続するとともに、ブリッジ回路の入力側に変圧器を接続した電力変換装置において、
前記半導体素子を逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗とともに一括して水冷冷却体に載置し、半導体保護用ヒューズを水冷冷却体兼用のヒューズ接続導体に載置するとともに、変圧器はそのコイル層に水冷冷却板を介装した上で、前記半導体素子の水冷冷却体，ヒューズ接続導体および変圧器コイルの水冷冷却板の各冷水通路を連ねて絶縁性の導水ホースを配管し、該導水ホースを通じて外部より半導体素子の水冷冷却体，ヒューズ接続導体，変圧器コイルの水冷冷却板に冷却水を送水して半導体素子,ヒューズ,コンデンサ,抵抗の各部品，および変圧器のコイルを水冷冷却するようにする（請求項２）。

また、前記構成において、水冷冷却体およびヒューズ接続導体を変圧器の上に載置支持する（請求項３）。
（３）複数の半導体素子でブリッジ回路を形成し、かつ前記の各半導体素子に対して半導体保護用ヒューズを直列接続し、逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗を並列接続するとともに、前記ブリッジ回路の入力側に変圧器，出力側に平滑リアクトルを接続した電力変換装置において、
前記半導体素子を逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗とともに一括して水冷冷却体に載置し、半導体保護用ヒューズを水冷冷却体兼用のヒューズ接続導体に載置するとともに、変圧器はそのコイル層に水冷冷却板を介装し、さらに平滑リアクトルは水冷式の中空導体でコイルを巻装した上で、前記半導体素子の水冷冷却体，ヒューズ接続導体，変圧器コイルの水冷冷却板および平滑リアクトルの各冷水通路を連ねて絶縁性の導水ホースを配管し、該導水ホースを通じて外部より水冷冷却体，ヒューズ接続導体，変圧器コイルの水冷冷却板，平滑リアクトルの中空導体に冷却水を送水して半導体素子,ヒューズ,コンデンサ,抵抗の各部品，および変圧器，平滑リアクトルのコイルを水冷冷却するようにする（請求項４）。

また、前記構成において、水冷冷却体，ヒューズ接続導体，および平滑リアクトルを変圧器の上部に載置支持する（請求項５）。
（４）複数の半導体素子でブリッジ回路を形成し、かつ前記の各半導体素子に対して半導体保護用ヒューズを直列接続し、逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗を並列接続するとともに、前記ブリッジ回路の入力側に変圧器，出力側に平滑リアクトルおよびフィルターコンデンサを接続した電力変換装置において、
前記半導体素子を逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗とともに一括して水冷冷却体に載置し、半導体保護用ヒューズを水冷冷却体兼用のヒューズ接続導体に載置するとともに、変圧器はそのコイル層に水冷冷却板を介装し、平滑リアクトルは水冷式の中空導体でコイルを巻装し、さらにフィルターコンデンサに水冷冷却体を組み付けた上でた上で、前記半導体素子の水冷冷却体，ヒューズ接続導体，変圧器コイルの水冷冷却板，平滑リアクトルの各冷水通路およびフィルターコンデンサの水冷冷却体を連ねて絶縁性の導水ホースを配管し、該導水ホースを通じて外部より水冷冷却体，ヒューズ接続導体，変圧器コイルの水冷冷却板，平滑リアクトルの中空導体，フィルターコンデンサの水冷冷却板に冷却水を送水して半導体素子,ヒューズ,コンデンサ,抵抗の各部品，および変圧器，平滑リアクトルのコイル，フィルターコンデンサを水冷冷却するようにする（請求項６）。

また、前記構成において、水冷冷却体，ヒューズ接続導体，平滑リアクトル，およびフィルターコンデンサを変圧器の上部に載置支持する（請求項７）。

上記の構成によれば、半導体素子を含めて電力変換装置を構成する回路部品および機器を一括して水冷冷却することができる。これにより、当該装置を収容するユニット盤内に換気通風路，および送風ファンの設置スペースの確保が必要なくなるほか、電力変換装置全体での通電耐量も向上する。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図７に示す実施例に基づいて説明する。
まず、電力変換装置の回路図を図１（ａ）に、また電力変換装置の組立構造を図１（ｂ）および図２に示す。各図において、１は６個の半導体素子(ダイオード)２で構成した３相ブリッジ回路、３は個々の半導体素子２に直列接続した半導体保護用ヒューズ、４，５は半導体素子２に並列接続した逆回復電圧吸収用のコンデンサ，および抵抗、６はブリッジ回路１の入力（電源）側に接続した変圧器、７は出力（負荷）側に接続した平滑リアクトル、８はフィルターコンデンサ、９はフィルターコンデンサ８に並列接続した放電用抵抗である。
ここで、半導体素子２は、逆回復電圧吸収用のコンデンサ４および抵抗５とともに一括して水冷冷却板１０に設置し、また半導体保護用ヒューズ３は水冷冷却板を兼ねた二枚のヒューズ接続導体１１に分けて設置した上で、配線リード１２を介して対応する半導体素子２に直列接続している。また、変圧器６，平滑リアクトル７，フィルターコンデンサ８およびその放電用抵抗９についても詳細を後述するように水冷冷却構造を採用している。

さらに、前記したブリッジ回路１の組立体，および平滑リアクトル７，フィルターコンデンサ８は、図示のように変圧器６の鉄心６ａの上部フレーム１５に支持フレーム１６を介して搭載支持した上で、ブリッジ回路組立体の水冷冷却体１０，ヒューズ接続導体１１，および変圧器６，平滑リアクトル７，フィルターコンデンサ８，放電用抵抗９に対する水冷冷却部の間を連ねて図示のように導水ホース１４を配管している。そして、電力変換装置の運転時には、前記導水ホース１４を通じて外部から冷却水（純水）を送水し、通電に伴い発熱した前記の各回路部品および変圧器を水冷冷却する。
次に、前記したブリッジ回路の組立体およびその水冷冷却構造について、その詳細構造を図３，図４に示す。すなわち、図３（ａ），（ｂ）に示す構造では、半導体素子２をモジュール形半導体素子として６個の半導体素子を３個ずつ二つのグループに分け、かつ各半導体素子２に逆回復電圧吸収用のコンデンサ４，抵抗５を並列接続した上で、二枚の水冷冷却体１０の板面上に伝熱的に設置し、水冷冷却体兼用のヒューズ接続導体１１に設置した半導体保護用ヒューズ３との間を配線リード１２で接続した上で、半導体素子２からＵ，Ｖ，Ｗ相に対応する入力側の母線１７を引き出し、ヒューズ接続導体１１からはＰ，Ｎに対応する出力側の母線１８を引き出している。

また、図４は図３の応用例を示すもので、ブリッジ回路１を構成する６個の半導体素子２が一枚の水冷冷却体１０の上下両面に振り分けて設置されている。すなわち、半導体素子２の発熱量が高い大電流容量の装置では図３（ｂ）で示すように二枚の水冷冷却体１０を用い、発熱量の低い小容量の装置では図３のように一枚の水冷冷却体１０で構成するように使い分けしている。
次に、図５（ａ），（ｂ）により、変圧器６についての水冷冷却構造を説明する。すなわち、変圧器の鉄心６ａに巻装した１次および２次コイル６ｂに対し、図５（ｂ）で示すように可撓性の絶縁シートに導水チューブを蛇行状に配管し、かつ導水チューブの両端にホース継手１９ｂを取付けた水冷冷却板１９をコイル６ａの内周側に介装し、コイルと一体に樹脂モールドする。そして、水冷冷却板１９に図１（ｂ）で述べた導水ホース１４を配管し、該導水ホース１４を通じて外部から冷却水を送水して変圧器コイル６ｂを水冷冷却するようにしている。

続いて、図６（ａ），（ｂ）に平滑リアクトル７の水冷冷却構造を示す。図示構造では平滑リアクトル７の空芯コイル７ａを中空導体（銅パイプ）で巻装し、その巻き始め，巻き終わり端から端子７ｂを引き出した上で、コイル両端に端板７ｃを配してスダッドボルト７ｄで締結した組立構造になり、前記中空導体の巻き始め，巻き終わり端にホース継手７ｅを介して図１（ｂ）に示した導水ホース１４を接続し、該導水ホース１４を通じて外部から冷却水（純水）を送水して空芯コイルを７ａを水冷冷却するようにしている。
次に、フィルターコンデンサ８の水冷冷却構造を図７（ａ），（ｂ）で説明する。すなわち、フィルターコンデンサ８は、アルミ蒸着のポリエステルフィルムを巻回した複数のコンデンサ部品を並列に接続してエポキシ樹脂などのモールド樹脂８ａで一体成形した上で、その前後両端面には冷水通路となる貫通穴２０ａを分散形成した水冷冷却板２０を重ね合わせてボルト２１で締結した組立構造になり、前記水冷冷却板２０の貫通穴２０ａの間を直列に連ねて導水ホース１４を配管し、ここに冷却水を送水してコンデンサ８を冷却するようにしている。また、前記水冷冷却板２０の一方を下方に延長し、ここにフィルターコンデンサ８に並列接続した放電用抵抗９を伝熱的に配置して同時に水冷冷却するようにしている。

上記のような構成になる電力変換装置について、半導体素子２と付属の回路部品で構成したブリッジ回路の組立体、および該回路の入，出力側に組み合わせた変圧器６，平滑リアクトル７およびフィルターコンデンサ８などの間に導水ホース１４を配管し、外部より冷却水（純水）を送水して水冷冷却することにより、当該装置を収容するユニット盤には換気，通風スペースの確保，および送風ファンなどの補機を設備する必要がなく、また、変圧器６を利用してその上部側に回路部品の組立体を載置することで、電力変換装置を小形，コンパクトに構成できる
なお、図示実施例の電力変換装置では、ブリッジ回路１の入，出力側に変圧器６，平滑リアクトル７およびフィルターコンデンサ８を組み合わせた上で、その全ての回路部品および機器を水冷冷却しているが、半導体素子２，半導体保護用ヒューズ３，逆回復電圧吸収用のコンデンサ４および抵抗５からなるブリッジ回路１で単独構成した電力変換装置、あるいはブリッジ回路１に変圧器６を組み合わせて構成した装置、ブリッジ回路１に変圧器６と平滑リアクトル７を組み合わせて構成した装置についても、その回路部品および機器に図示実施例の水冷冷却構造を採用した上で、その間を連ねて配管した導水ホース１４を通じて外部から冷却水（純水）を送水することにより、図示実施例と同様に小形，コンパクトな構成で装置全体を効率よく水冷冷却することができる。

本発明の実施例による電力変換装置の構成図で、（ａ）は回路図、（ｂ）は組立構造図図１（ｂ）の側面図図１（ｂ）におけるブリッジ回路組立体の水冷冷却構造を表す詳細構造図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の断面図図３と異なる実施例のブリッジ回路組立体の断面図図１（ｂ）における変圧器の水冷冷却構造を表す図で、（ａ）は変圧器コイル部の断面図、（ｂ）は（ａ）のコイル層内に介装した水冷冷却板の平面図図１（ｂ）における平滑リアクトルの構造図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の平面図図１（ｂ）におけるフィルターコンデンサの水冷冷却構造を表す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の側視断面図

符号の説明

１ブリッジ回路
２半導体素子
３半導体保護用ヒューズ
４逆回復電圧吸収用コンデンサ
５逆回復電圧吸収用抵抗
６変圧器
６ｂコイル
７平滑リアクトル
７ａ中空導体コイル
８フィルターコンデンサ
１０水冷冷却体
１１ヒューズ接続導体
１４導水ホース
１９，２０水冷冷却板

Claims

複数の半導体素子でブリッジ回路を形成し、かつ前記の各半導体素子に対して半導体保護用ヒューズを直列接続し、逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗を並列接続した電力変換装置において、
前記半導体素子を逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗とともに一括して水冷冷却体に載置し、半導体保護用ヒューズは水冷冷却体兼用のヒューズ接続導体に載置した上で、前記半導体素子の水冷冷却体およびヒューズ接続導体の冷水通路を連ねて絶縁性の導水ホースを配管し、該導水ホースを通じて外部より半導体素子の水冷冷却体およびヒューズ接続導体に冷却水を送水して半導体素子,ヒューズ,コンデンサ,抵抗の各部品を水冷冷却するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
複数の半導体素子でブリッジ回路を形成し、かつ各半導体素子に対して半導体保護用ヒューズを直列接続し、逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗を並列接続した上で、前記ブリッジ回路の入力側に変圧器を接続した電力変換装置において、
前記半導体素子を逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗とともに一括して水冷冷却体に載置し、半導体保護用ヒューズを水冷冷却体兼用のヒューズ接続導体に載置するとともに、変圧器はそのコイル層に水冷冷却板を介装した上で、前記半導体素子の水冷冷却体，ヒューズ接続導体および変圧器コイルの水冷冷却板の各冷水通路を連ねて絶縁性の導水ホースを配管し、該導水ホースを通じて外部より半導体素子の水冷冷却体，ヒューズ接続導体，変圧器コイルの水冷冷却板に冷却水を送水して半導体素子,ヒューズ,コンデンサ,抵抗の各部品および変圧器のコイルを水冷冷却するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
請求項２記載の電力変換装置において、前記の水冷冷却体およびヒューズ接続導体を変圧器の上に載置支持して構成したことを特徴とする電力変換装置。
複数の半導体素子でブリッジ回路を形成し、かつ各半導体素子に対して半導体保護用ヒューズを直列接続し、逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗を並列接続するとともに、前記ブリッジ回路の入力側に変圧器，出力側に平滑リアクトルを接続した電力変換装置において、
前記半導体素子を逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗とともに一括して水冷冷却体に載置し、半導体保護用ヒューズを水冷冷却体兼用のヒューズ接続導体に載置するとともに、変圧器はそのコイル層に水冷冷却板を介装し、さらに平滑リアクトルは水冷式の中空導体でコイルを巻装した上で、前記半導体素子の水冷冷却体，ヒューズ接続導体，変圧器コイルの水冷冷却板および平滑リアクトルの各冷水通路を連ねて絶縁性の導水ホースを配管し、該導水ホースを通じて外部より水冷冷却体，ヒューズ接続導体，変圧器コイルの水冷冷却板，平滑リアクトルの中空導体に冷却水を送水して半導体素子,ヒューズ,コンデンサ,抵抗の各部品，および変圧器，平滑リアクトルのコイルを水冷冷却するようにしたたことを特徴とする電力変換装置。
請求項４記載の電力変換装置において、前記の水冷冷却体，ヒューズ接続導体，および平滑リアクトルを変圧器の上部に載置支持して構成したことを特徴とする電力変換装置。
複数の半導体素子でブリッジ回路を形成し、かつ各半導体素子に対して半導体保護用ヒューズを直列接続し、逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗を並列接続するとともに、前記ブリッジ回路の入力側に変圧器，出力側に平滑リアクトルおよびフィルターコンデンサを接続した電力変換装置において、
前記半導体素子を逆回復電圧吸収用のコンデンサおよび抵抗とともに一括して水冷冷却体に載置し、半導体保護用ヒューズを水冷冷却体兼用のヒューズ接続導体に載置するとともに、変圧器はそのコイル層に水冷冷却板を介装し、平滑リアクトルは水冷式の中空導体でコイルを巻装し、さらにフィルターコンデンサに水冷冷却体を組み付けた上で、前記半導体素子の水冷冷却体，ヒューズ接続導体，変圧器コイルの水冷冷却板，平滑リアクトルの各冷水通路，フィルターコンデンサの水冷冷却体を連ねて絶縁性の導水ホースを連ねて絶縁性の導水ホースを配管し、該導水ホースを通じて外部より水冷冷却体，ヒューズ接続導体，変圧器コイルの水冷冷却板，平滑リアクトルの中空導体，フィルターコンデンサの水冷冷却板に冷却水を送水して半導体素子,ヒューズ,コンデンサ,抵抗の各部品，および変圧器，平滑リアクトルのコイル，フィルターコンデンサを水冷冷却するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
請求項６記載の電力変換装置において、前記の水冷冷却体，ヒューズ接続導体，平滑リアクトル，およびフィルターコンデンサを変圧器の上部に載置支持して構成したことを特徴とする電力変換装置。