JP2006101681A - インバータユニットおよびこのインバータユニットを使用した電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体素子と直流コンデンサ間の回路インダクタンスを小さくし、また受熱ブロックの配設面を有効に利用して部品点数を少なくし、かつ機器の大型化を招かないようにする。
【解決手段】 受熱ブロック２に複数本のヒートパイプ３を配設したヒートパイプ冷却器１において、受熱ブロック２の第１の配設面２ａに制御素子アームの正極側の半導体素子５を実装し、この第１の配設面２ａの反対側に位置する第２の配設面２ｂに制御素子アームの負極側の半導体素子６を実装し、第１および第２の配設面２ａ，２ｂ並びにヒートパイプの配設面２ｃと異なる配設面２ｄの近傍に直流コンデンサ７を配設し、半導体素子５，６と直流コンデンサ７間を接続する導体８ａ，８ｂの配線距離を短くする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インバータユニットおよびこのインバータユニットを使用した電力変換装置に関するものである。

近年、電力変換装置では、電力用半導体素子の大容量化、高速化に伴い発熱損失の増大が問題となっている。このため半導体素子用冷却器の冷却効率の向上を図り、発熱損失の増大に対応して装置の大型化を避けることが重要な課題となっている。電力変換装置における電力用半導体素子としては、ダイオード、サイリスタ、ＧＴＯ（ゲート・ターンオフ・サイリスタ）、ＩＧＢＴ(絶縁ゲート・バイポーラ型トランジスタ）等が用いられ、その冷却器としてはヒートパイプ冷却器が使用されている。

ヒートパイプ冷却器は、矩形状の受熱ブロックと、受熱部および放熱部を有する複数本のヒートパイプを備えている。受熱ブロックは半導体素子が実装される配設面を片側の面、または両側の面に有し、この配設面と異なる面に、半導体素子配設面に沿って複数本のヒートパイプを一列に並べて配設している。

このようなヒートパイプ冷却器を用いてインバータユニットを構成する場合には、一般的には一個のヒートパイプ冷却器に一個の半導体素子を実装し、このヒートパイプ冷却器を複数個使用し、直流コンデンサやスナバコンデンサと接続して構成していた。

ところが、このような構成のインバータユニットを複数個用いて電力変換装置を構成すると、ヒートパイプ冷却器の半導体素子から離れた場所に直流コンデンサが配設されているために、半導体素子と直流コンデンサ間の回路インダクタンスが大きくなり、半導体素子のＯＮ電圧が大きくなる問題があった。またインバータユニットの部品点数が多くなり、その取扱いが煩雑になったり、機器の外形も大きくなったり、ひいてはこれらヒートパイプ冷却器を使用した電力変換装置の外形寸法も大きくなってコスト高になっていた。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、第一の目的は半導体素子と直流コンデンサ間の回路インダクタンスを小さくすることのできるインバータユニットおよびこのインバータユニットを使用した電力変換装置を提供することにある。

また本発明の第二の目的は、受熱ブロックの配設面を有効に利用して部品点数を少なくし、また機器の大型化を招かないようにすることのできるインバータユニットおよびこのインバータユニットを使用した電力変換装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明によるインバータユニットは、受熱ブロックと、この受熱ブロックに配設された複数本のヒートパイプと、受熱ブロックにおけるヒートパイプの配設面と異なる配設面に実装される半導体素子と、この半導体素子に接続される直流コンデンサとを備えたインバータユニットにおいて、受熱ブロックの第１の配設面に制御素子アームの正極側の半導体素子を実装し、この第１の配設面の反対側に位置する第２の配設面に制御素子アームの負極側の半導体素子を実装し、第１および第２の配設面並びにヒートパイプの配設面と異なる配設面の近傍に直流コンデンサを配設したことを特徴とする。

また本発明によるインバータユニットは、受熱ブロックと、この受熱ブロックに配設された複数本のヒートパイプと、受熱ブロックにおけるヒートパイプの配設面と異なる配設面に実装される半導体素子と、この半導体素子に接続される直流コンデンサとを備えたインバータユニットにおいて、受熱ブロックを二個で構成し、一方の受熱ブロックの配設面に制御素子アームの正極側の半導体素子を実装し、他方の受熱ブロックの配設面に制御素子アームの負極側の半導体素子を実装して互いの半導体素子が対向するように配設し、この各半導体素子の近傍に直流コンデンサを配設したことを特徴とする。

さらに本発明による電力変換装置は、受熱ブロックの第１の配設面に制御素子アームの正極側の半導体素子を実装し、この第１の配設面の反対側に位置する第２の配設面に制御素子アームの負極側の半導体素子を実装し、第１および第２の配設面並びにヒートパイプの配設面と異なる配設面の近傍に直流コンデンサを配設したインバータユニットまたは受熱ブロックを二個で構成し、一方の受熱ブロックの配設面に制御素子アームの正極側の半導体素子を実装し、他方の受熱ブロックの配設面に制御素子アームの負極側の半導体素子を実装して互いの半導体素子が対向するように配設し、この各半導体素子の近傍に直流コンデンサを配設したインバータユニットを複数個使用して構成したことを特徴とする。

本発明によれば、受熱ブロックに実装した半導体素子とその近傍に配設した直流コンデンサ間の配線距離が短くなるので、回路インダクタンスを小さくすることができる。

また本発明によれば、受熱ブロックの配設面を有効に利用して半導体素子の実装や直流コンデンサの配設を行なっているので、部品点数が少なくなって取扱いが容易になるほか、機器の大型化を招かないようにすることができる。

図１（ａ）および（ｂ）は本発明の一実施の形態を示すインバータユニットの上面図および正面図である。図１において、ヒートパイプ冷却器１は、矩形状の受熱ブロック２と、受熱部および放熱部を有し、受熱ブロック２の一つの配設面にほぼ鉛直に配設された複数本のヒートパイプ３を備えている。ヒートパイプ３は、周知のようにアルミニウムや銅等の金属管の内部に水などの熱移送媒体を充填して構成したもので、半導体素子が発生した熱を、受熱ブロック２を介して受熱部で吸収し、内部の熱移送媒体を蒸発させて放熱部に移送して外部に放出するものである。またヒートパイプ３の放熱部には、それぞれヒートパイプ３と直交する多数の放熱フィン４を取付けている。なお、図１（ａ）においては、放熱フィン４の図示を省略している。

受熱ブロック２は、六個の配設面を有するほぼ直方体形状をなし、被冷却物である半導体素子５が実装される第１の配設面２ａと、この第１の配設面２ａの反対側に位置し、被冷却物である半導体素子６が実装される第２の配設面２ｂを有している。複数本のヒートパイプ３は、この第１および第２の配設面２ａ，２ｂと異なる配設面２ｃに、少なくとも第１および第２の配設面２ａ，２ｂに沿って一列に並べて配設されている。本実施の形態では、複数本のヒートパイプ３は受熱ブロック２の周囲四つの面に対応させてそれぞれ並べて配設してある。

ここで本実施の形態においては、受熱ブロック２の第１および第２の配設面２ａ，２ｂに実装される半導体素子５，６は、たとえばＩＧＢＴ素子である。半導体素子５，６は、一方が直流電源に接続された制御素子アームの正極側の半導体素子５であり、他方が負極側の半導体素子６で構成している。すなわち直流電源に対して二個直列に接続された半導体素子を制御素子アームと称するが、そのうちの正極側に位置する半導体素子５を第１の配設面２ａに実装し、負極側に位置する半導体素子６を第２の配設面２ｂに実装している。さらに直流電源間に挿入される直流コンデンサ７についても、受熱ブロック２におけるヒートパイプ３の配設面２ｃと反対側に位置する第３の配設面２ｄの近傍に、板状の導体（導電体）８ａ，８ｂを介して半導体素子５，６に接続して配設している。

これにより、ヒートパイプ冷却器１を利用して、半導体素子５，６の実装のみならず直流コンデンサ７も一体化してインバータユニットを構成することができる。その結果、新たにヒートパイプ冷却器を設ける場合や離れた場所に直流コンデンサを配設する場合に比べて、部品点数を少なくすることができ、その取扱いが容易になるほか、インバータユニット全体の大型化やコスト高を招かないようにすることができる。

また半導体素子５，６とその近傍に位置する直流コンデンサ７の配線距離が短くなるので、回路インダクタンスを小さくすることができ、半導体素子５，６のＯＮ電圧を小さくすることができる。

図２（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のインバータユニットにおける第２の実施の形態を示す上面図および正面図である。図２において、本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、受熱ブロック２における第１の配設面２ａに隣合い、かつヒートパイプ３の延びる方向と直交する方向に位置する第３の配設面２ｄの近傍に、板状の導体８ａ，８ｂを介して半導体素子５，６に接続される直流コンデンサ７を配設して構成したところにある。

このように構成すれば、第１の実施の形態と同様の効果が得られるほか、受熱ブロック２の側方に直流コンデンサ７が位置するので、インバータユニット全体の高さ寸法を縮小することができる。

図３（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のインバータユニットにおける第３の実施の形態を示す側面図および正面図である。図３において、本実施の形態が第２の実施の形態と異なる点は、ヒートパイプ３を受熱ブロック２の配設面２ｃに水平方向に延びるように配設し、直流コンデンサ７は半導体素子５の配設面２ａに隣り合い、かつヒートパイプ３の延びる方向に直交する方向に位置する第４の配設面２ｅの近傍に導体８ａ，８ｂを介して配設したところにある。

この構成によれば、第２の実施の形態よりもさらに高さ寸法を小さくすることができる。

図４（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のインバータユニットにおける第４の実施の形態を示す上面図および正面図である。図４において、本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、半導体素子５の配設面２ａに隣合う第４および第５の配設面２ｅ，２ｆに他の電子部品であるスナバコンデンサ９ａ，９ｂを実装したところにある。

このように構成すれば、スナバコンデンサ９ａ，９ｂを設けるにあたって、新たにヒートパイプ冷却器を設ける必要がなくなり、インバータユニットとしての部品点数を削減することができる。

図５（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のインバータユニットにおける第５の実施の形態を示す側面図および正面図である。図５において、本実施の形態が第３の実施の形態と異なる点は、半導体素子５の配設面２ａに隣合う第４の配設面２ｅとヒートパイプ３の配設面２ｃの反対側に位置する第３の配設面２ｄに他の電子部品であるスナバコンデンサ９ａ，９ｂを実装したところにある。

これによりヒートパイプ３を水平方向に延びるように配設したインバータユニットにおいても、スナバコンデンサ９ａ，９ｂを設けるにあたって、新たにヒートパイプ冷却器を設けること必要がなくなり、部品点数を削減することができるとともに高さ寸法を縮小することができる。

図６（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のインバータユニットにおける第６の実施の形態を示す側面図および正面図である。図６において、本実施の形態では、二個の受熱ブロック２，２を設け、この各受熱ブロック２，２に複数本のヒートパイプ３，３を配設し、受熱ブロック２，２におけるヒートパイプ３，３の配設面２ｃ，２ｃと異なる配設面２ａ，２ａに半導体素子５，６を実装している。

一方の受熱ブロック２の配設面２ａには、制御素子アームの正極側の半導体素子５を実装し、他方の受熱ブロック２の配設面２ａには制御素子アームの負極側の半導体素子６を実装して互いの半導体素子５，６が対向するように受熱ブロック２，２を配設し、この各半導体素子５，６の近傍に板状の導体８ａ，８ｂを介して半導体素子５，６に接続される直流コンデンサ７を配設して構成したものである。

このように構成すれば、半導体素子５，６と直流コンデンサ７の配線距離をさらに短くでき、回路インダクタンスがさらに小さくなって半導体素子５，６のＯＮ電圧をより一層小さくすることができる。

なお、上記各実施の形態においては、インバータユニットを例にとり説明したが、各実施の形態のインバータユニットを複数個使用して電力変換装置を構成した場合においても、各インバータユニットにおける半導体素子と直流コンデンサの配線距離が短くなり回路インダクタンスが小さくなるので、半導体素子のＯＮ電圧を小さくすることができ、また受熱ブロックにおける配設面が半導体素子などの実装や直流コンデンサの配設に有効に利用されてインバータユニットが構成されているので、部品点数を少なくでき、また装置の大型化やコスト高に招かないようにすることができる。

（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のインバータユニットにおける第１の実施の形態を示す上面図および正面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のインバータユニットにおける第２の実施の形態を示す上面図および正面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のインバータユニットにおける第３の実施の形態を示す側面図および正面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のインバータユニットにおける第４の実施の形態を示す上面図および正面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のインバータユニットにおける第５の実施の形態を示す側面図および正面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明のインバータユニットにおける第６の実施の形態を示す側面図および正面図である。

符号の説明

１…ヒートパイプ冷却器
２…受熱ブロック
２ａないし２ｆ…配設面
３…ヒートパイプ
４…放熱フィン
５，６…半導体素子
７…直流コンデンサ
８ａ，８ｂ…板状の導体
９ａ，９ｂ…スナバコンデンサ

Claims (7)

1. 受熱ブロックと、この受熱ブロックに配設された複数本のヒートパイプと、前記受熱ブロックにおけるヒートパイプの配設面と異なる配設面に実装される半導体素子と、この半導体素子に接続される直流コンデンサとを備えたインバータユニットにおいて、前記受熱ブロックの第１の配設面に制御素子アームの正極側の半導体素子を実装し、前記第１の配設面の反対側に位置する第２の配設面に制御素子アームの負極側の半導体素子を実装し、前記第１および第２の配設面並びに前記ヒートパイプの配設面と異なる配設面の近傍に前記直流コンデンサを配設したことを特徴とするインバータユニット。
2. 前記ヒートパイプをほぼ鉛直に配設し、前記直流コンデンサを前記ヒートパイプの配設面と反対側に位置する配設面の近傍に配設したことを特徴とする請求項１に記載のインバータユニット。
3. 前記ヒートパイプをほぼ鉛直に配設し、前記直流コンデンサを前記ヒートパイプの延びる方向と直交する方向に位置する配設面の近傍に配設したことを特徴とする請求項１に記載のインバータユニット。
4. 前記ヒートパイプをほぼ水平に配設し、前記直流コンデンサを前記ヒートパイプの延びる方向と直交する方向に位置する配設面の近傍に配設したことを特徴とする請求項１に記載のインバータユニット。
5. 前記受熱ブロックの第１および第２の配設面、前記ヒートパイプの配設面ならびに前記直流コンデンサの配設面と異なる配設面に他の電子部品を実装したことを特徴とする請求項１に記載のインバータユニット。
6. 受熱ブロックと、この受熱ブロックに配設された複数本のヒートパイプと、前記受熱ブロックにおけるヒートパイプの配設面と異なる面に実装される半導体素子と、この半導体素子に接続される直流コンデンサとを備えたインバータユニットにおいて、前記受熱ブロックを二個で構成し、一方の受熱ブロックの配設面に制御素子アームの正極側の半導体素子を実装し、他方の受熱ブロックの配設面に制御素子アームの負極側の半導体素子を実装して互いの半導体素子が対向するように配設し、この各半導体素子の近傍に前記直流コンデンサを配設したことを特徴とするインバータユニット。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載のインバータユニットを複数個使用して構成したことを特徴とする電力変換装置。

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