JP2006158128A - Power conversion device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable suitable cooling down of each semiconductor element regardless of individual mode operations. <P>SOLUTION: The power conversion device has three levels of which DC voltage is bisected. A plurality of switching elements Q1 to Q4 and cooling fins 31 to 33, 37 to 39 arranged on both sides of the respective switching elements Q1 to Q4, and respective flywheel diodes D1 to D4 constituting a pair with the respective switching elements and cooling fins 26 to 30 arranged on both sides of the respective flywheel diodes are constructed by each stack 2, 1. Cooling fans 26-31, 27-32, 28-35, 29-38, 30-39 are connected so as to be a series water system, which are arranged on the same sides of the switching elements Q1 to Q4 and the flywheel diodes D1 to D4 constituting a pair of with the switching elements Q1 to Q4. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、複数の平型半導体素子とヒートシンクなどが交互に重ねられた平形半導体素子用スタックを有する電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power converter having a stack for flat semiconductor elements in which a plurality of flat semiconductor elements and heat sinks are alternately stacked.

従来、電力変換装置の中に3レベルの電力変換装置がある。この3レベルの電力変換装置は、図2に示すように三相交流電源に接続されるコンバータ(図示せず)等で変換された直流電圧のP,N間にクランプコンデンサC1,C2を接続し、中間電位点0を作り出すことにより、直流電圧を分割する。そして、インバータを構成する三相の中の例えばU相について述べれば、P,N間にシリアル接続される自己消弧可能なスイッチング素子Q1〜Q4のうち、スイッチング素子Q1,Q2をオンして高電位点電圧(P点電圧)、スイッチング素子Q2,Q3をオンして中間点電圧(0点電圧)、スイッチング素子Q3,Q4をオンして低電位点電圧(N点電圧)を選択的に取り出す、いわゆる3レベルインバータを構成する。また、各スイッチング素子Q1〜Q4にはそれぞれ対をなすようにフライホイールダイオードD1〜D4が並列に接続されている。なお、インバータを構成する他の相であるV相及びW相は前述したU相と同様な構成を有している。   Conventionally, there are three levels of power converters among power converters. In this three-level power converter, clamp capacitors C1 and C2 are connected between P and N of a DC voltage converted by a converter (not shown) connected to a three-phase AC power source as shown in FIG. The DC voltage is divided by creating an intermediate potential point 0. For example, the U phase among the three phases constituting the inverter is described. Among the switching elements Q1 to Q4 that are serially connected between P and N and are capable of self-extinguishing, the switching elements Q1 and Q2 are turned on to increase the level Potential point voltage (P point voltage), switching elements Q2 and Q3 are turned on, intermediate point voltage (0 point voltage), switching elements Q3 and Q4 are turned on and low potential point voltage (N point voltage) is selectively extracted. This constitutes a so-called three-level inverter. Further, flywheel diodes D1 to D4 are connected in parallel so as to form a pair with each of the switching elements Q1 to Q4. In addition, the V phase and W phase which are other phases which comprise an inverter have the structure similar to the U phase mentioned above.

このような3レベルの電力変換装置においては、平型半導体素子用スタックを有し、具体的には図3に示すように、フライホイールダイオードD1〜D4で構成されるフライホイールダイオードスタック1と例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子Q1〜Q4で構成されるスイッチング素子スタック2とがそれぞれ独立したスタックとして構成され、図示矢印で示すごとくスイッチング素子Q1〜Q4への通電による電力損失を優先的に補償するための冷却水系の構成となっている。すなわち、フライホイールダイオードD1〜D4及びスイッチング素子Q1〜Q4の冷却水系は、冷却入側から流入した冷却水がスイッチング素子Q1〜Q4に対応する冷却フィン3〜6に送られ、ここでスイッチング素子Q1〜Q4の発熱による熱交換を行った後、フライホイールダイオードD1〜D4に対応する冷却フィン7〜10に送り込んでいる。従って、かかる構成の冷却水系では、フライホイールダイオードD1〜D4に対しては、初期水温の冷却水が供給されず、スイッチング素子Q1〜Q4の冷却時に当該スイッチング素子Q1〜Q4の発熱で温められた冷却水が供給される。   Such a three-level power conversion device has a stack for a flat semiconductor element. Specifically, as shown in FIG. 3, for example, a flywheel diode stack 1 composed of flywheel diodes D1 to D4 and The switching element stack 2 composed of switching elements Q1 to Q4 such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is configured as an independent stack, and power loss due to energization to the switching elements Q1 to Q4 is given priority as indicated by the arrows in the figure. The structure of the cooling water system for compensating automatically. That is, in the cooling water system of the flywheel diodes D1 to D4 and the switching elements Q1 to Q4, the cooling water flowing from the cooling inlet side is sent to the cooling fins 3 to 6 corresponding to the switching elements Q1 to Q4, where the switching element Q1 After heat exchange by heat generation of ~ Q4, the heat is sent to the cooling fins 7 to 10 corresponding to the flywheel diodes D1 to D4. Therefore, in the cooling water system having such a configuration, the cooling water having the initial water temperature is not supplied to the flywheel diodes D1 to D4, and is heated by the heat generated by the switching elements Q1 to Q4 when the switching elements Q1 to Q4 are cooled. Cooling water is supplied.

本来の半導体素子の冷却においては、半導体素子の許容ジャンクション温度(内部温度)が125℃以下と規定されており、より熱損失の激しい半導体素子から順次冷却していくことが基本である。単純に半導体素子を冷却するだけの目的であれば、半導体素子毎に冷却水系を設ければよいが、それでは半導体素子の数だけ冷却水系が必要となり、電力変換装置に使用する水量(流量)も多量となる。その結果、冷却水を循環させる冷却装置の容量が大きくなり、製品コストや占有スペースが増大し、装置設計の自由度がなくなる。   In the original cooling of the semiconductor element, the allowable junction temperature (internal temperature) of the semiconductor element is defined to be 125 ° C. or lower, and it is fundamental to sequentially cool the semiconductor elements with more severe heat loss. For the purpose of simply cooling the semiconductor elements, a cooling water system may be provided for each semiconductor element. However, as many cooling water systems as the number of semiconductor elements are required, and the amount of water (flow rate) used for the power converter is also large. A large amount. As a result, the capacity of the cooling device that circulates the cooling water increases, the product cost and occupied space increase, and the degree of freedom in device design is lost.

そこで、以上のような状況を考えた場合、半導体素子毎に冷却水系を設ける並列水系ではなく、可能な限り直列水系の構成を取り入れれば、冷却水の水量が節減でき、また電力変換装置や冷却装置のコンパクト化にも繋がる。さらに、電力変換装置や冷却装置のコンパクト化に伴い、限られたスペースを有効に活用でき、各装置を含むシステム設計の自由度を高めることができる。但し、直列水系の場合、各半導体素子への熱損失の配分によっては、下流に行くほど温められた水温の影響を受けることになり、最適な冷却効果が得られないことが考えられる。   Therefore, when considering the situation as described above, the amount of cooling water can be reduced by adopting a series water system configuration as much as possible, rather than a parallel water system in which a cooling water system is provided for each semiconductor element. This also leads to a compact cooling device. Furthermore, with the downsizing of the power conversion device and the cooling device, the limited space can be effectively used, and the degree of freedom in designing the system including each device can be increased. However, in the case of a series water system, depending on the distribution of heat loss to each semiconductor element, it is influenced by the water temperature warmed toward the downstream, and it is considered that the optimum cooling effect cannot be obtained.

また、近年、電力変換装置の容量の拡大に伴い、各半導体素子の発生損失が増加する傾向にある。さらに、電力変換装置や冷却装置のよりコンパクト化や低コスト化に伴い、各半導体素子相互が接近する関係になって発生損失が増加することから、半導体素子の冷却を最適に行うことが必須となる。特に、水冷冷却を用いる装置では、冷却水系の構成によって冷却能力及び冷却効率が決まることから、当該装置の動作状況等を把握し、半導体素子に対する冷却水系の構成を実現することが望まれている。   In recent years, the loss generated in each semiconductor element tends to increase as the capacity of the power converter increases. Furthermore, as power conversion devices and cooling devices become more compact and lower in cost, the semiconductor elements become closer to each other and the generated loss increases, so it is essential to cool the semiconductor devices optimally. Become. In particular, in an apparatus using water cooling, since the cooling capacity and cooling efficiency are determined by the configuration of the cooling water system, it is desired to grasp the operation status of the apparatus and realize the configuration of the cooling water system for the semiconductor element. .

ところで、以上のような電力変換装置の冷却水系は、冷却入側から流入した冷却水を用いて、スイッチング素子Q1〜Q4を冷却した後、フライホイールダイオードD1〜D4を冷却する構成であるが、このような冷却水系の構成が装置の動作状況等から冷却能力及び冷却効率を高めるかが疑問である。   By the way, the cooling water system of the power converter as described above is configured to cool the flywheel diodes D1 to D4 after cooling the switching elements Q1 to Q4 using the cooling water flowing from the cooling inlet side. It is doubtful whether such a configuration of the cooling water system increases the cooling capacity and the cooling efficiency from the operating state of the apparatus.

そこで、この種の電力変換装置における運転パターン(モード)について考えて見ると、コンバータモードとインバータモードの運転が存在する。通常、コンバータモード運転の際には、フライホイールダイオードD1〜D4がメインの発熱源であり、その中でもフライホイールダイオードD1,D4の発熱量が大きい。一方、インバータモード運転の際には、スイッチング素子Q1〜Q4がメインの発熱源であり、その中でもスイッチング素子Q1,Q4の発熱量が大きい。   Thus, when considering an operation pattern (mode) in this type of power conversion device, there are converter mode and inverter mode operations. Normally, during the converter mode operation, the flywheel diodes D1 to D4 are main heat sources, and among them, the heat generation amount of the flywheel diodes D1 and D4 is large. On the other hand, during the inverter mode operation, the switching elements Q1 to Q4 are main heat generation sources, and among them, the heat generation amounts of the switching elements Q1 and Q4 are large.

しかしながら、直流電圧を二分割した3レベルの電力変換装置では、コンバータモード運転時に無負荷であるスイッチング素子Q1〜Q4の中にあって、スイッチング素子Q2,Q3は無負荷状態であっても水温を上昇させる程度の発熱が生じている。逆に、インバータモード運転の際、フライホイールダイオードD1〜D4は発熱しない。   However, in the three-level power conversion device that divides the DC voltage into two, it is in the switching elements Q1 to Q4 that are unloaded at the time of converter mode operation, and the switching elements Q2 and Q3 maintain the water temperature even in the unloaded state. There is heat generation to the extent that it increases. Conversely, during the inverter mode operation, the flywheel diodes D1 to D4 do not generate heat.

その結果、図3に示す冷却水系の構成である場合、スイッチング素子Q2,Q3で上昇した冷却水が下流側となるフライホイールダイオードD1〜D4に送られ、フライホイールダイオードD1〜D4の冷却能力及び冷却効率を下げてしまい、最適な冷却効果が得られない。   As a result, in the case of the configuration of the cooling water system shown in FIG. 3, the cooling water rising by the switching elements Q2 and Q3 is sent to the flywheel diodes D1 to D4 on the downstream side, and the cooling capacity of the flywheel diodes D1 to D4 and The cooling efficiency is lowered and the optimum cooling effect cannot be obtained.

また、電力変換装置の容量の拡大に伴って半導体素子の発生損失が増加するが、この場合には次のような問題が生じる。すなわち、コンバータモード運転時、本来の冷却対象であるフライホイールダイオードD1〜D4がスイッチング素子Q2,Q3の発熱で温められた冷却水の供給を受けた場合、フライホイールダイオードD1〜D4の冷却能力が低下し、半導体素子の許容ジャンクション温度125℃以下に抑えることが難しくなる問題がある。   In addition, the generation loss of the semiconductor element increases as the capacity of the power conversion device increases. In this case, the following problem occurs. That is, during the converter mode operation, when the flywheel diodes D1 to D4 that are originally cooled are supplied with the cooling water heated by the heat generated by the switching elements Q2 and Q3, the cooling capacity of the flywheel diodes D1 to D4 is increased. There is a problem that it becomes difficult to suppress the temperature to an allowable junction temperature of 125 ° C. or lower.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、各モード運転にも拘らず、各半導体素子の最適な冷却を可能とする冷却水系を構成し、冷却能力及び冷却効率の向上を図る電力変換装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and constitutes a cooling water system that enables optimum cooling of each semiconductor element in spite of each mode operation, and a power conversion device that improves cooling capacity and cooling efficiency. The purpose is to provide.

(1) 上記課題を解決するために、直流電圧を二分割した3レベルの本発明に係る電力変換装置は、複数のスイッチング素子及び当該各スイッチング素子の両側に配置される冷却フィンと、前記各スイッチング素子と対をなす各フライホイールダイオード及び当該各フライホイールダイオードの両側に配置される冷却フィンとをそれぞれ別スタックで構成し、前記スイッチング素子と当該スイッチング素子と対をなすフライホイールダイオードとの同一側に配置される水冷ファンどうしを直列水系となるように接続した構成である。 (1) In order to solve the above problems, a three-level power converter according to the present invention that divides a DC voltage into two parts includes a plurality of switching elements, cooling fins disposed on both sides of each of the switching elements, Each flywheel diode paired with the switching element and cooling fins arranged on both sides of each flywheel diode are configured in separate stacks, and the same flywheel diode paired with the switching element and the switching element It is the structure which connected the water cooling fans arrange | positioned at the side so that it might become a serial water system.

本発明は以上のような構成とすることにより、前記スイッチング素子と当該スイッチング素子と対をなすフライホイールダイオードとの同一側に配置される水冷ファンどうしが直列水系で構成されているので、複数のスイッチング素子及び複数のフライホイールダイオード等からなる半導体素子の数よりも大幅に少ない数の冷却水系で構成でき、冷却水量を大幅に節減可能であり、また冷却装置を含む電力変換装置をコンパクトに実現できる。   Since the present invention is configured as described above, the water cooling fans disposed on the same side of the switching element and the flywheel diode paired with the switching element are configured in a series water system. It can be configured with a cooling water system that is significantly smaller than the number of semiconductor elements consisting of switching elements and multiple flywheel diodes, etc., which can greatly reduce the amount of cooling water and realize a compact power conversion device including a cooling device. it can.

(2) また、本発明は、前記(1)項に記載する電力変換装置の構成において、前記フライホイールダイオード側に配置される冷却フィンを前記スイッチング素子側に配置される冷却フィンよりも冷却通水の上流側に設置すれば、コンバータモード運転の無負荷時に水温を上昇させる程度の発熱損失を伴うスイッチング素子がフライホイールダイオードよりも下流側で通水冷却されるので、無負荷時に発熱損失を伴うスイッチング素子が他の半導体素子に悪影響を与えることがなくなり、最適な冷却水系を実現できる。よって、互いの半導体素子が他の半導体素子の冷却に影響を与えない構成により、冷却能力及び冷却効率を上げることが可能となる。また、前記(1)等の構成と組み合わせることにより、各モード運転時にメインの発熱対象となる半導体素子が自身以外の半導体素子で熱的な影響を受けない初期冷却水による冷却を受けることができ、冷却能力及び冷却効率を上げることができ、半導体素子のジャンクション温度を規定の温度以下に確実に抑えることが可能となる。 (2) Further, according to the present invention, in the configuration of the power conversion device described in the above (1), the cooling fin disposed on the flywheel diode side is more cooled than the cooling fin disposed on the switching element side. If installed on the upstream side of the water, the switching element with a heat generation loss that raises the water temperature at the time of no load in converter mode operation is cooled by water flow downstream of the flywheel diode. The accompanying switching element does not adversely affect other semiconductor elements, and an optimal cooling water system can be realized. Therefore, it is possible to increase the cooling capacity and the cooling efficiency by the configuration in which the semiconductor elements do not affect the cooling of the other semiconductor elements. Also, by combining with the configuration of (1) etc., the semiconductor element that is the main heat generation target during each mode operation can be cooled by the initial cooling water that is not thermally affected by the semiconductor elements other than itself. Thus, the cooling capacity and the cooling efficiency can be increased, and the junction temperature of the semiconductor element can be surely suppressed to a predetermined temperature or lower.

さらに、本発明は、前記(1)項に記載する電力変換装置の構成において、前記フライホイールダイオードスタックを構成する複数のフライホイールダイオードをそれぞれ独立した水系で冷却し、これらフライホイールダイオードを有するフライホイールダイオードスタックと前記スイッチング素子を有するスイッチング素子スタックとをトータル5つ水系で構成することにより、比較的簡素な5系統を用いて最適な冷却水系を実現することが可能である。   Further, according to the present invention, in the configuration of the power conversion device described in the above item (1), a plurality of flywheel diodes constituting the flywheel diode stack are cooled by independent water systems, and the flywheel diodes having these flywheel diodes are cooled. By configuring the wheel diode stack and the switching element stack having the switching elements as a total of five water systems, it is possible to realize an optimum cooling water system using relatively simple five systems.

本発明によれば、各モード運転にも拘らず、各半導体素子の最適な冷却を可能とする冷却水系を構成でき、冷却能力及び冷却効率を向上できる電力変換装置を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, regardless of each mode driving | operation, the cooling water system which enables the optimal cooling of each semiconductor element can be comprised, and the power converter device which can improve cooling capacity and cooling efficiency can be provided.

以下、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について図1を参照して説明する。なお、同図において、図3と同一部分には同一符号を付して説明する。   Hereinafter, an embodiment of a power converter according to the present invention will be described with reference to FIG. In the figure, the same parts as those in FIG.

図1は電力変換装置の冷却水系の構成を示す図であって、初期冷却水供給配管20から例えば5つの流路配管21〜25に分岐され、フライホイールダイオードスタック1に導入されている。フライホイールダイオードスタック1は、水冷フィン26〜30とフライホイールダイオードD1〜D4とが交互に重ね合わせた構成となっている。すなわち、初期冷却水供給配管20から分岐された各流路配管21〜25はフライホイールダイオードスタック1のそれぞれ対応する水冷フィン26〜30に個別に接続され、初期冷却水が各流路配管21〜25を通って各水冷フィン26〜30に供給される。従って、各フライホイールダイオードD1〜D4は、両側に配置される水冷フィン26〜30によって冷却される。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a cooling water system of a power converter, and is branched from an initial cooling water supply pipe 20 into, for example, five flow pipes 21 to 25 and introduced into a flywheel diode stack 1. The flywheel diode stack 1 has a configuration in which water-cooled fins 26 to 30 and flywheel diodes D1 to D4 are alternately stacked. That is, the respective flow path pipes 21 to 25 branched from the initial cooling water supply pipe 20 are individually connected to the corresponding water cooling fins 26 to 30 of the flywheel diode stack 1, and the initial cooling water is supplied to the respective flow path pipes 21 to 21. 25 and supplied to each water cooling fin 26-30. Therefore, each flywheel diode D1-D4 is cooled by the water cooling fins 26-30 arrange | positioned at both sides.

一方、フライホイールダイオードスタック1とは独立してスイッチング素子スタック2が設けられている。このスイッチング素子スタック2は、冷却フィン31〜39と補助整流素子DP,DNを含むIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子Q1〜Q4とが交互に重ね合わされている。そして、水冷フィン26と31、27と32、28と35、29と38、30と39とが接続配管34,42,43,44,45で接続され、冷却水が各水冷フィン26〜30から対応する接続配管41〜45を通ってスイッチング素子スタック2として構成する冷却フィン31,32,35,38,39に送られ、補助整流素子DP,DNを含む各スイッチング素子Q1〜Q4を冷却する。すなわち、この電力変換装置は、各水冷フィン26〜30と冷却フィン31,32,35,38,39は接続配管41〜45を介して接続され、いわゆる直列水系を構成している。   On the other hand, a switching element stack 2 is provided independently of the flywheel diode stack 1. In the switching element stack 2, switching elements Q1 to Q4 such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) including auxiliary fins DP and DN are alternately stacked. And the water cooling fins 26 and 31, 27 and 32, 28 and 35, 29 and 38, 30 and 39 are connected by connection piping 34,42,43,44,45, and cooling water is from each water cooling fin 26-30. The switching elements Q1 to Q4 including the auxiliary rectifying elements DP and DN are cooled by being sent to the cooling fins 31, 32, 35, 38, and 39 configured as the switching element stack 2 through the corresponding connection pipes 41 to 45. That is, in this power converter, the water-cooled fins 26 to 30 and the cooling fins 31, 32, 35, 38, and 39 are connected via the connection pipes 41 to 45 to constitute a so-called series water system.

そして、各冷却フィン31,32,35,38,39の出力側はスイッチング素子スタック2の中間側の冷却フィン33,34,36,37を通って冷却出側配管40に接続され、熱交換によって温められた冷却水が冷却出側配管40から出力される。   And the output side of each cooling fin 31, 32, 35, 38, 39 is connected to the cooling outlet side piping 40 through the cooling fins 33, 34, 36, 37 on the intermediate side of the switching element stack 2, and by heat exchange. Warmed cooling water is output from the cooling outlet pipe 40.

このような電力変換装置においては、フライホイールダイオードスタック1とスイッチング素子スタック2は各々独立したスタック構成となる。また、スイッチング素子Q1と対をなすフライホイールダイオードD1の同じサイドの水冷フィン26と31、27と32とはそれぞれ接続配管41,42によって直列水系を構成し、また、スイッチング素子Q4と対をなすフライホイールダイオードD4の同じサイドの水冷フィン29と38、30と39とはそれぞれ接続配管44,45によって直列水系を構成している。   In such a power conversion device, the flywheel diode stack 1 and the switching element stack 2 have an independent stack configuration. Further, the water cooling fins 26 and 31, 27 and 32 on the same side of the flywheel diode D1 paired with the switching element Q1 form a series water system by the connection pipes 41 and 42, respectively, and also pair with the switching element Q4. The water cooling fins 29 and 38, 30 and 39 on the same side of the flywheel diode D4 form a series water system by connecting pipes 44 and 45, respectively.

従って、以上のような実施の形態によれば、本発明独自の直列水系の構成により、次のような効果を奏する。   Therefore, according to the embodiment as described above, the following effects are achieved by the configuration of the series water system unique to the present invention.

(1) 図1に示す冷却水系の構成を有する本発明に係る半導体電力変換装置について、当該電力変換装置の力率を変化させつつコンバータモード運転及びインバータモード運転と半導体素子の冷却との関係について考えてみる。 (1) Regarding the semiconductor power conversion device according to the present invention having the configuration of the cooling water system shown in FIG. 1, the relationship between the converter mode operation and the inverter mode operation and the cooling of the semiconductor element while changing the power factor of the power conversion device. I'll think about it.

コンバータモード運転では、フライホイールダイオードスタック1が発熱対象となり、その中でも特にフライホイールダイオードD1,D4がメインで発熱する。その間、スイッチング素子スタック2は無負荷となる。逆に、インバータモード運転では、スイッチング素子スタック2が発熱対象となり、その中でも特にスイッチング素子Q1,Q4がメインで発熱する。その間、フライホイールダイオードスタック1は無負荷となる。よって、各モード運転において、フライホイールダイオードD1,D4の発熱又はスイッチング素子Q1,Q4の発熱となることから、水冷フィン26と水冷フィン31とを接続配管41で接続し、水冷フィン27と水冷フィン32とを接続配管42で接続し、また水冷フィン29と水冷フィン38とを接続配管44で接続し、水冷フィン30と水冷フィン39とを接続配管45で接続する直列水系を構成すれば、複数のスイッチング素子Q1〜Q4及び複数のフライホイールダイオードD1〜D4等からなる半導体素子の数よりも大幅に少ない数の冷却水系で構成でき、冷却水量を大幅に節減でき、また冷却装置を含む電力変換装置のコンパクトを図ることができる。   In the converter mode operation, the flywheel diode stack 1 is subject to heat generation, among which the flywheel diodes D1 and D4 generate heat mainly. Meanwhile, the switching element stack 2 is unloaded. On the contrary, in the inverter mode operation, the switching element stack 2 becomes a heat generation target, and among them, the switching elements Q1 and Q4 generate heat mainly. Meanwhile, the flywheel diode stack 1 is unloaded. Therefore, in each mode operation, the heat generation of the flywheel diodes D1 and D4 or the heat generation of the switching elements Q1 and Q4 causes the water cooling fins 26 and the water cooling fins 31 to be connected by the connection pipe 41, and the water cooling fins 27 and the water cooling fins are connected. 32 is connected by the connecting pipe 42, the water-cooled fins 29 and the water-cooled fins 38 are connected by the connecting pipe 44, and the water cooling fins 30 and the water-cooled fins 39 are connected by the connecting pipe 45. The number of cooling water systems can be significantly smaller than the number of semiconductor elements comprising the switching elements Q1 to Q4 and the plurality of flywheel diodes D1 to D4, etc., the amount of cooling water can be greatly reduced, and power conversion including a cooling device The apparatus can be made compact.

また、各モード運転時にメインの発熱対象となるダイオードD1,D4、スイッチング素子Q1,Q4等の半導体素子が自身以外の半導体素子で熱的な影響を受けない初期冷却水による冷却を受けることができ、最適な冷却水系を実現できる。   In addition, the semiconductor elements such as the diodes D1 and D4 and the switching elements Q1 and Q4 that are main heat generation targets in each mode operation can be cooled by the initial cooling water that is not thermally affected by the semiconductor elements other than itself. An optimal cooling water system can be realized.

(2) 本発明に係る半導体電力変換装置によれば、初期冷却水配管20の初期通水はフライホイールダイオードスタック1側から行われている。その結果、常にフライホイールダイオードスタック1には初期水温である冷却水が供給されており、コンバータモード運転の際にはメインで発熱するフライホイールダイオードD1,D4を効率的に冷却可能となり、逆にインバータモード運転の際にはフライホイールダイオードスタック1内のダイオードD1〜D4は無負荷状態によって発熱しないことから、スイッチング素子スタック2内のメインで発熱するスイッチング素子Q1,Q4に対して、初期水温の冷却水を供給できる。 (2) According to the semiconductor power conversion device according to the present invention, the initial water flow of the initial cooling water pipe 20 is performed from the flywheel diode stack 1 side. As a result, the cooling water at the initial water temperature is always supplied to the flywheel diode stack 1, and the flywheel diodes D1 and D4 that generate heat at the time of the converter mode operation can be efficiently cooled. During the inverter mode operation, the diodes D1 to D4 in the flywheel diode stack 1 do not generate heat due to the no-load state, and therefore, the initial water temperature of the switching elements Q1 and Q4 that generate heat in the switching element stack 2 is higher. Cooling water can be supplied.

また、直流電圧を二分割した3レベルの電力変換装置では、コンバータモード運転時に無負荷であるスイッチング素子Q1〜Q4の中のスイッチング素子Q2,Q3は水温を上昇させる程度の発熱が生じるが、本発明に係る電力変換装置の構成であれば、コンバータモード運転に対する無負荷時に水温を上昇させる程度の発熱損失を伴うスイッチング素子Q2,Q3を最後に通水冷却する構成としたので、自身以外の他の半導体素子に悪影響を与えることがなくなり、最適な冷却水系を実現できる。よって、互いの半導体素子が他の半導体素子の冷却に影響を与えない構成により、前述同様に冷却能力及び冷却効率を上げることができ、半導体素子のジャンクション温度を規定の温度以下に確実に抑えることができる。このことは、電力変換装置や冷却装置のコンパクト化や電力変換装置の容量の拡大化にも十分対処できる。   Further, in the three-level power conversion device that divides the DC voltage into two, the switching elements Q2 and Q3 among the switching elements Q1 to Q4 that are unloaded during converter mode operation generate heat that raises the water temperature. If it is the structure of the power converter device which concerns on invention, since it was set as the structure which water-cools the switching elements Q2 and Q3 accompanied by the heat_generation | fever loss of the grade which raises water temperature at the time of no load with respect to converter mode driving | operation, other than itself The semiconductor device is not adversely affected, and an optimum cooling water system can be realized. Therefore, with the configuration in which each semiconductor element does not affect the cooling of other semiconductor elements, the cooling capacity and cooling efficiency can be increased in the same manner as described above, and the junction temperature of the semiconductor element is reliably suppressed to a specified temperature or less. Can do. This can sufficiently cope with downsizing of the power conversion device and the cooling device and expansion of the capacity of the power conversion device.

(3) さらに、本発明に係る半導体電力変換装置によれば、フライホイールダイオードスタック1内のフライホイールダイオードD1〜D4、スイッチング素子スタック2内のスイッチング素子Q1〜Q4のうちメイン発熱するフライホイールダイオードD1,D4/スイッチング素子Q1,Q4に対し、直列水系、他の半導体素子から熱的影響を受けないように冷却したことにより、初期水温の冷却水により効率的に冷却可能となり、かつスタック2の残りの水系を当該スタック2の中央の冷却フィン33〜37を通して冷却出側配管40から出力することにより、最適な5系統の冷却水系を実現できる。 (3) Further, according to the semiconductor power conversion device of the present invention, the flywheel diode that generates main heat among the flywheel diodes D1 to D4 in the flywheel diode stack 1 and the switching elements Q1 to Q4 in the switching element stack 2. D1 and D4 / switching elements Q1 and Q4 are cooled so as not to be affected by thermal effects from the series water system and other semiconductor elements, and can be efficiently cooled by the cooling water at the initial water temperature. By outputting the remaining water system from the cooling outlet side pipe 40 through the cooling fins 33 to 37 in the center of the stack 2, it is possible to realize five optimal cooling water systems.

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。また、各実施の形態は組み合わせて実施することが可能であり、その場合には組み合わせによる効果が得られる。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the summary, various deformation | transformation can be implemented. Moreover, each embodiment can be implemented in combination, and in that case, the effect of the combination can be obtained.

本発明に係る電力変換装置の一実施の形態としての冷却水系を示す構成図。The block diagram which shows the cooling water system as one Embodiment of the power converter device which concerns on this invention. 従来の3レベルの電力変換装置の一部の相の構成を示す図。The figure which shows the structure of the one part phase of the conventional 3 level power converter device. 従来の電力変換装置の冷却水系を示す構成図。The block diagram which shows the cooling water system of the conventional power converter device.

符号の説明Explanation of symbols

D1〜D4…フライホイールダイオード、Q1〜Q4…スイッチング素子、1…フライホイールダイオードスタック、2…スイッチング素子スタック、20…初期冷却水供給配管、21〜25…流路配管、26〜30…冷却フィン、31〜39…冷却フィン、40…冷却出側配管、41〜45…接続配管。   D1 to D4 ... flywheel diode, Q1 to Q4 ... switching element, 1 ... flywheel diode stack, 2 ... switching element stack, 20 ... initial cooling water supply pipe, 21-25 ... flow path pipe, 26-30 ... cooling fin 31-39 ... Cooling fins, 40 ... Cooling outlet piping, 41-45 ... Connection piping.

Claims (3)

直流電圧を二分割した3レベルの電力変換装置において、
複数のスイッチング素子及び当該各スイッチング素子の両側に配置される冷却フィンと、前記各スイッチング素子と対をなす各フライホイールダイオード及び当該各フライホイールダイオードの両側に配置される冷却フィンとをそれぞれ別スタックで構成し、前記スイッチング素子と当該スイッチング素子と対をなすフライホイールダイオードとの同一側に配置される水冷ファンどうしを直列水系となるように接続したことを特徴とする電力変換装置。
In the three-level power converter that divides the DC voltage into two parts,
A plurality of switching elements and cooling fins disposed on both sides of each switching element, and each flywheel diode paired with each switching element and cooling fins disposed on both sides of each flywheel diode are separately stacked. A power conversion device comprising: a water cooling fan connected between the switching element and a flywheel diode paired with the switching element so as to form a series water system.
請求項1に記載した電力変換装置において、
前記各フライホイールダイオード側に配置される冷却フィンを、前記スイッチング素子側に配置される冷却フィンよりも冷却通水の上流側に設置したことを特徴とする電力変換装置。
In the power converter device according to claim 1,
The power conversion device characterized in that the cooling fins arranged on the flywheel diode side are installed on the upstream side of the cooling water flow than the cooling fins arranged on the switching element side.
請求項1又は請求項2に記載した電力変換装置において、
前記フライホイールダイオードスタックを構成する複数のフライホイールダイオードをそれぞれ独立した水系で冷却し、これらフライホイールダイオードを有するフライホイールダイオードスタックと前記スイッチング素子を有するスイッチング素子スタックとをトータル5つ水系で構成したことを特徴とする電力変換装置。
In the power converter device according to claim 1 or 2,
A plurality of flywheel diodes constituting the flywheel diode stack are each cooled by an independent water system, and the flywheel diode stack having the flywheel diode and the switching element stack having the switching element are configured by a total of five water systems. The power converter characterized by the above-mentioned.
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