JP2006211805A - Switching device - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチング装置に関し、例えば、高温動作可能なワイドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子を組み込み、そのスイッチング素子のオンオフ動作により直流電圧を交流変換して負荷に電力供給する電力変換装置における冷却構造に関する。 The present invention relates to a switching device, for example, a cooling device in a power conversion device that incorporates a switching element composed of a wide gap semiconductor capable of high-temperature operation, and converts a DC voltage into an alternating current by an on / off operation of the switching device to supply power to a load. Concerning structure.
例えば、大容量UPSや電池電力貯蔵システム等に組み込まれた電力変換装置には、例えば図7に示すようにある設定された周波数と電圧を出力するインバータ装置4がある。このインバータ装置4は、太陽電池や燃料電池などの直流電源からの直流電圧をスイッチング素子1のオンオフ動作により交流変換して負荷に電力供給するものである。このインバータ装置4における出力周波数指令や電圧指令は、ゲート駆動回路基板2から出力される駆動信号をスイッチング素子1のゲート端子5に送信することによりそのスイッチング素子1に付与するようにしている。
For example, a power conversion device incorporated in a large-capacity UPS or a battery power storage system includes an inverter device 4 that outputs a set frequency and voltage as shown in FIG. This inverter device 4 converts a DC voltage from a DC power source such as a solar cell or a fuel cell into an AC by an on / off operation of the
なお、図7では、図中実線で示すように上下で対をなす一相(U相)のスイッチング素子1およびそのゲート駆動回路基板2で一相インバータ装置4を構成するが、図中破線で示すように上下で対をなす残りの二相(V相、W相)のスイッチング素子1およびそのゲート駆動回路基板2を付加すれば、三相インバータ装置4を構成することになる。
In FIG. 7, as shown by the solid line in the figure, the one-phase inverter device 4 is configured by the one-phase (U-phase) switching
ここで、前述のインバータ装置4に組み込まれたスイッチング素子1としては、シリコンによる半導体素子、例えばSi−GTO素子(ゲート・ターンオフ・サイリスタ)などが使用されているのが一般的であった。この種のスイッチング素子1は、その動作最大温度が約150℃(実使用上は約100℃以下)であり、この温度は、ゲート駆動回路基板2に実装された構成部品についても許容温度内であることから、それらゲート駆動回路基板2の構成部品が使用可能である。
Here, as the
従って、スイッチング素子1のゲート端子5を、コネクタ接続などにより直接的にゲート駆動回路基板2に接続したり、あるいは通信用ビニル信号線3を介してゲート駆動回路基板2に接続した構造を採用している。
Therefore, a structure is adopted in which the gate terminal 5 of the
また、これらスイッチング素子1およびゲート駆動回路基板2は、インバータ装置4のハウジング内に格納された構造を有するが、スイッチング素子1の定常損失やスイッチング損失による温度上昇を抑制するため、スイッチング素子1にヒートシンクを取り付けたり、そのスイッチング素子1が配置された箇所に対応させてハウジングにファンを設けたりすることにより、それらヒートシンクやファンを用いた冷却構造を採用しているのが一般的である(例えば、特許文献1参照)。
ところで、前述のインバータ装置4に組み込まれているスイッチング素子1は、従来、シリコンによる半導体素子、例えばSi−GTO素子が使用されていたが、近年、そのシリコン半導体素子に代わるものとして、ワイドギャップ半導体素子、例えばシリコンカーバイトによる半導体素子(例えばSiC−GTO素子)で構成されたスイッチング素子1が利用されつつある。
By the way, as the
このワイドギャップ半導体素子は、高耐圧、低損失および高温動作可能な特徴を有することから、スイッチング素子1の定常損失やスイッチング損失による温度上昇を抑制するために設けていた素子冷却用のヒートシンクやファンが不要となる。その結果、このワイドギャップ半導体素子を利用した場合、インバータ装置4の低損失化および小型化が実現容易となり、コンパクトな高性能のインバータ装置4を提供できる点で有効である。
Since this wide gap semiconductor element has the characteristics of high breakdown voltage, low loss and high temperature operation, a heat sink or fan for cooling the element provided to suppress a steady loss of the
しかしながら、前述のワイドギャップ半導体素子で構成されたスイッチング素子1を高温(約400℃程度)でオンオフ動作させた場合、そのスイッチング素子1から発せられた熱は、信号線3を介してゲート駆動回路基板2に伝達されることになる。その結果、信号線3が熱で溶断したり、あるいは、ゲート駆動回路基板2が熱により誤動作または破壊したりする可能性が生じる。
However, when the switching
そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、高温動作可能なワイドギャップ半導体素子からなるスイッチング素子に接続される信号線およびゲート駆動回路基板をそのスイッチング素子による熱から保護し得る構造を具備したスイッチング装置を提供することにある。 Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-mentioned problems, and its object is to provide a signal line and a gate drive circuit substrate connected to a switching element made of a wide gap semiconductor element capable of operating at high temperature. An object of the present invention is to provide a switching device having a structure capable of protecting from heat by the switching element.
前記目的を達成するための技術的手段として、本発明は、ワイドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子と、そのスイッチング素子に接続され、前記スイッチング素子に駆動信号を付与するゲート駆動回路基板とをハウジング内に格納し、前記駆動信号によりスイッチング素子のオンオフ動作を制御するスイッチング装置において、前記ゲート駆動回路基板から駆動信号をスイッチング素子に伝送する信号線を、放熱性を有する板状導体で構成したことを特徴とする。 As technical means for achieving the above object, the present invention includes a switching element composed of a wide gap semiconductor, and a gate driving circuit board connected to the switching element and applying a driving signal to the switching element. In the switching device that is stored inside and controls the on / off operation of the switching element by the driving signal, the signal line for transmitting the driving signal from the gate driving circuit board to the switching element is configured by a plate-like conductor having heat dissipation. It is characterized by.
本発明に係る電力変換装置では、ゲート駆動回路基板から駆動信号をスイッチング素子に伝送する信号線を、放熱性を有する板状導体で構成したことにより、スイッチング素子とゲート駆動回路基板との間で温度勾配を現出させることができる。また、放熱面積が大きくなり、大きな放熱作用を発揮する。さらに、導体による配線インダクタンスの低減化を図ることが容易となる。 In the power conversion device according to the present invention, the signal line for transmitting the drive signal from the gate drive circuit board to the switching element is configured by a plate-like conductor having heat dissipation, so that the switching line and the gate drive circuit board are interposed. A temperature gradient can be developed. In addition, the heat dissipation area is increased and a large heat dissipation effect is exhibited. Further, it is easy to reduce the wiring inductance due to the conductor.
これにより、スイッチング素子の定常損失やスイッチング損失による温度上昇で発生したスイッチング素子の熱は、信号線でもって周囲空間に速やかに放散されるので、その信号線自体に蓄積されたり、あるいは、その信号線を介して接続されたゲート駆動回路基板まで伝達されたりすることを抑制できる。 As a result, the heat of the switching element generated due to the steady loss of the switching element and the temperature rise due to the switching loss is quickly dissipated to the surrounding space by the signal line, so that it is accumulated in the signal line itself or the signal Transmission to the gate drive circuit substrate connected via the line can be suppressed.
前述の構成において、信号線としては、一対の板状導体と、それら一対の板状導体間に介在された誘電体とからなる重ね合わせ構造を採用することが望ましい。このように一対の板状導体で誘電体を挟み込んだ構造とすれば、誘電体によるキャパシタンス成分により、導体自体が有するインダクタンス成分をキャンセルすることができる。 In the above-described configuration, it is desirable that the signal line adopts an overlapping structure including a pair of plate conductors and a dielectric interposed between the pair of plate conductors. If the structure is such that a dielectric is sandwiched between a pair of plate-like conductors, the inductance component of the conductor itself can be canceled by the capacitance component of the dielectric.
信号線として、一対の板状導体と誘電体との重ね合わせ構造を採用すれば、その誘電体によるキャパシタンス成分により板状導体のインダクタンス成分をキャンセルできることから、板状導体の熱抵抗を大きくした形状とすることが可能となる。この板状導体の熱抵抗を大きくすると、熱伝導が悪くなり、その結果、スイッチング素子の熱が、その信号線を介して接続されたゲート駆動回路基板まで伝達されることを抑制できる。 By adopting a superposition structure of a pair of plate conductors and dielectric as the signal line, the inductance component of the plate conductor can be canceled by the capacitance component of the dielectric, so the shape of the plate conductor with increased thermal resistance It becomes possible. When the thermal resistance of the plate-like conductor is increased, the heat conduction is deteriorated. As a result, it is possible to suppress the heat of the switching element from being transmitted to the gate drive circuit substrate connected via the signal line.
また、板状導体としては、放熱性の良好な銅製のものを使用することが望ましい。このように銅製の板状導体を信号線として使用することにより、優れた放熱効果を発揮させることが可能となる。 Moreover, as a plate-shaped conductor, it is desirable to use the copper thing with favorable heat dissipation. Thus, it becomes possible to exhibit the outstanding heat dissipation effect by using a copper plate-shaped conductor as a signal wire | line.
なお、前述のスイッチング素子としては、SiC−GTO素子を使用することが好適であるが、他のワイドギャップ半導体素子としては、シリコンカーバイト(SiC)以外に窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンドなどのワイドギャップ半導体を用いることも可能である。
前述のように信号線に板状導体を用いる構造に加えて、その板状導体を冷却するファン等の冷却手段をハウジングに配設した冷却構造を採用すれば、板状導体が持つ放熱性をより一層顕著に発揮させることができる。
As the above-mentioned switching element, it is preferable to use a SiC-GTO element. However, as other wide gap semiconductor elements, in addition to silicon carbide (SiC), a wide range such as gallium nitride (GaN) or diamond is used. It is also possible to use a gap semiconductor.
In addition to the structure using a plate conductor for the signal line as described above, if a cooling structure in which a cooling means such as a fan for cooling the plate conductor is arranged in the housing is adopted, the heat dissipation property of the plate conductor can be improved. This can be made even more remarkable.
また、スイッチング素子、ゲート駆動回路基板の収容空間を区画する断熱材からなる隔壁を設けることにより、前記板状導体が配置されたファンの通風路を形成した冷却構造とすれば、ファンによる板状導体の冷却効果をより一層向上させることが可能となる。 In addition, if a cooling structure is formed in which a ventilation path of a fan in which the plate-like conductor is arranged by providing a partition made of a heat insulating material that partitions the accommodation space of the switching element and the gate driving circuit board, It becomes possible to further improve the cooling effect of the conductor.
さらに、スイッチング素子を冷却するファンを前記ハウジングに配設すると共に、そのスイッチング素子の近傍部位に温度センサを配置して、その温度センサの出力に基づいてファンを回転制御する構成を採用すれば、スイッチング素子の動作温度を温度センサにより監視することができ、その温度センサの出力に基づいてファンを回転制御すれば、ファンの風量を調整することができ、スイッチング素子の動作温度を調整して高温一定での動作を可能にする。 Furthermore, when a fan that cools the switching element is disposed in the housing, a temperature sensor is disposed in the vicinity of the switching element, and the rotation of the fan is controlled based on the output of the temperature sensor, The operating temperature of the switching element can be monitored by the temperature sensor, and if the fan is rotationally controlled based on the output of the temperature sensor, the air volume of the fan can be adjusted. Allows constant operation.
本発明によれば、ゲート駆動回路基板から駆動信号をスイッチング素子に伝送する信号線を、放熱性を有する板状導体で構成したことにより、スイッチング素子の定常損失やスイッチング損失による温度上昇で発生したスイッチング素子の熱は、スイッチング素子とゲート駆動回路基板との間にある信号線に現出した温度勾配でもって周囲空間に速やかに放散されるので、熱による信号線の溶断やゲート駆動回路基板の誤動作および破壊を未然に防止でき、信号線およびゲート駆動回路基板を熱から保護することができ、信頼性の高い電力変換装置を提供できる。 According to the present invention, the signal line for transmitting the drive signal from the gate drive circuit board to the switching element is configured by the plate-like conductor having heat dissipation, which is caused by a steady loss of the switching element or a temperature rise due to the switching loss. The heat of the switching element is quickly dissipated into the surrounding space with a temperature gradient appearing on the signal line between the switching element and the gate drive circuit board. It is possible to prevent malfunction and destruction in advance, protect the signal line and the gate drive circuit board from heat, and provide a highly reliable power conversion device.
図1および図2は、例えば、大容量UPSや電池電力貯蔵システム等に組み込まれた電力変換装置を示す。なお、図1は装置の主要概略構成を示す平面図、図2はその側面図である。なお、以下の実施形態では、電力変換装置として、直流電源からの直流電圧を交流変換するインバータ装置について説明するが、本発明はこれに限定されることなく、交流電源からの直流変換、直流電源からの直流変換、交流電源からの交流変換を含むすべての電力変換に適用可能である。さらに、本発明は電力変換装置に限らず、電力スイッチ等の他のスイッチング装置に適用可能である。 1 and 2 show a power conversion device incorporated in, for example, a large capacity UPS or a battery power storage system. 1 is a plan view showing a main schematic configuration of the apparatus, and FIG. 2 is a side view thereof. In the following embodiments, an inverter device that converts a DC voltage from a DC power source into an AC converter will be described as a power converter. However, the present invention is not limited to this, and the DC conversion from the AC power source and the DC power source are not limited thereto. It can be applied to all power conversions including DC conversion from AC and AC conversion from AC power supply. Furthermore, this invention is applicable not only to a power converter device but other switching devices, such as a power switch.
この電力変換装置には、例えば太陽電池や燃料電池などの直流電源からの直流電圧をスイッチング素子11のオンオフ動作により交流変換して負荷に電力供給するインバータ装置14がある。このインバータ装置14における出力周波数指令や電圧指令は、ゲート駆動回路基板12から出力される駆動信号をスイッチング素子11のゲート端子に送信することによりそのスイッチング素子11に付与するようにしている。
This power conversion device includes an
同図に示す実施形態のインバータ装置14は、ワイドギャップ半導体素子で構成されたスイッチング素子11と、そのスイッチング素子11と信号線13を介して接続され、スイッチング素子11に駆動信号を付与するゲート駆動回路基板12とをハウジング15内に格納した構造を具備する。なお、対をなす一相(U相)のスイッチング素子11およびそのゲート駆動回路基板12で一相インバータ装置14を構成し、また、対をなす三相(U相、V相、W相)のスイッチング素子11およびそのゲート駆動回路基板12で三相インバータ装置14を構成する。この実施形態では、対をなす一相のスイッチング素子11とそのゲート駆動回路基板12で構成した一相インバータ装置14を例示する。
The
このインバータ装置14において、スイッチング素子11を構成するワイドギャップ半導体素子としては、例えばSiC−GTO素子を使用する。他のワイドギャップ半導体素子としては、シリコンカーバイド(SiC)以外に窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンドなどを用いることも可能である。また、ゲート駆動回路基板12は、スイッチング素子11の駆動信号を生成するための各種電子部品が実装されたものである。
In the
ここで、スイッチング素子11は、高耐圧、低損失および高温動作可能なSiC−GTO素子を使用していることから、スイッチング素子11の定常損失やスイッチング損失による温度上昇を抑制するための素子冷却用ヒートシンクやファンが不要となり、インバータ装置14の低損失化および小型化が実現容易となる。
Here, since the switching
しかしながら、前述のワイドギャップ半導体素子で構成されたスイッチング素子11を高温(約400℃程度)でオンオフ動作させた場合、そのスイッチング素子11から発せられた熱は、信号線13を介してゲート駆動回路基板12に伝達されることになる。
However, when the switching
そこで、ゲート駆動回路基板12から駆動信号をスイッチング素子11に伝送する信号線13を、放熱性を有する例えば銅製の平板状導体で構成する。この信号線13は、銅製であることから優れた放熱性を有し、また、幅広な平板状で大きな放熱面積を確保することができると共に導体である配線インダクタンスの低減化を図ることができることから、このような平板状導体を信号線13としたことにより、スイッチング素子11とゲート駆動回路基板12との間で温度勾配を現出させることができる。
Therefore, the
つまり、スイッチング素子11の動作時には、配線インダクタンスと信号線に流れる電流の積による電圧が発生する。この配線インダクタンスが大きいとその発生する電圧が大きくなり、スイッチング素子11の動作時に過渡的な跳ね上がり電圧となって現出し、スイッチング素子11の性能低下あるいは破損につながる懸念がある。
That is, when the switching
そこで、この信号線13を幅広の銅板とすることにより、回路的にインダクタンスを並列接続させることと同等であり、配線インダクタンスを低減させることができ、スイッチング素子11のスイッチング動作時に発生する、インダクタンス成分と電流の積によるゲート電圧の跳ね上がりを抑制することができ、スイッチング素子11の性能低下あるいは破損を未然に防止することができる。
Therefore, by forming the
また、この信号線13を図3(a)に示す一対の平板状導体13aと、それら一対の平板状導体13a間に介在された誘電体13bとからなる重ね合わせ構造を採用すれば、ゲート電圧の跳ね上がりをより一層抑制することができ、大きな放熱効果が得られる。つまり、一対の板状導体13aで誘電体13bを挟み込んだ構造とすれば、図3(b)に示すようにインダクタンスL成分とキャパシタンスC成分との分布定数回路が形成され、誘電体13bによるキャパシタンスC成分により、導体13a自体が有するインダクタンスL成分をキャンセルすることができるため、ゲート電圧の跳ね上がりをより一層抑制することができ、大きな放熱効果が得られる。なお、前述した誘電体13bの材料としては、アルミナ等のセラミックス製材料、マイカ、ポリイミド、ガラス、アラミド系材料などを使用すればよい。
Further, if the
このように信号線13を平板状の銅板で構成することにより、スイッチング素子11の定常損失やスイッチング損失による温度上昇で発生したスイッチング素子11の熱は、信号線13でもって周囲空間に速やかに放散されるので、その信号線13自体に蓄積されたり、あるいは、その信号線13を介して接続されたゲート駆動回路基板12まで伝達されたりすることを抑制できる。
Thus, by configuring the
なお、この信号線13は、スイッチング素子11とゲート駆動回路基板12との間の寸法が短ければ短いほど、配線インダクタンスの低減化が図れることから、大きな放熱効果が得られる。また、信号線13が短ければ、図3(a)に示すような重ね合わせ構造とすることなく、一枚の銅板のみで信号線13を構成することも可能である。
Note that the
さらに、図4に示すように信号線13を、平板状導体13aの熱抵抗を大きくした形状、例えば波打ち状に折り曲げた形状、その他、くびれた形状、渦巻き構造などにすることも可能である。ただし、この場合、前述したように信号線13の寸法が長くなることから、配線インダクタンスの低減化を図ることが困難になる可能性がある。そこで、この信号線13として、一対の平板状導体13aと誘電体13bとの重ね合わせ構造を採用すれば、その誘電体13bによるキャパシタンス成分により平板状導体13aのインダクタンス成分をキャンセルできることから、配線インダクタンスの低減化が容易となる。
Furthermore, as shown in FIG. 4, the
このように平板状導体13aの熱抵抗を大きくした形状とすれば、スイッチング素子11とゲート駆動回路基板12との間での熱伝導を悪くなり、その結果、スイッチング素子11の熱が、その信号線13を介して接続されたゲート駆動回路基板12まで熱伝達されることを抑制できる。
If the shape of the
前述した信号線13を使用して、ゲート駆動回路基板12から駆動信号を伝送した場合、その放熱効果を図5に示す。図5におけるスイッチング素子温度は、図2のP点での温度であり、ゲート駆動回路基板温度は、図2のQ点での温度である。
When the drive signal is transmitted from the gate
図5から明らかなように、スイッチング素子温度が約200℃に対して、ゲート駆動回路基板温度を約80℃に低減することができ、信号線13による放熱効果が得られた。これにより、ゲート駆動回路基板12から駆動信号を伝送することができると共に、ゲート駆動回路基板の熱による誤動作または破壊を防ぐことが可能となる。
As is apparent from FIG. 5, the gate drive circuit substrate temperature can be reduced to about 80 ° C. with respect to the switching element temperature of about 200 ° C., and the heat radiation effect by the
また、前述した構成からなる信号線13を用いる構造に加えて、その信号線13を冷却するファン17をハウジング15に配設する。ファン17は、信号線13と対応する部位に取り付けられ、その大きさも信号線13を冷却するのに十分なものを使用する。この場合、図1に示すようにスイッチング素子11および信号線13を収容する空間19と、ゲート駆動回路基板12を収容する空間23とを、断熱材からなる隔壁18で区画する。このように二つの空間19,23を区画する隔壁18を設けたことにより、空間19をファン16の通風路として形成した冷却構造とする。このようにすれば、信号線13が持つ放熱性に加えて、ファン17による導体13の冷却効果をより一層顕著に発揮させることができる。
In addition to the structure using the
前述した信号線13を使用して、ファン17を動作させることにより、ゲート駆動回路基板12から駆動信号を伝送した場合、信号線13の放熱効果にファン17の冷却効果を加えた効果を図6に示す。図6におけるスイッチング素子温度は、図2のP点での温度であり、ゲート駆動回路基板温度は、図2のQ点での温度である。
When the drive signal is transmitted from the gate
図6から明らかなように、スイッチング素子温度が約200℃に対して、ゲート駆動回路基板温度を約40℃に低減することができ、信号線13の放熱効果にファン17の冷却効果を加えた効果が得られた。これにより、ゲート駆動回路基板12から駆動信号を伝送することができると共に、ゲート駆動回路基板の熱による誤動作または破壊をより一層確実に防ぐことが可能となる。
As apparent from FIG. 6, the gate drive circuit substrate temperature can be reduced to about 40 ° C. with respect to the switching element temperature of about 200 ° C., and the cooling effect of the
なお、信号線13を冷却する冷却手段として、ファン17を使用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、他の冷却手段として、フィン構造、水冷構造、ヒートパイプ構造や、ペルチェを用いた構造などを採用することも可能である。
Although the case where the
さらに、スイッチング素子11および信号線13を収容する空間19を通風路とするようにスイッチング素子11を冷却するファン16をハウジング15に配設する。ファン16は、スイッチング素子11と対応する部位に取り付けられ、その大きさもスイッチング素子11を冷却するのに十分なものを使用する。一方、そのスイッチング素子11の近傍部位に温度センサ(図示せず)を配置して、その温度センサの出力に基づいてファン16を回転制御する構成とする。
Further, a
このようにすれば、スイッチング素子11の動作温度を温度センサにより監視することができ、その温度センサの出力に基づいてファン16を回転制御すれば、ファン16の風量を調整することができ、スイッチング素子11の動作温度を調整して高温一定での動作を可能とすることができる。
In this way, the operating temperature of the switching
なお、図2中、ゲート駆動回路基板12を収容する空間23を区画する隔壁25を設けることにより、周辺機器22を収容する空間24を形成している。
In FIG. 2, a
11 スイッチング素子(ワイドギャップ半導体素子)
12 ゲート駆動回路基板
13 信号線(帯板状導体)
14 インバータ装置(電力変換装置)
15 ハウジング
16,17 ファン
18 隔壁
19 空間
11 Switching elements (wide gap semiconductor elements)
12 Gate
14 Inverter device (power converter)
15
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