JP2011004497A - 電力用装置の筐体に取り付けられる電力用部品 - Google Patents

Abstract

【課題】電力用装置の筐体に取り付けられ、電力用装置全体の部品点数を減らすことのできる電力用部品を提供することにある。
【解決手段】電力用装置の筐体に取り付けられる電力変換器１０であって、電力変換回路を構成する半導体素子２Ａ，２Ｂと、半導体素子２Ａ，２Ｂを冷却し、筐体の強度を増加させるための補強材となる平面形状の冷却フィン１とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子を備え、電力用装置の筐体に取り付けられる電力用部品に関する。

一般に、半導体素子により構成される電気回路を備えたユニットを、電力用装置（例えば、電力変換装置）の筐体に組み込むことが行われている。また、半導体素子は発熱するため、ユニットには、半導体素子を冷却するための冷却機構が取り付けられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−９６８３２号公報

しかしながら、上述のように構成されたユニットは、重量物となる。このため、このようなユニットを筐体に取り付けるには、ユニットの重量を支えるための補強材が必要となる。従って、ユニットを筐体に組み込むことで製造される電力用装置には、ユニットの重量を支えるための補強材及び冷却フィンを取り付けるための板金などの各種部品が必要となる。従って、電力用装置全体として、部品の点数が多くなる。このように部品点数が多くなると、電力用装置の組立作業の工数が増加する。

そこで、本発明の目的は、電力用装置の筐体に取り付けられ、電力用装置全体の部品点数を減らすことのできる電力用部品を提供することにある。

本発明の観点に従った電力用部品は、電力用装置の筐体に取り付けられる電力用部品であって、電気回路を構成する半導体素子と、前記半導体素子を冷却し、前記筐体の強度を増加させるための補強材となる平面形状の冷却手段とを備えている。

本発明によれば、電力用装置の筐体に取り付けられ、電力用装置全体の部品点数を減らすことのできる電力用部品を提供することにある。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換器の構成を示す斜視図。 第１の実施形態に係る電力変換器の構成を示す正面図。 第１の実施形態に係る電力変換器の構成を示す上面図。 第１の実施形態に係る電力変換器の構成を示す側面図。 第１の実施形態に係る電力変換器の冷却フィンと半導体素子との構成を示す正面図。 第１の実施形態に係る電力変換器の電力変換回路を示す電気回路図。 第１の実施形態に係る電力変換器を実装した電力用装置の構成を示す斜視図。 第１の実施形態に係る電力変換器を実装した電力用装置の構成を示す正面図。 第１の実施形態に係る電力変換器を実装した電力用装置の構成を示す上面図。 第１の実施形態に係る電力変換器を実装した電力用装置の構成を示す側面図。 第１の実施形態の変形形態に係る電力変換器の構成を示す斜視図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換器１０の構成を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る電力変換器１０の構成を示す正面図である。図３は、本実施形態に係る電力変換器１０の構成を示す上面図である。図４は、本実施形態に係る電力変換器１０の構成を示す側面図である。図５は、本実施形態に係る電力変換器１０の冷却フィン１と半導体素子２Ａ，２Ｂとの構成を示す正面図である。なお、同一部分には同一符号を付している。また、以降の図における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。

電力変換器１０は、冷却フィン１と、２つの半導体素子２Ａ，２Ｂと、２つのゲート基板３Ａ，３Ｂと、平板４と、複数の第１の支柱５と、複数の第２の支柱６とを備えている。なお、電力変換器１０には、外部の電気回路と接続するための端子となる各種導体（直流導体又は交流導体）が取り付けられているが、説明の便宜上、図示していない。

電力変換器１０は、電力変換装置又は電源装置などの電力用装置に組み込まれる電力用部品である。電力変換器１０は、直流電力を交流電力（又は、交流電力を直流電力）に変換する機能を持つ。

冷却フィン１は、平面形状であり、かつ直方体形状である。冷却フィン１は、直方形状の平面部分の面（面積の一番広い面）の四隅のそれぞれに、筐体に取り付けるためのネジ穴ＨＬを設けている。冷却フィン１の平面部分の面（面積の一番広い面）は、図５に示すように、半導体素子２Ａ，２Ｂを取り付けるための部分と、ネジ穴ＨＬを設けるための部分とを含む必要最低限の面積である。即ち、冷却フィン１の平面部分の面積は、半導体素子２Ａ，２Ｂの平面部分の面の面積をネジ穴ＨＬを設けるために一回り大きくした大きさである。

冷却フィン１は、２つの半導体素子２Ａ，２Ｂを冷却するための冷却機構である。さらに、電力変換器１０を筐体に組み込んだ状態では、冷却フィン１は、構造物として、筐体の強度を増加させる補強材となる。冷却フィン１は、水冷式の冷却機構である。冷却フィン１には、内部に冷媒を循環させるための流入口１１及び流出口１２が設けられている。

半導体素子２Ａ，２Ｂは、冷却フィン１の平面部分の面に接合されている。半導体素子２Ａ，２Ｂは、電力変換回路を構成するスイッチング素子である。例えば、半導体素子２Ａ，２Ｂは、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)である。半導体素子２Ａ，２Ｂの冷却フィン１が接合する面と反対側の面には、図示されていない直流導体又は交流導体が設けられている。直流導体及び交流導体には、筐体に取り付けた状態において、外部の電気回路と接続するためのそれぞれの端子が、水平方向に互いに反対側の向きに突き出るように設けられている。

平板４は、複数の第１の支柱５により、冷却フィン１に取り付けられている。平板４は、ゲート基板３Ａ，３Ｂを電力変換器１０に取り付けるための土台である。

ゲート基板３Ａ，３Ｂは、複数の第２の支柱６により、平板４に取り付けられている。ゲート基板３Ａ，３Ｂは、外部からの要求に応じて、半導体素子２Ａ，２Ｂをスイッチングするためのゲート信号を出力する基板である。ゲート基板３Ａは、半導体素子２Ａにゲート信号を出力する。ゲート基板３Ｂは、半導体素子２Ｂにゲート信号を出力する。

図６は、本実施形態に係る電力変換器１０の電力変換回路を示す電気回路図である。

電力変換器１０の電力変換回路は、ＩＧＢＴである半導体素子２Ａのエミッタ側とＩＧＢＴである半導体素子２Ｂのコレクタ側が接続されている。半導体素子２Ａと半導体素子２Ｂの接続部は、交流導体と接続されている。半導体素子２Ｂのエミッタ側は、負極の直流導体が接続されている。半導体素子２Ａのコレクタ側は、正極の直流導体と接続されている。

交流導体には、外部と接続するための交流端子ＴＵが設けられている。正極の直流導体には、外部と接続するための正極の端子ＴＰが設けられている。負極の直流導体には、外部と接続するための負極の端子ＴＮが設けられている。

電力変換器１０の電力変換回路は、直流電力を三相交流電力に変換する電力変換回路のうちの一相分を構成する回路である。電力変換器１０の電力変換回路は、正極の端子ＴＰ及び負極の端子ＴＮから直流電力が入力され、交流端子ＴＵから三相交流電力のうちの１相分が出力される。

図７は、本実施形態に係る電力変換器１０を実装した電力用装置３０の構成を示す斜視図である。図８は、本実施形態に係る電力変換器１０を実装した電力用装置３０の構成を示す正面図である。図９は、本実施形態に係る電力変換器１０を実装した電力用装置３０の構成を示す上面図である。図１０は、本実施形態に係る電力変換器１０を実装した電力用装置３０の構成を示す側面図である。図７から図１０では、電力用装置３０は、説明の便宜上、電力変換器１０及び筐体の構成部分について主に図示し、他の構成は省略している。

電力用装置３０は、筐体に電力変換器１０を実装して構成される。電力用装置３０は、例えば、電力変換装置や電源装置などである。

筐体は、外枠３１，３２及び内枠３３の筐体フレームで形成されている。外枠３１，３２は、筐体の外側の枠組みを構成する。内枠３３は、筐体の内側の枠組みを構成する。筐体は、外枠３１により、外形が直方体形状に形成されている。外枠３２は、外枠３１により形成された直方体形状の各側面（筐体の各側面）の水平方向に、対向する２つの外枠３１を接続するように組み込まれている。内枠３３は、水平方向に対向する外枠３２の中心同士を接続するように組み込まれている。

内枠３３は、冷間圧延鋼材、一般構造用圧延鋼材、又は処理済鋼材などの薄板状（平板状）の鋼材を用いている。即ち、内枠３３は、比較的強度を要求されていない材質で、アングルなどの曲げ加工がされていない形状の鋼材を用いている。

次に、電力変換器１０の取り付け方について説明する。

図７から図１０に示す電力用装置３０には、６つの電力変換器１０と、４つの内枠３３とが設けられている。

各電力変換器１０は、上下に隣り合う２つの内枠３３の間に取り付けられている。各電力変換器１０は、冷却フィン１の平面部分の面が垂直方向に正面を向くように配置されている。従って、各電力変換器１０の冷却フィン１の四隅に設けられた全てのネジ穴ＨＬは、正面側を向いている。各電力変換器１０は、冷却フィン１に設けられたネジ穴ＨＬにネジを通して、内枠３３に固定されている。

６つの電力変換器１０は、左右それぞれに分けて、３つの電力変換器１０を垂直方向に一列に配置されている。一列に配置された３つの電力変換器１０は、内枠３３の表面上で、それぞれが隣り合う他の電力変換器１０と極めて近接して配置されている。これにより、一列に配置された３つの電力変換器１０のそれぞれの冷却フィン１が、４つの内枠３３を垂直方向に補強する筐体フレームとなる。

本実施形態によれば、電力変換器１０に設けられる冷却フィン１を構造物として捉えることで、電力変換器１０を実装する電力用装置３０の部品点数を削減することができる。冷却フィン１を構造物として取り付けることで、構造物の組立とは別に、冷却部品を取り付ける必要がない。このため、冷却部品を取り付けるための板金などの部材を削減することができる。

また、電力変換器１０は、冷却フィン１の平面部分の面を、半導体素子２Ａ，２Ｂを取り付けるための部分と、ネジ穴ＨＬを設けるための部分とを含み、その他に、強度などを考慮した上で、必要最低限の面積にしている。この結果、冷却フィン１の平面部分の面の外形は、半導体素子２Ａ，２Ｂを取り付けるための部分の外形に限りなく近くしている。これにより、電力変換器１０の電力変換回路を低インダクタンスに構成することができる。さらに、このように、冷却フィン１の平面部分の面の面積を最小限に抑えることで、電力変換器１０をより小型化することができる。従って、電力変換器１０を電力用装置３０の電力用部品として実装することで、電力用装置３０を小型化することができ、かつ電力用装置３０の全体としての電力変換回路も低インダクタンスに構成することができる。

さらに、冷却フィン１が筐体を補強するための補強材となるため、電力変換器１０の重量を支えるための補強材などを設ける必要がない。また、冷却フィン１を取り付ける内枠３３は、冷却フィン１が補強材となり、強度が増すため、内枠３３自体には、強度のある材質の鋼材（例えば、等辺山形鋼又は不等辺山形鋼など）を用いなくともよい。これにより、電力用装置３０の材料コストを抑えることができる。

また、上述したように電力変換器１０を取り付ける内枠３３は、強度のある材質の鋼材を用いなくともよいため、薄板状（平板状）の板金も用いることができる。従って、内枠３３に薄板状（平板状）の板金を用いることができる。これにより、２つ電力変換器１０のそれぞれの冷却フィン１を近接させて取り付けることができる。

例えば、内枠３３に、曲げ加工がされた強度の高いアングル材を用いた場合、２つの冷却フィンが近接するように、２つの冷却フィンを取り付けるためのそれぞれのネジ穴をアングル材に空けようとすると、曲げ加工がされた部分が干渉し、これらのネジ穴を設けることが難しい。

内枠３３に薄板状（平板状）の板金を用いて、各電力変換器１０の間を近接させることで、電力用装置３０における電力変換回路を低インダクタンスに構成することができる。さらに、電力変換回路から出力される三相交流電流の各相間のインダクタンスも低減されるため、各相間におけるインダクタンスの差が低減される。これにより、電力変換回路は、バランスのとれた安定した三相交流電流を出力することができる。

全ての電力変換器１０を、電力用装置３０の正面側から内枠３３に取り付けるように配置することで、全ての電力変換器１０は、正面からの保守（前面保守）をすることができる。これにより、電力用装置３０のメンテナンス性を向上させることができる。また、前面保守しかできないような場所でも、電力用装置３０を設置することができる。

なお、第１の実施形態では、電力変換器１０に、２つの半導体素子２Ａ，２Ｂを設けたが、半導体素子はいくつ設けてもよい。また、半導体素子は、ＩＧＢＴにかぎらず、どのような機能を有する素子でもよい。さらに、電力用部品として電力変換回路の構成された電力変換器１０について説明したが、これに限らない。半導体素子を用いる電力用部品であれば、どのような電気回路の構成がされた電力用部品でもよい。

第１の実施形態において、電力変換器１０の構成に、さらに必要に応じて、部品などを追加してもよい。第１の実施形態の変形形態として、電力変換器１０は、図１１に示すように、交流端子（交流導体）ＴＵ、正極の端子（正極の直流導体）ＴＰＡ，ＴＰＢ、負極の端子（負極の直流導体）ＴＮＡ，ＴＮＢを構成していても、さらにスナバ回路ＣＳを追加した構成とすることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…冷却フィン、２Ａ，２Ｂ…半導体素子、３Ａ，３Ｂ…ゲート基板、４…平板、５…第１の支柱、６…第２の支柱、１０…電力変換器、１１…流入口、１２…流出口、ＨＬ…ネジ穴。

Claims (8)

1. 電力用装置の筐体に取り付けられる電力用部品であって、
   電気回路を構成する半導体素子と、
   前記半導体素子を冷却し、前記筐体の強度を増加させるための補強材となる平面形状の冷却手段と
   を備えたことを特徴とする電力用部品。
2. 前記冷却手段は、前記筐体に垂直方向に取り付けられること
   を特徴とする請求項１に記載の電力用部品。
3. 前記冷却手段は、前記半導体素子を取り付ける面が前記半導体素子を取り付ける部分と前記筐体に取り付けるための取り付け穴の部分を含む最小限の直方形状の平面であること
   を特徴とする請求項１に記載の電力用部品。
4. 水平方向に延びるフレームを含む骨組みが形成された電力用装置の筐体と、
   電気回路を構成する第１の半導体素子と、
   前記第１の半導体素子を冷却し、前記筐体の前記フレームと前記フレームの上方に位置する前記筐体の一部とを接続し、前記筐体の補強材となる平面形状の第１の冷却手段と、
   電気回路を構成する第２の半導体素子と、
   前記第２の半導体素子を冷却し、前記筐体の前記フレームと前記第１の冷却手段の下方に位置する前記筐体の一部とを接続し、前記筐体の補強材となる平面形状の第２の冷却手段と
   を備えたことを特徴とする電力用装置。
5. 前記第１の冷却手段は、前記第１の半導体素子を取り付ける面が、前記第１の半導体素子を取り付ける部分と前記筐体に取り付けるための取り付け穴の部分を含む最小限の平面であり、
   前記第２の冷却手段は、前記第２の半導体素子を取り付ける面が、前記第２の半導体素子を取り付ける部分と前記筐体に取り付けるための取り付け穴の部分を含む最小限の平面であること
   を特徴とする請求項４に記載の電力用装置。
6. 電力を変換する電力変換装置であって、
   水平方向に延びる４つのフレームを含む骨組みが形成された筐体と、
   電力変換回路を構成する第１のスイッチング素子と、
   前記第１のスイッチング素子を冷却し、前記筐体の４つの前記フレームのうち上下に隣り合う２つの前記フレームを接続し、前記筐体の補強材となる平面形状の第１の冷却手段と、
   電力変換回路を構成する第２のスイッチング素子と、
   前記第１の冷却手段と垂直方向に近接して設けられ、前記第２のスイッチング素子を冷却し、前記筐体の前記４つのフレームのうち上下に隣り合う２つの前記フレームを接続し、前記筐体の補強材となる平面形状の第２の冷却手段と、
   電力変換回路を構成する第３のスイッチング素子と、
   前記第２の冷却手段と垂直方向に近接して設けられ、前記第３のスイッチング素子を冷却し、前記筐体の前記４つのフレームのうち上下に隣り合う２つの前記フレームを接続し、前記筐体の補強材となる平面形状の第３の冷却手段と
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
7. 前記第１の冷却手段は、前記第１のスイッチング素子を取り付ける面が、前記第１のスイッチング素子を取り付ける部分と前記筐体に取り付けるための取り付け穴の部分を含む最小限の平面であり、
   前記第２の冷却手段は、前記第２のスイッチング素子を取り付ける面が、前記第２のスイッチング素子を取り付ける部分と前記筐体に取り付けるための取り付け穴の部分を含む最小限の平面であり、
   前記第３の冷却手段は、前記第３のスイッチング素子を取り付ける面が、前記第３のスイッチング素子を取り付ける部分と前記筐体に取り付けるための取り付け穴の部分を含む最小限の平面であること
   を特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 電力用装置の筐体に取り付けられ、電気回路を構成する半導体素子を冷却し、前記筐体の強度を増加させるための補強材となる平面形状であること
   を特徴とする冷却フィン。

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