JP2012110093A

JP2012110093A - インバータ装置

Info

Publication number: JP2012110093A
Application number: JP2010255761A
Authority: JP
Inventors: Rui Kuwata; 塁桑田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2012-06-07
Anticipated expiration: 2030-11-16
Also published as: JP5834397B2

Abstract

【課題】ヒートシンクに搭載した複数のパワー集積モジュール相互間に熱的干渉が生じるのを避けつつ、小面積のヒートシンクで高い冷却性能が発揮できるようにモジュール配置構造を改良したインバータ装置を提供する。
【解決手段】スイッチング回路部ＳＷとダイオード回路部Ｄｉを左右に並べて一つのパッケージに収めた複数のパワー集積モジュール＃１，＃２を組合せてインバータ回路を組み、かつモジュール＃１，＃２を風冷式ヒートシンクＨＳに並置搭載した構成になるインバータ装置で、モジュール＃１，＃２のダイオード回路部Ｄｉを回路形態に合わせて取捨選択してインバータ回路を構成したものにおいて、モジュール＃１，＃２を、ヒートシンクＨＳに導風する冷却風の流れに沿って前後２列に配置した上で、各モジュールのスイッチング回路部ＳＷ同士が前後に重なり合わないように配列し、その態様例として一方のモジュール＃１に対し、他方のモジュール＃２の向きを１８０度反転して配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング回路部とダイオード回路部を左右に並べて一つのパッケージに収めたパワー集積モジュールを複数個組合せ、かつ各パワー集積モジュールを一括して風冷式ヒートシンクに搭載した構成になるインバータ装置に関し、詳しくは前記ヒートシンクに搭載したパワー集積モジュールのモジュール配置構造に係わる。

各種産業分野に適用するインバータ装置のパワー半導体デバイスについて、一般的にはインバータ装置のコンバータ回路部、インバータ回路部にそれぞれ単独のダイオードモジュール，ＩＧＢＴなどのスイッチング素子モジュールを選定し、そのモジュールの相互間をＤＣリンクしてインバータ装置の主回路を構成しているが、最近ではモジュールの小形，コンパクト化、およびコスト低減化の市場要求から、比較的小容量のものについてはスイッチング回路部とダイオード回路部を左右に並べて一つのパッケージに収めた構成になるパワー集積モジュール（例えば、特許文献１参照）の汎用製品が主流になっており、価格的にも単独のダイオードモジュール，ＩＧＢＴなどのスイッチング素子モジュール製品を選定してインバータ回路を組むよりトータル的にコストパフォーマンスが向上する。

一方、インバータ装置は用途，機能が多様化しており、例えばモータ運転用のインバータ装置については、そのコンバータ回路にＰＷＭコンバータを用いて電源回生を行うようにした電源回生型インバータ装置、またコンバータ回路部を共用してそのＤＣリンクに複数のインバータ回路部を並列接続して複数台のモータを運転制御するようにしたインバータ装置などが知られている。

そこで、発明者等は比較的小容量のインバータ装置に適用するパワー半導体デバイスとして、製品価格が安価な先記のパワー集積モジュール製品を採用し、このパワー集積モジュールを複数個組合せることで前記の電源回生型インバータ装置、複数台のモータ運転に対応するインバータ装置を開発した。次に、その構成を図６〜図８に示す。

先ず、図６は電源回生型インバータ装置の回路図であり、先記したパワー集積モジュールを２個組合せてその間をＤＣリンクで接続するとともに、その一方のモジュール＃１に組み込まれているスイッチング回路部ＳＷを電源回生用のＰＷＭコンバータに使用してその端子Ｕ，Ｖ，Ｗを商用電源（三相）に接続し、もう一方のモジュール＃２はそのスイッチング回路部ＳＷをインバータ回路部に使用してその出力側にモータＭを接続してインバータの主回路を構成している。なお、このインバータ装置ではモジュール＃１，＃２に組み込まれているダイオード回路部Ｄｉは「不使用」として、その端子Ｒ，Ｓ，Ｔは主回路に接続せずにオープンのままである。なお、この「不使用」としては、Ｒ，Ｓ，Ｔの不定電位状態を避けるために、端子Ｒ，Ｓ，ＴをＮ端子に接続してＮ電位に固定してもよい（Ｐ電位でも可）。

また、前記インバータ装置の構築に使用するパワー集積モジュール＃１，＃２は、図７（ａ），（ｂ）で示すように２基のモジュールを一括して風冷式ヒートシンク（放熱フィン）ＨＳの表面に左右，ないし前後に並べて並置搭載し、インバータ装置の運転に伴う各モジュールの発熱をヒートシンクＨＳに伝熱，放散して冷却するようにしている。なお、このヒートシンクＨＳはその裏面側に多数列の放熱フィンを形成した構造で、その放熱フィン列に沿ってファンＦにより矢印方向に冷却風を導風してヒートシンクＨＳに伝熱したモジュール＃１，＃２の発生熱を除熱する。

一方、図８は４個のパワー集積モジュール＃１〜＃４を組合せて４台のモータを並列運転するインバータ装置を例とした回路図であり、この例ではモジュール＃１に組み込まれたダイオード回路部Ｄｉを共用のコンバータとして商用電源に接続し、同じモジュール＃１のスイッチング回路部ＳＷの出力側にモータＭを接続している。また、モジュール＃２〜＃４はモジュール＃１から引き出したＤＣリンクの＋側母線Ｐと−側母線Ｎとの間に並列接続した上で、モジュール＃１と同様にそのスイッチング回路部ＳＷの出力側にモータＭを接続している。なお、このインバータ装置ではモジュール＃２〜＃４の各モジュールに組み込まれたダイオード回路部Ｄｉは「不使用」としてその端子Ｒ，Ｓ，Ｔはオープンとしている。

特開２００８−４２１２４号公報（図７−図９）

ところで、前記したパワー集積モジュール＃１，＃２を一括してヒートシンクＨＳに並置搭載する場合に、モジュール＃１，＃２の各モジュールをヒートシンクＨＳに送風する冷却風の流れ方向（矢印）と直交するように左右の向きに揃えてヒートシンクＨＳに横並び配列した図７（ａ）の配置構造では、ヒートシンクＨＳの所要寸法幅Ｄが大きくなってヒートシンクの大形化，コストアップを招くほか、該ヒートシンクをパワー集積モジュールと一緒に搭載するインバータ装置のユニット外形寸法も大形化する。しかも、各モジュール＃１，＃２について、図６で述べたようにモジュールに組み込んだダイオード回路部Ｄｉを「不使用」としてインバータ回路を組む場合には、ダイオード回路部Ｄｉは素子の発熱がないのでヒートシンクＨＳの放熱面積に対する利用率も低くなる。

また、図７（ｂ）のように、モジュール＃１，＃２を横向きに揃えて前後に配列したレイアウトでは、ヒートシンクＨＳの所要横幅寸法が縮小するが、後列（冷却風の下流側）に並べたモジュール＃２に対する前列（冷却風の上流側）のモジュール＃１の熱的干渉を低減するために前列と後列のモジュール相互間に離間距離Ｌ１を確保する必要があり、その結果、ヒートシンクＨＳの所要長さ寸法Ｌが大形化するほか、各モジュール＃１，＃２に組み込まれたダイオード回路部Ｄｉ（「不使用」）は素子の発熱が無いので、ヒートシンクの利用率でも図７（ａ）と同様な課題を残す。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、先記したインバータ装置（図６，図８参照）ではパワー集積モジュールに組み込まれた「不使用」回路部の素子が発熱しないことに着目し、これを基にヒートシンクに一括して並置搭載した複数のモジュール相互間の熱的干渉を避けつつ、小面積のヒートシンクで高い冷却性能が発揮できるようにモジュール配置構造を改良したインバータ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、スイッチング回路部とダイオード回路部を左右に並べて一つのパッケージに収めたパワー集積モジュールを複数個組合せてインバータ回路を組み、かつ各パワー集積モジュールを一括して風冷式ヒートシンクに並置搭載した構成になるインバータ装置であり、個々のパワー集積モジュールについては、インバータ装置の回路形態に合わせてダイオード回路部を取捨選択してインバータ回路を構成したものにおいて、
前記の各パワー集積モジュールを、ヒートシンクに導風する冷却風の送風方向に沿って前後２列に配置した上で、各モジュールのスイッチング回路部同士が前後に重なり合わないようにオフセット配列するものとし（請求項１）、具体的には次記の態様で構成する。
（１）ヒートシンクに並置搭載した一方のパワー集積モジュールに対し、他方のパワー集積モジュールの向きを１８０度反転して各モジュールのスイッチング回路部同士が前後同位置に重なり合わないように配置する（請求項２）。
（２）ヒートシンクに並置搭載した一方のパワー集積モジュールに対し、他方のパワー集積モジュールの向きを９０度変えて各モジュールのスイッチング回路部同士が前後同位置に重なり合わないように配置する（請求項３）。
（３）前後列に分けてヒートシンクに並置搭載した複数個のパワー集積モジュールを左右方向に半ピッチずらして千鳥状に配列する（請求項４）。

上記構成によれば、前後列に分けてヒートシンクに並置搭載したパワー集積モジュールは、インバータ装置の運転に伴い発熱するスイッチング回路部同士がヒートシンクに導風する冷却風の流れ方向に対して前後に重なり合うことなく、左右にずれたオフセット配置となる。これにより、モジュール相互間での発熱回路部同士の熱的干渉を避けつつ、モジュール内部の通電回路部に生じる発熱をヒートシンクに伝熱させて各個のモジュールを効率よく均等冷却できるほか、従来のモジュール配置構造に比べてヒートシンクの所要面積を縮小してインバータ装置の小形，コンパクト化が達成できる。

本発明の実施例１に係わるインバータ装置のパワー集積モジュールをヒートシンクに並置搭載したモジュール配置構造を表す模式図である。本発明の実施例２に係わるインバータ装置のパワー集積モジュールをヒートシンクに並置搭載したモジュール配置構造を表す模式図である。本発明の実施例３に係わるインバータ装置のパワー集積モジュールをヒートシンクに並置搭載したモジュール配置構造を表す模式図である。本発明の実施例４に係わるインバータ装置のパワー集積モジュールをヒートシンクに並置搭載したモジュール配置構造を表す模式図である。図２のモジュール配置構造を採用したインバータユニットの組立構造を表す透視イメージ図である。２個のパワー集積モジュールを組合せて構成した電源回生型インバータ装置の回路図である。図６のインバータ回路に対応するパワー集積モジュールをヒートシンクに並置搭載した従来のモジュール配置構造を表す図であり、（ａ），（ｂ）はそれぞれ異なるモジュール配置構造の模式図である。複数個のパワー集積モジュールを組み合わせてモータを並列運転するインバータ装置の回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に示す各実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図７に対応する同一部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

まず、本発明の請求項１，２係わる実施例１のモジュール配置構造を図１に示す。この実施例１は図６の電源回生型インバータ装置に適用するものであり、ヒートシンクＨＳに並置搭載した２個のパワー集積モジュール＃１，＃２は、ヒートシンクＨＳに導風する冷却風の流れ（矢印）に沿い前後列に並べて横向き姿勢に配置した上で、冷却風の上流側に配置した前列のモジュール＃１に対し、下流側に配置した後列のモジュール＃２は向きを１８０度反転して設置するようにしている。

上記のモジュール配置構造により、モジュール＃１のスイッチング回路部ＳＷとモジュール＃２のダイオード回路部Ｄｉ、およびモジュール＃１のダイオード回路部Ｄｉと＃２のスイッチング回路部ＳＷとがそれぞれ前後に向かい合うようになる。

したがって、ヒートシンクＨＳの放熱フィン列に沿ってモジュール＃１のスイッチング回路部ＳＷ（発熱有り）の領域を通過した冷却風（矢印）はモジュール＃２のダイオード回路部Ｄｉ（「不使用」で発熱無し）の領域を流れる。また、モジュール＃１のダイオード回路部Ｄｉ（「不使用」で発熱無し）の領域を通過した冷却風は、モジュール＃２のスイッチング回路部ＳＷ（発熱有り）の領域を流れる。これにより、インバータ装置の運転に伴い発熱するモジュール＃１と＃２のスイッチング回路部ＳＷ相互間の熱干渉を避けて各モジュールの発熱をヒートシンクＨＳに伝熱させて効果的に冷却することができる。

しかも、このヒートシンクＨＳの所要面積は、図７（ａ）のモジュール配置構造と比べて横幅寸法が小さく、また図７（ｂ）に比べて長さ寸法Ｌが小さくて済み、これによりインバータ装置を小形，コンパクトに構成できる。

次に、本発明の請求項３に係わる実施例２のモジュール配置構造を図２に示す。この実施例では、ヒートシンクＨＳの前列（冷却風の上流側）に配したモジュール＃１を左右の向きに配置し、後列に配したモジュール＃２は向きを９０度回転してモジュール＃１におけるダイオード回路部Ｄｉの背後に縦向き配置としている。

このモジュール配置構造により、先記実施例１と同様にインバータ装置の運転に伴い発熱するモジュール＃１，＃２のスイッチング回路部ＳＷ相互間の熱干渉を避けつつ、先記実施例１と同様に各モジュールの発熱をヒートシンクＨＳに伝熱させて効果的に冷却することができる。

なお、この実施例２は実施例１のモジュール配置構造（図１参照）と比べて、ヒートシンクＨＳの所要長さ寸法が多少増大するが、モジュール＃１とモジュール＃２との間を接続するＤＣリンクのバー導体を短い距離で配線することができる利点がある。すなわち、パワー集積モジュール製品は、そのパッケージ周縁から引き出したＰ，Ｎ端子がダイオード回路部側の隅部に配置されている。したがって、図５に示したインバータユニットの組立構造を表す透視イメージ図で判るように、モジュール＃１と＃２を図２のように配置することで、モジュール相互間に配線するＤＣリンクの＋側母線Ｐ，−側母線Ｎを短距離で配線できる。かかる点、実施例１のモジュール配置構造（図１参照）では、各モジュールのＰ，Ｎ端子間を接続するＤＣリンクのバー導体をモジュールの外側に引き回するために配線長さが長くなる。なお、図５の図中で、ＵＣはインバータ装置のユニットケース、ＣはＤＣリンクに接続する平滑コンデンサ、Ｐｔはプリント回路板、Ｔは端子台を表し、ユニットケースＵＣはファンＦを上に向けた縦向き姿勢に設置し、ヒートシンクＨＳの放熱フィンに向けてユニットケースＵＣの内部に冷却風を送風するようにしている。

次に、本発明の実施例３として、図６のインバータ装置に適用する請求項４のモジュール配置構造を図３に示す。この実施例３では、前後列に並べてヒートシンクＨＳに搭載した２個のパワー集積モジュール＃１，＃２は同じ左右の向きに揃えた上で、ヒートシンクＨＳの放熱フィン列に導風する冷却風の流れ（矢印）に対しては、モジュール＃１と＃２を左右方向に半ピッチずらして配列している。

したがって、このモジュール配置構造では、前列のモジュール＃１のダイオード回路部Ｄｉ（「不使用」で発熱無し）の背後にモジュール＃２のスイッチング回路部ＳＷ（発熱有り）が向き合うようになる。これにより、先記実施例１，２と同様に、モジュール＃１と＃２との間の熱的干渉を避けつつ、モジュール＃１，＃２のスイッチング回路部ＳＷの発熱をヒートシンクＨＳに効率よく伝熱させて冷却することができる。

次に、本発明の実施例４として、図８のインバータ装置に適用する請求項４のモジュール配置構造を図４に示す。この実施例４では、図示のように４個のパワー集積モジュール＃１〜＃４を前後２列に分けてヒートシンクＨＳに並置した上で、先記の実施例３と同様に前列に並ぶモジュールと後列に並ぶモジュールを左右方向に半ピッチずつずらして千鳥状に配列し、各モジュールのスイッチング回路部ＳＷ同士が前後に重なり合わないようにしている。

なお、図８のインバータ装置では商用電源に接続する入力側のパワー集積モジュール＃１に組み込まれているダイオード回路部Ｄｉを共用コンバータとして使用し、他のモジュール＃２〜＃４に対しＤＣリンクを介して給電するようにしており、インバータ装置の運転時にはモジュール＃１のダイオード回路部Ｄｉが通電して発熱する。

そこで、この実施例では、モジュール＃１をヒートシンクＨＳの右端側（後列の右端）に配置して冷却風がダイオード回路部Ｄｉの領域に流れるように設定している。

＃１〜＃４パワー集積モジュール
ＳＷスイッチング回路部
Ｄｉダイオード回路部
ＨＳヒートシンク
Ｆファン
Ｍモータ

Claims

スイッチング回路部とダイオード回路部を左右に並べて一つのパッケージに収めたパワー集積モジュールを複数個組合せてインバータ回路を組み、かつ各パワー集積モジュールを一括して風冷式ヒートシンクに並置搭載した構成になるインバータ装置であり、個々のパワー集積モジュールについては、インバータ装置の回路形態に合わせてダイオード回路部を取捨選択してインバータ回路を構成したものにおいて、
前記の各パワー集積モジュールを、ヒートシンクに導風する冷却風の送風方向に対し前後２列に配置した上で、各モジュールのスイッチング回路部同士が前後に重なり合わないようにオフセット配列したことを特徴とするインバータ装置。
請求項１に記載のインバータ装置において、ヒートシンクに並置搭載した一方のパワー集積モジュールに対し、他方のパワー集積モジュールの向きを１８０度反転して各モジュールのスイッチング回路部同士が前後同位置に重なり合わないように配置したことを特徴とするインバータ装置。
請求項１に記載のインバータ装置において、ヒートシンクに並置搭載した一方のパワー集積モジュールに対し、他方のパワー集積モジュールの向きを９０度変えて各モジュールのスイッチング回路部同士が前後同位置に重なり合わないように配置したことを特徴とするインバータ装置。
請求項１に記載のインバータ装置において、前後列に分けてヒートシンクに並置搭載した複数個のパワー集積モジュールを左右方向に半ピッチずらして千鳥状に配列したことを特徴とするインバータ装置。