JP2012120330A

JP2012120330A - Ｄｃ／ｄｃコンバータ装置

Info

Publication number: JP2012120330A
Application number: JP2010268007A
Authority: JP
Inventors: Kunio Matsubara; 邦夫松原
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2012-06-21

Abstract

【課題】ＤＣ／ＤＣコンバータ全体の装置効率を向上させるようにする。
【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の筐体９内を、冷却ファンＦＦによって引かれる冷却風の流れに対し、半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路１はその風上に、ダイオード整流回路２はその風下にそれぞれ配置する。つまり、回路１と回路２の各構成素子の温度特性の違いを利用して、回路の配置を工夫するだけの簡単な構造により、ＤＣ／ＤＣコンバータの装置効率を従来のものよりも向上させるようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体素子を用いたＤＣ／ＤＣコンバータ（直流／直流変換）装置、特に半導体素子の冷却方法を改良したＤＣ／ＤＣコンバータ装置に関する。

図１１にこの種ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の一般的な例を示す。ここでは、入力コンデンサＣｉｎ，ＤＣ／ＡＣ変換回路１，高周波トランスＴｒ，ダイオード整流回路２，出力リアクトルＤＣＬおよび出力コンデンサＣｏｕｔ等からなるものとして示されている。
図１２に図１１における冷却方法の一例を示す。同図は半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いた例である。ここでは、半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路１とダイオード整流回路２を冷却フィンＦに搭載し、これらの回路を、その筐体に取り付けられた冷却ファンＦＦ１，ＦＦ２でそれぞれ冷却するのが一般的で、例えば特許文献１に記載されている。

特開２００５−２６１０７５号公報

ところで、ＩＧＢＴ素子のオン電圧−コレクタ電流特性（ＶＣＥ（ｓａｔ）−Ｉｃ特性）は通常、図１３に示すように、コレクタ電流Ｉｃを流した場合、温度が高くなるとオン電圧ＶＣＥ（ｓａｔ）が高くなる、いわゆる正の温度特性を持っている。一方、ダイオード素子の順電圧−順電流特性（ＶＦ−ＩＦ）特性は通常、順電流ＩＦを流した場合、温度が高くなると順電圧ＶＦが低くなる、いわゆる負の温度特性を持っている。

このような場合に、図１２の例で半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路とダイオード整流回路を均一に冷却すると、ＩＧＢＴ素子の導通損失は減少するが、ダイオード整流回路の導通損失は増大する。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置全体の発生損失に対して、ダイオード整流回路の占める割合が大きい場合には、装置効率が低下するという問題がある。
したがって、この発明の課題は、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置全体の装置効率を向上させることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流を交流に変換する半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路と、交流を直流に変換するダイオード整流回路とを有し、前記半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路と前記ダイオード整流回路を冷却するための冷却ファンを備えたＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の筐体内に、半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路とダイオード整流回路とを同一の冷却フィンに搭載し、冷却ファンによる冷却風の流れに対し川上に半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路、川下にダイオード整流回路を配置することを特徴とする。

請求項２の発明では、直流を交流に変換する半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路と、交流を直流に変換するダイオード整流回路とを有し、前記半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路と前記ダイオード整流回路を冷却するための冷却ファンを備えたＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の筐体内に、半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路とダイオード整流回路とを別々の冷却フィンに搭載し、冷却ファンによる冷却風の流れに対し川上に半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路の冷却フィン、川下にダイオード整流回路の冷却フィンを配置することを特徴とする。

請求項３の発明では、直流入力電圧を平滑する入力コンデンサと、直流を交流に変換する半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路と、交流を直流に変換するダイオード整流回路と、前記半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路と前記ダイオード整流回路とを絶縁して接続するトランスと、ダイオード整流回路の出力電流を平滑する出力リアクトルと、出力電圧を平滑する出力コンデンサとを備え、ダイオード整流回路に冷却フィンを設けたＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
前記冷却フィンの冷却風取り込み口の前に、前記トランスを配置したことを特徴とする。

請求項３の発明においては、前記トランスに代えて、前記出力リアクトルを配置することができ（請求項４の発明）、または前記入力コンデンサが、バランス抵抗を並列に接続して複数個直列接続して構成されるときは、前記トランスに代えて、前記バランス抵抗を配置することができ（請求項５の発明）、もしくは前記出力コンデンサが、バランス抵抗を並列に接続して複数個直列接続して構成されるときは、前記トランスに代えて、前記バランス抵抗を配置することができる（請求項６の発明）。

請求項５または６の発明においては、前記ダイオード整流回路に流れる電流に応じて、前記バランス抵抗の抵抗値を切り替える切替手段を設けることができ（請求項７の発明）、この請求項７の発明においては、前記切替手段は、前記バランス抵抗の接続を入り切りするスイッチ回路と、前記ダイオード整流回路に流れる電流を検出する検出回路と、その電流検出値に応じてバランス抵抗値を選択する選択回路とを設け、この選択回路により選択される抵抗値となるようにバランス抵抗を切り替えることができる（請求項８の発明）。また、前記請求項３〜８の少なくとも２つを組み合わせることができる（請求項９の発明）。

この発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の筐体内を流れる冷却風の流れの川上に半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路、その風下にダイオード整流回路をそれぞれ配置する。つまり、回路１と回路２の各構成素子の温度特性の違いを利用して、回路の配置を工夫するだけの簡単な構造により、ＤＣ／ＤＣコンバータの装置効率を従来のものよりも向上できるようにする。

この発明の実施の形態を示す構成図図１の変形例を示す構成図この発明の別の実施の形態を示す構成図図２の変形例を示す構成図この発明のさらに別の実施の形態を示す構成図図５の第１変形例を示す構成図図５の第２の変形例を示す構成図図５の第３の変形例を示す構成図図７の変形例を示す構成図図８の変形例を示す構成図一般的なＤＣ／ＤＣコンバータ装置の例を示す構成図図１１の冷却方法を示す説明図ＩＧＢＴ素子のオン電圧−コレクタ電流特性図ダイオード素子のＶＦ−ＩＦ特性図

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。同図はＤＣ／ＡＣ変換回路の半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ素子を用いたもので、先の図６と同様の機能を有するものには同様の記号を付し、その説明等も省略する。
図１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置筐体９の冷却風の吐き出し口に冷却ファンＦＦを設け、半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路１とダイオード整流回路２をともに同一の冷却フィンＦに搭載し、冷却ファンＦＦによる冷却風の流れに沿って、その風上には半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路１、同じく風下にはダイオード整流回路２を配置した例である。

図１の作用について説明する。
図１において、冷却ファンＦＦが筐体９から冷却風を吸い出す方向で動作することにより、冷却フィンＦに冷却風が取り込まれ、まず半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路１のＩＧＢＴ素子が冷却される。このとき、ＩＧＢＴ素子の発生損失によって冷却風が暖められる。この暖められた冷却風によってダイオード整流回路２を冷却することになるので、ダイオード整流回路周辺のフィン温度が上昇し、ダイオード素子の動作温度が高くなる。その結果、上述のダイオード素子のＶＦ−ＩＦ特性（負の温度特性：図８参照）により、従来よりもダイオード素子の導通損失が減少し、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の効率が向上することになる。

図２に図１の変形例を示す。
これは図１において、冷却ファンＦＦをＤＣ／ＤＣコンバータ装置筐体９の吸い込み口に設けたもので、冷却ファンＦＦが筐体９に冷却風を押し込む方向で動作することによって、冷却風が冷却フィンに取り込まれる。その作用，効果は図１の場合と同様なので、説明は省略する。

図３はこの発明の別の実施の形態を示す構成図である。
これは、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置筐体９の冷却風の吐き出し口に冷却ファンＦＦを設け、半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路１とダイオード整流回路２にそれぞれ別々に冷却フィンＦ１，Ｆ２を設けて搭載し、冷却風の流れに沿って、その風上には半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路１を搭載した冷却フィンＦ１、同じく風下にはダイオード整流回路２を搭載した冷却フィンＦ２を配置し、冷却ファンＦＦが筐体から冷却風を吸い出す方向で動作することにより、冷却風が半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路１を搭載した冷却フィンＦ１に吸い込まれる。
その作用，効果は図１の場合と同様なので、説明は省略する。

図４に図３の変形例を示す。
これは、冷却ファンＦＦをＤＣ／ＤＣコンバータ装置筐体９の吸い込み口に設けたもので、冷却ファンＦＦが筐体９に冷却風を押し込む方向で動作することによって、冷却風が冷却フィンに取り込まれる。
その作用，効果は図１の場合と同様なので、説明は省略する。

図５にこの発明のさらに別の実施の形態を示す。
これは、入力コンデンサ部を直流入力電圧を平滑する入力コンデンサＣｉｎとバランス抵抗Ｂｉとから構成するとともに、出力コンデンサ部を直流出力電圧を平滑する出力コンデンサＣｏｕｔとバランス抵抗Ｂｏとから構成した例で、特にダイオード整流回路の冷却フィンＦ２の冷却風取り込み口の前に高周波トランスＴｒを配置した例である。

図５において、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置が動作すると、装置の筐体９に取り付けられた冷却ファンＦＦ２によって冷却風が筐体内に取り込まれ、まず高周波トランスＴｒが冷却される。このとき、高周波トランスＴｒの発生損失により冷却風が暖められる。この暖められた冷却風は、ダイオード整流回路の冷却フィンＦ２に取り込まれ、ダイオード整流回路を冷却することになるので、冷却フィンの冷却風取り込み口の前に高周波トランスを配置しない場合に比べ、ダイオード整流回路の冷却フィンＦ２の温度が高くなり、それに伴いダイオード素子の動作温度も高くなる。その結果、上述のダイオード素子のＶＦ−ＩＦ特性（負の温度特性：図８参照）により、従来よりもダオード素子の導通損失が減少するため、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の効率が向上することになる。

図６に図５の変形例を示す。これは、ダイオード整流回路の冷却フィンＦ２の冷却風取り込み口の前に、高周波トランスＴｒに代えて出力リアクトルＤＣＬを配置して例である。
動作は図５と同様なので、説明は省略する。
図７に図５の別の変形例を示す。これは、ダイオード整流回路の冷却フィンＦ２の冷却風取り込み口の前に、高周波トランスＴｒに代えて入力コンデンサＣｉｎに並列に接続されたバランス抵抗Ｂｉを配置した例である。
作用，効果は図１の場合と同様なので、説明は省略する。
図８に図５のさらに別の変形例を示す。これは、ダイオード整流回路の冷却フィンＦ２の冷却風取り込み口の前に、高周波トランスＴｒに代えて出力コンデンサＣｏｕｔに並列に接続されたバランス抵抗Ｂｏを配置した例である。
動作は図５と同様なので、説明は省略する。

図９に図７の変形例を示す。これは、図７よりも装置効率をさらに向上させる例である。
図９を説明する前に、図７について説明する。図７において、例えば装置の定格電流を流したときに、ダイオード素子の温度がＴｊ＝１２５℃で動作するように設計されている場合、定格電流以下の時には、ダイオード素子の発生損失が減少するため、装置内の温度が一定であれば、冷却フィンの温度が下がり、ダイオード素子がＴｊ＝１２５℃以下で動作することになる。

したがって、定格電流以下の時には、上述のダイオード素子のＶＦ−ＩＦ特性（負の温度特性：図８参照）により、ダイオード素子をＴｊ＝１２５℃で動作させる場合と比較して、ダイオード素子の導通損失が増加するため、装置効率が低下することになる。図９は、このような課題を解決し、出力電流に対する効率特性を改善するものである。
ずなわち、図示のように、入力コンデンサのバランス抵抗Ｂｉを抵抗の２並列接続回路（バランス抵抗回路）とし、これにスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２と電流検出回路３と抵抗値選択回路４とを接続して構成される。

図９において、例えばバランス抵抗の抵抗値を切り替える電流設定値をＩＬ（Ｒｅｆ）とした場合の動作について説明する。いま、電流検出回路３で検出されるダイオード整流回路２の電流がＩＬ（Ｒｅｆ）以上のときは、抵抗値選択回路４は抵抗値Ｒを選択し、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２を開放状態（図示の状態）とする。このとき、冷却風はバランス抵抗回路の発生損失Ｐ〔Ｗ〕で暖められ、ダイオード整流回路２の冷却フィンＦ２に取り込まれている。そして、ダイオード整流回路２の電流がＩＬ（Ｒｅｆ）以下に変化すると、抵抗値選択回路４は抵抗値Ｒ／２を選択し、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２を導通（オン）状態にする。

その結果、バランス抵抗回路での発生損失が２倍（＝２×Ｐ〔Ｗ〕）に増加するため、冷却風によりさらに暖められて、ダイオード整流回路２の冷却フィンＦ２に取り込まれることになる。これにより、ダイオード整流回路２の冷却フィンＦ２の温度が上昇し、ダイオード整流回路２の電流が減少した場合でも、ダイオード素子の動作温度を高温状態に保つことができる。このため、図７に示すものに対し、出力電流に対する効率特性を改善することが可能となる。

図１０に図８の変形例を示す。これは、図８よりも装置効率をさらに向上させるもので、図８のバランス抵抗回路部を、出力コンデンサＣｏｕｔに接続したバランス抵抗Ｂｏに変更した構成としている。その作用，効果は図９の場合と同様なので説明は省略する。

１…半導体ＤＣ／ＡＣ（直流／交流）変換回路、２…ダイオード整流回路、３…電流検出回路、４…抵抗値選択回路、９…ＤＣ／ＤＣコンバータ装置筺体、Ｔｒ…高周波トランス、Ｃｉｎ…入力コンデンサ、Ｃｏｕｔ…出力コンデンサ、ＦＦ，ＦＦ１，ＦＦ２…冷却ファン、Ｂｉ，Ｂｏ…バランス抵抗、Ｆ，Ｆ１，Ｆ２…冷却フィン。

Claims

直流を交流に変換する半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路と、交流を直流に変換するダイオード整流回路とを有し、前記半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路と前記ダイオード整流回路を冷却するための冷却ファンを備えたＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の筐体内に、半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路とダイオード整流回路とを同一の冷却フィンに搭載し、冷却ファンによる冷却風の流れに対し川上に半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路、川下にダイオード整流回路を配置することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
直流を交流に変換する半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路と、交流を直流に変換するダイオード整流回路とを有し、前記半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路と前記ダイオード整流回路を冷却するための冷却ファンを備えたＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の筐体内に、半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路とダイオード整流回路とを別々の冷却フィンに搭載し、冷却ファンによる冷却風の流れに対し川上に半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路の冷却フィン、川下にダイオード整流回路の冷却フィンを配置することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
直流入力電圧を平滑する入力コンデンサと、直流を交流に変換する半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路と、交流を直流に変換するダイオード整流回路と、前記半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路と前記ダイオード整流回路とを絶縁して接続するトランスと、ダイオード整流回路の出力電流を平滑する出力リアクトルと、出力電圧を平滑する出力コンデンサとを備え、ダイオード整流回路に冷却フィンを設けたＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
前記冷却フィンの冷却風取り込み口の前に、前記トランスを配置したことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
前記トランスに代えて、前記出力リアクトルを配置することを特徴とする請求項３に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
前記入力コンデンサが、バランス抵抗を並列に接続して複数個直列接続して構成されるときは、前記トランスに代えて、前記バランス抵抗を配置することを特徴とする請求項３に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
前記出力コンデンサが、バランス抵抗を並列に接続して複数個直列接続して構成されるときは、前記トランスに代えて、前記バランス抵抗を配置することを特徴とする請求項３に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
前記ダイオード整流回路に流れる電流に応じて、前記バランス抵抗の抵抗値を切り替える切替手段を設けたことを特徴とする請求項５または６に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
前記切替手段は、前記バランス抵抗の接続を入り切りするスイッチ回路と、前記ダイオード整流回路に流れる電流を検出する検出回路と、その電流検出値に応じてバランス抵抗値を選択する選択回路とを設け、この選択回路により選択される抵抗値となるようにバランス抵抗を切り替えることを特徴とする請求項７に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
前記請求項３〜８の少なくとも２つを組み合わせることを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。