JP2012120393A

JP2012120393A - Ｄｃ／ｄｃコンバータ装置

Info

Publication number: JP2012120393A
Application number: JP2010270105A
Authority: JP
Inventors: Kunio Matsubara; 邦夫松原
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2012-06-21

Abstract

【課題】従来のＤＣ／ＤＣコンバータ装置のダイオード整流回路の冷却は負荷電力が最大の時の温度を許容値以下に抑制するための冷却であったが、負荷電力が小さい時の変換効率が低いという問題がある。
【解決手段】ダイオードを搭載した冷却フィンの温度が、ダイオード整流回路の出力電流値に反比例して変化するように、冷却フィンの温度を制御するためのフィン温度制御手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体スイッチング素子を適用したＤＣ／ＤＣコンバータ装置に関し、特にダイオード整流回路素子の冷却方法に関する。

図３にＤＣ／ＤＣコンバ−タ装置の回路構成の従来例を示す。図３は、入力コンデンサＣｉ、直流を交流に変換するＤＣ／ＡＣ変換回路ＩＮＶ、高周波トランスＴｒ、交流を直流に変換するダイオ−ド整流回路ＲＥＣＴ、出力リアクトルＤＣＬ、出力コンデンサＣｏから構成される。

直流入力Ｖｉは、コンデンサＣｉで平滑された後、ＤＣ／ＡＣ変換回路ＩＮＶで高周波の交流電圧に変換される。この高周波電圧は高周波トランスＴｒで絶縁変換後、ダイオ−ド整流回路ＲＥＣＴで直流に変換され、リアクトルＤＣＬとコンデンサＣｏで構成された平滑用フィルタでリプルの小さな直流電圧に変換され、直流出力Ｖｏとなる。

図３に示す半導体ＤＣ−ＡＣ変換回路ＩＮＶとダイオ−ド整流回路ＲＥＣＴの冷却方法として、特許文献１に示された方法が知られている。

冷却構造概念図を図４に示す。半導体ＤＣ／ＡＣ変換回路ＩＮＶを構成するＩＧＢＴ素子は冷却フィンＣＦ１に、ダイオ−ド整流回路ＲＥＣＴを構成するダイオ−ド素子は冷却フィンＣＦ２に、各々搭載され、コンデンサ、高周波トランス、リアクトルなどの部品と共に筐体ＥＱに内蔵される。筐体には冷却ファンＦＡが設置され、冷却風取込口からの風（冷媒）で部品を冷却して、熱を筐体の外に排出する。

この様な構成において、冷却フィンＣＦ１、ＣＦ２の温度は直流出力に接続される負荷の電力に応じて上昇する。即ち外気温度からの冷却フィンの温度上昇は、負荷電力が小さい時には小さく、負荷電力が大きい時には大きくなる。

また、特許文献２には、装置の省エネ化や長寿命化を図ることを目的に、ＤＣ／ＤＣコンバ−タ装置に取り付けた冷却ファンの回転数を制御して、装置内の温度を調節する方法が開示されている。この方式は、装置内の温度が所定値以上に上昇しないように、冷却ファンを回転数制御するものである。

特開２００５−２６１０７５号公報特開平１０−１４３２５７号公報

図２にダイオ−ド素子の順電流IF−順電圧VF特性グラフを示す。ダイオ−ド素子は、順電流IFを流した場合に、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。
このため、図２において、ダイオ−ド整流回路に流れる電流、即ちダイオ−ドの順電流がIF1の時に、ダイオ−ドの温度がTj=125℃（a点）で動作するように設計された装置では、ダイオ−ドの順電流がIF1→IF2（1/2×IF1の例）に減少すると、ダイオ−ドの発生損失がほぼ半減する。その結果、装置内の温度が一定であれば、フィン温度がα℃下がり、ダイオ−ドはTj=(125℃−α)℃（d点）で動作することになる。従って、ダイオ−ドの順電流がIF2の時には、前述したダイオ−ドのVF−IF特性から、Tj=125℃で動作する場合と比較して、ダイオ−ドの導通損失がΔP[W]（＝ΔVF2×IF2）増加して、効率が低下することになる。

以上のことから、特許文献１に開示されている冷却ファンを一定の回転数で冷却する方法や、特許文献２に開示されている冷却ファンの回転数を制御して装置内の温度を調節する冷却方法では、整流回路の出力電流の変化に対する変換効率特性が悪くなるという問題がある。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、出力電流変化に対する変換効率特性が優れたＤＣ／ＤＣコンバ−タ装置を提供することを課題とするものである。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、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−ド整流回路とを有するＤＣ／ＤＣコンバ−タ装置において、前記ダイオ−ド整流回路のダイオ−ドを搭載した冷却フィンの温度が前記ダイオ−ド整流回路に流れる電流値に反比例して変化するように、前記ダイオ−ド整流回路のダイオ−ドを搭載した冷却フィンの温度を制御するフィン温度制御手段を備える。

第２の発明においては、第１の発明における、前記ダイオ−ド整流回路を搭載した冷却フィンの温度を制御するフィン温度制御手段は、フィンの温度を検出するフィン温度検出回路と、ダイオ−ド整流回路に流れる電流値を検出する電流検出回路と、前記電流値に応じてフィン温度の設定値を演算するフィン温度設定値演算回路と、前記フィン温度検出値と前記フィン温度設定値とを比較して冷却ファンの回転数を調節するファン回転数調節回路とを含む。

本発明では、ダイオ−ドを搭載した冷却フィンの温度が、ダイオ−ド整流回路の出力電流値に反比例して変化するように、冷却フィンの温度を制御するためのフィン温度制御手段を備えている。この結果、ダイオ−ド整流回路の出力電流に反比例してフィン温度を変化させ、ダイオ−ドの接合部温度が常に高い状態で整流動作することになり、ダイオ−ド整流回路の出力電流値に対する変換効率特性を改善することが可能となる。

本発明の第１の実施例を示す回路ブロック図である。ダイオ−ドの（ＶＦ−ＩＦ）特性を示すグラフである。従来のＤＣ／ＤＣコンバ−タの主回路ブロック図である。従来のＤＣ／ＤＣコンバ−タ冷却構造概念図である。

本発明の要点は、ダイオ−ドを搭載した冷却フィンの温度が、ダイオ−ド整流回路の出力電流値に反比例して変化するように、冷却フィンの温度を制御するためのフィン温度制御手段を備えている点である。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。図１は、図４の従来例のダイオ−ド整流回路にフィン温度制御回路ＦＴＣを付加した構成で、従来例と同様な機能を有するものには、同様の記号を付している。図１において、主回路部にはダイオ−ド整流回路ＲＥＣＴの出力電流を検出するための電流検出器ＣＴ、冷却フィンの温度を検出するための温度センサ−ＴＳが付加され、冷却ファンＦＡ１はダイオ−ド整流回路ＲＥＣＴの冷却フィンＣＦ２専用に設置する。

フィン温度制御回路ＦＴＣは、温度センサ−ＴＳでフィンの温度を検出するフィン温度検出回路ＴＤ、ダイオ−ド整流回路ＲＥＣＴに流れる電流値を電流検出器ＣＴから取り込んで検出する電流検出回路ＣＤ、ダイオ−ド整流回路ＲＥＣＴ出力の電流値に応じてフィン温度の設定値を演算するフィン温度設定値演算回路ＣＡＬＣ、フィン温度検出値とフィン温度設定値を比較する加算器ＡＤ、及び加算器ＡＤの演算結果に応じて冷却ファンの回転数を調節するファン回転数調節回路ＲＡＪで構成する。

図２を参照しながら、図１を説明する。図１において、例えば、電流検出回路ＣＤがダイオ−ド整流回路ＲＥＣＴの出力電流IF1を検出している時には、ダイオ−ドの接合部温度がTj=125℃（図２のa点）で動作するように、フィン温度設定値演算回路ＣＡＬＣがフィン温度設定値Tf(a)を出力し、電流検出回路ＣＤがIF2を検出している時には、ダイオ−ドの接合部温度が125℃（図２のc点）で動作するように、フィン温度設定値演算回路ＣＡＬＣがフィン温度設定値Tf(c)を出力する。ここで、フィン温度設定値は、フィン温度設定値演算回路ＣＡＬＣに記憶されている特性デ−タ（例えば、事前に取得したデ−タ）に基づき演算され、ダイオ−ド整流回路ＲＥＣＴの電流がIF1＞IF2であるから、フィン温度設定値はTf(a)＜Tf(c)となる。そして、フィン温度設定値とフィン温度検出回路ＣＤで検出した実際のフィン温度とを比較し、ファン回転数調節回路ＲＡＪで冷却ファンＦＡ１の回転数を調節してフィン温度を制御する。この実施例の場合、フィン温度設定値がTf(a)＜Tf(c)であるから、冷却ファンＦＡ１の回転数は、ダイオ−ド整流回路の電流がIF1の時よりも、IF2の時の方が低くなることになる。

以上のことから、ダイオ−ド整流回路ＲＥＣＴの電流が変化しても、その電流に応じて冷却ファンＦＡ１の回転数を調節して冷却フィンの温度を制御することで、常にダイオ−ドを高温状態（Tj=125℃に近い値）で動作させることができ、ＤＣ／ＤＣコンバ−タ装置の出力電流に対する変換効率特性が向上する。また、本発明は冷却フィンＣＦ２の温度を制御するので、装置内の温度によらず、出力電流に対する変換効率特性が向上する。
尚、上記実施例には冷却ファンを用いた風冷の例を示したが、冷媒として水や油を用い、ポンプ等で循環させた場合でも実現可能である。

本発明は、変換回路にダイオ−ドを用いた場合の冷却技術であり、ＤＣ／ＤＣコンバ−タ装置の他、整流装置、充電装置などへの適用が可能である。

Ｃｉ、Ｃｏ・・・コンデンサＴｒ・・・高周波トランス
ＤＣＬ・・・リアクトルＩＮＶ・・・ＤＣ／ＡＣ変換回路
ＲＥＣＴ・・・ダイオ−ド整流回路ＦＡ、ＦＡ１・・・冷却ファン
ＥＱ・・・筐体ＣＦ１、ＣＦ２・・・冷却フィン
ＣＴ・・・電流検出器ＦＴＣ・・・フィン温度制御回路
ＴＳ・・・温度センサ− ＴＤ・・・フィン温度検出回路
ＣＤ・・・電流検出回路ＣＡＬＫ・・・フィン温度設定値演算回路
ＡＤ・・・加算器ＲＡＪ・・・ファン回転数調節回路

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するＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
前記ダイオード整流回路のダイオードを搭載した冷却フィンの温度が前記ダイオード整流回路に流れる電流値に反比例して変化するように、前記ダイオード整流回路のダイオードを搭載した冷却フィンの温度を制御するフィン温度制御手段を備えたことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
前記ダイオード整流回路を搭載した冷却フィンの温度を制御するフィン温度制御手段は、フィンの温度を検出するフィン温度検出回路と、ダイオード整流回路に流れる電流値を検出する電流検出回路と、前記電流値に応じてフィン温度の設定値を演算するフィン温度設定値演算回路と、前記フィン温度検出値と前記フィン温度設定値とを比較して冷却ファンの回転数を調節するファン回転数調節回路とを含むことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置。