JP2013146179A - Electric power conversion apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、効果的な冷却機構を有するコンデンサモジュールを備えた電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device including a capacitor module having an effective cooling mechanism.
DC−DCコンバータやインバータ等の電力変換機器は、半導体素子、フィルタコンデンサ、平滑コンデンサ及びスナバコンデンサ等という高温で発熱する部品を備える。これら発熱した部品を冷却する手段として種々のものが提案されている。 Power conversion devices such as DC-DC converters and inverters include components that generate heat at high temperatures, such as semiconductor elements, filter capacitors, smoothing capacitors, and snubber capacitors. Various means have been proposed as means for cooling these heated parts.
例えば特許文献1には、コンデンサ素子両端の封止導体あるいはこの封止導体に接合した導体板ないしは電極板に冷却パイプを接合して冷却液を通流させることにより、コンデンサ内で発生した熱をその放熱通路となる金属箔から熱伝導により直に冷却パイプに導くように構成した冷却手段が開示されている。この技術によれば、コンデンサ内の空気や絶縁油を介して熱伝達により冷却する従来技術に比べ高い冷却効率が得られる。
For example,
また特許文献2には、電力用半導体が発する熱が電力伝達用のバスバーを伝って周囲の素子へ伝わるのを、バスバーを蛇行させバスバーの長手方向に沿って熱が伝わる経路長を長くすることにより冷却効果を向上させる技術が開示されている。
Further,
しかしながら、特許文献1の技術においては、コンデンサの電極に冷却パイプを接合する必要があり構造が複雑となって、小型・軽量化を図ることが困難になるという問題がある。また、特許文献2の技術においては、電力用半導体とそれに接続される部品との距離が最短ではなくある程度必要なことから、機器の容積が大型化するとともに、電気抵抗と配線インダクタンスが増加して性能が低下するという問題が惹起する。
However, the technique of
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、高い冷却効果を簡素かつ小型な構成で得ることができる電力変換装置を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the problem mentioned above, and aims at providing the power converter device which can acquire the high cooling effect with a simple and small structure.
上記目的を達成するためになされた請求項1に記載の発明は、フィルタコンデンサ(5)、平滑コンデンサ(8)及びスナバコンデンサ(9)の少なくともいずれか一のコンデンサと、半導体素子(7a,7b)等との発熱部品を備える電力変換装置(1)において、前記コンデンサは、コンデンサケース(15,21)と、その中に収納される一又は複数のコンデンサセル(13,13a,13b,13c)とからなり、前記コンデンサセル(13,13a,13b,13c)に接続され延伸して前記コンデンサケース(15,21)の外部へ突出し前記半導体素子(7a,7b)等に接続されるPバスバー(11)及びNバスバー(12,12a)のいずれか一方又は双方は、前記コンデンサケース(15,21)の内部表面に絶縁材(16)を介して接触することを特徴とする。
In order to achieve the above-mentioned object, the invention according to
この構成によれば、簡易に冷却手段を構成できるとともに、コンデンサセルの発熱量はコンデンサケースへ容易に熱伝導し、コンデンサケースの外表面から放熱するので、コンデンサセルが効果的に冷却されるという優れた効果を奏する。また、リアクトルや半導体素子のバスバーを熱伝導してコンデンサケースへ侵入する発熱量は、バスバーからコンデンサケースへ容易に熱伝導し、コンデンサケースの外表面から放熱するので、コンデンサセルには到達せず、コンデンサセルを保護することができるという優れた効果を奏する。 According to this configuration, the cooling means can be configured easily, and the calorific value of the capacitor cell is easily conducted to the capacitor case and dissipated from the outer surface of the capacitor case, so that the capacitor cell is effectively cooled. Excellent effect. In addition, the amount of heat that enters the capacitor case by conducting heat through the reactor or the semiconductor device bus bar is easily conducted from the bus bar to the capacitor case and dissipated from the outer surface of the capacitor case, so it does not reach the capacitor cell. The capacitor cell can be protected.
以下、本発明を具体化した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分又は同一機能を有する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, in all the drawings in this specification, parts corresponding to each other or parts having the same function are denoted by the same reference numerals, and description of the overlapping parts will be omitted as appropriate.
図29に示す概略回路図は、本発明を実施する電力変換装置としてのDC−DCコンバータ2及びインバータ3を直列に接続した形態を示すものであるが、DC−DCコンバータ2及びインバータ3をそれぞれ単独で用いることができるのは当然である。
The schematic circuit diagram shown in FIG. 29 shows a form in which a DC-
DC−DCコンバータ2は、直流電源4の電圧を平滑するフィルタコンデンサ5と、リアクトル6の電流をスイッチングして直流電源4の電圧を昇圧する半導体素子7aと、チョッピングされた電流を平滑する平滑コンデンサ8とから構成される。
The DC-
インバータ3は、DC−DCコンバータ2から出力される直流電力を、三相の各相毎に直列接続した六個の半導体素子7bによるスイッチングで三相交流電力に変換する。平滑コンデンサ8は、半導体素子7bのスイッチングにより生じたリップル電流をバイパス通電して良好な交流電流となすものであり、DC−DCコンバータ2との共用ともなる。スナバコンデンサ9は、半導体素子7bのスイッチングにより生じたノイズを吸収して半導体素子7bや周囲の電子部品の損傷あるいは電磁障害を防ぐものである。
The
フィルタコンデンサ5、平滑コンデンサ8及びスナバコンデンサ9は、いずれも大きな通電電流により発熱して高温になるのである。これら高温となったコンデンサの冷却構造を図1乃至図23に基づいて説明する。
The
図1乃至図27に示すように、コンデンサは、熱伝導性が良好なアルミニューム等からなる方形の箱であるコンデンサケース15と、コンデンサケース15の一の開口面から挿入され充填剤14でコンデンサケース15の内面から離隔して固定されるコンデンサ本体としての一又は複数のコンデンサセル13,13a,13b,13cとで構成される。図4乃至図12には、一のコンデンサケース15に三個のコンデンサセル13a,13b,13cが収納された例を示す。コンデンサセル13,13a,13b,13cの一方端の端面には、Pバスバー11が固着して接続されている。コンデンサセル13,13a,13b,13cの他方端の端面には、Nバスバー12が固着して接続されている。Pバスバー11及びNバスバー12は、コンデンサケース15の開口面に対向する面である前面に設けた開口部24を貫通してコンデンサケース15の外部へ延伸して突出している。開口部24の配設位置は、図1乃至図3に示すように、コンデンサケース15の前面端部であってもよいし、図13乃至図15に示すように、コンデンサケース15の前面中央部であってもよい(変形態様(4))。このPバスバー11及びNバスバー12は、図23乃至図28に示すように、半導体素子7a,7bやリアクトル6等の発熱部品に接続される。半導体素子7a,7bは冷却器18に取り付けられて冷却される。リアクトル6は冷却器に取り付けられないこともある。
As shown in FIGS. 1 to 27, the capacitor is composed of a
図1乃至図28に示すように、Pバスバー11及びNバスバー12のいずれか一方又は双方は、コンデンサケース15の内部表面に合成樹脂製シート等からなる絶縁材16を介して接触している。Pバスバー11及びNバスバー12のいずれか一方又は双方がコンデンサケース15の内部表面に絶縁材16を介して接触する部分は、Pバスバー11及びNバスバー12のいずれか一方又は双方のコンデンサセル13,13a,13b,13cから延伸した部分と、Pバスバー11及びNバスバー12のいずれか一方又は双方のコンデンサセル13,13a,13b,13cに接続されている部分との双方を含むものである。
As shown in FIGS. 1 to 28, one or both of the
Pバスバー11及びNバスバー12のいずれか一方又は双方のコンデンサケース15の内部表面に絶縁材16を介して接触する部分は、図19、図21及び図22に示すように、コンデンサケース15の内部表面のうち他方のバスバーが存在しない全ての内部表面を最大限度として、コンデンサケース15の内部表面に接触しないPバスバー11及びNバスバー12部分の幅より拡張されている。すなわち、図19に示すように、Nバスバー12のコンデンサケース15の前内面と絶縁材16を介して接触する部分は、本来のNバスバー12の幅を示す図17から理解できるように、コンデンサケース15の前内面の略全面まで拡張されてNバスバー12aとなっている(変形態様(5))。また、図21及び図22に示すように、コンデンサセル13の下端面に接続されたNバスバー12は、コンデンサケース15の下内面の略全面に拡張され、さらにその両端部はコンデンサケース15の左右両内面の略全面に立ち上がって拡張されている。また、コンデンサセル13の上内面に接続されたPバスバー11は、コンデンサケース15の上内面の略全面に拡張されている。このように図20乃至図22は、コンデンサケース15の上下左右の内面及び前内面に、Pバスバー11及びNバスバー12のいずれかのバスバーが絶縁材16を介して接触することを示している(変形態様(6))。
As shown in FIGS. 19, 21, and 22, the portion that contacts the inner surface of one or both of the
図7乃至図9は、図4乃至図6に示す構成に対する変形態様(1)を示すものである。コンデンサセル13a,13b,13cそれぞれの一方の端面に接続されたPバスバー11は、コンデンサセル13a,13b,13cの一方端側で一体に連結され長方形をなしている。また、コンデンサセル13a,13b,13cそれぞれの他方の端面に接続されたNバスバー12は、コンデンサセル13a,13b,13cの他方端側で一体に連結され長方形をなしている。このようにPバスバー11及びNバスバー12により形成された長方形部分には、熱伝導板26が設けられている。熱伝導板26は、Pバスバー11及びNバスバー12の長方形部分に設けた切込25から切込部分を引き起こし、各コンデンサセル13a,13b,13cが対向する間隙に立設させることにより形成される。熱伝導板26は、Pバスバー11及びNバスバー12の双方に設けることが好ましいが、Pバスバー11又はNバスバー12の一方にのみ設けてもよい。熱伝導板26は、発熱量が蓄積されやすい各コンデンサセル13a,13b,13cの間に設けられ、その空間における熱量をPバスバー11及びNバスバー12へ効果的に伝導させるので、冷却効果の向上に貢献する。
7 to 9 show a modification (1) to the configuration shown in FIGS. 4 to 6. The
図10及び図11は、図4乃至図6に示す構成に対する変形態様(2)を示すものである。Nバスバー12は、コンデンサケース15の開口面に対向する面である前面に設けた開口部24を貫通してコンデンサケース15の外部へ延伸して突出する部分と、コンデンサセル13a,13b,13cそれぞれの他方の端面に一体で連結して形成される長方形部分と、前記両者を連結しコンデンサケース15の前内面と絶縁材16を介して接触する部分とを有する。コンデンサケース15の前内面と絶縁材16を介して接触する部分の両側には、コンデンサセル13a,13b,13cのそれぞれの外表面に沿うように屈曲して伸張する伸張部12b〜12gが設けられている。伸張部12b及び伸張部12gは、両端部のコンデンサセル13a,13c用であるから、コンデンサケース15の上下内面近傍に至るように伸張されている。一方、伸張部12c及び伸張部12dは、それぞれがコンデンサセル13aとコンデンサセル13b用に一枚の板から切り出せるような形状になっている。また、伸張部12e及び伸張部12fは、それぞれがコンデンサセル13bとコンデンサセル13c用に一枚の板から切り出せるような形状になっている。なお、伸張部は、隣接する伸張部同士が交互に入り組んでいても、一枚の板から切り出せるような形状であれば任意の形状に形成することが可能である。また、本変形態様(2)は、Pバスバー11がコンデンサセル13a,13b,13cの一方側にあって、コンデンサセル13a,13b,13cの他方側に設けたNバスバー12に伸張部12b〜12gを設けたものであるが、Nバスバーがコンデンサセル13a,13b,13cの一方側にあって、コンデンサセル13a,13b,13cの他方側に設けたPバスバー11に伸張部を設けるようなものであってもよい。さらに、Pバスバー11及びNバスバー12を、図13乃至図15に示すように、コンデンサケース15の開口面に対向する前面の中央部分に設けた開口部24から突出するように設けて、Pバスバー11及びNバスバー12の双方に伸張部を設けるようにしてもよい。また、本変形態様(2)は三個のコンデンサセル13a,13b,13cを有する場合について説明したが、一個のコンデンサセルを有する場合であっても適用可能である。
10 and 11 show a modified mode (2) with respect to the configuration shown in FIGS. The
図10及び図12は、図4乃至図6に示す構成に対する変形態様(3)を示すものである。伸張部12b〜12gは、図10及び図11に示す変形態様(2)のものと同一である。したがって、変形態様(3)の適用範囲と条件は変形態様(2)の場合と同一である。コンデンサケース15は、Pバスバー11及びNバスバー12のいずれか一方又は双方を含む伸張部12b〜12gの裏側の形状に倣って加工された突出部27を有する。突出部27は、突出部27を設けるコンデンサケース15の厚い面を切削するか、又は別途作成した突出部分のみを平坦なコンデンサケース15の面に添着して形成される。突出部27と伸張部12b〜12gとの間には、絶縁材16が介在されている。このように、コンデンサセル13a,13b,13cの発熱量はコンデンサセル13a,13b,13cの外周近傍に設けた伸張部12b〜12gに容易に伝導し、絶縁材16を介して接触する突出部27からコンデンサケース15へさらに容易に伝導するので、極めて効果的に冷却が実行される。
10 and 12 show a modification (3) to the configuration shown in FIGS. The extending
図25は、図23及び図24に示す構成に対する変形態様(7)を示すものである。図25におけるコンデンサケース15は、半導体素子7a,7b又はリアクトル6を取り付けて冷却する冷却器19に設置されている。なお、コンデンサケース15を取り付ける冷却器は、冷却器19ではなく単独に用意したコンデンサケース15専用の冷却器であってもよく、その冷却方式は空冷又は水冷のいずれでもよい。このように構成することにより、冷却効果をさらに高めることができる。
FIG. 25 shows a modification (7) to the configuration shown in FIGS. The
図26は、図23乃至図25に示す構成に対する変形態様(8)を示すものである。図26におけるコンデンサケース15は、その外部表面にフィン20を備える。フィン20を設ける位置は、Pバスバー11及びNバスバー12のいずれか一方又は双方が、絶縁材16を介して接触するコンデンサケース15の内部表面に対応するコンデンサケース15の外部表面であることが、冷却効果を高める点で好ましいが、それ以外の位置であってもよい。
FIG. 26 shows a modification (8) to the configuration shown in FIGS. The
図27は、図23乃至図26に示す構成に対する変形態様(9)を示すものである。図27において、Pバスバー11及びNバスバー12のいずれか一方又は双方が絶縁材16を介して接触するコンデンサケース21の一面の板厚Tは、Pバスバー11及びNバスバー12のいずれも接触しない面の板厚より大きくなるように形成されている。このように構成することにより、冷却を要する部分の熱容量が増加して冷却効果を高めることができる。
FIG. 27 shows a modification (9) to the configuration shown in FIGS. In FIG. 27, the plate thickness T of one surface of the
図28は、図23乃至図27に示す構成に対する変形態様(10)を示すものである。図28において、Pバスバー11及びNバスバー12のいずれか一方又は双方が絶縁材16を介して接触するコンデンサケースの面は熱伝導性部材23で形成され、Pバスバー11及びNバスバー12のいずれも接触しないコンデンサケースの面は合成樹脂等の熱伝導性ではない部材22で形成されている。
FIG. 28 shows a modification (10) to the configuration shown in FIGS. In FIG. 28, the surface of the capacitor case where one or both of the
以上詳述したことから明らかなように、本実施形態の電力変換装置によれば、コンデンサセル13,13a,13b,3cに接続され延伸してコンデンサケース15の外部へ突出し半導体素子7a,7b等の発熱部品に接続されるPバスバー11及びNバスバー12,12aのいずれか一方又は双方は、コンデンサケース15の内部表面に絶縁材16を介して接触している。このような簡素な構成であっても、コンデンサセル13,13a,13b,13cの発熱量は、図23乃至図28に破線の矢印で示すようにコンデンサケース15へ容易に熱伝導し、コンデンサケース15の外表面から放熱するので、コンデンサセル13,13a,13b,13cは効果的に冷却されるのである。また、リアクトル6や半導体素子7a,7bの発熱量は、図23乃至図28に破線の矢印で示すようにバスバーを熱伝導してコンデンサケース15へ侵入するが、それはバスバーからコンデンサケース15へ容易に熱伝導し、コンデンサケース15の外表面から放熱するので、コンデンサセル13,13a,13b,13cには到達せず、コンデンサセル13,13a,13b,13cを保護することができるのである。
As is clear from the above detailed description, according to the power conversion device of the present embodiment, the
また、前記Pバスバー11及び前記Nバスバー12のいずれか一方又は双方のコンデンサケース15の内部表面に絶縁材16を介して接触する部分は、コンデンサケース15の内部表面のうち他方のバスバーが存在しない全ての内部表面を最大限度として、コンデンサケース15の内部表面に接触しない前記Pバスバー11及び前記Nバスバー12部分の幅より拡張されているので、熱伝導量が増加し、冷却効果を高めることができる。
Further, the portion of the inner surface of the
また、前記コンデンサケース15は、前記半導体素子を冷却する冷却器又は他の冷却器に設置されるので、コンデンサケース15からの放熱が促進され、冷却効果が向上する。
Further, since the
また、前記コンデンサケース15は、その外部表面にフィン20を備えるので、コンデンサケース15からの放熱が促進され、冷却効果が向上する。
In addition, since the
また、前記Pバスバー11及び前記Nバスバー12のいずれか一方又は双方が前記絶縁材を介して接触する前記コンデンサケース15の面の板厚は、前記Pバスバー11及び前記Nバスバー12のいずれも接触しない前記コンデンサケース15の面の板厚より大きいので、コンデンサケース15の熱容量が増加し、冷却効果が向上する。
In addition, the plate thickness of the surface of the
また、前記コンデンサケース15の前記Pバスバー11及び前記Nバスバー12のいずれか一方又は双方が前記絶縁材16を介して接触する面のみを熱伝導性部材23で形成するので、コンデンサケース15のPバスバー11及びNバスバー12のいずれか一方又は双方が絶縁材16を介して接触する面以外の面を合成樹脂等で形成することができ軽量化が図れるとともに、絶縁材16が不要になるのでコストが低減する。
In addition, since only one or both of the
また、前記Pバスバー11及び前記Nバスバー12のいずれか一方又は双方の、前記絶縁材16を介して前記コンデンサケース15,21に接触する部分から、前記コンデンサセル13,13a,13b,13cの外表面に沿うように屈曲して伸張する伸張部12b〜12gを備えるので、冷却効果が向上する。
In addition, one or both of the
また、前記コンデンサケース15,21は、前記Pバスバー11及び前記Nバスバー12のいずれか一方又は双方を含む前記伸張部12b〜12gが前記絶縁材16を介して接触する突出部27を有するので、冷却効果が極めて向上する。
Further, since the
また、対向する前記各コンデンサセル13a,13b,13c間の間隙に、前記Pバスバー11及び前記Nバスバー12,12aのいずれか一方又は双方に連結した熱伝導板26が設けられるので、冷却効果が向上する。
Further, since a
図30は、図4乃至図6に示す実施形態のコンデンサにおいて、本発明を実施してバスバー冷却を行った場合と、図4乃至図6に示す形状のコンデンサで本発明を実施せずバスバー冷却を行わない場合とで各測定位置の温度をシミュレーションした結果を示すグラフである。これによれば、1〜9の全ての測定点において本発明の効果が表れており、特に、測定点3では8.15℃降温するという優れた効果を奏することが理解できる。
FIG. 30 shows a case where the present invention is carried out in the capacitor of the embodiment shown in FIGS. 4 to 6 and bus bar cooling is performed, and a case where the present invention is not carried out with the capacitor having the shape shown in FIGS. It is a graph which shows the result of having simulated the temperature of each measurement position with the case where it does not perform. According to this, it can be understood that the effect of the present invention appears at all the measurement points 1 to 9, and in particular, the
尚、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々に変更を施すことが可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
1 電力変換装置
5 フィルタコンデンサ
7a,7b 半導体素子
8 平滑コンデンサ
9 スナバコンデンサ
11 Pバスバー
12,12a Nバスバー
12b〜12g 伸張部
13,13a,13b,13c コンデンサセル
15,21 コンデンサケース
16 絶縁材
18,19 冷却器
20 フィン
23 熱伝導性部材
26 熱伝導板
27 突出部
T 板厚
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記コンデンサは、コンデンサケース(15,21)と、その中に収納される一又は複数のコンデンサセル(13,13a,13b,13c)とからなり、
前記コンデンサセル(13,13a,13b,13c)に接続され延伸して前記コンデンサケース(15,21)の外部へ突出し前記半導体素子(7a,7b)等に接続されるPバスバー(11)及びNバスバー(12,12a)のいずれか一方又は双方は、前記コンデンサケース(15,21)の内部表面に絶縁材(16)を介して接触することを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device (1) including a heat generating component such as at least one of a filter capacitor (5), a smoothing capacitor (8), and a snubber capacitor (9) and a semiconductor element (7a, 7b),
The capacitor includes a capacitor case (15, 21) and one or a plurality of capacitor cells (13, 13a, 13b, 13c) housed therein,
P bus bars (11) and N connected to the capacitor cells (13, 13a, 13b, 13c) and extending to the outside of the capacitor case (15, 21) and connected to the semiconductor elements (7a, 7b) and the like Either or both of the bus bars (12, 12a) are in contact with the inner surface of the capacitor case (15, 21) via an insulating material (16).
Priority Applications (1)
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