JP2014011819A

JP2014011819A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2014011819A
Application number: JP2012144464A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Kawasaki; 大介川崎
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-01-20
Anticipated expiration: 2032-06-27
Also published as: JP6007618B2

Abstract

【課題】冷却体の対向する両面に各々半導体素子を取付け、冷媒の流れ方向に直列に冷却体と複数のコンデンサとを設置するスタック構造では、冷媒の下流側のコンデンサの冷却が不十分となり、温度上昇が大きくなる。
【解決手段】冷却体の対向する面の外側に各々半導体素子を取付け、冷媒の流れ方向に直列に冷却体と複数のコンデンサとを設置し、複数のコンデンサのうち半数の端子方向は一方の面に取付けた半導体素子の端子方向と同じにし、残りの半数の端子方向は他方の面に取付けた半導体素子の端子方向と同じにし、両面の各々のコンデンサの同電位同士を接続する導体の配置位置をコンデンサ配置内部の冷媒の通流を遮る位置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力用半導体素子を取付けた冷却体と平滑用コンデンサを冷媒の通流方向に直列配置した時の冷却構造に関し、特に冷却体として対向する両面に半導体素子を各々設置する構成の電力変換装置の冷却構造に関する。

図６に、特許文献１に記載された従来の技術を用いた電力変換装置のスタック構造図を示す。こん電力変換装置は、冷却体の対向する面の外側に半導体素子を取付け、コンデンサを冷却体と並列に配置したものである。ＣＦ２は両面取付形の冷却体で対向する両基板（上下）の外側に半導体素子が搭載されている。回路構成は半導体モジュールＳＭ１〜ＳＭ６をコンデンサＳＣ１〜ＳＣ８と並列に接続した変換回路の１相分の構成である。冷却体ＣＦ２の上面基板には半導体モジュールＳＭ１〜ＳＭ３が、下面基板には半導体モジュールＳＭ４〜ＳＭ６が、各々設置される。直流電源としてのコンデンサ部はコンデンサＳＣ２、ＳＣ４、ＳＣ６、ＳＣ８が上向きに、コンデンサＳＣ１、ＳＣ３、ＳＣ５、ＳＣ７が下向きに、各々設置される。直流入力端子Ｐ、ＮはコンデンサＳＣ１（５）及びＳＣ２（６）に接続され、交流端子は半導体モジュールＳＭ３及びＳＭ６の交流端子（未記載）を接続して得られる。導体Ａ、Ｂは上面の直流回路の正極（Ｐ）電位と負極（Ｎ）電位同士を接続する導体で、導体Ｃ、Ｄは下面の直流回路の正極（Ｐ）電位と負極（Ｎ）電位同士を接続する導体である。冷却のためのファンは前面に設置され、冷却体用とコンデンサ冷却用との２台を用いるか、１台のファンで風洞を用いて冷媒を分流させるなどの構造となる。

図７に、特許文献２に記載された別の従来例を示す。冷媒（風）をコンデンサから冷却体に直列に流す構成である。ＦＡＮ１、ＦＡＮ２が冷却ファン、ＣＦ３が冷却体、ＳＭ７、ＳＭ８が半導体素子、ＳＣ９〜ＳＣ１２がコンデンサである。この構成の場合、フレームＦＲ１、ＦＲ２に冷媒の流れる方向を変える障害物ＯＢ１、ＯＢ２が、コンデンサ中央部に障害物ＯＢ３が、それぞれ取付けられ、コンデンサの冷却を均一化する役割を担う。これらの障害物がない場合には冷却風の下流にあるコンデンサＳＣ９、ＳＣ１０の温度上昇が大きくなるが、障害物を設けることにより、冷媒がコンデンサＳＣ９、ＳＣ１０にもあたり、温度上昇を略均一化することができる。

特開平７−３０３３８０号公報特開２００４−１８０４２４号公報

上述のように、図６に示すような構成では、冷却面積が大きくなり、複数台のＦＡＮを設けるか風洞を設けて風量を調節するなどの対策や、冷媒の下流側にあるコンデンサの温度上昇を抑制する対策が必要となる問題がある。また図７に示すような構成では、障害物を複数設置するため、構造部品が増加しコストが増加する問題がある。
従って、本発明の課題は、両面取付形の冷却体を用いた電力変換部スタックの冷却構造として、構造部品を増やすことなく、コンデンサの冷却を略均一に実現できる冷却構造を提供することである。

上述の課題を解決するために、第１の発明においては対向する両面に半導体素子を取付ける金属基板を備え、前記金属基板間に複数の冷却用薄板フィンを冷媒を流せる間隔を保って接合した両面冷却用冷却体と、前記両面冷却用冷却体の金属基板の両面外部に各々設置した半導体モジュールと、前記金属基板の一方の外部面に設置した半導体モジュールの端子と端子方向が同方向となるように並列配置され冷媒の通流を遮るように配置した複数個のコンデンサからなる第１のコンデンサ群と、前記金属基板の他方の外部面に設置した半導体モジュールの端子と端子方向が同方向となるように並列配置され冷媒の通流を遮るように配置した複数個のコンデンサからなる第２のコンデンサ群と、を備え、前記第１のコンデンサ群のコンデンサと前記第２のコンデンサ群コンデンサのそれぞれ同電位同士を接続する導体は、前記第１のコンデンサ群と前記第２のコンデンサ群との配置内部の冷媒の通流を遮る位置に設置する。

第２の発明においては、第１の発明における前記第1のコンデンサ群のコンデンサと第２のコンデンサ群のコンデンサのそれぞれ同電位同士を接続する導体は、前記第１又は第２のコンデンサ群の電位が正極と負極の場合には前記正極同士を接続する導体と前記負極同士を接続する導体とは導体間に絶縁物を挟んだラミネート配線構造とする。

第３の発明においては、第１又は第２の発明における前記第１のコンデンサ群のコンデンサと第２のコンデンサ群のコンデンサのそれぞれ同電位同士を接続する導体は、前記第１又は第２のコンデンサ群の電位が正極、負極及び中間極の場合には前記正極同士を接続する導体と前記中間極同士を接続する導体、又は前記中間極同士を接続する導体と前記負極同士を接続する導体、又は前記正極同士を接続する導体と前記負極同士を接続する導体とは、各々導体間に絶縁物を挟んだラミネート配線構造とする。

第４の発明においては、第１又は第３の発明における前記第１のコンデンサ群のコンデンサと前記第２のコンデンサ群のコンデンサのそれぞれ同電位同士を接続する導体は、前記第１及び第２のコンデンサ群の電位が正極、負極及び中間極の場合には、前記正極同士を接続する導体と前記中間極同士を接続する導体、及び前記中間極同士を接続する導体と前記負極同士を接続する導体とは、前記第１のコンデンサ群と前記第２のコンデンサ群の配置内部の冷媒の通流を遮る異なる位置に各々設置する。

第５の発明においては、第１〜第４の何れかの発明における前記第１のコンデンサ群の各コンデンサと前記第２のコンデンサ群の各コンデンサとは交互に配置する。

本発明では、両面取付形の冷却体の金属基板の両面に半導体素子を設置し、前記金属基板の一方の外部面に設置した半導体モジュールの端子と端子方向が同方向となるように並列配置され冷媒の通流を遮るように配置した複数個のコンデンサからなる第１のコンデンサ群と、前記金属基板の他方の外部面に設置した半導体モジュールの端子と端子方向が同方向となるように並列配置され冷媒の通流を遮るように配置した複数個のコンデンサからなる第２のコンデンサ群と、を備え、前記第１のコンデンサ群のコンデンサと前記第２のコンデンサ群のコンデンサのそれぞれ同電位同士を接続する導体は、前記第１のコンデンサ群と前記第２のコンデンサ群との配置内部の冷媒の通流を遮る位置に設置するようにしている。従って、各コンデンサ群の同電位同士を接続する導体が冷媒通過の流路に障害物として存在することになり、冷媒の流れる下流部に存在するコンデンサの冷却が可能となる。
この結果、構造部品を増やすことなく、コンデンサの均一な冷却を安価なコストで実現することが可能となる。

本発明の実施例を説明するための断面図である。本発明の実施例を説明するための左側面図である。本発明の実施例を説明するための右側面図である。本発明を適用する電力変換装置の主回路ブロック図例である。本発明の実施例の詳細回路図である。第１の従来例を示す構造図である。第２の従来例を示す構造図である。

本発明の要点は、両面取付形の冷却体の金属基板の両面に半導体素子を設置し、前記金属基板の一方の外部面に設置した半導体モジュールの端子と端子方向が同方向となるように並列配置され冷媒の通流を遮るように配置した複数個のコンデンサからなる第１のコンデンサ群と、前記金属基板の他方の外部面に設置した半導体モジュールの端子と端子方向が同方向となるように並列配置され冷媒の通流を遮るように配置した複数個のコンデンサからなる第２のコンデンサ群と、を備え、前記第１のコンデンサ群のコンデンサと前記第２のコンデンサ群のコンデンサのそれぞれ同電位同士を接続する導体は、前記第１のコンデンサ群と前記第２のコンデンサ群との配置内部の冷媒の通流を遮る位置に設置するようにしている点である。

図１〜図３に、本発明の実施例を示す。本発明の実施例として説明する電力変換装置の回路ブロック図例を図４に、詳細回路図例を図５に、各々示す。図４は交流入力電圧を交流入力フィルタＦＬｉを介してコンバータＣＶに入力し、このコンバータＣＶで直流電圧に変換し、蓄電池ＢＴを充電すると共にインバータＩＮに直流電力を供給し、インバータＩＮでは直流を交流に変換して、さらに交流出力フィルタＦＬｏで波形整形して交流を出力する無停電電源装置の例である。交流入力電源が健全時は蓄電池ＢＴをチョッパＣＨで充電し、停電時は蓄電池ＢＴからチョッパＣＨで放電して、インバータＩＮで交流出力に接続される負荷に無停電化された電力を供給する。ここで、Ｌ１、Ｌ２は昇降圧用のリアクトル、Ｃｐ、Ｃｎは平滑用コンデンサである。直流回路は正極Ｐ、負極Ｎ及び中間極Ｍを備えた３レベルの構成である。

図５に、コンバータＣＶとチョッパＣＨの詳細回路を示す。コンバータＣＶは、ＩＧＢＴ２個の直列回路とこの直列接続点に接続される逆阻止形ＩＧＢＴを逆並列接続した双方向スイッチとを内蔵したＩＧＢＴモジュールＭＤ１〜ＭＤ３を直流回路の正極Ｐ、負極Ｎ及び中間極Ｍとの間に接続し、前記ＩＧＢＴ直列回路各々の直列接続点に交流入力フィルタを介して交流入力を接続した３レベルの交流−直流変換回路である。また、蓄電池の充放電を行うチョッパＣＨは、ＩＧＢＴを２個直列接続したＩＧＢＴモジュールＭＤ４を直流回路の正極Ｐと中間極Ｍとの間に、また同様のＩＧＢＴモジュールＭＤ５を直流回路の中間極Ｍと負極Ｎとの間に接続し、各ＩＧＢＴモジュールの直列接続点を各々リアクトルＬ１、Ｌ２を介して蓄電池ＢＴに接続した３レベル昇降圧チョッパ回路である。

上述の回路を実現するためのスタック構造図を図１〜図３に示す。図１が断面図、図２が図１の左側面図、図３が図１の右側面図である。図１は図２に示す断面Ａ−Ａを示している。図１において、ＣＦ１は両面に半導体素子を取付けて冷媒として冷却風を図の下部から上部に流して冷却する両面冷却用の冷却体である。左側面にはコンバータ回路用のＩＧＢＴモジュールＭＤ１〜ＭＤ３が、右側面にはチョッパ回路用ＩＧＢＴモジュールＭＤ４とＭＤ５が設置される。図１は断面図であるので、左側面にはＶ相用ＩＧＢＴモジュールＭＤ２が、右側面にはチョッパ回路用ＩＧＢＴモジュールＭＤ４が記載されている。

直流回路の正極Ｐと中間極Ｍとの間には第１のコンデンサ群をなす平滑用コンデンサＣｐ１〜Ｃｐ３が、中間極Ｍと負極Ｎとの間には第２のコンデンサ群をなす平滑用コンデンサＣｎ１〜Ｃｎ３が、各々並列接続されている。コンデンサＣｐ１、Ｃｐ３及びＣｎ２の端子方向はＩＧＢＴモジュールＭＤ１〜ＭＤ３と同じ方向に、コンデンサＣｐ２、Ｃｎ１及びＣｎ３の端子方向はＩＧＢＴモジュールＭＤ４及びＭＤ５と同じ方向に、各々配置される。また、各々のコンデンサは冷却風の流れを遮る方向に配置される。

次に配線構造を説明する。図２において、ＩＧＢＴモジュールＭＤ１〜ＭＤ３のＣ１端子同士は導体ＰＢ１で、Ｍ端子同士は導体ＭＢ１で、Ｅ２端子同士は導体ＮＢ１で、各々接続される。コンデンサＣｐ１とＣｐ３のＰ端子同士は導体ＰＢ２で、Ｍ端子同士は導体ＭＢ２で、各々接続される。コンデンサＣｎ２のＮ端子には導体ＮＢ２が、Ｍ端子には導体ＭＢ３が、各々接続される。ＩＧＢＴ側の導体ＮＢ１とコンデンサ側の導体ＮＢ２とは導体ＮＢ３で、ＩＧＢＴ側の導体ＭＢ１とコンデンサ側の導体ＭＢ２とＭＢ３は導体ＭＢ４で、ＩＧＢＴ側の導体ＰＢ１とコンデンサ側の導体ＰＢ２とは導体ＰＢ３で、各々接続される。

図３において、コンデンサＣｐ３とＣｐ１のＰ端子同士は導体ＰＢ４で、Ｍ端子同士は導体ＭＢ５で、各々接続される。コンデンサＣｎ２のＮ端子には導体ＮＢ４が、Ｍ端子には導体ＭＢ６が、各々接続される。ＩＧＢＴモジュールＭＤ４のＣ１端子は導体ＰＢ５でコンデンサ側の導体ＰＢ４に、Ｅ２端子は導体ＭＢ７でコンデンサ側の導体ＭＢ５に、各々接続される。ＩＧＢＴモジュールＭＤ５のＣ１端子は導体ＭＢ８でコンデンサ側の導体ＭＢ６に、Ｅ２端子は導体ＮＢ５でコンデンサ側の導体ＮＢ４に、各々接続される。ここでＩＧＢＴ端子とコンデンサの端子を接続する導体は、導体ＭＢ７とＰＢ５、導体ＮＢ５とＭＢ８は、各々絶縁物を挟んだラミネート構造としている（図では省略している）。
図３に示す実施例では、ＩＧＢＴ側とコンデンサ側の接続において、電位が同じである導体ＭＢ７とＭＢ８を分割した例を示したが、分割せずに一体型導体として導体ＰＢ５及びＮＢ５と絶縁物を挟んだラミネート構造とすると配線インダクタンスを一層低減することができる。

左側面図（図２）と右側面図（図３）の同電位同士の接続は、正極電位Ｐ同士の接続は導体Ｊｐで、中間極電位Ｍ同士の接続は導体Ｊｍ１とＪｍ２で、負極電位Ｎ同士の接続は導体Ｊｎで、各々接続される。この接続において、導体ＪｐとＪｍ１とは絶縁物ＩＳＬを挟んだラミネート配線構造とし、インダクタンスを低減している。また、導体Ｊｍ２とＪｎも同様に絶縁物を挟んだラミネート配線構造としている。さらに、左側面図（図２）と右側面図（図３）の同電位同士の接続導体は、導体ＪｐとＪｍ１のラミネート配線がコンデンサＣｐ２、Ｃｐ３、Ｃｎ２及びＣｎ３の中間点付近に、また導体ＪｎとＪｍ２のラミネート配線がコンデンサＣｐ１、Ｃｐ２、Ｃｎ１及びＣｎ２の中間点付近に、各々設けられている。

この様な配置と導体配線を用い、冷媒（風）を図１〜図３の下部から上部へ流すことにより、配線導体Ｊｐ、Ｊｍ１、Ｊｍ２、Ｊｎが従来技術で説明した障害物の役割を果たし、冷媒の下流側に配置されたコンデンサ（Ｃｐ１〜Ｃｐ３）も上流側に配置されたコンデンサ（Ｃｎ１〜Ｃｎ３）と略均一に冷却することが可能となる。
尚、上記実施例には両面冷却用冷却体のそれぞれの面に機能の異なる回路を構成する半導体モジュールを搭載した例を示したが、並列接続される半導体モジュールを分割して用いる構成でも同様に実現可能である。また冷却体として片面に半導体モジュールを搭載する冷却体を複数配置して両面冷却用冷却体と同様な構成にしても実現可能である。
さらに、両面の直流回路の電位は共通な二つ以上の極があれば同様に実現可能である。即ち、両方の面に正極Ｐと負極Ｎがある場合や、一方の面に正極Ｐと負極Ｎと中間極Ｍが他方の面に正極Ｐと負極Ｎ又は正極と中性極Ｍ又は中性極Ｍと負極Ｎがある場合にも同様に実現可能である。

本発明は、複数の半導体モジュールを用いる電力変換回路のスタック構造に関する提案で、無停電電源装置、電動機駆動装置、系統連系装置などへの適用が可能である。

ＣＦ１〜ＣＦ３・・・冷却体ＦＡ１、ＦＡ２・・・冷却ファン
ＦＬｉ、ＦＬｏ・・・フィルタＬ１、Ｌ２・・・リアクトル
ＣＶ・・・コンバータＩＮ・・・インバータ
ＣＨ・・・チョッパＢＴ・・・蓄電池
ＭＤ１〜ＭＤ５、ＳＭ１〜ＳＭ８・・・ＩＧＢＴモジュール（半導体モジュール）
Ｃｐ、Ｃｎ、Ｃｐ１〜Ｃｐ３、Ｃｎ１〜Ｃｎ３、ＳＣ１〜ＳＣ１２・・・コンデンサ
ＯＢ１〜ＯＢ３・・・障害物
ＰＢ１〜ＰＢ５、ＭＢ１〜ＭＢ８、ＮＢ１〜ＮＢ５・・・導体
Ｊｐ、Ｊｍ１、Ｊｍ２、Ｊｎ・・・導体ＩＳＬ・・・絶縁物

Claims

対向する両面に半導体素子を取付ける金属基板を備え、前記金属基板間に複数の冷却用薄板フィンを冷媒を流せる間隔を保って接合した両面冷却用冷却体と、前記両面冷却用冷却体の金属基板の両面外部に各々設置した半導体モジュールと、前記金属基板の一方の外部面に設置した半導体モジュールの端子と端子方向が同方向となるように並列配置され冷媒の通流を遮るように配置した複数個のコンデンサからなる第１のコンデンサ群と、前記金属基板の他方の外部面に設置した半導体モジュールの端子と端子方向が同方向となるように並列配置され冷媒の通流を遮るように配置した複数個のコンデンサからなる第２のコンデンサ群と、を備え、前記第１のコンデンサ群のコンデンサと前記第２のコンデンサ群のコンデンサのそれぞれ同電位同士を接続する導体は、前記第１のコンデンサ群と前記第２のコンデンサ群との配置内部の冷媒の通流を遮る位置に設置することを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、前記第1のコンデンサ群のコンデンサと前記第２のコンデンサ群のコンデンサのそれぞれ同電位同士を接続する導体は、前記第１又は第２のコンデンサ群の各コンデンサの電位が正極と負極の場合には前記正極同士を接続する導体と前記負極同士を接続する導体とは導体間に絶縁物を挟んだラミネート配線構造とすることを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は２に記載の電力変換装置において、前記第１のコンデンサ群のコンデンサと前記第２のコンデンサ群のコンデンサのそれぞれ同電位同士を接続する導体は、前記第１又は第２のコンデンサ群のコンデンサの電位が正極、負極及び中間極の場合には前記正極同士を接続する導体と前記中間極同士を接続する導体、又は前記中間極同士を接続する導体と前記負極同士を接続する導体、又は前記正極同士を接続する導体と前記負極同士を接続する導体とは、各々導体間に絶縁物を挟んだラミネート配線構造とすることを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は３に記載の電力変換装置において、前記第１のコンデンサ群のコンデンサと前記第２のコンデンサ群のコンデンサのそれぞれ同電位同士を接続する導体は、前記第１及び第２のコンデンサ群の電位が正極、負極及び中間極の場合には、前記正極同士を接続する導体と前記中間極同士を接続する導体、及び前記中間極同士を接続する導体と前記負極同士を接続する導体とは、前記第１のコンデンサ群と前記第２のコンデンサ群の配置内部の冷媒の通流を遮る異なる位置に各々設置することを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜４の何れか１項に記載の電力変換装置において、前記第１のコンデンサ群の各コンデンサと前記第２のコンデンサ群の各コンデンサとは交互に配置することを特徴とする電力変換装置。