JP2016149883A - Power conversion device and power electronics device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電力変換装置およびパワーエレクトロニクス装置に関し、特に、半導体モジュールと平滑コンデンサを備えている電力変換装置およびパワーエレクトロニクス装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device and a power electronics device, and more particularly to a power conversion device and a power electronics device including a semiconductor module and a smoothing capacitor.
電力変換装置は、半導体モジュールと平滑コンデンサが並列に接続されている(例えば、特許文献1〜4参照)。大容量の電力変換装置では、半導体モジュールに素子サイズが大きい大定格電流のものを使用し、この半導体モジュールを複数個、並列接続することによって、回路に流れる大電流を分流している。複数の半導体モジュールを並列に接続すると半導体モジュールと平滑コンデンサの間には寄生インダクタンスや寄生抵抗が発生する。電力変換装置では、この寄生インダクタンスや寄生抵抗のばらつきを抑制することが重要である。 As for the power converter, the semiconductor module and the smoothing capacitor are connected in parallel (for example, refer patent documents 1-4). In a large-capacity power converter, a semiconductor module having a large rated current with a large element size is used, and a plurality of semiconductor modules are connected in parallel to divide a large current flowing in the circuit. When a plurality of semiconductor modules are connected in parallel, parasitic inductance and parasitic resistance are generated between the semiconductor module and the smoothing capacitor. In a power converter, it is important to suppress variations in parasitic inductance and parasitic resistance.
交流電力の各相に1つの大型半導体モジュールを用いることで、半導体モジュールと平滑コンデンサの間の寄生インダクタンスと寄生抵抗のばらつきを抑制している電力変換装置が開発されている(例えば、特許文献1参照)。また、複数の半導体モジュールを並列で接続することを考慮し、各々の半導体モジュールの上部と下部に平滑コンデンサを配置する構成としている駆動装置が開発されている(例えば、特許文献2,3参照)。しかし、装置の電圧と電流を上げる必要が生じた場合には定格電圧と定格電流を満足する半導体モジュールが存在しない場合が考えられる。また大型半導体モジュールは、並列接続に使用する小型の半導体モジュールに比べると一般に高価である。
There has been developed a power conversion device that suppresses variations in parasitic inductance and parasitic resistance between a semiconductor module and a smoothing capacitor by using one large semiconductor module for each phase of AC power (for example, Patent Document 1). reference). In consideration of connecting a plurality of semiconductor modules in parallel, a driving device has been developed in which smoothing capacitors are arranged at the upper and lower portions of each semiconductor module (see, for example,
半導体モジュールが各相に1つの構成となっている電力変換装置の配置構成では、素子サイズが大きくなるうえに、高価な大定格電流の半導体モジュールを使用する必要が生じる。複数の半導体モジュールを並列で接続することを考慮したとしても、各々の半導体モジュールの上部と下部に平滑コンデンサを配置する必要があるため、配置する空間に高さが要求される。さらに、半導体モジュールからの発熱が上部と下部に位置する平滑コンデンサに伝熱することや、上部と下部に位置する平滑コンデンサの存在により、半導体モジュールの冷却方向が制限されている。 In the arrangement configuration of the power conversion device in which one semiconductor module is provided for each phase, the element size is increased, and an expensive semiconductor module having a large rated current needs to be used. Even in consideration of connecting a plurality of semiconductor modules in parallel, it is necessary to arrange smoothing capacitors at the upper and lower portions of each semiconductor module, and thus the space to be arranged is required to be high. Furthermore, the cooling direction of the semiconductor module is limited by heat transfer from the semiconductor module to the smoothing capacitors located at the upper and lower parts and the presence of the smoothing capacitors located at the upper and lower parts.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、電力変換装置において、半導体モジュールの並列接続により素子サイズの拡大を防ぐことを主目的とする。また、平滑コンデンサを配置する空間の高さを低減し、半導体モジュールから平滑コンデンサへの伝熱を低減し、半導体モジュールの冷却方向が制限されない構成を提供することを目標とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and a main object of the power conversion device is to prevent an increase in element size by parallel connection of semiconductor modules. It is another object of the present invention to provide a configuration in which the height of the space in which the smoothing capacitor is disposed is reduced, the heat transfer from the semiconductor module to the smoothing capacitor is reduced, and the cooling direction of the semiconductor module is not limited.
上記課題を解決するため、本願に係わる電力変換装置は、陽極電極と陰極電極が本体部の頭部側に設けられている複数個の平滑コンデンサと、陽極部材と陰極部材が絶縁部材を挟んで一体化されているブスバーと、直列に接続されている陽極側スイッチング半導体素子と陰極側スイッチング半導体素子を有し、フィン部とベース部を有するヒートシンクに固定されている複数個の半導体モジュールと、を備え、複数個の平滑コンデンサの陽極電極はブスバーの陽極部材と接続され、複数個の平滑コンデンサの陰極電極はブスバーの陰極部材と接続され、複数個の平滑コンデンサはブスバーの片側に配置されていて、複数個の半導体モジュールはブスバーの周囲に配置されている。 In order to solve the above problems, a power converter according to the present application includes a plurality of smoothing capacitors in which an anode electrode and a cathode electrode are provided on the head side of a main body, and an anode member and a cathode member sandwiching an insulating member. A plurality of semiconductor modules having an integrated bus bar, an anode-side switching semiconductor element and a cathode-side switching semiconductor element connected in series, and fixed to a heat sink having a fin portion and a base portion; The plurality of smoothing capacitors are connected to the bus bar anode member, the plurality of smoothing capacitor cathode electrodes are connected to the bus bar cathode member, and the plurality of smoothing capacitors are arranged on one side of the bus bar. The plurality of semiconductor modules are arranged around the bus bar.
上記構成によれば、電力変換装置において、半導体モジュールの並列接続により素子サイズの拡大を防ぐことができる。また、複数の平滑コンデンサをブスバーの片側に配置しているので、配置空間の高さが低減する。半導体モジュールから平滑コンデンサへの伝熱が低減するので、半導体モジュールの冷却方向が制限されない構成を提供することが可能である。 According to the above configuration, in the power conversion device, an increase in element size can be prevented by parallel connection of semiconductor modules. Further, since the plurality of smoothing capacitors are arranged on one side of the bus bar, the height of the arrangement space is reduced. Since heat transfer from the semiconductor module to the smoothing capacitor is reduced, it is possible to provide a configuration in which the cooling direction of the semiconductor module is not limited.
本発明の実施の形態に係る電力変換装置およびパワーエレクトロニクス装置について、図を参照しながら以下に説明する。なお、各図において、同一または同様の構成部分については同じ符号を付しており、対応する各構成部のサイズや縮尺はそれぞれ独立している。例えば構成の一部を変更した断面図の間で、変更されていない同一構成部分を図示する際に、同一構成部分のサイズや縮尺が異なっている場合もある。また、電力変換装置およびパワーエレクトロニクス装置の構成は、実際にはさらに複数の部材を備えているが、説明を簡単にするため、説明に必要な部分のみを記載し、他の部分については省略している。 A power conversion device and a power electronics device according to embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or similar components are denoted by the same reference numerals, and the sizes and scales of the corresponding components are independent. For example, when the same components that are not changed are illustrated in cross-sectional views in which a part of the configuration is changed, the sizes and scales of the same components may be different. In addition, the configuration of the power conversion device and the power electronics device actually includes a plurality of members. However, for the sake of simplicity, only the portions necessary for the description are described, and the other portions are omitted. ing.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図に基づいて説明する。図1は本特許を適用する電力変換装置およびパワーエレクトロニクス装置の電気回路構成を示している。図において、パワーエレクトロニクス装置100は、コンバータ6、直流リアクトル7、電力変換装置40から構成されている。コンバータ6は交流入力を直流出力に変換する。パワーエレクトロニクス装置100の電力変換装置40は、平滑コンデンサ3a〜3f、U相半導体モジュール1U、V相半導体モジュール1V、W相半導体モジュール1W、ブスバー4、出力用ケーブル5などを備えている。図の電気回路構成において、V相半導体モジュール1VとW相半導体モジュール1Wは構成を一部省略して記載しているが、U相半導体モジュール1Uと同様の構成を有している。平滑コンデンサ3a〜3fは電解コンデンサが使用され、6個の電解コンデンサは、コンバータ6の直流出力に対しそれぞれが並列に接続されている。
U相半導体モジュール1Uは並列に接続されている3個の半導体モジュール1から構成されている。各々の半導体モジュール1には、直列に接続される陽極側スイッチング半導体素子1pと陰極側スイッチング半導体素子1nを内蔵している2連型のモジュールを使用している。同様に、V相半導体モジュール1Vは並列に接続されている3個の半導体モジュール1から構成されている。同様に、W相半導体モジュール1Wは並列に接続されている3個の半導体モジュール1から構成されている。U相半導体モジュール1U、V相半導体モジュール1VおよびW相半導体モジュール1Wに発生する寄生インダクタンス8および寄生抵抗9は、半導体モジュール1に流れる電流がばらつく原因となる。
The U-phase semiconductor module 1U is composed of three
コンバータ6の入力部に交流成分が入力されると、昇圧または降圧された交流成分は直流へと整流され、整流された直流は直流リアクトル7と平滑コンデンサ3a〜3fにより平滑される。平滑電流は、ブスバー4を通過し、U相半導体モジュール1U、V相半導体モジュール1VおよびW相半導体モジュール1Wで構成する2レベル電力変換装置により交流成分へと変換され、出力用ケーブル5から出力される。ここでは、2レベル電力変換装置の構成を示しているが、半導体モジュールを並列接続していればよく、3レベル電力変換装置などの他の電力変換回路構成でもよい。陽極側スイッチング半導体素子1pと陰極側スイッチング半導体素子1nをスイッチングすることによって交流入力とは異なる周波数の交流出力が得られる。なお、本発明は、図1に示す3相インバータの他に、単相インバータ、電源装置にも適用可能であり、半導体モジュール1および平滑コンデンサ3の数は、一般に複数となる。
When an AC component is input to the input section of the
図2は本特許にて提案する、電力変換装置における並列接続された半導体モジュールの配置構成を示している。電力変換装置40には、半導体モジュール1a〜i、ヒートシンク2a〜i、平滑コンデンサ3a〜3f、ブスバー4、出力用ケーブル5が含まれている。半導体モジュール冷却用のヒートシンク2も、半導体モジュール1と同じく、1相あたり3並列としている。ヒートシンク2a〜iは、ベース部2xとフィン部2yから構成されている。U相半導体モジュール1Uは、半導体モジュール1a〜cから構成されている。V相半導体モジュール1Vは、半導体モジュール1d〜fから構成されている。W相半導体モジュール1Wは、半導体モジュール1g〜iから構成されている。ヒートシンク2a〜iは、それぞれ半導体モジュール1a〜iに固定されている。
FIG. 2 shows an arrangement configuration of semiconductor modules connected in parallel in the power converter proposed in this patent. The
平滑コンデンサ3は積層構造を有するブスバー4によって、6個が並列に接続されている。出力用ケーブル5は、3相に対応するために3本設けられている。出力用ケーブル5Uからは3相交流電力のU相が出力される。出力用ケーブル5Vからは3相交流電力のV相が出力される。出力用ケーブル5Wからは3相交流電力のW相が出力される。ブスバー4は、第1辺4a、第2辺4b、第3辺4cおよび第4辺4dを有する四角形状を呈している。U相半導体モジュール1Uは、第1辺4aに配置されている。V相半導体モジュール1Vは、第2辺4bに配置されている。W相半導体モジュール1Wは、第3辺4cに配置されている。第4辺4dは開放されている。
Six smoothing
図3Aは平滑コンデンサ3の外観を示している。平滑コンデンサ3a〜3fはそれぞれ本体部3xと陽極電極3yと陰極電極3zを有し、陽極電極3yと陰極電極3zにはそれぞれにねじ穴が加工されている。平滑コンデンサ3の本体部3xには頭部側3tと底部側3sが設けられている。陽極電極3yと陰極電極3zは本体部3xの頭部側3tに設けられている。図3Bは半導体モジュール1a〜iの外観を示している。半導体モジュール1は陽極側スイッチング半導体素子1pと陰極側スイッチング半導体素子1nを内蔵している。陽極側スイッチング半導体素子1pと陰極側スイッチング半導体素子1nからは、ゲート端子1g、ドレイン端子1dおよびソース端子1sの3本のリードが延出している。
FIG. 3A shows the appearance of the smoothing
図4は、平滑コンデンサとブスバーの接続部を表している。平滑コンデンサ3a〜3fは、ブスバー4の片側に配置されている。ブスバー4は、陽極部材4x、絶縁部材4yおよび陰極部材4zからなる3層構造を有している。陽極部材4xと陰極部材4zは絶縁部材4yを挟んで一体化されている。ブスバー4には2種類の貫通穴が穿設されている。ネジ21によって、陽極部材4xおよび陰極部材4zは、それぞれ、陽極電極3yと陰極電極3zと接続されている。平滑コンデンサ3a〜3fは、ブスバー4の絶縁部材側または陰極部材側のどちらか一方に固定される。ブスバー4には、平滑コンデンサ3a〜3fの他に半導体モジュール1a〜1iが接続される。
FIG. 4 shows a connection portion between the smoothing capacitor and the bus bar.
図5は、半導体モジュールとブスバーの接続部を表している。ブスバー4の端部(第1辺4a、第2辺4bおよび第3辺4c)には、陽極部材4xからなる陽極端子4vと陰極部材4zからなる陰極端子4wが3組形成されている。陽極側スイッチング半導体素子1pのドレイン端子1dはブスバー4の陽極端子4vと接合される。陰極側スイッチング半導体素子1nのソース端子1sはブスバー4の陰極端子4wと接合される。陽極側スイッチング半導体素子1pのソース端子1sと陰極側スイッチング半導体素子1nのドレイン端子1dは、出力用ケーブル5と接合されている。陽極側スイッチング半導体素子1pのゲート端子1gは、制御用ケーブル22aと接続されている。陰極側スイッチング半導体素子1nのゲート端子1gは、制御用ケーブル22bと接続されている。
FIG. 5 shows a connection portion between the semiconductor module and the bus bar. Three sets of anode terminals 4v made of an
図6は、半導体モジュールと平滑コンデンサの間の電流経路を示している。図には、半導体モジュール1a〜1iと平滑コンデンサ3a〜3fとブスバー4が示されている。半導体モジュール1aと平滑コンデンサ3aの間の距離Laaは距離laa(+)+距離laa(-)で表される。ここで、距離laa(+)は、半導体モジュール1aの陽極(陽極側スイッチング半導体素子1pのドレイン端子1d)から平滑コンデンサ3aの陽極電極までの距離を表している。また、距離laa(-)は、半導体モジュール1aの陰極(陰極側スイッチング半導体素子1nのソース端子1s)から平滑コンデンサ3aの陰極電極までの距離を表している。同様にして、半導体モジュール1aと平滑コンデンサ3b〜3fの間の距離Lab〜距離Lafを定義することができる。
FIG. 6 shows a current path between the semiconductor module and the smoothing capacitor. In the figure,
半導体モジュール1aと平滑コンデンサ3a〜3fに対する電流路長の総和を、半導体モジュール1aの総電流路長L(a)とすると、総電流路長L(a)は、距離Lab+距離Lab+……距離Lafから求めることができる。同様の議論を進めると、半導体モジュール1b〜1iの総電流路長L(b) 〜L(i)を求めることができる。本願に係わる実施の形態では、総電流路長L(a) 、総電流路長L(b)……総電流路長L(i)がすべて等しくなるように、平滑コンデンサ3a〜3fをブスバー4に配置している。
Assuming that the total current path length for the
次に動作について説明する。スイッチング用の半導体モジュール1において発生した熱は、平滑コンデンサ3とは十分な距離を保つため、平滑コンデンサ3までは伝熱せず、ブスバー4に一部が伝熱する。熱の大部分は隣接して配置される半導体モジュール冷却用のヒートシンク2へと伝熱する。半導体モジュール1と平滑コンデンサ3の間に距離があるため、半導体モジュール1の熱が平滑コンデンサ3に伝熱していくことを防ぐことができる。また、半導体モジュールの並列接続により電流を分流することが可能なため素子サイズが大きい大定格電流の半導体モジュールの使用を防ぐことができる。半導体モジュールの上部と下部にコンデンサを配置する必要がないため、電力変換装置を配置する空間の高さ制限が少ない。
Next, the operation will be described. The heat generated in the switching
上記実施の形態1による構成によれば、半導体モジュールと平滑コンデンサの間のブスバーに存在する寄生インダクタンスと寄生抵抗が均一化している。寄生インダクタンスに起因する、スイッチング時のサージ電圧におけるばらつきを抑制できるためスイッチング速度の低下に対する対策をとる必要がなくなり半導体モジュールの効率低下を防ぐことができる。大きなスナバ回路により過剰なサージ電圧保護を設ける必要がないので、スナバ回路構成が小型化する。 According to the configuration of the first embodiment, the parasitic inductance and the parasitic resistance existing in the bus bar between the semiconductor module and the smoothing capacitor are made uniform. Since variations in surge voltage at the time of switching due to parasitic inductance can be suppressed, it is not necessary to take measures against a decrease in switching speed, and a decrease in efficiency of the semiconductor module can be prevented. Since a large snubber circuit does not require excessive surge voltage protection, the snubber circuit configuration is downsized.
半導体モジュールを並列に接続すると寄生インダクタンスと寄生抵抗が発生する。半導体モジュールのスイッチング時、導通電流の分流ばらつきが低減しているので、負荷均一分散による半導体モジュールの長寿命化と最適な損失計算と冷却設計により冷却機構を小型化できる。寄生インダクタンスと半導体モジュールに存在する容量成分で生じるリンギングの周波数ばらつきを抑制することができるため、リンギング対策用のフィルタやスナバを小型化でき、対策用のフィルタやスナバの設計を簡素化できる。 When semiconductor modules are connected in parallel, parasitic inductance and parasitic resistance are generated. When the semiconductor module is switched, variation in the shunting current of the conduction current is reduced, so that the cooling mechanism can be miniaturized by extending the life of the semiconductor module by uniform load distribution and optimal loss calculation and cooling design. Since the ringing frequency variation caused by the parasitic inductance and the capacitance component present in the semiconductor module can be suppressed, the ringing filter and snubber can be reduced in size, and the countermeasure filter and snubber design can be simplified.
実施の形態2.
実施の形態2について図に基づいて説明する。図7Aは電力変換装置を表す鳥瞰図、図7Bは電力変換装置を表す正面図である。本実施の形態では、電力変換装置40は組込盤11に格納されている。組込盤11の天井部には冷却ファンなどの冷却装置10が配置されている。組込盤11の仕切り板11aに電力変換装置40は載置されている。ブスバー4に対して縦向きで配置しているヒートシンク2は、組込盤11の天井部に配置した冷却装置10によって冷却されている。組込盤11から外部に半導体モジュール1により熱された風が放出され、半導体モジュール1は必要な放熱量を放出する。また、半導体モジュール1の並列接続により電流が分流されているため、素子サイズが大きい大定格電流の半導体モジュールを使用する必要がない。
The second embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 7A is a bird's-eye view showing the power converter, and FIG. 7B is a front view showing the power converter. In the present embodiment, the
図8Aは、組込盤の内部における風の流れを示している鳥瞰図、図8Bは、組込盤の内部における風の流れを示している正面図である。各々の半導体モジュール1の下部にのみ平滑コンデンサを配置しているため、配置空間の高さ制限は緩くなる。半導体モジュール1と平滑コンデンサ3の間に距離があるため、半導体モジュール1の熱がコンデンサに伝熱されることを防ぐことができる。また、半導体モジュール1およびヒートシンク2と冷却装置10との距離を各相で差異なく配置できるため、冷却装置10によりヒートシンク2に風を均一に流すことが可能である。冷却性能の偏りによる半導体モジュールの温度ばらつき、および温度ばらつきに起因する単一の半導体モジュールへの過負荷を抑制することができる。
FIG. 8A is a bird's-eye view showing the flow of wind inside the built-in board, and FIG. 8B is a front view showing the flow of wind inside the built-in board. Since the smoothing capacitor is arranged only at the lower part of each
実施の形態3.
実施の形態3について図に基づいて説明する。図9Aは、組込盤の内部における風の流れを示している鳥瞰図、図9Bは、組込盤の内部における風の流れを示している正面図である。電力変換装置40は組込盤11に格納されている。図に示すように盤上部と盤下部に風穴12を設けている。盤天井部に冷却装置を配置することが不可能な場合には、盤上部と盤下部に風穴12を設けることで、自然対流によりヒートシンク2に風を均一に流すことが可能であり、冷却性能の偏りによる半導体モジュールの温度ばらつき、および温度ばらつきに起因する単一の半導体モジュールへの過負荷を抑制することができる。
The third embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 9A is a bird's-eye view showing the flow of wind inside the built-in board, and FIG. 9B is a front view showing the flow of wind inside the built-in board. The
実施の形態4.
上記実施の形態1〜3では、ヒートシンク2を縦向きでコの字型に配置し、コの字型の内部に平滑コンデンサ2を、各々の半導体モジュールと距離が均一になるよう配置した。
平滑コンデンサの数量によっては、半導体モジュールと平滑コンデンサの距離を均一にすることが困難となる可能性が考えられるので、本実施の形態では、図10に示すように、9角形のブスバー4を用意している。ブスバー4は第1辺4a、第2辺4b、第3辺4c、第4辺4d、第5辺4e、第6辺4f、第7辺4g、第8辺4hおよび第9辺4iを有する九角形状を呈している。
In the first to third embodiments, the
Depending on the number of smoothing capacitors, it may be difficult to make the distance between the semiconductor module and the smoothing capacitor uniform. Therefore, in this embodiment, a
同相の半導体モジュール1は2個おきにブスバーの各辺に配置する。従って、半導体モジュール1aは、第1辺4aに配置されている。半導体モジュール1bは、第4辺4dに配置されている。半導体モジュール1cは、第7辺4gに配置されている。半導体モジュール1dは、第2辺4bに配置されている。半導体モジュール1eは、第5辺4eに配置されている。半導体モジュール1fは、第8辺4hに配置されている。半導体モジュール1gは、第3辺4cに配置されている。半導体モジュール1hは、第6辺4fに配置されている。半導体モジュール1iは、第9辺4iに配置されている。
Every two in-
半導体モジュール1に隣接させて半導体モジュール冷却用のヒートシンク2を縦向きに配置している。半導体モジュール1とヒートシンク2は9角形を構成する。9角形の内部には平滑コンデンサ3を配置し、半導体モジュール1とブスバー4で接続する。本実施の形態でも、総電流路長L(a) 、総電流路長L(b)……総電流路長L(i)がすべて等しくなるように、平滑コンデンサ3a〜3fをブスバー4に配置している。
A
上記構成にすることで、コの字型構成では半導体モジュールと平滑コンデンサの距離を均一にしづらい平滑コンデンサの数量でも、半導体モジュールおよびヒートシンクの距離を各相で差異なく配置できる。半導体モジュールと平滑コンデンサの間のブスバーに存在する寄生インダクタンスと寄生抵抗は均一化している。寄生インダクタンスに起因するスイッチング時のサージ電圧のばらつきを抑制できるためスイッチング速度の低下に対する対策を施す必要がなくなり半導体モジュールの効率低下を防ぐことができる。大きなスナバ回路により過剰なサージ電圧保護を設ける必要がないので、スナバ回路構成が小型化する。 With the above configuration, the distance between the semiconductor module and the heat sink can be arranged without difference in each phase even with the number of smoothing capacitors in which the distance between the semiconductor module and the smoothing capacitor is not uniform in the U-shaped configuration. The parasitic inductance and parasitic resistance existing in the bus bar between the semiconductor module and the smoothing capacitor are made uniform. Since variations in surge voltage during switching caused by parasitic inductance can be suppressed, it is not necessary to take measures against a decrease in switching speed, and a decrease in efficiency of the semiconductor module can be prevented. Since a large snubber circuit does not require excessive surge voltage protection, the snubber circuit configuration is downsized.
半導体モジュールを並列に接続すると寄生インダクタンスと寄生抵抗が発生する。半導体モジュールのスイッチング時、導通電流の分流ばらつきが低減しているので、負荷均一分散による半導体モジュールの長寿命化と、最適な損失計算と冷却設計により冷却機構を小型化できる。寄生インダクタンスと半導体モジュールに存在する容量成分で生じるリンギングの周波数ばらつきを抑制することができるため、リンギング対策用のフィルタやスナバが小型化し、対策用のフィルタやスナバの設計を簡素化できる。 When semiconductor modules are connected in parallel, parasitic inductance and parasitic resistance are generated. When the semiconductor module is switched, the variation in the shunt current of the conduction current is reduced, so that the life of the semiconductor module can be extended by uniform load distribution, and the cooling mechanism can be downsized by optimal loss calculation and cooling design. Since the ringing frequency variation caused by the parasitic inductance and the capacitance component existing in the semiconductor module can be suppressed, the ringing countermeasure filter and snubber can be downsized, and the countermeasure filter and snubber design can be simplified.
実施の形態5.
実施の形態5について図に基づいて説明する。図11Aは電力変換装置を表す鳥瞰図、図11Bは電力変換装置を表す正面図である。電力変換装置40は組込盤11に格納されている。組込盤11の天井部には冷却ファンなどの冷却装置10が配置されている。本実施の形態によれば、半導体モジュール1およびヒートシンク2と冷却装置10との距離を各相で差異なく配置できるため、冷却装置10により各々のヒートシンク2に風を均一に流すことが可能になる。冷却性能の偏りによる半導体モジュールの温度ばらつき、および温度ばらつきに起因する単一の半導体モジュールへの過負荷を抑制することができる。
The fifth embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 11A is a bird's-eye view showing the power converter, and FIG. 11B is a front view showing the power converter. The
実施の形態6.
実施の形態6について図に基づいて説明する。図12Aは電力変換装置を表す鳥瞰図、図12Bは電力変換装置を表す正面図である。上記実施の形態1から5では、ヒートシンク2はベース部を縦向きに配置したが、盤上部に冷却装置を配置できない場合が考えられる。本実施の形態では、縦向きに配置していたヒートシンク2をベース部がブスバーに対し横向きになるように配置し、ヒートシンク2の上部にスイッチング用の半導体モジュールを配置している。ブスバー4の中央部には平滑コンデンサ3を配置し、半導体モジュール1とブスバー4で接続する。
The sixth embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 12A is a bird's-eye view showing the power converter, and FIG. 12B is a front view showing the power converter. In the first to fifth embodiments, the
実施の形態7.
実施の形態7について図に基づいて説明する。図13Aは電力変換装置を表す鳥瞰図、図13Bは電力変換装置を表す正面図である。電力変換装置40は組込盤11に格納されている。組込盤11の側面部には冷却ファンなどの冷却装置10が配置されている。組込盤11の仕切り板11aに電力変換装置40は載置されている。上記構成にすることで、冷却装置10により、組込盤11の側面から冷却が可能となる。風の向きに平行となるよう横向きに配置したヒートシンク2だけでなく、平滑コンデンサ3にも風を流し冷却することが可能なため、平滑コンデンサの温度上昇を防ぎ長寿命化することができる。
The seventh embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 13A is a bird's-eye view showing a power converter, and FIG. 13B is a front view showing the power converter. The
実施の形態8.
実施の形態8について図に基づいて説明する。図14Aは電力変換装置を表す鳥瞰図、図14Bは電力変換装置を表す正面図である。電力変換装置40は組込盤11に格納されている。組込盤11の側面部には風穴12が配置されている。組込盤11の仕切り板11aに電力変換装置40は載置されている。盤天井部に冷却装置を配置することが不可能な場合には、盤両側面に風穴12を設けることで、旅客車両のような走行時の風により冷却をする機構に組み込むことも可能となる。風の向きに平行となるよう横向きに配置したヒートシンク2だけでなく、平滑コンデンサ3にも風を流し冷却することが可能なため、平滑コンデンサの温度上昇を防ぎ長寿命化することができる。
An eighth embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 14A is a bird's-eye view showing the power converter, and FIG. 14B is a front view showing the power converter. The
実施の形態9.
実施の形態9について図に基づいて説明する。図15Aは電力変換装置を表す鳥瞰図、図15Bは電力変換装置を表す正面図である。本実施の形態では、9角形のブスバー4を用意している。同相の半導体モジュール1は2個おきにブスバーの各辺に配置する。半導体モジュール1に隣接させて半導体モジュール冷却用のヒートシンク2を横向きに配置する。半導体モジュール1とヒートシンク2は9角形を構成する。9角形の内部には平滑コンデンサ3を配置し、半導体モジュール1とブスバー4で接続する。
上記構成にすることで、コの字型構成では半導体モジュールと平滑コンデンサの距離を均一にしづらい平滑コンデンサの数量でも、半導体モジュールおよびヒートシンクの距離を各相で差異なく配置できる。半導体モジュールと平滑コンデンサの間のブスバーに存在する寄生インダクタンスと寄生抵抗は均一化している。寄生インダクタンスに起因するスイッチング時のサージ電圧のばらつきを抑制できるためスイッチング速度の低下に対する対策を施す必要がなくなり半導体モジュールの効率低下を防ぐことができる。大きなスナバ回路により過剰なサージ電圧保護を設ける必要がないので、スナバ回路構成が小型化する。 With the above configuration, the distance between the semiconductor module and the heat sink can be arranged without difference in each phase even with the number of smoothing capacitors in which the distance between the semiconductor module and the smoothing capacitor is not uniform in the U-shaped configuration. The parasitic inductance and parasitic resistance existing in the bus bar between the semiconductor module and the smoothing capacitor are made uniform. Since variations in surge voltage during switching caused by parasitic inductance can be suppressed, it is not necessary to take measures against a decrease in switching speed, and a decrease in efficiency of the semiconductor module can be prevented. Since a large snubber circuit does not require excessive surge voltage protection, the snubber circuit configuration is downsized.
半導体モジュールを並列に接続すると寄生インダクタンスと寄生抵抗が発生する。半導体モジュールのスイッチング時、導通電流の分流ばらつきが低減しているので、負荷均一分散により半導体モジュールが長寿命化し、最適な損失計算と冷却設計により冷却機構を小型化できる。寄生インダクタンスと半導体モジュールに存在する容量成分で生じるリンギングの周波数ばらつきを抑制することができるため、リンギング対策用のフィルタやスナバが小型化し、対策用のフィルタやスナバの設計を簡素化できる。 When semiconductor modules are connected in parallel, parasitic inductance and parasitic resistance are generated. When the semiconductor module is switched, the variation in the shunt current of the conduction current is reduced, so that the life of the semiconductor module is extended by uniform load distribution, and the cooling mechanism can be downsized by optimal loss calculation and cooling design. Since the ringing frequency variation caused by the parasitic inductance and the capacitance component existing in the semiconductor module can be suppressed, the ringing countermeasure filter and snubber can be downsized, and the countermeasure filter and snubber design can be simplified.
実施の形態10.
実施の形態10について図に基づいて説明する。図16Aは電力変換装置を表す鳥瞰図、図16Bは電力変換装置を表す正面図である。電力変換装置40は組込盤11に格納されている。組込盤11の側面部には冷却ファンなどの冷却装置10が配置されている。組込盤11の仕切り板11aに電力変換装置40は載置されている。上記構成にすることで、冷却装置10により、組込盤11の側面から冷却が可能となる。風の向きに平行となるよう横向きに配置したヒートシンク2だけでなく、平滑コンデンサ3にも風を流し冷却することが可能なため、平滑コンデンサの温度上昇を防ぎ長寿命化することができる。
The tenth embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 16A is a bird's-eye view showing the power converter, and FIG. 16B is a front view showing the power converter. The
実施の形態11.
実施の形態11について図に基づいて説明する。図17Aは電力変換装置を表す鳥瞰図、図17Bは電力変換装置を表す正面図である。電力変換装置40は組込盤11に格納されている。組込盤11の側面部には風穴12が配置されている。組込盤11の仕切り板11aに電力変換装置40は載置されている。盤側面に冷却装置を配置することが不可能な場合には、盤両側面に風穴12を設けることで、旅客車両のような走行時の風により冷却をする機構に組み込むことも可能となる。風の向きに平行となるよう横向きに配置したヒートシンク2だけでなく、平滑コンデンサ3にも風を流し冷却することが可能なため、平滑コンデンサの温度上昇を防ぎ長寿命化することができる。
An eleventh embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 17A is a bird's-eye view showing the power converter, and FIG. 17B is a front view showing the power converter. The
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
1 半導体モジュール、2 ヒートシンク、3 平滑コンデンサ、4 ブスバー、5 出力用ケーブル、6 コンバータ、7 直流リアクトル、11 組込盤、40 電力変換装置、100 パワーエレクトロニクス装置
DESCRIPTION OF
Claims (10)
陽極部材と陰極部材が絶縁部材を挟んで一体化されているブスバーと、
直列に接続されている陽極側スイッチング半導体素子と陰極側スイッチング半導体素子を有し、フィン部とベース部を有するヒートシンクに固定されている複数個の半導体モジュールと、を備え、
前記複数個の平滑コンデンサの陽極電極は前記ブスバーの陽極部材と接続され、
前記複数個の平滑コンデンサの陰極電極は前記ブスバーの陰極部材と接続され、
前記複数個の平滑コンデンサは前記ブスバーの片側に配置されていて、
前記複数個の半導体モジュールは前記ブスバーの周囲に配置されている電力変換装置。 A plurality of smoothing capacitors in which an anode electrode and a cathode electrode are provided on the head side of the main body,
A bus bar in which an anode member and a cathode member are integrated with an insulating member interposed therebetween;
A plurality of semiconductor modules having an anode-side switching semiconductor element and a cathode-side switching semiconductor element connected in series, and fixed to a heat sink having a fin portion and a base portion;
The anode electrodes of the plurality of smoothing capacitors are connected to the anode member of the bus bar,
The cathode electrodes of the plurality of smoothing capacitors are connected to the cathode member of the bus bar,
The plurality of smoothing capacitors are disposed on one side of the bus bar,
The plurality of semiconductor modules are power converters arranged around the bus bar.
陽極電極と陰極電極が本体部の頭部側に設けられていて、前記コンバータの直流出力に対し並列に接続されている複数の平滑コンデンサと、
フィン部とベース部を有する第1から第9のヒートシンクと、
陽極部材と陰極部材が絶縁部材を挟んで一体化されているブスバーと、
直列に接続されている陽極側スイッチング半導体素子と陰極側スイッチング半導体素子を有し、交流電力のU相を出力し、相互に並列に接続されている第1の半導体モジュール、第2の半導体モジュールおよび第3の半導体モジュールと、
直列に接続されている陽極側スイッチング半導体素子と陰極側スイッチング半導体素子を有し、交流電力のV相を出力し、相互に並列に接続されている第4の半導体モジュール、第5の半導体モジュールおよび第6の半導体モジュールと、
直列に接続されている陽極側スイッチング半導体素子と陰極側スイッチング半導体素子を有し、交流電力のW相を出力し、相互に並列に接続されている第7の半導体モジュール、第8の半導体モジュールおよび第9の半導体モジュールと、を備え、
前記第1から第9のヒートシンクは、それぞれ前記第1から第9の半導体モジュールに固定されており、
前記複数の平滑コンデンサの陽極電極は前記ブスバーの陽極部材と接続され、
前記複数の平滑コンデンサの陰極電極は前記ブスバーの陰極部材と接続され、
前記複数の平滑コンデンサは前記ブスバーの片側に配置されているパワーエレクトロニクス装置。 A converter that converts AC input to DC output;
A plurality of smoothing capacitors, wherein an anode electrode and a cathode electrode are provided on the head side of the main body, and are connected in parallel to the DC output of the converter;
First to ninth heat sinks having fin portions and base portions;
A bus bar in which an anode member and a cathode member are integrated with an insulating member interposed therebetween;
A first semiconductor module, a second semiconductor module, which have an anode-side switching semiconductor element and a cathode-side switching semiconductor element connected in series, output a U phase of AC power, and are connected in parallel to each other; A third semiconductor module;
A fourth semiconductor module, a fifth semiconductor module, which have an anode-side switching semiconductor element and a cathode-side switching semiconductor element connected in series, output the V phase of AC power, and are connected in parallel to each other; A sixth semiconductor module;
A seventh semiconductor module, an eighth semiconductor module, which have an anode-side switching semiconductor element and a cathode-side switching semiconductor element connected in series, output a W phase of AC power, and are connected in parallel to each other; A ninth semiconductor module;
The first to ninth heat sinks are fixed to the first to ninth semiconductor modules, respectively.
The anode electrodes of the plurality of smoothing capacitors are connected to the anode member of the bus bar,
The cathode electrodes of the plurality of smoothing capacitors are connected to the cathode member of the bus bar,
The power electronics device in which the plurality of smoothing capacitors are arranged on one side of the bus bar.
前記第1の半導体モジュール、第2の半導体モジュールおよび第3の半導体モジュールは、前記ブスバーの第1辺に配置され、
前記第4の半導体モジュール、第5の半導体モジュールおよび第6の半導体モジュールは、前記ブスバーの第2辺に配置され、
前記第7の半導体モジュール、第8の半導体モジュールおよび第9の半導体モジュールは、前記ブスバーの第3辺に配置され、
前記ブスバーの第4辺は開放されていることを特徴とする請求項2に記載のパワーエレクトロニクス装置。 The bus bar has a rectangular shape having a first side, a second side, a third side, and a fourth side,
The first semiconductor module, the second semiconductor module, and the third semiconductor module are disposed on a first side of the bus bar,
The fourth semiconductor module, the fifth semiconductor module, and the sixth semiconductor module are disposed on the second side of the bus bar,
The seventh semiconductor module, the eighth semiconductor module, and the ninth semiconductor module are disposed on the third side of the bus bar,
The power electronics device according to claim 2, wherein a fourth side of the bus bar is open.
前記第1の半導体モジュールは、前記ブスバーの第1辺に配置され、
前記第2の半導体モジュールは、前記ブスバーの第4辺に配置され、
前記第3の半導体モジュールは、前記ブスバーの第7辺に配置され、
前記第4の半導体モジュールは、前記ブスバーの第2辺に配置され、
前記第5の半導体モジュールは、前記ブスバーの第5辺に配置され、
前記第6の半導体モジュールは、前記ブスバーの第8辺に配置され、
前記第7の半導体モジュールは、前記ブスバーの第3辺に配置され、
前記第8の半導体モジュールは、前記ブスバーの第6辺に配置され、
前記第9の半導体モジュールは、前記ブスバーの第9辺に配置されていることを特徴とする請求項2に記載のパワーエレクトロニクス装置。 The bus bar has a nine-sided shape having a first side, a second side, a third side, a fourth side, a fifth side, a sixth side, a seventh side, an eighth side, and a ninth side;
The first semiconductor module is disposed on a first side of the bus bar,
The second semiconductor module is disposed on a fourth side of the bus bar,
The third semiconductor module is disposed on a seventh side of the bus bar;
The fourth semiconductor module is disposed on a second side of the bus bar,
The fifth semiconductor module is disposed on a fifth side of the bus bar,
The sixth semiconductor module is disposed on the eighth side of the bus bar,
The seventh semiconductor module is disposed on a third side of the bus bar;
The eighth semiconductor module is disposed on the sixth side of the bus bar,
The power electronics device according to claim 2, wherein the ninth semiconductor module is disposed on a ninth side of the bus bar.
Priority Applications (1)
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JP2015025981A JP2016149883A (en) | 2015-02-13 | 2015-02-13 | Power conversion device and power electronics device |
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