JP2020162378A

JP2020162378A - 導体接続構造

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Publication number: JP2020162378A
Application number: JP2019062101A
Authority: JP
Inventors: 誉人内田; Yoshito Uchida
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: JP7088106B2

Abstract

【課題】単相電力変換器の導体接続構造において、サージ電圧を抑制すると共に漏れ磁束を低減しつつ、ヒートシンクの冷却自由度の向上を図る単相電力変換器の導体接続構造を提供する。【解決手段】導体接続構造１において、第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２とが対称に傾斜配置される。第一ヒートシンク１１の表面の下辺寄りの部位には、半導体デバイスＴ１、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ７が配置される。第二ヒートシンク１２の表面の下辺寄りの部位には、半導体デバイスＴ２、Ｔ４、Ｔ６、Ｔ８が配置される。正極導体Ｐ及び負極導体Ｎは、第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２との間で平滑コンデンサＣを立設支持した状態で、単相電力変換器の半導体デバイスＴ１〜Ｔ８と平滑コンデンサＣとを接続する。【選択図】図１

Description

本発明は、単相電力変換器の導体接続構造に関する。

高周波電流が流れる単相電力変換器は以下の点が重要となる。
（１）並列する半導体パワーデバイスの電流バランスを考慮し、導通経路長の均一化が要求される。
（２）サージ電圧、インダクタンスの低減のために導通経路長の縮小化が要求される。
（３）外部への漏れ磁束を低減させるために往復導体の対向近接化が要求される。

以上の要求を充足するために例えば特許文献１〜３に開示の導体の配置構造がある。

特許文献１の単相電力変換装置は、半導体パワーデバイス及び平滑コンデンサが横並びに配置され、また、正極導体と負極導体とが対向して近接する共にＵ相導体とＶ相導体とが対向して近接するように配置されている。

特許文献２の電力変換装置は、薄い板状のヒートシンクを上下配置し、これらのヒートシンクの間で正極導体と負極導体とを対向して近接させると共にＵ相導体とＶ相導体とを対向近接させて通している。

特許文献３の電力変換装置は、同一平面上の薄い板状の正極用，負極用のヒートシンクの間に絶縁部材を介して正極導体と負極導体が対向して近接するように配置されている。

特開２０１７−２２５２３５号公報特開２０１７−１８８９９６号公報特開２０１６−１５８３４２号公報

しかしながら、特許文献１の単相電力変換装置の導体接続構造は、半導体パワーデバイスの端子から引き出された後のＵ相導体とＶ相導体とが対向近接していない部分が長くなるので、漏れ磁束が大きくなり易い。

特許文献２の電力変換装置の導体接続構造は、ヒートシンクのサイズや冷却方式が限定されてしまう。

特許文献３の導体の配置構造は、半導体パワーデバイスと平滑コンデンサとの間の距離が大きくなり易くなるので、導通経路の短縮化が図れない。

本発明は、上記の事情を鑑み、単相電力変換器の導体接続構造において、サージ電圧を抑制すると共に漏れ磁束を低減しつつ、ヒートシンクの冷却自由度の向上を図ることを課題とする。

そこで、本発明の一態様は、単相電力変換器の導体接続構造であって、傾斜配置される第一ヒートシンクと、この第一ヒートシンクの表面の下辺寄りの部位に配置される単相電力変換器のＵ相側の複数の半導体デバイスと、前記第一ヒートシンクと対称に傾斜配置される第二ヒートシンクと、この第二ヒートシンクの表面の下辺寄りの部位に配置される前記単相電力変換器のＶ相側の複数の半導体デバイスと、前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で平滑コンデンサを立設支持した状態で前記単相電力変換器のＵ相側及びＶ相側の半導体デバイスの正極と当該平滑コンデンサとを接続する長板状の正極導体と、前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で前記平滑コンデンサを立設支持した状態で前記単相電力変換器のＵ相側及びＶ相側の半導体デバイスの負極と当該平滑コンデンサとを接続する前記正極導体と同形の負極導体と、前記単相電力変換器のＵ相側の半導体デバイスの共通接続点に接続されて前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間から下方鉛直に引き出される板状のＵ相導体と、前記単相電力変換器のＶ相側の半導体デバイスの共通接続点に接続されて前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間から前記Ｕ相導体と対向して下方鉛直に引き出される板状のＶ相導体と有する。

本発明の一態様は、前記単相電力変換器の導体接続構造において、前記正極導体及び前記負極導体は、前記Ｕ相側及びＶ相側の半導体デバイスの正極及び負極に対して着脱自在である。

本発明の一態様は、前記単相電力変換器の導体接続構造において、前記第一ヒートシンク及び前記第二ヒートシンクは板状またはヒートパイプ式のヒートシンクである。

以上の本発明によれば、単相電力変換器の導体接続構造において、サージ電圧を抑制すると共に漏れ磁束を低減しつつ、ヒートシンクの冷却自由度の向上が図られる。

（ａ）は本発明の実施形態１である単相電力変換器の導体接続構造の平面図、（ｂ）は平滑コンデンサが配置された状態の当該構造の平面図（ｃ）は当該構造の正面図。本発明の実施形態２である単相電力変換器の導体接続構造の正面図。本発明の実施形態３である単相電力変換器の導体接続構造の正面図。実施形態３の導体接続構造の斜視図。実施形態１〜３の単相電力変換器の回路図。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１に示された本発明の一態様としての導体接続構造１は、ＩＧＢＴ等の図５に例示した４個の半導体デバイスＴ１〜Ｔ４を並列に接続した単相電力変換器を直列した電力変換回路に基づく単相電力変換器の導体接続構造である。

導体接続構造１は、第一ヒートシンク１１、第二ヒートシンク１２、正極導体Ｐ、負極導体Ｎ、Ｕ相導体Ｕ及びＶ相導体Ｖを有する。

第一ヒートシンク１１は、板状の鋼材からなり、傾斜配置されている。そして、第一ヒートシンク１１の表面の下辺寄りの部位には、単相電力変換器ＩＮＶのＵ相側の半導体デバイスＴ１，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ７が配置されている。また、第一ヒートシンク１１の側面にはフィン１１１が備えられている。

第二ヒートシンク１２は、第一ヒートシンク１１と同形の板状の鋼材からなり、第一ヒートシンク１１の表面に対して所定の角度θで第一ヒートシンク１１と対称に傾斜配置される。そして、第二ヒートシンク１２の表面の下辺寄りの部位には、単相電力変換器ＩＮＶのＶ相側の半導体デバイスＴ２，Ｔ４，Ｔ６，Ｔ８が半導体デバイスＴ１，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ７と対称に配置されている。また、第二ヒートシンク１２の側面にはフィン１２１が備えられている。

正極導体Ｐは、第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２との間で平滑コンデンサＣを立設支持した状態で、単相電力変換器ＩＮＶの半導体デバイスＴ１〜Ｔ８の正極ＴＰと平滑コンデンサＣとを接続させる長板状の導体からなる。

負極導体Ｎは、第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２との間で平滑コンデンサＣを立設支持した状態で、単相電力変換器ＩＮＶの半導体デバイスＴ１〜Ｔ８の負極ＴＮと平滑コンデンサＣとを接続させる正極導体Ｐと同形の長板状の導体からなる。

Ｕ相導体Ｕは、単相電力変換器ＩＮＶのＵ相側の半導体デバイスＴ１，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ７の共通接続点に接続されて第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２との間から下方鉛直に引き出される板状の導体からなる。

Ｖ相導体Ｖは、単相電力変換器ＩＮＶのＶ相側の半導体デバイスＴ２，Ｔ４，Ｔ６，Ｔ８の共通接続点に接続されて第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２との間から図示省略の絶縁部材を介してＵ相導体Ｕと対向して下方鉛直に引き出されるＵ相導体Ｕと同形の板状の導体からなる。

（本実施形態の効果）
以上の導体接続構造１によれば、第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２とが対称に傾斜配置されている。また、第一ヒートシンク１１の表面の下辺寄りの部位に半導体デバイスＴ１，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ７が配置され、第二ヒートシンク１２の表面の下辺寄りの部位には、半導体デバイスＴ２，Ｔ４，Ｔ６，Ｔ８が配置されている。さらに、正極導体Ｐ及び負極導体Ｎは、第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２との間で平滑コンデンサＣを立設支持した状態で、単相電力変換器ＩＮＶの半導体デバイスＴ１〜Ｔ８と平滑コンデンサＣとを接続させている。以上のように半導体デバイスＴ１〜Ｔ８と平滑コンデンサＣが集約配置されるので、単相電力変換器は従来構造よりもコンパクトとなる。

また、半導体デバイスＴ１〜Ｔ８及び平滑コンデンサＣが互いに近傍に配置された態様により、以下の式（１）（２）を根拠に導体の自己インダクタンスが低減してサージ電圧を抑制できる。

すなわち、導体が長いと、式（１）（２）のように、導体の自己インダクタンスＬが大きくなり、単相電力変換器のサージ電圧ΔＥが増大する。

式（１）（２）において、ｌ：導体長さ、Ｒ：自己幾何学的平均距離、Ｋ：配線インダクタンス、Ｍ：相互インダクタンス、ｄｉ／ｄｔ：遮断電流の瞬間変化率である。

また、往復導体の導体間距離が大きいと、導体の配線インダクタンスを低減させる相互インダクタンスが小さくなり、以下の式（３）（４）のように、単相電力変換器のサージ電圧が増大する。式（３）はｌ／ｒが大である場合の相互インダクタンスＭを示す式であり、式（４）はｌ／ｒが小である場合の相互インダクタンスＭ’を示す式であり、ｒ：導体間距離（式（５）も同様）、Ｄ：相互幾何学的平均距離である。

さらに、Ｕ相導体Ｕ、Ｖ相導体Ｖも互いに近傍に配置されているので、以下の式（５）（６）を根拠に漏れ磁束が低減する。

すなわち、往復導体の導体間距離が大きいと、式（５）〜（８）から明らかなように、近接する磁性体に作用する漏れ磁束Φが大きくなり、誘導起電圧εおよび渦電流損Ｑが大きくなり易くなる。式（５）〜（８）において、Ｘ：磁性体と往路導体の距離、Ｂ：近接する磁性体に作用する磁束密度、Ｂａ，Ｂｂ：磁性体位置の往復導体による磁束密度、μ：透磁率、Ｉ：うず電流、Ｒ：抵抗である。

また、正極導体Ｐと負極導体Ｎとが同一形状を成し、また、Ｕ相導体ＵとＶ相導体Ｖとが同一形状を成しているので、並列する半導体デバイスＴ１〜Ｔ８の電流バランスが改善する。

さらに、対称に傾斜配置された第一ヒートシンク１１と第二ヒートシンク１２が形成する角度θにより単相電力変換器の体積は変化する。単相電力変換器をよりコンパクトにするためには角度θを小さくすれば良いが、角度θを小さくし過ぎるとＵ相導体とＶ相導体が対向近接しない部分が増えるので、漏れ磁束の大きさとのトレードオフ関係となる。高周波電流が流れ漏れ磁束の影響が大きいケースでは角度θは９０°前後が適当である。

デッドスペースを無くし、単相電力変換器をよりコンパクトにするためには第一ヒートシンク１１及び第二ヒートシンク１２の長さＬを短くするのが効果的である。例えば、第一ヒートシンク１１及び第二ヒートシンク１２を、水冷化して小型化、または、冷却風の流れの向きを正面から背面へ向かう方向に変更することにより、長さＬの短小化が図れる。

第一ヒートシンク１１及び第二ヒートシンク１２の長さ、厚み、幅方向に導体やその他の部品が無いので、ヒートシンクのサイズや冷却方式の自由度が高くなる。

［実施形態２］
また、図２に示したように、導体接続構造１において、正極導体Ｐ及び負極導体Ｎは、Ｕ相側及びＶ相側の半導体デバイスＴ１〜Ｔ８の正極ＴＰ及び負極ＴＮに対して着脱自在であるとよい。これにより、半導体デバイスＴ１〜Ｔ８と平滑コンデンサＣを個別に組み立てることができるようになるので組立作業性が改善する。

［実施形態３］
さらに、図３に示したように、導体接続構造１においては、第一ヒートシンク１１及び第二ヒートシンク１２には、板状のヒートシンクに代えて、ヒートパイプ式のヒートシンクを適用してもよい。冷媒としては、水に例示され周知の冷媒を適用すればよい。

第一ヒートシンク１１の側面１３及び第二ヒートシンク１２の側面１４には、冷媒を第一ヒートシンク１１及び第二ヒートシンク１２の内部に循環的に供給する複数のヒートパイプ２１が接続されている。さらに、このヒートパイプ２１には複数のフィン２２が周設されている。

そして、本態様の第一ヒートシンク１１及び第二ヒートシンク１２は、図４に示された支持フレーム３に支持される。支持フレーム３は、第一固定フレーム３１、第二固定フレーム３２及び第三固定フレーム３３を備える。第一固定フレーム３１は、第一ヒートシンク１１及び第二ヒートシンク１２が固定支持される直方体の枠体からなる。第二固定フレーム３２は、第一固定フレーム３１の内部で正極導体Ｐ、負極導体Ｎ、Ｕ相導体Ｕ及びＶ相導体Ｖを固定支持する。第三固定フレーム３３は、単相電力変換器ＩＮＶの複数の平滑コンデンサＣを第一固定フレーム３１の上部にて固定支持する。

以上の本実施形態によれば、第一ヒートシンク１１及び第二ヒートシンク１２を斜めに配置される特徴を生かし、ヒートパイプ２１内作動液の循環作用を高めて冷却能力を高めることができる。

１…導体接続構造
ＩＮＶ…単相電力変換器、Ｔ１〜Ｔ８…半導体デバイス、ＴＰ…正極、ＴＮ…負極、Ｃ…平滑コンデンサ
１１…第一ヒートシンク、１２…第二ヒートシンク
Ｐ…正極導体、Ｎ…負極導体、Ｕ…Ｕ相導体、Ｖ…Ｖ相導体
２１…ヒートパイプ、２２…フィン
３…支持フレーム、３１…第一固定フレーム、３２…第二固定フレーム、３３…第三固定フレーム

Claims

単相電力変換器の導体接続構造であって、
傾斜配置される第一ヒートシンクと、
この第一ヒートシンクの表面の下辺寄りの部位に配置される単相電力変換器のＵ相側の複数の半導体デバイスと、
前記第一ヒートシンクと対称に傾斜配置される第二ヒートシンクと、
この第二ヒートシンクの表面の下辺寄りの部位に配置される前記単相電力変換器のＶ相側の複数の半導体デバイスと、
前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で平滑コンデンサを立設支持した状態で前記単相電力変換器のＵ相側及びＶ相側の半導体デバイスの正極と当該平滑コンデンサとを接続する長板状の正極導体と、
前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間で前記平滑コンデンサを立設支持した状態で前記単相電力変換器のＵ相側及びＶ相側の半導体デバイスの負極と当該平滑コンデンサとを接続する前記正極導体と同形の負極導体と、
前記単相電力変換器のＵ相側の半導体デバイスの共通接続点に接続されて前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間から下方鉛直に引き出される板状のＵ相導体と、
前記単相電力変換器のＶ相側の半導体デバイスの共通接続点に接続されて前記第一ヒートシンクと前記第二ヒートシンクとの間から前記Ｕ相導体と対向して下方鉛直に引き出される板状のＶ相導体と
有することを特徴とする導体接続構造。
前記正極導体及び前記負極導体は、前記Ｕ相側及びＶ相側の半導体デバイスの正極及び負極に対して着脱自在であること
を特徴とする請求項１に記載の導体接続構造。
前記第一ヒートシンク及び前記第二ヒートシンクは板状またはヒートパイプ式のヒートシンクであることを特徴とする請求項１または２に導体接続構造。