JP3566505B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気部品の冷却を、ファンを用いて強制的に行なうようにしたインバータ装置に係り、特にスナバ回路を有するインバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気装置には、一般に、動作に伴う損失のため発熱し、温度が上昇してしまう電気部品が存在する。
この場合、特に何も冷却手段を設けなくて済む場合もあるが、容量の大きな電力用の機器では、冷却を要する電気部品に放熱用のフィンを設け、自然空冷による冷却能力を上げたり、更には、ファンを設けて強制的に通風を行うようにした強制冷却方式の適用を要する場合も生じる。
例えば、周知のインバータ装置では、その定格容量によっては、主な発熱部品である主回路のスイッチング素子に対して、電動ファンによる強制冷却方式の適用が不可欠である。
【０００３】
ところで、このインバータ装置では、スナバ抵抗器を初め様々な抵抗器が用いられているが、これらの抵抗器は何れも基本的には発熱体で、扱う電力によってはかなり発熱する場合がある。
特にスナバ抵抗器は発熱量が多く、このため、従来のインバータ装置では、このスナバ抵抗器については、主回路のスイッチング素子などの主な発熱部品から比較的離れた位置に設置し、そのままで自然空冷により温度上昇が抑えられるようにするのが一般的であった。
【０００４】
一方、電動ファンによる冷却空気の流路に抵抗器を配置したインバータ装置も従来技術として知られており、さらには、電動ファンを別に設け、これにより抵抗器などの電気部品だけを独立に強制冷却する方法も、従来技術として知られていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、本来の強制冷却を要する電気部品以外の電気部品の冷却について配慮がされておらず、以下に説明する問題があった。
まず、上記従来技術の内、自然冷却によるものでは、抵抗器などが発熱体のため、熱に弱いコンデンサやトランジスタなどの電気部品から比較的遠い場所に配置せざるを得なかった。
【０００６】
このため、抵抗器など一部の電気部品までの配線が長くなり、電線を束ねるなどの処理が必要になって製造に手間がかかるという問題があった。
また、主回路での大きな電流が流れている電線を、長い距離にわたって引き回した結果、電気的にも新たな問題か発生する虞れがあった。
【０００７】
さらに、この場合、自然空冷のため空気の流れが弱く、均一な空気の流れが得がたいことから、必要な冷却能力を得るのが困難で、この結果、抵抗器などの電気部品を大型化しなければならないという問題があった。
【０００８】
また、特別に放熱効率の良い電気部品が必要になって、汎用製品では対応困難になって、特別仕様の大型の部品に頼らざるを得ず、コストが上昇してしまうという問題があり、さらに、この大型化した電気部品の使用により、大きな配置スペースが必要になって、装置全体が大型化してしまうという問題があった。
【０００９】
一方、電動ファンを用いた強制冷却方式の場合でも、従来技術では、放熱用フィンの上流側や冷却フィンの裏側など、均一な空気流が得られない場所や比較的空気の流れが弱い場所に配置されていた。
この場合、必要な冷却能力を得るのが困難で、この結果、抵抗器などの電気部品を大型化しなければならないという問題があった。
【００１０】
さらに、この結果、特別に放熱効率の良い電気部品が必要になって、汎用製品では対応困難になって、特別仕様の大型の部品に頼らざるを得ず、コストが上昇してしまうという問題があった。
【００１１】
また、抵抗器などの電気部品を放熱用フィンの上流側に配置した場合には、それで発生した熱により冷却用の空気の温度を上げてしまい、この温度が高くなっている空気が冷却用として放熱用フィンに送り込まれるようになり、この結果、冷却が不充分になって、抵抗器より許容温度の低いトランジスタなど半導体部品を熱破壊させてしまうという問題があった。
【００１２】
また、この場合、冷却用空気の流通路に抵抗器を取り付けるスペースが別途必要になり、この結果、電気装置が大型化してしまうという問題もあった。
さらに、この場合には、放熱用フィンと電動ファンの間に、空気の流れを整えるための少なくとも５０ｍｍの長さのエアチャンバが必要になるが、このエアチャンバによる空間は、通風路を確保するため、筐体のなかで部品が配置できないデッドスペースになって、装置の大型化に拍車をかけてしまうという問題があった。
【００１３】
さらに、電動ファンを別に設け、これにより抵抗器などの電気部品だけを独立に強制冷却するという従来技術では、電動ファンの追加配置のためのスペースが別途必要になることも相俟って、大きなコストの増加が不可避になるという問題があった。
【００１４】
本発明の目的は、電気部品の冷却に伴う問題を克服でき、小型化と低コスト化が図れるようにしたインバータ装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、スイッチング素子を有して主回路を形成する半導体装置と、前記半導体装置の熱を放熱する放熱用フィンと、前記放熱用フィンに空気を流通させる電動ファンと、前記半導体装置を過電圧から保護するスナバ抵抗器と、前記放熱用フィンと前記電動ファンとの間で空気が流れるエアチャンバと、前記放熱用フィン、前記電動ファン、前記スナバ抵抗器を保持する筐体とを有するインバータ装置において、前記放熱用フィンから前記スナバ抵抗器を経た空気は前記電動ファンによって前記筐体外部に排出され、また前記電動ファンによる空気流通方向に前記スナバ抵抗器の長さ方向が並んで設置されることにより達成される。
このとき、前記エアチャンバは前記放熱用フィンと前記電動ファンの間において、前記スナバ抵抗器を設置する空間を形成するようにしてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるインバータ装置について、図示の実施形態を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明によるインバータ装置の一実施形態で、図において、１は半導体装置、２は放熱用フィン、３はスナバ抵抗器、４は電動ファン、５は筐体、６はチャンバである。
【００１７】
半導体装置１は、各々インバータ主回路の各相における上アーム回路と下アーム回路を形成するもので、このため、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのスイッチング素子と、これらのスイッチング素子に夫々逆並列接続されたフライホィールダイオードとで構成されている。
このとき、インバータ装置の主回路は、３相交流電力を扱うため、３相ブリッジ結線（グレンツ結線）によるアーム回路で構成されるのが通例であり、従って、ここでは、図示のように、３相の上下各アーム回路の数と同数の６個の半導体装置１が用いられている。
【００１８】
放熱用フィン２は、半導体装置１で発生された熱を効率良く空気に伝達させ、放散させる働きをするもので、ここでは、２個の半導体装置１に、１個のフィン２が共通に用いられており、従って、全体では３個の放熱フィン２が設けられている。
スナバ抵抗器３は、図示してないコンデンサと共にスナバ回路を形成し、半導体装置１のスイッチング素子を過電圧から保護する働きをするものであり、従って、このスナバ抵抗器３は、半導体装置１のそれぞれに対応して、同じく６個設けられている。
なお、これらのスナバ抵抗器３は、動作中かなりの発熱を伴うものであることは、既に説明した通りである。
【００１９】
電動ファン４は、半導体装置１を強制空冷するためのもので、この実施形態では、図示のように３台の汎用電動ファンを用い、矢印方向に空気を送り出すことにより、放熱用フィン２に空気を強制的に流通されるようにしてある。
筐体５は、インバータ装置の組立構造部材で、図示のように、放熱用フィン２と、スナバ抵抗器３、それに電動ファン４を保持する働きをする。
【００２０】
このとき、図示のように、各放熱用フィン２の空気流通方向が、それぞれ各電動ファン４による空気流通方向と一致して直線上に並んだ状態で組み立てられ、これらの間に夫々のスナバ抵抗器３が配置されるようになっており、さらにこのとき、これも図示されているように、各スナバ抵抗器３は、その長さ方向が、同じく電動ファン４による空気流通方向と一致するようにして配置してあり、これにより、空気流通方向からみた各スナバ抵抗器３の面積が最小になるようにされている。
【００２１】
チャンバ６は、放熱用フィン２と電動ファン４の間にスナバ抵抗器３の設置に必要な所定の広さの空間を確保すると共に、電動ファン４により、外部から放熱用フィン２を通ってスナバ抵抗器３が配置されている部分に導入され、ここから外部に排出される空気の通路を形成する働きをする。
そして、このため、筐体５の一部の面を底面部とし、残りの３面を囲うコの字型の板材で、ほぼ矩形の断面を有する部材として作られている。
【００２２】
さらに具体的に説明すると、この実施形態では、まず、電動ファン４の大きさが、汎用品の寸法から、例えば１４０ｍｍ角になっている。
次に、放熱用フィン２の高さは、電動ファン４の大きさと、インバータ装置の筐体の大きさから勘案して、約１３０ｍｍにしてある。
また、放熱用フィン２と電動ファン４の間の間隔寸法、すなわちチャンバ６内での空気流通路の直線長さは、風速分布均一化の見地から、約１５０ｍｍにしてある。
【００２３】
次に、この実施形態によるインバータ装置の動作について説明する。
電動ファンによる強制空冷方式のインバータ装置では、装置内の温度に応じて電動ファンによる送風量を制御し、温度上昇が小さいときには、電動ファンを停止させておくのが一般的であり、オンオフ制御の場合でも同様である。
そこで、いま、インバータ装置が動作を開始したとすると、半導体装置１で損失による熱が発生し、その温度が上昇し始める。
【００２４】
しかして、このときの動作条件、端的にいえば、扱っている電力が少ない動作条件のときなどで、半導体装置１から発生する熱量が小さい間は、放熱用フィン２の自然対流による熱放散作用だけで、温度上昇を所定値以下に抑えることができ、このときは、電動ファン４は停止さている。
【００２５】
一方、半導体装置１の温度上昇が所定値を越えたら電動ファン４の運転を開始させ、電動ファン４の強制通風により、放熱用フィン２を通る空気の量を増加させてやる。
この結果、放熱用フィン２の熱放散能力が増加し、温度上昇を所定値に抑えることができるように対処する。
【００２６】
そして、この実施形態では、このときの電動ファン４による冷却用空気の流通経路は、チャンバ６により、スナバ抵抗器３の設置場所として確保されており、この結果、スナバ抵抗器３は、放熱用フィン２を通過してきた空気の流れに充分に曝され、強制的に冷却されることになり、スナバ抵抗器３の温度上昇も確実に抑えられることになる。
【００２７】
従って、この実施形態によれば、スナバ抵抗器３を小さくしても、温度上昇の虞れがなくなるので、充分にスナバ抵抗器の小型化を図ることができる。
また、この実施形態では、上記したように、空気流通方向から見た面積が最小になるようにスナバ抵抗器３が配置してあるので、本来の放熱用フィン２の冷却に必要な空気の流れが乱される虞れがなく、この結果、スナバ抵抗器３の強制空冷に伴う本来の冷却能力低下の虞れもなくすことができる。
【００２８】
さらに、この実施形態では、１個の電動ファン４に対して、１相分に当たる２個のスナバ抵抗器３を対応させているので、全てのスナバ抵抗器３にバランス良く均一な空気が流れるようにでき、この結果、むらの無い冷却作用を得ることができ、空気流の乱れも少なくなるので、騒音を充分に低く抑えることができる。
【００２９】
また、この実施形態では、電動ファン４毎に、各相の２個の半導体装置１を載置した放熱用フィン２を対応させ、且つ、各相の半導体装置１に近い位置にスナバ抵抗器３が配置されていて、全体の構成が、各相毎にまとまっており、この結果、スナバ回路を接続する電線の配置が全ての相で同じになり、且つ電線の長も短くなるので、スナバ回路による保護機能が充分に得られ、ノイズも少なく抑えることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、複数種の電気部品を、共通の冷却用ファンにより冷却することができるので、電気部品の寸法を小さくすることができ、この結果、小型で低コストのインバータ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電気装置の一実施形態を示す透視説明図である。
【符号の説明】
１ 半導体装置
２ 放熱用フィン
３ スナバ抵抗器
４ 電動ファン
５ 基板
６ チャンバ

Claims (2)

1. スイッチング素子を有して主回路を形成する半導体装置と、 前記半導体装置の熱を放熱する放熱用フィンと、
   前記放熱用フィンに空気を流通させる電動ファンと、
   前記半導体装置を過電圧から保護するスナバ抵抗器と、
   前記放熱用フィンと前記電動ファンとの間で空気が流れるエアチャンバと、
   前記放熱用フィン、前記電動ファン、前記スナバ抵抗器を保持する筐体とを有するインバータ装置において、
   前記放熱用フィンから前記スナバ抵抗器を経た空気は前記電動ファンによって前記筐体外部に排出され、また前記電動ファンによる空気流通方向に前記スナバ抵抗器の長さ方向が並んで設置されることを特徴とするインバータ装置。
2. 請求項１に記載のインバータ装置において、
   前記エアチャンバは前記放熱用フィンと前記電動ファンの間において、前記スナバ抵抗器を設置する空間を形成することを特徴とするインバータ装置。

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