JP5174873B2 - Power converter and elevator - Google Patents
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Description
本発明は、順変換回路(コンバータ)と逆変換回路(インバータ)を含む電力変換装置及び電力変換装置により駆動するエレベータに関するものである。 The present invention relates to a power conversion device including a forward conversion circuit (converter) and an inverse conversion circuit (inverter), and an elevator driven by the power conversion device.
近年、エレベータ等の可変速駆動には交流の商用電源からコンバータにより直流に変換し、さらに平滑された直流電力からインバータを介して可変周波数の交流に変換し、可変速でモータ駆動をする方式が一般的となっている。 In recent years, a variable speed drive for an elevator or the like has a method in which an AC commercial power source is converted into DC by a converter, and smoothed DC power is converted into AC of variable frequency via an inverter, and the motor is driven at a variable speed. It has become common.
ここで、コンバータおよびインバータの放熱構造として、コンバータがダイオードだけで構成される場合においては、特許文献1では、損失の小さいコンバータ側は放熱フィンとし、損失の大きいインバータ側のみヒートパイプによる熱輸送を利用した放熱器の構成としている。
Here, as a heat dissipation structure of the converter and the inverter, in the case where the converter is configured only by a diode, in
一方、高層ビル用エレベータなどでは、位置エネルギー回生のためにコンバータも回路構成はインバータと同じであることが多く、いずれも半導体スイッチング素子で構成された半導体モジュールを用いているため、その放熱が必要である。そこで、特許文献2では、放熱器の片面にコンバータを構成する半導体モジュールを、反対面にインバータを構成する半導体モジュールを取り付けて部品数を低減している。
On the other hand, for elevators for high-rise buildings etc., converters and circuit configurations are often the same as inverters for potential energy regeneration, and all use semiconductor modules composed of semiconductor switching elements. It is. Therefore, in
また、放熱器の受熱部の両面に半導体モジュールを取り付けた他の例として、特許文献3のように、片面にインバータを構成する半導体モジュールを、反対面に損失の小さなスナバ回路用の半導体モジュールを付けた例があり、スナバ回路用の半導体モジュールを別の放熱器にするのに比べて部品数を低減している。
Moreover, as another example in which semiconductor modules are attached to both sides of the heat receiving part of the radiator, as in
一方、半導体モジュールの損失を低減する方法として、三相のうち二相のみスイッチングをして残りの1相はオンあるいはオフしたままにすることでスイッチング損失を低減する方法(二相変調)がある。二相変調では出力電圧が低い場合には極端に狭い幅のパルスとなるため実際に半導体スイッチング素子が動作しなく電流歪が発生することが懸念されるため、特許文献4のように出力によって三相変調と二相変調とを切り替える方法がある。 On the other hand, as a method of reducing the loss of the semiconductor module, there is a method of reducing the switching loss by switching only two phases out of the three phases and leaving the remaining one phase on or off (two-phase modulation). . In the two-phase modulation, when the output voltage is low, a pulse with an extremely narrow width is generated, so there is a concern that the semiconductor switching element does not actually operate and current distortion occurs. There is a method of switching between phase modulation and two-phase modulation.
しかしながら、ヒートパイプを用いた冷却の場合、エレベータ駆動においては、停止状態から加速する際にはトルクと角周波数の積で決まるモータ出力は小さいためコンバータの電流は小さく損失が低いのに対して、インバータ側は大きなトルクを発生させるために大きな電流が必要となるため、半導体モジュールの損失は大きくなる。このとき状況によっては熱輸送手段であるヒートパイプ内部の水が沸騰に至らない場合もあり、過渡的に半導体モジュールのベース温度が上昇する。その後、加速期間が終わると電流が小さくなり損失が減るため温度上昇が抑制される。この過渡的な温度上昇の繰り返しにより半導体モジュールベース板とモジュール内部の絶縁基板との間のハンダにクラックが入り、半導体モジュールの寿命を低下させることが懸念される。したがって、この過渡的な温度上昇を吸収するために、半導体モジュールが取り付けられた受熱部の取付部からヒートパイプに至るまでの受熱部の熱容量を大きくする必要がある。しかし、その場合には、放熱器の装置寸法が大きくなってしまうという問題がある。 However, in the case of cooling using a heat pipe, in the elevator drive, when accelerating from a stop state, the motor output determined by the product of torque and angular frequency is small, so the converter current is small and the loss is low. Since a large current is required to generate a large torque on the inverter side, the loss of the semiconductor module increases. At this time, depending on the situation, the water inside the heat pipe which is a heat transport means may not boil, and the base temperature of the semiconductor module rises transiently. Thereafter, when the acceleration period ends, the current decreases and the loss is reduced, so that the temperature rise is suppressed. There is concern that cracks may occur in the solder between the semiconductor module base plate and the insulating substrate inside the module due to repeated transient temperature rise, thereby reducing the life of the semiconductor module. Therefore, in order to absorb this transient temperature rise, it is necessary to increase the heat capacity of the heat receiving portion from the attachment portion of the heat receiving portion to which the semiconductor module is attached to the heat pipe. However, in that case, there is a problem that the device size of the radiator is increased.
ここで、特許文献1の構成では、コンバータに半導体スイッチング素子を用いるものに対しては放熱性能が不十分であるため適用することができない。
Here, the configuration of
また、特許文献2では、放熱器の構造について十分な検討がなされていない。
Moreover, in
また、特許文献3の構造では、前述したような過渡的な温度上昇の繰り返しによるクラックの問題が生じる。
Moreover, in the structure of
そして、特許文献4のようにインバータ側において二相変調を行った場合でも、極低速の領域では電流のひずみが大きくなるため二相変調を行うことができない。したがって、二相変調を行うことができない期間があるため、損失の低減を図ることができない期間が存在し、過渡的な温度上昇の繰り返しによるクラックの問題を防ぐことができない。
Even when two-phase modulation is performed on the inverter side as in
本発明が解決しようとする課題は、電力変換装置において、半導体モジュールの過渡的な温度上昇を、装置寸法をあまり大きくすることなく低減することである。 The problem to be solved by the present invention is to reduce a transient temperature rise of a semiconductor module in a power converter without increasing the size of the device.
尚、上記した課題以外のその他の課題は、本願明細書全体の記載または図面から明らかにされる。 In addition, other problems other than the above-described problems will be made clear from the entire description of the present specification or the drawings.
上記の課題を解決するために、本発明では、コンバータの少なくとも一部を構成する第一の半導体モジュールと、インバータの少なくとも一部を構成する第二の半導体モジュールとを、相変化を伴う熱輸送手段を用いた放熱器の受熱部に取り付け、前記第一の半導体モジュールから前記熱輸送手段までの受熱部の単位面積あたりの熱容量に対して、前記第二の半導体モジュールから前記熱輸送手段までの受熱部の単位面積あたりの熱容量の方を大きくしている。
このとき、前記熱輸送手段として少なくとも1本以上のヒートパイプを用い、各ヒートパイプの断面の中心から前記第一の半導体モジュールと前記受熱部との接触面へ引いた垂線の平均長さに対して、前記各ヒートパイプの断面の中心から前記第二の半導体モジュールと前記受熱部との接触面へ引いた垂線の平均長さの方が大きくする。
あるいは、前記第一の半導体モジュールから前記熱輸送手段までの受熱部の比熱に対して、前記第二の半導体モジュールから前記熱輸送手段までの受熱部の方が、比熱が大きい材質とする。
あるいは、前記放熱器の前記第一の半導体モジュールを取り付ける面と前記第二の半導体モジュールを取り付ける面とが前記熱輸送手段を挟んで反対側にあるようにする。
あるいは、前記熱輸送手段として少なくとも1本以上のヒートパイプを用い、前記第一の半導体モジュールと前記受熱部との第一の接触面を前記ヒートパイプの断面の中心を通り前記ヒートパイプの長手方向に平行な面に投影したときに囲まれる第一の領域に対して、前記第二の半導体モジュールと前記受熱部との第二の接触面を前記ヒートパイプの断面の中心を通り前記ヒートパイプの長手方向に平行な面に投影したときに囲まれる第二の領域の方が、体積が大きくする。
In order to solve the above problems, in the present invention, a first semiconductor module constituting at least a part of a converter and a second semiconductor module constituting at least a part of an inverter are transported with a phase change. It is attached to the heat receiving part of the radiator using the means, and the heat capacity per unit area of the heat receiving part from the first semiconductor module to the heat transporting means, from the second semiconductor module to the heat transporting means. The heat capacity per unit area of the heat receiving part is increased.
At this time, at least one heat pipe is used as the heat transport means, and the average length of the perpendicular drawn from the center of the cross section of each heat pipe to the contact surface between the first semiconductor module and the heat receiving portion Thus, the average length of the perpendicular drawn from the center of the cross section of each heat pipe to the contact surface between the second semiconductor module and the heat receiving portion is increased.
Alternatively, the heat receiving portion from the second semiconductor module to the heat transport means is made of a material having a larger specific heat than the specific heat of the heat receiving portion from the first semiconductor module to the heat transport means.
Alternatively, the surface on which the first semiconductor module is mounted and the surface on which the second semiconductor module is mounted on the radiator are on opposite sides of the heat transporting means.
Alternatively, at least one heat pipe is used as the heat transporting means, and the first contact surface between the first semiconductor module and the heat receiving portion passes through the center of the cross section of the heat pipe and the longitudinal direction of the heat pipe. A second contact surface between the second semiconductor module and the heat receiving portion passes through the center of the cross section of the heat pipe with respect to the first region surrounded when projected onto a plane parallel to the surface of the heat pipe. The volume of the second region surrounded when projected onto a plane parallel to the longitudinal direction is larger.
尚、上記した構成はあくまで一例であり、本発明は、技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。また、上記した構成以外の本発明の構成の例は、本願明細書全体の記載または図面から明らかにされる。 The above-described configuration is merely an example, and the present invention can be modified as appropriate without departing from the technical idea. Further, examples of the configuration of the present invention other than the above-described configuration will be clarified from the entire description of the present specification or the drawings.
上記のような構成とすることで、装置をあまり大きくすることなく電力変換装置の半導体モジュールの過渡的な温度上昇を抑制でき、半導体モジュールの長寿命化が図れる。本発明のその他の効果については、明細書全体の記載から明らかにされる。 With the above-described configuration, a transient temperature rise of the semiconductor module of the power conversion device can be suppressed without enlarging the device so that the life of the semiconductor module can be extended. Other effects of the present invention will become apparent from the description of the entire specification.
本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。尚、各図および各実施例において、同一又は類似の構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing and each embodiment, the same or similar components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
まず図3に、本発明の電力変換装置の回路構成とそれによって駆動されるエレベータの概略構成を示す。図3に示す電力変換装置は、一定周波数の交流の商用電源である電源8からリアクトル81を介して入力された交流を、半導体スイッチング素子(ここでは、その代表であるIGBTを例として説明する)111〜132(111,112,121,122,131,132)で構成されるPWM順変換回路(第一の変換回路)(コンバータ)で直流に変換し、平滑コンデンサ3で平滑化された直流を、半導体スイッチング素子(IGBT)211〜232(211,212,221,222,231,232)で構成される逆変換回路(第2の変換回路)(インバータ)で可変周波数の交流に変換してモータ90に任意の電力を供給する構成となっている。そして、モータ90で綱車91を回転させ、ロープ94で吊るされている乗りかご92及び釣合いおもり93を昇降させる。
First, FIG. 3 shows a circuit configuration of the power converter of the present invention and a schematic configuration of an elevator driven by the circuit configuration. The power conversion apparatus shown in FIG. 3 uses a semiconductor switching element (here, a representative IGBT is described as an example) for an alternating current input from a
また、図4に、本発明のエレベータの動作について示す。ここで、図4(a)ではエレベータの力行運転時の速度、図4(b)ではコンバータの電流振幅値、図4(c)ではインバータの電流振幅値について、それぞれの時間変化を示している。停止状態である時刻Toから加速して時刻T3にて定格速度Voになる。加速の初期(時刻T1まで)は加加速度(加速度の時間微分)を一定、時刻T1からT2までは加速度一定、時刻T2からT3までは加加速度(負の値)を一定として乗り心地を良くしている。その後、時刻T4まで一定速度で走行してから減速して時刻T5で目的となる階に到着する。時刻については図示していないが減速の際にも最初と最後は加速度を変化させて乗り心地を良くしている。 FIG. 4 shows the operation of the elevator of the present invention. Here, FIG. 4A shows the time change of the speed of the elevator during powering operation, FIG. 4B shows the current amplitude value of the converter, and FIG. 4C shows the current amplitude value of the inverter. . It accelerates from time To which is a stop state, and becomes rated speed Vo at time T3. In the initial stage of acceleration (until time T1), the jerk (time differentiation of acceleration) is constant, the acceleration is constant from time T1 to T2, and the jerk (negative value) is constant from time T2 to T3 to improve riding comfort. ing. Then, after traveling at a constant speed until time T4, the vehicle decelerates and arrives at the target floor at time T5. Although the time is not shown in the figure, the acceleration is changed at the beginning and the end also during deceleration to improve the ride comfort.
図4(b)に示すようにコンバータ電流は加速とともに増加して時刻T2で最大となり、時刻T3からT4の定速では電流が低減し、減速においても更に電流が低下する。図4(c)に示すようにインバータ電流は時刻ToからT1までで増加して時刻T2まで大きい状態が続く。時刻T2から低下していき時刻T3にて定格速度Voでの走行に必要な電流となる。この時の電流でモータの定格容量が決められることが一般的であり、このときの定格電流に対して加速中の電流は2〜3倍の大きさになることが多い。 As shown in FIG. 4B, the converter current increases with acceleration and reaches a maximum at time T2, the current decreases at the constant speed from time T3 to T4, and further decreases during deceleration. As shown in FIG. 4C, the inverter current increases from time To to T1 and continues to be large until time T2. The current decreases from time T2 and becomes a current necessary for traveling at the rated speed Vo at time T3. In general, the rated capacity of the motor is determined by the current at this time, and the current during acceleration is often two to three times as large as the rated current at this time.
図1に、本発明の実施例1における電力変換装置の概略構造を示す。図1(a)は側面図であり、図1(b)はA−A′矢視図である。ここでは図3における電力変換装置を1つの筐体4に入れた構造としており、コンバータを構成する半導体スイッチング素子111〜132が1つの半導体モジュール10で、インバータを構成する半導体スイッチング素子211〜232が1つの半導体モジュール20で構成されている例である。両方の半導体モジュール10及び20は、図1(a)に示すように1つの放熱器5の受熱部52の両面に取り付けられている。放熱器5は、半導体モジュール10及び20からの熱をヒートパイプ51にて図の上方に熱輸送して、ファン6により吸気口61から取り込まれた風によって放熱フィンにより放熱する。放熱フィンを出た空気は導風ダクト62により筐体4の背面と放熱器5との隙間を通って筐体上面の排気口63から外へ出ていく。尚、ヒートパイプ51は相変化を伴う熱輸送手段の一種であり、ヒートパイプ51内部には例えば水が入っている。そして、放熱器5は、相変化を伴う熱輸送手段の周囲に受熱部52を備えた構造となっている。
In FIG. 1, the schematic structure of the power converter device in Example 1 of this invention is shown. 1A is a side view, and FIG. 1B is a view taken along the line AA ′. Here, the power conversion device in FIG. 3 is structured in one
両半導体モジュール10,20の近傍には駆動回路などの周辺回路71及び72が接続され、また放熱器5の下部には平滑コンデンサ3が配置されている。ここでは図の簡略化のため半導体モジュール10,20と平滑コンデンサ3との間の配線導体については図示を省略している。
受熱部52は、ヒートパイプ51からそれぞれの表面までの厚みが、コンバータ側の半導体モジュール10を取り付ける側がD1、インバータ側の半導体モジュールを取り付ける側がD2としたときにD1<D2としている。こうすることで、コンバータ側の半導体モジュール10からヒートパイプ51までの受熱部52の単位面積あたりの熱容量に対して、インバータ側の半導体モジュール20からヒートパイプ51までの受熱部52の単位面積あたりの熱容量を大きくすることができる。コンバータ側では、一定周波数の交流を直流に変換するため、あまり過渡的な温度上昇の繰り返しは発生しないが、インバータ側では直流を可変周波数の交流に変換するため、過渡的な温度上昇の繰り返しが発生しやすい。しかし、短期的な過渡的な温度上昇などによりヒートパイプ51で熱輸送が十分にできない場合でも、受熱部52の単位面積あたりの熱容量が大きいため過渡的な温度上昇を吸収することができ、半導体モジュールの温度上昇を低減することができるために、ハンダにクラックが発生するという問題を回避できるとともに、問題の発生しやすいインバータ側の受熱部52の厚さをコンバータ側に比べて厚くしたので、装置寸法があまり大きくなることもないという利点がある。
In the
図1(c)は図1(a)の変形例であり、図1(c)は図1(a)との違いとして、受熱部52の厚いインバータ側が吸気側(図中の左)にして、受熱部52の薄いコンバータ側を反対(図中の右)に配置した。この場合にはインバータ側の周辺回路72がファン6よりも図中の左にはみ出ることになり、その分、放熱器は背面側にずらすことになる。この結果として排気口までの風路の幅DB2が図1(a)の場合の幅DB1よりも小さくなり、圧力損失が増大して風速は低下する。そのため、前面吸気で上面排気の場合には、図1(a)に示すようにインバータ側の半導体モジュール20を背面側にして、その受熱部厚みを厚くする方が好ましい。但し、図1(c)の場合にも利点はあり、ファン6を取り付ける側の受熱部52を厚くすることで、ファン6の奥行き方向のはみ出し量が小さくなり、図1(c)では前面側(図の左側)に空間的な余裕が生まれるため、図1(c)では図示していないが、電力変換装置の筐体4の奥行き方向の寸法を図1(a)に比べてその分だけ小さくすることが可能となる。
FIG. 1 (c) is a modification of FIG. 1 (a). FIG. 1 (c) is different from FIG. 1 (a) in that the thick inverter side of the
図4の加速期間におけるコンバータ側及びインバータ側の半導体モジュールが発生する損失(熱負荷)は、それぞれの電流値とほぼ線形の関係であり、コンバータは時刻ToからT2間で増大するのに対して、インバータは時刻ToからT1間で急速に増大する。そこで、受熱部52の厚みを厚くして熱容量を増大させることで温度上昇を抑制している。一方、受熱部52を厚くすることで放熱器5の重量は増大することが懸念される。そのため、電流振幅の増加率がインバータに比べて大きくないコンバータ側では受熱部の熱容量を大きくする必要はないので、インバータ側のみを大きくすることで、放熱器5の重量の増大を最小限に抑えている。
The loss (thermal load) generated by the converter-side and inverter-side semiconductor modules during the acceleration period of FIG. 4 is almost linearly related to the respective current values, whereas the converter increases from time To to T2. The inverter increases rapidly from time To to T1. Therefore, the temperature rise is suppressed by increasing the heat capacity by increasing the thickness of the
一般的なエレベータにおいて定格速度(定速時の速度)Voに対する時刻tにおける速度vの比率v/Voと、時刻tにおけるコンバータ側の損失Q1に対するインバータ側の損失Q2の比との関係を図2に示す。放熱器5の熱容量及び熱抵抗によって過渡的な温度上昇の度合いは異なるが、速度vが定格速度Voの半分程度まで加速される時点以降(v/Voが0.5以上)はヒートパイプ51による熱輸送も定常的になり、これ以降は受熱部52の熱容量を大きくすることによる温度上昇抑制効果は低減される。そのため、受熱部の厚みの比D2/D1≧1.2とすれば受熱部の熱容量増大による効果があるといえる。
FIG. 2 shows the relationship between the ratio v / Vo of the speed v at the time t to the rated speed (speed at constant speed) Vo and the ratio of the inverter-side loss Q2 to the converter-side loss Q1 at the time t in a general elevator. Shown in The degree of transient temperature rise differs depending on the heat capacity and thermal resistance of the
図5に、本発明の実施例2における電力変換装置の概略構造を示す。ここでは図1の例に比べて電流が大きい場合などのように図3における1相分の上下一対の半導体スイッチング素子を1つの半導体モジュールで構成した場合であり、図3における半導体スイッチング素子111と112とで半導体モジュール11が、半導体スイッチング素子121と122とで半導体モジュール12が、半導体スイッチング素子131と132とで半導体モジュール13が、それぞれ構成されている。またインバータ側も同様に半導体スイッチング素子211と212とで半導体モジュール21が、半導体スイッチング素子221と222とで半導体モジュール22が、半導体スイッチング素子231と232とで半導体モジュール23が、それぞれ構成されている。
In FIG. 5, the schematic structure of the power converter device in Example 2 of this invention is shown. Here, a case where the pair of upper and lower semiconductor switching elements for one phase in FIG. 3 is configured by one semiconductor module as in the case where the current is larger than in the example of FIG. 1, and the
図5(a)に示すようにコンバータ側及びインバータ側の各々1相分が同じ放熱器5の受熱部52の両面に取り付けられており、図5(c)に示すA−A′矢視図のように横に3個の放熱器5の受熱部52を並べて電力変換装置を構成している。また平滑コンデンサ31〜33も各相に分割した構造となっており、これらを配線導体(図示は省略)で接続している。
As shown in FIG. 5 (a), one phase each on the converter side and the inverter side is attached to both surfaces of the
図5(a)に示すように、実施例1の場合と同様にコンバータ側の半導体モジュール13の取り付けられる受熱部厚みD1に対して、インバータ側の半導体モジュール23を取り付ける受熱部厚みD2を大きくしてエレベータの加速始め期間の温度上昇を抑制している。
As shown in FIG. 5A, the heat receiving portion thickness D2 for attaching the inverter-
ここではファン6により吸気口61から入った空気は放熱器の放熱フィンを通り、そのまま背面側にある排気口63に抜ける構造(前面吸気で背面排気の構造)となっている。図5(a)では吸気口側(図の左側)の受熱部を厚くしてインバータ側の半導体モジュール23(21,22も同様)を取り付けて、排気口側(図の右側)の受熱部は薄くしてコンバータ側の半導体モジュール13(11,12も同様)を取り付けた。
Here, the air that has entered from the
一方、コンバータ側を吸気口側(図の左側)に、インバータ側を排気口側(図の右側)に取り付けた場合を図5(b)に示す。図5(b)では背面側の受熱部厚みが大きいため、インバータ側の周辺回路723が放熱器5の奥行からはみ出している。そのため、図5(a)の配置の場合の筐体奥行DC1に比べて図5(b)の場合の筐体奥行DC2はDC1に比べて大きくなり小形化に適さない。そのため、図5(a)に示すように吸気口側(図の左側)の受熱部52を厚くしてインバータ側の半導体モジュールを取り付ける方が好ましい。別の見方をすれば、ファン6を取り付ける側の受熱部52を厚くすることが好ましい。
On the other hand, FIG. 5B shows a case where the converter side is attached to the intake port side (left side in the figure) and the inverter side is attached to the exhaust port side (right side in the figure). In FIG. 5B, since the thickness of the heat receiving part on the back side is large, the
図6に、本発明の実施例3における電力変換装置の概略構造を示す。図1と同じ箇所については同じ符号を付けて説明は省略し、違う部分のみ説明する。ここでは放熱器5にはヒートパイプ511〜515が二列配置されている。図6(a)のB−B′矢視図である図6(c)に示すように、コンバータ側の半導体モジュール10に近い側には512と514の2本のヒートパイプがあり、ヒートパイプ断面の中心を結ぶ直線がL1である。一方、インバータ側の半導体モジュール20に近い側には511,513及び515の3本のヒートパイプがあり、それらの断面の中心を結ぶ直線がL2である。
In FIG. 6, the schematic structure of the power converter device in Example 3 of this invention is shown. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted, and only different parts will be described. Here, two rows of
図中に示すように各ヒートパイプから受熱部52の表面までの垂線の長さをD11〜D52としたときに、コンバータ側の半導体モジュール10の接触面までの長さの平均値D1は、式1で表わされる。一方、インバータ側の半導体モジュール20の接触面までの長さの平均値D2は式2となる。
(式1)
D1=(D11+D21+D31+D41+D51)/5
(式2)
D2=(D12+D22+D32+D42+D52)/5
As shown in the figure, when the length of the perpendicular from each heat pipe to the surface of the
(Formula 1)
D1 = (D11 + D21 + D31 + D41 + D51) / 5
(Formula 2)
D2 = (D12 + D22 + D32 + D42 + D52) / 5
ここではD1<D2とすることでインバータ側の半導体モジュール20からの過渡的な発熱に対する熱容量を増加させて温度上昇を抑制している。
Here, by setting D1 <D2, the heat capacity for transient heat generation from the
図7に、本発明の実施例4における電力変換装置の概略構造を示す。図1と同じ箇所については同じ符号を付けて説明は省略し、違う部分のみ説明する。この場合はヒートパイプ511〜513が鉛直ではなく傾斜を付けた構成になっている。そして、ファン6の吸気および排気の方向も水平ではなく排気方向が斜め上方向になるように傾斜している。これにより、前面吸気で上面排気の場合の放熱器5の放熱フィンからの排気が装置の筐体4の上面に設けた排気口63に至るまでの圧力損失を低減できる。
In FIG. 7, the schematic structure of the power converter device in Example 4 of this invention is shown. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted, and only different parts will be described. In this case, the
また、コンバータ側の半導体モジュール10とインバータ側の半導体モジュール20とが放熱器5の受熱部52の同じ面に取り付けられている。また、平滑コンデンサ3は半導体モジュール10,20の近傍にプリント基板70で接続されている。コンバータ側の半導体モジュール10及びインバータ側の半導体モジュール20のほぼ中心における放熱器5の受熱部52の断面をそれぞれ図7(b)及び(c)に示す。図7(b)は、図7(a)のA−A′断面図であり、図7(c)は、図7(a)のB−B′断面図である。コンバータ側の半導体モジュール10からヒートパイプ511〜513までの距離に対して、インバータ側の半導体モジュール20からヒートパイプ511〜513までの距離が長くなっている。
The converter-
放熱器5の受熱部52の詳細構造を図8に示す。図8(b)は、図8(a)のA−A′断面図であり、図8(c)は、図8(a)のB−B′断面図である。図8においてハッチングした領域1がコンバータ側の半導体モジュール10からの熱に対する熱容量に寄与する部分であり、図中に領域2と表わした部分がインバータ側の半導体モジュール20からの熱に対する熱容量に寄与する部分である。領域1は、コンバータ側の半導体モジュール10と受熱部52との接触面をヒートパイプ511〜513の断面の中心を通りヒートパイプ511〜513の長手方向LPに平行な面に投影したときに囲まれる領域である。領域2は、インバータ側の半導体モジュール20と受熱部52との接触面をヒートパイプ511〜513の断面の中心を通りヒートパイプ511〜513の長手方向LPに平行な面に投影したときに囲まれる領域である。領域1の体積に比べて領域2の体積を増加させてインバータ側の半導体モジュール20の過渡的な温度上昇を抑制している。
The detailed structure of the
図9に、本発明の実施例5における電力変換装置の概略構造を示す。図9(b)は図9(a)のA−A′矢視図である。ここでも図1と同じ部分は同じ符号をつけて説明を省略する。この例では放熱器5の受熱部521及び522が異なる材質で構成されており、これらを締結部品53(ネジ等)で締結してヒートパイプ511〜513を挟み込む構造となっている。また、コンバータ側の半導体モジュール10を取り付ける側の受熱部521に比べてインバータ側の半導体モジュール20を取り付ける側の受熱部522を、比熱が大きい材質としている。このためにインバータ側の半導体モジュール20からの熱に対する熱容量を大きくすることが可能であり、インバータ側の半導体モジュール20の温度上昇を抑制している。
In FIG. 9, the schematic structure of the power converter device in Example 5 of this invention is shown. FIG.9 (b) is an AA 'arrow line view of Fig.9 (a). Here again, the same parts as those in FIG. In this example, the
なお、放熱器5の受熱部全体をインバータ側の半導体モジュール20を取り付ける側の受熱部522のように比熱の大きな材質とすることで、インバータ側の半導体モジュール20の過渡的な温度上昇を抑制することはできるが、比熱が大きいものは概ね密度も高くなるため、放熱器5全体の質量が増大する。そこで図9に示すように、インバータ側のみを比熱および比重の大きな材質(例えば、銅)にしてコンバータ側は比熱および比重の小さな材質(例:アルミ)にすることで、放熱器5全体の重量増大を抑制している。
The entire heat receiving part of the
以上、相変化を伴う熱輸送手段を持つ放熱器としてヒートパイプ式のものを例にし、ヒートパイプを概ね鉛直向きになるような例で説明したが、ヒートパイプを水平に近い状態で置いた場合などでも、本発明の構成であればインバータ側負荷に対する過渡的な温度上昇を抑制する効果は得られる。 As described above, the heat pipe type heat radiator with heat transport means with phase change is taken as an example, and the heat pipe is described as an example in a generally vertical orientation, but when the heat pipe is placed in a nearly horizontal state However, if it is the structure of this invention, the effect which suppresses the transient temperature rise with respect to an inverter side load will be acquired.
また、実施例1〜5において、損失による熱を低減するために、コンバータ側の半導体モジュール10のスイッチング回数が、インバータ側の半導体モジュール20のスイッチング回数に比べて少ない期間があるようにすることが望ましい。例えば、コンバータ側の半導体モジュール10は二相変調制御で、インバータ側の半導体モジュール20は少なくとも三相変調制御の期間があるようにする。具体的には、コンバータは常に二相変調制御で、インバータは低周波領域では三相変調制御で、高周波領域では二相変調制御で制御することが望ましい。
In the first to fifth embodiments, in order to reduce heat due to loss, the number of switching times of the converter-
以上、本発明を実施例を用いて説明してきたが、これまでの各実施例で説明した構成はあくまで一例であり、本発明は、技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。また、それぞれの実施例で説明した構成は、互いに矛盾しない限り、組み合わせて用いても良い。 The present invention has been described using the embodiments. However, the configurations described in the embodiments so far are only examples, and the present invention can be appropriately changed without departing from the technical idea. Further, the configurations described in the respective embodiments may be used in combination as long as they do not contradict each other.
3 平滑コンデンサ
4 筐体
5 放熱器
6 ファン
8 電源
10,11,12,13,20,21,22,23 半導体モジュール
51,511,512,513,514,515 ヒートパイプ
61 吸気口
62 導風ダクト
63 排気口
71,72 周辺回路
81 リアクトル
90 モータ
91 綱車
92 乗りかご
93 釣合いおもり
94 ロープ
DESCRIPTION OF
Claims (14)
相変化を伴う熱輸送手段の周囲に受熱部を備えた放熱器を有し、
前記受熱部には、前記第一の変換回路の少なくとも一部を構成する第一の半導体モジュールと、前記第二の変換回路の少なくとも一部を構成する第二の半導体モジュールとが取り付けられ、
前記第一の半導体モジュールから前記熱輸送手段までの受熱部の単位面積あたりの熱容量に対して、前記第二の半導体モジュールから前記熱輸送手段までの受熱部の単位面積あたりの熱容量の方が大きく、
前記熱輸送手段として少なくとも1本以上のヒートパイプを用い、各ヒートパイプの断面の中心から前記第一の半導体モジュールと前記受熱部との接触面へ引いた垂線の平均長さに対して、前記各ヒートパイプの断面の中心から前記第二の半導体モジュールと前記受熱部との接触面へ引いた垂線の平均長さの方が大きいことを特徴とする電力変換装置。 In a power conversion device having a first conversion circuit that converts alternating current into direct current, and a second conversion circuit that converts direct current converted by the first conversion circuit into variable frequency alternating current,
Having a heat radiator with a heat receiving part around the heat transport means with phase change,
A first semiconductor module that constitutes at least a part of the first conversion circuit and a second semiconductor module that constitutes at least a part of the second conversion circuit are attached to the heat receiving part,
The heat capacity per unit area of the heat receiving portion from the second semiconductor module to the heat transport means is larger than the heat capacity per unit area of the heat receiving portion from the first semiconductor module to the heat transport means. The
Using at least one heat pipe as the heat transport means, the average length of the perpendicular drawn from the center of the cross section of each heat pipe to the contact surface between the first semiconductor module and the heat receiving portion, The power converter according to claim 1, wherein an average length of a perpendicular drawn from a center of a cross section of each heat pipe to a contact surface between the second semiconductor module and the heat receiving portion is larger .
相変化を伴う熱輸送手段の周囲に受熱部を備えた放熱器を有し、
前記受熱部には、前記第一の変換回路の少なくとも一部を構成する第一の半導体モジュールと、前記第二の変換回路の少なくとも一部を構成する第二の半導体モジュールとが取り付けられ、
前記第一の半導体モジュールから前記熱輸送手段までの受熱部の単位面積あたりの熱容量に対して、前記第二の半導体モジュールから前記熱輸送手段までの受熱部の単位面積あたりの熱容量の方が大きく、
前記第一の半導体モジュールから前記熱輸送手段までの受熱部の比熱に対して、前記第二の半導体モジュールから前記熱輸送手段までの受熱部の方が、比熱が大きい材質であることを特徴とする電力変換装置。 In a power conversion device having a first conversion circuit that converts alternating current into direct current, and a second conversion circuit that converts direct current converted by the first conversion circuit into variable frequency alternating current,
Having a heat radiator with a heat receiving part around the heat transport means with phase change,
A first semiconductor module that constitutes at least a part of the first conversion circuit and a second semiconductor module that constitutes at least a part of the second conversion circuit are attached to the heat receiving part,
The heat capacity per unit area of the heat receiving portion from the second semiconductor module to the heat transport means is larger than the heat capacity per unit area of the heat receiving portion from the first semiconductor module to the heat transport means. ,
Wherein the relative specific heat of the heat receiving portion from the previous SL first semiconductor module to the heat transfer means, towards the said second semiconductor module of the heat receiving portion to the heat transfer means is a large specific heat material A power converter.
相変化を伴う熱輸送手段の周囲に受熱部を備えた放熱器を有し、
前記受熱部には、前記第一の変換回路の少なくとも一部を構成する第一の半導体モジュールと、前記第二の変換回路の少なくとも一部を構成する第二の半導体モジュールとが取り付けられ、
前記第一の半導体モジュールから前記熱輸送手段までの受熱部の単位面積あたりの熱容量に対して、前記第二の半導体モジュールから前記熱輸送手段までの受熱部の単位面積あたりの熱容量の方が大きく、
前記放熱器の前記第一の半導体モジュールを取り付ける面と前記第二の半導体モジュールを取り付ける面とが前記熱輸送手段を挟んで反対側にあることを特徴とする電力変換装置。 In a power conversion device having a first conversion circuit that converts alternating current into direct current, and a second conversion circuit that converts direct current converted by the first conversion circuit into variable frequency alternating current,
Having a heat radiator with a heat receiving part around the heat transport means with phase change,
A first semiconductor module that constitutes at least a part of the first conversion circuit and a second semiconductor module that constitutes at least a part of the second conversion circuit are attached to the heat receiving part,
The heat capacity per unit area of the heat receiving portion from the second semiconductor module to the heat transport means is larger than the heat capacity per unit area of the heat receiving portion from the first semiconductor module to the heat transport means. ,
Power conversion apparatus characterized by a surface for attaching the front Symbol radiator the second semiconductor module and the first a mounting surface semiconductor module is on the opposite side of said heat transfer means.
相変化を伴う熱輸送手段の周囲に受熱部を備えた放熱器を有し、
前記受熱部には、前記第一の変換回路の少なくとも一部を構成する第一の半導体モジュールと、前記第二の変換回路の少なくとも一部を構成する第二の半導体モジュールとが取り付けられ、
前記第一の半導体モジュールから前記熱輸送手段までの受熱部の単位面積あたりの熱容量に対して、前記第二の半導体モジュールから前記熱輸送手段までの受熱部の単位面積あたりの熱容量の方が大きく、
前記熱輸送手段として少なくとも1本以上のヒートパイプを用い、前記第一の半導体モジュールと前記受熱部との第一の接触面を前記ヒートパイプの断面の中心を通り前記ヒートパイプの長手方向に平行な面に投影したときに囲まれる第一の領域に対して、前記第二の半導体モジュールと前記受熱部との第二の接触面を前記ヒートパイプの断面の中心を通り前記ヒートパイプの長手方向に平行な面に投影したときに囲まれる第二の領域の方が、体積が大きいことを特徴とする電力変換装置。 In a power conversion device having a first conversion circuit that converts alternating current into direct current, and a second conversion circuit that converts direct current converted by the first conversion circuit into variable frequency alternating current,
Having a heat radiator with a heat receiving part around the heat transport means with phase change,
A first semiconductor module that constitutes at least a part of the first conversion circuit and a second semiconductor module that constitutes at least a part of the second conversion circuit are attached to the heat receiving part,
The heat capacity per unit area of the heat receiving portion from the second semiconductor module to the heat transport means is larger than the heat capacity per unit area of the heat receiving portion from the first semiconductor module to the heat transport means. ,
Using at least one or more heat pipes as before Symbol heat transporting means, in the longitudinal direction of the first semiconductor module and the first central street the heat pipe of the contact surface section of the heat pipe and said heat receiving portion With respect to the first region surrounded when projected onto a parallel plane, the second contact surface of the second semiconductor module and the heat receiving part passes through the center of the cross section of the heat pipe and is the length of the heat pipe. A power converter characterized in that a volume of a second region surrounded when projected onto a plane parallel to a direction is larger.
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