JP5899930B2

JP5899930B2 - 半導体電力変換装置

Info

Publication number: JP5899930B2
Application number: JP2012000918A
Authority: JP
Inventors: 義彦山方
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2032-01-06
Also published as: JP2013141371A

Description

この発明は、半導体電力変装置における複数の並列接続した半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの温度のバランスを図るための半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールおよび接続導体の配置に関する。

半導体電力変換素子または半導体素子を複数個組み合わせてモジュール化した半導体電力変換モジュールで構成された半導体電力変換装置においては、装置の容量が増大した場合は半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールを並列接続して使用する。

この場合、従来から、特許文献１に示すように並列接続された半導体素子または半導体モジュールの並列接続導体のインピーダンスを均等にして各素子またはモジュールの電流をバランスさせて各素子の温度上昇が同じになるようにすることが行われている。

また、並列接続された各素子またはモジュールの温度条件を揃えるために、特許文献２に示すように、並列接続された素子またはモジュールの配列方向に対して冷却空気等の冷却媒体を直角方向に流して並列接続した複数の素子またはモジュールの冷却を均等に行うようにすることも行われている。

ところが、装置によっては、図５に示すように、並列接続された複数の半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールを、冷却媒体の流れ方向と平行となる方向に配列しなければならない場合がある。

図５は、従来の半導体電力変換装置における２個の半導体スイッチングモジュールの並列接続構成例を示すものである。

ここで、１および２は、半導体電力変換モジュールであり、内部に、図６に示すように、直列接続された２個のＩＧＢＴ等の半導体電力変換素子Ｓ１、Ｓ２と、各素子に逆並列に接続されたダイオードＤ１、Ｄ２を備えている。半導体電力変換モジュールとしては、４個の半導体電力変換素子を組み合わせて構成した３レベルのモジュールを使用することもある。

半導体電力変換モジュール１および２は冷却体３の上に上下に配列して実装されており、冷却体３には、冷却空気などの矢印１０で示す冷却媒体が下から上へ向けて供給され、これによって冷却されるように構成されている。このような構成により、半導体電力変換モジュール１および２は冷却体３を介して冷却媒体１０によって冷却されるので、負荷電流によって発熱しても規定の温度以下の温度に保たれる。

半導体電力変換モジュール１および２の交流出力端子ＣＥは、接続導体４によって接続され、装置外部へ交流出力として引き出される。また、半導体電力変換モジュール１および２の直流正極端子Ｐおよび負極端子Ｎは，相互に並列に接続されて、ここには図示しない接続導体により直流電源に接続される。

交流出力端子ＣＥに接続された接続導体４は、一方のモジュールに負荷電流が集中して流れて過熱されることがないようにするため、両方のモジュールに均等に負荷電流が流れるように、図５に示すようにＴ字形にして各モジュールに対する配線インピーダンスが均等になるようにしている。

特開２００９‐１６５２７８号公報特開２００６‐０４２４０６号公報

前記の従来装置においては、並列接続された２つの半導体電力変換モジュール１および２に流れる負荷電流がバランスして均一となり、両モジュールの発生損失も同程度となるが、冷却体３の温度分布は、冷却媒体１０の流れの下流側が、上流側より高い温度となる。このため、モジュールの温度は、冷却体３の上側（冷却空気流の下流側）に実装されたモジュール１の方が、下側（冷却空気流の上流側）に実装されたモジュール２よりも高くなり、両モジュールの温度バランスが悪くなる。これを解消するために、冷却媒体１０の流量を増大してモジュール１の温度を規定温度以下に下げるようにすると、冷却媒体の流れの上流側にあるモジュール２は、必要以上に冷却されることになり、冷却効率が悪くなるという問題が生じる。

この発明は、このような問題を解消するために、半導体電力変換装置における並列接続された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの冷却効率を向上することのできる半導体電力変換装置を提供することを課題とするものである。

前記の課題を解決するため、この発明は、並列接続された複数の半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールを、これに供給される冷却媒体の流れ方向と同じ方向に配列して構成した半導体電力変換装置であって、前記複数の半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの交流出力端を接続導体により相互に並列接続し、この接続導体に、これから共通に引き出される引出導体を設けたものにおいて、

前記引出導体を、前記接続導体の引出点から一旦、前記冷却媒体の流れ方向の上流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュール側に前記接続導体と平行になるように折り曲げ、さらに前記接続導体に対して直角になるように折り曲げて引き出すように形成したことを特徴とするものである。

また、この発明においては並列接続された複数の半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールを、これに供給される冷却媒体の流れ方向と同じ方向に配列して構成した半導体電力変換装置であって、前記複数の半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの交流出力端を接続導体により相互に並列接続し、この接続導体に、これから共通に引き出される引出導体を設けたものにおいて、この引出導体を、前記接続導体の前記冷却媒体の流れ方向の上流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの交流出力端に接近した点から前記接続導体に対して直角に引き出すようにすることによっても、冷却媒体の流れ方向の下流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの配線インピーダンスを上流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの配線インピーダンスよりも大きくすることができる。

さらに、この発明においては、前記複数の半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの交流出力端を接続導体の、前記引出導体の引き出し点から前記冷却媒体の流れる方向の下流側に配置された導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの交流出力端側の導体部分に複数の切欠きを設け、この導体部分をジグザグ状に形成することにより、前記冷却媒体の流れ方向の下流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの配線インピーダンスが上流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの配線インピーダンスより大きくなるようにしてもよい。

この発明によれば、並列接続された複数の半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールを、これに供給される冷却媒体の流れ方向と同じ方向に配列して構成した半導体電力変換装置において、電力変換装置を構成する複数の半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの交流出力端を相互に並列接続する接続導体から引き出される共通の引出導体を、冷却媒体の流れ方向の下流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの配線インピーダンスが前記冷却媒体の流れ方向の上流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールのそれより大きくなるように形成しているので、運転中の負荷電流が、冷却媒体による冷却効果の高い冷却媒体の流れの上流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールに多く流れ、冷却効果の低い、冷却媒体の流れ方向の下流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールに少なく流れるようになる。このため冷却媒体による冷却効果の低い下流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールは、負荷電流による発熱に伴う温度上昇が小さくなり規定温度以下に抑えることができる。そして冷却媒体の上流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールは、負荷電流による発熱に伴う温度上昇が大きくなるが、冷媒による冷却効果が高いので、これも規定温度以下に抑えることができる。したがって、冷却媒体の流量を増大することなく装置全体の温度上昇を抑えることができるようになり冷却効率を高めることができる。

この発明の第１の実施例を示す平面構成図。この発明の第１の実施例の動作説明に用いる回路構成図。この発明の第２の実施例を示す平面構成図。この発明の第２の実施例の動作説明に用いる回路構成図。従来装置を示す平面構成図。半導体電力変換モジュールの内部構成を示す回路構成図。

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１および図２にこの発明の第１の実施例を示す。

図１において、１および２は、それぞれ内部に、ＩＧＢＴ等からなる２個の半導体電力変換素子Ｓ１、Ｓ２と逆極性のダイオードＤ１、Ｄ２とにより図６に示すような変換回路を構成した半導体電力変換モジュールである。これらのモジュールの表面には、直流の入出力が行われる正極端子Ｐおよび負極端子Ｎと交流の入出力が行われる交流端子ＣＥが設けられている。

半導体電力変換モジュール１および２は、冷却体３上に、半導体電力変換モジュール２を下にして、上下方向に並べて配列、実装されている。そして、これらのモジュール１、２を冷却するために、矢印で示すようにモジュール１と２の配列方向と同じ方向に冷却体３の下方から上方へ冷却空気等の冷却媒体１０を供給する。

冷却体３上に上下に配列、配置されたモジュール１、２の交流端子ＣＥ間を接続導体５ａにより接続することにより、両モジュールの交流端子を並列接続する。この接続導体５ａの長さのほぼ半分となる中間点Ａから共通の引出導体５ｂを引き出し、図示しない外部の交流接続端子に接続する。接続導体５ａの中間点Ａから引き出した引出導体５ｂは、下側に配置したモジュール２の方へ直角に折り曲げ、接続導体５ａに平行に接近する部分を設ける。そして、さらに、引出導体５ｂをこの平行する部分からさらに直角折り曲げて先端をモジュール２から離れる方向に引き出す。

さらに、図１には図示していないが、モジュール１および２の正極端子Ｐおよび負極端子Ｎはそれぞれ、並列に接続されて直流電源Ｅに接続される（図２参照）。

このように構成された半導体電力変換装置は、図２に示すような変換回路を構成する。モジュール１と２の交流端子ＣＥ間を接続する導体５ａの中間点Ａと各モジュールの交流端子ＣＥとの間の部分導体５a1と５a2には、それぞれＬ51およびＬ52の配線リアクタンスが存在し、中間点Ａから引き出された引出導体５ｂには、Ｌ50の配線リアクタンスが存在する。また、導体５ａおよび５ｂには抵抗が存在するが、引出導体５ｂが接続導体５ａの中間点Ａから引き出されているので、モジュール１および２からみた配線抵抗は等しく平衡しているので、ここでは省略して考える。

モジュール２の交流端子ＣＥと接続導体５aの中間点Ａとの間の部分導体５a２と、引出導体５ｂとは平行に近接して配置されているので、互いのインダクタンスが相殺されるように作用する。このため、交流引出導体５（５ａ、５ｂ）のモジュール２側の配線インダクタンスＬ２はＬ２＝Ｌ52−Ｌ50となり、モジュール１側の配線インダクタンスＬ1はＬ１＝Ｌ51＋Ｌ50となる。したがって、モジュール１側の配線インダクタンスＬ１がモジュール２側の配線インダクタンスＬ２より大きくなる。モジュール１と２の配線抵抗は平衡しほぼ等しいので、モジュール１側の配線インピーダンスＺ１がモジュール２側の配線インピーダンスＺ２より大きくなる。

このように並列接続されたモジュール１と２の配線インピーダンスが不平衡となるため、運転中の負荷電流は、モジュール１よりモジュール２の方に多く流れ、発熱もその分モジュール２の方が大きくなる。しかし、モジュール２は、冷却体３上の冷却媒体１０の流れの上流側に配置されているため、冷却媒体１０による冷却効果が高くなり、温度上昇を抑えることができる。また、冷却体３上の冷却媒体１０の流れの下流側に配置されたモジュール１は、モジュール１に比べて冷却媒体により冷却効果は低下するが、配線インピーダンスＺ1が大きい分、これに流れる負荷電流が減少し、発熱量が低下するので、最適な冷却が行われ、規定温度以上の温度には上昇しない。

このような実施例１によれば、冷却媒体の流れ方向と同じ方向に並べて配列され、高い冷却作用を受けるモジュール２の負荷電流の負担が大きく、低い冷却作用を受けるモジュール１の負荷電流負担が小さくなることにより、モジュール１と２とを効率よく効果的に冷却することができる。

図３および図４にこの発明の第２の実施例を示す。

この実施例２においては、まず、図３（Ａ）に示すように、交流引出導体５の共通引出導体５ｂを、半導体電力変換モジュール１との２の交流出力端子ＣＥ間を接続する接続導体５ａの下側（冷却媒体１０の流れの上流側）に配置されたモジュール２の交流出力端子ＣＥに可能な限り接近して設けた引出点Ｂから接続導体５ａに対して直角に引き出すようにしている。

このように構成された実施例２の半導体電力変換装置の回路構成は、図４に示すような構成となる。交流引出導体５の配線インダクタンスＬ５は、２つのモジュールにほぼ均等に作用するので、ここではこれを省略して説明する。しかし、接続導体５ａの抵抗は、引出点Ｂからの長さの長いモジュール１側の抵抗Ｒ51が、モジュール２側の抵抗Ｒ52より大きくなり、２つのモジュールに不平衡に作用する。このため、各モジュールの交流端子に接続された接導体の配線インピーダンスは、抵抗が増大する分、モジュール１側の配線インピーダンスＺ１がモジュール２側の配線インピーダンスＺ２より大きくなる。このような配線インピーダンスの相違によって、モジュール１および２に流れる負荷電流は、冷却媒体１０の流れの上流側に配置されたモジュール２の方が、冷却媒体１０の流れの下流側に配置されたモジュール２より大きくなる。

この結果、運転中の負荷電流による発熱が、モジュール２の方がモジュール１によりも大きくなり、両モジュールの発熱が不平衡となるが、発熱の大きい下側（冷却媒体の流れの上流側）に配置されたモジュール２は、冷却媒体による高い冷却作用で冷却され、発熱の小さい上側（冷却媒体の流れの下流側）に配置されたモジュール１は、冷却媒体による低い冷却作用で冷却される。このため、モジュール１と２の温度上昇はほぼ同じになり、これらの温度を均等に保つことができる。

この実施例２は、図３（Ｂ）に示すように、接続導体５ａのモジュール１側に複数の切欠きを設けてジグザグ形状にして、導体の実質的な長さを長くすることによりこの部分の抵抗Ｒ５１を増大するように変形することができる。これにより、冷却媒体の流れの下流側に配置されたモジュール１に流れる負荷電流をさらに抑制することができるので、これの温度上昇をさらに抑えることができる。

１、２：半導体電力変換モジュール
３：冷却体
５：交流引出導体
１０：冷却媒体

Claims

並列接続された複数の半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールを、これに供給される冷却媒体の流れ方向と同じ方向に配列して構成した半導体電力変換装置であって、前記複数の半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの交流出力端を接続導体により相互に並列接続し、この接続導体に、これから共通に引き出される引出導体を設けたものにおいて、
前記引出導体を、前記接続導体の引出点から一旦、前記冷却媒体の流れ方向の上流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュール側に前記接続導体と平行になるように折り曲げ、さらに前記接続導体に対して直角になるように折り曲げて引き出すように形成したことを特徴とする半導体電力変換装置。
並列接続された複数の半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールを、これに供給される冷却媒体の流れ方向と同じ方向に配列して構成した半導体電力変換装置であって、前記複数の半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの交流出力端を接続導体により相互に並列接続し、この接続導体に、これから共通に引き出される引出導体を設けたものにおいて、
前記引出導体を、前記接続導体の前記冷却媒体の流れ方向の上流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの交流出力端に接近した点から前記接続導体に対して直角に引き出すように形成したことを特徴とする半導体電力変換装置。
前記複数の半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの交流出力端を接続導体の、前記引出導体の引き出し点から前記冷却媒体の流れる方向の下流側に配置された半導体電力変換素子または半導体電力変換モジュールの交流出力端側の導体部分に複数の切欠きを設け、この導体部分をジグザグ状に形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体電力変換装置。