JP5946171B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力用半導体素子を複数個用いて成る電力変換装置に関する。

電力用半導体素子を複数個用いて成る電力変換装置においては、電力用半導体素子等の発熱による温度上昇が常に問題となるため、これらを効率的に冷却する必要がある。例えば、電圧型のインバータ装置においては、主たる半導体素子であるＩＧＢＴ等のスイッチング素子と、これら個々のＩＧＢＴに逆並列に接続される還流ダイオードとを冷却する必要があるが、これらの素子を一体構造とし、電気絶縁された取付け面を介して外壁を有する冷却用フィンに取り付け、この外壁内に非導電性と熱伝導性を備えた樹脂を充填して冷却効率を高めるような提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００２−３２５４６７号公報（第５−６頁、図１）

特許文献１に示されている電力用半導体素子は比較的容量が小さいため、一体構造の半導体モジュールとして全体を絶縁した状態で冷却用フィンに取り付けて冷却することが可能となるが、耐圧が高く大容量の電力用半導体素子の場合は、個別に電気絶縁を行って冷却フィンに取り付ける必要がある。この場合、通常は複数個のＩＧＢＴ等のスイッチング素子と、個々のＩＧＢＴに逆並列に接続される還流ダイオードとを共通の金属製の冷却フィンに取り付けて半導体ユニットを構成し、一括して同一の冷却風によって冷却する構造を採用する。然しながら、例えばこの半導体ユニットに３レベル電力変換器の結合ダイードも実装し、この結合ダイオードの耐圧が他の半導体素子と比べて大幅に低いような場合、共通の金属製の冷却フィンに取り付けると耐圧がミスマッチとなり成立しない。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、耐圧が異なる複数個の電力用半導体素子を適切に配置し効率良く冷却を行うことが可能な半導体ユニットを備えた電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、複数個の半導体ユニットを備えた電力変換装置であって、前記半導体ユニットは、複数の主たる電力用半導体素子が実装され、主冷却ブレードを有する金属製の主冷却フィンと、前記主冷却ブレードに冷却風を通風するための風洞と、前記風洞の外壁の一部を構成し、複数の開口部を有する絶縁材と、従たる電力用半導体素子が各々実装され、互いが絶縁されて前記絶縁材に各々取り付けられた複数個の金属製の従冷却フィンとを有し、前記従冷却フィンは、前記開口部を貫通して前記風洞内に突出するように設けられた従冷却ブレードを各々備え、前記半導体ユニットは、前記風洞内の冷却風によって前記主冷却ブレード及び前記従冷却ブレードを冷却するようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、耐圧が異なる複数個の半導体素子を適切に配置し効率良く冷却を行うことが可能な半導体ユニットを備えた電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の半導体ユニットの斜視図。 本発明の実施例１に係る電力変換装置の半導体ユニットの回路構成図。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の半導体ユニットの斜視図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る電力変換装置の半導体ユニットの斜視図である。図１（ａ）は組立て完成後の斜視図、図１（ｂ）は一部を分解した斜視図を示す。また、図２は、図１に示した半導体ユニットの回路構成図を示している。すなわち、３レベル電力変換器の１相分のスイッチングレグの回路構成図である。

図１に示すように、主たる素子であるスイッチング素子１は主冷却フィン１１の上部材１１ａの上面に複数個が一列状に実装されている。この例におけるスイッチング素子１は、図２に示すように、ＩＧＢＴ及びこれと逆並列に接続された還流ダイオードとの複合スイッチング素子であり、所謂モジュール型の構造となっている。主冷却フィン１１は、図１（ｂ）に示すように、金属製の上部材１１ａと、この上部材１１ａと一体となって取り付けられた冷却ブレード１１ｂ、そして上部面１１ａを下部から支えるための金属製の下部材１１ｃとから構成されている。下部材１１ｃと、冷却ブレード１１ｂと一体となった上部材１１ａは、後に説明する図３（ｂ）に示すように組み立てられ、ネジ止め固定される。この状態で冷却風は図１（ａ）に矢印で示すように、冷却ブレード１１ｂの前方から流入し、冷却ブレード１１ｂから熱を奪って後方に流出する。下部材１１ｃは、図１（ｂ）に示すように冷却風の後方側に延長しており、この延長された上部に絶縁材２２が取り付けられる構造となっている。

従たる素子である複数個の結合ダイオード２は、従冷却フィン２１の上部材２１ａの上面に一列状に実装されている。この実施例における結合ダイオード２は、図２に示すように２直列接続された結合ダイオードのうちの１個であり、従って耐圧はスイッチング素子１の半分程度である。

従冷却フィン２１は、図１（ｂ）に示すように、金属製の上部材２１ａと、この上部材２１ａと一体となって取り付けられた冷却ブレード２１ｂとから構成されている。従冷却フィン２１は結合ダイオード２に対応して１：１で設けられている。そして、図１（ｂ）に示すように、各々の従冷却フィン２１は、冷却ブレード２１ｂが絶縁材２２に設けられた開口部２２ａを貫通するように取り付けられ、上部材２１ａと絶縁材２２はネジ止めによって固定される。そして、上部材２１ａ、絶縁材２２、及び下部材１１ｃで囲まれた空間は風洞３を形成する。

本実施例の半導体ユニットは以上説明した構成によって成立する。スイッチング素子１は高い絶縁耐圧を有するため、共通の主冷却フィン１１を介して、複数のスイッチング素子１の取り付け面同士が互いに導通しても問題は生じない。ところが、結合ダイオード２においては、絶縁耐圧が低いため、主冷却フィン１１上に実装することはできない。すなわち、複数の結合ダイオード２の取り付け面同士が互いに導通すると互いの耐圧が維持できなくなるため、このように冷却フィン２と一体となった状態で互いが絶縁されるように実装する。ここで、従冷却フィン２１は通常接地しないが、共通の主冷却フィン１１は接地されていても接地されていなくても良い。

冷却風は図１に示したように主冷却フィン１１側の開口部から風洞３内に流入する。冷却風はまず冷却ブレード１１ｂと熱交換することで冷却フィン１１を冷却し、続いて冷却ブレード２１ｂと熱交換することで冷却フィン２１を冷却する。冷却風の通風方向はこの逆であっても良いが、通常はスイッチング素子１の方が結合ダイオードに比して発熱量が大きいので図１（ａ）に示した上記方向とすることが好ましい。

図２は本発明の実施例２に係る電力変換装置の半導体ユニットの斜視図であり、図２（ａ）は組立て完成後の斜視図、図２（ｂ）は一部を分解した斜視図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の半導体ユニットの斜視図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、下部材１１ｃの延長部分を無くすと共に、絶縁材２２を箱型絶縁材２２Ａに変更した点である。

図３（ｂ）に示すように、実施例１と同一のスイッチング素子１を実装した上部材１１ａ及び冷却ブレード１１ｂは、下部材１１ｃ上にネジ止め固定される。ここで、下部材１１ｃは、実施例１とは異なり、冷却ブレード１１ｂの後方（冷却ブレード１１ｂから冷却風が流出する側）には延長部分がない。従って、風洞３を形成するため、実施例１の上記金属製延長部分を絶縁材に置き換えた箱型絶縁材２２Ａの上面に各々の従冷却フィン２１を実装する。

本実施例の半導体ユニットは図２（ａ）に示すように、以上説明した構成によって成立する。箱型絶縁材２２Ａと冷却フィン１１は適切な方法で固定する。例えば、これらを密着した状態とし、各々を台座上に固定するようにしても良い。

この実施例２によれば、実施例１と異なり冷却ブレード２１ｂと下部材１１ｃとの間の絶縁に注意を払う必要がなくなる利点がある。例えば、冷却ブレード２１ｂの下部が箱型絶縁材２２Ａの内部の下面と接触していても問題ない。

以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、実施例では、図２に示す回路構成で説明したが、これに限らず、耐圧の異なる複数の電力用半導体素子を有する電力変換装置であれば本発明の適用は可能である。

また、実施例１の説明では、下部材１１ｃは主冷却フィン１１の一部であるとの説明を行ったが、必ずしもそうである必要はない。中空の箱型の風洞を用意し、その上面に上部材と冷却ブレードから成る主冷却フィンを実装し、隣接部に従冷却フィン実装用の絶縁材を設ける構成としても良い。

１ スイッチング素子
２ 結合ダイオード
３ 風洞
１１ 主冷却フィン
１１ａ 上部材
１１ｂ 冷却ブレード
１１ｃ 下部材
２１ 従冷却フィン
２１ａ 上部材
２１ｂ 冷却ブレード
２２ 絶縁材
２２ａ 開口部
２２Ａ 箱状絶縁材

Claims (5)

1. 複数個の半導体ユニットを備えた電力変換装置であって、
   前記半導体ユニットは、
   複数の主たる電力用半導体素子が実装され、主冷却ブレードを有する金属製の主冷却フィンと、
   前記主冷却ブレードに冷却風を通風するための風洞と、
   前記風洞の外壁の一部を構成し、複数の開口部を有する絶縁材と、
   従たる電力用半導体素子が各々実装され、互いが絶縁されて前記絶縁材に各々取り付けられた複数個の金属製の従冷却フィンと
   を有し、
   前記従冷却フィンは、
   前記開口部を貫通して前記風洞内に突出するように設けられた従冷却ブレードを各々備え、
   前記半導体ユニットは、
   前記風洞内の冷却風によって前記主冷却ブレード及び前記従冷却ブレードを冷却するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記主冷却フィンは、
   前記主たる電力用半導体素子が実装され、前記風洞の上部壁面を構成する上部材と、
   前記主冷却ブレードと、
   前記風洞の側壁面と下部壁面を構成すると共に、通風方向に延長された上部に前起絶縁材が取り付けられた下部材と
   から成ることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記主冷却フィンは、
   前記主たる電力用半導体素子が実装され、前記風洞の上部壁面を構成する上部材と、
   前記主冷却ブレードと、
   前記風洞の側壁面と下部壁面を構成する下部材とから成り、
   前記絶縁材は、前記主冷却フィンに隣接配置された箱形状とし、
   前記上部材、前記下部材及び前記絶縁材に囲まれた内部を前記風洞としたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記従冷却フィンは、
   前記従たる電力用半導体素子が実装され、前記開口部の周辺部の前記絶縁材にネジ止め固定された上部材と
   前記従冷却ブレードと
   で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記半導体ユニットの冷却風は、前記風洞内を、前記主冷却ブレード側から前記従冷却ブレード側に通風するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電力変換装置。

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