JP6296303B2 - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、変圧器および半導体ユニットを筐体内に収納する半導体電力変換装置に関する。

冷却機能を有する半導体電力変換装置の先行技術が、例えば、特許文献１（特開２００７−７４８６５号公報）に開示されている。この先行技術について、図を参照しつつ説明する。図６は、特許文献１の記載に基づく半導体電力変換装置であり、図６（ａ）は左側面から視た内部構造図、図６（ｂ）は正面から視た内部構造図である。この電力変換装置１００は、筐体１０１、変圧器１０２、半導体ユニット１０３、制御・出力盤１０４、排気ファン１０５を備える。

図６（ｂ）で示すように、正面から視て、筐体１０１の内部右側に制御・出力盤１０４が配置される。また、図６（ａ），（ｂ）で示すように、筐体１０１の内部左側の中段に敷設した仕切板１０１ａが、残る内部空間を上下に仕切って、下側空間１０１ｂおよび上側空間１０１ｃを形成する。下側空間１０１ｂに変圧器１０２が配置される。また、上側空間１０１ｃに、図６（ｂ）の正面から視て二列三段の半導体ユニット１０３が配置される。

この仕切板１０１ａの背面側に、導風口１０１ｄが形成される。そして、下側空間１０１ｂの一部であって変圧器１０２の背面側の空間である下側風洞１０１ｅと、上側空間１０１ｃの一部であって半導体ユニット１０３の背面側の空間である上側風洞１０１ｆと、が導風口１０１ｄにより連通する。筐体１０１の正面には図示しない扉部が形成され、この扉部には図示しない吸気口が形成されている。

変圧器１０２の冷却について、図示しない扉部前面の吸気口から冷却空気を取り込み、その冷却空気は、図６（ａ）の一点鎖線で示す矢印の方向に流れる。冷却空気は、変圧器１０２の表面に沿って流れて変圧器１０２を冷却し、下側風洞１０１ｅまで流れる。下側風洞１０１ｅ内の暖められた空気は、導風口１０１ｄを通じて、上側風洞１０１ｆへ流れる。

また、半導体ユニット１０３の冷却について、図示しない扉部前面の吸気口から冷却空気を取り込み、その冷却空気は、図６（ａ）の破線で示す矢印のように流れる。冷却空気は、半導体ユニット１０３の下部に配置した冷却フィン部１０３ａを通過し、半導体ユニット１０３の内側を冷却して上側風洞１０１ｆへ流れる。上側風洞１０１ｆ内の温められた空気は、排気ファン１０５により排気され、排熱される。

特開２００７−７４８６５号公報（段落番号［０００６］〜［０００９］、図１，図２）

この先行技術の半導体電力変換装置の電圧および容量を大きくすると、新たに以下（１）〜（３）の問題が生ずることが知見された。

（１）半導体電力変換装置の大型化
半導体電力変換装置１００の電圧および容量を大きくする場合、変圧器１０２および半導体ユニット１０３も大型化する。半導体電力変換装置１００は、変圧器１０２および半導体ユニット１０３を上下に配置していることから、特に筺体１０１の高さが増大し、半導体電力変換装置１００を機械的に安定して設置できないという問題の発生が予想される。また、高さ寸法の増大により機械室等に設置できないという問題の発生が予想される。半導体電力変換装置の電圧および容量を大きくする場合でも、半導体電力変換装置を安定して設置できるような小型の構造を目指すという課題については着目されていなかった。

（２）排気ファンの大型化
半導体電力変換装置１００の電圧および容量を増加する場合、冷却機能を高めるため、排気ファン１０５の容量も増加する必要がある。しかしながら、この場合に排気ファン１０５の形状が大型化するため、筐体１０１上に安定して設置できないという別の問題の発生が予想される。排気ファンの容量を大きくする場合でも、半導体電力変換装置を安定して設置できるような小型の構造を目指すという課題については着目されていなかった。

（３）排熱の困難性
半導体電力変換装置１００は、排熱のための導風口１０１ｄの通風路断面積が、スペースの制限のため小さく、変圧器１０２を積極的に冷却する能力が低かった。変圧器１０２の大型化により損失が大きくなると特に下側風洞１０１ｅや上側風洞１０１ｆ内の温度が高くなり、効率的な冷却が困難になる。効率的な冷却が可能ならば、排気ファンの容量を小さくすることも可能になる。このような半導体電力変換装置の電圧および容量を大きくする場合でも、変圧器および半導体ユニットを効率的に冷却して温度上昇を抑える構造を目指すというという課題については着目されていなかった。

そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、変圧器および半導体ユニットを効率的に冷却する小型で安定的な構造を採用し、容量および電圧をより大きくする半導体電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決する本発明は、
変圧器と半導体ユニットを内部に収容する内部空間を有する筐体と、
正面側に前記半導体ユニットを収納する半導体ユニット収納室と背面側に前記変圧器を収納する変圧器収納室とを形成するように前記内部空間内の前後を仕切る仕切部と、
前記変圧器収納室内の下側に配置され、前記変圧器の下側の一部を収容し、前記変圧器の内側と連通する風洞を形成する隔壁部と、
前記隔壁部に形成される正面側開口部と、
前記仕切部に形成され、前記半導体ユニット収納室と前記変圧器収納室とを連通させる上側開口部と、
前記隔壁部の前記正面側開口部と対向するように前記仕切部に形成され、前記半導体ユニット収納室と前記風洞とを連通させる下側開口部と、
前記筐体の上側に設置され、前記変圧器収納室の上側から排気する排気ファンと、
を有し、前記半導体ユニット収納室へ取り込まれた冷却空気は、第一のルートと第二のルートに分かれて流れ、
前記第一のルートでは、前記半導体ユニットの内側に形成される流路を通過して冷却しつつ流れ、前記上側開口部を通じて前記半導体ユニット収納室から前記変圧器収納室へ流れ、前記変圧器の外側を冷却してから前記排気ファンにより前記変圧器収納室から排気され、
前記第二のルートでは、前記半導体ユニット収納室、前記下側開口部および前記正面側開口部を経て前記風洞へ流れ、前記変圧器の内側を冷却してから前記変圧器収納室へ流れ、前記排気ファンにより前記変圧器収納室から排気される半導体電力変換装置とした。

また、この発明の半導体電力変換装置は、前記第一のルートでは、前記半導体ユニットから排気した冷却空気を前記上側開口部で流速を上げつつ排気し、この冷却空気を前記半導体ユニットの後ろに存在する前記変圧器の外側に当てるように噴射して冷却することが好ましい。

また、この発明の電力変換装置は、前記第一のルートでは、前記半導体ユニットの後ろで前記変圧器が不存在の箇所に前記上側開口部から一定距離を隔てて板状の遮蔽部を設置し、前記上側開口部から噴出される冷却空気の流速の均一化を図りつつ、前記遮蔽部に沿って冷却空気を流して前記変圧器の外側に当てるように冷却空気の流れを集約させることが好ましい。

本発明によれば、変圧器および半導体ユニットを効率的に冷却する小型で安定的な構造を採用し、容量および電圧をより大きくする半導体電力変換装置を提供することができる。

本発明を実施するための形態の半導体電力変換装置の正面図である。 本発明を実施するための形態の半導体電力変換装置のうち排気ファン、扉および制御部扉を取り外して正面から視た内部構造図である。 本発明を実施するための形態の半導体電力変換装置のうち天板および排気ファンを取り外して平面から視た内部構造図である。 本発明を実施するための形態の半導体電力変換装置のうち排気ファン、扉、半導体ユニットおよび制御部扉を取り外して正面から視た内部構造図である。 本発明を実施するための形態の半導体電力変換装置のうち側壁を取り外して左側面から視た内部構造図である。 先行技術の半導体電力変換装置であり、図６（ａ）は左側面から視た内部構造図、図６（ｂ）は正面から視た内部構造図である。

続いて、本発明を実施するための形態に係る半導体電力変換装置について、図を参照しつつ以下に説明する。まず、本形態の半導体電力変換装置１が備える構成について説明する。この電力変換装置１は、外観としては図１で示すように、筐体２、制御部３、排気ファン４、扉５、吸気口６を備える。

直方体であって堅牢な構造体である筐体２の前面に、二枚の扉５は開閉可能に構成される。これら扉５の前面にグリル状に開口された吸気口６が形成される。筐体２の上側には半導体電力変換装置１の内部から空気を排気する排気ファン４が配置される。排気ファン４が稼働すると、冷却空気として外気が吸気口６を通じて半導体電力変換装置１内に吸い込まれ、後述する半導体電力変換装置１内の第一，第二のルートを経て、排気ファン４から排気される。

また、その内部では、図２，図３，図５で示すように半導体ユニット７を、図３，図５で示すように変圧器８、隔壁１０、半導体ユニット収納室１１、変圧器収納室１２を、図３，図４，図５で示すように仕切部９を、図５で示すように遮蔽部１３、台座部１４、風洞１５を備える。

半導体電力変換装置１は、図１で示すように、正面から視て、筐体２の内部右側に制御３が配置される。制御部３の中は複数の制御機器で構成されている。また、図３，図４，図５で示すように、仕切部９が、残る内部空間の前後を仕切るように敷設され、半導体ユニット収納室１１および変圧器収納室１２を形成する。半導体電力変換装置１の内部構成は、図２，図３，図５に示すように、半導体ユニット収納室１１に正面から視て五列三段（特に図２参照）の半導体ユニット７が、また、変圧器収納室１２に変圧器８が配置される。

半導体ユニット７は、図２で示すように、冷却フィン７ａ、電解コンデンサ７ｂを備える。半導体ユニット７は、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁形バイポーラトランジスタ）などの半導体スイッチング素子や、電解コンデンサ７ｂその他発熱量が大きい電子素子を含む電力変換回路であり、この電力変換回路が冷却フィン７ａに集中的に取り付けられて、ユニット化されている。冷却フィン７ａと電解コンデンサ７ｂは流路（図５参照）内に配置されており、これら流路を冷却空気が通過する。このような半導体ユニット７が、三段積みであってＵ，Ｖ，Ｗの三相分にわたり収納されている。

仕切部９に、図４で示すような、冷却フィン用開口部９ａおよび電解コンデンサ用開口部９ｂが形成されている。冷却フィン用開口部９ａおよび電解コンデンサ用開口部９ｂは、本発明の上側開口部である。冷却フィン用開口部９ａおよび電解コンデンサ用開口部９ｂはそれぞれ半導体ユニット７と同じ数（本形態ではそれぞれ１５個）が形成される。冷却フィン用開口部９ａおよび電解コンデンサ用開口部９ｂは、半導体ユニット収納室１１と変圧器収納室１２とを連通させ、冷却空気が流通する。正面の吸気口６から取り込まれた冷却空気は、半導体ユニット収納室１１の半導体ユニット７の内側を流れ、これら冷却フィン用開口部９ａおよび電解コンデンサ用開口部９ｂを通り、変圧器収納室１２に流れる。

また、この仕切部９に、図４で示すような、変圧器一次巻線用開口部９ｃも形成されている。変圧器一次巻線用開口部９ｃは本発明の下側開口部である。後述するが、隔壁１０の前側開口部１０ｃと対向するように形成される。

図５で示すように、変圧器収納室１２では、仕切部９の背面側に、変圧器８が設置されている。変圧器８は、台座部１４により下側で支持されている。変圧器８は例えば三相式変圧器であり、上側と下側に鉄心８ａの一部が位置する。この変圧器８も発熱ユニットである。変圧器８は重量物であるため下部に配置され、また、比較的保守の必要がないとの理由で背面側の変圧器収納室１２に配設される。

隔壁１０は、上板１０ａ、縦板１０ｂ、前側開口部１０ｃを有し、隔壁１０により区画されて変圧器下部の空間である風洞１５を形成する。隔壁１０の前側の縦板１０ｂは、仕切部９と対向（または接触）し、また、上板１０ａの背面側の端部は筺体２の背面内壁と接触する。また、隔壁１０の左右両端にも図示しない仕切板が形成されており、風洞１５の区画に利用される。

この風洞１５内に変圧器８の鉄心８ａが位置する。隔壁１０の上板１０ａは、巻線直下の平面方向に取り付けられる仕切板であり、この上板１０ａに孔が開いている。この孔は、例えば、鉄心８ａが通過する孔であり、また、変圧器８内部の一次巻線へ冷却空気が到達するような孔である。巻線はＵ，Ｖ，Ｗと３つあり、これらにそれぞれ到達するように孔が形成されている。変圧器一次巻線用開口部９ｃより取り込まれた空気は、前側開口部１０ｃを経て風洞１５へ流れ、下側の鉄心８ａを冷却し、この風洞１５から孔を通じて変圧器８の一次巻線の内側を通過し、上側の鉄心８ａを冷却し、最終的に変圧器収納室１２へ流れる。

続いて冷却空気の流れについて説明する。半導体ユニット収納室１１へ吸気された冷却空気の流れは、図５の一点鎖線の矢印で示される第一のルート、および、破線の矢印で示される第二のルート、の二通りとなる。

第一のルートは、半導体ユニット７を経由する上側を流れるルートである。正面の扉５の吸気口６より取り込まれた冷却空気は、一点鎖線の矢印のように半導体ユニット７の冷却フィン部７ａおよび電解コンデンサ部７ｂが配置された流路を流れて半導体ユニット７の内側を冷却する。そして、冷却空気は、仕切部９の冷却フィン用開口部９ａおよび電解コンデンサ用開口部９ｂを通って変圧器収納室１２へ流入する。この流入した冷却空気は、変圧器８の二次巻線の前側を冷却する。そして、変圧器８の背面側へ回り込み二次巻線の後側も冷却する。そして冷却空気は、二次巻線の全表面を冷却しつつ変圧器収納室１２を上方向に流れ、排気ファン４を通じて筺体２の外部へ排気され、排熱が行われる。

ここで半導体ユニット７から排出される冷却空気は、仕切部９の冷却フィン用開口部９ａおよび電解コンデンサ用開口部９ｂを通過する。これら開口部は比較的通風路断面積が小さい孔であり、通過時に冷却空気の流速が高められ、その冷却空気が変圧器８の二次巻線の表面に直接当たる。この速い流れの冷却空気が熱を効率的に奪い、冷却効率を向上させることができる。

また、本形態では遮蔽部１３を設けている。変圧器８の高さが筺体２に対して低い場合、仮に遮蔽部１３がないと、上段の半導体ユニット７から排出される冷却空気は変圧器８の二次巻線を冷却することなく直接排気ファン４により排気されてしまう。変圧器８を効率的に冷却するために半導体ユニット７が排出した冷却空気はできる限り変圧器８に向けて噴射したい。そこで、板状の遮蔽部１３を設けて冷却空気が流れる方向を変え、変圧器８へ向けて流すようにした。これにより、冷却フィン用開口部９ａおよび電解コンデンサ用開口部９ｂを通過する全ての冷却空気が変圧器８を冷却するので冷却効率を高めている。

また、仮に上段の半導体ユニット７の後ろ側に遮蔽部１３がないと、上段の冷却フィン用開口部９ａおよび電解コンデンサ用開口部９ｂを通過する冷却空気は、中段と下段と比較して、風速が上昇して多量の冷却空気が流れ、冷却バランスが悪くなるおそれがある。本発明では冷却空気を流れにくくする板状の遮蔽部１３を上段の半導体ユニット７の後ろ側に設けたため、上中下段の全ての冷却フィン用開口部９ａおよび電解コンデンサ用開口部９ｂを通過する冷却空気の風速が等しくなるように機能させ、冷却バランスを偏らせないようにしている。

第二のルートは、半導体ユニット７を経由しないで下側を流れるルートである。吸気口６から取り込まれた冷却空気は、変圧器一次巻線用開口部９ｃおよび前側開口部１０ｃを通過して、変圧器下部の風洞１５へ流入する。下側の鉄心８ａを冷却し、変圧器８の一次巻線の内側を冷却空気が通過して冷却し、上側の鉄心８ａを冷却して、変圧器収納室１２へ流れ、排気ファン４を通じて筺体２の外部へ排気され、排熱が行われる。この冷却空気は半導体ユニット７を通らないため、温められていない冷却空気であり、変圧器８の内側の一次巻線を効率的に冷却することが可能である。

以上、本発明の半導体電力変換装置１について説明した。この半導体電力変換装置１によれば、半導体ユニット７と変圧器８とを前後方向に並べて同一筺体２に収納する。これにより、特に高さが低い装置となって小型化が実現し、排気ファン４、半導体ユニット７および変圧器８が大型になった場合でも不安定になって倒れるおそれが低減され、安定化を実現した。

また、この半導体電力変換装置１によれば、第一のルートで冷たい冷却空気により半導体ユニット７を冷却し、かつ第二のルートで冷たい冷却空気により変圧器８を冷却しており、半導体ユニット７および変圧器８の冷却効果が高まり、半導体電力変換装置１の容量の増加または過負荷耐量を高めることができる。

また、変圧器８の冷却空気が、変圧器８の外側（二次巻線）を冷却する第一のルートと、変圧器８の内側（一次巻線）を冷却する第二のルートと、に分けられている。第一のルートでは、半導体ユニット７を経由して暖められているが、通風路断面積が狭い冷却フィン用開口部９ａおよび電解コンデンサ用開口部９ｂを経由したことにより、流速が速くなった冷却空気を変圧器８の二次巻線に当てることで二次巻線の冷却効率を向上させている。第二のルートでは、変圧器８の特に温度が上昇しやすい内側を冷たい冷却空気が効率的に排熱して一次巻線の冷却効果を高めている。

また、半導体ユニット７と変圧器８とを冷却するための排気ファン４や吸気口６を共通構成としており、少ない部品点数で効率的に冷却空気を導入することができ、小型化にも寄与する。

本発明の半導体電力変換装置は、変圧器と半導体ユニットを用いる装置であって、例えば、交流電力を直流電力に変換するコンバータや、直流電力を所望の電圧と周波数の交流電力に変換するインバータなどの装置に適用可能とし、広範囲な利用を期待できる。

１：半導体電力変換装置
２：筐体
３：制御部
４：排気ファン
５：扉
６：吸気口
７：半導換ユニット
７ａ：冷却フィン
７ｂ：電解コンデンサ
８：変圧器
８ａ：鉄心
９：仕切部
９ａ：冷却フィン用開口部
９ｂ：電解コンデンサ用開口部
９ｃ：変圧器一次巻線用開口部
１０：隔壁
１０ａ：上板
１０ｂ：前板
１０ｃ：前側開口部
１１：半導体ユニット収納室
１２：変圧器収納室
１３：遮蔽部
１４：台座部
１５：風洞

Claims (3)

1. 変圧器と半導体ユニットを内部に収容する内部空間を有する筐体と、
   正面側に前記半導体ユニットを収納する半導体ユニット収納室と背面側に前記変圧器を収納する変圧器収納室とを形成するように前記内部空間内の前後を仕切る仕切部と、
   前記変圧器収納室内の下側に配置され、前記変圧器の下側の一部を収容し、前記変圧器の内側と連通する風洞を形成する隔壁部と、
   前記隔壁部に形成される正面側開口部と、
   前記仕切部に形成され、前記半導体ユニット収納室と前記変圧器収納室とを連通させる上側開口部と、
   前記隔壁部の前記正面側開口部と対向するように前記仕切部に形成され、前記半導体ユニット収納室と前記風洞とを連通させる下側開口部と、
   前記筐体の上側に設置され、前記変圧器収納室の上側から排気する排気ファンと、
   を有し、前記半導体ユニット収納室へ取り込まれた冷却空気は、第一のルートと第二のルートに分かれて流れ、
   前記第一のルートでは、前記半導体ユニットの内側に形成される流路を通過して冷却しつつ流れ、前記上側開口部を通じて前記半導体ユニット収納室から前記変圧器収納室へ流れ、前記変圧器の外側を冷却してから前記排気ファンにより前記変圧器収納室から排気され、
   前記第二のルートでは、前記半導体ユニット収納室、前記下側開口部および前記正面側開口部を経て前記風洞へ流れ、前記変圧器の内側を冷却してから前記変圧器収納室へ流れ、前記排気ファンにより前記変圧器収納室から排気されることを特徴とする半導体電力変換装置。
2. 請求項１に記載の半導体電力変換装置において、
   前記第一のルートでは、前記半導体ユニットから排気した冷却空気を前記上側開口部で流速を上げつつ排気し、この冷却空気を前記半導体ユニットの後ろに存在する前記変圧器の外側に当てるように噴射して冷却することを特徴とする半導体電力変換装置。
3. 請求項２に記載の半導体電力変換装置において、
   前記第一のルートでは、前記半導体ユニットの後ろで前記変圧器が不存在の箇所に前記上側開口部から一定距離を隔てて板状の遮蔽部を設置し、前記上側開口部から噴出される冷却空気の流速の均一化を図りつつ、前記遮蔽部に沿って冷却空気を流して前記変圧器の外側に当てるように冷却空気の流れを集約させることを特徴とする半導体電力変換装置。

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