JP7089833B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、水冷の冷却装置を含む電力変換装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a power conversion device including a water-cooled cooling device.
大型の電力変換装置では、電力変換用のパワー半導体等を冷却するために、水冷式冷却装置を用いることがある。水冷式冷却装置は、冷却フィンに冷却水が循環する管を結合させて、冷却対象物を冷却する。 In a large-scale power conversion device, a water-cooled cooling device may be used to cool a power semiconductor or the like for power conversion. The water-cooled cooling device cools the object to be cooled by connecting a pipe through which cooling water circulates to the cooling fins.
このような電力変換装置の主回路を含む電力変換器は、多層に積み上げられたモジュール構成をなしており、複数のモジュール間を絶縁するために、沿面距離を十分にとる必要がある。各モジュールは、絶縁性の材料によって形成された支柱により相互に支持されており、このような絶縁支柱には、沿面距離をかせぐために、表面に波型形状がほどこされた碍子等が用いられる。 The power converter including the main circuit of such a power converter has a module configuration in which multiple layers are stacked, and it is necessary to have a sufficient creepage distance in order to insulate between the plurality of modules. Each module is mutually supported by struts formed of an insulating material, and for such insulating stanchions, insulators or the like having a corrugated surface are used in order to increase the creepage distance.
各モジュールに冷却水を供給し、循環させるために、モジュール間に配管が設けられる。このようなモジュール間の配管は、冷却水のヘッドロスが大きくなるので、配管の内部に沿面距離をとるような波型形状を採用することができない。そのため、モジュール間の沿面距離をとるためには、モジュール間の配管の長さを長くする必要があり、モジュール間の間隔が広がり電力変換器の高さが必要以上に高くなってしまう。 Piping is provided between the modules to supply and circulate cooling water to each module. Since the head loss of the cooling water becomes large in the piping between such modules, it is not possible to adopt a corrugated shape that takes a creepage distance inside the piping. Therefore, in order to obtain the creepage distance between the modules, it is necessary to lengthen the length of the piping between the modules, the distance between the modules is widened, and the height of the power converter becomes higher than necessary.
実施形態は、モジュール間の距離を短縮し、装置の高さを低減した電力変換装置を提供する。 Embodiments provide a power conversion device that reduces the distance between modules and reduces the height of the device.
実施形態に係る電力変換装置は、絶縁性の支柱を介して鉛直方向に積み上げられ、互いに絶縁されて電力変換動作する複数のモジュールと、前記複数のモジュールのうち隣接して配置されたモジュール間で鉛直方向から角度をもって配置され、前記複数のモジュールのそれぞれに冷却媒体を供給する絶縁性の第1配管と、を備える。前記複数のモジュールは、内部の管と流体的に接続するための第1ジョイントおよび第2ジョイントをそれぞれ有する。前記複数のモジュールのうち1つのモジュールに設けられた前記第1ジョイントおよび前記第2ジョイントを流体的に接続する第2配管をさらに備える。前記複数のモジュールのうち隣接して配置されたモジュール間に設けられた前記第1配管の一端は、前記第1ジョイントに流体的に接続され、他端は前記第2ジョイントに流体的に接続される。
The power conversion device according to the embodiment is a plurality of modules vertically stacked via insulating columns and isolated from each other to perform power conversion operation, and between the plurality of modules arranged adjacent to each other. It is provided with an insulating first pipe, which is arranged at an angle from the vertical direction and supplies a cooling medium to each of the plurality of modules. The plurality of modules have a first joint and a second joint for fluidly connecting to an internal pipe, respectively. Further, a second pipe for fluidly connecting the first joint and the second joint provided in one of the plurality of modules is provided. One end of the first pipe provided between the modules arranged adjacent to each other among the plurality of modules is fluidly connected to the first joint, and the other end is fluidly connected to the second joint. Module.
本実施形態では、モジュール間の距離を短縮し、実装高を低減した電力変換装置が実現される。 In this embodiment, a power conversion device is realized in which the distance between modules is shortened and the mounting height is reduced.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
It should be noted that the drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the ratio of the sizes between the parts, and the like are not necessarily the same as the actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be different from each other depending on the drawing.
In addition, in the present specification and each figure, the same elements as those described above with respect to the above-mentioned figures are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的な側面図である。
図1に示すように、本実施形態の電力変換装置10は、複数のモジュール22と、複数の絶縁支柱24と、モジュール間配管30と、を備える。複数のモジュール22のそれぞれは、金属製の筐体を有する。複数のモジュール22のそれぞれは、絶縁性の材料で形成された絶縁支柱24を介して、上下に積み上げられている。上下に積み上げられた複数のモジュール22は、絶縁支柱24および金属製のベース26を介して、設置面に設置される。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a schematic side view illustrating the power conversion device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the
複数のモジュール22のそれぞれには、パワー半導体素子を複数含むスタックおよび制御基板等が搭載されている。これらの電気回路は、複数のモジュール22のそれぞれに設けられた導体28を介して外部の電気回路と接続される。
Each of the plurality of
スタックは、たとえば2つの水冷フィンによって挟持されたパワー半導体素子が複数個積層され、ネジ等によって締結されている。水冷フィンには、それぞれ管が結合されており、各管は、各モジュール22のジョイント34aに流体的に接続されている。
In the stack, for example, a plurality of power semiconductor elements sandwiched by two water-cooled fins are stacked and fastened with screws or the like. A pipe is connected to each of the water-cooled fins, and each pipe is fluidly connected to the
ジョイント(第1ジョイント)34aは、モジュール22の側面に設けられている。ジョイント34aには、モジュール22内部の管のほか、モジュール22外部でモジュール間配管30および接続配管32に流体的に接続されている。
The joint (first joint) 34a is provided on the side surface of the
モジュール22の側面には、このほかジョイント(第2ジョイント)34bが設けられている。ジョイント34bは、モジュール間配管30と接続配管とを流体的に接続するために設けられている。なお、最下段のモジュール22にもジョイント34bが設けられているが、この例では、未接続とされている。
In addition, a joint (second joint) 34b is provided on the side surface of the
ジョイント34a,34bは、モジュール22の前後にそれぞれ偏在して設けられている。この例では、ジョイント34aはモジュール22の後方に偏在し、ジョイント34bはモジュール22の前方に偏在して配置されている。ジョイント34a,34bは、ほぼ同じ高さになるように設けられている。
The
モジュール間配管(第1配管)30は、上下に隣接して配置されたモジュール22間に設けられている。モジュール間配管30の一方の端部は、上方のモジュール22の後方に偏在するジョイント34aに流体的に接続されている。モジュール間配管30の他方の端部は、下方のモジュール22の前方に偏在するジョイント34bに流体的に接続されている。そのため、上下のモジュール22を流体的に接続するモジュール間配管30は、鉛直方向から角度をもって、つまり斜め方向に配設されている。
The inter-module piping (first piping) 30 is provided between the
接続配管(第2配管)32は、ジョイント34a,34b間に接続されている。接続配管32は、上下のモジュール22に接続するモジュール間配管30同士を、その間のモジュール22において流体的に接続している。これによって、冷却水は、斜め方向に設置された一方のモジュール間配管30から接続配管32を介して、他方のモジュール間配管30に流れる。
The connection pipe (second pipe) 32 is connected between the
ポンプ等の循環設備は、配管38およびジョイント36を介して、電力変換装置10の配管に流体的に接続される。冷却水は、循環設備によって、ジョイント36に接続されたモジュール間配管30に供給される。冷却水の一部は、最下段のモジュール22のジョイント34aを介して、このモジュール22の内部のスタックに供給され、冷却水の残りの一部は接続配管32に供給され、ジョイント34bを介して、他のモジュール間配管30に供給される。
Circulation equipment such as a pump is fluidly connected to the pipe of the
それぞれのモジュール22内のスタックを冷却した冷却水は、他方の側面に設けられたモジュール間配管30および接続配管32を介して、回収され、循環設備によって循環される。なお、冷却媒体は、絶縁性や耐腐食性等の観点から純水であることが好ましいが、用途に応じて適切な冷媒とすることができる。
The cooling water that has cooled the stack in each
モジュール間配管30は、絶縁性の材料で形成されている。絶縁性能や強度等の観点から、モジュール間配管30は、たとえば重さ、強度および絶縁性能の観点からフッ素樹脂によって形成されている。フッ素樹脂は、たとえばポリテトラフルオロエチレン(PolyTetraFluoroEthylene、PTFE)である。接続配管32は、任意の材料によって形成されている。絶縁性であってもよいし、導電性であってもよい。部材を統一する観点から、モジュール間配管30と同一の材料によって形成されていてもよい。
The
モジュール間配管30は、配管の長さをなるべく短くし、内部に流れる冷却水のヘッドロスを低減する観点から、直線状に形成されていることが好ましい。
The
ジョイント34a,34bは、任意の材料によって形成されており、たとえば、強度等の観点から金属製である。
The
モジュール間配管30の長さは、鉛直方向に隣接して配置されるモジュール22間に必要とされる沿面距離に応じて設定される。モジュール間配管30を斜めに設けることによって、上下に隣接するモジュール22の空間的な距離は、必要とされる沿面距離よりも短くすることができる。
The length of the
本実施形態の電力変換装置の効果について、比較例の電力変換装置と比較しつつ説明する。
図2は、比較例の電力変換装置を例示する模式的な側面図である。
図2に示すように、比較例の電力変換装置110では、上下のモジュール122には、モジュール間配管130によって、冷却水が供給される。モジュール間配管130は、上下のモジュール122間の沿面距離を確保するために必要な長さに設定され、電力変換装置110の設置面に対してほぼ垂直方向に設けられている。
The effect of the power conversion device of the present embodiment will be described while comparing with the power conversion device of the comparative example.
FIG. 2 is a schematic side view illustrating a power conversion device of a comparative example.
As shown in FIG. 2, in the
絶縁支柱124の表面は、たとえば波型形状に加工されており、上下のモジュール122間の沿面距離を確保している。モジュール間配管130は、沿面距離を確保するには、必要な沿面距離だけの長さを設定する必要がある。そのため、モジュール間の距離は、モジュール間配管130の長さにより決定され、電力変換装置110の高さは、モジュール122の段数およびモジュール間配管130の長さによって決定される。
The surface of the insulating
本実施形態の電力変換装置10では、モジュール間配管30の長さは、モジュール22間に必要な沿面距離によって設定されている。たとえば、モジュール間配管30の長さは、比較例の場合のモジュール間配管130の長さとほぼ同じにすることができる。
In the
ここで、本実施形態では、各モジュール22の前後に偏在した2か所にジョイント34a,34bを設けている。そして、ジョイント34a,34b間を接続配管32で流体的に接続している。そのため、上下のモジュール22を流体的に接続するモジュール間配管30は、鉛直方向から角度をもたせるように斜めに配置されることができる。そのため、斜めに配置した角度に応じて、モジュール22間の距離を短縮することができる。
Here, in the present embodiment, joints 34a and 34b are provided at two locations unevenly distributed in front of and behind each
たとえば、本実施形態の場合において、モジュール間配管30の配置角度を垂直方向から45°に設定すると、上下に隣接するモジュール22間の距離は、比較例の場合の1/√2≒0.7倍とすることができる。つまり、本実施形態では、電力変換装置10の高さを比較例の場合よりも30%程度低くすることができる。
For example, in the case of the present embodiment, when the arrangement angle of the
また、本実施形態では、各モジュール22のジョイント34a,34bを同じ位置に設けることができるので、モジュールの筐体等の形状や構造等を共通化することができる。そのため、筐体等の部材のコストを低くすることができる。
Further, in the present embodiment, since the
(第2の実施形態)
上述の他の実施形態では、ジョイント34a,34bを前後に偏在させて、接続配管32で流体的に接続している。接続配管32が設けられていることによって、冷却水が流れる行程が長くなるため、冷却水のヘッドロスが、たとえば比較例の電力変換装置110の場合よりも大きくなる。本実施形態では、冷却水のヘッドロスの増大を抑制することができる電力変換装置を提供する。
(Second embodiment)
In the other embodiment described above, the
図3は、本実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的な側面図である。
図3に示すように、本実施形態の電力変換装置210では、上下に隣接して設けられているモジュール222a,222bごとに、ジョイント234a,234bの偏在位置が相違する。この図において、最上段のモジュール222aでは、ジョイント(第1ジョイント)234aはモジュール222aの後方に偏在して設けられている。2段目のモジュール222bでは、ジョイント(第2ジョイント)234bは、モジュール222の前方に偏在して設けられている。最下段(3段目)のモジュール222aでは、ジョイント234aは、モジュール222aの後方に偏在して設けられている。つまり、隣接して配置されたモジュール222間で、ジョイント234a,234bは、交互に前後に偏在するように配置されている。
FIG. 3 is a schematic side view illustrating the power conversion device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 3, in the
モジュール222間に設けられたモジュール間配管30は、ジョイント234a,234b間に流体的に接続されている。このように、本実施形態でも、ジョイント234a,234bの偏在位置が隣接するモジュール222で異なっているので、ジョイント234a,234bを接続するモジュール間配管30は、鉛直方向から角度をもって、つまり斜め方向に設置される。
The
本実施形態の電力変換装置210の効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置210では、ジョイント234a,234bを上下に隣接するモジュール222ごとに前後の偏在位置を異ならせている。そのため、ジョイント234a,234b間を接続するモジュール間配管30は、上下のモジュール間を斜めに接続することができる。モジュール間配管30の長さを、モジュール234a,234b間の沿面距離に応じて設定することによって、上下のモジュール222a,222b間の距離を短くすることができる。
The effect of the
In the
本実施形態では、ジョイント234a,234bの前後の偏在位置を異ならせているので、1つのモジュールにおいて、2つのジョイントを接続する接続配管を用いることなく、冷却水の流水経路を形成することができる。接続配管を用いない分流水経路を短くすることができるので、冷却水のヘッドロスを低減することができる。
In the present embodiment, since the uneven distribution positions before and after the
また、装置の高さを抑制しつつ、沿面距離を確保するために、モジュール間の配管を直線状でなく、らせん状にしたり、波状にしたりする例がある。このような場合と比較しても、本実施形態では、モジュール間配管30を直線状とすることで、冷却水のヘッドロスの増大を抑制することができる。さらに、複雑な形状を形成することがないので、製造コスト等の上昇を抑制することができる。
Further, in order to secure the creepage distance while suppressing the height of the device, there is an example in which the piping between the modules is not linear but spiral or wavy. Even as compared with such a case, in the present embodiment, the increase in the head loss of the cooling water can be suppressed by making the
以上説明した実施形態によれば、モジュール間の距離を短縮し、実装高を低減した電力変換装置を実現することができる。 According to the embodiment described above, it is possible to realize a power conversion device in which the distance between modules is shortened and the mounting height is reduced.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、その他のさまざま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。これら実施形態やその変形は、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およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。 Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims. In addition, each of the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.
10,210 電力変換装置、22,222a,222b モジュール、24 絶縁支柱、26 ベース、30 モジュール間配管、32 接続配管、34a,34b,234a,234b ジョイント 10,210 Power converter, 22,222a, 222b module, 24 insulation column, 26 base, 30 module-to-module piping, 32 connection piping, 34a, 34b, 234a, 234b joint
Claims (5)
前記複数のモジュールのうち隣接して配置されたモジュール間で鉛直方向から角度をもって配置され、前記複数のモジュールのそれぞれに冷却媒体を供給する絶縁性の第1配管と、
を備え、
前記複数のモジュールは、内部の管と流体的に接続するための第1ジョイントおよび第2ジョイントをそれぞれ有し、
前記複数のモジュールのうち1つのモジュールに設けられた前記第1ジョイントおよび前記第2ジョイントを流体的に接続する第2配管をさらに備え、
前記複数のモジュールのうち隣接して配置されたモジュール間に設けられた前記第1配管の一端は、前記第1ジョイントに流体的に接続され、他端は前記第2ジョイントに流体的に接続された電力変換装置。 Multiple modules that are stacked vertically via insulating stanchions and are isolated from each other to perform power conversion operations.
An insulating first pipe that is arranged at an angle from the vertical direction between the modules arranged adjacent to each other among the plurality of modules and supplies a cooling medium to each of the plurality of modules.
Equipped with
The plurality of modules have a first joint and a second joint for fluidly connecting to an internal pipe, respectively.
Further, a second pipe for fluidly connecting the first joint and the second joint provided in one of the plurality of modules is provided.
One end of the first pipe provided between the modules arranged adjacent to each other among the plurality of modules is fluidly connected to the first joint, and the other end is fluidly connected to the second joint. Power converter.
内部の管と流体的に接続するための第4ジョイントを有し、絶縁性の支柱を介して前記第3モジュールの下方に隣接して設けられて、電力変換動作する第4モジュールと、 A fourth module, which has a fourth joint for fluidly connecting to an internal pipe, is provided adjacent to the lower part of the third module via an insulating column, and operates for power conversion.
内部の管と流体的に接続するための第5ジョイントを有し、絶縁性の支柱を介して前記第4モジュールの下方に隣接して設けられて、電力変換動作する第5モジュールと、 A fifth module, which has a fifth joint for fluidly connecting to an internal pipe, is provided adjacent to the lower side of the fourth module via an insulating column, and operates for power conversion.
前記第3ジョイントと前記第4ジョイントとの間を流体的に接続して前記第3モジュールおよび前記第4モジュールに冷却媒体を供給する第3配管と、 A third pipe that fluidly connects between the third joint and the fourth joint to supply a cooling medium to the third module and the fourth module.
前記第4ジョイントと前記第5ジョイントとの間を流体的に接続して前記第4モジュールおよび前記第5モジュールに前記冷却媒体を供給する第4配管と、 A fourth pipe that fluidly connects between the fourth joint and the fifth joint to supply the cooling medium to the fourth module and the fifth module.
を備え、 Equipped with
前記第3モジュール、前記第4モジュールおよび前記第5モジュールが配置された一方を前方とし、他方を後方としたときに、 When one of the third module, the fourth module and the fifth module is arranged is the front and the other is the rear.
前記第3ジョイントは、前記第3モジュールの後方の側に偏在して設けられ、 The third joint is unevenly distributed on the rear side of the third module.
前記第4ジョイントは、前記第4モジュールの前方の側に偏在して設けられ、 The fourth joint is unevenly distributed on the front side of the fourth module.
前記第5ジョイントは、前記第5モジュールの後方の側に偏在して設けられた電力変換装置。 The fifth joint is a power conversion device provided unevenly on the rear side of the fifth module.
前記第4配管は、前記第4ジョイントおよび前記第5ジョイントを直線状に接続する請求項4記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 4, wherein the fourth pipe linearly connects the fourth joint and the fifth joint.
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