JP7278488B1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

実施形態の電力変換装置は、直流側端子と、放熱部材と、を備える。放熱部材は、導電性である。放熱部材は、直流側端子に設けられる。

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。
従来、電子機器を収容する筐体に放熱フィンを備える電力制御装置がある。電力変換装置は、例えば、発熱源である複数のスイッチング素子が実装される放熱基板にヒートシンクを備えることによって、複数のスイッチング素子を冷却する。
しかしながら、電力変換装置では、複数のスイッチング素子に接続される金属導体又は電線等の電力通電用の経路でも熱伝達又は通電量に応じた発熱が生じることから、温度上昇に起因する異常が生じる可能性があった。
特開２０２０－１６７８０８号公報
本発明が解決しようとする課題は、放熱能力を向上させることができる電力変換装置を提供することである。
実施形態の電力変換装置は、複数の正極端子と、複数の負極端子と、正極共通導体と、負極共通導体と、複数の正極放熱部材と、複数の負極放熱部材と、を備える。正極共通導体は、複数の正極端子に対する共通導体である。負極共通導体は、複数の負極端子に対する共通導体である。複数の正極放熱部材は、各正極端子と正極共通導体とを各々別々に接続する。複数の負極放熱部材は、各負極端子と負極共通導体とを各々別々に接続する。正極放熱部材は、発熱体に正極端子を介して接続されている。負極放熱部材は、発熱体に負極端子を介して接続されている。
実施形態の電力変換装置の構成を示す分解斜視図。 実施形態の電力変換装置の構成を示す図。 実施形態の変形例での電力変換装置の構成を示す分解斜視図。 実施形態の変形例での電力変換装置の構成を示す図。
以下、実施形態の電力変換装置を、図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の電力変換装置１０の構成を示す分解斜視図である。図２は、実施形態の電力変換装置１０の構成を示す図である。
以下、３次元空間で互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向は、各軸に平行な方向である。例えば図１に示すように、Ｚ軸方向は電力変換装置１０の厚さ方向に平行である。Ｙ軸方向は電力変換装置１０の短手方向に平行である。Ｘ軸方向は電力変換装置１０の長手方向に平行である。
電力変換装置１０は、例えば、電気設備等に備えられる盤である。盤は、電源装置及びモータ駆動装置等を構成する配電盤、分電盤及び制御盤等である。
電力変換装置１０は、例えば、インバーター等の電力変換器を構成する半導体素子、導体、ヒューズ、コンデンサ、トランス、開閉器、遮断器及び計測機器等の各種の回路構成要素を備える。
図１に示すように、電力変換装置１０は、例えば、複数相の半導体スタック１１と、複数のコンデンサ（キャパシタ）１３と、正極バスバー１５Ｐ及び負極バスバー１５Ｎと、正極側接続部材１７Ｐ及び負極側接続部材１７Ｎと、絶縁部材１９と、複数相の各相の正極放熱部材（２１Ｐ，２３Ｐ，２５Ｐ）及び複数相の各相の負極放熱部材（２１Ｎ，２３Ｎ，２５Ｎ）と、を備える。
複数相の半導体スタック１１は、例えば、３相のＲ相、Ｓ相及びＴ相の半導体スタック１１である。３相の半導体スタック１１は、例えば、電力変換装置１０の厚さ方向の両端部のうち第１端部に配置されている。第１端部は、例えば、Ｚ軸方向の正方向側の端部である。３相の半導体スタック１１は、例えば、Ｘ軸方向に沿って一列に並んで配置されている。
図２に示すように、各半導体スタック１１は、例えば、ブリッジ接続される複数のスイッチング素子及び整流素子によって形成されるブリッジ回路を備える。スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）又はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉ－ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のトランジスタである。整流素子は、各トランジスタに並列に接続されるダイオードである。
ブリッジ回路は、複数対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームトランジスタＨ，Ｌを備える。ブリッジ回路は、各トランジスタＨ，Ｌのコレクタ－エミッタ間でエミッタからコレクタに向けて順方向に接続される還流ダイオードＤを備える。
各相のハイサイドアームトランジスタＨのコレクタは、各相の正極端子ＰＲ，ＰＳ，ＰＴに接続されている。各相のローサイドアームトランジスタＬのエミッタは、各相の負極端子ＮＲ，ＮＳ，ＮＴに接続されている。各相のハイサイドアームトランジスタＨのエミッタとローサイドアームトランジスタＬのコレクタとは、各相の交流側端子Ｒ，Ｓ，Ｔに接続されている。
図１に示すように、複数のコンデンサ１３は、例えば、電力変換装置１０の厚さ方向の両端部のうち第２端部に配置されている。第２端部は、例えば、Ｚ軸方向の負方向側の端部である。複数のコンデンサ１３は、例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各々に沿って複数列に並んで配置されている。
図２に示すように、複数のコンデンサ１３は、３相の各相の半導体スタック１１に並列に接続されている。各コンデンサ１３は、例えば半導体スタック１１の各スイッチング素子のオン及びオフの切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化するキャパシタである。各相のコンデンサ１３は、各相の正極側端子ＣＰ及び負極側端子ＣＮの間に接続されている。
正極バスバー１５Ｐは、複数相の各相の正極端子ＰＲ，ＰＳ，ＰＴに対して共通に接続される導体である。負極バスバー１５Ｎは、複数相の各相の負極端子ＮＲ，ＮＳ，ＮＴに対して共通に接続される導体である。
図１に示すように、正極バスバー１５Ｐ及び負極バスバー１５Ｎの外形は、例えば、矩形板状である。正極バスバー１５Ｐ及び負極バスバー１５Ｎは、例えば、電力変換装置１０のＹ軸方向での一方の端部でＸ軸方向の中央部に配置されている。正極バスバー１５Ｐ及び負極バスバー１５Ｎは、Ｘ軸方向で隣り合うように並ぶとともに、互いにＺ軸方向に平行に配置されている。
正極側接続部材１７Ｐ及び負極側接続部材１７Ｎは、例えば板状の導体である。正極側接続部材１７Ｐ及び負極側接続部材１７Ｎは、例えば、複数相の半導体スタック１１と複数のコンデンサ１３との間で互いにＺ軸方向に積層されるように配置されている。
図２に示すように、正極側接続部材１７Ｐは、複数相の正極端子ＰＲ，ＰＳ，ＰＴと複数相のコンデンサ１３の正極側端子ＣＰとを接続する。
負極側接続部材１７Ｎは、複数相の負極端子ＮＲ，ＮＳ，ＮＴと複数相のコンデンサ１３の負極側端子ＣＮとを接続する。
正極側接続部材１７Ｐ及び負極側接続部材１７Ｎは、複数相のコンデンサ１３を並列的に接続する。
図１に示すように、絶縁部材１９の外形は、例えばシート状である。絶縁部材１９は、例えば、Ｚ軸方向に積層される正極側接続部材１７Ｐと負極側接続部材１７Ｎとの間に配置されている。絶縁部材１９は、正極側接続部材１７Ｐと負極側接続部材１７Ｎとを電気的に絶縁する。
複数相の正極放熱部材及び複数相の負極放熱部材の各々の外形は、例えば板状である。各正極放熱部材及び各負極放熱部材は、例えば、正極側接続部材１７Ｐ及び負極側接続部材１７ＮからＺ軸方向に突出するように配置されている。各正極放熱部材及び各負極放熱部材は、例えば、金属等の導電性及び熱伝導性を有する材料によって形成されている。
複数相の各相の正極放熱部材は、例えば、Ｒ相の正極放熱部材２１Ｐと、Ｓ相の正極放熱部材２１Ｐと、Ｔ相の正極放熱部材２１Ｐとである。
複数相の各相の負極放熱部材は、例えば、Ｒ相の負極放熱部材２１Ｎと、Ｓ相の負極放熱部材２３Ｎと、Ｔ相の負極放熱部材２５Ｎとである。
各相の正極放熱部材２１Ｐ，２３Ｐ，２５Ｐ及び各相の負極放熱部材２１Ｎ，２３Ｎ，２５Ｎは、例えば電力変換装置１０のＹ軸方向の中央部で各相の正極端子ＰＲ，ＰＳ，ＰＴ及び各相の負極端子ＮＲ，ＮＳ，ＮＴに接続されている。各相の正極放熱部材２１Ｐ，２３Ｐ，２５Ｐ及び各相の負極放熱部材２１Ｎ，２３Ｎ，２５Ｎは、例えば電力変換装置１０のＹ軸方向の中央部から一方の端部に向かって延び、正極バスバー１５Ｐ及び負極バスバー１５Ｎに接続されている。
例えば、Ｒ相の正極放熱部材２１Ｐは、第１正極放熱部材２１Ｐａ及び第２正極放熱部材２１Ｐｂを備える。Ｒ相の負極放熱部材２１Ｎは、第１負極放熱部材（図示略）及び第２負極放熱部材（図示略）を備える。Ｒ相の第１正極放熱部材２１Ｐａ及び第１負極放熱部材の各々は、電力変換装置１０のＹ軸方向の中央部から一方の端部に向って延びる。Ｒ相の第２正極放熱部材２１Ｐｂ及び第２負極放熱部材の各々は、筐体３１の内壁面に沿ってＸ軸方向の両端部のうち第１端部から中央部に向って延びる。
例えば、Ｔ相の正極放熱部材２５Ｐは、第１正極放熱部材２５Ｐａ及び第２正極放熱部材２５Ｐｂを備える。Ｔ相の負極放熱部材２５Ｎは、第１負極放熱部材（図示略）及び第２負極放熱部材（図示略）を備える。Ｔ相の第１正極放熱部材２５Ｐａ及び第１負極放熱部材の各々は、電力変換装置１０のＹ軸方向の中央部から一方の端部に向って延びる。Ｔ相の第２正極放熱部材２５Ｐｂ及び第２負極放熱部材の各々は、筐体３１の内壁面に沿ってＸ軸方向の両端部のうち第２端部から中央部に向って延びる。
以上説明した実施形態によれば、３相の各相の直流側端子である各正極端子ＰＲ，ＰＳ，ＰＴ及び各負極端子ＮＲ，ＮＳ，ＮＴに設けられる各正極放熱部材２１Ｐ，２３Ｐ，２５Ｐ及び各負極放熱部材２１Ｎ，２３Ｎ，２５Ｎを備えることにより、放熱能力を向上させることができる。各放熱部材２１Ｐ，２３Ｐ，２５Ｐ，２１Ｎ，２３Ｎ，２５Ｎは、発熱源である各半導体スタック１１に各端子ＰＲ，ＰＳ，ＰＴ，ＮＲ，ＮＳ，ＮＴを介して接続されることによって、発熱源の放熱を促すとともに電力通電用の経路の温度上昇を抑制することができる。
各正極放熱部材２１Ｐ，２３Ｐ，２５Ｐ及び各負極放熱部材２１Ｎ，２３Ｎ，２５Ｎは、正極バスバー１５Ｐ及び負極バスバー１５Ｎに接続されていることによって、各相の半導体スタック１１から正極バスバー１５Ｐ及び負極バスバー１５Ｎの各々への熱伝達を促進することができる。各相の半導体スタック１１が他の相を介さずに直接的に正極バスバー１５Ｐ及び負極バスバー１５Ｎに接続されることによって、各相の半導体スタック１１の放熱を向上させることができるとともに、電力通電用の経路の局所的な温度上昇を抑制することができる。
複数相のコンデンサ１３を並列的に接続する正極側接続部材１７Ｐ及び負極側接続部材１７Ｎを備えることにより、複数相のコンデンサ間での電圧の均衡性を容易に確保することができる。
筐体３１の内壁面に沿って配置されるＲ相の第２正極放熱部材２１Ｐｂ及び第２負極放熱部材並びにＴ相の第２正極放熱部材２５Ｐｂ及び第２負極放熱部材を備えることにより、Ｒ相及びＴ相の半導体スタック１１の放熱を向上させることができる。
なお、電力変換装置１０は、無効電力補償装置に用いられる場合、正極バスバー１５Ｐ及び負極バスバー１５Ｎを電流が流れない放熱部材として機能させ、装置容量を増大させることができる。
以下、変形例について説明する。
上述した実施形態では、電力変換装置１０は、正極バスバー１５Ｐ及び負極バスバー１５Ｎに接続される各相の正極放熱部材２１Ｐ，２３Ｐ，２５Ｐ及び各相の負極放熱部材２１Ｎ，２３Ｎ，２５Ｎを備えるとしたが、これに限定されない。例えば、３相の正極放熱部材２１Ｐ，２３Ｐ，２５Ｐの少なくともいずれか１つ及び３相の負極放熱部材２１Ｎ，２３Ｎ，２５Ｎの少なくともいずれか１つが正極バスバー１５Ｐ及び負極バスバー１５Ｎに接続されてもよい。
図３は、実施形態の変形例での電力変換装置１０Ａの構成を示す分解斜視図である。図４は、実施形態の変形例での電力変換装置１０Ａの構成を示す図である。
図３及び図４に示すように、変形例の電力変換装置１０Ａでは、３相の正極放熱部材２１Ｐ，２３Ｐ，２５ＰのうちＳ相の正極放熱部材２３Ｐのみが直接的に正極バスバー１５Ｐに接続されている。３相の負極放熱部材２１Ｎ，２３Ｎ，２５ＮのうちＳ相の負極放熱部材２３Ｎのみが直接的に負極バスバー１５Ｎに接続されている。
変形例の電力変換装置１０Ａでは、Ｒ相及びＴ相の正極端子ＰＲ，ＰＴは、正極側接続部材１７Ｐ及びＳ相の正極放熱部材２３Ｐを介して間接的に正極バスバー１５Ｐに接続されている。Ｒ相及びＴ相の負極端子ＮＲ，ＮＴは、負極側接続部材１７Ｎ及びＳ相の負極放熱部材２３Ｎを介して間接的に負極バスバー１５Ｎに接続されている。
なお、上述した実施形態では、正極バスバー１５Ｐ及び負極バスバー１５Ｎは、電力変換装置１０のＹ軸方向での一方の端部でＸ軸方向の中央部に配置されているとしたが、これに限定されない。正極バスバー１５Ｐ及び負極バスバー１５Ｎは、電力変換装置１０での適宜に位置に配置されてもよい。
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、３相の各相の直流側端子である各正極端子ＰＲ，ＰＳ，ＰＴ及び各負極端子ＮＲ，ＮＳ，ＮＴに設けられる各正極放熱部材２１Ｐ，２３Ｐ，２５Ｐ及び各負極放熱部材２１Ｎ，２３Ｎ，２５Ｎを備えることにより、放熱能力を向上させることができる。各放熱部材２１Ｐ，２３Ｐ，２５Ｐ，２１Ｎ，２３Ｎ，２５Ｎは、発熱源である各半導体スタック１１に各端子ＰＲ，ＰＳ，ＰＴ，ＮＲ，ＮＳ，ＮＴを介して接続されることによって、発熱源の放熱を促すとともに電力通電用の経路の温度上昇を抑制することができる。
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。これら実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
１０，１０Ａ…電力変換装置、１１…半導体スタック、１３…コンデンサ（キャパシタ）、１５Ｎ…負極バスバー、１５Ｐ…正極バスバー、１７Ｎ…負極側接続部材、１７Ｐ…正極側接続部材、１９…絶縁部材、２１Ｎ，２３Ｎ，２５Ｎ…負極放熱部材、２１Ｐ，２３Ｐ，２５Ｐ…正極放熱部材、３１…筐体、ＣＰ…正極側端子、ＣＮ…負極側端子、ＮＲ，ＮＳ，ＮＴ…負極端子、ＰＲ，ＰＳ，ＰＴ…正極端子

Claims (3)

  1. 複数の正極端子と、
    複数の負極端子と、
    前記複数の正極端子に対する共通導体としての正極共通導体と、
    前記複数の負極端子に対する共通導体としての負極共通導体と、
    各前記正極端子と前記正極共通導体とを各々別々に接続する複数の正極放熱部材と、
    各前記負極端子と前記負極共通導体とを各々別々に接続する複数の負極放熱部材と、
    を備え、
    各前記正極放熱部材は、発熱体に前記正極端子を介して接続されており、
    各前記負極放熱部材は、前記発熱体に前記負極端子を介して接続されている
    電力変換装置。
  2. 各相の前記正極端子と前記負極端子との間に各々接続される複数のコンデンサと、
    各相の前記コンデンサを前記発熱体に並列的に接続する接続部材と、
    を備える
    請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 筐体を備え、
    前記正極放熱部材及び前記負極放熱部材は前記筐体の壁面に沿って設けられる
    請求項２に記載の電力変換装置。
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