JPH1023768A - Heat sink assembly for cooling power inverter - Google Patents
Heat sink assembly for cooling power inverterInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、モ−タ駆動用イン
バ−タや無停電電源装置などの電力変換装置に係わり、
特に電力変換回路を接続構成するモジュ−ル形電力用半
導体素子を冷却用ヒ−トシンクに実装して成る電力変換
装置の冷却用ヒ−トシンク組立体に、関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power converter such as an inverter for driving a motor or an uninterruptible power supply.
More particularly, the present invention relates to a cooling heat sink assembly of a power conversion device in which a module type power semiconductor element connecting and configuring a power conversion circuit is mounted on a cooling heat sink.
【0002】[0002]
【従来の技術】モ−タ駆動用インバ−タ(以下単にイン
バ−タという)や無停電電源装置(以下UPSと称す
る)などの電力変換装置を、その電力変換回路を接続構
成するモジュ−ル形電力用半導体素子を同一の冷却用ヒ
−トシンク(以下単にヒ−トシンクという)に実装して
成るものが、知られている。これを、図7および図8に
より、説明する。2. Description of the Related Art A module for connecting a power conversion circuit such as a motor drive inverter (hereinafter simply referred to as an inverter) or an uninterruptible power supply (hereinafter referred to as a UPS) to a power conversion circuit. 2. Description of the Related Art There is known a device in which a power semiconductor device is mounted on the same heat sink for cooling (hereinafter simply referred to as a heat sink). This will be described with reference to FIGS.
【0003】図7は電力変換装置の接続構成例を示し、
1は三相交流電源、2はダイオ−ド21,22・・からなる
コンバ−タ回路、3はDCリアクトル、4は平滑コンデ
ンサ、5は電力用半導体素子 511, 512・・およびその
電力用半導体素子にそれぞれ逆並列接続されるダイオ−
ド 521, 522・・からなるインバ−タ回路、6は負荷回
路である。ここで、コンバ−タ回路2は6個のダイオ−
ド21,22・・から構成されるダイオ−ドモジュ−ル2a
の形態をなすダイオ−ドコンバ−タである。またインバ
−タ回路5は、電力用半導体素子 511, 512に絶縁ゲ−
ト形バイポ−ラトランジスタ(IGBT)が用いられ、ダイ
オ−ド 521, 522に内蔵逆並列ダイオ−ド(以下FWD
と称する)が用いられて、図示の接続構成のモジュ−ル
形態をなすIGBTモジュ−ル5aと、同様なIGBTモジュ−
ル5bおよびIGBTモジュ−ル5cとからなる。FIG. 7 shows an example of a connection configuration of a power converter.
1 is a three-phase AC power supply, 2 is a converter circuit composed of diodes 21, 22,..., 3 is a DC reactor, 4 is a smoothing capacitor, 5 is a power semiconductor element 511, 512, and its power semiconductor. Diodes connected in anti-parallel to devices
.., And 6 is a load circuit. Here, the converter circuit 2 has six diodes.
Diode module 2a composed of diodes 21, 22, ...
Is a diode converter having the form shown in FIG. Also, the inverter circuit 5 is provided with insulating gates for the power semiconductor elements 511 and 512.
A bipolar transistor (IGBT) is used. Diodes 521 and 522 have built-in anti-parallel diodes (hereinafter FWD).
IGBT module 5a having the connection configuration shown in the figure and a similar IGBT module.
Module 5b and an IGBT module 5c.
【0004】この種の電力変換装置は慣用されておりそ
の動作の詳細説明を省略するが、三相交流電源1による
交流電力をコンバ−タ回路2にて直流電力に変換後、D
Cリアクトル3および平滑用コンデンサ4で平滑し、イ
ンバ−タ回路5により再び交流電力に変換して負荷回路
6に供給するものである。これは、モ−タ駆動用インバ
−タの場合は、インバータ出力が可変電圧可変周波数に
なるようにインバ−タ回路5のIGBTをスイッチ動作させ
ることにより、負荷回路6であるモ−タを変速制御する
ことが行われる。[0004] This type of power converter is commonly used, and detailed description of its operation is omitted. However, after converting the AC power from the three-phase AC power supply 1 into DC power by the converter circuit 2, the D power is converted to a DC power.
The power is smoothed by the C reactor 3 and the smoothing capacitor 4, converted into AC power again by the inverter circuit 5, and supplied to the load circuit 6. This is because, in the case of a motor driving inverter, the IGBT of the inverter circuit 5 is switched so that the inverter output has a variable voltage and variable frequency, thereby changing the speed of the motor as the load circuit 6. Control is performed.
【0005】図8は図7の回路を構成する場合のヒ−ト
シンク組立体の配設例を示し、7はヒ−トシンクであ
る。ここでは、説明の便宜上、DCリアクトル3および
平滑用コンデンサ4や電気配線のための配線材等は、省
略して示してある。すなわち、コンバ−タ回路2はダイ
オ−ドモジュ−ル2aの形態をなし、インバ−タ回路5
はそれぞれIGBTとFWDの逆並列回路を2組内蔵してい
るIGBTモジュ−ル5a,5b,5cの形態をなし、これ
らがヒ−トシンク7に実装された組立体を構成するもの
である。FIG. 8 shows an example of the arrangement of a heat sink assembly in the case of constituting the circuit of FIG. 7, where 7 is a heat sink. Here, for convenience of description, the DC reactor 3, the smoothing capacitor 4, wiring materials for electric wiring, and the like are omitted. That is, the converter circuit 2 is in the form of a diode module 2a, and the inverter circuit 5
IGBT modules 5a, 5b and 5c each having two built-in anti-parallel circuits of IGBT and FWD, which constitute an assembly mounted on a heat sink 7.
【0006】かかるヒ−トシンク組立体は、コンバ−タ
回路2にて交流電力を直流電力に変換する際およびイン
バ−タ回路5にて直流電力を交流電力に変換する際に、
各構成部分のダイオ−ド,IGBT,FWDにおいて、電流
が流れることで生じる導通電圧により発生する損失いわ
ゆる導通損失と、電流を入切するスイッチ動作の際にス
イッチ時間が存在するために発生する損失いわゆるスイ
ッチング損失とを、原因とする発熱を生じて、素子の温
度が上昇する。この素子温度(事実上問題となるのはシ
リコンのPN接合部の温度:以下接合部温度と称する)
が最高使用温度以上になると素子の劣化や破壊を招くこ
とから、図示の如くダイオ−ドモジュ−ル2aおよびIG
BTモジュ−ル5a,5b,5cをヒ−トシンク7に上に
配置し、前述の損失による発熱を放熱して接合部温度を
下げることが行われる。The heat sink assembly is used when the converter circuit 2 converts AC power into DC power and when the inverter circuit 5 converts DC power into AC power.
In the diodes, IGBTs, and FWDs of each component, the loss caused by the conduction voltage caused by the current flowing, the so-called conduction loss, and the loss caused by the existence of the switch time during the switching operation for switching the current on and off Heat is generated due to so-called switching loss, and the temperature of the element rises. This element temperature (the problem is actually the temperature of the silicon PN junction: hereinafter referred to as the junction temperature)
If the temperature exceeds the maximum operating temperature, the device may be degraded or destroyed. Therefore, as shown in FIG.
The BT modules 5a, 5b, 5c are arranged on the heat sink 7 to radiate the heat generated by the above-mentioned loss to lower the junction temperature.
【0007】つぎに、電力変換回路の各素子の接合部温
度上昇について説明する。ここで、熱の伝導による温度
上昇計算については、電気回路に模式すると理解しやす
く計算も明解になるため、図9に示した熱回路図を参照
する。なお、熱抵抗とは、ある点から他の点に熱が通過
した際に発生する温度差を通過した熱量で割ったもので
あり、単位は(°C/W )となる。図9におけるRTJC,RD
JC,RCFT,RRJC,RCFRは、つぎの如くである。 RTJC:IGBT接合部−IGBTモジュ−ルケ−ス間熱抵抗 RDJC:IGBTのFWD接合部−IGBTモジュ−ルケ−ス間熱
抵抗 RCFT:IGBTモジュ−ルケ−ス−ヒ−トシンク間接触熱抵
抗 RRJC:ダイオ−ドモジュ−ルのダイオ−ド接合部−ダイ
オ−ドモジュ−ルケ−ス間熱抵抗 RCFR:ダイオ−ドモジュ−ルケ−ス−ヒ−トシンク間接
触熱抵抗 RF:ヒ−トシンクの熱抵抗Next, a description will be given of a rise in the junction temperature of each element of the power conversion circuit. Here, the calculation of the temperature rise due to the conduction of heat is easy to understand when it is schematically illustrated in an electric circuit, and the calculation becomes clear. Therefore, the thermal circuit diagram shown in FIG. 9 will be referred to. The thermal resistance is a value obtained by dividing a temperature difference generated when heat passes from one point to another point by the amount of heat passed, and has a unit of (° C / W). RTJC, RD in Fig. 9
JC, RCFT, RRJC, RCFR are as follows. RTJC: Thermal resistance between IGBT junction, IGBT module and case RDJC: Thermal resistance between FWD junction of IGBT, IGBT module and case RCFT: Contact thermal resistance between IGBT module, case and heat sink RRJC: Thermal resistance between diode junction of diode module and diode module case RCFR: Contact thermal resistance between diode module case and heat sink RF: Thermal resistance of heat sink
【0008】また、図9における各素子の発熱を示すと
ころの符号PT,PD,PRは、つぎの如くである。 PT:IGBTの損失による発熱 PD:FWDの損失による発熱 PR:ダイオ−ドモジュ−ル内ダイオ−ドの損失による発
熱 さらにまた、各素子の接合部等を示す符号TT,TD,TR,
TF, TCT, TCR,TAは、つぎの如くである。 TT:IGBTの接合部温度 TD:FWDの接合部温度 TR:ダイオ−ドモジュ−ル内ダイオ−ドの接合部温度 TF:ヒ−トシンクの実装面温度 TCT:IGBTモジュ−ルケ−ス温度 TCR:ダイオ−ドモジュ−ルケ−ス温度 TA:周囲温度 ここで、ダイオードモジュールについては、簡単のため
6素子分の発熱と平均熱抵抗を示している。In FIG. 9, reference numerals PT, PD and PR indicating the heat generation of each element are as follows. PT: Heat due to loss of IGBT PD: Heat due to loss of FWD PR: Heat due to loss of diode in the diode module Further, symbols TT, TD, TR, TT, TD, TR, etc. indicating junctions of each element
TF, TCT, TCR, TA are as follows. TT: Junction temperature of IGBT TD: Junction temperature of FWD TR: Junction temperature of diode in diode module TF: Mounting surface temperature of heat sink TCT: IGBT module case temperature TCR: Diode -Module case temperature TA: Ambient temperature Here, for the diode module, the heat generation and the average thermal resistance for six elements are shown for simplicity.
【0009】そして、かような図9からわかるように各
部の温度上昇、すなわち TJCT:IGBTモジュ−ルケ−ス−IGBTの接合部間の温度上
昇 TJCD:IGBTモジュ−ルケ−ス−FWDの接合部間の温度
上昇 TJCR:ダイオ−ドモジュ−ルケ−ス−ダイオ−ドモジュ
−ル内ダイオ−ドの接合部間の温度上昇 TCFT:ヒ−トシンクの実装面−IGBTモジュ−ルケ−スの
温度上昇 TCFR:ヒ−トシンクの実装面−ダイオ−ドモジュ−ルケ
−スの温度上昇 TFA:ヒ−トシンクの実装面−周囲温度の温度上昇 は、式(1)〜式(6)と、表される。As can be seen from FIG. 9, the temperature rise of each part, that is, the temperature rise between the junction of TJCT: IGBT module case and IGBT TJCD: the junction of IGBT module case-FWD TJCR: Temperature rise between junctions of diodes in diode module case-diode module TCFT: Temperature rise of heat sink mounting surface-IGBT module case TCFR: The temperature rise of the heat sink mounting surface-diode module case TFA: the heat sink mounting surface-temperature rise of the ambient temperature is expressed by the following equations (1) to (6).
【0010】 TJCT=TT− TCT=PT×RTJC・・・・・・・(1) TJCD=TD− TCT=PD×RDJC・・・・・・・(2) TJCR=TR− TCR=PR×RRJC・・・・・・・(3) TCFT= TCT−TF=2(PT+PD)×RCFT・・・・(4) TCFR= TCR−TF=PR×RCFR・・・・・・・(5) TFA=TF−TA={3×2(PT+PD)}+PR・・(6)TJCT = TT− TCT = PT × RTJC (1) TJCD = TD− TCT = PD × RDJC (2) TJCR = TR− TCR = PR × RRJC ... (3) TCFT = TCT-TF = 2 (PT + PD) x RCFT ... (4) TCFR = TCR-TF = PR x RCFR ... (5) TFA = TF-TA = {3 × 2 (PT + PD)} + PR (6)
【0011】図10は理想的なヒ−トシンク組立体を用い
た場合の素子接合温度分布を示している。ここでは、IG
BTモジュ−ルはIGBT側の接合面温度上昇が高いことを想
定し、FWDについては図示しない。図10にて、周囲温
度TAに対して TFAの温度上昇した点がTFであり、TFに対
して(TJCR+TCFR)の温度上昇した点がTRとなり、同じ
くTFに対して(TJCT+TCFT)の温度上昇した点がTTとな
っている。TT、つまりIGBTの接合部温度TJMAX0が最も高
くなっている。ここで、一般に電力用半導体素子接合部
の最高使用温度は、 125〜 150°C程度に設定される。FIG. 10 shows an element junction temperature distribution when an ideal heat sink assembly is used. Here, IG
The BT module assumes that the junction surface temperature rise on the IGBT side is high, and the FWD is not shown. In FIG. 10, the point at which the temperature of TFA increased with respect to the ambient temperature TA is TF, the point at which the temperature of (TJCR + TCFR) increased with respect to TF was TR, and the temperature of (TJCT + TCFT) also increased with TF. The point is TT. TT, that is, the junction temperature TJMAX0 of the IGBT is the highest. Here, the maximum operating temperature of the power semiconductor element junction is generally set to about 125 to 150 ° C.
【0012】[0012]
【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば図9
に示した各素子のRTJCやRCFTといった熱抵抗は使用素子
(モジュ−ル)により決定され、使用動作状態における
発熱と熱抵抗の関係から各素子の接合部とヒ−トシンク
実装面間の温度上昇が決定する。したがって、ヒ−トシ
ンクから周囲までの温度上昇を小さくする、つまりヒ−
トシンクの熱抵抗を下げることによって、素子接合部の
最高温度を越えないようにすることが必要となる。実際
の設計においては、接合部を最高使用温度に若干余裕を
見た温度に抑えるよう設定される。ところが、ヒートシ
ンクは熱伝導作用,放射作用を利用して熱を放熱するた
めに、ヒートシンク各所で温度差を生じることが避けら
れない。By the way, for example, FIG.
The thermal resistance such as RTJC and RCFT of each element is determined by the element (module) used, and the temperature rise between the junction of each element and the heat sink mounting surface from the relationship between heat generation and thermal resistance in the operating condition Is determined. Therefore, the temperature rise from the heat sink to the surroundings is reduced, that is, the heat sink is reduced.
By reducing the thermal resistance of the tosink, it is necessary not to exceed the maximum temperature of the element junction. In an actual design, the setting is made so that the junction is kept at a temperature slightly above the maximum operating temperature. However, since the heat sink dissipates heat by utilizing the heat conduction action and the radiation action, it is inevitable that a temperature difference occurs in various parts of the heat sink.
【0013】図11はヒ−トシンク発熱体設置面に全面加
熱した際の温度分布を示した模式図である。図11におい
て、自冷式ヒ−トシンクの場合にはヒ−トシンク7の設
置方向で冷却対流が決定するが、ここでは、明確化のた
め冷却風の方向を図示しておく。すなわち、ヒートシン
ク7実装面の温度は、風下方向に行くに従い徐々に高く
なり、ヒートシンク7末端が最高温度になる。実際に
は、ヒートシンク実装面には発熱体が分離配置されるた
め発熱体直下の温度が高くなって、ヒートシンク実装面
の温度は発熱体直下に山を生じるような温度分布になる
が、風下方向に向かって温度が高い傾向を生じることに
変わりはなく、ここでは、前面均等加熱によるヒートシ
ンク実装面温度分布を想定する。またこの温度分布に対
して、簡略化してヒートシンク温度を想定する場合があ
るため、点線のように平均温度を設定し、これを、図10
の TFAに一致するものとして説明する。FIG. 11 is a schematic diagram showing a temperature distribution when the entire surface of the heat sink heating element is heated. In FIG. 11, in the case of a self-cooling heat sink, the cooling convection is determined by the installation direction of the heat sink 7, but here, the direction of the cooling air is illustrated for clarity. That is, the temperature of the mounting surface of the heat sink 7 gradually increases toward the leeward direction, and the end of the heat sink 7 has the highest temperature. Actually, since the heating element is separated and arranged on the heat sink mounting surface, the temperature immediately below the heating element increases, and the temperature of the heat sink mounting surface has a temperature distribution that produces a mountain immediately below the heating element. In this case, the temperature tends to be higher toward. In addition, in some cases, the heat distribution temperature may be assumed to be simplified for this temperature distribution.
The following explanation is based on the agreement with the TFA.
【0014】さて、図7のように構成された電力変換装
置においては、インバ−タ回路5のIGBT 511等は高周波
スイッチ動作を伴い性能向上が図られる。これは、高周
波動作により、制御性の向上,低騒音を意図したもので
ある。そのため、IGBTは導通損失に加えスイッチ損失が
増大して発熱が大きくなり、その結果、接合部の温度上
昇も高くなってくる。一方、コンバ−タ回路2はダイオ
−ド21等によって構成されており、このダイオ−ドコン
バ−タは導通損失のみによって損失が決まるため発熱が
少なく、接合部の温度上昇も低くなることが多い。Now, in the power converter constructed as shown in FIG. 7, the IGBT 511 and the like of the inverter circuit 5 are operated with a high-frequency switch to improve the performance. This is intended to improve controllability and reduce noise by high frequency operation. As a result, the IGBT increases the switch loss in addition to the conduction loss, resulting in increased heat generation. As a result, the temperature of the junction increases. On the other hand, the converter circuit 2 is composed of a diode 21 and the like. Since the loss is determined only by the conduction loss, the diode converter generates little heat and the temperature rise at the junction is often low.
【0015】しかるに、この種の電力変換装置のヒ−ト
シンク組立体は、図12および図13の如きものであった。
図12および図13は従来例のヒ−トシンク組立体の構成お
よびそのヒ−トシンク組立体の温度分布を示す。すなわ
ち、図12のの如くにヒ−トシンク7の実装面にダイオ−
ドモジュ−ル2aとIGBTモジュ−ル5a,5b,5cが
配置され、さらには、図中に示したような方向で冷却風
を通流させてなるものであって、図13の如くに不具合を
生じるものである。However, a heat sink assembly of this type of power converter is as shown in FIGS.
FIG. 12 and FIG. 13 show the structure of a conventional heat sink assembly and the temperature distribution of the heat sink assembly. That is, as shown in FIG. 12, the mounting surface of the heat sink 7 is
The module 2a and the IGBT modules 5a, 5b, 5c are arranged, and the cooling air flows in the direction shown in the figure. Is what happens.
【0016】図13に示したヒ−トシンク実装面の温度勾
配にあって、TF1 はダイオ−ドモジュ−ル2a実装面の
ヒートシンク温度、TF2 はIGBTモジュ−ル5a,5b,
5c実装面のヒ−トシンク温度である。そして、この各
々温度に対し、素子の接合面温度−モジュールケース間
温度上昇(図9におけるTT− TCT,TR− TCR)と、モジ
ュ−ルケ−ス−ヒ−トシンク実装面の温度上昇(図9に
おける TCT−TF, TCR−TF)とをそれぞれ加えたもの
が、各々の素子の接合部温度上昇TT1 ,TR1 となる。か
ようにして、IGBTの接合面温度TT1 が最高温度となって
これをTJMAX1とすると、これは、図中に示したIGBTの接
合部温度TJMAX0よりも温度上昇が高くなり、またTR1 と
の温度差dT2もヒ−トシンクの温度勾配が存在する分大
きくなっていることがわかる。In the temperature gradient of the heat sink mounting surface shown in FIG. 13, TF1 is the heat sink temperature of the diode module 2a mounting surface, and TF2 is the IGBT modules 5a, 5b, 5b.
5c is the heat sink temperature of the mounting surface. For each of these temperatures, the junction surface temperature of the element—the temperature rise between the module cases (TT-TCT, TR-TCR in FIG. 9) and the temperature rise on the module case-heat sink mounting surface (FIG. 9). , TCT-TF, TCR-TF) are added to the junction temperature rise TT1, TR1 of each element. Thus, if the junction surface temperature TT1 of the IGBT becomes the highest temperature and this is taken as TJMAX1, the temperature rise is higher than the junction temperature TJMAX0 of the IGBT shown in the figure, and the temperature with TR1 It can be seen that the difference dT2 is also increased by the presence of the heat sink temperature gradient.
【0017】かようにして、図12の如くに構成した場
合、ヒ−トシンク7の温度が高い位置に配置されたモジ
ュ−ル形電力用半導体素子の接合部温度上昇が高くな
り、したがって、温度的な余裕を低下させる問題があっ
た。このことは、この条件を考慮し設計する場合は、ヒ
−トシンクの能力をあげ、接合部温度を下げることが必
要となって、ヒ−トシンクの大形化しいては装置の大形
化を招くことになる。さらには、一方の素子は熱的に条
件が厳しく、他方は比較的余裕のある状態になるといっ
た不経済な設計になる。Thus, in the case of the configuration as shown in FIG. 12, the temperature rise of the junction of the module type power semiconductor element arranged at a position where the temperature of the heat sink 7 is high becomes high, and therefore the temperature rises. There is a problem that reduces the margin. This means that when designing in consideration of these conditions, it is necessary to increase the heat sink capability and to lower the junction temperature, which leads to an increase in the size of the heat sink and an increase in the size of the device. Will be. In addition, one element has a severe thermal condition, and the other element has an uneconomical design in which a relatively marginal state is provided.
【0018】しかして本発明の目的とするところは、モ
ジュ−ル形電力用半導体素子の接合部温度上昇の低減な
らびにヒ−トシンクを小形化し得る格別な装置を提供す
る、ことにある。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a special device which can reduce a rise in junction temperature of a module type power semiconductor device and can downsize a heat sink.
【0019】[0019]
【課題を解決するための手段】本発明は上述したような
点に鑑みなされたものであって、つぎの如くに構成した
ものである。すなわち、同一のヒ−トシンクに実装され
る動作状態の異なる複数のモジュ−ル形電力用半導体素
子のうち、接合面−ケ−ス間温度上昇の大きい素子を有
するモジュ−ル形電力用半導体素子を、ヒ−トシンク実
装面温度の低い位置に配するようにしてなるものであ
る。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above points, and has the following structure. In other words, of a plurality of module-type power semiconductor elements mounted on the same heat sink and having different operation states, the module-type power semiconductor element having an element having a large temperature rise between a junction surface and a case. Are arranged at a position where the temperature of the heat sink mounting surface is low.
【0020】かかる解決手段により、電力変換回路にお
いては接合面温度上昇の高いモジュ−ル形電力用半導体
素子の接合面温度を低く設定することができる。さらに
は、このように接合面温度を低く設定できることはヒー
トシンクの温度上昇が許容されることになって、ヒ−ト
シンクの熱抵抗を下げヒ−トシンクを小形に設計するこ
とも可能となる。According to this solution, in the power conversion circuit, the junction temperature of the module-type power semiconductor element having a high junction temperature rise can be set low. Furthermore, the fact that the junction surface temperature can be set low in this way allows the heat sink to rise in temperature, thereby reducing the thermal resistance of the heat sink and making it possible to design the heat sink in a small size.
【0021】[0021]
【発明の実施の形態】まず、図1,図2および図3を、
参照して説明する。ここに、図1は本発明の一実施例を
図12に類して示し、図2および図3はそれぞれ図1の説
明のための素子接合温度分布の一例および別な例を示し
ている。すなわち、図1は図7に示した電力変換回路適
用例であつて、ヒ−トシンク7の実装面上に、IGBTモジ
ュ−ル5a,5b,5cを冷却風の風上側に、ダイオ−
ドモジュ−ル2aを風下側に配設してなるものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, FIG. 1, FIG. 2 and FIG.
It will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows an embodiment of the present invention in a manner similar to FIG. 12, and FIGS. 2 and 3 show one example and another example of an element junction temperature distribution for explaining FIG. That is, FIG. 1 shows an application example of the power conversion circuit shown in FIG. 7, in which the IGBT modules 5a, 5b and 5c are placed on the windward side of the cooling air on the mounting surface of the heat sink 7, and the
The module 2a is arranged on the leeward side.
【0022】さらに図2においては、各モジュ−ルのヒ
−トシンク実装面温度は図13と同様TF1 およびTF2 で変
化がないが、素子接合面−モジュ−ルケ−ス温度上昇の
高いIGBTモジュ−ル5a,5b,5cを温度の低いTF1
点に設置し、同温度上昇の低いダイオ−ドモジュ−ル2
aを温度の高いTF2 点に設置することにより、接合面最
高温度TJMAX2はダイオ−ドモジュ−ル内素子のTR2 点に
なるが、図中に示す図13による接合面最高温度TJMAX1に
比べて、dT4だけ温度上昇を抑制することができる。ま
た、IGBTモジュ−ル接合面温度との差もdT3だけになっ
て、明らかにも縮小する。Further, in FIG. 2, the heat sink mounting surface temperature of each module does not change between TF1 and TF2 as in FIG. 13, but the IGBT module having a high temperature rise between the element junction surface and the module case. TF1 with low temperature
Diode module 2 with low temperature rise
By setting a at the high temperature TF2 point, the maximum junction temperature TJMAX2 becomes the TR2 point of the element in the diode module, but compared to the maximum junction temperature TJMAX1 according to FIG. 13 shown in FIG. Only the temperature rise can be suppressed. Also, the difference from the IGBT module junction surface temperature is only dT3, and is obviously reduced.
【0023】さらにまた、図13による接合面最高温度TJ
MAX1が接合面温度として許容できる範囲の場合は、図3
の如くに、接合面最高温度TJMAX2を積極的に上昇させて
使用するようにしてもよい。すなわち、図3においては
TJMAX2をTJMAX1がと等しいレベルまで上昇させた場合で
あって、図2における接合面最高温度の差dT4に相当す
る温度上昇を加え、ヒ−トシンク7実装面の温度上昇
を、TFA3,TFA4まで引き上げることが可能となることに
他ならない。つまり、ヒートシンクとしては、処理熱量
が同じであるにも拘わらず温度上昇を大きくできること
は、ヒートシンクの熱抵抗が上がることである。ここ
で、熱抵抗が上がるということは表面積を小さくするこ
とであり、結果的にヒートシンク外形を小形にすること
が可能となる。FIG. 13 shows the maximum junction temperature TJ.
If MAX1 is within the allowable range for the junction temperature,
As described above, the maximum junction surface temperature TJMAX2 may be positively increased and used. That is, in FIG.
In the case where TJMAX2 is raised to a level equal to TJMAX1, a temperature rise corresponding to the difference dT4 of the maximum junction surface temperature in FIG. 2 is added, and the temperature rise of the heat sink 7 mounting surface is raised to TFA3 and TFA4. It is all possible. That is, for the heat sink, the fact that the temperature rise can be increased despite the same amount of processing heat means that the heat resistance of the heat sink increases. Here, increasing the thermal resistance means reducing the surface area, and as a result, it is possible to reduce the outer shape of the heat sink.
【0024】つぎに、図4および図5により説明する。
図4は本発明に係わる電力変換装置の他の接続構成例を
図7に類して示したものであって、8はACリアクト
ル、9はコンバ−タ回路、10は平滑コンデンサである。
コンバ−タ回路9において、 911, 912・・はIGBT、 9
21, 922・・はFWDであって、9a,9b,9cはIG
BTモジュ−ルである。すなわちコンバ−タ回路9を、高
周波PWM制御等を用いて正弦波電流入力コ−タ回路と
した電力変換装置であつて、かかる回路動作の詳細につ
いては、論文「PWMコンバ−タを用いた高性能交流車
両システムの検討」,電気学会,D分冊,07巻3号,
昭和62年に詳細が報告されており、ここではその詳細
説明を省略する。Next, a description will be given with reference to FIGS.
FIG. 4 shows another example of the connection configuration of the power converter according to the present invention in a manner similar to FIG. 7, in which 8 is an AC reactor, 9 is a converter circuit, and 10 is a smoothing capacitor.
In the converter circuit 9, 911, 912,.
21, 922 ... are FWD, and 9a, 9b, 9c are IG
BT module. That is, this is a power converter in which the converter circuit 9 is a sine-wave current input converter circuit using high frequency PWM control or the like. Examination of Performance AC Vehicle System ", IEE of Japan, Volume D, Vol. 07, No. 3,
Details were reported in 1987, and the detailed description is omitted here.
【0025】図5は図4に適用された本発明の他の実施
例を示したものであって、図においては、図1同様にコ
ンデンサ,リアクトル,電気配線のための配線材等は省
略してある。すなわち、インバ−タ回路5およびコンバ
−タ回路9ともに、図4からもわかるようにIGBTモジュ
−ル5aおよびIGBTモジュ−ル9a等の接続状態は全く
同様となっているが、ここで、それらの内部素子の接合
面温度上昇は異なる。これは、交流入力電圧とインバ−
タ出力電圧が異なるることによる処理電流の違いや、コ
ンバ−タ回路9ではIGBTモジュ−ルのFWDに電流が多
く流れ,インバ−タ回路9ではIGBT側に電流が多く流れ
るといった動作状態の違い、また、IGBTとFWDの接合
部−ケ−ス間の熱抵抗の差、といった要因で生じるもの
である。FIG. 5 shows another embodiment of the present invention applied to FIG. 4. In FIG. 5, capacitors, reactors, wiring materials for electric wiring and the like are omitted as in FIG. It is. That is, as can be seen from FIG. 4, the connection states of the IGBT module 5a and the IGBT module 9a are exactly the same in both the inverter circuit 5 and the converter circuit 9. Are different in the junction surface temperature rise of the internal elements. This depends on the AC input voltage and the inverter.
The difference in the processing current due to the difference in the output voltage of the inverter and the difference in the operation state in which a large amount of current flows in the FWD of the IGBT module in the converter circuit 9 and a large amount of current flows in the IGBT side in the inverter circuit 9 And the difference in thermal resistance between the junction of the IGBT and the FWD and the case.
【0026】そして、図5においてはIGBTモジュ−ル9
a,9b,9cで構成されるコンバ−タ回路9の方が、
IGBTモジュ−ル5a,5b,5cで構成されるインバ−
タ回路5よりも、接合面温度上昇の大きい素子を有する
場合の例である。したがって、接合部温度上昇が大きく
なるIGBTモジュ−ルにより構成される回路を、ヒートシ
ンク7実装面温度の低い箇所に配設してなるものであ
る、ことは明らかである。FIG. 5 shows the IGBT module 9
The converter circuit 9 composed of a, 9b and 9c is
Inverter composed of IGBT modules 5a, 5b, 5c
This is an example of a case where an element having a larger junction surface temperature rise than the circuit 5 is provided. Therefore, it is clear that a circuit constituted by an IGBT module having a large rise in the junction temperature is disposed in a place where the heat sink 7 mounting surface temperature is low.
【0027】つぎにまた、図4に示した電力変換装置を
大容量化する際には、IGBT,FWDを並列接続して、大
電流化を図ることが行われる。そのIGBTモジュ−ルの並
列接続による大電流化の一例を挙げる。図6は本発明に
係わる電力変換装置の三素子並列接続一相分の別な接続
構成例を示したものであって、11はコンバ−タ回路、12
は平滑コンデンサ、13はインバ−タ回路である。ここ
に、11a1 ,11a2 ,11a3 ,13a1 ,13a2 ,13a3
はIGBTモジュ−ルである。Next, when increasing the capacity of the power converter shown in FIG. 4, an IGBT and an FWD are connected in parallel to increase the current. An example of increasing the current by connecting the IGBT modules in parallel will be described. FIG. 6 shows another example of the connection configuration for one phase of the three-element parallel connection of the power converter according to the present invention.
Is a smoothing capacitor, and 13 is an inverter circuit. Here, 11a1, 11a2, 11a3, 13a1, 13a2, 13a3
Is an IGBT module.
【0028】すなわち、図示の如き接続構成の各IGBTモ
ジュ−ルからなるコンバ−タ回路11およびインバ−タ回
路13を一単位として適用されタものであって、また、こ
れを3回路使用することにより三相構成されるものであ
ることは明らかである。そして、この図6の接続例を同
一のヒ−トシンク上に実装する場合、その構成は図5に
示したものと全く同様に構成されるものとなり、したが
って、図5同様に、接合部温度上昇の高い回路のモジュ
−ルをヒ−トシンク実装面の温度が低い位置に配置する
ものとすることにより、図2および図3と同様な効果を
奏し得ることは明らかである。なお、コンバ−タ回路お
よびインバ−タ回路を構成する電力変換装置により説明
したが、この回路構成にとらわれず、複数のモジュ−ル
形電力用半導体素子を用いて、各素子間あるいは素子グ
ル−プ間で熱的に裕度差がある場合において、本発明の
適用が有効なことは無論である。That is, the converter circuit 11 and the inverter circuit 13 composed of each IGBT module having the connection configuration as shown in the figure are applied as one unit, and three circuits are used. It is clear that the three-phase structure is constituted by When the connection example of FIG. 6 is mounted on the same heat sink, the configuration is exactly the same as that shown in FIG. 5, and therefore, as in FIG. It is apparent that the same effect as that shown in FIGS. 2 and 3 can be obtained by arranging the module of the circuit having a higher temperature at a position where the temperature of the heat sink mounting surface is lower. The power converters constituting the converter circuit and the inverter circuit have been described. However, the present invention is not limited to this circuit configuration. Needless to say, the application of the present invention is effective when there is a thermal margin difference between the pumps.
【0029】[0029]
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、電
力用半導体素子のヒ−トシンクを経済的かつ小形に設計
可能とした電力変換装置の小形軽量化,低コストを実現
し得る簡便な構成の装置を、提供できる。As described above in detail, according to the present invention, the heat sink of the power semiconductor element can be designed economically and compactly, and the power converter can be reduced in size and weight and can be realized at low cost. A device having a simple configuration can be provided.
【図1】本発明の一実施例を示す構造図である。FIG. 1 is a structural diagram showing one embodiment of the present invention.
【図2】図1の説明のための素子接合温度分布の一例を
示した説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of an element junction temperature distribution for explaining FIG. 1;
【図3】図1の説明のための素子接合温度分布の別な例
を示した説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing another example of an element junction temperature distribution for explaining FIG. 1;
【図4】本発明に係わる電力変換装置の他の接続構成例
を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing another connection configuration example of the power conversion device according to the present invention.
【図5】本発明の他の実施例を示す構造図である。FIG. 5 is a structural view showing another embodiment of the present invention.
【図6】本発明に係わる電力変換装置の三素子並列接続
一相分の別な接続構成例を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing another example of a connection configuration for one phase of a three-element parallel connection of the power converter according to the present invention.
【図7】電力変換装置の接続構成例を示す回路図であ
る。FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a connection configuration example of a power converter.
【図8】図7の回路を構成する場合のヒ−トシンク組立
体の配設例を示した構造図である。FIG. 8 is a structural diagram showing an example of disposing a heat sink assembly when configuring the circuit of FIG. 7;
【図9】図8の説明のため示した熱回路図である。FIG. 9 is a thermal circuit diagram shown for the explanation of FIG. 8;
【図10】図8の説明のための理想的なヒ−トシンク組立
体を用いた場合の素子接合温度分布を示した説明図であ
る。FIG. 10 is an explanatory diagram showing an element junction temperature distribution when an ideal heat sink assembly for explaining FIG. 8 is used.
【図11】ヒ−トシンク発熱体設置面に全面加熱した際の
温度分布を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a temperature distribution when the entire surface of the heat sink heating element is heated.
【図12】図7の電力変換装置に用いられた従来例を示し
た構造図である。FIG. 12 is a structural diagram showing a conventional example used in the power converter of FIG. 7.
【図13】図12の説明のためのヒ−トシンク組立体の温度
分布を示した説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram showing a temperature distribution of the heat sink assembly for explaining FIG. 12;
1 三相交流電源 2 ダイオ−ドモジュ−ル2aからなるコンバ−
タ回路 21 ダイオ−ド 3 DCリアクトル 4 平滑コンデンサ 5 IGBTモジュ−ル5a等からなるインバ−タ回
路 511 電力用半導体素子(IGBT) 521 ダイオ−ド(FWD) 6 負荷回路 7 冷却用ヒ−トシンク(ヒ−トシンク) 8 ACリアクトル 9 IGBTモジュ−ル9a等からなるなるコンバ−
タ回路 911 電力用半導体素子(IGBT) 921 ダイオ−ド(FWD) 10 平滑コンデンサ 11 コンバ−タ回路 12 平滑コンデンサ 13 インバ−タ回路1. Three-phase AC power supply 2. Converter consisting of diode module 2a
21 Diode 3 DC reactor 4 Smoothing capacitor 5 Inverter circuit composed of IGBT module 5a, etc. 511 Power semiconductor element (IGBT) 521 Diode (FWD) 6 Load circuit 7 Cooling heat sink ( Heat sink) 8 AC reactor 9 Converter composed of IGBT module 9a etc.
911 Power semiconductor device (IGBT) 921 Diode (FWD) 10 Smoothing capacitor 11 Converter circuit 12 Smoothing capacitor 13 Inverter circuit
Claims (1)
電力変換回路を接続構成するとともに、該複数のモジュ
ール形電力用半導体素子をを同一の冷却用ヒ−トシンク
に実装して成る電力変換装置において、前記複数のモジ
ュール形電力用半導体素子のうち、接合部−ケ−ス間温
度上昇の大きい素子を有するモジュ−ル形電力用半導体
素子を、前記冷却用ヒ−トシンク実装面温度の低い位置
に配設してなることを特徴とする電力変換装置の冷却用
ヒ−トシンク組立体。1. A power converter comprising a plurality of modular power semiconductor elements connected to a power conversion circuit and mounting the plurality of modular power semiconductor elements on the same heat sink for cooling. A module-type power semiconductor element having a large junction-case temperature rise among the plurality of module-type power semiconductor elements is placed at a position where the cooling heat sink mounting surface temperature is low. A heat sink assembly for cooling a power converter, wherein the heat sink assembly is provided.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8188868A JPH1023768A (en) | 1996-06-28 | 1996-06-28 | Heat sink assembly for cooling power inverter |
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JPH1023768A true JPH1023768A (en) | 1998-01-23 |
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ID=16231285
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