WO2018173154A1

WO2018173154A1 - 電力変換ユニット

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Publication number: WO2018173154A1
Application number: PCT/JP2017/011461
Authority: WO
Inventors: 一輝西村; 俊秀中野; 鈴木　健治
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2019-09-22

Abstract

複数の半導体素子は、電力変換器（４）を構成する。放熱器（７１，７２）は、複数の半導体素子を搭載し、半導体素子と熱交換を行なう。コンデンサユニット（１）は、電力変換器（４）と電気的に並列に接続され、電力変換器（４）の出力電圧を平滑化する。ヒューズ（６）は、電力線（１０）に介挿される。筐体（３）は、複数の半導体素子、放熱器（７１，７２）およびコンデンサユニット（１）を収容する。筐体（３）には、排気孔（３０）と第１の吸気孔（３１ａ）が形成される。放熱器（７１，７２）は、排気孔（３０）と第１の吸気孔（３１ａ）との間に形成される通風路（５１）に配置される。コンデンサユニット（１）は、通風路（５１）における放熱器（７１，７２）の上流側に配置される。放熱器（７１，７２）とコンデンサユニット（１）との間に位置する筐体（３）の部分には、第２の吸気孔（３２）がさらに形成される。

Description

電力変換ユニット

　この発明は、電力変換ユニットに関し、特に、強制風冷を行なう電力変換ユニットに関する。

　無停電電源装置などに適用される電力変換装置は、一般的に、商用交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、その直流電力を所望の周波数および電圧の交流電力に変換するインバータとを備えている。コンバータおよびインバータの各々は、通常、電力用半導体素子、平滑用コンデンサ、ヒューズ等を含む電力変換ユニットで構成される。

　上記半導体素子は、スイッチング動作時の発生損失により発熱し、また、該発熱により損傷する可能性があるため、放熱することが必要になる。たとえば、特開２００６－４２４０６号公報（特許文献１）には、コンデンサと、ヒューズと、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ：insulated　Gate　Bipolar　Transistor）を搭載した放熱器と、放熱器冷却用のファンとが上記の順に並べられた電力変換装置の構造が開示されている。このような構造においては、上記ファンからの強制排気により生成される風が、コンデンサ、ヒューズ、放熱器の順に通過し、放熱器に搭載されたＩＧＢＴを冷却する。

特開２００６－４２４０６号公報

　しかしながら、特許文献１に記載される電力変換装置の構造では、放熱器に供給される冷却風は、既にコンデンサおよびヒューズを通過しているため、コンデンサおよびヒューズの熱を奪い温度が上昇している可能性があった。また、コンデンサおよびヒューズの通風抵抗により放熱器に供給される冷却風の風力が減衰している可能性があった。すなわち、特許文献１では、半導体素子を搭載した放熱器が充分に冷却されず、半導体素子が損傷する可能性があった。

　この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、効率良く半導体素子を冷却することができる電力変換ユニットを提供することである。

　この発明のある局面に従えば、電力変換ユニットは、複数の半導体素子と、放熱器と、コンデンサユニットと、筐体とを備える。複数の半導体素子は、電力変換器を構成する。放熱器は、複数の半導体素子を搭載し、半導体素子と熱交換を行なう。コンデンサユニットは、電力変換器と電気的に並列に接続され、電力変換器の出力電圧を平滑化する。筐体は、複数の半導体素子、放熱器およびコンデンサユニットを収容する。筐体には、排気孔および第１の吸気孔が形成される。放熱器は、排気孔と第１の吸気孔との間に形成される通風路に配置される。コンデンサユニットは、通風路における放熱器の上流側に配置される。放熱器とコンデンサユニットとの間に位置する筐体の部分には、第２の吸気孔がさらに形成される。

　この発明によれば、効率良く半導体素子を冷却することができる電力変換ユニットを提供することができる。

電力変換ユニットの回路図である。放熱器の外観図である。比較例に従う電力変換ユニットの構成を示す側面図である。比較例に従う電力変換ユニットの構成を示す上面図である。実施の形態１に従う電力変換ユニットの構成を示す側面図である。実施の形態１に従う電力変換ユニットの構成を示す上面図である。実施の形態２に従う電力変換ユニットの構成を示す上面図である。実施の形態２に従う電力変換ユニットの構成の別の例を示す上面図である。実施の形態３に従う電力変換ユニットの回路図である。実施の形態３に従う電力変換ユニットの構成を示す側面図である。実施の形態３に従う電力変換ユニットの構成を示す上面図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

　図１は、電力変換ユニットの回路図である。図１では電力変換ユニットの代表例としてインバータユニットの回路図を示す。インバータユニット５は、直流電力を交流電力に変換する。図１を参照して、インバータユニット５は、直流正母線ＰＬ、直流負母線ＮＬ、コンデンサユニット１、インバータ４、およびヒューズ６を備える。

　コンデンサユニット１は、直流正母線ＰＬおよび直流負母線ＮＬの間に接続されている。コンデンサユニット１は、インバータ４と電気的に並列に接続され、インバータ４の出力電圧を平滑化する。コンデンサユニット１は、複数の直流平滑用電解コンデンサを含む。

　インバータ４は、直流正母線ＰＬおよび直流負母線ＮＬの間に並列に接続される複数のパワーモジュール４０を含む。各パワーモジュール４０は、直流入力ノードＰ，Ｌの間に直列に接続された２つのＩＧＢＴ４０１と、２つのＩＧＢＴ４０１にそれぞれ接続された２つの逆並列ダイオード（以下、ダイオードと称する）４０２とを有する。なお、図１では、インバータ４は、いわゆる２レベルインバータとして記載されているが、これに限定されるものではなく、たとえば３レベルインバータであってもよい。

　負荷２は、パワーモジュール４０の２つのＩＧＢＴ４０１の接続点に接続されるノードＵ，Ｖ，Ｗから出力される三相交流電力で駆動される。負荷２は、たとえばモータである。

　ヒューズ６は、パワーモジュール４０の直流入力ノードＰと直流正母線ＰＬとの間、および、パワーモジュール４０の直流入力ノードＮと直流負母線ＮＬとの間の少なくとも一方に電気的に接続される。ヒューズ６はＩＧＢＴ４０１またはダイオード４０２が何らかの原因でショートしたときの短絡保護用として設けられる。

　ＩＧＢＴ４０１はスイッチング動作時の損失により発熱するため、放熱が必要である。該放熱のためには、放熱器が用いられる。

　図２は、代表的な放熱器の外観図である。図２を参照して、放熱器７は、受熱部７１とフィン部７２とを備える。

　フィン部７２は、後述する通風路に流れる冷却風５０の通風方向に垂直な第１の方向５５に並んだ複数の羽根（フィン）を有する。冷却風５０および第１の方向５５は、図２ではそれぞれ矢印５０および矢印５５で示される。受熱部７１の上面には、パワーモジュール４０が搭載される。受熱部７１はパワーモジュール４０と熱交換を行なうように構成される。受熱部７１上のパワーモジュール４０は、図２に示すように、第１の方向５５に並列に配置される。

　パワーモジュール４０の熱は、受熱部７１を通じてフィン部７２に伝わる。冷却風５０とフィン部７２との熱交換により、パワーモジュール４０が冷却される。

　次に、図３および図４を用いて、比較例として、従来の電力変換ユニットの構成を説明する。

　図３および図４は、それぞれ、比較例による電力変換ユニットの構成を示す側面図および上面図である。図３および図４を参照して、比較例による電力変換ユニットは、コンデンサユニット１、インバータ４、放熱器７、ヒューズ６、バスバー１０、および上記構成要素を収容する筐体３を備える。コンデンサユニット１は、複数のコンデンサ１ａを含む。

　筐体３は、底面３ａと、底面３ａに対向する上面３ｂと、底面３ａおよび上面３ｂと交差する側面３ｃ～３ｆとを含む直方体である。筐体３の１つの側面３ｃには排気孔３０が形成される。排気孔３０には排気用のファン９が設けられる。ファン９は、筐体３内の空気を筐体３外に排出するように構成される。また、筐体３には、放熱器７に対してファン９と反対側に吸気孔３１ａが形成される。吸気孔３１ａは「第１の吸気孔」の一実施例に対応する。吸気孔３１ａは、図３，４では側面３ｄに形成される。その結果、筐体３内には、ファン９により、吸気孔３１ａから排気孔３０に向かう空気の流れ（風）が生成される。以下、吸気孔３１ａから排気孔３０への風を冷却風５１と称する。冷却風５１は、図３，４では矢印５１で示される。

　放熱器７（受熱部７１およびフィン部７２）は、排気孔３０と吸気孔３１ａとの間に形成される通風路に配置され、コンデンサユニット１は、該通風路における放熱器７の上流側に配置される。換言すると、筐体３内には、冷却風５１の上流側から下流側に、コンデンサユニット１、ヒューズ６、放熱器７がこの順に並べられる。コンデンサユニット１、ヒューズ６、放熱器７上に搭載されるパワーモジュール４０はバスバー１０で電気的に接続されている。バスバー１０は、図１の直流正母線ＰＬおよび直流負母線ＮＬを構成する。

　冷却風５１は、コンデンサユニット１およびヒューズ６を通過した後に、放熱器７を通過する。このため、放熱器７を通過するときには、コンデンサユニット１およびヒューズ６の熱を奪い冷却風の温度が上がっている可能性がある。また、コンデンサユニット１およびヒューズ６の通風抵抗により冷却風の風力が弱められている可能性がある。これらの理由により、放熱器７に供給される冷却風５１の冷却能力が弱められていることが懸念される。

　ゆえに、本実施の形態１においては、コンデンサユニット１と放熱器７との間に位置する筐体の部分に孔を形成することで、コンデンサユニット１およびヒューズ６を通過せず、直接放熱器７に供給される冷却風を生成し、放熱器７の冷却効率を上げる。

　［実施の形態１］
　図５および図６は、それぞれ、実施の形態１に従う電力変換ユニットの構成を示す側面図および上面図である。図５，６を参照して、実施の形態１に従う電力変換ユニットが、比較例に従う電力変換ユニットと異なる点は、コンデンサユニット１と放熱器７との間に位置する筐体３の部分に吸気孔３２が形成されていることである。吸気孔３２は「第２の吸気孔」の一実施例に相当する。吸気孔３２は、図５，６では底面３ａに形成される。

　本実施の形態１では、吸気孔３１ａに加え、吸気孔３２からも筐体３内部に冷却風を導入することができる。以下、吸気孔３２から排気孔３０への冷却風を冷却風５２と称する。冷却風５２は、図５，６では矢印５２で示される。

　冷却風５２の大部分は、コンデンサユニット１およびヒューズ６を通過せず、直接放熱器７に供給される。すなわち、放熱器７に供給される冷却風５２は、コンデンサユニット１およびヒューズ６による温度上昇および風力の低下をほとんど受けていないので、冷却風５１に比べ、放熱器７の冷却効率が高い。すなわち、冷却風５２を用いて、効率的に放熱器７上に搭載されるパワーモジュール４０を冷却できる。

　また、図５，６に示すように、ヒューズ６を筐体３内部の、放熱器７とコンデンサユニット１との間に設置すれば、冷却風５２の一部はヒューズ６にも直接供給される。一般に、ヒューズはその抵抗に応じて発熱するので高温になりやすい傾向がある。よって、ヒューズ６に冷却風５２の一部が直接供給されることは、ヒューズ６を冷却し、熱による破損を防ぐという点で好ましい。

　なお、図５および図６では、筐体３を直方体として記載したが、筐体３の形はこれに限定されない。また、図５および図６では、排気孔３０を筐体３の１つの側面３ｃに、吸気孔３１ａを反対側の側面３ｄに形成されるように記載したが、排気孔３０および吸気孔３１ａの位置はこれに限定されず、放熱器７を挟む位置、すなわち、放熱器７に冷却風を供給できる位置であればよい。たとえば、第１の孔の位置は、図６の吸気孔３１ｂのように、側面３ｅ，３ｆでもよい。また、図５および図６では、吸気孔３２を筐体３の底面３ａに形成されるように記載したが、吸気孔３２の位置はこれに限定されず、コンデンサユニット１と放熱器７との間に位置する筐体の部分で、筐体３内への空気の導入に適した箇所であればよく、たとえば筐体３の側面３ｅ，３ｆでもよい。なお、図５および図６では、ファン９を排気孔３０に設けているが、これに限定されず、排気孔３０と各吸気孔３１ａ，３１ｂ，３２との間に通風路が形成されるような構成であればよい。

　このように、本実施の形態１に従う電力変換ユニットによれば、コンデンサと放熱器との間に位置する筐体の部分に孔が形成されることで、該孔から導入される、コンデンサを経由しない冷却風により、半導体素子を効率的に冷却することができる。すなわち、効率良く半導体素子を冷却することができる電力変換ユニットを提供できる。

　［実施の形態２］
　図７は、本発明の実施の形態２に従う電力変換ユニットの構成を示す上面図である。図６および図７を比較して、実施の形態２に従う電力変換ユニットは、コンデンサユニット１に含まれる複数のコンデンサ１ａの間隔が、実施の形態１に従う電力変換ユニットとは異なっている。

　具体的には、図６に示すように、実施の形態１では、複数のコンデンサ１ａは密に並べられ、コンデンサ１ａ同士の間隔は空いていない。そのため、冷却風５１が放熱器７に供給されにくい場合がある。これに対して、図７に示すように、実施の形態２では、コンデンサ１ａは粗に並べられている。具体的にはコンデンサ１ａが通風方向に対して垂直な第１の方向５５に並べて配置され、第１の方向５５に隣接する２つのコンデンサの間隔Ｗ２が拡げられている。図６では、第１の方向５５は矢印５５で示されている。このことにより、実施の形態２では、実施の形態１に比べ、図６で矢印５３で示す、吸気孔３１ａからの冷却風５３がコンデンサ１ａ間を通りやすいため、冷却風５３が放熱器７に供給されやすい。特に、第１の方向５５に隣り合うコンデンサ１ａの間隔Ｗ２を、放熱器７のフィン部７２の各フィンの間隔Ｗ１より広く構成することで、上記効果は実現しやすい。

　また、図８に示すように、第１の方向５５に隣接する２つのコンデンサ１ａの間隔Ｗ２を拡げることに加え、通風方向に平行な第２の方向５６に隣接する２つのコンデンサ１ａの間隔Ｗ３も拡げるように構成してもよい。図６では、第２の方向５６は矢印５６で示されている。

　以上のように、実施の形態２に従う電力変換ユニットは、実施の形態１と同様の作用効果を有する。他の構成については、実施の形態１と同様であるので説明をくり返さない。

　［実施の形態３］
　図９は、本発明の実施の形態３に従う電力変換ユニットの構成を示す上面図である。図１および図９を比較して、実施の形態３に従う電力変換ユニットは、コンデンサユニット１、パワーモジュール４０、およびヒューズ６の電気的な接続関係が、実施の形態１に従う電力変換ユニットとは異なっている。

　図９は、実施の形態３に従う電力変換ユニットの回路図である。図９を参照して、コンデンサユニット１は、各パワーモジュール４０の直流入力ノードＰと直流入力ノードＮとの間に電気的に並列接続される。換言すると、ヒューズ６は、パワーモジュール４０の直流入力ノードＰとコンデンサユニット１との間のノードＮＤ１と、直流正母線ＰＬとの間に電気的に接続される。このような構成においても、実施の形態１と同様に、ヒューズ６はＩＧＢＴ４０１またはダイオード４０２が何らかの原因でショートしたときの短絡保護の機能を果たす。

　図１０および図１１は、実施の形態３に従う電力変換ユニットの構成を示す側面図および上面図である。図１０を参照して、ヒューズ６は、バスバー１０上のパワーモジュール４０とコンデンサユニット１との間にあるノードＮＤ１に対し、パワーモジュール４０の反対側に接続される。そして、ヒューズ６は、実施の形態１と同様に、筐体３内部の、放熱器７とコンデンサユニット１との間に配置される。その結果、実施の形態１と同様に、ヒューズ６に冷却風５２の一部を直接供給し、ヒューズ６の熱による破損を防ぐことができる。

　以上のように、実施の形態３に従う電力変換ユニットは、実施の形態１と同様の作用効果を有する。他の構成については、実施の形態１と同様であるので説明をくり返さない。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　コンデンサユニット、１ａ　コンデンサ、２　負荷、３　筐体、３ａ　底面、３ｂ　上面、３ｃ～３ｆ　側面、４　インバータ、５　インバータユニット、６　ヒューズ、７　放熱器、９　ファン、１０　バスバー、３０　排気孔、３１ａ，３１ｂ，３２　吸気孔、４０　パワーモジュール、５０，５１，５２，５３　冷却風、７１　受熱部、７２　フィン部、４０１　電力用半導体素子（ＩＧＢＴ）、４０２　ダイオード、Ｎ，Ｐ　直流入力ノード、ＮＬ　直流負母線、ＰＬ　直流正母線、Ｕ，Ｖ，Ｗ，ＮＤ１　ノード。

Claims

　複数の半導体素子を含む電力変換器と、
　前記複数の半導体素子を搭載し、前記半導体素子と熱交換を行なう放熱器と、
　前記電力変換器と電気的に並列に接続され、前記電力変換器の出力電圧を平滑化するコンデンサユニットと、
　前記複数の半導体素子、前記放熱器および前記コンデンサユニットを収容する筐体とを備え、
　前記筐体には、排気孔および第１の吸気孔が形成され、
　前記放熱器は、前記排気孔と前記第１の吸気孔との間に形成される通風路に配置され、
　前記コンデンサユニットは、前記通風路における前記放熱器の上流側に配置され、
　前記放熱器と前記コンデンサユニットとの間に位置する前記筐体の部分には、第２の吸気孔がさらに形成される、電力変換ユニット。
　前記コンデンサユニットは、複数のコンデンサを含み、
　前記放熱器は、前記通風路に流れる冷却風の通風方向に垂直な第１の方向に並べられた複数のフィンを含み、
　前記複数のコンデンサは前記第１の方向に並べて配置され、前記第１の方向に隣接する前記コンデンサの間隔は、隣接する前記フィンの間隔より広い、請求項１に記載の電力変換ユニット。
　前記電力変換器は、直流正母線および直流負母線の間に並列に接続される複数のパワーモジュールを含み、
　前記電力変換ユニットは、各前記複数のパワーモジュールと前記直流正母線および前記直流負母線の少なくとも一方との間に電気的に接続されるヒューズをさらに備え、
　前記ヒューズは、前記放熱器と前記コンデンサユニットとの間に配置される、請求項１または２に記載の電力変換ユニット。
　前記コンデンサユニットは、前記直流正母線および前記直流負母線の間に接続される、請求項３に記載の電力変換ユニット。
　前記コンデンサユニットは、各前記複数のパワーモジュールと並列に接続される、請求項３に記載の電力変換ユニット。