WO2025154342A1 - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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power conversion
conversion device
power
heat dissipation
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大輔 松元
史宏 佐藤
江鳴 毛利
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Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
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Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the present invention relates to the configuration of a power conversion device, and in particular to technology that is effective when applied to a power conversion device configured by arranging multiple power semiconductor modules closely together.
  • Three-level inverters a type of power conversion device, are widely used in power conditioners and other devices to convert AC and DC power. Power conversion using a three-level inverter controls the operation of the power semiconductor modules used in the circuit that performs the power conversion to achieve the desired power conversion.
  • the heat sink performance is excessive, i.e. it is oversized, in the outer arm when charging and in the inner arm when discharging.
  • FIG. 1; 2 is a diagram showing an example of mounting a power semiconductor module and a heat sink in the power conversion device of FIG. 1.
  • FIG. 8 is a diagram showing a simulation result of a temperature rise in the implementation example of FIG. 7.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of mounting a power semiconductor module and a heat sink in a power conversion device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of mounting a power semiconductor module and a heat sink in a power conversion device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing the general configuration of the power conversion device 100 of this embodiment.
  • the DC side of the power conversion device 100 of this embodiment is connected to a storage battery 104, and the AC side is connected to a power grid 103.
  • DC power supplied from the storage battery 104 on the DC side is received from the DC side of the power conversion device 100.
  • the power conversion device 100 converts the DC power from the storage battery 104 into three-phase AC power and supplies it to the power grid 103.
  • the power conversion device 100 is configured to output power at three levels of potential: a high level potential, an intermediate potential, and a low level potential. Specifically, it has a three-level inverter circuit that performs power conversion based on the input of the positive side, which is a DC voltage input from the positive electrode of the storage battery 104, and the opposite negative side, and outputs three levels of potential.
  • the inner arm is configured with IGBT 101c and diode 102d connected in series with each other, and IGBT 101d and diode 102c connected in series with each other, connected in anti-parallel.
  • IGBT 101a or IGBT 101b This type of configuration is generally called a T-type 3-level.
  • one IGBT 101 (101a to 101d) and one diode 102 (102a to 102d) are paired to form one power semiconductor module 106. Note that in FIG. 1, only the power semiconductor module that combines IGBT 101d and diode 102d is shown with the reference symbol 106.
  • IGBT 101a and diode 102a form a first semiconductor module (reference number 106a in FIG. 7, described later).
  • IGBT 101c and diode 102c form a second semiconductor module (reference number 106c in FIG. 7, described later).
  • IGBT 101d and diode 102d form a third semiconductor module (reference number 106d in FIG. 7, described later).
  • IGBT 101b and diode 102b form a fourth semiconductor module (reference number 106b in FIG. 7, described later).
  • the power conversion unit of the power conversion device 100 is composed of the first semiconductor module (IGBT 101a and diode 102a), the second semiconductor module (IGBT 101c and diode 102c), the third semiconductor module (IGBT 101d and diode 102d), and the fourth semiconductor module (IGBT 101b and diode 102b).
  • the first semiconductor module (IGBT 101a and diode 102a) and the fourth semiconductor module (IGBT 101b and diode 102b) have approximately the same amount of current passing therethrough during operation of the power conversion device 100.
  • the second semiconductor module (IGBT 101c and diode 102c) and the third semiconductor module (IGBT 101d and diode 102d) have approximately the same amount of current passing therethrough during operation of the power conversion device 100.
  • the power semiconductor module 106 includes a pair of IGBT 101 and diode 102 that constitute the power conversion device 100. Inside the power semiconductor module 106, the IGBT 101 and diode 102 are connected in semi-parallel, and the collector 107, emitter 108, and gate 109 of the IGBT 101 are configured to be electrically connectable to the outside of the power semiconductor module 106 via their respective terminals.
  • the back surface of the power semiconductor module 106 is provided with a heat dissipation surface 111.
  • the heat dissipation surface 111 is thermally connected to the IGBT 101 and the diode 102, and heat generated by the IGBT 101 and the diode 102 is dissipated to the outside through the heat dissipation surface 111.
  • the power semiconductor module 106 has mounting holes 110, and can be attached and fixed to a cooling device such as a heat sink using the mounting holes 110 and fasteners such as screws.
  • a cooling device such as a heat sink using the mounting holes 110 and fasteners such as screws.
  • the heat dissipation surface 111 can be brought into contact with the heat sink, so that the heat generated by the IGBT 101 and diode 102 is transferred to the heat sink through the heat dissipation surface 111 and dissipated to the outside.
  • FIG. 4 shows the current flowing through IGBT 101d, which switches in a pair with IGBT 101a (it is off when IGBT 101a is on, and on when IGBT 101a is off), and in the region where the instantaneous current value 203 is relatively small, the on time of IGBT 101d is long, and the effective current value 204 is small overall.
  • the effective current value for one AC cycle is greater in the former (IGBT 101a) than in the latter (IGBT 101d).
  • the loss in the inner arm is smaller than the loss in the outer arm.
  • the effective current value and loss in the inner arm are larger than those in the outer arm.
  • the magnitude relationship between the loss in the outer arm and the loss in the inner arm is reversed.
  • the power conversion device 100 has an operating method in which the amount of current flowing through the outer arm is greater than the amount of current flowing through the inner arm, and an operating method in which the amount of current flowing through the outer arm is less than the amount of current flowing through the inner arm.
  • Figure 5 shows an example of a calculation of losses in the outer arm and inner arm in discharge mode for a T-type three-level power converter. As shown in Figure 5, the outer arm has a larger loss than the inner arm, and in this calculation example, the difference is about 1.5 times.
  • Figure 6 shows an example of calculation of losses in the outer arm and inner arm in the charging mode of a T-type three-level power conversion device.
  • the inner arm has a larger loss than the outer arm, and in this calculation example, the difference is about 1.5 times.
  • the inner arm needs to be fitted with a heat sink designed to handle losses during charging, when the greatest losses occur.
  • the outer arm needs to be fitted with a heat sink designed to handle losses during discharging.
  • the heat sink will perform excessively well, which poses the problem of the power conversion device becoming larger.
  • the power conversion device 100 is implemented with the configuration shown in Figure 7.
  • Figure 7 shows an example of the implementation of a power semiconductor module 106 and a heat sink 115 in a power conversion device 100.
  • a power semiconductor module 106a which is one outer arm
  • a power semiconductor module 106c which is one inner arm
  • a power semiconductor module 106b which is another outer arm
  • a power semiconductor module 106d which is another inner arm
  • a total of four power semiconductor modules 106a to 106d are arranged in a line on the printed circuit board 105, with the distances ⁇ and ⁇ arranged linearly, and the four power semiconductor modules 106a to 106d are connected to a single heat sink 115 for heat dissipation. Cooling air 116 flows in parallel with the heat sink 115, dissipating the heat of the heat sink 115 to the outside.
  • the power semiconductor modules 106a to 106d are also arranged in a substantially linear fashion with respect to the heat sink 115 in the order of semiconductor module 106a, semiconductor module 106c, semiconductor module 106d, and semiconductor module 106b.
  • Each of the device blocks 114a, 114b is configured with an outer arm and an inner arm arranged close to each other, so the total loss within each device block is smaller in terms of the imbalance between the loss during charging and the loss during discharging than if the outer arm and the inner arm were separate.
  • Figure 8 shows example calculation results of temperature rise using a thermal fluid simulation during charging when the loss in the inner arm is greater than the loss in the outer arm for the cases of ⁇ > ⁇ and ⁇ (configuration in Figure 7).
  • the temperature rise of the inner arms was smaller when ⁇ than when ⁇ > ⁇ .
  • the temperature rise of the outer arms was larger when ⁇ than when ⁇ > ⁇ .
  • the power conversion device 100 of this embodiment includes a power conversion unit having the first semiconductor module 106a and the fourth semiconductor module 106b, through which the amount of current passing during operation is approximately equal, and the second semiconductor module 106c and the third semiconductor module 106d, through which the amount of current passing during operation is approximately equal, and a cooling body (heat sink 115) in which the first semiconductor module 106a, the second semiconductor module 106c, the third semiconductor module 106d, and the fourth semiconductor module 106b are arranged, and is configured such that the third thermal interference between the second semiconductor module 106c and the third semiconductor module 106d is smaller than the first thermal interference between the first semiconductor module 106a and the second semiconductor module 106c and the second thermal interference between the third semiconductor module 106d and the fourth semiconductor module 106b.
  • a cooling body heat sink 115
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the implementation of the power semiconductor module 106 and the heat sink 115 in the power conversion device 100 of this embodiment.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modified examples.
  • the above-described embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and are not necessarily limited to those having all of the configurations described. It is also possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. It is also possible to add, delete, or replace part of the configuration of each embodiment with other configurations.

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Abstract

複数のパワー半導体モジュールを近接配置して構成する電力変換装置において、充放電時のパワー半導体モジュール間の熱干渉を平準化することが可能な電力変換装置（１００）を提供する。運転中に通過する電流量が略同等である第１半導体モジュール（１０６ａ）と第４半導体モジュール（１０６ｂ）、および運転中に通過する電流量が略同等である第２半導体モジュール（１０６ｃ）と第３半導体モジュール（１０６ｄ）を有する電力変換部と、前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールと前記第３半導体モジュールと前記第４半導体モジュールとが配置される冷却体（１１５）と、を備え、前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュール間の第１熱干渉および前記第３半導体モジュールと前記第４半導体モジュール間の第２熱干渉よりも、前記第２半導体モジュールと前記第３半導体モジュール間の第３熱干渉の方が小さいことを特徴とする。

Description

電力変換装置
　本発明は、電力変換装置の構成に係り、特に、複数のパワー半導体モジュールを近接配置して構成する電力変換装置に適用して有効な技術に関する。
　電力変換装置の一種である３レベル型のインバータは、交流電力と直流電力を変換する装置として、パワーコンディショナ等で幅広く用いられている。３レベル型のインバータによる電力変換では、電力変換を行う回路で用いられるパワー半導体モジュールの動作を制御し、所望の電力変換を行う。
　例えば、３レベル型のインバータの直流側に蓄電池を接続しておき、蓄電池に蓄えた電力を、交流側に放電するようなスイッチング動作の制御が可能である。逆に、交流側を電力系統に接続しておき、電力系統から交流電力を受け、３レベル型のインバータで直流に変換し、蓄電池に充電することも可能である。
　このような電力変換の過程で、パワー半導体モジュールには電力損失、すなわち発熱が生じる。発熱が継続するとパワー半導体モジュールの温度は上昇し、所定の温度を超えるとパワー半導体モジュールは破損する。破損を防止するためには、所定の温度以下に維持する必要がある。そのため、パワー半導体モジュールにヒートシンク等の冷却装置を接続し、所定の温度以下にパワー半導体モジュールを維持する。一般的に、発熱量が大きくなると、ヒートシンクが大型化する傾向にあるため、発熱量に応じて適正なヒートシンクを設計する必要がある。
　本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１では、２レベル型インバータのU相、V相、W相の発熱のタイミング（位相）が120度ずつずれることに着目し、U相、V相、W相それぞれのパワー半導体モジュールを等距離に配置し、ヒートシンクの冷却効率を高める手段が提案されている。
特開２００５－１１７７８３号公報
　ところで、３レベル型のインバータでは、直流側ハイサイドの電圧、ローサイドの電圧、中間電圧を出力するために、４つのパワー半導体モジュールを組み合わせて回路を構成する。このうち、ハイサイド側の電圧及びローサイド側の電圧を出力する際にオンするパワー半導体モジュールをアウターアームと呼び、中間電圧を出力する際にオンするパワー半導体モジュールをインナーアームと呼ぶ。
　３レベル型インバータの放電時には、アウターアームに流れる実効電流が大きくなるため、アウターアームの損失はインナーアームに比べて大きくなる傾向がある。一方、充電時には、インナーアームの実効電流が大きくなるため、充放電で損失の大小関係が逆転する。このような運転をするインバータ装置において、アウターアームは放電時の損失に合わせて、インナーアームは充電時の損失に合わせて、ヒートシンクが設計されることが一般的である。
　しかしながら、充電時はアウターアームにおいて、放電時はインナーアームにおいてヒートシンクの性能が過剰、すなわち余分に大型化している。
　そこで、本発明の目的は、複数のパワー半導体モジュールを近接配置して構成する電力変換装置において、充放電時のパワー半導体モジュール間の熱干渉を平準化することが可能な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ために、本発明は、運転中に通過する電流量が略同等である第１半導体モジュールと第４半導体モジュール、および運転中に通過する電流量が略同等である第２半導体モジュールと第３半導体モジュールを有する電力変換部と、前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールと前記第３半導体モジュールと前記第４半導体モジュールとが配置される冷却体と、を備え、前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュール間の第１熱干渉および前記第３半導体モジュールと前記第４半導体モジュール間の第２熱干渉よりも、前記第２半導体モジュールと前記第３半導体モジュール間の第３熱干渉の方が小さいことを特徴とする。
　本発明によれば、複数のパワー半導体モジュールを近接配置して構成する電力変換装置において、充放電時のパワー半導体モジュール間の熱干渉を平準化することが可能な電力変換装置を実現することができる。
　これにより、電力変換に伴う最大温度上昇を抑制することができ、ヒートシンク等の冷却装置の小型化、並びに冷却装置を含む電力変換装置の小型化に寄与できる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の実施例１に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。 図１の電力変換装置を構成するパワー半導体モジュールの一例を示す図である。 図１の電力変換装置の放電時におけるアウターアームの瞬時電流波形及び実効電流波形の一例を示す図である。 図１の電力変換装置の放電時におけるインナーアームの瞬時電流波形及び実効電流波形の一例を示す図である。 図１の電力変換装置の放電時における損失の例を示す図である。 図１の電力変換装置の充電時における損失の例を示す図である。 図１の電力変換装置におけるパワー半導体モジュールとヒートシンクの実装例を示す図である。 図７の実装例における温度上昇のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施例２に係る電力変換装置におけるパワー半導体モジュールとヒートシンクの実装例を示す図である。 本発明の実施例３に係る電力変換装置におけるパワー半導体モジュールとヒートシンクの実装例を示す図である。
　以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
　図１から図８を参照して、本発明の実施例１に係る電力変換装置について説明する。
　図１は、本実施例の電力変換装置１００の概略構成を示す回路図である。
　図１に示すように、本実施例の電力変換装置１００は、直流側が蓄電池１０４に接続され、交流側が電力系統１０３に接続されている。直流側の蓄電池１０４から供給される直流電力を、電力変換装置１００の直流サイドより受電する。電力変換装置１００は、蓄電池１０４からの直流電力を三相の交流電力に変換して、電力系統１０３に供給する。
　また、図１に示すように、電力変換装置１００は、ハイレベル電位と中間電位とローレベル電位の３つのレベルの電位の電力を出力するように構成されている。具体的には、蓄電池１０４の正極からの直流電圧の入力である正極側と、反対の負極側との入力に基づき、電力変換動作を行い３つのレベルの電位を出力する、３レベル型インバータ回路を有する。
　本構成では、インナーアームは、互いに直列に接続されたIGBT１０１ｃ及びダイオード１０２ｄと、互いに直列に接続されたIGBT１０１ｄ及びダイオード１０２ｃとが逆並列に接続された構成となっている。ハイレベル出力時またはローレベル出力時に、ＩＧＢＴ１０１ａまたはＩＧＢＴ１０１ｂの一つの素子に通流する。このような構成は、一般的にT型３レベルと呼ばれる。
　図１の例では、１つのIGBT１０１（１０１ａ～１０１ｄ）と、１つのダイオード１０２（１０２ａ～１０２ｄ）とが、それぞれペアとなって、１つのパワー半導体モジュール１０６を構成している。なお、図１では、IGBT１０１ｄとダイオード１０２ｄの組み合わせのパワー半導体モジュールのみに符号１０６を示している。
　IGBT１０１ａとダイオード１０２ａで、第１半導体モジュール（後述する図７の符号１０６ａ）を構成する。また、IGBT１０１ｃとダイオード１０２ｃで、第２半導体モジュール（後述する図７の符号１０６ｃ）を構成する。また、IGBT１０１ｄとダイオード１０２ｄで、第３半導体モジュール（後述する図７の符号１０６ｄ）を構成する。また、IGBT１０１ｂとダイオード１０２ｂで、第４半導体モジュール（後述する図７の符号１０６ｂ）を構成する。
　第１半導体モジュール（IGBT１０１ａとダイオード１０２ａ）と、第２半導体モジュール（IGBT１０１ｃとダイオード１０２ｃ）と、第３半導体モジュール（IGBT１０１ｄとダイオード１０２ｄ）と、第４半導体モジュール（IGBT１０１ｂとダイオード１０２ｂ）とで、電力変換装置１００の電力変換部が構成される。
　第１半導体モジュール（IGBT１０１ａとダイオード１０２ａ）及び第４半導体モジュール（IGBT１０１ｂとダイオード１０２ｂ）は、電力変換装置１００の運転中に通過する電流量が略同等である。また、第２半導体モジュール（IGBT１０１ｃとダイオード１０２ｃ）及び第３半導体モジュール（IGBT１０１ｄとダイオード１０２ｄ）は、電力変換装置１００の運転中に通過する電流量が略同等である。
　電力変換装置１００を構成する各パワー半導体モジュール１０６は、ゲート駆動回路１１２から出力されるゲート駆動信号１１３により、それぞれオン・オフ制御される。
　図２は、図１の電力変換装置１００を構成するパワー半導体モジュール１０６の一例を示す図である。
　図２の左図に示すように、パワー半導体モジュール１０６は、電力変換装置１００を構成する一組のIGBT１０１とダイオード１０２を含む。パワー半導体モジュール１０６内部で、IGBT１０１とダイオード１０２は半平行に接続されており、IGBT１０１のコレクタ１０７とエミッタ１０８とゲート１０９が、それぞれの端子を介して、パワー半導体モジュール１０６の外部と電気的に接続可能なように構成されている。
　図２の右図に示すように、パワー半導体モジュール１０６の裏面には、放熱面１１１が備えらえられている。放熱面１１１は、IGBT１０１及びダイオード１０２と熱的に接続されており、IGBT１０１及びダイオード１０２の発熱は、放熱面１１１を通じて外部に放熱される。
　図２の中図及び右図に示すように、パワー半導体モジュール１０６は、取付穴１１０を備えており、取付穴１１０とねじ等の固定具を用いて、ヒートシンク等の冷却装置に取り付けて、固定することが可能である。このような固定により、放熱面１１１とヒートシンクを接触させることができるので、IGBT１０１及びダイオード１０２での発熱は放熱面１１１を通じて、ヒートシンクに伝わり外部へ放熱される。
　なお、本実施例では、１つのアームにつき１個のパワー半導体モジュール１０６が用いられる例を示すが、電力変換装置の出力容量を高めるなどの目的のために、１つのアームに２個以上のパワー半導体モジュール１０６を並列に接続することも可能である。
　図３及び図４を用いて、電力変換装置１００の放電時の瞬時電流及び実効電流について説明する。
　図３は、電力変換装置１００の放電時におけるアウターアームの瞬時電流波形２０１及び実効電流波形２０２の一例を示し、図４は、電力変換装置１００の放電時におけるインナーアームの瞬時電流波形２０３及び実効電流波形２０４の一例を示している。
　図３には、放電モードで運転時のIGBT１０１aの通流電流を示しており、相対的に瞬時電流値２０１が大きい領域でIGBT１０１aのオン時間が長いことがわかる。そのため、IGBT１０１aのオンデューティ（キャリア周期当たりのオン時間）と瞬時電流値２０１の積で表される実効電流値２０２は瞬時電流値が大きい領域の範囲で大きくなる。
　一方、図４には、IGBT１０１aと対をなしてスイッチング（IGBT１０１aがオンするときにオフ、IGBT１０１aがオフするときにオン）するIGBT１０１ｄの通流電流を示しており、相対的に瞬時電流値２０３が小さい領域でのIGBT１０１ｄのオン時間が長く、実効電流値２０４は全体的に小さくなる。
　従って、交流１周期分の実効電流値は、前者（IGBT１０１a）が後者（IGBT１０１ｄ）よりも大きくなる。
　IGBT１０１ｂと、IGBT１０１ｂと対をなしてスイッチングするIGBT１０１ｃのそれぞれの実効電流値にも同様の偏りがある。
　このような実効電流値の偏りの結果、T型３レベルの電力変換装置の放電モードにおいて、インナーアームの損失はアウターアームの損失に比べて小さくなる。一方、交流側から直流側へ電力を送る充電モードの場合、アウターアームに比べてインナーアームの実効電流値、及び損失が大きくなる。充電モードと放電モードでは、アウターアームの損失とインナーアームの損失の大小関係が逆転する。
　つまり、電力変換装置１００は、アウターアームに流れる電流量が、インナーアームに流れる電流量よりも大きい運転方法と、アウターアームに流れる電流量が、インナーアームに流れる電流量よりも小さい運転方法を有することになる。
　図５に、T型３レベルの電力変換装置での放電モードにおける、アウターアームとインナーアームの損失の試算例を示す。図５に示すように、アウターアームはインナーアームに比べて損失が大きく、本試算例では、その差は約１．５倍の結果である。
　図６に、T型３レベルの電力変換装置での充電モードにおける、アウターアームとインナーアームの損失の試算例を示す。図６に示すように、インナーアームはアウターアームに比べて損失が大きく、本試算例では、その差は約１．５倍の結果である。
　このような損失に対応するためには、インナーアームは最大損失が発生する充電時の損失を想定したヒートシンクを取り付ける必要がある。一方、アウターアームは放電時の損失を想定したヒートシンクを取り付ける必要がある。しかしながら、損失が小さな運転モードの時には、ヒートシンクが過剰な性能となるため、電力変換装置が大型化する課題がある。
　そこで、本実施例では、電力変換装置１００を図７に示すような構成で実装する。
　図７は、電力変換装置１００におけるパワー半導体モジュール１０６とヒートシンク１１５の実装例を示す図である。
　図７に示すように、１個のアウターアームであるパワー半導体モジュール１０６ａと、１個のインナーアームであるパワー半導体モジュール１０６ｃとを近接配置して１つの組とするデバイスブロック１１４ａを構成する。さらに、もう１個のアウターアームであるパワー半導体モジュール１０６ｂと、もう１個のインナーアームであるパワー半導体モジュール１０６ｄとを近接配置して１つの組とするデバイスブロック１１４ｂを構成する。
　デバイスブロック１１４ａ内で、アウターアームを構成するパワー半導体モジュール１０６ａと、インナーアームを構成するパワー半導体モジュール１０６ｃとの距離をαとする。また、デバイスブロック１１４ｂ内で、アウターアームを構成するパワー半導体モジュール１０６ｂと、インナーアームを構成するパワー半導体モジュール１０６ｄとの距離をαとする。さらに、デバイスブロック１１４ａ，１１４ｂ間の距離をβとしたとき、距離βが距離αより大きくなるように構成する（β＞α）。
　図７の例においては、合計４個のパワー半導体モジュール１０６ａ～１０６ｄを、プリント基板１０５上に一列に並べ、α、βの距離を直線的に配列する構成とし、４個のパワー半導体モジュール１０６ａ～１０６ｄを１個のヒートシンク１１５に接続し放熱する構造としている。ヒートシンク１１５と平行に冷却風１１６は通風し、ヒートシンク１１５の熱を外部へと放熱する。パワー半導体モジュール１０６ａ～１０６ｄは、ヒートシンク１１５に対しても、半導体モジュール１０６ａ、半導体モジュール１０６ｃ、半導体モジュール１０６ｄ、半導体モジュール１０６ｂの順で、略直線的に配列される。
　デバイスブロック１１４ａ，１１４ｂの各々は、アウターアームとインナーアームが近接配置されて１組で構成されるため、各デバイスブロック内の合計損失は、充電時の損失と、放電時の損失の偏りが、アウターアームとインナーアームがそれぞれ個別の場合よりも小さくなる。
　また、デバイスブロック１１４ａ，１１４ｂ間の距離βは、各デバイスブロック内の距離αに比べて大きく設定するので、熱的な干渉は、各デバイスブロック内（アウターアームとインナーアーム間）よりも、デバイスブロック同士が小さくなる。例えば、充電時、α＝βまたはα＞βとする配置の場合に比べて、インナーアームのフィン熱抵抗が低減するので、温度上昇を抑制することができる。一方、アウターアームにとっては、α＝βまたはα＞βの場合よりもインナーアームからの熱干渉が増加するため、フィン熱抵抗が増加して見える。
　図８に、α＞βの場合と、α＜βの場合（図７の構成）の、インナーアームの損失がアウターアームの損失に比べて大きい充電時の熱流体シミュレーションを用いた温度上昇の計算結果例を示す。
　インナーアーム（パワー半導体モジュール１０６ｃ，１０６ｄ）の温度上昇は、α＞βの場合に比べてα＜βの場合が小さくなった。一方、アウターアーム（パワー半導体モジュール１０６ａ，１０６ｂ）の温度上昇は、α＞βの場合に比べてα＜βの場合が大きくなった。
　従って、α＜β（図７の構成）とすることで、アウターアームの温度上昇と、インナーアームの温度上昇の差が低減され、最大温度上昇を抑制できるので、ヒートシンクの利用効率が向上する効果があることがわかる。
　以上説明したように、本実施例の電力変換装置１００は、運転中に通過する電流量が略同等である第１半導体モジュール１０６ａと第４半導体モジュール１０６ｂ、および運転中に通過する電流量が略同等である第２半導体モジュール１０６ｃと第３半導体モジュール１０６ｄを有する電力変換部と、第１半導体モジュール１０６ａと第２半導体モジュール１０６ｃと第３半導体モジュール１０６ｄと第４半導体モジュール１０６ｂとが配置される冷却体（ヒートシンク１１５）とを備えており、第１半導体モジュール１０６ａと第２半導体モジュール１０６ｃ間の第１熱干渉および第３半導体モジュール１０６ｄと第４半導体モジュール１０６ｂ間の第２熱干渉よりも、第２半導体モジュール１０６ｃと第３半導体モジュール１０６ｄ間の第３熱干渉の方が小さくなるように構成されている。
　これにより、電力変換装置１００の充放電時のパワー半導体モジュール１０６間の熱干渉を平準化することができる。その結果、電力変換に伴う最大温度上昇を抑制することができ、ヒートシンク１１５等の冷却装置の小型化、並びに冷却装置を含む電力変換装置１００の小型化に寄与できる。
　図９を参照して、本発明の実施例２に係る電力変換装置について説明する。
　図９は、本実施例の電力変換装置１００におけるパワー半導体モジュール１０６とヒートシンク１１５の実装例を示す図である。
　図９に示すように、本実施例の電力変換装置１００では、パワー半導体モジュール１０６ａ～１０６ｄを等距離（等間隔）で、アウターアーム、インナーアーム、インナーアーム、アウターアームの順に並べる。また、ヒートシンク１１５において、放熱フィンを密に配置することで冷却能力を高めた高冷却性能領域３０１と、放熱フィンが領域３０１よりも疎に配置された低冷却性能領域３０２を備える。
　高冷却性能領域３０１は、デバイスブロック１１４ａともう一方のデバイスブロック１１４ｂの間に配置する。低冷却性能領域３０２は、各デバイスブロック１１４ａ，１１４ｂ内に配置する。
　つまり、ヒートシンク１１５は、半導体モジュール１０６ａと半導体モジュール１０６ｃ間に配置される放熱フィンの数（図９では２枚）、半導体モジュール１０６ｄと半導体モジュール１０６ｂ間に配置される放熱フィンの数（図９では２枚）よりも、半導体モジュール１０６ｃと半導体モジュール１０６ｄ間に配置される放熱フィンの数（図９では５枚）の方が多い。
　このような配置を取ることで、デバイスブロック１１４ａ，１１４ｂ間の熱干渉を、各デバイスブロック１１４ａ，１１４ｂ内の熱干渉よりも抑制することができるので、実施例１と同様に、アウターアームの温度上昇と、インナーアームの温度上昇の差が低減され、最大温度上昇を抑制することができる。
　図１０を参照して、本発明の実施例３に係る電力変換装置について説明する。
　図１０は、本実施例の電力変換装置１００におけるパワー半導体モジュール１０６とヒートシンク１１５の実装例を示す図である。
　図１０に示すように、本実施例の電力変換装置１００では、２枚の放熱ベース４０１で、放熱フィン４０２を挟み込む構成のヒートシンク１１５を備える。一方の放熱ベース４０１にデバイスブロック１１４ａを配置し、もう一方の放熱ベース４０１にデバイスブロック１１４ｂを配置する。
　冷却風１１６はデバイスブロック１１４ａ，１１４ｂ間のヒートシンク１１５に通流するため、デバイスブロック１１４ａ，１１４ｂ間の熱干渉を抑制することができる。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１００…電力変換装置、１０１，１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ…IGBT、１０２，１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ…ダイオード、１０３…電力系統、１０４…蓄電池、１０５…プリント基板、１０６，１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄ…パワー半導体モジュール、１０７…コレクタ（端子）、１０８…エミッタ（端子）、１０９…ゲート（端子）、１１０…取付穴、１１１…放熱面、１１２…ゲート駆動回路、１１３…ゲート駆動信号、１１４，１１４ａ，１１４ｂ…デバイスブロック、１１５…ヒートシンク、１１６…冷却風、２０１，２０３…瞬時電流値（波形）、２０２，２０４…実効電流値（波形）、３０１…高冷却性能領域、３０２…低冷却性能領域、４０１…放熱ベース、４０２…放熱フィン。

Claims (8)

  1. 　運転中に通過する電流量が略同等である第１半導体モジュールと第４半導体モジュール、および運転中に通過する電流量が略同等である第２半導体モジュールと第３半導体モジュールを有する電力変換部と、
    　前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールと前記第３半導体モジュールと前記第４半導体モジュールとが配置される冷却体と、を備え、
    　前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュール間の第１熱干渉および前記第３半導体モジュールと前記第４半導体モジュール間の第２熱干渉よりも、前記第２半導体モジュールと前記第３半導体モジュール間の第３熱干渉の方が小さいことを特徴とする電力変換装置。
  2. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記冷却体に、前記第１半導体モジュール、前記第２半導体モジュール、前記第３半導体モジュール、前記第４半導体モジュールの順で、略直線的に配列されることを特徴とする電力変換装置。
  3. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記第１半導体モジュールと前記第４半導体モジュールは、前記電力変換装置のアウターアームとして機能し、
    　前記第２半導体モジュールと前記第３半導体モジュールは、前記電力変換装置のインナーアームとして機能することを特徴とする電力変換装置。
  4. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュール間の第１距離および前記第３半導体モジュールと前記第４半導体モジュール間の第２距離よりも、前記第２半導体モジュールと前記第３半導体モジュール間の第３距離の方が大きいことを特徴とする電力変換装置。
  5. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記第１半導体モジュールと前記第４半導体モジュールに流れる電流量が、前記第２半導体モジュールと前記第３半導体モジュールに流れる電流量よりも大きい第１運転方法と、
    　前記第１半導体モジュールと前記第４半導体モジュールに流れる電流量が、前記第２半導体モジュールと前記第３半導体モジュールに流れる電流量よりも小さい第２運転方法と、
    　を有することを特徴とする電力変換装置。
  6. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記冷却体は、前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュール間の冷却性能および前記第３半導体モジュールと前記第４半導体モジュール間の冷却性能よりも、前記第２半導体モジュールと前記第３半導体モジュール間の冷却性能の方が高いことを特徴とする電力変換装置。
  7. 　請求項６に記載の電力変換装置であって、
    　前記冷却体は、前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュール間に配置される放熱フィンの数、前記第３半導体モジュールと前記第４半導体モジュール間に配置される放熱フィンの数よりも、前記第２半導体モジュールと前記第３半導体モジュール間に配置される放熱フィンの数の方が多いことを特徴とする電力変換装置。
  8. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記冷却体は、前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールが配置される第１放熱ベースと、
    　前記第３半導体モジュールと前記第４半導体モジュールが配置される第２放熱ベースと、
    　前記第１放熱ベースと前記第２放熱ベースとに挟まれて配置される放熱フィンと、
    　を備えることを特徴とする電力変換装置。
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