JP2015177708A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】系統連係用のバッテリ電源装置において、火力等の既存の出力と比較して急峻な電力応答への対応が求められている。バッテリ電源装置の冷却手段として、従来の空冷方式では熱抵抗値が高く、激しい系統の充放電負荷も加わって、ΔTc幅が大きくなり、結果、サーマルサイクル寿命の低下を招く。
【解決手段】発熱の異なる素子グループ毎に分割した水冷構造を採用する。発熱の高い素子を水冷の上流側に配置することで、ΔTcの上限を低下させ、発熱の低い素子を水冷の下流側に配置することで、ΔTcの下限を上昇させることによって、ΔTc幅を小さくしてサーマルサイクル寿命を向上させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、電源装置に関し、特に、電源供給に係る半導体素子の冷却に好適な電源装置に関する。

電力系統の安定化のために、火力発電や揚水発電等を用いる方式が一般に知られているが、より速い負荷変動に対しては、バッテリの充放電により双方向で電力制御を行って電力系統を定化することが期待されている。

このような充放電可能な二次電池については、新型二次電池の出現，小型軽量化および高エネルギー密度化によってシール鉛バッテリからＮｉ/Ｃｄ電池、Ｎｉ水素電池、さらにはＬｉイオン電池へと発展してきた。いずれの二次電池においてもエネルギー密度を高めるため、電池活物質の開発や高容量電池構造の開発が行われ、より使用時間の長い電源を実現する努力が払われている。

バッテリの充放電を制御するには、放電方向においてはバッテリの直流電圧を双方向DC/DCコンバータで規定の電圧以上へ昇圧してインバータで交流電圧に変換し、一方、充電方向においては系統の交流電圧をインバータで電力変換して双方向DC/DCコンバータでバッテリ電圧に合わせて降圧する。これらの電源装置に使用するDC/DCコンバータ及びインバータには、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やダイオード等の半導体素子が使用されている。

このような技術は、例えば、特開2014-23202号公報に記載されている。

特開2014-23202号公報

これらのような半導体素子においては、通流やスイッチングで発生する損失によって熱が発生する。例えばIGBTの場合を例に挙げると、通流やスイッチングで発生する損失による半導体素子の温度上昇によって、損失がさらに増加することによる変換効率の低下や半導体素子自体が焼損する恐れがあるため、半導体素子を所定の温度以下となるように冷却する必要がある。

このような冷却装置には空冷方式としてファンやブロアで冷却風を送り半導体素子が実装された冷却フィンで半導体を冷却するものが知られているところ、系統の負荷変動への双方向の電力制御を行う場合、周期的にパワー半導体内部のチップが発熱してパワー半導体全体の温度が熱飽和することによるパワー半導体のケース温度上昇値ΔTcパワーサイクル耐量（またはサーマルサイクル耐量と以下記述する）に注意する必要があるので、一般に、冷却効率が高い水冷の冷却が用いられる。

水冷の冷却を用いた場合でも、要求負荷の変動によるΔTcの変動の問題が残る。系統の要求負荷によっては、負荷は例えば１分以上の継続が要求され、パワー半導体に求められる耐量はサーマルサイクルとなり、特に、例えば数分単位の高出力でパワー半導体内部の温度が飽和した後に、数分以上の期間無負荷となってパワー半導体内部の温度がほぼ環境温度に近い値にまで低下するような出力変動によって、ΔTcは大きな幅を持つ。

前述のサーマルサイクルにより、パワー半導体モジュールのケース温度を上昇、下降させた時に、半田接合部両面の絶縁板とベース板の間の熱膨張係数に差が生じることによって、半田接合部に大きな応力ひずみが生じる。このような温度変化が繰り返されると応力ひずみによって半田接合部に亀裂が生じる。このような亀裂が特にパワー半導体モジュール内部の半導体素子直下に至るとパワー半導体モジュール内部の熱抵抗値が大きく上昇することになる。結果、熱抵抗値の上昇によって、半導体素子の温度Tjが最大温度を超えて熱破壊に至る可能性がある。

前述のサーマルサイクルによる寿命を向上させるためには、応力ひずみを小さくすることが効果的であり、すなわち、ΔTcを小さくする必要である。さらに、要求負荷の変動によるΔTcの変動にも対応する必要がある。

本発明の目的は、サーマルサイクル耐量を向上させ、半導体素子が熱破壊に至るのを防止することが可能となるバッテリ電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、直流電源との間で昇圧及び降圧する直流変換器と、前記直流変換器と交流系統電との間で電力変換する３レベルの電力変換器とを有し、前記直流変換器を半導体素子を含み、前記電力変換器は半導体素子を含み、ラジエータ、ラジエータ用ファンと循環用ポンプを有し、前記ラジエータ用ファンで冷却された前記ラジエータの冷媒を前記循環用ポンプにより前記電力変換器の半導体素子を冷却するものであって、前記電力変換器を構成する半導体素子へ発熱の高い順に前記循環用の冷媒を流すように構成した。

本発明によれば、系統変動抑制を対象としたバッテリ電源装置内の変換器に使用されている半導体素子のサーマルサイクル耐量を向上させることができ、さらに、要求負荷変動や外気温の変動に対する温度変動の抑制にも効果的であるので、結果として、半導体素子が熱破壊に至るのを防止することが可能となる。

本発明における第1の実施例の全体構成を説明する図である。 本発明における系統の要求負荷の変動状況の一例について説明する図である。 本発明におけるインバータの回路構成を説明する図である。 本発明におけるインバータで用いられるユニットの構成を説明する図である。 本発明におけるチョッパの回路構成を説明する図である。 本発明におけるチョッパで用いられるユニットの構成を説明する図である。 本発明における実施例の流路構成を説明する水冷冷却構造について説明する図である。 本発明における実施例の流路構成を説明する水冷冷却構造について説明する図である。 本発明における実施例の流路構成を説明する水冷冷却構造について説明する図である。 本発明における実施例の流路構成を説明する水冷冷却構造について説明する図である。 本発明における実施例の流路構成を説明する水冷冷却構造について説明する図である。 本発明における第２の実施例の流路構成を説明する水冷冷却構造について説明する図である。

以下、本発明の電力変換装置およびその冷却手段の実施例について、図を用いて説明する。

まず、本実施例の構成について以下で説明する。

図1に電源装置の全体構成図を示す。また、系統１０６の運転に必要な電力が不足した場合、あるいは、系統１０６の電力の変動を補償する場合に、蓄電池１０４に蓄電された電力を双方向チョッパ５で昇圧（降圧）してインバータ１を介して系統１０６に電力を供給する。一方、系統１０６の運転に必要な電力が過剰な場合、あるいは、系統１０６の電力の変動を補償する場合に、系統１０６の電力をインバータ１で電力変換し双方向チョッパ５で降圧（昇圧）して蓄電池１０４に蓄電する。

図2に系統の要求負荷の一例を示す。横軸が時刻を示した時間、縦軸の正の方向が出力要求負荷、負の方向が充電要求負荷を示している。それぞれの負荷は１分以上の継続が要求されることからも、パワー半導体に求められる耐量はサーマルサイクルとなることが分かる。特に、数分単位の高出力でパワー半導体内部の温度が飽和した後に、数分以上の期間無負荷となってパワー半導体内部の温度がほぼ環境温度に近い値にまで低下するような出力変動によって、ΔTcは大きな幅を持つことになる。

本電源装置では、系統からの要求を受けて、出力要求負荷（図２の縦軸の正の方向）、充電要求負荷（図２の負の方向）に応じて、それぞれの負荷の１分以上の継続の要求、あるいは、数分単位の高出力の要求を受けて、それに応じて、パワー半導体が動作して求められる耐量であるサーマルサイクルに耐えるように構成されている。

図３に、３レベルインバータ構成となっているインバータ１の回路図を示す。蓄電池１０４とは、端子２０１（E電圧）と端子２０２（-E電圧）を介して接続される。また、系統１０６とは、U相端子２０３、V相端子２０４、Ｗ相端子２０５を介して接続される。U相アーム２１１は、半導体素子１１（１１−１、１１−２）、半導体素子１２（１２−１、１２−２）、半導体素子１３（１３−１．１３−２）からなっており、端子２０１と端子２０２の間で、半導体素子１２−１（上１２）、半導体素子１１−１（上１１）、半導体素子１１−２（下１１）、半導体素子１２−２（下１２）の順で直列に接続される。半導体素子１１、半導体素子１２、半導体素子１３は、各々、ＩＧＢＴとそれと逆並列に接続した還流ダイオードで構成される。上アームを構成する半導体素子１２−１と半導体素子１１−１の接続点と、下アームを構成する半導体素子１１−２と半導体素子１２−２の接続点とに、並列して、半導体素子１３−１（上１３）と半導体素子１３―２（下１３）直列回路が接続される。

半導体素子12−１ (上)のIGBTがON 、半導体素子11 −１(上) IGBTがON 、半導体素子11 −２(下) IGBTがOFF 、半導体素子12 −２(下) IGBTがOFF 、半導体素子13 −１(上) IGBTがOFF、半導体素子13−2(下)IGBTがOFFになると、U相端子２０３に端子２０２（-E電圧）が出力される。

半導体素子12−１ (上)のIGBTがOFF 、半導体素子11 −１(上) IGBTがON 、半導体素子11 −２(下) IGBTがON 、半導体素子12 −２(下) IGBTがOFF 、半導体素子13 −１(上) IGBTがOFF、半導体素子13−2(下)IGBTがOFFになると、U相端子２０３に０電圧が出力される。

半導体素子12−１ (上)のIGBTがOFF 、半導体素子11 −１(上) IGBTがOFF 、半導体素子11 −２(下) IGBTがON 、半導体素子12 −２(下) IGBTがON 、半導体素子13 −１(上) IGBTがOFF、半導体素子13−2(下)IGBTがOFFになると、U相端子２０３に端子２０３(E電圧）が出力される。

V相アーム２１２、W相アーム２１２のＩＧＢＴのスイッチング動作は、Ｕ相アーム２１１の動作と同様に、各々、Ｖ相端子２０４、Ｗ相端子２０５に出力電圧が得られる。

詳細は後述するが、図３の回路構成において。内側IGBT１１のON期間が最も長く、次に外側IGBT、フリーホイールIGBTとなり、ON期間により発熱量の大小の順が決まっている。
そのため、この発熱量に対応できるように水冷の順を決めるのである。

図４に、３レベルインバータ構成となっている半導体素子１１〜１３の外観図を回路図に対応して示す。半導体素子の上アームと半導体素子の下アームの直列回路が一つのパッケージに直接水冷型両面冷却モジュール２３として格納される。半導体素子の上アームと半導体素子の下アームの接続点は端子２３ａとして構成され、半導体素子の上アームと半導体素子の下アームの直列回路の一方の端子は端子２３ｂとして構成され、半導体素子の上アームと半導体素子の下アームの直列回路の他方の端子は端子２３ｃとして構成される。

図５に、チョッパ５の回路図を示す。チョッパ５は、上アームの半導体素子１４の下アームの半導体素子１５からなる。半導体素子１４と半導体素子１５の中点端子３０１と半導体素子１５の下側接続端子３０２は、蓄電池１０４に接続される。一方、半導体素子１４と半導体素子１５の直列回路の一方側端子３０３、他方側端子３０４は、インバータ１に接続される。

図６に、チョッパ５の外観図を回路図に対応して示す。半導体素子１４、１５は、各々、個別のパッケージに水冷型冷却モジュール２４として格納される。半導体素子の下アームを例にとると、一方側の接続端子は端子２4ａとして構成され、他方側の接続端子は端子２４ｂとして構成される。

図７は、冷却手段の構造を示しており、３レベルインバータ構成となっているインバータ１、３レベルインバータ内のIGBTを冷却する水冷系として、水冷冷媒の循環用のポンプ２、水冷の放熱用のラジエータ３、ラジエータ３への冷却風を送るファン４を図示している。

ラジエータ３とファン４を盤外に配置した構成を想定しているが、ポンプ３などその他の構成も必要に応じて盤外に配置しても構わない。また、図示していないが、ポンプ３やファン４を駆動する汎用インバータを備えることを想定している。

水冷ではない構成部分は、図示していないが、インバータ１の内部においては直流コンデンサ、BUSバー、水冷冷却構造、制御基板、構造部材等を備えている。インバータ１の入力はバッテリに接続され、出力は系統に接続されている。前述したバッテリや直流コンデンサ等は本実施例では空冷での冷却を想定しているが、それに限ることはない。バッテリもリチウムイオン二次電池、NiMH、鉛蓄電池など充放電可能な手段であれば、例えば大容量のキャパシタでも構わない。また、直流コンデンサも電解コンデンサ以外にフィルムコンデンサを使用する等で強制空冷を必ずしも必要としない方式を採用しても構わない。
以上の他に、インバータ１から系統への出力配線、系統への連系用のトランス、バッテリへの入力配線等も備えていることを想定している。

インバータ１は三相での出力構成を本実施例では想定しているが、もちろん単相の出力構成としても構わない。内側IGBT１１、外側IGBT１２、フリーホイールIGBT１３を図１にて図示しているが、フリーホイールIGBT１３の代わりにダイオードを使用しても構わない。

インバータ１の冷却部を図８に示す。水冷流路入口８０１から水冷流路出口８０２に向かって水冷通路８０３が形成されている。これによって、内側IGBT１１、外側IGBT１２、フリーホイールIGBT１３の順に冷却される。これは、内側IGBT１１が最も発熱し、次に外側IGBT１２であり、フリーホイールIGBT１３が比較的に低く発熱するからである。

本実施例では、インバータ１内の水冷流路の冷却順を、内側IGBT１１、外側IGBT１２、フリーホイールIGBT１３の順となっている。これらのIGBTには、IGBTモジュールの発熱を直接冷却水に両面で放熱させる直接水冷型両面冷却モジュール２３を使用することを想定している。

本実施例において、従来は、実装形態で空冷を使用することが一般的であった。本実施例では、第一の提案として直接水冷型両面冷却モジュール２３を使用した水冷方式とすることによって、空冷フィンの熱抵抗値Rf-aよりも水冷の熱抵抗値Rf-wを大幅に低下可能であり、ΔTcの幅を小さくすることが可能となることから、サーマルサイクル耐量を増加させることが可能である。

さらに、内側IGBT１１、外側IGBT１２、フリーホイールIGBT１３のそれぞれに発熱の差があって、本実施例では、発熱順である内側IGBT１１、外側IGBT１２、フリーホイールIGBT１３の順で水冷流路を配置し、かつIGBTに直接水冷型両面冷却モジュール２３を使用することで、温度勾配の均一化を防ぐことができる。つまり、発熱量の異なる各素子間の相互の温度干渉を制御することを目的とした構造である。

結果、負荷出力時には、最も発熱する内側IGBT１１に供給される水温が一番低いことから、ΔTcの上限温度を下げることができることによって、増加幅を小さくすることができる。この時に連動して、ラジエータ空冷用のファンと冷媒循環用ポンプの出力を上げることで、冷却能力を向上させることができ、さらにΔTcの上限値を小さくすることができる。

逆に負荷低下時には、最も発熱が小さいフリーホイールIGBT１３に供給される水温が一番高いために、発熱が小さいことによる温度低下を緩やかにすることでΔTcの下限温度を上げることができることによって、減少幅を小さくすることができる。この時に連動して、ラジエータ３空冷用のファン４と冷媒循環用ポンプ２の出力を下げることで、冷却能力を低下させることができ、温度低下を遅らせることでさらにΔTcの下限値を高くすることができる。

チョッパ５の冷却部を図９に示す。水冷流路入口９０１から水冷流路出口９０２に向かって水冷通路９０３が形成されている。これによって、IGBT１４、外側IGBT１５の順に冷却される。これは、IGBT１４が最も発熱し、次に外側IGBT１５であるからである。すなわち、双方向チョッパ５の冷却順をバッテリからの放電の昇圧比による構成となる。

一方、昇圧比が高い場合の流路としては、昇圧比が高い場合は、下側IGBT１５のDutyが高いため、下側IGBT１５の発熱が高くなる。したがって、前述の第一および第二の実施例と同様にΔTcを小さくする効果を得るために、この場合の冷却順は下側IGBT１５、上側IGBT１４の順とすることを想定している。

昇圧比が低い場合の流路を図１０に示す。逆に昇圧比が低い場合は、上側IGBT１４のDutyが高いため、上側IGBT１４の発熱が高くなる。したがって、前述の第一および第二の実施例と同様にΔTcを小さくする効果を得るために、この場合の冷却順は上側IGBT１４、下側IGBT１５の順とすることを想定している。

昇圧比が同等である場合の流路を図１１に示す。ほぼ同等の昇圧比になる場合は、上側IGBT１４と下側IGBT１５を並列流路で冷却することを想定している。

これらに使用するIGBTは、直接水冷型両面冷却モジュール２３を使用しても良いし、水冷ベースを分割して片側冷却IGBTを使用しても良いし、同様の効果が得られるものであれば構わない。

他の実施例について、実施例１と異なる部分のみを説明する。よって、説明が省略される部分は実施例１と同様である。本実施例では、インバータ１内の水冷流路の冷却順が、内側IGBT１１、外側IGBT１２、フリーホイールIGBT１３の順となっている。IGBTには一般的に産業用で使用している片面を冷却器のベース板に固定する片面冷却モジュール２２を使用することを想定している。さらに、水冷用のベース板は、内側IGBT１１、外側IGBT１２、フリーホイールIGBT１３で上下アームをペアとして分割することを想定している。

従来の空冷を使用したものと比較して、本実施例では、片面冷却ではあるが、水冷方式とすることによって、空冷フィンの熱抵抗値Rf-aよりも水冷の熱抵抗値Rf-wを大幅に低下可能であり、ΔTcの幅を小さくすることが可能となることから、サーマルサイクル耐量を増加させることが可能である。

さらに、内側IGBT１１、外側IGBT１２、フリーホイールIGBT１３を実装するにあたってそれぞれに発熱の差があって、発熱順である内側IGBT１１、外側IGBT１２、フリーホイールIGBT１３の順で水冷流路を配置し、それぞれの水冷ベース板を分割することで、温度勾配の均一化を防ぐことができる。つまり、発熱量の異なる各素子間の相互の温度干渉を制御することを目的とした構造である。

結果、負荷出力時には、最も発熱する内側IGBT１１に供給される水温が一番低いことから、ΔTcの上限温度を下げることができることによって、増加幅を小さくすることができる。この時に連動して、ラジエータ空冷用のファンと冷媒循環用ポンプの出力を上げることで、冷却能力を向上させることができ、さらにΔTcの上限値を小さくすることができる。

逆に負荷低下時には、最も発熱が小さいフリーホイールIGBT１３に供給される水温が一番高いために、発熱が小さいことによる温度低下を緩やかにすることでΔTcの下限温度を上げることができることによって、減少幅を小さくすることができる。この時に連動して、ラジエータ３空冷用のファン４と冷媒循環用ポンプ２の出力を下げることで、冷却能力を低下させることができ、温度低下を遅らせることでさらにΔTcの下限値を高くすることができる。

図１２に本実施例の構成を示す。

本実施例の構成は、実施例1または2の構成に加えて、バッテリとインバータ１の間に双方向チョッパ５を加えた構成となる。

双方向チョッパ５の回路構成は、昇圧チョッパを想定しており、水冷を行う冷却対象の半導体モジュールとして、上側IGBT１４と下側IGBT１５を備えている。

水冷ではない構成部分は示していないが、双方向チョッパ５の内部においては直流リアクトル、直流コンデンサ、BUSバー、水冷冷却構造、制御基板、構造部材等を備えている。双方向チョッパ５の入力はバッテリに接続され、出力はインバータ１に接続されている。前述したバッテリや直流コンデンサ等は本実施例では空冷での冷却を想定しているが、それに限ることはない。バッテリもリチウムイオン二次電池、NiMH、鉛蓄電池など充放電可能な手段であれば、例えば大容量のキャパシタでも構わない。また、直流コンデンサも電解コンデンサ以外にフィルムコンデンサを使用する等で強制空冷を必ずしも必要としない方式を採用しても構わない。以上の他に、インバータ１から系統への出力配線、系統への連系用のトランス、バッテリへの入力配線等も備えていることを想定している。

インバータ１と双方向チョッパ５の損失は、同程度を想定しているため、水冷流路は並列として、単一のポンプ２と単一のラジエータ３で冷却することを想定しているが、それぞれを分割して別々のポンプとラジエータで冷却しても構わない。

もちろん、インバータ１と双方向チョッパ５の損失に大きな差がある場合は、損失の高い方を水冷流路の上流側に配置することで、前述した方式と同様にΔTcを小さくすることができる。例として、双方向チョッパ５を水冷流路の上流側に配置した場合を示す。

以上、実施例を挙げたが、もちろん用途に応じて前記実施例に記述した内容を組み合わせて使用しても構わない。

１…INV、２…ポンプ、３…ラジエータ、４…ファン、５…双方向チョッパ、１１…内側IGBT、１２…外側IGBT、１３…フリーホイールIGBT、１４…上側IGBT、１５…下側IGBT、２１…片面冷却モジュール、２２…空冷フィン、２３…直接水冷型両面冷却モジュール

Claims (9)

1. 直流電源との間で昇圧及び降圧する直流変換器と、前記直流変換器と交流系統電との間で電力変換する３レベルの電力変換器とを有し、前記直流変換器を半導体素子を含み、前記電力変換器は半導体素子を含み、ラジエータ、ラジエータ用ファンと循環用ポンプを有し、前記ラジエータ用ファンで冷却された前記ラジエータの冷媒を前記循環用ポンプにより前記電力変換器の半導体素子を冷却するものであって、前記電力変換器を構成する半導体素子へ発熱の高い順に前記循環用の冷媒を流すことを特徴とする電源装置
   
2. 請求項1記載の電源装置であって、前記ラジエータ、ラジエータ用ファン、循環ポンプの少なくとも１つの構成を屋外に搭載したことを特徴とする電源装置。
   
3. 前記請求項1または２記載のいずれかの電源装置であって、前記直流電源に二次電池を用い、前記二次電池用の空冷冷却装置を有することを特徴とする電源装置。
   
4. 前記請求項1または２記載のいずれかの電源装置であって、前記直流電源としてキャパシタを用い、前記キャパシタ用の空冷冷却装置を有することを特徴とする電源装置。
   
5. 前記請求項1から４記載のいずれかの電源装置であって、前記直流変換器を構成する半導体素子へ発熱の高い順に冷媒を流すことを特徴とする電源装置。
   
6. 前記請求項1から５記載のいずれかの電源装置であって、前記電源装置内の半導体素子として水冷型両面冷却モジュールを用い、前記直接水冷型両面冷却モジュールの発熱の高い順に前記水冷循環用の冷媒を流すことを特徴とする電源装置。
   
7. 前記請求項1から６記載のいずれかの電源装置であって、前記電源装置内の半導体素子に片面冷却型パワーモジュールを使用し、前記片面冷却型パワーモジュールを搭載し、冷却する水冷ベース板を分割構成とし、発熱の高い順に前記水冷ベース板に水冷循環用の冷媒を流すことを特徴とする電源装置。
   
8. 前記請求項１から７記載のいずれかの電源装置であって、前記電源装置を冷却する水冷装置のラジエータ用ファン出力と循環用ポンプ出力とを前記電源装置入出力負荷を同期させたことを特徴とする電源装置
   
9. 前記請求項１から７記載のいずれかの電源装置であって、前記電源装置を冷却する水冷装置の循環用ポンプ出力を前記電源装置入出力負荷に同期させたことを特徴とする電源装置