JP5732871B2

JP5732871B2 - 電力変換装置のスタック構造

Info

Publication number: JP5732871B2
Application number: JP2011013252A
Authority: JP
Inventors: 滝沢　聡毅; 聡毅滝沢
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2031-01-25
Also published as: JP2012157138A; US8724358B2; DE102011122576A1; CN102611327A; CN102611327B; US20120188807A1

Description

この発明は、電力用半導体モジュールを並列接続して構成される、電力変換装置のスタック構造に関する。

図６に、電力変換装置の代表装置であるインバータの主回路図を示す。
同図において、１１は直流電源（回路）、１２はモータ（Ｍｏ）などの負荷、１３は電力用半導体素子からなる電力変換部（インバータ）で、可変電圧・周波数の交流出力が可能である。直流電源（回路）１１は通常、交流電源とダイオード整流器を介して、大容量の電解コンデンサで構成されるのが一般的である。

インバータ部１３の符号１４はスイッチング素子としてのＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、１５はこのＩＧＢＴと逆並列に接続されているダイオードであり、これらが６回路で構成されている。通常、電力用半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール）は上下アーム２素子分を１組としているか、または６素子分を１組としており、一般に３相出力のインバータ構成とする場合に、或る程度の容量以上の装置は２素子入りのＩＧＢＴモジュールを、３の倍数台用いて構成することが多い。

また、装置を大容量化する場合、素子の電流規格を大きくする必要がある。その場合、電流規格の大きいＩＧＢＴモジュールの適用や、ＩＧＢＴモジュールの並列接続が必要となる。図７に、２素子入りのＩＧＢＴモジュールＭを各相毎に３並列接続した場合の例を示す。また、図８に２素子入りＩＧＢＴモジュールＭの外観を示す。モジュールＭは図８のように、例えば正極としての端子１６（Ｐ）、負極としての端子１７（Ｎ）および出力端子１８（Ｕ）などを備えている。

ＩＧＢＴモジュールは通常、その発生損失による発熱のため、冷却用の放熱器が必要である。その放熱器の代表的なものが、図９に示すアルミヒートシンクである。これは通常直方体構造で、受熱部１９とフィン部２０から構成され、フィン部２０に風を流すことで冷却を行なうものである。図７の例で、３並列接続のＩＧＢＴモジュールは、図１０または図１１のように、全相分の９台が、また各相毎の場合は３台ずつが、それぞれ受熱部に設置される。
なお、２素子入りＩＧＢＴモジュールの形状や、３並列のＩＧＢＴモジュールを近接設置する例については、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００５−１１７７８３号公報

上述のように、ＩＧＢＴモジュールを並列接続する装置では、ＩＧＢＴモジュールどうしの電流バランスを考慮し、並列接続されるＩＧＢＴモジュールは図１０（９台のモジュール全てを１台の放熱器上に設置する場合）または図１１（各相毎に３台ずつ放熱器上に設置する場合）のように、受熱部に近接して配置する必要がある。
ところが、図１２のように並列数（５並列）が多くなると、３相分では図１３のようにＸ（横）方向に長くなり、装置全体のコンパクト化の妨げとなるおそれがある。

これに対し、図１４のようにＩＧＢＴモジュールが３並列で、３相分を１台の放熱器上に設置する図１４（ａ）の場合、各相毎に１台の放熱器上に設置する図１４（ｂ）の場合、同様にＩＧＢＴモジュールが５並列で、３相分を１台の放熱器上に設置する図１５（ａ）の場合、各相毎に１台の放熱器上に設置する図１５（ｂ）の場合のように、風の通流方向に対して２列で配置することにより、Ｘ（横）方向の伸びを抑えることができる。

しかし、その場合にモジュールの並列数が偶数台ならば問題ないが、奇数台の場合は放熱器に対して、図１４，１５に点線２１で示す（一部のみ示し、他の部分も同様）ようなデッドスペースが生じるため、放熱器の有効利用が図られているとは言い難い。
また、図１６（ＩＧＢＴモジュールが３並列の場合）のように風上側に５台、風下側に４台配置することにすると、図１４，１５の場合に比べてデッドスペースを減らすことが可能になるが、Ｖ相のＩＧＢＴモジュール２台が風下側に配置されるため、他相のＩＧＢＴモジュールに比べて上記２台の熱的負担が大きくなり、結果的にＶ相基準で熱設計する必要が生じる。

図１７に、ＩＧＢＴモジュールを５並列とし放熱器を２台設置する例を示す。
この場合、放熱器１Ａと１Ｂとでは設置されるＩＧＢＴモジュール数が異なるため、ＩＧＢＴモジュール数が多い方の放熱器１Ａ基準で熱設計を行なう必要があり、結果的に放熱能力の大きい放熱器やファンが必要になる、という問題がある。
したがって、この発明の課題は、放熱器の有効利用を図ることで放熱器の小型化，低コスト化及びファン能力の低減化を図ることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、３相の交流出力または入力を行なう電力変換回路が、１相当り奇数台を基本として並列接続される電力用半導体素子モジュールから構成され、これらの電力用半導体素子モジュールを冷却するための放熱器を備えた電力変換装置のスタック構造において、
前記電力用半導体素子モジュールは、各相当りの並列台数を第１相と第３相では奇数台、第２相では前記第1相および第２相より1台多い偶数台とし、前記各相の電力用半導体モジュールを前記放熱器上にこの放熱器冷却のための空気の通風方向に対して２列となるように配置し、前記放熱器冷却のための空気の通風方向に対して下流側となる前記２列の第１列には、前記第１相および第３相の半導体モジュールの台数より、第２相の半導体モジュールの台数を多く配列し、前記放熱器冷却のための空気の通風方向に対して上流側となる前記２列の第２列には、第１相および第３相の半導体モジュールの台数より、第２相の半導体モジュールの台数を少なく配列したことを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記電力用半導体素子モジュールは、各相当りの並列数を第１相と第３相では５並列、第２相では６並列にするとともに、前記放熱器を２台使用し、一方の放熱器には第１相の５台と第２相の３台、他方の放熱器には第２相の３台と第３相の５台を前記放熱器上にこの放熱器冷却のための空気の通風方向に対して前記各相の電力用半導体モジュールを２列となるように配置することを特徴とする。

上記請求項１または２の発明においては、前記偶数台設置される相は、前記放熱器の中央部に配置することができる（請求項３の発明）。また、上記請求項１〜３の発明においては、前記２列の電力用半導体素子モジュールを、通風方向に２分割し１列ずつ各別の放熱器上に配置することができる（請求項４の発明）。

この発明によれば、放熱器の有効利用を図ることで放熱器の小型化，低コスト化及びファン能力を低減化することができ、その結果電力変換装置のスタックや装置全体の小型化，低コスト化が可能となる。

この発明の実施の形態を示す構成図図１で平列数の異なる場合を示す構成図この発明の別の実施の形態を示す構成図図１の変形例を示す構成図図３の変形例を示す構成図インバータの一般的な例を示す回路構成図電力用半導体モジュールが３並列の場合のインバータ回路を示す構成図２素子入り電力用半導体モジュールの外観図アルミヒートシンクの外観図３相分の電力用半導体モジュールを１放熱器上に設置する例を示す上面図３相分の電力用半導体モジュールを３放熱器上に設置する例を示す上面図１相分の電力用半導体モジュールを１放熱器上に設置する例を示す上面図３相分の電力用半導体モジュールを３放熱器上に設置する例を示す上面図３並列の電力用半導体モジュールを放熱器上に設置する例を示す上面図５並列の電力用半導体モジュールを放熱器上に設置する例を示す上面図図１４（ａ）の変形例を示す上面図５並列の電力用半導体モジュールを２放熱器上に設置する例を示す上面図

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。これは、Ｕ相とＷ相のＩＧＢＴモジュールＭを５並列とし、Ｖ相のＩＧＢＴモジュールＭを６並列とする例である。こうすることで、放熱器１の受熱部のデッドスペースが無くなって放熱器１の有効利用が可能になるとともに、熱的負担が大きくなるＶ相については他相よりも１台多くすることで、図１７の場合よりも熱的負担を小さくできるようにしている。
図２はＵ相とＷ相のＩＧＢＴモジュールＭを３並列とし、Ｖ相のＩＧＢＴモジュールＭを４並列とする場合、つまり並列数が異なる以外は図１と全く同様なので、説明を省略する。

図３にこの発明の別の実施の形態を示す。
これは、図１と同様にＵ相とＷ相のＩＧＢＴモジュールＭを５並列とし、Ｖ相のＩＧＢＴモジュールＭを６並列とするが、放熱器を１Ａ，１Ｂと２台設ける例である。こうすることで、放熱器１Ａと放熱器１Ｂの熱的負担（ＩＧＢＴモジュールの総発生損失）が等しくなるとともに、図１７と比べてＶ相モジュール1台当りの発生損失が５／６に低減するため、放熱器全体の熱的負担（ＩＧＢＴモジュールの総発生損失）が軽減され、放熱器の小型化やファン能力の軽減が可能となる。

図４に図１または図２の変形例を示す。
これは、２列の放熱器１を上下２つに分割し、1列目のモジュールＭを放熱器１Ａに、また２列目のモジュールＭを放熱器１Ｂに配置したもので、こうすることで、放熱器１Ａと放熱器１Ｂの熱的負担を等しくするものである。
図５は図３の変形例を示し、図３の1列目のモジュールＭを放熱器１Ａ，１Ｂに、また２列目のモジュールＭを放熱器１Ｃ，１Ｄにそれぞれ配置したもので、こうすることにより、放熱器１Ａ〜１Ｄの熱的負担を等しくするものである。

以上ではＩＧＢＴモジュールを３並列，５並列の場合を説明したが、７並列（このときのＶ相は８並列），９並列（このときのＶ相は１０並列）の場合など、並列数の基本数が奇数個の場合一般に適用することができる。また、素子としてはＩＧＢＴに限らずＭＯＳＦＥＴやダイオードなどの電力用半導体モジュール、さらには変換装置としてはコンバータなどの交流入力を行なう電力変換装置についても、同様に適用することができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…冷却器、Ｍ…ＩＧＢＴ（電力用半導体）モジュール、１１…直流電源（回路）、１２…負荷（モータＭｏ）、１３…電力変換部（インバータ）、１４…ＩＧＢＴ、１５…ダイオード、１６…正側直流端子（Ｐ）、１７…負側直流端子（Ｎ）、１８…出力端子（Ｕ）、１９…受熱部、２０…冷却フィン。

Claims

３相の交流出力または入力を行なう電力変換回路が、１相当り奇数台を基本として並列接続される電力用半導体素子モジュールから構成され、これらの電力用半導体素子モジュールを冷却するための放熱器を備えた電力変換装置のスタック構造において、
前記電力用半導体素子モジュールは、各相当りの並列台数を第１相と第３相では奇数台、第２相では前記第1相および第２相より1台多い偶数台とし、前記各相の電力用半導体モジュールを前記放熱器上にこの放熱器冷却のための空気の通風方向に対して２列となるように配置し、前記放熱器冷却のための空気の通風方向に対して下流側となる前記２列の第１列には、前記第１相および第３相の半導体モジュールの台数より、第２相の半導体モジュールの台数を多く配列し、前記放熱器冷却のための空気の通風方向に対して上流側となる前記２列の第２列には、第１相および第３相の半導体モジュールの台数より、第２相の半導体モジュールの台数を少なく配列したことを特徴とする電力変換装置のスタック構造。
前記電力用半導体素子モジュールは、各相当りの並列数を第１相と第３相では５並列、第２相では６並列にするとともに、前記放熱器を２台使用し、一方の放熱器には第１相の５台と第２相の３台、他方の放熱器には第２相の３台と第３相の５台を前記放熱器上にこの放熱器冷却のための空気の通風方向に対して前記各相の電力用半導体モジュールを２列となるように配置することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置のスタック構造。
前記偶数台設置される相は、前記放熱器の中央部に配置することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置のスタック構造。
前記２列に配列された電力用半導体素子モジュールを、１列ずつ各別の放熱器上に配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載の電力変換装置のスタック構造。