JP2015006017A

JP2015006017A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2015006017A
Application number: JP2013128126A
Authority: JP
Inventors: 安達　昭夫; Akio Adachi; 昭夫安達
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2015-01-08

Abstract

【課題】電力変換装置本体の主体部をなすＳiＣ半導体の高温動作に伴う熱から、導体バーを介して前記ＳiＣ半導体に接続される直流リンクコンデンサへの熱的影響を軽減した簡易な構成の電力変換装置を提供する。【解決手段】直流リンクコンデンサに接続される一端部と、ＳiＣ半導体に接続される他端部との間に段差を形成した中間部を有し、前記直流リンクコンデンサと前記ＳiＣ半導体とを相互に接続して電流路を形成する導体バーにおける前記中間部に、該導体バーの電流通電方向に沿う複数条のスリット孔を並行に設け、前記導体バーを介して前記ＳiＣ半導体から前記直流リンクコンデンサに伝わる熱を低減する。【選択図】図１

Description

本発明は、ＳiＣ半導体等のワイドバンドギャップ半導体からなり、電力変換装置本体の主体部を構成するスイッチング素子と、このスイッチング素子に接続される直流リンクコンデンサ等の回路部品を所定の筐体に収納して構成される電力変換装置に関する。

近時、Ｓi半導体よりも低損失で高温動作可能なＳiＣ（シリコンカーバイト）半導体からなるスイッチング素子を用いて、小型で高効率なインバータやコンバータ等の電力変換装置を構築することが種々試みられている。ちなみに前記Ｓi半導体の動作可能温度は略１５０℃であるのに比較して前記ＳiＣ半導体の動作可能温度は略３００℃である。従って周囲温度を５０℃としたときの前記ＳiＣ半導体の上昇許容温度は、前記Ｓi半導体の上昇許容温度の略２.５倍となる。これ故、例えば半導体素子の熱損失が同じである場合、ＳiＣ半導体からなるスイッチング素子を冷却する為の放熱器の体積を、Ｓi半導体からなるスイッチング素子を冷却する場合の略１／２以下にすることができ、電力変換装置の小型化に大きく寄与する。

一方、この種のＳiＣ半導体からなるスイッチング素子を用いて電力変換装置を構成する場合、該スイッチング素子の近傍に配置される直流リンクコンデンサ等の回路部品を前記スイッチング素子にて生じる高温の熱から保護することが必要である。このような熱対策として、例えば特許文献１には熱伝導性の高い銅基板を介して前記スイッチング素子をヒートシンクに搭載すると共に、前記銅基板との間に断熱部材を介して回路基板を設けることが開示される。更に前記特許文献１には前記スイッチング素子の周囲を遮熱板で囲むことによって該スイッチング素子から前記回路基板への熱放射を抑えることが開示される。

特開２０１２−９９８５５号公報

ところで電力変換装置は、例えば図４に要部概略構成を示すように、電力変換装置本体の主体部をなすスイッチング素子１はブロック状の放熱体２の一面に装着して所定の筐体（ケーシング）３に収納される。また前記電流変換装置本体の入出力部に設けられる大型のブロック体からなる直流リンクコンデンサ４は、例えば前記放熱体２の側部に配置されて直流電流路をなす導体バー５を介して前記スイッチング素子１に連結される。尚、図中６は前記スイッチング素子１をオン・オフ駆動する制御回路基板であり、この例では前記スイッチング素子１に対峙させて前記放熱体２の上方空間に設けられている。

このような配置構造の電力変換装置において前記スイッチング素子１と前記直流リンクコンデンサ４とを連結する前記導体バー５は、抵抗損失の小さい銅板製の、例えば図５に示すような鉤形状のものからなり、熱伝導性にも優れている。これ故、ＳiＣ半導体からなる前記スイッチング素子１に生じた高温の熱が前記導体バー５を介して前記直流リンクコンデンサ４に直接的に伝わることが否めない。すると前記直流リンクコンデンサ４が、前記スイッチング素子１から前記導体バー５を介して伝わった高温の熱によって損傷したり、或いはその寿命が大きく劣化する等の不具合を招来する。

ちなみに前記導体バー５の断面積を小さくして熱伝導抵抗を大きくし、前記スイッチング素子１からの熱が前記直流リンクコンデンサ４に伝わり難くすることが考えられる。しかし前記導体バー５の断面積を小さくすると該導体バー５の抵抗損失が大きくなり、これに伴って前記導体バー５自体に発熱が生じる。そしてこの熱が前記直流リンクコンデンサ４に伝わると言う新たな問題が発生する。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、電力変換装置本体の主体部をなすスイッチング素子（ＳiＣ半導体）の高温動作に伴う熱から、導体バーを介して前記スイッチング素子に接続される直流リンクコンデンサへの熱的影響を軽減することのできる簡易な構成の電力変換装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る電力変換装置は、
ブロック状の放熱体の一面に装着されたワイドバンドギャップ半導体、例えばＳiＣ半導体からなり、電力変換装置本体の主体部をなすスイッチング素子と、
一端部に設けられた接続端子を前記放熱体における前記スイッチング素子の装着面と直交する向きに向けて該放熱体の側部に配置され、前記スイッチング素子を装着した前記放熱体と共に所定の筐体に組み込まれる、例えばブロック形状をなす直流リンクコンデンサ等の回路部品と、
この回路部品の前記接続端子と前記スイッチング素子の電極とを相互に接続して設けられて前記接続端子と前記電極との間の直流電流路を形成する板状の導体バーとを具備したものであって、
前記導体バーは、前記回路部品の接続端子に接続される一端部と、前記スイッチング素子の電極に接続される他端部との間に、前記接続端子と前記電極との間に形成される段差に跨る中間部を有し、この中間部に該導体バーの電流通電方向に沿う複数条のスリット孔を並行に備えることを特徴としている。

ちなみに前記導体バーは、例えばその両端部を互いに逆向きに曲折して該両端部を並行に延在させた鉤形状の導体板からなり、前記スイッチング素子と前記回路部品との間の直流電流路を形成する。この導体板は、例えば抵抗損失が小さく、熱伝導性の良い銅製のものからなる。好ましくは前記導体バーは、その中間部に設けられた前記スリット孔に沿って該前記導体バーの一部を切り起こして形成された放熱フィンを一体に備えたものからなる。

尚、前記導体バーを、例えば櫛刃状に複数のスリット溝を平行に形成した導体ブロックと、この導体ブロックにおける前記スリット溝の延在方向の両端部に互いに逆向きにそれぞれ接合一体化されて前記回路部品の接続端子および前記スイッチング素子の電極のそれぞれに対する接続部を形成する一対の導体板とを備えた構造体として構成することもできる。

上記構成の電力変換装置によれば、前記導体バーの中間部に複数条のスリット孔が形成されているので、該導体バーの中間部の断面積がその両端部よりも小さくなり、該中間部での抵抗損失が大きくなる。しかし前記導体バーにおける中間部の表面積は、前記スリット孔の壁面が加わる分、多くなる。また前記導体バーでの抵抗損失は前記スイッチング素子のスイッチング動作に伴う高周波成分が支配的であり、いわゆる導体の表皮効果により高周波電流の通電領域は前記導体バーの表面近傍に集中する。これ故、前記導体バーにおける中間部の断面積減少による抵抗損失の増加よりも、むしろ該中間部の表面積増加による抵抗損失の低減が上回るので全体としての抵抗損失（導体損失）が低下する。

しかも前記導体バーの表面積が増加することで放熱面積が増え、これに伴って該導体バーの放熱量が増加する。この結果、前記スイッチング素子の高温動作時に該スイッチング素子から前記導体バーを介して前記回路部品（直流リンクコンデンサ）に伝わる熱が減少し、その熱的影響を簡易にして効果的に低減することが可能となる。従って前記スイッチング素子に接続された回路部品（直流リンクコンデンサ）に熱的影響を与えることなく前記スイッチング素子を高温動作させることが可能となる。故に高温動作可能なスイッチング素子を用いる利点を効果的に活かして、電源変換装置の小型化を図ることが可能となる等の効果が奏せられる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置に用いられる導体バーの概略構成を示す斜視図。導体バーの別の実施形態を示す斜視図。導体バーの更に別の実施形態を示す斜視図。電力変換装置の概略的な配置構造を示す図。従来の電力変換装置で用いられる導体バーの一例を示す斜視図。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る電力変換装置について説明する。

この電力変換装置は、図４に示したように電力変換装置本体の主体部をなすスイッチング素子１を、ブロック状の放熱体２の一面に装着して所定の筐体３に収納して構成される。尚、前記放熱体２は、前記スイッチング素子１の装着面とは反対側の面に複数の放熱フィン（図示せず）を備えてその放熱効率を、ひいては前記スイッチング素子１に対する冷却効率を高めたものである。

ちなみに前記スイッチング素子１は、ＳiＣ半導体等のワイドバンドギャップ半導体からなるＩＧＢＴである。前記電力変換装置本体は、例えば複数（６個）のスイッチング素子１を２個ずつ直列接続した３組のハーフブリッジ回路を並列に設け、各ハーフブリッジ回路毎に所定の位相差で前記ハーフブリッジ回路を構成する上アーム側および下アーム側のスイッチング素子１を交互にオン・オフするように構成される。

また図４に示すように前記放熱体２の側部には、一端部に接続端子を設けたブロック状の直流リンクコンデンサ（回路部品）４が設けられる。そして前記直流リンクコンデンサ４は、直流電流路をなす銅製の導体バー５を介して前記スイッチング素子１の電極に接続される。具体的には前記直流リンクコンデンサ４の正極端子は導体バー５を介して上アーム側の前記スイッチング素子（ＩＧＢＴ）１の各コレクタにそれぞれ接続される。また前記直流リンクコンデンサ４の負極端子は、別の導体バー５を介して下アーム側の前記スイッチング素子（ＩＧＢＴ）１の各エミッタにそれぞれ接続される。

ここでこの実施形態に係る電力変換装置が特徴とするところは、前記スイッチング素子１と前記直流リンクコンデンサ４とを連結して、該スイッチング素子１と直流リンクコンデンサ４との間の直流電流路を形成する前記導体バー５の中間部５ｃに、例えば図１および図２にそれぞれ示すように複数条のスリット孔７を平行に設けた点にある。特にこれらのスリット孔７を、該導体バー５の電流通電方向、具体的には該導体バー５の長手方向に沿わせて平行に設けたことを特徴としている。

図１に示す導体バー５は、銅製の短冊状の導板体の両端部、即ち、その一端部５ａと他端部５ｂとを互いに逆向きに曲折し、これらの一端部５ａおよび他端部５ｂをそれぞれ中間部５ｃから所定の長さに亘って並行に延在させた鉤形の形状を有する。また前記中間部５ｃがなす前記一端部５ａと他端部５ｂとの間の段差の高さＨは、前述した如く前記筐体３に収納される前記スイッチング素子１の電極（ＩＧＢＴのコレクタまたはエミッタ）の高さ位置と、前記直流リンクコンデンサ４の一端部に設けられた接続端子の高さ位置との差に相当するように定められる。そしてこの導体バー５は、例えば一端部５ａを前記直流リンクコンデンサ４の接続端子に接続し、他端部５ｂを前記スイッチング素子１の電極に接続して設けられることで、これらの間の直流電流路を形成する。

また前記導体バー５における前記中間部５ｃには、例えば図１に示すように該導体バー５の電流通電方向（長手方向）に沿って前記スリット孔７が複数条に亘って並行に設けられている。これらのスリット孔７は、例えばプレス加工によって前記導体板の一部をスリット状に打ち抜くことで形成される。尚、例えば図２に示すように前記導体板の一部を一方向に折り曲げプレス加工して前記スリット孔７を形成すると共に、折り曲げられた部位を前記スリット孔７に沿う放熱フィン８として形成するようにしても良い。

このようにして前記導体バー５の電流通電方向（長手方向）に沿って複数条のスリット孔７を前記中間部５ｃに設けた場合、該スリット孔７を形成した分だけ該中間部５ｃにおける電流の通路断面積が減少する。具体的には幅５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの導体板に、幅１ｍｍのスリット孔７を２５列形成した場合、これらのスリット孔７を形成した中間部５ｃの断面積は１／２となる。そしてこの中間部５ｃの熱抵抗は２倍に増大する。

しかしその反面、前記中間部５ｃの単位長あたりの表面積は、該中間部５ｃの主面の面積が前記スリット孔７の形成に伴って１／２に減少するものの、複数のスリット孔７の各壁面の面積が加わるので、前記一端部５ａおよび前記他端部５ｂの単位長あたりの表面積の１.５倍に増大する。特に図２に示すように前記スリット孔７に加えて前記放熱フィン８を設けた場合には、その表面積は該放熱フィン８の表面積も加わるので略２倍に増大する。

従って上記構成の前記導体バー５によれば、該導体バー５における中間部５ｃの表面積を増大させることで、例えばＳiＣ半導体からなる前記スイッチング素子１を高温動作させた場合でも、該スイッチング素子１から伝わる高温の熱を前記導体バー５にて効果的に放出し、前記直流リンクコンデンサ４に伝わる熱の温度を低下させることが可能となる。特に図４に矢印で示すように前記筐体３の内部に空気を通流させて前記導体バー５等を冷却するように構成した場合、その効果が大きく発揮される。これ故、前記スイッチング素子１からの高温の熱が前記導体バー５を介して前記直流リンクコンデンサ４に伝わることがなくなり、高温の熱による直流リンクコンデンサ４の特性劣化等の不具合の発生を効果的に防ぐことが可能となる。特に前記放熱フィン８を一体に備えた場合、より一層の効果を期待することが可能となる。

一方、前記導体バー５において発熱を伴う抵抗損失の殆どは、前記スイッチング素子１のスイッチング動作に起因する高周波成分（高周波電流）によるものである。そして前記スイッチング素子１のスイッチング動作に伴う上記高周波電流は、いわゆる表皮効果によって前記導体バー５の表面近傍の導体領域に集中して流れる。これ故、前記スリット孔７を設けた前記導体バー５の中間部５ｃにおいては、その断面積の減少に伴って抵抗損失が多少増大するものの、それにも増して上述したようにその表面積の増大に伴う抵抗損失の低減効果が上回る。この結果、前記高周波電流に対する前記導体バー５の全体的な抵抗損失を減少させることができ、該導体バー５での抵抗損失による発熱を抑えることが可能となる。

従って前述した導体バー５での放熱効果と相俟って該導体バー５自体の発熱を抑えることが可能となる。故に当該導体バー５を介して前記スイッチング素子１と前記直流リンクコンデンサ４とを接続した場合であっても、高温動作する前記スイッチング素子１からの前記直流リンクコンデンサ４の熱的影響を大幅に低減することが可能となる。しかも前記導体バー５の中間部５ｃに前記スリット孔７を設けるだけの簡易な構成にて、前述した熱的影響の問題を解消することができ、その実用的利点が多大である。

更には前記スイッチング素子１から前記導体バー５を介する前記直流リンクコンデンサ４への熱流を抑制することができるので、前記スイッチング素子１が高温動作する場合でも前記直流リンクコンデンサ４の温度上昇を抑えることができる。従ってＳiＣ半導体からなる前記スイッチング素子１の高温動作による特徴を有効に活かして、電力変換装置の高効率化や小型化を図ることができる等の多大なる効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば前記導体バー５を、図３に示すように櫛刃状に複数のスリット溝１１を平行に形成した導体ブロック１２と、この導体ブロック１２における前記スリット溝１１の延在方向の両端部に互いに逆向きにそれぞれ接合一体化した一対の導体板１３,１４とにより構成することも可能である。この場合、前記導体ブロック１２が前記導体バー５の前述した中間部５ｃに相当し、前記導体板１３,１４が前記直流リンクコンデンサ４および前記スイッチング素子１のそれぞれに対する接続部（一端部５ａおよび他端部５ｂ）を形成することになる。

また前記導体バー５の厚みや幅、更にはその長さについては電力変換装置の仕様に応じて、特に前記スイッチング素子１の動作温度や前記直流リンクコンデンサ４の耐熱温度、更には前記スイッチング素子１と前記直流リンクコンデンサ４との間で流れる電流容量等に応じて定めれば良いものである。また前記一端部５ａおよび他端部５ｂの接続部としての機能を損なわない範囲で、前記スリット孔７を該一端部５ａおよび他端部５ｂの途中まで伸ばして形成することも勿論可能である。

またここではＳiＣ半導体からなるスイッチング素子１を用いる場合を例に説明したが、その他のワイドバンドギャップ半導体やＳi半導体からなるスイッチング素子１を用いる場合にも本発明を同様に適用することが可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１スイッチング素子（ＳiＣ半導体）
２放熱体
３筐体（ケーシング）
４直流リンクコンデンサ（回路部品）
５導体バー
６制御回路基板
７スリット孔
８放熱フィン

Claims

ブロック状の放熱体の一面に装着されたワイドバンドギャップ半導体からなり、電力変換装置本体の主体部をなすスイッチング素子と、
一端部に設けられた接続端子を前記放熱体における前記スイッチング素子の装着面と直交する向きに向けて該放熱体の側部に配置され、前記スイッチング素子を装着した前記放熱体と共に所定の筐体に組み込まれる回路部品と、
この回路部品の前記接続端子と前記スイッチング素子の電極とを相互に接続して設けられて前記接続端子と前記電極との間の電流路を形成する板状の導体バーとを具備し、
前記導体バーは、前記回路部品の接続端子に接続される一端部と、前記スイッチング素子の電極に接続される他端部との間に、前記接続端子と前記電極との間に形成される段差に跨る中間部を有し、この中間部に該導体バーの電流通電方向に沿う複数条のスリット孔を並行に備えることを特徴とする電力変換装置。
前記スイッチング素子はＳiＣ半導体であって、前記回路部品はブロック形状をなす直流リンクコンデンサである請求項１に記載の電力変換装置。
前記導体バーは、その両端部を互いに逆向きに曲折して該両端部を並行に延在させた鉤形状の導体板からなり、前記スイッチング素子と前記回路部品との間に直流電流路を形成するものである請求項１に記載の電力変換装置。
前記導体バーは、その中間部に設けられた前記スリット孔に沿う放熱フィンを一体に備えたものである請求項１に記載の電力変換装置。
前記放熱フィンは、前記導体バーの一部を切り起こして形成されたものである請求項４に記載の電力変換装置。
前記導体バーは、櫛刃状に複数のスリット溝を平行に形成した導体ブロックと、この導体ブロックにおける前記スリット溝の延在方向の両端部に互いに逆向きにそれぞれ接合一体化されて前記回路部品の接続端子および前記スイッチング素子の電極のそれぞれに対する接続部を形成する一対の導体板とからなる請求項１に記載の電力変換装置。