JP3300566B2 - パワーモジュール及び電力変換装置 - Google Patents

パワーモジュール及び電力変換装置

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JP3300566B2
JP3300566B2 JP09817395A JP9817395A JP3300566B2 JP 3300566 B2 JP3300566 B2 JP 3300566B2 JP 09817395 A JP09817395 A JP 09817395A JP 9817395 A JP9817395 A JP 9817395A JP 3300566 B2 JP3300566 B2 JP 3300566B2
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cooling
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、強制風冷式の電力変換
装置に係り、特に、中性点クランプ式インバータに適用
するパワーモジュールと電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】電力変換装置は、多数の電力用半導体素
子を用いて構成され、一般的に、強制風冷による冷却構
造が用いられている。また、電力用半導体素子は、高速
化(高周波数化)、大容量化が進み、実装密度を上げて
電力変換装置の小型化が進み、冷却風の通風路の確保と
圧力損失の低減が益々難しくなってきている。また、電
力変換装置の保守スペースを少なくするために、正面側
から保守を行う構造(以下前面保守という)にしたいと
いう要望があり、冷却構造も複雑化している。これらの
要求を満たすために、電力用半導体素子やその他の電気
用品から発生する熱を効率良く、また、バランス良く放
熱し、且つシンプルな構造とすることが重要なテーマと
なっている。
【0003】図11は一般的な電力変換装置の主回路の
一部(2アーム分)を示したもので、1は電力用半導体
素子(以下半導体素子と云う)、2はコンデンサ、3は
ダイオード、4は抵抗器である。半導体素子1 は直流電
圧の正極Pと負極N間に2個直列接続されてブリッジ回
路を構成し、その中間点が交流出力端子Uに接続され
る。コンデンサ2 、ダイオード3 、抵抗器4 でなるスナ
バー回路は、半導体素子1 がオフしたときに生じるサー
ジ電圧を抑制するためのものである。このような単位回
路が、要求される出力電流に応じて複数回路並列に接続
され、1つのブリッジ回路として機能するパワーモジュ
ールとして構成される。そして要求される交流出力の相
数に応じてこのようなパワーモジュールが複数個設けら
れる。例えば、三相交流出力の場合には3組のパワーモ
ジュールが設けられる。5は直流電圧を平滑するフィル
ターコンデンサーである。
【0004】前述のブリッジ回路を実装したパワーモジ
ュールを搭載した前後面保守タイプの電力変換装置を図
12に、また、前面保守タイプを図13に示す。それぞ
れの図において、(a) は斜視図、(b) は側面図である。
【0005】同図に示すように、パワーモジュールは、
ヒートパイプ構造の冷却器7 を使用している。この冷却
器7 は、縦長の平板状の熱伝導率の良い金属でなる冷却
ブロック7aと冷却フィン7bで構成され、冷却ブロック7a
の内部には縦方向にヒートパイプが挿入され、この冷却
ブロック7aの上部に突き出たヒートパイプに水平方向に
冷却風を通過させる冷却フィン7bが取り付けられてい
る。冷却ブロック7aの前後面には複数の半導体素子1 が
取り付けられ、直流電圧の正極P及び負極Nの導体を配
設したパワーボード6 で並列接続されている。パワーボ
ード6 の前面側には、コンデンサ2 、ダイオード3 、抵
抗器4 が取り付けられ、冷却器7 の下部にはフィルター
コンデンサー5が取り付けられている。
【0006】半導体素子1 から発生する熱エネルギーの
大部分は、その取付面から冷却ブロック7aに熱伝導し、
内部に挿入されたヒートパイプの冷媒液を介して上部の
冷却フィン7bまで熱輸送され、冷却フィン7bに伝達され
た熱エネルギーは冷却風12bに熱伝達して放出される。
熱エネルギーの放出により温度の低下した冷媒液は下部
に降下してヒートパイプの内部で循環する。
【0007】前後面保守タイプの場合、図12に示すよ
うに、冷却ファン8 が冷却フィン7bの後部に設けられ、
装置前面の上部開口部9bから通風ダクト11を介して冷却
風12b が吸入され、冷却フィン7bを吹き抜け、冷却ファ
ン8 を通って装置背面の上部開口部から排出される。
【0008】また、前面保守タイプの場合、図13に示
すように、冷却ファン8 が装置の最上部(天井側)に設
置され、通風ダクト11を介して装置前面の上部開口部9b
から冷却風12b が吸入され、冷却フィン7bを吹き抜けた
後、通風ダクト11を介して最上部へ導入され、冷却ファ
ン8 を通って天井の開口部から排出される。
【0009】パワーモジュールの下部に取り付けられた
フィルターコンデンサー5 は、前後面保守タイプの場
合、図10に示すように、装置下部の前面及び後面の開口
部9,9aから吸入する冷却風12により冷却され、前面保守
タイプの場合、図11に示すように、装置下部の前面の開
口部9 から吸入する冷却風12により冷却される。
【0010】半導体素子1 の表面から放出される熱エネ
ルギーと、コンデンサ2 、ダイオード3 、抵抗器4 、パ
ワーボード6 からから放出される熱エネルギーは、それ
ぞれ装置の内部を上昇する冷却風12a に熱伝達して放出
される。この上昇する冷却風12a は、制風板10に設けら
れた通風孔を通って、上部開口部9bから吸入する冷却風
12a と合流し、装置外部へ排出される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の装置
は、一般的な主回路構成であり、中性点クランプ式イン
バータにそのまま適用することができない。また、従来
の冷却構造では、ヒートパイプ構造の冷却器を用いてい
るので、冷却フィンは上下方向に所定の寸法を必要と
し、また冷却風が水平方向に流れるので、装置を小形化
する上で制約を受ける。また、前面保守タイプにする
と、冷却風の圧力損失が多くなり、容量の大きい冷却フ
ァンを必要とし、大形化し騒音が増加する等の問題があ
る。
【0012】本発明は上記問題を解決しようとしてなさ
れたもので、その目的とするところは、中性点クランプ
式インバータに適用することができ、沸騰冷却構造の冷
却器を用いて合理的な構造として大容量化を行い、しか
も小形化して冷却効率の良いパワーモジュールを提供す
ると共に、そのパワーモジュールを用いた保守の容易な
前面保守タイプの電力変換装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明のパワーモジュー
ルは、所定の厚みを有する平板状の熱伝導の良い金属で
成り内部に沸騰冷却のための冷媒液が充填された中空部
を有し平板面が垂直となるように設置される冷却ブロッ
クと、前記冷却ブロックの上部に取り付けられ前記冷却
ブロックの中空部に連続する中空部を有し前記冷媒液を
介して前記冷却ブロックの熱エネルギーが伝達される放
熱部とで成る冷却器と、前記冷却ブロックの平板面に取
り付けられる複数の半導体素子を備え、前記半導体素子
は前記冷却ブロックの平板面に、水平方向に4個並べて
配置すると共に垂直方向に複数個並べて配置し、垂直方
向に並べた半導体素子を並列接続すると共に水平方向に
並べた半導体素子を直列接続する積層導体を備える。
(請求項1) 更に、前記放熱部は、前記冷却ブロックに連続する中空
部を有する平板状の熱伝導の良い金属ブロックと、垂直
方向に冷却風が流れるように前記金属ブロックの面と直
行して両側に設けられ前記金属ブロックの中空部と連続
する中空部を有する複数の冷却フィンを備え、冷却風が
垂直方向に流れるように構成する。(請求項2) 更に、前記冷却ブロックの平板面に取り付けられる複数
の半導体素子の内、最下部に水平方向に並べて取り付け
る半導体素子を少なくとも2個の中性点クランプダイオ
ードとし、前記積層導体は、前記冷却ブロックの平板面
に水平方向に4個並べて配置される半導体素子の内、両
端部に配置される半導体素子の一端を直流電圧の正極或
いは負極に接続する第1導体と、両端部に配置される半
導体素子の他端と内側に配置される半導体素子の一端を
前記中性点クランプダイオードの一端に接続する第2導
体で構成し、内側に配置される半導体素子の他端を交流
出力端へ接続する第3導体と、前記中性点クランプダイ
オードの他端を直流電圧の中性点に接続する第4導体を
備え、中性点クランプ式インバータ回路の1相分のブリ
ッジ回路を構成する。(請求項3) 更に、前記第1、第2、第3導体は、縦長の平板状を成
し、平板面の前後に垂直に突き出た貫通孔を有する金属
カラーで成る複数の接続端子を備え、前記第1導体は前
記第2導体の幅を覆うように縦長の幅の広い平板状を成
し、前記第2導体の接続端子を貫通させる孔を備え、前
記第2導体の上に近接して配設し、両側に配設される前
記積層導体の中央に前記第3導体を配設する。(請求項
4) 更に、前記第1、第2、第3導体は、前記接続端子の金
属カラーの貫通孔を通る締付けネジで各半導体素子の端
子に接続し、両端部に配置される半導体素子の一端を前
記第1導体に接続する第1締付けネジと、内側に配置さ
れる半導体素子の他端を前記第3導体に接続する第2締
付けネジと、両端部に配置される半導体素子の他端或い
は内側に配置される半導体素子の一端を前記第2導体に
接続する第3締付けネジにより、ダイオードとコンデン
サで成るスナバー回路用品を締付け接続する。(請求項
5) 更に、前記スナバー回路用品は、一つの容器に収納され
直列接続された2個のスナバーダイオードと2個のスナ
バーコンデンサとで成り、前記容器の上部に隣接して配
設した2個の第1端子と前記容器の下部に配設した1個
の第2端子を備え、前記スナバーコンデンサの一端をそ
れぞれ前記容器の第1端子に接続し前記スナバーコンデ
ンサの他端を前記第1締付けネジ及び第2締付けネジで
締付け接続し、前記容器の第2端子を前記第3締付けネ
ジで締付け接続する。(請求項6) 更に、前記スナバー回路用品は、一つの容器に収納され
直列接続された2個のスナバーダイオードと2個のスナ
バーコンデンサとで成り、前記容器の上部に隣接して配
設した2個の第1端子と前記容器の下部に配設した1個
の第2端子を備え、前記第3締付けネジにより締付け接
続され前記第1導体の上に配設される縦長の第5導体を
設け、前記容器の第2端子を前記第5導体に締付け接続
し、前記スナバーコンデンサの一端をそれぞれ前記容器
の第1端子に接続し前記スナバーコンデンサの他端を前
記第1締付けネジ及び第2締付けネジで締付け接続す
る。(請求項7) 更に、一端が前記第3導体に接続され他端に自動接続の
ためのコネクターを有し前記冷却ブロックの平板面と平
行に配設される第6導体を備え、前記コネクターを介し
て交流出力端へ接続する。(請求項8) 更に、前記冷却ブロックの平板面に取り付けられる複数
の半導体素子は両面に対称に取り付けられ、両面の同位
置にある前記第1導体の下部にL字状の接続部を設け、
この接続部間を接続する第7導体を備え、この第7導体
の電位を前面側へ導出する端部を有する第8導体を備
え、前記第4導体は前記冷却ブロックの両面に取り付け
られた中性点クランプダイオードの他端を接続するU字
状を成し、この第4導体に接続されるとともに前記第8
導体の端部と面一の端部を有する第9導体を備え、この
第8導体と第9導体の端部を介して中性点電位を有する
直流電圧に接続する。(請求項9) 本発明の電力変換装置は、前記パワーモジュールと、中
性点を有する直流電圧の正極と負極及び中性点に接続さ
れる複数のコンデンサを収納したコンデンサユニットと
を接続して、中性点クランプ式インバータ回路の1相分
の主回路を構成し、相数に応じた数のパワーモジュール
とコンデンサユニットとで所望の相数の交流電力を出力
する中性点クランプ式インバータを構成する。(請求項
10) 更に、上部に冷却ファンを有し前面扉を有する閉鎖され
た箱体と、この箱体を相毎に区分する垂直フレームと、
この垂直フレームに水平に取り付けられ前記パワーモジ
ュールを前方へ引き出し自在に取り付けるスライドレー
ルと、前記パワーモジュールを取り付ける位置の下部に
前記コンデンサユニットを前方へ引き出し自在に取り付
けるスライドレールを備え、前記パワーモジュールと前
記コンデンサユニットを取り付けた状態で、前記パワー
モジュールと前記コンデンサユニットとの間に相毎に区
分された箱体を水平方向に縦貫するように直流電圧の正
極と負極及び中性点に接続する第2の積層導体を備え、
この第2の積層導体を介して前記パワーモジュールと前
記コンデンサユニットを中性点を有する直流電圧に接続
する。(請求項11) 更に、中性点を有する直流電圧に接続するための、前記
パワーモジュールの端子部と前記コンデンサユニットの
端子部の位置を面一に揃え、一端が前記第2の積層導体
に接続され他端が前記パワーモジュールと前記コンデン
サユニットの端子部の位置と面一に揃えた第10導体
と、前記パワーモジュールの端子部と前記コンデンサユ
ニットの端子部と前記第10導体の他端を接続する第1
1導体を設け、この第11導体を取り外すことにより前
記パワーモジュールと前記コンデンサユニットを引き出
し可能にする。(請求項12)
【0014】
【作用】本発明のパワーモジュールは、複数の半導体素
子の電力損失による熱エネルギーが冷却ブロックに伝達
され内部の冷媒液を介して放熱部に伝達され効率良く放
熱される。また、積層導体により水平方向に並べた半導
体素子を直列接続してインバータの主回路に適用可能と
し、垂直方向に並べた半導体素子を並列接続して通電容
量を増大させる。(請求項1) 更に、気化した冷媒液により複数の冷却フィンに熱エネ
ルギーが伝達し、垂直方向に流れる冷却風に伝達して放
熱される。(請求項2) 更に、両側の第1導体が直流電圧の正極及び負極に接続
され、第2導体が両端部に配置される半導体素子の他端
と内側に配置される半導体素子の一端を中性点クランプ
ダイオードの一端に接続し、第4導体が直流電圧の中性
点に接続され、第3導体が交流出力端へ接続され、中性
点クランプ式インバータ回路の1相分のブリッジ回路を
構成する。(請求項3) 更に、第1導体と第2導体に流れる電流変化による磁束
変化が相殺されて、浮遊インダクタンスが減少する。
(請求項4) 更に、第1締付けネジと第2締付けネジと第3締付けネ
ジにより、スナバー回路用品を締付け接続し、効率良く
配設して組み立てることができる。(請求項5) 更に、容器の第1端子とスナバーコンデンサの一端を接
続することにより2個のスナバーダイオードと2個のス
ナバーコンデンサをそれぞれ直列接続し、スナバーコン
デンサの他端を第1締付けネジ及び第2締付けネジで締
付け接続し、容器の第2端子を第3締付けネジで締付け
接続する。(請求項6) 更に、第5導体は第3締付けネジにより締付け接続され
る接続端子を介して第2導体と同電位となり、容器の第
2端子を第5導体に締付け接続することにより2個のス
ナバーダイオードの直列接続点が半導体素子に接続され
る。また、第5導体はスナバーダイオードの放熱板とし
て作用する。(請求項7) 更に、第6導体のコネクターを介して交流出力端へ自動
接続し、パワーもジュールの取り外しを容易にする。
(請求項8) 更に、冷却ブロックの平板面の両面に対称に半導体素子
を取り付け、実装密度を高くし、第8導体の端部を直流
電圧の正極と負極に接続し、第9導体の端部を直流電圧
の中性点に接続する。(請求項9) 本発明の電力変換装置は、前記パワーモジュールとコン
デンサユニットを対として中性点クランプ式インバータ
回路の1相分の主回路を構成するので、所望の相数の交
流電力を出力する中性点クランプ式インバータとするこ
とができ、自由度の高い構成とすることができる。(請
求項10) 更に、前面扉の下部に設ける開口部或いは箱体の底部か
ら導入される冷却風がコンデンサユニットとパワーモジ
ュールを直線的な経路で通過するので圧力損失が低減
し、冷却効果が促進される。また、スライドレールを介
してパワーモジュールとコンデンサユニットを容易に取
り外すことができるので前面保守が容易となる。また、
隣接するパワーモジュール間及び隣接するコンデンサユ
ニット間の直流電圧の正極、負極、中性点が第2の積層
導体を介して接続されるので、半導体素子のスイッチン
グ動作に伴う電流変化による磁束変化が相殺され浮遊イ
ンダクタンスが減少し、高速スイッチング動作が可能と
なる。(請求項11) 更に、第11導体を取り外すことによりパワーモジュー
ルとコンデンサユニットを容易に切り離すことができ、
前面保守が容易になる。(請求項12)
【0015】
【実施例】本発明の請求項1〜9に対応するパワーモジ
ュールの実施例について以下に説明する。図1(a) はパ
ワーモジュール20の正面図、同図(b) は側面図である。
図1(a)(b)において、21は内部に沸騰冷却のための冷媒
液が充填された中空部を有し所定の厚みを有する平板状
の熱伝導の良い金属で成る冷却ブロックで、平板面が垂
直となるように設置される。22は冷却ブロック21の中空
部に連続する中空部を有し冷媒液を介して冷却ブロック
21の熱エネルギーが伝達される放熱部であり、沸騰冷却
方式の冷却器を構成している。
【0016】冷却ブロック21の両側の平板面には、図2
(a) に示すように、4個の半導体素子(IGBT)31〜
34を水平方向に並べて取り付け、同様に4個並べた半導
体素子を複数組(本実施例では5組)垂直方向に並べて
取り付ける。また、最下部には4個の中性点クランプダ
イオード35,36 を水平方向に並べて取り付ける。なお、
中性点クランプダイオード35,36 は2個としてもよい。
【0017】放熱部22は、図3に示すように、冷却ブロ
ック21と連続する中空部を有し所定の厚みを有する平板
状の熱伝導の良い金属で成る金属ブロック23と、冷却ブ
ロック21の平板面に直行し冷却風が垂直方向に流れるよ
うに金属ブロック23に取り付けられる複数のチューブプ
レート24と、このチューブプレート24の間に冷却風が垂
直方向に流れるように取り付けられる複数のコルゲート
フィン25とで成る放熱フィンを有し、放熱部全体の周囲
を囲む側面板で構成する。チューブプレート24は金属ブ
ロック23の中空部に連続する中空部を有し、冷却ブロッ
ク21で熱エネルギーを受け気化した冷媒によりコルゲー
トフィン25に熱伝達し、垂直方向に流れる冷却風に伝達
して放熱するものである。
【0018】半導体素子と中性点クランプダイオードか
ら発生する電力損失(熱エネルギー)の大部分は、その
取付面から冷却ブロック21の平板面に熱伝導により流出
し、冷却ブロック21に流入した熱エネルギーは内部に充
填された冷媒液に伝達され気化した冷媒により上部の放
熱部22まで熱輸送され、放熱部22のチューブプレート2
4、コルゲートフィン25を介して冷却風に熱伝達して放
出される。熱エネルギーの放出により温度の下った冷媒
は液化して冷却ブロック21へ還流する。本実施例のパワ
ーモジュールに依れば、放熱部22の縦方向の寸法を少な
くしても所定の熱エネルギーを放出させることができ、
小形化に寄与させることが可能となる。また、通風路が
垂直方向となるので圧力損失が少なくなり冷却効果が促
進される。(請求項2) 冷却ブロック21の平板面に取り付けた半導体素子31〜34
は、図3に示すように、垂直方向に並べた半導体素子を
並列接続すると共に水平方向に並べた半導体素子を直列
接続する第1導体61と第2導体62で成る積層導体と第3
導体63を備えている。第1導体61と第2導体62を積層導
体とすることにより、半導体素子31〜34のスイッチング
動作に伴う電流変化が生じるとき、第1導体61と第2導
体62に流れる電流変化による磁束変化が互いに相殺さ
れ、配線の浮遊インダクタンスが減少し高速スイッチン
グ動作が可能となる。
【0019】上述のように接続された回路は、中性点ク
ランプ式インバータに適用することが可能となる。(請
求項1、請求項3) 第1導体61は、冷却ブロック21の平板面に水平方向に4
個並べて配置される半導体素子の内、両端部に配置され
る半導体素子31,34 の一端を直流電圧の正極P或いは負
極Nに接続する。第2導体62は、両端部に配置される半
導体素子31,34の他端と内側に配置される半導体素子32,
33 の一端を中性点クランプダイオード35,36 の一端に
接続する。第3導体63は、内側に配置される半導体素子
32,33 の他端を交流出力端ACへ接続する。第4導体64は
中性点クランプダイオード35,36の他端を直流電圧の中
性点Cに接続する。各導体61〜63は、図3又は図4に示
すように縦長の平板状を成し、平板面の前後に垂直に突
き出た貫通孔を有する金属カラー65で成る複数の接続端
子を備え、第1導体61は第2導体62の幅を覆うように縦
長の幅の広い平板状を成し、第2導体62の接続端子を電
気的に絶縁して貫通させる孔を備え、第2導体62の上に
近接して配設し、両側に配設される積層導体の中央に第
3導体63を配設する。なお、各導体の表面には粉末エポ
キシ樹脂の焼き付け処理等の絶縁コーティング処理が施
される。(請求項4) また、各導体61〜63は、図4に示すように、接続端子の
金属カラー65の貫通孔を通る締付けネジで各半導体素子
の端子に接続し、両端部に配置される半導体素子31,34
の一端を接続する第1導体61の接続端子の第1締付けネ
ジ66と、内側に配置される半導体素子の他端を接続する
第3導体63の接続端子の第2締付けネジ67と、両端部に
配置される半導体素子の他端或いは内側に配置される半
導体素子の一端を接続する第2導体62の接続端子の第3
締付けネジ68により、ダイオード39,42 スナバーコンデ
ンサ37,38,40,41 で成るスナバー回路用品を締付け接続
する。上述のように接続された回路は、図5に示す中性
点クランプ式インバータ回路の1相分のブリッジ回路を
構成する。(請求項5) スナバー回路用品のダイオード39,42 は一つの容器に収
納され直列接続された2個のスナバーダイオードを有し
その両端を2個の第1端子69として容器の上部に隣接し
て配設し、2個のスナバーダイオードの直列接続点を1
個の第2端子70として容器の下部に配設する。
【0020】また、図4に示すように、内側に配置され
る半導体素子32,33 の一端を接続する第3締付けネジ68
により第1導体61の上に配設される縦長の第5導体71を
締付け接続し、前記容器の第2端子70を第5導体71に締
付け接続し、スナバーコンデンサ37,38,40,41 の一端を
それぞれ前記容器の第1端子69に接続し、スナバーコン
デンサ37,38,40,41 の他端を第1締付けネジ66と第2締
付けネジ67で締付け接続する。なお、両端部に配置され
る半導体素子31,34 の他端を接続する締付けネジを第3
締付けネジ68として採用することができる。第5導体71
はダイオード39,42 を固定すると共に放熱板として作用
する。(請求項7) また、第5導体71を省略し、容器の第2端子の形状を放
熱板を兼ねる板状にして第3締付けネジ68で締付け接続
するようにすることもできる。(請求項6) また、図1〜図3に示すように、第3導体63の上部に一
端が接続され他端に自動接続のためのコネクター73を有
し冷却ブロック21の平板面と平行に配設される第6導体
72を設け、コネクター73を介して交流出力端へ接続す
る。(請求項8) 冷却ブロック21の平板面に取り付けられる複数の半導体
素子は平板面の両面に対称に取り付けられ、両面の同位
置にある第1導体61の下部にL字状の接続部を設け、こ
の接続部間を接続する第7導体74を備え、第7導体74の
下部に設けられる保護用ヒューズ53,54 の一端に第1導
体61と第7導体74を締付け接続し、保護用ヒューズ53,5
4 の他端に締付け接続されるL字状の第8導体75を備
え、第4導体64は冷却ブロック21の両面に取り付けられ
た中性点クランプダイオード35,36の他端を接続するU
字状を成し、この第4導体64に接続されるとともに第8
導体75の端部と面一に端部を有する第9導体76を備え、
第8導体75の端部をP1 、N1 とし第9導体76の端部C
1 として中性点電位を有する直流電圧に接続する。な
お、保護用ヒューズ53,54 を省略し、この間を別の導体
で接続してヒューズレスとすることもできる。(請求項
9) 以下、本発明の請求項10〜12に対応する電力変換装
置の実施例について説明する。前述したパワーモジュー
ル20と、2組のコンデンサを直列接続し中性点を有する
直流電圧に接続する端子を備えたコンデンサユニット80
を用いて中性点クランプ式インバータ回路の1相分の主
回路を構成し、所望の相数の交流電力を出力する中性点
クランプ式インバータを構成することができる。
【0021】例えば、コンデンサユニット80は、図6
(a) に示すように、分圧抵抗Rを並列接続した3個のコ
ンデンサCを直列に接続し、更にそれを4組並列接続し
たコンデンサブロック81,82 を正極側と負極側に2組設
け、この2組のコンデンサブロックを直列接続して中性
点を有する直流電圧に接続する端子P2 、N2 、C2 を
備えたコンデンサユニット80を構成する。図7は、図6
(a) に示すコンデンサユニット80のハード構成の例を示
したものである。図7(a) の正面図に示すように、長方
形の空間を形成するフレーム枠85の中間にコンデンサを
取り付けるための孔を有する取付板86を設け、図7(b)
に示すように、垂直方向に冷却風が通るように隙間を開
けて各コンデンサCを取り付ける。各コンデンサCは一
方側に2つの端子を備え、3個のコンデンサ毎に直列接
続し、導体77,78 に接続する。導体77は端子P2 、N2
となり、導体78は端子C2 となる。そして、前述したパ
ワーモジュール20と組み合わせて中性点クランプ式イン
バータ回路の1相分の主回路を構成し、相数に応じた数
のパワーモジュールとコンデンサユニットとで所望の相
数の交流電力を出力する中性点クランプ式インバータを
構成することができる。
【0022】図6(b) は3相の交流電力を出力する中性
点クランプ式インバータの例を示したもので、各コンデ
ンサユニット80は保護ヒューズ83,84 を介して直流電圧
に接続している。(請求項10) 上述したパワーモジュール20とコンデンサユニット80を
用いた電力変換装置の実施例を図8〜図10に示す。こ
の実施例は、3相の交流電力を出力する電力変換装置の
例であり、図8はその正面図、図9、図10は右側面図
である。
【0023】同図に示すように、電力変換装置は、上部
に冷却ファン91を有し、前面扉92を有する閉鎖された箱
体93と、この箱体93の内部を3つに区分する垂直フレー
ム94を備え、この垂直フレーム94にスライドレール95と
96を水平に取り付け、図8に示すように、パワーモジュ
ール20とコンデンサユニット80を前方へ引き出し自在に
取り付ける。なお、図8は扉を除いた状態で、左端はパ
ワーモジュール20とコンデンサユニット80を取り外した
状態を示している。また、パワーモジュール20とコンデ
ンサユニット80との間に、垂直フレーム94で相毎に区分
された箱体93を水平方向に縦貫するように直流電圧の正
極Pと負極N及び中性点Cに接続する第2の積層導体97
を設け、図9に示すように、直流母線98との間を別の導
体で接続し、この第2の積層導体97を介してパワーモジ
ュール20とコンデンサユニット80を中性点を有する直流
電圧に接続する。また、図10に示すように、パワーモ
ジュール20の交流端子のコネクター73に結合して自動接
続する接触子99を箱体93の背面側に設け、交流出力(母
線)端子となる導体101 に別の導体で接続する。
【0024】このように構成することにより、全面扉の
下部開口部或いは箱体の底部から取り入れた冷却風は、
コンデンサユニット80の下部から上部へ吹き抜けて各コ
ンデンサCを冷却し、更に、パワーモジュール20の下部
から上部へ吹き抜けて、各半導体素子の表面やスナバー
回路用品、導体61〜61を冷却した後放熱部23を吹き抜け
て冷却ブロック21を効率良く冷却し冷却ファン91を通っ
て外部へ排出される。従って、通風路がほぼ直線的にな
り圧力損失が低減し冷却ファン91を低騒音のものにする
ことができる。(請求項11) また、中性点を有する直流電圧に接続するための、パワ
ーモジュール20の端子部(図1(a)導体75,76)とコンデン
サユニット80の端子部(図7(a)導体77,78)の位置を面一
に揃え、図9に示すように、一端が第2の積層導体97に
接続され他端がパワーモジュール20とコンデンサユニッ
ト80の端子部の位置と面一に揃えたL字状の第10導体
102 を設け、上述のパワーモジュール20の端子部とコン
デンサユニット80の端子部と第10導体102 の他端の面
一の間をそれぞれ第11導体103で接続する。この第1
1導体103 を取り外すことによりパワーモジュール20と
コンデンサユニット80を容易に引き出すことが可能とな
り全面保守を容易に行うことができる。(請求項12)
【0025】
【発明の効果】本発明のパワーモジュールによれば、半
導体素子を高密度に実装して効率良く放熱することがで
き、大容量化、小形化することができ、しかも、中性点
クランプ式インバータに適用することができる。また、
主回路の浮遊インダクタンスが減少し、スナバー回路用
品を合理的に配設できるので、より高速なスイッチング
動作が可能になる。また、ユニット化して装置への取り
付け、取り外しが容易になり、効率の良い組み立て作業
を行うことができる。
【0026】本発明の電力変換装置によれば、相単位で
中性点クランプ式インバータを構成することができ、シ
ステム構成の自由度を大きくすることができる。また、
直流側の主回路の浮遊インダクタンスが減少し、より高
速なスイッチング動作が可能になる。また、冷却風の複
雑な通風ダクトが不要となり、圧力損失が低減され、冷
却ファンを小形化することができ、しかも、冷却効率が
高く、低騒音とすることができる。また、パワーモジュ
ールとコンデンサユニットを容易に取り外すことができ
るので、前面保守が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の請求項1〜9に対応するパワーモジュ
ールの実施例を示す図で、(a) は正面図、(b) は側面
図。
【図2】上記実施例の詳細を示す側面図で、(a) は半導
体素子の配列を示す図、(b) は各導体を示す図。
【図3】上記実施例の斜視図。
【図4】上記実施例の半導体素子と導体の接続関係を示
す図。
【図5】上記実施例のパワーモジュールの回路図。
【図6】本発明の請求項10〜13に対応する電力変換
装置の実施例を示す回路図で、(a) はコンデンサユニッ
トの回路図、(b) は電力変換装置の回路図。
【図7】上記コンデンサユニットのハード構成図で、
(a) は正面図、(b) は側面図。
【図8】本発明の請求項10〜13に対応する電力変換
装置の実施例を示すハード構成図で正面図。
【図9】上記電力変換装置の側面図(a) 。
【図10】上記電力変換装置の側面図(b) 。
【図11】従来のパワーモジュールの回路図。
【図12】従来の電力変換装置のハード構成図。
【図13】従来の電力変換装置のハード構成図。
【符号の説明】
20 …パワーモジュール 21 …冷却ブロ
ック 22 …放熱器 23 …金属ブロ
ック 24 …チューブプレート 25 …コルゲー
トフィン 31 〜34…半導体素子(IGBT) 35,36…半導体素子(中性点クランプダイオード) 37,38,40,41…スナバーコンデンサ 39,42…スナバ
ーダイオード 43 〜46…ゲート抵抗 47,48…ダイオ
ード 49 〜52…スナバー抵抗 54,55…保護用
ヒューズ 61 …第1導体 62 …第2導体 63 …第3導体 64 …第3導体 65 …金属カラー 66 …第1締め
付けネジ 67 …第2締め付けネジ 68 …第3締め
付けネジ 69 …第1端子 70 …第2端子 71 …第5導体 72 …第6導体 73 …コネクター 74 …第7導体 75 …第8導体 76 …第9導体 80 …コンデンサユニット 81 …正極側コ
ンデンサブロック 82 …負極側コンデンサブロック 83,84…保護ヒ
ューズ 91 …冷却フィン 92 …前面扉 93 …箱体 94 …垂直フレ
ーム 95,96…スライドレール 97 …積層導体 98 …直流母線 99 …接触子 100 …電流検出器 101 …交流出力
端子 102 …第10導体 103 …第11導
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 1/00 H02M 7/5387

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所定の厚みを有する平板状の熱伝導の良い
    金属で成り内部に沸騰冷却のための冷媒液が充填された
    中空部を有し平板面が垂直となるように設置される冷却
    ブロックと、前記冷却ブロックの上部に取り付けられ前
    記冷却ブロックの中空部に連続する中空部を有し前記冷
    媒液を介して前記冷却ブロックの熱エネルギーが伝達さ
    れる放熱部とで成る冷却器と、前記冷却ブロックの平板
    面に取り付けられる複数の半導体素子を備え、前記半導
    体素子は前記冷却ブロックの平板面に、水平方向に4個
    並べて配置すると共に垂直方向に複数個並べて配置し、
    垂直方向に並べた半導体素子を並列接続すると共に水平
    方向に並べた半導体素子を直列接続する積層導体を備え
    て構成することを特徴とするパワーモジュール。
  2. 【請求項2】請求項1に記載のパワーモジュールにおい
    て、前記放熱部は、前記冷却ブロックに連続する中空部
    を有する平板状の熱伝導の良い金属ブロックと、垂直方
    向に冷却風が流れるように前記金属ブロックの面と直行
    して両側に設けられ前記金属ブロックの中空部と連続す
    る中空部を有する複数の冷却フィンを備え、冷却風が垂
    直方向に流れるようにしたことを特徴とするパワーモジ
    ュール。
  3. 【請求項3】請求項1及び請求項2のいずれかに記載の
    パワーモジュールにおいて、前記冷却ブロックの平板面
    に取り付けられる複数の半導体素子の内、最下部に水平
    方向に並べて取り付ける半導体素子を少なくとも2個の
    中性点クランプダイオードとし、前記積層導体は、前記
    冷却ブロックの平板面に水平方向に4個並べて配置され
    る半導体素子の内、両端部に配置される半導体素子の一
    端を直流電圧の正極或いは負極に接続する第1導体と、
    両端部に配置される半導体素子の他端と内側に配置され
    る半導体素子の一端を前記中性点クランプダイオードの
    一端に接続する第2導体で構成し、内側に配置される半
    導体素子の他端を交流出力端へ接続する第3導体と、前
    記中性点クランプダイオードの他端を直流電圧の中性点
    に接続する第4導体を備え、中性点クランプ式インバー
    タ回路の1相分のブリッジ回路を構成することを特徴と
    するパワーモジュール。
  4. 【請求項4】請求項3に記載のパワーモジュールにおい
    て、前記第1、第2、第3導体は、縦長の平板状を成
    し、平板面の前後に垂直に突き出た貫通孔を有する金属
    カラーで成る複数の接続端子を備え、前記第1導体は前
    記第2導体の幅を覆うように縦長の幅の広い平板状を成
    し、前記第2導体の接続端子を貫通させる孔を備え、前
    記第2導体の上に近接して配設し、両側に配設される前
    記積層導体の中央に前記第3導体を配設することを特徴
    とするパワーモジュール。
  5. 【請求項5】請求項4に記載のパワーモジュールにおい
    て、前記第1、第2、第3導体は、前記接続端子の金属
    カラーの貫通孔を通る締付けネジで各半導体素子の端子
    に接続し、両端部に配置される半導体素子の一端を前記
    第1導体に接続する第1締付けネジと、内側に配置され
    る半導体素子の他端を前記第3導体に接続する第2締付
    けネジと、両端部に配置される半導体素子の他端或いは
    内側に配置される半導体素子の一端を前記第2導体に接
    続する第3締付けネジにより、ダイオードとコンデンサ
    で成るスナバー回路用品を締付け接続することを特徴と
    するパワーモジュール。
  6. 【請求項6】請求項5に記載のパワーモジュールにおい
    て、前記スナバー回路用品は、一つの容器に収納され直
    列接続された2個のスナバーダイオードと2個のスナバ
    ーコンデンサとで成り、前記容器の上部に隣接して配設
    した2個の第1端子と前記容器の下部に配設した1個の
    第2端子を備え、前記スナバーコンデンサの一端をそれ
    ぞれ前記容器の第1端子に接続し前記スナバーコンデン
    サの他端を前記第1締付けネジ及び第2締付けネジで締
    付け接続し、前記容器の第2端子を前記第3締付けネジ
    で締付け接続することを特徴とするパワーモジュール。
  7. 【請求項7】請求項5に記載のパワーモジュールにおい
    て、前記スナバー回路用品は、一つの容器に収納され直
    列接続された2個のスナバーダイオードと2個のスナバ
    ーコンデンサとで成り、前記容器の上部に隣接して配設
    した2個の第1端子と前記容器の下部に配設した1個の
    第2端子を備え、前記第3締付けネジにより締付け接続
    され前記第1導体の上に配設される縦長の第5導体を設
    け、前記容器の第2端子を前記第5導体に締付け接続
    し、前記スナバーコンデンサの一端をそれぞれ前記容器
    の第1端子に接続し前記スナバーコンデンサの他端を前
    記第1締付けネジ及び第2締付けネジで締付け接続する
    ことを特徴とするパワーモジュール。
  8. 【請求項8】請求項2乃至請求項7のいずれかに記載の
    パワーモジュールにおいて、一端が前記第3導体に接続
    され他端に自動接続のためのコネクターを有し前記冷却
    ブロックの平板面と平行に配設される第6導体を備え、
    前記コネクターを介して交流出力端へ接続することを特
    徴とするパワーモジュール。
  9. 【請求項9】請求項2乃至請求項7のいずれかに記載の
    パワーモジュールにおいて、前記冷却ブロックの平板面
    に取り付けられる複数の半導体素子は両面に対称に取り
    付けられ、両面の同位置にある前記第1導体の下部にL
    字状の接続部を設け、この接続部間を接続する第7導体
    を備え、この第7導体の電位を前面側へ導出する端部を
    有する第8導体を備え、前記第4導体は前記冷却ブロッ
    クの両面に取り付けられた中性点クランプダイオードの
    他端を接続するU字状を成し、この第4導体に接続され
    るとともに前記第8導体の端部と面一の端部を有する第
    9導体を備え、この第8導体と第9導体の端部を介して
    中性点電位を有する直流電圧に接続することを特徴とす
    るパワーモジュール。
  10. 【請求項10】請求項1乃至請求項9のいずれかに記載
    のパワーモジュールと、中性点を有する直流電圧の正極
    と負極及び中性点に接続される複数のコンデンサを収納
    したコンデンサユニットとを接続して、中性点クランプ
    式インバータ回路の1相分の主回路を構成し、相数に応
    じた数のパワーモジュールとコンデンサユニットとで所
    望の相数の交流電力を出力する中性点クランプ式インバ
    ータを構成することを特徴とする電力変換装置。
  11. 【請求項11】請求項10に記載の電力変換装置におい
    て、上部に冷却ファンを有し前面扉を有する閉鎖された
    箱体と、この箱体を相毎に区分する垂直フレームと、こ
    の垂直フレームに水平に取り付けられ前記パワーモジュ
    ールを前方へ引き出し自在に取り付けるスライドレール
    と、前記パワーモジュールを取り付ける位置の下部に前
    記コンデンサユニットを前方へ引き出し自在に取り付け
    るスライドレールを備え、前記パワーモジュールと前記
    コンデンサユニットを取り付けた状態で、前記パワーモ
    ジュールと前記コンデンサユニットとの間に相毎に区分
    された箱体を水平方向に縦貫するように直流電圧の正極
    と負極及び中性点に接続する第2の積層導体を備え、こ
    の第2の積層導体を介して前記パワーモジュールと前記
    コンデンサユニットを中性点を有する直流電圧に接続す
    ることを特徴とする電力変換装置。
  12. 【請求項12】請求項11に記載の電力変換装置におい
    て、中性点を有する直流電圧に接続するための、前記パ
    ワーモジュールの端子部と前記コンデンサユニットの端
    子部の位置を面一に揃え、一端が前記第2の積層導体に
    接続され他端が前記パワーモジュールと前記コンデンサ
    ユニットの端子部の位置と面一に揃えた第10導体と、
    前記パワーモジュールの端子部と前記コンデンサユニッ
    トの端子部と前記第10導体の他端を接続する第11導
    体を設け、この第11導体を取り外すことにより前記パ
    ワーモジュールと前記コンデンサユニットを引き出し可
    能にすることを特徴とする電力変換装置。
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