JP4600159B2 - ３レベル電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の半導体素子と冷却器等から構成される３レベル電力変換装置に関する。

従来の３レベル電力変換装置は、各相の主回路を構成するスイッチング素子やダイオードなどの半導体素子が一つのユニットを構成して冷却器に配置されて、それぞれの半導体素子の短辺側が冷却風の流れに直面する方向として、発熱損失の小さい第１のダイオードおよび第２のダイオードが冷却器の受熱部中央に配置され、その両側に発熱損失の大きい第２の半導体素子および第３の半導体素子が配置され、さらに第２の半導体素子と第３の半導体素子より発熱損失の小さい第１の半導体素子および第４の半導体素子が受熱部の両端に配置されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−７９１６２号公報（第６頁、第１図）

従来の３レベル電力変換装置では、各ユニットの半導体素子が冷却風の上流と下流に隣接して配置されているため、風下側ユニットの半導体素子は自身の発熱に加え、発熱損失の大きい風上側ユニットの半導体素子からの排熱のあおりを受ける。そのため、風下側ユニットの各半導体素子は、十分な冷却がなされず、温度上昇を許容範囲内に抑えるのが困難であるという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、冷却器の風下側に配置された半導体素子が、風上側に配置された半導体素子から受ける排熱の影響を小さくすることで、各半導体素子の温度上昇の平準化を図り、冷却器の冷却効率を高めることができる３レベル電力変換装置を得るものである。

この発明に係る３レベル電力変換装置は、電力変換部を構成する各相が一つのユニットで構成され、各ユニットは、直流側の正極端子と負極端子の間に第１のスイッチング素子から第４のスイッチング素子を順次直列に接続して、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の接続点と直流側の中間端子との間に第１のダイオードを接続し、第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子の接続点と中間端子との間に第２のダイオードを接続し、第２のスイッチング素子と第３のスイッチング素子との間に交流端子を備え、各相回路の各スイッチング素子および各ダイオードが冷却器に配置され、冷却器が冷却媒体により冷却される３レベル電力変換装置において、各ダイオードは冷却器の中央部に隣接して配置され、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とは、隣接して配置されたダイオードに対して冷却媒体の流れる方向に沿った上流又は下流の一方側に縦列配置され、第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子とは、隣接して配置されたダイオードに対して冷却媒体の流れる方向に沿った上流又は下流の他方側に縦列配置されたものである。

この発明によれば、各相が１つのユニットで構成され、各ユニットは、冷却器の中央部に第１のダイオードと第２のダイオードを配置し、第２のスイッチング素子を各ダイオードに対して冷却媒体の流れる方向に沿った上流又は下流の一方側に配置し、第３のスイッチング素子を各ダイオードに対して冷却媒体の流れる方向に沿った上流又は下流の他方側に配置し、各ユニットが冷却媒体の流れる方向に沿って縦列に配置したため、冷却器の風下側に配置された各スイッチング素子は、風上側に配置された各スイッチング素子から受ける排熱の影響が低減され、各スイッチング素子の温度上昇の平準化を図り、冷却器の冷却効率を高めることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の３レベル電力変換装置をコンバータとして適用した電気回路図である。
図１において、まずＵ相ユニットは、直流正極端子Ｐと直流負極端子Ｎとの間に第１のスイッチング素子１ｕ、第２のスイッチング素子２ｕ、第３のスイッチング素子３ｕ、第４のスイッチング素子４ｕが順次直列に接続されている。
同様にしてＶ相ユニットも、直流正極端子Ｐと直流負極端子Ｎとの間に第１のスイッチング素子１ｖ、第２のスイッチング素子２ｖ、第３のスイッチング素子３ｖ、第４のスイッチング素子４ｖが順次直列に接続されている。
なお、各スイッチング素子１ｕ〜４ｕ、１ｖ〜４ｖは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＧＴＯなどの自己消弧型半導体素子からなり、本実施の形態１ではＩＧＢＴ５とこのＩＧＢＴ５に逆並列に接続されたフライホイールダイオード６が一体でモジュール化されている。

Ｕ相ユニットの第１のスイッチング素子１ｕと第２のスイッチング素子２ｕとの接続点７ｕと、第３のスイッチング素子３ｕと第４のスイッチング素子４ｕとの接続点８ｕとの間に、第１のダイオード９ｕと第２のダイオード１０ｕが直列接続されている。
同様にして、Ｖ相ユニットの第１のスイッチング素子１ｖと第２のスイッチング素子２ｖとの接続点７ｖと、第３のスイッチング素子３ｖと第４のスイッチング素子４ｖとの接続点８ｖとの間に、第１のダイオード９ｖと第２のダイオード１０ｖが直列接続されている。

これらのＵ相ユニットとＶ相ユニットは並列接続されて、さらに直列接続されたコンデンサ１１、１２が各相ユニットと並列に接続されている。
そして、コンデンサ１１とコンデンサ１２との接続点Ｃと、Ｕ相ユニットの第１のダイオード９ｕと第２のダイオード１０ｕの接続点１３ｕ、およびＶ相ユニットの第１のダイオード９ｖと第２のダイオード１０ｖの接続点１３ｖがそれぞれ接続されている。
さらに、Ｕ相ユニットの第２のスイッチング素子２ｕと第３のスイッチング素子３ｕとの間に交流端子１４ｕを備え、同様にＶ相ユニットの第２のスイッチング素子２ｖと第３のスイッチング素子３ｖとの間に交流端子１４ｖを備えている。

次にこの電力変換装置の動作について説明する。図２は、図１の３レベル電力変換装置がコンバータとして動作する場合の電流経路を示す説明図である。交流電力を直流電力に変換するコンバータとして動作する場合、図２（ａ）〜（ｆ）に示すようにモード１→モード２→…→モード６と順次導通素子および電流経路が切り替えられる。

図２（ａ）において、入力電流が交流端子１４ｕから電流Ａの方向で流入する場合、動作は図２（ａ）のモード１のＶ相ユニットの第２のスイッチング素子２ｖがターンオフし、第４のスイッチング素子４ｖがターンオンして図２（ｂ）のモード２になる。
続いて、Ｕ相ユニットの第１のスイッチング素子１ｕがターンオフし、第３のスイッチング素子３ｕがターンオンして図２（ｃ）のモード３へと切り替わる。

一方、入力電流が図２（ｄ）に示すように、交流端子１４ｖから電流Ｂの方向で流入する場合、動作は図２（ｄ）のモード４のＶ相ユニットの第３のスイッチング素子３ｖがターンオフし、第１のスイッチング素子１ｖがターンオンして図２（ｅ）のモード５になる。
続いて、Ｕ相ユニットの第４のスイッチング素子４ｕがターンオフし、第２のスイッチング素子２ｕがターンオンして図２（ｆ）のモード６へと切り替わる。

上述のように、３レベル電力変換装置がコンバータ動作をする場合、モード１からモード６の動作を繰り返し、その結果、Ｕ相とＶ相それぞれで電流の導通頻度が高い第２のスイッチング素子２ｕ、２ｖと第３のスイッチング素子３ｕ、３ｖの発熱損失が最も大きくなる。
１相分の各スイッチング素子および各ダイオードの全発熱損失を１００とした場合、例えば表１に示すように、各相の第２のスイッチング素子と第３のスイッチング素子の発熱損失の合計は全体の６４％を占めることになる。

図３は、実施の形態１に係る３レベル電力変換装置の冷却器上での各半導体素子の配置と冷却風の方向を示す平面図である。Ｕ相ユニットとＶ相ユニットをそれぞれ構成する半導体素子群が冷却器１５上で冷却風の流れに沿って縦列に配置されている。
即ち、冷却器１５の中央に最も発熱損失の小さい第１のダイオード９ｕ、９ｖと第２のダイオード１０ｕ、１０ｖが隣接して配置され、この第１のダイオード９ｕ、９ｖと第２のダイオード１０ｕ、１０ｖの一方側に第１のスイッチング素子１ｕ、１ｖおよび第２のスイッチング素子２ｕ、２ｖが冷却風の流れに沿って配置され、第１のダイオード９ｕ、９ｖと第２のダイオード１０ｕ、１０ｖの他方側に第３のスイッチング素子３ｕ、３ｖおよび第４のスイッチング素子４ｕ、４ｖが同じく冷却風の流れに沿って配置されている。
なお、ここで示す冷却風は、電動送風機（図示せず）による強制冷却風である。

図４は、図３の配置構成で冷却器の温度上昇を汎用熱流体解析ソフトで解析した結果の温度分布状態を示す説明図である。図５は、従来例（特許文献１、第１図）の配置構成で同じく解析した結果の温度分布状態を示す説明図である。
ここでは条件を一定にするため、冷却器にはアルミフィンを用い、冷却方式は冷却風を電動送風機で送り出す強制風冷方式としている。そして、フィン高さ、フィン長さ、フィンピッチ、冷却風量はそれぞれの構成で等しくしており、また、半導体素子の発熱損失の割合は表１に従っている。

図４より、本実施の形態１では冷却器の温度上昇は第３のスイッチング素子３ｕ、３ｖの周辺が最大値（Ｔｍａｘ）となり、Ｔｍａｘ＝５７．８Ｋ（ケルビン）である。
一方図５より、従来例の冷却器の温度上昇は第２のスイッチング素子とおよび第３のスイッチング素子の周辺が高く、温度上昇の最大値はＴｍａｘ＝６３．４Ｋ（ケルビン）である。
従ってこの結果より、本実施の形態１によって３レベル電力変換装置の冷却器の温度上昇が平準化され、従来例と比較して温度上昇の最大値が１割程度低減されることがわかる。

以上のように、本発明の実施の形態１に係る３レベル電力変換装置は、各相が１つのユニットで構成され、各ユニットは、冷却器の中央部に第１のダイオード９ｕ、９ｖと第２のダイオード１０ｕ、１０ｖを配置し、第２のスイッチング素子２ｕ、２ｖをダイオード９ｕ、９ｖと１０ｕ、１０ｖの一方側に冷却媒体の流れる方向に沿って配置し、第３のスイッチング素子３ｕ、３ｖをダイオード９ｕ、９ｖと１０ｕ、１０ｖの他方側に冷却媒体の流れる方向に沿って配置し、上記各ユニットが冷却媒体の流れる方向に沿って縦列に配置したため、冷却器の風下側に配置された各スイッチング素子は、風上側に配置された各スイッチング素子から受ける排熱の影響が低減され、各スイッチング素子の温度上昇の平準化を図り、冷却器の冷却効率を高めることができる。

また、本実施の形態１を示す図３では、各スイッチング素子と各ダイオードの配置の一例を示したが、図６に示すように第１のダイオード９ｕ、９ｖと第２のダイオード１０ｕ、１０ｖの配置も可能である。
そして、第１のスイッチング素子１ｕ、１ｖと第２のスイッチング素子２ｕ、２ｖの位置を入れ替えたもの、第３のスイッチング素子３ｕ、３ｖと第４のスイッチング素子４ｕ、４ｖを入れ替えたもの、およびそれらの組み合わせにおいても同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係る３レベル電力変換装置の冷却器上での各半導体素子の配置と冷却風の方向を示す平面図で、特にＵ相とＶ相の変換回路を有するコンバータとして使用する際の構成を示す。電気回路と動作は実施の形態１と同じである。

図７において、Ｕ相ユニットとＶ相ユニットをそれぞれ構成する半導体素子群が冷却器１５上で冷却風の流れに沿って縦列に配置され、冷却器１５の中央に第１のスイッチング素子１ｕ、１ｖおよび第４のスイッチング素子４ｕ、４ｖが冷却風の流れと平行に隣接して配置され、この第１のスイッチング素子１ｕ、１ｖおよび第４のスイッチング素子４ｕ、４ｖの一方側に第２のスイッチング素子２ｕ、２ｖおよび第１のダイオード９ｕ、９ｖが冷却風の流れに沿って配置され、上記第１のスイッチング素子１ｕ、１ｖおよび第４のスイッチング素子４ｕ、４ｖの他方側に第３のスイッチング素子３ｕ、３ｖおよび第２のダイオード１０ｕ、１０ｖが同じく冷却風の流れに沿って配置される。
ここで示す冷却風は、電動送風機（図示せず）による強制冷却風である。

以上のように、本発明の実施の形態２に係る３レベル電力変換装置は、各相が１つのユニットで構成され、各ユニットは、冷却器の中央部に第１のスイッチング素子１と第４のスイッチング素子４を配置し、発熱損失の大きい第２のスイッチング素子２を第１のスイッチング素子１と第４のスイッチング素子４に対して冷却媒体の流れる方向に沿った上流又は下流の一方側に縦列配置し、同じく発熱損失の大きい第３のスイッチング素子３を第１のスイッチング素子１と第４のスイッチング素子４に対して上記冷却媒体の流れる方向に沿った上流又は下流の他方側に縦列配置し、上記各ユニットは冷却媒体の流れる方向に沿って縦列に配置したため、冷却器の風下側に配置された各スイッチング素子は、風上側に配置された各スイッチング素子から受ける排熱の影響が低減され、各スイッチング素子の温度上昇の平準化を図り、冷却器の冷却効率を高めることができる。

また、本実施の形態２を示す図７では、各スイッチング素子と各ダイオードの配置の一例を示したが、第１のダイオード９ｕ、９ｖと第２のスイッチング素子２ｕ、２ｖの位置を入れ替えたもの、第２のダイオード１０ｕ、１０ｖと第３のスイッチング素子３ｕ、３ｖを入れ替えたもの、およびそれらの組み合わせにおいても同様の効果を得ることができる。

さらに、本実施の形態１および実施の形態２においては、冷却風の流れる方向に沿って各相ユニットのスイッチング素子とダイオードが縦列に配置されているので、冷却風の受風面の断面積が小さく、冷却器が必要とする風量も少なくなる。そのため、特に強制冷却の場合、所定の冷却性能を得るための電動送風機の容量を小さくすることが可能である。

なお、本実施の形態１および実施の形態２では冷却風は強制冷却風としたが、車両が走行することによって発生する走行風でも効果は同じである。

また、本実施の形態１および実施の形態２では冷却器の冷却媒体を気体としたが、各半導体素子の直近に流水路を設け、冷却水を流した液冷方式とした場合でも同様の効果が期待できる。

本発明の実施の形態１の電力変換装置の電気回路図である。 本発明の実施の形態１の電力変換装置がコンバータとして動作する場合の電流経路を示す説明図である。 本発明の実施の形態１の電力変換装置がコンバータとして動作する場合の電流経路を示す説明図である。 本発明の実施の形態１の電力変換装置がコンバータとして動作する場合の電流経路を示す説明図である。 本発明の実施の形態１の電力変換装置の冷却器上で各半導体素子と冷却風を示す平面図である。 本発明の実施の形態１の電力変換装置における冷却器上の温度上昇シミュレーション結果を示す説明図である。 特許文献１の第１図における冷却器上の温度上昇シミュレーション結果を示す説明図である。 本発明の実施の形態１の他の適用例を示す平面図である。 本発明の実施の形態２の電力変換装置の冷却器上で各半導体素子と冷却風を示す平面図である。

符号の説明

１ｕ、１ｖ 第１のスイッチング素子
２ｕ、２ｖ 第２のスイッチング素子
３ｕ、３ｖ 第３のスイッチング素子
４ｕ、４ｖ 第４のスイッチング素子
５ ＩＧＢＴ
６ フライホイールダイオード
７ｕ、７ｖ 第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との接続点
８ｕ、８ｖ 第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子との接続点
９ｕ、９ｖ 第１のダイオード
１０ｕ、１０ｖ 第２のダイオード
１１、１２ コンデンサ
１３ｕ、１３ｖ 第１のダイオードと第２のダイオードの接続点
１４ｕ、１４ｖ 交流端子
１５ 冷却器
Ｐ 直流正極端子
Ｎ 直流負極端子

Claims (3)

1. 電力変換部を構成する各相が一つのユニットで構成され、上記ユニットは、
   直流側の正極端子と負極端子の間に第１のスイッチング素子から第４のスイッチング素子を順次直列に接続して、
   上記第１のスイッチング素子と上記第２のスイッチング素子の接続点と直流側の中間端子との間に第１のダイオードを接続し、
   上記第３のスイッチング素子と上記第４のスイッチング素子の接続点と上記中間端子との間に第２のダイオードを接続し、
   上記第２のスイッチング素子と上記第３のスイッチング素子との間に交流端子を備え、
   上記各スイッチング素子および上記各ダイオードが冷却器に配置され、
   上記冷却器が冷却媒体により冷却される３レベル電力変換装置において、
   上記各ダイオードは上記冷却器の中央部に隣接して配置され、
   上記第１のスイッチング素子と上記第２のスイッチング素子とは、隣接して配置された上記ダイオードに対して上記冷却媒体の流れる方向に沿った上流又は下流の一方側に縦列配置され、
   上記第３のスイッチング素子と上記第４のスイッチング素子とは、隣接して配置された上記ダイオードに対して上記冷却媒体の流れる方向に沿った上流又は下流の他方側に縦列配置されたことを特徴とする３レベル電力変換装置。
2. 電力変換部を構成する各相が一つのユニットで構成され、上記ユニットは、
   直流側の正極端子と負極端子の間に第１のスイッチング素子から第４のスイッチング素子を順次直列に接続して、
   上記第１のスイッチング素子と上記第２のスイッチング素子の接続点と直流側の中間端子との間に第１のダイオードを接続し、
   上記第３のスイッチング素子と上記第４のスイッチング素子の接続点と上記中間端子との間に第２のダイオードを接続し、
   上記第２のスイッチング素子と上記第３のスイッチング素子との間に交流端子を備え、
   上記各スイッチング素子および上記各ダイオードが冷却器に配置され、
   上記冷却器が冷却媒体により冷却される３レベル電力変換装置において、
   上記第１のスイッチング素子と上記第４のスイッチング素子とは、上記冷却器の中央部に冷却媒体の流れる方向に縦列配置され、
   上記第２のスイッチング素子と上記第１のダイオードとは、縦列配置された上記第１のスイッチング素子および上記第４のスイッチング素子に対して上記冷却媒体の流れる方向に沿った上流又は下流の一方側に縦列配置され、
   上記第３のスイッチング素子と上記第２のダイオードとは、縦列配置された上記第１のスイッチング素子および上記第４のスイッチング素子に対して上記冷却媒体の流れる方向に沿った上流又は下流の他方側に縦列配置されたことを特徴とする３レベル電力変換装置。
3. 上記各ユニットを構成する複数のスイッチング素子および複数のダイオードは、一方向に流れる冷却媒体によって冷却される上記冷却器の同一平面状の受熱部に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の３レベル電力変換装置。

Images