(57)【要約】【課題】インバータユニットの構造を簡素化し、インバータの主回路で発生する磁束の影響を少なくすることができ、装置の小型化を実現するインバータユニットを得る。【解決手段】水冷交流側導体６と、前述のモジュール型半導体スイッチング素子５を備え、６は平板状導体であって、その内壁面に冷却水が通水可能な流水路６１を有し、冷却フィンを兼ねたものであり、５は、水冷交流側導体６の一方の面に載置固定されると共に、各々に有する交流端子Ａが電気的に接続され、かつ導体の載置面と対向する面にエミッタ端子Ｅ及びコレクタ端子Ｃを各々有したものである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状導体であって、その内壁面に冷却水が通水可能な流水路を有する冷却フィンを兼ねた水冷交流側導体と、
前記水冷交流側導体の一方の面に載置固定されると共に、各々に有する交流端子が電気的に接続され、かつ前記導体の載置面と対向する面にエミッタ端子及びコレクタ端子を各々有した少なくとも２個のモジュール型半導体素子と、
を備え、インバータの主回路の上下アームで１つのレグを構成したことを特徴とするインバータユニット。
【請求項２】
少なくとも２個のインバータユニットからなり、
前記各インバータユニットは、水冷交流側導体及び少なくとも２個のモジュール型半導体素子とを備え、
前記水冷交流側導体は平板状導体であって、その内壁面に冷却水が通水可能な流水路を有する冷却フィンを兼ねたものであり、
前記各モジュール型半導体素子は前記水冷交流側導体の一方の面に載置固定されると共に、各々に有する交流端子が電気的に接続され、かつ前記導体の載置面と対向する面にエミッタ端子及びコレクタ端子を各々有したものであり、
前記各インバータユニットを近接して配置し、直流電力を交流電力に変換することを特徴とするインバータ。
【請求項３】
平板状導体であって、対向する２つの端部が同一方向に折曲され、その内壁面に冷却水が通水可能な流水路を有する冷却フィンを兼ねた水冷交流側導体と、
前記水冷交流側導体の前記折曲された２つの端部間の板面に載置固定されると共に、各々に有する交流端子が電気的に接続され、かつ前記導体の載置面と対向する面にエミッタ端子及びコレクタ端子を各々有した少なくとも２個のモジュール型半導体素子と、
を備え、インバータの主回路の上下アームで１つのレグを構成したことを特徴とするインバータユニット。
【請求項４】
少なくとも２個のインバータユニットからなり、
前記各インバータユニットは、水冷交流側導体及び少なくとも２個のモジュール型半導体素子とを備え、
前記水冷交流側導体は平板状導体であって、対向する２つの端部が同一方向に折曲され、その内壁面に冷却水が通水可能な流水路を有する冷却フィンを兼ねたものであり、
前記各モジュール型半導体素子は前記水冷交流側導体の前記折曲された２つの端部間の板面に載置固定されると共に、各々に有する交流端子が電気的に接続され、かつ前記導体の載置面と対向する面にエミッタ端子及びコレクタ端子を各々有したものであり、
前記インバータユニットのうちの２つを組とし、前記各水冷交流側導体の前記半導体素子が載置されない面同士を近接した状態で対向配置し、直流電力を交流電力に変換することを特徴とするインバータ。
【請求項５】
平板状導体であって、対向する２つの端部がそれぞれ同一方向に折曲された枠状の交流側導体と、
前記交流側導体の対向する側面に接合され、平板状であってその内壁面に冷却水が通水可能な流水路を有する少なくとも２個の冷却フィンと、
前記各冷却フィンの板面にそれぞれ載置固定されると共に、各々に有する交流端子が電気的に接続され、かつ前記素子の載置面と対向する面にエミッタ端子及びコレクタ端子を各々有した少なくとも２個のモジュール型半導体素子と、
を備え、インバータの主回路の上下アームで１つのレグを構成したことを特徴とするインバータユニット。
【請求項６】
少なくとも２個のインバータユニットからなり、
前記各インバータユニットは、交流側導体及び少なくとも２個の冷却フィン並びに少なくとも２個のモジュール型半導体素子とを備え、
前記交流側導体は平板状導体であって、対向する２つの端部がそれぞれ同一方向に折曲された枠状のものであり、
前記各冷却フィンは、前記交流側導体の対向する側面に接合され、平板状であってその内壁面に冷却水が通水可能な流水路を有するものであり、
前記各モジュール型半導体素子は前記各冷却フィンの板面にそれぞれ載置固定されると共に、各々に有する交流端子が電気的に接続され、かつ前記導体の載置面と対向する面にエミッタ端子及びコレクタ端子を各々有したものであり、
前記各インバータユニットを同一の支持体に支持し、直流電力を交流電力に変換することを特徴とするインバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば高周波共振型インバータとして適用可能なインバータユニット及びインバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力用の高周波共振型インバータとして、サイリスタ等の平型半導体素子で主回路を構成する場合、「半導体スタック」と呼ばれるユニットにより構成したものがある。これは、例えば図１０に示すように、５個の水冷フィン２１と、４個の平型半導体素子２０を交互に配列し、この両端部にそれぞれ端板２２を配設し、端板２２と水冷フィン２１の間に皿バネ２３を配設し、一方の端板２２に２本の締結ボルト２４の一端部をそれぞれ連結し、締結ボルト２４の他端部を他方の端板２２と押圧板２９にそれぞれ貫通させ、端板２２と押圧板２９の間であって各締結ボルト２４の突出端部にそれぞれコイルバネ３０を挿通させ、押圧板２９から突出する締結ボルト２４の先端に有する雄ネジ部にナット２５を螺合させるようにするようにしたものである。
【０００３】
このようにすることで、４個の半導体素子２０に皿バネ２３により軸方向の一定の加圧力が与えられるようになっている。半導体素子２０の所望の電極に、直流正側ブス（Ｐ）２６と、直流負側ブス（Ｎ）２７と、交流端子（ＡＣ）２８が接続される。
【０００４】
図１１は、図１０の半導体スタックＳを、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相分準備し、これらのスタックＳＵ、ＳＶ、ＳＷは同一空間において各々水平方向でかつ上下方向に並設させ、各スタックＳＵ、ＳＶ、ＳＷの側方であって直流正側ブス（Ｐ）２６と、直流負側ブス（Ｎ）２７をそれぞれ上下方向に配設し、各スタックＳＵ、ＳＶ、ＳＷのＰ端子、Ｎ端子と直流正側ブス２６と、直流負側ブス２７とを電線で接続したものである。
【０００５】
なお、特許文献１には、複数のスイッチング素子及び当該スイッチング素子の両側に配置される冷却フィンと、前記各スイッチング素子と対をなす各フライホイールダイオード及び当該各フライホイールダイオードの両側に配置される冷却フィンとをそれぞれ別スタックで構成すると共に、前記スイッチング素子と当該スイッチング素子と対をなすフライホイールダイオードとの同一側に配置される水冷フィン同士を直列水系となるように接続した構成の電力変換装置が記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、水冷式ヒートシンクによって冷却されるサイリスタモジュール等の半導体素子に直列接続される水冷式リアクトルと、半導体素子に並列に接続される水冷式抵抗器とコンデンサの直列回路からなる分圧回路を備えた水冷式半導体電力変換装置において、水冷式ヒートシンクと水冷式リアクトルに通水する冷却系統と、水冷式抵抗器に通水する冷却系統に分け、各々の冷却系統の出口側に冷却水の温度を測定するセンサを独立して設けた水冷式半導体電力変換装置が記載されている。
【特許文献１】特開２００６−１５８１２８
【特許文献２】特開平５−１６８２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上述べた従来の半導体スタックは、図１０に示すように物理的に直流正側ブス２６と、直流負側ブス２７は離れており、この間の距離を縮めるには半導体スタックよりも外側、すなわち主回路の一次側もしくは二次側でしか対応できない。
【０００８】
また、図１１のような構成において、半導体スタックＳＵ、ＳＶ、ＳＷと、直流正側ブス２６、直流負側ブス２７の間では物理的に重ね合わせることが困難であるため、インバータユニットの直流側のインダクタンスを軽減することは難しい。
【０００９】
さらに、従来の技術である、インバータ素子のスイッチング周波数が数百Ｈｚ以上の高周波インバータ装置において、主回路の高周波電流により発生する磁束の影響への対策が不可欠である。過熱を回避するため、主回路と構造物の離隔距離を確保する、又はステンレス等の非磁性体を使用する等の施策が避けられず装置の大型化や高コスト化が避けられなかった。
【００１０】
本発明は、前述の課題を解決するためなされたもので、その目的は構造を簡素化でき、装置全体を小型化でき、またインバータ主回路に発生する磁束の影響を少なくすることが可能なインバータユニット及びインバータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、平板状導体であって、その内壁面に冷却水が通水可能な流水路を有する冷却フィンを兼ねた水冷交流側導体と、前記水冷交流側導体の一方の面に載置固定されると共に、各々に有する交流端子が電気的に接続され、かつ前記導体の載置面と対向する面にエミッタ端子及びコレクタ端子を各々有した少なくとも２個のモジュール型半導体素子とを備え、インバータの主回路の上下アームで１つのレグを構成したことを特徴とするインバータユニットである。
【００１２】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、少なくとも２個のインバータユニットからなり、前記各インバータユニットは、水冷交流側導体及び少なくとも２個のモジュール型半導体素子とを備え、前記水冷交流側導体は平板状導体であって、その内壁面に冷却水が通水可能な流水路を有する冷却フィンを兼ねたものであり、前記各モジュール型半導体素子は前記水冷交流側導体の一方の面に載置固定されると共に、各々に有する交流端子が電気的に接続され、かつ前記導体の載置面と対向する面にエミッタ端子及びコレクタ端子を各々有したものであり、前記各インバータユニットを近接して配置し、直流電力を交流電力に変換することを特徴とするインバータである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、インバータユニットの構造を簡素化でき、装置全体を小型化でき、またインバータ主回路に発生する磁束の影響を少なくすることが可能なインバータユニット及びインバータを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。始めに、図１を参照して本発明のインバータユニット及びインバータの主回路について説明する。電力系統１からの交流電圧をコンバータ（順変換回路）２により直流電圧に変換し、コンバータ２により変換された直流電圧をインバータ（逆変換回路）３により交流電圧に変換し、交流リアトル４を介して図示しない交流負荷例えば交流電動機Ｍに印加するものである。
【００１５】
インバータ３は、上下アームで１つのレグを構成する例えばインバータユニット３Ｕ１、３Ｕ２でＵ相の単位インバータを構成し、同様にＶ相の単位インバータ、Ｗ相の単位インバータを構成している。
【００１６】
インバータユニット３Ｕ１は上下アームにそれぞれ例えばＩＧＢＴからなるモジュール型半導体スイッチング素子５を２個接続してなり、レグの上アームの半導体スイッチング素子５のエミッタ及び下アームの半導体スイッチング素子５のコレクタとの接続点に交流端子ＡＣを有しており、同様にインバータユニット３Ｕ２は上下アームにそれぞれ半導体スイッチング素子５を２個接続してなり、レグの上アームの半導体スイッチング素子５のエミッタ及び下アームの半導体スイッチング素子５のコレクタとの接続点に交流端子ＡＣを有している。
【００１７】
なお、各半導体スイッチング素子５は、トランジスタＴと、トランジスタＴに逆並列に接続されたフライホイールダイオードＤからなっている。
【００１８】
次に、図２及び図３を参照して本発明のインバータユニットの第１の実施形態を説明する。
【００１９】
これは水冷交流側導体６と、前述のモジュール型半導体スイッチング素子５を備えたものである。水冷交流側導体６は、平板状導体であって、その内壁面に冷却水が通水可能な流水路６１を有すると共に、流水路６１の出入口にはそれぞれ冷却水用口金７が設けられ、冷却フィンを兼ねたものである。半導体スイッチング素子５は、水冷交流側導体６の一方の面に載置固定されると共に、各々に有する交流端子Ａが電気的に接続され、かつ導体の載置面と対向する面にエミッタ端子Ｅ及びコレクタ端子Ｃを各々有したもので、図１では素子が２個でインバータユニット３Ｕ１を構成しているが、図２、図３では素子５が４個の例を示している。
【００２０】
このように本発明のインバータユニットの第１の実施形態は構成されているので、次のような作用効果が得られる。すなわち、半導体素子５を冷却する冷却フィン、主回路を構成する導体(水冷)を一体化した水冷交流側導体６に、インバータユニットを構成する半導体素子５等を取り付けたことにより、個々の素子５を支持する構造材を最小限にすることができ、この結果過熱に対するリスクを低減でき、装置の小型化が可能となり、これに伴ないインダクタンスの低減を図ることができる。
【００２１】
以上述べた本発明の実施形態では、前述した従来の技術である、図１０及び図１１の問題点を改善することができる。従来、サイリスタ等圧接型の平型半導体素子を使用した高周波インバータの主回路構成は、半導体素子を一定の加圧力で圧接した半導体スタックと主回路導体を別々にレイアウトするのが普通である。
【００２２】
これに対して本発明では、ＩＧＢＴ等のモジュール型半導体素子を使用する場合、半導体素子は圧接の必要が無いため、主回路を構成する構造物としてそれぞれ別個でなく一体の構造物としたものである。すなわち、半導体素子を冷却する冷却フィン、主回路を構成する導体(水冷)を一体化した水冷交流側導体６にインバータ主回路を構成する半導体素子５等を取り付けたものである。これによりインバータユニットを構成する個々の半導体素子を支持する構造材を最小限にすることができるので、過熱に対するリスクを低減でき、装置の小型化が可能となる。また、これらのユニットをー対半導体素子が搭載されない面を向かい合わせにして近接させることで磁束を打ち消され、過熱に対するリスクを最小限にすることができる。また主回路ユニットの外形の小型によりインダクタンスの低減を図ることができる。
【００２３】
図４は、図２及び図３からなるインバータユニットを、６個準備し各インバータユニットを近接して配置し、同一支持枠９で支持したものである。このように構成することにより、装置全体の小型化、軽量化、低コスト化を実現することができる。
【００２４】
図５及び図６は本発明のインバータユニットの第２の実施形態を示す図であり、これは
水冷交流側導体６Ａと、少なくとも２個のモジュール型半導体素子５とを備え、図１の上下アームで１つのレグを構成している。すなわち、水冷交流側導体６Ａは、平板状導体であって、対向する２つの端部が同一方向に折曲され、その内壁面に冷却水が通水可能な流水路６Ａ１を有する冷却フィンを兼ねたものである。
【００２５】
各モジュール型半導体素子５は、水冷交流側導体６Ａの折曲された２つの端部間の板面に載置固定されると共に、各々に有する交流端子Ａが電気的に接続され、かつ前記導体の載置面と対向する面にエミッタ端子Ｅ及びコレクタ端子Ｃを各々有している。
【００２６】
この実施形態では、インバータユニットを一対準備し、水冷交流側導体６Ａにおける半導体素子５が搭載されない面同士を近接配置し、互いに向かい合わせる構成としたので、水冷交流側導体６Ａの各々で発生する磁束が打ち消され、過熱に対するリスクを最小限にすることができ、また主回路ユニットの外形の小型化によりインダクタンスの低減を図ることができる。
【００２７】
図７は、図６のインバータユニットを３個準備し、各インバータユニットを近接して配置し、同一支持枠９で支持したものである。このように構成することにより、装置全体の小型化、軽量化、低コスト化を実現することができ、また過熱に対するリスクを最小限にすることができる。
【００２８】
図８及び図９は本発明のインバータユニットの第２の実施形態を示す図であり、これは
交流側導体と、少なくとも２個（ここでは４個）の冷却フィン１１と、少なくとも２個（ここでは４個）のモジュール型半導体素子５を備えたものである。
【００２９】
交流側導体１０は平板状導体であって、対向する２つの端部がそれぞれ同一方向に折曲された枠状となっている。各冷却フィン１１は交流側導体１０の対向する側面に接合され、平板状であってその内壁面に冷却水が通水可能な流水路１０１を有するものである。各モジュール型半導体素子５、冷却フィン１１の板面にそれぞれ載置固定されると共に、各々に有する交流端子Ａが電気的に接続され、かつ半導体素子５の載置面と対向する面にエミッタ端子Ｅ及びコレクタ端子Ｃを各々有したものである。このような構成により、インバータユニットはインバータの主回路の上下アームで１つのレグを構成したものである。
【００３０】
以上述べた本発明のインバータユニットの第３の実施形態によれば、前述した実施形態の作用効果に、加えて次のような作用効果が得られる。すなわち、前述の実施形態では交流側導体と冷却フィンを一体とした水冷交流側導体としているが、この場合には半導体素子数が多い場合はこれによらず枠型に加工された交流導体の両側に半導体素子を設けることで、水冷交流側導体の製造限界に対して考慮の必要が無く、主回路構成の違いにより半導体素子の数を変更できる。
【００３１】
本発明のインバータの第３の実施形態は、例えば図７と同様に、同一の支持体９に図８及び図９のインバータユニットを３個支持したものである。具体的には、図８及び図９の少なくとも２個のインバータユニットからなり、前記各インバータユニットは、交流側導体及び少なくとも２個の冷却フィン並びに少なくとも２個のモジュール型半導体素子とを備え、前記交流側導体は平板状導体であって、対向する２つの端部がそれぞれ同一方向に折曲された枠状のものであり、前記各冷却フィンは、前記交流側導体の対向する側面に接合され、平板状であってその内壁面に冷却水が通水可能な流水路を有するものであり、前記各モジュール型半導体素子は前記各冷却フィンの板面にそれぞれ載置固定されると共に、各々に有する交流端子が電気的に接続され、かつ前記導体の載置面と対向する面にエミッタ端子及びコレクタ端子を各々有したものであり、前記各インバータユニットを同一の支持体に支持し、直流電力を交流電力に変換するインバータである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のインバータユニットとインバータの主回路を説明するための回路図。
【図２】本発明のインバータユニットの第１の実施形態を説明するための平面図。
【図３】本発明のインバータユニットの第１の実施形態を説明するための正面図。
【図４】本発明のインバータの第１の実施形態を説明するための正面図。
【図５】本発明のインバータユニットの第２の実施形態を説明するための平面図。
【図６】本発明のインバータユニットの第２の実施形態を説明するための正面図。
【図７】本発明のインバータの第２の実施形態を説明するための正面図。
【図８】本発明のインバータユニットの第３の実施形態を説明するための正面図。
【図９】本発明のインバータの第３の実施形態を説明するための正面図。
【図１０】従来の技術の問題点を説明するためのものであって、半導体スタックの構成図。
【図１１】図１０の半導体スタックを使用して三相構成としたインバータユニットの問題点を説明するための構成図。
【符号の説明】
【００３３】
Ｔ…トランジスタ、Ｄ…フライホイールダイオード、Ａ…交流端子、Ｅ…エミッタ端子、Ｃ…コレクタ端子、１…電力系統、２…コンバータ、３…インバータ、３Ｕ１、３Ｕ２…インバータユニット、４…交流リアトル、５…モジュール型半導体スイッチング素子、６…水冷交流側導体、６Ａ…水冷交流側導体、６Ａ１…流水路、７…冷却水用口金、９…同一支持枠（同一支持体）、１０…交流側導体、１１…冷却フィン、６１…流水路、１０１…流水路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010136592.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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