(57)【要約】【課題】  各モード運転にも拘らず、各半導体素子の最適な冷却を可能とすることにある。【解決手段】  直流電圧を二分割した３レベルの電力変換装置であって、複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４及び当該各スイッチング素Ｑ１〜Ｑ４の両側に配置される冷却フィン３１〜３３，３７〜３９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Ｄ１〜Ｄ４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２６〜３０とをそれぞれ別スタック２，１で構成するとともに、前記スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と当該スイッチング素素子Ｑ１〜Ｑ４と対をなすフライホイールダイオードＤ１〜Ｄ４との同一側に配置される水冷ファン２６−３１，２７−３２，２８−３５，２９−３８，３０−３９どうしを直列水系となるように接続した構成の電力変換装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を二分割した３レベルの電力変換装置において、
複数のスイッチング素子及び当該各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し、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ァンどうしを直列水系となるように接続したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載した電力変換装置において、
前記各フライホイールダイオード側に配置される冷却フィンを、前記スイッチング素子側に配置される冷却フィンよりも冷却通水の上流側に設置したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載した電力変換装置において、
前記フライホイールダイオードスタックを構成する複数のフライホイールダイオードをそれぞれ独立した水系で冷却し、これらフライホイールダイオードを有するフライホイールダイオードスタックと前記スイッチング素子を有するスイッチング素子スタックとをトータル５つ水系で構成したことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の平型半導体素子とヒートシンクなどが交互に重ねられた平形半導体素子用スタックを有する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力変換装置の中に３レベルの電力変換装置がある。この３レベルの電力変換装置は、図２に示すように三相交流電源に接続されるコンバータ（図示せず）等で変換された直流電圧のＰ，Ｎ間にクランプコンデンサＣ１，Ｃ２を接続し、中間電位点０を作り出すことにより、直流電圧を分割する。そして、インバータを構成する三相の中の例えばＵ相について述べれば、Ｐ，Ｎ間にシリアル接続される自己消弧可能なスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオンして高電位点電圧（Ｐ点電圧）、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３をオンして中間点電圧（０点電圧）、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４をオンして低電位点電圧（Ｎ点電圧）を選択的に取り出す、いわゆる３レベルインバータを構成する。また、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４にはそれぞれ対をなすようにフライホイールダイオードＤ1〜Ｄ４が並列に接続されている。なお、インバータを構成する他の相であるＶ相及びＷ相は前述したＵ相と同様な構成を有している。
【０００３】
このような３レベルの電力変換装置においては、平型半導体素子用スタックを有し、具体的には図３に示すように、フライホイールダイオードＤ1〜Ｄ４で構成されるフライホイールダイオードスタック１と例えばＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）等のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４で構成されるスイッチング素子スタック２とがそれぞれ独立したスタックとして構成され、図示矢印で示すごとくスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４への通電による電力損失を優先的に補償するための冷却水系の構成となっている。すなわち、フライホイールダイオードＤ1〜Ｄ４及びスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の冷却水系は、冷却入側から流入した冷却水がスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に対応する冷却フィン３〜６に送られ、ここでスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の発熱による熱交換を行った後、フライホイールダイオードＤ1〜Ｄ４に対応する冷却フィン７〜１０に送り込んでいる。従って、かかる構成の冷却水系では、フライホイールダイオードＤ１〜Ｄ４に対しては、初期水温の冷却水が供給されず、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の冷却時に当該スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の発熱で温められた冷却水が供給される。
【０００４】
本来の半導体素子の冷却においては、半導体素子の許容ジャンクション温度（内部温度）が１２５℃以下と規定されており、より熱損失の激しい半導体素子から順次冷却していくことが基本である。単純に半導体素子を冷却するだけの目的であれば、半導体素子毎に冷却水系を設ければよいが、それでは半導体素子の数だけ冷却水系が必要となり、電力変換装置に使用する水量（流量）も多量となる。その結果、冷却水を循環させる冷却装置の容量が大きくなり、製品コストや占有スペースが増大し、装置設計の自由度がなくなる。
【０００５】
そこで、以上のような状況を考えた場合、半導体素子毎に冷却水系を設ける並列水系ではなく、可能な限り直列水系の構成を取り入れれば、冷却水の水量が節減でき、また電力変換装置や冷却装置のコンパクト化にも繋がる。さらに、電力変換装置や冷却装置のコンパクト化に伴い、限られたスペースを有効に活用でき、各装置を含むシステム設計の自由度を高めることができる。但し、直列水系の場合、各半導体素子への熱損失の配分によっては、下流に行くほど温められた水温の影響を受けることになり、最適な冷却効果が得られないことが考えられる。
【０００６】
また、近年、電力変換装置の容量の拡大に伴い、各半導体素子の発生損失が増加する傾向にある。さらに、電力変換装置や冷却装置のよりコンパクト化や低コスト化に伴い、各半導体素子相互が接近する関係になって発生損失が増加することから、半導体素子の冷却を最適に行うことが必須となる。特に、水冷冷却を用いる装置では、冷却水系の構成によって冷却能力及び冷却効率が決まることから、当該装置の動作状況等を把握し、半導体素子に対する冷却水系の構成を実現することが望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、以上のような電力変換装置の冷却水系は、冷却入側から流入した冷却水を用いて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を冷却した後、フライホイールダイオードＤ1〜Ｄ４を冷却する構成であるが、このような冷却水系の構成が装置の動作状況等から冷却能力及び冷却効率を高めるかが疑問である。
【０００８】
そこで、この種の電力変換装置における運転パターン（モード）について考えて見ると、コンバータモードとインバータモードの運転が存在する。通常、コンバータモード運転の際には、フライホイールダイオードＤ１〜Ｄ４がメインの発熱源であり、その中でもフライホイールダイオードＤ１，Ｄ４の発熱量が大きい。一方、インバータモード運転の際には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４がメインの発熱源であり、その中でもスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の発熱量が大きい。
【０００９】
しかしながら、直流電圧を二分割した３レベルの電力変換装置では、コンバータモード運転時に無負荷であるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の中にあって、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３は無負荷状態であっても水温を上昇させる程度の発熱が生じている。逆に、インバータモード運転の際、フライホイールダイオードＤ１〜Ｄ４は発熱しない。
【００１０】
その結果、図３に示す冷却水系の構成である場合、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３で上昇した冷却水が下流側となるフライホイールダイオードＤ１〜Ｄ４に送られ、フライホイールダイオードＤ１〜Ｄ４の冷却能力及び冷却効率を下げてしまい、最適な冷却効果が得られない。
【００１１】
また、電力変換装置の容量の拡大に伴って半導体素子の発生損失が増加するが、この場合には次のような問題が生じる。すなわち、コンバータモード運転時、本来の冷却対象であるフライホイールダイオードＤ１〜Ｄ４がスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の発熱で温められた冷却水の供給を受けた場合、フライホイールダイオードＤ１〜Ｄ４の冷却能力が低下し、半導体素子の許容ジャンクション温度１２５℃以下に抑えることが難しくなる問題がある。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、各モード運転にも拘らず、各半導体素子の最適な冷却を可能とする冷却水系を構成し、冷却能力及び冷却効率の向上を図る電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）  上記課題を解決するために、直流電圧を二分割した３レベルの本発明に係る電力変換装置は、複数のスイッチング素子及び当該各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し、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ァンどうしを直列水系となるように接続した構成である。
【００１４】
本発明は以上のような構成とすることにより、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ァンどうしが直列水系で構成されているので、複数のスイッチング素子及び複数のフライホイールダイオード等からなる半導体素子の数よりも大幅に少ない数の冷却水系で構成でき、冷却水量を大幅に節減可能であり、また冷却装置を含む電力変換装置をコンパクトに実現できる。
【００１５】
（２）  また、本発明は、前記（１）項に記載する電力変換装置の構成において、前記フライホイールダイオード側に配置される冷却フィンを前記スイッチング素子側に配置される冷却フィンよりも冷却通水の上流側に設置すれば、コンバータモード運転の無負荷時に水温を上昇させる程度の発熱損失を伴うスイッチング素子がフライホイールダイオードよりも下流側で通水冷却されるので、無負荷時に発熱損失を伴うスイッチング素子が他の半導体素子に悪影響を与えることがなくなり、最適な冷却水系を実現できる。よって、互いの半導体素子が他の半導体素子の冷却に影響を与えない構成により、冷却能力及び冷却効率を上げることが可能となる。また、前記（１）等の構成と組み合わせることにより、各モード運転時にメインの発熱対象となる半導体素子が自身以外の半導体素子で熱的な影響を受けない初期冷却水による冷却を受けることができ、冷却能力及び冷却効率を上げることができ、半導体素子のジャンクション温度を規定の温度以下に確実に抑えることが可能となる。
【００１６】
さらに、本発明は、前記（１）項に記載する電力変換装置の構成において、前記フライホイールダイオードスタックを構成する複数のフライホイールダイオードをそれぞれ独立した水系で冷却し、これらフライホイールダイオードを有するフライホイールダイオードスタックと前記スイッチング素子を有するスイッチング素子スタックとをトータル５つ水系で構成することにより、比較的簡素な５系統を用いて最適な冷却水系を実現することが可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、各モード運転にも拘らず、各半導体素子の最適な冷却を可能とする冷却水系を構成でき、冷却能力及び冷却効率を向上できる電力変換装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について図１を参照して説明する。なお、同図において、図３と同一部分には同一符号を付して説明する。
【００１９】
図１は電力変換装置の冷却水系の構成を示す図であって、初期冷却水供給配管２０から例えば５つの流路配管２１〜２５に分岐され、フライホイールダイオードスタック１に導入されている。フライホイールダイオードスタック１は、水冷フィン２６〜３０とフライホイールダイオードＤ１〜Ｄ４とが交互に重ね合わせた構成となっている。すなわち、初期冷却水供給配管２０から分岐された各流路配管２１〜２５はフライホイールダイオードスタック１のそれぞれ対応する水冷フィン２６〜３０に個別に接続され、初期冷却水が各流路配管２１〜２５を通って各水冷フィン２６〜３０に供給される。従って、各フライホイールダイオードＤ１〜Ｄ４は、両側に配置される水冷フィン２６〜３０によって冷却される。
【００２０】
一方、フライホイールダイオードスタック１とは独立してスイッチング素子スタック２が設けられている。このスイッチング素子スタック２は、冷却フィン３１〜３９と補助整流素子ＤＰ，ＤＮを含むＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）等のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４とが交互に重ね合わされている。そして、水冷フィン２６と３１、２７と３２、２８と３５、２９と３８、３０と３９とが接続配管３４，４２，４３，４４，４５で接続され、冷却水が各水冷フィン２６〜３０から対応する接続配管４１〜４５を通ってスイッチング素子スタック２として構成する冷却フィン３１，３２，３５，３８，３９に送られ、補助整流素子ＤＰ，ＤＮを含む各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を冷却する。すなわち、この電力変換装置は、各水冷フィン２６〜３０と冷却フィン３１，３２，３５，３８，３９は接続配管４１〜４５を介して接続され、いわゆる直列水系を構成している。
【００２１】
そして、各冷却フィン３１，３２，３５，３８，３９の出力側はスイッチング素子スタック２の中間側の冷却フィン３３，３４，３６，３７を通って冷却出側配管４０に接続され、熱交換によって温められた冷却水が冷却出側配管４０から出力される。
【００２２】
このような電力変換装置においては、フライホイールダイオードスタック１とスイッチング素子スタック２は各々独立したスタック構成となる。また、スイッチング素子Ｑ１と対をなすフライホイールダイオードＤ１の同じサイドの水冷フィン２６と３１、２７と３２とはそれぞれ接続配管４１，４２によって直列水系を構成し、また、スイッチング素子Ｑ４と対をなすフライホイールダイオードＤ４の同じサイドの水冷フィン２９と３８、３０と３９とはそれぞれ接続配管４４，４５によって直列水系を構成している。
【００２３】
従って、以上のような実施の形態によれば、本発明独自の直列水系の構成により、次のような効果を奏する。
【００２４】
（１）  図１に示す冷却水系の構成を有する本発明に係る半導体電力変換装置について、当該電力変換装置の力率を変化させつつコンバータモード運転及びインバータモード運転と半導体素子の冷却との関係について考えてみる。
【００２５】
コンバータモード運転では、フライホイールダイオードスタック１が発熱対象となり、その中でも特にフライホイールダイオードＤ１，Ｄ４がメインで発熱する。その間、スイッチング素子スタック２は無負荷となる。逆に、インバータモード運転では、スイッチング素子スタック２が発熱対象となり、その中でも特にスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がメインで発熱する。その間、フライホイールダイオードスタック１は無負荷となる。よって、各モード運転において、フライホイールダイオードＤ１，Ｄ４の発熱又はスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の発熱となることから、水冷フィン２６と水冷フィン３１とを接続配管４１で接続し、水冷フィン２７と水冷フィン３２とを接続配管４２で接続し、また水冷フィン２９と水冷フィン３８とを接続配管４４で接続し、水冷フィン３０と水冷フィン３９とを接続配管４５で接続する直列水系を構成すれば、複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４及び複数のフライホイールダイオードＤ１〜Ｄ４等からなる半導体素子の数よりも大幅に少ない数の冷却水系で構成でき、冷却水量を大幅に節減でき、また冷却装置を含む電力変換装置のコンパクトを図ることができる。
【００２６】
また、各モード運転時にメインの発熱対象となるダイオードＤ１，Ｄ４、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４等の半導体素子が自身以外の半導体素子で熱的な影響を受けない初期冷却水による冷却を受けることができ、最適な冷却水系を実現できる。
【００２７】
（２）  本発明に係る半導体電力変換装置によれば、初期冷却水配管２０の初期通水はフライホイールダイオードスタック１側から行われている。その結果、常にフライホイールダイオードスタック１には初期水温である冷却水が供給されており、コンバータモード運転の際にはメインで発熱するフライホイールダイオードＤ１，Ｄ４を効率的に冷却可能となり、逆にインバータモード運転の際にはフライホイールダイオードスタック１内のダイオードＤ１〜Ｄ４は無負荷状態によって発熱しないことから、スイッチング素子スタック２内のメインで発熱するスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４に対して、初期水温の冷却水を供給できる。
【００２８】
また、直流電圧を二分割した３レベルの電力変換装置では、コンバータモード運転時に無負荷であるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の中のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３は水温を上昇させる程度の発熱が生じるが、本発明に係る電力変換装置の構成であれば、コンバータモード運転に対する無負荷時に水温を上昇させる程度の発熱損失を伴うスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３を最後に通水冷却する構成としたので、自身以外の他の半導体素子に悪影響を与えることがなくなり、最適な冷却水系を実現できる。よって、互いの半導体素子が他の半導体素子の冷却に影響を与えない構成により、前述同様に冷却能力及び冷却効率を上げることができ、半導体素子のジャンクション温度を規定の温度以下に確実に抑えることができる。このことは、電力変換装置や冷却装置のコンパクト化や電力変換装置の容量の拡大化にも十分対処できる。
【００２９】
（３）  さらに、本発明に係る半導体電力変換装置によれば、フライホイールダイオードスタック１内のフライホイールダイオードＤ１〜Ｄ４、スイッチング素子スタック２内のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうちメイン発熱するフライホイールダイオードＤ１，Ｄ４／スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４に対し、直列水系、他の半導体素子から熱的影響を受けないように冷却したことにより、初期水温の冷却水により効率的に冷却可能となり、かつスタック２の残りの水系を当該スタック２の中央の冷却フィン３３〜３７を通して冷却出側配管４０から出力することにより、最適な５系統の冷却水系を実現できる。
【００３０】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。また、各実施の形態は組み合わせて実施することが可能であり、その場合には組み合わせによる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る電力変換装置の一実施の形態としての冷却水系を示す構成図。
【図２】従来の３レベルの電力変換装置の一部の相の構成を示す図。
【図３】従来の電力変換装置の冷却水系を示す構成図。
【符号の説明】
【００３２】
Ｄ１〜Ｄ４…フライホイールダイオード、Ｑ１〜Ｑ４…スイッチング素子、１…フライホイールダイオードスタック、２…スイッチング素子スタック、２０…初期冷却水供給配管、２１〜２５…流路配管、２６〜３０…冷却フィン、３１〜３９…冷却フィン、４０…冷却出側配管、４１〜４５…接続配管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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