(57)【要約】【課題】温度による半導体素子の特性変化が同じになり、半導体素子の責務が同じになる電力変換装置を提供すること。【解決手段】冷却水の流通経路のうちの第１は給水系７−７１―１１２―３１１―水流通路３１―３１２−１０２−５１２−水流通路５１―５１１−１２０−８４−排水系８からなる流通経路である。冷却水の流通経路のうちの第２は、７−７４―１１１―６１１―水流通路６１―６１２−１０１−４１２−水流通路４１―４１１−１１３−８１−排水系８からなる流通経路である。第１の冷却水の流通経路と、第２の冷却水の流通経路は、水の流通方向が互いに逆になるように構成されている。【選択図】      図１
2007259672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モジュール型半導体素子を２個直列接続したハーフブリッジを構成し、このハーフブリッジを少なくとも１組とし、前記各半導体素子を導通制御することで電力変換する電力変換器の主回路と、
前記各半導体素子を各々搭載するものであって各々に水を流通可能にする２系統の水流通路を有する複数の水冷フィンと、
前記主回路の半導体素子の中で回路動作的に対称となる半導体素子が搭載された前記水冷フィンに有する水流通路の一端側同士を連結した接続路体と、
前記主回路の半導体素子の中で回路動作的に対称となる半導体素子が搭載された前記水冷フィンに有する水流通路の他端側間であって水の流通方向が互いに逆となるように接続した給水系及び排水系と
を具備したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
モジュール型半導体素子を２個直列接続したハーフブリッジを構成し、このハーフブリッジを少なくとも２組とし、この各ハーフブリッジを並列接続してフルブリッジとし、前記各半導体素子を導通制御することで電力変換する電力変換器の主回路と、
前記各半導体素子を各々搭載するものであって各々に水を流通可能にする２系統の水流通路を有する複数の水冷フィンと、
前記主回路の半導体素子の中で回路動作的に対称となる半導体素子が搭載された前記水冷フィンに有する水流通路の一端側同士を連結した接続路体と、
前記主回路の半導体素子の中で回路動作的に対称となる半導体素子が搭載された前記水冷フィンに有する水流通路の他端側間であって水の流通方向が互いに逆となるように接続した給水系及び排水系と
を具備したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
モジュール型半導体素子を２個直列接続したハーフブリッジを構成し、このハーフブリッジを少なくとも２組とし、この各ハーフブリッジを並列接続してフルブリッジとし、前記各半導体素子を導通制御することで電力変換する電力変換器の主回路と、
前記各ハーフブリッジのうち上アーム側の半導体素子を全てその一枚に搭載するものであって、各半導体素子に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した上アーム側水冷フィンと、
前記各ハーフブリッジのうち下アーム側の半導体素子を全てその一枚に搭載するものであって、各半導体素子に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した下アーム側水冷フィンと、
前記上アーム側水冷フィン及び前記下アーム側水冷フィンに有する２系統の水流通路の一端側同士をそれぞれ連結した接続路体と、
前記上アーム側水冷フィン及び前記下アーム側水冷フィンに有する２系統の水流通路の他端側間であって水の流通方向が互いに逆となるように接続した給水系及び排水系と
を具備したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
モジュール型半導体素子を２個直列接続したハーフブリッジを構成し、このハーフブリッジを少なくとも２組とし、この各ハーフブリッジを並列接続してフルブリッジとし、前記各半導体素子を導通制御することで電力変換する電力変換器の主回路と、
前記各ハーフブリッジのうち上アーム側の半導体素子を全てその一枚に搭載するものであって、各半導体素子に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した上アーム側水冷フィンと、
前記各ハーフブリッジのうち下アーム側の半導体素子を全てその一枚に搭載するものであって、各半導体素子に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した下アーム側水冷フィンと、
前記上アーム側水冷フィンに有する２系統の水流通路の端部と、前記下アーム側水冷フィンに有する２系統の水流通路の端部同士を接続し、この各接続部に接続するものであって、水の流通方向が互いに逆となるように接続した給水系及び排水系と
を具備したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
前記各半導体素子は、モジュール型半導体素子を複数個並列接続した半導体素子並列回路としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記ハーフブリッジの半導体素子の接続点に電気的及び又は磁気的に結合するための結合手段を接続したことを特徴とする請求項３又は４に記載の電力変換装置。
【請求項７】
モジュール型半導体素子を２個直列接続した第１の素子直列回路を構成し、モジュール型半導体素子を２個直列接続した第２の素子直列回路を構成し、前記第１及び第２の素子直列回路を直列接続し、前記第１の素子直列回路の半導体素子の接続点と前記第２の素子直列回路の半導体素子の接続点間に第１及び第２のクランプダイオードを直列接続してハーフブリッジを構成し、このハーフブリッジを少なくとも１組とし、前記各半導体素子を導通制御することで電力変換する３レベルの電力変換器の主回路と、
前記第１の素子直列回路及び前記第１のクランプダイオードをその一枚に搭載するものであって、前記第１の素子直列回路の半導体素子及び前記第１のクランプダイオードの各々に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した正側水冷フィンと、
前記第２の素子直列回路及び前記第２のクランプダイオードをその一枚に搭載するものであって、前記第２の素子直列回路の半導体素子及び前記第２のクランプダイオードの各々に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した負側水冷フィンと、
前記正側水冷フィン及び前記負側水冷フィンに有する２系統の水流通路の一端側をそれぞれ連結した接続路体と、
前記正側水冷フィン及び前記負側水冷フィンに有する２系統の水流通路の他端側間であって水の流通方向が互いに逆となるように接続した給水系及び排水系と
を具備したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
モジュール型半導体素子を２個直列接続した第１の素子直列回路を構成し、モジュール型半導体素子を２個直列接続した第２の素子直列回路を構成し、前記第１及び第２の素子直列回路を直列接続し、前記第１の素子直列回路の半導体素子の接続点と前記第２の素子直列回路の半導体素子の接続点間に第１及び第２のクランプダイオードを直列接続してハーフブリッジを構成し、このハーフブリッジを少なくとも１組とし、前記各半導体素子を導通制御することで電力変換する３レベルの電力変換器の主回路と、
前記第１の素子直列回路及び前記第１のクランプダイオードをその一枚に搭載するものであって、前記第１の素子直列回路の半導体素子及び前記第１のクランプダイオードの各々に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した正側水冷フィンと、
前記第２の素子直列回路及び前記第２のクランプダイオードをその一枚に搭載するものであって、前記第２の素子直列回路の半導体素子及び前記第２のクランプダイオードの各々に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した負側水冷フィンと、
前記正側水冷フィンに有する２系統の水流通路の端部と、前記負側水冷フィンに有する２系統の水流通路の端部同士を接続し、この各接続部に接続するものであって、水の流通方向が互いに逆となるようにした給水系及び排水系と
を具備したことを特徴と電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モジュール型半導体素子で構成される電力変換装置に係り、特に水冷構造を改良した電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）に代表されるモジュール型半導体素子の高圧・大電流化によって、従来は圧接型半導体素子が適用されていた比較的大容量な電力変換装置にもその適用が拡大している。大容量の電力変換装置では回路動作に伴って発生する損失も大きくなるため、水冷方式が採用されている。
【０００３】
ところで、一般的な２レベル方式や３レベル方式のインバータ回路では、正側素子と負側素子は回路動作的に対称となり、素子特性が全く同じであれば発生損失も同じになる。
【０００４】
オン電圧やスイッチング損失などの半導体素子特性は、所定の仕様に対して一定の範囲でばらついている。当該素子を複数個適用する電力変換回路においても、特に意図しない限り回路動作的に対称な位置の素子特性が全く同じになる可能性は極めて低い。
【特許文献１】特許３７２９１１７号公報（第６頁，第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、モジュール型半導体素子で構成される３レベルインバータの水冷方式が提案されている。これは、３ レベルインバータ（ コンバータ）においては、中性点を対称にＰ側実装の電力変換素子とＮ側実装の電力変換素子が同じ電力損失を発生することに着目し、電力変換素子を冷却する水冷式ヒートシンクをＰ側実装の電力変換素子用とＮ 側実装の電力変換素子用の２つに分割し、分割したヒートシンクを個別の冷却系統により冷却するようにした構成が記載されている。
【０００６】
具体的には、正側の３素子と負側の３素子は、２枚の水冷フィンにそれぞれ実装される。これは、例えばインバータのＵ相のヒートシンク構成は、Ｐ側実装の電力変換素子を冷却する第１のヒートシンクと、Ｎ側実装の電力変換素子を冷却する第２のヒートシンクと、それぞれを主配水管と接続する１組の入出力部より構成されている。
【０００７】
第１のヒートシンクには、Ｐ側のモジュール形の電力変換素子 とＰ側のモジュール形のクランプダイオードが実装されている。第２のヒートシンクには、Ｎ側のモジュール形の電力変換素子とＮ側のモジュール型のクランプダイオード が実装されている。Ｐ側実装の電力変換素子をひとつのグループと考え第１のヒートシンクで冷却する。Ｎ側実装の電力変換素子をひとつのグループを考え第２のヒートシンクで冷却するものである。
【０００８】
このため、従来のＰ側実装の電力変換素子と、Ｎ側実装の電力変換素子を分けずに、これらの素子を一体の水冷式ヒートシンクに搭載するものに比べ、ヒートシンクの冷却面の温度偏差を低減できるため、電力変換装置の小形化等を実現できる。
【０００９】
通常、正側素子と負側素子の発生損失は同じと仮定し、各水冷フィンの冷却水量は同じになるように設計される。ここで、正側または負側の３素子の合計損失をＰ（ワット）、各水冷フィンの冷却水流量をＱ（リットル／分）、各水冷フィンの水出入口における水温差をΔＴ（ケルビン）とすると、ΔＴは次式で表される。
【００１０】
ΔＴ＝ｋ×Ｐ／Ｑ  ［ｋは定数］
前述したように、素子特性にはばらつきがあるため、正側および負側の３素子の合計損失Ｐが同じになる可能性は低く、結果として、正側ΔＴと負側ΔＴに差が生じることになる。この温度差が半導体素子の温度特性に影響し、正側と負側の損失差（温度差）が更に大きくなる可能がある。
【００１１】
特に、１枚の水冷フィンに複数の半導体素子が実装される場合、３個中２個の特性が正側と負側で揃っていたとしても、残る１個の特性差によって温度差が生じ、他の２素子へもその影響が波及する可能性がある。
【００１２】
なお、上記を回避するために意図的に素子特性を揃えることは、一般的にコストアップに繋がる。
【００１３】
このようことから、特許文献１の水路構造では温度勾配が生じることが考えられる。
【００１４】
しかし、当該水路構造を適用した場合であっても、正側および負側の３素子のそれぞれの合計損失が異なれば、前述した問題は同様に発生するものと思われる。
【００１５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、温度による半導体素子の特性変化が同じになり、半導体素子の責務が同じにな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】
【００１６】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、モジュール型半導体素子を２個直列接続したハーフブリッジを構成し、このハーフブリッジを少なくとも１組とし、前記各半導体素子を導通制御することで電力変換する電力変換器の主回路と、
前記各半導体素子を各々搭載するものであって各々に水を流通可能にする２系統の水流通路を有する複数の水冷フィンと、
前記主回路の半導体素子の中で回路動作的に対称となる半導体素子が搭載された前記水冷フィンに有する水流通路の一端側同士を連結した接続路体と、
前記主回路の半導体素子の中で回路動作的に対称となる半導体素子が搭載された前記水冷フィンに有する水流通路の他端側間であって水の流通方向が互いに逆となるように接続した給水系及び排水系と
を具備したことを特徴とする電力変換装置である。
【００１７】
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、モジュール型半導体素子を２個直列接続したハーフブリッジを構成し、このハーフブリッジを少なくとも２組とし、この各ハーフブリッジを並列接続してフルブリッジとし、前記各半導体素子を導通制御することで電力変換する電力変換器の主回路と、
前記各半導体素子を各々搭載するものであって各々に水を流通可能にする２系統の水流通路を有する複数の水冷フィンと、
前記主回路の半導体素子の中で回路動作的に対称となる半導体素子が搭載された前記水冷フィンに有する水流通路の一端側同士を連結した接続路体と、
前記主回路の半導体素子の中で回路動作的に対称となる半導体素子が搭載された前記水冷フィンに有する水流通路の他端側間であって水の流通方向が互いに逆となるように接続した給水系及び排水系と
を具備したことを特徴とする電力変換装置である。
【００１８】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、モジュール型半導体素子を２個直列接続したハーフブリッジを構成し、このハーフブリッジを少なくとも２組とし、この各ハーフブリッジを並列接続してフルブリッジとし、前記各半導体素子を導通制御することで電力変換する電力変換器の主回路と、
前記各ハーフブリッジのうち上アーム側の半導体素子を全てその一枚に搭載するものであって、各半導体素子に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した上アーム側水冷フィンと、
前記各ハーフブリッジのうち下アーム側の半導体素子を全てその一枚に搭載するものであって、各半導体素子に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した下アーム側水冷フィンと、
前記上アーム側水冷フィン及び前記下アーム側水冷フィンに有する２系統の水流通路の一端側同士をそれぞれ連結した接続路体と、
前記上アーム側水冷フィン及び前記下アーム側水冷フィンに有する２系統の水流通路の他端側間であって水の流通方向が互いに逆となるように接続した給水系及び排水系と
を具備したことを特徴とする電力変換装置である。
【００１９】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、モジュール型半導体素子を２個直列接続したハーフブリッジを構成し、このハーフブリッジを少なくとも２組とし、この各ハーフブリッジを並列接続してフルブリッジとし、前記各半導体素子を導通制御することで電力変換する電力変換器の主回路と、
前記各ハーフブリッジのうち上アーム側の半導体素子を全てその一枚に搭載するものであって、各半導体素子に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した上アーム側水冷フィンと、
前記各ハーフブリッジのうち下アーム側の半導体素子を全てその一枚に搭載するものであって、各半導体素子に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した下アーム側水冷フィンと、
前記上アーム側水冷フィンに有する２系統の水流通路の端部と、前記下アーム側水冷フィンに有する２系統の水流通路の端部同士を接続し、この各接続部に接続するものであって、水の流通方向が互いに逆となるように接続した給水系及び排水系と
を具備したことを特徴とする電力変換装置である。
【００２０】
前記目的を達成するため、請求項７に対応する発明は、モジュール型半導体素子を２個直列接続した第１の素子直列回路を構成し、モジュール型半導体素子を２個直列接続した第２の素子直列回路を構成し、前記第１及び第２の素子直列回路を直列接続し、前記第１の素子直列回路の半導体素子の接続点と前記第２の素子直列回路の半導体素子の接続点間に第１及び第２のクランプダイオードを直列接続してハーフブリッジを構成し、このハーフブリッジを少なくとも１組とし、前記各半導体素子を導通制御することで電力変換する３レベルの電力変換器の主回路と、
前記第１の素子直列回路及び前記第１のクランプダイオードをその一枚に搭載するものであって、前記第１の素子直列回路の半導体素子及び前記第１のクランプダイオードの各々に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した正側水冷フィンと、
前記第２の素子直列回路及び前記第２のクランプダイオードをその一枚に搭載するものであって、前記第２の素子直列回路の半導体素子及び前記第２のクランプダイオードの各々に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した負側水冷フィンと、
前記正側水冷フィン及び前記負側水冷フィンに有する２系統の水流通路の一端側をそれぞれ連結した接続路体と、
前記正側水冷フィン及び前記負側水冷フィンに有する２系統の水流通路の他端側間であって水の流通方向が互いに逆となるように接続した給水系及び排水系と
を具備したことを特徴とする電力変換装置である。
【００２１】
前記目的を達成するため、請求項８に対応する発明は、モジュール型半導体素子を２個直列接続した第１の素子直列回路を構成し、モジュール型半導体素子を２個直列接続した第２の素子直列回路を構成し、前記第１及び第２の素子直列回路を直列接続し、前記第１の素子直列回路の半導体素子の接続点と前記第２の素子直列回路の半導体素子の接続点間に第１及び第２のクランプダイオードを直列接続してハーフブリッジを構成し、このハーフブリッジを少なくとも１組とし、前記各半導体素子を導通制御することで電力変換する３レベルの電力変換器の主回路と、
前記第１の素子直列回路及び前記第１のクランプダイオードをその一枚に搭載するものであって、前記第１の素子直列回路の半導体素子及び前記第１のクランプダイオードの各々に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した正側水冷フィンと、
前記第２の素子直列回路及び前記第２のクランプダイオードをその一枚に搭載するものであって、前記第２の素子直列回路の半導体素子及び前記第２のクランプダイオードの各々に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した負側水冷フィンと、
前記正側水冷フィンに有する２系統の水流通路の端部と、前記負側水冷フィンに有する２系統の水流通路の端部同士を接続し、この各接続部に接続するものであって、水の流通方向が互いに逆となるようにした給水系及び排水系と
を具備したことを特徴と電力変換装置である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、半導体素子の冷却条件を揃えることで、温度による半導体素子の特性変化が同じになり、半導体素子の責務が同じになる電力変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
<第１の実施形態>
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。図１は、電力変換器例えば３相２レベルインバータの主回路を示す図であり、これは半導体素子本体と、これをパッケージ化した容器からなるモジュール型半導体素子(以下半導体素子と称する)を、６個次のようにしたものである。ここでは、半導体素子としてＩＧＢＴを使用した例を示している。
【００２４】
６個の半導体素子Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２を、Ｕ１―Ｕ２、Ｖ１―Ｖ２、Ｗ１―Ｗ２というようにそれぞれを直列接続してハーフブリッジとしたもの(図１の破線で囲った部分の一つ)を、並列接続してフルブリッジとし、直流電源が接続される入力端子間に直流コンデンサＣＤを接続し、Ｕ１とＵ２、Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２の接続点を交流出力端子としたものである。なお、図１には、直流短絡保護用ヒューズなどは省略してあるが、実際の回路には設けることは言うまでもない。
【００２５】
このような構成において、各半導体素子を図示しない制御回路により導通制御することで直流電力を交流電力に変換することが可能である。
【００２６】
図２は、本発明の第１の実施形態を説明するための概略構成図(模式図)であり、図１の半導体素子Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２を、それぞれ水冷フィンに搭載させ、各
水冷フィンに有する水流通路内に冷却水が流通できるように構成したものである。この場合、水冷フィンは、水冷フィン本体１１と、水冷フィン本体１１に例えば蛇腹状に形成した水流通路３１、４１を並設し、水流通路３１、４１の端部には接続具３１１、３１２、４１１、４１２を設けたものである。水冷フィン本体２１に、例えば蛇腹状に形成した水流通路５１、６１を並設し、水流通路５１、６１の端部には接続具５１１、５１２、６１１、６１２を設けたものである。そして、接続具４１２と６１２の間、接続具３１２と５１２の間にそれぞれ接続路体１０１、１０２をそれぞれ接続したものである。
【００２７】
また、このような水流通路３１、４１、５１、６１の内部に冷却水を流通させるために、給水系７例えば給水パイプ及び排水系８例えば排水パイプと、給水系７及び排水系８の端部に設けられている給水接続具７１、７４及び排水接続具８１、８４と、補助接続路体１１１、１１２、１１３、１２０を以下のように接続したものである。７１と３１１の間、１１１と６１１の間、４１１と８１の間、５１１と８４の間に、それぞれ補助接続路体１１１、１１２、１１３、１２０を接続したものである。
【００２８】
以上述べた構成は、水流通路３１―５１の間、４１―６１の間の冷却水の流通経路であり、これにより半導体素子Ｕ１、Ｕ２が冷却可能となる。具体的には、冷却水の流通経路のうちの第１は７−７１―１１２―３１１―３１―３１２−１０２−５１２−５１―５１１−１２０−８４−８からなる流通経路である。冷却水の流通経路のうちの第２は、７−７４―１１１―６１１―６１―６１２−１０１−４１２−４１―４１１−１１３−８１−８からなる流通経路である。第１の冷却水の流通経路と、第２の冷却水の流通経路は、水の流通方向が互いに逆になるように構成されている。
【００２９】
半導体素子Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２をそれぞれ冷却可能とする構成は、前述の半導体素子Ｕ１、Ｕ２を冷却可能とする構成と同様に構成されている。具体的には、水冷フィン本体１２、１３、２２、２３にも、水流通路３２、４２、３３、４３、５２、６２、５３、６３をそれぞれ並設したものである。各水流通路の端部には、それぞれ接続具３２１、３２２、４２１、４２２、３３１、３３２、４３１、４３２、５２１、５２２、６２１、６２２、５３１、５３２、６３１、６３２を設けたものである。給水系７に給水接続具７２、７３、７５、７６が設けられ、また排水系８に排水接続具８２、８３、８５、８６が設けられている。また、主回路の半導体素子の中で回路動作的に対称となる半導体素子が搭載された水冷フィンに有する水流通路の一端側同士を連結する接続路体１０３、１０４、１０５、１０６と、補助接続路体１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９とを備え、これらは図２のように接続されている。
【００３０】
この結果、水流通路３２―５２の間、４２―６２の間の冷却水の流通経路、及び水流通路３３―５３の間、４３―６３の間の冷却水の流通経路が構成され、これにより半導体素子Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２が冷却可能となる。このうち半導体素子Ｖ１とＶ２に対応する、冷却水の流通経路のうちの第１は７−７２―１１５―３２１―３２―３２２−１０４−５２２−５２―５２１−１２１−８５−８からなる流通経路である。また、冷却水の流通経路のうちの第２は、７−７５―１１４―６２１―６２―６２２−１０３−４２２−４２―４２１−１１６−８２−８からなる流通経路である。
【００３１】
また、半導体素子Ｗ１とＷ２に対応する、冷却水の流通経路のうちの第１は７−７３―１１８―３３１―３３―３３２−１０６−５３２−５３―５３１−１２２−８６−８からなる流通経路である。また、冷却水の流通経路のうちの第２は、７−７６―１１７―６３１―６３―６３２−１０５−４３２−４３―４３１−１１９−８３−８からなる流通経路である。
【００３２】
以上述べたように、Ｕ１とＵ２、Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２にそれぞれ対応する第１の冷却水の流通経路と、第２の冷却水の流通経路は、水の流通方向が互いに逆になるように構成されている。この結果、各半導体素子の冷却条件が揃えられることで、温度による半導体素子の特性変化が同じになり、半導体素子の責務が同じになる電力変換装置を提供することができる。
【００３３】
この本発明の効果を、図３に示す従来技術による水冷方式との比較によって説明する。
【００３４】
ＩＧＢＴモジュールＵ１の損失をＰ１（ワット）、Ｕ２の損失をＰ２（ワット）とする。なお、１水路あたりの流量はＱ（リットル／分）とする。
【００３５】
図３に示す水冷方式の場合、Ｕ１側水冷フィンの水出入口における水温差ΔＴ１（ケルビン）とＵ２側の水温差ΔＴ２（ケルビン）はそれぞれ以下となる。
【００３６】
ΔＴ１＝ｋ×Ｐ１／Ｑ
ΔＴ２＝ｋ×Ｐ２／Ｑ
つまり、損失差によって温度差が生じる。
【００３７】
これに対して、本発明の第１の実施形態を示す図２の水冷方式の場合、２水路合計２Ｑ（リットル／分）で合計損失Ｐ１＋Ｐ２（ワット）を、また１水路Ｑ（リットル／分）あたり（Ｐ１＋Ｐ２）／２（ワット）の損失を処理することになる。したがって、２つの水冷フィンとも、水出入口（母管との接続点）における水温差は以下となる。
【００３８】
ΔＴ１＝ΔＴ２＝ｋ×（Ｐ１＋Ｐ２）／２／Ｑ
つまり、損失差が平均化され、温度差は生じない。
【００３９】
<第２の実施形態>
図４は、図１に示す３相２レベルインバータの上アームの半導体素子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１と、下アームの半導体素子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２をそれぞれ水冷フィン本体１０、２０にそれぞれ実装し、水冷フィン本体１０、２０に、各半導体素子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１に対応して水を流通可能にする２系統の蛇腹状の水流通路３０、４０を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した上アーム側水冷フィンとした例である。
【００４０】
具体的にはハーフブリッジのうち上アーム側の半導体素子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１を全てその一枚の水冷フィン本体１０に搭載するものであって、各半導体素子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１に対応して水を流通可能にする２系統の蛇腹状の水流通路３０、４０を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した上アーム側水冷フィンと、下アーム側の半導体素子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２を全てその一枚の水冷フィン本体２０に搭載するものであって、各半導体素子に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路５０、６０を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した下アーム側水冷フィンと、上アーム側水冷フィン及び下アーム側水冷フィンに有する２系統の水流通路３０、４０、５０、６０の一端側にそれぞれ有する接続具３０２と５０２の間、又は接続具４０２と６０２の間にそれぞれ連結した接続路体１２５、１２６と、上アーム側水冷フィン本体１０及び下アーム側水冷フィン本体２０に有する２系統の水流通路３０、４０、５０、６０の他端側(接続具４０２、６０２と接続路体１２５、１２６を有する側と反対側)間であって水の流通方向が互いに逆となるように接続した給水系７及び排水系８とを具備したものである。
【００４１】
具体的には、水流通路３０、４０、５０、６０の他端側にそれぞれ有する接続具３０１、４０１、５０１、６０１と、給水系７に有する接続具７１、７４及び排水系８に有する接続具８１、８４とを備え、給水系７の端部に設けられている給水接続具７１、７４及び排水系８の端部に設けられている排水接続具８１、８４と、接続具７１―３０１の間、接続具７４―６０１の間、接続具４０１−８１の間、接続具５０１−８４の間にそれぞれ接続する補助接続路体１１１、１１２、１１３、１２０を具備している。
【００４２】
半導体素子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２に対応する、冷却水の流通経路のうちの第１は７−７１―３０１―３０―３０２―１２６−５０２−５０−５０１―１２０−８４−８からなる流通経路である。また、半導体素子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２に対応する、冷却水の流通経路のうちの第２は、７−７４―１１１―６０１―６０２―１２５−４０２−４０−４０１―１１３−８１−８からなる流通経路である。
【００４３】
以上述べた第２の実施形態において、半導体素子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２に対応する、第１の冷却水の流通経路と、第２の冷却水の流通経路は、水の流通方向が互いに逆になるように構成されている。この結果、各半導体素子の冷却条件が揃えられることで、温度による半導体素子の特性変化が同じになり、半導体素子の責務が同じになる電力変換装置を提供することができる。
【００４４】
図４の場合、給水系７と排水系８の接続具７１、７４、８１、８４おける水温差は以下となる。
【００４５】
ΔＴ１＝ΔＴ２
＝ｋ×（Ｐｕ１＋Ｐｖ１＋Ｐｗ１＋Ｐｕ２＋Ｐｖ２＋Ｐｗ２）／２／Ｑ
つまり、損失差が平均化され、温度差は生じない。
【００４６】
<第３の実施形態>
図５は、図１の各半導体素子Ｕ１及びＵ２を、各々例えばＩＧＢＴモジュール型半導体素子を複数個並列接続した半導体素子並列回路ＵＡ、ＵＢとし、半導体素子並列回路ＵＡ、ＵＢをそれぞれ水冷フィン本体１０、２０に搭載させたものである。
【００４７】
Ｕ相上下アームをそれぞれ３個のＩＧＢＴモジュールの並列接続によって構成した例である。並列接続されるＩＧＢＴモジュールは、電気的にも熱的にも同一条件で動作させるべきである。これを満足させるために、図４の水冷方式を適用することによって、並列接続間および上下アーム間の熱的な条件が均等化される。
【００４８】
図６は、ハーフブリッジの半導体素子の接続点に電気的及び又は磁気的に結合するための結合手段２２０を接続したものである。このように上下アーム単位での並列接続においても、図５と同様の効果が見込める。
【００４９】
<第４の実施形態>
図７は３レベルインバータの基本回路構成を示すもので、図の破線で囲まれている部分はハーフブリッジを示しており、図８は図７の構成を図４の構成した実施形態を示す概略構成図である。
【００５０】
半導体素子Ｑ１、Ｑ２を２個直列接続した第１の素子直列回路を構成し、半導体素子Ｑ３、Ｑ４を２個直列接続した第２の素子直列回路を構成し、第１及び第２の素子直列回路を直列接続し、第１の素子直列回路の半導体素子の接続点と第２の素子直列回路の半導体素子の接続点間に第１及び第２のクランプダイオードＤ１、Ｄ２を直列接続してハーフブリッジを構成し、このハーフブリッジを少なくとも１組とし、各半導体素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を導通制御することで電力変換する３レベルの電力変換器の主回路と、第１の素子直列回路及び前記第１のクランプダイオードをその水冷フィン本体０１の一枚に搭載するものであって、第１の素子直列回路の半導体素子及び第１のクランプダイオードＤ１の各々に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路０３、０４を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した正側水冷フィンと、第２の素子直列回路及び前記第２のクランプダイオードＤ２を水冷フィン本体０２の一枚に搭載するものであって、第２の素子直列回路の半導体素子及び第２のクランプダイオードＤ２の各々に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路０５、０６を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した負側水冷フィンと、正側水冷フィン及び前記負側水冷フィンに有する２系統の水流通路の一端側をそれぞれ連結した接続路体０７、０８と、正側水冷フィン及び負側水冷フィンに有する２系統の水流通路の他端側間であって水の流通方向が互いに逆となるように接続した給水系７及び排水系８とを具備したものである。
【００５１】
ここで、接続路体０７、０８が存在しない側の構成について説明する。水流通路０３、０４、０５、０６の他端側にそれぞれ有する接続具０３１、０４１、０５１、０６１と、給水系７に有する接続具７１、７４及び排水系８に有する接続具８１、８４とを備え、給水系７の端部に設けられている給水接続具７１、７４及び排水系８の端部に設けられている排水接続具８１、８４と、接続具７１―０３１の間、接続具７４―６０１の間、接続具４０１−８１の間、接続具０５１−８４の間にそれぞれ接続する補助接続路体０７１、０７２、０８１、０８２を具備している。
【００５２】
半導体素子Ｑ１、Ｄ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｄ２、Ｑ４に対応する、冷却水の流通経路のうちの第１は７−７１―０３１―０３―０３２―０８−０５２−０５−０５１―０７２−８４−８からなる流通経路である。また、半導体素子Ｑ１、Ｄ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｄ２、Ｑ４に対応する、冷却水の流通経路のうちの第２は、７−７４―０８２―０６１―０６―０６２−０７−０４２−０４１―０７１−８１−８からなる流通経路である。
【００５３】
３レベルインバータにおいて回路動作的に対称となる素子の組は、Ｑ１とＱ４、Ｄ１とＤ２、Ｑ２とＱ３の３組である。
【００５４】
図８は正側の３素子Ｑ１、Ｄ１、Ｑ２と、負側の３素子Ｑ４、Ｄ２、Ｑ３をそれぞれ水冷フィン本体０１、０２に実装した例である。発生損失が大きく、冷却能力が不足する場合は図２と同様に各モジュールを個別冷却しても良い。
【００５５】
なお、冷却能力を向上する手段としては、図８のような結合を解除し、母管から冷却水を取り入れることが考えられる。
【００５６】
図９は、冷却能力を向上させるために、図８の給水系７と、排水系８と、水流通路０３、０４、０５、０６の関係を次の変更したものである。すなわち、第１の素子直列回路及び第１のクランプダイオードＤ１をその一枚に搭載するものであって、第１の素子直列回路の半導体素子及び前記第１のクランプダイオードＤ１の各々に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路０３、０４を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した正側水冷フィン本体０１と、第２の素子直列回路及び第２のクランプダイオードＤ２をその一枚に搭載するものであって、前記第２の素子直列回路の半導体素子及び前記第２のクランプダイオードの各々に対応して水を流通可能にする２系統の水流通路を有し、かつこの水流通路のうち隣接する水流通路同士を接続した負側水冷フィン本体０２と、  正側水冷フィン本体０１に有する２系統の水流通路０３、０４の端部と、前記負側水冷フィンに有する２系統の水流通路０５、０６の端部同士を接続し、この各接続部に接続するものであって、水の流通方向が互いに逆となるようにした給水系７及び排水系８と、補助接続路体０８１、０８２、０８３、０８４、０７１、０７２、０７３，０７４を備えたものである。
【００５７】
具体的には、７−７１−０８１−０３１−０３−０３２−０８４−８３−８の経路と、
７−７４−０８２−０６１−０６−０６２−０８３−８６−８の経路と、７−７３−０７４−０４２−０４−０４１−０７１−８１−８の経路と、７−７６−０７３−０５２−０５−０５１−０７２−８４−８の経路とが形成されるようにしたものである。
【００５８】
図８のようにした構成では結合時の合計流量は２Ｑ（リットル／分）であったが、図９では４Ｑ（リットル／分）になる。ただし、この方策では２つの水冷フィン間で温度差が生じることになる。
【００５９】
<変形例>
前述した図４の実施形態では、水流通路４０の接続具４０２と水流通路６０の接続具６０２との間に接続路体１２５を接続し、また水流通路３０の接続具３０２と水流通路５０の接続具５０２との間に接続路体１２６を接続したが、これを図９のようにしてもよい。具体的には、図９の水流通路０４の接続具０４２と給水系７の給水接続具７３との間を補助接続路体０７４で接続し、給水系７の給水接続具７６と水流通路０５の接続具０５２との間に補助接続路体０７３で接続し、水流通路０３の接続具０３２と排水系８の排水接続具８３との間を補助接続路体０８４で接続し、水流通路０６の接続具０６２と排水系８の排水接続具８６との間を補助接続路体０８３で接続するようにしてもよい。これ以外の点は、図４と同じである。このようにすることにより、図９の実施形態と同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明が適用される３相２レベルインバータの主回路構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態を説明するための概略構成図。
【図３】図２の作用効果を説明するための図。
【図４】本発明の第２の実施形態を説明するための概略構成図。
【図５】本発明の第３の実施形態を説明するための概略構成図。
【図６】図５の第３の実施形態の変形例を説明するための概略構成図。
【図７】本発明が適用される３相３レベルインバータの主回路構成図。
【図８】本発明の第４の実施形態を説明するための概略構成図。
【図９】図８の第４の実施形態の変形例を説明するための概略構成図。
【符号の説明】
【００６１】
０１…正側水冷フィン本体、０２…負側水冷フィン本体、０３、０４、０５、０６…水流通路、０７、０８…接続路体、０３１、０４１…接続具、０５１、０５２、０６１、０６２…接続具、０７１、０７２、０７３、０８１、０８２、０８３…補助接続路体、７…給水系、８…排水系、１０…上アーム側水冷フィン本体、１１、１２、１３、２１、２２、２３…水冷フィン本体、２０…下アーム側水冷フィン本体、３０、３１、３２、３３、４０、４１、４２、４３、５０、５１、６０、６１…水流通路、７１、７２、７３、７４、７５、７６…給水接続具、８１、８２、８３、８４、８５、８６…排水接続具、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６…接続路体、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９、１２０，１２１、１２２…補助接続路体、１２５、１２６…接続路体、２２０…結合手段、３０１、４０１…接続具、３０２…接続具、３１１、３１２、３２１、３２２、４０１…接続具、４０１、４０２、４１２、５０１、５１１、５１２…接続具。
【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】
2007259672.tif 000009
【図８】
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【図９】
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