JP2006262623A - 電力変換ユニットおよび電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンバータユニットおよびインバータユニットと電解コンデンサとの間の配線インダクタンスを低減することができ、また複数個の電力変換ユニットの通風路における圧力損失がほぼ均等になるように構成できる電力変換ユニットおよび電力変換装置を提供する。
【解決手段】 それぞれヒートシンク２５の片面に複数個の半導体素子２６を実装したコンバータユニット２２とインバータユニット２３を、半導体素子２６を実装した面を対向させて配置する。これらユニット２２，２３の間に複数個の電解コンデンサ２４を、電極が互い違いとなるように配置し、各ユニット２２，２３の半導体素子２６と電解コンデンサ２４を導体により接続して構成し、スナバー回路を省略する。このような構成を有する電力変換ユニット２１を複数個、筐体内に収納して電力変換装置を構成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、配線インダクタンスを低減した電力変換ユニットおよびその電力変換ユニットを複数個用いた電力変換装置に関するものである。

電力変換装置として、特許文献１に記載されているようなコンバータユニットおよびインバータユニットを備えたものがある。図１７はコンバータユニットおよびインバータユニットを備えた電力変換ユニットを複数個用いた一般的な電力変換装置の概略回路図である。図１８は一般的な電力変換ユニットの詳細回路図である。図１９ないし図２２はそれぞれ、従来の電力変換ユニットを示す平面図、正面図、側面図、斜視図である。図２３および図２４はそれぞれ、電力変換ユニットを収納した従来の電力変換装置を示す正面図および側面図である。

図１７ないし図２４を用いて従来の電力変換ユニットおよび電力変換装置の構成を説明する。図１７に示すように、電力変換ユニット１は、ＵＰＳのような商用電源２からの電力をコンバータユニット３により直流に変換し、この直流電力をインバータユニット４により交流に変換して交流出力５へ供給するようになっている。また商用電源２の停電時に蓄電池等の直流電源６から電解コンデンサ７を介してインバータユニット４により逆変換し、交流出力５へ供給するようになっている。このような電力変換ユニット１は、複数個組み合わされて電力変換装置が構成される。

順変換するコンバータユニット３と逆変換するインバータユニット４は、図１８に示すように、複数個の半導体素子であるＩＧＢＴ８を並列接続して構成され、またＩＧＢＴ８のスイッチング時に発生するサージ電圧を抑えるためのスナバー回路がＩＧＢＴ８に並列に接続されている。スナバー回路は、スナバーダイオード９、スナバーコンデンサ１０およびスナバー抵抗１１で構成され、そのうちスナバーダイオード９とスナバーコンデンサ１０は、組み立て作業性を考慮して一体化したモジュール品１２が使用されている。またＩＧＢＴ８を保護するために各ＩＧＢＴ８に直列に保護用のヒューズ１３が挿入され、直流電源６側に接続された複数個の電解コンデンサ７にも保護用のヒューズ１３が挿入されている。

電力変換ユニット１は、図１９ないし図２２に示すように、それぞれヒートシンク１４の一面に複数個のＩＧＢＴ８を配置してコンバータユニット３およびインバータユニット４が構成され、ＩＧＢＴ８の上部にはＩＧＢＴ８を接続する導体が実装されている。その導体の上にはスナバー回路のモジュール品１２が配置され、スナバー回路のスナバー抵抗１１は、冷却する必要があることからヒートシンク１４の裏面に実装されている。ＩＧＢＴ８を保護するヒューズ１３は、ヒートシンク１４の導体上の片側に寄せて実装され、電解コンデンサ７を保護するヒューズ１３は、電解コンデンサ７の上方に実装され、導体を介して外部に引き出されている。

このような電力変換ユニット１は、図２３および図２４に示すように、複数個が筐体１５内に高さ方向に沿って収納配置され、筐体１５の天井部に設けた冷却ファン１６により吸気口１５ａから冷却風を取り入れて各電力変換ユニット１が冷却されるように構成されている。なお、複数個の電力変換ユニット１においては、冷却ファン１６から遠いほど圧力損失が大きくなり、冷却風量が少なくなるので、各電力変換ユニット１に対応させて補助的な冷却ファン１７を設けて冷却を強化する場合もある。
特開平１１−２７９３０号公報

上記の構成を有する電力変換ユニット１においては、保護用のヒューズ１３をヒートシンク１４上に実装していることにより、ＩＧＢＴ８と電解コンデンサ７との間の配線インダクタンスが増加し、このため、スナバー回路を設けてサージ電圧から保護する必要がある。しかもスナバー回路はモジュール品１２を取り付けているので、コンバータユニット３およびインバータユニット４のＩＧＢＴ８と電解コンデンサ７の間の配線インダクタンスを低減することが困難であった。

また電力変換装置においては、複数個の電力変換ユニット１を筐体１５内に収納する場合に、各電力変換ユニット１における圧力損失が均等になるように構成されていなかった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、コンバータユニットおよびインバータユニットと電解コンデンサとの間の配線インダクタンスを低減することができ、また複数個の電力変換ユニットを筐体に収納した場合において、各電力変換ユニットの通風路における圧力損失がほぼ均等になるように構成できる電力変換ユニットおよび電力変換装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明による電力変換ユニットは、それぞれヒートシンクの一面に複数個の半導体素子を実装したコンバータユニットとインバータユニットを、半導体素子を実装した面を対向させて配置するとともに、その間またはその下方に複数個の電解コンデンサを電極が互い違いとなるように配置して、コンバータユニットおよびインバータユニットの半導体素子と電解コンデンサを導体により接続して構成したことを特徴とする。

また本発明による電力変換装置は、それぞれヒートシンクの一面に複数個の半導体素子を実装したコンバータユニットとインバータユニットを、半導体素子を実装した面を対向させて配置するとともに、その間またはその下方に複数個の電解コンデンサを電極が互い違いとなるように配置して、コンバータユニットおよびインバータユニットの半導体素子と電解コンデンサを導体により接続して構成した電力変換ユニットを複数個、筐体内の幅方向、奥行き方向または高さ方向のいずれか一方向に沿って並べて配置し、各電力変換ユニットに対応させて冷却ファンを設けたことを特徴とする。

本発明の電力変換ユニットによれば、コンバータユニットおよびインバータユニットと電解コンデンサとの間の配線インダクタンスを低減することができ、保護用のヒューズやスナバ回路を設ける必要がなくなる。

また本発明の電力変換装置によれば、筐体に複数個の電力変換ユニットを収納する場合に、冷却ファンと吸気口の距離をほぼ同一にしたり、または距離がほぼ同一にできない場合には、各電力変換ユニットの配置位置を異ならせたり、あるいは通風路の途中に急縮小部を設けて抵抗を増やしたりする手段を用いることにより、圧力損失をほぼ均等にすることができ、各電力変換ユニットの冷却ファンによる風量をほぼ同一として電力変換装置の容量の拡大を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１ないし図４はそれぞれ、本発明による電力変換ユニットの第１の実施の形態を示す平面図、正面図、側面図、斜視図である。図１ないし図４において、電力変換ユニット２１は、コンバータユニット２２、インバータユニット２３および電解コンデンサ２４により構成され、保護用のヒューズおよびスナバー回路を省略している。コンバータユニット２２およびインバータユニット２３は、それぞれヒートシンク２５の一面に複数個の半導体素子であるＩＧＢＴ２６を配置し、これらＩＧＢＴ２６を各相ごとに導体２７で接続して構成されている。コンバータユニット２２およびインバータユニット２３は、ＩＧＢＴ２６を実装した面を対向させて配置され、これらユニット２２，２３間に複数個の電解コンデンサ２４が、それぞれの電極が互い違いになるように配置されてそれぞれ導体２７で接続されることにより、コンバータユニット２２およびインバータユニット２３と電解コンデンサ２４の間の距離が極力小さくなるように構成されている。なお、２７ａは交流入力部、２７ｂは直流入力部、２７ｃは交流出力部を示す。この結果、電力変換ユニット２１は、コンバータユニット２２およびインバータユニット２３の間の配線インダクタンスが低減されることになる。すなわち、従来の電力変換ユニット１の配線インダクタンスをＬ_１、本実施の形態で構成された電力変換ユニット２１の配線インダクタンスをＬ_２とすると、Ｌ_１＞Ｌ_２になる。同一のＩＧＢＴを使用した場合にＩＧＢＴのサージ電圧ΔＶは以下で表わされる。

ΔＶ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔ
ここで、ＩＧＢＴのサージ電圧ΔＶは、ΔＶ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔであるため、配線インダクタンスＬが小さくなれば、ＩＧＢＴのサージ電圧ΔＶが抑制される。したがってＩＧＢＴのサージ電圧も、従来（ΔＶ_１）と本実施の形態（ΔＶ_２）では、ΔＶ_１＞ΔＶ_２となり、本実施の形態において、保護用のヒューズやスナバ回路を省略したことによる不具合もなくなる。

図５ないし図８はそれぞれ、本発明による電力変換ユニットの第２の実施の形態を示す平面図、正面図、側面図、斜視図である。図５ないし図８において、本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、複数個の電解コンデンサ２４を、コンバータユニット２２とインバータユニット２３の間の下部に配置したところにある。コンバータユニット２２とインバータユニット２３は、それぞれ複数個のＩＧＢＴ２６をヒートシンク２５の一面に実装して各相毎に導体で接続し、ＩＧＢＴ２６を実装した面を対向させて配置されている。これらユニット２２，２３間の距離は極力小さくして、そのユニット２２，２３間の下部に電解コンデンサ２４の電極側が上下方向に位置するように配置して、各電解コンデンサ２４間を導体で接続し、さらにコンバータユニット２２およびインバータユニット２３と電解コンデンサ２４の隙間を極力小さくして、その間を導体で接続することにより、配線インダクタンスをさらに低減してＩＧＢＴ２６のサージ電圧を抑制するようにしたものである。

図９および図１０はそれぞれ、本発明による電力変換装置の第１の実施の形態を示す正面図および側面図である。本実施の形態は、図１ないし図４に示す本発明の電力変換ユニット２１を複数個（実施の形態では３個）、筐体２８の幅方向に並べて配置したものである。本実施の形態によれば、各電力変換ユニット２１における筐体２８の天井部に設けた冷却ファン２９と筐体２８の吸気口２８ａの距離をほぼ同一にすることができ、各電力変換ユニット２１の冷却ファン２９による風量をほぼ同一として電力変換装置の容量の拡大を図ることができる。なお、３０は仕切り板である。

図１１および図１２はそれぞれ、本発明による電力変換装置の第２の実施の形態を示す正面図および側面図である。本実施の形態は、図１ないし図４に示す本発明の電力変換ユニット２１を複数個、筐体２８の奥行き方向に並べて配置したものである。この場合、各電力変換ユニット２１を高さ方向の同じ位置に配置すると、筐体２８の正面に設けた吸気口２８ａと筐体２８の天井部に設けた冷却ファン２９との距離が同じにならないので、この場合には、各電力変換ユニット２１を並置方向に直交する方向（高さ方向）の位置を異ならせ、さらに各電力変換ユニット２１に対応させて冷却ファン２９の位置も異ならせるように構成したものである。これにより、各電力変換ユニット２１における冷却ファン２９と吸気口２８ａの通風路の圧力損失をほぼ同一にすることができ、各電力変換ユニット２１の冷却ファン２９による風量をほぼ同一として電力変換装置の容量の拡大を図ることができる。

図１３および図１４はそれぞれ、本発明による電力変換装置の第３の実施の形態を示す正面図および側面図である。本実施の形態は、図１ないし図４に示す本発明の電力変換ユニット２１を複数個、筐体２８内の高さ方向に並べて配置したものである。この場合、各電力変換ユニット２１を奥行き方向の同じ位置に配置すると、各電力変換ユニット２１における吸気口２８ａと冷却ファン２９との距離が同一にならないので、この場合には、各電力変換ユニット２１を並置方向に直交する方向（奥行き方向）の位置を異ならせ、さらに各電力変換ユニット２１に対応させて冷却ファン２９の位置も吸気口２８ａと反対側に寄せて配置する構成としたものである。これにより、各電力変換ユニット２１における冷却ファン２９と吸気口２８ａ間の通風路の圧力損失をほぼ同一にすることができ、各電力変換ユニット２１の冷却ファン２９による風量をほぼ同一とすることができる。

図１５および図１６はそれぞれ、本発明による電力変換装置の第４の実施の形態を示す正面図および側面図である。本実施の形態は、図１ないし図４に示す本発明の電力変換ユニット２１を複数個、筐体２８内の奥行き方向に並べて配置したものである。この場合、各電力変換ユニット２１を並置方向に直交する方向（高さ方向）の位置は同じとし、各電力変換ユニット２１における通風路の途中に急縮小部３１を設けて距離の短い通風路に対して通風抵抗を増やすことにより、各電力変換ユニット２１の冷却ファン２９による通風路の圧力損失をほぼ均等とするように構成したものである。

本発明による電力変換ユニットの第１の実施の形態を示す平面図。 本発明による電力変換ユニットの第１の実施の形態を示す正面図。 本発明による電力変換ユニットの第１の実施の形態を示す側面図。 本発明による電力変換ユニットの第１の実施の形態を示す斜視図。 本発明による電力変換ユニットの第２の実施の形態を示す平面図。 本発明による電力変換ユニットの第２の実施の形態を示す正面図。 本発明による電力変換ユニットの第２の実施の形態を示す側面図。 本発明による電力変換ユニットの第２の実施の形態を示す斜視図。 本発明による電力変換装置の第１の実施の形態を示す正面図。 本発明による電力変換装置の第１の実施の形態を示す側面図。 本発明による電力変換装置の第２の実施の形態を示す正面図。 本発明による電力変換装置の第２の実施の形態を示す側面図。 本発明による電力変換装置の第３の実施の形態を示す正面図。 本発明による電力変換装置の第３の実施の形態を示す側面図。 本発明による電力変換装置の第４の実施の形態を示す正面図。 本発明による電力変換装置の第４の実施の形態を示す側面図。 一般的な電力変換装置の概略回路図。 一般的な電力変換ユニットの詳細回路図。 従来の電力変換ユニットを示す平面図。 従来の電力変換ユニットを示す正面図。 従来の電力変換ユニットを示す側面図。 従来の電力変換ユニットを示す斜視図。 従来の電力変換装置を示す正面図。 従来の電力変換装置を示す側面図。

符号の説明

１，２１…電力変換ユニット
２…商用電源
３，２２…コンバータユニット
４，２３…インバータユニット
５…交流出力
６…直流電源
７，２４…電解コンデンサ
８，２６…ＩＧＢＴ
９…スナバーダイオード
１０…スナバーコンデンサ
１１…スナバー抵抗
１２…モジュール品
１３…ヒューズ
１４，２５…ヒートシンク
１５，２８…筐体
１５ａ，２８ａ…吸気口
１６，１７，２９…冷却ファン
２７…導体
２７ａ…交流入力部
２７ｂ…直流入力部
２７ｃ…交流出力部
３０…仕切り板
３１…急縮小部

Claims (6)

1. それぞれヒートシンクの一面に複数個の半導体素子を実装したコンバータユニットおよびインバータユニットを、半導体素子を実装した面を対向させて配置するとともに、その間に複数個の電解コンデンサを電極が互い違いとなるように配置して前記コンバータユニットおよびインバータユニットの半導体素子と前記電解コンデンサを導体により接続して構成したことを特徴とする電力変換ユニット。
2. それぞれヒートシンクの一面に複数個の半導体素子を実装したコンバータユニットおよびインバータユニットを、半導体素子を実装した面を対向させて配置するとともに、その間の下方に複数個の電解コンデンサを電極が互い違いとなるように配置して前記コンバータユニットおよびインバータユニットの半導体素子と前記電解コンデンサを導体により接続して構成したことを特徴とする電力変換ユニット。
3. 請求項１または２に記載の電力変換ユニットを複数個、筐体内の幅方向、奥行き方向または高さ方向のいずれか一方向に沿って並べて配置し、各電力変換ユニットに対応させて冷却ファンを設けて、各電力変換ユニットの圧力損失がほぼ均等になるように構成したことを特徴とする電力変換装置。
4. 各電力変換ユニットを、並置方向に直交する方向の位置を異ならせて配置したことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 複数個の冷却ファンを各電力変換ユニットに対応させて位置を異ならせて配置したことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
6. 電力変換ユニットの通風路の途中に急縮小部を設けて、各電力変換ユニットの圧力損失がほぼ均等になるように構成したことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。

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