JP3729117B2

JP3729117B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP3729117B2
Application number: JP2001317575A
Authority: JP
Inventors: 清隆小林; 寛永田; 高志伊君
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: JP2003134823A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モジュール形の電力変換素子を用いて構成された電力変換器に係わり、特に、３レベルインバータ（コンバータ）の水冷式ヒートシンク構造及びモジュール形の電力変換素子の配置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、交流を直流に変換するコンバータや直流を交流に変換するインバータなどの電力変換装置は交流電動機を駆動するのに採用されている。特に、近年は交流電動機を駆動するのに中性点クランプ型電力変換装置が多く用いられている。中性点クランプ（３レベル）型電力変換装置は、３レベルの電圧を出力するので高調波を低減できる等の利点があり、大型の交流電動機の駆動に多く用いられている。
【０００３】
一方、電力変換装置の大容量化のために、大容量電力変換素子による３レベルインバータ方式の採用が主流となっている。大容量電力変換素子で発生した熱を冷却するために、ヒートシンクが用いられているが、発生熱量が多い場合は水冷式のヒートシンクが採用されてきた。
【０００４】
例えば、大容量電力変換素子を冷却するためのヒートシンクが特開平９−
３２１１９８号に説明してある。大容量のサイリスタ素子及びＧＴＯ素子のような平形構造の電力変換素子を、ヒートシンクとヒートシンク（電力変換素子より少し大きめ）の間に挿入し、それらを複数個積層しスタック構造にしている。水冷式のヒートシンクを採用した場合、ヒートシンク内部に水路を設け、冷却水を通すことにより平形構造の電力変換素子を冷却している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電力変換装置にモジュール形の電力変換素子を採用した場合、電力半導体素子の形状より従来のような圧接形スタック構造を採用することはできない。
【０００６】
図５（ａ）は、モジュール形電力変換素子の採用において、３レベルインバータの水冷式ヒートシンク構成図と電力変換素子配置の一例を示す（概念図）。図５（ｂ）は、ヒートシンク内部水路の一例を示す（概念図）。この様に、１つの水冷式ヒートシンク上で、複数のモジュール形電力変換素子を配置して冷却する方法がある。
【０００７】
図５（ａ）は、中性点クランプ方式（３レベル）インバータにおけるモジュール形の電力変換素子ＱＰ・ＱＰＣ・ＱＮ・ＱＮＣとモジュール形のクランプダイオードＤＣＰ・ＤＣＮと水冷式ヒートシンクＨＳ１と、水冷式ヒートシンクに冷却水を供給する主配水管の実装の概念図を示す。水冷式ヒートシンクＨＳ１には、電力半導体素子ＱＰ・ＱＰＣ・ＱＮ・ＱＮＣとクランプダイオードＤＣＰ・
ＤＣＮが密着して実装されている。ヒートシンクＨＳ１は、内部に冷却水が流れる水路と主配水管とを接続する冷却水の出入口を備えている。
【０００８】
ヒートシンクＨＳ１の構造上、冷却水の入口側に配置されている電力変換素子（例えばＱＰ・ＤＰＣ・ＱＰＣ）は期待通りに冷却されるが、冷却水の出口側に配置されている電力変換素子（例えばＱＮ・ＤＣＮ・ＱＮＣ）は、冷却水の入口側に配置されている電力変換素子に暖められた冷却水で冷却されるため、冷却が悪くなるという問題が発生する。
【０００９】
また、各電力半導体素子毎に水冷式ヒートシンクを備えた場合、水冷式ヒートシンクの実装効率の悪さ、及び主配水管から水冷式ヒートシンクに接続する経路の多さにより、電力変換装置が大きくなり小型化・低価格化の向上が困難という問題も発生する。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、電力変換装置を大きくすること無く、冷却水の入口側ヒートシンクの温度と冷却水の出口側ヒートシンクの温度差を低減させ、かつヒートシンクの構造を簡単化及び低価格化を実現できるモジュール形電力変換素子用の水冷式ヒートシンクを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、３レベルインバータ（コンバータ）においては、中性点を対象に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ことを特徴とするものである。
【００１２】
これにより、３レベルインバータ（コンバータ）で採用するモジュール形電力変換素子用水冷式ヒートシンクの冷却面の温度勾配の大きさを低減できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１，図２，図３，図４を参照しながら説明する。
【００１４】
図２は、中性点クランプ方式（３レベル）電力変換装置の回路構成である。交流電源（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に接続されたコンバータ１には、電源フィルタコンデンサ４ａ，４ｂが接続され、電源フィルタコンデンサ４ａと４ｂの直列接続点（以下中性点と呼ぶ）とコンデンサ４ａ，４ｂのそれ以外の端子をインバータ２に接続しインバータ２の出力が交流電動機３に供給される。コンデンサ４ａに接続される端子は、それぞれＰ電位端子と中性点電位端子、コンデンサ４ｂに接続される端子は、それぞれ中性点電位端子とＮ電位端子である。
【００１５】
コンバータ１の制御関係を説明する。加減算器１５ｃは、直流電圧検出器５ａ，５ｂで検出された、コンデンサ４ａ，４ｂの両端電圧を加算し、コンバータの出力電圧（電圧ＦＢ）を求める。加減算器１５ａは、コンバータ１の出力電圧を決定する電圧指令設定器１１の出力と、加減算器１５ｃの出力の偏差を求める。電圧制御演算器（ＡＶＲ）１２は、加減算器１５ａの出力に基づき、電流制御演算器１３の入力の１つを出力する。加減算器１５ｂは、電圧制御演算器(ＡＶＲ)１２の出力と、電流検出器１６の出力の偏差を求める。電流制御演算器（ＡＣＲ＿Ｃ）１３は、加減算器１５ｂの出力に基づき、コンバータパルス幅変調器（ＰＷＭ＿Ｃ）１４の入力を出力する。コンバータパルス幅変調器(ＰＷＭ＿Ｃ)１４は、電流制御演算器（ＡＣＲ）１３の出力に基づきコンバータ１を制御する。
【００１６】
インバータ２の制御関係を説明する。加減算器２５ａは、速度指令設定器２１の出力と、速度検出器２７により検出される速度（速度ＦＢ）との偏差を求める。速度制御演算器（ＡＳＲ）２２は、加減算器２５ａの出力に基づき、電流制御演算器（ＡＣＲ＿Ｉ）２３の入力の１つを出力する。加減算器２５ｂは、速度制御演算器（ＡＳＲ）２２の出力と、電流検出器２６の出力の偏差を求める。電流制御演算器（ＡＣＲ＿Ｉ）２３は、加減算器２５ｂの出力に基づき、インバータパルス幅変調器（ＰＷＭ＿Ｉ）２４の入力を出力する。インバータパルス幅変調器（ＰＷＭ＿Ｉ）２４は、電流制御演算器（ＡＣＲ＿Ｉ）２３の出力に基づきインバータ２を制御する。
【００１７】
図３は、３レベルインバータの主回路構成を示す。コンバータ１とインバータ２の主回路は同一構成で、Ｕ，Ｖ，Ｗ相も同じ構成である。このためインバータＵ相のみの主回路構成を説明する。インバータＵ相の主回路は、電力変換素子ＱＰ・ＱＰＣ・ＱＮＣ・ＱＮと、クランプダイオードＤＣＰ・ＤＣＮから構成されている。
【００１８】
図４に、３レベルインバータのパルスパターンと出力電圧の関係を示す。ＱＰとＱＰＣがオンすると出力端子の電位は、中性点電位を基準とすると＋Ｅとなる。ＱＰＣとＱＮＣがオンすると出力端子の電位は、クランプダイオードＤＣＰ・ＤＣＮ、を介し中性点ＣＯＭされるため０電位となる。ＱＮＣとＱＮがオンすると出力端子の電位は、中性点電位を基準とすると−Ｅとなる。インバータ２は、直流電圧を＋Ｅ，０，−Ｅの３レベルの交流に変換し、交流電動機３に３相の交流電源を供給する。この様に、３レベルインバータで電力半導体素子がＯＮ／ＯＦＦする波形（時間）は、一連の動作のなかで中性点ＣＯＭを中心に対称波形である。このことから、電力半導体素子の発生損失も中性点ＣＯＭを中心にＰ側実装の電力変換素子（ＱＰ，ＤＣＰ，ＱＰＣ）とＮ側実装の電力変換素子（ＱＮ，ＤＣＮ，ＱＮＣ）が、同じ発生損失になる。ＱＰ，ＤＣＰ，ＱＰＣの組合わせをＰ側実装の電力変換素子と定義する。ＱＮ，ＤＣＮ，ＱＮＣの組合わせをＮ側実装の電力変換素子と定義する。
【００１９】
本実施形態を図１を用いて説明する。
【００２０】
図１に、変換器（１相分）のヒートシンクを示す。
【００２１】
インバータ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ヒートシンクＨＳ１１とＮ側実装の電力変換素子を冷却するヒートシンクＨＳ１２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。ヒートシンクＨＳ１１には、モジュール形の電力変換素子ＱＰ・ＱＰＣとモジュール形のクランプダイオードＤＣＰが実装されている。ヒートシンクＨＳ１２には、モジュール形の電力変換素子ＱＮ・ＱＮＣとモジュール形のクランプダイオードＤＣＮが実装されている。Ｐ側実装の電力変換素子（ＱＰ，ＤＣＰ，ＱＰＣ）をひとつのグループを考えヒートシンクＨＳ１１で冷却する。Ｎ側実装の電力変換素子（ＱＮ，ＤＣＮ，ＱＮＣ）をひとつのグループを考えヒートシンクＨＳ１２で冷却する。
【００２２】
このため、一体の水冷式ヒートシンクと比べ、電力変換素子（ＱＮ，ＤＣＮ，ＱＮＣ）は、電力変換素子（ＱＰ，ＤＣＰ，ＱＰＣ）の影響を受けないため、水冷の冷却効果が改善されている。また、電力半導体に個別のヒートシンクを採用したときに比べ、主配水管とヒートシンクの接続が増加すること、及び電力変換装置への実装効率を考慮すると、本発明を採用すると電力変換装置の小型化・低価格化が向上している。
【００２３】
他の実施形態を図６を用いて説明する。
【００２４】
図６に、変換器（１相分）のヒートシンクを示す。
【００２５】
インバータＵ相のヒートシンク構成は、Ｐ側実装の電力変換素子とＮ側実装の電力変換素子を冷却するヒートシンクＨＳ１３と、主配水管とヒートシンクHS13を接続する２組の入出力部より構成されている。ヒートシンクＨＳ１３には、モジュール形の電力変換素子ＱＰ・ＱＰＣとモジュール形のクランプダイオードＤＣＰが第１の冷却系統上に実装されている。また、モジュール形の電力変換素子ＱＮ・ＱＮＣとモジュール形のクランプダイオードＤＣＮは、第２の冷却系統上に実装されている。Ｐ側実装の電力変換素子（ＱＰ，ＤＣＰ，ＱＰＣ）をひとつのグループを考えヒートシンクＨＳ１３の第１の冷却系統で冷却する。Ｎ側実装の電力変換素子（ＱＮ，ＤＣＮ，ＱＮＣ）をひとつのグループを考えヒートシンクＨＳ１３の第２の冷却系統で冷却する。
【００２６】
以上より、本発明を採用すると３レベルインバータ（コンバータ）で採用するヒートシンクの冷却面の温度偏差を低減できる。
【００２７】
なお、電力変換素子の配置は、上述した実施例に限定されるものではない。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、３レベルインバータ（コンバータ）で採用する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、および低価格化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態（水冷式ヒートシンク）。
【図２】中性点クランプ方式電力変換装置の回路構成。
【図３】３レベルインバータの主回路構成。
【図４】パルスパターンと出力電圧の関係。
【図５】従来の水冷式シートシンク。
【図６】本発明の別の実施形態（水冷式ヒートシンク）。
【符号の説明】
１…中性点クランプ方式コンバータ、２…中性点クランプ方式インバータ、３…交流電動機、４ａ，４ｂ…電源フィルタコンデンサ、５ａ，５ｂ…電圧検出器、１２，２２…電圧及び速度制御演算器、１３，２３…電流制御演算器、１４，２４…パルス幅変調器、１５ａ〜１５ｃ，２５ａ〜２５ｂ…加減算器、１６，２６…電流検出器、２７…速度検出器。

Claims

交流電圧を直流電圧に変換する中性点クランプ方式（３レベル）電力変換装置において、正極電位端子と出力点とを、正極電位端子側に配置された正極電位側スイッチング素子と、出力点側に配置された正極出力点側スイッチング素子とで直列に接続し、
前記正極電位側スイッチング素子と前記正極出力点側スイッチング素子との接続点と、中性点電位端子とを正極クランプダイオードを介して接続し、
負極電位端子と前記出力点とを、負極電位端子側に配置された負極電位側スイッチング素子と、出力点側に配置された負極出力点側スイッチング素子とで直列に接続し、
前記負極電位側スイッチング素子と前記負極出力点側スイッチング素子との接続点と、前記中性点電位端子とを負極クランプダイオードを介して接続し、
前記電力変換装置に使用されている電力変換素子を冷却する各相の水冷式ヒートシンクを第１の水冷式ヒートシンクと第２の水冷式ヒートシンクの２つに分割し、前記第１，２の水冷式ヒートシンクに冷却水を供給する配水管より、それぞれ個別の冷却系統で冷却するものであって、
前記第１の水冷式ヒートシンクにて、前記正極電位側スイッチング素子と、前記正極出力点側スイッチング素子と、前記正極クランプダイオードを冷却するように配置し、
前記第２の水冷式ヒートシンクにて、前記負極電位側スイッチング素子と、前記負極出力点側スイッチング素子と、前記負極クランプダイオードを冷却するように配置し、
冷却水入口からの距離が近く配置された方を冷却順番が小さいと規定して、
前記正極電位側スイッチング素子と、前記正極出力点側スイッチング素子と、前記正極クランプダイオードのうちの前記正極電位側スイッチング素子の冷却順番は、前記負極電位側スイッチング素子と、前記負極出力点側スイッチング素子と、前記負極クランプダイオードのうちの前記負極電位側スイッチング素子の冷却順番と同じであり、
前記正極電位側スイッチング素子と、前記正極出力点側スイッチング素子と、前記正極クランプダイオードのうちの前記正極クランプダイオードの冷却順番は、前記負極電位側スイッチング素子と、前記負極出力点側スイッチング素子と、前記負極クランプダイオードのうちの前記負極クランプダイオードの冷却順番と同じであり、
前記正極電位側スイッチング素子と、前記正極出力点側スイッチング素子と、前記正極クランプダイオードのうちの前記正極出力点側スイッチング素子の冷却順番は、前記負極電位側スイッチング素子と、前記負極出力点側スイッチング素子と、前記負極クランプダイオードのうちの前記負極出力点側スイッチング素子の冷却順番と同じであることを特徴とする電力変換装置。