JPH1023768A - 電力変換装置の冷却用ヒ−トシンク組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】モジュ−ル形電力用半導体素子の接合部温度上
昇の低減ならびにヒ−トシンクを小形化し得る電力変換
装置の冷却用ヒ−トシンク組立体を提供する。 【解決手段】同一のヒ−トシンクに実装される接合部温
度上昇の大きい素子を有するモジュ−ル形電力用半導体
素子を、ヒ−トシンク実装面温度の低い位置に配してな
るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モ−タ駆動用イン
バ−タや無停電電源装置などの電力変換装置に係わり、
特に電力変換回路を接続構成するモジュ−ル形電力用半
導体素子を冷却用ヒ−トシンクに実装して成る電力変換
装置の冷却用ヒ−トシンク組立体に、関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】モ−タ駆動用インバ−タ（以下単にイン
バ−タという）や無停電電源装置（以下ＵＰＳと称す
る）などの電力変換装置を、その電力変換回路を接続構
成するモジュ−ル形電力用半導体素子を同一の冷却用ヒ
−トシンク（以下単にヒ−トシンクという）に実装して
成るものが、知られている。これを、図７および図８に
より、説明する。

【０００３】図７は電力変換装置の接続構成例を示し、
１は三相交流電源、２はダイオ−ド21，22・・からなる
コンバ−タ回路、３はＤＣリアクトル、４は平滑コンデ
ンサ、５は電力用半導体素子 511， 512・・およびその
電力用半導体素子にそれぞれ逆並列接続されるダイオ−
ド 521， 522・・からなるインバ−タ回路、６は負荷回
路である。ここで、コンバ−タ回路２は６個のダイオ−
ド21，22・・から構成されるダイオ−ドモジュ−ル２ａ
の形態をなすダイオ−ドコンバ−タである。またインバ
−タ回路５は、電力用半導体素子 511， 512に絶縁ゲ−
ト形バイポ−ラトランジスタ（IGBT）が用いられ、ダイ
オ−ド 521， 522に内蔵逆並列ダイオ−ド（以下ＦＷＤ
と称する）が用いられて、図示の接続構成のモジュ−ル
形態をなすIGBTモジュ−ル５ａと、同様なIGBTモジュ−
ル５ｂおよびIGBTモジュ−ル５ｃとからなる。

【０００４】この種の電力変換装置は慣用されておりそ
の動作の詳細説明を省略するが、三相交流電源１による
交流電力をコンバ−タ回路２にて直流電力に変換後、Ｄ
Ｃリアクトル３および平滑用コンデンサ４で平滑し、イ
ンバ−タ回路５により再び交流電力に変換して負荷回路
６に供給するものである。これは、モ−タ駆動用インバ
−タの場合は、インバータ出力が可変電圧可変周波数に
なるようにインバ−タ回路５のIGBTをスイッチ動作させ
ることにより、負荷回路６であるモ−タを変速制御する
ことが行われる。

【０００５】図８は図７の回路を構成する場合のヒ−ト
シンク組立体の配設例を示し、７はヒ−トシンクであ
る。ここでは、説明の便宜上、ＤＣリアクトル３および
平滑用コンデンサ４や電気配線のための配線材等は、省
略して示してある。すなわち、コンバ−タ回路２はダイ
オ−ドモジュ−ル２ａの形態をなし、インバ−タ回路５
はそれぞれIGBTとＦＷＤの逆並列回路を２組内蔵してい
るIGBTモジュ−ル５ａ，５ｂ，５ｃの形態をなし、これ
らがヒ−トシンク７に実装された組立体を構成するもの
である。

【０００６】かかるヒ−トシンク組立体は、コンバ−タ
回路２にて交流電力を直流電力に変換する際およびイン
バ−タ回路５にて直流電力を交流電力に変換する際に、
各構成部分のダイオ−ド，IGBT，ＦＷＤにおいて、電流
が流れることで生じる導通電圧により発生する損失いわ
ゆる導通損失と、電流を入切するスイッチ動作の際にス
イッチ時間が存在するために発生する損失いわゆるスイ
ッチング損失とを、原因とする発熱を生じて、素子の温
度が上昇する。この素子温度（事実上問題となるのはシ
リコンのＰＮ接合部の温度：以下接合部温度と称する）
が最高使用温度以上になると素子の劣化や破壊を招くこ
とから、図示の如くダイオ−ドモジュ−ル２ａおよびIG
BTモジュ−ル５ａ，５ｂ，５ｃをヒ−トシンク７に上に
配置し、前述の損失による発熱を放熱して接合部温度を
下げることが行われる。

【０００７】つぎに、電力変換回路の各素子の接合部温
度上昇について説明する。ここで、熱の伝導による温度
上昇計算については、電気回路に模式すると理解しやす
く計算も明解になるため、図９に示した熱回路図を参照
する。なお、熱抵抗とは、ある点から他の点に熱が通過
した際に発生する温度差を通過した熱量で割ったもので
あり、単位は（°C/W ）となる。図９におけるRTJC，RD
JC，RCFT，RRJC，RCFRは、つぎの如くである。 RTJC：IGBT接合部−IGBTモジュ−ルケ−ス間熱抵抗 RDJC：IGBTのＦＷＤ接合部−IGBTモジュ−ルケ−ス間熱
抵抗 RCFT：IGBTモジュ−ルケ−ス−ヒ−トシンク間接触熱抵
抗 RRJC：ダイオ−ドモジュ−ルのダイオ−ド接合部−ダイ
オ−ドモジュ−ルケ−ス間熱抵抗 RCFR：ダイオ−ドモジュ−ルケ−ス−ヒ−トシンク間接
触熱抵抗 RF：ヒ−トシンクの熱抵抗

【０００８】また、図９における各素子の発熱を示すと
ころの符号PT，PD，PRは、つぎの如くである。 PT：IGBTの損失による発熱 PD：ＦＷＤの損失による発熱 PR：ダイオ−ドモジュ−ル内ダイオ−ドの損失による発
熱 さらにまた、各素子の接合部等を示す符号TT，TD，TR，
TF， TCT， TCR，TAは、つぎの如くである。 TT：IGBTの接合部温度 TD：ＦＷＤの接合部温度 TR：ダイオ−ドモジュ−ル内ダイオ−ドの接合部温度 TF：ヒ−トシンクの実装面温度 TCT：IGBTモジュ−ルケ−ス温度 TCR：ダイオ−ドモジュ−ルケ−ス温度 TA：周囲温度 ここで、ダイオードモジュールについては、簡単のため
６素子分の発熱と平均熱抵抗を示している。

【０００９】そして、かような図９からわかるように各
部の温度上昇、すなわち TJCT：IGBTモジュ−ルケ−ス−IGBTの接合部間の温度上
昇 TJCD：IGBTモジュ−ルケ−ス−ＦＷＤの接合部間の温度
上昇 TJCR：ダイオ−ドモジュ−ルケ−ス−ダイオ−ドモジュ
−ル内ダイオ−ドの接合部間の温度上昇 TCFT：ヒ−トシンクの実装面−IGBTモジュ−ルケ−スの
温度上昇 TCFR：ヒ−トシンクの実装面−ダイオ−ドモジュ−ルケ
−スの温度上昇 TFA：ヒ−トシンクの実装面−周囲温度の温度上昇 は、式（１）〜式（６）と、表される。

【００１０】 TJCT＝TT− TCT＝PT×RTJC・・・・・・・（１） TJCD＝TD− TCT＝PD×RDJC・・・・・・・（２） TJCR＝TR− TCR＝PR×RRJC・・・・・・・（３） TCFT＝ TCT−TF＝２（PT＋PD）×RCFT・・・・（４） TCFR＝ TCR−TF＝PR×RCFR・・・・・・・（５） TFA＝TF−TA＝｛３×２（PT＋PD）｝＋PR・・（６）

【００１１】図10は理想的なヒ−トシンク組立体を用い
た場合の素子接合温度分布を示している。ここでは、IG
BTモジュ−ルはIGBT側の接合面温度上昇が高いことを想
定し、ＦＷＤについては図示しない。図10にて、周囲温
度TAに対して TFAの温度上昇した点がTFであり、TFに対
して（TJCR＋TCFR）の温度上昇した点がTRとなり、同じ
くTFに対して（TJCT＋TCFT）の温度上昇した点がTTとな
っている。TT、つまりIGBTの接合部温度TJMAX0が最も高
くなっている。ここで、一般に電力用半導体素子接合部
の最高使用温度は、 125〜 150°Ｃ程度に設定される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば図９
に示した各素子のRTJCやRCFTといった熱抵抗は使用素子
（モジュ−ル）により決定され、使用動作状態における
発熱と熱抵抗の関係から各素子の接合部とヒ−トシンク
実装面間の温度上昇が決定する。したがって、ヒ−トシ
ンクから周囲までの温度上昇を小さくする、つまりヒ−
トシンクの熱抵抗を下げることによって、素子接合部の
最高温度を越えないようにすることが必要となる。実際
の設計においては、接合部を最高使用温度に若干余裕を
見た温度に抑えるよう設定される。ところが、ヒートシ
ンクは熱伝導作用，放射作用を利用して熱を放熱するた
めに、ヒートシンク各所で温度差を生じることが避けら
れない。

【００１３】図11はヒ−トシンク発熱体設置面に全面加
熱した際の温度分布を示した模式図である。図11におい
て、自冷式ヒ−トシンクの場合にはヒ−トシンク７の設
置方向で冷却対流が決定するが、ここでは、明確化のた
め冷却風の方向を図示しておく。すなわち、ヒートシン
ク７実装面の温度は、風下方向に行くに従い徐々に高く
なり、ヒートシンク７末端が最高温度になる。実際に
は、ヒートシンク実装面には発熱体が分離配置されるた
め発熱体直下の温度が高くなって、ヒートシンク実装面
の温度は発熱体直下に山を生じるような温度分布になる
が、風下方向に向かって温度が高い傾向を生じることに
変わりはなく、ここでは、前面均等加熱によるヒートシ
ンク実装面温度分布を想定する。またこの温度分布に対
して、簡略化してヒートシンク温度を想定する場合があ
るため、点線のように平均温度を設定し、これを、図10
の TFAに一致するものとして説明する。

【００１４】さて、図７のように構成された電力変換装
置においては、インバ−タ回路５のIGBT 511等は高周波
スイッチ動作を伴い性能向上が図られる。これは、高周
波動作により、制御性の向上，低騒音を意図したもので
ある。そのため、IGBTは導通損失に加えスイッチ損失が
増大して発熱が大きくなり、その結果、接合部の温度上
昇も高くなってくる。一方、コンバ−タ回路２はダイオ
−ド21等によって構成されており、このダイオ−ドコン
バ−タは導通損失のみによって損失が決まるため発熱が
少なく、接合部の温度上昇も低くなることが多い。

【００１５】しかるに、この種の電力変換装置のヒ−ト
シンク組立体は、図12および図13の如きものであった。
図12および図13は従来例のヒ−トシンク組立体の構成お
よびそのヒ−トシンク組立体の温度分布を示す。すなわ
ち、図12のの如くにヒ−トシンク７の実装面にダイオ−
ドモジュ−ル２ａとIGBTモジュ−ル５ａ，５ｂ，５ｃが
配置され、さらには、図中に示したような方向で冷却風
を通流させてなるものであって、図13の如くに不具合を
生じるものである。

【００１６】図13に示したヒ−トシンク実装面の温度勾
配にあって、TF1 はダイオ−ドモジュ−ル２ａ実装面の
ヒートシンク温度、TF2 はIGBTモジュ−ル５ａ，５ｂ，
５ｃ実装面のヒ−トシンク温度である。そして、この各
々温度に対し、素子の接合面温度−モジュールケース間
温度上昇（図９におけるTT− TCT，TR− TCR）と、モジ
ュ−ルケ−ス−ヒ−トシンク実装面の温度上昇（図９に
おける TCT−TF， TCR−TF）とをそれぞれ加えたもの
が、各々の素子の接合部温度上昇TT1 ，TR1 となる。か
ようにして、IGBTの接合面温度TT1 が最高温度となって
これをTJMAX1とすると、これは、図中に示したIGBTの接
合部温度TJMAX0よりも温度上昇が高くなり、またTR1 と
の温度差ｄT2もヒ−トシンクの温度勾配が存在する分大
きくなっていることがわかる。

【００１７】かようにして、図12の如くに構成した場
合、ヒ−トシンク７の温度が高い位置に配置されたモジ
ュ−ル形電力用半導体素子の接合部温度上昇が高くな
り、したがって、温度的な余裕を低下させる問題があっ
た。このことは、この条件を考慮し設計する場合は、ヒ
−トシンクの能力をあげ、接合部温度を下げることが必
要となって、ヒ−トシンクの大形化しいては装置の大形
化を招くことになる。さらには、一方の素子は熱的に条
件が厳しく、他方は比較的余裕のある状態になるといっ
た不経済な設計になる。

【００１８】しかして本発明の目的とするところは、モ
ジュ−ル形電力用半導体素子の接合部温度上昇の低減な
らびにヒ−トシンクを小形化し得る格別な装置を提供す
る、ことにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は上述したような
点に鑑みなされたものであって、つぎの如くに構成した
ものである。すなわち、同一のヒ−トシンクに実装され
る動作状態の異なる複数のモジュ−ル形電力用半導体素
子のうち、接合面−ケ−ス間温度上昇の大きい素子を有
するモジュ−ル形電力用半導体素子を、ヒ−トシンク実
装面温度の低い位置に配するようにしてなるものであ
る。

【００２０】かかる解決手段により、電力変換回路にお
いては接合面温度上昇の高いモジュ−ル形電力用半導体
素子の接合面温度を低く設定することができる。さらに
は、このように接合面温度を低く設定できることはヒー
トシンクの温度上昇が許容されることになって、ヒ−ト
シンクの熱抵抗を下げヒ−トシンクを小形に設計するこ
とも可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】まず、図１，図２および図３を、
参照して説明する。ここに、図１は本発明の一実施例を
図12に類して示し、図２および図３はそれぞれ図１の説
明のための素子接合温度分布の一例および別な例を示し
ている。すなわち、図１は図７に示した電力変換回路適
用例であつて、ヒ−トシンク７の実装面上に、IGBTモジ
ュ−ル５ａ，５ｂ，５ｃを冷却風の風上側に、ダイオ−
ドモジュ−ル２ａを風下側に配設してなるものである。

【００２２】さらに図２においては、各モジュ−ルのヒ
−トシンク実装面温度は図13と同様TF1 およびTF2 で変
化がないが、素子接合面−モジュ−ルケ−ス温度上昇の
高いIGBTモジュ−ル５ａ，５ｂ，５ｃを温度の低いTF1
点に設置し、同温度上昇の低いダイオ−ドモジュ−ル２
ａを温度の高いTF2 点に設置することにより、接合面最
高温度TJMAX2はダイオ−ドモジュ−ル内素子のTR2 点に
なるが、図中に示す図13による接合面最高温度TJMAX1に
比べて、ｄT4だけ温度上昇を抑制することができる。ま
た、IGBTモジュ−ル接合面温度との差もｄT3だけになっ
て、明らかにも縮小する。

【００２３】さらにまた、図13による接合面最高温度TJ
MAX1が接合面温度として許容できる範囲の場合は、図３
の如くに、接合面最高温度TJMAX2を積極的に上昇させて
使用するようにしてもよい。すなわち、図３においては
TJMAX2をTJMAX1がと等しいレベルまで上昇させた場合で
あって、図２における接合面最高温度の差ｄT4に相当す
る温度上昇を加え、ヒ−トシンク７実装面の温度上昇
を、TFA3，TFA4まで引き上げることが可能となることに
他ならない。つまり、ヒートシンクとしては、処理熱量
が同じであるにも拘わらず温度上昇を大きくできること
は、ヒートシンクの熱抵抗が上がることである。ここ
で、熱抵抗が上がるということは表面積を小さくするこ
とであり、結果的にヒートシンク外形を小形にすること
が可能となる。

【００２４】つぎに、図４および図５により説明する。
図４は本発明に係わる電力変換装置の他の接続構成例を
図７に類して示したものであって、８はＡＣリアクト
ル、９はコンバ−タ回路、10は平滑コンデンサである。
コンバ−タ回路９において、 911， 912・・はIGBT、 9
21， 922・・はＦＷＤであって、９ａ，９ｂ，９ｃはIG
BTモジュ−ルである。すなわちコンバ−タ回路９を、高
周波ＰＷＭ制御等を用いて正弦波電流入力コ−タ回路と
した電力変換装置であつて、かかる回路動作の詳細につ
いては、論文「ＰＷＭコンバ−タを用いた高性能交流車
両システムの検討」，電気学会，Ｄ分冊，０７巻３号，
昭和６２年に詳細が報告されており、ここではその詳細
説明を省略する。

【００２５】図５は図４に適用された本発明の他の実施
例を示したものであって、図においては、図１同様にコ
ンデンサ，リアクトル，電気配線のための配線材等は省
略してある。すなわち、インバ−タ回路５およびコンバ
−タ回路９ともに、図４からもわかるようにIGBTモジュ
−ル５ａおよびIGBTモジュ−ル９ａ等の接続状態は全く
同様となっているが、ここで、それらの内部素子の接合
面温度上昇は異なる。これは、交流入力電圧とインバ−
タ出力電圧が異なるることによる処理電流の違いや、コ
ンバ−タ回路９ではIGBTモジュ−ルのＦＷＤに電流が多
く流れ，インバ−タ回路９ではIGBT側に電流が多く流れ
るといった動作状態の違い、また、IGBTとＦＷＤの接合
部−ケ−ス間の熱抵抗の差、といった要因で生じるもの
である。

【００２６】そして、図５においてはIGBTモジュ−ル９
ａ，９ｂ，９ｃで構成されるコンバ−タ回路９の方が、
IGBTモジュ−ル５ａ，５ｂ，５ｃで構成されるインバ−
タ回路５よりも、接合面温度上昇の大きい素子を有する
場合の例である。したがって、接合部温度上昇が大きく
なるIGBTモジュ−ルにより構成される回路を、ヒートシ
ンク７実装面温度の低い箇所に配設してなるものであ
る、ことは明らかである。

【００２７】つぎにまた、図４に示した電力変換装置を
大容量化する際には、IGBT，ＦＷＤを並列接続して、大
電流化を図ることが行われる。そのIGBTモジュ−ルの並
列接続による大電流化の一例を挙げる。図６は本発明に
係わる電力変換装置の三素子並列接続一相分の別な接続
構成例を示したものであって、11はコンバ−タ回路、12
は平滑コンデンサ、13はインバ−タ回路である。ここ
に、11ａ1 ，11ａ2 ，11ａ3 ，13ａ1 ，13ａ2 ，13ａ3
はIGBTモジュ−ルである。

【００２８】すなわち、図示の如き接続構成の各IGBTモ
ジュ−ルからなるコンバ−タ回路11およびインバ−タ回
路13を一単位として適用されタものであって、また、こ
れを３回路使用することにより三相構成されるものであ
ることは明らかである。そして、この図６の接続例を同
一のヒ−トシンク上に実装する場合、その構成は図５に
示したものと全く同様に構成されるものとなり、したが
って、図５同様に、接合部温度上昇の高い回路のモジュ
−ルをヒ−トシンク実装面の温度が低い位置に配置する
ものとすることにより、図２および図３と同様な効果を
奏し得ることは明らかである。なお、コンバ−タ回路お
よびインバ−タ回路を構成する電力変換装置により説明
したが、この回路構成にとらわれず、複数のモジュ−ル
形電力用半導体素子を用いて、各素子間あるいは素子グ
ル−プ間で熱的に裕度差がある場合において、本発明の
適用が有効なことは無論である。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、電
力用半導体素子のヒ−トシンクを経済的かつ小形に設計
可能とした電力変換装置の小形軽量化，低コストを実現
し得る簡便な構成の装置を、提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構造図である。

【図２】図１の説明のための素子接合温度分布の一例を
示した説明図である。

【図３】図１の説明のための素子接合温度分布の別な例
を示した説明図である。

【図４】本発明に係わる電力変換装置の他の接続構成例
を示す回路図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す構造図である。

【図６】本発明に係わる電力変換装置の三素子並列接続
一相分の別な接続構成例を示す回路図である。

【図７】電力変換装置の接続構成例を示す回路図であ
る。

【図８】図７の回路を構成する場合のヒ−トシンク組立
体の配設例を示した構造図である。

【図９】図８の説明のため示した熱回路図である。

【図10】図８の説明のための理想的なヒ−トシンク組立
体を用いた場合の素子接合温度分布を示した説明図であ
る。

【図11】ヒ−トシンク発熱体設置面に全面加熱した際の
温度分布を示す模式図である。

【図12】図７の電力変換装置に用いられた従来例を示し
た構造図である。

【図13】図12の説明のためのヒ−トシンク組立体の温度
分布を示した説明図である。

【符号の説明】

１ 三相交流電源 ２ ダイオ−ドモジュ−ル２ａからなるコンバ−
タ回路 21 ダイオ−ド ３ ＤＣリアクトル ４ 平滑コンデンサ ５ IGBTモジュ−ル５ａ等からなるインバ−タ回
路 511 電力用半導体素子（IGBT） 521 ダイオ−ド（ＦＷＤ） ６ 負荷回路 ７ 冷却用ヒ−トシンク（ヒ−トシンク） ８ ＡＣリアクトル ９ IGBTモジュ−ル９ａ等からなるなるコンバ−
タ回路 911 電力用半導体素子（IGBT） 921 ダイオ−ド（ＦＷＤ） 10 平滑コンデンサ 11 コンバ−タ回路 12 平滑コンデンサ 13 インバ−タ回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のモジュール形電力用半導体素子から
   電力変換回路を接続構成するとともに、該複数のモジュ
   ール形電力用半導体素子をを同一の冷却用ヒ−トシンク
   に実装して成る電力変換装置において、前記複数のモジ
   ュール形電力用半導体素子のうち、接合部−ケ−ス間温
   度上昇の大きい素子を有するモジュ−ル形電力用半導体
   素子を、前記冷却用ヒ−トシンク実装面温度の低い位置
   に配設してなることを特徴とする電力変換装置の冷却用
   ヒ−トシンク組立体。