专利名称：3级变电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及包含多个半导体元件和冷却器等的3级变电装置。
背景技术：
已有的3级变电装置的构成各相的主电路的开关元件和二极管等半导体元件构成一个单元，该主电路构成在直流正端子与直流负端子之间串联第1～第4的4个半导体元件，同时还将第1二极管与第2二极管串联，在第2半导体元件与第3半导体元件的连接点连接交流端子，而且在第1二极管与第2二极管的连接点连接中性点端子，将第1二极管连接到第1半导体元件与第2半导体元件的连接点，将第2二极管连接到第3半导体元件与第4半导体元件的连接点。将构成一个单元的半导体元件群配置在冷却器的受热部，使各半导体元件的短边侧朝向面对冷却风气流的方向，并将发热损耗小的第1二极管和第2二极管配置在冷却器的受热部的中央，将发热损耗大的第2半导体元件和第3半导体元件配置在其两侧，将发热损耗小于第2半导体元件和第3半导体元件的第1半导体元件和第4半导体元件配置在受热部的两端(例如参考专利文献1)。
专利文献1特开2003-79162号公报已有的3级变电装置中，将多个单元的半导体元件群相邻配置在冷却风上游和下游，因而多个单元内也将发热损耗大的半导体元件相邻配置在冷却风的上游和下游。下风侧单元的半导体元件除本身的发热外，还受来自上风侧单元的半导体元件的排热的影响。因此，多个单元的发热损耗大的元件往冷却风流动方向排列的区域中，存在下风侧单元的半导体元件不形成充分冷却，难以抑制在允许温度升高的范围内的问题。
本发明是为解决上述课题而完成的，通过配置在冷却器的下风侧的半导体元件减小受配置在上风侧的半导体元件排热的影响，获得能谋求各半导体元件的温度升高均衡并提高冷却器的冷却效率的3级变电装置。
发明内容
本发明的第一方面的3级变电装置，构成变电部的各相由一个单元组成，所述各单元在直流侧的正极端子与负极端子之间依次串联第1开关元件至第4开关元件这4个开关元件，在所述第1开关元件和所述第2开关元件的连接点与直流侧的中间端子之间连接第1二极管，在所述第3开关元件和所述第4开关元件的连接点与所述中间端子之间连接第2二极管，所述第2开关元件与所述第3开关元件之间具有交流端子，并将构成所述各单元的多个开关元件和多个二极管配置在与冷却器相同的平面上的受热部，利用往一方向流通的冷却媒体对所述冷却器进行冷却。而且，在所述受热部的中央部将所述多个二极管相邻配置，使所述各开关元件的长边垂直朝向所述冷却媒体的流动方向，并将所述第1开关元件和所述第2开关元件配置在所述多个二极管的一侧，将所述第3开关元件和所述第4开关元件配置在多个二极管的另一侧，使该多个开关元件将所述多个二极管夹在中间且沿所述冷却媒体流动方向排列。
本发明的第二方面的3级变电装置，构成变电部的各相由一个单元组成，所述各单元在直流侧的正极端子与负极端子之间依次串联第1开关元件至第4开关元件这4个开关元件，在所述第1开关元件和所述第2开关元件的连接点与直流侧的中间端子之间连接第1二极管，在所述第3开关元件和所述第4开关元件的连接点与所述中间端子之间连接第2二极管，所述第2开关元件与所述第3开关元件之间具有交流端子，并将构成所述各单元的多个开关元件和多个二极管配置在与冷却器相同的平面上的受热部，利用往一方向流通的冷却媒体对所述冷却器进行冷却。而且，使所述各开关元件的长边垂直朝向所述冷却媒体的流动方向，并将所述第1开关元件和所述第4开关元件配置在所述受热部的中央部，将所述第2开关元件和所述第1二极管配置在所述中央部的一侧，将所述第3开关元件和所述第2二极管配置在所述中央部的另一侧，使该多个开关元件和多个二极管沿所述冷却媒体的流动方向排列。
本发明的第一、第二方面的3级变电装置，将发热损耗大的半导体元件分散配置，而非相邻配置在冷却媒体的上游和下游，所以能谋求各开关元件温度升高均衡，提高冷却器的冷却效率。
图1是本发明实施方式1的变电装置的电路图。
图2是示出本发明实施方式1的变电装置作为变换器进行工作时的电流路径的说明图。
图3是示出本发明实施方式1的变电装置作为变换器进行工作时的电流路径的说明图。
图4是示出本发明实施方式1的变电装置作为变换器进行工作时的电流路径的说明图。
图5是示出本发明实施方式1的变电装置的各半导体元件在冷却器上的配置的俯视图。
图6是示出本发明实施方式1的变电装置的冷却器上的温度升高模拟结果的说明图。
图7是示出专利文献1的图1的冷却器上的温度升高模拟结果的说明图。
图8是示出本发明实施方式1的另一应用例的变电装置的各半导体元件在冷却器上的配置的俯视图。
图9是示出本发明实施方式2的变电装置的各半导体元件在冷却器上的配置的俯视图。
标号说明1u、1v是第1开关元件，2u、2v是第2开关元件，3u、3v是第3开关元件，4u、4v是第4开关元件，5是IGBT，6是续流二极管，7u、7v是第1开关元件与第2开关元件的连接点，8u、8v是第3开关元件与第4开关元件的连接点，9u、9v是第1二极管，10u、10v是第2二极管，11、12是电容器，13u、14v是第1二极管与第2二极管的连接点，15是受热部，P是直流正极端子，N是直流负极端子。
具体实施例方式
实施方式1图1是将本发明的3级变电装置用作变换器的电路图。
图1中，首先U相单元在直流正极端子P与直流负极端子N之间，依次连接第1开关元件1u、第2开关元件2u、第3开关元件3u、第4开关元件4u。
同样，V相单元也在直流正极端子P与直流负极端子N之间，依次连接第1开关元件1v、第2开关元件2v、第3开关元件3v、第4开关元件4v。
各开关元件1u～4u、1v～4v由例如IGBT(绝缘栅双极性晶体管)或GTO等自消弧型半导体元件组成。本实施方式1中，将IGBT5和与该IGBT5反相并联的续流二极管6合为一体地模件化。
在U相单元的第1开关元件1u与第2开关元件2u的连接点7u和第3开关元件3u与第4开关元件4u的连接点8u之间，串联第1二极管9u和第2二极管10u。
同样，V相单元的第1开关元件1v与第2开关元件2v的连接点7v和第3开关元件3v与第4开关元件4v的连接点8v之间，串联第1二极管9v和第2二极管10v。
将这些U相单元和V相单元并联，而且将串联的电容器11、12与各相单元并联。
然后，分别连接电容器11与电容器12的连接点C、U相单元的第1二极管9u与第2二极管10u的连接点13u、以及V相单元的第1二极管9v与第2二极管10v的连接点13v。
又，U相单元的第2开关元件2u和第3开关元件3u之间具有交流端子14u，同样V相单元的第2开关元件2v、以及第3开关元件3v之间具有交流端子14v。
接着，说明此变电装置的运作。图2～图4是示出图1的3级变电装置作为变换器进行工作时的电流路径的说明图。作为将交流电变换成直流电的变换器进行工作时，如图2～图4所示，按模式1→模拟2→……→模拟6依次切换导通元件和电流路径。
图2中，以输入电流从交流端子14u以电流A的方向流入的模式1的状态开始，V相单元的第2开关元件2v阻断，第4开关元件4v导通，形成模式2的状态。接着，U相单元的第1开关元件1u阻断，第3开关元件3u导通，切换到图3所示的模式3的状态。
另一方面，图3中，以输入电流从交流端子14v以电流B的方向流入的模式4的状态开始，V相单元的第3开关元件3v阻断，第1开关元件1v导通，形成图4所示的模式5的状态。接着，U相单元的第4开关元件4u阻断，第2开关元件2u导通，切换到模式6的状态。
如上所述，3级变电装置进行变换器的运作时，重复模式1至模式6的运作，其结果分别在U相和V相中，电流导通频度高的第2开关元件2u、2v和第3开关元件3u、3v的发热损耗最大。
将1相份额的各开关元件和各二极管的总发热损耗取为100时，例如表1所示，各相的第2开关元件和第3开关元件的总计发热损耗占总损耗的64％。
图5是示出实施方式1的3级变电装置在冷却器上的各半导体元件的配置和冷却风的方向的俯视图。将分别构成U相单元和V相单元的半导体元件群，沿冷却风气流配置在冷却器的受热部15上。将半导体元件配置在受热部15中同一平面上。
如图5所示，各开关元件和各二极管将长边朝向垂直于冷却风流动方向，并将发热损耗最小的第1二极管9u、9v和第2二极管10u、10v相邻配置在受热部15的中央。而且，将第1开关元件1u、1v和第2开关元件2u、2v沿冷却风的气流配置在该第1二极管9u、9v和第2二极管10u、10v的一侧，将第3开关元件3u、3v和第4开关元件4u、4v同样沿冷却风的气流配置在该第1二极管9u、9v和第2二极管10u、10v的另一侧。
此外，这里所示的冷却风是电动鼓风机(未图示)的强制冷却风。
图6是示出用通用热流体分析软件在图5的配置组成中分析冷却器温度升高的结果的温度分布状态的说明图。图7是示出已有例(专利文献1、图1)的配置组成中同样地进行分析后得到的结果的分布状态的说明图。
这里，为了使条件固定，设置在冷却器的受热部15背面侧的散热部使用铝散热片，冷却方式取为电动鼓风机送出冷却风的强制风冷方式。而且，各组成中，散热片高度、散热片长度、散热片间距、冷却风量相同，半导体元件发热损耗比率遵照表1。
如图6所示，本实施方式1中，冷却器的温度升高在第3元件3u、3v的周边为最大值(T max)，并且T max＝57.8开尔文(K)。
另一方面，如图7所示，已有例的冷却器的温度升高在第2开关元件和第3开关元件的周边最大，温度升高的最大值T max＝63.4开尔文(K)。
因此，根据此结果，判明本实施方式1的3级变电装置的冷却器温度升高得到均衡，与已有例相比，使温度升高最大值减小1成左右。
综上所述，本发明实施方式1的3级变电装置的各相包含1个单元，各单元内的半导体元件将长边朝向垂直于冷却风流动的方向地沿冷却风流动方向排列。这时，将第1二极管9u、9v和第2二极管10u、10v配置在受热部15的中央部，并将发热损耗大的第2开关元件2u、2v和第3开关元件3u、3v分散配置，使中央部的二极管群夹在它们中间。
这样，将发热损耗大的半导体元件分散配置，而不是相邻配置在冷却风的上游和下游，所以配置在下风侧的发热损耗大的开关元件减小受配置在上风侧的各开关元件排热的影响。因而，能谋求各开关元件的温度升高均衡，提高冷却器的冷却效率。
又，上述实施方式1中，将各开关元件和各二极管的配置取为图5所示的配置，但也可为图8所示的配置。这时，将配置在中央部的第1二极管9u、9v和第2二极管10u、10v以短边朝向垂直于冷却风流动方向的方式，往与冷却风流动方向垂直的方向排列。
调换第1开关元件1u、1v和第2开关元件2u、2v的位置、调换第3开关元件3u、3v和第4开关元件4u、4v的位置、以及它们的组合时，也能得到同样的效果。
实施方式2图9是示出本发明实施方式2的3级变电装置在冷却器上的各半导体元件的配置和冷却风的方向的俯视图。与上述实施方式1相同，示出用作具有U相和V相的变换电路的变换器时的组成，并且电路和运作与上述实施方式1相同。
如图9所示，将分别构成U相单元和V相单元的半导体元件群，以长边朝向垂直于冷却风流动方向的方式沿冷却风气流配置在冷却器的受热部15上。将第1开关元件1u、1v和第4开关元件4u、4v相邻配置在受热部15的中央部。而且，在该第1开关元件1u、1v和第4开关元件4u、4v的一侧，沿冷却风的气流配置第2开关元件2u、2v和第1二极管9u、9v，并且在所述第1开关1u、1v和第4开关元件4u、4v的另一侧，同样沿冷却风的气流配置第3开关元件3u、3v和第2二极管10u、10v。
这里所示的冷却风是电动鼓风机(未图示)的强制冷却风。
综上所述，本发明实施方式2的3级变电装置的各相包含1个单元，各单元内的半导体元件将长边朝向垂直于冷却风流动的方向地沿冷却风流动方向排列。这时，将第1开关元件1u、1v和第4开关元件4u、4v配置在受热部15的中央部，并将发热损耗大的第2开关元件2u、2v和第3开关元件3u、3v分散配置，使中央部的二极管群夹在它们中间。
这样，将发热损耗大的半导体元件分散配置，而不是相邻配置在冷却风的上游和下游，所以配置在下风侧的发热损耗大的开关元件减小受配置在上风侧的各开关元件排热的影响。因而，能谋求各开关元件的温度升高均衡，提高冷却器的冷却效率。
又，上述实施方式2中，将各开关元件和各二极管的配置取为图9所示的配置，但调换第1二极管9u、9v和第2开关元件2u、2v的位置、调换第2二极管10u、10v和第3开关元件3u、3v的位置、以及它们的组合时，也能得到同样的效果。
本实施方式1和实施方式2中由于将各相单元的半导体元件沿冷却风流动方向排列配置，冷却风的受风面的截面积小，冷却器需要的风量小。因此，尤其在强制冷却的情况下，能减小获得规定冷却性能用的电动鼓风机的容量。
再者，本实施方式1和实施方式2将冷却风取为强制冷却风，但用由车辆行驶产生的行驶风，效果也相同。
此外，在本实施方式1和实施方式2中，将冷却器的冷却媒体取为气体冷却风，但也可采用将冷却水等液体用作冷却媒体并采用紧靠各半导体元件设置水路以便使冷却水流动的冷液方式，能期望效果相同。
工业上的实用性可通过提高冷却器的冷却效率，使冷却器小型化，所以可用于要求小型且重量轻的用途。
权利要求
1.一种3级变电装置，构成变电部的各相由一个单元组成，所述各单元在直流侧的正极端子与负极端子之间依次串联第1开关元件至第4开关元件这4个开关元件，在所述第1开关元件和所述第2开关元件的连接点与直流侧的中间端子之间连接第1二极管，在所述第3开关元件和所述第4开关元件的连接点与所述中间端子之间连接第2二极管，所述第2开关元件与所述第3开关元件之间具有交流端子，并且将构成所述各单元的多个开关元件和多个二极管配置在与冷却器相同的平面上的受热部，利用往一方向流通的冷却媒体对所述冷却器进行冷却，其特征在于，在所述受热部的中央部将所述多个二极管相邻配置，使所述各开关元件的长边垂直朝向所述冷却媒体的流动方向，并将所述第1开关元件和所述第2开关元件配置在所述多个二极管的一侧，将所述第3开关元件和所述第4开关元件配置在多个二极管的另一侧，使该多个开关元件将所述多个二极管夹在中间且沿所述冷却媒体流动方向排列。
2.一种3级变电装置，构成变电部的各相由一个单元组成，所述各单元在直流侧的正极端子与负极端子之间依次串联第1开关元件至第4开关元件这4个开关元件，在所述第1开关元件和所述第2开关元件的连接点与直流侧的中间端子之间连接第1二极管，在所述第3开关元件和所述第4开关元件的连接点与所述中间端子之间连接第2二极管，所述第2开关元件与所述第3开关元件之间具有交流端子，并且将构成所述各单元的多个开关元件和多个二极管配置在与冷却器相同的平面上的受热部，利用往一方向流通的冷却媒体对所述冷却器进行冷却，其特征在于，使所述各开关元件的长边垂直朝向所述冷却媒体的流动方向，并将所述第1开关元件和所述第4开关元件配置在所述受热部的中央部，将所述第2开关元件和所述第1二极管配置在所述中央部的一侧，将所述第3开关元件和所述第2二极管配置在所述中央部的另一侧，使该多个开关元件和多个二极管沿所述冷却媒体的流动方向排列。
全文摘要
3级变电装置的各相由一个单元组成，各单元内的4个开关元件(1u～4u)和2个二极管(9u、10u)，以长边垂直朝向冷却风流动方向的方式沿冷却风流动方向排列，并配置在冷却器的受热部(15)上。这时，将第1、第2二极管(9u、10u)配置在受热部(15)的中央部，并将发热损耗大的第2开关元件(2u)和第3开关元件(3u)分散配置，使中央部的二极管群夹在它们中间，从而谋求均衡各开关元件的温度升高。
文档编号H02M7/04GK101053145SQ20068000108
公开日2007年10月10日 申请日期2006年4月7日 优先权日2005年6月1日
发明者田中毅, 中川良介 申请人:三菱电机株式会社