JP2004328838A

JP2004328838A - 冷却装置および電気鉄道車両用補助電源装置

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Publication number: JP2004328838A
Application number: JP2003117025A
Authority: JP
Inventors: Haruki Yoshikawa; 春樹吉川; Masaaki Nonaka; 政章野中
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】冷却効果を損ねることなく小型化を実現する冷却装置、およびこの冷却装置を搭載して小型化を実現する電気鉄道車両用補助電源装置を提供する。
【解決手段】インバータ７０に適用されるＩＧＢＴ７０ａ〜７０ｆ、および、サイリスタ３０が共に取り付けられ、これら素子による合成した発生損失のうち、入力電圧の変動範囲内で最大の発生損失を冷却する能力を有する冷却体２を備える冷却装置１とし、この冷却装置１を電気鉄道車両用補助電源装置１００に搭載した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数種類の熱発生部材を冷却する冷却装置、および、この冷却装置が搭載される電気鉄道車両用補助電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気鉄道車両には、電車駆動主装置に加え、照明装置、圧縮装置、通信装置、または空気調和装置などの補助装置が搭載されている。これら補助装置は一般に交流電源で動作するため、交流電源を供給するための電気鉄道車両用補助電源装置（以下、従来技術の説明中では単に補助電源装置と略称する。）が必要となる。この補助電源装置は、電圧および周波数が安定している良質の交流電力を電源として供給する。このような補助電源装置の構成を図を参照しつつ説明する。図３は補助電源装置の一例の回路図、図４は補助電源装置の概略構造図である。
【０００３】
図３に示す補助電源装置回路は直流電気車に搭載される回路例である。
補助電源装置回路は、図３で示すように、パンタグラフ１０と、スイッチ２０と、サイリスタ３０と、抵抗器４０と、入力リアクトル５０と、コンデンサ６０と、インバータ７０と、変圧器８０と、動輪９０とを備える回路である。
パンタグラフ１０はき電線（饋電線）１０００から集電し、また、動輪９０とレール２０００とが接触し、レール２０００が帰線として用いられる。
【０００４】
続いて補助電源装置回路の各部の機能について概略説明する。パンタグラフ１０から供給されている直流電源によりコンデンサ６０が充電される。インバータ７０は、このコンデンサ６０からの直流電源を良質な交流電源に変換し、変圧器８０を介して後段の照明装置、圧縮装置、通信装置または空気調和装置等の補助装置へ交流電源を供給する、というものである。
【０００５】
このような補助電源装置を起動する際にまずコンデンサ６０に対して初期充電が行われる。この初期充電では、サイリスタ３０を開いて抵抗器４０と入力リアクトル５０とを直列に接続した上でスイッチ２０を閉じ、コンデンサ６０に突入する充電電流が過大になるのを抑制している。
仮にサイリスタ３０を閉じて抵抗器４０を短絡させた状態でスイッチ２０を閉じると、スイッチ２０を閉じた瞬間にコンデンサ６０には過大な充電電流が突入することとなる（突入電流）。そこで、サイリスタ３０を開くことによりこのような事態を防止する。
【０００６】
補助電源装置の起動後暫くしてコンデンサ６０の初期充電が完了し、電圧が確立する。電圧確立後に抵抗器４０に並列に接続しているサイリスタ３０を閉じて抵抗器４０を短絡させた状態とし、その上でインバータ７０の運転を開始する。仮にサイリスタ３０を開いて抵抗器４０が直列接続された状態で補助電源装置の運転を行うと、常時この抵抗器４０に電流が流れて損失を発生することとなる。このような事態を防止するためサイリスタ３０を閉じて抵抗器４０を短絡して抵抗器４０に電流が流れない状態とし、インバータ運転時の損失の発生を防止している。直流電気車の補助電源装置の概略構成はこのようになる。
【０００７】
なお、交流電気車では、上記した直流電気車の補助電源装置の回路構成に加え、パンタグラフ１０とスイッチ２０との間に、図示しない変圧器と整流回路とが設けられ、交流電力を直流電力に変換することとなる。このような直流電力には多量のリップル分が含まれるので、交流電気車では、このリップル分を吸収・除去する大容量のコンデンサが接続される。
【０００８】
続いて、このような補助電源装置の冷却装置について説明する。補助電源装置１００の冷却装置では、図４で示すように、サイリスタ３０がサイリスタ用冷却体３１に、また、インバータ７０で使用される電力用半導体であるＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｏｒＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）７０ａ〜７０ｆがＩＧＢＴ用冷却体７１に取り付けられている。なお、空白部は他の装置が搭載されているが、その図示を省略している。
【０００９】
さて、このような補助電源装置において、サイリスタ３０、および、ＩＧＢＴ７０ａ〜７０ｆは、運転時にそれぞれ損失が発生する。そこで、サイリスタ３０およびＩＧＢＴ７０ａ〜７０ｆの温度が許容温度以内になるようにそれぞれの損失に応じた適当なサイリスタ用冷却体３１およびＩＧＢＴ用冷却体７１が取り付けられる。従来技術の補助電源装置の冷却装置はこのようなものであった。
【００１０】
また、このような補助電源装置の他の従来技術として、例えば特許文献１（特開平９−９４０１号公報）に記載された発明がある。
特許文献１に記載された発明の車両用補助電源装置および車両搭載用筐体は、特許文献１の図１，図３に示すように、冷却フィン４ａＡを備えるインバータユニット４、および、冷却フィン５ａＡを備えるチョッパユニット５が個別に設けられている点が記載されている。
【００１１】
また、他の先行技術として、例えば、特許文献２（特開平６−１５１６６５号公報）に記載された発明がある。
特許文献２に記載された発明の電車用補助電源装置は、特許文献２の図７，図８に示すような構造を有している。具体的には、平型ＧＴＯサイリスタ６２ａ１１，６２ａ１２，６２ａ１３が収納室１０１内に収納されている。これら平型ＧＴＯサイリスタ６２ａ１１，６２ａ１２，６２ａ１３には、電力用半導体冷却ユニット１２１，１２２，１２３，１２４が、水平方向に圧力が加えられた状態で互いに圧接されている。また、これら電力用半導体冷却ユニット１２１，１２２，１２３，１２４にトランジスタモジュール６３ａＭ１〜６３ａＭ６が直接取り付けられる点が記載されている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平９−９４０１号公報
（段落番号００２２〜００２７，図１）
【特許文献２】
特開平６−１５１６６５号公報
（段落番号００２０〜００２８，図７，図８）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
さて近年では補助電源装置の小型化・軽量化が求められており、その部品である冷却体も小型化・軽量化したいという要請があった。
添付の図３，図４を用いて説明した従来技術、および、特許文献１に記載された発明では、熱源であるインバータおよびチョッパ、または、ＩＧＢＴおよびサイリスタに対してそれぞれ個別に冷却体が形成される、というものである。
しかしながら、個々の冷却体の小型化による対応は限界に近づいており、新たな発想に基づく冷却装置が求められている。
【００１４】
さらに特許文献２に記載された発明では、トランジスタモジュールが取り付けられた一対の電力用半導体冷却ユニットにより平型ＧＴＯサイリスタが挟持される、というものである。
しかしながら、電力用半導体冷却ユニットは、充分な冷却能力を有することで対処するため大型であり、小型化・軽量化について配慮されたものではなかった。
【００１５】
そこで、本発明はこれら問題を解決するためになされたものであり、その目的は冷却効果を損ねることなく小型化を実現する冷却装置、およびこの冷却装置を搭載して小型化を実現する電気鉄道車両用補助電源装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明の冷却装置によれば、
入力電圧が高くなるにつれて発生損失が増大する特性を有する第一スイッチング素子と、
入力電圧が高くなるにつれて発生損失が減少する特性を有する第二スイッチング素子と、
第一スイッチング素子および第二スイッチング素子が共に取り付けられ、これらのスイッチング素子による合成した発生損失のうち、入力電圧の変動範囲内で最大の発生損失を冷却する冷却体と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項２に係る発明の電気鉄道車両用補助電源装置によれば、
電気鉄道用車両に設置される補助装置に電力を供給する電気鉄道車両用補助電源装置であって、請求項１に記載の冷却装置が搭載され、前記第一スイッチング素子を補助装置に電力を供給するためのインバータ用のＩＧＢＴとし、また、前記第二スイッチング素子を前記インバータの直流入力側に接続されたコンデンサへの突入電流の抑制用の抵抗器を短絡するサイリスタとすることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電気鉄道車両用補助電源装置（以下、発明の実施の形態の説明中では補助電源装置とする。）の実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る補助電源装置の概略構造図、図２はサイリスタおよびインバータにおける入力電圧と損失との関係を示す特性図である。なお、従来技術と共通する構成については従来技術の説明で用いた符号と同じ符号を付するとともに、その重複する説明を省略する。
【００１９】
図１で示すように、補助電源装置１００の冷却装置１は、第一スイッチング素子の具体例であるサイリスタ３０、第二スイッチング素子の具体例であるＩＧＢＴ７０ａ〜７０ｆによるインバータ７０、および、冷却体２を備えている。冷却体２にはサイリスタ３０、および、ＩＧＢＴ７０ａ〜７０ｆが共に取り付けられている。なお、従来技術と同様に空白部は他の装置が搭載されているが、その図示を省略している。
【００２０】
続いてこのような構成の冷却装置の機能について説明する。
電気鉄道システムにおける電源電圧は変動が激しく、例えば、直流電気車に対してＤＣ１５００Ｖでき電（饋電）されている場合、ＤＣ９００Ｖ〜ＤＣ２０００Ｖの入力電圧の変動が常時発生している。このような入力電圧の変動がサイリスタ３０およびインバータ７０における発生損失に対してどのように影響するかについてそれぞれ説明する。
【００２１】
まず、インバータ７０における損失について説明する。
インバータ７０は、コンデンサ６０により入力電圧の変動が吸収され、入力電圧が変動してもインバータ７０の出力電圧が一定になるように制御される。さらに、通常はＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御されて安定した周波数の出力電圧が出力される。このため、入力電圧の変動によらず、負荷の電力が一定であればインバータ７０の出力電圧は一定である。
【００２２】
また、インバータ７０で使用されるＩＧＢＴ７０ａ〜７０ｆでは定常損失およびスイッチング損失が発生する。このうち定常損失は、入力電圧が変動しても負荷電流が一定のため、ほぼ一定である。
一方、スイッチング損失は、▲１▼オフ時に素子へ印加される電圧（つまり入力電圧）、▲２▼オン時に素子を流れる電流、▲３▼スイッチング周波数、および▲４▼スイッチング時間を変数とし、これら▲１▼入力電圧、▲２▼電流、▲３▼スイッチング周波数、▲４▼スイッチング時間の積に比例するという性質を有している。
【００２３】
つまり、このスイッチング損失は入力電圧が高いほど大きくなり、入力電圧の変動に影響される。この特性は図２で示すグラフ（図２の中段）のような傾向を有するものであり、スイッチング損失の傾向が支配的である。このようにインバータ７０のＩＧＢＴ７０ａ〜７０ｆでは入力電圧が高くなるにつれて発生損失が増大する特性を有する。
【００２４】
続いてサイリスタ３０における損失について説明する。
サイリスタ３０の電流は、負荷の電力が一定であれば入力電圧に反比例して変化する特性を有しており、入力電圧が高くなれば電流が減少し、サイリスタ３０の定常損失は減少する。この特性は図２で示すグラフ（図２の下段）のような傾向を有するものであり、定常損失の傾向が支配的である。
このようにサイリスタ３０は入力電圧が高くなるにつれて発生損失が減少する特性を有する。
【００２５】
続いて、このようなサイリスタ３０およびインバータ７０を搭載する冷却体２の能力について説明する。
例えば、き電線１０００から供給される電源電圧がＤＣ９００Ｖ〜ＤＣ２０００Ｖの間を変動する場合、サイリスタ３０およびインバータ７０の損失は図２で示すような特性で表される。
【００２６】
ＤＣ９００Ｖ〜ＤＣ２０００Ｖの全電圧領域で熱的に性能を保証するためには、図４で説明した従来技術のサイリスタ用冷却体３１では、入力電圧の変動範囲内で最大の発生損失となる９００Ｖ時の発生損失（図２のグラフでは１６０Ｗ）を処理する能力を有するように設計する必要があり、また、ＩＧＢＴ用冷却体７１では入力電圧の変動範囲内で最大の発生損失となる２０００Ｖ時の発生損失（図２のグラフでは４５０Ｗ）を処理する能力を有するように設計する必要がある。冷却体全体としての損失処理能力はトータル６１０Ｗを処理する必要があった。
【００２７】
一方、本発明では、サイリスタ３０およびインバータ７０を同一の冷却体２に搭載することで、冷却体２に要求される発生損失を処理する能力が低くても可能としている。
具体的には、これらサイリスタ３０およびインバータ７０による合成した発生損失を算出する。このような合成した発生損失は図２で示すようなグラフ（図２の上段）になる。
このような合成した発生損失のうち、入力電圧の変動範囲内で最大の発生損失となる２０００Ｖ時の発生損失（図２のグラフでは５２０Ｗ）を処理できるような能力を有するように冷却体２を設計すれば良い。
【００２８】
このように本実施形態ではこの冷却装置１に用いられる冷却体２をサイリスタ３０およびインバータ７０用のＩＧＢＴ７０ａ〜７０ｆのトータルの発生損失の最大値に基づいて設計するというものであり、２０００Ｖ時の５２０Ｗというトータルの発生損失を処理できるような冷却体２とすれば良い。図４のサイリスタ用冷却体３１とＩＧＢＴ用冷却体７１というトータルの発生損失よりも低い処理能力の冷却体２は、冷却体全体としては小型化・軽量化を図ることができ、その結果として冷却装置１の小型化・軽量化が可能となる。
【００２９】
なお、本発明で使用される冷却体２は、サイリスタ３０およびＩＧＢＴ７０ａ〜７０ｆの取り付け位置によらずに冷却性能が一定であることを前提としている。そこで、例えばヒートパイプ式の冷却体２を採用することが好ましい。
しかしながら、冷却性能が変化なく一定であるような冷却体であればヒートパイプ式によらず採用が可能である。
【００３０】
また、本実施形態では冷却装置１は電気鉄道車両用補助電源装置１００に搭載されることを前提として説明した。しかしながら、この冷却装置１は電気鉄道車両用補助電源装置の搭載に限定されるものではない。
例えば、入力電圧が高くなるにつれて発生損失が増大する特性を有する一又は複数の第一スイッチング素子（本実施形態のインバータ７０のＩＧＢＴ７０ａ〜７０ｆに相当）と、入力電圧が高くなるにつれて発生損失が減少する特性を有する一又は複数の第二スイッチング素子（本実施形態のサイリスタ３０に相当）と、を備える装置に適用できる。
そして、これら第一および第二スイッチング素子が共に取り付けられ、これらによる合成した発生損失のうち、入力電圧の変動範囲内で最大の発生損失を冷却するような冷却体を備える冷却装置とすることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却効果を損ねることなく小型化を実現する冷却装置、およびこの冷却装置を搭載して小型化を実現する電気鉄道車両用補助電源装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る補助電源装置の概略構造図である。
【図２】サイリスタおよびインバータにおける入力電圧と損失との関係を示す特性図である。
【図３】電気鉄道車両用補助電源装置の一例の回路図である。
【図４】電気鉄道車両用補助電源装置の概略構造図である。
【符号の説明】
１冷却装置
２冷却体
１０パンタグラフ
２０スイッチ
３０サイリスタ
３１サイリスタ用冷却体
４０抵抗器
５０入力リアクトル
６０コンデンサ
７０インバータ
７０ａ〜７０ｆＩＧＢＴ
７１ＩＧＢＴ用冷却体
８０変圧器
９０動輪
１０００き電線
２０００レール

Claims

入力電圧が高くなるにつれて発生損失が増大する特性を有する第一スイッチング素子と、
入力電圧が高くなるにつれて発生損失が減少する特性を有する第二スイッチング素子と、
第一スイッチング素子および第二スイッチング素子が共に取り付けられ、これらのスイッチング素子による合成した発生損失のうち、入力電圧の変動範囲内で最大の発生損失を冷却する冷却体と、を備えることを特徴とする冷却装置。
電気鉄道用車両に設置される補助装置に電力を供給する電気鉄道車両用補助電源装置であって、請求項１に記載の冷却装置が搭載され、前記第一スイッチング素子を補助装置に電力を供給するためのインバータ用のＩＧＢＴとし、また、前記第二スイッチング素子を前記インバータの直流入力側に接続されたコンデンサへの突入電流の抑制用の抵抗器を短絡するサイリスタとすることを特徴とする電気鉄道車両用補助電源装置。