JP2019092282A - 車両用電力変換装置及び平滑コンデンサユニット - Google Patents

Abstract

【課題】車両用電力変換装置の部品点数及び組み立て工数を低減する。【解決手段】実施形態の車両用電力変換装置は、半導体スイッチング素子を有し、インバータを構成可能な複数の素子ユニットと、入力された直流電力の平滑化を行い前記素子ユニットに出力する平滑コンデンサユニットと、を備え、前記直流電力を三相交流電力に変換して出力する車両用電力変換装置であり、素子ユニット及び平滑コンデンサユニットは、ねじにより互いに締結することで電気的に接続するとともに、互いに固定状態とする端子接続部をそれぞれ備えている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、車両用電力変換装置及び平滑コンデンサユニットに関する。

近年、電力変換装置としては、省電力化が世界で注視される要素となっており、パワー半導体モジュールの素子に従来用いていたＳｉ（シリコン）から低損失のＳｉＣ（シリコンカーバイド）を用いることにより、装置の小型化、軽量化された電力変換装置が実用化されている。

ところで、鉄道車両用ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency＝AVAF：Adjustable Voltage Adjustable Frequency)インバータ等の車両用電力変換装置においては、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換モジュールがスイッチング動作時に生じる電流遮断によりスパイク電圧が発生するためスパイク電圧を低減するために、平滑コンデンサをラミネート導体を介して半導体素子モジュールへ取付ける構成が知られている。

特許第５２６９２５９号公報

このような構成において、平滑コンデンサと半導体素子モジュールとを、絶縁物を介して２層に重ねたラミネート導体にて接続することで、平滑コンデンサの温度上昇を抑制しつつ、インダクタンス成分を低減する技術も提案されている。
しかしながら、ラミネート導体を介して接続を行うと、部品点数が増加し、組立工数が増加するとともに、コストアップの要因となっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、部品点数及び組み立て工数を低減可能な車両用電力変換装置及び平滑コンデンサユニットを提供することを目的としている。

実施形態の車両用電力変換装置は、半導体スイッチング素子を有し、インバータを構成可能な複数の素子ユニットと、入力された直流電力の平滑化を行い前記素子ユニットに出力する平滑コンデンサユニットと、を備え、前記直流電力を三相交流電力に変換して出力する車両用電力変換装置であり、素子ユニット及び平滑コンデンサユニットは、ねじにより互いに締結することで電気的に接続するとともに、互いに固定状態とする端子接続部をそれぞれ備えている。

図１は、実施形態の車両用電力変換装置の概要構成ブロック図である。 図２は、インバータユニットの概要構成図である。 図３は、平滑コンデンサユニットの外観図である。 図４は、素子ユニットの構造説明図である。 図５は、インバータユニットの回路構成例の説明図である。 図６は、車両用電力変換装置の組み立て状態の外観図である。 図７は、第２の実施形態の車両用電力変換装置の外観図である。 図８は、第３の実施形態の平滑コンデンサユニットの外観図である。 図９は、電流センサの取り付け部分の拡大図である。 図１０は、第４の実施形態の車両用電力変換装置の組み立て状態の外観図である。

次に図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
図１は、実施形態の車両用電力変換装置の概要構成ブロック図である。
車両用電力変換装置１０は、直流き線あるいは交流き線からコンバータユニットを介して供給された直流電力を変換して三相交流電力としてモータ１１に供給するインバータユニット１２と、インバータユニット１２を制御するためのゲートアンプ基板１３と、を備えている。

図２は、インバータユニットの概要構成図である。
インバータユニット１２は、入力された直流電力の平滑化を図るための平滑コンデンサユニット２１と、平滑コンデンサユニット２１に接続され、三相交流を出力するインバータ本体２２と、三相交流を構成しているＵ相電流を測定するＵ相電流センサ２３と、三相交流を構成しているＷ相電流を測定するためのＷ相電流センサ２４と、を備えている。

この構成において、インバータ本体２２は、Ｕ相アーム部４１Ｕ、Ｖ相アーム部４１Ｖ及びＷ相アーム部４１Ｗを備えている。

図３は、平滑コンデンサユニットの外観図である。
図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は平面図、図３（ｃ）は側面図である。
平滑コンデンサユニット２１は、薄板ブロック形状のコンデンサ３１と、コンデンサ３１の一端側に設けられ、コンデンサ３１の一対の端子のそれぞれに接続された一対の直流側端子３２Ｐ、３２Ｎと、コンデンサ３１の他端側に設けられ、コンデンサ３１の一対の端子のそれぞれに接続された６個の三相交流側端子３３−１〜３３−６と、を備えている。

ここで、３個の三相交流側端子３３−１、３３−３、３３−５は、三相交流側第１端子として機能し、他の３個の三相交流側端子３３−２、３３−４、３３−６は、三相交流側第２端子として機能している。

Ｕ相アーム部４１Ｕは、Ｕ相上アーム部を構成している素子ユニット４１ＵＵ及びＵ相下アーム部を構成している素子ユニット４１ＵＬを備えている。
Ｖ相アーム部４１Ｖは、Ｖ相上アーム部を構成している素子ユニット４１ＶＵ及びＶ相下アーム部を構成している素子ユニット４１ＶＬを備えている。
Ｗ相アーム部４１Ｗは、Ｕ相上アーム部を構成している素子ユニット４１ＷＵ及びＷ相下アーム部を構成している素子ユニット４１ＷＬを備えている。

以下の説明において、素子ユニットを４１ＵＵ、４１ＵＬ、４１ＶＵ、４１ＶＬ、４１ＷＵ、４１ＷＬを識別する必要がない場合には、符号４１Ｘと表記するものとする。
ここで、素子ユニット４１ＵＵ、４１ＵＬ、４１ＶＵ、４１ＶＬ、４１ＷＵ、４１ＷＬは同一構成となっているので、以下においては、素子ユニット４１ＵＵを例として説明する。

図４は、素子ユニットの構造説明図である。
図４（ａ）は、素子ユニット４１ＵＵの平面図である。
素子ユニット４１ＵＵは、薄板形状をしており、略長方形状の本体ＢＤから第１の方向（図４（ａ）では、左方向）から突設され、互いに電気的に接続されている一対の第１入出力端子Ｔ１と、本体ＢＤから第１の方向とは逆方向の第２の方向（図＃＃（ａ）では、右方向）から突設され、互いに電気的に接続されている一対の第２入出力端子Ｔ２と、を備えている。

素子ユニット４１ＵＵの本体ＢＤの四隅には、冷却部材と固定するためのねじ孔ＳＣ１が設けられ、第１入出力端子Ｔ１及び第２入出力端子Ｔ２のそれぞれには、平滑コンデンサあるいは三相交流出力端子が電気的、かつ、物理的に接続されるねじ孔ＳＣ２が設けられている。

図４（ｂ）は、素子ユニット４１ＵＵの回路図である。
素子ユニット４１ＵＵは、並列接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bi-polar Transistor）３５とダイオード（還流ダイオード）３６を備えており、ＩＧＢＴ３５のコレクタ端子は第１入出力端子Ｔ１に共通接続され、ＩＧＢＴ３５のエミッタ端子は第２入出力端子Ｔ２に共通接続されている。

図５は、インバータユニットの回路構成例の説明図である。
平滑コンデンサユニット２１の三相交流側端子３３−１には、素子ユニット４１ＵＵの第１入出力端子Ｔ１がねじ止めされている。この結果、三相交流側端子３３−１には、ＩＧＢＴ３５のコレクタ端子及びダイオード３６のカソード端子が接続されている。

平滑コンデンサユニット２１の三相交流側端子３３−２には、素子ユニット４１ＵＬの第２入出力端子Ｔ２がねじ止めされている。この結果、三相交流側端子３３−２には、ＩＧＢＴ３５のエミッタ端子及びダイオード３６のアノード端子が接続されている。

さらに素子ユニット４１ＵＵの第２入出力端子Ｔ２及び素子ユニット４１ＵＬの第１入出力端子Ｔ１は共通接続され、素子ユニット４１ＵＵ及び素子ユニット４１ＵＬはＵ相アーム部を構成している。

平滑コンデンサユニット２１の三相交流側端子３３−３には、素子ユニット４１ＶＵの第１入出力端子Ｔ１がねじ止めされている。この結果、三相交流側端子３３−３には、ＩＧＢＴ３５のコレクタ端子及びダイオード３６のカソード端子が接続されている。
平滑コンデンサユニット２１の三相交流側端子３３−４には、素子ユニット４１ＶＬの第２入出力端子Ｔ２がねじ止めされている。この結果、三相交流側端子３３−４には、ＩＧＢＴ３５のエミッタ端子及びダイオード３６のアノード端子が接続されている。

さらに素子ユニット４１ＶＵの第２入出力端子Ｔ２及び素子ユニット４１ＶＬの第１入出力端子Ｔ１は共通接続され、素子ユニット４１ＶＵ及び素子ユニット４１ＶＬはＶ相アーム部を構成している。

平滑コンデンサユニット２１の三相交流側端子３３−５には、素子ユニット４１ＷＵの第１入出力端子Ｔ１がねじ止めされている。この結果、三相交流側端子３３−５には、ＩＧＢＴ３５のコレクタ端子及びダイオード３６のカソード端子が接続されている。

平滑コンデンサユニット２１の三相交流側端子３３−６には、素子ユニット４１ＷＬの第２入出力端子Ｔ２がねじ止めされている。この結果、三相交流側端子３３−６には、ＩＧＢＴ３５のエミッタ端子及びダイオード３６のアノード端子が接続されている。
さらに素子ユニット４１ＷＵの第２入出力端子Ｔ２及び素子ユニット４１ＷＬの第１入出力端子Ｔ１は共通接続され、素子ユニット４１ＷＵ及び素子ユニット４１ＷＬはＷ相アーム部を構成している。

図６は、車両用電力変換装置の組み立て状態の外観図である。
図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は平面図、図６（ｃ）は、側面図である。
図６に示すように、車両用電力変換装置１０は、６個の素子ユニット４１ＵＵ、４１ＵＬ、４１ＶＵ、４１ＶＬ、４１ＷＵ、４１ＷＬの冷却面５１が冷却装置５２側となるように４箇所のねじ孔ＳＣ１を介して冷却装置にねじ止めされている。

さらに、素子ユニット４１ＵＵ、４１ＵＬ、４１ＶＵ、４１ＶＬ、４１ＷＵ、４１ＷＬにおける第１入出力端子Ｔ１あるいは第２端子は、図＃＃に示した接続状態で、ゲートアンプ基板１３及び平滑コンデンサユニット２１の三相交流側端子と一体にねじ止めされている。

以上の説明のように、本実施形態（第１の実施形態）によれば、コンデンサユニット、ゲートアンプ基板１３及びゲートアンプ基板は、ねじ止めにより物理的な固定と、回路接続とを行っているので、従来のラミネート導体のような配線部材を別途設けることなく、部品点数及び組み立て工数が低減可能であり、ひいては、製造コストの低減も図れる。

図７は、第２の実施形態の車両用電力変換装置の外観図である。
図７において、図６（ｃ）と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
車両用電力変換装置１０Ａは、１２個の素子ユニット（素子ユニット４１ＵＵ、４１ＵＬ、４１ＶＵ、４１ＶＬ、４１ＷＵ、４１ＷＬが二組）の冷却面が冷却装置側となるように４箇所のねじ孔を介して冷却装置にねじ止めされているとともに、６個ずつ二組の素子ユニットにはそれぞれゲートアンプ基板とともに、平滑コンデンサユニット２１の三相交流電力側端子がねじ止めされている。
第２の実施形態が第１の実施形態の電力変換装置と異なる点は、複数系統の負荷（例えば、複数のモータ等）に対して三相交流電力を供給する構成とした点である。より具体的には、インバータユニット１２を二組、すなわち、二つの平滑コンデンサユニット２１と、１２個の素子ユニット４１を備えている。

本第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、平滑コンデンサユニット２１、ゲートアンプ基板１３及びゲートアンプ基板は、ねじ止めにより物理的な固定と、回路接続とを行っているので、従来のラミネート導体のような配線部材を別途設けることなく、部品点数、組み立て工数及び製造コストの低減を図りつつ、複数系統の負荷に三相交流電力を供給することができる。

上記各実施形態においては、三相交流電力側端子から出力される三相交流の電流を測定するために、Ｕ相電流センサ２３及びＷ相電流センサ２４を設けていたが、本第３の実施形態は、三相交流電力側端子を有する平滑コンデンサユニットに交流電流検出センサを設けた場合の実施形態である。
ところで、電流センサを設ける場合に、電力変換装置の天井面のフレームに電流センサを取付けるための板金スペースを設けて電流センサを取付ける方法が挙げられるが、部品点数の増加、装置の大型化、配線の複雑化に伴う組立工数の増加によりコストアップの要因となる虞があった。

図８は、第３の実施形態の平滑コンデンサユニットの外観図である。
図９は、電流センサの取り付け部分の拡大図である。
そこで、本第３実施形態においては、平滑コンデンサユニット２１と同様の構成を有する平滑コンデンサユニット６０に二つの電流センサ６１、６２を取付ける二組のねじ座板金６３を設け、電流センサ６１、６２の固定用ボルト６４をウェルドナット（溶接ナット）６５により固定して取り付け可能とした。

したがって、第３の実施形態によれば、平滑コンデンサユニット５０の取り付けを行うだけで、電流センサ６１、６２を一体に取付け可能とできるので、部品点数を削減し、組立工数の低減、コストダウン及び装置の小型化が可能となる。

第４の実施形態は、車両用電力変換装置にＰＷＭ制御基板を一体として構成した場合の実施形態である。
図１０は、第４の実施形態の車両用電力変換装置の組み立て状態の外観図である。
図１０において、図６（ｂ）と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
図１０に示すように、車両用電力変換装置１０Ｂは、冷却面が冷却装置側となるように４箇所のねじ孔ＳＣ１を介して冷却装置５２にねじ止めされた複数（例えば、６個）の素子ユニットと、複数の素子ユニット４１Ｘに配線用基板７１を介して接続されたＰＷＭ制御基板７２と、複数の素子ユニット４１Ｘに配線用基板７１を介して、配線用基板７１と一体に複数の素子ユニット４１Ｘに電気的に接続可能に三相交流側端子とねじ止めされている平滑コンデンサユニット２１と、を備えている。

以上の説明のように、本第４実施形態によれば、配線用基板７１と一体になったＰＷＭ制御基板６２を素子ユニットに電気的に接続して組み立てるに際して、平滑コンデンサユニット２１の取り付けと同時に行えるので、組み立て工数の低減が図れる。
さらに配線用基板７１をＰＷＭ制御基板７２と直接接続し、一体に素子ユニット４１Ｘに接続するので、小型化が容易となる。

以上の説明においては、素子ユニット４１Ｘは、上部アームあるいは下部アームを構成可能なＩＧＢＴ及びダイオード（還流ダイオード）を備える構成としていたが、上部アーム及び下部アームを一体として備えた素子ユニットを構成するようにすることも可能である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０、１０Ａ、 １０Ｂ 車両用電力変換装置
１１ モータ
１２ インバータユニット
１３ ゲートアンプ基板
２１ 平滑コンデンサユニット
２２ インバータ本体
２３ Ｕ相電流センサ
２４ Ｗ相電流センサ
３１ コンデンサ
３２Ｐ 直流側端子
３３ 三相交流側端子
３５ ＩＧＢＴ
３６ ダイオード
４１ 素子ユニット
４１Ｕ Ｕ相アーム部
４１Ｖ Ｖ相アーム部
４１Ｗ Ｗ相アーム部
４１ＵＬ、４１ＵＵ、４１ＶＬ、４１ＶＵ、４１ＷＬ、４１ＷＵ 素子ユニット
４１Ｘ 素子ユニット
５０ 平滑コンデンサユニット
５１ 冷却面
５２ 冷却装置
６０ 平滑コンデンサユニット
６１ 電流センサ
６２ ＰＷＭ制御基板
６３ ねじ座板金
６４ 固定用ボルト
７１ 配線用基板
７２ ＰＷＭ制御基板
ＢＤ 本体
ＳＣ１ ねじ孔
ＳＣ２ ねじ孔
Ｔ１ 第１入出力端子
Ｔ２ 第２入出力端子
ＶＶＶＦ 鉄道車両用

Claims (7)

1. 半導体スイッチング素子を有し、インバータを構成可能な複数の素子ユニットと、入力された直流電力の平滑化を行い前記素子ユニットに出力する平滑コンデンサユニットと、を備え、前記直流電力を三相交流電力に変換して出力する車両用電力変換装置であって、
   前記素子ユニット及び前記平滑コンデンサユニットは、ねじにより互いに締結することで電気的に接続するとともに、互いに固定状態とする端子接続部をそれぞれ備えた、
   車両用電力変換装置。
2. 前記平滑コンデンサユニットは、前記直流電力が入力される一対の直流側端子と、
   前記三相交流電力を出力する三相交流側端子と、を備える、
   請求項１記載の車両用電力変換装置。
3. 前記複数の素子ユニット及び前記平滑コンデンサユニットの組みを複数組み備え、
   複数の前記平滑コンデンサユニットの前記直流側端子を共通接続した、
   請求項２記載の車両用電力変換装置。
4. 前記平滑コンデンサユニットは、取付用ねじを有し、前記三相交流電力の電流を検出するための電流センサと、前記電流センサが取り付けられたねじ座と、を備えている、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の車両用電力変換装置。
5. 前記車両用電力変換装置は、ＰＷＭ制御により電力変換を行うものであり、
   配線基板と、
   前記素子ユニットに対し、前記配線基板を介して接続されて前記素子ユニットの制御を行うＰＷＭ基板と、
   を備えた、
   請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の車両用電力変換装置。
6. 直流電力が入力され、後段に設けられて前記直流電力を三相交流電力に変換する電力変換部に平滑直流電力を供給可能な平滑コンデンサユニットであって、
   前記直流電力が入力される一対の直流側端子と、
   前記三相交流電力を出力する三相交流側第１端子と、
   前記三相交流側第１端子と対となり、前記三相交流電力を出力する三相交流側第２端子と、
   前記一対の直流側端子間に接続されたコンデンサと、を備え、
   前記一対の直流側端子のうち一方は、前記三相交流側第１端子に接続され、
   前記一対の直流側端子のうち他方は、前記三相交流側第２端子に接続されている、
   平滑コンデンサユニット。
7. 前記平滑コンデンサユニットは、取付用ねじを有し、前記三相交流電力の電流を検出するための電流センサと、前記電流センサが取り付けられたねじ座と、を備えている、
   請求項６記載の平滑コンデンサユニット。

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