JP7451386B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、鉄道車両用の電力変換装置として好適なものである。

鉄道車両に設置される電力変換装置は、車両を駆動する電動機を制御するためのもので、車両の床下等に設置される。車両の床下には、電力変換装置以外に、例えば空調用電源等の他の多くの部品を搭載する必要があるため、電力変換装置には小型化が要求される。

電力変換装置の主な部品の１つに、主として半導体素子、半導体素子を冷却する冷却器および鉄道架線から入力される電力の安定化を図るためのフィルタコンデンサから構成されるパワーユニットがある。電力変換装置の小型化には、このパワーユニットの構成部品である冷却器を、冷却性能を維持したまま小型化する必要がある。

冷却器は、（素子の発熱損失の）受熱部となるヒートブロック、（周囲空気への）放熱部となる放熱フィン、場合によっては、ヒートブロックと放熱フィンとを熱接続するヒートパイプから構成される。

そして、その冷却方式には、冷却用送風機（ブロア）によるブロア強制風冷方式、水冷ユニットによる水冷方式、車両の走行に伴って発生する走行風を利用する走行風冷却方式など、様々なタイプの冷却方式がある。しかし、床下機器スペースの都合などから小型化の要求も強く、環境負荷低減や省エネ化の観点から近年では走行風冷却方式が主流である。

走行風冷却方式の冷却器は、ヒートブロックで受熱した熱を、鉄道車両の走行速度に応じて得られる走行風のみで冷却する必要があるため、その冷却効率を高めて電力変換装置全体の信頼性を高めなければならない。冷却効率を高めるには、放熱フィンの面積を大きくする方法などがあるが、発熱損失が異なる複数の半導体素子をヒートブロックに配置する場合は、その発熱損失の差を考慮して半導体素子を配置する方法が有効である。

特許文献１は、発熱損失の異なる複数の半導体素子が配置される３レベルのパワーユニットにおいて、ヒートブロックの中央部に発熱損失の小さい半導体素子群を集約して配置し、その両端に、冷却風の流れる方向に沿って、発熱損失の大きい半導体素子群を配置させることで、風上側に配置された発熱損失の大きい半導体素子群の排熱により、風下側に配置された発熱損失の大きい半導体素子群が受ける影響を低減させて、冷却効率を高めている。

特開２００６－３４０４９０号公報

発熱損失が異なる複数の半導体素子を同一のヒートブロックに配置した電力変換装置において、特許文献１に記載されている半導体素子の配置方法では、上述したように、冷却効率を高めることができる。一方で、発熱損失の大きい半導体素子群が、ヒートブロック上の進行方向の外側に配置されているため、十分な冷却効果を得るには、この発熱損失の大きい半導体素子群の外形位置を超える範囲の放熱フィンが必要である。

特に、走行風冷却方式であって、パワーユニットが鉄道車両の進行方向（以下、「進行方向」と略する）に前後して２個以上設置される電力変換装置においては、進行方向の後方に配置されたパワーユニットに対して、冷却器の走行風による冷却効果を確保する目的で、進行方向の前後の放熱フィン間は一定の距離を設ける必要がある。そのため、放熱フィンを備えるパワーユニットを搭載する間の距離を短縮して電力変換装置を小型化することは困難である。

本発明では、走行風冷却方式であって、発熱損失が異なる複数の半導体素子が同一のヒートブロックに配置されるパワーユニットを、進行方向に前後して２台以上配置した電力変換装置において、冷却器の冷却性能を維持したまま、電力変換装置を進行方向に小型化することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明の代表的な電力変換装置の一つは、複数の半導体素子群と、複数の半導体素子群を冷却する冷却器と、電源平滑用のフィルタコンデンサとを備え、鉄道車両に設置される電力変換装置であって、冷却器を構成するヒートブロックの片面に配置した当該冷却器の放熱フィンの配置位置に対向して、ヒートブロックの当該片面の反対面の中央部に発熱損失の大きいモータ制御用のパワースイッチング素子によって構成される第１の半導体素子群と、当該第１の半導体素子群に対して鉄道車両の進行方向の両隣の少なくとも一方に発熱損失の小さい過電圧保護回路に使用されるパワースイッチング素子によって構成される第２の半導体素子群とを配置し、放熱フィンが占める進行方向の幅が、第１および第２の半導体素子群を併せた配置範囲の進行方向の幅よりも小さい構成である。

本発明によれば、冷却器の冷却性能を維持したままで、小型化した電力変換装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。

本発明の実施例に係る電力変換装置の鉄道車両への取り付け位置を示す全体構成図である。 本発明の実施例に係るパワーユニットの正面構成図である。 実施例における、ヒートブロックへの発熱損失の大きい半導体素子群および発熱損失の小さい半導体素子群の配置例を示す図である。 実施例における、ヒートブロックの受熱側および放熱側を進行方向から見た図である。 実施例における、鉄道車両の床下の電力変換装置へのパワーユニットの設置例を示す図である。 従来の形態における、ヒートブロックへの発熱損失の大きい半導体素子群および発熱損失の小さい半導体素子群の配置例を示す図である。 従来の形態における、ヒートブロックの受熱側および放熱側を進行方向から見た図である。 従来の形態における、鉄道車両の床下の電力変換装置へのパワーユニットの設置例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態として実施例について説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

図１は、本発明の実施例に係る電力変換装置１００の鉄道車両２００への取り付け位置を示す全体構成図である。
パワーユニット１から構成される電力変換装置１００は、鉄道車両２００の床下に配置される。

電力変換装置１００は、単相交流から直流を発生させる装置および直流から三相交流を発生させる装置である。前者はコンバータと呼ばれ、後者はインバータと呼ばれる。

図２は、本発明の実施例に係るパワーユニット１の正面構成図である（図の左右が枕木方向）。
電力変換装置１００を構成するパワーユニット１は、フィルタコンデンサ２、主回路配線３、ゲート配線４、ゲート制御回路５、発熱損失の大きい半導体素子群６、発熱損失の小さい半導体素子群７および冷却器８から構成される。

パワーユニット１は、発熱損失の大きい半導体素子群６および発熱損失の小さい半導体素子群７を有し、通信制御されることになる。通信制御に際して、別途設けられている制御装置（図示せず）は、発熱損失の大きい半導体素子群６および発熱損失の小さい半導体素子群７を構成する半導体素子に対する制御信号を出力し、パワーユニット１に取付けられたゲート制御回路５およびゲート配線４を介して、上記した半導体素子群（６、７）を駆動する。

フィルタコンデンサ２は、直流電源を平滑するためのものであり、主回路配線３を介して、発熱損失の大きい半導体素子群６と発熱損失の小さい半導体素子群７とを電気的に接続する。

主回路配線３は、上述したようにフィルタコンデンサ２、発熱損失の大きい半導体素子群６および発熱損失の小さい半導体素子群７を電気的に接続する主回路配線である。一般的に、主回路配線３には、導体バー表面に絶縁フィルムを被膜した平板状のラミネートブスバーが用いられる。

ラミネートブスバーは、発熱損失の大きい半導体素子群６および発熱損失の小さい半導体素子群７を用いた電気回路において、高速スイッチング時に生じる異常電圧（サージ電圧）を抑制させるため、低インダクタンスとなるように、正極ブスバーと負極ブスバーとが互いに隣接して実装される。なお、ラミネートブスバーに替えて、ラミネート材で被覆されていない積層ブスバーを用いてもよい。

ゲート配線４は、ゲート制御回路５から生成および出力されたゲート信号を、発熱損失の大きい半導体素子群６および発熱損失の小さい半導体素子群７に出力するための制御回路配線である。

ゲート制御回路５は、上述したように、ゲート信号を生成および出力する回路である。

発熱損失の大きい半導体素子群６および発熱損失の小さい半導体素子群７に使用される半導体素子は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。

ＩＧＢＴは、オン抵抗および駆動電流が小さく、またスイッチング速度が速いという利点がある。一方で、ＩＧＢＴは、通電および遮断時に大電力を消費して発熱するため、一般的に冷却器が設けられることになる。

また、上記した半導体素子としては、１アーム分のみで構成された１ｉｎ１素子モジュール、上下アーム２組の半導体で直列回路を構成する１相分の２ｉｎ１素子モジュール、または、２ｉｎ１素子モジュールを３相分に組み合わせて単一モジュールにした６ｉｎ１素子モジュールでもよい。

ここで、発熱損失の大きい半導体素子群６は、例えば、モータ制御用のパワースイッチング素子によって構成される。

図示しない過電圧保護回路は、フィルタコンデンサ２の過電圧検出時や制御電源ＯＦＦ時にＯＮし、フィルタコンデンサ２に蓄積されている電荷を放出させる目的で設けられる。この過電圧保護回路は、発熱損失の小さい半導体素子群７として分類され、例えば、過電圧保護用のパワースイッチング素子が用いられる。

過電圧保護回路に使用される半導体素子（パワースイッチング素子）は、スイッチング頻度が少ないため、発熱損失も小さい。そのため、発熱損失の小さい半導体素子群７に使用される半導体素子としては、発熱損失の大きい半導体素子群６に使用される半導体素子と同一の半導体素子であってもよい。

発熱損失の大きい半導体素子群６および発熱損失の小さい半導体素子群７は、上述したように、同一のラミネートブスバーまたは積層ブスバーによってフィルタコンデンサ２と接続することができる。その場合には、低インダクタンス回路を共有でき、さらに回路設計の省略や信頼性の向上を図ることができる。

冷却器８は、ヒートブロック８１、放熱フィン８２およびヒートパイプ８３から構成される。ヒートブロック８１は、発熱損失の大きい半導体素子群６および発熱損失の小さい半導体素子群７から発生した熱を吸収し、ヒートパイプ８３に封入された冷媒を気化して冷却する。放熱フィン８２は、気化した冷媒を冷却風に当てて熱交換することにより、冷媒を再び液化させる。

特に、走行風を冷却風として利用する走行風冷却方式では、冷却器８には、飛来物による損傷の懸念を低減する目的や冷却風を整流する目的で、保護カバーが取り付けられる。なお、冷却器８は、ヒートブロック８１および放熱フィン８２を熱接続するヒートパイプ８３を必ずしも備えていなくてもよい。

次に、図３～５を使って、本発明の実施例における、発熱損失の大きい半導体素子群６および発熱損失の小さい半導体素子群７の配置、それらの半導体素子群を冷却する冷却器８の構造、パワーユニット１の設置について、説明する。

また、これらについて、比較のために従来の形態の場合も併せて説明する。その際に、同一部品については同一の符号を付すが、従来の形態の方には同一の符号の後にＡをつけて区別する。

図３は、実施例における、ヒートブロック８１への発熱損失の大きい半導体素子群６および発熱損失の小さい半導体素子群７の配置例を示す図である。
発熱損失の大きい半導体素子群６をヒートブロック８１の中央部に集約して配置し、この半導体素子群６に対して鉄道車両２００の進行方向（以下、「進行方向」と略する）の両隣の少なくとも一方に、発熱損失の小さい半導体素子群７を配置する（図３では、両隣に配置した例を示す）。

このように配置することにより、冷却器８の冷却効果を確保したままで、放熱フィン８２（図３に示す破線枠）の進行方向の幅（長さ）を、発熱損失の大きい半導体素子群６および発熱損失の小さい半導体素子群７を併せた配置範囲の進行方向の幅（長さ）よりも小さく（短く）できる。面積からすれば、放熱フィン８２（図３に示す破線枠）が占める面積を、発熱損失の大きい半導体素子群６および発熱損失の小さい半導体素子群７を併せた配置範囲の面積よりも小さく（狭く）することができる。

そのため、放熱フィン８２は、入り込む冷却風が外部へ漏れ出る量を低減できることで、風下側でも十分に冷却効果が得られ、冷却器８の冷却効率を高めることができる。

なお、上記したパワーユニット１単体で得られる効果については、走行風冷却方式であっても、ブロア強制風冷方式であっても同様であり、放熱フィン８２に冷却風が通り抜けることで冷却する方法であれば、冷却効率を高めることができる。

一方で、図６は、従来の形態における、ヒートブロック８１への発熱損失の大きい半導体素子群６および発熱損失の小さい半導体素子群７の配置例を示す図である。
ヒートブロック８１の中央部に発熱損失の小さい半導体素子群７を集約して配置し、その進行方向の周囲に、発熱損失の大きい半導体素子群６を配置している点で、本発明の実施例とは異なる。

また、十分な冷却効果を得るためには、本発明の実施例とは異なり、配置した半導体素子群の外形位置より放熱フィン８２Ａ（図６に示す破線枠）を進行方向に対して小型化ができない。

図４は、実施例における、ヒートブロック８１の受熱側および放熱側を進行方向から見た図である。
一般的に、冷却効果が十分に得られない場合は、放熱フィン８２の枚数を枕木方向に増やして放熱面積を増大させる。ただし、実施例における放熱フィン８２は、上述したように十分な冷却効果が得られるため、その枚数を十分な冷却効果が得られる範囲で少なくすることができるため、電力変換装置１００を枕木方向に対して小型化および軽量化が可能となる。

一方で、図７は、従来の形態における、ヒートブロック８１の受熱側および放熱側を進行方向から見た図である。
ヒートブロック８１の放熱側に備えられる放熱フィン８２Ａは、進行方向への寸法が大きくなるため、圧力損失が増大する。そこで、十分な冷却効果を得るためには、一般的に、放熱フィン８２Ａの枚数を枕木方向へ増やして設計することになり、電力変換装置１００Ａを枕木方向に対して小型化および軽量化ができない。この点で、本発明の実施例とは異なる。また、上記した放熱フィン８２Ａが枕木方向に大きくなることで、ヒートパイプ８３Ａも同方向に大きくなる。

図５は、実施例における、鉄道車両２００の床下の電力変換装置１００へのパワーユニット１の設置例を示す図である。
電力変換装置１００に、進行方向に前後して設置された２台のパワーユニット１は、上述したように、走行風による十分な冷却効果が得られるように、双方の放熱フィン８２間に一定の距離Ｄが確保できるように設置される。

実施例では、放熱フィン８２を進行方向に小さくできるので、距離Ｄを確保したまま、２台のパワーユニット１の搭載間距離Ｌ１を短縮できる。すなわち、電力変換装置１００の進行方向寸法Ｌ２を小さくできる。なお、パワーユニット１は、図５に示す設置の態様に限らず、進行方向に前後して２個以上設置してもよい。

一方で、図８は、従来の形態における、鉄道車両２００の床下の電力変換装置１００Ａへのパワーユニット１Ａの設置例を示す図である。
放熱フィン８２Ａを備えるパワーユニット１Ａでは、距離Ｄを確保したまま、２台のパワーユニット１Ａの搭載間距離Ｌ１Ａ（＞Ｌ１）を短縮することはできず、電力変換装置１００Ａの進行方向寸法Ｌ２Ａを小さくできない点が、本発明の実施例とは異なる。

またここで、本発明の実施例における、発熱損失の大きい半導体素子群６および発熱損失の小さい半導体素子群７に使用される半導体素子について、その配置方向は言及していない。そのため、半導体素子の配置については、例えば、その外形の長辺方向が、進行方向に平行であっても垂直であってもよく、その方向を問わない。

同様に、使用される半導体素子の種類について、構造の異なる半導体素子を複数種類配置してもよい。

さらに、発熱損失の小さい半導体素子群７に替えて、冷却器８による冷却を要する抵抗器などの発熱体を設置してもよい。

ところで、以上で説明した本発明の実施例に係る構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術を組み合わせることも可能であり、また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部の省略も含め種々の変更が可能である。

１…パワーユニット、２…フィルタコンデンサ、３…主回路配線、４…ゲート配線、
５…ゲート制御回路、６…発熱損失の大きい半導体素子群、
７…発熱損失の小さい半導体素子群、８…冷却器、８１…ヒートブロック、
８２…放熱フィン、８３…ヒートパイプ、１００…電力変換装置、２００…鉄道車両

Claims (4)

1. 複数の半導体素子群と、前記複数の半導体素子群を冷却する冷却器と、電源平滑用のフィルタコンデンサとを備え、鉄道車両に設置される電力変換装置であって、
   前記冷却器を構成するヒートブロックの片面に配置した当該冷却器の放熱フィンの配置位置に対向して、前記ヒートブロックの前記片面の反対面の中央部に発熱損失の大きいモータ制御用のパワースイッチング素子によって構成される第１の半導体素子群と、当該第１の半導体素子群に対して前記鉄道車両の進行方向の両隣の少なくとも一方に発熱損失の小さい過電圧保護回路に使用されるパワースイッチング素子によって構成される第２の半導体素子群とを配置し、
   前記放熱フィンが占める前記進行方向の幅が、前記第１および前記第２の半導体素子群を併せた配置範囲の前記進行方向の幅よりも小さい
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記第１および前記第２の半導体素子群は、同一のラミネートブスバーまたは積層ブスバーによって前記フィルタコンデンサと接続される
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
   前記第２の半導体素子群に替えて抵抗器から成る発熱体を前記第２の半導体素子群の位置に配置する
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置を進行方向に複数台並べて搭載した鉄道車両。

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