KR101317587B1 - 철도 차량용 전력 변환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 게이트 제어 회로 주변의 환경 상태를 개선하여, 메인터넌스성의 향상 및 경량화를 실현하는 것이다.
전력 변환 회로의 3상 인버터(3)를 구성하는 반도체 소자와 이들 반도체 소자에 게이트 신호를 공급하는 복수의 게이트 제어 회로(7) 및 전력 변환 회로의 직류 단자(P, N) 사이에 접속되는 필터 콘덴서를 포함하는 전력 변환 유닛(6)이 공통의 하우징(20) 내에 수납되고, 필터 콘덴서는 반도체 냉각 유닛과 일체 구조로 되고, 복수의 게이트 제어 회로(7)는 필터 콘덴서의 하면에 배치한다.

Description

철도 차량용 전력 변환 장치 {POWER CONVERSION DEVICE FOR RAILWAY VEHICLE}

본 발명은 철도 차량용 전력 변환 장치 일반의 주회로 실장 구조, 특히 전력 변환 장치의 주회로 실장 구조에 관한 것이다.

철도 차량에 설치되는 철도 차량용 전력 변환 장치는 철도 가선으로부터 입력되는 전력을 복수의 IGBT로 이루어지는 주회로의 스위칭 동작에 의해 전력 변환하여, 철도 차량용 전동기를 제어하는 것이다. 이 전력 변환 장치의 주된 구성 장치인 주회로는 스위칭 소자인 IGBT와, 그 구동 회로, IGBT의 냉각기, 가선으로부터 입력된 직류 전력의 안정화를 위한 필터 콘덴서 등으로 구성되어 있다.

도 3은 종래의 전력 변환 장치의 사시도를, 도 5는 종래의 전력 변환 장치의 측면도를 도시한다.

도 3, 도 5를 참조로 하여 전력 변환 장치의 구조를 설명한다. 하우징(20) 내에 있어서 IGBT(1)는 냉각 블록(4) 및 냉각 핀(5)을 갖는 반도체 냉각 유닛의 냉각 블록(4)에 설치되어, 발열 손실을 장치 밖의 대기로 방출한다. 상기 반도체 냉각 유닛과, U, V, W의 3상분의 IGBT(1) 및 필터 콘덴서(2)가 동일한 하우징(20) 내에 수납되어, 전력 변환 유닛(6)을 구성하고 있다.

IGBT(1)로의 게이트 신호는 게이트 제어 회로(7)로부터 출력되어, 게이트 배선(8)을 통해 각 IGBT(1)로 송출된다. 필터 콘덴서(2)는, 도 3에 있어서의 좌우 양쪽에 2개로 분할 배치된다. 게이트 제어 회로(7)는 2개로 분할된 필터 콘덴서(2)의 중앙의 공간에 배치된다. 여기서는, IGBT(1)와 게이트 제어 회로(7), 게이트 배선(8), 냉각 유닛, 도체 바 및 도시되어 있지 않지만 이들을 지지, 결합하는 프레임으로 이루어지는 일체 구성 부분을 특히 파워 유닛이라고 칭한다.

도 3 및 도 5에 도시하는 구조의 전력 변환 유닛(6)에 있어서는, 필터 콘덴서(2)가 2개로 분할되어 양쪽에 배치된 구조이므로, 필터 콘덴서(2)의 도 3에 있어서의 전후 방향의 두께가, 분할되지 않은 경우의 필터 콘덴서와 비교하여 증대된다. 그 결과, 프레임 구성상, 게이트 제어 회로(7)가 비교적 안측의 위치에 배치되게 되어, 게이트 제어 회로(7)의 육안 확인이나 회로 체크 등의 메인터넌스 작업이 곤란해진다. 특히, 게이트 제어 회로(7)의 메인터넌스 공간으로 되는 분할된 필터 콘덴서(2)의 간격 치수는 좁기 때문에, 광파이버 등의 탈착의 액세스가 곤란하다고 하는 문제가 있었다. 또한, 3상분의 게이트 제어 회로를 중앙에 집약하여 배치하고 있으므로, 전력 변환 유닛(6) 내의 게이트 배선(8)이 중앙에 집중하여, 배선 에어리어를 위한 스페이스 확보가 곤란했다. 즉, 노이즈 대책을 고려한 속선(束線) 배치가 불충분해져, 노이즈 대책이 곤란했다. 또한, 게이트 제어 회로(7)는 열이 가득 차기 쉬운 중앙부에 배치되게 되고, 특히 상단의 게이트 제어 회로는 하단의 게이트 제어 회로의 발열에 의해 가열되어, 열적으로 엄격한 환경 조건으로 되어 있었다.

또한, 도 3 및 도 5에 도시하는 구조는 필터 콘덴서가 2a, 2b로 2분할되어 있음으로써, 필터 콘덴서(2) 및 그것에 접속되는 배선 도체나 지지 부재 등의 부품 개수가 많아져, 장치의 구조의 복잡화나 중량 증가의 원인으로 되고 있었다.

이와 같은 과제를 해결하는 구성으로서, 예를 들어 특허 문헌 1에 기재된 구조가 있다. 특허 문헌 1에 기재된 구조를 도 4를 사용하여 설명한다.

도 4에 도시하는 구조는 상기한 구조와 마찬가지로, 하우징(20) 내에 있어서 IGBT(1)는 냉각 블록(4) 및 냉각 핀(5)을 갖는 반도체 냉각 유닛의 냉각 블록(4)에 설치되어, 발열 손실을 장치 밖의 대기로 방출한다. 냉각 블록(4) 및 냉각 핀(5)을 갖는 반도체 냉각 유닛, 필터 콘덴서(2)와 U, V, W의 3상분의 IGBT(1)를 1개의 하우징(20) 내에 수납함으로써 전력 변환 유닛(6)을 구성하고 있다.

게이트 제어 회로(7)는 필터 콘덴서(2)의 하면에 좌우로 나란히 설치되어 있으므로, 게이트 제어 회로의 액세스는 용이해진다. 또한, 필터 콘덴서는 게이트 제어 회로 상에, 분할되지 않고 1개로 통합된 형태로 배치되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2003-23778호 공보

그러나, 상기 구성에는 이하에 서술하는 문제점이 있었다.

도 4에 도시한 전력 변환 장치는 필터 콘덴서(2)와, 상술한 파워 유닛이 분할된 구성으로 되어 있고, 하우징(20)에 필터 콘덴서(2)를 고정 지지한 후에, 파워 유닛과 필터 콘덴서(2)의 배선이 접속되고, 필터 콘덴서(2)와 파워 유닛은 따로따로 하우징(20)에 고정되어 있다.

여기서, 전력 변환 장치를 철도 차량에 탑재하여 상업 운전을 행하고 있을 때에 있어서, 전력 변환 장치의 메인터넌스를 위해, 전력 변환 장치를 하우징으로부터 제거할 때에는, 필터 콘덴서와 하우징의 고정 지지 부재를 제거하고, 필터 콘덴서와 상기 유닛 사이의 배선을 제거하고, 필터 콘덴서를 하우징으로부터 취출하고, 상기 유닛과 하우징의 고정 지지 부재를 제거하여, 상기 유닛을 하우징으로부터 취출할 필요가 있다. 이 하우징은 철도 차량의 바닥 하부의 한정된 스페이스에 탑재되므로 하우징은 작고, 이 하우징 중에서 필터 콘덴서와 상기 유닛 사이의 배선을 제거하는 작업을 행하는 것은, 작업자에게 있어서 매우 곤란하고 시간이 걸리는 작업이었다. 또한, 하우징으로부터 전력 변환 장치를 제거하기 위한 공정수는 많고, 번잡했다.

또한, 필터 콘덴서 및 상기 유닛이 따로따로 하우징에 고정 지지되어 있으므로, 고정 지지 부재 등의 부품 개수가 많아져, 전력 변환 장치의 하우징으로의 설치 시나 메인터넌스 시에, 작업자의 공정수가 많아질 뿐만 아니라, 중량을 증가시키는 요인으로 되고 있었다.

따라서, 본 발명은 메인터넌스성의 향상 및 장치의 소형화를 가능하게 하는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 전력 변환 장치는 전력 변환 회로를 구성하는 복수의 반도체 소자와, 반도체 소자로 게이트 신호를 공급하는 게이트 제어 회로와, 전력 변환 회로의 직류 단자에 접속되어 직류 전류를 평활하게 하는 필터 콘덴서를 갖고, 반도체 소자와 필터 콘덴서가 공통의 하우징 내에 수납되어, 필터 콘덴서와 반도체 소자는 서로 고정된 일체 구조로 된다.

또한, 복수의 게이트 제어 회로를 유닛 프레임과 고정하여, 일괄로 탈착을 행할 수 있는 구성으로 해도 좋다. 이와 같은 구조로 함으로써 액세스성이나 메인터넌스성이 향상된다.

또한, 필터 콘덴서 일체 구조 시에, 전력 변환 유닛을 안정화시키기 위한 자립 프레임(10)을 가져도 좋다. 이와 같은 구조로 함으로써, 전력 변환 유닛의 메인터넌스성, 조작성이 향상된다.

본 발명에 따르면, 메인터넌스성의 향상 및 저비용화를 가능하게 하는 철도 차량용 전력 변환 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태의 측면도.
도 3은 종래의 실시 형태의 사시도 1.
도 4는 종래의 실시 형태의 사시도 2.
도 5는 종래의 실시 형태의 측면도.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태의 전력 변환 장치의 전기 회로도.

도 1에 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 사시도, 도 2에 전력 변환 장치의 측면도를 도시한다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 있어서의 전력 변환 장치는 IGBT(1), 필터 콘덴서(2), 냉각 블록(4), 냉각 핀(5), 게이트 제어 회로(7)를 갖고, U, V, W의 3상분을 집약한 전력 변환 유닛(6)으로 구성되어 있고, 전력 변환 유닛(6)은 하우징(20)의 내부에 고정적으로 수납되어 있다. 하우징(20) 내에 있어서 IGBT(1)는 냉각 블록(4) 및 냉각 핀(5)을 갖는 반도체 냉각 유닛의 냉각 블록(4)에 설치되어, IGBT(1)로부터 발생하는 발열 손실은 전력 변환 장치 밖의 대기로 방출된다.

IGBT(1)로의 게이트 신호는 게이트 제어 회로(7)로부터 출력되어, 게이트 배선(8)을 통해 각 IGBT(1)로 송출된다. 게이트 제어 회로(7)는 전력 변환 유닛(6)의 하면부이며, 필터 콘덴서(2)의 하면부의 공간, 또한 도 1에 있어서의 전방면측(냉각 핀의 반대측)에 배치된다. 또한, 게이트 제어 회로(7)는 외부로부터의 신호를 입력하는 입력단으로 되는 광파이버의 접속 단자가 도 1에 있어서의 전방면을 향해 배치되어 있다(도시되어 있지 않음).

필터 콘덴서(2)는 반도체 냉각 유닛이나 IGBT(1) 및 게이트 제어 회로(7)와 고정되어 있고 일체 구조를 구성한다. 전력 변환 유닛(6)의 하면부에 배치된 게이트 제어 회로(7)로부터 IGBT(1)로 신장되는 게이트 배선(8)은 각 상 균등한 길이로 배치된다.

다음에, 도 6을 사용하여 본 실시예의 전력 변환 장치의 주회로 구성을 설명한다. 도 6은 전력 변환 장치의 주회로 구성을 도시하는 회로 결선도이다. 철도의 기전 방식에는 교류식 및 직류식이 있고, 주전동기에도 교류 전동기, 직류 전동기가 존재한다. 따라서, 기전 방식과 전동기의 조합에 의해 전력 변환 장치에도 인버터 단독, 또는 컨버터 단독 또는 양자의 조합이 있을 수 있지만, 본 실시예에서는, 일례로서 직류 기전 방식과 교류 전동기의 조합인 경우에 적용하는 인버터에 대해 설명한다.

본 실시예의 주회로는 직류 단자(P, N) 사이에 접속되는 필터 콘덴서(2)와, 3상 인버터(3)에 의해 구성되어 있다. 3상 인버터(3)는 입력된 직류를 임의 주파수ㆍ임의 전압의 3상 교류로 변환하여, 교류 단자(U, V, W)에 3상 교류를 출력하는 것이다. 3상 인버터(3)의 6개의 반도체 소자(PU, NU. PV, NV, PW, NW)는 IGBT(1)로 구성되어 있다. 각 상의 IGBT(1)는 소자와 소자에 병렬 접속된 프리휠 다이오드로 이루어져 있다. 본 명세서에서 설명하는 구조예에서는, 각 반도체 소자(PU, NU, PV, NV, PW, NW)는 IGBT(1)로 총칭한다.

본 실시예의 특징은, 상술한 바와 같이 필터 콘덴서와 파워 유닛을 일체화한 구성으로 함으로써, 일체의 장치로서 하우징에 착탈 가능해지므로, 전력 변환 유닛 내의 배선 접속은 하우징 내에서 행할 필요가 없어져, 전력 변환 유닛을 하우징으로부터 취출한 후에, 전력 변환 유닛 내의 배선 접속을 행하는 것이 가능해진다. 즉, 좁은 하우징 내에서의 번잡한 작업을 생략할 수 있어, 메인터넌스성을 향상시킬 수 있다. 또한, 필터 콘덴서(2)와 파워 유닛을, 일체 구조로 하여 하우징에 고정 지지함으로써, 일체의 장치로서 하우징에 착탈 가능해지므로, 하우징과 전력 변환 유닛을 고정 지지하는 부품 개수를 줄일 수 있고, 하우징으로부터의 착탈을 위한 공정수를 줄일 수 있고, 또한 구성의 심플화, 경량화를 실현할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 게이트 제어 회로(7)가 필터 콘덴서(2)의 하면의 공간에 배치됨으로써, 게이트 배선(8)은 각 상의 IGBT(1)에 대해 균등한 길이로 배치할 수 있으므로, 게이트 배선(8)은 게이트 제어 회로(7)의 주위에서 혼잡해지는 일 없이 정연하게 속선하여 배치하는 것이 가능해진다. 그로 인해, 노이즈 대책을 고려한 속선 배치가 가능해져, 노이즈에 의한 오동작을 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 게이트 제어 회로(7)를 전력 변환 유닛(6)에 있어서의 전방면 근처(냉각 핀의 반대측)에 배치하였으므로, 전력 변환 장치의 메인터넌스 시에는, 도 1에 있어서의 전방면측으로부터 전력 변환 유닛 내의 각 장치로 액세스함으로써 메인터넌스가 가능해져, 게이트 제어 회로(7)의 장치 및 광파이버 커넥터의 탈착의 작업성, 게이트 제어 회로(7)의 체크의 작업성이 향상된다. 또한, 게이트 제어 회로(7)를 상하 방향으로 겹쳐서 배치하지 않고 좌우 횡배열로 배치함으로써, 게이트 제어 회로(7)가 발생하는 열의 영향을 다른 게이트 제어 회로(7)가 받는 경우가 없어진다.

또한, 본 실시예와 같이, 필터 콘덴서(2)와 반도체 냉각 유닛과 IGBT(1)와 게이트 제어 회로(7)가 일체로서 고정된 전력 변환 유닛은, 일체 구조로서 하우징에 고정 지지됨으로써, 일체의 장치로서 하우징에 착탈 가능해지므로, 하우징과 전력 변환 유닛을 고정 지지하는 부품 개수를 줄일 수 있고, 하우징으로부터의 착탈을 위한 공정수를 줄일 수 있고, 또한 전력 변환 장치의 저비용화를 실현할 수 있다.

또한, 전력 변환 유닛은 일체의 장치로서 하우징에 착탈 가능해지므로, 전력 변환 유닛 내의 배선 접속은 하우징 내에서 행할 필요가 없고, 전력 변환 유닛을 하우징으로부터 취출한 후에, 전력 변환 유닛 내의 배선 접속을 행하는 것이 가능해진다. 즉, 좁은 하우징 내에서의 번잡한 작업을 생략할 수 있어, 메인터넌스성을 향상시킬 수 있다.

도 4에 도시한 종래의 전력 변환 장치는 반도체 소자를 갖는 유닛과, 필터 콘덴서가 따로따로 하우징(20)에 고정되어 있고, 필터 콘덴서와 이 유닛은 하우징 내에서 배선 접속되어 있었다. 그로 인해, 배선 작업을 고려하여 필터 콘덴서와 유닛의 회로 상의 거리의 단축에는 한계가 있었다. 이에 대해, 본 실시예에서는, 필터 콘덴서와 인버터를 갖는 유닛은 일체로서 고정 지지되어 있으므로, 하우징 내에서의 배선 작업은 필요없다. 그로 인해, 필터 콘덴서와 반도체 소자의 회로 상의 거리를 종래의 전력 변환 장치보다도 단축하는 것이 가능해져, 전력 변환 장치의 인덕턴스를 저감시킬 수 있다.

종래의 구성은 게이트 제어 회로의 탈착의 용이성에 대해 고려되어 있지 않아, 게이트 회로를 반도체 냉각 유닛으로부터 제거할 때에는 각 게이트 제어 회로와 반도체 냉각 유닛의 배선 및 고정 부재를 제거할 필요가 있어, 메인터넌스성이 나빴다. 본 실시예에서는, 게이트 제어 회로(7)가 전력 변환 유닛(6)의 하면부의 전방면측에 유닛 프레임(9)과 함께 설치된다. 이 유닛 프레임(9)은 일체로 반도체 냉각 유닛으로부터 제거가 가능하다. 이와 같은 구조로 함으로써, 게이트 제어 회로의 탈착 작업성, 게이트 제어 회로 체크 시의 작업성이 향상된다. 또한, 게이트 제어 회로(7)와 반도체 냉각 유닛의 배선을, 슬롯 인 구조로 하여, 유닛 프레임(9)을 반도체 냉각 유닛과의 고정 위치에 압입하면, 동시에 배선도 접속되는 구조로 하면 메인터넌스성이 더욱 향상된다.

본 실시예에서는 전력 변환 유닛(6)의 하부에 자립 프레임(10)을 더 배치할 수 있다. 자립 프레임(10)이 전력 변환 유닛(6)의 하부에 설치됨으로써, 전력 변환 유닛(6)은 하우징으로 고정 지지되어 있지 않은 상태에 있어서도 자립하는 것이 가능해지므로, 하우징으로의 설치 작업이 용이해진다. 또한, 메인터넌스 시의 전력 변환 유닛의 운반도 용이해진다.

1 : IGBT
2 : 필터 콘덴서
3 : 3상 인버터
4 : 냉각 블록
5 : 냉각 핀
6 : 전력 변환 유닛
7 : 게이트 제어 회로
8 : 게이트 배선
9 : 유닛 프레임
10 : 자립 프레임
20 : 하우징

Claims (1)

1. 전력 변환 회로를 구성하는 복수의 반도체 소자와,
   상기 복수의 반도체 소자로 게이트 신호를 공급하는 복수의 게이트 제어 회로와,
   상기 전력 변환 회로의 직류 단자에 접속되어 직류 전류를 평활하게 하는 필터 콘덴서와,
   상기 반도체 소자와 접촉하여 배치되어, 냉각 핀에 의해 상기 반도체 소자의 냉각을 행하는 반도체 냉각 유닛을 갖고, 철도 차량의 바닥 하부에 탑재된 하우징에 수납되는 철도 차량용 전력 변환 장치이며,
   상기 필터 콘덴서와 상기 반도체 소자와 상기 게이트 제어 회로와 상기 반도체 냉각 유닛은 일체로서 상기 하우징에 착탈 가능하게 고정 지지되고, 상기 하우징으로부터 제거되었을 때에도 일체 구조로 되고,
   상하 방향과 직교하는 방향을 전후 방향으로 한 경우에, 전방면측으로부터, 상기 필터 콘덴서, 상기 반도체 소자, 상기 냉각 유닛의 순으로 배치되어 있고,
   상기 필터 콘덴서는, 상기 전력 변환 회로와 접속되는 단자를 상기 필터 콘덴서의 상면측에 구비하고,
   상기 게이트 제어 회로는, 상기 냉각 핀과는 반대측인 전방면측에, 그리고, 상기 필터 콘덴서의 하면의 공간에 배치되고, 외부로부터의 신호를 입력하는 입력단을 전방면에 구비하고,
   상기 복수의 게이트 제어 회로는, 좌우 횡배열로 배치되는 것을 특징으로 하는, 철도 차량용 전력 변환 장치.

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