CN103066846B - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力转换装置。由单元构成的半导体元件组被配置于冷却器受热部1且通过自冷或风冷来进行散热，将第1、第4半导体元件(Q1、Q4)配置在冷却器受热部的下侧，将第2、第3半导体元件(Q2、Q3)配置在中央，将第1二极管(D5)和第2二极管(D6)配置在上侧，第1、第2半导体元件(Q1、Q2)、第3、第4半导体元件(Q3、Q4)相对于冷却器的上下方向的中心线而言分别配置在左右方向上彼此相反侧的位置，第1二极管(D5)和第2半导体元件(Q2)相对于所述中心线而言配置在左右方向上的相同侧，第2二极管(D6)和第3半导体元件(Q3)相对于所述中心线而言配置在左右方向上的相同侧。从而能够有效利用电力转换装置的半导体元件组的发热偏差来提高冷却器的冷却性能、且将电路的电感抑制为最小限度从而谋求冷却器的小型化。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明涉及电力转换装置，尤其涉及使用了被设置于铁道车辆的半导体元件的电力转换装置向冷却器进行配置的元件配置方法。
背景技术
电力转换装置一般地由半导体元件构成，有将直流电源转换成交流的逆变器电路、将交流电源转换成直流的转换器电路等，在逆变器电路中有对该交流输出的电压以及频率可变地控制的可变电压可变频率(VVVF)逆变器电路。该VVVF逆变器电路在电力转换装置中被广泛使用。
例如，在铁道车辆系统的直流电动车中，作为电力转换装置而一般使用VVVF逆变器电路，将直流转换成电压可变频率可变的三相交流来控制交流感应电动机。另外，在交流电车中，单相交流电源经由转换器电路暂时转换成直流，该直流电源经由逆变器电路转换成电压可变频率可变的三相交流，从而驱动交流感应电动机。
另外，在不稳定直流电源的稳定化、将直流电压改变成任意的值加以使用的情况、或者需要输出与输入电绝缘的直流电源的情况下，使用DC-DC转换器电路，也可使用电力转换装置。
在使用了这种半导体元件的电力转换装置的转换电路部中，由于在半导体元件的开关动作时或向半导体元件流通电流时产生的发热损耗会产生热量，因而该热量经由冷却器向电力转换装置的外部排出，使得半导体元件的温度变为容许值以下。电力转换装置中所使用的冷却器的基本构成由安装了半导体元件的受热部和向外部气体进行热耗散的散热部构成，但是受热部被置于电力转换装置的密闭室部分，散热部被置于与外部气体相通的开放室部分。
然而，在先前叙述的DC-DC转换器中公知通过提高施加频率以使绝缘用变压器小型化的方式，其中利用谐振电路以使开关动作损耗降低的方式的技术(软开关动作)已经公开在专利文献1以及非专利文献1中。
图7示出该电路结构。图7所示的DC-DC转换器由下述部件构成：直流电压源200、将直流电压源200的直流电力转换成交流电力的转换器201、将转换器201所输出的交流电力进行输入的变压器202、将变压器202所输出的交流电力转换成直流电力的整流电路203、与整流电路203的直流输出侧并联连接的谐振开关204和谐振电容器205构成的谐振电路、将整流电路203所输出的直流电力进行平滑化的滤波电抗器206和滤波电容器207、以及被并联连接在滤波电容器207的负载208。
该DC-DC转换器与转换器201的关断的时刻相匹配地使谐振开关204动作，使谐振电流Iz与次级电流I2叠加，由此能够暂时性将次级电流I2降低为零，将初级电流I1降低为只有变压器202的励磁电流的电平。通过与该时刻相匹配地关断转换器201，从而能够大幅度地降低转换器201的关断损耗。
在图7所示的DC-DC转换器中，在构成转换器201的半导体元件Q1～Q4断开的期间内初级电流I1以及次级电流I2为零，但是在构成整流电路203的二极管中却继续流动着回流电流。若从该状态起接通构成转换器201的半导体元件Q1、Q4，则开始流动初级电流I1和次级电流I2，次级电流I2的大小与负载电流Id相一致。此时，在构成整流电路203的二极管的半数中流动大小与次级电流I2相同的电流，其余半数的二极管的电流为零。
图2示出以3电平电路来使用该电路的转换器部分时的电路的实施例。DC-DC转换器13由下述部件构成：直流电压源10、与直流电压源10并联连接的滤波电容器11(FC1)以及滤波电容器12(FC2)、将滤波电容器11以及滤波电容器12的直流电力转换成交流电力的转换器13、将转换器13所输出的交流电力进行输入的变压器14、将变压器14所输出的交流电力转换成直流电力的整流电路15、由与整流电路15的直流输出侧并联连接的谐振开关16(Qz)、谐振电容器17构成的谐振电路21、将整流电路15所输出的直流电力平滑化的滤波电抗器18和滤波电容器19、以及与滤波电容器19并联连接的负载20。
图2所示的DC-DC转换器与转换器13的关断的时刻相匹配地使谐振开关16动作，使谐振电流Iz与变压器14的次级电流I2叠加，由此能够暂时性将次级电流I2降低为零，将初级电流I1降低直到只有变压器14的励磁电流的电平为止。通过与该时刻相匹配地关断转换器13，从而能够大幅度地降低转换器13的关断损耗。
在图2所示的DC-DC转换器中，在构成转换器13的半导体元件Q1～Q4断开的期间内初级电流I1以及次级电流I2为零，但是在构成整流电路15的二极管中却继续流动着回流电流。若从该状态起接通构成转换器13的半导体元件Q1和Q2、或者Q3和Q4，则开始流动初级电流I1和次级电流I2，次级电流I2的大小与负载电流Id相一致。此时，在构成整流电路15的二极管的半数中流动大小与次级电流I2大小相同的电流，其余半数的二极管的电流为零。
在进行这种动作的3电平电路的转换器13中，按照半导体元件的发热从大到小的顺序依次为：半导体元件Q1、Q4＞半导体元件Q2、Q3＞钳位二极管D5、D6。半导体元件Q1～Q4有：与接通时的负载电流Id的导通相伴的损耗、和在进行接通或关断之际所产生的开关动作损耗。另一方面，关于钳位二极管D5、D6，由于只流动与开关动作相伴的换向(転流)动作下的电流，损耗小，因而与半导体元件Q1～Q4相比，发热量也小。另外，半导体元件Q1、Q4和半导体元件Q2、Q3的发热量不同的原因在于，半导体元件Q1、Q4以变压器14的励磁电流程度关断初级电流I1，而半导体元件Q2、Q3以电流为零的方式关断，因而尤其由关断引起的开关动作损耗的大小存在差异，由此彼此的发热量也存在差异。在后述的实施例之中说明其详细理由。
此时，如果将发热大的半导体元件Q1、Q4尽量设置在冷却器的冷却性能高的位置、且配置在不会受到在冷却器的同一平面所设置的其他发热元件影响的位置，则能够最大限度地利用冷却性能，结果能够使冷却器小型且轻量化。
为此，例如在专利文献2中，关于具有使用了在铁道车辆的底面所设置的半导体元件的3电平的转换器电路的电力转换装置，公开了电力转换装置中的一个冷却器110(受热部)上的半导体元件、以及二极管的冷却用的配置方法。
图8是表示在专利文献2中记载的转换器电路2的1相份的一例的电路图。转换器电路采用a系统和b系统的2并联构成。首先，a系统构成为：在直流正端子P与直流负端子N之间串联连接由第1半导体元件Q101a～第4半导体元件Q104a构成的4个半导体元件，并且串联连接第1二极管Dd101a以及第2二极管Dd102a。同样地，b系统也构成为：在直流正端子P与直流负端子N之间串联连接由第1半导体元件Q101b～第4半导体元件Q104b构成的4个半导体元件，并且串联连接第1二极管Dd101b以及第2二极管Dd102b。
在第1二极管Dd101a、Dd101b以及第2二极管Dd102a、Dd102b的串联电路连接着电容器CF1、CF2，并且设置有缓冲电路5。并且，在第2半导体元件Q102与第3半导体元件Q103的连接点连接着交流端子M，在第1二极管Dd101与第2二极管Dd102的连接点连接着中性点端子C。另外，在直流正端子P与直流负端子N之间连接着滤波电容器FC。
图9示出专利文献2的元件配置的一实施例。图9所示的各元件的发热损耗大小的顺序按照从大到小的顺序依次为：半导体元件Q102a(Q102b)、Q103a(Q103b)＞半导体元件Q101a(Q101b)、Q104a(Q104b)＞钳位二极管Dd101a(Dd101b)、Dd102a(Dd102b)，如图9所示那样，在冷却器110的受热部上，将发热损耗大的第2、第3半导体元件Q102a(Q102b)、Q103a(Q103b)配置于冷却风的上风侧，将发热损耗小的第1、第2二极管Dd101a(Dd101b)、Dd102a(Dd102b)和第1、第4半导体元件Q101a(Q101b)、Q104a(Q104b)配置于Q102a(Q102b)以及Q103a(Q103b)的冷却风的下风侧。由此，能够提高冷却性能的效率，结果具有能使冷却器110小型化的效果。
但是，这种配置使得冷却器110的横向尺寸(即、与冷却风正交的正交方向尺寸)变大，并在装配于铁道车辆的底面的情况下，导致冷却器110在轨道方向的尺寸变大，要取得较宽的装配空间。为了减小冷却器110在横向的尺寸，作为以多级构成的方式配置的例子而有图10示出的构成。将发热大的半导体元件Q101a～Q104a、Q101b～Q104b配置于上风侧，将发热小的钳位二极管Dd101a(Dd101b)、Dd102a(Dd102b)配置于下风侧。
专利文献
专利文献1：日本特开平4-368464号公报
专利文献2：日本特开2003-79162号公报
非专利文献
非专利文献1：O.Deblecker，A.Moretti，AndF.Vallee：“ComparativeAnalysisofTwozero-CurrentSwitchingIsolatedDC-DCConveretersforAuxiliaryRailwaySupply、”SPEEDAM2008.
发明内容
然而，在上述专利文献2的发明中存在以下叙述的问题。利用图11来说明该问题。在图11中示出由图3的路径II所示的电流路径。可知电流路径为较大的环状，路径长度较长。因而，存在下述问题：电路的寄生电感变大，在半导体元件关断时由该寄生电感产生的过电压被施加给元件从而破坏半导体元件。
为此，在专利文献2中为了抑制半导体元件的电压上升，实施了插入缓冲电路5的对策，但是却招致了由元件个数的增加所引起的装置的尺寸、重量的增加、因元件故障的风险增加所引起的装置可靠性的降低。
本发明正是为了解决上述技术问题，其目的在于，在有效利用半导体元件的发热差异来提高冷却器的冷却性能的电力转换装置中，通过降低寄生电感，在不附加缓冲电路的情况下就能抑制被施加给元件的过电压，从而提高电力转换器的可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明的电力转换装置，构成电力转换部的半导体元件组由一个单元构成，所述电力转换部的主电路构成为：在直流正端子与直流负端子之间串联连接第1半导体元件～第4半导体元件这4个半导体元件，并且串联连接第1二极管以及第2二极管，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，并且在所述第1二极管与所述第2二极管的连接点连接中性点端子，所述第1二极管被连接在所述第1半导体元件与所述第2半导体元件的连接点，所述第2二极管被连接在所述第3半导体元件与所述第4半导体元件的连接点，构成所述一个单元的所述半导体元件组被设置在同一平面上的冷却器受热部，按照自冷或强制风冷来进行散热，所述电力转换装置的特征在于，
所述第1半导体元件和所述第4半导体元件被配置在所述冷却器受热部的上风侧，所述第2半导体元件和所述第3半导体元件被配置在所述冷却器受热部的冷却风方向的中央，所述第1二极管和所述第2二极管被配置在所述冷却器受热部的下风侧，所述第1半导体元件和所述第2半导体元件以及所述第3半导体元件和所述第4半导体元件相对于所述冷却器受热部的冷却风方向的中心线而言分别被配置在左右方向上的彼此相反侧的位置，所述第1二极管和所述第2半导体元件相对于所述中心线而言被配置在左右方向上的相同侧，所述第2二极管和所述第3半导体元件相对于所述中心线而言被配置在左右方向上的相同侧。
另外，本发明的电力转换装置的特征在于，在通过自冷进行散热的所述电力转换装置中，所述第1半导体元件和所述第4半导体元件被配置在所述冷却器受热部的铅直方向的下侧。
此外，本发明的电力转换装置的特征在于，关于构成所述电力转换部的半导体元件组向所述冷却器受热部进行配置时的半导体元件的端子的朝向，被配置成：上风侧为集电极端子、下风侧为发射极端子。
另外，本发明的电力转换装置的特征在于，关于构成所述电力转换部的半导体元件组向所述冷却器受热部进行配置时的半导体元件的端子的朝向，所述第2半导体元件和所述第3半导体元件被配置成：在与冷却风方向正交的朝向上排列发射极端子以及集电极端子，所述第1半导体元件和所述第4半导体元件被配置成：在冷却风方向的朝向上排列发射极端子以及集电极端子，所述第1半导体元件和所述第4半导体元件的一方的发射极端子被配置在上风侧，另一方的发射极端子被配置在下风侧。
此外，本发明的电力转换装置的特征在于，在所述第2半导体元件与所述第3半导体元件的连接点的交流输出端子连接着变压器的初级线圈，与所述变压器的次级线圈连接起来的整流二极管电桥电路和在所述整流二极管电桥电路的输出侧由电抗器和电容器构成的滤波电路相连接，在所述变压器次级线圈输出侧设置有谐振电抗器，由半导体开关和谐振电容器构成的谐振开关电路被并联连接在所述整流二极管电桥的输出侧从而构成所述谐振电抗器和所述谐振开关电路的谐振电容器的串联谐振电路的直流电源装置、即用所述一个单元构成的半导体元件组的发热是所述第1半导体元件和所述第4半导体元件的发热最大、其次为所述第2半导体元件和所述第3半导体元件的发热、所述第1二极管和所述第2二极管的发热最小的这种3电平电路构成的半导体元件组。
以上，将3电平电路中的半导体元件组向冷却器的配置设为如图1所示那样配置的电力转换装置。此外，在通过风扇或送风机等进行强制风冷的情况下，也可以在冷却器下级侧设置风扇或送风机。
发明效果
本发明通过如上述“为解决技术问题所采用的技术方案”记载的那样配置半导体元件、且以3电平方式构成的电路中，缩短通过Q1→Q2→Q3→D6的闭合电路、或者通过Q2→Q3→Q4→D5的闭合电路的距离，从而能够抑制电路的寄生电感。
另外，在图2所示的这种3电平电路中，按照各元件的发热从大到小的顺序依次为：半导体元件Q1、Q4＞半导体元件Q2、Q3＞钳位二极管D5、D6，因而通过在冷却器的冷却效果高的一侧放置发热大的元件，从而能够使冷却性能最优化，能够使冷却器小型化。尤其是，在自冷式的冷却器中，利用该配置能够同时实现冷却性能的最大利用和电路电感的最小化。
此外，通过进行纵向3级配置，从而能够进一步减小与冷却器的冷却风正交的方向上的长度(横向宽度)，在将电力转换装置装配于铁道车辆的底面的情况下能够减小电力转换装置的尺寸。
附图说明
图1是表示本发明的实施例1的转换器冷却器的元件配置的例子的图。
图2是表示本发明中的电气电路构成的图。
图3是表示本发明中的电气电路构成的换向路径的图。
图4是表示本发明中的电气电路构成的动作时序图的图。
图5是表示本发明的实施例1的转换器冷却器的元件配置上的换向路径的一例的图。
图6是表示本发明的实施例2的转换器冷却器的元件配置上的换向路径的图。
图7是表示现有技术(专利文献1、非专利文献1)的电气电路的构成的图。
图8是表示现有技术(专利文献2)的电气电路构成的图。
图9是表示现有技术(专利文献2)的元件配置的一实施例的图。
图10是表示现有技术(专利文献2)的元件配置的第二实施例的图。
图11是表示现有技术(专利文献2)的元件配置上的换向路径的一例的图。
符号说明
1冷却器
10直流电压源
11滤波电容器
12滤波电容器
13转换器
14变压器
15整流电路
16谐振开关
17谐振电容器
18滤波电抗器
19滤波电容器
20负载
21谐振电路
110冷却器
200直流电压源
201转换器
202变压器
203整流电路
204谐振开关
205谐振电容器
206滤波电抗器
207滤波电容器
208负载
Cz谐振电容器
D5钳位二极管
D6钳位二极管
Dd101a钳位二极管
Dd101b钳位二极管
Dd102a钳位二极管
Dd102b钳位二极管
D21～D24整流二极管
FC滤波电容器
FC1滤波电容器
FC2滤波电容器
FC3滤波电容器
I1初级电流
I2次级电流
Id负载电流
In电流
Io电流
Ir电流
Iz谐振电流
Li电感
Lz谐振电抗器
Q1～Q4半导体元件
Q101a～Q104a半导体元件
Q101b～Q104b半导体元件
Qz谐振开关
Tr变压器
Lz谐振电抗器
V感应电压
具体实施方式
以下，使用附图来说明本发明的实施方式。
图2是表示本发明中的电气电路构成的例子的图。构成为在直流正端子P与直流负端子N之间串联连接由第1半导体元件Q1～第4半导体元件Q4构成的4个半导体元件，并且串联连接第1二极管D5以及第2二极管D6。第1二极管D5以及第2二极管D6的串联连接体被连接在第1半导体元件Q1与第2半导体元件Q2的连接点和第3半导体元件Q3与第4半导体元件Q4的连接点之间。在第2半导体元件Q2与第3半导体元件Q3的连接点和第1二极管D5与第2二极管D6的连接点之间连接着变压器14(Tr)。另外，在直流正端子P与直流负端子N之间连接着滤波电容器11(FC1)、12(FC2)。
以下，使用示出了动作时序图的图4以及示出了换向路径的图3来说明该电路的动作。
在时刻t0，半导体元件Q1为断开状态，Q2为接通状态。从该状态起，在时刻t1，半导体元件Q1接通，在半导体元件Q1、Q2中流动电流Ip。此时，在整流电路15的二极管D21、D24中流动电流Ir。
在时刻t2，谐振开关Qz接通。由此，经由谐振电抗器Lz和谐振电容器Cz流动着谐振电流Iz，谐振电容器Cz被充电。与该谐振动作相伴，在半导体开关Q1、Q2中流动的电流Ip和流经二极管D21、D24的电流也增加。
在时刻t3，谐振电容器Cz处于放电状态，此时负载电流Id处于由谐振电路21供给的状态，在二极管D21、D24中没有流动电流。另外，此时流经半导体元件Q1、Q2的电流Ip流动变压器Tr的励磁电流量。若在该状态下关断半导体元件Q1，则在半导体元件Q1中产生与该关断相伴的开关动作损耗。
于是，在该半导体元件Q1被关断之时，至此在滤波电容器FC1的正侧端子→半导体元件Q1→半导体元件Q2→点a→变压器Tr→点b→滤波电容器FC1的负侧端子这一路径(设为路径(i-a))中流过的负载电流减少，换向为变压器Tr→点b→钳位二极管D5→半导体元件Q2→点a→变压器Tr这一路径(设为路径(i-b))的电流增加。该路径(i-a)和路径(i-b)的合计电路电感为图3的路径I的电路电感，若将该电路的电感设为Li，则根据路径(i-a)和路径(i-b)的电流变化率di/dt可知，半导体元件Q1关断时的感应电压V为V＝Li×di/dt，在电容器FC1的电压上相加了该感应电压V后得到的电压被施加给半导体元件Q1。
在时刻t4，半导体元件Q3接通。此时，在来自谐振电容器Cz的放电结束了的状态下，负载电流Id以回流的方式流动到整流电路15的二极管D21～D24。
在时刻t5，半导体元件Q2关断。在Q2中流动的电流，在通常动作时仅有通过换向而进行回流的微小电流流动着，几乎为零，因而开关动作损耗极小。因而，在半导体元件Q1关断时所产生的这种开关动作损耗不会产生，在半导体元件Q1和半导体元件Q2中损耗有差异，发热量也存在差异。
另外，此时在变压器Tr→点b→钳位二极管D5→半导体元件Q2→点a→变压器Tr这一路径(设为路径(ii-a))中回流的电流减少，转向为电容器FC2的负侧端子→半导体元件Q4的续流二极管→半导体元件Q3的续流二极管→点a→变压器Tr→点b→滤波电容器FC2的正侧端子这一路径(设为路径(ii-b))的电流增加。
该路径(ii-a)与路径(ii-b)的合计电路电感为图3的路径II的电感，若将该电路的电感设为Li，则根据路径(ii-a)和路径(ii-b)的电流变化率di/dt可知，半导体元件Q2关断时的感应电压V为V＝Li×di/dt，在滤波电容器FC2的电压上相加了该感应电压V后得到的电压被施加给半导体元件Q2。
在通常动作时的半导体元件Q2关断时，电流几乎为零，因而在通常使用的范围内没有问题，但是在由于异常时的保护动作等而使得从流动电流的状态起关断的情况下，所产生的感应电压变大，故也需要注意该路径II的电感。
在时刻t6，半导体元件Q4接通，在半导体元件Q3、Q4中流动电流In。此时，在整流电路15的二极管D22、D23中流动电流Io。
在时刻t7，谐振开关Qz接通。由此，经由谐振电抗器Lz和谐振电容器Cz流动谐振电流Iz，谐振电容器Cz被充电。与该谐振动作相伴，在半导体开关Q3、Q4中流动的电流In和流经二极管D22、D23的电流也增加。
在时刻t8，谐振电容器Cz处于放电状态，此时负载电流处于由谐振电路21供给的状态，在二极管D22、D23中没有流动电流。另外，此时流经半导体元件Q3、Q4的电流In流动着变压器Tr的励磁电流量。若在该状态下关断半导体元件Q4，则在半导体元件Q4中会产生与该关断相伴的开关动作损耗。
在该半导体元件Q4关断之时，至此在滤波电容器FC2的正侧端子→点b→变压器Tr→点a→半导体元件Q3→半导体元件Q4→滤波电容器FC2的负侧端子这一路径(设为路径(iv-a))中流过的负载电流减少，换向为变压器Tr→点a→半导体元件Q3→钳位二极管D6→点b→变压器Tr这一路径(设为路径(iv-b))的电流增加。
该路径(iv-a)和路径(iv-b)的合计电路电感为图3的路径IV的电路电感，若将该电路的电感设为Li，则根据路径(iv-a)和路径(iv-b)的电流变化率di/dt可知，半导体元件Q4关断时的感应电压V为V＝Li×di/dt，在该滤波电容器FC2的电压上相加了该感应电压V后得到的电压被施加给半导体元件Q4。
在时刻t9，半导体元件Q2接通。此时，在来自谐振电容器Cz的放电结束了的状态下，负载电流Id以回流方式流动到整流电路15的二极管D21～D24。
在时刻t10，半导体元件Q3关断。在Q3中流动的电流，在通常动作时仅有通过换向而进行回流的微小电流流动着，几乎为零，因而开关动作损耗极小。因而，在半导体元件Q4关断时所产生的这种开关动作损耗不会产生，在半导体元件Q3和半导体元件Q4中损耗有差异，发热量也存在差异。
另外，此时在变压器Tr→点a→半导体元件Q3→钳位二极管D6→点b→变压器Tr这一路径(设为路径(iii-a))中回流的电流减少，转向为滤波电容器FC1的负侧端子→点b→变压器Tr→点a→半导体元件Q2的续流二极管→半导体元件Q1的续流二极管→滤波电容器FC1的正侧端子这一路径(设为路径(iii-b))的电流增加。
该路径(iii-a)与路径(iii-b)的合计电路电感为图3的路径III的电感，若将该电路的电感设为Li，则根据路径(iii-a)和路径(iii-b)的电流变化率di/dt可知，半导体元件Q2关断时的感应电压V为V＝Li×di/dt，在滤波电容器FC1的电压上相加了该感应电压V后得到的电压被施加给半导体元件Q3。
在通常动作时的半导体元件Q3关断时，电流几乎为零，因而在通常使用的范围内没有问题，但是由于异常时的保护动作等而使得从流动电流的状态起关断的情况下，所产生的感应电压变大，故也需要注意该路径III的电感。
在以上的动作中，若半导体元件Q1～Q4关断时的电压过大，则有时会超过半导体元件的耐压从而直至元件破坏。为了降低该电压，只要降低先前示出的图3的路径I～路径IV的电路电感Li即可。
为了降低路径的电路电感Li，只要极力缩短路径的布线长度、或者作为电流的路径彼此接近的往返路径而消除由于流经往返路径的电流所产生的磁场即可。在路径I～路径IV之中，尤其路径II和路径III中的路径的距离长、电感大，因而需要极力减小这些路径的距离。
另外，因半导体元件Q1～Q4的产生损耗所引起的发热和因钳位二极管D5、D6的产生损耗所引起的发热有差异，按照发热从大到小的顺序依次为：半导体开关Q1、Q4＞半导体开关Q2、Q3＞钳位二极管D5、D6。为此，相对于该发热偏差需要采用能有效进行冷却的冷却器1。
[实施例1]
图1示出将图3的路径II和路径III的距离设为最小、且能有效地冷却半导体元件组而成的半导体元件组向冷却器1进行配置的元件配置方法的第一实施例。以下，说明该配置方法。
构成电力转换部的半导体元件Q1～Q4以及D5、D6用一个单元构成，构成一个单元的半导体元件组被配置于与铁道车辆的底面的水平面垂直地配置在铅直方向上的同一平面上的冷却器1，通过自冷(通过被加热的空气上升而产生的空气的对流)进行散热。元件向冷却器1进行配置的配置方法如图1所示，在配置于冷却器1的铅直方向上的同一平面上，将第1半导体元件Q1和第4半导体元件Q4配置于受热部的下侧，将第2半导体元件Q2和第3半导体元件Q3配置于受热部的中央，将第1二极管D5和第2二极管D6配置于受热部的上侧。
另外，第1半导体元件Q1和第2半导体元件Q2以及第3半导体元件Q3和第4半导体元件Q4相对于冷却器1的上下方向的中心线(线S)而言分别配置在左右方向上的彼此相反侧的位置、即配置在与点R相交叉的位置，第1二极管D5和第2半导体元件Q2相对于所述中心线(线S)而言配置在左右方向上的相同侧，第2二极管D6和第3半导体元件Q3相对于所述中心线(线S)而言配设在左右方向上的相同侧。关于各半导体元件组的连接，如果使用平板状导体以电流的去路电流和回路电流彼此相接近的方式使得平板状导体重复连接，则能够用去路电流和回路电流消除磁场从而谋求电感的降低。
通过该元件配置，尤其在自冷式类型的冷却器1中能够提高冷却器1的效率。由于暖空气上升、冷空气下降，因而在自冷式类型的冷却器1中将由此发热大的元件配置于冷却器1的下侧，将发热小的元件配置于冷却器1的上侧。配置于上侧的元件受到配置于下侧的元件的发热所引起的焙烧(あぶり)，但由于配置于上侧的元件其发热小，因而结果冷却器1整体的热量得到均匀化，能够有效地冷却。在通过风扇或送风机等进行强制风冷的情况下，也可在冷却器1的下级侧设置风扇或送风机，而从下级侧送出冷却风。另外，在通过风扇或送风机等在横向流动风来进行强制风冷的情况下，也可作为将图1所示的冷却器1向左右的其中一个方向旋转90度后的朝向，而从配置了第1半导体元件Q1和第4半导体元件Q4的方向送出冷却风。
另外，在现有技术中，如图11的粗箭头所示那样路径II的电流路径的距离变长，但是也能够将其设为最短布线，如图5的粗箭头所示那样缩短路径II的距离。关于路径III，也能与路径II同样地缩短距离。
进而，关于该构成，通过将半导体元件组在上下方向上配设成3级，从而能够减小冷却器1的左右方向尺寸(与冷却风正交的方向的长度尺寸)，电力转换装置能够小型化，在装配于铁道车辆的底面的情况下能够减小轨道方向的尺寸。
此外，在本实施例中，说明了利用谐振电路降低了开关动作损耗的DC-DC转换器的构成转换器电路的3电平半导体元件组所用的例子，但即便在利用将交流转换成直流的转换器、将直流转换成交流的VVVF逆变器电路等构成了同样的3电平电路之时，半导体元件组的发热变为本实施例所示那样的发热偏差的情况下，通过采用向本实施例所示那样的冷却器1进行配置的元件配置，从而也能够确保电感的降低和有效的冷却性能。
[实施例2]
图6示出将图3的路径II和路径III的距离设为最小、且能有效地冷却半导体元件组而成的半导体元件组向冷却器1进行配置的元件配置方法的第二实施例。图6内的粗箭头表示图3的路径II的换向路径。
与实施例1中说明过的图1的配置方法不同之处在于，半导体元件Q1～Q4的发射极端子或集电极端子的朝向不同。如图6所示，配置于下级的半导体元件Q1和半导体元件Q4改变朝向使得彼此相差180度地配置。也就是说，在该例子中，半导体元件Q1被配置成集电极端子位于冷却器1的下侧，半导体元件Q4被配置成集电极端子位于冷却器1的上侧。
另外，半导体元件Q2和半导体元件Q3改变朝向使得彼此相对于半导体元件Q1和半导体元件Q4相差90度地配置，且半导体元件Q2和半导体元件Q3的朝向配置为相同方向。也就是说，在与冷却风方向正交的朝向上配置发射极端子以及集电极端子。在该例子中，关于半导体元件Q2、半导体元件Q3，集电极端子被配置成位于冷却器的右侧，发射极端子被配置成位于冷却器的左侧。成为由此改变半导体元件的朝向进行配置的例子。
通过这种元件配置，从而能够抵消由去路电流和回路电流引起的磁场，并且能够进一步缩短布线距离，能够进一步降低电路的电感。

Claims (5)

1.一种电力转换装置，构成电力转换部的半导体元件组由一个单元构成，
所述电力转换部的主电路构成为：
在直流正端子与直流负端子之间串联连接第1半导体元件至第4半导体元件这4个半导体元件，并且串联连接第1二极管以及第2二极管；
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，并且在所述第1二极管与所述第2二极管的连接点连接中性点端子；
所述第1二极管被连接在所述第1半导体元件与所述第2半导体元件的连接点，所述第2二极管被连接在所述第3半导体元件与所述第4半导体元件的连接点，
构成所述一个单元的所述半导体元件组被设置在同一平面上的冷却器受热部，通过自冷或强制风冷来进行散热，
所述电力转换装置的特征在于，
所述第1半导体元件和所述第4半导体元件被配置在所述冷却器受热部的上风侧，所述第2半导体元件和所述第3半导体元件被配置在所述冷却器受热部的冷却风方向的中央，将所述第1二极管和所述第2二极管配置在所述冷却器受热部的下风侧，所述第1半导体元件和所述第2半导体元件以及所述第3半导体元件和所述第4半导体元件相对于所述冷却器受热部的冷却风方向的中心线而言分别被配置在左右方向上的彼此相反侧的位置，所述第1二极管和所述第2半导体元件相对于所述中心线而言被配置在左右方向上的相同侧，所述第2二极管和所述第3半导体元件相对于所述中心线而言被配置在左右方向上的相同侧，
连接所述半导体元件组的平板状的导体被重复连接以使去路电流和回路电流彼此相接近。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
在通过自冷进行散热的所述电力转换装置中，所述第1半导体元件和所述第4半导体元件被配置在所述冷却器受热部的铅直方向的下侧。
3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，
关于构成所述电力转换部的半导体元件组向所述冷却器受热部进行配置时的半导体元件的端子的朝向，被配置成：上风侧为集电极端子、下风侧为发射极端子。
4.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，
关于构成所述电力转换部的半导体元件组向所述冷却器受热部进行配置时的半导体元件的端子的朝向，
所述第2半导体元件和所述第3半导体元件被配置成：在与冷却风方向正交的朝向上排列发射极端子以及集电极端子，
所述第1半导体元件和所述第4半导体元件被配置成在冷却风方向的朝向上排列发射极端子以及集电极端子，所述第1半导体元件和所述第4半导体元件的一方的发射极端子被配置在上风侧，另一方的发射极端子被配置在下风侧。
5.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
在所述第2半导体元件与所述第3半导体元件的连接点的交流输出端子连接着变压器的初级线圈，与所述变压器的次级线圈连接起来的整流二极管电桥电路和在所述整流二极管电桥电路的输出侧由电抗器和电容器构成的滤波电路相连接，在所述变压器次级线圈输出侧设置有谐振电抗器，
由半导体开关和谐振电容器构成的谐振开关电路被并联连接在所述整流二极管电桥的输出侧从而构成所述谐振电抗器和所述谐振开关电路的谐振电容器的串联谐振电路的直流电源装置、即由所述一个单元构成的半导体元件组的发热为所述第1半导体元件和所述第4半导体元件的发热最大、其次为所述第2半导体元件和所述第3半导体元件、所述第1二极管和所述第2二极管的发热最小这样的3电平电路构成的半导体元件组。
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