CN103378746A - 电力转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力转换装置，即使冷却风温度在热管内部的冷媒的凝固点以下，也能够抑制冷媒的冻结，并且使因运转条件不同而导致半导体元件的发热分布变化的影响、或冷却风的温度上升带来的影响均衡化，从而有效地进行冷却。所述电力转换装置的特征在于，多个半导体元件由在再生运转时发热量变大的多个第一IGBT模块、在动力运转时发热量变大的多个第二IGBT模块、与所述IGBT模块相比发热量小的多个箝位二极管模块构成，在与冷却风的流向正交的方向上排列设置发热量相同的半导体元件，且所述箝位二极管在冷却风的流动方向上被设于所述第一IGBT模块与所述第二IGBT模块之间。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及具备用于控制电动机的电流开关电路的面向电气铁道车辆的电力转换装置。

背景技术

在电气铁道车辆中为了对驱动车辆的电动机进行控制，搭载变换器或逆变器等电力转换装置。这些电力转换装置通过利用IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)或GTO(Gate Turn Off Thyristor)等半导体元件在高频下进行开关控制来进行电力转换。为了减小在该开关动作时产生的噪声，普遍使用输出正、负、中性这三电平电流的三电平开关电路。

在半导体元件中，在通电时及进行开关控制时产生热量，若由于该热量而使半导体元件变成高温，则可能会导致转换效率的降低或元件破坏的产生，因此需要将半导体元件冷却成使其处于规定的温度范围。电力转换装置主要搭载于搭载空间有限的车辆地板等上，因此为了通过小型的装置结构来对多个半导体元件有效地进行冷却，设置冷却器。

在向该冷却器供给冷却风时，冷却风接受来自设置在上风侧的半导体元件的热量，由此随着朝向下风侧而温度上升。相伴于此，下风侧的半导体元件的温度存在变高的趋势。

另一方面，在三电平开关电路中，构成主电路的多个半导体元件的发热量在每个半导体元件中都不相同。而且，在动力运转时、再生运转时，具有每个半导体元件的发热量的分布会变化的特性，发热量高的半导体元件的温度存在变高的趋势。

基于上述背景，为了有效地冷却三电平开关电路，在构成主电路的多个半导体元件中，需要使因运转条件不同而导致半导体元件的发热分布变化的影响或者冷却风的温度上升引起的影响均衡化。

作为冷却器的结构部件，普遍使用热管。热管是如下述的设备：在内部封入冷媒，利用受热部使冷媒沸腾且利用散热部使冷媒冷凝而使其向受热部回流这样的循环，由此有效地输送热量。作为具备使用了该热管的冷却器的电力转换装置，已知有专利文献1所示那样的装置。专利文献1的图1～图6所记载的冷却器由受热块、散热片、U字型热管、L字型热管构成。多个热管的受热部在受热块内被设置在沿着冷却风流向的方向上。多个热管的散热部从受热块朝向垂直方向竖直设置，多个散热片被接合起来。热管的散热部和散热片设置在通风路径内，在从鼓风机供给的冷却风的作用下散热。另外，在受热块中构成一相量的电路的多个半导体元件组被设置在与冷却风的流向正交的方向上。

另一方面，作为具备使用了热管的冷却器的电力转换装置，已知有专利文献2所示的装置。冷却器由受热块、散热片、直管型热管构成。沿着车辆行进方向设置散热片，通过车辆行驶风而散热。沿着车辆行进方向在受热块内埋设直管型热管。另外，在受热块中构成三电平开关电路的一相量的半导体元件组以直线状被排列在车辆行进方向、即沿着冷却风的流向的方向上，且在车辆枕木方向上以直线状排列多组。

【专利文献1】日本特开2011-233562号公报

【专利文献2】日本特开2007-104784号公报

在专利文献1所记载的结构中，通过将多个热管的受热部设置在沿着冷却风的流向的方向上，由此能够促进从下风侧向上风侧的热移动，使下风和上风的温度均衡化，另一方面，由于热管受热部的长度方向和构成一相量的电路的半导体元件组被设置的方向不同，因此存在无法使每个半导体元件的发热量的分布所带来的温度上升的影响均衡化的问题。另外，在冷却风温度为热管内部的冷媒的凝固点以下的情况下，热管散热部的前端温度在冷媒的凝固点以下，封入内部的冷媒在散热部前端冻结而不向受热部回流，可能会产生受热部的冷媒枯竭而使得热输送能力显著降低的干涸(dry out)。

另外，在专利文献2所记载的结构中，通过沿着车辆行驶方向、即冷却风的流动方向插入直管型热管，由此促进从下风侧向上风侧的热移动、以及从发热量大的半导体元件向发热量小的半导体元件的热移动，使温度均衡化。然而，从受热块向散热部的热移动仅受散热部内部的热传导的影响，与热管的热输送相比存在散热效率差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在构成三电平主电路的多个半导体元件中，使因运转条件不同而使半导体元件的发热分布产生变化的影响、或者因冷却风的温度上升带来的影响均衡化，从而能够有效地进行冷却的电力转换装置。另外，本发明的目的在于，即使冷却风温度在热管内部的冷媒的凝固点以下，也能够抑制冷媒的冻结。

解决上述问题的第一发明涉及的电力转换装置具备构成电力转换电路的多个半导体元件、在内部搭载所述电力转换电路的框体、将来自半导体元件的热量向外部气体散出的冷却器、向所述冷却器供给冷却风的鼓风机、和在内部具有所述冷却器且使所述冷却风通过的通风路径，所述电力转换装置的特征在于，所述冷却器由受热块、多个U字型热管及多个散热片构成，在所述受热块的一侧面排列设置所述多个半导体元件，在所述受热块的相反面上，所述多个U字型热管的受热部被埋设在沿着所述冷却风的流向的方向上，以在垂直方向立起的方式竖立设置所述多个U字型热管的散热部，所述U字型热管的散热部与所述多个散热片接合而被设置在所述通风路径内，所述多个半导体元件由在再生运转时发热量变大的多个第一IGBT模块、在动力运转时发热量变大的多个第二IGBT模块、以及与所述IGBT模块相比发热量小的多个箝位二极管模块构成，所述电力转换装置被设置成在与冷却风的流向正交的方向上排列发热量相同的半导体元件，且所述箝位二极管在冷却风的流动方向上设置于所述第一IGBT模块与所述第二IGBT模块之间。

第二发明涉及的电力转换装置的特征在于，在所述受热块中分别设有多个所述热管的受热部设于第一IGBT模块和箝位二极管模块这两者的投影面上的U字型热管、所述热管的受热部设于第二IGBT模块和箝位二极管这两者的投影面上的U字型热管、及所述热管的受热部设于单一的半导体元件的投影面上的U字型热管。

第三发明涉及的电力转换装置的特征在于，多个所述U字型热管被设置成各自的散热部呈交错状。

第四发明涉及的电力转换装置的特征在于，在所述冷却器中，按照相对于冷却风而言最上风侧的位置或最下风侧的位置、或者在上风侧和下风侧这两侧设置L字型热管。

第五发明涉及的电力转换装置的特征在于，将所述多个散热片在冷却风的流动方向上分割，相对于冷却风而言上风侧的散热片的间距比下风侧的散热片的间距大，从而减少散热片片数。

第六发明涉及的电力转换装置的特征在于，在所述通风路径中，在所述散热片的上风侧设置有多个整风板。

第七发明涉及的电力转换装置的特征在于，在所述通风路径中，在和所述热管散热部的最前端侧接合的散热片与构成通风路径的壁之间，沿着与冷却风的流向正交的方向设置平板。并且，所述平板与和所述前端侧接合的散热片的距离短于和所述前端侧接合的散热片与热管散热部的前端的距离。

第八发明涉及的电力转换装置的特征在于，所述平板是用于确保所述通风路径内的强度的梁。

第九发明涉及的电力转换装置的特征在于，具备：构成电力转换电路的多个半导体元件；和将来自半导体元件的热量向外部气体散出的冷却器，所述冷却器由受热块、多个热管及多个散热片构成，在所述受热块的一侧面排列设置所述多个半导体元件，在所述受热块的相反面上埋设所述多个热管的一部分，所述多个热管具备埋设在所述受热块中的受热部、和从所述受热块突出且竖立设置的散热部，所述散热部与多个散热片接合，所述多个热管具有从散热部的根部至前端接合有多个散热片的第一热管、和至少在散热部的根部侧接合有比与所述第一热管接合的散热片的数量少的多个散热片的第二热管。

第十发明涉及的电力转换装置的特征在于，第二热管的散热部比第一热管的散热部短。

第十一发明涉及的驱动系统的特征在于，是搭载有上述的第一～第十发明中任一发明涉及的电力转换装置的铁道车辆的驱动系统。

(发明效果)

根据第一发明，通过将U字型热管的受热部设置在沿着冷却风的流向的方向上，由此能够促进冷却风从下风侧向上风侧的热移动，因此能够抑制下风侧的半导体元件的温度上升。另外，通过将U字型热管的散热部以在垂直方向上立起的方式竖立设置，散热部与多个散热片接合而设置在通风路径内，由此能够促进从受热块向散热片的热移动，因此散热片效率得以提高。另外，通过在与冷却风的流向正交的方向上排列设置发热量相同的半导体元件，由此能够使与冷却风的流向正交的方向的温度均匀。另外，通过在发热量大的IGBT模块之间设置发热量小的箝位二极管模块，由此能够实现受热块内的热量的分散，因此能够使各半导体元件的温度均衡化。

根据第二发明，通过在再生时发热量变大的第一IGBT模块和与IGBT模块相比发热量小的箝位二极管模块这两者的投影面上设置U字型热管的受热部，由此能够促进再生时从第一IGBT模块向箝位二极管侧的热移动，能够使两者的温度均衡化。另外，通过在动力运转时发热量变大的第二IGBT模块和箝位二极管模块这两者的投影面上设置U字型热管的受热部，由此能够促进动力运转时从第二IGBT模块向箝位二极管侧的热移动，能够使两者的温度均衡化。另外，通过在单一的半导体元件的投影面上设置U字型热管的受热部，由此该热管具有仅将该半导体元件的热量向散热片输送的作用，通过将这些热管混合，能够抑制局部的温度上升，能够使各半导体元件的温度均衡化。

根据第三发明，通过以交错状设置U字型热管的散热部，由此能够均等地配置散热片和热管的接合部，能够向散热片均等地输送热量，因此散热片效率得以提高。而且，与以正方状配置热管的散热部的情况相比，散热片间及热管间的流路的截面积变宽，因此散热片间的通风阻力变小，使用鼓风机来进行冷却时能够供给更多冷却风，因此能够有效地冷却半导体元件。

根据第四发明，通过在最上风侧的位置或最下风侧的位置、或者上风侧和下风侧这两侧以散热部成为内侧的方式设置L字型热管，由此能够在散热片的投影面的外侧设置热管的受热部。由此，即使将半导体元件设置在散热片的投影面的外侧，也能够通过L字型热管向散热片有效地输送热量，因此能够使散热片小型化。

根据第五发明，通过在冷却风的流动方向上分割多个散热片，并使空气温度低的上风侧的散热片的间距大于空气温度高的下风侧的散热片的间距来减少散热片片数，由此能够减小散热片间的通风阻力，使用鼓风机进行冷却时能够供给更多的冷却风，因此能够有效地冷却半导体元件，而且能够使冷却器轻量化。

根据第六发明，通过在通风路径中，在散热片的上风侧设置多个整风板，由此能够使从鼓风机向散热片供给的冷却风的风速在与冷却风的流向正交的方向上均匀，因此即使在散热片的宽度比鼓风机的吹出口的宽度大的情况下，也能够有效地冷却半导体元件。

根据第七发明，通过在通风路径中，在和热管散热部的最前端侧接合的散热片与构成通风路径的壁之间，沿着与冷却风的流向正交的方向设置多个平板，由此能够防止冷却风从散热片间泄漏，因此能够有效地冷却半导体元件。而且，通过使平板与和热管散热部的前端侧接合的散热片之间的距离短于和前端侧接合的散热片与热管散热部的前端之间的距离，由此能够进一步减少从散热片间泄漏的冷却风的量。

根据第八发明，防止冷却风的泄漏的平板兼作确保通风路径内的强度的梁。由此，能够减少部件件数，因此能够实现成本的降低和组装性的提高。

根据第九发明，所述多个热管中，混合设置了从散热部的根部至前端接合有多个散热片的热管、和在散热部的根部侧接合有多个散热片的热管。在散热部的根部侧接合有多个散热片的热管散热部与从根部至前端接合有多个散热片的热管散热部相比，所接合的散热片片数少，因此与冷却风的热阻变大，与冷却风的温度差也变大，因而即使冷却风温度在热管内部的冷媒的凝固点以下，冷媒也不会发生冻结，能够有效地冷却半导体元件。另外，仅由在散热部的根部侧接合有多个散热片的热管来构成冷却器时，与从根部至前端接合有多个散热片的热管相比，散热面积小，因此在冷却风温度为冷媒的凝固点以上时冷却性能可能会降低，但通过将两者混合，由此能够同时实现冷却风温度在冷媒的凝固点以下时和在凝固点以上时的冷却性能。

根据第十发明，仅在所述散热部的根部侧接合有多个散热片的热管与从根部至前端等间隔地接合有多个散热片的热管相比，缩短了散热部。在因冷媒冻结而发生了干涸时，半导体元件的温度显著上升，随之热管散热部的根部的温度也上升，但通过缩短散热部，能够减小散热部的根部与前端的温度差、即提高前端的温度，因此即使发生了干涸，也能够使冻结了的冷媒熔解，从而能够有效地冷却半导体元件。

根据第十一发明，能够有效地冷却半导体元件，能够提供小型、轻量、低成本且组装性良好的铁道车辆用的驱动系统。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的电力转换装置的整体结构的立体图。

图2是图1的俯视图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是本发明的第一实施方式的电力转换装置中的变换器主电路二相量的电路图。

图5是本发明的第一实施方式的电力转换装置中搭载的冷却器的仰视图。

图6是本发明的第一实施方式的电力转换装置中搭载的冷却器的俯视图。

图7是图6的B-B剖视图。

图8是图6的C-C剖视图。

图9是图6的D-D剖视图。

图10是图6的E-E剖视图。

图11是图6的F-F剖视图。

图12是图10的G放大图。

图13是图10的H放大图。

图14是图3的I放大图。

图15是从车辆行驶方向观察到的表示将本发明的第一实施方式的电力转换装置搭载于铁道车辆的客室的地板的状态的剖视图。

图16是表示动力运转时、再生运转时的各半导体元件的热损失比率的表。

图17是表示专利文献1的冷却器的动力运转时的温度计算结果的图。

图18是表示专利文献1的冷却器的再生运转时的温度计算结果的图。

图19是表示本发明的第一实施方式的电力转换装置中搭载的冷却器的动力运转时的温度计算结果的图。

图20是本发明的第一实施方式的电力转换装置中搭载的冷却器的再生运转时的温度计算结果的图。

图21是图10的H放大图。

图22是表示本发明的第二实施方式的电力转换装置中搭载的冷却器的热管的配置的俯视图。

图23是表示本发明的第三实施方式的电力转换装置中搭载的冷却器的散热片的结构的剖视图。

图24是表示本发明的第四实施方式的电力转换装置中搭载的整风板的结构的俯视图。

符号说明：

1000  电力转换装置

1110  侧板

1120  顶板

1130  底板

1140  通风路径底板

1150  通风路径

1161、1162  枕木方向梁

1163、1164  行进方向梁

1171、1172  通风路径放大板

1181～1184  整风板

1191～1195  漏风防止板

1200  鼓风机

1210  冷却风

1300  过滤器

1400  格栅

1500  半导体元件组

1510  外侧IGBT模块

1520  内侧IGBT模块

1530  箝位二极管模块

1600  电路部件搭载空间

1610  滤波电容器

1620  门电路驱动器

1700  冷却器

1710  受热块

1711  冷却器固定用螺纹孔

1712  连结用螺栓

1720  U字型热管

1721  U字型热管受热部

1722  U字型热管散热部

1730  L字型热管

1731  L字型热管受热部

1732  L字型热管散热部

1740  钎料

1750  散热片

1751  上风侧散热片

1752  下风侧散热片

1760  密封件

1770  无受热部的区域

1780  短条热管

1781  短条热管受热部

1782  短条热管散热部

1790  翻边

2000  客室

3000  挂钩部件

具体实施方式

以下，参照附图详细地进行说明。

【实施例1】

以下，参照附图进行详细说明。图1表示本发明的第一实施方式的电力转换装置的整体结构的立体图，图2表示图1的俯视图，图3表示图2的A-A剖视图。

电力转换装置1000由侧板1110、顶板1120、底板1130构成。另外，在电力转换装置1000的上表面设有枕木方向梁1161、1162、行进方向梁1163、1164，以确保电力转换装置1000的强度。在顶板1120、底板1130之间设有通风路径底板1140。被侧板1110、顶板1120、通风路径底板1140包围的空间为通风路径1150，冷却风1210在通风路径1150中流动。另外，被侧板1110、底板1130、通风路径底板1140包围的空间为电路部件搭载空间1600，在其中设有构成电力转换装置1000的主电路的半导体元件组1500、滤波电容器1610和用于控制半导体元件组1500的开闭的门电路驱动器1620。

电路部件搭载空间1600中的半导体元件组1500设置在冷却器1700的下表面。冷却器1700具有气密性且连接在通风路径底板1140的下表面侧，从而冷却风1210不会向电路部件搭载空间1600流入。

另一方面，冷却器1700的上表面侧设置在通风路径1150中。冷却器1700、侧板1110及顶板1120没有贴紧，而是留有间隙，为了减少通过该间隙的冷却风1210的量，在冷却器1700周边的空间内沿着冷却风的流动方向设有多个漏风防止板1191、1192、1193、1194。设置各漏风防止板1191、1192、1193、1194的方向是与冷却风1210的流向正交的方向。另外，漏风防止板1194被设置成从行进方向梁1163向下侧突出。

鼓风机1200被设置成吹出口的中心位于冷却器1700的大致中心线上。冷却风1210经由过滤器1300被吸入电力转换装置1000内，从鼓风机1200的吹出口朝向冷却器1700供给。这里，鼓风机1200的吹出口的宽度比冷却器1700的宽度窄，因此通过通风路径放大板1171、1172将通风路径1150扩大成与冷却器1700相同程度的宽度，通风路径放大板1171、1172与设置在最上风侧的漏风防止板1191连接。另外，为了向冷却器1700均匀地供给冷却风1210，在鼓风机1200的吹出口与冷却器1700之间设有两个整风板1181、1182。这两个整风板1181、1182被设置成相对于鼓风机1200的吹出口的中心分别对称，且被设置成下风侧的间隙比上风侧的间隙宽。从格栅1400向外部排出通过了整风板1181、1182及冷却器1700的冷却风1210。

接着，详细地说明电力转换装置的主电路结构和对半导体元件组进行冷却的冷却器。图4是表示本发明的第一实施方式的电力转换装置中的主电路的一部分的电路图。图4中记载的是变换器主电路的二相量，本发明的第一实施方式中搭载的是并联连接了两个该主电路的电路。变换器主电路的一相量分别各连接两台外侧IGBT模块1510、内侧IGBT模块1520、箝位二极管模块1530而成。具体而言，以外侧IGBT模块1510、内侧IGBT模块1520、内侧IGBT模块1520、外侧IGBT模块1510的顺序串联连接四个IGBT模块，该被串联连接的四个IGBT模块与彼此串联连接的两个滤波电容器1610并联连接。而且，外侧IGBT模块1510和内侧IGBT模块1520的连接点彼此经由两个箝位二极管模块1530而被连接，两个箝位二极管模块1530的连接点和两个滤波电容器1610的连接点彼此被连接。

图5表示冷却器及半导体元件组的仰视图。冷却器1700的结构部件之一、即受热块1710由两张铝制厚板构成，这两张铝制厚板通过连结用螺栓1712而被连结。另外，在受热块1710的端部开设有多个冷却器固定用螺纹孔1711，从而与图3中记载的通风路径底板1140连接。在受热块1710的下表面并列设有半导体元件组1500。半导体元件组1500中，沿着冷却风1210的流动方向，以外侧IGBT模块1510、箝位二极管模块1530、内侧IGBT模块1520、箝位二极管模块1530、外侧IGBT模块1510的顺序配置构成一相量的各模块，在与冷却风1210正交的方向上设置多个共计四相量的半导体元件组1500。

图6表示冷却器的俯视图，图7表示图6的B-B剖视图，图8表示图6的C-C剖视图，图9表示图6的D-D剖视图，图10表示图6的E-E剖视图，图11表示图6的F-F剖视图。在图6的比中心线更靠上侧图示出的虚线表示热管的受热部，在比中心线更靠下侧图示出的虚线表示设置于下表面的半导体元件组1500的投影图。在受热块1710的上表面侧沿着冷却风1210的流动方向形成有多个槽，在该槽中沿着冷却风1210的流动方向设置多个U字型热管1720的受热部1721、多个L字型热管1730的受热部1731，通过使焊锡等钎料1740流入槽中并在此凝固，由此接合受热块1710、U字型热管1720及L字型热管1730。另外，将U字型热管1720的散热部1722及L字型热管1730的散热部1732沿着铅直方向竖立设置，向散热部1722、1732分别压入具有与散热部的位置匹配的贯通孔的多个散热片1750。

另一方面，在受热块1710的上表面的、设置热管的区域与冷却器固定用螺纹孔1711之间，遍及整个周围而设置密封件1760。由此，通风路径底板1140和冷却器1700气密地连接，防止冷却风与半导体模块直接接触。

对热管的配置进行说明。在图7所示的B-B截面中，沿着冷却风1210的流动方向，以L字型热管1730、5根U字型热管1720、L字型热管1730的顺序设置各热管。这里，在散热部成为内侧的朝向上设置在冷却风的上游和下游的端部配置的L字型热管1730。在图8所示的C-C截面中，设置有与图7所示的U字型热管1720相比散热部的长度更短的短条热管1780，且沿着冷却风1210的流动方向按照短条热管1780、U字型热管1720、短条热管1780、短条热管1780、U字型热管1720、短条热管1780的顺序进行设置。在图9所示的D-D截面中，按照L字型热管1730、短条热管1780、U字型热管1720、短条热管1780、U字型热管1720、短条热管1780、L字型热管1730的顺序进行设置。这里，以散热部成为内侧的朝向设置在冷却风的上游和下游的端部配置的L字型热管1730。在图10所示的E-E截面中，按照U字型热管1720、短条热管1780、U字型热管1720、U字型热管1720、短条热管1780、U字型热管1720的顺序进行设置。在图11所示的F-F截面中，设置有六根U字型热管1720。如图6所示，按照B-B截面、C-C截面、D-D截面、E-E截面、D-D截面、C-C截面、B-B截面、F-F截面、B-B截面、C-C截面、D-D截面、E-E截面、D-D截面、C-C截面、B-B截面的顺序设置热管，由此以交错状配置热管受热部1721、1731及热管散热部1722、1732。即，将如B-B截面、D-D截面那样在冷却风的上游和下游的端部以L字型热管1730的散热部成为内侧的方式配置的热管的列、和如C-C截面、E-E截面、F-F截面那样在冷却风的上游和下游的端部配置了U字型热管1720的热管的列交替地配置，由此以交错状配置热管受热部1721、1731及热管散热部1722、1732，从而能够抑制热管散热部带来的通风阻力，同时能够在受热块1710的整个面上配置热管受热部来提高散热性能。另外，短条热管1780也被无偏倚地配置。在本发明的第一实施方式中，相对于热管的总数为196根，短条热管为64根，占整体的3成。

图12表示图10的区域G的放大图。在受热块1710内，U字型热管散热部1722的正下方的区域为无热管受热部的区域1770，与热管受热部内部相比热阻大，存在温度局部变高的可能性。然而，通过如图6所示那样以交错状配置热管受热部1721、1731，由此在例如B-B截面中的无受热部的区域1770的附近配置C-C截面或者F-F截面中的U字型热管受热部1721，因此能够促进热移动来抑制局部的温度上升。

接着，对热管和半导体元件组的位置关系进行说明。在图7所示的B-B截面中，L字型热管1730中，在外侧IGBT模块1510的投影面上设置L字型热管散热部1732。从上风侧数第一根和第五根U字型热管1720中，在外侧IGBT模块1510和箝位二极管模块1530这两者的投影面上设置U字型热管散热部1722。从上风侧数第二根和第四根U字型热管1720中，在内侧IGBT模块1520和箝位二极管模块1530这两者的投影面上设置U字型热管散热部1722。从上风侧数第三根U字型热管1720中，在内侧IGBT模块1520的上风侧和下风侧这两者的投影面上设置U字型热管散热部1722。

另外，在图11所示的F-F截面中，从上风侧数第一根和第六根U字型热管1720中，仅在外侧IGBT模块1510的投影面上设置U字型热管散热部1722。从上风侧数第二根和第五根U字型热管1720中，仅在箝位二极管模块1530的投影面上设置U字型热管散热部1722。从上风侧数第三根和第四根U字型热管1720中，仅在内侧IGBT模块1520的投影面上s设置U字型热管散热部1722。

接着，对散热片结构进行说明。相对于冷却风1210，向上风侧的热管散热部压入多个上风侧散热片1751，向下风侧的热管散热部压入多个下风侧散热片1752。多个上风侧散热片1751各自的间距大于下风侧散热片1752各自的间距，且多个上风侧散热片的片数少于多个下风侧散热片的片数。在本发明的第一实施方式中，下风侧散热片为48片，而上风侧散热片为24片，两者的片数之比为2比1。另外，考虑到制作性，将散热片1750在与冷却风1210的流向正交的方向上进行四分割。

对散热片与热管的接合进行说明。图13表示图10的区域H的放大图。在散热片1750中设置与U字型热管散热部1722的位置对应的贯通孔，在贯通孔的周围设置翻边1790，在将散热片1750压入到U字型热管散热部1722时，通过使翻边1790与U字型热管散热部1722面接触来实现热连接。在U字型热管的散热部1722上从散热部的前端至根部等间隔地连接有散热片1750，而在短条热管的散热部1782中只有散热片1750中的根部侧被连接，即在本发明的第一实施方式中是只有根部侧的八片被连接，在这八片散热片前端侧的散热片上未设置翻边1790，从而没有将热管散热部与散热片连接起来。

接着，对冷却器和漏风防止板的位置关系进行说明。图14是图3的区域I的放大图，示出了U字型热管散热部1722的前端和漏风防止板1194的位置关系。U字型热管散热部1722的前端与前端以外的部位相比直径较小，无法将散热片1751、1752压入，因此U字型热管散热部1722的前端从最上段的散热片突出20～30mm左右。另一方面，漏风防止板1194设置在各U字型热管散热部1722之间的位置上。漏风防止板1194与最上段的散热片的间隙为5mm左右，小于U字型热管散热部1722的前端与最上段的散热片的间隙。

对将电力转换装置搭载于铁道车辆客室的地板下的状态进行说明。图15表示从车辆行驶方向观察到的剖视图。纸面进深方向表示车辆行驶方向，左右方向表示枕木方向，上下方向表示铅直方向。电力转换装置1000通过挂钩部件3000而被连接到客室2000的地板下。冷却风1210在电力转换装置1000的内部沿着枕木方向通风。

接着，对本发明的第一实施方式的效果进行说明。如上所述，在第一实施方式中，将多个热管中的短条热管1780无偏倚地配置，并且短条热管的散热部1782仅连接多个散热片1750中的根部侧的四片。对于仅在根部侧接合有散热片1750的短条热管的散热部1782而言，与从根部至前端等间隔地与多个散热片1750接合的情况相比，所接合的散热片1750的片数少，因此与冷却风1210的热阻变大，与冷却风1210的温度差也变大，因而即使冷却风1210的温度在热管内部的冷媒的凝固点以下，冷媒也不会发生冻结，能够有效地冷却半导体元件组1500。

另外，在仅通过只在散热部的根部侧接合有多个散热片1750的短条热管1780来构成冷却器的情况下，与从根部至前端连接有多个散热片1750的情况相比，散热面积小，因此在冷却风1210的温度为冷媒的凝固点以上时冷却性能可能会降低，但通过混合这两者，能够同时实现冷却风1210的温度在冷媒的凝固点以下时、和在凝固点以上时的冷却性能。

另外，在产生了热管内的冷媒全部冻结的干涸时，随着半导体元件的温度上升，热管散热部的根部的温度也会逐渐上升，但散热部比U字型热管1720、L字型热管1730短的短条热管1780能够减小散热部1782的根部与前端的温度差、即能够提高前端的温度，因此即使产生了干涸，也能够使冻结了的冷媒熔解，能够有效地冷却半导体元件组1500。即，通过将与散热部连接的散热片的片数不同的两种以上的热管组合起来构成冷却器，由此能够维持冷却风1210的温度为冷媒的凝固点以上的情况下的冷却性能，同时防止冷却风1210的温度为冷媒的凝固点以下的情况下的冷媒冻结。

另外，在沿着冷却风1210的流向的方向上设置U字型热管1720的受热部1721，由此能够相对于冷却风1210促进从下风侧向上风侧的热移动，因此能够使冷却风的温度上升所带来的影响均衡化，能够抑制下风侧的半导体元件的温度上升。另外，以在垂直方向上立起的方式竖立设置U字型热管1720的散热部1722，在U字型热管散热部1722上接合多个散热片1750而设置在通风路径1150内，由此能够促进从受热块1710向散热片1750的热移动，因此散热片效率得以提高。另外，在与冷却风1210的流向正交的方向上排列发热量相同的半导体元件，由此能够使与冷却风1210的流向正交的方向上的温度均匀。因此，无需为了实现温度的均匀化而沿着与冷却风的流向正交的方向设置热管，能够使热管的受热部在冷却风的流动方向上对齐，使得制造容易。另外，通过在发热量大的IGBT模块之间设置发热量小的箝位二极管模块，由此使热量从发热量大的IGBT模块向发热量小的箝位二极管模块移动，实现受热块内的有效的热量的分散，因此能够使半导体元件组1500的温度均衡化。

另外，通过在再生时发热量变大的外侧IGBT模块1510和发热量比IGBT模块小的箝位二极管模块1530这两者的投影面上设置U字型热管1720的受热部1721，由此能够促进再生时从外侧IGBT模块1510向箝位二极管模块1530侧的热移动，能够使两者的温度均衡化。另外，通过在动力运转时发热量变大的内侧IGBT模块1520和箝位二极管模块1530这两者的投影面上设置U字型热管1720的受热部1721，由此能够促进动力运转时从内侧IGBT模块1520向箝位二极管模块1530侧的热移动，能够使两者的温度均衡化。另外，通过在单一的半导体元件的投影面上设置U字型热管1720的受热部1721，由此该热管具有仅将该半导体元件的热量向散热片1750输送的功能，通过将这些热管混合，能够抑制局部的温度上升，从而使半导体元件组1500的温度均衡化。

另外，以交错状设置U字型热管1720的散热部1722，由此将散热片1750与热管的接合部均等地配置，向散热片1750均等地输送热量，因此散热片效率得以提高。而且，与以正方形状配置热管的散热部的情况相比，散热片间以及热管间的流路的截面积变大，因此散热片间的通风阻力变小，使用鼓风机1200来进行冷却时能够供给更多的冷却风1210，因此能够有效地冷却半导体元件组1500。

另外，通过在最上风侧的位置或最下风侧的位置、或者上风侧和下风侧这两侧以散热部成为内侧的方式设置L字型热管1730，由此能够在散热片1750的投影面的外侧设置L字型热管1730的受热部1731。由此，即使将半导体元件设置在散热片1750的投影面的外侧，也能够通过L字型热管1730将半导体元件的热量有效地向内侧的散热片1750输送，因此能够使散热片1750小型化。

另外，通过在冷却风的流动方向上分割多个散热片1750，并使空气温度低的上风侧的散热片1751的间距大于空气温度高的下风侧的散热片1752的间距，来减少散热片片数，由此能够减小散热片间的通风阻力，在使用鼓风机1200来进行冷却时能够供给更多的冷却风1210，因此能够有效地冷却半导体元件组1500，此外还能够使冷却器1700轻量化。

另外，在通风路径1150中，在散热片1750的上风侧设置多个整风板1181、1182，由此能够使从鼓风机1200向散热片1750供给的冷却风1210的风速在与冷却风1210的流向正交的方向上均匀，因此即使在散热片1750的宽度大于鼓风机1200的吹出口的宽度的情况下，也能够有效地冷却半导体元件组1500。

另外，在通风路径1150中，在与U字型热管散热部1722的最前端侧接合的散热片和构成通风路径1150的顶板1120之间，沿着与冷却风1210的流向正交的方向设置多个漏风防止板1191、1192、1193、1194，由此能够防止冷却风1210从散热片间泄漏，因此能够有效地冷却半导体元件组1500。而且，使多个漏风防止板1191、1192、1193、1194、和与U字型热管散热部1722的前端侧接合的散热片之间的距离短于与前端侧接合的散热片、和U字型热管散热部1722的前端之间的距离，由此能够进一步减少从散热片间泄漏的冷却风1210的量。

另外，漏风防止板1194兼作确保通风路径1150内的强度的梁1160。由此，能够减少部件件数，因此能够实现成本的降低和组装性的提高。

通过上述的结构，能够有效地冷却半导体元件组1500，能够将小型、轻量、低成本且组装性良好的电力转换装置1000搭载于铁道车辆。

为了验证本发明的第一实施方式的效果，使用通用热流体分析软件来计算各半导体元件的温度，并与专利文献1进行了比较。如上所述，在专利文献1中是将构成一相量的电路的多个半导体元件组沿着与冷却风的流向正交的方向设置，而在本发明的第一实施方式中是设置在沿着冷却风的流向的方向上。散热片结构及冷却风量在实施方式1和专利文献1中的结构分别相同，图16所示的各半导体元件的热损失按每个运转条件来分配。另外，在图16中，由以动力运转下的全部损耗为基准的相对值标记各半导体元件的损耗。

图17～图20表示由通用热流体分析软件计算出的各半导体元件的温度上升。图17表示专利文献1所记载的电力转换装置中的动力运转时的温度上升，图18表示再生时的温度上升，图19表示本发明的第一实施方式的电力转换装置中的动力运转时的温度上升，图20表示再生时的温度上升。图中带下划线的数值表示图17～图20中的以最大温度上升值为基准的相对值(以下，称作温度上升比)。根据这些图可知，专利文献1中的最大温度上升比在动力运转时为1.00，在再生时为0.78，相对于此，本发明的第一实施方式中的最大温度上升比在动力运转时为0.77，在再生时为0.76。另外，温度上升比的最大值与最小值之差、即温度偏差在专利文献1中动力运转时为0.59、再生时为0.46，相对于此，在本发明的第一实施方式中动力运转时为0.34、再生时为0.35。由此可知，本发明与专利文献1相比，各半导体元件的温度偏差降低，最大温度也变低。尤其可知，在动力运转时温度的降低效果大，能够将半导体元件的最大温度上升降低23％。

此外，在本发明中例举了三电平变换器主电路，但也可以将本发明适用于三电平逆变器主电路中。而且，在本发明的第二～第十一方面中，也可以适用于二阶变换器或逆变器中。另外，在第一实施方式中，短条热管1780、和仅在散热部的根部侧连接散热片1750的热管的根数为64根，占热管总数的3成左右，但本发明并不局限于此，优选占总数的2成～5成左右。另外，在第一实施方式中，上风侧散热片1751的总数为24片，而仅与根部侧连接的散热片1750为8片，但本发明并不局限于此，优选仅与根部侧连接的散热片占总数的1成至5成左右。另外，也可以如图21所示那样，交替地配置与散热部1782接合的散热片、和不与散热部1782接合的散热片。另外，也可以将上风侧的热管如图13所示那样构成为仅在散热部的根部侧连接8片散热片1750的结构，将下风侧的热管如图21所示那样构成为使散热部的根部侧交替地与散热片连接的结构。而且，通过将仅在根部侧连接有散热片1750的散热部的、未连接散热片1750的前端部分用隔热件等覆盖，由此能够进一步减小散热部的根部与前端的温度差。

【实施例2】

图22表示本发明的第二实施方式的电力转换装置中的热管的配置。在第二实施方式中，省去了上风侧的L字型热管1730，与实施例1相比，减少了热管的根数。其它结构与实施例1相同。在上风侧的温度低于下风侧的温度的情况下，通过这样减少上风侧的热管的根数，能够进一步减小散热片间的通风阻力，因此能够有效地冷却半导体元件组1500，进而能够降低制造成本。

【实施例3】

图23表示本发明的第三实施方式的电力转换装置中的散热片的结构。在第三实施方式中，没有如实施例1那样在上风侧和下风侧分割散热片1750，而是以相同的间距和相同的片数设置了散热片1750。其它结构与实施例1相同。在想要降低上风侧的温度的情况下，通过构成为这样的结构，能够使上风侧的冷却性能良好，因此能够有效地冷却上风侧的半导体元件组1500。

【实施例4】

图24表示本发明的第四实施方式的电力转换装置中的整风板。在第四实施方式中，将鼓风机1200的吹出口与冷却器1700之间的整风板的片数增加至4片。其它结构与实施例1相同。通过这样增加整风板的片数，能够使向冷却器1700供给的冷却风的风速更加均匀，因此能够有效地冷却半导体元件组1500。

Claims (20)

1.一种电力转换装置，其具备构成电力转换电路的多个半导体元件、在内部搭载所述电力转换电路的框体、将来自半导体元件的热量向外部气体散出的冷却器、向所述冷却器供给冷却风的鼓风机、和在内部具有所述冷却器且使所述冷却风通过的通风路径，所述电力转换装置的特征在于，

所述冷却器由受热块、多个U字型热管及多个散热片构成，

在所述受热块的一侧面排列设置所述多个半导体元件，

在所述受热块的相反面上，所述多个U字型热管的受热部被埋设在沿着所述冷却风的流向的方向上，以在垂直方向立起的方式竖立设置所述多个U字型热管的散热部，

所述U字型热管的散热部与所述多个散热片接合而被设置在所述通风路径内，

所述多个半导体元件由在再生运转时发热量变大的多个第一IGBT模块、在动力运转时发热量变大的多个第二IGBT模块、以及与所述IGBT模块相比发热量小的多个箝位二极管模块构成，

所述电力转换装置被设置成在与冷却风的流向正交的方向上排列发热量相同的半导体元件，且所述箝位二极管在冷却风的流动方向上设置于所述第一IGBT模块与所述第二IGBT模块之间。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

在所述受热块中分别设有多个所述热管的受热部设于第一IGBT模块和箝位二极管模块这两者的投影面上的U字型热管、所述热管的受热部设于第二IGBT模块和箝位二极管这两者的投影面上的U字型热管、及所述热管的受热部设于单一的半导体元件的投影面上的U字型热管。

3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，

多个所述U字型热管被设置成各自的散热部呈交错状。

4.根据权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于，

在所述冷却器中，按照相对于冷却风而言最上风侧的位置或最下风侧的位置、或者在上风侧和下风侧这两侧散热部成为冷却器的内侧的方式设置L字型热管。

5.根据权利要求3或4所述的电力转换装置，其特征在于，

将所述多个散热片在冷却风的流动方向上分割，相对于冷却风而言上风侧的散热片的间距比下风侧的散热片的间距大，从而减少散热片片数。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，

在所述通风路径中，在所述散热片的上风侧设置有多个整风板。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，

在所述通风路径中，在和所述热管散热部的最前端侧接合的散热片与构成通风路径的壁之间，沿着与冷却风的流向正交的方向设置平板，所述平板与和所述前端侧接合的散热片之间的距离短于和所述前端侧接合的散热片与热管散热部的前端之间的距离。

8.根据权利要求7所述的电力转换装置，其特征在于，

所述平板为通过与构成所述通风路径的壁接合而被用于确保所述通风路径内的强度的梁。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，还具备：

构成电力转换电路的多个半导体元件；和

将来自半导体元件的热量向外部气体散出的冷却器，

所述冷却器由受热块、多个热管及多个散热片构成，

在所述受热块的一侧面排列设置所述多个半导体元件，

在所述受热块的相反面上埋设所述多个热管的一部分，

所述多个热管具备埋设在所述受热块中的受热部、和从所述受热块突出且竖立设置的散热部，

所述散热部与多个散热片接合，

所述多个热管具有从散热部的根部至前端接合有多个散热片的第一热管、和至少在散热部的根部侧接合有比与所述第一热管接合的散热片的数量少的散热片的第二热管。

10.根据权利要求9所述的电力转换装置，其特征在于，还具备：

所述第二热管的散热部比所述第一热管的散热部短。

11.一种铁道车辆的驱动系统，其特征在于，搭载有权利要求1～10中任一项所述的电力转换装置。

12.一种电力转换装置，其特征在于，具备：

构成电力转换电路的多个半导体元件；和

将来自半导体元件的热量向外部气体散出的冷却器，

所述冷却器由受热块、多个热管及多个散热片构成，

在所述受热块的一侧面排列设置所述多个半导体元件，

在所述受热块的相反面埋设所述多个热管的一部分，

所述多个热管具备埋设在所述受热块中的受热部、和从所述受热块突出且竖立设置的散热部，

所述散热部与多个散热片接合，

所述多个热管具有从散热部的根部至前端接合有多个散热片的第一热管、和至少在散热部的根部侧接合有比与所述第一热管接合的散热片的数量少的散热片的第二热管。

13.根据权利要求12所述的电力转换装置，其特征在于，

所述第二热管的散热部比所述第一热管的散热部短。

14.根据权利要求12或13所述的电力转换装置，其特征在于，

在所述第二热管的散热部的根部侧接合多个散热片，

所述第二热管的散热部的前端侧被隔热件覆盖。

15.根据权利要求12或13所述的电力转换装置，其特征在于，

所述第二热管的数量占热管的总数的2成～5成。

16.根据权利要求12～15中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，

与第二热管的散热部接合的散热片的片数为与第一热管的散热部接合的散热片的片数的1成～5成。

17.一种电力转换装置，其特征在于，具备：

构成电力转换电路的多个半导体元件；和

将来自半导体元件的热量向外部气体散出的冷却器，

所述冷却器由受热块、多个热管及多个散热片构成，

在所述受热块的一侧面排列设置所述多个半导体元件，

在所述受热块的相反面埋设所述多个热管的一部分，

所述多个热管具备埋设在所述受热块中的受热部、和从所述受热块突出且竖立设置的散热部，

所述散热部与多个散热片接合，

所述多个热管及所述多个散热片配置在冷却风流过的通风路径上，

在和所述热管散热部的最前端侧接合的散热片与构成所述通风路径的壁之间，沿着与冷却风的流向正交的方向设有平板。

18.根据权利要求17所述的电力转换装置，其特征在于，

所述平板与和所述最前端侧接合的散热片的距离短于所述热管散热部的前端与和所述最前端侧接合的散热片的距离。

19.根据权利要求17或18所述的电力转换装置，其特征在于，

所述平板通过与构成所述通风路径的壁接合来增强所述通风路径。

20.根据权利要求17或18所述的电力转换装置，其特征在于，

在向所述冷却器输送冷却风的鼓风机的吹出口与所述冷却器之间设置多个整风板，所述多个整风板被设置成下风侧的间隙比上风侧的间隙宽。

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