CN103988411B - 强制风冷式功率转换装置 - Google Patents

Abstract

功率转换模块包括：搭载有半导体元件(25)的冷却器基底部；以及在冷却器基底部中的半导体元件搭载面的背面侧设置的冷却器散热片部，将功率转换子块进行组合来构成为功率转换块，该功率转换子块具有冷却器安装构件，该冷却器安装构件使开放部与存在半导体元件的密闭部之间分离，并且构成为可使得在冷却器散热片部中流通冷却风，该开放部中存在冷却器散热片部、以及冷却器散热片部彼此背对背安装，存在冷却器散热片部且外部气体流通。

Description

强制风冷式功率转换装置

技术领域

本发明涉及适合电车驱动用的交流电动机控制的强制风冷式功率转换装置。

背景技术

现有技术所涉及的电车的功率转换装置一般采用如下结构：利用功率转换装置内的一个逆变器电路对与搭载于电动车辆的各转向架的车轴直接连结的多个感应电动机进行并行一并驱动。

另外，这种功率转换装置中，通常，采用如下结构的示例较多：即，利用一个逆变器电路对4台感应电动机进行并行一并控制，该4台感应电动机对在配置于电动车辆两端的转向架中内置的总共4根车轴分别进行驱动。

而且，在交流区间行驶的电车驱动用的功率转换装置中，添加有用于将从架空线接受到的交流电暂时转换成直流以提供给逆变器电路的整流器电路。

另外，作为电车驱动用的功率转换装置中的冷却方式，为了使装置小型轻量化，主要采用通过冷却风扇流通外部气体以使逆变器电路、整流器电路(以下将两者总称为“功率转换电路”)冷却的强制风冷方式(例如，专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2006-025556号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

近年来，在产业设备、家电领域、汽车领域等交流电动机应用领域中，采用永磁体同步电动机以取代以往的感应电动机的情况增多。永磁体同步电动机与感应电动机相比，由于永磁体所产生的磁通确定，因此无需励磁电流，且在转子中不会流过电流，因此不会产生二次铜损等而被已知为是高效率的电动机，近年来，还在探讨将其应用于电车驱动用的功率转换装置。

将永磁体同步电动机应用于电车的驱动时所产生的问题在于，如何构成驱动多台永磁体同步电动机的功率转换装置。即，永磁体同步电动机如已知的那样，由于是逆变器频率和转子频率同步地进行动作，因此无法如现有例的感应电动机那样，利用一台逆变器对多台永磁体同步电动机进行并行一并驱动。这是由于，在应用于电车的示例中，由于车轮直径的差异、空转等会使得运行中的各车轮的转速、相位不同，因此各电动机的转速、相位不一致。

因而，需要设置与每一台永磁体同步电动机相对应的单独的驱动用逆变器电路。由于在电车的情况下，主要采用利用编组中的多个电动机来驱动电动车辆的各车轮的动力分散方式的结构，因此与使用可对多台进行并行一并驱动的现有感应电动机的系统相比，所需要的逆变器电路的数量增加，其结果是，会产生逆变器电路的尺寸、质量、成本增加的问题。

此外，在使用感应电动机的系统中，也存在独立地分别控制与各车轮相连接的多个感应电动机的系统，但在这种情况下也与驱动永磁体同步电动机的系统相同，需要分别设置与各电动机相对应的独立的逆变器电路，所需要的逆变器电路的数量增加，与永磁体同步电动机相同，会产生逆变器电路的尺寸、质量、成本增加的问题。

另外，在交流区间行驶的电车的功率转换装置的情况下，根据装置容量的不同，整流器电路的数量(或者构成整流器电路的半导体元件的并联数量)会增加。其结果是，也会产生整流器电路的尺寸、质量、成本增加的问题。

此外，电车用的功率转换装置大多配置在电车的底板下方，当然希望采用能小型化和轻量化的结构。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供采用如下结构的强制风冷式功率转换装置：即使在构成分别驱动多台电动机的方式的强制风冷式功率转换装置的情况下，也能抑制功率转换电路的尺寸、质量和成本的增加。

解决技术问题所采用的技术方案

为了解决上述技术问题，达到目的，本发明的强制风冷式功率转换装置具有功率转换电路，该功率转换电路将从电源输入的功率转换成任意值以输出到电动机，且包括多个半导体元件，将多台功率转换单元进行组合来构成所述强制风冷式功率转换装置，所述功率转换单元具有：功率转换模块，该功率转换模块包括构成所述功率转换电路的一部分的所述半导体元件、搭载有所述半导体元件的冷却器基底部、及在所述冷却器基底部中的半导体元件搭载面的背面侧设置的冷却器散热片部；以及冷却器安装构件，该冷却器安装构件使开放部与存在所述半导体元件的密闭部之间分离，并且构成为可使得所述冷却器散热片部中流通冷却风，该开放部中至少两台所述功率转换模块中的所述冷却器散热片部背对背安装，存在所述冷却器散热片部且外部气体流通。

发明效果

根据本发明所涉及的电车控制装置，可起到如下效果：即使在构成分别驱动多台电动机的方式的强制风冷式功率转换装置的情况下，也能抑制功率转换电路的尺寸、质量和成本的增加。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式中的功率转换装置的结构例的图。

图2是表示本发明的实施方式中的整流器电路的结构例的图。

图3是表示本发明的实施方式中的逆变器电路的结构例的图。

图4是表示本发明的实施方式中的整流器功率转换模块或逆变器功率转换模块的结构例的图。

图5是表示本发明的实施方式中的电容器模块的结构例的图。

图6是表示本发明的实施方式中的功率转换装置的内部配置结构例的俯视图和侧视图。

图7是表示本发明的实施方式中的功率转换装置的内部配置结构的其他示例的侧视图。

图8是表示本发明的实施方式中的功率转换块的结构例的图。

图9是表示本发明的实施方式中的功率转换块的密封部位的图。

图10是表示本发明的实施方式中的功率转换块收纳在功率转换装置收纳箱中的示例的图。

图11是表示本发明的实施方式中的功率转换装置搭载到车辆的示例的图。

图12是表示本发明的实施方式中的功率转换装置的剖面结构的图。

图13是表示本发明的实施方式中的设备配置和功率转换模块配置的示例的图。

图14是表示本发明的实施方式中的设备配置和功率转换模块配置的其他示例的图。

具体实施方式

下面参照附图，对本发明的实施方式所涉及的强制风冷式功率转换装置(以下简称为“功率转换装置”)进行说明。此外，下面的实施方式中，将交流输入型的驱动永磁体同步电动机的功率转换装置作为一个示例进行说明，但本发明并不局限于该实施方式。

首先，参照图1～图5的附图，对本发明的实施方式中的功率转换装置的整体结构、以及构成本实施方式的功率转换装置的整流器电路、逆变器电路、整流器功率转换模块、逆变器功率转换模块和电容器模块的结构进行说明。这里，图1是表示本发明的实施方式中的功率转换装置的结构例的图，图2是表示本发明的实施方式中的整流器电路20的结构例的图，图3是表示本发明的实施方式中的逆变器电路40的结构例的图，图4是表示本发明的实施方式中的整流器功率转换模块或逆变器功率转换模块的结构例的图，图5是表示本发明的实施方式中的电容器模块30的结构例的图。

如图1所示，采用如下结构：从作为电源的变电站(未图示)送出的电力通过与架空线1相接触的集电装置2受电，并输入到变压器6的一次侧。来自变压器6的负侧的布线经由车轮3连接到轨道4，并返回到图中省略的变电站。

变压器6的二次侧连接到功率转换装置100，并输入到具有将功率转换装置100从变压器6一侧分开的功能的输入开关器10。输入开关器10是在使功率转换装置100停止的情况下、或在发生异常的情况下被控制成断开，在正常的运行中被控制成导通的开关器，具有能够使几百A～一千A的电流开关的能力。

在输入开关器10的下一级设置有整流器电路20，该整流器电路20将经由交流输入导体US、VS输入的交流电压转换成任意的直流电压，并通过直流连接导体P、C、N输出到电容器模块30此外，交流输入导体US、VS具有几百A的电流容量，例如将铜构成为主体。

图1所示的整流器电路20例如如图2所示构成。图2表示在最近的电车中采用应用例较多的电压型单相三电平整流器时的结构例，利用为IGBT且为二极管的半导体元件25来构成电桥电路，采用使各半导体元件进行PWM动作的结构。由于该结构和动作是公知的，因此这里省略说明。此外，图2中，以例如UPC1A和UPC1B、UPC2A和UPC2B、UD1A和UD1B那样并联连接各半导体元件以确保电流容量的方式来示出，但也可采用非并联连接的方式。

另外，如图2所示，整流器电路20由整流器功率转换模块20a～20d构成。若进行更详细的说明，则整流器功率转换模块20a形成U相上桥臂，整流器功率转换模块20b形成U相下桥臂，整流器功率转换模块20c形成V相上桥臂，整流器功率转换模块20d形成V相下桥臂。由此，图2中，将整流器电路20分割成四个整流器功率转换模块20a～20d，而对于该分割的想法，在后面进行阐述。

在整流器电路20的输出侧配置的电容器模块30如图5所示，具有正侧电容器30P和负侧电容器30N，包括直流连接导体P、C、N。该电容器模块30构成为将例如多个薄膜电容器等串并联连接而成的集合体，起到作为储存直流电的能量缓冲器的作用，另外具有如下功能：对因整流器电路20或逆变器电路40所包括的半导体元件25的开关动作所产生的浪涌电压、高频脉动电流分量进行吸收。

此外，该电容器模块30如上所述通过直流连接导体P、C、N或直流连接导体P、N与各整流器功率转换模块20a～20d和逆变器功率转换模块40a～40d相连接(参照图1)，但若这些模块之间的电感分量较大，则会在半导体元件25进行开关动作的时刻，产生较大的浪涌电压、噪声。因而，要考虑尽量减小这些电感是本领域技术人员所公知的。因此，直流连接导体P、C、N以在确保彼此绝缘的同时尽量使彼此相接近的方式来构成。例如，优选使用利用铜的薄板来构成导体、并利用绝缘膜使导体之间绝缘的层压母线。下面，将由这些直流连接导体P、C、N构成的导体总称为电容器导体板80。此外，关于电容器导体板80的更详细的内容在后面进行阐述。

在电容器模块30的下一级设置有逆变器电路40。该逆变器电路40例如如图3所示那样构成。图3表示采用电压型三相二电平逆变器时的结构例，利用为IGBT且为二极管的半导体元件25来构成电桥电路，采用使各半导体元件进行PWM动作的结构。由于该结构和动作是公知的，因此这里省略详细说明。此外，图3中，虽然以未将各半导体元件并联连接的方式来示出，但例如也可将各半导体元件并联连接以用于确保电流容量。另外，也可采用三相三电平逆变器以取代三相二电平逆变器。

另外，如图3所示，逆变器电路40由逆变器功率转换模块40a～40d构成，各个逆变器功率转换模块构成一个逆变器电桥电路。例如，图1中示出利用四台逆变器功率转换模块来分别驱动四台交流电动机时的结构例。

逆变器功率转换模块40a～40d的输出侧经由交流输出导体U、V、W并通过电动机开放开关器50a～50d分别与交流电动机60a～60d相连接。

接着，对上述的整流器功率转换模块和逆变器功率转换模块的各结构的要点进行说明。此外，下面，在对整流器功率转换模块和逆变器功率转换模块进行总称的情况下，称为功率转换模块进行说明。

如图4所示，整流器功率转换模块20a～20d、和逆变器功率转换模块40a～40d采用类似的结构，在具有冷却器基底部27和冷却器散热片部26的冷却器28的半导体元件安装面(图的右侧)配置有半导体元件25。即，采用使冷却风在冷却器散热片部26中通过来冷却半导体元件25的结构。此外，图4示出将六个半导体元件25搭载于冷却器28的状态，但该结构是一个示例，并非局限于六个。

冷却器基底部27例如使用铝形成为块形状，作为接受半导体元件25的发热的受热部进行动作。冷却器散热片部26例如将铝作为原材料，例如构成为梳形、栅格状的散热片且设置于搭载半导体元件25的搭载面的背面侧，作为将热量释放到大气中的散热部进行动作。由于可采用半导体元件25和冷却器散热片部26相接近的结构，因此不会如制冷剂沸腾式的冷却器那样使用用于热输送的制冷剂。其结果是，没有关于冷却器28的设置方向的限制，冷却器28的结构变得简单，会产生能够以轻量且低成本构成功率转换装置的优点。

此外，如图1～图3所示，构成内置于功率转换装置100的整流器电路20和逆变器电路40的半导体元件25的数量非常多。因此，若将所有半导体元件25搭载于一个冷却器28上，则冷却器28会变得大型且较重，难以收纳到功率转换装置100中，会对安装拆卸产生妨碍，或产生难以进行组装作业等问题，不优选。

因此，本实施方式中，将整流器电路20和逆变器电路40分割成多个组，将属于各个组的半导体元件25分割搭载于多个冷却器28。其详细情况如下所示。

首先，采用如下结构：设置于各功率转换模块(20a～20d、40a～40d)的与外部的连接部位仅为与直流连接导体P、C、N、交流输入导体US、VS、或交流输出导体U、V、W相连接的部位。即，关键在于，除了从各功率转换模块连接到外部时所需要的部位以外、不会引出到功率转换模块的外部。

采用这种结构的理由在于，能够不需要仅用于使各功率转换模块间相互连接的导体，能够简化功率转换装置100的内部结构，能够使元器件数量非常少。由此，可得到功率转换装置100的小型轻量化和低成本化的效果。

另一方面，在并非如上述那样构成的情况下，无法得到与小型轻量化和低成本化相关的充分的效果。例如，图2中，若以在UPC1A、UPC1B、UPC2A和UPC2B的组、与UD1A、UD1B、UD2A和UD2B的组之间进行分割并将各个组构成为不同的功率转换模块的情况为例进行说明，则在这种情况下，会产生新设置图2中表示为内部导体的连接导体22以使功率转换模块之间连接的需要。该连接导体22仅用于功率转换模块之间的连接，不需要连接到外部。由于因增加该连接导体22而引起的功率转换模块结构的复杂化、元器件数量的增加，会导致功率转换装置100的质量增加和成本增加。

接下来要考虑的一点是使各功率转换模块(20a～20d、40a～40d)的产生损耗相一致。如后所述，其具有如下效果：使构成各功率转换模块(20a～20d、40a～40d)的冷却器28、进行冷却的冷却单元的结构较为容易。

优选使多个整流器功率转换模块(20a～20d)与多个逆变器功率转换模块(40a～40d)之间的各产生损耗均匀地相一致，但也可使多个整流器功率转换模块(20a～20d)各自之间、或者多个逆变器功率转换模块(40a～40d)各自之间的各产生损耗均匀地相一致(示例：20a的产生损耗＝20b的产生损耗＝20c的产生损耗＝20d的产生损耗，40a的产生损耗＝40b的产生损耗＝40c的产生损耗＝40d的产生损耗)。

例如，虽然整流器电路20由整流器功率转换模块20a～20d来构成，但通过分割构成为以使得整流器功率转换模块20a构成U相上桥臂，整流器功率转换模块20b构成U相下桥臂，整流器功率转换模块20c构成V相上桥臂，整流器功率转换模块20d构成V相下桥臂，从而能够实现上述关注点。

另外，通过使各功率转换模块(20a～20d、40a～40d)的产生损耗相一致，从而能够使各功率转换模块所使用的冷却器28的尺寸相一致。由此，能够使各功率转换模块(20a～20d、40a～40d)所使用的冷却器28成为公用部件，可产生因量产效果所带来的低成本化、能减小制造成本这样的优点。

另外，如后所述，能采用在一个冷却器安装构件72中将两个冷却器28配置成背对背的结构。

而且，如后所述，能够根据功率转换装置100与各交流电动机(60a～60d)之间的位置关系，确保各功率转换模块(20a～20d、40a～40d)的配置自由度。

进一步要考虑的一点是使搭载于各功率转换模块的半导体元件25的数量或搭载面积相一致。由此，能使各功率转换模块(20a～20d、40a～40d)的冷却器28的尺寸相一致。与上述相同，将各功率转换模块(20a～20d、40a～40d)所使用的冷却器28作为公用部件，可产生因量产效果所带来的低成本化、能减小制造成本这样的优点。另外，如后所述，能够根据功率转换装置100与各交流电动机(60a～60d)之间的位置关系，确保各功率转换模块(20a～20d、40a～40d)的配置自由度。

图1、图2、图3所示的结构是在一般的电车用的功率转换装置中包含上述各要点来分割整流器电路20、逆变器电路40以构成整流器功率转换模块20a～20d、逆变器功率转换模块40a～40d的结构。

若进行更详细的说明，则整流器电路20例如是单相三电平整流器电路，在各桥臂应用于将两个半导体元件进行并联连接的结构的情况下，作为整流器电路20，优选分割成搭载有构成U相上桥臂的六个半导体元件的U相上桥臂用整流器功率转换模块20a、搭载有构成U相下桥臂的六个半导体元件的U相下桥臂用整流器功率转换模块20b、搭载有构成V相上桥臂的六个半导体元件的V相上桥臂用整流器功率转换模块20c、以及搭载有构成V相下桥臂的六个半导体元件的V相下桥臂用整流器功率转换模块20d。

若对逆变器电路40同样地进行说明，则与上述整流器电路20组合的逆变器电路40是三相二电平逆变器电路，在构成逆变器电路40的一组电桥电路构成一个逆变器功率转换模块的情况下，优选分割成构成第一逆变器电路的第一逆变器功率转换模块40a、构成第二逆变器电路的第二逆变器功率转换模块40b、构成第三逆变器电路的第三逆变器功率转换模块40c、和构成第四逆变器电路的第四逆变器功率转换模块40d来构成。

此外，这里假设的功率转换装置100的容量为1MW左右，直流连接导体PN间的电压为1.5KV～3KV左右。

图6是表示本发明的实施方式中的功率转换装置的内部配置结构例的图，该图(a)是从上方观察功率转换装置100时的图(俯视图)，该图(b)是从侧面(电车的侧面侧)观察功率转换装置100时的图(侧视图)。

功率转换装置100如图6所示，构成为具有：包括第一、第二功率转换子块(75a、75b；内部结构在后面阐述)和第一连接导体板74a的第一功率转换块70a；包括第三、第四功率转换子块(75c、75d；内部结构依照75a、75b)和第二连接导体板74b的第二功率转换块70b；电容器模块30；与电容器模块30的端子即电容器端子31相连接的至少包含直流连接导体P、N的电容器导体板80；将第一连接导体板74a或第二连接导体板74b与电容器导体80相连接的导体连接构件81；经由第一密封构件106与第一～第四冷却器安装构件(72a～72d)相接的第一～第四导风构件(66a～66d)；用于向第一～第四导风构件(66a～66d)流通冷却风的冷却风扇65a、65b；以及检查罩盖105。

第一～第四功率转换子块(75a～75d)利用冷却风进行冷却，该冷却风由冷却风扇65a、65b经由第一～第四导风构件(66a～66d)送出。

第一～第四导风构件(66a～66d)采用如下结构：经由第一密封构件106与内置于第一～第二功率转换块70a、70b中的第一～第四冷却器安装构件(72a～72d)相接。

此外，第一密封构件106也可采用如下结构：使得设置在冷却风扇65a、65b与第一～第四导风构件(66a～66d)之间，使第一第四导风构件(66a～66d)与第一、第二功率转换块(70a、70b)成为一体。

接着，以第一功率转换块70a为例来说明各导体板的配置。

第一连接导体板74a在第一冷却器安装构件72a和第二冷却器安装构件72b的下侧与装置的底面(底板面)平行配置。另外，冷却器的冷却风出口部中的冷却风的方向和第一连接导体板74a的长度方向以相垂直的方式配置。而且，第一连接导体板74a的一个端部构成为可经由导体连接构件81与电容器导体板80相连接。

此外，第一连接导体板74a也可如图7所示在第一冷却器安装构件72a和第二冷却器安装构件72b的上侧与装置的底面平行配置。该配置例中，也配置为以使得冷却风的方向与第一连接导体板的长度方向相垂直。因此，图7所示的配置例中，也能够构成为可将第一连接导体板74a的一个端部经由导体连接构件81与电容器导体板80相连接。

以上，对第一功率转换块70a中的各导体板的配置和连接进行了说明，但对于第二功率转换块70b也可同样地构成。

通过采用上述结构，从而能够在避免与冷却系统的结构性干扰的同时，构建以极短的距离来连接多个功率转换电路的主电路布线结构。

另外，通过拆卸装置底面的检查罩盖105，从而能对导体连接构建81进行装卸。而且，通过拆卸导体连接构件81，从而能将第一连接导体板74a或第二连接导体板74b与电容器导体板80相分离。通过采用这种结构，从而能如后所述那样实现将功率转换块取出到车辆的侧面侧的结构，能提高维护性。

图8是表示本发明的实施方式中的功率转换块的结构例的图。功率转换块70a利用第一单元结合框76a对第一功率转换子块75a、第二功率转换子块75b和第一连接导体板74a进行固定而构成。

第一功率转换子块75a构成为包括：具有第一冷却器散热片部26a和第一冷却器基底部27a的第一冷却器28a；具有第二冷却器散热片部26b和第二冷却器基底部27b的第二冷却器28b；安装有这些冷却器的第一冷却器安装构件72a；与搭载于第一冷却器28a的半导体元件25相连接的第一导体板73a；以及与搭载于第二冷却器28b的半导体元件25相连接的第二导体板73b。

这里，第一导体板73a至少包含直流连接导体P、N。直流连接导体P、N夹着绝缘层进行层叠以构成第一导体板73a。

此外，在第一功率转换子块75a包含整流器功率转换模块(20a～20d)的情况下，也可构成为第一导体板73a还包含直流连接导体C、交流输入导体US、VS。另外，在第一功率转换子块75a包含逆变器功率转换模块(40a～40d)的情况下，也可构成为第一导体板73a包含交流输出导体U、V、W。

上述那样构成的第一导体板73a相对于第一连接导体板74a垂直配置，与第一连接导体板74a的同种导体彼此电连接。关于其他的第二～第四导体板(73b～73d)也相同。

此外，作为第一～第四导体板(73a～73d)、第一～第四连接导体板(74a～74d)、和电容器导体板80(参照图6)，假设层叠配置所需数量的铜等导体薄板和片状绝缘材料来构成。

此外，对于交流输入导体US、VS、交流输出导体U、V、W的结构，在后面进行阐述。

返回到图8的结构，第一冷却器28a的第一冷却器散热片部26a、第二冷却器28b的第二冷却器散热片部26b背对背地一起配置在第一冷却器安装构件72a的内侧，构成为可利用冷却风一并进行冷却。

另外，配置有第一冷却器散热片部26a和第二冷却器散热片部26b的第一冷却器安装构件72a的内侧形成在包含雨、雪的冷却风流通的大气中开放的开放部，第一冷却器安装构件72a的外侧配置有半导体元件25、导体板、其他电气元器件(未图示)，形成来自开放部的空气、水等不会侵入的密闭部。另外，在作为开放部与密闭部的边界部分的第一冷却器28a与冷却器安装构件72a之间、以及第二冷却器28b与冷却器安装构件72a之间配置橡胶密封垫、硅密封件等密封构件(后述)，成为保持所需要的气密性的结构。

此外，第一冷却器安装构件72a的冷却风流通的方向的长度为安装第一、第二冷却器(28a、28b)所需的长度，与第一、第二冷却器(28a、28b)的相同方向的长度大致相等。

另外，优选为与第一冷却器安装构件72a背对背配置的第一冷却器28a、和第二冷却器28b采用相同尺寸。这样的话，能够以相同的构件来构成第一～第四冷却器安装构件(72a～72d)。

第一连接导体板74a如上所述采用可经由导体连接构件81与电容器导体板80相连接的结构(参照图6)，是层叠有至少包含连接导体P、N的导体的导体板。

此外，关于第二功率转换子块75b，如图8所示，同样也具有包括第三、第四冷却器散热片部(26c、26d)的第三、第四冷却器(28c、28d)、第二冷却器安装构件72b、和第三、第四导体板(73c、73d)。

图9是表示本发明的实施方式中的功率转换块的密封部位的图。此外，图9中，作为一个示例示出第一功率转换子块75a，但对于其他功率转换块也采用相同的结构。

图9中，首先，在第一冷却器安装构件72a的相当于冷却风的入口和出口的部位配置第一密封构件106和第二密封构件107。由此，可从功率转换装置拆卸第一功率转换块70a，并能防止尘埃、水分从作为风路的内侧开放部侵入到外侧的密闭部。

另外，第一冷却器安装构件72a与第一冷却器28a之间以及第一冷却器安装构件72a与第二冷却器28b之间由第四密封构件109密封。由此，可防止尘埃、水分从作为冷却风的风路的内侧开放部侵入到外侧的密闭部。由于若水分等侵入到密闭部，则配置于密闭部的主电路布线等可能会发生接地短路事故，因此该密封件在确保功率转换装置的品质方面很重要。

此外，图9所示的各密封构件的延长距离尽量较短则可减小作业中的成本，并且可降低因密封件泄漏而使水漏到密闭部的不良情况的可能性。

通过采用本实施方式中披露的结构，从而与例如将冷却器28一个一个地安装于单独的冷却器安装构件的其他结构例相比，能够缩短密封构件的延长距离。

另外，能够在将第一冷却器28a、第二冷却器28b和第一冷却器安装构件72a相结合的结构体的状态(即图9所示的状态)下，设置这些边界部(开放部与密闭部的边界部)的密封构件(防水密封件等)。因此，密封材料施加部位及其加工状态都可目视，可进行可靠的密封作业。另外，由于无需对里面的部位、变成袋状的难以看到的部位施加密封构件，因此能提高品质，作业时间变短，可降低成本。

图10是表示本发明的实施方式中的功率转换块收纳到功率转换装置收纳箱100a的示例的图。如图10所示，第一功率转换块70a和第二功率转换块70b分别从功率转换装置100的侧面收纳到功率转换装置收纳箱100a内。此外，由于第一功率转换块70a和第二功率转换块70b分别具有几百kg的质量，因此在功率转换装置收纳箱100a的底面设置有滑轨101a～101d。第一功率转换块70a和第二功率转换块70b在滑轨101a～101d上滑动，从而收纳到功率转换装置收纳箱100a中。此外，电容器模块30也同样地收纳在其中(电容器模块30用的滑轨在图中省略)。

另外，第一功率转换块70a通过将第一单元结合框76a和功率转换装置收纳箱100a通过螺栓等紧固从而固定于功率转换装置100内，第二功率转换块70b通过将第二单元结合框76b和功率转换装置收纳箱100a通过螺栓等紧固从而固定于功率转换装置100内。

另外，在功率转换装置收纳箱100a中设置有第一～第四导风构件(66a～66d)。更详细而言，将第一功率转换块70a和第二功率转换块70b收纳到功率转换装置100内部时，配置成以使得第一～第四导风构件(66a～66d)的一端经由第一密封构件106与图9所示的第一～第四冷却器安装构件(72a～72d)相接。

此外，也可采用将第一～第四导风构件(66a～66d)包含在第一功率转换块70a和第二功率转换块70b中的结构。在这种结构的情况下，第一～第四导风构件(66a～66d)采用如下方式：与第一功率转换块70a或第二功率转换块70b一体化并可从功率转换装置100装卸。另外，此时，各导风构件66采用经由第一密封构件106与冷却风扇65相接的结构。

通过采用上述结构，从而将功率转换块70收纳到功率转换装置收纳箱100a、以及从功率转换装置收纳箱100a拆卸变得容易，并且在收纳的同时构成开放部与密闭部的分离结构。

图11是表示本发明的实施方式中的功率转换装置搭载到车辆的示例的图。若更详细地进行说明，则图11中示出将第一功率转换块70a、第二功率转换块70b和电容器模块30收纳到功率转换装置100内，且将侧面的罩盖拆下的状态。如图所示，功率转换装置收纳箱100a采用设置于电车的车体110的底板下的方式。作为功率转换装置100的罩盖，设置第一罩盖102a和第二罩盖102b。第一罩盖102a设置有通风管道103a、103b，采用可使内置于第一功率转换块70a的第一、第二冷却器安装构件72a、72b(参照图9)的内侧与外部气体进行通风的结构，并安装于功率转换装置收纳箱100a。第二罩盖102b也相同，具有通风管道103a、103b，与第一罩盖102a同样地安装于功率转换装置收纳箱100a。

图12是表示本发明的实施方式中的功率转换装置的剖面结构的图。若更详细地进行说明，则图12表示从图11所示的箭头A的方向观察功率转换装置100时的剖面结构。图12中，冷却风以冷却风扇65、导风构件66、配置于冷却器安装构件72的内侧的冷却器散热片部26、通风管道103的路径流通。该冷却风流通的风路如至此为止的说明那样成为开放部。

冷却器安装构件72采用如下结构：其两端经由第一密封构件106和第二密封构件107分别与导风构件66、通风管道103相连结。

根据该结构，通过拆卸罩盖102，从而能从外部访问功率转换块70，能够将功率转换块70从功率转换装置100的箱内容易地取出到外部。

此外，图12中，示出了在导风构件66的冷却器安装构件72侧或冷却器安装构件72的导风构件66侧中的至少一侧配置密封构件106的结构，但也可采用如下结构：在导风构件66与冷却风扇65之间设置冷却风扇安装构件，在该冷却风扇安装构件的导风构件66侧配置密封构件，或者在冷却风扇安装构件的冷却风扇65侧中的至少一侧配置密封构件。

另外，利用该结构，可构成如下结构：能够在将功率转换块70收纳到功率转换装置100的状态下，自动地防止尘埃、水从开放部侵入到密闭部。

另外，在罩盖102与功率转换装置收纳箱100a相接的部分设置有第三密封构件108，能够防止尘埃、水从外部侵入到密闭部。

由于采用上述结构，因此在例如半导体元件25发生故障的情况下，通过在拆下罩盖102(第一罩盖102a或第二罩盖102b)之后拆卸导体连接构件81(参照图6)，从而能将功率转换块70(第一功率转换块70a或第二功率转换块70b)取出到车辆侧面侧并拆卸，故障修复变得容易。

另外，由于冷却器安装构件72的长度与冷却器28大致相同(参照图8、图9等)，因此通过从功率转换装置100拆卸第一功率转换块70a、第二功率转换块70b，从而冷却器散热片部26的入风侧和排风侧的两个表面露出于外部，因此冷却器散热片部26的散热片上堆积的垃圾等的清扫也变得容易。

采用上述结构的功率转换装置100的尺寸如下：宽度(附图的横向)为3000mm左右，纵深为1000mm左右，高度为700mm左右，质量为1500kg左右，可有效地设置于电车的底板下。

根据采用上述结构的本实施方式的功率转换装置，可得到以下的效果。

第一连接导体板74a在第一冷却器安装构件72a和第二冷却器安装构件72b的下侧或上侧与装置的底面平行配置。另外，冷却风的方向和第一连接导体板74a的长度方向以相垂直的方式配置。而且，第一连接导体板74a的一个端部构成为可经由导体连接构件81与电容器导体板80相连接。利用这些结构，能够在避免与冷却系统的结构性干扰的同时，构建最短地连接多个功率转换电路的主电路布线结构。

作为第一功率转换块70a，第一冷却器28a的第一冷却器散热片部26a、和第二冷却器28b的第二冷却器散热片部26b采用背对背并且配置在第一冷却器安装构件72a的内侧的结构(第二～第四功率转换块70b～70d也同样地构成)。利用该结构，与现有的结构相比，能够缩短冷却器安装构件的开放部与密闭部的边界部分的距离。其结果是，能够减小开放部与密闭部的边界部分所需的第一密封构件106、第二密封构件107、第四密封构件109的密封构件的长度(量)，能使其低成本化，减小组装作业量，提高品质。

另外，能够在将第一冷却器28a、第二冷却器28b和第一冷却器安装构件72a相结合的结构体的状态下，施加这些边界部(开放部与密闭部的边界部)的密封构件(防水密封件等)。其结果是，密封材料施加部位、其加工状态等都可通过目视确认，可进行可靠的密封作业。特别是，由于无需对里面的部位、变成袋状的难以看到的部位设置密封构件，能提高品质，并且作业时间变短，可降低成本。

另外，从维护的观点来看，通过在卸下第一、第二罩盖(102a、102b)之后，拆卸导体连接构件81，从而能将第一、第二功率转换块(70a、70b)取出到车辆的侧面侧并拆卸，因此故障修复变得容易。

另外，通过从功率转换装置100上拆下第一、第二功率转换块(70a、70b)，从而冷却器散热片部26的入风侧和排风侧的两个表面露出于外部，因此散热片部上堆积的垃圾等的清扫也变得容易。

如上所述，根据本实施方式的功率转换装置，能够提供如下的强制风冷式功率转换装置：可实现最佳的冷却结构、主电路布线结构、维护性的提高，且可实现功率转换电路的尺寸、质量、成本的降低。

此外，本实施方式中，将交流输入型的驱动永磁体同步电动机的功率转换装置作为一个示例进行说明，但并不局限于该实施方式。例如，在直流输入型的系统中，由于采用将来自架空线的直流电输入到逆变器电路的结构即可，因此不需要整流器电路。

接着，对采用上述结构的功率转换装置100中的整流器功率转换模块20a～20d和逆变器功率转换模块40a～40d的配置例进行说明。

图13是表示本发明的实施方式中的设备配置和功率转换模块配置的示例的图。若更详细地进行说明，则图13(a)表示电车中的设备配置例，图13(b)表示如(a)那样配置时的功率转换模块的配置例。此外，如图所示，功率转换装置100和变压器6搭载于相同的车辆，功率转换装置100采用驱动相邻车辆的交流电动机60a～60d的结构。

如图13(b)所示，从图的左方按照逆变器功率转换模块40a～40d、电容器模块30、整流器功率转换模块20a～20d的顺序配置。

逆变器功率转换模块40a～40d中，将连到交流电动机60a～60d的交流输出导体U、V、W与所搭载的各半导体元件25相连接。在这种情况下，导体板73、连接导体板74a考虑为是除了直流连接导体P、N以外，还包含交流输出导体U、V、W而形成的导体。

另外，整流器功率转换模块20a～20d中，将连到变压器6的交流输入导体US、VS与所搭载的各半导体元件25电连接。在这种情况下，导体板73、连接导体板74b考虑为是除了直流连接导体P、N以外，还包含交流输入导体US、VS而形成的导体。

图14是表示本发明的实施方式中的设备配置和功率转换模块配置的其他示例的图。若更详细地进行说明，则图14(a)表示电车中的设备配置例，图14(b)表示如(a)那样配置时的功率转换模块的配置例。图14的结构中，与图13不同，功率转换装置100和变压器6搭载于不同车辆，功率转换装置100采用配置在交流电动机60a、60b与60c、60d的中间位置的结构。

如图14(b)所示，从图的左侧按照逆变器功率转换模块40a、40b、整流器功率转换模块20a、20b、电容器模块30、整流器功率转换模块20c、20d、逆变器功率转换模块40c、40d的顺序进行配置。

逆变器功率转换模块40a、40d中，将连到交流电动机60a～60d的交流输出导体U、V、W与所搭载的各半导体元件25相连接。另外，整流器功率转换模块20a、20d中，将连到变压器6的交流输入导体US与所搭载的各半导体元件25相连接。在这种情况下，导体板73、连接导体板74a考虑为是除了直流连接导体P、N以外，还包含交流输出导体U、V、W和交流输入导体US而形成的导体。

另外，整流器功率转换模块20c、20d中，将连到变压器6的交流输入导体VS与所搭载的各半导体元件25相连接。另外，逆变器功率转换模块40c、40d中，将连到交流电动机60c、60d的交流输出导体U、V、W与所搭载的各半导体元件25相连接。在这种情况下，导体板73、连接导体板74b考虑为是除了直流连接导体P、N以外，还包含交流输入导体VS、和交流输出导体U、V、W而形成的导体。而且，电容器导体板80考虑为是除了直流连接导体P、C、N以外还包含交流输入导体US而形成的导体。

由上述示例可知，整流器功率转换模块20a～20d、逆变器功率转换模块40a～40d可以是任意的顺序、位置配置。

由此，本实施方式的功率转换装置采用如下结构：将功率转换子块75在车辆的长度方向上依次相邻配置，可利用连接导体板74a、74b将这些功率转换子块75进行连接，并且采用如下结构：使冷却风的方向(冷却器安装构件72的内部的冷却风流通的方向)与连接导体板74a、74b的长度方向相垂直。由此，通过根据需要添加导体板73、连接导体板74中包含的导体来构成，从而能够根据电车的车辆中的功率转换装置100、交流电动机60与变压器6的位置关系灵活地设定各功率转换模块(20a～20d、40a～40d)的配置位置。另外，不管怎样配置，都可同样地确保维护性，不会恶化。

接着，对采用上述结构的整流器功率转换模块20a～20d、逆变器功率转换模块40a～40d的冷却结构进行说明。

如上所述，整流器功率转换模块20a～20d将整流器电路20分割来构成以使得各自的产生损耗大致相等，对于逆变器功率转换模块40a～40d，也利用同一电路分割构成以使得各自的产生损耗大致相等。

基于图6和图13继续说明。理想情况是，若能够使整流器功率转换模块20a～20d和逆变器功率转换模块40a～40d的产生损耗全都相等，则冷却结构变得容易，但现实中大多情况下较为困难。考虑这种情况，以整流器电路20和逆变器电路40的产生损耗不同的情况进行说明。

考虑采用如下结构的情况：利用整流器功率转换模块20a～20d来构成第一功率转换块70a，利用逆变器功率转换模块40a～40d来构成第二功率转换块70b，利用冷却风扇65a、65b对各个功率转换块进行冷却。在这种情况下，由于整流器功率转换模块20a～20d和逆变器功率转换模块40a～40d中产生损耗不同，因此冷却风扇65a、65b需要选定与各自相称的不同性能的风扇。

而且在这种情况下，例如对于产生损耗较大的那方，大型的冷却风扇较为合适，对于产生损耗较小的那方，小型的冷却风扇较为合适，但若考虑将冷却风扇65a、65b配置到功率转换装置100内部，则要按照大型的冷却风扇来决定功率转换装置100的大小，无法有效利用功率转换装置100内部的空间。其结果是，会导致功率转换装置100的大型化、质量增加。而且，由于使用不同的冷却风扇，因此需要预备两种在冷却风扇故障时预先具备保有的冷却风扇，而且会因筹备不同的冷却风扇而导致成本增加。

另一方面，如图14所示，通过采用如下结构：即，将两台任意的整流器功率转换模块、和两台任意的逆变器功率转换模块作为一组来构成第一和第二功率转换块70a、70b，利用冷却风扇65a、65b对各个功率转换块进行冷却，从而使各个功率转换块的总产生损耗相等。因此，能使用相同的冷却风扇65a、65b，该相同的冷却风扇65a、65b具有可对整流器功率转换模块、逆变器功率转换模块的平均损耗进行冷却的能力。由此，能有效利用功率转换装置100内的空间。其结果是，能使功率转换装置100小型轻量化。另外，由于能使用相同的冷却风扇，因此只要预备一种在冷却风扇故障时预先具备保有的冷却风扇即可。而且，由于能订购多个相同的冷却风扇，因此能降低筹备成本，进而能降低功率转换装置100的成本。

由此，根据本实施方式的结构，能将功率转换子块75在轨道方向上以所需数量、任意顺序进行层叠配置来构成功率转换装置。由此，能根据变压器6、交流电动机60和功率转换装置100之间的位置关系、冷却风扇65的构成条件等来进行灵活的内部配置。

以上，本实施方式中，主要以整流器电路20为电压型三电平整流器、逆变器电路40为电压型二电平逆变器且驱动四台交流电动机的方式为例说明了发明内容，但本发明也可采用除此以外的结构，例如整流器电路20为电压型二电平整流器，逆变器电路40为电压型三电平逆变器，也可根据所需的功率转换容量来任意决定半导体元件25的并联连接数。另外，即使由一台功率转换装置驱动的交流电动机60的数量为四个以外也能够容易地扩充本实施方式的内容。

另外，以上的说明中，以接受交流电压并经由整流器电路20转换成直流电压以提供给逆变器电路40的结构的功率转换装置为例进行了说明，但如一般所公知的那样，也可采用从直流架空线直接接受直流电压以提供给逆变器电路40的结构。在这种情况下，主要不需要变压器6、输入开关器10、整流器电路20，只要采用将从架空线接受的直流电经由LC滤波器(未图示)输入到电容器模块30和逆变器电路40的结构即可。在这种情况下，也可应用本实施方式的内容。

另外，以上的实施方式所示的结构是本发明内容的一个示例，也可以与其他公知的技术组合，在不脱离本发明要点的范围内，当然也可以省略一部分等、或进行变更而构成。

工业上的实用性

如上所述，本发明作为采用如下结构的强制风冷式功率转换装置是有用的，该结构为：即使在构成分别驱动多台电动机的方式的强制风冷式功率转换装置的情况下，也能抑制功率转换电路的尺寸、质量和成本的增加。

标号说明

1 架空线

2 集电装置

3 车轮

4 轨道

6 变压器

10 输入开关器

20 整流器电路

20a～20d 整流器功率转换模块

22 连接导体

25 半导体元件

26 冷却器散热片部

26a～26d 第一～第四冷却器散热片部

27 冷却器基底部

27a～27d 第一～第四冷却器基底部

28 冷却器

28a、28b 第一、第二冷却器

30 电容器模块

30P、30N 电容器

31 电容器端子

40 逆变器电路

40a～40d 逆变器功率转换模块

50a～50d 电动机开放开关器

60、60a～60d 交流电动机

65 冷却风扇

65a、65b 第一、第二冷却风扇

66 导风构件

66a～66d 第一～第四导风构件

70 功率转换块

70a～70d 第一～第四功率转换块

72 冷却器安装构件

72a～72d 第一～第四冷却器安装构件

73 导体板

73a、73b 第一、第二导体板

74 连接导体板

74a、74b 第一、第二连接导体板

75 功率转换子块

75a～75d 第一～第四功率转换子块

76a、76b 第一～第二单元结合框

80 电容器导体板

81 导体连接构件

100 功率转换装置

100a 功率转换装置收纳箱

101a～101d 滑轨

102 罩盖

102a、102b 第一、第二罩盖

103 通风管道

103a～103d 第一～第四通风管道

105 检查罩盖

106～109 第一～第四密封构件

110 车体

P、C、N 直流连接导体

U、V、W 交流输出导体

US、VS 交流输入导体

Claims (6)

1.一种强制风冷式功率转换装置，

具有：功率转换电路，该功率转换电路将从电源输入的功率转换成任意值以输出到电动机，且包括多个半导体元件；以及电容器，该电容器储存直流电，所述强制风冷式功率转换装置包括：功率转换模块，该功率转换模块包括：构成所述功率转换电路的一部分的所述半导体元件、搭载有所述半导体元件的冷却器基底部、及在所述冷却器基底部中的半导体元件搭载面的背面侧设置的冷却器散热片部；以及

功率转换子块，该功率转换子块具有至少两台所述功率转换模块中的所述冷却器散热片部以相对的方式安装的冷却器安装构件、以及与多个所述半导体元件相连接的导体板，

多个所述功率转换子块中，

多个所述导体板相对于与所述强制风冷式功率转换装置的底面平行配置的连接导体板垂直配置以构成功率转换块，

在所述冷却器安装构件的内侧配置的多个所述冷却器散热片部利用冷却风进行一并冷却，

所述功率转换块通过所述连接导体板与所述电容器和其他所述功率转换块相连接。

2.如权利要求1所述的强制风冷式功率转换装置，其特征在于，

采用如下结构：具有冷却风扇、以及将所述冷却风扇与所述冷却器安装构件相连结的导风构件，利用所述导风构件向所述冷却器安装构件的开放部流通冷却风，

在所述导风构件的所述冷却器安装构件侧或所述冷却器安装构件的所述导风构件侧中的至少一侧配置密封构件，至少所述功率转换模块构成为可取出到装置外且可装卸。

3.如权利要求1所述的强制风冷式功率转换装置，其特征在于，

采用如下结构：具有冷却风扇、以及将所述冷却风扇与所述冷却器安装构件相连结的导风构件，利用所述导风构件向所述冷却器安装构件的开放部流通冷却风，

在所述导风构件的所述冷却风扇侧或所述冷却风扇的所述导风构件侧中的至少一侧配置密封构件，至少所述功率转换模块构成为可与所述导风构件一起取出到装置外且可装卸。

4.如权利要求1所述的强制风冷式功率转换装置，其特征在于，

所述连接导体板配置在所述功率转换块的上侧或下侧的密闭部，且该连接导体板的长度方向配置在与所述冷却风的方向垂直的方向上。

5.一种强制风冷式功率转换装置，

将从电源输入的功率转换成任意值以输出到电动机，且具有多个半导体元件，所述强制风冷式功率转换装置包括：

功率转换模块，该功率转换模块包括：所述半导体元件、搭载有所述半导体元件的冷却器基底部、及在所述冷却器基底部中的半导体元件搭载面的背面侧设置的冷却器散热片部；

功率转换子块，该功率转换子块具有至少两台所述功率转换模块；

功率转换块，该功率转换块是利用连接导体来连接多个所述功率转换子块而形成的；

滑轨，该滑轨设置于功率转换装置，且支承所述功率转换块；

电容器，该电容器储存直流电；以及

电容器导体板，该电容器导体板与所述电容器相连接，

所述电容器导体板和所述功率转换块的所述连接导体板构成为可通过导体连接构件相互连接或分开，

与多个半导体元件相连接的导体板相对于与功率转换装置的底面平行配置的连接导体板垂直配置，功率转换块的连接导体板的一个端部构成为可经由电容器与其他功率转换块的连接导体板相连接，

将所述功率转换块构成为可取出到装置外且可装卸。

6.如权利要求5所述的强制风冷式功率转换装置，其特征在于，

所述连接导体板、所述电容器导体板沿着装置底板面水平配置，在装置下表面具有开口部和罩盖以使所述导体连接构件可装卸。