CN106130362B - 电力变换装置以及铁道车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供一种从小型化以及发热的观点出发综合加以考虑的堆叠结构的电力变换装置。其特征在于具备:在内部具备多个开关元件的多个半导体模块;在一个面具备多个半导体模块的受热块;在受热块的另一个面具备的冷却片;与半导体模块电连接的滤波电容器;和向开关元件发送控制信号的栅极驱动装置,将半导体模块的长边方向朝向与冷却风平行的方向来配置,将栅极驱动装置配置在重力方向下侧。

Description

电力变换装置以及铁道车辆
技术领域
本发明涉及电力变换装置,特别是涉及使用二合一半导体开关元件构成的电力变换装置以及铁道车辆。
背景技术
在近年来的逆变器、转换器所代表的电力变换装置中,为了降低损耗而对搭载了多个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(MetalOxcide Semiconductor Field Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)等的半导体模块进行了搭载。
构成半导体模块的材料一直以Si(Silicon)为中心而发展,但为了进一步的损耗的降低,研究了SiC(Silicon Carbide)、GaN(Gallium Nitride)等宽禁带半导体的应用。SiC与Si相比,能够使开关动作高速化,并能够降低开关损耗。
另一方面,为了将由多个半导体开关元件构成的电力变换装置紧凑地收纳在框体内来构成堆叠(stack),期望半导体开关元件是小型的。作为用于小型化的技术,已知设为将串联连接2个半导体开关元件而构成的支线(leg)作为1个单位的含有2个元件的模块(二合一半导体开关元件模块)的技术。
专利文献1涉及使用含有2个元件的模块而构成的电力变换装置的堆叠结构。具体来说,设为“一种电力变换装置的堆叠结构,其由针对进行多相的交流输出或输入的电力变换电路的每1相并联连接多个的功率用半导体元件、用于冷却这些功率用半导体元件的散热器、和散热器冷却用的风扇构成,所述电力变换装置的堆叠结构的特征在于,将功率用半导体元件配置在所述散热器上时,相对于所述散热器冷却用风扇的通风方向按照每个相并列配置”。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:JP特开2006-42406号公报
发明内容
发明要解决的课题
在使用含有2个元件的模块而构成的堆叠结构的电力变换装置中,需要同时进行小型化、大容量化以及针对发热的对策。在专利文献1中,虽然也进行了这些观点下的对策,但从整体统一的配置的观点来看是不充分的。
特别是从减轻对于作为收纳于堆叠内的唯一的电子部件的栅极驱动装置的热影响这样的观点来看的情况下,堆叠内外的热产生主要原因除了二合一半导体开关元件模块以外还有CT、芯。此外包括栅极布线的配置等在内需要对堆叠内进行简化。
综上所述,在本发明中,目的在于提供一种从小型化以及发热的观点出发综合地加以考虑的堆叠结构的电力变换装置以及铁道车辆。
用于解决课题的手段
综上所述,在本发明中,提供“一种电力变换装置,其特征在于,具备:多个半导体模块,其在内部具备多个开关元件;受热块,其在一个面具备多个半导体模块;冷却片,其设置于受热块的另一个面;滤波电容器,其与半导体模块电连接;和栅极驱动装置,其向开关元件发送控制信号,将半导体模块的长边方向朝向与冷却风平行的方向来配置,将栅极驱动装置配置在重力方向下侧”。
发明效果
提供一种从小型化以及发热的观点出发综合加以考虑的堆叠结构的电力变换装置以及铁道车辆。
附图说明
图1是表示半导体模块的各模块与支撑、搭载该模块的受热块以及冷却片的位置关系的图。
图2是表示一般的三相电力变换装置的电路构成的图。
图3是示出了电容器与半导体模块与汇流条之间的连接关系的立体图。
图4是表示图1、图3的配置、连接关系的图。
图5是示出了配置在受热块上的二合一模块的配置与电极的位置关系的图。
具体实施方式
以下,使用附图来说明本发明的实施例。
【实施例】
首先,使用图2来说明一般的三相电力变换装置的电路构成。另外,不管是单相或者是三相以上的多相构成都能够应用本发明,在此说明三相的情况。
在图2中,三相电力变换装置5由对直流电源101进行平滑的电容器102、103和开关元件Q1~Q6构成。在使用了开关元件Q1、Q2以及Q3、Q4以及Q5、Q6分别为同一模块的二合一模块的情况下,三相电力变换装置5由具有开关元件Q1、Q2的半导体模块108、具有开关元件Q3、Q4的半导体模块109、和具有开关元件Q1、Q2的半导体模块110构成。
电容器102、103可以是电解电容器、薄膜电容器中的任意一者,为了使电容器102、103大容量化,也可以构成为在其内部并联连接多个小容量的电容器单元。在此,在开关元件Q1~Q6为IGBT的情况下,需要与IGBT反向地分别并联连接二极管D1~D6,在开关元件Q1~Q6为MOSFET的情况下能够利用MOSFET的寄生二极管作为二极管D1~D6。此外,用D来记载开关元件Q1的漏极电极,用G来记载栅极电极,用S来记载源极电极。
半导体模块108由开关元件Q1与Q2串联连接而构成,开关元件Q1与Q2的连接点成为向电动机111的U相交流输出点。同样地,半导体模块109由开关元件Q3与Q4串联连接而构成,开关元件Q3与Q4的连接点成为向电动机111的V相交流输出点。半导体模块110由开关元件Q5与Q6串联连接而构成,开关元件Q5与Q6的连接点成为向电动机111的W相交流输出点。
为了将电容器102、103与半导体模块108、109、110电连接而使用布线。在该布线中存在寄生电感104、105、106,其值依赖于布线的材料、长度、形状。
以降低该寄生电感104、105、106并且使其均匀为主要目的,在设为堆叠结构时,通过汇流条来构成了图2的电路的布线部分。在图2的电路中,具体的汇流条构成部分将电容器102、103的正侧电极与半导体模块108~110的正侧电极间的布线设为汇流条201,将电容器102、103的负侧电极与半导体模块108~110的负侧电极间的布线设为汇流条202。此外也可以将半导体模块108~110的串联开关元件的连接点与作为负载的电动机311之间按照每个相由汇流条203来构成。
图3是示出了电容器102、103、半导体模块108~110、和汇流条201、202、203之间的连接关系的立体图。其中,关于汇流条201、202,在实施例中由大小2个コ字状的铜板来形成正负的汇流条201、202,例如在负的汇流条202内配置正的汇流条201。之后在大小2个コ字状的铜板201、202的内部空间配置了电容器102、103。由大小2个コ字状的铜板所形成的正负的汇流条201、202与电容器102、103之间,例如使在电容器102、103侧预先固定设置的正负的电极301、302压接于汇流条201、202,并且从汇流条201、202侧对电极301、302进行螺丝紧固并电连接。
电容器102、103与正负的汇流条201、202之间的连接使用コ字状的汇流条201、202的两侧板部来进行,半导体模块108~110与正负的汇流条201、202之间的连接使用コ字状的铜板201、202的底板部来进行。另外,图示中虽未明确示出,但在负的汇流条202内配置正的汇流条201时,两汇流条间的绝缘得到确保。此外,为了将负的电极302连接于负的汇流条202,需要穿过在正的汇流条201上所开设的孔部,该情况下的绝缘也得到确保。
接下来说明图3中,半导体模块108~110与正负的汇流条201、202之间的连接关系。另外在图示例中示出了半导体模块108~110的每一个为了获得大电流而并联连接了3个模块的情况。如图所示,由大小2个コ字状的铜板所形成的正负的汇流条201、202与按照每个相并联连接了3个模块的半导体模块108~110的各模块之间,例如使在各模块108~110侧预先固定设置的正负的电极401、402压接于汇流条201、202,并且从汇流条201、202侧对电极401、402进行螺丝紧固并电连接。在该情况下,为了将正的电极401连接于正的汇流条201,也需要穿过在负的汇流条202上所开设的孔部,该情况下的绝缘也得到确保。
此外在图3中,记载了用于从半导体模块108~110将交流输出进行外部输出的汇流条203。图3中在针对多个并联半导体模块108将其连接于三相交流的U相、将多个并联半导体模块109连接于V相、将多个并联半导体模块110连接于W相的情况下,使用各相的汇流条203U、203V、203W来共同连接各相的并联半导体模块,进行外部输出。图示中可以看到进行外部连接的部分的汇流条203。汇流条203U、203V、203W是L字状的板材,在折弯的背后部分,共同连接了各相的并联半导体模块的电极403。
图1是表示半导体模块108~110的各模块与支撑、搭载该模块的受热块7以及冷却片4的位置关系的图。受热块7在一面配置了半导体模块108~110的各模块(108a、108b、108c、109a、109b、109c、110a、110b、110c)与栅极驱动装置G/D,在另一面配置了多个冷却片4。另外,图1中省略了用于各模块与其他部分的连接的电极的显示,但关于连接关系另外使用图4来进行说明。
该图1示出了为了获得大电流而并联连接了3个模块的情况,处于如下关系:二合一模块108a、108b、108c与交流的U相连接,二合一模块109a、109b、109c与交流的V相连接,二合一模块110a、110b、110c与交流的W相连接。
如图1所示,本发明的情况下,二合一模块(108a、108b、108c、109a、109b、109c、110a、110b、110c)为长方形,将长边方向配置为图示的左右方向30。相对于此,通过冷却片4的冷却风的方向也是图示的左右方向40。在此,电力变换装置5以图4所示的朝向搭载在铁道车辆的地板下面。即,图4所示的上侧为铁道车辆的地板材料,下侧为轨道。此外,冷却风40的方向被搭载为与铁道车辆的行驶方向一致的方向。此外,从受热块7起左侧的半导体模块以及电容器收纳在框体内,从受热块7起右侧的冷却片4露出于铁道车辆的地板下面空间,铁道车辆行驶时所产生的冷却风40通过冷却片4之间。
图4是表示图1、图3的配置、连接关系的图,图4的左侧是图3的电容器侧,图4的右侧是冷却片4侧。在该图中,关于由大小2个コ字状的铜板所形成的正负的汇流条201、202,将外侧的负的汇流条202的コ字状的形状的侧板部分表示在图示近前。电容器102、103在进深方向上两级层叠,图示中仅显示了电容器103,在侧板部分可以看到将电容器103与负的汇流条202连接的负的电极301的螺丝部分500。
如图1所示,二合一模块在将长边方向设为左右方向之后,在高度方向上层叠了三级。在图4的情况下,可以看到被横置的二合一模块108a、108b、108c。
从二合一模块108、109、110的每一个朝向3种汇流条配置了电极。其中的2个是用于与正负的汇流条201、202的连接的电极401、402。在图4的二合一模块的显示中,示出了上侧的端子为电极401、402并与正负的汇流条201、202连接的情况。
第3电极是面向用于获得图2的交流输出的汇流条203的电极。交流的U、V、W相用的3个汇流条203U、203V、203W是形成为L字状的板状构件,虽未图示但在折弯的部分(用点线表示),通过电极403而与各相用的二合一模块108、109、110的每一个共同连接。从汇流条203U、203V、203W,向电动机311连接。
从左侧观察图4可知,在该配置中将平滑用的滤波电容器102、103配置在冷却器的受热块7的投影面上,将滤波电容器102、103的端子301、302配置在与冷却风的流动方向相同的方向的两侧(左右)。在此,构成为将滤波电容器102、103的端子301、302配置在滤波电容器的两侧,但也可以构成为配置于单侧。
图5是示出了配置在受热块上的二合一模块的配置与电极的位置关系的图。是表示图4的A-A剖面的图。根据该图,构成为在受热块7上的左右方向上形成交流的U相、V相、W相,并且在高度方向上配置多个各相的并联模块,为了大电流化而并联配置了3个模块。因此,在实现更大电流化的情况下,只要增加高度方向的并联模块数即可。另外在各模块中,左侧的2个圆圈是正的电极401,接着的2个圆圈是负的电极402,右侧的2个圆圈是成为交流端子的电极403。
此外根据图5的配置,在下侧位置向二合一模块的各半导体元件提供正负的点弧信号的栅极驱动装置G/D被置于在构成1个相的二合一模块的各半导体元件的下侧相邻的位置。在该构成中,能够从下侧一并对在高度方向上并联连接而构成1个相的多个模块发送点弧信号,即使发生模块数的增加也不必考虑与其他部位的混触等而能够进行自由扩展。这是由于栅极布线(laminated bus bar)结构简单。
在将图5的堆叠结构的电力变换装置搭载于铁道车辆时,可以将图示上侧设为上方而配置于铁道车辆的例如下侧,在该情况下能够减轻给作为堆叠内的唯一的电子部件的栅极驱动装置G/D带来的热影响。由于堆叠内的发热主要是由半导体模块产生,变暖的空气会逐渐上升,因此配置于半导体模块的下部的栅极驱动装置G/D不会被变暖的空气加热。
此外根据该配置,由于模块被横置,因此能够减小重力方向高度。结果,在箱的布局上能够有效使用上部空间,在该上部空间能够配置作为发热部件的芯、CT。通过该处理,从而对进一步减轻给作为堆叠内的唯一的电子部件的栅极驱动装置G/D带来的热影响做出贡献。
图5是在图4的A-A剖面上观察受热块7侧的图,因此汇流条203U、203V、203W并未被显示,但为了容易理解,在图5上用点线来显示。各汇流条203U、203V、203W共同配置在高度方向的各相的模块的电极403上。在此,在图5的配置中,虽然流动交流大电流的汇流条203U、203V、203W与流动微弱的控制信号的信号线33U、33V、33W被配置于同一方向,但在信号线33U、33V、33W与汇流条203U、203V、203W之间,配置了其他汇流条201、202,信号线33U、33V、33W与汇流条203U、203V、203W设置于彼此分离的位置,因此信号线不易受到在汇流条203U、203V、203W中流动的大电流所带来的影响。
另外,上述说明例示了向3相负载进行供电的情况,但这也可以是单相负载。此外,不仅仅是双电平,也可以是三电平的电路构成,逆变器、转换器没有要求。此外冷却器并不限定于片冷却。冷却风不仅仅是行驶风,也可以是风扇所产生的风。
根据以上说明的本发明的实施例,通过“具备:在内部具备多个开关元件的多个半导体模块;在一个面具备多个半导体模块的受热块;在受热块的另一个面具备的冷却片;与半导体模块电连接的滤波电容器;和向开关元件发送控制信号的栅极驱动装置,将半导体模块的长边方向朝向与冷却风平行的方向来配置,将栅极驱动装置配置在重力方向下侧”,从而能够简化从栅极驱动装置G/D到模块的信号线(缩短布线长度、布线不重叠而容易布线)。此外由于位于下侧,因此能够获得如下效果:栅极驱动装置G/D不易受到热影响。
此外,通过“在受热块的一个面,将多个半导体模块在冷却风的流动方向以及与该流动方向正交的方向上排列多级,在与冷却风的流动方向正交的方向上排列的多个半导体模块与共同的栅极驱动装置连接,构成变换电路的1个相”,从而能够进一步在高度制约中配置栅极驱动装置G/D。
此外,通过“将平滑用的滤波电容器配置在冷却器的受热块的投影面上,将滤波电容器的端子配置在与冷却风的流动方向相同的方向的单侧或两侧”,从而电路电流在左右方向上流动,栅极驱动装置G/D的栅极信号在上下方向上流动,因此彼此互不干扰,噪声不易加到栅极信号上。在本实施例中,设为了将滤波电容器的端子配置在与冷却风的流动方向相同的方向的单侧或两侧的构成,但也可以设为配置在相对于冷却风的流动方向正交的方向的单侧或两侧的构成,在该构成中,由于主电路电流与栅极驱动装置G/D的栅极信号在上下方向上流动,因此虽然不能获得噪声不易加到栅极信号上这样的效果,但通过将汇流条与栅极信号的信号线的距离设计得适度,能够消除噪声的问题。
符号说明
4:冷却片
5:三相电力变换装置
7:受热块
101:直流电源
102、103:电容器
104、105、106:寄生电感
108、109、110:半导体模块
201、202、203:汇流条
301、302、401、402、403:电极
311:电动机
Q1~Q6:开关元件
D1~D6:二极管
D:漏极电极
G:栅极电极
S:源极电极
G/D:栅极驱动

Claims (3)

1.一种电力变换装置,其设置为使冷却风在受热块的一个面横向流动,在该受热块的另一个面配置了多个构成对直流电流、交流电流进行切换的电力变换电路的二合一开关元件的模块,通过汇流条将平滑用的滤波电容器与所述模块连接,所述电力变换装置的特征在于,
针对所述受热块的所述另一个面,将所述模块的长边方向设为所述横向而横向配置交流各相的所述模块,并且将构成各相的多个并联模块在该相模块的高度方向上排列,从配置于所述受热块的所述另一个面上的各相的多个模块的下侧的栅极驱动装置向各相的多个模块提供点弧信号,
其中,与所述模块相邻的所述滤波电容器和所述汇流条被配置在所述受热块的所述另一个面上的所述栅极驱动装置的上侧,
将所述滤波电容器配置在所述受热块的模块侧的投影面上,
将所述滤波电容器的端子配置在与所述冷却风流动的方向相同且与所述受热块的所述另一个面平行的方向的两侧、或者配置在与所述冷却风流动的方向相同且与所述受热块的所述另一个面平行的方向的单侧一个部位。
2.一种电力变换装置,其设置为使冷却风在受热块的一个面横向流动,在该受热块的另一个面配置了多个构成对直流电流、交流电流进行切换的电力变换电路的二合一开关元件的模块,通过汇流条将平滑用的滤波电容器与所述模块连接,所述电力变换装置的特征在于,
针对所述受热块的所述另一个面,将所述模块的长边方向设为所述横向而横向配置交流各相的所述模块,并且将构成各相的多个并联模块在该相模块的高度方向上排列,从配置于所述受热块的所述另一个面上的各相的多个模块的下侧的栅极驱动装置向各相的多个模块提供点弧信号,
其中,与所述模块相邻的所述滤波电容器和所述汇流条被配置在所述受热块的所述另一个面上的所述栅极驱动装置的上侧,
将所述滤波电容器配置在所述受热块的模块侧的投影面上,
将所述滤波电容器的端子配置在相对于所述冷却风的流动方向正交且与所述受热块的所述另一个面平行的方向的两侧或单侧。
3.一种铁道车辆,其搭载了权利要求1或2所述的电力变换装置。
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