CN110959253A

CN110959253A - 电力转换装置以及其冷却方法

Info

Publication number: CN110959253A
Application number: CN201880049654.XA
Authority: CN
Inventors: 山本拓; 福井洸太郎; 堀内敬介; 稻荷田聪
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2020-04-03
Also published as: EP3667892A4; JPWO2019030968A1; JP6849807B2; WO2019030968A1; EP3667892A1

Abstract

具备：具有构成电力转换电路的多个开关元件的功率半导体模块；将对电力转换电路施加的直流电压进行平滑化的滤波电容器；和将用于控制多个开关元件的开关动作的控制信号发送给多个开关元件的1个或2个以上的栅极驱动装置，功率半导体模块和滤波电容器以及1个或2个以上的栅极驱动装置配置于公用的壳体内，1个或2个以上的栅极驱动装置在壳体内当中重力方向下侧的区域相对于地表面垂直地配置。

Description

电力转换装置以及其冷却方法

技术领域

本发明涉及搭载有功率半导体模块的电力转换装置以及其冷却方法。

背景技术

设置于铁道车辆的铁道车辆用电力转换装置将从铁道架线输入的电力通过多个功率半导体模块所构成的主电路的开关动作进行电力转换，来控制铁道车辆用电动机。该电力转换装置的主要的结构装置即主电路由作为开关元件的功率半导体模块、作为其驱动电路的栅极驱动装置、用于从架线输入的直流电力的稳定化的滤波电容器等构成。

在此，电力转换装置与以往相比谋求小型化，为了实现小型化，功率半导体模块、栅极驱动装置、滤波电容器等构成设备自身的小型化是有效的。除此以外，若高效地进行电力转换装置的构成设备的配置，则能实现进一步的小型化。

另一方面，在栅极驱动装置中，存在安装的电子部件因热而产生的影响而引起误动作、寿命降低的问题的可能性。在此，功率半导体模块、电线线缆等自身发热，附近有可能成为高温，因此谋求栅极驱动装置避开来自周围发热部件的热的影响而配置。

在专利文献1中记载有考虑了小型化和栅极驱动装置的配置的电力转换装置。在专利文献1中，记载了“栅极控制电路7是电力转换单元6的下表面部，配置在滤波电容器2的下表面部的空间且图1中的前表面侧(散热片的相反侧)”。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2010-284049号公报

发明内容

发明要解决的课题

一般而言，电力转换装置由壳体、功率半导体模块、滤波电容器、冷却块、栅极驱动装置构成。在此，作为栅极驱动装置的以往的安装方式，考虑在周围空气温度低的条件下使用栅极驱动装置，在专利文献1中在滤波电容器的重力方向下侧配置栅极驱动装置。

但是，在以往方式中，将栅极驱动装置配置为相对于地表面水平且左右横向排列。为了在该设备配置中实现小型的电力转换装置，由于受到栅极驱动装置的横宽的左右，因此需要小型的栅极驱动装置。

另外，在相对于地表面水平且设为左右横向排列的栅极驱动装置中，由于被栅极驱动装置加热后的空气沿着栅极驱动装置的横向流动，因此中央部的栅极驱动装置成为温度环境严苛的条件。由此，担心安装于栅极驱动装置的电子部件、附随于它们的钎焊部因热量而受到不良影响。

本发明的课题在于，谋求栅极驱动装置的散热性能的提高和电力转换装置的小型化。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明的代表性的电力转换装置之一的特征在于，具备：具有构成电力转换电路的多个开关元件的功率半导体模块；将对所述电力转换电路施加的直流电压进行平滑化的滤波电容器；和将用于控制所述多个开关元件的开关动作的控制信号发送给所述多个开关元件的1个或2个以上的栅极驱动装置，所述1个或2个以上的栅极驱动装置相对于地表面垂直地配置。

发明效果

根据本发明，能谋求栅极驱动装置的散热性能的提高和电力转换装置的小型化。

附图说明

图1是实施例1的电力转换装置的立体图。

图2是实施例1的电力转换装置的电路图。

图3是实施例1的电力转换装置的主视图。

图4是实施例1的电力转换装置的侧视图。

图5是实施例1的电力转换装置的仰视图。

图6是实施例2的电力转换装置的立体图。

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1

关于本发明的第1实施例，使用图1到图5来进行说明。

首先，在图1中示出本实施例中的电力转换装置的基本构造例。图1是实施例1的电力转换装置的立体图。在图1中，本电力转换装置由壳体10、功率半导体模块1(未图示)、滤波电容器2、冷却块3、栅极驱动装置4构成，例如搭载于铁道车辆的车体。壳体10使用框架状的框体来构成为箱型，配置于车体之上或之下。在壳体10内，在其上方的区域收纳有多个滤波电容器2和冷却块3，在下方的区域收纳有多个栅极驱动装置4。这时，以冷却块3为中间，在其两侧配置有滤波电容器2。冷却块3和各滤波电容器2的底部侧支承于固定于壳体10的支承框架11。

这时，各栅极驱动装置4在壳体10内的下方的区域中，相对于滤波电容器2的下侧(重力作用的方向上的下侧)且相对于地表面垂直地配置。另外，各栅极驱动装置4相邻地保持一定的间隔，并沿着地表面在横向(与轨道交叉的方向)上排列配置。在该情况下，各栅极驱动装置4使其长边方向沿着轨道配置。进而，在各栅极驱动装置4中，作为输入来自控制逻辑部40(参照图2)的指令信号的光纤的连接端子的连接器(未图示)配置成在壳体10的前表面露出。为此，连接器的装装变得容易。

在图2中，示出本实施例中的电力转换装置的电力转换电路。图2是实施例1的电力转换装置的电路图。在图2中，本电力转换装置具备2组电力转换电路。各个本电力转换电路将施加于P极布线5p、N极布线5n之间的直流电压作为输入，向M极布线5m输出交流电压。在P极布线5p、N极布线5n之间连接有用于将直流电压平滑化的滤波电容器2。从直流电压向交流电压的转换通过属于各功率半导体模块1的多个开关元件的开关动作来实现。具体地，各功率半导体模块1具备1组电力转换电路，关于该电力转换电路，例如作为构成3相逆变器的多个开关元件，由例如相互串联连接的3组(3对)IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)1A、1B、和并联连接在各IGBT1A、1B的集电极-发射极间的续流二极管1C、1D构成。各IGBT1A、1B的栅极和发射极经由栅极布线5g和发射极布线5e而与各栅极驱动装置4连接，各IGBT1A、1B从栅极驱动装置4接受控制信号，来进行开关动作。该开关动作与各栅极驱动装置4输出的栅极电压联动。基于从与各栅极驱动装置4连接的控制逻辑部40发送的指令信号而在各栅极驱动装置4生成栅极电压。另外，本电力转换装置并不限定于由1个本电力转换装置构成2组电力转换电路，也可以构成1组或3组以上的电力转换电路。

在图3中，示出图1的箭头A方向观察下的本实施例的设备配置。图3是实施例1的电力转换装置的主视图。在图3中，冷却块3配置于壳体10内的上方的区域的中心部，在冷却块3的两侧面配置有多个功率半导体模块1。另外，在冷却块3的两侧确保空间部来配置有滤波电容器2。在冷却块3形成有冷却水进行循环的冷却水循环通路(未图示)，属于各功率半导体模块1的多个开关元件(未图示)被在冷却块3中循环的冷却水冷却。

在壳体10内的下方的区域且比支承框架11更靠下方的区域，配置有具有生成用于向各开关元件(IGBT)施加控制信号的控制信号的控制电路的多个栅极驱动装置4、和与控制电路连接、例如用于将控制信号升压的多个变压器20。各栅极驱动装置4在壳体10内的下方的区域配置在滤波电容器2的下侧(重力作用的方向上的下侧)，且相对于地表面垂直地配置。这时，各栅极驱动装置4配置于比各变压器20更靠前表面侧(正面侧)，隔着L字盘和间隔物固定在固定于壳体10的栅极驱动固定板(均未图示)。各变压器20配置于比各栅极驱动装置4更靠背面侧，固定在固定于壳体10的变压器固定板30。通过将各栅极驱动装置4相对于地表面垂直地配置，被各栅极驱动装置4加热后的空气容易经由滤波电容器2与冷却块3之间的空间部而向上侧脱离。即，能将来自各栅极驱动装置4的重力方向下侧(壳体10的底部侧)的空气导入各栅极驱动装置4的重力方向上侧，对各栅极驱动装置4进行冷却。由此，容易向各栅极驱动装置4供给冷的空气，与将各栅极驱动装置4沿水平方向配置的情况相比，能实现散热性能的提高。

在此，将各栅极驱动装置4水平地配置的情况和将各栅极驱动装置4垂直地配置的情况的传热率能通过以下计算式求取。另外，以下计算式是一般定义的计算式，并不限定于本发明。

另外，关于以下计算式的各记号，Nu：努塞尔数、Gr：格拉晓夫数、Pr：普朗特数、L：代表尺寸、g：重力加速度、β：体膨胀系数、ν：运动粘性系数、λ：热导率、Δθ：温度差、h：传热率、A：栅极驱动装置4的传热面面积。

在将栅极驱动装置4水平地配置的情况下，能通过以下计算式(数学式1～数学式3)求取传热率h。

[数学式1]

Nu＝0.27(Gr·Pr)^1/4

[数学式2]

[数学式3]

另外，在将栅极驱动装置4垂直地配置的情况下，能根据以下计算式(数学式4)和上述计算式(数学式2)并通过上述计算式(数学式3)求取传热率h。

[数学式4]

Nu＝0.59(Gr·Pr)^1/4

在此，在使栅极驱动装置4设为水平或垂直的情况下，将条件设为相同，分别设为Pr＝0.72、L＝0.1(m)、g＝9.8(m/s²)、β＝3.1×10^-3(1/K)、ν＝1.79×10^-5(m²/s)、λ＝0.0276(W/mK)、Δθ＝60(K)。

若通过上述计算式求取将各栅极驱动装置4水平地配置的情况和将各栅极驱动装置4垂直地配置的情况的传热率，则在将各栅极驱动装置4设为水平的情况下，h＝3.35(W/m²K)，在将各栅极驱动装置4设为垂直的情况下，h＝7.33(W/m²K)。如此可知，在将各栅极驱动装置4设为垂直的情况下，传热率大，容易使各栅极驱动装置4的热向大气逸出。因而，将各栅极驱动装置4垂直地配置的情况下，与将各栅极驱动装置4水平地配置的情况相比，能实现散热性能的提高。

在图4中示出图3的箭头B方向观察下的设备配置。图4是实施例1的电力转换装置的侧视图(沿着图3的B-B线的侧视图)。在图4中，多个栅极驱动装置4在壳体10内的下方的区域中，在比支承框架11更靠下方的区域成为一列而配置。多个变压器20在壳体10内的下方的区域的比支承框架11更靠下方的区域成为二列而配置。这时，在各栅极驱动装置4与各变压器20之间形成有空间部。在本电力转换装置中，弱电系的各栅极驱动装置4和强电系的各变压器20成为分开配置。即，各栅极驱动装置主体(内置控制电路的栅极驱动装置4)和各变压器20相互分开配置。在此，在将各栅极驱动装置4和各变压器20设为一体的情况下，由于变压器20有高度，因此不能缩窄相邻的栅极驱动装置4的间隔。另外，由于变压器20自身发热，栅极驱动装置4内的其他设备、相邻的栅极驱动装置4会受到发热的影响。另一方面，若如本电力转换装置那样将各栅极驱动装置4和各变压器20分开配置，则各栅极驱动装置4不会受到各变压器20的发热的影响，能将相邻的栅极驱动装置4的间隔缩窄来配置。为此能使壳体10的轨道方向上的长度短。另外，在各栅极驱动装置4的侧面侧(壳体10的正面侧)，用于与控制逻辑部40收发指令信号的连接器(未图示)作为连接端子或端子部而配置为露出到壳体10的外部。

在图5中示出图4的箭头C方向观察下的栅极驱动装置4和变压器20的配置。图5是实施例1的电力转换装置的仰视图(沿着图4的C-C线的仰视图)。在图5中，本电力转换装置具备变压器固定用板30，其具有用于提高变压器20的冷却性能的通风孔以及变压器固定用孔31。多个栅极驱动装置4成为一列而配置，多个变压器20成为二列而配置。这时，多个变压器20在2个变压器固定板30各配置6个。在各变压器固定板30，遍及整面地形成多个用于提高变压器20的冷却性能的通风孔以及变压器固定用孔31。各通风孔以及变压器固定用孔31为了能自由地改变各变压器20的配置而遍及整面地形成于各变压器固定板30。

在此，由于各变压器20与各栅极驱动装置4通过布线连接，因此根据布线的长度、布线的路径而需要改变任意的变压器20的安装位置。另一方面，本电力转换装置由于具有多个通风孔以及变压器固定用孔31，因此能不受布线长度、路径影响地将各变压器20配置在各变压器固定板30的任意的位置，能实现提高变压器20安装的作业性。

另外，本电力转换装置能将各变压器20中产生的热通过通风孔以及变压器固定用孔31向各变压器20上侧逸出，能实现提高各变压器20的冷却性能。

另外，在各变压器20的配置中，在将各变压器20安装在同一直线上的情况下，由于需要变压器20的个数的量的宽度，因此电力转换装置的尺寸有可能变大。这时，将多个变压器20以交错格子状分散配置。由此，能抑制多个变压器20的安装宽度，能将电力转换装置更加小型化。

根据本实施例，能谋求栅极驱动装置4的散热性能的提高和电力转换装置的小型化。另外，根据本实施例，将各栅极驱动装置4配置为与滤波电容器2的下侧且相对于地表面垂直，进而，将各栅极驱动装置4相邻地沿着地表面在横向(与轨道交叉的方向)上排列配置，因此能实现压力损失的降低、行驶风的收获量的提高以及传热率的提高，作为结果，能实现各栅极驱动装置4的冷却性能以及寿命的提高。另外，能通过在冷却块3中循环的冷却水对开关元件进行冷却。

实施例2

在本实施例中，与实施例1不同，在冷却块3的单侧配置半导体模块1和滤波电容器2，在另一方配置散热片6。以下，以与实施例1的不同点为中心进行说明。

在图6中示出本实施例中的电力转换装置的构造例。图6是实施例2的电力转换装置的立体图。在图6中，本电力转换装置在壳体10内的背面侧配置有冷却块3，在滤波电容器2与滤波电容器2之间形成有比实施例1大的空间部。在冷却块3的正面侧(单侧)固定有多个功率半导体模块1，在冷却块3的背面侧固定有从壳体10露出到车体外部的散热片6。散热片6作为将功率半导体模块1的热(开关元件等的热)散热到大气的散热器而发挥功能。这时，即使不在冷却块3内循环冷却水，也能将功率半导体模块1经由散热片6以自然空冷进行冷却。

各栅极驱动装置4与实施例1相同地在滤波电容器2的重力方向下侧相对于地表面垂直地配置。

在本实施例中，在从正面侧(图6的箭头D)观察的情况下，将各滤波电容器2左右分割配置，但也可以将滤波电容器2设为一体型。

根据本实施例，能起到与实施例1同样的效果，并能将功率半导体模块1经由散热片6以自然空冷进行冷却。另外，根据本实施例，冷却块3配置于壳体10的背面侧，在滤波电容器2间形成有比实施例1大的空间部，因此与实施例1相比，能提高各栅极驱动装置4的散热性能。

另外，本发明并不限定于上述的实施例，包含各种变形例。例如在栅极驱动装置4是一台的情况下，也能通过将栅极驱动装置4垂直地配置来实现提高栅极驱动装置4的散热性能，并能使电力转换装置小型化。上述的实施例为了容易理解本发明地进行说明而详细地进行了说明，但不一定限定于具备说明的全部结构。另外，能将某实施例的结构的一部分置换成其他实施例的结构，另外，还能在某实施例的结构中添加其他实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够进行其他结构的追加、删除、置换。

符号说明

1 功率半导体模块，

2 滤波电容器，

3 冷却块，

4 栅极驱动装置，

5p P极布线，

5n N极布线，

5m M极布线，

5g 栅极布线，

5e 发射极布线，

6 散热片，

10 壳体，

11 支承框架，

20 变压器，

30 变压器固定板，

31 通风孔以及变压器固定用孔，

40 控制逻辑部。

Claims

1.一种电力转换装置，其特征在于，具备：

具有构成电力转换电路的多个开关元件的功率半导体模块；

将对所述电力转换电路施加的直流电压进行平滑化的滤波电容器；和

将用于控制所述多个开关元件的开关动作的控制信号发送给所述多个开关元件的1个或2个以上的栅极驱动装置，

所述1个或2个以上的栅极驱动装置相对于地表面垂直地配置。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述2个以上的栅极驱动装置分别相邻地沿着所述地表面排列配置。

3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，

所述1个或2个以上的栅极驱动装置具有生成用于控制所述多个开关元件的开关动作的控制信号的控制电路、和用于将所述控制信号进行升压的1个或2个以上的变压器，将所述控制电路和所述1个或2个以上的变压器相互分开配置。

4.根据权利要求书3所述的电力转换装置，其特征在于，

所述2个以上的变压器交错格子状地配置。

5.根据权利要求3或4所述的电力转换装置，其特征在于，

所述1个或2个以上的变压器被固定在分散形成有兼作通风孔和变压器固定用的多个孔的变压器固定板。

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，

所述功率半导体模块和所述滤波电容器以及所述1个或2个以上的栅极驱动装置配置于公用的壳体内，所述1个或2个以上的栅极驱动装置被收纳在所述壳体内当中重力方向下侧的区域。

7.根据权利要求6所述的电力转换装置，其特征在于，

在所述1个或2个以上的栅极驱动装置中，用于和与所述控制电路进行指令信号的收发的控制逻辑部连接的连接端子配置在露出到所述壳体的外部的位置。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，

所述功率半导体模块被固定在具有冷却水循环的冷却水循环通路的冷却块，属于所述功率半导体模块的所述多个开关元件被在所述冷却水循环通路中循环的冷却水冷却。

9.根据权利要求1～7中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，

所述功率半导体模块被固定在具有散热片的冷却块中，属于所述功率半导体模块的所述多个开关元件通过所述散热片的散热而被冷却。

10.一种电力转换装置的冷却方法，其特征在于，具备：

具有构成电力转换电路的多个开关元件的功率半导体模块；

将所述1个或2个以上的栅极驱动装置相对于地表面垂直地配置，将所述1个或2个以上的栅极驱动装置的重力方向下侧的空气导入到所述1个或2个以上的栅极驱动装置的重力方向上侧来冷却所述1个或2个以上的栅极驱动装置。

11.根据权利要求10所述的电力转换装置的冷却方法，其特征在于，

将所述2个以上的栅极驱动装置分别相邻地沿着所述地表面排列配置。

12.根据权利要求10或11所述的电力转换装置的冷却方法，其特征在于，

将所述功率半导体模块固定在具有冷却水循环的冷却水循环通路的冷却块，将属于所述功率半导体模块的所述多个开关元件通过在所述冷却水循环通路进行循环的冷却水进行冷却。

13.根据权利要求10或11所述的电力转换装置的冷却方法，其特征在于，

将所述功率半导体模块固定在具有散热片的冷却块，将属于所述功率半导体模块的所述多个开关元件通过所述散热片的散热进行冷却。