JP2003023778A - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ゲート回路周辺の環境状態を改善し、メンテ
ナンス性の向上および低コスト化を可能とする。 【解決手段】 電力変換回路のアーム素子（６）を構成
する複数の半導体素子、これらの半導体素子にゲート信
号を供給する複数のゲート回路（８）、および電力変換
回路の直流端子（Ｐ，Ｎ）間に接続されるフィルタコン
デンサ（３）を含む電力変換ユニット（１）が共通の筐
体（２０）内に収納され、複数のゲート回路（８）は電
力変換ユニット（１）の両側に分散配置され、フィルタ
コンデンサ（３）は電力変換ユニット（１）の前面側
に、かつ両側のゲート回路（８）の間に配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両の床下等
に設置される、半導体素子を用いた車両用電力変換装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両に設置される鉄道車両駆動用の
電力変換装置は、鉄道架線から入力される電力を複数の
アーム素子からなる電力変換装置のスイッチング動作に
より電力変換し、車両駆動用の電動機を制御するもので
ある。その場合、半導体冷却ユニットは、アーム素子と
その周辺回路電気部品を収納しつつ、アーム素子その他
の熱発生部品の冷却作用をしており、アーム素子から発
生する損失熱の外気への放出や、アーム素子の定格特性
を最大限に活用するための周辺回路電気部品の最適実装
を考慮した電力変換装置の構成要素として重要な役割を
持っている。

【０００３】図２１，２２，２３を参照して従来装置の
具体的な構成を説明する。

【０００４】図２１は従来の半導体冷却ユニットと装置
筐体に設置するフィルタコンデンサを示し、図２２はそ
の側面図、図２３は平面図である。図２４は、電力変換
装置の主回路構成を示す回路結線図である。

【０００５】まず図２４を参照して電力変換装置の主回
路構成を説明する。この主回路は直流端子Ｐ，Ｎ間に接
続されるフィルタコンデンサ３と、３相インバータ２に
よって構成されている。３相インバータ２は、入力され
た直流を任意周波数・任意電圧の３相交流に変換し、交
流端子Ｕ，Ｖ，Ｗに３相交流を出力するものである。３
相インバータ２は６つのアーム素子ＰＵ，ＮＵ，ＰＶ，
ＮＶ，ＰＷ，ＮＷからなっており、各相ごとに直流端子
間にサージ吸収手段として相コンデンサＣＵ，ＣＶ，Ｃ
Ｗを接続している。各アーム素子はそれぞれスイッチン
グ素子、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトラ
ンジスタ）と、各素子ごとに逆並列接続されたフリーホ
イーリングダイオードとからなっている。以下に説明す
る構造例では、各アーム素子を符号６で総称し、各相コ
ンデンサを符号７で総称する。

【０００６】鉄道のき電方式には交流式および直流式が
あり、主電動機にも交流電動機と直流電動機とが存在す
る。したがって、き電方式と電動機の組み合わせによ
り、電力変換器または電力変換装置にもインバータ単
独、コンバータ単独、または両者の組み合わせがあり得
るが、ここでは一例として直流き電方式と交流電動機の
組み合わせの場合に適用し得るインバータについて説明
する。

【０００７】図２１〜２３を参照して図２４に示した電
力変換装置の構造について説明する。筐体２１内におい
て、アーム素子６は、冷却ブロツク４および冷却フィン
５を有する冷却器の冷却ブロツク４に取り付けられ、発
熱損失を装置外の大気に放出する。相コンデンサ７は、
配線インダクタンスを小さくするためにアーム素子６の
直近に配置する。冷却ブロツク４および冷却フィン５を
有する冷却器、アーム素子６、並びに２つの分割コンデ
ンサ３ａ，３ｂからなる相コンデンサ３を各相ごとの構
造単位とし、それをＵ，Ｖ，Ｗの３相分集約して１つの
筐体２１内に収納することにより電力変換ユニット１を
構成している。

【０００８】アーム素子６へのゲート信号はゲート回路
８から出力され、ゲート配線９を介して各アーム素子６
へ送出される。ゲート回路８は、ユニット１の中央正面
部に配置され、外部からの信号を入力する入力端となる
光ファイバーの接続端子を前面に向けている。

【０００９】フィルタコンデンサ３は、できるだけアー
ム素子６に近接配置するため、ユニット１の前面に、ゲ
ート回路８へのアクセス面を塞がないように２分割に
し、接続端子を前面に向けて筐体２１に設置される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このような構造の電力
変換ユニット１では、フレーム構成上、ゲート回路８が
比較的奥まった位置に配置されているため、目視確認や
回路チェックなどのメンテナンス作業が困難である。特
に容量を極力大きくするため大型化されたフィルタコン
デンサ３により、ゲート回路８のメンテナンス空間とな
る分割配置された２個のフィルタコンデンサ３，３間の
間隙寸法が小さくなり、光ファイバーなどの着脱のアク
セスに困難があった。しかも３相分のゲート回路を中央
に集約して配置しているため、ユニット１内のゲート配
線９が中央に集中し、そのため、配線エリアのためのス
ペース確保が困難であり、ノイズ対策を考慮した束分け
が不十分となるなどの不都合があった。さらにまた、中
央部への集約により、上段のゲート回路は下段のゲート
回路の発熱により加熱され、熱的に厳しい環境条件とな
っていた。

【００１１】フィルタコンデンサ３が分割コンデンサ３
ａ，３ｂに２分割されていることより、フィルタコンデ
ンサ３、およびそれに接続される配線導体やサポート用
品などの部品点数が多くなることも低コスト化を困難に
する一因となっている。

【００１２】そこで本発明は、ゲート回路周辺の環境状
態を改善し、メンテナンス性の向上および低コスト化を
可能とする電力変換装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に係る発明の車両用電力変換装置は、電力変
換回路のアーム素子を構成する複数の半導体素子、これ
らの半導体素子にゲート信号を供給する複数のゲート回
路、および電力変換回路の直流端子間に接続されるフィ
ルタコンデンサを含む電力変換ユニットが共通の筐体内
に収納され、複数のゲート回路は電力変換ユニットの両
側に分散配置され、フィルタコンデンサは電力変換ユニ
ットの前面側に、かつ両側のゲート回路の間に配置され
ていることを特徴とする。これにより、ゲート回路ヘの
アクセス性、メンテナンス性の向上を図ることができ、
上段ゲート回路ヘの熱のあおりを低減する効果がある。
また、フィルタコンデンサは、半導体冷却ユニット中央
に入り込むような構成で装置筐体に設置するが、一体化
されたフィルタコンデンサおよびその周辺の部品点数を
削減することができる。

【００１４】請求項２に係る発明は、請求項１記載の車
両用電力変換装置において、複数のゲート回路は、電力
変換ユニット内の下面部に設けられたユニットフレーム
に平面的に並置され、フィルタコンデンサは筐体の底面
よりも上方にかさ上げした配設面を有するコンデンサ取
付台の上に取付けられていることを特徴とする。こうす
ることにより、アクセス性、メンテナンス性が向上す
る。また、上下にゲート回路が重ならない構成となるの
で熱影響を少なくする効果がある。

【００１５】請求項３に係る発明は、請求項１記載の車
両用電力変換装置において、フィルタコンデンサはその
端子を上に向けて配置され、かつフィルタコンデンサの
端子はアーム素子からの主回路配線、装置外部からの主
回路配線、およびフィルタコンデンサからの主回路配線
を含む主回路配線を中継する中継端子台の直近に位置し
ていることを特徴とする。この発明によれば、アーム素
子とフィルタコンデンサ間の配線距離を短くし、低イン
ダクタンス化を図り、相コンデンサを削除しても十分な
性能を有する構成となり、部品点数を削減しコスト低減
する効果がある。

【００１６】請求項４に係る発明は、請求項１記載の車
両用電力変換装置において、フィルタコンデンサは電力
変換ユニットの前面部に配置され、複数のゲート回路は
フィルタコンデンサの両側に配設された筐体フレームに
振り分けて配置されていることを特徴とする。この発明
によれば、半導体冷却ユニットのフレーム構成の簡略化
を図ることができ、軽量化、コスト低減の効果がある。

【００１７】請求項５に係る発明は、請求項１記載の車
両用電力変換装置において、フィルタコンデンサは電力
変換ユニットの前面部に配置され、複数のゲート回路は
フィルタコンデンサの前面側に配設された筐体フレーム
に平面が正面側に向くように配置されていることを特徴
とする。この発明によれば、半導体冷却ユニットのフレ
ーム構成の簡略化を図ることができ、軽量化、コスト低
減やメンテナンス性向上の効果がある。

【００１８】

【発明の実施の形態】＜第１の実施の形態＞（請求項１
に対応） （構成）図１に本発明の第１の実施の形態による電力変
換装置の分解斜視図を、図２に電力変換装置の正面図
を、図３にその側面図を、図４に平面図を示す。

【００１９】冷却器の冷却ブロック４にはアーム素子６
が取り付けられ、アーム素子６の直近に相コンデンサ７
を配置し、アーム素子６へゲート信号を送出するゲート
回路８が電力変換ユニット１の両側に、かつ前面側に振
り分け配置される。フィルタコンデンサ３は電力変換装
置２に直接取り付けられるが、ユニット１の両側のゲー
ト回路８，８の間に入り込む大きさで、分割型にせずに
１個にまとめた構造として筐体２１に取り付けられる。
電力変換ユニット１の両側に配置されたゲート回路８か
らアーム素子６へと延びるゲート配線９は両側に振り分
け配置される。

【００２０】（作用）上記配置のゲート配線９はゲート
回路８の周りで入り乱れることがなく、整然と束分けさ
れて配置することが可能となる。ゲート回路８をユニッ
ト１の前面寄りに配置することにより、装置からの光フ
ァイバーコネクタの着脱の作業性、ゲート回路チェック
の作業性が向上する。ゲート回路８を装置の両側に配置
することにより、ゲート回路８の周囲に空間が形成さ
れ、ゲート回路８からの発熱がこもることもなく、放熱
作用も良好に行われる。

【００２１】フィルタコンデンサ３を一体化することに
より、フィルタコンデンサ３に接続される導体や固定用
サポート部品等の部品点数が削減される。

【００２２】（効果）本実施の形態によれば、ゲート回
路８の配置改善により、耐ノイズ性の良好な配線が可能
となり、メンテナンス性に優れ、放熱性も向上する。フ
ィルタコンデンサ３の一体化により部品点数を削減する
ことができ、コスト低減が可能となる。

【００２３】＜第２の実施の形態＞（請求項２に対応） （構成）図５に本発明の第２の実施の形態による電力変
換装置の分解斜視図を、図６に電力変換装置の正面図
を、図７にその側面図を、図８に平面図を示す。

【００２４】この実施の形態は、第１の実施の形態と同
様に、冷却ブロック４にアーム素子６が取り付けられ、
アーム素子６の直近に相コンデンサ７を配置する。アー
ム素子６に対しゲート信号を送出するゲート回路８はユ
ニット１の下面部に設けられたユニットフレーム１１に
左右に並べて平面的に並置される。フィルタコンデンサ
３は筐体２１の底面よりも上方にかさ上げした配設面を
有するコンデンサ取付台１２の上に配置され、取付けら
れる。こうすることにより、フィルタコンデンサ３はユ
ニット１の幅にとらわれることなく大型化が可能であ
り、ゲート回路８の上に、分割することなく１個にまと
めた形で配置される。

【００２５】（作用）ユニット１の下部に配置したゲー
ト回路８は、各相のアーム素子６の並びに沿う配置構成
となるため、アーム素子８へのゲート配線９を最短長さ
で配置することが可能となり、各相の配線が入り乱れる
ことがなく、理想的な束分けとすることができる。ゲー
ト回路８がユニット１の下部前面寄りに配置されること
により、装置への光ファイバーコネクタの着脱の作業
性、ゲート回路チェックの作業性が向上する。ゲート回
路８を上下に積重配置することなく左右横並びに配置す
ることにより、下部からの熱的あおりが皆無となる。

【００２６】（効果）本実施の形態によれば、ゲート回
路８の配置の改善により、ノイズに強い配線が可能とな
り、アクセス性およびメンテナンス性に優れ、放熱性の
良好な配置構成を達成することができる。また、フィル
タコンデンサ３はユニット幅にとらわれることなく大型
化することが可能であり、大容量化が可能となる。

【００２７】＜第３の実施の形態＞（請求項３に対応） （構成）図９に本発明の第３の実施の形態による電力変
換装置の分解斜視図を、図１０に電力変換装置の正面図
を、図１１にその側面図を、図１２に平面図を示す。

【００２８】この実施の形態は、第２の実施の形態とほ
ぼ同様であるが、ここではフィルタコンデンサ３はその
端子が上面を向くように配置され、電力変換ユニット１
に設けられる中継端子台１０の直近となるように構成さ
れる。

【００２９】（作用）電力変換ユニット１の下部に配置
したゲート回路８は、各相のアーム素子６の並びに沿う
構成となるため、第２の実施の形態と同様、理想的な束
分け、ないし配線を実現することができる。ゲート回路
８が下部前面寄りに配置されることにより、ゲート信号
を光ファイバーコネクタの着脱の作業性、およびゲート
回路８のチェックの作業性が向上する。ゲート回路８を
上下に重ねずに左右に並置することにより、下方からの
熱あおりが無くなる。

【００３０】フィルタコンデンサ３の端子を上面の中継
端子台１０に直近位置に位置させることにより、アーム
素子６とフィルタコンデンサ３の配線距離が短くなる。

【００３１】（効果）本実施の形態によれば、ゲート回
路８の配置の改善により、ノイズに強い配線を実現する
ことが可能となり、しかもアクセス性およびメンテナン
ス性に優れ、放熱性の良好な構成となる。また、フィル
タコンデンサ３とアーム素子６の配線長の最短化により
低配線インダクタンス化が可能となり、場合によっては
相コンデンサ７を省略しても十分な耐ノイズ性を持たせ
ることができる。

【００３２】＜第４の実施の形態＞（請求項４に対応） （構成）図１３に本発明の第４の実施の形態による電力
変換装置の分解斜視図を、図１４に電力変換装置の正面
図を、図１５にその側面図を、図１６に平面図を示す。

【００３３】この実施の形態は、第１の実施の形態と同
様に、冷却ブロック４にアーム素子６が取り付けられ、
アーム素子６の直近に相コンデンサ７を配置する。アー
ム素子６へゲート信号を送出するゲート回路８は、電力
変換ユニット１内に配置するのではなく、フィルタコン
デンサ３の両側に配設された筐体フレーム１３に振り分
けて分散配置する。電力変換ユニット１の着脱の際のゲ
ート配線９への接続は、ゲート回路８との接続部である
コネクタの着脱により行う。

【００３４】（作用）フィルタコンデンサ３の両側に配
置したゲート回路８は、第１の実施の形態と同様に、各
相のゲート配線９が入り乱れることなく整然と束分けさ
れた配線が可能となる。ゲート回路８がユニット１の前
面に配置されることにより、光ファイバーコネクタの着
脱の作業性、およびゲート回路チェックの作業性が向上
する。また、ゲート回路８からの発熱のこもりが減少
し、効率よく放熱される。また、ゲート回路８を装置側
に構成したことにより、電力変換ユニット１のゲート回
路取付けのためのフレームが不要となる。

【００３５】（効果）本実施の形態によれば、ゲート回
路８の配置の改善により、第１の実施の形態と同様に、
ゲート回路８に関する配線周り、アクセス性、メンテナ
ンス性などの向上を達成することができる。電力変換ユ
ニット１としては、ゲート回路８の装置側への取付けに
より、フレームの簡素化もしくは削減化により、ユニッ
ト１の軽量化につながり、運搬作業性、および装置への
着脱などの取扱性を向上させることができる。

【００３６】＜第５の実施の形態＞（請求項５に対応） （構成）図１７に本発明の第５の実施の形態による電力
変換装置の分解斜視図を、図１８に電力変換装置の正面
図を、図１９にその側面図を、図２０に平面図を示す。

【００３７】この実施の形態は、第２の実施の形態と同
様に、冷却ブロック４にアーム素子６が取り付けられ、
アーム素子６の直近に相コンデンサ７を配置する。アー
ム素子６へのゲート信号を出力するゲート回路８は、電
力変換ユニット１内に配置するのではなく、フィルタコ
ンデンサ３の前面に配置する。ゲート配線９は、フィル
タコンデンサ３の下部より前面への経路とし、半導体冷
却ユニット１着脱の際のゲート配線のアクセスは、ゲー
ト基板との接続部であるコネクタの着脱により構成す
る。

【００３８】（作用）フィルタコンデンサ３の前面に配
置したゲート回路８は、第２の実施の形態と同様に、各
相のアーム素子６の並び方向に沿う配置構成となるた
め、各相の配線が入り乱れることがなく、理想的な束分
けをすることができる。ゲート回路８が前面側に配置さ
れることにより、光ファイバーコネクタの着脱の作業性
や、ゲート回路８のチェックの作業性が向上する。ゲー
ト回路８どうしは、重ねられることなく左右に並置され
ることにより、下部からの熱的なあおりが皆無となるた
め、熱的環境が良好になる。

【００３９】フィルタコンデンサ３は、第２の実施の形
態と同様に、横方向の寸法を電力変換ユニット１の幅に
とらわれることなく大型化することができ、それにより
大容量化が容易である。

【００４０】（効果）本実施の形態によれば、ゲート回
路８の配置の改善により、第２の実施の形態と同様に、
ノイズに強い配線が可能となり、アクセス性およびメン
テナンス性に優れ、放熱性の良好な構成を実現すること
ができる。電力変換ユニッート１としては、ゲート回路
８の装置側への取付けにより、フレームの簡素化もしく
は削減により、ユニット１の軽量化につながり、運搬作
業性や装置への着脱などの取扱い性の向上を達成するこ
とができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、ゲート回路周辺の配置
構成の改善により、放熱性の向上を達成し、耐ノイズ性
を向上させ、フィルタコンデンサの一体化および端子取
付け位置の改善により、部品点数の削減、コスト低減、
および軽量化が可能となり、全体として信頼性の向上し
た車両用電力変換装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態による電力変換装置の分解斜
視図。

【図２】第１の実施の形態による電力変換装置の要部
を、筐体前面側を取り除いて示す正面図。

【図３】図２の電力変換装置の側面図。

【図４】図２の電力変換装置の平面図。

【図５】第２の実施の形態による電力変換装置の分解斜
視図。

【図６】第２の実施の形態による電力変換装置の要部
を、筐体前面側を取り除いて示す正面図。

【図７】図６の電力変換装置の側面図。

【図８】図６の電力変換装置の平面図。

【図９】第３の実施の形態による電力変換装置の分解斜
視図。

【図１０】第３の実施の形態による電力変換装置の要部
を、筐体前面側を取り除いて示す正面図。

【図１１】図１０の電力変換装置の側面図。

【図１２】図１０の電力変換装置の平面図。

【図１３】第４の実施の形態による電力変換装置の分解
斜視図。

【図１４】第４の実施の形態による電力変換装置の要部
を、筐体前面側を取り除いて示す正面図。

【図１５】図１４の電力変換装置の側面図。

【図１６】図１４の電力変換装置の平面図。

【図１７】第５の実施の形態による電力変換装置の分解
斜視図。

【図１８】第５の実施の形態による電力変換装置の要部
を、筐体前面側を取り除いて示す正面図。

【図１９】図１８の電力変換装置の側面図。

【図２０】図１８の電力変換装置の平面図。

【図２１】従来の電力変換装置の構成例を示す要部を、
筐体前面側を取り除いて示す正面図。

【図２２】図２１の電力変換装置の側面図。

【図２３】図２１の電力変換装置の平面図。

【図２４】図２１ないし２３に示す電力変換装置の電気
回路図。

【符号の説明】

１ 電力変換ユニット ２ ３相インバータ ３ フィルタコンデンサ ４ 冷却ブロック ５ 冷却フィン ６ アーム素子 ７ 相コンデンサ ８ ゲート回路 ９ ゲート配線 １０ 中継端子台 １１ ユニットフレーム １２ コンデンサ取付台 １３ 筐体フレーム ２０ 筐体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮 入 正 樹 東京都府中市晴見町２丁目24番地の１ 東 芝トランスポートエンジニアリング株式会 社内 (72)発明者 福 田 和 明 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中事業所内 Ｆターム(参考） 5H007 AA06 BB06 CA01 CB04 CB05 CC23 HA03 HA04 HA05 HA07 5H115 PA08 PA15 PG01 PI01 PU10 PV09 TO05 UI27 UI35

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電力変換回路のアーム素子を構成する複数
   の半導体素子、これらの半導体素子にゲート信号を供給
   する複数のゲート回路、および前記電力変換回路の直流
   端子間に接続されるフィルタコンデンサを含む電力変換
   ユニットが共通の筐体内に収納され、前記複数のゲート
   回路は前記電力変換ユニットの両側に分散配置され、前
   記フィルタコンデンサは前記電力変換ユニットの前面側
   に、かつ前記両側のゲート回路の間に配置されているこ
   とを特徴とする車両用電力変換装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の車両用電力変換装置におい
   て、前記複数のゲート回路は、電力変換ユニット内の下
   面部に設けられたユニットフレームに平面的に並置さ
   れ、前記フィルタコンデンサは前記筐体の底面よりも上
   方にかさ上げした配設面を有するコンデンサ取付台の上
   に取付けられていることを特徴とする車両用電力変換装
   置。
3. 【請求項３】請求項１記載の車両用電力変換装置におい
   て、前記フィルタコンデンサはその端子を上に向けて配
   置され、かつ前記フィルタコンデンサの端子は前記アー
   ム素子からの主回路配線、装置外部からの主回路配線、
   および前記フィルタコンデンサからの主回路配線を含む
   主回路配線を中継する中継端子台の直近に位置している
   ことを特徴とする車両用電力変換装置。
4. 【請求項４】請求項１記載の車両用電力変換装置におい
   て、前記フィルタコンデンサは前記電力変換ユニットの
   前面部に配置され、前記複数のゲート回路は前記フィル
   タコンデンサの両側に配設された筐体フレームに振り分
   けて配置されていることを特徴とする車両用電力変換装
   置。
5. 【請求項５】請求項１記載の車両用電力変換装置におい
   て、前記フィルタコンデンサは前記電力変換ユニットの
   前面部に配置され、前記複数のゲート回路は前記フィル
   タコンデンサの前面側に配設された筐体フレームに平面
   が正面側に向くように配置されていることを特徴とする
   車両用電力変換装置。