JP2004096832A - 液冷式電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】フィルタコンデンサと半導体スタック間の配線実装インダクタンスの低減と半導体スタックの取り扱い性を向上した液冷式電力変換装置を提供する。
【解決手段】半導体素子１２の冷却方式を冷媒をポンプ１８により循環させ熱輸送する液冷式とすることで、半導体スタック３ａに収納される冷却用品を半導体素子１２の熱損失を受熱する冷却体１３のみとし、大気へ熱損失を排熱する放熱部側となる熱交換器１６は半導体スタック３ａから離れた位置に設置した。また、熱交換器部分が半導体スタックと配置的に切り離すことで、フィルタコンデンサ６と半導体スタック３ａとの間の配線をメンテナンスの容易な配置にした。さらに、半導体スタックの装置筐体への装着方向奥側の部分全域をフィルタコンデンサとの電気接続に使い、低インダクタンス実装を実現した。
【選択図】 図２
【解決手段】半導体素子１２の冷却方式を冷媒をポンプ１８により循環させ熱輸送する液冷式とすることで、半導体スタック３ａに収納される冷却用品を半導体素子１２の熱損失を受熱する冷却体１３のみとし、大気へ熱損失を排熱する放熱部側となる熱交換器１６は半導体スタック３ａから離れた位置に設置した。また、熱交換器部分が半導体スタックと配置的に切り離すことで、フィルタコンデンサ６と半導体スタック３ａとの間の配線をメンテナンスの容易な配置にした。さらに、半導体スタックの装置筐体への装着方向奥側の部分全域をフィルタコンデンサとの電気接続に使い、低インダクタンス実装を実現した。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両に設置される液冷式電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置は半導体素子のスイッチング動作により電力変換を行っており、電力変換回路を構成する半導体素子およびその周辺回路の電気部品で構成された半導体スタックが装置内に収納されている。一般に半導体スタックは複数個が装置内に収納されることが多く、例えば電力変換回路の相毎にユニット化してまとめられたり、複数群の電力変換回路の場合はさらに多くの半導体スタックが装置内に収納されることになる。
【０００３】
半導体素子の冷却は、半導体スタックの重要な機能であり、半導体素子から発生する熱損失を効率良く外気へ放出し、半導体素子温度を許容温度以下に冷却する必要がある。これに必要な主な要素として、半導体素子が取り付けられこの半導体素子から発生する熱損失の受熱部となる冷却体と、この熱損失を装置外部へ排出する放熱部とがある。
【０００４】
電気機関車の機器室に設置される電力変換装置で従来一般的に行われている冷却方法に強制風冷方式があるが、これは放熱部の熱伝達率を向上させる目的で、放熱部を通過する冷却風の流速を早めるために電動送風機で強制通風される冷却風洞を装置内に設け、そこに放熱部を収納したものである。
【０００５】
強制風冷方式の電力変換装置では、前記冷却体と放熱部とは一体となった冷却器が使われる。例えばヒートパイプ式冷却器を使用する場合は、半導体素子の取り付けられる冷却体にヒートパイプの片端側が挿入され、もう片端側には放熱フィン群が取り付けられこれら放熱フィン群より成る放熱部が冷却風洞内に収納され、大気との間で熱交換が行われる。
【０００６】
複数個の半導体スタックが装置内に収納される場合は冷却風洞内に冷却風の流れに沿って直列にあるいは並列に放熱部を配置することになる。そして、放熱部の熱交換効率を高めたり、冗長性の一部の電力変換回路が停止しても健全な残りの電力変換回路によって運転を継続する場合の放熱効果を考慮し、単一の装置筐体内に、複数の電力変換回路の放熱部を冷却風の流れに平行に複数列に配置する提案もなされている。
【０００７】
図８、図９は提案された配置構成の強制風冷式電力変換装置を示している。図８は提案されている強制風冷式電力変換装置の正面図（ただし、内部の機器配置を示すため、正面カバーを取り外した状態を示している。）、図９は図８におけるＡ−Ａ線断面図を示す。
【０００８】
こ提案されている強制風冷式電力変換装置では、装置筐体１の内部に冷却風洞２が構成され、半導体スタック３はその放熱部４が冷却風洞２に収納されるよう装置筐体１に取り付けられる。この提案されている装置では、冷却風は装置の下方から上方へと流れるよう冷却風洞２が構成されており、この冷却風洞２内に水平に並んで複数個の半導体スタック３が収納される。これにより、冷却風洞２内の上部に設置された電動送風機５により冷却風洞２に強制通風が行われ放熱部４を通過した冷却風は装置上方より機関車外部へ放出される。
【０００９】
このような強制風冷式電力変換装置では、半導体スタック３は、万が一の故障、点検等の際には、装置筐体１からの取り外し、取り付けが必要となるユニットであり、それを可能にするためには必然的に冷却風洞２は装置筐体１の奥側に設置され、そこへ半導体スタック３の放熱部４を収納する関係上、半導体スタック３の構成は奥側が放熱部４で、手前側に半導体素子他の電気部品が実装されることになる。
【００１０】
装置筐体１内には半導体スタック３以外の部品ももちろん収納されるが、その中で半導体スタック３の直流電源となるフィルタコンデンサ６の実装位置は半導体素子との配線実装インダクタンスが半導体素子の遮断性能に影響するもので、とりわけ重要であり、半導体スタック３の近くに実装される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した強制風冷式電力変換装置では、放熱部による熱損失の放熱の効率は改善されてはいるが、強制風冷式であるという点で、本来的に次のような技術的課題が残されている。
【００１２】
フィルタコンデンサ６から半導体スタック３への電気接続は極力実装インダクタンスを減らす配線とすることが必要なのは前述のとおりであるが、半導体スタック３の装置筐体１からの引き出しを考慮し、半導体スタック３の前面は回避した配線とせざるを得ない。そこで半導体スタック３の前面で接続する場合は、この部分の電気接続を取り外してからの半導体スタック３の引き出しとなり、取り扱いが困難で問題である。また、半導体スタック３の奥側は放熱部４となるため、半導体スタック３の背面側での電気接続も困難である。そのため、提案されている図８、図９の電力変換装置では、半導体スタック３の引き出し方向となる前面を避けてフィルタコンデンサ６からの配線を接続している。
【００１３】
また、風洞部分の構造の簡素化を図る必要性、機関車構体の強度の確保の観点から、冷却風洞２を分散せずに集約化する必要性があるので、半導体スタック３も図示の如く、その放熱部４を冷却風洞２へ収納し、複数個が集中して装置筐体１に収納される。そのため、フィルタコンデンサ６から遠い位置の半導体スタック３がどうしても出来てしまい、フィルタコンデンサ６との配線実装インダクタンスを低減するには不利である。
【００１４】
一方、半導体スタック３は放熱部４も含むもので外形、質量ともに大きく取り扱い性が良くない。加えて放熱部４を外気と通じている冷却風洞２内へ挿入するため、装置筐体１内の清浄性を確保する目的で半導体スタック３の周囲は水密的なガスケット構造とする必要があり、さらに外形は大形化し質量も増える。
【００１５】
このように取り扱い性が他の部品に比べ困難であるが故に、半導体スタック３は装置筐体１の中で収納位置が特定されてくる。つまり装置筐体１の極力下方側に収納する必要がある。特に、複数群の電力変換回路を含む装置になってくると、半導体スタックの個数は増えてくるので益々上述の問題は深刻になってくる傾向にある。
【００１６】
以上、述べてきたように、強制風冷式電力変換装置では機械構成が液冷式に比べて簡単である利点はあるものの、本来的に半導体スタック３の収納位置に制約があり、フィルタコンデンサ６との間の実装距離の最短化が困難であり、さらに半導体スタック３の電気接続位置の制約からもフィルタコンデンサ６との間で配線実装インダクタンス低減を理想的に行うには問題が多い。
【００１７】
他方、半導体素子から発生する熱損失を受熱する冷却体と、それを外気へ排出する放熱部とが分離された冷却方式として、この間を配管接続し、ポンプを使って冷媒を循環させ熱輸送を行う液冷式がある。
【００１８】
しかしながら、複数個の半導体スタック、フィルタコンデンサの配置の自由度が増えたことに着目し、電気接続の観点から各部品、ユニット類の実装配置を最適化した例は無い。
【００１９】
本発明では、上記の技術的課題に鑑みてなされたもので、フィルタコンデンサと半導体スタック間の配線実装インダクタンスの低減と半導体スタックの取り扱い性を向上した液冷式電力変換装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、冷却液を循環させることによって半導体素子とフィルタコンデンサを冷却する液冷式電力変換装置であって、前記半導体素子がそのスイッチングによる熱損失を伝達するように取り付けられ、内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、前記冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と熱交換器とに配管接続され、前記冷却液を循環させるポンプとを備え、前記冷却体に半導体素子を取付けた組体の複数個を相毎あるいはアーム毎にユニット化して半導体スタックとし、前記半導体スタックと当該半導体スタックに含まれる半導体素子の直流電源となるフィルタコンデンサとをほぼ直線状に並べて配置し、前記半導体スタックには、電力変換装置筐体への装着方向の奥側に直流電源との主回路接続部を設け、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの並びに沿って積層導体を配置し、前記積層導体に対して前記フィルタコンデンサの端子を電気接続したことを特徴とするものである。
【００２１】
請求項２の発明は、直流電源となるフィルタコンデンサと、このフィルタコンデンサの電力をスイッチングによって交流電力に変換する半導体素子とで構成される電力変換回路を複数群有し、冷却液を循環させることによって前記半導体素子とフィルタコンデンサを冷却する液冷式電力変換装置であって、前記半導体素子がそのスイッチングによる熱損失を伝達するように取り付けられ、内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、前記冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と熱交換器とに配管接続され、前記冷却液を循環させるポンプとを備え、前記冷却体に半導体素子を取付けた組体の複数個を相毎あるいはアーム毎にユニット化して半導体スタックとし、前記半導体スタックと当該半導体スタックに含まれる半導体素子の直流電源となるフィルタコンデンサとを電力変換回路群毎にほぼ直線状に並べて配置し、前記半導体スタックには、電力変換装置筐体への装着方向の奥側に直流電源との主回路接続部を設け、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの並びに沿って積層導体を配置し、前記積層導体に対して前記フィルタコンデンサの端子を電気接続したことを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１及び２の発明の液冷式電力変換装置では、半導体素子の冷却方式を冷媒をポンプにより循環させ熱輸送する液冷式とすることで、半導体スタックに収納される冷却用品は熱損失を受熱する冷却体側のみとなり、大気へ熱損失を排熱する放熱部側となる熱交換器は半導体スタックとは離れた位置に設置可能となる。また、熱交換器部分が半導体スタックと配置的に切り離されたことで、フィルタコンデンサと半導体スタック間の配線を優先させた配置が可能となる。さらに、半導体スタックの装置筐体への装着方向奥側には強制風冷式の場合に必要であった放熱部が存在しないので、この部分全域をフィルタコンデンサとの電気接続に使え、低インダクタンス実装が実現できる。この効用は、半導体スタックの数が多い複数群の電力変換回路を有する装置では顕著である。
【００２３】
請求項３の発明は、それぞれがスイッチング半導体群で構成されるコンバータ回路とインバータ回路、そしてインバータ回路の直流電源となるフィルタコンデンサとを有し、冷却液を循環させることによって前記半導体素子とフィルタコンデンサを冷却する液冷式電力変換装置であって、前記半導体素子がそのスイッチングによる熱損失を伝達するように取り付けられ、内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、前記冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と熱交換器とに配管接続され、前記冷却液を循環させるポンプとを備え、前記冷却体に半導体素子を取付けた組体の複数個を相毎あるいはアーム毎にユニット化して半導体スタックとし、前記半導体スタックと当該半導体スタックに含まれる半導体素子の直流電源となるフィルタコンデンサとをほぼ直線状で、かつ前記コンバータ回路を構成する半導体スタック群とインバータ回路を構成する半導体スタック群との間にフィルタコンデンサが位置するように配置し、前記半導体スタックには、電力変換装置筐体への装着方向の奥側に直流電源との主回路接続部を設け、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの並びに沿って積層導体を配置し、前記積層導体に対して前記フィルタコンデンサの端子を電気接続したことを特徴とするものである。
【００２４】
請求項４の発明は、それぞれがスイッチング半導体群で構成されるコンバータ回路とインバータ回路、そしてインバータ回路の直流電源となるフィルタコンデンサとで構成される電力変換回路を複数群有し、冷却液を循環させることによって前記半導体素子とフィルタコンデンサを冷却する液冷式電力変換装置であって、前記半導体素子がそのスイッチングによる熱損失を伝達するように取り付けられ、内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、前記冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と熱交換器とに配管接続され、前記冷却液を循環させるポンプとを備え、前記冷却体に半導体素子を取付けた組体の複数個を相毎あるいはアーム毎にユニット化して半導体スタックとし、前記半導体スタックと当該半導体スタックに含まれる半導体素子の直流電源となるフィルタコンデンサとを電力変換回路群毎にほぼ直線状で、かつ前記コンバータ回路を構成する半導体スタック群とインバータ回路を構成する半導体スタック群との間にフィルタコンデンサが位置するように配置し、前記半導体スタックには、電力変換装置筐体への装着方向の奥側に直流電源との主回路接続部を設け、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの並びに沿って積層導体を配置し、前記積層導体に対して前記フィルタコンデンサの端子を電気接続したことを特徴とするものである。
【００２５】
請求項３及び４の発明の液冷式電力変換装置では、半導体素子の冷却方式を冷媒をポンプにより循環させ熱輸送する液冷式とすることで、強制風冷式の場合に必要であった冷却風洞にからむ配置の制約が無くなり、コンバータ回路の半導体スタックとインバータ回路の半導体スタックとを装置内で分離して配置することができ、コンバータ回路用半導体スタック、フィルタコンデンサ、インバータ回路用半導体スタックを電気回路図通りの物理的配置にすることで、その間の電気接続が電流の流れ通りに、積層導体で構成することが可能になる。
【００２６】
そしてこの効用は、複数群の電力変換回路を含む装置では顕著であり、それぞれの群の中の積層導体による電気接続が入り組んで干渉し合う恐れもなく、構成が簡単で、かつ導体面積が充分に確保でき、積層導体部分での低インダクタンス化が容易に実現できる。
【００２７】
請求項５の発明は、請求項１〜４の液冷式電力変換装置において、前記装置筐体内を収納部品群毎に複数の部屋に区分し、上部側の部屋に複数個の半導体スタックとフィルタコンデンサとをほぼ直線状に配置したことを特徴とするものである。
【００２８】
請求項５の発明の液冷式電力変換装置では、半導体スタックから放熱部が分離されたことで、半導体スタックの小形、軽量化が実現できており、ユニットとしての取り扱い性が向上している。加えて冷却風洞への放熱部収納という制約もないので、半導体スタックの装置内の配置は制約が少なくなる。
【００２９】
電力変換装置は装置運転時の各電気部品の発熱、導体類の発熱により装置内密閉室の温度が上昇する。一般に装置内の上部ほど温度上昇値が大きくなる傾向にあり、許容温度の低い電気部品群は装置の下方側へ設置することが温度上昇の観点からは望ましい。
【００３０】
ところが強制風冷式の装置では、半導体スタックをその取り扱いの困難さ、冷却風洞との関係から装置下方側から配置していくことを優先せざるを得なかったが、液冷式の装置では、例えば、許容温度の比較的低い電子部品等を半導体スタックよりも下方側となる温度上昇の比較的小さな部屋へ収納することが可能である。
【００３１】
請求項６の発明は、請求項１〜５の液冷式電力変換装置において、前記フィルタコンデンサと積層導体とを電気接続している部分を前記半導体スタックの装置筐体への装着方向の手前側に位置させ、前記積層導体の装置筐体の手前側の部分を分割構成にして、締結手段により着脱可能な状態で固定したことを特徴とするものである。
【００３２】
半導体スタックの装着方向手前側のみが装置の点検面であるような電力変換装置に対して、フィルタコンデンサの交換が必要になった場合、半導体スタックとの装着と同一方向への引き出しが可能でなければならないが、請求項６の発明の液冷式電力変換装置では、その際に、一般的なコンデンサ端子は締結手段によって着脱可能な状態で止めているので、積層導体による低インダクタンス配線を実現し、なおかつフィルタコンデンサの取り外しも容易となる。
【００３３】
請求項７の発明は、請求項１〜５の液冷式電力変換装置において、前記半導体スタックと装置筐体奥側に設置された直流電源接続のための主回路配線部との電気接続は、装置筐体の奥側に大電流コネクタを設け、前記半導体スタックの装置筐体へ手前側からの装着により嵌合することで接続する構造にしたことを特徴とするものであり、半導体スタックの装着、取り外しが容易で、接続部の低インダクタンス化も実現できる。
【００３４】
請求項８の発明は、請求項１〜５の液冷式電力変換装置において、前記装置筐体の相対する２側面を装置点検面とし、当該装置筐体へ前記半導体スタックの装着を行う側の第１の装置点検面に対し反対側となる第２の装置点検面側に、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの接続のための前記積層導体を設置し、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとを同じ方向に装着し、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの双方とも前記積層導体に対して締結手段により電気接続したことを特徴とするものである。
【００３５】
請求項８の発明の液冷式電力変換装置では、半導体スタックの装着方向の手前側、奥側の双方が装置の点検面であるので、半導体スタック、フィルタコンデンサとも、装着方向の奥側でそれぞれの積層導体との電気接続を行うことができる。また、積層導体は途中で屈曲部を設けることなく全体を平板状で構成でき、より低インダクタンスであり、また、半導体スタックらの装着方向奥側の点検面から電気接続を解除、締結することができ、最も低コストのネジのような締結手段が採用可能である。
【００３６】
請求項９の発明は、請求項１〜５の液冷式電力変換装置において、前記装置筐体の装置手前側の１側面を装置点検面とし、前記装置筐体の奥側に、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの接続のための前記積層導体を設置し、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとを同じ方向で装着し、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの双方とも前記積層導体に対して大電流コネクタにより電気接続したことを特徴とするものであり、片面だけが装置点検面である場合、半導体スタック、フィルタコンデンサの双方とも装着方向奥側に大電流コネクタを使用することにより、装着方向手前側からのアクセスだけで装着、取り外しが可能であり、積層導体も奥側で全体を平板状に構成でき、より低インダクタンス化が実現できる。
【００３７】
請求項１０の発明は、請求項１〜９の液冷式電力変換装置において、前記半導体スタックの挿入方向の奥側における前記装置筐体側の積層導体の背面に、相コンデンサを各相単位で接続したことを特徴とするものであり、半導体素子の遮断特性がより向上し、また、他相のスイッチングの影響を受けにくい半導体スタックとなる。
【００３８】
請求項１１の発明は、請求項１〜５の液冷式電力変換装置において、前記積層導体の直流電源正極側と直流電源負極側となる導体部分を、前記半導体スタック側では各相毎に分離してフィルタコンデンサ側に並走する構造にしたことを特徴とするものであり、各相間の直流電源側配線にインダクタンスをもたせることで、他相のスイッチングの影響を受けにくくできる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００４０】
（第１の実施の形態）
（構成）本発明の第１の実施の形態を図１〜図３を用いて説明する。図１は第１の実施の形態が適用される回路図で、交流架線より受電を行う電気機関車の交流電動機駆動システム回路図である。コンバータ回路とインバータ回路とが対になった電力変換回路が２群で構成されているが、それを１個の装置筐体に収納したものである。
【００４１】
パンタグラフ７より集電した交流電源は主変圧器８の１次巻線に入力され、２次巻線からの出力がコンバータ回路９により直流に変換され、それが再びインバータ回路１０により交流に変換され鉄道車両駆動用の交流電動機１１を駆動する。コンバータ回路９とインバータ回路１０の間にはこれら変換回路の直流電源となるフィルタコンデンサ６がある。これらが２群、１個の装置筐体内に収納されたシステムである。
【００４２】
図２は第１の実施の形態の液冷式電力変換装置の正面図である（ただし、内部の機器配置を示すため、正面カバーを取り外した状態を示している）。図３は図２におけるＢ−Ｂ線断面図を示している。
【００４３】
装置筐体１ａ内に図１の回路図で示した電気部品が収納されるが、半導体スタック３ａはコンバータ回路９、インバータ回路１０とも相毎にユニット化されており、したがってコンバータ用の半導体スタック３ａが１群あたり２個、インバータ用の半導体スタック３ａが１群あたり３個で構成されている。
【００４４】
１個の半導体スタック３ａはコンバータ用、インバータ用の何れも、上下アーム２個の半導体素子１２が内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体１３に取り付けられている。コンバータ用の２個の半導体スタック３ａとインバータ用の３個の半導体スタック３ａの間には複数個のフィルタコンデンサ６が設置され、これらがほぼ直線状に水平に配置されている。
【００４５】
１群分の半導体スタック３ａとフィルタコンデンサ６とは以上のように配置されるが、これが２段、装置筐体１ａ内上部側に設置されている。これらの下方には主に電子部品より成る制御ユニット１４、他の電気部品群１５が収納されている。
【００４６】
冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器１６は、装置筐体１ａと隣り合って設置される冷却装置１７に収納され、一緒に収納されている電動送風機５ａがこの熱交換器１６に向かって強制通風を行う。
【００４７】
装置筐体１ａ内の下方側に設置された冷却液を循環させるポンプ１８と半導体スタック３ａ内の冷却体１３、冷却装置１７に収納されている熱交換器１６との間は、配管によりループを成して接続されている。つまりポンプ１８から冷却体１３へ、冷却体１３から熱交換器１６へ、熱交換器１６からポンプ１８へと配管接続されることで、冷却液の循環系が成立している。尚、複数個ある冷却体１３への配管接続は循環系母管から並列に敷設されている。
【００４８】
ここで、本実施の形態では、熱交換器１６を装置筐体１ａとは別個の冷却装置１７に収納しているが、収納区分、配置には自由度があり、装置筐体１ａ内に半導体スタック３ａ、ポンプ１８と共に収納することも可能である。
【００４９】
半導体スタック３ａは図２において紙面の手前側から（図３においては下側から）装着を行う。図３に示しているように、その装着方向の奥側には直流電源正極と直流電源負極の電気接続を行う大電流コネクタ１９が設けられていて、装置筐体１ａに設置された積層導体２０と電気接続されている。この電気接続は、積層導体２０に接続されたブレード状導体２１を半導体スタック３ａ側の大電流コネクタ１９と嵌合することにより行っている。
【００５０】
また、フィルタコンデンサ６の積層導体２０との電気接続部は装置の手前側であり、フィルタコンデンサ６にはネジ端子が設けられており、積層導体２０とボルト締結により電気接続される。
【００５１】
積層導体２０は半導体スタック３ａと接続される範囲は装置の奥側にあり、フィルタコンデンサ６と接続される範囲は装置の手前側となるよう、図３に示すようにクランク状に屈曲した形状をしており、フィルタコンデンサ６の手前側の部分は部分的に積層導体２０が取り外せるようネジ接続による分割構造となっている。
【００５２】
（作用）本実施の形態の液冷式電力変換装置運転時、半導体素子１２より発生する熱損失は冷却体１３へと伝熱されるが、ポンプ１８により冷却体１３内部は冷却液が強制的に循環されており、この冷却液に伝熱されて熱輸送が行われる。冷却装置１７に収納された熱交換器１６側では前記熱損失が大気へ排出されるが、電動送風機５ａによる送風により熱交換器１６は効率良く放熱を行う。
【００５３】
また、半導体スタック３ａとフィルタコンデンサ６の配置は、コンバータ用の半導体スタック３ａ、フィルタコンデンサ６、インバータ用の半導体スタック３ａと電気回路図通りに直線状に配置されており、なおかつ他の群と配置的に切り分けられた配置のため、その間の配線が相互に干渉することが無い。つまり、積層導体２０は半導体スタック３ａとフィルタコンデンサ６の間を充分な面積を確保して最短経路で接続でき低インダクタンスの積層導体２０が実現できる。
【００５４】
半導体スタック３ａの奥側に放熱部が無いことからも、この部分が全て電気接続部として使え接続部でのインダクタンスも最小限に抑えることが可能である。
【００５５】
フィルタコンデンサ６が半導体スタック３ａ内の半導体素子１２と低インダクタンスで接続されるため、半導体素子１２の電流遮断時に素子両端にかかるサージ電圧を抑えることができ良好なスイッチング特性を得る。
【００５６】
フィルタコンデンサ６の装置筐体１ａからの取り外しの際は、積層導体２０の装置手前側の分割された部分を取り外すことで、半導体スタック３ａと同様に引き出せる。
【００５７】
（効果）本実施の形態によれば、熱交換器部分が半導体スタックと配置的に切り離されたことで、フィルタコンデンサと半導体スタック間の配線を優先させた配置が可能である。また、半導体スタックの装置筐体への装着方向奥側には放熱部が無くなっているので、この部分全域をフィルタコンデンサとの電気接続に使え、さらに低インダクタンス実装が実現でき、半導体素子の良好なスイッチング特性が得られ、半導体素子周辺のスナバ用品が不要になったり部品点数の削減も図れ、信頼性を向上させることができる。加えて、半導体スタックの小形、軽量化が可能であり、取り扱い性に優れ、小形、軽量な電力変換装置を提供できる。
【００５８】
さらに、制御ユニットのような比較的許容温度の低いユニットを装置筐体の下部側へ配置することで、周囲温度の低い環境での使用が可能になり、長寿命で信頼性も高められる。
【００５９】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態の液冷式電力変換装置を図４に示してある。図４は、第１の実施の形態での図３に相当する断面図であり、本実施の形態の電力変換装置の半導体スタック、フィルタコンデンサの装着状況を示している。
【００６０】
本実施の形態の液冷式電力変換装置は、車両の機器室の中央に設置され、相対する２面が点検面となる場合に適用される。装置筐体１ｂへ半導体スタック３ａの装着を行う側の装置点検面に対し反対側となる点検面側に、積層導体２０ａが設置され、フィルタコンデンサ６と半導体スタック３ａの双方とも積層導体２０ａとはボルト等の締結手段により電気接続されている。
【００６１】
半導体スタックの装着方向の手前側、奥側の双方が装置の点検面である場合は、半導体スタック３ａ、フィルタコンデンサ６とも、装着方向の奥側でそれぞれ積層導体２０ａとの電気接続を行うのが有利である。
【００６２】
積層導体２０ａは途中で屈曲部を設けることなく全体を平板状で構成でき、より低インダクタンスであり、また、半導体スタック３ａらの装着方向奥側の点検面から電気接続を解除、締結することができるので、最も低コストのネジ締結が採用可能である。
【００６３】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態の液冷式電力変換装置を図５に示してある。図５は、第１の実施の形態での図３に相当する断面図であり、半導体スタック、フィルタコンデンサの装着状況を示している。
【００６４】
本実施の形態の液冷式電力変換装置は、第１の実施の形態と同様に電力変換装置の点検面は１面（図５において下側の面）のみで、この点検面から半導体スタック３ａを装着することになる。この点検面と反対側の装置筐体１ｃの奥側に、積層導体２０ａが設置され、フィルタコンデンサ６も半導体スタック３ａと同じ方向で装着され、半導体スタック３ａ、フィルタコンデンサ６の双方とも積層導体２０ａとは大電流コネクタ１９により電気接続されている。
【００６５】
本実施の形態の場合、何れのユニットも装着方向手前側からのアクセスだけで装着、取り外しが可能であり、積層導体２０ａも奥側で全体を平板状に構成でき、より低インダクタンス化が実現できる。
【００６６】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態の液冷式電力変換装置を図６に示してある。図６は、第１の実施の形態での図３に相当する断面図であり、半導体スタック、フィルタコンデンサの装着状況を示している。
【００６７】
本実施の形態の液冷式電力変換装置では、半導体スタック３ａの挿入方向奥側の装置筐体側の積層導体２０の背面に相コンデンサ２２を各相単位で接続しており、半導体素子の遮断特性をより向上することができ、また、他相のスイッチングの影響を受けにくい半導体スタックが実現できる。
【００６８】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態の液冷式電力変換装置を図７に示してある。図７は、第１の実施の形態での図３に相当する断面図であり、半導体スタック、フィルタコンデンサの装着状況を示している。
【００６９】
本実施の形態の液冷式電力変換装置は、積層導体２０ｂの直流電源正極側と直流電源負極側となる導体部分が、半導体スタック３ａ側では各相毎に分離してフィルタコンデンサ６側へ並走する構成としたものである。
【００７０】
本実施の形態の場合、各相間の直流電源側配線にインダクタンスをもたせることで、他相のスイッチングの影響を受けにくくする効果がある。
【００７１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱交換器部分を半導体スタックと配置的に切り離すことが可能になるという液冷式の特徴点を活かし、フィルタコンデンサと半導体スタック間の配線を優先させた配置とし、半導体スタック奥側を有効に電気接続に使うことで、大幅な低インダクタンス実装が実現でき、半導体素子の良好なスイッチング特性が得られる。また、この結果として、半導体素子周辺のスナバ用品が不要になって部品点数の削減も図れ、信頼性の向上が可能になる。加えて、半導体スタックの小形、軽量化が実現でき、取り扱い性に優れ、小形、軽量な電力変換装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の液冷式電力変換装置が適用された、交流架線より受電を行う電気機関車の交流電動機駆動システムの回路図。
【図２】上記の第１の実施の形態の液冷式電力変換装置の正面図。
【図３】図２におけるＢ−Ｂ線断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の液冷式電力変換装置における半導体スタック、フィルタコンデンサの装着部断面図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の液冷式電力変換装置における半導体スタック、フィルタコンデンサの装着部断面図。
【図６】本発明の第４の実施の形態の液冷式電力変換装置における半導体スタック、フィルタコンデンサの装着部断面図。
【図７】本発明の第５の実施の形態の液冷式電力変換装置における半導体スタック、フィルタコンデンサの装着部断面図。
【図８】提案されている強制風冷式電力変換装置の正面図。
【図９】図８におけるＡ−Ａ線断面図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ 装置筐体
３ａ 半導体スタック
５ａ 電動送風機
６ フィルタコンデンサ
７ パンタグラフ
８ 主変圧器
９ コンバータ回路
１０ インバータ回路
１１ 交流電動機
１２ 半導体素子
１３ 冷却体
１４ 制御ユニット
１５ 他の電気部品群
１６ 熱交換器
１７ 冷却装置
１８ ポンプ
１９ 大電流コネクタ
２０，２０ａ 積層導体
２１ ブレード状導体
２２ 相コンデンサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両に設置される液冷式電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置は半導体素子のスイッチング動作により電力変換を行っており、電力変換回路を構成する半導体素子およびその周辺回路の電気部品で構成された半導体スタックが装置内に収納されている。一般に半導体スタックは複数個が装置内に収納されることが多く、例えば電力変換回路の相毎にユニット化してまとめられたり、複数群の電力変換回路の場合はさらに多くの半導体スタックが装置内に収納されることになる。
【０００３】
半導体素子の冷却は、半導体スタックの重要な機能であり、半導体素子から発生する熱損失を効率良く外気へ放出し、半導体素子温度を許容温度以下に冷却する必要がある。これに必要な主な要素として、半導体素子が取り付けられこの半導体素子から発生する熱損失の受熱部となる冷却体と、この熱損失を装置外部へ排出する放熱部とがある。
【０００４】
電気機関車の機器室に設置される電力変換装置で従来一般的に行われている冷却方法に強制風冷方式があるが、これは放熱部の熱伝達率を向上させる目的で、放熱部を通過する冷却風の流速を早めるために電動送風機で強制通風される冷却風洞を装置内に設け、そこに放熱部を収納したものである。
【０００５】
強制風冷方式の電力変換装置では、前記冷却体と放熱部とは一体となった冷却器が使われる。例えばヒートパイプ式冷却器を使用する場合は、半導体素子の取り付けられる冷却体にヒートパイプの片端側が挿入され、もう片端側には放熱フィン群が取り付けられこれら放熱フィン群より成る放熱部が冷却風洞内に収納され、大気との間で熱交換が行われる。
【０００６】
複数個の半導体スタックが装置内に収納される場合は冷却風洞内に冷却風の流れに沿って直列にあるいは並列に放熱部を配置することになる。そして、放熱部の熱交換効率を高めたり、冗長性の一部の電力変換回路が停止しても健全な残りの電力変換回路によって運転を継続する場合の放熱効果を考慮し、単一の装置筐体内に、複数の電力変換回路の放熱部を冷却風の流れに平行に複数列に配置する提案もなされている。
【０００７】
図８、図９は提案された配置構成の強制風冷式電力変換装置を示している。図８は提案されている強制風冷式電力変換装置の正面図（ただし、内部の機器配置を示すため、正面カバーを取り外した状態を示している。）、図９は図８におけるＡ−Ａ線断面図を示す。
【０００８】
こ提案されている強制風冷式電力変換装置では、装置筐体１の内部に冷却風洞２が構成され、半導体スタック３はその放熱部４が冷却風洞２に収納されるよう装置筐体１に取り付けられる。この提案されている装置では、冷却風は装置の下方から上方へと流れるよう冷却風洞２が構成されており、この冷却風洞２内に水平に並んで複数個の半導体スタック３が収納される。これにより、冷却風洞２内の上部に設置された電動送風機５により冷却風洞２に強制通風が行われ放熱部４を通過した冷却風は装置上方より機関車外部へ放出される。
【０００９】
このような強制風冷式電力変換装置では、半導体スタック３は、万が一の故障、点検等の際には、装置筐体１からの取り外し、取り付けが必要となるユニットであり、それを可能にするためには必然的に冷却風洞２は装置筐体１の奥側に設置され、そこへ半導体スタック３の放熱部４を収納する関係上、半導体スタック３の構成は奥側が放熱部４で、手前側に半導体素子他の電気部品が実装されることになる。
【００１０】
装置筐体１内には半導体スタック３以外の部品ももちろん収納されるが、その中で半導体スタック３の直流電源となるフィルタコンデンサ６の実装位置は半導体素子との配線実装インダクタンスが半導体素子の遮断性能に影響するもので、とりわけ重要であり、半導体スタック３の近くに実装される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した強制風冷式電力変換装置では、放熱部による熱損失の放熱の効率は改善されてはいるが、強制風冷式であるという点で、本来的に次のような技術的課題が残されている。
【００１２】
フィルタコンデンサ６から半導体スタック３への電気接続は極力実装インダクタンスを減らす配線とすることが必要なのは前述のとおりであるが、半導体スタック３の装置筐体１からの引き出しを考慮し、半導体スタック３の前面は回避した配線とせざるを得ない。そこで半導体スタック３の前面で接続する場合は、この部分の電気接続を取り外してからの半導体スタック３の引き出しとなり、取り扱いが困難で問題である。また、半導体スタック３の奥側は放熱部４となるため、半導体スタック３の背面側での電気接続も困難である。そのため、提案されている図８、図９の電力変換装置では、半導体スタック３の引き出し方向となる前面を避けてフィルタコンデンサ６からの配線を接続している。
【００１３】
また、風洞部分の構造の簡素化を図る必要性、機関車構体の強度の確保の観点から、冷却風洞２を分散せずに集約化する必要性があるので、半導体スタック３も図示の如く、その放熱部４を冷却風洞２へ収納し、複数個が集中して装置筐体１に収納される。そのため、フィルタコンデンサ６から遠い位置の半導体スタック３がどうしても出来てしまい、フィルタコンデンサ６との配線実装インダクタンスを低減するには不利である。
【００１４】
一方、半導体スタック３は放熱部４も含むもので外形、質量ともに大きく取り扱い性が良くない。加えて放熱部４を外気と通じている冷却風洞２内へ挿入するため、装置筐体１内の清浄性を確保する目的で半導体スタック３の周囲は水密的なガスケット構造とする必要があり、さらに外形は大形化し質量も増える。
【００１５】
このように取り扱い性が他の部品に比べ困難であるが故に、半導体スタック３は装置筐体１の中で収納位置が特定されてくる。つまり装置筐体１の極力下方側に収納する必要がある。特に、複数群の電力変換回路を含む装置になってくると、半導体スタックの個数は増えてくるので益々上述の問題は深刻になってくる傾向にある。
【００１６】
以上、述べてきたように、強制風冷式電力変換装置では機械構成が液冷式に比べて簡単である利点はあるものの、本来的に半導体スタック３の収納位置に制約があり、フィルタコンデンサ６との間の実装距離の最短化が困難であり、さらに半導体スタック３の電気接続位置の制約からもフィルタコンデンサ６との間で配線実装インダクタンス低減を理想的に行うには問題が多い。
【００１７】
他方、半導体素子から発生する熱損失を受熱する冷却体と、それを外気へ排出する放熱部とが分離された冷却方式として、この間を配管接続し、ポンプを使って冷媒を循環させ熱輸送を行う液冷式がある。
【００１８】
しかしながら、複数個の半導体スタック、フィルタコンデンサの配置の自由度が増えたことに着目し、電気接続の観点から各部品、ユニット類の実装配置を最適化した例は無い。
【００１９】
本発明では、上記の技術的課題に鑑みてなされたもので、フィルタコンデンサと半導体スタック間の配線実装インダクタンスの低減と半導体スタックの取り扱い性を向上した液冷式電力変換装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、冷却液を循環させることによって半導体素子とフィルタコンデンサを冷却する液冷式電力変換装置であって、前記半導体素子がそのスイッチングによる熱損失を伝達するように取り付けられ、内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、前記冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と熱交換器とに配管接続され、前記冷却液を循環させるポンプとを備え、前記冷却体に半導体素子を取付けた組体の複数個を相毎あるいはアーム毎にユニット化して半導体スタックとし、前記半導体スタックと当該半導体スタックに含まれる半導体素子の直流電源となるフィルタコンデンサとをほぼ直線状に並べて配置し、前記半導体スタックには、電力変換装置筐体への装着方向の奥側に直流電源との主回路接続部を設け、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの並びに沿って積層導体を配置し、前記積層導体に対して前記フィルタコンデンサの端子を電気接続したことを特徴とするものである。
【００２１】
請求項２の発明は、直流電源となるフィルタコンデンサと、このフィルタコンデンサの電力をスイッチングによって交流電力に変換する半導体素子とで構成される電力変換回路を複数群有し、冷却液を循環させることによって前記半導体素子とフィルタコンデンサを冷却する液冷式電力変換装置であって、前記半導体素子がそのスイッチングによる熱損失を伝達するように取り付けられ、内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、前記冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と熱交換器とに配管接続され、前記冷却液を循環させるポンプとを備え、前記冷却体に半導体素子を取付けた組体の複数個を相毎あるいはアーム毎にユニット化して半導体スタックとし、前記半導体スタックと当該半導体スタックに含まれる半導体素子の直流電源となるフィルタコンデンサとを電力変換回路群毎にほぼ直線状に並べて配置し、前記半導体スタックには、電力変換装置筐体への装着方向の奥側に直流電源との主回路接続部を設け、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの並びに沿って積層導体を配置し、前記積層導体に対して前記フィルタコンデンサの端子を電気接続したことを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１及び２の発明の液冷式電力変換装置では、半導体素子の冷却方式を冷媒をポンプにより循環させ熱輸送する液冷式とすることで、半導体スタックに収納される冷却用品は熱損失を受熱する冷却体側のみとなり、大気へ熱損失を排熱する放熱部側となる熱交換器は半導体スタックとは離れた位置に設置可能となる。また、熱交換器部分が半導体スタックと配置的に切り離されたことで、フィルタコンデンサと半導体スタック間の配線を優先させた配置が可能となる。さらに、半導体スタックの装置筐体への装着方向奥側には強制風冷式の場合に必要であった放熱部が存在しないので、この部分全域をフィルタコンデンサとの電気接続に使え、低インダクタンス実装が実現できる。この効用は、半導体スタックの数が多い複数群の電力変換回路を有する装置では顕著である。
【００２３】
請求項３の発明は、それぞれがスイッチング半導体群で構成されるコンバータ回路とインバータ回路、そしてインバータ回路の直流電源となるフィルタコンデンサとを有し、冷却液を循環させることによって前記半導体素子とフィルタコンデンサを冷却する液冷式電力変換装置であって、前記半導体素子がそのスイッチングによる熱損失を伝達するように取り付けられ、内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、前記冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と熱交換器とに配管接続され、前記冷却液を循環させるポンプとを備え、前記冷却体に半導体素子を取付けた組体の複数個を相毎あるいはアーム毎にユニット化して半導体スタックとし、前記半導体スタックと当該半導体スタックに含まれる半導体素子の直流電源となるフィルタコンデンサとをほぼ直線状で、かつ前記コンバータ回路を構成する半導体スタック群とインバータ回路を構成する半導体スタック群との間にフィルタコンデンサが位置するように配置し、前記半導体スタックには、電力変換装置筐体への装着方向の奥側に直流電源との主回路接続部を設け、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの並びに沿って積層導体を配置し、前記積層導体に対して前記フィルタコンデンサの端子を電気接続したことを特徴とするものである。
【００２４】
請求項４の発明は、それぞれがスイッチング半導体群で構成されるコンバータ回路とインバータ回路、そしてインバータ回路の直流電源となるフィルタコンデンサとで構成される電力変換回路を複数群有し、冷却液を循環させることによって前記半導体素子とフィルタコンデンサを冷却する液冷式電力変換装置であって、前記半導体素子がそのスイッチングによる熱損失を伝達するように取り付けられ、内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、前記冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と熱交換器とに配管接続され、前記冷却液を循環させるポンプとを備え、前記冷却体に半導体素子を取付けた組体の複数個を相毎あるいはアーム毎にユニット化して半導体スタックとし、前記半導体スタックと当該半導体スタックに含まれる半導体素子の直流電源となるフィルタコンデンサとを電力変換回路群毎にほぼ直線状で、かつ前記コンバータ回路を構成する半導体スタック群とインバータ回路を構成する半導体スタック群との間にフィルタコンデンサが位置するように配置し、前記半導体スタックには、電力変換装置筐体への装着方向の奥側に直流電源との主回路接続部を設け、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの並びに沿って積層導体を配置し、前記積層導体に対して前記フィルタコンデンサの端子を電気接続したことを特徴とするものである。
【００２５】
請求項３及び４の発明の液冷式電力変換装置では、半導体素子の冷却方式を冷媒をポンプにより循環させ熱輸送する液冷式とすることで、強制風冷式の場合に必要であった冷却風洞にからむ配置の制約が無くなり、コンバータ回路の半導体スタックとインバータ回路の半導体スタックとを装置内で分離して配置することができ、コンバータ回路用半導体スタック、フィルタコンデンサ、インバータ回路用半導体スタックを電気回路図通りの物理的配置にすることで、その間の電気接続が電流の流れ通りに、積層導体で構成することが可能になる。
【００２６】
そしてこの効用は、複数群の電力変換回路を含む装置では顕著であり、それぞれの群の中の積層導体による電気接続が入り組んで干渉し合う恐れもなく、構成が簡単で、かつ導体面積が充分に確保でき、積層導体部分での低インダクタンス化が容易に実現できる。
【００２７】
請求項５の発明は、請求項１〜４の液冷式電力変換装置において、前記装置筐体内を収納部品群毎に複数の部屋に区分し、上部側の部屋に複数個の半導体スタックとフィルタコンデンサとをほぼ直線状に配置したことを特徴とするものである。
【００２８】
請求項５の発明の液冷式電力変換装置では、半導体スタックから放熱部が分離されたことで、半導体スタックの小形、軽量化が実現できており、ユニットとしての取り扱い性が向上している。加えて冷却風洞への放熱部収納という制約もないので、半導体スタックの装置内の配置は制約が少なくなる。
【００２９】
電力変換装置は装置運転時の各電気部品の発熱、導体類の発熱により装置内密閉室の温度が上昇する。一般に装置内の上部ほど温度上昇値が大きくなる傾向にあり、許容温度の低い電気部品群は装置の下方側へ設置することが温度上昇の観点からは望ましい。
【００３０】
ところが強制風冷式の装置では、半導体スタックをその取り扱いの困難さ、冷却風洞との関係から装置下方側から配置していくことを優先せざるを得なかったが、液冷式の装置では、例えば、許容温度の比較的低い電子部品等を半導体スタックよりも下方側となる温度上昇の比較的小さな部屋へ収納することが可能である。
【００３１】
請求項６の発明は、請求項１〜５の液冷式電力変換装置において、前記フィルタコンデンサと積層導体とを電気接続している部分を前記半導体スタックの装置筐体への装着方向の手前側に位置させ、前記積層導体の装置筐体の手前側の部分を分割構成にして、締結手段により着脱可能な状態で固定したことを特徴とするものである。
【００３２】
半導体スタックの装着方向手前側のみが装置の点検面であるような電力変換装置に対して、フィルタコンデンサの交換が必要になった場合、半導体スタックとの装着と同一方向への引き出しが可能でなければならないが、請求項６の発明の液冷式電力変換装置では、その際に、一般的なコンデンサ端子は締結手段によって着脱可能な状態で止めているので、積層導体による低インダクタンス配線を実現し、なおかつフィルタコンデンサの取り外しも容易となる。
【００３３】
請求項７の発明は、請求項１〜５の液冷式電力変換装置において、前記半導体スタックと装置筐体奥側に設置された直流電源接続のための主回路配線部との電気接続は、装置筐体の奥側に大電流コネクタを設け、前記半導体スタックの装置筐体へ手前側からの装着により嵌合することで接続する構造にしたことを特徴とするものであり、半導体スタックの装着、取り外しが容易で、接続部の低インダクタンス化も実現できる。
【００３４】
請求項８の発明は、請求項１〜５の液冷式電力変換装置において、前記装置筐体の相対する２側面を装置点検面とし、当該装置筐体へ前記半導体スタックの装着を行う側の第１の装置点検面に対し反対側となる第２の装置点検面側に、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの接続のための前記積層導体を設置し、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとを同じ方向に装着し、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの双方とも前記積層導体に対して締結手段により電気接続したことを特徴とするものである。
【００３５】
請求項８の発明の液冷式電力変換装置では、半導体スタックの装着方向の手前側、奥側の双方が装置の点検面であるので、半導体スタック、フィルタコンデンサとも、装着方向の奥側でそれぞれの積層導体との電気接続を行うことができる。また、積層導体は途中で屈曲部を設けることなく全体を平板状で構成でき、より低インダクタンスであり、また、半導体スタックらの装着方向奥側の点検面から電気接続を解除、締結することができ、最も低コストのネジのような締結手段が採用可能である。
【００３６】
請求項９の発明は、請求項１〜５の液冷式電力変換装置において、前記装置筐体の装置手前側の１側面を装置点検面とし、前記装置筐体の奥側に、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの接続のための前記積層導体を設置し、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとを同じ方向で装着し、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの双方とも前記積層導体に対して大電流コネクタにより電気接続したことを特徴とするものであり、片面だけが装置点検面である場合、半導体スタック、フィルタコンデンサの双方とも装着方向奥側に大電流コネクタを使用することにより、装着方向手前側からのアクセスだけで装着、取り外しが可能であり、積層導体も奥側で全体を平板状に構成でき、より低インダクタンス化が実現できる。
【００３７】
請求項１０の発明は、請求項１〜９の液冷式電力変換装置において、前記半導体スタックの挿入方向の奥側における前記装置筐体側の積層導体の背面に、相コンデンサを各相単位で接続したことを特徴とするものであり、半導体素子の遮断特性がより向上し、また、他相のスイッチングの影響を受けにくい半導体スタックとなる。
【００３８】
請求項１１の発明は、請求項１〜５の液冷式電力変換装置において、前記積層導体の直流電源正極側と直流電源負極側となる導体部分を、前記半導体スタック側では各相毎に分離してフィルタコンデンサ側に並走する構造にしたことを特徴とするものであり、各相間の直流電源側配線にインダクタンスをもたせることで、他相のスイッチングの影響を受けにくくできる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００４０】
（第１の実施の形態）
（構成）本発明の第１の実施の形態を図１〜図３を用いて説明する。図１は第１の実施の形態が適用される回路図で、交流架線より受電を行う電気機関車の交流電動機駆動システム回路図である。コンバータ回路とインバータ回路とが対になった電力変換回路が２群で構成されているが、それを１個の装置筐体に収納したものである。
【００４１】
パンタグラフ７より集電した交流電源は主変圧器８の１次巻線に入力され、２次巻線からの出力がコンバータ回路９により直流に変換され、それが再びインバータ回路１０により交流に変換され鉄道車両駆動用の交流電動機１１を駆動する。コンバータ回路９とインバータ回路１０の間にはこれら変換回路の直流電源となるフィルタコンデンサ６がある。これらが２群、１個の装置筐体内に収納されたシステムである。
【００４２】
図２は第１の実施の形態の液冷式電力変換装置の正面図である（ただし、内部の機器配置を示すため、正面カバーを取り外した状態を示している）。図３は図２におけるＢ−Ｂ線断面図を示している。
【００４３】
装置筐体１ａ内に図１の回路図で示した電気部品が収納されるが、半導体スタック３ａはコンバータ回路９、インバータ回路１０とも相毎にユニット化されており、したがってコンバータ用の半導体スタック３ａが１群あたり２個、インバータ用の半導体スタック３ａが１群あたり３個で構成されている。
【００４４】
１個の半導体スタック３ａはコンバータ用、インバータ用の何れも、上下アーム２個の半導体素子１２が内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体１３に取り付けられている。コンバータ用の２個の半導体スタック３ａとインバータ用の３個の半導体スタック３ａの間には複数個のフィルタコンデンサ６が設置され、これらがほぼ直線状に水平に配置されている。
【００４５】
１群分の半導体スタック３ａとフィルタコンデンサ６とは以上のように配置されるが、これが２段、装置筐体１ａ内上部側に設置されている。これらの下方には主に電子部品より成る制御ユニット１４、他の電気部品群１５が収納されている。
【００４６】
冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器１６は、装置筐体１ａと隣り合って設置される冷却装置１７に収納され、一緒に収納されている電動送風機５ａがこの熱交換器１６に向かって強制通風を行う。
【００４７】
装置筐体１ａ内の下方側に設置された冷却液を循環させるポンプ１８と半導体スタック３ａ内の冷却体１３、冷却装置１７に収納されている熱交換器１６との間は、配管によりループを成して接続されている。つまりポンプ１８から冷却体１３へ、冷却体１３から熱交換器１６へ、熱交換器１６からポンプ１８へと配管接続されることで、冷却液の循環系が成立している。尚、複数個ある冷却体１３への配管接続は循環系母管から並列に敷設されている。
【００４８】
ここで、本実施の形態では、熱交換器１６を装置筐体１ａとは別個の冷却装置１７に収納しているが、収納区分、配置には自由度があり、装置筐体１ａ内に半導体スタック３ａ、ポンプ１８と共に収納することも可能である。
【００４９】
半導体スタック３ａは図２において紙面の手前側から（図３においては下側から）装着を行う。図３に示しているように、その装着方向の奥側には直流電源正極と直流電源負極の電気接続を行う大電流コネクタ１９が設けられていて、装置筐体１ａに設置された積層導体２０と電気接続されている。この電気接続は、積層導体２０に接続されたブレード状導体２１を半導体スタック３ａ側の大電流コネクタ１９と嵌合することにより行っている。
【００５０】
また、フィルタコンデンサ６の積層導体２０との電気接続部は装置の手前側であり、フィルタコンデンサ６にはネジ端子が設けられており、積層導体２０とボルト締結により電気接続される。
【００５１】
積層導体２０は半導体スタック３ａと接続される範囲は装置の奥側にあり、フィルタコンデンサ６と接続される範囲は装置の手前側となるよう、図３に示すようにクランク状に屈曲した形状をしており、フィルタコンデンサ６の手前側の部分は部分的に積層導体２０が取り外せるようネジ接続による分割構造となっている。
【００５２】
（作用）本実施の形態の液冷式電力変換装置運転時、半導体素子１２より発生する熱損失は冷却体１３へと伝熱されるが、ポンプ１８により冷却体１３内部は冷却液が強制的に循環されており、この冷却液に伝熱されて熱輸送が行われる。冷却装置１７に収納された熱交換器１６側では前記熱損失が大気へ排出されるが、電動送風機５ａによる送風により熱交換器１６は効率良く放熱を行う。
【００５３】
また、半導体スタック３ａとフィルタコンデンサ６の配置は、コンバータ用の半導体スタック３ａ、フィルタコンデンサ６、インバータ用の半導体スタック３ａと電気回路図通りに直線状に配置されており、なおかつ他の群と配置的に切り分けられた配置のため、その間の配線が相互に干渉することが無い。つまり、積層導体２０は半導体スタック３ａとフィルタコンデンサ６の間を充分な面積を確保して最短経路で接続でき低インダクタンスの積層導体２０が実現できる。
【００５４】
半導体スタック３ａの奥側に放熱部が無いことからも、この部分が全て電気接続部として使え接続部でのインダクタンスも最小限に抑えることが可能である。
【００５５】
フィルタコンデンサ６が半導体スタック３ａ内の半導体素子１２と低インダクタンスで接続されるため、半導体素子１２の電流遮断時に素子両端にかかるサージ電圧を抑えることができ良好なスイッチング特性を得る。
【００５６】
フィルタコンデンサ６の装置筐体１ａからの取り外しの際は、積層導体２０の装置手前側の分割された部分を取り外すことで、半導体スタック３ａと同様に引き出せる。
【００５７】
（効果）本実施の形態によれば、熱交換器部分が半導体スタックと配置的に切り離されたことで、フィルタコンデンサと半導体スタック間の配線を優先させた配置が可能である。また、半導体スタックの装置筐体への装着方向奥側には放熱部が無くなっているので、この部分全域をフィルタコンデンサとの電気接続に使え、さらに低インダクタンス実装が実現でき、半導体素子の良好なスイッチング特性が得られ、半導体素子周辺のスナバ用品が不要になったり部品点数の削減も図れ、信頼性を向上させることができる。加えて、半導体スタックの小形、軽量化が可能であり、取り扱い性に優れ、小形、軽量な電力変換装置を提供できる。
【００５８】
さらに、制御ユニットのような比較的許容温度の低いユニットを装置筐体の下部側へ配置することで、周囲温度の低い環境での使用が可能になり、長寿命で信頼性も高められる。
【００５９】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態の液冷式電力変換装置を図４に示してある。図４は、第１の実施の形態での図３に相当する断面図であり、本実施の形態の電力変換装置の半導体スタック、フィルタコンデンサの装着状況を示している。
【００６０】
本実施の形態の液冷式電力変換装置は、車両の機器室の中央に設置され、相対する２面が点検面となる場合に適用される。装置筐体１ｂへ半導体スタック３ａの装着を行う側の装置点検面に対し反対側となる点検面側に、積層導体２０ａが設置され、フィルタコンデンサ６と半導体スタック３ａの双方とも積層導体２０ａとはボルト等の締結手段により電気接続されている。
【００６１】
半導体スタックの装着方向の手前側、奥側の双方が装置の点検面である場合は、半導体スタック３ａ、フィルタコンデンサ６とも、装着方向の奥側でそれぞれ積層導体２０ａとの電気接続を行うのが有利である。
【００６２】
積層導体２０ａは途中で屈曲部を設けることなく全体を平板状で構成でき、より低インダクタンスであり、また、半導体スタック３ａらの装着方向奥側の点検面から電気接続を解除、締結することができるので、最も低コストのネジ締結が採用可能である。
【００６３】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態の液冷式電力変換装置を図５に示してある。図５は、第１の実施の形態での図３に相当する断面図であり、半導体スタック、フィルタコンデンサの装着状況を示している。
【００６４】
本実施の形態の液冷式電力変換装置は、第１の実施の形態と同様に電力変換装置の点検面は１面（図５において下側の面）のみで、この点検面から半導体スタック３ａを装着することになる。この点検面と反対側の装置筐体１ｃの奥側に、積層導体２０ａが設置され、フィルタコンデンサ６も半導体スタック３ａと同じ方向で装着され、半導体スタック３ａ、フィルタコンデンサ６の双方とも積層導体２０ａとは大電流コネクタ１９により電気接続されている。
【００６５】
本実施の形態の場合、何れのユニットも装着方向手前側からのアクセスだけで装着、取り外しが可能であり、積層導体２０ａも奥側で全体を平板状に構成でき、より低インダクタンス化が実現できる。
【００６６】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態の液冷式電力変換装置を図６に示してある。図６は、第１の実施の形態での図３に相当する断面図であり、半導体スタック、フィルタコンデンサの装着状況を示している。
【００６７】
本実施の形態の液冷式電力変換装置では、半導体スタック３ａの挿入方向奥側の装置筐体側の積層導体２０の背面に相コンデンサ２２を各相単位で接続しており、半導体素子の遮断特性をより向上することができ、また、他相のスイッチングの影響を受けにくい半導体スタックが実現できる。
【００６８】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態の液冷式電力変換装置を図７に示してある。図７は、第１の実施の形態での図３に相当する断面図であり、半導体スタック、フィルタコンデンサの装着状況を示している。
【００６９】
本実施の形態の液冷式電力変換装置は、積層導体２０ｂの直流電源正極側と直流電源負極側となる導体部分が、半導体スタック３ａ側では各相毎に分離してフィルタコンデンサ６側へ並走する構成としたものである。
【００７０】
本実施の形態の場合、各相間の直流電源側配線にインダクタンスをもたせることで、他相のスイッチングの影響を受けにくくする効果がある。
【００７１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱交換器部分を半導体スタックと配置的に切り離すことが可能になるという液冷式の特徴点を活かし、フィルタコンデンサと半導体スタック間の配線を優先させた配置とし、半導体スタック奥側を有効に電気接続に使うことで、大幅な低インダクタンス実装が実現でき、半導体素子の良好なスイッチング特性が得られる。また、この結果として、半導体素子周辺のスナバ用品が不要になって部品点数の削減も図れ、信頼性の向上が可能になる。加えて、半導体スタックの小形、軽量化が実現でき、取り扱い性に優れ、小形、軽量な電力変換装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の液冷式電力変換装置が適用された、交流架線より受電を行う電気機関車の交流電動機駆動システムの回路図。
【図２】上記の第１の実施の形態の液冷式電力変換装置の正面図。
【図３】図２におけるＢ−Ｂ線断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の液冷式電力変換装置における半導体スタック、フィルタコンデンサの装着部断面図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の液冷式電力変換装置における半導体スタック、フィルタコンデンサの装着部断面図。
【図６】本発明の第４の実施の形態の液冷式電力変換装置における半導体スタック、フィルタコンデンサの装着部断面図。
【図７】本発明の第５の実施の形態の液冷式電力変換装置における半導体スタック、フィルタコンデンサの装着部断面図。
【図８】提案されている強制風冷式電力変換装置の正面図。
【図９】図８におけるＡ−Ａ線断面図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ 装置筐体
３ａ 半導体スタック
５ａ 電動送風機
６ フィルタコンデンサ
７ パンタグラフ
８ 主変圧器
９ コンバータ回路
１０ インバータ回路
１１ 交流電動機
１２ 半導体素子
１３ 冷却体
１４ 制御ユニット
１５ 他の電気部品群
１６ 熱交換器
１７ 冷却装置
１８ ポンプ
１９ 大電流コネクタ
２０，２０ａ 積層導体
２１ ブレード状導体
２２ 相コンデンサ
Claims (11)
- 冷却液を循環させることによって半導体素子とフィルタコンデンサを冷却する液冷式電力変換装置であって、
前記半導体素子がそのスイッチングによる熱損失を伝達するように取り付けられ、内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、前記冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と熱交換器とに配管接続され、前記冷却液を循環させるポンプとを備え、
前記冷却体に半導体素子を取付けた組体の複数個を相毎あるいはアーム毎にユニット化して半導体スタックとし、
前記半導体スタックと当該半導体スタックに含まれる半導体素子の直流電源となるフィルタコンデンサとをほぼ直線状に並べて配置し、
前記半導体スタックには、電力変換装置筐体への装着方向の奥側に直流電源との主回路接続部を設け、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの並びに沿って積層導体を配置し、
前記積層導体に対して前記フィルタコンデンサの端子を電気接続したことを特徴とする液冷式電力変換装置。 - 直流電源となるフィルタコンデンサと、このフィルタコンデンサの電力をスイッチングによって交流電力に変換する半導体素子とで構成される電力変換回路を複数群有し、冷却液を循環させることによって前記半導体素子とフィルタコンデンサを冷却する液冷式電力変換装置であって、
前記半導体素子がそのスイッチングによる熱損失を伝達するように取り付けられ、内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、前記冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と熱交換器とに配管接続され、前記冷却液を循環させるポンプとを備え、
前記冷却体に半導体素子を取付けた組体の複数個を相毎あるいはアーム毎にユニット化して半導体スタックとし、
前記半導体スタックと当該半導体スタックに含まれる半導体素子の直流電源となるフィルタコンデンサとを電力変換回路群毎にほぼ直線状に並べて配置し、
前記半導体スタックには、電力変換装置筐体への装着方向の奥側に直流電源との主回路接続部を設け、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの並びに沿って積層導体を配置し、
前記積層導体に対して前記フィルタコンデンサの端子を電気接続したことを特徴とする液冷式電力変換装置。 - それぞれがスイッチング半導体群で構成されるコンバータ回路とインバータ回路、そしてインバータ回路の直流電源となるフィルタコンデンサとを有し、冷却液を循環させることによって前記半導体素子とフィルタコンデンサを冷却する液冷式電力変換装置であって、
前記半導体素子がそのスイッチングによる熱損失を伝達するように取り付けられ、内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、前記冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と熱交換器とに配管接続され、前記冷却液を循環させるポンプとを備え、
前記冷却体に半導体素子を取付けた組体の複数個を相毎あるいはアーム毎にユニット化して半導体スタックとし、
前記半導体スタックと当該半導体スタックに含まれる半導体素子の直流電源となるフィルタコンデンサとをほぼ直線状で、かつ前記コンバータ回路を構成する半導体スタック群とインバータ回路を構成する半導体スタック群との間にフィルタコンデンサが位置するように配置し、
前記半導体スタックには、電力変換装置筐体への装着方向の奥側に直流電源との主回路接続部を設け、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの並びに沿って積層導体を配置し、
前記積層導体に対して前記フィルタコンデンサの端子を電気接続したことを特徴とする液冷式電力変換装置。 - それぞれがスイッチング半導体群で構成されるコンバータ回路とインバータ回路、そしてインバータ回路の直流電源となるフィルタコンデンサとで構成される電力変換回路を複数群有し、冷却液を循環させることによって前記半導体素子とフィルタコンデンサを冷却する液冷式電力変換装置であって、
前記半導体素子がそのスイッチングによる熱損失を伝達するように取り付けられ、内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、前記冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と熱交換器とに配管接続され、前記冷却液を循環させるポンプとを備え、
前記冷却体に半導体素子を取付けた組体の複数個を相毎あるいはアーム毎にユニット化して半導体スタックとし、
前記半導体スタックと当該半導体スタックに含まれる半導体素子の直流電源となるフィルタコンデンサとを電力変換回路群毎にほぼ直線状で、かつ前記コンバータ回路を構成する半導体スタック群とインバータ回路を構成する半導体スタック群との間にフィルタコンデンサが位置するように配置し、
前記半導体スタックには、電力変換装置筐体への装着方向の奥側に直流電源との主回路接続部を設け、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの並びに沿って積層導体を配置し、
前記積層導体に対して前記フィルタコンデンサの端子を電気接続したことを特徴とする液冷式電力変換装置。 - 前記装置筐体内を収納部品群毎に複数の部屋に区分し、上部側の部屋に複数個の半導体スタックとフィルタコンデンサとをほぼ直線状に配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の液冷式電力変換装置。
- 前記フィルタコンデンサと積層導体とを電気接続している部分を前記半導体スタックの装置筐体への装着方向の手前側に位置させ、
前記積層導体の装置筐体の手前側の部分を分割構成にして、締結手段により着脱可能な状態で固定したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液冷式電力変換装置。 - 前記半導体スタックと装置筐体奥側に設置された直流電源接続のための主回路配線部との電気接続は、装置筐体の奥側に大電流コネクタを設け、前記半導体スタックの装置筐体へ手前側からの装着により嵌合することで接続する構造にしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液冷式電力変換装置。
- 前記装置筐体の相対する２側面を装置点検面とし、
当該装置筐体へ前記半導体スタックの装着を行う側の第１の装置点検面に対し反対側となる第２の装置点検面側に、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの接続のための前記積層導体を設置し、
前記半導体スタックとフィルタコンデンサとを同じ方向に装着し、
前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの双方とも前記積層導体に対して締結手段により電気接続したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液冷式電力変換装置。 - 前記装置筐体の装置手前側の１側面を装置点検面とし、
前記装置筐体の奥側に、前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの接続のための前記積層導体を設置し、
前記半導体スタックとフィルタコンデンサとを同じ方向で装着し、
前記半導体スタックとフィルタコンデンサとの双方とも前記積層導体に対して大電流コネクタにより電気接続したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液冷式電力変換装置。 - 前記半導体スタックの挿入方向の奥側における前記装置筐体側の積層導体の背面に、相コンデンサを各相単位で接続したことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の液冷式電力変換装置。
- 前記積層導体の直流電源正極側と直流電源負極側となる導体部分を、前記半導体スタック側では各相毎に分離してフィルタコンデンサ側に並走する構造にしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液冷式電力変換装置。
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