JP2008005698A - Semiconductor power converter for electric railroad - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気鉄道に電力を供給もしくは回生するために地上に設置される変電設備の半導体電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor power conversion device for substation equipment installed on the ground to supply or regenerate electric power to an electric railway.
電気鉄道に電力を供給もしくは回生するため、図5または図6に示すような電力変換回路が用いられている。図5に示す電力変換回路では、交流電力をダイオード11による整流回路で直流電力に変換し、電気鉄道のき電線13を介して電気鉄道車両14に電力を供給する。また、図6に示す電力変換回路では、電気鉄道車両14の減速などに伴う回生電力を、電気鉄道のき電線13から吸収し、サイリスタ12などの可制御半導体デバイスを用いて交流回路へ電力を回生する。これらの電力変換回路では電力変換を行う際に電力半導体デバイス(以下、半導体デバイスと略す。)自体に熱損失が発生するため、半導体デバイスが熱で破損しないように冷却する必要がある。
In order to supply or regenerate electric power to an electric railway, a power conversion circuit as shown in FIG. 5 or 6 is used. In the power conversion circuit shown in FIG. 5, AC power is converted into DC power by a rectifier circuit using a
沸騰冷却方法で半導体デバイスを冷却することが従来技術として広く用いられていた。図7に沸騰冷却式の鉄道用半導体電力変換装置を示す。図7で、符号1は半導体デバイス、9は半導体デバイス1の電気を通電するブスとしての役割を果すとともに発熱を冷却液21に伝熱させる受熱ブロック、5は半導体デバイス1および受熱ブロック9を電気的に絶縁する絶縁板である。
Cooling a semiconductor device by a boiling cooling method has been widely used as a prior art. FIG. 7 shows a boiling cooling type semiconductor power conversion device for railways. In FIG. 7,
実際の電力変換装置では、複数個の半導体デバイス1を使用するが、図7には1つの半導体デバイス1のみを示す。図7に示すように、これらは全て、冷却液21を満たしたタンク22に入っている。半導体デバイス1の熱損失がある程度以上になると、冷却液21が受熱ブロック9の箇所で沸騰,気化し、気化した冷却液21の蒸気が、タンク22の上部に配置したスリーブ23を通って凝縮部24で放熱して液化し、再びタンク22へ戻り、再度受熱ブロック9から熱を受け取り気化する。特許文献1と、特許文献2には図7に類似した沸騰冷却式が記載されている。
In an actual power converter, a plurality of
別の従来技術として、ヒートパイプ冷却の半導体電力変換装置がある。図9にヒートパイプの原理を示す。図9の符号2は、半導体デバイスが発生する熱をヒートパイプ35に伝える受熱ブロックである。ヒートパイプ35の内部には入っている冷却液32が、受熱ブロック2の熱により沸騰もしくは気化して、ヒートパイプ35の上部へ熱を輸送する。ヒートパイプ35の上部には放熱フィン4が付いており、気化した冷却液32は熱を放熱フィン4へ与えて液化する。特許文献3にはヒートパイプを用いた半導体冷却装置が記載されている。
As another prior art, there is a semiconductor power conversion device of heat pipe cooling. FIG. 9 shows the principle of the heat pipe.
前記従来技術の沸騰冷却では、冷却液21が凍結するような温度まで周囲温度が低下した場合、凝縮部24へ来た冷却液21が凍結し、タンク22へ戻らないために半導体デバイス1の冷却ができなくなる。これを回避するために、一般に凝固点が低いフロン液を冷却液21に用いているが、フロン液は、温室効果ガスとして地球温暖化係数が高い物質であるので、できれば使用を避けたい。温室効果の全くない水を冷却液に使う場合には、周囲温度が氷点下となったときの凍結を防止するために加熱ヒータを設ける必要があり、氷点下ではヒータによる電力消費が不可避になる。
In the boiling cooling of the prior art, when the ambient temperature is lowered to a temperature at which the
前記別の従来技術では、ヒートパイプ35内部の冷却液32に水を用いているが、沸騰冷却方法と同様に放熱フィン4が冷却液32の凝固点以下の低温に曝されると、冷却液32がヒートパイプ35の上部で凍結し、固体となった冷却液32は、ヒートパイプ35の下部へ戻ることがないため、ヒートパイプ35下部の冷却液32は徐々に減って、継続的に半導体デバイス1を冷却できない問題がある。
In the other prior art, water is used for the
本発明の目的は、周囲温度が冷却液を凝固させるような低温であっても、半導体デバイスを冷却できるようにした電気鉄道用半導体電力変換装置の提供であり、特に、周囲温度がヒートパイプの冷却液を凝固させるような低温であっても、半導体デバイスを冷却できるようにした電気鉄道用半導体電力変換装置の提供である。 An object of the present invention is to provide a semiconductor power converter for electric railway that can cool a semiconductor device even if the ambient temperature is a low temperature that solidifies the coolant, and in particular, the ambient temperature is a heat pipe. An object of the present invention is to provide a semiconductor power converter for electric railway that can cool a semiconductor device even at a low temperature that solidifies the coolant.
本発明の電気鉄道用半導体電力変換装置は、半導体デバイスを冷却するために、冷却液が純水である可変コンダクタンスヒートパイプ(Valuable Conductance Heat Pipe :VCHPと以下略記する。)を用いる。半導体デバイスは、受熱ブロックに接触していて、この受熱ブロックの熱が、VCHPにより放熱フィンへ伝熱され、放熱フィンから周囲の空気に熱が逃げる。 The semiconductor power converter for electric railway of the present invention uses a variable conductance heat pipe (hereinafter abbreviated as VCHP) whose coolant is pure water in order to cool the semiconductor device. The semiconductor device is in contact with the heat receiving block, and the heat of the heat receiving block is transferred to the heat radiating fin by the VCHP, and the heat escapes from the heat radiating fin to the surrounding air.
本発明の電気鉄道用半導体電力変換装置は、半導体デバイスの両側もしくは片側には、導電性のブスを接続し、この導電性のブスと、受熱ブロックとの間には絶縁板を挿入する。この絶縁板は、半導体デバイスおよび導電性ブスと、受熱ブロックおよびVCHPおよび放熱フィンを電気的に絶縁するとともに、半導体デバイスの熱を受熱ブロックに伝熱するので、VCHPおよび放熱フィンを大地電位として、受電部が電力変換装置の装置外部にでないようにできる。 In the semiconductor power converter for electric railway of the present invention, conductive busses are connected to both sides or one side of the semiconductor device, and an insulating plate is inserted between the conductive busses and the heat receiving block. This insulating plate electrically insulates the semiconductor device and the conductive bus from the heat receiving block, VCHP and the heat radiating fin, and also transfers the heat of the semiconductor device to the heat receiving block, so that the VCHP and the heat radiating fin are set to the ground potential. It is possible to prevent the power receiving unit from being outside the power converter.
また、本発明の電気鉄道用半導体電力変換装置は、半導体デバイスの少なくとも片側にVCHPを用いた。反対側にはVCHPに比べて製作しやすく、安価な通常のヒートパイプを用いてもよい。周囲環境が低温で通常のヒートパイプでは冷却液が凍結して冷却性能が著しく低下しても、半導体デバイスはVCHPを用いた片面で冷却でき、周囲環境が高温となった場合は、通常のヒートパイプも機能するため、半導体デバイスはVCHPを用いた片側および通常のヒートパイプを用いた片側の両方から冷却できる。 Moreover, the semiconductor power converter for electric railway of the present invention uses VCHP on at least one side of the semiconductor device. On the opposite side, an inexpensive normal heat pipe may be used that is easier to manufacture than VCHP. Even if the ambient temperature is low and the normal heat pipe freezes and the cooling performance is significantly reduced, the semiconductor device can be cooled on one side using VCHP. Since the pipe also functions, the semiconductor device can be cooled from both one side using VCHP and one side using a normal heat pipe.
本発明によれば、ヒートパイプの冷却液の凝固点より低い外気温度であっても、半導体デバイスを冷却できるようにした電気鉄道用半導体電力変換装置が提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if it is external temperature lower than the freezing point of the cooling fluid of a heat pipe, the semiconductor power converter device for electric railways which enabled it to cool a semiconductor device can be provided.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施例1)
図1は、本実施例の説明図である。本実施例の電気鉄道用半導体電力変換回路も前記図5および図6に示す回路構成と同様であって、地上に設置されている。本実施例の電気鉄道用半導体電力変換装置は定格直流電圧が600V〜3000Vのものである。
(Example 1)
FIG. 1 is an explanatory diagram of this embodiment. The semiconductor power conversion circuit for electric railways of the present embodiment is similar to the circuit configuration shown in FIGS. 5 and 6 and is installed on the ground. The semiconductor power converter for electric railways of this example has a rated DC voltage of 600V to 3000V.
図5,図6に示す電力半導体デバイスであるダイオード11およびサイリスタ12は、電流の通流にともない電力損失が発生する。このダイオード11およびサイリスタ12を冷却するための構造を図1に示す。図1で、符号1はダイオードやサイリスタなどの半導体デバイスであり、符号2は半導体デバイス1を冷却するとともに半導体デバイス1に電気を通電するための導電性の受熱ブロックである。符号3は受熱ブロック2に差し込んである可変コンダクタンスヒートパイプ(VCHP)であり、符号4は放熱フィンである。VCHP3は、受熱ブロック2の熱を放熱フィン4へ輸送する。
The
本実施例では、半導体デバイス1はシリコンダイオード,シリコンサイリスタ,GTOなどであって、半導体デバイス1のアノード電極とカソード電極とに2つの受熱ブロック2が圧接されている。なお、図1で、それぞれのVCHP3は半導体デバイス1の接続端子を兼ねていても良い。
In this embodiment, the
本実施例のVCHP3の冷却液は水であり、非凝縮性ガスとして空気または窒素ガスが封入してあるので、装置の周囲温度が氷点下に低下し、半導体デバイス1の発熱量が少ない場合であっても、受熱ブロック2から放熱フィン4まで熱を輸送できる。なお、本実施例の電気鉄道用半導体電力変換装置では、図5および図6に示すように複数の半導体デバイス1を用いているので、それぞれの半導体デバイス1が図1に示す構造で冷却されている。
The coolant of the
図8は、本実施例で用いたVCHP3内部の説明図である。図8で、符号31はVCHP3のコンテナであり、符号32は水に代表される冷却液である。図8の符号34は空気もしくは窒素に代表される非凝縮性ガスである。冷却液32と非凝縮性ガス34は、コンテナ31に封入されている。図8の符号2はVCHP3に取り付けられた受熱ブロックである。VCHP3には複数枚数の放熱フィン4が取り付けられている。冷却液32が気化し凝縮する動きを図8の破線矢印33で示す。
FIG. 8 is an explanatory diagram of the inside of the
ダイオードなどの半導体デバイス1の発熱は、受熱ブロック2を暖めることとなる。この受熱ブロック2の熱は、VCHP3のコンテナ31を介して、冷却液32を沸騰もしくは気化させる。コンテナ31内部で気化した冷却液32は、コンテナ31上部へ移動するが、コンテナ31上部には非凝縮性ガス34が溜まっているために、気化した冷却液32は、非凝縮性ガス34の下部までしか到達できない。
The heat generated by the
非凝縮性ガス34がコンテナ31内部で溜まることができる領域は、気化した冷却液32の圧力により定まる。この気化した冷却液32の圧力は、受熱ブロック2を介して伝達された熱量と放熱フィン4から出て行く熱量とにより規定される。すなわち、受熱ブロック2から伝達される熱量が、放熱フィン4から出て行く熱量より大きいと、気化した冷却液32の圧力が高まり、非凝縮性ガス34の領域を狭めて、より多くの熱を放熱フィン4に伝えることができる。また、逆に放熱フィン4の周囲温度が低く風などを受けて放熱効果が高い場合には、気化した冷却液32の圧力を下げることになり、非凝縮性ガス34の領域を広げることとなる。
The region where the
ここで、VCHPの放熱フィン4は、非凝縮性ガス34の圧力と、受熱ブロック2の熱で気化した冷却液32の蒸気の圧力とが均衡する位置より上方に配置する。さらに、気化した冷却液32と非凝縮性ガス34との境界が、冷却液32が凍結しない温度の箇所になるように、予めコンテナ31内部に封入する冷却液32と非凝縮性ガス34の量を調整するので、冷却液32がコンテナ31の上部で凍結することを防ぐことできる。凍結しない冷却液32は、コンテナ31上部で凝結して、液体となってコンテナ31の下部へ戻り、再度受熱ブロック2から受ける熱を放熱フィン4へ運ぶことができる。
Here, the
VCHPの冷却液32を純水としたため、半導体デバイス1が発熱せず周囲環境が氷点下であるときは、受熱ブロック2側の冷却液32が凍結することがある。しかし電気鉄道用半導体電力変換装置に通電すると、半導体デバイス1の発熱に伴い凍結した冷却液32である水は解け出し、さらに気化して受熱ブロック2の熱を放熱フィン4へと輸送する。
Since the
本実施例の電気鉄道用の半導体電力変換装置では、上記VCHP3を備えているので、冷却液32に純水を用いるのにも関わらず、純水が凍結するような氷点下の低温環境、例えば−30℃の外気温であっても、ヒートパイプに凍結防止ヒータを付けずに半導体デバイス1を支障なく冷却できる。
Since the semiconductor power conversion device for electric railways of this embodiment includes the
(実施例2)
本実施例の半導体電力変換装置を図2に示す。受熱ブロック2,VCHP3および放熱フィン4を半導体デバイス1と絶縁したことが実施例1と異なる。半導体デバイス1と受熱ブロック2とを絶縁するために、絶縁板5を用いる。絶縁板5は電気的な絶縁を保ちつつ、熱伝導率が高い窒化アルミニウム(AlN)板や、アルミナ(Al2O3)板を用いた。また、半導体デバイス1に通電するために、銅あるいは銅合金製の導電性のブス6を半導体デバイス1であるダイオードやサイリスタのアノード面とカソード面とにそれぞれ圧接してある。なお、圧接する面の間には電気絶縁性のグリースなどを塗布して圧接面の熱抵抗を下げても良い。
(Example 2)
The semiconductor power conversion device of this example is shown in FIG. The difference from the first embodiment is that the
本実施例では、放熱フィン4やVCHP3が半導体デバイス1と電気的に絶縁されているので、放熱フィン4を大地電位もしくは筐体のフレーム電位とすることができ、放熱フィン4を電力変換装置筐体のフレームなどの構造材から離隔する必要がなく、小型で安全性が高い半導体電力変換装置にできる。
In this embodiment, since the radiating
(実施例3)
図3に本実施例を示す。本実施例は、半導体デバイス1の片側に図8のVCHP3を用い、他方の片側を図9の通常のヒートパイプ35を用いて冷却していることのみが前記実施例1と異なり、それ以外は実施例1同様である。
(Example 3)
FIG. 3 shows this embodiment. This example differs from Example 1 only in that the
通常のヒートパイプ35では、ヒートパイプ35の冷却液32が凍結するような低温の環境で使用すると、冷却性能が著しく低下し、半導体デバイス1の放熱に支障が出る。しかし、本実施例のように、半導体デバイス1のアノード面あるいはカソード面のいずれか一方だけをVCHP3で冷却すれば半導体デバイス1を熱的な破損から防ぐことができる。また、周囲温度が高く、冷却液32が液体になっている場合は、通常のヒートパイプ35も冷却に寄与するので、半導体デバイス1の冷却が問題なくできる。このように本実施例によれば、安価で小型の半導体電力変換装置を実現できる。
When the
(実施例4)
図4に本実施例を示す。本実施例は、半導体デバイス1の片側に図8のVCHP3を用い、半導体デバイス1の他方の片側を図9の通常のヒートパイプ35を用いて冷却していることのみが前記実施例2と異なり、それ以外は実施例2同様である。
Example 4
FIG. 4 shows this embodiment. This embodiment differs from the second embodiment only in that the
本実施例のよう、半導体デバイス1のアノード面あるいはカソード面のいずれか一方だけをVCHP3で冷却すれば半導体デバイス1を熱的な破損から防ぐことでき、また、周囲温度が高く、冷却液32が液体になっている場合には、通常のヒートパイプ35も冷却に寄与するので、半導体デバイス1の冷却が問題なくできる。このように本実施例によれば、安価で小型の半導体電力変換装置を実現できる。
If only one of the anode surface and the cathode surface of the
1…半導体デバイス、2…受熱ブロック、3…可変コンダクタンスヒートパイプ(VCHP)、4…放熱フィン、5…絶縁板、6…ブス、9…受熱ブロック、11…ダイオード、12…サイリスタ、13…き電線、14…電気鉄道車両、21,32…冷却液、22…タンク、23…スリーブ、24…凝縮部、31…コンテナ、34…非凝縮性ガス、35…ヒートパイプ。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
該電力変換装置が前記交流電力を直流電力に変換あるいは直流電力を交流電力に回生するための複数の電力半導体素子を備え、
該電力半導体素子が導電性受熱ブロック部で挟持され、
該受熱ブロック部が可変コンダクタンスヒートパイプを備えている
ことを特徴とする電気鉄道用半導体電力変換装置。 In an electric railway semiconductor power conversion device that converts AC power into electric power and converts it to DC power, or receives DC power from the electric railway and regenerates it into AC power.
The power converter comprises a plurality of power semiconductor elements for converting the AC power to DC power or regenerating DC power to AC power,
The power semiconductor element is sandwiched between conductive heat receiving block portions,
A semiconductor power conversion device for electric railway, wherein the heat receiving block portion includes a variable conductance heat pipe.
該電力変換装置が前記交流電力を直流電力に変換あるいは直流電力を交流電力に回生するための複数の電力半導体素子を備え、
該電力半導体素子が、導電性ブス部材で挟持され、
該導電性ブス部材が導電性受熱ブロック部で挟持され、
該導電性ブス部材と導電性受熱ブロック部とが電気絶縁部材によって電気絶縁されており、
該受熱ブロック部が可変コンダクタンスヒートパイプを備えている
ことを特徴とする電気鉄道用半導体電力変換装置。 In an electric railway semiconductor power conversion device that converts AC power into electric power and converts it to DC power, or receives DC power from the electric railway and regenerates it into AC power.
The power converter comprises a plurality of power semiconductor elements for converting the AC power to DC power or regenerating DC power to AC power,
The power semiconductor element is sandwiched between conductive bus members,
The conductive bus member is sandwiched between conductive heat receiving block portions,
The conductive bus member and the conductive heat receiving block are electrically insulated by an electrical insulation member,
A semiconductor power conversion device for electric railway, wherein the heat receiving block portion includes a variable conductance heat pipe.
前記、電力半導体素子を挟持する導電性受熱ブロック部の片方に可変コンダクタンスヒートパイプを備えていることを特徴とする電気鉄道用半導体電力変換装置。 In the semiconductor power converter device for electric railways according to claim 1 or 2,
A semiconductor power converter for electric railway, comprising a variable conductance heat pipe on one side of the conductive heat receiving block portion sandwiching the power semiconductor element.
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CN111092558A (en) * | 2018-10-22 | 2020-05-01 | 大众汽车有限公司 | Inverter device and motor vehicle having such an inverter device |
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KR20200045429A (en) * | 2018-10-22 | 2020-05-04 | 폭스바겐 악티엔 게젤샤프트 | Inverter device and motor vehicle with such an inverter device |
KR102276784B1 (en) * | 2018-10-22 | 2021-07-14 | 폭스바겐 악티엔게젤샤프트 | Inverter device and motor vehicle with such an inverter device |
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A02 | Decision of refusal |
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