JP2008211956A

JP2008211956A - 電源装置

Info

Publication number: JP2008211956A
Application number: JP2007049110A
Authority: JP
Inventors: Haruki Yoshikawa; 春樹吉川
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: JP5194487B2

Abstract

【課題】ヒートパイプの冷媒として純水を用いた場合においても、環境温度が負の場合における冷却性能を維持できるようにする。
【解決手段】運転制御部１６は、温度センサ１５にて検出された温度が所定値以下の場合、インバータ１１から負荷に供給される出力電力が切断された状態の暖気運転モードにて３相インバータ１１を動作させるとともに、温度センサ１５にて検出された温度が所定値を超える場合、インバータ１１から負荷に供給される出力電力が通電された状態の通常運転モードにて３相インバータ１１を動作させる。
【選択図】図１

Description

本発明は電源装置に関し、特に、ヒートパイプにて半導体素子を冷却する車両用補助電源装置に適用して好適なものである。

直流電車などの車両には、エアコン、コンプレッサ、蛍光灯などの負荷に電源を供給するために補助電源装置が搭載されている。
図１４は、従来の電源装置の概略構成を示すブロック図である。
図１４において、電源装置には、３相インバータ１０１、３相ＡＣフィルタ１０２および出力トランス１０３が設けられ、３相インバータ１０１には、スイッチング素子Ｍ２１〜Ｍ２６が設けられるとともに、３相ＡＣフィルタ１０２には、３相ＡＣリアクトルおよび３相ＡＣコンデンサが設けられている。そして、３相インバータ１０１の出力には３相ＡＣフィルタ１０２が接続され、３相ＡＣフィルタ１０２の出力には出力トランス１０３が接続されている。

そして、３相インバータ１０１に供給された直流電圧はスイッチング素子Ｍ２１〜Ｍ２６のスイッチング動作に基づいて交流電圧に変換された後、３相ＡＣフィルタ１０２および出力トランス１０３を順次介して出力電圧として供給される。
ここで、３相インバータ１０１の運転時には、スイッチング素子Ｍ２１〜Ｍ２６の損失に起因して熱が発生するため、スイッチング素子Ｍ２１〜Ｍ２６を冷却体に取り付けることで、スイッチング素子Ｍ２１〜Ｍ２６の温度が許容値以上にならないようにされている。そして、車両用補助電源装置では、メンテナンスを簡単化するために、自然冷却方式が採用されるのが一般的である。

図１５（ａ）は、図１４の電源装置に用いられるインバータの概略構成を示す正面図、図１５（ｂ）は、図１４の電源装置に用いられるインバータの概略構成を示す側面図である。
図１５において、冷却体ベース２０１には、スイッチング素子２０２が取り付けられ、スイッチング素子２０２の搭載面と反対側には、ヒートパイプ２０４および冷却フィン２０５が設けられている。なお、ヒートパイプ２０４の冷媒としては、冷却性能や環境への影響を考慮して、純水が使用されることが多い。

そして、スイッチング素子２０２から発生した熱は冷却体ベース２０１を介してヒートパイプ２０４に伝熱されながら、冷却フィン２０５を介して外部に放熱される。
また、例えば、特許文献１には、冷媒の凝固点以下の環境下で所定の冷却性能が得られるようにするために、発熱体が取付けられる受熱部材と複数のヒートパイプを備えたヒートパイプ式冷却装置及び電力変換装置において、長短のヒートパイプを有し、冷媒の凝固点以下の温度で短いヒートパイプに受熱部材からの熱を伝える熱伝導体を設ける方法が開示されている。
ＷＯ００／５７４７１号公報

しかしながら、従来の冷却体では、ヒートパイプの冷媒として純水を用いると、環境温度が負の場合には冷媒が凍結することから、冷却性能が低下し、既定の冷却特性が得られなくなるという問題があった。
図１６は、環境温度が正の場合における冷却体の温度上昇の様子を示す図、図１７は、環境温度が負の場合における冷却体の温度上昇の様子を示す図である。
図１６において、冷却体として図１４の構成を用いた場合、環境温度が正の場合では、図１３の３相インバータ１０３の運転時には、冷却体の温度が徐々に上昇する。

一方、図１７において、環境温度が負の場合では、ヒートパイプ２０４の冷媒が凍結し、ヒートパイプ２０４による熱伝導ができなくなるために、冷却体の温度が一旦急速に上昇する。そして、冷却体の温度上昇に伴って、ヒートパイプ２０４内の冷媒が徐々に液化すると、本来の冷却性能に戻るようになってくる。
そして、冷却体が既定の冷却特性を示さなくなると、冷却体に取り付けられたスイッチング素子２０２の温度が許容値以上となり、スイッチング素子２０２の破壊を引き起こすようになる。

一方、環境温度が負の場合における冷却体の温度上昇を防止するために、冷媒を用いない冷却体を併用したり、ヒートパイプの冷媒に不凍液を用いたりすると、冷却体の冷却性能が低下することから、所望の冷却性能を得るためには、冷却体の大型化、大重量化および高価格化を招くという問題があった。
そこで、本発明の目的は、ヒートパイプの冷媒として純水を用いた場合においても、環境温度が負の場合における冷却性能を維持することが可能な電源装置を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の電源装置によれば、出力電圧を制御する半導体素子と、ヒートパイプにて熱伝導を行いながら前記半導体素子を冷却する冷却体と、前記ヒートパイプの冷媒の凍結状態に基づいて、前記半導体素子にかかる負荷の大きさを制御する負荷制御手段とを備えることを特徴とする。
また、請求項２記載の電源装置によれば、出力電圧を制御する半導体素子と、ヒートパイプにて熱伝導を行いながら前記半導体素子を冷却する冷却体と、前記冷却体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段にて検出された温度に基づいて、前記半導体素子にかかる負荷の大きさを制御する負荷制御手段とを備えることを特徴とする。

また、請求項３記載の電源装置によれば、前記負荷制御手段は、前記冷却体の温度が所定値以下の場合、前記半導体素子を無負荷状態または低出力状態として暖気運転モードにて動作させ、前記冷却体の温度が所定値を超える場合、前記半導体素子を定格負荷状態として通常運転モードにて動作させることを特徴とする。
また、請求項４記載の電源装置によれば、前記負荷制御手段は、前記冷却体の温度が第１の設定値以下の場合、前記半導体素子を無負荷状態または低出力状態として暖気運転モードにて動作させ、前記冷却体の温度が第２の設定値以上の場合、前記半導体素子を定格負荷状態として通常運転モードにて動作させることを特徴とする。

また、請求項５記載の電源装置によれば、前記負荷制御手段は、前記冷却体の温度が所定値以下の場合、前記半導体素子を無負荷状態または低出力状態として暖気運転モードにて動作させ、前記冷却体の温度が前記所定値を超える場合、前記所定値を超えた時点から所定時間経過後に前記半導体素子を定格負荷状態として通常運転モードにて動作させることを特徴とする。
また、請求項６記載の電源装置によれば、前記温度検出手段は、前記冷却体のベースまたは冷却フィンの温度を検出することを特徴とする。
また、請求項７記載の電源装置によれば、前記暖気運転モードにて運転中であることを示す情報を運転台に伝える伝送手段をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項８記載の電源装置によれば、半導体素子のスイッチング制御に基づいて出力電圧を制御するインバータと、前記インバータから負荷に供給される出力電力の通電または切断を行う出力コンタクタと、ヒートパイプにて熱伝導を行いながら前記半導体素子を冷却する冷却体と、前記冷却体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段にて検出された温度が所定値以下の場合、前記インバータから負荷に供給される出力電力が切断された状態で前記インバータを動作させる運転制御部とを備えることを特徴とする。

また、請求項９記載の電源装置によれば、半導体素子のスイッチング制御に基づいて出力電圧を制御するインバータと、ヒートパイプにて熱伝導を行いながら前記半導体素子を冷却する冷却体と、前記冷却体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段にて検出された温度が所定値以下の場合、前記インバータを低出力状態で駆動する駆動制御部とを備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、ヒートパイプの冷媒の凍結状態に基づいて、半導体素子にかかる負荷の大きさを制御することで、ヒートパイプの冷媒が凍結している場合においても、冷却体の温度上昇を抑制した上で、半導体素子からの発熱でヒートパイプの冷媒を液化してから、電源装置を定格運転することが可能となる。このため、ヒートパイプの冷媒として純水を用いた場合においても、環境温度が負の場合における冷却性能を維持することが可能となり、環境温度が負の場合における冷却体の温度上昇を防止するために、冷媒を用いない冷却体を併用したり、ヒートパイプの冷媒に不凍液を用いたりする必要がなくなることから、電源装置の小型化、軽量化および低価格化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態に係る電源装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る電源装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、電源装置には、３相インバータ１１、３相ＡＣフィルタ１２、出力トランス１３および出力コンタクタ１４が設けられ、３相インバータ１１には、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６が設けられるとともに、３相ＡＣフィルタ１２には、３相ＡＣリアクトルおよび３相ＡＣコンデンサが設けられている。そして、３相インバータ１１の出力には３相ＡＣフィルタ１２が接続され、３相ＡＣフィルタ１２の出力には出力コンタクタ１４を介して出力トランス１３が接続されている。

ここで、出力コンタクタ１４は、運転制御部１６からの指示に基づいて、３相インバータ１１から負荷に供給される出力電力の通電または切断を行うことができる。
なお、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６としては、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の他、パワーＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなどを用いるようにしてもよい。
ここで、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６は、ヒートパイプにて熱伝導を行いながらスイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６を冷却する冷却体に搭載され、この冷却体には、冷却体の温度を検出する温度センサ１５が設けられている。

また、電源装置には、温度センサ１５にて検出された温度に基づいて出力コンタクタ１４を制御しながら、３相インバータ１１を動作させる運転制御部１６が設けられている。ここで、運転制御部１６は、温度センサ１５にて検出された温度が所定値以下の場合、インバータ１１から負荷に供給される出力電力が切断された状態の暖気運転モードにて３相インバータ１１を動作させるとともに、温度センサ１５にて検出された温度が所定値を超える場合、インバータ１１から負荷に供給される出力電力が通電された状態の通常運転モードにて３相インバータ１１を動作させることができる。

そして、温度センサ１５にて計測された冷却体の温度の計測値は運転制御部１６に送られる。そして、運転制御部１６は、冷却体の温度の計測値を温度センサ１５から受け取ると、冷却体の温度が所定値以下であるかどうかを判定する。そして、冷却体の温度が所定値以下の場合、運転制御部１６は、出力コンタクタ１４を制御することにより、３相インバータ１１から負荷に供給される出力電力の切断を行うとともに、３相インバータ１１を動作させる。

そして、３相インバータ１１が動作されると、３相インバータ１１に供給された直流電圧はスイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６のスイッチング動作に基づいて交流電圧に変換された後、３相ＡＣフィルタ１０２にフィルタ電流Ｉｆが流れ、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６が発熱する。なお、３相インバータ１１から負荷に供給される出力電力が切断された状態で３相インバータ１１を動作させる場合、冷却体の温度が冷却体許容温度以下となるようにスイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６からの発熱を制限することができる。

そして、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６が発熱すると、冷却体の温度が上昇するとともに、冷却体のヒートパイプの冷媒が徐々に液化する。
そして、運転制御部１６は、冷却体の温度が所定値を超えると、出力コンタクタ１４を制御することにより、３相インバータ１１から供給される出力電力を負荷に通電させながら、３相インバータ１１を動作させる。そして、３相インバータ１１に供給された直流電圧はスイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６のスイッチング動作に基づいて交流電圧に変換されるとともに、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６が冷却体にて冷却されながら、３相ＡＣフィルタ１２、出力トランス１３および出力コンタクタ１４を順次介して出力電圧Ｖｏｕｔとして負荷に供給される。

これにより、冷却体のヒートパイプの冷媒の凍結状態に基づいて、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６にかかる負荷の大きさを制御することができ、ヒートパイプの冷媒が凍結している場合においても、冷却体の温度上昇を抑制した上で、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６からの発熱でヒートパイプの冷媒を液化してから、３相インバータ１１を定格運転することが可能となる。このため、ヒートパイプの冷媒として純水を用いた場合においても、環境温度が負の場合における冷却性能を維持することが可能となり、環境温度が負の場合における冷却体の温度上昇を防止するために、冷媒を用いない冷却体を併用したり、ヒートパイプの冷媒に不凍液を用いたりする必要がなくなることから、３相インバータ１１の小型化、軽量化および低価格化を図ることができる。

なお、上述した説明では、温度センサ１５にて検出された温度が所定値以下の場合、暖気運転モードにて３相インバータ１１を動作させるとともに、温度センサ１５にて検出された温度が所定値を超える場合、通常運転モードにて３相インバータ１１を動作させる方法について説明したが、温度センサ１５にて検出された温度が第１の設定値以下の場合、暖気運転モードにて３相インバータ１１を動作させるとともに、温度センサ１５にて検出された温度が第２の設定値以上の場合、通常運転モードにて３相インバータ１１を動作させるようにしてもよい。

なお、第１の設定値は、ヒートパイプの冷媒が凍結を開始する時の冷却体の温度、第２の設定値は、凍結した冷媒が完全に液化する時に上昇した冷却体の温度に設定することができる。
あるいは、温度センサ１５にて検出された温度が所定値以下の場合、暖気運転モードにて３相インバータ１１を動作させるとともに、温度センサ１５にて検出された温度が所定値を超える場合、その所定値を超えた時点から所定時間経過後に通常運転モードにて３相インバータ１１を動作させるようにしてもよい。

図２（ａ）は、図１の電源装置に用いられるインバータの概略構成を示す正面図、図２（ｂ）は、図１の電源装置に用いられるインバータの概略構成を示す側面図である。
図２において、冷却体ベース２１には、スイッチング素子２２が取り付けられ、スイッチング素子２２の搭載面と反対側には、ヒートパイプ２４および冷却フィン２５が設けられている。なお、ヒートパイプ２４の冷媒としては、例えば、冷却性能や環境への影響を考慮して、純水を使用することが好ましい。また、冷却体ベース２１上には、冷却体ベース２１の温度を検出する温度センサ２３が設けられている。

そして、図１の運転制御部１６は、冷却体ベース２１上に設けられた温度センサ２３の計測値に基づいて、出力コンタクタ１４の切断制御を行うとともに、スイッチング素子２２を動作させることができる。
ここで、スイッチング素子２２を動作させる前には、冷却体ベース２１の温度とヒートパイプ２４の温度とは同じであるので、図１の運転制御部１６は、暖気運転モードにて図１の電源装置を動作させるかどうかの温度検知レベルを正確に判定することができる。
一方、スイッチング素子２２を動作させると、冷却体ベース２１の温度とヒートパイプ２４の温度とには差が発生するが、通常運転モードにて電源装置を動作させる温度については、低温での電源装置の動作の検証を予め実施し、通常運転モードにて電源装置を動作させる冷却体ベース２１の温度を決めることができる。

図３（ａ）は、図１の電源装置に用いられるインバータのその他の構成例を示す正面図、図３（ｂ）は、図１の電源装置に用いられるインバータのその他の構成例を示す側面図である。
図３において、冷却体ベース３１には、スイッチング素子３２が取り付けられ、スイッチング素子３２の搭載面と反対側には、ヒートパイプ３４および冷却フィン３５が設けられている。また、冷却フィン３５には、冷却フィン３５の温度を検出する温度センサ３３が設けられている。

そして、図１の運転制御部１６は、冷却フィン３５に設けられた温度センサ３３の計測値に基づいて、出力コンタクタ１４の切断制御を行うとともに、スイッチング素子３２を動作させることができる。
ここで、温度センサ３３を冷却フィン３５に設けることにより、ヒートパイプ３４の冷媒が凍結する温度になっているかどうかを正確に検出することができる。

図４は、図１の出力コンタクタ１４をオフした時の電源装置の各部の電圧波形または電流波形のシミュレーション結果を示す図である。
図４において、図１の出力コンタクタ１４をオフした場合、負荷電流Ｉｏｕｔは０Ａとなるのに対して、３相ＡＣフィルタ１２にはフィルタ電流Ｉｆが流れるため、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６には素子電流Ｉｓが流れ、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６に損失が発生する。このため、無負荷状態であっても、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６を発熱させることができ、凍結したヒートパイプの冷媒を液化することができる。

図５は、図１の電源装置に用いられる半導体素子の損失と負荷との関係を示す図である。
図５において、図１のスイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６では、負荷が大きくなるに従って損失が増大するが、無負荷状態であっても、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６に損失が発生することから、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６を発熱させることができる。

図６は、環境温度が負の場合における定格負荷運転時および軽負荷運転時の冷却体の温度上昇の様子を示す図である。
図６において、環境温度が負の場合では、図１の電源装置を定格負荷運転させると、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６に損失が大きい上に、ヒートパイプによる熱伝導ができなくなるために、冷却体の温度が急速に上昇し、冷却体許容温度を超えることから、冷却体に取り付けられたスイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６の温度が許容値以上となり、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６の破壊を引き起こすようになる。

一方、環境温度が負の場合において、図１の電源装置を軽負荷運転させると、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６に損失が小さいため、ヒートパイプによる熱伝導ができなくなった場合においても、冷却体の温度を冷却体許容温度以下に抑えながら、冷却体の温度を上昇させることができる。このため、冷却体に取り付けられたスイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６の温度を許容値以下に保ちながら、ヒートパイプ内の冷媒を徐々に液化することができ、スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ６の破壊を引き起こすことなく、本来の冷却性能に戻すことができる。

図７は、本発明の一実施形態に係る暖気運転の実行方法を示すフローチャートである。
図７において、図１の温度センサ１５にて冷却体の温度が計測されると（ステップＳ１１）、運転制御部１６は、温度センサ１５にて検出された温度が所定値以下かどうかを判断する（ステップＳ１２）。そして、温度センサ１５にて検出された温度が所定値以下の場合、暖気運転モードにて３相インバータ１１を動作させ（ステップＳ１３）、通常運転モードにて電源装置を動作させることが可能になるまで、暖気運転モードにて３相インバータ１１を動作させる（ステップＳ１４）。一方、ステップＳ１２において、運転制御部１６は、温度センサ１５にて検出された温度が所定値を超える場合、通常運転モードにて３相インバータ１１を動作させる（ステップＳ１５）。

図８は、図１の電源装置における運転制御部の概略構成の一例を示すブロック図である。
図８において、図１の運転制御部１６には、温度センサ１５にて計測された冷却体の温度に基づいて暖気運転モードで電源装置を運転するか通常運転モードにて電源装置を運転するかを判定する暖気運転モード判定部４２、インバータ運転モードを切り替えるインバータ運転モード切替部４３および出力コンタクタ１４のオン／オフ制御を行うシーケンス切替部４４が設けられている。
そして、図１の温度センサ１５にて冷却体の温度が計測されると、暖気運転モード判定部４２は、温度センサ１５にて計測された冷却体の温度に基づいて暖気運転モードで電源装置を運転するか通常運転モードにて電源装置を運転するかを判定する。

そして、暖気運転モード判定部４２にて暖気運転モードであると判定されると、シーケンス切替部４４は出力コンタクタ１４をオフするとともに、インバータ運転モード切替部４３は、ＩＧＢＴ制御信号を３相インバータ１１に出力し、３相インバータ１１を暖気運転モードにて動作させる。なお、暖気運転モードで電源装置を運転するか、通常運転モードにて電源装置を運転するかは、暖気運転モードで電源装置を運転する時の冷却体の温度を予め設定し、温度センサ１５にて計測された冷却体の温度がこの設定された温度以下かどうかによりの判定することができる。
一方、暖気運転モード判定部４２にて通常運転モードであると判定されると、シーケンス切替部４４は出力コンタクタ１４をオンするとともに、インバータ運転モード切替部４３は、ＩＧＢＴ制御信号を３相インバータ１１に出力し、３相インバータ１１を通常運転モードにて動作させる。

図９は、図８の暖気運転モード判定部の概略構成の一例を示すブロック図である。
図９において、暖気運転モード判定部４２には、図１の温度センサ１５による計測値ＴＫを暖気運転開始温度設定値５１と比較する温度比較部５２、温度センサ１５による計測値ＴＫを通常運転開始温度設定値５４と比較する温度比較部５３および温度比較部５２、５３による比較結果に基づいて電源装置の運転モードを判定する運転モード判定部５５を設けることができる。

そして、図１の温度センサ１５にて冷却体の温度が計測されると、その計測値ＴＫが温度比較部５２、５３に入力され、暖気運転開始温度設定値５１および通常運転開始温度設定値５４とそれぞれ比較される。そして、温度比較部５２は、温度センサ１５による計測値ＴＫが暖気運転開始温度設定値５１以下の場合、暖気運転モード信号ＭＳ１を運転モード判定部５５に出力するとともに、温度比較部５３は、温度センサ１５による計測値ＴＫが通常運転開始温度設定値５４以上の場合、通常運転モード信号ＭＳ２を運転モード判定部５５に出力する。そして、運転モード判定部５５は、温度比較部５２から暖気運転モード信号ＭＳ１を受け取ると、暖気運転モードを示す運転モード指令ＭＲを図８のインバータ運転モード切替部４３およびシーケンス切替部４４に出力し、温度比較部５３から通常運転モード信号ＭＳ２を受け取ると、通常運転モードを示す運転モード指令ＭＲを図８のインバータ運転モード切替部４３およびシーケンス切替部４４に出力する。
なお、図９の説明では、温度センサ１５の温度出力のレベルを検出して判定する方法について説明したが、例えば、温度リレーのように、個別に設定された温度で出力するようなセンサを用いるようにしてもよい。

図１０は、図８の暖気運転モード判定部の概略構成のその他の例を示すブロック図である。
図１０において、暖気運転モード判定部４２には、図１の温度センサ１５による計測値ＴＫを暖気運転開始温度設定値６１と比較する温度比較部６２、温度センサ１５による計測値ＴＫに基づいて暖気運転時間を算出する暖気運転時間演算部６３、暖気運転モード信号ＭＳ１を受け取ってから所定時間経過後に通常運転モード信号ＭＳ２を出力するタイマ６４、温度比較部６２、６３による比較結果に基づいて電源装置の運転モードを判定する運転モード判定部６５を設けることができる。

そして、図１の温度センサ１５にて冷却体の温度が計測されると、その計測値ＴＫが温度比較部６２および暖気運転時間演算部６３に入力され、温度比較部６２にて冷却体の温度の計測値ＴＫが暖気運転開始温度設定値６１と比較されるとともに、暖気運転時間演算部６３にて暖気運転時間が算出される。なお、暖気運転時間を算出する場合、低温での冷却体の検証試験を実施し、冷却体の温度と冷却体の冷却性能が復帰するまでの暖気運転時間との関係を予め求め、その関係から暖気運転時間を取得することができる。

そして、暖気運転時間演算部６３は暖気運転時間を算出すると、その暖気運転時間をタイマ６４に出力するとともに、温度比較部６２は、温度センサ１５による計測値ＴＫが暖気運転開始温度設定値６１以下の場合、暖気運転モード信号ＭＳ１を運転モード判定部６５およびタイマ６４に出力する。
そして、タイマ６４は、暖気運転モード信号ＭＳ１を温度比較部６２から受け取ると、タイマ６４を起動し、暖気運転時間演算部６３から受け取った暖気運転時間だけ経過すると、通常運転モード信号ＭＳ２を運転モード判定部６５に出力する。

そして、運転モード判定部６５は、温度比較部６２から暖気運転モード信号ＭＳ１を受け取ると、暖気運転モードを示す運転モード指令ＭＲを図８のインバータ運転モード切替部４３およびシーケンス切替部４４に出力し、タイマ６４から通常運転モード信号ＭＳ２を受け取ると、通常運転モードを示す運転モード指令ＭＲを図８のインバータ運転モード切替部４３およびシーケンス切替部４４に出力する。

図１１は、図１の電源装置における運転制御部の概略構成のその他の例を示すブロック図である。
図１１において、図１の運転制御部１６には、図８の構成に加え、暖気運転モードにて運転中であることを示す情報を上位システムに伝送する伝送部４６が設けられている。そして、暖気運転モード判定部４２にて暖気運転モードであると判定されると、伝送部４６は、暖気運転モードにて運転中であることを示す情報を運転台ディスプレイ４７に伝えることができる。そして、運転台ディスプレイ４７は、暖気運転モードにて運転中であることを示す情報を伝送部４６から受け取ると、暖気運転モードにて運転中であることを示す情報を表示することができる。

これにより、架線電圧がある状態で電源装置から正規の出力が出されていない場合においても、運転手は電源装置が暖気運転モードにて運転中であることを知ることができ、電源装置が故障しているのではないかと間違って判断されるのを回避することができる。
なお、上述した実施形態では、電源装置が暖気運転モードにて運転中の場合、暖気運転モードにて運転中であることを示す情報を運転台ディスプレイ４７に表示する方法について説明したが、運転台にランプを設け、電源装置が暖気運転モードにて運転中の場合、このランプを点灯させるようにしてもよい。

図１２は、本発明の第２実施形態に係る電源装置の概略構成を示すブロック図である。
図１２において、電源装置には、３相インバータ７１、３相ＡＣフィルタ７２および出力トランス７３が設けられ、３相インバータ７１には、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６が設けられるとともに、３相ＡＣフィルタ７２には、３相ＡＣリアクトルおよび３相ＡＣコンデンサが設けられている。そして、３相インバータ７１の出力には３相ＡＣフィルタ７２が接続され、３相ＡＣフィルタ７２の出力には出力トランス７３が接続されている。

ここで、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６は、ヒートパイプにて熱伝導を行いながらスイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６を冷却する冷却体に搭載され、この冷却体には、冷却体の温度を検出する温度センサ７５が設けられている。
また、電源装置には、温度センサ１５にて検出された温度に基づいて３相インバータ７１の出力電圧を制御しながら、３相インバータ７１を動作させる駆動制御部７６が設けられている。ここで、駆動制御部７６は、温度センサ１５にて検出された温度が所定値以下の場合、低出力電圧状態の暖気運転モードにて３相インバータ７１を駆動するとともに、温度センサ１５にて検出された温度が所定値を超える場合、定格出力電圧状態の通常運転モードにて３相インバータ７１を駆動することができる。

そして、温度センサ７５にて計測された冷却体の温度の計測値は駆動制御部７６に送られる。そして、駆動制御部７６は、冷却体の温度の計測値を温度センサ７５から受け取ると、冷却体の温度が所定値以下であるかどうかを判定する。そして、冷却体の温度が所定値以下の場合、駆動制御部７６は、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６に供給されるゲートパルスのデューティ比を小さくすることにより、低出力電圧状態の暖気運転モードにて３相インバータ７１を駆動する。そして、３相インバータ７１が暖気運転モードにて駆動されると、３相インバータ７１に供給された直流電圧はスイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６のスイッチング動作に基づいて交流電圧に変換され、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６が発熱しながら、３相ＡＣフィルタ７２および出力トランス７３を順次介して出力電圧Ｖｏｕｔとして負荷に供給される。なお、３相インバータ７１を低出力電圧状態の暖気運転モードにて駆動する場合、冷却体の温度が冷却体許容温度以下となるように３相インバータ７１の出力電圧を設定することができる。

そして、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６が発熱すると、冷却体の温度が上昇するとともに、冷却体のヒートパイプの冷媒が徐々に液化する。
そして、駆動制御部７６は、冷却体の温度が所定値を超えると、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６に供給されるゲートパルスのデューティ比を大きくすることにより、定格出力電圧状態の通常運転モードにて３相インバータ７１を駆動する。そして、３相インバータ７１に供給された直流電圧はスイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６のスイッチング動作に基づいて交流電圧に変換されるとともに、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６が冷却体にて冷却されながら、３相ＡＣフィルタ７２および出力トランス７３を順次介して出力電圧Ｖｏｕｔとして負荷に供給される。

これにより、冷却体のヒートパイプの冷媒の凍結状態に基づいて、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６の発熱量を制御することができ、ヒートパイプの冷媒が凍結している場合においても、冷却体の温度上昇を抑制した上で、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６からの発熱でヒートパイプの冷媒を液化してから、３相インバータ７１を定格運転することが可能となる。このため、ヒートパイプの冷媒として純水を用いた場合においても、環境温度が負の場合における冷却性能を維持することが可能となり、環境温度が負の場合における冷却体の温度上昇を防止するために、冷媒を用いない冷却体を併用したり、ヒートパイプの冷媒に不凍液を用いたりする必要がなくなることから、３相インバータ７１の小型化、軽量化および低価格化を図ることができる。

なお、上述した説明では、温度センサ７５にて検出された温度が所定値以下の場合、暖気運転モードにて３相インバータ７１を駆動するとともに、温度センサ７５にて検出された温度が所定値を超える場合、通常運転モードにて３相インバータ７１を駆動する方法について説明したが、温度センサ７５にて検出された温度が第１の設定値以下の場合、暖気運転モードにて３相インバータ７１を駆動するとともに、温度センサ７５にて検出された温度が第２の設定値以上の場合、通常運転モードにて３相インバータ７１を駆動するようにしてもよい。
あるいは、温度センサ７５にて検出された温度が所定値以下の場合、暖気運転モードにて３相インバータ７１を駆動するとともに、温度センサ７５にて検出された温度が所定値を超える場合、その所定値を超えた時点から所定時間経過後に通常運転モードにて３相インバータ７１を駆動するようにしてもよい。

図１３は、図１２の電源装置に用いられる半導体素子の定格出力電圧時および低出力電圧時の損失と負荷との関係を示す図である。
図１３において、図１２のインバータ７１では、低出力電圧時には、定格出力電圧時に比べてスイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６による損失を小さくすることができる。このため、冷却体に取り付けられたスイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６の温度を許容値以下に保ちながら、ヒートパイプ内の冷媒を徐々に液化することができ、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６の破壊を引き起こすことなく、本来の冷却性能に戻すことができる。

本発明の第１実施形態に係る電源装置の概略構成を示すブロック図である。図２（ａ）は、図１の電源装置に用いられるインバータの概略構成を示す正面図、図２（ｂ）は、図１の電源装置に用いられるインバータの概略構成を示す側面図である。図３（ａ）は、図１の電源装置に用いられるインバータのその他の構成例を示す正面図、図３（ｂ）は、図１の電源装置に用いられるインバータのその他の構成例を示す側面図である。図１の出力コンタクタ１４をオフした時の電源装置の各部の電圧波形または電流波形のシミュレーション結果を示す図である。図１の電源装置に用いられる半導体素子の損失と負荷との関係を示す図である。環境温度が負の場合における定格負荷運転時および軽負荷運転時の冷却体の温度上昇の様子を示す図である。本発明の一実施形態に係る暖気運転の実行方法を示すフローチャートである。図１の電源装置における運転制御部の概略構成の一例を示すブロック図である。図８の暖気運転モード判定部の概略構成の一例を示すブロック図である。図８の暖気運転モード判定部の概略構成のその他の例を示すブロック図である。図１の電源装置における運転制御部の概略構成のその他の例を示すブロック図である。本発明の第２実施形態に係る電源装置の概略構成を示すブロック図である。図１２の電源装置に用いられる半導体素子の定格出力電圧時および低出力電圧時の損失と負荷との関係を示す図である。従来の電源装置の概略構成を示すブロック図である。図１５（ａ）は、図１４の電源装置に用いられるインバータの概略構成を示す正面図、図１５（ｂ）は、図１４の電源装置に用いられるインバータの概略構成を示す側面図である。環境温度が正の場合における冷却体の温度上昇の様子を示す図である。環境温度が負の場合における冷却体の温度上昇の様子を示す図である。

符号の説明

１１、７１インバータ
１２、７２３相ＡＣフィルタ
１３、７３出力トランス
１４出力コンタクタ
１５、２３、３３、７５温度センサ
１６運転制御部
Ｍ１〜Ｍ６、２２、３２スイッチング素子
２１、３１冷却体ベース
２４、３４ヒートパイプ
２５、３５冷却フィン
４２暖気運転モード判定部
４３インバータ運転モード切替部
４４シーケンス切替部
４６伝送部
４７運転台ディスプレイ
５２、５３、６２温度比較部
５５、６５運転モード判定部
６３暖気運転時間演算部
６４タイマ
７６駆動制御部

Claims

出力電圧を制御する半導体素子と、
ヒートパイプにて熱伝導を行いながら前記半導体素子を冷却する冷却体と、
前記ヒートパイプの冷媒の凍結状態に基づいて、前記半導体素子にかかる負荷の大きさを制御する負荷制御手段とを備えることを特徴とする電源装置。
出力電圧を制御する半導体素子と、
ヒートパイプにて熱伝導を行いながら前記半導体素子を冷却する冷却体と、
前記冷却体の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段にて検出された温度に基づいて、前記半導体素子にかかる負荷の大きさを制御する負荷制御手段とを備えることを特徴とする電源装置。
前記負荷制御手段は、前記冷却体の温度が所定値以下の場合、前記半導体素子を無負荷状態または低出力状態として暖気運転モードにて動作させ、前記冷却体の温度が所定値を超える場合、前記半導体素子を定格負荷状態として通常運転モードにて動作させることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
前記負荷制御手段は、前記冷却体の温度が第１の設定値以下の場合、前記半導体素子を無負荷状態または低出力状態として暖気運転モードにて動作させ、前記冷却体の温度が第２の設定値以上の場合、前記半導体素子を定格負荷状態として通常運転モードにて動作させることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
前記負荷制御手段は、前記冷却体の温度が所定値以下の場合、前記半導体素子を無負荷状態または低出力状態として暖気運転モードにて動作させ、前記冷却体の温度が前記所定値を超える場合、前記所定値を超えた時点から所定時間経過後に前記半導体素子を定格負荷状態として通常運転モードにて動作させることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
前記温度検出手段は、前記冷却体のベースまたは冷却フィンの温度を検出することを特徴とする請求項２から５のいずれか１項記載の電源装置。
前記暖気運転モードにて運転中であることを示す情報を運転台に伝える伝送手段をさらに備えることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項記載の電源装置。
半導体素子のスイッチング制御に基づいて出力電圧を制御するインバータと、
前記インバータから負荷に供給される出力電力の通電または切断を行う出力コンタクタと、
ヒートパイプにて熱伝導を行いながら前記半導体素子を冷却する冷却体と、
前記冷却体の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段にて検出された温度が所定値以下の場合、前記インバータから負荷に供給される出力電力が切断された状態で前記インバータを動作させる運転制御部とを備えることを特徴とする電源装置。
半導体素子のスイッチング制御に基づいて出力電圧を制御するインバータと、
ヒートパイプにて熱伝導を行いながら前記半導体素子を冷却する冷却体と、
前記冷却体の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段にて検出された温度が所定値以下の場合、前記インバータを低出力状態で駆動する駆動制御部とを備えることを特徴とする電源装置。