JP2011233562A - 電力変換装置および鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】小型軽量で汎用性の高い電力変換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】電力変換回路を構成する複数の半導体素子１２００ａ，１２００ｂと、冷却装置と、を備える電力変換装置であって、半導体素子の取り付け面を備える冷却モジュール１００ａ，１００ｂを、冷却風１３０１が流れる方向に対して直列または並列に、複数の冷却モジュール１００ａ，１００ｂの構成を少なくとも一つは異ならせて、複数個を組み合わせて冷却装置を構成することにより、半導体素子１２００ａ，１２００ｂの発熱量や発熱密度に応じて、素子許容温度上限を満たすことができ、冷却装置の小型軽量化を可能とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動機を制御するための電力変換装置およびこれを備える鉄道車両に関するものである。

電気鉄道車両には、車両を駆動する電動機を制御するために、コンバータやインバータ等の電力変換装置が搭載される。これらの電力変換装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＧＴＯ（Gate Turn Off Thyristor）等の半導体素子により高周波でスイッチングを行うことで電力変換を行う。

半導体素子においては、通電時およびスイッチング時に熱が発生し、この熱により半導体素子が高温になると、変換効率が低下したり、素子破壊が発生するおそれがあるため、半導体素子を所定の温度範囲になるように冷却する必要がある。電力変換装置は主に搭載スペースの限られた車両床下等に搭載されるために、小型な装置構成で複数個の半導体素子を効率良く冷却する必要がある。

電力変換装置の一例として、特許文献１に示すようなものが知られている。図１５に半導体素子の冷却を行う冷却装置の構成を示す。冷却装置の受熱ブロック１１０１の片方の面には半導体素子１２００が取り付けられ、その反対側の面には複数枚の平板フィン１１０６がろう付けにより取り付けられている。

この構成において、半導体素子１２００で発生した熱は受熱ブロック１１０１を介して平板フィン１１０６に伝えられて、平板フィン１１０６の間を流通する空気に放出される。ここで、特許文献１では平板フィン１１０６のうち半導体素子が取り付けられている部分に、その他の部分よりも２倍以上の厚みをもつ平板フィン１１０６ｂを設置し、放熱効率を向上させている。

特開平８−２２２６６４号公報

前述した通り、電力変換装置においては小型軽量化が望まれるため、複数の半導体素子を高密度に設置する必要がある。特許文献１の構成においては、半導体素子に合わせて厚みの大きい平板フィンも高密度に設置する必要があるため、通風抵抗が増大し電力変換装置に供給される空気の量が減少してしまうという問題がある。

一方、電力変換装置に供給される冷却風は、放熱フィンから熱を受け取るために、上流側から下流側にいくにつれて冷却風温度が上昇し、それにともなって半導体素子温度も上流側より下流側の方が高くなる。

また、鉄道車両では、運転条件やシステム仕様によって、半導体素子の数や発熱量が異なってくる場合があり、例えば、３レベルコンバータ・インバータ等の半導体素子構成においては、運転条件によってそれぞれの半導体素子毎の発熱量が異なる場合がある。

このように、電力変換装置では、運転条件や電力変換装置が組み込まれるシステムの仕様等に応じて、その部位に応じて冷却条件や発熱条件が異なるのに対し、条件の厳しい部位での温度条件を満足する冷却設計がなされると、半導体素子の温度上限を大きく下回る半導体素子が生じるため、冷却装置全体としての小型軽量化の観点から最適化することが困難であった。

本発明は、できるだけ電力変換装置の実装構成を共有化しながら、システムの仕様、より具体的には、電力変換回路を構成する複数の半導体素子の発熱特性に応じて、特に軽量化の観点から最適な冷却装置を容易に構成可能とする電力変換装置を提供することを目的とする。

前記の課題を解決するために本発明の電力変換装置は、電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、冷却装置と、を備える電力変換装置であって、該冷却装置が、半導体素子の取り付け面を備える冷却モジュールを、冷却風が流れる方向に対して直列または並列に、複数の冷却モジュールの構成を少なくとも一つは異ならせて、複数個を組み合わせて配置することにより、電力変換回路の複数の半導体素子を取り付ける平面を構成することを特徴とする。

本発明によれば、複数の半導体素子から構成される電力変換回路の冷却用に、各素子の発熱量や発熱密度に応じた小型で軽量な冷却モジュールを配置することが可能となり、その結果、小型で軽量な電力変換装置を提供することができる。

図１は本発明の電力変換装置に搭載される冷却装置を構成する冷却モジュールの冷却風の流れと平行な方向の鉛直方向断面図である。 図２は本発明の電力変換装置に搭載される冷却装置を構成する冷却モジュールの冷却風の流れと垂直な方向の鉛直方向断面図である。 図３は本発明の実施例１の電力変換装置の全体構成を示す冷却風の流れと平行な方向の鉛直方向断面図である。 図４は本発明の実施例１の電力変換装置の全体構成を示す冷却風の流れと垂直な方向の鉛直方向断面図である。 図５は本発明の実施例１の電力変換装置の受熱ブロックおよび半導体素子の構成を示す図３のＡ−Ａ’矢視図である。 図６は本発明の実施例１の電力変換装置の平板フィンおよびヒートパイプの構成を示す図３のＢ−Ｂ’矢視図である。 図７は本発明の実施例１の電力変換装置を鉄道車両に搭載した強制空冷方式の構成を示す図である。 図８は本発明の実施例２の電力変換装置の全体構成を示す冷却風の流れと平行な方向の鉛直方向断面図である。 図９は本発明の実施例３の電力変換装置の全体構成を示す冷却風の流れと垂直な方向の鉛直方向断面図である。 図１０は本発明の実施例４の電力変換装置の全体構成を示す冷却風の流れと平行な方向の鉛直方向断面図である。 図１１は本発明の実施例５の電力変換装置を鉄道車両に搭載した自然空冷方式および走行風冷方式の構成を示す図である。 図１２は本発明の実施例５の電力変換装置の全体構成を示す車両進行方向の鉛直方向断面図である。 図１３は本発明の実施例５の電力変換装置の受熱ブロックおよび半導体素子の構成を示す図１２のＣ−Ｃ’矢視図である。 図１４は本発明の実施例５の電力変換装置の平板フィンおよびヒートパイプの構成を示す図１２のＤ−Ｄ’矢視図である。 図１５は従来技術である特許文献１における冷却装置を示す図である。

以下、本発明の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。図７に本発明の電力変換装置を鉄道車両に搭載した強制空冷方式の構成を示す。紙面の奥行き方向は車両進行方向を、左右方向は枕木方向を示す。本発明の電力変換装置は、車両を駆動する電動機に供給する電力の周波数を変えることにより、電動機の回転速度の制御を行う。

図７において、電力変換装置１０００は車体２０００の床下に設置されたカウル３０００の内部に固定されている。冷却風１３０１は送風機１３００によってグリル４０００から吸い込まれ、ダクト１４００内を通過して、電力変換装置１０００に搭載される冷却装置１１００に供給され、枕木方向に排気される。

図１に、本発明の電力変換装置に搭載される冷却装置を構成する冷却モジュールの冷却風の流れと平行な方向の鉛直方向断面図を示し、図２に冷却風の流れと垂直な方向の鉛直方向断面図を示す。

冷却モジュール１００は、半導体素子１２００から発生する熱を受熱する受熱ブロック１１０１と、受熱ブロック１１０１からの熱を平板フィン１１０６に輸送する複数本のヒートパイプ１１０４と、冷却風１３０１に放熱する複数枚の平板フィン１１０６で構成される。受熱ブロック１１０１の片面には、複数個の半導体素子１２００がグリース等の部材（図示せず）を介してねじ等（図示せず）によって固定される。

受熱ブロック１１０１の半導体素子設置面の反対側の面には、Ｕ字形状あるいはＬ字形状のヒートパイプ１１０４の蒸発部１１０４ａが埋設されており、蒸発部１１０４ａはハンダ１１０５等により受熱ブロック１１０１と熱的に接続される。蒸発部１１０４ａからは凝縮部１１０４ｂが垂直方向に立ち上げられており、凝縮部１１０４ｂには複数枚の平板フィン１１０６が圧入やろう付け等によって貫通接続される。

図６では、点線で記載されているヒートパイプ１１０４の蒸発部１１０４ａと、丸で記載されている凝縮部１１０４ｂは千鳥状になるように配置されている。また、受熱ブロック１１０１の一側面には貫通穴１１０３ａを有する突起部１１０２ａが、反対側の一側面にはねじ穴１１０３ｂを有する突起部１１０２ｂが備えられている。

冷却モジュール１００が半導体素子１２００を冷却する動作は次の通りである。半導体素子１２００に通電し、スイッチングを行うことによって発生した熱は、受熱ブロック１１０１に伝えられ、ヒートパイプ１１０４の蒸発部１１０４ａに達する。

ヒートパイプ１１０４には冷媒（純水、ハイドロフルオロカーボン等）が封入されており、蒸発部１１０４ａにおいて加熱された冷媒は蒸発して気体となり、凝縮部１１０４ｂに移動する。凝縮部１１０４ｂにおいて冷却風１３０１によって冷却された冷媒は凝縮して液体に戻り、重力によって蒸発部１１０４ａに戻ってくる。このように、蒸発、凝縮を繰り返して冷媒が循環することにより、半導体素子１２００からの熱が冷却風１３０１に放熱される。

図３は、本発明の実施例１の電力変換装置の全体構成を示す冷却風の流れと平行な方向の鉛直方向断面図を示しており、図４は本発明の実施例１の電力変換装置の全体構成を示す冷却風の流れと垂直な方向の鉛直方向断面図を示している。

本発明の実施例１の電力変換装置１０００は、複数個の半導体素子１２００を冷却するために、図１および図２に示すような冷却モジュール１００を複数個組み合わせて構成される。

図３および図４では、冷却モジュール１００を、冷却風１３０１の流れと平行な方向に２個、冷却風１３０１の流れと垂直な方向に３個組み合わせて構成しており、冷却風に対し上流側に位置する冷却モジュール１００ａのフィン枚数は、同じく下流側に位置する１００ｂのフィン枚数より少ない構成としている。

冷却モジュール１００ｂを接続する際には、一方の冷却モジュール１００ａの突起部１１０２ａに設けられた貫通穴１１０３ａと、もう一方の冷却モジュール１００ｂの突起部１１０２ｂに設けられたねじ穴１１０３ｂの位置を合わせ、ねじ１１０９によって冷却モジュール１００同士を固定、接続している。

また、冷却モジュール１００は、平板フィン１１０６がダクト１４００の内部に設置されるように固定されており、冷却装置１１００に設けられた貫通穴１１０３ａと、ダクト１４００を構成するダクト壁１４０１に設けられたねじ穴の位置を合わせ、ねじ１１０９によって固定される。もしくはアタッチメント１１１０を介して、ねじ１１０９によって固定される。

一方、受熱ブロック１１０１に固定された半導体素子１２００には、半導体駆動回路やフィルタコンデンサ等の周辺回路部品１５００が接続されている。半導体素子１２００および周辺回路部品１５００は密閉部１６００内に設置されており、冷却風１３０１には接しない。

図５に受熱ブロックおよび半導体素子の構成を示す図３のＡ−Ａ’矢視図を、図６に平板フィンおよびヒートパイプの構成を示すＢ−Ｂ’矢視図を示す。図５に示すように、受熱ブロック１１０１には、半導体素子１２００が、冷却風１３０１の流れと平行な方向にそれぞれ４個設置されている。

一方、流れと垂直な方向には、半導体素子１２００ａ、１２００ｂ、１２００ｃがそれぞれ２個ずつ、計６個設置されており、図５に示す一点鎖線を中心に対称に設置されている。すなわち、半導体素子１２００ａ、１２００ｂ、１２００ｃはそれぞれ８個ずつ設置されている。また、図６に示すように、点線で記載されているヒートパイプ１１０４は、千鳥状になるように配置されている。

次に、本発明の実施例１の電力変換装置における作用効果について説明する。冷却風１３０１は半導体素子１２００からの熱を受け取るために、冷却風１３０１の温度は上流側から下流側にいくに従って上昇する。そのため、それぞれの半導体素子１２００からの発熱量が同じであっても、下流側の半導体素子温度は、上流側の半導体素子温度よりも高くなる傾向がある。

ここで、上流側の冷却モジュール１００ａの放熱フィン枚数を、下流側の冷却モジュール１００ｂに対して少なく設定して冷却装置を軽量化しても、上流側の半導体素子の冷却性能は下流に対して劣るものの、冷却風温度が低いことから、下流側の半導体素子温度と同等とすることを可能とし、結果として、電力変換装置全体の軽量化が冷却モジュールの交換だけで容易に可能となる。

このように、本発明によれば、半導体素子１２００から発生する熱量や半導体素子１２００の構成に合わせて、半導体素子の発熱特性や冷却風に対する位置に応じた冷却性能の冷却モジュールを選択することで、冷却装置１１００の全体形状を大幅に変えることなくそれぞれの半導体素子１２００の温度を、大きなバラツキなく、均一に所定の温度以下に抑えることができるようになり、結果として軽量な電力変換装置を提供することができる。

なお、前記の通り、本実施形態における電力変換装置では、冷却装置１１００を冷却風１３０１の流れと平行な方向に２個、冷却風１３０１の流れと垂直な方向に３個組み合わせているが、組み合わせについてはこれに限定されるものではなく、冷却すべき電力変換回路を構成する半導体素子の個数や発熱特性に合わせて変更してもよい。

以下では、本発明の他の実施形態の電力変換装置に関して説明する。

図８に本発明の他の実施形態（第二の実施形態）における電力変換装置の全体構成を示す冷却風の流れと平行な方向の鉛直方向断面図を示す。

図８では、冷却風に対し上流側に位置する冷却モジュール１００ａの受熱ブロック１１０１ａの熱伝導率を、下流側にある冷却モジュール１００ｂの受熱ブロック１１０１ｂの熱伝導率と異ならせることで、各冷却モジュールの冷却性能を異ならせた。

例えば、受熱ブロック１１０１ｂとして、銅を用いるのに対し、受熱ブロック１１０１ａでは銅より熱伝導率が小さいものの、密度も小さいアルミを採用することで、上流の冷却モジュール１００ａを、配置に応じた適切な冷却性能を維持しつつ、軽量化することができる。

図９に本発明の他の実施形態（第三の実施形態）における電力変換装置の全体構成を示す冷却風の流れと垂直な方向の鉛直方向断面図を示す。

図９では、半導体素子１２００ｃに対して、半導体素子１２００ｂの発熱量が小さいことを前提に、側部にある冷却モジュール１００ｂの受熱ブロック１１０１ｂの熱伝導率を、中央に配置される冷却モジュール１００ｃの受熱ブロック１１０１ｃの熱伝導率と異ならせることで、各冷却モジュールの冷却性能を異ならせた。

例えば、受熱ブロック１１０１ｃとして、銅を用いるのに対し、受熱ブロック１１０１ｂでは銅より熱伝導率が小さいものの、密度も小さいアルミを採用することで、中央に配置する冷却モジュール１００ｃを、配置に応じた適切な冷却性能を維持しつつ、軽量化することができる。

以上、本発明の実施例１から実施例３までの電力変換装置では、取り付けられる半導体素子の発熱特性や、冷却風条件の違いに応じて、フィンの枚数や受熱ブロックの熱伝導率を異ならせたが、他にも、フィンの材質やヒートパイプの能力、ヒートパイプ取り付け部の接合材料など、冷却モジュールを構成するあらゆる要素の変更によって、冷却モジュールの冷却性能を制御し、電力変換装置全体としての小型軽量化に寄与することができる。

図１０に本発明の他の実施形態（第四の実施形態）における電力変換装置の全体構成を示す冷却風の流れと平行な方向の鉛直方向断面図を示す。

図１０では、冷却風に対し上流側に位置する冷却モジュール１００ａを、ヒートパイプを介さないアルミプレートフィンとして構成した。このように、冷却モジュールの冷却方式自体と他の冷却モジュールと異なる軽量なものを採用することで、電力変換装置全体としての小型軽量化に寄与することができる。

図１１に本発明の他の実施形態（第五の実施形態）における電力変換装置を鉄道車両に搭載した自然空冷方式および走行風冷方式の構成を示す図を示す。

紙面の奥行き方向は車両進行方向を、左右方向は枕木方向を示す。電力変換装置１０００は車体２０００の床下に設置されており、電力変換装置１０００に搭載される冷却装置１１００は枕木方向にせり出すように設置されている。

冷却装置１１００は外気にさらされるため、飛び石等による破損を防ぐために格子状のフィンカバー５０００により覆われている。第五の実施形態における冷却装置１１００では、自然対流によりフィンカバー５０００の下側から冷却風を取り込むか、車両走行風をフィンカバー５０００の側面から取り込むことによって、半導体素子１２００を冷却する。

図１２に本発明の他の実施形態（第五の実施形態）における電力変換装置の全体構成を示す冷却風の流れ方向と平行な鉛直方向断面図を示す。

また、図１３に電力変換装置の受熱ブロックおよび半導体素子の構成を示す図１２のＣ−Ｃ’矢視図を、図１４に電力変換装置の平板フィンおよびヒートパイプの構成を示す図１２のＤ−Ｄ’矢視図を示す。

図１２に示す電力変換装置１０００は、図３に示す電力変換装置１１００を９０度回転させて、受熱ブロックを鉛直方向に立てるように設置している。ヒートパイプの凝縮部１１０４ｂは蒸発部１１０４ａのやや上部になるように傾けて設置されている。他の部分の構成は第一の実施形態と同様である。

ここで、自然対流による冷却風を取り込む際に、冷却風は下側から上側に流れるため、上段の半導体素子の温度が高くなることが想定される。そのため、受熱ブロック１１０１ａ、１１０１ｃ、１１０１ｅ、および平板フィン１１０６ａ、１１０６ｃ、１１０６ｅの熱伝導率を他よりも高い材質となるように冷却装置１１００を組み替えることで、局所的な温度上昇を抑制することができる。

１００ 冷却モジュール
１００ａ〜ｃ 冷却モジュール
１０００ 電力変換装置
１１００ 冷却装置
１１０１ 受熱ブロック
１１０１ａ〜ｆ 受熱ブロック
１１０２ａ 突起部
１１０３ａ 貫通穴
１１０３ｂ ねじ穴
１１０４ ヒートパイプ
１１０４ａ ヒートパイプの蒸発部
１１０４ｂ ヒートパイプの凝縮部
１１０５ ハンダ
１１０６ 平板フィン
１１０６ａ〜ｆ 平板フィン
１１０９ ねじ
１１１０ アタッチメント
１２００ 半導体素子
１２００ａ〜ｃ 半導体素子
１３００ 送風機
１３０１ 冷却風
１３０２ 液体冷媒
１４００ ダクト
１４０１ ダクト壁
１５００ 周辺回路部品
１６００ 密閉部
２０００ 車体
３０００ カウル
４０００ グリル
５０００ フィンカバー

Claims (5)

1. 電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、冷却装置と、を備える電力変換装置であって、該冷却装置が、半導体素子の取り付け面を備える冷却モジュールを、冷却風が流れる方向に対して直列または並列に、複数の冷却モジュールの構成を少なくとも一つは異ならせて、複数個を組み合わせて配置することにより、電力変換回路の複数の半導体素子を取り付ける平面を構成することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記冷却装置において、冷却モジュールに突起部を設けて、ねじ、あるいは溶接により、複数の冷却モジュールを一体の冷却装置として接合することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記複数の冷却モジュールのうち、冷却風の下流側に設置した冷却モジュールは、上流側に設置した冷却モジュールよりも、ブロックおよび放熱フィンを熱伝導率の高い材質で構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記複数の冷却モジュールのうち、発熱量の比較的大きい半導体素子を取り付けた冷却モジュールは、発熱量の比較的小さい半導体素子を取り付けた冷却モジュールよりも、ブロックおよび放熱フィンを熱伝導率の高い材質で構成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電力変換装置が車両の駆動システムに組み込まれてなることを特徴とする鉄道車両。

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