JP2016213946A - 電力変換装置及び鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、及び発熱の観点から総合的に配慮されたスタック構造の電力変換装置を提供する。【解決手段】複数のスイッチング素子を内部に備えた複数の半導体モジュールと、複数の半導体モジュールを一方面に備える受熱ブロックと、受熱ブロックの他方面に備えられる冷却フィンと、半導体モジュールと電気的に接続されるフィルタコンデンサと、スイッチング素子に制御信号を送るゲートドライブ装置を備え、半導体モジュールの長手方向が冷却風と平行する方向を向いて配置され、ゲートドライブ装置を重力方向下側に配置することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に係り、特に２ｉｎ１半導体スイッチング素子を用いて構成する電力変換装置及び鉄道車両に関する。

近年のインバータやコンバータに代表される電力変換装置では、損失を低減するためにＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｃｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを複数搭載した半導体モジュールが搭載されている。

半導体モジュールを構成する材料はＳｉ（Ｓｉｌｉｃｏｎ）を中心に発展してきたが、さらなる損失の低減に向けてＳｉＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ）やＧａＮ（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）などのワイドギャップ半導体の適用が検討されている。ＳｉＣはＳｉに比べてスイッチング動作を高速化することができ、スイッチング損失を低減することができる。

他方、複数の半導体スイッチング素子で構成される電力変換装置を筐体内にコンパクトに収納してスタックを構成するためには、半導体スイッチング素子が小型であることが望まれる。小型化のための技術として、２つの半導体スイッチング素子を直列接続して構成したレグを１つの単位とした２素子入りモジュール（２ｉｎ１半導体スイッチング素子モジュール）とすることが知られている。

特許文献１は、２素子入りモジュールを用いて構成した電力変換装置のスタック構造に関するものである。具体的には「多相の交流出力または入力を行なう電力変換回路の１相当り複数個並列接続される電力用半導体素子と、これらの電力用半導体素子を冷却するための放熱器と、放熱器冷却用のファンとで構成される電力変換装置のスタック構造において、電力用半導体素子を前記放熱器上に配置するにあたり、前記放熱器冷却用ファンの通風方向に対して相ごとに並行になるように配置することを特徴とする電力変換装置のスタック構造」としたものである。

特開２００６−４２４０６号公報

２素子入りモジュールを用いて構成したスタック構成の電力変換装置にあっては、小型化、大容量化及び発熱に対する対策が同時に行われる必要がある。特許文献１においても、これらの観点での対策がなされているが、全体的に統一された配置の観点からは不十分であった。

特にスタック内に収納される唯一の電子部品であるゲートドライブ装置に対する熱的影響の軽減という観点から見た場合、スタック内外の熱発生要因は２ｉｎ１半導体スイッチング素子モジュール以外にもＣＴやコアがある。またゲート配線の配置なども含めてスタック内をシンプル化する必要がある。

以上のことから本発明においては、小型化、及び発熱の観点から総合的に配慮されたスタック構造の電力変換装置及び鉄道車両を提供することを目的とする。

以上のことから本発明においては、「複数のスイッチング素子を内部に備えた複数の半導体モジュールと、複数の半導体モジュールを一方面に備える受熱ブロックと、受熱ブロックの他方面に備えられる冷却フィンと、半導体モジュールと電気的に接続されるフィルタコンデンサと、スイッチング素子に制御信号を送るゲートドライブ装置を備え、半導体モジュールの長手方向が冷却風と平行する方向を向いて配置され、ゲートドライブ装置を重力方向下側に配置することを特徴とする電力変換装置」とする。

小型化、及び発熱の観点から総合的に配慮されたスタック構造の電力変換装置及び鉄道車両を提供する。

半導体モジュールの各モジュールと、当該モジュールを支持、搭載する受熱ブロックおよび冷却フィンの位置関係を示す図。 一般的な三相電力変換装置の回路構成を示す図。 コンデンサと、半導体モジュールと、バスバーとの間の接続関係を示した斜視図。 図１、図３の配置、接続関係を示す図。 受熱ブロック上に配置された２ｉｎ１モジュールの配置と電極の位置関係を示した図。

以下本発明の実施例について、図面を用いて説明する。

まず、一般的な三相電力変換装置の回路構成について図２を用いて説明する。なお本発明は単相であってもあるいは三相以上の多相構成のものであっても適用可能であるが、個々では三相の場合について説明する。

図２において、三相電力変換装置５は直流電源１０１を平滑するコンデンサ１０２、１０３と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６で構成されている。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３、Ｑ４、並びにＱ５、Ｑ６がそれぞれ同一のモジュールである２ｉｎ１モジュールを使用した場合、三相電力変換装置５はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を有する半導体モジュール１０８と、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４を有する半導体モジュール１０９と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を有する半導体モジュール１１０で構成される。

コンデンサ１０２、１０３は電解コンデンサ、フィルムコンデンサのどちらでもよく、コンデンサ１０２、１０３を大容量化するために、その内部で小容量のコンデンサセルを多数並列接続して構成しても良い。ここで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がＩＧＢＴである場合には、ＩＧＢＴとは逆向きにダイオードＤ１〜Ｄ６をそれぞれ並列接続する必要があり、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がＭＯＳＦＥＴである場合にはダイオードＤ１〜Ｄ６としてＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを利用することができる。また、スイッチング素子Ｑ１のドレイン電極をＤ、ゲート電極をＧ、ソース電極をＳで記載している。

半導体モジュール１０８は、スイッチング素子Ｑ１とＱ２が直列に接続されて構成され、スイッチング素子Ｑ１とＱ２の接続点は、モータ１１１へのＵ相交流出力点となる。同様に、半導体モジュール１０９は、スイッチング素子Ｑ３とＱ４が直列に接続されて構成され、スイッチング素子Ｑ３とＱ４の接続点は、モータ１１１へのＶ相交流出力点となる。半導体モジュール１１０は、スイッチング素子Ｑ５とＱ６が直列に接続されて構成され、スイッチング素子Ｑ５とＱ６の接続点は、モータ１１１へのＷ相交流出力点となる。

コンデンサ１０２、１０３と半導体モジュール１０８、１０９、１１０を電気的に接続するために配線が用いられる。この配線には寄生インダクタンス１０４、１０５、１０６が存在し、その値は配線の材料、長さや形状に依存している。

この寄生インダクタンス１０４、１０５、１０６を低減し、かつ均一とすることを主たる目的として、スタック構造とするときには、図２の電気回路の配線部分をバスバーにより構成している。図２の電気回路において、具体的なバスバー構成部分は、コンデンサ１０２、１０３の正側電極と半導体モジュール１０８〜１１０の正側電極間の配線をバスバー２０１とし、コンデンサ１０２、１０３の負側電極と半導体モジュール１０８〜１１０の負側電極間の配線をバスバー２０２とする。また半導体モジュール１０８〜１１０の直列スイッチング素子の接続点と負荷であるモータ３１１の間を、相ごとにバスバー２０３で構成するのがよい。

図３は、コンデンサ１０２、１０３と、半導体モジュール１０８〜１１０と、バスバー２０１、２０２、２０３との間の接続関係を示した斜視図である。このうち、バスバー２０１、２０２に関して、実施例では大小２つのコ字状の銅板で正負のバスバー２０１、２０２を形成し、例えば負のバスバー２０２内に正のバスバー２０１を配置する。そのうえで大小２つのコ字状の銅板２０１、２０２の内部空間にコンデンサ１０２、１０３を配置している。大小２つのコ字状の銅板で形成した正負のバスバー２０１、２０２とコンデンサ１０２、１０３の間は、例えばコンデンサ１０２、１０３側に予め固定設置した正負の電極３０１、３０２をバスバー２０１、２０２に対して圧着させるとともに、バスバー２０１、２０２側から電極３０１、３０２をねじ止めして電気的に接続している。

コンデンサ１０２、１０３と正負のバスバー２０１、２０２との間の接続は、コ字状のバスバー２０１、２０２の両側板部を用いて行われ、半導体モジュール１０８〜１１０と正負のバスバー２０１、２０２との間の接続は、コ字状の銅板２０１、２０２の底板部を用いて行われる。なお、図示には明確に示していないが、負のバスバー２０２内に正のバスバー２０１を配置するに際し、両バスバー間の絶縁は確保されているものとする。また、負の電極３０２が負のバスバー２０２に接続されるには、正のバスバー２０１に開けられた孔部を通す必要があるが、この場合の絶縁も確保されているものとする。

次に図３において、半導体モジュール１０８〜１１０と、正負のバスバー２０１、２０２との間の接続関係を説明する。なお図示の例では半導体モジュール１０８〜１１０の夫々は、大電流とするために３モジュールを並列接続している場合を示している。図に示すように、大小２つのコ字状の銅板で形成した正負のバスバー２０１、２０２と、相ごとに３モジュール並列接続とした半導体モジュール１０８〜１１０の各モジュールの間は、例えば各モジュール１０８〜１１０側に予め固定設置した正負の電極４０１、４０２をバスバー２０１、２０２に対して圧着させるとともに、バスバー２０１、２０２側から電極４０１、４０２をねじ止めして電気的に接続している。この場合にも、正の電極４０１が正のバスバー２０１に接続されるには、負のバスバー２０２に開けられた孔部を通す必要があるが、この場合の絶縁も確保されているものとする。

また図３には、半導体モジュール１０８〜１１０から交流出力を外部出力するためのバスバー２０３が記載されている。図３において複数の並列半導体モジュール１０８について、これを三相交流のＵ相、複数の並列半導体モジュール１０９をＶ相、複数の並列半導体モジュール１１０をＷ相に接続する場合に、各相のバスバー２０３Ｕ、２０３Ｖ、２０３Ｗを用いて各相の並列半導体モジュールを共通接続し、外部出力する。図示では外部接続する部分のバスバー２０３が見えている。バスバー２０３Ｕ、２０３Ｖ、２０３Ｗは、Ｌ字状の板材であり、折れ曲がった背後部分で、各相の並列半導体モジュールの電極４０３を共通接続している。

図１は、半導体モジュール１０８〜１１０の各モジュールと、当該モジュールを支持、搭載する受熱ブロック７および冷却フィン４の位置関係を示す図である。受熱ブロック７は、一方面に半導体モジュール１０８〜１１０の各モジュール（１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ）とゲートドライブ装置Ｇ／Ｄを配置し、他方面に冷却フィン４を複数配置している。なお、図１では各モジュールと他の部分の接続のための電極の表示を割愛しているが、接続関係については別途図４を用いて説明する。

この図１は、大電流とするために３モジュールを並列接続している場合を示しており、２ｉｎ１モジュール１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃは交流のＵ相に接続され、２ｉｎ１モジュール１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃは交流のＶ相に接続され、２ｉｎ１モジュール１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは交流のＷ相に接続される関係にある。

図１に表示されるように、本発明の場合２ｉｎ１モジュール（１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ）は、長方形状であり、長手方向を図示の左右方向３０に配置している。これに対し、冷却フィン４を通過する冷却風の方向も、図示の左右方向４０である。ここで、電力変換装置５は、図４に示す向きで鉄道車両の床下に搭載されている。つまり、図４に示す上側には鉄道車両の床材、下側には軌道がある。また、冷却風４０の向きが鉄道車両の走行方向と一致する向きに搭載される。また、受熱ブロック７から左側の半導体モジュール及びコンデンサが筐体内に納められ、受熱ブロック７から右側の冷却フィン４が鉄道車両の床下空間に露出して、鉄道車両の走行時に発生する冷却風４０が冷却フィン４の間を通過する。

図４は、図１、図３の配置、接続関係を示す図であり、図４の左側が図３のコンデンサ側、図４の右側が冷却フィン４側である。この図において、大小２つのコ字状の銅板で形成された正負のバスバー２０１、２０２は、外側の負のバスバー２０２について、コ字状の形状の側板部分が図示手前に表れている。コンデンサ１０２、１０３は奥行き方向に二段積みされており、図示ではコンデンサ１０３のみが表示され、側板部分にはコンデンサ１０３と負のバスバー２０２を接続する負の電極３０１のねじ部分５００が見えている。

図１に示すように、２ｉｎ１モジュールは、長手方向が左右方向にされたうえで、高さ方向に三段積みされている。図４の場合には、横置きにされた２ｉｎ１モジュール１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが見えている。

２ｉｎ１モジュール１０８、１０９、１１０のそれぞれからは、３種類のバスバーに向けて電極が配置されている。そのうちの２つは、正負のバスバー２０１、２０２との接続のための電極４０１、４０２である。図４の２ｉｎ１モジュールの表示では、上側の端子が電極４０１、４０２であり、正負のバスバー２０１、２０２に接続されることを示している。

第３の電極は、図２の交流出力を得るためのバスバー２０３に向けたものである。交流のＵ、Ｖ、Ｗ相用の３つのバスバー２０３Ｕ、２０３Ｖ、２０３Ｗは、Ｌ字状に形成された板状部材であり、図示されていないが折れ曲がった部分（点線で示す）において、電極４０３により、各相用の２ｉｎ１モジュール１０８、１０９、１１０の夫々に共通に接続されている。バスバー２０３Ｕ、２０３Ｖ、２０３Ｗから、モータ３１１へ接続される。

図４を左側から見て明らかなように、この配置では平滑用のフィルタコンデンサ１０２、１０３を冷却器の受熱ブロック７の投影面上に配置し、フィルタコンデンサ１０２、１０３の端子３０１、３０２を冷却風の流れる方向と同じ方向の両側（左右）に配置している。ここでは、フィルタコンデンサ１０２、１０３の端子３０１、３０２をフィルタコンデンサの両側に配置する構成としているが、片側に配置した構成としても良い。

図５は、受熱ブロック上に配置された２ｉｎ１モジュールの配置と電極の位置関係を示した図である。図４のＡ−Ａ断面を示す図である。この図によれば、受熱ブロック７上の左右方向に交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を形成し、かつ各相の並列モジュールを高さ方向に複数配置して、大電流化のために３モジュール並列配置した構成である。従って、より大電流化を図る場合には、高さ方向の並列モジュール数を増やしてやればよい。なお各モジュールにおいて、左の２つの丸が正の電極４０１、次の２つの丸が負の電極４０２、右の２つの丸が交流端子に至る電極４０３である。

また図５の配置によれば、下側位置に２ｉｎ１モジュールの各半導体素子に正負の点弧信号を与えるゲートドライブ装置Ｇ／Ｄが、１相分を構成する２ｉｎ１モジュールの各半導体素子の下側に隣接する位置に置かれている。この構成では、高さ方向に並列接続されて１相分を構成する複数モジュールに対して下側から一括して点弧信号を送信可能であり、モジュール数の増加があっても他の部位との混触などを考慮することなく自由な拡張が可能である。このことはゲート配線（ラミブス）構造がシンプルであることによる。

図５のスタック構成の電力変換装置を鉄道車両に搭載する際には、図示上側を上にして鉄道車両の例えば下側に配置するのがよく、この場合にスタック内の唯一の電子部品であるゲートドライブ装置Ｇ／Ｄに与える熱的影響を軽減することができる。スタック内の発熱は主に半導体モジュールで生じ、暖められた空気が上昇していくので半導体モジュールの下部に配置したゲートドライブ装置Ｇ／Ｄが暖められた空気で加熱されることがない。

またこの配置によれば、モジュール横置きにされているので重力方向高さを小さくできる。この結果、箱のレイアウトで上部空間を有効に使えることになり、この上部空間に発熱部品であるコアやＣＴを配置可能である。このことで、スタック内の唯一の電子部品であるゲートドライブ装置Ｇ／Ｄに与える熱的影響を一層軽減することに貢献する。

図５は、図４のＡ−Ａ断面で受熱ブロック７側を見た図であるため、バスバー２０３Ｕ、２０３Ｖ、２０３Ｗは表示されていないが、理解を容易にするために図５上に点線で表示している。各バスバー２０３Ｕ、２０３Ｖ、２０３Ｗは高さ方向の各相のモジュールの電極４０３上に共通に配置されている。ここで、図５の配置では、交流大電流が流れるバスバー２０３Ｕ、２０３Ｖ、２０３Ｗと、微弱な制御信号が流れる信号線３３Ｕ、３３Ｖ、３３Ｗは同一方向に配置されているが、信号線３３Ｕ、３３Ｖ、３３Ｗとバスバー２０３Ｕ、２０３Ｖ、２０３Ｗの間には、他のバスバー２０１，２０２が配置されて、信号線３３Ｕ、３３Ｖ、３３Ｗとバスバー２０３Ｕ、２０３Ｖ、２０３Ｗは互いに離れた位置に設置されていることから、信号線はバスバー２０３Ｕ、２０３Ｖ、２０３Ｗに流れる大電流による影響を受けにくい。

なお、上記説明は３相負荷に給電する場合について例示したが、これは単相負荷であってもよい。また２レベルばかりでなく、３レベルの回路構成でもよく、インバータ、コンバータを問わない。また冷却器はフィン冷却に限定されない。冷却風は走行風ばかりでなく、ファンによるものであってもよい。

以上説明した本発明の実施例によれば、「複数のスイッチング素子を内部に備えた複数の半導体モジュールと、複数の半導体モジュールを一方面に備える受熱ブロックと、受熱ブロックの他方面に備えられる冷却フィン、半導体モジュールと電気的に接続されるフィルタコンデンサと、スイッチング素子に制御信号を送るゲートドライブ装置を備え、半導体モジュールの長手方向が冷却風と平行する方向を向いて配置され、ゲートドライブ装置を重力方向下側に配置する」とすることで、ゲートドライブ装置Ｇ／Ｄからモジュールへの信号線をシンプル化（配線長を短く、配線が重ならずに配線容易）することができる。また下側に位置するので、ゲートドライブ装置Ｇ／Ｄが熱の影響を受けにくいという効果が得られる。

また、「受熱ブロックの一方面には、複数の半導体モジュールが、冷却風の流れ方向及び当該流れ方向と直交する方向に複数段配列され、冷却風の流れ方向と直交する方向に配列された複数の半導体モジュールは、共通のゲートドライブ装置と接続され、変換回路の１相分を構成する」ことで、さらに高さ制約の中でゲートドライブ装置Ｇ／Ｄを配置することができる。

また、「平滑用のフィルタコンデンサを冷却器の受熱ブロックの投影面上に配置し、フィルタコンデンサの端子を冷却風の流れる方向と同じ方向の片側または両側に配置した」ことで回路電流が左右方向に流れ、ゲートドライブ装置Ｇ／Ｄのゲート信号が上下方向に流れるため、互いに干渉せず、ゲート信号にノイズが乗りにくい。本実施例では、フィルタコンデンサの端子を冷却風の流れる方向と同じ方向の片側または両側に配置する構成としたが、冷却風の流れる方向に対し直行する方向の片側又は両側に配置する構成としても良い、この構成では、主回路電流とゲートドライブ装置Ｇ／Ｄのゲート信号が上下方向に流れるため、ゲート信号にノイズが乗りにくいという効果を得ることは出来ないが、バスバーとゲート信号の信号線の距離を適度に設計することでノイズの問題を解消することができる。

４：冷却フィン
５：三相電力変換装置
７：、受熱ブロック
１０１：直流電源
１０２、１０３：コンデンサ
１０４、１０５、１０６：寄生インダクタンス
１０８、１０９、１１０：半導体モジュール
２０１、２０２、２０３：バスバー
３０１、３０２、４０１、４０２、４０３：電極
３１１：モータ
Ｑ１〜Ｑ６：スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ６：ダイオード
Ｄ：ドレイン電極
Ｇ：ゲート電極
Ｓ：ソース電極
Ｇ／Ｄ：ゲートドライブ

Claims (8)

1. 複数のスイッチング素子を内部に備えた複数の半導体モジュールと、
   複数の前記半導体モジュールを一方面に備える受熱ブロックと、
   前記受熱ブロックの他方面に備えられる冷却フィンと、
   前記半導体モジュールと電気的に接続されるフィルタコンデンサと、
   前記スイッチング素子に制御信号を送るゲートドライブ装置を備え、
   前記半導体モジュールの長手方向が冷却風と平行する方向を向いて配置され、ゲートドライブ装置を重力方向下側に配置することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記受熱ブロックの一方面には、複数の前記半導体モジュールが、前記冷却風の流れ方向及び当該流れ方向と直交する方向に複数段配列され、
   前記冷却風の流れ方向と直交する方向に配列された複数の前記半導体モジュールは、共通のゲートドライブ装置と接続され、変換回路の１相分を構成することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置であって、
   平滑用のフィルタコンデンサを冷却器の受熱ブロックの半導体モジュール側の投影面上に配置し、前記フィルタコンデンサの端子を前記冷却風の流れる方向と同じ方向の両側に配置したことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置であって、
   平滑用のフィルタコンデンサを冷却器の受熱ブロックの半導体モジュール側の投影面上に配置し、前記フィルタコンデンサの端子を前記冷却風の流れる方向と同じ方向の片側１箇所に配置したことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置であって、
   平滑用のフィルタコンデンサを冷却器の受熱ブロックの半導体モジュール側の投影面上に配置し、前記フィルタコンデンサの端子を前記冷却風の流れ方向に対し直行する方向の両側に配置したことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置であって、
   平滑用のフィルタコンデンサを冷却器の受熱ブロックの半導体モジュール側の投影面上に配置し、前記フィルタコンデンサの端子を前記冷却風の流れ方向に対し直行する方向の片側に配置したことを特徴とする電力変換装置。
7. 受熱ブロックの一方面に横方向に冷却風が流れるようにされ、該受熱ブロックの他方面に直流電流、交流電流を切り替える電力変換回路を構成する２ｉｎ１スイッチング素子のモジュールを複数配置した電力変換装置であって、
   前記受熱ブロックの他方面について、前記モジュールをその長手方向を横方向にして交流各相の前記モジュールを横方向に配置するとともに、各相を構成する複数の並列モジュールを当該相モジュールの高さ方向に配列し、高さ方向下段に配置した前記ゲートドライブ装置から各相の複数のモジュールに点弧信号を与えることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置を積載した鉄道車両。

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