JP2018037557A - Power converter and rolling stock mounting power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置および電力変換装置を搭載した鉄道車両に関し、例えば省スペースの電力変換装置に適用して好適なものである。 The present invention relates to a power conversion device and a railway vehicle equipped with the power conversion device, and is suitable for application to, for example, a space-saving power conversion device.
従来の電力変換装置においては、特許文献1のように、半導体素子を受熱部材に取付け、受熱部材の反対側にはフィンを取付け、車両の走行により生じる風をフィンに当てることによって半導体素子の熱を空気に放熱する構造が知られている。
In the conventional power conversion device, as disclosed in
また、特許文献2のように、ヒートシンクに冷却空気を流通させ発熱部品の冷却を行う電子機器の冷却構造において、ヒートシンクのフィン先端の両端部がフィンより離反方向に屈曲する導風カバーを取付けた構造が知られている。
Further, as in
本願発明者が、電力変換装置のパワー半導体素子を効率的に冷却することについて鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。 The inventor of the present application diligently studied to efficiently cool the power semiconductor element of the power converter, and as a result, the following knowledge was obtained.
電力変換装置は、電気鉄道車両等の車両を駆動する電動機を制御するためのもので、車両の床下等に設置されている。車両の床下等のスペースは限られているため、できるだけ小型の冷却構造で効率的に電力変換装置のパワー半導体素子を冷却することが望ましい。 The power conversion device is for controlling an electric motor that drives a vehicle such as an electric railway vehicle, and is installed under the floor of the vehicle. Since the space under the floor of the vehicle is limited, it is desirable to efficiently cool the power semiconductor element of the power converter with a cooling structure that is as small as possible.
特許文献1のように、半導体素子を受熱部材に取付け、受熱部材の反対側にはフィンを取付け、車両の走行により生じる風をフィンに当てることによって半導体素子の熱を空気に放熱する構造では、車両の走行によって生じる走行風がフィン先端部より逃げてしまい、走行風でフィンを十分に冷却することができないという問題がある。
As in
また、特許文献2のように、ヒートシンクのフィン先端の両端部がフィンより離反方向に屈曲する導風カバーを取付けた構造では、ある程度フィン溝の方に冷却空気を誘導することはできるが、発熱部品の実装密度が高くかつ空気温度の高い場所にある下流側の受熱部材中央付近にある部品を狙って風を導く構造とはなっておらず、高い温度の部品を必ずしも効率よく冷却することができないという問題もある。
Further, as in
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、実装密度が高くかつ空気温度の高い場所にあるパワー半導体素子を効率良く冷却することができる冷却構造を有する電力変換装置および電力変換装置を搭載した鉄道車両を提案しようとするものである。 The present invention has been made in consideration of the above points, and includes a power conversion device and a power conversion device having a cooling structure capable of efficiently cooling a power semiconductor element in a place where the mounting density is high and the air temperature is high. It is intended to propose a railway vehicle installed.
かかる課題を解決するため本発明においては、パワー半導体素子を有する電力変換装置において、パワー半導体素子の熱を放熱する受熱部材と、受熱部材の一方の面に設けられた複数のパワー半導体素子と、受熱部材の他方の面に設けられた放熱用のフィンとを有し、フィンの先端部は、冷却風の流れ方向に沿って、フィン風上部およびフィン風下部からフィン中央部にかけて流路が狭くなるように傾斜した導風板と、流路側面から流路中央へ冷却風を案内する案内板とを備えるようにした。 In order to solve such a problem, in the present invention, in a power conversion device having a power semiconductor element, a heat receiving member that dissipates heat of the power semiconductor element, and a plurality of power semiconductor elements provided on one surface of the heat receiving member, A fin for heat dissipation provided on the other surface of the heat receiving member, and the tip of the fin has a narrow flow path from the fin wind upper part and the fin wind lower part to the fin central part along the cooling air flow direction. An air guide plate inclined so as to be provided and a guide plate for guiding cooling air from the side surface of the flow channel to the center of the flow channel are provided.
また本発明においては、パワー半導体素子を有する電力変換装置を搭載した鉄道車両において、電力変換装置は、パワー半導体素子の熱を放熱する受熱部材と、受熱部材の一方の面に設けられた複数のパワー半導体素子と、受熱部材の他方の面に設けられた放熱用のフィンとを有し、フィンの先端部は、冷却風の流れ方向に沿って、フィン風上部およびフィン風下部からフィン中央部にかけて流路が狭くなるように傾斜した導風板と、流路側面から流路中央へ冷却風を案内する案内板とを備えるようにした。 In the present invention, in the railway vehicle equipped with the power conversion device having the power semiconductor element, the power conversion device includes a heat receiving member that dissipates heat of the power semiconductor element, and a plurality of heat receiving members provided on one surface of the heat receiving member. A power semiconductor element and a heat dissipating fin provided on the other surface of the heat receiving member, and the tip of the fin extends from the fin wind upper portion and the fin wind lower portion to the fin central portion along the cooling air flow direction. And a guide plate that guides the cooling air from the side surface of the flow path to the center of the flow path.
本電力変換装置および電力変換装置を搭載した鉄道車両によれば、フィンの先端部に導風板を備え、当該導風板を冷却風の流れ方向に沿って、フィン風上部およびフィン風下部からフィン中央部にかけて流路が狭くなるように傾斜させることにより、空気温度の上昇で素子の温度が上がりやすい下流側フィンに走行風を取り込むとともに、流路側面から流路中央へ冷却風を案内する案内板を設けることにより、パワー半導体素子の実装密度が高い受熱部材中央付近にあるフィン周囲の風速が増加してフィンを効率よく冷却することができるので、温度が高くなりやすい下流側中央部の素子の温度を下げることが可能である。 According to the power converter and the railway vehicle equipped with the power converter, the fin has a wind guide plate at the tip of the fin, and the wind guide plate is arranged along the flow direction of the cooling wind from the fin wind upper part and the fin wind lower part. By tilting so that the flow path becomes narrower toward the fin center, the running air is taken into the downstream fin, where the temperature of the element is likely to rise due to an increase in air temperature, and the cooling air is guided from the side surface of the flow path to the flow path center. By providing the guide plate, the wind speed around the fin in the vicinity of the center of the heat receiving member where the mounting density of the power semiconductor elements is high can be increased and the fin can be cooled efficiently. It is possible to reduce the temperature of the element.
本発明によれば、実装密度が高くかつ空気温度の高い場所にあるパワー半導体素子を効率良く冷却することができる冷却構造を有する電力変換装置および電力変換装置を搭載した鉄道車両を実現できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the railroad vehicle carrying the power converter device which has a cooling structure which can cool efficiently the power semiconductor element in a place with high mounting density and high air temperature, and a power converter device is realizable.
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(1)第1の実施の形態
(1−1)本実施の形態による電力変換装置の構成
図1に本発明の一実施形態(第1の実施の形態)における電力変換装置500を鉄道車両に搭載したときの構成を示す。本発明の電力変換装置500は鉄道車両の床下等に設けられ、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1において、電力変換装置500は、車体501に吊り下げられた状態で固定されている。
(1) First Embodiment (1-1) Configuration of Power Conversion Device According to this Embodiment FIG. 1 shows a
図2および図3に本実施形態における電力変換装置500の構造を示す。図2における矢印101と102は車両の進行により生じる走行風の方向を示す。車両は前後いずれの方向にも移動するので、それに伴って、矢印101と102のいずれかの方向に走行風が生じることになる。
2 and 3 show the structure of the
図2において、アルミニウム合金等の金属からなる受熱部材1の一方の側には、複数のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワー半導体素子2を含むパワー半導体モジュールが設置されており、複数のパワー半導体モジュールが電力変換装置500を構成している。以下、これらのパワー半導体モジュールについてもパワー半導体素子2と呼称する。
In FIG. 2, a power semiconductor module including a
パワー半導体素子2は、グリース等の部材(図示せず)を介して受熱部材1とねじ等(図示せず)によって固定される。受熱部材1のパワー半導体素子2の側には、密閉されたケース4が設けられ、ケース内にはフィルタコンデンサやIGBT駆動回路等の電気部品5が設置されている。
The
フィンベースである受熱部材1のパワー半導体素子設置面の反対側には、アルミニウム合金等の平板状の放熱用のフィン3が多数設置されている。受熱部材1とフィン3とは、ろう付け等により接合される。受熱部材1とフィン3を一体成型して製作してもよい。
A large number of plate-shaped
受熱部材1に設置されたパワー半導体素子2が動作するとパワー半導体素子2が発熱し、その熱は受熱部材1を介してフィン3に伝えられる。フィン間には、車両の走行に伴って生じる走行風が流れ、フィン3の熱が空気に放熱されることにより、パワー半導体素子2が冷却される。
When the
図4に導風板11、案内板12および整流板13が設けられた冷却部である導風部の斜視図を示す。図2〜図4において、フィン3の先端部には導風板11を備え、導風板11は、冷却風の流れ方向に沿って、フィン風上部およびフィン風下部からフィン中央部にかけて流路が狭くなるように傾斜した構成とした。
FIG. 4 shows a perspective view of the air guide part which is a cooling part provided with the
さらに、フィン3の先端部には、流路側面から流路中央へ冷却風を案内する案内板12を設けた。また、フィン3の先端部には、冷却風の流れを整える整流板13を設けた。
Furthermore, a
図5に受熱部材1におけるパワー半導体素子201〜209の配置例を示す。走行風は矢印101、102の両方向に流れるので、下流側となる両端のパワー半導体素子(201〜203と207〜209)の温度が空気温度の上昇の影響により高くなりやすい。導風板11はこれらの位置に冷却風を導くことにより、冷却効率を高める効果がある。
FIG. 5 shows an arrangement example of the
また、パワー半導体素子2をできるだけコンパクトに配置しようとすると、両端の素子の中でも、中央部のパワー半導体素子(202と208)の付近の実装密度が高くなるため、特にこれらの素子の温度が高くなりやすい。案内板12によってこれらの素子の付近に冷却風を導くことができるので、これらの素子を効率的に冷却することが可能である。
Further, if the
図6と図7とは、フィン先端部を平らな塞ぎ板14で塞いだ構造と、本実施形態の構造とにおける、下流部中央付近のフィン間風速をシミュレーションにより比較したものである。フィン3と塞ぎ板14や導風板11を含めた全体の高さが同一になるようにした。
FIG. 6 and FIG. 7 compare the wind speed between fins in the vicinity of the center of the downstream portion in the structure in which the fin tip is closed with a
本実施形態の構造により、フィン間の平均流速である平均風速が図6の92.5から図7の100となり、約8%増加する。これにより空気によるフィン3の冷却効率が高まり、パワー半導体素子2を効率的に冷却することができる。
With the structure of this embodiment, the average wind speed, which is the average flow velocity between the fins, is increased from about 92.5 in FIG. 6 to 100 in FIG. 7, increasing by about 8%. Thereby, the cooling efficiency of the
図8に導風板11および案内板12を取り付ける構造の一例を示す。フィン3の周囲を金属製のカバー15、16および17で囲むようにする。カバー16は、走行風を取り込めるように、金網状や多孔板状の構造とする。
FIG. 8 shows an example of a structure for attaching the
導風板11および案内板12は、カバー15、16および17に溶接やねじ止め等によって固定される。さらに、カバー、導風板11および案内板12を一体として、それらが受熱部材1にねじによって固定される。なお、カバー17を設けずに、導風板11がカバー17の一部を兼ねた構造としても良い。
The
フィン3にはスリット部6を設けても良い。スリット部6を設けることによりフィン3の熱伝達率を向上させるとともに、導風板11からの風がスリット部6からフィン間に流入することによる風速増進効果が得られる。また、スリット部6により、停車時における自然対流による冷却性能の向上効果も得られる。
The
(1−2)本実施の形態の効果
以上のように、本実施形態によれば、空気温度の上昇で素子の温度が上がりやすい下流側フィンに走行風を取り込むとともに、パワー半導体素子2の実装密度が高い場所にある受熱部材中央付近にあるフィン周囲の風速が増加してフィン3を効率よく冷却することができるので、温度が高くなりやすい下流側の中央部のパワー半導体素子(202と208)の温度を下げることが可能である。
(1-2) Effects of the Present Embodiment As described above, according to the present embodiment, the driving air is taken into the downstream fin where the temperature of the element is likely to rise due to the increase in the air temperature, and the
(2)第2の実施の形態
第1の実施の形態においては、フィン3の先端部から冷却風がフィンの外側に漏れていたが、冷却効率を高めるために、冷却風を漏らさないようにしてもよい。図9に本発明の他の実施の形態(第2の実施の形態)における電力変換装置600の構造を示す。図9において、フィン3の入口部および出口部のフィン上部に塞ぎ板18を設けた。他の部分の構造は第1の実施形態と同様である。
(2) Second Embodiment In the first embodiment, the cooling air leaks from the tip of the
フィン3の最下流部において、フィン3の先端部から冷却風がフィン3の外側に漏れることを塞ぎ板18が防止する。このことにより、冷却風の温度上昇の影響でパワー半導体素子2の温度が高い最下流部に多くの冷却風を流すことができ、パワー半導体素子2を十分に冷却することが可能である。
The closing
以上詳細に説明したように、本発明によればフィン3の間に十分に走行風を取り込むことにより、パワー半導体素子2を効率的に冷却することが可能である。
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to efficiently cool the
1……受熱部材、2……パワー半導体素子、3……フィン、4……ケース、5……電気部品、6……スリット部、11……導風板、12……案内板、13……整流板、15、16、17……カバー。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記パワー半導体素子の熱を放熱する受熱部材と、
前記受熱部材の一方の面に設けられた複数の前記パワー半導体素子と、
前記受熱部材の他方の面に設けられた放熱用のフィンと
を有し、
前記フィンの先端部は、
冷却風の流れ方向に沿って、フィン風上部およびフィン風下部からフィン中央部にかけて流路が狭くなるように傾斜した導風板と、
流路側面から流路中央へ冷却風を案内する案内板と
を備える
ことを特徴とする電力変換装置。 In a power conversion device having a power semiconductor element,
A heat receiving member for radiating heat of the power semiconductor element;
A plurality of the power semiconductor elements provided on one surface of the heat receiving member;
A heat dissipating fin provided on the other surface of the heat receiving member,
The tip of the fin is
A wind guide plate inclined along the flow direction of the cooling air so that the flow path becomes narrower from the fin wind upper part and the fin wind lower part to the fin center part,
A power conversion device comprising: a guide plate that guides cooling air from a flow path side surface to a flow path center.
ことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 1, further comprising: a closing plate that closes the tip of the fin at the inlet and the outlet of the fin.
前記カバーに前記導風板および前記案内板を固定した
ことを特徴とする請求項1または請求項2記載の電力変換装置。 A cover is provided around the fin,
The power conversion device according to claim 1, wherein the air guide plate and the guide plate are fixed to the cover.
ことを特徴とする請求項1または請求項2記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 1, wherein a slit portion is provided in the fin.
前記電力変換装置は、
前記パワー半導体素子の熱を放熱する受熱部材と、
前記受熱部材の一方の面に設けられた複数の前記パワー半導体素子と、
前記受熱部材の他方の面に設けられた放熱用のフィンと
を有し、
前記フィンの先端部は、
冷却風の流れ方向に沿って、フィン風上部およびフィン風下部からフィン中央部にかけて流路が狭くなるように傾斜した導風板と、
流路側面から流路中央へ冷却風を案内する案内板と
を備える
ことを特徴とする電力変換装置を搭載した鉄道車両。 In a railway vehicle equipped with a power conversion device having a power semiconductor element,
The power converter is
A heat receiving member for radiating heat of the power semiconductor element;
A plurality of the power semiconductor elements provided on one surface of the heat receiving member;
A heat dissipating fin provided on the other surface of the heat receiving member,
The tip of the fin is
A wind guide plate inclined along the flow direction of the cooling air so that the flow path becomes narrower from the fin wind upper part and the fin wind lower part to the fin center part,
A rail vehicle equipped with a power conversion device comprising: a guide plate that guides cooling air from a side surface of the flow channel to a center of the flow channel.
ことを特徴とする請求項5記載の電力変換装置を搭載した鉄道車両。 The railway vehicle equipped with the power conversion device according to claim 5, further comprising a closing plate that closes the tip portion of the fin at the inlet portion and the outlet portion of the fin.
前記カバーに前記導風板および前記案内板を固定した
ことを特徴とする請求項5または請求項6記載の電力変換装置を搭載した鉄道車両。 A cover is provided around the fin,
The railcar equipped with the power converter according to claim 5 or 6, wherein the wind guide plate and the guide plate are fixed to the cover.
ことを特徴とする請求項5または請求項6記載の電力変換装置を搭載した鉄道車両。 A rail vehicle equipped with the power conversion device according to claim 5 or 6, wherein a slit portion is provided in the fin.
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