JP2019092282A - Vehicle power conversion device and smoothing capacitor unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、車両用電力変換装置及び平滑コンデンサユニットに関する。 Embodiments of the present invention relate to a power converter for a vehicle and a smoothing capacitor unit.
近年、電力変換装置としては、省電力化が世界で注視される要素となっており、パワー半導体モジュールの素子に従来用いていたSi(シリコン)から低損失のSiC(シリコンカーバイド)を用いることにより、装置の小型化、軽量化された電力変換装置が実用化されている。 In recent years, as a power conversion device, power saving has become an element that is closely watched in the world, and by using low loss SiC (silicon carbide) from Si (silicon) conventionally used for elements of power semiconductor modules The power conversion device with a reduced size and weight of the device has been put to practical use.
ところで、鉄道車両用VVVF(Variable Voltage Variable Frequency=AVAF:Adjustable Voltage Adjustable Frequency)インバータ等の車両用電力変換装置においては、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換モジュールがスイッチング動作時に生じる電流遮断によりスパイク電圧が発生するためスパイク電圧を低減するために、平滑コンデンサをラミネート導体を介して半導体素子モジュールへ取付ける構成が知られている。 By the way, in a power conversion device for vehicles such as VVVF (Variable Voltage Variable = AVAF) for railway vehicles, a power conversion module that converts a DC voltage into an AC voltage causes spikes due to current interruption generated at the time of switching operation. A configuration is known in which a smoothing capacitor is attached to a semiconductor element module through a laminated conductor in order to reduce a spike voltage because a voltage is generated.
このような構成において、平滑コンデンサと半導体素子モジュールとを、絶縁物を介して2層に重ねたラミネート導体にて接続することで、平滑コンデンサの温度上昇を抑制しつつ、インダクタンス成分を低減する技術も提案されている。
しかしながら、ラミネート導体を介して接続を行うと、部品点数が増加し、組立工数が増加するとともに、コストアップの要因となっていた。
In such a configuration, the smoothing capacitor and the semiconductor element module are connected by a laminated conductor which is stacked in two layers via an insulator, thereby reducing the inductance component while suppressing the temperature rise of the smoothing capacitor. Is also proposed.
However, when connection is performed via a laminate conductor, the number of parts increases, the number of assembly steps increases, and the cost increases.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、部品点数及び組み立て工数を低減可能な車両用電力変換装置及び平滑コンデンサユニットを提供することを目的としている。 This invention is made in view of the above, Comprising: It aims at providing the power converter for vehicles and smoothing capacitor unit which can reduce the number of parts and the number of assembly processes.
実施形態の車両用電力変換装置は、半導体スイッチング素子を有し、インバータを構成可能な複数の素子ユニットと、入力された直流電力の平滑化を行い前記素子ユニットに出力する平滑コンデンサユニットと、を備え、前記直流電力を三相交流電力に変換して出力する車両用電力変換装置であり、素子ユニット及び平滑コンデンサユニットは、ねじにより互いに締結することで電気的に接続するとともに、互いに固定状態とする端子接続部をそれぞれ備えている。 The vehicle power converter according to the embodiment includes a plurality of element units having a semiconductor switching element, capable of forming an inverter, and a smoothing capacitor unit that smoothes input DC power and outputs the smoothed element unit to the element unit. It is an electric power converter for vehicles which converts and outputs said direct-current power into three-phase alternating current power, and an element unit and a smoothing capacitor unit are electrically connected by fastening mutually with a screw, Terminal connection parts are provided.
次に図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
図1は、実施形態の車両用電力変換装置の概要構成ブロック図である。
車両用電力変換装置10は、直流き線あるいは交流き線からコンバータユニットを介して供給された直流電力を変換して三相交流電力としてモータ11に供給するインバータユニット12と、インバータユニット12を制御するためのゲートアンプ基板13と、を備えている。
Embodiments will now be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration block diagram of a power conversion apparatus for a vehicle according to an embodiment.
The
図2は、インバータユニットの概要構成図である。
インバータユニット12は、入力された直流電力の平滑化を図るための平滑コンデンサユニット21と、平滑コンデンサユニット21に接続され、三相交流を出力するインバータ本体22と、三相交流を構成しているU相電流を測定するU相電流センサ23と、三相交流を構成しているW相電流を測定するためのW相電流センサ24と、を備えている。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the inverter unit.
The
この構成において、インバータ本体22は、U相アーム部41U、V相アーム部41V及びW相アーム部41Wを備えている。
In this configuration, the inverter
図3は、平滑コンデンサユニットの外観図である。
図3(a)は正面図、図3(b)は平面図、図3(c)は側面図である。
平滑コンデンサユニット21は、薄板ブロック形状のコンデンサ31と、コンデンサ31の一端側に設けられ、コンデンサ31の一対の端子のそれぞれに接続された一対の直流側端子32P、32Nと、コンデンサ31の他端側に設けられ、コンデンサ31の一対の端子のそれぞれに接続された6個の三相交流側端子33−1〜33−6と、を備えている。
FIG. 3 is an external view of the smoothing capacitor unit.
3 (a) is a front view, FIG. 3 (b) is a plan view, and FIG. 3 (c) is a side view.
The
ここで、3個の三相交流側端子33−1、33−3、33−5は、三相交流側第1端子として機能し、他の3個の三相交流側端子33−2、33−4、33−6は、三相交流側第2端子として機能している。 Here, the three three-phase alternating current terminals 33-1, 33-3, 33-5 function as three-phase alternating current first terminals, and the other three three-phase alternating current terminals 33-2, 33 -4, 33-6 function as a three-phase alternating current side second terminal.
U相アーム部41Uは、U相上アーム部を構成している素子ユニット41UU及びU相下アーム部を構成している素子ユニット41ULを備えている。
V相アーム部41Vは、V相上アーム部を構成している素子ユニット41VU及びV相下アーム部を構成している素子ユニット41VLを備えている。
W相アーム部41Wは、U相上アーム部を構成している素子ユニット41WU及びW相下アーム部を構成している素子ユニット41WLを備えている。
The U-phase
The V-
The W-
以下の説明において、素子ユニットを41UU、41UL、41VU、41VL、41WU、41WLを識別する必要がない場合には、符号41Xと表記するものとする。
ここで、素子ユニット41UU、41UL、41VU、41VL、41WU、41WLは同一構成となっているので、以下においては、素子ユニット41UUを例として説明する。
In the following description, when it is not necessary to identify the element unit 41UU, 41UL, 41VU, 41VL, 41WU, 41WL, the element unit is denoted by reference numeral 41X.
Here, since the element units 41UU, 41UL, 41VU, 41VL, 41WU, and 41WL have the same configuration, the element unit 41UU will be described below as an example.
図4は、素子ユニットの構造説明図である。
図4(a)は、素子ユニット41UUの平面図である。
素子ユニット41UUは、薄板形状をしており、略長方形状の本体BDから第1の方向(図4(a)では、左方向)から突設され、互いに電気的に接続されている一対の第1入出力端子T1と、本体BDから第1の方向とは逆方向の第2の方向(図##(a)では、右方向)から突設され、互いに電気的に接続されている一対の第2入出力端子T2と、を備えている。
FIG. 4 is an explanatory view of the structure of the element unit.
FIG. 4A is a plan view of the
The element unit 41UU has a thin plate shape, and a pair of the element units 41UU that are provided so as to protrude from the substantially rectangular main body BD from the first direction (left direction in FIG. 4A) and are electrically connected to each other 1 A pair of input / output terminals T1 and a pair of electrical connections which are provided to protrude from the main body BD in a second direction (right direction in FIG. # (A) in the direction opposite to the first direction). And a second input / output terminal T2.
素子ユニット41UUの本体BDの四隅には、冷却部材と固定するためのねじ孔SC1が設けられ、第1入出力端子T1及び第2入出力端子T2のそれぞれには、平滑コンデンサあるいは三相交流出力端子が電気的、かつ、物理的に接続されるねじ孔SC2が設けられている。 Screw holes SC1 for fixing to the cooling member are provided at the four corners of the body BD of the element unit 41UU, and smoothing capacitors or three-phase AC outputs are provided for each of the first input / output terminal T1 and the second input / output terminal T2. A screw hole SC2 is provided in which the terminals are connected electrically and physically.
図4(b)は、素子ユニット41UUの回路図である。
素子ユニット41UUは、並列接続されたIGBT(Insulated Gate Bi-polar Transistor)35とダイオード(還流ダイオード)36を備えており、IGBT35のコレクタ端子は第1入出力端子T1に共通接続され、IGBT35のエミッタ端子は第2入出力端子T2に共通接続されている。
FIG. 4B is a circuit diagram of the
The element unit 41UU includes an IGBT (Insulated Gate Bi-polar Transistor) 35 and a diode (return diode) 36 connected in parallel. The collector terminals of the
図5は、インバータユニットの回路構成例の説明図である。
平滑コンデンサユニット21の三相交流側端子33−1には、素子ユニット41UUの第1入出力端子T1がねじ止めされている。この結果、三相交流側端子33−1には、IGBT35のコレクタ端子及びダイオード36のカソード端子が接続されている。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a circuit configuration example of the inverter unit.
The first input / output terminal T1 of the
平滑コンデンサユニット21の三相交流側端子33−2には、素子ユニット41ULの第2入出力端子T2がねじ止めされている。この結果、三相交流側端子33−2には、IGBT35のエミッタ端子及びダイオード36のアノード端子が接続されている。
The second input / output terminal T2 of the element unit 41UL is screwed to the three-phase alternating current side terminal 33-2 of the
さらに素子ユニット41UUの第2入出力端子T2及び素子ユニット41ULの第1入出力端子T1は共通接続され、素子ユニット41UU及び素子ユニット41ULはU相アーム部を構成している。 Furthermore, the second input / output terminal T2 of the element unit 41UU and the first input / output terminal T1 of the element unit 41UL are connected in common, and the element unit 41UU and the element unit 41UL constitute a U-phase arm portion.
平滑コンデンサユニット21の三相交流側端子33−3には、素子ユニット41VUの第1入出力端子T1がねじ止めされている。この結果、三相交流側端子33−3には、IGBT35のコレクタ端子及びダイオード36のカソード端子が接続されている。
平滑コンデンサユニット21の三相交流側端子33−4には、素子ユニット41VLの第2入出力端子T2がねじ止めされている。この結果、三相交流側端子33−4には、IGBT35のエミッタ端子及びダイオード36のアノード端子が接続されている。
The first input / output terminal T1 of the element unit 41VU is screwed to the three-phase alternating current side terminal 33-3 of the
The second input / output terminal T2 of the element unit 41VL is screwed to the three-phase alternating current side terminal 33-4 of the
さらに素子ユニット41VUの第2入出力端子T2及び素子ユニット41VLの第1入出力端子T1は共通接続され、素子ユニット41VU及び素子ユニット41VLはV相アーム部を構成している。 Further, the second input / output terminal T2 of the element unit 41VU and the first input / output terminal T1 of the element unit 41VL are commonly connected, and the element unit 41VU and the element unit 41VL constitute a V-phase arm portion.
平滑コンデンサユニット21の三相交流側端子33−5には、素子ユニット41WUの第1入出力端子T1がねじ止めされている。この結果、三相交流側端子33−5には、IGBT35のコレクタ端子及びダイオード36のカソード端子が接続されている。
The first input / output terminal T1 of the element unit 41WU is screwed to the three-phase alternating current side terminal 33-5 of the
平滑コンデンサユニット21の三相交流側端子33−6には、素子ユニット41WLの第2入出力端子T2がねじ止めされている。この結果、三相交流側端子33−6には、IGBT35のエミッタ端子及びダイオード36のアノード端子が接続されている。
さらに素子ユニット41WUの第2入出力端子T2及び素子ユニット41WLの第1入出力端子T1は共通接続され、素子ユニット41WU及び素子ユニット41WLはW相アーム部を構成している。
The second input / output terminal T2 of the element unit 41WL is screwed to the three-phase alternating current side terminal 33-6 of the
Further, the second input / output terminal T2 of the element unit 41WU and the first input / output terminal T1 of the element unit 41WL are commonly connected, and the element unit 41WU and the element unit 41WL constitute a W-phase arm portion.
図6は、車両用電力変換装置の組み立て状態の外観図である。
図6(a)は正面図、図6(b)は平面図、図6(c)は、側面図である。
図6に示すように、車両用電力変換装置10は、6個の素子ユニット41UU、41UL、41VU、41VL、41WU、41WLの冷却面51が冷却装置52側となるように4箇所のねじ孔SC1を介して冷却装置にねじ止めされている。
FIG. 6 is an external view of the assembled state of the power converter for a vehicle.
6 (a) is a front view, FIG. 6 (b) is a plan view, and FIG. 6 (c) is a side view.
As shown in FIG. 6, the
さらに、素子ユニット41UU、41UL、41VU、41VL、41WU、41WLにおける第1入出力端子T1あるいは第2端子は、図##に示した接続状態で、ゲートアンプ基板13及び平滑コンデンサユニット21の三相交流側端子と一体にねじ止めされている。
Furthermore, the first input / output terminal T1 or the second terminal in the element units 41UU, 41UL, 41VU, 41VL, 41WU, 41WL are connected in three phases of the
以上の説明のように、本実施形態(第1の実施形態)によれば、コンデンサユニット、ゲートアンプ基板13及びゲートアンプ基板は、ねじ止めにより物理的な固定と、回路接続とを行っているので、従来のラミネート導体のような配線部材を別途設けることなく、部品点数及び組み立て工数が低減可能であり、ひいては、製造コストの低減も図れる。
As described above, according to the present embodiment (the first embodiment), the capacitor unit, the
図7は、第2の実施形態の車両用電力変換装置の外観図である。
図7において、図6(c)と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
車両用電力変換装置10Aは、12個の素子ユニット(素子ユニット41UU、41UL、41VU、41VL、41WU、41WLが二組)の冷却面が冷却装置側となるように4箇所のねじ孔を介して冷却装置にねじ止めされているとともに、6個ずつ二組の素子ユニットにはそれぞれゲートアンプ基板とともに、平滑コンデンサユニット21の三相交流電力側端子がねじ止めされている。
第2の実施形態が第1の実施形態の電力変換装置と異なる点は、複数系統の負荷(例えば、複数のモータ等)に対して三相交流電力を供給する構成とした点である。より具体的には、インバータユニット12を二組、すなわち、二つの平滑コンデンサユニット21と、12個の素子ユニット41を備えている。
FIG. 7 is an external view of the power converter for a vehicle according to the second embodiment.
In FIG. 7, the same parts as in FIG. 6 (c) are assigned the same reference numerals.
The second embodiment differs from the power conversion device according to the first embodiment in that three-phase AC power is supplied to a plurality of loads (for example, a plurality of motors). More specifically, two
本第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、平滑コンデンサユニット21、ゲートアンプ基板13及びゲートアンプ基板は、ねじ止めにより物理的な固定と、回路接続とを行っているので、従来のラミネート導体のような配線部材を別途設けることなく、部品点数、組み立て工数及び製造コストの低減を図りつつ、複数系統の負荷に三相交流電力を供給することができる。
Also in the second embodiment, as in the first embodiment, the smoothing
上記各実施形態においては、三相交流電力側端子から出力される三相交流の電流を測定するために、U相電流センサ23及びW相電流センサ24を設けていたが、本第3の実施形態は、三相交流電力側端子を有する平滑コンデンサユニットに交流電流検出センサを設けた場合の実施形態である。
ところで、電流センサを設ける場合に、電力変換装置の天井面のフレームに電流センサを取付けるための板金スペースを設けて電流センサを取付ける方法が挙げられるが、部品点数の増加、装置の大型化、配線の複雑化に伴う組立工数の増加によりコストアップの要因となる虞があった。
In each of the above embodiments, the U-phase current sensor 23 and the W-phase current sensor 24 are provided to measure the three-phase alternating current output from the three-phase alternating current power side terminal. The embodiment is an embodiment in which an alternating current detection sensor is provided in a smoothing capacitor unit having a three-phase alternating current power side terminal.
By the way, when providing a current sensor, there is a method of providing a sheet metal space for attaching the current sensor to the frame of the ceiling surface of the power conversion device and attaching the current sensor, but increasing the number of parts, upsizing of the device, wiring Due to the increase in the number of assembly steps due to the complexity of
図8は、第3の実施形態の平滑コンデンサユニットの外観図である。
図9は、電流センサの取り付け部分の拡大図である。
そこで、本第3実施形態においては、平滑コンデンサユニット21と同様の構成を有する平滑コンデンサユニット60に二つの電流センサ61、62を取付ける二組のねじ座板金63を設け、電流センサ61、62の固定用ボルト64をウェルドナット(溶接ナット)65により固定して取り付け可能とした。
FIG. 8 is an external view of the smoothing capacitor unit of the third embodiment.
FIG. 9 is an enlarged view of a mounting portion of the current sensor.
Therefore, in the third embodiment, two sets of
したがって、第3の実施形態によれば、平滑コンデンサユニット50の取り付けを行うだけで、電流センサ61、62を一体に取付け可能とできるので、部品点数を削減し、組立工数の低減、コストダウン及び装置の小型化が可能となる。
Therefore, according to the third embodiment, since the
第4の実施形態は、車両用電力変換装置にPWM制御基板を一体として構成した場合の実施形態である。
図10は、第4の実施形態の車両用電力変換装置の組み立て状態の外観図である。
図10において、図6(b)と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
図10に示すように、車両用電力変換装置10Bは、冷却面が冷却装置側となるように4箇所のねじ孔SC1を介して冷却装置52にねじ止めされた複数(例えば、6個)の素子ユニットと、複数の素子ユニット41Xに配線用基板71を介して接続されたPWM制御基板72と、複数の素子ユニット41Xに配線用基板71を介して、配線用基板71と一体に複数の素子ユニット41Xに電気的に接続可能に三相交流側端子とねじ止めされている平滑コンデンサユニット21と、を備えている。
The fourth embodiment is an embodiment in which a PWM control board is integrated with a power conversion apparatus for a vehicle.
FIG. 10 is an external view of the assembled state of the power converter for a vehicle according to the fourth embodiment.
In FIG. 10, parts similar to those in FIG. 6 (b) are given the same reference numerals.
As shown in FIG. 10, a plurality of (for example, six)
以上の説明のように、本第4実施形態によれば、配線用基板71と一体になったPWM制御基板62を素子ユニットに電気的に接続して組み立てるに際して、平滑コンデンサユニット21の取り付けと同時に行えるので、組み立て工数の低減が図れる。
さらに配線用基板71をPWM制御基板72と直接接続し、一体に素子ユニット41Xに接続するので、小型化が容易となる。
As described above, according to the fourth embodiment, when the
Further, since the
以上の説明においては、素子ユニット41Xは、上部アームあるいは下部アームを構成可能なIGBT及びダイオード(還流ダイオード)を備える構成としていたが、上部アーム及び下部アームを一体として備えた素子ユニットを構成するようにすることも可能である。 In the above description, the element unit 41X is configured to include the IGBT and the diode (reflux diode) capable of forming the upper arm or the lower arm, but to form an element unit integrally including the upper arm and the lower arm It is also possible to
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While certain embodiments have been described, these embodiments have been presented by way of example only, and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and the gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
10、10A、 10B 車両用電力変換装置
11 モータ
12 インバータユニット
13 ゲートアンプ基板
21 平滑コンデンサユニット
22 インバータ本体
23 U相電流センサ
24 W相電流センサ
31 コンデンサ
32P 直流側端子
33 三相交流側端子
35 IGBT
36 ダイオード
41 素子ユニット
41U U相アーム部
41V V相アーム部
41W W相アーム部
41UL、41UU、41VL、41VU、41WL、41WU 素子ユニット
41X 素子ユニット
50 平滑コンデンサユニット
51 冷却面
52 冷却装置
60 平滑コンデンサユニット
61 電流センサ
62 PWM制御基板
63 ねじ座板金
64 固定用ボルト
71 配線用基板
72 PWM制御基板
BD 本体
SC1 ねじ孔
SC2 ねじ孔
T1 第1入出力端子
T2 第2入出力端子
VVVF 鉄道車両用
10, 10A, 10B Power converter for
36 diode 41
Claims (7)
前記素子ユニット及び前記平滑コンデンサユニットは、ねじにより互いに締結することで電気的に接続するとともに、互いに固定状態とする端子接続部をそれぞれ備えた、
車両用電力変換装置。 The device includes: a plurality of element units each having a semiconductor switching element and capable of configuring an inverter; and a smoothing capacitor unit that smoothes input DC power and outputs the smoothed DC power to the element unit; Power conversion equipment for vehicles that convert to
The element unit and the smoothing capacitor unit are electrically connected by fastening them to each other with screws, and provided with terminal connection portions that fix each other.
Power converter for vehicles.
前記三相交流電力を出力する三相交流側端子と、を備える、
請求項1記載の車両用電力変換装置。 The smoothing capacitor unit includes a pair of DC side terminals to which the DC power is input;
A three-phase alternating current side terminal for outputting the three-phase alternating current power;
The power converter for vehicles according to claim 1.
複数の前記平滑コンデンサユニットの前記直流側端子を共通接続した、
請求項2記載の車両用電力変換装置。 A plurality of sets of the plurality of element units and the smoothing capacitor unit;
The DC terminals of the plurality of smoothing capacitor units are commonly connected,
The power converter for vehicles according to claim 2.
請求項1乃至請求項3のいずれか一項記載の車両用電力変換装置。 The smoothing capacitor unit has a mounting screw, and includes a current sensor for detecting the current of the three-phase AC power, and a screw seat to which the current sensor is attached.
The power converter for vehicles according to any one of claims 1 to 3.
配線基板と、
前記素子ユニットに対し、前記配線基板を介して接続されて前記素子ユニットの制御を行うPWM基板と、
を備えた、
請求項1乃至請求項4のいずれか一項記載の車両用電力変換装置。 The power converter for vehicles performs power conversion by PWM control,
A wiring board,
A PWM board connected to the element unit via the wiring board to control the element unit;
Equipped with
The power converter for vehicles according to any one of claims 1 to 4.
前記直流電力が入力される一対の直流側端子と、
前記三相交流電力を出力する三相交流側第1端子と、
前記三相交流側第1端子と対となり、前記三相交流電力を出力する三相交流側第2端子と、
前記一対の直流側端子間に接続されたコンデンサと、を備え、
前記一対の直流側端子のうち一方は、前記三相交流側第1端子に接続され、
前記一対の直流側端子のうち他方は、前記三相交流側第2端子に接続されている、
平滑コンデンサユニット。 A smoothing capacitor unit capable of supplying smooth DC power to a power conversion unit that receives DC power and is provided in a subsequent stage and converts the DC power into three-phase AC power,
A pair of DC side terminals to which the DC power is input;
A three-phase alternating current first terminal for outputting the three-phase alternating current power;
A three-phase alternating current second terminal that is paired with the three-phase alternating current first terminal and outputs the three-phase alternating current power;
A capacitor connected between the pair of DC side terminals;
One of the pair of DC side terminals is connected to the three-phase AC side first terminal,
The other of the pair of direct current side terminals is connected to the three-phase alternating current side second terminal,
Smoothing capacitor unit.
請求項6記載の平滑コンデンサユニット。 The smoothing capacitor unit has a mounting screw, and includes a current sensor for detecting the current of the three-phase AC power, and a screw seat to which the current sensor is attached.
The smoothing capacitor unit according to claim 6.
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