JP2022068579A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、スイッチング素子の密閉性及び変圧器の冷却性を両立する。【解決手段】実施形態の電力変換装置は、筐体と、筐体の内部を密閉状態とするように前記筐体に着脱可能に取り付けられるパネル状のユニットフレームと、ユニットフレームが筐体に取り付けられた状態で、ユニットフレームの一方の面、かつ、筐体の外部側に取り付けられる変圧器及び冷却器と、ユニットフレームが筐体に取り付けられた状態で、ユニットフレームの他方の面、かつ、筐体の内部側に取り付けられる電子部品と、筐体の内部側で変圧器と電子部品とを電気的に接続する平導体部材と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

電気鉄道車両においては、床上または床下に車両用電力変換装置が設置されている。
この車両用電力変換装置は、架線から取り入れた電力を入力側のスイッチング素子において電力を変換し、変圧器を介して所定の電圧に変換し、出力側のスイッチング素子を用いて直流電力に変換し、車両内の各機器への電力を供給している。

この時、入力側のスイッチング素子と変圧器、変圧器と出力側のスイッチング素子を導体で接続する構成を採っていた。
ところで、変圧器は電圧変換時に発熱をするため、筐体外の解放された空間（開放部）に設置して、冷却するのが望ましい。

一方、スイッチング素子は電子部品であるため、塵埃等を防ぐ目的からは、筺体内の密閉された空間（密閉部）に設置することが望ましい。
したがって、変圧器とスイッチング素子と、を接続する導体は、解放部と密閉部との境界にある仕切に挿入孔を設けて貫通させて配置することになる。

この場合において、仕切の材料によっては誘導加熱が発生したり、密閉部内の塵埃からの保護のために挿入孔にシール部材を充填したりするなど構造の複雑さからメンテナンス性が悪化する虞があった。

これらを解決すべく、導体を接続したスイッチング素子を絶縁部材によって第１の筐体内にモールドし、導体に接続した変圧器を一部が外気に触れる第２の筺体内に収容する簡易な構成が提案されている。

国際公開第２０１７／１４１４２２号

ところで、上記構造を電力変換装置の筺体に適用した場合、スイッチング素子を絶縁部材でモールドしているため、故障時におけるスイッチング素子の交換が困難になるという新たな課題が生じる。

また、変圧器の小型化のため、変圧器として高周波変圧器を用いることが考えられるが、スイッチング素子と変圧器間に高周波数の電流が流れるため、可能な限り配線長を短くすることで発熱とインダクタンスを抑えなければならない。

さらに、スイッチング素子と変圧器とを別の筐体に収納するため、構造が複雑化してしまう虞もあった。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、スイッチング素子の密閉性及び変圧器の冷却性を両立可能な電力変換装置を提供することを目的としている。

実施形態の電力変換装置は、筐体と、筐体の内部を密閉状態とするように前記筐体に着脱可能に取り付けられるパネル状のユニットフレームと、ユニットフレームが筐体に取り付けられた状態で、ユニットフレームの一方の面、かつ、筐体の外部側に取り付けられる変圧器及び冷却器と、ユニットフレームが筐体に取り付けられた状態で、ユニットフレームの他方の面、かつ、筐体の内部側に取り付けられる電子部品と、筐体の内部側で変圧器と電子部品とを電気的に接続する平導体部材と、を備える。

図１は、第１実施形態に係る車両用電力変換装置の概要構成説明図である。 図２は、制御箱から電力変換ユニットを取り外した場合の一部断面図である。 図３は、車両用電力変換装置の回路構成図である。 図４は、第１実施形態のユニットフレームを下面側からみた平面図である。 図５は、第２実施形態の電力変換ユニットの側面図である。 図６は、第２実施形態のユニットフレームを下面側からみた平面図である。 図７は、実施形態の変形例の説明図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態に係る車両用電力変換装置の概要構成説明図である。
車両用電力変換装置１０は、制御箱１１と、電力変換ユニット１２と、を備えている。
電力変換ユニット１２は、ユニットフレーム１３と、高周波変圧器（変圧器）１４と、冷却器ベース１５と、冷却器（冷却フィンユニット）１６と、を備えている。

上記構成において、制御箱１１の内部は、ユニットフレームが取り付けられた状態で密閉された空間を構成している。この場合において、制御箱１１とユニットフレーム１３とは、ボルトにより固定されており、メンテナンス時には、容易に取り外しができるようになっている。

図２は、制御箱から電力変換ユニットを取り外した場合の一部断面図である。
図２において、電力変換ユニット１２のユニットフレーム１３の上面側には、高周波変圧器１４の本体部分（端子部を除く）、冷却器ベース１５及び冷却器１６が配置されている。

ユニットフレーム１３の裏面側には、ユニットフレームの周囲に沿って配置されたパッキンＰＫと、冷却器ベース１５に密着状態で配置されたスイッチング素子ユニット１７と、冷却器ベース１５に密着状態で配置されたダイオードユニット１８と、が配置されている。
さらにスイッチング素子１７及びダイオードユニット１８の下側には、後述するように各部を電気的に接続する薄型平導体２０Ａ～２０Ｃが配置されている。

ここで、車両用電力変換装置１０の電気的な回路構成について説明する。
図３は、車両用電力変換装置の回路構成図である。
車両用電力変換装置１０のスイッチング素子ユニット１７は、共振方式単相ハーフブリッジインバータとして構成されており、電源ライン間に直列接続された共振コンデンサＣ１、Ｃ２、電源ライン間に直列接続されたスイッチングトランジスタＴＲ１、ＴＲ２と、寄生ダイオードＤ１、Ｄ２と、を備えている。

上記構成において、共振コンデンサＣ１と共振コンデンサＣ２との接続点及びスイッチングトランジスタＴＲ１とスイッチングトランジスタＴＲ２との接続点は、それぞれ高周波変圧器１４の一次側配線１４Ａに接続されている。

またダイオードユニット１８は、入力端が高周波変圧器１４の二次側配線１４Ｂに接続され出力端が第１負荷に接続される第１ダイオード整流部１８Ａと、入力端が高周波変圧器１４の三次側配線１４Ｃに接続され出力端が第２負荷に接続される第２ダイオード整流部１８Ｂと、を備えている。

図４は、第１実施形態のユニットフレームを下面側からみた平面図である。
図４においては、理解の容易のため、薄型平導体２０Ａ～２０Ｃについては、透視状態で破線で表示している。

電力変換ユニット１２のユニットフレーム１３の下面側には、高周波変圧器１４の一次側配線１４Ａに対応する端子、二次側配線１４Ｂに対応する端子及び三次側配線１４Ｃに対応する端子が突設されている。この場合において、一次側配線１４Ａに対応する端子及び二次側配線１４Ｂに対応する配線の端子数（図４の例では、それぞれ４端子）は、電力量が大きいため、三次側配線の端子数（図４の例では、２端子）よりも多くなっている。

また冷却器ベース１５に密着状態で配置されたスイッチング素子ユニット１７は、図４の例の場合３端子が突設されている。そして、スイッチング素子ユニット１７の端子と、一次側配線１４Ａに対応する端子と、は、薄型平導体２０Ａに寄電気的に接続されている。

また、第１ダイオード整流部１８Ａの８個の端子と、二次側配線１４Ｂの端子と、は、薄型平導体２０Ｂにより電気的に接続されている。
さらに、第２ダイオード整流部１８Ｂの４個の端子と、三次側配線１４Ｃの端子と、は、薄型平導体２０Ｃにより電気的に接続されている。

図４に示すように、流れる電力量が大きいと考えられる薄型平導体２０Ａ及び薄型平導体２０Ｂについては、薄型平導体２０Ｃと比較してより短い距離で配線がなされている。
従って、発熱量とインダクタンスを抑制することが可能となっている。

以上の説明のように、本第１実施形態によれば、電力変換装置を構成している電気部品を１つの電力変換ユニットとすることにより、各電気部品を物理的に近くに配置して、導体の長さ、すなわち、電流経路長を短くしているので、発熱量及びインダクタンスを抑制して変換効率を向上し、消費電力の低減を図ることができる。
また、電力変換ユニット１２を構成している電気部品を構成している部品の端子のうち、より電力量の大きい電流経路に対応する端子を物理的に近くに配置して、導体の長さ、すなわち、電流経路長を短くしているので、発熱量及びインダクタンスを抑制して変換効率を向上し、消費電力の低減を図ることができる。
さらに制御箱１１内の温度上昇を抑制できる。

また、電子部品の密閉部への配置と、発熱の大きい変圧器の開放部への配置を両立でき、電力変換ユニットの信頼性及び長期寿命を図ることが可能となる。

［２］第２実施形態
図５は、第２実施形態の電力変換ユニットの側面図である。
図５において、図２と同等の部分には、同一の符号を付すものとする。
図５において、電力変換ユニット１２のユニットフレーム１３の上面側（図５中、上側）には、高周波変圧器１４の本体部分（端子部を除く）、冷却器ベース１５Ａ、１５Ｂ及び冷却器１６Ａ、１６Ｂが配置されている。

ユニットフレーム１３の裏面側には、ユニットフレームの周囲に沿って配置されたパッキンＰＫと、冷却器ベース１５Ａに密着状態で配置されたスイッチング素子ユニット１７と、冷却器ベース１５Ｂに密着状態で配置されたダイオードユニット１８と、が配置されている。

さらにスイッチング素子１７及びダイオードユニット１８の下側には、後述するように各部を電気的に接続する薄型平導体２０Ｄ～２０Ｆが配置されている。

図６は、第２実施形態のユニットフレームを下面側からみた平面図である。
図６においては、理解の容易のため、薄型平導体２０Ｄ～２０Ｆについては、透視状態で破線で表示している。
電力変換ユニット１２Ａのユニットフレーム１３の下面側には、高周波変圧器１４の一次側配線１４Ａに対応する端子、二次側配線１４Ｂに対応する端子及び三次側配線１４Ｃに対応する端子が突設されている。

また冷却器ベース１５に密着状態で配置されたスイッチング素子ユニット１７の端子も突設されている。そして、スイッチング素子ユニット１７の端子と、一次側配線１４Ａに対応する端子と、は、薄型平導体２０Ｄに寄電気的に接続されている。
また、第１ダイオード整流部１８Ａの端子と、二次側配線１４Ｂの端子と、は、薄型平導体２０Ｅにより電気的に接続されている。

さらに、第２ダイオード整流部１８Ｂの端子と、三次側配線１４Ｃの端子と、は、薄型平導体２０Ｆにより電気的に接続されている。
この場合において、例えば、薄型平導体２０Ｄと薄型平導体２０Ｆとは、物理的に交差していないので、ユニットフレーム１３と同じ距離離間した位置に配置されている。

また薄型平導体２０Ｅと薄型平導体２０Ｆは、物理的に交差するので、ユニットフレーム１３から異なる距離離間した位置にそれぞれ配置されている。なお、発熱を考慮すると電力量の大きい薄型平導体２０Ｅは、ユニットフレームの下側から見た場合、薄型平導体２０Ｆよりも手前に配置するのが望ましい。

図６に示すように、流れる電力量が大きいと考えられる薄型平導体２０Ｄ及び薄型平導体２０Ｅについては、回路部品の配置に対し、可能な限り短い距離で配線がなされている。
従って、発熱量とインダクタンスを抑制することが可能となっている。

以上の説明のように、本第２実施形態によっても、電力変換装置を構成している電気部品を１つの電力変換ユニットとすることにより、各電気部品を物理的に近くに配置して、導体の長さ、すなわち、電流経路長を短くしているので、発熱量及びインダクタンスを抑制して変換効率を向上し、消費電力の低減を図ることができる。
また、電力変換ユニット１２Ａを構成している電気部品を構成している部品の端子のうち、より電力量の大きい電流経路を対応する端子を物理的に近くに配置して、導体の長さ、すなわち、電流経路長を短くしているので、発熱量及びインダクタンスを抑制して変換効率を向上し、消費電力の低減を図ることができる。
さらに制御箱１１内の温度上昇を抑制できる。

［３］実施形態の変形例
図７は、実施形態の変形例の説明図である。
以上の各実施形態においては、強制冷却については考慮していなかったが、本変形例においては、冷却ファン２５を冷却器１６の冷却フィンの近傍に配置して強制冷却を行っている例である。

本変形例によれば、よりいっそう発熱による影響を抑制し、電力変換ユニットのよりいっそうの小型化を図って導体の長さ、すなわち、電流経路長を短くしているので、発熱量及びインダクタンスを抑制して変換効率を向上し、消費電力の低減を図ることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。
例えば、以上の説明においては、制御箱１１を直方体形状の有底部材としていたが、円筒形状、六角筒形状等の開口を有し、当該開口を蓋状の電子部品を載置可能なユニットプレートで塞いで内部を密封部とすることが可能な有底形状であれば任意の形状を適用することが可能である。

１０…車両用電力変換装置
１１…制御箱（筐体）
１２…電力変換ユニット１２
１３…ユニットフレーム（蓋状部材）
１４…高周波変圧器
１５…冷却器ベース
１６…冷却器
１７…スイッチング素子ユニット
１８…ダイオードユニット
１８Ａ…第１ダイオード整流部
１８Ｂ…第２ダイオード整流部
２０Ａ～２０Ｆ…薄型平導体（平導体部材）

Claims (5)

1. 筐体と、
   前記筐体の内部を密閉状態とするように前記筐体に着脱可能に取り付けられるパネル状のユニットフレームと、
   前記ユニットフレームが前記筐体に取り付けられた状態で、前記ユニットフレームの一方の面、かつ、前記筐体の外部側に取り付けられる変圧器及び冷却器と、
   前記ユニットフレームが前記筐体に取り付けられた状態で、前記ユニットフレームの他方の面、かつ、前記筐体の内部側に取り付けられる電子部品と、
   前記筐体の内部側で前記変圧器と前記電子部品とを電気的に接続する平導体部材と、
   を備えた電力変換装置。
2. 前記平導体部材は、複数設けられており、
   前記平導体部材の形状は、より電力量の大きい電流が流れる電流経路を構成する平導体部材の実効的な電流流路長がより短くなるように形成されている、
   請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記平導体部材は、より電力量の大きい電流が流れる電流経路を構成する平導体部材の長さがより短くなるように形成されている、
   請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記冷却器を強制的に冷却する冷却装置が設けられている、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. 前記変圧器は、高周波変圧器であり、
   前記電子部品は、共振方式インバータを構成している共振コンデンサ、スイッチング素子及びブリッジ回路を構成している、
   請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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