JP2759587B2

JP2759587B2 - 電気車用インバータ装置の冷却装置

Info

Publication number: JP2759587B2
Application number: JP4315230A
Authority: JP
Inventors: 秀治斎藤; 孝坪井; 堀江　　哲; 安藤　　武; 豊田　　瑛一; 孝行松井; 敏彦 ▲高▼久; 中村　　清; 仲田　　清; 平吉桑原; 功一井坂
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-11-25
Filing date: 1992-11-25
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JPH06163770A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気車用インバータ装
置の冷却装置に係り、例えば電車又は電気機関車等の電
気車用インバータ装置の冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気車駆動用の誘導電動機をインバータ
装置により可変速駆動する方式が広く採用されている。
このような電気車用インバータ装置の主回路素子として
は半導体スイッチ素子、特にゲートターンオフ・サイリ
スタ（ＧＴＯサイリスタ）が広く用いられている。これ
は、ＧＴＯサイリスタがバイポーラトランジスタやゲー
ト絶縁型バイポーラトランジスタ等の半導体スイッチ素
子に比べて、電圧及び電流容量が比較的大きいという特
徴があるからである。

【０００３】一方、半導体スイッチ素子は比較的熱に弱
いことから、半導体スイッチ素子を効果的に冷却するこ
とが重要である。例えば、電気車用に用いられる大電流
用のＧＴＯサイリスタは損失（発熱量）が大きいことか
ら、冷却効率を高めるために、実開平２−７５７３８号
公報に記載されているように、ＧＴＯサイリスタを円盤
状に形成してその両面を主電極とし、それらの主電極に
導電性の冷却ブロックをそれぞれ圧接し、その冷却ブロ
ックの内部に沸騰性の冷媒を通流するヒートパイプを連
通し、そのヒートパイプに放熱フィンを取り付けて外気
により冷却する冷却方式が採用されている。

【０００４】このような冷却方式の場合、ＧＴＯサイリ
スタの主電極と冷却ブロックとの間の絶縁をとることが
できないことから、冷却ブロックとヒートパイプ凝縮部
（大地電位）との間、あるいは両側の冷却ブロック相互
間の電気絶縁を確保するために、冷却ブロックとヒート
パイプとの間を絶縁パイプにより絶縁するとともに、沸
騰冷媒として冷却性能に優れかつ絶縁性を有するフロン
が用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、フロンは有害
物質であるから、フロンを用いないで冷却性能に優れた
代替冷却方式の採用が要望されている。

【０００６】このような要望を満たすため、ＧＴＯサイ
リスタと冷却ブロック間の絶縁を図ることが考えられる
が、絶縁材による冷却効率の低下は避けられない。した
がって、損失が大きいＧＴＯサイリスタを充分冷却する
には、冷却システムが大形になってしまう。

【０００７】そこで、ＧＴＯサイリスタよりも損失が小
さい半導体スイッチ素子、例えばバイポーラトランジス
タ、ゲート絶縁形バイポーラトランジスタ（ＩＧＢ
Ｔ）、ＭＯＳゲートにより制御されるサイリスタ等を用
いて、冷却システムを小形化することも考えられる。

【０００８】しかし、ＩＧＢＴ等の低損失の半導体スイ
ッチ素子は一般に電流容量が小さくかつ耐電圧が低いか
ら、例えば電気車用等の大容量インバータ装置（例え
ば、単機容量が２００ｋＷ以上の電動機駆動用）に適用
すると、半導体スイッチ素子の並列接続数及び直列接続
数が多くなり、結果的に冷却システムを含めた装置が大
形になるという問題がある。

【０００９】本発明の目的は、冷却器システムを含めて
装置全体を小形化できる電気車用インバータ装置の冷却
装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の電気車用インバ
ータ装置は、以下の手段により上記目的を達成するもの
である。

【００１１】基本的に、電気車用インバータ装置の少な
くとも主回路の半導体スイッチ素子を受熱板の一方の面
に装着し、前記受熱板の他方の面にＬ形に曲折したヒー
トパイプの一方の直状部を当該受熱板の板面に沿わせて
埋め込み、前記ヒートパイプの他方の直状部に放熱フィ
ンを取り付けて冷却装置を構成したことを特徴とする。

【００１２】この場合において、受熱板が電気車用イン
バータ装置の構成部品を収納する筐体の外壁面の一部を
構成するようにすることが好ましい。

【００１３】また、電車用インバータ装置を電車の床下
に取り付ける場合は、受熱板を筐体の電車走行方向に沿
った垂直外壁面の一部を構成するように取付け、ヒート
パイプの一方の直状部の先端を受熱板の下方に向けて埋
め込み、放熱フィンが設けられたヒートパイプの直状部
を電車の幅方向に延在させてかつ水平より上方に傾斜さ
せて設けることが好ましい。

【００１４】

【作用】このように構成することにより、本発明によれ
ば、次の作用により上記各目的が達成できる。

【００１５】まず、電気車用インバータ装置の主回路を
構成する正側アーム関係の半導体スイッチと負側アーム
関係の半導体スイッチ素子は、同一時にオンすることが
ない。したがって、それらを同一の受熱板に装着するこ
とにより、受熱板の入熱量が均一化され、冷却装置の熱
負荷が均一化されるから、受熱板及び放熱フィン等を含
む冷却装置を小形化できる。

【００１６】また、受熱板に埋め込まれたヒートパイプ
の一方の直状部は、冷媒液の蒸発部として機能する。本
発明は、その蒸発部を受熱板の板面に沿って埋め込んだ
ことから、それらの間の伝熱面積を十分に広くでき、集
熱効率を高くできる。

【００１７】また、ヒートパイプをＬ形に曲げて構成し
たから、放熱フィン部を含む冷却装置の外形寸法を筐体
の高さ又は幅内に容易に収めることができる。これによ
り、例えば、電車の床下に垂下させて取り付けられるイ
ンバータ装置に要求される装置高さの制限を、容易に満
たすことができる。

【００１８】特に、受熱板が筐体の外壁面の一部を構成
するようにすれば、受熱板の一方の面が外気に露出し、
放熱面として作用するから、その分だけ筐体内部の温度
上昇を抑えることができ、冷却器の放熱容量を低減てき
る。

【００１９】また、半導体スイッチ素子の発熱総量と１
本のヒートパイプの冷却能力とを勘案し、ヒートパイプ
を複数に分割して受熱板に設けることにより、放熱フィ
ン部が占める容積を小さくすることが好ましい。特に、
複数のヒートパイプを受熱板に対して少なくとも２列
（例えば上下２段）に分けて配列することが装置の小形
化にとって好ましい。この場合、ヒートパイプの分割に
合わせて受熱板を分割することにより、製作及び組立て
時の取り扱い作業が容易になる。

【００２０】受熱板とヒートパイプの接合は、受熱板に
一方の側端部から他方の側端部に向けてヒートパイプ挿
通孔を穿設し、その挿通孔にヒートパイプの直状部を挿
入し、空隙部に熱伝導性を有する充填材を充填すること
により実現できる。ヒートパイプを２列に分けて配列す
る場合は、ヒートパイプ挿通孔を列ごとに配列方向の位
置をずらして穿設し、ヒートパイプの直状部が埋め込ま
れる部分を除きヒートパイプ挿通孔の挿入側の一部を開
口溝状に形成することにより、接合作業が容易になる。

【００２１】なお、受熱板は第１と第２の受熱板を重ね
合わせて形成することができる。この場合、第１の受熱
板側に半導体スイッチ素子を取り付け、第２の受熱板側
にヒートパイプを埋め込むようにすると、製作及び組立
て時の取り扱い作業が容易になる。

【００２２】また、ヒートパイプの埋込部と露出部の境
界部を樹脂で被覆することにより、例えばヒートパイプ
を銅で形成し、受熱板をアルミニウムで形成する場合の
ように、両者の材料が異なる場合に生じる電食を防止で
きる。

【００２３】一方、電車の床下に設置した電車用インバ
ータ装置の冷却装置の場合の特有の作用について説明す
る。

【００２４】まず、車両の床下に取り付けられる筐体に
対し、放熱フィンが設けられたヒートパイプの直状部を
電車の幅方向に延在させて設けたことから、電車の走行
風が放熱フィン部に十分に通流され、大きな冷却効果が
得られる。

【００２５】また、ヒートパイプの一方の直状部を下方
に向けて受熱板に埋め込み、放熱フィンが設けられたヒ
ートパイプの直状部を水平より上方に傾斜させて設けた
ことから、放熱フィン部で凝縮された冷媒液はその傾斜
に沿って受熱板に埋め込まれたヒートパイプの蒸発部に
重力により円滑に還流するから、ヒートパイプの伝熱作
用が十分に発揮され、冷却能力が向上する。これに対
し、平行又は下方に傾斜させると、凝縮した冷媒液の重
力による還流が妨げられ、冷却能力が低下することにな
る。

【００２６】したがって、電車用インバータ装置の場合
の上記傾斜角は、線路のカーブ等で起こる電車の最大傾
き角を考慮して、蒸発部の傾きが水平面に対して少なく
とも上方に維持できるように設定することが好ましい。

【００２７】また、ヒートパイプの冷媒液としては、水
を用いることができる。この場合、内部を負圧に形成し
て沸騰温度を下げることが好ましい。これによれば、フ
ロンを用いずに優れた冷却性能を発揮できる。

【００２８】冷媒液として水を用いる場合、水の初期水
位は少なくとも受熱板に埋め込まれたヒートパイプの埋
込部と露出部との境界よりも埋込部側に設定することが
好ましい。これによれば、冬期などの寒冷時に内部の水
が凍結しても受熱板に埋め込まれているので、半導体ス
イッチの発熱により速やかに融けるから問題はない。こ
の点、外部に露出した位置まで水を充填すると、その露
出部で凍った水は融けるのが遅れるから、蒸発部の圧力
が異常に上昇してしまうという問題がある。

【００２９】また、放熱フィンをヒートパイプに対し下
方に偏芯させて設ければ、高さ方向の寸法をその分だけ
抑えることができる。

【００３０】また、ヒートパイプの放熱フィン側の端部
を連結部材で連結して固定部に支持させることにより、
走行風によるヒートパイプの振動を効果的に抑制できる
とともに、電車の振動と同一の振動系になるので好まし
い。この場合、上記連結部材を受熱板に固定することが
一層好ましい。

【００３１】また、放熱フィンの上方と下方に開口を有
する通風ダクトにより当該放熱フィンを覆い、該通風ダ
クトの下部開口に連通させて送風ファンを設ければ、電
車の走行、停止にかかわらず一定の冷却作用が確保でき
るので好ましい。

【００３２】なお、受熱板を導電性を有する材料を用い
て形成する場合は、半導体スイッチ素子に電気絶縁を施
して受熱板に装着することにより、半導体スイッチ素子
の相互間、半導体スイッチと受熱板及びヒートパイプと
の間の絶縁が確保されるから、ヒートパイプの冷媒液の
絶縁性は問われず、水等のフロン以外の冷却性能に優れ
た冷媒液を用いることができ、フロン公害の問題を解決
できる。

【００３３】

【実施例】以下、本発明を図示実施例に基づいて説明す
る。本発明の一実施例として、電車用インバータ装置に
適用した冷却装置を図１乃至図１０を用いて説明する。
図１は電車用インバータ装置の１相分の主要部と冷却装
置の構成図、図２は図１の矢印 II−II から見た構成図
である。図３は電車用インバータ装置にかかる全体系統
図である。図４は１相分のインバータ主回路の構成図で
ある。図５は電車用インバータ装置の全体外観の背面図
である。図６は図５の矢印 VI-VI から見た断面図であ
る。図７は本実施例の電車用インバータ装置を電車の床
下に艤装した状態を示す図である。図８は半導体スイッ
チモジュールの構造を一部を破断して示した斜視図であ
る。図９は半導体スイッチモジュールとクランプダイオ
ードの受熱板上の配置およびそれらの電気的接続を示す
拡大図である。図１０はヒートパイプの受熱板に対する
埋込み状態を示す断面図である。

【００３４】まず、図３乃至図７を参照して、本実施例
の電車用インバータ装置の全体的な構成及びインバータ
主回路について説明する。図３に示すように、本実施例
の電車用インバータ装置が適用される電車の駆動装置は
４台の誘導電動機Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃、Ｍ₄を有して構成され
ている。これらの４台の誘導電動機に対して２台の同一
構成のインバータ装置１（Ａ，Ｂ）を設け、インバータ
装置１Ａにより誘導電動機Ｍ₁、Ｍ₂を駆動し、インバー
タ装置１Ｂにより誘導電動機Ｍ₃、Ｍ₄を駆動するように
している。各インバータ装置１Ａ，Ｂはそれぞれ３相の
インバータ主回路を、各相ごとに分割してなるパワーモ
ジュールＰＵ₁〜ＰＵ₃を含んで構成されている。各パワ
ーモジュールＰＵ₁〜ＰＵ₃の一方の直流入力端（Ｐ）
は、遮断器３、開放スイッチ４Ａ，Ｂ、及びフィルタリ
アクトル５Ａ，Ｂを介してパンタグラフ２に接続され、
他方の直流入力端（Ｎ）は接地されている。

【００３５】各パワーモジュールＰＵ₁〜ＰＵ₃の主回路
は、図４に示すように、いわゆる３レベル・インバータ
回路が適用されている。図４は、インバータの１相分の
主回路を示しており、一対の直流入力端子Ｐ，Ｎのう
ち、Ｐは図３のパンタグラフ２に接続された直流ライン
に接続され、Ｎは接地される。この一対の直流入力端子
Ｐ，Ｎに２個のフィルタコンデンサＣＦ₁，ＣＦ₂の直列
回路が接続され、フィルタコンデンサＣＦ₁とＣＦ₂の接
続点は直流電源の中性点であり、中性点端子Ｏに接続さ
れている。一対の直流入力端子Ｐ，Ｎ間に４個の半導体
スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄の直列回路が接続され
ている。各半導体スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄は、
それぞれＩＧＢＴＱ₁〜Ｑ₄とフリーホイーリングダイ
オードＤＦ₁〜ＤＦ₄とを逆並列接続して構成されてい
る。半導体スイッチモジュールＳＭ₁とＳＭ₂の接続点及
び半導体スイッチモジュールＳＭ₃とＳＭ₄の接続点は、
それぞれクランプダイオードＤＣ₁とＤＣ₂を介して中性
点端子Ｏに接続されている。そして、半導体スイッチモ
ジュールＳＭ₂とＳＭ₃の接続点が交流出力端子Ｍに接続
されている。スナバ回路は、スナバコンデンサＣＳ₁、
ＣＳ₂とスナバダイオードＤＳ₁〜ＤＳ₄とスナバ抵抗Ｒ
Ｓ₁〜ＲＳ₃とから構成されている。スナバコンデンサＣ
Ｓ₁、ＣＳ₂はそれぞれ３つのコンデンサＣ₁₁〜Ｃ₁₃、Ｃ
₂₁〜Ｃ₂₃をデルタ型に接続して構成されている。スナバ
コンデンサＣＳ₁、ＣＳ₂はそれぞれ３つのコンデンサを
スター型に接続しても等価に構成できる。また、各半導
体スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄の各ゲートにはゲー
トドライバＧＤにより増幅されたゲートパルスが入力さ
れるようになっている。

【００３６】本実施例の電車用インバータ装置１の全体
は、図５に示すように、共通の筐体６に制御ユニットＣ
Ｕ−Ａ，Ｂ及び付属装置ＡＵ−Ａ，Ｂを中心に、インバ
ータ装置１Ａ，ＢのパワーモジュールＰＵ₁〜ＰＵ₃を両
側に対称的に配置して構成されている。図６に示す電車
用インバータ装置１の断面図のように、冷却器５３，５
４の部分が筐体６の正面側の外部に突き出して設けられ
ている。このように構成された電車用インバータ装置１
は、図７に示すように、その長手方向を電車の走行方向
に合わせ、筐体６の上部に設けられた複数の吊り金具７
を介して電車の車両８の中央部の床下に吊り下げること
により取り付けられる。また、冷却器５３，５４側を車
両８の外側に向けて取り付けられる。

【００３７】次に、パワーモジュールＰＵの具体的な構
造を図１と図２を参照して説明する。図１は、１つのパ
ワーモジュールを側面から見た主要部の構成図である。
図２は、図１の矢印 II−II から見た構成図である。

【００３８】それらの図に示すように、半導体スイッチ
モジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄はそれぞれ２つの半導体スイッ
チモジュールを並列接続してなり、それらの半導体スイ
ッチモジュールは横に並べて配置されている。正側アー
ムの半導体スイッチモジュールＳＭ₁とＳＭ₂は第１の受
熱板３１の表面に縦に並べて取り付けられ、負側アーム
の半導体スイッチモジュールＳＭ₃とＳＭ₄は第２の受熱
板３２の表面に縦に並べて取り付けられている。また、
各受熱板３１，３２の表面に、クランプダイオードＤＣ
₁とＤＣ₂が取り付けられている。クランプダイオードＤ
Ｃ₁、ＤＣ₂も、２つのダイオードを並列接続して構成し
ている。

【００３９】半導体スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ
₄は、同一の構成であり、図８に一部を破断して示した
斜視図のような構造のいわゆる片面冷却型に形成されて
いる。すなわち、銅等の伝熱性に優れた材料により形成
された基板６１の上にアルミナ等の絶縁板６２を載置
し、その絶縁板６２の上に導電性を有する銅板等の第１
の主電極６３を載置し、その主電極６３の上に導電性を
有するモリブデン等の熱応力緩和板６４を複数載置し、
各熱応力緩和板６４の上にＩＧＢＴ素子６５を載置し、
また第１の主電極６３の上に導電性を有する銅板等の第
２の主電極６６を載置し、これら全体を絶縁ケース６７
でカバーした構造となっている。絶縁ケース６７の外面
に一対の主電極端子６８と、ゲート端子６９が露出して
設けられている。また、図示していないが、ＩＧＢＴ素
子（Ｑ）６５に逆並列接続されるフリーホィーリングダ
イオードＤＦが第１の主電極６３上に載置されている。
そして、基板６１に設けられたボルト穴７０により第
１，第２の受熱板３１，３２に密着させて取り付けるよ
うになっている。受熱板３１，３２上の配置は、図８に
示すように、半導体スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄と
クランプダイオードＤＣ₁、ＤＣ₂とを配置し、図４の回
路構成にしたがって導体１１〜１６により接続されてい
る。

【００４０】第１と第２の受熱板３１，３２はアルミニ
ュウム等の伝熱性に優れた材料で形成されている。各受
熱板３１，３２は矩形枠状に形成されたパワーモジュー
ル支持枠３３にボルト３４により固定して取り付けられ
ている。

【００４１】このパワーモジュール支持枠３３の周辺部
に鍔部３５が設けられている。また、筐体６の側面に形
成された開口部の周辺に枠状の取付け座３７が形成され
ている。そして、パワーモジュール支持枠の鍔部３５を
パッキン３９を介して取付け座３７にボルト３８で固定
し、パワーモジュール支持枠３３を筐体６に取り付けて
いる。すなわち、受熱板３１，３２及びパワーモジュー
ル支持枠３３により筐体６の側面の一部が形成され、パ
ッキン３９により気密が確保され、筐体６の内部に外気
の湿気や埃が入るのを抑制している。

【００４２】受熱板３１，３２に対し半導体スイッチモ
ジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄を挟む位置に部品支持部材４０が
設けられている。この部品支持部材４０は腕部材４１に
よりパワーモジュール支持枠３３に固定されている。こ
の部品支持部材４０にスナバコンデンサＣＳ₁、ＣＳ₂及
びスナバダイオードＤＳ₁〜ＤＳ₄を半導体スイッチモジ
ュールＳＭ₁〜ＳＭ₄に対向させて取り付けられ、接続対
象の端子を近接させるように配置されている。これによ
り、スナバ回路の配線を極力短くするようにしている。

【００４３】この部品支持部材４０の反対側の位置に、
エポキシ樹脂等の絶縁材からなる端子台４２〜４５が取
り付けられ、これらの端子台４２〜４５に直流入力端子
Ｐ，Ｎ、中性点端子Ｏ、交流出力端子Ｍが支持されてい
る。また、端子台４２〜４５の横に電流変成器ＣＴとゲ
ートドライバＧＤ（ＧＤ₁、ＧＤ₂）が部品支持部材４０
に取り付けられている。これらのＣＴとＧＤの下側の空
間に、フィルタコンデンサＣＦ₁、ＣＦ₂が配置されてい
る。なお、ゲートドライバＧＤ₁とＧＤ₂は、それぞれ半
導体スイッチモジュールの正側と負側に対応するもので
ある。

【００４４】受熱板３１，３２には、それぞれ複数のヒ
ートパイプ５１とそのヒートパイプ５１に取り付けられ
た放熱フィン５２からなる冷却器５３，５４が熱的に取
り付けられている。ヒートパイプ５１は銅等の伝熱性及
び加工性に優れた材料で形成されており、パイプ内部に
沸騰冷媒としての水が封入され、低い温度で沸騰を容易
にするため、及び製作時に非凝縮性ガスの混入を避ける
ために、負圧に調整されている。

【００４５】本実施例の場合は、ヒートパイプ５１をＬ
型に曲げ、一方の直管部を受熱板３１，３２に埋め込ん
で熱的に接続して蒸発部５１ａとするとともに、ヒート
パイプ５１を受熱板に支持させている。他方の直管部を
水平面に対して少し上方向に角度θだけ傾けて設け、こ
の部分に複数の放熱フィン５２を取り付けて凝縮部５１
ｂとしている。この傾きθは、線路のカーブ等で起こる
電車の最大傾き角を考慮し、蒸発部５１ｂの傾きが水平
面に対して少なくとも上方に維持できる角度に設定す
る。

【００４６】また、凝縮部５１ｂの先端を振れ止め５５
で連結し、これを支持部材５６を介して受熱板３１に固
定し、走行風等で振動するヒートパイプ５１の振れをイ
ンバータ装置本体と同一の振動系にしている。また、冷
却器５３，５４の全体は、図６に示すように、多数の通
気孔を有する保護カバー５７により覆われている。

【００４７】ヒートパイプ５１と受熱板３１，３２との
接合は、図１０に示すように、受熱板３１の上端から下
端に向けてヒートパイプ挿通孔を穿設し、その挿通孔に
ヒートパイプ５１を挿入し、空隙部に熱伝導性を有する
はんだ等の充填材を充填して熱的及び機械的に接合して
いる。また、ヒートパイプ５１の埋込部と露出部との境
界部を、エポキシ樹脂等の樹脂接着材５８により被覆し
ている。これにより、その部分に雨水等の水分が付着し
て生ずる、ヒートパイプ５１の銅と受熱板３１のアルミ
ニウムとの電食を防止するようにしている。

【００４８】また、半導体スイッチモジュールＳＭは埋
め込みボルト５９により受熱板３１（３２）に取り付け
るようにしている。ヒートパイプ挿通孔はボルト５９に
当たらないように、受熱板を厚くしてヒートパイプ５１
の位置をずらしたり、ボルト５９の位置をずらして形成
する。

【００４９】このように構成される電車用インバータ装
置１の動作及び半導体スイッチ素子の冷却動作につい
て、本発明の特徴部を中心に次に説明する。

【００５０】本実施例の電車用インバータ装置を駆動制
御するゲートパルスは、制御ユニットＣＵの図示してい
ないＰＷＭ制御装置により周知の３レベル・インバータ
の基本動作に従って生成される(参考文献:アニューニ
ュートラルポイントクランプド PWM インバータ (A N
ew Neutral-Point-Clamped PWM Inverter, IEEE Tra
nsactions on industry applications ,vol.1A-17,No.
5,september/october1981))。すなわち、３レベル・イ
ンバータの基本動作は、半導体スイッチモジュールＳＭ
₁〜ＳＭ₄のＱ₁〜Ｑ₄を次の３通りの導通モードに従いオ
ン・オフさせ、交流出力端子Ｍに３レベルの電圧を選択
的に出力する。ここでは、直流全電圧をＥｄとし、中性
点電圧をＥｄ／２ｖと仮想して示す。

【００５１】Ｑ₁ Ｑ₂ Ｑ₃ Ｑ₄ 出力電圧第１の導通モードオンオンオフオフＥｄ第２の導通モードオフオンオンオフＥｄ／２第３の導通モードオフオフオンオン０次に、本実施例の半導体スイッチモジュールを冷却する
冷却システムの特徴作用について説明する。

【００５２】ＰＷＭ制御装置は上記３つの導通モード及
び指定される電車の目標速度及び走行モードに従ってゲ
ートパルスを生成し、ゲートドライバを介して各半導体
スイッチモジュールをＰＷＭ制御し、インバータ装置の
出力電圧及び周波数を可変制御するとともに、電車の走
行モード（力行、惰行、制動）に従ってインバータ装置
を制御する。

【００５３】半導体スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄は
オン動作時の損失により発熱する。本実施例ではその熱
を受熱板３１，３２と冷却器５３，５４からなる冷却シ
ステムにより放熱し、所定の許容温度以下に保持するよ
うにしている。すなわち、まず、半導体スイッチモジュ
ールＳＭ₁〜ＳＭ₄の熱は、基板２１を介して受熱板３
１，３２に伝わり受熱板３１，３２の温度が上昇する。
次に、受熱板３１，３２の温度上昇によりヒートパイプ
５１の蒸発部５１ａ内の水が沸騰して蒸発し、その蒸発
熱により受熱板３１，３２が冷却される。ヒートパイプ
５１内の蒸発した水は凝縮部５１ｂに導かれ、放熱フィ
ンを介して電車の走行風と熱交換して凝縮する。その凝
縮した水はヒートパイプ５１の内壁を伝わって蒸発部５
１ａに還流し、上述した冷却動作が繰り返される。な
お、ヒートパイプ５１の内壁には長手方向に沿って複数
の溝からなるウイック部が形成されており、これらの溝
に沿って凝縮水が蒸発部５１ａに還流するようになっい
る。

【００５４】一方、３レベル・インバータを形成する半
導体スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄の損失（発熱量）
は、図１１（ａ），（ｂ）に示す半導体素子発熱サイク
ルのように、電気車の走行モード（力行、惰行、制動）
に関連することが判明した。つまり、半導体スイッチモ
ジュールＳＭ₁とＳＭ₄の損失は力行時にピークがあり、
半導体スイッチモジュールＳＭ₂とＳＭ₃の損失は制動時
にピークがある。

【００５５】このことに鑑み、図１等に示したように、
本実施例では、損失のピークがずれているＳＭ₁とＳＭ₂
の対を同一の受熱板３１に取付け、同様にＳＭ₃とＳＭ₄
の対を同一の受熱板３２に取付けている。これにより、
力行時と制動時における受熱板への入熱量が均等化さ
れ、半導体スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄に対して冷
却器を個別に設けた場合よりも、冷却器５３，５４の熱
負荷量が平均化されるから、冷却器を小形化することが
できる。

【００５６】また、図８に示したように、ＩＧＢＴと同
一の基板上にフリーホィーリングダイオードＤＦを載置
して半導体スイッチモジュールＳＭを形成し、発熱する
半導体素子とその冷却系統を集約しているから、装置全
体の小形化に寄与する。

【００５７】この場合、スナバダイオードＤＳも半導体
スイッチモジュールＳＭに一体化して形成することがで
き、これによれば冷却系統を一層集約でき装置の小形化
に寄与し得る。

【００５８】同様に、クランプダイオードＤＣ₁とＤＣ₂
を半導体スイッチモジュールＳＭと同一の受熱板３１，
３２に取り付けているので、発熱半導体素子とその冷却
系統を一層集約でき、装置全体の小形化に寄与する。

【００５９】一方、クランプダイオードＤＣ₁、ＤＣ₂の
損失は、電車の走行モードに対応して図１１（ｃ）のよ
うに変化するから、冷却器を個別に設ける場合に比較し
て、冷却器の熱負荷量をある程度平均化できる。

【００６０】しかも、ヒートパイプの蒸発部５１ａを受
熱板３１，３２の板面に沿って埋め込んだことから、そ
れらの間の伝熱面積を十分に広くでき、集熱効率を高く
できる。

【００６１】また、ヒートパイプ５１をＬ形に曲げて構
成したから、放熱フィン部を含む冷却器５３，５４の外
形寸法を筐体の高さ内に容易に収めることができる。こ
れにより、電車の床下に垂下させて取り付けられるイン
バータ装置に要求される装置高さの制限を、容易に満た
すことができる。特に、車両の床下に取り付けられる筐
体に対し、放熱フィンが設けられたヒートパイプ５１の
直状部を電車の幅方向に延在させて設けたことから、電
車の走行風が放熱フィン部に十分に通流され、大きな冷
却効果が得られる。

【００６２】また、ヒートパイプ５１を複数に分割して
受熱板３１，３２に設けているから、放熱フィン部が占
める容積を小さくできる。特に、ヒートパイプ５１を受
熱板に対して上下２段に分けて配列していることから、
装置を一層小形化できる。

【００６３】また、本実施例では、受熱板３１，３２を
上下に分割し、これに合わせてヒートパイプ５１ａ，ｂ
を分割して埋め込んでいるから、製作及び組立て時の取
り扱い作業が容易になる。

【００６４】また、放熱フィン５２をヒートパイプ５１
に対し下方に偏芯させて設けていることから、高さ方向
の寸法をその分だけ抑えるとともに、十分な放熱面積を
確保できる。

【００６５】一方、図８に示したように、半導体スイッ
チモジュールＳＭを構成するＩＧＢＴ及びフリーホイー
リングダイオードＤＦを、絶縁板６２を介して基板６１
に載置し、半導体素子の対地絶縁をモジュール内部で確
保する構成としたことから、導電性を有する受熱板３
１，３２を大地電位にすることが可能になる。

【００６６】これにより、受熱板３１，３２及び冷却器
５３，５４の対地絶縁が不要になるから、冷却システム
の構成を簡単化でき、装置全体の小形化に寄与するとと
もに、受熱板３１，３２と冷却器５３，５４とを熱的に
接続する伝熱部材として、絶縁性を有しない水等の冷媒
を用いたヒートパイプを適用できる。したがって、冷却
能力を損なうことなく、有害なフロンを用いない冷却シ
ステムを実現できる。

【００６７】冷媒液として水を用いる場合は、ヒートパ
イプ５１の埋込部に注入する水の初期水位は、埋込部と
露出部の境界よりも埋込部側に設定することが好まし
い。初期水位を露出部に達する位置に設定すると、冬期
に露出部の水が凍結し、インバータ運転開始時に蒸発部
５１ａの圧力が異常に上昇してしまう恐れがあるからで
ある。

【００６８】また、受熱板３１，３２を大地電位にでき
るから、これらを筐体６に直接取り付けることができ
る。そこで、本実施例では、図１，２に示したように、
受熱板３１，３２を筐体６の垂直外壁に形成された開口
部に、半導体スイッチモジュールＳＭを内側にして取付
けて、受熱板３１，３２の片方の面を筐体６の外部に露
出させた構成としている。その結果、前述したように、
受熱板全体を筐体内に設置した場合に比べて、露出した
受熱板３１，３２の表面も放熱面として有効に作用する
から、その放熱量の分だけ筐体内部の温度上昇を抑える
ことができ、しかも冷却器５３，５４の放熱容量を低減
して小形化できる。

【００６９】なお、上記の実施例では、インバータ主回
路の半導体スイッチ素子としてＩＧＢＴを適用した例を
示したが、これに限らず、片面冷却型の半導体スイッチ
素子であれば、バイポーラトランジスタやＭＯＳゲート
により制御されるサイリスタ等を適用しても同一の効果
が得られる。また、ＧＴＯサイリスタであっても片面冷
却型であれば適用できる。

【００７０】上記実施例では３レベル・インバータを例
にして説明したが、本発明はこれに限らず２レベルイン
バータ、あるいはコンバータ等の電力変換器の冷却装置
に適用できる。すなわち、電力変換器は一般に正側アー
ム関係の半導体スイッチと負側アーム関係の半導体スイ
ッチ素子をブリッジ接続して構成され、それら正側と負
側の半導体スイッチは同一時にオンすることがない。し
たがって、それらを同一の受熱板に装着することによ
り、受熱板の入熱量が均一化され、冷却装置の熱負荷が
均一化されるから、受熱板及び放熱フィン等を含む冷却
装置を小形化できる。

【００７１】また、上記実施例では、受熱板を受熱板３
１と３２に分割し、それぞれに冷却器５３，５４を取り
付けた例を示したが、図１２に示すように、受熱板４８
を一体化しても上記の効果は変わらない。

【００７２】この場合のヒートパイプ５１と受熱板４８
との接合は、図１３（Ａ），（Ｂ）に示すように、上段
用と下段用のヒートパイプ挿通孔４９ａ，４９ｂを段ご
とに配列方向の位置をずらして穿設し、ヒートパイプ５
１ａ，５１ｂの直状部がそれぞれ埋め込まれる部分を除
き、ヒートパイプ挿通孔４９ａ，４９ｂの挿入側の一部
を開口溝状に形成する。これにより、ヒートパイプ５１
と受熱板４８との接合作業が容易になる。

【００７３】また、図１４に示すように、受熱板３１
（３２）を半導体スイッチモジュールＳＭ側の受熱板３
１ａ（３２ａ）と、ヒートパイプ５１側の受熱板３２ｂ
（３２ｂ）とに２つ割りし、これらを接合した２層構造
にしてもよい。これによれば、更に製作、組立てが容易
になる。なお、図１５に示すように、半導体スイッチモ
ジュールＳＭ側の受熱板５０は分割しない構成にするこ
とも可能である。しかし、これらによれば、２層の受熱
板の接合面の伝熱抵抗により冷却効果が低下するおそれ
がある。

【００７４】上記実施例では、冷却器としてヒートパイ
プと放熱フィンを組み合わせたものを示したが、本発明
はこれに限らず、受熱板の外面に放熱フィンを熱的に直
接接合する構成、または受熱板に放熱フィンを一体形成
する構成にすることができる。

【００７５】また、図６に示した実施例では、スナバ抵
抗ＲＳ₁〜ＲＳ₃を冷却器５３の上部に配置した例を示し
たが、図１２に示すように、冷却器５４の下部の受熱板
４８の空いてる面に、熱伝導率の高い電気絶縁材７１を
介して取り付けてもよい。これによれば、スナバ抵抗Ｒ
Ｓ₁〜ＲＳ₃が発生する熱は、電気絶縁材７１を介して受
熱板４８に吸収され、放熱フィン５２から効率よく空気
中に放散される。その結果、スナバ抵抗ＲＳ₁〜ＲＳ₃の
電流密度を高くして、小形にすることができる。

【００７６】また、上記実施例では、電車の走行風によ
り放熱フィンを強制冷却するものについて示したが、本
発明はこれに限られるものではなく、自然通風によって
もよい。あるいは、図１６（Ａ），（Ｂ）に示すよう
に、冷却器５３，５４の上下を除く外周を覆う通風ダク
ト８１を設け、この通風ダクトの下面開口部に送風ファ
ン８２を配置し、この送風ファン８２により図示矢印８
３に示した方向の送風をして、放熱フィン５２を冷却す
る強制風冷方式を採用してもよい。図１６の例によれ
ば、電気機関車等のように、車両の内部にインバータ装
置を配置する場合に適している。

【００７７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電気車用インバータ装置の冷却装置全体を小形化するこ
とができる。

【００７８】特に、電車の床下に艤装される電気車用イ
ンバータ装置に好敵な、小形で冷却効率に優れた冷却装
置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用してなる一実施例の電気車用イン
バータ装置の冷却装置を含む主要部の構成図である。

【図２】図１の実施例を矢印 II−II から見た構成図で
ある。

【図３】電気車用インバータ装置の全体系統構成図であ
る。

【図４】本発明にかかる３レベル・インバータの１相分
の主回路構成図である。

【図５】本発明にかかる電車用インバータ装置の全体外
観図である。

【図６】図５の矢印 VI-VI から見た矢視図である。

【図７】電気車用インバータ装置を電車の床下に艤装し
た状態を示す外観図である。

【図８】本発明の一実施例にかかる半導体スイッチモジ
ュールの構成を一部を破断して示した斜視図である。

【図９】受熱板上における半導体スイッチモジュール等
の配置関係を示す拡大図である。

【図１０】受熱板とヒートパイプとの接合部を示す断面
図である。

【図１１】インバータの運転モードに対応させて、半導
体スイッチモジュールとクランプダイオードとの損失を
示した線図である。

【図１２】受熱板の他の実施例を示す図である。

【図１３】図１２実施例の受熱板のヒートパイプ挿通孔
の詳細図である。

【図１４】受熱板を２層構造にした実施例の断面図であ
る。

【図１５】受熱板を２層構造にした他の実施例の断面図
である。

【図１６】冷却器を送風ファンにより強制風冷するよう
にした実施例の構成図である。

【符号の説明】

１Ａ，Ｂインバータ装置６筐体１１〜２３導体３１，３２受熱板３３パワーモジュール支持枠３５鍔部３７取付け座３９パッキン４０部品支持部材４１腕部材４２〜４５端子台４８受熱板４９ａ，ｂヒートパイプ挿通孔５０受熱板５１ヒートパイプ５２放熱フィン５３，５４冷却器５５振れ止め５６支持部材６１基板６２絶縁板６３主電極６４熱応力緩和板６５ＩＢＧＴ素子６７絶縁ケース６８主電極端子６９ゲート端子７１電気絶縁材８１通風ダクト８２送風ファンＰＵ₁〜ＰＵ₃ パワーモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄ 半導体スイッチモジュールＱ₁〜Ｑ₄ ＩＧＢＴＤＦ₁〜ＤＦ₄ フリーホィーリングダイオードＣＳ₁〜ＣＳ₂ スナバコンデンサＤＳ₁〜ＤＳ₄ スナバダイオードＲＳ₁〜ＲＳ₃ スナバ抵抗ＤＣ₁、ＤＣ₂ クランプダイオードＣＦ₁、ＣＦ₂ フィルタコンデンサＣＴ電流変成器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安藤武茨城県勝田市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (72)発明者豊田瑛一茨城県勝田市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (72)発明者松井孝行茨城県勝田市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (72)発明者 ▲高▼久敏彦茨城県勝田市堀口832番地の２日立システムプラザ勝田日立水戸エンジニアリング株式会社内 (72)発明者中村清茨城県日立市大みか七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者仲田清茨城県日立市大みか七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者桑原平吉茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者井坂功一茨城県土浦市木田余町3550番地日立電線株式会社土浦工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 23/427 H05K 7/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電気車用インバータ装置の少なくとも主
回路の半導体スイッチ素子を受熱板の一方の面に装着
し、前記受熱板の他方の面にＬ形に曲折したヒートパイ
プの一方の直状部を当該受熱板の板面に沿わせて埋め込
み、前記ヒートパイプの他方の直状部に放熱フィンを取
り付けてなる電気車用インバータ装置の冷却装置。
【請求項２】請求項１において、前記受熱板が前記電
気車用インバータ装置の構成部品を収納する筐体の外壁
面の一部を構成してなる電気車用インバータ装置の冷却
装置。
【請求項３】請求項１又は２において、前記ヒートパ
イプが前記受熱板に対して複数設けられ、該複数のヒー
トパイプが少なくとも２列に分割して配列されてなるこ
とを特徴とする電気車用インバータ装置の冷却装置。
【請求項４】請求項３において、前記受熱板が前記ヒ
ートパイプの分割に合わせて少なくとも２つに分割して
設けられ、前記受熱板に一方の側端部から他方の側端部
に向けてヒートパイプ挿通孔を穿設し、該挿通孔に前記
ヒートパイプの直状部を挿入し、空隙部に熱伝導性を有
する充填材を充填してなることを特徴とする電気車用イ
ンバータ装置の冷却装置。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかにおいて、前
記受熱板が第１と第２の受熱板を重ね合わせてなり、第
１の受熱板側に前記半導体スイッチ素子を取り付け、第
２の受熱板側に前記ヒートパイプを埋め込んでなること
を特徴とする電気車用インバータ装置の冷却装置。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかにおいて、前
記放熱フィンを覆う通風ダクトを設け、該通風ダクトに
連通させて送風ファンを設けたことを特徴とする電気車
用インバータ装置の冷却装置。
【請求項７】電車の床下に取り付けられる筐体内に電
車駆動用の電動機を駆動するインバータの構成部品を収
納してなる電車用インバータ装置の冷却装置において、
前記筐体の電車走行方向に沿った垂直外壁面の一部を構
成するように受熱板を取付け、該受熱板の内面側に前記
電気車用インバータ装置の半導体スイッチ素子を装着
し、前記受熱板の外面側にＬ形に曲折したヒートパイプ
の一方の直状部を当該受熱板の下方に向けて埋め込み、
前記ヒートパイプの他方の直状部に放熱フィンを取り付
けるとともに、該ヒートパイプの直状部を電車の幅方向
に延在させてかつ水平より上方に傾斜させて設けてなる
電車用インバータ装置の冷却装置。
【請求項８】請求項９において、前記ヒートパイプが
前記受熱板に対して複数設けられ、該複数のヒートパイ
プが垂直方向に少なくとも２段に分割して配列され、前
記受熱板が前記ヒートパイプの分割に合わせて垂直方向
に分割して設けられ、前記受熱板の上端部から下端部に
向けてヒートパイプ挿通孔を段ごとに配列方向の位置を
ずらして穿設し、前記ヒートパイプの直状部が埋め込ま
れる部分を除きヒートパイプ挿通孔の挿入側の一部を開
口溝状に形成し、前記ヒートパイプの直状部を対応する
前記ヒートパイプ挿通孔に挿入し、空隙部に熱伝導性を
有する充填材を充填してなることを特徴とする電車用イ
ンバータ装置の冷却装置。
【請求項９】請求項７又は８のいずれかにおいて、前
記ヒートパイプは、冷媒液として水が封入され、かつ内
部が負圧に形成されてなり、前記水の初期水位が少なく
とも前記受熱板に埋め込まれたヒートパイプの埋込部と
露出部との境界よりも埋込部側に設定されてなることを
特徴とする電車用インバータ装置の冷却装置。
【請求項１０】請求項７乃至９のいずれかにおいて、
前記放熱フィンが、前記ヒートパイプを挿通する貫通穴
が形成された複数の平板を間隔を置いて前記ヒートパイ
プに挿入し、該平板の貫通穴部と前記ヒートパイプとを
熱的に固着して形成されてなり、前記貫通穴が前記平板
の中心より上方に偏芯した位置に設けられてなることを
特徴とする電車用インバータ装置の冷却装置。
【請求項１１】請求項７乃至１０のいずれかにおい
て、前記ヒートパイプの放熱フィン側の端部を連結部材
で連結して固定部に支持させたことを特徴とする電車用
インバータ装置の冷却装置。
【請求項１２】電車の車軸に連結された複数の電動機
を２組のインバータ装置で分担して駆動する電車用イン
バータ装置において、前記２組のインバータ装置を各イ
ンバータ装置に係る制御装置を中心にして対称的に配置
して共通の筐体に収納し、前記２組のインバータ装置の
列設方向に沿った前記筐体の垂直外壁面の一部を構成す
るように受熱板を取付け、該受熱板の内面側に前記電気
車用インバータ装置の少なくとも主回路の半導体スイッ
チ素子を装着し、前記受熱板の外面側に放熱フィンが取
り付けられたヒートパイプの端部を埋め込んで冷却器を
構成し、前記筐体の長手方向を電車の走行方向に一致さ
せてかつ前記ヒートパイプの放熱フィン部を電車の側面
方向に向けて当該筐体を電車の床下に取り付けてなるこ
とを特徴とする電車用インバータ装置。