JP2896454B2 - Inverter device - Google Patents

Inverter device

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JP2896454B2
JP2896454B2 JP4315231A JP31523192A JP2896454B2 JP 2896454 B2 JP2896454 B2 JP 2896454B2 JP 4315231 A JP4315231 A JP 4315231A JP 31523192 A JP31523192 A JP 31523192A JP 2896454 B2 JP2896454 B2 JP 2896454B2
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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
筒井  義雄
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    • HELECTRICITY
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、インバータ装置に係
り、例えば電車又は電気機関車等の電気車に好敵なイン
バータ装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an inverter device, and more particularly to an inverter device suitable for electric vehicles such as electric trains and electric locomotives.

【0002】[0002]

【従来の技術】電気車を駆動する動力システムとして、
インバータ装置により誘導電動機を可変速駆動する方式
が実用されている。
2. Description of the Related Art As a power system for driving an electric vehicle,
A method in which an induction motor is driven at a variable speed by an inverter device has been put to practical use.

【0003】このような電気車用インバータ装置は、例
えば複数の車軸に電動機を分散して設けた電車の場合、
床下の限られたスペースに艤装しなければならないこと
から、できるだけ小形な装置にすることが要望されてい
る。同様に、電気機関車の場合にあっても、1台の機関
車に搭載するインバータ装置群の合計容量を大きくする
ために、個々のインバータ装置を小形にすることが要望
されている。
[0003] Such an electric vehicle inverter device is, for example, in the case of a train provided with electric motors distributed on a plurality of axles,
Since it must be fitted in a limited space under the floor, it is demanded to make the device as small as possible. Similarly, even in the case of an electric locomotive, in order to increase the total capacity of the inverter device group mounted on one locomotive, it is desired that each inverter device be downsized.

【0004】このような要望を満たすため、従来、電気
車駆動用のインバータ主回路の半導体スイッチ素子とし
て、実開平2−75738号公報又は文献:ジー・ティ
ー・オー −ストロムリヒター フュア バーネン(GT
O-Stromrichter fuer Bahnen:SIEMENS, Sonderdruck a
us ZEV-Glasers Annalen113(1989)Nr.6/7 juni/juliペ
ージ259〜272)に記載されているように、ゲートターン
オフ・サイリスタ(GTOサイリスタ)が用いられてい
る。その理由は、バイポーラトランジスタ(BT)やゲ
ート絶縁型バイポーラトランジスタ(IGBT)等の半
導体スイッチ素子に比べて、耐電圧及び電流容量が比較
的大きいのでインバータ主回路部分を小形化できるから
である。
In order to satisfy such demands, conventionally, as a semiconductor switch element of an inverter main circuit for driving an electric vehicle, Japanese Utility Model Application Laid-Open No. 2-753838 or literature: GT-O-Stromrichter Fuerbahnen (GT)
O-Stromrichter fuer Bahnen: SIEMENS, Sonderdruck a
As described in US ZEV-Glasers Annalen 113 (1989) Nr. 6/7 juni / juli pp. 259-272), a gate turn-off thyristor (GTO thyristor) is used. This is because the withstand voltage and current capacity are relatively large as compared with semiconductor switch elements such as a bipolar transistor (BT) and a gate insulating bipolar transistor (IGBT), so that the inverter main circuit can be downsized.

【0005】一方、出力波形の高調波成分を低減するた
め、前記文献(GTO-Stromrichterfuer Bahnen)に記載
されているように、3レベルの直流電圧をスイッチング
して交流出力を発生するいわゆる3レベル・インバータ
(又は、中性点クランプ・インバータとも称される)が
提案されている。この3レベル・インバータは、インバ
ータの1相分の主回路が、直流電源に接続される一対の
直流入力端子と、直流電源の中性点に接続される中性点
端子と、一対の直流入力端子間に接続された第1乃至第
4の半導体スイッチ素子の直列接続回路と、第1と第2
の半導体スイッチ素子の接続点と中性点端子との間に、
また第3と第4の半導体スイッチ素子の接続点と中性点
端子との間にそれぞれ接続されたクランプダイオード
と、第2と第3の半導体スイッチ素子の接続点に接続さ
れた交流出力端子とを含んだ構成とされている。
On the other hand, in order to reduce the harmonic components of the output waveform, as described in the above-mentioned document (GTO-Stromrichterfuer Bahnen), a so-called three-level switch for switching a three-level DC voltage to generate an AC output. Inverters (or also referred to as neutral clamp inverters) have been proposed. In this three-level inverter, a main circuit for one phase of the inverter includes a pair of DC input terminals connected to a DC power supply, a neutral terminal connected to a neutral point of the DC power supply, and a pair of DC input terminals. A series connection circuit of first to fourth semiconductor switch elements connected between terminals;
Between the connection point of the semiconductor switch element and the neutral terminal,
A clamp diode connected between a connection point of the third and fourth semiconductor switch elements and a neutral terminal, and an AC output terminal connected to a connection point of the second and third semiconductor switch elements. Is included.

【0006】また、GTOサイリスタはスイッチング損
失が大きいことから、冷却効率を高めるために、上記公
報や文献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、その円盤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構成の冷
却器が用いられている。冷媒としては、GTOサイリス
タを挟む両側の冷却ブロック相互間、及び冷媒の凝縮部
とGTOサイリスタとの間の絶縁を確保するために、絶
縁性を有する冷媒が用いられる。このような要件を満た
す冷媒として、従来は、主に、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。
Further, since the GTO thyristor has a large switching loss, in order to enhance the cooling efficiency, the GTO thyristor is formed in a disk shape as described in the above publications and documents, and both surfaces of the disk are used as main electrodes. A cooler having a configuration in which a conductive cooling block is pressed against each of the main electrodes and a boiling refrigerant flows through the inside of the cooling block is used. As the refrigerant, an insulating refrigerant is used to ensure insulation between the cooling blocks on both sides of the GTO thyristor and between the refrigerant condensing part and the GTO thyristor. Conventionally, Freon having excellent cooling performance and insulating properties has been mainly used as a refrigerant satisfying such requirements.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、GTOサイリ
スタは、素子のスイッチング損失が大きいこと、またタ
ーンオフ時の電圧上昇を抑制するためのスナバコンデン
サとスナバ抵抗の容量が大きいこと等の理由により、ス
イッチング周波数を高くできず、従来実用されているも
のは、高々500Hz程度である。したがって、電動機
駆動用のインバータ装置をGTOサイリスタを用いて構
成すると、前記の3レベル・インバータを用いても出力
波形の高調波歪の低減に限界があり、電動機電流のリッ
プルが大きくなって、電動機の電磁騒音が大きいという
問題がある。
However, the GTO thyristor has a large switching loss due to a large switching loss of the element and a large capacitance of a snubber capacitor and a snubber resistor for suppressing a voltage rise at the time of turn-off. The frequency which cannot be increased and which has been practically used is about 500 Hz at most. Therefore, if the inverter device for driving the motor is configured using the GTO thyristor, there is a limit in reducing the harmonic distortion of the output waveform even if the above-described three-level inverter is used. There is a problem that the electromagnetic noise is large.

【0008】そこで、スイッチング周波数を高くできる
バイポーラトランジスタ、ゲート絶縁型バイポーラトラ
ンジスタ(IGBT)、MOSゲートで制御されるサイ
リスタ等、高周波パルスのゲート信号により駆動可能な
半導体スイッチ素子(以下、高周波半導体スイッチ素子
と総称する)を適用することが考えられる。
Therefore, a semiconductor switch element (hereinafter, referred to as a high-frequency semiconductor switch element) that can be driven by a high-frequency pulse gate signal, such as a bipolar transistor capable of increasing the switching frequency, a gate-insulated bipolar transistor (IGBT), and a thyristor controlled by a MOS gate. It is conceivable to apply the following.

【0009】しかし、これらの高周波半導体スイッチ素
子として実用されている素子は、一般に耐電圧レベルが
低いから(例えば、汎用のIGBTは、1200vレベ
ル)、架線電圧が直流1500vの電気車用には複数の
素子を直列接続して用いることになる。また、実用され
ている高周波半導体スイッチ素子は、一般に、電流容量
が比較的小さいから、これらを電気車用の大容量インバ
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、複数の素子を並列接続して用い
ることになる。
However, these devices used as high-frequency semiconductor switching devices generally have a low withstand voltage level (for example, a general-purpose IGBT is 1200 V level). Are connected in series and used. Further, since high-frequency semiconductor switch elements in practical use generally have a relatively small current capacity, when they are applied to a large-capacity inverter device for an electric vehicle (for example, for driving a motor having a single unit capacity of 200 kW or more), a plurality of Are connected and used in parallel.

【0010】したがって、IGBTなどの高周波半導体
スイッチ素子を電気車用インバータ装置に適用するにあ
たっては、インバータ主回路の部分が大形化する傾向が
あるので、装置の構成を工夫し、電気車用インバータ装
置を全体として小形化することが要望される。
Therefore, when applying a high-frequency semiconductor switch element such as an IGBT to an inverter device for an electric vehicle, the size of the inverter main circuit tends to be large. It is desired to make the device smaller as a whole.

【0011】また、IGBTなどの高周波半導体スイッ
チ素子の冷却システムを小形化することが要望されると
ともに、公害防止の観点からフロン沸騰冷却方式の代替
冷却方式の採用が要望されている。
In addition, there is a demand for miniaturization of a cooling system for a high-frequency semiconductor switch element such as an IGBT, and there is a demand for the use of an alternative cooling system of the Freon boiling cooling system from the viewpoint of preventing pollution.

【0012】また、単に小形化を図ると、構成部品の配
置及び関連配線が錯綜してしまうから、点検、修理など
の保守性が悪くなるという問題がある。特に、電気車用
のインバータ装置の場合は、電車床下などのように、狭
い場所に設けられることから、保守性を十分に考慮する
必要がある。
Further, if the size is simply reduced, the arrangement of the components and the related wiring are complicated, so that there is a problem that maintainability such as inspection and repair deteriorates. In particular, in the case of an inverter device for an electric vehicle, since it is provided in a narrow place such as under a train floor, it is necessary to sufficiently consider maintainability.

【0013】本発明の第1の目的は、スイッチング周波
数を高くして出力電流のリップルを低減し、かつ装置全
体を小形化できるインバータ装置を提供することにあ
る。
A first object of the present invention is to provide an inverter device capable of increasing the switching frequency to reduce the ripple of the output current and reducing the size of the entire device.

【0014】本発明の第2の目的は、上記第1の目的に
加え、冷却器を小形化可能にするとともに、フロン冷媒
を用いないですむインバータ装置を提供することにあ
る。
A second object of the present invention, in addition to the first object, is to provide an inverter device which allows a cooler to be downsized and does not use a Freon refrigerant.

【0015】本発明の第3の目的は、第1と第2の目的
に加え、保守の容易性を確保したインバータ装置を提供
することにある。
[0015] A third object of the present invention is to provide an inverter device in which easy maintenance is ensured in addition to the first and second objects.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、以下の手段により構成したことを特徴と
する。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present invention is characterized by comprising the following means.

【0017】第1の目的を達成するため、本発明のイン
バータ装置の第1の特徴は、インバータ主回路を形成す
る複数の半導体スイッチ素子に、GTOサイリスタより
も高周波駆動可能な素子を用い、その半導体スイッチ素
子のスナバ回路を形成するスナバコンデンサを、接続対
象の半導体スイッチ素子が取り付けられた支持面に対し
て、その半導体スイッチを挟む位置に配置したことにあ
る。
In order to achieve the first object, a first feature of the inverter device of the present invention is that an element which can be driven at a higher frequency than a GTO thyristor is used for a plurality of semiconductor switch elements forming an inverter main circuit. A snubber capacitor forming a snubber circuit of a semiconductor switch element is arranged at a position sandwiching the semiconductor switch with respect to a support surface on which a semiconductor switch element to be connected is mounted.

【0018】第2の目的を達成するため、本発明のイン
バータ装置の第2の特徴は、3相インバータ主回路を形
成する複数の半導体スイッチ素子をそれぞれ伝熱性を有
する基板に絶縁部材を介して載置して半導体スイッチモ
ジュールを形成し、この複数の半導体スイッチモジュー
ルを1相分ごとに分割して導電性を有する同一の受熱板
の一面に取付けたことにある。
In order to achieve the second object, a second feature of the inverter device of the present invention is that a plurality of semiconductor switch elements forming a three-phase inverter main circuit are respectively provided on a substrate having heat conductivity via an insulating member. The semiconductor switch module is mounted to form a semiconductor switch module, and the plurality of semiconductor switch modules are divided for each phase and mounted on one surface of the same heat-receiving plate having conductivity.

【0019】この場合において、受熱板に取り付けられ
る1相分の半導体スイッチモジュールを、相互接続され
る順序に従って配列することが好ましい。
In this case, it is preferable that the semiconductor switch modules for one phase attached to the heat receiving plate are arranged in the order in which they are interconnected.

【0020】また、受熱板を介して半導体スイッチモジ
ュールを冷却する冷却器は、水を冷媒とする沸騰冷却型
を用いることが好ましい。
Further, it is preferable to use a boiling cooling type using water as a cooling medium for cooling the semiconductor switch module via the heat receiving plate.

【0021】上記第3の目的を達成するため、本発明の
インバータ装置の第3の特徴は、3相インバータ主回路
の構成部品及びゲートドライバを1相ごとに分割し、1
相ごとに同一の支持枠体に組み込んでパワーモジュール
を形成し、該パワーモジュールを共通の筐体に着脱可能
に組み込んだことにある。
In order to achieve the third object, a third feature of the inverter device of the present invention is that a component and a gate driver of a three-phase inverter main circuit are divided into one-phase units, and that
That is, a power module is formed by incorporating each phase into the same support frame, and the power module is detachably incorporated in a common housing.

【0022】この場合において、各相のパワーモジュー
ルが、インバータ主回路1相分の直列接続された複数の
半導体スイッチモジュールと、各半導体スイッチモジュ
ール用のスナバ回路を形成するスナバコンデンサ及びス
ナバダイオードと、半導体スイッチモジュールを含む発
熱体を冷却する冷却器と、当該パワーモジュールを構成
する部品以外との関連配線を行う配線端子とを含んでな
るものとすることが好ましい。そして、半導体スイッチ
モジュールを、それぞれ伝熱性を有する基板に絶縁部材
を介して半導体スイッチ素子を載置して形成するととも
に、その基板を介して導電性を有する同一の受熱板の一
面に取付け、この受熱板の他面に冷却器を熱的に接続
し、この冷却器を筐体の外側に位置させて受熱板を当該
筐体に着脱可能に取付けることが好ましい。さらに、ス
ナバコンデンサとスナバダイオードとを、受熱板に対し
て半導体スイッチモジュールを挟む位置で、かつスナバ
コンデンサとスナバダイオードの端子が接続対象の半導
体スイッチモジュールの主電極端子に近接する位置に配
置することが好ましい。
In this case, the power module of each phase includes a plurality of serially connected semiconductor switch modules for one phase of an inverter main circuit, a snubber capacitor and a snubber diode forming a snubber circuit for each semiconductor switch module, It is preferable to include a cooler for cooling a heating element including a semiconductor switch module, and a wiring terminal for performing wiring related to components other than the components constituting the power module. Then, the semiconductor switch module is formed by mounting a semiconductor switch element on a substrate having heat conductivity via an insulating member, and is attached to one surface of the same heat receiving plate having conductivity via the substrate. It is preferable that a cooler is thermally connected to the other surface of the heat receiving plate, the cooler is positioned outside the housing, and the heat receiving plate is detachably attached to the housing. Further, the snubber capacitor and the snubber diode are arranged at a position where the semiconductor switch module is sandwiched with respect to the heat receiving plate, and at a position where the terminals of the snubber capacitor and the snubber diode are close to the main electrode terminal of the semiconductor switch module to be connected. Is preferred.

【0023】また、スナバ回路を形成するスナバ抵抗と
インバータ主回路を形成するフィルタコンデンサを、パ
ワーモジュールの支持枠体に支持させることが好まし
い。
It is preferable that a snubber resistor forming a snubber circuit and a filter capacitor forming an inverter main circuit be supported by a support frame of the power module.

【0024】また、受熱板を垂直に筐体に取付けるこ
と、さらにその受熱板に取り付けられる1相分の半導体
スイッチモジュールを、直列接続される順に垂直方向に
配列することが好ましい。
It is preferable that the heat receiving plate is vertically attached to the housing, and that the semiconductor switch modules for one phase attached to the heat receiving plate are vertically arranged in the order of serial connection.

【0025】さらに、インバータ主回路の直流電源に並
列接続されたフィルタコンデンサを各パワーモジュール
に組み込み、半導体スイッチモジュールに対してスナバ
コンデンサを挟む位置に配置することが好ましい。
Further, it is preferable that a filter capacitor connected in parallel to the DC power supply of the inverter main circuit is incorporated in each power module, and is disposed at a position sandwiching the snubber capacitor with respect to the semiconductor switch module.

【0026】[0026]

【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。
According to the present invention, the above objects can be achieved by the following operations.

【0027】基本的に、本発明では、GTOサイリスタ
よりも高周波駆動可能な半導体スイッチ素子(以下、高
周波半導体スイッチ素子と略称する)を用いることによ
り、出力電流のリップルを低減して、電磁騒音が改善さ
れる。そして、そのような高周波半導体スイッチ素子を
用いることにより引き起こされる装置の大形化を回避し
て、インバータ装置を小形化する目的は次のようにして
達成される。
Basically, in the present invention, the use of a semiconductor switch element (hereinafter abbreviated as a high-frequency semiconductor switch element) which can be driven at a higher frequency than the GTO thyristor reduces the ripple of the output current and reduces electromagnetic noise. Be improved. The purpose of reducing the size of the inverter device by avoiding the increase in size of the device caused by using such a high-frequency semiconductor switch element is achieved as follows.

【0028】まず、高周波半導体スイッチ素子として
は、バイポーラトランジスタ、IGBT、MOSゲート
で制御されるサイリスタ等が知られている。これらの高
周波半導体スイッチ素子は、GTOサイリスタに比べて
スイッチング損失が小さいので、高周波動作が可能であ
る。例えば、IGBTの場合は、スイッチング周波数を
500Hz〜3kHzの範囲で選定できる。また、IG
BTのスイッチング損失は、500HzのときGTOの
数分の一、3kHzのときGTOの数十分の一である。
First, bipolar transistors, IGBTs, thyristors controlled by MOS gates, and the like are known as high-frequency semiconductor switch elements. These high-frequency semiconductor switch elements have a smaller switching loss than the GTO thyristor, and thus can operate at a high frequency. For example, in the case of an IGBT, the switching frequency can be selected in the range of 500 Hz to 3 kHz. Also, IG
The switching loss of the BT is a fraction of the GTO at 500 Hz, and several tenths of the GTO at 3 kHz.

【0029】また、高周波半導体スイッチ素子は、GT
Oサイリスタに比べてゲートドライブに要するパワーが
小さいので、ゲートドライバを小形にできるから、装置
全体の小形化に寄与する。
Further, the high frequency semiconductor switch element is a GT
Since the power required for the gate drive is smaller than that of the O-thyristor, the gate driver can be downsized, which contributes to downsizing of the entire device.

【0030】また、高周波半導体スイッチ素子は、GT
Oサイリスタに比べてターンオフ時の安全動作領域が広
いから(例えば、許容電圧上昇率が高いから)、スナバ
コンデンサの容量を小さくでき、これによりスナバ抵抗
で消費させるスナバ損失も小さくなる。例えば、IGB
Tの場合は、GTOサイリスタに比べてスナバコンデン
サの容量を1/10以下にできる。
The high-frequency semiconductor switch element is a GT switch.
Since the safe operation area at the time of turn-off is wider than that of the O-thyristor (for example, because the allowable voltage rise rate is high), the capacity of the snubber capacitor can be reduced, and the snubber loss consumed by the snubber resistor is also reduced. For example, IGB
In the case of T, the capacitance of the snubber capacitor can be reduced to 1/10 or less as compared with the GTO thyristor.

【0031】しかし、スナバコンデンサの容量を単に小
さくすると、高周波半導体スイッチ素子は、GTOサイ
リスタよりも電流の遮断速度が速いため、ターンオフ時
に素子に大きなスパイク電圧およびオーバシュート電圧
がかかりやすいという問題がある。特に、IGBTの場
合は、GTOサイリスタよりも電流の遮断速度が1桁以
上も速いから問題になる。
However, if the capacitance of the snubber capacitor is simply reduced, the high-frequency semiconductor switch element has a problem that a large spike voltage and overshoot voltage are likely to be applied to the element at the time of turn-off because the current cutoff speed is faster than that of the GTO thyristor. . In particular, in the case of an IGBT, a problem arises because the current cutoff speed is at least one order of magnitude faster than that of a GTO thyristor.

【0032】このスパイク電圧は、インバータ主回路の
主としてスナバ回路の配線インダクタンスに蓄えられた
電磁エネルギによって発生する。したがって、スパイク
電圧を半導体スイッチ素子の安全動作領域内に抑えるた
めに、スナバ回路の配線インダクタンスを小さくするこ
とが肝要である。
This spike voltage is generated mainly by the electromagnetic energy stored in the wiring inductance of the snubber circuit of the inverter main circuit. Therefore, it is important to reduce the wiring inductance of the snubber circuit in order to keep the spike voltage within the safe operation area of the semiconductor switch element.

【0033】そこで、本発明の第1の特徴によれば、ス
ナバコンデンサを接続対象の半導体スイッチ素子が取り
付けられた支持面に対して、その半導体スイッチを挟む
位置に配置したことから、それらを接続する配線を可能
な限り短くできる。その結果、配線のインダクタンスを
小さくして、スパイク電圧を低減できるので、スナバコ
ンデンサの容量を小さくでき、装置の小形化に寄与でき
る。
Therefore, according to the first feature of the present invention, since the snubber capacitor is arranged at a position sandwiching the semiconductor switch with respect to the support surface on which the semiconductor switch element to be connected is mounted, the snubber capacitors are connected. Wiring can be made as short as possible. As a result, the inductance of the wiring can be reduced and the spike voltage can be reduced, so that the capacity of the snubber capacitor can be reduced, which can contribute to downsizing of the device.

【0034】この場合において、半導体スイッチ素子を
伝熱性を有する基板に載置し、半導体スイッチ素子の主
電極端子を反基板側に設け、スナバコンデンサを当該ス
ナバコンデンサの端子が接続対象の半導体スイッチ素子
の主電極端子に近接する位置に配置することが好まし
い。これにより、スナバ回路の配線インダクタンスを最
小化できる。
In this case, the semiconductor switch element is mounted on a substrate having heat conductivity, the main electrode terminal of the semiconductor switch element is provided on the opposite side of the substrate, and the snubber capacitor is connected to the semiconductor switch element to be connected to the terminal of the snubber capacitor. It is preferable to arrange at a position close to the main electrode terminal. Thereby, the wiring inductance of the snubber circuit can be minimized.

【0035】また、半導体スイッチ素子とスナバコンデ
ンサとを立体的な配置構成にしたことから、つまり同一
面に配置する構成ではなく、2層の階層構造に配置した
ことから、装置全体の小形化に寄与する。
In addition, since the semiconductor switch element and the snubber capacitor are arranged in a three-dimensional structure, that is, they are arranged not in the same plane but in a two-layered hierarchical structure, so that the overall size of the device can be reduced. Contribute.

【0036】一方、インバータ主回路の1相分は、直流
電源に接続された上アームと下アームの半導体スイッチ
素子を含んでなる。これらの半導体スイッチ素子は同時
にオン動作することがないから、それら素子の発熱サイ
クルが重ならない。
On the other hand, one phase of the inverter main circuit includes upper and lower arm semiconductor switch elements connected to a DC power supply. Since these semiconductor switch elements do not turn on at the same time, the heat generation cycles of the elements do not overlap.

【0037】そこで、本発明の第2の特徴として、半導
体スイッチモジュールを1相分ごとに分割して同一の受
熱板の一面に取付け、該受熱板の他面に冷却器を熱的に
接続すれば、冷却器の熱負荷量を平均化することができ
る。その結果、冷却器を小形化できるから、装置全体の
小形化に寄与できる。
Therefore, as a second feature of the present invention, the semiconductor switch module is divided for each phase and mounted on one surface of the same heat receiving plate, and a cooler is thermally connected to the other surface of the heat receiving plate. For example, the heat load of the cooler can be averaged. As a result, the cooler can be downsized, which can contribute to downsizing of the entire apparatus.

【0038】また、1相分の半導体スイッチ素子を導電
性を有する同一の受熱板に取付けると、各素子間の絶
縁、さらに受熱板を接地電位にする場合は受熱板との絶
縁をしなければならない。この点、各半導体スイッチ素
子をそれぞれ伝熱性を有する基板に絶縁部材を介して載
置した構成とし、素子間及び対地間の絶縁を確保してい
る。
Further, when the semiconductor switch elements for one phase are mounted on the same heat-receiving plate having conductivity, insulation between the elements must be provided. In addition, when the heat-receiving plate is set to the ground potential, it must be insulated from the heat-receiving plate. No. In this regard, each semiconductor switch element is mounted on a substrate having heat conductivity via an insulating member, thereby ensuring insulation between the elements and between the elements.

【0039】このように、半導体スイッチ素子ごとに絶
縁する構成としたことから、沸騰冷媒型の冷却器を用い
ても、その冷媒の絶縁性が問われないから、有害性のな
い水等の冷媒を用いることが可能である。
As described above, since the semiconductor switch elements are insulated from each other, even if a cooling medium of a boiling refrigerant type is used, the insulating property of the refrigerant is not required. Can be used.

【0040】特に、受熱板に取り付けられる1相分の半
導体スイッチモジュールを、相互に直列接続される順序
に従って配列することが好ましい。これによれば、主回
路の配線を短縮して配線インダクタンスを小さくできる
から、半導体スイッチ素子のターンオフ時のオーバーシ
ュート電圧を低減でき、結果としてスナバコンデンサの
小形化に寄与できる。すなわち、半導体スイッチ素子の
ターンオフ時に発生するオーバーシュート電圧は、主と
して半導体スイッチ素子からみたインバータ主回路の配
線インダクタンスに蓄えられた電磁エネルギに依存する
からである。
In particular, it is preferable that the semiconductor switch modules for one phase attached to the heat receiving plate are arranged in the order in which they are mutually connected in series. According to this, since the wiring of the main circuit can be shortened and the wiring inductance can be reduced, the overshoot voltage at the time of turning off the semiconductor switch element can be reduced, and as a result, the snubber capacitor can be downsized. That is, the overshoot voltage generated when the semiconductor switch element is turned off mainly depends on the electromagnetic energy stored in the wiring inductance of the inverter main circuit as viewed from the semiconductor switch element.

【0041】上述したように、例えば、1相分の半導体
スイッチ素子を同一の受熱板に取り付けるとともに、ス
ナバコンデンサを半導体スイッチ素子に対して階層状に
配置した構成にすると、点検・修理等の保守性が悪くな
る。
As described above, for example, when the semiconductor switch elements for one phase are mounted on the same heat receiving plate and the snubber capacitors are arranged in a hierarchical manner with respect to the semiconductor switch elements, maintenance such as inspection and repair can be performed. Worse.

【0042】この点、本発明の第3の特徴によれば、1
相分のインバータ主回路ごとにパワーモジュール化し、
そのパワーモジュールを共通の筐体に着脱可能に組み込
んだことから、保守時には必要なパワーモジュールを筐
体から取外すことにより、容易に各部品にアクセスで
き、保守性が向上する。特に、ゲートドライバを組み込
んだものによれば、半導体スイッチ素子の動作試験を簡
単に行うことができる。つまり、試験用のゲートドライ
バを用いて動作試験を行うと、半導体スイッチ素子のゲ
ート特性や容量に対応させて、各種の試験用ゲートドラ
イバを用意しておかなければならないが、本発明によれ
ばそのような各種の試験用ゲートドライバを用意する必
要がない。。
In this regard, according to the third feature of the present invention, 1
A power module is created for each inverter main circuit for each phase,
Since the power module is detachably incorporated in the common casing, the necessary power module is removed from the casing during maintenance, so that each component can be easily accessed, and maintainability is improved. In particular, according to the one incorporating the gate driver, the operation test of the semiconductor switch element can be easily performed. In other words, when an operation test is performed using a test gate driver, various test gate drivers must be prepared in accordance with the gate characteristics and capacitance of the semiconductor switch element. There is no need to prepare such various test gate drivers. .

【0043】また、1相単位でモジュール化したことか
ら、一部の部品に故障が発生したときでも、故障したモ
ジュールのみを交換することにより速やかに修復でき
る。しかも、予備品はインバータ装置単位でなく、パワ
ーモジュール単位で用意すればよい。なお、1相単位に
分割したパワーモジュールは、比較的軽量であり、簡単
な運搬具で持ち運びできる。
Further, since the module is formed in units of one phase, even when a failure occurs in some parts, it can be quickly restored by replacing only the failed module. In addition, spare parts may be prepared not for each inverter device but for each power module. The power module divided into one-phase units is relatively lightweight and can be carried by a simple carrier.

【0044】また、前述した半導体スイッチ素子のター
ンオフ時のスパイク電圧およびオーバーシュート電圧
は、インバータ主回路の直流電源に並列接続されたフィ
ルタコンデンサと半導体スイッチ素子とを接続する配線
インダクタンスの影響をも受ける。したがって、そのフ
ィルタコンデンサを1相分ごとに分散して各パワーモジ
ュールに組み込み、半導体スイッチモジュールに対して
スナバコンデンサを挟む位置に配置したものによれば、
一層、スパイク電圧を低減でき、スナバコンデンサを小
容量化できる。しかも、そのような配置にすることによ
り、立体的な配置構成の空間の利用率が向上し、装置全
体を小形化することができる。その結果、電気車などの
限られたスペースに設置できる規模に小形化できる。
Further, the spike voltage and the overshoot voltage when the semiconductor switch element is turned off are also affected by the wiring inductance connecting the filter capacitor connected in parallel to the DC power supply of the inverter main circuit and the semiconductor switch element. . Therefore, according to the filter capacitor, the filter capacitor is dispersed for each phase and incorporated in each power module, and the filter capacitor is disposed at a position sandwiching the snubber capacitor with respect to the semiconductor switch module.
The spike voltage can be further reduced, and the snubber capacitor can be reduced in capacity. In addition, by adopting such an arrangement, the utilization rate of the space having the three-dimensional arrangement can be improved, and the entire apparatus can be downsized. As a result, the size can be reduced to a size that can be installed in a limited space such as an electric car.

【0045】[0045]

【実施例】以下、本発明を図示実施例に基づいて説明す
る。本発明の一実施例の電車用インバータ装置を図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相分の主要部の構成図、図2は図1の矢印 II−I
I から見た構成図である。図3は本実施例の電車用イン
バータ装置の全体系統構成図であり、図4は1相分のイ
ンバータ主回路の構成図である。図5は図3に示した電
車用インバータ装置1の全体外観図の背面図である。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は本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は半導体スイッチモジュー
ルとスナバコンデンサとの階層配置の重なり関係を示す
図である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. A train inverter device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a configuration diagram of a main part for one phase of a train inverter device, and FIG. 2 is an arrow II-I of FIG.
FIG. FIG. 3 is an overall system configuration diagram of the train inverter device of the present embodiment, and FIG. 4 is a configuration diagram of an inverter main circuit for one phase. FIG. 5 is a rear view of the entire external view of the train inverter device 1 shown in FIG. FIG. 6 is a sectional view taken along the arrow VI-VI in FIG. FIG. 7 is a diagram showing a state in which the train inverter device of the present embodiment is fitted under the floor of a train. FIG. 8 is a perspective view, partially cut away, of the configuration of the semiconductor switch module according to the present embodiment. FIG. 9 is an enlarged view showing the arrangement of the semiconductor switch module and the clamp diode on the heat receiving plate and their electrical connection. FIG. 10 is a diagram showing an overlapping relationship of the hierarchical arrangement of the semiconductor switch module and the snubber capacitor.

【0046】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1A,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。
First, with reference to FIGS. 3 to 7, the overall configuration of the train inverter device of the present embodiment and the inverter main circuit will be described. As shown in FIG. 3, the train drive device to which the train inverter device of the present embodiment is applied is configured to include four induction motors M 1 , M 2 , M 3 , and M 4 . Two inverter devices 1A and 1B having the same configuration are provided for these four induction motors, the induction motors M 1 and M 2 are driven by the inverter device 1A, and the induction motors M 3 and M 4 are driven by the inverter device 1B. To drive. Each inverter 1A, B is an inverter main circuit of each of the three phases, including a power module PU 1 to PU 3 obtained by dividing for each phase. One DC input terminal (P) of each of the power modules PU 1 to PU 3 is connected to the pantograph 2 via a circuit breaker 3, open switches 4A and B, and filter reactors 5A and B, and the other DC input terminal (P). N) is grounded.

【0047】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IGBT Q1〜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
1〜RS3とから構成されている。スナバコンデンサC
1、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。
As a main circuit of each of the power modules PU 1 to PU 3 , a so-called three-level inverter circuit is applied as shown in FIG. FIG. 4 shows a main circuit for one phase of the inverter. Among a pair of DC input terminals P and N, P is connected to a DC line connected to the pantograph 2 in FIG. 3, and N is grounded. . A series circuit of two filter capacitors CF 1 and CF 2 is connected to the pair of DC input terminals P and N, and a connection point between the filter capacitors CF 1 and CF 2 is a neutral point of the DC power source and a neutral point. Connected to terminal O. A series circuit of four semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 is connected between a pair of DC input terminals P and N. Each of the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 includes:
It is configured respectively by inverse parallel connection of the IGBT Q 1 to Q 4 and the freewheeling diode DF 1 ~DF 4. Connection point of the semiconductor switch modules SM 1 and SM connection point and the semiconductor switch modules SM 3 2 and SM 4 are
It is connected to the neutral point terminal O, respectively, via the clamp diode DC 1 and DC 2. The connection point of the semiconductor switch modules SM 2 and SM 3 is connected to the AC output terminal M. The snubber circuit is composed of a snubber capacitor CS 1 ,
CS 2 and the snubber diode DS 1 ~DS 4 and the snubber resistor R
And a S 1 to RS 3 Prefecture. Snubber capacitor C
S 1, CS 2 3 respective ones of the capacitors C 11 ~C 13, C
It is constructed by connecting 21 -C 23 in delta. The snubber capacitors CS 1 and CS 2 can be equivalently configured by connecting three capacitors in a star configuration. The gate pulses amplified are input by the gate driver GD to the gates of the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4.

【0048】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。
As shown in FIG. 5, the entirety of the train inverter device 1 of this embodiment is provided with a control unit C
U-A, B and adjunct AU-A, mainly B, inverter 1A, and the power module PU 1 to PU 3 and B is constructed by arranging on both sides symmetrically. As shown in the cross-sectional view of the train inverter device 1 shown in FIG.
A portion 4 is provided so as to protrude outside the front side of the housing 6. The train inverter device 1 configured as described above.
As shown in FIG. 7, a plurality of hanging metal fittings 7 provided on the upper part of the housing 6 are aligned with the longitudinal direction of the train.
And is attached by suspending it under the floor at the center of the train car 8 via the. Further, the coolers 53 and 54 are attached with the side facing the outside of the vehicle 8.

【0049】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。
Next, a specific structure of the power module PU will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a configuration diagram of a main part when one power module is viewed from the side.
FIG. 2 is a configuration diagram viewed from an arrow II-II in FIG.

【0050】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
1、DC2も、2つのダイオードを並列接続して構成し
ている。
As shown in these figures, each of the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 has two semiconductor switch modules connected in parallel, and these semiconductor switch modules are arranged side by side. The semiconductor switch modules SM 1 and SM 2 of the positive arm are mounted vertically on the surface of the first heat receiving plate 31, and the semiconductor switch modules SM 3 and SM 4 of the negative arm are mounted on the surface of the second heat receiving plate 32. Mounted vertically. Also,
A clamp diode DC is provided on the surface of each heat receiving plate 31, 32.
1 and DC 2 are installed. Clamp diode D
C 1 and DC 2 are also configured by connecting two diodes in parallel.

【0051】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6
8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も第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3
1,32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9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。
Semiconductor switch modules SM 1 to SM
Reference numeral 4 denotes the same configuration, which is formed in a structure as shown in a perspective view partially broken away in FIG. That is, an insulating plate 62 such as alumina is placed on a substrate 61 formed of a material having excellent heat conductivity such as copper, and a first main electrode such as a conductive copper plate is placed on the insulating plate 62. Put 63,
A plurality of conductive thermal stress relaxation plates 64 such as molybdenum are placed on the main electrode 63, the IGBT elements 65 are placed on each thermal stress relaxation plate 64, and the first main electrode 63 A second main electrode 66 made of a conductive copper plate or the like is placed thereon, and the entire structure is covered with an insulating case 67. A pair of main electrode terminals 6 is provided on the outer surface of the insulating case 67.
8 and the gate terminal 69 are exposed. Although not shown, the free wheeling diode DF connected in anti-parallel to the IGBT element (Q) 65 is also a first wheeling diode.
Is mounted on the main electrode 63. The first and second heat receiving plates 3 are provided by bolt holes 70 provided in the substrate 61.
1, 32 are attached in close contact. As shown in FIG. 9, semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 and clamp diodes DC 1 and DC 2 are arranged on heat receiving plates 31 and 32, and conductors 11 to 16 are arranged according to the circuit configuration of FIG. 4. It is connected.

【0052】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。
The first and second heat receiving plates 31 and 32 are formed of a material having excellent heat conductivity such as aluminum. Each of the heat receiving plates 31 and 32 is fixedly attached to a power module support frame 33 formed in a rectangular frame shape by bolts 34.

【0053】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ている。
A flange 35 is provided around the power module support frame 33. A frame-shaped mounting seat 37 is formed around an opening formed on the side surface of the housing 6. Then, the flange 35 of the power module support frame is fixed to the mounting seat 37 via a packing 39 with bolts 38, and the power module support frame 33 is mounted on the housing 6. That is, a part of the side surface of the housing 6 is formed by the heat receiving plates 31 and 32 and the power module support frame 33, and airtightness is secured by the packing 39.

【0054】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
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ている。
これらの構成部品の配置の重なり関係は図10に示すよ
うに、接続対象の端子を近接させるように定められてい
る。これにより、スナバ回路の配線を最短距離で実装で
きるようにしている。
A component support member 40 is provided at a position sandwiching the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 with respect to the heat receiving plates 31 and 32. The component support member 40 is fixed to the power module support frame 33 by an arm member 41. Is mounted to face the snubber capacitor CS 1, CS 2 and the snubber diode DS 1 to DS 4 to the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 for this part support member 40.
As shown in FIG. 10, the overlapping relationship of the arrangement of these components is determined so that the terminals to be connected are brought close to each other. Thereby, the wiring of the snubber circuit can be mounted in the shortest distance.

【0055】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。
At a position opposite to the component support member 40,
Terminal blocks 42 to 45 made of an insulating material such as epoxy resin are attached, and the DC input terminals P and N, the neutral point terminal O, and the AC output terminal M are supported on these terminal blocks 42 to 45. A current transformer CT and a gate driver GD (GD 1 , GD 2 ) are provided beside the terminal blocks 42 to 45 by the component supporting members 40.
Attached to. In the space below these CT and GD, filter capacitors CF 1 and CF 2 are arranged. The gate drivers GD 1 and GD 2 correspond to the positive side and the negative side of the semiconductor switch module, respectively.

【0056】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
にするためや、非凝縮性のガスが混入しないようにする
ために、負圧に調整されている。
The heat receiving plates 31 and 32 are thermally attached with coolers 53 and 54 each comprising a plurality of heat pipes 51 and radiating fins 52 attached to the heat pipes 51. The heat pipe 51 is formed of a material having excellent heat conductivity and workability such as copper, and water as a boiling refrigerant is sealed inside the pipe to facilitate boiling at a low temperature or use a non-condensable gas. Is adjusted to a negative pressure in order to prevent mixing.

【0057】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51bとしてい
る。また、凝縮部51bの先端を振れ止め55で連結
し、これを受熱板31,32又はパワーモジュール支持
枠33に固定し、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。
In the case of this embodiment, the heat pipe 51 is
It is bent into a mold, and one of the straight pipe portions is embedded in the heat receiving plates 31 and 32 and thermally connected to form the evaporating portion 51a, and the heat pipe 51 is supported by the heat receiving plate. The other straight pipe portion is provided slightly inclined upward with respect to the horizontal plane, and a plurality of radiating fins 52 are attached to this portion to form a condensing portion 51b. In addition, the tip of the condenser 51b is connected by a steady rest 55, which is fixed to the heat receiving plates 31, 32 or the power module support frame 33, so that the swing of the heat pipe 51 is in the same vibration system as the main body of the inverter device.

【0058】このように構成される電車用インバータ装
置の動作について、本発明の特徴部を中心に次に説明す
る。
The operation of the inverter device for a train constructed as described above will be described below, focusing on the characteristic portions of the present invention.

【0059】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。
The gate pulse for driving and controlling the train inverter device of the present embodiment is generated by a PWM control device (not shown) of the control unit CU in accordance with the basic operation of a well-known three-level inverter (reference: New Neutral point clamped PWM inverter (AN
ew Neutral-Point-Clamped PWM Inverter, IEEE Tra
nsactions on industry applications, vol.1A-17, No.
5, september / october1981)). That is, the basic operation of the three-level inverter is the semiconductor switch module SM
The 1 to SM Q 1 to Q 4 of 4 are turned on and off in accordance with the conduction mode the following three, the 3-level voltage selectively outputs to the AC output terminal M. Here, the total DC voltage is indicated as Ed, and the neutral point voltage is indicated as Ed / 2v.

【0060】 1 2 3 4 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 このような3レベル・インバータによれば、通常の2レ
ベル・インバータに比べて、図11に示すように出力電
圧パルスの電圧レベルのステップ数が増加し、見かけ上
のスイッチング周波数が高められるので、高調波が低減
される。また、半導体スイッチ素子としてIGBTを用
いていることから、スイッチング周波数を500Hz〜
3kHZの範囲に高くでき、この点からも高調波を抑制
して電磁騒音を減少できる。
Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Output voltage first conduction mode ON ON OFF OFF Ed Second conduction mode OFF ON ON OFF Ed / 2 Third conduction mode OFF OFF ON ON 0 Such three levels According to the inverter, the number of steps of the voltage level of the output voltage pulse is increased as shown in FIG. 11 and the apparent switching frequency is increased as compared with the ordinary two-level inverter, so that the harmonics are reduced. You. Further, since the IGBT is used as the semiconductor switch element, the switching frequency is set to 500 Hz to 500 Hz.
The range can be as high as 3 kHz, and from this point as well, harmonics can be suppressed and electromagnetic noise can be reduced.

【0061】次に、スナバコンデンサCS1、CS2と、
スナバダイオードDS1〜DS4を、それぞれ接続対象の
半導体スイッチモジュールSM1〜SM4に近接させて、
かつ対向させた位置に配置することにより、スナバ回路
の配線インダクタンスを小さくしてスパイク電圧を低減
させ、これによりスナバコンデンサを小形化して、装置
全体を小形化できることについて説明する。
Next, snubber capacitors CS 1 and CS 2 ,
The snubber diode DS 1 to DS 4, in proximity to the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 each connection object,
In addition, a description will be given of the fact that the wiring inductance of the snubber circuit is reduced and the spike voltage is reduced by disposing the snubber circuit at the opposed position, so that the snubber capacitor can be downsized and the entire device can be downsized.

【0062】図12は、図4の半導体スイッチモジュー
ルSM1とスナバ回路の一部を取り出して示したもので
ある。半導体スイッチモジュールSM1とスナバ回路に
はそれぞれ配線インダクタンスL1,L2が存在するもの
とする。IBGT Q1がオン状態にあり、電流Iが配線
インダクタンスL1とIGBT Q1に流れているときに
IGBT Q1をオフすると、電流は配線インダクタンス
2、スナバダイオードDS1、スナバコンデンサC11
らなるスナバ回路に移って、スナバコンデンサC11に電
荷が蓄えられて、電流が遮断される。
FIG. 12 shows the semiconductor switch module SM 1 of FIG. 4 and a part of the snubber circuit. It is assumed that each wiring inductance L 1, L 2 are present in the semiconductor switch modules SM 1 and snubber circuit. There IBGT Q 1 is turned on, when to turn off the IGBT Q 1 when the current I is flowing in the wiring inductance L 1 and the IGBT Q 1, the current from the wiring inductance L 2, the snubber diode DS 1, snubber capacitor C 11 Turning to snubber circuit formed by the charge in the snubber capacitor C 11 is accumulated, the current is cut off.

【0063】このときのIGBT Q1の電圧Vと、IG
BT Q1の電流I1と、スナバ回路の電流I2の波形を図
13に示す。図中VDPで示した電圧がスパイク電圧とい
われるもので、この電圧をIGBT等の半導体スイッチ
素子の安全動作領域から定まるある値以下にしないとI
GBTが破損する。
[0063] and the voltage V of the IGBT Q 1 at this time, IG
And current I 1 of the BT Q 1, shows a waveform of the current I 2 of the snubber circuit in FIG. 13. The voltage indicated by V DP in the figure is called a spike voltage. If this voltage is not lower than a certain value determined from a safe operation area of a semiconductor switch element such as an IGBT, I
GBT is damaged.

【0064】このスパイク電圧VDPは配線インダクタン
スL1,L2の内の主としてL2と、IGBT等の半導体
スイッチ素子のターンオフ時の電流変化率で決まる。I
GBT等の高周波半導体スイッチ素子はターンオフが高
速であるから、電流変化率が大きくなるので、スパイク
電圧VDPを低く抑えるためには、配線インダクタンスL
1,L2を小さくすることが重要である。
[0064] mainly L 2 of the spike voltage V DP is the wiring inductance L 1, L 2, determined by the rate of change of current at turn-off of the semiconductor switching element such as IGBT. I
Since a high-frequency semiconductor switch element such as a GBT is turned off at a high speed, the current change rate is large. Therefore, in order to keep the spike voltage V DP low, the wiring inductance L
1, it is important to reduce the L 2.

【0065】そこで、本実施例では、図1,2,10に
示したように、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に近接させて対向配置し、それらの部品
間の接続配線を最短距離で実現するようにして、配線イ
ンダクタンスL1、L2を極力小さくするようにしたので
ある。その結果、小容量のスナバコンデンサCS1,C
2を用いても、スパイク電圧VDPを低く抑えることが
可能となり、装置の小形化に寄与する。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIGS. 1, 2 and 10, the snubber capacitors CS 1 and CS 2 and the snubber diodes DS 1 to DS 4 are brought close to the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4. The wiring inductances L 1 and L 2 are made as small as possible by realizing the connection wiring between these components at the shortest distance. As a result, small-capacity snubber capacitors CS 1 , C
Even if S 2 is used, the spike voltage V DP can be kept low, which contributes to downsizing of the device.

【0066】しかも、本実施例では、スナバコンデンサ
CS1,CS2を構成する3つのコンデンサを一体型に形
成したことから、一層配線インダクタンスを低減できる
とともに、コンデンサを小形化できる。
Further, in this embodiment, since the three capacitors constituting the snubber capacitors CS 1 and CS 2 are formed integrally, the wiring inductance can be further reduced and the capacitors can be downsized.

【0067】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について説明する。
Next, the features of the cooling system for cooling the semiconductor switch module of this embodiment will be described.

【0068】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。
The PWM control device generates a gate pulse according to the above three conduction modes and the specified target speed and running mode of the train, performs PWM control on each semiconductor switch module via a gate driver, and outputs the output voltage and the output voltage of the inverter device. In addition to variably controlling the frequency, the inverter device is controlled in accordance with the running mode (powering, coasting, braking) of the train.

【0069】半導体スイッチモジュールSM1〜SM4
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(基本的に、紙面に直角な方向
の風)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51aに還流し、上
述した冷却動作が繰り返される。
The semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 generate heat due to the loss during the ON operation. In this embodiment, the heat is radiated by the cooling system including the heat receiving plates 31 and 32 and the coolers 53 and 54, and is maintained at a predetermined allowable temperature or lower. That is, first, the heat of the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 is transferred to the heat receiving plate 3 via the substrate 21.
1, 32, the temperature of the heat receiving plates 31, 32 rises.
Next, the water in the evaporating section 51a of the heat pipe 51 boils and evaporates due to the temperature rise of the heat receiving plates 31, 32, and the heat receiving plates 31, 32 are cooled by the heat of evaporation. The evaporated water in the heat pipe 51 is guided to the condensing part 51b, and exchanges heat with the running wind of the train (basically, the wind in a direction perpendicular to the plane of the paper) via the radiation fins to condense. The condensed water flows along the inner wall of the heat pipe 51 and returns to the evaporator 51a, and the above-described cooling operation is repeated.

【0070】ところで、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14(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。
By the way, the loss (heat generation) of the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 forming the three-level inverter, as shown in the heat generation cycle of the semiconductor element shown in FIGS. It was found to be related to the driving modes (powering, coasting, braking). In other words, the loss of the semiconductor switch modules SM 1 and SM 4 has a peak during power running, the loss of the semiconductor switch modules SM 2 and SM 3 is a peak during braking.

【0071】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。
In view of this, as shown in FIG.
In this embodiment, the loss peaks of SM 1 and SM 2 are shifted.
Are mounted on the same heat receiving plate 31, and SM 3 and SM 4
Are mounted on the same heat receiving plate 32. This allows
It is heat input equalization of the heat receiving plate at the time of braking and power running, than the case of providing separately cooler the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4, the heat load of the cooler 53, 54 Mean Therefore, the size of the cooler can be reduced.

【0072】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。
Further, as shown in FIG. 8, a freewheeling diode DF is mounted on the same substrate as the IGBT to form a semiconductor switch module SM, and a semiconductor element which generates heat and its cooling system are integrated. This contributes to downsizing of the entire device.

【0073】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、これによれば前述した配線インダクタンスを一層低
減できるとともに、冷却系統を一層集約でき、装置の小
形化に寄与しうる。
In this case, the snubber diode DS can also be formed integrally with the semiconductor switch module SM. According to this, the above-described wiring inductance can be further reduced, the cooling system can be further integrated, and the size of the device can be reduced. Can contribute.

【0074】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。ま
た、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7(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。
Similarly, clamp diodes DC 1 and DC 2
Are the same heat receiving plate 31, as the semiconductor switch module SM,
32, the heat generating semiconductor element and its cooling system can be further integrated, which contributes to downsizing of the entire apparatus. Also, since the loss of the clamp diodes DC 1 and DC 2 changes as shown in FIG.
The heat load of the cooler can be averaged to some extent as compared with the case where the coolers are individually provided.

【0075】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、受熱板31,32を大地電
位にすることが可能になる。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5
3,54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。
On the other hand, as shown in FIG. 8, the IGBT and the freewheeling diode DF constituting the semiconductor switch module SM are connected to the substrate 61 via the insulating plate 62.
The heat receiving plates 31 and 32 can be set to the ground potential because the semiconductor device is placed on the heat sink and the insulation of the semiconductor element to the ground is secured inside the module. Thereby, the heat receiving plate 31,
32 and the coolers 53 and 54 are not required, so that the configuration of the cooling system can be simplified, which contributes to the downsizing of the entire apparatus, and the heat receiving plates 31 and 32 and the cooler 5.
As a heat transfer member for thermally connecting the heat transfer members 3 and 54, a heat pipe using a refrigerant such as water having no insulating property can be applied. Therefore, it is possible to realize a cooling system that does not use harmful CFCs without impairing the cooling capacity.

【0076】また、受熱板を接地電位にできることにと
もない、受熱板31,32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、着脱可能に取付けたことから、受熱板31,32
の片方の面が筐体6の外部に露出する。その結果、従来
の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、しかも冷却器の放熱容量を低減して小形化で
きる。
Further, since the heat receiving plate can be set to the ground potential, the heat receiving plates 31 and 32 can be directly attached to the housing 6. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the heat receiving plates 31 and 32 are detachably attached to the openings formed in the vertical outer wall of the housing 6 with the semiconductor switch module SM inside. Therefore, the heat receiving plates 31 and 32
Is exposed outside the housing 6. As a result, compared to the conventional case where the entire heat receiving plate is installed in the housing,
Since the exposed surface of the heat receiving plate also effectively acts as a heat radiating surface, the temperature rise inside the housing can be suppressed by the amount of the heat radiated, and the heat radiating capacity of the cooler can be reduced and the size can be reduced.

【0077】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、バイポーラトランジスタやM
OSゲートにより制御されるサイリスタ等のように、G
TOよりも高周波駆動可能な半導体スイッチ素子を適用
しても同一の効果が得られる。
In the above embodiment, an example is shown in which an IGBT is applied as a semiconductor switch element of an inverter main circuit. However, the present invention is not limited to this.
G, such as a thyristor controlled by an OS gate
The same effect can be obtained by applying a semiconductor switch element that can be driven at a higher frequency than TO.

【0078】また、上記の実施例では、受熱板を受熱板
31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、受熱板31,32を一体化して
も上記の効果は変わらない。しかし、受熱板に予め冷却
器を取り付けた後、組立てすることを考慮すると、受熱
板を2つに分割した方が、組立て時の取り扱いが容易で
ある。
In the above embodiment, the heat receiving plate is divided into the heat receiving plates 31 and 32, and the coolers 53 and 54 are attached to the respective heat receiving plates 31 and 32. The effect of does not change. However, in consideration of assembling after attaching a cooler to the heat receiving plate in advance, it is easier to handle the assembling if the heat receiving plate is divided into two parts.

【0079】また、受熱板31,32を半導体スイッチ
モジュール側と冷却器側とに2つ割りして接合した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。しかし、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。
Further, a two-layer structure in which the heat receiving plates 31 and 32 are divided and joined to the semiconductor switch module side and the cooler side may be used. According to this, manufacture and assembly are further facilitated. However, the cooling effect may be reduced due to the heat transfer resistance of the joint surface between the two layers of the heat receiving plate.

【0080】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31,32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。
In the above embodiment, a combination of a heat pipe and a radiating fin is shown as a cooler. However, the present invention is not limited to this, and the radiating fin is directly thermally bonded to the outer surfaces of the heat receiving plates 31 and 32. A configuration or a configuration in which a radiation fin is integrally formed with a heat receiving plate can be adopted.

【0081】上述したように、1相分の半導体スイッチ
素子を同一の受熱板に取り付けるとともに、スナバコン
デンサやスナバダイオードを半導体スイッチ素子に対向
させて階層状に配置した構成にすると、点検・修理等の
保守性が悪くなるが、この点本実施例によれば、1相分
のインバータ主回路ごとにパワーモジュール化したこと
から、点検・修理等の保守性を改善できる。
As described above, when a semiconductor switch element for one phase is mounted on the same heat receiving plate and a snubber capacitor and a snubber diode are arranged in a layered manner so as to face the semiconductor switch element, inspection, repair, etc. However, according to the present embodiment, since a power module is provided for each one-phase inverter main circuit, maintainability such as inspection and repair can be improved.

【0082】すなわち、インバータ主回路を1相分ごと
にパワーモジュール化して共通の筐体に着脱可能に組み
込んだことから、保守時には必要なパワーモジュールを
筐体から取外すことにより、容易に各部品にアクセスで
き、保守性が向上する。
That is, since the inverter main circuit is formed into a power module for each phase and is removably incorporated in a common housing, a necessary power module is detached from the housing at the time of maintenance so that each component can be easily attached to each component. Access and maintainability are improved.

【0083】特に、ゲートドライバGDを組み込んだこ
とから、半導体スイッチ素子の動作試験等を簡単に行う
ことができる。つまり、試験用のゲートドライバを用い
て動作試験を行うと、半導体スイッチ素子のゲート特性
や容量に対応させて、各種の試験用ゲートドライバを用
意しておかなければならないから煩雑である。これに対
し、本実施例では半導体スイッチ素子に適合した所定の
ゲートドライバGDを利用できるので、簡単にかつ適正
な動作試験を行うことができる。
In particular, since the gate driver GD is incorporated, an operation test and the like of the semiconductor switch element can be easily performed. That is, when an operation test is performed using a test gate driver, various test gate drivers must be prepared in accordance with the gate characteristics and capacitance of the semiconductor switch element, which is complicated. On the other hand, in the present embodiment, since a predetermined gate driver GD suitable for the semiconductor switch element can be used, a simple and proper operation test can be performed.

【0084】また、1相単位でユニット化したことか
ら、一部の部品に故障が発生したときでも、故障したパ
ワーモジュールのみを交換することにより速やかに修復
できる。しかも、予備品はインバータ装置単位でなく、
パワーモジュール単位で用意すればよい。なお、1相単
位に分割したパワーモジュールは、比較的軽量であり、
簡単な運搬具で持ち運びできる。
Further, since a unit is formed in units of one phase, even if a failure occurs in some parts, it can be quickly repaired by replacing only the failed power module. Moreover, spare parts are not per inverter unit,
It may be prepared for each power module. The power module divided into one-phase units is relatively lightweight,
It can be carried with a simple carrier.

【0085】また、前述した半導体スイッチ素子のター
ンオフ時のスパイク電圧およびオーバーシュート電圧
は、インバータ主回路の直流電源に並列接続されたフィ
ルタコンデンサCFと半導体スイッチ素子とを接続する
配線インダクタンスの影響をも受ける。本実施例では、
図1に示すように、そのフィルタコンデンサCFを1相
分ごとに分散してコンデンサユニットとして組み込み、
半導体スイッチモジュールに対してスナバコンデンサC
Sを挟む位置に配置している。したがって、一層、スパ
イク電圧を低減でき、スナバコンデンサCSを小容量化
できる。しかも、そのような配置にすることにより、立
体的な配置構成の空間の利用率が向上し、装置全体を小
形化することができる。その結果、電気車などの限られ
たスペースに設置できる規模に小形化できる。
The above-described spike voltage and overshoot voltage when the semiconductor switch element is turned off are affected by the wiring inductance connecting the filter capacitor CF connected in parallel to the DC power supply of the inverter main circuit and the semiconductor switch element. receive. In this embodiment,
As shown in FIG. 1, the filter capacitor CF is dispersed for each phase and incorporated as a capacitor unit.
Snubber capacitor C for semiconductor switch module
It is arranged at a position sandwiching S. Therefore, the spike voltage can be further reduced, and the capacitance of the snubber capacitor CS can be reduced. In addition, by adopting such an arrangement, the utilization rate of the space having the three-dimensional arrangement can be improved, and the entire apparatus can be downsized. As a result, the size can be reduced to a size that can be installed in a limited space such as an electric car.

【0086】なお、フィルタコンデンサCFをパワーモ
ジュール支持枠33に取付け、パワーモジュールPUと
一体構成にすることができる。
Note that the filter capacitor CF can be attached to the power module support frame 33 to be integrated with the power module PU.

【0087】[0087]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
次の効果がある。
As described above, according to the present invention,
It has the following effects:

【0088】高周波半導体スイッチを用いるとスパイク
電圧が高くなるが、スナバコンデンサとスナバダイオー
ドを接続対象の半導体スイッチ素子が取り付けられた支
持面に対して、その半導体スイッチを挟む位置に配置し
たことから、それらを接続する配線を可能な限り短くで
きる。その結果、配線のインダクタンスが小さくなり、
スパイク電圧が低減されるので、スナバコンデンサの容
量を小さくでき、装置の小形化に寄与できる。さらに、
半導体スイッチ素子とスナバコンデンサを含む構成部品
を、立体的な階層構造の配置構成にしたことから、装置
全体の小形化に寄与する。
The use of the high-frequency semiconductor switch increases the spike voltage. However, since the snubber capacitor and the snubber diode are arranged at a position sandwiching the semiconductor switch with respect to the supporting surface on which the semiconductor switch element to be connected is mounted. The wiring connecting them can be made as short as possible. As a result, the inductance of the wiring decreases,
Since the spike voltage is reduced, the capacity of the snubber capacitor can be reduced, which can contribute to downsizing of the device. further,
The components including the semiconductor switch element and the snubber capacitor are arranged in a three-dimensional hierarchical structure, which contributes to downsizing of the entire device.

【0089】また、高周波半導体スイッチ素子は、GT
Oサイリスタに比べてゲートドライブに要するパワーが
小さいので、ゲートドライバを小形にできるから、装置
全体の小形化に寄与する。
The high-frequency semiconductor switch element is a GT
Since the power required for the gate drive is smaller than that of the O-thyristor, the gate driver can be downsized, which contributes to downsizing of the entire device.

【0090】さらに、半導体スイッチモジュールを1相
分ごとに分割して同一の受熱板の一面に取付け、該受熱
板の他面に冷却器を熱的に接続した構成としたことか
ら、冷却器の熱負荷量を平均化することができ、その結
果、冷却器を小形化して、装置全体を小形化できる。
Further, the semiconductor switch module is divided for each phase and mounted on one surface of the same heat receiving plate, and a cooler is thermally connected to the other surface of the heat receiving plate. The heat load can be averaged, and as a result, the cooler can be downsized, and the entire device can be downsized.

【0091】また、クランプダイオードを半導体スイッ
チモジュールと同一の受熱板に取り付けたものによれ
ば、発熱半導体素子とその冷却系統を一層集約できるの
で、装置全体の小形化に寄与できる。
Further, according to the one in which the clamp diode is mounted on the same heat receiving plate as the semiconductor switch module, the heat generating semiconductor element and its cooling system can be further integrated, which contributes to the miniaturization of the entire device.

【0092】また、半導体スイッチ素子ごとに受熱板と
絶縁する構成としたことから、受熱板を大接地電位にで
き、冷却器の冷媒の絶縁性が問われないから、有害性の
ない水等の冷媒を用いることが可能である。
Further, since each semiconductor switch element is configured to be insulated from the heat receiving plate, the heat receiving plate can be set to a large ground potential, and the insulating property of the refrigerant in the cooler does not matter. It is possible to use a refrigerant.

【0093】1相分のインバータ主回路ごとにパワーモ
ジュール化し、そのパワーモジュールを共通の筐体に着
脱可能に組み込んだことから、保守時には必要なパワー
モジュールを筐体から取外すことにより、容易に各部品
にアクセスでき、保守性が向上する。
A power module is provided for each inverter main circuit for one phase, and the power module is detachably incorporated in a common housing. Therefore, during maintenance, the necessary power modules can be easily removed from the housing so that each power module can be easily removed. Access to parts improves maintainability.

【0094】特に、ゲートドライバを組み込んだものに
よれば、半導体スイッチ素子の動作試験を簡単に行うこ
とができる。
In particular, according to the one incorporating the gate driver, the operation test of the semiconductor switch element can be easily performed.

【0095】また、1相単位でモジュール化したことか
ら、一部の部品に故障が発生したときでも、故障したモ
ジュールのみを交換することにより速やかに修復でき
る。しかも、予備品はインバータ装置単位でなく、パワ
ーモジュール単位で用意すればよい。
Further, since the module is formed in units of one phase, even when a failure occurs in some parts, it can be quickly repaired by replacing only the failed module. In addition, spare parts may be prepared not for each inverter device but for each power module.

【0096】また、フィルタコンデンサを1相分ごとに
分散して各パワーモジュールに組み込み、半導体スイッ
チモジュールに対してスナバコンデンサを挟む位置に配
置すれば、半導体スイッチ素子のターンオフ時のスパイ
ク電圧を更に低減でき、スナバコンデンサを小容量化で
きる。しかも、そのような配置にすることにより、立体
的な配置構成の空間の利用率が向上し、装置の奥行きま
たは幅を小形化することができる。その結果、電気車な
どの限られたスペースに設置できる規模に小形化でき
る。
Further, if the filter capacitors are dispersed for each phase and incorporated in each power module and arranged at a position sandwiching the snubber capacitor with respect to the semiconductor switch module, the spike voltage when the semiconductor switch element is turned off can be further reduced. The size of the snubber capacitor can be reduced. In addition, by adopting such an arrangement, the space utilization rate of the three-dimensional arrangement can be improved, and the depth or width of the apparatus can be reduced. As a result, the size can be reduced to a size that can be installed in a limited space such as an electric car.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明を適用してなる一実施例の電気車用イン
バータ装置の主要部の構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a main part of an electric vehicle inverter device according to an embodiment to which the present invention is applied.

【図2】図1の実施例を矢印 II−II から見た構成図で
ある。
FIG. 2 is a configuration diagram of the embodiment of FIG. 1 as viewed from an arrow II-II.

【図3】電車のインバータ装置の動力系統構成図であ
る。
FIG. 3 is a power system configuration diagram of a train inverter device.

【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。
FIG. 4 is a main circuit configuration diagram of one phase of a three-level inverter according to the present invention.

【図5】図3に示したインバータ装置を組み込んでなる
電車用インバータ装置の全体外観図である。
5 is an overall external view of an inverter device for a train incorporating the inverter device shown in FIG. 3;

【図6】図5の矢印 VI-VI から見た矢視図である。6 is a view as seen from an arrow VI-VI in FIG. 5;

【図7】図5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。
7 is a diagram showing a state in which the train inverter device of FIG. 5 is fitted under a floor of a train.

【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。
FIG. 8 is a perspective view showing a configuration of a semiconductor switch module according to an embodiment of the present invention, with a part thereof cut away.

【図9】受熱板上における半導体スイッチモジュールと
クランプダイオードの配置と接続関係を示す拡大図であ
る。
FIG. 9 is an enlarged view showing the arrangement and connection relationship between the semiconductor switch module and the clamp diode on the heat receiving plate.

【図10】半導体スイッチモジュールに対するスナバコ
ンデンサとスナバダイオードの配置の重なり関係を示す
図である。
FIG. 10 is a diagram showing an overlapping relationship between the arrangement of a snubber capacitor and a snubber diode with respect to a semiconductor switch module.

【図11】図4のIGBT Q1〜Q4のオン・オフ動作
と出力電圧との関係を説明する図である。
11 is a view for explaining the relationship between the ON-OFF operation and the output voltage of the IGBT Q 1 to Q 4 in FIG.

【図12】半導体スイッチ素子のターンオフ時に発生す
るスパイク電圧を説明するための主要部回路図である。
FIG. 12 is a main part circuit diagram for explaining a spike voltage generated when a semiconductor switch element is turned off.

【図13】半導体スイッチ素子のターンオフ時に発生す
るスパイク電圧を説明するための、各部の電圧、電流波
形図である。
FIG. 13 is a voltage and current waveform diagram of each part for explaining a spike voltage generated when the semiconductor switch element is turned off.

【図14】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。
FIG. 14 is a diagram showing a loss of a semiconductor switch module and a clamp diode corresponding to an operation mode of an inverter.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 51 ヒートパイプ 52 放熱フィン 53,54 冷却器 55 振れ止め 61 基板 62 絶縁板 63 主電極 64 熱応力緩和板 65 IBGT素子 67 絶縁ケース 68 主電極端子 69 ゲート端子 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 IGBT DF1〜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1A, B Inverter device 6 Housing 11 to 23 Conductor 31, 32 Heat receiving plate 33 Power module support frame 35 Flange 37 Mounting seat 39 Packing 40 Parts support member 41 Arm member 42 to 45 Terminal block 51 Heat pipe 52 Heat radiating fin 53, 54 cooler 55 bracing 61 substrate 62 insulating plate 63 main electrode 64 thermal stress relieving plate 65 IBGT element 67 insulating case 68 main electrode terminals 69 gate terminals PU 1 to PU 3 power module SM 1 to SM 4 semiconductor switch modules Q 1 ~ Q 4 IGBT DF 1 ~DF 4 freewheeling diode CS 1 to CS 2 snubber capacitor DS 1 to DS 4 snubber diode RS 1 to RS 3 snubber resistor DC 1, DC 2 clamp diodes CF 1, CF 2 filter capacitor CT current Transformer

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 25/07 H01L 25/04 C 25/18 (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町七丁目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町七丁目1番1号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 筒井 義雄 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 平2−154457(JP,A) 実開 平2−20346(JP,U) 実開 平2−26377(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H02M 7/42 - 7/98 Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01L 25/07 H01L 25/04 C 25/18 (72) Inventor Takeshi Ando 1070 Ige, Katsuta-shi, Ibaraki Pref. 72) Inventor Eiichi Toyoda 1070 Ma, Katsuta-shi, Ibaraki Pref., Mito Plant, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Takayuki Matsui 1070 Mo, Ichi, Katsuta-shi, Ibaraki Pref., Mito Plant, Hitachi, Ltd. Takashi Hisashi Toshihiko 832-2 Horiguchi, Katsuta-shi, Ibaraki Prefecture Hitachi Systems Plaza Katsuta Hitachi Mito Engineering Co., Ltd. (72) Inventor Kiyoshi Nakamura 1-1-1, Omikamachi, Hitachi City, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi, Ltd. Hitachi Research, Ltd. In-house (72) Inventor Kiyoshi Nakata 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi, Ltd.Hitachi Research Laboratory (72) Inventor Yoshio Tsutsui 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi, Ltd. Hitachi Research Laboratory (56) Reference 2-154457 (JP, A) JP2-20346 (JP, U) JP2, 26377 (JP, U) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H02M 7/42 -7/98

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 複数の半導体スイッチ素子とフィルタコ
ンデンサを含んで形成されたインバータ主回路と、前記
各半導体スイッチ素子に接続されたスナバ回路とを備え
なり、前記各半導体スイッチ素子にGTOサイリスタ
よりも高周波駆動可能な素子を用いてなるインバータ装
置において、前記各スナバ回路を形成するスナバコンデ
ンサを接続対象の半導体スイッチ素子が取り付けられた
支持面に対して前記半導体スイッチ素子を挟む位置に配
置し、前記フィルタコンデンサを前記半導体スイッチ素
子に対して前記スナバコンデンサを挟む位置に配置した
ことを特徴とするインバータ装置。
A plurality of semiconductor switching elements and a filter core;
Comprising an inverter main circuit, which is formed to include a capacitor, and a snubber circuit connected to each of the semiconductor switching elements
In an inverter device using an element that can be driven at a higher frequency than a GTO thyristor for each of the semiconductor switch elements, a snubber capacitor forming each of the snubber circuits is connected to a support surface on which a semiconductor switch element to be connected is mounted. And the filter capacitor is disposed at a position sandwiching the semiconductor switch element.
An inverter device disposed at a position sandwiching the snubber capacitor with respect to a slave .
【請求項2】 請求項1において、前記半導体スイッチ
素子は、高周波駆動可能なバイポーラトランジスタとゲ
ート絶縁型バイポーラトランジスタとMOSゲートで制
御されるサイリスタのいずれか1つを用いて形成された
ことを特徴とするインバータ装置。
2. The semiconductor switch according to claim 1, wherein
The device consists of a bipolar transistor and a gate that can be driven at high frequency.
Controlled by a gate isolation bipolar transistor and MOS gate
An inverter device formed using any one of the thyristors controlled .
【請求項3】 請求項1において、前記半導体スイッチ
素子は、500Hz以上の高周波駆動可能な素子を用い
てなることを特徴とするインバータ装置。
3. The semiconductor switch according to claim 1, wherein
For the element, use an element that can be driven at a high frequency of 500 Hz or more.
Inverter apparatus characterized by comprising Te.
【請求項4】 複数の半導体スイッチ素子とフィルタコ
ンデンサを含んで形成されたインバータ主回路と、前記
各半導体スイッチ素子に接続されたスナバ回路とを備え
てなり、前記各半導体スイッチ素子にGTOサイリスタ
よりも高周波駆動可能な素子を用いてなる電気車用イン
バータ装置において、前記各スナバ回路を形成するスナ
バコンデンサを接続対象の半導体スイッチ素子が取り付
けられた支持面に対して前記半導体スイッチ素子を挟む
位置に配置し、前記フィルタコンデンサを前記半導体ス
イッチ素子に対して前記スナバコンデンサを挟む位置に
配置したことを特徴とする電気車用インバータ装置。
4. An inverter main circuit including a plurality of semiconductor switch elements and a filter capacitor, and a snubber circuit connected to each of the semiconductor switch elements, wherein each of the semiconductor switch elements is provided by a GTO thyristor. In an electric vehicle inverter device using an element that can be driven at a high frequency, a snubber capacitor forming each of the snubber circuits is placed at a position sandwiching the semiconductor switch element with respect to a support surface on which a semiconductor switch element to be connected is mounted. An inverter device for an electric vehicle, wherein the filter capacitor is disposed at a position sandwiching the snubber capacitor with respect to the semiconductor switch element.
【請求項5】 請求項4において、前記インバータ主回
路を形成する複数の半導体スイッチ素子を、それぞれ伝
熱性を有する基板に絶縁部材を介して載置して半導体ス
イッチモジュールを形成し、該複数の半導体スイッチモ
ジュールを1相分ごとに分割して伝熱性を有する同一の
受熱板の一面に取付けたことを特徴とする電気車用イン
バータ装置。
5. The inverter main circuit according to claim 4, wherein
A plurality of semiconductor switch elements that form a path
The semiconductor chip is placed on a substrate having heat through an insulating member.
A plurality of semiconductor switch modules.
Joule is divided for each phase and has the same heat conductivity
An electric vehicle interior mounted on one surface of a heat receiving plate.
Barta equipment.
【請求項6】 請求項5において、前記受熱板に取り付
けられる1相分の前記半導体スイッチモジュールを、相
互に接続される順序に従って配列したことを特徴とする
電気車用インバータ装置。
6. The heat receiving plate according to claim 5, wherein
The semiconductor switch module for one phase
Characterized by being arranged in the order in which they are connected to each other
Inverter for electric vehicles.
【請求項7】 3相インバータの構成部品を1相ごとに
分割しそれぞれ1つの支持枠体に組み込んでパワーモジ
ュールを形成し、電車車両の床下に車両の長手方向に沿
って取り付けられる筐体に、該筐体の長手方向に沿って
3相分の前記パワーモジュールを並べて組み込んでな
り、 前記各相のパワーモジュールを構成する部品が、インバ
ータ主回路1相分の直列接続された複数の半導体スイッ
チモジュールと、前記各半導体スイッチモジュール用の
スナバ回路を形成するスナバコンデンサおよびスナバダ
イオードと、出力電流を検出する電流変成器と、前記半
導体スイッチモジュールをオン・オフ駆動するゲートド
ライバと、前記半導体スイッチモジュールを含む発熱素
子を冷却する冷却器と、当該パワーモジュールを構成す
る部品以外との関連配線を行う配線端子とを含んでな
り、 前記各半導体スイッチモジュールは、それぞれ伝熱性を
有する基板に絶縁部材を介して半導体スイッチ素子を載
置し、主電極端子を反基板側に配置して形成され、 前記スナバダイオードは、伝熱性を有する基板に絶縁部
材を介してダイオード素子を載置して形成され、 前記各半導体スイッチモジュールと前記スナバダイオー
ドとをそれぞれ前記基板を介して伝熱性を有する受熱板
の一面に取付け、 該受熱板を前記支持枠体に取付けるとともに該受熱板の
他面に前記冷却器を熱的に接続し、 前記受熱板に対して平行にかつ前記半導体スイッチモジ
ュールを挟む位置に支持部材を設け、 該支持部材の前記半導体スイッチ素子側に前記スナバコ
ンデンサを取り付け、 前記フィルタコンデンサを前記半導体スイッチモジュー
ルに対して前記スナバコンデンサを挟む位置に、かつ当
該スナバコンデンサの端子が接続対象の半導体スイッチ
モジュールの前記主電極端子に近接する位置に配置し、 該フィルタコンデンサの上方に位置させて前記電流変成
器と前記ゲートドライバとを前記支持枠体に取り付け、 前記パワーモジュールを前記筐体の車両側面側に形成さ
れた開口部に、前記支持枠を介して前記冷却器を外側に
位置させて着脱可能に取り付けたことを特徴とする電気
車用インバータ装置。
7. A power module is formed by dividing the components of the three-phase inverter for each phase and incorporating them into one support frame to form a power module, which is mounted under the floor of a train car along the longitudinal direction of the vehicle. A plurality of semiconductor switches in which the power modules for the three phases are arranged side by side along the longitudinal direction of the housing and the components constituting the power modules for each phase are connected in series for one phase of an inverter main circuit. Module, a snubber capacitor and a snubber diode forming a snubber circuit for each of the semiconductor switch modules, a current transformer for detecting an output current, a gate driver for turning on and off the semiconductor switch module, and the semiconductor switch module A cooler that cools the heat generating element including A wiring terminal for performing continuous wiring, wherein each of the semiconductor switch modules includes a semiconductor switch element mounted on a substrate having heat conductivity via an insulating member, and a main electrode terminal disposed on the opposite side of the substrate. is formed, the snubber diode is formed by placing a diode element through the substrate to the insulating member having a heat conductivity, has a heat conductivity the each semiconductor switch modules and said snubber diode, respectively through the substrate Attach to one surface of the heat receiving plate, attach the heat receiving plate to the support frame, thermally connect the cooler to the other surface of the heat receiving plate, and sandwich the semiconductor switch module parallel to the heat receiving plate Providing a support member at a position, mounting the snubber capacitor on the semiconductor switch element side of the support member, and connecting the filter capacitor to the semiconductor A position where the snubber capacitor is sandwiched with respect to the switch module, and a terminal of the snubber capacitor is disposed at a position close to the main electrode terminal of the semiconductor switch module to be connected; A transformer and the gate driver are mounted on the support frame, and the power module is attached to and detached from an opening formed on a vehicle side surface of the housing by positioning the cooler outside through the support frame. An inverter device for an electric vehicle, wherein the inverter device is mounted as possible.
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