JP4020833B2 - Power converter for vehicle - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の床下に設置される半導体装置を有する車両用電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
鉄道車両の床下に設置されて車両駆動電力を供給する電力変換器は、図9に示すように、3相ブリッジ接続された6個の半導体素子1と、各相の正極端子及び負極端子間に接続された3個の相コンデンサ2と、直流側の端子P、N間に接続されたフィルタコンデンサ3とを備え、図示省略の鉄道架線から直流側の端子P、N間に入力される直流電力を、半導体素子1を所定の順序でオン、オフ制御することにより交流電力に変換し、交流側の端子U、V、Wから出力して図示を省略した車両駆動用の電動機に供給する。この電力変換器は、半導体素子1から発生する熱を効率良く除去するために半導体素子冷却ユニット4内に設けられる。
【0003】
図10(a)は車体に取り付けられた箱体に半導体素子冷却ユニット4を装着し、箱体の一部を断面で表した側面図であり、図10(b)はそのB−B矢視断面図である。これら各図において、車体5の底部の側端に箱体6が取り付けられている。箱体6は半導体素子冷却ユニット4の一部を収納し、これを固定するために仕切り板7によって額縁状に囲まれた開口を備えている。
【0004】
半導体素子冷却ユニット4は、箱体6の開口に装入される密閉部11と、半導体素子1や相コンデンサ2等を内部に収容する半導体素子冷却フレームユニット12と、熱放散させるための開放部13とを備えている。
【0005】
このうち、密閉部11は、例えば、山形鋼で形成された枠体の底部に板が取り付けられ、その上にフィルタコンデンサ3及びゲートアンプ9が装着され、箱体6の内部に導入された導体8がフィルタコンデンサ3等に接続されている。半導体素子冷却フレームユニット12は開放部13側が稍上向きに傾斜し、その傾斜面に開口が形成された密閉可能な筐体でなり、その開口にスタック20を構成する境界板21の縁部が、例えば、ボルトによって締結され、内部が気密に保たれるようになっている。
【0006】
スタック20は境界板21の内側に取り付けられ、それぞれ半導体素子1が装着された3個の冷却器受熱ブロック23と、これらの冷却器受熱ブロック23の近傍に配置される3個の相コンデンサ2と、それぞれ基端部が冷却器受熱ブロック23に接合され、境界板21を貫通して開放部13に平行に突出する複数のヒートパイプ24と、これらのヒートパイプ24の長手方向に互いに間隔を空けて一体的に嵌着された複数の放熱フィン25とで構成されている。ここで、半導体素子1及び冷却器受熱ブロック23が発熱部となり、放熱フィン25が放熱部となっている。
【0007】
開放部13は車両の艤装限界内に形成された枠体でなり、前述したヒートパイプ24及び放熱フィン25を内在させ、車両床下にその排熱がこもり床下の配線、配管等を加熱することがないように、通風させて放熱を促進する機能を備えている。
【0008】
なお、半導体素子冷却フレームユニット12に収納される半導体素子1からスタック接続導体26が密閉部11側に導出され、フィルタコンデンサ3や導体8、あるいは、ゲートアンプ9にボルト等で接続される。
【0009】
ここで、ヒートパイプ24は、冷却器受熱ブロック23側が下方となるよう傾けて取り付けられ、ヒートパイプ24の内部に封入された冷媒は、冷却器受熱ブロック23で半導体素子1から発生する熱により蒸発し、放熱フィン25側で凝縮して大気へ熱放散を行う。凝縮された冷媒はヒートパイプ24の内部を重力により冷却器受熱ブロック23側へ戻るようなサイクルを繰り返す。放熱フィン25は自然冷却により大気へ熱放散を行うため、地面に対してほぼ垂直に設置され、放熱フィン25間に上昇気流を生じさせるようになっている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の車両用電力変換装置においては、3相ブリッジ接続された半導体素子の相毎に1つのスタック20を設ける構成になっていた。また、冷却器受熱ブロック23の一方の面に半導体素子1が装着され、他方の面に相コンデンサ2が装着されていた。しかるに、近年は配線を短縮したり、隣接して往復配線にしたりして、インダクタンス成分を低減する実装技術が進歩したことにより、半導体素子1に近接して接続された相コンデンサ2が不要となることから、半導体素子冷却ユニットフレーム15の片面側が空スペースとなることが多かった。
【0011】
また、1相につき1つのスタック20を設ける構成になっていたことから、集中制御システムでは3個のスタックで済むが、個別制御システムでは12個という数多いスタック20を設けなければならないため、組立作業やメンテナンスでの作業性が悪く、装置の小型、軽量化を図る上で不利であった。
【0012】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、スタックの集約化により着脱の作業性を向上させることができ、かつ、空スペースを有効に活用することによって装置の軽量化やメンテナンス性に優れた車両用電力変換装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、それぞれブリッジ接続された2群の半導体素子を有し、車両床下に設置される車両用電力変換装置において、
表裏の関係にある第1及び第2の部品取付面、並びにこれらの部品取付面に対して側端面に当たる第3の部品取付面を有し、第1の部品取付面に一方の群の1相分の半導体素子が装着され、第2の部品取付面に他方の群の1相分の半導体素子が装着された複数の冷却器受熱ブロックと、
冷却器受熱ブロックの第3の部品取付面からそれぞれ突出するように基端部が接合され、冷却器受熱ブロックの熱をそれぞれ先端部に輸送するヒートパイプと、
ヒートパイプに嵌着された放熱フィンと、
前記ヒートパイプの基端部に固着され、周縁部にパッキンが取り付けられた境界板と、
前記ヒートパイプを収納し前記放熱フィンからの熱を放散するための開放部、及び前記半導体素子が装着された複数の冷却器受熱ブロックを内部に装入可能な開口部が形成された半導体素子冷却フレームユニットを有しており、この半導体素子冷却フレームユニットの開口部周縁に形成したパッキンガイドの内周面と前記パッキンの外周面とが当接した状態で前記境界板がネジ部材により前記半導体素子冷却フレームユニットに取り付けられている半導体素子冷却ユニットと、
を備えたことを特徴とする。
【0014】
請求項2に係る発明は、それぞれブリッジ接続された2群の半導体素子を有し、車両床下に設置される車両用電力変換装置において、
表裏の関係にある第1及び第2の部品取付面、並びにこれらの部品取付面に対して側端面に当たる第3の部品取付面を有し、第1又は第2の部品取付面のいずれか1つに一方の群の1相分の半導体素子と他方の群の1相分の半導体素子とが装着された複数の冷却器受熱ブロックと、
冷却器受熱ブロックの第3の部品取付面からそれぞれ突出するように基端部が接合され、冷却器受熱ブロックの熱をそれぞれ先端部に輸送するヒートパイプと、
ヒートパイプに嵌着された放熱フィンと、
前記ヒートパイプの基端部に固着され、周縁部にパッキンが取り付けられた境界板と、
前記ヒートパイプを収納し前記放熱フィンからの熱を放散するための開放部、及び前記半導体素子が装着された複数の冷却器受熱ブロックを内部に装入可能な開口部が形成された半導体素子冷却フレームユニットを有しており、この半導体素子冷却フレームユニットの開口部周縁に形成したパッキンガイドの内周面と前記パッキンの外周面とが当接した状態で前記境界板がネジ部材により前記半導体素子冷却フレームユニットに取り付けられている半導体素子冷却ユニットと、
を備えたことを特徴とする。
【0015】
請求項3に係る発明は、請求項1又は2に記載の車両用電力変換装置において、1つの冷却器受熱ブロックに装着される一方の群の負電圧側アームの半導体素子の負極端子と、他方の群の負電圧側アームの半導体素子の負極端子とを相互に電気的に接続したことを特徴とする。
【0016】
請求項4に係る発明は、請求項1又は2に記載の車両用電力変換装置において、1つの冷却器受熱ブロックに装着される一方の群の負電圧側アームの半導体素子の負極端子と、他方の群の正電圧側アームの半導体素子の正極端子とを相互に電気的に接続したことを特徴とする。
【0017】
請求項5に係る発明は、インバータ回路を形成するようにブリッジ接続された複数の半導体素子と、インバータ回路の直流側端子間に抵抗器と直列に接続されてチョッパ回路を形成する半導体素子とを有し、車両床下に設置される車両用電力変換装置において、
表裏の関係にある第1及び第2の部品取付面、並びにこれらの部品取付面に対して側端面に当たる第3の部品取付面を有し、第1の部品取付面にインバータ回路を形成する1相分の半導体素子が装着され、第2の部品取付面にチョッパ回路を形成する半導体素子が装着された複数の冷却器受熱ブロックと、
冷却器受熱ブロックの第3の部品取付面からそれぞれ突出するように基端部が接合され、冷却器受熱ブロックの熱をそれぞれ先端部に輸送するヒートパイプと、
ヒートパイプに嵌着された放熱フィンと、
前記ヒートパイプの基端部に固着され、周縁部にパッキンが取り付けられた境界板と、
前記ヒートパイプを収納し前記放熱フィンからの熱を放散するための開放部、及び前記半導体素子が装着された複数の冷却器受熱ブロックを内部に装入可能な開口部が形成された半導体素子冷却フレームユニットを有しており、この半導体素子冷却フレームユニットの開口部周縁に形成したパッキンガイドの内周面と前記パッキンの外周面とが当接した状態で前記境界板がネジ部材により前記半導体素子冷却フレームユニットに取り付けられている半導体素子冷却ユニットと、
を備えたことを特徴とする。
【0018】
請求項6に係る発明は、インバータ回路を形成するようにブリッジ接続された複数の半導体素子と、インバータ回路の直流側端子間に抵抗器と直列に接続されてチョッパ回路を形成する半導体素子とを有し、車両床下に設置される車両用電力変換装置において、
表裏の関係にある第1及び第2の部品取付面、並びにこれらの部品取付面に対して側端面に当たる第3の部品取付面を有し、第1又は第2の部品取付面にインバータ回路を形成する1相分の半導体素子とチョッパ回路を形成する半導体素子とが装着された複数の冷却器受熱ブロックと、
冷却器受熱ブロックの第3の部品取付面からそれぞれ突出するように基端部が接合され、冷却器受熱ブロックの熱をそれぞれ先端部に輸送するヒートパイプと、
ヒートパイプに嵌着された放熱フィンと、
前記ヒートパイプの基端部に固着され、周縁部にパッキンが取り付けられた境界板と、
前記ヒートパイプを収納し前記放熱フィンからの熱を放散するための開放部、及び前記半導体素子が装着された複数の冷却器受熱ブロックを内部に装入可能な開口部が形成された半導体素子冷却フレームユニットを有しており、この半導体素子冷却フレームユニットの開口部周縁に形成したパッキンガイドの内周面と前記パッキンの外周面とが当接した状態で前記境界板がネジ部材により前記半導体素子冷却フレームユニットに取り付けられている半導体素子冷却ユニットと、
を備えたことを特徴とする。
【0019】
請求項7に係る発明は、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の車両用電力変換装置において、冷却器受熱ブロック毎に複数本のヒートパイプが平行に突出され、放熱フインが複数本のヒートパイプに共通に結合され、かつ、その長手方向に複数個配設されたことを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図1は本発明に係る車両用電力変換装置の第1の実施形態の概略構成図であり、このうち、図1(a)は車体に取り付けられた箱体に半導体素子冷却ユニット4を装着し、箱体の一部を断面で表した側面図であり、図1(b)はそのA−A矢視断面図である。図中、従来装置を示す図10と同一の符号を付したものはそれぞれ同一の要素を示している。これら各図において、車体5の底部の側端に箱体6が取り付けられている。箱体6は半導体素子冷却ユニット4の一部を収納し、これを固定するために仕切り板7によって額縁状に囲まれた開口を備えている。
【0021】
半導体素子冷却ユニット4は、箱体6の開口に装入される密閉部11と、半導体素子1及びゲートアンプ9を内部に収容する半導体素子冷却フレームユニット12と、熱放散させるための開放部13とを備えている。
【0022】
このうち、密閉部11は、例えば、山形鋼で形成された枠体の底部に板が取り付けられ、その上にフィルタコンデンサ3が装着され、箱体6の内部に導入された導体がフィルタコンデンサ3等に接続されている。半導体素子冷却フレームユニット12は開放部13側が稍上向きに傾斜し、その傾斜面に開口が形成された密閉可能な筐体でなり、その開口にスタック20を構成する境界板21の縁部が、例えば、ボルトによって締結され、内部が気密に保たれるようになっている。
【0023】
スタック20は境界板21の内側に取り付けられ、それぞれ表裏の関係に有る両面に半導体素子1が装着された3個の冷却器受熱ブロック23と、これらの冷却器受熱ブロック23の下方に配置される3個のゲートアンプ9と、それぞれ基端部が冷却器受熱ブロック23に接合され、境界板21を貫通して外側に平行に突出する複数のヒートパイプ24と、これらのヒートパイプ24の長手方向に互いに間隔を空けて一体的に嵌着された複数の放熱フィン25とで構成されている。
【0024】
開放部13は車両の艤装限界内に形成された枠体でなり、前述したヒートパイプ24及び放熱フィン25を内在させ、車両床下にその排熱がこもり床下の配線、配管等を加熱することがないように、そこに通風させて放熱を促進する機能を備えている。
【0025】
なお、半導体素子冷却フレームユニット12に収納される半導体素子1及びゲートアンプ9からスタック接続導体が密閉部11側に導出され、フィルタコンデンサ3や外部からの引き込み導体に接続されるが、図面の簡単化のために省略している。
【0026】
ここで、ヒートパイプ24は、冷却器受熱ブロック23側が下方となるよう傾けて取り付けられ、ヒートパイプ24の内部に封入された冷媒は、冷却器受熱ブロック23で半導体素子1から発生する熱により蒸発し、放熱フィン25側で凝縮して大気へ熱放散を行う。凝縮された冷媒はヒートパイプ24の内部を重力により冷却器受熱ブロック23側へ戻るようなサイクルを繰り返す。放熱フィン25は自然冷却により大気へ熱放散を行うため、地面に対してほぼ垂直に設置され、放熱フィン25間に上昇気流を生じさせるようになっている。
【0027】
図2は半導体素子冷却ユニット4とスタック20の詳細な構成及びその組み付け状態を示したもので、図2(a)は半導体素子冷却ユニット4の側面図を、図2(b)はスタック20の側面図をそれぞれ示している。これら各図において、半導体素子冷却ユニット4は前述したように密閉部11、半導体素子冷却フレームユニット12及び開放部13とで構成されている。半導体素子冷却フレームユニット12の開口の縁部は開放部13側に突出し、これが矩形のパッキンガイド28を形成し、このパッキンガイド28の外側の4隅にはねじ穴が形成された固定部材29が設けられている。一方、スタック20を構成する境界板21の内側には全体が矩形をなすパッキン溝22が形成され、ここにパッキン27が嵌挿されている。そこで、スタック20を矢印K方向に移動させ、境界板21の内側に冷却器受熱ブロック23を介して装着された半導体素子1及びゲートアンプ9を半導体素子冷却フレームユニット12の開口を通して内部に装入し、パッキンガイド28の先端にパッキン27が当接する状態で、例えば、ボルトによって境界板21を固定部材29に締結することによって図1に示した状態に組み立てられる。なお、境界板21に近接する位置に半導体素子1とゲートアンプ9を接続するゲート配線10が設けられている。
【0028】
図3(a),(b),(c),(d)は境界板21を貫通して装着されるヒートパイプ24、放熱フィン25及び冷却器受熱ブロック23の結合状態と、冷却器受熱ブロック23に対する半導体素子1の装着状態を示す正面図、上面図、左側面図及び右側面図である。ここで、冷却器受熱ブロック23は表裏の関係にある第1及び第2の部品取付面、並びにこれらの部品取付面に対して側端面に当たる第3の部品取付面を有し、第1の部品取付面に、1つのインバータを構成する半導体素子群の1相分(2個)の半導体素子1が装着され、第2の部品取付面にもう一つのインバータを構成する半導体素子群の1相分(2個)の半導体素子1が装着されている。そして、第3の部品取付面は縦に細長くなっており、その長手方向に複数(図面では5個)のヒートパイプ24の基端部が接合されると共に、互いに平行にして1列に突出している。また、これらのヒートパイプ24の長手方向に、他の相に対応して設けられたヒートパイプと併せて、複数の放熱フィン25が一体的に嵌着されている。
【0029】
このような構成によれば、1つの冷却器で2相分の半導体素子1を冷却することができ、冷却器の数を半分に減らすことができる。したがって、装置の軽量化、低コスト化が図られ、組立作業性、メンテナンス性が向上する等の利点が得られる。また、片群が運転されない時は、冷却器の放熱熱性能に余裕ができることから、残った片群の熱損失をさらに大きく設定することができる。
【0030】
なお、上記の実施形態では1つの冷却器受熱ブロック23に5個のヒートパイプ24を接合し、これらのヒートパイプ24に7個の放熱フィン25を嵌着したが、これらの個数は電力変換容量等に応じて適宜変更することも可能である。
【0031】
図4(a),(b),(c),(d)は本発明に係る車両用電力変換装置の第2の実施形態の構成を説明するために、境界板21を貫通して装着されるヒートパイプ24、放熱フィン25及び冷却器受熱ブロック23の結合状態と、冷却器受熱ブロック23に対する半導体素子1の装着状態を示す正面図、上面図、左側面図及び右側面図であり、図中、第1の実施形態を示す図3と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は冷却器受熱ブロック23の第1の部品取付面にのみ、互いに異なる半導体素子群のそれぞれ1相分の半導体素子1を略均等な間隔で縦横に近接させて装着したものである。
【0032】
この構成によれば、第1の実施形態と同様に、2相分の半導体素子1より発生した熱が1つの冷却器受熱ブロック23を介して放熱フィン25から放熱されるので、従来装置と比較して冷却器の数を半分に減らすことができ、装置の軽量化、低コスト化が図られ、組立作業性、メンテナンス性が向上する等の利点が得られる。
【0033】
図5は本発明に係る車両用電力変換装置の第3の実施形態の構成を示す回路図であり、特に、第1及び第2の実施形態の半導体素子1の接続状態を示したものであり、図中、従来装置を示した図9と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【0034】
この実施形態は、それぞれフィルタコンデンサ3及び3相ブリッジ接続された6個の半導体素子1を有し、それぞれ電動機31を駆動する2台のインバータ回路のそれぞれ1相分の半導体素子1のうち、同一の冷却器受熱ブロック23に装着される一方の半導体素子群の負電圧側アームの半導体素子1の負極端子と、他方の半導体素子群の負電圧側アームの半導体素子1の負極端子とを相互に電気的に接続したものである。この場合、半導体素子1として3.3kV定格のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用い、直流1500Vの架線電圧を、一方のインバータの直流側端子P1,N間に供給すると共に、他方のインバータの直流側端子P2,N間に供給する。
【0035】
この構成によれば、2台分のインバータ回路における負極端子の数が1個になり、箱体との接続箇所を削減することができ、組立作業性、メンテナンス性を一層向上させることができる。
【0036】
図6は本発明に係る車両用電力変換装置の第4の実施形態の構成を示す回路図であり、特に、第1及び第2の実施形態の半導体素子1の接続状態を示したものであり、図中、第3の実施形態を示した図5と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【0037】
この実施形態は、それぞれフィルタコンデンサ3及び3相ブリッジ接続された6個の半導体素子1を有し、それぞれ電動機31を駆動する2台のインバータ回路のそれぞれ1相分の半導体素子1のうち、同一の冷却器受熱ブロック23に装着される一方の半導体素子群の負電圧側アームの半導体素子1の負極端子と、他方の半導体素子群の正電圧側アームの半導体素子1の正極端子とを相互に電気的に接続したものである。この場合、半導体素子1として3.3kVのIGBTを用い、直流1500Vの架線電圧を直流側の端子P,N間に供給し、直列接続された2個のフィルタコンデンサ3によって分圧し、1つの冷却器受熱ブロック23に装着される4個の半導体素子1に1.7kVの電圧が印加されるように構成されている。
【0038】
このように構成することによって、2群分のインバータ回路における一方の群の負極ともう一方の群の正極が共通となり、箱体との接続箇所を削減することができ、組立作業性、メンテナンス性を一層向上させることができる。
【0039】
図7(a),(b),(c),(d)は本発明に係る車両用電力変換装置の第5の実施形態の構成を説明するために、境界板21を貫通して装着されるヒートパイプ24、放熱フィン25及び冷却器受熱ブロック23の結合状態と、冷却器受熱ブロック23に対する半導体素子1の装着状態を示す正面図、上面図、左側面図及び右側面図であり、図中、第1の実施形態を示す図3と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は冷却器受熱ブロック23の第1の部品取付面にインバータ回路を構成する1相分の半導体素子1Aを装着し、第2の取付面にブレーキチョッパ回路を構成する半導体素子1Bを装着したものである。これ以外は第1の実施形態を示す図3と同一に構成されている。
【0040】
この実施形態によれば、1つの冷却器で2種類の回路の半導体素子1A,1Bが装着されることとなり、それによって装置の軽量化、低コスト化が図られ、組立作業性、メンテナンス性が向上する等の利点が得られる。
【0041】
図8(a),(b),(c),(d)は本発明に係る車両用電力変換装置の第6の実施形態の構成を説明するために、境界板21を貫通して装着されるヒートパイプ24、放熱フィン25及び冷却器受熱ブロック23の結合状態と、冷却器受熱ブロック23に対する半導体素子1の装着状態を示す正面図、上面図、左側面図及び右側面図であり、図中、第5の実施形態を示す図7と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は冷却器受熱ブロック23の第1の部品取付面のみにインバータ回路を構成する1相分の半導体素子1Aと、ブレーキチョッパ回路を構成する1相分の半導体素子1Bとを略均等な間隔で縦横に近接させて装着したものである。これ以外は第5の実施形態を示す図7と同一に構成されている。
【0042】
この実施形態によれば、1つの冷却器で2種類の回路要素を装着することが可能となり、装置の軽量化、低コスト化が図られ、組立作業性、メンテナンス性が向上する等の利点が得られる。
【0043】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、スタックの集約化により着脱の作業性を向上させることができ、かつ、空スペースを有効に活用することによって装置の軽量化やメンテナンス性に優れた車両用電力変換装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る車両用電力変換装置の第1の実施形態の概略構成を、その一部を断面で示した側面図及びそのA−A矢視断面図。
【図2】 図1に示した第1の実施形態を構成する半導体素子冷却ユニットとスタックの詳細な構成及びその組み付け状態を示した側面図。
【図3】 図1に示した第1の実施形態を構成する主要素の結合状態と半導体素子の装着状態を示す正面図、上面図、左側面図及び右側面図。
【図4】 本発明に係る車両用電力変換装置の第2の実施形態を構成する主要素の結合状態と半導体素子の装着状態を示す正面図、上面図、左側面図及び右側面図。
【図5】 本発明に係る車両用電力変換装置の第3の実施形態の構成を示す回路図。
【図6】 本発明に係る車両用電力変換装置の第4の実施形態の構成を示す回路図。
【図7】 本発明に係る車両用電力変換装置の第5の実施形態を構成する主要素の結合状態と半導体素子の装着状態を示す正面図、上面図、左側面図及び右側面図。
【図8】 本発明に係る車両用電力変換装置の第6の実施形態を構成する主要素の結合状態と半導体素子の装着状態を示す正面図、上面図、左側面図及び右側面図。
【図9】 鉄道車両の床下に設置されて車両駆動電力を供給する電力変換器の構成を示す回路図。
【図10】 従来の車両用電力変換装置の概略構成を、その一部を断面で示した側面図及びそのB−B矢視断面図。
【符号の説明】
1,1A,1B 半導体素子
2 相コンデンサ
3 フィルタコンデンサ
4 半導体素子冷却ユニット
5 車体
6 箱体
11 密閉部
12 半導体素子冷却フレームユニット
13 開放部
20 スタック
21 境界板
23 冷却器受熱ブロック
24 ヒートパイプ
25 放熱フィン
26 スタック接続導体
31 電動機[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vehicular power conversion device having a semiconductor device installed under the floor of a railway vehicle.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 9, a power converter installed under the floor of a railway vehicle and supplying vehicle driving power includes six
[0003]
FIG. 10A is a side view in which the semiconductor
[0004]
The semiconductor
[0005]
Among these, the
[0006]
The
[0007]
The
[0008]
The
[0009]
Here, the
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional vehicle power converter , one
[0011]
In addition, since one
[0012]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is possible to improve the workability of attachment / detachment by consolidating the stack, and to reduce the weight of the apparatus by effectively utilizing the empty space. It aims at providing the power converter for vehicles excellent in maintainability.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to
There are first and second component mounting surfaces in a front-back relationship, and a third component mounting surface that hits a side end surface with respect to these component mounting surfaces, and one phase of one group on the first component mounting surface A plurality of cooler heat receiving blocks, each having a second semiconductor element mounted on the second component mounting surface,
A heat pipe that joins the base end portion so as to protrude from the third component mounting surface of the cooler heat receiving block, respectively, and transports the heat of the cooler heat receiving block to the tip portion;
Radiating fins fitted to the heat pipe;
A boundary plate fixed to the base end portion of the heat pipe and having a packing attached to the peripheral edge portion,
Semiconductor element cooling in which an opening for accommodating the heat pipe and dissipating heat from the heat radiating fins and an opening for inserting a plurality of cooler heat receiving blocks on which the semiconductor elements are mounted are formed. The semiconductor element has a frame unit, and the boundary plate is screwed by a screw member in a state where the inner peripheral surface of the packing guide formed at the periphery of the opening of the semiconductor element cooling frame unit is in contact with the outer peripheral surface of the packing A semiconductor element cooling unit attached to the cooling frame unit;
It is provided with.
[0014]
The invention according to
There are first and second component mounting surfaces in a front-back relationship, and a third component mounting surface that hits a side end surface with respect to these component mounting surfaces, and one of the first and second component mounting surfaces A plurality of cooler heat receiving blocks in which one group of semiconductor elements of one group and one group of semiconductor elements of the other group are mounted;
A heat pipe that joins the base end portion so as to protrude from the third component mounting surface of the cooler heat receiving block, respectively, and transports the heat of the cooler heat receiving block to the tip portion;
Radiating fins fitted to the heat pipe;
A boundary plate fixed to the base end portion of the heat pipe and having a packing attached to the peripheral edge portion,
Semiconductor element cooling in which an opening for accommodating the heat pipe and dissipating heat from the heat radiating fins and an opening for inserting a plurality of cooler heat receiving blocks on which the semiconductor elements are mounted are formed. The semiconductor element has a frame unit, and the boundary plate is screwed by a screw member in a state where the inner peripheral surface of the packing guide formed at the periphery of the opening of the semiconductor element cooling frame unit is in contact with the outer peripheral surface of the packing A semiconductor element cooling unit attached to the cooling frame unit;
It is provided with.
[0015]
The invention according to
[0016]
The invention according to
[0017]
The invention according to
The first and second component mounting surfaces that have a front and back relationship, and a third component mounting surface that contacts a side end surface with respect to these component mounting surfaces, and an inverter circuit is formed on the first component mounting surface A plurality of cooler heat receiving blocks each having a semiconductor element mounted thereon and mounted with a semiconductor element forming a chopper circuit on the second component mounting surface;
A heat pipe that joins the base end portion so as to protrude from the third component mounting surface of the cooler heat receiving block, respectively, and transports the heat of the cooler heat receiving block to the tip portion;
Radiating fins fitted to the heat pipe;
A boundary plate fixed to the base end portion of the heat pipe and having a packing attached to the peripheral edge portion,
Semiconductor element cooling in which an opening for accommodating the heat pipe and dissipating heat from the heat radiating fins and an opening for inserting a plurality of cooler heat receiving blocks on which the semiconductor elements are mounted are formed. The semiconductor element has a frame unit, and the boundary plate is screwed by a screw member in a state where the inner peripheral surface of the packing guide formed at the periphery of the opening of the semiconductor element cooling frame unit is in contact with the outer peripheral surface of the packing A semiconductor element cooling unit attached to the cooling frame unit;
It is provided with.
[0018]
The invention according to
There are first and second component mounting surfaces in a front-back relationship, and a third component mounting surface that hits a side end surface with respect to these component mounting surfaces, and an inverter circuit is provided on the first or second component mounting surface. A plurality of cooler heat receiving blocks on which a semiconductor element for one phase to be formed and a semiconductor element for forming a chopper circuit are mounted;
A heat pipe that joins the base end portion so as to protrude from the third component mounting surface of the cooler heat receiving block, respectively, and transports the heat of the cooler heat receiving block to the tip portion;
Radiating fins fitted to the heat pipe;
A boundary plate fixed to the base end portion of the heat pipe and having a packing attached to the peripheral edge portion,
Semiconductor element cooling in which an opening for accommodating the heat pipe and dissipating heat from the heat radiating fins and an opening for inserting a plurality of cooler heat receiving blocks on which the semiconductor elements are mounted are formed. The semiconductor element has a frame unit, and the boundary plate is screwed by a screw member in a state where the inner peripheral surface of the packing guide formed at the periphery of the opening of the semiconductor element cooling frame unit is in contact with the outer peripheral surface of the packing A semiconductor element cooling unit attached to the cooling frame unit;
It is provided with.
[0019]
The invention according to
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of a vehicular power converter according to the present invention. FIG. 1 (a) shows that a semiconductor
[0021]
The semiconductor
[0022]
Among these, the sealing
[0023]
The
[0024]
The
[0025]
The stack connection conductor is led out to the sealed
[0026]
Here, the
[0027]
FIG. 2 shows a detailed configuration of the semiconductor
[0028]
3A, 3B, 3C, and 3D show the combined state of the
[0029]
According to such a configuration, the
[0030]
In the above embodiment, five
[0031]
4 (a), (b), (c), and (d) are attached through the
[0032]
According to this configuration, similarly to the first embodiment, the heat generated from the
[0033]
FIG. 5 is a circuit diagram showing the configuration of the third embodiment of the vehicular power converter according to the present invention, and particularly shows the connection state of the
[0034]
This embodiment has six
[0035]
According to this configuration, the number of negative terminals in the inverter circuit for two units is one, the number of connection points with the box can be reduced, and the assembly workability and the maintainability can be further improved.
[0036]
FIG. 6 is a circuit diagram showing the configuration of the fourth embodiment of the vehicle power converter according to the present invention, and particularly shows the connection state of the
[0037]
This embodiment has six
[0038]
By configuring in this way, the negative electrode of one group and the positive electrode of the other group in the inverter circuits for the two groups become common, and the number of connection points with the box can be reduced. Can be further improved.
[0039]
7 (a), (b), (c), and (d) are attached through the
[0040]
According to this embodiment, the
[0041]
8 (a), (b), (c), and (d) are attached through the
[0042]
According to this embodiment, it is possible to mount two types of circuit elements with a single cooler, and the advantages of reducing the weight and cost of the apparatus, improving the assembly workability and maintainability, etc. can get.
[0043]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, the workability of attachment / detachment can be improved by consolidating the stack, and the apparatus can be reduced in weight and maintainability by effectively utilizing the empty space. An excellent vehicle power conversion device is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of a first embodiment of a power converter for a vehicle according to the present invention, partly in section, and a cross-sectional view taken along line AA.
FIG. 2 is a side view showing a detailed configuration of a semiconductor element cooling unit and a stack constituting the first embodiment shown in FIG. 1 and an assembled state thereof.
3 is a front view, a top view, a left side view, and a right side view showing a coupling state of main elements and a mounting state of semiconductor elements constituting the first embodiment shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a front view, a top view, a left side view, and a right side view showing a coupling state of main elements and a mounting state of a semiconductor element constituting a second embodiment of the vehicle power converter according to the present invention.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a third embodiment of a vehicle power converter according to the present invention.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a fourth embodiment of a vehicle power converter according to the present invention.
FIG. 7 is a front view, a top view, a left side view, and a right side view showing a coupling state of main elements and a mounting state of a semiconductor element constituting a fifth embodiment of a vehicle power converter according to the present invention.
FIG. 8 is a front view, a top view, a left side view, and a right side view showing a coupling state of main elements and a mounting state of semiconductor elements constituting a sixth embodiment of a vehicle power converter according to the present invention.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a power converter that is installed under the floor of a railway vehicle and supplies vehicle driving power.
FIGS. 10A and 10B are a side view showing a schematic configuration of a conventional vehicular power converter and a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
[Explanation of symbols]
1, 1A,
Claims (7)
表裏の関係にある第1及び第2の部品取付面、並びにこれらの部品取付面に対して側端面に当たる第3の部品取付面を有し、前記第1の部品取付面に一方の群の1相分の前記半導体素子が装着され、前記第2の部品取付面に他方の群の1相分の前記半導体素子が装着された複数の冷却器受熱ブロックと、
複数の前記冷却器受熱ブロックの前記第3の部品取付面からそれぞれ突出するように基端部が接合され、前記冷却器受熱ブロックの熱をそれぞれ先端部に輸送するヒートパイプと、
前記ヒートパイプに嵌着された放熱フィンと、
前記ヒートパイプの基端部に固着され、周縁部にパッキンが取り付けられた境界板と、
前記ヒートパイプを収納し前記放熱フィンからの熱を放散するための開放部、及び前記半導体素子が装着された複数の冷却器受熱ブロックを内部に装入可能な開口部が形成された半導体素子冷却フレームユニットを有しており、この半導体素子冷却フレームユニットの開口部周縁に形成したパッキンガイドの内周面と前記パッキンの外周面とが当接した状態で前記境界板がネジ部材により前記半導体素子冷却フレームユニットに取り付けられている半導体素子冷却ユニットと、
を備えたことを特徴とする車両用電力変換装置。In a vehicular power conversion device that has two groups of semiconductor elements each bridge-connected, and is installed under the vehicle floor ,
There are first and second component mounting surfaces in a front-back relationship, and a third component mounting surface that hits a side end surface with respect to these component mounting surfaces. A plurality of cooler heat receiving blocks in which the semiconductor elements for phases are mounted, and the semiconductor elements for one phase of the other group are mounted on the second component mounting surface;
Heat pipes that have base ends joined so as to protrude from the third component mounting surfaces of the plurality of cooler heat receiving blocks, respectively, and transport heat of the cooler heat receiving blocks to the tip portions,
Radiating fins fitted to the heat pipe;
A boundary plate fixed to the base end portion of the heat pipe and having a packing attached to the peripheral edge portion,
Semiconductor element cooling in which an opening for accommodating the heat pipe and dissipating heat from the heat radiating fins and an opening for inserting a plurality of cooler heat receiving blocks on which the semiconductor elements are mounted are formed. The semiconductor element has a frame unit, and the boundary plate is screwed by a screw member in a state where the inner peripheral surface of the packing guide formed at the periphery of the opening of the semiconductor element cooling frame unit is in contact with the outer peripheral surface of the packing A semiconductor element cooling unit attached to the cooling frame unit;
A vehicle power conversion device comprising:
表裏の関係にある第1及び第2の部品取付面、並びにこれらの部品取付面に対して側端面に当たる第3の部品取付面を有し、前記第1又は第2の部品取付面のいずれか1つに一方の群の1相分の前記半導体素子と他方の群の1相分の前記半導体素子とが装着された複数の冷却器受熱ブロックと、
前記冷却器受熱ブロックの前記第3の部品取付面からそれぞれ突出するように基端部が接合され、前記冷却器受熱ブロックの熱をそれぞれ先端部に輸送するヒートパイプと、
前記ヒートパイプに嵌着された放熱フィンと、
前記ヒートパイプの基端部に固着され、周縁部にパッキンが取り付けられた境界板と、
前記ヒートパイプを収納し前記放熱フィンからの熱を放散するための開放部、及び前記半導体素子が装着された複数の冷却器受熱ブロックを内部に装入可能な開口部が形成された半導体素子冷却フレームユニットを有しており、この半導体素子冷却フレームユニットの開口部周縁に形成したパッキンガイドの内周面と前記パッキンの外周面とが当接した状態で前記境界板がネジ部材により前記半導体素子冷却フレームユニットに取り付けられている半導体素子冷却ユニットと、
を備えたことを特徴とする車両用電力変換装置。In a vehicular power conversion device that has two groups of semiconductor elements each bridge-connected, and is installed under the vehicle floor ,
There are first and second component mounting surfaces in a front-back relationship, and a third component mounting surface that hits a side end surface with respect to these component mounting surfaces, and either of the first or second component mounting surfaces A plurality of cooler heat receiving blocks in which the semiconductor elements for one phase of one group and the semiconductor elements for one phase of the other group are mounted;
A base pipe joined so as to protrude from the third component mounting surface of the cooler heat receiving block, and a heat pipe for transporting the heat of the cooler heat receiving block to the tip, respectively;
Radiating fins fitted to the heat pipe;
A boundary plate fixed to the base end portion of the heat pipe and having a packing attached to the peripheral edge portion,
Semiconductor element cooling in which an opening for accommodating the heat pipe and dissipating heat from the heat radiating fins and an opening for inserting a plurality of cooler heat receiving blocks on which the semiconductor elements are mounted are formed. The semiconductor element has a frame unit, and the boundary plate is screwed by a screw member in a state where the inner peripheral surface of the packing guide formed at the periphery of the opening of the semiconductor element cooling frame unit is in contact with the outer peripheral surface of the packing A semiconductor element cooling unit attached to the cooling frame unit;
A vehicle power conversion device comprising:
表裏の関係にある第1及び第2の部品取付面、並びにこれらの部品取付面に対して側端面に当たる第3の部品取付面を有し、前記第1の部品取付面に前記インバータ回路を形成する1相分の前記半導体素子が装着され、前記第2の部品取付面に前記チョッパ回路を形成する前記半導体素子が装着された複数の冷却器受熱ブロックと、
前記冷却器受熱ブロックの前記第3の部品取付面からそれぞれ突出するように基端部が接合され、前記冷却器受熱ブロックの熱をそれぞれ先端部に輸送するヒートパイプと、
前記ヒートパイプに嵌着された放熱フィンと、
前記ヒートパイプの基端部に固着され、周縁部にパッキンが取り付けられた境界板と、
前記ヒートパイプを収納し前記放熱フィンからの熱を放散するための開放部、及び前記半導体素子が装着された複数の冷却器受熱ブロックを内部に装入可能な開口部が形成された半導体素子冷却フレームユニットを有しており、この半導体素子冷却フレームユニットの開口部周縁に形成したパッキンガイドの内周面と前記パッキンの外周面とが当接した状態で前記境界板がネジ部材により前記半導体素子冷却フレームユニットに取り付けられている半導体素子冷却ユニットと、
を備えたことを特徴とする車両用電力変換装置。A plurality of semiconductor elements bridge-connected to form an inverter circuit, and a semiconductor element that is connected in series with a resistor between the DC side terminals of the inverter circuit to form a chopper circuit, and is installed under the vehicle floor In the vehicular power converter,
There are first and second component mounting surfaces in a front-back relationship, and a third component mounting surface that hits a side end surface with respect to these component mounting surfaces, and the inverter circuit is formed on the first component mounting surface A plurality of cooler heat receiving blocks, wherein the semiconductor elements for one phase are mounted, and the semiconductor elements for forming the chopper circuit are formed on the second component mounting surface;
A base pipe joined so as to protrude from the third component mounting surface of the cooler heat receiving block, and a heat pipe for transporting the heat of the cooler heat receiving block to the tip, respectively;
Radiating fins fitted to the heat pipe;
A boundary plate fixed to the base end portion of the heat pipe and having a packing attached to the peripheral edge portion,
Semiconductor element cooling in which an opening for accommodating the heat pipe and dissipating heat from the heat radiating fins and an opening for inserting a plurality of cooler heat receiving blocks on which the semiconductor elements are mounted are formed. The semiconductor element has a frame unit, and the boundary plate is screwed by a screw member in a state where the inner peripheral surface of the packing guide formed at the periphery of the opening of the semiconductor element cooling frame unit is in contact with the outer peripheral surface of the packing A semiconductor element cooling unit attached to the cooling frame unit;
A vehicle power conversion device comprising:
表裏の関係にある第1及び第2の部品取付面、並びにこれらの部品取付面に対して側端面に当たる第3の部品取付面を有し、前記第1又は第2の部品取付面に前記インバータ回路を形成する1相分の前記半導体素子と前記チョッパ回路を形成する前記半導体素子とが装着された複数の冷却器受熱ブロックと、
前記冷却器受熱ブロックの前記第3の部品取付面からそれぞれ突出するように基端部が接合され、前記冷却器受熱ブロックの熱をそれぞれ先端部に輸送するヒートパイプと、
前記ヒートパイプに嵌着された放熱フィンと、
前記ヒートパイプの基端部に固着され、周縁部にパッキンが取り付けられた境界板と、
前記ヒートパイプを収納し前記放熱フィンからの熱を放散するための開放部、及び前記半導体素子が装着された複数の冷却器受熱ブロックを内部に装入可能な開口部が形成された半導体素子冷却フレームユニットを有しており、この半導体素子冷却フレームユニットの開口部周縁に形成したパッキンガイドの内周面と前記パッキンの外周面とが当接した状態で前記境界板がネジ部材により前記半導体素子冷却フレームユニットに取り付けられている半導体素子冷却ユニットと、
を備えたことを特徴とする車両用電力変換装置。A plurality of semiconductor elements bridge-connected to form an inverter circuit, and a semiconductor element that is connected in series with a resistor between the DC side terminals of the inverter circuit to form a chopper circuit, and is installed under the vehicle floor In the vehicular power converter,
There are first and second component mounting surfaces in a front-back relationship, and a third component mounting surface that hits a side end surface with respect to these component mounting surfaces, and the inverter on the first or second component mounting surface A plurality of cooler heat receiving blocks on which the semiconductor elements for one phase forming a circuit and the semiconductor elements forming the chopper circuit are mounted;
A base pipe joined so as to protrude from the third component mounting surface of the cooler heat receiving block, and a heat pipe for transporting the heat of the cooler heat receiving block to the tip, respectively;
Radiating fins fitted to the heat pipe;
A boundary plate fixed to the base end portion of the heat pipe and having a packing attached to the peripheral edge portion,
Semiconductor element cooling in which an opening for accommodating the heat pipe and dissipating heat from the heat radiating fins and an opening for inserting a plurality of cooler heat receiving blocks on which the semiconductor elements are mounted are formed. The semiconductor element has a frame unit, and the boundary plate is screwed by a screw member in a state where the inner peripheral surface of the packing guide formed at the periphery of the opening of the semiconductor element cooling frame unit is in contact with the outer peripheral surface of the packing A semiconductor element cooling unit attached to the cooling frame unit;
A vehicle power conversion device comprising:
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