JP4202999B2 - 車両用の電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の床下に設置されて車両駆動用の電力を供給する車両用の電源装置に関する。

鉄道車両の床下に設置される車両用の電源装置として図６に示す電力変換装置が用いられる。この電力変換装置は、３相ブリッジ接続された半導体スイッチング素子（以下、半導体素子と略記する）１と、各相のＡＫ（アノード・カソード）間に接続された相コンデンサ２と、直流端子ＰＮ間に接続されたフィルタコンデンサ３とを備えた回路によって、鉄道架線から直流端子ＰＮに入力される直流電力を半導体素子１のスイッチングにより交流電力に変換し、この交流電力を交流端子ＵＶＷから出力して図示省略の各機器（電灯、空調等）に供給する。上記回路は、半導体素子１から発生する熱を効率よ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。

図７は従来の半導体素子冷却ユニット４の構成を部分的に断面で示した側面図である（例えば、下記の特許文献１参照）。同図において、半導体素子冷却ユニット４は、車体５の床下に吊設された箱体６に取り付けられ、半導体素子１、相コンデンサ２、フィルタコンデンサ３、ゲートアンプ７等は箱体６の中の密閉部に配置され、半導体素子冷却ユニット４と箱体６側との電気的接続もこの密閉部で双方の端子あるいは図示を省略した導体をボルト等で接続することで行われる。

半導体素子１は、図８中の（ａ）にその側面図を、（ｂ）にその正面図を示したように、受熱ブロック２１を介して直管ヒートパイプ８、放熱フィン９及び境界板１６と共に、熱伝導スタック１２として一体的に組み立てられる。すなわち、１相分の半導体素子１は受熱ブロック２１の、例えば、表面に装着され、その裏面に相コンデンサ２が装着されている。受熱ブロック２１の側端面には複数の直管ヒートパイプ８がほぼ平行に突出するように各一端が接合されている。直管ヒートパイプ８にはその長手方向に所定の間隔にて放熱フィン９が嵌着されている。最も受熱ブロック２１寄りの放熱フィン９ａに、周状に形成したパッキンガイド１９にパッキン１７を取り付けた境界板１６が防水処理を施して固定される。このうち、半導体素子１が発熱部１０を構成し、直管ヒートパイプ８と放熱フィン９とが放熱部１１を構成し、発熱部１０と放熱部１１によって熱伝導スタック１２が構成されている。

半導体素子冷却ユニットフレーム１５には、図９に示したように、内縁部１５ａを外側に突出させた３個の取付窓１８が並べて形成されている。これらの取付窓１８にそれぞれ車側側より熱伝導スタック１２の発熱部１０を挿入し、境界板１６に形成された取付孔２０を利用して境界板１６を半導体素子冷却ユニットフレーム１５にボルト止めすることにより、境界板１６に取り付けられたパッキン１７が内縁部１５ａによって押圧され、半導体素子冷却ユニットフレーム１５との境界の水密性を保つようにして熱伝導スタック１２が半導体素子冷却ユニットフレーム１５に固定されると共に、放熱フィン９は箱体６の外の開放部に配置される。図１０はその状態を示したＹ−Ｙ矢視断面図である。

ここで、半導体素子冷却ユニットフレーム１５の被取付面は、図示したように傾けて形成される。これによって直管ヒートパイプ８の発熱部１０側が下方となり、直管ヒートパイプ８の内部に封入された冷媒は発熱部１０側で半導体素子１から発生する熱により蒸発し、放熱フィン９側で凝縮して大気へ熱放散を行う。凝縮した冷媒は直管ヒートパイプ８の内部で重力により発熱部１０側へ戻るサイクルを繰り返す。放熱フィン９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９の間から上昇気流が通りやすくなっている。
特開２００３−２３５１１２

上述した従来の車両用の電源装置は、３相ブリッジ接続された半導体素子の相毎に１つの熱伝導スタックを設けていたため、複数台の電力変換装置を備えた車両用の電源装置にあっては、電力変換装置毎に半導体素子冷却ユニットを設置しなければならず、車両の床下構造が複雑化するという問題があった。

また、従来の車両用の電源装置では、受熱ブロックの一方の面に半導体素子が装着され、他方の面に相コンデンサが装着されている。しかるに、近年は配線を短縮したり、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、半導体素子に近接して接続された相コンデンサが不要となることから、受熱ブロックの片面が空スペースとなって実装密度が低下することから、空スペース面にもう１台の電力変換装置の半導体素子を構成し、実装密度を高めることができるが、万が一の半導体素子破壊の際、破壊しない他方の半導体素子に悪影響を与える問題がある。

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、その目的は、２台の電力変換装置を備える場合に、一方の半導体素子破壊が他方の半導体素子に悪影響を与えない車両用の電源装置を提供することにある。

本発明は、２台の電力変換装置を備えた車両用の電源装置において、
表裏の関係にある第１及び第２の部品取付面、並びに第１及び第２の部品取付面に対して側端面にあたる第３の部品取付面を有し、第１の部品取付面に２台の電力変換装置のいずれか一方の１相分の半導体素子が装着され、第２の部品取付面に２台の電力変換装置のいずれか他方の１相分の半導体素子が装着された受熱ブロックと、受熱ブロックの第３の部品取付面から突出するように受熱ブロックに基端部が接合され、受熱ブロックの熱を先端部に輸送する直管ヒートパイプと、直管ヒートパイプに嵌着された放熱フィンとがそれぞれ一体的に組立てられた３個の熱伝導スタックと、
１つの熱伝導スタックが中央に配置され、残りの熱伝導スタックの一方が中央に配置された熱伝導スタックに対して第１の部品取付面どうしが所定の間隔をもって対向し、残りの熱伝導スタックの他方が中央に配置された熱伝導スタックに対して第２の部品取付面どうしが所定の間隔をもって対向するように３個の熱伝導スタックを取付けるフレームと、
を備えたことを特徴とする。

上記のように構成したことにより、２台の電力変換装置を備える場合に、一方の半導体素子破壊が他方の半導体素子に悪影響を与えない車両用の電源装置が提供される。

以下、本発明を図面に示す好適な実施の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の電源装置の第１の実施の形態の電気回路図であり、直流端子Ｐ１，Ｎ１に入力される直流電力を３相の交流電力に変換して図示省略の各機器（空調等）に供給する電力変換装置３０Ａと、直流端子Ｐ２，Ｎ２に入力される直流電力を３相の交流電力に変換して図示省略の各機器（空調等）に供給する電力変換装置３０Ｂとが半導体素子冷却ユニット４内に設けられる。このうち、電力変換装置３０Ａは、直流端子Ｐ１，Ｎ１に接続されたフィルタコンデンサ３Ａと、３相ブリッジ接続されてその直流側が直流端子Ｐ１，Ｎ１に接続され、その交流側が図示省略の各機器（空調等）に接続された６個の半導体素子１Ａとで構成されている。同様に、電力変換装置３０Ｂは、直流端子Ｐ２，Ｎ２に接続されたフィルタコンデンサ３Ｂと、３相ブリッジ接続されてその直流側が直流端子Ｐ２，Ｎ２に接続され、その交流側が図示省略の各機器（空調等）に接続された６個の半導体素子１Ｂとで構成されている。

図２は電力変換装置３０Ａ及び３０Ｂがその内部に設けられる半導体素子冷却ユニット４の構成例を部分的に断面で示した側面図である。図中、従来装置を示す図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。この実施の形態は、従来装置の熱伝導スタック１２に替えて、表裏の両側に半導体素子が装着された熱伝導スタック１２Ａを半導体素子冷却ユニットフレーム１５に組み込んで固定した点、従来装置ではフィルタコンデンサ３のみを装着したのに対して本実施の形態ではフィルタコンデンサ３Ａ及び３Ｂの両方を半導体素子冷却ユニット４内に装着した点が異なっており、これ以外は従来装置と全く同一に構成されている。

図３（ａ）は熱伝導スタック１２Ａの側面図であり、図３（ｂ）はその正面図である。この熱伝導スタック１２Ａは、表裏の関係にある受熱ブロック２１の第１の部品取付面に電力変換装置３０Ａの１相分の半導体素子１Ａが装着され、第２の部品取付面に電力変換装置３０Ｂの１相分の半導体素子１Ｂが装着されている。なお、第１及び第２の部品取付面に対して側端面にあたる第３の部品取付面に複数の直管ヒートパイプ８がほぼ平行に突出するように各一端が接合された点、直管ヒートパイプ８の長手方向に所定の間隔にて放熱フィン９が嵌着された点、最も受熱ブロック２１寄りの放熱フィン９ａに、周状に形成したパッキンガイド１９にパッキン１７を取り付けた境界板１６が防水処理を施して固定される点は、従来の熱伝導スタック１２と同一に構成されている。

上述した熱伝導スタック１２ＡはＵ，Ｖ，Ｗ相に対応して合計３個組み立てられ、それぞれの発熱部１０が半導体素子冷却ユニットフレーム１５の取付窓１８（図９参照）に挿入した状態で境界板１６に固定されるが、その状態が従来装置と異なっている。図４は３個の熱伝導スタック１２Ａが固定された状態を示すＹ−Ｙ矢視断面図である。ここで、３個の熱伝導スタック１２Ａは、受熱ブロック２１の部品取付面が互いに平行で、かつ、予め定められた一定の間隔を保つように並べて固定されるが、中央に配置された熱伝導スタック１２Ａに対して、残りの一方の熱伝導スタック１２Ａは第１の部品取付面どうしが対向し、残りの他方の熱伝導スタック１２Ａは第２の部品取付面どうしが対向するように固定されている。これによって、電力変換装置３０Ａを構成する２相の半導体素子１Ａどうしが対向し、残りの１相の半導体素子１Ａが外側を向き、同様に、電力変換装置３０Ｂを構成する２相の半導体素子１Ｂどうしが対向し、残りの１相の半導体素子１Ｂが外側を向くことになり、半導体素子１Ａと半導体素子１Ｂとは受熱ブロック２１によって互いに隔てられる。

この結果、電力変換装置３０Ａを構成する半導体素子１Ａが物理的に破損した場合でも、半導体素子１Ｂに及ぼす影響を軽減することができ、同様に、電力変換装置３０Ｂを構成する半導体素子１Ｂが物理的に破損した場合でも、半導体素子１Ａに及ぼす影響を軽減することができることから、電力変換装置３０Ａ及び３０Ｂのいずれか一方に素子破壊が生じた場合でも、他方に悪影響を及ぼすことがほとんどなくなる。

図５は熱伝導スタック１２Ａのうち、受熱ブロック２１に対して半導体素子１Ａ及び１Ｂを装着する具体的な取付構造を示す部分断面図であり、受熱ブロック２１に形成された貫通孔を利用して、ボルト２３により半導体素子１Ａ及び１Ｂを共締めして固定している。これによって、半導体素子１Ａ及び１Ｂを装着するためのボルトの本数の削減と、ボルト取付工数の低減が図られる。

かくして、本実施の形態によれば、２台の電力変換装置を備える場合でも、いずれか一方の電力変換装置の１相分の半導体素子を受熱ブロックの第１の部品取付面に装着し、いずれか他方の電力変換装置の１相分の半導体素子を受熱ブロックの第２の部品取付面に装着したので、床下構造の複雑化を抑えると共に、半導体素子の実装密度を高めることができる。

また、３個並べて配置される熱伝導スタックのうち、中央に配置された熱伝導スタックに対して、残りの一方の熱伝導スタックは第１の部品取付面どうしが対向し、残りの他方の熱伝導スタックは第２の部品取付面どうしが対向するように固定したので、２台の電力変換装置のいずれか一方に素子破壊が生じた場合でも、他方に悪影響を及ぼすことがないため、信頼性を向上させることができる。

さらに、受熱ブロックに形成された貫通孔用いてその表と裏にそれぞれ配置される半導体素子を共通の締付具で固定することにより、使用材料及び工数の削減が可能になるという効果も得られる。

本発明に係る車両用の電源装置の第１の実施の形態の電気回路図。 第１の実施の形態を構成する電力変換装置の収納状態を部分的に断面で示した側面図。 第１の実施の形態を構成する熱伝導スタックの側面図及びその正面図。 第１の実施の形態を構成する３個の熱伝導スタックの装着状態を示した断面図。 第１の実施の形態を構成する熱伝導スタックの具体的な取付構造を示す部分断面図。 従来装置における電力変換装置の構成を示す電気回路図。 従来装置を構成する電力変換装置の収納状態を部分的に断面で示した側面図。 従来装置における熱伝導スタックの側面図及びその正面図。 従来装置における半導体素子冷却ユニットフレームの構成を示す側面図。 従来装置における３個の熱伝導スタックの装着状態を示した断面図。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ 半導体スイッチング素子
３Ａ，３Ｂ フィルタコンデンサ
４ 半導体素子冷却ユニット
５ 車体
８ 直管ヒートパイプ
９ 放熱フィン
１２Ａ 熱伝導スタック
１５ 半導体素子冷却ユニットフレーム
１６ 境界板
１８ 取付窓
２１ 受熱ブロック
２３ ボルト
３０Ａ，３０Ｂ 電力変換装置

Claims (2)

1. ２台の電力変換装置を備えた車両用の電源装置において、
   表裏の関係にある第１及び第２の部品取付面、並びに前記第１及び第２の部品取付面に対して側端面にあたる第３の部品取付面を有し、前記第１の部品取付面に前記２台の電力変換装置のいずれか一方の１相分の半導体スイッチング素子が装着され、前記第２の部品取付面に前記２台の電力変換装置のいずれか他方の１相分の半導体スイッチング素子が装着された受熱ブロックと、前記受熱ブロックの前記第３の部品取付面から突出するように前記受熱ブロックに基端部が接合され、前記受熱ブロックの熱を先端部に輸送する直管ヒートパイプと、前記直管ヒートパイプに嵌着された放熱フィンとがそれぞれ一体的に組立てられた３個の熱伝導スタックと、
   １つの前記熱伝導スタックが中央に配置され、残りの前記熱伝導スタックの一方が中央に配置された前記熱伝導スタックに対して前記第１の部品取付面どうしが所定の間隔をもって対向し、残りの前記熱伝導スタックの他方が中央に配置された前記熱伝導スタックに対して前記第２の部品取付面どうしが所定の間隔をもって対向するように前記３個の熱伝導スタックを取付けるフレームと、
   を備えたことを特徴とする車両用の電源装置。
2. 前記受熱ブロックの前記第１の部品取付面に装着される前記半導体スイッチング素子と前記第２の部品取付面に装着される前記半導体スイッチング素子とが、前記受熱ブロックに形成された貫通孔を共用して固定されることを特徴とする請求項１記載の車両用の電源装置。

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