JP4243308B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気車用の電力変換装置に関する。

電気車に搭載する電力変換装置は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｒａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）等で構成されるスイッチング素子をスイッチング動作させて電力変換を行うコンバータ回路やインバータ回路から構成される。

これらの電力変換回路に使用するスイッチング素子は、通電により発生する導通損失とスイッチング動作により発生するスイッチング損失が発生する。したがって、スイッチング素子の安定した動作を得るために、損失により発生する熱を効率的に大気中に放散し、スイッチング素子の温度を既定値以下に冷却することが必要となる。

従来の電気車用の電力変換装置では、冷却器上にスイッチング素子を配置し、冷却器をファンにより強制風冷してスイッチング素子から発生する熱を放熱させる構成が一般的である。しかしながら、強制風冷方式では冷却ファンやその制御装置が必要となり、装置が大型化するという課題があった。

一方、装置を小型化するために電気車の走行により生じる走行風を利用してスイッチング素子の冷却を行う方式が考案されている（例えば、下記特許文献１など）。なお、この特許文献１に開示された方式は、構造が比較的簡単であり、メンテナンスコストが安く、冷却ファンによる騒音がない等、環境への負荷を低減できるといった利点を備えている。

特開２０００−９２８１９号公報

しかしながら、電気車の走行風を利用してスイッチング素子の冷却を行う方式では、一定風量が常に得られるファンによる強制風冷方式と比較し、得られる走行風が電気車の速度により変化して一定でないという不利点が有り、電気車周囲の限られた走行風を如何に効率的にスイッチング素子の冷却に利用できる構成とするかが重要となる。したがって、走行風を最大限に利用できない構成では、冷却器の大型化を招き、質量が増加してしまうなどの影響が生じる。

具体的には、
（１）電力変換回路を構成する複数のスイッチング素子を冷却器上にどのように配置すればよいか
（２）スイッチング素子を複数個並列接続することが必要な大容量の電力変換回路を構成する場合、並列接続する素子を冷却器上に如何に配置すれば最適であるか
（３）外気と接する冷却器のフィンの高さや間隔を如何にすればよいか
などといった観点が重要なポイントとなる。

しかしながら、上記特許文献１には、上記（１）〜（３）項に示す何れの観点についての考慮がなされていないため、電力変換装置をさらに小型化し、軽量化することが困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、走行風を利用した冷却を行う電力変換装置において、複数のスイッチング素子を複数個並列接続する場合の効果的な配置構成、および冷却器のフィンの効果的な構造を開示することにより、さらなる小型化、軽量化を実現することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、電気車に搭載され、電力変換回路を構成する複数のスイッチング素子を冷却する冷却器を有した電力変換装置であって、前記冷却器は、少なくとも前記スイッチング素子取り付け面となるフィンベースと、その反対面に配置された複数のフィンと、を有して構成され、前記各フィンは放熱のため外気に接するよう配置され、前記電力変換回路が前記スイッチング素子で構成された正側アームおよび負側アームからなるレグを複数組有する単相あるいは多相のブリッジ回路である場合に、前記各相のレグを構成する各スイッチング素子を前記フィンベース上に電気車の進行方向に順次並べて配置したことを特徴とする。

本発明にかかる電力変換装置によれば、冷却器は、少なくともスイッチング素子取り付け面となるフィンベースと、その反対面に配置された複数のフィンと、を有して構成され、各フィンは放熱のため外気に接するよう配置され、各相のレグを構成する各スイッチング素子の組をフィンベース上に電気車の進行方向に順次並べて配置するようにしている。この配置構成により、複数のスイッチング素子を効果的に冷却することができ、さらなる小型化、軽量化を実現することができる電力変換装置の提供が可能になるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１における電力変換装置の構成例を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１における電気車への電力変換装置の搭載状態の一例を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ用冷却器と各スイッチング素子との配置関係の一例を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態１におけるフィン中を流れる風速特性を説明する図である。 図５は、本発明の実施の形態１におけるフィンベースへのスイッチング素子配置の一例を示す図である。 図６は、スイッチング素子の内部構成を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ部およびインバータ部の電気車の速度に対する発生損失の一例を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ用冷却器の一例を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態１におけるインバータ用冷却器の一例を示す図である。 図１０は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ用冷却器（インバータ用冷却器）の冷却性能の一例を示す図である。 図１１は、本発明の実施の形態２におけるコンバータ部の回路構成の一例を示す図である。 図１２は、本発明の実施の形態２におけるフィンベースへのスイッチング素子配置の一例を示す図である。 図１３は、本発明の実施の形態３におけるコンバータ部の回路構成の一例を示す図である。 図１４は、本発明の実施の形態３におけるフィンベースへのスイッチング素子配置の一例を示す図である。 図１５は、本発明の実施の形態４におけるフィンベースの内部構造の一部を示す図である。 図１６は、図１５のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。 図１７は、本発明の実施の形態５におけるコンバータ部のフィンベースへのスイッチング素子配置とヒートパイプの配置の一例を示す図である。

符号の説明

１ 架線
２ 集電装置
３ 車輪
４ レール
６ 変圧器
９ 車体
１０ 接触器
１１ 電気機器
２０，２０ａ，２０ｂ コンバータ部
３０，３０Ｐ，３０Ｎ コンデンサ
４０Ａ フィンベース（コンバータ部）
４０Ｂ フィンベース（インバータ部）
４２Ａ フィン（コンバータ部）
４２Ｂ フィン（インバータ部）
４５ ＩＧＢＴチップ
４６ ヒートパイプ
５０Ａ コンバータ用冷却器
５０Ｂ インバータ用冷却器
ＵＤ１Ａ，ＵＤ２Ａ，ＵＤ１Ｂ，ＵＤ２Ｂ ダイオード
ＵＰＣ，ＶＰＣ，ＵＮＣ，ＶＮＣ，ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩ，ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩ，ＵＰＣＡ，ＵＰＣＢ，ＵＮＣＡ，ＵＮＣＢ，ＶＰＣＡ，ＶＰＣＢ，ＶＮＣＡ，ＶＮＣＢ，ＵＰＣ１，ＵＰＣ２，ＵＮＣ３，ＵＮＣ４，ＶＰＣ１，ＶＰＣ２，ＶＮＣ３，ＶＮＣ４，ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ２Ａ，ＵＮＣ３Ａ，ＵＮＣ４Ａ，ＵＰＣ１Ｂ，ＵＰＣ２Ｂ，ＵＮＣ３Ｂ，ＵＮＣ４Ｂ，ＶＰＣ１Ａ，ＶＰＣ２Ａ，ＶＮＣ３Ａ，ＶＮＣ４Ａ，ＶＰＣ１Ｂ，ＶＰＣ２Ｂ，ＶＮＣ３Ｂ，ＶＮＣ４Ｂ スイッチング素子
６０ インバータ部
８０ 電動機
１００ 電力変換装置

以下に、本発明にかかる電力変換装置の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電力変換装置の構成例を示す図である。同図に示す電力変換装置１００は、電力変換回路を構成するコンバータ部２０、コンデンサ３０およびインバータ部６０と、接触器１０と、を備えて構成される。また、電力変換装置１００の入力端に配置される接触器１０には、変圧器６が接続され、電力変換装置１００の出力端に配置されるインバータ部６０には、電気車を駆動する電動機８０が接続されている。なお、電動機８０としては、誘導電動機や同期電動機が好適である。

また、図１において、変圧器６の一次巻線の一端は集電装置２を介して架線１に接続され、他端は車輪３を介して大地電位であるレール４に接続されている。架線１から供給される電力（交流２０ＫＶ〜２５ＫＶが一般的）は、集電装置２を介して変圧器６の一次巻線に入力されるとともに、変圧器６の二次巻線に生じた電力が接触器１０を介してコンバータ部２０に入力される。

接触器１０は、変圧器６の二次巻線とコンバータ部２０との間に配置され、電力供給回路の開閉を行う。なお、図１の例では、２本ある交流入力線の双方をオン／オフする構成を図示しているが、交流入力線の何れか一方に接触器を配置することでもよい。

コンバータ部２０は、スイッチング素子ＵＰＣ，ＶＰＣで構成される正側アーム（例えばＵ相ではＵＰＣ）と、スイッチング素子ＵＮＣ，ＶＮＣで構成される負側アーム（例えばＵ相ではＵＮＣ）とがそれぞれ直列に接続された回路部（以下「レグ」という）を有している。すなわち、コンバータ部２０には、２組（Ｕ相分、Ｖ相分）のレグを有する単相ブリッジ回路が構成されている。スイッチング素子ＵＰＣ，ＶＰＣ，ＵＮＣ，ＶＮＣとしては、逆並列ダイオードが内蔵されたＩＧＢＴ素子やＩＰＭ素子が好適である。なお、レグ数を増やして多相のブリッジ回路としてもよく、当該構成も本発明の要旨に含まれる。

コンバータ部２０は、スイッチング素子ＵＰＣ，ＶＰＣ，ＵＮＣ，ＶＮＣをＰＷＭ制御することで入力された交流電圧を所望の直流電圧に変換して出力する。なお、コンバータ部２０の詳細な構成と制御方法には種々の公知例があり、ここでの詳細な説明は省略する。また、図１の例では、コンバータ部２０を２レベルコンバータ回路として示しているが、これ以外の、例えば３レベルコンバータ回路（公知）などで構成してもよく、その構成例については後述する。

コンバータ部２０の出力端には、直流電源となるコンデンサ３０が並列に接続されるとともに、コンデンサ３０の直流電圧を入力とし、任意の電圧、周波数の交流電圧に変換し出力するインバータ部６０が接続される。

インバータ部６０は、スイッチング素子ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩで構成される正側アーム（例えばＵ相ではＵＰＩ）と、スイッチング素子ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩで構成される負側アーム（例えばＵ相ではＵＮＩ）とがそれぞれ直列に接続されたレグを有している。すなわち、インバータ部６０には、３組（Ｕ相分、Ｖ相分、Ｗ相分）のレグを有する三相ブリッジ回路が構成されている。スイッチング素子ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩ，ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩとしては、逆並列ダイオードが内蔵されたＩＧＢＴ素子やＩＰＭ素子が好適である。

インバータ部６０は、スイッチング素子ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩ，ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩをＰＷＭ制御することで入力された直流電圧を所望の交流電圧に変換して出力する。なお、インバータ部６０の詳細な構成と制御方法には種々の公知例があり、ここでの詳細な説明は省略する。また、図１の例では、インバータ部６０を２レベルインバータ回路として示しているが、これ以外の、例えば３レベルインバータ回路（公知）などで構成してもよく、その構成例については後述する。また、図１の例では、レグ数が３（３相）である場合の構成例を示しているが、このレグ数に限定されるものではない。

なお、図１では、実施の形態１にかかる電力変換装置の好適な実施の形態として、交流入力の電気車に適用する場合を一例として示したが、地下鉄や郊外電車等に多用される直流入力の電気車に対しても同様に適用することができる。なお、直流入力の電気車に適用する場合、変圧器６およびコンバータ部２０の構成が不要となる点を除き、図１と同等の構成を採ることができ、本実施の形態にかかる内容を当該直流入力の電気車に適用することも無論可能である。

図２は、本発明の実施の形態１における電気車への電力変換装置の搭載状態の一例を示す図である。図２に示すように、電力変換装置１００は、他の電気機器１１と共に電気車の車体９の床下に配置される。なお、電力変換装置１００の底面には、フィンベース４０Ａと複数のフィン４２Ａからなるコンバータ用冷却器５０Ａ、およびフィンベース４０Ｂと複数のフィン４２Ｂからなるインバータ用冷却器５０Ｂがそれぞれ配置されており、フィン４２Ａ，４２Ｂは外気と接している。このように配置された電力変換装置１００によれば、電気車の走行によって進行方向と逆方向に生じる走行風Ｗがフィン４２Ａ，４２Ｂに流れ、スイッチング素子から発生する熱がフィン４２Ａ，４２Ｂを通じて大気中に放散される。

図３は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ用冷却器５０Ａとスイッチング素子ＵＰＣ，ＵＮＣ，ＶＰＣ，ＶＮＣとの配置関係の一例を示す図である。なお、以降の説明では、特に区別を要する部分以外は代表してコンバータ用冷却器５０Ａのフィンベース４０Ａ、フィン４２Ａ、インバータ用冷却器５０Ｂのフィンベース４０Ｂ、フィン４２Ｂをそれぞれフィンベース４０、フィン４２と表記する。

図３に示すように、スイッチング素子ＵＰＣ，ＶＰＣ，ＵＮＣ，ＶＮＣは、フィンベース４０の平面上に配置される。なお、以下に述べるとおりスイッチング素子は長方形をしており、その長辺方向が進行方向と直角になるように配置されている。また、フィン４２は、フィンベース４０にロウ付け等で固定され、電気車の走行風が取り込める向きに複数枚配置されている。また、フィン４２およびフィンベース４０の材質は、アルミニウムが好適である。

図４は、本発明の実施の形態１における複数のフィン４２中を流れる風速特性を説明する図であり、フィンベース４０およびフィン４２を図２の車両側面から観察した場合における、走行風Ｗの流れ、および複数のフィン４２中の風速を示している。

図４に示すように、電気車の走行によりフィン４２の前段（図の左側）から流入した走行風Ｗは、後段（図の右側）に行くほどフィン４２の外方向（フィンベース４０から遠ざかる方向）に流出し、風速は前段が最大となり、後段に向かうほど低下する特性となることがシミュレーションにより分かっている。

この特性は、走行風Ｗがフィン４２間を流れる過程において、フィン４２の下方部がダクト等で拘束されていないために走行風Ｗがフィン４２の下方側に漏れ出るためであり、当該フィン４２Ａの表面との摩擦により風速が漸次減速するからである。したがって、フィンベース４０とフィン４２の進行方向の長さは、可能な限り短くするほうが好ましい。

図５は、本発明の実施の形態１におけるフィンベース４０へのスイッチング素子配置の一例を示す図であり、図６は、スイッチング素子の内部構成を示す図である。

一般に、ＩＧＢＴモジュール、ＩＰＭモジュール等のスイッチング素子形状は長方形であり、その内部には多数のＩＧＢＴチップが複数並列接続されて構成される。その結果、図６に示すように、ＩＧＢＴチップ４５の典型的な配置構成は、長辺方向に配列される素子数が短辺方向に配列される素子数に比べて多くなっている。

このようなスイッチング素子を使用する場合、図５に示すように、スイッチング素子（ＵＰＣ等）の長辺を進行方向と直角となる向きに配置することで、フィン４２の進行方向のサイズを最小化できるため、風下側のスイッチング素子の位置での走行風Ｗの風速の低下を最小限に抑えることが可能となり、風下側スイッチング素子の温度上昇を最小限に抑えることが可能となる。

さらに、図５に示すように、各相のレグは電気車の進行方向と同方向に順次並べて配置する。すなわち、一のレグを構成する正側アームのスイッチング素子（例えばＵＰＣ）および負側アームのスイッチング素子（例えばＵＮＣ）を電気車の進行方向と同方向に順次配置する。

このように配置することで、走行風Ｗが通過するフィン４２Ａの前段から流入して後段に抜けるまでに通過するスイッチング素子数は、コンバータ部２０、あるいはインバータ部６０のブリッジ回路の相数によらず常に２となり最小化できるため、風上側のスイッチング素子の発熱の影響を受けて走行風Ｗの温度が上昇し、そのあおりを受けて風下側のスイッチング素子の温度が上昇してしまうことを軽減できるという利点が生ずる。

つぎに、電気車の速度に対するコンバータ部２０およびインバータ部６０の損失特性について図７を参照して説明する。なお、図７は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ部２０およびインバータ部６０の電気車の速度に対する発生損失の一例を示す図であり、一般的な交流入力の電気車の特性を示している。

まず、コンバータ部２０の損失特性について説明する。図７の（ａ）に示すように、コンバータ部２０の損失は、速度が増加するにつれ増加してゆき、最高速度の３０％〜５０％程度の速度で最大となり、最高速までほぼその値を維持する特性を有している。なお、この特性は、電気車のトルク制御特性に起因している。

電気車の力行時を例に説明すると、起動から最高速度の３０％〜５０％程度までは電動機８０は定トルク制御されるため、速度に比例して所要電力が増加する。このため、電源電圧が一定の場合、コンバータ部２０の電流は速度にほぼ比例して増加することになり、コンバータ部２０の発生損失は、ほぼ速度に比例して増加する特性となる。

一方、電気車の速度が最高速度の３０％〜５０％程度以上の領域では、電動機８０は定電力制御されるため、所要電力は速度によらずほぼ一定となる。このため、電源電圧が一定の場合、コンバータ部２０の電流は速度によらずほぼ一定となり、コンバータ部２０での発生損失は速度によらずほぼ一定の特性となる。

次いでインバータ部６０の損失特性について説明する。図７の（ｂ）に示すように、インバータ部６０の損失は、低速ほど大きく、最高速度の３０％〜５０％程度の速度まで比較的大きいものの、それ以降の速度域では、大きく低下し、最高速までほぼその値を維持する特性を有している。なお、この特性は、主として電動機電流の特性とインバータ部６０のスイッチング周波数の特性に起因している。

コンバータ部２０と同様に電気車の力行時を例に説明すると、起動から最高速度の３０％〜５０％程度までは電動機８０は最大トルクで定トルク制御されるため、電動機電流は最大となる。さらにスイッチング素子のスイッチング周波数を１０００Ｈｚ程度とする非同期ＰＷＭ制御を行うため、導通損失、スイッチング損失とも多く発生しインバータ部６０の損失は最大となる。

一方、電気車の速度が最高速度の３０％〜５０％程度以上の領域では、インバータ部６０のスイッチング素子は同期１パルスモードと呼ばれるＰＷＭモードとなる。このモードは公知技術であり、スイッチング素子のスイッチング回数がインバータ部６０の出力電圧半周期に１回のみとなるため、スイッチング損失が大きく減少する。また、同期１パルスモードでは電気車の速度増加とともにインバータ部６０の出力周波数が増加するため、スイッチング損失は徐々に増加する傾向であるが、その値はさほど大きくないため、インバータ部６０での発生損失は、電気車の速度によらずほぼ一定の特性となる。

図８は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ用冷却器５０Ａの一例を示す図であり、電気車の進行方向からコンバータ用冷却器５０Ａの形状を見た正面図である。同図において、フィンベース４０Ａの厚さ（以下「フィンベース厚」という）をＴ１、フィン４２Ａの高さ（以下「フィン高」という）をＨ、フィン４２Ａの間隔（以下「フィンピッチ」という）をＬＣ、フィン４２Ａの厚さ（以下「フィン厚」という）をＴ２として示している。

また、図９は、本発明の実施の形態１におけるインバータ用冷却器５０Ｂの一例を示す図であり、電気車の進行方向からインバータ用冷却器５０Ｂの形状を見た正面図である。同図において、フィンベース４０Ｂのフィンベース厚をＴ１、フィン４２Ｂのフィン高をＨ、フィン４２ＢのフィンピッチをＬＩ、フィン４２Ｂのフィン厚をＴ２として示している。すなわち、コンバータ用冷却器５０Ａとインバータ用冷却器５０Ｂの各形状における主たる相違点は、各フィンのフィンピッチが異なっているところにある。

図１０は、本発明の実施の形態１におけるコンバータ用冷却器５０Ａ（インバータ用冷却器５０Ｂ）の冷却性能の一例を示す図である。図１０において、横軸はフィンピッチ（フィン４２Ａ（４２Ｂ）同士のフィン間隔）であり、縦軸は冷却性能指標（同じ損失を与えた場合のフィンの温度上昇値）に関する実験値を示している。

図１０において、黒丸印の点を結ぶ曲線は車速２０ｋｍ／ｈ時の冷却性能特性を示し、白丸印の点を結ぶ曲線は車速４５ｋｍ／ｈ時の冷却性能特性を示し、黒三角印の点を結ぶ曲線は車速７０ｋｍ／ｈ時の冷却性能特性を示している。

なお、図１０は、フィン４２のパラメータであるフィン高Ｈを１５０ｍｍ、フィン厚Ｔ２を３ｍｍ、冷却器のフィンベース厚Ｔ１を２０ｍｍとした場合のデータである。フィン高Ｈは電気車の床下の下方許容寸法に制約され、通常１００ｍｍ〜２００ｍｍの範囲の値が選定される。フィンベース厚Ｔ１は、過負荷による過渡的はスイッチング素子損失の増加に耐えうるような熱容量を確保する観点から、通常２０ｍｍ〜４０ｍｍの値が選定される。フィン厚Ｔ２は、フィン４２が電気車下部に露出しており、また、雪や電気車床下からの雪の塊の落下に際してレールの敷石が跳ね上がってフィン４２に衝突する可能性があり、その際のフィン４２の破損を抑止する観点から、通常２ｍｍ〜４ｍｍの値が選定される。

上記パラメータのうち、フィン高Ｈとフィンベース厚Ｔ１は、図１０に示す特性には殆ど影響を与えないので、フィン高Ｈとフィンベース厚Ｔ１をそれぞれ１００ｍｍ〜２００ｍｍ、２０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲の値とする場合でも図１０に示すデータが適用可能である。

ここで、フィン厚Ｔ２を変化させると、図１０の特性が若干変化するが、その変化量は、フィン厚Ｔ２の３ｍｍを基準とし、フィン厚Ｔ２を１ｍｍ増加させた場合には、最適ピッチがほぼ１．５ｍｍ増加し、フィン厚Ｔ２を１ｍｍ減少させた場合には、最適ピッチがほぼ１．５ｍｍ減少する特性であった。

これは、フィンピッチを固定した条件でフィン厚Ｔ２を増加（または減少）させた場合、その増加（減少）分だけフィン４２間の間隙が縮小（または増加）する一方で、走行風Ｗのフィン間を流れる際の抵抗が増加（または減少）して風速が低下（または増加）することにより、フィンピッチの最適値が増加（または減少）するからと理解できる。

図１０の冷却性能に説明を戻す。図１０から、同一フィンピッチであれば、車速が高いほど冷却性能が向上することが分かる。また、同一車速では、フィンピッチを狭くしすぎても広くしすぎても冷却性能が悪化し、車速に応じた最適なフィンピッチが存在することが分かる。

車速に応じた最適なフィンピッチが存在する理由は、同一車速でフィンピッチを狭くした場合、フィンベース４０が有するフィン４２の枚数が増加するため放熱表面積が増加して冷却性能の向上に寄与する現象と、走行風Ｗがフィン間を通過する際の抵抗が増大し、フィン間の風速が減少して冷却性能の低下に寄与する現象が同時に発生するためである。逆に、フィンピッチを広くした場合、フィンベース４０が有するフィン４２の枚数が減少するため放熱表面積が減少して冷却性能の低下に寄与する現象と、走行風Ｗがフィン間を通過する際の抵抗が減少し、フィン間の風速の低下が小さくなり、冷却性能の向上に寄与する現象が同時に発生するためである。すなわち、両者のバランス点が、当該車速における冷却性能の最大化ポイントになる。

なお、車速によらず一定風量が得られるファンを用いた強制風冷方式（従来方式）であれば、放熱表面積を増加するためにフィンピッチを狭くした場合であっても、風速を大きくすることで冷却性能を確保することができるので、フィンピッチ等に対する大きな制約はないといってもよい。

一方、電気車の走行風を利用する冷却方式では、車速により走行風Ｗの風速が変化するためフィンピッチをどのように決定するかが重要な要点となる。

図７において、コンバータ部２０の損失は、車速が高い領域で最大損失となるのに対し、インバータ部６０の損失は、車速が低い領域で最大損失となることを示した。このことを考慮すると、コンバータ部２０のフィン４２Ａのフィンピッチは、車速の高い領域で冷却性能が高くなる狭い方がよく、インバータ部６０のフィン４２Ｂのフィンピッチは、車速が低い領域で冷却性能が高くなる広い方がよい。つまり、コンバータ部２０とインバータ部６０とでは、最適となるフィンピッチが異なるものを選定することが好ましい。

実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２におけるコンバータ部の回路構成の一例を示す図である。同図に示すコンバータ部２０ａは、図１に示した実施の形態１のコンバータ部２０の回路構成と比べて、各アームのスイッチング素子が並列接続されている点が異なる。

図１１において、Ｕ相正側アームではスイッチング素子ＵＰＣＡ，ＵＰＣＢが並列接続され、Ｕ相負側アームではスイッチング素子ＵＮＣＡ，ＵＮＣＢが並列接続され、Ｖ相正側アームではスイッチング素子ＶＰＣＡ，ＶＰＣＢが並列接続され、Ｖ相負側アームではスイッチング素子ＶＮＣＡ，ＶＮＣＢが並列接続されている。

つぎに、これらのスイッチング素子を並列接続する場合に好適なスイッチング素子の配置例について説明する。図１２は、本発明の実施の形態２におけるフィンベース４０へのスイッチング素子配置の一例を示す図である。同図に示すように、実施の形態１で示した配置方法に加え、各アームとも、並列接続するスイッチング素子を進行方向に対して直角方向に並べて配置している。

上記のように配置することで、各アームにおける並列接続素子のペア同士（例えば、Ｕ相正側アームではＵＰＣＡとＵＰＣＢ）では、風上側のフィン前縁からの距離が等しくなるため、温度をほぼ等しくすることが可能となる。一般的に、スイッチング素子は、温度に依存して順方向電圧降下が変化するため、並列接続素子のペア同士の温度が異なると、それぞれの順方向電圧降下が異なることとなり、ペア同士の電流の分流比が悪化して、何れかのスイッチング素子に電流が集中するなどの不都合を生じる。

一方、本実施の形態では、並列接続された各スイッチング素子の風上側フィン前縁からの距離を等しく配置するようにしているので、並列接続素子のペア同士の温度がほぼ均一化され、良好な電流の分流が実現できる。

また、フィン４２の進行方向のサイズを最小化できるため、風下側のスイッチング素子の位置における走行風Ｗの風速の低下を最小限に抑えることが可能となり、風下側のスイッチング素子における温度上昇を最小限に抑えることが可能となる。

また、走行風Ｗがフィン４２の前段から流入して後段に抜けるまでに通過するスイッチング素子数を、並列接続しない場合と同数に最小化でき、風上側のスイッチング素子の発熱の影響を受けて走行風Ｗの温度が上昇し、そのあおりを受けて風下側のスイッチング素子の温度が上昇してしまうことを軽減できるという利点が生ずる。

さらに、走行風Ｗが通過するフィン４２の前段から流入して後段に抜けるまでに通過するスイッチング素子数は、コンバータ部２０、あるいはインバータ部６０のブリッジ回路の相数によらず常に２となり最小化できるため、風上側のスイッチング素子の発熱の影響を受けて走行風Ｗの温度が上昇し、そのあおりを受けて風下側のスイッチング素子の温度が上昇してしまうことを軽減できるという利点が得られる。

実施の形態３．
図１３は、本発明の実施の形態３におけるコンバータ部２０の回路構成の一例を示す図である。同図に示すコンバータ部２０ｂは、図１に示した実施の形態１のコンバータ部２０の回路構成と比べて、所謂３レベル回路の構成となっている点が異なる。

図１３において、Ｕ相正側では、並列接続されたスイッチング素子ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ１Ｂと、並列接続されたスイッチング素子ＵＰＣ２Ａ，ＵＰＣ２Ｂとが直列接続されるとともに、この接続点には並列接続されたダイオードＵＤ１Ａ，ＵＤ１Ｂのカソード側が接続され、そのアノード側はコンデンサ３０Ｐと３０Ｎの中点（接続点）に接続されている。同様に、Ｕ相負側アームでは、並列接続されたスイッチング素子ＵＮＣ３Ａ，ＵＮＣ３Ｂと、並列接続されたスイッチング素子ＵＮＣ４Ａ，ＵＮＣ４Ｂとが直列接続されるとともに、この接続点には並列接続されたダイオードＵＤ２Ａ，ＵＤ２Ｂのアノード側が接続され、そのカソード側はコンデンサ３０Ｐと３０Ｎの中点（接続点）に接続されている。なお、Ｖ相正側アームおよびＶ相負側アームの構成についても、それぞれＵ相正側アーム、Ｖ相正アームの構成と同様であり、当該接続構成に関する詳細な説明を省略する。

また、このコンバータ部２０を、１ｋＨｚ前後のスイッチング周波数でスイッチング動作させた場合の各スイッチング素子および各ダイオード素子における１相あたりの損失割合を示したものが、以下に示す表１である。なお、下表では、１相分の損失を１００％とし、Ｕ相を代表的に示している。

表１を参照すると、スイッチング素子ＵＰＣ２、ＵＮＣ３の損失が他に比べて多くを占めていることが分かる。

つぎに、これらのスイッチング素子を並列接続する場合に好適なスイッチング素子の配置例について説明する。図１４は、本発明の実施の形態３におけるフィンベース４０へのスイッチング素子配置の一例を示す図である。同図に示すように、各相レグ（＝正側アームおよび負側アーム）を構成するスイッチング素子群が、フィンベース４０上で進行方向に沿って縦列に配置されている。

具体的に、Ｕ相レグで説明すると、正側アームのスイッチング素子ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ２Ａ、および負側アームのスイッチング素子ＵＮＣ３Ａ，ＵＮＣ４Ａが、この順で進行方向に沿って配置されている。また、Ｕ相レグに隣接し、かつ、進行方向の直角方向に、並列接続された正側アームのスイッチング素子ＵＰＣ１Ｂ，ＵＰＣ２Ｂ、および負側アームのスイッチング素子ＵＮＣ３Ｂ，ＵＮＣ４Ｂが、この順に配置されている。なお、ダイオードＵＤ１Ａ，ＵＤ２Ａ，ＵＤ１Ｂ，ＵＤ２Ｂについては、表１に示すように、損失割合が全体の１０％程度と小さいため、ここでは考えない。また、他相のスイッチング素子についても同様であり、進行方向の直角方向に順次配置する。

いま、仮に、スイッチング素子配置は図１４のままで、進行方向とフィンの向きが図１４に示した進行方向と直角方向であったとすると、走行風Ｗは損失の大きな４つの素子（例えばＵＰＣ２Ａ、ＵＰＣ２Ｂ、ＶＰＣ２Ａ、ＶＰＣ２Ｂ）を通過してゆくことになり、風下側にあたるスイッチング素子は風上側のスイッチング素子からの発熱にあおられて温度が上昇してしまうことになる。

一方、上記のように配置することで、フィン４２の進行方向のサイズを最小化できるため、風下側のスイッチング素子の位置における走行風Ｗの風速の低下を最小限に抑えることが可能となり、風下側スイッチング素子における温度上昇を最小限に抑えることが可能となる。

また、走行風Ｗがフィン４２の前段から流入して後段に抜けるまでに通過するスイッチング素子数と、その合計損失（Ｕ相ではＵＰＣ１Ａ＋ＵＰＣ２Ａ＋ＵＮＣ３Ａ＋ＵＮＣ４Ａ）とを最小化することができるため、風上側のスイッチング素子の発熱の影響を受けて走行風Ｗの温度が上昇し、そのあおりを受けて風下側のスイッチング素子の温度が上昇してしまうことを軽減できるという利点が得られる。なお、本実施の形態３では、コンバータ部２０を例に説明したが、インバータ部６０に適用してもよい。

実施の形態４．
図１５は、本発明の実施の形態４におけるフィンベースの内部構造の一部を示す図であり、図１６は、図１５のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。これらの各図に示されるフィンベース４０では、スイッチング素子直下の内部に、進行方向に沿って配設される、複数本のヒートパイプ４６が挿入されている。ヒートパイプ４６は、公知の手段であり、直径１０ｍｍ程度の銅を主原料とし、内部にウイックと呼ばれる毛細加工を施した中空パイプに少量の水等の動作液を封入し、真空で封じたものである。

上記のように構成することで、例えば風下側のスイッチング素子の発熱により均熱パイプ内の水が水蒸気となってその周囲の熱を奪うとともに、水蒸気が温度の低い風上側へ移動し、凝縮して熱を放散し、再び水に戻って風下側に移動するサイクルを繰り返すことで、高温側の熱を低温側へ移送させることが可能となる。この結果、フィンベース４０の風上側と風下側の温度の均一化を図ることが可能となり、風下側のスイッチング素子の冷却性能がより向上する。

実施の形態５．
図１７は、本発明の実施の形態５におけるコンバータ部２０のフィンベース４０Ａへのスイッチング素子配置とヒートパイプの配置の一例を示す図である。図１４と同様に各相レグ（＝正側アームと負側アーム）を構成するスイッチング素子群がフィンベース４０上で進行方向に沿って縦列に配置されている。Ｕ相レグの片側で説明すると、進行方向に沿って、正側アームのスイッチング素子ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ２Ａ、負側アームのスイッチング素子ＵＮＣ３Ａ，ＵＮＣ４Ａがこの順に配置されている。なお、図１４で省略していたダイオードＵＤ１Ａ、ＵＤ２Ａは、図１７に示すとおり、正側アームのスイッチング素子ＵＰＣ２Ａと負側アームのスイッチング素子ＵＮＣ３Ａの間に配置される。これらの損失は、表１のとおり全体の１０％程度と小さい。この他のレグの構成についても同様である。

つぎに、ヒートパイプ４６Ａ，４６Ｂの配置について説明する。なお、ヒートパイプ４６Ａ，４６Ｂは複数本配置するが、Ｕ相レグの片側を例として説明する。フィンベース４０には、正側アームのスイッチング素子ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ２Ａの直下を通り、且つ一端をＵＰＣ１Ａの直下を外れた位置まで延長し、他端をＵＰＣ２Ａの直下を外れた位置まで延長したヒートパイプ４６Ａと、負側アームのスイッチング素子ＵＮＣ３Ａ，ＵＮＣ４Ａの直下を通り、且つ一端をＵＮＣ３Ａの直下を外れた位置まで延長し、他端をＵＮＣ４Ａの直下を外れた位置まで延長したヒートパイプ４６Ｂとが内蔵される。また、ヒートパイプ４６Ａと４６Ｂとは両者分割されている。

さらに、上記のように構成した場合の動作を説明する。正側アームのスイッチング素子ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ２Ａの発生損失は大きいため、当該スイッチング素子直下のフィンベース４０の温度は高くなる。一方、ダイオードＵＤ１Ａの発生損失は小さいため、当該ダイオード直下のフィンベース４０の温度は低くなる。即ち、正側アームのスイッチング素子ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ２Ａの直下と、ダイオードＵＤ１Ａの直下とでは温度差が生じる。このような環境において、ヒートパイプ４６Ａの働きにより正側アームのスイッチング素子ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ２Ａで発生した熱の一部はダイオードＵＤ１Ａ付近のフィンベース４０まで移送される。同様に、ヒートパイプ４６Ｂの働きにより負側アームのスイッチング素子ＵＮＣ３Ａ，ＵＮＣ４Ａで発生した熱の一部はダイオードＵＤ２Ａ付近のフィンベース４０まで移送される。

このような動作により、スイッチング素子ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ２Ａ，ＵＮＣ３Ａ，ＵＮＣ４Ａの熱は、当該スイッチング素子付近に位置する部分のフィン４２だけでなく、ダイオードＵＤ１Ａ、ＵＤ２Ａ付近に位置する部分のフィン４２からも放熱が可能となり、損失の大きなスイッチング素子ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ２Ａ，ＵＮＣ３Ａ，ＵＮＣ４Ａの効果的な冷却が可能となる。言い換えれば、損失が小さく冷却上余裕のあるダイオードＵＤ１Ａ，ＵＤ２Ａ付近のフィン４２を、損失の大きなスイッチング素子ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ２Ａ，ＵＮＣ３Ａ，ＵＮＣ４Ａの冷却に有効利用することで、フィンサイズを大きくすることなく、スイッチング素子ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ２Ａ，ＵＮＣ３Ａ，ＵＮＣ４Ａの冷却性能を向上させることができる。

このように構成することで、スイッチング素子ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ２Ａ，ＵＮＣ３Ａ，ＵＮＣ４Ａにより多くの電流を流すことが可能となり、同一のフィンサイズであっても変換できる電力容量を増加させることが可能となる。なお、この他のレグの動作についても同様である。

本実施の形態５の要点は、電力変換回路を構成する複数スイッチング素子（ここではダイオードを含む半導体素子を意味する）のそれぞれの損失の大小に着目し、損失の大きな素子の発熱を損失の小さな素子付近へ移送することで、損失が小さく冷却上余裕のある素子付近に位置するフィンを、損失の大きな素子の冷却に有効利用することにある。なお、実施の形態５では一例として単相３レベルコンバータ回路に好適な構成を示したが、これ以外の例えば３相インバータ回路等への適用も無論可能であるとともに、回路構成や素子配置にあわせてヒートパイプを適宜分割して構成してもよいことも無論である。

なお、上記の各実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるとともに、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

さらに、本明細書では、電気車への適用を主とする発明内容の説明を行っているが、適用用途は電気車に限定されるものではなく、電気自動車等の関連分野への適用が可能であることも言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、走行風を利用してスイッチング素子の冷却を行う電力変換装置において、さらなる小型化、軽量化を実現することができる発明として有用である。

Claims (16)

1. 交流電化区間で運転される電気車に適用される電力変換装置であって、
   交流を直流に変換するコンバータ部と、
   前記コンバータ部の出力に接続され、直流を変換して前記電気車を駆動する電動機に電力を供給するインバータ部と、
   前記コンバータ部、および前記インバータ部にそれぞれ具備される複数のスイッチング素子を冷却する冷却器を有し、
   前記冷却器は、
   前記スイッチング素子取り付け面となるフィンベースと、
   その反対面に前記電気車の走行による走行風により冷却されるように配置されたフィンを有し、
   前記コンバータ部用の前記冷却器に具備された前記スイッチング素子と、前記インバータ部用の前記冷却器に具備された前記スイッチング素子は、それぞれの発熱量と前記電気車の車速との関係が互いに異なるものであって、
   前記コンバータ部用の前記スイッチング素子の発熱量は、前記電気車の車速が最高速の３０〜５０％以上の速度域で最大となることより、前記コンバータ部用の前記フィンのフィンピッチは、前記電気車の車速が３０％以上の速度域において前記冷却器の冷却性能が最大となる値に設定され、
   前記インバータ部用の前記スイッチング素子の発熱量は、前記電気車の車速が最高速の３０〜５０％以下の速度域で最大となることより、前記インバータ部用の前記フィンのフィンピッチは、前記電気車の車速が５０％以下の速度域において前記冷却器の冷却性能が最大となる値に設定され、
   前記コンバータ部用の前記フィンのフィンピッチは前記インバータ部用の前記フィンのフィンピッチよりも狭いこと、
   を特徴とする電力変換装置。
2. 前記コンバータ部および前記インバータ部が、前記スイッチング素子で構成された正側アームおよび負側アームからなるレグを複数組有する単相、あるいは多相のブリッジ回路である場合、前記各相のレグを構成する各スイッチング素子を前記フィンベース上に、電気車の進行方向に順次並べて配置したことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記コンバータ部および前記インバータ部が、前記スイッチング素子で構成された正側アームおよび負側アームからなるレグを複数組有する単相、あるいは多相のブリッジ回路である場合、各相の前記レグは、前記フィンベース上に、電気車の進行方向に対して直角方向に順次並べて配置したことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記正側アームおよび負側アームのそれぞれが、複数個のスイッチング素子を並列接続して構成される場合に、該並列接続されて構成される同種アームの組を、前記フィンベース上に電気車の進行方向に対して直角方向に順次並べて配置したことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記正側アームおよび負側アームのそれぞれが、複数個のスイッチング素子を並列接続して構成される場合に、並列接続された前記スイッチング素子は、前記フィンベースの電気車進行方向前縁から等距離になるように配置したことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
6. 前記スイッチング素子が長方形状である場合、前記スイッチング素子の長辺が電気車の進行方向に対して直角方向に向かい、短辺が電気車の進行方向に向かうように前記フィンベース上に並べて配置したことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
7. 前記コンバータ部用の前記冷却器と前記インバータ部用の前記冷却器とが、それぞれ別体として構成されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
8. 前記フィンの厚みが２ｍｍ〜４ｍｍの範囲である場合、
   前記コンバータ部用の前記フィンベースに取り付けられた複数の前記フィンのフィンピッチが６．５ｍｍ〜１１．５ｍｍの間の値に設定され、
   前記インバータ部用の前記フィンベースに取り付けられた複数の前記フィンのフィンピッチが８．５ｍｍ〜１５．５ｍｍの間の値に設定され
   ていること特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
9. 前記フィンの厚みが３ｍｍである場合、
   前記コンバータ部用の前記フィンベースに取り付けられた複数の前記フィンのフィンピッチが８ｍｍ〜１０ｍｍの間に設定され、
   前記インバータ部用の前記フィンベースに取り付けられた複数の前記フィンのフィンピッチが１０ｍｍ〜１４ｍｍの間に設定され
   ていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
10. 直列に接続される第１〜第４のスイッチング素子が前記レグとして構成され、
    正側アームを成す前記第１のスイッチング素子の一端が直流電源の正側に接続され、負側アームを成す前記第４のスイッチング素子の一端が直流電源の正側に接続されており、
    前記第１のスイッチング素子とともに正側アームを成す前記第２のスイッチング素子の一端と前記第１のスイッチング素子の他端とが接続される接続点にカソードが接続され、アノードが前記直流電源の中点に接続される第１のダイオードと、
    前記第４のスイッチング素子とともに負側アームを成す前記第３のスイッチング素子の一端と前記第４のスイッチング素子の他端とが接続される接続点にアノードが接続され、カソードが前記直流電源の中点に接続される第２のダイオードと、が具備され、
    前記第２のスイッチング素子の他端と前記第３のスイッチング素子の他端との接続点を外部に取り出せるようにした３レベル回路が構成される場合に、
    前記レグを構成する各スイッチング素子を前記フィンベース上に電気車の進行方向に順次並べて配置したことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
11. 前記第１〜第４のスイッチング素子によって構成される前記レグを複数組有する単相あるいは多相のブリッジ回路である場合に、各相の前記レグは、前記フィンベース上に電気車の進行方向に対して直角方向に順次並べて配置したことを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 直列に接続される第１〜第４のスイッチング素子が前記レグとして構成され、
    正側アームを成す前記第１のスイッチング素子の一端が直流電源の正側に接続され、負側アームを成す前記第４のスイッチング素子の一端が直流電源の正側に接続されており、
    前記第１のスイッチング素子とともに正側アームを成す前記第２のスイッチング素子の一端と前記第１のスイッチング素子の他端とが接続される接続点にカソードが接続され、アノードが前記直流電源の中点に接続される第１のダイオードと、
    前記第４のスイッチング素子とともに負側アームを成す前記第３のスイッチング素子の一端と前記第４のスイッチング素子の他端とが接続される接続点にアノードが接続され、カソードが前記直流電源の中点に接続される第２のダイオードと、が具備され、
    前記第２のスイッチング素子の他端と前記第３のスイッチング素子の他端との接続点を外部に取り出せるようにした３レベル回路が構成される場合に、
    前記レグを構成する各スイッチング素子を、前記第１，第２のスイッチング素子、前記第３，第４のスイッチング素子の順に、前記フィンベース上に電気車の進行方向に順次並べて配置したことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
13. 前記フィンベースの内部に、前記スイッチング素子の直下を通過し且つ電気車の進行方向にヒートパイプを複数埋め込んだ構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
14. 前記フィンベースの内部に、前記正側アームの前記スイッチング素子と前記負側アームの前記スイッチング素子の直下を共に通過し且つ電気車の進行方向にヒートパイプを複数埋め込んだ構成としたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
15. 前記フィンベースの内部にヒートパイプを埋め込んだ構成であって、前記ヒートパイプは、前記フィンベース上に搭載される前記コンバータ部および前記インバータ部を構成する複数の前記スイッチング素子のうち、損失の大きな前記スイッチング素子の直下付近と損失の小さな前記スイッチング素子の直下付近にそれぞれ一端と他端を配置したことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
16. 直列に接続される第１〜第４のスイッチング素子が前記レグとして構成され、
    正側アームを成す前記第１のスイッチング素子の一端が直流電源の正側に接続され、負側アームを成す前記第４のスイッチング素子の一端が直流電源の正側に接続されており、
    前記第１のスイッチング素子とともに正側アームを成す前記第２のスイッチング素子の一端と前記第１のスイッチング素子の他端とが接続される接続点にカソードが接続され、アノードが前記直流電源の中点に接続される第１のダイオードと、
    前記第４のスイッチング素子とともに負側アームを成す前記第３のスイッチング素子の一端と前記第４のスイッチング素子の他端とが接続される接続点にアノードが接続され、カソードが前記直流電源の中点に接続される第２のダイオードと、が具備され、
    前記第２のスイッチング素子の他端と前記第３のスイッチング素子の他端との接続点を外部に取り出せるようにした３レベル回路が構成される場合であり、
    さらに、前記レグを構成する各スイッチング素子が前記第１、第２、第３、第４のスイッチング素子の順に前記フィンベース上に電気車の進行方向に順次並べて配置された場合に、
    前記ヒートパイプは前記第１、第２のスイッチング素子直下を通過し且つ前記ヒートパイプの一端が前記第１のスイッチング素子の直下を外れた部分まで延長して配置され、他端が前記第２のスイッチング素子の直下を外れて前記第１のダイオードの直下付近まで延長して配置されたものと、前記第３、第４のスイッチング素子直下を通過し且つ前記ヒートパイプの一端が前記第３のスイッチング素子の直下を外れた部分まで延長して配置され、他端が前記第４のスイッチング素子の直下を外れ前記第２のダイオードの直下付近まで延長して配置されたもの、との少なくとも２本に分割して前記フィンベース内部に埋め込んだことを特徴とする請求項１４に記載の電力変換装置。

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