JP4439764B2 - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の床下等に設置される、半導体素子を用いた車両用電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両に設置される鉄道車両駆動用の電力変換装置は、鉄道架線から入力される電力を複数のアーム素子からなる電力変換装置のスイッチング動作により電力変換し、車両駆動用の電動機を制御するものである。その場合、半導体冷却ユニットは、アーム素子とその周辺回路電気部品を収納しつつ、アーム素子その他の熱発生部品の冷却作用をしており、アーム素子から発生する損失熱の外気への放出や、アーム素子の定格特性を最大限に活用するための周辺回路電気部品の最適実装を考慮した電力変換装置の構成要素として重要な役割を持っている。
【０００３】
図２１，２２，２３を参照して従来装置の具体的な構成を説明する。
【０００４】
図２１は従来の半導体冷却ユニットと装置筐体に設置するフィルタコンデンサを示し、図２２はその側面図、図２３は平面図である。図２４は、電力変換装置の主回路構成を示す回路結線図である。
【０００５】
まず図２４を参照して電力変換装置の主回路構成を説明する。この主回路は直流端子Ｐ，Ｎ間に接続されるフィルタコンデンサ３と、３相インバータ２によって構成されている。３相インバータ２は、入力された直流を任意周波数・任意電圧の３相交流に変換し、交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗに３相交流を出力するものである。３相インバータ２は６つのアーム素子ＰＵ，ＮＵ，ＰＶ，ＮＶ，ＰＷ，ＮＷからなっており、各相ごとに直流端子間にサージ吸収手段として相コンデンサＣＵ，ＣＶ，ＣＷを接続している。各アーム素子はそれぞれスイッチング素子、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）と、各素子ごとに逆並列接続されたフリーホイーリングダイオードとからなっている。以下に説明する構造例では、各アーム素子を符号６で総称し、各相コンデンサを符号７で総称する。
【０００６】
鉄道のき電方式には交流式および直流式があり、主電動機にも交流電動機と直流電動機とが存在する。したがって、き電方式と電動機の組み合わせにより、電力変換器または電力変換装置にもインバータ単独、コンバータ単独、または両者の組み合わせがあり得るが、ここでは一例として直流き電方式と交流電動機の組み合わせの場合に適用し得るインバータについて説明する。
【０００７】
図２１〜２３を参照して図２４に示した電力変換装置の構造について説明する。筐体２１内において、アーム素子６は、冷却ブロツク４および冷却フィン５を有する冷却器の冷却ブロツク４に取り付けられ、発熱損失を装置外の大気に放出する。相コンデンサ７は、配線インダクタンスを小さくするためにアーム素子６の直近に配置する。冷却ブロツク４および冷却フィン５を有する冷却器、アーム素子６、並びに２つの分割コンデンサ３ａ，３ｂからなる相コンデンサ３を各相ごとの構造単位とし、それをＵ，Ｖ，Ｗの３相分集約して１つの筐体２１内に収納することにより電力変換ユニット１を構成している。
【０００８】
アーム素子６へのゲート信号はゲート回路８から出力され、ゲート配線９を介して各アーム素子６へ送出される。ゲート回路８は、ユニット１の中央正面部に配置され、外部からの信号を入力する入力端となる光ファイバーの接続端子を前面に向けている。
【０００９】
フィルタコンデンサ３は、できるだけアーム素子６に近接配置するため、ユニット１の前面に、ゲート回路８へのアクセス面を塞がないように２分割にし、接続端子を前面に向けて筐体２１に設置される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような構造の電力変換ユニット１では、フレーム構成上、ゲート回路８が比較的奥まった位置に配置されているため、目視確認や回路チェックなどのメンテナンス作業が困難である。特に容量を極力大きくするため大型化されたフィルタコンデンサ３により、ゲート回路８のメンテナンス空間となる分割配置された２個のフィルタコンデンサ３，３間の間隙寸法が小さくなり、光ファイバーなどの着脱のアクセスに困難があった。しかも３相分のゲート回路を中央に集約して配置しているため、ユニット１内のゲート配線９が中央に集中し、そのため、配線エリアのためのスペース確保が困難であり、ノイズ対策を考慮した束分けが不十分となるなどの不都合があった。さらにまた、中央部への集約により、上段のゲート回路は下段のゲート回路の発熱により加熱され、熱的に厳しい環境条件となっていた。
【００１１】
フィルタコンデンサ３が分割コンデンサ３ａ，３ｂに２分割されていることより、フィルタコンデンサ３、およびそれに接続される配線導体やサポート用品などの部品点数が多くなることも低コスト化を困難にする一因となっている。
【００１２】
そこで本発明は、ゲート回路周辺の環境状態を改善し、メンテナンス性の向上および低コスト化を可能とする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】
上記目的を達成するために請求項１に係る発明の車両用電力変換装置は、電力変換回路のアーム素子を構成する複数の半導体素子、これらの半導体素子にゲート信号を供給する複数のゲート回路、および電力変換回路の直流端子間に接続されるフィルタコンデンサを含む電力変換ユニットが共通の筐体内に収納され、複数のゲート回路は電力変換ユニットの両側に分散配置され、フィルタコンデンサは電力変換ユニットの前面側に、かつ両側のゲート回路の間に配置されていることを特徴とする。これにより、ゲート回路ヘのアクセス性、メンテナンス性の向上を図ることができ、上段ゲート回路ヘの熱のあおりを低減する効果がある。また、フィルタコンデンサは、半導体冷却ユニット中央に入り込むような構成で装置筐体に設置するが、一体化されたフィルタコンデンサおよびその周辺の部品点数を削減することができる。
【００１５】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の車両用電力変換装置において、フィルタコンデンサはその端子を上に向けて配置され、かつフィルタコンデンサの端子はアーム素子からの主回路配線、装置外部からの主回路配線、およびフィルタコンデンサからの主回路配線を含む主回路配線を中継する中継端子台の直近に位置していることを特徴とする。この発明によれば、アーム素子とフィルタコンデンサ間の配線距離を短くし、低インダクタンス化を図り、相コンデンサを削除しても十分な性能を有する構成となり、部品点数を削減しコスト低減する効果がある。
【００１６】
請求項３に係る発明は、請求項１記載の車両用電力変換装置において、フィルタコンデンサは電力変換ユニットの前面部に配置され、複数のゲート回路はフィルタコンデンサの両側に配設された筐体フレームに振り分けて配置されていることを特徴とする。この発明によれば、半導体冷却ユニットのフレーム構成の簡略化を図ることができ、軽量化、コスト低減の効果がある。
【００１７】
請求項４に係る発明は、電力変換回路のアーム素子を構成する複数の半導体素子、これらの半導体素子にゲート信号を供給する複数のゲート回路、および電力変換回路の直流端子間に接続されるフィルタコンデンサを含む電力変換ユニットが共通の筐体内に収納され、フィルタコンデンサは電力変換ユニットの前面部に配置され、複数のゲート回路はフィルタコンデンサの前面側に配設された筐体フレームに平面が正面側に向くように配置されていることを特徴とする。この発明によれば、半導体冷却ユニットのフレーム構成の簡略化を図ることができ、軽量化、コスト低減やメンテナンス性向上の効果がある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞（請求項１に対応）
（構成）
図１に本発明の第１の実施の形態による電力変換装置の分解斜視図を、図２に電力変換装置の正面図を、図３にその側面図を、図４に平面図を示す。
【００１９】
冷却器の冷却ブロック４にはアーム素子６が取り付けられ、アーム素子６の直近に相コンデンサ７を配置し、アーム素子６へゲート信号を送出するゲート回路８が電力変換ユニット１の両側に、かつ前面側に振り分け配置される。フィルタコンデンサ３は電力変換装置２に直接取り付けられるが、ユニット１の両側のゲート回路８，８の間に入り込む大きさで、分割型にせずに１個にまとめた構造として筐体２１に取り付けられる。電力変換ユニット１の両側に配置されたゲート回路８からアーム素子６へと延びるゲート配線９は両側に振り分け配置される。
【００２０】
（作用）
上記配置のゲート配線９はゲート回路８の周りで入り乱れることがなく、整然と束分けされて配置することが可能となる。ゲート回路８をユニット１の前面寄りに配置することにより、装置からの光ファイバーコネクタの着脱の作業性、ゲート回路チェックの作業性が向上する。ゲート回路８を装置の両側に配置することにより、ゲート回路８の周囲に空間が形成され、ゲート回路８からの発熱がこもることもなく、放熱作用も良好に行われる。
【００２１】
フィルタコンデンサ３を一体化することにより、フィルタコンデンサ３に接続される導体や固定用サポート部品等の部品点数が削減される。
【００２２】
（効果）
本実施の形態によれば、ゲート回路８の配置改善により、耐ノイズ性の良好な配線が可能となり、メンテナンス性に優れ、放熱性も向上する。フィルタコンデンサ３の一体化により部品点数を削減することができ、コスト低減が可能となる。
【００２３】
＜参考例＞
（構成）
図５に本発明の参考例に係る電力変換装置の分解斜視図を、図６に電力変換装置の正面図を、図７にその側面図を、図８に平面図を示す。
【００２４】
この参考例は、第１の実施の形態と同様に、冷却ブロック４にアーム素子６が取り付けられ、アーム素子６の直近に相コンデンサ７を配置する。アーム素子６に対しゲート信号を送出するゲート回路８はユニット１の下面部に設けられたユニットフレーム１１に左右に並べて平面的に並置される。フィルタコンデンサ３は筐体２１の底面よりも上方にかさ上げした配設面を有するコンデンサ取付台１２の上に配置され、取付けられる。こうすることにより、フィルタコンデンサ３はユニット１の幅にとらわれることなく大型化が可能であり、ゲート回路８の上に、分割することなく１個にまとめた形で配置される。
【００２５】
（作用）
ユニット１の下部に配置したゲート回路８は、各相のアーム素子６の並びに沿う配置構成となるため、アーム素子８へのゲート配線９を最短長さで配置することが可能となり、各相の配線が入り乱れることがなく、理想的な束分けとすることができる。ゲート回路８がユニット１の下部前面寄りに配置されることにより、装置への光ファイバーコネクタの着脱の作業性、ゲート回路チェックの作業性が向上する。ゲート回路８を上下に積重配置することなく左右横並びに配置することにより、下部からの熱的あおりが皆無となる。
【００２６】
（効果）
本参考例によれば、ゲート回路８の配置の改善により、ノイズに強い配線が可能となり、アクセス性およびメンテナンス性に優れ、放熱性の良好な配置構成を達成することができる。また、フィルタコンデンサ３はユニット幅にとらわれることなく大型化することが可能であり、大容量化が可能となる。
【００２７】
＜第２の実施の形態＞（請求項２に対応）
（構成）
図９に本発明の第２の実施の形態による電力変換装置の分解斜視図を、図１０に電力変換装置の正面図を、図１１にその側面図を、図１２に平面図を示す。
【００２８】
この実施の形態は、参考例とほぼ同様であるが、ここではフィルタコンデンサ３はその端子が上面を向くように配置され、電力変換ユニット１に設けられる中継端子台１０の直近となるように構成される。
【００２９】
（作用）
電力変換ユニット１の下部に配置したゲート回路８は、各相のアーム素子６の並びに沿う構成となるため、参考例と同様、理想的な束分け、ないし配線を実現することができる。ゲート回路８が下部前面寄りに配置されることにより、ゲート信号を光ファイバーコネクタの着脱の作業性、およびゲート回路８のチェックの作業性が向上する。ゲート回路８を上下に重ねずに左右に並置することにより、下方からの熱あおりが無くなる。
【００３０】
フィルタコンデンサ３の端子を上面の中継端子台１０に直近位置に位置させることにより、アーム素子６とフィルタコンデンサ３の配線距離が短くなる。
【００３１】
（効果）
本実施の形態によれば、ゲート回路８の配置の改善により、ノイズに強い配線を実現することが可能となり、しかもアクセス性およびメンテナンス性に優れ、放熱性の良好な構成となる。また、フィルタコンデンサ３とアーム素子６の配線長の最短化により低配線インダクタンス化が可能となり、場合によっては相コンデンサ７を省略しても十分な耐ノイズ性を持たせることができる。
【００３２】
＜第３の実施の形態＞（請求項３に対応）
（構成）
図１３に本発明の第３の実施の形態による電力変換装置の分解斜視図を、図１４に電力変換装置の正面図を、図１５にその側面図を、図１６に平面図を示す。
【００３３】
この実施の形態は、第１の実施の形態と同様に、冷却ブロック４にアーム素子６が取り付けられ、アーム素子６の直近に相コンデンサ７を配置する。アーム素子６へゲート信号を送出するゲート回路８は、電力変換ユニット１内に配置するのではなく、フィルタコンデンサ３の両側に配設された筐体フレーム１３に振り分けて分散配置する。電力変換ユニット１の着脱の際のゲート配線９への接続は、ゲート回路８との接続部であるコネクタの着脱により行う。
【００３４】
（作用）
フィルタコンデンサ３の両側に配置したゲート回路８は、第１の実施の形態と同様に、各相のゲート配線９が入り乱れることなく整然と束分けされた配線が可能となる。ゲート回路８がユニット１の前面に配置されることにより、光ファイバーコネクタの着脱の作業性、およびゲート回路チェックの作業性が向上する。また、ゲート回路８からの発熱のこもりが減少し、効率よく放熱される。また、ゲート回路８を装置側に構成したことにより、電力変換ユニット１のゲート回路取付けのためのフレームが不要となる。
【００３５】
（効果）
本実施の形態によれば、ゲート回路８の配置の改善により、第１の実施の形態と同様に、ゲート回路８に関する配線周り、アクセス性、メンテナンス性などの向上を達成することができる。電力変換ユニット１としては、ゲート回路８の装置側への取付けにより、フレームの簡素化もしくは削減化により、ユニット１の軽量化につながり、運搬作業性、および装置への着脱などの取扱性を向上させることができる。
【００３６】
＜第４の実施の形態＞（請求項４に対応）
（構成）
図１７に本発明の第４の実施の形態による電力変換装置の分解斜視図を、図１８に電力変換装置の正面図を、図１９にその側面図を、図２０に平面図を示す。
【００３７】
この実施の形態は、参考例と同様に、冷却ブロック４にアーム素子６が取り付けられ、アーム素子６の直近に相コンデンサ７を配置する。アーム素子６へのゲート信号を出力するゲート回路８は、電力変換ユニット１内に配置するのではなく、フィルタコンデンサ３の前面に配置する。ゲート配線９は、フィルタコンデンサ３の下部より前面への経路とし、半導体冷却ユニット１着脱の際のゲート配線のアクセスは、ゲート基板との接続部であるコネクタの着脱により構成する。
【００３８】
（作用）
フィルタコンデンサ３の前面に配置したゲート回路８は、参考例と同様に、各相のアーム素子６の並び方向に沿う配置構成となるため、各相の配線が入り乱れることがなく、理想的な束分けをすることができる。ゲート回路８が前面側に配置されることにより、光ファイバーコネクタの着脱の作業性や、ゲート回路８のチェックの作業性が向上する。ゲート回路８どうしは、重ねられることなく左右に並置されることにより、下部からの熱的なあおりが皆無となるため、熱的環境が良好になる。
【００３９】
フィルタコンデンサ３は、参考例と同様に、横方向の寸法を電力変換ユニット１の幅にとらわれることなく大型化することができ、それにより大容量化が容易である。
【００４０】
（効果）
本実施の形態によれば、ゲート回路８の配置の改善により、参考例と同様に、ノイズに強い配線が可能となり、アクセス性およびメンテナンス性に優れ、放熱性の良好な構成を実現することができる。電力変換ユニッート１としては、ゲート回路８の装置側への取付けにより、フレームの簡素化もしくは削減により、ユニット１の軽量化につながり、運搬作業性や装置への着脱などの取扱い性の向上を達成することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、ゲート回路周辺の配置構成の改善により、放熱性の向上を達成し、耐ノイズ性を向上させ、フィルタコンデンサの一体化および端子取付け位置の改善により、部品点数の削減、コスト低減、および軽量化が可能となり、全体として信頼性の向上した車両用電力変換装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態による電力変換装置の分解斜視図。
【図２】 第１の実施の形態による電力変換装置の要部を、筐体前面側を取り除いて示す正面図。
【図３】 図２の電力変換装置の側面図。
【図４】 図２の電力変換装置の平面図。
【図５】 参考例に係る電力変換装置の分解斜視図。
【図６】 参考例に係る電力変換装置の要部を、筐体前面側を取り除いて示す正面図。
【図７】 図６の電力変換装置の側面図。
【図８】 図６の電力変換装置の平面図。
【図９】 第２の実施の形態による電力変換装置の分解斜視図。
【図１０】 第２の実施の形態による電力変換装置の要部を、筐体前面側を取り除いて示す正面図。
【図１１】 図１０の電力変換装置の側面図。
【図１２】 図１０の電力変換装置の平面図。
【図１３】 第３の実施の形態による電力変換装置の分解斜視図。
【図１４】 第３の実施の形態による電力変換装置の要部を、筐体前面側を取り除いて示す正面図。
【図１５】 図１４の電力変換装置の側面図。
【図１６】 図１４の電力変換装置の平面図。
【図１７】 第４の実施の形態による電力変換装置の分解斜視図。
【図１８】 第４の実施の形態による電力変換装置の要部を、筐体前面側を取り除いて示す正面図。
【図１９】 図１８の電力変換装置の側面図。
【図２０】 図１８の電力変換装置の平面図。
【図２１】 従来の電力変換装置の構成例を示す要部を、筐体前面側を取り除いて示す正面図。
【図２２】 図２１の電力変換装置の側面図。
【図２３】 図２１の電力変換装置の平面図。
【図２４】 図２１ないし２３に示す電力変換装置の電気回路図。
【符号の説明】
１ 電力変換ユニット
２ ３相インバータ
３ フィルタコンデンサ
４ 冷却ブロック
５ 冷却フィン
６ アーム素子
７ 相コンデンサ
８ ゲート回路
９ ゲート配線
１０ 中継端子台
１１ ユニットフレーム
１２ コンデンサ取付台
１３ 筐体フレーム
２０ 筐体

Claims (4)

1. 電力変換回路のアーム素子を構成する複数の半導体素子、これらの半導体素子にゲート信号を供給する複数のゲート回路、および前記電力変換回路の直流端子間に接続されるフィルタコンデンサを含む電力変換ユニットが共通の筐体内に収納され、前記複数のゲート回路は前記電力変換ユニットの両側に分散配置され、前記フィルタコンデンサは前記電力変換ユニットの前面側に、かつ前記両側のゲート回路の間に配置されていることを特徴とする車両用電力変換装置。
2. 請求項１記載の車両用電力変換装置において、前記フィルタコンデンサはその端子を上に向けて配置され、かつ前記フィルタコンデンサの端子は前記アーム素子からの主回路配線、装置外部からの主回路配線、および前記フィルタコンデンサからの主回路配線を含む主回路配線を中継する中継端子台の直近に位置していることを特徴とする車両用電力変換装置。
3. 請求項１記載の車両用電力変換装置において、前記フィルタコンデンサは前記電力変換ユニットの前面部に配置され、前記複数のゲート回路は前記フィルタコンデンサの両側に配設された筐体フレームに振り分けて配置されていることを特徴とする車両用電力変換装置。
4. 電力変換回路のアーム素子を構成する複数の半導体素子、これらの半導体素子にゲート信号を供給する複数のゲート回路、および前記電力変換回路の直流端子間に接続されるフィルタコンデンサを含む電力変換ユニットが共通の筐体内に収納され、前記フィルタコンデンサは前記電力変換ユニットの前面部に配置され、前記複数のゲート回路は前記フィルタコンデンサの前面側に配設された筐体フレームに平面が正面側に向くように配置されていることを特徴とする車両用電力変換装置。

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