JP4516060B2

JP4516060B2 - 車両用制御装置

Info

Publication number: JP4516060B2
Application number: JP2006350310A
Authority: JP
Inventors: 成博昭吉; 入正樹宮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2023-10-16
Also published as: JP2007082400A

Description

本発明は、車両用制御装置に関する。

車両用制御装置は、主に、電力変換用半導体素子、冷却装置、電源及び半導体素子のゲート基板、平滑コンデンサなどを含む電力変換ユニットと、この電力変換ユニットを制御する制御ユニットとで構成されている。

電力変換ユニットと制御ユニットとの間のゲート配線は、電力変換ユニットの裏側に導出され、レール方向に並べて配置された制御ユニットの裏側に通され、この制御ユニットの前面にて結線されている。このような配線経路は電力変換ユニットと制御ユニットとを接続するのに理想とする最短距離よりもかなり長くなってしまう。ゲート配線は配線長が長くなるほど電磁ノイズの影響を受けやすなるため、この影響を緩和するためのコアをゲート配線上に設ける必要があった。

平滑コンデンサは電力変換ユニットの背面部を覆うように配置されており、ゲート基板は平滑コンデンサを避ける位置に配置する必要があることから、電力変換ユニットの半導体素子の近辺に配置することが難しかった。さらに、電力変換ユニットの各相のＰ，Ｎ端子を接続している薄板導体は電力変換ユニット内に半導体素子をカバーするように固定して設置されているため、ゲート基板はこの薄板導体よりも半導体素子側に設置することができなかった。

図９は電力変換ユニット、平滑コンデンサ、制御装置の従来の代表的な車両用制御装置を水平に切断して車体への取付側から見た断面図である（例えば、特許文献１参照。）。同図において、電力変換ユニット２Ａは、箱体１の外側に突出させた状態に取り付けられた冷却装置１４の冷却器ブロック部に半導体素子が取付けられ、各相のＰ，Ｎ接続端子７ａは薄板導体７に接続されている。平滑コンデンサ６は電力変換ユニット２Ａの内部もしくは車両用制御ユニット４側に配置されるが、図示したように、電力変換ユニット２Ａの内部に配置された場合には各相のＰ，Ｎ接続端子７ａの導出側を覆うように配置されるため、これらＰ，Ｎ接続端子７ａに対する点検、取付け、取り外しの作業が難しかった。

また、ゲート基板３Ａは平滑コンデンサ６の横もしくは分割配置された平滑コンデンサの間に収納可能ではあるが、ゲート基板コネクタ３Ｂの挿脱の操作性を確保するために、Ｐ，Ｎ薄板導体７の後方に配置され、ゲート基板３Ａと制御ユニット４とを接続するゲート配線５Ｂは、制御ユニット４の裏側に引き回され、ゲート配線５Ｂの途中の経路にコア１７が設けられる。この電力変換ユニット２Ａはブレーキチョッパ部１５Ａを含み、このブレーキチョッパ部１５Ａは他の電力変換部とはユニット構造が異なっており、Ｐ，Ｎ薄板導体７及びブレーキチョッパコンデンサ１１は他の電力変換部と併置されてはいなかった。
特開２０００−２７８９３４号公報

従来の車両用制御装置のゲート基板３Ａと制御ユニット４とを接続するゲート配線５Ｂは、制御ユニット４の裏側に引きまわされる結果、配線経路は理想的な最短配線長よりもかなり長く、配線経路上にノイズ対策用コアを設置しないと電磁ノイズの影響を受けやすく、誤制御の原因になりやすかった。

その理由は、電力変換ユニット２Ａに平滑コンデンサ６、Ｐ，Ｎ薄板導体７及びゲート基板３Ａが一体構造となっていることと、一体型の平滑コンデンサ６の占めるスペースが大きく、このスペース以外でゲート基板３Ａの操作性を考慮してゲート基板３Ａを配置しようとすると、ゲート基板３Ａを制御ユニット４から離さざるを得ないことによる。そこで、もしも、半導体素子のゲートの近傍にゲート基板を配置しようとすると、平滑コンデンサの形状が複雑なものになってしまう。さらに、Ｐ，Ｎ薄板導体７は半導体素子の前面に配置されるため、半導体素子ゲートに近づけることは難しかった。

また、車両用制御装置の電力変換ユニット２Ａはブレーキチョッパユニットを含んでおり、ブレーキチョッパ部分は他の電力変換部と構造が異なっているため、最短距離でゲート基板３Ａと制御ユニット４とをゲート配線５Ｂで接続しようとすると、その配線経路とブレーキチョッパ部分とが干渉するため、ゲート基板３Ａと制御ユニット４との間の理想的な最短ゲート配線はできない構造になっていた。

そこで、本発明は、電力変換ユニットの半導体素子ゲート、ゲート基板及び制御ユニット間のゲート配線を最短化して電磁ノイズの影響を受け難い車両用制御装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、ゲート制御のためのゲート基板が接続されると共に、薄板構造の導体を介して平滑コンデンサが接続される半導体素子が内部に収納されている電力変換ユニットと、前記電力変換ユニットに対する制御を行う制御ユニットとを備えており、これら両ユニットは、鉄道車両の床下で密閉室を形成する箱体の内部にレール方向に並べて配置され、更に、前記ゲート基板と前記制御ユニットとの間が前記箱体の底部に敷設されるゲート配線により接続されて成る車両用制御装置において、前記ゲート基板、前記薄板構造の導体、及び前記平滑コンデンサを前記電力変換ユニットの構成要素外の部材として電力変換ユニットの外部に配設し、しかも、前記ゲート基板の配設位置を、前記薄板構造の導体と前記電力変換ユニットとの間の位置で、且つ前記電力変換ユニットの半導体素子収納部の下方部分に隣接して前記箱体の底部に対向する位置とした、ことを特徴とする。

本発明によれば、電力変換ユニット、平滑コンデンサ、薄板導体は、ゲート基板への操作性能を低下させることが無いように配置されるため、ゲート基板を電力変換ユニットの半導体素子近傍に設置することができるので、ゲート基板と半導体ゲート間の配線距離を最短にすることができる。さらに、車両枕木方向に電力変換ユニット、ゲート基板、Ｐ，Ｎ薄板導体、平滑コンデンサの順に車両制御装置内で単独に配置できるため、任意の位置から制御ユニットへのゲート配線を引き出すことができる。このためゲート基板からの配線は薄板導体、平滑コンデンサを回避することなく、制御ユニットの前方から最短経路で引き回すことができる。このため、ゲート配線経路上にノイズ対策用のコアを設置しなくても対ノイズ性能を大幅に向上させることができるので、従来装置の課題であった電磁ノイズの影響を受け難い制御装置機器配置を提供することができる。

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制御装置の第１の実施形態の構成を説明するために、車体への取付端の近傍で水平に切断して車体への取付側から見た断面図であり、図２はそのＡ−Ａ矢視断面図である。図中、従来装置を示す図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。これら各図において、電力変換ユニット２Ｂは主に半導体素子及びその冷却装置１４で構成され、Ｐ，Ｎ薄板導体７は電力変換ユニット２Ｂから離隔配置され、電力変換ユニット２Ｂとは複数のボルトでＰ，Ｎ接続端子７ａに固定されている。Ｐ，Ｎ薄板導体７には電力変換ユニット２Ｂと反対側に配置された平滑コンデンサ６も接続される。ゲート基板３Ａは電力変換ユニット２ＢとＰ，Ｎ薄板導体７との間に配置されており、車両枕木方向に対して、電力変換ユニット２Ｂ、ゲート基板３Ａ、Ｐ，Ｎ接続端子７ａ及び平滑コンデンサ６の順に個々に配設される。このうち、特にゲート基板３Ａに付帯するゲート基板コネクタ３Ｂは、密閉室を構成する箱体１の枕木方向中央よりも一方の車体の側方に偏倚させた位置に配置され、このゲート基板コネクタ３Ｂにゲート配線が接続されている。また、ゲート基板３Ａと制御ユニット４とを接続するゲート配線５Ｂは、図１に示したように、Ｐ，Ｎ薄板導体７と電力変換ユニット２Ｂとの間に配置される。

かくして、第１の実施形態によれば、平滑コンデンサ６及びＰ，Ｎ薄板導体７を電力変換ユニット２Ｂから離隔させて個々に配置することによって、電力変換ユニット２Ｂの半導体素子の近傍にゲート基板３Ａを配置することができる。このため、ゲート基板３Ａから制御ユニット４までのゲート配線５Ｂが、電力変換ユニット２Ｂの半導体素子とＰ，Ｎ薄板導体７との間で直線的な最短距離で配線することができる。これにより電磁ノイズの影響を受け難いゲート配線経路とすることができる。

図３は本発明に係る車両用制御装置の第２の実施形態の構成を説明するために、前述した図２中の平滑コンデンサ６を除去した状態を表し、さらに、平滑コンデンサ６と制御ユニット４とを分割収納する箱体１の側板の一部を破断して示した断面図であり、図１又は図２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、電力変換ユニット２Ｂ、平滑コンデンサ６、Ｐ，Ｎ薄板導体７及び制御ユニット４を予め組み立てることなく、それぞれを単品として箱体１の内部に配置したものである。そして、ゲート配線５Ｂは制御ユニット４から下方の箱体１の底部に向かい、この箱体底部にてレール方向に施設される。

これによって、電力変換ユニット２Ｂの半導体素子の近傍にゲート基板３Ａを配置することができるため、制御ユニット４からゲート基板コネクタ３Ｂまで、ゲ−ト配線５Ｂをレール方向にほぼ直線状に配線することができる。

図４は本発明に係る車両用制御装置の第１の参考例の構成を説明するために、図２と同様な位置での断面図を示したもので、図１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。上述した第１及び第２の実施形態は電力変換ユニット２ＢとＰ，Ｎ薄板導体７との間に板面を垂直にして半導体素子のゲートをゲート基板３Ａに接続したため、その接続線の長さが幾分長くなっていた。

図４に示した第１の参考例はゲート基板３Ａはその板面を水平にして、半導体素子１０Ａが取り付けられる冷却器ブロック部１３の真下に配置され、半導体ゲート１０Ｂからゲート基板３Ａに対してゲート配線５Ａが垂直にして接続されている。

この構成により、半導体ゲート１０Ｂとゲート基板３Ａとのゲート配線５Ａの配線長を最短にすることができ、電磁ノイズの影響を受け難くすることができる。

図５は本発明に係る車両用制御装置の第２の参考例の構成を説明するために、図１と同様に車体への取付端の近傍で水平に切断して車体への取付側から見た断面図であり、図中、図４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。この図５において、電力変換ユニット２Ｂの下部にゲート基板３Ａが配置され、ゲート基板コネクタ３Ｂは箱体底部よりも上方に離れた位置でレール方向に挿脱可能に装着され、このゲート基板コネクタ３Ｂからそれぞれ導出されたゲート配線５Ｂは箱体底部よりも上方に離れた位置で、平滑コンデンサ６やＰ，Ｎ薄板導体７よりも電力変換ユニット２Ｂに近い位置、すなわち、半導体素子の近傍から配線され、制御ユニット４の前方よりに配線される。

かくして、第２の参考例によれば、電力変換ユニット２Ｂの半導体素子の近傍にゲート基板コネクタ３Ｂを配置することができるため、制御ユニット４をゲート基板３Ａよりも後方に配置することで、ゲート基板から制御ユニット前面へ最短経路でゲ−ト配線することができる。

図６は本発明に係る車両用制御装置の第３の参考例の構成を説明するために、図５と同様に車体への取付端の近傍で水平に切断して車体への取付側から見た断面図であり、図中、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。この図６において、電力変換ユニット２Ｂと電力変換ユニットに含まれるブレーキチョッパユニット１５Ｂの薄板導体７との接続端子７ａがそれぞれレール方向に２つに分割配置された平滑コンデンサ６間に収まるように配置されるている。ゲート基板３Ａは半導体素子の直近に配置されているが、２分割された平滑コンデンサ６間でコンデンサの配置に影響されずにゲート基板コネクタ３Ｂのコネクタが着脱可能となる。

かくして、第３の参考例によれば、平滑コンデンサを２つ分割配置することでゲート基板のコネクタの操作性が向上し、半導体素子近傍でもゲート基板を配置することができるため、ゲート基板コネクタ３Ｂから制御ユニット４の前面へ最短経路でゲ−ト配線することができる。

図７は本発明に係る車両用制御装置の第４の参考例の構成を説明するために、図４と同様な位置での断面図であり、図４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。この図７において、電力変換ユニット２Ｂのフレーム９の下端部に装置外部からその開閉が可能な補助カバー１６を設置し、開放側より補助カバー１６を開けてゲート基板３Ａに対する取付け、取り外しが可能となる。

なお、補助カバー１６は電力変換ユニットフレーム９の下端部に限らず、箱体の側方の下端部であってもよい。

かくして、第４の参考例によれば、車両用制御装置の密閉側の構造に影響を受けるゲート基板の操作性を確保することができるため、車両用制御装置の密閉側の構造によらずゲート基板を半導体近傍に配置することができ、ゲート配線の最短化が可能となる。

図８は本発明に係る車両用制御装置の第５の参考例の構成を説明するために、図６と同様に車体への取付端の近傍で水平に切断して車体への取付側から見た断面図であり、図中、図６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。この図８において電力変換ユニットを各相モジュール８に分解し、電力変換ユニットのブレーキチョッパユニット１５Ｂを各相モジュール８と奥行きが同寸法のモジュールにすることによって、各ゲート基板３Ａの取付位置を同じにしたもので、ゲート基板の配線経路は隣接するブレーキチョッパ部分１５Ｂの形状が要因で引き回すことなく、制御ユニット４まで直線的に配線することが可能となる。

かくして、第５の参考例によれば、ゲート配線経路上での隣接するブレーキチョッパ部分との干渉がなく、各ゲート基板から同じ経路でゲート配線を制御ユニットへ引き通すことができるため、制御ユニット前面へ最短経路でゲ−ト配線することができる。

本発明に係る車両用制御装置の第１の実施形態の構成を説明するために、車体への取付端の近傍で水平に切断して車体への取付側から見た断面図。第１の実施の形態のＡ−Ａ矢視断面図。本発明の第２の実施の形態の構成を説明するために、図２と同様な断面のうち、一部を破断して示した断面図。本発明に係る車両用制御装置の第１の参考例の構成を説明するために、図２と同様な位置での断面図。本発明に係る車両用制御装置の第２の参考例の構成を説明するために、図１と同様に車体への取付端の近傍で水平に切断して車体への取付側から見た断面図。本発明に係る車両用制御装置の第３の参考例の構成を説明するために、図５と同様に車体への取付端の近傍で水平に切断して車体への取付側から見た断面図。本発明に係る車両用制御装置の第４の参考例の構成を説明するために、図４と同様な位置での断面図。本発明に係る車両用制御装置の第５の参考例の構成を説明するために、図６と同様に車体への取付端の近傍で水平に切断して車体への取付側から見た断面図。従来の車両用制御装置の構成を説明するために、車体への取付端の近傍で水平に切断して車体への取付側から見た断面図。

符号の説明

１箱体
１ａ箱体吊耳１ａ
２Ａ，２Ｂ電力変換ユニット
３Ａゲート基板
３Ｂゲート基板コネクタ
４制御ユニット
５Ａ，５Ｂゲート配線
６平滑コンデンサ
７Ｐ，Ｎ薄板導体
７ａＰ，Ｎ接続端子
８電力変換ユニット相モジュール
９電力変換ユニットフレーム
１０Ａ半導体素子
１０Ｂ半導体ゲート
１１ブレーキチョッパコンデンサ
１３冷却器ブロック部
１４冷却装置
１５Ａ，１５Ｂブレーキチョッパ部
１６補助カバー
１７コア

Claims

ゲート制御のためのゲート基板が接続されると共に、薄板構造の導体を介して平滑コンデンサが接続される半導体素子が内部に収納されている電力変換ユニットと、前記電力変換ユニットに対する制御を行う制御ユニットとを備えており、これら両ユニットは、鉄道車両の床下で密閉室を形成する箱体の内部にレール方向に並べて配置され、更に、前記ゲート基板と前記制御ユニットとの間が前記箱体の底部に敷設されるゲート配線により接続されて成る車両用制御装置において、
前記ゲート基板、前記薄板構造の導体、及び前記平滑コンデンサを前記電力変換ユニットの構成要素外の部材として電力変換ユニットの外部に配設し、しかも、前記ゲート基板の配設位置を、前記薄板構造の導体と前記電力変換ユニットとの間の位置で、且つ前記電力変換ユニットの半導体素子収納部の下方部分に隣接して前記箱体の底部に対向する位置とした、
ことを特徴とする車両用制御装置。