JP5404310B2

JP5404310B2 - 電源装置

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Inventors: 隆橋本; 裕久戸田
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Description

本発明は、電力変換装置、補助電源等の複数の半導体素子を備えた電源装置に関する。

一般に、鉄道車両には、電源装置として、電力を直流から交流あるいは交流から直流へ変換して供給する電力変換装置が設置されている。電力変換装置は、互いに独立した複数のインバータ回路（電力変換回路）を備え、各インバータ回路は、三相ブリッジ接続された複数の半導体素子、各相のアノード、カソード間に接続される相コンデンサ、直流端子ＰＮ間に接続されたフィルタコンデンサ等を有している。複数のインバータ回路は、所定期間ごとに交互に作動され、あるいは、一方のインバータ回路は予備として設けられている。また、電力変換装置は、半導体素子を冷却する冷却装置を備え、これらは筺体内に配置されている。

冷却装置は、各相に設けられた板状の受熱ブロックと、受熱ブロックから延出したヒートパイプと、ヒートパイプの周囲に取付けられた複数の放熱フィンと、を有している（例えば、特許文献１および２）。受熱ブロックの一方の面には一方のインバータ回路を構成する半導体素子が取り付けられ、受熱ブロックの他方の面には他方のインバータ回路を構成する半導体素子が取り付けられる。半導体素子の取り付けは三相共同様である。

半導体素子で発生した熱は、受熱ブロックに伝わり、この熱により、ヒートパイプ内の冷媒が加熱されて蒸発し、放熱フィン側で大気に熱放散して凝縮する。これにより、半導体素子が効率的に冷却される。

通常、鉄道車両は、２つの台車を備え、各台車内に車輪を駆動する２つの主電動機が設置されている。この場合、車両用の電力変換装置は、４つの主電動機にそれぞれ電力を供給する４つのインバータ回路を備えている。また、電力変換装置は、鉄道架線から遮断器を介して、同一台車内に取り付けられた２つの主電動機に電力を供給する方法が一般的となっている。同一台車内に設けられている２つの主電動機に電力を供給する２つのインバータ回路は、同一の冷却装置で冷却されるように構成されている。

特開２００６−１２１８４３号公報特開２００６−１２１８４７号公報

上記のような構成の電力変換装置において、例えば、受熱ブロックの一方の表面上に設けられた半導体素子が物理的に破損した場合、保護回路が作動し、インバータ回路の上流に配置された遮断器が２つのインバータ回路を鉄道架線から切り離す。そのため、受熱ブロックの他方の表面上に取り付けられている健全な半導体素子も一緒に切り離され、動作不能となる。この場合、残りの２つのインバータ回路のみによって一方の台車上の主電動機が駆動され、半導体素子の負荷が増大する。この際、一方の冷却装置によってのみ、半導体素子を冷却する必要があり、冷却装置の負荷も増大し、半導体素子の冷却性が低下する。更に、切り離された側のインバータ回路を冷却するために設けられている他方の冷却装置は、半導体素子の冷却に使用されることがなく、冷却効率に無駄が生じる。

この発明は、以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、一部の半導体素子が破損した場合でも冷却装置により効率よく半導体素子を冷却することができ信頼性の高い電源装置を提供することにある。

本発明の形態に係る電源装置は、第１遮断器を介して電源に接続される複数の半導体素子を有し、第１被駆動器に電力を供給する第１系インバータ回路と、前記第１遮断器に対し独立した第２遮断器を介して電源に接続される複数の半導体素子を有し、第２被駆動器に電力を供給する第２系インバータ回路と、前記第１遮断器を介して電源に接続される複数の半導体素子を有し、第３被駆動器に電力を供給する第３系インバータ回路と、前記第２遮断器を介して電源に接続される複数の半導体素子を有し、第４被駆動器に電力を供給する第４系インバータ回路と、前記第１系のインバータ回路を構成する分の複数の半導体素子が取り付けられた第１設置面、および前記２系のインバータ回路を構成する半導体素子が取り付けられた第２設置面を有する受熱ブロックと、前記受熱ブロックに接続された放熱部とを備えた第１冷却ユニットと、前記第３系のインバータ回路を構成する分の複数の半導体素子が取り付けられた第１設置面、および前記４系のインバータ回路を構成する半導体素子が取り付けられた第２設置面を有する受熱ブロックと、前記受熱ブロックに接続された放熱部とを備えた第２冷却ユニットと、を有し、前記半導体素子を冷却する冷却装置と、を具備する。

上記構成によれば、一部の半導体素子が物理的に破損した場合でも、他の半導体素子を冷却装置により効率よく冷却することができ、信頼性の高い電源装置を提供することができる。

図１は、この発明の実施形態に係る電力変換装置を備えた鉄道車両を概略的に示す側面図。図２は、本発明の第１の実施形態に係る車両用電力変換装置の電気回路図。図３は、第１の実施形態に係る電力変換装置を示す断面図。図４は、前記電力変換装置の冷却装置の冷却ユニットを示す側面図及び正面図。図５は、前記電力変換装置の３個の冷却ユニットの装着状態を示す断面図。図６は、本発明の第２の実施形態に係る車両用電力変換装置の電気回路図。図７は、第２の実施形態に係る電力変換装置を示す断面図。図８は、前記電力変換装置の冷却装置の冷却ユニットを示す側面図及び正面図。図９は、前記電力変換装置の２個の冷却ユニットの装着状態を示す断面図。図１０は、本発明の第３の実施形態に係る車両用電力変換装置の電気回路図。図１１は、第３の実施形態に係る電力変換装置を示す断面図。図１２は、前記電力変換装置の冷却装置の冷却ユニットを示す側面図及び正面図。図１３は、前記電力変換装置の冷却ユニットの装着状態を示す断面図。図１４は、変形例に係る冷却ユニットを示す平面図。図１５は、本発明の第４の実施形態に係る車両用電力変換装置の電気回路図。図１６は、前記電力変換装置の冷却装置の冷却ユニットを示す側面図及び正面図。

以下図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る電力変換装置ついて詳細に説明する。始めに、電源装置としての電力変換装置を備えた鉄道車両について説明する。

図１は鉄道車両を概略的に示している。この鉄道車両２０は、それぞれ車輪１４が設けられた一対の台車１６ａ、１６ｂと、台車上に空気ばね１５を介して支持された車体２１と、を備えている。台車１６ａには、例えば、４つの車輪１４と、これらの車輪を駆動する２つの主電動機３３Ａ、３３Ｂとが載置されている。台車１６ｂには、例えば、４つの車輪１４と、これらの車輪を駆動する２つの主電動機３３Ｃ、３３Ｄとが載置されている。各主電動機は、図示しないギアボックスおよびカップリングを介して回転力を車輪１４に伝達し、車輪を駆動する。車輪１４はレール１３上に載置されている。

車体２１の天井側にはパンタグラフ１９が設けられ、このパンダグラフは架線３１と接触している。車体２１の床下には、電力変換装置１０および他の床下装置２３が艤装されている。架線３１からパンタグラフ１９に供給された電力は、図示しない他の機器を通過し、電力変換装置１０に供給される。電力は電力変換装置１０により直流から交流に変換され、図示しない配線を通して、各主電動機３３Ａ〜３３Ｄに供給される。主電動機３３Ａ〜３３Ｄは供給された電力により駆動し、ギアボックスとカップリングを介して車輪１４を回転させる。これにより、車体２１はレール１３上を走行する。

次に、この発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１０について説明する。
図２は電力変換装置１０の電気回路を示している。すなわち、電力変換装置１０は、鉄道架線３１から遮断器を介して入力される直流電流をそれぞれ３相の交流電力に変換して主電動機、空調装置等の被駆動器に供給する第１、第２、第３、第４系の４つのインバータ回路３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄを備えている。また、電力変換装置１０は、２つのインバータ回路３０Ａ、３０Ｂを冷却する冷却装置４Ａ、および２つのインバータ回路３０Ｃ、３０Ｄを冷却する冷却装置４Ｂを備えている。

冷却装置４Ａによって冷却される２つのインバータ回路の内の一方、例えば、インバータ回路３０Ａと、他方の冷却装置４Ｂによって冷却される２つのインバータ回路の内の一方、例えば、インバータ回路３０Ｃは、遮断器３２Ａを介してパンタグラフ１９および架線３１に接続される。冷却装置４Ａによって冷却される他方のインバータ回路３０Ｂと、他方の冷却装置４Ｂによって冷却される他方のインバータ回路３０Ｄは、遮断器３２Ｂを介してパンタグラフ１９および架線３１に接続される。遮断器３２Ａおよび３２Ｂは、架線３１に対して並列に接続されている。

第１系のインバータ回路３０Ａは、遮断器３２Ａを介して直流端子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被駆動器としての主電動機３３Ａに供給し、第２系のインバータ回路３０Ｂは、遮断器３２Ｂを介して直流端子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主電動機３３Ｂに供給する。冷却装置４Ａによって冷却される第１系および第２系のインバータ回路３０Ａ、３０Ｂから電力供給を受ける主電動機３３Ａ、３３Ｂは、同一の台車に属さず、互いに異なる台車１６ａ、１６ｂに載置されている。

第３系のインバータ回路３０Ｃは、遮断器３２Ａを介して直流端子Ｐ３、Ｎ３に入力される直流電力を３相の交流電力に変換して主電動機３３Ｃに供給し、第４系のインバータ回路３０Ｃは、遮断器３２Ｂを介して直流端子Ｐ４、Ｎ４に入力される直流電力を３相の交流電力に変換して主電動機３３Ｃに供給する。冷却装置４Ｂによって冷却される第３系および第４系のインバータ回路３０Ｃ、３０Ｄから電力供給を受ける主電動機３３Ｃ、３３Ｄは、同一の台車に属さず、互いに異なる台車１６ａ、１６ｂに載置されている。

第１系のインバータ回路３０Ａは、直流端子Ｐ１、Ｎ１間に接続されたコンデンサ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、交流側が出力部５Ａに接続された６個の電力用半導体素子１Ａとを備えている。図２において、各電力用半導体素子１Ａは、等価の回路１Ａとして示されている。各回路１Ａは、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)１７と、ダイオード１８とを有し、インバータブリッジ回路のいわゆる１アームを構成している。本実施形態において、インバータ回路３０Ａは、回路１Ａを６個組み合わせて３相ブリッジ回路を構成している。

６個の回路１Ａは、例えば、３個ずつ２列に並んで配置され、向い合う２個の回路１Ａを１組として、３組の回路を構成している。各回路１Ａは、直流端子から供給される直流電力の正極または負極のいずれかが、それぞれ正側端子または負側端子のいずれかに印加される。１組を構成する２個の回路１Ａは、直流電力が供給されていない負側端子と正側端子とが互いに連結され、かつ、出力部５Ａに接続されている。そして、インバータ回路３０Ａは、６個のＩＧＢＴ１７の各ゲートを制御することにより、直流電力を交流電力に変換して、出力部５Ａに出力する。コンデンサ３Ａは、例えば電源平滑用コンデンサであり、オイルコンデンサなどである。

第２、第３、第４系のインバータ回路３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄは、それぞれ第１系のインバータ回路３０Ａと同様に構成されている。すなわち、第２系のインバータ回路３０Ｂは、直流端子Ｐ２、Ｎ２間に接続されたコンデンサ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、交流側が出力部５Ｂに接続された６個の電力用半導体素子１Ｂとを備えている。

第３系のインバータ回路３０Ｃは、直流端子Ｐ３、Ｎ３間に接続されたコンデンサ３Ｃと、３相ブリッジ接続されてその直流側が直流端子Ｐ３、Ｎ３に接続され、交流側が出力部５Ｃに接続された６個の電力用半導体素子１Ｃとを備えている。第４系のインバータ回路３０Ｄは、直流端子Ｐ４、Ｎ４間に接続されたコンデンサ３Ｄと、３相ブリッジ接続されてその直流側が直流端子Ｐ４、Ｎ４に接続され、交流側が出力部５Ｄに接続された６個の電力用半導体素子１Ｄとを備えている。

次に、電力変換装置１０の冷却装置４Ａ、４Ｂについて説明する。
図３は、冷却装置４Ａ、４Ｂを備えた電力変換装置１０全体を一部破断して示す側面図、図４は、１相分の冷却ユニットを示す側面図および正面図、図５は、３相Ｕ、Ｖ、Ｗの冷却ユニットを組み込んだ状態を示す冷却装置の側面図である。

図３および図４に示すように、電力変換装置１０の第１系および第２系のインバータ回路３０Ａ、３０Ｂの半導体素子、つまり、回路１Ａ、１Ｂを冷却するための冷却装置４Ａは、各相に対応した３つの冷却ユニット１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを備えている。３つの冷却ユニット１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは、車体２１の床下に吊設された箱体６内に配置されている。箱体６内には密閉容器３４が設けられ、この密閉容器内にインバータ回路３０Ａ、３０Ｂのコンデンサ３Ａ、３Ｂおよびゲートアンプ７等が収納されている。

各冷却ユニット１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは、発熱部５０を構成する受熱ブロック５１と受熱ブロックの熱を放熱する放熱部５２とを有している。受熱ブロック５１は、アルミニウム等の伝熱性の高い材料で矩形板状に形成されている。受熱ブロック５１の一方の主面は、第１設置面５１ａを形成し、この第１設置面５１ａと反対側に位置した他方の主面は、第２設置面５１ｂを形成している。

受熱ブロック５１の第１設置面５１ａ上には、第１系のインバータ回路３０Ａの内、１相分に相当する１組の回路１Ａが熱伝導グリース等を介して取り付けられている。受熱ブロック５１の第２設置面５１ｂ上には、第２系統のインバータ回路３０Ｂの内、１相分、例えば、Ｕ相分、に相当する１組の回路１Ｂが熱伝導グリース等を介して取り付けられている。

放熱部５２は、受熱ブロック５１の側端面から延出した複数のヒートパイプ５４と、これらのヒートパイプ５４に取り付けられた複数の放熱フィン５６とを備えている。各ヒートパイプ５４は、例えば、直管型のヒートパイプであり、その一端部が受熱ブロック５１内に埋め込まれている。受熱ブロック５１と各ヒートパイプ５４との間は、絶縁シール等により、電気的に絶縁されている。そして、各ヒートパイプ５４の直線部分は、受熱ブロック５１から外側に延出し、かつ、水平方向に対して所定角度だけ上方に傾斜して延びている。複数のヒートパイプ５４は、例えば、鉛直方向に所定の間隔を置いて平行に並んで設けられている。各ヒートパイプ５４内には、冷媒、例えば、純水が封入されている。

なお、ヒートパイプ５４は、直管型に限らず、Ｕ字形状のヒートパイプを用いても良い。この場合、ヒートパイプの折曲げ部分が、受熱ブロック５１に埋め込まれた状態で設置される。

複数の放熱フィン５６は、ヒートパイプ５４の長手方向に所定の間隔を置いて、ヒートパイプ５４に嵌着されている。各放熱フィン５６は、例えば、矩形板状に形成され、鉛直方向に沿って延びている。最も受熱ブロック５１寄りに位置した放熱フィン５６ａには、矩形枠状の境界板５８が防水処理を施した状態で固定され、更に、境界板に矩形枠状のパッキン６０が取り付けられている。

冷却ユニット１２Ｂ、１２Ｃは、それぞれ冷却ユニット１２Ａと同様に構成されている。冷却ユニット１２Ｂにおいて、受熱ブロック５１の第１設置面５１ａ上には、第１系のインバータ回路３０Ａの内、Ｖ相分に相当する１組の回路１Ａが設置され、第２設置面５１ｂ上には、第２系統のインバータ回路３０Ｂの内、Ｖ相分に相当する１組の回路１Ｂが設置されている。冷却ユニット１２Ｃにおいて、受熱ブロック５１の第１設置面５１ａ上には、第１系のインバータ回路３０Ａの内、Ｗ相分に相当する１組の回路１Ａが設置され、第２設置面５１ｂ上には、第２系統のインバータ回路３０Ｂの内、Ｗ相分に相当する１組の回路１Ｂが設置されている。

このように構成された３つの冷却ユニット１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは、図３および図５に示すように、箱体６内に設けられた支持フレーム６２に、それぞれ境界板５８をボルト止めすることにより、支持フレーム６２に固定されている。この際、境界板５８に取り付けられたパッキン６０が支持フレーム６２に押圧され、支持フレームとの境界板の水密性を維持している。３つの冷却ユニット１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは、箱体６内に、水平方向に並んで配設され、ヒートパイプ５４および放熱フィン５６は、箱体６の開放部に配置されている。

また、図５に示すように、３つの冷却ユニット１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは、受熱ブロック５１の設置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ている。真ん中に配置された冷却ユニット１２Ｂに対して、残りの一方の冷却ユニット１２Ａは受熱ブロック５１の第１設置面５１ａ同士が対向し、他方の冷却ユニット１２Ｃは受熱ブロック５１の第２設置面５１ｂ同士が対向するように配設されている。これによって、第１系のインバータ回路３０Ａを構成する２相の半導体素子１Ａ同士が対向し、残りの１相の半導体素子１Ａが外側を向いている。同様に、第２系のインバータ回路３０Ｂを構成する２相の半導体素子１Ｂ同士が対向し、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５１によって互いに隔てられる。
第３系および第４系のインバータ回路３０Ｃ、３０Ｄを冷却する冷却装置４Ｂは、冷却装置４Ａと同様に構成され、３つの冷却ユニットを備えている。

上記構成の冷却装置４Ａ、４Ｂによれば、電力変換装置１０の作動により半導体素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、あるいは１Ｄが発熱すると、この熱が受熱ブロック５１に伝わり、その熱により、ヒートパイプ５４内に封入された冷媒が加熱されて蒸発し、放熱フィン５６側で凝縮して大気へ熱放散を行う。凝縮した冷媒は、ヒートパイプ５４の内部で重力により受熱ブロック５１側へ戻り、再び加熱され、このサイクルを繰り返す。放熱フィン５６は自然冷却あるいは車両の走行風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５６の間から上昇気流が通りやすくなっている。これにより、半導体素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄが効率的に冷却される。

以上のように構成された電力変換装置１０によれば、インバータ回路を構成する一部の半導体素子が物理的に破損した場合でも、冷却装置４Ａ、４Ｂにより他のインバータ回路の半導体素子を効率よく冷却し、他のインバータ回路に及ぼす影響を軽減することができ、信頼性の向上を図ることができる。すなわち、１つの冷却装置に設けられた２系のインバータ回路は、それぞれ別々の遮断器３２Ａ、３２Ｂを介して架線に接続されている。また、１つの冷却装置に設けられた２系のインバータ回路は、それぞれ別々の台車１６ａ、１６ｂに設置されている。例えば、第１系のインバータ回路３０Ａを構成する半導体素子が何らかの理由により破壊した場合、保護回路が作動し、インバータ回路の上流に配置された遮断器３２Ａが２つのインバータ回路３０Ａ、３０Ｃを鉄道架線から切り離す。この場合でも、健全な残りのインバータ回路３０Ｂ、３０Ｄは、それぞれ別の冷却装置４Ａ、４Ｂに設けられているため、半導体素子の負荷が増大しても冷却装置４Ａ、４Ｂによって効率よく冷却される。従って、一部の半導体素子が破壊した場合でも、一方の冷却装置の冷却効率に無駄が生じることがなく、健全な半導体素子を充分に冷却し、主電動機への電力供給を維持することができる。これにより、信頼性の高い車両用の電カ変換装置が得られる。

なお、第１の実施形態において、１つの冷却装置によって冷却される２系統のインバータ回路から電力供給を受ける主電動機は、別々の台車に設けられた主電動機に限らず、同一の台車に設けられた複数の主電動機としてもよい。また、インバータ回路により電力供給を受ける被駆動器は、主電動機に限らず、空調装置等の他の駆動器としてもよい。

次に、この発明の第２の実施形態に係る電力変換装置について説明する。
図６は、電力変換装置の電気回路図、図７は、冷却装置を備えた電力変換装置１０全体を一部破断して示す側面図、図８は、冷却ユニットを示す側面図および正面図、図９は、２つの冷却ユニットを組み込んだ状態を示す冷却装置の側面図である。
なお、第２の実施形態において、第１の実施形態と同一の構成部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

図６に示すように、電力変換装置１０は、鉄道架線３１から遮断器を介して入力される直流電流をそれぞれ３相の交流電力に変換して主電動機３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄに供給する第１、第２、第３、第４系の４つのインバータ回路３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄを備えている。また、電力変換装置１０は、１つの冷却装置４を備え、この冷却装置４は、２つのインバータ回路３０Ａ、３０Ｂを冷却する冷却ユニット１２Ａおよび２つのインバータ回路３０Ｃ、３０Ｄを冷却する冷却ユニット１２Ｂを有している。

冷却ユニット１２Ａによって冷却される２つのインバータ回路の内の一方、例えば、インバータ回路３０Ａと、他方の冷却ユニット１２Ｂによって冷却される２つのインバータ回路の内の一方、例えば、インバータ回路３０Ｃは、遮断器３２Ａを介してパンタグラフ１９および架線３１に接続される。冷却ユニット１２Ａによって冷却される他方のインバータ回路３０Ｂと、他方の冷却ユニット１２Ｂによって冷却される他方のインバータ回路３０Ｄは、遮断器３２Ｂを介してパンタグラフ１９および架線３１に接続される。遮断器３２Ａおよび３２Ｂは、架線３１に対して並列に接続されている。

第１系のインバータ回路３０Ａは、遮断器３２Ａを介して直流端子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主電動機３３Ａに供給し、第２系のインバータ回路３０Ｂは、遮断器３２Ｂを介して直流端子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主電動機３３Ｂに供給する。主電動機３３Ａ、３３Ｂは、同一の台車に属さず、互いに異なる台車１６ａ、１６ｂに載置されている。

第３系のインバータ回路３０Ｃは、遮断器３２Ａを介して直流端子Ｐ３、Ｎ３に入力される直流電力を３相の交流電力に変換して主電動機３３Ｃに供給し、第４系のインバータ回路３０Ｃは、遮断器３２Ｂを介して直流端子Ｐ４、Ｎ４に入力される直流電力を３相の交流電力に変換して主電動機３３Ｃに供給する。主電動機３３Ｃ、３３Ｄは、互いに異なる台車１６ａ、１６ｂに載置されている。

第２の実施形態において、第１系のインバータ回路３０Ａは、直流端子Ｐ１、Ｎ１間に接続されたコンデンサ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、交流側が主電動機３３Ａに接続される３個の２イン１タイプの電力用半導体素子１Ｅとを備えている。３個の半導体素子１Ｅは、１列に並んで配置されている。インバータ回路３０Ａは、３個の半導体素子１Ｅの各ゲートを制御することにより、直流電力を交流電力に変換して、出力部に出力する。コンデンサ３Ａは、例えば電源平滑用コンデンサであり、オイルコンデンサなどである。
第２、第３、第４系のインバータ回路３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄは、それぞれ第１系のインバータ回路３０Ａと同様に構成されている。すなわち、第２インバータ回路３０Ｂは、直流端子Ｐ２、Ｎ２間に接続されたコンデンサ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、交流側が主電動機３３Ｂに接続される３個の２イン１タイプの電力用半導体素子１Ｆとを備えている。第３インバータ回路３０Ｃは、直流端子Ｐ３、Ｎ３間に接続されたコンデンサ３Ｃと、３相ブリッジ接続されてその直流側が直流端子Ｐ３、Ｎ３に接続され、交流側が主電動機３３Ｃに接続される３個の２イン１タイプの電力用半導体素子１Ｇとを備えている。第４インバータ回路３０Ｄは、直流端子Ｐ４、Ｎ４間に接続されたコンデンサ３Ｄと、３相ブリッジ接続されてその直流側が直流端子Ｐ４、Ｎ４に接続され、交流側が主電動機３３Ｄに接続される３個の２イン１タイプの電力用半導体素子１Ｈとを備えている。

図６ないし図８に示すように、第２の実施形態によれば、電力変換装置１０の冷却装置４は、２つの冷却ユニット１２Ａ、１２Ｂを有する１つの冷却装置により構成されている。すなわち、冷却装置４は、第１系および第２系のインバータ回路３０Ａ、３０Ｂの半導体素子１Ｅおよび１Ｆを冷却する冷却ユニット１２Ａと、第２系および第３系のインバータ回路３０Ｃ、３０Ｄの半導体素子１Ｇおよび１Ｈを冷却する冷却ユニット１２Ｂと、を備えている。

冷却ユニット１２Ａ、１２Ｂは、発熱部５０を構成する受熱ブロック５１と受熱ブロックの熱を放熱する放熱部５２とを有している。受熱ブロック５１は、アルミニウム等の伝熱性の高い材料で矩形板状に形成されている。受熱ブロック５１の一方の主面は、第１設置面５１ａを形成し、この第１設置面５１ａと反対側に位置した他方の主面は、第２設置面５１ｂを形成している。

冷却ユニット１２Ａにおいて、受熱ブロック５１の第１設置面５１ａ上には、第１系のインバータ回路３０Ａの３相分に相当する３つの半導体素子１Ｅが熱伝導グリース等を介して取り付けられている。受熱ブロック５１の第２設置面５１ｂ上には、第２系統のインバータ回路３０Ｂの３相分に相当する３つの半導体素子１Ｆが熱伝導グリース等を介して取り付けられている。

冷却ユニット１２Ｂは、冷却ユニット１２Ａと同様に構成されている。冷却ユニット１２Ｂにおいて、受熱ブロック５１の第１設置面５１ａ上には、第３系のインバータ回路３０Ｃの３相分に相当する３つの半導体素子１Ｇが取り付けられている。受熱ブロック５１の第２設置面５１ｂ上には、第４系のインバータ回路３０Ｄの３相分に相当する３つの半導体素子１Ｈが取り付けられている。

このように構成された２つの冷却ユニット１２Ａ、１２Ｂは、図７および図９に示すように、箱体６内に設けられた支持フレーム６２に、それぞれ境界板５８をボルト止めすることにより、支持フレーム６２に固定されている。境界板５８に取り付けられたパッキン６０が支持フレーム６２に押圧され、支持フレームとの境界板の水密性を維持している。２つの冷却ユニット１２Ａ、１２Ｂは、箱体６内に、水平方向に並んで配設され、ヒートパイプ５４および放熱フィン５６は、箱体６の開放部に配置されている。２つの冷却ユニット１２Ａ、１２Ｂは、受熱ブロック５１の設置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ている。
第２の実施形態において、電力変換装置の他の構成は、第１の実施形態と同一である。

以上のように構成された電力変換装置１０によれば、第１の実施形態と同様に、インバータ回路を構成する一部の半導体素子が破壊した場合でも、冷却装置４の２つの冷却ユニットにより他のインバータ回路の半導体素子を効率よく冷却し、他のインバータ回路に及ぼす影響を軽減することができ、信頼性を確保することができる。また、２イン１タイプの半導体素子を用いることにより、冷却ユニットの個数を低減することができ、電力変換装置の小型、軽量化を実現することが可能となる。

次に、この発明の第３の実施形態に係る電力変換装置について説明する。第３の実施形態において、前述した第１の実施形態と同一の構成部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１０、図１１、図１２、図１３に示すように、第３の実施形態によれば、電力変換装置１０の冷却装置４は、１つの冷却ユニットによって４系のインバータ回路を冷却するように構成されている。
図１０に示すように、第１、第２、第３、第４のインバータ回路３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、それぞれコンデンサ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄと、３つの２イン１タイプの半導体素子１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈと、を有して構成されている。

図１１ないし図１３に示すように、冷却装置４は、１つの冷却ユニット１２により４系のインバータ回路を冷却するように構成されている。すなわち、冷却ユニット１２は、発熱部５０を構成する受熱ブロック５１と受熱ブロックの熱を放熱する放熱部５２とを有している。受熱ブロック５１は、アルミニウム等の伝熱性の高い材料で矩形板状に形成されている。受熱ブロック５１の一方の主面は、第１設置面５１ａを形成し、この第１設置面５１ａと反対側に位置した他方の主面は、第２設置面５１ｂを形成している。

受熱ブロック５１の第１設置面５１ａ上には、第１系のインバータ回路３０Ａの３相分に相当する３つの半導体素子１Ｅ、および第２系のインバータ回路３０Ｂの３相分に相当する３つの半導体素子１Ｆが、熱伝導グリース等を介して取り付けられ、２列に並んで配置されている。受熱ブロック５１の第２設置面５１ｂ上には、第３系のインバータ回路３０Ｃの３相分に相当する３つの半導体素子１Ｇ、および第４系のインバータ回路３０Ｄの３相分に相当する３つの半導体素子１Ｈが、熱伝導グリース等を介して取り付けられ、２列に並んで配置されている。

以上のように構成された電力変換装置１０によれば、第１の実施形態と同様に、インバータ回路を構成する一部の半導体素子が破壊した場合でも、冷却装置４の２つの冷却ユニットにより他のインバータ回路の半導体素子を効率よく冷却し、他のインバータ回路に及ぼす影響を軽減することができ、信頼性を確保することができる。例えば、１つの半導体素子が何らかの原因で物理的に破損され、２系のインバータ回路が切り離された場合でも、健全な残りの２系のインバータ回路を構成する半導体素子は、受熱ブロックの第１設置面および第２設置面に分かれて設置された状態となっている。そのため、冷却ユニットにより健全な半導体素子の冷却効率を維持し、信頼性を確保することができる。また、２イン１タイプの半導体素子を用い、かつ、１つの受熱ブロックに４系のインバータ回路の半導体素子を設けることにより、冷却ユニットを１つとすることができ、電力変換装置の小型、軽量化を実現することが可能となる。

なお、第２および第３の実施形態においても、インバータ回路から電力供給を受ける主電動機は、別々の台車に設けられた主電動機に限らず、同一の台車に設けられた複数の主電動機としてもよい。また、インバータ回路により電力供給を受ける被駆動器は、主電動機に限らず、空調装置等の他の駆動器としてもよい。冷却ユニットのヒートパイプは、直管型に限らず、Ｕ字形状のヒートパイプを用いても良い。

第２の実施形態において、１つの冷却ユニット１２により半導体素子を冷却する場合、冷却ユニットの冷却能力を上げるため、図１４に示すように、受熱ブロック５１を厚くして熱容量を高くするとともに、ヒートパイプ５４の数を増やして２列に配置する構成としてもよい。

図１５および図１６は、第４の実施形態に係る電力変換装置の電気回路図である。第４の実施形態によれば、第１系および第２系のインバータ回路３０Ａ、３０Ｂは、遮断器３２Ａを介してパンタグラフ１９および架線３１に接続され、第３系および第４系のインバータ回路３０Ｃ、３０Ｄは、遮断器３２Ｂを介してパンタグラフ１９および架線３１に接続されている。第１系および第２系のインバータ回路３０Ａ、３０Ｂを構成する２インタイプの半導体素子１Ｅおよび１Ｆは、冷却ユニット１２の受熱ブロック５１の第１設置面５１ａ上に取り付けられている。第２系および第３系のインバータ回路３０Ｃ、３０Ｄを構成する２インタイプの半導体素子１Ｇおよび１Ｈは、冷却ユニット１２の受熱ブロック５１の第２設置面５１ｂ上に取り付けられている。

第４の実施形態において、他の構成は第３の実施形態と同一であり、同一の構成部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。第４の実施形態においても、前述した第３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要
旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示され
ている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実
施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実
施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、上述した各実施形態において、半導体素子としてＩＧＢＴを用いた構成としたが、他の種類のトランジスタやサイリスタなどを用いた構成としてもよい。この発明に係る電源装置は、電力変換装置に限らず、補助電源装置等の他の電源装置にも適用可能である。

上述した実施形態において、電力変換装置は、４系のインバータ回路を備える構成としたが、これに限らず、２系のインバータ回路、あるいは６系以上のインバータ回路を備える構成としてもよい。

１Ａ〜１Ｈ…半導体素子、３Ａ，３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ…コンデンサ、
４、４Ａ、４Ｂ…冷却装置、１０…電力変換装置、
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…冷却ユニット、１６ａ、１６ｂ…台車、
１７…ＩＧＢＴ、１８…ダイオード、２０…鉄道車両、２１…車体、
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ…インバータ回路、３１…鉄道架線、
３２Ａ、３２Ｂ…遮断器、３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ…主電動機、
５１…受熱ブロック、５１ａ…第１設置面、５１ｂ…第２設置面、
５４…ヒートパイプ、５６…放熱フィン

Claims

第１遮断器を介して電源に接続される複数の半導体素子を有し、第１被駆動器に電力を供給する第１系インバータ回路と、
前記第１遮断器に対し独立した第２遮断器を介して電源に接続される複数の半導体素子を有し、第２被駆動器に電力を供給する第２系インバータ回路と、
前記第１遮断器を介して電源に接続される複数の半導体素子を有し、第３被駆動器に電力を供給する第３系インバータ回路と、
前記第２遮断器を介して電源に接続される複数の半導体素子を有し、第４被駆動器に電力を供給する第４系インバータ回路と、
前記第１系のインバータ回路を構成する複数の半導体素子が取り付けられた第１設置面、および前記２系のインバータ回路を構成する半導体素子が取り付けられた第２設置面を有する受熱ブロックと、前記受熱ブロックに接続された放熱部とを備えた第１冷却ユニットと、前記第３系のインバータ回路を構成する複数の半導体素子が取り付けられた第１設置面、および前記４系のインバータ回路を構成する半導体素子が取り付けられた第２設置面を有する受熱ブロックと、前記受熱ブロックに接続された放熱部とを備えた第２冷却ユニットと、を有し、前記半導体素子を冷却する冷却装置と、
を具備する電源装置。
第１遮断器を介して電源に接続される複数の２イン１型の半導体素子を有し、第１被駆動器に電力を供給する第１系インバータ回路と、
前記第１遮断器に対し独立した第２遮断器を介して電源に接続される複数の２イン１型の半導体素子を有し、第２被駆動器に電力を供給する第２系インバータ回路と、
前記第１遮断器を介して電源に接続される複数の２イン１型の半導体素子を有し、第３被駆動器に電力を供給する第３系インバータ回路と、
前記第２遮断器を介して電源に接続される複数の２イン１型の半導体素子を有し、第４被駆動器に電力を供給する第４系インバータ回路と、
前記第１系および第２系のインバータ回路を構成する複数の半導体素子が取り付けられた第１設置面、および前記第３系および第４系のインバータ回路を構成する複数の半導体素子が取り付けられた第２設置面を有する受熱ブロックと、前記受熱ブロックに接続された放熱部とを備えた冷却ユニットを有し、前記半導体素子を冷却する冷却装置と、
を具備する電源装置。
前記放熱部は、前記受熱ブロックに接続され受熱ブロックから延出するヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた複数の放熱板と、を有している請求項１又は２に記載の電源装置。
前記第１被駆動器は、車両の台車上に設置された主電動機を有し、前記第２被駆動器は、前記車両の他の台車上に設置された主電動機を有し、前記第３被駆動器は、前記台車上に設置された主電動機を有し、前記第４被駆動器は、前記他の台車上に設置された主電動機を有している請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電源装置。