JP6749428B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体が搭載される電力変換装置に関する。

パワー半導体を用いた電力変換装置は、安定した電力の供給や電動機器の駆動や制御において欠かせないものとなっており、鉄道分野、自動車分野、産業分野、航空分野など多岐に渡って利用されている。従来より、こうした電力変換装置には小型化の要請があり、さまざまな小型化技術が発展してきた。

電力変換装置は、パワー半導体の他に冷却器、コンデンサ、変圧器など種々の内蔵機器で構成される。これら内蔵機器がそれぞれ単体で小型化されることは、電力変換装置の全体を小型化するうえで有効である。これに加えて、電力変換装置の内部で内蔵機器を効率よく配置することができれば、さらなる小型化を実現することができる。

内蔵機器の配置を決めるうえで初期に考慮すべきは、パワー半導体の冷却方式である。冷却方式には、冷却水を循環させて放熱する水冷式や、冷却フィンに冷却風を供給して放熱する空冷式がある。

水冷式においては、パワー半導体の近傍で冷却器体積が小さくなることから、パワー半導体を含むユニットは小型となる。いっぽうで、冷却水を循環させる装置を必要とするので、これを収容する大規模な領域を用意しなければならない。他方で空冷式においては、パワー半導体の近傍で冷却器体積が大きくなることから、パワー半導体を含むユニットは水冷式と比較して大型となる。しかしながら、冷却フィンに冷却風を供給する装置は不要となるか、必要であるにしても水冷式と比較して小規模のものとなる。

上述したとおり、機器の配置に関して水冷式と空冷式は互いに相反する性質を有しており、要求される仕様に応じて選択する必要がある。いずれの方式を選択するにせよ、パワー半導体を含むユニットは小型であることが望ましい。パワー半導体を含むユニットを小型化する従来技術としては特許文献１および特許文献２が挙げられる。

特開２００８−２４５４５１号公報 特開平１１−８９８２号公報

本願発明者が、パワー半導体が搭載される電力変換装置全体の小型化について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

従来技術においては、パワー半導体を含むユニットを小型化することに焦点が当てられており、ユニットにはパワー半導体と放熱板以外の機器を極力搭載しない構成となっている。パワー半導体は電力変換装置において最も故障が懸念される機器であるから、パワー半導体を含むユニットを小型化すれば、故障時にユニットの交換が容易となる利点がある。

一方で、パワー半導体を含むユニットを小型化する場合に平滑コンデンサやゲート駆動基板をパワー半導体から遠ざけて配置すると、両者を電気的に接続する配線が長くなり、配線インダクタンスが増大する。配線インダクタンスが増大すると、これに応じてサージ電圧が大きくなり、電力変換回路の動作に悪影響を及ぼす懸念がある。

本発明の目的は、パワー半導体、平滑コンデンサおよびゲート駆動基板を内蔵した電力変換装置全体を小型化することに関する。

本発明は、筐体の内部において、複数の平滑コンデンサが、複数のパワー半導体をその両面に搭載された放熱板の両側に配置され、複数のパワー半導体に制御信号を入出力するゲート駆動基板が、パワー半導体、放熱板および平滑コンデンサの下方に配置されていると共に、高電位部と低電位部に分割され、高電位部が、パワー半導体と近い側に配置され、低電位部が、パワー半導体から遠い側に配置されている電力変換装置に関する。

本発明によれば、回路動作の安定化、絶縁信頼性の高信頼化および製作コストの低減を図ったうえで、小型な電力変換装置を提供できる。

実施例１にかかる電力変換装置の基本構造を示す。 実施例１にかかる電力変換装置の電力変換回路を示す。 図１の矢視Ａにおける放熱板とパワー半導体の配置を示す。 図１の矢視Ｂにおける機器配置を示す。 図１の矢視Ｃにおける機器配置を示す。 図１の矢視Ｄにおける機器配置を示す。 実施例１にかかる電力変換装置に搭載される中継基板の構成を示す。 実施例２にかかる電力変換装置におけるゲート駆動基板の配置を示す。 実施例３にかかる電力変換装置の基本構造を示す。 実施例４にかかる電力変換装置の基本構造を示す。 実施例５にかかる電力変換装置の電力変換回路を示す。 実施例５にかかる電力変換装置におけるパワー半導体とゲート駆動基板の配置を示す。 実施例６にかかる電力変換装置におけるパワー半導体とゲート駆動基板の配置を示す。 実施例７にかかる電力変換装置における放熱板とパワー半導体の配置を示す。

実施例では、筐体で支持される放熱板の両面または片面に電力変換回路の各相ならびに上アームおよび下アームを構成するパワー半導体が搭載され、パワー半導体がＰ極配線とＮ極配線を介して平滑コンデンサと電気的に接続され、パワー半導体がＧ極配線とＥ極配線を介してゲート駆動基板と電気的に接続されるとともに、ゲート駆動基板は中継基板を介して制御論理部に関連する制御信号を入出力する３相または単相の電力変換装置であって、平滑コンデンサが筐体の内部において放熱板を隔てて両側または片側で筐体に支持され、ゲート駆動基板が筐体の内部において放熱板を隔てて両側または片側で筐体に支持されるとともに、放熱板、パワー半導体、平滑コンデンサ、Ｐ極配線およびＮ極配線の下方に配置されるものを開示する。

また、実施例では、筐体の内部に、電力変換回路の各相にかかる上アームおよび下アームを構成する複数のパワー半導体と、当該複数のパワー半導体をその両面に搭載する放熱板と、複数のパワー半導体と電気的に接続している複数の平滑コンデンサと、複数のパワー半導体に制御信号を入出力する複数のゲート駆動基板と、が配置されている電力変換装置において、複数の平滑コンデンサが、放熱板の両側に配置され、ゲート駆動基板が、パワー半導体、放熱板および平滑コンデンサの下方に配置されているものを開示する。

また、実施例では、放熱板に水冷配管が設けられており、当該放熱板に冷却水が流入および流出する電力変換装置を開示する。

また、実施例では、放熱板に冷却フィンが設けられており、当該冷却フィンに冷却風が横切る電力変換装置を開示する。

また、実施例では、放熱板に冷却フィンが設けられており、当該冷却フィンの周囲に自然対流が発生する電力変換装置を開示する。

また、実施例では、ゲート駆動基板が、高電位部と低電位部に分割され、高電位部が、パワー半導体と近い側に配置され、低電位部が、パワー半導体から遠い側に配置されている電力変換装置を開示する。

また、実施例では、複数のゲート駆動基板が、板材の両面に支持されている電力変換装置を開示する。

また、実施例では、複数のゲート駆動基板と板材の間、および隣り合うゲート駆動基板の間に絶縁材が配置されている電力変換装置を開示する。

また、実施例では、ゲート駆動基板が、中継基板と電気的に接続するコネクタを有し、中継基板が、複数のゲート駆動基板と電気的に接続する複数のコネクタを有し、複数のゲート駆動基板が、中継基板に一括で接続されている電力変換装置を開示する。

また、実施例では、中継基板が、筐体に支持されている電力変換装置を開示する。

また、実施例では、電力変換回路の上アームおよび下アームが、単一のパワー半導体で構成されている電力変換装置を開示する。

また、実施例では、平滑コンデンサの筐体が樹脂成型されている電力変換装置を開示する。

また、実施例では、電力変換装置を搭載した電気車を開示する。

以下、上記およびその他の本発明の新規な特徴と効果について図面を参酌して説明する。なお、図面は専ら発明の理解のために用いるものであり権利範囲を限縮するものではない。

図１に、本実施例にかかる電力変換装置の基本構造を示す。本電力変換装置は、電車や電気自動車などの電気車に搭載されるものである。本電力変換装置の主要構成品としては筐体１、放熱板２、パワー半導体３、平滑コンデンサ４、配線５ｐ、５ｎ、５ｍ、５ｇ、５ｅ、ゲート駆動基板６、および中継基板７がある。このうちパワー半導体３、平滑コンデンサ４、配線５ｐ、５ｎ、５ｍ、５ｇ、５ｅ、ゲート駆動基板６、中継基板７については、放熱板２を隔てて両側にそれぞれ配置される。なお、配線５ｐ、５ｎ、５ｍ、５ｇ、５ｅは適宜、単一の線でまとめて表記する。

図２に、本実施例にかかる電力変換装置の電力変換回路を示す。本電力変換装置は、２組の電力変換回路を内包するＤｕａｌ式である。本電力変換装置が対象とする電力変換回路は３相変換回路である。本電力変換回路は、Ｐ極配線５ｐ、Ｎ極配線５ｎの間に印加される直流電圧を入力として、Ｍ極配線５ｍに交流電圧を出力する。直流電圧から交流電圧への変換はパワー半導体３の開閉動作による。パワー半導体の開閉動作はゲート駆動基板６が出力するゲート電圧に連動する。ゲート電圧は、中継基板７を介して制御論理部８から送信される指令信号に基づき、ゲート駆動基板６で生成される。

筐体１は前述の主要構成品を支持する役割を担うことから、十分な構造強度が要求される。本電力変換装置においては、ＳＵＳ鋼板の板金加工により各筐体片を作製し、ボルトおよびナット、または溶接などを用いて、各筐体片を組み立てて筐体１を形成する。平滑コンデンサ４は構造強度の観点で特に懸念される重量物であるから、装置稼動時の防振を考慮して筐体１の構造を決める必要がある。防振構造の一例として、平滑コンデンサ４を支持するはりに曲げを与え剛性を増強する構造が挙げられる。

放熱板２はその両面にパワー半導体３を密着させ、パワー半導体３より発せられる熱を外部へ放出する。パワー半導体３のはんだ接合部には耐用温度範囲が定められており、この耐用温度範囲を逸脱しないように放熱を促進する必要がある。

図３に、図１の矢視Ａにおける放熱板とパワー半導体の配置を示す。本電力変換装置の冷却方式は放熱能力の高い水冷式であり、放熱板２には図３に示すとおり水冷配管２１が設けられている。水冷式においては、冷却水２１１が水冷配管２１の上流から放熱板２に流入し、放熱板２の内部に設けられた冷却水路を通じ、水冷配管２１の下流へ流出することにより放熱が促進される。冷却水２１１には凍結防止を目的として不凍液を用いることが多く、本電力変換装置においては水とエチレングリコールの混合液を用いている。

本電力変換装置において、パワー半導体３は図３に示すとおり２行３列に配置される。左右方向の配置は電力変換回路のＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応し、上下方向の配置は電力変換回路の上アームおよび下アームに対応する。また、放熱板２の裏面においてもパワー半導体３が配置される。

パワー半導体３にはコレクタ端子３ｃおよびエミッタ端子３ｅが設けられている。これらの端子間には、閉状態において数百〜数千ボルトの高電圧が印加され、開状態において数百〜数千アンペアの大電流が流れる。また、パワー半導体３にはゲート端子３ｇ、補助エミッタ端子３ｅｅが設けられており、これらの端子間に印加されるゲート電圧に応じて開状態と閉状態が交代する。一例として、７Ｖ以上において開状態、これ以外において閉状態となるものがある。前述したパワー半導体３の発熱について、この開閉動作が要因の１つであり、開閉動作が遅いほど発熱が増加する相関がある。

本電力変換装置において、パワー半導体３は単一のコレクタ端子３ｃと単一のエミッタ端子３ｅを有する構成となっているが、これらを複数有する構成としてもよい。これらの端子を複数有する利点として、電流容量を大きくできる点、内部インダクタンスを低減できる点が挙げられる。

本装置にはパワー半導体３としてＩＧＢＴ素子を用いているが、同じように開閉動作を担うパワー半導体であれば、別の素子を用いてもよい。例としてＳｉＣ素子などが挙げられる。

図４に、図１の矢視Ｂにおける機器配置を示す。平滑コンデンサ４は、図１に示すとおり筐体１の内部で放熱板２を隔てて両側に配置され、Ｐ極配線５ｐとＮ極配線５ｎを介してパワー半導体３と電気的に接続される。本電力変換装置において、平滑コンデンサ４は図４に示すとおり単一の平滑コンデンサＰ極端子４ｐと単一の平滑コンデンサＮ極端子４ｎを有する構成となっているが、これらを複数有する構成としてもよい。これらの端子を複数有する利点として、電流容量を大きくできる点、内部インダクタンスを低減できる点が挙げられる。

平滑コンデンサ４の内部は、複数のコンデンサ素子が内部配線を介して平滑コンデンサＰ極端子４ｐおよび平滑コンデンサＮ極端子４ｎと電気的に接続される構造となっており、これらを収容する平滑コンデンサ筐体４１は樹脂成型される。平滑コンデンサ筐体４１は電気絶縁性を有することから、配線５ｐ、５ｎ、５ｍ、５ｇ、５ｅとの絶縁距離が短縮され、本電力変換装置は小型化される。

平滑コンデンサ４の主要な機能は、Ｐ極配線５ｐとＮ極配線５ｎの間に印加される直流電圧を平滑化することにある。通常、変電所や整流装置から出力される直流電圧には大きな脈動成分が含まれており、このまま用いることができない。平滑コンデンサ４を用いることにより脈動成分が抑制され、平滑化された直流電圧が本電力変換回路に入力される。この結果、本電力変換回路の動作が安定化する。平滑コンデンサ４が内包する静電容量が大きいほど脈動成分の抑制効果が大きい。

本電力変換装置においては、平滑コンデンサ４をパワー半導体３の近傍に配置することにより、Ｐ極配線５ｐとＮ極配線５ｎの配線長を極力短くしている。平滑コンデンサ４がパワー半導体３から離れて配置されると、これに応じてＰ極配線５ｐとＮ極配線５ｎの配線長が長くなり、配線インダクタンスが大きくなる。この結果、パワー半導体３が開閉動作する際のサージ電圧が大きくなり、本電力変換回路の動作が不安定となる。本電力変換装置においてはこの点に留意し、サージ電圧を抑制して電力変換回路の動作を安定化させている。

図５に、図１の矢視Ｃにおける機器配置を示す。ゲート駆動基板６は図１に示すとおり筐体１の内部において平滑コンデンサ４の下方に配置されるが、ゲート駆動基板６の各相は、図５に示すとおりパワー半導体３の各相が並ぶ方向および順序と同一に配置される。パワー半導体３とはＧ極配線５ｇおよびＥ極配線５ｅにより電気的に接続される。

ゲート駆動基板６は図５に示す分割線Ｅで高電位部と低電位部に分割され、パワー半導体３に近い側が高電位部でその逆が低電位部となる。高電位部と低電位部の絶縁には例えば絶縁変圧器などが用いられる。このように高電位部と低電位部を分離して絶縁することは、低電位で稼動する制御論理部８と制御信号をやりとりするうえで必須である。本電力変換装置では、ゲート駆動基板６の高電位部を高電位で稼動するパワー半導体３の近傍に集中させることで、筐体１の内部において低電位部が占める領域を拡大している。低電位部に要求される絶縁距離は高電位部に対して著しく小さいことから、本電力変換装置の小型化が容易となる。

図６に、図１の矢視Ｄにおける機器配置を示す。ゲート駆動基板６は図６に示すとおり、Ｇ極配線５ｇに接続されるゲート駆動基板Ｇ極端子６ｇ、Ｅ極配線５ｅに接続されるゲート駆動基板Ｅ極端子６ｅ、中継基板７に接続されるゲート駆動基板コネクタ６ａを有する。また、ゲート駆動基板６は絶縁スペーサ６１を介して筐体片１１により固定される。絶縁スペーサ６１は樹脂材料などを用いて成型される。

筐体片１１が接地電位であるのに対し、ゲート駆動基板６の一部は高電位となっているため、絶縁信頼性を考慮して適当な絶縁距離で両者を配置する必要があり、これに応じて絶縁スペーサ６１の長さが決められる。本電力変換装置においてはこれを２０ｍｍとしている。また、となり合うゲート駆動基板６について両者の電位差は大きいことから、絶縁信頼性を考慮して適当な絶縁距離で両者を配置する必要がある。本電力変換装置においてはこれを２０ｍｍとしている。

ゲート駆動基板６が筐体片１１の両面に固定されることから、筐体片１１は単一の板材で構成することができる。これにより筐体片１１ひいては筐体１の構造が簡素化され、これらの製作コストを低減できる。

図７に、本実施例にかかる電力変換装置に搭載される中継基板の構成を示す。複数のゲート駆動基板６は、図７に示す中継基板７に一括して接続される。中継基板７は、ゲート駆動基板６と同数の中継基板コネクタ７ａと、制御論理部８に関連して制御信号を入出力する１つ以上の制御信号入出力部７ｂを有する。ゲート駆動基板６に設けられたゲート駆動基板コネクタ６ａと、中継基板７に設けられた中継基板コネクタ７ａとはオスとメスの関係にあり、両者が嵌合することにより中継基板７は支持される。コネクタの支持だけでは構造強度が不十分な場合、絶縁スペーサなどを介して中継基板７が筐体片１１に固定されてもよい。

前述したとおり、ゲート駆動基板６と筐体片１１の間に介在する絶縁スペーサ６１の長さは絶縁性の観点から長くなる傾向にあり、これに応じて絶縁スペーサ６１のたわみは大きくなり構造強度が低下する。しかしながら、中継基板７を用いて複数のゲート駆動基板６を一括でコネクタ接続する構造であることから、絶縁スペーサ６１のたわみが抑制され、構造強度を向上した電力変換装置を提供できる。

ゲート駆動基板６に実装される電子部品やこれらに付随するはんだ部は、熱により悪影響を受け、回路動作に支障をきたす場合がある。熱の発生要因としては、放熱板２の放熱、パワー半導体３の発熱、平滑コンデンサ４の発熱、配線５ｐ、５ｎ、５ｍ、５ｇ、５ｅの発熱などが挙げられ、これらの熱は上方へ流れる性質がある。本電力変換装置においては、ゲート駆動基板６は筐体１の最下方に配置されることから、前述した熱にさらされることがない。この結果、ゲート駆動基板６は熱の影響を受けず回路動作が安定化する。

本実施例によれば、回路動作の安定化、絶縁信頼性の高信頼化、製作コストの低減を図ったうえで、小型な電力変換装置を提供できる。

本実施例では、実施例１と異なり、ゲート駆動基板６と筐体片１１の間、となり合うゲート駆動基板６の間に絶縁板を介在させる。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。

図８に、本実施例にかかる電力変換装置におけるゲート駆動基板の配置を示す。ゲート駆動基板６は、図８に示すとおり絶縁スペーサ６１を介して絶縁板６２に固定され、絶縁板６２は絶縁スペーサ６１を介して筐体片１１に固定される。絶縁板６２は樹脂材料などを用いて成型される。

筐体片１１が接地電位であるのに対し、ゲート駆動基板６の一部は高電位となっているが、両者の間に絶縁板６２が介在していることから、実施例１に対して両者の距離を短縮できる。本実施例においては、筐体片１１と絶縁板６２の距離を５ｍｍ、絶縁板６２とゲート駆動基板６の距離を５ｍｍ、絶縁板６２の厚みを１．５ｍｍとしているので、筐体片１１とゲート駆動基板６の距離は１１．５ｍｍとなる。実施例１に対し、筐体片１１を隔てた片側について８．５ｍｍ短縮できるので、筐体片１１を隔てた両側で１７ｍｍ短縮できる。一方で、筐体片１１とゲート駆動基板６の沿面絶縁距離が十分に確保されるよう留意して、絶縁スペーサを適切に配置する必要がある。

となり合うゲート駆動基板６について両者の電位差は大きいが、両者の間に絶縁板６２が介在していることから、実施例１に対して両者の距離を短縮できる。本実施例においては、ゲート駆動基板６と絶縁板６２の距離を５ｍｍ、絶縁板６２の厚みを１．５ｍｍとしているので、となり合うゲート駆動基板６の距離は１１．５ｍｍとなる。実施例１に対し、１組のとなり合うゲート駆動基板６について８．５ｍｍ短縮できるので、全体として１７ｍｍ短縮できる。

本実施例によれば、実施例１に対してより小型な電力変換装置を提供できる。

本実施例では、実施例１と異なり１組の電力変換回路を内包するＳｉｎｇｌｅ式の電力変換装置を提供する。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。

図９に、本実施例にかかる電力変換装置の基本構造を示す。本電力変換装置の主要構成品としては、筐体１、放熱板２、パワー半導体３、平滑コンデンサ４、配線５ｐ、５ｎ、５ｍ、５ｇ、５ｅ、ゲート駆動基板６、および中継基板７がある。このうちパワー半導体３、平滑コンデンサ４、配線５ｐ、５ｎ、５ｍ、５ｇ、５ｅ、ゲート駆動基板６、および中継基板７については、放熱板２を隔てて片側にのみ配置される。これらは図９において放熱板２の右側に配置されているが、左側に配置されていてもよい。

要求される電流容量が比較的小さい案件については、実施例１による電力変換装置を適用するとその電流容量が過剰となることがあり、電流容量を半減させた電力変換装置が要求される。本電力変換装置においては、新規に設計・製作することなく、実施例１の構成部品を取り除くだけでこういった要求に応えることができる。

本実施例によれば、実施例１に対して電流容量を半減させた電力変換装置を提供するに際し、設計や製作に要する時間およびコストを低減できる。

本実施例では、実施例３と異なり、平滑コンデンサを増設している。以下、実施例３との相違点を中心に説明する。

図１０に、本実施例にかかる電力変換装置の基本構造を示す。本電力変換装置の主要構成品としては、筐体１、放熱板２、パワー半導体３、平滑コンデンサ４、配線５ｐ、５ｎ、５ｍ、５ｇ、５ｅ、ゲート駆動基板６、および中継基板７がある。このうちパワー半導体３、配線５ｐ、５ｎ、５ｍ、５ｇ、５ｅ、ゲート駆動基板６、および中継基板７については、放熱板２を隔てて片側にのみ配置される。これらは図１０において放熱板２の右側に配置されているが、左側に配置されていてもよい。

一方、平滑コンデンサ４については放熱板２を隔てて両側にそれぞれ配置され、両者はＰ極配線５ｐとＮ極配線５ｎを介して電気的に接続される。平滑コンデンサ４の両者が同一品である必要はなく、筐体１の内部に収容できる限りにおいて外形を拡大できる。その場合においても、装置稼動時の防振を考慮して筐体１の構造を決める必要がある。

実施例３に対して平滑コンデンサ４を増設することの利点として、静電容量を大きくできる点、電流容量を大きくできる点、実質的な内部インダクタンスを低減できる点が挙げられる。これらの効果は実施例１で述べたとおりである。

本実施例によれば、実施例３に対してより回路動作の安定化を図った、小型な電力変換装置を提供できる。

本実施例では、実施例１と異なり、電力変換回路が単相変換回路である電力変換装置を提供する。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。

図１１に、本実施例にかかる電力変換装置の電力変換回路を示す。本実施例における電力変換装置はＤｕａｌ式またはＳｉｎｇｌｅ式のいずれでもよい。本電力変換装置が対象とする電力変換回路は単相変換回路である。本電力変換回路は、Ｐ極配線５ｐ、Ｎ極配線５ｎの間に印加される直流電圧を入力として、Ｍ極配線５ｍに交流電圧を出力する。一方で、本電力変換回路は、Ｍ極配線５ｍの間に印加される交流電圧を入力として、Ｐ極配線５ｐとＮ極配線５ｎの間に直流電圧を出力する。

図１２に、本実施例にかかる電力変換装置におけるパワー半導体とゲート駆動基板の配置を示す。本電力変換装置において、パワー半導体３は、図１２に示すとおり２行２列に配置される。左右方向の配置は電力変換回路のＵ相およびＶ相に対応し、上下方向の配置は電力変換回路の上アームおよび下アームに対応する。ゲート駆動基板６の各相は、図１２に示すとおりパワー半導体３の各相が並ぶ方向および順序と同一に配置される。

単相負荷を制御し、または、交流入力を整流して直流出力を得ることが望まれる案件については、実施例１による電力変換装置は適用できず、単相変換回路を構成する電力変換装置が要求される。本電力変換装置においては、新規に設計および製作することなく、実施例１に対してパワー半導体３およびゲート駆動基板６の配置を変えるだけで、対応する電力変換装置を提供できる。

本実施例によれば、実施例１の３相変換回路を単相変換回路に置き換えた電力変換装置を提供するに際し、設計や製作に要する時間およびコストを低減できる。

本実施例では、実施例１と異なり電力変換回路の上アームおよび下アームを単一のパワー半導体３で構成する。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。

図１３に、本実施例にかかる電力変換装置におけるパワー半導体とゲート駆動基板の配置を示す。以下、対象とする電力変換回路が３相変換回路である場合について説明する。本電力変換装置において、パワー半導体３は図１３に示すとおり１行３列に配置される。左右方向の配置は電力変換回路のＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応し、電力変換回路の上アームおよび下アームは単一のパワー半導体３で構成される。ゲート駆動基板６の各相は、図１３に示すとおりパワー半導体３の各相が並ぶ方向および順序と同一に配置される。

パワー半導体３にはコレクタ端子３ｃおよびエミッタ端子３ｅに加えて交流出力端子３ｍが設けられている。また、パワー半導体３には上アーム用のゲート端子３ｇ、補助エミッタ端子３ｅｅと下アーム用のゲート端子３ｇ、補助エミッタ端子３ｅｅが設けられている。

電力変換回路の上アームおよび下アームを単一のパワー半導体３で構成する利点として、パワー半導体３の搭載数を半減できる点、パワー半導体３に接続するＰ極配線５ｐ、Ｎ極配線５ｎ、Ｍ極配線５ｍの構造を簡素化できる点が挙げられる。前者の効果は製作コストの低減を図れることにあり、後者の効果はＰ極配線５ｐ、Ｎ極配線５ｎ、Ｍ極配線５ｍが占める領域を縮小し、外形の小型化を図れることにある。

本実施例によれば、実施例１に対してより製作コストの低減を図った、より小型な電力変換装置を提供できる。

本実施例では、実施例１と異なり、冷却方式が空冷式である。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。

図１４に、本実施例７にかかる電力変換装置における放熱板とパワー半導体の配置を示す。本電力変換装置の冷却方式は空冷式であり、放熱板２には図１４に示すとおり冷却フィン２２が設けられている。空冷式においては、冷却風２１１が冷却フィン２２を横切ることにより放熱が促進される。冷却風２２１には車載時の対向風やブロアによる強制風が用いられる。放熱板２と冷却フィン２２は、熱伝導性の優れたヒートパイプで接続される。

一般的に、空冷式は水冷式と比較して放熱能力が劣るものの、冷却システムの製作コストが大幅に低減される。空冷式においても、冷却風２１１の代わりに冷却フィン２２周囲の自然対流を利用する自然空冷方式を採用すると、さらに放熱能力が劣るものの、冷却フィン２２が外気に露出することによる破損や腐食の懸念がないことや、ブロアが不要になることなどにより、さらに冷却システムの製作コストが低減される。

本実施例７によれば、実施例１に対してより製作コストの低減を図った、小型な電力変換装置を提供できる。

１…筐体、２…放熱板、３…パワー半導体、３ｃ…コレクタ端子、３ｅ…エミッタ端子、３ｅｅ…補助エミッタ端子、３ｇ…ゲート端子、３ｍ…交流出力端子、４…平滑コンデンサ、４ｐ…平滑コンデンサＰ極端子、４ｎ…平滑コンデンサＮ極端子、５ｐ…Ｐ極配線、５ｎ…Ｎ極配線、５ｍ…Ｍ極配線、５ｇ…Ｇ極配線、５ｅ…Ｅ極配線、６…ゲート駆動基板、６ａ…ゲート駆動基板コネクタ、６ｇ…ゲート駆動基板Ｇ極端子、６ｅ…ゲート駆動基板Ｅ極端子、７…中継基板、７ａ…中継基板コネクタ、 ７ｂ…制御信号入出力部、８…制御論理部、１１…筐体片、２１…水冷配管、２２…冷却フィン、４１…平滑コンデンサ筐体、６１…絶縁スペーサ、６２…絶縁板、２１１…冷却水、２２１…冷却風

Claims (11)

1. 筐体の内部に、電力変換回路の各相にかかる上アームおよび下アームを構成する複数のパワー半導体と、当該複数のパワー半導体をその両面に搭載する放熱板と、前記複数のパワー半導体と電気的に接続している複数の平滑コンデンサと、前記複数のパワー半導体に制御信号を入出力する複数のゲート駆動基板と、が配置されている電力変換装置において、
   前記複数の平滑コンデンサが、前記放熱板の両側に配置され、
   前記ゲート駆動基板が、前記パワー半導体、前記放熱板および前記平滑コンデンサの下方に配置されていると共に、高電位部と低電位部に分割され、前記高電位部が、前記パワー半導体と近い側に配置され、前記低電位部が、前記パワー半導体から遠い側に配置されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 筐体の内部に、電力変換回路の各相にかかる上アームおよび下アームを構成する複数のパワー半導体と、当該複数のパワー半導体をその両面に搭載する放熱板と、前記複数のパワー半導体と電気的に接続している複数の平滑コンデンサと、前記複数のパワー半導体に制御信号を入出力する複数のゲート駆動基板と、が配置されている電力変換装置において、
   前記複数の平滑コンデンサが、前記放熱板の両側に配置され、
   前記複数のゲート駆動基板が、前記パワー半導体、前記放熱板および前記平滑コンデンサの下方に配置されていると共に、板材の両面に支持されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記複数のゲート駆動基板と前記板材の間、および隣り合う前記ゲート駆動基板の間に絶縁材が配置されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 筐体の内部に、電力変換回路の各相にかかる上アームおよび下アームを構成する複数のパワー半導体と、当該複数のパワー半導体をその両面に搭載する放熱板と、前記複数のパワー半導体と電気的に接続している複数の平滑コンデンサと、前記複数のパワー半導体に制御信号を入出力する複数のゲート駆動基板と、が配置されている電力変換装置において、
   前記複数の平滑コンデンサが、前記放熱板の両側に配置され、
   前記ゲート駆動基板が、前記パワー半導体、前記放熱板および前記平滑コンデンサの下方に配置されていると共に、中継基板と電気的に接続するコネクタを有し、
   前記中継基板が、前記複数のゲート駆動基板と電気的に接続する複数のコネクタを有し、
   前記複数のゲート駆動基板が、前記中継基板に一括で接続されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記中継基板が、前記筐体に支持されていることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
   前記放熱板には水冷配管が設けられており、当該放熱板に冷却水が流入および流出する
   ことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
   前記放熱板には冷却フィンが設けられており、当該冷却フィンに冷却風が横切ることを
   特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
   前記放熱板には冷却フィンが設けられており、当該冷却フィンの周囲に自然対流が発生することを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
   前記電力変換回路の上アームおよび下アームが、単一のパワー半導体で構成されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
    前記平滑コンデンサの筐体が樹脂成型されていることを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力変換装置を搭載した電気車。

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