JP6812317B2 - 電力変換装置および電力変換装置を搭載した車両 - Google Patents

Description

本発明は、車両用電力変換装置に関する。

電気鉄道車両等が搭載する電力変換装置は、車両を駆動する電動機を制御するためのもので、車両の床下または屋根上に設置される。車両の床下または屋根上には、例えばブレーキ制御装置や屋根上空調等、他にも多くの部品を搭載する必要があるため、電力変換装置に対しても小型化が要求される。

電力変換装置は、パワーモジュールの他に、冷却器、平滑用コンデンサおよび変圧器など種々の機器から構成され、それらを内蔵する。これら内蔵する各機器が、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構造として内蔵する各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。

そこで、内蔵する機器の配置を決めるうえで初期に考慮すべき点は、パワーモジュールの冷却方式である。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、パワーモジュールの近傍で冷却器体積が小さくなることから、パワーモジュールを含むユニットは小型となる。ただし、冷却水を循環させるポンプや、外気に放熱するためのラジエータを必要とするので、これらを収容する大規模な領域を別途確保しなければならない。

また、空冷式においては、パワーモジュールの近傍で冷却器体積が大きくなることから、パワーモジュール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、冷却水を循環させるポンプやリザーバタンクなどの機器は不要となるため、水冷式と比較して機器の収容領域は小規模のものとなる。

上述のとおり、電力変換装置が内蔵する機器を配置するに際し、水冷式と空冷式は互いに相反する性質を有している面があり、要求される仕様に応じて選択する必要がある。
例えば、パワーモジュールを水冷式で冷却する電力変換装置を小型化することに関して、従来技術として特許文献１が挙げられる。複数のパワーモジュールは、冷却器の両面に搭載され、パワーモジュールに電力を入出力するための金属板（バスバ）が冷却器の片面に積層する形で配置されている。

また、電力変換装置が内蔵するインバータ回路の入力側に、電力を平滑するための平滑用コンデンサを設け、この平滑用コンデンサ内の電荷を保守時に放電するために放電抵抗を設けることがある。放電抵抗はインバータ駆動時に通電されるため、特許文献２には、この放電抵抗をパワーモジュールが搭載された水冷式冷却器と兼用して実装することで小型化を図ることが示されている。

特許第５１３２１７５号公報 特開２０１４−１２７５７７号公報

特許文献１においては、パワーモジュール、バスバおよび冷却器を含むユニットを小型化することに焦点が当てられ、ユニットには上記以外の機器を極力搭載せず、ユニットから平滑用コンデンサを離す構成となっている。よって、特許文献２に記載の放電抵抗を必要とするような回路では、バスバを回避した放電抵抗へのケーブル配線が複雑になり冷却器が大型化してしまう。

また、電力変換装置の小型化を追求した結果、大電流の流れるバスバ、制御信号をパワーモジュールに授受する信号線および冷却器に流出入する導電性冷媒が相互に高密度に実装される。このため、バスバ周辺に発生する磁場の影響で、意図としない信号電流が誘導され誤動作することや、冷媒を介して他の機器にノイズが伝搬してしまい故障を誘発する懸念がある。

以上のように、特許文献１や特許文献２に記載の技術は、上記電磁ノイズの影響を課題としていない。
本発明の目的は、強い電磁場が発生するバスバから信号線や冷媒の供給水路を離して配置する工夫に加えて、放電抵抗が必要な場合に複雑な配線も含めて、電力変換装置の小型化と低ノイズ化の両立を実現することである。

本発明に係る電力変換装置は、筐体と、複数のパワーモジュールと、複数の平滑用コンデンサと、平滑用コンデンサに接続される複数のバスバと、筐体に固定する冷却器とを備え、冷却器は、自らの両面に前記パワーモジュールを搭載し、当該パワーモジュールの搭載面とは異なる側面にバスバの入出力端子を配置し、残りの側面に冷媒出入口を配置することを特徴とする。

本発明によれば、強い電磁場が発生するバスバから信号線や冷媒の供給水路を離して配置する工夫に加えて、放電抵抗が必要な場合に複雑な配線も含めて、電力変換装置の小型化と低ノイズ化の両立を図ることができる。

図１は、実施例１に係るパワーユニットの斜視図である。 図２は、実施例１に係るパワーユニットを筐体外のバスバ入出力端子から見た斜視図である。 図３は、実施例１に係るパワーユニットの側面図である。 図４は、電気鉄道車両９００と、搭載する電力変換装置１００の回路ブロック構成を示す図である。 図５は、図３に示す平滑用コンデンサおよび各バスバを取り外した側面図（実施例１に係る電力変換装置に搭載されるパワーモジュールのレイアウト図）である。 図６は、図５に示す冷却器およびその固定方法を示す図である。 図７は、実施例２に係る電力変換装置に搭載されるパワーモジュールのレイアウトを示す図である。

本発明の実施の形態として、実施例１および２について、図面を用いて以下に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るパワーユニット１１０の斜視図である。
図２は、このパワーユニット１１０を筐体外のバスバ入出力端子から見た斜視図である。
図３は、このパワーユニット１１０の側面図である。

パワーユニット１１０は、冷却器１５０、複数のパワーモジュール１、複数の平滑用コンデンサ１２０、正極バスバ４０、負極バスバ５０、制御信号線３（図４で後述）、駆動回路基板１３０、交流バスバ６０、ブレーキチョッパ相バスバ７０、放電抵抗３０および冷却器１５０に接続された冷媒出入口１５１から構成される。

複数の平滑用コンデンサ１２０、および、これら平滑用コンデンサ１２０に接続された複数の正極バスバ４０と負極バスバ５０が、複数のパワーモジュール１をその両面に搭載した冷却器１５０の両側に配置される。筐体外のバスバ入出力端子が冷却器１５０のパワーモジュール搭載面とは異なる側面に配置される。

また、冷却器１５０と一体となっている冷媒出入口１５１が、冷却器１５０の残りの側面に配置される。ここで、冷却器１５０は、図示しないＵ字の流路を内部に構成するものである。冷却器１５０の下面には、パワーモジュール１に制御信号線３を介して信号を授受するために備える駆動回路の基板１３０が配置されている。さらに、冷却器１５０の冷媒出入口１５１に近い部位には、放電抵抗３０が、平滑用コンデンサ１２０が搭載された空間から突出する態様で配置されている。
すなわち、冷却器１５０の側面には、複数のパワーモジュール１が搭載される面とは別に、筐体外のバスバ入出力端子が搭載される面と冷媒出入口１５１が搭載される面とが、互いに反対面となるように配置されていることになる。

また、冷却器１５０の下面に、パワーモジュール１に制御信号線３を介して信号を授受するための駆動回路基板１３０を設けることで、電磁ノイズに弱い制御信号線３を大電流が流れ強磁場を発生するバスバから物理的に離すことができ、さらに、導電性の冷媒を介して他の水冷ユニットにノイズを伝搬する懸念をなくす効果がある。

ここで、バスバの種類としては、図１および図２に示すとおり、正極バスバ４０、負極バスバ５０、交流バスバ６０（Ｕ相交流バスバ６１、Ｖ相交流バスバ６２およびＷ相交流バスバ６３）に加えて、ブレーキチョッパ相バスバ７０を含む。ブレーキチョッパは、回生負荷が足りない時にその不足分だけをブレーキ抵抗器で消費することを目的とし、上下アームの内、片方のアームだけダイオードにしたパワーモジュールに接続される。

放電抵抗３０は、平滑用コンデンサ１２０の蓄積電荷を放電するために設け、図１〜３に示すように、冷却器１５０の冷媒出入口１５１のそれぞれの近傍（すなわち、冷媒入口の近傍および冷媒出口の近傍）の両面に１つずつ、合計４つ搭載する構成を採ることができる。この場合には、図３に示すように、同じパワーモジュール搭載面側に配置した２つの放電抵抗３０を、同じパワーモジュール搭載面側に位置する平滑用コンデンサ１２０の放電用として直列に接続する態様をすることができる。ただし、この構成に限定されるものではなく、冷媒入口の近傍または冷媒出口の近傍の両面に１つずつ、合計２つ搭載する構成としてもよい。

このように、全ての放電抵抗３０を、冷却器１５０の片側の側面に寄せた冷媒出入口１５１の近傍に配置することで、放電抵抗３０と平滑用コンデンサ１２０との距離を最小限にして、省配線化を図り、小型化を実現している。

なお、本実施例１では、平滑用コンデンサ１２０とパワーモジュール１との距離も小さくできるため、両者を接続する正極バスバ４０および負極バスバ５０から構成される主回路インダクタンスを小さくすることが可能となる。これにより、低インダクタンス化による過電圧を抑制し、また電気的振動を抑制する効果もある。

図４は、電気鉄道車両９００と、搭載する電力変換装置１００の回路ブロック構成を示す図である。
図示のように、移動体である電気鉄道車両９００は、遮断器２００、インバータ回路を構成する電力変換装置１００および４個の電動機５００を備え、これら誘導電動機５００は、電気鉄道車両９００の４つの車輪にそれぞれ接続されている。

電力変換装置１００は、架線３００とレールや車体などの接地部４００との間に接続され、誘導電動機５００に交流電力を供給して駆動する。図４の架線３００は、直流電力を供給する例を示す。架線３００からの電力が交流の場合、電気鉄道車両９００は、平滑用コンデンサ１２０の前段に交流を直流に変換するコンバータモジュールを備え、変換した直流電力を電力変換装置１００に供給する。

また、電力変換装置１００は、異常時の緊急停止用の遮断器２００、直流電流から所定の周波数の交流電流に変換するパワーユニット１１０およびパワーユニット１１０に対して状態に応じた制御信号を供給する制御回路基板１４０から構成される。その内のパワーユニット１１０は、供給される直流電流を安定化し平滑化するための平滑用コンデンサ１２０、半導体素子２を搭載したパワーモジュール１および制御回路基板１４０からの制御指令に応じてパワーモジュール１を駆動制御するドライバ回路を搭載した駆動回路基板１３０から構成される。

パワーユニット１１０については、１ｉｎ１のパワーモジュール１が６台分で６つのアームからなるインバータ回路を含んで構成される。
図４では、１ｉｎ１パワーモジュールが６台の例で示しているが、２ｉｎ１パワーモジュールであれば３台、もしくは６ｉｎ１パワーモジュールであれば１台でもよい。図１〜３に示す構成では、冷却器１５０の片面にＵ相とＶ相の各パワーモジュール１、反対面にＷ相とブレーキチョッパ相の各パワーモジュール１を搭載している。

各パワーモジュール１は、半導体素子２であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とダイオードとの並列接続回路からなる上アーム側の電流スイッチ回路と、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴとダイオードとの並列接続回路からなる下アーム側の電流スイッチ回路とを、直列に配置することにより構成される。ここで、ブレーキチョッパ相の場合は、片方のアームがダイオードだけで構成される。

パワーモジュール１の正極バスバ４０側のインターフェースは、モジュール正極端子であり、負極バスバ５０側のインターフェースは、モジュール負極端子である。モジュール正極端子は、パワーユニット１１０内で正極バスバ４０を介して平滑用コンデンサ１２０の正極に接続される。同様に、モジュール負極端子は、負極バスバ５０を介して平滑用コンデンサ１２０の負極に接続される。

また、正極バスバ４０と負極バスバ５０は、跳ね上がり電圧抑制を目的としてインダクタンス低減を実現するために、互いに隣接して実装されている。パワーユニット１１０は、このようなパワーモジュール１が３組設けられた３相ブリッジ回路として構成される。

パワーモジュール１の上アーム電流スイッチ回路と下アーム電流スイッチ回路との接続部分は、モジュール交流端子である。パワーモジュール１のモジュール交流端子からは、交流電流が出力され、３相の交流電流Ｕ、ＶおよびＷが、Ｕ相交流バスバ６１、Ｖ相交流バスバ６２およびＷ相交流バスバ６３を介して、電動機５００へ供給される。

平滑用コンデンサ１２０の蓄積電荷を放電するための放電抵抗３０は、平滑用コンデンサ１２０と並列に正極バスバ４０と負極バスバ５０との間に配置する。ここでは、放電抵抗３０の耐圧を考慮して回路図上の抵抗を２つ直列にしているが、１つにしてもよい。

ドライバ回路を搭載した駆動回路基板１３０からパワーモジュール１に対して出力されるゲート信号は、ゲート信号線３ａを介して、各相の半導体素子２に供給される。ゲート信号線３ａにより、交流電流Ｕ、ＶおよびＷの振幅や位相などが制御される。

ソース信号は、各相の半導体素子２のソース信号端子から、ソース信号線３ｂを介して、駆動回路基板１３０へ供給される。このソース信号線３ｂを使って過電流や過電圧を駆動回路基板１３０で検知し、半導体素子２を保護するか否かなど、次の瞬間の動作を判断しながら制御が行われる。

このように、ゲート信号線３ａおよびソース信号線３ｂは、半導体素子２のスイッチング駆動を制御するための制御信号線である。以下では、これらを総称して制御信号線３と記載する場合がある。

制御回路基板１４０は、上アームの半導体素子２と下アームの半導体素子２のスイッチングタイミングを演算処理するマイクロコンピュータ（図示せず）を備え、駆動回路基板１３０を介して、半導体素子２をスイッチング動作させるための指令を出す。

また、駆動回路基板１３０は、上述したように、ソース信号線３ｂを使ってそれぞれの半導体素子２のソース電極における過電流検知を行い、過電流が検知された半導体素子２については、そのスイッチング動作を停止させて過電流から保護する。

さらに、制御回路基板１４０には、パワーモジュール１に設けられた温度センサ（図示せず）や、半導体素子２のドレインとソース間の両端に印加される直流電圧を検出する電圧検出回路（図示せず）などからの信号が入力される。制御回路基板１４０は、それらの制御信号線３に基づき、過温度、過電流および過電圧などの異常を検知する。そして、過温度、過電流および過電圧などの異常を検知した場合には、全ての半導体素子２のスイッチング動作を停止させ、パワーモジュール１を過温度、過電流および過電圧などの異常から保護する。

実施例１に係るパワーユニット１１０は、電動機側のトルクに応じて要求される出力電流がパワーモジュール１あたりの許容出力電流よりも大きい場合には、パワーモジュール１の個数を増やして並列接続してもよい。さらに、電力変換装置１００は、図４に示す回路構成に加え、電池に充放電する機能を有する装置構成であってもよい。また、インバータ回路を２つ備えた回路や、インバータ回路に加えコンバータ回路を追加してもよい。

図５は、図３に示す平滑用コンデンサ１２０および各バスバ（４０、５０、６１〜６３および７０）を取り外した側面図で、実施例１に係る電力変換装置に搭載されるパワーモジュール１のレイアウトを示している。
ここでは、冷却器１５０に対して、片面に１ｉｎ１パワーモジュール１を４台搭載した例を示す。図示の面の反対面にも、同様に１ｉｎ１パワーモジュール１を４台搭載している。１ｉｎ１パワーモジュール１を２台で１相分を構成するため、片面にＵ相およびＶ相、反対面にＷ相およびブレーキチョッパ相を配置することにより、無駄スペースのない実装としている。また、放電抵抗３０に関しては、それを水冷することで小型化を実現し、Ｕ字状の流路のインレットとアウトレットの両面に合計４台搭載することで省スペース化を図っている。

図６は、図５に示す冷却器１５０およびその固定方法を示す図である。
冷却器１５０は、図示しない筐体に片面で４か所、両面で８か所の冷却器固定ボルト１６０で固定する。これにより、耐振性を確保している。また、冷却器固定ボルト１６０それぞれに付随する絶縁部材１７０は、パワーモジュール１で発生した電磁ノイズが筐体を介して周辺部材や鉄道車両全体に伝搬させない目的で設けたものである。これにより、万が一発生したノイズをパワーユニット１１０の中に留め置くことが可能となる。

図７は、実施例２に係る電力変換装置に搭載されるパワーモジュールのレイアウトを示す図である。
冷却器１５０に対して、片面に、３相分のパワーモジュール１として、１ｉｎ１のモジュール６台を配置し、図示の面の反対面にも、同様に３相分のパワーモジュール１を６台配置している。本実施例２では、片面毎にインバータ回路を構成しているため２群のインバータ回路を実装することができ、制御する電動機５００の台数を４台から８台に増やすことや、大容量の電動機５００もしくは小容量の空調設備などの補機を複数台制御することが可能となる。

１…パワーモジュール、２…半導体素子、３…制御信号線、
３ａ…ゲート信号線、３ｂ…ソース信号線、３０…放電抵抗、３１…配線、
４０…正極バスバ、５０…負極バスバ、６０…交流バスバ、
６１…Ｕ相交流バスバ、６２…Ｖ相交流バスバ、６３…Ｗ相交流バスバ、
７０…ブレーキチョッパ相バスバ、１００…電力変換装置、１１０…パワーユニット、
１２０…平滑用コンデンサ、１３０…駆動回路基板、１４０…制御回路基板、
１５０…冷却器、１５１…冷媒出入口、１６０…冷却器固定ボルト、１７０…絶縁部材、２００…遮断器、３００…架線、４００…接地部、５００…電動機、
６００…リアクトル、９００…電気鉄道車両

Claims (10)

1. 筐体と、
   複数のパワーモジュールと、
   複数の平滑用コンデンサと、
   前記複数の平滑用コンデンサに接続される複数のバスバと、
   前記筐体に固定する冷却器と
   を備え、
   前記冷却器は、自らの両面に前記パワーモジュールを搭載し、
   前記筐体外の前記バスバの入出力端子が、前記冷却器の前記パワーモジュールを搭載した前記両面とは異なる側面に配置され、
   前記冷却器の冷媒出入口が、前記冷却器の前記側面とは反対面の側面に配置され、
   前記複数の平滑用コンデンサおよび前記複数のバスバは、前記冷却器の前記パワーモジュールを搭載した前記両面に対向する前記冷却器の両側に配置される
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記パワーモジュールに対して制御信号を授受するための駆動回路を備え、
   前記駆動回路の基板を前記冷却器の下面に配置する
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
   前記平滑用コンデンサの蓄積電荷を放電する抵抗を設け、
   前記抵抗を、前記パワーモジュールを搭載した前記両面それぞれの側に、かつ、前記冷媒出入口の少なくともどちらか一方の近傍に、前記平滑用コンデンサが搭載された空間から突出する態様で配置する
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置であって、
   前記抵抗を前記冷媒出入口それぞれの近傍に配置した場合、前記パワーモジュールの搭載面と同じ側にある前記抵抗を直列に接続する
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記冷却器は、絶縁部材を介して前記筐体に固定される
   ことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記パワーモジュールの搭載面である前記両面それぞれに、３相分の前記パワーモジュールを配置して３相インバータ回路として２群実装させる
   ことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置を搭載した車両。
8. 請求項７に記載の車両であって、
   前記バスバとして、３相分の交流バスバおよびブレーキチョッパ相のバスバを実装する
   ことを特徴とする車両。
9. 筐体と、複数のパワーモジュールと、複数の平滑用コンデンサと、複数のバスバと、冷媒出入口を有する冷却器とを備える電力変換装置における取付け方法であって、
   前記筐体に絶縁部材を介して前記冷却器を固定し、前記冷却器の両面に前記パワーモジュールをそれぞれ搭載し、前記パワーモジュールを搭載した前記両面とは異なる前記冷却器の一つの側面に前記筐体外の前記バスバの入出力端子を取り付け、前記冷却器の前記側面とは反対面の側面に前記冷却器が有する前記冷媒出入口を取り付け、前記複数の平滑用コンデンサおよび前記複数のバスバを、前記冷却器の前記パワーモジュールを搭載した前記両面に対向する前記冷却器の両側に取り付ける
   ことを特徴とする取付け方法。
10. 請求項９に記載の取付け方法であって、
    前記平滑用コンデンサの蓄積電荷を放電する抵抗を、前記パワーモジュールを搭載した前記両面それぞれの側に、かつ、前記冷媒出入口の少なくともどちらか一方の近傍に、前記平滑用コンデンサが搭載された空間から突出する態様で取り付ける
    ことを特徴とする取付け方法。
    

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