JP6902121B2 - 電力変換装置および電力変換装置を搭載する電気鉄道車両 - Google Patents

電力変換装置および電力変換装置を搭載する電気鉄道車両 Download PDF

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Description

本発明は、電力変換装置および該電力変換装置を搭載する電気鉄道車両に関する。
電力変換装置として、電気鉄道車両等の車両を駆動する電動機を制御するために使用されるものは、車両の床下等に設置されている。ところが、車両の床下には、この電力変換装置の他にも、例えば空調用電源等の多くの部品を搭載する必要があるため、電力変換装置は小型化が要求される。
また一方で、以下に示すように、効率向上の目的や設置環境対応のために、様々な回路が存在し、それら回路毎にも小型化する試みがなされている。
特許文献１に開示されている技術では、モータに印加する電圧を昇圧してモータ電流を低減し巻線抵抗に起因する損失を低減させるために、昇圧回路を鉄道車両用電力変換装置に設けるに当たって、この昇圧回路によっても機器が大型化しない工夫をしている。
特許文献２に開示されている技術では、回生ブレーキ中にパンタグラフの離線や負荷の急変などによってコンデンサ電圧が上昇した場合にも、半導体素子への過電圧を防止するための過電圧抑制回路を電力変換装置に設置することにより信頼性の向上を図っている。
特許文献３に開示されている技術では、空気ブレーキの磨耗を軽減し、モータで発生した電力をブレーキ抵抗器で熱に変換してブレーキ力を得るブレーキチョッパ装置に必要であったリアクトルやブレーキ抵抗を他の機器と共用することによって、必要な機器の部品点数の低減による小型化や故障リスクの低減を実施している。
特開２０１５−１３３７７９号公報 特開平７−１５４９７４号公報 特開２０１５−５６９９３号公報
特許文献１〜３それぞれに開示されている技術においては、それぞれの目的にあった電力変換装置の最適化を実施しているところ、それらの回路が混在する路線等では、システム全体として部品点数低減による小型化や信頼性の向上を実施することは困難である。
本発明は、上記した課題に鑑み、２つの半導体素子を直列に配置したハーフブリッジ構成の半導体モジュールから構成される電力変換装置として、半導体モジュールは、略直方体形状で、当該直方体の長手方向に沿って正極端子、負極端子および交流入出力または特定用途用の端子を設けて当該電力変換装置を構成する１相分を形成し、直方体の短手方向である鉛直方向に複数の半導体モジュールを上下に並べて配置して当該電力変換装置を構成する複数相を形成し、複数相の半導体モジュールは、冷却器に接する形態で設置され、１以上のコンデンサが複数相の半導体モジュールを挟んで冷却器の向かい側に配置されることを特徴とする。
本発明によれば、昇圧回路、過電圧抑制回路およびブレーキチョッパ回路のいずれか１つに対して１相を特定用途用として使用して、インバータを構成する３相と合わせて、４相１体の電力変換装置を構成することができる。または、架線が交流の場合には、２相２群で構成されるコンバータとして４相１体の電力変換装置を構成することができる。
以上のように、全ての回路を４相１体にし、または４相１体の電力変換装置を組み合わせて搭載することにより、個別に必要な部品を削減することが可能となり、電力変換装置の生産性の向上が図られると共に、部品点数の低減による小型化や故障リスクの低減が可能となる。
本発明の実施例１に係る電力変換装置の構造を斜視図にして示す図である。 図１に示す電力変換装置の構造からコンデンサのみを外した状態の正面図である。 図２に示す構造からバスバを外した状態の正面図である。 図１〜３で冷却器に搭載されるパワーモジュールを示す図である。 昇圧回路を実現するための４相１体電力変換装置の回路構成を示す図である。 過電圧抑制回路を実現するための４相１体電力変換装置の回路構成を示す図である。 ブレーキチョッパ回路を実現するための４相１体電力変換装置の回路構成を示す図である。 ２群２相コンバータ回路を実現するための４相１体電力変換装置の回路構成を示す図である。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の構造を斜視図にして示す図である。 図９に示す電力変換装置の構造からコンデンサのみを外した状態の正面図である。 図１０に示す構造からバスバを外した状態の正面図である。 図７に示すブレーキチョッパ回路を備えるインバータと図８に示す２群２相のコンバータとを組み合わせた構成を有する電気鉄道車両の例を示す図である。
以下に、本発明に係る電力変換装置の実施形態として、実施例１および２について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施例１に係る電力変換装置１００の構造を斜視図にして示す図である。
電力変換装置１００は、冷却器１５０、複数のパワーモジュール１１０、複数のコンデンサ１２０、正極バスバ４０と負極バスバ５０および出力、入力または特定用途用のバスバ６１〜６４から構成されている。複数のパワーモジュール（２ｉｎ１パワーモジュール）１１０は、冷却器１５０に接する形態で設置され、冷却器１５０に対して、複数の２ｉｎ１パワーモジュール１１０を、モジュール短手方向５を上下方向と合わせて４つ並べる（図３も併せて参照）。そして、複数のコンデンサ１２０を、パワーモジュール１１０を挟んで冷却器１５０の向かい側に配置している。
ここで、図４に、単体の２ｉｎ１パワーモジュール１１０の構造を示す。２ｉｎ１パワーモジュール１１０は、略直方体形状であり、モジュール正極端子６ａおよびモジュール負極端子６ｂと、モジュール交流入出力または特定用途用の端子６ｃとが、モジュール長手方向４に沿って短辺側に設けられ、また、モジュール正極端子６ａとモジュール交流入出力または特定用途用の端子６ｃとの間の空間から図示しない制御信号線が取り出せること、を特徴としている。
図２は、図１に示す電力変換装置１００の構造からコンデンサ１２０のみを外した状態の正面図を示す。図示のように、正極バスバ４０は、各パワーモジュール１１０（１１１〜１１４）の各モジュール正極端子６ａに接続され、負極バスバ５０は、各パワーモジュール１１０（１１１〜１１４）の各モジュール負極端子６ｂに接続される。また、正極バスバ４０および負極バスバ５０は、外したコンデンサ１２０を鉛直方向に挟む形態で、電力変換装置１００の水平方向両端部に位置し鉛直方向に板状に配置される。更に、出力、入力または特定用途用のバスバ１〜４（６１〜６４）は、中央部に位置する、各パワーモジュール１１０（１１１〜１１４）の各モジュール交流入出力または特定用途用の端子６ｃ（図３、参照）に沿って鉛直上方向に延び、図３に示す出力、入力または特定用途用の端子１〜４（７１〜７４）に接続される。
図３は、図２に示す構造からバスバを外した状態の正面図を示す。図４に示すパワーモジュール１１０は、図３に示す配列による配置により、冷却器１５０に接する形態で設置される。すなわち、モジュール短手方向５を鉛直方向（重力方向）と一致させて、パワーモジュールを４列構成とし（パワーモジュール１１１〜１１４）、モジュール長手方向４を電車の進行方向（図１〜３および９〜１１に示す、矢印付き１点鎖線）と一致させ、冷却器１５０の中心軸（図３に示す２点鎖線）に対して鏡面対称に２列構成にすることで、高密度実装を可能にしている。
以上のように、上記した構成を採用することにより、電力変換装置１００の進行方向の長さを短くすることが可能となり、走行風により冷却する冷却器１５０の圧力損失を低減させる効果がある。また、モジュール正極端子６ａとモジュール交流入出力または特定用途用の端子６ｃとの間の空間から、図３に示す矢印破線の方向に、図示しない制御信号線を取り出すことができる。
電力変換装置１００は、例えば、Ｕ相の上下アーム直列回路を搭載した２ｉｎ１パワーモジュール１（１１１）、Ｖ相の上下アーム直列回路を搭載した２ｉｎ１パワーモジュール２（１１２）、Ｗ相の上下アーム直列回路を搭載した２ｉｎ１パワーモジュール３（１１３）および架線電圧を昇圧させる特定用途のためのパワーモジュール４（１１４）から構成される。以下では、各相の２ｉｎ１パワーモジュール１１１、１１２、１１３および１１４を特に区別しないときには、単にパワーモジュール１１０と記載する。
各パワーモジュール１１０は、例えば、図５に示すように、半導体素子である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成る上アーム側の電流スイッチ回路と、同様の並列接続回路から成る下アーム側の電流スイッチ回路とが直列に配置されるハーフブリッジ構成である。
次に、実施例１に係る電力変換装置１００を電気鉄道車両９００に適用し搭載することにより、特定の機能を追加することを可能にした４相１体の電力変換装置を構成することができる。その具体的構成例を図５〜８に沿って説明する。まず、共通する構成要素について示す。
電力変換装置１００は、図５〜７では、インバータとして機能し、図８では、コンバータとして機能する。図５〜７のインバータの場合には、架線３００と接地部４００との間に印加される直流電圧が電力変換装置１００に供給される。リアクトル６００を介した直流電圧は、例えば、特定用途用として４相目の２ｉｎ１パワーモジュール４（１１４）、コンデンサ１２０を経て、１相目の２ｉｎ１パワーモジュール１（１１１）、２相目の２ｉｎ１パワーモジュール２（１１２）および３相目の２ｉｎ１パワーモジュール３（１１３）から構成される３相インバータに入力される。この３相インバータで変換された交流電圧は、各パワーモジュールのモジュール交流入出力または特定用途用の端子６ｃにつながる出力端子１（７１）、出力端子２（７２）および出力端子３（７３）から出力され、電動機５００を駆動する。
また、図８のコンバータ（電力変換装置１００ａ）の場合には、架線３００と接地部４００との間に印加される交流入力電圧が、１群側トランス１４１および２群側トランス１４２を介して、１相目〜４相目の各２ｉｎ１パワーモジュール１〜４（１１１〜１１４）から構成されるコンバータに供給され、直流電圧に変換される。このコンバータで変換された直流電圧は、コンデンサ１２０を介してインバータを構成する電力変換装置１００ｂに供給される。
続いて、個別の構成について説明する。
図５は、昇圧回路を実現するための４相１体電力変換装置の回路構成を示す図である。また、以下の表１に、この回路構成における出力または特定用途用の端子の接続先を示す。
１相目の２ｉｎ１パワーモジュール１（１１１）、２相目の２ｉｎ１パワーモジュール２（１１２）および３相目の２ｉｎ１パワーモジュール３（１１３）が、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相に対応するパワーモジュールとなり、各パワーモジュールのモジュール交流端子６ｃに接続される出力端子１〜３（７１〜７３）が、電動機５００のＵ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ接続される。
また、４相目の２ｉｎ１パワーモジュール４（１１４）が、インバータの直流側に、特定用途として昇圧回路用に接続され、そのパワーモジュールの特定用途用端子４（７４）がリアクトル６００に接続される。
すなわち、表１に示すように（「図５」とした列）、各パワーモジュール１１１〜１１４のモジュール交流入出力または特定用途用の端子６ｃは、１相目が、出力端子としてインバータ出力のＵ相モータ線、２相目が、出力端子としてインバータ出力のＶ相モータ線、３相目が、出力端子としてインバータ出力のＷ相モータ線、にそれぞれ接続され、４相目が、特定用途用端子としてインバータの昇圧線に接続される。
図６は、過電圧抑制回路を実現するための４相１体電力変換装置の回路構成を示す図である。また、以下の表１に、この回路構成における出力または特定用途用の端子の接続先を示す。
１相目から３相目までの２ｉｎ１パワーモジュール１〜３（１１１〜１１３）については、３相インバータを構成することから図５に示す接続態様と同様であり、４相目が特定用途として異なる。４相目の２ｉｎ１パワーモジュール４（１１４）が、インバータの直流側に、特定用途として過電圧抑制用に接続され、そのパワーモジュール４（１１４）の特定用途用端子４（７４）が抵抗１３０を介してリアクトル６００に接続される。
すなわち、表１に示すように（「図６」とした列）、各パワーモジュール１１１〜１１４のモジュール交流入出力または特定用途用の端子６ｃは、１相目が、出力端子としてインバータ出力のＵ相モータ線、２相目が、出力端子としてインバータ出力のＶ相モータ線、３相目が、出力端子としてインバータ出力のＷ相モータ線、にそれぞれ接続され、４相目が、特定用途用端子としてインバータ直流側のインバータ過電圧抑制回路線に接続される。
図７は、ブレーキチョッパ回路を実現するための４相１体電力変換装置の回路構成を示す図である。また、以下の表１に、この回路構成における出力または特定用途用の端子の接続先を示す。
１相目から３相目までの２ｉｎ１パワーモジュール１〜３（１１１〜１１３）については、３相インバータを構成することから図５や図６に示す接続態様と同様であり、４相目が特定用途として異なる。４相目の２ｉｎ１パワーモジュール４（１１４）が、インバータの直流側に、特定用途としてブレーキチョッパ用に接続され、そのパワーモジュール４（１１４）の特定用途用端子４（７４）が抵抗１３０を介して接地部４００に接続される。
すなわち、表１に示すように（「図７」とした列）、各パワーモジュール１１１〜１１４のモジュール交流入出力または特定用途用の端子６ｃは、１相目が、出力端子としてインバータ出力のＵ相モータ線、２相目が、出力端子としてインバータ出力のＶ相モータ線、３相目が、出力端子としてインバータ出力のＷ相モータ線、にそれぞれ接続され、４相目が、特定用途用端子としてインバータ直流側のブレーキチョッパ線に接続される。
図８は、２群２相コンバータ回路を実現するための４相１体電力変換装置の回路構成を示す図である。また、以下の表１に、この回路構成における入力端子の接続先を示す。
図８に示す構成は、４相１体電力変換装置を２群２相コンバータの交流入力用に適用したものである。したがって、この場合には、各パワーモジュール１１１〜１１４のモジュール交流入出力または特定用途用の端子６ｃは、入力端子として使用されることになる。以下では、入力端子として使用される場合に限って、「´」を付加することとする。
１相目の２ｉｎ１パワーモジュール１（１１１）および２相目の２ｉｎ１パワーモジュール２（１１２）は１群側トランス１４１に、３相目の２ｉｎ１パワーモジュール３（１１３）および４相目の２ｉｎ１パワーモジュール４（１１４）は２群側トランス１４２に、それぞれの入力端子１´〜４´（７１´〜７４´）を接続する。これにより、４つの２ｉｎ１パワーモジュール１〜４（１１１〜１１４）を用いて２群２相のコンバータ回路を構成する。
すなわち、表１に示すように（「図８」とした列）、各パワーモジュール１１１〜１１４のモジュール交流入出力または特定用途用の端子６ｃは、１相目が、入力端子としてコンバータの１群Ｕ相線、２相目が、入力端子としてコンバータの１群Ｖ相線、３相目が、入力端子としてコンバータの２群Ｕ相線、および、４相目が、入力端子としてコンバータの２群Ｖ相線、にそれぞれ接続される。
Figure 0006902121
また、４相１体電力変換装置をインバータ側にもコンバート側にも適用して、種々の機能を備えたインバータとコンバータとをセットにした構成とすることも可能である。この１例を図１２に示す。
図１２は、図７に示すブレーキチョッパ回路を備えるインバータ１００ｂと図８に示す２群２相のコンバータ１００ａとを組み合わせた構成を有する電気鉄道車両の例を示す図である。勿論、組み合わせに当たっては、図１２に示す例に限定されるものではなく、図５に示す昇圧回路を備えるインバータ１００ｂと図８に示す２群２相のコンバータ１００ａとの組み合わせ、図６に示す過電圧抑制回路を備えるインバータ１００ｂと図８に示す２群２相のコンバータ１００ａとの組み合わせなども可能である。
すなわち、以上のどのような回路の組み合わせでも、本発明によれば、使用する電力変換装置としては同じハード構成となることを特徴とする。そのため、回路間のインターフェースを合わせるための部品点数の削減が実現でき、電力変換装置の生産性の向上が図れると共に、結果として、装置の小型化と信頼性向上に繋がることになる。
図１〜３で示す実施例１の構造としては、電力変換装置１００の中央部に、出力、入力または特定用途用のバスバとパワーモジュール１１０のモジュール交流入出力または特定用途用の端子６ｃの接続部を集約し、コンデンサ１２０を左右に振り分けている。この実施例１の構造は、パワーモジュール１１０の中央部に正極バスバ４０と負極バスバ５０が干渉していないため、モジュール中央に位置する制御端子（図示しない）から出ている制御信号線が（図２、３で、破線矢印で示す方向へ制御信号線が導かれる）、正極バスバ４０と負極バスバ５０から発生する磁場の影響を受け難くする効果がある。その一方で、コンデンサ１２０が２つに分かれることで、必要な静電容量を十分に確保できない可能性がある。
次に説明する本発明の実施例２は、その点を解消する構造を有するものである。
図９〜１１に、実施例２に係る電力変換装置１００の構造を示す。図９は、実施例２に係る電力変換装置１００の構造を斜視図にして示す図である。図１０は、図９に示す電力変換装置１００の構造からコンデンサ１２０のみを外した状態の正面図を示し、図１１は、図１０に示す構造からバスバを外した状態の正面図を示す。
実施例２では、図９に示すように、単体のコンデンサ１２０を設けている。そのために、図１１に示すように、パワーモジュール１１０全体を配列した配置関係は、図３に示す実施例１の場合と同様であるが、個々のパワーモジュール１１１〜１１４は、実施例１の場合とは上下を逆にして、モジュール交流入出力または特定用途用の端子６ｃが電力変換装置１００の両端にくるように配置されている（それに伴い、モジュール正極端子６ａおよびモジュール負極端子６ｂは、電力変換装置１００の中央部となる）。なお、図示しない制御信号線については、実施例１と同様に、モジュール正極端子６ａとモジュール交流入出力または特定用途用の端子６ｃとの間の空間から、図１１に示す矢印破線の方向に取り出すことができる。また、図１１に示すモジュール正極端子６ａおよびモジュール負極端子６ｂの配置により、正極バスバ４０および負極バスバ５０は、図１０に示すように、電力変換装置１００のいずれか一方の端部側に、鉛直方向に板状に配置される。
以上のように、実施例２は、実施例１とは異なり、電力変換装置１００の中央部でなく両端にパワーモジュール１１０のモジュール交流入出力または特定用途用の端子６ｃの接続部を集約し、電力変換装置１００の中央部にはモジュール正極端子６ａとモジュール負極端子６ｂを設けている。これにより、１つの大きなコンデンサ１２０をバスバに接続できるため、静電容量を大きく確保でき、ノイズをより効果的に抑制することが可能となる。
４…モジュール長手方向、５…モジュール短手方向、６…モジュール電力端子、
６ａ…モジュール正極端子、６ｂ…モジュール負極端子、
６ｃ…モジュール交流入出力または特定用途用の端子、４０…正極バスバ、
５０…負極バスバ、６０…出力、入力または特定用途用のバスバ、
６１…出力または入力バスバ１、６２…出力または入力バスバ２、
６３…出力または入力バスバ３、６４…特定用途用バスバ４、
７０…出力または特定用途用の端子、７１…出力端子１、７２…出力端子２、
７３…出力端子３、７４…特定用途用端子４、７０´…入力端子、
７１´…入力端子１´、７２´…入力端子２´、７３´…入力端子３´、
７４´…入力端子４´、１００…電力変換装置、１１０…２ｉｎ１パワーモジュール、
１１１…２ｉｎ１パワーモジュール１（１相目）、
１１２…２ｉｎ１パワーモジュール２（２相目）、
１１３…２ｉｎ１パワーモジュール３（３相目）、
１１４…２ｉｎ１パワーモジュール４（４相目）、
１２０…コンデンサ、１３０…抵抗、１４０…トランス、１４１…１群側トランス、
１４２…２群側トランス、１５０…冷却器、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. ２つの半導体素子を直列に配置したハーフブリッジ構成の半導体モジュールから構成される電力変換装置であって、
    前記半導体モジュールは、略直方体形状で、当該直方体の長手方向に沿って正極端子、負極端子および交流入出力または特定用途用の第３の端子を設けて当該電力変換装置を構成する１相分を形成し、
    当該電力変換装置は、前記半導体モジュールを、前記直方体の長手方向である水平方向に鏡面対称にして２列並べ、前記直方体の短手方向である鉛直方向に４列並べた配置により形成した４つの相を有し、当該４つの相を、３相インバータに前記特定用途用の回路を残る１相として加えて構成するかまたは２相２群のコンバータで構成し、
    冷却器が、前記半導体モジュール全てに接する形態で設置され、
    １以上のコンデンサが、前記半導体モジュール全てを挟んで前記冷却器の向かい側に配置され、
    前記半導体モジュールそれぞれの前記正極端子に接続される正極バスバおよび前記半導体モジュールそれぞれの前記負極端子に接続される負極バスバが、前記コンデンサに接続され、
    前記半導体モジュールそれぞれの前記第３の端子に接続される出力、入力または前記特定用途用のバスバそれぞれが、前記４つの相に対応する出力端子、入力端子または前記特定用途用の４つの端子のいずれかに接続される
    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、
    前記正極バスバおよび前記負極バスバは、前記コンデンサを鉛直方向に挟む形態で当該電力変換装置の水平方向両端部に配置または前記コンデンサの鉛直方向に平行に当該電力変換装置の水平方向一方の端部に配置される
    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、
    出力、入力または前記特定用途用の前記バスバそれぞれは、個別に鉛直方向上方に延長され、前記４つの端子のいずれかに接続される
    ことを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
    制御信号線が、前記正極端子または前記負極端子と前記第３の端子との間の空間から取り出される
    ことを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
    前記特定用途用の回路が昇圧回路である
    ことを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
    前記特定用途用の回路が過電圧抑制回路である
    ことを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
    前記特定用途用の回路がブレーキチョッパ回路である
    ことを特徴とする電力変換装置。
  8. 請求項１に記載の前記２相２群のコンバータで構成した電力変換装置と請求項５〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置とを組み合わせて交流入力を交流出力に変換する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  9. 請求項１〜７、９のいずれか１項に記載の電力変換装置を搭載する電気鉄道車両。
  10. 請求項１０に記載の電気鉄道車両であって、
    前記電力変換装置を構成する前記半導体モジュールの前記長手方向を当該車両の進行方向とする
    ことを特徴とする電気鉄道車両。
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