JP7451386B2 - power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置に関し、特に、鉄道車両用の電力変換装置として好適なものである。 The present invention relates to a power conversion device, and is particularly suitable as a power conversion device for railway vehicles.
鉄道車両に設置される電力変換装置は、車両を駆動する電動機を制御するためのもので、車両の床下等に設置される。車両の床下には、電力変換装置以外に、例えば空調用電源等の他の多くの部品を搭載する必要があるため、電力変換装置には小型化が要求される。 A power conversion device installed in a railway vehicle is for controlling an electric motor that drives the vehicle, and is installed under the floor of the vehicle. In addition to the power conversion device, it is necessary to mount many other components such as an air conditioning power source under the floor of a vehicle, so the power conversion device is required to be downsized.
電力変換装置の主な部品の1つに、主として半導体素子、半導体素子を冷却する冷却器および鉄道架線から入力される電力の安定化を図るためのフィルタコンデンサから構成されるパワーユニットがある。電力変換装置の小型化には、このパワーユニットの構成部品である冷却器を、冷却性能を維持したまま小型化する必要がある。 One of the main components of a power converter is a power unit that mainly includes a semiconductor element, a cooler for cooling the semiconductor element, and a filter capacitor for stabilizing the power input from the railway overhead wire. In order to downsize the power converter, it is necessary to downsize the cooler, which is a component of the power unit, while maintaining its cooling performance.
冷却器は、(素子の発熱損失の)受熱部となるヒートブロック、(周囲空気への)放熱部となる放熱フィン、場合によっては、ヒートブロックと放熱フィンとを熱接続するヒートパイプから構成される。 A cooler consists of a heat block that serves as a heat receiving section (for the heat loss of the element), a heat dissipation fin that serves as a heat dissipation section (to the surrounding air), and in some cases, a heat pipe that thermally connects the heat block and the heat dissipation fin. Ru.
そして、その冷却方式には、冷却用送風機(ブロア)によるブロア強制風冷方式、水冷ユニットによる水冷方式、車両の走行に伴って発生する走行風を利用する走行風冷却方式など、様々なタイプの冷却方式がある。しかし、床下機器スペースの都合などから小型化の要求も強く、環境負荷低減や省エネ化の観点から近年では走行風冷却方式が主流である。 There are various types of cooling methods, such as a forced air cooling method using a cooling blower, a water cooling method using a water cooling unit, and a traveling air cooling method that uses the wind generated as the vehicle runs. There is a cooling method. However, due to the limited space available for underfloor equipment, there is a strong demand for downsizing, and in recent years, wind-cooling systems have become mainstream in order to reduce environmental impact and save energy.
走行風冷却方式の冷却器は、ヒートブロックで受熱した熱を、鉄道車両の走行速度に応じて得られる走行風のみで冷却する必要があるため、その冷却効率を高めて電力変換装置全体の信頼性を高めなければならない。冷却効率を高めるには、放熱フィンの面積を大きくする方法などがあるが、発熱損失が異なる複数の半導体素子をヒートブロックに配置する場合は、その発熱損失の差を考慮して半導体素子を配置する方法が有効である。 Since the running air cooling type cooler needs to cool the heat received by the heat block using only the running air obtained according to the running speed of the railway vehicle, it improves the cooling efficiency and improves the reliability of the entire power converter. We must improve our sexuality. To increase cooling efficiency, there are methods such as increasing the area of the heat dissipation fins, but when multiple semiconductor elements with different heat loss are placed in a heat block, it is necessary to consider the difference in heat loss when arranging the semiconductor elements. This method is effective.
特許文献1は、発熱損失の異なる複数の半導体素子が配置される3レベルのパワーユニットにおいて、ヒートブロックの中央部に発熱損失の小さい半導体素子群を集約して配置し、その両端に、冷却風の流れる方向に沿って、発熱損失の大きい半導体素子群を配置させることで、風上側に配置された発熱損失の大きい半導体素子群の排熱により、風下側に配置された発熱損失の大きい半導体素子群が受ける影響を低減させて、冷却効率を高めている。
発熱損失が異なる複数の半導体素子を同一のヒートブロックに配置した電力変換装置において、特許文献1に記載されている半導体素子の配置方法では、上述したように、冷却効率を高めることができる。一方で、発熱損失の大きい半導体素子群が、ヒートブロック上の進行方向の外側に配置されているため、十分な冷却効果を得るには、この発熱損失の大きい半導体素子群の外形位置を超える範囲の放熱フィンが必要である。
In a power conversion device in which a plurality of semiconductor elements having different heat generation losses are arranged in the same heat block, the method of arranging semiconductor elements described in
特に、走行風冷却方式であって、パワーユニットが鉄道車両の進行方向(以下、「進行方向」と略する)に前後して2個以上設置される電力変換装置においては、進行方向の後方に配置されたパワーユニットに対して、冷却器の走行風による冷却効果を確保する目的で、進行方向の前後の放熱フィン間は一定の距離を設ける必要がある。そのため、放熱フィンを備えるパワーユニットを搭載する間の距離を短縮して電力変換装置を小型化することは困難である。 In particular, in a power conversion device that uses a traveling wind cooling method and has two or more power units installed one behind the other in the direction of travel of the railway vehicle (hereinafter referred to as the "direction of travel"), the power units are placed at the rear of the direction of travel. In order to ensure the cooling effect of the running wind of the cooler, it is necessary to provide a certain distance between the front and rear heat dissipation fins in the traveling direction of the power unit. Therefore, it is difficult to reduce the size of the power conversion device by shortening the distance between mounting the power unit including the heat dissipation fins.
本発明では、走行風冷却方式であって、発熱損失が異なる複数の半導体素子が同一のヒートブロックに配置されるパワーユニットを、進行方向に前後して2台以上配置した電力変換装置において、冷却器の冷却性能を維持したまま、電力変換装置を進行方向に小型化することを課題とする。 In the present invention, in a power conversion device that uses a traveling wind cooling method and has two or more power units arranged in front and behind each other in the traveling direction, in which a plurality of semiconductor elements having different heat generation losses are arranged in the same heat block, a cooler is used. The objective is to downsize the power converter in the forward direction while maintaining its cooling performance.
上記の課題を解決するために、本発明の代表的な電力変換装置の一つは、複数の半導体素子群と、複数の半導体素子群を冷却する冷却器と、電源平滑用のフィルタコンデンサとを備え、鉄道車両に設置される電力変換装置であって、冷却器を構成するヒートブロックの片面に配置した当該冷却器の放熱フィンの配置位置に対向して、ヒートブロックの当該片面の反対面の中央部に発熱損失の大きいモータ制御用のパワースイッチング素子によって構成される第1の半導体素子群と、当該第1の半導体素子群に対して鉄道車両の進行方向の両隣の少なくとも一方に発熱損失の小さい過電圧保護回路に使用されるパワースイッチング素子によって構成される第2の半導体素子群とを配置し、放熱フィンが占める進行方向の幅が、第1および第2の半導体素子群を併せた配置範囲の進行方向の幅よりも小さい構成である。
In order to solve the above problems, one of the typical power conversion devices of the present invention includes a plurality of semiconductor element groups, a cooler for cooling the plurality of semiconductor element groups, and a filter capacitor for smoothing the power supply. A power conversion device installed in a railway vehicle, which is a power conversion device that is arranged on one side of a heat block constituting a cooler, and opposite to the position of the heat dissipation fins of the cooler arranged on one side of the heat block. A first semiconductor element group consisting of a motor control power switching element with large heat loss in the center, and a semiconductor element group with heat loss on at least one side of the first semiconductor element group on both sides of the first semiconductor element group in the traveling direction of the railway vehicle. A second semiconductor element group composed of power switching elements used in a small overvoltage protection circuit is arranged , and the width in the advancing direction occupied by the radiation fin is the sum of the first and second semiconductor element groups. This configuration is smaller than the width of the range in the advancing direction.
本発明によれば、冷却器の冷却性能を維持したままで、小型化した電力変換装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。
According to the present invention, it is possible to provide a downsized power conversion device while maintaining the cooling performance of the cooler.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be made clear by the description in the following detailed description.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態として実施例について説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Examples will be described below as modes for carrying out the present invention with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to this example. In addition, in the description of the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、本発明の実施例に係る電力変換装置100の鉄道車両200への取り付け位置を示す全体構成図である。
パワーユニット1から構成される電力変換装置100は、鉄道車両200の床下に配置される。
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing the mounting position of a
A
電力変換装置100は、単相交流から直流を発生させる装置および直流から三相交流を発生させる装置である。前者はコンバータと呼ばれ、後者はインバータと呼ばれる。
The
図2は、本発明の実施例に係るパワーユニット1の正面構成図である(図の左右が枕木方向)。
電力変換装置100を構成するパワーユニット1は、フィルタコンデンサ2、主回路配線3、ゲート配線4、ゲート制御回路5、発熱損失の大きい半導体素子群6、発熱損失の小さい半導体素子群7および冷却器8から構成される。
FIG. 2 is a front configuration diagram of the
The
パワーユニット1は、発熱損失の大きい半導体素子群6および発熱損失の小さい半導体素子群7を有し、通信制御されることになる。通信制御に際して、別途設けられている制御装置(図示せず)は、発熱損失の大きい半導体素子群6および発熱損失の小さい半導体素子群7を構成する半導体素子に対する制御信号を出力し、パワーユニット1に取付けられたゲート制御回路5およびゲート配線4を介して、上記した半導体素子群(6、7)を駆動する。
The
フィルタコンデンサ2は、直流電源を平滑するためのものであり、主回路配線3を介して、発熱損失の大きい半導体素子群6と発熱損失の小さい半導体素子群7とを電気的に接続する。
The
主回路配線3は、上述したようにフィルタコンデンサ2、発熱損失の大きい半導体素子群6および発熱損失の小さい半導体素子群7を電気的に接続する主回路配線である。一般的に、主回路配線3には、導体バー表面に絶縁フィルムを被膜した平板状のラミネートブスバーが用いられる。
As described above, the
ラミネートブスバーは、発熱損失の大きい半導体素子群6および発熱損失の小さい半導体素子群7を用いた電気回路において、高速スイッチング時に生じる異常電圧(サージ電圧)を抑制させるため、低インダクタンスとなるように、正極ブスバーと負極ブスバーとが互いに隣接して実装される。なお、ラミネートブスバーに替えて、ラミネート材で被覆されていない積層ブスバーを用いてもよい。
The laminate busbar is designed to have low inductance in order to suppress abnormal voltage (surge voltage) that occurs during high-speed switching in an electric circuit using
ゲート配線4は、ゲート制御回路5から生成および出力されたゲート信号を、発熱損失の大きい半導体素子群6および発熱損失の小さい半導体素子群7に出力するための制御回路配線である。
The
ゲート制御回路5は、上述したように、ゲート信号を生成および出力する回路である。
As described above, the
発熱損失の大きい半導体素子群6および発熱損失の小さい半導体素子群7に使用される半導体素子は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。
The semiconductor elements used in the
IGBTは、オン抵抗および駆動電流が小さく、またスイッチング速度が速いという利点がある。一方で、IGBTは、通電および遮断時に大電力を消費して発熱するため、一般的に冷却器が設けられることになる。 IGBTs have the advantage of low on-resistance, low drive current, and high switching speed. On the other hand, since IGBTs consume a large amount of power and generate heat when energized and cut off, they are generally provided with a cooler.
また、上記した半導体素子としては、1アーム分のみで構成された1in1素子モジュール、上下アーム2組の半導体で直列回路を構成する1相分の2in1素子モジュール、または、2in1素子モジュールを3相分に組み合わせて単一モジュールにした6in1素子モジュールでもよい。 In addition, the above-mentioned semiconductor elements include a 1-in-1 element module configured with only one arm, a 1-phase 2-in-1 element module that configures a series circuit with two sets of upper and lower arm semiconductors, or a 2-in-1 element module configured with three phases. A 6-in-1 element module may be used in which the elements are combined into a single module.
ここで、発熱損失の大きい半導体素子群6は、例えば、モータ制御用のパワースイッチング素子によって構成される。
Here, the
図示しない過電圧保護回路は、フィルタコンデンサ2の過電圧検出時や制御電源OFF時にONし、フィルタコンデンサ2に蓄積されている電荷を放出させる目的で設けられる。この過電圧保護回路は、発熱損失の小さい半導体素子群7として分類され、例えば、過電圧保護用のパワースイッチング素子が用いられる。
An overvoltage protection circuit (not shown) is turned ON when overvoltage of the
過電圧保護回路に使用される半導体素子(パワースイッチング素子)は、スイッチング頻度が少ないため、発熱損失も小さい。そのため、発熱損失の小さい半導体素子群7に使用される半導体素子としては、発熱損失の大きい半導体素子群6に使用される半導体素子と同一の半導体素子であってもよい。
Semiconductor elements (power switching elements) used in overvoltage protection circuits have low switching frequency, and therefore have low heat loss. Therefore, the semiconductor element used in the
発熱損失の大きい半導体素子群6および発熱損失の小さい半導体素子群7は、上述したように、同一のラミネートブスバーまたは積層ブスバーによってフィルタコンデンサ2と接続することができる。その場合には、低インダクタンス回路を共有でき、さらに回路設計の省略や信頼性の向上を図ることができる。
As described above, the
冷却器8は、ヒートブロック81、放熱フィン82およびヒートパイプ83から構成される。ヒートブロック81は、発熱損失の大きい半導体素子群6および発熱損失の小さい半導体素子群7から発生した熱を吸収し、ヒートパイプ83に封入された冷媒を気化して冷却する。放熱フィン82は、気化した冷媒を冷却風に当てて熱交換することにより、冷媒を再び液化させる。
The
特に、走行風を冷却風として利用する走行風冷却方式では、冷却器8には、飛来物による損傷の懸念を低減する目的や冷却風を整流する目的で、保護カバーが取り付けられる。なお、冷却器8は、ヒートブロック81および放熱フィン82を熱接続するヒートパイプ83を必ずしも備えていなくてもよい。
Particularly, in a running wind cooling system that uses running wind as cooling air, a protective cover is attached to the
次に、図3~5を使って、本発明の実施例における、発熱損失の大きい半導体素子群6および発熱損失の小さい半導体素子群7の配置、それらの半導体素子群を冷却する冷却器8の構造、パワーユニット1の設置について、説明する。
Next, using FIGS. 3 to 5, we will explain the arrangement of the
また、これらについて、比較のために従来の形態の場合も併せて説明する。その際に、同一部品については同一の符号を付すが、従来の形態の方には同一の符号の後にAをつけて区別する。 In addition, for comparison, the case of a conventional form will also be described. In this case, the same parts are given the same reference numerals, but the conventional forms are distinguished by adding an A after the same numbers.
図3は、実施例における、ヒートブロック81への発熱損失の大きい半導体素子群6および発熱損失の小さい半導体素子群7の配置例を示す図である。
発熱損失の大きい半導体素子群6をヒートブロック81の中央部に集約して配置し、この半導体素子群6に対して鉄道車両200の進行方向(以下、「進行方向」と略する)の両隣の少なくとも一方に、発熱損失の小さい半導体素子群7を配置する(図3では、両隣に配置した例を示す)。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the arrangement of the
The
このように配置することにより、冷却器8の冷却効果を確保したままで、放熱フィン82(図3に示す破線枠)の進行方向の幅(長さ)を、発熱損失の大きい半導体素子群6および発熱損失の小さい半導体素子群7を併せた配置範囲の進行方向の幅(長さ)よりも小さく(短く)できる。面積からすれば、放熱フィン82(図3に示す破線枠)が占める面積を、発熱損失の大きい半導体素子群6および発熱損失の小さい半導体素子群7を併せた配置範囲の面積よりも小さく(狭く)することができる。
By arranging it in this way, the width (length) in the advancing direction of the radiation fins 82 (framed by broken lines in FIG. 3) can be adjusted closer to the
そのため、放熱フィン82は、入り込む冷却風が外部へ漏れ出る量を低減できることで、風下側でも十分に冷却効果が得られ、冷却器8の冷却効率を高めることができる。
Therefore, the
なお、上記したパワーユニット1単体で得られる効果については、走行風冷却方式であっても、ブロア強制風冷方式であっても同様であり、放熱フィン82に冷却風が通り抜けることで冷却する方法であれば、冷却効率を高めることができる。
Note that the effects obtained with the
一方で、図6は、従来の形態における、ヒートブロック81への発熱損失の大きい半導体素子群6および発熱損失の小さい半導体素子群7の配置例を示す図である。
ヒートブロック81の中央部に発熱損失の小さい半導体素子群7を集約して配置し、その進行方向の周囲に、発熱損失の大きい半導体素子群6を配置している点で、本発明の実施例とは異なる。
On the other hand, FIG. 6 is a diagram showing an example of the arrangement of a
This embodiment of the present invention is characterized in that the
また、十分な冷却効果を得るためには、本発明の実施例とは異なり、配置した半導体素子群の外形位置より放熱フィン82A(図6に示す破線枠)を進行方向に対して小型化ができない。
In addition, in order to obtain a sufficient cooling effect, unlike the embodiments of the present invention, it is necessary to reduce the size of the
図4は、実施例における、ヒートブロック81の受熱側および放熱側を進行方向から見た図である。
一般的に、冷却効果が十分に得られない場合は、放熱フィン82の枚数を枕木方向に増やして放熱面積を増大させる。ただし、実施例における放熱フィン82は、上述したように十分な冷却効果が得られるため、その枚数を十分な冷却効果が得られる範囲で少なくすることができるため、電力変換装置100を枕木方向に対して小型化および軽量化が可能となる。
FIG. 4 is a diagram of the heat receiving side and the heat dissipating side of the
Generally, when a sufficient cooling effect cannot be obtained, the number of
一方で、図7は、従来の形態における、ヒートブロック81の受熱側および放熱側を進行方向から見た図である。
ヒートブロック81の放熱側に備えられる放熱フィン82Aは、進行方向への寸法が大きくなるため、圧力損失が増大する。そこで、十分な冷却効果を得るためには、一般的に、放熱フィン82Aの枚数を枕木方向へ増やして設計することになり、電力変換装置100Aを枕木方向に対して小型化および軽量化ができない。この点で、本発明の実施例とは異なる。また、上記した放熱フィン82Aが枕木方向に大きくなることで、ヒートパイプ83Aも同方向に大きくなる。
On the other hand, FIG. 7 is a diagram of the heat receiving side and the heat dissipating side of the
The
図5は、実施例における、鉄道車両200の床下の電力変換装置100へのパワーユニット1の設置例を示す図である。
電力変換装置100に、進行方向に前後して設置された2台のパワーユニット1は、上述したように、走行風による十分な冷却効果が得られるように、双方の放熱フィン82間に一定の距離Dが確保できるように設置される。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of installing the
As described above, the two
実施例では、放熱フィン82を進行方向に小さくできるので、距離Dを確保したまま、2台のパワーユニット1の搭載間距離L1を短縮できる。すなわち、電力変換装置100の進行方向寸法L2を小さくできる。なお、パワーユニット1は、図5に示す設置の態様に限らず、進行方向に前後して2個以上設置してもよい。
In the embodiment, since the
一方で、図8は、従来の形態における、鉄道車両200の床下の電力変換装置100Aへのパワーユニット1Aの設置例を示す図である。
放熱フィン82Aを備えるパワーユニット1Aでは、距離Dを確保したまま、2台のパワーユニット1Aの搭載間距離L1A(>L1)を短縮することはできず、電力変換装置100Aの進行方向寸法L2Aを小さくできない点が、本発明の実施例とは異なる。
On the other hand, FIG. 8 is a diagram showing an example of installation of the
In the
またここで、本発明の実施例における、発熱損失の大きい半導体素子群6および発熱損失の小さい半導体素子群7に使用される半導体素子について、その配置方向は言及していない。そのため、半導体素子の配置については、例えば、その外形の長辺方向が、進行方向に平行であっても垂直であってもよく、その方向を問わない。
Moreover, the arrangement direction of the semiconductor elements used in the
同様に、使用される半導体素子の種類について、構造の異なる半導体素子を複数種類配置してもよい。 Similarly, regarding the types of semiconductor elements used, a plurality of types of semiconductor elements having different structures may be arranged.
さらに、発熱損失の小さい半導体素子群7に替えて、冷却器8による冷却を要する抵抗器などの発熱体を設置してもよい。
Furthermore, instead of the
ところで、以上で説明した本発明の実施例に係る構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術を組み合わせることも可能であり、また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部の省略も含め種々の変更が可能である。 By the way, the configuration according to the embodiment of the present invention described above shows an example of the content of the present invention, and it is also possible to combine other known techniques without departing from the gist of the present invention. Various changes are possible within the scope, including omission of part of the configuration.
1…パワーユニット、2…フィルタコンデンサ、3…主回路配線、4…ゲート配線、
5…ゲート制御回路、6…発熱損失の大きい半導体素子群、
7…発熱損失の小さい半導体素子群、8…冷却器、81…ヒートブロック、
82…放熱フィン、83…ヒートパイプ、100…電力変換装置、200…鉄道車両
1...Power unit, 2...Filter capacitor, 3...Main circuit wiring, 4...Gate wiring,
5...Gate control circuit, 6...Semiconductor element group with large heat loss,
7...Semiconductor element group with small heat loss, 8...Cooler, 81...Heat block,
82...Radiation fin, 83...Heat pipe, 100...Power converter, 200...Railway vehicle
Claims (4)
前記冷却器を構成するヒートブロックの片面に配置した当該冷却器の放熱フィンの配置位置に対向して、前記ヒートブロックの前記片面の反対面の中央部に発熱損失の大きいモータ制御用のパワースイッチング素子によって構成される第1の半導体素子群と、当該第1の半導体素子群に対して前記鉄道車両の進行方向の両隣の少なくとも一方に発熱損失の小さい過電圧保護回路に使用されるパワースイッチング素子によって構成される第2の半導体素子群とを配置し、
前記放熱フィンが占める前記進行方向の幅が、前記第1および前記第2の半導体素子群を併せた配置範囲の前記進行方向の幅よりも小さい
ことを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device installed in a railway vehicle, comprising a plurality of semiconductor element groups, a cooler for cooling the plurality of semiconductor element groups, and a filter capacitor for power supply smoothing,
A power switch for controlling a motor with large heat loss is provided in the center of the opposite side of the heat block, opposite to the position of the radiation fins of the heat block arranged on one side of the heat block constituting the cooler. A first semiconductor element group constituted by a semiconductor element , and a power switching element used in an overvoltage protection circuit with small heat loss on at least one side of the first semiconductor element group on both sides of the first semiconductor element group in the traveling direction of the railway vehicle. a second semiconductor element group consisting of
A power conversion device characterized in that a width in the traveling direction occupied by the heat radiation fin is smaller than a width in the traveling direction of a total arrangement range of the first and second semiconductor element groups.
前記第1および前記第2の半導体素子群は、同一のラミネートブスバーまたは積層ブスバーによって前記フィルタコンデンサと接続される
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The power conversion device is characterized in that the first and second semiconductor element groups are connected to the filter capacitor by the same laminated busbar or laminated busbar.
前記第2の半導体素子群に替えて抵抗器から成る発熱体を前記第2の半導体素子群の位置に配置する
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1 or 2,
A heating element made of a resistor is placed in place of the second semiconductor element group in place of the second semiconductor element group.
A power conversion device characterized by:
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