JPH06225548A

JPH06225548A - 電気車用インバータ装置

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Publication number: JPH06225548A
Application number: JP5244784A
Authority: JP
Inventors: Hideji Saito; 秀治斉藤; Takashi Tsuboi; 孝坪井; Satoru Horie; 堀江　　哲; Takeshi Ando; 安藤　　武; Eiichi Toyoda; 豊田　　瑛一; Takayuki Matsui; 孝行松井; 敏彦 ▲高▼久; Toshihiko Takaku; Kiyoshi Nakamura; 中村　　清; Kiyoshi Nakada; 仲田　　清
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-10-02
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 1994-08-12
Anticipated expiration: 2014-08-09
Also published as: JP2932140B2

Abstract

(57)【要約】【目的】モータの電磁騒音を低減するとともに、電気
車用インバータ装置を小形化する。【構成】各相のインバータ主回路が、直流電源Ｐ，Ｎ
に半導体スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄を直列接続
し、スイッチモジュールＳＭ₁、ＳＭ₂の接続点及びスイ
ッチモジュールＳＭ₃、ＳＭ₄の接続点を直流電源の中性
点ＯにそれぞれクランプダイオードＤＣ₁、ＤＣ₂を介し
て接続し、スイッチモジュールＳＭ₂とＳＭ₃の接続点を
交流出力としてなる。スイッチモジュールＳＭ₁とＳＭ₄
の損失は負荷電動機の力行時にピークがあり、スイッチ
モジュールＳＭ₂とＳＭ₃の損失は負荷電動機の制動時に
ピークがある。そこで、損失のピークがずれているＳＭ
₁、ＳＭ₂の対と、ＳＭ₃とＳＭ₄の対をそれぞれ同一の受
熱板３１，３２に取付けることにより、冷却器の熱負荷
量を平均化して冷却器５３，５４を小形化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気車用インバータ装
置に係り、特に電車又は電気機関車等の電気車に好敵な
インバータ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気車を駆動する動力システムとして、
インバータ装置により誘導電動機を可変速駆動する方式
が実用されている。

【０００３】このような電気車用インバータ装置は、例
えば複数の車軸に電動機を分散して設けた電車の場合
は、床下の限られたスペースに艤装しなければならない
ことから、できるだけ小形な装置にすることが要望され
ている。同様に、電気機関車の場合であっても、１台の
機関車に搭載可能なインバータ装置群の合計容量を大き
くするために、個々のインバータ装置を小形にすること
が要望されている。

【０００４】従来、電気車駆動用のインバータ主回路の
半導体スイッチ素子は、実開平２−７５７３８号公報又
は文献：ジー・ティー・オー−ストロムリヒターフュ
アバーネン（GTO-Stromrichter fuer Bahnen：SIEMENS,
Sonderdruck ausZEV-Glasers Annalen113(1989)Nr.6/7
juni/juli ページ259〜272)に記載されているように、
ゲートターンオフ・サイリスタ（ＧＴＯサイリスタ）が
用いられている。その理由は、ＧＴＯサイリスタはバイ
ポーラトランジスタ（ＢＴ）やゲート絶縁型バイポーラ
トランジスタ（ＩＧＢＴ）等の他の半導体スイッチ素子
に比べて、耐電圧及び電流容量が比較的大きいのでイン
バータ主回路部分を小形化できるからである。

【０００５】また、従来、出力波形の高調波成分を低減
するため、前記文献（GTO-Stromrichter fuer Bahne
n）に記載されているように、３レベルの直流電圧をス
イッチングして交流出力を発生するいわゆる３レベル・
インバータ（又は、中性点クランプ・インバータとも称
される）が提案されている。この３レベル・インバータ
は、インバータの１相分の主回路が、直流電源に接続さ
れる一対の直流入力端子と、直流電源の中性点に接続さ
れる中性点端子と、一対の直流入力端子間に接続された
第１乃至第４の半導体スイッチ素子の直列接続回路と、
第１と第２の半導体スイッチ素子の接続点と中性点端子
との間に、また第３と第４の半導体スイッチ素子の接続
点と中性点端子との間にそれぞれ接続されたクランプダ
イオードと、第２と第３の半導体スイッチ素子の接続点
に接続された交流出力端子とを含んだ構成とされてい
る。

【０００６】一方、ＧＴＯサイリスタはスイッチング損
失が大きいことから、上記公報や文献に記載されている
ように、冷却効率を高めるためにＧＴＯサイリスタを円
盤状に形成し、その円盤の両面を主電極とし、それらの
主電極に導電性の冷却ブロックをそれぞれ圧接し、その
冷却ブロックの内部に沸騰性の冷媒を封入する構成の冷
却器が用いられている。冷媒としては、ＧＴＯサイリス
タを挟む両側の冷却ブロック相互間、及び冷媒の凝縮部
とＧＴＯサイリスタとの間の絶縁を確保するために、絶
縁性を有する冷媒が用いられる。このような要件を満た
す冷媒として、従来は、主に、冷却性能に優れかつ絶縁
性を有するフロンが用いられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
には次のような解決すべき課題がある。すなわち、ＧＴ
Ｏサイリスタは、素子のスイッチング損失が大きいこ
と、またターンオフ時の電圧上昇を抑制するためのスナ
バコンデンサとスナバ抵抗の容量が大きいこと等の理由
により、スイッチング周波数を高くできず、従来実用さ
れているものは、高々５００Ｈｚ程度である。したがっ
て、電動機駆動用のインバータ装置をＧＴＯサイリスタ
を用いて構成すると、前記の３レベル・インバータを用
いても出力波形の高調波歪の低減に限界があり、電動機
電流のリップルが大きくなって、電動機の電磁騒音が大
きいという問題がある。

【０００８】そこで、スイッチング周波数を高くできる
バイポーラトランジスタ、ゲート絶縁型バイポーラトラ
ンジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳゲートで制御されるサイ
リスタ等、高周波パルスゲート信号により駆動可能な半
導体スイッチ素子（以下、高周波半導体スイッチ素子と
総称する）を適用することが考えられる。

【０００９】しかし、これらの高周波半導体スイッチ素
子として実用されている素子は、一般に、耐電圧レベル
が低い（例えば、汎用のＩＧＢＴは、１２００ｖレベ
ル）から、架線電圧が直流１５００ｖの電気車用にはそ
のままでは適用できない。また、実用されている高周波
半導体スイッチ素子は、一般に、電流容量が比較的小さ
いから、これらを電気車用の大容量インバータ装置（例
えば、単機容量が２００ｋＷ以上の電動機の駆動用）に
適用すると、複数の素子を並列接続して用いることにな
る。

【００１０】したがって、ＩＧＢＴなどの高周波半導体
スイッチ素子を電気車用インバータ装置に適用するに際
しては、インバータ主回路の部分が大形化する傾向があ
るので、装置の構成を工夫し、装置を全体として小形化
することが要望される。

【００１１】また、フロン公害防止の観点から、フロン
沸騰冷却方式の代替冷却方式の採用が要望される。

【００１２】本発明の目的は、ＧＴＯサイリスタよりも
高周波駆動可能な半導体スイッチ素子を用い、かつ装置
全体を小形化できる電気車用インバータ装置を提供する
ことにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の電気車用インバータ装置は、インバータを
構成する各相の主回路が、直流電源に接続される一対の
直流入力端子と、前記直流電源の中性点に接続される中
性点端子と、前記一対の直流入力端子間に接続された第
１乃至第４の半導体スイッチモジュールの直列接続回路
と、前記第１と第２の半導体スイッチモジュールの接続
点及び前記第３と第４の半導体スイッチモジュールの接
続点と前記中性点端子との間にそれぞれ接続されたクラ
ンプダイオードと、前記第２と前記第３の半導体スイッ
チモジュールの接続点に接続された交流出力端子とを含
んで構成される電気車用インバータ装置において、前記
第１乃至第４の半導体スイッチモジュールがそれぞれＧ
ＴＯサイリスタよりも高周波駆動可能な半導体スイッチ
素子を伝熱性を有する基板上に絶縁部材を介して載置さ
れてなり、前記第１と第４の半導体スイッチモジュール
の１つと前記第２と第３の半導体スイッチモジュールの
１つを組み合わせて２つの対に分類し、少なくとも前記
対ごとに共通の受熱板に取付け、該受熱板に該受熱板を
冷却する冷却手段を熱的に接続したことを特徴とする。

【００１４】この場合において、前記半導体スイッチ素
子としては、バイポーラトランジスタとゲート絶縁型バ
イポーラトランジスタとＭＯＳゲートで制御されるサイ
リスタのいずれか１つを選択できる。

【００１５】また、前記２つの対の半導体スイッチモジ
ュールは、対ごとに別々の受熱板に取付けてもよく、又
は全部を同一の受熱板に取付けてもよい。さらに、イン
バータの相ごとに別々の受熱板を形成してもよいし、イ
ンバータの各相に対して受熱板を共通にすることもでき
る。

【００１６】また、受熱板は、インバータの構成部品を
密閉収納する筐体の垂直外壁に形成された開口部に、半
導体スイッチモジュールが取り付けられた面を内側にし
て着脱可能に取付けることが好ましい。この場合、受熱
板に取り付けられる半導体スイッチモジュールを、直列
接続される順序に従って配列することが好ましい。

【００１７】冷却手段は、伝熱部材の一部に放熱フィン
を取り付けて形成し、伝熱部材を各受熱板に一体的に取
り付けるようにすることが、小形化の点で好ましい。伝
熱部材としてはヒートパイプが好ましく、ヒートパイプ
の一部を前記受熱板に埋め込み、該ヒートパイプの露出
部に放熱フィンを取り付けて冷却手段とする。また、前
記受熱板の半導体スイッチモジュールが取り付けられた
面の反対側の面に放熱フィン直接を取り付けてもよい。
この場合、放熱フィンを受熱板と一体に形成することが
できる。

【００１８】

【作用】このように構成することにより、本発明によれ
ば、次の作用により上記各目的が達成できる。

【００１９】基本的に、本発明では、３レベル・インバ
ータ回路を適用しているから、高調波を低減できる。し
かもＧＴＯサイリスタよりも高周波駆動可能な半導体ス
イッチ素子を用いることから、スイッチング周波数を高
くして高調波及び出力電流のリップルを低減できる。こ
れにより、電磁騒音を一層小さくすることができる。な
お、高周波半導体スイッチ素子として、例えばＩＧＢＴ
を用いた場合は、スイッチング周波数を５００〜３ｋＨ
ｚの範囲で選定するのが好ましく、バイポーラトランジ
スタを用いた場合は１ｋＨｚ以上にできる。

【００２０】３レベル・インバータ主回路を形成する第
１乃至第４の半導体スイッチ素子の損失（発熱量）は、
電気車電動機の動作モード（力行、惰行、制動）に関連
して変化する。第１と第４の半導体スイッチ素子の損失
は力行時にピークがあり、第２と第３の半導体スイッチ
素子の損失は制動時にピークがあることが判明した。そ
こで、損失のピークがずれている第１と第２又は第３と
第４の半導体スイッチモジュールを共通の受熱板に取付
け、その受熱板に冷却器を取付けることにより、冷却器
の熱負荷量を時間的に平均化することができる。その結
果、冷却器を小形化できるから、装置全体の小形化に寄
与できる。

【００２１】また、フリーホィーリングダイオードを半
導体スイッチ素子と同一の基板上に載置して半導体スイ
ッチモジュールを形成し、この半導体スイッチモジュー
ルを受熱板に取り付けるようにしたものによれば、発熱
する半導体素子とその冷却系統を集約できるので、装置
全体の小形化に寄与できる。

【００２２】さらに、クランプダイオードを半導体スイ
ッチモジュールと同一の受熱板に取り付ければ、発熱半
導体素子とその冷却系統を一層集約できるので、装置全
体の小形化に寄与できる。

【００２３】一方、半導体スイッチモジュールを構成す
る半導体スイッチ素子及びフリーホイーリングダイオー
ドを絶縁部材を介して基板に載置した。つまり、その絶
縁部材により半導体スイッチ素子等の対地絶縁をモジュ
ール内部で確保する構成とした。したがって、半導体ス
イッチモジュールを取り付ける受熱板は接地でき、受熱
板及び受熱板に熱的に接続する冷却器の対地絶縁をとる
必要がないから、冷却システムの構成を簡単化でき、装
置全体の小形化に寄与する。

【００２４】また、受熱板を接地できるから、受熱板と
冷却器とを熱的に接続する伝熱部材として、水を冷媒と
する簡単な構造のヒートパイプを適用でき、冷却性能を
確保するとともに、有害なフロンを用いなくて済む。

【００２５】また、受熱板を接地できることからインバ
ータ構成部品を密閉収納する筐体に直接取り付けること
ができる。そこで、受熱板を筐体の外壁に形成された開
口部に着脱可能に取付ければ、受熱板が筐体の外部に露
出する。その結果、露出した受熱板の表面も放熱面とし
て有効に作用するから、従来のように受熱板を筐体内に
設置した場合に比べて、筐体内部の温度上昇を抑えるこ
とができ、しかも冷却器の放熱容量を低減して小形化で
きる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を図示実施例に基づいて説明す
る。本発明の一実施例の電車用インバータ装置を図１乃
至図７を用いて説明する。図１は電車用インバータ装置
の１相分の主要部の構成図、図２は図１の矢印 II−II
から見た構成図、図３（Ａ）は半導体スイッチモジュー
ルとクランプダイオードの受熱板上の配置を示す拡大
図、図３（Ｂ）は半導体スイッチモジュールとクランプ
ダイオード間の電気的接続を示す図、図４は本実施例に
かかる半導体スイッチモジュールの構成を一部を破断し
て示した斜視図、図５は本実施例の電車用インバータ装
置の全体系統構成図、図６は１相分のインバータ主回路
の構成図である。

【００２７】まず、図５と図６を参照して、本実施例の
電車用インバータ装置の全体的な構成及びインバータ主
回路について説明する。図５に示すように、本実施例の
電車用インバータ装置が適用される電車の駆動装置は４
台の誘導電動機Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃、Ｍ₄を有して構成されて
いる。これらの４台の誘導電動機に対して同一構成の２
台のインバータ装置１Ａ，Ｂを設け、インバータ装置１
Ａにより誘導電動機Ｍ₁、Ｍ₂を駆動し、インバータ装置
１Ｂにより誘導電動機Ｍ₃、Ｍ₄を駆動するようにしてい
る。各インバータ装置１Ａ，Ｂはそれぞれ３相のインバ
ータ主回路を、各相ごとに分割してなるパワーユニット
ＰＵ₁〜ＰＵ₃を含んで構成されている。各パワーユニッ
トＰＵ₁〜ＰＵ₃の一方の直流入力端は、遮断器３、開放
スイッチ４Ａ，Ｂ、及びフィルタリアクトル５Ａ，Ｂを
介してパンタグラフ２に接続され、他方の直流入力端は
接地されている。

【００２８】各パワーユニットＰＵ₁〜ＰＵ₃の主回路
は、図６に示すように、いわゆる３レベル・インバータ
回路が適用されている。図６は、インバータの１相分の
主回路を示しており、一対の直流入力端子Ｐ，Ｎのう
ち、Ｐは図３のパンタグラフ２に接続された直流ライン
に接続され、Ｎは接地される。この一対の直流入力端子
Ｐ，Ｎに２個のフィルタコンデンサＣＦ₁，ＣＦ₂の直列
回路が接続され、フィルタコンデンサＣＦ₁とＣＦ₂の接
続点は直流電源の中性点であり、中性点端子Ｏに接続さ
れている。一対の直流入力端子Ｐ，Ｎ間に４個の半導体
スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄の直列回路が接続され
ている。各半導体スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄は、
それぞれＩＧＢＴＱ₁〜Ｑ₄とフリーホイーリングダイ
オードＤＦ₁〜ＤＦ₄とを逆並列接続して構成されてい
る。半導体スイッチモジュールＳＭ₁とＳＭ₂の接続点及
び半導体スイッチモジュールＳＭ₃とＳＭ₄の接続点は、
それぞれクランプダイオードＤＣ₁とＤＣ₂を介して中性
点端子Ｏに接続されている。そして、半導体スイッチモ
ジュールＳＭ₂とＳＭ₃の接続点が交流出力端子Ｍに接続
されている。

【００２９】スナバ回路は、スナバコンデンサＣＳ₁、
ＣＳ₂、スナバダイオードＤＳ₁〜ＤＳ₄、スナバ抵抗Ｒ
Ｓ₁〜ＲＳ₃から構成されている。スナバコンデンサＣＳ
₁、ＣＳ₂はそれぞれ３つのコンデンサＣ₁〜Ｃ₃をデルタ
型に接続して構成されている。また、各半導体スイッチ
モジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄の各ゲートにはゲートドライバ
ＧＤにより増幅されたゲートパルスが入力されるように
なっている。

【００３０】ここで、パワーユニットＰＵの具体的な構
造を図１乃至図４を参照して説明する。図１は、１つの
パワーユニットを側面から見た主要部の構成図である。
図２は、図１の矢印 II−II から見た構成図である。図
３（Ａ），（Ｂ）は受熱板上の半導体スイッチモジュー
ルとクランプダイオードの配置及び電気的接続を示す拡
大図である。

【００３１】それらの図に示すように、半導体スイッチ
モジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄はそれぞれ横に並べた２つの半
導体スイッチモジュールを並列接続して構成している。
正側の半導体スイッチモジュールＳＭ₁とＳＭ₂は第１の
受熱板３１の表面に縦に並べて取り付けられ、負側の半
導体スイッチモジュールＳＭ₃とＳＭ₄は第２の受熱板３
２の表面に縦に並べて取り付けられている。また、各受
熱板３１，３２の表面に、クランプダイオードＤＣ₁と
ＤＣ₂が取り付けられている。クランプダイオードＤ
Ｃ₁、ＤＣ₂も、２つのダイオードを並列接続して構成し
ている。それらの半導体スイッチモジュールＳＭ₁〜Ｓ
Ｍ₄とクランプダイオードＤＣ₁、ＤＣ₂は、図３（Ｂ）
に示すように、図６の回路構成にしたがって導体１１〜
１６により接続されている。

【００３２】半導体スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ
₄は、同一の構成であり、図４に一部破断して示した斜
視図のような構造になっている。すなわち、銅等の伝熱
性に優れた材料により形成された基板２１の上にアルミ
ナ等の絶縁板２２を載置し、その絶縁板２２の上に導電
性を有する銅板等の第１の主電極２３を載置し、その主
電極２３の上に導電性を有するモリブデン等の熱応力緩
和板２４を複数載置し、各熱応力緩和板２４の上にＩＧ
ＢＴ素子２５を載置し、また第１の主電極２３の上に導
電性を有する銅板等の第２の主電極２６ａを絶縁板２６
ｂを介して載置し、これら全体を絶縁ケース２７でカバ
ーした構造となっている。絶縁ケース２７の外面に一対
の主電極端子２８と、ゲート端子２９が露出して設けら
れている。また、図示していないが、ＩＧＢＴ素子
（Ｑ）２５に逆並列接続されるフリーホィーリングダイ
オードＤＦも第１の主電極２３上に載置されている。そ
して、基板２１に設けられたボルト穴３０により第１，
第２の受熱板３１，３２に密着させて取り付けるように
なっている。

【００３３】第１と第２の受熱板３１，３２はアルミニ
ュウム等の伝熱性に優れた材料で形成されている。各受
熱板３１，３２は矩形枠状に形成されたパワーユニット
支持枠３３にボルト３４により固定して取り付けられて
いる。

【００３４】このパワーユニット支持枠３３の周辺部に
鍔部３５が設けられている。図１に一部のみが表されて
いる筐体３６はインバータの構成部品を収納するもので
あり、その筐体３６の側面の開口部の周辺に枠状の取付
け座３７が形成されている。前記パワーユニット支持枠
の鍔部３５をパッキン３９を介して取付け座３７にボル
ト３８で固定し、パワーユニット支持枠３３を筐体３６
に取り付けている。すなわち、受熱板３１，３２及びパ
ワーユニット支持枠３３により筐体３６の側面の一部が
形成され、パッキン３９により気密が確保されている。

【００３５】受熱板３１，３２に対し半導体スイッチモ
ジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄を挟む位置に部品支持部材４０が
設けられている。この部品支持部材４０は腕部材４１に
よりパワーユニット支持枠３３に固定されている。この
部品支持部材４０にスナバコンデンサＣＳ₁、ＣＳ₂及び
スナバダイオードＤＳ₁〜ＤＳ₄を半導体スイッチモジュ
ールＳＭ₁〜ＳＭ₄に対向させて取り付けられている。こ
れにより、スナバ回路の配線を最短距離で実現できるよ
うにしている。

【００３６】この部品取付け主部材４０の反対側の面
に、エポキシ樹脂等の絶縁材からなる端子台４２〜４５
が取り付けられ、これらの端子台４２〜４５に直流入力
端子Ｐ，Ｎ、中性点端子Ｏ、交流出力端子Ｍが支持され
ている。また、端子台４２〜４５に並べて、電流変成器
ＣＴとゲートドライバＧＤ（ＧＤ₁、ＧＤ₂）が部品支持
部材４０に取り付けられている。これらのＣＴとＧＤの
下側の空間に、フィルタコンデンサＣＦ₁、ＣＦ₂が配置
されている。なお、ゲートドライバＧＤ₁とＧＤ₂は、そ
れぞれ半導体スイッチモジュールの正側と負側に対応す
るものである。

【００３７】受熱板３１，３２には、それぞれ複数のヒ
ートパイプ５１とそのヒートパイプ５１に取り付けられ
た放熱フィン５２からなる冷却器５３，５４が熱的に取
り付けられている。ヒートパイプ５１は銅等の伝熱性及
び加工性に優れた材料で形成されており、パイプ内部に
沸騰冷媒としての水が注入され、低い温度で沸騰を容易
にするためや、非凝縮ガスが混入しないように負圧に調
整されている。

【００３８】本実施例の場合は、ヒートパイプ５１をＬ
型に曲げ、一方の直管部を受熱板３１，３２に埋め込ん
で熱的に接続して蒸発部５１ａとするとともに、ヒート
パイプ５１を受熱板に支持させている。他方の直管部を
水平面に対して少し上方向に傾けて設け、この部分に複
数の放熱フィン５２を取り付けて凝縮部５１ｂとしてい
る。また、凝縮部５１ｂの先端を振れ止め５５で連結
し、これを受熱板３１，３２又はパワーユニット支持枠
３３に固定し、ヒートパイプ５１の振れをパワーユニッ
ト支持枠３３と同一の振動系にしている。

【００３９】このように構成される電車用インバータ装
置の動作について、本発明の特徴部を中心に次に説明す
る。

【００４０】本実施例の電車用インバータ装置を駆動制
御するゲートパルスは、図示していないＰＷＭ制御装置
において周知の３レベル・インバータの基本動作に従っ
て生成される(参考文献:アニューニュートラルポイ
ントクランプド PWM インバータ (A New Neutral-Poin
t-Clamped PWM Inverter, IEEE Transactions on indus
try applications ,vol.1A-17,No.5,september/october
1981))。すなわち、３レベル・インバータの動作の基
本は半導体スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄を次の３通
りの導通モードに従いオン・オフさせ、交流出力端子Ｍ
に３レベルの電圧を選択的に出力する。ここでは、直流
全電圧をＥｄとし、中性点電圧を０ｖと仮想して示す。

【００４１】ＳＭ₁ ＳＭ₂ ＳＭ₃ ＳＭ₄ 出力電圧第１の導通モードオンオンオフオフＥｄ／２第２の導通モードオフオンオンオフ０第３の導通モードオフオフオンオン −Ｅｄ／２このような３レベル・インバータによれば、通常の２レ
ベル・インバータに比べて、出力電圧パルスの電圧レベ
ルのステップ数が増加し、見かけ上のスイッチング周波
数が高められるので、高調波が低減される。また、半導
体スイッチ素子としてＩＧＢＴを用いていることから、
スイッチング周波数を５００Ｈｚ〜３ｋＨＺの範囲に高
くでき、この点からも高調波を抑制して電磁騒音を減少
できる。

【００４２】また、ＰＷＭ制御装置は上記３つの導通モ
ード及び指定される電車の目標速度及び走行モードに従
ってゲートパルスを生成し、ゲートドライバを介して各
半導体スイッチモジュールをオン・オフ制御し、インバ
ータ装置の出力電圧及び周波数を可変制御するととも
に、電車の走行モード（力行、惰行、制動）に従ってイ
ンバータ装置を制御する。

【００４３】半導体スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄は
オン動作時の損失により発熱する。本実施例ではその熱
を受熱板３１，３２と冷却器５３，５４からなる冷却シ
ステムにより放熱し、所定の許容温度以下に保持するよ
うにしている。すなわち、まず、半導体スイッチモジュ
ールＳＭ₁〜ＳＭ₄の熱は、基板２１を介して受熱板３
１，３２に伝わり受熱板３１，３２の温度が上昇する。
次に、受熱板３１，３２の温度上昇によりヒートパイプ
５１の蒸発部５１ａ内の水が沸騰して蒸発し、その蒸発
熱により受熱板３１，３２が冷却される。ヒートパイプ
５１内の蒸発した水は凝縮部５１ｂに導かれ、放熱フィ
ンを介して電車の走行風（基本的に、紙面に直角な方向
の風）と熱交換して凝縮する。その凝縮した水はヒート
パイプ５１の内壁を伝わって蒸発部５１ａに還流し、上
述した冷却動作が繰り返される。

【００４４】ところで、３レベル・インバータを形成す
る半導体スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄の損失（発熱
量）は、図７（ａ），（ｂ）に示す半導体素子発熱サイ
クルのように、電気車の走行モード（力行、惰行、制
動）に関連することが判明した。つまり、半導体スイッ
チモジュールＳＭ₁とＳＭ₄の損失は力行時にピークがあ
り、半導体スイッチモジュールＳＭ₂とＳＭ₃の損失は制
動時にピークがある。

【００４５】このことに鑑み、本実施例では図１に示す
ように、損失のピークがずれているＳＭ₁とＳＭ₂の対を
同一の受熱板３１に取付け、同様にＳＭ₃とＳＭ₄の対を
同一の受熱板３２に取付けている。これにより、力行時
と制動時における受熱板への入熱量が均等化され、半導
体スイッチモジュールＳＭ₁〜ＳＭ₄に対して冷却器を個
別に設けた場合よりも、冷却器５３，５４の熱負荷量が
平均化されるから、冷却器を小形化することができる。

【００４６】また、ＩＧＢＴと同一の基板上にフリーホ
ィーリングダイオードＤＦを載置して半導体スイッチモ
ジュールＳＭを形成し、発熱する半導体素子とその冷却
系統を集約しているから、装置全体の小形化に寄与す
る。

【００４７】同様に、クランプダイオードＤＣ₁とＤＣ₂
を半導体スイッチモジュールＳＭと同一の受熱板３１，
３２に取り付けているので、発熱半導体素子とその冷却
系統を一層集約でき、装置全体の小形化に寄与する。ま
た、クランプダイオードＤＣ₁、ＤＣ₂の損失は電車の走
行モードに対応して図７（ｃ）のように変化するから、
冷却器を個別に設ける場合に比較して、冷却器の熱負荷
量をある程度平均化できる。

【００４８】一方、図４に示すように、半導体スイッチ
モジュールＳＭを構成するＩＧＢＴ及びフリーホイーリ
ングダイオードＤＦを、絶縁板２２を介して基板２１に
載置し、半導体素子の対地絶縁をモジュール内部で確保
する構成としたことから、受熱板３１，３２を接地電位
にすること可能になる。これにより、受熱板３１，３２
及び冷却器５３，５４の対地絶縁が不要になるから、冷
却システムの構成を簡単化でき、装置全体の小形化に寄
与するとともに、受熱板３１，３２と冷却器５３，５４
とを熱的に接続する伝熱部材として、絶縁性を有しない
水等の冷媒を用いたヒートパイプを適用できる。したが
って、冷却能力を損なうことなく、有害なフロンを用い
ない冷却システムを実現できる。

【００４９】また、受熱板を接地電位にできることにと
もない、受熱板３１，３２を筐体３６の垂直外壁に形成
された開口部に、半導体スイッチモジュールＳＭを内側
にして着脱可能に取付けたことから、受熱板３１，３２
の片方の面が筐体３６の外部に露出する。その結果、従
来のように受熱板全体を筐体内に設置した場合に比べ
て、露出した受熱板の表面も放熱面として有効に作用す
るから、その放熱量の分だけ筐体内部の温度上昇を抑え
ることができ、しかも冷却器の放熱容量を低減して小形
化できる。

【００５０】本発明は、上記の実施例に限らず、例えば
次のように変形して実現できる。

【００５１】高周波半導体スイッチ素子はＩＧＢＴに限
られるものではなく、バイポーラトランジスタやＭＯＳ
ゲートにより制御されるサイリスタ等のように、ＧＴＯ
よりも高周波駆動可能な半導体スイッチ素子を適用して
も同一の効果が得られる。

【００５２】受熱板を受熱板３１と３２に分割し、それ
ぞれに冷却器５３，５４を取り付けた例を示したが、受
熱板３１，３２を一体化しても上記の効果は変わらな
い。しかし、受熱板に予め冷却器を取り付けた後、組立
てすることを考慮すると、受熱板を２つに分割した方
が、組立て時の取り扱いが容易である。

【００５３】受熱板３１，３２を半導体スイッチモジュ
ール側と冷却器側に２つ割りし、受熱板を２層構造にし
てもよい。これによれば、更に製作、組立てが容易にな
る。しかし、２層の受熱板間の伝熱抵抗により冷却効果
が低下するおそれがある。

【００５４】受熱板の分割については、図８に示すいく
つかの分割法が適用できる。同図は受熱板の分割法Ａ乃
至Ｄを説明するために、３相のインバータ主回路部分を
簡略化して示している。図８に示した分割法Ａは上記実
施例に対応するものであり、受熱板をＵ，Ｖ及びＷ相ご
とにかつ正側アーム（ＳＭ１とＳＭ２）と負側アーム
（ＳＭ３，ＳＭ４）に対応させて６つに分ける例であ
る。分割法Ｂは、受熱板をＵ，Ｖ及びＷ相ごとの３つに
分け、正側アーム（ＳＭ１とＳＭ２）と負側アーム（Ｓ
Ｍ３，ＳＭ４）を共通の受熱板に取り付ける例である。
分割法Ｃは、受熱板を正側アーム（ＳＭ１とＳＭ２）と
負側アーム（ＳＭ３，ＳＭ４）に対応させて２つに分
け、Ｕ，Ｖ及びＷ相は共通にする例である。分割法Ｃ
は、受熱板を３相の正側アーム（ＳＭ１とＳＭ２）と負
側アーム（ＳＭ３，ＳＭ４）に対して共通にする例であ
る。いずれの分割法も、損失のピークが動作モードによ
り異なる各相２つの半導体スイッチモジュールＳＭ（Ｓ
Ｍ１とＳＭ２又はＳＭ３の組合せ、又はＳＭ４とＳＭ２
又はＳＭ３の組合せ）が少なくとも共通の受熱板に取り
付けられている。

【００５５】冷却器については、上記実施例のヒートパ
イプを用いたものに限らず、図９に示すように、受熱板
３１（又は３２）に放熱フィン５７を一体形成又は一体
的に取り付けるようにしてもよい。受熱板３１をアルミ
ニウムで形成する場合は、放熱フィン５７を押出し成形
又は引き抜き成形により受熱板３１と一体形成すること
が好ましい。また、図示していないが、紙面に直交する
方向に気流を生じさせるように送風ファンを設けること
により、冷却能力を高めることができる。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
次の効果がある。

【００５７】まず、基本的には、３レベル・インバータ
回路を適用しているから、高調波を低減でき、しかもＧ
ＴＯサイリスタよりも高周波駆動可能な半導体スイッチ
素子を用いることから、スイッチング周波数を高くして
高調波及び出力電流のリップルを低減でき、電磁騒音を
一層小さくすることができる。

【００５８】また、電車の電動機の力行、制動の運転モ
ードに応じて、３レベル・インバータ主回路を形成する
第１と第２の半導体スイッチ素子の対の損失と、第３と
第４の半導体スイッチ素子の対の損失が平均化されるこ
とに鑑み、同一の対の半導体スイッチモジュールを同一
の受熱板に取付け、その受熱板に冷却器を取付けた構成
としていることから、冷却器の熱負荷量を平均化するこ
とができる。その結果、冷却器を小形化できるから、装
置全体の小形化に寄与できる。

【００５９】また、フリーホィーリングダイオードを半
導体スイッチ素子と同一の基板上に載置して半導体スイ
ッチモジュールを形成し、この半導体スイッチモジュー
ルを受熱板に取り付けるようにしたものによれば、発熱
する半導体素子とその冷却系統を集約できるので、装置
全体の小形化に寄与できる。

【００６０】さらに、クランプダイオードを半導体スイ
ッチモジュールと同一の受熱板に取り付ければ、発熱半
導体素子とその冷却系統を一層集約できるので、装置全
体の小形化に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明を適用してなる一実施例の電気車
用インバータ装置の主要部の構成図である。

【図２】図２は図１の実施例を矢印 II−II から見た構
成図である。

【図３】図３（Ａ）は半導体スイッチモジュールとクラ
ンプダイオードの受熱板上の配置を示す拡大図である。
図３（Ｂ）は半導体スイッチモジュールとクランプダイ
オード間の電気的接続を示す図である。

【図４】図４は本発明の一実施例にかかる半導体スイッ
チモジュールの構成を一部を破断して示した斜視図であ
る。

【図５】図５は電車のインバータ装置の動力系統構成図
である。

【図６】図６は本発明にかかる３レベル・インバータの
１相分の主回路構成図である。

【図７】図７はインバータの運転モードに対応させて、
半導体スイッチモジュールとクランプダイオードとの損
失を示した線図である。

【図８】図８は受熱板の分割法を説明するためのインバ
ータ主回路構成図である。

【図９】図９は冷却器の他の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１Ａ，Ｂインバータ装置１１〜１６導体２１基板２２絶縁板２３主電極２４熱応力緩和板２５ＩＢＧＴ素子２７絶縁ケース２８主電極端子２９ゲート端子３１，３２受熱板３３パワーユニット支持枠３５鍔部３６筐体３７取付け座３９パッキン４０部品支持部材４１腕部材４２〜４５端子台５１ヒートパイプ５２放熱フィン５３，５４冷却器５５振れ止め５７放熱フィンＰＵ₁〜ＰＵ₃ パワーユニットＳＭ₁〜ＳＭ₄ 半導体スイッチモジュールＱ₁〜Ｑ₄ ＩＧＢＴＤＦ₁〜ＤＦ₄ フリーホィーリングダイオードＣＳ₁〜ＣＳ₂ スナバコンデンサＤＳ₁〜ＤＳ₄ スナバダイオードＲＳ₁〜ＲＳ₃ スナバ抵抗ＤＣ₁、ＤＣ₂ クランプダイオードＣＦ₁、ＣＦ₂ フィルタコンデンサＣＴ電流変成器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安藤武茨城県勝田市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (72)発明者豊田瑛一茨城県勝田市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (72)発明者松井孝行茨城県勝田市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (72)発明者 ▲高▼久敏彦茨城県勝田市堀口832番地の２日立システムプラザ勝田日立水戸エンジニアリング株式会社内 (72)発明者中村清茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者仲田清茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インバータ（１）を構成する各相の主回
路が、直流電源に接続される一対の直流入力端子（Ｐ，
Ｎ）と、前記直流電源の中性点に接続される中性点端子
（Ｏ）と、前記一対の直流入力端子間に接続された第１
乃至第４の半導体スイッチモジュール（ＳＭ₁〜ＳＭ₄）
の直列接続回路と、前記第１と第２の半導体スイッチモ
ジュールの接続点（１２）及び前記第３と第４の半導体
スイッチモジュールの接続点（１４）と前記中性点端子
との間にそれぞれ接続されたクランプダイオード（ＤＣ
₁，ＤＣ₂）と、前記第２と前記第３の半導体スイッチモ
ジュールの接続点に接続された交流出力端子（Ｍ）とを
含んで構成されてなる電気車用インバータ装置におい
て、前記第１乃至第４の半導体スイッチモジュールがそれぞ
れＧＴＯサイリスタよりも高周波駆動可能な半導体スイ
ッチ素子（Ｑ₁〜Ｑ₄）を伝熱性を有する基板（２１）上
に絶縁部材（２２）を介して載置されてなり、前記第１と第４の半導体スイッチモジュール（ＳＭ₁，
ＳＭ₄）の１つと前記第２と第３の半導体スイッチモジ
ュール（ＳＭ₂，ＳＭ₃）の１つを組み合わせて２つの対
に分類し、少なくとも前記対ごとに共通の受熱板（３
１，３２）に取付け、該受熱板に該受熱板を冷却する
冷却手段（５３，５４，５７）を熱的に接続したことを
特徴とする電気車用インバータ装置。
【請求項２】請求項１において、前記半導体スイッチ
素子がバイポーラトランジスタとゲート絶縁型バイポー
ラトランジスタとＭＯＳゲートで制御されるサイリスタ
のいずれか１つであることを特徴とする電気車用インバ
ータ装置。
【請求項３】請求項１において、前記２つの対が、前記インバータ主回路の各相ごとに分
類された前記第１と第２の半導体スイッチモジュール
（ＳＭ₁，ＳＭ₂）の対と、前記第３と第４の半導体スイ
ッチモジュール（ＳＭ₃，ＳＭ₄）の対とからなり、前記受熱板が、前記インバータ主回路の各相ごとにかつ
前記２つの対ごとに別々に設けられてなることを特徴と
する電気車用インバータ装置。
【請求項４】請求項１において、前記受熱板が、前記２つの対に対して共通に、かつ前記
インバータ主回路の各相ごとに別々に形成されてなるこ
とを特徴とする電気車用インバータ装置。
【請求項５】請求項１において、前記２つの対が、前記インバータ主回路の各相ごとに分
類された前記第１と第２の半導体スイッチモジュールの
対と、前記第３と第４の半導体スイッチモジュールの対
とからなり、前記受熱板が、前記２つの対に共通に形成されてなるこ
とを特徴とする電気車用インバータ装置。
【請求項６】請求項１において、前記２つの対が、前記インバータ主回路の各相ごとに分
類された前記第１と第２の半導体スイッチモジュールの
対と、前記第３と第４の半導体スイッチモジュールの対
とからなり、前記受熱板が、前記２つの対ごとに別々に、かつ前記イ
ンバータ主回路の各相に対して共通に形成されてなるこ
とを特徴とする電気車用インバータ装置。
【請求項７】請求項１において、前記受熱板が、前記２つの対に対して共通に、かつ前記
インバータ主回路の各相に対して共通に設けられてなる
ことを特徴とする電気車用インバータ装置。
【請求項８】請求項１乃至７のいずれかにおいて、前記クランプダイオードを前記受熱板に取り付けたこと
を特徴とする電気車用インバータ装置。
【請求項９】請求項１乃至８のいずれかにおいて、前記受熱板が、前記インバータの構成部品を密閉収納す
る筐体の外壁に形成された開口部に、前記半導体スイッ
チモジュールが取り付けられた面を前記筐体の内側にし
て着脱可能に取付けられたことを特徴とする電気車用イ
ンバータ装置。
【請求項１０】請求項９において、前記受熱板に取り付けられる前記第１乃至第４の半導体
スイッチモジュールを、直列接続される順序に従って配
列したことを特徴とする電気車用インバータ装置。
【請求項１１】請求項１乃至１０のいずれかにおい
て、前記冷却手段が、ヒートパイプ（５１）の一部（５１
ａ）を前記受熱板に埋め込み、該ヒートパイプの露出部
に放熱フィン（５２）を取り付けて形成されたことを特
徴とする電気車用インバータ装置。
【請求項１２】請求項１乃至１０のいずれかにおい
て、前記冷却手段が、前記受熱板の前記半導体スイッチモジ
ュールが取り付けられた面の反対側の面に熱的に接続さ
れた放熱フィン（５７）であることを特徴とする電気車
用インバータ装置。
【請求項１３】請求項１２において、前記放熱フィンが、前記受熱板と一体に形成されたもの
であることを特徴とする電気車用インバータ装置。