JPH0715975A - 半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】交流電気車のコンバータとインバータからなる
電力変換装置の半導体冷却装置において、従来のものよ
り冷却装置を小型軽量化する。 【構成】電力変換装置において、コンバータ部，インバ
ータ部に発生する損失のピークの時期が異なることに着
目し、コンバータ部，インバータ部の放熱器３，４の冷
媒を共通化し、両者の発生する熱量を同一の放熱器で放
散することを特徴とする半導体冷却装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流電気車に用いられ
るコンバータとインバータからなる電力変換装置の半導
体冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、交流電気車に用いられるコンバー
タとインバータからなる電力変換装置の半導体冷却装置
は、特開昭63−170947号公報に示すように、独立したコ
ンバータ部とインバータ部を組み合せて冷却する構造と
なっていた。

【０００３】図２は、２組のコンバータとインバータか
らなる電力変換装置を持つ交流電気車の半導体冷却装置
の一実施例を示す図である。送風機１で吸い込まれた外
気は、コンバータ部３を冷却した後、インバータ部５を
冷却し、装置外へ排出される。同様に、送風機２にて吸
い込まれた外気は、コンバータ部４を冷却した後、イン
バータ部６を冷却し、装置外へ排出される。この時の冷
却風の温度変化は図２の下側に示す通り、外気温がコン
バータ部で上昇し、更にコンバータ部で上昇した結果、
排気温となる。

【０００４】一般に、電力変換装置の半導体に発生する
損失は、半導体素子に印加される電圧，半導体に流れる
電流，スイッチング周波数に比例する。

【０００５】ここで、インバータによって交流電動機を
駆動する交流電気車の場合、その制御は大きく分けて三
つの領域に分類される。すなわち、定トルク領域，定出
力領域，特性領域である。

【０００６】定トルク領域では、交流電動機に印加され
る電圧が、電圧／周波数が一定となるようにインバータ
周波数に比例して増加する。このとき電流は一定とな
る。よって出力は、インバータ周波数に比例して増加す
る。

【０００７】定出力領域では、交流電動機に印加される
電圧と交流電動機に流れる電流の積すなわち出力が一定
となるように制御される。

【０００８】特性領域では、交流電動機に印加される電
圧は一定となり、交流電動機に流れる電流はインバータ
周波数に反比例して減少する。よって、出力はインバー
タ周波数に反比例して減少する。

【０００９】コンバータ部は、電源に同期したある一定
のパルス数，周波数で動作するため、半導体素子のスイ
ッチング周波数は、常に一定となる。また出力電圧を一
定とすれば、コンバータ部に発生する損失は、出力電流
に比例して増加する。よってコンバータ部に発生する損
失は、インバータ部に送り込む出力に比例するため、定
トルク領域ではインバータ周波数に比例して増加し、定
出力領域ではインバータ周波数によらず一定、特性領域
ではインバータ周波数に反比例して減少する。インバー
タ部に発生する損失は、半導体素子のスイッチング周波
数によって変化するが、パルスモード切り替えを行う同
期制御では、スイッチング周波数＝パルスモード×イン
バータ周波数で表されるため、図３のようになる。これ
は、半導体素子のスイッチング周波数が、その半導体素
子の許容できる周波数上限となった場合、パルスモード
を切り替えてスイッチング周波数を下げる制御を行って
いるためである。

【００１０】図３に、コンバータ部，インバータ部それ
ぞれの発生する損失の例を、横軸にインバータ周波数を
とって示す。このインバータ周波数からすべり周波数を
増減したものが、誘導電動機のロータ周波数となり、誘
導電動機は歯車で車輪と結合しているので、インバータ
周波数は、ほぼ速度に比例する。このすべり周波数は、
インバータ周波数の２〜３％であるから、インバータ周
波数は、ほぼ交流電気車の速度に比例すると考えてよ
い。

【００１１】本特性図は、一般的なコンバータ・インバ
ータを用いた交流電気車の特性図を示しており、速度上
昇と共に、定トルク領域，定出力領域，特性領域と制御
領域が変化している。

【００１２】コンバータ部については、定トルク領域で
は、入力電流が増加するため損失も増加し、定出力領域
では、入力電流が一定のため損失も一定となるが、イン
バータが１パルスに入った段階で出力電圧を上げている
ことにより、この部分で損失が増加している。このよう
な制御を行うことにより、インバータが１パルスモード
に入る周波数を低くすることができ、インバータの損失
を低減することが出来る。特性領域では、出力電流が減
少するため、損失は減少している。

【００１３】インバータ部については、定トルク領域で
は、出力電流は一定であるが、パルスモードごとにスイ
ッチング周波数が増加するため、損失も増加し、パルス
モードが切り替わりスイッチング周波数が減少すると損
失が減るという繰返しを行っている。このとき、同時に
出力電圧も増加するため、パルスモードの少ない方が全
般的に損失は増加している。

【００１４】定出力領域では、出力電圧の増加と同時
に、出力電流が減少している。このため、損失は減少し
ている。また、１パルス領域に入るとそれ以上出力電圧
が増加しないため、出力電流は一定となる。このため損
失は、スイッチング周波数が増加する分僅かに増加す
る。

【００１５】特性領域に入ると、出力電圧が一定で、出
力電流は減少することから、スイッチング周波数は増加
するものの、損失は減少する。

【００１６】コンバータ部とインバータ部に発生する損
失それぞれの最大値は、コンバータ部の損失の最大値は
定出力域であるが、インバータ部の損失の最大値は電流
・電圧パターンおよびパルスモード切り替え周波数パタ
ーンによって変化するため、一般的には同じインバータ
周波数で発生しない。多くの場合、定トルク領域で発生
する。

【００１７】この半導体冷却装置の熱設計をする場合、
放熱器の熱時定数が短いため、コンバータ部，インバー
タ部の放熱器の容量は、それぞれの損失最大時に発生す
る熱量を放散出来る容量とする必要があった。

【００１８】すなわち、例えばコンバータに発生する損
失の最大値が３０００Ｗ，インバータに発生する損失の
最大値が３０００Ｗである電力変換装置では、合計６０
００Ｗの能力を持つ放熱器を設計する必要があった。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の半
導体冷却装置では、コンバータ部，インバータ部の放熱
器の容量は、それぞれの損失最大時に発生する熱量を放
散出来る容量で設計する必要があり、放熱器が大形化す
る問題があった。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するためにつぎのような手段を講じた。すなわち、
本発明では、コンバータ部，インバータ部に発生する損
失のピークの時期が異なることに着目し、コンバータ
部，インバータ部の放熱器の冷媒を共通にした。

【００２１】

【作用】図１は、本発明を表したものであるが、放熱器
の冷媒を共通にしたコンバータ部，インバータ部を特徴
とする。このように、コンバータ部，インバータ部の放
熱器の冷媒を一体化したことにより、両者の発生する熱
量を同一の放熱器で放散することになる。送風機１にて
吸い込まれた外気は、コンバータ部，インバータ部共通
の放熱器３を冷却した後、装置外へ排出される。

【００２２】ところで、図３に示す通り、コンバータ
部，インバータ部それぞれの発生する損失を、横軸にイ
ンバータ周波数（交流電気車の速度にほぼ比例する）を
とって表すと、コンバータ部とインバータ部の損失が最
大になる時は通常一致しない。よって、コンバータ部，
インバータ部それぞれの発生する損失の最大値を合計し
た値で設計する必要は無くなる。

【００２３】このため、図３の例をとると、コンバータ
に発生する損失の最大値が３０００Ｗ，インバータに発
生する損失の最大値が３０００Ｗである電力変換装置に
おいても、合計６０００Ｗの能力を持つ放熱器を設計す
る必要が無く、もっと小容量でよいことになる。すなわ
ち、図３の例はある一例であるが、本発明を適用すれば
５６００Ｗで設計すればいいことになる。従って、従来
の半導体冷却装置に比べ、放熱器の容量を小さくするこ
とが可能となり、装置の小型軽量化が図れる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例の一部を図４，図５，
図６，図７に示す。

【００２５】図４は、請求項２の実施例を示したもので
ある。本構成例は、素子全体を一括して冷媒の中にいれ
るため、全体の熱容量が大きく、素子毎の発生損失のア
ンバランスに対して強く、また気中でないため、絶縁ギ
ャップを小さくすることができる。コンバータ部を２１
〜２２の自己消弧素子，３１〜３３のダイオード，自己
消弧素子のアノード側及びカソード側コネクタ等をサン
ドイッチ状に複数のヒートシンク４１〜４５と共に一組
の締結装置により締め付け構成し、インバータ部を２１
〜２２の自己消弧素子，３１〜３３のダイオード，自己
消弧素子のアノード側及びカソード側コネクタ等をサン
ドイッチ状に複数のヒートシンク４６〜５０と共に一組
の締結装置により締め付け構成し、この締め付けたイン
バータ部と締め付けたコンバータ部を冷媒５を満たした
密閉容器６に収納している。また、コンバータ部とイン
バータ部の放熱器１は共通である。

【００２６】図５は、請求項２の他の実施例を示したも
のである。本構成例は、素子全体を一括して冷媒の中に
いれるため、全体の熱容量が大きく、素子毎の発生損失
のアンバランスに対して強く、また気中でないため、絶
縁ギャップを小さくすることができる。コンバータ部と
インバータ部を２１〜２４の自己消弧素子，３１〜３６
のダイオード，自己消弧素子のアノード側及びカソード
側コネクタ等をサンドイッチ状に複数のヒートシンク４
１〜４９と共に一組の締結装置により締め付け構成し、
冷媒５を満たした密閉容器６に収納している。また、コ
ンバータ部とインバータ部共通の放熱器１を設けてい
る。

【００２７】図６は、請求項３の実施例を示したもので
ある。本構成例は、図４と同様に素子全体を冷媒にいれ
ることから、全体の熱容量が大きく、素子毎の発生損失
のアンバランスに対して強く、また気中でないため、絶
縁ギャップを小さくすることができるという特徴をもつ
他、放熱器を分離していることから一つ一つの圧力容器
を小型化でき、圧力容器の設計製作が容易であるという
特徴を合わせ持つ。コンバータ部を２１〜２２の自己消
弧素子，３１〜３３のダイオード，自己消弧素子のアノ
ード側及びカソード側コネクタ等をサンドイッチ状に複
数のヒートシンク４１〜４５と共に一組の締結装置によ
り締め付け構成し、インバータ部を２１〜２２の自己消
弧素子，３１〜３３のダイオード，自己消弧素子のアノ
ード側及びカソード側コネクタ等をサンドイッチ状に複
数のヒートシンク４６〜５０と共に一組の締結装置によ
り締め付け構成し、この締め付けたインバータ部を冷媒
５を満たした密閉容器６に収納している。また、締め付
けたコンバータ部を冷媒５を満たした密閉容器７に収納
している。さらに、密閉容器６と７の間には、連絡管８
および８′がある。コンバータ部の放熱器１とインバー
タ部の放熱器２は分離している。

【００２８】図７は、請求項４の実施例を示したもので
ある。本構成例は、素子を複数の冷却フィンで冷却し、
素子を冷媒の外に設置することを特徴とする。このた
め、冷媒の使用量が少なくて済み、小型軽量化が図れる
と同時に、素子の交換が容易である。また通常、自己消
弧素子を保護するためスナバ回路というものがダイオー
ドと抵抗，コンデンサによって構成されるが、この自己
消弧素子とダイオードと抵抗，コンデンサの間の配線を
スナバ配線という。このスナバ配線が長いと、電流遮断
性能が低下するという問題があるが、本構成例では、素
子が外部にあるため、スナバ配線長を短くできるという
特徴も合わせ持つ。コンバータ部を２１〜２２の自己消
弧素子，３１〜３３のダイオード，自己消弧素子のアノ
ード側及びカソード側コネクタ等をサンドイッチ状に複
数の冷媒５を満たした冷却フィン４１〜４５と共に一組
の締結装置により締め付け構成し、インバータ部を２１
〜２２の自己消弧素子，３１〜３３のダイオード，自己
消弧素子のアノード側及びカソード側コネクタ等をサン
ドイッチ状に複数の冷媒を満たした冷却フィン４６〜５
０と共に一組の締結装置により締め付け構成し、この締
め付けたインバータ部と締め付けたコンバータは、コン
バータ部とインバータ部共通の放熱器１に接続されてい
る。

【００２９】図８は、請求項４の実施例を示したもので
ある。本構成例は、素子を複数の冷却フィンで冷却し、
素子を冷媒の外に設置することを特徴とする。このた
め、冷媒の使用量が少なくて済み、小型軽量化が図れ、
素子の交換が容易である。また、素子が外部にあるた
め、スナバ配線長が短くなるという特徴も持つ。コンバ
ータ部とコンバータ部を２１〜２４の自己消弧素子，３
１〜３６のダイオード，自己消弧素子のアノード側及び
カソード側コネクタ等をサンドイッチ状に複数の冷媒５
を満たした冷却フィン４１〜４９と共に一組の締結装置
により締め付け構成し、この締め付けたインバータ部と
コンバータ部は、コンバータ部とインバータ部共通の放
熱器１に接続されている。

【００３０】図９は、請求項５の実施例を示したもので
ある。本構成例は、素子を複数の冷却フィンで冷却し、
素子を冷媒の外に設置することを特徴とする。このた
め、冷媒の使用量が少なくて済み、小型軽量化が図れ、
素子の交換が容易である。また、素子が外部にあるた
め、スナバ配線長が短くなるという特徴も合わせ持つ。
さらに、放熱器を分離していることから一つ一つの圧力
容器を小型化でき、圧力容器の設計製作が容易である。
コンバータ部を２１〜２２の自己消弧素子，３１〜３３
のダイオード，自己消弧素子のアノード側及びカソード
側コネクタ等をサンドイッチ状に複数の冷媒５を満たし
た冷却フィン４１〜４５と共に一組の締結装置により締
め付け構成し、コンバータ部の放熱器１と接続してい
る。また、インバータ部を２１〜２２の自己消弧素子，
３１〜３３のダイオード，自己消弧素子のアノード側及
びカソード側コネクタ等をサンドイッチ状に複数の冷媒
５を満たした冷却フィン４６〜５０と共に一組の締結装
置により締め付け構成し、インバータ部の放熱器２と接
続している。なお、コンバータ部の放熱器１とインバー
タ部の放熱器２の間には、連絡管８および８′がある。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、インバータ部，コンバ
ータ部それぞれの損失最大時の容量の合計以下で放熱器
を設計出来るため放熱器の体積・重量を小型・軽量化す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による交流電気車の半導体冷却装置の説
明図。

【図２】従来の交流電気車の半導体冷却装置の説明図。

【図３】力行時、コンバータ部，インバータ部に発生す
る損失とその合計を、横軸に速度をとり表している特性
図。

【図４】本発明の一実施例を示す説明図。

【図５】本発明の第二の実施例を示す説明図。

【図６】本発明の第三の実施例を示す説明図。

【図７】本発明の第四の実施例を示す説明図。

【図８】本発明の第五の実施例を示す説明図。

【図９】本発明の第六の実施例を示す説明図。

【符号の説明】

１，２…送風機、３，４…コンバータ部の放熱器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三宅 亙 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 岩滝 雅人 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 板鼻 博 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 角田 幸二 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

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電源を直流に変換するコンバータと、
   前記コンバータの直流側に接続された平滑コンデンサ
   と、前記平滑コンデンサに接続され直流を交流に変換す
   るインバータと、前記インバータに接続された交流電動
   機とにより構成された交流電気車の電力変換装置におい
   て、コンバータ部の冷却装置とインバータ部の冷却装置
   の冷媒を共通とする放熱器で冷却することを特徴とする
   半導体冷却装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記冷却装置は、電力
   変換装置を構成する自己消弧素子，ダイオード，前記自
   己消弧素子のアノード側及びカソード側コネクタ等をサ
   ンドイッチ状に複数のヒートシンクと共に一組の締結装
   置により締め付け、この締め付けたものを冷媒を満たし
   た密閉容器に収納してなり、コンバータ部とインバータ
   部の放熱器を一体化している半導体冷却装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記冷却装置は、電力
   変換装置を構成する自己消弧素子，ダイオード，前記自
   己消弧素子のアノード側及びカソード側コネクタ等をサ
   ンドイッチ状に複数のヒートシンクと共に一組の締結装
   置により締め付け、この締め付けたものを冷媒を満たし
   た密閉容器に収納してなり、コンバータ部とインバータ
   部の放熱器を分離し、両者間の冷媒を共用するパイプで
   接続している半導体冷却装置。
4. 【請求項４】請求項１において、前記冷却装置は、電力
   変換装置を構成する自己消弧素子，ダイオード等をサン
   ドイッチ状に複数の冷媒を満たした冷却フィンと共に一
   組の締結装置により締め付けてなり、コンバータ部とイ
   ンバータ部の放熱器を一体化している半導体冷却装置。
5. 【請求項５】請求項１において、前記冷却装置は、電力
   変換装置を構成する自己消弧素子，ダイオード等をサン
   ドイッチ状に複数の冷媒を満たした冷却フィンと共に一
   組の締結装置により締め付けてなり、コンバータ部とイ
   ンバータ部の放熱器を分離し、両者間の冷媒を共用する
   パイプで接続している半導体冷却装置。