JPWO2016194097A1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

冷却部（２１）は、熱伝導率が閾値以上である部材で構成され、電力変換装置の筐体（１０）の外面の一部を構成する。コンデンサに並列に接続され、コンデンサを常時放電する放電抵抗（１２）および電力変換部が有するスイッチング素子（１４ａ，１４ｂ）は、冷却部（２１）と絶縁された状態で冷却部（２１）に接続される。放電抵抗（１２）およびスイッチング素子（１４ａ，１４ｂ）は、冷却部（２１）の筐体（１０）の内部側の面に設けられる素子取付面（２１ｂ）に取り付けられる。

Description

この発明は、電力変換装置に関する。

電気鉄道車両の屋根上または床下には、車両を駆動する主電動機または空調機器などに電力を供給する電力変換装置が設けられる。電力変換装置は、直流電圧が印加されるコンデンサを有し、コンデンサに印加される直流電圧を半導体素子のスイッチング動作を行うことで所望の交流電圧または直流電圧に変換して出力する。コンデンサには、数百Ｖから数千Ｖの電圧が印加されるため、電力変換装置の保守点検時にはコンデンサを放電させる必要がある。特許文献１に開示される電力変換装置には、コンデンサを放電させるための、放電スイッチおよび放電抵抗が設けられる。

電力変換装置の停止時に放電スイッチをオンにして、コンデンサを放電させる方式においては、放電スイッチをオンにすることを忘れてしまったためにコンデンサが放電されないということが起こり得る。コンデンサを確実に放電させるために、電力変換装置の停止時に放電スイッチを自動的にオンにする方法またはコンデンサに並列に放電抵抗を設けて常時コンデンサを放電する方法がある。

特開２０１２−２３１６２７号公報

放電スイッチを自動的にオンにする方法では、放電スイッチを自動的にオンにする機構が必要となるため、電力変換装置の構成が複雑になる。常時コンデンサを放電する方法では、放電抵抗に常時電流が流れるため、放電抵抗の発熱量が数百Ｗと大きくなる。放電抵抗の発熱による温度上昇の影響を低減するため、放電抵抗は、外気と接する部位に設けて放熱させる必要がある。そのため放電抵抗には、風雨に耐えうる構造、および、より高い絶縁性能が求められる。またコンデンサが設けられる筐体内部と、放電抵抗が設けられる筐体外部との間をケーブルなどの導体で接続する必要があり、導体の配設および導体が筐体を貫通する箇所に防水構造を設けること、が必要となるため、電力変換装置の構造が複雑であるという課題がある。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、より簡易な構成で電力変換装置の安全性を向上させ、筐体内部の温度上昇を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、筐体の内部にコンデンサと、放電抵抗と、電力変換部を備える。また電力変換装置は、筐体の外面の一部を構成する冷却部を備える。コンデンサには、外部電源から電圧が印加される。放電抵抗は、コンデンサに並列に接続され、コンデンサを常時放電する放電回路を形成する。電力変換部は、コンデンサに印加された電圧を入力電圧とし、スイッチング素子のスイッチング動作によって、入力電圧を変換して出力する。冷却部は、放電抵抗およびスイッチング素子のそれぞれに、絶縁された状態で接続し、熱伝導率が閾値以上である部材で構成される。

本発明によれば、放電抵抗とスイッチング素子に絶縁された状態で接続する、筐体の外面の一部を構成する冷却部を設けることで、より簡易な構成で電力変換装置の安全性を向上させ、筐体内部の温度上昇を抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態に係る電力変換装置の電気鉄道車両への搭載例を示すブロック図である。 実施の形態に係る冷却部を筐体内部側から見た図である。 実施の形態に係る冷却部の断面図である。 実施の形態に係る冷却部の断面図である。 実施の形態に係る冷却部の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。電力変換装置１は、外部電源から電圧が印加されるコンデンサ１１と、コンデンサ１１を常時放電する放電回路を形成する放電抵抗１２と、スイッチング素子のスイッチング動作によってコンデンサ１１に印加された電圧を変換して出力する電力変換部１３とを備える。図１の例では、電力変換部１３はインバータ回路であり、スイッチング素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆを備える。ここでスイッチング素子１４は、スイッチング素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆの総称である。電力変換部１３の構成は図１の例に限られず、電力変換部１３は、チョッパ回路またはＤＣ（Direct Current：直流）−ＤＣコンバータでもよい。

スイッチング素子１４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。スイッチング素子１４は、コンデンサ１１および出力用導体にそれぞれ接続される。直列に接続されたスイッチング素子１４ａ，１４ｂと、直列に接続されたスイッチング素子１４ｃ，１４ｄと、直列に接続されたスイッチング素子１４ｅ，１４ｆとはそれぞれ、コンデンサ１１に並列に接続される。スイッチング素子１４ａ，１４ｂはＵ相導体に接続され、スイッチング素子１４ｃ，１４ｄはＶ相導体に接続され、スイッチング素子１４ｅ，１４ｆはＷ相導体に接続される。

制御部１５が出力する制御信号によってスイッチング素子１４のオンオフが切り替えられ、三相交流電力が電動機２に出力される。制御部１５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および内部メモリなどから構成されるプロセッサ、およびＲＡＭ（Random Access Memory）およびフラッシュメモリなどから構成されるメモリを備える。制御部１５は、メモリに記憶されている制御プログラムを実行し、スイッチング素子の制御などを行う。

放電抵抗１２には、コンデンサ１１からの電流が常時流れ、電力変換装置１が動作中であるか停止中であるかによらず、コンデンサ１１は常時放電される。コンデンサ１１を常時放電することで、電力変換装置１の安全性が向上する。

コンデンサ１１、放電抵抗１２、およびスイッチング素子１４は、電力変換装置１の筐体の内部に設けられる。放電抵抗１２およびスイッチング素子１４は後述する冷却部に取り付けられ、放電抵抗１２およびスイッチング素子１４において発生した熱は、冷却部から筐体１０の外部に放熱される。

図２は、実施の形態に係る電力変換装置の電気鉄道車両への搭載例を示すブロック図である。電力変換装置１を電気鉄道車両に搭載した場合には、架線３からパンタグラフなどの集電装置４によって取得された電力が、接触器５および入力リアクトル６を介して電力変換装置１に供給される。制御部１５が接触器５の投入および開放の切替を制御してもよい。

図３は、実施の形態に係る冷却部を筐体内部側から見た図である。図３においては、導体などは省略した。冷却部２１は、熱伝導率が閾値以上である部材で構成され、筐体１０の外面の一部を構成する。閾値は、冷却部２１に求められる放熱特性に応じて任意に定めることができる。冷却部２１は、例えば、アルミニウムまたは銅などを用いて形成される。冷却部２１は、放電抵抗１２およびスイッチング素子１４のそれぞれに、絶縁された状態で接続する。冷却部２１は、筐体１０の内部側の面に、放電抵抗１２およびスイッチング素子１４とが取り付けられる後述する素子取付面を有する。放電抵抗１２およびスイッチング素子１４のそれぞれと冷却部２１とは熱的に接続されているため、放電抵抗１２およびスイッチング素子１４のそれぞれにおいて発生した熱は、冷却部２１に伝わり、冷却部２１から電力変換装置１の筐体１０の外部に放熱される。冷却部２１上での放電抵抗１２およびスイッチング素子１４の配置の仕方は図３の例に限られず、任意である。

図４は、実施の形態に係る冷却部の断面図である。図４は、図３のＡ−Ａ線における断面図である。冷却部２１は、筐体１０の外面の一部を構成する部分から筐体１０の外部に向かって延びるフィン２１ａを有する。冷却部２１は、フィン２１ａに限られず、冷却部２１の放電性能を高める任意の形状を筐体１０の外面の一部を構成する部分に有する。冷却部２１は、筐体１０の内部側の面に素子取付面２１ｂを有する。放電抵抗１２およびスイッチング素子１４はそれぞれ、素子取付面２１ｂに取り付けられる。

図５は、実施の形態に係る冷却部の断面図である。図５は、図３のＢ−Ｂ線における部分断面図である。放電抵抗１２は、素子取付面２１ｂに接するベース部材１２１と、ベース部材１２１上に設けられる絶縁部材１２２と、抵抗体１２３を有する。絶縁部材１２２と抵抗体１２３はケース１２４の内部に設けられる。素子取付面２１ｂに平行なケース１２４の外面に端子１２５，１２６が設けられる。図示しないが、端子１２５，１２６はそれぞれ、抵抗体１２３に電気的に接続されている。

ベース部材１２１と絶縁部材１２２とがベース部を構成する。ベース部材１２１は、例えば銅板またはアルミ板などで構成される。絶縁部材１２２は、高電圧となる抵抗体１２３と接地電位にある冷却部２１とを絶縁する。絶縁部材１２２の導電率は、抵抗体１２３と冷却部２１が絶縁されているとみなせる程度に十分に小さい値とする。またベース部材１２１を、絶縁性を有する部材で構成してもよい。その場合には、絶縁部材１２２を設けなくてもよい。

ベース部材１２１は、素子取付面２１ｂに直交する方向に延びる締結部材２２ａ，２２ｂによって素子取付面２１ｂに固定される。またコンデンサ１１に接続される導体１２７，１２８は、素子取付面２１ｂに直交する方向に延びる締結部材２２ｃ，２２ｄによって端子１２５，１２６に固定される。

図６は、実施の形態に係る冷却部の断面図である。図６は、図３のＣ−Ｃ線における部分断面図である。スイッチング素子１４のそれぞれの構造は同じであるため、スイッチング素子１４ａについて説明する。スイッチング素子１４ａは、素子取付面２１ｂに接するベース部材１４１と、ベース部材１４１上に設けられる絶縁部材１４２と、半導体チップ１４３を有する。絶縁部材１４２と半導体チップ１４３はケース１４４の内部に設けられる。素子取付面２１ｂに平行なケース１４４の外面に端子１４５，１４６が設けられる。図示しないが、端子１４５，１４６はそれぞれ、半導体チップ１４３に電気的に接続されている。

ベース部材１４１と絶縁部材１４２とがベース部を構成する。ベース部材１４１は、例えば銅板またはアルミ板などで構成される。絶縁部材１４２は、高電圧となる半導体チップ１４３と接地電位にある冷却部２１とを絶縁する。絶縁部材１４２の導電率は、半導体チップ１４３と冷却部２１が絶縁されているとみなせる程度に十分に小さい値とする。またベース部材１４１を絶縁性を有する部材で構成してもよい。その場合には、絶縁部材１４２を設けなくてもよい。

ベース部材１４１は、素子取付面２１ｂに直交する方向に延びる締結部材２３ａ，２３ｂによって素子取付面２１ｂに固定される。またコンデンサ１１の正極に接続される導体１４７は、素子取付面２１ｂに直交する方向に延びる締結部材２３ｃによって端子１４５に固定される。電力変換部１３の出力用導体１４８は、素子取付面２１ｂに直交する方向に延びる締結部材２３ｄによって端子１４６に固定される。

放電抵抗１２およびスイッチング素子１４を共通の冷却部２１に接続して、冷却部２１から放電抵抗１２およびスイッチング素子１４で生じた熱を筐体１０の外部に放熱させることで、より簡易な構成で電力変換装置１の安全性を向上させ、筐体内部の温度上昇を抑制することが可能となる。

放電抵抗１２およびスイッチング素子１４のそれぞれの冷却部２１への取付構造と、導体と放電抵抗１２およびスイッチング素子１４のそれぞれとの取付構造がほぼ同じとすることで、電力変換装置１の製造工程の統一化と省力化、および電力変換装置１の構造の簡易化が可能となる。放電抵抗１２は筐体１０の内部に設けられていることから、防水構造などを有する必要はなく、放電抵抗１２の構造を簡易化することが可能となる。

放電抵抗１２および電力変換部１３をユニット化して、電力変換ユニットとすることで、電力変換装置１に接続される負荷装置に応じて電力変換ユニットを適宜変更することが可能となり、電力変換装置の構造の簡易化が可能となる。また電力変換ユニットの単位で交換することで、保守点検時に放電抵抗１２およびスイッチング素子１４の冷却部２１からの取り外しなどが不要となる。

以上説明したとおり、本実施の形態に係る電力変換装置１によれば、より簡易な構成で電力変換装置の安全性を向上させ、筐体内部の温度上昇を抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られず、電力変換装置１は、電気鉄道車両に搭載される電力変換装置に限られない。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１ 電力変換装置、２ 電動機、３ 架線、４ 集電装置、５ 接触器、６ 入力リアクトル、１０ 筐体、１１ コンデンサ、１２ 放電抵抗、１３ 電力変換部、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ スイッチング素子、１５ 制御部、２１ 冷却部、２１ａ フィン、２１ｂ 素子取付面、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ 締結部材、１２１，１４１ ベース部材、１２２，１４２ 絶縁部材、１２３ 抵抗体、１２４，１４４ ケース、１２５，１２６，１４５，１４６ 端子、１２７，１２８，１４７ 導体、１４３ 半導体チップ、１４８ 出力用導体。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、筐体の内部にコンデンサと、放電抵抗と、電力変換部を備える。また電力変換装置は、筐体の平面で形成された外面の開口部に設けられることで筐体の外面の一部を構成する冷却部を備える。コンデンサには、外部電源から電圧が印加される。放電抵抗は、コンデンサに並列に接続され、コンデンサを常時放電する放電回路を形成する。電力変換部は、コンデンサに印加された電圧を入力電圧とし、スイッチング素子のスイッチング動作によって、入力電圧を変換して出力する。冷却部は、放電抵抗およびスイッチング素子のそれぞれに、絶縁された状態で接続し、熱伝導率が閾値以上である部材で構成される。

Claims (3)

1. 筐体の内部に、
   外部電源から電圧が印加されるコンデンサと、
   前記コンデンサに並列に接続され、前記コンデンサを常時放電する放電回路を形成する放電抵抗と、
   前記コンデンサに印加された電圧を入力電圧とし、スイッチング素子のスイッチング動作によって、前記入力電圧を変換して出力する電力変換部と、
   を備え、
   前記筐体の外面の一部を構成し、前記放電抵抗および前記スイッチング素子のそれぞれに、絶縁された状態で接続する、熱伝導率が閾値以上である部材で構成された冷却部、
   を備える電力変換装置。
2. 前記冷却部は、
   前記筐体の外面の一部を構成する部分から前記筐体の外部に向かって延びるフィンと、
   前記筐体の内部側の面に、前記放電抵抗と前記スイッチング素子とが取り付けられる素子取付面と、
   を備える、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記放電抵抗は、
   該放電抵抗のケースである第１のケースの内部に設けられる抵抗体と、
   前記抵抗体と前記冷却部とを絶縁する第１のベース部と、
   前記素子取付面に平行な前記第１のケースの外面に設けられ、前記抵抗体と電気的に接続されている第１の端子と、
   を備え、
   前記スイッチング素子は、
   該スイッチング素子のケースである第２のケースの内部に設けられる半導体チップと、
   前記半導体チップと前記冷却部とを絶縁する第２のベース部と、
   前記素子取付面に平行な前記第２のケースの外面に設けられ、前記半導体チップと電気的に接続されている第２の端子と、
   を備え、
   前記第１のベース部および前記第２のベース部はそれぞれ、前記素子取付面と直交する方向に延びる締結部材によって、前記素子取付面に固定され、
   前記コンデンサと前記放電抵抗とを接続する導体は、前記素子取付面と直交する方向に延びる締結部材によって、前記第１の端子に固定され、
   前記コンデンサと前記スイッチング素子とを接続する導体および前記電力変換部の出力用の導体はそれぞれ、前記素子取付面と直交する方向に延びる締結部材によって、前記第２の端子に固定される、
   請求項２に記載の電力変換装置。

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