JPWO2017208384A1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

電力変換装置（１）の筐体の内部は隔壁で分けられ、電力変換装置（１）は、外気が流入する開放部（１０）、開放部（１０）に隣接し、外気が内部に流入しない第１の密閉部（２０）、および第１の密閉部（２０）に隣接し、外気が内部に流入しない第２の密閉部（３０）で構成される。第１の密閉部（２０）と第２の密閉部（３０）との間の隔壁（２１）には、少なくとも２つの通風口（２２）が形成される。少なくとも１つの通風口（２２）に、循環ファン（２５）が設けられる。第１の密閉部（２０）の外面には、第１の密閉部（２０）に収容される電子部品から伝達された熱を放熱する、開放部（１０）に露出したヒートシンク（２３）が設けられる。

Description

この発明は、強制空冷される電子部品を含む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、架線から取得した電力を変換して電動機または車載機器に供給する電力変換装置が搭載される。電力変換装置は、半導体素子のスイッチング動作によって入力電力を変換して所望の交流電力を出力する電力変換部を有する。半導体素子はスイッチング動作を行う際に発熱するため、半導体素子から伝達された熱を放熱するフィンまたは剣山状のヒートシンクが形成される。冷却効率を高めるため、ヒートシンクは、外気に触れる位置に設けられる。一方、電力変換部を構成する半導体素子および電力変換部に制御信号を出力する出力制御部を構成する電子部品は、粉塵および水分による故障を防止するため、外気に触れない筐体の内部に設けられる。このように、電力変換装置を構成する各部品の設置場所は、冷却の必要性ならびに防塵および防水の必要性に応じて決定される。

特許文献１に開示される交直電車用電力変換システムにおいては、強制空冷を必要とするコンバータ、インバータ、およびフィルタリアクトル、および強制空冷を必要としない他の機器が併せて同一の筐体に収納される。該交直電車用電力変換システムにおいては、コンバータ、インバータ、およびフィルタリアクトルは、筐体内部の冷却風通路に設置され、強制空冷を必要としない他の機器は冷却風通路の外部に設置される。特許文献２に開示される鉄道車両用床下装置のように、鉄道車両の床下に設置される電力変換装置は、筐体内部が仕切り部材によって複数の空間に分けられている。

特開２００５−００１５９８号公報 特開２００９−９６４６０号公報

特許文献１に開示される交直電車用電力変換システムにおいては、強制空冷の対象である機器は十分に冷却されるが、冷却風通路の外部に設置される他の機器が十分に冷却されない場合がある。特許文献２に開示される鉄道車両用床下装置のように、筐体内部が複数の空間に分けられている場合には、筐体の中心に近い空間の温度上昇が、他の空間の温度上昇と比べて大きくなる場合がある。筐体内の一部の温度上昇が他の部分の温度上昇と比べて高くなると、該一部に格納されている電子機器の性能に影響がでる場合がある。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、筐体内の各部の温度上昇の差を低減することが目的である。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、入力電力を変換して出力する電力変換部、電力変換部の入力側に接続されるリアクトル、および電力変換部に含まれる電子部品を制御する制御部を備える電力変換装置であって、開放部と、第１の密閉部と、第２の密閉部とで構成される。開放部には電力変換装置の外部の空気である外気が流入し、リアクトルが収容される。開放部に隣接する第１の密閉部には外気が流入せず、電子部品が収容される。第１の密閉部に隣接する第２の密閉部には外気が流入せず、制御部が収容される。電力変換装置は、第１の密閉部と第２の密閉部との間の隔壁に形成される少なくとも２つの通風口と、少なくとも１つの通風口に設けられる循環ファンと、第１の密閉部を形成する筐体に設けられ、第１の密閉部に収容される電子部品から伝達された熱の少なくとも一部を外気に放熱するヒートシンクと、を備える。

本発明によれば、第１の密閉部と第２の密閉部との間の隔壁に少なくとも２つの通風口を形成し、少なくとも１つの通風口に循環ファンを設けることで、第１の密閉部および第２の密閉部の温度上昇の差を低減することが可能である。

本発明の実施の形態に係る電力変換装置の筐体の斜視図である。 実施の形態に係る電力変換装置を備える電気鉄道車両の構成例を示す図である。 実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。 実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。 実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。 実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。 実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。

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筐体の斜視図である。図１においては、電力変換装置１の上面の記載を省略した。電力変換装置１の筐体の内部は隔壁で分けられ、電力変換装置１は、電力変換装置１の外部の空気である外気が流入する開放部１０、外気が流入しない、開放部１０に隣接する第１の密閉部２０、および外気が流入しない第１の密閉部２０に隣接する第２の密閉部３０で構成される。図１に示す電力変換装置１においては、開放部１０と第１の密閉部２０との隣接方向、および第１の密閉部２０と第２の密閉部３０との隣接方向が一致する。電力変換装置１は、例えば、電気鉄道車両の床下に取り付けられる。

開放部１０を形成する筐体に流入口１１および流出口１２が形成される。図１の例では、上記隣接方向と直交する方向に対向する二面に流入口１１および流出口１２が形成される。第１の密閉部２０と第２の密閉部３０との間の隔壁２１には、少なくとも２つの通風口２２が形成される。少なくとも１つの通風口２２に、後述する循環ファンが設けられる。第１の密閉部２０を形成する筐体、すなわち第１の密閉部２０の外面には、第１の密閉部２０に収容される電子部品から伝達された熱の少なくとも一部を外気に放熱するヒートシンク２３が設けられる。図１の例では、ヒートシンク２３は開放部１０に露出する。図１の例では、ヒートシンク２３の形状はフィン状であるが、任意の形状のヒートシンク２３を用いることができ、ヒートシンク２３の形状は剣山状でもよい。ヒートシンク２３は基板２４に形成され、基板２４の反対側の面、すなわち第１の密閉部２０の内部に設けられる電子部品から伝達された熱を放熱する。図１の例では、第１の密閉部２０の筐体の上面に形成された開口からヒートシンク２３が開放部１０に露出しているが、ヒートシンク２３を設ける場所は、図１の例に限られない。電力変換装置１の向きは任意に定めることができるが、図１に示す電力変換装置１の場合、流入口１１および流出口１２の対向方向を電気鉄道車両の進行方向と一致させることで、走向風を開放部１０に取り入れることが可能である。

図２は、実施の形態に係る電力変換装置を備える電気鉄道車両の構成例を示す図である。電力変換装置１は、集電装置１０２を介して架線１０１から取得した電力を変換して、出力側に接続される、空調装置または照明装置である負荷装置１０３に電力を供給する。架線１０１から取得した電力は、スイッチ２および入力リアクトル３を介して電力変換部４０に入力される。電力変換部４０は、一次回路５０、変圧器６０、二次回路７０および三相インバータ回路８０を有する。図２の例では、インバータ回路である一次回路５０が有するスイッチング素子５２，５３，５４，５５および三相インバータ回路８０が有するスイッチング素子８２，８３，８４，８５，８６，８７は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であるが、任意の半導体素子を用いることができる。

一次回路５０は直流電力を高周波の単相交流電力に変換する。図２の例では、一次回路５０は、フルブリッジ構成であるが、ハーフブリッジ構成でもよいし、他の構成でもよい。変圧器６０は、一次回路５０と二次回路７０に接続され、一次側と二次側とを絶縁した状態で電力変換を行う。二次回路７０は、変圧器６０から入力される高周波交流電圧を直流電圧に整流し、三相インバータ回路８０が有するコンデンサ８１に直流電圧を印加する。スイッチング素子５２，５３の接続点と変圧器６０の一次巻線の一端とが接続導体を介して接続され、スイッチング素子５４，５５の接続点と変圧器６０の一次巻線の他端とが接続導体を介して接続される。変圧器６０の二次巻線の一端とダイオード７１，７２の接続点とが接続導体を介して接続され、変圧器６０の二次巻線の他端とダイオード７３，７４の接続点とが接続導体を介して接続される。接続導体が発熱するのを抑制するために、接続導体には、銅の薄板状の導体またはリッツ線が用いられる。

三相インバータ回路８０は、電力変換を行い、所望の周波数および所望の大きさの三相交流電圧を出力する。制御部４は、スイッチ２のオンオフの切り替え、およびスイッチング素子５２，５３，５４，５５，８２，８３，８４，８５，８６，８７の切り替えを制御する。循環ファン制御部８は、電力変換装置１の動作中に循環ファン２５が作動するように、循環ファン２５を制御する。電力変換装置１が有する内部電源から制御部４、循環ファン制御部８および循環ファン２５に電力が供給される。

電力変換部４０の出力側には、各相に設けられた交流リアクトルから成るリアクトル部５、各相に接続される交流コンデンサから成るコンデンサ部６、冷却ブロア７、および負荷装置１０３が接続される。リアクトル部５およびコンデンサ部６で平滑フィルタ回路を構成することで、三相インバータ回路８０が出力するパルス電圧波形が平滑化され、正弦波交流が得られる。

電力変換装置１の各部の、図１に示す電力変換装置１の筐体内への設置について説明する。図３および図４は、実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。図３は、図１に示す電力変換装置１のＡ−Ａ線の断面図であり、図４は、図３に示す電力変換装置１のＢ−Ｂ線の断面図である。電力変換部４０に含まれる、一次回路５０、変圧器６０、二次回路７０、および三相インバータ回路８０には、高周波交流の大電流が流れるため、他の機器に比べて発熱量が大きい。そのため、一次回路５０、変圧器６０、二次回路７０、および三相インバータ回路８０は、筐体内で発生した熱が、筐体ならびにヒートシンク２３から放熱される、第１の密閉部２０に収容される。

スイッチ２、制御部４、コンデンサ部６、および循環ファン制御部８は、上記の電力変換部４０に含まれる機器に比べて発熱量が小さく、粉塵および水分により故障することがあるため、第２の密閉部３０に収容される。入力リアクトル３、およびリアクトル部５に含まれる交流リアクトルは、銅またはアルミの導体をコイル状に巻き回して製造される。電力変換装置１の動作中は、入力リアクトル３、およびリアクトル部５において導体の抵抗により大きな損失が発生するため、入力リアクトル３、およびリアクトル部５を強制的に空冷する必要がある。そのため、入力リアクトル３、およびリアクトル部５は、開放部１０に収容される。冷却ブロア７は、流入口１１から流出口１２に向かって送風する向きに、開放部１０に収容される。

スイッチ２と入力リアクトル３とを接続する接続導体、およびリアクトル部５とコンデンサ部６とを接続する接続導体は、開放部１０と第１の密閉部２０との間の隔壁および第１の密閉部２０と第２の密閉部３０との間の隔壁２１に形成された孔（図示せず）に挿通される。入力リアクトル３と電力変換部４０とを接続する接続導体、およびリアクトル部５と電力変換部４０とを接続する接続導体は、開放部１０と第１の密閉部２０との間の隔壁に形成された孔（図示せず）に挿通される。

第１の密閉部２０および第２の密閉部３０に収容される機器の発熱量は異なる。第１の密閉部２０および第２の密閉部３０の容積および表面積は異なるため、第１の密閉部２０および第２の密閉部３０からの放熱量は異なる。そのため、第１の密閉部２０と第２の密閉部３０の温度上昇量に差が生じる。第１の密閉部２０と第２の密閉部３０との間の隔壁２１に形成された少なくとも２つの通風口２２の内、少なくとも１つに循環ファン２５が設けられる。循環ファン制御部８は、第１の密閉部２０および第２の密閉部３０の温度変化量の推定値に基づいて予め算出された循環ファン２５の必要流量に応じて、循環ファン２５を作動させる。循環ファン２５が作動すると、第１の密閉部２０の空気が第２の密閉部３０に移動し、同量の空気が第２の密閉部３０から第１の密閉部２０に移動して、第１の密閉部２０および第２の密閉部３０の空気が循環する。第１の密閉部２０および第２の密閉部３０の空気を循環させることで、第１の密閉部２０および第２の密閉部３０の温度上昇量の差を低減することができる。

一次回路５０のスイッチング周波数が２０ｋＨｚ程度であり、電気鉄道車両に搭載される電力変換装置１の電子部品が、図３および図４のように第１の密閉部２０および第２の密閉部３０に収容される場合、第１の密閉部２０へ放熱される熱量が５００Ｗ程度であるのに対し、第２の密閉部３０での発熱量は１００Ｗ程度である。すなわち、第１の密閉部２０での温度上昇が第２の密閉部３０での温度上昇に比べて大きい。循環ファン２５を作動させて、第１の密閉部２０と第２の密閉部３０との間で空気を循環させることで、第１の密閉部２０での温度上昇を抑制することができる。循環ファン２５の必要流量は、第１の密閉部２０および第２の密閉部３０に収容される電子部品の耐熱温度および温度変化量の推定値に基づいて算出される。温度変化量の推定値は、発熱量の推定値および放熱量の推定値から算出することができる。

第２の密閉部３０においては、ヒートシンクが設けられていないため、筐体内で発生した熱は、筐体から放熱される。筐体からの放熱が十分でない場合、第２の密閉部３０の温度上昇が、第１の密閉部２０の温度上昇に比べて大きくなることがある。その場合においても、循環ファン２５を作動させて、第１の密閉部２０と第２の密閉部３０との間で空気を循環させることで、第２の密閉部３０での温度上昇を抑制することができる。循環ファン２５を作動させることで、第１の密閉部２０および第２の密閉部３０の温度上昇の差を低減することができる。

一次回路５０のスイッチング周波数が２０ｋＨｚ程度である場合、一次回路５０と変圧器６０との間の接続導体および二次回路７０と変圧器６０との間の接続導体には、２０ｋＨｚ程度の周波数の数百Ａ程度の電流が流れるため、接続導体の発熱量が大きい。図３および図４のように、一次回路５０、変圧器６０および二次回路７０を第１の密閉部２０に収容し、一次回路５０と変圧器６０との間の接続導体および二次回路７０と変圧器６０との間の接続導体の長さを短くすることで、表皮効果による接続導体の発熱量を低減することができる。

上述の例では、予め算出された必要流量に応じて循環ファン２５を作動させたが、第１の密閉部２０および第２の密閉部３０の温度差に応じて循環ファン２５を作動させてもよい。循環ファン制御部８は、第１の密閉部２０および第２の密閉部３０に設けられた温度センサから温度を取得し、第１の密閉部２０および第２の密閉部３０の温度差に応じて循環ファン２５の必要流量を算出し、算出した必要流量に応じて循環ファン２５の流量を調節する。循環ファン制御部８は、第１の密閉部２０内の接続導体を流れる電流の大きさおよび第２の密閉部３０内の接続導体を流れる電流の大きさを検出し、検出値の差に応じて循環ファン２５の必要流量を算出し、算出した必要流量に応じて循環ファン２５の流量を調節してもよい。

以上説明したとおり、実施の形態に係る電力変換装置１によれば、第１の密閉部２０と第２の密閉部３０との間の隔壁２１に少なくとも２つの通風口２２を形成し、少なくとも１つの通風口２２に循環ファン２５を設けることで、第１の密閉部２０および第２の密閉部３０の温度上昇の差を低減することが可能である。筐体内の各部の温度上昇の差が低減されるため、一部の電子機器で温度が高くなり過ぎることが抑制され、電力変換装置１の信頼性向上および長寿命化が可能である。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。電力変換部４０の構成は、図２の例に限られず、変圧器を有さず、コンデンサとスイッチング素子から成る電力変換回路でもよいし、ＤＣ−ＤＣ変換器（Direct-Current-to-Direct-Current Converter）またはチョッパ回路でもよい。冷却ブロア７を設けずに、電気鉄道車両の走行風によって、電力変換装置１の各部を冷却してもよい。電力変換装置１は、電気鉄道車両の床下だけでなく、屋根上に設けられてもよい。密閉部の数は２つに限られず、電力変換装置１は、３以上の密閉部を備えても良い。その場合は、密閉部間の隔壁のそれぞれに少なくとも２つ以上の通風口が形成される。

電力変換装置１の構造は上述の例に限られない。図５、図６および図７は、実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。図５に示す電力変換装置１においては、ヒートシンク２３は、電力変換装置１の外部に露出する。図６に示す電力変換装置１においては、開放部１０と第１の密閉部２０との隣接方向、および第１の密閉部２０と第２の密閉部３０との隣接方向は直交する。図７に示す電力変換装置１においては、開放部１０を形成する筐体の内、隣り合った二面に流入口１１および流出口１２が形成される。

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 スイッチ、３ 入力リアクトル、４ 制御部、５ リアクトル部、６ コンデンサ部、７ 冷却ブロア、８ 循環ファン制御部、１０ 開放部、１１ 流入口、１２ 流出口、２２ 通風口、２０ 第１の密閉部、２１ 隔壁、２３ ヒートシンク、２４ 基板、２５ 循環ファン、３０ 第２の密閉部、４０ 電力変換部、５０ 一次回路、５１，８１ コンデンサ、５２，５３，５４，５５，８２，８３，８４，８５，８６，８７ スイッチング素子、６０ 変圧器、７０ 二次回路、７１，７２，７３，７４ ダイオード、８０ 三相インバータ回路、１０１ 架線、１０２ 集電装置、１０３ 負荷装置。

Claims (4)

1. 入力電力を変換して出力する電力変換部、前記電力変換部の入力側に接続されるリアクトル、および前記電力変換部に含まれる電子部品を制御する制御部を備える電力変換装置であって、
   前記リアクトルを収容し、前記電力変換装置の外部の空気である外気が内部に流入する開放部と、
   前記開放部に隣接し、前記電子部品を収容し、前記外気が内部に流入しない第１の密閉部と、
   前記第１の密閉部に隣接し、前記制御部を収容し、前記外気が内部に流入しない第２の密閉部と、
   を備え、
   前記第１の密閉部と前記第２の密閉部との間の隔壁に少なくとも２つの通風口が形成され、
   少なくとも１つの前記通風口に設けられる循環ファンと、
   前記第１の密閉部を形成する筐体に設けられ、前記第１の密閉部に収容される前記電子部品から伝達された熱の少なくとも一部を前記外気に放熱するヒートシンクと、
   を備える電力変換装置。
2. 前記第１の密閉部および前記第２の密閉部の温度変化量の推定値に基づいて予め算出された前記循環ファンの必要流量に応じて、前記循環ファンを作動させる循環ファン制御部をさらに備える請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１の密閉部と前記第２の密閉部の温度差に応じて、前記循環ファンの流量を調節する循環ファン制御部をさらに備える請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記開放部を形成する筐体に流入口および流出口が形成され、
   前記開放部に収容され、前記流入口から前記流出口に向かう方向に送風する冷却ブロアをさらに備える、
   請求項１に記載の電力変換装置。
   

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