KR20100005157A - 전력 변환 장치 - Google Patents

Abstract

주행풍을 사용하여 스위칭 소자의 냉각을 행하는 전력 변환 장치에 있어서, 복수의 스위칭 소자를 복수 개 병렬 접속하는 경우의 효과적인 배치 구성, 및 냉각기 핀의 효과적인 구조를 개시하는 것이다. 냉각기(50A)는 적어도 스위칭 소자 장착면이 되는 핀 베이스(40A)와, 그 반대면에 배치된 복수의 핀(42A)을 가지고 구성되고, 각 핀(42A)은 방열을 위해 바깥 공기에 접하도록 배치되고, 전력 변환 회로가 정측 암(UPC, VPC) 및 부측 암(UNC, VNC)으로 이루어진 레그를 복수 쌍 가지는 단상 또는 다상의 브릿지 회로인 경우에, 각 상의 레그를 구성하는 각 스위칭 소자의 쌍(UPC와 UNC, 및 VPC와 VNC)을 핀 베이스(40A) 상에 전기차의 진행 방향으로 차례로 나란히 배치한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE}

본 발명은 전기차용의 전력 변환 장치에 관한 것이다.

전기차에 탑재하는 전력 변환 장치는 IGBT(Insurated Gate Bipolar Transistor)나 IPM(Intelligent Power Module) 등으로 구성되는 스위칭 소자를 스위칭 동작시켜 전력 변환을 행하는 컨버터 회로나 인버터 회로로 구성된다.

이러한 전력 변환 회로에 사용하는 스위칭 소자는 통전에 의해 발생하는 도통 손실과 스위칭 동작에 의해 발생하는 스위칭 손실이 발생한다. 따라서, 스위칭 소자의 안정적인 동작을 얻기 위해서, 손실에 의해 발생하는 열을 효율적으로 대기 중에 방산(放散)하여, 스위칭 소자의 온도를 기정값(旣定値) 이하로 냉각하는 것이 필요하다.

종래 전기차용의 전력 변환 장치에서는 냉각기 상에 스위칭 소자를 배치하고, 냉각기를 팬에 의해 강제 풍랭(風冷)하여 스위칭 소자로부터 발생하는 열을 방열(放熱)시키는 구성이 일반적이다. 그러나 강제 풍랭 방식에서는 냉각 팬이나 그 제어 장치가 필요하게 되어 장치가 대형화한다고 하는 과제가 있었다.

한편, 장치를 소형화하기 위해서 전기차의 주행에 의해 생기는 주행풍을 사용하여 스위칭 소자의 냉각을 행하는 방식이 고안되고 있다(예를 들어, 하기 특허 문헌 1 등). 또한, 이 특허 문헌 1에 개시된 방식은 구조가 비교적 간단하고, 메인터넌스 비용이 싸고 냉각 팬에 의한 소음이 없는 등, 환경에 대한 부하를 저감할 수 있다고 하는 이점을 구비하고 있다.

특허 문헌 1: 일본 특개 2000-92819호 공보

그러나 전기차의 주행풍을 사용하여 스위칭 소자의 냉각을 행하는 방식에서는 일정 풍량을 항상 얻을 수 있는 팬에 의한 강제 풍랭 방식과 비교해서, 얻어지는 주행풍이 전기차의 속도에 의해 변화하여 일정하지 않다고 하는 불리한 점이 있어, 전기차 주위의 한정된 주행풍을 어떻게 효율적으로 스위칭 소자의 냉각에 사용할 수 있는 구성으로 할지가 중요하게 된다. 따라서, 주행풍을 최대한으로 사용할 수 없는 구성에서는 냉각기의 대형화를 초래하여 질량이 증가해 버리는 등의 영향이 생긴다.

구체적으로,

(1) 전력 변환 회로를 구성하는 복수의 스위칭 소자를 냉각기 상에 어떻게 배치하면 좋은지

(2) 스위칭 소자를 복수 개 병렬 접속하는 것이 필요한 대용량의 전력 변환 회로를 구성하는 경우, 병렬 접속하는 소자를 냉각기 상에 어떻게 배치하면 최적인지

(3) 바깥 공기와 접하는 냉각기의 핀 높이나 간격을 어떻게 하면 좋은지

등과 같은 관점이 중요한 포인트가 된다.

그러나 상기 특허 문헌 1에는 상기 (1) ~ (3)항에 나타내는 어느 관점에 대 해서도 고려가 이루어져 있지 않기 때문에, 전력 변환 장치를 더욱 소형화하고, 경량화하는 것이 곤란했었다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 주행풍을 사용한 냉각을 행하는 전력 변환 장치에 있어서, 복수의 스위칭 소자를 복수 개 병렬 접속하는 경우의 효과적인 배치 구성, 및 냉각기의 핀의 효과적인 구조를 개시하는 것에 의해, 한층 더 소형화, 경량화를 실현할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하고 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 전력 변환 장치는, 전기차에 탑재되어 전력 변환 회로를 구성하는 복수의 스위칭 소자를 냉각하는 냉각기를 가진 전력 변환 장치로서, 상기 냉각기는 적어도 상기 스위칭 소자 장착면이 되는 핀 베이스(fin base)와, 그 반대면에 배치된 복수의 핀을 가지고 구성되고, 상기 각 핀은 방열을 위해 바깥 공기에 접하도록 배치되고, 상기 전력 변환 회로가 상기 스위칭 소자로 구성된 정측(正側) 암 및 부측(負側) 암으로 이루어진 레그(leg)를 복수 쌍 가지는 단상(單相) 또는 다상(多相)의 브릿지 회로(bridge circuit)인 경우에, 상기 각 상의 레그를 구성하는 각 스위칭 소자를 상기 핀 베이스 상에 전기차의 진행 방향으로 차례로 나란히 배치한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 전력 변환 장치에 의하면, 냉각기는 적어도 스위칭 소자 장착면이 되는 핀 베이스와, 그 반대면에 배치된 복수의 핀을 가지고 구성되고, 각 핀은 방열을 위해 바깥 공기에 접하도록 배치되고, 각 상의 레그를 구성하는 각 스위칭 소자의 쌍을 핀 베이스 상에 전기차의 진행 방향으로 차례로 나란히 배치하도록 하고 있다. 이 배치 구성에 의해, 복수의 스위칭 소자를 효과적으로 냉각할 수 있고, 한층 더 소형화, 경량화를 실현할 수 있는 전력 변환 장치의 제공이 가능하게 된다고 하는 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 전기차로의 전력 변환 장치의 탑재 상태의 일례를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터용 냉각기와 각 스위칭 소자의 배치 관계의 일례를 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 핀 속을 흐르는 풍속 특성을 설명하는 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 핀 베이스로의 스위칭 소자 배치의 일례를 나타내는 도면이다.

도 6은 스위칭 소자의 내부 구성을 나타내는 도면이다.

도 7은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터부 및 인버터부의 전기차의 속도에 대한 발생 손실의 일례를 나타내는 도면이다.

도 8은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터용 냉각기의 일례를 나타내는 도면이다.

도 9는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 인버터용 냉각기의 일례를 나타내는 도면이다.

도 10은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터용 냉각기(인버터용 냉각기)의 냉각 성능의 일례를 나타내는 도면이다.

도 11은 본 발명의 실시 형태 2에 있어서 컨버터부의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.

도 12는 본 발명의 실시 형태 2에 있어서 핀 베이스로의 스위칭 소자 배치의 일례를 나타내는 도면이다.

도 13은 본 발명의 실시 형태 3에 있어서 컨버터부의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.

도 14는 본 발명의 실시 형태 3에 있어서 핀 베이스로의 스위칭 소자 배치의 일례를 나타내는 도면이다.

도 15는 본 발명의 실시 형태 4에 있어서 핀 베이스의 내부 구조의 일부를 나타내는 도면이다.

도 16은 도 15의 A-A선을 따르는 시시 단면도이다.

도 17은 본 발명의 실시 형태 5에 있어서 컨버터부의 핀 베이스로의 스위칭 소자 배치와 히트 파이프(heat pipe)의 배치의 일례를 나타내는 도면이다.

<부호의 설명>

1 가선(架線)

2 집전 장치

3 차륜(車輪)

4 레일

6 변압기

9 차체

10 접촉기

11 전기 기기

20, 20a, 20b 컨버터부

30, 30P, 30N 컨덴서

40A 핀 베이스(컨버터부)

40B 핀 베이스(인버터부)

42A 핀(컨버터부)

42B 핀(인버터부)

45 IGBT 칩

46 히트 파이프

50A 컨버터용 냉각기

50B 인버터용 냉각기

UD1A, UD2A, UD1B, UD2B 다이오드

UPC, VPC, UNC, VNC, UPI, VPI, WPI, UNI, VNI, WNI, UPCA, UPCB, UNCA, UNCB, VPCA, VPCB, VNCA, VNCB, UPC1, UPC2, UNC3, UNC4, VPC1, VPC2, VNC3, VNC4, UPC1A, UPC2A, UNC3A, UNC4A, UPC1B, UPC2B, UNC3B, UNC4B, VPC1A, VPC2A, VNC3A, VNC4A, VPC1B, VPC2B, VNC3B, VNC4B 스위칭 소자

60 인버터부

80 전동기

100 전력 변환 장치

이하에, 본 발명에 관한 전력 변환 장치의 바람직한 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시 형태 1.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 전력 변환 장치(100)는 전력 변환 회로를 구성하는 컨버터부(20), 컨덴서(30) 및 인버터부(60)와, 접촉기(10)를 구비하여 구성된다. 또, 전력 변환 장치(100)의 입력단에 배치되는 접촉기(10)에는 변압기(6)가 접속되고, 전력 변환 장치(100)의 출력단에 배치되는 인버터부(60)에는 전기차를 구동하는 전동기(80)가 접속되어 있다. 또한, 전동기(80)로는 유도 전동기나 동기(同期) 전동기가 바람직하다.

또, 도 1에 있어서, 변압기(6)의 1차 코일의 일단은 집전 장치(2)를 통하여 가선(1)에 접속되고, 타단은 차륜(3)을 통하여 대지 전위인 레일(4)에 접속되어 있다. 가선(1)으로부터 공급되는 전력(교류 20KV ~ 25KV가 일반적)은 집전 장치(2)를 통하여 변압기(6)의 1차 코일에 입력됨과 아울러, 변압기(6)의 2차 코일에 생긴 전 력이 접촉기(10)를 통하여 컨버터부(20)에 입력된다.

접촉기(10)는 변압기(6)의 2차 코일과 컨버터부(20) 사이에 배치되어 전력 공급 회로의 개폐를 행한다. 또한, 도 1의 예에서는 2개 있는 교류 입력선의 쌍방을 온/오프하는 구성을 도시하고 있으나, 교류 입력선 중 어느 한쪽에 접촉기를 배치해도 된다.

컨버터부(20)는 스위칭 소자(UPC, VPC)로 구성되는 정측 암(예를 들어 U상(相)에서는 UPC)과 스위칭 소자(UNC, VNC)로 구성되는 부측 암(예를 들어 U상에서는 UNC)이 각각 직렬로 접속된 회로부(이하 「레그」라고 함)를 가지고 있다. 즉, 컨버터부(20)에는 2쌍(U상분, V상분)의 레그를 가지는 단상 브릿지 회로가 구성되어 있다. 스위칭 소자(UPC, VPC, UNC, VNC)로는 역병렬 다이오드가 내장된 IGBT 소자나 IPM 소자가 바람직하다. 또한, 레그 수를 늘려 다상의 브릿지 회로로 해도 되고, 당해 구성도 본 발명의 요지에 포함된다.

컨버터부(20)는 스위칭 소자(UPC, VPC, UNC, VNC)를 PWM 제어함으로써 입력된 교류 전압을 원하는 직류 전압으로 변환하여 출력한다. 또한, 컨버터부(20)의 상세한 구성과 제어 방법에는 여러 가지의 공지예가 있고, 여기서의 상세한 설명은 생략한다. 또, 도 1의 예에서는 컨버터부(20)를 2 레벨 컨버터 회로로서 나타내고 있으나, 그외에 예를 들어 3 레벨 컨버터 회로(공지) 등으로 구성해도 되고, 그 구성예에 대해서는 후술한다.

컨버터부(20)의 출력단에는 직류 전원이 되는 컨덴서(30)가 병렬로 접속됨과 아울러, 컨덴서(30)의 직류 전압을 입력으로 하여, 임의의 전압, 주파수의 교류 전 압으로 변환하여 출력하는 인버터부(60)가 접속된다.

인버터부(60)는 스위칭 소자(UPI, VPI, WPI)로 구성되는 정측 암(예를 들어 U상에서는 UPI)과 스위칭 소자(UNI, VNI, WNI)로 구성되는 부측 암(예를 들어 U상에서는 UNI)이 각각 직렬로 접속된 레그를 가지고 있다. 즉, 인버터부(60)에는 3쌍(U상분, V상분, W상분)의 레그를 가지는 3상 브릿지 회로가 구성되어 있다. 스위칭 소자(UPI, VPI, WPI, UNI, VNI, WNI)로는 역병렬 다이오드가 내장된 IGBT 소자나 IPM 소자가 바람직하다.

인버터부(60)는 스위칭 소자(UPI, VPI, WPI, UNI, VNI, WNI)를 PWM 제어함으로써 입력된 직류 전압을 원하는 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 또한, 인버터부(60)의 상세한 구성과 제어 방법에는 여러 가지의 공지예가 있고, 여기서의 상세한 설명은 생략한다. 또, 도 1의 예에서는 인버터부(60)를 2 레벨 인버터 회로로서 나타내고 있고, 그외에 예를 들어 3 레벨 인버터 회로(공지) 등으로 구성해도 되고, 그 구성예에 대해서는 후술한다. 또, 도 1의 예에서는 레그 수가 3(3상)인 경우의 구성예를 나타내고 있으나, 이 레그 수로 한정되는 것은 아니다.

또한, 도 1에서는 실시 형태 1에 관한 전력 변환 장치의 바람직한 실시 형태로서, 교류 입력의 전기차에 적용하는 경우를 일례로서 나타내었으나, 지하철이나 교외 전차 등에 다용되는 직류 입력의 전기차에 대해서도 동양(同樣)으로 적용할 수 있다. 또한, 직류 입력의 전기차에 적용하는 경우, 변압기(6) 및 컨버터부(20)의 구성이 불필요하게 되는 점을 제외하고, 도 1과 동등한 구성을 채용할 수 있고, 본 실시 형태에 관한 내용을 당해 직류 입력의 전기차에 적용하는 일도 물론 가능 하다.

도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 전기차로의 전력 변환 장치의 탑재 상태의 일례를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 전력 변환 장치(100)는 다른 전기 기기(11)와 함께 전기차의 차체(9)의 바닥 아래에 배치된다. 또한, 전력 변환 장치(100)의 저면(底面)에는 핀 베이스(40A)와 복수의 핀(42A)으로 이루어진 컨버터용 냉각기(50A), 및 핀 베이스(40B)와 복수의 핀(42B)으로 이루어진 인버터용 냉각기(50B)가 각각 배치되어 있고, 핀(42A, 42B)은 바깥 공기와 접하고 있다. 이와 같이 배치된 전력 변환 장치(100)에 의하면, 전기차의 주행에 의해 진행 방향과 역방향으로 생기는 주행풍 W가 핀(42A, 42B)에 흘러, 스위칭 소자로부터 발생하는 열이 핀(42A, 42B)을 통해서 대기 중에 방산된다.

도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터용 냉각기(50A)와 스위칭 소자(UPC, UNC, VPC, VNC)의 배치 관계의 일례를 나타내는 도면이다. 또한, 이후의 설명에서는 특별히 구별을 필요로 하는 부분 이외는 대표로서 컨버터용 냉각기(50A)의 핀 베이스(40A), 핀(42A), 인버터용 냉각기(50B)의 핀 베이스(40B), 핀(42B)을 각각 핀 베이스(40), 핀(42)으로 표기한다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 스위칭 소자(UPC, VPC, UNC, VNC)는 핀 베이스(40)의 평면 상에 배치된다. 또한, 이하에 기술하는 바와 같이 스위칭 소자는 직사각형을 하고 있고, 그 장변 방향이 진행 방향과 직각이 되도록 배치되어 있다. 또, 핀(42)은 핀 베이스(40)에 납땜 등으로 고정되어 전기차의 주행풍을 가두는 방향으로 복수 매 배치되어 있다. 또, 핀(42) 및 핀 베이스(40)의 재질은 알루미늄이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 복수의 핀(42) 안을 흐르는 풍속 특성을 설명하는 도면이고, 핀 베이스(40) 및 핀(42)을 도 2의 차량 측면에서 관찰한 경우에 있어서, 주행풍 W의 흐름 및 복수의 핀(42) 안의 풍속을 나타내고 있다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 전기차의 주행에 의해 핀(42)의 전단(前段; 도면의 좌측)으로부터 유입한 주행풍 W는 후단(後段; 도면의 우측)에 갈수록 핀(42)의 바깥 쪽향(핀 베이스(40)로부터 멀어지는 방향)에 유출하여, 풍속은 전단이 최대로 되고, 후단으로 향할수록 저하되는 특성으로 되는 것을 시뮬레이션에 의해 알고 있다.

이 특성은 주행풍 W가 핀(42) 사이를 흐르는 과정에 있어서, 핀(42)의 하방부가 덕트 등으로 구속되어 있지 않기 때문에 주행풍 W가 핀(42)의 하방측에 새어 나오기 때문이고, 당해 핀(42A)의 표면과의 마찰에 의해 풍속이 점차 감속하기 때문이다. 따라서, 핀 베이스(40)와 핀(42)의 진행 방향의 길이는 가능한 짧게 하는 편이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 핀 베이스(40)로의 스위칭 소자 배치의 일례를 나타내는 도면이고, 도 6은 스위칭 소자의 내부 구성을 나타내는 도면이다.

일반적으로, IGBT 모듈, IPM 모듈 등의 스위칭 소자 형상은 직사각형이고, 그 내부에는 다수의 IGBT 칩이 복수 병렬 접속되어 구성된다. 그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이, IGBT 칩(45)의 전형적인 배치 구성은 장변 방향으로 배열되는 소자 수가 단변 방향으로 배열되는 소자 수에 비해 많아져 있다.

이와 같은 스위칭 소자를 사용하는 경우, 도 5에 나타내는 바와 같이, 스위칭 소자(UPC 등)의 장변을 진행 방향과 직각이 되는 방향으로 배치하는 것에 의해, 핀(42)의 진행 방향의 사이즈를 최소화할 수 있기 때문에, 바람이 불어 가는 측(airflow downstrean side)의 스위칭 소자의 위치에서의 주행풍 W의 풍속의 저하를 최소한으로 억제하는 것이 가능하게 되고, 바람이 불어 가는 측 스위칭 소자의 온도 상승을 최소한으로 억제하는 것이 가능하게 된다.

또한, 도 5에 나타내는 바와 같이, 각 상의 레그는 전기차의 진행 방향과 동 방향으로 차례로 나란히 배치한다. 즉, 하나의 레그를 구성하는 정측 암의 스위칭 소자(예를 들어 UPC) 및 부측 암의 스위칭 소자(예를 들어 UNC)를 전기차의 진행 방향과 동 방향으로 차례로 배치한다.

이와 같이 배치하는 것에 의해, 주행풍 W가 통과하는 핀(42A)의 전단으로부터 유입하여 후단으로 빠질 때까지 통과하는 스위칭 소자 수는 컨버터부(20), 또는 인버터부(60)의 브릿지 회로의 상(相) 수에 상관없이 항상 2가 되어 최소화할 수 있기 때문에, 바람이 불어 오는 측(airflow upstrean side)의 스위칭 소자의 발열의 영향을 받아 주행풍 W의 온도가 상승하고, 그 여파를 받아 바람이 불어 가는 측의 스위칭 소자의 온도가 상승해 버리는 것을 경감할 수 있다고 하는 이점이 생긴다.

다음으로, 전기차의 속도에 대한 컨버터부(20) 및 인버터부(60)의 손실 특성에 대해 도 7을 참조하여 설명한다. 또한, 도 7은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터부(20) 및 인버터부(60)의 전기차의 속도에 대한 발생 손실의 일례를 나타내는 도면이고, 일반적인 교류 입력의 전기차의 특성을 나타내고 있다.

우선, 컨버터부(20)의 손실 특성에 대해 설명한다. 도 7의 (a)에 나타내는 바와 같이, 컨버터부(20)의 손실은 속도가 증가함에 따라 증가하고, 최고 속도의 30% ~ 50% 정도의 속도에서 최대로 되고, 최고속까지 거의 그 값을 유지하는 특성을 가지고 있다. 또한, 이 특성은 전기차의 토크 제어 특성에 기인하고 있다.

전기차의 역행시를 예로 설명하면, 기동으로부터 최고 속도의 30% ~ 50% 정도까지는 전동기(80)는 정토크(constant-torque) 제어되기 때문에, 속도에 비례해서 소요 전력이 증가한다. 이 때문에, 전원 전압이 일정한 경우, 컨버터부(20)의 전류는 속도에 거의 비례하여 증가하게 되어, 컨버터부(20)의 발생 손실은 거의 속도에 비례해서 증가하는 특성이 된다.

한편, 전기차의 속도가 최고 속도의 30% ~ 50% 정도 이상의 영역에서, 전동기(80)는 정전력 제어되기 때문에, 소요 전력은 속도에 관계없이 거의 일정하게 된다. 이 때문에, 전원 전압이 일정한 경우, 컨버터부(20)의 전류는 속도에 관계없이 거의 일정하게 되며, 컨버터부(20)에서의 발생 손실은 속도에 관계없이 거의 일정한 특성으로 된다.

이어서, 인버터부(60)의 손실 특성에 대하여 설명한다. 도 7의 (b)에 나타내는 바와 같이, 인버터부(60)의 손실은 저속일수록 크고, 최고 속도의 30% ~ 50% 정도의 속도까지 비교적 크지만, 그 이후의 속도역에서는 크게 저하하여, 최고속까지 거의 그 값을 유지하는 특성을 가지고 있다. 또한, 이 특성은 주로 전동기 전류의 특성과 인버터부(60)의 스위칭 주파수의 특성에 기인하고 있다.

컨버터부(20)와 동양으로 전기차의 역행시를 예로 설명하면, 기동으로부터 최고 속도의 30% ~ 50% 정도까지는 전동기(80)가 최대 토크에서 정토크 제어되기 때문에, 전동기 전류는 최대가 된다. 또한 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 1000 Hz 정도로 하는 비동기 PWM 제어를 행하기 때문에, 도통 손실, 스위칭 손실 모두 많이 발생하여 인버터부(60)의 손실은 최대가 된다.

한편, 전기차의 속도가 최고 속도의 30% ~ 50% 정도 이상의 영역에서, 인버터부(60)의 스위칭 소자는 동기 1 펄스 모드로 불리는 PWM 모드가 된다. 이 모드는 공지 기술이고, 스위칭 소자의 스위칭 회수가 인버터부(60)의 출력 전압 반주기에 1회만으로 되기 때문에, 스위칭 손실이 크게 감소한다. 또, 동기 1 펄스 모드에서는 전기차의 속도 증가와 함께 인버터부(60)의 출력 주파수가 증가하기 때문에, 스위칭 손실은 서서히 증가하는 경향이지만, 그 값은 그다지 크지 않기 때문에, 인버터부(60)에서의 발생 손실은 전기차의 속도에 관계없이 거의 일정한 특성이 된다.

도 8은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터용 냉각기(50A)의 일례를 나타내는 도면이고, 전기차의 진행 방향으로부터 컨버터용 냉각기(50A)의 형상을 본 정면도이다. 동 도면에 있어서, 핀 베이스(40A)의 두께(이하 「핀 베이스 두께」라고 함)를 T1, 핀(42A)의 높이(이하 「핀 높이」라고 함)를 H, 핀(42A)의 간격(이하 「핀 피치(fin pitch)」라고 함)을 LC, 핀(42A)의 두께(이하 「핀 두께」라고 함)를 T2로서 나타내고 있다.

또, 도 9는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 인버터용 냉각기(50B)의 일례를 나타내는 도면이고, 전기차의 진행 방향으로부터 인버터용 냉각기(50B)의 형상을 본 정면도이다. 동 도면에 있어서, 핀 베이스(40B)의 핀 베이스 두께를 T1, 핀(42B)의 핀 높이를 H, 핀(42B)의 핀 피치를 L1, 핀(42B)의 핀 두께를 T2로서 나타내고 있다. 즉, 컨버터용 냉각기(50A)와 인버터용 냉각기(50B)의 각 형상에 있어서 주된 차이점은 각 핀의 핀 피치가 다른 점에 있다.

도 10은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 컨버터용 냉각기(50A; 인버터용 냉각기(50B))의 냉각 성능의 일례를 나타내는 도면이다. 도 10에 있어서, 가로축은 핀 피치(핀(42A(42B)))끼리의 핀 간격)이고, 세로축은 냉각 성능 지표(같은 손실을 주었을 경우의 핀의 온도 상승값)에 관한 실험값을 나타내고 있다.

도 10에 있어서, 검은색 동그라미 표시의 점을 연결하는 곡선은 차속 20 km/h일 때의 냉각 성능 특성을 나타내고, 흰색 동그라미 표시의 점을 연결하는 곡선은 차속 45 km/h일 때의 냉각 성능 특성을 나타내며, 검은색 삼각 표시의 점을 연결하는 곡선은 차속 70 km/h일 때의 냉각 성능 특성을 나타내고 있다.

또한, 도 10은 핀(42)의 파라미터인 핀 높이 H를 150㎜, 핀 두께 T2를 3㎜, 냉각기의 핀 베이스 두께 T1을 20㎜로 한 경우의 데이터이다. 핀 높이 H는 전기차의 바닥 아래의 하방 허용 치수로 제약되고, 통상 l00㎜ ~ 200㎜ 범위의 값이 선정된다. 핀 베이스 두께 T1은 과부하에 의한 과도적(過渡的)은 스위칭 소자 손실의 증가에 견딜만한 열용량을 확보하는 관점으로부터, 통상 20㎜ ~ 40㎜의 값이 선정된다. 핀 두께 T2는 핀(42)이 전기차 하부에 노출해 있고, 또 눈(snow)이나 전기차 바닥 아래로부터의 눈 덩어리의 낙하시에 레일의 포석이 튀어 핀(42)에 충돌할 가 능성이 있고, 그 때 핀(42)의 파손을 억제하는 관점으로부터, 통상 2㎜ ~ 4㎜의 값이 선정된다.

상기 파라미터 중, 핀 높이 H와 핀 베이스 높이 T1은 도 10에 나타내는 특성에는 거의 영향을 주지 않기 때문에, 핀 높이 H와 핀 베이스 높이 T1을 각각 100㎜ ~ 200㎜, 20㎜ ~ 40㎜ 범위의 값으로 하는 경우에도 도 10에 나타내는 데이터가 적용 가능하다.

여기에서, 핀 높이 T2를 변화시키면, 도 10의 특성이 약간 변화하지만, 그 변화량은 핀 높이 T2의 3㎜를 기준으로 하여, 핀 두께 T2를 1㎜ 증가시킨 경우에는 최적 피치값이 거의 1.5㎜ 증가하고, 핀 두께 T2를 1㎜ 감소시킨 경우에는 최적 피치가 거의 1.5㎜ 감소하는 특성이었다.

이는 핀 피치를 고정한 조건으로 핀 두께 T2를 증가(또는 감소)시킨 경우, 그 증가(감소) 분만큼 핀(42) 사이의 틈이 축소(또는 증가)하는 한편, 주행풍 W의 핀 사이를 흐를 때의 저항이 증가(또는 감소)하여 풍속이 저하(또는 증가)하는 것에 의해, 핀 피치의 최적값이 증가(또는 감소)하기 때문으로 이해할 수 있다.

도 10의 냉각 성능에 설명을 되돌린다. 도 10으로부터, 동일 핀 피치이면, 차속이 높을수록 냉각 성능이 향상되는 것을 알 수 있다. 또, 동일 차속에서는 핀 피치를 지나치게 좁게 해도 지나치게 넓게 해도 냉각 성능이 악화되어, 차속에 따른 최적의 핀 피치가 존재하는 것을 알 수 있다.

차속에 따른 최적의 핀 피치가 존재하는 이유는 동일 차속으로 핀 피치를 좁게 한 경우, 핀 베이스(40)가 가지는 핀(42)의 매수가 증가하기 때문에 방열 표면 적이 증가하여 냉각 성능의 향상에 기여하는 현상과, 주행풍 W가 핀 사이를 통과할 때의 저항이 증대하여 핀 사이의 풍속이 감소하여 냉각 성능의 저하에 기여하는 현상이 동시에 발생하기 때문이다. 반대로, 핀 피치를 넓게 한 경우, 핀 베이스(40)가 가지는 핀(42)의 매수가 감소하기 때문에 방열 표면적이 감소하여 냉각 성능의 저하에 기여하는 현상과, 주행풍 W가 핀 사이를 통과할 때의 저항이 감소하여 핀 사이의 풍속의 저하가 작아져서 냉각 성능의 향상에 기여하는 현상이 동시에 발생하기 때문이다. 즉, 양자의 균형점이 당해 차속에 있어서 냉각 성능의 최대화 포인트가 된다.

또한, 차속에 관계없이 일정 풍량이 얻어지는 팬을 사용한 강제 풍랭 방식(종래 방식)이면, 방열 표면적을 증가시키기 위해서 핀 피치를 좁게 한 경우에도, 풍속을 크게 하는 것에 의해 냉각 성능을 확보할 수 있으므로, 핀 피치 등에 대한 큰 제약은 없다고 말해도 좋다.

한편, 전기차의 주행풍을 사용하는 냉각 방식에서는 차속에 의해 주행풍 W의 풍속이 변화하기 때문에 핀 피치를 어떻게 결정할지가 중요한 요점이 된다.

도 7에 있어서, 컨버터부(20)의 손실은 차속이 높은 영역에서 최대 손실이 되는데 비해, 인버터부(60)의 손실은 차속이 낮은 영역에서 최대 손실이 되는 것을 나타내었다. 이것을 고려하면, 컨버터부(20)의 핀(42A)의 핀 피치는 차속이 높은 영역에서 냉각 성능이 높아지는 좁은 쪽이 좋고, 인버터부(60)의 핀(42B)의 핀 피치는 차속이 낮은 영역에서 냉각 성능이 높아지는 좁은 쪽이 좋다. 즉, 컨버터부(20)와 인버터부(60)에서는 최적이 되는 핀 피치가 다른 것을 선정하는 것이 바 람직하다.

실시 형태 2.

도 11은 본 발명의 실시 형태 2에 있어서 컨버터부의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 컨버터부(20a)는 도 1에 나타낸 실시 형태 1의 컨버터부(20)의 회로 구성에 비해, 각 암의 스위칭 소자가 병렬 접속되어 있는 점이 다르다.

도 11에 있어서, U상 정측 암에서는 스위칭 소자(UPCA, UPCB)가 병렬 접속되고, U상 부측 암에서는 스위칭 소자(UNCA, UNCB)가 병렬 접속되고, V상 정측 암에서는 스위칭 소자(VPCA, VPCB)가 병렬 접속되고, V상 부측 암에서는 스위칭 소자(VNCA, VNCB)가 병렬 접속되어 있다.

이어서, 이러한 스위칭 소자를 병렬 접속하는 경우에 바람직한 스위칭 소자의 배치예에 대해 설명한다. 도 12는 본 발명의 실시 형태 2에 있어서 핀 베이스(40)로의 스위칭 소자 배치의 일례를 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 실시 형태 1에서 나타낸 배치 방법과 더불어, 각 암 모두 병렬 접속하는 스위칭 소자를 진행 방향에 대해 직각 방향으로 나란히 배치하고 있다.

상기와 같이 배치함으로써, 각 암에 있어서 병렬 접속 소자의 쌍끼리(예를 들어, U상 정측 암에서는 UPCA와 UPCB)에서는 바람이 불어 오는 측의 핀 앞 가장자리로부터의 거리가 동일하게 되기 때문에, 온도를 거의 같게 하는 것이 가능하게 된다. 일반적으로, 스위칭 소자는 온도에 의존하여 순방향 전압 강하가 변화하기 때문에, 병렬 접속 소자의 쌍끼리의 온도가 다르면, 각각의 순방향 전압 강하가 다 르게 되어, 쌍끼리의 전류의 분류비가 악화되어, 어느 한 스위칭 소자에 전류가 집중하는 등의 문제를 일으킨다.

한편, 본 실시 형태에서는 병렬 접속된 각 스위칭 소자의 바람이 불어 오는 측 핀 앞 가장자리로부터의 거리를 동일하게 배치하도록 하고 있기 때문에, 병렬 접속 소자의 쌍끼리의 온도가 거의 균일화되어 양호한 전류의 분류를 실현할 수 있다.

또, 핀(42)의 진행 방향의 사이즈를 최소화할 수 있기 때문에, 바람이 불어 가는 측의 스위칭 소자의 위치에 있어서 주행풍 W의 풍속의 저하를 최소한으로 억제하는 것이 가능하게 되고, 바람이 불어 가는 측의 스위칭 소자에 있어서 온도 상승을 최소한으로 억제하는 것이 가능하게 된다.

또, 주행풍 W가 핀(42)의 전단으로부터 유입하여 후단으로 빠질 때까지에 통과하는 스위칭 소자 수를, 병렬 접속하지 않는 경우와 같은 수로 최소화할 수 있고, 바람이 불어 오는 측의 스위칭 소자의 발열 영향을 받아 주행풍 W의 온도가 상승하고, 그 여파를 받아 바람이 불어 가는 측의 스위칭 소자의 온도가 상승해 버리는 것을 경감할 수 있다고 하는 이점이 생긴다.

또한, 주행풍 W가 통과하는 핀(42)의 전단으로부터 유입하여 후단으로 빠질 때까지에 통과하는 스위칭 소자 수는 컨버터부(20), 또는 인버터부(60)의 브릿지 회로의 상 수에 관계없이 항상 2로 되어 최소화할 수 있기 때문에, 바람이 불어 오는 측의 스위칭 소자의 발열 영향을 받아 주행풍 W의 온도가 상승하고, 그 여파를 받아 바람이 불어 가는 측의 스위칭 소자의 온도가 상승해 버리는 것을 경감할 수 있다고 하는 이점이 얻어진다.

실시 형태 3.

도 13은 본 발명의 실시 형태 3에 있어서 컨버터부(20)의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 컨버터부(20b)는 도 1에 나타낸 실시 형태 1의 컨버터부(20)의 회로 구성과 비교해서, 소위 3 레벨 회로의 구성으로 되어 있는 점이 다르다.

도 13에 있어서, U상 정측에서는 병렬 접속된 스위칭 소자(UPC1A, UPC1B)와, 병렬 접속된 스위칭 소자(UPC2A, UPC2B)가 직렬 접속됨과 아울러, 이 접속점에는 병렬 접속된 다이오드(UD1A, UD1B)의 캐소드측이 접속되고, 그 애노드측은 컨덴서(30P)와 30N의 중점(접속점)에 접속되어 있다. 동양으로, U상 부측 암에서는 병렬 접속된 스위칭 소자(UNC3A, UNC3B)와, 병렬 접속된 스위칭 소자(UNC4A, UNC4B)가 직렬 접속됨과 아울러, 이 접속점에는 병렬 접속된 다이오드(UD2A, UD2B)의 애노드측이 접속되고, 그 캐소드측은 컨덴서(30P)와 30N의 중점(접속점)에 접속되어 있다. 또한, V상 정측 암 및 V상 부측 암의 구성에 대해서도, 각각 U상 정측 암, V상 정측 암의 구성과 동양이고, 당해 접속 구성에 관한 상세한 설명을 생략한다.

또, 이 컨버터부(20)를 1 kHz 전후의 스위칭 주파수에서 스위칭 동작시킨 경우의 각 스위칭 소자 및 각 다이오드 소자에 있어서 1상당의 손실 비율을 나타낸 것이, 이하에 나타내는 표 1이다. 또한, 아래 표에서는 1상분의 손실을 100%로 하여, U상을 대표적으로 나타내고 있다.

[표 1]

각 소자의 손실 비율
UPC 1	UPC 2	UD 1	UD 2	UNC 3	UNC 4
13%	32%	5%	5%	32%	13%

표 1을 참조하면, 스위칭 소자(UPC2, UNC3)의 손실이 다른 것에 비해 대부분을 차지하고 있음을 알 수 있다.

이어서, 이러한 스위칭 소자를 병렬 접속하는 경우에 바람직한 스위칭 소자의 배치예에 대해 설명한다. 도 14는 본 발명의 실시 형태 3에 있어서 핀 베이스(40)로의 스위칭 소자 배치의 일례를 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 각 상 레그(=정측 암 및 부측 암)를 구성하는 스위칭 소자 그룹이, 핀 베이스(40) 상에서 진행 방향을 따라서 종렬로 배치되어 있다.

구체적으로, U상 레그로 설명하면, 정측 암의 스위칭 소자(UPC1A, UPC2A), 및 부측 암의 스위칭 소자(UNC3A, UNC4A)가 이 순서로 진행 방향을 따라서 배치되어 있다. 또, U상 레그에 인접하고, 그리고 진행 방향의 직각 방향으로, 병렬 접속된 정측 암의 스위칭 소자(UPC1B, UPC2B) 및 부측 암의 스위칭 소자(UNC3B, UNC4B)가 이 순서로 배치되어 있다. 또한, 다이오드(UD1A, UD2A, UD1B, UD2B)에 대해서는 표 1에 나타내는 바와 같이, 손실 비율이 전체의 10% 정도로 작기 때문에, 여기서는 생각하지 않는다. 또, 다른 상의 스위칭 소자에 대해서도 동양이고, 진행 방향의 직각 방향으로 차례로 배치한다.

지금 만약 스위칭 소자 배치는 도 14 그대로이고, 진행 방향과 핀의 방향이 도 14에 나타낸 진행 방향과 직각 방향이었다고 하면, 주행풍 W는 손실이 큰 4개의 소자(예를 들어 UPC2A, UPC2B, VPC2A, VPC2B)를 통과하게 되어, 바람이 불어 가는 측에 해당하는 스위칭 소자는 바람이 불어 오는 측의 스위칭 소자로부터의 발열에 영향을 받아 온도가 상승해 버리게 된다.

한편, 상기와 같이 배치함으로써, 핀(42)의 진행 방향의 사이즈를 최소화할 수 있기 때문에, 바람이 불어 가는 측의 스위칭 소자의 위치에 있어서 주행풍 W의 풍속의 저하를 최소한으로 억제하는 것이 가능하게 되고, 바람이 불어 가는 측 스위칭 소자에 있어서 온도 상승을 최소한으로 억제하는 것이 가능하게 된다.

또, 주행풍 W가 핀(42)의 전단으로부터 유입하여 후단으로 빠질 때까지 통과하는 스위칭 소자 수와, 그 합계 손실(U상에서는 UPC1A+UPC2A+UNC3A+UNC4A)을 최소화할 수 있기 때문에, 바람이 불어 오는 측의 스위칭 소자의 발열의 영향을 받아 주행풍 W의 온도가 상승하고, 그 여파를 받아 바람이 불어 가는 측의 스위칭 소자의 온도가 상승해 버리는 것을 경감할 수 있다고 하는 이점이 얻어진다. 또한, 본 실시 형태 3에서는 컨버터부(20)를 예로 설명하였으나, 인버터부(60)에 적용해도 된다.

실시 형태 4.

도 15는 본 발명의 실시 형태 4에 있어서 핀 베이스의 내부 구조의 일부를 나타내는 도면이고, 도 16은 도 15의 A-A선을 따르는 시시(矢視) 단면도이다. 이러한 각 도면에 나타난 핀 베이스(40)에서는 스위칭 소자 바로 아래의 내부에, 진행 방향을 따라서 배설(配設)되는 복수 개의 히트 파이프(46)가 삽입되어 있다. 히트 파이프(46)는 공지의 수단이고, 직경 10㎜ 정도의 구리를 주원료로 하고, 내부에 윅(wick)이라 불리는 모세 가공을 실시한 중공 파이프(hollow pipe)에 소량의 물 등의 동작액(動作液)을 봉입(封入)하고, 진공으로 봉한 것이다.

상기와 같이 구성함으로써, 예를 들어 바람이 불어 가는 측의 스위칭 소자의 발열에 의해 균열 파이프 내의 물이 수증기가 되어 그 주위의 열을 빼앗는 동시에, 수증기가 온도가 낮은 바람이 불어 오는 측으로 이동하고, 응축하여 열을 방산하고, 다시 물로 돌아와서 바람이 불어 가는 측으로 이동하는 사이클을 반복하는 것에 의해, 고온측의 열을 저온측으로 이송시키는 것이 가능하게 된다. 이 결과, 핀 베이스(40)의 바람이 불어 오는 측과 바람이 불어 가는 측의 온도의 균일화를 도모하는 것이 가능하게 되고, 바람이 불어 가는 측의 스위칭 소자의 냉각 성능이 보다 향상된다.

실시 형태 5.

도 17은 본 발명의 실시 형태 5에 있어서 컨버터부(20)의 핀 베이스(40A)로의 스위칭 소자 배치와 히트 파이프의 배치의 일례를 나타내는 도면이다. 도 14와 동양으로 각 상 레그(=정측 암과 부측 암)를 구성하는 스위칭 소자 그룹이 핀 베이스(40) 상에서, 진행 방향을 따라서 종렬로 배치되어 있다. U상 레그의 한쪽에서 설명하면, 진행 방향을 따라서, 정측 암의 스위칭 소자(UPC1A, UPC2A), 부측 암의 스위칭 소자(UNC3A, UNC4A)가 이 순서로 배치되어 있다. 또한, 도 14에서 생략하고 있던 다이오드(UD1A, UD2A)는 도 17에 나타낸 바와 같이, 정측 암의 스위칭 소자(UPC2A)와 부측 암의 스위칭 소자(UNC3A) 사이에 배치된다. 이러한 손실은 표 1과 같이 전체의 10% 정도로 작다. 다른 레그의 구성에 대해서도 동양이다.

다음으로, 히트 파이프(46A, 46B)의 배치에 대해 설명한다. 또한, 히트 파이 프(46A, 46B)는 복수 개 배치하지만, U상 레그의 한쪽을 예로 하여 설명한다. 핀 베이스(40)에는 정측 암의 스위칭 소자(UPC1A, UPC2A)의 바로 아래를 통과하고, 또한 일단을 UPC1A의 바로 아래를 벗어난 위치까지 연장하고, 타단을 UPC2A의 바로 아래를 벗어난 위치까지 연장한 히트 파이프(46A)와, 부측 암의 스위칭 소자(UNC3A, UNC4A)의 바로 아래를 통과하고, 또한 일단을 UNC3A의 바로 아래를 벗어난 위치까지 연장하고, 타단을 UNC4A의 바로 아래를 벗어난 위치까지 연장한 히트 파이프(46B)가 내장된다. 또, 히트 파이프(46A, 46B)는 양쪽 분할되어 있다.

또한, 상기와 같이 구성한 경우의 동작을 설명한다. 정측 암의 스위칭 소자(UPC1A, UPC2A)의 발생 손실은 크기 때문에, 당해 스위칭 소자 바로 아래의 핀 베이스(40)의 온도는 높아진다. 한편, 다이오드(UD1A)의 발생 손실은 작기 때문에, 당해 다이오드 바로 아래의 핀 베이스(40)의 온도는 낮아진다. 즉, 정측 암의 스위칭 소자(UPC1A, UPC2A)의 바로 아래와, 다이오드(UD1A)의 바로 아래에서는 온도차가 발생한다. 이와 같은 환경에 있어서, 히트 파이프(46A)의 작용에 의해 정측 암의 스위칭 소자(UPC1A, UPC2A)에서 발생한 열의 일부는 다이오드(UD1A) 부근의 핀 베이스(40)까지 이송된다. 동양으로, 히트 파이프(46B)의 작용에 의해 부측 암의 스위칭 소자(UNC3A, UNC4A)에서 발생한 열의 일부는 다이오드(UD2A) 부근의 핀 베이스(40)까지 이송된다.

이와 같은 동작에 의해, 스위칭 소자(UPC1A, UPC2A, UNC3A, UNC4A)의 열은 당해 스위칭 소자 부근에 위치하는 부분의 핀(42)뿐만 아니라, 다이오드(UD1A, UD2A) 부근에 위치하는 부분의 핀(42)으로부터도 방열이 가능하게 되고, 손실이 큰 스위칭 소자(UPC1A, UPC2A, UNC3A, UNC4A)의 효과적인 냉각이 가능하게 된다. 바꾸어 말하면, 손실이 작고 냉각상 여유가 있는 다이오드(UD1A, UD2A) 부근의 핀(42)을, 손실이 큰 스위칭 소자(UPC1A, UPC2A, UNC3A, UNC4A)의 냉각에 유효하게 사용하는 것에 의해, 핀 사이즈를 크게 하는 일 없이 스위칭 소자(UPC1A, UPC2A, UNC3A, UNC4A)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

이와 같이 구성하는 것에 의해, 스위칭 소자(UPC1A, UPC2A, UNC3A, UNC4A)에 의해 많은 전류를 흐르게 하는 것이 가능하게 되고, 동일 핀 사이즈라도 변환할 수 있는 전력 용량을 증가시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 다른 레그의 동작에 대해서도 동양이다.

본 실시 형태 5의 요점은 전력 변환 회로를 구성하는 복수 스위칭 소자(여기서는 다이오드를 포함하는 반도체 소자를 의미함) 각각의 손실 대소에 주목하여, 손실이 큰 소자의 발열을 손실이 작은 소자 부근으로 이송하는 것에 의해, 손실이 작고 냉각상 여유가 있는 소자 부근에 위치하는 핀을, 손실이 큰 소자의 냉각에 유효하게 사용하는 것에 있다. 또한, 실시 형태 5에서는 일례로서 단상 3 레벨 컨버터 회로에 바람직한 구성을 나타내었으나, 다른 예를 들어 3상 인버터 회로 등에 대한 적용도 물론 가능함과 아울러, 회로 구성이나 소자 배치에 맞추어 히트 파이프를 적절히 분할하여 구성해도 되는 것은 물론이다.

또한, 상기의 각 실시 형태에 나타낸 구성은 본 발명 내용의 일례이고, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능함과 아울러, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 일부를 생략하는 등, 변경하여 구성하는 것도 가능함은 물론이다.

또한, 본 명세서에서는 전기차로의 적용을 주로 하는 발명 내용의 설명을 하고 있으나, 적용 용도는 전기차로 한정되지 않고, 전기 자동차 등의 관련 분야로의 적용이 가능한 것도 말할 것도 없다.

이상과 같이, 본 발명에 관한 전력 변환 장치는 주행풍을 사용하여 스위칭 소자의 냉각을 행하는 전력 변환 장치에 있어서, 한층 더 소형화, 경량화를 실현할 수 있는 발명으로서 유용하다.

Claims (17)

1. 전기차에 탑재되어, 전력 변환 회로를 구성하는 복수의 스위칭 소자를 냉각하는 냉각기를 가진 전력 변환 장치로서,

   상기 냉각기는 적어도 상기 스위칭 소자 장착면이 되는 핀 베이스(fin base)와, 그 반대면에 배치된 복수의 핀을 가지고 구성되고, 상기 각 핀은 방열(放熱)을 위해 바깥 공기에 접하도록 배치되고,

   상기 전력 변환 회로가 상기 스위칭 소자로 구성된 정측(正側) 암 및 부측(負側) 암으로 이루어진 레그(leg)를 복수 쌍 가지는 단상(單相) 또는 다상(多相)의 브릿지 회로(bridge circuit)인 경우에, 상기 각 상의 레그를 구성하는 각 스위칭 소자를 상기 핀 베이스 상에 전기차의 진행 방향으로 차례로 나란히 배치한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 전력 변환 회로가 상기 스위칭 소자로 구성된 정측 암 및 부측 암으로 이루어진 레그를 복수 쌍 가지는 단상 또는 다상의 브릿지 회로인 경우에, 각 상의 상기 레그는 상기 핀 베이스 상에 전기차의 진행 방향에 대하여 직각 방향으로 차례로 나란히 배치한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 정측 암 및 부측 암의 각각이, 복수 개의 스위칭 소자를 병렬 접속하여 구성되는 경우에, 이 병렬 접속되어 구성되는 동종(同種) 암의 쌍을, 상기 핀 베이스 상에 전기차의 진행 방향에 대하여 직각 방향으로 차례로 나란히 배치한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 정측 암 및 부측 암의 각각이, 복수 개의 스위칭 소자를 병렬 접속하여 구성되는 경우에, 병렬 접속된 상기 스위칭 소자는 상기 핀 베이스의 전기차 진행 방향 앞 가장자리로부터 등거리가 되도록 배치한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 스위칭 소자가 직사각 형상인 경우, 상기 스위칭 소자의 장변이 전기차의 진행 방향에 대하여 직각 방향을 향하고, 단변이 전기차의 진행 방향을 향하도록 상기 핀 베이스 상에 나란히 배치한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 전기차가 교류 전화(電化) 구간에서 운전되는 교류 전기차로서, 상기 전력 변환 회로로서 교류를 직류로 변환하는 컨버터부와, 상기 컨버터부의 출력에 접속되어 직류를 교류로 변환하여 전기차를 구동하는 전동기에 전력을 공급하는 인 버터부를 가질 때,

   상기 컨버터부용의 상기 냉각기와 상기 인버터부용의 상기 냉각기가 각각 별체로서 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 컨버터부용의 상기 핀 베이스에 장착된 복수 상기 핀의 핀 피치(fin pitch)와, 상기 인버터부용의 상기 핀 베이스에 장착된 복수의 상기 핀끼리간의 핀 피치가 다른 값으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 컨버터부용의 상기 핀 베이스에 장착된 복수 상기 핀의 핀 피치가 상기 인버터부용의 상기 핀 베이스에 장착된 복수의 상기 핀끼리간의 핀 피치보다 작은 값으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 핀의 두께가 2㎜ ~ 4㎜의 범위인 경우,

   상기 컨버터부용의 상기 핀 베이스에 장착된 복수 상기 핀의 핀 피치가 6.5㎜ ~ 11.5㎜ 사이의 값으로 설정되고,

   상기 인버터부용의 상기 핀 베이스에 장착된 복수 상기 핀의 핀 피치가 8.5㎜ ~ 15.5㎜ 사이의 값으로 설정되어 있는 것 특징으로 하는 전력 변환 장치.
10. 청구항 1에 있어서,

    상기 핀의 두께가 3㎜인 경우,

    상기 컨버터부용의 상기 핀 베이스에 장착된 복수 상기 핀의 핀 피치가 8㎜ ~ 10㎜ 사이로 설정되고,

    상기 인버터부용의 상기 핀 베이스에 장착된 복수 상기 핀의 핀 피치가 10㎜ ~ 14㎜ 사이로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
11. 청구항 1에 있어서,

    직렬로 접속되는 제1 ~ 제4 스위칭 소자가 상기 레그로서 구성되고,

    정측 암을 이루는 상기 제1 스위칭 소자의 일단이 직류 전원의 정측에 접속되고, 부측 암을 이루는 상기 제4 스위칭 소자의 일단이 직류 전원의 정측에 접속되어 있고,

    상기 제1 스위칭 소자와 함께 정측 암을 이루는 상기 제2 스위칭 소자의 일단과 상기 제1 스위칭 소자의 타단이 접속되는 접속점에 캐소드가 접속되고, 애노드가 상기 직류 전원의 중점에 접속되는 제1 다이오드와,

    상기 제4 스위칭 소자와 함께 부측 암을 이루는 상기 제3 스위칭 소자의 일단과 상기 제4 스위칭 소자의 타단이 접속되는 접속점에 애노드가 접속되고, 캐소드가 상기 직류 전원의 중점에 접속되는 제2 다이오드가 구비되고,

    상기 제2 스위칭 소자의 타단과 상기 제3 스위칭 소자의 타단과의 접속점을 외부에 취출할 수 있도록 한 3 레벨 회로가 구성되는 경우에,

    상기 레그를 구성하는 각 스위칭 소자를 상기 핀 베이스 상에 전기차의 진행 방향으로 차례로 나란히 배치한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
12. 청구항 11에 있어서,

    상기 제1 ~ 제4 스위칭 소자에 의해 구성되는 상기 레그를 복수 쌍 가지는 단상 또는 다상의 브릿지 회로인 경우에, 각 상의 상기 레그는 상기 핀 베이스 상에 전기차의 진행 방향에 대하여 직각 방향으로 차례로 나란히 배치한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
13. 청구항 1에 있어서,

    직렬로 접속되는 제1 ~ 제4 스위칭 소자가 상기 레그로서 구성되고,

    정측 암을 이루는 상기 제1 스위칭 소자의 일단이 직류 전원의 정측에 접속되고, 부측 암을 이루는 상기 제4 스위칭 소자의 일단이 직류 전원의 정측에 접속되어 있고,

    상기 제1 스위칭 소자와 함께 정측 암을 이루는 상기 제2 스위칭 소자의 일단과 상기 제1 스위칭 소자의 타단이 접속되는 접속점에 캐소드가 접속되고, 애노드가 상기 직류 전원의 중점에 접속되는 제1 다이오드와,

    상기 제4 스위칭 소자와 함께 부측 암을 이루는 상기 제3 스위칭 소자의 일단과 상기 제4 스위칭 소자의 타단이 접속되는 접속점에 애노드가 접속되고, 캐소 드가 상기 직류 전원의 중점에 접속되는 제2 다이오드가 구비되고,

    상기 제2 스위칭 소자의 타단과 상기 제3 스위칭 소자의 타단과의 접속점을 외부에 취출할 수 있도록 한 3 레벨 회로가 구성되는 경우에,

    상기 레그를 구성하는 각 스위칭 소자를, 상기 제1, 제2 스위칭 소자, 상기 제3, 제4 스위칭 소자의 순으로, 상기 핀 베이스 상에 전기차의 진행 방향으로 차례로 나란히 배치한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
14. 청구항 1에 있어서,

    상기 핀 베이스의 내부에, 상기 스위칭 소자의 바로 아래를 통과하고 또한 전기차의 진행 방향으로 히트 파이프(heat pipe)를 복수 매립한 구성으로 한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
15. 청구항 1에 있어서,

    상기 핀 베이스의 내부에, 상기 정측 암의 상기 스위칭 소자와 상기 부측 암의 상기 스위칭 소자의 바로 아래를 모두 통과하고 또한 전기차의 진행 방향으로 히트 파이프를 복수 매립한 구성으로 한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
16. 청구항 1에 있어서,

    상기 핀 베이스의 내부에 히트 파이프를 매립한 구성으로서, 상기 히트 파이프는 상기 핀 베이스 상에 탑재되는 상기 전력 변환 회로를 구성하는 복수의 상기 스위칭 소자 중, 손실이 큰 상기 스위칭 소자의 바로 아래 부근과 손실이 작은 상기 스위칭 소자의 바로 아래 부근에 각각 일단과 타단을 배치한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
17. 청구항 1에 있어서,

    직렬로 접속되는 제1 ~ 제4 스위칭 소자가 상기 레그로서 구성되고,

    정측 암을 이루는 상기 제1 스위칭 소자의 일단이 직류 전원의 정측에 접속되고, 부측 암을 이루는 상기 제4 스위칭 소자의 일단이 직류 전원의 정측에 접속되어 있고,

    상기 제1 스위칭 소자와 함께 정측 암을 이루는 상기 제2 스위칭 소자의 일단과 상기 제1 스위칭 소자의 타단이 접속되는 접속점에 캐소드가 접속되고, 애노드가 상기 직류 전원의 중점에 접속되는 제1 다이오드와,

    상기 제4 스위칭 소자와 함께 부측 암을 이루는 상기 제3 스위칭 소자의 일단과 상기 제4 스위칭 소자의 타단이 접속되는 접속점에 애노드가 접속되고, 캐소드가 상기 직류 전원의 중점에 접속되는 제2 다이오드가 구비되고,

    상기 제2 스위칭 소자의 타단과 상기 제3 스위칭 소자의 타단과의 접속점을 외부에 취출할 수 있도록 한 3 레벨 회로가 구성되는 경우이고,

    또한, 상기 레그를 구성하는 각 스위칭 소자가 상기 제1, 제2, 제3, 제4 스위칭 소자의 순으로 상기 핀 베이스 상에 전기차의 진행 방향으로 차례로 나란히 배치된 경우에,

    상기 히트 파이프는 상기 제1, 제2 스위칭 소자 바로 아래를 통과하고 또한 상기 히트 파이프의 일단이 상기 제1 스위칭 소자의 바로 아래를 벗어난 부분까지 연장하여 배치되고, 타단이 상기 제2 스위칭 소자의 바로 아래를 벗어나 상기 제1 다이오드의 바로 아래 부근까지 연장하여 배치된 것과, 상기 제3, 제4 스위칭 소자 바로 아래를 통과하고 또한 상기 히트 파이프의 일단이 상기 제3 스위칭 소자의 바로 아래를 벗어난 부분까지 연장하여 배치되고, 타단이 상기 제4 스위칭 소자의 바로 아래를 벗어나 상기 제2 다이오드의 바로 아래 부근까지 연장하여 배치된 것이라는 적어도 2 가지로 분할하여 상기 핀 베이스 내부에 매립한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.

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