JP2004201500A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数個の冷却器に印加される損失熱の分担を平準化することによって、必要最小限の大きさの冷却構成を可能とすると共に、小形，軽量化を実現することのできる電力変換装置を提供する。
【解決手段】 複数個の半導体素子のスイッチング動作により交流を直流に、又は直流を交流に変換する複数群の電力変換回路を収納した電力変換装置において、並列に接続され、各々が独立して運転可能な複数群の前記電力変換回路を構成する半導体素子（８）を、受熱部（３１）及び放熱部（３２）を有する共通の冷却ユニット（３０）に取付ける。
【選択図】 図４

Description

本発明は複数組の電力変換回路を収納した電力変換装置に関する。

半導体素子で構成される電力変換回路には種々のものがあり、直流を交流に変換するインバータ回路や交流を直流に変換するコンバータ回路がある。また、インバータ回路には、交流出力の電圧、周波数を可変に制御する可変電圧可変周波数インバータ（以下、ＶＶＶＦインバータと呼ぶ）回路や、交流出力の電圧、周波数を一定に制御する定電圧定周波数インバータ（以下、ＣＶＣＦインバータと呼ぶ）回路等があり、これらが電力変換システムを構成している。

鉄道車両システムを例にとると、車両駆動用として誘導電動機を制御するＶＶＶＦインバータ回路が、制御単位毎に複数群収納された電力変換装置が車両に取り付けられる。例えば、１台の誘導電動機をそれぞれ個別に制御するＶＶＶＦインバータ回路を一車両分すなわち４群を収納した電力変換装置が広く使用されている。この電力変換装置は、故障時には故障したＶＶＶＦインバータ回路を切り離すことによって運転が継続できるといった冗長性に優れたシステムである。また、補助電源システムにはＣＶＣＦインバータ回路が使われるが、最近は複数群のＶＶＶＦインバータ回路とＣＶＣＦインバータ回路とを一個の電力変換装置に収納し、ＣＶＣＦインバータ回路が故障した場合には、ＶＶＶＦインバータ回路のうちの一群をＣＶＣＦインバータ回路に切り替えて、鉄道車両システムとしての冗長性の向上を図ったシステムもある。

交流電気車には、交流を直流に変換するコンバータ回路と、直流を交流に変換するインバータ回路とを組み合わせて出力電圧、出力周波数を制御して誘導電動機を駆動するシステムが一般的に使われている。これら種々の電力変換システムは、従来、別個の装置として車両に設置されていたが、最近では、設置スペースの縮小化、装置間を接続する配線本数を削減するための装置の集約化が行なわれ、１個の電力変換装置に種々の変換回路を収納する傾向にある。１個の装置の中に複数群の電力変換回路が収納される電力変換装置では、例えば、コンバータ変換回路部、インバータ変換回路部、制御基板部、制御電源部といった電気的な機能毎に、装置内を区画した領域に装着され、それぞれがユニットとして構成されることが多い。

半導体素子を用いた変換回路部では半導体素子が発生する熱（以下、損失熱という）を装置外に排出し、半導体素子の温度を許容値以下で使用するための冷却器が必要になる。冷却器の基本構成は、半導体素子が取り付けられる受熱部と外気へ熱放散を行う放熱部とからなるが、受熱部は電力変換装置の密閉室部分に置かれ、放熱部は外気と通ずる開放室部分に置かれる。放熱部が置かれる開放室部分は装置の筐体より若干突出させて外気へ熱放散しやすくしたり、電動送風機により強制的に冷却風を流す冷却風洞としたり、鉄道車両の床下に設置される装置では車両走行時に装置の外表面を相対的に流れる走行風を受けやすい部位に設けたりしている。

このように複数群の変換回路を収納した従来の電力変換装置を以下に説明する。図１１は鉄道車両駆動用の電力変換装置の回路図で、１両分の電動機、すなわち、４台の誘導電動機を個別に制御する４群のＶＶＶＦインバータ回路を収納した電力変換装置の回路図である。同図において、パンタグラフ１には、遮断器２及びフィルタリアクトル３を介して、ＶＶＶＦインバータ回路４の正入力端が接続され、その負入力端は車輪を通じて接地されている。また、ＶＶＶＦインバータ回路４の正、負入力端間にはそれぞれフィルタコンデンサ５が接続され、さらに、出力端には誘導電動機６が接続されている。このように４群の回路が並列に接続され、１両分で４台の誘導電動機６を４群のＶＶＶＦインバータ回路４が個別に制御する。この回路図に示される電気部品のうち、４群のＶＶＶＦインバータ回路４、フィルタコンデンサ５が一つの箱体に収納されて電力変換装置７Ａが構成され、他の電気部品はそれぞれ単独にあるいは他の装置の箱体に収納され、これらが車体配線で電気的に接続されて鉄道車両駆動システムを構成している。

図１２（ａ）は上述した電力変換装置７Ａを鉄道車両の床下に装着した状態を示す斜視図であり、図１２（ｂ）は車両の進行方向から見た側面図であり、図１３（ａ）は車両の底面に取り付けられる方向から見た電力変換装置７Ａの平面図であり、図１３（ｂ）はその底面図である。これら各図において、電力変換装置７Ａは半導体素子（例えば、ＩＧＢＴにスナバー用のダイオードを並列接続したものを総称する）８を冷却する４個の冷却器９を備える。そして、１個の冷却器９にはＶＶＶＦインバータ回路の１群分の半導体素子８がまとめて収納され、フィルタコンデンサ５が一つの箱体に収納されている。

なお、１群のＶＶＶＦインバータ回路はＵ，Ｖ，Ｗの３相インバータ回路であるが、場合によっては、４群のＶＶＶＦインバータ回路の各１相分を１個の冷却器９にまとめて取り付け、これを３個並べて構成することもある。これは、各群のＶＶＶＦインバータ回路を構成する各１相分の半導体素子８を集約配置すれば、その周辺部品の配置、電気的な接続が容易になり、電力変換装置７Ａが機能的に区分されて機能毎のユニット構成が可能になることから、冷却器９もこのような１群毎の変換回路でまとめられた形となる。

図１１〜１３に示した冷却器９には、半導体素子８が取り付けられる受熱部と外気へ熱放散を行う放熱部とからなる冷却ユニットが装着されるが、受熱部は電力変換装置７Ａの密閉室部分に置かれ、放熱部は外気と通ずる開放室部分に置かれる。放熱部の置かれる開放室部分は筐体より若干突出させて外気へ熱放散しやすくなっており、さらに、車両走行時に装置の外表面を相対的に流れる走行風を受けやすい構成になっている。

電力変換装置７Ａの運転時には半導体素子８より損失熱が発生するがこれが冷却器９内に装着される冷却ユニットの受熱部へ熱伝導により伝わり、冷却ユニットの放熱部から外気に熱放散することによって半導体素子８が冷却され、許容温度以下での使用が可能となる。

ところで、電力変換装置７Ａを構成する４群のＶＶＶＦインバー夕が全て健全である運転時には、４群のＶＶＶＦインバー夕は個別に制御されるが、それぞれの群から発生する損失熱はほぼ同等であり、それぞれの冷却器９ではほぼ同等の損失熱が放散される。しかし、電力変換装置７Ａの故障時には、故障した１群のＶＶＶＦインバータ回路を遮断器２によって切り離し、残りの群のＶＶＶＦインバータ回路で運転を継続できるようにシステムに冗長性を持たせたことが、この電力変換装置７Ａの特徴になっている。

１群のＶＶＶＦインバータ回路が故障したことにより、残り３群のＶＶＶＦインバータ回路で運転を継続した場合、運転を継続するＶＶＶＦインバータ回路を構成する半導体素子８には、４群全てのＶＶＶＦインバータ回路が健全な時と比べると大きな電流を流す必要がある。そのため、半導体素子８より発生する損失熱も健全時よりも多くなり、冷却器９の熱放散能力も健全時よりも高い性能が要求される。従って、それぞれの冷却器９は、４群のＶＶＶＦインバータ回路の全てが健全に運転されている時の熱損失だけでなく、健全時よりも増加している故障時の損失熱をも処理できる放熱能力を確保する必要がある。言い換えれば、健全時にはそれぞれの冷却器９は冷却能力に余裕があり、故障時には、故障により切り離されたＶＶＶＦインバータ回路の半導体素子８が取り付けられていた冷却器９は全く放熱処理を行わず、運転を継続する残りのＶＶＶＦインバータ回路の半導体素子８が取り付けられた冷却器９だけが放熱処理を行うことになる。

この結果、冷却器９を個々に大形化しなければならず、このことが電力変換装置７Ａの小形、軽量化を阻害する要因になっていた。

複数群の電力変換回路を収納した従来の他の電力変換装置を以下に説明する。図１４は２群の車両駆動用のＶＶＶＦインバータ回路と、１群の車両電源用のＣＶＣＦインバータ回路１７を同一システムとして構成した電力変換装置７Ｂの回路図であり、図中、図１１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。ここで、２群のＶＶＶＦインバータ回路のうちの１群は、ＣＶＣＦインバータ回路の故障時にＶＶＶＦインバータ回路からＣＶＣＦインバータ回路に切り替えて運転することが可能に構成され、車両の電源を確保することによって車両システムとしての冗長性を高めたものである。

図１５（ａ）は図１４に示した電力変換装置が鉄道車両の床下に装着された状態を示す斜視図であり、図１４（ｂ）は車両の進行方向から見た側面図であり、図１６（ａ）は車両の底面に取り付けられる方向から見た電力変換装置７の平面図であり、図１６（ｂ）はその底面図である。これは、図１１〜１３に示した従来装置と同様に、ＶＶＶＦインバータ回路用の２個の冷却器９と、ＣＶＣＦインバータ回路用の１個の冷却器９とを備えており、それぞれがユニット構成されている。

ここで、切り替え動作の詳細については省略するが、ＣＶＣＦインバータ回路の故障時には、ＣＶＣＦインバータ回路の半導体素子８が取り付けられている冷却器９は、もちろん、放熱処理を行わず、もともと、ＶＶＶＦインバータ回路用として放熱処理を行っていた２個の冷却器がＶＶＶＦインバータ回路とＣＶＣＦインバータ回路用として働くことになる。ＶＶＶＦインバータ回路として運転を継続する群の半導体素子８が取り付けられている冷却器９は図１１〜１３に示した従来装置と同様に、健全時と比べて高い放熱能力が要求され、この時の放熱能力に見合った冷却器９の外形形状とする必要がある。又、ＶＶＶＦインバータ回路とＣＶＣＦインバータ回路とを共通に構成することが要求されるが、適用される車両システムによっては必ずしもＶＶＶＦインバータ回路とＣＶＣＦインバータ回路とで半導体素子８から発生する損失熱は等しくないにも拘わらず形状が同一の冷却器９を用いていたので、健全な運転時でも各々の冷却器９が全て均等に放熱処理を受け持っているとは言い難く、このこともまた，電力変換装置７Ｂの小形、軽量化を阻害する要因になっていた。

さらに、複数群の変換回路を収納した従来のもう一つ他の電力変換装置について、図１７〜１９を参照して以下に説明する。図１７はこの電力変換装置７Ｃの回路図であり、交流を入力としてこの交流を直流に変換する実質的に２組分のコンバータ回路１８と、このコンバータ回路１８により変換された直流を可変電圧、可変周波数制御された交流に変換するインバータ回路１９とにより構成され、これによって鉄道車両の４台の誘導電動機６を駆動するシステムになっている。図１８（ａ）はこの電力変換装置７Ｃを車両底部に装着する側から見た平面図、図１８（ｂ）は車両の進行方向から見た側面図であり、図１９は図１８（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面図である。この電力変換装置７Ｃは２個の冷却ユニット９ａ，９ｂを備え、このうち、冷却ユニット９ａにはコンバータ回路を構成する半導体素子８が、冷却ユニット９ｂにはインバータ回路を構成する半導体素子８がそれぞれ取り付けられており、電動送風機１４により強制的に送風されて放熱を行う構成になっている。

それぞれの変換回路より発生する損失熱は、同じタイミングで増減するのではなく、異なったタイミングで増減する。鉄道車両の比較的低速時、つまり、加減速時にはインバータ回路より発生する損失熱が大きく、比較的高速での運転時にはコンバータ回路より発生する損失熱が大きい。従って、冷却ユニット９ａ側からの熱放散が大きいときは冷却ユニット９ｂ側からの熱放散は比較的小さく、冷却ユニット９ｂ側からの熱放散が大きいときは冷却ユニット９ａ側からの熱放散は比較的小さいことになる。加えて、本装置では冷却ユニット９ａ，９ｂの放熱側を強制送風により冷却を行っているため、熱時定数が小さいので、それぞれの冷却ユニット９ａ，９ｂは最大損失熱でその大きさが決まってしまう。つまり、損失熱の増減に応じて冷却器の温度が短時間で追従するので、損失熱が時間に応じて変化する場合、短時間の最大損失熱での冷却を可能にしておく必要がある。

図１７〜１９に示した電力変換装置でも、図１１〜１３、あるいは、図１４〜１６に示した電力変換装置と同様に、複数群の変換回路毎にユニット構成とすることによって、それぞれの冷却器に印加される熱負荷が不平衡な状態になることが多く、その結果、冷却器が大形になり、装置の小形，軽量化を阻害していた。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、複数個の冷却器に印加される損失熱の分担を平準化することによって、必要最小限の大きさの冷却構成を可能とすると共に、小形，軽量化を実現することのできる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、
複数個の半導体素子のスイッチング動作により交流を直流に、又は直流を交流に変換する複数群の電力変換回路を収納した電力変換装置において、
並列に接続され、各々が独立して運転可能な複数群の電力変換回路を構成する半導体素子を、受熱部及び放熱部を有する共通の冷却ユニットに取付けたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、
複数個の半導体素子のスイッチング動作によりそれぞれの出力が異なる負荷へ接続される複数群のインバータ回路を有する電力変換装置において、
並列に接続され、各々が独立して運転可能な複数群のインバータ回路を構成する半導体素子を、受熱部及び放熱部を有する共通の冷却ユニットに取り付けたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、
複数個の半導体素子のスイッチング動作により直流を可変電圧,可変周波数の交流に変換する複数群の可変電圧可変周波数インバータ回路と直流を一定電圧、一定周波数の交流に変換する定電圧定周波数インバータ回路とを並列に接続して収納した電力変換装置において、
並列に接続象され、各々が独立して運転可能な各インバータ回路を構成する半導体素子を、受熱部及び放熱部を有する共通の冷却ユニットに取り付けたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、複数個の半導体素子を相毎又は正側、負側に分割し、分割された半導体素子群を、これらの半導体素子群に対応して設けられた冷却器に取り付けたことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置において、冷却ユニットの受熱部に、互いに異なる回路の半導体素子の取付部の熱を相互に輸送するヒートパイプを備えたことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置において、冷却ユニットの受熱部は箱型をなし、内部に冷媒を封入したことを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置において、冷却ユニットの受熱部は表面及び裏面に半導体素子の取り付けが可能に構成され、一方の面に一つの群の電力変換回路を構成する半導体素子群を取付け、他方の面に、他の群の電力変換回路を構成する半導体素子群を取付けたことを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置において、冷却ユニットの一つの面に異なる電力変換回路の半導体素子群を相毎に交互に並べて取り付けたことを特徴とする。

請求項９に係る発明は、請求項８に記載の電力変換装置において、半導体素子が電力変換回路毎に高さが異なるものであるとき、半導体素子の電気接続用端子の高さが等しくなるように、冷却ユニットの半導体素子取付け面に段差を設けたことを特徴とする。

請求項１０に係る発明は、
各々異なる負荷に接続され、複数個の半導体素子のスイッチング動作により交流を直流に、又は直流を交流に変換する複数群の電力変換回路を収納した電力変換装置において、
並列に接続され、複数群の電力変換回路を構成する半導体素子を、受熱部及び放熱部を有する共通の冷却ユニットに取付けたことを特徴とする。

請求項１１に係る発明は、
各々異なる負荷に接続され、複数個の半導体素子のスイッチング動作によりそれぞれの出力が異なる負荷へ接続される複数群のインバータ回路を有する電力変換装置において、
並列に接続され、複数群のインバータ回路を構成する半導体素子を、受熱部及び放熱部を有する共通の冷却ユニットに取り付けたことを特徴とする。

請求項１２に係る発明は、
複数個の半導体素子のスイッチング動作により直流を可変電圧,可変周波数の交流に変換する複数群の可変電圧可変周波数インバータ回路と直流を一定電圧、一定周波数の交流に変換する定電圧定周波数インバータ回路とを並列に接続して収納した電力変換装置において、
並列に接続され、各々異なる負荷に接続される各インバータ回路を構成する半導体素子を、受熱部及び放熱部を有する共通の冷却ユニットに取り付けたことを特徴とする。

請求項１３に係る発明は、請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の電力変換装置において、複数個の半導体素子を相毎又は正側、負側に分割し、分割された半導体素子群を、これらの半導体素子群に対応して設けられた冷却器に取り付けたことを特徴とする。

請求項１４に係る発明は、請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、冷却ユニットの受熱部に、互いに異なる回路の半導体素子の取付部の熱を相互に輸送するヒートパイプを備えたことを特徴とする。

請求項１５に係る発明は、請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、冷却ユニットの受熱部は箱型をなし、内部に冷媒を封入したことを特徴とする。

請求項１６に係る発明は、請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、冷却ユニットの受熱部は表面及び裏面に半導体素子の取り付けが可能に構成され、一方の面に一つの群の電力変換回路を構成する半導体素子群を取付け、他方の面に、他の群の電力変換回路を構成する半導体素子群を取付けたことを特徴とする。

請求項１７に係る発明は、請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、冷却ユニットの一つの面に異なる電力変換回路の半導体素子群を相毎に交互に並べて取り付けたことを特徴とする。

請求項１８に係る発明は、請求項１７に記載の電力変換装置において、半導体素子が電力変換回路毎に高さが異なるものであるとき、半導体素子の電気接続用端子の高さが等しくなるように、冷却ユニットの半導体素子取付け面に段差を設けたことを特徴とする。

本発明は上記のように構成したことにより、複数個の冷却器に印加される損失熱の分担を平準化することによって、必要最小限の大きさの冷却構成を可能とすると共に、小形，軽量化を実現することのできる電力変換装置を提供することができる。

以下、本発明を図面に示す好適な実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係る電力変換装置の第１実施例の構成を示し、このうち（ａ）は車両の底面に取り付けられる方向から見た平面図であり、同図（ｂ）はその底面図である。ここに示した電力変換装置７Ｄは、従来装置として図１１に回路図を示した４群のＶＶＶＦインバータ回路に適用したもので、各群の構成部品が３個の冷却器９Ｕ，９Ｖ，９Ｗに相毎に分割収納された構成になっている。すなわち、４群のＶＶＶＦインバータ回路のうち、各群のＵ相の半導体素子８が冷却器９Ｕに収納され、各群のＶ相の半導体素子８が冷却器９Ｖに収納され、各群のＷ相の半導体素子８が冷却器９Ｗに収納されている。電力変換装置７Ｄには、さらに、４個の制御部１５が収納され、それぞれ個別に４群のＶＶＶＦインバータ回路を制御するように構成されている。

ここで、４群のＶＶＶＦインバータ回路が健全に動作している状態では、半導体素子８から発生する損失熱は冷却器９Ｕ，９Ｖ，９Ｗにより外気に放出され、全ての半導体素子８は許容温度以下に冷却される。このとき、冷却器９Ｕ，９Ｖ，９Ｗのそれぞれには、ほぼ同量の損失熱が負荷されて半導体素子８が許容温度以下に冷却される。

一方、４群のＶＶＶＦインバータ回路のうち１群が故障したことにより、この１群をシステムから切り離して運転するときは、運転を継続する残りのＶＶＶＦインバータ回路に通常時よりも大きな電流を流してシステムの性能低下を防止する必要がある。このとき、ＶＶＶＦインバー夕回路を構成する半導体素子８の損失熱は増加する。しかし、３個の冷却器９Ｕ，９Ｖ，９Ｗの全てにほぼ均等に損失熱が負荷され、かつ、冷却器９Ｕ，９Ｖ，９Ｗは元来４群分の損失熱を冷却する能力を備えているため、３群分の損失熱が通常時よりも増加したとしても、十分な冷却が行われる。

かくして、全ての群のＶＶＶＦインバータ回路が健全な通常運転時はもちろん、故障により１群のＶＶＶＦインバータ回路を切り離して残りの群のＶＶＶＦインバータ回路で運転する場合でも、複数個の冷却器全体が効率良く冷却性能を発揮する。一般的に、冷却器の大きさが電力変換装置の外形に占める比率は大きく、本発明によれば冷却系が効率良く冷却作用をするため、冷却器全体の小形化が可能になると共に、電力変換装置全体の小形軽量化が可能となる。

図２は本発明に係る電力変換装置の第２実施例の構成を示し、このうち（ａ）は車両の底面に取り付けられる方向から見た平面図であり、（ｂ）はその底面図である。ここに示した電力変換装置７Ｅは図１４に回路図で示した２群のＶＶＶＦインバータ回路と１群のＣＶＣＦインバータ回路をそれぞれ構成する半導体素子８が相毎に分割収納されている。すなわち、３個の冷却器９Ｕ，９Ｖ，９Ｗのうち、冷却器９ＵにはＶＶＶＦインバータ回路のＵ相の２群分の半導体素子８とＣＶＣＦインバータ回路のＵ相の１群分の半導体素子８とが収納され、冷却器９ＶにはＶＶＶＦインバータ回路のＶ相の２群分の半導体素子８とＣＶＣＦインバータ回路のＶ相の１群分の半導体素子８とが収納され、冷却器９ＷにはＶＶＶＦインバータ回路のＷ相の２群分の半導体素子８とＣＶＣＦインバータ回路のＷ相の１群分の半導体素子８とが収納されている。この電力変換装置７Ｅには３個の制御部１５も収納され、それぞれ個別に２群のＶＶＶＦインバータ回路と１群のＣＶＣＦインバータ回路を制御するように構成されている。

ここで、２群のＶＶＶＦインバータ回路と１群のＣＶＣＦインバータ回路の回路の全てが健全な状態では、それぞれの冷却器９Ｕ，９Ｖ，９Ｗにほぼ同量の損失熱が負荷され、全ての半導体素子８から発生する損失熱は冷却器９Ｕ，９Ｖ，９Ｗにより外気に放出され、半導体素子８が許容温度以下に冷却される。

一方、ＣＶＣＦインバータ回路が故障した場合、ＶＶＶＦインバータ回路の１群がＣＶＣＦインバータ回路に切り替えられる。このとき、運転を続行する残りの１群のＶＶＶＦインバータ回路に通常時よりも大きな電流を流し、システムの性能低下を防止する必要がある。従って、運転を続行する残りのＶＶＶＦインバータ回路に、通常時よりも大きな電流を流してシステムの性能低下を防止する必要がある。これにより１個の半導体素子８から発生する損失熱は全てが健全な運転時よりも大きくなる。しかし、３個の冷却器９Ｕ，９Ｖ，９Ｗの全てにほぼ均等に損失熱が負荷され、かつ、冷却器９Ｕ，９Ｖ，９Ｗは元来２群分のＶＶＶＦインバータ回路の損失熱と、１群のＣＶＣＦインバータ回路の各半導体素子８の損失熱を放散する能力を備えているため、運転を続行する１群分の損失熱が通常時よりも増加したとしても、十分な冷却が行われる。

かくして、第２実施例によれば、１群のＣＶＣＦインバータ回路が故障した場合でも、全ての冷却器が半導体素子の損失熱を放熱する働きをしており、冷却系に無駄のない、効率的な冷却システムが実現できる。この結果、冷却器全体の小形化が可能になると共に、電力変換装置全体の小形軽量化が可能となる。

図３は本発明に係る電力変換装置の第３実施例の構成を示し、このうち（ａ）は車両の底面に取り付けられる方向から見た平面図であり、同図（ｂ）は車両の進行方向から見た側面図である。ここに示した電力変換装置７Ｆは従来装置として図１７に回路図で示した装置に適用したものであり、図中、図１８と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。ここで、電力変換装置７Ｆは電動送風機１４の送風経路に装着された冷却ユニット９ｃを備えている。この冷却ユニット９ｃ上にインバータ回路を構成する半導体素子８がＵ，Ｖ，Ｗの相毎に収納されて送風経路の幅方向に３分割して装着され、コンバータ回路を構成する半導体素子８が正側と負側とに分割され、電動送風機１４から見てインバータ回路を構成する半導体素子８の後方に、送風経路の幅方向に２分割して装着されている。

以下にこ実施例の動作を説明する。低速時つまり加減速時には、主にインバータ回路の半導体素子８から損失熱が発生し、コンバータ回路からの損失熱は小さい。高速の運転時には、主にコンバータ回路の半導体素子８から損失熱が発生し、インバータ回路の半導体素子からの損失熱は小さい。以上のように、コンバータ回路より発生する損失熱とインバータ回路より発生する損失熱は、同じタイミングで増減することなく、異なったタイミングで損失熱が増減する。冷却ユニットは、コンバータ回路とインバータ回路をそれぞれ幅方向に均等に分割配置し、かつ、送風経路の前後に配置したことにより、全ての速度域においてぼぼ均等の損失熱を処理することができる。

このように、速度域によって異なる損失熱を発生するコンバータ回路とインバータ回路とを送風経路の前後方向に配置することにより、冷却ユニットには各速度域でぼぼ均等な損失熱が負荷され、冷却器全体で効率良く冷却性能が発揮され、冷却系に無駄のない、効率的な冷却システムが実現できる。

かくして、第３実施例によっても、冷却器全体の小形化が可能になると共に、電力変換装置全体の小形軽量化が可能となる。

図４は本発明に係る電力変換装置の第４実施例を示し、図１１に示した４群のインバータ回路４の各半導体素子８を、共通の冷却ユニットに取り付けた例で、（ａ）は詳細な構成を示す平面図で、（ｂ）はその断面図である。これら各図において、冷却ユニット３０はその表面が平坦な受熱部３１と、その裏面に形成された多数の放熱フィンでなる放熱部３２とを備えている。そして、受熱部３１の表面に４群のインバータ回路を構成する半導体素子８が、群毎に２行２列に装着されている。また、受熱部３１の内部には４本のヒートパイプ３３が、この受熱部３１の均熱化を図るように適切な間隔にて平行に埋設されている。
ここで、冷却ユニット３０の受熱部３１に埋設されたヒートパイプ３３は、受熱部３１全体を熱的に平準化する効果を有するが、第１及び第２実施例にて説明した如く、故障によって切り離されて損失熱が印加されなくなった半導体素子の取付部にも熱輸送されるため、運転を続行する半導体素子８の損失熱を受熱部３１全体に熱輸送して冷却が行われる。

かくして、冷却ユニット３０の受熱部３１に埋設されたヒートパイプ３３により、健全時の運転はもちろん、故障時の運転においても、受熱部３１の温度を平準化し、冷却ユニット３０全体で複数群のインバータ回路の半導体素子８の損失熱を放散し、冷却系に無駄のない効率的な冷却システムが実現できる。これによって、冷却器全体の小形化が可能になると共に、電力変換装置全体の小形軽量化が可能となる。

図５は本発明に係る電力変換装置の第５実施例を示し、図１１に示した４群のインバータ回路４の各半導体素子８を、共通の冷却ユニットに取り付けた例で、（ａ）は詳細な構成を示す平面図で、（ｂ）はその断面図である。これら各図において、冷却ユニット４０は全体が扁平な箱型の受熱部４１と、この受熱部４１を略半分に分けた一方の外周部に多数の冷却フィンが連続的に形成されてなる放熱部４２とを備え、残りの半分の表面に４群のインバータ回路を構成する半導体素子８が、群毎に２行２列に装着されている。また、受熱部４１の内部にはフロリナート又は水でなる冷媒４３が封入されている。

この冷却器ユニット４０は沸騰冷却タイプであり、冷媒４３によって半導体素子８の取付面の温度を効率的に平準化することができる。これによって、冷却器全体の小形化が可能になると共に、電力変換装置全体の小形軽量化が可能となる。

図６は本発明に係る電力変換装置の第６実施例を示し、図１１に示した４群のインバータ回路を構成する半導体素子８を共通に装着する冷却ユニットの構成例で、（ａ）は詳細な構成を示す平面図で、（ｂ）はその断面図である。これら各図において、冷却ユニット５０は全体が扁平な箱型の受熱部５１と、この受熱部５１を略半分に分けた一方の外周部に多数の冷却フィンが連続的に形成された放熱部５２とを備え、残りの半分の表面に６個の半導体素子８（図１１に示した２群のインバータを構成するものに対応している）が２行３列に装着され、裏面にも６個の半導体素子８（図１１に示した２群のインバータを構成するものに対応している）が表面と同様に装着されている。また、受熱部５１の内部には冷媒５３が封入されている。

この冷却ユニット５０も沸騰冷却タイプであり、冷媒５３によって半導体素子８の取付面の温度を効率的に平準化することができる。この場合、受熱部５１の表面と裏面とに半導体素子８が分散配置されているため、図５に示した冷却ユニット４０と比較して冷却効率がより高められ、さらに、半導体素子８を電気的に接続する導体の配置が単純化できるという効果も得られる。

図７は本発明に係る電力変換装置の第７実施例を示し、図１１に示した４群のインバータ回路４の各半導体素子８を、共通の冷却ユニットに取り付けた例であり、（ａ）は詳細な構成を示す平面図で、（ｂ）はその断面図である。これら各図において、冷却ユニット６０は全体が扁平な箱型の受熱部６１と、この受熱部６１を略半分に分けた一方の外周部に多数の冷却フィンが連続的に形成されてなる放熱部６２とを備え、残りの半分の表面に各相の半導体素子８ａ及び８ｂが受熱部６１の横幅方向に２行６列に、すなわち、相毎に装着されている。また、受熱部６１の内部には冷媒６３が封入されている。

なお、こ実施例は図１１に示す４群のインバータ回路のうち、２群のインバータ回路と残りのインバータ回路とが、種類又は定格の異なる半導体素子を用いたことに対応して、２群のインバータ回路の半導体素子８ａがＵ相分、Ｖ相分、Ｗ相分の順に間隔をおいて配置され、他の２群のインバータ回路の半導体素子８ｂがＵ相分、Ｖ相分、Ｗ相分の順にそれぞれ半導体素子８ａに隣接して配置されている。

この冷却ユニット６０においても、故障時における受熱部６１の温度が一部に偏ることなく平準化され、図５又は図６に示した冷却器よりも効率的な冷却システムが実現できる。

図８は本発明に係る電力変換装置の第８実施例を示し、図１１に示した４群のインバータ回路４の各半導体素子８を、共通の冷却ユニットに取り付けた例であり、（ａ）は詳細な構成を示す平面図で、（ｂ）はその側面図である。これら各図において、冷却ユニット７０は全体が扁平な箱型の受熱部７１と、この受熱部７１を略半分に分けた一方の外周部に多数の冷却フィンが連続的に形成されてなる放熱部７２とを備え、残りの半分の表面に前述した各相の半導体素子８ａ及び８ｂが受熱部６１の横幅方向に２行６列に配置されている。また、受熱部６１の内部には冷媒６３が封入されている。

ここに示した冷却ユニット７０は、半導体素子の電気接続用端子の高さが異なる際の高さ位置を揃えるために、高さの差ΔＨだけ半導体素子８ａの取付面を半導体素子８ｂの取付面よりも低くなるように受熱部７１の表面に凹凸が形成されている。これによって、半導体素子８ａ，８ｂの電気接続用端子の高さが揃えられ、直線状の接続導体２１によってそのまま接続することができ、半導体素子間の電気接続が容易になると同時に、構成が簡易化されると言う効果も得られる。

図９は本発明に係る電力変換装置の第９実施例を示し、特に図３に示す第３実施例を構成する冷却ユニットの変形例を示したものである。図中（ａ）は冷却ユニットの詳細な構成と半導体素子の取付状態を示す平面図であり、（ｂ）はその側面図である。ここで、冷却ユニット８０は平板状の受熱部８１を備えている。この受熱部８１はその内部にヒートパイプを埋設したものであっても、あるいは、箱型に形成して内部に冷媒を密封する構造のものであってもよい。この受熱部８１の表面にはインバータを構成する半導体素子８ａと、コンバータを構成する半導体素子８ｂとが実装され、受熱部８１の裏面には多数の冷却フィンを風の流れる方向に並設した放熱部８２が形成されている。

この冷却ユニット８０の受熱部８１の表面に取り付けられる半導体素子８ａは、３群のインバータ回路を構成するＵ相分の３組の半導体素子Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３と、Ｖ相分の３組の半導体素子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と、Ｗ相分の３組の半導体素子Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３とを含み、半導体素子８ｂは３群のコンバータ回路を構成する３組の半導体素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を含んでいる。

これらの半導体素子は、風が放熱部８２を通り抜ける方向で見て、インバータ回路のＵ相分の半導体素子Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３と、Ｖ相分の半導体素子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と、Ｗ相分の半導体素子Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３とが順次列状に配置され、その側方にコンバータ回路の半導体素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３が一列に配置されている。こ実施例の特徴は、風の流れる方向にＵ相分の半導体素子がＵ１，Ｕ２，Ｕ３の順に配置されているのに対して、Ｖ相分の半導体素子はＶ３，Ｖ１，Ｖ２の順に配置され、Ｗ相分の半導体素子がＷ２，Ｗ３，Ｗ１の順に配置されている点にある。

周知の如く、冷却風が冷却ユニット８０の冷却フィン８２の間を通り抜ける間に半導体素子の損失熱によって、冷却風の温度は次第に上昇する。従って、上流に配置された半導体素子の冷却効率は高く、下流に配置された半導体素子の冷却効率は低い。そこで、上述したように、インバータ各群の半導体素子を冷却風の通過方向に規則的にその位置を変えることによって、半導体素子の温度上昇をインバータの群毎に平準化することができ、これによって効率的な冷却システムを実現することができる。

また、故障によって、１群のインバータを切り離して運転する際には、このインバータ回路の半導体素子からの損失熱が無くなり、残りのインバータの半導体素子の損失熱は増加するが、冷却能力に余裕があるため、故障時の冗長性に優れたシステムを構成することができる。

図１０は本発明に係る電力変換装置の第１０実施例を示し、密閉室部分に隣接して配置される開放室部分に電動送風機を配置すると共に、２組の冷却ユニットと、これに関連する２組の周辺回路を風の流れる方向に並べて配置した構成であり、（ａ）はその平面図を、（ｂ）はその側面図を示している。これら各図において、２組の冷却ユニット９０ａ及び９０ｂは図４に示した冷却ユニットと同様な形状を有し、冷却ユニット９０ａの受熱部の表面に６個の半導体素子８ａが装着され、冷却ユニット９０ｂの受熱部の表面に６個の半導体素子８ｂが装着されている。これらの冷却ユニット９０ａ及び９０ｂは半導体素子８ａ及び８ｂが密閉室部分１２側に収納され、冷却フィンでなる放熱部が開放室部分１３側に位置するように取り付けられている。この場合、冷却ユニット９０ａ及び９０ｂは電動送風機１４によって風が送り込まれる方向と直交する方向に並べて配置される。一方、冷却ユニット９０ａに装着される半導体素子８ａに関連する周辺回路２２ａが風の流れる方向で見て冷却ユニット９０ｂの下流側の開放室部分に装着され、反対に、冷却ユニット９０ｂに装着される半導体素子８ｂに関連する周辺回路２２ｂが風の流れる方向で見て冷却ユニット９０ａの下流側の開放室部分に装着されている。すなわち、互いに関連する冷却ユニットと周辺回路とが、相互にその位置を入れ替えて実装されている。

このように、周辺回路２２ａ及び２２ｂを互いに他の群の下流に配置することにより、複数群の変換回路が冷却風の流れに対して共通化され、冷却風の温度上昇が平準化される。また、図９に示した第９実施例と同様、故障によって一群を切り離す際は、周辺回路２２ａ，２２ｂとしては上流側の半導体素子８ａ，８ｂが装着された冷却ユニット９０ｂ，９０ａの損失熱が少なくなり、残りの群の運転により、発熱量が増加しても冷却能力に余裕があるため、故障時の冗長性に優れたシステムを構成することができる。

本発明に係る電力変換装置の第１実施例を車両の底面に取り付けられる方向から見た平面図及びその底面図。 本発明に係る電力変換装置の第２実施例を車両の底面に取り付けられる方向から見た平面図及びその底面図。 本発明に係る電力変換装置の第３実施例を車両の底面に取り付けられる方向から見た平面図及びその側面図。 本発明に係る電力変換装置の第４実施例を構成する冷却ユニット及び半導体素子の取り付け状態を示す平面図及びその断面図。 本発明に係る電力変換装置の第５実施例を構成する冷却ユニット及び半導体素子の取り付け状態を示す平面図及びその断面図。 本発明に係る電力変換装置の第６実施例を構成する冷却ユニット及び半導体素子の取り付け状態を示す平面図及びその断面図。 本発明に係る電力変換装置の第７実施例を構成する冷却ユニット及び半導体素子の取り付け状態を示す平面図及びその断面図。 本発明に係る電力変換装置の第８実施例を構成する冷却ユニット及び半導体素子の取り付け状態を示す平面図及びその側面図。 本発明に係る電力変換装置の第９実施例を構成する冷却ユニット及び半導体素子の取り付け状態を示す平面図及びその側面図。 本発明に係る電力変換装置の第１０実施例を構成する冷却ユニット及び半導体素子の取り付け状態を示す平面図及びその側面図。 従来の電力変換装置として、４群のＶＶＶＦインバータ回路を有する鉄道車両駆動用の電力変換装置の構成を示す回路図。 図１１に示した電力変換装置を鉄道車両の床下に装着した状態を示す斜視図及び車両の進行方向から見た側面図。 図１１に示した電力変換装置を車両の底面に取り付けられる方向から見た平面図及びその底面図。 従来の他の電力変換装置として、２群のＶＶＶＦインバータ回路と、１群のＣＶＣＦインバータ回路を含む鉄道車両駆動用の電力変換装置の構成を示す回路図。 図１４に示した電力変換装置を鉄道車両の床下に装着した状態を示す斜視図及び車両の進行方向から見た側面図。 図１４に示した電力変換装置を車両の底面に取り付けられる方向から見た平面図及びその底面図。 従来のもう一つ他の電力変換装置として、複数群の変換回路を収納した車両駆動用の電力変換装置の回路図。 図１７に示した電力変換装置を車両底部に装着する側から見た平面図及び車両の進行方向から見た側面図。 図１７に示した電力変換装置の縦断面図。

符号の説明

１ パンタグラフ
２ 遮断機
３ フィルタリアクトル
４ ＶＶＶＦインバータ回路
５ フィルタコンデンサ
６ 誘導電動機
７Ａ〜７Ｆ 電力変換装置
８，８ａ，８ｂ 半導体素子
９，９Ｕ，９Ｖ，９Ｗ 冷却器
９ａ，９ｂ，９ｃ 冷却ユニット
１２ 密閉室部分
１３ 開放室部分
１４ 電動送風機
１５ 制御部
１７ ＣＶＣＦインバータ回路
１８ コンバータ回路
１９ インバータ回路
２１ 接続導体
２２ａ，２２ｂ 周辺回路
３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０ａ，９０ｂ 冷却ユニット
３１，４１，５１，６１，７１，８１ 受熱部
３２，４２，５２，６２，７２，８２ 放熱部
３３ ヒートパイプ
４３，５３，６３ 冷媒

Claims (18)

1. 複数個の半導体素子のスイッチング動作により交流を直流に、又は直流を交流に変換する複数群の電力変換回路を収納した電力変換装置において、
   並列に接続され、各々が独立して運転可能な複数群の前記電力変換回路を構成する半導体素子を、受熱部及び放熱部を有する共通の冷却ユニットに取付けたことを特徴とする電力変換装置。
2. 複数個の半導体素子のスイッチング動作によりそれぞれの出力が異なる負荷へ接続される複数群のインバータ回路を有する電力変換装置において、
   並列に接続され、各々が独立して運転可能な複数群の前記インバータ回路を構成する半導体素子を、受熱部及び放熱部を有する共通の冷却ユニットに取り付けたことを特徴とする電力変換装置。
3. 複数個の半導体素子のスイッチング動作により直流を可変電圧,可変周波数の交流に変換する複数群の可変電圧可変周波数インバータ回路と直流を一定電圧、一定周波数の交流に変換する定電圧定周波数インバータ回路とを並列に接続して収納した電力変換装置において、
   並列に接続象され、各々が独立して運転可能な前記各インバータ回路を構成する半導体素子を、受熱部及び放熱部を有する共通の冷却ユニットに取り付けたことを特徴とする電力変換装置。
4. 前記複数個の半導体素子を相毎又は正側、負側に分割し、分割された前記半導体素子群を、これらの半導体素子群に対応して設けられた冷却器に取り付けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記冷却ユニットの受熱部に、互いに異なる回路の半導体素子の取付部の熱を相互に輸送するヒートパイプを備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記冷却ユニットの受熱部は箱型をなし、内部に冷媒を封入したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記冷却ユニットの受熱部は表面及び裏面に半導体素子の取り付けが可能に構成され、一方の面に一つの群の前記電力変換回路を構成する半導体素子群を取付け、他方の面に、他の群の電力変換回路を構成する半導体素子群を取付けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記冷却ユニットの一つの面に異なる電力変換回路の半導体素子群を相毎に交互に並べて取り付けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記半導体素子が電力変換回路毎に高さが異なるものであるとき、前記半導体素子の電気接続用端子の高さが等しくなるように、前記冷却ユニットの半導体素子取付け面に段差を設けたことを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
10. 各々異なる負荷に接続され、複数個の半導体素子のスイッチング動作により交流を直流に、又は直流を交流に変換する複数群の電力変換回路を収納した電力変換装置において、
    並列に接続され、複数群の前記電力変換回路を構成する半導体素子を、受熱部及び放熱部を有する共通の冷却ユニットに取付けたことを特徴とする電力変換装置。
11. 各々異なる負荷に接続され、複数個の半導体素子のスイッチング動作によりそれぞれの出力が異なる負荷へ接続される複数群のインバータ回路を有する電力変換装置において、
    並列に接続され、複数群の前記インバータ回路を構成する半導体素子を、受熱部及び放熱部を有する共通の冷却ユニットに取り付けたことを特徴とする電力変換装置。
12. 複数個の半導体素子のスイッチング動作により直流を可変電圧,可変周波数の交流に変換する複数群の可変電圧可変周波数インバータ回路と直流を一定電圧、一定周波数の交流に変換する定電圧定周波数インバータ回路とを並列に接続して収納した電力変換装置において、
    並列に接続され、各々異なる負荷に接続される前記各インバータ回路を構成する半導体素子を、受熱部及び放熱部を有する共通の冷却ユニットに取り付けたことを特徴とする電力変換装置。
13. 前記複数個の半導体素子を相毎又は正側、負側に分割し、分割された前記半導体素子群を、これらの半導体素子群に対応して設けられた冷却器に取り付けたことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の電力変換装置。
14. 前記冷却ユニットの受熱部に、互いに異なる回路の半導体素子の取付部の熱を相互に輸送するヒートパイプを備えたことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
15. 前記冷却ユニットの受熱部は箱型をなし、内部に冷媒を封入したことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
16. 前記冷却ユニットの受熱部は表面及び裏面に半導体素子の取り付けが可能に構成され、一方の面に一つの群の前記電力変換回路を構成する半導体素子群を取付け、他方の面に、他の群の電力変換回路を構成する半導体素子群を取付けたことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
17. 前記冷却ユニットの一つの面に異なる電力変換回路の半導体素子群を相毎に交互に並べて取り付けたことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
18. 前記半導体素子が電力変換回路毎に高さが異なるものであるとき、前記半導体素子の電気接続用端子の高さが等しくなるように、前記冷却ユニットの半導体素子取付け面に段差を設けたことを特徴とする請求項１７に記載の電力変換装置。

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