JP6182021B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に鉄道車両用の電力変換装置に適用して好適なものである。

鉄道車両に設置される電力変換装置は、鉄道架線から入力される直流電力を複数のパワースイッチング素子により電力変換し、鉄道車両用の電動機に出力するものである。この電力変換装置は、主としてパワースイッチング素子と、パワースイッチング素子を冷却するための冷却ユニットと、鉄道架線から入力される直流電力の安定化を図るためのフィルタコンデンサとから構成される。

特許文献１には、パワースイッチング素子にスナバ回路を並列に接続して構成される正側アームと、同様に構成される負側アームとを直列に接続して一相分のユニットを構成し、この一相分のユニットを３個用いてそれぞれを接続することにより、三相交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置が開示されている。

この特許文献１に記載の電力変換装置によれば、三相分のユニットを互いに接続する接続線を短くすることができるため、小さなスナバ回路容量であってもパワースイッチング素子にかかる高電圧を抑制することができるとしている。

特開平５−８３９５７号公報

しかし、特許文献１に記載の電力変換装置におけるスナバ回路は、スナバ抵抗器、スナバダイオード及びスナバコンデンサから構成されており、特にスナバコンデンサを備えて構成されているため、重くてかさ張るものとなる。よって特許文献１に記載の構成では、電力変換装置の軽量化を図ることはできない。

またスナバ回路は、上述したように重くてかさ張るものであるため、電力変換装置を収納する筐体内においてパワースイッチング素子とは別置きに設置する必要がある。スナバ回路をパワースイッチング素子とは別置きに設置すると、筐体内における機器のレイアウトに制約が生じる。よって電力変換装置の小型化を図ることはできない。

またスナバ回路とパワースイッチング素子とを別置きに設置すると、両者の間の配線が長くなり、一定以上長くなる場合には配線のインダクタンス成分を無視することができなくなる。この場合、この配線部分に誘導電圧が発生し、パワースイッチング素子を適正に保護することができない。

本発明は以上の点を考慮してなされたものであり、軽量化及び小型化を図るとともに、パワースイッチング素子を適正に保護して信頼性の向上を実現し得る電力変換装置を提案するものである。

かかる課題を解決するために、本発明における鉄道車両用の電力変換装置は、直流電圧を平滑化するフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサに蓄積されている電荷を放出させる過電圧保護装置と、直流電圧を交流電圧に変換する複数のパワースイッチング素子と、前記パワースイッチング素子を冷却する冷却ユニットと、前記フィルタコンデンサ、前記過電圧保護装置及び前記パワースイッチング素子を電気的に接続する導体バーとを備え、前記フィルタコンデンサ、前記過電圧保護装置及び前記パワースイッチング素子は、前記電力変換装置の一方側から、前記過電圧保護装置、前記フィルタコンデンサ、前記パワースイッチング素子の順に配置され、前記過電圧保護装置は、前記フィルタコンデンサに近接して配置され、前記導体バーに接続される前記フィルタコンデンサの端子及び前記過電圧保護装置の端子は、それぞれ同一側に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、軽量化及び小型化を図るとともに、パワースイッチング素子を適正に保護して信頼性の向上を実現することができる。

電力変換装置の取り付け位置を示す全体構成図である。 電力変換装置の正面構成図である。 電力変換装置の斜視構成図である。 電力変換装置の要部正面構成図である。 電力変換装置の回路構成図である。 従来の電力変換装置の正面構成図である。 従来の電力変換装置の斜視構成図である。 従来の電力変換装置の要部正面構成図である。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

図１は、本実施の形態における電力変換装置１０の取り付け位置を示す。電力変換装置１０は、鉄道車両Ｒの床下に配置された筐体１の内部に収納されて設置される。

図２は、電力変換装置１０の正面構成を示す。電力変換装置１０は、パワースイッチング素子１１、フィルタコンデンサ１２、導体バー１３、冷却ユニット１４、入出力端子１５、ゲート制御回路１６、ゲート配線１７及び過電圧保護装置１８から構成される。

電力変換装置１０は、単相交流から直流を発生させる装置及び直流から三相交流を発生させる装置である。前者はコンバータと呼ばれ、後者はインバータと呼ばれる。

コンバータは、交流電源からの単相交流電圧を直流電圧に変換し、直流電圧平滑用のフィルタコンデンサ１２を充電するもので、２相のレグで構成される。

インバータは、フィルタコンデンサ１２に充電された直流電圧をパワースイッチング素子１１のＯＮ／ＯＦＦの比率を連続的に変化させることで交流電圧に変換するもので、三相のレグで構成される。

電力変換装置１０は、コンバータ及びインバータを介して三相交流を発生させることにより、鉄道車両Ｒに設置された電動機を駆動させる。なお何れの電力変換も半導体群を通電制御することで行なわれる。また通電制御に際して、別に設けられている制御装置は、制御信号を出力し、電力変換装置１０に取付けられたゲート制御回路１６及びゲート配線１７を介して、パワースイッチング素子１１を駆動する。

パワースイッチング素子１１は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。ＩＧＢＴは、ＯＮ抵抗及び駆動電流が小さく、またスイッチング速度が速いという利点がある。一方で、通電及び遮断時に大電力を消費して発熱するため、本実施の形態においては放熱のために冷却ユニット１４が設けられる。

フィルタコンデンサ１２は、上述したように直流電圧を平滑するためのものである。
導体バー１３は、外部機器と電気的に接続するための平板状の接続線であり、ラミネートブスバーとも呼ばれる。ラミネートブスバーは、ＩＧＢＴなどのパワースイッチング素子１１を用いた電気回路において高速スイッチング時に生じる異常電圧（サージ電圧）を抑制させる構造を有する。

具体的に導体バー１３は、導体の発熱を抑えるため、材料としては体積抵抗率の小さい銅が用いられ、また導体断面積が大きい形状を有する。導体バー１３を薄い平板形状とした理由は、配線インダクタンスを低減させるためである。

冷却ユニット１４は、冷却ブロック１４１、冷却フィン１４２及びヒートパイプ１４３から構成される。冷却ブロック１４１は、パワースイッチング素子１１から発生した熱を吸収し、ヒートパイプ１４３に封入された冷媒を気化して冷却する。冷却フィン１４２は、気化した冷媒を風に当てて熱交換することにより冷媒を再び液化させる。なお本実施の形態における冷却ユニット１４は、ヒートパイプ式が採用されているがこれに限らず、ラジエータ式を採用してもよい。

入出力端子１５は、直流を入力するための直流端子Ｐ及びＮと、直流端子Ｐ及びＮから入力された直流を任意周波数及び任意電圧の３相交流に変換して出力するための交流端子Ｕ、Ｖ及びＷから構成される。

ゲート制御回路１６は、ゲート信号を生成及び出力するための回路である。ゲート配線１７は、ゲート制御回路１６から生成及び出力されたゲート信号をパワースイッチング素子１１に出力するための配線である。

過電圧保護装置１８は、直流電圧検出器１８１、パワースイッチング素子１８２及び駆動回路１８３から構成される。過電圧保護装置１８は、フィルタコンデンサ１２の過電圧検出時や制御電源ＯＦＦ時にパワースイッチング素子１８２をＯＮし、フィルタコンデンサ１２に蓄積されている電荷を放出させるための装置である。直流電圧検出器１８１は、フィルタコンデンサ１２の過電圧を検出し、パワースイッチング素子１８２は、フィルタコンデンサ１２に蓄積されている電荷を放出する際にＯＮに切り替えられ、駆動回路１８３は、パワースイッチング素子１８２を駆動してＯＮ／ＯＦＦを切り替える。

なお従来の過電圧保護装置は、上述の構成に加えて、スナバ回路を備えて構成される。スナバ回路は、パワースイッチング素子１８２のＯＦＦ時に発生するサージ電圧を抑制するため、配線のインダクタンス成分に蓄えられたエネルギーをスナバコンデンサに転流させる回路であり、スナバ抵抗器、スナバダイオード及びスナバコンデンサから構成される。

本実施の形態においては、従来の過電圧保護装置からスナバ回路を廃止した過電圧保護装置１８を採用して、軽量化及び小型化を実現しようとするものである。

ここで、上述したようにスナバ回路はサージ電圧を抑制するための回路であるから、スナバ回路を廃止するとサージ電圧の抑制が困難になるところ、本実施の形態においては過電圧保護装置１８をフィルタコンデンサ１２に近接して配置し、過電圧保護装置１８とフィルタコンデンサ１２との間の配線（導体バー１３）の長さが可能な限り短くなるように構成される。よって配線のインダクタンスが無視できるレベルとなるため、サージ電圧の発生を抑制することができる。

図３は、電力変換装置１０の斜視構成を示す。図３に示す斜視構成は、図２に示す方向Ｄ１から見た斜視構成である。電力変換装置１０は、手前側から奥側にかけて、過電圧保護装置１８、フィルタコンデンサ１２、冷却ブロック１４１及び冷却フィン１４２が順に配置され、冷却ブロック１４１には入出力端子１５が設けられて構成される。これらは、電力変換装置１０として同一筐体１内に収納される。

図４は、電力変換装置１０の要部正面構成を示す。ここでは図２に示した電力変換装置１０のうち、特にパワースイッチング素子１１、フィルタコンデンサ１２、導体バー１３、冷却ブロック１４１及び過電圧保護装置１８を示す。

フィルタコンデンサ１２及び過電圧保護装置１８は、それぞれに設けられた端子が同一方向となるように配置され、かつ、互いに近接して配置される。導体バー１３は、これらフィルタコンデンサ１２及び過電圧保護装置１８の上面に沿って延在して設置され、またパワースイッチング素子１１、フィルタコンデンサ１２及び過電圧保護装置１８をそれぞれ接続するように設置される。

本実施の形態においては、フィルタコンデンサ１２と過電圧保護装置１８との間の物理的な距離Ｌ１及びＬ２が可能な限り短くなるような配置構成を採用したので、過電圧保護装置１８からスナバ回路を廃止しても、この部分に誘導電圧が発生することを抑制することができる。

図５は、電力変換装置１０の回路構成を示す。鉄道のき電方式には、交流式及び直流式があり、電動機にも交流電動機及び直流電動機とが存在する。よってき電方式と電動機との組み合わせにより電力変換装置１０にもインバータ単独、コンバータ単独又は両者の組み合わせが有り得る。本実施の形態においては、一例として直流き電方式と交流電動機との組み合わせの場合に適用するインバータについて説明する。

本実施の形態における電力変換装置１０の主回路は、入出力端子１５のうちの直流端子Ｐ及びＮ間に接続されるフィルタコンデンサ１２と、３相インバータとによって構成される。３相インバータは、入力された直流を任意周波数及び任意電圧の３相交流に変換し、入出力端子１５のうちの交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗに３相交流を出力するものである。

３相インバータは、６つのパワースイッチング素子１１から構成される。各相のパワースイッチング素子１１は、素子と素子に並列接続されたフリーホイールダイオードとから構成される。

本実施の形態においては、フィルタコンデンサ１２と過電圧保護装置１８との間の配線の長さＬ１及びＬ２を可能な限り短くするようにしたので、このＬ１及びＬ２部分に誘導電圧が発生することを抑制することができる。

以下図６〜図８を参照して、従来の電力変換装置１０Ａについて説明する。本実施の形態における電力変換装置１０と同様の構成については同一の符号又は同一の符号にＡを付してその説明を省略し、異なる構成について説明する。

図６は、従来の電力変換装置１０Ａの正面構成を示す。従来の電力変換装置１０Ａは、以下の点で本実施の形態における電力変換装置１０と異なる。

すなわち従来の電力変換装置１０Ａは、同一筐体１内において過電圧保護装置１８Ａとは別置きに設置される点、別置きに設置されるため過電圧保護装置１８Ａとフィルタコンデンサ１２Ａとの間の配線の長さが一定以上となりこの部分に誘導電圧が発生し、過電圧保護装置１８Ａに設けられているパワースイッチング素子１８２Ａに誘導電圧が印加するおそれがある点、パワースイッチング素子１８２Ａを保護するために過電圧保護装置１８Ａ内にスナバ回路１８４Ａが設けられる点で、本実施の形態における電力変換装置１０と異なる。

図７は、従来の電力変換装置１０Ａの斜視構成を示す。電力変換装置１０Ａは、手前側から奥側にかけて、フィルタコンデンサ１２Ａ、冷却ブロック１４１Ａ及び冷却フィン１４２Ａが順に配置され、フィルタコンデンサ１２Ａの下部にはゲート制御回路１６Ａが設置され、冷却ブロック１４１には入出力端子１５Ａが設けられて構成される。これらは、電力変換装置１０Ａとして同一筐体１内に収納される。また同一筐体１内において電力変換装置１０Ａとは別置きに過電圧保護装置１８Ａが設置される。

図８は、従来の電力変換装置１０Ａの要部正面構成を示す。ここでは図６に示した電力変換装置１０Ａのうち、特にパワースイッチング素子１１Ａ、フィルタコンデンサ１２Ａ、導体バー１３Ａ、冷却ブロック１４１Ａ及び過電圧保護装置１８Ａを示す。

従来の形態においては、フィルタコンデンサ１２Ａと過電圧保護装置１８Ａとの間の物理的な距離Ｌ１１及びＬ１２が長くなるため、この部分に誘導電圧が発生する。よってこの誘導電圧からパワースイッチング素子１８２Ａを保護するため、過電圧保護装置１８Ａにはスナバ回路１８４Ａが必要となる。スナバ回路１８４Ａは、上述したようにスナバ抵抗器、スナバダイオード及びスナバコンデンサから構成され、特にスナバコンデンサが重くかさ張るものであるため、過電圧保護装置１８Ａを収納する筐体１の軽量化及び小型化を阻害することになる。

以上のように本実施の形態によれば、フィルタコンデンサ１２と過電圧保護装置１８との間の導体配線長が最短となるようにこれらフィルタコンデンサ１２及び過電圧保護装置１８を近接して配置したので、フィルタコンデンサ１２と過電圧保護装置１８との間の導体配線のインダクタンス成分を無視できるレベルに減らすことができ、スナバ回路１８４Ａを廃止することができる。よって過電圧保護装置１８の軽量化及び小型化を実現することができるとともに、電力変換装置１０の信頼性向上を実現することができる。

またフィルタコンデンサ１２と過電圧保護装置１８との間の接続には、薄型平板形状の導体バー１３を近接させて延長して沿わせるようにしたので、更なる配線インダクタンスの低減を図ることができる。

また、過電圧保護装置１８の軽量化に伴い、過電圧保護装置１８を電力変換装置１０に直付けし、過電圧保護装置１８とフィルタコンデンサ１２が近接して配置されるように固定することができる。

１ 筐体
１０ 電力変換装置
１１ パワースイッチング素子
１２ フィルタコンデンサ
１３ 導体バー
１４ 冷却ユニット
１５ 入出力端子
１６ ゲート制御回路
１７ ゲート配線
１８ 過電圧保護装置

Claims (4)

1. 鉄道車両用の電力変換装置において、
   直流電圧を平滑化するフィルタコンデンサと、
   前記フィルタコンデンサに蓄積されている電荷を放出させる過電圧保護装置と、
   直流電圧を交流電圧に変換する複数のパワースイッチング素子と、
   前記パワースイッチング素子を冷却する冷却ユニットと、
   前記フィルタコンデンサ、前記過電圧保護装置及び前記パワースイッチング素子を電気的に接続する導体バーとを備え、
   前記フィルタコンデンサ、前記過電圧保護装置及び前記パワースイッチング素子は、前記電力変換装置の一方側から、前記過電圧保護装置、前記フィルタコンデンサ、前記パワースイッチング素子の順に配置され、
   前記過電圧保護装置は、前記フィルタコンデンサに近接して配置され、
   前記導体バーに接続される前記フィルタコンデンサの端子及び前記過電圧保護装置の端子は、それぞれ同一側に配置される
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記過電圧保護装置は、
   前記電力変換装置に直付けにより固定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記過電圧保護装置は、
   前記フィルタコンデンサに蓄積される電圧を検出する直流電圧検出器と、
   前記フィルタコンデンサに蓄積されている電荷を放出する際にＯＮに切り替えられる過電圧保護装置用パワースイッチング素子と、
   前記過電圧保護装置用パワースイッチング素子の駆動を制御する駆動回路とを備えて構成される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記導体バーは、
   薄型かつ平板形状を有し、前記フィルタコンデンサと、前記過電圧保護装置との間に跨って延在して配置され、前記フィルタコンデンサと前記過電圧保護装置とを接続する
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の電力変換装置。

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