JP6849807B2

JP6849807B2 - 電力変換装置及びその冷却方法

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Publication number: JP6849807B2
Application number: JP2019535585A
Authority: JP
Inventors: 山本　拓; 拓山本; 洸太郎福井; 敬介堀内; 聡稲荷田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: CN110959253A; JPWO2019030968A1; WO2019030968A1; EP3667892A4; EP3667892A1

Description

本発明は、パワー半導体モジュールが搭載される電力変換装置及びその冷却方法に関するものである。

鉄道車両に設置される鉄道車両用電力変換装置は、鉄道架線から入力される電力を複数のパワー半導体モジュールからなる主回路のスイッチング動作により電力変換し、鉄道車両用電動機を制御するものである。この電力変換装置の主たる構成装置である主回路は、スイッチング素子であるパワー半導体モジュールと、その駆動回路であるゲートドライブ装置、架線から入力された直流電力の安定化のためのフィルタコンデンサなどから構成される。

ここで電力変換装置は、従来より小型化が求められ、小型化を実現するには、パワー半導体モジュール、ゲートドライブ装置、フィルタコンデンサなどの構成機器自体の小型化が有効である。これに加え、電力変換装置の構成機器の配置を効率よく行えば、さらなる小型化を実現することができる。

一方で、ゲートドライブ装置は、実装する電子部品が熱による影響で、誤動作や寿命低減の問題を起こす可能性がある。ここで、パワー半導体モジュールや電線ケーブルなどは自己発熱し、付近は高温になる可能性があることから、ゲートドライブ装置は周囲発熱部品からの熱の影響を避けて配置することが求められる。

小型化とゲートドライブ装置の配置を考慮した電力変換装置が特許文献１に記載されている。特許文献１には、「ゲート制御回路７は、電力変換ユニット６の下面部であって、フィルタコンデンサ２の下面部の空間、かつ図１における前面側（冷却フィンの逆側）に配置される。」と記載されている。

特開２０１０−２８４０４９号公報

一般的に、電力変換装置は、筐体、パワー半導体モジュール、フィルタコンデンサ、冷却ブロック、ゲートドライブ装置より構成される。ここで、ゲートドライブ装置の従来の実装方式として、ゲートドライブ装置を周囲空気温度が低い条件で使用することを考慮し、特許文献１ではフィルタコンデンサの重力方向下側にゲートドライブ装置を配置している。

しかし、従来方式では、ゲートドライブ装置を地表面に対し水平かつ、左右横並びに配置している。この機器配置で小型な電力変換装置を実現するには、ゲートドライブ装置の横幅に左右されるため、小型なゲートドライブ装置が必要であった。

また、地表面に対し水平かつ左右横並びとしたゲートドライブ装置では、ゲートドライブ装置によって暖められた空気がゲートドライブ装置の横方向に沿って流れるため、中央部のゲートドライブ装置は温度環境の厳しい条件となっている。これにより、ゲートドライブ装置に実装される電子部品やこれらに付随するはんだ部が、熱により悪影響を受けることが懸念されていた。

本発明の課題は、ゲートドライブ装置の放熱性能の向上と電力変換装置の小型化を図ることにある。

上記課題を解決するため、代表的な本発明の電力変換装置の一つは、電力変換回路を構成する複数のスイッチング素子を有するパワー半導体モジュールと、前記電力変換回路に印加される直流電圧を平滑化するフィルタコンデンサと、前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための制御信号を前記複数のスイッチング素子に送る１又は２以上のゲートドライブ装置と、を備え、前記１又は２以上のゲートドライブ装置は、地表面に対して垂直に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、ゲートドライブ装置の放熱性能の向上と電力変換装置の小型化を図ることができる。

実施例１の電力変換装置の斜視図である。実施例１の電力変換装置の電気回路図である。実施例１の電力変換装置の正面図である。実施例１の電力変換装置の側面図である。実施例１の電力変換装置の底面図である。実施例２の電力変換装置の斜視図である。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施例に関して、図１から図５までを用いて説明する。
まず、図１に本実施例における電力変換装置の基本構造例を示す。図１は、実施例１の電力変換装置の斜視図である。図１において、本電力変換装置は、筐体１０、パワー半導体モジュール１（図示せず）、フィルタコンデンサ２、冷却ブロック３、ゲートドライブ装置４より構成され、例えば、鉄道車両の車体に搭載される。筐体１０は、フレーム状の枠体を用いて箱型に構成され、車体の上又は下に配置される。筐体１０内には、その上方の領域に、複数のフィルタコンデンサ２と、冷却ブロック３が収納され、下方の領域に、複数のゲートドライブ装置４が収納されている。この際、冷却ブロック３を間にして、その両側にフィルタコンデンサ２が配置されている。冷却ブロック３と各フィルタコンデンサ２は、筐体１０に固定された支持フレーム１１に底部側が支持されている。

この際、各ゲートドライブ装置４は、筐体１０内の下方の領域において、フィルタコンデンサ２の下側（重力が作用する方向において下側）かつ、地表面に対し垂直に配置される。また、各ゲートドライブ装置４は、相隣接して、一定の間隔を保って、地表面に沿って横方向（レールと交差する方向）に並んで配置される。この場合、各ゲートドライブ装置４は、その長手方向がレールに沿って配置される。さらに、各ゲートドライブ装置４には、制御論理部４０（図２参照）からの指令信号を入力する光ファイバーの接続端子であるコネクタ（図示せず）が、筐体１０の前面に露出するように配置される。このため、コネクタの着脱が容易となる。

図２に、本実施例における電力変換装置の電力変換回路を示す。図２は、実施例１の電力変換装置の電気回路図である。図２において、本電力変換装置は、２組の電力変換回路を備えている。それぞれの本電力変換回路は、Ｐ極配線5p、Ｎ極配線5nの間に印加される直流電圧を入力として、Ｍ極配線5mに交流電圧を出力する。Ｐ極配線5p、Ｎ極配線5nの間には、直流電圧を平滑化するためのフィルタコンデンサ２が接続されている。直流電圧から交流電圧への変換は、各パワー半導体モジュール１に属する複数のスイッチング素子のスイッチング動作によって実現される。具体的には、各パワー半導体モジュール１は、１組の電力変換回路を備え、この電力変換回路は、例えば、３相インバータを構成する複数のスイッチング素子として、例えば、互いに直列に接続された、３組（３対）のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１Ａ、１Ｂと、各ＩＧＢＴ１Ａ、１Ｂのコレクタ・エミッタ間に並列接続されたフリーホイールダイオード１Ｃ、１Ｄとから構成される。各ＩＧＢＴ１Ａ、１Ｂのゲートとエミッタは、各ゲートドライブ装置４にゲート配線5gとエミッタ配線5eを介して接続されており、各ＩＧＢＴ１Ａ、１Ｂは、ゲートドライブ装置４から制御信号を受けて、スイッチング動作を行う。このスイッチング動作は、各ゲートドライブ装置４が出力するゲート電圧に連動する。ゲート電圧は、各ゲートドライブ装置４に接続される制御論理部４０から送信される指令信号に基づき、各ゲートドライブ装置４で生成される。なお本電力変換装置は、本電力変換装置１つで２組の電力変換回路を構成するものに限定するものではなく、１組または３組以上の電力変換回路を構成するものとしても良い。

図３に、図１の矢視Ａにおける本実施例の機器配置を示す。図３は、実施例１の電力変換装置の正面図である。図３において、冷却ブロック３は、筐体１０内の上方の領域の中心部に配置され、冷却ブロック３の両側面には、複数のパワー半導体モジュール１が配置されている。また、冷却ブロック３の両側には、空間部を保って、フィルタコンデンサ２が配置されている。冷却ブロック３には、冷却水が循環する冷却水循環通路（図示せず）が形成されており、各パワー半導体モジュール１に属する複数のスイッチング素子（図示せず）が、冷却ブロック３を循環する冷却水によって冷却されるようになっている。

筐体１０内の下方の領域であって、支持フレーム１１より下方の領域には、各スイッチング素子（ＩＧＢＴ）に制御信号を印加するための制御信号を生成する制御回路を有する複数のゲートドライブ装置４と、制御回路に接続されて、例えば、制御信号を昇圧するための複数のトランス２０とが配置されている。各ゲートドライブ装置４は、筐体１０内の下方の領域において、フィルタコンデンサ２の下側（重力が作用する方向において下側）かつ、地表面に対し垂直に配置される。この際、各ゲートドライブ装置４は、各トランス２０よりも前面側（正面側）に配置され、Ｌ字トレーとスペーサを介して、筐体１０に固定されたゲートドライブ固定板（いずれも図示せず）に固定される。各トランス２０は、各ゲートドライブ装置４よりも背面側に配置され、筐体１０に固定されたトランス固定板３０に固定される。各ゲートドライブ装置４を、地表面に対して垂直に配置することで、各ゲートドライブ装置４で暖められた空気が、フィルタコンデンサ２と冷却ブロック３との間の空間部を介して、上側に抜けやすくなっている。即ち、各ゲートドライブ装置４の重力方向下側（筐体１０の底部側）からの空気を、各ゲートドライブ装置４の重力方向上側に導入して、各ゲートドライブ装置４を冷却することができる。これにより、各ゲートドライブ装置４には冷たい空気が供給されやすく、各ゲートドライブ装置４を水平方向に配置した場合よりも、放熱性能の向上を図ることができる。

ここで、各ゲートドライブ装置４を水平に配置した場合と、各ゲートドライブ装置４を垂直に配置した場合の熱伝達率は、以下計算式で求めることができる。また以下計算式は、一般的に定義されているものであり、本発明に限定するものではない。

なお、以下計算式の各記号については、Nu：ヌセルト数、Gr：グラスホフ数、Pr：プラントル数、L：代表寸法、g：重力加速度、β：体膨張係数、ν：動粘性係数、λ：熱伝導率、Δθ：温度差、h：熱伝達率、A：ゲートドライブ装置４の伝熱面面積とする。

ゲートドライブ装置４を水平に配置した場合は、以下計算式（数１〜数３）で熱伝達率hを求めることができる。

また、ゲートドライブ装置４を垂直に配置した場合は、以下計算式（数４）と、上記計算式（数２）とから、上記計算式（数３）で熱伝達率hを求めることができる。

ここで、ゲートドライブ装置４を水平または垂直にした場合で条件を同じとし、それぞれ、Pr＝0.72、L＝0.1(m)、g＝9.8(m/s²)、β＝3.1×10^-3(1/K)、ν＝1.79×10^-5(m²/s)、λ＝0.0276(W/mK)、Δθ＝60(K)とする。

上記計算式より、各ゲートドライブ装置４を水平に配置した場合と、各ゲートドライブ装置４を垂直に配置した場合の熱伝達率を求めると、各ゲートドライブ装置４を水平にした場合は、h＝3.35(W/m²K)となり、各ゲートドライブ装置４を垂直にした場合は、h＝7.33(W/m²K)となる。このように、各ゲートドライブ装置４を垂直にした場合は熱伝達率が大きく、各ゲートドライブ装置４の熱を大気に逃がしやすいことがわかる。よって、各ゲートドライブ装置４を垂直に配置した場合は、各ゲートドライブ装置４を水平に配置した場合と比べて放熱性能の向上を図ることができる。

図４に、図３の矢視Ｂにおける機器配置を示す。図４は、実施例１の電力変換装置の側面図（図３のＢ−Ｂ線に沿った側面図）である。図４において、複数のゲートドライブ装置４は、筐体１０内の下方の領域であって、支持フレーム１１より下方の領域に、一列になって配置されている。複数のトランス２０は、筐体１０内の下方の領域であって、支持フレーム１１より下方の領域に、二列になって配置されている。この際、各ゲートドライブ装置４と各トランス２０との間には空間部が形成されている。本電力変換装置は、弱電系の各ゲートドライブ装置４と、強電系の各トランス２０とが別配置になっている。即ち、各ゲートドライブ装置本体（制御回路を内蔵するゲートドライブ装置４）と、各トランス２０とが互いに離れて配置されている。ここで、各ゲートドライブ装置４と各トランス２０を一体とした場合、トランス２０は高さがあるため、隣接するゲートドライブ装置４の間隔を狭めることができない。またトランス２０自身が発熱することから、ゲートドライブ装置４内の他機器や隣接するゲートドライブ装置４が発熱の影響を受けてしまう。一方で、本電力変換装置のように各ゲートドライブ装置４と各トランス２０とを別配置にすると、各ゲートドライブ装置４は各トランス２０の発熱の影響を受けることなく、隣接するゲートドライブ装置４の間隔を狭めて配置することができる。このため、筐体１０のレール方向における長さを短くすることができる。なお、各ゲートドライブ装置４の側面側（筐体１０の正面側）には、制御論理部４０と指令信号を送受信するためのコネクタ（図示せず）が接続端子あるいは端子部として、筐体１０の外部に露出するように配置される。

図５に、図４の矢視Ｃにおけるゲートドライブ装置４とトランス２０の配置を示す。図５は、実施例１の電力変換装置の底面図（図４のＣ―Ｃ線に沿った底面図）である。図５において、本電力変換装置は、トランス２０の冷却性能向上のための通風孔及びトランス固定用穴３１を有するトランス固定用板３０を備える。複数のゲートドライブ装置４は、一列になって配置され、複数のトランス２０は、二列になって配置されている。この際、複数のトランス２０は、６個ずつ、２つのトランス固定板３０に配置される。各トランス固定板３０には、トランス２０の冷却性能向上のための通風孔及びトランス固定用穴３１が全面に亘って複数個形成されている。各通風孔及びトランス固定用穴３１は、各トランス２０の配置を自在に変えることを可能にするために、各トランス固定板３０に全面に亘って形成されている。

ここで、各トランス２０は、各ゲートドライブ装置４と配線で接続されるため、配線の長さや配線の経路によっては、いずれかのトランス２０の取り付け位置を変える必要が生じる。一方で、本電力変換装置は、複数の通風孔及びトランス固定用穴３１を有するため、配線長さや経路に影響されることなく、各トランス２０を各トランス固定板３０の任意の位置に配置することができ、トランス２０取り付けの作業性向上を図ることができる。

また、本電力変換装置は、各トランス２０で生じた熱を、通風孔及びトランス固定用穴３１より各トランス２０上側に逃がすことができ、各トランス２０の冷却性能向上を図ることができる。

また、各トランス２０の配置において、各トランス２０を同一直線上に取り付けた場合、トランス２０の個数分の幅が必要となるため、電力変換装置のサイズが大きくなる可能性がある。この際、複数のトランス２０を、千鳥格子状に分散して配置する。これにより、複数のトランス２０の取り付け幅を抑制することができ、電力変換装置をより小型化することができる。

本実施例によれば、ゲートドライブ装置４の放熱性能の向上と電力変換装置の小型化を図ることができる。また、本実施例によれば、各ゲートドライブ装置４を、フィルタコンデンサ２の下側かつ、地表面に対し垂直に配置し、さらに、各ゲートドライブ装置４を、相隣接して、地表面に沿って横方向（レールと交差する方向）に並んで配置したので、圧力損失の低減、走行風の取り込み量の向上及び熱伝達率の向上を図ることができ、結果として、各ゲートドライブ装置４の冷却性能及び寿命の向上を図ることができる。また、スイッチング素子を、冷却ブロック３を循環する冷却水によって冷却することができる。

本実施例では、実施例１と異なり、冷却ブロック３の片側に半導体モジュール１とフィルタコンデンサ２を配置し、もう一方に冷却フィン６を配置する。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。

図６に本実施例における電力変換装置の構造例を示す。図６は、実施例２の電力変換装置の斜視図である。図６において、本電力変換装置は、筐体１０内の背面側に冷却ブロック３が配置され、フィルタコンデンサ２とフィルタコンデンサ２との間には、実施例１よりも大きな空間部が形成されている。冷却ブロック３の正面側（片側）には、複数のパワー半導体モジュール１が固定され、冷却ブロック３の背面側には、筐体１０から車体外部に露出された冷却フィン６が固定されている。冷却フィン６は、パワー半導体モジュール１の熱（スイッチング素子等の熱）を大気に放熱する放熱器として機能している。この際、冷却ブロック３内に冷却水を循環させなくても、パワー半導体モジュール１を、冷却フィン６を介して自然空冷で冷却することができる。

各ゲートドライブ装置４は、実施例１と同じくフィルタコンデンサ２の重力方向下側で、地表面に対して垂直に配置されている。

本実施例では、正面側（図６の矢視Ｄ）から見た場合に、各フィルタコンデンサ２を左右に分割して配置しているが、フィルタコンデンサ２を一体型としても良い。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果を奏することができると共に、パワー半導体モジュール１を、冷却フィン６を介して自然空冷で冷却することができる。また、本実施例によれば、冷却ブロック３が筐体１０の背面側に配置され、フィルタコンデンサ２間に、実施例１よりも大きい空間部が形成されるので、実施例１よりも、各ゲートドライブ装置４の放熱性能を高めることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ゲートドライブ装置４が一台の場合でも、ゲートドライブ装置４を垂直に配置することで、ゲートドライブ装置４の放熱性能の向上を図ることができると共に、電力変換装置を小型化することができる。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１パワー半導体モジュール、２フィルタコンデンサ、３冷却ブロック、４ゲートドライブ装置、5p Ｐ極配線、5n Ｎ極配線、5m Ｍ極配線、5g ゲート配線、5e エミッタ配線、６冷却フィン、１０筐体、１１支持フレーム、２０トランス、３０トランス固定板、３１通風孔及びトランス固定用穴、４０制御論理部

Claims

電力変換回路を構成する複数のスイッチング素子を有するパワー半導体モジュールと、
前記電力変換回路に印加される直流電圧を平滑化するフィルタコンデンサと、
前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための制御信号を前記複数のスイッチング素子に送る１又は２以上のゲートドライブ装置と、を備え、
前記１又は２以上のゲートドライブ装置は、
地表面に対して垂直に配置されるとともに、
前記制御信号を生成する制御回路と、前記制御信号を昇圧するための１又は２以上のトランスとを有し、前記制御回路と、前記１又は２以上のトランスとが、互いに離れて配置されることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記２以上のゲートドライブ装置は、それぞれ相隣接して、前記地表面に沿って並んで配置されることを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は２に記載の電力変換装置において、
前記２以上のトランスは、千鳥格子状に配置されることを特徴とする電力変換装置。
請求項２又は３に記載の電力変換装置において、
前記１又は２以上のトランスは、通風孔とトランス固定用を兼ねた複数の穴が分散して形成されたトランス固定板に固定されることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体モジュールと、前記フィルタコンデンサ及び前記１又は２以上のゲートドライブ装置は、共通の筐体内に配置され、前記１又は２以上のゲートドライブ装置は、前記筐体内のうち重力方向下側の領域に収納されることを特徴とする電力変換装置。
請求項５に記載の電力変換装置において、
前記１又は２以上のゲートドライブ装置には、前記制御回路と指令信号の送受信を行う制御論理部と接続するための接続端子が、前記筐体の外部に露出する位置に配置されることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体モジュールは、冷却水が循環する冷却水循環通路を有する冷却ブロックに固定され、前記パワー半導体モジュールに属する前記複数のスイッチング素子が、前記冷却水循環通路を循環する冷却水により冷却されることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体モジュールは、冷却フィンを有する冷却ブロックに固定され、前記パワー半導体モジュールに属する前記複数のスイッチング素子が、前記冷却フィンの放熱により冷却されることを特徴とする電力変換装置。
電力変換回路を構成する複数のスイッチング素子を有するパワー半導体モジュールと、
前記電力変換回路に印加される直流電圧を平滑化するフィルタコンデンサと、
前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための制御信号を前記複数のスイッチング素子に送るとともに、前記制御信号を生成する制御回路と、前記制御信号を昇圧するための１又は２以上のトランスとを有し、前記制御回路と、前記１又は２以上のトランスとが、互いに離れて配置された構成の１又は２以上のゲートドライブ装置と、
を備えた電力変換装置の冷却方法であって、
前記１又は２以上のゲートドライブ装置を、地表面に対して垂直に配置し、
前記１又は２以上のゲートドライブ装置の重力方向下側の空気を、前記１又は２以上のゲートドライブ装置の重力方向上側に導入して、前記１又は２以上のゲートドライブ装置を冷却することを特徴とする電力変換装置の冷却方法。
請求項９に記載の電力変換装置の冷却方法において、
前記２以上のゲートドライブ装置を、それぞれ相隣接して、前記地表面に沿って並んで配置することを特徴とする電力変換装置の冷却方法。
請求項９又は１０に記載の電力変換装置の冷却方法において、
前記パワー半導体モジュールを、冷却水が循環する冷却水循環通路を有する冷却ブロックに固定し、前記パワー半導体モジュールに属する前記複数のスイッチング素子を、前記冷却水循環通路を循環する冷却水により冷却することを特徴とする電力変換装置の冷却方法。
請求項９又は１０に記載の電力変換装置の冷却方法において、
前記パワー半導体モジュールを、冷却フィンを有する冷却ブロックに固定し、前記パワー半導体モジュールに属する前記複数のスイッチング素子を、前記冷却フィンの放熱により冷却することを特徴とする電力変換装置の冷却方法。