JPH113971A - 車両用半導体電力変換ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体スイッチ素子とその付属品の容量や機能
を低下させずに小形化を図って所定の取り付けスペース
に収納できるようにすることにある。 【解決手段】清浄な冷却風２０の区画と清浄でない冷却
風２１の区画を仕切り取付板１１で区分し、清浄冷却風
２０側の区画には半導体スイッチ素子としてのＩＧＢＴ
２，冷却体３，相コンデンサ６，スナバ回路７，制御回
路９を設置し、清浄でない冷却風２１の区画には凝縮器
５とスナバ抵抗８を設置する。ＩＧＢＴ２と相コンデン
サ６の間の配線が最短になる配置にし、板状導体１２で
両者を接続する。ＩＧＢＴ２とスナバ回路７の間の配線
が最短になる配置にし、板状導体１３で両者を接続す
る。ＩＧＢＴ２と制御回路９の間の配線が最短になる配
置にする。その結果インダクタンスが減少して各コンデ
ンサの静電容量が減少するし、誤点弧が減って信頼性が
向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、車両に搭載して
いる半導体スイッチ素子で電力を変換する車両用半導体
電力変換ユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】直流直巻電動機は速度制御が容易なこと
と低速度で大きなトルクが得られること等の利点がある
ので、車両を駆動する電動機として従来は直流直巻電動
機を採用することが多かった。それ故、架線から車両へ
供給する電力も直流電力である。ところが直流電動機は
整流子やブラッシがあるので常時の保守・点検が必要で
あり、且つブラッシは消耗するので定期的に交換しなけ
ればならない。従って保守・点検に手間がかかる欠点が
あるし、フラッシュオーバーなどの大事故の発生を避け
るために、直流電動機には所定値を越える大きな電流を
流さないように注意をする必要がある。一方、交流電力
で運転する誘導電動機は構造が簡単で頑丈であり、整流
子やブラッシなどが無いから保守・点検作業を簡略にで
きる等の利点を有するが、速度制御やトルク制御が簡単
にできない欠点があった。

【０００３】ところが近年では半導体スイッチ素子の大
容量化と、これら半導体スイッチ素子を制御する技術の
大幅な進歩により、数百キロワット の誘導電動機でもその速
度とトルクを自由に制御できるようになった。そこで、
例えば新幹線の車両に半導体スイッチ素子でなる整流器
とインバータを搭載すれば、このインバータから所望の
電圧と周波数の交流電力を出力させて誘導電動機を可変
速運転させることができる。なお半導体スイッチ素子は
前述した電力変換を行う際に、その接合部温度が許容値
を越えると、当該半導体スイッチ素子は熱破壊してその
機能を喪失してしまう。そこで沸騰冷却装置で半導体ス
イッチ素子の発熱を速やかに除去するようにしている。

【０００４】沸騰冷却とは、液状の冷媒が溜まる貯溜部
が下側にあり、気化した冷媒を元の液体へ戻す凝縮部が
上側になっている密閉容器に沸騰温度が低い冷媒を封入
し、前記貯溜部に冷却したい物体の高温部を接触させる
と、その熱で密閉容器内の冷媒が気化するので、その際
に前記物体の温度が低下する。気化した冷媒は上部の凝
縮部に移動し、ここで冷却されて再び液体に戻って貯溜
部へ下降する動作を繰り返す冷却方式である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】車両には各種の電機品
（駆動用電動機，空調機器，照明通信機器等）が搭載さ
れているから、架線から取り込んだ交流電力または直流
電力を前述した半導体スイッチ素子で適切な電力に変換
する。この半導体スイッチ素子を電源にして前記電機品
を運転する。しかし半導体スイッチ素子には各種の付属
品が必要である。その主なものは、半導体スイッチ素
子の冷却装置（半導体スイッチ素子は熱容量が小さいの
で、風冷式，液体に浸積する液冷式，前述した沸騰冷却
式等の効果的な冷却装置が必要）、半導体スイッチ素
子の保護装置（過電圧抑制用のスナバ回路，相コンデン
サ等）、半導体スイッチ素子を適切な時点で素早くオ
ン・オフ動作させる制御回路、等がある。

【０００６】ところで車両は人や貨物を搭載して輸送す
るのが本来の目的であり、この目的を素早く且つ快適に
達成できるようにするために、前述した各種電機品が車
両に搭載されている。しかしながらこれら電機品の電源
となる半導体スイッチ素子やその付属品に提供できるス
ペースには制限がある。特に電車の場合はこれらを床下
に吊り下げることが多いので、スペースの制限はより一
層厳しい。

【０００７】このように限定された空間に半導体スイッ
チ素子とその付属品を収納しようとすると、種々の困難
を生じる。例えば発生熱量の大きい装置と発生熱量の小
さい装置とを同一の箱内に収納したり、近接して設置し
たい機器同士の設置場所が離れてしまうなどである。こ
のために前者では必要以上に大きな冷却能力を有する冷
却装置を設置することになるし、後者では機器間配線長
さが大になって余分な導体が必要になるばかりでなく、
配線インダクタンスも大きくなる等の不都合を生じる。
これらはいずれも装置を大形化，過大重量化するので、
制限されたスペースへの収納がより困難になる。その結
果、各装置はますます分散した配置になって導体寸法が
長くなる悪循環に陥ることになる。或いは、機器の容量
を減少させて制限スペースへの収納を図るのであるが、
これは車両の走行性能を低下させてしまうことになる。

【０００８】そこでこの発明の目的は、半導体スイッチ
素子とその付属品の容量や機能を低下させずに小形化を
図って所定の取り付けスペースに収納できるようにする
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、この発明の車両用半導体電力変換ユニットにおい
て、第１の発明は、車両に導入した電力を所望の電力に
変換する半導体スイッチ素子とこの半導体スイッチ素子
に密着してその発熱を沸騰冷却により除去する冷却体と
でなる素子・冷却体と、この半導体スイッチ素子を保護
するスナバ回路と、相コンデンサと、前記冷却体内部の
媒質を凝縮させる凝縮器と、前記半導体スイッチ素子を
制御する制御回路と、を備えて構成している車両用半導
体電力変換ユニットにおいて、前記素子・冷却体とスナ
バ回路と相コンデンサと制御回路とを清浄な空気で冷却
する区画内に設置し、前記凝縮器のみは前記の清浄冷却
空気とは別個の冷却空気で冷却する機器配置とし、且つ
同一区画内に設置している前記半導体スイッチ素子とそ
のスナバ回路は両者を接続する導体の長さが最短となる
位置に配置し、前記半導体スイッチ素子とその相コンデ
ンサは両者を接続する導体の長さが最短となる位置に配
置し、前記半導体スイッチ素子とその制御回路は両者を
接続する導体の長さが最短となる位置に配置するものと
する。

【００１０】第２の発明は、前記半導体スイッチ素子と
そのスナバ回路とを板状の導体で接続し、前記半導体ス
イッチ素子とその相コンデンサとを板状の導体で接続す
るものとする。第３の発明は、第１発明または第２発明
におけるスナバ回路を、少なくともスナバコンデンサと
スナバ抵抗とで構成し、このスナバ抵抗を前記スナバ回
路箱の外で、且つ前記凝縮器と同じ冷却空気で冷却する
機器配置にするものである。

【００１１】発熱量が大で且つ汚れに鈍感な装置である
沸騰冷却の凝縮器は大量の外気で冷却する場所に設置す
る。一方、発熱量は少ないが汚れを嫌う半導体スイッチ
素子の制御回路，スナバ回路，相コンデンサなどの機器
は清浄な空気で冷却する区画内に設置する。ここで半導
体スイッチ素子は沸騰冷却の冷却体に密着させてその発
熱を除去する構成にしているので冷却用空気を必要とし
ないが、制御回路，スナバ回路，相コンデンサなどは半
導体スイッチ素子と密接な関係がある。よって当該半導
体スイッチ素子もこれらと同一の区画内に設置する。更
に、スナバ回路と半導体スイッチ素子との配線長さを短
縮すればその配線インダクタンスが減少するから、その
分だけスナバ回路を構成するスナバコンデンサの容量を
低減できる。同様に半導体スイッチ素子と相コンデンサ
とを接続する導体長さを短縮すれば、相コンデンサの容
量を低減できる。

【００１２】半導体スイッチ素子とスナバ回路との接続
に電線の代わりに板状導体を使用し、半導体スイッチ素
子と相コンデンサとの接続にも電線の代わりに板状導体
を使用すれば端子部分のスペースが節約できるし、板状
導体がスナバ回路や相コンデンサの取り付けや振動防止
の補強材にもなる。スナバ回路を構成するスナバ抵抗は
他の機器よりも発熱量が大きいが、汚れても機能が低下
する恐れは少ない。そこで半導体スイッチ素子に接近し
て設置するスナバ回路から当該スナバ抵抗のみを、清浄
な空気で冷却する区画の外に設置して、その発熱が他の
機器に与える影響を排除する。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１実施例を表し
た車両用半導体電力変換ユニット構成の正面図であっ
て、請求項１または請求項２に対応する。図１におい
て、半導体スイッチ素子としてのＩＧＢＴ（絶縁ゲート
バイポーラトランジスタ）２の形状は円板形である。沸
騰冷却装置は冷却体３と冷媒通路４と凝縮器５とが一体
になった密閉容器で形成されていて、この密閉容器内に
常温では液状で沸騰温度が低い冷媒を封入する。この沸
騰冷却装置の冷却体３の部分を、ＩＧＢＴ２を積み重ね
て構成している電力変換装置の適宜の部分毎に挿入すれ
ば、ＩＧＢＴ２の動作に伴う発熱が冷却体３内部の冷媒
を気化し、その際の気化熱でＩＧＢＴ２の温度を低下さ
せる。気化した冷媒は冷媒通路４を通って凝縮器５へ上
昇し、ここでの冷却で液化すれば冷媒通路４を下降して
冷却体３へ戻る。凝縮器５へは大量の冷却風を送らなけ
ればならないが、この冷却風は清浄である必要は無い。
そこで取付板を兼用している仕切り取付板１１で、清浄
でない冷却風が当該仕切り取付板１１の下側に流れるの
を防いでいる。

【００１４】清浄な冷却風が必要な相コンデンサ６，ス
ナバ回路７，制御回路９等は仕切り取付板１１の下側に
取付けており、前述した凝縮器５への冷却風が入らない
ようにしている。なお清浄な冷却風を必要とする機器
は、実際はこの部分を密閉して冷却風を循環させる内部
冷却か、それともこの密閉部分にフィルタを介して外部
から冷却用空気を導入するなどの措置を講じるのである
が、この部分は本発明とは関係が無いので図示は省略し
ている。

【００１５】例えば相コンデンサ６を逆さに取り付ける
などにより、当該相コンデンサ６とＩＧＢＴ２とを接続
している板状導体１２の長さを最短にして、この板状導
体１２の配線インダクタンスを最小にしている。更にこ
の板状導体１２は相コンデンサ６を取り付ける際の補強
材としての役割を果たしている。なお、ＩＧＢＴ２から
の導体はＩＧＢＴ２と冷却体３との間から引き出されて
いる。同様にスナバ回路７とＩＧＢＴ２とを接続してい
る板状導体１３の長さが最短になるようにスナバ回路７
を配置して、板状導体１３の配線インダクタンスを最小
にしている。また制御回路９とＩＧＢＴ２との配線距離
も最短にして、制御回路９がＩＧＢＴ２へ与える点弧信
号にノイズが重畳する恐れを最小にしている。

【００１６】図２は本発明の第１実施例を表した車両用
半導体電力変換ユニット構成の側面図であって、前述し
た図１を左側（図１の左側に記載の矢印の方向）から見
たところを表している。この図２に図示のように、仕切
り取付板１１より上側では冷却風２１が矢印の方向に流
れ、仕切り取付板１１の下側では冷却風２０が矢印の方
向に流れる。ここで冷却風２０は清浄な空気による風で
あって、仕切り取付板１１が存在することにより、冷却
風２０と冷却風２１とは混ざらない。

【００１７】図３は本発明の第２実施例を表した車両用
半導体電力変換ユニット構成の正面図であって、請求項
３に対応する。図３が前述の図１と異なるのは、スナバ
抵抗８が仕切り取付板１１の上側に設置されている点で
あって、これ以外は全て図１と同じである。よって同一
部分の説明は省略する。図３に図示の第２実施例で、仕
切り取付板１１よりも下側に取り付けられている機器の
中では発熱量が大きく、且つ清浄な冷却風を必要としな
い部品としてスナバ抵抗８がある。そこでこのスナバ抵
抗８を仕切り取付板１１の上側に移設することにより清
浄な冷却空気の使用量を減らすことができる。

【００１８】

【発明の効果】車両用電力変換装置は設置スペースに制
限があるので、小形化・軽量化を図らなければならな
い。本発明では電力変換装置の主要部品である半導体ス
イッチ素子とその保護装置とを接続する導体の長さが最
短となるように各機器を配置することにより、前記導体
の配線インダクタンスを低減させている。配線インダク
タンスが小さくなればスナバコンデンサや相コンデンサ
の静電容量を低減できるので、装置全体を小形化できる
効果が得られる。また制御回路と半導体スイッチ素子と
の間の配線長さが短くなるので誤点弧の恐れが減少して
装置の信頼性が向上する効果が得られる。更に清浄な冷
却風が不必要で発熱量が大きい部品をまとめ、清浄な冷
却風が必要な部品を減らすことで、冷却の効率が向上す
る。また各機器間を板状導体で接続することで端子部分
のスペースを減らし、且つ当該板状導体が機器取付けの
補強を兼ねることで、装置の小形化と軽量化をより一層
促進する効果も合わせて得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を表した車両用半導体電力
変換ユニット構成の正面図

【図２】本発明の第１実施例を表した車両用半導体電力
変換ユニット構成の側面図

【図３】本発明の第２実施例を表した車両用半導体電力
変換ユニット構成の正面図

【符号の説明】

２ 半導体スイッチ素子としてのＩＧＢＴ ３ 冷却体 ４ 冷媒通路 ５ 凝縮器 ６ 相コンデンサ ７ スナバ回路 ８ スナバ抵抗 ９ 制御回路 １１ 仕切り取付板 １２ 板状導体 １３ 板状導体 ２０ 冷却風（清浄） ２１ 冷却風（清浄に非ず）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】集電装置を介して車両に取り込まれる電力
   を所望の電力に変換する半導体スイッチ素子とこの半導
   体スイッチ素子に密着してその発熱を沸騰冷却により除
   去する冷却体とでなる素子・冷却体と、この半導体スイ
   ッチ素子を保護するスナバ回路と、相コンデンサと、前
   記冷却体内部の冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記半導体
   スイッチ素子を制御する制御回路と、を備えている車両
   用半導体電力変換ユニットにおいて、 前記素子・冷却体とスナバ回路と相コンデンサと制御回
   路とを清浄な空気で冷却する区画内に設置し、前記半導
   体スイッチ素子とそのスナバ回路は両者を接続する導体
   の長さが最短となる配置とし、前記半導体スイッチ素子
   とその相コンデンサは両者を接続する導体の長さが最短
   となる配置とし、前記半導体スイッチ素子とその制御回
   路は両者を接続する導体の長さが最短となる配置とする
   ことを特徴とする車両用半導体電力変換ユニット。
2. 【請求項２】請求項１に記載の車両用半導体電力変換ユ
   ニットにおいて、前記半導体スイッチ素子とそのスナバ
   回路は板状の導体で接続し、前記半導体スイッチ素子と
   その相コンデンサは板状の導体で接続することを特徴と
   する車両用半導体電力変換ユニット。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の車両用半
   導体電力変換ユニットにおいて、前記スナバ回路は少な
   くともスナバコンデンサとスナバ抵抗とを備え、当該ス
   ナバ抵抗は前記の清浄な空気で冷却する区画とは異なる
   場所に設置することを特徴とする車両用半導体電力変換
   ユニット。