鉄道車両用電力変換装置
【課題】鉄道車両の走行風によって冷却を行うようにした鉄道車両用電力変換装置におけるコンバータおよびインバータの冷却体の全体の温度分布が均一になるようにして、コンバータおよびインバータ双方の半導体素子を冷却効果を高めることにより全半導体素子の温度上昇がほぼ均等になるようにすることを課題とする。
【解決手段】鉄道車両の床下に設置され、半導体素子変換回路により交流電力を直流電力に変換するコンバータと、半導体素子変換回路により前記コンバータから出力される直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータの変換回路を構成する半導体素子を冷却する、複数の冷却フィンを有する冷却体とを備え、前記鉄道車両の走行によって発生する走行風を前記冷却フィンに当てて前記半導体素子の冷却を行うようにした鉄道車両用電力変換装置において、前記コンバータの変換回路を構成する半導体素子と前記インバータの変換回路を構成する半導体素子を冷却する冷却体を熱的に一体化した共通の冷却体とする。
【解決手段】鉄道車両の床下に設置され、半導体素子変換回路により交流電力を直流電力に変換するコンバータと、半導体素子変換回路により前記コンバータから出力される直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータの変換回路を構成する半導体素子を冷却する、複数の冷却フィンを有する冷却体とを備え、前記鉄道車両の走行によって発生する走行風を前記冷却フィンに当てて前記半導体素子の冷却を行うようにした鉄道車両用電力変換装置において、前記コンバータの変換回路を構成する半導体素子と前記インバータの変換回路を構成する半導体素子を冷却する冷却体を熱的に一体化した共通の冷却体とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、鉄道車両の駆動制御等に使用される電力変換装置、特に、鉄道車両の走行風により冷却するようにした鉄道車両用電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両用電力変換装置は、車両の走行風を冷却に利用するために鉄道車両の床下に取り付け、電力変換装置の冷却体の冷却フィンを外気に露出させ、これに走行風を当てて冷却するようにしている（特許文献１参照）。
【０００３】
この種の鉄道車両用電力変換装置の従来例を図９〜図１２に示す。
【０００４】
図９は鉄道車両用電力変換装置１の主回路を示す回路構成図、図１０は電力変換装置の構成を示す平面図、図１１は、電力変換装置を車両に取り付けた状態を示す正面断面図であり、図１２は同側面断面図である。
【０００５】
鉄道車両用電力変換装置１は、図９に示すように、スイッチング半導体素子を単相ブリッジ接続して変換器ユニットとして構成されたコンバータ２と、スイッチング半導体素子を３相ブリッジ接続して変換器ユニットとして構成されたインバータ３とを備える。コンバータ２は、単相の交流電源８から供給される交流電力を直流電力に変換してインバータ３に供給する。インバータ３は、コンバータ２から供給される直流電力を３相の交流電力に変換して車両駆動用交流電動機９に供給する。コンバータ２は、出力側にフィルタコンデンサ２ＦＣを、そしてインバータ３は、入力側にフィルタコンデンサ３ＦＣを備える。
【０００６】
コンバータ２は、図１０に示すように、コンバータ回路のＵ相およびＶ相回路を構成する半導体素子群２１Ｕおよび２１Ｖを、それぞれ冷却フィン付冷却体２２Ｕおよび２２Ｖ上に電気的に絶縁して、熱伝導的に搭載し、コンバータのＵ相ユニット２ＵおよびＶ相ユニット２Ｖを構成する。そして、このコンバータの各相ユニットの冷却体２２Ｕと２２Ｖを互いに接合して熱的に一体に構成し、コンバータ２を構成する変換器ユニットが構成される。
【０００７】
インバータ３も同様に、インバータ回路のＵ相、Ｖ相およびＷ相の回路を構成する半導体素子群３１Ｕ、３１Ｖおよび３１Ｗを、それぞれ冷却フィン付冷却体３２Ｕ、３２Ｖおよび３２Ｗ上に電気的に絶縁して、熱伝導的に搭載し、インバータのＵ相ユニット３Ｕ、Ｖ相ユニット３ＶおよびＷ相ユニット３Ｗを構成する。そして、このインバータの各相ユニットの冷却体３２Ｕ、３２Ｖおよび３２Ｗを相互に接合して熱的に一体に構成して、インバータ３を構成する変換器ユニットが構成される。
【０００８】
コンバータ２の正極出力端子２Ｐ、負極出力端子２Ｎおよびコモン端子２Ｃとインバータ３の正極入力端子３Ｐ，負極入力端子３Ｎおよびコモン端子３Ｃとは、それぞれ接続導体４Ｐ、４Ｎおよび４Ｃにより接続される。
【０００９】
これらのコンバータ２およびインバータ３は装置筺体１０に収容して、図１１および１２に示すように鉄道車両１００の車体の床下に取り付けられる。
【００１０】
電力変換装置１を構成するコンバータ２およびインバータ３の相ユニット２（Ｕ、Ｖ）および３（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の冷却体２２（Ｕ、Ｖ）および３２（Ｕ、Ｖ、Ｗ）には、多数の冷却フィン２３（Ｕ、Ｖ）、３３（Ｕ、Ｖ、Ｗ）が適宜の間隔をおいて並設されている。冷却フィン２３および３３は、電力変換装置１の筺体１０の外側へ露出させて配置し、冷却フィン間の通風路を鉄道車両の走行に伴って発生する矢印Ｒで示す走行風が通流するように構成している。これにより冷却フィン２３および３３が車両の走行風により強制冷却され、これと一体の冷却体２２，３２を介して、電力変換装置のコンバータおよびインバータを構成する半導体素子群２１（Ｕ、Ｖ）および３１（Ｕ、Ｖ、Ｗ）が良好に冷却される。
【００１１】
ところで、このように鉄道車両の走行風を利用して冷却を行うようにした鉄道車両用電力変換装置は、これを構成するコンバータ２とインバータ３が独立したユニットとして構成され、筐体１０内に互いに離間して配置されているため、コンバータ２とインバータ３が個別に冷却されることになる。
【００１２】
鉄道車両の走行風により冷却を行う場合、当然のことながら、電力変換装置の冷却体の冷却フィンに当たる冷却風速度Ｆ（ｍ／sec）は、図１３に特性線Ａで示すように車両走行速度Ｓ（ｋｍ／ｈ）に比例し、車両走行速度が高くなるほど高くなり、冷却能力が高くなる。
【００１３】
その一方で、電力変換装置のコンバータ２およびインバータ３は、発熱量Ｐが車両の走行速度Ｓに対して、それぞれ図１３の特性線Ｃおよび特性線Ｉで示すような発熱特性を有する。
【００１４】
コンバータ２の発熱特性は、特性線Ｃで示すように、車両走行速度ＳがＳ３までは、発熱量が走行速度Ｓに比例してＰ４まで増加し、Ｓ３以降は一定値のＰ４となるような特性を示す。
【００１５】
一方、インバータ３の発熱特性は、特性線Ｉで示すように、車両速度ＳがＳ１まではＰ２の発熱量を示し、Ｓ２で最大のＰ３の発熱量となって、Ｓ３で急激に減少して、Ｓ４からほぼＰ１の発熱量となるような特性を示す。
【００１６】
このように、コンバータ２とインバータ３とは、車両速度に対して異なる発熱特性を示すので、それぞれの各相ユニットを支持する冷却体は、発熱量の最大となる車両速度におおける冷却風速度で半導体素子の温度を規定の許容設定温度以下に維持できる冷却能力となるように冷却体の大きさや冷却フィンの枚数等が決められている。
【００１７】
すなわち、コンバータ２の各相ユニットの冷却体２Ｕ、２Ｖは、コンバータの発熱量が最大のＰ４となる車両速度Ｓ３における冷却風速度Ｆ３で、その冷却能力が決められる。そして、インバータ３の各相ユニットの冷却体３２（Ｕ、Ｖ、Ｗ）は、インバータの発熱量が最大のＰ３となる車両速度Ｓ２における冷却風速度Ｆ２でその冷却能力が決められる。
【００１８】
これにより、コンバータ２の場合は、車両速度がＳ２となる条件では冷却風速度が低下するが、発熱量がそれ以上に減少することからコンバータ２の冷却体２２の冷却能力は、半導体素子の発熱量に対して余裕を持つことになる。また、インバータの場合は、車両速度Ｓ１およびＳ２で、冷却体３２の冷却能力を決めているので、車両速度がＳ３に増大した条件では、半導体素子の発熱量が車両速度Ｓ１およびＳ２の状態と同じであっても、冷却風速度Ｆが車両速度Ｓ１、Ｓ２、の時よりも高くなることから、インバータ３の冷却体３２の冷却能力は、半導体素子の発熱量に対して余裕を持つことになる。このため、コンバータ２およびインバータ３を構成する半導体素子は、車両速度の全範囲にわたって良好に冷却され、その温度を規定された許容温度以内に保つことができる。
【００１９】
このように、コンバータ２とインバータ３とは互いに車両走行速度に対する発熱量が異なるため、図１０に示すように、コンバータ２およびインバータ３の各相ユニットの冷却体２２と３２が離間され、熱的に絶縁されているため、コンバータ２またはインバータ３の一方の半導体素子の温度が、既定の許容設定温度付近まで上昇している場合でも、他方の半導体素子の温度は、許容設定温度に対して余裕を持つ状態が生じる。
【００２０】
その一方で、コンバータ２およびインバータ３のそれぞれにおいては、各ユニットの冷却体が互いに接合して熱的に一体化されているため、ユニット２Ｕの半導体素子２１Ｕの発熱により冷却体２２Ｕの温度が上昇している時には、他のユニット２Ｖの半導体素子も同じ発熱量であるため、隣接する冷却体２２Ｖの温度も上昇しているため、冷却体２２Ｕと２２Ｖの接合部付近の温度上昇が高くなるという問題がある。
【００２１】
インバータ３においても同様に、各ユニットの半導体素子３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗの発熱量は同じであるので、中間の冷却体３２Ｖの温度が上昇しているときは、両隣の冷却体３２Ｕ、３２Ｗの温度も上昇しており、中間の冷却体３２Ｖに対して、両隣の冷却体３２Ｕ、３２Ｗからの熱伝導されるため、この中間の冷却体３２Ｖの温度が他の冷却体より温度が高くなるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００９-０９６３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
この発明は、前記のような従来装置の問題点を解決するために、鉄道車両の走行風によって冷却を行うようにした鉄道車両用電力変換装置において、コンバータおよびインバータの冷却体の全体の温度分布が均一になるようにして、コンバータおよびインバータ双方の半導体素子の冷却効果を高めることにより全半導体素子の温度上昇がほぼ均等になるよすることを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
前記の課題を解決するためになされた第１の発明は、鉄道車両の床下に設置され、半導体素子変換回路により交流電力を直流電力に変換するコンバータと、半導体素子変換回路により前記コンバータから出力される直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータの変換回路を構成する半導体素子を冷却する、複数の冷却フィンを有する冷却体とを備え、前記鉄道車両の走行によって発生する走行風を前記冷却フィンに当てて前記半導体素子の冷却を行うようにした鉄道車両用電力変換装置において、前記コンバータの変換回路を構成する半導体素子と前記インバータの変換回路を構成する半導体素子を共通の冷却体上に熱伝導的に搭載したことを特徴とするものである。
【００２５】
第２の発明は、前記第１の発明において、前記コンバータの変換回路のＵ相回路およびＶ相回路を構成する半導体素子および、前記インバータの変換回路のＵ相、Ｖ相およびＷ相回路を構成する半導体素子を、前記共通の冷却体上に前記走行風の流れる方向に対して直角方向にコンバータの各相の半導体素子とインバータの各相の半導体素子が交互に並ぶように混合配置したことを特徴とするものである。
【００２６】
第３の発明は、前記第１または第２の発明において、前記共通の冷却体の温度上昇の高い個所と低い個所をヒートパイプにより熱的に結合したことを特徴とするものである。
【００２７】
第４の発明は、鉄道車両の床下に設置され、交流電力を直流電力に変換するコンバータ、および前記コンバータから出力される直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、前記コンバータおよびインバータを構成する半導体素子を冷却する複数の放熱フィンを備えた冷却体とを備え、前記鉄道車両の走行によって発生する走行風を前記放熱フィンに当てて前記冷却体を冷却するようにした鉄道車両用電力変換装置において、前記コンバータは、その変換回路の各相回路を構成する半導体素子を各相別に冷却体上に熱伝導的に搭載してユニット化した複数の相ユニットを備えるとともに、インバータは、その変換回路の各相回路を構成する半導体素子を各相別に冷却体上に熱伝導的に搭載してユニット化した複数の相ユニットを備え、前記コンバータの各相ユニットおよびインバータの各相ユニットを前記走行風の流れる方向に対して直角方向に並べて配置するとともに、隣接する相ユニットの冷却体を相互に接合し、熱的に一体化したことを特徴とするものである。
【００２８】
第５の発明は、前記第４の発明において、前記コンバータの各相ユニットの冷却体とインバータの各相ユニットの冷却体とを、前記走行風の流れる方向に対して直角方向に交互に並ぶように混合配置するとともに、隣接する冷却体を相互に接合し、熱的に一体化したことを特徴とするものである。
【００２９】
第６の発明は、前記第４の発明または第５の発明において、前記コンバータの各相ユニットおよびインバータの各相ユニットの冷却体間をヒートパイプにより熱的に結合したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３０】
この発明によれば、鉄道車両用電力変換装置のコンバータおよびインバータの冷却体が共通化又は熱的に一体化されるので、冷却体における局部的な温度上昇を抑えることができるため、電力変換装置を構成する半導体素子の温度上昇を低減することができるので、冷却体全体を小型化することができる。
【００３１】
また、電力変換装置のコンバータを構成する半導体素子とインバータを構成する半導体素子を一体化した冷却体上に設置し、１つのユニットとすることにより、フィルタコンデンサを分割する必要がなくなるとともに、コンバータとインバータの間を接続する導体を省略できるため装置の軽量化が行える。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の鉄道車両用電力変換装置の主回路を示す回路構成図である。
【図２】この発明の第１の実施例の鉄道車両用電力変換装置の構成を模式的に示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図３】この発明の第１の実施例の変形例の構成を模式的に示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面構成図である。
【図４】この発明の第１の実施例のさらなる変形例の構成を模式的に示す平面図である。
【図５】この発明の第２の実施例の鉄道車両用電力変換装置の構成を模式的に示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図６】この発明の第２の実施例の変形例の構成を模式的に示す平面図である。
【図７】この発明の第２の実施例のさらなる変形例の構成を模式的に示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図８】この発明の第２の実施例のさらに異なる変形例の構成を模式的に示す平面図である。
【図９】従来の鉄道車両用電力変換装置の主回路を示す回路構成図である。
【図１０】従来の鉄道車両用電力変換装置の構成を示す平面図である。
【図１１】従来の鉄道車両用電力変換装置を車両に取り付けた状態を示す正面断面図である。
【図１２】従来の鉄道車両用電力変換装置を車両に取り付けた状態を示す側面断面図である。
【図１３】鉄道車両用電力変換装置のコンバータおよびインバータの車両走行速度に対する発熱特性を示す特性線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。
【実施例１】
【００３４】
図１および図２は、この発明の第１の実施例を示すものである。
【００３５】
図１は、この発明の鉄道車両用電力変換装置の主回路を示す回路構成図であり、図９〜図１２に示す従来例と同一要素は、同一符号で示し、説明を省略する。
【００３６】
図１のこの発明の実施例１においては、コンバータ２の相回路を構成するスイッチング半導体素子、ダイオード等の半導体素子群２１Ｕ、２１Ｖ、およびインバータ３の相回路を構成するスイッチング半導体素子、ダイオード等の半導体素子群３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗのすべてを共通に設けた1つの冷却体５上に、電気的に絶縁して、熱伝導可能に搭載している。これにより、コンバータ２およびインバータ３を構成する半導体素子をこの冷却体５により共通に冷却することができる。
【００３７】
コンバータ２およびインバータ３は、図２に示すように共通の冷却体５上に左右の半部５Ｃおよび５Ｉに分けて配置されている。コンバータ２とインバータ３との間を接続する導体は、７Ｐ，７Ｃ，７Ｎに共通化され、図１０に示す従来例における両者間を接続する外部接続導体４Ｐ，４Ｃ，４Ｎが不要となる。そして、コンバータ２およびインバータ３にそれぞれ設けていたフィルタコンデンサは、両者に共通にフィルタコンデンサ２ＦＣだけを設ける（図１参照）。
【００３８】
冷却体５には、図２（ｂ）に示すように半導体素子搭載面と反対側の面に放熱フィン５１が適宜の間隔で多数設けられている。冷却フィン５１は、車両の走行風の流れ方向に平行に並置され、冷却フィン５１間に通風路となる間隙が形成される。この冷却フィン５１間の間隙に矢印Ｒで示す車両の走行風を通流させるため、冷却体５と一体的に構成したコンバータ２およびインバータ３を装置の筺体に収容する際、従来装置と同様に、冷却フィン５１が筐体の外側へ露出されるようにする。
【００３９】
さらに、冷却体５上には、左右の半部５Ｃと５Ｉの間にまたがってヒートパイプ６を熱伝導的に結合して、冷却体５の左右の半部間に生じる温度差を縮小し、冷却体５全体の温度の分布を均一化するようにしている。
【００４０】
このように、コンバータ２とインバータ３を共通の冷却体５上に搭載して一体構成し、これを筺体に納めて構成した鉄道車両用電力変換装置は、従来装置と同様に車両の車体の床下に取り付けて使用する（図１１、１２参照）。
【００４１】
車両の運転中は、電力変換装置のコンバータ２およびインバータ３は、図１３に示すように車両走行速度に対す発熱特性を示すことから、コンバータ２の半導体素子群２１（Ｕ、Ｖ）とインバータ３の半導体素子群３１（Ｕ、Ｖ、Ｗ）とに温度上昇に差が生じる。
【００４２】
しかし、この発明においては、冷却体５がコンバータ２とインバータ３に共通に設けられ熱的に一体的に構成されているので、冷却体５の温度上昇の高い半部の熱は、温度上昇の低い半部へ伝達されて冷却されるようになるため、冷却体５の全体の温度分布をほぼ均等にすることができる。したがって、コンバータ２およびインバータ３を構成する半導体素子群の全体を平均的に均等に冷却することができるようになるので、冷却体５の冷却効果が高まり、これを小形にすることができる。
【００４３】
この実施例におけるヒートパイプ６は、必ずしも設ける必要はないが、これを設けることにより冷却体５の半部間の熱伝導が高まり、冷却体５全体の温度分布をより一層均一化することができ、冷却体５の冷却効果を向上する効果がある。
【００４４】
なお、ヒートパイプ６の実装本数と実装位置は、図に示した本数と位置に限られず、半導体素子群２１（Ｕ、Ｖ），３１（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の発熱条件や冷却風の条件等に基づいて、適宜決定される。また、ヒートパイプ６は、直線形状のものに限られず、冷却体５の全体の温度分布を均一化するためにＬ字型やコの字型のような形状にしてもよい。
【００４５】
図３は、この第１の実施例の変形例を示すものである。
【００４６】
この変形例は、インバータ３の各相回路の半導体素子群３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗおよびコンバータ２の各相回路の半導体素子群２１Ｕ、２１Ｖが、図３（ａ）、（ｂ）に示すように交互に並ぶようにコンバータと、インバータの各相回路を混合配置して、共通の冷却体５上に搭載したものである。
【００４７】
このように、コンバータとインバータの各相の半導体素子群を混合配置することにより、コンバータ２の各相回路の半導体素子群とインバータ３の半導体素子群が冷却体５の全体に比較的均等に分布するようになるので、コンバータ２とインバータ３の発熱特性が相違していても冷却体５の全体における温度分布がより均等化されることにより、冷却体５の冷却効果をさらに高めることができる。
【００４８】
図４は、図３に示す実施例にヒートパイプ６ａを加えた変形例である。
【００４９】
この変形例は、冷却体５上の隣り合うコンバータ２の相回路半導体素子群（２１Ｕ、２１Ｖ）の載置された領域とインバータ３の相回路半導体素子群（３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ）の載置された領域の間を、それぞれヒートパイプ６ａにより熱的に結合するものである。ヒートパイプ６ｂは、冷却体５の半部内の熱結合を行うものである。
【００５０】
このようにすれば、ヒートパイプ６ａによって冷却体５における隣接するコンバータ２の相回路半導体素子群（２１Ｕ、２１Ｖ）の載置された領域とインバータ３の相回路半導体素子群（３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ）の載置された領域間での熱伝導が行われ、これらの領域間の温度差を縮小する。また、冷却体５の半部内に生じる温度差は、それぞれヒートパイプ６ｂによってこれを平均化され、解消することができる。これにより冷却体５の全体の温度分布がより均一化され、半導体素子群の冷却効果を高めることができる。
【００５１】
なお、ヒートパイプ６ａ，６ｂの実装本数と実装位置は、図に示した本数と位置に限られず、半導体素子群２１（Ｕ、Ｖ），３１（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の発熱条件や冷却風の条件等に基づいて、適宜決定される。したがって、必ずしもヒートパイプ６ａ，６ｂの両方を実装する必要はなく、１種類のヒートパイプのみを実装しても良い。また、ヒートパイプ６ａ，６ｂは、直線形状のものに限られず、冷却体５の全体の温度分布を均一化するためにＬ字型やコの字型のような形状にしてもよい。
【実施例２】
【００５２】
この発明の第２の実施例を図５に示す。
【００５３】
この実施例においては、コンバータ２およびインバータ３の各相回路の半導体素子群２１Ｕ、２１Ｖ、３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗをそれぞれ相回路単位で構成した冷却体５−２Ｕ、５−２Ｖ、５−３Ｕ、５−３Ｖ、５−３Ｗ上に熱伝導的に搭載して相ユニット２Ｕ、２Ｖ、３Ｕ、３Ｖ、３Ｗを構成している。各相ユニットの冷却体には、図５（ｂ）示すように多数の放熱フィン５１が適宜間隔で並設されている。
【００５４】
コンバータ２の各相の半導体素子群の搭載された冷却体５−２Ｕと５−２Ｖとを相互に結合して熱的に一体構成するとともに、インバータ３の各相の冷半導体素子群の搭載された冷却体５−３Ｕ、５−３Ｖおよび５−３Ｗを相互に結合して熱的に一体構成する。そして、一体化されたコンバータ２の冷却体（５−２Ｕ、５−２Ｖ）と一体化されたインバータ３の冷却体（５−３Ｕ、５−３Ｖ、５−３Ｗ）とを互いに結合して冷却体全体を熱的に一体化する。この一体化されたコンバータ２およびインバータ３は、従来装置と同様に装置の筺体に納めて車両の車体の床下に取り付け、冷却体に設けられた冷却フィンを車両の走行に伴って発生する走行風により冷却する。
【００５５】
この実施例２によれば、コンバータ２およびインバータ３のそれぞれの全相ユニットの冷却体が結合されて熱的に一体化されているので、前記実施例１と同様に、コンバータ２とインバータ３の発熱特性の相違により、コンバータ２とインバータ３との間に温度上昇の差が生じても、それぞれに発生する熱が冷却体全体に拡散されて平均化されるので、半導体素子群の冷却効果を向上することができる。
【００５６】
さらに、この実施例２によれば、コンバータ２およびインバータ３の各相回路の半導体素子群が各相別の冷却体に搭載された相回路単位でユニット化することができるので、装置の組み立て等が標準化されて製造効率を高めることができる。
【００５７】
図６は、冷却体に長さの異なるヒートパイプ６ａ、６ｂ、６ｃを結合して、図５に示す実施例２を変形したものである。
【００５８】
図６における長さの短いヒートパイプ６ａは、両隣の各相冷却体（５−２Ｕ、５−２Ｖ、５−３Ｕ、５−３Ｖ、５−３Ｗ）間の熱的結合を行うもので、隣接する冷却体間の温度差を低減し、全部の冷却体の温度の平均化を行う。
【００５９】
中間の長さのヒートパイプ６ｂは、コンバータ２およびインバータ３内の各相冷却体間を熱的に結合し、コンバータ２およびインバータ３のそれぞれの中の各相冷却体の温度の平均化作用を行う。
【００６０】
長さの長いヒートパイプ６ｃは、冷却体の全体にまたがって熱的結合を行い、各冷却体に局部的に生じる温度上昇を抑えて冷却体全体の温度を平均化するものである。
【００６１】
これら３種類のヒートパイプ６ａ、６ｂ、６ｃによって複数の相冷却体で構成された冷却体の全体の温度をより均等化することができるので半導体素子群の冷却効果を高めることができる。
【００６２】
なお、ヒートパイプ６ａ，６ｂ，６ｃの実装本数と実装位置は、図に示した本数と位置に限られず、半導体素子群２１（Ｕ、Ｖ），３１（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の発熱条件や冷却風の条件等に基づいて、適宜決定される。したがって、必ずしも３種類のヒートパイプすべてを実装する必要はなく、１種類または２種類のヒートパイプを組み合わせて実装しても良い。また、ヒートパイプ６ａ，６ｂ，６ｃは、直線形状のものに限られず、各冷却体間の温度を均等化するためにＬ字型やコの字型のような形状にしてもよい。
【００６３】
図７は、実施例２の他の変形例を示すものである。
【００６４】
この変形例は、コンバータ２の相ユニット２Ｕ、２Ｖとインバータ３の相ユニット３Ｕ、３Ｖ、３Ｗとが、図７（ａ）、（ｂ）に示すように交互に並ぶように、コンバータ２およびインバータ３の相ユニットを混合配置して、全部の冷却体（５−２Ｕ、５−２Ｖ、５−３Ｕ、５−３Ｖ、５−３Ｗ）を相互に接合して、熱的に一体に構成し、各相ユニット間の温度差を低減するものである。
【００６５】
このように各相ユニットを配置することにより、コンバータ２の各相回路の半導体素子群とインバータ３の各相回路の半導体素子群が冷却体５の全体に比較的均等に分布するようになるので、コンバータ２とインバータ３の発熱特性が相違していても冷却体５の全体における温度分布を均一化にすることができるので、冷却体５による半導体素子群を効果的に冷却することができる。
【００６６】
図８は、図７の変形例に長さの異なる３種類のヒートパイプ６ａ、６ｂおよび６ｃを冷却体の要所に結合してさらなる変形を加えたものである。
【００６７】
長さの短いヒートパイプ６ａにより隣り合う２個の冷却体間の温度差が縮小される。中間の長さのヒートパイプ６ｂにより隣り合う３個の冷却体間の温度差が縮小される。そして、長さの長いヒートパイプ６ｃにより一体に接合された５個すべての冷却体間の温度差が縮小される。これにより、複数の相冷却体で構成された冷却体全体の温度をより均一化することができるので半導体素子群の冷却効果を一層高めることができる。
【００６８】
なお、ヒートパイプ６ａ，６ｂ，６ｃの実装本数と実装位置は、図に示した本数と位置に限られず、半導体素子群２１（Ｕ、Ｖ），３１（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の発熱条件や冷却風の条件等に基づいて、適宜決定される。したがって、必ずしも３種類のヒートパイプすべてを実装する必要はなく、１種類または２種類のヒートパイプを組み合わせて実装しても良い。また、ヒートパイプ６ａ，６ｂ，６ｃは、直線形状のものに限られず、各冷却体間の温度を均等化するためにＬ字型やコの字型のような形状にしてもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１：電力変換装置
１０：装置の筐体
２：コンバータ
２Ｕ、２Ｖ：コンバータの相回路ユニット
２１（Ｕ，Ｖ）：コンバータの相回路の半導体素子群
２２（Ｕ，Ｖ）：コンバータの相冷却体
２３（Ｕ，Ｖ）：冷却フィン
３：インバータ
３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ：インバータの相回路ユニット
３１（Ｕ，Ｖ，Ｗ）：インバータの相回路ユニット
３２（Ｕ，Ｖ，Ｗ）：インバータの相冷却体
３３（Ｕ，Ｖ，Ｗ）：冷却フィン
５：共通冷却体
６，６ａ，６ｂ，６ｃ：ヒートパイプ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、鉄道車両の駆動制御等に使用される電力変換装置、特に、鉄道車両の走行風により冷却するようにした鉄道車両用電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両用電力変換装置は、車両の走行風を冷却に利用するために鉄道車両の床下に取り付け、電力変換装置の冷却体の冷却フィンを外気に露出させ、これに走行風を当てて冷却するようにしている（特許文献１参照）。
【０００３】
この種の鉄道車両用電力変換装置の従来例を図９〜図１２に示す。
【０００４】
図９は鉄道車両用電力変換装置１の主回路を示す回路構成図、図１０は電力変換装置の構成を示す平面図、図１１は、電力変換装置を車両に取り付けた状態を示す正面断面図であり、図１２は同側面断面図である。
【０００５】
鉄道車両用電力変換装置１は、図９に示すように、スイッチング半導体素子を単相ブリッジ接続して変換器ユニットとして構成されたコンバータ２と、スイッチング半導体素子を３相ブリッジ接続して変換器ユニットとして構成されたインバータ３とを備える。コンバータ２は、単相の交流電源８から供給される交流電力を直流電力に変換してインバータ３に供給する。インバータ３は、コンバータ２から供給される直流電力を３相の交流電力に変換して車両駆動用交流電動機９に供給する。コンバータ２は、出力側にフィルタコンデンサ２ＦＣを、そしてインバータ３は、入力側にフィルタコンデンサ３ＦＣを備える。
【０００６】
コンバータ２は、図１０に示すように、コンバータ回路のＵ相およびＶ相回路を構成する半導体素子群２１Ｕおよび２１Ｖを、それぞれ冷却フィン付冷却体２２Ｕおよび２２Ｖ上に電気的に絶縁して、熱伝導的に搭載し、コンバータのＵ相ユニット２ＵおよびＶ相ユニット２Ｖを構成する。そして、このコンバータの各相ユニットの冷却体２２Ｕと２２Ｖを互いに接合して熱的に一体に構成し、コンバータ２を構成する変換器ユニットが構成される。
【０００７】
インバータ３も同様に、インバータ回路のＵ相、Ｖ相およびＷ相の回路を構成する半導体素子群３１Ｕ、３１Ｖおよび３１Ｗを、それぞれ冷却フィン付冷却体３２Ｕ、３２Ｖおよび３２Ｗ上に電気的に絶縁して、熱伝導的に搭載し、インバータのＵ相ユニット３Ｕ、Ｖ相ユニット３ＶおよびＷ相ユニット３Ｗを構成する。そして、このインバータの各相ユニットの冷却体３２Ｕ、３２Ｖおよび３２Ｗを相互に接合して熱的に一体に構成して、インバータ３を構成する変換器ユニットが構成される。
【０００８】
コンバータ２の正極出力端子２Ｐ、負極出力端子２Ｎおよびコモン端子２Ｃとインバータ３の正極入力端子３Ｐ，負極入力端子３Ｎおよびコモン端子３Ｃとは、それぞれ接続導体４Ｐ、４Ｎおよび４Ｃにより接続される。
【０００９】
これらのコンバータ２およびインバータ３は装置筺体１０に収容して、図１１および１２に示すように鉄道車両１００の車体の床下に取り付けられる。
【００１０】
電力変換装置１を構成するコンバータ２およびインバータ３の相ユニット２（Ｕ、Ｖ）および３（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の冷却体２２（Ｕ、Ｖ）および３２（Ｕ、Ｖ、Ｗ）には、多数の冷却フィン２３（Ｕ、Ｖ）、３３（Ｕ、Ｖ、Ｗ）が適宜の間隔をおいて並設されている。冷却フィン２３および３３は、電力変換装置１の筺体１０の外側へ露出させて配置し、冷却フィン間の通風路を鉄道車両の走行に伴って発生する矢印Ｒで示す走行風が通流するように構成している。これにより冷却フィン２３および３３が車両の走行風により強制冷却され、これと一体の冷却体２２，３２を介して、電力変換装置のコンバータおよびインバータを構成する半導体素子群２１（Ｕ、Ｖ）および３１（Ｕ、Ｖ、Ｗ）が良好に冷却される。
【００１１】
ところで、このように鉄道車両の走行風を利用して冷却を行うようにした鉄道車両用電力変換装置は、これを構成するコンバータ２とインバータ３が独立したユニットとして構成され、筐体１０内に互いに離間して配置されているため、コンバータ２とインバータ３が個別に冷却されることになる。
【００１２】
鉄道車両の走行風により冷却を行う場合、当然のことながら、電力変換装置の冷却体の冷却フィンに当たる冷却風速度Ｆ（ｍ／sec）は、図１３に特性線Ａで示すように車両走行速度Ｓ（ｋｍ／ｈ）に比例し、車両走行速度が高くなるほど高くなり、冷却能力が高くなる。
【００１３】
その一方で、電力変換装置のコンバータ２およびインバータ３は、発熱量Ｐが車両の走行速度Ｓに対して、それぞれ図１３の特性線Ｃおよび特性線Ｉで示すような発熱特性を有する。
【００１４】
コンバータ２の発熱特性は、特性線Ｃで示すように、車両走行速度ＳがＳ３までは、発熱量が走行速度Ｓに比例してＰ４まで増加し、Ｓ３以降は一定値のＰ４となるような特性を示す。
【００１５】
一方、インバータ３の発熱特性は、特性線Ｉで示すように、車両速度ＳがＳ１まではＰ２の発熱量を示し、Ｓ２で最大のＰ３の発熱量となって、Ｓ３で急激に減少して、Ｓ４からほぼＰ１の発熱量となるような特性を示す。
【００１６】
このように、コンバータ２とインバータ３とは、車両速度に対して異なる発熱特性を示すので、それぞれの各相ユニットを支持する冷却体は、発熱量の最大となる車両速度におおける冷却風速度で半導体素子の温度を規定の許容設定温度以下に維持できる冷却能力となるように冷却体の大きさや冷却フィンの枚数等が決められている。
【００１７】
すなわち、コンバータ２の各相ユニットの冷却体２Ｕ、２Ｖは、コンバータの発熱量が最大のＰ４となる車両速度Ｓ３における冷却風速度Ｆ３で、その冷却能力が決められる。そして、インバータ３の各相ユニットの冷却体３２（Ｕ、Ｖ、Ｗ）は、インバータの発熱量が最大のＰ３となる車両速度Ｓ２における冷却風速度Ｆ２でその冷却能力が決められる。
【００１８】
これにより、コンバータ２の場合は、車両速度がＳ２となる条件では冷却風速度が低下するが、発熱量がそれ以上に減少することからコンバータ２の冷却体２２の冷却能力は、半導体素子の発熱量に対して余裕を持つことになる。また、インバータの場合は、車両速度Ｓ１およびＳ２で、冷却体３２の冷却能力を決めているので、車両速度がＳ３に増大した条件では、半導体素子の発熱量が車両速度Ｓ１およびＳ２の状態と同じであっても、冷却風速度Ｆが車両速度Ｓ１、Ｓ２、の時よりも高くなることから、インバータ３の冷却体３２の冷却能力は、半導体素子の発熱量に対して余裕を持つことになる。このため、コンバータ２およびインバータ３を構成する半導体素子は、車両速度の全範囲にわたって良好に冷却され、その温度を規定された許容温度以内に保つことができる。
【００１９】
このように、コンバータ２とインバータ３とは互いに車両走行速度に対する発熱量が異なるため、図１０に示すように、コンバータ２およびインバータ３の各相ユニットの冷却体２２と３２が離間され、熱的に絶縁されているため、コンバータ２またはインバータ３の一方の半導体素子の温度が、既定の許容設定温度付近まで上昇している場合でも、他方の半導体素子の温度は、許容設定温度に対して余裕を持つ状態が生じる。
【００２０】
その一方で、コンバータ２およびインバータ３のそれぞれにおいては、各ユニットの冷却体が互いに接合して熱的に一体化されているため、ユニット２Ｕの半導体素子２１Ｕの発熱により冷却体２２Ｕの温度が上昇している時には、他のユニット２Ｖの半導体素子も同じ発熱量であるため、隣接する冷却体２２Ｖの温度も上昇しているため、冷却体２２Ｕと２２Ｖの接合部付近の温度上昇が高くなるという問題がある。
【００２１】
インバータ３においても同様に、各ユニットの半導体素子３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗの発熱量は同じであるので、中間の冷却体３２Ｖの温度が上昇しているときは、両隣の冷却体３２Ｕ、３２Ｗの温度も上昇しており、中間の冷却体３２Ｖに対して、両隣の冷却体３２Ｕ、３２Ｗからの熱伝導されるため、この中間の冷却体３２Ｖの温度が他の冷却体より温度が高くなるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００９-０９６３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
この発明は、前記のような従来装置の問題点を解決するために、鉄道車両の走行風によって冷却を行うようにした鉄道車両用電力変換装置において、コンバータおよびインバータの冷却体の全体の温度分布が均一になるようにして、コンバータおよびインバータ双方の半導体素子の冷却効果を高めることにより全半導体素子の温度上昇がほぼ均等になるよすることを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
前記の課題を解決するためになされた第１の発明は、鉄道車両の床下に設置され、半導体素子変換回路により交流電力を直流電力に変換するコンバータと、半導体素子変換回路により前記コンバータから出力される直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータの変換回路を構成する半導体素子を冷却する、複数の冷却フィンを有する冷却体とを備え、前記鉄道車両の走行によって発生する走行風を前記冷却フィンに当てて前記半導体素子の冷却を行うようにした鉄道車両用電力変換装置において、前記コンバータの変換回路を構成する半導体素子と前記インバータの変換回路を構成する半導体素子を共通の冷却体上に熱伝導的に搭載したことを特徴とするものである。
【００２５】
第２の発明は、前記第１の発明において、前記コンバータの変換回路のＵ相回路およびＶ相回路を構成する半導体素子および、前記インバータの変換回路のＵ相、Ｖ相およびＷ相回路を構成する半導体素子を、前記共通の冷却体上に前記走行風の流れる方向に対して直角方向にコンバータの各相の半導体素子とインバータの各相の半導体素子が交互に並ぶように混合配置したことを特徴とするものである。
【００２６】
第３の発明は、前記第１または第２の発明において、前記共通の冷却体の温度上昇の高い個所と低い個所をヒートパイプにより熱的に結合したことを特徴とするものである。
【００２７】
第４の発明は、鉄道車両の床下に設置され、交流電力を直流電力に変換するコンバータ、および前記コンバータから出力される直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、前記コンバータおよびインバータを構成する半導体素子を冷却する複数の放熱フィンを備えた冷却体とを備え、前記鉄道車両の走行によって発生する走行風を前記放熱フィンに当てて前記冷却体を冷却するようにした鉄道車両用電力変換装置において、前記コンバータは、その変換回路の各相回路を構成する半導体素子を各相別に冷却体上に熱伝導的に搭載してユニット化した複数の相ユニットを備えるとともに、インバータは、その変換回路の各相回路を構成する半導体素子を各相別に冷却体上に熱伝導的に搭載してユニット化した複数の相ユニットを備え、前記コンバータの各相ユニットおよびインバータの各相ユニットを前記走行風の流れる方向に対して直角方向に並べて配置するとともに、隣接する相ユニットの冷却体を相互に接合し、熱的に一体化したことを特徴とするものである。
【００２８】
第５の発明は、前記第４の発明において、前記コンバータの各相ユニットの冷却体とインバータの各相ユニットの冷却体とを、前記走行風の流れる方向に対して直角方向に交互に並ぶように混合配置するとともに、隣接する冷却体を相互に接合し、熱的に一体化したことを特徴とするものである。
【００２９】
第６の発明は、前記第４の発明または第５の発明において、前記コンバータの各相ユニットおよびインバータの各相ユニットの冷却体間をヒートパイプにより熱的に結合したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３０】
この発明によれば、鉄道車両用電力変換装置のコンバータおよびインバータの冷却体が共通化又は熱的に一体化されるので、冷却体における局部的な温度上昇を抑えることができるため、電力変換装置を構成する半導体素子の温度上昇を低減することができるので、冷却体全体を小型化することができる。
【００３１】
また、電力変換装置のコンバータを構成する半導体素子とインバータを構成する半導体素子を一体化した冷却体上に設置し、１つのユニットとすることにより、フィルタコンデンサを分割する必要がなくなるとともに、コンバータとインバータの間を接続する導体を省略できるため装置の軽量化が行える。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の鉄道車両用電力変換装置の主回路を示す回路構成図である。
【図２】この発明の第１の実施例の鉄道車両用電力変換装置の構成を模式的に示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図３】この発明の第１の実施例の変形例の構成を模式的に示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面構成図である。
【図４】この発明の第１の実施例のさらなる変形例の構成を模式的に示す平面図である。
【図５】この発明の第２の実施例の鉄道車両用電力変換装置の構成を模式的に示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図６】この発明の第２の実施例の変形例の構成を模式的に示す平面図である。
【図７】この発明の第２の実施例のさらなる変形例の構成を模式的に示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図８】この発明の第２の実施例のさらに異なる変形例の構成を模式的に示す平面図である。
【図９】従来の鉄道車両用電力変換装置の主回路を示す回路構成図である。
【図１０】従来の鉄道車両用電力変換装置の構成を示す平面図である。
【図１１】従来の鉄道車両用電力変換装置を車両に取り付けた状態を示す正面断面図である。
【図１２】従来の鉄道車両用電力変換装置を車両に取り付けた状態を示す側面断面図である。
【図１３】鉄道車両用電力変換装置のコンバータおよびインバータの車両走行速度に対する発熱特性を示す特性線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。
【実施例１】
【００３４】
図１および図２は、この発明の第１の実施例を示すものである。
【００３５】
図１は、この発明の鉄道車両用電力変換装置の主回路を示す回路構成図であり、図９〜図１２に示す従来例と同一要素は、同一符号で示し、説明を省略する。
【００３６】
図１のこの発明の実施例１においては、コンバータ２の相回路を構成するスイッチング半導体素子、ダイオード等の半導体素子群２１Ｕ、２１Ｖ、およびインバータ３の相回路を構成するスイッチング半導体素子、ダイオード等の半導体素子群３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗのすべてを共通に設けた1つの冷却体５上に、電気的に絶縁して、熱伝導可能に搭載している。これにより、コンバータ２およびインバータ３を構成する半導体素子をこの冷却体５により共通に冷却することができる。
【００３７】
コンバータ２およびインバータ３は、図２に示すように共通の冷却体５上に左右の半部５Ｃおよび５Ｉに分けて配置されている。コンバータ２とインバータ３との間を接続する導体は、７Ｐ，７Ｃ，７Ｎに共通化され、図１０に示す従来例における両者間を接続する外部接続導体４Ｐ，４Ｃ，４Ｎが不要となる。そして、コンバータ２およびインバータ３にそれぞれ設けていたフィルタコンデンサは、両者に共通にフィルタコンデンサ２ＦＣだけを設ける（図１参照）。
【００３８】
冷却体５には、図２（ｂ）に示すように半導体素子搭載面と反対側の面に放熱フィン５１が適宜の間隔で多数設けられている。冷却フィン５１は、車両の走行風の流れ方向に平行に並置され、冷却フィン５１間に通風路となる間隙が形成される。この冷却フィン５１間の間隙に矢印Ｒで示す車両の走行風を通流させるため、冷却体５と一体的に構成したコンバータ２およびインバータ３を装置の筺体に収容する際、従来装置と同様に、冷却フィン５１が筐体の外側へ露出されるようにする。
【００３９】
さらに、冷却体５上には、左右の半部５Ｃと５Ｉの間にまたがってヒートパイプ６を熱伝導的に結合して、冷却体５の左右の半部間に生じる温度差を縮小し、冷却体５全体の温度の分布を均一化するようにしている。
【００４０】
このように、コンバータ２とインバータ３を共通の冷却体５上に搭載して一体構成し、これを筺体に納めて構成した鉄道車両用電力変換装置は、従来装置と同様に車両の車体の床下に取り付けて使用する（図１１、１２参照）。
【００４１】
車両の運転中は、電力変換装置のコンバータ２およびインバータ３は、図１３に示すように車両走行速度に対す発熱特性を示すことから、コンバータ２の半導体素子群２１（Ｕ、Ｖ）とインバータ３の半導体素子群３１（Ｕ、Ｖ、Ｗ）とに温度上昇に差が生じる。
【００４２】
しかし、この発明においては、冷却体５がコンバータ２とインバータ３に共通に設けられ熱的に一体的に構成されているので、冷却体５の温度上昇の高い半部の熱は、温度上昇の低い半部へ伝達されて冷却されるようになるため、冷却体５の全体の温度分布をほぼ均等にすることができる。したがって、コンバータ２およびインバータ３を構成する半導体素子群の全体を平均的に均等に冷却することができるようになるので、冷却体５の冷却効果が高まり、これを小形にすることができる。
【００４３】
この実施例におけるヒートパイプ６は、必ずしも設ける必要はないが、これを設けることにより冷却体５の半部間の熱伝導が高まり、冷却体５全体の温度分布をより一層均一化することができ、冷却体５の冷却効果を向上する効果がある。
【００４４】
なお、ヒートパイプ６の実装本数と実装位置は、図に示した本数と位置に限られず、半導体素子群２１（Ｕ、Ｖ），３１（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の発熱条件や冷却風の条件等に基づいて、適宜決定される。また、ヒートパイプ６は、直線形状のものに限られず、冷却体５の全体の温度分布を均一化するためにＬ字型やコの字型のような形状にしてもよい。
【００４５】
図３は、この第１の実施例の変形例を示すものである。
【００４６】
この変形例は、インバータ３の各相回路の半導体素子群３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗおよびコンバータ２の各相回路の半導体素子群２１Ｕ、２１Ｖが、図３（ａ）、（ｂ）に示すように交互に並ぶようにコンバータと、インバータの各相回路を混合配置して、共通の冷却体５上に搭載したものである。
【００４７】
このように、コンバータとインバータの各相の半導体素子群を混合配置することにより、コンバータ２の各相回路の半導体素子群とインバータ３の半導体素子群が冷却体５の全体に比較的均等に分布するようになるので、コンバータ２とインバータ３の発熱特性が相違していても冷却体５の全体における温度分布がより均等化されることにより、冷却体５の冷却効果をさらに高めることができる。
【００４８】
図４は、図３に示す実施例にヒートパイプ６ａを加えた変形例である。
【００４９】
この変形例は、冷却体５上の隣り合うコンバータ２の相回路半導体素子群（２１Ｕ、２１Ｖ）の載置された領域とインバータ３の相回路半導体素子群（３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ）の載置された領域の間を、それぞれヒートパイプ６ａにより熱的に結合するものである。ヒートパイプ６ｂは、冷却体５の半部内の熱結合を行うものである。
【００５０】
このようにすれば、ヒートパイプ６ａによって冷却体５における隣接するコンバータ２の相回路半導体素子群（２１Ｕ、２１Ｖ）の載置された領域とインバータ３の相回路半導体素子群（３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗ）の載置された領域間での熱伝導が行われ、これらの領域間の温度差を縮小する。また、冷却体５の半部内に生じる温度差は、それぞれヒートパイプ６ｂによってこれを平均化され、解消することができる。これにより冷却体５の全体の温度分布がより均一化され、半導体素子群の冷却効果を高めることができる。
【００５１】
なお、ヒートパイプ６ａ，６ｂの実装本数と実装位置は、図に示した本数と位置に限られず、半導体素子群２１（Ｕ、Ｖ），３１（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の発熱条件や冷却風の条件等に基づいて、適宜決定される。したがって、必ずしもヒートパイプ６ａ，６ｂの両方を実装する必要はなく、１種類のヒートパイプのみを実装しても良い。また、ヒートパイプ６ａ，６ｂは、直線形状のものに限られず、冷却体５の全体の温度分布を均一化するためにＬ字型やコの字型のような形状にしてもよい。
【実施例２】
【００５２】
この発明の第２の実施例を図５に示す。
【００５３】
この実施例においては、コンバータ２およびインバータ３の各相回路の半導体素子群２１Ｕ、２１Ｖ、３１Ｕ、３１Ｖ、３１Ｗをそれぞれ相回路単位で構成した冷却体５−２Ｕ、５−２Ｖ、５−３Ｕ、５−３Ｖ、５−３Ｗ上に熱伝導的に搭載して相ユニット２Ｕ、２Ｖ、３Ｕ、３Ｖ、３Ｗを構成している。各相ユニットの冷却体には、図５（ｂ）示すように多数の放熱フィン５１が適宜間隔で並設されている。
【００５４】
コンバータ２の各相の半導体素子群の搭載された冷却体５−２Ｕと５−２Ｖとを相互に結合して熱的に一体構成するとともに、インバータ３の各相の冷半導体素子群の搭載された冷却体５−３Ｕ、５−３Ｖおよび５−３Ｗを相互に結合して熱的に一体構成する。そして、一体化されたコンバータ２の冷却体（５−２Ｕ、５−２Ｖ）と一体化されたインバータ３の冷却体（５−３Ｕ、５−３Ｖ、５−３Ｗ）とを互いに結合して冷却体全体を熱的に一体化する。この一体化されたコンバータ２およびインバータ３は、従来装置と同様に装置の筺体に納めて車両の車体の床下に取り付け、冷却体に設けられた冷却フィンを車両の走行に伴って発生する走行風により冷却する。
【００５５】
この実施例２によれば、コンバータ２およびインバータ３のそれぞれの全相ユニットの冷却体が結合されて熱的に一体化されているので、前記実施例１と同様に、コンバータ２とインバータ３の発熱特性の相違により、コンバータ２とインバータ３との間に温度上昇の差が生じても、それぞれに発生する熱が冷却体全体に拡散されて平均化されるので、半導体素子群の冷却効果を向上することができる。
【００５６】
さらに、この実施例２によれば、コンバータ２およびインバータ３の各相回路の半導体素子群が各相別の冷却体に搭載された相回路単位でユニット化することができるので、装置の組み立て等が標準化されて製造効率を高めることができる。
【００５７】
図６は、冷却体に長さの異なるヒートパイプ６ａ、６ｂ、６ｃを結合して、図５に示す実施例２を変形したものである。
【００５８】
図６における長さの短いヒートパイプ６ａは、両隣の各相冷却体（５−２Ｕ、５−２Ｖ、５−３Ｕ、５−３Ｖ、５−３Ｗ）間の熱的結合を行うもので、隣接する冷却体間の温度差を低減し、全部の冷却体の温度の平均化を行う。
【００５９】
中間の長さのヒートパイプ６ｂは、コンバータ２およびインバータ３内の各相冷却体間を熱的に結合し、コンバータ２およびインバータ３のそれぞれの中の各相冷却体の温度の平均化作用を行う。
【００６０】
長さの長いヒートパイプ６ｃは、冷却体の全体にまたがって熱的結合を行い、各冷却体に局部的に生じる温度上昇を抑えて冷却体全体の温度を平均化するものである。
【００６１】
これら３種類のヒートパイプ６ａ、６ｂ、６ｃによって複数の相冷却体で構成された冷却体の全体の温度をより均等化することができるので半導体素子群の冷却効果を高めることができる。
【００６２】
なお、ヒートパイプ６ａ，６ｂ，６ｃの実装本数と実装位置は、図に示した本数と位置に限られず、半導体素子群２１（Ｕ、Ｖ），３１（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の発熱条件や冷却風の条件等に基づいて、適宜決定される。したがって、必ずしも３種類のヒートパイプすべてを実装する必要はなく、１種類または２種類のヒートパイプを組み合わせて実装しても良い。また、ヒートパイプ６ａ，６ｂ，６ｃは、直線形状のものに限られず、各冷却体間の温度を均等化するためにＬ字型やコの字型のような形状にしてもよい。
【００６３】
図７は、実施例２の他の変形例を示すものである。
【００６４】
この変形例は、コンバータ２の相ユニット２Ｕ、２Ｖとインバータ３の相ユニット３Ｕ、３Ｖ、３Ｗとが、図７（ａ）、（ｂ）に示すように交互に並ぶように、コンバータ２およびインバータ３の相ユニットを混合配置して、全部の冷却体（５−２Ｕ、５−２Ｖ、５−３Ｕ、５−３Ｖ、５−３Ｗ）を相互に接合して、熱的に一体に構成し、各相ユニット間の温度差を低減するものである。
【００６５】
このように各相ユニットを配置することにより、コンバータ２の各相回路の半導体素子群とインバータ３の各相回路の半導体素子群が冷却体５の全体に比較的均等に分布するようになるので、コンバータ２とインバータ３の発熱特性が相違していても冷却体５の全体における温度分布を均一化にすることができるので、冷却体５による半導体素子群を効果的に冷却することができる。
【００６６】
図８は、図７の変形例に長さの異なる３種類のヒートパイプ６ａ、６ｂおよび６ｃを冷却体の要所に結合してさらなる変形を加えたものである。
【００６７】
長さの短いヒートパイプ６ａにより隣り合う２個の冷却体間の温度差が縮小される。中間の長さのヒートパイプ６ｂにより隣り合う３個の冷却体間の温度差が縮小される。そして、長さの長いヒートパイプ６ｃにより一体に接合された５個すべての冷却体間の温度差が縮小される。これにより、複数の相冷却体で構成された冷却体全体の温度をより均一化することができるので半導体素子群の冷却効果を一層高めることができる。
【００６８】
なお、ヒートパイプ６ａ，６ｂ，６ｃの実装本数と実装位置は、図に示した本数と位置に限られず、半導体素子群２１（Ｕ、Ｖ），３１（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の発熱条件や冷却風の条件等に基づいて、適宜決定される。したがって、必ずしも３種類のヒートパイプすべてを実装する必要はなく、１種類または２種類のヒートパイプを組み合わせて実装しても良い。また、ヒートパイプ６ａ，６ｂ，６ｃは、直線形状のものに限られず、各冷却体間の温度を均等化するためにＬ字型やコの字型のような形状にしてもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１：電力変換装置
１０：装置の筐体
２：コンバータ
２Ｕ、２Ｖ：コンバータの相回路ユニット
２１（Ｕ，Ｖ）：コンバータの相回路の半導体素子群
２２（Ｕ，Ｖ）：コンバータの相冷却体
２３（Ｕ，Ｖ）：冷却フィン
３：インバータ
３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ：インバータの相回路ユニット
３１（Ｕ，Ｖ，Ｗ）：インバータの相回路ユニット
３２（Ｕ，Ｖ，Ｗ）：インバータの相冷却体
３３（Ｕ，Ｖ，Ｗ）：冷却フィン
５：共通冷却体
６，６ａ，６ｂ，６ｃ：ヒートパイプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両の床下に設置され、半導体素子変換回路により交流電力を直流電力に変換するコンバータと、半導体素子変換回路により前記コンバータから出力される直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータの変換回路を構成する半導体素子を冷却する、複数の冷却フィンを有する冷却体とを備え、前記鉄道車両の走行によって発生する走行風を前記冷却フィンに当てて前記半導体素子の冷却を行うようにした鉄道車両用電力変換装置において、前記コンバータの変換回路を構成する半導体素子と前記インバータの変換回路を構成する半導体素子を共通の冷却体上に熱伝導的に搭載したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載のものにおいて、前記コンバータの変換回路のＵ相回路およびＶ相回路を構成する半導体素子および、前記インバータの変換回路のＵ相、Ｖ相およびＷ相回路を構成する半導体素子を、前記共通の冷却体上に前記走行風の流れる方向に対して直角方向にコンバータの各相の半導体素子とインバータの各相の半導体素子が交互に並ぶように混合配置したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のものおいて、前記共通の冷却体の温度上昇の高い個所と低い個所をヒートパイプにより熱的に結合したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項４】
鉄道車両の床下に設置され、交流電力を直流電力に変換するコンバータ、および前記コンバータから出力される直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、前記コンバータおよびインバータを構成する半導体素子を冷却する複数の放熱フィンを備えた冷却体とを備え、前記鉄道車両の走行によって発生する走行風を前記放熱フィンに当てて前記冷却体を冷却するようにした鉄道車両用電力変換装置において、前記コンバータは、その変換回路の各相回路を構成する半導体素子を各相別に冷却体上に熱伝導的に搭載してユニット化した複数の相ユニットを備えるとともに、インバータは、その変換回路の各相回路を構成する半導体素子を各相別に冷却体上に熱伝導的に搭載してユニット化した複数の相ユニットを備え、前記コンバータの各相ユニットおよびインバータの各相ユニットを前記走行風の流れる方向に対して直角方向に並べて配置するとともに、隣接する相ユニットの冷却体を相互に接合し、熱的に一体化したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項５】
請求項５に記載のものにおいて、前記コンバータの各相ユニットの冷却体とインバータの各相ユニットの冷却体とを、前記走行風の流れる方向に対して直角方向に交互に並ぶように混合配置するとともに、隣接する冷却体を相互に接合し、熱的に一体化したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載のものにおいて、前記コンバータの各相ユニットおよびインバータの各相ユニットの冷却体間をヒートパイプにより熱的に結合したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項１】
鉄道車両の床下に設置され、半導体素子変換回路により交流電力を直流電力に変換するコンバータと、半導体素子変換回路により前記コンバータから出力される直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータの変換回路を構成する半導体素子を冷却する、複数の冷却フィンを有する冷却体とを備え、前記鉄道車両の走行によって発生する走行風を前記冷却フィンに当てて前記半導体素子の冷却を行うようにした鉄道車両用電力変換装置において、前記コンバータの変換回路を構成する半導体素子と前記インバータの変換回路を構成する半導体素子を共通の冷却体上に熱伝導的に搭載したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載のものにおいて、前記コンバータの変換回路のＵ相回路およびＶ相回路を構成する半導体素子および、前記インバータの変換回路のＵ相、Ｖ相およびＷ相回路を構成する半導体素子を、前記共通の冷却体上に前記走行風の流れる方向に対して直角方向にコンバータの各相の半導体素子とインバータの各相の半導体素子が交互に並ぶように混合配置したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のものおいて、前記共通の冷却体の温度上昇の高い個所と低い個所をヒートパイプにより熱的に結合したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項４】
鉄道車両の床下に設置され、交流電力を直流電力に変換するコンバータ、および前記コンバータから出力される直流電力を三相交流電力に変換するインバータと、前記コンバータおよびインバータを構成する半導体素子を冷却する複数の放熱フィンを備えた冷却体とを備え、前記鉄道車両の走行によって発生する走行風を前記放熱フィンに当てて前記冷却体を冷却するようにした鉄道車両用電力変換装置において、前記コンバータは、その変換回路の各相回路を構成する半導体素子を各相別に冷却体上に熱伝導的に搭載してユニット化した複数の相ユニットを備えるとともに、インバータは、その変換回路の各相回路を構成する半導体素子を各相別に冷却体上に熱伝導的に搭載してユニット化した複数の相ユニットを備え、前記コンバータの各相ユニットおよびインバータの各相ユニットを前記走行風の流れる方向に対して直角方向に並べて配置するとともに、隣接する相ユニットの冷却体を相互に接合し、熱的に一体化したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項５】
請求項５に記載のものにおいて、前記コンバータの各相ユニットの冷却体とインバータの各相ユニットの冷却体とを、前記走行風の流れる方向に対して直角方向に交互に並ぶように混合配置するとともに、隣接する冷却体を相互に接合し、熱的に一体化したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載のものにおいて、前記コンバータの各相ユニットおよびインバータの各相ユニットの冷却体間をヒートパイプにより熱的に結合したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−８５３５７（Ｐ２０１３−８５３５７Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２２９７０（Ｐ２０１１−２２２９７０）
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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