電気車制御装置

【課題】永久磁石同期電動機を個別制御し、かつ装置全体を小型化する電気車制御装置を提供する。
【解決手段】永久磁石同期電動機２ａ,２ｂ,２ｃ,２ｄを駆動するための電力を供給するＶＶＶＦ主回路インバータ２１ａ,２１ｂ,２１ｃ,２１ｄが４台で１つとしてユニット化され、その４台のＶＶＶＦ主回路インバータが永久磁石同期電動機への電力供給動作のために、ＶＶＶＦ主回路インバータから発生する熱を外気へと放散するための冷却機構がＶＶＶＦインバータ４台で共有される４ｉｎ１インバータユニットとして構成されている。また、永久磁石同期電動機が駆動可能なように電力を変換する半導体素子２つを１つのユニットとする２ｉｎ１半導体素子デバイスパッケージを前記４ｉｎ１インバータユニット内に収納することで、インバータを個別制御と装置全体の小型化を可能とした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却ユニットを使用した電気車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に永久磁石同期電動機は、従来の誘導電動機と比較して、エネルギを効率的に利用することが可能であり、発熱が少ないことから軽量化すること容易である。そのため、近年、永久磁石同期電動機に対する需要が高まっている。
【０００３】
このような永久磁石同期電動機は、それぞれの永久磁石同期電動機の回転子の回転に合わせてＶＶＶＦインバータから電圧を与えて制御する必要があるため、各永久磁石同期電動機に対応する個別の制御が必要となっていた。そのため、永久磁石同期電動機の各１台に専用のＶＶＶＦインバータを配置し、それぞれのＶＶＶＦインバータを制御するゲート制御装置が設けられていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このため、従来の永久磁石同期電動機を個別に制御するシステム構成では機器台数が多くなり、装置全体の大型化やコストの増加が問題となっていた。そのため、制御単位を２台にして永久磁石同期電動機を制御する「台車制御」を取り入れ、装置の大型化を軽減したものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
（構成）
図９は、従来の台車制御を取り入れた永久磁石同期電動機の回路ブロック構成図である。架線電力は、集電装置１００、高速遮断器１０１、充電抵抗用短絡スイッチ１０２と充電抵抗器１０３から成る充電抵抗回路、第１の開放用接触器１０４、第１のフィルタリアクトル、第１の過電圧抑制抵抗器１０７と第１の過電圧抑制抵抗器スイッチ１０８から成る過電圧回路と、第１の直流電圧検出器１０９ａ、第１のインバータ用フィルタコンデンサ１１０ａを介して、２ｉｎ１インバータユニット１２０を構成するＶＶＶＦインバータ１１１ａへ流れる。ＶＶＶＦインバータ１１１ａでは、直流の架線電流が交流へと変換される。変換された交流電流は、３相線に接続される電流センサ１１２ａ、電動機開放用接触器１１３ａ、電動機端子間電圧検出器１１４ａを介して永久磁石同期電動機１１５ａに駆動力として供給される。ＶＶＶＦインバータ１１１ａと同様に構成されるＶＶＶＦインバータ１１１ｂが直列に接続され、１つの放熱器２３ｂを共有する２ｉｎ１インバータユニット１２０ａは、２ｉｎ１インバータユニット１２０ａと同様の構成の２ｉｎ１インバータユニット１２０ｂが並列に２つ接続されている。また、２ｉｎ１インバータユニット１２０ｂは、２ｉｎ１インバータユニット１２０ａと集電装置１００からの接続も同様である。また、接地として車輪１１６が、２ｉｎ１インバータユニット１２０ａと２ｉｎ１インバータユニット１２０ｂにそれぞれ接続されている。
【０００６】
図１０は、図１の電気車制御装置に対するゲート制御系統のブロック図である。図９に示すように、過電圧抑制制御用素子１０７とＶＶＶＦインバータ１１１ａ、１１１ｂをゲート制御するゲート制御装置１３０とそのための電源（共通制御部１３１）が、２ｉｎ１インバータユニット１２０ａと２ｉｎ１インバータユニット１２０ｂに１台持つように構成されている。
【０００７】
（作用）
ゲート制御装置１３０は、２ｉｎ１インバータユニット１２０ａのＶＶＶＦインバータ１１１ａ、１１１ｂのゲートと過電圧抑制制御用素子１０７をスイッチングするゲート信号とを１台で制御する。このためＶＶＶＦインバータ１１１ａ、１１１ｂのそれぞれのフィルタコンデンサ電圧検出器１０９ａ、１０９ｂによる出力電流ＣＴＵ１、ＣＴＷ１、ＣＴＵ２、ＣＴＷ２、電動機端子間電圧検出器１１４ａ、１１４ｂによる電動機端子間電圧ＰＴ３、ＰＴ４すべて１台のゲート制御装置１３０へ入力される。２ｉｎ１インバータユニット１２０ａ、１２０ｂはそれぞれの出力に永久磁石同期電動機１１５ａ、１１５ｂが１台ごとに接続され、制御単位は個別制御方式となっているが、開放用接触器１０４、フィルタリアクトル１０５は各ＶＶＶＦインバータ１２０ａ、１２０ｂそれぞれに１台ごとに設け、開放単位は電動機２台分のインバータ１１１ａ、１１１ｂの組、あるいはインバータ１１１ｃ、１１１ｄの組み単位になる。
【０００８】
（効果）
このような台車制御と同等の外形とコストのシステム構成で、個別制御が可能な永久磁石同期電動機が提供されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特願２００４−１４３５７７号公報
【特許文献２】特開２００９−７２０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来のような２ｉｎ１インバータユニットを使用した永久磁石同期電動機の電気車制御装置では、多くの半導体素子を取り付ける必要があることや２ｉｎ１インバータユニットごとにフィルタリアクトルや過電圧抑制抵抗器、過電圧抑制抵抗器スイッチを設けているため部品点数が多く、装置全体の小型化や困難であった。
【００１１】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、永久磁石同期電動機に個別制御を行いかつ、装置全体の小型化が可能となる電気車制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記を解決するために、本発明による電気車制御装置は、電動機が駆動するための電力を供給するインバータと、複数台の前記インバータを、前記インバータの電力変換行為から発生する熱を外気へと放散するための冷却機講に設置し、前記冷却機講が前記インバータ複数台で共有されるインバータユニットと、前記インバータユニットを構成するインバータは、前記インバータの一部を構成し、前記電動機が駆動可能なように電力を変換するＵ相の上アームとＵ相の下アームの半導体素子を一つのデバイスパッケージに収納したＵ相半導体素子デバイスパッケージと、前記インバータの一部を構成し、前記Ｕ相半導体素子デバイスパッケージと接続され、前記電動機が駆動可能なように電力を変換するＶ相の上アームとＶ相の下アームの半導体素子を１つのデバイスパッケージに収納したＶ相半導体素子デバイスパッケージと、前記インバータの一部を構成し、前記Ｕ相及びＶ相半導体素子デバイスパッケージと接続され、前記電動機が駆動可能なように電力を変換するＷ相の上アームとＷ相の下アームの半導体素子を一つのデバイスパッケージに収納したＷ相半導体素子デバイスパッケージとを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、永久磁石同期電動機を個別制御し、かつ装置全体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態の回路構成図。
【図２】第１の実施形態の半導体素子デバイスパッケージの等価回路図。
【図３】第１の実施形態の半導体素子デバイスパッケージの電圧出力と温度上昇図。
【図４】第１の実施形態の外観図。
【図５】第２の実施形態の回路構成図。
【図６】第３の実施形態の回路構成図。
【図７】第４の実施形態の３レベル電力変換装置のＵ相回路図。
【図８】第４の実施形態の３レベル電力変換装置の外観図。
【図９】従来の発明の回路構成図。
【図１０】従来の発明の制御構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の回路構成図である。図２は、本発明の第１の実施形態の半導体素子デバイスパッケージの等価回路図である。図３は、本発明の第１の実施形態の半導体素子デバイスパッケージの電圧出力と温度上昇図である。図４は、本発明の第１の実施形態の外観図である。
【００１７】
（構成：４ｉｎ１インバータユニット）
本実施形態の電気車制御装置の回路構成は、図１に示すように、第１の４ｉｎ１インバータユニット１の直流側は、集電装置４、高速遮断器５、充電抵抗用短絡接触器６、充電抵抗器７、開放接触器８、フィルタリアクトル９、過電圧抑制抵抗器１０、過電圧抑制用スイッチング素子１１、車輪１２、フィルタリアクトル１４で構成され、交流側は永久磁石同期電動機２（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ）、モータ開放接触器３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）、電流センサ３４（３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ）で構成される。
【００１８】
集電装置４が高速遮断器５と接続され、高速遮断器５は充電抵抗用短絡接触器６と接続される。充電低効用短絡接触器６は、充電抵抗器７と並列に接続され、開放用接触器８と接続される。開放用接触器８は、フィルリアクトル９と接続される。フィルタリアクトル９は、第１の４ｉｎ１インバータユニット１の一端と接続され、第１の４ｉｎ１インバータユニット１のもう一端は車輪１２と接続される。過電圧抑制抵抗器１０と過電圧抑制用スイッチング素子１１が接続された過電圧抑制用直列回路１９は、一方の端子側がフィルタリアクトル９と第１の４ｉｎ１インバータユニット１と接続され、もう一方の端子側は、第１の４ｉｎ１インバータユニット１と車輪１２の間に接続される。フィルタコンデンサ１４は、両端が過電圧抑制用直流回路１９と第１の４ｉｎ１インバータユニット１の間に接続されている。第１の４ｉｎ１インバータユニット１の交流側では、３相線上に電流センサ３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄが設けられ、モータ開放接触器３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを介して４つの永久磁石同期電動機２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが接続されている。
【００１９】
第１の４ｉｎ１インバータユニット１は、ＶＶＶＦインバータ２１ａ、ＶＶＶＦインバータ２１ｂ、ＶＶＶＦインバータ２１ｃ及び、ＶＶＶＦインバータ２１ｄで構成される。また、ＶＶＶＦインバータ２１ａ、ＶＶＶＦインバータ２１ｂ、ＶＶＶＦインバータ２１ｃ及び、ＶＶＶＦインバータ２１ｄは並列に接続されている。
【００２０】
ＶＶＶＦインバータ２１ａは、Ｕ相半導体素子デバイスパッケージ２２ａ、Ｖ相半導体素子デバイスパッケージ２２ｂ、Ｗ相半導体素子デバイスパッケージ２２ｃ、インバータ用フィルタコンデンサ１３ａで構成されている。Ｕ相半導体素子デバイスパッケージ２２ａ、Ｖ相半導体素子デバイスパッケージ２２ｂ、Ｗ相半導体素子デバイスパッケージ２２ｃは並列に接続され、Ｗ相半導体素子デバイスパッケージ２２ｃの直流側でインバータ用フィルタコンデンサ１３ａが並列に接続されている。ＶＶＶＦインバータ２１ｂ、ＶＶＶＦインバータ２１ｃ、ＶＶＶＦインバータ２１ｄも同様にフィルタコンデンサ１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが接続されている。
【００２１】
（構成：半導体素子デバイスパッケージ）
図２は、半導体素子デバイスパッケージの等価回路図である。図３は半導体素子デバイスパッケージ内の半導体素子のスイッチング状態と、そのスイッチングによる半導体素子デバイスパッケージの温度状態を示す図である。
【００２２】
図２に示すように、半導体素子デバイスパッケージ２２は、上アームの正側素子２４ａと下アーム負側素子２４ｂが直列に接続され、正側素子２４ａの入力側と負側素子２４ｂの出力側に電源２５が接続され、正側素子２４ａと負側素子２４ｂの中性点２６から電圧が出力される構成である。正側素子２４ａがＯＮになり、負側素子２４ｂがＯＦＦになることで電源２５から正側素子２４ａへ電流が流れ、中性点２６より出力される。また、正側素子２４ａがＯＦＦになり、負側素子２４ｂがＯＮになることで、電源２５から負側素子２４ｂへ電流が流れ、中性点よ２６り出力される。このようなスイッチングを繰り返すことによって直流電流が交流電流に変換される。
【００２３】
図３（ａ）が正側素子のスイッチングによる電圧出力で、図３（ｂ）が負側端子のスイッチングによる電圧出力である。図３（ａ）と（ｂ）の電圧出力を合成したものが図３（ｃ）の半導体素子デバイスパッケージ２２全体の電圧出力となる。図３（ｄ）は正側素子の電圧出力による温度上昇を示したグラフになる。図３（ｅ）は負側端子の電圧出力による温度上昇を示したグラフになる。図３（ｄ）に示めすように、正側素子２４ａの温度は、図３（ａ）の正側素子２４ａがON状態のときに上昇し、OＦＦ状態のときは上昇しない。そのためスイッチング動作ON／OＦＦを繰り返すことによって正側素子２４ａの温度が逓増する。図３（ｅ）に示めすように、負側素子２４ｂの温度は、正側素子と同様に図３（ｂ）のスイッチング動作ＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことによって、逓増することになる。ただし、正側素子２４ａのＯＮ状態と負側素子２４ｂのＯＮ状態は、半導体素子デバイスパッケージ２２内で交互に行われている。そのため、半導体素子デバイスパッケージ２２全体の発熱量は図３（ｆ）のように一定となる。
【００２４】
上記のような半導体素子デバイスパッケージ２２を使用した４台のＶＶＶＦインバータ２１をユニット化したものが４ｉｎ１インバータユニット１であり、その第１の４ｉｎ１インバータユニット１の装置の外観を示したものが図４である。図４に示すように、第１の４ｉｎ１インバータユニット１は、４つのＶＶＶＦインバータ２１ａ、ＶＶＶＦインバータ２１ｂ、ＶＶＶＦインバータ２１ｃ及び、２１ｄＶＶＶＦインバータ２１ａが一つの冷却機構２３が設置された構成である。ＶＶＶＦインバータ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは、冷却機講２３の一部を構成する受熱板２３ａの平面状に取り付けられている。受熱板２３ａのＶＶＶＦインバータ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが取り付けられている平面上と反対側の面に、冷却機講２３の残りを構成する放熱器２３ｂが接続されている。
【００２５】
（作用）
本実施形態の電気車制御装置の作用について説明する。架線直流電力は、集電装置４を介して電気車制御装装置に供給される。集電装置４を通って供給された直流電力は、通常、投入されている高速遮断器５、充電抵抗器７、投入されている開放用接触器８、フィルタリアクトル９を通って、フィルタコンデンサ１４に供給される。フィルタコンデンサ１４及び並列に接続された各インバータのフィルタコンデンサ（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ）に直流電流が流れ、十分な電荷が蓄積されると、充電低効用短絡接触器６が投入され、架線からの直流電力は、高速遮断器５、充電抵抗用短絡接触器６、開放用接触器７、フィルタリアクトル９を通って、第１の４ｉｎ１インバータユニット１に供給される。
インバータ用フィルタコンデンサ１３に十分に充電され、第１の４ｉｎ１インバータユニット１に架線直流電力が供給されると、ＶＶＶＦインバータ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄのＵ相半導体素子デバイスパッケージ２２ａ、Ｖ相半導体素子デバイスパッケージ２２ｂ、Ｗ相半導体素子デバイスパッケージ２２ｃに収納されている半導体素子に直流電力が送られることになる。送られた直流電力は、半導体素子のスイッチングによって交流電力に変換される。変換された交流電力は、４つの永久磁石同期電動機２に供給され、永久磁石同期電動機２の駆動が開始される。本実施形態において、例えば、第１の４ｉｎ１インバータユニット１に１５００Ｖの架線電圧が印加される場合、ＶＶＶＦインバータ２１ａ、ＶＶＶＦインバータ２１ｂ、ＶＶＶＦインバータ２１ｃ及び、ＶＶＶＦインバータ２１ｄにも同様の１５００Ｖの電圧が印加される。１５００Ｖの電圧がＶＶＶＦインバータ２１ａ、ＶＶＶＦインバータ２１ｂ、ＶＶＶＦインバータ２１ｃ、ＶＶＶＦインバータ２１ｄのそれぞれに印加されると、その電圧に見合う電流が永久磁石同期電動機２に流れ、永久磁石同期電動機２は駆動される。
【００２６】
このように永久磁石同期電動機２は第１の４ｉｎ１インバータユニット１の半導体素子の直流電力を交流電力に変換する電力変換行為により駆動可能な状態となるが、その電力変換の際に電力変換損失が発生する。電力変換損失は、熱となって半導体素子から発生する。発生した熱は受熱板２３ａに伝導し、受熱板２３ａより放熱器２３ｂに伝導し、放熱器２３ｂから機外へと放熱されることになる。そのため、電力変換損失により発生した熱は、機内に留まることなく機外へと解消されることになる。
【００２７】
また、電気車制御装置の駆動中に、第１の４ｉｎ１インバータユニット１内で１台のＶＶＶＦインバータ２１が故障を制御装置（図示しない）が検知した場合、高速度遮断器５を開放することによって４台すべてのＶＶＶＦインバータ２１が開放されることになる。
【００２８】
また、電気車制御装置の駆動中に、架線電圧の変動などにより第１の４ｉｎ１インバータユニット１へ供給される直流電力が過大になったと直流電圧センサ１５が検知した場合には、制御装置（図示しない）により過電圧抑制用スイッチング素子１１を点弧させて過大分の直流電力を過電圧抑制抵抗器１０で消費させる。直流電圧センサの出力により過電圧抑制用スイッチング素子１１の点弧、消弧状態を制御している。
【００２９】
（効果）
このような構成の電気車制御装置は、Ｕ相半導体素子デバイスパッケージ２２ａ、Ｖ相半導体素子デバイスパッケージ２２ｂ、Ｗ相半導体素子デバイスパッケージ２２ｃをそれぞれ４つずつ収納する第１の４ｉｎ１インバータユニット１の発熱量も装置全体で均一化されるため、共有される放熱器２３ｂより効率的に冷却することが可能である。また、従来のように個別に半導体素子を放熱器２３ｂに設置していた場合、２４個の半導体素子の設置スペースを必要としていたが、デバイスパッケージから発生する熱量が均一になるように２つの半導体そしを収納することで冷却器２３の使用効率が向上し、小スペースでの設置が可能となり、１２個の半導体素子デバイスパッケージ２２を放熱器２３ｂに取り付けた４ｉｎ１インバータユニットを構成することが可能となった。
【００３０】
また、フィルリアクトル９や過電圧抑制抵抗器１０、過電圧抑制用スイッチング素子１１を回路内で共通とすることで部品点数を削減し、電気車制御装置全体の小型化を図ることが可能となる。
【００３１】
また、本実施形態の直流電圧センサ１５、電流センサ３４ａ、３４ｂ、３４ｃｃ、３４ｄ及び、モータ開放接触器３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを４ｉｎ１インバータユニット１内に収納することも可能である。その場合も本実施形態と同様の効果を得られ、また１つの筐体内に多数の装置を収納することにより配線を簡易化し、装置全体の製造、設置を容易化することが可能である。
【００３２】
また、図１ではフィルタコンデンサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを削除し、共有のフィルタコンデンサ１４を以って４台のＶＶＶＦインバータ２１を稼動することも可能である。フィルタコンデンサ１４を４台のＶＶＶＦインバータ２１で共有することで、直流側の正側導体と、直流側の負側導体を４台のＶＶＶＦインバータで共有することが可能となる。そのため、フィルタコンデンサ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを設置する場合よりも部品点数を削減することが可能である。
【００３３】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図を参照して説明する。図５は、本発明の第２の実施形態の回路構成図である。図１乃至４と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００３４】
（構成）
本実施形態の電気車制御装置の回路構成と第１の実施形態の回路構成は、第１の４ｉｎ１インバータユニット１内のＶＶＶＦインバータ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとは異なる接続状態で、直流電圧センサ３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄが追加されている第２の４ｉｎ１インバータユニット３０を用いる点で異なっている。以下にその点について説明する。
【００３５】
第２の４ｉｎ１インバータユニット１内はＶＶＶＦインバータ２１ａ、ＶＶＶＦインバータ２１ｂ、ＶＶＶＦインバータ２１ｃ及び、ＶＶＶＦインバータ２１ｄで構成される。直列に接続されたＶＶＶＦインバータ２１ａとＶＶＶＦインバータ２１ｂは、インバータ直列回路３３ａを構成し、直列に接続されたＶＶＶＦインバータ２１ｃとＶＶＶＦインバータ２１ｄは、インバータ直列回路３３ｂで構成する。インバータ直列回路３３ａとインバータ直列回路３３ｂは並列に接続される。ＶＶＶＦインバータ２１ａのＷ相半導体素子デバイスパッケージ２２ｃの直流側には、インバータ用フィルタコンデンサ１３ａと、インバータ用フィルタコンデンサ１３ａと並列に接続される直流電圧センサ３２ａが接続されている。ＶＶＶＦインバータ２１ｂ、ＶＶＶＦインバータ２１ｃ、ＶＶＶＦインバータ２１ｄも、ＶＶＶＦインバータユニットａと同様の構成でインバータ用フィルタコンデンサ１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ及び、直流電圧センサ３２ｂ、３２ｃ、３２ｄが接続されている。
【００３６】
（作用）
本実施形態の電気車制御装置の作用について説明する。本実施形態のおいて、例えば、第２の４ｉｎ１インバータユニット３０に１５００Ｖの架線電圧が印加される場合、インバータ直列回路３３ａ、３３ｂにも同様の１５００Ｖの電圧が印加される。インバータ直列回路３３ａ、３３ｂ内では１５００Ｖの架線電圧が２分圧されて、７５０Ｖの電圧がＶＶＶＦインバータ２１ａ、ＶＶＶＦインバータ２１ｂ、ＶＶＶＦインバータ２１ｃ、ＶＶＶＦインバータ２１ｄのそれぞれに印加され、その電圧に見合う電流が永久磁石同期電動機２に流れ、永久磁石同期電動機２は駆動される。
【００３７】
その際に、直流電圧センサ３２ａはインバータ用フィルタコンデンサ１３ａの電圧値を検出することでＶＶＶＦインバータユニット２１ａの電圧状態を監視し、直流電圧センサ３２ｂはインバータ用フィルタコンデンサ１３ｂの電圧値を検出することでＶＶＶＦインバータユニット２１ｂの電圧状態を監視し、直流電圧センサ３２ｃはインバータ用フィルタコンデンサ１３ｃの電圧値を検出することでＶＶＶＦインバータユニット２１ｃの電圧状態を監視し、直流電圧センサ３２ｄはインバータ用フィルタコンデンサ１３ｄの電圧値を検出することでＶＶＶＦインバータユニット２１ｄの電圧状態を監視する。
【００３８】
（効果）
このような構成の電気車制御装置は、第１の実施形態の効果に加えて、ＶＶＶＦインバータ２１が印加される架線電圧を２分圧する。そのため、第１の実施形態よりも低い電圧で半導体素子のスイッチングを行うため、電力変換損失として発生する熱を低減することが可能となる。熱の発生が低減されることで冷却機講の小型化と装置駆動時の省エネを図ることが可能となる。
【００３９】
また、直流電圧センサ３２を用いて、それぞれのＶＶＶＦインバータ２１の電圧値を検出することでより正確に制御することができる。
【００４０】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について図を参照して説明する。図６は、本発明の第３の実施形態の回路構成図である。尚、図１乃至４と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００４１】
（構成）
本実施形態の電気車制御装置の回路構成と第１の実施形態の回路構成は、第１の４ｉｎ１インバータユニット１内のＶＶＶＦインバータ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとは異なる接続状態で、直流電圧センサ４０ａ、４０ｂ及び、フィルタコンデンサ４１ａ、４１ｂが追加されている第３の４ｉｎ１インバータユニット４２を用いる点で異なっている。以下にその点について説明する。
【００４２】
第３の４ｉｎ１インバータユニット４２内はＶＶＶＦインバータ２１ａ、ＶＶＶＦインバータ２１ｂ、ＶＶＶＦインバータ２１ｃ及び、ＶＶＶＦインバータ２１ｄで構成される。並列に接続されたＶＶＶＦインバータ２１ａとＶＶＶＦインバータ２１ｂは、インバータ並列回路４３ａを構成し、並列に接続されたＶＶＶＦインバータ２１ｃとＶＶＶＦインバータ２１ｄは、インバータ並列回路４３ｂで構成する。インバータ並列回路４３ａとインバータ並列回路４３ｂは直列に接続される。インバータ並列回路４３ａの直流側にはフィルタコンデンサ４１ａと、フィルタコンデンサ４１ａと並列に接続される直流電圧センサ４０ａが接続される。インバータ並列回路４３ｂもインバータ並列回路４３ａと同様の構成でフィルタコンデンサ４１ｂ及び、直流電圧センサ４０ｂが接続される。
【００４３】
（作用）
次に本実施形態の作用について説明する。本実施形態において、例えば、第３の４ｉｎ１インバータユニット４２に１５００Ｖの架線電圧が印加される場合、インバータ並列回路４３ａ、４３ｂには分圧された７５０Ｖの電圧が印加される。インバータ並列回路４３ａ、４３ｂに７５０Ｖの電圧が印加されると、７５０Ｖの電圧がＶＶＶＦインバータ２１ａ、ＶＶＶＦインバータ２１ｂ、ＶＶＶＦインバータ２１ｃ、ＶＶＶＦインバータ２１ｄのそれぞれに印加され、その電圧に見合う電流が永久磁石同期電動機２に流れ、永久磁石同期電動機２は駆動される。
【００４４】
（効果）
本実施形態は、第１の実施形態と同様の作用を得ることが可能である。また、ＶＶＶＦインバータ２１が印加される架線電圧を２分圧する。そのため、第１の実施形態よりも低い電圧で半導体素子のスイッチングを行うため、電力変換損失として発生する熱を低減することが可能となる。熱の発生が低減されることで冷却機講の小型化と装置駆動時の省エネを図ることが可能となる。
【００４５】
また、架線電圧が分圧されるインバータ並列回路４３ａ及び４３ｂの電圧を直流電圧センサ４０ａ、４０ｂで検出するため、制御に必要な電圧値を検出し、かつ、第２の実施形態よりも部品点数を少なくすることができる。
【００４６】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について図を参照して説明する。図７は、本発明の第４の実施形態の３レベル電力変換装置のＵ相回路図である。図８は、本発明の第４の実施形態の電力変換装置の外観図である。尚、図１乃至４と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００４７】
（構成）
本実施形態は第１の実施形態の半導体素子デバイスパッケージ２２を３レベルの電力変換装置である第４のインバータユニット適用したものである。以下、その点について説明する。図７に示すように、本実施形態の３レベル電力変換装置のＵ相回路は、第一素子６５ａ、第二素子６５ｂ、第三素子６５ｃ、第四素子６５ｄ及び第一クランプダイオード６９ａ、第二クランプダイオード６９ｂから構成される。
【００４８】
以下、Ｕ相回路６６の構成を例にして説明する。第一素子６５ａ、第二素子６５ｂ、第三素子６５ｃ、第四素子６５ｄは直列に接続されたＵ相直列回路である。第１クランプダイオード６９ａと第二クランプダイオード６９ｂは直列に接続され、第１クランプダイオード６５ａの一端は第一素子６５ａと第二素子６５ｂの間に接続され、第２クランプダイオード６５ｂの一端は第三素子６５ｃと第四素子６５ｄの間に接続されている。第一素子６５ａ及び第三素子６５ｃは第一のＵ相半導体素子デバイスパッケージ６６ａに収納され、第二素子６５ｂ及び第四素子６５ｄは第二のＵ相半導体素子デバイスパッケージ６６ｂに収納され、第一クランプダイオード６９ａ及び第二クランプダイオード６９ｂは第三のＵ相半導体素子デバイスパッケージ６６ｃに収納される。Ｖ相回路６７の第一のＶ相半導体素子デバイスパッケージ６７ａ、第二のＶ相半導体素子デバイスパッケージ６７ｂ、第三のＶ相半導体素子デバイスパッケージ６７ｃ及び、Ｗ相回路６８の第一のＷ相半導体素子デバイスパッケージ６８ａ、第二のＷ相半導体素子デバイスパッケージ６８ｂ、第三のＷ相半導体素子デバイスパッケージ６８ｃは、Ｕ相回路６６と同様に構成されている。
【００４９】
次に、Ｕ相回路６６、Ｖ相回路６７、Ｗ相回路６８を冷却機講２３の受熱板２３ａに設置した図９について説明する。図９に示すように、受熱板２３ａの端部にＵ相回路６６とＷ相回路６８が配置され、Ｕ相回路６６とＷ相回路６８の間にＶ相回路６７が配置される。Ｕ相回路６６は上方向から第一のＵ相半導体素子デバイスパッケージ６６ａ、第二のＵ相半導体素子デバイスパッケージ６６ｂ、第三のＵ相半導体素子デバイスパッケージ６６ｃの順列で配置される。Ｖ相回路６７は上方向から、Ｖ相第三の半導体素子デバイスパッケージ６７ｃ、Ｖ相第二の半導体素子デバイスパッケージ６７ｂ、Ｖ相第一の半導体素子デバイスパッケージ６７ａの順列で配置される。Ｗ相回路６８は上方向から、Ｗ相第一の半導体素子デバイスパッケージ６８ａ、Ｗ相第三の半導体素子デバイスパッケージ６８ｃ、Ｗ相第二の半導体素子デバイスパッケージ６８ｂの順列で配置される。
【００５０】
（作用）
Ｕ相回路６６では、半導体素子が電力変換のためのスイッチングを行った場合、第二素子６５ｂ及び第三素子６５ｃのインダクタンスが最も大きくなる。つまり、第二素子６５ｂ及び第三素子６５ｃからの発熱量が最も大きくなる。次に、第一素子６５ａ及び第四素子５６ｄからの発熱量が大きくなる。第一クランプダイオード６９ａ及び第二クランプダイオード６９ｂからの発熱量は最も少ない。Ｖ相回路６７及びＷ相回路６８も同様である。そのため、第一素子６４ａと第三素子６５ｃを組み合わせて収納した第１の半導体素子デバイスパッケージ６６ａ、６７ａ、６８ａと、第二素子６５ｂと第四素子６５ｄを組み合わせて収納した第２の半導体素子デバイスパッケージ６６ｂ、６７ｂ、６８ｂから発生する発熱量が同等なる。また、第一クランプダイオード６９ａ、第二クランプダイオード６９ｂを組み合わせて収納した第３の半導体素子デバイスパッケージ６６ｃ、６７ｃ、６８ｃは、第１の半導体素子デバイスパッケージ６６ａ、６７ａ、６８ａと第２の半導体素子デバイスパッケージ６６ｂ、６７ｂ、６８ｂから発生する発熱量よりも低くなる。
【００５１】
（効果）
このような構成の電気車制御装置は、発熱量の多い第１の半導体素子デバイスパッケージ６６ａ、６７ａ、６８ａと第２の半導体素子デバイスパッケージ６６ｂ、６７ｂ、６８ｂの間に、発熱量の少ない第３の半導体素子デバイスパッケージ６６ｃ、６７ｃ６８ｃを挟むようにして配置することで、受熱板２３ａへ伝わる熱が受熱板２３ａ全体で均一化されやすく、冷却機講２３で効率よく冷却することが可能となる。そのため半導体素子の数が多い３レベル電力変換装置のおいても従来よりも小型化が可能となる。
【００５２】
また、半導体素子デバイスパッケージ２２は第１の実施形態から第４の実施形態のような４台のＶＶＶＦインバータユニット２１を１つの冷却機講２３に搭載した４ｉｎ１インバータユニットだけでなく、２ｉｎ１インバータユニット等、他の構成においても適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１第１の４ｉｎ１インバータユニット
１ａＶＶＶＦインバータ
１ｂ２ｉｎ１半導体素子デバイスパッケージ
２永久磁石同期電動機
２ａ永久磁石同期電動機
２ｂ永久磁石同期電動機
２ｃ永久磁石同期電動機
２ｄ永久磁石同期電動機
３モータ開放接触機
３ａモータ開放接触器
３ｂモータ開放接触器
３ｃモータ開放接触器
３ｄモータ開放接触器
４集電装置
５高速遮断器
６充電抵抗用短絡接触器
７充電抵抗器
８開放接触器
９フィルタリアクトル
１０過電圧抑制抵抗器
１１過電圧抑制用スイッチング素子
１２車輪
１３各インバータ用フィルタコンデンサ
１３ａインバータ用フィルタコンデンサ
１３ｂインバータ用フィルタコンデンサ
１３ｄインバータ用フィルタコンデンサ
１４フィルタコンデンサ
１５直流電圧センサ
１６２ｉｎ１ＶＶＶＦインバータユニット
１７４ｉｎ１ＶＶＶＦインバータユニット
１８４ｉｎ１ＶＶＶＦインバータユニット
１９過電圧抑制用直流回路
２１ＶＶＶＦインバータ
２１ａＶＶＶＦインバータ
２１ｂＶＶＶＦインバータ
２１ｃＶＶＶＦインバータ
２２半導体素子デバイスパッケージ
２２ａＵ相半導体素子デバイスパッケージ
２２ｂＶ相半導体素子デバイスパッケージ
２２ｃＷ相半導体素子デバイスパッケージ
２３冷却機講
２３ａ受熱板２３ａ
２３ｂ放熱器
２４ａ正側素子
２４ｂ負側素子
３０第２の４ｉｎ１インバータユニット
３２直流電圧センサ
３２ａ直流電圧センサ
３２ｂ直流電圧センサ
３２ｃ直流電圧センサ
３２ｄ直流電圧センサ
３３ａインバータ直列回路
３３ｂインバータ直列回路
４０直流電圧センサ
４０ａ直流電圧センサ
４０ａ直流電圧センサ
４１フィルタコンデンサ
４１ａフィルタコンデンサ
４１ｂフィルタコンデンサ
４２第３の４ｉｎ１インバータユニット
４３ａインバータ並列回路
４３ｂインバータ並列回路
６０第４のインバータユニット
６１ゲート制御付き４ｉｎ１インバータユニット
６２ゲート制御部
６３システムインターフェイス
６４車両端末
６５半導体素子
６５ａ第一素子
６５ｂ第二素子
６５ｃ第三素子
６５ｄ第四素子
６６Ｕ相回路
６６ａ第一のＵ相半導体素子デバイスパッケージ
６６ｂ第二のＵ相半導体素子デバイスパッケージ
６６ｃ第三のＵ相半導体素子デバイスパッケージ
６７Ｖ相回路
６７ａ第一のＶ相半導体素子デバイスパッケージ
６７ｂ第二のＶ相半導体素子デバイスパッケージ
６７ｃ第三のＶ相半導体素子デバイスパッケージ
６８Ｗ相回路
６８ａ第一のＷ相半導体素子デバイスパッケージ
６８ｂ第二のＷ相半導体素子デバイスパッケージ
６８ｃ第三のＷ相半導体素子デバイスパッケージ
６９ダイオード
６９ａ第一クランプダイオード
６９ｂ第二クランプダイオード
１００集電装置
１０１高速遮断器
１０２充電抵抗用短絡スイッチ
１０３充電抵抗器
１０４第１の開放用接触器
１０５第１のフィルタリアクトル
１０６第１のフィルタコンデンサ
１０７第１の過電圧抑制抵抗器
１０８第１の過電圧抑制抵抗器スイッチ
１０９ａ第１の直流電圧検出器
１１０ａ第１のインバータ用フィルタコンデンサ
１１１ＶＶＶＦインバータ
１１２電流センサ
１１３電動機開放接触器
１１４電動機端子間電圧検出器
１１５永久磁石同期電動機
１１６車輪
１２０２ｉｎ１ＶＶＶＦインバータユニット

【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機が駆動するための電力を供給するＵ相回路、Ｖ相回路、Ｗ相回路から成るインバータと、
複数台の前記インバータを、前記インバータの電力変換行為から発生する熱を外気へと放散するための冷却機講に設置し、前記冷却機講が前記インバータ複数台で共有されるインバータユニットと、
前記インバータユニットは前記インバータで構成され、
前記インバータの一部を構成し、前記電動機が駆動可能なように電力を変換するＵ相のＯＮ／ＯＦＦのスイッチング動作を行う２つの半導体素子を一つのデバイスパッケージに収納したＵ相半導体素子デバイスパッケージと、
前記インバータの一部を構成し、前記Ｕ相半導体素子デバイスパッケージと接続され、前記電動機が駆動可能なように電力を変換するＶ相のＯＮ／ＯＦＦのスイッチング動作を行う２つの半導体素子を１つのデバイスパッケージに収納したＶ相半導体素子デバイスパッケージと、
前記インバータの一部を構成し、前記Ｕ相及びＶ相半導体素子デバイスパッケージと接続され、前記電動機が駆動可能なように電力を変換するＷ相のＯＮ／ＯＦＦのスイッチング動作を行う２つの半導体素子を一つのデバイスパッケージに収納したＷ相半導体素子デバイスパッケージと、
から成ることを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
前記Ｕ相半導体素子デバイスパッケージは、Ｕ相の上アームとＶ相の下アームの半導体素子で構成され、
前記Ｖ相半導体素子デバイスパッケージは、Ｖ相の上アームとＶ相の下アームの半導体素子で構成され、
前記Ｗ相半導体素子デバイスパッケージは、Ｗ相の上アームとＷ相の下アームの半導体素子で構成されることを特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。
【請求項３】
前記Ｕ相半導体素子デバイスパッケージ、前記Ｖ相半導体素子デバイスパッケージ、前記Ｗ相半導体素子デバイスパッケージにおいて、４つの前記Ｕ相半導体素子デバイスパッケージと、４つの前記Ｖ相半導体素子デバイスパッケージと、４つの前記Ｖ相半導体素子デバイスパッケージが共通する冷却機講に設置されていることを特徴とする請求項１及び２記載の電気車制御装置。
【請求項４】
前記インバータユニットにおいて、架線から供給される架線電力を整流するフィルタリアクトルと、前記架線電力が前記インバータユニットの故障となる容量で供給された際に前記架線電力を放電する過電圧抑制用直流回路を共有したことを特徴とする請求項１乃至３記載の電気車制御装置。
【請求項５】
架線から電力の供給を受ける複数の前記インバータユニットにおいて、
前記インバータユニットの架線側で前記インバータユニットと架線とを接続するプラス側導体と、
前記インバータユニットの架線側で前記インバータユニットと接地とを接続するマイナス側導体と、
前記複数のインバータユニットは、前記プラス側導体、前記マイナス側導体、および架線からの電流を充電するために片側端子が前記プラス側導体に接続され、他片側端子が前記マイナス側導体に接続されるフィルタコンデンサを共有することを特徴とする請求項１乃至４記載の電気車制御装置。
【請求項６】
前記インバータユニットの制御単位は前記インバータごとに制御され、前記インバータ２台を並列に接続したインバータ並列回路と、前記インバータ２台を並列接続した別のインバータ並列回路とを直列に接続することで、前記インバータに印加する電圧は、前記インバータユニットに印加する電圧の１／２とすることで、前記インバータユニットからの発熱量を低減させることを特徴とした請求項１乃至５記載の電気車制御装置。
【請求項７】
前記インバータユニットの制御単位は前記インバータごとに制御され、前記インバータ２台を直列接続したインバータ直列回路と、前記インバータ２台を直列接続した別のインバータ直列回路を直列接続することで、前記インバータに印加する電圧は、前記インバータユニットに印加する電圧の１／２とすることで、前記インバータユニットからの発熱量を低減させることを特徴とする請求項１乃至６記載の電気車制御装置。
【請求項８】
前記インバータユニットが複数台（Ｎ）のインバータで構成されるとき、前記インバータユニットの制御単位は前記インバータごとに制御され、前記インバータ、複数台のうち、半数台（Ｎ／２）の前記インバータを並列に接続した並列インバータ回路と、前記インバータ複数台の残りの半数台（Ｎ−Ｎ／２）の前記インバータを並列接続した別の並列インバータ回路とを、直列に接続することを特徴とした請求項１乃至５記載の電気車制御装置。
【請求項９】
前記インバータの前記Ｕ相回路、前記Ｖ相回路、前記Ｗ相回路において、
前記Ｕ相回路はＵ相第一素子、Ｕ相第二素子、Ｕ相第三素子、Ｕ相第四素子が直列接続された直列回路と、直列に接続されたＵ相第一ダイオード、Ｕ相第二ダイオードが前記直列回路に並列に接続され、前記Ｕ相第一素子及び前記Ｕ相第三素子が第１のＵ相第一半導体素子デバイスパッケージに収納され、前記Ｕ相第二素子及び前記Ｕ相第四素子が第２のＵ相第二半導体素子デバイスパッケージに収納され、前記Ｕ相第一ダイオード及び前記Ｕ相第二ダイオードが第３のＵ相第三半導体素子デバイスパッケージに収納され、Ｖ相はＶ相第一素子、Ｖ相第二素子、Ｖ相第三素子、Ｖ相第四素子で直列接続された直列回路と、直列に接続されたＶ相第一ダイオード、Ｖ相第二ダイオードが前記直列回路に並列に接続され、前記Ｖ相第一素子及び前記Ｖ相第三素子が第１のＶ相第一半導体素子デバイスパッケージに収納され、前記Ｖ相第二素子及び前記Ｖ相第四素子が第２のＶ相第二半導体素子デバイスパッケージに収納され、前記Ｖ相第一ダイオード及び前記Ｖ相第二ダイオードが第３のＶ相第三半導体素子デバイスパッケージに収納され、Ｗ相はＷ相第一素子、Ｗ相第二素子、Ｗ相第三素子、Ｗ相第四素子で直列接続された直列回路と、直列に接続されたＷ相第一ダイオード、Ｗ相第二ダイオードが前記直列回路に並列に接続され、前記Ｗ相第一素子及び前記Ｗ相第三素子がＷ相第一半導体素子デバイスパッケージに収納され、前記Ｗ相第二素子及び前記Ｗ相第四素子がＷ相第二半導体素子デバイスパッケージに収納され、前記Ｗ相第一ダイオード及び前記Ｗ相第二ダイオードがＷ相第三半導体素子デバイスパッケージに収納されたことを特徴とする請求項１乃至５記載の電気車制御装置。
【請求項１０】
前記第一のＵ相半導体素子デバイスパッケージ、前記第二のＵ相半導体素子デバイスパッケージ、前記第三のＵ相半導体素子デバイスパッケージ、前記第一のＶ相半導体素子デバイスパッケージ、前記第二のＶ相半導体素子デバイスパッケージ、前記第三のＶ相半導体素子デバイスパッケージ、前記第一のＷ相半導体素子デバイスパッケージ、前記第二のＷ相半導体素子デバイスパッケージ、前記第三のＷ相半導体素子デバイスパッケージを共有する冷却機講に設置する場合、前記Ｕ相第三半導体素子デバイスパッケージと、前記Ｖ相半導体素子デバイスパッケージと、前記Ｗ相半導体素子デバイスパッケージ間の距離が最も遠くなるように配置したことを特徴とする請求項９記載の電気車制御装置。

【図１】