(57)【要約】【課題】  電力変換装置のパワー半導体を効率的に冷却する。【解決手段】  受熱部材と、発熱量の異なる複数のパワー半導体素子と、複数のヒートパイプと、ヒートパイプに取り付けられた複数のフィンとを有し、複数のパワー半導体素子は受熱部材の一方の面に備えられ、複数のヒートパイプは受熱部材の他方の面に備えられ、複数のヒートパイプは放熱部を備えた電力変換装置において、複数のヒートパイプは、受熱部の長さが異なる２種類のヒートパイプで構成され、受熱部は、長手方向が放熱部材に流れる冷却空気の流れ方向と垂直方向になるように配置され、受熱部の長さが短いヒートパイプは、発熱量が大きいパワー半導体素子の受熱部材への投影領域の内側に配置され、受熱部の長さが長いヒートパイプは、発熱量が小さいパワー半導体素子の受熱部材への投影領域の内側と外側とに跨って配置される構造とした。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受熱部材と、複数のパワー半導体素子と、複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた複数の放熱部材とを有し、
前記複数のパワー半導体素子は前記受熱部材の一方の面に備えられ、
前記複数のヒートパイプは前記受熱部材の他方の面に備えられ、
前記複数のヒートパイプの少なくとも一部は前記受熱部材の外側に立ち上げられた放熱部を備えた電力変換装置において、
前記複数のパワー半導体素子は、発熱量の異なる少なくとも２種類のパワー半導体素子から成り、
前記複数のヒートパイプは、前記受熱部材に埋め込まれる部分である受熱部の長さが異なる少なくとも２種類のヒートパイプで構成され、
前記受熱部は、長手方向が前記放熱部材に流れる冷却空気の流れ方向と概ね垂直方向になるように配置され、
前記受熱部の長さが短いヒートパイプは、前記発熱量が大きいパワー半導体素子の受熱部材への投影領域の内側に配置され、
前記受熱部の長さが長いヒートパイプは、前記発熱量が小さいパワー半導体素子の受熱部材への投影領域の内側と外側とに跨って配置される
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記複数のヒートパイプは、前記放熱部の長さが異なるヒートパイプから構成される 
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２記載の電力変換装置において、
前記複数のパワー半導体素子の各々の前記受熱部材への投影領域に、前記放熱部が短いヒートパイプを少なくとも１つ配置すること
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電力変換装置において、
前記冷却空気の流れる上流側よりも下流側に多くの前記放熱部材を備える
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電力変換装置において、
前記冷却空気が流れる空間を覆い、前記ヒートパイプの外側に備えられるダクトと、
前記ダクトと前記受熱部材の間に、前記ダクトを保持する複数の支柱と、
前記支柱同士の間または前記支柱と前記受熱部材の端部との間の長さに基づく受熱部を備えたヒートパイプを有する
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電力変換装置を搭載した鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置およびそれを搭載した鉄道車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、電気鉄道車両などの車両を駆動する電動機を制御するためのもので、車両の床下等に設置されている。車両の床下等のスペースは限られているため、電力変換装置を小型化することが望まれている。従来の電力変換装置は、特許文献１のようにヒートパイプの受熱部を受熱部材に熱的に接触するように配置し、ヒートパイプの放熱部にフィンを配して冷却風をフィンに当てることによりパワー半導体素子を冷却する構造において、ヒートパイプの受熱部の長手方向の向きを冷却風に対して平行、垂直の両方向に配置した構造が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２５９５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特に高速車両等の電力変換装置においては、高発熱密度のパワー半導体等の発熱素子が密接して配置される傾向にあり、高い発熱をいかに冷却して半導体素子の温度上昇を抑えるかが重要である。また、３レベル回路のインバータやコンバータ等においては、発熱量の大きい半導体素子と発熱量の小さい半導体素子が混在しており、特に発熱量の大きい半導体素子をより良く冷却することが求められる。
【０００５】
特許文献１に見られる従来構造においては、冷却風の流れに垂直な方向のヒートパイプの本数が少ないため、パワー半導体素子の発熱量に大きな分布があるときに冷却風の流れ方向に十分に熱を分散できず、冷却効果が十分に得られないことがあるという課題があった。
【０００６】
本発明の目的は、電力変換装置のパワー半導体素子の発熱に分布がある場合においても、発熱量の大きなパワー半導体素子を効果的に冷却することができる電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明の電力変換装置では、受熱部材と、複数のパワー半導体素子と、複数のヒートパイプと、ヒートパイプに取り付けられた複数の放熱部材とを有し、複数のパワー半導体素子は受熱部材の一方の面に備えられ、複数のヒートパイプは受熱部材の他方の面に備えられ、複数のヒートパイプの少なくとも一部は受熱部材の外側に立ち上げられた放熱部を備えた電力変換装置において、複数のパワー半導体素子は、発熱量の異なる少なくとも２種類のパワー半導体素子から成り、複数のヒートパイプは、受熱部材に埋め込まれる部分である受熱部の長さが異なる少なくとも２種類のヒートパイプで構成され、受熱部は、長手方向が放熱部材に流れる冷却空気の流れ方向と概ね垂直方向になるように配置され、受熱部の長さが短いヒートパイプは、発熱量が大きいパワー半導体素子の受熱部材への投影領域の内側に配置され、受熱部の長さが長いヒートパイプは、発熱量が小さいパワー半導体素子の受熱部材への投影領域の内側と外側とに跨って配置される構成とした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、パワー半導体素子の発熱に分布がある場合でも、高い発熱量の素子に対しては受熱部の短いヒートパイプからフィン側に集中して放熱されるとともに、比較的低い発熱量の素子や素子のない位置の受熱部材に受熱部の長いヒートパイプを設けることにより、発熱量の大きな素子から発熱量の小さな素子のある受熱部材の領域や素子のない領域に熱を移動することができるので、パワー半導体素子の発熱が効率よく分散されて冷却性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態における電力変換装置の冷却風の流れ方向と平行な鉛直方向断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における電力変換装置の冷却風の流れ方向と垂直の方向から見た鉛直方向断面図である。
【図３】本発明の一実施形態における電力変換装置のヒートパイプと半導体素子の配置を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態における電力変換装置のパワー半導体素子の配置を示す図である。
【図５】従来の電力変換装置の一例におけるヒートパイプと半導体素子の配置を示す図である。
【図６】図５の構造と本発明の一実施形態における構造(図３)の電力変換装置の冷却性能の数値シミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の電力変換装置を鉄道車両に搭載した構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態を以下、図面を用いて説明する。図７に本発明の一実施形態における電力変換装置を鉄道車両に搭載したときの構成を示す。本発明の電力変換装置は、鉄道車両の床下等に設けられ、コンバータによって架線の交流電源を直流に変換し、さらにインバータによって車両を駆動する電動機に供給する電力の周波数等を制御することにより、電動機の回転速度の制御を行う。図７において、電力変換装置１０００は、車体１００２と固定されている。矢印３０は冷却風の流れを示す。冷却風は、送風機４０によって吸込みグリル４１から吸い込まれ、電力変換装置１０００の冷却装置１００１に供給される。
【００１１】
図１に本実施形態（第１の実施形態）における電力変換装置の冷却風の流れ方向に平行な方向から見た鉛直断面図を、図２に冷却風の流れ方向と垂直な方向から見た鉛直断面図を示す。図１、２において、アルミニウム合金等の金属からなる受熱部材５の一方の側には、複数のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワー半導体素子を含むいわゆるパワー半導体モジュール(以下、モジュールについてもパワー半導体素子と呼ぶ)７０、７１、７２、７３等が設置されている。図１で、１０００は電力変換器全体、１００１は電力変換器の冷却装置を示す。冷却装置は、受熱部材５、ヒートパイプ１、２、３、４、放熱フィン６等から構成される。パワー半導体素子７０、７１、７２、７３等は、グリース等の部材(図示せず)を介して受熱部材５とねじ等(図示せず)によって固定される。受熱部材５のパワー半導体素子の側には、ＩＧＢＴ駆動回路やフィルタコンデンサ等の電子部品１０が設置されている。また、受熱部材５に装着されたパワー半導体素子の周囲は、ケース１１、１２、１３により密閉されている。受熱部材５のパワー半導体素子設置面の反対側には、Ｕ字形状のヒートパイプ１の受熱部１０１が埋め込まれ、受熱部１０１はハンダ付け等により受熱部材５と熱的に接続されている。Ｕ字形状ヒートパイプ１の受熱部１０１の両側からは、放熱部１０２が立ち上がっている。放熱部１０２には、アルミニウムや銅等の金属でできた複数のフィン６が圧入等によって接続されている。Ｕ字形状のヒートパイプは、受熱部の長さや放熱部の長さが異なる形状のパイプを組み合わせて使用する。
【００１２】
受熱部材５とヒートパイプおよびパワー半導体素子の配置を図３に示す。また、受熱部材５上のパワー半導体素子の配置を図４に示す。図３、図４において７０、７１、７２、７３、８０、８１、８２、８３、９０、９１、９２，９３はパワー半導体素子を示す。パワー半導体素子はヒートパイプと反対側の面に設置されており、図３では破線で示している。ヒートパイプの受熱部もヒートブロック内に埋め込まれているが、図面を見やすくするために実線で表示した。これらの素子の配置について、３レベル回路のコンバータを例に説明すると、パワー半導体素子７０、７１、７２、７３は複数のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子やフリーホイールダイオード等を含むＩＧＢＴモジュールで、パワー半導体素子８０、８１、８２、８３はクランプダイオードモジュール、パワー半導体素子９０、９１、９２、９３はＩＧＢＴモジュールで構成される。運転条件(力行運転、回生運転等)によってＩＧＢＴモジュール７０、７１、７２、７３の発熱量が大きい場合とＩＧＢＴモジュール９０、９１、９２、９３の発熱量が大きい場合があり、クランプダイオードモジュール８０、８１、８２、８３の発熱量は比較的小さい。
【００１３】
図１〜３に示すようにヒートパイプ１、３の受熱部１０１、３０１はヒートパイプ２、４の受熱部２０１、４０１よりも短い長さに設定する。また、ヒートパイプ１、２の放熱部１０２、２０２は、ヒートパイプ３、４の放熱部３０２、４０２よりも長さを長く設定する。ヒートパイプ１、３の受熱部１０１、３０１は、パワー半導体素子９０を受熱部材５に投影した部分の内側に入る長さに設定する。受熱部が長いヒートパイプ２、４は、受熱部が短いヒートパイプ１、３群同士の中間に並べて配置される。
【００１４】
冷却装置１００１の周囲にはダクト１４が設けられ、図７に示すように、送風機４０によってダクト１４に冷却風が送られる。なお、本実施形態では冷却風を冷却ファンによって強制的に送風する構造について説明するが、車両が走行することにより発生する走行風によって電力変換装置を冷却する構造や、熱せられた空気が上昇するという自然対流を利用して電力変換装置を冷却する構造にも本発明は適用できる。走行風を利用する構造の場合は、冷却風は走行方向とほぼ同一方向となるため、ヒートパイプ１，２の受熱部の長手方向は車両の走行方向と垂直な方向に配置される。また、自然対流を利用する構造では、ヒートパイプ１，２の受熱部の長手方向は鉄道車両の上下方向（重力方向）と垂直な方向、つまりほぼ水平方向に配置される。
【００１５】
次に、各パワー半導体素子を冷却する動作について、パワー半導体素子９０を例に取って説明する。図２において、パワー半導体素子９０の内部に設けられたパワー半導体等が動作することによって発生した熱は受熱部材５に熱伝導によって伝えられ、ヒートパイプ１の受熱部１０１に達する。ヒートパイプ１には冷媒（純水等）が封入されている。受熱部１０１において加熱された冷媒は蒸発して気体となり、放熱部１０２に移動する。放熱部１０２において空気によって冷却された冷媒は凝縮して液体に戻る。放熱部１０２で凝縮した冷媒は重力によって受熱部１０１に戻ってくる。このように蒸発、凝縮を繰り返して冷媒が移動することにより、受熱部材５の熱が大気などの電力変換装置の外に放熱される。ヒートパイプ２、３、４にも冷媒が封入されており、同様に蒸発、凝縮を繰り返して冷媒が移動することにより、受熱部材５の熱が大気などの電力変換装置の外に放熱される。
【００１６】
パワー半導体素子８０、８１、８２，８３の発熱量が、パワー半導体素子７０、７１、７２、７３やパワー半導体素子９０、９１、９２、９３よりも小さい場合、受熱部が短いヒートパイプ１、３で放熱部１０２、３０２の本数を多くしてフィン側に放熱するとともに、受熱部が長いヒートパイプ２、４によって、受熱部材５の発熱量が多い素子の近辺の熱を発熱量が少ない素子のある領域や素子が存在しない領域に移動することにより、発熱量の多い素子を効果的に冷却することができる。
【００１７】
放熱部の短いヒートパイプ３、４は、外気温度が氷点下の低い温度の場合でも比較的凍結し難い。そこで、ヒートパイプ１、２に加えて、さらに受熱部が短く放熱部も短いヒートパイプ３と、受熱部が長く放熱部は短いヒートパイプ４とを設けることにより、外気が低温のときでも受熱部が短く放熱部も短いヒートパイプ３によって発熱量が大きいパワー半導体素子からフィン側への放熱を確保するとともに、受熱部が長く放熱部は短いヒートパイプ４によって、受熱部材５の発熱量が多い素子の近辺の熱を発熱量が小さい素子のある領域や素子が存在しない領域に移動することにより、発熱量の大きい素子を効果的に冷却することができる。
【００１８】
また、放熱部の短いヒートパイプ（例えば本実施例でのヒートパイプ３、４）を、一個のパワー半導体素子の投影される受熱部材の領域に対して少なくとも一本は配置することにより、特定の素子のヒートパイプが全く動作せずに半導体チップの温度が上昇してしまうことを避けられる。特に、外気が高温時と低温時の冷却性能のパランスを取るには、一個の素子の投影される受熱部材の領域において、放熱部の短いヒートパイプの全ヒートパイプに対する割合は２０％〜６０％の範囲が望ましい。
【００１９】
このように、冷却すべき素子の発熱量と素子の配置に基づいて、受熱部の長さが異なるヒートパイプを組み合わせて配置することで、素子の発熱量に分布があるときであっても、効率よく冷却することができる。更に、それら異なる長さの受熱部を備えるヒートパイプにおいて、放熱部を異なる長さに設定することで、寒冷時における冷却性能を担保する効果が更に得られる。また、冷却空気は、下流域では上流域での放熱部との熱交換によって温度が高くなってしまうため、図１に記載のように、放熱部材である放熱フィン６の枚数を、冷却空気の流れる下流域において枚数を増やすことで、下流域でのパワー半導体素子への冷却性能をより保つことができる。
【００２０】
図５に示すように受熱部の長さがほぼ均等な３本のヒートパイプを配置した場合と、図２の本実施形態のヒートパイプ配置の場合において、受熱部材の素子取付面の温度分布を比較した数値シミュレーションの結果を図６に示す。
【００２１】
図６では図５の配置のときの受熱部材の最高温度と入口空気温度の温度差を100として、温度差を相対表示した。図６から分かるように、図２の本実施形態のヒートパイプの構成のほうが図５の構成よりも受熱部材と入口空気との温度差を７％小さくすることができる。ただし、図５では、図３のヒートパイプ１、３とヒートパイプ２、４との受熱部の長さがほぼ等しい場合を示すものであって、以下で説明するように放熱部の長さを異ならせたヒートパイプ２、４を備えることによる効果は得られるものであり、本発明から除外するものではない。
【００２２】
なお、図３における支柱１６は図１における梁１５に接続されてダクト１４を保持する役割がある。梁１５は支柱１６を固定するとともに、放熱部材である放熱フィン６の上部をバイパスする冷却風の通過を抑える役割も果たしている。支柱１６のある部分に入るヒートパイプの長さが短すぎる場合は、図３に示すように、支柱の部分のヒートパイプ１７は受熱部の長さを長めにしてもよい。
【００２３】
支柱と支柱の間、または支柱と受熱部材の端部との間に配置されるヒートパイプ１７は、支柱の位置に応じた長さに調整すれば、冷却性能は向上し、一方、ヒートパイプ１〜４のいずれかで構成すれば、ヒートパイプの種類を増やすことなく製造できるため、製造コストが安くなる効果がある。
【００２４】
このように、本実施形態に拠れば、冷却風の流れ方向と概ね垂直方向にヒートパイプの受熱部の長手方向を配置し、受熱部の受熱部材に埋め込まれた部分が発熱量の大きなパワー半導体素子の受熱部材における投影領域に入る受熱部が短いヒートパイプと、受熱部が比較的発熱量の小さなパワー半導体素子の受熱部材における投影領域とパワー半導体が存在しない部分に跨る受熱部が比較的長いヒートパイプとを配置する構成とすることにより、パワー半導体素子の発熱に分布がある場合でも、大きな発熱量の素子に対しては受熱部の短い受熱部のヒートパイプからフィン側に集中して放熱されるとともに、比較的小さな発熱量の素子や素子のない位置の受熱部材に受熱部の長いヒートパイプを設けることにより、発熱量の大きな素子から発熱量の小さい部分に熱を移動することができるので、パワー半導体素子の発熱が効率よく分散されて冷却性能が向上する。
【符号の説明】
【００２５】
１…短い受熱部と長い放熱部を持つＵ字型ヒートパイプ
２…長い受熱部と長い放熱部を持つＵ字型ヒートパイプ
３…短い受熱部と短い放熱部を持つＵ字型ヒートパイプ
４…長い受熱部と短い放熱部を持つＵ字型ヒートパイプ
５…受熱部材
６…フィン
１０…電気部品
１１、１２、１３…ケース
１４…ダクト
１７…支柱部分のヒートパイプ
４０…送風機
７０〜７３、８０〜８３、９０〜９３…パワー半導体素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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