(57)【要約】【課題】複数の電力変換回路からなる電力変換装置において、一部の電力変換回路が故障しても支障なく運転を継続することのできる電力変換装置を提供する。【解決手段】それぞれ複数の半導体素子で構成され直流を交流に、または交流を直流に変換する複数の電力変換回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２と、複数の電力変換回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２ごとに設けられ半導体素子の発熱を冷却する冷媒６ａ，６ｂを貯留する冷却容器１ａ，１ｂとを備えている構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ複数の半導体素子で構成され直流を交流に、または交流を直流に変換する複数の電力変換回路と、前記複数の電力変換回路ごとに設けられ前記半導体素子の発熱を冷却する冷媒を貯留する冷却容器とを備えていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記複数の電力変換回路は共通の冷却ブロックに取付けられ、前記冷却ブロック上に前記冷却容器が設けられていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記複数の電力変換回路は主回路母線に互に並列接続されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記複数の電力変換回路と前記主回路母線との間に開閉器が接続されていることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電力変換回路を備え、車両駆動用電源等として用いられる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子で構成される電力変換回路には種々のものがあり、交流を直流に変換するコンバータ回路や直流を交流に変換するインバータ回路がある。また、インバータ回路には交流出力の電圧と周波数を可変に制御する可変電圧可変周波数インバータ回路（ＶＶＶＦインバータ）や、交流出力の電圧と周波数を一定に制御する定電圧定周波数インバータ（ＣＶＣＦインバータ）回路等があり、これらが電力変換装置を構成している。鉄道車両システムを例にとると、車両駆動用として誘導電動機を制御するＶＶＶＦインバータ回路が、制御単位毎に複数備えられた電力変換装置が車両に設けられる。
【０００３】
図４は従来の交流電車の電力変換装置を示す。ＣＯＮＶは交流を直流に変換するコンバータ回路、ＩＮＶは直流から可変電圧可変周波数に変換する２つのインバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２を備えた電力変換装置を示す。
【０００４】
図５は２つのインバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２にモジュール型半導体を適用した電力変換装置の冷却のための構成を示す。半導体素子が発生する熱は冷却ブロック４を介して冷媒６に伝わり、冷媒６は沸点以上に温められると気体化して沸騰部３へ移行し、その気体は冷却フィン２で冷やされ液体化する。その結果、熱を冷却フィン２より放熱し、半導体素子を冷却する。２つのインバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２を取り付けた冷却容器１の内部は冷却ブロック４の均熱化をはかるために共通になっている。
【０００５】
図６は図５に示した冷却装置ＨＢを用いた場合の半導体素子の接続を示す。インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２のプラス側は半導体素子ＱＵ１，ＱＶ１，ＱＷ１，ＱＵ２，ＱＶ２，ＱＷ２のコレクタＣが１本の共通の母線Ｐに接続される。また、マイナス側も半導体素子ＱＸ１，ＱＹ１，ＱＺ１，ＱＸ２，ＱＹ２，ＱＺ２のエミッタＥが１本の共通の母線Ｎに接続され、接続構成のシンプル化をはかっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図５，図６に示した従来の電力変換装置において、インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２の一方が不具合等により動作がストップすると、例えばＩＮＶ１が止まりＩＮＶ２が動作すると、ＩＮＶ２側の冷媒のみが沸騰し気体化する。その気体は冷却容器１内の空間を流れてＩＮＶ１の凝縮部に集中し、ＩＮＶ２の冷媒が枯れて、所定の冷却能力が無くなり、半導体素子温度を上昇させ、最悪の場合には素子破壊に至る。
【０００７】
また従来の電力変換装置は、モジュール素子型半導体素子を使用して複数のインバータ回路を構成する場合、同電位部を共通の導体で接続し、組立や接続構成の単純化をはかっている。そのため、複数のインバータ回路の動作中に万一素子破壊による上下素子の短絡等が発生すると、素子の短絡電流限界を超えた電流が流れるために、モジュール型素子は破壊するとともにコレクタＣ，エミッタＥの端子部にも大きな破壊力が加わり、端子部の共通導体に大きな被害を与え、復旧時に再使用ができなくなる。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、複数の電力変換回路からなる電力変換装置において、一部の電力変換回路が故障しても支障なく運転を継続することのできる電力変換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】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明の電力変換装置は、それぞれ複数の半導体素子で構成され直流を交流に、または交流を直流に変換する複数の電力変換回路と、前記複数の電力変換回路ごとに設けられ前記半導体素子の発熱を冷却する冷媒を貯留する冷却容器とを備えている構成とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数の電力変換回路からなる電力変換装置において、一部の電力変換回路が故障しても支障なく運転を継続することのできる電力変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の第１ないし第３の実施の形態を図によって説明する。  
（第１の実施の形態）
図１は、２つのインバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２を備えた冷媒冷却式の電力変換装置を示す。図において、１ａ，１ｂは冷却容器、２は冷却フィン、３ａ，３ｂは沸騰部、４は冷却ブロック、５は冷却容器の分離壁、６ａ，６ｂは冷媒を示す。
【００１２】
この電力変換装置においては、インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２が発生する熱は共通の冷却ブロック４を介して冷媒６ａ，６ｂを温めて気体化し、気体は分離壁５で内部が分離された冷却容器１ａ，１ｂ内で凝縮する。すなわち、インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２で発生する発熱は各々の冷却容器１ａ，１ｂで冷やされる。
【００１３】
このように本実施の形態の電力変換装置は、インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２の発熱を個々の冷却容器１ａ，１ｂで冷却するので、片方のインバータ回路のみが動作した場合でも、冷媒が枯れて発熱によって素子が破壊することを防止できる。
【００１４】
（第２の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態で説明した冷却装置ＨＢにモジュール型素子のインバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２を取り付けた電力変換装置の接続構成を示す。
【００１５】
インバータ回路ＩＮＶ１のプラス側は素子ＱＵ１，ＱＶ１，ＱＷ１のコレクタ側を母線Ｐ１で共通に接続し、マイナス側は素子ＱＸ１，ＱＹ１，ＱＺ１のエミッタ側を母線Ｎ１で共通に接続する。同様にインバータ回路ＩＮＶ２も共通の母線Ｐ２，Ｎ２で接続し、母線Ｐ１とＰ２，母線Ｎ１とＮ２は冷却装置ＨＢの外部で母線Ｐ，Ｎで接続している。
【００１６】
インバータ回路ＩＮＶ１の電流は、母線Ｐ→母線Ｐ１→各半導体素子→負荷（電動機M１）→母線Ｎ１→母線Ｎと流れ、インバータ回路ＩＮＶ２には干渉しないで動作する。同様にインバータ回路ＩＮＶ２の電流は母線Ｐ→母線Ｐ２→各半導体素子→負荷（電動機M２）→母線Ｎ２→母線Ｎと流れ、インバータ回路ＩＮＶ１に干渉しないで動作する。
【００１７】
次に半導体素子が短絡故障を起こした場合について説明する。例えばインバータ回路ＩＮＶ１の素子ＱＵ１とＱＸ１において、制御誤動作，ノイズ等によって上下短絡が発生すると、過電流が母線Ｐ→母線Ｐ１→素子ＱＵ１→素子ＱＸ１の径路で流れ、最悪の場合には素子が破壊すると共に、母線Ｐ１，Ｎ１も破損し、再利用が不可能になる。その被害は母線Ｐ１，Ｎ１にブスバーを適用した場合最も大きい。  
一方、正常なインバータ回路ＩＮＶ２の母線Ｐ２，Ｎ２はインバータ回路ＩＮＶ１の母線Ｐ１，Ｎ１と構造的に別構成となっているため、ほとんど被害を受けない。
【００１８】
以上のように本実施の形態によれば、インバータ回路毎に電源に接続する母線を設けることで、いずれかのインバータ回路に不具合が発生してもその被害を最小にすることができる。
【００１９】
（第３の実施の形態）
図３は、図２に示した第２の実施の形態において、インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２のプラス側母線Ｐ１，Ｐ２に各々の電源切断用の開閉器ＳＷ１，ＳＷ２を設けた構成を示す。
【００２０】
インバータ回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２が正常に動作しているときは開閉器ＳＷ１，ＳＷ２を共に閉じた状態で運転する。しかし、一方のインバータ回路が制御不能、素子破壊等により運転ができない場合には、不具合発生側のインバータ回路の開閉器を開いて、主回路から切り離すことによって、正常側のインバータ回路だけで運転する。
【００２１】
なお、上記第１ないし第３の実施の形態はインバータ回路を備えた電力変換装置を説明したが、本発明は、コンバータ回路の電力変換装置にも同様に適用することができる。そして、複数の電力変換回路で構成されている電力変換装置は、一部の電力変換回路が故障した場合にも、残りの電力変換回路で運転を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電力変換装置の構成を示し、（ａ）はインバータ回路並設方向の断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の電力変換装置の構成を示す回路図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の電力変換装置の構成を示す回路図。
【図４】従来の車両駆動用電気回路図。
【図５】従来の電力変換装置の構成を示し、（ａ）はインバータ回路並設方向の断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図。
【図６】従来の電力変換装置の構成を示す回路図。
【符号の説明】
【００２３】
１，１ａ，１ｂ…冷却容器、２…冷却フィン、３，３ａ，３ｂ…沸騰部、４…冷却ブロック、５…分離壁、６，６ａ，６ｂ…冷媒、Ｃ…コレクタ、ＣＯＮＶ…コンバータ回路、Ｅ…エミッタ、ＨＢ…冷却装置、ＩＮＶ…電力変換装置、ＩＮＶ１，ＩＮＶ２…インバータ回路、Ｍ１，Ｍ２…電動機、Ｎ１，Ｎ２，Ｐ１，Ｐ２…インバータ母線、Ｐ，Ｎ…主回路母線、ＳＷ１，ＳＷ２…開閉器、ＴＲ…変圧器。
【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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