(57)【要約】【課題】  電力変換回路を構成する半導体素子の温度変化幅を低減し、半導体素子の長寿命化に最適な強制風冷式電力変換装置を提供することである。【解決手段】  電力変換回路の半導体素子８からの発熱を受熱部７で受熱し放熱部６で放熱する冷却器５を電力変換回路の装置筐体１内に収納し、冷却器５の放熱部６を冷却風洞２内に配置し、冷却風洞２に配置された放熱部６に電動送風機３から強制送風を行う。送風制御装置１１は、鉄道車両の走行時は電動送風機３を運転し鉄道車両の停止時には電動送風機３を停止制御する。これにより、電力変換回路を構成する半導体素子８の温度変化幅を低減し、半導体素子８の長寿命化を図る。【選択図】  図１
2005304151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両の駆動用電動機を半導体素子のスイッチングにより制御する電力変換回路の前記半導体素子の発熱を強制風冷式で冷却する強制風冷式電力変換装置において、前記電力変換回路の装置筐体内に収納され前記半導体素子からの発熱を受熱部で受熱し放熱部で放熱する冷却器と、前記電力変換回路の装置筐体内に形成され前記冷却器の放熱部が配置される冷却風洞と、前記冷却風洞に配置された放熱部に強制送風を行う電動送風機と、前記鉄道車両の走行時は前記電動送風機を運転し前記鉄道車両の停止時には前記電動送風機を停止する送風制御装置とを備えたことを特徴とする強制風冷式電力変換装置。
【請求項２】
鉄道車両の駆動用電動機を半導体素子のスイッチングにより制御する電力変換回路の前記半導体素子の発熱を強制風冷式で冷却する強制風冷式電力変換装置において、前記電力変換回路の装置筐体内に収納され前記半導体素子からの発熱を受熱部で受熱し放熱部で放熱する冷却器と、前記電力変換回路の装置筐体内に形成され前記冷却器の放熱部が配置される冷却風洞と、前記冷却風洞に配置された放熱部に強制送風を行う電動送風機と、前記鉄道車両の走行時は前記電動送風機を通常運転し前記鉄道車両の停止時には前記電動送風機を減速運転して前記鉄道車両の走行時と停止時とで前記冷却器の放熱部への送風風量を可変とする送風制御装置とを備えたことを特徴とする強制風冷式電力変換装置。
【請求項３】
前記通風制御装置は、前記電動送風機に供給される電源を可変電圧可変周波数制御して減速運転を行うことを特徴とする請求項２記載の強制風冷式電力変換装置。
【請求項４】
鉄道車両の駆動用電動機を半導体素子のスイッチングにより制御する電力変換回路の前記半導体素子の発熱を強制風冷式で冷却する強制風冷式電力変換装置において、前記電力変換回路の装置筐体内に収納され前記半導体素子からの発熱を受熱部で受熱し放熱部で放熱する冷却器と、前記電力変換回路の装置筐体内に形成され前記冷却器の放熱部が配置される冷却風洞と、前記冷却風洞に配置された放熱部に強制送風を行う電動送風機と、前記冷却器の受熱部に設けられ半導体素子近傍の温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器で検出された温度が所定値以下となったときは前記電動送風機を減速運転して前記冷却器の放熱部への送風風量を可変とする送風制御装置とを備えたことを特徴とする強制風冷式電力変換装置。
【請求項５】
鉄道車両の駆動用電動機を半導体素子のスイッチングにより制御する電力変換回路の前記半導体素子の発熱を強制風冷式で冷却する強制風冷式電力変換装置において、前記電力変換回路の装置筐体内に収納され前記半導体素子からの発熱を受熱部で受熱し放熱部で放熱する冷却器と、前記電力変換回路の装置筐体内に形成され前記冷却器の放熱部が配置される冷却風洞と、前記冷却風洞に配置された放熱部に強制送風を行う電動送風機と、前記冷却器の受熱部に設けられ半導体素子近傍の温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器で検出された前記温度に基づき、前記送風機の出力を制御することを特徴とする強制風冷式電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強制風冷式電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両の駆動用電動機を制御する電力変換装置は、半導体素子のスイッチング動作により電力変換を行っており、電力変換回路を構成する半導体素子およびその周辺回路の電気部品で構成された半導体スタックが電力変換装置内に収納されている。
【０００３】
半導体素子の冷却は、半導体スタックの重要な機能であり、半導体素子から発生する熱損失を効率良く外気へ放出し、半導体素子の温度を許容温度以下に冷却する必要がある。半導体素子を冷却する冷却器は、半導体素子が取り付けられる受熱部と、発生熱損失を電力変換装置外部へ排出する放熱部とより構成される。
【０００４】
放熱部の冷却方式としては自冷式と強制風冷式とがある。自冷式は放熱部を電力変換装置外部へ突出させ自然冷却により放熱を行う。強制風冷式は放熱部を電力変換装置の筐体内に冷却風洞を設け、この冷却風洞内に放熱部を配置して電動送風機により強制送風を送り放熱を行う。強制風冷式は自冷式に比べ放熱性能が高く放熱部を小形化するメリットがあり、発生熱損失の大きな大容量装置の冷却を有効に行える。
【０００５】
図５は従来の強制風冷式電力変換装置の構成図である。電力変換回路の装置筐体１には外気と通ずる冷却風洞２が設けられ、電動送風機３により強制的に通風が行われる。電動送風機３の電源は車両用電源４より給電される。冷却器５はその放熱部６が冷却風洞２内に収まるように装置筐体１内に設置され、冷却器５の受熱部７には複数個の半導体素子８が取付けられる。
【０００６】
ここで、図５では沸騰冷却式冷却器を示している。すなわち、冷却器５の内部に冷媒９が封入され、冷媒９の相変化により半導体素子８の発生損失を冷却器５の受熱部７側から放熱部６側へ熱を伝える。なお、冷媒を用いない方式の冷却器に関しても、熱を効率よく放熱部に伝える点では同じであるので、以下、沸騰冷却式冷却器の場合について説明する。
【０００７】
冷媒９は半導体素子８より発生する熱損失により冷却器５の受熱部７側で気化し、上方の放熱部６側で熱を冷却器５の外部へ放出することで液化する。そして、液化した冷媒９は下方の受熱部７側に戻り、再度、受熱部７側で気化されて上方の放熱部６にいくサイクルを繰り返すことになる。放熱部６の置かれた冷却風洞２内は車両用電源４より給電された電動送風機３により強制通風されており、放熱部６の冷却フィン間に強制的に冷却風を流すことで放熱フィンからの熱伝達率を向上させ効率の良い放熱が可能となる。
【０００８】
強制風冷式は、自冷式と比べて強制的に放熱部６を通風するので冷却効率が高く、半導体素子８の温度上昇を低減することができる。そのため、大容量の半導体素子冷却に適している。また、熱時定数が小さく熱応答性が良いので、温度上昇変化が速い特徴がある。すなわち、冷却システムの熱時定数が小さいので間欠的な発生熱損失パターンに対し熱応答性が良く、温度上昇値の増減が自冷式に比べ大きい。
【０００９】
図６は、鉄道車両の駆動用電動機の制御を行う強制風冷式電力変換装置における各部の温度特性図であり、半導体素子８のケース温度Ｔ１（冷却フィンとの接触面）、冷媒温度Ｔ２の変化特性を示したものである。
【００１０】
鉄道車両の力行時や制動時は、電力変換回路内の半導体素子８は通電あるいは半導体素子８のスイッチング動作により熱損失が発生し、半導体素子８のケース温度Ｔ１は上昇する。一方、鉄道車両の惰行時や停止時は、半導体素子８からの熱損失の発生は無くケース温度Ｔ１は下降する。力行→惰行→力行、あるいは力行→惰行→制動の繰り返しとなる鉄道車両の走行中は半導体素子８のケース温度Ｔ１は小さな温度変化ΔＴｃ１を繰り返すが、駅での停車時には走行中と比べ長時間に亘って半導体素子８からの熱損失が発生しないのでケース温度Ｔ１は走行時よりも大きく温度が低減し、大きな温度変化ΔＴｃ２となる。
【００１１】
ここで、この冷却器５内の冷媒温度Ｔ２の変化に注目すると、半導体ケース温度Ｔ１の小さな温度変化ΔＴｃ１の際は、冷媒温度Ｔ２の温度変化は極めて小さく受熱部７の半導体素子８が接触している近傍部分の熱定数によりケース温度Ｔ１が変化している。これは、この沸騰冷却式に限らず他の例えばヒートパイプ冷却式の場合でも同じような温度変化を示す。
【００１２】
一方、ケース温度Ｔ１の大きな温度変化ΔＴｃ２の際は、冷媒温度Ｔ２の温度上昇値の低減とほぼ同じ値で温度低減している。つまり、強制風冷式では放熱部６に強制的に送風冷却を行っているので、駅停車時に大きく放熱部６は冷却され、その結果、冷媒温度Ｔ２が低減されることになる。特に、強制風冷式が適用される鉄道車両は大容量の電力変換回路が搭載される車両、例えば新幹線や機関車が多く、これらの車両は地下鉄等の都市交通向けの電車と比べ駅停車時の時間が長い場合が多く、上述のように顕著に大きな温度変化ΔＴｃ２が現われることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、半導体素子８の内部には種々の材料が使われており、それらの間は半田等で接合されていることから、半導体素子８の温度変化は素材の熱膨張率の違いにより引き起こされる熱疲労の要因となっている。半導体素子８の寿命にはこの温度変化が大きく影響する。温度変化幅を小さくするか、あるいは温度変化のサイクル数を少なくすることが半導体素子８の長寿命化には重要である。
【００１４】
半導体素子８の最大温度上昇値を抑える目的からは、液冷式は冷却システムの熱抵抗が小さく（熱伝達率が大きく）優れた冷却システムであるが、温度変化幅が大きくなる点が半導体素子８の寿命の観点からは望ましくない。
【００１５】
本発明の目的は、電力変換回路を構成する半導体素子の温度変化幅を低減し、半導体素子の長寿命化に最適な強制風冷式電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の強制風冷式電力変換装置は、鉄道車両の駆動用電動機を半導体素子のスイッチングにより制御する電力変換回路の半導体素子の発熱を強制風冷式で冷却する強制風冷式電力変換装置であり、電力変換回路の装置筐体内に収納され半導体素子からの発熱を受熱部で受熱し放熱部で放熱する冷却器と、電力変換回路の装置筐体内に形成され冷却器の放熱部が配置される冷却風洞と、冷却風洞に配置された放熱部に強制送風を行う電動送風機と、鉄道車両の走行時は電動送風機を運転し鉄道車両の停止時には電動送風機を停止する送風制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、送風制御装置は、鉄道車両の走行時は電動送風機を通常運転し鉄道車両の停止時には電動送風機を減速運転して鉄道車両の走行時と停止時とで冷却器の放熱部への送風風量を可変とするようにしてもよい。さらに、電動送風機に供給される電源を可変電圧可変周波数制御して減速運転を行うようにしてもよい。
【００１８】
また、冷却器の受熱部に設けられ半導体素子近傍の温度を検出する温度検出器を設け、送風制御装置は、温度検出器で検出された温度が所定値以下となったときは電動送風機を減速運転して冷却器の放熱部への送風風量を可変とするようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、電力変換回路を構成する半導体素子の温度変化幅を低減し、半導体素子の長寿命化に最適な強制風冷式電力変換装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる強制風冷式電力変換装置の構成図である。図５に示した従来例と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。電力変換回路の装置筐体１に設けられた冷却風洞２には、冷却器５の放熱部６および電動送風機３が設置されている。冷却器５の受熱部７には複数個の半導体素子８が取付けられ、冷却器５はその内部に冷媒９が封入されている。
【００２１】
また、電動送風機３には車両用電源４からスイッチ１０を介して電源が給電され、送風制御装置１１によりスイッチ１０がオンオフ制御される。ここで、図１では車両用電源４およびスイッチ１０は電力変換回路の装置筐体１の外部に設けた場合を示しているが、車両用電源４あるいはスイッチ１０を装置筐体１内に収納するようにしてもよい。
【００２２】
送風制御装置１１は鉄道車両の走行や停止の情報に基づきスイッチ１０をオンオフ制御する。すなわち、鉄道車両の走行時はスイッチ１０をオンして電動送風機３を運転し、鉄道車両の停止時にはスイッチ１０をオフして電動送風機３を停止する。また、鉄道車両の走行や停止の情報に代えて、電力変換回路の半導体素子８の動作をモニタリングし、半導体素子８の動作していない状態が所定の時間以上でオフし動作開始でオンするようにしてもよい。これにより、鉄道車両の走行時には、電動送風機３により放熱部６は強制通風され放熱部６の冷却フィン間を強制的に冷却風が流れ効率よく冷却される。一方、鉄道車両の停止時には電動送風機３は停止するので過剰に冷却されることがなくなり半導体素子８の大きな温度変化を防止できる。
【００２３】
図２は本発明の第１の実施の形態における半導体素子８のケース温度Ｔ１と冷媒温度Ｔ２との変化特性の特性図である。駅停車時のケース温度Ｔ１の大きな温度変化ΔＴｃ２’の変化幅は、図６に示した従来の温度変化ΔＴｃ２の変化幅より小さく半導体素子８の長寿命化に貢献する。つまり、電動送風機３を停止することでケース温度Ｔ１の低減を抑制しケース温度Ｔ１の大きな温度変化ΔＴｃ２’の値が小さくなる。
【００２４】
図３は半導体素子８の温度変化繰り返しに対する寿命曲線の特性図である。半導体素子８の温度変化繰り返しに対する寿命曲線は、図３に示すように温度変化幅ΔＴｃと繰り返し回数Ｎの両対数グラフ上で右下がりとなるが、温度変化幅ΔＴｃが低減されることは、両対数グラフであるので、繰り返し回数Ｎは大幅に増大され、半導体素子８の長寿命化が達成できる。
【００２５】
以上の説明では、スイッチ１０をオンオフ制御して電動送風機３を動作したり停止させたりしたが、車両用電源４を可変電圧可変周波数制御可能な交流電源とし、スイッチ１０はオンの状態のままで維持して、送風制御装置１１により可変電圧可変周波数制御を行うようにしても良い。すなわち、鉄道車両が走行中は電動送風機３の通常運転を行い、鉄道車両の停止時あるいは所定時間以上の電力変換回路の半導体素子８の不動作時には、冷却器５に積極的に送風しないような電動送風機３の減速運転制御を行う。これにより、ケース温度Ｔ１の大きな温度変化を抑制することができる。
【００２６】
このように、半導体素子８の寿命に影響するケース温度Ｔ１の大きな温度変化ΔＴｃ２を低減するには、温度変化のサイクル数を減らすか、温度変化幅を小さくするの何れかによることになるが、第１の実施の形態では、電力変換回路側で実現し得る温度変化幅の低減に着目し、駅停車時のような長時間に亘って半導体素子が熱損失を発生しない時は積極的に冷却を行わないことで、温度変化幅を低減するようにしている。
【００２７】
すなわち、強制風冷式では半導体素子８の最大温度上昇値を低減する上では優れた能力を発揮するので、駅停車時のような長時間に亘って半導体素子８が熱損失を発生しない時は、積極的に冷却を行わなくとも最大温度上昇値が許容限度を超える恐れは少ない。そこで、駅停車時は冷却系の冷却性能を敢えて低下させることで温度変化幅を低減することが可能となり、半導体素子の長寿命化を図ることができる。
【００２８】
第１の実施の形態によれば、鉄道車両の停止時に冷却器５から外気への熱放散が抑えられ、冷却器５の温度が大きく低減することが無く、半導体素子８のケース温度Ｔ１の大きな温度変化ΔＴｃ２の変化幅が小さくなり半導体素子８の長寿命化が達成できる。また、電動送風機３を可変電圧可変周波数制御する場合には、電動送風機３の加減速運転がスムーズに行え、電動送風機３の起動時の突入電流の低減を図ることができる。従って、電動送風機３の信頼性向上につながる。
【００２９】
（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施の形態に係わる強制風冷式電力変換装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、冷却器５の受熱部７に温度検出器１２を設け、送風制御装置１１は温度検出器１２で検出された温度が所定値以下となったときは電動送風機３を減速運転して冷却器５の放熱部６への送風風量を可変とするようにしたものである。図１に示した第１の実施の形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３０】
図４において、電動送風機３に電力供給を行う車両用電源４は可変電圧可変周波数制御可能な交流電源であり、送風制御装置１１は、受熱部７の半導体素子８の近傍に設けた温度検出器１２で検出された温度を入力し、車両用電源４を可変電圧可変周波数制御する。これにより、半導体素子８の温度上昇の変化幅を所定値以下となるよう制御する。
【００３１】
第２の実施の形態によれば、温度検出器１２を設けて半導体素子８の温度を監視することで、鉄道車両の停止時だけでなく走行中においても、電動送風機３の加減速運転制御を行うことができる。従って、半導体素子８の温度上昇値を積極的に制御することが可能になり、半導体素子８のケース温度Ｔ１の大きな温度変化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる強制風冷式電力変換装置の構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における半導体素子のケース温度と冷媒温度との変化特性の特性図。
【図３】半導体素子の温度変化繰り返しに対する寿命曲線の特性図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係わる強制風冷式電力変換装置の構成図。
【図５】従来の強制風冷式電力変換装置の構成図。
【図６】従来の強制風冷式電力変換装置における半導体素子のケース温度と冷媒温度との変化特性の特性図。
【符号の説明】
【００３３】
１…装置筐体、２…冷却風洞、３…電動送風機、４…車両用電源、５…冷却器、６…放熱部、７…受熱部、８…半導体素子、９…冷媒、１０…スイッチ、１１…送風制御装置、１２…温度検知手段
【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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