(57)【要約】      （修正有）【課題】装置内で発生する熱による影響を低減できる電力変換装置および車両用制御装置を提供する。【解決手段】実施形態の電力変換装置は、複数の半導体スイッチング素子を持つ交流電力を直流電力に変換するコンバータ部２０１と、このコンバータ部に対して鉄道車両の進行方向に並べて配置され、複数の半導体スイッチング素子３１〜３２を持つ前記コンバータ部から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ部２０２とを備える。更に、第１の放熱フィンが第１の受熱板の前記複数の半導体スイッチング素子と反対側の面に、第２の放熱フィンが第２の受熱板の前記複数の半導体スイッチング素子と反対側の面に、それぞれ取り付けられており、かつ、対向する前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンは、それぞれの凹部が一直線上に位置するように前記第１の受熱板と前記第２の受熱板に取り付けられている。【選択図】図２
2016010306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の受熱板、およびこの第１の受熱板に取り付けられた複数の半導体スイッチング素
子を有し、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、
前記コンバータ部に対して鉄道車両の進行方向に並べて配置されるとともに、第２の受
熱板、およびこの第２の受熱板に取り付けられた複数の半導体スイッチング素子を有し、
前記コンバータ部から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
前記第１の受熱板の半導体スイッチング素子が取り付けられた面と反対側の面に取り付
けられた複数の第１の放熱フィンと、
前記第２の受熱板の半導体スイッチング素子が取り付けられた面と反対側の面に取り付
けられた複数の第２の放熱フィンと、を備え、
互いに対向する前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンは、それぞれの凹部が一
直線上に位置するように前記第１の受熱板と前記第２の受熱板に取り付けられる
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記コンバータ部および前記インバータ部は、互いに直列接続された４つの半導体スイ
ッチング素子で構成された複数の電力変換相を有し、少なくとも中性点配線を挟んで隣接
する２つの半導体スイッチング素子は、前記鉄道車両の進行方向に直行する方向に並べて
配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
第１の受熱板、およびこの第１の受熱板に取り付けられた複数の半導体スイッチング素
子を有し、架線からパンタグラフおよび遮断器を介して供給された交流電力を直流電力に
変換するコンバータ部と、
前記コンバータ部に対して鉄道車両の進行方向に並べて配置されるとともに、第２の受
熱板、およびこの第２の受熱板に取り付けられた複数の半導体スイッチング素子を有し、
前記コンバータ部から出力された直流電力を電動機を駆動するための三相交流電力に変換
するインバータ部と、
前記コンバータ部および前記インバータ部に対してゲート指令を出力する制御部と、
前記第１の受熱板の半導体スイッチング素子が取り付けられた面と反対側の面に取り付
けられた複数の第１の放熱フィンと、
前記第２の受熱板の半導体スイッチング素子が取り付けられた面と反対側の面に取り付
けられた複数の第２の放熱フィンと、を備え、
互いに対向する前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンは、それぞれの凹部が一
直線上に位置するように前記第１の受熱板と前記第２の受熱板に取り付けられる
ことを特徴とする車両用制御装置。
【請求項４】
前記コンバータ部および前記インバータ部は、互いに直列接続された４つの半導体スイ
ッチング素子で構成された複数の電力変換相を有し、少なくとも中性点配線を挟んで隣接
する２つの半導体スイッチング素子は、前記鉄道車両の進行方向に直行する方向に並べて
配置されたことを特徴とする請求項３に記載の車両用制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、主に鉄道車両の電力変換装置および車両用制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両では、架線から供給される直流電力または交流電力を利用し、搭載する電動機
を駆動するための電力を得ており、この電動機を駆動するための電力は、同じく鉄道車両
の床下に設置された電力変換装置によって行われる。
【０００３】
電力変換装置は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって交流電力と直流
電力との間で変換処理を行うが、このスイッチング動作に伴って熱が発生することから、
この熱を放出するための仕組みが備わっている。例えば、半導体スイッチング素子で発生
した熱を、受熱板を介して放熱フィンへと伝導させ、そして放熱フィンから空中へ熱を放
出することで冷却している。
【０００４】
なお、放熱フィンから熱を放出する際、放熱フィンをダクトで覆い、ブロアを用いてダ
クト中に空気の流れを起こすことで冷却する方法、または鉄道車両が走行するときに発生
する走行風を冷却フィンに当てることで冷却する方法が一般的となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−９２８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したように、電力変換装置は半導体スイッチング素子で発生した熱を放出するため
の仕組みを備えているが、近年、電力変換装置その他の装置の小型化が進んでいることか
ら、熱の影響に配慮した各種機器の配置やより放熱効率の良い仕組みが求められている。
【０００７】
そこで、本発明では、装置内で発生する熱による影響を低減できる電力変換装置および
車両用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】
【０００８】
実施形態の電力変換装置は、第１の受熱板、およびこの第１の受熱板に取り付けられた
複数の半導体スイッチング素子を有し、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、
前記コンバータ部に対して鉄道車両の進行方向に並べて配置されるとともに、第２の受熱
板、およびこの第２の受熱板に取り付けられた複数の半導体スイッチング素子を有し、前
記コンバータ部から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、前記第１
の受熱板の半導体スイッチング素子が取り付けられた面と反対側の面に取り付けられた複
数の第１の放熱フィンと、  前記第２の受熱板の半導体スイッチング素子が取り付けられ
た面と反対側の面に取り付けられた複数の第２の放熱フィンと、を備え、互いに対向する
前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンは、それぞれの凹部が一直線上に位置する
ように前記第１の受熱板と前記第２の受熱板に取り付けられる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る車両用制御装置の回路構成を示す図である。
【図２】図２は、第１の実施形態にかかる車両用制御装置の概略装置構成を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る放熱フィンの形状の例を示す図である。
【図４】図４は、第１の実施形態に係る放熱フィンが取り付けられたコンバータ部とインバータ部の外観を示す図である。
【図５】図５は、第１の実施形態の変形例１に係る放熱フィンの形状の例を示す図である。
【図６】図６は、第１の実施形態の変形例２に係る放熱フィンの形状の例を示す図である。
【図７】図７は、変形例２の放熱フィンがコンバータ部とインバータ部に取り付けられたときの外観を示す図である。
【図８】図８は、第２の実施形態に係る半導体素子の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
以下、添付した図面を参照して第１の実施形態に係る車両用制御装置について説明する
。
【００１１】
図１は、鉄道車両に搭載される車両用制御装置１００の概略構成を示している。車両用
制御装置１００は、架線１３からパンタグラフ１２を介して受けた交流電力を利用して、
電動機１１を駆動するための三相交流電力を発生させることを主な機能を有しおり、車両
用制御装置１００が備える各機器を制御する制御部１０、パンタグラフ１２を介して１次
コイルで受けた交流電力の降圧を行う変圧器２０、変圧器２０の２次コイルから供給され
た交流電力を直流電力に変換するコンバータ３０、そしてコンバータから供給された直流
電力を３相の交流電力に変換するインバータ４０を有している。
【００１２】
また、変圧器２０の２次コイルとコンバータ３０との間にある２本の配線それぞれには
、接触器７２と接触器７４が設けられており、さらに直列接続された接触器７１と充電抵
抗６１が接触器７２に対して並列接続され、そして直列接続された接触器７３と充電抵抗
６２が接触器７４に対して並列接続されている。
【００１３】
また、コンバータ３０とインバータ４０との間には、正極側配線Ｐ、負極側配線Ｎ、そ
して中性点配線Ｃがあり、正極側配線Ｐと中性点配線Ｃとの間には分圧コンデンサ８１が
、そして中性点配線Ｃと負極側配線Ｎとの間には分圧コンデンサ８１と直列接続された分
圧コンデンサ８２がそれぞれ設けられている。また、中性点配線Ｃには地絡電流を検出す
るための電流検出器９０が接続されている。
【００１４】
さらに、コンバータ３０には、変圧器２０の２次コイルから供給された交流電力を直流
電力に変換するためのＵ相の半導体素子群３１とＶ相の半導体素子群３２、そして、イン
バータ４０には、コンバータ３０から供給された直流電力を３相の交流電力に変換するた
めのＵ相の案導体素子群４１、Ｖ相の半導体素子群４２、そしてＷ相の半導体素子群４３
が備わっている。
【００１５】
さて、以上に説明した電気回路を有する車両用制御装置１００が鉄道車両の床下に設置
される場合、図２に例示するように、コンバータ３０を含むコンバータ部２０１、インバ
ータ４０を含むインバータ部２０２、コンバータ３０とインバータ４０へのゲート指令を
生成するとともに接触器７１〜７４及び遮断器５０の開閉を制御する制御部１０を含むコ
ントロール部２０３、そして、接触器７１〜７４および電流検出器９０を含むスイッチ・
センサ部２０４に分けられ、１つの筺体２００に収納されている。なお、図２には２つの
矢印Ｘと矢印Ｙが示されているが、矢印Ｘは鉄道車両が進行する方向、そして矢印Ｙは鉄
道車両の側面方向をそれぞれ表わしている。
【００１６】
なお、コンバータ部２０１、インバータ部２０２、コントロール部２０３、およびスイ
ッチ・センサ部２０４は、配線や熱体制などの特性によって比較的近傍に設置される機器
をグループ化したもので、ユニット化されることを示すものではない。また、少なくとも
、コンバータ部２０１とインバータ部２０２、および以下に説明する放熱フィンとで電力
変換装置が構成されるものとする。
【００１７】
また、図２が示すように、この実施形態では、コンバータ部２０１とインバータ部２０
２とを鉄道車両の進行方向であるＸ方向に並べるとともに、鉄道車両の側面方向であるＹ
方向では、鉄道車両の片方の側面に寄せて配置している。なお、コンバータ部２０１とイ
ンバータ部２０２を鉄道車両の片方の側面に寄せて配置することで、鉄道車両の車体側面
に設けた開口部からコンバータ部２０１とインバータ部２０２の出し入れが可能となるだ
けでなく、さらに鉄道車両の同じ車体側面での作業ができることから、検査などの作業効
率が大幅に改善される。
【００１８】
一方、コンバータ部２０１とインバータ部２０２には、図１で説明した通りそれぞれ半
導体素子群３１〜３２および４１〜４３を備えているが、これらの半導体素子群３１〜３
２および４１〜４３は、コンバータ部２０１とインバータ部２０２それぞれの地面に対向
する側に設けられた受熱板に取り付けられ、半導体素子群３１〜３２および４１〜４３で
発生した熱が受熱板に伝導するようになっている。
【００１９】
また、上記受熱板の半導体素子群が取り付けられた面と逆の面、すなわち地面に対向す
る面には、図３に示すように矢印ａが示す方向から見た断面が櫛形となるように成形され
た放熱フィン３００が複数個取り付けられる。そして、上記受熱板に伝導した熱は、更に
放熱フィン３００へ伝導した後、鉄道車両が走行するときに発生する風を利用して空中に
放出され、よって半導体素子群３１〜３２および４１〜４３の冷却が行われる。
【００２０】
次に、放熱フィン３００をコンバータ部２０１とインバータ部２０２へ取り付けた際の
配置について図４を用いて説明する。
【００２１】
図４は、筺体２００を地面側から見たときの、コンバータ部２０１とインバータ部２０
２、及びコンバータ部２０１とインバータ部２０２それぞれの受熱板に取り付けられた４
台ずつの放熱フィン３００を示しており、矢印Ｘは上述したと同様で鉄道車両の進行方向
を表している。なお、各放熱フィン３００で、ハッチングされている部分は、図３で例示
した断面が櫛形である冷却フィン３００の凸部を示し、一方、ハッチングしていない部分
は冷却フィン３００の凹部を表している。
【００２２】
図４が示す通り、コンバータ部２０１とインバータ部２０２は互いに進行方向Ｘで隣接
して筺体２００内に設置されており、これに伴って受熱板に取り付けられた放熱フィン３
００同士も密集して取り付けられることになる。
【００２３】
ここで、コンバータ部２０１とインバータ部２０２に取り付けられたときに互いに対向
する２つの放熱フィン３００を、それぞれ放熱フィン３００Ｃと放熱フィン３００Ｉとす
る。放熱フィン３００Ｃと放熱フィン３００Ｉそれぞれの１つの凸部に着目すると、図４
の破線４００が示すように、一直線上で結ばれる位置に配置されている。
【００２４】
以上の通り、図１〜図４を参照し、鉄道車両に搭載されたときのコンバータ部２０１と
インバータ部２０２との配置、及びコンバータ部２０１とインバータ部２０２それぞれに
取り付けられた複数の放熱フィン３００の取り付け位置について述べたが、ここで、この
ような配置を採ることの利点について説明する。
【００２５】
従来、コンバータ部２０１とインバータ部２０２は鉄道車両の進行方向に対して直行す
る方向で並べて配置していた。
【００２６】
一般的に、コンバータ３０とインバータ４０では、走行速度に応じて互いに損失特性が
異なっていることから、鉄道車両の側面方向Ｙでは発生する熱量がアンバランスとなる。
このため、従来のようにコンバータ部２０１とインバータ部２０２を配置すると、走行風
が当たる面が、コンバータ部２０１とインバータ部２０２とで分けられてしまうため、コ
ンバータ部２０１とインバータ部２０２とも、十分に走行風を活用し難いことになる。
【００２７】
これに対し、図２で表わされるように鉄道車両の進行方向Ｘでコンバータ部２０１とイ
ンバータ部２０２を並べて配置すると、コンバータ部２０１、インバータ部２０２ともに
走行風が当たる面をより広くすることができるため、冷却効率を向上させることが可能と
なる。
【００２８】
更に、図４で表わされるようにコンバータ部２０１、インバータ部２０２それぞれに取
り付けられた冷却フィン３００の凹部と凸部それぞれが一直線上に位置するように配置す
ることにより、コンバータ部２０１とインバータ部２０２の一方に取り付けられた放熱フ
ィン３００の凹部の中を流れてきた走行風が、そのまま他方の放熱フィン３００の凹部に
流れ込み易くしたため、同じく、冷却効率を向上させることが可能となる。
【００２９】
（変形例１）
次に、第１の実施形態の変形例１について図５を用いて説明する。
【００３０】
図５は、図２で示したコンバータ部２０１、インバータ部２０２、コントロール部２０
３、およびスイッチ・センサ部２０４の配置を変えた点が異なっている。すなわち、コン
バータ部２０１を鉄道車両の側面方向Ｙの一方の側面側に寄せて配置し、インバータ部２
０２を他方の側面側に寄せて配置している。そして、コンバータ部２０１とインバータ部
２０２をこのように配置した結果、コントロール部２０３とスイッチ・センサ部２０４も
互いに鉄道車両の側面方向Ｙの反対側となる側面側に寄せて配置されている。
【００３１】
このように、コンバータ部２０１とインバータ部２０２とを鉄道車両の側面方向Ｙにお
いて、互いに異なる側面側に寄せて配置した場合でも、図２で示した配置と同様に走行風
が当たる面を広く取ることが可能となる。一方、図５に示すようにコンバータ部２０１と
インバータ部２０２とを鉄道車両の側面方向Ｙにおいて、互いに異なる側面側に寄せて配
置とした場合、コンバータ部２０１に取り付けられた複数の放熱フィン３００の全てが、
インバータ部２０２に取り付けられた放熱フィン３００に対向しないことが考えられるが
、この場合は、対向する放熱フィン３００同士で、凹部、凸部それぞれが一直線上に位置
するように配置することで、第１の実施形態で説明したのと同様、冷却効率を向上させる
ことができる。
【００３２】
更に、図５では、コントロール部２０３とスイッチ・センサ部２０４も互いに鉄道車両
の側面方向Ｙの反対側となる側面側に寄せて配置されている。一般的に、コントロール部
２０３は熱に対して弱い傾向がある一方で、スイッチ・センサ部２０４に含まれる接触器
７１〜７４は熱源となり易いことから、このように互いに話した位置に配置することで、
コントロール部２０３への熱による影響を低減することも可能となる。
【００３３】
（変形例２）
続いて、第１の実施形態の変形例２について図６および図７を用いて説明する。
【００３４】
図６は、図３に示して冷却フィン３００の構造を変更した冷却フィン３０１を示してお
り、矢印ａから見た場合に、手前側にくる櫛型の面の高さＺ１に比べ奥側となる櫛形の面
の高さＺ２が短くなっている。そして、このような冷却フィン３０１がコンバータ部２０
１とインバータ部２０２に取り付けられるとき、図７に示すように、冷却フィン３０１の
高さＺ２を有する面同士が対向するように配置している。
【００３５】
このように冷却フィン３０１を配置することで、コンバータ部２０１とインバータ部２
０２との間に空間が生まれ、鉄道車両が走行する子で発生する走行風がコンバータ部２０
１とインバータ部２０２との間に空間に巻き込まれることになり、よって、鉄道車両が進
行方向の下流側となるコンバータ部２０１またはインバータ部２０２の冷却フィン３０１
により走行風が当たり易くなり、冷却効率を向上させることができる。
【００３６】
なお、このような冷却フィン３０１を利用する場合でも、第１の実施形態で説明したと
同様に、対向する放熱フィン３０１同士で、凹部、凸部それぞれが一直線上に位置するよ
うに配置することが好ましい。
【００３７】
（実施例２）
以下、図８を用いて第２の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態では、コ
ンバータ３０の構成する半導体スイッチング素子７０１〜７０４とクランプダイオード７
０５〜７０６の配置に特徴を持たせたものであり、コンバータ部２０１、インバータ部２
０２、コントロール部２０３、およびスイッチ・センサ部２０４の配置、並びに冷却フィ
ン３００および冷却フィン３０１に関する配置、構成は第１の実施形態およびその変形例
１と２をそのまま利用することができる。
【００３８】
図８には、コンバータ部２０１に含まれるコンバータ３０の一相（Ｕ相３１）の半導体
素子７０１〜７０６の配置およびラミネート導体７１０の配置を示しており、半導体スイ
ッチング素子（Ｑ１）７０１、半導体スイッチング素子（Ｑ２）７０２、半導体スイッチ
ング素子（Ｑ３）７０３、および半導体スイッチング素子（Ｑ４）７０４がラミネート導
体７１０によってＵ字状に接続されており、更に、クランプダイオード（ｃｄ）７０５と
クランプダイオード（ｃｄ）７０６が、それぞれ半導体スイッチング素子（Ｑ１）７０１
と半導体スイッチング素子（Ｑ２）７０２との間、半導体スイッチング素子（Ｑ３）７０
３と半導体スイッチング素子（Ｑ４）７０４との間に接続され、さらに、クランプダイオ
ード（ｃｄ）７０５とクランプダイオード（ｃｄ）７０６とは別のラミネート導体７１１
で接続されている。
【００３９】
半導体スイッチング素子（Ｑ１）７０１、半導体スイッチング素子（Ｑ２）７０２、半
導体スイッチング素子（Ｑ３）７０３、および半導体スイッチング素子（Ｑ４）７０４は
、この順番で直列接続されており、半導体スイッチング素子（Ｑ１）７０１と半導体スイ
ッチング素子（Ｑ２）７０２は図１の正極側配線Ｐと中性点配線Ｃとの間、半導体スイッ
チング素子（Ｑ３）７０３と半導体スイッチング素子（Ｑ４）７０４は中性点配線Ｃと負
極側配線Ｎとの間に、それぞれ配置される。また、クランプダイオード（ｃｄ）７０５と
クランプダイオード（ｃｄ）７０６とは直列接続されるとともに、半導体スイッチング素
子（Ｑ２）７０２と半導体スイッチング素子（Ｑ３）７０３に対して並列接続されている
。
【００４０】
ここで、図８が示すように、半導体スイッチング素子（Ｑ１）７０１と半導体スイッチ
ング素子（Ｑ２）７０２が、そして半導体スイッチング素子（Ｑ１）７０１と半導体スイ
ッチング素子（Ｑ２）７０２が、それぞれ鉄道車両の進行方向Ｘの方向に並んで配置され
ている。これは、鉄道車両の力行時は、中性点配線Ｃ側の半導体スイッチング素子（Ｑ２
）７０２と半導体スイッチング素子（Ｑ３）７０３の損失が大きく、これに伴って発生す
る熱量が大きい。そこで、この２つの半導体スイッチング素子を鉄道車両の進行方向Ｘに
対して直行する方向に並べて配置することにより、４つの半導体スイッチング素子（Ｑ１
〜Ｑ４）７０１〜７０４で発生した熱がほぼ均等に冷却フィン３００（又は３０１）に伝
導することが可能となり、バランス良く放熱することが可能となる。
【００４１】
なお、図８はコンバータ３０のＵ相の半導体素子の配列のみ示しているが、Ｖ相の半導
体素子も同様の配列である。
【００４２】
一方、インバータ４０のＵ相、Ｖ相、およびＷ相の半導体素子の配列も図８で示したコ
ンバータ３０と同じ構成とする。鉄道車両の力行時に損失が大きくなるのがコンバータ３
０と逆で、正極側配線Ｐに近い半導体スイッチング素子Ｑ１（７０１）と負極側配線Ｎに
近い半導体スイッチング素子Ｑ４（７０４）となるが、４つの半導体スイッチング素子（
Ｑ１〜Ｑ４）７０１〜７０４で発生した熱をほぼ均等に冷却フィン３００（又は３０１）
に伝導させるという効果に違いは無い。
【符号の説明】
【００４３】
１０…制御部、２０…変圧器、３０…コンバータ、４０…インバータ、５０…遮断器、
６１，６２…充電抵抗、７１，７２，７３，７４…接触器、８１，８２…分圧コンデンサ
、９０…電流検出器、１００…車両用制御装置、２０１…コンバータ部、２０２…インバ
ータ部、２０３…コントロール部、２０４…スイッチ・センサ部、３００，３０１…放熱
フィン
【図１】
2016010306.tif 000003
【図２】
2016010306.tif 000004
【図３】
2016010306.tif 000005
【図４】
2016010306.tif 000006
【図５】
2016010306.tif 000007
【図６】
2016010306.tif 000008
【図７】
2016010306.tif 000009
【図８】
2016010306.tif 000010