(57)【要約】【課題】半導体素子の実装部分のスペースファクタを向上させて小型軽量化及びメンテナンス性の向上を図り、しかも耐ノイズ性の向上や配線インダクタンスの低減も図れる液冷式電力変換装置を提供することである。【解決手段】半導体素子１が取り付けられ内部に冷却液の流路を有する液冷フィン２と、冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器５と、これらと配管接続され冷却液を循環させるポンプ３とを備え、冷却フィン２と、半導体素子１にスイッチング信号を与えるゲートアンプ基板６と、半導体素子１の端子に接続される主回路導体７とをユニットフレーム１０内に収納してユニット構成とし、液冷フィン２は、半導体素子１の端子面が向かい合うように平行に対向して並べられた２個の液冷フィン２としたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が取り付けられ内部に冷却液の流路を有する液冷フィンと、冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、これらと配管接続され冷却液を循環させるポンプとを備えた液冷式電力変換装置において、前記冷却フィンと、前記半導体素子にスイッチング信号を与えるゲートアンプ基板と、前記半導体素子の端子に接続される主回路導体とをユニットフレーム内に収納してユニット構成とし、前記液冷フィンは、前記半導体素子の端子面が向かい合うように平行に対向して並べられた２個の液冷フィンであることを特徴とする液冷式電力変換装置。
【請求項２】
向かい合う前記半導体素子の端子に接続される主回路導体との間に絶縁板を挟んだことを特徴とする液冷式電力変換装置。
【請求項３】
半導体素子が取り付けられ内部に冷却液の流路を有する液冷フィンと、冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、これらと配管接続され冷却液を循環させるポンプとを備えた液冷式電力変換装置において、前記冷却フィンと、前記半導体素子にスイッチング信号を与えるゲートアンプ基板と、前記半導体素子の端子に接続される主回路導体とをユニットフレーム内に収納してユニット構成とし、前記ゲートアンプ基板は、前記液冷フィンの半導体素子の取付面に対し直交するように取り付けられたことを特徴とする液冷式電力変換装置。
【請求項４】
前記液冷フィンは、前記半導体素子の端子面が向かい合うように平行に対向して並べられた２個の液冷フィンであることを特徴とする請求項３記載の液冷式電力変換装置。
【請求項５】
前記液冷フィンは、その両面に半導体素子が取り付けられている液冷フィンであることを特徴とする請求項３記載の液冷式電力変換装置。
【請求項６】
前記主回路導体は装置実装状態で前記ユニットフレームの奥側となる位置でコネクタ接続され、装置実装状態で前記ユニットフレームの手前側に前記液冷フィンの配管接続部を設け、装置実装状態での手前側の前記配管接続部を避けた位置に前記ゲートアンプ基板を設けたことを特徴とする請求項３記載の液冷式電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子が取り付られた液冷フィンに冷却液を循環させて半導体素子を冷却するようにした液冷式電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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装置内に収納されている。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よく外気へ放出し、半導体素子温度を許容温度以下に冷却する必要がある。
【０００３】
これに必要な主な要素として、半導体素子から発生する熱損失の受熱部となる冷却体と、この熱損失を装置外部へ排出する放熱部とがある。電気機関車の機器室に設置される電力変換装置の半導体素子冷却方式に液冷式があるが、これは、半導体素子から発生する熱損失を受熱する冷却体と、それを外気へ排出する放熱部とが分離された冷却方式である。冷却体と放熱部との間を配管接続し、ポンプを使って冷媒を循環させ熱輸送を行うことで高い冷却効率を得ている。
【０００４】
図１１は従来の液冷式電力変換装置の構成図であり、図１１（ａ）は全体構成図、図１１（ｂ）は半導体素子の周辺部分の平面図である。電力変換回路を構成する半導体素子１は冷却体となる液冷フィン２に取付けられる。この液冷フィン２には内部に冷却液の流れる流路２ａが形成されており、ポンプ３により内部に強制的に冷却液が循環させられる。
【０００５】
配管４はポンプ３と液冷フィン２とを接続し、さらに液冷フィン２と熱交換器５、熱交換器５とポンプ３とを直列ループ状に接続して循環系を形成している。ポンプ３を駆動することで冷却液が強制循環され、半導体素子１より発生する熱損失は液冷フィン２を介して液冷フィン２内部の冷却液に入熱され、熱交換器５側で大気へ熱放散する。半導体素子１は上アーム側の半導体素子１と下アーム側の半導体素子とが１つの冷却フィン２に並べて配置されユニットフレーム１０内に収納されている。また、半導体素子１にスイッチング信号を与えるゲートアンプ基板６はスペースファクタをよくするため半導体素子１及び主回路導体７ａ、７ｂと平行に配置されている。
【０００６】
ここで、第１の半導体電子部品と、第１の半導体電子部品とは分離された第２の半導体電子部品とを有し、第１の半導体電子部品を冷却するために第１の半導体電子部品に設けられた第１のヒートシンクと、第２の半導体電子部品を冷却するために第２の半導体電子部品に設けられた第２のヒートシンクとを備え、第１と第２のヒートシンクに流れる冷却液は、共通のラジエータ、送風機、および冷却液循環ポンプによって供給・循環され、効率的に冷却することを可能とし、かつ循環液冷方式の冷却装置を小型化して車体床下に搭載することができるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２８７２１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１のものでは循環液冷方式の冷却装置を小型化できるが、電力変換回路を構成する半導体素子１の周辺部分の部品配置についての考慮がない。例えば、従来の液冷式電力変換装置において、半導体素子１を１つの冷却フィン２に並べて配置することは奥行き方向の寸法が大きくなりユニットの小型・軽量化が図れない。また、半導体素子１のスイッチングによる主回路電流の流れに平行してゲートアンプ基板６が配置されているので、主回路電流によるノイズを受けやすい。
【０００８】
本発明の目的は、半導体素子の実装部分のスペースファクタを向上させて小型軽量化及びメンテナンス性の向上を図り、しかも耐ノイズ性の向上や配線インダクタンスの低減も図れる液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】
【０００９】
本発明の液冷式電力変換装置は、半導体素子が取り付けられ内部に冷却液の流路を有する液冷フィンと、冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、これらと配管接続され冷却液を循環させるポンプとを備えた液冷式電力変換装置において、前記冷却フィンと、前記半導体素子にスイッチング信号を与えるゲートアンプ基板と、前記半導体素子の端子に接続される主回路導体とをユニットフレーム内に収納してユニット構成とし、前記液冷フィンは、前記半導体素子の端子面が向かい合うように平行に対向して並べられた２個の液冷フィンであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半導体素子の実装部分のスペースファクタが向上し、小型軽量化が図れると共にメンテナンス性の向上も図れる。また、耐ノイズ性の向上や配線インダクタンスの低減も図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる液冷式電力変換装置の構成図であり、図１（ａ）は全体構成図、図１（ｂ）はユニットフレームにおける半導体素子の周辺部構成の一例を示す平面図である。図１（ａ）において、電力変換回路を構成する半導体素子１は、冷却体となる液冷フィン２に取付けられている。この液冷フィン２は内部に冷却液の流れる流路２ａが形成されており、ポンプ３により内部に強制的に冷却液が循環させられる。
【００１２】
配管４はポンプ３と液冷フィン２とを接続するともに、液冷フィン２と熱交換器５とを接続し、さらに熱交換器５とポンプ３とを接続している。これにより、液冷フィン２とポンプ３と熱交換器５とを直列ループ状に接続して循環系を形成している。そして、ポンプ３を駆動することで冷却液が強制循環され、半導体素子１より発生する熱損失を液冷フィン２を介して液冷フィン２内部の冷却液に入熱する。そして、循環する冷却液がこの熱輸送を行い、熱交換器５側で大気へ熱放散する。
【００１３】
図１（ｂ）に示すように、半導体素子１はユニットフレーム１０内において、上アーム側の半導体素子１と下アーム側の半導体素子１とが２つの冷却フィン２に取り付けられ対面して配置される。半導体素子１の端子面が向かい合うように平行に対向して２個の液冷フィン２に取り付けられている。また、半導体素子１にスイッチング信号を与えるゲートアンプ基板６は半導体素子１及び主回路導体７ａ，７ｂと平行に配置される。
【００１４】
図１（ｂ）に示した一例では、主回路導体７ａ、７ｂの接続部分は、配管接続部と逆側（図の左側）としたものを示したが、図２に示すように、主回路導体７ａ、７ｂの接続部分を配管接続部と同じ側（図の右側）とするようにしてもよい。
【００１５】
第１の実施の形態によれば、配管接続側を正面側とした場合、上アーム側の半導体素子１と下アーム側の半導体素子１とを対面して配置するので奥行き方向の寸法を小さくできる。奥行き方向の寸法を小さくできるので、装置全体の奥行き方向の寸法を小さくすることができ、機関車内に搭載する場合等は機関車の通路幅を大きくとることが可能となり、メンテナンススペースが確保されメンテナンス性が向上する。また、ゲートアンプと半導体及び主回路導体の間に冷却フィンがあるため、主回路電流によるノイズを受けにくくできゲートアンプ基板の耐ノイズ信頼性が向上する。
【００１６】
図３は本発明の第２の実施の形態に係わる液冷式電力変換装置における半導体素子の周辺部構成の一例を示す平面図である。図１（ｂ）に示した第１の実施の形態に対し、主回路導体７ａ、７ｂの間に絶縁板８が挟んで設けられている。また、図３に示した一例では、主回路導体７ａ、７ｂの接続部分は、配管接続部と逆側（図の左側）としたものを示したが、図４に示すように、主回路導体７ａ、７ｂの接続部分を配管接続部と同じ側（図の右側）とするようにしてもよい。
【００１７】
第２の実施の形態によれば、向かい合う半導体素子１の電気端子それぞれで電位が異なる部分の電気絶縁、あるいは半導体素子１の端子に接続される導体の電気絶縁に絶縁板８を使うので、２個の液冷フィン２がより近く配置できる。従って、低インダクタンス化を図ることができ、さらにユニットの小形軽量化が図れる。
【００１８】
図５は本発明の第３の実施の形態に係わる液冷式電力変換装置における半導体素子１の周辺部構成の一例を示す平面図である。この第３の実施の形態は、図３に示した第２の実施の形態に対し、ゲートアンプ基板６を液冷フィン２と垂直に配置したものである。また、図５では、半導体素子１の端子面が向かい合うように平行に対向して２つの冷却フィン２を配置した場合について説明したが、図６に示すように、一つの冷却フィン２に２並列の半導体素子１を設置するようにしてもよい。
【００１９】
第３の実施の形態によれば、半導体素子１のスイッチングによる主回路電流の流れに直行してゲートアンプ基板６が配置されるので、主回路電流によるノイズを受けにくく、しかもゲートアンプ基板６の耐ノイズ信頼性が向上する。
【００２０】
また、装置実装状態で正面側にゲートアンプ部品６の実装面を手前にして配置できるのでメンテナンス性も向上する。また、液冷フィン２を２個以上が平行して配置した場合には、それらに取り付けられた半導体素子１の取付面それぞれに対し直行するようにゲートアンプ基板６を取り付けるので、ゲートアンプ基板６の耐ノイズ信頼性向上に加え、液冷フィン２を複数個並べた長さとゲートアンプ巾とがバランスがとれスペースファクタがよくなる。
【００２１】
図７は本発明の第４の実施の形態に係わる液冷式電力変換装置における半導体素子１の周辺部構成の一例を示す平面図である。この第４の実施の形態は、図１１（ｂ）に示した従来例に対し、液冷フィン２の両面に半導体素子１を取り付けたものである。また、図７ではゲートアンプ基板６は半導体素子１及び主回路導体７ａ、７ｂと平行に配置されているが、図８に示すように、ゲートアンプ６を液冷フィン２と垂直に配置するようにしてもよい。また、図８では主回路導体７ａ、７ｂの間に絶縁板８を挟んだ場合を示している。
【００２２】
第４の実施の形態によれば、液冷フィン２にはその両面に半導体素子が取り付けられているので、液冷フィン２とその両側の半導体素子１の巾寸法とゲートアンプ巾とがバランスがとれスペースファクタがよくなる。
【００２３】
図９は本発明の第５の実施の形態に係わる液冷式電力変換装置の構成図であり、図９（ａ）は全体構成図、図９（ｂ）は半導体素子の周辺部構成の一例を示す平面図である。図６に示した第３の実施の形態に対し、主回路接続部分をボルト接続でなく差込式のコネクタ９にしたものである。図９に示すように、主回路導体７ａ、７ｂの間に絶縁板８を挟み、ゲートアンプ基板６を液冷フィン２と垂直に配置し、半導体素子１を上側アーム・下側アーム共に２並列で液冷フィン２に取り付けている。また、主回路接続部分はボルト接続に代えて差込式のコネクタ９としている。図９（ｂ）では半導体素子１を上側アーム・下側アーム共に２並列で液冷フィン２に取り付けたが、図１０に示すように、上アーム側の半導体素子１と下アーム側の半導体素子１とが２つの冷却フィン２に取り付けられ対面して配置するようにしてもよい。
【００２４】
第５の実施の形態によれば、半導体素子１、それが取り付く液冷フィン２、ゲートアンプ基板６、半導体素子１の端子に接続される導体を少なくとも含むようなユニット構成とし、装置実装状態で奥側となる位置（図の左側）でコネクタ接続され、装置実装状態での手前側に液冷フィン２の配管接続部を設け、この配管接続部を避けた手前側にゲートアンプ基板６を設けているので、ゲートアンプ基板６の耐ノイズ性が向上する。また、低インダクタンス接続が必要な直流側の接続がユニット背面（奥側）でコネクタ接続となり、それと分離して手前側では、ゲートアンプ基板６へのゲート信号接続と冷却液を循環させる配管接続とそれぞれが分離されるので、メンテナンスや保守取扱い性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる液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周辺部構成の他の一例を示す平面図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係わる液冷式電力変換装置における半導体素子の周辺部構成の一例を示す平面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係わる液冷式電力変換装置における半導体素子の周辺部構成の他の一例を示す平面図。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係わる液冷式電力変換装置における半導体素子１の周辺部構成の一例を示す平面図。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係わる液冷式電力変換装置における半導体素子１の周辺部構成の他の一例を示す平面図。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係わる液冷式電力変換装置における半導体素子１の周辺部構成の一例を示す平面図。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係わる液冷式電力変換装置における半導体素子１の周辺部構成の他の一例を示す平面図。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係わる液冷式電力変換装置の構成図。
【図１０】本発明の第５の実施の形態に係わる液冷式電力変換装置における半導体素子１の周辺部構成の他の一例を示す平面図。
【図１１】従来の液冷式電力変換装置の構成図。
【符号の説明】
【００２６】
１…半導体素子、２…液冷フィン、２ａ…流路、３…ポンプ、４…配管、５…熱交換器、６…ゲートアンプ基板、７…主回路導体、８…絶縁板、９…コネクタ、１０…ユニットフレーム
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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