(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸騰冷却方式で冷却される複数の半導体素子と，この半導体素子を動作させるゲート駆動回路と，スナバ回路と，前記半導体素子の直列回路に並列に接続される相コンデンサと，を備えている電力変換装置を一括して車両の床下に設置する構成の車両用電力変換装置において、
前記相コンデンサの端子部を下側にして当該相コンデンサの端子部と前記半導体素子の主回路端子部とを接近させて設置し、当該相コンデンサに直列接続するべく導体をエッジワイズに巻いた調整リアクトルを前記相コンデンサの端子部と前記半導体素子の主回路端子部との間に接続すると共に前記相コンデンサの下側に備えることを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項２】
沸騰冷却方式で冷却される複数の半導体素子と，この半導体素子を動作させるゲート駆動回路と，スナバ回路と，前記半導体素子の直列回路に並列に接続される相コンデンサと，冷却用空気を送る送風装置と，を備えている電力変換装置を一括して車両の床下に設置する構成の車両用電力変換装置において、
前記相コンデンサの端子部を下側にして当該相コンデンサの端子部と前記半導体素子の主回路端子部とを接近させて設置し、当該相コンデンサに直列接続するべく導体をエッジワイズに巻いた調整リアクトルを前記相コンデンサの端子部と前記半導体素子の主回路端子部との間に接続すると共に前記相コンデンサの下側に備え、前記送風装置からの冷却空気を前記相コンデンサの反対側の面に送風する風ガイド板を備えることを特徴とする車両用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両の床下に設置して電力変換を行う沸騰冷却方式の半導体素子とその付属品とでなる車両用電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば新幹線の電車は、交流25,000ボルトの特別高圧の交流電力をコンバータにより所定電圧の直流電力に変換して直流電動機を駆動することにより、所望の速度で走行する。あるいはこの特別高圧交流電力をコンバータとインバータで所望の電圧と周波数の交流電力に変換して誘導電動機を可変速駆動することにより、所望の速度で走行する。車両ではこれらコンバータやインバータなどの電力変換装置とその付属品は床下に吊り下げて設置することになるので、広い取付けスペースを確保するのは困難である。そこで近年では、大電力の電力変換を行う際に発生する大量の発熱を効果的に除去できる沸騰冷却方式を採用することで、電力変換装置の小形化が図られている。沸騰冷却方式とは、冷却用液体（以下では冷媒と称する）が蒸発する際の気化熱で電力変換装置を構成する半導体素子の発熱を奪う冷却方式であり、気化した冷媒は上昇して凝縮器へ入り、ここで外気により冷却されて液体に戻る。液化した冷媒は下降して再び電力変換装置を冷却する。
【０００３】
図４は沸騰冷却方式の半導体素子とその付属品とを床下に設置している従来の車両用電力変換装置の概略を示した構成図である。この図４において、取付け板１よりも下側の部分は、図示は省略しているが密閉構造かあるいはフィルターを介して外気を取り入れることにより清浄な空気が流れている清浄区域２であり、取付け板１よりも上側の部分は一般の外気が通過する外気区域３であるが、この外気は水分やダストが含まれており、汚染されている。よって取付け板１は電力変換装置を構成する各機器を取り付ける役割と共に、清浄区域２と外気区域３とを区分する役割も有する。
【０００４】
半導体素子４を沸騰冷却する場合に、この半導体素子４を一括して液体の冷媒に浸積して冷却する一括沸騰冷却方式と、個々の半導体素子４またはその冷却フィンを別個に沸騰冷却する個別沸騰冷却方式とがあるが、いずれの場合も半導体素子４は清浄区域２に設置する。図４の従来例は個別沸騰冷却方式の場合であって、液体冷媒を封入した冷却体１１と破線で図示している半導体素子４（半導体素子４は、４組のスイッチング回路４Ａ〜４Ｄと２組のクランプダイオード４Ｅ，４Ｆとでなる。図５参照）とを交互に積み重ねて構成しており、冷却体１１に封入された液状の冷媒が半導体素子４の発熱で加熱されて沸騰・蒸発する際の気化熱が半導体素子４の熱を奪う。沸騰して気化した冷媒は液体よりも軽いからパイプ１２を経由して上部の凝縮器１３へ上昇する。すなわち沸騰冷却方式はその原理から、最上部に気化した冷媒を貯留する凝縮器１３があり、この凝縮器１３と下部の冷却体１１とをパイプ１２で連結する構造であり、冷媒全体が密封された構造になっている。
【０００５】
最上部の凝縮器１３を冷却するには大量の冷却用空気が必要である。そこでこの凝縮器１３を汚れた外気が通過する外気区域３に設置して冷却することにより、気化した冷媒を液体に戻す。液化した冷媒は重力で冷却体１１へ落下し、再び半導体素子４の発熱を奪って気化し上昇する過程を繰り返す。このような構造から、半導体素子４の上側部分にはパイプ１２と凝縮器１３とが存在することになるから、半導体素子４の主回路端子４Ｔは必然的に下側部分に設置されることになる。
【０００６】
半導体素子４を適切な時点でオン・オフ動作させるためのゲート駆動回路５と、半導体素子４が動作する際に回路の配線インダクタンスに蓄積されたエネルギーにより生じる急峻なスパイク電圧を緩和するためのスナバ回路６と、相コンデンサ７などの電力変換装置に付属する機器類は、汚損するとその性能が低下したり事故を発生する原因になるので、これらも清浄区域２に設置する。なおスナバ回路６は一般にスナバコンデンサとスナバダイオードとスナバ抵抗６Ｒとで構成している。スナバ抵抗６Ｒは前述した配線インダクタンスの蓄積エネルギーを消費して大量の熱を発生するのと、その構造が汚損に耐えることから、スナバ抵抗６Ｒのみは外気区域３に設置する。
【０００７】
清浄区域２には前述したように半導体素子４と共に、ゲート駆動回路５，スナバ回路６（但しスナバ抵抗６Ｒは除く），相コンデンサ７とを設置するが、これらはいずれもその動作時に生じる損失で温度が上昇する。そこで冷却ファン１５を設置し、この冷却ファン１５で清浄区域２の内部空気を循環させて各機器の温度上昇を抑制する。そこで清浄区域２にはこの循環空気を冷却するための冷却器も設置するのであるが、この冷却器は本発明とは無関係であるから、その図示は省略する。なお、７Ｔは相コンデンサ７の端子である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図５は車両用電力変換装置の主回路の一相分の例を示した主回路接続図であって、交流電力を直流電力に変換するコンバータの場合を図示している。
【０００９】
この図５において、ゲートターンオフサイリスタ（以下ではＧＴＯサイリスタと略記する）とダイオードとを逆並列接続することにより構成した半導体素子としてのスイッチング回路４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄを直列に接続し、これに２組の相コンデンサ７Ｐ．７Ｎの直列回路を並列に接続する。スイッチング回路４Ａと４Ｂの間とスイッチング回路４Ｃと４Ｄとの間には２組の半導体素子としてのクランプダイオード４Ｅ，４Ｆの直列回路を接続する。スイッチング回路４Ｂと４Ｃの間に設けた端子９Ｕに交流電力のＵ相を入力して各スイッチング回路をオン・オフ動作させることにより、直列した４組のスイッチング回路の両端に設けた端子９Ｐ，９Ｎから直流電力を取り出すことができる。また端子９Ｃは中性点である。なお図５の回路図ではゲート駆動回路５とスナバ回路６の図示は省略している。
【００１０】
ところで相コンデンサ７Ｐ，７Ｎには直列にリアクトルなどを挿入して、そのインダクタンスによりこれら相コンデンサ７Ｐ，７Ｎが共振するのを防止する必要があるが、車両床下の狭いスペースにリアクトルを収納するのは困難である。そこで従来は、図５の回路図に図示のように、相コンデンサ７Ｐと端子９Ｐとの間を接続する導体を引き回すことによって得られる配線インダクタンス８Ｐをリアクトルの代わりに利用する。同様に相コンデンサ７Ｎと端子９Ｎとの間の配線インダクタンス８Ｎと、相コンデンサ７Ｐと７Ｎの中間点と端子９Ｃとの間の配線インダクタンス８Ｃも導体の引き回しによって得られるものであり、これらを共振の防止に利用している。しかしながらこれら各配線インダクタンスは、断面積が大きい電線または導体バーを機器収納用の狭いスペース内に引き回すことによって所望のインダクタンス値にしているので、導体を狭いスペース内で引き回すのに手間がかかる欠点があった。
【００１１】
そこでこの発明の目的は、機器を適切に配置することで相コンデンサの共振を防止するリアクトルを含む電力変換装置を車両の狭い床下機器設置場所に収納できるようにすることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明の車両用電力変換装置は、
沸騰冷却方式で冷却される半導体素子とその付属品と相コンデンサとを備えている電力変換装置と、この電力変換装置へ冷却用空気を送る送風装置とを一括して車両の床下に設置するにあたって、前記相コンデンサはその端子部を下側にして取付け、この相コンデンサの下側のスペースに導体をエッジワイズに巻いた調整リアクトルを取付け、この調整リアクトルと相コンデンサとを直列に接続するものとする。
【００１３】
前記送風装置から送られる冷却空気が、前記相コンデンサの反対側の面にも送風されるようにする風ガイド板を備えるものとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施例を表した構成図であるが、図１に記載の取付け板１，清浄区域２，外気区域３，半導体素子４，ゲート駆動回路５，スナバ回路６，相コンデンサ７，冷却体１１，パイプ１２，凝縮器１３，および冷却ファン１５の名称・用途・機能は、図３で既述の従来例と同じであるから、これらの説明は省略する。
【００１５】
図１の第１実施例では、相コンデンサ７を逆さ（すなわち端子７Ｔを下側）にして取り付ける。前述したように相コンデンサ７Ｐ，７Ｎが共振するのを防止するために共振防止リアクトルを設ける必要があり、そのために配線導体を引き回して共振防止リアクトルとして所望の配線インダクタンスを確保しなければならなかった。そこで、本発明では、従来は相コンデンサ７Ｐ，７Ｎの端子７Ｔを慣習的に上側に配置していたのに着目し、先ず相コンデンサ７を逆さにして設置することにより、当該相コンデンサ７の端子７Ｔが下側に位置するようにして、半導体素子４の主回路端子４Ｔと相コンデンサ７の端子７Ｔとを接近させる。これにより、両者の接続を容易にする。次に、相コンデンサ７の共振防止リアクトルを確保するために、平角導体をエッジワイズに巻回した調整リアクトル２０を作成し、半導体素子４の主回路端子４Ｔと相コンデンサ７の端子７Ｔとの間に接続する。ここで調整リアクトル２０の巻回数を加減することにより、配線導体を引き回すよりも容易に所望のインダクタンス値が得られる。
【００１６】
図２は調整リアクトルの一例を示し、(a) はその平面図，(b) はその側面図，(c) はその概略展開図である。調整リアクトル２０は平角導体２０Ａをエッジワイズに長円形に複数回巻き回して形成され、コンパクトな構成をしている。なお、符号２０Ｂは調整リアクトル２０の一方の接続端であり、例えば相コンデンサ７の端子７Ｔに接続される。また、符号２０Ｃは調整リアクトル２０の他方の接続端であり、例えば半導体素子４の主回路端子４Ｔに接続される。
【００１７】
図３は本発明の第２実施例を表した構成図であるが、この第２実施例は図１で既述の第１実施例に風ガイド板３０を追加した構成であるから、風ガイド板３０のみを説明し、他の部分の説明は省略する。
【００１８】
前述したように、清浄区域２では清浄な空気を冷却ファン１５で各機器へ送風することで、運転中の温度上昇を抑制している。ところで相コンデンサ７は大形であって、冷却ファン１５が図示の位置にあるならば、相コンデンサ７の右側面には冷却風があたるが、左側面には冷却風はあたらずその温度は右側面よりも高くなる。そこで相コンデンサ７の冷却ファン１５とは反対の面に風ガイド板３０を設置し、冷却ファン１５からの冷却風を相コンデンサ７の反対面である左側面にも吹きつける構造にする。
【００１９】
【発明の効果】
車両用電力変換装置を当該車両の床下に設置する場合に、従来は相コンデンサの共振を防ぐためのインダクタンスは、導体の引き回しにより所定値になるようにしていたので、床下の狭いスペースに断面積が大きい導体を引き回すのに大変な手間が必要であった。また、相コンデンサの冷却が不十分なために大形化せざるを得なかったが、本発明によれば、相コンデンサを逆さに取り付けて相コンデンサの端子と半導体素子の主回路端子とを接近させることにより、両者の接続が容易になると共に導体バーをエッジワイズで巻いた調整リアクトルを設置するスペースを確保できるようになった。この調整リアクトルの巻数の加減により所望のインダクタンス値が容易に得られ、相コンデンサの共振の防止が簡単に行える。また冷却ファンが相コンデンサへ冷却風を吹きつける面とは反対側の面に風ガイド板を設置して、相コンデンサの反対面にも冷却風をあてることにより、当該相コンデンサをより効果的に冷却できるので、相コンデンサを小形化できて床下の狭いスペースへの収納を容易にできる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を表した構成図
【図２】第１実施例における調整リアクトルを表した概略図
【図３】本発明の第２実施例を表した構成図
【図４】沸騰冷却方式の半導体素子とその付属品とを床下に設置している従来の車両用電力変換装置の概略を示した構成図
【図５】車両用電力変換装置の主回路の一相分の例を示した主回路接続図
【符号の説明】
１                取付け板
２                清浄区域
３                外気区域
４                半導体素子
４Ｔ              半導体素子の主回路端子
５                ゲート駆動回路
６                スナバ回路
６Ｒ              スナバ抵抗
７                相コンデンサ
７Ｔ              相コンデンサの端子
８Ｃ，Ｎ，Ｐ      配線インダクタンス
９Ｃ，Ｎ，Ｐ，Ｕ  端子
１１                冷却体
１２                パイプ
１３                凝縮器
１５                冷却ファン
２０                調整リアクトル
３０                風ガイド板
【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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