專利名稱：電力轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力轉(zhuǎn)換裝置，尤其涉及使用了被設(shè)置于鐵道車輛的半導(dǎo)體元件的電力轉(zhuǎn)換裝置向冷卻器進行配置的元件配置方法。
背景技術(shù)：
電力轉(zhuǎn)換裝置一般地由半導(dǎo)體元件構(gòu)成，有將直流電源轉(zhuǎn)換成交流的逆變器電路、將交流電源轉(zhuǎn)換成直流的轉(zhuǎn)換器電路等，在逆變器電路中有對該交流輸出的電壓以及頻率可變地控制的可變電壓可變頻率(VVVF)逆變器電路。該VVVF逆變器電路在電力轉(zhuǎn)換裝置中被廣泛使用。例如，在鐵道車輛系統(tǒng)的直流電動車中，作為電力轉(zhuǎn)換裝置而一般使用VVVF逆變器電路，將直流轉(zhuǎn)換成電壓可變頻率可變的三相交流來控制交流感應(yīng)電動機。另外，在交流電車中，單相交流電源經(jīng)由轉(zhuǎn)換器電路暫時轉(zhuǎn)換成直流，該直流電源經(jīng)由逆變器電路轉(zhuǎn)換成電壓可變頻率可變的三相交流，從而驅(qū)動交流感應(yīng)電動機。另外，在不穩(wěn)定直流電源的穩(wěn)定化、將直流電壓改變成任意的值加以使用的情況、或者需要輸出與輸入電絕緣的直流電源的情況下，使用DC-DC轉(zhuǎn)換器電路，也可使用電力轉(zhuǎn)換裝置。在使用了這種半導(dǎo)體元件的電力轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換電路部中，由于在半導(dǎo)體元件的開關(guān)動作時或向半導(dǎo)體元件流通電流時產(chǎn)生的發(fā)熱損耗會產(chǎn)生熱量，因而該熱量經(jīng)由冷卻器向電力轉(zhuǎn)換裝置的外部排出，使得半導(dǎo)體元件的溫度變?yōu)槿菰S值以下。電力轉(zhuǎn)換裝置中所使用的冷卻器的基本構(gòu)成由安裝了半導(dǎo)體元件的受熱部和向外部氣體進行熱耗散的散熱部構(gòu)成，但是受熱部被置于電力轉(zhuǎn)換裝置的密閉室部分，散熱部被置于與外部氣體相通的開放室部分。然而，在先前敘述的DC-DC轉(zhuǎn)換器中公知通過提高施加頻率以使絕緣用變壓器小型化的方式，其中利用諧振電路以使開關(guān)動作損耗降低的方式的技術(shù)(軟開關(guān)動作)已經(jīng)公開在專利文獻I以及非專利文獻I中。圖7示出該電路結(jié)構(gòu)。圖7所示的DC-DC轉(zhuǎn)換器由下述部件構(gòu)成直流電壓源200、將直流電壓源200的直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力的轉(zhuǎn)換器201、將轉(zhuǎn)換器201所輸出的交流電力進行輸入的變壓器202、將變壓器202所輸出的交流電力轉(zhuǎn)換成直流電力的整流電路203、與整流電路203的直流輸出側(cè)并聯(lián)連接的諧振開關(guān)204和諧振電容器205構(gòu)成的諧振電路、將整流電路203所輸出的直流電力進行平滑化的濾波電抗器206和濾波電容器207、以及被并聯(lián)連接在濾波電容器207的負載208。該DC-DC轉(zhuǎn)換器與轉(zhuǎn)換器201的關(guān)斷的時刻相匹配地使諧振開關(guān)204動作，使諧振電流Iz與次級電流12疊加，由此能夠暫時性將次級電流12降低為零，將初級電流Il降低為只有變壓器202的勵磁電流的電平。通過與該時刻相匹配地關(guān)斷轉(zhuǎn)換器201，從而能夠大幅度地降低轉(zhuǎn)換器201的關(guān)斷損耗。在圖7所示的DC-DC轉(zhuǎn)換器中，在構(gòu)成轉(zhuǎn)換器201的半導(dǎo)體元件Ql Q4斷開的期間內(nèi)初級電流Il以及次級電流12為零，但是在構(gòu)成整流電路203的二極管中卻繼續(xù)流動著回流電流。若從該狀態(tài)起接通構(gòu)成轉(zhuǎn)換器201的半導(dǎo)體元件Q1、Q4,則開始流動初級電流Il和次級電流12，次級電流12的大小與負載電流Id相一致。此時，在構(gòu)成整流電路203的二極管的半數(shù)中流動大小與次級電流12相同的電流，其余半數(shù)的二極管的電流為零。圖2示出以3電平電路來使用該電路的轉(zhuǎn)換器部分時的電路的實施例。DC-DC轉(zhuǎn)換器13由下述部件構(gòu)成直流電壓源10、與直流電壓源10并聯(lián)連接的濾波電容器11 (FCl)以及濾波電容器12 (FC2)、將濾波電容器11以及濾波電容器12的直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力的轉(zhuǎn)換器13、將轉(zhuǎn)換器13所輸出的交流電力進行輸入的變壓器14、將變壓器14所輸出的交流電力轉(zhuǎn)換成直流電力的整流電路15、由與整流電路15的直流輸出側(cè)并聯(lián)連接的諧振開關(guān)16 (Qz)、諧振電容器17構(gòu)成的諧振電路21、將整流電路15所輸出的直流電力平滑化的濾波電抗器18和濾波電容器19、以及與濾波電容器19并聯(lián)連接的負載20。圖2所示的DC-DC轉(zhuǎn)換器與轉(zhuǎn)換器13的關(guān)斷的時刻相匹配地使諧振開關(guān)16動作，使諧振電流Iz與變壓器14的次級電流12疊加，由此能夠暫時性將次級電流12降低為零，將初級電流Il降低直到只有變壓器14的勵磁電流的電平為止。通過與該時刻相匹配地關(guān)斷轉(zhuǎn)換器13，從而能夠大幅度地降低轉(zhuǎn)換器13的關(guān)斷損耗。在圖2所示的DC-DC轉(zhuǎn)換器中，在構(gòu)成轉(zhuǎn)換器13的半導(dǎo)體元件Ql Q4斷開的期間內(nèi)初級電流Il以及次級電流12為零，但是在構(gòu)成整流電路15的二極管中卻繼續(xù)流動著回流電流。若從該狀態(tài)起接通構(gòu)成轉(zhuǎn)換器13的半導(dǎo)體元件Ql和Q2、或者Q3和Q4，則開始流動初級電流Il和次級電流12，次級電流12的大小與負載電流Id相一致。此時，在構(gòu)成整流電路15的二極管的半數(shù)中流動大小與次級電流12大小相同的電流，其余半數(shù)的二極管的電流為零。在進行這種動作的3電平電路的轉(zhuǎn)換器13中，按照半導(dǎo)體元件的發(fā)熱從大到小的順序依次為半導(dǎo)體元件Q1、Q4 >半導(dǎo)體元件Q2、Q3 >鉗位二極管D5、D6。半導(dǎo)體元件Ql Q4有與接通時的負載電流Id的導(dǎo)通相伴的損耗、和在進行接通或關(guān)斷之際所產(chǎn)生的開關(guān)動作損耗。另一方面，關(guān)于鉗位二極管D5、D6，由于只流動與開關(guān)動作相伴的換向(転流)動作下的電流，損耗小，因而與半導(dǎo)體元件Ql Q4相比，發(fā)熱量也小。另外，半導(dǎo)體元件Q1、Q4和半導(dǎo)體元件Q2、Q3的發(fā)熱量不同的原因在于，半導(dǎo)體元件Q1、Q4以變壓器14的勵磁電流程度關(guān)斷初級電流II，而半導(dǎo)體元件Q2、Q3以電流為零的方式關(guān)斷，因而尤其由關(guān)斷引起的開關(guān)動作損耗的大小存在差異，由此彼此的發(fā)熱量也存在差異。在后述的實施例之中說明其詳細理由。此時，如果將發(fā)熱大的半導(dǎo)體元件Q1、Q4盡量設(shè)置在冷卻器的冷卻性能高的位置、且配置在不會受到在冷卻器的同一平面所設(shè)置的其他發(fā)熱元件影響的位置，則能夠最大限度地利用冷卻性能，結(jié)果能夠使冷卻器小型且輕量化。為此，例如在專利文獻2中，關(guān)于具有使用了在鐵道車輛的底面所設(shè)置的半導(dǎo)體元件的3電平的轉(zhuǎn)換器電路的電力轉(zhuǎn)換裝置，公開了電力轉(zhuǎn)換裝置中的一個冷卻器110 (受熱部)上的半導(dǎo)體元件、以及二極管的冷卻用的配置方法。圖8是表示在專利文獻2中記載的轉(zhuǎn)換器電路2的I相份的一例的電路圖。轉(zhuǎn)換器電路采用a系統(tǒng)和b系統(tǒng)的2并聯(lián)構(gòu)成。首先，a系統(tǒng)構(gòu)成為在直流正端子P與直流負端子N之間串聯(lián)連接由第I半導(dǎo)體元件QlOla 第4半導(dǎo)體元件Q104a構(gòu)成的4個半導(dǎo)體元件，并且串聯(lián)連接第I 二極管DdlOla以及第2 二極管Ddl02a。同樣地，b系統(tǒng)也構(gòu)成為在直流正端子P與直流負端子N之間串聯(lián)連接由第I半導(dǎo)體元件QlOlb 第4半導(dǎo)體元件Q104b構(gòu)成的4個半導(dǎo)體元件，并且串聯(lián)連接第I 二極管DdlOlb以及第2 二極管Ddl02b。在第I 二極管Ddl01a、Ddl01b以及第2 二極管Ddl02a、Ddl02b的串聯(lián)電路連接著電容器CFl、CF2，并且設(shè)置有緩沖電路5。并且，在第2半導(dǎo)體元件Q102與第3半導(dǎo)體元件Q103的連接點連接著交流端子M，在第I 二極管DdlOl與第2 二極管Ddl02的連接點連接著中性點端子C。另外，在直流正端子P與直流負端子N之間連接著濾波電容器Fe。圖9示出專利文獻2的元件配置的一實施例。圖9所示的各元件的發(fā)熱損耗大小的順序按照從大到小的順序依次為半導(dǎo)體元件Q102a(Q102b)、Q103a(Q103b) >半導(dǎo)體元件 QlOla(QlOlb)、Q104a(Q104b) > 鉗位二極管 DdlOla(DdlOlb)、Ddl02a(Ddl02b)，如圖9所示那樣，在冷卻器110的受熱部上，將發(fā)熱損耗大的第2、第3半導(dǎo)體元件Q102a(Q102b)、Q103a(Q103b)配置于冷卻風(fēng)的上風(fēng)側(cè)，將發(fā)熱損耗小的第1、第2 二極管DdlOla(DdlOlb)、Ddl02a(Ddl02b)和第1、第 4 半導(dǎo)體元件 QlOla(QlOlb)、Q104a(Q104b)配置于Q102a(Q102b)以及Q103a(Q103b)的冷卻風(fēng)的下風(fēng)側(cè)。由此，能夠提高冷卻性能的效率，結(jié)果具有能使冷卻器HO小型化的效果。但是，這種配置使得冷卻 器110的橫向尺寸(即、與冷卻風(fēng)正交的正交方向尺寸)變大，并在裝配于鐵道車輛的底面的情況下，導(dǎo)致冷卻器110在軌道方向的尺寸變大，要取得較寬的裝配空間。為了減小冷卻器110在橫向的尺寸，作為以多級構(gòu)成的方式配置的例子而有圖10示出的構(gòu)成。將發(fā)熱大的半導(dǎo)體元件QlOla Q104a、Q101b Q104b配置于上風(fēng)側(cè)，將發(fā)熱小的鉗位二極管DdlOla(DdlOlb)、Ddl02a(Ddl02b)配置于下風(fēng)側(cè)。專利文獻專利文獻1:日本特開平4-368464號公報專利文獻2 :日本特開2003-79162號公報非專利文獻非專利文獻1:0· Deblecker, A. Moretti, AndF. Vallee :“ComparativeAnalysi sofTwozero-CurrentSwi tchinglso IatedDC-DCConveretersforAuxi IiaryRailwaySupply^ ” SPEEDAM2008.

發(fā)明內(nèi)容
然而，在上述專利文獻2的發(fā)明中存在以下敘述的問題。利用圖11來說明該問題。在圖11中示出由圖3的路徑II所示的電流路徑。可知電流路徑為較大的環(huán)狀，路徑長度較長。因而，存在下述問題電路的寄生電感變大，在半導(dǎo)體元件關(guān)斷時由該寄生電感產(chǎn)生的過電壓被施加給元件從而破壞半導(dǎo)體元件。為此，在專利文獻2中為了抑制半導(dǎo)體元件的電壓上升，實施了插入緩沖電路5的對策，但是卻招致了由元件個數(shù)的增加所引起的裝置的尺寸、重量的增加、因元件故障的風(fēng)險增加所引起的裝置可靠性的降低。本發(fā)明正是為了解決上述技術(shù)問題，其目的在于，在有效利用半導(dǎo)體元件的發(fā)熱差異來提高冷卻器的冷卻性能的電力轉(zhuǎn)換裝置中，通過降低寄生電感，在不附加緩沖電路的情況下就能抑制被施加給元件的過電壓，從而提高電力轉(zhuǎn)換器的可靠性。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換裝置，構(gòu)成電力轉(zhuǎn)換部的半導(dǎo)體元件組由一個單元構(gòu)成，所述電力轉(zhuǎn)換部的主電路構(gòu)成為在直流正端子與直流負端子之間串聯(lián)連接第I半導(dǎo)體元件 第4半導(dǎo)體元件這4個半導(dǎo)體元件，并且串聯(lián)連接第I 二極管以及第2 二極管，在第2半導(dǎo)體元件與第3半導(dǎo)體元件的連接點連接交流端子，并且在所述第I 二極管與所述第2 二極管的連接點連接中性點端子，所述第I 二極管被連接在所述第I半導(dǎo)體元件與所述第2半導(dǎo)體元件的連接點，所述第2 二極管被連接在所述第3半導(dǎo)體元件與所述第4半導(dǎo)體元件的連接點，構(gòu)成所述一個單元的所述半導(dǎo)體元件組被設(shè)置在同一平面上的冷卻器受熱部，按照自冷或強制風(fēng)冷來進行散熱，所述電力轉(zhuǎn)換裝置的特征在于，所述第I半導(dǎo)體元件和所述第4半導(dǎo)體元件被配置在所述冷卻器受熱部的上風(fēng)偵牝所述第2半導(dǎo)體元件和所述第3半導(dǎo)體元件被配置在所述冷卻器受熱部的冷卻風(fēng)方向的中央，所述第I 二極管和所述第2 二極管被配置在所述冷卻器受熱部的下風(fēng)側(cè)，所述第I半導(dǎo)體元件和所述第2半導(dǎo)體元件以及所述第3半導(dǎo)體元件和所述第4半導(dǎo)體元件相對于所述冷卻器受熱部的冷卻風(fēng)方向的中心線而言分別被配置在左右方向上的彼此相反側(cè)的位置，所述第I二極管和所述第2半導(dǎo)體元件相對于所述中心線而言被配置在左右方向上的相同側(cè)，所述第2 二極管和所述第3半導(dǎo)體元件相對于所述中心線而言被配置在左右方向上的相同側(cè)。另外，本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換裝置的特征在于，在通過自冷進行散熱的所述電力轉(zhuǎn)換裝置中，所述第I半導(dǎo)體元件和所述第4半導(dǎo)體元件被配置在所述冷卻器受熱部的鉛直方向的下側(cè)。此外，本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換裝置的特征在于，關(guān)于構(gòu)成所述電力轉(zhuǎn)換部的半導(dǎo)體元件組向所述冷卻器受熱部進行配置時的半導(dǎo)體元件的端子的朝向，被配置成上風(fēng)側(cè)為集電極端子、下風(fēng)側(cè)為發(fā)射極端子。另外，本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換裝置的特征在于，關(guān)于構(gòu)成所述電力轉(zhuǎn)換部的半導(dǎo)體元件組向所述冷卻器受熱部進行配置時的半導(dǎo)體元件的端子的朝向，所述第2半導(dǎo)體元件和所述第3半導(dǎo)體元件被配置成在與冷卻風(fēng)方向正交的朝向上排列發(fā)射極端子以及集電極端子，所述第I半導(dǎo)體元件和所述第4半導(dǎo)體元件被配置成在冷卻風(fēng)方向的朝向上排列發(fā)射極端子以及集電極端子，所述第I半導(dǎo)體元件和所述第4半導(dǎo)體元件的一方的發(fā)射極端子被配置在上風(fēng)側(cè)，另一方的發(fā)射極端子被配置在下風(fēng)側(cè)。此外，本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換裝置的特征在于，在所述第2半導(dǎo)體元件與所述第3半導(dǎo)體元件的連接點的交流輸出端子連接著變壓器的初級線圈，與所述變壓器的次級線圈連接起來的整流二極管電橋電路和在所述整流二極管電橋電路的輸出側(cè)由電抗器和電容器構(gòu)成的濾波電路相連接，在所述變壓器次級線圈輸出側(cè)設(shè)置有諧振電抗器，由半導(dǎo)體開關(guān)和諧振電容器構(gòu)成的諧振開關(guān)電路被并聯(lián)連接在所述整流二極管電橋的輸出側(cè)從而構(gòu)成所述諧振電抗器和所述諧振開關(guān)電路的諧振電容器的串聯(lián)諧振電路的直流電源裝置、即用所述一個單元構(gòu)成的半導(dǎo)體元件組的發(fā)熱是所述第I半導(dǎo)體元件和所述第4半導(dǎo)體元件的發(fā)熱最大、其次為所述第2半導(dǎo)體元件和所述第3半導(dǎo)體元件的發(fā)熱、所述第I 二極管和所述第2 二極管的發(fā)熱最小的這種3電平電路構(gòu)成的半導(dǎo)體元件組。以上，將3電平電路中的半導(dǎo)體元件組向冷卻器的配置設(shè)為如圖1所示那樣配置的電力轉(zhuǎn)換裝置。此外，在通過風(fēng)扇或送風(fēng)機等進行強制風(fēng)冷的情況下，也可以在冷卻器下級側(cè)設(shè)置風(fēng)扇或送風(fēng)機。發(fā)明效果本發(fā)明通過如上述“為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案”記載的那樣配置半導(dǎo)體元件、且以3電平方式構(gòu)成的電路中，縮短通過Ql — Q2 — Q3 — D6的閉合電路、或者通過Q2 — Q3 — Q4 — D5的閉合電路的距離，從而能夠抑制電路的寄生電感。另外，在圖2所示的這種3電平電路中，按照各元件的發(fā)熱從大到小的順序依次為半導(dǎo)體元件Q1、Q4 >半導(dǎo)體元件Q2、Q3 >鉗位二極管D5、D6，因而通過在冷卻器的冷卻效果高的一側(cè)放置發(fā)熱大的元件，從而能夠使冷卻性能最優(yōu)化，能夠使冷卻器小型化。尤其是，在自冷式的冷卻器中，利用該配置能夠同時實現(xiàn)冷卻性能的最大利用和電路電感的最小化。此外，通過進行縱向3級配置，從而能夠進一步減小與冷卻器的冷卻風(fēng)正交的方向上的長度(橫向?qū)挾?，在將電力轉(zhuǎn)換裝置裝配于鐵道車輛的底面的情況下能夠減小電力轉(zhuǎn)換裝置的尺寸。


圖1是表示本發(fā)明的實施例1的轉(zhuǎn)換器冷卻器的元件配置的例子的圖。圖2是表示本發(fā)明中的電氣電路構(gòu)成的圖。圖3是表示本發(fā)明中的電氣電路構(gòu)成的換向路徑的圖。圖4是表示本發(fā)明中的電氣電路構(gòu)成的動作時序圖的圖。圖5是表示本發(fā)明的實施例1的轉(zhuǎn)換器冷卻器的元件配置上的換向路徑的一例的圖。圖6是表示本發(fā)明的實施例2的轉(zhuǎn)換器冷卻器的元件配置上的換向路徑的圖。圖7是表示現(xiàn)有技術(shù)(專利文獻1、非專利文獻I)的電氣電路的構(gòu)成的圖。圖8是表示現(xiàn)有技術(shù)(專利文獻2)的電氣電路構(gòu)成的圖。圖9是表示現(xiàn)有技術(shù)(專利文獻2)的元件配置的一實施例的圖。圖10是表示現(xiàn)有技術(shù)(專利文獻2)的元件配置的第二實施例的圖。圖11是表示現(xiàn)有技術(shù)(專利文獻2)的元件配置上的換向路徑的一例的圖。符號說明I冷卻器10直流電壓源11濾波電容器12濾波電容器13轉(zhuǎn)換器14變壓器15整流電路16諧振開關(guān)17諧振電容器18濾波電抗器19濾波電容器
20 負載21諧振電路110冷卻器200直流電壓源201轉(zhuǎn)換器202變壓器203整流電路204諧振開關(guān)205諧振電容器206濾波電抗器207濾波電容器208 負載Cz諧振電容器D5鉗位二極管D6鉗位二極管DdlOla 鉗位二極管DdlOlb 鉗位二極管Ddl02a 鉗位二極管Ddl02b 鉗位二極管
D21 D24整流二極管FC濾波電容器FCl濾波電容器FC2濾波電容器FC3濾波電容器Il初級電流12次級電流Id負載電流In 電流Io 電流Ir 電流Iz諧振電流Li 電感Lz諧振電抗器Ql Q4半導(dǎo)體元件QlOla Q104a半導(dǎo)體元件QlOlb Q104b半導(dǎo)體元件Qz諧振開關(guān)Tr變壓器Lz諧振電抗器
V感應(yīng)電壓
具體實施例方式以下，使用附圖來說明本發(fā)明的實施方式。圖2是表示本發(fā)明中的電氣電路構(gòu)成的例子的圖。構(gòu)成為在直流正端子P與直流負端子N之間串聯(lián)連接由第I半導(dǎo)體元件Ql 第4半導(dǎo)體元件Q4構(gòu)成的4個半導(dǎo)體元件，并且串聯(lián)連接第I 二極管D5以及第2 二極管D6。第I 二極管D5以及第2 二極管D6的串聯(lián)連接體被連接在第I半導(dǎo)體元件Ql與第2半導(dǎo)體元件Q2的連接點和第3半導(dǎo)體元件Q3與第4半導(dǎo)體元件Q4的連接點之間。在第2半導(dǎo)體元件Q2與第3半導(dǎo)體元件Q3的連接點和第I 二極管D5與第2 二極管D6的連接點之間連接著變壓器14 (Tr)。另外，在直流正端子P與直流負端子N之間連接著濾波電容器11 (FCl)、12(FC2)。以下，使用示出了動作時序圖的圖4以及示出了換向路徑的圖3來說明該電路的動作。在時刻t0，半導(dǎo)體元件Ql為斷開狀態(tài)，Q2為接通狀態(tài)。從該狀態(tài)起，在時刻tl，半導(dǎo)體元件Ql接通,在半導(dǎo)體元件Ql、Q2中流動電流Ip。此時,在整流電路15的二極管D2UD24中流動電流Ir。在時刻t2,諧振開關(guān)Qz接通。由此,經(jīng)由諧振電抗器Lz和諧振電容器Cz流動著諧振電流Iz，諧振電容器Cz被充電。與該諧振動作相伴，在半導(dǎo)體開關(guān)Q1、Q2中流動的電流Ip和流經(jīng)二極管D21、D24的電流也增加。在時刻t3，諧振電容器Cz處于放電狀態(tài)，此時負載電流Id處于由諧振電路21供給的狀態(tài)，在二極管D21、D24中沒有流動電流。另外，此時流經(jīng)半導(dǎo)體元件Ql、Q2的電流Ip流動變壓器Tr的勵磁電流量。若在該狀態(tài)下關(guān)斷半導(dǎo)體元件Q1，則在半導(dǎo)體元件Ql中產(chǎn)生與該關(guān)斷相伴的開關(guān)動作損耗。于是，在該半導(dǎo)體元件Ql被關(guān)斷之時，至此在濾波電容器FCl的正側(cè)端子一半導(dǎo)體元件Ql —半導(dǎo)體元件Q2 —點a —變壓器Tr —點b —濾波電容器FCl的負側(cè)端子這一路徑(設(shè)為路徑(i_a))中流過的負載電流減少，換向為變壓器Tr—點b—鉗位二極管D5 —半導(dǎo)體元件Q2—點a—變壓器Tr這一路徑(設(shè)為路徑(1-b))的電流增加。該路徑(i_a)和路徑(1-b)的合計電路電感為圖3的路徑I的電路電感，若將該電路的電感設(shè)為Li，則根據(jù)路徑(i_a)和路徑(1-b)的電流變化率di/dt可知，半導(dǎo)體元件Ql關(guān)斷時的感應(yīng)電壓VSV = LiX di/dt，在電容器FCl的電壓上相加了該感應(yīng)電壓V后得到的電壓被施加給半導(dǎo)體元件Ql。在時刻t4，半導(dǎo)體元件Q3接通。此時，在來自諧振電容器Cz的放電結(jié)束了的狀態(tài)下，負載電流Id以回流的方式流動到整流電路15的二極管D21 D24。在時刻t5，半導(dǎo)體元件Q2關(guān)斷。在Q2中流動的電流，在通常動作時僅有通過換向而進行回流的微小電流流動著，幾乎為零，因而開關(guān)動作損耗極小。因而，在半導(dǎo)體元件Ql關(guān)斷時所產(chǎn)生的這種開關(guān)動作損耗不會產(chǎn)生，在半導(dǎo)體元件Ql和半導(dǎo)體元件Q2中損耗有差異，發(fā)熱量也存在差異。另外，此時在變壓器Tr —點b —鉗位二極管D5 —半導(dǎo)體元件Q2 —點a —變壓器Tr這一路徑(設(shè)為路徑(i1-a))中回流的電流減少，轉(zhuǎn)向為電容器FC2的負側(cè)端子一半導(dǎo)體元件Q4的續(xù)流二極管一半導(dǎo)體元件Q3的續(xù)流二極管一點a —變壓器Tr —點b —濾波電容器FC2的正側(cè)端子這一路徑(設(shè)為路徑(i1-b))的電流增加。該路徑(i1-a)與路徑(i1-b)的合計電路電感為圖3的路徑II的電感，若將該電路的電感設(shè)為Li，則根據(jù)路徑(i1-a)和路徑(i1-b)的電流變化率di/dt可知，半導(dǎo)體元件Q2關(guān)斷時的感應(yīng)電壓V為V = Li X di/dt，在濾波電容器FC2的電壓上相加了該感應(yīng)電壓V后得到的電壓被施加給半導(dǎo)體元件Q2。在通常動作時的半導(dǎo)體元件Q2關(guān)斷時，電流幾乎為零，因而在通常使用的范圍內(nèi)沒有問題，但是在由于異常時的保護動作等而使得從流動電流的狀態(tài)起關(guān)斷的情況下，所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓變大，故也需要注意該路徑II的電感。在時刻t6，半導(dǎo)體元件Q4接通，在半導(dǎo)體元件Q3、Q4中流動電流In。此時，在整流電路15的二極管D22、D23中流動電流Ιο。在時刻t7,諧振開關(guān)Qz接通。由此,經(jīng)由諧振電抗器Lz和諧振電容器Cz流動諧振電流Iz，諧振電容器Cz被充電。與該諧振動作相伴，在半導(dǎo)體開關(guān)Q3、Q4中流動的電流In和流經(jīng)二極管D22、D23的電流也增加。在時刻t8，諧振電容器Cz處于放電狀態(tài)，此時負載電流處于由諧振電路21供給的狀態(tài)，在二極管D22、D23中沒有流動電流。另外，此時流經(jīng)半導(dǎo)體元件Q3、Q4的電流In流動著變壓器Tr的勵磁電流量。若在該狀態(tài)下關(guān)斷半導(dǎo)體元件Q4，則在半導(dǎo)體元件Q4中會產(chǎn)生與該關(guān)斷相伴的開關(guān)動作損耗。在該半導(dǎo)體元件Q4關(guān)斷之時，至此在濾波電容器FC2的正側(cè)端子一點b —變壓器Tr —點a —半導(dǎo)體元件Q3 —半導(dǎo)體元件Q4 —濾波電容器FC2的負側(cè)端子這一路徑(設(shè)為路徑(iv-a))中流過的負載電流減少，換向為變壓器Tr—點a—半導(dǎo)體元件Q3—鉗位二極管D6 —點b —變壓器Tr這一路徑(設(shè)為路徑(iv-b))的電流增加。該路徑(iv-a)和路徑(iv-b)的合計電路電感為圖3的路徑IV的電路電感，若將該電路的電感設(shè)為Li，則根據(jù)路徑(iv-a)和路徑(iv-b)的電流變化率di/dt可知，半導(dǎo)體元件Q4關(guān)斷時的感應(yīng)電壓V為V = Li X di/dt，在該濾波電容器FC2的電壓上相加了該感應(yīng)電壓V后得到的電壓被施加給半導(dǎo)體元件Q4。在時刻t9，半導(dǎo)體元件Q2接通。此時，在來自諧振電容器Cz的放電結(jié)束了的狀態(tài)下，負載電流Id以回流方式流動到整流電路15的二極管D21 D24。在時刻tlO，半導(dǎo)體元件Q3關(guān)斷。在Q3中流動的電流，在通常動作時僅有通過換向而進行回流的微小電流流動著，幾乎為零，因而開關(guān)動作損耗極小。因而，在半導(dǎo)體元件Q4關(guān)斷時所產(chǎn)生的這種開關(guān)動作損耗不會產(chǎn)生，在半導(dǎo)體元件Q3和半導(dǎo)體元件Q4中損耗有差異，發(fā)熱量也存在差異。另外，此時在變壓器Tr —點a —半導(dǎo)體元件Q3 —鉗位二極管D6 —點b —變壓器Tr這一路徑(設(shè)為路徑(ii1-a))中回流的電流減少，轉(zhuǎn)向為濾波電容器FCl的負側(cè)端子一點b —變壓器Tr —點a —半導(dǎo)體元件Q2的續(xù)流二極管一半導(dǎo)體元件Ql的續(xù)流二極管一濾波電容器FCl的正側(cè)端子這一路徑(設(shè)為路徑(ii1-b))的電流增加。該路徑(ii1-a)與路徑(ii1-b)的合計電路電感為圖3的路徑III的電感，若將該電路的電感設(shè)為Li，則根據(jù)路徑(ii1-a)和路徑(ii1-b)的電流變化率di/dt可知，半導(dǎo)體元件Q2關(guān)斷時的感應(yīng)電壓V為V = Li X di/dt，在濾波電容器FCl的電壓上相加了該感應(yīng)電壓V后得到的電壓被施加給半導(dǎo)體元件Q3。在通常動作時的半導(dǎo)體元件Q3關(guān)斷時，電流幾乎為零，因而在通常使用的范圍內(nèi)沒有問題，但是由于異常時的保護動作等而使得從流動電流的狀態(tài)起關(guān)斷的情況下，所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓變大，故也需要注意該路徑III的電感。在以上的動作中，若半導(dǎo)體元件Ql Q4關(guān)斷時的電壓過大，則有時會超過半導(dǎo)體元件的耐壓從而直至元件破壞。為了降低該電壓，只要降低先前示出的圖3的路徑I 路徑IV的電路電感Li即可。為了降低路徑的電路電感Li，只要極力縮短路徑的布線長度、或者作為電流的路徑彼此接近的往返路徑而消除由于流經(jīng)往返路徑的電流所產(chǎn)生的磁場即可。在路徑I 路徑IV之中，尤其路徑II和路徑III中的路徑的距離長、電感大，因而需要極力減小這些路徑的距離。另外，因半導(dǎo)體元件Ql Q4的產(chǎn)生損耗所引起的發(fā)熱和因鉗位二極管D5、D6的產(chǎn)生損耗所引起的發(fā)熱有差異，按照發(fā)熱從大到小的順序依次為半導(dǎo)體開關(guān)Ql、Q4 >半導(dǎo)體開關(guān)Q2、Q3 >鉗位二極管D5、D6。為此，相對于該發(fā)熱偏差需要采用能有效進行冷卻的冷卻器I。[實施例1]圖1示出將圖3的路徑II和路徑III的距離設(shè)為最小、且能有效地冷卻半導(dǎo)體元件組而成的半導(dǎo)體元件組向冷卻器I進行配置的元件配置方法的第一實施例。以下，說明該配置方法。構(gòu)成電力轉(zhuǎn)換部的半導(dǎo)體元件Ql Q4以及D5、D6用一個單元構(gòu)成，構(gòu)成一個單元的半導(dǎo)體元件組被配置于與鐵道 車輛的底面的水平面垂直地配置在鉛直方向上的同一平面上的冷卻器1，通過自冷(通過被加熱的空氣上升而產(chǎn)生的空氣的對流)進行散熱。元件向冷卻器I進行配置的配置方法如圖1所示，在配置于冷卻器I的鉛直方向上的同一平面上，將第I半導(dǎo)體元件Ql和第4半導(dǎo)體元件Q4配置于受熱部的下側(cè)，將第2半導(dǎo)體元件Q2和第3半導(dǎo)體元件Q3配置于受熱部的中央，將第I 二極管D5和第2 二極管D6配置于受熱部的上側(cè)。另外，第I半導(dǎo)體元件Ql和第2半導(dǎo)體元件Q2以及第3半導(dǎo)體元件Q3和第4半導(dǎo)體元件Q4相對于冷卻器I的上下方向的中心線(線S)而言分別配置在左右方向上的彼此相反側(cè)的位置、即配置在與點R相交叉的位置，第I 二極管D5和第2半導(dǎo)體元件Q2相對于所述中心線(線S)而言配置在左右方向上的相同側(cè)，第2 二極管D6和第3半導(dǎo)體元件Q3相對于所述中心線(線S)而言配設(shè)在左右方向上的相同側(cè)。關(guān)于各半導(dǎo)體元件組的連接，如果使用平板狀導(dǎo)體以電流的去路電流和回路電流彼此相接近的方式使得平板狀導(dǎo)體重復(fù)連接，則能夠用去路電流和回路電流消除磁場從而謀求電感的降低。通過該元件配置，尤其在自冷式類型的冷卻器I中能夠提高冷卻器I的效率。由于暖空氣上升、冷空氣下降，因而在自冷式類型的冷卻器I中將由此發(fā)熱大的元件配置于冷卻器I的下側(cè)，將發(fā)熱小的元件配置于冷卻器I的上側(cè)。配置于上側(cè)的元件受到配置于下側(cè)的元件的發(fā)熱所引起的焙燒( ); >9 )，但由于配置于上側(cè)的元件其發(fā)熱小，因而結(jié)果冷卻器I整體的熱量得到均勻化，能夠有效地冷卻。在通過風(fēng)扇或送風(fēng)機等進行強制風(fēng)冷的情況下，也可在冷卻器I的下級側(cè)設(shè)置風(fēng)扇或送風(fēng)機，而從下級側(cè)送出冷卻風(fēng)。另外，在通過風(fēng)扇或送風(fēng)機等在橫向流動風(fēng)來進行強制風(fēng)冷的情況下，也可作為將圖1所示的冷卻器I向左右的其中一個方向旋轉(zhuǎn)90度后的朝向，而從配置了第I半導(dǎo)體元件Ql和第4半導(dǎo)體元件Q4的方向送出冷卻風(fēng)。另外，在現(xiàn)有技術(shù)中，如圖11的粗箭頭所示那樣路徑II的電流路徑的距離變長，但是也能夠?qū)⑵湓O(shè)為最短布線，如圖5的粗箭頭所示那樣縮短路徑II的距離。關(guān)于路徑III，也能與路徑II同樣地縮短距離。進而，關(guān)于該構(gòu)成，通過將半導(dǎo)體元件組在上下方向上配設(shè)成3級，從而能夠減小冷卻器I的左右方向尺寸(與冷卻風(fēng)正交的方向的長度尺寸)，電力轉(zhuǎn)換裝置能夠小型化，在裝配于鐵道車輛的底面的情況下能夠減小軌道方向的尺寸。此外，在本實施例中，說明了利用諧振電路降低了開關(guān)動作損耗的DC-DC轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成轉(zhuǎn)換器電路的3電平半導(dǎo)體元件組所用的例子，但即便在利用將交流轉(zhuǎn)換成直流的轉(zhuǎn)換器、將直流轉(zhuǎn)換成交流的VVVF逆變器電路等構(gòu)成了同樣的3電平電路之時，半導(dǎo)體元件組的發(fā)熱變?yōu)楸緦嵤├灸菢拥陌l(fā)熱偏差的情況下，通過采用向本實施例所示那樣的冷卻器I進行配置的元件配置，從而也能夠確保電感的降低和有效的冷卻性能。[實施例2]圖6示出將圖3的路徑II和路徑III的距離設(shè)為最小、且能有效地冷卻半導(dǎo)體元件組而成的半導(dǎo)體元件組向冷卻器I進行配置的元件配置方法的第二實施例。圖6內(nèi)的粗箭頭表不圖3的路徑II的換向路徑。與實施例1中說明過的圖1的配置方法不同之處在于，半導(dǎo)體元件Ql Q4的發(fā)射極端子或集電極端子的朝向不同。如圖6所示，配置于下級的半導(dǎo)體元件Ql和半導(dǎo)體元件Q4改變朝向使得彼此相差180度地配置。也就是說，在該例子中，半導(dǎo)體元件Ql被配置成集電極端子位于冷卻器I的下側(cè)，半導(dǎo)體元件Q4被配置成集電極端子位于冷卻器I的上側(cè)。另外，半導(dǎo)體元件Q2和半導(dǎo)體元件Q3改變朝向使得彼此相對于半導(dǎo)體元件Ql和半導(dǎo)體元件Q4相差90度地配置，且半導(dǎo)體元件Q2和半導(dǎo)體元件Q3的朝向配置為相同方向。也就是說，在與冷卻風(fēng)方向正交的朝向上配置發(fā)射極端子以及集電極端子。在該例子中，關(guān)于半導(dǎo)體元件Q2、半導(dǎo)體元件Q3，集電極端子被配置成位于冷卻器的右側(cè)，發(fā)射極端子被配置成位于冷卻器的左側(cè)。成為由此改變半導(dǎo)體元件的朝向進行配置的例子。通過這種元件配置，從而能夠抵消由去路電流和回路電流引起的磁場，并且能夠進一步縮短布線距離，能夠進一步降低電路的電感。
權(quán)利要求
1.一種電力轉(zhuǎn)換裝置，構(gòu)成電力轉(zhuǎn)換部的半導(dǎo)體元件組由一個單元構(gòu)成， 所述電力轉(zhuǎn)換部的主電路構(gòu)成為 在直流正端子與直流負端子之間串聯(lián)連接第I半導(dǎo)體元件至第4半導(dǎo)體元件這4個半導(dǎo)體元件，并且串聯(lián)連接第I二極管以及第2 二極管； 在第2半導(dǎo)體元件與第3半導(dǎo)體元件的連接點連接交流端子，并且在所述第I 二極管與所述第2 二極管的連接點連接中性點端子； 所述第I二極管被連接在所述第I半導(dǎo)體元件與所述第2半導(dǎo)體元件的連接點，所述第2 二極管被連接在所述第3半導(dǎo)體元件與所述第4半導(dǎo)體元件的連接點， 構(gòu)成所述一個單元的所述半導(dǎo)體元件組被設(shè)置在同一平面上的冷卻器受熱部，通過自冷或強制風(fēng)冷來進行散熱， 所述電力轉(zhuǎn)換裝置的特征在于， 所述第I半導(dǎo)體元件和所述第4半導(dǎo)體元件被配置在所述冷卻器受熱部的上風(fēng)側(cè)，所述第2半導(dǎo)體元件和所述第3半導(dǎo)體元件被配置在所述冷卻器受熱部的冷卻風(fēng)方向的中央，將所述第I二極管和所述第2 二極管配置在所述冷卻器受熱部的下風(fēng)側(cè)，所述第I半導(dǎo)體元件和所述第2半導(dǎo)體元件以及所述第3半導(dǎo)體元件和所述第4半導(dǎo)體元件相對于所述冷卻器受熱部的冷卻風(fēng)方向的中心線而言分別被配置在左右方向上的彼此相反側(cè)的位置，所述第I二極管和所述第2半導(dǎo)體元件相對于所述中心線而言被配置在左右方向上的相同偵牝所述第2 二極管和所述第3半導(dǎo)體元件相對于所述中心線而言被配置在左右方向上的相同側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 在通過自冷進行散熱的所述電力轉(zhuǎn)換裝置中，所述第I半導(dǎo)體元件和所述第4半導(dǎo)體元件被配置在所述冷卻器受熱部的鉛直方向的下側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 關(guān)于構(gòu)成所述電力轉(zhuǎn)換部的半導(dǎo)體元件組向所述冷卻器受熱部進行配置時的半導(dǎo)體元件的端子的朝向，被配置成上風(fēng)側(cè)為集電極端子、下風(fēng)側(cè)為發(fā)射極端子。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 關(guān)于構(gòu)成所述電力轉(zhuǎn)換部的半導(dǎo)體元件組向所述冷卻器受熱部進行配置時的半導(dǎo)體元件的端子的朝向， 所述第2半導(dǎo)體元件和所述第3半導(dǎo)體元件被配置成在與冷卻風(fēng)方向正交的朝向上排列發(fā)射極端子以及集電極端子， 所述第I半導(dǎo)體元件和所述第4半導(dǎo)體元件被配置成在冷卻風(fēng)方向的朝向上排列發(fā)射極端子以及集電極端子，所述第I半導(dǎo)體元件和所述第4半導(dǎo)體元件的一方的發(fā)射極端子被配置在上風(fēng)側(cè)，另一方的發(fā)射極端子被配置在下風(fēng)側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 在所述第2半導(dǎo)體元件與所述第3半導(dǎo)體元件的連接點的交流輸出端子連接著變壓器的初級線圈，與所述變壓器的次級線圈連接起來的整流二極管電橋電路和在所述整流二極管電橋電路的輸出側(cè)由電抗器和電容器構(gòu)成的濾波電路相連接，在所述變壓器次級線圈輸出側(cè)設(shè)置有諧振電抗器， 由半導(dǎo)體開關(guān)和諧振電容器構(gòu)成的諧振開關(guān)電路被并聯(lián)連接在所述整流二極管電橋的輸出側(cè)從而構(gòu)成所述諧振電抗器和所述諧振開關(guān)電路的諧振電容器的串聯(lián)諧振電路的直流電源裝置、即由所述一個單元構(gòu)成的半導(dǎo)體元件組的發(fā)熱為所述第1半導(dǎo)體元件和所述第4半導(dǎo)體元件的發(fā)熱最大、其次為所述第2半導(dǎo)體元件和所述第3半導(dǎo)體元件、所述第1二極管和所述第2 二極管的發(fā)熱最小這樣的3電平電路構(gòu)成的半導(dǎo)體元件組。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電力轉(zhuǎn)換裝置。由單元構(gòu)成的半導(dǎo)體元件組被配置于冷卻器受熱部1且通過自冷或風(fēng)冷來進行散熱，將第1、第4半導(dǎo)體元件(Q1、Q4)配置在冷卻器受熱部的下側(cè)，將第2、第3半導(dǎo)體元件(Q2、Q3)配置在中央，將第1二極管(D5)和第2二極管(D6)配置在上側(cè)，第1、第2半導(dǎo)體元件(Q1、Q2)、第3、第4半導(dǎo)體元件(Q3、Q4)相對于冷卻器的上下方向的中心線而言分別配置在左右方向上彼此相反側(cè)的位置，第1二極管(D5)和第2半導(dǎo)體元件(Q2)相對于所述中心線而言配置在左右方向上的相同側(cè)，第2二極管(D6)和第3半導(dǎo)體元件(Q3)相對于所述中心線而言配置在左右方向上的相同側(cè)。從而能夠有效利用電力轉(zhuǎn)換裝置的半導(dǎo)體元件組的發(fā)熱偏差來提高冷卻器的冷卻性能、且將電路的電感抑制為最小限度從而謀求冷卻器的小型化。
文檔編號H02M3/28GK103066846SQ20121038999
公開日2013年4月24日 申請日期2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者筱宮健志, 野崎雄一郎, 牧野雅史, 小西出政臣, 河野恭彥, 兒島徹郎, 杉浦徹 申請人:株式會社日立制作所