本發(fā)明涉及電力變換裝置，特別是涉及使用二合一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的電力變換裝置以及鐵道車(chē)輛。

背景技術(shù)：

在近年來(lái)的逆變器、轉(zhuǎn)換器所代表的電力變換裝置中，為了降低損耗而對(duì)搭載了多個(gè)IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)、MOSFET(Metal Oxcide Semiconductor Field Effect Transistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)等的半導(dǎo)體模塊進(jìn)行了搭載。

構(gòu)成半導(dǎo)體模塊的材料一直在以Si(Silicon)為中心發(fā)展，但為了進(jìn)一步的損耗的降低，研究了SiC(Silicon Carbide，碳化硅)、GaN(Gallium Nitride，氮化鎵)等寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用。與Si相比，SiC能夠使開(kāi)關(guān)動(dòng)作動(dòng)作高速化，并能夠降低開(kāi)關(guān)損耗。

另一方面，為了將由多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的電力變換裝置緊湊地收納在框體內(nèi)來(lái)構(gòu)成堆疊(stack)，期望半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件是小型的。作為用于小型化的技術(shù)，已知設(shè)為將串聯(lián)連接2個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件而構(gòu)成的支線(leg)作為1個(gè)單位的含有2個(gè)元件的模塊(二合一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件模塊)的技術(shù)。

專(zhuān)利文獻(xiàn)1涉及使用含有2個(gè)元件的模塊而構(gòu)成的電力變換裝置的堆疊結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，涉及“一種電力變換裝置的堆疊結(jié)構(gòu)，其由針對(duì)進(jìn)行多相的交流輸出或輸入的電力變換電路的每1相并聯(lián)連接多個(gè)的功率用半導(dǎo)體元件、用于冷卻這些功率用半導(dǎo)體元件的散熱器、和散熱器冷卻用的風(fēng)扇構(gòu)成，所述電力變換裝置的堆疊結(jié)構(gòu)的特征在于，將功率用半導(dǎo)體元件配置在所述散熱器上時(shí)，相對(duì)于所述散熱器冷卻用風(fēng)扇的通風(fēng)方向按照每一相并列配置”。

在先技術(shù)文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)1：JP特開(kāi)2006-42406號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)使用含有2個(gè)元件的模塊而構(gòu)成的專(zhuān)利文獻(xiàn)1所涉及的電力變換裝置的堆疊結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，但從半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的冷卻的觀點(diǎn)來(lái)看是不充分的。詳細(xì)理由在本發(fā)明的實(shí)施例中會(huì)進(jìn)行明確，但其理由在于通過(guò)設(shè)為含有2個(gè)元件的模塊而構(gòu)成為長(zhǎng)方形的模塊的長(zhǎng)邊方向和安裝于堆疊的冷卻片的通風(fēng)方向并未被最佳化。

綜上所述，在本發(fā)明中，目的在于提供一種小型并且對(duì)冷卻性能的提高加以考慮的堆疊結(jié)構(gòu)的電力變換裝置以及鐵道車(chē)輛。

綜上所述，在本發(fā)明中，提供“一種電力變換裝置，具備：多個(gè)半導(dǎo)體模塊，其在內(nèi)部具備多個(gè)開(kāi)關(guān)元件；受熱塊，其在一個(gè)面具備多個(gè)半導(dǎo)體模塊；冷卻片，其被設(shè)置于受熱塊的另一個(gè)面；濾波電容器，其與半導(dǎo)體模塊電連接；和柵極驅(qū)動(dòng)裝置，其向開(kāi)關(guān)元件發(fā)送控制信號(hào)，半導(dǎo)體模塊的長(zhǎng)邊方向被朝向與通過(guò)所述冷卻片之間的冷卻風(fēng)正交的方向而配置”。

能夠提供一種小型并且對(duì)冷卻性能的提高加以考慮的堆疊結(jié)構(gòu)的電力變換裝置以及鐵道車(chē)輛。

附圖說(shuō)明

圖1是表示半導(dǎo)體模塊的各模塊與支撐、搭載該模塊的受熱塊以及冷卻片的位置關(guān)系的圖。

圖2是表示一般的三相電力變換裝置的電路構(gòu)成的圖。

圖3是示出了電容器、半導(dǎo)體模塊與正負(fù)的匯流條之間的連接關(guān)系的立體圖。

圖4是表示圖1、圖3的配置、連接關(guān)系的圖。

圖5是示出了配置在受熱塊上的二合一模塊的配置與電極的位置關(guān)系的圖。

具體實(shí)施方式

以下，使用附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。

【實(shí)施例】

首先，使用圖2來(lái)說(shuō)明一般的電力變換裝置的電路構(gòu)成。

在圖2中，電力變換裝置5由對(duì)直流電源101進(jìn)行平滑的電容器102、103和開(kāi)關(guān)元件Q1～Q6構(gòu)成。另外該圖雖然例示了3相電路，但這也可以是單相或者3相以上的多相電路。在使用了作為開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2以及Q3、Q4以及Q5、Q6分別相同的模塊的二合一模塊的情況下，電力變換裝置5由具有開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2的半導(dǎo)體模塊108、具有開(kāi)關(guān)元件Q3、Q4的半導(dǎo)體模塊109、和具有開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2的半導(dǎo)體模塊1110構(gòu)成。

電容器102、103可以是電解電容器、薄膜電容器中的任意一者，為了使電容器102、103大容量化，也可以構(gòu)成為在其內(nèi)部并聯(lián)連接多個(gè)小容量的電容器單元。在此，在開(kāi)關(guān)元件Q1～Q6為IGBT的情況下，需要與IGBT反向地分別并聯(lián)連接二極管D1～D6，在開(kāi)關(guān)元件Q1～Q6為MOSFET的情況下能夠利用MOSFET的寄生二極管作為二極管D1～D6。此外，用D來(lái)記載開(kāi)關(guān)元件Q1的漏極電極，用G來(lái)記載柵極電極，用S來(lái)記載源極電極。

半導(dǎo)體模塊108由開(kāi)關(guān)元件Q1與Q2串聯(lián)連接而構(gòu)成，開(kāi)關(guān)元件Q1與Q2的連接點(diǎn)成為向電動(dòng)機(jī)111的U相交流輸出點(diǎn)。同樣地，半導(dǎo)體模塊109由開(kāi)關(guān)元件Q3與Q4串聯(lián)連接而構(gòu)成，開(kāi)關(guān)元件Q3與Q4的連接點(diǎn)成為向電動(dòng)機(jī)111的V相交流輸出點(diǎn)。半導(dǎo)體模塊110由開(kāi)關(guān)元件Q5和Q6串聯(lián)連接而構(gòu)成，開(kāi)關(guān)元件Q5與Q6的連接點(diǎn)成為向電動(dòng)機(jī)111的W相交流輸出點(diǎn)。

為了將電容器102、103與半導(dǎo)體模塊108、109、110電連接而使用了布線。在該布線中存在寄生電感104、105、106，其值依賴(lài)于布線的材料、長(zhǎng)度、形狀。

以降低該寄生電感104、105、106并且使其均勻?yàn)橹饕康?，在設(shè)為堆疊結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)匯流條來(lái)構(gòu)成圖2的電路的布線部分。在圖2的電路中，具體的匯流條構(gòu)成部分是將電容器102、103的正側(cè)電極與半導(dǎo)體模塊108～110的正側(cè)電極間的布線設(shè)為匯流條201，將電容器102、103的負(fù) 側(cè)電極與半導(dǎo)體模塊108～110的負(fù)側(cè)電極間的布線設(shè)為匯流條202。此外，也可以將半導(dǎo)體模塊108～110的串聯(lián)開(kāi)關(guān)元件的連接點(diǎn)與作為負(fù)載的電動(dòng)機(jī)311之間按照每一相由匯流條203來(lái)構(gòu)成。

圖3是示出了電容器102、103、半導(dǎo)體模塊108～110與正負(fù)的匯流條201、202之間的連接關(guān)系的立體圖。由大小2個(gè)コ字狀的銅板形成正負(fù)的匯流條201、202，例如在負(fù)的匯流條202內(nèi)配置正的匯流條201。在大小2個(gè)コ字狀的銅板201、202的內(nèi)部空間配置了電容器102、103。由大小2個(gè)コ字狀的銅板所形成的正負(fù)的匯流條201、202與電容器102、103之間，例如使在電容器102、103側(cè)預(yù)先固定設(shè)置的正負(fù)的電極301、302壓接于匯流條201、202，并且從匯流條201、202側(cè)對(duì)電極301、302進(jìn)行螺絲緊固并電連接。

電容器102、103與正負(fù)的匯流條201、202之間的連接使用コ字狀的匯流條201、202的兩側(cè)板部來(lái)進(jìn)行，半導(dǎo)體模塊108～110與正負(fù)的匯流條201、202之間的連接使用コ字狀的銅板201、202的底板部來(lái)進(jìn)行。另外，圖示中雖未明確示出，但在負(fù)的匯流條202內(nèi)配置正的匯流條201時(shí)，兩匯流條間的絕緣得到了確保。此外，為了將負(fù)的電極302連接于負(fù)的匯流條202，需要穿過(guò)在正的匯流條201上所開(kāi)設(shè)的孔部，該情況下的絕緣也得到了確保。

接下來(lái)說(shuō)明圖3中，半導(dǎo)體模塊108～110與正負(fù)的匯流條201、202之間的連接關(guān)系。另外在圖示例中示出了半導(dǎo)體模塊108～110的每一個(gè)為了成為大電流而并聯(lián)連接了3個(gè)模塊的情況。如圖所示，由大小2個(gè)コ字狀的銅板所形成的正負(fù)的匯流條201、202與按照每一相設(shè)為3個(gè)模塊并聯(lián)連接的半導(dǎo)體模塊108～110的各模塊之間，例如使在各模塊108～110側(cè)預(yù)先固定設(shè)置的正負(fù)的電極401、402壓接于匯流條201、202，并且從匯流條201、202側(cè)對(duì)電極401、402進(jìn)行螺絲緊固并電連接。

圖1是表示半導(dǎo)體模塊108～110的各模塊與支撐、搭載該模塊的受熱塊7以及冷卻片4的位置關(guān)系的圖。受熱塊7在一個(gè)面配置了半導(dǎo)體模塊108～110的各模塊(108a、108b、108c、109a、109b、109c、110a、110b、110c)和柵極驅(qū)動(dòng)裝置G/D，在另一個(gè)面配置了多個(gè)冷卻片4。另外，在圖1中省略了用于各模塊與其他部分的連接的電極的顯示，但關(guān)于連接關(guān) 系另外使用圖4來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

該圖1示出了為了成為大電流而并聯(lián)連接了3個(gè)模塊的情況，處于如下關(guān)系：二合一模塊108a、108b、108c與交流的U相連接，二合一模塊109a、109b、109c與交流的V相連接，二合一模塊110a、110b、110c與交流的W相連接。

如圖1所示，本發(fā)明的情況下二合一模塊(108a、108b、108c、109a、109b、109c、110a、110b、110c)為長(zhǎng)方形，將長(zhǎng)邊方向配置為圖示的上下方向30。相對(duì)于此，通過(guò)冷卻片4的冷卻風(fēng)的方向是圖示的左右方向40，方向30與40處于正交關(guān)系。此外在該圖中，由于108為U相，109為V相，110為W相，因此分相模塊的方向也配置為長(zhǎng)邊方向30。

根據(jù)圖1可知，冷卻器的冷卻風(fēng)的流動(dòng)方向的長(zhǎng)度比與冷卻風(fēng)正交的方向的長(zhǎng)度短。

本發(fā)明的特征在于，將長(zhǎng)方形的二合一模塊的長(zhǎng)邊方向配置為與通過(guò)冷卻片4的冷卻風(fēng)的方向正交的方向這一點(diǎn)。該理由可通過(guò)如下內(nèi)容來(lái)說(shuō)明：通過(guò)將二合一模塊設(shè)為縱置，從而能夠降低冷卻風(fēng)流動(dòng)方向的二合一模塊設(shè)置尺寸，結(jié)果能夠降低冷卻片4間的通風(fēng)阻力，冷卻風(fēng)會(huì)在冷卻片4間良好地流動(dòng)，從而冷卻效率得到提高，因此能夠?qū)⒗鋮s片4小型化。

圖4是表示圖1、圖3的配置、連接關(guān)系的圖，圖4的左側(cè)是圖3的電容器側(cè)，圖4的右側(cè)是冷卻片4側(cè)。在此，電力變換裝置5以圖4所示的朝向搭載在鐵道車(chē)輛的地板下面。即，在圖4所示的上側(cè)具有鐵道車(chē)輛的地板材料，在下側(cè)具有軌道。此外，冷卻風(fēng)40的方向被搭載為與鐵道車(chē)輛的行駛方向一致的方向。此外，從受熱塊7起左側(cè)的半導(dǎo)體模塊以及電容器被收納在框體內(nèi)，從受熱塊7起右側(cè)的冷卻片4露出于鐵道車(chē)輛的地板下面空間，鐵道車(chē)輛行駛時(shí)所產(chǎn)生的冷卻風(fēng)40通過(guò)冷卻片4之間。

在該圖中，由大小2個(gè)コ字狀的銅板所形成的正負(fù)的匯流條201、202在圖示中被表示コ字狀的形狀，在負(fù)的匯流條202的內(nèi)部可以看見(jiàn)正的匯流條201的コ字狀的形狀。電容器102、103在高度方向上層疊了兩級(jí)，電容器102、103與負(fù)的匯流條202之間由電極302連接。同樣地，電容器102、103與正的匯流條201之間由電極301連接。

從在高度方向上層疊了三級(jí)的二合一模塊108、109、110的每一個(gè)， 面向3種匯流條配置了電極。其中的2個(gè)是用于與正負(fù)的匯流條201、202的連接的電極401、402。第3電極面向用于得到圖2的交流輸出的匯流條203。交流的U、V、W相用的3個(gè)匯流條203U、203V、203W是形成為L(zhǎng)字狀的板狀構(gòu)件，雖未圖示但在折彎的部分(用點(diǎn)線表示)，通過(guò)電極403，與各相用的二合一模塊108、109、110的每一個(gè)共同連接。此外，匯流條203U、203V、203W連接到電動(dòng)機(jī)311。

從左側(cè)觀察圖4可知，在該配置中將平滑用的濾波電容器102、103配置在冷卻器的受熱塊7的投影面上，將濾波電容器102、103的端子301、302配置在相對(duì)于冷卻風(fēng)的流動(dòng)的方向40正交的方向(鉛垂上下方向)的兩側(cè)。

圖5是示出了配置在受熱塊7上的二合一模塊的配置與電極的位置關(guān)系的圖。是表示圖4的A-A剖面的圖。根據(jù)該圖，構(gòu)成為從受熱塊7上的下級(jí)朝向上級(jí)形成交流的U相、V相、W相，各相(各級(jí))為了大電流化而并聯(lián)配置了3模塊。因此，在實(shí)現(xiàn)更大電流化的情況下，只要在橫向(即鐵道車(chē)輛的行進(jìn)方向)上增加并聯(lián)模塊數(shù)量即可，由于無(wú)需增加限制嚴(yán)格的地板下面的上下方向的尺寸，因此在需要大電流的產(chǎn)品中也能夠應(yīng)用。

在各模塊中，上方的2個(gè)圓圈是正的電極401，接著的2個(gè)圓圈是負(fù)的電極402，最下方的2個(gè)圓圈是到達(dá)交流端子的電極403。圖5為了示出圖4的A-A剖面，在該圖上并未表示交流輸出用的匯流條203U、203V、203W，但若方便地記載，則如點(diǎn)線所示。

此外根據(jù)圖5的配置，在左側(cè)位置向二合一模塊的各半導(dǎo)體元件提供正負(fù)的觸發(fā)信號(hào)的柵極驅(qū)動(dòng)裝置G/D被置于與構(gòu)成1相的二合一模塊的各半導(dǎo)體元件相鄰的位置。在該構(gòu)成中，能夠從橫向?qū)Σ⒙?lián)連接而構(gòu)成1個(gè)相的多個(gè)模塊經(jīng)由信號(hào)線33U、33V、33W來(lái)一并發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，即使發(fā)生模塊數(shù)量的增加也不必考慮與其他部位的混觸等，能夠進(jìn)行自由擴(kuò)展。

根據(jù)本發(fā)明的特征被清楚地示出的圖1、圖5，采用模塊縱置，使得模塊的長(zhǎng)邊方向與通風(fēng)方向正交。此外由二合一開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的多個(gè)相配置在與冷卻風(fēng)正交的方向上。由此在本發(fā)明中，即使模塊并聯(lián)數(shù)量增加，剖面結(jié)構(gòu)也是共同的，設(shè)計(jì)上的擴(kuò)展非常容易。

若設(shè)想將堆疊進(jìn)行車(chē)輛搭載的情況，則能夠根據(jù)電動(dòng)機(jī)311的控制容量在動(dòng)力單元的軌道方向上以最佳尺寸構(gòu)成。順便提及，在車(chē)輛搭載的情況下會(huì)將圖5的上部固定安裝配置于車(chē)輛下部。處于如下這樣的關(guān)系：若控制容量較大，則箱長(zhǎng)邊方向變大，若控制容量較小則箱長(zhǎng)邊方向變小。

此外相比于專(zhuān)利文獻(xiàn)，由于前面所述的理由，能夠高效地進(jìn)行冷卻。另外，上述說(shuō)明例示了向3相負(fù)載進(jìn)行供電的情況，但這也可以是單相負(fù)載。此外，不僅僅是雙電平，也可以是三電平的電路構(gòu)成，逆變器、轉(zhuǎn)換器沒(méi)有要求。此外冷卻器并不限定于片冷卻。冷卻風(fēng)不僅僅是行駛風(fēng)，也可以是風(fēng)扇所產(chǎn)生的風(fēng)。

根據(jù)以上說(shuō)明的本發(fā)明的實(shí)施例，通過(guò)設(shè)為“一種電力變換裝置，其特征在于，具備：切換直流電流、交流電流的電力變換電路；構(gòu)成電力變換電路的二合一開(kāi)關(guān)元件；用于冷卻二合一開(kāi)關(guān)元件的冷卻器；平滑用的濾波電容器；和向開(kāi)關(guān)元件發(fā)送信號(hào)的柵極驅(qū)動(dòng)裝置，二合一開(kāi)關(guān)元件的長(zhǎng)邊方向朝向與冷卻風(fēng)正交的方向而配置，并且，由二合一開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的多個(gè)相被配置在與冷卻風(fēng)正交的方向上”，從而模塊的長(zhǎng)邊方向與冷卻風(fēng)垂直，能夠獲得提高冷卻性能這樣的效果。

此外，通過(guò)將柵極驅(qū)動(dòng)裝置G/D配置于二合一元件的相鄰的位置，從而能夠簡(jiǎn)化從柵極驅(qū)動(dòng)裝置G/D到模塊的信號(hào)線(縮短布線長(zhǎng)度、布線不重疊而容易布線)。在高度限制下能夠配置柵極驅(qū)動(dòng)裝置G/D，能夠有助于小型化。

此外，二合一開(kāi)關(guān)元件根據(jù)控制容量來(lái)改變并聯(lián)數(shù)量并進(jìn)行設(shè)置，并聯(lián)連接的所述二合一開(kāi)關(guān)元件通過(guò)設(shè)置為分別排列在冷卻風(fēng)的流動(dòng)的方向上，從而能夠簡(jiǎn)化從柵極驅(qū)動(dòng)裝置G/D到模塊的信號(hào)線。

通過(guò)將平滑用的濾波電容器配置為冷卻器的受熱塊的投影面上，將濾波電容器的端子配置在相對(duì)于冷卻風(fēng)的流動(dòng)的方向正交的方向的兩側(cè)，從而主電路電流在上下方向上流動(dòng)，柵極驅(qū)動(dòng)裝置G/D的柵極信號(hào)在左右方向上流動(dòng)，因此具有彼此互不干擾，噪聲不易加到柵極信號(hào)上這樣的效果。在本實(shí)施例中，構(gòu)成為將濾波電容器的端子配置在相對(duì)于冷卻風(fēng)的流動(dòng)的方向正交的方向的兩側(cè)，但也可以構(gòu)成為配置在相對(duì)于冷卻風(fēng)的流動(dòng)的方向正交的方向的單側(cè)，在該構(gòu)成中主電路電流也在上下方向上流動(dòng)，因此 具有噪聲不易加到柵極信號(hào)上這樣的效果。

將平滑用的濾波電容器配置在冷卻器的受熱塊的投影面上，將濾波電容器的端子配置于相對(duì)于冷卻風(fēng)的流動(dòng)的方向正交的方向的單側(cè)1個(gè)部位的情況下也能夠獲得同等效果。

符號(hào)說(shuō)明

4：冷卻片

5：三相電力變換裝置

7：受熱塊

101：直流電源

102、103：電容器

104、105、106：寄生電感

108、109、110：半導(dǎo)體模塊

201、202、203：匯流條

301、302、401、402、403：電極

311：電動(dòng)機(jī)

Q1～Q6：開(kāi)關(guān)元件

D1～D6：二極管

D：漏極電極

G：柵極電極

S：源極電極

G/D：柵極驅(qū)動(dòng)