电力变换装置制造方法
【专利摘要】提出一种实现轻量化以及小型化并且能够适当保护功率开关元件并提高可靠性的电力变换装置。在铁道车辆用的电力变换装置中，具备：对直流电压进行平滑化的滤波电容器；释放蓄积在滤波电容器中的电荷的过电压保护装置；将直流电压变换为交流电压的多个功率开关元件；对功率开关元件进行冷却的冷却单元；和将滤波电容器、过电压保护装置以及功率开关元件电连接的导体棒，靠近滤波电容器来配置过电压保护装置。
【专利说明】电力变换装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电力变换装置，尤其是适合应用于铁道车辆用的电力变换装置中。
【背景技术】
[0002]设置于铁道车辆的电力变换装置通过多个功率开关元件对从铁道高架线输入的直流电力进行电力变换，输出给铁道车辆用的电动机。该电力变换装置主要由功率开关元件、用于冷却功率开关元件的冷却单元和用于实现从铁道高架线输入的直流电力的稳定化的滤波电容器构成。
[0003]在专利文献I中，公开了以下电力变换装置:将正侧臂和负侧臂串联连接起来而构成一相单元，其中，正侧臂是将缓冲电路与功率开关元件并联连接而构成的，负侧臂也是同样构成的，通过使用3个该一相单元并将它们连接起来，将三相交流电压变换为直流电压。
[0004]根据该专利文献I记载的电力变换装置，由于能够缩短将三相的单元相互连接的连接线，所以即使缓冲电路容量较小，也能够抑制施加至功率开关元件的高电压。
[0005]专利文献I JP特开平5-83957号公报
[0006]但是，专利文献I记载的电力变换装置中的缓冲电路由缓冲电阻器、缓冲二极管以及缓冲电容器构成，特别是由于具备缓冲电容器，所以较重且体积大。由此，在专利文献I记载的构成中，不能实现电力变换装置的轻量化。
[0007]此外，缓冲电路由于如上所述那样较重且体积大，所以在容纳电力变换装置的框体内需要与功率开关元件分开来设置。如果将缓冲电路与功率开关元件分开来设置，则在框体内的设备的布局中产生制约。由此，不能实现电力变换装置的小型化。
[0008]此外，如果将缓冲电路和功率开关元件分开来设置，则两者之间的布线变长，在长到一定程度以上的情况下，不能忽视布线的电感分量。在该情况下，在该布线部分产生感应电压，不能够适当地保护功率开关元件。
【发明内容】
[0009]本发明考虑以上的问题而完成，提出一种实现轻量化以及小型化并且能够适当保护功率开关元件并可提高可靠性的电力变换装置。
[0010]为了解决这样的课题，本发明的铁道车辆用的电力变换装置的特征在于，包括:对直流电压进行平滑化的滤波电容器；释放蓄积在滤波电容器中的电荷的过电压保护装置；将直流电压变换为交流电压的多个功率开关元件；对功率开关元件进行冷却的冷却单元；将滤波电容器、过电压保护装置以及功率开关元件电连接的导体棒，靠近滤波电容器来配置过电压保护装置。
[0011]根据本发明，能够实现轻量化以及小型化，并且能够适当保护功率开关元件来提高可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是表示电力变换装置的安装位置的整体结构图。
[0013]图2是电力变换装置的正面结构图。
[0014]图3是电力变换装置的立体结构图。
[0015]图4是电力变换装置的主要部分正面结构图。
[0016]图5是电力变换装置的电路结构图。
[0017]图6是现有技术中的电力变换装置的正面结构图。
[0018]图7是现有技术中的电力变换装置的立体结构图。
[0019]图8是现有技术中的电力变换装置的主要部分正面结构图。
【具体实施方式】
[0020]以下，参照附图详细说明本发明的一实施方式。
[0021]图1表示本实施方式的电力变换装置10的安装位置。电力变换装置10被容纳在配置于铁道车辆R的底面的框体I的内部。
[0022]图2表示电力变换装置10的正面结构。电力变换装置10由功率开关元件11、滤波电容器12、导体棒13、冷却单元14、输入输出端子15、门控制电路16、选通布线17以及过电压保护装置18构成。
[0023]电力变换装置10是从单相交流产生直流的装置以及从直流产生三相交流的装置。将前者称为转换器，将后者称为逆变器。
[0024]转换器将来自交流电源的单相交流电压变换为直流电压，对直流电压平滑用的滤波电容器12进行充电，由2相的相脚构成。
[0025]逆变器通过使功率开关元件11的接通/断开的比率发生连续变化，从而将充电至滤波电容器12的直流电压变换为交流电压，由三相的相脚构成。
[0026]电力变换装置10经由转换器以及逆变器产生三相交流，从而驱动设置于铁道车辆R中的电动机。另外，任一个电力变换都是通过对半导体组进行通电控制来进行的。此夕卜，在进行通电控制时，另行设置的控制装置输出控制信号，并经由安装于电力变换装置10的门控制电路16以及选通布线17来驱动功率开关元件11。
[0027]功率开关兀件11 例如是 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)。IGBT 具有导通电阻及驱动电流较小且开关速度较快的优点。另一方面，由于在通电以及断路时消耗大电力而发热，所以在本实施方式中，为了放热而设置冷却单元14。
[0028]滤波电容器12如上所述那样用来对直流电压进行平滑化。导体棒13是用于与外部设备电连接的平板状的连接线，也被称为层叠母线(laminate busbar)。积层母线具有在使用了 IGBT等功率开关元件11的电气电路中抑制快速进行开关动作时所产生的异常电压(浪涌电压)的构造。
[0029]具体地，导体棒13为了抑制导体的发热，使用体积电阻率小的铜作为材料，而且具有导体截面积较大的形状。将导体棒13作为较薄的平板形状的理由是为了降低布线电感。
[0030]冷却单元14由冷却块141、冷却片142以及热导管143构成。冷却块141吸收从功率开关元件11产生的热，将封入热导管143中的冷媒气化来进行冷却。冷却片142通过对气化的冷媒吹风来进行热交换，从而使冷媒再次液化。另外，本实施方式的冷却单元14采用热导管式，但是并不限于此，也可以采用散热器式。
[0031]输入输出端子15由用于输入直流的直流端子P及N、用于将从直流端子P及N输入的直流变换为任意频率及任意电压的3相交流后输出的交流端子U、V及W构成。
[0032]门控制电路16是用于生成以及输出选通信号的电路。选通布线17是用于将从门控制电路16生成以及输出的选通信号输出至功率开关元件11的布线。
[0033]过电压保护装置18由直流电压检测器181、功率开关元件182以及驱动电路183构成。过电压保护装置18是用于在滤波电容器12的过电压检测时和断开控制电源时将功率开关元件182设为接通，释放滤波电容器12所蓄积的电荷的装置。直流电压检测器181检测滤波电容器12的过电压，功率开关元件182在对滤波电容器12所蓄积的电荷进行释放时被切换为接通，驱动电路183驱动功率开关元件182对接通/断开进行切换。
[0034]另外，现有技术中的过电压保护装置除了上述结构外，还具备缓冲电路。缓冲电路是为了抑制在功率开关元件182被断开时产生的浪涌电压而使布线的电感分量所储存的能量转移到缓冲电容器的电路，由缓冲电阻器、缓冲二极管以及缓冲电容器构成。
[0035]在本实施方式中，采用从现有技术中的过电压保护装置中废除了缓冲电路的过电压保护装置18，由此实现轻量化以及小型化。
[0036]这里，如上述，由于缓冲电路是用于抑制浪涌电压的电路，所以如果废除缓冲电路则很难抑制浪涌电压，但是在本实施方式中，靠近滤波电容器12来配置过电压保护装置18，尽可能地缩短过电压保护装置18与滤波电容器12之间的布线(导体棒13)的长度。于是，成为能够忽略布线的电感的电平，所以能够抑制浪涌电压的产生。
[0037]图3表示电力变换装置10的立体结构。图3所示的立体结构是从图2所示的方向Dl观察的立体结构。电力变换装置10从近前侧直至进深侧，依次配置了过电压保护装置18、滤波电容器12、冷却块141及冷却片142，冷却块141中设置有输入输出端子15。这些作为电力变换装置10而被容纳在同一框体I内。
[0038]图4表示电力变换装置10的主要部分正面结构。这里，在图2所示的电力变换装置10之中，特别示出了功率开关元件11、滤波电容器12、导体棒13、冷却块141以及过电压保护装置18。
[0039]滤波电容器12以及过电压保护装置18被配置为，分别设置的端子成为同一方向，且相互靠近。导体棒13被设置成沿着这些滤波电容器12以及过电压保护装置18的上表面而延伸，而且将功率开关元件11、滤波电容器12以及过电压保护装置18设置成分别被连接。
[0040]在本实施方式，由于采用尽可能缩短滤波电容器12与过电压保护装置18之间的物理距离LI以及L2的配置结构，所以即使从过电压保护装置18中废除缓冲电路，也能够抑制在该部分产生感应电压。
[0041]图5表示电力变换装置10的电路结构。在铁道的馈电方式中，有交流式以及直流式，在电动机中也存在交流电动机以及直流电动机。于是，通过馈电方式和电动机的组合，在电力变换装置10中也能够单独具有逆变器或者单独具有转换器、或者具有两者的组合。在本实施方式中，作为一例，说明在直流馈电方式与交流电动机的组合的情况下应用的逆变器。
[0042]本实施方式的电力变换装置10的主电路由在输入输出端子15之中的直流端子P及N之间连接的滤波电容器2、和3相逆变器构成。3相逆变器将所输入的直流变换为任意频率以及任意电压的3相交流，将3相交流输出至输入输出端子15之中的交流端子U、V、I
[0043]3相逆变器由6个功率开关元件11构成。各相的功率开关元件11由元件、和与元件并联连接的续流二极管构成。
[0044]在本实施方式中，由于尽可能缩短了滤波电容器12与过电压保护装置18之间的布线的长度LI以及L2，所以能够抑制在该LI以及L2部分产生感应电压。
[0045]以下，参照图6?图8说明现有技术中的电力变换装置10A。针对与本实施方式的电力变换装置10相同的结构附加相同的符号或者对相同的符号附加A，省略其说明，针对不同的结构进行说明。
[0046]图6表示现有技术中的电力变换装置1A的正面构成。现有技术中的电力变换装置1A在以下方面与本实施方式中的电力变换装置10不同。
[0047]即，现有技术中的电力变换装置1A在以下方面与本实施方式中的电力变换装置10不同:在同一框体I内与过电压保护装置18A分开来设置；由于分开来设置，所以过电压保护装置18A和滤波电容器12A之间的布线的长度在一定程度以上，在该部分产生感应电压，有可能会对设置在过电压保护装置18A中的功率开关元件182A施加感应电压；为了保护功率开关元件182A，在过电压保护装置18A内设置缓冲电路184A。
[0048]图7表示现有技术中的电力变换装置1A的立体结构。电力变换装置1A从近前侧直至进深侧，依次配置有滤波电容器12A、冷却块141A以及冷却片142A，在滤波电容器12A的下部设置门控制电路16A，在冷却块141中设置输入输出端子15A。这些作为电力变换装置1A而被容纳在同一框体I内。此外，在同一框体I内与电力变换装置1A分开来设置过电压保护装置18A。
[0049]图8表示现有技术中的电力变换装置1A的主要部分正面结构。这里，在图6所示的电力变换装置1A之中，特别示出了功率开关元件11A、滤波电容器12A、导体棒13A、冷却块141A以及过电压保护装置ISA0
[0050]在现有技术中的方式中，由于滤波电容器12A与过电压保护装置18A之间的物理距离Lll以及L12变长，所以会在该部分中产生感应电压。于是，为了保护功率开关元件182A不受该感应电压影响，需要在过电压保护装置18A中具备缓冲电路184A。缓冲电路184A如上述那样由缓冲电阻器、缓冲二极管以及缓冲电容器构成，特别地，由于缓冲电容器较重且体积大，所以妨碍容纳过电压保护装置18A的框体I的轻量化以及小型化。
[0051]如以上，根据本实施方式，为了使滤波电容器12和过电压保护装置18之间的导体布线长度最短，挨着配置这些滤波电容器12以及过电压保护装置18，所以能够减少至可以忽略滤波电容器12与过电压保护装置18之间的导体布线的电感分量的水平，能够废除缓冲电路184A。于是，能够实现过电压保护装置18的轻量化以及小型化，并能够提高电力变换装置10的可靠性。
[0052]此外，使薄型平板形状的导体棒13靠近滤波电容器12与过电压保护装置18之间的连接并使其沿着该连接而延长，所以能够进一步实现布线电感的降低。
[0053]此外，伴随着过电压保护装置18的轻量化，将过电压保护装置18直接安装于电力变换装置10，能够固定为使过电压保护装置18和滤波电容器12靠近配置。
[0054]符号说明
[0055]I 框体
[0056]10电力变换装置
[0057]11功率开关元件
[0058]12滤波电容器
[0059]13导体棒
[0060]14冷却单元
[0061]15输入输出端子
[0062]16门控制电路
[0063]17选通布线
[0064]18过电压保护装置
【权利要求】
1.一种电力变换装置，用于铁道车辆中，该电力变换装置的特征在于，具备: 对直流电压进行平滑化的滤波电容器； 释放蓄积在所述滤波电容器中的电荷的过电压保护装置； 将直流电压变换为交流电压的多个功率开关元件； 对所述功率开关元件进行冷却的冷却单元；和 将所述滤波电容器、所述过电压保护装置以及所述功率开关元件电连接的导体棒， 靠近所述滤波电容器来配置所述过电压保护装置。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述过电压保护装置被固定成维持靠近所述滤波电容器配置的状态。
3.根据权利要求1或2所述的电力变换装置，其特征在于， 所述过电压保护装置通过直接安装于所述电力转换器而被固定。
4.根据权利要求1?3中任一项所述的电力变换装置，其特征在于， 所述过电压保护装置具备: 对蓄积在所述滤波电容器中的电压进行检测的直流电压检测器； 在释放所述滤波电容器所蓄积的电荷时被切换为接通的过电压保护装置用功率开关元件；和 对所述过电压保护装置用功率开关元件的驱动进行控制的驱动电路。
5.根据权利要求1?4中任一项所述的电力变换装置，其特征在于， 所述导体棒薄且具有平板形状，被配置成跨越所述滤波电容器和所述过电压保护装置之间而延伸，并且该导体棒连结所述滤波电容器和所述过电压保护装置。
6.根据权利要求5所述的电力变换装置，其特征在于， 与所述导体棒连接的所述滤波电容器的端子以及所述过电压保护装置的端子分别被配置在与所述电力变换装置相同的一侧。
【文档编号】H02M5/458GK104426385SQ201410377271
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】漆原法美, 菱田昭裕, 高木健雄 申请人:株式会社日立制作所