电力变换装置以及铁道车辆的制作方法

本发明涉及电力变换装置，特别是涉及使用二合一半导体开关元件构成的电力变换装置以及铁道车辆。

背景技术：

在近年来的逆变器、转换器所代表的电力变换装置中，为了降低损耗而对搭载了多个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(Metal Oxcide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)等的半导体模块进行了搭载。

构成半导体模块的材料一直在以Si(Silicon)为中心发展，但为了进一步的损耗的降低，研究了SiC(Silicon Carbide，碳化硅)、GaN(Gallium Nitride，氮化镓)等宽禁带半导体的应用。与Si相比，SiC能够使开关动作动作高速化，并能够降低开关损耗。

另一方面，为了将由多个半导体开关元件构成的电力变换装置紧凑地收纳在框体内来构成堆叠(stack)，期望半导体开关元件是小型的。作为用于小型化的技术，已知设为将串联连接2个半导体开关元件而构成的支线(leg)作为1个单位的含有2个元件的模块(二合一半导体开关元件模块)的技术。

专利文献1涉及使用含有2个元件的模块而构成的电力变换装置的堆叠结构。具体来说，涉及“一种电力变换装置的堆叠结构，其由针对进行多相的交流输出或输入的电力变换电路的每1相并联连接多个的功率用半导体元件、用于冷却这些功率用半导体元件的散热器、和散热器冷却用的风扇构成，所述电力变换装置的堆叠结构的特征在于，将功率用半导体元件配置在所述散热器上时，相对于所述散热器冷却用风扇的通风方向按照每一相并列配置”。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2006-42406号公报

技术实现要素：

根据使用含有2个元件的模块而构成的专利文献1所涉及的电力变换装置的堆叠结构，能够实现小型化，但从半导体开关元件的冷却的观点来看是不充分的。详细理由在本发明的实施例中会进行明确，但其理由在于通过设为含有2个元件的模块而构成为长方形的模块的长边方向和安装于堆叠的冷却片的通风方向并未被最佳化。

综上所述，在本发明中，目的在于提供一种小型并且对冷却性能的提高加以考虑的堆叠结构的电力变换装置以及铁道车辆。

综上所述，在本发明中，提供“一种电力变换装置，具备：多个半导体模块，其在内部具备多个开关元件；受热块，其在一个面具备多个半导体模块；冷却片，其被设置于受热块的另一个面；滤波电容器，其与半导体模块电连接；和栅极驱动装置，其向开关元件发送控制信号，半导体模块的长边方向被朝向与通过所述冷却片之间的冷却风正交的方向而配置”。

能够提供一种小型并且对冷却性能的提高加以考虑的堆叠结构的电力变换装置以及铁道车辆。

附图说明

图1是表示半导体模块的各模块与支撑、搭载该模块的受热块以及冷却片的位置关系的图。

图2是表示一般的三相电力变换装置的电路构成的图。

图3是示出了电容器、半导体模块与正负的汇流条之间的连接关系的立体图。

图4是表示图1、图3的配置、连接关系的图。

图5是示出了配置在受热块上的二合一模块的配置与电极的位置关系的图。

具体实施方式

以下，使用附图来说明本发明的实施例。

【实施例】

首先，使用图2来说明一般的电力变换装置的电路构成。

在图2中，电力变换装置5由对直流电源101进行平滑的电容器102、103和开关元件Q1～Q6构成。另外该图虽然例示了3相电路，但这也可以是单相或者3相以上的多相电路。在使用了作为开关元件Q1、Q2以及Q3、Q4以及Q5、Q6分别相同的模块的二合一模块的情况下，电力变换装置5由具有开关元件Q1、Q2的半导体模块108、具有开关元件Q3、Q4的半导体模块109、和具有开关元件Q1、Q2的半导体模块1110构成。

电容器102、103可以是电解电容器、薄膜电容器中的任意一者，为了使电容器102、103大容量化，也可以构成为在其内部并联连接多个小容量的电容器单元。在此，在开关元件Q1～Q6为IGBT的情况下，需要与IGBT反向地分别并联连接二极管D1～D6，在开关元件Q1～Q6为MOSFET的情况下能够利用MOSFET的寄生二极管作为二极管D1～D6。此外，用D来记载开关元件Q1的漏极电极，用G来记载栅极电极，用S来记载源极电极。

半导体模块108由开关元件Q1与Q2串联连接而构成，开关元件Q1与Q2的连接点成为向电动机111的U相交流输出点。同样地，半导体模块109由开关元件Q3与Q4串联连接而构成，开关元件Q3与Q4的连接点成为向电动机111的V相交流输出点。半导体模块110由开关元件Q5和Q6串联连接而构成，开关元件Q5与Q6的连接点成为向电动机111的W相交流输出点。

为了将电容器102、103与半导体模块108、109、110电连接而使用了布线。在该布线中存在寄生电感104、105、106，其值依赖于布线的材料、长度、形状。

以降低该寄生电感104、105、106并且使其均匀为主要目的，在设为堆叠结构时，通过汇流条来构成图2的电路的布线部分。在图2的电路中，具体的汇流条构成部分是将电容器102、103的正侧电极与半导体模块108～110的正侧电极间的布线设为汇流条201，将电容器102、103的负 侧电极与半导体模块108～110的负侧电极间的布线设为汇流条202。此外，也可以将半导体模块108～110的串联开关元件的连接点与作为负载的电动机311之间按照每一相由汇流条203来构成。

图3是示出了电容器102、103、半导体模块108～110与正负的汇流条201、202之间的连接关系的立体图。由大小2个コ字状的铜板形成正负的汇流条201、202，例如在负的汇流条202内配置正的汇流条201。在大小2个コ字状的铜板201、202的内部空间配置了电容器102、103。由大小2个コ字状的铜板所形成的正负的汇流条201、202与电容器102、103之间，例如使在电容器102、103侧预先固定设置的正负的电极301、302压接于汇流条201、202，并且从汇流条201、202侧对电极301、302进行螺丝紧固并电连接。

电容器102、103与正负的汇流条201、202之间的连接使用コ字状的汇流条201、202的两侧板部来进行，半导体模块108～110与正负的汇流条201、202之间的连接使用コ字状的铜板201、202的底板部来进行。另外，图示中虽未明确示出，但在负的汇流条202内配置正的汇流条201时，两汇流条间的绝缘得到了确保。此外，为了将负的电极302连接于负的汇流条202，需要穿过在正的汇流条201上所开设的孔部，该情况下的绝缘也得到了确保。

接下来说明图3中，半导体模块108～110与正负的汇流条201、202之间的连接关系。另外在图示例中示出了半导体模块108～110的每一个为了成为大电流而并联连接了3个模块的情况。如图所示，由大小2个コ字状的铜板所形成的正负的汇流条201、202与按照每一相设为3个模块并联连接的半导体模块108～110的各模块之间，例如使在各模块108～110侧预先固定设置的正负的电极401、402压接于汇流条201、202，并且从汇流条201、202侧对电极401、402进行螺丝紧固并电连接。

图1是表示半导体模块108～110的各模块与支撑、搭载该模块的受热块7以及冷却片4的位置关系的图。受热块7在一个面配置了半导体模块108～110的各模块(108a、108b、108c、109a、109b、109c、110a、110b、110c)和栅极驱动装置G/D，在另一个面配置了多个冷却片4。另外，在图1中省略了用于各模块与其他部分的连接的电极的显示，但关于连接关 系另外使用图4来进行说明。

该图1示出了为了成为大电流而并联连接了3个模块的情况，处于如下关系：二合一模块108a、108b、108c与交流的U相连接，二合一模块109a、109b、109c与交流的V相连接，二合一模块110a、110b、110c与交流的W相连接。

如图1所示，本发明的情况下二合一模块(108a、108b、108c、109a、109b、109c、110a、110b、110c)为长方形，将长边方向配置为图示的上下方向30。相对于此，通过冷却片4的冷却风的方向是图示的左右方向40，方向30与40处于正交关系。此外在该图中，由于108为U相，109为V相，110为W相，因此分相模块的方向也配置为长边方向30。

根据图1可知，冷却器的冷却风的流动方向的长度比与冷却风正交的方向的长度短。

本发明的特征在于，将长方形的二合一模块的长边方向配置为与通过冷却片4的冷却风的方向正交的方向这一点。该理由可通过如下内容来说明：通过将二合一模块设为纵置，从而能够降低冷却风流动方向的二合一模块设置尺寸，结果能够降低冷却片4间的通风阻力，冷却风会在冷却片4间良好地流动，从而冷却效率得到提高，因此能够将冷却片4小型化。

图4是表示图1、图3的配置、连接关系的图，图4的左侧是图3的电容器侧，图4的右侧是冷却片4侧。在此，电力变换装置5以图4所示的朝向搭载在铁道车辆的地板下面。即，在图4所示的上侧具有铁道车辆的地板材料，在下侧具有轨道。此外，冷却风40的方向被搭载为与铁道车辆的行驶方向一致的方向。此外，从受热块7起左侧的半导体模块以及电容器被收纳在框体内，从受热块7起右侧的冷却片4露出于铁道车辆的地板下面空间，铁道车辆行驶时所产生的冷却风40通过冷却片4之间。

在该图中，由大小2个コ字状的铜板所形成的正负的汇流条201、202在图示中被表示コ字状的形状，在负的汇流条202的内部可以看见正的汇流条201的コ字状的形状。电容器102、103在高度方向上层叠了两级，电容器102、103与负的汇流条202之间由电极302连接。同样地，电容器102、103与正的汇流条201之间由电极301连接。

从在高度方向上层叠了三级的二合一模块108、109、110的每一个， 面向3种汇流条配置了电极。其中的2个是用于与正负的汇流条201、202的连接的电极401、402。第3电极面向用于得到图2的交流输出的汇流条203。交流的U、V、W相用的3个汇流条203U、203V、203W是形成为L字状的板状构件，虽未图示但在折弯的部分(用点线表示)，通过电极403，与各相用的二合一模块108、109、110的每一个共同连接。此外，汇流条203U、203V、203W连接到电动机311。

从左侧观察图4可知，在该配置中将平滑用的滤波电容器102、103配置在冷却器的受热块7的投影面上，将滤波电容器102、103的端子301、302配置在相对于冷却风的流动的方向40正交的方向(铅垂上下方向)的两侧。

图5是示出了配置在受热块7上的二合一模块的配置与电极的位置关系的图。是表示图4的A-A剖面的图。根据该图，构成为从受热块7上的下级朝向上级形成交流的U相、V相、W相，各相(各级)为了大电流化而并联配置了3模块。因此，在实现更大电流化的情况下，只要在横向(即铁道车辆的行进方向)上增加并联模块数量即可，由于无需增加限制严格的地板下面的上下方向的尺寸，因此在需要大电流的产品中也能够应用。

在各模块中，上方的2个圆圈是正的电极401，接着的2个圆圈是负的电极402，最下方的2个圆圈是到达交流端子的电极403。图5为了示出图4的A-A剖面，在该图上并未表示交流输出用的汇流条203U、203V、203W，但若方便地记载，则如点线所示。

此外根据图5的配置，在左侧位置向二合一模块的各半导体元件提供正负的触发信号的栅极驱动装置G/D被置于与构成1相的二合一模块的各半导体元件相邻的位置。在该构成中，能够从横向对并联连接而构成1个相的多个模块经由信号线33U、33V、33W来一并发送触发信号，即使发生模块数量的增加也不必考虑与其他部位的混触等，能够进行自由扩展。

根据本发明的特征被清楚地示出的图1、图5，采用模块纵置，使得模块的长边方向与通风方向正交。此外由二合一开关元件构成的多个相配置在与冷却风正交的方向上。由此在本发明中，即使模块并联数量增加，剖面结构也是共同的，设计上的扩展非常容易。

若设想将堆叠进行车辆搭载的情况，则能够根据电动机311的控制容量在动力单元的轨道方向上以最佳尺寸构成。顺便提及，在车辆搭载的情况下会将图5的上部固定安装配置于车辆下部。处于如下这样的关系：若控制容量较大，则箱长边方向变大，若控制容量较小则箱长边方向变小。

此外相比于专利文献，由于前面所述的理由，能够高效地进行冷却。另外，上述说明例示了向3相负载进行供电的情况，但这也可以是单相负载。此外，不仅仅是双电平，也可以是三电平的电路构成，逆变器、转换器没有要求。此外冷却器并不限定于片冷却。冷却风不仅仅是行驶风，也可以是风扇所产生的风。

根据以上说明的本发明的实施例，通过设为“一种电力变换装置，其特征在于，具备：切换直流电流、交流电流的电力变换电路；构成电力变换电路的二合一开关元件；用于冷却二合一开关元件的冷却器；平滑用的滤波电容器；和向开关元件发送信号的栅极驱动装置，二合一开关元件的长边方向朝向与冷却风正交的方向而配置，并且，由二合一开关元件构成的多个相被配置在与冷却风正交的方向上”，从而模块的长边方向与冷却风垂直，能够获得提高冷却性能这样的效果。

此外，通过将栅极驱动装置G/D配置于二合一元件的相邻的位置，从而能够简化从栅极驱动装置G/D到模块的信号线(缩短布线长度、布线不重叠而容易布线)。在高度限制下能够配置栅极驱动装置G/D，能够有助于小型化。

此外，二合一开关元件根据控制容量来改变并联数量并进行设置，并联连接的所述二合一开关元件通过设置为分别排列在冷却风的流动的方向上，从而能够简化从栅极驱动装置G/D到模块的信号线。

通过将平滑用的滤波电容器配置为冷却器的受热块的投影面上，将滤波电容器的端子配置在相对于冷却风的流动的方向正交的方向的两侧，从而主电路电流在上下方向上流动，栅极驱动装置G/D的栅极信号在左右方向上流动，因此具有彼此互不干扰，噪声不易加到栅极信号上这样的效果。在本实施例中，构成为将滤波电容器的端子配置在相对于冷却风的流动的方向正交的方向的两侧，但也可以构成为配置在相对于冷却风的流动的方向正交的方向的单侧，在该构成中主电路电流也在上下方向上流动，因此 具有噪声不易加到栅极信号上这样的效果。

将平滑用的滤波电容器配置在冷却器的受热块的投影面上，将滤波电容器的端子配置于相对于冷却风的流动的方向正交的方向的单侧1个部位的情况下也能够获得同等效果。

符号说明

4：冷却片

5：三相电力变换装置

7：受热块

101：直流电源

102、103：电容器

104、105、106：寄生电感

108、109、110：半导体模块

201、202、203：汇流条

301、302、401、402、403：电极

311：电动机

Q1～Q6：开关元件

D1～D6：二极管

D：漏极电极

G：栅极电极

S：源极电极

G/D：栅极驱动