CN101682268A

CN101682268A - 功率转换装置

Info

Publication number: CN101682268A
Application number: CN200780053260A
Authority: CN
Inventors: 北中英俊; 薮内正隆
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2027-06-11
Also published as: EP2157685A4; JP4243308B2; JPWO2008152686A1; KR20100005157A; EP2157685A1; WO2008152686A1; US20100277871A1; CN101682268B; CA2688583A1; KR101144409B1; US8174833B2; MY164293A; CA2688583C; HK1140862A1; EP2157685B1

Abstract

本发明揭示了利用行驶风对开关元件进行冷却的功率转换装置中，并联连接多个开关元件时的高效的配置结构、以及冷却器的翅片的高效的构造。冷却器(50A)具有至少成为开关元件安装面的翅片底座(40A)、以及配置在其相反面的多个翅片(42A)而构成，各翅片(42A)为了散热而与外部气体接触那样配置，在功率转换电路是具有多组由正侧臂(UPC、VPC)及负侧臂(UNC、VNC)组成的支路的单相或者多相桥式电路时，将构成各相的支路的各开关元件组(UPC和UNC、以及VPC和VNC)在翅片底座(40A)上沿电车的行进方向依次排列而配置。

Description

功率转换装置

技术领域

本发明涉及电车用的功率转换装置。

背景技术

装载在电车的功率转换装置由整流器电路或逆变器电路构成，整流器电路或逆变器电路使得由IGBT(Insurated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅极双极型晶体管)或IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)等构成的开关元件进行开关动作以进行功率转换。

用于这些功率转换电路的开关元件会产生因通电而产生的导通损耗、以及因开关动作而产生的开关损耗。因此，为了得到开关元件的稳定的动作，需要将因损耗而产生的热量高效散发至大气中，将开关元件的温度冷却至既定值以下。

在以往的电车用的功率转换装置中，其结构一般为在冷却器上配置开关元件，利用风扇对冷却器进行强制风冷，使得从开关元件产生的热量进行散热。然而存在的问题是：在强制风冷方式中需要冷却风扇及其控制装置，会导致装置大型化。

另一方面，为了使装置小型化，设计出利用电车行驶产生的行驶风对开关元件进行冷却的方式(例如下述专利文献1等)。另外，该专利文献1所披露的方式的优点包括：构造比较简单，维护成本低廉，没有冷却风扇所引起的噪声等、可以降低对环境的负载。

专利文献1：日本专利特开2000-92819号公报

发明内容

本发明要解决的问题

然而，在利用电车的行驶风对开关元件进行冷却的方式具有的缺点是：与始终可以得到一定风量的利用风扇进行强制风冷的方式比较，得到的行驶风因电车的速度而变化，不是一定的，如何高效利用电车周围有限的行驶风对开关元件进行冷却是十分重要的。因此，不能最大限度地利用行驶风的结构会导致冷却器的大型化，产生质量增加等影响。

具体而言，以下的观点十分重要：

(1)如何在冷却器上配置构成功率转换电路的多个开关元件才好

(2)在构成需要并联连接多个开关元件的大容量的功率转换电路时，如何在冷却器上配置并联连接的元件才是最佳

(3)如何设置与外部气体接触的冷却器的翅片的高度或间隔才好

然而，由于在上述专利文献1中没有考虑到上述(1)至(3)项所示的任何一种观点，因此难以进一步使功率转换装置小型化、轻量化。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种利用行驶风进行冷却的功率转换装置，通过揭示一种并联连接多个开关元件时的高效的配置结构、以及冷却器的翅片的高效的构造，可以进一步实现该功率转换装置的小型化、轻量化。

用于解决问题的方法

为了解决上述问题、达到目的，本发明所涉及的功率转换装置装载在电车，具有冷却构成功率转换电路的多个开关元件的冷却器，其特征是，上述冷却器具有至少成为上述开关元件安装面的翅片底座、以及配置在其相反面的多个翅片而构成，上述各翅片为了散热而与外部气体接触那样配置，在上述功率转换电路是具有多组由上述开关元件构成的正侧臂及负侧臂所组成的支路的单相或者多相桥式电路时，将构成上述各相的支路的各开关元件在上述翅片底座上沿电车的行进方向依次排列而配置。

发明的效果

根据本发明所涉及的功率转换装置，冷却器具有至少成为开关元件安装面的翅片底座、以及配置在其相反面的多个翅片而构成，各翅片为了散热而与外部气体接触那样配置，将构成各相的支路的各开关元件的组在翅片底座上沿电车的行进方向依次排列而配置。利用该配置结构，具有的效果是：可以提供一种可以高效冷却多个开关元件、可以进一步实现小型化、轻量化的功率转换装置。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的功率转换装置的结构例的图。

图2是表示本发明的实施方式1的、功率转换装置对电车的装载状态的一个例子的图。

图3是表示本发明的实施方式1的整流器用冷却器与各开关元件的配置关系的一个例子的图。

图4是说明本发明的实施方式1的流过翅片中的风速特性的图。

图5是表示本发明的实施方式1的、对翅片底座的开关元件配置的一个例子的图。

图6是表示开关元件的内部结构的图。

图7是表示本发明的实施方式1的整流器部及逆变器部的相对于电车速度的产生损耗的一个例子的图。

图8是表示本发明的实施方式1的整流器用冷却器的一个例子的图。

图9是表示本发明的实施方式1的逆变器用冷却器的一个例子的图。

图10是表示本发明的实施方式1的整流器用冷却器(逆变器用冷却器)的冷却性能的一个例子的图。

图11是表示本发明的实施方式2的整流器部的电路结构的一个例子的图。

图12是表示本发明的实施方式2的、对翅片底座的开关元件配置的一个例子的图。

图13是表示本发明的实施方式3的整流器部的电路结构的一个例子的图。

图14是表示本发明的实施方式3的、对翅片底座的开关元件配置的一个例子的图。

图15是表示本发明的实施方式4的翅片底座的内部构造的一部分的图。

图16是沿着图15的A-A线的向视剖视图。

图17是表示本发明的实施方式5的、整流器部的对翅片底座的开关元件配置和散热管的配置的一个例子的图。

标号说明

1架空线

2集电装置

3车轮

4轨道

6变压器

9车体

10接触器

11电气设备

20、20a、20b整流器部

30、30P、30N电容器

40A翅片底座(整流器部)

40B翅片底座(逆变器部)

42A翅片(整流器部)

42B翅片(逆变器部)

45IGBT芯片

46散热管

50A整流器用冷却器

50B逆变器用冷却器

UD1A、UD2A、UD1B、UD2B二极管

UPC、VPC、UNC、VNC、UPI、VPI、WPI、UNI、VNI、WNI、UPCA、UPCB、UNCA、UNCB、VPCA、VPCB、VNCA、VNCB、UPC1、UPC2、UNC3、UNC4、VPC1、VPC2、VNC3、VNC4、UPC1A、UPC2A、UNC3A、UNC4A、UPC1B、UPC2B、UNC3B、UNC4B、VPC1A、VPC2A、VNC3A、VNC4A、VPC1B、VPC2B、VNC3B、VNC4B开关元件

60逆变器部

80电动机

100功率转换装置

具体实施方式

下面，基于附图详细说明本发明所涉及的功率转换装置的理想的实施方式。另外，本发明不限于以下的实施方式。

实施方式1.

图1是表示本发明的实施方式1的功率转换装置的结构例的图。该图所示的功率转换装置100包括构成功率转换电路的整流器部20、电容器30及逆变器部60、和接触器10而构成。另外，与配置于功率转换装置100的输入端的接触器10连接变压器6，与配置于功率转换装置100的输出端的逆变器部60连接驱动电车的电动机80。另外，使用感应电动机或同步电动机作为电动机80时较为理想。

另外，图1中，变压器6的一次绕组的一端通过集电装置2与架空线1连接，另一端通过车轮3与地电位即轨道4连接。从架空线1提供的功率(一般为交流20KV至25KV)通过集电装置2输入至变压器6的一次绕组，并且，在变压器6的二次绕组中产生的功率通过接触器10输入至整流器部20。

接触器10配置在变压器6的二次绕组与整流器部20之间，进行供电电路的开关。另外，在图1的例子中，图示了将具有2条的交流输入线的2条线接通、断开的结构，但也可以在任意一条交流输入线配置接触器。

整流器部20具有将由开关元件UPC、VPC构成的正侧臂(例如在U相中为UPC)、和由开关元件UNC、VNC构成的负侧臂(例如在U相中为UNC)分别串联连接的电路部(以下称作“支路(leg)”)。即，在整流器部20中，构成具有2组(U相、V相)支路的单相桥式电路。作为开关元件UPC、VPC、UNC、VNC，使用内置反并联二极管的IGBT元件或IPM元件时较为理想。另外，也可以增加支路的数量作为多相桥式电路，该结构也包含在本发明的要点内。

整流器部20通过对开关元件UPC、VPC、UNC、VNC进行PWM控制，将输入的交流电压转换为期望的直流电压并输出。另外，整流器部20的详细的结构和控制方法有各种已知例，此处省略详细的说明。另外，在图1的例子中，表示了作为双电平整流器电路的整流器部20，但除此以外，例如也可以由三电平整流器电路(已知)等构成，其结构例在后面叙述。

与整流器部20的输出端并联连接成为直流电源的电容器30，并且连接将电容器30的直流电压作为输入、将其转换为任意电压和频率的交流电压并输出的逆变器部60。

逆变器部60具有将由开关元件UPI、VPI、WPI构成的正侧臂(例如在U相中为UPI)、和由开关元件UNI、VNI、WNI构成的负侧臂(例如在U相中为UNI)分别串联连接的支路。即，在逆变器部60中，构成具有3组(U相、V相、W相)支路的三相桥式电路。作为开关元件UPI、VPI、WPI、UNI、VNI、WNI，使用内置反并联二极管的IGBT元件或IPM元件时较为理想。

逆变器部60通过对开关元件UPI、VPI、WPI、UNI、VNI、WNI进行PWM控制，将输入的直流电压转换为期望的交流电压并输出。另外，逆变器部60的详细的结构和控制方法有各种已知例，此处省略详细的说明。另外，在图1的例子中，表示了作为双电平逆变器电路的逆变器部60，但除此以外，例如也可以由三电平逆变器电路(已知)等构成，其结构例在后面叙述。另外，在图1的例子中，表示了支路的数量是3(三相)时的结构例，但支路的数量不限于此。

另外，在图1中，作为实施方式1所涉及的功率转换装置的理想的实施方式，表示了作为适用于交流输入的电车时的一个例子，但对于地铁或郊外电车等使用较多的直流输入的电车也可以同样适用。另外，在适用于直流输入的电车时，除了不需要变压器6及整流器部20的结构外，可以采用与图1相同的结构，当然也可以将本实施方式所涉及的内容适用于该直流输入的电车。

图2是表示本发明的实施方式1的、功率转换装置对电车的的装载状态的一个例子的图。如图2所示，功率转换装置100与其他电气设备11都配置在电车的车体9的底板下。另外，在功率转换装置100的底面，分别配置由翅片底座40A和多个翅片42A组成的整流器用冷却器50A、以及由翅片底座40B和多个翅片42B组成的逆变器用冷却器50B，翅片42A、42B与外部气体接触。根据这样配置的功率转换装置100，由于电车的行驶而在与行进方向的反方向产生的行驶风W流过翅片42A、42B，从开关元件产生的热量通过翅片42A、42B散发到大气中。

图3是表示本发明的实施方式1的整流器用冷却器50A与开关元件UPC、UNC、VPC、VNC的配置关系的一个例子的图。另外，在以后的说明中，除了需要特别区别的部分以外，将整流器用冷却器50A的翅片底座40A、翅片42A、和逆变器用冷却器50B的翅片底座40B、翅片42B分别记为翅片底座40、翅片42作为代表。

如图3所示，开关元件UPC、VPC、UNC、VNC配置在翅片底座40的平面上。另外，如下面说明所示，开关元件为长方形，其长边方向配置为与行进方向成直角。另外，翅片42通过钎焊等固定在翅片底座40上，朝可以接受电车的行驶风的方向配置多片。另外，翅片42及翅片底座40的材质为铝时较为理想。

图4是说明本发明的实施方式1的流过多个翅片42中的风速特性的图，表示从图2的车辆侧面观察翅片底座40及翅片42时的行驶风W的流动、以及多个翅片42中的风速。

如图4所示，由于电车的行驶而从翅片42的前部(图的左侧)流入的行驶风W越向后部(图的右侧)流动，就越向翅片42的外侧(远离翅片底座40的方向)流出，从仿真可知风速具有在前部最大、越向后部越下降的特性。

该特性是因为，在行驶风W流过翅片42之间的过程中，由于翅片42的下部没有被导管等约束，因此行驶风W向翅片42的下侧漏出，是因为由于与该翅片42A的表面摩擦，风速逐渐减慢。因此，翅片底座40和翅片42的行进方向的长度尽可能短时较为理想。

图5是表示本发明的实施方式1的、对翅片底座40的开关元件配置的一个例子的图，图6是表示开关元件的内部结构的图。

一般而言，IGBT模块、IPM模块等开关元件的形状是长方形，在其内部并联连接有许多IGBT芯片而构成。其结果如图6所示，IGBT芯片45的典型的配置结构中，在长边方向排列的元件数比在短边方向排列的元件数多。

在使用这样的开关元件时，如图5所示，由于通过将开关元件(UPC等)的长边配置在与行进方向成直角的方向，可以使翅片42的行进方向的尺寸最小化，因此可以将行驶风W在风下游侧的开关元件的位置的风速的下降抑制在最低限度，可以将风下游侧开关元件的温度上升抑制在最低限度。

并且，如图5所示，各相的支路沿与电车的行进方向相同的方向依次排列而配置。即，将构成1个支路的正侧臂的开关元件(例如UPC)及负侧臂的开关元件(例如UNC)依次配置在与电车的行进方向相同的方向。

通过这样配置，具有的优点是：由于从行驶风W通过的翅片42A的前部流入到穿过后部为止而通过的开关元件数始终为2，而与整流器部20、或者逆变器部60的桥式电路的相数无关，可以实现最小化，因此可以减轻受到风上游侧的开关元件的发热的影响而导致的行驶风W的温度上升，可以减轻受到其余波的影响而导致的风下游侧的开关元件的温度上升。

接下来，参照图7说明相对于电车速度的整流器部20及逆变器部60的损耗特性。另外，图7是表示本发明的实施方式1的整流器部20及逆变器部60相对于电车速度的产生损耗的一个例子的图，表示一般的交流输入的电车的特性。

首先，说明整流器部20的损耗特性。如图7(a)所示，整流器部20的损耗具有的特性是，随着速度的增加而增加，在速度为最高速度的30％至50％左右达到最大，到最高速为止一直大致维持在该值。另外，该特性是因电车的转矩控制特性而引起的。

以电车的动力运行时为例进行说明，由于从起动到最高速度的30％至50％左右对电动机80进行恒转矩控制，因此所需功率与速度成比例地增加。因此，在电源电压为一定的情况下，整流器部20的电流会与速度大致成比例地增加，整流器部20的产生损耗形成大致与速度成比例增加的特性。

另一方面，在电车的速度为最高速度的30％至50％左右以上的区域内，由于对电动机80进行恒功率控制，因此所需功率与速度无关，大致为一定。因此，在电源电压为一定的情况下，整流器部20的电流与速度无关，大致为一定，整流器部20中的产生损耗的特性为与速度无关，大致一定。

接下来说明逆变器部60的损耗特性。如图7(b)所示，逆变器部60的损耗具有的特性是：速度越低越大，在速度到达最高速度的30％至50％左右为止为比较大，但在这之后的速度区域中大幅下降，到最高速为止一直大致维持在该值。另外，该特性主要是因电动机电流的特性和逆变器部60的开关频率的特性而引起的。

与整流器部20相同以电车的动力运行时为例进行说明，由于从起动到最高速度的30％至50％左右对电动机80以最大转矩进行恒转矩控制，因此电动机电流为最大。由于进一步进行以开关元件的开关频率为1000Hz左右的非同步PWM控制，因此产生较多导通损耗、和开关损耗，逆变器部60的损耗为最大。

另一方面，在电车速度为最高速度的30％至50％左右以上的区域中，逆变器部60的开关元件为称作同步单脉冲模式的PWM模式。由于该模式是已知技术，开关元件的开关次数在逆变器部60的输出电压半个周期中只有1次，因此开关损耗大幅减少。另外，由于在同步单脉冲模式下，随着电车的速度增加，逆变器部60的输出频率也增加，因此开关损耗有慢慢增加的倾向，但由于其值并非那么大，因此逆变器部60中的产生损耗的特性为与电车的速度无关，大致一定。

图8是表示本发明的实施方式1的整流器用冷却器50A的一个例子的图，是从电车的行进方向观察整流器用冷却器50A的形状的主视图。在该图中，将翅片底座40A的厚度(以下称作“翅片底座厚”)表示作为T1，将翅片42A的高度(以下称作“翅片高”)表示作为H，将翅片42A的间隔(以下称作“翅片间距”)表示作为LC，将翅片42A的厚度(以下称作“翅片厚”)表示作为T2。

另外，图9是表示本发明的实施方式1的逆变器用冷却器50B的一个例子的图，是从电车的行进方向观察逆变器用冷却器50B的形状的主视图。在该图中，将翅片底座40B的翅片底座厚表示作为T1，将翅片42B的翅片高表示作为H，将翅片42B的翅片间距表示作为LI，将翅片42B的翅片厚表示作为T2。即，整流器用冷却器50A和逆变器用冷却器50B的各形状的主要不同点在于，各翅片的翅片间距不同。

图10是表示本发明的实施方式1的整流器用冷却器50A(逆变器用冷却器50B)的冷却性能的一个例子的图。图10中，横轴是翅片间距(翅片42A(42B)彼此之间的翅片间隔)，纵轴表示冷却性能指标(产生相同损耗时的翅片的温度上升值)相关的实验值。

图10中，连接黑圆标记的点的曲线表示车速为20km/h时的冷却性能特性，连接白圆标记的点的曲线表示车速为45km/h时的冷却性能特性，连接黑三角标记的点的曲线表示车速为70km/h时的冷却性能特性。

另外，图10是翅片42的参数为翅片高H：150mm、翅片厚T2：3mm、冷却器的翅片底座厚T1：20mm时的数据。翅片高H受到电车底板下的下方容许尺寸的限制，通常选定为100mm至200mm范围内的值。翅片底座厚T1从确保能经受得住过负载而导致的过渡性的开关元件损耗增加那样的热容量的观点而言，通常选定为20mm至40mm的值。由于翅片42露出在电车下部，另外，在雪或从电车底板下的雪块下落时使轨道的铺路石弹起有可能与翅片42碰撞，从防止此时的翅片42损坏的观点而言，翅片厚T2通常选定为2mm至4mm的值。

上述参数中，由于翅片高H和翅片底座厚T1几乎不会给图10所示的特性带来影响，因此在翅片高H和翅片底座厚T1分别为100mm至200mm、20mm至40mm的范围内的值时，也可以采用图10所示的数据。

此处，若使翅片厚T2变化，则图10的特性也会发生若干变化，但其变化量的特性为：翅片厚T2以3mm为基准，在使翅片厚T2增加1mm时，最佳间距大约增加1.5mm，在使翅片厚T2减少1mm时，最佳间距大约减少1.5mm。

这可以理解为是因为，在固定翅片间距的条件下使翅片厚T2增加(或者减少)时，翅片42之间的间隙会缩小(或者增加)翅片厚增加(减少)的量，另一方面，行驶风W流过翅片间时的阻力增加(或者减少)，而风速下降(或者增加)，从而使得翅片间距的最佳值增加(或者减少)。

返回图10说明冷却性能。从图10可知，如果是同一翅片间距，则车速越高的冷却性能越提高。另外可知，在同一车速下，无论翅片间距过窄还是过宽，冷却性能都会恶化，存在与车速相应的最佳的翅片间距。

存在与车速相应的最佳的翅片间距的原因，是在同一车速下使翅片间距变窄时会同时产生如下两种现象，一种现象是由于翅片底座40具有的翅片42的片数增加，因此散热表面积增加，有助于冷却性能的提高；一种现象是行驶风W通过翅片间时的阻力增大，翅片间的风速减少，导致冷却性能的下降。反之，在使翅片间距变宽时会同时产生如下两种现象，一种现象是由于翅片底座40具有的翅片42的片数减少，因此散热表面积减少，导致冷却性能的下降；一种现象是行驶风W通过翅片间时的阻力减少，翅片间的风速的下降减小，有助于冷却性能的提高。即，两者的平衡点就是该车速的冷却性能的最大化点。

另外，如果是使用可以得到与车速无关的一定风量的风扇的强制风冷方式(以往方式)，则即使为了增加散热表面积而使翅片间距变窄时，也由于通过增大风速而可以确保冷却性能，因此也可以说对于翅片间距等没有较大的限制。

另一方面，在利用电车的行驶风的冷却方式中，由于行驶风W的风速是根据车速而变化，因此如何决定翅片间距是十分重要的要点。

图7中表示，整流器部20的损耗在车速较高的区域内损耗最大，与之相反，逆变器部60的损耗在车速较低的区域内损耗最大。考虑到该情况，整流器部20的翅片42A的翅片间距是在车速较高的区域使冷却性能提高的较窄时较佳，逆变器部60的翅片42B的翅片间距是在车速较低的区域使冷却性能提高的较窄时较佳。即，在整流器部20与逆变器部60中，选定不同的最佳翅片间距时较为理想。

实施方式2.

图11是表示本发明的实施方式2的整流器部的电路结构的一个例子的图。该图所示的整流器部20a与图1所示的实施方式1的整流器部20的电路结构相比，不同之处在于并联连接各臂的开关元件这一点。

图11中，在U相正侧臂中并联连接开关元件UPCA、UPCB，在U相负侧臂中并联连接开关元件UNCA、UNCB，在V相正侧臂中并联连接开关元件VPCA、VPCB，在V相负侧臂中并联连接开关元件VNCA、VNCB。

接下来，说明并联连接这些开关元件时较为理想的开关元件的配置例。图12是表示本发明的实施方式2的、对翅片底座40的开关元件配置的一个例子的图。如该图所示，在实施方式1所示的配置方法的基础上，各臂都将并联连接的开关元件沿与行进方向成直角的方向排列配置。

通过如上所述进行配置，在各臂的并联连接元件的每对彼此之间(例如U相正侧臂中的UPCA和UPCB)，由于距离风上游侧的翅片前部边缘的距离相等，因此可以使温度大致相等。一般而言，由于开关元件的正向电压降取决于温度而变化，因此若并联连接元件的每对彼此之间的温度不同，则会产生的问题包括：各正向电压降不同，每对彼此之间的电流的分流比恶化，电流集中于某一个开关元件等。

另一方面，在本实施方式中，由于并联连接的各开关元件配置在相距风上游侧翅片前部边缘相等的距离，因此并联连接元件的每对彼此之间的温度会大致平均化，可以实现良好的电流的分流。

另外，由于可以使翅片42的行进方向的尺寸最小化，因此可以将行驶风W在风下游侧的开关元件的位置的风速下降抑制在最低限度，可以将风下游侧的开关元件的温度上升抑制在最低限度。

另外具有的优点是：可以将行驶风W从翅片42的前部流入到穿过后部为止而通过的开关元件数，与不并联连接时的数量相同从而最小化，可以减轻受到风上游侧的开关元件的发热的影响而导致的行驶风W的温度上升，可以减轻受到其余波的影响而导致的风下游侧的开关元件的温度上升。

并且，具有的优点是：由于从行驶风W通过的翅片42的前部流入到穿过后部为止而通过的开关元件数始终为2，而与整流器部20、或者逆变器部60的桥式电路的相数无关，可以最小化，因此可以减轻受到风上游侧的开关元件的发热的影响而导致的行驶风W的温度上升，可以减轻受到其余波的影响而导致的风下游侧的开关元件的温度上升。

实施方式3.

图13是表示本发明的实施方式3的整流器部20b的电路结构的一个例子的图。该图所示的整流器部20b与图1所示的实施方式1的整流器部20的电路结构相比，不同之处在于是成为所谓的三电平电路的结构这一点。

图13中，在U相正侧，并联连接的开关元件UPC1A、UPC1B与并联连接的开关元件UPC2A、UPC2B串联连接，并且，在该连接点连接有并联连接的二极管UD1A、UD1B的阴极侧，其阳极侧与电容器30P和30N的中点(连接点)连接。同样，在U相负侧臂，并联连接的开关元件UNC3A、UNC3B与并联连接的开关元件UNC4A、UNC4B串联连接，并且，在该连接点连接有并联连接的二极管UD2A、UD2B的阳极侧，其阴极侧与电容器30P和30N的中点(连接点)连接。另外，V相正侧臂及V相负侧臂的结构分别与U相正侧臂、V相正臂的结构相同，省略该连接结构相关的详细说明。

另外，以下所示的表1是表示使该整流器部20b以1kHz左右的开关频率进行开关动作时的各开关元件及各二极管元件的每1相的损耗比例。另外，在下表中，以U相为代表表示，设1相的损耗是100％。

[表1]

参照表1可知，开关元件UPC2、UNC3的损耗多于其他元件。

接下来，说明并联连接这些开关元件时较为理想的开关元件的配置例。图14是表示本发明的实施方式3的、对翅片底座40的开关元件配置的一个例子的图。如该图所示，构成各相的支路(＝正侧臂及负侧臂)的开关元件组在翅片底座40上沿着行进方向纵向排列配置。

具体而言，若以U相的支路说明，则正侧臂的开关元件UPC1A、UPC2A、以及负侧臂的开关元件UNC3A、UNC4A以该顺序沿行进方向配置。另外，与U相的支路相邻，且在与行进方向成直角的方向，并联连接的正侧臂的开关元件UPC1B、UPC2B、以及负侧臂的开关元件UNC3B、UNC4B以该顺序配置。另外，关于二极管UD1A、UD2A、UD1B、UD2B，如表1所示，由于其损耗比例只占整体的10％左右，比较小，因此此处不予考虑。另外，关于其他相的开关元件也一样，依次配置在行进方向的直角方向。

现在假设开关元件配置照图14那样，假设行进方向和翅片的方向是与图14所示的行进方向成直角的方向，则行驶风W会通过损耗较大的4个元件(例如UPC2A、UPC2B、VPC2A、VPC2B)，位于风下游侧的开关元件会受到来自风上游侧的开关元件的发热的影响，其温度会上升。

另一方面，通过如上所述进行配置，由于可以使翅片42的行进方向的尺寸最小化，因此可以将行驶风W在风下游侧的开关元件的位置的风速的下降抑制在最低限度，可以将风下游侧开关元件的温度上升抑制在最低限度。

另外具有的优点是：由于可以使行驶风W从翅片42的前部流入到穿过后部为止而通过的开关元件数、及其总计损耗(U相中为UPC1A+UPC2A+UNC3A+UNC4A)最小化，因此可以减轻受到风上游侧的开关元件的发热的影响而导致的行驶风W的温度上升，可以减轻受到其余波的影响而导致的风下游侧的开关元件的温度上升。另外，在本实施方式3中，以整流器部20为例进行了说明，但也可以适用于逆变器部60。

实施方式4.

图15是表示本发明的实施方式4的翅片底座的内部构造的一部分的图，图16是沿着图15的A-A线的向视剖视图。在这些各图所示的翅片底座40中，在开关元件正下方的内部，***沿着行进方向配置的多条散热管46。散热管46是已知的单元，以直径10mm左右的铜为主原料，在内部称为管心(wick)的进行了毛细加工的中空管中封入少量的水等工作液，进行真空密封。

通过如上所述的结构，例如均散热管内的水由于风下游侧的开关元件的发热而变成水蒸气，带走其周围的热量，并且，水蒸气向温度较低的风上游侧移动，冷凝并散发热量，再次变为水并向风下游侧移动，通过重复这样的循环，可以使高温侧的热量向低温侧转移。其结果是，可以实现翅片底座40的风上游侧和风下游侧的温度平均化，进一步提高风下游侧的开关元件的冷却性能。

实施方式5.

图17是表示本发明的实施方式5的、对整流器部20的翅片底座40A的开关元件配置和散热管的配置的一个例子的图。与图14相同，构成各相的支路(＝正侧臂和负侧臂)的开关元件组在翅片底座40上沿着行进方向纵向排列配置。以U相的支路的单侧进行说明，则沿着行进方向，正侧臂的开关元件UPC1A、UPC2A和负侧臂的开关元件UNC3A、UNC4A以该顺序配置。另外，图14中省略的二极管UD1A、UD2A如图17所示，配置在正侧臂的开关元件UPC2A与负侧臂的开关元件UNC3A之间。它们的损耗如表1所示，为整体的10％左右，比较小。对于其他支路的结构也一样。

接下来，说明散热管46A、46B的配置。另外，虽然散热管46A、46B配置了多条，但以U相的支路的单侧为例进行说明。在翅片底座40中内置有散热管46A和散热管46B，散热管46A通过正侧臂的开关元件UPC1A、UPC2A的正下方，且将一端延长至偏离UPC1A的正下方的位置，将另一端延长至偏离UPC2A的正下方的位置；散热管46B通过负侧臂的开关元件UNC3A、UNC4A的正下方，且将一端延长至偏离UNC3A的正下方的位置，将另一端延长至偏离UNC4A的正下方的位置。另外，散热管46A与46B这两者是分割形成的。

再进一步，说明上述那样构成的情况下的动作。由于正侧臂的开关元件UPC1A、UPC2A的产生损耗较大，因此该开关元件正下方的翅片底座40的温度较高。另一方面，由于二极管UD1A的产生损耗较小，因此该二极管正下方的翅片底座40的温度较低。即，在正侧臂的开关元件UPC1A、UPC2A的正下方与二极管UD1A的正下方产生温差。在这样的环境下，由于散热管46A的作用，在正侧臂的开关元件UPC1A、UPC2A产生的热量的一部分会转移至二极管UD1A附近的翅片底座40。同样，由于散热管46B的作用，在负侧臂的开关元件UNC3A、UNC4A产生的热量的一部分会转移至二极管UD2A附近的翅片底座40。

由于这样的动作，开关元件UPC1A、UPC2A、UNC3A、UNC4A的热量不仅会从位于该开关元件附近的部分的翅片42散热，还会从位于二极管UD1A、UD2A附近的部分的翅片42散热，可以对损耗较大的开关元件UPC1A、UPC2A、UNC3A、UNC4A进行高效的冷却。换言之，可以将因损耗较小而在冷却上有余量的二极管UD1A、UD2A附近的翅片42，有效地用于损耗较大的开关元件UPC1A、UPC2A、UNC3A、UNC4A的冷却，而不增大翅片尺寸，就可以使开关元件UPC1A、UPC2A、UNC3A、UNC4A的冷却性能提高。

通过这样构成，利用开关元件UPC1A、UPC2A、UNC3A、UNC4A可以流过更大的电流，即使翅片尺寸相同，也能增加可以转换的功率容量。对于其他支路的动作也一样。

本实施方式5的要点在于，着眼于构成功率转换电路的多个开关元件(此处表示包含二极管的半导体元件)的各损耗的大小，通过将损耗较大的元件的发热转移至损耗较小的元件附近，可以将位于因损耗较小而在冷却上有余量的元件附近的翅片，有效地用于损耗较大的元件的冷却。另外，在实施方式5中作为一个例子，表示了适合单相三电平整流器电路的结构，但除此以外，例如当然也可以适用于三相逆变器电路等，并且当然也可以根据电路结构或元件配置，对散热管进行适当分割而形成。

另外，上述各实施方式所示的结构是本发明内容的一个例子，也可以与其他已知的技术组合，并且，在不脱离本发明要点的范围内，当然也可以省略一部分等、进行变更而构成。

并且，在本说明书中，以适用于电车为主说明了发明内容，但适用用途当然不限于电车，也可以适用于电动汽车等相关领域。

工业上的实用性

如上所述，本发明所涉及的功率转换装置，在利用行驶风对开关元件进行冷却的功率转换装置中，作为可以进一步实现小型化、轻量化的发明是有用的。

Claims

1.一种功率转换装置，装载在电车，具有冷却构成功率转换电路的多个开关元件的冷却器，其特征在于，

所述冷却器具有至少成为所述开关元件安装面的翅片底座、以及配置在其相反面的多个翅片而构成，所述各翅片为了散热而与外部气体接触那样配置，

在所述功率转换电路是具有多组由所述开关元件构成的正侧臂及负侧臂所组成的支路的单相或者多相桥式电路时，将构成所述各相的支路的各开关元件在所述翅片底座上沿电车的行进方向依次排列而配置。

2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，在所述功率转换电路是具有多组由所述开关元件构成的正侧臂及负侧臂所组成的支路的单相或者多相桥式电路时，各相的所述支路在所述翅片底座上沿与电车的行进方向成直角的方向依次排列而配置。

3.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，在所述正侧臂及负侧臂分别是并联连接多个开关元件而构成时，将所述并联连接而构成的同种臂的组在所述翅片底座上沿与电车的行进方向成直角的方向依次排列而配置。

4.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，在所述正侧臂及负侧臂分别是并联连接多个开关元件而构成时，并联连接的所述开关元件位于相距所述翅片底座的电车行进方向前部边缘相等的距离而配置。

5.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，在所述开关元件为长方形时，所述开关元件的长边向着与电车的行进方向成直角的方向，短边向着电车的行进方向那样排列在所述翅片底座上而配置。

6.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，所述电车是在交流电气化区间行驶的交流电车，具有：作为所述功率转换电路将交流转换为直流的整流器部；以及与所述整流器部的输出连接并将直流转换为交流、向驱动电车的电动机提供功率的逆变器部，这时，

所述整流器部用的所述冷却器与所述逆变器部用的所述冷却器是分别分开形成而构成的。

7.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，安装在所述整流器部用的所述翅片底座的多个所述翅片的翅片间距、以及安装在所述逆变器部用的所述翅片底座的多个所述翅片彼此之间的翅片间距被设定为不同的值。

8.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，安装在所述整流器部用的所述翅片底座的多个所述翅片的翅片间距、被设定为小于安装在所述逆变器部用的所述翅片底座的多个所述翅片彼此之间的翅片间距的值。

9.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，在所述翅片的厚度位于2mm至4mm的范围内时，

安装在所述整流器部用的所述翅片底座的多个所述翅片的翅片间距被设定为6.5mm至11.5mm之间的值，

安装在所述逆变器部用的所述翅片底座的多个所述翅片的翅片间距被设定为8.5mm至15.5mm之间的值。

10.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，在所述翅片的厚度为3mm时，

安装在所述整流器部用的所述翅片底座的多个所述翅片的翅片间距被设定在8mm至10mm之间，

安装在所述逆变器部用的所述翅片底座的多个所述翅片的翅片间距被设定在10mm至14mm之间。

11.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，串联连接的第一至第四开关元件构成作为所述支路，

成为正侧臂的所述第一开关元件的一端与直流电源的正侧连接，成为负侧臂的所述第四开关元件的一端与直流电源的正侧连接，

包括第-二极管和第二二极管，所述第一二极管的阴极连接于与所述第一开关元件一起成为正侧臂的所述第二开关元件的一端与所述第一开关元件的另一端连接的连接点，所述第一二极管的阳极连接于所述直流电源的中点，所述第二二极管的阳极连接于与所述第四开关元件一起成为负侧臂的所述第三开关元件的一端与所述第四开关元件的另一端连接的连接点，所述第二二极管的阴极连接于所述直流电源的中点，

将所述第二开关元件的另一端与所述第三开关元件的另一端的连接点向外部引出，在构成这样的三电平电路时，

将构成所述支路的各开关元件在所述翅片底座上沿电车的行进方向依次排列而配置。

12.如权利要求11所述的功率转换装置，其特征在于，在所述功率转换装置是具有多组由所述第一至第四开关元件构成的所述支路的单相或者多相桥式电路时，各相的所述支路在所述翅片底座上沿着与电车的行进方向成直角的方向依次排列配置。

13.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，串联连接的第一至第四开关元件构成作为所述支路，

包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阴极连接于与所述第一开关元件一起成为正侧臂的所述第二开关元件的一端与所述第一开关元件的另一端连接的连接点，所述第一二极管的阳极连接于所述直流电源的中点，所述第二二极管的阳极连接于与所述第四开关元件一起成为负侧臂的所述第三开关元件的一端与所述第四开关元件的另一端连接的连接点，所述第二二极管的阴极连接于所述直流电源的中点，

将构成所述支路的各开关元件以所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件、所述第四开关元件的顺序，在所述翅片底座上依次沿电车的行进方向排列而配置。

14.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，在所述翅片底座的内部，通过所述开关元件的正下方且沿电车的行进方向埋入多个散热管而构成。

15.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，在所述翅片底座的内部，通过所述正侧臂的所述开关元件的正下方和通过所述负侧臂的所述开关元件的正下方且沿电车的行进方向埋入多个散热管而构成。

16.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，在所述翅片底座的内部埋入散热管而构成，将所述散热管的一端和另一端分别配置在装载在所述翅片底座上的构成所述功率转换电路的多个所述开关元件中损耗较大的所述开关元件的正下方附近、和损耗较小的所述开关元件的正下方附近。

17.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，串联连接的第一至第四开关元件构成作为所述支路，

并且，构成所述支路的各开关元件以所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件、所述第四开关元件的顺序在所述翅片底座上沿电车的行进方向依次排列而配置时，

在所述翅片底座内部埋入分割形成的至少2条所述散热管，2条所述散热管如下：一条是通过所述第一开关元件、所述第二开关元件正下方且所述散热管的一端延伸配置到偏离所述第一开关元件的正下方的部分，另一端延伸配置到偏离所述第二开关元件的正下方的所述第一二极管的正下方附近；另一条是通过所述第三开关元件、所述第四开关元件正下方且所述散热管的一端延伸配置到偏离所述第三开关元件的正下方的部分，另一端延伸配置到偏离所述第四开关元件的正下方的所述第二二极管的正下方附近。