JP2860850B2 - Cooling device for power converter - Google Patents
Cooling device for power converterInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体スイッチ素子を
用いて構成されたインバータやコンバータ等の電力変換
器の冷却装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cooling device for a power converter such as an inverter or a converter, which is constituted by using semiconductor switching elements.
【0002】[0002]
【従来の技術】電力変換器として半導体スイッチ素子を
用いて構成されたものが一般に採用されており、このよ
うな電力変換器には半導体スイッチ素子を冷却する冷却
装置が備えられている。2. Description of the Related Art Generally, a power converter using a semiconductor switching element is employed as a power converter, and such a power converter is provided with a cooling device for cooling the semiconductor switching element.
【0003】一般に、大容量のインバータやコンバータ
の主回路の半導体スイッチ素子としては、ゲートターン
オフ・サイリスタ(GTOサイリスタ)が用いられてい
る。これは、バイポーラトランジスタやゲート絶縁型バ
イポーラトランジスタ等の半導体スイッチ素子に比べ
て、電圧及び電流容量が比較的大きいという特徴がある
からである。Generally, a gate turn-off thyristor (GTO thyristor) is used as a semiconductor switch element of a main circuit of a large-capacity inverter or converter. This is because there is a feature that the voltage and the current capacity are relatively large as compared with a semiconductor switching element such as a bipolar transistor or a gate insulating bipolar transistor.
【0004】ところで、GTOサイリスタは大電流用に
適してはいるが損失(発熱量)が大きいことから、冷却
効率を高めるために、実開平2−75738号公報に記
載されているように、GTOサイリスタを円盤状に形成
してその両面を主電極とし、それらの主電極に導電性の
冷却ブロックをそれぞれ圧接し、その冷却ブロックの内
部に沸騰性の冷媒を通流するヒートパイプを連通し、そ
のヒートパイプに放熱フィンを取り付けて外気により冷
却する冷却方式が採用されている。The GTO thyristor is suitable for a large current, but has a large loss (calorific value). Therefore, in order to increase the cooling efficiency, a GTO thyristor is disclosed in Japanese Utility Model Laid-Open Publication No. 2-753838. A thyristor is formed in a disk shape, and both surfaces thereof are used as main electrodes, and conductive cooling blocks are pressed against the main electrodes, respectively, and a heat pipe through which a boiling refrigerant flows is communicated inside the cooling block, A cooling method is adopted in which heat radiating fins are attached to the heat pipe to cool the heat pipe with outside air.
【0005】このような冷却方式の場合、GTOサイリ
スタの主電極と冷却ブロックとの間の絶縁をとることが
できないことから、冷却ブロックとヒートパイプ凝縮部
(大地電位)との間、あるいは両側の冷却ブロック相互
間の電気絶縁を確保するために、冷却ブロックとヒート
パイプとの間を絶縁パイプにより絶縁するとともに、沸
騰冷媒として冷却性能に優れかつ絶縁性を有するフロン
が用いられている。In the case of such a cooling system, it is not possible to provide insulation between the main electrode of the GTO thyristor and the cooling block. Therefore, between the cooling block and the heat pipe condensing section (ground potential) or on both sides. In order to ensure electrical insulation between the cooling blocks, insulation between the cooling block and the heat pipe is provided by an insulating pipe, and a refrigerant having excellent cooling performance and insulating properties is used as a boiling refrigerant.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかし、フロンは有害
物質であるから、フロンを用いないで冷却性能に優れた
代替冷却方式の採用が要望されている。However, since CFCs are harmful substances, there is a demand for the use of an alternative cooling method which does not use CFCs and has excellent cooling performance.
【0007】このような要望を満たすため、GTOサイ
リスタと冷却ブロック間の絶縁を図ることが考えられる
が、絶縁材による冷却効率の低下は避けられない。した
がって、損失が大きいGTOサイリスタを充分冷却する
には、冷却システムが大形になってしまう。In order to satisfy such a demand, it is conceivable to insulate the GTO thyristor from the cooling block. However, a decrease in cooling efficiency due to the insulating material is inevitable. Therefore, in order to sufficiently cool the GTO thyristor having a large loss, the cooling system becomes large.
【0008】そこで、GTOサイリスタよりも損失が小
さい半導体スイッチ素子である、例えばバイポーラトラ
ンジスタ、ゲート絶縁形バイポーラトランジスタ(IG
BT)、MOSゲートにより制御されるサイリスタ等を
用いて、冷却システムを小形化することも考えられる。Therefore, a semiconductor switch element having a smaller loss than a GTO thyristor, for example, a bipolar transistor, a gate-insulated bipolar transistor (IG)
BT), a thyristor controlled by a MOS gate, or the like may be used to reduce the size of the cooling system.
【0009】しかし、IGBT等の低損失の半導体スイ
ッチ素子は一般に電流容量が小さくかつ耐電圧が低いか
ら、例えば電気車用等の大容量インバータ装置(例え
ば、単機容量が200kW以上の電動機駆動用)に適用
すると、半導体スイッチ素子の並列接続数及び直列接続
数が多くなり、結果的に冷却システムを含めた装置が大
形になるという問題がある。However, since a low-loss semiconductor switch element such as an IGBT generally has a small current capacity and a low withstand voltage, a large-capacity inverter device for an electric vehicle or the like (for example, for driving a motor having a single unit capacity of 200 kW or more). In this case, the number of semiconductor switch elements connected in parallel and in series increases, and as a result, there is a problem that a device including a cooling system becomes large.
【0010】本発明の目的は、冷却器システムを含めて
装置全体を小形化できる電力変換器の冷却装置を提供す
ることにある。An object of the present invention is to provide a cooling device for a power converter that can be downsized as a whole including a cooler system.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明の電力変換器の冷
却装置は、以下の手段により上記目的を達成するもので
ある。A cooling device for a power converter according to the present invention achieves the above object by the following means.
【0012】基本的に、電力変換器の少なくとも主回路
の半導体スイッチを受熱板の一方の面に装着し、前記受
熱板の他方の面にL形に曲折したヒートパイプの一方の
直状部を当該受熱板の板面に沿わせて埋め込み、前記ヒ
ートパイプの他方の直状部に放熱フィンを取り付けて冷
却装置を構成したことを特徴とする。Basically, at least a semiconductor switch of a main circuit of a power converter is mounted on one surface of a heat receiving plate, and one straight portion of an L-shaped bent heat pipe is mounted on the other surface of the heat receiving plate. The cooling device is characterized by being embedded along the plate surface of the heat receiving plate, and radiating fins attached to the other straight portion of the heat pipe.
【0013】[0013]
【作用】このように構成することにより、本発明によれ
ば、次の作用により上記各目的が達成できる。According to the present invention, the above objects can be achieved by the following operations.
【0014】まず、電力変換器を構成する正側アーム関
係の半導体スイッチと負側アーム関係の半導体スイッチ
素子は、同一時にオンすることがない。したがって、そ
れらを同一の受熱板に装着することにより、受熱板の入
熱量が均一化され、冷却装置の熱負荷が均一化されるか
ら、受熱板及び放熱フィン等を含む冷却装置を小形化で
きる。First, the semiconductor switch having the positive arm and the semiconductor switch having the negative arm which constitute the power converter do not turn on at the same time. Therefore, by mounting them on the same heat receiving plate, the heat input amount of the heat receiving plate is made uniform and the heat load of the cooling device is made uniform, so that the cooling device including the heat receiving plate and the radiation fins can be downsized. .
【0015】また、受熱板に埋め込まれたヒートパイプ
の一方の直状部は、冷媒液の蒸発部として機能する。本
発明は、その蒸発部を受熱板の板面に沿って埋め込んだ
ことから、それらの間の伝熱面積を十分に広くでき、集
熱効率を高くできる。One straight portion of the heat pipe embedded in the heat receiving plate functions as a refrigerant liquid evaporating portion. In the present invention, since the evaporating portion is embedded along the plate surface of the heat receiving plate, the heat transfer area between them can be made sufficiently large, and the heat collecting efficiency can be increased.
【0016】また、ヒートパイプをL形に曲げて構成し
たから、放熱フィン部を含む冷却装置の外形寸法を筐体
の高さ又は幅内に容易に収めることができる。これによ
り、電力変換器を含む全体装置のスペースの利用率(空
間の集積度)が向上する。Further, since the heat pipe is formed by bending the heat pipe into an L shape, the external dimensions of the cooling device including the heat radiation fins can be easily accommodated within the height or width of the housing. As a result, the space utilization rate (space integration degree) of the entire apparatus including the power converter is improved.
【0017】特に、受熱板が筐体の外壁面の一部を構成
するようにすれば、受熱板の一方の面が外気に露出し、
放熱面として作用するから、その分だけ筐体内部の温度
上昇を抑えることができ、冷却器の放熱容量を低減てき
る。In particular, if the heat receiving plate forms a part of the outer wall surface of the housing, one surface of the heat receiving plate is exposed to the outside air,
Since it acts as a heat radiating surface, the temperature rise inside the housing can be suppressed by that much, and the heat radiating capacity of the cooler can be reduced.
【0018】また、半導体スイッチ素子の発熱総量と1
本のヒートパイプの冷却能力とを勘案し、ヒートパイプ
を複数に分割して受熱板に設けることにより、放熱フィ
ン部が占める容積を小さくすることが好ましい。特に、
複数のヒートパイプを受熱板に対して少なくとも2列
(例えば上下2段)に分けて配列することが装置の小形
化にとって好ましい。この場合、ヒートパイプの分割に
合わせて受熱板を分割することにより、製作及び組立て
時の取り扱い作業が容易になる。The total heat generation of the semiconductor switch element is 1
In consideration of the cooling capacity of the heat pipe, it is preferable to reduce the volume occupied by the radiating fins by dividing the heat pipe into a plurality and providing the heat pipe on the heat receiving plate. In particular,
It is preferable to miniaturize the apparatus that a plurality of heat pipes are arranged in at least two rows (for example, upper and lower two rows) with respect to the heat receiving plate. In this case, by dividing the heat receiving plate in accordance with the division of the heat pipe, the handling work at the time of manufacturing and assembling becomes easy.
【0019】受熱板とヒートパイプの接合は、受熱板に
一方の側端部から他方の側端部に向けてヒートパイプ挿
通孔を穿設し、その挿通孔にヒートパイプの直状部を挿
入し、空隙部に熱伝導性を有する充填材を充填すること
により実現できる。ヒートパイプを2列に分けて配列す
る場合は、ヒートパイプ挿通孔を列ごとに配列方向の位
置をずらして穿設し、ヒートパイプの直状部が埋め込ま
れる部分を除きヒートパイプ挿通孔の挿入側の一部を開
口溝状に形成することにより、接合作業が容易になる。The heat receiving plate and the heat pipe are joined by forming a heat pipe insertion hole in the heat receiving plate from one side end to the other side end, and inserting a straight portion of the heat pipe into the insertion hole. However, this can be achieved by filling the gap with a filler having thermal conductivity. When arranging the heat pipes in two rows, the heat pipe insertion holes are formed by shifting the position in the arrangement direction for each row, and the heat pipe insertion holes are inserted except for the portion where the straight portion of the heat pipe is embedded. Forming a part of the side in an open groove shape facilitates the joining operation.
【0020】なお、受熱板は第1と第2の受熱板を重ね
合わせて形成することができる。この場合、第1の受熱
板側に半導体スイッチ素子を取り付け、第2の受熱板側
にヒートパイプを埋め込むようにすると、製作及び組立
て時の取り扱い作業が容易になる。The heat receiving plate can be formed by overlapping the first and second heat receiving plates. In this case, when the semiconductor switch element is mounted on the first heat receiving plate side and the heat pipe is embedded in the second heat receiving plate side, the handling work during manufacture and assembly is facilitated.
【0021】また、ヒートパイプの埋込部と露出部の境
界部を樹脂で被覆することにより、例えばヒートパイプ
を銅で形成し、受熱板をアルミニウムで形成する場合の
ように、両者の材料が異なる場合に生じる電食を防止で
きる。Further, by covering the boundary between the embedded portion and the exposed portion of the heat pipe with a resin, both materials are used, for example, when the heat pipe is formed of copper and the heat receiving plate is formed of aluminum. It is possible to prevent electrolytic corrosion that occurs in different cases.
【0022】一方、上記の受熱板を電力変換器の構成部
品を収納する筐体の垂直な外壁面の一部を構成するよう
に取り付け、また、ヒートパイプの一方の直状部を下方
に向けて受熱板に埋め込み、放熱フィンが設けられたヒ
ートパイプの直状部を水平より上方に傾斜させて設けれ
ば、放熱フィン部で凝縮された冷媒液はその傾斜に沿っ
て受熱板に埋め込まれたヒートパイプの蒸発部に重力に
より円滑に還流するから、ヒートパイプの伝熱作用が十
分に発揮され、冷却能力が向上する。これに対し、平行
又は下方に傾斜させると、凝縮した冷媒液の重力による
還流が妨げられ、冷却能力が低下することになる。On the other hand, the above-mentioned heat receiving plate is attached so as to form a part of a vertical outer wall surface of a housing for housing the components of the power converter, and one straight portion of the heat pipe faces downward. If the straight part of the heat pipe provided with the radiation fin is inclined upward from the horizontal, the refrigerant liquid condensed at the radiation fin is embedded in the heat reception plate along the inclination. Since the heat is smoothly returned to the evaporating portion of the heat pipe by gravity, the heat transfer effect of the heat pipe is sufficiently exhibited, and the cooling capacity is improved. On the other hand, if the refrigerant liquid is inclined parallel or downward, the reflux of the condensed refrigerant liquid by gravity is prevented, and the cooling capacity is reduced.
【0023】また、ヒートパイプの冷媒液としては、水
を用いることができる。この場合、内部を負圧に形成し
て沸騰温度を下げることが好ましい。これによれば、フ
ロンを用いずに優れた冷却性能を発揮できる。Further, water can be used as the refrigerant liquid of the heat pipe. In this case, it is preferable to lower the boiling temperature by forming the inside at a negative pressure. According to this, excellent cooling performance can be exhibited without using Freon.
【0024】冷媒液として水を用いる場合、水の初期水
位は少なくとも受熱板に埋め込まれたヒートパイプの埋
込部と露出部との境界よりも埋込部側に設定することが
好ましい。これによれば、冬期などの寒冷時に内部の水
が凍結しても受熱板に埋め込まれているので、半導体ス
イッチの発熱により速やかに融けるから問題はない。こ
の点、外部に露出した位置まで水を充填すると、その露
出部で凍った水は融けるのが遅れるから、蒸発部の圧力
が異常に上昇してしまうという問題がある。When water is used as the refrigerant liquid, the initial water level of the water is preferably set at least on the embedded portion side of the boundary between the embedded portion and the exposed portion of the heat pipe embedded in the heat receiving plate. According to this, even if the water inside freezes during cold weather such as winter, it is embedded in the heat receiving plate, so that the semiconductor switch is quickly melted by the heat generated by the semiconductor switch, so that there is no problem. In this respect, if the water is filled up to the position exposed to the outside, there is a problem that the pressure of the evaporating part abnormally rises because the water frozen at the exposed part is delayed in melting.
【0025】また、放熱フィンをヒートパイプに対し下
方に偏芯させて設ければ、高さ方向の寸法をその分だけ
抑えることができる。Further, if the radiating fins are provided so as to be eccentric downward with respect to the heat pipe, the dimension in the height direction can be suppressed correspondingly.
【0026】なお、受熱板を導電性を有する材料を用い
て形成する場合は、半導体スイッチ素子に電気絶縁を施
して受熱板に装着することにより、半導体スイッチ素子
の相互間、半導体スイッチと受熱板及びヒートパイプと
の間の絶縁が確保されるから、ヒートパイプの冷媒液の
絶縁性は問われず、水等のフロン以外の冷却性能に優れ
た冷媒液を用いることができ、フロン公害の問題を解決
できる。In the case where the heat receiving plate is formed using a conductive material, the semiconductor switch element is electrically insulated and mounted on the heat receiving plate, so that the semiconductor switch elements are interposed between the semiconductor switch elements and the semiconductor switch and the heat receiving plate. Since the insulation between the heat pipe and the heat pipe is ensured, the insulation property of the refrigerant liquid of the heat pipe is not limited, and a refrigerant liquid having excellent cooling performance other than chlorofluorocarbon such as water can be used. Solvable.
【0027】[0027]
【実施例】以下、本発明を図示実施例に基づいて説明す
る。本発明の電力変換器の冷却装置の一実施例として、
電車用インバータ装置に適用した冷却装置を図1乃至図
8を用いて説明する。図1は電車用インバータ装置の1
相分の主要部と冷却装置の構成図、図2は図1の矢印 I
I−II から見た構成図である。図3は1相分のインバー
タ主回路の構成図である。図4は電車用インバータ装置
の全体外観の背面図である。図5は図4の矢印 V-V か
ら見た断面図である。図6は半導体スイッチモジュール
とクランプダイオードの受熱板上の配置およびそれらの
電気的接続を示す拡大図である。図7は半導体スイッチ
モジュールの構造を一部を破断して示した斜視図であ
る。図8はヒートパイプの受熱板に対する埋込み状態を
示す断面図である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. As an embodiment of the cooling device of the power converter of the present invention,
A cooling device applied to a train inverter device will be described with reference to FIGS. Figure 1 shows a train inverter 1
FIG. 2 is a configuration diagram of a main part of a phase and a cooling device.
FIG. 2 is a configuration diagram viewed from I-II. FIG. 3 is a configuration diagram of an inverter main circuit for one phase. FIG. 4 is a rear view of the overall appearance of the train inverter device. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along arrow VV in FIG. FIG. 6 is an enlarged view showing the arrangement of the semiconductor switch module and the clamp diode on the heat receiving plate and their electrical connection. FIG. 7 is a perspective view showing the structure of the semiconductor switch module with a part thereof cut away. FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state where the heat pipe is embedded in the heat receiving plate.
【0028】まず、図3乃至図5を参照して、本実施例
の電車用インバータ装置の全体的な構成及びインバータ
主回路について説明する。本実施例の電車用インバータ
装置の全体は、図4に示すように、共通の筐体6に制御
ユニットCU−A,B及び付属装置AU−A,Bを中心
に、両側に同一構成のインバータ装置1A,Bのパワー
モジュールPU1〜PU3を対称的に配置して構成されて
いる。図5に示す断面図のように、冷却器53,54の
部分が筐体6の正面側の外部に突き出して設けられてい
る。このように構成された電車用インバータ装置は、そ
の長手方向を電車の走行方向に合わせ、筐体6の上部に
設けられた複数の吊り金具7を介して電車の車両の中央
部の床下に吊り下げて取り付けられる。また、冷却器5
3,54側を車両の外側に向けて取り付けられる。これ
により冷却器53,54には紙面に直角な方向の走行風
が当たるようになっている。First, with reference to FIGS. 3 to 5, the overall configuration of the train inverter device of this embodiment and the inverter main circuit will be described. As shown in FIG. 4, the entirety of the inverter device for a train according to the present embodiment includes inverters having the same configuration on both sides, centering on control units CU-A and B and auxiliary devices AU-A and B in a common housing 6. apparatus 1A, and the power module PU 1 to PU 3 of B is configured by symmetrically arranged. As shown in the cross-sectional view of FIG. 5, the coolers 53 and 54 are provided so as to protrude outside the front side of the housing 6. The train inverter device configured as described above has its longitudinal direction aligned with the running direction of the train, and is suspended under the floor at the center of the train vehicle via a plurality of suspension fittings 7 provided at the upper part of the housing 6. It can be mounted down. In addition, cooler 5
The 3, 54 side is attached to the outside of the vehicle. This allows the coolers 53 and 54 to be exposed to traveling wind in a direction perpendicular to the plane of the drawing.
【0029】本実施例の電車用インバータ装置は4台の
誘導電動機を駆動するものであり、その4台の誘導電動
機をインバータ装置1A,Bにより2台づつ分担して駆
動するようになっている。各インバータ装置1A,Bの
はパワーモジュールPU1〜PU3は、それぞれ3相のイ
ンバータ主回路を各相ごとに分割して構成されている。The inverter device for a train according to the present embodiment drives four induction motors, and the four induction motors are driven by the inverter devices 1A and 2B, two by two. . Each of the power modules PU 1 to PU 3 of each of the inverter devices 1A and 1B is configured by dividing a three-phase inverter main circuit for each phase.
【0030】各パワーモジュールPU1〜PU3の主回路
は、図3に示すように、いわゆる3レベル・インバータ
回路が適用されている。図3は、インバータの1相分の
主回路を示しており、一対の直流入力端子P,Nのう
ち、Pは直流ラインを介して図示していないパンタグラ
フに接続され、Nは接地される。この一対の直流入力端
子P,Nに2個のフィルタコンデンサCF1,CF2の直
列回路が接続され、フィルタコンデンサCF1とCF2の
接続点は直流電源の中性点であり、中性点端子Oに接続
されている。一対の直流入力端子P,N間に4個の半導
体スイッチモジュールSM1〜SM4の直列回路が接続さ
れている。各半導体スイッチモジュールSM1〜SM
4は、それぞれIGBT Q1〜Q4とフリーホイーリング
ダイオードDF1〜DF4とを逆並列接続して構成されて
いる。半導体スイッチモジュールSM1とSM2の接続点
及び半導体スイッチモジュールSM3とSM4の接続点
は、それぞれクランプダイオードDC1とDC2を介して
中性点端子Oに接続されている。そして、半導体スイッ
チモジュールSM2とSM3の接続点が交流出力端子Mに
接続されている。スナバ回路は、スナバコンデンサCS
1、CS2とスナバダイオードDS1〜DS4とスナバ抵抗
RS1〜RS3とから構成されている。スナバコンデンサ
CS1、CS2はそれぞれ3つのコンデンサC11〜C13、
C21〜C23をデルタ型に接続して構成されている。スナ
バコンデンサCS1、CS2はそれぞれ3つのコンデンサ
をスター型に接続しても等価に構成できる。また、各半
導体スイッチモジュールSM1〜SM4の各ゲートにはゲ
ートドライバGDにより増幅されたゲートパルスが入力
されるようになっている。As shown in FIG. 3, a so-called three-level inverter circuit is applied to the main circuit of each of the power modules PU 1 to PU 3 . FIG. 3 shows a main circuit for one phase of the inverter. Among a pair of DC input terminals P and N, P is connected to a pantograph (not shown) via a DC line, and N is grounded. A series circuit of two filter capacitors CF 1 and CF 2 is connected to the pair of DC input terminals P and N, and a connection point between the filter capacitors CF 1 and CF 2 is a neutral point of the DC power source and a neutral point. Connected to terminal O. A series circuit of four semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 is connected between a pair of DC input terminals P and N. Each semiconductor switch module SM 1 to SM
4 are each composed by inverse parallel connection of the IGBT Q 1 to Q 4 and the freewheeling diode DF 1 ~DF 4. Connection point of the semiconductor switch modules SM 1 and SM connection point and the semiconductor switch modules SM 3 2 and SM 4 are respectively connected to the neutral point terminal O through clamp diodes DC 1 and DC 2. The connection point of the semiconductor switch modules SM 2 and SM 3 is connected to the AC output terminal M. The snubber circuit is a snubber capacitor CS
And a 1, CS 2 and snubber diodes DS 1 to DS 4 and snubber resistor RS 1 to RS 3 Prefecture. The snubber capacitors CS 1 and CS 2 are respectively three capacitors C 11 to C 13 ,
C 21 to C 23 are connected in a delta type. The snubber capacitors CS 1 and CS 2 can be equivalently configured by connecting three capacitors in a star configuration. The gate pulses amplified are input by the gate driver GD to the gates of the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4.
【0031】次に、パワーモジュールPUの具体的な構
造を図1と図2を参照して説明する。図1は、1つのパ
ワーモジュールを側面から見た主要部の構成図である。
図2は、図1の矢印 II−II から見た構成図である。Next, a specific structure of the power module PU will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a configuration diagram of a main part when one power module is viewed from the side.
FIG. 2 is a configuration diagram viewed from an arrow II-II in FIG.
【0032】それらの図に示すように、半導体スイッチ
モジュールSM1〜SM4はそれぞれ2つの半導体スイッ
チモジュールを並列接続してなり、それらの半導体スイ
ッチモジュールは横に並べて配置されている。正側アー
ムの半導体スイッチモジュールSM1とSM2は第1の受
熱板31の表面に縦に並べて取り付けられ、負側アーム
の半導体スイッチモジュールSM3とSM4は第2の受熱
板32の表面に縦に並べて取り付けられている。また、
各受熱板31,32の表面に、クランプダイオードDC
1とDC2が取り付けられている。クランプダイオードD
C1、DC2も、2つのダイオードを並列接続して構成し
ている。As shown in these figures, each of the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 has two semiconductor switch modules connected in parallel, and these semiconductor switch modules are arranged side by side. The semiconductor switch modules SM 1 and SM 2 of the positive arm are mounted vertically on the surface of the first heat receiving plate 31, and the semiconductor switch modules SM 3 and SM 4 of the negative arm are mounted on the surface of the second heat receiving plate 32. Mounted vertically. Also,
A clamp diode DC is provided on the surface of each heat receiving plate 31, 32.
1 and DC 2 are installed. Clamp diode D
C 1 and DC 2 are also configured by connecting two diodes in parallel.
【0033】半導体スイッチモジュールSM1〜SM
4は、同一の構成であり、図7に一部を破断して示した
斜視図のような構造のいわゆる片面冷却型に形成されて
いる。すなわち、銅等の伝熱性に優れた材料により形成
された基板61の上にアルミナ等の絶縁板62を載置
し、その絶縁板62の上に導電性を有する銅板等の第1
の主電極63を載置し、その主電極63の上に導電性を
有するモリブデン等の熱応力緩和板64を複数載置し、
各熱応力緩和板64の上にIGBT素子65を載置し、
また第1の主電極63の上に導電性を有する銅板等の第
2の主電極66を載置し、これら全体を絶縁ケース67
でカバーした構造となっている。絶縁ケース67の外面
に一対の主電極端子68と、ゲート端子69が露出して
設けられている。また、図示していないが、IGBT素
子(Q)65に逆並列接続されるフリーホィーリングダ
イオードDFも第1の主電極63上に載置されている。
そして、基板61に設けられたボルト穴70により第
1,第2の受熱板31,32に密着させて取り付けるよ
うになっている。受熱板31,32上の配置は、図6に
示すように、半導体スイッチモジュールSM1〜SM4と
クランプダイオードDC1、DC2とを配置し、図3の回
路構成にしたがって導体11〜16により接続されてい
る。Semiconductor switch modules SM 1 to SM
Reference numeral 4 denotes the same configuration, which is formed as a so-called single-sided cooling type having a structure as shown in a perspective view partially broken away in FIG. That is, an insulating plate 62 such as alumina is placed on a substrate 61 formed of a material having excellent heat conductivity such as copper, and a first copper plate or the like having conductivity is placed on the insulating plate 62.
Is placed, and a plurality of thermal stress relaxation plates 64 made of conductive molybdenum or the like are placed on the main electrode 63,
An IGBT element 65 is placed on each thermal stress relaxation plate 64,
Further, a second main electrode 66 such as a conductive copper plate is placed on the first main electrode 63, and the whole of them is placed in an insulating case 67.
It has a structure covered by. A pair of main electrode terminals 68 and a gate terminal 69 are provided on the outer surface of the insulating case 67 so as to be exposed. Although not shown, a freewheeling diode DF connected in anti-parallel to the IGBT element (Q) 65 is also mounted on the first main electrode 63.
Then, the first heat receiving plates 31 and 32 are attached in close contact with the first and second heat receiving plates 31 and 32 by bolt holes 70 provided in the substrate 61. As shown in FIG. 6, semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 and clamp diodes DC 1 and DC 2 are arranged on heat receiving plates 31 and 32, and conductors 11 to 16 are arranged according to the circuit configuration of FIG. It is connected.
【0034】第1と第2の受熱板31,32はアルミニ
ュウム等の伝熱性に優れた材料で形成されている。各受
熱板31,32は矩形枠状に形成されたパワーモジュー
ル支持枠33にボルト34により固定して取り付けられ
ている。The first and second heat receiving plates 31, 32 are formed of a material having excellent heat conductivity such as aluminum. Each of the heat receiving plates 31 and 32 is fixedly attached to a power module support frame 33 formed in a rectangular frame shape by bolts 34.
【0035】このパワーモジュール支持枠33の周辺部
に鍔部35が設けられている。また、筐体6の側面に形
成された開口部の周辺に枠状の取付け座37が形成され
ている。そして、パワーモジュール支持枠の鍔部35を
パッキン39を介して取付け座37にボルト38で固定
し、パワーモジュール支持枠33を筐体6に取り付けて
いる。すなわち、受熱板31,32及びパワーモジュー
ル支持枠33により筐体6の側面の一部が形成され、パ
ッキン39により気密が確保されている。A flange 35 is provided around the power module support frame 33. A frame-shaped mounting seat 37 is formed around an opening formed on the side surface of the housing 6. Then, the flange 35 of the power module support frame is fixed to the mounting seat 37 via a packing 39 with bolts 38, and the power module support frame 33 is mounted on the housing 6. That is, a part of the side surface of the housing 6 is formed by the heat receiving plates 31 and 32 and the power module support frame 33, and airtightness is secured by the packing 39.
【0036】受熱板31,32に対し半導体スイッチモ
ジュールSM1〜SM4を挟む位置に部品支持部材40が
設けられている。この部品支持部材40は腕部材41に
よりパワーモジュール支持枠33に固定されている。こ
の部品支持部材40にスナバコンデンサCS1、CS2及
びスナバダイオードDS1〜DS4を半導体スイッチモジ
ュールSM1〜SM4に対向させて取り付けられ、接続対
象の端子を近接させるように配置されている。これによ
り、スナバ回路の配線を最短距離で実装するようにして
いる。A component support member 40 is provided at a position sandwiching the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 with respect to the heat receiving plates 31 and 32. The component support member 40 is fixed to the power module support frame 33 by an arm member 41. Snubber capacitors CS 1 and CS 2 and snubber diodes DS 1 to DS 4 are attached to the component support member 40 so as to face the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 , and are arranged so that the terminals to be connected are brought close to each other. . Thereby, the wiring of the snubber circuit is mounted with the shortest distance.
【0037】この部品支持部材40の反対側の位置に、
エポキシ樹脂等の絶縁材からなる端子台42〜45が取
り付けられ、これらの端子台42〜45に直流入力端子
P,N、中性点端子O、交流出力端子Mが支持されてい
る。また、端子台42〜45の横に電流変成器CTとゲ
ートドライバGD(GD1、GD2)が部品支持部材40
に取り付けられている。これらのCTとGDの下側の空
間に、フィルタコンデンサCF1、CF2が配置されてい
る。なお、ゲートドライバGD1とGD2は、それぞれ半
導体スイッチモジュールの正側と負側に対応するもので
ある。At a position opposite to the component support member 40,
Terminal blocks 42 to 45 made of an insulating material such as epoxy resin are attached, and the DC input terminals P and N, the neutral point terminal O, and the AC output terminal M are supported on these terminal blocks 42 to 45. A current transformer CT and a gate driver GD (GD 1 , GD 2 ) are provided beside the terminal blocks 42 to 45 by the component supporting members 40.
Attached to. In the space below these CT and GD, filter capacitors CF 1 and CF 2 are arranged. The gate drivers GD 1 and GD 2 correspond to the positive side and the negative side of the semiconductor switch module, respectively.
【0038】受熱板31,32には、それぞれ複数のヒ
ートパイプ51とそのヒートパイプ51に取り付けられ
た放熱フィン52からなる冷却器53,54が熱的に取
り付けられている。ヒートパイプ51は銅等の伝熱性及
び加工性に優れた材料で形成されており、パイプ内部に
沸騰冷媒としての水が封入され、低い温度で沸騰を容易
にするため、及び非凝縮性のガスが混入しないようにす
るために、負圧に調整されている。The heat receiving plates 31 and 32 are thermally attached with coolers 53 and 54 each comprising a plurality of heat pipes 51 and radiating fins 52 attached to the heat pipes 51. The heat pipe 51 is formed of a material having excellent heat conductivity and workability such as copper, and water as a boiling refrigerant is sealed inside the pipe to facilitate boiling at a low temperature, and to use a non-condensable gas. Is adjusted to a negative pressure in order to prevent mixing.
【0039】本実施例の場合は、ヒートパイプ51をL
型に曲げ、一方の直管部を受熱板31,32に埋め込ん
で熱的に接続して蒸発部51aとするとともに、ヒート
パイプ51を受熱板に支持させている。他方の直管部を
水平面に対して少し上方向に角度θだけ傾けて設け、こ
の部分に複数の放熱フィン52を取り付けて凝縮部51
bとしている。この傾きθは、線路のカーブ等で起こる
電車の最大傾き角を考慮し、蒸発部51bの傾きが水平
面に対して少なくとも上方に維持できる角度に設定す
る。In the case of this embodiment, the heat pipe 51 is
It is bent into a mold, and one of the straight pipe portions is embedded in the heat receiving plates 31 and 32 and thermally connected to form the evaporating portion 51a, and the heat pipe 51 is supported by the heat receiving plate. The other straight pipe portion is provided at a slight upward angle to the horizontal plane at an angle θ, and a plurality of radiating fins 52 are attached to this portion to form a condensing portion 51.
b. The inclination θ is set to an angle at which the inclination of the evaporating section 51b can be maintained at least above the horizontal plane, in consideration of the maximum inclination angle of the train caused by the curve of the track.
【0040】また、凝縮部51bの先端を振れ止め55
で連結し、これを支持部材56を介して受熱板31に固
定し、ヒートパイプ51の振れをインバータ装置本体と
同一の振動系にしている。また、冷却器53,54の全
体は、図5に示すように、多数の通気孔を有する保護カ
バー57により覆われている。Further, the tip of the condensing portion 51 b is
This is fixed to the heat receiving plate 31 via the support member 56, and the vibration of the heat pipe 51 is made the same vibration system as the inverter device main body. Further, as shown in FIG. 5, the whole of the coolers 53 and 54 is covered with a protective cover 57 having a large number of ventilation holes.
【0041】ヒートパイプ51と受熱板31,32との
接合法は、図8に示すように、受熱板31の上端から下
端に向けてヒートパイプ挿通孔を穿設し、その挿通孔に
ヒートパイプを挿入し、空隙部に熱伝導性を有するはん
だ等の充填材を充填して熱的及び機械的に接合してい
る。また、ヒートパイプ51の埋込部と露出部との境界
部を、エポキシ樹脂接着材等の樹脂58により被覆して
いる。これにより、その部分に雨水等の水分が付着して
も、ヒートパイプ51の銅と受熱板31のアルミニウム
との電食を防止できる。As shown in FIG. 8, the heat pipe 51 and the heat receiving plates 31, 32 are joined by forming a heat pipe insertion hole from the upper end to the lower end of the heat reception plate 31, and inserting the heat pipe into the insertion hole. Is inserted, and the gap is filled with a filler material such as solder having thermal conductivity to perform thermal and mechanical bonding. The boundary between the embedded portion and the exposed portion of the heat pipe 51 is covered with a resin 58 such as an epoxy resin adhesive. Thus, even if moisture such as rainwater adheres to that portion, it is possible to prevent electrolytic corrosion between the copper of the heat pipe 51 and the aluminum of the heat receiving plate 31.
【0042】また、半導体スイッチモジュールSMは埋
め込みボルト59により受熱板31(32)に取り付け
るようにしている。ヒートパイプ挿通孔はボルト59と
当たらない位置に形成する。The semiconductor switch module SM is mounted on the heat receiving plate 31 (32) by means of a buried bolt 59. The heat pipe insertion hole is formed at a position that does not contact the bolt 59.
【0043】このように構成される電車用インバータ装
置の動作及び半導体スイッチ素子の冷却動作について、
本発明の特徴部を中心に次に説明する。With respect to the operation of the train inverter device and the cooling operation of the semiconductor switch element thus configured,
The following describes mainly the features of the present invention.
【0044】本実施例の電車用インバータ装置を駆動制
御するゲートパルスは、制御ユニットCUの図示してい
ないPWM制御装置により周知の3レベル・インバータ
の基本動作に従って生成される(参考文献:ア ニュー ニ
ュートラル ポイント クランプド PWM インバータ (A N
ew Neutral-Point-Clamped PWM Inverter, IEEE Tra
nsactions on industry applications ,vol.1A-17,No.
5,september/october1981))。すなわち、3レベル・イ
ンバータの基本動作は、半導体スイッチモジュールSM
1〜SM4のQ1〜Q4を次の3通りの導通モードに従いオ
ン・オフさせ、交流出力端子Mに3レベルの電圧を選択
的に出力する。ここでは、直流全電圧をEdとし、中性
点電圧をEd/2vと仮想して示す。The gate pulse for driving and controlling the train inverter device of the present embodiment is generated by a PWM control device (not shown) of the control unit CU in accordance with the well-known basic operation of a three-level inverter (reference: New Neutral point clamped PWM inverter (AN
ew Neutral-Point-Clamped PWM Inverter, IEEE Tra
nsactions on industry applications, vol.1A-17, No.
5, september / october1981)). That is, the basic operation of the three-level inverter is the semiconductor switch module SM
The 1 to SM Q 1 to Q 4 of 4 are turned on and off in accordance with the conduction mode the following three, the 3-level voltage selectively outputs to the AC output terminal M. Here, the total DC voltage is indicated as Ed, and the neutral point voltage is indicated as Ed / 2v.
【0045】 Q1 Q2 Q3 Q4 出力電圧 第1の導通モード オン オン オフ オフ Ed 第2の導通モード オフ オン オン オフ Ed/2 第3の導通モード オフ オフ オン オン 0 次に、本実施例の半導体スイッチモジュールを冷却する
冷却システムの特徴作用について説明する。 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Output voltage First conduction mode On On Off Off Ed Second conduction mode Off On On Off Ed / 2 Third conduction mode Off Off On On 0 Next, the present embodiment The characteristic operation of the cooling system for cooling the example semiconductor switch module will be described.
【0046】PWM制御装置は上記3つの導通モード及
び指定される電車の目標速度及び走行モードに従ってゲ
ートパルスを生成し、ゲートドライバを介して各半導体
スイッチモジュールをPWM制御し、インバータ装置の
出力電圧及び周波数を可変制御するとともに、電車の走
行モード(力行、惰行、制動)に従ってインバータ装置
を制御する。The PWM control device generates a gate pulse according to the above three conduction modes and the specified target speed and traveling mode of the train, performs PWM control on each semiconductor switch module via a gate driver, and outputs the output voltage of the inverter device and the output voltage of the inverter device. In addition to variably controlling the frequency, the inverter device is controlled in accordance with the running mode (powering, coasting, braking) of the train.
【0047】半導体スイッチモジュールSM1〜SM4は
オン動作時の損失により発熱する。本実施例ではその熱
を受熱板31,32と冷却器53,54からなる冷却シ
ステムにより放熱し、所定の許容温度以下に保持するよ
うにしている。すなわち、まず、半導体スイッチモジュ
ールSM1〜SM4の熱は、基板21を介して受熱板3
1,32に伝わり受熱板31,32の温度が上昇する。
次に、受熱板31,32の温度上昇によりヒートパイプ
51の蒸発部51a内の水が沸騰して蒸発し、その蒸発
熱により受熱板31,32が冷却される。ヒートパイプ
51内の蒸発した水は凝縮部51bに導かれ、放熱フィ
ンを介して電車の走行風(基本的に、図1又は図5の紙
面に直角な方向の風)と熱交換して凝縮する。その凝縮
した水はヒートパイプ51の内壁を伝わって蒸発部51
aに還流し、上述した冷却動作が繰り返される。なお、
ヒートパイプ51の内壁には長手方向に沿って複数の溝
が形成されており、これらの溝に沿って凝縮水が蒸発部
51aに還流するようになっいる。The semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 generate heat due to the loss during the ON operation. In this embodiment, the heat is radiated by the cooling system including the heat receiving plates 31 and 32 and the coolers 53 and 54, and is maintained at a predetermined allowable temperature or lower. That is, first, the heat of the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 is transferred to the heat receiving plate 3 via the substrate 21.
1, 32, the temperature of the heat receiving plates 31, 32 rises.
Next, the water in the evaporating section 51a of the heat pipe 51 boils and evaporates due to the temperature rise of the heat receiving plates 31, 32, and the heat receiving plates 31, 32 are cooled by the heat of evaporation. The evaporated water in the heat pipe 51 is guided to the condensing portion 51b, and exchanges heat with the traveling wind of the train (basically, the wind in a direction perpendicular to the plane of FIG. 1 or FIG. 5) through the radiation fins to condense. I do. The condensed water travels along the inner wall of the heat pipe 51 and evaporates.
Then, the cooling operation is repeated. In addition,
A plurality of grooves are formed on the inner wall of the heat pipe 51 along the longitudinal direction, and the condensed water is returned to the evaporating section 51a along these grooves.
【0048】一方、3レベル・インバータを形成する半
導体スイッチモジュールSM1〜SM4の損失(発熱量)
は、図9(a),(b)に示す半導体素子発熱サイクル
のように、電気車の走行モード(力行、惰行、制動)に
関連することが判明した。つまり、半導体スイッチモジ
ュールSM1とSM4の損失は力行時にピークがあり、半
導体スイッチモジュールSM2とSM3の損失は制動時に
ピークがある。On the other hand, loss (heat generation) of semiconductor switch modules SM 1 to SM 4 forming a three-level inverter
Has been found to be related to the running mode (powering, coasting, braking) of the electric vehicle, as in the semiconductor element heat cycle shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b). In other words, the loss of the semiconductor switch modules SM 1 and SM 4 has a peak during power running, the loss of the semiconductor switch modules SM 2 and SM 3 is a peak during braking.
【0049】このことに鑑み、図1等に示したように、
本実施例では、損失のピークがずれているSM1とSM2
の対を同一の受熱板31に取付け、同様にSM3とSM4
の対を同一の受熱板32に取付けている。これにより、
力行時と制動時における受熱板への入熱量が均等化さ
れ、半導体スイッチモジュールSM1〜SM4に対して冷
却器を個別に設けた場合よりも、冷却器53,54の熱
負荷量が平均化されるから、冷却器を小形化することが
できる。In view of this, as shown in FIG.
In this embodiment, the loss peaks of SM 1 and SM 2 are shifted.
Are mounted on the same heat receiving plate 31, and SM 3 and SM 4
Are mounted on the same heat receiving plate 32. This allows
It is heat input equalization of the heat receiving plate at the time of braking and power running, than the case of providing separately cooler the semiconductor switch modules SM 1 to SM 4, the heat load of the cooler 53, 54 Mean Therefore, the size of the cooler can be reduced.
【0050】また、図7に示したように、IGBTと同
一の基板上にフリーホィーリングダイオードDFを載置
して半導体スイッチモジュールSMを形成し、発熱する
半導体素子とその冷却系統を集約しているから、装置全
体の小形化に寄与する。Further, as shown in FIG. 7, a freewheeling diode DF is mounted on the same substrate as the IGBT to form a semiconductor switch module SM, and a semiconductor element generating heat and its cooling system are integrated. This contributes to downsizing of the entire device.
【0051】この場合、スナバダイオードDSも半導体
スイッチモジュールSMに一体化して形成することがで
き、これによれば冷却系統を一層集約でき装置の小形化
に寄与しうる。In this case, the snubber diode DS can also be formed integrally with the semiconductor switch module SM, which can further consolidate the cooling system and contribute to downsizing of the device.
【0052】同様に、クランプダイオードDC1とDC2
を半導体スイッチモジュールSMと同一の受熱板31,
32に取り付けているので、発熱半導体素子とその冷却
系統を一層集約でき、装置全体の小形化に寄与する。ま
た、クランプダイオードDC1、DC2の損失は電車の走
行モードに対応して図9(c)のように変化するから、
冷却器を個別に設ける場合に比較して、冷却器の熱負荷
量をある程度平均化できる。Similarly, clamp diodes DC 1 and DC 2
Are the same heat receiving plate 31, as the semiconductor switch module SM,
32, the heat generating semiconductor element and its cooling system can be further integrated, which contributes to downsizing of the entire apparatus. Further, since the loss of the clamp diodes DC 1 and DC 2 changes as shown in FIG. 9C according to the traveling mode of the train,
The heat load of the cooler can be averaged to some extent as compared with the case where the coolers are individually provided.
【0053】また、ヒートパイプの蒸発部51aを受熱
板31,32の板面に沿って埋め込んだことから、それ
らの間の伝熱面積を十分に広くでき、集熱効率を高くで
きる。Further, since the evaporating portion 51a of the heat pipe is embedded along the plate surfaces of the heat receiving plates 31, 32, the heat transfer area between them can be made sufficiently large, and the heat collecting efficiency can be increased.
【0054】また、ヒートパイプ51をL形に曲げて構
成したから、放熱フィン部を含む冷却器53,54の外
形寸法を筐体の高さ内に容易に収めることができる。こ
れにより、電車の床下に垂下させて取り付けられるイン
バータ装置に要求される装置高さの制限を、容易に満た
すことができる。しかも、車両の床下に取り付けられる
筐体に対し、放熱フィンが設けられたヒートパイプ51
の直状部を電車の幅方向に延在させて設けたことから、
電車の走行風が放熱フィン部に十分に通流され、大きな
冷却効果が得られる。Further, since the heat pipe 51 is formed by bending the heat pipe 51 into an L shape, the outer dimensions of the coolers 53 and 54 including the radiation fins can be easily accommodated within the height of the housing. This makes it possible to easily satisfy the restriction on the device height required for the inverter device that is mounted to be hung below the floor of the train. Moreover, the heat pipe 51 provided with the radiation fins is provided for the housing mounted under the floor of the vehicle.
Because the straight part of was provided extending in the width direction of the train,
The running wind of the train is sufficiently passed through the radiating fins, and a large cooling effect is obtained.
【0055】特に、受熱板31,32の一方の面が外気
に露出し、放熱面として作用するから、その分だけ筐体
内部の温度上昇を抑えることができ、冷却器53,54
の放熱容量を低減できる。In particular, since one surface of the heat receiving plates 31 and 32 is exposed to the outside air and acts as a heat radiating surface, the rise in temperature inside the housing can be suppressed by that much, and the coolers 53 and 54 can be suppressed.
Can reduce the heat radiation capacity.
【0056】また、ヒートパイプ51を複数に分割して
受熱板31,32に設けているから、放熱フィン部が占
める容積を小さくできる。特に、ヒートパイプ51を受
熱板に対して上下2段に分けて配列していることから、
装置を一層小形化できる。Further, since the heat pipe 51 is divided into a plurality of parts and provided on the heat receiving plates 31 and 32, the volume occupied by the radiation fins can be reduced. In particular, since the heat pipes 51 are arranged in two stages above and below the heat receiving plate,
The device can be further miniaturized.
【0057】また、本実施例では、受熱板31,32を
上下に分割し、これに合わせてヒートパイプ51a,b
を分割して埋め込んでいるから、製作及び組立て時の取
り扱い作業が容易になる。In this embodiment, the heat receiving plates 31 and 32 are divided into upper and lower portions, and the heat pipes 51a and 51b are
Is divided and embedded, so that the handling operation during production and assembly is facilitated.
【0058】また、放熱フィン52をヒートパイプ51
に対し下方に偏芯させて設けていることから、高さ方向
の寸法をその分だけ抑えるとともに、十分な放熱面積を
確保できる。Further, the radiation fins 52 are connected to the heat pipe 51.
Eccentrically downward, the size in the height direction can be suppressed by that much, and a sufficient heat radiation area can be secured.
【0059】一方、図7に示したように、半導体スイッ
チモジュールSMを構成するIGBT及びフリーホイー
リングダイオードDFを、絶縁板62を介して基板61
に載置し、半導体素子の対地絶縁をモジュール内部で確
保する構成としたことから、導電性を有する受熱板3
1,32を大地電位にすることが可能になる。On the other hand, as shown in FIG. 7, the IGBT and the freewheeling diode DF constituting the semiconductor switch module SM are connected to the substrate 61 via the insulating plate 62.
The heat-receiving plate 3 having conductivity has been configured such that the ground insulation of the semiconductor element is secured inside the module.
1, 32 can be set to the ground potential.
【0060】これにより、受熱板31,32及び冷却器
53,54の対地絶縁が不要になるから、冷却システム
の構成を簡単化でき、装置全体の小形化に寄与するとと
もに、受熱板31,32と冷却器53,54とを熱的に
接続する伝熱部材として、絶縁性を有しない水等の冷媒
を用いたヒートパイプを適用できる。したがって、冷却
能力を損なうことなく、有害なフロンを用いない冷却シ
ステムを実現できる。This eliminates the necessity of insulating the heat receiving plates 31 and 32 and the coolers 53 and 54 from the ground, so that the configuration of the cooling system can be simplified, which contributes to the downsizing of the entire apparatus and the heat receiving plates 31 and 32. A heat pipe using a non-insulating coolant such as water can be applied as a heat transfer member for thermally connecting the cooling devices 53 and 54 to each other. Therefore, it is possible to realize a cooling system that does not use harmful CFCs without impairing the cooling capacity.
【0061】冷媒液として水を用いる場合は、ヒートパ
イプ51の埋込部に注入する水の初期水位は、埋込部と
露出部の境界よりも埋込部側に設定することが好まし
い。初期水位を露出部に達する位置に設定すると、冬期
に露出部の水が凍結し、インバータ運転開始時に蒸発部
51aの圧力が異常に上昇してしまう恐れがあるからで
ある。When water is used as the refrigerant liquid, it is preferable that the initial water level of the water to be injected into the embedded portion of the heat pipe 51 be set closer to the embedded portion than the boundary between the embedded portion and the exposed portion. If the initial water level is set to a position reaching the exposed portion, the water in the exposed portion freezes in winter, and the pressure in the evaporating portion 51a may abnormally increase at the start of the inverter operation.
【0062】また、受熱板31,32を大地電位にでき
るから、これらを筐体6に直接取り付けることができ
る。そこで、本実施例では、図1,2に示したように、
受熱板31,32を筐体6の垂直外壁に形成された開口
部に、半導体スイッチモジュールSMを内側にして取付
けたことから、受熱板31,32の片方の面が筐体6の
外部に露出する。その結果、従来のように受熱板全体を
筐体内に設置した場合に比べて、露出した受熱板31,
32の表面も放熱面として有効に作用するから、その放
熱量の分だけ筐体内部の温度上昇を抑えることができ、
しかも冷却器の放熱容量を低減して小形化できる。Since the heat receiving plates 31 and 32 can be set to the ground potential, they can be directly attached to the housing 6. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIGS.
Since the heat receiving plates 31 and 32 are attached to the openings formed in the vertical outer wall of the housing 6 with the semiconductor switch module SM inside, one surface of the heat receiving plates 31 and 32 is exposed to the outside of the housing 6. I do. As a result, the exposed heat receiving plate 31 and the exposed heat receiving plate 31,
Since the surface of 32 also effectively acts as a heat dissipation surface, the temperature rise inside the housing can be suppressed by the amount of heat dissipation,
In addition, the heat radiation capacity of the cooler can be reduced and the size can be reduced.
【0063】なお、上記の実施例では、インバータ主回
路の半導体スイッチ素子としてIGBTを適用した例を
示したが、これに限らず、バイポーラトランジスタやM
OSゲートにより制御されるサイリスタ等を適用しても
同一の効果が得られる。In the above embodiment, an example in which an IGBT is applied as a semiconductor switch element of an inverter main circuit has been described. However, the present invention is not limited to this.
The same effect can be obtained by applying a thyristor controlled by an OS gate.
【0064】上記実施例では3レベル・インバータを例
にして説明したが、本発明はこれに限らず2レベルイン
バータ、あるいはコンバータ等の電力変換器の冷却装置
に適用できる。すなわち、電力変換器は一般に正側アー
ム関係の半導体スイッチと負側アーム関係の半導体スイ
ッチ素子をブリッジ接続して構成され、それら正側と負
側の半導体スイッチは同一時にオンすることがない。し
たがって、それらを同一の受熱板に装着することによ
り、受熱板の入熱量が均一化され、冷却装置の熱負荷が
均一化されるから、受熱板及び放熱フィン等を含む冷却
装置を小形化できる。In the above embodiment, a three-level inverter has been described as an example. However, the present invention is not limited to this and can be applied to a two-level inverter or a cooling device for a power converter such as a converter. In other words, a power converter is generally configured by connecting a semiconductor switch having a positive arm and a semiconductor switch having a negative arm in a bridge manner, and these positive and negative semiconductor switches do not turn on at the same time. Therefore, by mounting them on the same heat receiving plate, the heat input amount of the heat receiving plate is made uniform and the heat load of the cooling device is made uniform, so that the cooling device including the heat receiving plate and the radiation fins can be downsized. .
【0065】また、上記実施例では電気車用インバータ
装置を例にして説明したが、本発明はこれに限らず、一
般用の電力変換装置に適用でき、同一の効果が得られ
る。In the above embodiments, the inverter device for an electric vehicle has been described as an example. However, the present invention is not limited to this and can be applied to a general-purpose power conversion device, and the same effect can be obtained.
【0066】また、上記実施例では、受熱板を受熱板3
1と32に分割し、それぞれに冷却器53,54を取り
付けた例を示したが、図10に示すように、受熱板48
を一体化しても上記の効果は変わらない。In the above embodiment, the heat receiving plate is
1 and 32, and the coolers 53 and 54 are attached to each of them. As shown in FIG.
The above effect does not change even if the
【0067】この場合のヒートパイプ51と受熱板48
との接合は、図11(A),(B)に示すように、上段
用と下段用のヒートパイプ挿通孔49a,49bを段ご
とに配列方向の位置をずらして穿設し、ヒートパイプ5
1a,51bの直状部がそれぞれ埋め込まれる部分を除
き、ヒートパイプ挿通孔49a,49bの挿入側の一部
を開口溝状に形成する。これにより、ヒートパイプ51
と受熱板48との接合作業が容易になる。In this case, the heat pipe 51 and the heat receiving plate 48
As shown in FIGS. 11A and 11B, the heat pipe insertion holes 49a and 49b for the upper stage and the lower stage are formed by shifting the position in the arrangement direction for each stage.
Except for the portions where the straight portions 1a and 51b are respectively buried, a part of the heat pipe insertion holes 49a and 49b on the insertion side is formed in an open groove shape. Thereby, the heat pipe 51
And the heat receiving plate 48 can be easily joined.
【0068】また、図12に示すように、受熱板31
(32)を半導体スイッチモジュールSM側の受熱板3
1a(32a)と、ヒートパイプ51側の受熱板32b
(32b)とに2つ割りし、これらを接合した2層構造
にしてもよい。これによれば、更に製作、組立てが容易
になる。なお、図13に示すように、半導体スイッチモ
ジュールSM側の受熱板50は分割しない構成にするこ
とも可能である。しかし、これらによれば、2層の受熱
板の接合面の伝熱抵抗により冷却効果が低下するおそれ
がある。Further, as shown in FIG.
(32) is the heat receiving plate 3 on the semiconductor switch module SM side.
1a (32a) and a heat receiving plate 32b on the heat pipe 51 side
(32b) and a two-layer structure in which they are joined together. According to this, manufacture and assembly are further facilitated. In addition, as shown in FIG. 13, the heat receiving plate 50 on the semiconductor switch module SM side may be configured not to be divided. However, according to these, the cooling effect may be reduced due to the heat transfer resistance of the joining surface of the two layers of the heat receiving plate.
【0069】上記実施例では、冷却器としてヒートパイ
プと放熱フィンを組み合わせたものを示したが、本発明
はこれに限らず、受熱板の外面に放熱フィンを熱的に直
接接合する構成、または受熱板に放熱フィンを一体形成
する構成にすることができる。 また、図5に示した実
施例では、スナバ抵抗RS1〜RS3を冷却器53の上部
に配置した例を示したが、図10に示すように、冷却器
54の下部の受熱板48の空いてる面に、熱伝導率の高
い電気絶縁材71を介して取り付けてもよい。これによ
れば、スナバ抵抗RS1〜RS3が発生する熱は、電気絶
縁材71を介して受熱板48に吸収され、放熱フィン5
2から効率よく空気中に放散される。その結果、スナバ
抵抗RS1〜RS3の電流密度を高くして、小形にするこ
とができる。In the above embodiment, a combination of a heat pipe and a radiation fin is shown as a cooler. However, the present invention is not limited to this, and a configuration in which the radiation fin is directly thermally joined to the outer surface of the heat receiving plate, or A configuration in which the radiation fins are integrally formed with the heat receiving plate can be adopted. Further, in the embodiment shown in FIG. 5, the example in which the snubber resistors RS 1 to RS 3 are arranged on the upper part of the cooler 53 is shown, but as shown in FIG. The vacant surface may be attached via an electric insulating material 71 having high thermal conductivity. According to this, the heat generated by the snubber resistors RS 1 to RS 3 is absorbed by the heat receiving plate 48 via the electric insulating material 71, and
2 is efficiently released into the air. As a result, by increasing the current density of the snubber resistor RS 1 to RS 3, it can be small.
【0070】[0070]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電力変換器の冷却装置全体を小形化することができる。As described above, according to the present invention,
The entire cooling device of the power converter can be downsized.
【図1】本発明を適用してなる一実施例の電気車用イン
バータ装置の冷却装置を含む主要部の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a main part including a cooling device of an inverter device for an electric vehicle according to an embodiment to which the present invention is applied.
【図2】図1の実施例を矢印 II−II から見た構成図で
ある。FIG. 2 is a configuration diagram of the embodiment of FIG. 1 as viewed from an arrow II-II.
【図3】本発明にかかる3レベル・インバータの1相分
の主回路構成図である。FIG. 3 is a main circuit configuration diagram of one phase of a three-level inverter according to the present invention.
【図4】本発明にかかる電車用インバータ装置の全体外
観図である。FIG. 4 is an overall external view of a train inverter device according to the present invention.
【図5】図4の矢印 V-V から見た矢視図である。FIG. 5 is a view as viewed from an arrow VV in FIG. 4;
【図6】受熱板上における半導体スイッチモジュール等
の配置関係を示す拡大図である。FIG. 6 is an enlarged view showing an arrangement relationship of semiconductor switch modules and the like on a heat receiving plate.
【図7】本発明の一実施例にかかる半導体スイッチモジ
ュールの構成を一部を破断して示した斜視図である。FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a semiconductor switch module according to an embodiment of the present invention, with a part thereof cut away.
【図8】受熱板とヒートパイプとの接合部を示す断面図
である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a joint between a heat receiving plate and a heat pipe.
【図9】インバータの運転モードに対応させて、半導体
スイッチモジュールとクランプダイオードとの損失を示
した線図である。FIG. 9 is a diagram showing a loss of a semiconductor switch module and a clamp diode corresponding to an operation mode of an inverter.
【図10】受熱板の他の実施例を示す図である。FIG. 10 is a view showing another embodiment of the heat receiving plate.
【図11】図10実施例の受熱板のヒートパイプ挿通孔
の詳細図である。FIG. 11 is a detailed view of a heat pipe insertion hole of the heat receiving plate of the embodiment in FIG. 10;
【図12】受熱板を2層構造にした実施例の断面図であ
る。FIG. 12 is a sectional view of an embodiment in which the heat receiving plate has a two-layer structure.
【図13】受熱板を2層構造にした他の実施例の断面図
である。FIG. 13 is a sectional view of another embodiment in which the heat receiving plate has a two-layer structure.
1A,B インバータ装置 6 筐体 11〜23 導体 31,32 受熱板 33 パワーモジュール支持枠 35 鍔部 37 取付け座 39 パッキン 40 部品支持部材 41 腕部材 42〜45 端子台 48 受熱板 49a,b ヒートパイプ挿通孔 50 受熱板 51 ヒートパイプ 52 放熱フィン 53,54 冷却器 55 振れ止め 56 支持部材 61 基板 62 絶縁板 63 主電極 64 熱応力緩和板 65 IBGT素子 67 絶縁ケース 68 主電極端子 69 ゲート端子 71 電気絶縁材 PU1〜PU3 パワーモジュール SM1〜SM4 半導体スイッチモジュール Q1〜Q4 IGBT DF1〜DF4 フリーホィーリングダイオード CS1〜CS2 スナバコンデンサ DS1〜DS4 スナバダイオード RS1〜RS3 スナバ抵抗 DC1、DC2 クランプダイオード CF1、CF2 フィルタコンデンサ CT 電流変成器1A, B Inverter device 6 Housing 11 to 23 Conductor 31, 32 Heat receiving plate 33 Power module support frame 35 Flange 37 Mounting seat 39 Packing 40 Component support member 41 Arm member 42 to 45 Terminal block 48 Heat receiving plate 49a, b Heat pipe Insertion hole 50 Heat receiving plate 51 Heat pipe 52 Radiation fins 53, 54 Cooler 55 Sway stopper 56 Support member 61 Substrate 62 Insulating plate 63 Main electrode 64 Thermal stress relieving plate 65 IBGT element 67 Insulating case 68 Main electrode terminal 69 Gate terminal 71 Electricity Insulation material PU 1 to PU 3 Power module SM 1 to SM 4 Semiconductor switch module Q 1 to Q 4 IGBT DF 1 to DF 4 Free wheeling diode CS 1 to CS 2 Snubber capacitor DS 1 to DS 4 Snubber diode RS 1 to RS 3 snubber resistance DC 1, DC 2 Kuranpuda Eau CF 1, CF 2 filter capacitor CT current transformer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 武 茨城県勝田市市毛1070番地 株式会社 日立製作所 水戸工場内 (72)発明者 豊田 瑛一 茨城県勝田市市毛1070番地 株式会社 日立製作所 水戸工場内 (72)発明者 松井 孝行 茨城県勝田市市毛1070番地 株式会社 日立製作所 水戸工場内 (72)発明者 ▲高▼久 敏彦 茨城県勝田市堀口832番地の2 日立シ ステムプラザ勝田 日立水戸エンジニア リング株式会社内 (72)発明者 中村 清 茨城県日立市大みか七丁目1番1号 株 式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 仲田 清 茨城県日立市大みか七丁目1番1号 株 式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 桑原 平吉 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 井坂 功一 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電 線株式会社 土浦工場内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Takeshi Ando 1070 Ma, Katsuta-shi, Ibaraki Hitachi, Ltd. Mito Plant (72) Inventor Eiichi Toyoda 1070 Ma, Katsuta-shi, Ibaraki Hitachi, Ltd.Mito Inside the plant (72) Inventor Takayuki Matsui 1070 Ma, Katsuta-shi, Ibaraki Pref. Inside the Mito Plant, Hitachi, Ltd. (72) Inventor ▲ Toshihiko Taka ▼ Hisashi 832. Within Engineering Co., Ltd. (72) Inventor Kiyoshi Nakamura 7-1-1, Omika, Hitachi, Ibaraki Pref. Hitachi, Ltd. Inside Hitachi Research Laboratory (72) Inventor Kiyoshi Nakata 7-1-1, Omika 7-chome, Hitachi, Ibaraki, Japan Hitachi, Ltd.Hitachi Research Laboratories (72) Inventor Hirayoshi Kuwahara 502, Kandatecho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Pref. Stand Works machine in the Laboratory (72) inventor Koichi Isaka Tsuchiura, Ibaraki Prefecture Kidamari-cho, 3550 address Hitachi Electric Wire Co., Ltd. Tsuchiura in the factory
Claims (4)
受熱板の板面に沿ってヒートパイプの一方の直状部を埋
め込み、前記受熱板から突出した前記ヒートパイプの他
方の直状部に放熱フィンを取り付けてなる電力変換器の
冷却装置において、前記ヒートパイプの埋込部と前記受
熱板との間の空隙部に熱伝導性を有する充填材を充填し
てなることを特徴とする電力変換器の冷却装置。1. A straight part of a heat pipe is embedded along a plate surface of a heat receiving plate on which a heating element of a power converter is mounted, and the other straight portion of the heat pipe protruding from the heat receiving plate. in the cooling apparatus of power converter comprising attaching a heat radiation fin part, and characterized by being filled with a filler having a thermal conductivity in the gap portion between the embedded portion and the heat receiving plate of the heat pipe Power converter cooling device.
受熱板の板面に沿ってヒートパイプの一方の直状部を埋
め込み、前記受熱板から突出した前記ヒートパイプの他
方の直状部に放熱フィンを取り付けてなる電力変換器の
冷却装置において、前記ヒートパイプの埋め込んだ直状
部に冷媒液を封入して蒸発部とし、この蒸発部の全部を
外気に触れないように前記受熱板内に埋め込み、かつ前
記冷媒液の全部が前記受熱板内に対応して位置するよう
に前記蒸発部内に封入したことを特徴とする電力変換器
の冷却装置。 2. A heating element of a power converter is mounted on a plate surface.
Fill one straight part of the heat pipe along the surface of the heat receiving plate.
Other than the heat pipe protruding from the heat receiving plate.
Of the power converter with the radiation fin attached to the
In the cooling device, the heat pipe embedded straight
A refrigerant liquid is sealed in the section to form an evaporating section, and all of the evaporating section is
Embedded in the heat receiving plate so as not to touch the outside air, and
All of the refrigerant liquid is positioned correspondingly in the heat receiving plate.
A power converter, wherein the power converter is enclosed in the evaporator.
Cooling system.
受熱板の板面に沿ってヒートパイプの一方の直状部を埋
め込み、前記受熱板から突出した前記ヒートパイプの他
方の直状部に放熱フィンを取り付けてなる電力変換器の
冷却装置において、前記ヒートパイプの埋め込んだ直状
部に冷媒液を封入して蒸発部とし、この蒸発部の全部を
外気に触れないように前記受熱板内に埋め込み、かつ前
記冷媒液の全部が前記受熱板内に対応して位置するよう
に前記蒸発部内に封入し、前記ヒートパイプの埋込部と
前記受熱板との間の空隙部に熱伝導性を有する充填材を
充填したことを特徴とする電力変換器の冷却装置。 3. A heating element of a power converter is mounted on a plate surface.
Fill one straight part of the heat pipe along the surface of the heat receiving plate.
Other than the heat pipe protruding from the heat receiving plate.
Of the power converter with the radiation fin attached to the
In the cooling device, the heat pipe embedded straight
A refrigerant liquid is sealed in the section to form an evaporating section, and all of the evaporating section is
Embedded in the heat receiving plate so as not to touch the outside air, and
All of the refrigerant liquid is positioned correspondingly in the heat receiving plate.
Into the evaporating part, and the embedded part of the heat pipe
Filler having thermal conductivity in the gap between the heat receiving plate
A cooling device for a power converter, wherein the cooling device is filled.
記ヒートパイプの埋込部と露出部の境界部を樹脂で被覆
してなることを特徴とする電力変換器の冷却装置。4. A claim 1, the cooling device for a power converter characterized by comprising a boundary portion of the exposed portion and the embedded portion of the heat pipe coated with a resin.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4315229A JP2860850B2 (en) | 1992-11-25 | 1992-11-25 | Cooling device for power converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4315229A JP2860850B2 (en) | 1992-11-25 | 1992-11-25 | Cooling device for power converter |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06163769A JPH06163769A (en) | 1994-06-10 |
JP2860850B2 true JP2860850B2 (en) | 1999-02-24 |
Family
ID=18062949
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP4315229A Expired - Lifetime JP2860850B2 (en) | 1992-11-25 | 1992-11-25 | Cooling device for power converter |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014152983A (en) * | 2013-02-07 | 2014-08-25 | Mitsubishi Alum Co Ltd | Cooler |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59140448U (en) * | 1983-03-10 | 1984-09-19 | 古河電気工業株式会社 | Heat pipe type radiator |
JPS63136348U (en) * | 1987-02-27 | 1988-09-07 |
-
1992
- 1992-11-25 JP JP4315229A patent/JP2860850B2/en not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
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JPH06163769A (en) | 1994-06-10 |
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