JP6410972B2

JP6410972B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6410972B2
Application number: JP2017567911A
Authority: JP
Inventors: 英俊北中; 宏和高林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2036-02-19
Also published as: JPWO2017141422A1; WO2017141422A1; US20190020279A1; DE112016006459T5; US10256730B2

Description

この発明は、変圧器による誘導加熱を防止する電力変換装置に関する。

電気鉄道車両の屋根上または床下には、架線から取得した電力を変換して電動機または車載機器に供給する電力変換装置が搭載される。電力変換装置は、半導体素子のスイッチング動作によって所望の交流電力を出力するインバータ回路、一次側と二次側を絶縁した状態で一次側と二次側の間の電力変換を行う変圧器、変圧器の出力電圧を整流する整流回路を有する。特許文献１に開示される鉄道車両においては、回路遮断器および避雷器が収納された高電圧機器箱、および主変圧器が床下に設置される。

国際公開第２０１４／０１０２４０号

半導体素子はスイッチング動作を行う際に発熱するため、半導体素子が設けられる基板にはフィンまたは剣山状のヒートシンクが形成される。冷却効率を高めるため、ヒートシンクは、外気に触れる位置に設けられる。同様に、変圧器も電力変換を行う際に発熱するため、外気に触れる位置に設けられる。一方、インバータ回路に制御信号を出力する出力制御部を構成する電子部品は、粉塵および水分による故障を防止するため、外気に触れない筐体の内部に設けられる。このように、電力変換装置を構成する各部品の設置場所は、冷却の必要性ならびに防塵および防水の必要性に応じて決定される。

変圧器が外気に触れる位置に設けられ、変圧器に接続される半導体素子が筐体の内部に設けられている場合、該筐体には、変圧器の巻線と該電子部品を接続する導体が挿通される挿入孔が設けられる。筐体内部の密閉性を確保するために、導体が挿入孔に挿入された後に、挿入孔にはシール部材が充填される。この場合、変圧器の接続構造が複雑化し、シール部材の充填を要するために変圧器の筐体への組み込み時および交換時の作業が煩雑化し、メンテナンス性が悪化する。

また変圧器の小型化および軽量化のためには、変圧器に高周波電圧を印加することが有効である。変圧器に高周波電圧を印加するためには、変圧器に入力される交流電圧を生成するインバータ回路の動作周波数の高周波化、および変圧器から出力される交流電力を整流する整流回路の動作周波数の高周波化が必要となる。この場合、変圧器と上記導体には、高周波の大電流が流れる。電気鉄道車両に搭載される、変換容量が数十ｋＶＡから数百ｋＶＡである変圧器を用いる場合、変圧器へ印加する電圧の周波数は２０ｋＨｚ前後が適当である。上述の接続構造を有する変圧器の場合、挿入孔付近では、筐体と導体との距離が短いために、導体を流れる高周波の大電流によって、筐体が誘導加熱される可能性がある。筐体が誘導加熱されるのを防止するためには、筐体の材質の変更または筐体の冷却が必要となるため、構造が複雑化する。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、より簡易な構成で、変圧器を冷却し、変圧器の周辺部材が誘導加熱されることを防止することが目的である。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、変圧器、第１の接続導体、第２の接続導体、第１の筐体、第２の筐体、および第３の筐体を有する。変圧器は、一次側と二次側が絶縁された状態で電力変換を行う。第１の接続導体は、変圧器の一次巻線と一次側の電子部品とを電気的に接続する。第２の接続導体は、変圧器の二次巻線と二次側の電子部品とを電気的に接続する。第１の筐体は、一次側の電子部品を収容し、第１の接続導体が挿通される第１の開口部を有する。第２の筐体は、二次側の電子部品を収容し、第２の接続導体が挿通される第２の開口部を有する。第３の筐体は変圧器を収容し、第１の接続導体および第２の接続導体が挿通される開口が形成された一面を有する。第３の筐体の内部には、絶縁部材が充填され、変圧器、第１の接続導体の一部、および第２の接続導体の一部が絶縁部材で封止される。第１の開口部および第２の開口部は、絶縁部材が充填された第３の筐体の開口が形成された一面によって塞がれる。第１の開口部の縁と第１の接続導体との最短距離は第１の閾値以上であって、第２の開口部の縁と第２の接続導体との最短距離は第２の閾値以上である。第３の筐体は、外面の少なくとも一部が外気に触れる位置に設けられる。

本発明によれば、変圧器と電子部品とを接続する接続導体が絶縁部材によって封止されて筐体から一定の距離だけ離隔して設けられ、変圧器を収容する第３の筐体を外面の少なくとも一部が外気に触れる位置に設けることで、より簡易な構成で、変圧器を冷却し、変圧器の周辺部材が誘導加熱されることを防止することが可能である。

本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。実施の形態に係る電力変換装置の電気鉄道車両への搭載例を示す図である。実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。実施の形態に係る電力変換装置において密閉部から開放部を見た図である。実施の形態の異なる例に係る電力変換装置において密閉部から開放部を見た図である。実施の形態に係る電力変換装置の変形例の断面図である。実施の形態に係る電力変換装置の変形例において密閉部から開放部を見た図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。電力変換装置１は、一次回路２０、一次側と二次側を絶縁した状態で電力変換を行う変圧器３０および二次回路４０を備える。図１の例では、一次回路２０はコンデンサ２１およびスイッチング素子２２，２３，２４，２５を有するインバータ回路であるが、一次回路２０の構成は図１の例に限られず、交流電力を供給する任意の回路である。図１の例では、二次回路４０はダイオード４１，４２，４３，４４を有する整流回路であるが、一次回路２０と同様に、二次回路４０の構成は図１の例に限られず、交流電力を供給する任意の回路である。一次回路２０および二次回路４０は、電力変換装置１の外側の空気に触れない。本実施の形態においては、電力変換装置１の外側の空気を外気という。一次回路２０および二次回路４０は、外気に触れない密閉された空間に設けられ、変圧器３０を収容する筐体は、外面の少なくとも一部が外気に触れる位置に設けられる。変圧器３０の一次巻線３１と一次回路２０とは、第１の接続導体１１によって電気的に接続され、変圧器３０の二次巻線３２と二次回路４０とは、第２の接続導体１２によって電気的に接続される。後述するように、第１の接続導体１１および第２の接続導体１２は、一次回路２０および二次回路４０を収容する筐体を構成する部材から離隔して設けられるため、該筐体が誘導加熱されることが防止される。

図２は、実施の形態に係る電力変換装置の電気鉄道車両への搭載例を示す図である。電力変換装置１は、集電装置１０２を介して架線１０１から取得した電力を変換して、出力側に接続される、空調装置または照明装置である負荷装置１０３に電力を供給する。架線１０１から取得した電力は、スイッチ２および入力リアクトル３を介して電力変換部１０に入力される。電力変換部１０は、一次回路２０、変圧器３０、二次回路４０および三相インバータ回路５０を有する。図２の例では、インバータ回路である一次回路２０が有するスイッチング素子２２，２３，２４，２５および三相インバータ回路５０が有するスイッチング素子５２，５３，５４，５５，５６，５７は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であるが、任意の半導体素子を用いることができる。

一次回路２０のスイッチング周波数は、２０ｋＨｚ前後であり、一次回路２０は直流電力を高周波の単相交流電力に変換する。図２の例では、一次回路２０は、フルブリッジ構成であるが、ハーフブリッジ構成でもよいし、他の構成でもよい。スイッチング素子２２，２３の接続点と一次巻線３１の一端とが第１の接続導体１１を介して接続され、スイッチング素子２４，２５の接続点と一次巻線３１の他端とが第１の接続導体１１を介して接続される。

変圧器３０は、一次側と二次側とを絶縁した状態で電力変換を行う。二次巻線３２の一端とダイオード４１，４２の接続点とが第２の接続導体１２を介して接続され、二次巻線３２の他端とダイオード４３，４４の接続点とが第２の接続導体１２を介して接続される。変圧器３０に印加される電圧を高周波化することで、変圧器３０の小型化および軽量化が可能である。変圧器３０に印加される電圧を高周波化すると、第１の接続導体１１および第２の接続導体１２には、高周波交流の大電流が流れる。一次回路２０のスイッチング周波数が２０ｋＨｚ前後である場合に、第１の接続導体１１および第２の接続導体１２には、数百Ａの電流が流れる。第１の接続導体１１および第２の接続導体１２が発熱するのを抑制するために、銅の薄板状の導体またはリッツ線が用いられる。

二次回路４０は、変圧器３０から入力される高周波交流電圧を直流電圧に整流し、三相インバータ回路５０が有するコンデンサ５１に直流電圧を印加する。三相インバータ回路５０は、電力変換を行い、所望の周波数および所望の大きさの三相交流電圧を出力する。制御部４は、スイッチ２のオンオフの切り替え、およびスイッチング素子２２，２３，２４，２５，５２，５３，５４，５５，５６，５７の切り替えを制御する。

電力変換部１０の出力側には、各相に設けられた交流リアクトルから成るリアクトル部５、各相に接続される交流コンデンサから成るコンデンサ部６、冷却ブロア７、および負荷装置１０３が接続される。リアクトル部５およびコンデンサ部６で平滑フィルタ回路を構成することで、三相インバータ回路５０が出力するパルス電圧波形が平滑化され、正弦波交流が得られる。

一次回路２０、変圧器３０、および二次回路４０は発熱するため、冷却する必要がある。そのため、一次回路２０および二次回路４０の各部品が設けられる基板のヒートシンク、および変圧器３０を収容する筐体は、外気に触れる位置に設けられる。電力変換部１０の出力で駆動される冷却ブロア７を外気に触れる位置に設けて、外気を対流させることで、冷却効率が高まる。一方、スイッチ２、制御部４、およびコンデンサ部６は、一次回路２０、変圧器３０、および二次回路４０に比べて発熱量が大きくなく、粉塵および水分により故障することがあるため、外気に触れない密閉された空間に設けられる。

図３は、実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。電力変換装置１の筐体６０の内部は、仕切り部材６１によって、外気が流入しない密閉部６２および外気が流入する開放部６３に分けられる。外気が流入しないとは、外気の流入量が十分に小さく、密閉部６２に求められる防水性および防塵性が担保されることを意味する。仕切り部材６１は、金属部材で構成され、例えば鉄またはアルミなどで構成される。図４は、実施の形態に係る電力変換装置において密閉部から開放部を見た図である。

図３および図４を用いて、一次回路２０と変圧器３０との接続部分の構成の詳細について説明する。図３および図４では、密閉部６２が収容する一次回路２０の各部の内、スイッチング素子２２，２４を図示した。密閉部６２に設けられるまたは密閉部６２を形成する第１の筐体６４は、第１の接続導体１１に接続されるスイッチング素子２２，２３，２４，２５を収容する。図３および図４の例では、第１の筐体６４は、筐体６０の一部および仕切り部材６１から成り、密閉部６２を形成する。第１の筐体６４の仕切り部材６１において、第１の接続導体１１が挿通される、第１の開口部６５が設けられる。

第３の筐体３４は変圧器３０を収容する。第１の接続導体１１は、第３の筐体３４の面の内、開口である開口面３５に挿通される。第３の筐体３４の内部に絶縁部材３６が充填され、変圧器３０の鉄心３３、一次巻線３１、および第１の接続導体１１の一部は、絶縁部材３６で封止される。第３の筐体３４は、アルミのように熱伝導率が閾値以上である部材で構成される。閾値は、求められる放熱性能に応じて任意に定めることができる。絶縁部材３６は、充填時には液状であり、硬化処理を行って固形化することができる部材であって、絶縁性を有し、熱伝導率が閾値以上である部材である。絶縁部材３６として、エポキシ樹脂を用いることができる。熱伝導率に対する閾値は、求められる放熱性能に応じて任意に定めることができる。一次巻線３１で発生した熱が絶縁部材３６を介して、第３の筐体３４に伝達され、第３の筐体３４から第３の筐体３４の外部に放熱される。第３の筐体３４は開放部６３に設けられ、第３の筐体３４の外面の少なくとも一部は外気に触れるため、第３の筐体３４から効率的に放熱が行われ、変圧器３０が冷却される。

第１の開口部６５は、絶縁部材３６が充填された開口面３５と対向し、開口面３５によって塞がれる。第１の開口部６５が開口面３５で塞がれ、第３の筐体３４が図示しないボルトで仕切り部材６１に締結されることで、密閉部６２に求められる防水性および防塵性が担保される。絶縁部材３６が充填された開口面３５は密閉部６２に向くように設けられるため、第１の接続導体１１と絶縁部材３６との間に隙間ができた場合であっても、その隙間から鉄心３３および一次巻線３１に水分または粉塵が付着することはない。

第１の開口部６５の縁と第１の接続導体１１との最短距離は第１の閾値以上である。第１の閾値は、仕切り部材６１の材質に応じて任意に定めることができる。第１の接続導体１１は、仕切り部材６１において誘導加熱が生じない程度に、第１の開口部６５の縁から離隔して設けられる。

第１の接続導体１１は、図示しないボルトによって、スイッチング素子２２，２４のそれぞれに接続される。スイッチング素子２２，２４は、基板２６に設けられる。基板２６の面の内、スイッチング素子２２，２４が設けられる面と反対側の面に、ヒートシンクとしてフィン２７が設けられる。フィン２７は、仕切り部材６１に設けられた孔６６から第１の筐体６４の外部に露出する。すなわち、密閉部６２から開放部６３へ向かう方向に延びるフィン２７が基板２６に形成される。

冷却ブロア７を開放部６３に設けることで、流入した外気がフィン２７から第３の筐体３４に向かって流れ、スイッチング素子２２，２４および変圧器３０の冷却効率が高まる。

一次回路２０と変圧器３０との接続部分の構成と二次回路４０と変圧器３０との接続部分の構成は同じである。上述の例と同様に、筐体６０の一部および仕切り部材６１から成る、密閉部６２の筐体を構成する第２の筐体は、第２の接続導体１２に接続されるダイオード４１，４２，４３，４４を収容する。第２の筐体の仕切り部材６１において、第２の接続導体１２が挿通される第２の開口部が設けられる。第１の筐体６４と第２の筐体は、密閉部６２に設けられる独立した別の筐体であってもよいし、密閉部６２に設けられるまたは密閉部６２を形成する同一の筐体でもよい。第１の開口部６５と第２の開口部は別の開口であってもよいし、同一の開口でもよい。

図５は、実施の形態の異なる例に係る電力変換装置において密閉部から開放部を見た図である。図５の例では、第１の筐体６４であり、かつ、第２の筐体である筐体６７に、スイッチング素子２２，２３，２４，２５およびダイオード４１，４２，４３，４４が収容される。図５では、密閉部６２が収容する一次回路２０および二次回路４０の各部の内、スイッチング素子２２，２４およびダイオード４１，４３を図示した。図５の例では、第１の開口部６５であり、かつ、第２の開口部である開口部６８は、絶縁部材３６が充填された開口面３５と対向し、開口面３５によって塞がれる。開口部６８の縁と第１の接続導体１１との最短距離は第１の閾値以上であり、開口部６８の縁と第２の接続導体１２との最短距離は第２の閾値以上である。第２の閾値は、第１の閾値と同様に任意に定めることができる。

第１の接続導体１１は、仕切り部材６１において誘導加熱が生じない程度に、開口部６８の縁から離隔して設けられ、第２の接続導体１２は、仕切り部材６１において誘導加熱が生じない程度に、開口部６８の縁から離隔して設けられる。図５の例では、スイッチング素子２２，２３，２４，２５およびダイオード４１，４２，４３，４４は同一の基板２６に設けられ、基板２６の面の内、スイッチング素子２２，２３，２４，２５およびダイオード４１，４２，４３，４４が設けられる面と反対側の面に、フィン２７が設けられる。フィン２７は、仕切り部材６１に設けられた孔から筐体６７の外部である、開放部６３に露出する。

図６は、実施の形態に係る電力変換装置の変形例の断面図である。図の見方は図３と同様である。図７は、実施の形態に係る電力変換装置において密閉部から開放部を見た図である。図の見方は図４と同様である。図６および図７に示す電力変換装置１の構成は、図３および図４に示す電力変換装置１の構成と同様であるが、第３の筐体３４およびフィン２７の取付方向が異なる。図６および図７の例では、第３の筐体３４は、密閉部６２側から仕切り部材６１に取り付けられ、第１の開口部６５が開口面３５によって塞がれる。また図６および図７の例では、フィン２７は、開放部６３側から仕切り部材６１に取り付けられ、フィン２７が第１の筐体６４の外部に露出する。電力変換装置１の構成は、上述の例に限られない。電力変換装置１において、図３および図４に示されるように第３の筐体３４が開放部６３側から仕切り部材６１に取り付けられ、かつ、図６および図７に示されるようにフィン２７が開放部６３側から仕切り部材６１に取り付けられてもよい。また電力変換装置１において、図６および図７に示されるように第３の筐体３４が密閉部６２側から仕切り部材６１に取り付けられ、かつ、図３および図４に示されるようにフィン２７が密閉部６２側から仕切り部材６１に取り付けられてもよい。

以上説明したとおり、実施の形態に係る電力変換装置１によれば、仕切り部材６１に設けられた第１の開口部６５および第２の開口部を絶縁部材３６が充填された開口面３５で塞ぐことで、一次回路２０と変圧器３０との接続部分の構成および二次回路４０と変圧器３０との接続部分の構成を簡易化することができる。変圧器３０を収容する第３の筐体３４を開放部６３に設けるため、変圧器３０を冷却することができる。また第１の開口部６５の縁から一定の距離だけ離隔した位置に第１の接続導体１１が設けられ、第２の開口部の縁から一定の距離だけ離隔した位置に第２の接続導体１２が設けられるため、変圧器３０の周辺部材が誘導加熱されることを防止することができる。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。電力変換部１０の構成は、図２の例に限られず、ＤＣ−ＤＣ変換器（Direct-Current-to-Direct-Current Converter）であってもよい。変圧器３０は、空芯変圧器でもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１電力変換装置、２スイッチ、３入力リアクトル、４制御部、５リアクトル部、６コンデンサ部、７冷却ブロア、１０電力変換部、１１第１の接続導体、１２第２の接続導体、２０一次回路、２１，５１コンデンサ、２２，２３，２４，２５，５２，５３，５４，５５，５６，５７スイッチング素子、２６基板、２７フィン、３０変圧器、３１一次巻線、３２二次巻線、３３鉄心、３４第３の筐体、３５開口面、３６絶縁部材、４０二次回路、４１，４２，４３，４４ダイオード、５０三相インバータ回路、６０，６７筐体、６１仕切り部材、６２密閉部、６３開放部、６４第１の筐体、６５第１の開口部、６６孔、６８開口部、１０１架線、１０２集電装置、１０３負荷装置。

Claims

一次側と二次側が絶縁された状態で電力変換を行う変圧器と、
前記変圧器の一次巻線と一次側の電子部品とを電気的に接続する第１の接続導体と、
前記変圧器の二次巻線と二次側の電子部品とを電気的に接続する第２の接続導体と、
前記一次側の電子部品を収容し、前記第１の接続導体が挿通される第１の開口部を有する第１の筐体と、
前記二次側の電子部品を収容し、前記第２の接続導体が挿通される第２の開口部を有する第２の筐体と、
前記変圧器を収容し、前記第１の接続導体および前記第２の接続導体が挿通される開口が形成された一面を有する第３の筐体と、
を備え、
前記第３の筐体の内部には、絶縁部材が充填され、前記変圧器、前記第１の接続導体の一部、および前記第２の接続導体の一部が前記絶縁部材で封止され、
前記第１の開口部および前記第２の開口部は、前記絶縁部材が充填された前記第３の筐体の前記開口が形成された一面によって塞がれ、
前記第１の開口部の縁と前記第１の接続導体との最短距離は第１の閾値以上であって、前記第２の開口部の縁と前記第２の接続導体との最短距離は第２の閾値以上であり、
前記第３の筐体は、外面の少なくとも一部が外気に触れる位置に設けられる、
電力変換装置。
前記電力変換装置の筐体の内部が、仕切り部材によって、外気が流入しない密閉部と外気が流入する開放部に分けられ、
前記第１の筐体および前記第２の筐体は、前記密閉部に設けられるまたは前記密閉部を形成する筐体であり、前記第１の開口部および前記第２の開口部は前記仕切り部材に設けられた開口であり、
前記第１の開口部および前記第２の開口部が、前記第３の筐体の前記開口が形成された一面によって塞がれるように、前記第３の筐体が前記開放部の内部に設けられる、
請求項１に記載の電力変換装置。
前記一次側の電子部品が設けられる基板と接する前記第１の筐体の一部に孔が設けられ、前記基板の面の内、前記一次側の電子部品が設けられる面の反対側の面に形成されたヒートシンクが前記第１の筐体の外部に露出し、
前記二次側の電子部品が設けられる基板と接する前記第２の筐体の一部に孔が設けられ、前記基板の面の内、前記二次側の電子部品が設けられる面の反対側の面に形成されたヒートシンクが前記第２の筐体の外部に露出する、
請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１の筐体および前記第２の筐体は、前記密閉部に設けられるまたは前記密閉部を形成する同一の筐体であり、前記第１の開口部および前記第２の開口部は、前記仕切り部材に設けられた同一の開口部であり、
該開口部が、前記第３の筐体の前記開口が形成された一面によって塞がれるように、前記第３の筐体が前記開放部の内部に設けられ、
前記一次側の電子部品および前記二次側の電子部品が設けられる基板と接する前記仕切り部材の一部に孔が設けられ、前記基板の面の内、前記一次側の電子部品および前記二次側の電子部品が設けられる面の反対側の面に形成されたヒートシンクが前記開放部に露出する、
請求項２に記載の電力変換装置。