JP6736286B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明による実施形態は、電力変換装置に関する。

従来から電気車の主電動機（モータ）等の駆動システムを動作させるために電力変換装置が用いられている。電力変換装置は、電気車の車輪を回転させるために、架線から得た電力を駆動システムに必要な電力に変換する。

このような電力変換装置は、複数のスイッチング素子（例えば、ＧＴＯ(Gate Turn Off Thyristor)、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等）により構成されたコンバータやインバータを含み、スイッチングにより損失（熱）を発生する。このため、電力変換装置は、冷却器を用いて冷却する必要がある。

冷却器としては、例えば、放熱フィンやブロアが用いられている。放熱フィンは、スイッチング素子の熱を車両の走行風またはブロアの強制風によって空中へ放出する。

しかし、発熱量の大きなスイッチング素子が局所的に偏って配置されている場合、受熱板や放熱フィンの温度はそのスイッチング素子の位置において局所的に高くなる。従って、放熱フィンを局所的または全体的に大きくする必要がある。この場合、電力変換装置のサイズが大きくなってしまう。

特開２０００−０９２８１９号公報

スイッチング素子から生じる熱を効率良く放出することができ、小型化された電力変換装置を提供する。

本実施形態による電力変換装置は、電気車の負荷に供給する電力を生成する。コンバータは、第１交流電力を直流電力へ変換する。インバータは、直流電力を第２交流電力へ変換する。コンバータは、第１交流電力の第１相配線と直流電力の配線との間に接続された第１スイッチング部と、第１交流電力の第２相配線と直流電力の配線との間に接続された第２スイッチング部とを備える。第１および第２スイッチング部は、電気車の進行方向に対して略垂直方向に並ぶように配置される。インバータは、直流電力の配線と第２交流電力の第１相配線との間に接続された第３スイッチング部と、直流電力の配線と第２交流電力の第２相配線との間に接続された第４スイッチング部と、直流電力の配線と第２交流電力の第３相配線との間に接続された第５スイッチング部とを備える。第３〜第５スイッチング部は、電気車の進行方向に対して略垂直方向に並ぶように配置され、かつ、第１および第２スイッチング部に対して電気車の進行方向に並ぶように配置されている。

鉄道等の電気車に搭載される電力変換装置１００の構成の一例を示す概略図。 電力変換装置１００の各構成要素の配置の一例を示す斜視図。 スイッチング部３１、４１の構成の一例を示す等価回路図。 コンバータ・インバータ４０内のスイッチング部３１〜３２、４１〜４３の配置および第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の配置を示す概略的なレイアウト図。 本実施形態によるスイッチング部３１、３２および４１〜４３内におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４およびクランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２の配置を示すレイアウト図。 均熱パイプ３１０を備えた電力変換装置１００の一例を示すレイアウト図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、電気車に搭載される電力変換装置１００の構成の一例を示す概略図である。電気車は、例えば、鉄道等の線路上を電力で走行する車両である。電力変換装置１００は、架線１３からパンタグラフ１２を介して交流電力を受け、該交流電力を三相交流電力に変換して、該三相交流電力を電動機（例えば、三相交流モータ）１１に供給する。

電力変換装置１００は、制御部１０と、変圧器２０と、コンバータ３０と、インバータ４０と、遮断器５０と、充電抵抗６１、６２と、接触器７１〜７４と、分圧コンデンサ８１、８２と、電流検出器９０とを備えている。尚、変圧器２０および遮断器５０は、電力変換装置１００とは別体であってもよい。

変圧器２０は、パンタグラフ１２を介して架線１３からの交流電力を１次コイルで受け、その交流電力を変圧して２次コイルからコンバータ３０へ供給する。例えば、変圧器２０は、２次コイルからＵ相およびＶ相の単相交流電力をコンバータ３０へ供給する。変圧器２０とコンバータ３０との間には、２本の配線（Ｕ相配線およびＶ相配線）が設けられており、これらの配線が単相交流電力をコンバータ３０へ伝達する。

コンバータ３０は、変圧器２０の２次コイルから交流電力（第１交流電力）を受けて、その交流電力を直流電力へ変換する。コンバータ３０は、例えば、第１相としてのＵ相のスイッチング部３１と、第２相としてのＶ相のスイッチング部３２とを備えている。Ｕ相のスイッチング部（第１スイッチング部）３１は、第１相配線としてのＵ相配線と直流電力の配線との間に接続され、単相交流電力のうちＵ相をスイッチングすることによって該Ｕ相の電力を直流電力へ変換する。Ｖ相のスイッチング部３２（第２スイッチング部）は、第２相配線としてのＶ相配線と直流電力の配線との間に接続され、単相交流電力のうちＶ相をスイッチングすることによって該Ｖ相の電力を直流電力へ変換する。コンバータ３０とインバータ４０との間には、３本の配線（正極配線Ｐ、負極配線Ｎおよび中性点配線Ｃ）が設けられており、これらの配線が直流電力をインバータ４０へ伝達する。スイッチング部３１、３２の内部構成については後で説明する。

インバータ４０は、コンバータ３０からの直流電力を受けて、その直流電力を三相交流電力（第２交流電力）へ変換する。インバータ４０は、例えば、Ｕ相のスイッチング部４１と、Ｖ相のスイッチング部４２と、第３相としてのＷ相のスイッチング部４３とを備えている。Ｕ相のスイッチング部４１（第３スイッチング部）は、直流電力の配線と三相交流電力のＵ相配線との間に接続され、直流電力を受けて三相交流電力のうちＵ相の交流電力を出力する。Ｖ相のスイッチング部４２（第４スイッチング部）は、直流電力の配線と三相交流電力のＶ相配線との間に接続され、直流電力を受けて三相交流電力のうちＶ相の交流電力を出力する。Ｗ相のスイッチング部４３（第５スイッチング部）は、直流電力の配線と三相交流電力のＷ相配線との間に接続され、直流電力を受けて三相交流電力のうちＷ相の交流電力を出力する。インバータ４０と電動機１１との間には、３本の配線（Ｕ相配線、Ｖ相配線およびＷ相配線）が設けられており、これらの配線が三相交流電力を電動機１１へ伝達する。三相交流電力は、電動機１１を駆動するために用いられる。スイッチング部４１〜４３の内部構成については後で説明する。

遮断器５０は、パンタグラフ１２と変圧器２０との間に設けられた主電源スイッチであり、例えば、ＶＣＢ（Vacuum Circuit Breaker）である。接触器７２および接触器７４は、変圧器２０の２次コイルとコンバータ３０との間のＵ相配線およびＶ相配線にそれぞれ設けられている。接触器７２および接触器７４は、例えば、重大な故障が生じたときに電力を遮断する高速度遮断器である。接触器７１および充電抵抗６１は、直列に接続され、接触器７２に対して並列に接続されている。接触器７３および充電抵抗６２も、直列に接続され、接触器７４に対して並列に接続されている。接触器７１、７２および充電抵抗６１、６２は、電力変換装置１００の起動時に分圧コンデンサ８１、８２をゆっくり充電するために用いられる。

分圧コンデンサ８１は、正極配線Ｐと中性点配線Ｃとの間に接続されている。分圧コンデンサ８２は、中性点配線Ｃと負極配線Ｎとの間に接続されている。分圧コンデンサ８１、８２によって、中性点配線Ｃは、正極配線Ｐと負極配線Ｎとの間の電圧（例えば、中間電圧）になる。

電流検出器９０は、中性点配線Ｃ、グランドおよび制御部１０に接続されており、中性点配線Ｃを介してグランドに流れる電流あるいはその逆方向に流れる電流を検出し、その電流測定値を制御部１０へ出力する。

制御部１０は、コンバータ３０、インバータ４０、遮断器５０、７１〜７４等の電力変換装置の各構成要素を制御する。例えば、制御部１０は、コンバータ３０およびインバータ４０を構成するスイッチング素子のスイッチング状態（オン状態またはオフ状態）を制御する。

負荷としての電動機１１は、電力変換装置１００からの三相交流電力を受けて駆動する。電動機１１が電気車の車輪を回転させることにより、電気車は、鉄道等の線路上を走行することができる。

図２は、電力変換装置１００の各構成要素の配置の一例を示す斜視図である。電力変換装置１００の構成要素は、筐体２００の内部に収容されている。矢印Ｘは、電気車の進行方向（電気車の長手方向）を示す。矢印Ｙは電気車の進行方向に対して略垂直方向を示す。

コンバータ部２０１は、コンバータ３０を含む部分である。インバータ部２０２は、インバータ４０を含む部分である。コントロール部２０３は、制御部１０を含む部分である。スイッチ・センサ部２０４は、接触器７１〜７４および電流検出器９０を含む部分である。コンバータ部２０１およびインバータ部２０２は、それぞれ個別に設けられていてもよいが、図２に示すように一体化されたユニット２１０として構成してもよい。ユニット２１０では、後述する受熱板は、コンバータ部２０１とインバータ部２０２とにおいて共通であってもよい。一方、ユニット２０１、コントロール部２０３、およびスイッチ・センサ部２０４は、配線や熱耐性などの特性によって比較的近傍に設置される機器をグループ化したもので、ユニット化されていることを示すものではない。また、電力変換装置１００は、少なくともコンバータ部２０１、インバータ部２０２および放熱フィン３００によって構成され得る。

また、電力変換装置１００内において、コンバータ部２０１およびインバータ部２０２は、電気車の進行方向Ｘに並べて配置されている。また、コンバータ部２０１とインバータ部２０２を電気車の片方の側面に寄せて配置することによって、電気車の側面側に設けられた電力変換装置１００の開口部からコンバータ部２０１およびインバータ部２０２へ容易にアクセスすることができる。これにより、コンバータ部２０１およびインバータ部２０２の出し入れが容易になる。さらに電気車の側面において行う検査等の作業は多いので、電気車の側面において継続的に作業を行うことによって、作業を効率化することができる。

さらに、コンバータ部２０１内のスイッチング部３１、３２は、受熱板（図４（Ｂ）の３５０参照）に取り付けられており、受熱板から筐体２００の外部へ延伸する放熱フィン３００に熱的に接続されている。インバータ部２０２内のスイッチング部４１〜４３も、受熱板に取り付けられており、受熱板から筐体２００の外部へ延伸する放熱フィン３００に熱的に接続されている。これにより、スイッチング部３１、３２、４１〜４３において発生する熱は、受熱板を介して放熱フィン３００に伝導し、放熱フィン３００から放熱される。尚、コンバータ部２０１の受熱板とインバータ部２０２の受熱板は、それぞれ別体でもよく、あるいは、一体であってもよい。

図３は、スイッチング部４１の構成の一例を示す等価回路図である。スイッチング部３１、３２、４１〜４３は、交流電力の配線（Ｕ相配線、Ｖ相配線、Ｗ相配線）および直流電力の配線（正極配線Ｐ、負極配線Ｎ、中性点配線Ｃ）との接続関係において異なるものの、それぞれ同様の構成を有する。以下、スイッチング部４１について説明し、他のスイッチング部３１、３２、４２、４３についての説明は省略する。

スイッチング部４１は、第１スイッチング素子Ｑ１と、第２スイッチング素子Ｑ２と、第３スイッチング素子Ｑ３と、第４スイッチング素子Ｑ４と、第１クランプ素子ＣＤ１と、第２クランプ素子ＣＤ２とを備えている。

第１スイッチング素子Ｑ１および第２スイッチング素子Ｑ２は、直流電力の正極配線Ｐと交流電力のＵ相配線（第１相配線）との間に直列に接続されている。第３スイッチング素子Ｑ３および第４スイッチング素子Ｑ４は、交流電力のＵ相配線と直流電力の負極配線Ｎとの間に直列に接続されている。換言すると、等価回路において、第１から第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の順番で正極配線Ｐから負極配線Ｎまで直列に接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３との間のノードがＵ相配線に接続されている。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、それぞれ、例えば、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ等のパワー半導体トランジスタにより構成されている。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、ダイオードが設けられている。ダイオードは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のそれぞれのソース−ドレイン間に接続されている。ここで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に設けられたダイオードやクランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２はＳｉＣダイオードとしてもよい。ＳｉＣダイオードは、低損失であるので、冷却部となる放熱フィン３００の枚数削減や受熱版の小型等、電力変換装置１００の小型化に寄与することができる。

第１クランプ素子ＣＤ１は、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２との間の第１ノードＮ１と直流電力の中性点配線Ｃとの間に接続されている。第２クランプ素子ＣＤ２は、第３スイッチング素子Ｑ３と第４スイッチング素子Ｑ４との間の第２ノードＮ２と直流電力の中性点配線Ｃとの間に接続されている。換言すると、第１および第２クランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２は、第１ノードＮ１と第２ノードＮ２との間に直列に接続されている。第１クランプ素子ＣＤ１と第２クランプ素子ＣＤ２との間のノードは、中性点配線Ｃに接続されている。クランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２は、例えば、クランプ用ダイオードで構成されている。第１クランプ素子ＣＤ１のアノードは、中性点配線Ｃに接続され、カソードは、ノードＮ１に接続されている。第２クランプ素子ＣＤ２のアノードはノードＮ２に接続されており、カソードは中性点配線Ｃに接続されている。

このような構成を有するスイッチング部４１は、正極配線Ｐ、負極配線Ｎおよび中性点配線Ｃから直流電力を受けて、三相交流電力のＵ相電力の正弦波を生成する。

（正極側の正弦波の生成）
例えば、まず、第２スイッチング素子Ｑ２が継続的にオン状態であり、第４スイッチング素子Ｑ４がオフ状態であるときに、第１スイッチング素子Ｑ１および第３スイッチング素子Ｑ３が相補的かつ交互にスイッチング動作する。即ち、第１スイッチング素子Ｑ１がオン状態とオフ状態とを繰り返し、第３スイッチング素子Ｑ３が第１スイッチング素子Ｑ１とは逆にオフ状態とオン状態とを繰り返す。第１スイッチング素子Ｑ１がオン状態であり、第３スイッチング素子Ｑ３がオフ状態のときに、Ｕ相配線は、正極配線Ｐに接続され正電圧を受ける。第３スイッチング素子Ｑ３がオン状態であり、第１スイッチング素子Ｑ１がオフ状態のときに、Ｕ相配線は、第１および第２クランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２を介して中性点配線Ｃに接続され中間電圧（正電圧と負電圧との間の電圧）を受ける。

第２スイッチング素子Ｑ２が継続的にオン状態であり、第４スイッチング素子Ｑ４が継続的にオフ状態である期間において、Ｕ相配線の電圧を正弦波にするためには、第１スイッチング素子Ｑ１がオン状態である第１オン期間と第３スイッチング素子Ｑ３がオン状態である第３オン期間とを以下のように変更する。

例えば、当初、第３スイッチング素子Ｑ３がほとんど継続的にオン状態となっている。このとき、Ｕ相配線の電圧は、直流電力の中性点配線Ｃの電圧にほぼ等しい。

この状態から第３スイッチング素子Ｑ３がオン状態である第３オン期間が次第に短くなり、逆に、第１スイッチング素子Ｑ３がオン状態である第１オン期間が次第に長くなっていく。これにより、Ｕ相配線の電圧は、中性点配線Ｃの電圧から次第に正極配線Ｐの電圧に近づいていく。

その後、第１オン期間が第３オン期間より次第に長くなり、第１スイッチング素子Ｑ１がほとんど継続的にオン状態になる。これにより、Ｕ相配線の電圧は、直流電力の正極配線Ｐの電圧にほぼ等しくなる。

さらにその後、第３オン期間が第１オン期間より次第に長くなり、第３スイッチング素子Ｑ３がほとんど継続的にオン状態になる。これにより、Ｕ相配線の電圧は、中性点配線Ｃの電圧に戻る。このように、Ｕ相配線の電圧は、中性点配線Ｃの電圧から正極配線Ｐの電圧へ一旦上昇し、中性点配線Ｃの電圧へ戻るように変化する。その結果、Ｕ相配線の電圧は、中性点配線Ｃの電圧と正極配線Ｐの電圧との間で正弦波状に変化する。即ち、Ｕ相配線の電圧は、正極側の正弦波（山成りの曲線）となる。

（負極側の正弦波の生成）
次に、第３スイッチング素子Ｑ３が継続的にオン状態であり、第１スイッチング素子Ｑ１がオフ状態であるときに、第２スイッチング素子Ｑ２および第４スイッチング素子Ｑ４が相補的かつ交互にスイッチング動作する。即ち、第２スイッチング素子Ｑ２がオン状態とオフ状態とを繰り返し、第４スイッチング素子Ｑ４が第２スイッチング素子Ｑ２とは逆にオフ状態とオン状態とを繰り返す。第２スイッチング素子Ｑ２がオン状態であり、第４スイッチング素子Ｑ４がオフ状態のときに、Ｕ相配線は、第１および第２クランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２を介して中性点配線Ｃに接続され中間電圧（正電圧と負電圧との間の電圧）を受ける。第４スイッチング素子Ｑ４がオン状態であり、第２スイッチング素子Ｑ２がオフ状態のときに、Ｕ相配線は、負極配線Ｎに接続され負電圧を受ける。

第３スイッチング素子Ｑ３が継続的にオン状態であり、第１スイッチング素子Ｑ１が継続的にオフ状態である期間において、Ｕ相配線の電圧を正弦波にするために、第２スイッチング素子Ｑ２がオン状態である第２オン期間と第４スイッチング素子Ｑ４がオン状態である第４オン期間とを以下のように変更する。

例えば、正側の正弦波の生成後、第２および第３スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３は、オン状態となっており、第１および第４スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４はオン状態となっている。このとき、Ｕ相配線の電圧は、直流電力の中性点配線Ｃの電圧にほぼ等しい。

この状態から第２スイッチング素子Ｑ２がオン状態である第２オン期間が次第に短くなり、逆に、第４スイッチング素子Ｑ４がオン状態である第４オン期間が次第に長くなっていく。これにより、Ｕ相配線の電圧は、中性点配線Ｃの電圧から次第に負極配線Ｎの電圧に近づいていく。

その後、第４オン期間が第２オン期間より次第に長くなり、第４スイッチング素子Ｑ４がほとんど継続的にオン状態になる。これにより、Ｕ相配線の電圧は、直流電力の負極配線Ｎの電圧にほぼ等しくなる。

さらにその後、第２オン期間が第４オン期間より次第に長くなり、第２スイッチング素子Ｑ２がほとんど継続的にオン状態になる。これにより、Ｕ相配線の電圧は、中性点配線Ｃの電圧に戻る。これにより、Ｕ相配線の電圧は、中性点配線Ｃの電圧から負極配線Ｎの電圧へ一旦低下し、中性点配線Ｃの電圧へ戻るように変化する。これにより、Ｕ相配線の電圧は、中性点配線Ｃの電圧と負極配線Ｎの電圧との間で正弦波状に変化する。即ち、Ｕ相配線の電圧は、負側の正弦波（谷型の曲線）となる。

スイッチング部４１は、上記正極側の正弦波の生成と負極側の正弦波の生成とを繰り返し実行することによって、Ｕ相の電圧を正弦波にすることができる。

スイッチング部４２、４３は、スイッチング部４１と同様に動作することによって、それぞれＶ相およびＷ相の電圧を正弦波にすることができる。ただし、スイッチング部４１〜４３は、それぞれ位相を約１２０度ずつずらして正弦波を生成する。これにより、スイッチング部４１〜４３を含むインバータ４０は、直流電力を三相交流電力へ変換することができる。

また、スイッチング部３１、３２も、基本的にスイッチング部４１と同様に動作することによって、変圧器２０からの単相交流電力を直流電力へ変換することができる。例えば、スイッチング部３１は、単相交流電力のＵ相を図３の第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３との間のノードで受ける。そして、スイッチング部３１のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、図３の正極配線Ｐから正電圧を出力し、負極配線Ｎから負電圧を出力するようにスイッチング動作する。これにより、スイッチング部３１は、単相交流電力のＵ相を直流電力へ変換することができる。スイッチング部３２は、スイッチング部３１と同様に動作し、単相交流電力のＶ相を直流電力へ変換する。ただし、Ｕ相およびＶ相の各位相は、１８０度ずれているので、スイッチング部３１、３２は、それぞれＵ相およびＶ相に適合したタイミングでスイッチング動作を実行する。これにより、スイッチング部３１、３２を含むコンバータ３０は、単相交流電力を直流電力へ変換することができる。

次に、スイッチング部３１〜３２、４１〜４３、第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の配置について説明する。

図４（Ａ）は、コンバータ３０内のスイッチング部３１、３２の配置およびインバータ４０内のスイッチング部４１〜４３の配置を示す概略的なレイアウト図である。スイッチング部３１、３２は、電気車の進行方向Ｘに対して略垂直方向Ｙに配列されている。スイッチング部４１〜４３も、電気車の進行方向Ｘに対して略垂直方向Ｙに配列されている。これにより、コンバータ３０およびインバータ４０のＹ方向（電気車の幅方向）の幅が広くなるので、コンバータ３０およびインバータ４０の下方にある放熱フィンが走行風を受けやすくなり、放熱効率が向上する。また、コンバータ３０およびインバータ４０のＸ方向（電気車の長手方向）の長さがそれぞれ短くなる。これにより、電力変換装置１００全体のＸ方向の長さが短くなるので、電気車の車輪間の距離が短くても、電力変換装置１００が配置し易くなる。

また、スイッチング部４１〜４３は、スイッチング部３１、３２に対して電気車の進行方向Ｘに並ぶように配置されている。これにより、Ｙ方向における２つのスイッチング部３１、３２の幅の合計Ｗ３０が、Ｙ方向における３つのスイッチング部４１〜４３の幅の合計Ｗ４０にほぼ等しくなるように、スイッチング部３１、３２、４１〜４３は配置され得る。これは、スイッチング部３１、３２のそれぞれのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４およびクランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２が２行×３列で配置されているのに対し、スイッチング部４１〜４３のそれぞれのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４およびクランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２が３行×２列で配置されているからである。各スイッチング部３１、３２、４１〜４３のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４およびクランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２の配置については後で説明する。図４（Ｂ）は、コンバータ３０のスイッチング部３１、３２の第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の配置を示す概略的なレイアウト図である。尚、図４（Ｂ）に示す第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、スイッチング部３１、３２のいずれのスイッチング素子であってもよい。勿論、全てのスイッチング部３１、３２のスイッチング素子が図４（Ｂ）に示すレイアウトで配置されていてもよい。また、図４（Ｂ）は、受熱板３５０上におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４およびクランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２の配置を示す。図４（Ｂ）では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の端子およびクランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２の端子を接続する金属配線プレートの図示を省略している。金属配線プレートは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の端子およびクランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２の端子上に設けられることによって、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４およびクランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２を図３に示す等価回路と同様に電気的に接続する。

第１スイッチング素子Ｑ１および第４スイッチング素子Ｑ４は、電気車の進行方向Ｘに対して略垂直方向Ｙに並ぶように配置されている。第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３も、第１スイッチング素子Ｑ１および第４スイッチング素子Ｑ４の並びと並行して、方向Ｙに並ぶように配置されている。また、第１スイッチング素子Ｑ１および第２スイッチング素子Ｑ２は、電気車の進行方向Ｘに隣接して配列されている。第３スイッチング素子Ｑ３および第４スイッチング素子Ｑ４も、方向Ｘに隣接して配列されている。

さらに、第１スイッチング素子Ｑ１と第４スイッチング素子Ｑ４との間の間隔Ｄ１、および、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３との間の間隔Ｄ２は、第１スイッチング素子Ｑ１とそれに隣接する第２スイッチング素子Ｑ２との間の間隔Ｄ３、および、第４スイッチング素子Ｑ４とそれに隣接する第３スイッチング素子Ｑ３との間の間隔Ｄ４よりも広い。

第１クランプ部ＣＤ１は、第１スイッチング素子Ｑ１と第４スイッチング素子Ｑ４との間に配置されている。第２クランプ部ＣＤ２は、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３との間に配置されている。このように、スイッチング部３１、３２では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３およびクランプ部ＣＤ１、ＣＤ２は、２行×３列のマトリクス状に配置されている。

ここで、上述の正弦波の生成動作を参照すると、第１および第４スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４は、タイミングにおいて異なるが、周期的に同様の動作を繰り返すことがわかる。第１および第４スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４は、互いに対称的な動作を繰り返すと言ってもよい。第２および第３スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３も、タイミングにおいて異なるが、周期的に同様の動作を繰り返すことがわかる。第２および第３スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３は、互いに対称的な動作を繰り返すと言ってもよい。一方、第１および第４スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４の動作は、第２および第３スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３の動作と基本的に異なる。即ち、第１および第４スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４の動作は、第２および第３スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３の動作と対称的でない。従って、電気車の走行中において、第１および第４スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４は、ほぼ等しい熱損失（スイッチング損失）を生じ、第２および第３スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３は、ほぼ等しい熱損失（スイッチング損失）を生じる。即ち、電気車の走行中において、第１および第４スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４の発熱量はほぼ等しく、第２および第３スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３の発熱量はほぼ等しい。

このように、熱損失のほぼ等しいスイッチング素子同士の間隔Ｄ１、Ｄ２を広くすることによって、熱が受熱板３５０および放熱フィン３００に局所的に集中することを抑制することができる。これにより、受熱板３５０および放熱フィン３００が効率的に熱を放出することができる。また、熱が分散することによって、放熱フィン３００は、局所的に大きく形成する必要が無く、かつ、全体的にほぼ均一に小さくすることができる。これは、電力変換装置１００の小型化に繋がる。

本実施形態では、第１スイッチング素子Ｑ１と第４スイッチング素子Ｑ４との間に第１クランプ素子ＣＤ１を設けている。これにより、第１スイッチング素子Ｑ１と第４スイッチング素子Ｑ４との間のスペースを無駄にすること無く、間隔Ｄ１を広くすることができる。また、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３との間に第２クランプ素子ＣＤ２を設けている。これにより、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３との間のスペースを無駄にすること無く、間隔Ｄ２を広くすることができる。

間隔Ｄ３は比較的狭いが、第１および第２スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、上述の通り、非対称的な動作を繰り返すため、熱損失が互いに相違する。間隔Ｄ４もＤ３と同様に比較的狭いが、第３および第４スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４も、上述の通り、非対称的な動作を繰り返すため、熱損失が互いに相違する。従って、間隔Ｄ３、Ｄ４は、間隔Ｄ１、Ｄ２と比較して狭くても構わない。間隔Ｄ３、Ｄ４を狭くすることによって、電気車の進行方向Ｘにおけるスイッチング部３１、３２、４１〜４３の長さが短くなる。これにより、電気車の前輪と後輪との間の距離が短くても、電力変換装置１００が配置し易くなる。

また、図４（Ｂ）に示すように、スイッチング素子Ｑ１、クランプ素子ＣＤ１、スイッチング素子Ｑ４を、それぞれスイッチング素子Ｑ２、クランプ素子ＣＤ２、スイッチング素子Ｑ３に対してＸ方向に隣接配置することによって、金属配線プレートを小さくすることができる。これにより、金属配線プレートのインダクタンスを低下させることができる。金属配線プレートのインダクタンスを低下させることによって、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング動作におけるサージ電圧を低下させることができる。

尚、図４（Ｂ）に示すレイアウトにおいて、第１クランプ素子ＣＤ１と第２クランプ素子ＣＤ２の位置は互いに入れ替えてもよい。また、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２の位置も互いに入れ替えてもよい。第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２の位置を入れ替えた場合、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３との距離が長くならないように、第３スイッチング素子Ｑ３と第４スイッチング素子Ｑ４の位置も互いに入れ替えることが好ましい。図４（Ｃ）は、インバータ４０の第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の配置を示す概略的なレイアウト図である。尚、図４（Ｃ）に示す第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、スイッチング部４１〜４３のいずれのスイッチング素子であってもよい。勿論、全てのスイッチング部４１〜４３のスイッチング素子が図４（Ｃ）に示すレイアウトで配置されていてもよい。また、図４（Ｃ）は、受熱板４５０上におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４およびクランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２の配置を示す。

受熱板４５０は、コンバータ３０の受熱板３５０と一体化された金属板であってもよい。図４（Ｃ）では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の端子およびクランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２の端子を接続する金属配線プレートの図示を省略している。金属配線プレートは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の端子およびクランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２の端子上に設けられることによって、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４およびクランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２を図３に示す等価回路と同様に電気的に接続する。

第１スイッチング素子Ｑ１および第４スイッチング素子Ｑ４は、電気車の進行方向Ｘに並ぶように配置されている。第２スイッチング素子Ｑ２および第３スイッチング素子Ｑ３も、第１スイッチング素子Ｑ１および第４スイッチング素子Ｑ４の並びと並行して、方向Ｘに並ぶように配置されている。また、第１スイッチング素子Ｑ１および第２スイッチング素子Ｑ２は、電気車の進行方向Ｘに対して略垂直方向Ｙに隣接して配列されている。第３スイッチング素子Ｑ３および第４スイッチング素子Ｑ４も、方向Ｙに隣接して配列されている。

さらに、第１スイッチング素子Ｑ１と第４スイッチング素子Ｑ４との間の間隔Ｄ１、および、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３との間の間隔Ｄ２は、第１スイッチング素子Ｑ１とそれに隣接する第２スイッチング素子Ｑ２との間の間隔Ｄ３、および、第４スイッチング素子Ｑ４とそれに隣接する第３スイッチング素子Ｑ３との間の間隔Ｄ４よりも広い。即ち、図４（Ｃ）の間隔Ｄ１〜Ｄ４は、図４（Ｂ）の間隔Ｄ１〜Ｄ４と同様の関係にある。

第１クランプ部ＣＤ１は、第１スイッチング素子Ｑ１と第４スイッチング素子Ｑ４との間に配置されている。第２クランプ部ＣＤ２は、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３との間に配置されている。このように、スイッチング部４１〜４３では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３およびクランプ部ＣＤ１、ＣＤ２は、３行×２列のマトリクス状に配置されている。

インバータ４０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４およびクランプ部ＣＤ１、ＣＤ２は、コンバータ３０のそれらと配列方向において異なるが、配列順および配列間隔においてコンバータ３０のそれらと等しい。インバータ４０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４およびクランプ部ＣＤ１、ＣＤ２の動作も、コンバータ３０のそれらの動作と類似する。従って、電気車の走行中において、第１および第４スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４は、ほぼ等しい熱損失（スイッチング損失）を生じ、第２および第３スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３は、ほぼ等しい熱損失（スイッチング損失）を生じる。即ち、電気車の走行中において、第１および第４スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４の発熱量はほぼ等しく、第２および第３スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３の発熱量はほぼ等しい。

従って、コンバータ３０だけでなく、インバータ４０においても、熱損失のほぼ等しいスイッチング素子同士の間隔Ｄ１、Ｄ２を広くすることによって、熱が受熱板４５０および放熱フィン３００に局所的に集中することを抑制することができる。これにより、受熱板４５０および放熱フィン３００が効率的に熱を放出することができる。また、熱が分散することによって、放熱フィン３００は、局所的に大きく形成する必要が無く、かつ、全体的にほぼ均一に小さくすることができる。これは、電力変換装置１００の小型化に繋がる。

また、インバータ４０においても、第１スイッチング素子Ｑ１と第４スイッチング素子Ｑ４との間に第１クランプ素子ＣＤ１を設けている。これにより、第１スイッチング素子Ｑ１と第４スイッチング素子Ｑ４との間のスペースを無駄にすること無く、間隔Ｄ１を広くすることができる。また、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３との間に第２クランプ素子ＣＤ２を設けている。これにより、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３との間のスペースを無駄にすること無く、間隔Ｄ２を広くすることができる。

間隔Ｄ３は比較的狭いが、第１および第２スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、上述の通り、非対称的な動作を繰り返すため、熱損失が互いに相違する。間隔Ｄ４もＤ３と同様に比較的狭いが、第３および第４スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４も、上述の通り、非対称的な動作を繰り返すため、熱損失が互いに相違する。従って、間隔Ｄ３、Ｄ４は、間隔Ｄ１、Ｄ２と比較して狭くても構わない。

また、図４（Ｃ）に示すように、スイッチング素子Ｑ１、クランプ素子ＣＤ１、スイッチング素子Ｑ４を、それぞれスイッチング素子Ｑ２、クランプ素子ＣＤ２、スイッチング素子Ｑ３に対してＹ方向に隣接配置することによって、金属配線プレートを小さくすることができる。これにより、金属配線プレートのインダクタンスを低下させることができる。金属配線プレートのインダクタンスを低下させることによって、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング動作におけるサージ電圧を低下させることができる。

尚、図４（Ｃ）に示すレイアウトにおいて、第１クランプ素子ＣＤ１と第２クランプ素子ＣＤ２の位置は互いに入れ替えてもよい。また、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２の位置も互いに入れ替えてもよい。第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２の位置を入れ替えた場合、第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３との距離が長くならないように、第３スイッチング素子Ｑ３と第４スイッチング素子Ｑ４の位置も互いに入れ替えることが好ましい。

図５は、本実施形態によるスイッチング部３１、３２および４１〜４３内におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４およびクランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２の配置を示すレイアウト図である。尚、図５では、受熱板は、便宜的にスイッチング部３１、３２、４１〜４３のそれぞれ個別に設けられているように図示されている。しかし、受熱板は、コンバータ部３０とインバータ部４０とで分けて、スイッチング部３１、３２において一体化し、かつ、スイッチング部４１〜４３において一体化してもよい。また、受熱板は、コンバータ部３０とインバータ部４０とで一体化してもよい。

以下、便宜的に、第１および第２スイッチング部３１、３２において、第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、第１〜第４コンバータスイッチング素子Ｑｃ１〜Ｑｃ４とし、第１および第２クランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２は、第１および第２コンバータクランプ素子ＣＤｃ１、ＣＤｃ２とする。第１〜第３スイッチング部４１〜４３において、第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、第１〜第４インバータスイッチング素子Ｑｉ１〜Ｑｉ４とし、第１および第２クランプ素子ＣＤ１、ＣＤ２は、第１および第２インバータクランプ素子ＣＤｉ１、ＣＤｉ２とする。

図５に示すように、第１および第２スイッチング部３１、３２のそれぞれは、第１〜第４コンバータスイッチング素子Ｑｃ１〜Ｑｃ４および第１および第２コンバータクランプ素子ＣＤｃ１、ＣＤｃ２を備えている。第１〜第４コンバータスイッチング素子Ｑｃ１〜Ｑｃ４および第１および第２コンバータクランプ素子ＣＤｃ１、ＣＤｃ２は、Ｙ方向に２行、かつ、Ｘ方向に３列に配列されている。配列の仕方は、図４（Ｂ）を参照して説明した通りである。

第３〜第５スイッチング部４１〜４３のそれぞれは、第１〜第４インバータスイッチング素子Ｑｉ１〜Ｑｉ４および第１および第２インバータクランプ素子ＣＤｉ１、ＣＤｉ２を備えている。第１〜第４インバータスイッチング素子Ｑｉ１〜Ｑｉ４および第１および第２インバータクランプ素子ＣＤｉ１、ＣＤｉ２は、Ｙ方向に３行、かつ、Ｘ方向に２列に配列されている。配列の仕方は、図４（Ｃ）を参照して説明した通りである。

第１スイッチング部３１において、第１コンバータスイッチング素子Ｑｃ１および第２コンバータスイッチング素子Ｑｃ２は、変圧器２０からの交流電力（第１交流電力）のＵ相配線と直流電力の正極配線Ｐとの間に直列に接続されている。第３コンバータスイッチング素子Ｑｃ３および第４コンバータスイッチング素子Ｑｃ４は、直流電力の負極配線Ｎと第１交流電力のＵ相配線との間に直列に接続されている。そして、第１および第２コンバータスイッチング素子Ｑｃ１、Ｑｃ２は、Ｘ方向（電気車の進行方向）に並ぶように配置され、第３および第４コンバータスイッチング素子Ｑｃ３、Ｑｃ４は、Ｘ方向に並ぶように配置されている。

第１コンバータクランプ素子ＣＤｃ１は、第１コンバータスイッチング素子Ｑｃ１と第２コンバータスイッチング素子Ｑｃ２との間の接続ノードと直流電力の中性点Ｃとの間に接続されている。第２コンバータクランプ素子ＣＤｃ２は、第３コンバータスイッチング素子Ｑｃ３と第４コンバータスイッチング素子Ｑｃ４との間の接続ノードと直流電力の中性点Ｃとの間に接続されている。そして、第１コンバータクランプ素子ＣＤｃ１は、第１コンバータスイッチング素子Ｑｃ１と第４コンバータスイッチング素子Ｑｃ４との間に配置されている。第２コンバータクランプ素子ＣＤｃ２は、第２コンバータスイッチング素子Ｑｃ２と第３コンバータスイッチング素子Ｑｃ３との間に配置されている。

第２スイッチング部３２において、第１〜第４コンバータスイッチング素子Ｑｃ１〜Ｑｃ４は、変圧器２０からの交流電力（第１交流電力）のＶ相配線に接続されている点で第１スイッチング部３１と異なる。第２スイッチング部３２のその他の構成は、第１スイッチング部３１の対応する構成と同様でよい。

このように、第１および第２スイッチング部３１、３２の各々において、第１および第２コンバータスイッチング素子Ｑｃ１、Ｑｃ２はＸ方向（電気車の進行方向）に第１列として配列されている。第１および第２コンバータクランプ素子ＣＤｃ１、ＣＤｃ２はＸ方向に第２列として配列されている。第３および第４コンバータスイッチング素子Ｑｃ３、Ｑｃ４はＸ方向に第３列として配列されている。第１コンバータスイッチング素子Ｑｃ１、第１コンバータクランプ素子ＣＤｃ１および第４コンバータスイッチング素子Ｑｃ４は、Ｙ方向に第１行として配列されている。第２コンバータスイッチング素子Ｑｃ２、第２コンバータクランプ素子ＣＤｃ２および第３コンバータスイッチング素子Ｑｃ３は、Ｙ方向に第２行として配列されている。即ち、第１〜第４コンバータスイッチング素子Ｑｃ１〜Ｑｃ４および第１および第２コンバータクランプ素子ＣＤｃ１、ＣＤｃ２は、Ｙ方向に２行、かつ、Ｘ方向に３列に配列されている。

第３スイッチング部４１において、第１インバータスイッチング素子Ｑｉ１および第２インバータスイッチング素子Ｑｉ２は、直流電力の正極配線Ｐと電動機１１へ供給される三相交流電力（第２交流電力）のＵ相配線との間に直列に接続されている。第３インバータスイッチング素子Ｑｉ３および第４インバータスイッチング素子Ｑｉ４は、第２交流電力のＵ相配線と直流電力の負極配線Ｎとの間に直列に接続されている。そして、第１および第４インバータスイッチング素子Ｑｉ１、Ｑｉ４は、Ｘ方向に並ぶように配置され、２および第３インバータスイッチング素子Ｑｉ２、Ｑｉ３は、Ｘ方向に並ぶように配置されている。

第１インバータクランプ素子ＣＤｉ１は、第１インバータスイッチング素子Ｑｉ１と第２インバータスイッチング素子Ｑｉ２との間の接続ノードと直流電力の中性点Ｃとの間に接続されている。第２インバータクランプ素子ＣＤｉ２は、第３インバータスイッチング素子Ｑｉ３と第４インバータスイッチング素子Ｑｉ４との間の接続ノードと直流電力の中性点Ｃとの間に接続されている。そして、第１インバータクランプ素子ＣＤｉ１は、第１インバータスイッチング素子Ｑｉ１と第４インバータスイッチング素子Ｑｉ４との間に配置され、第２インバータクランプ素子ＣＤｉ２は、第２インバータスイッチング素子Ｑｉ２と第３インバータスイッチング素子Ｑｉ３との間に配置されている。

第４スイッチング部４２において、第１〜第４インバータスイッチング素子Ｑｉ１〜Ｑｉ４は、負荷への交流電力（第２交流電力）のＶ相配線に接続されている点で第３スイッチング部４１と異なる。第４スイッチング部４２のその他の構成は、第３スイッチング部４１の対応する構成と同様でよい。また、第５スイッチング部４３において、第１〜第４インバータスイッチング素子Ｑｉ１〜Ｑｉ４は、負荷への交流電力（第２交流電力）のＷ相配線に接続されている点で第３スイッチング部４１と異なる。第５スイッチング部４３のその他の構成も、第３スイッチング部４１の対応する構成と同様でよい。

このように、第３〜第５スイッチング部４１〜４３の各々において、第１インバータスイッチング素子Ｑｉ１、第１インバータクランプ素子ＣＤｉ１および第４インバータスイッチング素子Ｑｉ４は、Ｘ方向（電気車の進行方向）に第１列として配列されている。第２インバータスイッチング素子Ｑｉ２、第２インバータクランプ素子ＣＤｉ２および第３インバータスイッチング素子Ｑｉ３は、Ｘ方向に第２列として配列されている。第１および第２インバータスイッチング素子Ｑｉ１、Ｑｉ２はＹ方向に第１行として配列されている。第１および第２インバータクランプ素子ＣＤｉ１、ＣＤｉ２はＹ方向に第２行として配列されている。第３および第４インバータスイッチング素子Ｑｉ３、Ｑｉ４はＹ方向に第３行として配列されている。即ち、第１〜第４インバータスイッチング素子Ｑｉ１〜Ｑｉ４および第１および第２インバータクランプ素子ＣＤｉ１、ＣＤｉ２は、Ｙ方向に３行、かつ、Ｘ方向に２列に配列されている。

次に、スイッチング部３１、３２とスイッチング部４１〜４３との間におけるスイッチング素子およびクランプ素子の配置関係について説明する。

第１スイッチング部３１の第１および第２コンバータスイッチング素子Ｑｃ１、Ｑｃ２は、第３スイッチング部４１の第１および第４インバータスイッチング素子Ｑｉ１、Ｑｉ４および第１インバータクランプ部ＣＤｉ１に対してＸ方向に直線状に並ぶように配列されている。即ち、第１スイッチング部３１の第１列は、第３スイッチング部４１の第１列に対してＸ方向にカラムＣｏｌ１として直線状に配列されている。

第１スイッチング部３１の第１および第２コンバータクランプ部ＣＤｃ１、ＣＤｃ２は、第３スイッチング部４１の第２および第３インバータスイッチング素子Ｑｉ２、Ｑｉ３および第２インバータクランプ部ＣＤｉ２に対してＸ方向に直線状に並ぶように配列されている。即ち、第１スイッチング部３１の第２列は、第３スイッチング部４１の第２列に対してＸ方向に直線状にカラムＣｏｌ２として配列されている。

第１スイッチング部３１の第３および第４コンバータスイッチング部Ｑｃ３、Ｑｃ４は、第４スイッチング部４２の第１および第４インバータスイッチング素子Ｑｉ１、Ｑｉ４および第１インバータクランプ部ＣＤｉ１とＸ方向に直線状に並ぶように配列されている。即ち、第１スイッチング部３１の第３列は、第４スイッチング部４２の第１列に対してＸ方向に直線状にカラムＣｏｌ３として配列されている。

第２スイッチング部３２の第１および第２コンバータスイッチング部Ｑｃ１、Ｑｃ２は、第４スイッチング部４２の第２および第３インバータスイッチング素子Ｑｉ２、Ｑｉ３および第２インバータクランプ部ＣＤｉ２に対してＸ方向に直線状に並ぶように配列されている。即ち、第２スイッチング部３２の第１列は、第４スイッチング部４２の第２列に対してＸ方向にカラムＣｏｌ４として直線状に配列されている。

第２スイッチング部３２の第１および第２コンバータクランプ部ＣＤｃ１、ＣＤｃ２は、第４スイッチング部４３の第１および第４インバータスイッチング素子Ｑｉ１、Ｑｉ４および第１インバータクランプ部ＣＤｉ１に対してＸ方向に直線状に並ぶように配列されている。即ち、第２スイッチング部３２の第２列は、第５スイッチング部４３の第１列に対してＸ方向に直線状にカラムＣｏｌ５として配列されている。

第２スイッチング部３２の第３および第４コンバータスイッチング部Ｑｃ３、Ｑｃ４は、第５スイッチング部４３の第２および第３インバータスイッチング素子Ｑｉ２、Ｑｉ３および第２インバータクランプ部ＣＤｉ２に対してＸ方向に直線状に並ぶように配列されている。即ち、第２スイッチング部３２の第２列は、第５スイッチング部４３の第２列に対してＸ方向にカラムＣｏｌ６として直線状に配列されている。

このように、コンバータ３０のスイッチング素子やクランプ素子の各列は、インバータ４０のそれらの各列に対応しており、Ｘ方向に直線状に並ぶ。また、２つのコンバータ３０のスイッチング素子やクランプ素子の列数は、３つのインバータ４０のそれらの列数と同数となる。

本実施形態では、このような各列Ｃｏｌ１〜Ｃｏｌ６に対応するように、図２に示す放熱フィン３００を設ける。放熱フィン３００は、第１〜第５スイッチング部３１、３２、４１〜４３の列Ｃｏｌ１〜Ｃｏｌ６のそれぞれに対応して受熱板の下方に延伸し、かつ、列Ｃｏｌ１〜Ｃｏｌ６と同様にＸ方向に延伸するように設けられる。これにより、放熱フィン３００は、第１および第２スイッチング部３１、３２と第３〜第５スイッチング部４１〜４３との間で共有されるものの、スイッチング素子およびクランプ素子の列Ｃｏｌ１〜Ｃｏｌ６の直下に設けられるので高効率で放熱することができる。また、スイッチング素子およびクランプ素子の列Ｃｏｌ１〜Ｃｏｌ６は、電気車の進行方向に延伸しており、それに対応して放熱フィン３００も電気車の進行方向に延伸している。従って、放熱フィン３００は、スイッチング素子およびクランプ素子の熱を高効率で放熱することができる。

コンバータ３０およびインバータ４０は、電気車の進行方向Ｘに配列されており、かつ、放熱フィン３００は、コンバータ３０およびインバータ４０において共通化されている。これにより、コンバータ３０の下の放熱フィン３００の凹部を流れてきた走行風が、そのままインバータ４０の下の放熱フィン３００の凹部に流れ込む。その結果、コンバータ３０およびインバータ４０がともに走行風に当たりやすくなり、放熱効率を向上させることができる。

図５を参照して分かるように、スイッチング素子は、受熱板上において略均等に配置されている。従って、スイッチング素子からの発熱は、局所に集中せず（偏らず）、受熱板均等に伝達し、放熱フィン３００から放熱される。これにより、コンバータ３０およびインバータ４０の放熱効率はさらに高まる。

また、放熱フィン３００は、コンバータ３０およびインバータ４０において共通化されているので、構造が簡単化され、コストを低減させることができる。

本実施形態において、図４（Ａ）に示すコンバータ３０とインバータ４０との配置は交換してもよい。コンバータ３０とインバータ４０との配置は交換しても、図５を参照して分かるように、スイッチング素子およびクランプ素子の列Ｃｏｌ１〜Ｃｏｌ６は直線状にすることができるので、本実施形態の効果は失われない。

また、図４（Ｂ）および図４（Ｃ）に示すスイッチング部３１、３２、４１〜４３において、スイッチング素子Ｑ１とＱ４との配置は交換してもよい。スイッチング素子Ｑ２とＱ３との配置も交換してもよい。スイッチング部３１、３２、４１〜４３において、スイッチング素子Ｑ１とＱ２との配置は交換してもよい。スイッチング素子Ｑ３とＱ３との配置も交換してもよい。さらに、スイッチング部３１、３２、４１〜４３において、クランプ素子ＣＤ１とＣＤ２との配置は交換してもよい。

電力変換装置１００は、放熱フィン３００に代えて、あるいは、放熱フィン３００とともに、均熱パイプ３１０を設けてもよい。図６は、均熱パイプ３１０を備えた電力変換装置１００の一例を示すレイアウト図である。均熱パイプ３１０は、受熱板内において、列Ｃｏｌ１〜Ｃｏｌ６のそれぞれに対応しており、放熱フィン３００と同様に電気車の進行方向Ｘへ延伸して配置されている。均熱パイプ３１０は、導熱性の高い材料（例えば、ステンレス等の金属材料）で形成されている。

均熱パイプ３１０内には、冷媒が充填されており、スイッチング素子Ｑｃ１〜Ｑｃ４、Ｑｉ１〜Ｑｉ４やクランプ素子ＣＤｃ１、ＣＤｃ２、ＣＤｉ１、ＣＤｉ２から生じる熱をほぼ均等に分散（拡散）する。冷媒は、均熱パイプ３１０内に封入されていてもよく、循環可能になっていてもよい。冷媒は、導熱性の高い液体であり、例えば、水、オイル等でよい。

均熱パイプ３１０および冷媒は、スイッチング素子Ｑｃ１〜Ｑｃ４、Ｑｉ１〜Ｑｉ４やクランプ素子ＣＤｃ１、ＣＤｃ２、ＣＤｉ１、ＣＤｉ２から生じる熱をほぼ均等に分散させることができる。これにより、電力変換装置１００の放熱効率をさらに向上させることができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…制御部、２０…変圧器、３０…コンバータ、４０…インバータ、５０…遮断器、６１，６２…充電抵抗、７１〜７４…接触器、８１、８２…分圧コンデンサ、９０…電流検出器、１００…電力変換装置、３１、３２・・・スイッチング部、４１〜４３・・・スイッチング部、Ｑ１〜Ｑ４・・・スイッチング素子、ＣＤ１、ＣＤ２・・・クランプ素子

Claims (10)

1. 電気車の負荷に供給する電力を生成する電力変換装置であって、
   第１交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、
   前記直流電力を第２交流電力へ変換するインバータとを備え、
   前記コンバータは、前記第１交流電力の第１相配線と前記直流電力の配線との間に接続された第１スイッチング部と、前記第１交流電力の第２相配線と前記直流電力の配線との間に接続された第２スイッチング部とを備え、
   前記第１および第２スイッチング部は、前記電気車の進行方向に対して略垂直方向に並ぶように配置され、
   前記インバータは、前記直流電力の配線と前記第２交流電力の第１相配線との間に接続された第３スイッチング部と、前記直流電力の配線と前記第２交流電力の第２相配線との間に接続された第４スイッチング部と、前記直流電力の配線と前記第２交流電力の第３相配線との間に接続された第５スイッチング部とを備え、
   前記第３〜第５スイッチング部は、前記電気車の進行方向に対して略垂直方向に並ぶように配置され、かつ、前記第１および第２スイッチング部に対して前記電気車の進行方向に並ぶように配置されており、
   前記第１および第２スイッチング部のそれぞれは、前記直流電力の配線のうち正極配線と負極配線との間に直列接続された第１〜第４コンバータスイッチング素子を備え、
   前記第１スイッチング部の前記第１および第２コンバータスイッチング素子は、前記第１交流電力の前記第１相配線と前記正極配線との間に直列に接続され、前記第１スイッチング部の前記第３および第４コンバータスイッチング素子は、前記負極配線と前記第１交流電力の前記第１相配線との間に直列に接続され、
   前記第２スイッチング部の前記第１および第２コンバータスイッチング素子は、前記第１交流電力の前記第２相配線と前記正極配線との間に直列に接続され、前記第２スイッチング部の前記第３および第４コンバータスイッチング素子は、前記負極配線と前記第１交流電力の前記第２相配線との間に直列に接続され、
   前記第１および第２コンバータスイッチング素子は、前記電気車の進行方向に並ぶように配置され、前記第３および第４コンバータスイッチング素子は、前記電気車の進行方向に並ぶように配置され、
   前記第３〜第５スイッチング部のそれぞれは、前記正極配線と前記負極配線との間に直列接続された第１〜第４インバータスイッチング素子を備え、
   前記第３スイッチング部の前記第１および第２インバータスイッチング素子は、前記正極配線と前記第２交流電力の前記第１相配線との間に直列に接続され、前記第３スイッチング部の前記第３および第４インバータスイッチング素子は、前記第２交流電力の前記第１相配線と前記負極配線との間に直列に接続され、
   前記第４スイッチング部の前記第１および第２インバータスイッチング素子は、前記正極配線と前記第２交流電力の前記第２相配線との間に直列に接続され、前記第４スイッチング部の前記第３および第４インバータスイッチング素子は、前記第２交流電力の前記第２相配線と前記負極配線との間に直列に接続され、
   前記第５スイッチング部の前記第１および第２インバータスイッチング素子は、前記正極配線と前記第２交流電力の前記第３相配線との間に直列に接続され、前記第５スイッチング部の前記第３および第４インバータスイッチング素子は、前記第２交流電力の前記第３相配線と前記負極配線との間に直列に接続され、
   前記第１および第４インバータスイッチング素子は、前記電気車の進行方向に並ぶように配置され、前記第２および第３インバータスイッチング素子は、前記電気車の進行方向に並ぶように配置されており、
   さらに、前記第１および第２スイッチング部のそれぞれは、
   前記第１コンバータスイッチング素子と前記第２コンバータスイッチング素子との間のノードと前記直流電力の中性点との間に接続された第１コンバータクランプ素子と、
   前記第３コンバータスイッチング素子と前記第４コンバータスイッチング素子との間のノードと前記直流電力の中性点との間に接続された第２コンバータクランプ素子と、を備え、
   前記第１コンバータクランプ素子は、前記第１コンバータスイッチング素子と前記第４コンバータスイッチング素子との間に配置され、前記第２コンバータクランプ素子は、前記第２コンバータスイッチング素子と前記第３コンバータスイッチング素子との間に配置され、
   前記第３〜第５スイッチング部のそれぞれは、
   前記第１インバータスイッチング素子と前記第２インバータスイッチング素子との間のノードと前記直流電力の中性点との間に接続された第１インバータクランプ素子と、
   前記第３インバータスイッチング素子と前記第４インバータスイッチング素子との間のノードと前記直流電力の中性点との間に接続された第２インバータクランプ素子と、を備え、
   前記第１インバータクランプ素子は、前記第１インバータスイッチング素子と前記第４インバータスイッチング素子との間に配置され、前記第２インバータクランプ素子は、前記第２インバータスイッチング素子と前記第３インバータスイッチング素子との間に配置されており、
   前記第１および第２スイッチング部のそれぞれにおいて、前記第１〜第４コンバータスイッチング素子および前記第１および第２コンバータクランプ素子は、前記電気車の進行方向に対して略垂直方向に２行、かつ、前記電気車の進行方向に３列に配列されており、 前記第３〜第５スイッチング部のそれぞれにおいて、前記第１〜第４インバータスイッチング素子および前記第１および第２インバータクランプ素子は、前記電気車の進行方向に対して略垂直方向に３行、かつ、前記電気車の進行方向に２列に配列されている、電力変換装置。
2. 前記電気車の進行方向に対して略垂直方向における前記第１および第２スイッチング部の幅の合計は、前記電気車の進行方向に対して略垂直方向における前記第３〜第５スイッチング部の幅の合計にほぼ等しい、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１および第２スイッチング部の前記第１および第２コンバータスイッチング素子は、前記第３〜第５スイッチング部のいずれかの前記第１および第４インバータスイッチング素子または前記第２および第３インバータスイッチング素子と前記電気車の進行方向に並ぶように配置される、請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記第１および第２スイッチング部の前記第１および第２コンバータスイッチング素子は、前記第３〜第５スイッチング部のいずれかの前記第１および第４インバータスイッチング素子、および、前記第１インバータクランプ素子と前記電気車の進行方向に並ぶように配置され、あるいは、前記第３〜第５スイッチング部のいずれかの前記第２および第３インバータスイッチング素子、および、前記第２インバータクランプ素子と前記電気車の進行方向に並ぶように配置される、請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記第１スイッチング部における前記第１および第２コンバータスイッチング素子の列は、前記第３スイッチング部における前記第１インバータスイッチング素子、前記第１インバータクランプ素子および前記第４インバータスイッチング素子の列に対して、前記電気車の進行方向に略直線状に並び第１列をなす、請求項１に記載の電力変換装置。
6. 前記第１および第２スイッチング部と前記第３〜第５スイッチング部とで共通化された放熱フィンをさらに備えた請求項１に記載の電力変換装置。
7. 前記第１列に対応して設けられ、該列と同じ方向に延伸する放熱フィンをさらに備えた、請求項５に記載の電力変換装置。
8. 前記第１列に対応して設けられ、該列と同じ方向に延伸する均熱パイプと、
   前記均熱パイプ内に設けられた冷媒とをさらに備えた、請求項５に記載の電力変換装置。
9. 前記第１〜第４コンバータスイッチング素子、前記第１〜第４インバータスイッチング素子は、それぞれソースとドレインとの間に接続されたＳｉＣダイオードをさらに備えた、請求項１に記載の電力変換装置。
10. 前記第２コンバータスイッチング素子がオン状態であり、かつ、前記第４コンバータスイッチング素子がオフ状態であるときに、前記第１コンバータスイッチング素子と前記第３コンバータスイッチング素子とが相補的かつ交互にスイッチング動作し、
    前記第３コンバータスイッチング素子がオン状態であり、かつ、前記第１コンバータスイッチング素子がオフ状態であるときに、前記第２コンバータスイッチング素子と前記第４コンバータスイッチングトランジスタとが相補的かつ交互にスイッチング動作し、
    前記第２インバータスイッチング素子がオン状態であり、かつ、前記第４インバータスイッチング素子がオフ状態であるときに、前記第１インバータスイッチング素子と前記第３インバータスイッチング素子とが相補的かつ交互にスイッチング動作し、
    前記第３インバータスイッチング素子がオン状態であり、かつ、前記第１インバータスイッチング素子がオフ状態であるときに、前記第２インバータスイッチング素子と前記第４インバータスイッチングトランジスタとが相補的かつ交互にスイッチング動作する、請求項１に記載の電力変換装置。

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