JP7049533B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンバータ主回路及びインバータ主回路を備える電力変換装置に関する。

下記特許文献１には、インバータ主回路を構成する各相の２素子入りモジュールを、冷却器の冷却風の流れる方向と直交する方向に配置し、且つ、長方形状の２素子入りモジュールの長手方向を、冷却風の流れる方向と直交する方向に向けて配置する構成が開示されている。この構成により、冷却風の流れる方向の寸法を低減でき、冷却効率を向上できると説明されている。また、特許文献１には、コンバータ主回路を構成するモジュールも、同様に配置することで、冷却効率を向上できる旨が記載されている。

特許第６４２９７２０号公報

しかしながら、上記特許文献１は、インバータ主回路のモジュールのみ、又はコンバータ主回路のモジュールのみを考慮した配置構成の開示のみである。即ち、インバータ主回路及びコンバータ主回路の双方のモジュールを共通の冷却器で冷却する場合の配置については、記載も示唆もなされていない。インバータ主回路及びコンバータ主回路の双方のモジュールを共通の冷却器で冷却する構成の場合、冷却風の流れる方向だけでなく、隣接するモジュールの発熱、冷却器内を流れる冷却風の特性といった様々な観点での考察が必要である。このため、インバータ主回路及びコンバータ主回路の双方のモジュールを共通の冷却器で冷却する構成の場合、特許文献１の技術をそのまま適用しても、冷却効率を向上できるとは言い難い。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、インバータ主回路及びコンバータ主回路の双方のモジュールを共通の冷却器で冷却する構成において、冷却効率の向上を図ることができる電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ主回路と、コンバータ主回路が変換した直流電力を交流電力に変換するインバータ主回路と、インバータ主回路を構成する第１のスイッチング素子及びコンバータ主回路を構成する第２のスイッチング素子を冷却する共通の冷却器と、を備える。第１のスイッチング素子は、１又は複数の素子単位でモジュール化されて第１のモジュールを構成する。第２のスイッチング素子は、１又は複数の素子単位でモジュール化されて第２のモジュールを構成する。第１及び第２のモジュールは、冷却器のベース部のモジュール搭載面である第１の面に搭載される。第１のモジュールは、第１の面において第１の方向に配列される。第２のモジュールは、第１の面において第１の方向に直交する第２の方向に２個以上が連続して配列される。

本発明に係る電力変換装置によれば、インバータ主回路及びコンバータ主回路の双方のモジュールを共通の冷却器で冷却する構成において、冷却効率の向上を図ることができるという効果を奏する。

実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成を示す図 図１とは異なる実施の形態１におけるインバータ主回路の回路構成を示す図 図１とは異なる実施の形態１におけるコンバータ主回路の回路構成を示す図 図１及び図３とは異なる実施の形態１におけるコンバータ主回路の回路構成を示す図 実施の形態１に係る電力変換装置の主回路素子を冷却器に搭載する第１の配置例を示す図 実施の形態１に係る電力変換装置の主回路素子を冷却器に搭載する第２の配置例を示す図 主回路素子を図５のように配置する理由の説明に供する第１のシミュレーション結果を示す図 主回路素子を図５のように配置する理由の説明に供する第２のシミュレーション結果を示す図 主回路素子を図５のように配置する理由の説明に供する第３のシミュレーション結果を示す図 主回路素子を図５のように配置する理由の説明に供する第４のシミュレーション結果を示す図 実施の形態２における要部の構成の説明に供する第１の図 実施の形態２における要部の構成の説明に供する第２の図

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電力変換装置について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態では、電気車駆動用の電力変換装置を例示して説明するが、他の用途への適用を除外する趣旨ではない。また、添付図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が、各部材間又は各図面間において、実際とは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成を示す図である。図１には、交流入力の電気車に適用される電力変換装置１００の電力変換部の基本回路構成が示されている。電力変換装置１００は、コンバータ主回路２０、インバータ主回路４０、及びフィルタコンデンサ３０を備える。コンバータ主回路２０は、交流電力を直流電力に変換する。インバータ主回路４０は、コンバータ主回路２０が変換した直流電力を交流電力に変換する。即ち、実施の形態１に係る電力変換装置１００は、交流電力を一旦直流電力に変化した後に再度交流電力に変換するという２度の電力変換を行う装置である。

電力変換装置１００の入力端には、接触器８が配置される。接触器８には、変圧器６が接続される。電力変換装置１００の出力端には、電気車を駆動する４台のモータ８０が接続される。モータ８０としては、誘導電動機が好適である。

変圧器６の一次巻線の一端は、集電装置２を介して架線１に接続されている。変圧器６の一次巻線の他端は、車輪３を介してレール４に接続されている。レール４は、接地電位を与える。架線１から供給される電力は、集電装置２を介して変圧器６の一次巻線に入力される。変圧器６の二次巻線に生じた電力は、接触器８を介してコンバータ主回路２０に供給される。

接触器８は、変圧器６の二次巻線とコンバータ主回路２０との間に配置され、電力供給の有無を切り替える。なお、図１の例では、２本ある交流入力線の双方をオン又はオフする構成を図示しているが、交流入力線の何れか一方に接触器を配置することでもよい。

コンバータ主回路２０は、スイッチング素子ＵＰＣ，ＶＰＣで構成される正側アームと、スイッチング素子ＵＮＣ，ＶＮＣで構成される負側アームとを有する。スイッチング素子ＵＰＣとスイッチング素子ＵＮＣとは直列に接続されてＵ相のレグを構成する。スイッチング素子ＶＰＣとスイッチング素子ＶＮＣとは直列に接続されてＶ相のレグを構成する。Ｕ相のレグとＶ相のレグとは互いに並列に接続されて単相のブリッジ回路を構成する。なお、以下の記載において、Ｕ相を「第１の相」、Ｖ相を「第２の相」と表記する場合がある。

コンバータ主回路２０は、スイッチング素子ＵＰＣ，ＶＰＣ，ＵＮＣ，ＶＮＣをパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）制御することで、入力された交流電圧を所望の直流電圧に変換して出力する。

コンバータ主回路２０の出力端には、直流電源となるフィルタコンデンサ３０及びインバータ主回路４０が並列に接続される。フィルタコンデンサ３０は、コンバータ主回路２０が出力する直流電圧を平滑する。インバータ主回路４０は、フィルタコンデンサ３０の電圧を入力とし、任意の電圧及び任意の周波数の交流電圧に変換してモータ８０に印加する。

インバータ主回路４０は、スイッチング素子ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩで構成される正側アームと、スイッチング素子ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩで構成される負側アームとを有する。スイッチング素子ＵＰＩとスイッチング素子ＵＮＩとは直列に接続されてＵ相のレグを構成する。スイッチング素子ＶＰＩとスイッチング素子ＶＮＩとは直列に接続されてＶ相のレグを構成する。スイッチング素子ＷＰＩとスイッチング素子ＷＮＩとは直列に接続されてＷ相のレグを構成する。Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各レグは、互いに並列に接続されて三相のブリッジ回路を構成する。なお、以下の記載において、Ｕ相を「第１の相」、Ｖ相を「第２の相」、Ｗ相を「第３の相」と表記する場合がある。

インバータ主回路４０は、スイッチング素子ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩ，ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩをＰＷＭ制御することで、フィルタコンデンサ３０によって平滑された直流電圧を任意の電圧及び任意の周波数の交流電圧に変換してモータ８０に印加する。

なお、以下の記載において、コンバータ主回路２０及びインバータ主回路４０のスイッチング素子を符号無しで区別する場合、インバータ主回路４０のスイッチング素子を「第１のスイッチング素子」と表記し、コンバータ主回路２０のスイッチング素子を「第２のスイッチング素子」と表記する場合がある。また、第１及び第２のスイッチング素子を総称して「主回路素子」と表記する場合がある。

スイッチング素子ＵＰＣ，ＶＰＣ，ＵＮＣ，ＶＮＣ，ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩ，ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩの一例は、逆並列ダイオードが内蔵された図示の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）であるが、他のスイッチング素子を用いてもよい。スイッチング素子ＵＰＣ，ＶＰＣ，ＵＮＣ，ＶＮＣ，ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩ，ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩの他の例は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳＦＥＴ）である。また、スイッチング素子を構成する材料は、ケイ素（Ｓｉ）だけでなく、ワイドバンドギャップ半導体である炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、ダイヤモンドなどを用いてもよい。スイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体系の材料で形成すれば、低損失化及び高速スイッチング化を図ることができる。

図２は、図１とは異なる実施の形態１におけるインバータ主回路の回路構成を示す図である。図２に示すインバータ主回路４０ａは、図１に示したインバータ主回路４０の回路構成と比べて、各相アームのスイッチング素子が２並列で接続されている点が異なる。

図２において、Ｕ相正側アームではスイッチング素子ＵＰＩ１，ＵＰＩ２が並列接続され、Ｕ相負側アームではスイッチング素子ＵＮＩ１，ＵＮＩ２が並列接続され、Ｖ相正側アームではスイッチング素子ＶＰＩ１，ＶＰＩ２が並列接続され、Ｖ相負側アームではスイッチング素子ＶＮＩ１，ＶＮＩ２が並列接続され、Ｗ相正側アームではスイッチング素子ＷＰＩ１，ＷＰＩ２が並列接続され、Ｗ相負側アームではスイッチング素子ＷＮＩ１，ＷＮＩ２が並列接続されている。各相アームのスイッチング素子を並列接続することにより、個々のスイッチング素子の電流容量の定格値を下げることができる。

図３は、図１とは異なる実施の形態１におけるコンバータ主回路の回路構成を示す図である。図３に示すコンバータ主回路２０ａは、図１に示したコンバータ主回路２０の回路構成と比べて、各相アームのスイッチング素子が４並列で接続されている点が異なる。

図３において、Ｕ相正側アームではスイッチング素子ＵＰＣ１，ＵＰＣ２，ＵＰＣ３，ＵＰＣ４が並列接続され、Ｕ相負側アームではスイッチング素子ＵＮＣ１，ＵＮＣ２，ＵＮＣ３，ＵＮＣ４が並列接続され、Ｖ相正側アームではスイッチング素子ＶＰＣ１，ＶＰＣ２，ＶＰＣ３，ＶＰＣ４が並列接続され、Ｖ相負側アームではスイッチング素子ＶＮＣ１，ＶＮＣ２，ＶＮＣ３，ＶＮＣ４が並列接続されている。各相アームのスイッチング素子を並列接続することにより、個々のスイッチング素子の電流容量の定格値を下げることができる。

図４は、図１及び図３とは異なる実施の形態１におけるコンバータ主回路の回路構成を示す図である。図１に示したコンバータ主回路２０は２レベルの回路構成であるのに対し、図４に示すコンバータ主回路２０ｂは３レベルの回路構成である点が異なる。

図４において、Ｕ相正側アームでは、並列接続されたスイッチング素子ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ１Ｂと、並列接続されたスイッチング素子ＵＰＣ２Ａ，ＵＰＣ２Ｂとが直列接続される。この接続点には、並列接続されたダイオードＵＤ１Ａ，ＵＤ１Ｂのカソード側が接続される。ダイオードＵＤ１Ａ，ＵＤ１Ｂの各アノード側は、フィルタコンデンサ３０Ｐ，３０Ｎの接続点である中点に接続されている。同様に、Ｕ相負側アームでは、並列接続されたスイッチング素子ＵＮＣ３Ａ，ＵＮＣ３Ｂと、並列接続されたスイッチング素子ＵＮＣ４Ａ，ＵＮＣ４Ｂとが直列接続される。この接続点には、並列接続されたダイオードＵＤ２Ａ，ＵＤ２Ｂの各アノード側が接続される。ダイオードＵＤ２Ａ，ＵＤ２Ｂのカソード側は、フィルタコンデンサ３０Ｐ，３０Ｎの接続点である中点に接続されている。

Ｖ相正側アーム及びＶ相負側アームも、それぞれＵ相正側アーム及びＵ相負側アームの構成と同様である。具体的に、Ｖ相正側アームでは、並列接続されたスイッチング素子ＶＰＣ１Ａ，ＶＰＣ１Ｂと、並列接続されたスイッチング素子ＶＰＣ２Ａ，ＶＰＣ２Ｂとが直列接続される。この接続点には、並列接続されたダイオードＶＤ１Ａ，ＶＤ１Ｂのカソード側が接続される。ダイオードＶＤ１Ａ，ＶＤ１Ｂの各アノード側は、フィルタコンデンサ３０Ｐ，３０Ｎの接続点である中点に接続されている。同様に、Ｖ相負側アームでは、並列接続されたスイッチング素子ＶＮＣ３Ａ，ＶＮＣ３Ｂと、並列接続されたスイッチング素子ＶＮＣ４Ａ，ＶＮＣ４Ｂとが直列接続される。この接続点には、並列接続されたダイオードＶＤ２Ａ，ＶＤ２Ｂの各アノード側が接続される。ダイオードＶＤ２Ａ，ＶＤ２Ｂのカソード側は、フィルタコンデンサ３０Ｐ，３０Ｎの接続点である中点に接続されている。

コンバータ主回路において、２レベルと３レベルとは、客先の要望又は動作環境によって適宜に選択される。電気車においては、地上機器の誤動作を防止するため、特定の周波数帯における誘導障害に対する規制が厳しく決められている。このため、高調波電流の抑制を高精度に行う場合には、３レベルを選択することが多い。なお、３レベルの回路に用いるスイッチング素子は、２レベルの回路に用いるスイッチング素子に対して、個々のスイッチング素子の耐圧を約１／２にすることができるという利点がある。

図５は、実施の形態１に係る電力変換装置の主回路素子を冷却器に搭載する第１の配置例を示す平面図である。図５には、冷却器１１のベース部１２に搭載される複数のモジュールが示されている。具体的には、図２に示すインバータ主回路４０ａと、図３に示すコンバータ主回路２０ａとを、共通の冷却器である冷却器１１のベース部１２に搭載する例である。

図５において、各モジュールは、２つのスイッチング素子を１つのモジュール内に収納した２素子入りモジュールである。各モジュールは、ベース部１２の第１の面１４に搭載される。第１の面１４は、ベース部１２におけるモジュール搭載面である。なお、図５では、各モジュールが搭載される素子基板の図示は省略している。また、図５では図示していないが、第１の面１４の裏面である第２の面には、各モジュールに収容されるスイッチング素子を冷却するためのヒートパイプ、又は放熱フィンが設けられる。矢印は、冷却器１１に流出入する冷却風が流れる方向を示している。

第１の面１４には、４つの区画が示されている。４つの区画は、第１の区画４１、第２の区画４２、第３の区画４３及び第４の区画４４である。第１の区画４１は、冷却風が流れる第２の方向に直交する第１の方向に延びている。第２の区画４２、第３の区画４３及び第４の区画４４は、第２の方向に沿って第１の区画４１に隣接し、且つ、第１の方向に沿って、第２の区画４２、第３の区画４３及び第４の区画４４の順で並んでいる。

第１の区画４１において、モジュール４１ａは、図２のスイッチング素子ＵＰＩ１，ＵＮＩ１に対応し、モジュール４１ｂは、図２のスイッチング素子ＵＰＩ２，ＵＮＩ２に対応する。以下同様に、モジュール４１ｃは、図２のスイッチング素子ＶＰＩ１，ＶＮＩ１に対応し、モジュール４１ｄは、図２のスイッチング素子ＶＰＩ２，ＶＮＩ２に対応する。モジュール４１ｅは、図２のスイッチング素子ＷＰＩ１，ＷＮＩ１に対応し、モジュール４１ｆは、図２のスイッチング素子ＷＰＩ２，ＷＮＩ２に対応する。このように、第１の区画４１には、インバータ主回路４０ａを構成する全ての第１のスイッチング素子を含むモジュール４１ａ～４１ｆが配置される。即ち、モジュール４１ａ～４１ｆは、２レベルのインバータ主回路のＵ相、Ｖ相及びＷ相のスイッチング素子として動作するスイッチング素子が収納されるモジュールである。なお、以下の記載において、モジュール４１ａ～４１ｆを、「第１のモジュール」と表記する場合がある。

次に、第２の区画４２において、モジュール４２ａは、図３のスイッチング素子ＵＰＣ１，ＵＮＣ１に対応する。以下同様に、モジュール４２ｂは、図３のスイッチング素子ＵＰＣ２，ＵＮＣ２に対応し、モジュール４２ｃは、図３のスイッチング素子ＵＰＣ３，ＵＮＣ３に対応し、モジュール４２ｄは、図３のスイッチング素子ＵＰＣ４，ＵＮＣ４に対応する。このように、第２の区画４２には、２レベルのコンバータ主回路２０ａを構成する第２のスイッチング素子のうち、Ｕ相スイッチング素子として動作する第２のスイッチング素子を含むモジュール４２ａ～４２ｄが配置される。

第３の区画４３は、図示のようにモジュールは配置されない、非実装区画とされる。第３の区画４３を非実装区画とする理由については、後述する。

また、第４の区画４４において、モジュール４４ａは、図３のスイッチング素子ＶＰＣ１，ＶＮＣ１に対応する。以下同様に、モジュール４４ｂは、図３のスイッチング素子ＶＰＣ２，ＶＮＣ２に対応し、モジュール４４ｃは、図３のスイッチング素子ＶＰＣ３，ＶＮＣ３に対応し、モジュール４４ｄは、図３のスイッチング素子ＶＰＣ４，ＶＮＣ４に対応する。このように、第４の区画４４には、２レベルのコンバータ主回路２０ａを構成する第２のスイッチング素子のうち、Ｖ相スイッチング素子として動作する第２のスイッチング素子を含むモジュール４４ａ～４４ｄが配置される。

なお、以下の記載において、モジュール４２ａ～４２ｄ，４４ａ～４４ｄを、「第２のモジュール」と表記する場合がある。

図６は、実施の形態１に係る電力変換装置の主回路素子を冷却器に搭載する第２の配置例を示す平面図である。具体的に図６は、図２に示すインバータ主回路４０ａと、図４に示すコンバータ主回路２０ｂとを、共通の冷却器である冷却器１１のベース部１２に搭載する例である。

第１の面１４には、図５と同様に、第１の区画４１、第２の区画４２、第３の区画４３及び第４の区画４４が示されているが、これらの区画の定義は、図５のものと同じである。

図６において、第１の区画４１に配置される各モジュールは、図５と同一であり、ここでの説明は割愛する。

次に、第２の区画４２において、モジュール４２ｅは、図４のスイッチング素子ＵＰＣ１Ａと、ダイオードＵＤ１Ａとに対応する。なお、以下の記載において、スイッチング素子ＵＰＣ１Ａと、ダイオードＵＤ１Ａとの組を「上位電位側外側素子」と表記する場合がある。また、図６において、モジュール４２ｅの下側のスイッチング素子のトランジスタの部分を薄く表示しているのは、図４の回路構成に対応させたものである。即ち、モジュール４２ｅの下側のスイッチング素子では、トランジスタの機能は使用せず、ダイオードの機能のみを使用することを意味している。以下で説明するモジュール４２ｆ，４２ｇ，４２ｈについても同様である。

モジュール４２ｆは、図４のスイッチング素子ＵＰＣ１Ｂ、ダイオードＵＤ１Ｂに対応し、モジュール４２ｇは、図４のスイッチング素子ＶＰＣ１Ａ、ダイオードＶＤ１Ａに対応し、モジュール４２ｈは、図４のスイッチング素子ＶＰＣ１Ｂ、ダイオードＶＤ１Ｂに対応する。

以上のように、第２の区画４２には、３レベルのコンバータ主回路２０ｂを構成する第２のスイッチング素子のうち、Ｕ相上位電位側外側素子として動作する第２のスイッチング素子を収納するモジュール４２ｅ～４２ｈが配置される。

また、図５とは異なり、第３の区画４３には、図示のようにモジュール４３ｅ～４３ｈが配置される。具体的に、モジュール４３ｅは、図４のスイッチング素子ＵＰＣ２Ａ，ＵＮＣ３Ａに対応する。なお、以下の記載において、スイッチング素子ＵＰＣ２Ａ，ＵＮＣ３Ａの組を「内側素子」と表記する場合がある。以下で説明するモジュール４３ｆ，４３ｇ，４３ｈについても同様である。

モジュール４３ｆは、図４のスイッチング素子ＵＰＣ２Ｂ，ＵＮＣ３Ｂに対応し、モジュール４２ｇは、図４のスイッチング素子ＶＰＣ２Ａ，ＶＮＣ３Ａに対応し、モジュール４２ｈは、図４のスイッチング素子ＶＰＣ２Ｂ，ＶＮＣ３Ｂに対応する。

また、第４の区画４４において、モジュール４４ｅは、図４のスイッチング素子ＵＮＣ４Ａと、ダイオードＵＤ２Ａとに対応する。なお、以下の記載において、スイッチング素子ＵＮＣ４Ａと、ダイオードＵＤ２Ａとの組を「下位電位側外側素子」と表記する場合がある。また、図６において、モジュール４４ｅの上側のスイッチング素子のトランジスタの部分を薄く表示しているのは、図４の回路構成に対応させたものである。即ち、モジュール４４ｅの上側のスイッチング素子では、トランジスタの機能は使用せず、ダイオードの機能のみを使用することを意味している。以下で説明するモジュール４４ｆ，４４ｇ，４４ｈについても同様である。

モジュール４４ｆは、図４のスイッチング素子ＵＮＣ４Ｂ、ダイオードＵＤ２Ｂに対応し、モジュール４４ｇは、図４のスイッチング素子ＶＮＣ４Ａ、ダイオードＶＤ２Ａに対応し、モジュール４４ｈは、図４のスイッチング素子ＶＮＣ４Ｂ、ダイオードＶＤ２Ｂに対応する。

以上のように、第４の区画４４には、３レベルのコンバータ主回路２０ｂを構成する第２のスイッチング素子のうち、Ｕ相下位電位側外側素子として動作する第２のスイッチング素子を収納するモジュール４４ｅ～４４ｈが配置される。

なお、図５と図６の差異は、第３の区画４３にモジュールを実装するか否かの差異でしかない。図６に示す３レベルのコンバータ主回路において、図６に示すモジュール４２ｅ～４２ｈを上位電位側外側素子として使用し、図６に示すモジュール４４ｅ～４４ｈを下位電位側外側素子として使用する場合であっても、トランジスタの機能を非使用とするだけでよく、異なる素子を配列する必要はない。また、全てのモジュールは同一構造のものでよい。このため、図５又は図６に従ってモジュールを搭載した基板を標準基板もしくは標準パッケージとして使用することができる。これにより、客先の要望又は動作環境によって、コンバータ主回路が例えば２レベルから３レベルに変更されたとしても、個別の設計変更を必要最小限に抑制することができる。

なお、図６において、コンバータ主回路及びインバータ主回路の各相のモジュールは２並列としているが、これに限定されない。コンバータ主回路及びインバータ主回路の各相のモジュールは、１並列、即ち１つの２素子入りモジュールとしてもよい。また、図５において、コンバータ主回路の各相のモジュールは４並列とし、インバータ主回路の各相のモジュールは２並列としているが、これに限定されない。コンバータ主回路の各相のモジュールは２並列とし、インバータ主回路の各相のモジュールは、１つの２素子入りモジュールとしてもよい。スイッチング素子の素材が、ケイ素（Ｓｉ）などの非ワイドバンドギャップ半導体である場合、スイッチング素子を大容量にしてもチップの欠陥は少ないので、歩留まり悪化させることなく、モジュールを製造することができる。これにより、標準基板もしくは標準パッケージを小型化することができる。

また、図５及び図６において、各モジュールは２素子入りモジュールとして説明したが、これに限定されない。各モジュールは、４つのスイッチング素子を１つのモジュール内に収納した４素子入りモジュールであってもよい。４素子入りモジュールであっても、上記で説明した効果を享受することができる。

次に、コンバータ主回路が３レベルの回路である場合において、第３の区画４３に内側素子を配置する理由について説明する。

一般的に、圧損均一の管内を流れる流体は、「ハーゲン・ポアズイユ流れ」と呼ばれる現象に従い、管内中央部の流速が最大になり、管内壁面付近でゼロになる。シミュレーション結果の図示は省略するが、走行風を利用するヒートパイプ冷却器に対する流体シミュレーションでも同様のことが確認され、冷却器中央部の流速が速い。実施の形態１では、この現象を利用し、流速が相対的に速い中央部に発熱量の大きい素子を配置する。コンバータ主回路が３レベルの場合、内側素子が発熱量の大きい素子に該当する。既に説明したように、図６には、冷却器中央部に対応する第３の区画４３に内側素子を配置している。この配置により、冷却器における冷却効率を向上させることができる。また、冷却効率を向上させることができるので、より小型軽量の冷却器を実現することができる。

次に、コンバータ主回路が２レベルの回路である場合において、第３の区画４３を非実装とする理由について、図７から図１０を参照して説明する。図７は、主回路素子を図５のように配置する理由の説明に供する第１のシミュレーション結果を示す図である。図８は、主回路素子を図５のように配置する理由の説明に供する第２のシミュレーション結果を示す図である。図９は、主回路素子を図５のように配置する理由の説明に供する第３のシミュレーション結果を示す図である。図１０は、主回路素子を図５のように配置する理由の説明に供する第４のシミュレーション結果を示す図である。

図７から図１０の上部には、シミュレーションモデルが示されている。各図に示されるように、シミュレーションモデルにおける冷却方式はヒートパイプ方式とし、ベース部１２の第１の面１４の裏面である第２の面１５には多数のヒートパイプ１６が設けられている。モジュール搭載面である第１の面１４は９つのブロックに分けられ、各ブロックには、（１）～（９）までの番号が付されている。（１）～（３）のブロックは、図５及び図６の第１の区画４１に対応している。（４），（７）のブロックは、図５及び図６の第２の区画４２に対応している。（５），（８）のブロックは、図５及び図６の第３の区画４３に対応している。（６），（９）のブロックは、図５及び図６の第４の区画４４に対応している。なお、（１），（４），（７）は重力に対して上方側のブロックであり、（３），（６），（９）は重力に対して下方側のブロックである。

また、図７から図１０の上部において、各ブロックにある直方体の箱は、モジュールを意味する発熱体である。図７は、３レベルのコンバータ主回路を想定しており、全てのブロックがモジュールの箱で埋め尽くされている。一方、図８から図１０は、２レベルのコンバータ主回路を想定しており、一部のブロックは、ブランクとされている。図７は、図６に示した第２の配置例に対応し、図８は、図５に示した第１の配置例に対応している。また、各ブロックに付されている数値は、各ブロックに配置されるモジュールに流れる電流の大きさを、表したものである。本シミュレーションにおいては、図示のように、インバータ主回路のモジュールに流れる電流と、コンバータ主回路のモジュールに流れる電流とは同じであると仮定している。また、３レベルのコンバータ主回路においては、外側素子に流れる電流は、内側素子に流れる電流の１／２であると仮定している。

更に、図７から図１０の下部には、各ブロックが同一の温度からスタートし、ある電流を流したときの温度上昇値が数値で示されている。なお、図７から図１０において、コンバータ主回路に流す電流及びインバータ主回路に流す電流は、同一としている。

図７から図１０のシミュレーション結果により、以下のことが分かる。
（ｉ）図７及び図８の各（１），（４），（７）のブロックと（３），（６），（９）のブロックとの比較、図９の（４），（７）のブロックと、図１０の（６），（９）のブロックとの比較、並びに図９の（６），（９）のブロックと、図１０の（４），（７）のブロックとの比較により、上部側の方が、冷却効率が高いことが分かる。
（ii）図９と図１０との比較では、上記（ｉ）の理由もあり、冷却効率は図１０の方が平均的に高いことが分かる。
（iii）図９及び図１０では、非実装部から最遠且つ下流側に位置する発熱体温度（図９では（９）のブロック、図１０では（７）のブロック）が最大となっている。
（iv）図８から図１０の中では、発熱体温度の温度差ΔＴは、図８が最も小さい（ΔＴ＝Ｔｍａｘ－Ｔｍｉｎ＝１０．７Ｋ、※（９）と（２）との差）。
（ｖ）図８から図１０において、コンバータ主回路における冷却器温度上昇の最大値Ｔｍａｘは、図８が最も小さい（図８：Ｔｍａｘ＝７６．７Ｋ、図９：Ｔｍａｘ＝８２．６Ｋ、図１０：Ｔｍａｘ＝７９．２Ｋ）。

以上により、実施の形態１では、図８の配置構成を採用する。そして、コンバータ主回路を２レベルとする場合には、前述の通り、第３の区画４３を非実装とし、第３の区画４３以外の第２の区画４２及び第４の区画４４にコンバータの主回路素子を配列する。

以上説明したように、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、第１のスイッチング素子は、１又は複数の素子単位でモジュール化されて第１のモジュールを構成し、第２のスイッチング素子は、１又は複数の素子単位でモジュール化されて第２のモジュールを構成する。第１及び第２のモジュールは、冷却器のベース部のモジュール搭載面である第１の面に搭載される。第１のモジュールは第１の面において第１の方向に配列され、第２のモジュールは第１の面において第１の方向に直交する第２の方向に２個以上が連続して配列される。これにより、インバータ主回路及びコンバータ主回路の双方のモジュールを共通の冷却器で冷却する構成において、冷却効率の向上を図ることができる。

また、電気車の主流な駆動方式には、電気車駆動用の４台のモータを台車に搭載される２台単位で駆動する駆動方式である「台車制御」と、電気車駆動用の４台のモータを一括で駆動する駆動方式である「一括制御」とがある。従来技術において、「台車制御」と、「一括制御」とでは、システム構成が大きく異なり、主変換装置の構成についても、駆動方式ごとに個別の設計が必要になっていた。これに対し、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、駆動方式が変わっても、個別の設計変更を必要最小限に抑制することができる。また、インバータ主回路及びコンバータ主回路の双方のモジュールを共通の冷却器で冷却する構成のため、従来のように、風上側の冷却器（例えばコンバータ冷却器）と、風下側の冷却器（例えばインバータ冷却器）との間の距離を長くする設計は不要となる。これにより、電気車の進行方向の長さの短縮化を図ることができ、主変換装置を小型化することができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１の効果に加え、更に冷却性能を向上させる主回路配線の接続形態について説明する。図１１は、実施の形態２における要部の構成の説明に供する第１の図である。図１１には、図５に示した標準パッケージにおけるモジュール４２ａ，４４ａと、フィルタコンデンサ３０との間が主回路配線であるラミネートブスバー１８で電気的に接続される構成が示されている。また、図１２は、実施の形態２における要部の構成の説明に供する第２の図である。図１２には、図６に示した標準パッケージにおけるモジュール４２ｅ，４３ｅ，４４ｅと、フィルタコンデンサ３０Ｐ，３０Ｎとの間が主回路配線であるラミネートブスバー１９で電気的に接続される構成が示されている。また、図１１及び図１２において、実施の形態１で説明した構成部と同一もしくは同等の構成部には同一の符号を付して、重複する説明は適宜省略する。なお、主回路配線には、スイッチング電流の直流分が流れる配線部分と、交流分が流れる配線部分とがあるが、説明の簡略化のため、図１１及び図１２では、直流分が流れる配線部分のみを示している。

冷却器１１は、ベース部１２の第２の面１５から上方側に傾斜させて突出させた複数のヒートパイプ１６と、複数のヒートパイプ１６に固定された長方形状で平板状の複数のフィン１７とを有する。即ち、ヒートパイプ１６は、ベース部１２の第２の面１５において、ベース部１２の第２の面１５における垂線に対して上方側に、ある傾斜角を有し、且つ、第２の面１５から突出した状態で、マトリックス状に配置されている。フィン１７は、複数の貫通孔を有し、当該貫通孔にヒートパイプ１６が挿入されている。なお、図１１及び図１２では、ヒートパイプ１６が６本、フィン１７が８枚の場合を例示しているが、この構成に限定されない。

図１１及び図１２において、ｘ軸は冷却風が流れる方向であり、上述した第２の方向である。ｙ軸は第２の方向に直交する、上述した第１の方向である。ｚ軸は、第１及び第２の方向の双方に直交する第３の方向である。各モジュールの端子は第３の方向に延び、各コンデンサの端子は第１の方向に延びている。なお、図１１及び図１２に示す各コンデンサの配置は一例であり、これらの配置に限定されない。コンデンサの端子が延びる方向は、第１の方向以外でもよい。

図１１において、フィルタコンデンサ３０と、モジュール４２ａ，４４ａとは、断面がＬ字形状のラミネートブスバー１８によって電気的に接続されている。また、図１２において、フィルタコンデンサ３０Ｐ，３０Ｎと、モジュール４２ｅ，４３ｅ，４４ｅとは、断面がＬ字形状のラミネートブスバー１９によって電気的に接続されている。ラミネートブスバー１８，１９は、薄板金属板と絶縁物とがラミネート材で一体に被覆されている部品である。図１１では、薄板金属板を成す、第１導体部１８ａと、第２導体部１８ｂとを示している。図１２では、薄板金属板を成す、第１導体部１９ａと、第２導体部１９ｂと、第３導体部１９ｃとを示している。なお、ラミネートブスバー１８，１９に代えて、ラミネート材で被覆されていない積層ブスバーを用いてもよい。また、図１１及び図１２では、ラミネートブスバー１８，１９の断面がＬ字形状である場合を例示したが、これに限定されない。ラミネートブスバー１８，１９の断面形状は、Ｌ字形状以外でもよい。

図１１において、モジュール４２ａ，４４ａのスイッチング素子がスイッチング動作するとき、ラミネートブスバー１８に具備される第１導体部１８ａ及び第２導体部１８ｂには、スイッチング電流が流れる。また、図１２において、モジュール４２ｅ，４３ｅのスイッチング素子がスイッチング動作するとき、ラミネートブスバー１９に具備される第１導体部１９ａ及び第２導体部１９ｂには、スイッチング電流が流れる。また、モジュール４３ｅ，４４ｅのスイッチング素子がスイッチング動作するとき、ラミネートブスバー１９に具備される第２導体部１９ｂ及び第３導体部１９ｃには、スイッチング電流が流れる。これらのスイッチング電流は、図示のように、同時に逆方向に流れる往復電流となるので、ラミネートブスバー１８，１９の周囲に生じる磁束は、往復電流によってキャンセルされる。更に、図１１及び図１２の素子配置は、インダクタンスループが最短になるような素子配置となっているので、主回路インダクタンスを低減することができる。

以上説明したように、実施の形態２に係る電力変換装置によれば、上記の特徴により、主回路素子のスイッチング時に発生するサージ電圧の低減が可能になる。また、図１２の３レベルの構成では、スナバ回路が不要になるという効果も得られる。また、主回路素子が並列である場合、並列の各素子に流れる電流値が均等になるという効果も得られる。更に、サージ電圧を小さくすることでスイッチングスピードを上げることができる。スイッチングスピードを上げることは、スイッチング動作のオフスピードを上げることと等価であり、抵抗を小さくすることで実現できる。抵抗を小さくすれば、熱損失を低減することができる。従って、冷却性能を向上させることが可能となる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 架線、２ 集電装置、３ 車輪、４ レール、６ 変圧器、８ 接触器、１１ 冷却器、１２ ベース部、１４ 第１の面、１５ 第２の面、１６ ヒートパイプ、１７ フィン、１８，１９ ラミネートブスバー、１８ａ，１９ａ 第１導体部、１８ｂ，１９ｂ 第２導体部、１９ｃ 第３導体部、２０，２０ａ，２０ｂ コンバータ主回路、３０，３０Ｐ，３０Ｎ フィルタコンデンサ、４０，４０ａ インバータ主回路、４１ 第１の区画、４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆ，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇ，４２ｈ，４３ｅ，４３ｆ，４３ｇ，４３ｈ，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅ，４４ｆ，４４ｇ，４４ｈ モジュール、４２ 第２の区画、４３ 第３の区画、４４ 第４の区画、８０ モータ、１００ 電力変換装置、ＵＤ１Ａ，ＵＤ１Ｂ，ＵＤ２Ａ，ＵＤ２Ｂ，ＶＤ１Ａ，ＶＤ１Ｂ，ＶＤ２Ａ，ＶＤ２Ｂ ダイオード、ＵＰＣ，ＶＰＣ，ＵＮＣ，ＶＮＣ，ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩ，ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩ，ＵＮＣ１，ＵＮＣ２，ＵＮＣ３，ＵＮＣ４，ＵＮＣ３Ａ，ＵＮＣ３Ｂ，ＵＮＣ４Ａ，ＵＮＣ４Ｂ，ＵＮＩ１，ＵＮＩ２，ＵＰＣ１，ＵＰＣ２，ＵＰＣ３，ＵＰＣ４，ＵＰＣ１Ａ，ＵＰＣ１Ｂ，ＵＰＣ２Ａ，ＵＰＣ２Ｂ，ＵＰＩ１，ＵＰＩ２，ＶＮＣ１，ＶＮＣ２，ＶＮＣ３，ＶＮＣ４，ＶＮＣ３Ａ，ＶＮＣ３Ｂ，ＶＮＣ４Ａ，ＶＮＣ４Ｂ，ＶＰＣ１，ＶＰＣ２，ＶＰＣ３，ＶＰＣ４，ＶＰＣ１Ａ，ＶＰＣ１Ｂ，ＶＰＣ２Ａ，ＶＰＣ２Ｂ，ＶＰＩ１，ＶＮＩ１，ＶＰＩ２，ＶＮＩ２，ＷＮＩ１，ＷＮＩ２，ＷＰＩ１，ＷＰＩ２ スイッチング素子。

Claims (7)

1. 交流電力を直流電力に変換するコンバータ主回路と、
   前記コンバータ主回路が変換した直流電力を交流電力に変換するインバータ主回路と、
   前記インバータ主回路を構成する第１のスイッチング素子及び前記コンバータ主回路を構成する第２のスイッチング素子を冷却する共通の冷却器と、
   を備え、
   前記第１のスイッチング素子は、１又は複数の素子単位でモジュール化されて第１のモジュールを構成し、
   前記第２のスイッチング素子は、１又は複数の素子単位でモジュール化されて第２のモジュールを構成し、
   前記第１及び第２のモジュールは、前記冷却器のベース部のモジュール搭載面である第１の面に搭載され、
   前記第１のモジュールは、前記第１の面において第１の方向に配列され、
   前記第２のモジュールは、前記第１の面において前記第１の方向に直交する第２の方向に２個以上が連続して配列され、
   前記第１のモジュールは、前記第１の面の第１の区画に配置され、
   前記第２のモジュールは、前記第１の面の第２、第３及び第４の区画のうちの少なくとも前記第２及び第４の区画に配置され、
   前記第２、第３及び第４の区画は、前記第２の方向に沿って前記第１の区画に隣接し、且つ、前記第１の方向に沿って前記第２、第３及び第４の区画の順で並び、
   前記コンバータ主回路が２レベルである場合、前記第３の区画には、前記第２のモジュールは搭載されない
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第１の区画には、前記インバータ主回路の第１、第２及び第３の相のスイッチング素子として動作する前記第１のモジュールが配置され、
   前記第２の区画には、前記コンバータ主回路の第１の相のスイッチング素子として動作する前記第２のモジュールが配置され、
   前記第４の区画には、前記コンバータ主回路の第２の相のスイッチング素子として動作する前記第２のモジュールが配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 交流電力を直流電力に変換する、２レベル又は３レベルのコンバータ主回路と、
   前記コンバータ主回路が変換した直流電力を交流電力に変換する２レベルのインバータ主回路と、
   前記インバータ主回路を構成する第１のスイッチング素子及び前記コンバータ主回路を構成する第２のスイッチング素子を冷却する共通の冷却器と、
   を備え、
   前記第１のスイッチング素子は、１又は複数の素子単位でモジュール化されて第１のモジュールを構成し、
   前記第２のスイッチング素子は、１又は複数の素子単位でモジュール化されて第２のモジュールを構成し、
   前記第１及び第２のモジュールは、前記冷却器のベース部のモジュール搭載面である第１の面に搭載され、
   前記第１のモジュールは、前記第１の面において第１の方向に配列され、
   前記第２のモジュールは、前記第１の面において前記第１の方向に直交する第２の方向に２個以上が連続して配列され、
   前記第１のモジュールは、前記第１の面の第１の区画に配置され、
   前記第２のモジュールは、前記第１の面の第２、第３及び第４の区画のうちの少なくとも前記第２及び第４の区画に配置され、
   前記第２、第３及び第４の区画は、前記第２の方向に沿って前記第１の区画に隣接し、且つ、前記第１の方向に沿って前記第２、第３及び第４の区画の順で並び、
   前記第１の区画には、前記インバータ主回路の第１、第２及び第３の相のスイッチング素子として動作する前記第１のモジュールが配置され、
   前記第２及び前記第４の区画は、前記コンバータ主回路が２レベルである場合と３レベルである場合とで共用され、
   前記コンバータ主回路が２レベルである場合、
   前記第２の区画には、前記コンバータ主回路の第１の相の正側及び負側アームのスイッチング素子として動作する前記第２のモジュールが配置され、
   前記第３の区画には、前記第２のモジュールは搭載されず、
   前記第４の区画には、前記コンバータ主回路の第２の相の正側及び負側アームのスイッチング素子として動作する前記第２のモジュールが配置される
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 交流電力を直流電力に変換する、２レベル又は３レベルのコンバータ主回路と、
   前記コンバータ主回路が変換した直流電力を交流電力に変換する２レベルのインバータ主回路と、
   前記インバータ主回路を構成する第１のスイッチング素子及び前記コンバータ主回路を構成する第２のスイッチング素子を冷却する共通の冷却器と、
   を備え、
   前記第１のスイッチング素子は、１又は複数の素子単位でモジュール化されて第１のモジュールを構成し、
   前記第２のスイッチング素子は、１又は複数の素子単位でモジュール化されて第２のモジュールを構成し、
   前記第１及び第２のモジュールは、前記冷却器のベース部のモジュール搭載面である第１の面に搭載され、
   前記第１のモジュールは、前記第１の面において第１の方向に配列され、
   前記第２のモジュールは、前記第１の面において前記第１の方向に直交する第２の方向に２個以上が連続して配列され、
   前記第１のモジュールは、前記第１の面の第１の区画に配置され、
   前記第２のモジュールは、前記第１の面の第２、第３及び第４の区画のうちの少なくとも前記第２及び第４の区画に配置され、
   前記第２、第３及び第４の区画は、前記第２の方向に沿って前記第１の区画に隣接し、且つ、前記第１の方向に沿って前記第２、第３及び第４の区画の順で並び、
   前記第１の区画には、前記インバータ主回路の第１、第２及び第３の相のスイッチング素子として動作する前記第１のモジュールが配置され、
   前記第２及び前記第４の区画は、前記コンバータ主回路が２レベルである場合と３レベルである場合とで共用され、
   前記コンバータ主回路が３レベルである場合、
   前記第２の区画には、前記コンバータ主回路の上位電位側外側素子として動作する前記第２のモジュールが配置され、
   前記第３の区画には、前記コンバータ主回路の内側素子として動作する前記第２のモジュールが配置され、
   前記第４の区画には、前記コンバータ主回路の下位電位側外側素子として動作する前記第２のモジュールが配置される
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 前記第２の方向は、前記冷却器に流出入する冷却風の方向である
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記第１のモジュールは、２つの前記第１のスイッチング素子を１つのモジュール内に収納した２素子入りモジュールであり、
   前記第２のモジュールは、２つの前記第２のスイッチング素子を１つのモジュール内に収納した２素子入りモジュールである
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記コンバータ主回路が出力する直流電圧を平滑するフィルタコンデンサを備え、
   前記第１及び第２のモジュールの端子は、前記第１及び第２の方向のそれぞれに直交する第３の方向に延び、
   前記第１及び第２のモジュールの端子と、前記フィルタコンデンサの端子とは、ブスバーで電気的に接続され、
   前記ブスバーに具備される複数の導体部の間には往復電流が流れる
   ことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の電力変換装置。

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