KR101555797B1 - 강제 풍랭식 전력 변환 장치 - Google Patents

Abstract

반도체 소자가 탑재된 냉각기 베이스부와, 냉각기 베이스부에 있어서의 반도체 소자 탑재면의 이면측에 마련된 냉각기 핀부를 구비하는 전력 변환 모듈에 있어서, 냉각기 핀부, 및 냉각기 핀부끼리가 등을 맞대어 장착되고, 냉각기 핀부가 존재하고 외기가 통류하는 개방부와 반도체 소자가 존재하는 밀폐부 사이를 분리함과 아울러, 냉각기 핀부에 냉각풍을 흘리는 것을 가능하게 구성한 냉각기 장착 부재를 가진 전력 변환 서브 블록을 조합하여 전력 변환 블록으로서 구성했다.

Description

강제 풍랭식 전력 변환 장치{FORCED-AIR-COOLED POWER CONVERSION DEVICE}

본 발명은 전기차 구동용의 교류 전동기 제어에 바람직한 강제 풍랭식 전력 변환 장치에 관한 것이다.

종래 기술에 따른 전기차의 전력 변환 장치는, 전동차의 각 대차(臺車)에 탑재된 차축에 직결(直結)된 복수의 유도 전동기를, 전력 변환 장치 내의 하나의 인버터 회로로 병렬 일괄 구동하는 구성으로 되어 있는 것이 일반적이다.

또, 이런 종류의 전력 변환 장치에서는, 통상은, 전동차의 양단에 배치된 대차에 내장된 합계 4개의 차축을 각각 구동하는 유도 전동기 4대를, 1개의 인버터 회로로 병렬 일괄 제어하도록 구성한 예가 많다.

추가로, 교류 구간을 주행하는 전기차 구동용의 전력 변환 장치에서는, 가선으로부터 수전(受電)한 교류 전력을 일단 직류로 변환하여 인버터 회로로 공급하기 위한 컨버터 회로가 추가된다.

또, 전기차 구동용의 전력 변환 장치에 있어서의 냉각 방식으로서는, 장치의 소형 경량화를 위해, 냉각 팬에 의해 외기(外氣)를 통풍하여 인버터 회로나 컨버터 회로(이하 양자를 총칭하여 「전력 변환 회로」라고 칭함)를 냉각하는 강제 풍랭 방식이 주류이다(예를 들면, 특허 문헌 1).

특허 문헌 1: 일본국 특개 2006－025556호 공보

그런데, 근년, 산업 기기나 가전 분야, 자동차 분야 등의 교류 전동기 응용 분야에 있어서, 종래로부터의 유도 전동기를 대신하여 영구자석 동기 전동기를 적용하는 사례가 많아지고 있다. 영구자석 동기 전동기는, 유도 전동기와 비교하여, 영구자석에 의한 자속이 확립되어 있으므로 여자(勵磁) 전류가 불필요한 것이나, 회전자에 전류가 흐르지 않기 때문에, 2차 동손(銅損)이 발생하지 않는 것 등으로부터 고효율인 전동기로서 알려져 있어, 근년, 전기차 구동용의 전력 변환 장치로의 적용도 검토되고 있다.

전기차의 구동 용도에 영구자석 동기 전동기를 적용하는데 있어서 과제가 되는 것이, 복수 대의 영구자석 동기 전동기를 구동하는 전력 변환 장치를 어떻게 구성할지에 있다. 즉, 영구자석 동기 전동기는, 이미 알려져 있는 대로, 인버터 주파수와 로터(rotor) 주파수가 동기하여 동작하는 것이기 때문에, 종래 예의 유도 전동기와 같이, 복수 대의 영구자석 동기 전동기를 1대의 인버터로 병렬 일괄 구동하는 것은 할 수 없다. 왜냐하면, 전기차로의 적용예에서는, 차륜 지름의 차이나 공전 등에 의해 운전 중인 각 차륜의 회전수, 위상은 다르기 때문에, 각 전동기의 회전수나 위상이 일치하지 않기 때문이다.

따라서 영구자석 동기 전동기 1대마다 대응한 개별의 구동용 인버터 회로를 마련할 필요가 있다. 전기차의 경우, 편성중의 복수의 전동기에 의해, 전동차의 각 차륜을 구동하는 동력 분산 방식의 구성이 주류이기 때문에, 복수 대의 병렬 일괄 구동이 가능한 종래의 유도 전동기를 사용한 시스템과 비교하여, 필요한 인버터 회로의 수가 증가하고, 그 결과, 인버터 회로의 사이즈, 질량, 비용이 증가한다고 하는 과제가 발생한다.

또한, 유도 전동기를 사용한 시스템에 있어서도, 각 차륜에 접속된 복수의 유도 전동기를 독립하여 개별로 제어하는 시스템도 존재하지만, 이 경우도 영구자석 동기 전동기를 구동하는 시스템과 마찬가지로 각 전동기에 대응한 독립한 인버터 회로를 개별로 마련할 필요가 있어, 필요한 인버터 회로의 수가 증가하여, 영구자석 동기 전동기와 마찬가지로, 인버터 회로의 사이즈, 질량, 비용이 증가한다고 하는 과제가 발생한다.

또, 교류 구간을 주행하는 전기차의 전력 변환 장치의 경우는, 장치 용량에 따라서는, 컨버터 회로의 수(혹은 컨버터 회로를 구성하는 반도체 소자의 병렬수)가 증가한다. 그 결과, 컨버터 회로의 사이즈, 질량, 비용이 증가하는 과제도 발생한다.

또한, 전기차용의 전력 변환 장치는, 전기차의 바닥 밑에 배치되는 것이 많아, 소형화 및 경량화가 가능한 구조인 것이 바람직하다는 것은 말할 필요도 없다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 복수 대의 전동기를 개별로 구동하는 방식의 강제 풍랭식 전력 변환 장치를 구성하는 경우라도, 전력 변환 회로의 사이즈, 질량 및 비용의 증가를 억제 가능하게 구성되는 강제 풍랭식 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 전원으로부터 입력된 전력을 임의의 값으로 변환하여 전동기로 출력하는 복수의 반도체 소자를 구비하는 전력 변환 회로를 가진 강제 풍랭식 전력 변환 장치에 있어서, 상기 전력 변환 회로를 구성하는 일부의 상기 반도체 소자와, 상기 반도체 소자가 탑재된 냉각기 베이스부와, 상기 냉각기 베이스부에 있어서의 반도체 소자 탑재면의 이면(裏面)측에 마련된 냉각기 핀부를 구비하는 전력 변환 모듈과, 적어도 2대의 상기 전력 변환 모듈에 있어서의 상기 냉각기 핀부가 등을 맞대어 장착되고, 상기 냉각기 핀부가 존재하고 외기(外氣)가 통류(通流)하는 개방부와 상기 반도체 소자가 존재하는 밀폐부의 사이를 분리함과 아울러, 상기 냉각기 핀부에 냉각풍을 흘리는 것을 가능하게 구성한 냉각기 장착 부재를 가진 전력 변환 유니트를 복수 대 조합하여 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전기차 제어 장치에 의하면, 복수 대의 전동기를 개별로 구동하는 방식의 강제 풍랭식 전력 변환 장치를 구성하는 경우라도, 전력 변환 회로의 사이즈, 질량 및 비용의 증가를 억제할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 컨버터 회로의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 인버터 회로의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 컨버터 전력 변환 모듈 혹은 인버터 전력 변환 모듈의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 콘덴서 모듈의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 내부 배치 구성예를 나타내는 상면도 및 측면도이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 내부 배치 구성의 다른 예를 나타내는 측면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 블록의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 블록의 씰 부위(seal part)를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 블록의 전력 변환 장치 수납 박스로의 수납예를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 차량으로의 탑재예를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 기기 배치와 전력 변환 모듈 배치의 예를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 기기 배치와 전력 변환 모듈 배치의 다른 예를 나타내는 도면이다.

이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 따른 강제 풍랭식 전력 변환 장치(이하 간단하게 「전력 변환 장치」라고 칭함)에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태에서는, 교류 입력 타입이며, 영구자석 동기 전동기를 구동하는 전력 변환 장치를 일례로서 설명하지만, 이 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

우선, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 전체 구성, 및 본 실시 형태의 전력 변환 장치를 구성하는 컨버터 회로, 인버터 회로, 컨버터 전력 변환 모듈, 인버터 전력 변환 모듈, 및 콘덴서 모듈의 구성에 대해서 도 1~도 5의 도면을 참조하여 설명한다. 여기서, 도 1은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 컨버터 회로(20)의 구성예를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 인버터 회로(40)의 구성예를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 컨버터 전력 변환 모듈 혹은 인버터 전력 변환 모듈의 구성예를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 콘덴서 모듈(30)의 구성예를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전원으로서의 변전소(도시하지 않음)로부터 송전된 전력은, 가선(1)에 접촉시킨 집전 장치(2)를 통해서 수전되어, 변압기(6)의 1차측으로 입력되는 구성이다. 변압기(6)로부터의 음측(negative side)의 배선은, 차륜(3)을 경유하여 레일(4)로 접속되고, 도시를 생략한 변전소로 돌아간다.

변압기(6)의 2차측은 전력 변환 장치(100)로 접속되어 있고, 전력 변환 장치(100)를 변압기(6)측으로부터 절리(切離)하는 기능을 가진 입력 개폐기(10)로 입력된다. 입력 개폐기(10)는 전력 변환 장치(100)를 정지시키는 경우나, 이상이 발생했을 경우에 오프로 제어되고, 통상의 운전 중에는 온으로 제어되는 개폐기이며, 수백 A ~ 천 A의 전류를 개폐할 수 있는 능력을 가지는 것이다.

입력 개폐기(10)의 다음 단에는, 교류 입력 도체(US, VS)를 통하여 입력된 교류 전압을 임의의 직류 전압으로 변환하여, 직류 접속 도체(P, C, N)에 의해 콘덴서 모듈(30)에 출력하는 컨버터 회로(20)가 마련된다. 또한, 교류 입력 도체(US, VS)는 수백 A의 전류 용량을 가지고, 예를 들면 동을 주체(主體)로 구성된다.

도 1에 도시된 컨버터 회로(20)는, 예를 들면 도 2에 도시된 바와 같이 구성된다. 도 2는 요즘의 전기차에 있어서 응용예가 많은 전압형 단상 3 레벨 컨버터를 적용했을 경우의 구성예를 나타내고 있고, IGBT이며 다이오드인 반도체 소자(25)로 브리지 회로를 구성하여, 각 반도체 소자를 PWM 동작시키는 구성이다. 그 구성과 동작은 공지이기 때문에, 여기서의 설명은 생략한다. 또한, 도 2에서는, 전류 용량을 확보하기 위해서 각 반도체 소자를, 예를 들면 UPC1A와 UPC1B, UPC2A와 UPC2B, UD1A와 UD1B와 같이 병렬 접속된 형태로 나타내고 있지만, 병렬 접속되지 않는 형태여도 상관없다.

또, 도 2에 도시된 대로, 컨버터 회로(20)는 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d)로 구성된다. 보다 상세하게 설명하면, 컨버터 전력 변환 모듈(20a)은 U상 상암(upper arm)을 이루고, 컨버터 전력 변환 모듈(20b)은 U상 하암(lower arm)을 이루고, 컨버터 전력 변환 모듈(20c)은 V상 상암을 이루고, 컨버터 전력 변환 모듈(20d)은 V상 하암을 이룬다. 이와 같이, 도 2에서는, 컨버터 회로(20)를 4개의 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d)로 분할하고 있지만, 이 분할 방식에 대해서는 후술한다.

컨버터 회로(20)의 출력에 배치되는 콘덴서 모듈(30)은, 도 5에 도시된 대로, 양측(positive side)의 콘덴서(30P) 및 음측의 콘덴서(30N)를 가지고 이루어지고, 직류 접속 도체(P, C, N)가 구비된다. 이 콘덴서 모듈(30)은, 예를 들면 복수의 필름 콘덴서 등을 직병렬 접속한 집합체로서 구성되어, 직류 전력을 축적하는 에너지 버퍼로서 기능하고, 또 컨버터 회로(20) 혹은 인버터 회로(40)에 구비되는 반도체 소자(25)의 스위칭 동작에 의해 발생하는 서지 전압이나 고주파의 리플 전류(ripple current) 성분을 흡수하는 기능을 가진다.

또한, 이 콘덴서 모듈(30)은 상기와 같이 직류 접속 도체(P, C, N) 혹은 직류 접속 도체(P, N)에 의해 각 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d) 및 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d)과 접속되어 있지만(도 1 참조), 이들 각 모듈간의 인덕턴스 성분이 크면 반도체 소자(25)가 스위칭 동작을 한 타이밍에서 서지 전압이나 노이즈의 발생이 커진다. 따라서 이러한 인덕턴스는 최대한 작게 하도록 배려되어야 하는 것은 당업자에게는 주지이다. 이 때문에, 직류 접속 도체(P, C, N)는, 서로 절연을 확보하면서 서로 최대한 근접시킨 형태로 구성한다. 예를 들면, 동의 박판(薄板)으로 도체를 구성하고, 도체간을 절연 필름으로 절연한 레미네이트 버스 바(laminate bus bar)를 이용하는 것이 바람직하다. 이하, 이러한 직류 접속 도체(P, C, N)로 구성된 도체를 총칭하여 콘덴서 도체판(80)이라고 칭한다. 또한, 콘덴서 도체판(80)에 관한 더욱 상세한 내용은, 후술한다.

콘덴서 모듈(30)의 다음 단에는, 인버터 회로(40)가 마련된다. 이 인버터 회로(40)는, 예를 들면 도 3에 도시된 바와 같이 구성된다. 도 3에서는, 전압형 삼상 2 레벨 인버터를 적용했을 경우의 구성예를 나타내고 있고, IGBT이며 다이오드인 반도체 소자(25)로 브리지 회로를 구성하여, 각 반도체 소자를 PWM 동작시키는 구성이다. 그 구성과 동작은 공지이기 때문에, 여기서의 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도 3에서는, 각 반도체 소자를 병렬 접속하고 있지 않은 형태로 나타내고 있지만, 예를 들면 전류 용량을 확보하기 위해서 각 반도체 소자를, 병렬 접속하여 구성해도 상관없다. 또, 삼상 2 레벨 인버터를 대신하여, 삼상 3 레벨 인버터를 적용하는 것도 가능하다.

또, 도 3에 도시된 대로, 인버터 회로(40)는 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d)로 구성되고, 각각의 인버터 전력 변환 모듈이 하나의 인버터 브리지 회로를 구성한다. 예를 들면, 도 1에서는, 4대의 인버터 전력 변환 모듈에 의해 4대의 교류 전동기를 각각 구동하는 경우의 구성예를 나타내고 있다.

인버터 전력 변환 모듈(40a~40d)의 출력측은, 교류 출력 도체(U, V, W)를 경유하여 모터 개방 개폐기(50a~50d)를 통해서 각각 교류 전동기(60a~60d)에 접속되어 있다.

다음으로, 상술한 컨버터 전력 변환 모듈 및 인버터 전력 변환 모듈의 각 구성에 있어서의 요점에 대해서 설명한다. 또한, 이하, 컨버터 전력 변환 모듈과 인버터 전력 변환 모듈을 총칭하는 경우에는, 전력 변환 모듈이라고 칭하여 설명한다.

도 4에 도시된 대로, 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d)과, 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d)은 유사한 구성이며, 냉각기 베이스부(27)와 냉각기 핀부(26)를 가지는 냉각기(28)의 반도체 소자 장착면(도면의 우측)에 반도체 소자(25)가 배치된다. 즉, 냉각기 핀부(26)에 냉각풍을 통과시켜 반도체 소자(25)를 냉각하는 구성이다. 또한, 도 4는 반도체 소자(25)가 냉각기(28)에 6개 탑재된 상태를 나타내고 있지만, 이 구성은 일례이며, 6개로 한정되는 것은 아니다.

냉각기 베이스부(27)는, 예를 들면 알루미늄을 이용하여 블록 형상으로 형성되어, 반도체 소자(25)의 발열을 받는 수열부로서 동작한다. 냉각기 핀부(26)는, 예를 들면 알루미늄을 소재로 하고, 예를 들면 빗 모양(comb shape)이나 격자 모양(lattice shape)의 핀으로 구성되어 반도체 소자(25)를 탑재하는 탑재면의 이면측에 마련되어, 열을 대기중(大氣中)으로 방산(放散)하는 방열부로서 동작한다. 반도체 소자(25)와 냉각기 핀부(26)가 근접한 구성으로 할 수 있기 때문에, 냉매 비등식의 냉각기와 같이 열수송을 위한 냉매를 사용하지 않는다. 그 결과, 냉각기(28)의 설치 방향에 관한 제약이 없고, 냉각기(28)의 구성이 간이해져서, 경량 또한 저비용으로 전력 변환 장치를 구성할 수 있다고 하는 이점이 생긴다.

또한, 도 1 ~ 도 3에 도시된 대로, 전력 변환 장치(100)에 내장되는 컨버터 회로(20) 및 인버터 회로(40)를 구성하는 반도체 소자(25)의 수는 매우 많다. 이 때문에, 모든 반도체 소자(25)를 하나의 냉각기(28) 위에 탑재하면, 냉각기(28)가 대형으로 중량물(重量物)이 되어, 전력 변환 장치(100)로의 수납이 곤란하게 되거나, 장착하고 떼어내는데 지장이 생기거나, 조립 작업이 곤란하게 되는 등의 문제가 생겨 바람직하지 않다.

이에, 본 실시 형태에서는, 컨버터 회로(20) 및 인버터 회로(40)를 복수의 그룹으로 분할하여, 각각의 그룹에 속하는 반도체 소자(25)를 복수의 냉각기(28)로 분할하여 탑재하는 것으로 했다. 그 자세한 것은, 이하와 같다.

우선, 각 전력 변환 모듈(20a~20d, 40a~40d)에 마련하는 외부와의 접속 개소는, 직류 접속 도체(P, C, N), 교류 입력 도체(US, VS), 혹은 교류 출력 도체(U, V, W)와 접속하는 개소만 되도록 구성한다. 즉, 각 전력 변환 모듈로부터 외부로의 접속이 필요한 개소 이외는, 전력 변환 모듈의 외부로 드러나지 않도록 구성하는 것이 중요한 점이다.

이와 같이 구성하는 이유는, 오직 각 전력 변환 모듈간을 상호 접속하기 위한 도체를 불필요하게 할 수 있고, 전력 변환 장치(100)의 내부 구조를 간소화할 수 있어, 부품 점수를 매우 줄일 수 있기 때문이다. 이것에 의해, 전력 변환 장치(100)의 소형 경량화 및 저비용화와 같은 효과가 얻어진다.

한편, 상기와 같이 구성하지 않는 경우, 소형 경량화 및 저비용화에 관한 충분한 효과는 얻어지지 않는다. 예를 들면, 도 2에 있어서, UPC1A, UPC1B, UPC2A 및 UPC2B의 그룹과, UD1A, UD1B, UD2A 및 UD2B의 그룹의 사이로 분할하여 각각의 그룹을 다른 전력 변환 모듈로서 구성했을 경우를 예로 설명하면, 이 경우, 도 2에서는 내부 도체로서 나타낸 접속 도체(22)를 새로 마련하여 전력 변환 모듈간을 접속할 필요가 발생한다. 이 접속 도체(22)는, 전력 변환 모듈간의 접속에만 사용되며, 외부로의 접속이 불필요한 것이다. 본 접속 도체(22)의 추가에 기인하는 전력 변환 모듈 구조의 복잡화, 부품수의 증가에 의해, 전력 변환 장치(100)의 질량 증가 및 비용 증가를 초래한다.

다음으로 고려해야 할 점으로서는, 각 전력 변환 모듈(20a~20d, 40a~40d)의 발생 손실을 같게 하는 것이다. 이것은, 후술한 것처럼, 각 전력 변환 모듈(20a~20d, 40a~40d)을 구성하는 냉각기(28)나 냉각하는 냉각 수단의 구성을 용이하게 하는 효과가 있다.

복수의 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d)과 복수의 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d) 사이의 각 발생 손실을 균등하게 같게 하는 것이 바람직하지만, 복수의 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d) 각각의 사이, 혹은 복수의 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d) 각각의 사이의 각 발생 손실을 균등하게 같게 하는 것도 좋다(예：20a의 발생 손실=20b의 발생 손실=20c의 발생 손실=20d의 발생 손실, 40a의 발생 손실=40b의 발생 손실=40c의 발생 손실=40d의 발생 손실).

예를 들면, 컨버터 회로(20)는 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d)로 구성되지만, 컨버터 전력 변환 모듈(20a)이 U상 상암, 컨버터 전력 변환 모듈(20b)이 U상 하암, 컨버터 전력 변환 모듈(20c)이 V상 상암, 컨버터 전력 변환 모듈(20d)이 V상 하암을 구성하도록 분할 구성함으로써, 상기의 착안점을 달성할 수 있다.

또, 각 전력 변환 모듈(20a~20d, 40a~40d)의 발생 손실을 같게 함으로써 각 전력 변환 모듈에 사용하는 냉각기(28)의 사이즈를 같게 하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 각 전력 변환 모듈(20a~20d, 40a~40d)에 사용하는 냉각기(28)를 공통품(共通品)으로 할 수 있어, 양산 효과에 의한 저비용화, 제조 비용의 저감이 가능해진다고 하는 이점이 생긴다.

또, 후술한 것처럼, 하나의 냉각기 장착 부재(72)에 두 개의 냉각기(28)를 등을 맞대어 배치하는 구성이 가능해진다.

또한, 후술한 것처럼, 전력 변환 장치(100)와 각 교류 전동기(60a~60d) 사이의 위치 관계에 따라서, 각 전력 변환 모듈(20a~20d, 40a~40d)의 배치 자유도를 확보할 수 있다.

추가로 고려해야 할 점으로서는, 각 전력 변환 모듈에 탑재하는 반도체 소자(25)의 수 또는 탑재 면적을 같게 하는 것이다. 이것에 의해, 각 전력 변환 모듈(20a~20d, 40a~40d)의 냉각기(28)의 사이즈를 같게 하는 것이 가능해진다. 상기와 마찬가지로, 각 전력 변환 모듈(20a~20d, 40a~40d)에 사용하는 냉각기(28)를 공통품으로 하여 양산 효과에 의한 저비용화, 제조 비용의 저감이 가능해진다고 하는 이점이 생긴다. 또, 후술한 것처럼, 전력 변환 장치(100)와 각 교류 전동기(60 a~60d) 사이의 위치 관계에 따라서, 각 전력 변환 모듈(20a~20d, 40a~40d)의 배치 자유도를 확보할 수 있다.

도 1, 도 2, 도 3에 도시된 구성은, 일반적인 전기차용의 전력 변환 장치에 있어서, 상기의 각 요점을 포함해서 컨버터 회로(20), 인버터 회로(40)를 분할하여 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d), 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d)을 구성한 것이다.

보다 상세하게 설명하면, 컨버터 회로(20)가, 예를 들면 단상 3 레벨 컨버터 회로이며, 각 암은 반도체 소자가 2 병렬 접속된 구성에 적용하는 경우, 컨버터 회로(20)로서는, U상 상암을 구성하는 6개의 반도체 소자를 탑재한 U상 상암용 컨버터 전력 변환 모듈(20a)과, U상 하암을 구성하는 6개의 반도체 소자를 탑재한 U상 하암용 컨버터 전력 변환 모듈(20b)과, V상 상암을 구성하는 6개의 반도체 소자를 탑재한 V상 상암용 컨버터 전력 변환 모듈(20c)과, V상 하암을 구성하는 6개의 반도체 소자를 탑재한 V상 하암용 컨버터 전력 변환 모듈(20d)로 분할하여 구성하는 것이 매우 적합하다.

인버터 회로(40)에 대해서 마찬가지로 설명하면, 상기 컨버터 회로(20)에 조합된 인버터 회로(40)가 삼상 2 레벨 인버터 회로이며, 인버터 회로(40)를 구성하는 1조(組)의 브리지 회로가 하나의 인버터 전력 변환 모듈을 구성하는 경우에 있어서, 제1 인버터 회로를 구성하는 제1 인버터 전력 변환 모듈(40a)과, 제2 인버터 회로를 구성하는 제2 인버터 전력 변환 모듈(40b)과, 제3 인버터 회로를 구성하는 제3 인버터 전력 변환 모듈(40c)과, 제4 인버터 회로를 구성하는 제4 인버터 전력 변환 모듈(40d)로 분할하여 구성하는 것이 매우 적합하다.

또한, 여기서 상정하고 있는 전력 변환 장치(100)의 용량은 1MW정도이며, 직류 접속 도체(PN) 간의 전압은 1.5KV ~ 3KV 정도이다.

도 6은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 내부 배치 구성예를 나타내는 도면이고, 동 도면 (a)는 전력 변환 장치(100)를 상방(上方)에서 본 도면(상면도)이고, 동 도면 (b)는 전력 변환 장치(100)를 측면(전기차의 측면측)에서 본 도면(측면도)이다.

전력 변환 장치(100)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1, 제2 전력 변환 서브 블록(75a, 75b：내부 구성은 후술) 및 제1 접속 도체판(74a)을 구비하는 제1 전력 변환 블록(70a), 제3, 제4 전력 변환 서브 블록(75c, 75d：내부 구성은 75a, 75b에 상응함) 및 제2 접속 도체판(74b)을 구비하는 제2 전력 변환 블록(70b), 콘덴서 모듈(30), 콘덴서 모듈(30)의 단자인 콘덴서 단자(31)에 접속된 적어도 직류 접속 도체(P, N)를 포함하는 콘덴서 도체판(80), 제1 접속 도체판(74a) 혹은 제2 접속 도체판(74b)과 콘덴서 도체판(80)을 접속하는 도체 접속 부재(81), 제1 씰 부재(106)를 통하여 제1~제4 냉각기 장착 부재(72a~72d)와 접하는 제1~제4 도풍(導風) 부재(66a~66d), 제1~제4 도풍 부재(66a~66d)에 냉각풍을 흘리기 위한 냉각 팬(65a, 65b), 및 점검 커버(105)를 가지고 구성된다.

제1~제4 전력 변환 서브 블록(75a~75d)은, 제1~제4 도풍 부재(66a~66d)를 통하여 냉각 팬(65a, 65b)에 의해 송출되는 냉각풍에 의해 냉각된다.

제1~제4 도풍 부재(66a~66d)는, 제1 씰 부재(106)를 통하여 제1~제2 전력 변환 블록(70a, 70b)에 내장되는 제1~제4 냉각기 장착 부재(72a~72d)에 접하도록 구성된다.

또한, 제1 씰 부재(106)는 냉각 팬(65a, 65b)과 제1~제4 도풍 부재(66a~66d)의 사이에 마련하도록 하고, 제1~제4 도풍 부재(66a~66d)를 제1, 제2 전력 변환 블록(70a, 70b)과 일체가 되도록 구성해도 좋다.

다음으로, 제1 전력 변환 블록(70a)을 예로 각 도체판의 배치에 대해서 설명한다.

제1 접속 도체판(74a)은 제1 냉각기 장착 부재(72a) 및 제2 냉각기 장착 부재(72b)의 하방측에 장치의 저면(바닥면)과 평행으로 배치된다. 또, 냉각기의 냉각풍 출구부에 있어서의 냉각풍의 방향과 제1 접속 도체판(74a)의 길이 방향은 직교하도록 배치된다. 또한, 제1 접속 도체판(74a)의 한쪽 단부는, 도체 접속 부재(81)를 통하여 콘덴서 도체판(80)에 접속 가능하게 구성된다.

또한, 제1 접속 도체판(74a)은, 도 7에 도시된 바와 같이 제1 냉각기 장착 부재(72a) 및 제2 냉각기 장착 부재(72b)의 상측에 장치의 저면과 평행으로 배치해도 좋다. 이 배치예에서도, 냉각풍의 방향과 제1 접속 도체판의 길이 방향은 직교하도록 배치된다. 이 때문에, 도 7에 도시된 배치예에서도, 제1 접속 도체판(74a)의 한쪽 단부를 도체 접속 부재(81)를 통하여 콘덴서 도체판(80)에 접속 가능하게 구성할 수 있다.

이상, 제1 전력 변환 블록(70a)에 있어서의 각 도체판의 배치 및 접속에 대해서 설명했지만, 제2 전력 변환 블록(70b)에 대해서도 마찬가지로 구성할 수 있다.

상기와 같이 구성함으로써, 냉각 계통과의 구조적인 간섭을 회피하면서, 복수의 전력 변환 회로를 극히 짧은 거리로 접속하는 주회로 배선 구조를 구축할 수 있다.

또, 장치 저면의 점검 커버(105)를 분리함으로써, 도체 접속 부재(81)의 착탈을 행하는 것이 가능해진다. 추가로, 도체 접속 부재(81)를 분리함으로써, 제1 접속 도체판(74a) 혹은 제2 접속 도체판(74b)과 콘덴서 도체판(80)을 분리하는 것이 가능해진다. 이와 같이 구성함으로써, 후술하는 것처럼 전력 변환 블록을 차량의 측면측으로 취출(取出)하는 구조로 할 수 있어, 메인터넌스(maintenance)성을 향상시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 블록의 구성예를 나타내는 도면이다. 전력 변환 블록(70a)은 제1 유니트 결합 프레임(76a)에 의해 제1 전력 변환 서브 블록(75a)과 제2 전력 변환 서브 블록(75b)과 제1 접속 도체판(74a)이 고정되어 구성된다.

제1 전력 변환 서브 블록(75a)은 제1 냉각기 핀부(26a) 및 제1 냉각기 베이스부(27a)를 가지는 제1 냉각기(28a), 제2 냉각기 핀부(26b) 및 제2 냉각기 베이스부(27b)를 가지는 제2 냉각기(28b), 이들이 장착되는 제1 냉각기 장착 부재(72a), 제1 냉각기(28a)에 탑재된 반도체 소자(25)에 접속된 제1 도체판(73a)과, 제2 냉각기(28b)에 탑재된 반도체 소자(25)에 접속된 제2 도체판(73b)을 가지고 구성된다.

여기서, 제1 도체판(73a)은 적어도 직류 접속 도체(P, N)를 포함하는 것이다. 직류 접속 도체(P, N)는 절연층을 사이에 두고 적층되어서 제1 도체판(73a)이 구성된다.

또한, 제1 전력 변환 서브 블록(75a)이 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d)을 포함하는 경우, 제1 도체판(73a)은 추가로 직류 접속 도체(C), 교류 입력 도체(US, VS)를 포함하는 것으로서 구성해도 좋다. 또, 제1 전력 변환 서브 블록(75a)이 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d)을 포함하는 경우, 제1 도체판(73a)은 교류 출력 도체(U, V, W)를 포함하는 것으로서 구성해도 좋다.

상기와 같이 구성된 제1 도체판(73a)은, 제1 접속 도체판(74a)에 대해서 수직으로 배치되고, 제1 접속 도체판(74a)의 동종 도체끼리와 전기적으로 접속된다. 그 외의 제2~제4 도체판(73b~73d)에 대해서도 마찬가지이다.

또한, 제1~제4 도체판(73a~73d), 제1~제4 접속 도체판(74a~74d) 및 콘덴서 도체판(80)(도 6 참조)으로서는, 동(銅) 등의 도체 박판과 시트 모양의 절연 재료를 필요수만큼 적층 배치하여 구성한 것을 상정하고 있다.

또한, 교류 입력 도체(US, VS), 교류 출력 도체(U, V, W)의 구성에 대해서는 후술한다.

도 8의 구성으로 돌아가, 제1 냉각기(28a)의 제1 냉각기 핀부(26a)와, 제2 냉각기(28b)의 제2 냉각기 핀부(26b)는, 등을 맞대게 하여 함께 제1 냉각기 장착 부재(72a)의 내측에 배치되어, 냉각풍에 의해 일괄 냉각 가능하게 구성된다.

또, 제1 냉각기 핀부(26a)와 제2 냉각기 핀부(26b)가 배치되는 제1 냉각기 장착 부재(72a)의 내측은, 눈이나 비를 포함하는 냉각풍이 흐르는 대기중에 개방된 개방부를 이루고, 제1 냉각기 장착 부재(72a)의 외측은 반도체 소자(25)나 도체판이나 그 외의 전기 부품(도시하지 않음)이 배치되어, 개방부로부터의 공기나 물 등의 침입이 없도록 구성된 밀폐부를 이룬다. 또, 개방부와 밀폐부의 경계 부분인 제1 냉각기(28a)와 냉각기 장착 부재(72a) 사이, 및 제2 냉각기(28b)와 냉각기 장착 부재(72a) 사이에는 고무 패킹이나 실리콘 씰재 등의 씰 부재(후술)가 배치되어, 필요한 기밀(氣密)을 유지하는 구조로 되어 있다.

또한, 제1 냉각기 장착 부재(72a)의 냉각풍이 흐르는 방향의 길이는, 제1, 제2 냉각기(28a, 28b)를 장착하기 위해서 필요한 길이로 되어 있으며, 제1, 제2 냉각기(28a, 28b)의 동방향의 길이와 거의 같다.

또, 제1 냉각기 장착 부재(72a)에 등을 맞대게 하여 배치하는 제1 냉각기(28a)와, 제2 냉각기(28b)는 같은 사이즈로 하는 것이 바람직하다. 그러면, 제1~제4 냉각기 장착 부재(72a~72d)가 동일한 것으로 구성할 수 있다.

제1 접속 도체판(74a)은 상술한 바와 같이 도체 접속 부재(81)를 통하여 콘덴서 도체판(80)에 접속 가능한 구성이며(도 6 참조), 적어도 접속 도체(P, N)를 포함하는 도체가 적층된 도체판이다.

또한, 제2 전력 변환 서브 블록(75b)에 대해서도, 도 8에 도시된 대로, 제3, 제4 냉각기 핀부(26c, 26d)를 가지는 제3, 제4 냉각기(28c, 28d), 제2 냉각기 장착 부재(72b), 및 제3, 제4 도체판(73c, 73d)을 가지고 마찬가지로 구성된다.

도 9는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 블록의 씰 부위를 나타내는 도면이다. 또한, 도 9에서는, 제1 전력 변환 서브 블록(75a)을 일례로서 나타내고 있지만, 다른 전력 변환 블록에 대해서도 마찬가지인 구성이 된다.

도 9에 있어서, 우선, 제1 냉각기 장착 부재(72a)의 냉각풍의 입구와 출구에 상당하는 부위에는 제1 씰 부재(106) 및 제2 씰 부재(107)가 배치된다. 이것에 의해, 제1 전력 변환 블록(70a)을 전력 변환 장치로부터 분리할 수 있게 하면서, 풍로(風路)가 되는 내측의 개방부로부터 외측의 밀폐부로 먼지나 수분이 침입하는 것을 방지한다.

또, 제1 냉각기 장착 부재(72a)와 제1 냉각기(28a) 사이 및 제1 냉각기 장착 부재(72a)와 제2 냉각기(28b) 사이는, 제4 씰 부재(109)에 의해 씰 된다. 이것에 의해, 냉각풍의 풍로가 되는 내측의 개방부로부터 외측의 밀폐부로 먼지나 수분이 침입하는 것을 방지한다. 밀폐부에 수분 등이 침입하면 밀폐부에 배치되는 주회로 배선 등이 지락(地絡) 사고를 일으킬 가능성이 있기 때문에 이 씰은 전력 변환 장치의 품질을 확보하는데 있어서 중요하다.

또한, 도 9에 도시된 각 씰 부재의 연장거리는 최대한 짧은 쪽이 작업에 걸리는 비용을 저감시킬 수 있음과 아울러, 씰 누락에 의한 밀폐부로의 누수 등의 불량 상태의 가능성을 낮게 할 수 있다.

본 실시 형태에 있어서 개시한 구성으로 함으로써, 예를 들면 냉각기(28) 하나하나를 개별의 냉각기 장착 부재에 장착하는 것 같은 다른 구성예와 비교하여, 씰 부재의 연장 거리를 짧게 할 수 있다.

또, 제1 냉각기(28a)와 제2 냉각기(28b)와 제1 냉각기 장착 부재(72a)를 결합한 구조체 상태(즉 도 9에 도시된 상태)로, 이러한 경계부(개방부와 밀폐부의 경계부)의 씰 부재(방수 씰 등)의 시공이 가능하다. 이 때문에, 씰재 시공 개소와 그 완성 상태는 모두 육안으로 보는 것이 가능해져, 확실한 씰 작업이 가능해진다. 또, 후미진 곳이나 자루 모양으로 된 보기 어려운 부위로의 씰 부재의 시공의 필요가 없어지므로, 품질을 향상시킬 수 있는 것과 아울러, 작업시간이 짧아져, 비용 저감이 가능해진다.

도 10은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 블록의 전력 변환 장치 수납 박스(100a)로의 수납예를 나타내는 도면이다. 도 10에 도시된 대로, 제1 전력 변환 블록(70a) 및 제2 전력 변환 블록(70b)은, 각각 전력 변환 장치(100)의 측면으로부터 전력 변환 장치 수납 박스(100a) 내에 수납된다. 또한, 제1 전력 변환 블록(70a)과 제2 전력 변환 블록(70b)은, 각각이 수백 kg의 질량을 가지는 것이기 때문에, 전력 변환 장치 수납 박스(100a)의 저면에는 슬라이드 레일(101a~101d)이 마련되어 있다. 제1 전력 변환 블록(70a) 및 제2 전력 변환 블록(70b)은, 슬라이드 레일(101a~101d)의 위를 미끄러지도록 하여, 전력 변환 장치 수납 박스(100a)에 수납된다. 또한, 콘덴서 모듈(30)도 마찬가지로 수납된다(콘덴서 모듈(30)용의 슬라이드 레일은 도시를 생략).

또, 제1 전력 변환 블록(70a)은, 제1 유니트 결합 프레임(76a)과 전력 변환 장치 수납 박스(100a)가 볼트 등으로 체결됨으로써 전력 변환 장치(100) 내에 고정되고, 제2 전력 변환 블록(70b)은 제2 유니트 결합 프레임(76b)과 전력 변환 장치 수납 박스(100a)가 볼트 등으로 체결됨으로써 전력 변환 장치(100) 내에 고정된다.

또, 전력 변환 장치 수납 박스(100a)에는, 제1~제4 도풍 부재(66a~66d)가 마련되어 있다. 보다 상세하게는, 제1 전력 변환 블록(70a)과 제2 전력 변환 블록(70b)을 전력 변환 장치(100) 내부에 수납했을 때에, 제1~제4 도풍 부재(66a~66d)의 일단이 도 9에 도시된 제1~제4 냉각기 장착 부재(72a~72d)에 제1 씰 부재(106)를 통하여 접하도록 배치되어 있다.

또한, 제1~제4 도풍 부재(66a~66d)를 제1 전력 변환 블록(70a)과 제2 전력 변환 블록(70b)에 포함하는 구성으로 해도 좋다. 이 구성의 경우, 제1~제4 도풍 부재(66a~66d)는, 제1 전력 변환 블록(70a) 혹은 제2 전력 변환 블록(70b)과 일체화하여 전력 변환 장치(100)로부터 착탈하는 형태가 된다. 또, 이때, 각 도풍 부재(66)는 제1 씰 부재(106)를 통하여 냉각 팬(65)에 접하는 구성이 된다.

상기와 같은 구성으로 함으로써, 전력 변환 블록(70)을 전력 변환 장치 수납 박스(100a)로의 수납, 및 전력 변환 장치 수납 박스(100a)로부터의 분리함이 용이하게 됨과 아울러, 수납과 함께 개방부와 밀폐부의 분리 구조가 구성되게 된다.

도 11은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 차량으로의 탑재예를 나타내는 도면이다. 보다 상세하게 설명하면, 도 11에서는, 제1 전력 변환 블록(70a), 제2 전력 변환 블록(70b) 및 콘덴서 모듈(30)을 전력 변환 장치(100) 내에 수납하고, 측면의 커버를 떼어낸 상태를 나타내고 있다. 도시와 같이, 전력 변환 장치 수납 박스(100a)는, 전기차의 차체(110)의 바닥 밑에 설치되는 형태이다. 전력 변환 장치(100)의 커버로서는, 제1 커버(102a) 및 제2 커버(102b)가 마련된다. 제1 커버(102a)에는 통풍 덕트(103a,103b)가 마련되어 있고, 제1 전력 변환 블록(70a)에 내장되는 제1, 제2 냉각기 장착 부재(72a, 72b)(도 9 참조)의 내측과 외기의 통풍이 가능한 구조로 되어, 전력 변환 장치 수납 박스(100a)에 장착된다. 제2 커버(102b)도 마찬가지이며, 통풍 덕트(103a,103b)를 가지고, 제1 커버(102a)와 마찬가지로 전력 변환 장치 수납 박스(100a)에 장착된다.

도 12는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 단면 구성을 나타내는 도면이다. 보다 상세하게 설명하면, 도 12는, 도 11에 도시된 화살표 A의 방향에서 전력 변환 장치(100)를 보았을 때의 단면 구성을 나타내고 있다. 도 12에 있어서, 냉각풍은 냉각 팬(65), 도풍 부재(66), 냉각기 장착 부재(72)의 내측에 배치되는 냉각기 핀부(26), 통풍 덕트(103)의 경로로 흐른다. 이 냉각풍이 흐르는 풍로는, 지금까지의 설명대로 개방부가 된다.

냉각기 장착 부재(72)는, 그 양단이 제1 씰 부재(106)와 제2 씰 부재(107)를 통하여 각각 도풍 부재(66), 통풍 덕트(103)에 연결되는 구성으로 되어 있다.

이 구성에 의해, 커버(102)를 분리함으로써, 외부로부터 전력 변환 블록(70)으로 액세스하는 것이 가능해져, 전력 변환 블록(70)을 전력 변환 장치(100)의 박스 내로부터 외부로 용이하게 인출(引出)하는 것이 가능해진다.

또한, 도 12에서는, 도풍 부재(66)의 냉각기 장착 부재(72)측 또는 냉각기 장착 부재(72)의 도풍 부재(66)측 중 적어도 한쪽에 씰 부재(106)를 배치하는 구성에 대해서 나타냈지만, 도풍 부재(66)와 냉각 팬(65) 사이에 냉각 팬 장착 부재를 마련하고, 이 냉각 팬 장착 부재의 도풍 부재(66)측에 씰 부재를 배치하던지, 또는, 냉각 팬 장착 부재의 냉각 팬(65)측 중 적어도 한쪽에 씰 부재를 배치하도록 구성해도 좋다.

또, 이 구성에 의해, 전력 변환 블록(70)을 전력 변환 장치(100)로 수납한 상태에서는, 자동적으로 개방부로부터 밀폐부로의 먼지나 물의 침입을 방지할 수 있는 구조를 구성할 수 있다.

또, 커버(102)가 전력 변환 장치 수납 박스(100a)와 접하는 부분에는 제3 씰 부재(108)가 마련되어 있어, 외부로부터 밀폐부로의 먼지나 물의 침입를 방지할 수 있다.

상기와 같이 구성했으므로, 예를 들면 반도체 소자(25)가 고장났을 경우에는, 커버(102)(제1 커버(102a) 또는 제2 커버(102b))를 벗겨낸 후에 도체 접속 부재(81)(도 6 참조)를 분리함으로써, 전력 변환 블록(70)(제1 전력 변환 블록(70a) 또는 제2 전력 변환 블록(70b))을 차량 측면측으로 인출하여 분리하는 것이 가능해져, 고장 복구가 용이하게 된다.

또, 냉각기 장착 부재(72)는, 냉각기(28)와 거의 동일한 길이이므로(도 8, 도 9 등을 참조), 제1 전력 변환 블록(70a), 제2 전력 변환 블록(70b)을 전력 변환 장치(100)로부터 분리함으로써, 냉각기 핀부(26)의 입풍(入風)측과 배풍(排風)측의 양쪽 면이 외부에 노출되므로, 냉각기 핀부(26)의 핀에 퇴적된 쓰레기 등의 청소도 용이해진다.

상기와 같이 하여 구성한 전력 변환 장치(100)의 사이즈는, 폭(도면의 가로 방향) 3000mm 정도, 깊이 1000mm 정도, 높이 700mm 정도, 질량 1500kg 정도로 되어, 효율적으로 전기차의 바닥 밑에 설치가 가능해진다.

이상과 같이 구성한 본 실시 형태의 전력 변환 장치에 의하면, 이하의 같은 효과를 얻을 수 있다.

제1 접속 도체판(74a)은, 제1 냉각기 장착 부재(72a) 및 제2 냉각기 장착 부재(72b)의 하측 혹은 상측에 장치의 저면과 평행으로 배치했다. 또, 냉각풍의 방향과 제1 접속 도체판(74a)의 길이 방향은 직교하도록 배치했다. 또한, 제1 접속 도체판(74a)의 한쪽 단부는, 도체 접속 부재(81)를 통하여 콘덴서 도체판(80)에 접속 가능하게 구성했다. 이러한 구성에 의해, 냉각 계통과의 구조적인 간섭을 회피하면서, 복수의 전력 변환 회로를 최단(最短)으로 접속하는 주회로 배선 구조를 구축하는 것이 가능해진다.

제1 전력 변환 블록(70a)로서 제1 냉각기(28a)의 제1 냉각기 핀부(26a)와, 제2 냉각기(28b)의 제2 냉각기 핀부(26b)는, 등을 맞대게 하여 함께 제1 냉각기 장착 부재(72a)의 내측에 배치하는 구성으로 했다(제2~제4 전력 변환 블록(70b~70d)도 마찬가지로 구성했다). 이 구성에 의해, 종래의 구성과 비교해서, 냉각기 장착 부재의 개방부와 밀폐부의 경계 부분의 거리를 짧게 할 수 있다. 그 결과, 개방부와 밀폐부의 경계 부분에 필요한 제1 씰 부재(106), 제2 씰 부재(107), 제4 씰 부재(109)의 씰 부재의 길이(양)를 줄일 수 있어, 저비용화, 조립 작업량의 저감, 품질의 향상이 가능해진다.

또, 제1 냉각기(28a)와 제2 냉각기(28b)와 제1 냉각기 장착 부재(72a)를 결합한 구조체 상태에서 이러한 경계부(개방부와 밀폐부의 경계부)의 씰 부재(방수 씰 등)의 시공이 가능해진다. 그 결과, 씰재 시공 개소나, 그 완성 상태 등, 모두 육안으로 확인하는 것이 가능해져, 확실한 씰 작업이 가능해진다. 특히, 후미진 곳이나, 자루 모양으로 된 보기 어려운 부위로의 씰 부재의 시공의 필요가 없어, 품질을 향상시킬 수 있음과 아울러, 작업시간이 짧아져 비용 저감이 가능해진다.

또, 메인터넌스의 관점에서는, 제1, 제2 커버(102a, 102b)를 벗겨낸 후, 도체 접속 부재(81)를 분리함으로써, 제1, 제2 전력 변환 블록(70a, 70b)을 차량의 측면측으로 인출하여 분리하는 것이 가능해지므로, 고장 복구가 용이하게 된다.

또, 제1, 제2 전력 변환 블록(70a, 70b)을 전력 변환 장치(100)로부터 분리함으로써, 냉각기 핀부(26)의 입풍측과 배풍측의 양쪽 면이 외부에 노출되므로, 핀부에 퇴적된 쓰레기 등의 청소도 용이해진다.

이상과 같이, 본 실시 형태의 전력 변환 장치에 의하면, 최적인 냉각 구조, 주회로 배선 구조, 메인터넌스성의 향상을 실현하여, 전력 변환 회로의 사이즈, 질량, 비용의 저감을 도모하는 것을 가능하게 한 강제 풍랭식 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 교류 입력 타입이며, 영구자석 동기 전동기를 구동하는 전력 변환 장치를 일례로서 설명했지만, 이 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 직류 입력 타입의 시스템에서는, 가선으로부터의 직류 전력을 인버터 회로로 입력하는 구성으로 좋기 때문에 컨버터 회로가 불필요해진다.

다음으로, 상기와 같이 구성된 전력 변환 장치(100)에 있어서의 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d) 및 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d)의 배치예에 대해서 설명한다.

도 13은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 기기 배치와 전력 변환 모듈 배치의 예를 나타내는 도면이다. 보다 상세하게 설명하면, 도 13 (a)는 전기차에 있어서의 기기 배치예를 나타내는 것이고, 도 13 (b)는 (a)와 같이 배치했을 때의 전력 변환 모듈의 배치예를 나타내는 것이다. 또한, 도시와 같이, 전력 변환 장치(100)와 변압기(6)는 동일한 차량에 탑재되고, 전력 변환 장치(100)는 인접 차량의 교류 전동기(60a~60d)를 구동하는 구성이다.

도 13 (b)에 도시된 바와 같이, 도면의 왼쪽에서부터 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d), 콘덴서 모듈(30), 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d)의 순으로 배치되어 있다.

인버터 전력 변환 모듈(40a~40d)에서는, 탑재되는 각 반도체 소자(25)에 교류 전동기(60a~60d)로의 교류 출력 도체(U, V, W)를 전기적으로 접속한다. 이 경우, 도체판(73), 접속 도체판(74a)은 직류 접속 도체(P, N) 외, 교류 출력 도체(U, V, W)를 포함해서 이루어진 도체로서 생각한다.

또, 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d)에서는, 탑재되는 각 반도체 소자(25)에 변압기(6)로의 교류 입력 도체(US, VS)를 전기적으로 접속한다. 이 경우, 도체판(73), 접속 도체판(74b)은 직류 접속 도체(P, N) 외, 교류 입력 도체(US, VS)를 포함해서 이루어진 도체로서 생각한다.

도 14는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 기기 배치와 전력 변환 모듈 배치의 다른 예를 나타내는 도면이다. 보다 상세하게 설명하면, 도 14 (a)는 전기차에 있어서의 기기 배치예를 나타내는 것이고, 도 14 (b)는 (a)와 같이 배치했을 때의 전력 변환 모듈의 배치예를 나타내는 것이다. 도 14의 구성에서는, 도 13과 달리, 전력 변환 장치(100)와 변압기(6)는 다른 차량에 탑재되고, 전력 변환 장치(100)는 교류 전동기(60a, 60b)와 교류 전동기(60c, 60d)의 중간 위치에 배치된 구성이다.

도 14 (b)에 도시된 바와 같이, 도면의 왼쪽에서부터 인버터 전력 변환 모듈(40a, 40b), 컨버터 전력 변환 모듈(20a, 20b), 콘덴서 모듈(30), 컨버터 전력 변환 모듈(20c, 20d), 인버터 전력 변환 모듈(40c, 40d)의 순으로 배치되어 있다.

인버터 전력 변환 모듈(40a, 40b)에서는, 탑재되는 각 반도체 소자(25)에 교류 전동기(60a, 60b)로의 교류 출력 도체(U, V, W)를 전기적으로 접속한다. 또, 컨버터 전력 변환 모듈(20a, 20b)에서는, 탑재되는 각 반도체 소자(25)에 변압기(6)로의 교류 입력 도체(US)를 접속한다. 이 경우, 도체판(73), 접속 도체판(74a)은 직류 접속 도체(P, N) 외, 교류 출력 도체(U, V, W), 및 교류 입력 도체(US)를 포함해서 이루어진 도체로서 생각한다.

컨버터 전력 변환 모듈(20c, 20d)에서는, 탑재되는 각 반도체 소자(25)에 변압기(6)로의 교류 입력 도체(VS)를 접속한다. 또, 인버터 전력 변환 모듈(40c, 40d)에서는, 탑재되는 각 반도체 소자(25)에 교류 전동기(60c, 60d)로의 교류 출력 도체(U, V, W)를 접속한다. 이 경우, 도체판(73), 접속 도체판(74b)은 직류 접속 도체(P, N) 외, 교류 입력 도체(VS), 및 교류 출력 도체(U, V, W)를 포함해서 이루어진 도체로서 생각한다. 또한, 콘덴서 도체판(80)은 직류 접속 도체(P, C, N) 외, 교류 입력 도체(US)를 포함해서 이루어진 도체로서 생각한다.

상기의 예로부터 알 수 있듯이, 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d), 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d)은 임의의 순서, 위치에 배치가 가능하다.

이와 같이, 본 실시 형태의 전력 변환 장치는, 전력 변환 서브 블록(75)을 차량의 길이 방향으로 순서대로 인접 배치하고, 이들을 접속 도체판(74a, 74b)으로 접속할 수 있는 구성으로 하고, 또한 냉각풍의 방향(냉각기 장착 부재(72)의 내부의 냉각풍이 흐르는 방향)을 접속 도체판(74a, 74b)의 길이 방향과 직교하도록 구성하고 있다. 이것에 의해, 도체판(73), 접속 도체판(74)에 포함되는 도체를 필요에 따라서 추가하여 구성함으로써, 전기차의 차량에 있어서의 전력 변환 장치(100)와 교류 전동기(60)와 변압기(6)의 위치 관계에 따라서 각 전력 변환 모듈(20a~20d, 40a~40d)의 배치 위치를 유연하게 설정할 수 있다. 또, 어떻게 배치하더라도 메인터넌스성이 마찬가지로 확보되어서, 악화되는 일이 없다.

다음으로, 상기와 같이 구성한 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d), 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d)의 냉각 구성에 대해서 설명한다.

상술한 대로, 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d)은, 각각의 발생 손실이 개략 동일해지도록 컨버터 회로(20)를 분할하여 구성하고, 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d)에 대해서도, 각각의 발생 손실이 개략 같아지도록 동일한 회로로 분할 구성되어 있다.

도 6 및 도 13에 기초하여 설명을 계속한다. 이상적으로는, 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d)과 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d)의 발생 손실이 모두 같아질 수 있으면, 냉각 구성이 용이하게 되지만, 현실적으로 곤란한 경우가 많다. 이와 같은 케이스를 고려하여, 컨버터 회로(20)와 인버터 회로(40)의 발생 손실이 다른 경우로 설명한다.

컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d)로 제1 전력 변환 블록(70a)을 구성하고, 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d)로 제2 전력 변환 블록(70b)을 구성하여, 각각의 전력 변환 블록을 냉각 팬(65a, 65b)으로 냉각하는 구성으로 했을 경우를 생각한다. 이 경우, 컨버터 전력 변환 모듈(20a~20d)과 인버터 전력 변환 모듈(40a~40d)에서 발생 손실이 다르기 때문에, 냉각 팬(65a, 65b)은 각각에 알맞은 다른 성능의 것을 선정할 필요가 발생한다.

추가로 이 경우, 예를 들면 발생 손실이 큰 쪽에는 대형의 냉각 팬, 발생 손실이 작은 쪽에는 소형의 냉각 팬이 적당하게 되지만, 전력 변환 장치(100) 내부로의 냉각 팬(65a, 65b)의 배치를 생각하면, 대형의 냉각 팬에 맞춰서 전력 변환 장치(100)의 크기가 정해져 버려서, 전력 변환 장치(100) 내부의 스페이스를 유효하게 이용할 수 없게 된다. 결과적으로, 전력 변환 장치(100)의 대형화, 질량 증가를 초래한다. 또한, 서로 다른 냉각 팬을 사용하므로, 냉각 팬 고장시에 대비하여 보유해 두는 냉각 팬의 예비가 2종류 필요해지고, 또 서로 다른 냉각 팬을 조달하는 것에 의한 비용 증가를 초래한다.

한편, 도 14에 도시된 바와 같이, 임의의 컨버터 전력 변환 모듈 2대와, 임의의 인버터 전력 변환 모듈 2대를 조(組)로 하여 제1과 제2 전력 변환 블록(70a, 70b)을 구성하고, 각각의 전력 변환 블록을 냉각 팬(65a, 65b)으로 냉각하는 구성으로 함으로써, 각각의 전력 변환 블록의 총발생 손실은 같아진다. 이 때문에, 컨버터 전력 변환 모듈과, 인버터 전력 변환 모듈의 평균 손실을 냉각할 수 있는 정도의 능력을 가진 동일한 냉각 팬(65a, 65b)을 이용하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 전력 변환 장치(100) 내의 스페이스의 유효한 이용이 가능해진다. 결과적으로, 전력 변환 장치(100)의 소형 경량화가 가능해진다. 또, 동일 냉각 팬을 사용할 수 있으므로, 냉각 팬 고장시에 대비하여 보유해 두는 냉각 팬의 예비가 1종류여도 좋다. 추가로, 동일 냉각 팬을 다수 발주할 수 있으므로 조달 비용의 저감이 가능해지고, 나아가서는 전력 변환 장치(100)의 비용 저감이 가능해진다.

이와 같이, 본 실시 형태의 구성에 의하면, 전력 변환 서브 블록(75)을 레일 방향으로 필요 수, 임의의 순서로 적층 배치하여 전력 변환 장치를 구성하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 변압기(6)와 교류 전동기(60)와 전력 변환 장치(100)의 사이의 위치 관계나 냉각 팬(65)의 구성 조건 등에 따라서 유연한 내부 배치가 가능해진다.

이상, 본 실시 형태에서는, 주로 컨버터 회로(20)가 전압형 3 레벨 컨버터, 인버터 회로(40)가 전압형 2 레벨 인버터로 4대의 교류 전동기를 구동하는 형태를 예로 발명의 내용을 설명했지만, 본 발명은 이외의 구성, 예를 들면 컨버터 회로(20)가 전압형 2 레벨 컨버터, 인버터 회로(40)가 전압형 3 레벨 인버터라도 좋고, 반도체 소자(25)의 병렬 접속 수도 필요한 전력 변환 용량에 따라서 임의로 결정해도 상관없다. 또, 1대의 전력 변환 장치에 의해 구동되는 교류 전동기(60)의 수는 4 이외여도 본 실시 형태의 내용을 용이하게 확장할 수 있다.

또, 이상의 설명에서는, 교류 전압을 수전하여 컨버터 회로(20)를 통하여 직류 전압으로 변환해 인버터 회로(40)에 공급하는 구성의 전력 변환 장치를 예로서 설명했지만, 일반적으로 주지되어 있는 바와 같이, 직류 가선으로부터 직접 직류 전압을 수전하여 인버터 회로(40)에 공급하는 구성으로 해도 좋다. 이 경우는, 주로 변압기(6), 입력 개폐기(10), 컨버터 회로(20)가 불필요해져, 가선으로부터 수전한 직류 전력을 LC 필터(도시하지 않음)를 통하여 콘덴서 모듈(30)과 인버터 회로(40)로 입력하는 구성으로 하면 좋다. 이 경우에도, 본 실시 형태의 내용을 적용할 수 있다.

또한, 이상의 실시 형태에 나타낸 구성은, 본 발명의 내용의 일례이며, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 일부를 생략하는 등 변경하여 구성하는 것도 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.

[산업상의 이용 가능성]

이상과 같이, 본 발명은 복수 대의 전동기를 개별로 구동하는 방식의 강제 풍랭식 전력 변환 장치를 구성하는 경우에 있어서도, 전력 변환 회로의 사이즈, 질량 및 비용의 증가를 억제 가능하게 구성되는 강제 풍랭식 전력 변환 장치로서 유용하다.

1; 가선 2: 집전장치
3: 차륜 4: 레일
6: 변압기 10: 입력 개폐기
20: 컨버터 회로 20a~20d: 컨버터 전력 변환 모듈
22: 접속 도체 25: 반도체 소자
26: 냉각기 핀부 26a~26d: 제1~제4 냉각기 핀부
27: 냉각기 베이스부 27a~27d: 제1~제4 냉각기 베이스부
28: 냉각기 28a, 28b: 제1, 제2 냉각기
30: 콘덴서 모듈 30P, 30N: 콘덴서
31: 콘덴서 단자 40: 인버터 회로
40a~40d: 인버터 전력 변환 모듈 50a~50d: 모터 개방 개폐기
60, 60a~60d: 교류 전동기 65: 냉각 팬
65a, 65b: 제1, 제2 냉각 팬 66: 도풍 부재
66a~66d: 제1~제4 도풍 부재 70: 전력 변환 블록
70a~70d: 제1~제4 전력 변환 블록 72: 냉각기 장착 부재
72a~72d: 제1~제4 냉각기 장착 부재 73: 도체판
73a, 73b: 제1, 제2 도체판 74: 접속 도체판
74a, 74b; 제1, 제2 접속 도체판 75: 전력 변환 서브 블록
75a~75d: 제1~제4 전력 변환 서브 블록
76a, 76b: 제1~제2 유니트 결합 프레임
80: 콘덴서 도체판 81: 도체 접속 부재
100: 전력 변환 장치 100a: 전력 변환 장치 수납 박스
101a~101d: 슬라이드 레일 102: 커버
102a, 102b: 제1, 제2 커버 103: 통풍 덕트
103a~103d: 제1~제4 통풍 덕트 105: 점검 커버
106~109: 제1~제4 씰 부재 110: 차체
P, C, N: 직류 접속 도체 U, V, W: 교류 출력 도체
US, VS: 교류 입력 도체

Claims (7)

1. 전원으로부터 입력된 전력을 임의의 값으로 변환하여 전동기로 출력하는 복수의 반도체 소자를 구비하는 전력 변환 회로와 직류 전력을 저장하는 콘덴서를 가진 강제 풍랭식 전력 변환 장치에 있어서,
   상기 전력 변환 회로를 구성하는 일부의 상기 반도체 소자와, 상기 반도체 소자가 탑재된 냉각기 베이스부와, 상기 냉각기 베이스부에 있어서의 반도체 소자 탑재면의 이면(裏面)측에 마련된 냉각기 핀부를 구비하는 전력 변환 모듈과,
   적어도 2대의 상기 전력 변환 모듈에 있어서의 상기 냉각기 핀부가 마주보도록 장착된 냉각기 장착 부재와, 복수의 상기 반도체 소자에 접속된 도체판을 가진 전력 변환 서브 블록을 구비하고,
   복수의 상기 전력 변환 서브 블록은,
   복수의 상기 도체판이, 상기 강제 풍랭식 전력 변환 장치의 저면(底面)과 평행으로 배치된 접속 도체판에 대해서 수직으로 배치되어 전력 변환 블록을 구성하고,
   상기 냉각기 장착 부재의 내측에 배치된 복수의 상기 냉각기 핀부가 냉각풍 에 의해 일괄 냉각되고,
   상기 전력 변환 블록은, 상기 접속 도체판에 의해서 상기 콘덴서와, 다른 상기 전력 변환 블록에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 강제 풍랭식 전력 변환 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   냉각 팬과, 상기 냉각 팬과 상기 냉각기 장착 부재를 연결하는 도풍 부재를 가지고, 상기 도풍 부재에 의해 상기 냉각기 장착 부재의 개방부에 냉각풍을 통풍 하는 구성으로 하고,
   상기 도풍 부재의 상기 냉각기 장착 부재측 또는 상기 냉각기 장착 부재의 상기 도풍 부재측 중 적어도 한쪽에 씰 부재를 배치하고, 적어도 상기 전력 변환 모듈은 장치 밖으로 인출하여 착탈 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 강제 풍랭식 전력 변환 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   냉각 팬과, 상기 냉각 팬과 상기 냉각기 장착 부재를 연결하는 도풍 부재를 가지고, 상기 도풍 부재에 의해 상기 냉각기 장착 부재의 개방부에 냉각풍을 통풍 하는 구성으로 하고,
   상기 도풍 부재의 상기 냉각 팬측 또는 상기 냉각 팬의 상기 도풍 부재측 중 적어도 한쪽에 씰 부재를 배치하고, 적어도 상기 전력 변환 모듈은 상기 도풍 부재와 함께, 장치 밖으로 인출되어 착탈 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 강제 풍랭식 전력 변환 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 접속 도체판은, 상기 전력 변환 블록의 상측 또는 하측에 배치되고, 또한 그 길이 방향이 상기 냉각풍의 방향과 직교하는 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 강제 풍랭식 전력 변환 장치.
5. 전원으로부터 입력된 전력을 임의의 값으로 변환하여 전동기로 출력하는 복수의 반도체 소자를 가진 강제 풍랭식 전력 변환 장치에 있어서,
   상기 반도체 소자와, 상기 반도체 소자가 탑재된 냉각기 베이스부와, 상기 냉각기 베이스부에 있어서의 반도체 소자 탑재면의 이면측에 마련된 냉각기 핀부를 구비하는 전력 변환 모듈과,
   적어도 2대의 상기 전력 변환 모듈을 가지는 전력 변환 서브 블록과,
   접속 도체에 의해 복수의 상기 전력 변환 서브 블록이 접속되어서 이루어진 전력 변환 블록과,
   전력 변환 장치에 마련되어, 상기 전력 변환 블록을 지지하는 슬라이드 레일과,
   직류 전력을 저장하는 콘덴서와,
   상기 콘덴서에 접속된 콘덴서 도체판을 가지고,
   복수의 반도체 소자에 접속되어 있는 도체판이 전력 변환 장치의 저면과 평행으로 배치된 접속 도체판에 대해서 수직으로 배치되어 상기 전력 변환 블록을 구성하고,
   상기 콘덴서 도체판과 상기 전력 변환 블록의 상기 접속 도체판은, 도체 접속 부재에 의해 서로 접속 또는 절리(切離) 가능하게 구성되고,
   상기 전력 변환 블록의 상기 접속 도체판의 한쪽 단부가 콘덴서를 통해서 다른 전력 변환 블록의 접속 도체판과 접속 가능하게 구성되어,
   상기 전력 변환 블록을 장치 밖으로 인출하여 착탈 가능하게 구성한 것을 특징으로 하는 강제 풍랭식 전력 변환 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 접속 도체판, 상기 콘덴서 도체판은, 장치 바닥면을 따라서 수평으로 배치되고, 상기 도체 접속 부재를 착탈 가능하게 하기 위해서 장치 하면에 개구부와 커버를 가진 것을 특징으로 하는 강제 풍랭식 전력 변환 장치.
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