本发明涉及车辆用的电力转换装置。
背景技术：
电力转换装置用于控制对电气化铁路车辆等车辆进行驱动的电动机，设置于车辆的地板下等。在车辆的地板下，还需要搭载例如空调用电源等较多的部件，因此电力转换装置被要求小型化。若成为小型且高密度的安装，则由于大电流产生强磁场而自发热的汇流排等发热部件与搭载于抗电磁噪声弱、不耐热的弱电系统的控制电路、驱动电路的电子部件的距离变小，因此电子部件的故障、由热疲劳引起的寿命降低成为问题。
在专利文献1中，通过利用配置在比半导体元件的下侧靠下方的台来隔离过滤器电容器和栅极电路，从而降低了电力转换器内的部件相互间的温度上升的影响，特别是解决了防止栅极电路的温度上升、栅极电路的故障、寿命变短等问题。
在专利文献2中，使大致长方形的功率模块的长度方向朝向与通过冷却器的冷却散热片之间的冷却风正交的方向配置，兼顾散热性和小型化。另外，通过使汇流排的主电路电流配线为与冷却风正交的方向，使栅极信号配线与冷却风平行，从而成为在不相互干渉的情况下在栅极信号中不易产生噪声的结构。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：专利第3834764号公报
专利文献2：日本特开－213945号公报
技术实现要素：
发明要解决的课题
在专利文献1所记载的方法中，由于电容器位于栅极电路基板的上部，因此对于因栅极电路基板上的电子设备部件的自发热产生的散热而言，在位于上部的电容器的形状较大的情况下，被加热的空气无法向上部移动，反而存在由于热量的积聚而导致栅极电路基板上的部件温度上升的课题。另外，导体p、导体n、导体u等汇流排也是主要的发热部件，需要与栅极电路隔开距离，如专利文献1所示，优选配置于电容器上部。但是，例如在面向地铁等隧道直径较小的路线的电气化铁路车辆的情况下，存在要求低地板用电力转换装置并且在高度方向上没有足够空间使得汇流排能够配置于电容器的上部的情况。假设在汇流排设为不设置于电容器的上部而设置于侧面、下部的情况下，无法充分确保配置于电容器的下部的栅极电路基板与汇流排之间的距离，担心由于来自汇流排的热的冲击而导致栅极电路基板上的搭载部件的温度上升。
专利文献2所记载的方法设为使汇流排的主电路电流配线与冷却风正交的结构，但优选如专利文献2所示那样在电容器上部设置汇流排的连接点。但是，如上所述，在要求低地板用电力转换装置的情况下，存在在高度方向上没有足够空间使得汇流排能够配置于电容器的上部的情况。另外，由于成为在想要小型化的冷却器的冷却散热片之间通过的冷却风的方向(行进方向尺寸)与汇流排的主电路电流路径的宽度方向相同的结构，因此汇流排的主电路电流路径变得细长，存在汇流排、电容器内部的主电路电感变大的问题。其结果是，跳变电压变大，有可能损伤元件。
用于解决课题的方案
本发明的电力转换装置的特征在于，具备二合一功率模块和冷却该二合一功率模块的冷却器，相对于冷却器，在作为该二合一功率模块的长度方向的铅垂方向上排列配置多个二合一功率模块，将与二合一功率模块连接的汇流排配置于二合一功率模块的宽度方向的一侧，将与二合一功率模块连接的控制信号线和向该控制信号线发送控制信号的驱动电路基板一起，配置于二合一功率模块的宽度方向的所述一侧的相反侧。
发明效果
根据本发明，能够起到以下的效果。
a通过使汇流排与驱动电路基板的距离分离，驱动电路基板不会受到汇流排的热的冲击，另外，通过在驱动电路基板的附近的上部不设置障碍物，也没有由于驱动电路基板的自发热而产生热量的积聚，总体能够实现小型且高密度的安装。
b通过使汇流排与驱动电路基板的距离分离，能够使因强电系统产生的磁场的影响而使电流向信号配线等弱电系统配线引导的情况成为最小限度，因此对于噪声降低是有效的。
c由于构成汇流排的主电路电流路径宽度方向与功率模块的长度方向相同，因此能够充分确保汇流排的主电路电流路径宽度，能够减小主电路电感，因此能够抑制跳变电压，并且能够解决因热、噪声引起的故障、寿命变短等的问题。
附图说明
图1是将实施例1的功率单元分解时的立体图。
图2是实施例1的电力转换装置的立体图。
图3是表示实施例1的电力转换装置的电路块结构及搭载有该电路块结构的电气化铁路车辆的图。
图4是实施例1的二合一功率模块的外观立体图。
图5是表示实施例1的噪声对策用芯部及电流传感器的配置的图。
图6是表示实施例2的一个并联的功率模块结构的图。
图7是表示实施例3的功率单元的结构的图。
具体实施方式
以下，作为用于实施本发明的方式，参照附图对实施例1～3进行详细说明。
实施例1
图1是将本发明的实施例1的功率单元110分解时的立体图。
功率单元110由冷却器150、多个二合一功率模块1、电容器120、正极汇流排40、负极汇流排50、控制信号线3、驱动电路基板130及交流汇流排60构成。
多个二合一功率模块1搭载在冷却器150上，相对于冷却器150沿上下方向排列三个二合一功率模块1，将来自各二合一功率模块1的电力系统端子(正极汇流排40、负极汇流排50及交流汇流排60)配置在一侧，将控制信号线3配置在相反的一侧。另外，隔着二合一功率模块1在冷却器150的相对侧配置电容器120，在控制信号线3配置具有栅极驱动电路的驱动电路基板130。
在此，如后述的图4所示，二合一功率模块1的特征在于，其为大致长方体形状，模块正极端子6a及模块负极端子6b和模块交流端子6c沿着模块的长度方向4设置于短边侧，从模块负极端子6b与模块交流端子6c之间的空间取出控制信号线3。另外，对于二合一功率模块1，通过将模块的宽度方向5设为电气化铁路车辆900的行进方向，将模块的长度方向4设为上下方向，从而能够缩短功率单元110相对于行进方向的长度，具有降低利用行驶风冷却的冷却器150的压力损失的效果。
通过将来自各二合一功率模块1的电力系统端子(正极汇流排40、负极汇流排50及交流汇流排60)配置于一侧，将控制信号线3配置在相反的一侧，从而能够使产生磁场的强电系统的汇流排与弱电系统的控制信号线3分离，能够抑制由于电磁噪声在控制信号线3中产生感应电流等故障。
进而，在汇流排中流过大电流，从而以焦耳热的方式自发热，通过自然对流加热周边空气。因此，通过在尽量远离汇流排的位置配置不耐热的控制信号线3、搭载于驱动电路基板130的电子部件(例如，电解电容器、变压器及光保持器等)，从而实现故障的产生、缩短寿命等的问题的解决。正极汇流排40与负极汇流排50彼此相邻，流过相反方向的电流时，采用抵消彼此产生的磁场的结构，使互感变小。
另外，二合一功率模块1也同样地，在内部模块正极端子6a与模块负极端子6b相邻，采用低电感的结构。因此，能够降低从电容器120到正极汇流排40、从正极汇流排40到模块正极端子6a、从模块正极端子6a到模块负极端子6b、从模块负极端子6b到负极汇流排50、从负极汇流排50到电容器120的主电路环路的电感，还具有抑制跳变电压的效果。
图2是本发明的实施例1的电力转换装置100的立体图。
电力转换装置100由图1所示的功率单元110、控制电路基板140及切断机200构成。控制电路基板140向功率单元110中的驱动电路基板130发出开关指令，从驱动电路基板130接收电压、电流及温度等控制信号，控制电路根据该控制信号进行状态判断，决定是否继续开关。断路器200通过在紧急时(异常时)切断电力，来起到防止功率单元110、进而是变电站的破坏的功能。
在此，作为强电系统的断路器200配置在功率单元110中的正极汇流排40、负极汇流排50及交流汇流排60侧，作为弱电系统的控制电路基板140配置在功率单元110中的驱动电路基板130侧。通过设为这样的结构，实现了搭载有不耐热、抗电磁噪声较弱的电子部件的控制电路基板140中的故障的产生、寿命变短等问题的解决。
图2所示的功率单元110是组装有图1所示的分解图的结构。电容器120的重力方向中心线121(单点划线)位于比中央的驱动电路基板130的重力方向中心线133(单点划线)靠上侧的位置，两中心线之间的距离a设为正的有限值。通过这样构成，能够使驱动电路基板130上的电子部件不与在由于来自各部分的受热而升温的电力转换装置100的框体上部存留的空气接触，从而实现了控制电路基板130的故障的产生、寿命变短等问题的解决。
需要说明的是，在图2中，对断路器200为电力转换装置100的一部分的情况进行了说明，但也可以将断路器200分开而另行配置。
图3是表示实施例1的电力转换装置100的电路块结构及搭载该电路块结构的电气化铁路车辆900的图。如图3所示，作为移动体的电气化铁路车辆900具备断路器200、构成逆变器电路的电力转换装置100及四台电动机500。这些感应电动机500与电气化铁路车辆900的四个车轮连接。
电力转换装置100连接在架线300与轨道、车体等接地部400之间，向感应电动机500供给交流电力而对其进行驱动。在图3中，示出架线300供给直流电力的例子，但不限定于此，也可以不供给交流电力。在架线300供给交流电力的情况下，电气化铁路车辆900具备在电容器120的前级将交流转换为直流的转换器模块，该直流电力被供给到电力转换装置100。
电力转换装置100构成为包括异常时的紧急停止用的断路器200、从直流电流生成规定频率的交流电流的功率单元110及根据状态从功率单元110供给控制信号的控制电路基板140。
功率单元110构成为包括将所供给的直流电流稳定化且平滑化的电容器120、搭载有半导体元件2的二合一功率模块1(1u、1v、1w)、以及搭载有根据来自控制电路基板140的控制指令对该二合一功率模块1进行驱动控制的驱动器电路的驱动电路基板130。
另外，功率单元110是由u相的搭载有上下桥臂串联电路的二合一功率模块1u、v相的搭载有上下桥臂串联电路的二合一功率模块1v、以及w相的搭载有上下桥臂串联电路的二合一功率模块1w构成的三相电桥电路。以下，关于各相的二合一功率模块1u、1v及1w，在没有特别区别时，简记为功率模块1。
各功率模块1u、1v及1w构成为，串联配置作为半导体元件2的igbt(insulatedgatebipolartransistor)、mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor)与二极管的并联连接电路即上桥臂侧的电流开关电路、以及igbt、mosfet与二极管的并联连接电路即下桥臂侧的电流开关电路。
功率模块1的正极汇流排40侧的接口是模块正极端子6a，负极汇流排50侧的接口是模块负极端子6b。模块正极端子6a在功率单元110内经由正极汇流排40与电容器120的正极连接。同样地，模块负极端子6b经由负极汇流排50与电容器120的负极连接。而且，如图1及图2所示，为了以抑制跳变电压为目的而实现电感降低，正极汇流排40及负极汇流排50彼此相邻地安装。
功率模块1的上桥臂侧的电流开关电路与下桥臂侧的电流开关电路的连接部分是模块交流端子6c。从功率模块1u的模块交流端子6c输出u相的交流电流u，从功率模块1v的模块交流端子6c输出v相的交流电流v，从功率模块1w的模块交流端子6c输出w相的交流电流w。输出的三相的交流电流u、v及w向电动机500供给。
从搭载有驱动器电路的驱动电路基板130相对于功率模块1(1u、1v、1w)输出的上桥臂栅极信号经由上桥臂栅极信号端子3a向各相的上桥臂的半导体元件2供给。从驱动电路基板130相对于功率模块1(1u、1v、1w)输出的下桥臂栅极信号经由下桥臂栅极信号端子3c向各相的下桥臂的半导体元件2供给。根据上桥臂栅极信号及下桥臂栅极信号，对交流电流u、v及w的振幅、相位等进行控制。
上桥臂源信号从各相的上桥臂的半导体元件2的源信号线经由上桥臂源信号端子3b向驱动电路基板130供给。同样地，下桥臂源信号从各相的下桥臂的半导体元件2的源信号线经由下桥臂源信号端子3d向驱动电路基板130供给。
上桥臂栅极信号端子3a及上桥臂源信号端子3b是使上桥臂的半导体元件2开关驱动的控制信号线。同样地，下桥臂栅极信号端子3c及下桥臂源信号端子3d是使下桥臂的半导体元件2开关驱动的控制信号线。以下，有时将它们统记为控制信号线3。
控制电路基板140具备对上桥臂及下桥臂的各半导体元件2的开关定时进行运算处理的微型计算机，经由驱动电路基板130向各半导体元件2发出开关动作的指令。
驱动电路基板130进行各半导体元件2的源电极中的过电流检测，对于检测出过电流的半导体元件2，使其开关动作停止而保护其不受过电流影响。并且，从设置于功率模块1的温度传感器(未图示)、检测施加于半导体元件2的漏极与源极之间的两端的直流电压的检测电路(未图示)等检测出的控制信号3被输入到控制电路基板140。控制电路基板140基于上述控制信号3，检测过温度、过电流及过电压等异常，在检测到这些异常的情况下，使所有的半导体元件2的开关动作停止，保护功率模块1不受这些异常的影响。
实施例1的功率单元110是将由上下桥臂两组的半导体元件2构成串联电路的一相的二合一功率模块组合成三相而得到的单元，但也可以通过将三相上下桥臂设为单一功率模块的六合一功率模块、具备六个仅由一桥臂构成的一合一功率模块的结构来代替。并且，在根据电动机侧的转矩所要求的输出电流大于每个功率模块1的允许输出电流的情况下，也可以增加功率模块1的个数来并联连接。并且，电力转换装置100除了图3所示的电路结构以外，也可以是具有对电池进行充放电的功能的装置结构。
交流汇流排60在经由芯部70、电流传感器80之后，与电动机500连接。在此，芯部70例如由铁氧体等材料构成，通过使交流汇流排60贯通在芯部70的孔中，从而汇流排和铁氧体芯构成线圈(越是高频越具有高的阻抗的电感器)，能够实现使高频噪声衰减。
另外，当由交流汇流排60产生的感应电流流过芯部70时，产生磁通，电流的能量被转换成磁能，在由于电流变化再次转换为电流能量时，一部分与噪声一起作为磁损耗而消失，因此具有去除噪声的效果。例如，通过在电动机500的接地线也经由芯部(未图示)及接地电阻与功率模块110连接，从而也能够抑制辐射噪声。
电流传感器80例如如磁芯那样呈环状，使交流汇流排60贯通，从而以抵消该磁芯内的产生磁通的方式在次级侧的绕组产生与匝数对应的感应电流。在该次级侧的电流路径设置分流电阻，对该分流电阻两端的电压进行检测，从而能够换算流过交流汇流排60的电流来求出。
这样，在功率模块110的输出侧的交流汇流排60设置电流传感器80，将得到的电流值信号向控制电路基板140发送，控制电路根据电动机500的转矩负载、汇流排允许温度而判断适当的输出电流值，经由驱动电路基板130将栅极信号(3a、3c)提供给半导体元件2。由此，能够进行反馈控制。
图4是实施例1的二合一功率模块1的外观立体图。
如图3所示，二合一功率模块1相当于上下桥臂串联电路的1相1u、1v及1w，在其内部搭载有igbt、mosfet及二极管等半导体元件2(未图示)。功率模块1的形状为大致长方体，模块正极端子6a、模块负极端子6b及模块交流端子6c沿着模块长度方向4设置在短边侧。
模块正极端子6a及模块负极端子6b为流过大电流的模块电力端子6，因此彼此相邻配置，通过使电流的朝向接近相反的端子，具有减小互感的效果。另一方面，模块交流端子6c配置于相对于模块正极端子6a及模块负极端子6b的对分离的位置。
另外，在模块负极端子6b与模块交流端子6c之间的空间设置有弱电系统的控制信号线3、即上桥臂栅极信号端子3a、上桥臂源信号端子3b、下桥臂栅极信号端子3c及下桥臂源信号端子3d、以及未图示的温度检测信号端子及漏极信号端子。
这样，通过将控制信号线3全部集中配置在功率模块1的中央部、即模块正极端子6a及模块负极端子6b的对与模块交流端子6c之间，能够使模块正极端子6a及模块负极端子6b的对产生的磁场的影响成为最小限度，能够降低信号噪声。
驱动电路基板130也能够直接安装于功率模块1，但也能够使用将多个信号线形成为束的导体汇流排、绞合线，与远离功率模块1的场所电连接。
如上那样，多个二合一模块沿着该二合一模块的长度方向侧按照正极端子、负极端子及交流端子的记载顺序进行配置，但也可以使顺序反转，按照交流端子、负极端子及正极端子的顺序进行配置。
图5是表示实施例1的噪声对策用芯部70及电流传感器80的配置的图。在图5中，示出了芯部70的个数为两个，电流传感器80的个数为一个的情况，但个数、配置并不限定于此。
交流汇流排60由u相交流汇流排60a、v相交流汇流排60b及w相交流汇流排60c构成，它们从设置于功率单元110的侧面的功率单元交流输出端子115经由设置于功率单元110的上部的芯部70，进一步经由电流传感器80之后(图5中，仅为u相)，与电力转换装置交流输出端子105连接。
如前所述，芯部70是使三相的交流汇流排60贯通芯部70的孔中的结构，另外，如前所述，电流传感器80也是例如如磁芯那样呈环状并使交流汇流排60贯通的结构。
实施例2
图6是表示本发明的实施例2的一个并联的功率模块结构的图。
在之前的图1～图5中，由于是通过一台控制电路基板140对四台电动机500(m：motor)进行控制(c：control)的1c4m的结构，因此为了输出电力转换装置100所要求的四台量的马达电流，二合一功率模块1以两两并联的方式增大输出电流。
另一方面，在为1c2m结构的情况下、即在电气化铁路车辆900的台车搭载两台电动机500而被驱动的情况下，由于能够相对于1c4m成为一半的马达电流，因此能够将二合一功率模块1的并联数量可以减少到一半。图6示出上述情况，能够实现电力转换装置的进一步小型化。另外，在图6中，如前所述，关于二合一功率模块1的正极端子、负极端子及交流端子的配置(以及顺序)，示出了使w相(1w)与u相(1u)及v相(1v)相反的配置。
实施例3
图7是表示本发明的实施例3的功率单元110的结构的图，实施例3的特征在于设置了驱动电路基板分隔板132。
由之前的图1及图2示出的驱动电路基板130与二合一功率模块1相应地，成为设置了三相的三张与每个相接线的二合一电路的基板的结构。由于成为多个基板，因此根据基板上的部件的布局，被位于下部的基板的发热部件加温的空气变轻而上升，有时会对位于上部的基板具有的不耐热的部件产生热冲击的影响。
因此，在本实施例中，通过在驱动电路基板固定板131上在各基板之间设置铅垂方向的驱动电路基板分隔板132，起到通过位于下部的基板以不加热位于上部的基板的方式进行隔热的效果。
附图标记说明：
1…二合一功率模块，1u…u相二合一功率模块，
1v…v相二合一功率模块，
1w…w相二合一功率模块，2…半导体元件，
3…控制信号线，3a…上桥臂栅极信号端子，
3b…上桥臂源信号端子，3c…下桥臂栅极信号端子，
3d…下桥臂源信号端子，4…模块长度方向，
5…模块宽度方向，6…模块电力端子，
6a…模块正极端子，6b…模块负极端子，
6c…模块交流端子，40…正极汇流排，50…负极汇流排，
60…交流汇流排，60a…u相交流汇流排，60b…v相交流汇流排，
60c…w相交流汇流排，70…芯部，80…电流传感器，
100…电力转换装置，105…电力转换装置交流输出端子，
110…功率单元，115…功率单元交流输出端子，
120…电容器，121…电容器的重力方向中心线，
130…驱动电路基板，131…驱动电路基板固定板，
132…驱动电路基板分隔板，133…驱动电路基板的重力方向中心线，
140…控制电路基板，150…冷却器，200…断路器，
300…架线，400…接地部，500…电动机，600…电抗器，
900…电气化铁路车辆。
技术特征：
1.一种电力转换装置，其具备二合一功率模块和冷却该二合一功率模块的冷却器，其特征在于，
相对于所述冷却器，在作为该二合一功率模块的长度方向的铅垂方向上排列配置多个所述二合一功率模块，
将与所述二合一功率模块连接的汇流排配置于所述二合一功率模块的宽度方向的一侧，
将与所述二合一功率模块连接的控制信号线和向该控制信号线发送控制信号的驱动电路基板一起配置于所述二合一功率模块的宽度方向的所述一侧的相反侧。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述二合一功率模块沿着作为所述长度方向的铅垂方向依次设置有正极端子、负极端子及交流端子或依次设置有交流端子、负极端子及正极端子，在所述负极端子与所述交流端子之间的空间设置所述控制信号线的连接端子，
以与所述二合一功率模块相对地配置的方式设置电容器，
由所述汇流排内的构成正极汇流排的导体板连接所述正极端子和所述电容器，
由所述汇流排内的构成负极汇流排的导体板连接所述负极端子和所述电容器，
所述正极汇流排与所述负极汇流排彼此呈平行平板状相邻。
3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电容器的重力方向中心线位于比所述驱动电路基板的重力方向中心线靠上侧的位置。
4.根据权利要求2或3所述的电力转换装置，其特征在于，
所述汇流排内的交流汇流排从所述交流端子向所述二合一功率模块的宽度方向突出，贯通在多个所述二合一功率模块的上部设置的芯部及电流传感器，从该电力转换装置的上部取出。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，在配置所述驱动电路基板的一侧设置控制电路基板。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，在配置所述汇流排的一侧设置断路器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，
在作为所述长度方向的铅垂方向上排列设置所述驱动电路基板，在该驱动电路基板之间设置分隔板。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，
该电力转换装置是将所述二合一功率模块应用于三相交流的各相而构成的逆变器电路。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，
在将该电力转换装置搭载于车辆时，将所述二合一功率模块的宽度方向作为该车辆的行进方向。
10.一种车辆，其特征在于，
所述车辆搭载有权利要求9所述的电力转换装置。
技术总结
通过小型且高密度地安装电力转换装置，存在在汇流排与驱动电路基板的距离变近的情况下，驱动电路基板受到汇流排的热的冲击，另外，在驱动电路基板附近的上部搭载电容器而产生由于驱动电路基板的自发热引起的热量的积聚，导致驱动电路基板的故障、寿命变短的问题。因此，相对于对二合一功率模块进行冷却的冷却器，在作为该二合一功率模块的长度方向的铅垂方向上排列配置多个二合一功率模块，将与二合一功率模块连接的汇流排配置在二合一功率模块的宽度方向的一侧，将与二合一功率模块连接的控制信号线和向该控制信号线发送控制信号的驱动电路基板一起，配置于二合一功率模块的宽度方向的所述一侧的相反侧。
技术研发人员：堀内敬介;漆原法美;前健太郎;小沼惠美;仲田清;片桐优
受保护的技术使用者：株式会社日立制作所;日立水户工程技术股份有限公司
技术研发日：.03.28
技术公布日：.02.14
