功率转换装置的制造方法
【专利摘要】功率转换装置(2)的功率转换器(5)包括如下功能模块中的任一个以上的功能模块：组合对从外部提供的交流电压进行整流的整流器单元(15_1)与将直流电压转换成交流电力的逆变器单元(11_1)而成的功能模块(7_1)、组合将交流电压转换成直流电压的转换器单元(13_2)与将由转换器单元(13_2)转换后的直流电压转换成交流电力的逆变器单元(11_2)而成的功能模块(7_2)、及设置有将直流电压转换成交流电力的逆变器单元(11_3,11_4)的功能模块(7_3)，功能模块(7_1－7_3)具有对半导体元器件进行冷却的冷却器(6)。
【专利说明】
功率转换装置
技术领域
[0001 ]本发明涉及利用半导体元器件进行功率的转换的功率转换装置。【背景技术】
[0002]以往，对于设置于铁道车辆的功率转换装置，提出了如下功率转换装置:该功率转换装置包括具有各种半导体单元的发热部、对发热部进行冷却的散热部，通过采用发热部和散热部可分离的结构，从而改善了组装操作性和维护性(例如，参照专利文献1)。现有技术文献专利文献
[0003]专利文献1:日本专利特开2003-235112号公报(段落
[0012])
【发明内容】
发明所要解决的技术问题
[0004]然而，用于铁道车辆的功率转换装置因直流和交流的不同或单相交流和三相交流的不同等地域等的不同而需要对应多个不同的功率源。专利文献1所记载的功率转换装置具有在一个基板上安装了半导体元器件以满足所需的功率转换特性的结构。因此，需要重组功率转换装置整体。
[0005]本发明是为了解决上述问题点而完成的，其目的在于提供一种能实现半导体元器件的共用化并抑制可靠性的下降的功率转换装置。解决技术问题的技术方案
[0006]本发明所涉及的功率转换装置是向设置于铁道车辆的空气调和机进行供电的功率转换装置，包括具有功能模块的功率转换器，该功能模块安装有由半导体元器件构成且用于对功率进行转换的功率转换单元，功率转换器包括如下功能模块中的任一个以上的功能模块:组合对从外部提供的交流电压进行整流的整流器单元与将直流电压转换成交流电力的逆变器单元而成的功能模块、组合将交流电压转换成直流电压的转换器单元与将由转换器单元转换后的直流电压转换成交流电力的逆变器单元而成的功能模块、及设置有将直流电压转换成交流电力的逆变器单元的功能模块，功能模块具有对所述半导体元器件进行冷却的冷却器。发明效果
[0007]根据本发明的功率转换装置，功率转换器通过组合功能模块而构成，以发挥所需能力，由此能促进半导体元器件的共用化，并能抑制因半导体元器件的个数增加而导致的可靠性的下降。【附图说明】
[0008]图1是表示本发明的实施方式1的功能模块7的配置结构的一个示例的图。图2是表示本发明的实施方式1的功率转换装置2的功能结构的一个示例的图。图3A是表示由三个功能模块7_1?7_3构成的功率转换器的一个示例的图。图3B是表示由三个功能模块7_1?7_3构成的功率转换器的一个示例的图。图3C是表示在图3A及图3B的功率转换器5中对功率进行转换的状况的曲线图。图4A是表示由两个功能模块7_1、7_2构成的功率转换器的一个示例的图。图4B是表示由两个功能模块7_1、7_2构成的功率转换器的一个示例的图。图4C是表示在图4A及图4B的功率转换器5中对功率进行转换的状况的曲线图。图5A是表示由一个功能模块7_1构成的功率转换器的一个示例的图。图5B是表示由一个功能模块7_1构成的功率转换器的一个示例的图。图5C是表示在图5A及图5B的功率转换器5中对功率进行转换的状况的曲线图。图6是表示以往的未进行功能模块化时的各种功率转换单元的配置结构的一个示例的图。图7是表示本发明的实施方式1中进行了功能模块化时的各种功率转换单元的配置结构的一个示例的图。图8是表示以往的未进行功能模块化时的发热分布结构的一个示例的图。图9是表示本发明的实施方式1中进行了功能模块化时的发热分布结构的一个示例的图。图10是表示以往的未进行功能模块化时的温度分布结构的一个示例的图。图11是表示本发明的实施方式1中进行了功能模块化时的温度分布结构的一个示例的图。图12是表示本发明的实施方式2中的功能模块7和冷却器6之间的位置关系的一个示例的图。图13是表示本发明的实施方式3的搭载有功率转换装置2的铁道车辆51的一个示例的图。【具体实施方式】
[0009]下面，使用附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，本实施方式1?4的各个实施方式中，对于没有特别记述的项目，实施方式1?4设为相同，对于相同的功能及结构使用相同的标号来进行阐述。
[0010]实施方式1.(实施方式1的结构)图1是表示本发明的实施方式1的功率转换装置的功能模块的配置结构的一个示例的图，图2是表示本发明的实施方式1的功率转换装置的功能结构的一个示例的图。如图1及图 2所示，功率转换装置2包括冷却风扇单元21、电容器单元4、功率转换器5。冷却风扇单元21 包括多个冷却风扇23。功率转换器5收容于收容部50,收容部50收容有密闭室8及开放室9。 密闭室8是从外部密闭的空间。开放室9是具备与外部气体连通的开口的空间。开放室9配置有冷却器6。密闭室8配置有功率转换器5,防尘、防水、特别由于是铁道车辆而防止铁粉等混入功能模块而导致劣化。[〇〇11]功率转换器5包括功能模块7_1、功能模块7_2及功能模块7_3。功能模块中形成有用于进行功率的转换的一个或多个功率转换单元，利用半导体元器件来构成一个或多个功率转换单元。另外，各功能模块7_1?功能模块7_3分别以相对于电容器单元4自由拆卸的方式设置，例如，构成为可根据需要将功能模块7_3替换为具有其他的功率转换特性的第4功能模块7_4。此外，例示了功率转换器5具有三个功能模块7_1?7_3的情况，但功能模块的台数及形状并无特别限定，一台以上即可。
[0012]功能模块7_1包括对由外部提供的交流电压进行整流的整流器单元15_1和将经整流器单元15_1转换后的直流电压转换成交流电力的逆变器单元11_1。整流器单元15_1将单相或三相的交流电力转换成直流电压。逆变器单元11_1将经整流器单元15_1转换后的直流电压转换成预先设定的三相交流电力。
[0013]功能模块7_2包括将由外部提供的进行变动的输入电压转换成稳定的直流电压的转换器单元13_2和将经转换器单元转换后的直流电压转换成交流电力的逆变器单元11_2。 转换器单元13_2将进行变动的输入电压转换成稳定的直流电压。逆变器单元11_2将经转换器单元13_2转换后的直流电压转换成预先设定的三相交流电力。[〇〇14]功能模块7_3包括将直流电压转换成交流电力的多个逆变器单元11_3、11_4。逆变器单元11_3及逆变器单元11_4分别将直流电压转换成预先设定的三相交流电力。示出了功能模块7_3使用两个逆变器单元11_3、11_4的情况，但只要能使其发热量及尺寸与其他功能模块成为基本均等，则也能配置三个逆变器单元来构成功能模块。在逆变器单元的容量较大的情况下也能利用一个逆变器单元来构成功能模块，但通常由多个逆变器单元来构成， 优选为由两个逆变器单元来构成。[〇〇15]这里，转换器单元13_2及逆变器单元11_1?11_3由反向并联连接有二极管的IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极型晶体管)、在源极和漏极之间内置有二极管的M0SFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金属氧化物半导体场效应晶体管)、或机械式的开关等构成。另外，除了上述以外，例如转换器单元13_2及逆变器单元11_1?逆变器单元11_3也可以由SiC构成。
[0016]如图2所示，功率转换器5中的多个功能模块乙1?7_3分别作为独立的模块来形成，并能进行分离，具有自由拆卸的结构。具体而言，各功能模块7_1?7_3为如下结构:例如利用螺钉等固定于电容器单元4,在进行维护或更换的情况下能以功能模块乙1?7_3为单位进行拆卸。因此，即使在设备故障时，也能以各功能模块7_1?7_3为单位来实施维护、检查及更换等，因此能在实现结构元器件的共用化的同时降低维护费用。[〇〇17]各功能模块7_1?7_3中，对功率转换单元的大小进行设计。例如，在各功能模块7_ 1?7_3中，通过设置较大的功率转换单元和较小的功率转换单元，从而成为按每个功能模块7_1?7_3来分担从各种功率转换单元产生的发热量，由此来分散每一个功能模块7_1? 7_3的发热量的状态。[〇〇18]也就是说，各功能模块7_1?7_3中，以使发热量被分担的配置及台数来配置构成逆变器单元11_1?11_4的各种功率转换单元。利用该结构能在各功能模块7_1?7_3中实现偏倚较少的发热分布，因此温度分布均衡。换言之，通过利用各功能模块7_1?7_3来分担各发热量，从而使各发热量分散至各功能模块7_1?7_3,因此各功能模块乙1?7_3的发热量成为几乎没有偏倚的均衡的状态。因此，各功能模块乙1?7_3所要求的冷却风可以是相同程度。因而，能利用相同规格的冷却风扇23来使各个功能模块7_1?7_3冷却。[〇〇19]以功能模块7_1?7_3为单位将外形尺寸设为基本相同。并且，在功能模块7_1?7_3的内部，以下述方式配置有各功率转换单元，S卩:使连接功率转换单元彼此的导体的布线长度缩短，并使弯曲次数减少。由此，实现了抑制布线损耗的布线结构。例如，对于逆变器单元11 j?逆变器单元11_4,以成为直线布线的布线结构来配置逆变器单元11 j?11_4彼此。换言之，功能模块乙1?7_3中连接半导体元器件的导体设置于互相相对的位置。因此， 将连接导体彼此的布线配置成直线状，能抑制布线损耗。另外，为了使连接半导体元器件的导体位于互相相对的位置，优选设置为高度方向的位置成为相同的高度位置。由此，功率转换装置2能使功率转换单元的组装操作简化，并能降低布线电感。
[0020]如上所述，功率转换装置2的功率转换器5使结构元器件分离为多个功能模块7_1 ?7_3，利用多个功能模块7_1?7_3的组合来构成功率转换器5。因此，即使在设备故障时， 功率转换器5也能使结构元器件分离为多个功能模块7_1?7_3,因此能以各个功能模块7_1 ?7_3为单位来实施维护、检查、及更换等。其结果是，功率转换装置2能使结构元器件共用化，并能降低维护费用。[〇〇21]并且，即使在功率转换装置2对应于电力源而改变多个功能模块的组合的情况下， 能共通使用的功能模块7_1?7_3在任何一个电力源的情况下均能实现共用化。其结果是， 能抑制因半导体元器件的个数增加而导致的可靠性的下降。
[0022]S卩，从架空线经由导电弓对铁道车辆进行供电。从架空线提供给功率转换装置2的电力例如因地域等不同而存在有00600￥、00750￥、0(:1500￥^0201^及40251^等各种种类。因此，功率转换器5必需要具有与由架空线提供的电力种类相适应的功率转换特性。在如以往那样在一个基板上安装了半导体元器件以满足所需的功率转换特性的结构的情况下，需要按例如铁道车辆行驶的每个地域等的每个不同要求制作不同种类的功率转换器5,从而耗费成本并且维护也比较麻烦。另一方面，在能对应上述所有电力种类的功率转换装置的情况下，功率转换器变得大型化从而难以确保铁道车辆内的设置空间，并且由于元器件个数的增加而导致可靠性降低。这里，通过由可重组的功能模块7_1?7_3构成功率转换器5,能共通使用的功能模块7_1?7_3在任何一个电力源的情况下均能实现共用化，从而能抑制因半导体元器件的个数增加而导致的可靠性的下降。[〇〇23]具体而言，功率转换器5通过根据输入电源从三个功能模块乙1?7_3中选择至少一个功能模块7_1?7_3而构成。图3A及图3B是表示由三个功能模块7_1?7_3构成的功率转换器的一个示例的图，图4A及图4B是表示由两个功能模块7_1、7_2构成的功率转换器的一个示例的图。图5A及图5B是表示由一个功能模块7_1构成的功率转换器的一个示例的图。 [〇〇24]图3A及图3B的功率转换器5为组合三个功能模块乙1?7_3而得到的结构，对25kV 的交流电压进行转换，并将电力提供给压缩机CP、室外送风机CF、室内送风机EF及电容器单元4。图3C是表示在图3A及图3B的功率转换器5中对功率进行转换的状况的曲线图。功能模块7_1的整流器单元15_1将从外部输入的单相交流电力(参照图3C(a))整流成直流电力(图 3C(b))，并输出至储存直流电力的电容器单元4及功能模块7_2的转换器单元13_2。功能模块7_2的转换器单元13_2将在整流器单元15 j中整流得到的电压转换为稳定的直流电压 (参照图3C(c))。由转换器单元13_2稳定化后的直流电压在各功能模块7_1?7_3的逆变器单元11_1?逆变器单元11_3中被转换为交流电压(参照图3C(d))，并驱动压缩机CP、室外送风机CF、及室内送风机EF等负载。[〇〇25]图4A及图4B的功率转换器5为组合两个功能模块7_1、7_2而得到的结构，对600V的直流电压进行转换，并提供给压缩机CP、室外送风机CF、室内送风机EF及电容器单元4。另夕卜，将直流电压提供给功率转换器5,但并不一定局限于稳定的直流电压，也存在变动激烈的情况，因此功率转换器5通过组合搭载有整流器单元15_1及转换器单元13_2的功能模块 7_1、7_2而构成。图4C是表示在图4A及图4B的功率转换器5中对功率进行转换的状况的曲线图。[〇〇26]功能模块7_1的整流器单元15_1对从外部输入的直流电力进行整流(参照图4C (a))，并输出至储存直流电力的电容器单元4及功能模块7_2的转换器单元13_2。功能模块 7_2的转换器单元13_2将在整流器单元15_1中整流得到的电压转换为稳定的直流电压(参照图4C(b))。由转换器单元13_2稳定化后的直流电压在各功能模块7_1、7_2的逆变器单元 11_1、11_2中被转换为交流电压(参照图4C(c))，并驱动压缩机CP、室外送风机CF、及室内送风机EF等负载。[〇〇27]图5A及图5B的功率转换器5由一个功能模块7_1构成，1500V的直流电压以经由静止型逆变器SIV(Static Inverter)转换成交流电压的状态被输入。并且，功率转换器5对输入电压进行转换并向压缩机CP、室外送风机CF、室内送风机EF及电容器单元4进行供电。图 5C是表示在图5A及图5B的功率转换器5中对功率进行转换的状况的曲线图。[〇〇28]功能模块7_1的整流器单元15_1对从静止型逆变器SIV输入的交流电力(参照图5C (a))进行整流，并输出至储存直流电力的电容器单元4及功能模块7 j的逆变器单元1 lj (参照图5C(b))。在整流器单元15_1中进行整流后的直流电压在功能模块7_1的逆变器单元 111中被转换为交流电压(参照图5C(c))，并驱动压缩机CP、室外送风机CF、及室内送风机 EF等负载。[〇〇29]由此，功率转换器5能重组功能模块7_1?7_3来构成，以使得与由架空线提供的电力种类相适应。因此，能共通使用的功能模块7_1?7_3在任何一个电力源的情况下均能实现共用化，从而能抑制因半导体元器件的个数增加而导致的可靠性的下降。
[0030]此外，各功能模块7_1?7_3具有用于对由半导体元器件产生的热量进行散热的冷却器6。冷却器6例如由散热器构成，如图12所示，具有与功能模块7_1?7_3的半导体元器件相接触的受热部(底板)43和与受热部形成为一体并对从受热部传导而来的热量进行散热的散热部(散热片)41。另外，可以对每个功能模块7_1?7_3分别设置冷却器6,也可以作为功能模块乙1?7_3的组合整体设置一个冷却器6。此时，由于功率转换装置2采用可使得每个功能模块7_1?7_3的发热量分散为均衡的功率转换单元的台数及配置结构，因此能使冷却器6的结构简化。[〇〇31]具体而言，图6是表示以往的未进行功能模块化时的功率转换装置的一个示例的图。图7是表示本发明的实施方式1的功率转换装置的一个示例的图。图6的功率转换装置1 具有用于对铁道车辆整体所需功率进行转换的半导体元器件。另一方面，图7的功率转换装置2例如通过组合两个功能模块7_1、7_2，从而对铁道车辆整体所需功率进行转换。
[0032]例如，未进行功能模块化时的功率转换装置1中，将逆变器单元111、逆变器单元 11_2、转换器单元13_2及整流器单元15_1安装于受热部43。考虑到来自各半导体元器件的热量的散热性，逆变器单元11_1、逆变器单元11_2、转换器单元13_2及整流器单元15_1分别隔着一定间隔的距离配置。因此，功率转换装置1未考虑尺寸的最优化。另一方面，进行了功能模块化时的功率转换装置2通过组合功能模块7_1和功能模块7_2而构成。
[0033]如图6所示，未进行功能模块化时的功率转换装置1中，在不考虑大小等的情况下来配置具有半导体元器件的功率转换单元，因此需要较大的空间。另一方面，如图7所示，进行了功能模块化时的功率转换装置2中，考虑大小等来配置功率转换单元，因此能在较小的空间进行配置。对于与转换器单元13_2相组合的逆变器单元，在多个逆变器单元11_1?11_ 3中去除容量最大的逆变器单元11_1，选择逆变器单元11_3来构成功能模块7_1。此外，由于整流器单元15_1的发热量并不那么大，因此能在多个逆变器单元11_1?11_3中选择容量最大的逆变器单元11_1来构成功能模块7_2。图2中示出了逆变器单元为两个的情况，但在逆变器单元为3个以上的情况下，优选为通过选择容量最大或第二大的逆变器单元来构成功能模块7_2。由此，能使各功能模块的发热量及尺寸成为基本相同。[〇〇34]图8是表示本发明的实施方式1中未进行功能模块化时的发热分布结构的一个示例的图。图9是表示本发明的实施方式1中进行了功能模块化时的发热分布结构的一个示例的图。如图8所示，未进行功能模块化时的功率转换装置1中，发热量较高区域的面积比没有发热量的区域的面积要小，如图9所示，进行了功能模块化时的功率转换装置2中，发热量较高区域的面积比没有发热量的区域的面积要大。
[0035]例如，图8的未进行功能模块化时的功率转换装置1中，逆变器单元111侧的发热量为5?lOW/cm2,逆变器单元11_2侧的发热量的范围为5?lOW/cm2,转换器单元13_2侧的发热量的范围从中央到周围依次为15?20W/cm2、10?15W/cm2、5?10W/cm2、整流器单元15_1 侧的发热量的范围在左中央侧和右中央侧为15?20W/cm2、在15?20W/cm2的周围为10? 15W/cm2、在 10 ?15W/cm2 周围为5 ?1 OW/cm2。[〇〇36]另一方面，在图9的进行了功能模块化时的功率转换装置2的情况下，功能模块7_1 中，逆变器单元11_2侧的发热量的范围为5?10W/cm2,转换器单元13_2侧的发热量的范围从中央到周围依次为15?20W/cm2、10?15W/cm2、及5?1 OW/cm2。此外，功能模块7_2中，逆变器单元11_1侧的发热量的范围从中央到周围依次为10?15W/cm2、及5?10W/cm2,整流器单元15_1侧的发热量的范围从中央到周围依次为15?20W/cm2、10?15W/cm2、及5?10W/cm2。
[0037]图10是表示以往的未进行功能模块化时的温度分布结构的一个示例的图。图11是表示本发明的实施方式1中进行了功能模块化时的温度分布结构的一个示例的图。如图10 所示，未进行功能模块化时的功率转换装置1中，温度趋势并不基本相同，但如图11所示，进行了功能模块化时的功率转换装置2中，温度趋势基本相同。
[0038]例如，图10的未进行功能模块化时的功率转换装置1中，包含逆变器单元11_1、逆变器单元11_2、整流器单元15 j的一部分、转换器单元13_2的一部分的区域的温度范围为 150?200°C，包含整流器单元15_1的一部分、转换器单元13_2的一部分的区域的温度范围为200?250°C。也就是说，该情况下，温度趋势并不相同。另外，不包含任一个功率转换单元的区域的温度范围为100?150°C。
[0039]另一方面，图11的进行了功能模块化时的功率转换装置2中，在功能模块7_1侧，包含逆变器单元11_2的区域的温度范围为0?100 °C，包含转换器单元13_2的区域的温度范围成为如100?200°C及0?100°C那样从100?200°C到0?100°C的温度范围。在功能模块7_2 侦L包含逆变器单元11 j的区域的温度范围在中央侧成为100?200°C及0?100°C那样从 100?200°C到0?100°C的温度范围，在其周围为0?100°C，包含整流器单元15_1的区域的温度在中央侧成为100?200°C及0?100°C那样从100?200°C到0?100°C的温度范围，在其周围为0?100°C。也就是说，该情况下，功能模块7_1及功能模块7_2中受热部43的整体温度趋势成为基本相同的状态。
[0040]因此，在进行利用了散热器等冷却器6的冷却的情况下，图1的功率转换装置1中， 存在较多无需冷却的区域，局部地向冷却器6进行热传导，因此冷却器6的冷却效率变差。另一方面，图7的功率转换装置2中，向基板整体(冷却器6整体)进行热传导，因此能提高冷却器6的冷却效率。因此，进行了功能模块化时的功率转换装置2中，尺寸得以最优化，并且改善了热量的散热性。[〇〇41]并且，通过对每个功能模块7_1?7_3以使发热量均衡的方式配置多个功率转换单元，由此热量的散热性和尺寸的最优化得到改善。也就是说，即使不使壳体变大，也能通过对功率转换单元的配置结构进行设计来改善热量的散热性，利用功能模块7_1?7_3为单位以功能单位的方式实现功率转换器5,从而能使元器件共用化，因此尺寸的最优化得到改善。[〇〇42]换言之，从热的角度来看，冷却器6能高效地进行热传导并进行散热，能使冷却器6 小型化。从电的角度来看，能实现吸收电路的小型化及削减，能实现功率转换装置2的小型轻量化。
[0043]根据以上的说明，功率转换装置2利用逆变器单元11_1?11_4和转换器单元13_2 来交替设置发热量不同的功率转换单元。因此，功率转换装置2能使冷却器6进行冷却的功率转换单元的发热分散。因此，功率转换装置2能够分别高效地冷却按每个功能模块7_1? 7_3设置的发热量不同的功率转换单元。并且，由于功率转换装置2利用相同规格的冷却风扇23即可，因此能将冷却器6的大小设为所需的最小限度。因此，功率转换装置2能促进装置结构的小型轻量化。[〇〇44]特别是通过利用冷却器6对各功能模块乙1?7_3进行冷却，从而能有效利用冷却器6,因此无需设置分开的冷却机构，并能将冷却器6的大小设为所需的最小限度，能有效地冷却半导体元器件。
[0045]实施方式2.(实施方式2的结构)实施方式2中，对冷却器6的详细结构进行说明。图12是表示本发明的实施方式2的功能模块7_2、7_3与冷却器6之间的位置关系的一个示例的图。另外，图12的功率转换器5由功能模块7_2及功能模块7_3的组合构成。如图12所示，冷却器6例如为散热器，包括散热部41和受热部43。受热部43由具有平面的构件形成，上述说明的功能模块7_2、7_3分别设置为与受热部43相接，由此，由分别设置于功能模块7_2、7_3的功率转换单元产生的热量经由受热部 43传导到散热部41。散热部41包括多个散热片45。散热片45形成为与冷却风扇23的风向为相同方向的风向。散热部41将经由受热部43传导而来的热量从散热片45进行散热。[〇〇46]例如，对将功能模块7_2及功能模块7_3设置于受热部43的一个示例进行说明。功能模块7_3中，发热量较小的功率转换单元例如逆变器单元11_4配置在对应于冷却器6的下游侧的位置，发热量较大的功率转换单元例如逆变器单元11_3配置在对应于冷却器6的上游侧的位置。功能模块7_2中，发热量较小的功率转换单元例如逆变器单元11_2配置在对应于冷却器6的下游侧的位置，发热量较大的功率转换单元例如转换器单元13_2配置在对应于冷却器6的上游侧的位置。
[0047] 这里，冷却器6设置于铅直方向，受热部43设置于密闭室侧，散热部41设置于开放室侧。上述配置结构的结果是外部气体不会直接接触包含功率转换单元等电气元器件及未图示的充电部。[〇〇48]此外，由于发热量较小的功率转换单元设置于冷却器6的下游侧，发热量较大的功率转换单元设置于冷却器6的上游侧，冷却器6设置于铅直方向，因此冷却器6中产生自然对流，并且功能模块7_2、7_3中分别产生发热量的均衡，温度分布保持平衡。[〇〇49](实施方式2的效果)根据以上说明，功率转换装置2中，受热部43设置于与密闭室8相接的位置，散热部41设置于与外部气体相连通的开放室9。因此，功率转换装置2中，外部气体不会直接接触功率转换单元等电气元器件及未图示的充电部。其结果是，功率转换装置2能确保功率转换单元等电气元器件的可靠性。
[0050]并且，功率转换装置2中，功能模块7_2、7_3设有例如多个逆变器单元11_2?11_4 及转换器单元13_2,因此使得冷却器6进行冷却的功率转换单元的发热分散。因此，功率转换装置2能使受热部43的温度梯度从急剧的状态降低成平缓的状态。[〇〇51]功率转换装置2中，将功率转换单元分别安装于同一平面上的冷却器6的受热部43 设置于铅直方向，将发热量较小的功率转换单元配置于冷却器6的下游侧，将发热量较大的功率转换单元配置于冷却器6的上游侧。因此，冷却器6的受热部43中，在铅直方向上形成空气的流动。[〇〇52]并且，受热部43中，在冷却器6的下游侧产生发热量较小的热量，在冷却器6的上游侧产生发热量较大的热量，受热部43的温度趋势保持基本相同。该情况下，冷却风扇23进行驱动，因此能利用自然对流，并且相同冷却风的流动能高效地冷却发热量不同的各个功率转换单元。并且，散热部41的散热片45形成为与冷却风扇23的风向为相同方向的风向。根据以上结构，使整体的冷却机构简化。[〇〇53]以上，本实施方式2中，功率转换装置2能将受热部43设置于与密闭室8相接的位置，将散热部41设置于与外部气体相连通的开放室9。因此，功率转换装置2中，外部气体不会直接接触功率转换单元等电气元器件及未图示的充电部。其结果是，功率转换装置2能确保功率转换单元等电气元器件的可靠性。[〇〇54]另外，上述实施方式2中，例示了功率转换器5通过组合两个功能模块7_2、7_3而构成的情况，但功能模块的个数及种类并不限于此，例如也可以组合一个功能模块(参照图5A ?图5C)来构成，也可以组合两个以上的功能模块(参照图3A?图3C、图4A?图4C)来构成。 [〇〇55]实施方式3.(实施方式3的结构)实施方式3中对功率转换装置2设置于铁道车辆51的一个示例进行说明。图13是表示本发明的实施方式4的搭载有功率转换装置2的铁道车辆51的一个示例的图。如图13所示，铁道车辆51包括导电弓71、变压器72、辅助电源装置73、空调单元74等。另外，例如可以经由电源线76从辅助电源装置73对空调单元74进行供电。
[0056]导电弓71与架空线61相接，因此从架空线61经由导电弓71向铁道车辆51进行供电。架空线61向铁道车辆51提供例如006007、0075(^、0(:1500￥^0201^、及40251^等的电气。 也就是说，架空线61是提供高压电的主电路，铁道车辆51所包含的各种电路等是以低压电进行工作的辅助电路。这里，辅助电源装置73将由架空线61提供的高压电降压为低压电，并提供给辅助电路。[〇〇57]假设铁道车辆51例如经由导电弓71将DC1500V的直流电压作为电源来进行行驶。 该情况下，铁道车辆51利用功率转换装置2将该直流电压转换为低压的直流电压例如 DC600V级别。此外，铁道车辆51将利用辅助电源装置73转换后的交流电压例如单相AC400V 级别提供给空气调和机81。[〇〇58]假设铁道车辆51将AC25kV的交流电压作为电源来进行行驶。该情况下，铁道车辆 51利用功率转换装置2将由变压器72降压后的交流电压、例如单相AC400V级别转换成直流电压例如DC600V级。[〇〇59]空调单元74例如包括功率转换装置2及空气调和机81。空气调和机81例如包括热交换器91、压缩机92、室外送风机93、及室内送风机94,通过利用未图示的冷却配管来进行连接从而形成制冷剂回路，通过使制冷剂在制冷剂回路内循环，来形成冷冻周期(cycle)。
[0060]功率转换装置2由多个功能模块乙1?7_3、电容器单元4及冷却风扇23等构成。多个功能模块7_1?7_3分别按空气调和机81所包含的每个负载进行分配，提供不同频率的交流电力，以使得按每个负载以不同的转速来驱动。[〇〇61]具体而言，将多个功能模块7_1?7_3分别包含的功率转换单元分别分配给空气调和机81所包含的负载、例如压缩机92、室外送风机93、及室内送风机94。分配有压缩机92的功率转换单元提供不同频率的交流电力，使得以与压缩机92相对应的转速来进行驱动。同样，分配有室外送风机93的功率转换单元提供不同频率的交流电力，使得以与室外送风机 93相对应的转速来进行驱动。同样，分配有室内送风机94的功率转换单元提供不同频率的交流电力，使得以与室内送风机94相对应的转速来进行驱动。[〇〇62]此外，多个功能模块乙1?7_3分别构成有与不同的负载相对应的功率转换单元， 并决定一个功能模块7_1?7_3所包含的功率转换单元的台数及配置，以使得按每个功能模块7_1?7_3来分担发热量。因此，若功率转换装置2为一台，则对应于每个不同负载的功率转换单元设有多个，并且功率转换装置2的热量的散热性和尺寸的最优化得到改善。也就是说，本来需要按每个不同负载准备不同电源，但利用一台功率转换装置2能够使电源的结构元器件共用化。[〇〇63](实施方式3的效果)根据以上说明，功率转换装置2向每个不同负载提供不同频率的交流电力。因此，使得作为驱动例如多台压缩机92、室外送风机93及多台室内送风机94等的电源的功率转换装置 2的结构元器件共用化。因此，使构成搭载于铁道车辆51的空气调和机81的设备的配置制约得到缓和。[〇〇64]其结果是，室外送风机93、室内送风机94及热交换器91的配置结构被设计为最优， 因此能获得所需的冷却能力及制热能力。
[0065]通过将功率转换装置2设置于铁道车辆51，从而促进了元器件的共用化，因此功率转换装置2能防止因元器件个数的增加而引起的可靠性的下降。[〇〇66]以上，本实施方式3中，功率转换装置2按空气调和机81所包含的每个负载来分别分配多个功能模块7_1?7_3，向每个负载提供不同频率的交流电力。
[0067]由于采用上述结构，因此功率转换装置2能使作为驱动例如多台压缩机92、室外送风机93及多台室内送风机94等的电源的功率转换装置2的结构元器件共用化。[〇〇68]本发明的实施方式并不限于上述实施方式。例如，上述实施方式中，例示了各功能模块乙1?7_3安装有两个功率转换单元的情况，但也可以安装一个功率转换单元，也可以安装三个以上的功率转换单元。若功能模块7_1?7_3搭载有具有进行功率转换的功能的单元，则也可以与功率转换单元一起搭载微机等其他用途的单元。并且，例示了冷却器6以风冷方式进行冷却的情况，但只要是对功能模块7_1?7_3进行冷却的装置，无论采用何种方式均可，例如也能使用水冷式等公知技术。标号说明[〇〇69]1未进行功能模块化时的功率转换装置、2进行了功能模块化时的功率转换装置、4电容器单元、5功率转换器、6冷却器7_1，7_2,7_3功能模块、8密闭室、9开放室、11_1，11_2， 11_3，11_4逆变器单元、13_2转换器单元、15_1整流器单元、21冷却风扇单元、23冷却风扇、 41散热部、43受热部、45散热片、50收容部、51铁道车辆、61架空线、71导电弓、72变压器、73 辅助电源装置、74空调单元、76电源线、81空气调和机、91热交换器、92(CP)压缩机、93(CF) 室外送风机、94(EF)室内送风机。
【主权项】
1.一种功率转换装置，该功率转换装置向设置于铁道车辆的空气调和机进行供电，其 特征在于，包括具有功能模块的功率转换器，该功能模块安装有由半导体元器件构成且用于对功 率进行转换的功率转换单元，所述功率转换器包括如下功能模块中的任一个以上的功能模块:组合对从外部提供的 交流电压进行整流的整流器单元与将直流电压转换成交流电力的逆变器单元而成的功能 模块、组合将交流电压转换成直流电压的转换器单元与将由所述转换器单元转换后的直流 电压转换成交流电力的逆变器单元而成的功能模块、及设置有将直流电压转换成交流电力 的逆变器单元的功能模块，所述功能模块具有对所述半导体元器件进行冷却的冷却器。2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，所述功率转换器中，具有与所述空气调和机所具有的设备相对应的台数的所述逆变器 单元。3.如权利要求1或2所述的功率转换装置，其特征在于，还包括收容所述功率转换器和所述冷却器的收容部，所述收容部包括对所述功率转换器进行密闭的密闭室和具有使利用所述冷却器进行 散热的热量散热到外部气体的开口的开放室，所述冷却器包括:设置于所述密闭室侧，且接受多个所述功能模块的热量的受热部；以 及设置于所述开放室侧，对由所述受热部接受到的热量进行散热的散热部，所述散热部具备多个散热片，所述多个散热片的方向与从冷却风扇向所述多个散热片送风的风向形成为同一方向。4.如权利要求1至3的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，所述功能模块中连接所述半导体元器件的导体设置于互相相对的位置。5.如权利要求1至4的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，还包括储存电力的电容器单元，多个所述功能模块以自由拆卸的方式安装于所述电容器单元。
【文档编号】H02M7/00GK105981281SQ201480066257
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年10月2日
【发明人】川上知之
【申请人】三菱电机株式会社