JP5941741B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電動機を制御するための電流スイッチング回路を備えた、電気鉄道車両向けの電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device for an electric railway vehicle that includes a current switching circuit for controlling an electric motor.
電気鉄道車両には、車両を駆動する電動機を制御するために、コンバータやインバータ等の電力変換装置が搭載される。これらの電力変換装置は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やGTO(Gate Turn Off Thyristor)等の半導体素子により高周波でスイッチングを行うことで電力変換を行う。このスイッチング動作時に発生するノイズを小さくするために、正、負、中性の三つのレベルの電流を出力する3レベルスイッチング回路がよく用いられる。 An electric railway vehicle is equipped with a power converter such as a converter or an inverter in order to control an electric motor that drives the vehicle. These power conversion devices perform power conversion by switching at high frequency using semiconductor elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and GTOs (Gate Turn Off Thyristors). In order to reduce the noise generated during the switching operation, a three-level switching circuit that outputs currents of three levels of positive, negative, and neutral is often used.
半導体素子においては、通電時およびスイッチング時に熱が発生し、この熱により半導体素子が高温になると、変換効率の低下や素子破壊の発生が懸念されるため、半導体素子を所定の温度範囲になるように冷却する必要がある。電力変換装置は主に搭載スペースの限られた車両床下等に搭載されるため、小型な装置構成で複数個の半導体素子を効率良く冷却するために、冷却器が設置される。 In a semiconductor element, heat is generated during energization and switching. If the semiconductor element becomes hot due to this heat, there is a concern that conversion efficiency may be reduced or element destruction may occur. Need to cool down. Since the power converter is mounted mainly under the vehicle floor where the mounting space is limited, a cooler is installed to efficiently cool a plurality of semiconductor elements with a small device configuration.
この冷却器に冷却風を供給する際に、冷却風は風上側に設置された半導体素子からの熱を受け取ることで風下側に向かうに従って温度が上昇する。それに伴って、風下側の半導体素子の温度が高くなる傾向がある。 When supplying cooling air to the cooler, the cooling air receives heat from the semiconductor elements installed on the windward side, and the temperature rises toward the leeward side. Accordingly, the temperature of the semiconductor element on the leeward side tends to increase.
一方で、3レベルスイッチング回路においては、主回路を構成する複数の半導体素子の発熱量が半導体素子毎に異なっている。さらに、力行運転時、回生運転時において、半導体素子毎の発熱量の分布が変化する特性があり、発熱量の高い半導体素子の温度が高くなる傾向にある。 On the other hand, in the three-level switching circuit, the heat generation amounts of a plurality of semiconductor elements constituting the main circuit are different for each semiconductor element. Furthermore, there is a characteristic that the distribution of the heat generation amount for each semiconductor element changes during power running operation and regenerative operation, and the temperature of the semiconductor element having a high heat generation amount tends to increase.
これらの背景から、3レベルスイッチング回路を効率良く冷却するためには、主回路を構成する複数の半導体素子において、運転条件により半導体素子の発熱分布が変化する影響や、冷却風の温度上昇による影響を平準化する必要がある。 From these backgrounds, in order to efficiently cool the three-level switching circuit, in the plurality of semiconductor elements constituting the main circuit, the influence of the heat generation distribution of the semiconductor element changes depending on the operating conditions, and the influence of the temperature rise of the cooling air Need to be leveled.
冷却器の構成部品として、ヒートパイプがよく用いられる。ヒートパイプは内部に冷媒を封入しており、受熱部で冷媒を沸騰させて放熱部で冷媒を凝縮させて受熱部に還流させるサイクルにより、熱を効率良く輸送するデバイスである。このヒートパイプを用いた冷却器を備える電力変換装置として、特許文献1に示すようなものが知られている。特許文献1の図1〜図6に記載の冷却器は、受熱ブロック、フィン、U字型ヒートパイプ、L字型ヒートパイプで構成される。複数のヒートパイプの受熱部は、受熱ブロック内に、冷却風の流れに沿う方向に設置される。複数のヒートパイプの放熱部は、受熱ブロックから垂直方向に立設され、複数のフィンが接合される。ヒートパイプの放熱部とフィンは通風路内に設置され、送風機から供給される冷却風により放熱する。また、受熱ブロックには一相分の回路を構成する複数の半導体素子群が冷却風の流れと直交する方向に設置される。 A heat pipe is often used as a component of the cooler. The heat pipe is a device that efficiently transports heat by a cycle in which a refrigerant is sealed inside, the refrigerant is boiled in the heat receiving part, condensed in the heat radiating part, and returned to the heat receiving part. As a power converter provided with a cooler using this heat pipe, the one shown in Patent Document 1 is known. The cooler described in FIGS. 1 to 6 of Patent Document 1 includes a heat receiving block, fins, a U-shaped heat pipe, and an L-shaped heat pipe. The heat receiving portions of the plurality of heat pipes are installed in the heat receiving block in a direction along the flow of the cooling air. The heat radiating portions of the plurality of heat pipes are erected in the vertical direction from the heat receiving block, and the plurality of fins are joined. The heat radiating part and the fin of the heat pipe are installed in the ventilation path and radiate heat by the cooling air supplied from the blower. In the heat receiving block, a plurality of semiconductor element groups constituting a circuit for one phase are installed in a direction orthogonal to the flow of the cooling air.
一方、ヒートパイプを用いた冷却器を備える電力変換装置として、特許文献2に示すようなものも知られている。冷却器は、受熱ブロック、フィン、直管型ヒートパイプで構成される。フィンは車両進行方向に沿って設置され、車両走行風により放熱する。直管型ヒートパイプは、受熱ブロック内に、車両進行方向に沿って埋設される。また、受熱ブロックには、3レベルスイッチング回路の一相分を構成する半導体素子群が、車両進行方向、すなわち冷却風の流れに沿う方向に直線状に配列され、車両枕木方向に直線状に複数組配列される。 On the other hand, as shown in Patent Document 2, a power conversion device including a cooler using a heat pipe is also known. The cooler includes a heat receiving block, fins, and a straight pipe heat pipe. The fins are installed along the vehicle traveling direction and radiate heat by the vehicle traveling wind. The straight pipe heat pipe is embedded in the heat receiving block along the vehicle traveling direction. In the heat receiving block, a semiconductor element group constituting one phase of the three-level switching circuit is linearly arranged in the vehicle traveling direction, that is, in the direction along the flow of the cooling air, and a plurality of linearly extending in the vehicle sleeper direction. A set is arranged.
特許文献1に記載の構成では、複数のヒートパイプの受熱部を冷却風の流れに沿う方向に設置することで、風下側からの風上側へ熱移動が促進され、風下と風上の温度が平準化する一方で、ヒートパイプ受熱部の長手方向と、一相分の回路を構成する半導体素子群が設置される方向が異なっているため、半導体素子毎の発熱量の分布による温度上昇の影響を平準化することができないという課題がある。また、冷却風温度がヒートパイプ内部の冷媒の凝固点以下の場合には、ヒートパイプ放熱部の先端温度が冷媒の凝固点以下となり、内部に封入された冷媒が放熱部先端で凍結して受熱部へ還流しなくなり、受熱部の冷媒が枯渇して熱輸送能力が著しく低下する、ドライアウトが発生することが懸念される。 In the configuration described in Patent Literature 1, heat transfer from the leeward side to the windward side is promoted by installing the heat receiving portions of the plurality of heat pipes in a direction along the flow of the cooling wind, and the leeward and windward temperatures are increased. While leveling, the longitudinal direction of the heat pipe heat receiving part is different from the direction in which the semiconductor element group constituting the circuit for one phase is installed, so the effect of temperature rise due to the distribution of heat generation for each semiconductor element There is a problem that leveling cannot be performed. In addition, when the cooling air temperature is below the freezing point of the refrigerant inside the heat pipe, the tip temperature of the heat pipe heat radiating part becomes below the freezing point of the refrigerant, and the refrigerant enclosed inside freezes at the tip of the heat radiating part and goes to the heat receiving part. There is a concern that dryout may occur, because the refrigerant in the heat receiving portion is not recirculated, the refrigerant in the heat receiving portion is depleted, and the heat transport capability is significantly reduced.
また、特許文献2に記載の構成では、車両走行方向、すなわち冷却風の流れ方向に直管型ヒートパイプが挿入されていることにより、風下側からの風上側へ熱移動、ならびに発熱量の大きい半導体素子から小さい半導体素子への熱移動が促進され、温度が平準化する。しかし、受熱ブロックから放熱部への熱移動は放熱部内部の熱伝導のみによるものであり、ヒートパイプによる熱輸送と比較して放熱効率が悪いという課題がある。 Further, in the configuration described in Patent Document 2, heat transfer from the leeward side to the windward side and a large amount of heat generation are caused by inserting a straight pipe heat pipe in the vehicle traveling direction, that is, the cooling air flow direction. Heat transfer from the semiconductor element to the small semiconductor element is promoted, and the temperature is leveled. However, the heat transfer from the heat receiving block to the heat radiating part is only due to the heat conduction inside the heat radiating part, and there is a problem that the heat radiating efficiency is poor compared to the heat transport by the heat pipe.
本発明は、3レベル主回路を構成する複数の半導体素子において、運転条件により半導体素子の発熱分布が変化する影響や、冷却風の温度上昇による影響を平準化して、効率良く冷却できる電力変換装置を提供することを目的とする。さらには、冷却風温度がヒートパイプ内部の冷媒の凝固点以下であっても、冷媒の凍結を抑制することを目的とする。 The present invention relates to a power conversion device capable of efficiently cooling by leveling the influence of the heat generation distribution of the semiconductor element depending on the operating conditions and the influence of the temperature rise of the cooling air on a plurality of semiconductor elements constituting the three-level main circuit. The purpose is to provide. Furthermore, it aims at suppressing freezing of a refrigerant | coolant even if cooling air temperature is below the freezing point of the refrigerant | coolant inside a heat pipe.
前記の課題を解決する第1の発明における電力変換装置は、電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、前記電力変換回路を内部に搭載する筺体と、半導体素子からの熱を外気に放熱する冷却器と、前記冷却器に冷却風を供給する送風機と、前記冷却器を内部に備え前記冷却風を通風させる通風路、を備える電力変換装置であって、前記冷却器は、受熱ブロック、複数のU字型ヒートパイプ、複数のフィンで構成され、前記U字型ヒートパイプは、第1ヒートパイプと第2ヒートパイプを含み、前記第2ヒートパイプは、前記第1ヒートパイプよりも、放熱部が短く、前記受熱ブロックの一側面には前記複数の半導体素子が並設され、前記受熱ブロックの反対面には前記複数のU字型ヒートパイプの受熱部が前記冷却風の流れに沿う方向に埋設され、前記複数のU字型ヒートパイプの放熱部が垂直方向に立ち上がるように立設され、前記U字型ヒートパイプの放熱部には前記複数のフィンが接合されて前記通風路内に設置され、前記複数の半導体素子は、回生運転時に発熱量の大きくなる複数の第1IGBTモジュールと、力行運転時に発熱量の大きくなる複数の第2IGBTモジュールと、前記IGBTモジュールと比較して発熱量の小さい複数のクランプダイオードモジュールで構成され、冷却風の流れと直交する方向に発熱量の同じ半導体素子が並ぶように設置され、かつ前記クランプダイオードは、冷却風の流れ方向に対して前記第1IGBTモジュールと前記第2IGBTモジュールの間に設置され、前記各クランプダイオードモジュールの投影面上に配置される前記第2ヒートパイプの受熱部の面積が、前記各第1IGBTモジュール及び各第2IGBTモジュールの投影面上に配置される前記第2ヒートパイプの受熱部の面積よりも小さくなるように、前記第2ヒートパイプの受熱部が配置されることを特徴とする。
A power conversion device according to a first aspect of the present invention that solves the above-described problem is a plurality of semiconductor elements constituting a power conversion circuit, a housing in which the power conversion circuit is mounted, and heat from the semiconductor elements to the outside air A power converter comprising: a cooler; a blower that supplies cooling air to the cooler; and an air passage that includes the cooler and allows the cooling air to flow therethrough. The U-shaped heat pipe includes a plurality of fins, and the U-shaped heat pipe includes a first heat pipe and a second heat pipe, and the second heat pipe radiates heat more than the first heat pipe. The portion is short, the plurality of semiconductor elements are juxtaposed on one side surface of the heat receiving block, and the heat receiving portion of the plurality of U-shaped heat pipes is along the flow of the cooling air on the opposite surface of the heat receiving block In The heat dissipating parts of the plurality of U-shaped heat pipes are erected so as to rise in the vertical direction, and the plurality of fins are joined to the heat dissipating part of the U-shaped heat pipes and installed in the ventilation path. The plurality of semiconductor elements include a plurality of first IGBT modules that generate a large amount of heat during regenerative operation, a plurality of second IGBT modules that generate a large amount of heat during powering operation, and a small amount of heat compared to the IGBT module. It is composed of a plurality of clamp diode modules, and is arranged so that semiconductor elements having the same calorific value are arranged in a direction orthogonal to the flow of cooling air, and the clamp diode is connected to the first IGBT module with respect to the flow direction of cooling air. wherein said first 2IGBT disposed between the modules are arranged on the projection plane of each clamping diode module The second heat pipe is configured such that the area of the heat receiving portion of the two heat pipes is smaller than the area of the heat receiving portion of the second heat pipe disposed on the projection surface of each of the first IGBT module and each second IGBT module. The heat receiving part is arranged .
第2の発明における電力変換装置は、前記受熱ブロックには、前記ヒートパイプの受熱部が第1IGBTモジュールとクランプダイオードモジュールの双方の投影面上に設置されるU字型ヒートパイプと、第2IGBTモジュールとクランプダイオードの双方の投影面上に設置されるU字型ヒートパイプと、単一の半導体素子の投影面上に設置されるU字型ヒートパイプが、それぞれ複数設置されていることを特徴とする。 In the power converter according to a second aspect of the invention, the heat receiving block includes a U-shaped heat pipe in which the heat receiving portion of the heat pipe is installed on the projection surfaces of both the first IGBT module and the clamp diode module, and the second IGBT module. A plurality of U-shaped heat pipes installed on the projection surfaces of both the clamp diode and the clamp diode, and a plurality of U-shaped heat pipes installed on the projection surface of a single semiconductor element, To do.
第3の発明における電力変換装置は、前記複数のU字型ヒートパイプは、それぞれの放熱部が千鳥状になるように設置されることを特徴とする。 The power conversion device according to a third aspect of the invention is characterized in that the plurality of U-shaped heat pipes are installed such that the respective heat radiating portions are staggered.
第4の発明における電力変換装置は、前記冷却器において、冷却風に対して最も風上側の位置、あるいは最も風下側の位置、あるいは風上側、風下側の双方にL字型ヒートパイプを設置することを特徴とする。 In a power converter according to a fourth aspect of the present invention, in the cooler, an L-shaped heat pipe is installed at a position on the most windward side with respect to the cooling wind, or a position on the most leeward side, or on both the windward and leeward sides. It is characterized by that.
第5の発明における電力変換装置は、前記複数のフィンを冷却風の流れ方向に対して分割し、冷却風に対して風上側のフィンのピッチを風下側よりも大きくしてフィン枚数を少なくしたことを特徴とする。 In a power converter according to a fifth aspect of the invention, the plurality of fins are divided with respect to the flow direction of the cooling air, and the pitch of the fins on the windward side of the cooling air is made larger than that on the leeward side to reduce the number of fins. It is characterized by that.
第6の発明における電力変換装置は、前記通風路において、前記フィンの風上側に複数の整風板が設置されていることを特徴とする。 The power converter according to a sixth aspect of the present invention is characterized in that a plurality of air conditioning plates are installed on the windward side of the fin in the ventilation path.
第7の発明における電力変換装置は、前記通風路において、前記ヒートパイプ放熱部の最も先端側に接合されるフィンと、通風路を構成する壁との間には、冷却風の流れと直交する方向に平板が設置されることを特徴とする。さらには、前記平板と前記先端側に接合されるフィンとの距離が、前記先端側に接合されるフィンとヒートパイプ放熱部の先端との距離よりも短くするとなお良い。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the power conversion device according to the present invention, wherein the flow path is orthogonal to the flow of the cooling air between the fin joined to the most distal end side of the heat pipe heat dissipating part and the wall constituting the ventilation path. A flat plate is installed in the direction. Furthermore, it is more preferable that the distance between the flat plate and the fin joined to the tip side is shorter than the distance between the fin joined to the tip side and the tip of the heat pipe heat radiation part.
第8の発明における電力変換装置は、前記複数の平板は、前記通風路内の強度を保つための梁であることを特徴とする。 The power converter according to an eighth aspect of the invention is characterized in that the plurality of flat plates are beams for maintaining the strength in the ventilation path.
第9の発明における電力変換装置は、電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、半導体素子からの熱を外気に放熱する冷却器を備え、前記冷却器は、受熱ブロック、複数のヒートパイプ、複数のフィンで構成され、前記受熱ブロックの一側面には、前記複数の半導体素子が並設され、前記受熱ブロックの反対面には、前記複数のヒートパイプの一部が埋設され、前記複数のヒートパイプは、前記受熱ブロックに埋設される受熱部と、前記受熱ブロックから突き出して立設される放熱部を備え、前記放熱部には、複数のフィンが接合され、前記複数のヒートパイプは、放熱部の根元から先端まで複数のフィンが接合されている第1ヒートパイプと、少なくとも放熱部の根元側に複数のフィンが接合されて前記第1ヒートパイプよりも少ない数のフィンが接合される第2ヒートパイプと、を有していることを特徴とする。 A power conversion device according to a ninth aspect includes a plurality of semiconductor elements constituting a power conversion circuit, and a cooler that dissipates heat from the semiconductor elements to the outside air, the cooler including a heat receiving block, a plurality of heat pipes, The plurality of semiconductor elements are arranged in parallel on one side surface of the heat receiving block, and a part of the plurality of heat pipes are embedded on the opposite surface of the heat receiving block. The heat pipe includes a heat receiving portion embedded in the heat receiving block and a heat radiating portion protruding from the heat receiving block, and a plurality of fins are joined to the heat radiating portion, and the plurality of heat pipes are: A first heat pipe in which a plurality of fins are joined from the root to the tip of the heat radiating portion, and a plurality of fins are joined at least to the base side of the heat radiating portion and are smaller than the first heat pipe. Wherein the fins are and a second heat pipe to be joined.
第10の発明における電力変換装置は、第2ヒートパイプが、第1ヒートパイプよりも、放熱部が短いことを特徴とする。 The power conversion device according to a tenth aspect of the invention is characterized in that the second heat pipe has a shorter heat radiating portion than the first heat pipe.
第11の発明における駆動システムは、上述した第1〜第10のいずれかの発明における電力変換装置を搭載した鉄道車両の駆動システムであることを特徴とする。 A drive system according to an eleventh aspect of the invention is a railway vehicle drive system equipped with the power conversion device according to any of the first to tenth aspects of the invention described above.
第1の発明によれば、U字型ヒートパイプの受熱部が冷却風の流れと沿う方向に設置されることにより、冷却風に対して風下側から風上側への熱移動を促進させることができるため、風下側の半導体素子の温度上昇を抑制することができる。また、U字型ヒートパイプの放熱部が垂直方向に立ち上がるように立設され、放熱部に複数のフィンが接合されて通風路内に設置されることにより、受熱ブロックからフィンへの熱移動を促進させることができるため、フィン効率が向上する。また、冷却風の流れと直交する方向に発熱量の同じ半導体素子が並ぶように設置することにより、冷却風の流れと直交する方向の温度を均一にすることができる。また、発熱量の大きいIGBTモジュールの間に発熱量の小さいクランプダイオードモジュールを設置することにより、受熱ブロック内での熱の分散をはかることができるため、各半導体素子の温度を平準化することができる。 According to the first invention, the heat receiving portion of the U-shaped heat pipe is installed in a direction along the flow of the cooling air, thereby promoting heat transfer from the leeward side to the windward side with respect to the cooling air. Therefore, the temperature rise of the leeward semiconductor element can be suppressed. In addition, the U-shaped heat pipe radiating part is erected so as to rise in the vertical direction, and a plurality of fins are joined to the radiating part and installed in the ventilation path, so that heat transfer from the heat receiving block to the fins is achieved. Since it can be promoted, fin efficiency is improved. Further, by installing the semiconductor elements having the same calorific value in a direction orthogonal to the flow of cooling air, the temperature in the direction orthogonal to the flow of cooling air can be made uniform. In addition, by installing a clamp diode module with a small amount of heat generation between IGBT modules with a large amount of heat generation, heat can be distributed within the heat receiving block, so that the temperature of each semiconductor element can be leveled. it can.
第2の発明によれば、回生時に発熱量が大きくなる第1IGBTモジュールと、IGBTモジュールよりも発熱量の小さいクランプダイオードモジュールの双方の投影面上にU字型ヒートパイプの受熱部を設置することにより、回生時に第1IGBTモジュールからクランプダイオード側への熱移動を促進することができ、双方の温度を平準化することができる。また、力行時に発熱量が大きくなる第2IGBTモジュールとクランプダイオードモジュールの双方の投影面上にU字型ヒートパイプの受熱部を設置することにより、力行時に第2IGBTモジュールからクランプダイオード側への熱移動を促進することができ、双方の温度を平準化することができる。また、単一の半導体素子の投影面上にU字型ヒートパイプの受熱部を設置することにより、このヒートパイプは当該半導体素子のみの熱をフィンへ輸送する役割を持つことになり、これらのヒートパイプを混在させることで、局所的な温度上昇を抑制し、各半導体素子の温度を平準化することができる。 According to the second invention, the heat receiving portion of the U-shaped heat pipe is installed on the projection surfaces of both the first IGBT module that generates a large amount of heat during regeneration and the clamp diode module that generates less heat than the IGBT module. Thus, heat transfer from the first IGBT module to the clamp diode can be promoted during regeneration, and both temperatures can be leveled. Also, heat transfer from the second IGBT module to the clamp diode side during power running is possible by installing heat-receiving parts of U-shaped heat pipes on the projection surfaces of both the second IGBT module and clamp diode module that generate a large amount of heat during power running. Can be promoted, and both temperatures can be leveled. Moreover, by installing the heat receiving part of the U-shaped heat pipe on the projection surface of a single semiconductor element, this heat pipe has a role of transporting only the heat of the semiconductor element to the fins. By mixing heat pipes, local temperature rise can be suppressed and the temperature of each semiconductor element can be leveled.
第3の発明によれば、U字型ヒートパイプの放熱部を千鳥状に設置することにより、フィンとヒートパイプの接合部が均等に配置され、フィンに均等に熱が輸送されるため、フィン効率が向上する。さらに、ヒートパイプの放熱部が正方状に配置された場合と比較してフィン間ならびにヒートパイプ間の流路の断面積が広くなるため、フィン間の通風抵抗が小さくなり、送風機を用いて冷却する際に冷却風を多く供給することができるため、半導体素子を効率良く冷却することができる。 According to the third invention, the heat sinks of the U-shaped heat pipe are installed in a staggered manner, so that the joints between the fins and the heat pipe are evenly arranged and heat is transported evenly to the fins. Efficiency is improved. In addition, the cross-sectional area of the flow path between the fins and between the heat pipes is larger than when the heat-radiating part of the heat pipe is arranged in a square shape, so the ventilation resistance between the fins is reduced and cooling is performed using a blower. In doing so, a large amount of cooling air can be supplied, so that the semiconductor element can be efficiently cooled.
第4の発明によれば、最も風上側の位置、あるいは最も風下側の位置、あるいは風上側、風下側の双方に放熱部が内側となるようにL字型ヒートパイプを設置することにより、フィンの投影面の外側にヒートパイプの受熱部を設置することができるようになる。これにより、半導体素子をフィンの投影面の外側に設置しても、L字型ヒートパイプによりフィンに熱を効率良く輸送することができるため、フィンを小型化することができる。 According to the fourth invention, by installing the L-shaped heat pipe so that the heat dissipating part is located at the most leeward position, the most leeward position, or both the leeward and leeward sides, The heat receiving portion of the heat pipe can be installed outside the projection surface. Thereby, even if a semiconductor element is installed outside the projection surface of the fin, heat can be efficiently transported to the fin by the L-shaped heat pipe, and thus the fin can be reduced in size.
第5の発明によれば、複数のフィンを冷却風の流れ方向に対して分割し、空気温度の低い風上側のフィンのピッチを、空気温度の高い風下側よりも大きくしてフィン枚数を少なくすることにより、フィン間の通風抵抗を小さくでき、送風機を用いて冷却する際に冷却風を多く供給することができるため、半導体素子を効率良く冷却することができる他、冷却器を軽量化することができる。 According to the fifth invention, the plurality of fins are divided in the flow direction of the cooling air, and the pitch of the fins on the windward side where the air temperature is low is made larger than that on the leeward side where the air temperature is high, thereby reducing the number of fins. As a result, the airflow resistance between the fins can be reduced, and a large amount of cooling air can be supplied when cooling using the blower, so that the semiconductor element can be efficiently cooled and the cooler can be reduced in weight. be able to.
第6の発明によれば、通風路において、フィンの風上側に複数の整風板を設置することにより、送風機からフィンに供給される冷却風の風速を、冷却風の流れと直交する方向において均一にすることができるため、フィンの幅が送風機の吹き出し口の幅に対して大きい場合においても半導体素子を効率良く冷却できる。 According to the sixth invention, in the ventilation path, by installing a plurality of air conditioning plates on the windward side of the fin, the air velocity of the cooling air supplied from the blower to the fin is uniform in the direction orthogonal to the flow of the cooling air. Therefore, even when the width of the fin is larger than the width of the blower outlet, the semiconductor element can be efficiently cooled.
第7の発明によれば、通風路において、ヒートパイプ放熱部の最も先端側に接合されるフィンと、通風路を構成する壁との間に、冷却風の流れと直交する方向に複数の平板を設置することにより、冷却風がフィン間から漏れるのを防ぐことができるため、半導体素子を効率良く冷却できる。さらに、平板とヒートパイプ放熱部の先端側に接合されるフィンとの距離を、先端側に接合されるフィンとヒートパイプ放熱部の先端との距離よりも短くすることで、フィン間から漏れる冷却風の量をさらに少なくすることができる。 According to the seventh invention, in the ventilation path, a plurality of flat plates are arranged in a direction orthogonal to the flow of the cooling air between the fins joined to the most distal end side of the heat pipe heat dissipating part and the wall constituting the ventilation path. Since the cooling air can be prevented from leaking from between the fins, the semiconductor element can be efficiently cooled. Furthermore, the cooling that leaks from between the fins is achieved by making the distance between the flat plate and the fin joined to the tip side of the heat pipe radiating part shorter than the distance between the fin joined to the tip side and the tip of the heat pipe radiating part. The amount of wind can be further reduced.
第8の発明によれば、冷却風の漏れを防ぐ平板は、通風路内の強度を保つための梁の役割を兼ねている。これにより、部品点数を少なくすることができるため、コストの低減や組立性の向上をはかることができる。 According to the eighth aspect of the invention, the flat plate that prevents the cooling air from leaking also serves as a beam for maintaining the strength in the ventilation path. Thereby, since the number of parts can be reduced, cost can be reduced and assemblability can be improved.
第9の発明によれば、前記複数のヒートパイプのうち、放熱部の根元から先端まで複数のフィンが接合されているものと、放熱部の根元側に複数のフィンが接合されているものを、それぞれ混在させて設置している。放熱部の根元側に複数のフィンが接合されているヒートパイプ放熱部は、根元から先端まで複数のフィンが接合されているものよりも、接合されるフィン枚数が少ないために冷却風との熱抵抗が大きくなり、冷却風との温度差も大きくなるため、冷却風温度がヒートパイプ内部の冷媒の凝固点以下であっても、冷媒が凍結することなく半導体素子を効率良く冷却できる。また、放熱部の根元側に複数のフィンが接合されているヒートパイプのみで冷却器を構成した場合、根元から先端まで複数のフィンが接合されているものよりも放熱面積が小さいため、冷却風温度が冷媒の凝固点以上の場合には冷却性能が低下することが懸念されるが、両者を混在させることで、冷却風温度が冷媒の凝固点以下の場合と凝固点以上の場合での冷却性能を両立することができる。 According to the ninth invention, among the plurality of heat pipes, one in which a plurality of fins are joined from the base to the tip of the heat radiating part and one in which a plurality of fins are joined to the base side of the heat radiating part. Are installed together. The heat pipe heat dissipating part in which a plurality of fins are joined to the base side of the heat dissipating part has a smaller number of fins to be joined than the heat pipe heat dissipating part in which a plurality of fins are joined from the root to the tip. Since the resistance increases and the temperature difference with the cooling air also increases, the semiconductor element can be efficiently cooled without the refrigerant freezing even when the cooling air temperature is below the freezing point of the refrigerant inside the heat pipe. In addition, when the cooler is configured with only a heat pipe in which a plurality of fins are joined to the base side of the heat radiating part, the heat radiation area is smaller than that in which a plurality of fins are joined from the root to the tip. When the temperature is above the freezing point of the refrigerant, there is a concern that the cooling performance will deteriorate, but by mixing both, the cooling performance can be achieved both when the cooling air temperature is below the freezing point of the refrigerant and above the freezing point. can do.
第10の発明によれば、前記放熱部の根元側にのみ複数のフィンを接合しているヒートパイプが、根元から先端まで複数のフィンを等間隔で接合しているものよりも、放熱部を短くしている。冷媒凍結によりドライアウトが発生した際には、半導体素子の温度が著しく上昇し、それに伴ってヒートパイプ放熱部の根元の温度も上昇していくが、放熱部を短くすることで放熱部の根元と先端の温度差を小さくできる、すなわち先端の温度を高くすることができるため、ドライアウトが発生しても凍結した冷媒を融解し、半導体素子を効率良く冷却することができる。 According to the tenth invention, the heat pipe that joins the plurality of fins only on the base side of the heat radiating part has the heat radiating part rather than the one that joins the plurality of fins at regular intervals from the base to the tip. It is shortened. When dryout occurs due to freezing of the refrigerant, the temperature of the semiconductor element rises remarkably and the temperature of the heat pipe heat sink increases accordingly, but by shortening the heat sink, the root of the heat sink is increased. Therefore, even if dryout occurs, the frozen refrigerant can be melted and the semiconductor element can be efficiently cooled.
第11の発明によれば、半導体素子を効率良く冷却でき、小型、軽量、低コストで組立性の良い鉄道車両用の駆動システムを提供することができる。 According to the eleventh aspect, it is possible to provide a drive system for a railway vehicle that can efficiently cool a semiconductor element, is small in size, light in weight, low in cost, and has good assemblability.
以下に、図面を用いて、詳細に説明する。 Hereinafter, it will be described in detail with reference to the drawings.
以下、本発明の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。図1に本発明の第1実施形態の電力変換装置の全体構成を表す斜視図を、図2に図1の上面図を、図3に図2のA−A断面図を示す。 Hereinafter, the power converter of this invention is demonstrated in detail with reference to drawings. FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of the power conversion apparatus according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a top view of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
電力変換装置1000は、側板1110、天板1120、底板1130により構成される。また電力変換装置1000の上面には、枕木方向梁1161、1162と、進行方向梁1163、1164が設置され、電力変換装置1000の強度が保たれている。天板1120、底板1130の間には通風路底板1140が設置される。側板1110、天板1120、通風路底板1140により囲まれた空間は通風路1150であり、通風路1150の中を冷却風1210が流れる。また、側板1110、底板1130、通風路底板1140により囲まれた空間は回路部品搭載空間1600であり、中には電力変換装置1000の主回路を構成する半導体素子群1500、フィルタコンデンサ1610や、半導体素子群1500のスイッチングを制御するためのゲートドライバ1620が設置される。 The power conversion apparatus 1000 includes a side plate 1110, a top plate 1120, and a bottom plate 1130. Further, sleeper direction beams 1161 and 1162 and traveling direction beams 1163 and 1164 are installed on the upper surface of the power conversion device 1000, and the strength of the power conversion device 1000 is maintained. A ventilation path bottom plate 1140 is installed between the top plate 1120 and the bottom plate 1130. A space surrounded by the side plate 1110, the top plate 1120, and the ventilation path bottom plate 1140 is the ventilation path 1150, and the cooling air 1210 flows through the ventilation path 1150. Further, a space surrounded by the side plate 1110, the bottom plate 1130, and the ventilation path bottom plate 1140 is a circuit component mounting space 1600, and includes a semiconductor element group 1500, a filter capacitor 1610, and a semiconductor constituting the main circuit of the power converter 1000. A gate driver 1620 for controlling switching of the element group 1500 is installed.
回路部品搭載空間1600の中の半導体素子群1500は、冷却器1700の下面に設置される。冷却器1700は、通風路底板1140の下面側に気密性を持って接続されており、回路部品搭載空間1600の中に冷却風1210が流れ込まないようにしている。 The semiconductor element group 1500 in the circuit component mounting space 1600 is installed on the lower surface of the cooler 1700. The cooler 1700 is connected to the lower surface side of the ventilation path bottom plate 1140 with airtightness so that the cooling air 1210 does not flow into the circuit component mounting space 1600.
一方、冷却器1700の上面側は通風路1150の中に設置される。冷却器1700と側板1110および天板1120は密着しておらず隙間が開いており、この隙間を通過する冷却風1210の量を少なくするために、冷却器1700の周辺の空間には風漏れ防止板1191、1192、1193、1194が冷却風の流れ方向に複数設置される。それぞれの風漏れ防止板1191、1192、1193、1194が設置される向きは、冷却風1210の流れと直交する方向である。また、風漏れ防止板1194は進行方向梁1163から下側に突き出すように設置される。 On the other hand, the upper surface side of the cooler 1700 is installed in the ventilation path 1150. The cooler 1700, the side plate 1110, and the top plate 1120 are not in close contact with each other, and a gap is opened. In order to reduce the amount of the cooling air 1210 passing through the gap, a wind leak prevention is provided in the space around the cooler 1700. A plurality of plates 1191, 1192, 1193, 1194 are installed in the flow direction of the cooling air. The direction in which the respective wind leakage prevention plates 1191, 1192, 1193, and 1194 are installed is a direction orthogonal to the flow of the cooling air 1210. Further, the wind leak prevention plate 1194 is installed so as to protrude downward from the traveling direction beam 1163.
送風機1200は、吹き出し口の中心が冷却器1700のおよそ中心線上にくるように設置される。冷却風1210はフィルター1300を介して電力変換装置1000内に吸い込まれ、送風機1200の吹き出し口から冷却器1700に向かって供給される。ここで、送風機1200の吹き出し口の幅は冷却器1700の幅と比べて狭いため、通風路拡大板1171、1172により通風路1150は冷却器1700と同程度の幅に拡大され、通風路拡大板1171、1172は最も風上側に設置される風漏れ防止板1191に接続される。また、冷却風1210を冷却器1700に均一に供給するために、送風機1200の吹き出し口と冷却器1700の間には2枚の整風板1181、1182が設置される。この2枚の整風板1181、1182は、送風機1200の吹き出し口の中心に対してそれぞれ対称になるように設置され、風上側よりも風下側の隙間が広くなるように設置される。整風板1181、1182および冷却器1700を通過した冷却風1210はグリル1400から外部に排気される。 The blower 1200 is installed such that the center of the outlet is approximately on the center line of the cooler 1700. The cooling air 1210 is sucked into the power conversion apparatus 1000 through the filter 1300 and is supplied from the outlet of the blower 1200 toward the cooler 1700. Here, since the width of the blower outlet of the blower 1200 is narrower than the width of the cooler 1700, the ventilation path 1150 is expanded to the same width as the cooler 1700 by the ventilation path expansion plates 1171 and 1172, and the ventilation path expansion plate. Reference numerals 1171 and 1172 are connected to a wind leakage prevention plate 1191 installed on the most windward side. In order to uniformly supply the cooling air 1210 to the cooler 1700, two air conditioning plates 1181 and 1182 are installed between the blower outlet of the blower 1200 and the cooler 1700. The two air conditioning plates 1181 and 1182 are installed so as to be symmetrical with respect to the center of the blower outlet of the blower 1200, and are installed so that the gap on the leeward side is wider than the windward side. The cooling air 1210 that has passed through the air conditioning plates 1181 and 1182 and the cooler 1700 is exhausted from the grill 1400 to the outside.
次に、電力変換装置の主回路構成と、半導体素子群を冷却する冷却器について詳細に説明する。図4に本発明の第1実施形態の電力変換装置における主回路の一部を表す回路図を示す。図4はコンバータ主回路の二相分を記載したものであり、本発明の第1実施形態はこの主回路が二つ並列接続される回路を搭載している。コンバータ主回路の一相分は、外側IGBTモジュール1510、内側IGBTモジュール1520、クランプダイオードモジュール1530を各々2台ずつ接続して構成される。具体的には、四つのIGBTモジュールが、外側IGBTモジュール1510、内側IGBTモジュール1520、内側IGBTモジュール1520、外側IGBTモジュール1510の順に直列接続され、当該直列接続された四つのIGBTモジュールは、互いに直列接続した二つのフィルタコンデンサ1610と並列に接続される。さらに、外側IGBTモジュール1510と内側IGBTモジュール1520の接続点同士が二つのクランプダイオードモジュール1530を介して接続され、二つのクランプダイオードモジュール1530の接続点と二つのフィルタコンデンサ1610の接続点同士が接続される。 Next, the main circuit configuration of the power converter and the cooler that cools the semiconductor element group will be described in detail. FIG. 4 is a circuit diagram showing a part of the main circuit in the power conversion device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 shows the two phases of the converter main circuit. The first embodiment of the present invention is equipped with a circuit in which two main circuits are connected in parallel. One phase of the converter main circuit is configured by connecting two outer IGBT modules 1510, two inner IGBT modules 1520, and two clamp diode modules 1530 each. Specifically, the four IGBT modules are connected in series in the order of the outer IGBT module 1510, the inner IGBT module 1520, the inner IGBT module 1520, and the outer IGBT module 1510. The four IGBT modules connected in series are connected in series to each other. The two filter capacitors 1610 are connected in parallel. Further, the connection points of the outer IGBT module 1510 and the inner IGBT module 1520 are connected via two clamp diode modules 1530, and the connection points of the two clamp diode modules 1530 and the connection points of the two filter capacitors 1610 are connected. The
図5に冷却器および半導体素子群の下面図を示す。冷却器1700の構成部品の一つである受熱ブロック1710は、2枚のアルミ製厚板で構成されており、各々が連結用ボルト1712によって連結される。また、受熱ブロック1710の端部には複数の冷却器固定用ネジ穴1711が開けられており、図3に記載の通風路底板1140に接続される。受熱ブロック1710の下面には、半導体素子群1500が並設される。半導体素子群1500は、冷却風1210の流れ方向に沿って、一相分を構成する各モジュールが外側IGBTモジュール1510、クランプダイオードモジュール1530、内側IGBTモジュール1520、クランプダイオードモジュール1530、外側IGBTモジュール1510の順に配置され、合計四相分の半導体素子群1500が冷却風1210と直交する方向に複数設置される。 FIG. 5 shows a bottom view of the cooler and the semiconductor element group. The heat receiving block 1710, which is one of the components of the cooler 1700, is constituted by two aluminum thick plates, and each is connected by a connecting bolt 1712. In addition, a plurality of screw holes 1711 for fixing the cooler are formed at the end of the heat receiving block 1710 and connected to the ventilation path bottom plate 1140 shown in FIG. A semiconductor element group 1500 is arranged in parallel on the lower surface of the heat receiving block 1710. In the semiconductor element group 1500, each module constituting one phase along the flow direction of the cooling air 1210 includes an outer IGBT module 1510, a clamp diode module 1530, an inner IGBT module 1520, a clamp diode module 1530, and an outer IGBT module 1510. A plurality of semiconductor element groups 1500 for a total of four phases are arranged in a direction orthogonal to the cooling air 1210.
図6に冷却器の上面図を、図7に図6のB−B断面図を、図8に図6のC−C断面図を、図9に図6のD−D断面図を、図10に図6のE−E断面図を、図11に図6のF−F断面図を示す。図6の中心線よりも上側に図示している点線はヒートパイプの受熱部を、中心線よりも下側に図示している点線は、下面に設置される半導体素子群1500の投影図を示している。受熱ブロック1710の上面側には、冷却風1210の流れ方向に沿って溝が複数形成されており、その溝に複数のU字型ヒートパイプ1720の受熱部1721と、複数のL字型ヒートパイプ1730の受熱部1731が、冷却風1210の流れ方向に沿って設置され、はんだ等のろう材1740を溝に流し込んで固めることで、受熱ブロック1710とU字型ヒートパイプ1720およびL字型ヒートパイプ1730は接合される。またU字型ヒートパイプ1720の放熱部1722およびL字型ヒートパイプ1730の放熱部1732は鉛直方向に立設され、各々の放熱部1722、1732には、放熱部の位置に合わせた貫通穴を有する複数のフィン1750が圧入される。 6 is a top view of the cooler, FIG. 7 is a sectional view taken along line BB in FIG. 6, FIG. 8 is a sectional view taken along line CC in FIG. 6, FIG. 9 is a sectional view taken along line DD in FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line EE in FIG. 6, and FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line FF in FIG. 6. The dotted line shown above the center line in FIG. 6 shows the heat receiving portion of the heat pipe, and the dotted line shown below the center line shows a projection view of the semiconductor element group 1500 installed on the lower surface. ing. A plurality of grooves are formed on the upper surface side of the heat receiving block 1710 along the flow direction of the cooling air 1210, and heat receiving portions 1721 of a plurality of U-shaped heat pipes 1720 and a plurality of L-shaped heat pipes are formed in the grooves. A heat receiving portion 1731 of 1730 is installed along the flow direction of the cooling air 1210, and a brazing material 1740 such as solder is poured into the groove and hardened, whereby the heat receiving block 1710, the U-shaped heat pipe 1720, and the L-shaped heat pipe 1730 is joined. Further, the heat radiating portion 1722 of the U-shaped heat pipe 1720 and the heat radiating portion 1732 of the L-shaped heat pipe 1730 are erected in the vertical direction, and each of the heat radiating portions 1722 and 1732 is provided with a through hole corresponding to the position of the heat radiating portion. A plurality of fins 1750 are press-fitted.
一方、受熱ブロック1710の上面の、ヒートパイプが設置される領域と冷却器固定用ネジ穴1711との間には、シール材1760が全周にわたって設置される。これにより、通風路底板1140と冷却器1700は気密を保って接続され、冷却風が半導体モジュールと直接接触することを防止している。 On the other hand, a sealing material 1760 is installed over the entire circumference between the region where the heat pipe is installed on the upper surface of the heat receiving block 1710 and the screw hole 1711 for fixing the cooler. As a result, the ventilation path bottom plate 1140 and the cooler 1700 are connected in an airtight manner to prevent the cooling air from coming into direct contact with the semiconductor module.
ヒートパイプの配置について説明する。図7に示すB−B断面では、各々のヒートパイプは冷却風1210の流れ方向に沿って、L字型ヒートパイプ1730、5本のU字型ヒートパイプ1720、L字型ヒートパイプ1730の順に設置される。ここで、冷却風の上流と下流の端部に配置されるL字型ヒートパイプ1730は、放熱部が内側となる向きに設置される。図8に示すC−C断面では、図7に示すU字型ヒートパイプ1720よりも放熱部の長さの短い短尺ヒートパイプ1780が設置され、冷却風1210の流れ方向に沿って、短尺ヒートパイプ1780、U字型ヒートパイプ1720、短尺ヒートパイプ1780、短尺ヒートパイプ1780、U字型ヒートパイプ1720、短尺ヒートパイプ1780の順に設置される。図9に示すD−D断面では、L字型ヒートパイプ1730、短尺ヒートパイプ1780、U字型ヒートパイプ1720、短尺ヒートパイプ1780、U字型ヒートパイプ1720、短尺ヒートパイプ1780、L字型ヒートパイプ1730の順に設置される。ここで、冷却風の上流と下流の端部に配置されるL字型ヒートパイプ1730は、放熱部が内側となる向きに設置される。図10に示すE−E断面では、U字型ヒートパイプ1720、短尺ヒートパイプ1780、U字型ヒートパイプ1720、U字型ヒートパイプ1720、短尺ヒートパイプ1780、U字型ヒートパイプ1720の順に設置される。図11に示すF−F断面では、U字型ヒートパイプ1720が6本設置される。図6に示すように、B−B断面、C−C断面、D−D断面、E−E断面、D−D断面、C−C断面、B−B断面、F−F断面、B−B断面、C−C断面、D−D断面、E−E断面、D−D断面、C−C断面、B−B断面、の順にヒートパイプを設置することで、ヒートパイプ受熱部1721、1731およびヒートパイプ放熱部1722、1732は千鳥状に配置される。つまり、B−B断面、D−D断面のように冷却風の上流と下流の端部にL字型ヒートパイプ1730の放熱部が内側となるように配置されたヒートパイプの列と、C−C断面、E−E断面、F−F断面のように冷却風の上流と下流の端部にU字型ヒートパイプ1720を配置したヒートパイプの列を、交互に配置することにより、ヒートパイプ受熱部1721、1731およびヒートパイプ放熱部1722、1732は千鳥状に配置されることになり、ヒートパイプ放熱部による通風抵抗を抑えつつ、受熱ブロック1710の全面にヒートパイプ受熱部を配置して放熱性能を向上させることができる。また、短尺ヒートパイプ1780も偏り無く配置される。本発明の第1実施形態では、ヒートパイプの総数196本に対し、短尺ヒートパイプは64本であり、全体の約3割である。 The arrangement of the heat pipe will be described. In the BB cross section shown in FIG. 7, the heat pipes are arranged in the order of the L-shaped heat pipe 1730, the five U-shaped heat pipes 1720, and the L-shaped heat pipe 1730 along the flow direction of the cooling air 1210. Installed. Here, the L-shaped heat pipes 1730 disposed at the upstream and downstream ends of the cooling air are installed in a direction in which the heat radiating portion is on the inside. In the CC cross section shown in FIG. 8, a short heat pipe 1780 having a heat radiating portion shorter than the U-shaped heat pipe 1720 shown in FIG. 7 is installed, and the short heat pipe is arranged along the flow direction of the cooling air 1210. 1780, U-shaped heat pipe 1720, short heat pipe 1780, short heat pipe 1780, U-shaped heat pipe 1720, short heat pipe 1780 are installed in this order. In the DD cross section shown in FIG. 9, an L-shaped heat pipe 1730, a short heat pipe 1780, a U-shaped heat pipe 1720, a short heat pipe 1780, a U-shaped heat pipe 1720, a short heat pipe 1780, and an L-shaped heat pipe. The pipes 1730 are installed in this order. Here, the L-shaped heat pipes 1730 disposed at the upstream and downstream ends of the cooling air are installed in a direction in which the heat radiating portion is on the inside. 10, a U-shaped heat pipe 1720, a short heat pipe 1780, a U-shaped heat pipe 1720, a U-shaped heat pipe 1720, a short heat pipe 1780, and a U-shaped heat pipe 1720 are installed in this order. Is done. In the FF cross section shown in FIG. 11, six U-shaped heat pipes 1720 are installed. As shown in FIG. 6, BB cross section, CC cross section, DD cross section, EE cross section, DD cross section, CC cross section, BB cross section, FF cross section, BB cross section By installing the heat pipe in the order of cross section, CC cross section, DD cross section, EE cross section, DD cross section, CC cross section, BB cross section, heat pipe heat receiving portions 1721, 1731 and The heat pipe heat radiation parts 1722 and 1732 are arranged in a staggered manner. That is, as shown in the B-B cross section and the D-D cross section, the rows of heat pipes arranged so that the heat dissipating part of the L-shaped heat pipe 1730 is located at the upstream and downstream ends of the cooling air, and C- Heat pipe heat receiving by alternately arranging rows of heat pipes in which U-shaped heat pipes 1720 are arranged at the upstream and downstream ends of the cooling air as in the C cross section, the EE cross section, and the FF cross section. The parts 1721 and 1731 and the heat pipe heat radiating parts 1722 and 1732 are arranged in a staggered manner, and the heat pipe heat receiving part is arranged on the entire surface of the heat receiving block 1710 while suppressing the ventilation resistance by the heat pipe heat radiating part. Can be improved. Moreover, the short heat pipe 1780 is also arranged without deviation. In 1st Embodiment of this invention, with respect to the total number of 196 heat pipes, there are 64 short heat pipes, or about 30% of the total.
図12に図10の領域Gの拡大図を示す。受熱ブロック1710内において、U字型ヒートパイプ放熱部1722の真下の領域はヒートパイプ受熱部の無い領域1770であり、ヒートパイプ受熱部内部と比較して熱抵抗が大きく局所的に温度が高くなることが懸念される。しかし、図6に示すようにヒートパイプ受熱部1721、1731を千鳥状に配置することにより、例えばB−B断面における受熱部の無い領域1770の近傍には、C−C断面あるいはF−F断面におけるU字型ヒートパイプ受熱部1721が配置されるため、熱移動が促進されて局所的な温度上昇が抑制される。 FIG. 12 shows an enlarged view of region G in FIG. In the heat receiving block 1710, the region directly below the U-shaped heat pipe heat radiating portion 1722 is a region 1770 where there is no heat pipe heat receiving portion, and the heat resistance is large and the temperature locally increases compared to the inside of the heat pipe heat receiving portion. There is concern. However, by arranging the heat pipe heat receiving portions 1721 and 1731 in a staggered manner as shown in FIG. 6, for example, in the vicinity of the region 1770 without the heat receiving portion in the BB cross section, the CC cross section or the FF cross section. Since the U-shaped heat pipe heat receiving part 1721 is arranged, heat transfer is promoted and local temperature rise is suppressed.
次に、ヒートパイプと半導体素子群との位置関係を説明する。図7に示すB−B断面において、L字型ヒートパイプ1730は、外側IGBTモジュール1510の投影面上にL字型ヒートパイプ放熱部1732が設置される。風上側から1本目と5本目のU字型ヒートパイプ1720は、外側IGBTモジュール1510とクランプダイオードモジュール1530の双方の投影面上にU字型ヒートパイプ放熱部1722が設置される。風上側から2本目と4本目のU字型ヒートパイプ1720は、内側IGBTモジュール1520とクランプダイオードモジュール1530の双方の投影面上にU字型ヒートパイプ放熱部1722が設置される。風上側から3本目のU字型ヒートパイプ1720は、内側IGBTモジュール1520の風上側、風下側の双方の投影面上にU字型ヒートパイプ放熱部1722が設置される。 Next, the positional relationship between the heat pipe and the semiconductor element group will be described. In the BB cross section shown in FIG. 7, the L-shaped heat pipe 1730 is provided with an L-shaped heat pipe heat radiating portion 1732 on the projection surface of the outer IGBT module 1510. The first and fifth U-shaped heat pipes 1720 from the windward side are provided with U-shaped heat pipe heat dissipating parts 1722 on the projection surfaces of both the outer IGBT module 1510 and the clamp diode module 1530. The second and fourth U-shaped heat pipes 1720 from the windward side are provided with a U-shaped heat pipe heat radiating portion 1722 on the projection surfaces of both the inner IGBT module 1520 and the clamp diode module 1530. The third U-shaped heat pipe 1720 from the windward side is provided with a U-shaped heat pipe heat radiating part 1722 on both the windward and leeward projection surfaces of the inner IGBT module 1520.
また、図11に示すF−F断面において、風上側から1本目と6本目のU字型ヒートパイプ1720は、外側IGBTモジュール1510のみの投影面上にU字型ヒートパイプ放熱部1722が設置される。風上側から2本目と5本目のU字型ヒートパイプ1720は、クランプダイオードモジュール1530のみの投影面上にU字型ヒートパイプ放熱部1722が設置される。風上側から3本目と4本目のU字型ヒートパイプ1720は、内側IGBTモジュール1520のみの投影面上にU字型ヒートパイプ放熱部1722が設置される。 In addition, in the FF cross section shown in FIG. 11, the first and sixth U-shaped heat pipes 1720 from the windward side are provided with a U-shaped heat pipe heat dissipation part 1722 on the projection surface of only the outer IGBT module 1510. The The second and fifth U-shaped heat pipes 1720 from the windward side are provided with a U-shaped heat pipe heat radiating portion 1722 on the projection surface of only the clamp diode module 1530. The third and fourth U-shaped heat pipes 1720 from the windward side are provided with a U-shaped heat pipe heat radiating portion 1722 on the projection surface of only the inner IGBT module 1520.
次に、フィン構成について説明する。冷却風1210に対して風上側のヒートパイプ放熱部には複数の風上側フィン1751が、風下側のヒートパイプ放熱部には複数の風下側フィン1752が圧入される。複数の風上側フィン1751の各々のピッチは、風下側フィン1752の各々のピッチよりも大きくしており、フィンの枚数を少なくしている。本発明の第1実施形態では、風下側フィンが48枚であるのに対し、風上側フィンは24枚であり、両者の枚数の比は2対1である。また、製作性を考慮し、フィン1750を冷却風1210の流れと直交する方向に4分割している。 Next, the fin configuration will be described. A plurality of leeward fins 1751 are press-fitted into the leeward heat pipe heat radiating portion with respect to the cooling air 1210, and a plurality of leeward fins 1752 are pressed into the leeward heat pipe radiating portion. The pitch of each of the plurality of leeward fins 1751 is larger than the pitch of each of the leeward fins 1752, and the number of fins is reduced. In the first embodiment of the present invention, there are 48 leeward fins, whereas there are 24 leeward fins, and the ratio of the number of both is 2: 1. In consideration of manufacturability, the fin 1750 is divided into four in a direction orthogonal to the flow of the cooling air 1210.
フィンとヒートパイプの接合について説明する。図13に図10の領域Hの拡大図を示す。フィン1750には、U字型ヒートパイプ放熱部1722の位置に対応した貫通穴が設けられ、貫通穴の周囲にバーリング1790が設けられ、フィン1750をU字型ヒートパイプ放熱部1722に圧入する際に、バーリング1790とU字型ヒートパイプ放熱部1722が面接触することで熱的に接続される。U字型ヒートパイプの放熱部1722には、放熱部の先端から根元までフィン1750が等間隔で接続されているのに対し、短尺ヒートパイプの放熱部1782ではフィン1750のうち根元側のみ、本発明の第1実施形態においては根元側の8枚のみ接続され、それよりも先端側にはバーリング1790を設けずにヒートパイプ放熱部とフィンを接続しないようにしている。 The joining of the fin and the heat pipe will be described. FIG. 13 shows an enlarged view of region H in FIG. The fin 1750 is provided with a through hole corresponding to the position of the U-shaped heat pipe heat radiating portion 1722, and a burring 1790 is provided around the through hole so that the fin 1750 is press-fitted into the U-shaped heat pipe heat radiating portion 1722. In addition, the burring 1790 and the U-shaped heat pipe heat radiating portion 1722 are thermally connected by surface contact. Fins 1750 are connected to the heat radiating portion 1722 of the U-shaped heat pipe from the tip of the heat radiating portion to the base at equal intervals, whereas in the heat radiating portion 1782 of the short heat pipe, only the root side of the fin 1750 is In the first embodiment of the invention, only the base eight are connected, and the burring 1790 is not provided on the tip side so that the heat pipe heat dissipating part and the fin are not connected.
次に、冷却器と風漏れ防止板の位置関係について説明する。図14は図3の領域Iの拡大図であり、U字型ヒートパイプ放熱部1722の先端と、風漏れ防止板1194の位置関係を示している。U字型ヒートパイプ放熱部1722の先端は、先端以外と比較して直径が小さくなっておりフィン1751、1752を圧入することができないため、U字型ヒートパイプ放熱部1722の先端は最上段のフィンから20〜30mm程度突出している。一方、風漏れ防止板1194は各々のU字型ヒートパイプ放熱部1722の間の位置に設置される。風漏れ防止板1194と最上段のフィンとの隙間は5mm程度であり、U字型ヒートパイプ放熱部1722の先端と最上段のフィンとの隙間よりも小さくしている。 Next, the positional relationship between the cooler and the wind leakage prevention plate will be described. FIG. 14 is an enlarged view of the region I in FIG. 3 and shows the positional relationship between the tip of the U-shaped heat pipe heat radiating portion 1722 and the wind leakage prevention plate 1194. The tip of the U-shaped heat pipe heat radiating part 1722 has a smaller diameter than the other end and the fins 1751 and 1752 cannot be press-fitted. It protrudes about 20-30mm from the fin. On the other hand, the wind leak prevention plate 1194 is installed at a position between the respective U-shaped heat pipe radiating portions 1722. The clearance between the wind leak prevention plate 1194 and the uppermost fin is about 5 mm, which is smaller than the clearance between the tip of the U-shaped heat pipe heat radiating portion 1722 and the uppermost fin.
電力変換装置を鉄道車両客室の床下に搭載した状態を説明する。図15に車両走行方向から見た断面図を示す。紙面奥行き方向は車両走行方向を、左右方向は枕木方向を、上下方向は鉛直方向を示す。電力変換装置1000は客室2000の床下につり部材3000により接続される。冷却風1210は電力変換装置1000の内部を枕木方向に通風する。 A state where the power conversion device is mounted under the floor of the railway vehicle cabin will be described. FIG. 15 is a sectional view as seen from the vehicle traveling direction. The depth direction in the drawing indicates the vehicle traveling direction, the left-right direction indicates the sleeper direction, and the up-down direction indicates the vertical direction. The power conversion apparatus 1000 is connected to the passenger compartment 2000 under the floor by a suspension member 3000. Cooling air 1210 ventilates the power converter 1000 in the direction of sleepers.
次に、本発明の第1実施形態の効果について説明する。前記の通り、第1実施形態では、複数のヒートパイプのうち短尺ヒートパイプ1780を偏りなく配置し、さらに短尺ヒートパイプの放熱部1782には複数のフィン1750のうち根元側の4枚のみ接続している。根元側にのみフィン1750が接合されている短尺ヒートパイプの放熱部1782は、根元から先端まで複数のフィン1750が等間隔で接合されているものよりも、接合されるフィン1750の枚数が少ないために冷却風1210との熱抵抗が大きくなり、冷却風1210との温度差も大きくなるため、冷却風1210の温度がヒートパイプ内部の冷媒の凝固点以下であっても、冷媒が凍結することなく半導体素子群1500を効率良く冷却できる。 Next, the effect of the first embodiment of the present invention will be described. As described above, in the first embodiment, among the plurality of heat pipes, the short heat pipes 1780 are arranged without being biased, and only four of the fins 1750 on the root side are connected to the heat radiating portion 1782 of the short heat pipes. ing. Since the heat dissipating part 1782 of the short heat pipe in which the fins 1750 are joined only on the root side, the number of fins 1750 to be joined is smaller than that in which a plurality of fins 1750 are joined at equal intervals from the root to the tip. Therefore, even if the temperature of the cooling air 1210 is equal to or lower than the freezing point of the refrigerant inside the heat pipe, the refrigerant does not freeze. The element group 1500 can be efficiently cooled.
また、放熱部の根元側にのみ複数のフィン1750が接合されている短尺ヒートパイプ1780のみで冷却器を構成した場合、根元から先端まで複数のフィン1750が接続されているものよりも放熱面積が小さいため、冷却風1210の温度が冷媒の凝固点以上の場合には冷却性能が低下することが懸念されるが、両者を混在させることで、冷却風1210の温度が冷媒の凝固点以下の場合と、凝固点以上の場合での冷却性能を両立することができる。 Further, when the cooler is configured only by the short heat pipe 1780 in which the plurality of fins 1750 are joined only on the base side of the heat radiating portion, the heat radiation area is larger than that in which the plurality of fins 1750 are connected from the root to the tip. However, when the temperature of the cooling air 1210 is equal to or higher than the freezing point of the refrigerant, there is a concern that the cooling performance is deteriorated, but by mixing both, the temperature of the cooling air 1210 is equal to or lower than the freezing point of the refrigerant. The cooling performance in the case of the freezing point or higher can be achieved.
また、ヒートパイプ内の冷媒が全て凍結するドライアウトが発生した際には半導体素子の温度上昇に伴ってヒートパイプ放熱部の根元の温度も上昇していくが、U字型ヒートパイプ1720、L字型ヒートパイプ1730よりも放熱部の短い短尺ヒートパイプ1780は放熱部1782の根元と先端の温度差を小さくできる、すなわち先端の温度を高くすることができるため、ドライアウトが発生しても凍結した冷媒を融解し、半導体素子群1500を効率良く冷却することができる。つまり、放熱部に接続されるフィンの枚数が異なる2種類以上のヒートパイプを組合せて冷却器を構成することにより、冷却風1210の温度が冷媒の凝固点以上の場合の冷却性能を維持しつつ、冷却風1210の温度が冷媒の凝固点以下の場合の冷媒凍結を防止することが可能となります。 In addition, when dryout occurs in which all the refrigerant in the heat pipe freezes, the temperature of the heat pipe heat radiation portion rises as the temperature of the semiconductor element rises, but the U-shaped heat pipe 1720, L The short heat pipe 1780 having a shorter heat radiating portion than the letter-shaped heat pipe 1730 can reduce the temperature difference between the root and the tip of the heat radiating portion 1782, that is, can increase the temperature of the tip, so that it freezes even if dryout occurs. The melted refrigerant can be melted and the semiconductor element group 1500 can be efficiently cooled. That is, by configuring the cooler by combining two or more types of heat pipes with different numbers of fins connected to the heat radiating portion, while maintaining the cooling performance when the temperature of the cooling air 1210 is equal to or higher than the freezing point of the refrigerant, It is possible to prevent the refrigerant from freezing when the temperature of the cooling air 1210 is below the freezing point of the refrigerant.
また、U字型ヒートパイプ1720の受熱部1721が冷却風1210の流れと沿う方向に設置されることにより、冷却風1210に対して風下側から風上側への熱移動を促進させることができるため、冷却風の温度上昇による影響を平準化し、風下側の半導体素子の温度上昇を抑制することができる。また、U字型ヒートパイプ1720の放熱部1722が垂直方向に立ち上がるように立設され、U字型ヒートパイプ放熱部1722に複数のフィン1750が接合されて通風路1150内に設置されることにより、受熱ブロック1710からフィン1750への熱移動を促進させることができるため、フィン効率が向上する。また、冷却風1210の流れと直交する方向に発熱量の同じ半導体素子が並ぶように設置することにより、冷却風1210の流れと直交する方向の温度を均一にすることができる。そのため、温度の均一化を図るために、冷却風の流れと直交する方向に沿ってヒートパイプを設置する必要がなく、ヒートパイプの受熱部を冷却風の流れ方向に揃えることができ、製造が容易となる。また、発熱量の大きいIGBTモジュールの間に発熱量の小さいクランプダイオードモジュールを設置することにより、発熱量の大きいIGBTモジュールから発熱量の小さいクランプダイオードモジュールへ熱が移動し、受熱ブロック内での効率的な熱の分散をはかることができるため、半導体素子群1500の温度を平準化することができる。 Further, since the heat receiving portion 1721 of the U-shaped heat pipe 1720 is installed in a direction along the flow of the cooling air 1210, heat transfer from the leeward side to the windward side can be promoted with respect to the cooling air 1210. It is possible to level the influence of the temperature rise of the cooling air and suppress the temperature rise of the leeward semiconductor element. Further, the heat radiating portion 1722 of the U-shaped heat pipe 1720 is erected so as to rise in the vertical direction, and a plurality of fins 1750 are joined to the U-shaped heat pipe radiating portion 1722 and installed in the ventilation path 1150. Since heat transfer from the heat receiving block 1710 to the fins 1750 can be promoted, fin efficiency is improved. Further, by installing the semiconductor elements having the same calorific value in a direction orthogonal to the flow of the cooling air 1210, the temperature in the direction orthogonal to the flow of the cooling air 1210 can be made uniform. Therefore, it is not necessary to install a heat pipe along the direction orthogonal to the flow of the cooling air in order to make the temperature uniform, and the heat receiving part of the heat pipe can be aligned with the flow direction of the cooling air. It becomes easy. Also, by installing a clamp diode module with a small amount of heat generation between IGBT modules with a large amount of heat generation, heat is transferred from the IGBT module with a large amount of heat generation to the clamp diode module with a small amount of heat generation, and the efficiency within the heat receiving block Thus, the temperature of the semiconductor element group 1500 can be leveled.
また、回生時に発熱量が大きくなる外側IGBTモジュール1510と、IGBTモジュールよりも発熱量の小さいクランプダイオードモジュール1530の双方の投影面上にU字型ヒートパイプ1720の受熱部1721を設置することにより、回生時に外側IGBTモジュール1510からクランプダイオードモジュール1530側への熱移動を促進することができ、双方の温度を平準化することができる。また、力行時に発熱量が大きくなる内側IGBTモジュール1520とクランプダイオードモジュール1530の双方の投影面上にU字型ヒートパイプ1720の受熱部1721を設置することにより、力行時に内側IGBTモジュール1520からクランプダイオードモジュール1530側への熱移動を促進することができ、双方の温度を平準化することができる。また、単一の半導体素子の投影面上にU字型ヒートパイプ1720の受熱部1721を設置することにより、このヒートパイプは当該半導体素子のみの熱をフィン1750へ輸送する役割を持つことになり、これらのヒートパイプを混在させることで、局所的な温度上昇を抑制し、半導体素子群1500の温度を平準化することができる。 Further, by installing the heat receiving portion 1721 of the U-shaped heat pipe 1720 on the projection surfaces of both the outer IGBT module 1510 that generates a large amount of heat during regeneration and the clamp diode module 1530 that generates a smaller amount of heat than the IGBT module, Heat transfer from the outer IGBT module 1510 to the clamp diode module 1530 can be promoted during regeneration, and both temperatures can be leveled. In addition, by installing the heat receiving portion 1721 of the U-shaped heat pipe 1720 on the projection surfaces of both the inner IGBT module 1520 and the clamp diode module 1530 that generate a large amount of heat during power running, the clamp diode from the inner IGBT module 1520 during power running. Heat transfer to the module 1530 side can be promoted, and both temperatures can be leveled. Further, by installing the heat receiving portion 1721 of the U-shaped heat pipe 1720 on the projection surface of a single semiconductor element, the heat pipe has a role of transporting heat of only the semiconductor element to the fins 1750. By mixing these heat pipes, local temperature rise can be suppressed and the temperature of the semiconductor element group 1500 can be leveled.
また、U字型ヒートパイプ1720の放熱部1722を千鳥状に設置することにより、フィン1750とヒートパイプの接合部が均等に配置され、フィン1750に均等に熱が輸送されるため、フィン効率が向上する。さらに、ヒートパイプの放熱部が正方状に配置された場合と比較してフィン間ならびにヒートパイプ間の流路の断面積が広くなるため、フィン間の通風抵抗が小さくなり、送風機1200を用いて冷却する際に冷却風1210を多く供給することができるため、半導体素子群1500を効率良く冷却することができる。 In addition, by installing the heat dissipating parts 1722 of the U-shaped heat pipe 1720 in a staggered manner, the joints between the fins 1750 and the heat pipes are arranged evenly, and heat is transported to the fins 1750 evenly. improves. Further, since the cross-sectional area of the flow path between the fins and between the heat pipes is larger than when the heat radiating portion of the heat pipe is arranged in a square shape, the ventilation resistance between the fins is reduced, and the blower 1200 is used. Since a large amount of cooling air 1210 can be supplied during cooling, the semiconductor element group 1500 can be efficiently cooled.
また、最も風上側の位置、あるいは最も風下側の位置、あるいは風上側、風下側の双方にL字型ヒートパイプ1730を放熱部が内側となるように設置することにより、フィン1750の投影面の外側にL字型ヒートパイプ1730の受熱部1731を設置することができるようになる。これにより、半導体素子をフィン1750の投影面の外側に設置しても、L字型ヒートパイプ1730により半導体素子の熱を効率良く内側のフィン1750に輸送することができるため、フィン1750を小型化することができる。 Further, by installing an L-shaped heat pipe 1730 at the most windward position, the most leeward position, or both the leeward and leeward sides so that the heat dissipating part is inside, the projection surface of the fin 1750 The heat receiving portion 1731 of the L-shaped heat pipe 1730 can be installed outside. Accordingly, even when the semiconductor element is installed outside the projection surface of the fin 1750, the heat of the semiconductor element can be efficiently transported to the inner fin 1750 by the L-shaped heat pipe 1730, and thus the fin 1750 can be downsized. can do.
また、複数のフィン1750を冷却風の流れ方向に対して分割し、空気温度の低い風上側のフィン1751のピッチを、空気温度の高い風下側のフィン1752よりも大きくしてフィン枚数を少なくすることにより、フィン間の通風抵抗を小さくでき、送風機1200を用いて冷却する際に冷却風1210を多く供給することができるため、半導体素子群1500を効率良く冷却することができる他、冷却器1700を軽量化することができる。 Further, the plurality of fins 1750 are divided in the flow direction of the cooling air, and the pitch of the fins 1751 on the leeward side where the air temperature is low is made larger than that of the fins 1752 on the leeward side where the air temperature is high, thereby reducing the number of fins. Accordingly, the airflow resistance between the fins can be reduced, and a large amount of cooling air 1210 can be supplied when cooling using the blower 1200. Therefore, the semiconductor element group 1500 can be efficiently cooled, and the cooler 1700 can be cooled. Can be reduced in weight.
また、通風路1150において、フィン1750の風上側に複数の整風板1181、1182を設置することにより、送風機1200からフィン1750に供給される冷却風1210の風速を、冷却風1210の流れと直交する方向において均一にすることができるため、フィン1750の幅が送風機1200の吹き出し口の幅に対して大きい場合においても半導体素子群1500を効率良く冷却できる。 In addition, by installing a plurality of air conditioning plates 1181 and 1182 on the windward side of the fin 1750 in the ventilation path 1150, the wind speed of the cooling air 1210 supplied from the blower 1200 to the fin 1750 is orthogonal to the flow of the cooling air 1210. Since it can be made uniform in the direction, the semiconductor element group 1500 can be efficiently cooled even when the width of the fins 1750 is larger than the width of the outlet of the blower 1200.
また、通風路1150において、U字型ヒートパイプ放熱部1722の最も先端側に接合されるフィンと、通風路1150を構成する天板1120との間に、冷却風1210の流れと直交する方向に複数の風漏れ防止板1191、1192、1193、1194を設置することにより、冷却風1210がフィン間から漏れるのを防ぐことができるため、半導体素子群1500を効率良く冷却できる。さらに、複数の風漏れ防止板1191、1192、1193、1194とU字型ヒートパイプ放熱部1722の先端側に接合されるフィンとの距離を、先端側に接合されるフィンとU字型ヒートパイプ放熱部1722の先端との距離よりも短くすることで、フィン間から漏れる冷却風1210の量をさらに少なくすることができる。 Further, in the ventilation path 1150, a direction perpendicular to the flow of the cooling air 1210 is provided between the fin joined to the most distal end side of the U-shaped heat pipe heat radiating portion 1722 and the top plate 1120 constituting the ventilation path 1150. By installing the plurality of wind leakage prevention plates 1191, 1192, 1193, and 1194, the cooling air 1210 can be prevented from leaking from between the fins, so that the semiconductor element group 1500 can be efficiently cooled. Further, the distance between the plurality of wind leakage prevention plates 1191, 1192, 1193, 1194 and the fins joined to the front end side of the U-shaped heat pipe radiating portion 1722 is set to the distance between the fin joined to the front end side and the U-shaped heat pipe. By making the distance shorter than the distance from the tip of the heat radiating portion 1722, the amount of cooling air 1210 leaking from between the fins can be further reduced.
また、風漏れ防止板1194は、通風路1150内の強度を保つための梁1160を兼ねている。これにより、部品点数を少なくすることができるため、コストの低減や組立性の向上をはかることができる。 The wind leakage prevention plate 1194 also serves as a beam 1160 for maintaining the strength in the ventilation path 1150. Thereby, since the number of parts can be reduced, cost can be reduced and assemblability can be improved.
これらの構成により、半導体素子群1500を効率良く冷却でき、小型、軽量、低コストで組立性の良い電力変換装置1000を鉄道車両に搭載することができる。 With these configurations, the semiconductor element group 1500 can be efficiently cooled, and the power conversion apparatus 1000 that is compact, lightweight, low cost, and easy to assemble can be mounted on a railway vehicle.
本発明の第1実施形態の効果を検証するために、汎用熱流体解析ソフトを用いて各半導体素子の温度を計算し、特許文献1と比較した。前記の通り、特許文献1では一相分の回路を構成する複数の半導体素子群を冷却風の流れと直交する方向に設置しているのに対し、本発明の第1実施形態では冷却風の流れに沿う方向に設置している。フィン構成、冷却風量はそれぞれの構成で等しくし、図16に示す各半導体素子の熱損失を運転条件毎に与えた。なお、図16では、各半導体素子の損失を、力行運転での全損失を基準とした相対値で表記している。 In order to verify the effect of the first embodiment of the present invention, the temperature of each semiconductor element was calculated using general-purpose thermal fluid analysis software and compared with Patent Document 1. As described above, in Patent Document 1, a plurality of semiconductor element groups constituting a circuit for one phase are installed in a direction orthogonal to the flow of cooling air, whereas in the first embodiment of the present invention, It is installed in the direction along the flow. The fin configuration and the cooling air amount were the same in each configuration, and the heat loss of each semiconductor element shown in FIG. 16 was given for each operating condition. In FIG. 16, the loss of each semiconductor element is expressed as a relative value based on the total loss in the power running operation.
図17〜図20は、汎用熱流体解析ソフトにて計算した各半導体素子の温度上昇を示している。図17は特許文献1に記載の電力変換装置における力行時の温度上昇、図18は回生時の温度上昇、図19は本発明の第1実施形態の電力変換装置における力行時の温度上昇、図20は回生時の温度上昇である。図中の下線付き数値は、図17〜図20の中での最大温度上昇値を基準とした相対値(以降、温度上昇比と呼ぶ)である。これらの図によると、特許文献1における最大温度上昇比は力行時で1.00、回生時で0.78であるのに対し、本発明の第1実施形態では力行時で0.77、回生時で0.76であった。また、温度上昇比の最大値と最小値の差、すなわち温度バラつきは、特許文献1では力行時で0.59、回生時で0.46であるのに対し、本発明の第1実施形態では力行時で0.34、回生時で0.35であった。これより、本発明では特許文献1と比較して、各半導体素子の温度バラつきが低減しており、最大温度も低くなることが示された。特に、力行時では温度の低減効果が大きく、半導体素子の最大温度上昇を23%低減できることが示された。 17 to 20 show the temperature rise of each semiconductor element calculated by the general-purpose thermal fluid analysis software. 17 shows a temperature rise during power running in the power conversion device described in Patent Document 1, FIG. 18 shows a temperature rise during regeneration, FIG. 19 shows a temperature rise during power running in the power conversion device according to the first embodiment of the present invention, FIG. 20 is a temperature rise at the time of regeneration. The underlined numerical value in the figure is a relative value (hereinafter referred to as a temperature increase ratio) based on the maximum temperature increase value in FIGS. According to these figures, the maximum temperature rise ratio in Patent Document 1 is 1.00 during power running and 0.78 during regeneration, whereas in the first embodiment of the present invention, it is 0.77 during regeneration. It was 0.76 at the time. Further, the difference between the maximum value and the minimum value of the temperature increase ratio, that is, the temperature variation is 0.59 in powering and 0.46 in regeneration in Patent Document 1, whereas in the first embodiment of the present invention. It was 0.34 at power running and 0.35 at regeneration. From this, it was shown that in the present invention, the temperature variation of each semiconductor element is reduced and the maximum temperature is also reduced as compared with Patent Document 1. In particular, it has been shown that the effect of reducing the temperature is great during power running, and the maximum temperature rise of the semiconductor element can be reduced by 23%.
なお、本発明では3レベルコンバータ主回路を例に挙げたが、本発明を3レベルインバータ主回路にも適用することができる。さらに、第2〜11の発明においては、2レベルのコンバータやインバータにも適用することができる。また、第1実施形態では、短尺ヒートパイプ1780、および放熱部の根元側のみにフィン1750を接続しているヒートパイプの本数は64本であり、ヒートパイプ総数の3割程度であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、総数に対し2割から5割程度が望ましい。また、第1実施形態では、根元側のみに接続されるフィン1750を、風上側フィン1751の総数24枚に対し8枚としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、総数に対し1割から5割程度が望ましい。また、図21に示すように、放熱部1782に接合するフィンと接合しないフィンを交互に配置しても良い。また、風上側のヒートパイプを図13に示すような放熱部の根元側8枚のみにフィン1750を接続する構成とし、風下側のヒートパイプを図21に示すような放熱部の根元側をフィンに交互に接続する構成としても良い。さらに、根元側のみにフィン1750を接続している放熱部の、フィン1750を接続していない先端部分を断熱材などで覆うことで、放熱部の根元と先端の温度差をより小さくすることができる。 In the present invention, the three-level converter main circuit is taken as an example, but the present invention can also be applied to a three-level inverter main circuit. Further, in the second to eleventh inventions, the invention can be applied to a two-level converter or inverter. Further, in the first embodiment, the number of short heat pipes 1780 and the number of heat pipes connecting the fins 1750 only to the base side of the heat radiating portion is 64, which is about 30% of the total number of heat pipes. The invention is not limited to this, and is preferably about 20 to 50% of the total number. In the first embodiment, the number of fins 1750 connected only to the root side is eight with respect to the total number of upwind fins 1751 of 24. However, the present invention is not limited to this, and About 10 to 50% is desirable. Further, as shown in FIG. 21, fins that are joined to the heat radiating portion 1782 and fins that are not joined may be alternately arranged. Further, the fin 1750 is connected to only the eight heat sinks on the leeward heat pipe as shown in FIG. 13, and the heat sink on the leeward side is connected to the fins on the root side of the heat radiating part as shown in FIG. It is good also as a structure connected alternately. Furthermore, the temperature difference between the root and the tip of the heat radiating portion can be further reduced by covering the tip portion of the heat radiating portion where the fin 1750 is connected only to the base side with a heat insulating material or the like. it can.
図22に本発明の第2実施形態の電力変換装置におけるヒートパイプの配置を示す。第2実施形態では、風上側のL字型ヒートパイプ1730を削除し、実施例1よりもヒートパイプの本数を少なくしている。他の構成は実施例1と同様である。風上側の温度が風下側の温度よりも低くなる場合には、このように風上側のヒートパイプの本数を少なくすることでフィン間の通風抵抗をさらに小さくできるため、半導体素子群1500を効率良く冷却することができ、さらに製造コストを低減することができる。 FIG. 22 shows the arrangement of heat pipes in the power conversion device according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the L-shaped heat pipe 1730 on the windward side is deleted, and the number of heat pipes is smaller than that in the first embodiment. Other configurations are the same as those of the first embodiment. When the temperature on the windward side is lower than the temperature on the leeward side, the resistance to ventilation between the fins can be further reduced by reducing the number of the heat pipes on the windward side in this way. It can cool, and also can reduce manufacturing cost.
図23に本発明の第3実施形態の電力変換装置におけるフィンの構成を示す。第3実施形態では、実施例1のようにフィン1750を風上側・風下側で分割せずに、すべて同じピッチ、同じ枚数とした。他の構成は実施例1と同様である。風上側の温度を低減させたい場合には、このような構成とすることで、風上側の冷却性能が良くなるため、風上側の半導体素子群1500を効率良く冷却することができる。 FIG. 23 shows the configuration of fins in the power conversion device according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, the fins 1750 are not divided on the windward side and the leeward side as in the first embodiment, but all have the same pitch and the same number of sheets. Other configurations are the same as those of the first embodiment. When it is desired to reduce the temperature on the windward side, such a configuration improves the cooling performance on the windward side, so that the semiconductor element group 1500 on the windward side can be efficiently cooled.
図24に本発明の第4実施形態の電力変換装置における整風板を示す。第4実施形態では、送風機1200の吹き出し口と冷却器1700の間の整風板の枚数を4枚に増やしている。他の構成は実施例1と同様である。このように整風板の枚数を多くすることで、冷却器1700に供給される冷却風の風速をより均一にすることができるため、半導体素子群1500を効率良く冷却することができる。 FIG. 24 shows an air conditioning plate in the power conversion device according to the fourth embodiment of the present invention. In the fourth embodiment, the number of air conditioning plates between the blower outlet of the blower 1200 and the cooler 1700 is increased to four. Other configurations are the same as those of the first embodiment. By increasing the number of air conditioning plates in this manner, the air velocity of the cooling air supplied to the cooler 1700 can be made more uniform, so that the semiconductor element group 1500 can be efficiently cooled.
1000 電力変換装置
1110 側板
1120 天板
1130 底板
1140 通風路底板
1150 通風路
1161、1162 枕木方向梁
1163、1164 進行方向梁
1171、1172 通風路拡大板
1181〜1184 整風板
1191〜1195 風漏れ防止板
1200 送風機
1210 冷却風
1300 フィルター
1400 グリル
1500 半導体素子群
1510 外側IGBTモジュール
1520 内側IGBTモジュール
1530 クランプダイオードモジュール
1600 回路部品搭載空間
1610 フィルタコンデンサ
1620 ゲートドライバ
1700 冷却器
1710 受熱ブロック
1711 冷却器固定用ネジ穴
1712 連結用ボルト
1720 U字型ヒートパイプ
1721 U字型ヒートパイプ受熱部
1722 U字型ヒートパイプ放熱部
1730 L字型ヒートパイプ
1731 L字型ヒートパイプ受熱部
1732 L字型ヒートパイプ放熱部
1740 ろう材
1750 フィン
1751 風上側フィン
1752 風下側フィン
1760 シール材
1770 受熱部の無い領域
1780 短尺ヒートパイプ
1781 短尺ヒートパイプ受熱部
1782 短尺ヒートパイプ放熱部
1790 バーリング
2000 客室
3000 つり部材
1000 Power conversion device 1110 Side plate 1120 Top plate 1130 Bottom plate 1140 Ventilation channel bottom plate 1150 Ventilation channel 1161, 1162 Bridge direction beam 1163, 1164 Advancing direction beam 1171, 1172 Ventilation channel expansion plate 1181-1184 Air conditioning plate 1191-1195 Wind leakage prevention plate 1200 Blower 1210 Cooling air 1300 Filter 1400 Grill 1500 Semiconductor element group 1510 Outer IGBT module 1520 Inner IGBT module 1530 Clamp diode module 1600 Circuit component mounting space 1610 Filter capacitor 1620 Gate driver 1700 Cooler 1710 Heat receiving block 1711 Cooler fixing screw hole 1712 Connection Bolt 1720 U-shaped heat pipe 1721 U-shaped heat pipe heat receiving part 1722 U-shaped heat pipe heat radiating part 730 L-shaped heat pipe 1731 L-shaped heat pipe heat receiving part 1732 L-shaped heat pipe heat radiating part 1740 Brazing material 1750 Fin 1751 Upwind fins 1752 Downward fin 1760 Sealing material 1770 No heat receiving part 1780 Short heat pipe 1781 Short Heat pipe heat receiving part 1782 Short heat pipe heat radiating part 1790 Burling 2000 Room 3000 Suspension member
Claims (11)
前記冷却器は、受熱ブロック、複数のU字型ヒートパイプ、複数のフィンで構成され、
前記U字型ヒートパイプは、第1ヒートパイプと第2ヒートパイプを含み、前記第2ヒートパイプは、前記第1ヒートパイプよりも、放熱部が短く、
前記受熱ブロックの一側面には前記複数の半導体素子が並設され、
前記受熱ブロックの反対面には前記複数のU字型ヒートパイプの受熱部が前記冷却風の流れに沿う方向に埋設され、前記複数のU字型ヒートパイプの放熱部が垂直方向に立ち上がるように立設され、
前記U字型ヒートパイプの放熱部には前記複数のフィンが接合されて前記通風路内に設置され、
前記複数の半導体素子は、回生運転時に発熱量の大きくなる複数の第1IGBTモジュールと、力行運転時に発熱量の大きくなる複数の第2IGBTモジュールと、前記IGBTモジュールと比較して発熱量の小さい複数のクランプダイオードモジュールで構成され、
冷却風の流れと直交する方向に発熱量の同じ半導体素子が並ぶように設置され、かつ前記クランプダイオードは、冷却風の流れ方向に対して前記第1IGBTモジュールと前記第2IGBTモジュールの間に設置され、
前記各クランプダイオードモジュールの投影面上に配置される前記第2ヒートパイプの受熱部の面積が、前記各第1IGBTモジュール及び各第2IGBTモジュールの投影面上に配置される前記第2ヒートパイプの受熱部の面積よりも小さくなるように、前記第2ヒートパイプの受熱部が配置されることを特徴とする電力変換装置。 A plurality of semiconductor elements constituting a power conversion circuit; a housing in which the power conversion circuit is mounted; a cooler that radiates heat from the semiconductor elements to the outside; and a blower that supplies cooling air to the cooler; A power conversion device comprising an air passage that includes the cooler and allows the cooling air to flow therethrough,
The cooler includes a heat receiving block, a plurality of U-shaped heat pipes, and a plurality of fins.
The U-shaped heat pipe includes a first heat pipe and a second heat pipe, and the second heat pipe has a shorter heat radiating portion than the first heat pipe,
The plurality of semiconductor elements are juxtaposed on one side of the heat receiving block,
The heat receiving portions of the plurality of U-shaped heat pipes are embedded in a direction along the flow of the cooling air on the opposite surface of the heat receiving block, and the heat radiating portions of the plurality of U-shaped heat pipes rise in the vertical direction. Erected,
The plurality of fins are joined to the heat radiating part of the U-shaped heat pipe and installed in the ventilation path,
The plurality of semiconductor elements include a plurality of first IGBT modules that generate a large amount of heat during regenerative operation, a plurality of second IGBT modules that generate a large amount of heat during power running, and a plurality of small amounts of heat generated as compared to the IGBT module. It consists of a clamp diode module,
The semiconductor elements having the same calorific value are arranged in a direction orthogonal to the flow of cooling air, and the clamp diode is installed between the first IGBT module and the second IGBT module with respect to the flow direction of the cooling air. ,
The area of the heat receiving portion of the second heat pipe disposed on the projection surface of each clamp diode module is the heat reception of the second heat pipe disposed on the projection surface of each first IGBT module and each second IGBT module. The power receiving device of the second heat pipe is disposed so as to be smaller than the area of the portion .
プダイオードモジュールの双方の投影面上に設置されるU字型ヒートパイプと、第2IG
BTモジュールとクランプダイオードの双方の投影面上に設置されるU字型ヒートパイプ
と、単一の半導体素子の投影面上に設置されるU字型ヒートパイプが、それぞれ複数設置
されていることを特徴とする、請求項1に記載の電力変換装置。 The heat receiving block includes a U-shaped heat pipe in which a heat receiving portion of the heat pipe is installed on the projection surfaces of both the first IGBT module and the clamp diode module, and a second IG.
A plurality of U-shaped heat pipes installed on the projection surfaces of both the BT module and the clamp diode and a plurality of U-shaped heat pipes installed on the projection surface of a single semiconductor element are installed. The power conversion device according to claim 1, wherein the power conversion device is characterized.
ことを特徴とする、請求項2に記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 2, wherein the plurality of U-shaped heat pipes are installed such that the respective heat radiating portions are staggered.
あるいは風上側、風下側の双方に放熱部が冷却器の内側となるようにL字型ヒートパイプ
を設置することを特徴とする、請求項3に記載の電力変換装置。 In the cooler, the most windward position with respect to the cooling wind, or the most leeward position,
Alternatively, an L-shaped heat pipe is installed on both the windward side and the leeward side so that the heat dissipating part is inside the cooler.
のピッチを風下側よりも大きくしてフィン枚数を少なくしたことを特徴とする請求項3又
は請求項4に記載の電力変換装置。 The plurality of fins are divided in the flow direction of cooling air, and the pitch of fins on the windward side of the cooling air is made larger than that on the leeward side to reduce the number of fins. Item 5. The power conversion device according to Item 4.
とする、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 The power converter according to any one of claims 1 to 5, wherein a plurality of air conditioning plates are installed on the windward side of the fin in the ventilation path.
風路を構成する壁との間には、冷却風の流れと直交する方向に平板が設置され、前記平板
と前記先端側に接合されるフィンとの距離が、前記先端側に接合されるフィンとヒートパ
イプ放熱部の先端との距離よりも短いことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか
1項に記載の電力変換装置。 In the ventilation path, a flat plate is installed in a direction perpendicular to the flow of the cooling air between the fin that is joined to the most distal end side of the heat pipe heat dissipating part and the wall that constitutes the ventilation path. The distance between the fin joined to the tip side and the distance between the fin joined to the tip side and the tip of the heat pipe heat dissipating part is shorter than any one of claims 1 to 6. The power converter according to item.
保つための梁であることを特徴とする、請求項7に記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 7, wherein the flat plate is a beam for maintaining strength in the ventilation path by being joined to a wall constituting the ventilation path.
半導体素子からの熱を外気に放熱する冷却器を備え、
前記冷却器は、受熱ブロック、複数のヒートパイプ、複数のフィンで構成され、
前記受熱ブロックの一側面には、前記複数の半導体素子が並設され、
前記受熱ブロックの反対面には、前記複数のヒートパイプの一部が埋設され、
前記複数のヒートパイプは、前記受熱ブロックに埋設される受熱部と、前記受熱ブロッ
クから突き出して立設される放熱部を備え、
前記放熱部には、複数のフィンが接合され、
前記複数のヒートパイプは、放熱部の根元から先端まで複数のフィンが接合されている第1ヒートパイプと、少なくとも放熱部の根元側に前記第1ヒートパイプよりも少ない数のフィンが接合される第2ヒートパイプと、を有していることを特徴とする、請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の電力変換装置。 A plurality of semiconductor elements constituting a power conversion circuit;
A cooler that dissipates heat from the semiconductor element to the outside air,
The cooler includes a heat receiving block, a plurality of heat pipes, and a plurality of fins.
On one side of the heat receiving block, the plurality of semiconductor elements are arranged in parallel,
A part of the plurality of heat pipes is embedded on the opposite surface of the heat receiving block,
The plurality of heat pipes include a heat receiving portion embedded in the heat receiving block, and a heat radiating portion protruding from the heat receiving block.
A plurality of fins are joined to the heat dissipation part,
The plurality of heat pipes are joined to a first heat pipe in which a plurality of fins are joined from the base to the tip of the heat radiating portion, and to a number of fins smaller than the first heat pipe on at least the base side of the heat radiating portion. It has a 2nd heat pipe, The power converter device of any one of Claim 1 thru | or 8 characterized by the above-mentioned.
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