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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023096989
(43)【公開日】2023-07-07
(54)【発明の名称】鉄道車両用電力変換装置
(51)【国際特許分類】
H02M 7/48 20070101AFI20230630BHJP
【ＦＩ】
H02M7/48 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021213097
(22)【出願日】2021-12-27
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】598076591
【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003708
【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
(72)【発明者】
【氏名】石川 清太郎
【テーマコード（参考）】
5H770
【Ｆターム（参考）】
5H770AA21
5H770BA03
5H770CA02
5H770DA03
5H770DA32
5H770DA33
5H770JA10X
5H770PA03
5H770PA21
5H770PA29
5H770PA42
5H770QA06
5H770QA08
5H770QA14
5H770QA28
(57)【要約】 （修正有）
【課題】コンバータ部及びインバータ部の各相の半導体モジュールを効率的に冷却する電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置１６は、各相が進行方向に交差する方向に隣接し、冷却部に固定されるコンバータ部５６及びインバータ部５８と、複数のヒートパイプ６０とを有する。コンバータ部及びインバータ部の各相は、夫々第１の半導体モジュール８２と、それよりも発熱量が小さい第２の半導体モジュール８４及び第３の半導体モジュール８６と、を備える。第１の半導体モジュールは、進行方向に進行するとき、第２、第３の半導体モジュールに対して入風側又は排風側に設けられる。ヒートパイプは、コンバータ部及びインバータ部の各相に設けられ、一端６２の作動液の蒸発部は、冷却フィン７４と第１の半導体モジュールとの間に配置され、他端６４の作動液の凝縮部は、冷却フィンと第２の半導体モジュール又は第３の半導体モジュールとの間に配置される。
【選択図】図２
【解決手段】電力変換装置１６は、各相が進行方向に交差する方向に隣接し、冷却部に固定されるコンバータ部５６及びインバータ部５８と、複数のヒートパイプ６０とを有する。コンバータ部及びインバータ部の各相は、夫々第１の半導体モジュール８２と、それよりも発熱量が小さい第２の半導体モジュール８４及び第３の半導体モジュール８６と、を備える。第１の半導体モジュールは、進行方向に進行するとき、第２、第３の半導体モジュールに対して入風側又は排風側に設けられる。ヒートパイプは、コンバータ部及びインバータ部の各相に設けられ、一端６２の作動液の蒸発部は、冷却フィン７４と第１の半導体モジュールとの間に配置され、他端６４の作動液の凝縮部は、冷却フィンと第２の半導体モジュール又は第３の半導体モジュールとの間に配置される。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
鉄道車両の一方及び他方の進行方向への移動により冷却される冷却フィンを有する冷却部と、
Ｕ相及びＶ相が前記進行方向に交差する方向に隣接し、前記冷却部に固定され、交流から直流に変換するときに発熱するコンバータ部と、
前記コンバータ部に対して前記進行方向に交差する方向に隣接し、Ｕ相、Ｖ相、及び、Ｗ相が前記進行方向に交差する方向に隣接し、前記冷却部に固定され、直流から交流に変換するときに発熱するインバータ部と、
前記冷却フィンと前記コンバータ部との間、及び、前記冷却フィンと前記インバータ部との間にそれぞれ設けられる複数のヒートパイプと
を有し、
前記コンバータ部の各相、及び、前記インバータ部の各相は、それぞれ、
電力変換時に熱が発生する第１の半導体モジュールと、
電力変換時に熱が発生し、前記第１の半導体モジュールよりも発熱量が小さい第２の半導体モジュールと、
電力変換時に熱が発生し、前記第１の半導体モジュールよりも発熱量が小さい第３の半導体モジュールと
を備え、
前記第１の半導体モジュールは、前記進行方向に進行するとき前記第２の半導体モジュール及び前記第３の半導体モジュールに対して入風側又は排風側に設けられ、
前記ヒートパイプは、前記コンバータ部の各相、及び、前記インバータ部の各相にそれぞれ設けられ、
前記ヒートパイプの一端の作動液の蒸発部は、前記冷却フィンと前記第１の半導体モジュールとの間に配置され、
前記ヒートパイプの他端の前記作動液の凝縮部は、前記冷却フィンと前記第２の半導体モジュール又は前記第３の半導体モジュールとの間に配置される、
鉄道車両用電力変換装置。
Ｕ相及びＶ相が前記進行方向に交差する方向に隣接し、前記冷却部に固定され、交流から直流に変換するときに発熱するコンバータ部と、
前記コンバータ部に対して前記進行方向に交差する方向に隣接し、Ｕ相、Ｖ相、及び、Ｗ相が前記進行方向に交差する方向に隣接し、前記冷却部に固定され、直流から交流に変換するときに発熱するインバータ部と、
前記冷却フィンと前記コンバータ部との間、及び、前記冷却フィンと前記インバータ部との間にそれぞれ設けられる複数のヒートパイプと
を有し、
前記コンバータ部の各相、及び、前記インバータ部の各相は、それぞれ、
電力変換時に熱が発生する第１の半導体モジュールと、
電力変換時に熱が発生し、前記第１の半導体モジュールよりも発熱量が小さい第２の半導体モジュールと、
電力変換時に熱が発生し、前記第１の半導体モジュールよりも発熱量が小さい第３の半導体モジュールと
を備え、
前記第１の半導体モジュールは、前記進行方向に進行するとき前記第２の半導体モジュール及び前記第３の半導体モジュールに対して入風側又は排風側に設けられ、
前記ヒートパイプは、前記コンバータ部の各相、及び、前記インバータ部の各相にそれぞれ設けられ、
前記ヒートパイプの一端の作動液の蒸発部は、前記冷却フィンと前記第１の半導体モジュールとの間に配置され、
前記ヒートパイプの他端の前記作動液の凝縮部は、前記冷却フィンと前記第２の半導体モジュール又は前記第３の半導体モジュールとの間に配置される、
鉄道車両用電力変換装置。
【請求項2】
前記ヒートパイプは、前記コンバータ部及び前記インバータ部の各相の前記第１の半導体モジュール、前記第２の半導体モジュール、及び、前記第３の半導体モジュールの組の直下にそれぞれまたがって配置される、請求項１に記載の鉄道車両用電力変換装置。
【請求項3】
前記コンバータ部、前記インバータ部、及び、前記冷却部が配置される筐体を備え、
前記筐体には、端子台が設けられ、
前記コンバータ部及び前記インバータ部の各相の前記第１の半導体モジュール、前記第２の半導体モジュール、及び、前記第３の半導体モジュールには、それぞれＡＣ端子が設けられ、
前記端子台、前記コンバータ部の前記ＡＣ端子、及び、前記インバータ部の前記ＡＣ端子は、前記第１の半導体モジュールに対して入風側又は排風側の同一方向に設けられる、請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両用電力変換装置。
前記筐体には、端子台が設けられ、
前記コンバータ部及び前記インバータ部の各相の前記第１の半導体モジュール、前記第２の半導体モジュール、及び、前記第３の半導体モジュールには、それぞれＡＣ端子が設けられ、
前記端子台、前記コンバータ部の前記ＡＣ端子、及び、前記インバータ部の前記ＡＣ端子は、前記第１の半導体モジュールに対して入風側又は排風側の同一方向に設けられる、請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両用電力変換装置。
【請求項4】
前記第１の半導体モジュールは、電力変換により発熱する複数のスイッチング素子を収容するモジュールである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の鉄道車両用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、鉄道車両用電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
３レベル回路方式の電力変換装置は、交流を直流に変換するコンバータ部と、直流を交流に変換するインバータ部と、冷却部とを備える。コンバータ部及びインバータ部は、電力変換時に発熱する半導体モジュールを備える。そして、鉄道車両の電力変換装置は、コンバータ部及びインバータ部の半導体モジュールの発熱を冷却部で受熱するとともに、走行風により冷却部を冷却する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第６８５８２４４号公報
【特許文献2】特許第６７３５７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明が解決しようとする課題は、コンバータ部及びインバータ部の各相の半導体モジュールを効率的に冷却可能な電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
実施形態によれば、鉄道車両用電力変換装置は、冷却部と、コンバータ部と、インバータ部と、複数のヒートパイプとを有する。冷却部は、鉄道車両の一方及び他方の進行方向への移動により冷却される冷却フィンを有する。コンバータ部は、Ｕ相及びＶ相が前記進行方向に交差する方向に隣接し、前記冷却部に固定される。コンバータ部は、交流から直流に変換するときに発熱する。インバータ部は、前記コンバータ部に対して前記進行方向に交差する方向に隣接し、Ｕ相、Ｖ相、及び、Ｗ相が前記進行方向に交差する方向に隣接し、前記冷却部に固定される。インバータ部は、直流から交流に変換するときに発熱する。複数のヒートパイプは、前記冷却フィンと前記コンバータ部との間、及び、前記冷却フィンと前記インバータ部との間にそれぞれ設けられる。前記コンバータ部の各相、及び、前記インバータ部の各相は、それぞれ、電力変換時に熱が発生する第１の半導体モジュールと、電力変換時に熱が発生し、前記第１の半導体モジュールよりも発熱量が小さい第２の半導体モジュールと、電力変換時に熱が発生し、前記第１の半導体モジュールよりも発熱量が小さい第３の半導体モジュールとを備える。前記第１の半導体モジュールは、前記進行方向に進行するとき前記第２の半導体モジュール及び前記第３の半導体モジュールに対して入風側又は排風側に設けられる。前記ヒートパイプは、前記コンバータ部の各相、及び、前記インバータ部の各相に設けられる。前記ヒートパイプの一端の作動液の蒸発部は、前記冷却フィンと前記第１の半導体モジュールとの間に配置される。前記ヒートパイプの他端の前記作動液の凝縮部は、前記冷却フィンと前記第２の半導体モジュール又は前記第３の半導体モジュールとの間に配置される。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】レールに載せられた実施形態に係る鉄道車両の一部を示す概略的な側面図。
【図2】第１実施形態に係る電力変換装置の概略図。
【図3】第１実施形態に係る３レベル電力変換装置の回路図。
【図4】第１実施形態に係る電力変換装置のコンバータ部及びインバータ部の各相の３レベル回路図。
【図5】第２実施形態に係る電力変換装置の概略図。
【図6】第３実施形態に係る電力変換装置の概略図。
【図7】第３実施形態の第１変形例に係る電力変換装置の概略図。
【図8】第３実施形態の第２変形例に係る電力変換装置の概略図。
【図9】第４実施形態に係る３レベル電力変換装置の回路図。
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下、図面を参照しながら鉄道車両１０の好ましい実施形態について説明する。
【0008】
【0009】
図１は、実施形態に係る鉄道車両１０の一部を模式的に示す側面図である。図１に示す鉄道車両１０は、レール１００等を敷いた専用通路（軌道）上を走行する。鉄道車両１０は、台車１２と、車体１４と、電力変換装置（鉄道車両用電力変換装置）１６とを備える。
【0010】
図１中には、ＸＹＺ直交座標系を設定する。本実施形態においては、図１中のＸ方向は鉄道車両１０の前後方向を、Ｙ方向は鉄道車両１０の幅方向を、Ｚ方向は重力方向を示す。図１中の紙面左方を＋Ｘ方向、紙面奥側を＋Ｙ方向、紙面上方を＋Ｚ方向とする。また、鉄道車両１０の前後方向は、鉄道車両１０の走行想定方向（第１の方向（＋Ｘ方向）、及び、第１の方向と反対側の第２の方向（－Ｘ方向））である。
【0011】
台車１２は、例えば、台車枠２２と、複数の車軸２４と、複数の車輪２６と、電動機（モータ）２８と、台車バネ３０とを備える。台車１２は、例えば、車体１４の床下における走行想定方向に離間して複数設けられる。
【0012】
台車バネ３０は、例えば、空気バネである。台車枠２２は、台車バネ３０を介して車体１４の床下に接続される。
【0013】
車軸２４は、鉄道車両１０の幅方向に延びる。複数の車軸２４は、台車枠２２に回転可能に支持される。例えば、車軸２４は、台車枠２２の走行想定方向に沿う両端部に一対設けられる。
【0014】
車輪２６は、車軸２４の幅方向の両端部に取り付けられ、レール１００上に載せられる。本実施形態において、車輪２６は、一つの台車１２に例えば４つ設けられる。
【0015】
電動機２８は、例えば台車枠２２に支持される。電動機２８は、車軸２４を回転させる。例えば、電動機２８は、一対の車軸２４のそれぞれを回転可能に、一対設けられる。具体例として、電動機２８は、３相交流電力により回転する回転軸と、回転軸の回転を車軸２４に伝達する伝達機構とを有する。
【0016】
車体１４は、走行想定方向（前後方向）に長い。車体１４は、前後方向に長い略直方体形状に形成される。なお、車体１４の形状は、この形状に限定されず、適宜設定可能である。
【0017】
車体１４には、天井に重力方向で上方に向けて設けられたパンタグラフ１４ａが設けられる。パンタグラフ１４ａは、レール１００上に一定の距離を開けて設定された架線１０１に接触可能に構成される。
【0018】
図１に示すように、電力変換装置１６は、例えば走行想定方向に沿う台車１２間に配置される。電力変換装置１６は、鉄道車両１０の車体１４の床下に取り付けられる筐体５２を有する。電力変換装置１６の後述する各種機器は、筐体５２に設けられる。
【0019】
図２中の左上図は、鉄道車両１０に用いられる電力変換装置１６を車体１４側から見た模式図であり、図２中の右図は、走行想定方向の第２の方向（－Ｘ方向）側から第１の方向（＋Ｘ方向）側を見た図であり、図２中の左下図は、幅方向の一方（－Ｙ方向）側から他方（＋Ｙ方向）側を見た図である。図３は、電力変換装置１６のコンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の回路図である。図４は、電力変換装置１６のコンバータ部５６、フィルタコンデンサ５７、及び、インバータ部５８の回路図である。
【0020】
図２に示すように、電力変換装置１６は、冷却部５４と、コンバータ部５６と、インバータ部５８と、複数のヒートパイプ６０とを有する。
【0021】
筐体５２は、各種機器として、冷却部５４、コンバータ部５６、インバータ部５８、及び、複数のヒートパイプ６０を収容する。
【0022】
なお、筐体５２は、少なくとも走行想定方向（Ｘ方向）に開放され、空気が冷却部５４に沿って流れる。筐体５２は、幅方向（Ｙ方向）に開放されていてもよい。また、筐体５２の下面は、冷却フィン７４を露出するように開放されていてもよい。
【0023】
冷却部５４は、例えばアルミニウム等の熱伝導率が高い材料により形成される。具体例として、冷却部５４は、受熱ブロック７２と、受熱ブロック７２に例えば一体化された複数の冷却フィン７４とを備える。
【0024】
受熱ブロック７２は、例えば筐体５２の内部に配置される。受熱ブロック７２の一部は、例えば筐体５２の外部に配置されていてもよい。
【0025】
受熱ブロック７２は、種々の形状が許容されるが、例えば矩形方体状に構成される。受熱ブロック７２の上面には、コンバータ部５６及びインバータ部５８が設けられる。コンバータ部５６及びインバータ部５８は、鉄道車両１０の幅方向に並べられている。なお、本実施形態では、便宜的に、受熱ブロック７２の第１の方向（＋Ｘ方向）側の端を第１端７２ａ、第２の方向（－Ｘ方向）側の端を第２端７２ｂ、幅方向の一方の側（＋Ｙ方向側）の端を第３端７２ｃ、幅方向の他方の側（－Ｙ方向側）の端を第４端７２ｄとする。
【0026】
車体１４の床下に電力変換装置１６が設けられた状態において、複数の冷却フィン７４は、受熱ブロック７２から重力方向で下方（＋Ｚ方向）に向かって延びる。複数の冷却フィン７４は、受風部を構成する。複数の冷却フィン７４は、筐体５２の内部に配置されていてもよく、筐体５２の外部に配置されていてもよい。
【0027】
冷却フィン７４は、一方向（Ｘ方向）に長い矩形の薄板状に形成される。車体１４の床下に電力変換装置１６が設けられた状態において、冷却フィン７４は、鉄道車両１０の幅方向（Ｙ方向）を厚さ方向とし、走行想定方向（Ｘ方向）を長手方向となる姿勢で受熱ブロック７２に配置される。また、複数の冷却フィン７４は、冷却フィン７４の厚さ方向に所定の間隔を開けて配置される。ここで、所定の間隔は、例えば等間隔である。
【0028】
なお、冷却フィン７４の最も＋Ｘ方向の一方端７４ａは、第１の半導体モジュール８２の最も＋Ｘ方向側の位置よりも、＋Ｘ方向側に配置されることが好適である。一方端７４ａは、受熱ブロック７２の第１端７２ａよりも＋Ｘ方向側に配置されていてもよく、－Ｘ方向側に配置されていてもよい。また、冷却フィン７４の最も－Ｘ方向の他方端７４ｂは、第２の半導体モジュール８４の最も－Ｘ方向側の位置よりも、－Ｘ方向側に配置されることが好適である。他方端７４ｂは、受熱ブロック７２の第２端７２ｂよりも＋Ｘ方向側に配置されていてもよく、－Ｘ方向側に配置されていてもよい。
【0029】
複数の冷却フィン７４は、幅方向に隣り合う冷却フィン７４の間の隙間に走行方向に沿う走行風Ｆ１又はＦ２が流れる複数の流通路を構成する。複数の冷却フィン７４は、鉄道車両１０の走行に伴い、主として走行想定方向に沿って流れる走行風Ｆ１又はＦ２を受け、走行風Ｆ１又はＦ２と熱交換を行う。
【0030】
電力変換装置１６は、例えば、車体１４の上側に取り付けられるパンタグラフ１４ａを介して架線１０１から供給される交流電力をコンバータ部５６を用いて交流電力から直流電力に変換し、インバータ部５８を用いて直流電力から３相交流電力に変換し、電力を各電動機２８に伝達する。
【0031】
コンバータ部５６は、Ｕ相及びＶ相で構成され、インバータ部５８は、Ｕ相、Ｖ相、及び、Ｗ相で構成される。コンバータ部５６のＵ相及びＶ相は、幅方向に並べられ、かつ、隣接する。インバータ部５８のＵ相、Ｖ相、及び、Ｗ相は、幅方向に並べられ、かつ、隣接する。
【0032】
本実施形態では、コンバータ部５６及びインバータ部５８は、例えばそれぞれ３レベル回路方式である。図３には、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の３レベル回路図を示す。コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相はスイッチング素子やダイオード等の半導体が収納される３つの半導体モジュール８２，８４，８６で構成されている。
【0033】
なお、本実施形態において、コンバータ部５６の各相とは、コンバータ部５６のＵ相及びＶ相をいう。インバータ部５８の各相とは、インバータ部５８のＵ相、Ｖ相、及び、Ｗ相をいう。
【0034】
第１の半導体モジュール８２は、上アーム及び下アームが絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を代表とするスイッチング素子と逆並列ダイオードの対を１つのパッケージとする、いわゆる２ｉｎ１モジュールである。第１の半導体モジュール８２は、直列に接続された２つのスイッチング素子（第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３）を収納する。第１の半導体モジュール８２は、いわゆる４ｉｎ１モジュールであってもよい。
【0035】
第２の半導体モジュール８４及び第３の半導体モジュール８６は、上アーム又は下アームにスイッチング素子と逆並列ダイオードの対を、下アーム又は上アームにクランプダイオードを備えたチョッパモジュールである。第２の半導体モジュール８４は、第１スイッチング素子Ｑ１と第１クランプダイオードＤ５を１つのパッケージとして収納する。第３の半導体モジュール８６は、第４スイッチング素子Ｑ４と第２クランプダイオードＤ６を１つのパッケージとして収納する。
【0036】
図２に示すように、コンバータ部５６およびインバータ部５８の各相を構成する半導体モジュール８２，８４，８６は、冷却部５４の受熱ブロック７２上に、冷却フィン７４とは反対側に設けられる。
【0037】
本実施形態では、冷却フィン７４の長手方向に沿う方向、すなわち、冷却フィン７４間を冷却風Ｆ１又はＦ２が通る方向（鉄道車両１０の走行想定方向）と同方向にコンバータ部５６およびインバータ部５８の各相が配置される。そして、コンバータ部５６およびインバータ部５８の各相には、半導体モジュール８２，８４，８６が設置されている。
【0038】
本実施形態では、鉄道車両１０の走行想定方向に沿って、冷却風Ｆ１の入風側または冷却風Ｆ２の排風側、すなわち、受熱ブロック７２の第１端７２ａ側に、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３を収納する第１の半導体モジュール８２が配置される。第１の半導体モジュール８２は、走行想定方向（進行方向）に進行するとき第２の半導体モジュール８４及び第３の半導体モジュール８６に対して冷却風Ｆ１の入風側又は冷却風Ｆ２の排風側に設けられる。本実施形態では、鉄道車両１０の第１の方向に沿って、冷却風Ｆ１の入風側（受熱ブロック７２の第１端７２ａ側）に第１の半導体モジュール８２があるとき、冷却風Ｆ１の入風側から排風側（受熱ブロック７２の第２端７２ｂ側）に向かって順に、第３の半導体モジュール８６、第２の半導体モジュール８４が配置されている。このため、本実施形態では、鉄道車両１０が第１の方向とは反対側の第２の方向に沿って、冷却風Ｆ２の入風側（受熱ブロック７２の第２端７２ｂ側）から排風側（受熱ブロック７２の第１端７２ａ側）に向かって順に、第２の半導体モジュール８４、第３の半導体モジュール８６、第１の半導体モジュール８２が配置されている。
【0039】
図２中、コンバータ部５６のＵ相の第１の半導体モジュールに符号８２ＣＵを付し、コンバータ部５６のＶ相の第１の半導体モジュールに符号８２ＣＶを付す。同様に、コンバータ部５６のＵ相の第２の半導体モジュールに符号８４ＣＵを付し、コンバータ部５６のＶ相の第２の半導体モジュールに符号８４ＣＶを付す。コンバータ部５６のＵ相の第３の半導体モジュールに符号８６ＣＵを付し、コンバータ部５６のＶ相の第３の半導体モジュールに符号８６ＣＶを付す。なお、コンバータ部５６について、以後の説明では、第１の半導体モジュールを主として符号８２を付して説明し、第２の半導体モジュールを主として符号８４を付して説明し、第３の半導体モジュールを主として符号８６を付して説明する。
【0040】
図２中、インバータ部５８のＵ相の第１の半導体モジュールに符号８２ＩＵを付し、インバータ部５８のＶ相の第１の半導体モジュールに符号８２ＩＶを付し、インバータ部５８のＷ相の第１の半導体モジュールに符号８２ＩＷを付す。同様に、インバータ部５８のＵ相の第２の半導体モジュールに符号８４ＩＵを付し、インバータ部５８のＶ相の第２の半導体モジュールに符号８４ＩＶを付し、インバータ部５８のＷ相の第２の半導体モジュールに符号８４ＩＷを付す。インバータ部５８のＵ相の第３の半導体モジュールに符号８６ＩＵを付し、インバータ部５８のＶ相の第３の半導体モジュールに符号８６ＩＶを付し、インバータ部５８のＷ相の第３の半導体モジュールに符号８６ＩＷを付す。なお、インバータ部５８について、以後の説明では、第１の半導体モジュールを主として符号８２を付して説明し、第２の半導体モジュールを主として符号８４を付して説明し、第３の半導体モジュールを主として符号８６を付して説明する。
【0041】
そして、本実施形態に係る３レベル回路方式のコンバータ部５６及びインバータ部５８は、図４に示すように構成される。
【0042】
図４に示すように、コンバータ部５６及びインバータ部５８の間には、コンバータ部５６から出力され、インバータ部５８に供給される直流電力を安定させ、平滑化する平滑用のフィルタコンデンサ５７が設置される。なお、図２中は、フィルタコンデンサ５７の図示を省略する。
【0043】
このような電力変換装置１６は、図示しない制御部等とともに電力変換ユニットを構成する。制御部は、電力変換装置１６のコンバータ部５６との間、及び、インバータ部５８との間でスイッチング信号を送受信する。
【0044】
スイッチング素子と逆並列ダイオードは、例えばシリコン半導体で形成されるが、スイッチング素子と逆並列ダイオードは、シリコン半導体に限らず、適宜の半導体で形成され得る。
例えば図３に示すスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、例えば金属酸化膜半導体電解効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）により構成されてもよい。
スイッチング素子と逆並列ダイオード、クランプダイオードのうちの少なくとも１つは、ワイドバンドギャップ半導体から構成されてもよい。
例えば図３に示すスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、例えば金属酸化膜半導体電解効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）により構成されてもよい。
スイッチング素子と逆並列ダイオード、クランプダイオードのうちの少なくとも１つは、ワイドバンドギャップ半導体から構成されてもよい。
【0045】
本実施形態では、図２に示すように、冷却風Ｆ１又はＦ２が通る方向と同方向、且つ、各相の半導体モジュール８２，８４，８６の直下の受熱ブロック７２には、それぞれヒートパイプ６０が配置される。ヒートパイプ６０は、外観が例えば平板状で冷却フィン７４と反対側の受熱ブロック７２の上面に配置されてもよく、外観が例えば平板状又は円柱状で、受熱ブロック７２内に例えば圧入されるなど、埋設されていてもよい。
【0046】
なお、図２中、コンバータ部５６のＵ相の第１の半導体モジュール８２ＣＵ、第３の半導体モジュール８６ＣＵ、及び、第２の半導体モジュール８４ＣＵの直下のヒートパイプに符号６０ＣＵを付す。コンバータ部５６のＶ相の第１の半導体モジュール８２ＣＶ、第３の半導体モジュール８６ＣＶ、及び、第２の半導体モジュール８４ＣＶの直下のヒートパイプに符号６０ＣＶを付す。なお、コンバータ部５６について、以後の説明では、ヒートパイプを主として符号６０を付して説明する。
【0047】
同様に、インバータ部５８のＵ相の第１の半導体モジュール８２ＩＵ、第３の半導体モジュール８６ＩＵ、及び、第２の半導体モジュール８４ＩＵの直下のヒートパイプに符号６０ＩＵを付す。インバータ部５８のＶ相の第１の半導体モジュール８２ＩＶ、第３の半導体モジュール８６ＩＶ、及び、第２の半導体モジュール８４ＩＶの直下のヒートパイプに符号６０ＩＶを付す。インバータ部５８のＷ相の第１の半導体モジュール８２ＩＷ、第３の半導体モジュール８６ＩＷ、及び、第２の半導体モジュール８４ＩＷの直下のヒートパイプに符号６０ＩＷを付す。なお、インバータ部５８について、以後の説明では、ヒートパイプを主として符号６０を付して説明する。
【0048】
ヒートパイプ６０は、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の第１の半導体モジュール８２、第２の半導体モジュール８４、及び、第３の半導体モジュール８６の組の直下にそれぞれまたがって配置されることが好適である。各ヒートパイプ６０の一端６２は、第１端７２ａと第２端７２ｂとの間で、第１端７２ａ側に配置され、他端６４は、第１端７２ａと第２端７２ｂとの間で、第２端７２ｂ側に配置される。
【0049】
ヒートパイプ６０は、熱伝達に用いられる。ヒートパイプ６０の外殻は例えば銅合金で形成される。ヒートパイプ６０の作動液の一例は水である。各ヒートパイプ６０の一端６２は、内部に封入された作動液（冷媒）の蒸発部で、他端６４は、作動液の凝縮部である。ヒートパイプ６０の一端６２は、各相の第１の半導体モジュール８２と冷却フィン７４との間で、受熱ブロック７２に配置される。ヒートパイプ６０の他端６４は、各相の第２の半導体モジュール８４と冷却フィン７４との間で、受熱ブロック７２に配置される。
【0050】
なお、本実施形態では、各ヒートパイプ６０は、適宜の温度範囲内など、ヒートパイプ６０の一端６２の蒸発部の作動液（冷媒）がドライアウトしない条件で使用されるものとする。
【0051】
次に、このように構成された鉄道車両１０の電力変換装置１６の作用効果について説明する。ここでは、鉄道車両１０が走行想定方向で第１の方向（＋Ｘ方向）に向かって走行する例、及び、第１の方向とは反対側の第２の方向（－Ｘ方向）に向かって走行する例について説明する。
【0052】
鉄道車両１０をレール１００上で第１の方向又は第２の方向に走行させる場合、電力変換装置１６のコンバータ部５６は、架線１０１からパンタグラフ１４ａを介して入力された交流電力を直流電力に変換し、フィルタコンデンサ５７を通してインバータ部５８に出力する。インバータ部５８は、コンバータ部５６を出力する直流電力を交流電力に変換する。
【0053】
このとき、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相において、電力は、例えば、第２の半導体モジュール８４、第３の半導体モジュール８６、第１の半導体モジュール８２の順に伝達される。すなわち、電力は、第２の半導体モジュール８４に入力され、第３の半導体モジュール８６を介して、第１の半導体モジュール８２で出力される。
【0054】
そして、電力変換装置１６は、インバータ部５８で変換した交流電力を各電動機２８に供給する。各電動機２８は、供給された交流電力により回転する。電動機２８の回転力が車軸２４に伝達されると、車軸２４及び車輪２６が回転する。これにより、鉄道車両１０は、レール１００に沿って、走行想定方向の第１の方向又は第２の方向に向かって走行する。すなわち、電力変換装置１６は、鉄道車両１０の電動機２８を駆動し、鉄道車両１０を所定の走行方向に移動させる電力を電動機２８に出力可能である。
【0055】
電力変換装置１６は、コンバータ部５６で交流電流を直流電流に変換するとき、及び、インバータ部５８で直流電力を交流電力に変換するときにおいて、電力変換時における電力損失に起因して熱が発生する。コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の半導体モジュール８２，８４，８６には、熱が発生する。コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の半導体モジュール８２，８４，８６で発生した熱は、冷却部５４の受熱ブロック７２を介して各冷却フィン７４に伝達される。
【0056】
コンバータ部５６の各相において、第１の半導体モジュール８２の発熱量は、第２の半導体モジュール８４及び第３の半導体モジュール８６の発熱量に比べて大きい。言い換えると、コンバータ部５６の第２の半導体モジュール８２及び第３の半導体モジュール８６のそれぞれの電力変換時の発熱量は、第１の半導体モジュールよりも小さい。
【0057】
また、インバータ部５８の各相において、第１の半導体モジュール８２の発熱量は、第２の半導体モジュール８４及び第３の半導体モジュール８６の発熱量に比べて大きくなり得る。言い換えると、インバータ部５８の第２の半導体モジュール８２及び第３の半導体モジュール８６のそれぞれの電力変換時の発熱量は、第１の半導体モジュールよりも小さくなり得る。インバータ部５８の各相の第１の半導体モジュール８２の発熱が第２の半導体モジュール８４及び第３の半導体モジュール８６に比べて大きくなり得る理由は、第１の半導体モジュール８２が２つのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３を有するためである、と考えられる。
【0058】
なお、一般には、電力変換装置１６のコンバータ部５６の各相の発熱量は、インバータ部５８の各相の発熱量よりも大きい。
【0059】
ここで、ヒートパイプ６０の一端６２を加熱すると、ヒートパイプ６０内の作動液が熱を奪って蒸発する。このとき、ヒートパイプ６０の一端６２の蒸気圧が、他端６４の蒸気圧に比べて高くなる。このため、ヒートパイプ６０の一端６２で蒸発した作動液は、ヒートパイプ６０の他端６４に移動する。蒸気となった作動液は、他端６４で液体に凝縮される。作動液は、気体から液体に戻るときに熱を放熱する。このため、ヒートパイプ６０の一端６２に入力された熱は、他端６４で出力される。そして、ヒートパイプ６０の他端６４で液体に戻った作動液はヒートパイプ６０内のウィックによりヒートパイプ６０の一端６２に戻る。このように、作動液は、気体と液体との相変化を行いながらヒートパイプ６０の一端６２と他端６４との間を循環する。このため、ヒートパイプ６０は、作動液がドライアウトしない範囲で、高温部から低温部に向かって熱を移動させ続ける。なお、仮に、蒸発部の作動液がドライアウトしたとき、銅合金材により、ヒートパイプ６０の一端６２から他端６４に熱伝達は可能である。
【0060】
本実施形態では、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の第１の半導体モジュール８２の直下にヒートパイプ６０の一端６２が配置され、第２の半導体モジュール８４の直下にヒートパイプ６０の他端６４が配置されている。このため、第１の半導体モジュール８２による熱は、ヒートパイプ６０によりヒートパイプ６０の一端６２に入力され、他端６４に移動して他端６４で出力（放熱）される。
【0061】
このため、第１の半導体モジュール８２で発する熱は、冷却部５４の受熱ブロック７２に伝達されるとともに、ヒートパイプ６０の一端６２を通して他端６４に移動する。そして、ヒートパイプ６０の他端６４で発する熱は、冷却部５４の受熱ブロック７２に伝達される。このため、第１の半導体モジュール８２で発する熱は、第１の半導体モジュール８２の近傍で冷却部５４の受熱ブロック７２に伝達されるとともに、ヒートパイプ６０の他端６４を通して、ヒートパイプ６０の他端６４の近傍で冷却部５４の受熱ブロック７２に伝達される。
【0062】
また、第２の半導体モジュール８４で発する熱は、第２の半導体モジュール８４の近傍で冷却部５４の受熱ブロック７２に伝達される。同様に、第３の半導体モジュール８６で発する熱は、第３の半導体モジュール８６の近傍で冷却部５４の受熱ブロック７２に伝達される。
【0063】
このため、各相の半導体モジュール８２，８４，８６のうち、最も発熱量が大きい第１の半導体モジュール８２の熱は、ヒートパイプ６０の一端６２の近傍で、冷却部５４の受熱ブロック７２に直接伝達されるとともに、ヒートパイプ６０の他端６４の近傍で冷却部５４の受熱ブロック７２に伝達される。したがって、最も発熱量が大きい第１の半導体モジュール８２の熱は、受熱ブロック７２のより広範な領域に熱伝達（熱伝導）される。このとき、第２の半導体モジュール８４の熱は、ヒートパイプ６０の他端６４の近傍で冷却部５４の受熱ブロック７２に伝達される。また、第３の半導体モジュール８６の熱は、ヒートパイプ６０の一端６２と他端６４との間の位置で、冷却部５４の受熱ブロック７２に伝達される。
【0064】
したがって、本実施形態に係る鉄道車両１０では、受熱ブロック７２への熱伝達の際に、受熱ブロック７２で局所的に熱伝達量が大きくなることを防止する。本実施形態では、ヒートパイプ６０の一端６２で第１の半導体モジュール８２からの熱の一部を他端６４に伝達し、ヒートパイプ６０の一端６２で第１の半導体モジュール８２からの熱の一部を受熱ブロック７２に伝達する。また、ヒートパイプ６０の他端６４で第１の半導体モジュール８２からの熱の一部を受熱ブロック７２に伝達するとともに、第２の半導体モジュール８４からの熱の一部をヒートパイプ６０の他端６４の近傍で受熱ブロック７２に伝達する。このため、本実施形態に係る電力変換装置１６では、各相の半導体モジュール８２，８４，８６のうち、最も発熱量が大きい第１の半導体モジュール８２からの熱を分散して受熱ブロック７２に伝達する。さらに、第３の第１の半導体モジュール８２からの熱の一部を受熱ブロック７２に伝達する。このため、本実施形態に係る電力変換装置１６では、冷却部５４の受熱ブロック７２に熱伝達するときに、局所的に高い熱伝達を要する領域を減らす。したがって、本実施形態に係る電力変換装置１６では、ヒートパイプ６０と受熱ブロック７２の接触面及びその周囲の領域といった広い領域に、各相の半導体モジュール８２，８４，８６からの熱を分散して熱伝達する。すなわち、本実施形態に係る鉄道車両１０の電力変換装置１６では、コンバータ部５６及びインバータ部５８の発熱により生じる冷却部５４に対する熱伝達の均一化が図られる。
【0065】
そして、筐体５２は、少なくとも走行想定方向（第１の方向及び第２の方向）に開放され、空気が冷却部５４に沿って流れる。このため、鉄道車両１０の第１の方向への走行時に、冷却フィン７４の一方端７４ａに走行風（冷却風）Ｆ１が当たり、冷却フィン７４の他方端７４ｂから走行風Ｆ１が抜ける。このとき、複数の冷却フィン７４は、鉄道車両１０の走行に伴い、第１の方向に沿って流れる走行風Ｆ１を受ける。そして、複数の冷却フィン７４と走行風（大気）Ｆ１との間で熱交換が行われることで、インバータ部５８及びコンバータ部５６の各相の半導体モジュール８２，８４，８６で発生する熱が複数の冷却フィン７４を介して大気に放熱される。
【0066】
このため、冷却部５４は、電力変換を行うときに発熱するコンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の半導体モジュール８２，８４，８６を冷却する。このため、冷却部５４は、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の半導体モジュール８２，８４，８６の温度上昇を抑制し、かつ、各相において半導体モジュール８２，８４，８６の温度を均一の温度にしようとする。
【0067】
鉄道車両１０の、第１の方向とは反対側の第２の方向への走行時に、冷却フィン７４の他方端７４ｂに走行風（冷却風）Ｆ２が当たり、冷却フィン７４の一方端７４ａから走行風Ｆ２が抜ける。このとき、複数の冷却フィン７４は、鉄道車両１０の走行に伴い、第２の方向に沿って流れる走行風Ｆ２を受ける。このため、冷却部５４は、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の半導体モジュール８２，８４，８６を冷却する。このため、冷却部５４は、各相の半導体モジュール８２，８４，８６の温度上昇を抑制し、かつ、各相において半導体モジュール８２，８４，８６の温度を均一の温度にしようとする。
【0068】
このように、本実施形態に係る電力変換装置１６は、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の３つの半導体モジュール８２，８４，８６を冷却部５４の受熱ブロック７２上に配置し、かつ、最も発熱量が大きい第１の半導体モジュール８２をヒートパイプ６０の一端６２側に配置した。このため、本実施形態に係る電力変換装置１６は、各相において、最も発熱量が大きいと想定される第１の半導体モジュール８２からの熱を、冷却部５４に熱伝達するとともに、ヒートパイプ６０の一端６２から他端６４に移動した上で冷却部５４に熱伝達し、各相の３つの半導体モジュール８２，８４，８６を冷却することができる。したがって、本実施形態に係る電力変換装置１６によれば、電力変換を行うとき、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相において半導体モジュール８２，８４，８６の温度上昇を抑制し、かつ、各相において半導体モジュール８２，８４，８６の温度を均一の温度にしようとすることができる。
【0069】
したがって、本実施形態によれば、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の半導体モジュール８２，８４，８６を効率的に冷却可能な電力変換装置１６を提供することができる。
【0070】
本実施形態では、コンバータ部５６のＵ相及びＶ相が進行方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）に並べられる例について説明した。コンバータ部５６のＵ相及びＶ相は、進行方向に交差する方向に隣接していればよい。
【0071】
同様に、本実施形態では、インバータ部５８のＵ相、Ｖ相、及び、Ｗ相が進行方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）に並べられる例について説明した。インバータ部５８のＵ相、Ｖ相、及び、Ｗ相は、進行方向に交差する方向に隣接する状態に順に並べられていればよい。
【0072】
本実施形態では、コンバータ部５６の各相、及び、インバータ部５８の各相において、走行想定方向に沿って、第１の半導体モジュール８２、第３の半導体モジュール８６、第２の半導体モジュール８４の順に配置する例について説明した。第２の半導体モジュール８４と、第３の半導体モジュール８６の順は、反対であってもよい。すなわち、コンバータ部５６の各相、及び、インバータ部５８の各相のいずれかにおいて、第１の半導体モジュール８２と第３の半導体モジュール８６との間に第２の半導体モジュール８４が配置されていてもよい。このため、ヒートパイプ６０の他端６４の作動液の凝縮部は、冷却フィン７４と第２の半導体モジュール８４又は第３の半導体モジュール８６との間に配置されていればよい。
【0073】
また、本実施形態では、ヒートパイプ６０は、コンバータ部５６の各相、及び、インバータ部５８の各相において、３つの半導体モジュール８２，８４，８６をまたがるように配置される例について説明した。ヒートパイプ６０は、例えば、一端６２の蒸発部が冷却フィン７４と第１の半導体モジュール８２との間に配置され、他端６４の凝縮部が図２における冷却フィン７４と第３の半導体モジュール８６との間に配置されることも好適である。この場合、冷却フィン７４と第２の半導体モジュール８４との間にヒートパイプ６０が配置されていなくてもよい。
【0074】
図２中の電力変換装置１６では、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の第１の半導体モジュール８２、第２の半導体モジュール８４、及び、第３の半導体モジュール８６の組に対して１つのヒートパイプ６０を配置する例について説明した。コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の第１の半導体モジュール８２、第２の半導体モジュール８４、及び、第３の半導体モジュール８６の組に対して２つなど、複数のヒートパイプ６０を幅方向（Ｙ方向）に並べて配置してもよい。
【0075】
また、複数のヒートパイプ６０の１つをコンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の第１の半導体モジュール８２、第２の半導体モジュール８４、及び、第３の半導体モジュール８６の組の直下に配置し、残りを、隣接する相の第１の半導体モジュール８２、第２の半導体モジュール８４、及び、第３の半導体モジュール８６の組との間に配置してもよい。すなわち、例えばコンバータ部５６のＵ相及びＶ相の第１の半導体モジュール８２、第２の半導体モジュール８４、及び、第３の半導体モジュール８６の組の直下に１つのヒートパイプ６０を配置する。そして、コンバータ部５６のＵ相の第１の半導体モジュール８２、第２の半導体モジュール８４、及び、第３の半導体モジュール８６の組と、Ｖ相の第１の半導体モジュール８２、第２の半導体モジュール８４、及び、第３の半導体モジュール８６の組との間に１つのヒートパイプ６０を配置する。この場合のヒートパイプ６０は、各半導体モジュール８２，８４，８６と受熱ブロック７２との固定を阻害しない位置に配置される。そして、各相の第１の半導体モジュール８２による熱は、複数のヒートパイプ６０の一端６２から他端６４に移動させた後、冷却部５４に熱伝達することができる。すなわち、ヒートパイプ６０と各半導体モジュール８２，８４，８６とが直接接触しないとき、例えば第１の半導体モジュール８２からの熱を、冷却部５４の受熱ブロック７２を介してヒートパイプ６０の一端６２に熱伝達する。このように、第１の半導体モジュール８２からの熱は、ヒートパイプ６０の一端に直接熱伝達してもよく、冷却部５４の受熱ブロック７２を介してヒートパイプ６０の一端６２に熱伝達してもよい。いずれにしても、ヒートパイプ６０の一端６２に入力された熱は、一端６２よりも温度が低い他端６４から放熱され、冷却部５４の受熱ブロック７２に熱伝達される。
【0076】
本実施形態では、コンバータ部５６及びインバータ部５８の両方について、各相の３つの半導体モジュール８２，８４，８６を冷却部５４の受熱ブロック７２上に配置し、かつ、最も発熱量が大きい第１の半導体モジュール８２をヒートパイプ６０の一端６２側に配置する例について説明した。例えば、コンバータ部５６について、Ｕ相及びＶ相の３つの半導体モジュール８２，８４，８６を冷却部５４の受熱ブロック７２上に配置し、かつ、最も発熱量が大きい第１の半導体モジュール８２をヒートパイプ６０の一端６２側に配置するようにし、インバータ部５８について他の冷却構造を採用してもよい。
【0077】
なお、本実施形態に係る電力変換装置１６は、例えば１つのコンバータ部５６に対して、複数のインバータ部５８を接続し得る。また、１つのインバータ部５８は、例えば、鉄道車両１０の台車１２の複数の電動機２８を駆動し得る。
【0078】
［第２実施形態］
図５を用いて電力変換装置１６の第２実施形態について説明する。本実施形態に係る電力変換装置１６は、第１実施形態に係る電力変換装置１６の変形例であって、第１実施形態で説明した内容は、適宜に説明を省略する。
図５を用いて電力変換装置１６の第２実施形態について説明する。本実施形態に係る電力変換装置１６は、第１実施形態に係る電力変換装置１６の変形例であって、第１実施形態で説明した内容は、適宜に説明を省略する。
【0079】
図５には、第２実施形態に係る電力変換装置１６を示す。図５に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１６では、コンバータ部５６の各相（Ｕ相及びＶ相）、インバータ部５８の各相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）は、複数の第１の半導体モジュール８２が並列に接続され、複数の第２の半導体モジュール８４が並列に接続され、複数の第３の半導体モジュール８６が並列に接続されている。ここでは、説明の簡単のため、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相において、それぞれｎ個（ｎは２以上の自然数）の第１の半導体モジュール８２、第２の半導体モジュール８４、第３の半導体モジュール８６が並列に接続されているものとする。
【0080】
そして、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の第１の半導体モジュール８２は、冷却部５４の受熱ブロック７２上で、走行想定方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）に並べられている。図５中、コンバータ部５６のＵ相において、２つの第１の半導体モジュール８２ＣＵ１，８２ＣＵ２，…が並べられ、Ｖ相において、２つの第１の半導体モジュール８２ＣＶ１，８２ＣＶ２，…が並べられている。また、インバータ部５８のＵ相及びＶ相において、それぞれ２つの半導体モジュールが並べられているが、図５中の図示を省略する。図５中、インバータ部５８のＷ相において、２つの第１の半導体モジュール８２ＩＷ１，８２ＩＷ２，…が並べられている。
【0081】
コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の第２の半導体モジュール８４は、冷却部５４の受熱ブロック７２上で、走行想定方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）に並べられている。図５中、コンバータ部５６のＵ相において、２つの第２の半導体モジュール８４ＣＵ１，８４ＣＵ２，…が並べられ、Ｖ相において、２つの第２の半導体モジュール８４ＣＶ１，８４ＣＶ２，…が並べられている。また、インバータ部５８のＵ相及びＶ相において、それぞれ２つの半導体モジュールが並べられているが、図５中の図示を省略する。図５中、インバータ部５８のＷ相において、２つの第２の半導体モジュール８４ＩＷ１，８４ＩＷ２，…が並べられている。
【0082】
コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の第３の半導体モジュール８６は、冷却部５４の受熱ブロック７２上で、走行想定方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）に並べられている。図５中、コンバータ部５６のＵ相において、２つの第３の半導体モジュール８６ＣＵ１，８６ＣＵ２，…が並べられ、Ｖ相において、２つの第３の半導体モジュール８６ＣＶ１，８６ＣＶ２，…が並べられている。また、インバータ部５８のＵ相及びＶ相において、それぞれ２つの半導体モジュールが並べられているが、図５中の図示を省略する。図５中、インバータ部５８のＷ相において、２つの第３の半導体モジュール８６ＩＷ１，８６ＩＷ２，…が並べられている。
【0083】
そして、それぞれの第１の半導体モジュール８２の－Ｘ方向（受熱ブロック７２の第１端７２ａに対して第２端７２ｂ側）に隣接して、例えば第３の半導体モジュール８６が配置され、第３の半導体モジュール８６の－Ｘ方向（受熱ブロック７２の第１端７２ａに対して第２端７２ｂ側）に隣接して第２の半導体モジュール８４が配置される。
【0084】
なお、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の第１の半導体モジュール８２の数と同数のヒートパイプ６０が準備される。コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相のＸ方向に並べられた第１の半導体モジュール８２、第３の半導体モジュール８６、第２の半導体モジュール８４の組と冷却フィン７４との間には、それぞれ、ヒートパイプ６０が配置される。
【0085】
図５中の例について説明すると、コンバータ部５６のＵ相の第１の半導体モジュール８２ＣＵ１、第３の半導体モジュール８６ＣＵ１、第２の半導体モジュール８４ＣＵ１と冷却フィン７４との間には、ヒートパイプ６０ＣＵ１が配置される。コンバータ部５６のＵ相の第１の半導体モジュール８２ＣＵ２、第３の半導体モジュール８６ＣＵ２、第２の半導体モジュール８４ＣＵ２と冷却フィン７４との間には、ヒートパイプ６０ＣＵ２が配置される。コンバータ部５６のＶ相の第１の半導体モジュール８２ＣＶ１、第３の半導体モジュール８６ＣＶ１、第２の半導体モジュール８４ＣＶ１と冷却フィン７４との間には、ヒートパイプ６０ＣＶ１が配置される。コンバータ部５６のＶ相の第１の半導体モジュール８２ＣＶ２、第３の半導体モジュール８６ＣＶ２、第２の半導体モジュール８４ＣＶ２と冷却フィン７４との間には、ヒートパイプ６０ＣＶ２が配置される。
【0086】
図５中、インバータ部５８のＵ相及びＶ相のそれぞれ２つの半導体モジュール及びヒートパイプの図示を省略する。インバータ部５８のＷ相の第１の半導体モジュール８２ＩＷ１、第３の半導体モジュール８６ＩＷ１、第２の半導体モジュール８４ＩＷ１と冷却フィン７４との間には、ヒートパイプ６０ＩＷ１が配置される。インバータ部５８のＷ相の第１の半導体モジュール８２ＩＷ２、第３の半導体モジュール８６ＩＷ２、第２の半導体モジュール８４ＩＷ２と冷却フィン７４との間には、ヒートパイプ６０ＩＷ２が配置される。
【0087】
それぞれのヒートパイプ６０の一端６２は、第１の半導体モジュール８２と冷却フィン７４との間に配置される。ヒートパイプ６０の他端６４は、第２の半導体モジュール８４と冷却フィン７４との間に配置される。
【0088】
本実施形態に係る電力変換装置１６のように、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相において、複数の半導体モジュールを並列に接続することで、第１実施形態で説明した電力変換装置１６に比べて、電力変換装置１６に流す電流の電流密度を増加させることができる。
【0089】
本実施形態に係る電力変換装置１６は、第１実施形態で説明した電力変換装置１６と同様の作用効果を奏する。このため、本実施形態に係る電力変換装置１６によれば、電力変換を行うとき、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相において半導体モジュール８２，８４，８６の温度上昇を抑制し、かつ、各相において半導体モジュール８２，８４，８６の温度を均一の温度にしようとすることができる。
【0090】
したがって、本実施形態によれば、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の半導体モジュール８２，８４，８６を効率的に冷却可能な電力変換装置１６を提供することができる。
【0091】
［第３実施形態］
図６を用いて電力変換装置１６の第３実施形態について説明する。本実施形態に係る電力変換装置１６は、第１実施形態及び第２実施形態に係る電力変換装置１６の更なる変形例であって、第１実施形態及び第２実施形態で説明した内容は、適宜に説明を省略する。
図６を用いて電力変換装置１６の第３実施形態について説明する。本実施形態に係る電力変換装置１６は、第１実施形態及び第２実施形態に係る電力変換装置１６の更なる変形例であって、第１実施形態及び第２実施形態で説明した内容は、適宜に説明を省略する。
【0092】
【0093】
図６に示すように、電力変換装置１６は、コンバータ部５６側の端子台９２ａ及びインバータ部５８側の端子台９２ｂを有する。端子台９２ａ，９２ｂは、例えば図１に示す筐体５２に設けられる。端子台９２ａ，９２ｂは、例えば冷却部５４に対して第１の方向（＋Ｘ方向）側に設けられる。なお、コンバータ部５６の端子台９２ａ及びインバータ部５８の端子台９２ｂは、電気的に絶縁されていれば、一体であってもよい。
【0094】
第１実施形態の図２の左上図における電力変換装置１６において、電力の入力が右側（－Ｘ方向側）、出力が左側（＋Ｘ方向側）の場合、コンバータ部５６の第１の半導体モジュール８２は、端子台９２ａに電気的に接続される、コンバータ部５６側のＡＣ端子（入力端子）９４ＣＵが設けられる。なお、図６中には、代表して、第１の半導体モジュール８２ＣＵに接続されるＡＣ端子９４ＣＵ１と、第３の半導体モジュール８６ＣＵに接続されるＡＣ端子９４ＣＵ３を示す。また、インバータ部５８の第１の半導体モジュール８２には、端子台９２ｂに電気的に接続される、インバータ部５８側のＡＣ端子（出力端子）９４ＩＷが設けられる。なお、図６中には、代表して、第１の半導体モジュール８２ＩＷに接続されるＡＣ端子９４ＩＷ１と、第３の半導体モジュール８６ＩＷに接続されるＡＣ端子９４ＩＷ３を示す。すなわち、図６中、コンバータ部５６のＶ相のＡＣ端子の図示を省略する。また、図６中、インバータ部５８のＵ相の出力端子、及び、Ｖ相の出力端子の図示を省略する。なお、以後の説明では、コンバータ部５６の端子を主として符号９４Ｃとして説明し、インバータ部５８の端子を主として符号９４Ｉとして説明する。
【0095】
このように、コンバータ部５６側の各相のＡＣ端子９４Ｃの一端は、端子台９２ａが設けられる側に突出し、インバータ部５８側の各相のＡＣ端子９４Ｉの一端は、端子台９２ｂが設けられる側に突出する。
【0096】
なお、コンバータ部５６のＡＣ端子９４Ｃ及びインバータ部５８のＡＣ端子９４Ｉは、それぞれバスバーと称される導体で形成される。
【0097】
本実施形態によれば、電力変換装置１６は、コンバータ部５６のＡＣ端子９４Ｃ及びインバータ部５８のＡＣ端子９４Ｉが、コンバータ部５６及びインバータ部５８に対して第１の方向側の同一方向に設けられる。また、電力変換装置１６は、端子台９２ａ，９２ｂが、第１の方向側に設けられる。このため、メンテナンス等を行う作業者は、コンバータ部５６の各相のＡＣ端子９４Ｃと、端子台９２ａとの接続／接続解除を容易に行うことができるとともに、インバータ部５８の各相のＡＣ端子９４Ｉと、端子台９２ｂとの接続／接続解除を容易に行うことができる。したがって、本実施形態に係る電力変換装置１６によれば、コンバータ部５６の各相のＡＣ端子９４Ｃと、端子台９２ａとの接続／接続解除、インバータ部５８の各相のＡＣ端子９４Ｉと、端子台９２ｂとの接続／接続解除といった作業性を向上させることができる。
【0098】
また、電力変換装置１６のコンバータ部５６のＡＣ端子９４Ｃ及びインバータ部５８のＡＣ端子９４Ｉ、さらには、端子台９２ａ，９２ｂが、第１の方向側に設けられる。このため、コンバータ部５６とインバータ部５８との電気的接続位置を１箇所又は２箇所など、少ない数にしている。このため、電力変換装置１６を比較的コンパクトに製造することができる。また、電力変換装置１６のコンバータ部５６のＡＣ端子９４Ｃ及びインバータ部５８のＡＣ端子９４Ｉ、さらには、端子台９２ａ，９２ｂを第１の方向側に設けることを決め、設計コンセプトを明確にすることにより、コンバータ部５６及びインバータ部５８の設計を比較的容易に行うことができる。
【0099】
また、本実施形態に係る電力変換装置１６は、第１実施形態で説明した電力変換装置１６と同様の作用効果を奏する。このため、本実施形態に係る電力変換装置１６によれば、電力変換を行うとき、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相において半導体モジュール８２，８４，８６の温度上昇を抑制し、かつ、各相において半導体モジュール８２，８４，８６の温度を均一の温度にしようとすることができる。
【0100】
したがって、本実施形態によれば、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の半導体モジュール８２，８４，８６を効率的に冷却可能な電力変換装置１６を提供することができる。
【0101】
［第１変形例］
第３実施形態の第１変形例に係る電力変換装置１６について、図７を用いて説明する。
第３実施形態の第１変形例に係る電力変換装置１６について、図７を用いて説明する。
【0102】
第３実施形態の第１変形例に係る図７中の電力変換装置１６のコンバータ部５６及びインバータ部５８の配置は、幅方向（Ｙ方向）の配置が、図２の左上図中の第１実施形態に係る電力変換装置１６のコンバータ部５６及びインバータ部５８に対して反転している。すなわち、インバータ部５８及びコンバータ部５６の幅方向の配置は、適宜に選択可能である。なお、図７中、ヒートパイプ６０の図示を省略する。
【0103】
本変形例に係る電力変換装置１６は、第１から第３実施形態で説明した電力変換装置１６と同様の作用効果を奏する。このため、本変形例に係る電力変換装置１６によれば、電力変換を行うとき、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相において半導体モジュール８２，８４，８６の温度上昇を抑制し、かつ、各相において半導体モジュール８２，８４，８６の温度を均一の温度にしようとすることができる。したがって、本変形例によれば、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の半導体モジュール８２，８４，８６を効率的に冷却可能な電力変換装置１６を提供することができる。
【0104】
［第２変形例］
第３実施形態の第２変形例に係る電力変換装置１６について、図８を用いて説明する。
第３実施形態の第２変形例に係る電力変換装置１６について、図８を用いて説明する。
【0105】
第３実施形態の第２変形例に係る図８中の電力変換装置１６のコンバータ部５６及びインバータ部５８の配置は、走行想定方向（Ｘ方向）の配置が、図７中の第３実施形態の第１変形例に係る電力変換装置１６のコンバータ部５６及びインバータ部５８に対して反転している。すなわち、インバータ部５８及びコンバータ部５６の走行想定方向の配置は、適宜に選択可能である。なお、図８中、ヒートパイプ６０の図示を省略する。
【0106】
本変形例に係る電力変換装置１６は、第１から第３実施形態で説明した電力変換装置１６と同様の作用効果を奏する。このため、本変形例に係る電力変換装置１６によれば、電力変換を行うとき、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相において半導体モジュール８２，８４，８６の温度上昇を抑制し、かつ、各相において半導体モジュール８２，８４，８６の温度を均一の温度にしようとすることができる。したがって、本変形例によれば、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の半導体モジュール８２，８４，８６を効率的に冷却可能な電力変換装置１６を提供することができる。
【0107】
［第４実施形態］
図９を用いて電力変換装置１６の第４実施形態について説明する。本実施形態に係る電力変換装置１６は、変形例を含む第１から第３実施形態に係る電力変換装置１６の更なる変形例であって、第１から第３実施形態で説明した内容は、適宜に説明を省略する。
図９を用いて電力変換装置１６の第４実施形態について説明する。本実施形態に係る電力変換装置１６は、変形例を含む第１から第３実施形態に係る電力変換装置１６の更なる変形例であって、第１から第３実施形態で説明した内容は、適宜に説明を省略する。
【0108】
第１実施形態では、図３に示すように、３レベル電力変換装置１６を１つの２ｉｎ１モジュールである第１の半導体モジュール８２と、２つのチョッパモジュールである第２及び第３の半導体モジュール８４，８６とで構成する例について説明した。
【0109】
図９には、本実施形態に係るコンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の３レベル回路図を示す。コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相はスイッチング素子やダイオード等の半導体が収納される３つの半導体モジュール８２，８４，８６で構成されている。
【0110】
例えば、図９に示すように、第２の半導体モジュール８４のクランプダイオードＤ５（図３参照）をＩＧＢＴ等のスイッチング素子に変更して、１つのパッケージとしての２ｉｎ１モジュールで構成してもよい。また、第３の半導体モジュール８６のクランプダイオードＤ６（図３参照）をＩＧＢＴ等のスイッチング素子に変更して、１つのパッケージとしての２ｉｎ１モジュールで構成してもよい。
【0111】
本実施形態に係る電力変換装置１６は、第１から第３実施形態で説明した電力変換装置１６と同様の作用効果を奏する。このため、本実施形態に係る電力変換装置１６によれば、電力変換を行うとき、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相において半導体モジュール８２，８４，８６の温度上昇を抑制し、かつ、各相において半導体モジュール８２，８４，８６の温度を均一の温度にしようとすることができる。
【0112】
したがって、本実施形態によれば、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の半導体モジュール８２，８４，８６を効率的に冷却可能な電力変換装置１６を提供することができる。
【0113】
なお、本実施形態に係る電力変換装置１６では、コンバータ部５６の各相に図９に示す３レベル回路を用い、インバータ部５８に図３に示す３レベル回路を用いてもよい。また、本実施形態に係る電力変換装置１６では、コンバータ部５６の各相に図３に示す３レベル回路を用い、インバータ部５８に図９に示す３レベル回路を用いてもよい。
【0114】
以上説明したように、各変形例を含む実施形態によれば、コンバータ部５６及びインバータ部５８の各相の半導体モジュール８２，８４，８６を効率的に冷却可能な電力変換装置１６を提供することができる。
【0115】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0116】
１０…鉄道車両、１２…台車、１４…車体、１４ａ…パンタグラフ、１６…電力変換装置、２２…台車枠、２４…車軸、２６…車輪、２８…電動機、３０…台車バネ、５２…筐体、５４…冷却部、５６…コンバータ部、５７…フィルタコンデンサ、５８…インバータ部、６０…ヒートパイプ、６２…一端（蒸発部）、６４…他端（凝縮部）、７２…受熱ブロック、７４…冷却フィン、７４ａ…一方端、７４ｂ…他方端、８２，８２Ｃ，８２Ｉ…第１の半導体モジュール、８４，８４Ｃ、８４Ｉ…第２の半導体モジュール、８６，８６Ｃ，８６Ｗ…第３の半導体モジュール、９２ａ，９２ｂ…端子台、９４Ｃ，９４Ｉ…ＡＣ端子、１００…レール、１０１…架線、Ｑ１－Ｑ４…スイッチング素子、Ｄ５，Ｄ６…クランプダイオード。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
