CN1042181C - 逆变装置 - Google Patents

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Abstract

一种采用能高频驱动的半导体开关元件的逆变装置，通过让缓冲电容器和缓冲二极管呈阶梯状地与半导体开关模块对置，减小它们间的布线电感和缓冲电容，并通过将半导体开关模块成组装在同一吸热板，使吸热板热负荷均匀，从而冷却器可做小，达到整个逆变装置小型化。另外，按各个相逆变器主电路划分成功率模块，并可按需要从框体中取出，以确保维修方便。

Description

逆变装置
本发明涉及逆变装置，例如关于适用于电车或者电力机车等的逆变装置。
作为驱动电车的动力系统，逆变装置使可变速驱动感应电动机的方式得以实用。
这样的电车用逆变装置，例如将电动机分设于多根车轴的电车中，因必须配装在车辆地板下有限的空间中，所以要求做成尽量小的装置。同样，电力机车中因装在1台机车上的逆变装置群的总容量在变大，就希望各个逆变装置小型化。
为满足这种要求，以往电车驱动用的逆变器主电路的半导体开关元件，如日本实开平2-75738号公报或者《GTO-Stromrichterfuer Bahnen：SIEMENS，Sonderdruck aus ZEV-Glasers Annalen113(1989)Nr.6/7 juni/juli 259-272页》文献等所记载的那样，采用闸门电路断开可控硅(GTO可控硅)。因为它较之双极晶体管(BT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等半导体开关元件，耐压和容许电流都大，能使逆变器主电路部分小型化。
另一方面，为抑制输出波形的高次谐波成分，如上述(GTO-Stromrichter fuer Bahnen)文献所记载，提出了对3电平的直流电压作开关而产生交流输出的所谓3电平逆变器(亦称中性点箝位逆变器)的方案。该3电平逆变器的1相逆变器主电路的结构具有一对连接直流电源的直流输入端子、连接直流电源中性点的中性点端子、接在一对直流输入端子之间的第1至第4半导体开关元件串联电路、分别接在第1与第2半导体开关元件连接点和中性点端子之间以及第3与第4半导体开关元件连接点和中性点端子之间的箝位二极管，以及接子第2与第3半导体开关元件连接点的交流输出端子。
此外，GTO可控硅的开关损耗大，为提高冷却效率，如上述公报、文献所述，将GTO可控硅做成圆盘形，以其圆盘的两面为主电极，再将导电性冷却部件分别压焊在这些主电极上，该冷却部件内使用流通汽化性致冷剂结构的冷却器。为确保夹持GTO可控硅的两侧冷却部件相互间以及致冷剂冷凝部与GTO可控硅之间的绝缘，采用具有绝缘性的致冷剂。对于满足这种必要条件的致冷剂来说，以往主要采用具有优良冷却性能和绝缘性能的氟里昂。
然而，由于GTO可控硅的元件开关损耗大，而且用于抑制电路断开时电压上升的缓冲电容器和缓冲电阻器的值大，开关频率做不高，以往实用的GTO可控硅最高只有500Hz。因此，用GTO可控硅构成驱动电动机用的逆变器时，即使采用上述3电平逆变器，输出波形高次谐波失真的减小也有限，从而电动机的电流脉动变大，存在电动机电磁噪声大的问题。
于是，考虑应用提高开关频率的双极晶体管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS门控制的可控硅等可用高频脉冲门信号驱动的半导体开关元件(以下统称为高频半导体开关元件)。
然而，作为这些高频半导体开关元件付诸实用的元件，一般因耐压程度低(例如通用的IGBT为1200V)，所以线路电压为直流1500V的电车中要串联使用多个元件。另外，已实用的高频半导体开关元件，一般电流值较小，若用于电车用大容量逆变装置(例如用于驱动单机容量为200KW以上的电动机)，则要并联使用多个元件。
因此，当把IGBT等高频半导体开关元件应用于电车用逆变装置时，逆变器主电路部分有大型化倾向，所以要求对装置结构下工夫，使电车用逆变装置整体上小型化。
还有，在希望IGBT等高频半导体开关元件的冷却系统小型化的同时，从防止公害的观点考虑，还希望采用替代氟利昂汽化冷却方式的冷却方式。
另外，若单纯谋求小型性，则因构件设置与有关布线错综复杂，存在检查、修理等维修性能变坏的问题。尤其是电车用逆变装置，因装在电车地板下狭小场所，必须充分考虑维修性能。
本发明的第1目的在于提供能提高开关频率，减小输出电流脉动且使整个装置小型化的逆变装置。
本发明的第2目的在于提供除第1目的外再使冷却器能小型化，同时可不用氟利昂致冷剂的逆变装置。
本发明的第3目的在于提供除第1、第2目的外再确保易于维修的逆变装置。
本实现上述目的，本发明的特征是用以下构件构成。
为实现1目的，本发明逆变装置的第1特征在于：构成逆变器主电路的多个半导体开关元件，用可比GTO可控硅更高频率驱动的元件，让形成该半导体开关元件的缓冲电路的缓冲电容器置与面对连接对象半导体开关元件安装支承面而夹持该半导体开关的位置上。
为实现第2目的，本发明逆变装置的第2特征在于：让形成3相逆变器主电路的多个半导体开关元件分别通过绝缘构件装在导热性底板上而形成半导体开关模块，将多个这种半导体开关模块按各个相划分地装在同一导电性吸热板的一面。
此情况下，最好让装在吸热板上的1个相的半导体开关模块，按互相连接的顺序排列。
还有，通过吸热板冷却半导体开关模块的冷却器，最好用以水为致冷剂的汽化冷却型。
为实现上述第3目的，本发明逆变装置的第3特征在于：按各个相划分3相逆变器主电路的构件和门驱动器，且每1相装入同一支承框体形成功率模块，该功率模块能装卸地装入共同框体。
此情况下，各相功率模块最好包括：逆变器主电路1个相的串联的多个半导体开关模块、形成各半导体开关模块用缓冲电路的缓冲电容器和缓冲二极管、对包括半导体开关模块的发热体作冷却的冷却器以及与该功率模块组成构件之外的部分进行有关布线的接线端子。而且，最好通过绝缘构件分别将半导体开关元件装在导热性底板上而形成半导体开关模块，同时通过该底板，装在同一个导电性吸热板的一面，该吸热板的另一面导热性连接冷却器井使该冷却器位于框体外侧，让吸热板可装卸地装在该框体上。又最好让缓冲电容器和缓冲二极管置于面对吸热板而夹持半导体开关模块的位置上，并将缓冲电容器和缓冲二极管的端子设在接近连接对象半导体开关模块的主电极端子之处。
最好让功率模块的支承框体支承构成缓冲电路的缓冲电阻器和构成逆变器主电路的滤波电容器。
最好垂直地将吸热板装入框体，并使装在该吸热板上的1个相的半导体开关模块按串联顺序沿垂直向排列。
最好将并联在逆变器主电路的直流电源上的滤波电容器装入各功率模块，并置于面对半导体开模块而夹持缓冲电容器的位置上。
通过如此构成，若利用本发明，就会因以下作用而达到上述各目的。
从根本上说，本发明因采用能比GTO可控硅更高频率驱动的半导体开关元件(以下简称为高频半导体开关元件)，可减小输出电流的脉动，改善电磁噪声。而且避开了因使用这种高频半导体开关元件而引起的装置大型化，如下述那样达到了使逆变装置小型化的目的。
首先，作为高频率半导体元件，已知有双极晶体管、IGBT、MOS门所控制的可控硅等，这些高频半导体开关元件因开关损耗比GTO可控硅小，能高频工作。例如IGBT情况下，可在500Hz-3KHz范围内选定开关频率。而且，IGBT的开关损耗，在500Hz时为GTO的几分之一，3KHz时为GTO的几十分之一。
又因为高频半导体开关元件较之GTO可控硅，门驱动所要的功率不，能使门驱动器做得小，有助于整个装置的小型化。
再由于高频半导体开关元件较之GTO可控硅，电路断开时的安全工作区域宽(例如，因容许电压增长率高)，能使缓冲电容器的容量小，从而缓冲电阻器上消耗的缓冲损耗也变小，例如，IGBT的情况下，较之GTO可控硅，缓冲电容器的电容可为其1/10以上。
不过，若单纯减小缓冲电容器的电容，则因高频半导体开关元件电流截止速度比GTO可控硅快，存在电路断开时元件上易加上大的峰值电压和过冲电压的问题。尤其在IGBT的情况下，因电流截止速度比GTO可控硅快1个数量级以上而成为问题。
该峰值电压的发生是由于逆变器主电路的且主要是缓冲电路的布线电感积存了电磁能量。因此，为了在半导体开关元件的安全工作区域内抑制峰值电压，减小缓冲电路的布线电感显得很重要。
于是，根据本发明的第1特征，让缓冲电容器量于面对安装连接对象半导体开关元件的支承面而夹持该半导体开关的位置上，能使其连接布线尽可能缩短。结果是减小布线电感，降低峰值电压，从而能减小缓冲电容器的电容，促进装置小型化。
此情况下，最好把半导体开关元件装在导热性底板上，并将该元件主电极端子设于底板的对面，将缓冲电容器装在该缓冲电容器端子接近连接对象半导体开关元件的主电极端子的位置上。由此能使缓冲电路的布线电感为最小。
还有，因将半导体开关元件和缓冲电容器作立体式安装，即不是装在同一面上，而是装成2层阶梯结构，所以促进了整个装置的小型化。
另一方面，逆变器主电路的1个相包括接直接电源的上臂和下臂的半导体开关元件。由于这些半导体开关元件不会同时导通工作，所以这些元件的发热周期不重叠。
因此，作为本发明的第二特征，若将半导体开关模块按各个相划分后装在同一吸热板的一面上，并将冷却器导热地接在该吸热板的另一面，则能使冷却器的热负荷量均匀。结果是能使冷却器小型化，从而促进整个装置小型化。
另外，当把1个相的半导体开关元件装在同一导电性吸热板时，必须使各元件之间绝缘，而且吸热板为接地电位时，必须使元件与吸热板绝缘。关于这点，是做成各半导体开关元件各自通过绝缘构件装在导热性底板上，确保元件间及对地间的绝缘。
这样，因各个半导体开关元件分别构成绝缘，即使用汽化致冷剂型的冷却器，也无须过问其致冷剂绝缘性，所以可以使用无公害的水等致冷剂。
特别希望将装在吸热板上的1个相的半导体开关模块按互相串联顺序进行排列。由此能缩短主电路的布线，减小布线电感，从而能降低半导体开关元件于电路断开时的过冲电压，结果能促使缓冲电容器小型化。也就是说，半导体开关元件于电路断开时产生的过冲电压主要取决于从半导体开关元件看过去的逆变器主电路的布线电感中积存的电磁能量。
如上所述，例如当做成将1个相的半导体开关元件装在同一吸热板上，同时把缓冲电容器装成对半导体开关元件呈阶梯状，则检查，修理等维修性能变坏。
这一点，根据本发明第3特征，按每1个相的逆变器主电路划分做成功率模块，该功率模块可装卸地装入共同的框体中，所以维修时通过从框体卸下必要的功率模块，就能方便地检查各零件，提高维修性能。尤其是装入门驱动器后，就能简便地进行半导体开关元件的工作测试。即若用测试用门驱动器进行工作测试，必须预先准备各种测试用门驱动器，使之对应于半导体开关元件门特性和电容量等，而用本发明则不必那样准备各种测试用门驱动器。
还有，因以1相为单位模块化，即使部分零件发生故障时，也只要调换故障模块就能迅速修复。备件还可以不以逆变装置为单位，而以功率模块为单位作准备。以1相为单位划分的功率模块又比较轻，能用简单工具搬运。
上述半导体开关元件于电路断开时的峰值电压和过冲电压也受到连接并联在逆变器主电路直流电源上的滤波电容器和半导体开关元件的布线电感的影响。因此，通过将该滤波电容器按各个相分散装入各功率模块，使其置于面对半导体开关模块而夹持缓冲电容器的位置上，就能进一步降低峰值电压，并使缓冲电容器电容减小。而且，这样设置能提高立体状结构设置的空间利用率，使整个装置小型化。结果使小型化达到能设置在电车等有限空间内的程度。
以下根据图示实施例说明本发明。
用图1至图10说明本发明一实施例的电车用逆变装置。图1是电车用逆变装置的一个相的主要部分结构图；图2是图1中箭头II-II向所视的结构图；图3是本实施例的电车用逆变装置的整个系统结构图；图4是1个相的逆变器主电路的结构图；图5是图3所示电车用逆变装置1的总体外观后视图；图6是图5箭头VI-VI向所视的剖面图；图7表示将本实施例电车用逆变装置配装在电车地板下面的状态；图8是将本实施例半导体开关模块结构部分剖开后展示的斜视图；图9是表示半导体开关模块和箝位二极管在吸热板上的设置及它们的电气连接的放大图；图10表示半导体开关模块和缓冲电容器阶梯状设置的重叠关系。
先参见图3至图7，说明本实施例电车用逆变装置的总体结构和逆变器主电路。
如图3所示，本实施例电车用逆变装置所用的电车驱动装置由4台感应电动机M1、M2、M3、M4构成。对应这4台感应电动机设置2台结构相同的逆变装置1A、1B，使逆变装置1A驱动感应电动机M1、M2，而逆变装置1B驱动感应电动机M3、M4。各逆变装置1A、B的结构各自包括将3相逆变器主电路按各相划分而成的功率模块PU1-PU3。各功率模块PU1-PU3的一方直流输入端(P)，经断路器3、释放开关4A、B和滤波电抗线圈5A、B接至导电弓架2，而另一方直流输入端(N)接地。
如图4所示，各功率模块PU1-PU3的主电路应用“3电平逆变器电路”。图4示出了逆变器1个相的主电路，一对直流输入端子P、N中，P接至连接图3导电弓架2的直流线路，N接地。2个滤波电容器CF1、CF2的串接电路接在这一对直流输入端子P、N上，滤波电容器CF1和CF2的连接点为直流电源的中性点，与中性点端子O连接。4个半导体开关模块SM1-SM2的串联电路接在一对直流输入端子P、N之间。各半导体开关模块SM1-SM4分别由IGBTQ1-Q4和旁路二极管DF1-DF4反向并联而构成。半导体开关模块SM1和SM2的连接点以及半导体开关模块SM3和SM4的连接点分别通过箝位二极管DC1和DC2连接中性点端子O。而且，半导体开关模块SM2和SM3的连接点接交流输出端子M。缓冲电路由缓冲电容器CS1、CS2、缓冲二极管DS1、DS2、缓冲电阻器RS1-RS3构成。缓冲电容器CS1、CS2分别将3个电容器C11-C13、C21-C23连接成三角形而构成，缓冲电容器CS1、CS2也可以分别将3个电容器连接成星形而等效构成。此外，各半导体开关模块SM1-SM4的各门，输入经门驱动器GD放大的门脉冲。
如图5所示，本实施例电车用逆变装置1的总体结构为：在共同框体6内，以控制单元CU-A、B和附属装置AU-A、B为中心，将逆变装置1A、B的功率模块PU1-PU3对称地设置在两侧。如图6所示电车用逆变装置1的剖面图那样，冷却装置53、54的一部分，被设置成突出在框体6正面的外部。如图7所示，这样构成的电车用逆变装置1，可通过使其长度方向与电车行驶方向一致，并让设在框体6上部的多个起吊连钩7吊挂在电车车辆8中央部的地板下进行安装。而且，将有冷却器53、54的一面向着车辆8的外侧安装。
以下参见图1和图2说明功率模块PU的具体结构。图1是从功率模块的侧面所见的主要部分结构图。图2是从图1的箭头II-II向所视的结构图。
如这些图所示，半导体开关模块SM1-SM4分别由两个半导体开关模块并联而成，并将这两个开关模块横向并排。正臂的半导体开关模块SM1和SM2纵向并排，安装在第1吸热板31的表面，负臂的半导体开关模块SM3和SM4纵向并排安装在第2吸热板32的表面。各吸热板的表面装有箝位二极管DC1和DC2。箝位二极管DC1、DC2也通过并联2个二极管而构成。
半导体开关模块SM1-SM4为相同结构，做成图8中部分剖开后所示斜视图那样。也就是说，在用铜等良好导热性材料制成的底板61上装载氧化铝等绝缘板62，该绝缘板62上装载铜板等制成的导电性第1主电极63，该主电极63上装载多块钼等制成的导电性热应力衰减板64，各热应力衰减板64上装载IGBT元件65，并在第1主电极63上装载铜板等制成的导电性第2主电极66，再用绝缘外壳67盖罩全体而构成。一对主电极端子68和门端子69设置成露出在绝缘外壳67的外面。还有图中未示出的反向并联在IGBT元件(Q)65上的旁路二极管DF也装载在第1主电极63上。而且，通过设在底板61上的螺栓孔70使第1、第2吸热板31、32紧贴安装。如图9所示，吸热板31、32上配置半导体开关模块SM1-SM2和箝位二极管DC1、DC2，并按图4电路结构用导体11-16进行连接。
第1和第2吸热板31、32用铝等导热性良好的材料制成。各吸热板用螺栓34紧固在做成矩形框状的功率模块支承框33上。
该功率模块支承框33的周边部位设置凸缘部35，并且在框体侧面开口部的周边部位形成框状的安装座37。再用螺栓38通过密封垫39将功率模块支承框的凸缘部35紧固在安装座37上，从而功率模块支承框33装在框体6上，即用吸热板31、32以及功率模块支承框33形成框体6的部分侧面，利用密封垫39确保气密。
零件支承构件40置于面对吸热板31、32而夹持半导体开关模块SM1-SM4的位置上。该零件支承构件40依靠臂板构件41固定在功率模块支承框33上。又使缓冲电容器CS1-CS2以及缓冲二极管DS1-DS2与半导体开关模块SM1-SM4对置地装在该零件支承构件40上。如图10所示，这些构件设置的重叠关系定为要使连接对象的端子相互接近。因此，要使缓冲电路的布线能以最短距离作安装。
该零件支承构件40的对面位置上安装由环氧树脂等绝缘材料构成的端子盘42-45，这些端子盘42-45支承着直流输入端子P、N、中性端子O、交流输入端子M。在端子盘42-45的旁边，将变流器CT和门驱动器GD(GD1、GD2)装在零件支承构件40上。滤波电容器CF1、CF2设置在这些CT和GD的下侧空间。另外，门驱动器GD1和GD2分别与半导体开关模块的正、负方对应。
分别由多根热管51和装在该热管51上的散热片52构成的冷却器53、54导热地装在吸热板31、32上。用铜等导热性和加工性良好的材料做成热管51，管内封入作为汽化致冷剂的水，并以负压调整使低温下易汽化，并达到不混入非冷凝性气体。
本实施例的情况下，热管51弯成L形，将一方的直管部分埋入吸热板31、32中作导热性连接后作为蒸发部51a，同时让吸热板支承热管51。将另一方的直管部分设置成稍向上倾斜，在该部分上装上多块散热片52后作为冷凝部51b。另外，用中心架55连接冷凝部51b的前端，并将该中心架固定在吸热板31、32或者功率模块支承框33上，让热管51的振动与逆变装置主体为同一振动系统。
接着以本发明的特征部为中心说明这样构成的电车用逆变装置的工作。
让本实施例电车用逆变装置用控制单元CU的未图示的PWM控制装置按众所周知的3电平逆变器的基本工作产生驱动控制门脉冲〔参考文献：“一种新颖中性点箝位PWM逆变器”(ANewNeutral-Point-Clamped PWM Inverter，IEEE Transactions onindustry applications vol.1A-17，No.5，September/October1981)〕。也就是说，3电平逆变器的基本工作按下述3种导通方式使半导体开关模块SM1-SM4的Q1-Q4通、断，并在交流输出端子M处有选择地输出3电平电压。在此假设直流全电压为Edv、中性点电压为Ed/2v。
               Q 1   Q 2  Q 3   Q 4   输出电压
第1导通方式    通    通    断    断    Ed
第2导通方式    断    通    通    断    Ed/2
第3导通方式    断    断    通    通    0
如图11所示，利用这样的3电平逆变器，较之通常的2电平逆变器，输出电压脉冲的电压电平级数增加，显然能提高开关频率，从而能降低高次谐波。又因用IGBT作半导体开关元件，能使开关频率范围提高成500z-3KHz，这一点也有利于抑制高次谐波，能减小电磁噪声。
接着，通过让缓冲电容器CS1、CS2和缓冲二极管DS1-DS2分别置于同连接对象半导体开关模块SM1-SM4接近且对置的位置上，减小缓冲电路的布线电感，降低峰值电压，由此能使缓冲电容器小型化，进而能使整个装置小型化。
图12表示图4的半导体开关模块SM1和部分缓冲电路。设半导本开关模块SM1和缓冲电路中分别存在布线电感L1、L2。若IGBTQ1为导通状态，电流I流入布线电感L1和IGBT Q1时使IGBT Q1截止，则电流移向由布线电感L2、缓冲二极管DS1、缓冲电容器C11组成的缓冲电路，并在缓冲电容器C11上积存电荷，从而断开电流。
图13示出一此时的IGBT Q1的电压V、IGBT Q1的电流I1和缓冲电路电流I2的波形。图中以VDP表示的电压称为峰值电压，因此若不将此电压调到根据IGBT等半导体开关元件的安全工作区域而定的值以下，则会损坏IGBT。
该峰值电压VDP取决于布线电感L1、L2内为主的L2和IGBT等半导体开关元件通断时的电流变化率。由于IGBT等高频半导体开关元件通断速度快，电流变化率变大，为了抑制峰值电压VDP，减小布线电感L1、L2显得很重要。
如图1、2、10所示，本实施例使缓冲电容器CS1、CS2和缓冲二极管DS1、DS4同半半导体开关模块SM1-SM4接近且对置，实现这些零件之间的连接布线距离最短，尽量减小布线电感L1、L2。结果是即便用小容量的缓冲电容器CS1、CS2也能压低峰值电压VDP，有利于装置小型化。
本实施例还将构成缓冲电容器CS1、CS2的三个电容器做成一体型，因此能进一步减小布线电感，同时能使电容器小型化。
以下就本实施例的对半导体开关模块进行冷却的冷却系统的特征进行说明。
PWM控制装置根据上述3种导通方式以及所定的电车的设定速度和行驶方式产生门脉冲，并通过门脉冲对各半导体开关模块作PWM控制，从而可变控制逆变装置的输出电压和频率，同时根据电车的行驶方式(加电力行驶、惯性行驶、制动)控制逆变装置。
半导体开关模块SM1、SM4因导通工作时的损耗而发热。本实施例用吸热板31、32和冷却器53、54所组成的冷却系统对此散热，以保持在所定允许温度以下。即，半导体开关模块SM1-SM4的热量先通过底板21传至吸热板31、32，使吸热板31、32的温度上升。接着热管51的蒸发部51a内的水因吸热板31、32升温而汽化蒸发，利用该蒸发热吸热板得以冷却。热管51内的汽化水被引至冷凝部51b，通过散热片与电车的行驶风(基本上与图1图纸面成垂直方向的风)进行热交换而冷凝。该冷凝后的水经热管51的内壁回流至蒸发部51a，重复上述冷却动作。
现已查明，形成3电平逆变器的半导体开关模块SM1-SM4的损耗(发热量)，如图14(a)、(b)所示的半导体元件发热周期那样，与电车的行驶方式(加电力行驶、惯性行驶、制动)有关。也就是说，半导体开关模块SM1和SM4的损耗在加电力行驶时具有峰值，半导体开关模块SM2和SM3的损耗在制动时具有峰值。
鉴于这点，如图1所示，本实施例将损耗峰值错开的SM1和SM2配为一对装在同一吸热板31上，同样将SM3和SM4配为一对装在同一吸热板32上。以此使加电力行驶时和制动时加到吸热板的热量均匀化，较之对半导体开关模块SM1-SM4逐一分别设置冷却器的场合，冷却器53、54的热负荷量更均匀，因此能使冷却器小型化。
如图8所示，与GIBT相同的底板上还装载旁路二极管而形成半导体开关模块SM，使发热半导体元件与其冷却系统集中一起，有助整个装置的小型化。
这种情况下，缓冲二极管DS也能与半导体开关模块SM形成一体化，这样就能进一步减小上述布线电感，同时能使冷却系统更密集而促进装置小型化。
同样，由于在与半导体开关模块SM相同的吸热板31、32上安装箝位二极管DC1和DC2，能使发热半导体元件及其冷却系统进一步密集，促进整个装置小型化。还有，箝位二极管DC1、DC2的损耗对应电车的行驶方式，如图14(c)所示那样地变化，因此较之各二极管分别设置冷却器的场合，能使冷却器的热负荷量达到一定程度的均匀化。
另一方面，如图8所示，通过绝缘板62将构成半导体开关模块SM的IGBT和旁路二极管DF装在底板61上，构成在模块内部确保半导体元件的对地绝缘，从而能使冷却系统结构简单化，促进整个装置小型化，同时把吸热板31、32和冷却器34、35作为导热连接的传热构件，因此能应用使用水等非绝缘性致冷剂的热管。从而实现不损冷却能力又不用有公害的氟利昂的冷却系统。
再有，伴随能使吸热板为接地电位，吸热板31、33也可直接装在框体6上，因此，如图1、图2所示，本实施例将吸热板31、32可装卸地装在形成于框体6垂直外壁处的开口部上，将半导体开关模块SM可装卸地装在内侧，从而吸热板31、32的一个面露出在框体6的外部。结果是，较之以往那样把吸热板全都设在框体内，外露吸热板的表面也有效地起着散热面的作用，其散热量能抑制框体内的温升，还可减小冷却器的散热容量，达到小型化。
上述实施例，举出了应用IGBT作逆变器主电路的半导体开关元件的例子，但不限于此，也可以应用能比GTO更高频率驱动的半导体开关元件，如用双极晶体管、MOS门等控制的可控硅，也能取得同样效果。
还有，上述实施例举出了将吸热板分为吸热板31、32，再分别装上冷却器53、54的例子，但如果使吸热板31、32为一体，上述效果也不变。不过，若考虑预先将冷却器装上吸热板后再组装，则还是将吸热板分为两块更便于组装时的操作。
也可以把吸热板31、32分为半导体开关模块方和冷却器方等两部分再接合成双层结构。这样更便于制造和组装。不过，有可能会因双层吸热板接合面的热阻而降低冷却效果。
上述实施例示出了让热管和散热片组合后作冷却器，但本发明不限于此，可以做成将散热片导热地直接接合在吸热板31、32的外面或者将散热片与吸热板形成一体。
如上所述，当让一个相的半导体开关元件装在同一吸热板上，同时让缓冲电容器、缓冲二极管等同半导体开关元件对置地构成阶梯状，则检查、修理等维修性能变坏。关于这一点，由于本实施例是按各个相逆变器主电路划分功率模块化，所以能改善检查、修理等维修性能。
也就是说，因让逆变器主电路各个相划分功率模块后再可装卸地装入共同的框体，所以维修时可以从框体取出必要的功率模块从而容易检查各零件，提高维修性能。
特别是装入门驱动器GD后，能简单地进行半导体开关元件的工作测试。也就是说，若用测试用门驱动器来进行工作测试，则必须配合半导体开关元件的门特性，电容量等，预先准备各种测试用门驱动器，因此很烦琐。对此，本实施例因能用适合半导体开关元件的所定门驱动器GD，所以能简单又确切地进行工作测试。
此外，因各相分开模块化，即使部分零件发生故障，也只需调换故障的功率模块就能迅速修复。而且，可以不以逆变装置为单位，而以功率模块为单位准备备用件。再者，以1个相为单位划分的功率模块比较轻，能用简单的工具进行搬运。
还有，上述半导体开关元件电路断开时的峰值电压和过冲电压也受布线电感影响，该电感取决于并联在逆变器主电路直流电源上的滤波电容器CF和半导体开关元件之间的连接布线。如图1所示，本实用新型让其滤波电容器CF按各个相分散作为滤波器单元装入，并置于面对半导体开关模块而夹持缓冲电容器CS的位置上。因此，能进一步降低峰值电压，使缓冲电容器容量小。而且这样设置能提高立体状结构设置的空间利用率，使整个装置小型化。结果使小型化达到能装在电车等的有限空间中。
还有，可以将滤波电容器CF装在功率模块支承框33上，与功率模块PU构成一体。
如上所述，本发明具有以下效果。
虽使用高频半导体开关会使峰值电压变高，但通过将缓冲电容器和缓冲二极管置于面对安装连接对象半导体开关元件的支承面而夹持该半导体开关的位置上，能尽量缩短它们之间的布线。结果是布线电感减小，能降低峰值电压，从而能减小缓冲电容器的电容，促进装置小型化。而且，通过将包括半导体开关元件和缓冲电容器的构件设置成立体形阶梯结构，促使整个装置小型化。
还有，高频半导体开关元件较之GTO可控硅，门驱动所需的功率小，能使门驱动器做小，促进整个装置的小型化。
再有，因将半导体开关模块按每1个相划分后装在同一散热板的一面上，并在该散热板的另一面上导热地连接冷却器，所以冷却器的热负荷量可均匀化，结果能使冷却器，进而使整个装置小型化。
另外，若将箝位二极管与半导体开关模块装在同一吸热板上，能使发热半导体元件及其冷却系统进一步密集，从而促进整个装置的小型化。
还有，按各个半导体开关元件分开设吸热板和绝缘的结构，使吸热板可为接地电位，因而无需过问冷却器致冷剂的绝缘性，可用无公害的水等作致冷剂。
由于以每个相的逆变器主电路划分而功率模块，并将该功率模块可装卸地装入共同的框体中，因此维修时，从框体取出必要的功率模块，就能方便地检查各零件，从而提高维修性能。
尤其是通过装入门驱动器，能简便地进行半导体开关元件的工作测试。
还因以1相为单位做成模块化，即使部分零件发生故障时，也只需调换故障的模块，就能迅速修复。而且可以不以逆变装置为单位，而以功率模块为单位准备备用件。
再有，若将滤波电容器按各个相分散装入各功率模块中，并置于面对半导体开关模块而夹持缓冲电容器的位置上，则能进一步降低半导体开关元件电路断开时的峰值电压，且能使缓冲电容器容量小。这样设置还能提高立体状结构设置的空间利用率，使装置的纵深或者宽度都缩小。结果使小型化达到能装于电车等的有限空间中。
图1是应用本发明的一实施例电车用逆变装置的主要部分结构图；
图2是从箭头II-II方向看图1实施例的结构图；
图3是电车的逆变装置的动力系统结构图；
图4是本发明3电平逆变器的1个相的主电路结构图；
图5是装入图3所示的逆变装置而构成的电车用逆变装置的整体外观图；
图6是从图5箭头VI-VI方向所见的向视图；
图7表示将图5的电车用逆变装置配装在电车地板下面的状态；
图8是将本发明一实施例的半导体开关模块的结构部分剖开后展示的斜视图；
图9是表示吸热板上的半导体开关模块和箝位二极管的设置与连接关系的放大图；
图10表示缓冲电容器和缓冲二极管相对于半导体开关模块的设置重叠关系；
图11说明图4的IGBT Q1-Q4的通、断动作与输出电压的关系；
图12是用于说明半导体开关元件电路断开时产生的峰值电压的主要部分电路图；
图13是用于说明半导体开关元件电路断开时产生的峰值电压的各部分电压、电流波形图；
图14是对应逆变器的运转方式表示半导体开关模块和箝位二极管的损耗的曲线图。
以下说明有关符号含义，1A、B：逆变装置、6：框体、11-23：导体、31、32：吸热板、33：功率模块支承框、35：凸缘部、37：安装座、39：密封垫、40：零件支承构件、41：臂板构件、42-45：端子盘、51：热管、52：散热片、53、54：冷却器、55：中心架、61：底板、62：绝缘板、63：主电极、64；热应力衰减板、65：IBGT元件、67：绝缘外壳、68：主电极端子、69：门端子、PU1-PU3：功率模块、SM1-SM4：半导体开关模块、Q1-Q4：IGBT、DF1-DF4：旁路二极管、CS1-CS2：缓冲电容器、DS1-DS4：缓冲二极管、RS1-RS3：缓冲电阻、DC1-DC2：箝位二极管、CF1-CF2：滤波电容器、CT：变流器。

Claims (20)

1.一种逆变装置，包括用多个半导体开关元件形成的逆变器主电路、连接上述各半导体开关元件的缓冲电路，并用能比GTO可控硅更高频率驱动的元件作各半导体开关元件，其特征是上述半导体开关元件存放于一面为冷却面并该冷却面对面具有端子的模块内而形成半导体开关模块，安装该半导体开关模块要使该半导体开关模块的冷却面搭接导电性吸热板的一面，将该吸热板装在安装上述逆变装置的支承框体上，将支承构件置于面对该吸热板而夹持上述半导体开关模块的位置上，在该支承构件的上述半导体开关模块一侧安装上述缓冲电路构成要件缓冲电容器，将该缓冲电容器的端子和上述半导体开关模块的端子电气连接。
2.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征是接近上述半导体开关模块处设置上述缓冲电容器。
3.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征是用能高频驱动的双极晶体管、绝缘栅双极晶体管或MOS门所控制的可控硅中任一种形成上述半导体开关元件。
4.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征是接近连接对象半导体开关模块处设置上述缓冲电路的构成要件缓冲二极管。
5.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征是上述半导体开关元件与反向并联在上述半导体开关元件上的旁路二极管一起装在同一底板上而一体构成上述半导体开关模块。
6.根据权利要求5所述的逆变装置，其特征是将构成上述缓冲电路的缓冲二极管装入上述半导体开关模块，形成一体。
7.一种电车用逆变器，其特征是将形成3相逆变器主电路的至少半导体开关元件、缓冲电容器、门驱动器及有关布线按每1个相划分，每1个相装入1个支承框而形成功率模块，再将3个相的功率模块可装卸地装入共同的框体。
8.根据权利要求7所述的电车用逆变装置，其特征是上述各相的功率模块包括逆变器主电路1个相的串联的多个半导体开关模块、形成该各半导体开关模块用缓冲电路的缓冲电容器和缓冲二极管、将包括上述半导体开关模块的发热体作冷却的冷却器、以及与该功率模块组成构件之外的部分进行有关布线的接线端子；将上述半导体开关模块装在吸热板的一面，将上述冷却器导热地接在该吸热板的另一面上，让冷却器位于上述框体的外侧并让上述支承框体可装卸地装入该框体，将上述缓冲电容器置于面对上述吸热板而夹持上述半导体开关模块的位置上。
9.根据权利要求8所述的电车用逆变装置，其特征是上述半导体开关模块的主电极端子设在该半导体开关模块的底板对面，将上述缓冲电容器置于该缓冲电容器的端子接近连接对象半导体开关模块的上述主电极端子的位置上。
10.根据权利要求8或者9所述的电车用逆变装置，其特征是将装在上述吸热板上的1个相的上述半导体开关模块按串联的顺序排列。
11.根据权利要求8所述的电车用逆变装置，其特征是上述功率模块包括形成上述缓冲电路的缓冲电阻器，该缓冲电阻器装在上述支承框体的冷却器一侧。
12.根据权利要求8所述的电车用逆变装置，其特征是上述功率包括形成上述缓冲电路的缓冲电阻器，该缓冲电阻器装在上述吸热板的冷却器一侧。
13.根据权利要求8所述的电车用逆变装置，其特征是让上述形成上述逆变器主电路的滤波电容器由上述功率模块的上述支承框体支承。
14.一种电车用逆变装置，具有包含多个半导体开关元件和滤波电容器而形成的逆变器主电路、连接上述各半导体开关元件的缓冲电路，用能比GTO可控硅更高频率驱动的元件作上述各半导体开关元件，其特征是将形成上述各缓冲电路的缓冲电容器置于面对安装连接对象半导体开关元件的支承面而夹持上述半导体开关元件的位置上，将上述滤波器置于面对上述半导体开关元件而夹持上述缓冲电容器的位置上。
15.一种电车用逆变装置，其特征是将3相逆变器的构件按每1个相划分后再各自装入一个支承框体而形成功率模块，在电车车辆的地板下沿车辆长度方向安装框体，并沿该框体的长度方向将3个相的上述功率模块并排装入该框体中；上述各相的功率模块的构件包括逆变器主电路1个相的串联的多个半导体开关模块、形成上述各半导体开关模块用缓冲电路的缓冲电容器和缓冲二极管、检出输出电流的变流器、对上述半导体开关模块作导通、截止驱动的门驱动器、对包括上述半导体开关模块的发热元件进行冷却的冷却器、以及与构成该功率模块的构件之外的部分进行有关布线的接线端子；上述各半导体开关模块通过绝缘构件各自将半导体开关元件装在导热性底板上，并将主电极端子置于底板对面而构成；上述缓冲二极管通过绝缘构件将二极管元件装在导热性底板上而构成；上述各半导体开关模块和上述缓冲二极管各自通过上述底板装在导电性吸热板的一面；将该吸热板装在上述支承框体上的同时，将上述冷却器导热地接在该吸热板的另一面；将支承构件设在面对上述吸热板而夹持上述半导体开关模块的位置上；将上述缓冲电容器装在该支承构件的上述半导体开关元件一侧；将上述滤波电容器置于面对上述半导体开关模块而夹持上述缓冲电容器的位置上，且置于该缓冲电容器的端子接近连接对象半导体开关模块的上述主电极端子的位置上；在该滤波电容器的上方，将上述变流器和上述门驱动器装在上述支承框体上；将上述功率模块装在上述框体近车辆一侧面形成的开口部上，并通过上述支承框可装卸地安装上述冷却器，使其位于外侧。
16.根据权利要求15所述的电车用逆变装置，其特征是具有2组上述3个相的功率模块群，并以该各功率模块群的控制模块为中心，沿上述框体的长度方向并排设置该2组功率模块群。
17.根据权利要求15所述的电车用逆变装置，其特征是让上述支承框体支承上述滤波电容器。
18.一种逆变装置，包括由多个半导体开关元件和滤波电容器形成的逆变器主电路，和连接于所述多个半导体开关元件的缓冲电路，并用能比GTO可控硅更高频率驱动的元件作上述各半导体开关元件，其特征在于，
将形成所述缓冲电路的缓冲电容器配置在与作为连接对象的安装半导体开关元件的支持面相对、夹持上述半导体开关元件的位置上，将所述滤波电容器配置在与所述半导体开关元件相对、夹持所述缓冲电容器的位置上。
19.如权利要求18所述的逆变装置，其特征在于，用可高频驱动的双极晶体管、绝缘栅双极晶体管或MOS门控制的可控硅中的任一种构成所述半导体元件。
20.如权利要求18所述的逆变装置，其特征在于，用可在500Hz以上高频驱动的元件构成所述半导体开关元件。
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