CN106536258B - 车辆用辅助电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的车辆用辅助电源装置(100A)包括搭载于电车、且将由直流电源(1)提供的直流功率转换成所期望的直流功率的整流器装置(2)以及将由整流器装置(2)提供的直流功率转换为三相的交流功率并将转换后的三相的交流功率提供给负载(4)的三相逆变器(3A)，该车辆用辅助电源装置(100A)使用由宽带隙半导体形成的半导体模块来构成三相逆变器(3A)的开关元件。

Description

车辆用辅助电源装置
技术领域
本发明涉及向例如搭载在电车中的负载提供所期望的功率的车辆用辅助电源装置。
背景技术
作为现有的车辆用辅助电源装置，在例如下述专利文献1所示的车辆用辅助电源装置中，公开了以下结构，即：对来自交流架空线的交流输入进行变压并输出的主变压器的输出端与PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)整流器相连接，PWM整流器的输出端与三相逆变器相连接，在这种结构中，在三相逆变器的输出端具备用于去除三相逆变器的输出电压中所包含的高次谐波分量的滤波电路。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4391339号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
由于电车中搭载有大量负载，因此负载中会流过大电流。因此，即便是滤波电路，构成滤波电路的电抗器的尺寸较大，出于轻量化、低成本化等观点，有进一步小型化的需求。
本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供一种能实现进一步小型化的车辆用辅助电源装置。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述课题，实现发明目的，本发明的车辆用辅助电源装置，包括搭载于电车、且将由直流电源提供的第一直流功率转换成第二直流功率的整流器装置以及将由所述整流器装置提供的直流功率转换为三相的交流功率并将转换后的三相的交流功率提供给负载的三相逆变器，其特征在于，使用由宽带隙半导体形成的半导体模块构成所述三相逆变器的开关元件。
发明效果
根据本发明，具有能使搭载在电车中的车辆用辅助电源装置进一步小型化的效果。
附图说明
图1是表示包含实施方式1的车辆用辅助电源装置的一结构例的图。
图2是表示图1所示的实施方式1的三相逆变器的电路结构的图。
图3是表示作为比较例的三相逆变器的电路结构的图。
图4是表示包含实施方式2的车辆用辅助电源装置的一结构例的图。
图5是表示图4所示的实施方式2的单相逆变器的电路结构的图。
图6是表示作为比较例的单相逆变器的电路结构的图。
具体实施方式
下面参照附图，对本发明的实施方式所涉及的车辆用辅助电源装置进行说明。另外，本发明并不局限于以下示出的实施方式。
实施方式1.
图1是表示包含实施方式1的车辆用辅助电源装置的一构成例的图，示出了使用来自直流电源1的直流功率向负载4提供所期望的功率(交流功率)的示例。直流电源1指直流电的供给源，例如相当于：电车上的直流架空线；或将经由主变压器输入的来自交流架空线的功率转换成直流功率的交直流转换器(整流器)；以及搭载的能提供直流功率的蓄电装置等。
车辆用辅助电源装置100A如图1所示，具有整流器装置2、三相逆变器3A、滤波电抗器5以及滤波电容器6。此外，整流器装置2具有单相逆变器21、变压器22以及整流电路23。滤波电抗器5与三相逆变器3A的输出侧相连，滤波电容器6的一端侧进行Y型结线，另一端侧与滤波电抗器5相连。这些滤波电抗器5以及滤波电容器6作为低通型滤波电路来工作，即，降低三相逆变器3A所包含的高次谐波来使施加在负载4上的电压成为更接近正弦波状的波形。
整流器装置2将来自直流电源1的直流功率(第一直流功率)转换成降压后的直流功率(第二直流功率)并将转换后的第二直流功率提供给三相逆变器3A。三相逆变器3A将来自整流器装置2的直流功率转换为交流功率并将转换后的交流功率提供给负载4。
整流器装置2的电压降压功能利用单相逆变器21、变压器22以及整流电路23来实现。更详细而言，来自直流电源1的直流功率被单相逆变器21暂时转换为交流功率并输入到变压器22，然后转换成经变压器22降压后的交流功率，利用整流电路23将该交流功率转换成直流功率，从而将降压后的直流功率提供给三相逆变器3A。
图2是表示图1所示的实施方式1的三相逆变器3A的电路结构的图。三相逆变器3A通过将由开关元件UPI、VPI、WPI所表示的正侧臂(例如U相中为UPI)以及由开关元件UNI、VNI、WNI所表示的负侧臂(例如U相中为UNI)分别串联连接而构成。即，三相逆变器3A中构成有将正负臂串联连接而成的三组(U相、V相、W相)的开关元件构成的三相桥式电路。
各开关元件(UPI，VPI，WPI，UNI，VNI，WNI)通过将以碳化硅(SiC)为基材形成的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管；SiC－MOSFET)与同样以SiC为基材形成的FWD(Free Wheeling Diode：续流二极管；SiC－FWD)反向并联连接而构成。另外，作为SiC-FWD，优选使用具有正向电压低且几乎没有恢复电流流过的特征的肖特基势垒二极管。
并且，本实施方式中，利用将两个开关元件串联连接并收纳在一个封装内的二合一模块来构成三相逆变器3A。若使用全SiC模块即二合一模块30U、30V、30W，则能由三个模块构成三相逆变器3A，因此能减少模块个数，并且也能削减模块间的布线数，因此具有有助于装置小型化和低成本化的优点。
另外，碳化硅(SiC)是称为宽带隙半导体的半导体的一个例子，除了碳化硅以外，利用例如氮化镓类材料或金刚石形成的半导体也属于宽带隙半导体。因此，使用碳化硅以外的其他宽带隙半导体的结构也包含在本发明的主旨之中。
图3是表示作为比较例的三相逆变器3的电路结构的图。如图3所示，三相逆变器3通常利用六个模块(以下称为“Si模块”)来构成，该六个Si模块通过将利用硅(Si)类基材形成的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管；Si－IGBT)以及同样利用Si类基材形成的FWD(Si-FWD)反向并联连接而成。
在使用由Si模块构成的三相逆变器3的情况下，需要与三相逆变器3的输出侧相连的滤波电抗器5以及一端侧进行Y型结线、另一端侧与滤波电抗器5相连的滤波电容器6。这些滤波电抗器5以及滤波电容器6作为低通型滤波电路来工作，即，降低三相逆变器3所包含的高次谐波来使施加在负载4上的电压成为更接近正弦波状的波形。
在使用Si元件作为开关元件的情况下，与SiC元件相比，无法使开关元件频率变高。例如若采用Si-IGBT，则由于损耗的限制，无法提高开关频率，例如5kHz左右为极限值。
另一方面，在使用SiC元件作为开关元件的情况下，能将开关频率设定在Si元件的10倍以上。例如若以50kHz左右的开关频率驱动SiC元件，则能将滤波电抗器5以及滤波电容器6小型化到约1/10程度。若用SiC模块构成实施方式1的三相逆变器3A，则能使滤波电抗器5以及滤波电容器6大幅小型化。
而且，在以超过60～70kHz的开关频率驱动SiC元件的情况下，根据主电路布线、负载4的寄生电感和寄生电容的情况，能省略滤波电抗器5、滤波电容器6中的任一方或双方，从而能实现整个装置的小型化和轻量化。
此外，由于SiC元件具有导通电阻比Si元件小且允许工作温度极高的特征，因此也有助于冷却器的小型化和低成本化。
如上所述，在三相逆变器的开关元件由利用硅类基材形成的半导体模块来构成的车辆用辅助电源装置中，针对在三相逆变器的输出侧，由滤波电抗器以及滤波电容器构成的滤波电流较大且较重的问题，若采用实施方式1的车辆用辅助电源装置，通过使用由宽带隙半导体形成的半导体模块来代替使用硅类基材形成的半导体模块作为三相逆变器的开关元件，从而能省略滤波电路或者使其大幅小型化，因此具有能使搭载在电车中的车辆用辅助电源装置进一步小型化的效果。
实施方式2.
图4是表示实施方式2的车辆用辅助电源装置的一结构例的图，图5是表示图4所示的实施方式2的单相逆变器21B的电路结构的图。在实施方式1的车辆用辅助电源装置100A中，示出了利用全SiC模块来构成对负载4进行驱动的三相逆变器3A的情况，而在实施方式2中，除了该结构以外，还如图5所示，利用全SiC模块构成单相逆变器21B，该单相逆变器21B构成整流器装置2。此外，通过利用全SiC模块构成单相逆变器21B，从而能使用进一步小型化的变压器22B。另外，其他结构与图1和图2所示的实施方式1的结构相同或等同，对这些构成部标注相同的标号并省略重复的说明。
图6是表示作为比较例的单相逆变器的电路结构的图。当然，实施方式1的车辆用辅助电源装置中也能使用图6所示的单相逆变器21。如图6所示，利用四个Si模块来构成单相逆变器21。
在利用Si-IGBT构成的单相逆变器21中，与三相逆变器3时同样，难以提高开关频率。另一方面，变压器22中铁心的截面积和卷绕在铁心上的线圈的匝数均与所施加的交变电压的频率成反比。因此，若将配置在使用Si模块的单相逆变器21的后级的变压器22与配置在使用SiC模块的单相逆变器21B的后级的变压器22B进行比较，则变压器22B的尺寸必然较小。即，若采用实施方式2的车辆用辅助电源装置，则具有能使配置在单相逆变器的后级的变压器的尺寸变小的效果。
另外，在实施方式2中，示出构成三相逆变器的半导体模块和构成单相逆变器的半导体模块双方均由全SiC模块构成的实施方式，但也可以仅构成单相逆变器的半导体模块由全SiC模块构成。采用这种结构也能获得变压器小型化的效果。
如上所述，根据实施方式1的车辆用辅助电源装置，使用由宽带隙半导体形成的半导体模块来代替使用硅类基材形成的半导体模块来作为整流器装置中的单相逆变器的开关元件，因此具有能使配置在单相逆变器后级的变压器的尺寸变小的效果。
此外，以上的实施方式1、2所示的结构是本发明结构的一个示例，也可以与其它公知技术进行组合，在不脱离本发明要点的范围内，当然也可以省略一部分等或进行变更来构成。
例如，实施方式1、2均在变压器的后级配置整流电路，但也可以使用具有电压转换功能的桥式连接的单相整流器。该情况下，若利用全SiC模块来构成该单相整流器的半导体模块，则能使用于冷却单相整流器的冷却器小型化，从而也能有助于装置的小型化和低成本化。
工业上的实用性
如上所述，本发明适用于能实现进一步小型化的车辆用辅助电源装置。标号说明
1 直流电源
2 整流器装置
3、3A 三相逆变器
4 负载
5 滤波电抗器
6 滤波电容器
21、21B 单相逆变器
22、22B 变压器
23 整流电路
30U，30V，30W 二合一模块
100A，100B 车辆用辅助电源装置
UNI，VNI，WNI，UPI，VPI，WPI 开关元件

Claims (5)

1.一种车辆用辅助电源装置，包括搭载于电车、且将由直流电源提供的第一直流功率转换成第二直流功率的整流器装置以及将由所述整流器装置提供的直流功率转换为正弦波状的三相的交流功率并提供给负载的三相逆变器，其特征在于，
所述三相逆变器的开关元件由宽带隙半导体形成，
在所述三相逆变器的输出侧仅设置滤波电抗器以及滤波电容器中的任一方。
2.一种车辆用辅助电源装置，包括搭载于电车、且将由直流电源提供的第一直流功率转换成第二直流功率的整流器装置以及将由所述整流器装置提供的直流功率转换为正弦波状的三相的交流功率并提供给负载的三相逆变器，其特征在于，
所述三相逆变器的开关元件由宽带隙半导体形成，
所述三相逆变器在不经由滤波电抗器以及滤波电容器的情况下与所述负载相连。
3.如权利要求1或2所述的车辆用辅助电源装置，其特征在于，所述开关元件在60kHz以上的开关频率下进行驱动。
4.如权利要求1或2所述的车辆用辅助电源装置，其特征在于，所述整流器装置具有将所述第一直流功率转换成交流功率的单相逆变器、将由所述单相逆变器提供的交流功率转换成降压后的交流功率的变压器以及将由所述变压器提供的功率转换成所述第二直流功率的整流电路，
所述单相逆变器的开关元件由宽带隙半导体形成。
5.如权利要求1或2所述的车辆用辅助电源装置，其特征在于，所述宽带隙半导体是使用了碳化硅、氮化镓类材料或金刚石的半导体。
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