CN112889211A - 电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

为了降低从安装有构成三电平电力变换电路的半导体元件的框架漏出到电力变换装置的外部的噪声电流，通过设为将安装有构成电力变换装置所具备的三电平电力变换电路的半导体元件的框架与该三电平电力变换电路的中性点电连接的结构，将从该框架漏出的噪声电流拉回三电平电力变换电路的中性点，抑制噪声电流向电力变换装置外的流出，谋求该噪声电流的降低。

Description

电力变换装置
技术领域
本发明涉及具备三电平电力变换电路的电力变换装置，适合作为铁道用的电力变换装置。
背景技术
三电平式的电力变换装置用两组平滑化电容器对直流电源电压进行分压，能够选择、输出直流电源电压的正、负以及中间电位这三种电位。由此，其是在直流电源电压高的情况下或者在想要使提供给连接的交流负载、交流电源的电压、电流的高阶谐波降低的情况下使用的变换装置。
在专利文献1中公开了如下的技术，即，设置针对包含三电平的PWM变换器以及PWM逆变器的电力变换装置所具备的平滑用电容器的初始充电电路，减小参与到充电的设备的耐压，谋求装置的小型化、低成本化。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-274529号公报
发明内容
发明要解决的课题
伴随着构成主电路的半导体元件的开关动作，噪声电流经由该半导体元件与功率单元的框架间的寄生电容流到该框架。由于功率单元的框架与电力变换装置经由安装部导通，噪声电流流出到电力变换装置。此外，由于电力变换装置经由接地电路与车身连接，所以流到电力变换装置外的噪声电流也流出到车身。由于该噪声电流流出到车身，对车身引起高频的电位变动，存在对信号设备造成障碍的问题。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明涉及的电力变换装置的特征在于，具备三电平电力变换电路，将安装有构成三电平电力变换电路的半导体元件的框架与该三电平电力变换电路的中性点电连接。
发明效果
根据本发明，通过将安装有构成三电平电力变换电路的半导体元件的框架与三电平电力变换电路的中性点电连接，将从三电平电力变换电路产生的噪声电流拉回三电平电力变换电路，使得能够降低流出到电力变换装置的外部的噪声电流。
附图说明
图1是示出本发明的实施例1涉及的电力变换装置的整体结构的图。
图2是示出实施例1涉及的电力变换装置所具备的电力变换电路的一部分的结构与车身的连接的图。
图3是示出实施例1涉及的电力变换装置的半导体元件和安装有该半导体元件的功率单元的框架的图。
图4是示出在实施例1涉及的电力变换装置中使用的噪声吸收芯的布线例以及部件的一个例子的图。
图5是示出本发明的实施例2涉及的电力变换电路的一部分的结构与车身的连接的图。
具体实施方式
以下，作为用于实施本发明的方式，使用附图对本发明涉及的实施例1以及2进行说明。
实施例1
图1是示出本发明的实施例1涉及的电力变换装置的整体结构的一个例子的图。在图1中，示出搭载在铁道车辆的电力变换装置，但是本发明不仅能够广泛应用于电动车辆，而且对于在产业用等的电力电子学相关领域中使用的电力变换装置也能够广泛应用。
电力变换装置1包含作为三电平的电力变换电路的变换器功率单元2以及逆变器功率单元3。电力变换装置1例如搭载于交流车而使用，从交流架线经由受电弓(pantograph)15通过真空交流接触器14由主变压器13使电压下降而取入单相交流电力。
取入到电力变换装置1的交流电力通过电磁接触器9或10，由变换器功率单元2进行整流。将整流的直流电力取入到逆变器功率单元3，对主电动机4供给进行了变换的交流电力，进行控制。
此外，在电力变换装置1中，逆变器功率单元3以及变换器功率单元2为三电平电路，是将中性点接地的结构。对于该中性点的接地，在图1中，设为如下的结构，即，将中性点经由接地电阻11以及接地(ground)开关12进行接地。在此，接地开关12在包含驾驶时的通常时为接通，在耐压试验等特别的情况下为断开。
作为构成变换器功率单元2以及逆变器功率单元3的半导体元件，作为主电路进行开关动作的半导体元件5和钳位二极管6安装在功率单元的框架。此外，另一方面，关于功率单元用的冷却器，例如如后述的图3所示，一般也安装在功率单元的框架。
此外，在构成变换器功率单元以及逆变器功率单元的半导体元件中，作为作为主电路而进行开关动作的半导体元件，采用IGBT、混合SiC(IGBT与SiC肖特基势垒二极管的组合)或全SiC。
进而，在图1中，示出了从交流架线取入单相交流电力的交流车的情况下的电力变换装置的结构，但是本发明当然也能够应用于从直流架线取入直流电力的情况下的电力变换装置，该情况下的电力变换装置会包含三电平电路的逆变器功率单元。
图2是示出实施例1涉及的电力变换装置所具备的电力变换电路的一部分的结构与车身的连接的图。
电力变换装置17(图2所示的实线的框架)安装在车身16。此外，使三电平逆变器的中性点27为与安装有构成该逆变器的一相的半导体元件19～22以及钳位二极管23、24的功率单元的框架18(图2所示的虚线的框架)电连接的结构。在此，如图3所示，功率单元的框架18兼用作功率单元用的冷却器的框架。
具体地，如图2所示，结构如下，即，三电平逆变器的中性点27经由接地电阻11以及噪声吸收芯29，此外，功率单元(以及冷却器)的框架18经由噪声吸收芯29，分别经过接地开关12与车身16(也就是，地)连接。
在此，本发明通过采用将安装有构成三电平电力变换电路的半导体元件的框架与三电平电力变换电路的中性点电连接的结构，将从三电平电力变换电路产生的噪声电流拉回三电平电力变换电路，防止该噪声电流向电力变换装置外流出。图2所示的结构可以说是在现有的接地电路(经由了接地电阻以及接地开关的接地)附加了上述的本发明涉及的基本的结构的结构。此外，噪声吸收芯29是为了使噪声电流进一步降低以提高效果而设置的。
通过设为上述的结构，伴随着由构成主电路的半导体元件19～22的开关动作引起的电位变动，流到功率单元(以及冷却器)的框架18的噪声电流，如在图2中用带箭头的虚线示出的那样，会在往返噪声吸收芯29之后，经由接地电阻11流到三电平逆变器的中性点27。由此，能够防止噪声电流积极地流到电力变换装置17以及车身16，能够降低向车身的噪声电流，降低对信号设备的通信障碍。
噪声吸收芯29为铁氧体芯，通过使电流在该芯内流动，使由噪声电流产生的磁能通过该芯变换为热而消耗，使噪声电流降低。
如以上那样，使用噪声吸收芯29使流到功率单元(以及冷却器)的框架18的噪声电流流到三电平逆变器的中性点27是为了使噪声电流降低而有效的方法。但是，噪声吸收芯29并不是必须的构成要件，如果最小限度地采用将功率单元(以及冷却器)的框架18与三电平逆变器的中性点27连接的结构，则能够防止噪声电流流到电力变换装置17以及车身16。
图3是示出实施例1涉及的电力变换装置的半导体元件(构成主电路的半导体元件以及钳位二极管)和安装有该半导体元件的功率单元的框架的图。
在构成功率单元的基础上，功率单元的框架34成为如下结构，即，在单面侧安装有半导体元件32，在剩余的单面侧安装有功率单元冷却器33。本发明对于伴随着由构成主电路的半导体元件的开关动作引起的电位变动，噪声电流经由该半导体元件与框架间的寄生电容流到功率单元的框架的情况，通过将功率单元的框架与三电平逆变器中性点连接，积极地防止噪声电流向车身流出。
图4是示出在实施例1涉及的电力变换装置中使用的噪声吸收芯的布线例以及部件的一个例子的图。
图4的(a)示出将图2所示的三电平逆变器的中性点27与安装有半导体元件的功率单元(以及冷却器)的框架18电连接的布线和噪声吸收芯29的布线例。设为如下的结构，即，在将与三电平逆变器的中性点27电连接的布线28(用实线示出)和与安装有半导体元件的功率单元(以及冷却器)的框架18电连接的布线30(用虚线示出)多次卷绕在噪声吸收芯29的基础上，直接连结。即，除了将布线28和布线30多次卷绕在噪声吸收芯29以外的连接结构与图2所示的连接结构相同。
这样，对于流到框架18的噪声电流，通过将与框架18电连接的布线30和与三电平逆变器的中性点27电连接的布线28多次卷绕在噪声吸收芯29，能够提高基于噪声吸收芯29的衰减效果，进一步降低噪声。
图4的(b)以立体图示出作为噪声吸收芯而采用的部件的一个例子。
实施例2
图5是示出本发明的实施例2涉及的电力变换电路的一部分的结构与车身的连接的图。对于与图2所示的结构相同的要素，标注相同的附图标记。
作为实施例1的结构上的不同，在实施例1中，对噪声的降低使用芯，但是在实施例2中，代替芯而使用电容器。即，如图2所示，将噪声吸收电容器31的一端与三电平逆变器的中性点27侧连接，将噪声吸收电容器31的另一端与功率单元(以及冷却器)的框架18侧连接。
通过以上的结构，流到功率单元(以及冷却器)的框架18的噪声电流如在图5中用带箭头的虚线示出的那样，会通过噪声吸收电容器31经由接地电阻11流到三电平逆变器的中性点27。由此，能够防止噪声电流积极地流到电力变换装置17以及车身16，能够降低向车身的噪声电流，降低对信号设备的通信障碍。即，即使通过采用实施例2涉及的结构，也会得到与实施例1同样的效果。
附图标记说明
1、17：电力变换装置，2：变换器功率单元，3：逆变器功率单元，4：主电动机，5、19～22、32：半导体元件，6、23、24：钳位二极管，7、25、26：滤波电容器，8：预备充电电阻器，9：预备充电用电磁接触器，10：电磁接触器，11：接地电阻器，12：接地开关，13：主变压器，14：真空接触器，15：受电弓，16：车身，18：功率单元的框架，27：三电平逆变器的中性点，28、30：布线，29：噪声吸收芯，31：噪声吸收电容器，33：功率单元冷却器，34：功率单元以及冷却器的框架。

Claims (10)

1.一种电力变换装置，具备三电平电力变换电路，所述电力变换装置的特征在于，
将安装有构成所述三电平电力变换电路的半导体元件的框架与该三电平电力变换电路的中性点电连接。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
在将所述框架与所述三电平电力变换电路的中性点电连接的布线的路径上设置噪声吸收芯。
3.根据权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于，
在将与所述框架电连接的布线和与所述三电平电力变换电路的中性点电连接的布线分别对于所述噪声吸收芯进行多次卷绕的基础上，直接连结。
4.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
在将所述框架与所述三电平电力变换电路的中性点电连接的布线的路径上设置噪声吸收电容器。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，
作为与所述三电平电力变换电路的中性点电连接的布线，使用从该中性点经由接地电阻到达接地的接地线。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，
所述框架收纳在该电力变换装置内。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，
所述框架也是冷却所述半导体元件的冷却器的框架。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，
该电力变换装置包含将直流电力变换为交流电力的逆变器以及将交流电力变换为直流电力的变换器中的至少任一个。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，
作为进行开关动作的所述半导体元件，使用IGBT、混合SiC或全SiC中的任一个。
10.一种铁道车辆，其特征在于，
搭载了权利要求1～9中任一项所述的电力变换装置。
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