DE102015223002A1

DE102015223002A1 - Leistungsumsetzungsvorrichtung und Eisenbahnfahrzeug mit derselben

Info

Publication number: DE102015223002A1
Application number: DE102015223002.3A
Authority: DE
Inventors: Masato Ando; Kazutoshi Ogawa; Katsumi Ishikawa; Takeshi Tanaka; Akitoyo Konno
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2016-06-02
Also published as: JP6457800B2; JP2016103897A; GB2533212B; GB2533212A; CN105656323B; GB201519871D0; CN105656323A

Abstract

Es wird eine Leistungsumsetzungsvorrichtung 1 geschaffen, in der mehrere Halbleitermodule 108, 109 parallel geschaltet sind, wobei die Vorrichtung Stoßspannungen vereinheitlicht und verringert, die sich aus parasitären Induktivitäten zum Zeitpunkt des Umschaltens ergeben. Die Leistungsumsetzungsvorrichtung 1 umfasst einen ersten und einen zweiten Kondensator 102, 103 und ein erstes und ein zweites Halbleitermodul, wobei positive Anschlüsse des ersten und des zweiten Kondensators und positive Anschlüsse des ersten und des zweiten Halbleitermoduls 108, 109 durch eine positive Verdrahtung verbunden sind, negative Anschlüsse des ersten und des zweiten Kondensators und negative Anschlüsse des ersten und des zweiten Halbleitermoduls durch eine negative Verdrahtung verbunden sind, der erste Kondensator 102 mit ersten Enden der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung über den positiven Anschluss und den negativen Anschluss verbunden ist, der zweite Kondensator 103 mit zweiten Enden der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung über den positiven Anschluss und den negativen Anschluss verbunden ist, und das erste und das zweite Halbleitermodul durch die positive Verdrahtung über die positiven Anschlüsse verbunden sind und durch die negative Verdrahtung über die negativen Anschlüsse verbunden sind in Bereichen zwischen den ersten Enden und den zweiten Enden der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsumsetzungsvorrichtung.
Stand der Technik
In den letzten Jahren wurden Halbleitermodule mit mehreren Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) und Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) auf Leistungsumsetzungsvorrichtungen angewendet, die durch Inverter und Umsetzer verkörpert sind.
Das Material für die Halbleitermodule wurde grundsätzlich auf der Basis von Si (Silizium) entwickelt. Für eine weitere Verringerung des Verlusts wurde jedoch die Anwendung von Halbleitern mit breiter Bandlücke auf der Basis von SiC (Siliziumcarbid) oder GaN (Galliumnitrid) in Betracht gezogen. Die Verwendung von SiC würde eine höhere Schaltgeschwindigkeit im Vergleich zur Verwendung von Si erreichen, um einen Schaltverlust zu verringern.
Unterdessen wird eine Stoßspannung als momentane hohe Spannung zum Zeitpunkt des Umschaltens erzeugt, die sich aus einer parasitären Induktivität der Verdrahtung zwischen einem Kondensator und einem Halbleitermodul ergibt, die eine Leistungsumsetzungsvorrichtung bilden. Im Allgemeinen nimmt die Stoßspannung bei einer höheren Schaltgeschwindigkeit zu. Wenn sich die Stoßspannung zwischen Halbleitermodulen unterscheidet oder die maximale Bemessung für die Halbleitermodule überschreitet, kann dies eine Verschlechterung oder einen Durchbruch verursachen.
JP 2009-153246 A (PTL 1) offenbart die Hintergrundtechnik im relevanten technischen Gebiet. Die Veröffentlichung beschreibt, dass eine "Gleichspannungs-Wechselspannungs-Umsetzungsschaltungsanordnung durch Halbleitermodule mit jeweiligen Phasen gebildet ist, die mit einer Ausgangsstufe miteinander parallel geschaltet sind, mehrere elektrolytische Kondensatoren mit abwechselnder Anordnung von Verbindungselektroden über ein Kondensatorträgerwerkzeug an den Halbleitermodulen mit jeweiligen Phasen abgestützt sind, die elektrolytischen Kondensatoren miteinander mit Verbindungsabschnitten von Gleichspannungsleitern parallel geschaltet sind, die für eine Parallelschaltung der Halbleitermodule mit jeweiligen Phasen befestigt sind, und Wechselspannungsleiter mit jeweiligen Phasen mit den Ausgangsseiten der Halbleitermodule mit jeweiligen Phasen verbunden sind.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur

PTL 1: JP 2009-153246 A

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Als Verfahren zum Unterdrücken einer Stoßspannung, die in einem vorstehend beschriebenen Halbleiterelement erzeugt wird, kann die Verdrahtung verkürzt werden, um die parasitäre Induktivität der Verdrahtung zu verringern, wie in PTL 1 beschrieben. Selbst wenn die parasitäre Induktivität der Verdrahtung verringert werden kann, treten jedoch, wenn Unterschiede in der Verdrahtungslänge zwischen den Kondensatoren und den Halbleitermodulen bestehen, Variationen der parasitären Induktivitäten zwischen den Halbleitermodulen und dem Kondensator auf. Dies erzeugt Ungleichgewichte der Stoßspannungen, die in den Halbleitermodulen erzeugt werden, und bestimmte der Halbleitermodule erleiden wahrscheinlich eine Verschlechterung oder einen Durchbruch. Folglich wird die Leistungsumsetzungsvorrichtung in der Zuverlässigkeit verringert.
Folglich besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, die parasitären Induktivitäten der Verdrahtung zwischen den Kondensatoren und den Halbleitermodulen zu vereinheitlichen, um die in den Halbleitermodulen erzeugten Stoßspannungen zu vereinheitlichen.
Lösung für das Problem
Um das vorangehende Problem zu lösen, verwendet die vorliegende Erfindung beispielsweise die in den Ansprüchen beschriebenen Konfigurationen. Die vorliegende Anmeldung umfasst mehrere Mittel zum Lösen des vorangehenden Problems. Als Beispiel ist eines von ihnen eine Leistungsumsetzungsvorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Kondensator und einem ersten und einem zweiten Halbleitermodul, wobei positive Anschlüsse des ersten und des zweiten Kondensators und positive Anschlüsse des ersten und des zweiten Halbleitermoduls durch eine positive Verdrahtung verbunden sind, negative Anschlüsse des ersten und des zweiten Kondensators und negative Anschlüsse des ersten und des zweiten Halbleitermoduls durch eine negative Verdrahtung verbunden sind, der erste Kondensator mit ersten Enden der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung über den positiven Anschluss und den negativen Anschluss verbunden ist, der zweite Kondensator mit zweiten Enden der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung über den positiven Anschluss und den negativen Anschluss verbunden ist und das erste und das zweite Halbleitermodul durch die positive Verdrahtung über die positiven Anschlüsse verbunden sind und durch die negative Verdrahtung über die negativen Anschlüsse verbunden sind in Bereichen zwischen den ersten Enden und den zweiten Enden der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der Erfindung ist es möglich, Stoßspannungen, die in den Halbleitermodulen der Leistungsumsetzungsvorrichtung erzeugt werden, zu vereinheitlichen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht eines Antriebssystems für ein Eisenbahnfahrzeug, auf das eine Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
2 ist ein Schaltplan einer einphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung.
3 stellt Betriebswellenformen der einphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung dar.
4 ist eine Vogelperspektive der einphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung in auseinandergezogener Anordnung.
5 ist eine Vogelperspektive der einphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung.
6 stellt Kondensatoren gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung dar.
7 stellt ein Kondensatormodul gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung dar.
8 ist eine Vogelperspektive einer einphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß einem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung in auseinandergezogener Anordnung.
9 ist ein Schaltplan einer dreiphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Vogelperspektive der dreiphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß dem dritten Beispiel der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine Vogelperspektive einer einphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß einem vierten Beispiel der vorliegenden Erfindung in auseinandergezogener Anordnung.
12 ist eine Vogelperspektive einer einphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel in auseinandergezogener Anordnung.
Beschreibung von Ausführungsformen
Nachstehend werden Beispiele mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen und den Beschreibungen der Beispiele werden MOSFETs als Halbleitermodule herangezogen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf IGBTs anwendbar.
[Erstes Beispiel]
1 ist eine schematische Ansicht eines Antriebssystems für ein Eisenbahnfahrzeug, auf das eine Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung angewendet wird. Das Antriebssystem für ein Eisenbahnfahrzeug wird von einer Oberleitung 2 über einen Stromabnehmer gespeist und ein Wechselstrom mit einer variablen Spannung und variablen Frequenz wird zu einem Motor 111 über eine Leistungsumsetzungsvorrichtung 1 zugeführt, um den Motor 111 anzutreiben. Der Motor 111 ist mit der Achswelle des Eisenbahnfahrzeugs gekoppelt, um die Fahrt des Eisenbahnfahrzeugs zu steuern. Die elektrische Erdung ist über eine Schiene 3 verbunden. In diesem Beispiel kann die Spannung der Oberleitung 2 Gleichspannung oder Wechselspannung sein. In der folgenden Beschreibung wird die Gleichspannung als 1500 V angenommen. In dem Fall, in dem die Spannung der Oberleitung 2 Wechselspannung ist, umfasst das Antriebssystem einen Wechselspannungs-Gleichspannungs-Umsetzer zwischen der Leistungsumsetzungsvorrichtung 1 und der Oberleitung.
2 ist ein Schaltplan einer einphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung 4 gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung. Die einphasige Leistungsumsetzungsvorrichtung 4 besteht aus Kondensatoren 102 und 103, die eine Gleichspannungsquelle 101 glätten, und Schaltelementen Q1 bis Q4. Im Fall der Verwendung eines Zwei-in-Eins-Bausteins, in dem die Schaltelemente Q1 und Q2, Q3 und Q4 identisch sind, besteht die einphasige Leistungsumsetzungsvorrichtung 4 aus einem Halbleitermodul 108 mit den Schaltelementen Q1 und Q2 und einem Halbleitermodul 109 mit den Schaltelementen Q3 und Q4. Die Kondensatoren 102 und 103 können elektrolytische Kondensatoren oder Filmkondensatoren sein. Um die Kapazitäten der Kondensatoren 102 und 103 zu erhöhen, kann eine große Anzahl von Kondensatorzellen mit kleiner Kapazität in den Kondensatoren 102 und 103 parallel geschaltet sein. In dem Fall, in dem die Schaltelementen Q1 bis Q4 IGBTs sind, müssen Dioden D1 bis D4 in der zu den IGBTs entgegengesetzten Richtung parallel geschaltet werden. In dem Fall, in dem die Schaltelemente Q1 bis Q4 MOSFETs sind, können die Dioden D1 bis D4 parasitäre Dioden der MOSFETs sein. Die Drainelektrode, die Gateelektrode und die Sourceelektrode der Schaltelemente Q1 sind mit Bezugszeichen D, G bzw. S angegeben.
Im Halbleitermodul 108 sind die Schaltelemente Q1 und Q2 in Reihe geschaltet und der Punkt der Verbindung zwischen den Schaltelementen Q1 und Q2 bildet den Punkt des Wechselspannungsausgangs zum Motor 111. Ebenso sind im Halbleitermodul 109 die Schaltelemente Q3 und Q4 in Reihe geschaltet und der Punkt der Verbindung zwischen den Schaltelementen Q3 und Q4 bildet den Punkt des Wechselspannungsausgangs zum Motor 111.
Eine Verdrahtung wird verwendet, um die Kondensatoren 102 und 103 und die Halbleitermodule 108 und 109 elektrisch zu verbinden. Die Verdrahtung umfasst parasitäre Induktivitäten 104, 105 und 106 und ihre Werte hängen vom Material, von der Länge und von der Form der Verdrahtung ab. 3 stellt Betriebswellenformen des ersten Beispiels der vorliegenden Erfindung dar. Die einphasige Leistungsumsetzungsvorrichtung 4 arbeitet derart, dass die Gleichspannungsquelle 101 Gleichspannung liefert und die Schaltelemente Q1 bis Q4 Schalthandlungen durchführen, um die Gleichspannung in Wechselspannung umzusetzen, um den Motor 111 anzutreiben. In der folgenden Beschreibung wird das Schaltelement Q1 als Beispiel herangezogen.
Bei t = t0 ist eine Gate-Source-Spannung VGS des Schaltelements Q1 0 V. Da das Schaltelement Q1 dann sich im Aus-Zustand befindet, werden 1500 V durch die Gleichspannungsquelle 101 als Drain-Source-Spannung VDS angelegt und ein Drainstrom ID wird nicht geleitet.
Bei t = t1 wird eine Spannung gleich oder höher als eine Schwelleneinschaltspannung des Schaltelements Q1, beispielsweise 15 V, als Gate-Source-Spannung VGS angelegt, das Schaltelement Q1 wird eingeschaltet, um den Drainstrom ID zu leiten. Die Einschaltzeit des Schaltelements Q1 wird durch den in den Motor 111 fließenden Strom gesteuert. Die Einschaltzeit des Schaltelements Q1 wird beispielsweise durch PWM (Impulsbreitenmodulation) gesteuert.
Bei t = t2 wird die Gate-Source-Spannung VGS des Schaltelements Q1 0 V und das Schaltelement Q1 schaltet in den Aus-Zustand um. Dann nimmt der Drainstrom ID gemäß der Stromänderungsrate di/dt auf 0 A ab und eine induzierte elektromotorische Kraft wird in den parasitären Induktivitäten 104, 105 und 106 in der Verdrahtung zwischen den Kondensatoren 102 und 103 und den Halbleitermodulen 108 und 109 erzeugt. Das heißt, eine momentane Stoßspannung 11 wird in der Drain-Source-Spannung VDS im Schaltelement Q1 erzeugt. Wenn die Stoßspannung 11 die maximale Nennspannung des Schaltelements Q1 überschreitet, erleidet die einphasige Leistungsumsetzungsvorrichtung 4 einen Durchbruch.
Zu Gateausschaltzeitpunkten von t = t4, t6 und t8 wird wie zum Zeitpunkt von t = t2 die Stoßspannung 11 erzeugt, wenn die Gatespannung VGS des Schaltelements Q1 0 V wird und das Schaltelement Q1 auf den Aus-Zustand umschaltet. Die Stoßspannung kann durch Multiplizieren der Stromänderungsrate di/dt mit dem Wert der parasitären Induktivität der Verdrahtung berechnet werden. Im Allgemeinen unterscheidet sich die Stromänderungsrate di/dt unter den Schaltelementen Q1 bis Q4, aber die Differenz der parasitären Induktivität der Verdrahtung zwischen den Kondensatoren 102 und 103 und den Halbleitermodulen 108 und 109 weist einen größeren Einfluss auf die Stoßspannung 11 auf. Das heißt, die Stoßspannung 11, die in den Schaltelementen Q1 bis Q4 erzeugt wird, variiert in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den parasitären Induktivitäten der Verdrahtung. Wenn die Differenz der parasitären Induktivität der Verdrahtung zwischen den Halbleitermodulen groß ist, variiert folglich der Grad des Fortschritts der Verschlechterung und des Durchbruchs unter den Schaltelementen Q1 bis Q4. Folglich ist es ein wichtiges Problem, die parasitären Induktivitäten der Verdrahtung zwischen den Halbleitermodulen zu vereinheitlichen und wünschenswerterweise die parasitären Induktivitäten der Verdrahtung zu verringern.
Wenn die Schaltgeschwindigkeit erhöht wird, das heißt wenn die Stromänderungsrate di/dt erhöht wird, um einen Schaltverlust zu verringern, wird eine induzierte elektromotorische Kraft, die in den parasitären Induktivitäten zwischen den Kondensatoren 102 und 103 und den Halbleitermodulen 108 und 109 erzeugt wird, groß, was einen Durchbruch der einphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung 4 verursachen kann. Das heißt, es ist weiter erforderlich, das vorangehende Problem im Fall der Verwendung von Schaltelementen aus SiC und GaN zu lösen, die eine höhere Schaltgeschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Si-Schaltelementen ermöglichen.
4 ist eine perspektivische Ansicht der einphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung 4 gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung in auseinandergezogener Anordnung. 5 ist eine perspektivische Ansicht der einphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung 4 gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung. Positive Elektroden der Kondensatoren 102 und 103 und positive Elektroden der Halbleitermodule 108 und 109 sind unter Verwendung einer positiven Sammelschiene 201 elektrisch verbunden. Negative Elektroden der Kondensatoren 102 und 103 und negative Elektroden des Halbleitermoduls 108 und 109 sind unter Verwendung einer negativen Sammelschiene 202 elektrisch verbunden. Die positive Sammelschiene 201 und die negative Sammelschiene 202 umfassen parasitäre Induktivitäten. Die Beträge der parasitären Induktivitäten hängen vom Material, von der Länge und von der Form eines Stromweges ab.
Es ist nicht praktisch, das Material und die Form der Verdrahtung für jedes Halbleitermodul zu ändern, da die Konstruktion und der Herstellungsprozess kompliziert werden würden. Wie vorstehend beschrieben, um die parasitären Induktivitäten in der Verdrahtung vom Halbleitermodul 108 und 109 zu den Kondensatoren 102 und 103 zu vereinheitlichen, ist es folglich erforderlich, die Gesamtlänge der Verdrahtung von der positiven Elektrode des Halbleitermoduls 108 durch den Kondensator 102 zur negativen Elektrode des Halbleitermoduls 108 und der Verdrahtung von der positiven Elektrode des Halbleitermoduls 108 durch den Kondensator 103 zur negativen Elektrode des Halbleitermoduls 108 fast gleich der Gesamtlänge der Verdrahtung von der positiven Elektrode des Halbleitermoduls 109 durch den Kondensator 102 zur negativen Elektrode des Halbleitermoduls 109 und der Verdrahtung von der positiven Elektrode des Halbleitermoduls 109 durch den Kondensator 103 zur negativen Elektrode des Halbleitermoduls 109 zu machen.
In der vorliegenden Erfindung, wie in 4 dargestellt, sind folglich die positiven Elektroden der Halbleitermodule durch eine positive Verdrahtung mit den positiven Elektroden der zwei Kondensatoren 102 und 103 verbunden und die negativen Elektroden der Halbleitermodule sind durch eine negative Verdrahtung mit den negativen Elektroden der zwei Kondensatoren 102 und 103 verbunden und die Punkte der Verbindung mit den Elektroden der Halbleitermodule sind zwischen den Punkten der Verbindung mit den Elektroden der zwei Kondensatoren 102 und 103 an der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung angeordnet. Das heißt, die Elektroden der Kondensatoren 102 sind mit ersten Enden der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung verbunden, die Elektroden des Kondensators 103 sind mit zweiten Enden der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung verbunden und die Elektroden der Halbleitermodule 108 und 109 sind mit den mittleren Abschnitten der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung verbunden.
Gemäß dieser Konfiguration sind die Verdrahtungslängen der Sammelschienen 201 und 202 vom Kondensator 102 zum Halbleitermodul 108 gleich den Verdrahtungslängen der Sammelschienen 201 und 202 vom Kondensator 103 zum Halbleitermodul 109 und die Verdrahtungslängen der Sammelschiene 201 und 202 vom Kondensator 102 zum Halbleitermodul 109 sind gleich den Verdrahtungslängen der Sammelschienen 201 und 202 vom Kondensator 103 zum Halbleitermodul 108. Das heißt, die parasitäre Induktivität zwischen dem Halbleitermodul 108 und den zwei Kondensatoren 102 und 103 ist im Wert gleich der parasitären Induktivität zwischen dem Halbleitermodul 109 und den zwei Kondensatoren 102 und 103.
12 stellt ein Vergleichsbeispiel dar. Mit Bezug auf 12 sind an der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung die Punkte der Verbindung mit den Elektroden der Halbleitermodule nicht zwischen den Punkten der Verbindung mit den Elektroden der zwei Kondensatoren 102 und 103 verbunden, sondern sind mit den Kondensatoren an einem Ende der Verdrahtung verbunden und sind mit den Halbleitermodulen am anderen Ende der Verdrahtung verbunden. Wenn sie in einer solchen Konfiguration verbunden sind, ist das Halbleitermodul 109 näher an den Kondensatoren in der Schaltung angeordnet als das Halbleitermodul 108, was Vorspannungen zwischen parasitären Induktivitäten in der Verdrahtung verursacht.
6 stellt Kondensatoren 102 und 103 dar, die in der einphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung 4 gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Wie in 5 dargestellt, sind die positive Verdrahtung und die negative Verdrahtung in einer flachen Plattenform konfiguriert und sind in einem Abstand fast parallel zueinander angeordnet. Folglich fließt dieselbe Menge an elektrischem Strom in zueinander entgegengesetzten Richtungen und der Magnetfluss wird aufgehoben, um die Verdrahtungsinduktivität und die Stoßspannung zu verringern.
Außerdem sind die zwei Kondensatoren 102 und 103 so konfiguriert, dass sie Elektroden auf den Oberflächen entgegengesetzt zu den gegenüberliegenden Oberflächen aufweisen. Durch Vorsehen der Elektrodenanordnungsoberflächen, wie in 4 und 5 dargestellt, können die Kondensatoren 102 und 103 zueinander benachbart sein, um die Kondensatoren 102 und 103 in einem Kondensatormodul auszubilden.
Wenn der Kondensator 103 als Beispiel herangezogen wird, weist der Kondensator 103 positive Elektroden 301 bis 304 und negative Elektroden 305 bis 308 auf der Oberfläche entgegengesetzt zur Oberfläche auf, die dem Kondensator 102 gegenüberliegt. In der vorliegenden Erfindung sind die acht Kondensatorelektroden 301 bis 308 vorgesehen. Mindestens jeweils eine positive Elektrode und eine negative Elektrode können jedoch vorgesehen sein. In diesem Beispiel tritt, wenn die Kondensatoren 301 bis 308 ungleichmäßig auf der Elektrodenanordnungsoberfläche des Kondensators 103 angeordnet sind, ein Ungleichgewicht zwischen den Strömen auf, die aus den Kondensatoren 102 und 103 ausgegeben werden, was zur Verschlechterung und zum Durchbruch der Kondensatoren 102 und 103 führt. Um dieses Problem zu lösen, sind in der vorliegenden Erfindung die Elektroden der Kondensatoren 102 und 103 in gleichen Räumen auf den Elektrodenanordnungsoberflächen angeordnet. Durch Verbinden der positiven Elektroden 301 bis 304 der Kondensatoren 102 und 103 mit der positiven Sammelschiene 201 und Verbinden der negativen Elektroden 305 bis 308 der Kondensatoren 102 und 103 mit der negativen Sammelschiene 202 ist es möglich, die Stromverteilungen in der positiven Sammelschiene 201 und der negativen Sammelschiene 202 zu vereinheitlichen und die Konzentration von Strom an und um die Kondensatorelektroden 301 bis 308 zu unterdrücken. Durch Anordnen der negativen Elektroden 301 bis 304 und der negativen Elektroden 305 bis 308 in einem Zickzackmuster sind außerdem die gegenüberliegenden Flächen der positiven Sammelschiene 201 und der negativen Sammelschiene gleich, um den Effekt der Aufhebung der Magnetfelder zu verbessern, die sich aus den Strömen ergeben, die in der positiven Sammelschiene 201 und der negativen Sammelschiene 202 fließen, und tragen zur Verringerung der parasitären Induktivitäten 104 und 105 bei.
[Beispiel 2]
8 stellt eine einphasige Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß einem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung dar. Im Allgemeinen werden, um die Kapazität einer Leistungsumsetzungsvorrichtung zu erhöhen, mehrere Halbleitermodule parallel geschaltet, um die Stromkapazität zu erhöhen. 8 ist eine Konfiguration, wenn mehrere der Halbleitermodule verbunden sind. Die Kondensatoren 102 und 103 sind in derselben Weise wie die einphasige Leistungsumsetzungsvorrichtung 4 im ersten Beispiel konfiguriert, so dass die Punkte der Verbindung mit den Elektroden der Halbleitermodule 203 bis 210 an der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung zwischen den Punkten der Verbindung mit den Elektroden der zwei Kondensatoren 102 und 103 angeordnet sind.
Die Halbleitermodule 203 bis 210 sind parallel geschaltet. Es wird angenommen, dass die Halbleitermodule 203 bis 206 und die Halbleitermodule 207 bis 210 jeweils einen Zweig der Leistungsumsetzungsvorrichtung bilden. Wenn die Längen der Verdrahtung von den Kondensatoren 102 und 103 zu den Halbleitermodulen 203 bis 210 verschieden sind, tritt das Problem von Variationen in der Stoßspannung auf, wie vorstehend beschrieben.
Folglich werden die Sammelschienen 201 und 202 im ersten Beispiel verwendet, um die mehreren Kondensatoren 102 und 103 und Halbleitermodule 203 bis 210 zu verbinden. In diesem Beispiel sind die Elektroden mit hohem Potential und die Elektroden mit niedrigem Potential der Halbleitermodule 203 bis 206 in denselben Richtungen ausgerichtet und die Elektroden mit hohem Potential und die Elektroden mit niedrigem Potential der Halbleitermodule 207 bis 210 sind in denselben Richtungen ausgerichtet. Gemäß dieser Konfiguration ist die Verdrahtungslänge der Sammelschiene, die den Kondensator 102 und die Halbleitermodule 203 bis 206 verbindet, gleich der Verdrahtungslänge der Sammelschiene, die den Kondensator 103 und die Halbleitermodule 207 bis 210 verbindet, und die Verdrahtungslänge der Sammelschiene, die den Kondensator 102 und die Halbleitermodule 207 bis 210 verbindet, ist gleich der Verdrahtungslänge der Sammelschiene, die den Kondensator 103 und die Halbleitermodule 203 bis 206 verbindet. Das heißt, die parasitären Induktivitäten sind gleich, um keine Variationen in der Stoßspannung zu verursachen.
[Drittes Beispiel]
9 ist ein Schaltplan einer dreiphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung 5 als Leistungsumsetzungsvorrichtung 1 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dreiphasige Leistungsumsetzungsvorrichtung 5 besteht aus den Kondensatoren 102 und 103 und Halbleitermodulen 108 bis 110. Die dreiphasige Leistungsumsetzungsvorrichtung 5 ist dazu konfiguriert, eine Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 101 in Wechselspannung umzusetzen und einen dreiphasigen Motor 311 anzutreiben. In diesem Beispiel sind die Operationen des Schaltelements Q1 dieselben, wie vorstehend beschrieben, und folglich wird auf deren Beschreibungen verzichtet. Wie im Fall der einphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung 4 sind die positiven Elektroden der Kondensatoren 102 und 103 und die positiven Elektroden der Halbleitermodule 108 bis 110 unter Verwendung der Sammelschiene 201 elektrisch verbunden und die negativen Elektroden der Kondensatoren 102 und 103 und die negativen Elektroden des Halbleitermoduls 108 bis 110 sind unter Verwendung der negativen Sammelschiene 202 elektrisch verbunden und die parasitären Induktivitäten 104 bis 106 befinden sich in der Verdrahtung. Die parasitären Induktivitäten 104 bis 106 hängen von der Verdrahtungsform ab. Wenn die Werte der parasitären Induktivitäten 104 bis 106 unterschiedlich sind, entstehen Variationen in den Stoßspannungen, die in den Halbleitermodulen 108 bis 110 erzeugt werden, was zur Verschlechterung und zum Durchbruch der dreiphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung 5 führt.
10 ist eine Vogelperspektive der dreiphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung 5 gemäß dem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung. Wie im Fall der einphasigen Leistungsumsetzungsvorrichtung 4 sind die Kondensatoren 102 und 103 derart konfiguriert, dass die Punkte der Verbindung mit den Elektroden der Halbleitermodule 108, 109 und 110 an der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung zwischen den Punkten der Verbindung mit den Elektroden der zwei Kondensatoren 102 und 103 angeordnet sind. Die Halbleitermodule 108 bis 110 sind parallel auf derselben Ebene ausgerichtet. Gemäß dieser Konfiguration ist die Verdrahtungslänge der Sammelschiene, die den Kondensator 102 und das Halbleitermodul 108 verbindet, gleich der Verdrahtungslänge der Sammelschiene, die den Kondensator 103 und das Halbleitermodul 109 verbindet. In diesem Beispiel ist die Verdrahtungslänge der Sammelschiene, die den Kondensator 102 und das Halbleitermodul 110 verbindet, physikalisch länger als die Verdrahtungslänge der Sammelschiene, die den Kondensator 102 und das Halbleitermodul 108 verbindet, um die Größe des Halbleitermoduls 108. Die positive Sammelschiene 201 und die negative Sammelschiene 202 bilden jedoch eine Struktur von parallelen flachen Platten. Die Richtung des Stroms, der in der positiven Sammelschiene 201 fließt, und die Richtung des Stroms, der in der negativen Sammelschiene 202 fließt, sind zueinander entgegengesetzt und die Magnetfelder werden folglich aufgehoben und die Absolutwerte der parasitären Induktivitäten 104 bis 106 sind nicht größer als einige nH. Das heißt, die Differenz zwischen der parasitären Induktivität 105 und der parasitären Induktivität 106 wird sehr klein, so dass kein Problem von Variationen in der Stoßspannung besteht. Ebenso ist die Verdrahtungslänge der Sammelschiene, die den Kondensator 102 und das Halbleitermodul 109 verbindet, gleich der Verdrahtungslänge der Sammelschiene, die den Kondensator 103 und das Halbleitermodul 108 verbindet, wohingegen die Verdrahtungslänge der Sammelschiene, die den Kondensator 103 und das Halbleitermodul 110 verbindet, kürzer ist als die Verdrahtungslänge der Sammelschiene, die den Kondensator 102 und das Halbleitermodul 109 verbindet, mit einer Verringerung der parasitären Induktivität. Wie im vorangehenden Fall verursacht die Struktur der parallelen flachen Platten eine sehr kleine Differenz zwischen den parasitären Kapazitäten, so dass kein Problem von Variationen der Stoßspannung verursacht wird.
[Viertes Beispiel]
11 stellt eine einphasige Leistungsumsetzungsvorrichtung als Leistungsumsetzungsvorrichtung 1 gemäß einem anderen Beispiel der vorliegenden Erfindung dar. Obwohl im ersten Beispiel die Elektrodenanordnungsoberflächen der zwei Kondensatoren auf zueinander entgegengesetzten Seiten liegen, können die Elektrodenanordnungsoberflächen in derselben Ebene liegen, wie in 11 dargestellt. In diesem Fall, wie in den anderen Beispielen, sind die Punkte der Verbindung mit den Elektroden der Halbleitermodule 108 und 109 an der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung zwischen den Punkten der Verbindung mit den Elektroden der zwei Kondensatoren 102 und 103 angeordnet.
Merkmale, Komponenten und spezifische Details der Strukturen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können ausgetauscht oder kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die für die jeweilige Anwendung optimiert sind. Soweit diese Modifikationen für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich sind, sollen sie implizit durch die obige Beschreibung offenbart sein, ohne explizit jede mögliche Kombination anzugeben.
Bezugszeichenliste

1: Leistungsumsetzungsvorrichtung
2: Oberleitung
3: Schiene
4: einphasige Leistungsumsetzungsvorrichtung
5: dreiphasige Leistungsumsetzungsvorrichtung
11: Stoßspannung
Q1 bis Q6: Schaltelement
D1 bis D6: Diode
101: Gleichspannungsquelle
102, 103: Kondensator
104 bis 106: parasitäre Induktivität
108 bis 110: Halbleitermodul
111: einphasiger Motor
112: Kondensatormodul
201: positive Sammelschiene
202: negative Sammelschiene
203 bis 210: Halbleitermodul mit kleiner Kapazität
301 bis 304: positive Elektrode des Kondensators
305 bis 308: negative Elektrode des Kondensators
311: dreiphasiger Motor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-153246 A [0005]

Claims

Leistungsumsetzungsvorrichtung (1), die umfasst: einen ersten und einen zweiten Kondensator (102, 103); und ein erstes und ein zweites Halbleitermodul, wobei positive Anschlüsse des ersten und des zweiten Kondensators (102, 103) und positive Anschlüsse des ersten und des zweiten Halbleitermoduls durch eine positive Verdrahtung verbunden sind, negative Anschlüsse des ersten und des zweiten Kondensators (102, 103) und negative Anschlüsse des ersten und des zweiten Halbleitermoduls durch eine negative Verdrahtung verbunden sind, der erste Kondensator (102) mit ersten Enden der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung über den positiven Anschluss und den negativen Anschluss verbunden ist, der zweite Kondensator (103) mit zweiten Enden der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung über den positiven Anschluss und den negativen Anschluss verbunden ist, und das erste und das zweite Halbleitermodul (108, 109) durch die positive Verdrahtung über die positiven Anschlüsse verbunden sind und durch die negative Verdrahtung über die negativen Anschlüsse verbunden sind in Bereichen zwischen den ersten Enden und den zweiten Enden der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung.
Leistungsumsetzungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, die ferner ein drittes Halbleitermodul (110) umfasst, wobei ein positiver Anschluss des dritten Halbleitermoduls (110) mit der positiven Verdrahtung verbunden ist, ein negativer Anschluss des dritten Halbleitermoduls (110) mit der negativen Verdrahtung verbunden ist, das dritte Halbleitermodul (110) mit der positiven Verdrahtung über den positiven Anschluss verbunden ist und mit der negativen Verdrahtung über den negativen Anschluss verbunden ist in Bereichen zwischen den ersten Enden und den zweiten Enden der positiven Verdrahtung und der negativen Verdrahtung.
Leistungsumsetzungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste und der zweite Kondensator (102, 103) als ein Kondensatormodul ausgebildet sind.
Leistungsumsetzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jedes des ersten und des zweiten Halbleitermoduls (108, 109) ein erstes Schaltelement, in dem erste Dioden antiparallel verbunden sind, und ein zweites Schaltelement, in dem zweite Dioden antiparallel verbunden sind, umfasst, und jedes des ersten und des zweiten Halbleitermoduls (108, 109) durch Verbinden von Anschlüssen mit niedrigem Potential des ersten Schaltelements und von Anschlüssen mit hohem Potential des zweiten Schaltelements gebildet ist.
Leistungsumsetzungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste und das zweite Halbleitermodul (108, 109) mehrere Schaltelemente umfassen, die parallel geschaltet sind.
Leistungsumsetzungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schaltelemente IGBTs oder MOSFETs sind.
Leistungsumsetzungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schaltelemente oder die Dioden Silizium oder ein Halbleitermaterial, das eine breitere Bandlücke als Silizium hat, als Basismaterial aufweisen.
Eisenbahnfahrzeug, das umfasst: die Leistungsumsetzungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7; einen Elektromotor, der durch die Leistungsumsetzungsvorrichtung angetrieben wird; und einen Leistungsabnehmer, der Leistung von einer Oberleitung erhält und dieselbe zur Leistungsumsetzungsvorrichtung zuführt.