DE112012006286T5 - Leistungsmodul und Dreistufen-Leistungswandler, der dieses verwendet - Google Patents

Leistungsmodul und Dreistufen-Leistungswandler, der dieses verwendet Download PDF

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c/o Mitsubishi Electric Corporati Okayama Hideo
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Abstract

Ein erstes Paar, das ein höchstes außenseitiges Schaltelement 10a und ein Schaltelement 12a umfasst, das als eine neutrale Klemmdiode auf einer höheren Potentialseite wirkt, ein zweites Paar, das ein niedrigstes außenseitiges Schaltelement 12b und ein Schaltelement 10b umfasst, das als eine neutrale Klemmdiode auf einer niedrigeren Potentialseite wirkt, und ein drittes Paar, das ein höheres innenseitiges Schaltelement 10c und ein niedrigeres innenseitiges Schaltelement 12c umfasst, sind jeweils aus Leistungsmodulen 1a bis 1c aufgebaut, bei denen es sich um zwei Elemente beinhaltende Leistungsmodule handelt, wobei ein Leistungsumwandlungsschaltungsabschnitt aus dem ersten Paar, dem zweiten Paar und dem dritten Paar aufgebaut ist.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Leistungsmodul und einen Dreistufen-Leistungswandler, der dieses verwendet.
  • Hintergrund
  • Herkömmliche Dreistufen-Leistungswandler für Schienenfahrzeuge, die sich zwei Elemente beinhaltender Leistungsmodule bedienen, sind so aufgebaut, dass unter vier Schaltelementen, die in Reihe geschaltet sind, und an denen obere und untere Arme ausgebildet sind, die Kombination aus den außenseitigen Schaltelementen (dem Schaltelement, das sich auf der Seite höchsten Potentials befindet, und dem Schaltelement, das sich auf der Seite niedrigsten Potentials befindet), und die Kombination aus den innenseitigen Schaltelementen (zwei Schaltelemente, die sich in der Mitte befinden), jeweils aus einem zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmodul und Klemmdioden aufgebaut sind, die zwischen der Anschlussstelle der zwei Schaltelemente, aus denen der obere Arm aufgebaut ist, und der Anschlussstelle der zwei Schaltelemente, aus denen der untere Arm aufgebaut ist, separat unter Verwendung eines Diodenmoduls aufgebaut sind (z. B. Patentschrift 1, die nachstehend beschrieben wird).
  • Anführungsliste
  • Patentliteratur
    • Patentschrift 1: WO2008/075418
  • Zusammenfassung
  • Technisches Problem
  • Wie vorstehend beschrieben, sind bei den herkömmlichen Dreistufen-Leistungswandlern für Schienenfahrzeuge, die sich zwei Elemente beinhaltender Leistungsmodule bedienen, die Kombination aus den außenseitigen Schaltelementen und die Kombination aus den innenseitigen Schaltelemente jeweils aus einem zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmodul aufgebaut. Deshalb leistet die Niedriginduktivitätsstruktur in dem Modul keinen ausreichenden Beitrag als Niedriginduktivitätsschaltung, die für Dreistufen-Leistungswandler für Schienenfahrzeuge notwendig ist. Folglich besteht insofern ein Problem, als die Kenneigenschaften der zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmodule nicht ausreichend zum Tragen kommen können.
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des Vorstehenden erzielt, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Leistungsmodul bereitzustellen, das in der Lage ist, die Kenneigenschaften der zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmodule und eines Dreistufen-Leistungswandlers, der diese verwendet, ausreichend zum Tragen kommen zu lassen.
  • Problemlösung
  • Um die vorstehenden Probleme zu lösen und das Ziel zu erreichen, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Dreistufen-Leistungswandler, wobei ein erstes Paar, das ein außenseitiges Schaltelement auf einer höchsten Potentialseite und eine neutrale Klemmdiode auf einer höheren Potentialseite umfasst, ein zweites Paar, das ein Schaltelement auf einer niedrigsten Potentialseite und eine neutrale Klemmdiode auf einer niedrigeren Potentialseite umfasst, und ein drittes Paar, das ein innenseitiges Schaltelement auf einer höheren Seite und ein innenseitiges Schaltelement auf einer niedrigeren Seite umfasst, jeweils aus einem zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmodul aufgebaut sind, wobei ein Leistungsumwandlungsschaltungsabschnitt aus dem ersten Paar, dem zweiten Paar und dem dritten Paar aufgebaut ist.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Effekt erzielt, der es ermöglicht, ein Leistungsmodul bereitzustellen, das die Kenneigenschaften der zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmodule und eines Dreistufen-Leistungswandlers, der diese verwendet, ausreichend zum Tragen kommen lassen kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Teilschaltplan eines Dreistufen-Leistungswandlers nach einer ersten Ausführungsform.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht der schematischen Form eines Leistungsmoduls nach der ersten Ausführungsform, das als zwei Elemente beinhaltendes Leistungsmodul aufgebaut ist.
  • 3 ist ein Schaltplan des in 2 dargestellten, zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmoduls.
  • 4 ist eine erläuternde grafische Darstellung zur Erklärung des Funktionsablaufs des Dreistufen-Leistungswandlers nach der ersten Ausführungsform.
  • 5 ist ein Schaltplan eines in einer zweiten Ausführungsform verwendeten, zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmoduls.
  • 6 ist ein Teilschaltplan eines Dreistufen-Leistungswandlers nach der zweiten Ausführungsform.
  • 7 ist eine grafische Darstellung von Schaltungsaufbauten von zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmodulen, die in einer dritten und vierten Ausführungsform verwendet werden.
  • 8 ist ein Teilschaltplan eines Dreistufen-Leistungswandlers nach der dritten Ausführungsform.
  • 9 ist eine grafische Darstellung, die die externe Anschlussstruktur im Falle eines zwei Elemente beinhaltenden Vierpol-Leistungsmoduls schematisch darstellt.
  • 10 ist ein Teilschaltplan eines Dreistufen-Leistungswandlers nach der vierten Ausführungsform.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Ein Leistungsmodul und ein Dreistufen-Leistungswandler nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt.
  • Erste Ausführungsform
  • 1 ist ein Teilschaltplan eines Leistungswandlers nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und stellt den Aufbau eines DC-Schaltungsabschnitts und einen Teil eines Leistungsumwandlungsabschnitts in einem Dreistufen-Leistungswandler dar, der vorzugsweise in einem Schienenfahrzeug verwendet wird. Wie in 1 dargestellt ist, ist der Dreistufen-Leistungswandler mit drei, zwei Elemente beinhaltenden Vierpol-Leistungsmodulen 1a bis 1c versehen. Speziell sind in dem Aufbau des Dreistufen-Leistungswandlers ein Schaltelement 10a, das sich auf der Außenseite der höchsten Potentialseite befindet, und ein Schaltungselement 12a, das als eine neutrale Klemmdiode auf der höheren Potentialseite wirkt, als erstes Paar zusammengefasst; ein Schaltelement 12b, das sich auf der Außenseite der niedrigsten Potentialseite befindet, und ein Schaltelement 10b, das als eine neutrale Klemmdiode auf der niedrigeren Potentialseite wirkt, sind als ein zweites Paar zusammengefasst; und zwei innenseitige Schaltelemente 10c und 12c, die sich in der Mitte befinden, sind als ein drittes Paar zusammengefasst. Das erste Paar ist aus dem zwei Elemente beinhaltenden Vierpol-Leistungsmodul 1a aufgebaut; das zweite Paar ist aus dem zwei Elemente beinhaltenden Vierpol-Leistungsmodul 1b aufgebaut; und das dritte Paar ist aus dem zwei Elemente beinhaltenden Vierpol-Leistungsmodul 1c aufgebaut. Bei den Schaltelementen 12a und 10b handelt es sich jeweils um ein Schaltelement, das immer ausgeschaltet ist und nur als Diode fungiert (mit anderen Worten, ein unidirektionales Element).
  • Als Nächstes erfolgt eine Erläuterung des zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmoduls, das im Dreistufen-Leistungswandler in der ersten Ausführungsform verwendet wird. 2 ist eine perspektivische Ansicht der schematischen Form des Leistungsmoduls nach der ersten Ausführungsform, das als zwei Elemente beinhaltendes Leistungsmodul aufgebaut ist, und 3 ist ein Schaltplan des in 2 dargestellten, zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmoduls.
  • Wie in 2 und 3 dargestellt ist, ist ein zwei Elemente beinhaltendes Leistungsmodul 1 nach der ersten Ausführungsform dergestalt, dass ein erstes Elementpaar 10 und ein zweites Elementpaar 12 in einem Gehäuse untergebracht sind, bei denen es sich um zwei Elementpaare handelt, wovon in jedem ein IGBT als Schaltelement und eine Diode, die als Freilaufdiode bezeichnet wird (im Folgenden als „FWD” beschrieben), antiparallel miteinander verbunden sind.
  • In 2 und 3 ist das erste Elementpaar 10 so aufgebaut, dass der Kollektor des IGBT und die Kathode der FWD im Modul elektrisch aneinander angeschlossen sind, und deren Verbindungsende herausgeführt ist, um an eine erste Kollektorelektrode C1 angeschlossen zu werden, die auf der Oberseite des zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmoduls 1 vorgesehen ist, und der Emitter des IGBT und die Anode der FWD im Modul elektrisch aneinander angeschlossen sind, und deren Verbindungsende herausgeführt ist, um an eine erste Emitterelektrode E1 angeschlossen zu werden, die auf der Oberseite des zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmoduls 1 vorgesehen ist. Auf eine ähnliche Weise ist das zweite Elementpaar 12 so aufgebaut, dass der Kollektor des IGBT und die Kathode der FWD im Modul elektrisch aneinander angeschlossen sind, und deren Verbindungsende herausgeführt ist, um an eine zweite Kollektorelektrode C2 angeschlossen zu werden, die auf der Oberseite des zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmoduls 1 vorgesehen ist, und der Emitter des IGBT und die Anode der FWD im Modul elektrisch aneinander angeschlossen sind, und deren Verbindungsende herausgeführt ist, um an eine zweite Emitterelektrode E2 angeschlossen zu werden, die auf der Oberseite des zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmoduls 1 vorgesehen ist.
  • Wie aus der Struktur in 2 und dem Schaltungsuafbau in 3 deutlich wird, ist es möglich, eine Teilstrecke aufzubauen, in der das erste Elementpaar 10 und das zweite Elementpaar 12 in Reihe geschaltet sind, indem die erste Emitterelektrode E1 und die zweite Kollektorelektrode C2 des zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmoduls 1 unter Verwendung einer Stromschiene, einer kaschierten Sammelschiene o. dgl. elektrisch angeschlossen werden.
  • Als Nächstes erfolgt eine Erläuterung der Funktionsweise des Dreistufen-Leistungswandlers nach der ersten Ausführungsform mit Bezug auf 4. 4 ist eine erläuternde grafische Darstellung zur Erklärung der Funktionsweise des Dreistufen-Leistungswandlers nach der ersten Ausführungsform und stellt den in 1 gezeigten Schaltplan unter Einbeziehung von Strompfaden dar. In der folgenden Erläuterung wird ein Fall als Beispiel erläutert, in dem der aus dem AC-Ende ausgegebene Strom, das ein Wechselstromende des Dreistufen-Leistungswandlers bildet, positiv ist (rechte Richtung).
  • Zuerst fließt, wenn das Schaltelement (im Folgenden als das „höchste außenseitige Schaltelement” bezeichnet) 10a, das sich auf der Außenseite der höchsten Potentialseite befindet, und das Schaltelement (im Folgenden als das ”höhere innenseitige Schaltelement” bezeichnet) 10c, das sich auf der Innenseite der höheren Seite befindet, eingeschaltet sind, und das Schaltelement (im Folgenden als das „niedrigste außenseitige Schaltelement” bezeichnet) 12b, dass sich auf der Außenseite der niedrigsten Potentialseite befindet, und das Schaltelement (im Folgenden als das „niedrigere innenseitige Schaltelement” bezeichnet) 12c, das sich auf der Innenseite der niedrigeren Seite befindet, ausgeschaltet sind, der Strom von einem höherseitigen DC-Ende P zum höchsten außenseitigen Schaltelement 10a und höheren innenseitigen Schaltelement 10c und wird an das AC-Ende ausgegeben (Strompfad A).
  • Als Nächstes fließt, wenn das höchste außenseitige Schaltelement 10a ausgeschaltet wird, der Strom von einem Zwischenpotentialende C zum höheren innenseitigen Schaltelement 10c durch das Schaltelement 12a (die neutrale Klemmdiode auf der höheren Potentialseite) und wird an das AC-Ende ausgegeben (Strompfad B). Selbst wenn das niedrigere innenseitige Schaltelement 12c eingeschaltet wird, verändert sich der Strompfad nicht. Wenn jedoch das höhere innenseitige Schaltelement 10c ausgeschaltet wird, fließt ein Strom vom niederseitigen DC-Ende N zum niedrigsten außenseitigen Schaltelement 12b und zum niedrigeren innenseitigen Schaltelement 12c und wird an das AC-Ende ausgegeben (Strompfad C).
  • Wie vorstehend beschrieben, verändern sich die Einschalt-/Ausschaltzustände des höchsten außenseitigen Schaltelements 10a, des niedrigsten außenseitigen Schaltelements 12, des höheren innenseitigen Schaltelements 10c und des niedrigeren innenseitigen Schaltelements 12c wie folgt: das höchste außenseitige Schaltelement 10a: EIN, das höhere innenseitige Schaltelement 10c: EIN, das niedrigere innenseitige Schaltelement 12c: AUS und das niedrigste außenseitige Schaltelement 12b: AUS → das höchste außenseitige Schaltelement 10a: AUS, das höhere innenseitige Schaltelement 10c: EIN, das niedrigere innenseitige Schaltelement 12c: AUS und das niedrigste außenseitige Schaltelement 12b: AUS → das höchste außenseitige Schaltelement 10a: AUS, das höhere innenseitige Schaltelement 10c: EIN, das niedrigere innenseitige Schaltelement 12c: EIN und das niedrigste außenseitige Schaltelement 12b: AUS → das höchste außenseitige Schaltelement 10a: AUS, das höhere innenseitige Schaltelement 10c: AUS, das niedrigere innenseitige Schaltelement 12c: EIN und das niedrigste außenseitige Schaltelement 12b: AUS → das höchste außenseitige Schaltelement 10a: AUS, das höhere innenseitige Schaltelement 10c: AUS, das niedrigere innenseitige Schaltelement 12c: EIN und das niedrigste außenseitige Schaltelement 12b: EIN → das höchste außenseitige Schaltelement 10a: AUS, das höhere innenseitige Schaltelement 10c: AUS, das niedrigere innenseitige Schaltelement 12c: EIN und das niedrigste außenseitige Schaltelement 12b: AUS → ....
  • Wenn an dieser Stelle sowohl der positive als auch der negative Strom aufgrund des Stroms, der aus dem AC-Ende fließt, und des Stroms, der in das AC-Ende fließt, berücksichtigt werden, kommutieren diese Ströme zwischen dem höchsten außenseitigen Schaltelement 10a und dem Schaltelement 12a, zwischen dem höheren innenseitigen Schaltelement 10c und dem niedrigeren innenseitigen Schaltelement 12c, und zwischen dem niedrigsten außenseitigen Schaltelement 12b und dem Schaltelement 10b. Deshalb sind bei dem Dreistufen-Leistungswandler in der ersten Ausführungsform Leistungsmodule, die jeweils zwei Elemente beinhalten, die so ausgelegt werden können, dass sie eine niedrige Induktivität haben, indem sie in einem Modul untergebracht sind, dadurch gebildet, dass das höchste außenseitige Schaltelement 10a und das Schaltelement 12a kombiniert sind, das höhere innenseitige Schaltelement 10c und das niedrigere innenseitige Schaltelement 12c kombiniert sind, und das niedrigste außenseitige Schaltelement 12b und das Schaltelement 10b kombiniert sind. Mit einem solchen Aufbau kann eine Wirkung erzielt werden, dass die Niedriginduktivitätsschaltung im Leistungsmodul zur Niedriginduktivitätsschaltung beiträgt, die für den Dreistufen-Leistungswandler für ein Schienenfahrzeug notwendig ist.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist der Dreistufen-Leistungswandler nach der ersten Ausführungsform aus den zwei Elemente beinhaltenden Vierpol-Leistungsmodulen aufgebaut, wobei in jedem davon eine Elektrode höheren Potentials und eine Elektrode niedrigeren Potentials eines Elements und eine Elektrode höheren Potentials und eine Elektrode niedrigeren Potentials des anderen Elements im zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmodul jeweils herausgeführt sind. Deshalb wird eine Wirkung erzielt, dass der Dreistufen-Leistungswandler für ein Schienenfahrzeug aus einer Art Leistungsmodul aufgebaut sein kann.
  • In der Gestaltung des DC-Schaltungsabschnitts des Dreistufen-Leistungswandlers, wenn beispielsweise das Zwischenpotentialende C ein Massepunkt ist, wechseln, wenn sich der Schaltungszustand jedes Schaltelements verändert, das höchste außenseitige Schaltelement 10a und das Schaltelement 12a nur zwischen einem Potential P und einem Potential C, das höhere innenseitige Schaltelement 10c und das niedrigere innenseitige Schaltelement 12c nur zwischen dem Potential P und dem Potential C oder zwischen dem Potential C und einem Potential N, und das niedrigste außenseitige Schaltelement 12b und das Schaltelement 10b nur zwischen dem Potential C und dem Potential N; deshalb ist es ausreichend, dass die Leistungsmodule 1a bis 1c eine dielektrische Massespannungsfestigkeit im Hinblick auf eine Spannung E haben. Deshalb wird gemäß dem Dreistufen-Leistungswandler in der ersten Ausführungsform eine Wirkung erzielt, dass der Dreistufen-Leistungswandler aus zwei Leistungsmodulen aufgebaut werden kann, die eine geringe dielektrische Massespannungsfestigkeit im Hinblick auf eine Spannung haben, die der halben Spannung des DC-Schaltungsabschnitts entspricht.
  • Überdies ist es offensichtlich, dass das vorstehend beschriebene, zwei Elemente beinhaltende Leistungsmodul 1 auch für einen Zweistufen-Leistungswandler verwendet werden kann. Deshalb wird gemäß dem Dreistufen-Leistungswandler in der ersten Ausführungsform eine Wirkung erzielt, dass der Dreistufen-Leistungswandler für ein Schienenfahrzeug aus einer Art Leistungsmodul aufgebaut werden kann, das auch für einen Zweistufen-Leistungswandler verwendet werden kann.
  • Zweite Ausführungsform
  • 5 ist ein Schaltplan eines in einer zweiten Ausführungsform verwendeten, zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmoduls und 6 ist ein Teilschaltplan eines Dreistufen-Leistungswandlers nach der zweiten Ausführungsform. In dem Dreistufen-Leistungswandler nach der ersten Ausführungsform werden alle Leistungsmodule 1a bis 1c, aus denen der Dreistufen-Leistungswandler aufgebaut ist, aus denselben Leistungsmodulen 1 (siehe 2) aufgebaut, indem die Ausführungsform eingesetzt wird, in der das Schaltelement 12a im Leistungsmodul 1a und das Schaltelement 10b im Leistungsmodul 1b immer ausgeschaltet sind. Hingegen ist der Dreistufen-Leistungswandler in der zweiten Ausführungsform aus dem in 2 dargestellten Leistungsmodul 1 und den in 5 dargestellten Leistungsmodulen 2 aufgebaut.
  • Wie in 5 dargestellt ist, ist das Leistungsmodul 2 so aufgebaut, dass es ein erstes Elementpaar 20 und ein zweites Element 22 umfasst. Das erste Elementpaar 20 ist dergestalt, dass der Kollektor des IGBT und die Kathode der FWD im Modul elektrisch aneinander angeschlossen sind, und deren Verbindungsende herausgeführt ist, um eine Kollektorelektrode C1 zu bilden, und der Emitter des IGBT und die Anode der FWD im Modul elektrisch aneinander angeschlossen sind, und deren Verbindungsende herausgeführt ist, um eine Emitterelektrode E1 zu bilden. In Gegensatz zum Aufbau in 2 ist das zweite Element 22 nur mit einer Diode versehen. Beim zweiten Element 22 ist die Kathode der Diode herausgeführt, um eine Kathodenelektrode K1 zu bilden, und die Anode der Diode ist herausgeführt, um eine Anodenelektrode A1 zu bilden. In dem Aufbau von 5 sind die Positionen, an denen die Elektroden herausgeführt sind, der Einfachheit halber angesetzt und sind nicht auf diese Herausführpositionen in 5 beschränkt.
  • Der Leistungswandler, der einen Motor antreibt, umfasst in manchen Fällen eine Brems-Chopperschaltung, und das in 5 dargestellte Leistungsmodul hat einen Aufbau, der für einen Brems-Chopper verwendet werden kann. Mit anderen Worten hat der Dreistufen-Leistungswandler nach der zweiten Ausführungsform einen Aufbau, in dem auch ein Leistungsmodul für einen Brems-Chopper verwendet werden kann. Der Dreistufen-Leistungswandler nach der zweiten Ausführungsform ist so aufgebaut, dass das Leistungsmodul 1c, das das höhere innenseitige Schaltelement 10c und das niedrigere innenseitige Schaltelement 12c umfasst, aus dem Leistungsmodul 1 in 2 aufgebaut ist, und ein höchstes außenseitiges Schaltelement 20a und eine neutrale Klemmdiode 22a auf der höheren Potentialseite bzw. ein niedrigstes außenseitiges Schaltelement 20b und eine neutrale Klemmdiode 22b auf der niedrigeren Potentialseite aus den Leistungsmodulen 2 in 5 aufgebaut sind.
  • Gemäß dem Dreistufen-Leistungswandler in der zweiten Ausführungsform wird, anstatt das antiparallel angeschlossene Schaltelement immer ausgeschaltet zu lassen, das Schaltelement weggelassen und nur eine Diode vorgesehen; deshalb ist es möglich, eine neutrale Klemmdiode zu verwenden, die eine größere Kapazität hat als diejenige in der ersten Ausführungsform, und der Aufbau ist vereinfacht. Dementsprechend wird eine Wirkung erzielt, dass die Zuverlässigkeit verbessert ist und die Kosten und Größe reduziert sind.
  • Darüber hinaus kann gemäß dem Dreistufen-Leistungswandler in der zweiten Ausführungsform das Leistungsmodul, das sich auch für einen Zweistufen-Leistungswandler eignet, verwendet werden, und das Leistungsmodul, das sich auch für eine Brems-Chopperschaltung eignet, kann auch verwendet werden. Dementsprechend wird eine Wirkung erzielt, dass die notwendige Anzahl an Leistungsmodularten reduziert werden kann.
  • Dritte Ausführungsform
  • 7 ist eine grafische Darstellung von Schaltungsaufbauten von in einer dritten und vierten Ausführungsform verwendeten, zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmodulen. Im Spezielleren stellt 7(a) ein zwei Elemente beinhaltendes Leistungsmodul dar, das in den Dreistufen-Leistungswandlern in der dritten und vierten Ausführungsform verwendet wird, und 7(b) und 7(c) stellen zwei Elemente beinhaltende Leistungsmodule dar, die nur in der vierten Ausführungsform verwendet werden. Die zwei Elemente beinhaltenden Elemente in 7(b) und 7(c) werden in einem Abschnitt über die vierte Ausführungsform erläutert.
  • Wie in 7(a) dargestellt ist, ist ein Leistungsmodul 3 so aufgebaut, dass es ein erstes Elementpaar 30 und ein zweites Elementpaar 32 umfasst. Das erste Elementpaar 30 ist dergestalt, dass der Kollektor des IGBT und die Kathode der FWD im Modul elektrisch aneinander angeschlossen sind, und deren Verbindungsende herausgeführt ist, um eine Kollektorelektrode C1 zu bilden, und der Emitter des IGBT und die Anode der FWD im Modul elektrisch aneinander angeschlossen sind, und deren Verbindungsende herausgeführt ist, um eine Emitterelektrode E1 zu bilden. Das zweite Elementpaar 32 ist dergestalt, dass der Emitter des IGBT und die Anode der FWD im Modul elektrisch aneinander angeschlossen sind, und deren Verbindungsende herausgeführt ist, um eine Emitterelektrode E2 zu bilden, und der Kollektor des IGBT und die Kathode der FWD im Modul an den Emitter des IGBT im ersten Elementpaar 30 angeschlossen sind. Bei einem solchen Aufbau stimmt die Kollektorelektrode C1 des zweiten Elementpaars 32 mit der Emitterelektrode E1 überein. Die Positionen, an denen die Elektroden herausgeführt sind, sind der Einfachheit halber so angesetzt und nicht auf diese Herausführpositionen in 7 beschränkt.
  • 8 ist ein Teilschaltplan des Dreistufen-Leistungswandlers nach der dritten Ausführungsform. Im Dreistufen-Leistungswandler nach der ersten Ausführungsform sind die Leistungsmodule 1a bis 1c jeweils aus einem Vierpolmodul aufgebaut, wie in 3 dargestellt ist. Im Dreistufen-Leistungswandler nach der dritten Ausführungsform sind die Leistungsmodule jeweils aus einem Dreipolmodul aufgebaut, wie in 7(a) dargestellt ist. Speziell sind jeweils ein Leistungsmodul 3a, das ein höchstes außenseitiges Schaltelement 30a und ein Schaltelement 32a umfasst, das als eine neutrale Klemmdiode auf der höheren Potentialseite wirkt, ein Leistungsmodul 3b, das ein niedrigstes außenseitiges Schaltelement 32b und ein Schaltelement 30b umfasst, das als eine neutrale Klemmdiode auf der niedrigeren Potentialseite wirkt, und ein Leistungsmodul 3c, das ein höheres innenseitiges Schaltelement 30c und ein niedrigeres innenseitiges Schaltelement 32c umfasst, aus dem in 7(a) dargestellten Leistungsmodul 3 aufgebaut.
  • Gemäß dem Dreistufen-Leistungswandler in der dritten Ausführungsform ist es nicht notwendig, einen elektrischen Anschluss zwischen dem höchsten außenseitigen Schaltelement 30a und dem Schaltelement 32a, zwischen dem niedrigsten außenseitigen Schaltelement 32b und dem Schaltelement und zwischen dem höheren innenseitigen Schaltelement 30c und dem niedrigeren innenseitigen Schaltelement 32c außerhalb der Leistungsmodule durchzuführen. Dementsprechend wird eine Wirkung erzielt, dass eine Schaltung mit einer niedrigeren Induktivität als diejenige in der ersten Ausführungsform erzielt werden kann.
  • 9 ist eine grafische Darstellung, die die externe Anschlussstruktur im Falle eines zwei Elemente beinhaltenden Vierpol-Leistungsmoduls schematisch darstellt. Wenn das zwei Elemente beinhaltende Vierpol-Leistungsmodul verwendet wird, ist es notwendig, einen AC-Anschlussabschnitt 60 als über einen externen Anschluss verfügend auszulegen; deshalb konkurrieren der AC-Anschlussabschnitt 60 und ein PN-Anschlussleiter (eine DC-Leitung zum Anschließen des DC-Schaltungsabschnitts und jedes Schaltelements) 62 um einen Raum. In einem solchen Fall wird beispielsweise, wie in 9(b) dargestellt, wenn eine Verdrahtung so erfolgt, dass der PN-Anschlussleiter 62 umgangen wird, der Anschlussleiter unweigerlich lang, und ein Anstieg der Induktivität ist unvermeidlich. Hingegen kann wie in der dritten Ausführungsform, wenn die Leistungsmodule 3a bis 3c jeweils aus einem zwei Elemente beinhaltenden Dreipol-Leistungsmodul aufgebaut sind, eine Zunahme der Länge des Anschlussleiters des AC-Anschlussabschnitts 60 unterbunden werden, und somit wird eine signifikante Wirkung in Form einer Senkung der Induktivität erzielt.
  • Vierte Ausführungsform
  • 10 ist ein Teilschaltplan des Dreistufen-Leistungswandlers nach der vierten Ausführungsform. Im Dreistufen-Leistungswandler nach der dritten Ausführungsform ist der Aufbau dergestalt, dass zwei Elemente beinhaltende Dreipol-Leistungsmodule verwendet werden, und alle Leistungsmodule 3a bis 3c, aus denen der Dreistufen-Leistungswandler aufgebaut ist, aus denselben Leistungsmodulen 3 (siehe 7(a)) aufgebaut werden, indem die Ausführungsform eingesetzt wird, in der das Schaltelement 32a im Leistungsmodul 3a und das Schaltelement 30b im Leistungsmodul 3b immer ausgeschaltet sind. Hingegen ist der Dreistufen-Leistungswandler in der vierten Ausführungsform aus einem in 7(b) dargestellten Leistungsmodul 4 und einem in 7(c) dargestellten Leistungsmodul 5 zusätzlich zu dem in 7(a) dargestellten Leistungsmodul 3 aufgebaut.
  • Wie in 7(b) dargestellt ist, ist das Leistungsmodul 4 so aufgebaut, dass es ein erstes Elementpaar 40 und ein zweites Element 42 umfasst. Das erste Elementpaar 40 ist dergestalt, dass der Kollektor des IGBT und die Kathode der FWD im Modul elektrisch aneinander angeschlossen sind, und deren Verbindungsende herausgeführt ist, um eine Kollektorelektrode C1 zu bilden, und der Emitter des IGBT und die Anode der FWD im Modul elektrisch aneinander angeschlossen sind, und deren Verbindungsende herausgeführt ist, um eine Emitterelektrode E1 zu bilden. Hingegen ist auf eine dem Fall in 5 ähnliche Weise das zweite Element 42 nur mit einer Diode versehen. Beim zweiten Element 42 ist die Anode der Diode herausgeführt, um eine Anodenelektrode A1 zu bilden, und die Kathode der Diode ist im Modul an den Emitter des IGBT im ersten Elementpaar 40 angeschlossen. Bei einem solchen Aufbau stimmt die Kathodenelektrode K1 mit der Emitterelektrode E1 überein. Die Positionen, an denen die Elektroden herausgeführt sind, sind der Einfachheit halber so angesetzt und nicht auf diese Herausführpositionen in 7(b) beschränkt.
  • Auf eine ähnliche Weise ist, wie in 7(c) dargestellt, das Leistungsmodul 5 so aufgebaut, dass es ein erstes Elementpaar 50 und ein zweites Element 52 umfasst. Das erste Elementpaar 50 ist dergestalt, dass der Kollektor des IGBT und die Kathode der FWD im Modul elektrisch aneinander angeschlossen sind, und deren Verbindungsende herausgeführt ist, um eine Kollektorelektrode C1 zu bilden, und der Emitter des IGBT und die Anode der FWD im Modul elektrisch aneinander angeschlossen sind, und deren Verbindungsende herausgeführt ist, um eine Emitterelektrode E1 zu bilden. Hingegen ist auf eine dem Fall in 7(b) ähnliche Weise das zweite Element 52 nur mit einer Diode versehen. Beim zweiten Element 52 ist die Kathode der Diode herausgeführt, um eine Kathodenelektrode K1 zu bilden, und die Anode der Diode ist im Modul an den Kollektor des IGBT im ersten Elementpaar 50 angeschlossen. Bei einem solchen Aufbau stimmt die Anodenelektrode A1 mit der Kollektorelektrode C1 überein. Die Positionen, an denen die Elektroden herausgeführt sind, sind der Einfachheit halber so angesetzt und nicht auf diese Herausführpositionen in 7(c) beschränkt.
  • Obwohl es in einem Abschnitt über die zweite Ausführungsform erläutert ist, umfasst der Leistungswandler, der einen Motor antreibt, in manchen Fällen eine Brems-Chopper-Schaltung, und die in 7(b) und 7(c) dargestellten Leistungsmodule haben jeweils einen Aufbau, der für einen Brems-Chopper verwendet werden kann. Mit anderen Worten hat der Dreistufen-Leistungswandler nach der vierten Ausführungsform einen Aufbau, in dem auch ein Leistungsmodul für einen Brems-Chopper verwendet werden kann. Der Dreistufen-Leistungswandler nach der vierten Ausführungsform ist so aufgebaut, dass das Leistungsmodul 3c, das das höhere innenseitige Schaltelement 30c und das niedrigere innenseitige Schaltelement 32c umfasst, aus dem in 7(a) dargestellten Leistungsmodul 3 aufgebaut ist; ein höchstes außenseitiges Schaltelement 40a und eine neutrale Klemmdiode 42a auf der höheren Potentialseite sind aus dem in 7(b) dargestellten Leistungsmodul 4 aufgebaut; und ein niedrigstes außenseitiges Schaltelement 50b und eine neutrale Klemmdiode 52b auf der niedrigeren Potentialseite sind aus dem in 7(c) dargestellten Leistungsmodul 5 aufgebaut.
  • Gemäß dem Dreistufen-Leistungswandler in der vierten Ausführungsform ist, anstatt das antiparallel angeschlossene Schaltelement immer ausgeschaltet zu lassen, das Schaltelement weggelassen und nur eine Diode vorgesehen; deshalb ist es möglich, eine neutrale Klemmdiode zu verwenden, die eine größere Kapazität hat als diejenige in der dritten Ausführungsform, und der Aufbau ist vereinfacht. Dementsprechend wird eine Wirkung erzielt, dass die Zuverlässigkeit im Vergleich zur dritten Ausführungsform verbessert ist und die Kosten und Größe reduziert sind.
  • Darüber hinaus kann gemäß dem Dreistufen-Leistungswandler in der vierten Ausführungsform das Leistungsmodul verwendet werden, das auch für einen Zweistufen-Leistungswandler verwendet werden kann, und auch das Leistungsmodul kann verwendet werden, das auch für einen Brems-Chopper verwendet werden kann. Dementsprechend wird eine Wirkung erzielt, dass die notwendige Anzahl an Leistungsmodularten reduziert werden kann.
  • Darüber hinaus ist der Dreistufen-Leistungswandler nach der vierten Ausführungsform aus den zwei Elemente beinhaltenden Dreipol-Leistungsmodulen aufgebaut, wovon in jedem eine Elektrode höheren Potentials eines Elements und eine Elektrode niedrigeren Potentials des anderen Elements im zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmodul herausgeführt sind, um einen ersten bzw. zweiten Anschluss zu bilden, und eine Elektrode niedrigeren Potentials eines Elements und eine Elektrode höheren Potentials des anderen Elements verbunden sind, um einen gemeinsamen Anschluss zu bilden. Deshalb ist es nicht notwendig, die Abschnitte, die ein gemeinsamer Anschluss sein sollen, außerhalb des Leistungsmoduls zu verbinden. Dementsprechend wird eine Wirkung erzielt, dass eine Schaltung mit einer niedrigeren Induktivität als diejenige in der dritten Ausführungsform erhalten werden kann.
  • Fünfte Ausführungsform
  • Als Leistungsmodule mit großer Kapazität, die in Leitungswandlern für beispielsweise Schienenfahrzeuge verwendet werden, sind Leistungsmodule mit einer Nennleistung von 3300 V/1500 A, 4500 V/1200 A und 6500 V/750 A die, die erhältlich sind und die größten Kapazitäten haben. Derartige Leistungsmodule haben aufgrund von Randbedingungen wie etwa Bolzenbefestigung und Kontrolle der Flachheit der Kühlfläche eine Grundgröße von 140 mm × 190 mm; deshalb sind gegenwärtig die Leistungsmodule alle als ein Element beinhaltende Leistungsmodule aufgebaut. So sind die Leistungsvorrichtungen, die die größten Kapazitäten haben, aufgrund mechanischer Randbedingungen so aufgebaut, dass sie ein Element umfassen. Deshalb ist es wünschenswert Leistungsmodule mit einer intermediären Kapazität zu verwenden, um die Dreistufen-Leistungswandler nach der ersten bis vierten Ausführungsform problemlos herzustellen.
  • In der fünften Ausführungsform werden beispielsweise Halbleiter mit großer Bandlücke wie etwa SiC und GaN als Halbleitermaterial verwendet, um die Leistungsmodule nach der ersten bis vierten Ausführungsform herzustellen. Indem Halbleiter mit großer Bandlücke verwendet werden, können die entstehenden Verluste reduziert werden, und im Falle der Leistungsmodule, die denselben Nennstrom haben, kann das Leistungsmodul im Vergleich zu dem Fall, dass Halbleiter mit kleiner Bandlücke wie etwa Si verwendet werden, größenmäßig kleiner ausgelegt werden. Mit anderen Worten kann, wenn Halbleiter mit großer Bandlücke als Halbleitermaterial verwendet werden, um die Leistungsmodule nach der ersten bis vierten Ausführungsform auszubilden, beispielsweise selbst in dem Fall, dass ein Leistungswandler mit großer Kapazität für eine Schienenfahrzeug aufgebaut wird, dieser aus den zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmodulen aufgebaut werden. Deshalb wird die Kontrolle der Flachheit einer Kühlvorrichtung einfach, und somit wird eine Wirkung erzielt, dass die Bearbeitbarkeit verbessert ist.
  • Die in der vorstehenden ersten bis fünften Ausführungsform dargestellten Auslegungen sind Beispiele des Aufbaus der vorliegenden Erfindung, und es ist offensichtlich, dass die Auslegungen mit anderen öffentlich bekannten Technologien kombiniert und die Auslegungen verschiedentlich geändert werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Darüber hinaus ist in den vorstehenden Ausführungsformen der Inhalt der Erfindung als auf einen DC-DC-Wandler abzielend erläutert, von dem ausgegangen wird, dass er auf dem Gebiet elektrischer Eisenbahnen zum Einsatz kommt. Jedoch sind die Anwendungsgebiete nicht auf dieses beschränkt, und es ist offensichtlich, dass sich die vorliegende Erfindung auf industrielle Anwendungen auf verschiedenen Gebieten (wie etwa für elektrische Versorgungssysteme und Werkzeugmaschinen) anwenden lässt.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Wie vorstehend beschrieben, ist die vorliegende Erfindung als Leistungsmodul und Dreistufen-Leistungswandler nützlich, der ausreichend Kenneigenschaften wie ein zwei Elemente beinhaltendes Leistungsmodul zum Tragen bringen kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1a bis 1c, 2, 3, 3a bis 3c, 4, 5
    Leistungsmodul
    10, 20, 30, 40, 50
    erstes Elementpaar
    12, 32
    zweites Elementpaar
    22, 42, 52
    zweites Element
    10a, 20a, 30a, 40a
    höchstes außenseitiges Schaltelement
    12b, 20b, 32b, 50b
    niedrigstes außenseitiges Schaltelement
    10c, 30c
    höheres innenseitiges Schaltelement
    12c, 32c
    niedrigeres innenseitiges Schaltelement
    12a, 32a
    Schaltelement, das als neutrale Klemmdiode auf der höheren Potentialseite wirkt
    10b, 30b
    Schaltelement, das als neutrale Klemmdiode auf der niedrigeren Potentialseite wirkt
    22a, 22b, 42a, 52b
    neutrale Klemmdiode
    60
    AC-Anschlussabschnitt
    62
    PN-Anschlussleiter

Claims (16)

  1. Dreistufen-Leistungswandler, wobei ein erstes Paar, das ein außenseitiges Schaltelement auf einer höchsten Potentialseite und eine neutrale Klemmdiode auf einer höheren Potentialseite umfasst, ein zweites Paar, das ein Schaltelement auf einer niedrigsten Potentialseite und eine neutrale Klemmdiode auf einer niedrigeren Potentialseite umfasst, und ein drittes Paar, das ein innenseitiges Schaltelement auf einer höheren Seite und ein innenseitiges Schaltelement auf einer niedrigeren Seite umfasst, jeweils aus einem zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmodul aufgebaut sind, wobei ein Leistungsumwandlungsschaltungsabschnitt aus dem ersten Paar, dem zweiten Paar und dem dritten Paar aufgebaut ist.
  2. Dreistufen-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei das zwei Elemente beinhaltende Leistungsmodul ein zwei Elemente beinhaltendes Vierpol-Leistungsmodul ist, aus dem jeweils eine Elektrode höheren Potentials und eine Elektrode niedrigeren Potentials eines Elements und eine Elektrode höheren Potentials und eine Elektrode niedrigeren Potentials eines anderen Elements herausgeführt sind, und das erste bis dritte Paar jeweils aus dem zwei Elemente beinhaltenden Vierpol-Leitungsmodul ausgebaut sind.
  3. Dreistufen Leistungswandler nach Anspruch 2, wobei das zwei Elemente beinhaltende Vierpol Leistungsmodul so aufgebaut ist, dass es zwei Elementpaare umfasst, wovon in jedem eine Diode und ein Schaltelement antiparallel miteinander verbunden sind, und die zwei Elementpaare als das eine Element und das andere Element verwendet werden.
  4. Dreistufen Leistungswandler nach Anspruch 2, wobei das zwei Elemente beinhaltende Vierpol Leistungsmodul so aufgebaut ist, dass es ein erstes Elementpaar, in dem eine Diode und ein Schaltelement antiparallel miteinander verbunden sind, und ein zweites Element umfasst, das nur mit einer Diode versehen ist, und das erste Elementpaar als das eine Element und das zweite Element als das andere Element verwendet wird.
  5. Dreistufen-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei das zwei Elemente beinhaltende Leistungsmodul ein zwei Elemente beinhaltendes Dreipol-Leistungsmodul ist, aus dem jeweils eine Elektrode höheren Potentials eines Elements, eine Elektrode niedrigeren Potentials eines anderen Elements, und ein Verbindungsende einer Elektrode niedrigeren Potentials des einen Elements und die Elektrode Potentials des anderen Elements herausgeführt sind, und das erste bis dritte Paar jeweils aus dem zwei Elemente beinhaltenden Dreipol-Leistungsmodul aufgebaut sind.
  6. Dreistufen Leistungswandler nach Anspruch 5, wobei das zwei Elemente beinhaltende Dreipol-Leistungsmodul so aufgebaut ist, dass es zwei Elementpaare umfasst, wovon in jedem eine Diode und ein Schaltelement antiparallel miteinander verbunden sind, und die zwei Elementpaare als das eine Element und das andere Element verwendet werden.
  7. Dreistufen Leistungswandler nach Anspruch 5, wobei das zwei Elemente beinhaltende Dreipol-Leistungsmodul so aufgebaut ist, dass es sein erstes Elementpaar, in dem eine Diode und ein Schaltelement antiparallel miteinander verbunden sind, und eine zweites Element umfasst, das nur mit einer Diode versehen ist, und das erste Elementpaar als das eine Element und das zweite Element als das andere Element verwendet wird.
  8. Dreistufen-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die einen und die anderen Elemente im zwei Elemente beinhaltenden Leistungsmodul aus einem Halbleiter mit großem Bandabstand gebildet sind.
  9. Dreistufen-Leistungswandler nach Anspruch 8, wobei der Halbleiter mit großer Bandlücke ein Siliciumcarbid-, Galliumnitridmaterial oder Diamant verwendender Halbleiter ist.
  10. Leistungsmodul, das so aufgebaut ist, dass es sich auf einen Leistungswandler anwenden lässt, wobei das Leistungsmodul so aufgebaut ist, dass es zwei Elementpaare umfasst, wovon in jedem eine Diode und ein Schaltelement antiparallel miteinander verbunden sind, und das als Vierpol Leistungsmodul aufgebaut ist, aus dem jeweils eine Elektrode höheren Potentials und eine Elektrode niedrigeren Potentials eines Elementpaars von den zwei Elementpaaren und eine Elektrode höheren Potentials und eine Elektrode niedrigeren Potentials des anderen Elementpaars von den zwei Elementpaaren herausgeführt sind.
  11. Leistungsmodul, das so aufgebaut ist, dass es sich auf einen Leistungswandler anwenden lässt, wobei das Leistungsmodul so aufgebaut ist, dass es ein erstes Elementpaar, in dem eine Diode und ein Schaltelement antiparallel miteinander verbunden sind, und ein zweites Element umfasst, das nur mit einer Diode versehen ist, und als ein Vierpol Leistungsmodul aufgebaut ist, aus dem eine Elektrode höheren Potentials und eine Elektrode niedrigeren Potentials des ersten Elementpaars und eine Kathodenelektrode und eine Anodenelektrode der Diode jeweils herausgeführt sind.
  12. Leistungsmodul, das so aufgebaut ist, dass es sich auf einen Leistungswandler anwenden lässt, wobei das Leistungsmodul so aufgebaut ist, dass es zwei Elementpaar umfasst, wovon in jedem eine Diode und ein Schaltelement antiparallel miteinander verbunden sind, und als Dreipol Leistungsmodul aufgebaut ist, aus dem eine Elektrode höheren Potentials eines Elementpaars von den zwei Elementpaaren, eine Elektrode niedrigeren Potientials des anderes Elementpaars von den zwei Elementpaaren, und ein Verbindungsende einer Elektrode niedrigeren Potentials des einen Elementpaars und die Elektrode obigen Potentials des anderen Elementpaars jeweils herausgeführt sind.
  13. Leistungsmodul, das so aufgebaut ist, dass es sich auf einen Leistungswandler anwenden lässt, wobei das Leistungsmodul so aufgebaut ist, dass es ein erstes Elementpaar, in dem eine Diode und ein Schaltelement antiparallel miteinander verbunden sind, und ein zweites Element umfasst, das nur mit einer Diode versehen ist, und als ein Dreipol-Leistungsmodul aufgebaut ist, aus dem eine Elektrode höheren Potentials des ersten Elementpaars, eine Anodenelektrode der Diode, und ein Verbindungsende einer Elektrode niedrigeren Potentials des ersten Elementpaars und eine Kathodenelektrode des zweiten Elements jeweils herausgeführt sind.
  14. Leistungsmodul, das so aufgebaut ist, dass es sich auf einen Leistungswandler anwenden lässt, wobei das Leistungsmodul so aufgebaut ist, dass es ein erstes Elementpaar, in dem eine Diode und ein Schaltelement antiparallel miteinander verbunden sind, und ein zweites Element umfasst, das nur mit einer Diode versehen ist, und als ein Dreipol-Leistungsmodul aufgebaut ist, aus dem eine Elektrode niedrigeren Potentials des ersten Elementpaars, eine Kathodenelektrode der Diode, und ein Verbindungsende einer Elektrode höheren Potentials des ersten Elementpaars und eine Anodenelektrode der Diode jeweils herausgeführt sind.
  15. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das eine Elementpaar oder das erste Elementpaar, und das andere Elementpaar, das zweite Elementpaar oder das zweite Element aus einem Halbleiter mit großem Bandabstand hergestellt sind.
  16. Leistungsmodul nach Anspruch 15, wobei der Halbleiter mit großem Bandabstand ein Siliciumcarbid-, Galliumnitridmaterial oder Diamant verwendender Halbleiter ist.
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