MX2012014572A

MX2012014572A - Modulo semiconductor de potencia, aparato de conversion de energia electrica, y vehiculo ferroviario.

Info

Publication number: MX2012014572A
Application number: MX2012014572A
Authority: MX
Inventors: Tanaka Takeshi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-07-01
Filing date: 2010-07-01
Publication date: 2013-02-21
Also published as: JP4902029B1; BR112012032391A2; EP2590212A4; KR20130036019A; AU2010356426A1; US8791662B2; JPWO2012001805A1; AU2010356426B2; EP2590212A1; WO2012001805A1; EP2590212B1; CN103125022B; CN103125022A; KR101410553B1; US20130063067A1

Abstract

Se proporcionan un par de elementos (62) que incluye un Si-MOSFET y un Si-FWD conectados en paralelo de forma inversa y operan como un brazo lateral positivo de un aparato de conversión de energía eléctrica y un par de elementos (64) que operan como un brazo lateral negativo del aparato de conversión de energía eléctrico, donde el primero y segundo pares de elementos (62 y 64) se acomodan en un módulo semiconductor de potencia (60A) para componer un módulo 2 en 1, y se incluyen terminales (S1 y D2) que permiten la conexión en serie de los pares de elementos (62 y 64).

Description

MÓDULO SEMICONDUCTOR DE POTENCIA, APARATO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, Y VEHÍCULO FERROVIARIO Campo de la invención La presente invención se refiere a un aparato de conversión de energía eléctrica que se puede aplicar a una máquina de dispositivo de potencia, y de manera más particular a un módulo semiconductor de potencia que se puede montar en este tipo de aparato de conversión de energía eléctrica.

Antecedentes de la invención En años recientes, el uso de un módulo semiconductor de potencia cubre varios tipos y una amplia variedad de dispositivos o aparatos de potencia tal como desde un aparato electrónico casero hasta un vehículo ferroviario, un vehículo eléctrico, un robot industrial, y un acondicionador de potencia. Con el incremento de la utilidad del módulo semiconductor de potencia, se espera su mejora en el desempeño, y se desea que se incrementen las características de alta frecuencia, reducción de tamaño, y alta potencia.

Por otra parte, con el logro de un alto voltaje no disruptivo de un IGBT (Transistor Bipolar de Puerta Aislada) como un elemento conmutador, está comercialmente disponible un IGBT de alto voltaje no disruptivo que tiene un voltaje tasado equivalente a aquel de un tiristor. El I-GBT es capaz de operar a una alta velocidad y de obtener alto voltaje no disruptivo y una gran capacidad de corriente de una manera relativamente simple, que tiene además la ventaja que es alta la resistencia de entrada y se puede realizar de una manera simple el control de voltaje. Por lo tanto, en una aplicación con una entrada de alto voltaje, tal como un vehículo ferroviario, un vehículo eléctrico y un acondicionador de potencia, hay un número considerable de casos donde se usa el IGBT como un elemento conmutador en un módulo semiconductor de potencia. En la práctica, hay una abundancia de formaciones de módulos semiconductores de potencia que tienen la capacidad de alto voltaje no disruptivo en los cuales se incorpora el IGBT. Como el módulo semiconductor de potencia con capacidad de alto voltaje no disruptivo en el cual se incorpora el IGBT, se ha conocido por ejemplo una configuración descrita en la siguiente literatura 1 de patente.

Lista de citas Literatura de patente Literatura 1 de patente: solicitud de patente japonesa revelada No. 2009-147062 Breve descripción de la invención Problema técnico Sin embargo, una de las cuestiones importantes al accionar múltiples elementos conmutadores conectados en serie para igualar los voltajes de los elementos, respectivamente aplicados a los elementos conmutadores. Particularmente, cuando se apaga un elemento conmutador, se señala que una sobretensión generada por la inductancia (L) del circuito principal y una relación de cambio de una corriente de colector (di/dt) puede provocar que el voltaje con respecto al voltaje tasado se aplique a un elemento conmutador especifico, lo que puede provocar la avería del elemento. Aunque se ha mencionado que existe la abundancia de formaciones de módulos semiconductores de potencia de la capacidad de alto voltaje no disruptivo en los cuales se incorpora el IGBT, esto significa una dificultad al accionar los IGBT conectados en serie. Es decir, en las técnicas convencionales, puesto que es difícil accionar los IGBT conectados en serie, es necesario tener la abundancia de formaciones .

Por esta razón, en un módulo semiconductor de potencia con capacidad de alto voltaje no disruptivo en el cual se incorpora el IGBT en una aplicación convencional de ferrocarril, por ejemplo, se tienen que hacer desarrollos respectivamente, para un módulo semiconductor de potencia que tiene un voltaje no disruptivo de 1.7 kilovoltios para un cable elevado de 750 voltios, un módulo semiconductor de potencia que tiene un voltaje no disruptivo de 3.3 kilovoltios para un cable elevado de 1500 voltios, y un módulo semiconductor de potencia que tiene un voltaje no disruptivo de 6.5 kilovoltios para un cable elevado de 3000 voltios. Además, dependiendo de la especificación del vehículo ferroviario, un módulo semiconductor de potencia que tiene un voltaje no disruptivo de 2.5 kilovoltios o kilovoltios 4.5, que también es una de las razones para tener la abundancia de formaciones.

Adicionalmente, el módulo semiconductor de potencia con capacidad de alto voltaje no disruptivo también es necesario aun en una aplicación tal como un vehículo eléctrico o un acondicionador de potencia. Por lo tanto, en el módulo semiconductor de potencia con capacidad de alto voltaje no disruptivo en el cual se incorpora el IGBT, son necesarias una amplia variedad de clases y cada clase se produce en pequeñas cantidades, de este modo existe el problema que es difícil reducir el costo, debido a la causa de no tener un efecto de producción en masa.

La presente invención se ha hecho en vista de los problemas anteriores, y el objeto de la presente invención es proporcionar un módulo semiconductor de potencia con capacidad de alto voltaje no disruptivo que tiene versatilidad general y es capaz de lograr un efecto de producción en masa.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un aparato de conversión de energía eléctrica que incluye el módulo semiconductor de potencia descrito anteriormente y un vehículo ferroviario que incluye el aparato de conversión de energía eléctrica.

Solución al Problema Para solucionar los problemas anteriores y lograr un objeto, se proporciona un módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la presente invención, configurado para que se aplique a un aparato de conversión de energía eléctrica que convierte un voltaje de entrada de corriente directa o voltaje de corriente alterna en un voltaje predeterminado v de corriente alterna y produce el voltaje convertido de corriente alterna, el módulo semiconductores de potencia que incluye: un primer par de elementos que incluye un elemento de diodo y un elemento conmutador de MOS conectado en paralelo de forma inversa y se configura para operar como un brazo lateral positivo del aparato de conversión de energía eléctrica; y un segundo par de elementos que incluye un elemento de diodo y un elemento conmutador de MOS conectado en paralelo de forma inversa y se configura para operar como un brazo lateral negativo del aparato de conversión de energía eléctrica, en donde el primero y segundo pares de elementos se acomodan en un módulo para componer un módulo 2 en 1, y el módulo semiconductor de potencia comprende además terminales externas de electrodo que permiten la conexión en serie de primero y segundo pares.

Efectos ventajosos de la invención De acuerdo a la presente invención, es posible proporcionar un módulo semiconductor de potencia con capacidad de alto voltaje no disruptivo que tiene versatilidad general y es capaz de lograr un efecto de producción en masa.

Breve Descripción de las Figuras La Figura 1 representa una configuración funcional esquemática de un aparato de conversión de energía eléctrica de acuerdo a una primera modalidad de la presente invención.

La Figura 2 es una vista en perspectiva de una forma esquemática de un módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la primera modalidad.

La Figura 3 es un diagrama esquemático de una configuración de circuito del módulo semiconductor de potencia mostrado en la Figura 2.

La Figura 4 es una vista en perspectiva de una forma esquemática de un módulo semiconductor de potencia, cuyo tipo es diferente de aquel mostrado en la Figura 2, de acuerdo a la primera modalidad.

La Figura 5 es un ejemplo de una configuración de un circuito inversor compuesto del módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la primera modalidad.

La Figura 6 es otro ejemplo de la configuración del circuito inversor compuesto del módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la primera modalidad, que es diferente de aquella mostrada en la Figura 5.

La Figura 7 es otro ejemplo de la configuración del circuito inversor compuesto del módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la primera modalidad, que es diferente de aquellos mostrados en las Figuras 5 y 6.

La Figura 8 es un diagrama esquemático de una configuración de circuito de un módulo semiconductor de potencia de acuerdo a una segunda modalidad de la presente invención .

La Figura 9 es un ejemplo de una configuración de un circuito inversor compuesto de un módulo semiconductor de potencia (un módulo 4 en 1) de acuerdo a la segunda modalidad.

La Figura 10 es otro ejemplo de la configuración del circuito inversor compuesto del módulo semiconductor de potencia (el módulo 4 en 1) de acuerdo a la segunda modalidad, que es diferente de aquel mostrado en la Figura 9.

La Figura 11 es un ejemplo de una configuración de un circuito inversor de tres niveles compuesto del módulo semiconductor de potencia (el módulo 4 en 1) de acuerdo a la segunda modalidad.

La Figura 12 es otro ejemplo de la configuración del circuito inversor de tres niveles compuesto por el módulo semiconductor de potencia (el módulo 4 en 1) de acuerdo a la segunda modalidad, que es diferente de aquel mostrado en la Figura 11.

La Figura 13 es un diagrama de circuito de un ejemplo de una configuración de un circuito accionador que incluye el módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la y segunda modalidad.

La Figura 14 es un ejemplo de una configuración cuando el circuito accionador mostrado en la Figura 13 se configura como un módulo accionador.

La Figura 15 es un diagrama dé circuito equivalente de un módulo accionador en el cual se reemplaza cada par de elementos con un conmutador y capacitores, que representa una operación de encendido de los pares de elementos .

La Figura 16 es un diagrama explicativo de una operación de descarga de un par de elementos en el momento de una operación de apagado.

La Figura 17 es un diagrama explicativo de una operación de descarga del otro par de elementos en el momento de la operación de apagado.

Las Figuras 18a y 18b muestran un ejemplo de conexión cuando se usan dos elementos conmutadores (pares de elementos) montados sobre el módulo accionador mostrado en la Figura 14 al conectarlos en serie.

Las Figuras 19a y 19b muestran un ejemplo de conexión cuando se usan dos elementos semiconductores de MOS (pares de elementos) sin conectarlos individualmente en serie .

Descripción detallada de la invención Primera modalidad Se explica primero un aparato de conversión de energía eléctrica de acuerdo a una primera modalidad de la presente invención. La Figura 1 representa una configuración funcional esquemática del aparato de conversión de energía eléctrica de acuerdo a la primera modalidad de la presente invención, que es un ejemplo de una configuración de un aparato de conversión de energía eléctrica 50 incorporado en un vehículo ferroviario 100. Como se muestra en la Figura 1, el aparato de conversión de energía eléctrica 50 se configura para incluir un convertidor 10, un capacitor 20, y un inversor 30. En el vehículo ferroviario 100 se incluye adicionalmente un transformador 6 que está localizado en un lado terminal de entrada del aparato de conversión de energía eléctrica 50 y conectado al convertidor 10 y un motor 40 que acciona el vehículo usando una potencia suministrada del aparato de conversión de energía eléctrica 50. Como el motor 40, se prefiere un motor inductor o un motor sincrónico.

Un extremo de un devanado primario del transformador 6 se conecta a un alambre elevado 1 mediante un dispositivo de recolección de potencia 2, y otro extremo se conecta a un riel 4 que tiene un potencial de tierra mediante una rueda 3. La potencia suministrada desde el alambre elevado 1 se introduce al devanado primario del transformador 6 mediante el dispositivo de colección de potencia 2, y la potencia generada de un devanado secundario del transformador 6 se introduce al convertidor 10.

El convertidor 10 incluye una unidad de circuito en la cual se conectan un brazo lateral positivo compuesto de un elemento conmutador UPC o VPC (por ejemplo, UPC para una fase U) y un brazo lateral negativo compuesto de un elemento conmutador UNC o VNC (por ejemplo, UNC para una fase U) en serie (más adelante en la presente, la unidad de circuito se refiere como "patas") . Es decir, en el convertidor 10, se forma un circuito de puente de fase individual que incluye dos patas (un componente de fase U y un componente de fase V) .

El convertidor 10 convierte el voltaje de corriente alterna en un voltaje predeterminado de corriente directa al controlar por PWM los elementos conmutadores UPC, VPC, UNC, y VNC y produce el voltaje convertido de corriente directa.

A una terminal de salida del convertidor 10, se conecta el capacitor 20 que sirve como una suministro de energía de corriente directa en paralelo, y el inversor 30 que recibe un voltaje de corriente directa del capacitor 20 como una entrada, convierte el voltaje de entrada de corriente directa en un voltaje de corriente alterna que tiene voltaje arbitrario y una frecuencia arbitraria, y produce el voltaje convertido de corriente alterna.

El inversor 30 incluye patas en cada una de las cuales se conectan en serie un brazo lateral positivo compuesto de un elemento conmutador UPI, VPI o WPI (por ejemplo, UPI para una fase U) y un brazo lateral negativo compuesto de un elemento conmutador UNI, VNI, o WNI (por ejemplo, UNI para una fase U) . Es decir, en el inversor 30, se forma un circuito de puente de tres fases que incluye tres patas (un componente de fase U, un componente de fase V, y un componente de fase W) .

El inversor 30 convierte el voltaje de entrada de corriente directa en un voltaje predeterminado de corriente alterna al controlar por PWM los elementos conmutadores UPI. VPI, WPI, UNI, VNI, y WNI y produce el voltaje convertido de corriente alterna.

Aunque en la Figura 1 se muestra un ejemplo de un caso donde se aplica el aparato de conversión de energía eléctrica a un vehículo eléctrico que tiene una entrada de corriente alterna, como un ejemplo preferido del aparato de conversión de energía eléctrica de acuerdo a la primera modalidad, éste se puede aplicar a un vehículo eléctrico que tiene una entrada de corriente directa de la misma manera, que se usa frecuentemente en un ferrocarril subterráneo o un vehículo eléctrico suburbano. Debido a que se conoce públicamente la configuración del vehículo eléctrico que tiene la entrada de corriente directa, se omitirán las descripciones del mismo.

Se explica a continuación un módulo semiconductor de potencia usado en el aparato de conversión de energía eléctrica de acuerdo a la primera modalidad. La Figura 2 es una vista en perspectiva de una forma esquemática del módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la primera modalidad, y la Figura 3 es un diagrama esquemático de una configuración de circuito del módulo semiconductor de potencia mostrado en la Figura 2.

Como se muestra en las Figuras 2 y 3, un módulo semiconductor de potencia 60A de acuerdo a la primera forma de modalidad incluye dos pares de elementos que incluyen un primer par de elementos 62 y un segundo par de elementos 64 acomodados en un paquete. En cada uno del primer par de elementos 62 y el segundo par de elementos 64, por ejemplo, se conectan en paralelo de forma inversa un MOSFET basado en silicio (Si) (Si-MOSFET) y, por ejemplo, un FWD basado en Si (Si-FWD (Diodo Volante) ) . De esta manera, el módulo semiconductor de potencia 60A de acuerdo a la primera modalidad es un llamado "módulo 2 en 1" en el cual se conectan a un módulo los dos pares de elementos.

En el primer par de elementos 62, un dren del Si- MOSFET y un cátodo del Si-FWD se conectan entre si en el módulo, del módulo de conexión se extrae un conducto y se conecta un módulo de dren DI localizado en la superficie superior del módulo semiconductor de potencia 60A, una fuente del Si- OSFET y un ánodo del Si-FWD se conectan entre si en el módulo, y del nodo de conexión se extrae un conductor y se conecta a un electrodo fuente SI localizado en la superficie superior del módulo semiconductor de potencia 60A. De la misma manera, en el segundo par de elementos 64, un dren del Si-MOSFET y un cátodo del Si-FWD se conectan entre si en el módulo, del nodo de conexión se extrae un conductor y se conecta un electrodo de dren D2 localizado en la superficie superior del módulo semiconductor de potencia 60A, una fuente del Si-MOSFET y un ánodo del Si-FWD se conectan entre si en el módulo, y del nodo de conexión se extrae un conductor y se conecta un electrodo fuente S2 localizado en la superficie superior del módulo semiconductor de potencia 60A.

Como se entiende claramente de la configuración mostrada en la Figura 2 y de la configuración de circuito mostrada en la Figura 3, es posible componer un circuito en el cual el primer par de elementos 62 y el segundo par de elementos 64 se conectan en serie al conectar eléctricamente el electrodo fuente SI y el electrodo de dren D2 o el electrodo de dren DI y el electrodo fuente S2 del módulo semiconductor de potencia 60A con una barra conductora o similar. Por lo tanto, el módulo semiconductor de potencia 60A mostrado en la Figura 2 es un módulo semiconductor de potencia adecuado para un modo de uso en el cual se incrementa un voltaje no disruptivo de un elemento (un módulo) (posteriormente en la presente, "aplicación en serie") .

La Figura 4 es una vista en perspectiva de una forma esquemática de un módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la primera modalidad, que es de un tipo diferente de aquel mostrado en la Figura 2. Una configuración de circuito de un módulo semiconductor de potencia 60B mostrado en la Figura 4 es la misma como aquella mostrada en la Figura 3. En el módulo semiconductor de potencia 60B mostrado en la Figura 4, un arreglo de electrodos localizado en la superficie superior del módulo es diferente de aquel mostrado en la Figura 2, y específicamente, el arreglo del electrodo de dren D2 y el electrodo fuente S2 se invierte de aquel mostrado en la Figura 2. En la Figura 4, es posible componer un circuito en el cual el primer par de elementos 62 y el segundo par de elementos 64 se conectan en paralelo al conectar eléctricamente el electrodo de dren DI y el electrodo de dren D2 y el electrodo fuente SI y el electrodo fuente S2 del módulo semiconductor de potencia 60A, respectivamente, con barras conductoras o similar. Por lo tanto, el módulo semiconductor de potencia 60B mostrado en la Figura 4 es un módulo semiconductor de potencia adecuado para un modo de uso en el cual se incrementa una capacidad de corriente (más adelante en la presente, "aplicación en paralelo").

La Figura 5 es un ejemplo de una configuración de un circuito inversor compuesto del módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la primera modalidad. Específicamente, la Figura 5 es un ejemplo de la configuración del circuito inversor adecuado para un alambre elevado de corriente de directa de 1500 voltios. En el ejemplo mostrado en la Figura 5, los brazos laterales positivos (UPI, VPI, y WPI) y los brazos laterales negativos (UNI, VNI, y WNI) mostrado en la Figura 1 se componen de seis módulos semiconductores de potencia del mismo tipo como el módulo semiconductor de potencia 60A mostrado en la Figura 2. En cada uno de los módulos 2 en 1 60A1 a 60A6 que componen cada brazo del circuito inversor, un voltaje no disruptivo de un par de elementos es 1.7 kilovoltios, por ejemplo, de modo que un voltaje no disruptivo de cada uno de los módulos 2 en 1 60A1 a 60A6 conectados en serie es 1.7 kVX2=3.4 kV. Por lo tanto, al usar estos módulos 2 en 1 que tienen el voltaje no disruptivo de 3.4 kilovoltios como los respectivos elementos conmutadores de los brazos, es posible componer un circuito inversor que se pueda aplicar a un vehículo ferroviario para el alambre elevado de corriente de 1500 voltios.

La Figura 6 es otro ejemplo de la configuración del circuito inversor compuesto del módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la primera modalidad. De manera específica, la Figura 6 es un ejemplo de la configuración del circuito inversor adecuado para un alambre elevado de corriente directa de 750 voltios. En el ejemplo mostrado en la Figura 6, las patas mostradas en la Figura 1 (una fase U (UPI y UNI), una fase V (VPI y VNI), y una fase W ( PI y NI) ) se componen de tres módulos semiconductores de potencia del mismo tipo como el módulo semiconductor de potencia 60A mostrado en la Figura 2. En cada uno de los módulos 2 en 1 60A7 a 60A9 que componen cada pata del circuito inversor, un voltaje no disruptivo de un par de elementos es 1.7 kilovoltios, por ejemplo, de modo que al usar un par de elementos en los módulos 2 en 1 60A7 a 60A9 como un elemento conmutador de cada brazo, es posible componer un circuito inversor que se puede aplicar a un vehículo ferroviario para el alambre elevado de corriente directa de 750 voltios.

La Figura 7 es otro ejemplo de la configuración del circuito inversor compuesto del módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la primera modalidad, que es diferente de aquellas mostradas en las Figuras 5 y 6. Aunque el ejemplo mostrado en la Figura 7 es un ejemplo de configuración del circuito inversor adecuado para el alambre elevado de corriente directa de 750 voltios de la misma manera como aquella mostrada en la Figura 6, se duplica la capacidad de corriente del módulo semiconductor de potencia que compone cada brazo. Es decir, el circuito inversor mostrado en la Figura. 7 y el circuito inversor mostrado en la Figura 5 tienen sustancialmente la misma capacidad tasada .

En el ejemplo mostrado en la Figura 7, los brazos laterales positivos (UPI, VPI, y WPI) y los brazos laterales negativos (UNI, VNI, y WNI) se componen de seis módulos semiconductores de potencia del mismo tipo como el módulo semiconductor de potencia 60B mostrado en la Figura . Cada uno de los módulos 2 en 1 60B1 a 60B6 que componen cada brazo del circuito del inversor, la capacidad de corriente duplicada se obtiene al conectar dos pares de elementos en cada módulo 2 en 1 en paralelo. Debido a que el voltaje no disruptivo de cada uno de los pares de elementos conectados en paralelo es 1.7 kilovoltios , es posible componer un circuito inversor que se pueda aplicar a un vehículo ferroviario para el alambre elevado de corriente directa de 750 voltios al usar los módulos 2 en 1 que tienen el voltaje no disruptivo de 1.7 kilovoltios conectados en paralelo como elementos conmutadores respectivos de los brazos.

Aunque los ejemplos de aplicación al alambre elevado de corriente directa se muestran en los ejemplos de las Figuras 5 a 7, sin embargo se debe hacer mención que se puede hacer una aplicación similar para un alambre elevado de corriente alterna.

Se explican a continuación las ventajas y efectos de fabricar los módulos 2 en 1 mostrados en las Figuras 2 y 4.

Como se describe anteriormente, el accionamiento de los IGBT conectados en serie provoca el problema de igualar los voltajes de los elementos, en tanto que el IGBT puede realizar una operación de alta velocidad y un IGBT que tiene un alto voltaje no disruptivo y una gran capacidad de corriente se puede obtener de una manera relativamente fácil. Por esta razón, en el módulo semiconductor de potencia en el cual se incorpora el IGBT, frecuentemente se desarrollan varios tipos de módulos que tienen diferentes voltajes no disruptivos, y en el módulo semiconductor de potencia con capacidad de alto voltaje no disruptivo en el cual se incorpora el IGBT, son necesarias una amplia variedad de clases y cada clase se elabora en pequeñas cantidades, facilitando de este modo la obtención de un efecto de producción en masa, haciendo difícil reducir el costo .

En la práctica, en una aplicación del vehículo ferroviario, por ejemplo, es necesario un módulo semiconductor de potencia que tenga aproximadamente 3.3 kilovoltios para un voltaje de alambre elevado de 1500 voltios, y es necesario un módulo semiconductor de potencia de aproximadamente 6.5 kilovoltios, por ejemplo, para un voltaje de alambre elevado de 3000 voltios en el exterior. Sin embargo, estos módulos semiconductores de potencia de una capacidad de alto voltaje no disruptivo no se pueden producir en masa en el momento.

Por otra parte, como se muestra en la Figura 1, puesto que la configuración del circuito inversor se puede obtener al conectar los pares de elementos en serie en el cual se conectan el OSFET y F D en paralelo de forma inversa, se espera que estos módulos semiconductores de potencia que se pueden aplicar a pares de elementos que tienen varios voltajes disruptivos produzca un efecto de producción en masa. Adicionalmente, en el aparato de conversión de energía eléctrica, como se muestra en la Figura 1, frecuentemente se incluye un circuito convertidor que tiene misma la configuración de patas como el circuito inversor, de modo que hay ventaja que se puede hacer una aplicación para el circuito convertidor. Adicionalmente, aunque en la Figura 1 se muestra un aparato de -conversión de energía eléctrica para un vehículo ferroviario, como un circuito inversor y un circuito convertidor que tiene la misma configuración también se usan en una máquina industrial, un vehículo eléctrico, un vehículo híbrido, un acondicionador de potencia, y similar, hay una ventaja que presente invención se puede aplicar a gran número de aplicaciones .

Por esta razón, si el módulo semiconductor de potencia (el módulo 2 en 1) que tiene versatilidad general, tal como aquellos mostrados en las Figuras 2 y 4 se configura como la unidad mínima, es posible obtener un módulo semiconductor de potencia que se pueda aplicar a varias aplicaciones y se puede esperar un alto desempeño en el costo con un efecto de producción en masa.

Aunque los ejemplos de las aplicaciones del módulo 2 en 1 se muestran en las Figuras 5 a 7, al combinar un modo de conexión de cada módulo (conexión en serie y conexión en paralelo) y un modo de conexión entre los módulos (conexión en serie y conexión en paralelo) , hay una ventaja que se puede hacer una aplicación para varios aparatos de conversión de energía eléctrica en respuesta a lá capacidad del voltaje no disruptivo y la capacidad de corriente. Adicionalmente, en tanto que se usa como cada elemento de brazo del circuito inversor o el circuito convertidor, aun cuando el módulo semiconductor de potencia se compone del módulo 2 en 1, no está sin usar cada par de elementos. Adicionalmente, al componer el módulo semiconductor de potencia del módulo 2 en 1, se puede hacer fácilmente la conexión (cableado) de los pares de elementos de modo que hay un efecto que se puede lograr la simplificación de diseño o fabricación. A este respecto, la constitución del módulo semiconductor de potencia del módulo 2 en 1 tiene un gran significado.

Como se describe anteriormente, con el módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la primera modalidad, puesto que se configura tal que se incluyen un primer par de elementos que incluye un Si-MOSFET y un Si-FWD conectados en paralelo de forma inversa y operan como un brazo lateral positivo de un aparato de conversión de energía eléctrica y un segundo par de elementos que incluye un Si-MOSFET y un Si-FWD conectados en paralelo de forma inversa y operan como un brazo lateral negativo del aparato de conversión de energía eléctrica, el primero y segundo pares de elementos se acomodan en un módulo para componer un módulo 2 en 1, y se incluye una terminal externa de electrodo que permite la conexión en serie del primero y segundo pares de elementos, es posible obtener un módulo semiconductor de potencia con capacidad de alto voltaje no disruptivo que tiene versatilidad general, en tanto que se puede esperar de éste un efecto de producción en masa.

Adicionalmente, con el módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la primera modalidad, puesto que se configura tal que se incluyen un primer par de elementos que incluye un Si-MOSFET y un Si-FWD conectados en paralelo de forma inversa y operan como cualquiera de un brazo lateral positivo y un brazo lateral negativo de un aparato de conversión de energía eléctrica y un segundo par de elementos que incluye un Si-MOSFET y un Si-FWD conectados en paralelo de forma inversa y desempeñan una operación de brazo de la misma polaridad como el primer par de elementos, el primero y segundo pares de elementos se acomodan en un módulo para componer un módulo 2 en 1, y se incluye una terminal externa de electrodo que permite la conexión en serie del primero y segundo pares de elementos y la conexión en serie con otro módulo semiconductor de potencia que incluye el primero y segundo pares de elementos, es posible obtener un módulo semiconductor de potencia con capacidad de alto voltaje no disruptivo que tiene versatilidad general, en tanto que se puede esperar de éste un efecto de producción en masa.

Adicionalmente, con el módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la primera modalidad, puesto que se configura tal que se incluye un primer par de elementos que incluyen un Si-MOSFET y un Si-FWD conectados en paralelo de forma inversa y operan como cualquiera de un brazo lateral positivo y un brazo lateral negativo de un aparato de conversión de energía eléctrica y un segundo par de elementos que incluyen un Si-MOSFET y un Si-FWD conectados en paralelo de forma inversa y realizan una operación de brazo de la misma polaridad como el primer par de elementos, el primero y segundo pares de elementos se acomodan en un módulo para componer un módulo 2 en 1, y se incluye una terminal externa de electrodo que permite la conexión en paralelo del primero y segundo pares de elementos y la conexión en serie con otro módulo semiconductor de potencia que incluye el primero y segundo pares de elementos, es posible obtener un módulo semiconductor de potencia con capacidad de alto voltaje no disruptivo que tiene versatilidad general, en tanto que se puede esperar de esto un efecto de producción en masa.

Segunda modalidad La Figura 8 es un diagrama esquemático de una configuración de circuito de un módulo semiconductor de potencia de acuerdo a una segunda modalidad de la presente invención. Como se muestra en la Figura 8, un módulo semiconductor de potencia 70 de acuerdo a la segunda modalidad incluye cuatro pares de elementos que incluyen un primer par de elementos 71, un segundo par de elementos 72, un tercer par de elementos 73, y un cuarto par de elementos 74 acomodados en un paquete. En cada uno del primer par de elementos 71, el segundo par de elementos 72, el tercer par de elementos 73, y el cuarto par de elementos 74, por ejemplo, se conectan un Si-MOSFET y un Si-FWD en paralelo de forma inversa. De esta manera, el módulo semiconductor de potencia 70 de acuerdo a la segunda modalidad es un denominado "módulo 4 en 1" en cual se acomodan cuatro pares de elementos en un módulo.

La Figura 9 es un ejemplo de una configuración de un circuito inversor compuesto del módulo semiconductor de potencia (módulo 4-en-l) de acuerdo a la segunda modalidad. Específicamente, la Figura 9 es un ejemplo de la configuración del circuito inversor adecuado para un alambre elevado de corriente directa de 1500 voltios. En el ejemplo mostrado en la Figura 9, las patas (una fase U (UPI y UNI), una fase V (VPI y VNI), y una fase W (WPI y WNI) ) se componen de tres módulos semiconductores de potencia del mismo tipo como el módulo semiconductor de potencia 70 mostrado en la Figura 8. En cada uno de los módulos 4 en 1 70A1 a 70A3 que componen cada pata del circuito inversor, el voltaje no disruptivo de un par de elementos es 1.7 kilovoltios, por ejemplo, de modo que al usar los dos pares de elementos de los módulos 4 en 1 70A1 a 70A3 como un elemento conmutador de cada brazo (es decir, al usar los dos pares de elementos que tienen un voltaje no disruptivo de 1.7 kVX 2=3.4 kV como un elemento conmutador de cada brazo (el brazo lateral positivo y el brazo lateral negativo) , es posible componer un circuito inversor que se puede aplicar a un vehículo ferroviario para el alambre elevado de corriente directa de 1500 voltios.

La Figura 10 es otro ejemplo de la configuración del circuito inversor compuesto del módulo semiconductor de potencia (módulo 4 en 1) de acuerdo a la segunda modalidad. Específicamente, la Figura 10 es un ejemplo de la configuración del circuito inversor adecuado para un alambre elevado de corriente directa de 3000 voltios. En el ejemplo mostrado en la Figura 10, los brazos laterales positivos (UPI, VPI, y WPI) y los brazos laterales negativos (UNI , VNI, y WNI) mostrados en la Figura 1 se componen de seis módulos semiconductores de potencia (módulos 4 en 1) 70A4 a 70A9 conectados en serie. En cada uno de los módulos 4 en 1 70A4 a 70A9 que componen cada brazo del circuito inversor, un voltaje no disruptivo de un par de elementos es 1.7 kilovoltios, por ejemplo, un voltaje no disruptivo de cada uno de los módulos 4 en 1 70A4 a 70A9 conectados en serie es de 1.7kVX4=6.8 kV. Por lo tanto, al usar estos módulos 4 en 1 que tienen el voltaje no disruptivo de 6.8 kilovoltios como un elemento conmutador de cada brazo, es posible componer un circuito inversor que se puede aplicar a un vehículo ferroviario para el alambre elevado de corriente directa de 3000 voltios.

La Figura 11 es un ejemplo de una configuración de un circuito inversor de tres niveles compuesto del módulo semiconductor de potencia (el módulo 4 en 1) de acuerdo a la segunda modalidad. De manera específica, la Figura 11 es un ejemplo de la configuración del circuito inversor de tres niveles adecuados para un alambre elevado de corriente directa de 750 voltios. En el ejemplo mostrado en la Figura 11, como un elemento conmutador que compone cada pata del circuito inversor de tres niveles (un elemento conmutador de cada uno del brazo lateral positivo y el brazo lateral negativo) , se configura al usar tres módulos 4 en 1 70A10 70A12. En la configuración mostrada en la Figura 11, entre los cuatro pares de elementos que componen el módulo 4 en 1 70A10, se usan dos pares laterales superiores de elementos como elementos conmutadores del brazo lateral positivo y se usan dos pares laterales inferiores de los elementos como elementos conmutadores del brazo lateral negativo. En el caso del circuito inversor de tres niveles, como los elementos conmutadores que componen cada brazo que operan independientemente, un voltaje no disruptivo de un elemento conmutador individual que compone cada brazo llega a ser un voltaje no disruptivo de cada brazo. Por lo tanto, si el voltaje no disruptivo de cada par de elementos es 1.7 kilovoltios, el circuito inversor de tres niveles configurado como aquel mostrado en la Figura 11 llega a ser un circuito inversor que se puede aplicar a un vehículo ferroviario para el alambre elevado de corriente directa de 750 voltios.

La Figura 12 es otro ejemplo de la configuración del circuito inversor de tres niveles compuesto del módulo semiconductor de potencia (el módulo 4 en 1) de acuerdo a la segunda modalidad. Específicamente, la Figura 12 es un ejemplo de la configuración del circuito inversor de tres niveles adecuado para un alambre elevado de corriente directa de 1500 voltios. En el ejemplo mostrado en la Figura 12, se configura al usar seis módulos 4 en 1 70A13 a 70A18 conectados en serie. En la configuración mostrada en la Figura 12, se usan cuatro pares de elementos que componen el módulo 4 en 1 70A13 como un elemento conmutador del brazo lateral positivo, se usan cuatro pares de elementos que componen el módulo 4 en 1 70A14 como un elemento conmutador del brazo lateral negativo, y estos módulos 4 en 1 70A13 y 70A14 se conectan en serie para que usen como una pata. En el módulo 4 en 1 70A13 usado como el brazo lateral positivo, puesto que dos pares laterales superiores de elementos y dos pares laterales inferiores de elementos desempeñan la misma operación de conmutación de una manera integrada, respectivamente, un voltaje no disruptivo de los dos pares de elementos conectados en serie llega a ser un voltaje no disruptivo de cada brazo. Por lo tanto, si el voltaje no disruptivo de cada par de elementos es 1.7 kilovoltios, el circuito inversor de tres niveles configurado como aquel mostrado en la Figura 12 llega a ser un circuito inversor que se puede aplicar a un vehículo ferroviario para el alambre elevado de corriente directa de 1500.

Aunque los ejemplos de las aplicaciones del módulo 4 en 1 se muestran en las Figuras 9 a 12, al combinar un modo de conexión de cada módulo (conexión en serie y conexión en paralelo) y un modo de conexión entre los módulos (conexión en serie y conexión en paralelo) , hay una ventaja de que se puede hacer una aplicación para varios aparatos de conversión de energía eléctrica en respuesta a una capacidad del voltaje no disruptivo y la capacidad de corriente. Adicionalmente, cuando se usa como cada elemento de brazo de un circuito inversor que incluye un circuito inversor de tres niveles o un circuito convertidor que incluye un circuito convertidor de tres niveles, aunque el módulo semiconductor de potencia se componga del módulo 4 en 1, cada par de elementos no está sin usar. Entre tanto, al componer el módulo semiconductor de potencia del módulo 4 en 1, se puede hacer fácilmente la conexión (cableado) del par de elementos, de modo que hay un efecto que se puede lograr la simplificación de diseño o de fabricación. A este respecto, la composición del módulo semiconductor de potencia del módulo 4 en 1 tiene un gran significado.

Como se describe anteriormente, con el módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la segunda modalidad, puesto que se configura tal que se incluyen primer par de elementos que incluyen un Si-MOSFET y un Si-FWD conectados en paralelo de forma inversa y operan como un brazo lateral positivo de un aparato de conversión de energía eléctrica, un segundo par de elementos que incluyen un Si-MOSFET y un Si-FWD conectados en paralelo de forma inversa y realizan una operación de brazo de la misma polaridad como el primer par de elementos, un tercer par de elementos que incluye un Si-MOSFET y un Si-FWD conectados en paralelo de forma inversa y operan como un brazo lateral negativo del aparato de conversión de energía eléctrica, y un cuarto par de elementos que incluye un Si-MOSFET y un Si-FWD conectados en paralelo de forma inversa y realizan una operación de brazo de la misma polaridad como el tercer par de elementos, el primero a cuarto pares de elementos se acomodan en un módulo para componer un módulo 4 en 1, y se incluyen terminales externas de electrodo que permiten la conexión en serie del primero y segundo pares de elementos y la conexión en serie del segundo y tercero pares de elementos, y la conexión en serie del tercero y cuarto pares de los elementos, es posible obtener un módulo semiconductor de potencia de un capacidad de alto voltaje no disruptivo que tiene versatilidad general, en tanto que se puede esperar de éste un efecto de producción en masa.

Adicionalmente, con el módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la segunda modalidad, puesto que se configura tal que se incluyen un primer par de elementos que incluye un Si- OSFET y un Si-FWD conectados en paralelo de forma inversa y operan como cualquiera de un brazo lateral positivo o un brazo lateral negativo de un aparato de conversión de energía eléctrica, y segundo a cuarto pares de elementos cada uno que incluye un Si-MOSFET y un Si-FWD conectados en paralelo de forma inversa y que desempeñan una operación de brazo de la misma polaridad como el primer par de elementos, el primero a cuarto pares de elementos se acomoda en un módulo para componer el módulo 4 en 1, y se incluyen terminales externas de electrodo que permiten la conexión en serie del primero y segundo pares de elementos y la conexión en serie del segundo y tercero pares de elementos, la conexión en serie de tercero y cuarto pares de elementos, y la conexión serie con otros módulos semiconductores de potencia que incluye el primero a cuarto pares de elementos, es posible obtener un módulo semiconductor de potencia con capacidad de alto voltaje no disruptivo que tiene versatilidad general, en tanto que se puede esperar del mismo un efecto de producción en masa.

Tercera modalidad La Figura 13 es un diagrama de circuito de un ejemplo de una configuración de un circuito accionador que incluye el módulo semiconductor de potencia de acuerdo a la primera y segunda modalidad, y la Figura 14 es un ejemplo de una configuración cuando el circuito accionador mostrado en la Figura 13 se configura como un módulo accionador. En el circuito accionador de acuerdo a una tercera modalidad de la presente invención, se conectan en paralelo pares de elementos Ql y Q2, en cada uno de los cuales, por ejemplo, se conectan en paralelo de forma inversa un Si-MOSFET y un Si-FWD, y se proporcionan varios elementos de circuito para accionar los pares de elementos Ql y Q2 conectados en serie. Aunque la Figura 13 se muestra en la configuración en la cual se conectan en serie los pares de elementos Ql y Q2, el número de pares de elementos conectados en serie no se limita a dos, sino que se pueden conectar en serie tres o más pares de elementos, que se configuran para incluir los mismos elementos de circuito en una dirección longitudinal.

La configuración de circuito de la Figura 13 se explica a continuación. En la Figura 13, se inserta un resistor RG1 entre una terminal fuente SI y un terminal de puerta Gl del par de elementos Ql, y un resistor RG2 se inserta entre una terminal fuente S2 y una terminal de puerta G2 del par de elementos Q2. Adicionalmente, se inserta un diodo de DX1 y un diodo Zener DI conectado en serie entre una terminal de dren de DI y la terminal de puerta Gl del par de elementos Ql, y se insertan un diodo de DX2 y un diodo Zener DZ2 conectados en serie entre un terminal de dren D2 y la terminal de puerta G2 del par de elementos Q2. Los diodos Zener de DZ1 y DZ2 son elementos de fijación de doble voltaje para fijar los voltajes de puerta-dren de los pares de elementos Ql y Q2 para que sean iguales a o menores que los voltajes no disruptivos de los pares de elementos Ql y Q2, respectivamente, y los diodos DX1 y DX2 son elementos conductores unidireccionales conectados hacia delante en una dirección desde el dren a la puerta, es decir, elementos de prevención de corriente inversa para impedir corrientes que fluyen desde la puerta al dren.

Los resistores RG1 y RG2 son resistores de desviación para aplicar voltajes de desviación cuando se encienden los pares de elementos Ql y Q2, respectivamente, los diodos DX3 y DX4 son elementos fijadores de voltaje para fijar un potencial de puerta y un potencial de dren de un par de elementos respectivamente conectados en serie (en el ejemplo mostrado en la Figura 13, el par de elementos Q2) a potencial de fuente de energía de corriente directa, el diodo DX3 se conecta entre las terminales G2 y G3, y el diodo DX4 se conecta entre las terminales Pl y G2. El diodo DX4 también funciona como un resistor de descarga insertado en una ruta de descarga cuando se descarga una carga eléctrica cargada entre la puerta y fuente y entre la puerta y dren cuando se apaga los elementos Q2.

Aunque en el circuito accionador mostrado en la Figura 13 se muestran una fuente de energía de puerta DV1, una fuente de energía de circuito principal DV2, una carga LD conectado a un lado terminal positivo de la fuente de energía de circuito principal DV2, y un diodo DX5 conectado en paralelo a la carga LD, estos elementos no son elementos de composición del módulo accionador. Como se muestra en la Figura 14, el módulo accionador s configura para incluir terminales externas de conexión Gl a G3, DI, D2, SI, S2, S1X, S2X, Pl y NI.

Se explica a continuación la operación el módulo accionados mostrados en la Figura 14 con referencia a las Figuras 15 a 17. La Figura 15 es un diagrama de circuito equivalente de un módulo accionador en el cual se remplaza cada par de elementos con un conmutador y capacitor, que representa una operación de encendido de los pares de elementos Ql y Q2. Las Figuras 16 y 17 son diagramas explicativos de una operación de apagado de los pares de elementos Ql y Q2, donde la Figura 16 representa una operación de descarga del par de elementos Ql, y la Figura 17 representa una operación de descarga del par de elementos Q2.

La operación de encendido se explica primero. En la Figura 15, cuando se aplica un voltaje de puerta (un impulso de puerta) a la terminal de puerta del par de elementos Ql, una corriente de carga il fluye a una capacitancia de puerta-fuente CG11. Subsiguientemente, cuando el voltaje de puerta VGl excede un voltaje de umbral de puerta, se enciende par de elementos Ql. En este proceso, se disminuye el voltaje de dren VD1, y cuando el voltaje de dren VD1 se disminuye por abajo del voltaje de puerta VGl, la corriente de carga il que fluye a la capacitancia de puerta-fuente CG11 cambia su dirección de flujo a una capacitancia de puerta-dren CG12. Adicionalmente, con la disminución del voltaje de dren VD1, una corriente de carga i2 fluye a una capacitancia de puerta-fuente CG21, y se disminuye un voltaje de puerta VG2. Posteriormente, cuando el voltaje de puerta VG2 excede el voltaje de umbral de puerta, se enciende el par de elementos Q2. Después de eso, la corriente de carga i2 que fluye a la capacitancia de puerta-fuente CG21 cambia su dirección de flujo a una capacitancia de puerta-dren CG22, y una se carga también una carga eléctrica en la capacitancia de puerta-fuente CG21.

El módulo accionador de acuerdo a la tercera modalidad realiza una operación de la manera anterior para encender secuencialmente los pares de elementos Ql y Q2. Lo mismo aplica para un caso donde se conectan tres o más pares de elementos, de una manera tal que cada par de elementos se enciende secuencialmente desde un par de elementos que se acciona primero (el par de elementos Ql) y finalmente se encienden todos los pares de elementos.

A continuación se explica una operación de apagado. En la Figura 16, cuando el voltaje de puerta aplicado al terminal de puerta del par de elementos Ql se apaga, empieza a fluir una corriente de descarga il' . Por esta corriente de descarga il' , las cargas eléctricas cargadas en la capacitancia de puerta-fuente CG11 y la capacitancia de puerta-dren CG12 se descargan mediante un circuito de puerta (no mostrado) conectado a la terminal de puerta y finalmente se extingue. En este proceso de descarga, se apagan el par de elementos Ql. Cuando el par de elementos Ql está en un modo encendido, el voltaje de dren VD1 el par de elementos Ql es el mismo como un nivel GND; sin embargo, cuando se apaga el par de elementos Ql, el voltaje de dren VD1 se incrementa a un voltaje de dren VD2 del par de elementos Q2 (« VG) (debido a que está en el estado encendido el par de elementos Q2) .

Cuando el voltaje de dren VD2 del par de elementos Q2 se incrementa VG, como el voltaje de puerta VG2 del par de elementos Q2 también se incrementa con el incremento de voltaje, una corriente de descarga i2' fluye a través del diodo de DX . Por esta corriente de descarga i2' , las cargas eléctricas cargadas en la capacitancia de puerta-fuente CGll y la capacitancia de puerta-dren CG12 se descargan y finalmente se extinguen. En estos procesos de descarga, se apaga el par de elementos Q2.

El módulo accionador de acuerdo a la tercera modalidad realiza una operación de la manera anterior para apagar secuencialmente los pares de elementos Ql y Q2. Lo mismo aplica para un caso donde se conectan tres o más pares de elementos, de una manera tal que cada par de elementos se apague de forma secuencial desde un par de elementos que primero se acciona (el par de elementos Ql) y finalmente se apagan todos los pares de elementos.

En la operación de descarga explicada anteriormente, conforme las cargas eléctricas cargadas en la capacitancia de puerta-fuente CGll y la capacitancia de puerta-dren CG12 del par de elementos Ql se descargan a través del circuito de puerta que tiene una pequeña resistencia interna, es pequeña una constante de tiempo de descarga y es más rápida la operación de descarga. Adicionalmente, puesto que las cargas eléctricas cargadas en la capacitancia de puerta-fuente CG21 y la capacitancia de puerta-dren CG22 del par de elementos Q2 se descarga a través del diodo DX4, que tiene una pequeña resistencia delantera, es pequeña una constante de tiempo de descarga y es rápida la operación de descarga. De manera particular, si no se proporciona el diodo DX4, puesto una ruta de descarga de la capacitancia de puerta-fuente CG21 y la capacitancia de puerta-dren CG22 llega a ser una ruta de descarga a través del resistor RG2 que es una resistor de desviación, es lenta la velocidad de descarga, y se incrementan las pérdidas en el par de elementos Q2 y el diodo Zener DZ2.

Por otro lado, en el módulo accionador de acuerdo a esta modalidad, puesto que el diodo DX4 se conecta entre la puerta y el drena del par de elementos Q2, y la ruta de descarga se formada a través de este diodo DX4, se puede obtener una más rápida velocidad de descarga (se acorta el tiempo de descarga) , y se pueden disminuir las pérdidas en el par de elementos y el diodo Zener DZ2. Adicionalmente, se puede obtener que es rápida la velocidad de descarga de las cargas eléctricas cargadas en la capacitancia de puerta-fuente CG21 y la capacitancia de puerta-dren CG22del par de elementos Q2 (el corto el tiempo de descarga) , también hay un efecto de acortar el tiempo de apagado del módulo completo conectado en serie.

Las Figuras 18a y 18b muestran un ejemplo de conexión cuando se usan dos elementos conmutadores (pares de elementos) montados en el módulo accionador mostrado en la Figura 14 al conectarlos en serie, y las Figuras 19a y 19b muestran un ejemplo de conexión cuando se usan dos elementos semiconductores de MOS (pares de elementos) individualmente sin conectarlos en serie.

Cuando se usan los dos elementos conmutadores (pares de elementos) montados en el módulo accionador mostrado en la Figura 14 al conectarlos en serie, como se muestra en la Figura 18a, primero se ponen en cortocircuito las terminales S2 y DI. Al poner en cortocircuito las terminales S2 y DI, este módulo accionador llega a ser un módulo en el cual se conectan en serie los dos elementos conmutadores (pares de elementos) . Subsiguientemente, se conecta un circuito de puerta GDI entre las terminales Gl y S1X, y un terminal lateral positiva de una fuente energía de corriente directa DV1 aplicada al circuito de puerta GDI se conecta a una terminal G3. Con esta conexión, un circuito equivalente del módulo accionador mostrado en la Figura 18a llega a ser aquel mostrado en la Figura 18b, y es posible usar una unidad individual del módulo accionador como un elemento conmutador.

Adicionalmente, cuando se usan los dos elementos semiconductores MOS (pares de elementos) montados en el módulo accionador mostrado en la Figura 14 sin conectarlos individualmente en serie, como se muestra en la Figura 19a, el circuito de puerta GDI se conecta primero entre las terminales Gl y S1X, y un circuito de puerta GD2 diferente del circuito de puerta GDI se conecta entre las terminales G2 y S2X. La fuente de energía de corriente directa DV1 se conecta adicionalmente a ambas terminales de los circuitos de puerta GDI y GD2. Con esta conexión, un circuito equivalente del módulo accionador mostrado en la Figura 19a llega a ser aquel mostrado en la Figura 19b, y es posible usar una unidad individual del módulo accionador como un elemento conmutador de un brazo lateral positivo que compone una pata.

Como se describe anteriormente, puesto que se configura tal que se conecta un resistor entre la puerta y la fuente del Si-MOSFET que compone los pares de elementos Ql y Q2, un circuito en serie del elemento fijador de sobrevoltaje (los diodos Zener DZ1 y DZ2) y el elemento conductor unilateral (los diodos DX1 y DX2) conectados hacia adelante en la dirección desde el dren a la puerta se conecta entre la puerta y el drena del Si-MOSFET, el elemento fijador de voltaje (el diodo DX3) se conecta a la puerta del par de elementos Q2, y el elemento fijador de voltaje (el diodo DX4) se conecta entre la puerta y el drena, es posible proporcionar un módulo semiconductor de potencia que use el elemento conmutador de MOS de una manera simple .

Aunque se ha descrito en la primera a tercera modalidad descrita anteriormente un ejemplo para usar el Si-MOSFET como el elemento conmutador que compone cada par de elementos en el módulo 2 en 1 y usando el Si-FWD como el FWD, la presente invención no se limita al Si-MOSFET y el Si-FWD. En lugar del Si, es posible componer la presente invención al usar un elemento basado en carburo de silicio (SiC) que está atrayendo la atención en años recientes.

En este caso, puesto que el SiC tiene una característica que se puede usar a una temperatura, si se usa un SIC-MOSFET como el elemento conmutador que compone cada par de elementos y un FWD que se puede usar a una alta temperatura, por ejemplo, un diodo de SiC-Schottky, es posible incrementar la temperatura tolerable de operación de un módulo que use un chip SiC-MOSFET y un chip SiC-DSV de 150°C o superior. Por lo tanto, se puede reducir adicionalmente el área de ocupación de chip en cada par de elementos, obteniendo de este modo un efecto que se puede reducir adicionalmente al tamaño del módulo.

En el caso de usar el SiC, puesto que se puede reducir el espesor del chip hay otra ventaja que se puede reducir la resistencia térmica. Adicionalmente, en el caso de usar el SiC como el FWD, puesto que se puede reducir el voltaje de encendido, hay otra ventaja que se puede reducir en su mayor parte la pérdida de recuperación. Por lo tanto, aun si reduce el tamaño del chip, existe el efecto que se puede reducir la pérdida en tanto que suprime el incremento de la temperatura.

Debido a que el módulo semiconductor de potencia basado en SiC tiene una historia relativamente corta de fabricación, se considera costoso un producto que tiene un alto voltaje no disruptivo. Sin embargo, si se emplea una técnica de accionamiento con respecto a los elementos semiconductores de MOS conectados en serie como se describe anteriormente, se puede usar una pluralidad de elementos semiconductores de MOS de una capacidad de bajo voltaje no disruptivo en lugar de un elemento semiconductor de MOS de una capacidad de alto voltaje no disruptivo, y por lo tanto no hay necesidad de desarrollar un elemento semiconductor de MOS de una capacidad de alto voltaje no disruptivo. Esto conduce a un gran desempeño en el costo, lo que permite un bajo costo del módulo semiconductor de potencia y un bajo costo del aparato de conversión de energía eléctrica.

El SiC es un ejemplo de un semiconductor referido como "semiconductor de separación amplia de banda", y diferente del SiC, por ejemplo, un material basado en nitruro de galio o un semiconductor basado en diamante también corresponde a un semiconductor amplia separación de banda. Por lo tanto, la con iguración de usar el semiconductor amplia separación de banda diferente del SiC también se incluye en el alcance de la presente invención.

Adicionalmente, las configuraciones descritas en primera a tercera modalidades son solo un ejemplo de la configuración de la presente invención, y no hay necesidad de mencionar que estas configuraciones se pueden combinar con otras técnicas bien conocidas, y se pueden modificar dentro el alcance de la presente invención, tal como omitir una parte de la misma.

Adicionalmente, en las modalidades anteriores, los contenidos de la invención se han explicado tal que la presente invención se dirige a un módulo semiconductor de potencia que se asume que se aplica al campo técnico de trenes eléctricos, sin embargo, el campo de aplicación de la presente invención no se limita a esto, y es necesario mencionar que la presente invención es aplicable a varios campos de aplicación industrial.

Aplicabilidad industrial Como se describe anteriormente, la presente invención es útil como un módulo semiconductor de potencia con capacidad de alto voltaje no disruptivo que tiene versatilidad general y es capaz de lograr un efecto de producción en masa.

Lista de signos de referencia 1. - alambre elevado 2. - dispositivo de recolección de energía 3. - rueda 4. - riel 6.- transformador 10.- convertidor 20.- capacitor 30.- inversor 40.- motor 50.- aparato de conversión de energía eléctrica 60A, 60B, 70 módulos semiconductores de potencia 60A1 a 60A9, €0B1 a 60B6 módulo 2 en 1 62, 64, 71 a 74, Ql Q2, par de elementos 70A1 a 70A18 módulo 4 en 1 100.- módulo ferroviario UNC, VNC, UNI, VNI, WNI, UPC, VPC, UPI, VPI, WPI elemento conmutador DVl fuente de energía de puerta DV2 fuente de energía de circuito principal DX1 A DX4 diodo DZ1, DZ2 diodo Zener RG1, RG2 resistor GDI, GD2 circuito de puerta

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un módulo semiconductor de potencia que comprende: un primer par de elementos que incluyen un elemento de diodo y un elemento conmutador de MSO conectados en paralelo de forma inversa; y un segundo par de elementos que incluyen un elemento de diodo y un elemento conmutador de MOS conectados en paralelo de forma inversa en donde el primero y segundo par de elementos se acomodan en un módulo para componer un módulo 2 en 1, y el módulo semiconductor de potencia comprende, además terminales externas de electrodo que permiten la conexión del primero y segundo pares de elementos; un resistor que se conecta entre una terminal de puerta y una terminal fuente de un elemento conmutador de MOS que comprende cada uno del par de elementos; un circuito en serie de un fijador de sobre voltaje que fija un voltaje de puerta-dren del elemento conmutador de MSO para que sea igual a o menor que un voltaje no disruptivo del elemento conmutador de MSO y un elemento conductor unidireccional conectado hacia adelante en una dirección desde una terminal de dren a una terminal de puerta que se conecta entre la terminal de puerta y la terminal de dren de los elementos conmutadores de MSO; un primer elemento fijador de voltaje que fija un potencial de puerta del elemento conmutador de MSO del segundo par de elementos a un potencial de una fuente energía de corriente directa del elemento conmutador de MSO que se conecta a una terminal de puerta del elemento conmutador de MSO del segundo par de elementos; un segundo elemento fijador de voltaje que fija un potencial de dren del elemento conmutador de MSO al potencial de la fuente de energía de corriente directa que se conecta en la terminal de puerta y una terminal de dren del elemento conmutador de MSO del segundo par de elementos.

2. El módulo semiconductor de potencia según la reivindicación 1, en donde al menos uno del elemento de diodo y el elemento conmutador de MSO es un semiconductor de separación amplia de banda.

3. El módulo semiconductor de potencia según la reivindicación 2, en donde el elemento de diodo es un diodo de Schottky.

4. El módulo semiconductor de potencia según la reivindicación 2 o 3, en donde el semiconductor de amplia separación de banda es uno de un semiconductor basado en carburo de silicio en un semiconductor basado en nitruro de galio, un semiconductor basado en diamante.