專利名稱：電氣車輛的逆變裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電氣車輛的逆變裝置，尤其涉及一種適用于例如電氣有軌機動車和電氣機車的電氣車輛的逆變裝置。
在實踐中，已經(jīng)把利用逆變裝置以可變的速度來驅(qū)動感應(yīng)電動機的驅(qū)動系統(tǒng)用作驅(qū)動電氣車輛的動力系統(tǒng)。
例如，當把這種逆變裝置應(yīng)用于把多臺電動機分布在多個輪軸之間的電氣有軌機動車上時，不得不把它們安裝在地板下有限的空間內(nèi)，所以這就要求它們盡可能地小。類似地，在電氣機車內(nèi)，要求減小每個逆變裝置的尺寸，以增加能被安裝在單個機車內(nèi)的逆變裝置的總?cè)萘俊?br>
如日本實用新型公開(JapaneseUtilityModelLaid-Open)第2-75738號或者“用于機車的GTO整流器”(西門子公司出版的單行本，取自ZEV-Glasers年刊113，1989年6月/7月，第259頁至272頁)所描述，GTO(柵極關(guān)斷)半導(dǎo)體晶閘管已經(jīng)在逆變器主電路中常被用作半導(dǎo)體開關(guān)器件來驅(qū)動電氣車輛。這是由于與例如BT(雙極晶體管)或IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等其它類型的半導(dǎo)體開關(guān)器件相比，GTO晶閘管提供電壓和電流的能力相當大。因此，GTO晶閘管能減小逆變器主電路部分的尺寸。
為減小輸出波形的高次諧波分量，已經(jīng)提出了一種通過開關(guān)動作把三電平直流電流轉(zhuǎn)換成交流輸出的所謂的三電平逆變器(也稱作“中間箝位逆變器”)。在這種三電平逆變器中，對應(yīng)于逆變器一個相的逆變器主電路包括一對與直流電源相連的直流輸入端子;一對與直流電源中間點相連的中間點端子;連接在一對串聯(lián)輸入端子之間的第一至第四半導(dǎo)體開關(guān)器件的串聯(lián)電路;分別連接在第一和第二半導(dǎo)體開關(guān)器件的節(jié)點和中間點端子之間以及在第三和第四半導(dǎo)體開關(guān)器件的節(jié)點和中間點端子之間的箝位二極管;以及與第二和第三半導(dǎo)體開關(guān)器件的節(jié)點相連的交流輸出端子。
GTO晶閘管包含有大的開關(guān)損耗。鑒于這一點，如上面提到的官方公報和上面提到的文件中描述的，為加強其冷卻效果，把GTO晶閘管做成盤形，其兩側(cè)構(gòu)成主電極，密封有起泡制冷劑的冷卻傳導(dǎo)塊緊貼在這些主電極上。為保證在GTO晶閘管各側(cè)上的冷卻塊之間以及制冷劑的冷凝部分和GTO晶閘管之間的絕緣性能，使用了絕緣制冷劑。通常把具有極好的冷卻性能和絕緣特性的Flon用作冷劑，以滿足上述要求。
但上面的已有技術(shù)存在下列問題因為其大的器件開關(guān)損耗，緩沖電容器容量較大以及有抑制電壓上升到截止電壓的緩沖電阻等原因，GTO晶閘管的開關(guān)頻率不能提高。實踐中通常使用的GTO的開關(guān)頻率約為500Hz。因此，如果用GTO晶閘管來制作逆變器，在減小輸出波形諧波失真方面受到限制，在電動機電流中產(chǎn)生較大的脈動，在電動機中導(dǎo)致有大的電磁噪聲。
鑒于這一點，可以采用由高頻脈沖門信號驅(qū)動的半導(dǎo)體開關(guān)器件(此后一般稱作半導(dǎo)體高頻開關(guān)器件)，例如能增加開關(guān)頻率的雙極晶體管，IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、MOS柵極控制晶閘管等。
然而，用作這種半導(dǎo)體高頻開關(guān)器件的器件一般耐壓電平較低(例如，普通使用的IGBT耐壓電平為1200V)，所以它們不能應(yīng)用于要在直流1500V的架空線電壓下運行的電氣車輛。而且，一般地說，在實際中使用的半導(dǎo)體高頻開關(guān)具有相當小的電流容量，所以當把它們應(yīng)用在大容量的逆變裝置上(例如用于驅(qū)動單臺容量為200KW或更大的電動機)時，不得不并聯(lián)多個這樣的半導(dǎo)體器件。
因此，在把如IGBT等半導(dǎo)器高頻開關(guān)器件應(yīng)用于電氣車輛的逆變裝置的情況下，逆變器主電路部分的尺寸變得相當大，所以需要對結(jié)構(gòu)作一些設(shè)計以減小整個裝置的體積。
而且，從控制flon污染的觀點出發(fā)，需要采用一種flon蒸發(fā)/冷卻交替的冷卻系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的在于提供一種用于電氣車輛的逆變裝置，它使用能以比GTO晶閘管更高的頻率來驅(qū)動的半導(dǎo)體開關(guān)器件，并且它能被做得較小。
為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種用于電氣車輛的逆變裝置，在該裝置中，構(gòu)成逆變器的每一相的主電路包含一對與直流電源相連的直流輸入端子;與直流電源中間點相連的中間點端子;連接在一對直流輸入端子之間的第一至第四半導(dǎo)體開關(guān)組件的串聯(lián)電路;分別連接在第一和第二半導(dǎo)體開關(guān)組件的節(jié)點和中間點端子以及在第三和第四半導(dǎo)體開關(guān)組件的節(jié)點和中間點端子之間的箝位二極管;以及連接到第二和第三半導(dǎo)體開關(guān)組件的節(jié)點上的交流輸出端子，其中，第一至第四半導(dǎo)體開關(guān)組件由半導(dǎo)體開關(guān)器件組成，每個能以比GTO晶閘管更高的頻率被驅(qū)動，并通過居間的絕緣構(gòu)件設(shè)置在熱傳導(dǎo)基板上，第一至第四半導(dǎo)體開關(guān)組件分為兩對，一對由第一和第四半導(dǎo)體開關(guān)組件之一與第二和第三半導(dǎo)體開關(guān)組件之一組合而成，另一對由第一和第四半導(dǎo)體開關(guān)組件中剩下的一個與第二和第三半導(dǎo)體開關(guān)組件中剩下的一個組合而成，并且以每對半導(dǎo)體開關(guān)組件固定在單獨的或共用的受熱板上的方式固定到受熱板上;半導(dǎo)體開關(guān)組件具有冷卻裝置，與受熱板相連，藉熱量傳遞來冷卻受熱板。
在此，半導(dǎo)體開關(guān)器件可以由下面類型之一組成雙極晶體管、絕緣柵雙極晶體管和MOS柵極控制晶閘管。
兩對半導(dǎo)體開關(guān)組件與受熱板之間的固定可以采用把不同的組件對固定到不同的受熱板上的方式，或者把所有的組件對都固定到同一個受熱板上的方式來實現(xiàn)。還可以對逆變器不同的相構(gòu)成不同的受熱板，或者構(gòu)成一個受熱板，由逆變器的各相共用。
最理想的是如此來把受熱板可拆卸地安裝在密封地容納逆變器部件的罩殼的垂直外壁開口上，使得半導(dǎo)體開關(guān)器件安裝在表面的內(nèi)側(cè)。在此，最理想的是固定到受熱板上的半導(dǎo)體開關(guān)組件應(yīng)當以它們串聯(lián)的順序排列。
為現(xiàn)實縮小體積，最好把散熱片安裝到整體地固定到每個受熱板上的熱量傳遞元件的一部分上來構(gòu)成冷卻裝置。熱量傳遞元件最好采用熱量傳遞管。熱管的一部分嵌入每個受熱板內(nèi)，而散熱片固定到熱管的外露部分構(gòu)成冷卻裝置。把散熱片直接固定到與固定半導(dǎo)體開關(guān)組件的表面相對的每個受熱板上也是可以的。在那種情況下散熱片和受熱板可以構(gòu)成一個整體。
鑒于上面描述的結(jié)構(gòu)，按照本發(fā)明可以依靠如下的作用來達到上述目的。
在本發(fā)明中，由于基本上使用了三電平逆變電路，因此有可能減少高次諧波。而且，由于使用了能在比GTO晶閘管更高的頻率下使用的半導(dǎo)體開關(guān)器件，因此有可能通過提高開關(guān)頻率來減小高次諧波和輸出電流的脈動，由此進一步減小了電磁噪聲。例如，如果把IGBT用作半導(dǎo)體高頻開關(guān)器件，最理想的是在500至3KHz范圍內(nèi)選擇開關(guān)效率。如果用雙極晶體管，則開關(guān)頻率可以是1KHz，或者更高。
構(gòu)成三電平逆變器主電路的第一至第四半導(dǎo)體開關(guān)器件的損耗(熱量值)的變化與相關(guān)的電氣車輛的電動機工作模式(動力行進，滑行和制動)有關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，第一第四半導(dǎo)體開關(guān)器件的損耗在動力行進期間有一個峰值，而第二和第三半導(dǎo)體開關(guān)器的損耗在制動期間有一個峰值。因此，通過把第一和第二半導(dǎo)體開關(guān)組件組合或第三和第四半導(dǎo)體開關(guān)組件的組合，即把每個損耗峰值不同的組合固定在同一個受熱板上，并把冷卻器固定在受熱板上，就有可能在時間上來均衡冷卻器的熱負荷。因此，可以減小冷卻器的體積，由此使整個裝置的體積減小。
此外，通過把箝位二極管與半導(dǎo)體開關(guān)組件固定在同一個受熱板上，可以把產(chǎn)生熱量的半導(dǎo)體器件及其冷卻系統(tǒng)做得更緊湊，由此，使整個裝置的體積減小。
構(gòu)成半導(dǎo)體開關(guān)組件的半導(dǎo)體開關(guān)器件和自由轉(zhuǎn)動(freewheeling)二極管通過一居間的絕緣構(gòu)件而布置在基片上。由于有了絕緣構(gòu)件，因此能保證組件內(nèi)半導(dǎo)體開關(guān)器件等對地的絕緣性能。所以，能把與半導(dǎo)體開關(guān)組件相固定的受熱板接地，不需要專門為受熱板提供對地的絕緣，并把冷卻器在熱學(xué)上與其相連，所以能使冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，由此使整個裝置的體積減小。
此外，由于受熱板可以接地，因此，能把以水作制冷劑的結(jié)構(gòu)簡單的熱管用作熱量傳遞部件，以把各個受熱板和冷卻器在熱學(xué)上彼此相連，由此保證必要的冷卻性能，避免使用有害的物質(zhì)flon。
另外，由于能把受熱板接地，因此，能把逆變器部件直接固定到密封地容納它們的罩殼上。因此，如果把受熱板可卸地安裝在構(gòu)成在該罩殼外壁的開口上，則受熱板暴露在罩殼外側(cè)。結(jié)果，受熱板外露的表面也有效地起到散熱表面的作用，所以，與通常把受熱板設(shè)置在罩殼內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)相比可以抑制罩殼內(nèi)溫度的上升。而且，藉助于減小冷卻器的散熱能力而可以縮小體積。
圖1示出了按照本發(fā)明的一個實施例的用于電氣車輛的逆變器裝置的主要部分的結(jié)構(gòu);
圖2為圖1實施例的沿箭頭Ⅱ-Ⅱ方向的視圖;
圖3(A)是半導(dǎo)體開關(guān)組件和箝位二極管在受熱板上布置在放大圖;
圖3(B)示出了半導(dǎo)體開關(guān)組件和箝位二極管之間的電氣連接;
圖4是按照本發(fā)明的一個實施例的表示半導(dǎo)體開關(guān)組件結(jié)構(gòu)的部分剖開透視圖;
圖5示出了用于電氣有軌機動車的逆變裝置的動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);
圖6是示出了相應(yīng)于按照本發(fā)明的三電平逆變器的一個相的主電路結(jié)構(gòu)的電路圖;
圖7是相應(yīng)于逆變器工作模式的半導(dǎo)體開關(guān)組件和箝位二極管損耗的曲線圖;
圖8是逆變器主電路的電解圖，用以示出受熱板布置的圖樣;以及圖9示出了按照本發(fā)明的另一個實施例的冷卻器。
現(xiàn)在將參照示于附圖中的實施例來描述本發(fā)明。
參照圖1至圖7來描述按照本發(fā)明的逆變裝置。圖1示出了按照本發(fā)明的一個實施例的用于電氣有軌機動車的逆變裝置的主要部件的結(jié)構(gòu);圖2是沿圖1箭頭Ⅱ-Ⅱ方向的視圖;圖3(A)是半導(dǎo)體開關(guān)組件和箝位二極管在受熱板上布置的放大圖;圖3(B)示出了半導(dǎo)體開關(guān)組件和箝位二極管之間的電氣連接;圖4是按照該實施例的表示半導(dǎo)體開關(guān)組件的結(jié)構(gòu)的部分剖開透視圖;圖5示出了按照本發(fā)明的用于電氣有軌機動車的逆變裝置的整個動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu);圖6示出了相應(yīng)于逆變器一個相的逆變器主電路結(jié)構(gòu)的電路圖。
首先，參照圖5和圖6描述按照該實施例的逆變裝置的總體結(jié)構(gòu)和其內(nèi)的逆變器主電路。
如圖5所示，應(yīng)用到該實施例的逆變裝置的電氣有軌機動車的驅(qū)動系統(tǒng)由四個感應(yīng)電動機M1、M2、M3和M4組成，為它們設(shè)置了兩個具有相同結(jié)構(gòu)的逆變裝置1A和1B，感應(yīng)電動機M1和M2由逆變裝置1A驅(qū)動，而感應(yīng)電動機M3和M4由逆變裝置1B驅(qū)動。逆變裝置1A和1B中的每一個包括電源單元PU1至PU3，它們是通過按相劃分的3相逆變器主電路來獲得的。電源單元PU1至PU3中每個單元的一個直流輸入端子通過斷路器3、開路開關(guān)4A和4B和濾波電抗器5A和5B連接到導(dǎo)電弓架2，它的另一直流輸入端子接地。
如圖6所示，把所謂的三電平逆變器電路用作電源單元PU1至PU3中每個單元的主電路。圖6示出了相應(yīng)于逆變器一相的主電路，它具有一對直流輸入端子P和N，其中輸入端子P連接到與圖3中導(dǎo)電弓架2相連的線上，輸入端子N接地。與直流輸入端子P和N相連接的是兩個濾波電容器CF1和CF2的串聯(lián)電路，其節(jié)點構(gòu)成直流電源的中間點，并與中間點端子O相連。連接在一對直流輸入端P和N之間的是四個半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1至SM4的串聯(lián)電路，它們由逆平行(anti-parallel)連接的IGBTQ1至Q4和自由轉(zhuǎn)動二極管DF1至DF4構(gòu)成。半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1和SM2的節(jié)點和半導(dǎo)體開關(guān)組件SM3和SM4的節(jié)點分別通過箝位二極管DC1和DC2連接到中間點端子O上。半導(dǎo)體開關(guān)組件SM2和SM3的節(jié)點與交流輸出端子M相連。
緩沖電路由緩沖電容器CS1和CS2、緩沖二極管DS1至DS4和緩沖電阻器RS1至RS3構(gòu)成。緩沖電容器CS1和CS2中的每一個由以三角形連接的三個電容器C1至C3構(gòu)成。由柵極驅(qū)動器CD放大的選通脈沖作用于半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1至SM4的柵極。
在此，參照圖1至圖4來描述電源單元PM的結(jié)構(gòu)。圖1是電源單元的主要部分的示意性側(cè)視圖。圖2是沿圖1的箭頭Ⅱ-Ⅱ方向的視圖。圖3(A)和圖3(B)是圖示在受熱板上的半導(dǎo)體開關(guān)組件和箝位二極管的布置以及它們之間的電氣連接的放大圖。
如這些圖中所示，半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1至SM4中的每個組件由并排排列和關(guān)聯(lián)連接的兩上半導(dǎo)體開關(guān)器件構(gòu)成。在正側(cè)的半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1和SM2垂直地排列在第一受熱板31的表面上(如圖中所示)并與其固定，在負側(cè)的半導(dǎo)體開關(guān)組件SM3和SM4垂直地排列在第二受熱板32的表面上(如圖中所示)，并與其固定。此外，箝位二極管DC1和DC2分別固定到受熱板31和32的表面上。箝位二極管DC1和D2的每一個也由并聯(lián)的兩個二極管組成。如圖3(B)中所示，半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1至SM4和箝位二極管DC1和DC2按照圖6的電路結(jié)構(gòu)由導(dǎo)體11至16連接。
半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1至SM4屬于同一種結(jié)構(gòu)，每個組件具有一個如圖4的部分剖開透視圖所示的結(jié)構(gòu)。如圖中所示，每個半導(dǎo)體開關(guān)組件構(gòu)成如下由氧化鋁或類似物質(zhì)制成的絕緣板22設(shè)置在由具有良好熱傳遞特性的材料例如銅制成的基板21上。由例如銅板等導(dǎo)電材料制成的第一主電極23設(shè)置在絕緣板22上。由如鉬等導(dǎo)電材料制成的多塊熱應(yīng)力調(diào)節(jié)板24設(shè)置在主電極23上。在每個熱應(yīng)力調(diào)節(jié)板24上設(shè)置一個IGBT器件25。此外，由如銅板等導(dǎo)電材料制成的第二主電極26a通過居間的絕緣板26b設(shè)置在第一主電極23上。上述所有部件均由絕緣殼27覆蓋。一對主電極端子28和柵極端子29暴露在絕緣殼27的外表面上。此外，與IGBT器件25以逆平行方式連接的自由轉(zhuǎn)動二極管DF(未示出)設(shè)置在第一主電極23上。上面所述的半導(dǎo)體開關(guān)組件用在基板21上設(shè)置的螺栓孔30固定到第一或第二受熱板31或32上。
用熱量傳遞性能較優(yōu)的材料如鋁制成第一和第二受熱板31和32。受熱板31和32用螺栓34固定在做成長方形的電源單元支承框架33上。
凸緣35設(shè)置在電源單元支承框架33的邊沿上。罩殼36(圖1中僅示出了一部分)容納逆變器部件。在罩殼36的側(cè)向開口的邊沿上做一框架狀安裝座37。通過居間的襯墊39把電源單元支承框架33和凸緣35固定到安裝座37上，由此把電源單元支承框架33固定在罩殼36上。因此，受熱板31和32和電源單元支承框架33構(gòu)成了罩殼36的一個側(cè)面的一部分，襯墊39確保必要的氣密性。
部分安裝部件40設(shè)置在相對于半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1至SM4的受熱板31和32的相對側(cè)上。部分安裝部件40通過臂41固定到電源單元支承部件33上。緩沖電容器CS1和CS2以及緩沖二極管DS1至DS4以與半導(dǎo)體開關(guān)器件SM1至SM4相向的方式安裝在部分安裝部件40上，由此以最短的接線長度實現(xiàn)緩沖電路。
由如環(huán)氧樹脂等絕緣材料制成的端塊42至45固定到部分安裝部件40的另一側(cè)。直流輸入端子P和N、中間點端子O和交流輸出端子M由端塊42至45支承。此外，電流轉(zhuǎn)換器CT和柵極驅(qū)動器GD(GD1和GD2)布置在端塊42至45的邊上并與部分安裝部件40固定。濾波電容器CF1和CF2布置在電流轉(zhuǎn)換器CT和柵極驅(qū)動器GD下面的空間內(nèi)。柵極驅(qū)動器GD1和GD2分別對應(yīng)于半導(dǎo)體開關(guān)組件的正側(cè)和負側(cè)。
冷卻器53和54中的每一個由多根熱管51和與熱管51固定的散熱片52組成，它們分別在熱學(xué)上固定到受熱板31和32上。熱管51由熱量傳遞特性較優(yōu)的和易加工的材料如銅制成，用作起泡制冷劑的水引入其內(nèi)。為有助于在低溫下蒸發(fā)或者防止非冷凝氣體在制冷劑內(nèi)混合，熱管被調(diào)節(jié)至負壓。
在該實施例中，每根熱管51被彎成L形，一直管段嵌入受熱板31、32內(nèi)，并與其在熱學(xué)上連接以構(gòu)成支撐在受熱板上的熱管的蒸發(fā)段51a。另一個直管段相對于水平面稍稍向上傾斜，并在其上固定有多個散熱片52以形成冷凝段51b。
接著，把重點放在本發(fā)明的特征上，來描述用于電氣有軌機動車的上述逆變裝置的運行。
按照眾所周知的三電平逆變器的基本工作原理(參見“一種新型的中間點箝位PWM逆變器”，IEEE工業(yè)應(yīng)用匯刊，1981年9月/10月第1A-17卷第5號)在PWM控制器內(nèi)產(chǎn)生用于驅(qū)動上述的本實施例的電氣有軌機動車逆變裝置的柵極脈沖。在三電平逆變器的基本運行中，按照下面三個導(dǎo)通模式有選擇地把三電平電壓加到交流輸出端子M使半導(dǎo)體組件SM1至SM4導(dǎo)通和截止。在下表中，Ed表示總直流電壓，并且在此假設(shè)中間點電壓為零伏。
SM1SM2 SM3SM4輸出電壓第一導(dǎo)通模式 導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止 Ed/2第二導(dǎo)通模式截止導(dǎo)通導(dǎo)通截止 O第三導(dǎo)通模式截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通-ED/2對于三電平逆變器，與普通的二電平逆變器相比，輸出電壓脈沖的電壓電平數(shù)增加，所以視在的開關(guān)頻率提高，導(dǎo)致高次諧波減小。而且，鑒于把IGBT用作半導(dǎo)體開關(guān)器件，能使開關(guān)頻率提高到500Hz至3KHz。這也有助于抑制高次諧波，由此降低電磁噪聲。
PWM控制器按照上述三個導(dǎo)通模式和相關(guān)聯(lián)的電氣有軌機動車規(guī)定的目標速度和運行模式來產(chǎn)生柵極脈沖，通過柵極驅(qū)動器使半導(dǎo)體開關(guān)組件導(dǎo)通和截止，由此實現(xiàn)對逆變裝置的輸出電壓和頻率可變的控制，并按照電氣有軌機動車的運行模式(動力行進、滑行和制動)來控制逆變裝置。
由于在導(dǎo)通工作期間內(nèi)存在損耗，半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1至SM4產(chǎn)生熱量。在該實施例中，熱量被由受熱板31和32以及冷卻器53和54組成的冷卻系統(tǒng)所消散。也就是，半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1至SM4產(chǎn)生的熱量首先通過基板21傳遞給受熱板31和32，使這些板溫度上升。然后，由于受熱板31和32溫度的上升，熱管50的蒸發(fā)段51a內(nèi)的水沸騰蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸發(fā)熱量冷卻了受熱板31和32。熱管51中蒸發(fā)的水被引導(dǎo)至冷凝段51b，并通過散熱片與電氣有軌機動車運行時產(chǎn)生的風(fēng)(基本上垂直于附圖平面)進行熱交換，由此使已蒸發(fā)的水冷凝。被冷凝的水沿?zé)峁?1內(nèi)壁輸送，并回饋至蒸發(fā)段51a以重復(fù)上述的冷卻工作。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1至SM4的損耗(產(chǎn)生的熱量)與相關(guān)聯(lián)的電氣有軌機動車的運行模式(動力行進，滑行及制動)有關(guān)，如圖7(a)和(b)中所示的半導(dǎo)體器件熱量產(chǎn)生周期所示。半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1和SM4的損耗在動力行進期間有一峰值，而半導(dǎo)體開關(guān)組件SM2和SM3的損耗在制動期間有一峰值。
考慮到這一點，本實施例采用了如圖1所示的布置方式，其中，由具有不同損耗峰值的半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1和SM2組成的一對固定到同一受塊熱板31上，類似地，由半導(dǎo)體開關(guān)組件SM3和SM4組成的一對固定到同一塊受熱板32。鑒于這種布置方式，在動力行進期間傳遞給受熱板的熱量和在制動期間傳遞給受熱板的熱量相等，由此與相對半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1至SM4分別設(shè)置冷卻器的情況相比，在很大的程度上均衡了冷卻器53和54的熱負荷。因此對于該實施例，可能縮小冷卻器的體積。
此外，在半導(dǎo)體組件M中，自由轉(zhuǎn)動二極管DF與IGBT一樣設(shè)置在同一塊基板上，所以使產(chǎn)生熱量的半導(dǎo)體器件和其冷卻系統(tǒng)做得更緊湊，因此縮小了整個裝置的體積。
類似地，由于箝位二極管DC1和DC2與半導(dǎo)體開關(guān)組件SM固定到同一塊受熱板31和32上，可以把產(chǎn)生熱量的半導(dǎo)體器件和其冷卻系統(tǒng)做更為緊湊，由此縮小整個裝置的體積。而且，如圖7(c)所示，箝位二極管DC1和DC2損耗隨電氣有軌機動車的運行模式而改變，所以與分別設(shè)置冷卻器的情況相比，在一定程度上可以均衡冷卻器的熱負荷。
如圖4所示，由于構(gòu)成半導(dǎo)體開關(guān)組件SM的IGBT和自由轉(zhuǎn)動二極管通過居間的絕緣板22設(shè)置在基板21上，保證了組件內(nèi)對地的絕緣性能，可以把受熱板31和32置為地電位。這就免除了受熱板31和32以及冷卻器53和54對地絕緣的需要，有助于簡化冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，縮小整個裝置的體積。此外，這種布置使得把采用如水等非絕緣制冷劑的熱管作熱量傳遞部件把受熱板31和32和冷卻器53和54在熱學(xué)上連接起來成為可能。因此，可以實現(xiàn)不用有害的flon的冷卻系統(tǒng)而不降低冷卻性能。
此外，鑒于受熱板可以被置成地電位的這種布置，把受熱板31和32可卸地安裝在置殼36垂直外壁的開口上，半導(dǎo)體開關(guān)組件SM位于內(nèi)側(cè)，這樣每個受熱板31和32都有一個表面暴露在罩殼36的外側(cè)。結(jié)果，受熱板外露的表面也起到散熱表面的作用，所以可以抑制罩殼內(nèi)溫度的上升，同時可以降低冷卻器的散熱容量，從而縮小了它們的體積。
本發(fā)明不受上述實施例的限制。它可以進行如下面所述變化例如，半導(dǎo)體高頻開關(guān)器件不限制于用IGBT。用其它的可以用比GTO更高的頻率來驅(qū)動的半導(dǎo)體開關(guān)器件如雙極晶體管或MOS柵極控制晶閘管也可以獲得相同的效果。
盡管本發(fā)明已經(jīng)描述了一個具有分別裝備有冷卻器53和54的單獨的受熱板31和32的例子，但把受熱板31和32做成一塊板也能獲得相同的效果。然而考慮到把冷卻器安裝到受熱板之后的總裝工作，具有兩塊單獨的板的結(jié)構(gòu)更方便，這是由于在總裝期間能更容易處置各部件。
還可以采用雙層結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，把受熱板31和32在半導(dǎo)體開關(guān)組件和冷卻器側(cè)分開。這更有助于裝置的裝配和總裝。然而，由于兩層受熱板之間的熱量傳遞的阻隔，這種結(jié)構(gòu)有可能降低冷卻效果。
關(guān)于受熱板的劃分，圖8示出了幾種可以應(yīng)用的圖形。圖中示意性地示出了三相逆變器的主電路部分，用以表示劃分成圖形A至D的受熱板。如圖8所示，劃分圖形A對應(yīng)于上述的實施例。在該圖形中，對于三相U、V和W的各相均設(shè)置有具有半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1和SM2的受熱板和具有半導(dǎo)體開關(guān)組件SM3和SM4的受熱板，具有半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1和SM2的受熱板布置在正側(cè)臂上，而具有半導(dǎo)體開關(guān)組件SM3和SM4的受熱板布置在負側(cè)臂上。在圖形B中，對于三相U、V和W的各相均設(shè)置有具有半導(dǎo)體開關(guān)組件SM1、SM2、SM3和SM4的受熱板，受熱板固定到為這些受熱板共用的正側(cè)臂和負側(cè)臂上。在圖形C中，受熱板被分為正側(cè)臂(SM1和SM2)上的受熱板和負側(cè)臂(SM3和SM4)上的受熱板，這兩條臂對于U、V和W是共用的。在圖形D中，三相正側(cè)(SM1和SM2)臂和負側(cè)(SM3和SM4)臂共用受熱板。在所有這些劃分圖形中，對于每一相的與工作模式有關(guān)的損耗峰值不同的兩個半導(dǎo)體開關(guān)組件SM(SM1和SM2或SM3的組合，或者SM4和SM2或SM3的組合)至少被固定到一個共用的受熱板上。
作為上述實施例的使用熱管的冷卻器的替換，如圖9所示，也可以用與受熱板31(或32)做成整體的或固定到受熱板31(或32)上的散熱片57。如果用鋁制成受熱板31，最理想的是用模壓或沖壓成形的方式把散熱片57與受熱板31整體形成。此外，盡管圖中沒有示出，還可以設(shè)置一個風(fēng)扇在垂直于附圖平面的方向產(chǎn)生空氣流動，這可以提高冷卻性能。
權(quán)利要求
1.一種用于電氣車輛的逆變裝置，其中構(gòu)成逆變器的每一相的逆變主電路包含一對與直流電源相連的直流輸入端子；一與所述直流電源的中間點相連的中間點端子；連接在所述直流輸入端對之間的第一至第四半導(dǎo)體開關(guān)組件的串聯(lián)電路；連接在所述第一和第二半導(dǎo)體開關(guān)組件節(jié)點和所述中間點端子之間以及在所述第三和第四半導(dǎo)體開關(guān)組件的節(jié)點和所述中間點端子之間的箱位二極管；以及連接到所述第二和第三半導(dǎo)體開關(guān)組件節(jié)點的交流輸出端子，其特征在于，所述第一至第四半導(dǎo)體開關(guān)組件由半導(dǎo)體開關(guān)器件組成，每個半導(dǎo)體開關(guān)器件比起GTO晶閘管來可以用更高的頻率驅(qū)動，并且通過一個居間的絕緣部件設(shè)置在熱傳導(dǎo)基板上，所述第一至第四半導(dǎo)體開關(guān)組件被分為兩對，一對由所述第一和第四半導(dǎo)體開關(guān)組件之一和所述第二和第三半導(dǎo)體開關(guān)組件之一組成，而另一對由所述第一和第四半導(dǎo)體開關(guān)組件中剩下的一個和所述第二和第三半導(dǎo)體開關(guān)組件中剩下的一個組成，并且以每對半導(dǎo)體開關(guān)組件固定在單獨的或共用的受熱板上的方式固定到受熱板上，并且所述半導(dǎo)體開關(guān)組件具有冷卻裝置，與所述受熱板相連用于熱量傳遞以冷卻受熱板。
2.按照權(quán)利要求1的用于電氣車輛的逆變裝置，其特征在于所述半導(dǎo)體開關(guān)器件由下列器件之一組成雙極晶體管、絕緣柵極晶體管和MOS柵極控制晶閘管。
3.按照權(quán)利要求1的用于電氣車輛的逆變裝置，其特征在于，對于每一相的所述逆變器主電路把所述半導(dǎo)體開關(guān)組件分為由所述第一和第二半導(dǎo)體開關(guān)組件組成的一對和由所述第三和第四半導(dǎo)體開關(guān)組件組成的一對，并且對于每一相的所述逆變器主電路的每一對所述半導(dǎo)體開關(guān)組件單獨地設(shè)置所述受熱板。
4.按照權(quán)利要求1的用于電氣車輛的逆變裝置，其特征在于把所述受熱板共同固定到所述兩對半導(dǎo)體開關(guān)組件上，并單獨地固定到每一相的所述逆變器主電路上。
5.按照權(quán)利要求1的用于電氣車輛逆變裝置，其特征在于，對于每一相的所述逆變器主電路，把所述半導(dǎo)體開關(guān)組件分為由所述第一和第二半導(dǎo)體開關(guān)組件組成的一對和由所述第三和第四半導(dǎo)體開關(guān)組件組成的一對，并且，所述所述受熱板由所述半導(dǎo)體開關(guān)組件對所共用。
6.按照權(quán)利要求1的用于電氣車輛的逆變裝置，其特征在于，對于每一相的所述逆變器主電路把所述半導(dǎo)體開關(guān)組件分為由所述第一和第二半導(dǎo)體開關(guān)組件組成的一對和由所述第三和第四半導(dǎo)體開關(guān)組件組成的一對，并且，所述受熱單獨地固定到每一對所述半導(dǎo)體開關(guān)組件，同時，所述受熱板為每一相的所述逆變器主電路所共用。
7.按照權(quán)利要求1的用于電氣車輛的逆變裝置，其特征在于，所述受熱板為所述兩對半導(dǎo)體開關(guān)組件所共用，也為每一相的所述逆變器主電路所共用。
8.按照權(quán)利要求1至7之任一項的用于電氣車輛的逆變裝置，其特征在于所述箱位二極管固定到所述受熱板上。
9.按照權(quán)利要求1至8之任一項的用于電氣車輛的逆變裝置，其特征在于所述受熱板可卸地安裝在密封地容納所述逆變器部件的罩殼的外壁內(nèi)的開口上，使裝有所述半導(dǎo)體開關(guān)組件的所述受熱板的表面位于所述罩殼的內(nèi)側(cè)。
10.按照權(quán)利要求9的用于電氣車輛的逆變裝置，其特征在于固定到所述受熱板上的所述第一至第四半導(dǎo)體組件以它們串聯(lián)的順序布置。
11.按照權(quán)利要求1至10之任一項用于電氣車輛的逆變裝置，其特征在于所述冷卻裝置由部分嵌入所述受熱板內(nèi)的熱管和固定到所述熱管外露部分的散熱片組成。
12.按照權(quán)利要求1至10之任一項的用于電氣車輛的逆變裝置，其特征在于所述冷卻裝置由連接到與裝有所述半導(dǎo)體開關(guān)組件的表面相向的所述受熱板上的用以傳遞熱量的散熱片組成。
13.按照權(quán)利要求12的用于電氣車輛的逆變裝置，其特征在于所述散熱片與所述受熱板整體制成。
全文摘要
一種電氣車輛用的逆變裝置，使用了三電平逆變器。三電平逆變器包括串接到直流電源端子P和N上的四個半導(dǎo)體開關(guān)組件，把由第一和第二半導(dǎo)體開關(guān)組件組成的一對和由第三和第四半導(dǎo)體開關(guān)組件組成的一對分別固定到分別為各對共同的不同的受熱板上，冷卻器固定到受熱板上，由此，均衡冷卻器的熱負荷，因而縮小了冷卻器的體積。
文檔編號H02M7/48GK1091869SQ93118280
公開日1994年9月7日 申請日期1993年10月4日 優(yōu)先權(quán)日1992年10月2日
發(fā)明者齊藤秀治, 坪井孝, 堀江哲, 安藤武, 豐田瑛一, 松井孝行, 高久敏彥, 仲田清, 中村清 申請人:株式會社日立制作所