Модульный вентильный преобразователь
Изобретение относится к модульному вентильному преобразователю (1) с полупроводниками (2) с широкой запрещенной зоной, в частности SiC-полупроводниками. Для оптимизации вентильного преобразователя относительно использования полупроводников с широкой запрещенной зоной предложено, что модульный вентильный преобразователь (1) содержит по меньшей мере два основных блока (10), причем основные блоки (10) на стороне входа соединены друг с другом, причем основной блок на стороне входа содержит входную схему (11), а на стороне выхода - выходную схему (12), причем входная схема (11) и выходная схема (12) образованы соответственно посредством полупроводников (2) с широкой запрещенной зоной, которые расположены в B6 мостовой схеме, причем конденсатор (3) промежуточного контура включен параллельно как к входной схеме (11), так и к выходной схеме (12) и тем самым соединяет между собой промежуточные контуры входной схемы (11) и выходной схемы (12) в один промежуточный контур (13), причем входные схемы (11) основных блоков (10) или подмножества основных блоков (10) расположены в последовательном соединении, причем между двумя входными схемами (11) расположена по меньшей мере одна индуктивность (15). Изобретение также относится к транспортному средству (100), в частности рельсовому транспортному средству, с подобным модульным вентильным преобразователем (1), причем модульный вентильный преобразователь (1) представляет собой по меньшей мере часть привода (101) транспортного средства (100). 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к модульному вентильному преобразователю с полупроводниками с широкой запрещенной зоной. Кроме того, изобретение относится к транспортному средству, в частности рельсовому транспортному средству, с подобным модульным вентильным преобразователем.
Полупроводники с широкой запрещенной зоной (англ. wide-bandgap semiconductors (полупроводники с широкой запрещенной зоной), отсюда производное Wide-Bandgap-Halbleiter (полупроводники с широкой запрещенной зоной), однако breitbandige Halbleiter (широкополосные полупроводники)) представляют собой полупроводники, у которых ширина запрещенной зоны/запрещенная зона (энергетический интервал между валентной зоной и зоной проводимости) лежит на верхнем конце диапазона полупроводников (3 эВ до 4 эВ) (Источник: Wikipedia.de). Ввиду их проводимости, они, вероятно, в ближайшем будущем найдут применение также в приводах транспортных средств. Эти приводы также обозначаются как электротяга, а относящиеся к ним вентильные преобразователи - как тяговые преобразователи. Полупроводники на основе карбида кремния (SiC), SiC-полупроводники, представляют собой полупроводники с широкой запрещенной зоной.
Тяговые преобразователи для электротяговых приводов отличаются широкой областью использования. Диапазон мощности на стороне двигателя лежит в пределах примерно от 100 кВт до 2000 кВт. Входное напряжение должно покрывать диапазон от 750 В до 3000 В. В перспективе применимые SiC-полупроводники (MOSFET) демонстрируют типовую характеристику однополярного компонента, а именно, производительность сильно снижается при повышенных расчетных напряжениях. Справедлива взаимосвязь, что RDS on является примерно пропорциональным Usperr2,5. Кроме того, SiC-полупроводники на чип имеют лишь незначительную токовую допустимую нагрузку.
Современный уровень техники для тяговых преобразователей характеризуется использованием IGBT. Они имеются в настоящее время в подходящих классах по напряжению, для тяговых преобразователей в рельсовых транспортных средствах, типично 1700 В, 3300 В и 6500 В, за счет чего они непосредственно согласуются с тяговыми рабочими напряжениями 750 В, 1500 В и 3000 В DC. Также существует много классов по току. Таким образом, уровень техники характеризуется применением подходящего IGBT-полупроводника для соответственно требуемого класса по напряжению и току электротягового преобразователя в рельсовом транспортном средстве.
В основе изобретения лежит задача оптимизировать вентильный преобразователь относительно использования полупроводников с широкой запрещенной зоной.
Эта задача решается посредством модульного вентильного преобразователя с полупроводниками с широкой запрещенной зоной, в частности SiC-полупроводниками, причем модульный вентильный преобразователь содержит по меньшей мере два основных блока, причем основные блоки на стороне входа соединены друг с другом, причем основной блок на стороне входа содержит входную схему, а на стороне выхода - выходную схему, причем входная схема и выходная схема образованы соответственно посредством полупроводников с широкой запрещенной зоной, которые расположены в B6 мостовой схеме, причем конденсатор промежуточного контура включен параллельно как к входной схеме, так и к выходной схеме и тем самым соединяет между собой промежуточные контура входной схемы и выходной схемы в один промежуточный контур, причем входные схемы основных блоков или подмножества основных блоков расположены в последовательном соединении, причем соответственно между двумя входными схемами расположена по меньшей мере одна индуктивность. Задача также решается транспортным средством, в частности рельсовым транспортным средством, с подобным модульным вентильным преобразователем, причем модульный вентильный преобразователь представляет собой по меньшей мере часть привода транспортного средства.
Другие предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В основе изобретения лежит идея о том, что вышеуказанная задача может быть решена посредством схемы соединений нескольких, то есть по меньшей мере двух основных блоков. При этом проблема решается стандартизованным основным блоком, который в качестве полупроводников использует полупроводники с широкой запрещенной зоной (типично, на основе SiC) оптимального класса напряжения, приблизительно 1700 В запирающего (обратного) напряжения. 1700 В получаются как примерно оптимальное значение, так как там при SiC-компоненте толщина еще относительно мала и падение напряжения пропускания еще находится под сильным воздействием сопротивления канала. Типовой класс мощности основного блока лежит примерно на 100 кВт. Иными словами, полупроводники входной схемы и/или выходной схемы в предпочтительном варианте осуществления имеют запирающее напряжение 1700 В.
Изобретение представляет решение, каким образом основной блок, базирующийся на SiC-полупроводниках малого напряжения и тока, может перекрывать весь диапазон мощности и напряжения. Для этого применяется свойство, что всегда используются только SiC-полупроводники оптимального малого запирающего напряжения и оптимального малого тока и образуют основной блок, из которых затем могут совместно подключаться несколько в зависимости от требований в отношении мощности и/или напряжения энергоснабжения.
Из этих полупроводников с широкой запрещенной зоной определяется основной блок, который включает в себя дважды три фазы, то есть соответственно входную схему и выходную схему соответственно с тремя фазами, а также промежуточный контур с конденсатором промежуточного контура, а также относящиеся к этому соединения и управление полупроводниками. Кроме того, основной блок включает в себя механическую интеграцию, включая устройство охлаждения для полупроводников. При этом электрические части основного блока изолированы от механики и охлаждения.
При этом предпочтительным является то, что основной блок на входной стороне и/или выходной стороне включен параллельно и/или последовательно к одному или нескольким дополнительным идентичным основным блокам, и тем самым полный ток или достижимое напряжение повышается. За счет параллельного включения, может повышаться полный ток, который может предоставить в распоряжение модульный вентильный преобразователь. При этом модульный вентильный преобразователь может также содержать последовательное соединение параллельно включенных основных блоков, которые тем самым повышают полный ток, а также увеличивают достижимое напряжение. Основные блоки на входной стороне с помощью индуктивностей включаются последовательно, чтобы таким образом иметь возможность подключаться к более высокому напряжению. Посредством индуктивностей может управляться или регулироваться входной ток модульного вентильного преобразователя. При этом последовательное соединение осуществляется так, что фаза основного блока соответственно с индуктивностью подключается к промежуточному контуру, например, к минус-шине, следующего основного блока. Ближайшие по потенциалу индуктивности тогда подключаются к входной питающей положительной стороне DC-напряжения, в то время как самая нижняя по потенциалу минус-шина подключается к отрицательному полюсу входного DC-напряжения. На трехфазной выходной стороне может подключаться двигатель с системой обмоток с тремя жгутами.
Особенно предпочтительным является, когда при применении нескольких основных блоков к нескольким трехфазным выходным сторонам подключается двигатель с несколькими 3-фазными системами обмоток. Это, например, двигатели с системами обмоток с 6 или 9 или 12 жгутами.
Для случая AC энергоснабжения является предпочтительным, когда последовательное соединение основных блоков на стороне входа осуществляется таким образом, что в самой нижней основной схеме фазный вывод приложен к полюсу AC-напряжения. Второй фазный вывод на стороне входа тогда соединяется с второй фазой ближайшего основного блока. При применении для приложенного на стороне входа переменного напряжения, от индуктивности между основными блоками можно, вообще не обязательно, отказаться. Первая фаза тогда вновь соединяется с первой фазой следующего основного блока. Тогда вторая фаза вновь соединяется со следующей за ней второй фазой и т.д., пока последняя фаза не соединится тогда с другим AC-выводом.
Кроме того, является предпочтительным, что питающее напряжение на входной стороне может быть как DC, так и AC, при этом либо основные блоки все включаются последовательно как повышающий преобразователь, либо две из входных фаз соответственно соединяются последовательно с двумя фазами следующего основного блока таким образом, что возникает так называемый 4-квадрантный регулятор.
Кроме того, является предпочтительным, когда к третьей фазе на стороне входа основного блока подключается сопротивление, которое используется для гашения мощности, когда при процессе торможения сеть не может потребить всю мощность торможения. Функция этой фазы также определяется как задатчик торможения.
Далее изобретение описывается и поясняется более подробно на примерах выполнения, представленных на чертежах, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - основной блок,
Фиг. 2 - блок-схема полупроводника с широкой запрещенной зоной,
Фиг. 3 - параллельное соединение двух основных блоков,
Фиг. 4 - фиг. 8 - последовательные соединения основных блоков,
Фиг. 9 - двигатель на выходе модульного вентильного преобразователя и
Фиг. 10 - транспортное средство с модульным вентильным преобразователем как часть привода.
Фиг. 1 показывает основной блок 10. Он содержит входную схему 11 и выходную схему 12. Они на стороне постоянного напряжения соединены между собой в один промежуточный контур 13. В промежуточном контуре 13 расположен конденсатор 3. Входная схема 11 и выходная схема 12 содержат соответственно B6 мостовую схему из полупроводников 2 с широкой запрещенной зоной. Фазные выводы, также обозначаемые как фазы, выведены вовне как входы и выходы. Кроме того, основной блок содержит блок 14 охлаждения. Поток охладителя, воздуха или жидкости, обозначен стрелками.
Фиг. 2 показывает полупроводник 2 с широкой запрещенной зоной с его управлением 25. В обратном направлении он является проводящим. Для случая, когда он в одном варианте осуществления выполнен с запиранием в обратном направлении, антипараллельно полупроводниковому переключателю включен не показанный здесь диод, который придает полупроводнику 2 его характеристику проводимости в обратном направлении.
Фиг. 3 показывает параллельное соединение двух основных блоков 10. Они как на стороне входа, так и на стороне выхода параллельно подключены ко всем трем фазам.
Фиг. 4 показывает последовательное соединение двух основных блоков 10. Этот чертеж показывает только принцип последовательного соединения. Оно может быть расширено на любое количество основных блоков 10. Также представленный здесь основной блок 10 может являться параллельным включением нескольких основных блоков 10. Параллельное включение осуществляется на стороне входа к входной схеме. Первая фаза 21 первой входной схемы соединена с первой фазой 21 второй входной схемы через индуктивность 15. Кроме того, также вторая фаза 22 первой входной схемы соединена с второй фазой 22 второй входной схемы через другую индуктивность 15. Третья фаза 23 содержит тормозное сопротивление 5, которое подключено к задатчику торможения.
Фиг. 5 показывает другой пример выполнения последовательного соединения. И здесь отдельные основные блоки 10 могут представлять любое параллельное включение основных блоков 10. Также эта представленная схема соединения может быть расширена на последовательное соединение любого числа основных блоков. При этом возможно, два основных блока 10 подключить последовательно к входной схеме 11 на стороне постоянного напряжения. Для этого промежуточные контура 13 соответствующих основных блоков 10 тогда соединены последовательно. Во избежание повторений, можно сослаться на описание со ссылкой на фиг. 4, а также на введенные там ссылочные позиции.
Фиг. 6 показывает другой пример выполнения последовательного соединения. И здесь отдельные основные блоки 10 могут представлять любое параллельное включение нескольких основных блоков 10. И эта представленная схема соединения может быть расширена на последовательное соединение любого числа основных блоков 10. При этой схеме соединения первая фаза 21 и вторая фаза 22 первого основного блока 10 соответственно соединены через индуктивность 15 с промежуточным контуром второго основного блока 10. И здесь основные блоки 10 могут также содержать схемные соединения согласно фиг. 4 и 5. Во избежание повторений, можно сослаться на описание со ссылкой на фиг. 4 и 5, а также на введенные там ссылочные позиции.
Фиг. 7 показывает другой пример выполнения последовательного соединения. И здесь отдельные основные блоки 10 могут представлять любое параллельное включение нескольких основных блоков 10. Также эта представленная схема соединения может быть расширена на последовательное соединение любого числа основных блоков 10. При этом основные блоки 10 также могут содержать комбинации фиг. 4-6. При этой схеме соединения не только первая фаза 21 и вторая фаза 22 первого основного блока 10 соответственно через индуктивности 15 соединены с промежуточным контуром 13 второго основного блока 10, но и, кроме того, также первая фаза 21 и вторая фаза 22 второго основного блока 10 соединены соответственно через индуктивности 15 с промежуточным контуром 13 первого основного блока 10. Во избежание повторений, можно сослаться на описание со ссылкой на фиг. 4-6, а также на введенные там ссылочные позиции.
Фиг. 8 показывает пример выполнения для последовательного соединения, которое особенно подходит для питания входной стороны переменным напряжением. За счет индуктивности трансформатора можно отказаться от ввода дополнительных индуктивностей между основными блоками 10. И здесь отдельные основные блоки 10 могут представлять любое параллельное включение нескольких основных блоков 10. Также эта представленная схема соединения может быть расширена на последовательное соединение любого числа основных блоков 10. В этом примере выполнения, первая фаза 21 первого основного блока 10 непосредственно соединена с первой фазой второго основного блока 10, и вторая фаза 22 второго основного блока 10 непосредственно соединена с фазой, в данном случае с первой фазой 21, третьего основного блока. При этом основные блоки 10 также могут содержать комбинации фиг. 4-8. Во избежание повторений, можно сослаться на описание со ссылкой на фиг. 4-8, а также на введенные там ссылочные позиции.
Фиг. 9 показывает возможное соединение выходных схем 12 с двигателем 4. По причинам наглядности, входные схемы 11 не представлены. Они могут быть подключены любым образом согласно одной из фиг. 3-8 или их комбинации. При этом выходные схемы различных основных блоков 10 соединены соответственно с системой обмотки 41 двигателя. Тем самым и при сравнительно низкой производительности основного блока может приводиться в действие двигатель 4 с высокой производительностью.
Фиг. 10 показывает транспортное средство 100, которое выполнено как рельсовое транспортное средство. При этом модульный вентильный преобразователь 1 является частью привода 101 транспортного средства 100. Транспортное средство 100 отбирает свою электрическую энергию через токосъемник 102 из не изображенной здесь контактной сети и подает ее во входную схему модульного вентильного преобразователя 1. Выходная схема соединена с не изображенными здесь двигателями транспортного средства 100 и приводит их в действие.
Таким образом, изобретение относится к модульному вентильному преобразователю с полупроводниками с широкой запрещенной зоной, в частности SiC-полупроводниками. Для оптимизации вентильного преобразователя относительно использования полупроводников с широкой запрещенной зоной предложено, что модульный вентильный преобразователь содержит по меньшей мере два основных блока, причем основные блоки на стороне входа соединены друг с другом, причем основной блок на стороне входа содержит входную схему, а на стороне выхода - выходную схему, причем входная схема и выходная схема образованы соответственно посредством полупроводников с широкой запрещенной зоной, которые расположены в B6 мостовой схеме, причем конденсатор промежуточного контура включен параллельно как к входной схеме, так и к выходной схеме, и тем самым соединяет между собой промежуточные контура входной схемы и выходной схемы в один промежуточный контур, причем входные схемы основных блоков или подмножества основных блоков расположены в последовательном соединении, причем соответственно между двумя входными схемами расположена по меньшей мере одна индуктивность. Изобретение также относится к транспортному средству, в частности рельсовому транспортному средству, с подобным модульным вентильным преобразователем, причем модульный вентильный преобразователь представляет собой по меньшей мере часть привода транспортного средства.
1. Модульный вентильный преобразователь (1) с полупроводниками (2) с широкой запрещенной зоной, в частности SiC-полупроводниками, причем модульный вентильный преобразователь (1) содержит по меньшей мере два основных блока (10), причем основные блоки (10) на стороне входа соединены друг с другом, причем основной блок на стороне входа содержит входную схему (11), а на стороне выхода - выходную схему (12), причем входная схема (11) и выходная схема (12) образованы соответственно посредством полупроводников (2) с широкой запрещенной зоной, которые расположены в B6 мостовой схеме, причем конденсатор (3) промежуточного контура включен параллельно как к входной схеме (11), так и к выходной схеме (12) и тем самым соединяет между собой промежуточные контуры входной схемы (11) и выходной схемы (12) в один промежуточный контур (13), причем входные схемы (11) основных блоков (10) или подмножества основных блоков (10) расположены в последовательном соединении, причем соответственно между двумя входными схемами (11) расположена по меньшей мере одна индуктивность (15), причем первая фаза (21) входной схемы (11) первого основного блока (10) посредством индуктивности (15) соединена с первой фазой (21) входной схемы (11) второго основного блока (10), причем вторая фаза (22) входных схем (11) первого основного блока (10) посредством дополнительной индуктивности (15) соединена со второй фазой (22) входной схемы (11) второго основного блока (10).
2. Модульный вентильный преобразователь (1) по п. 1, причем основной блок (10) содержит блок (14) охлаждения, причем блок (14) охлаждения электрически изолирован от полупроводников (2) с широкой запрещенной зоной.
3. Модульный вентильный преобразователь (1) по любому из пп. 1 или 2, причем дополнительное подмножество основных блоков (10) или входные схемы (10) дополнительного подмножества основных блоков (10) расположены в параллельном включении.
4. Модульный вентильный преобразователь (1) по любому из пп. 1-3, причем входные схемы (11) двух основных блоков (10) расположены на стороне постоянного напряжения в последовательном соединении.
5. Модульный вентильный преобразователь (1) по любому из пп. 1-4, причем выходные схемы (12) по меньшей мере двух из основных блоков (10) соединены соответственно с различными системами (41) обмоток двигателя (4).
6. Модульный вентильный преобразователь (1) по любому из пп. 1-5, причем третья фаза (23) основного блока (10) соединена таким образом с сопротивлением (5), чтобы реализовывать функцию задатчика торможения.
7. Модульный вентильный преобразователь (1) по любому из пп. 1-6, причем полупроводники (2) с широкой запрещенной зоной выполнены как SiC-полупроводники и имеют запирающее напряжение 1700 В.
8. Транспортное средство (100), в частности рельсовое транспортное средство, с модульным вентильным преобразователем (1) по любому из пп. 1-7, причем транспортное средство (100) содержит модульный вентильный преобразователь (1) как часть привода (101) транспортного средства (100), причем электрическая энергия может подводиться из контактной сети через токоприемник (102) транспортного средства (100) к входной схеме (11).
