[发明专利]电气车辆的逆变装置

说明书

本发明涉及一种电气车辆的逆变装置，尤其涉及一种适用于例如电气有轨机动车和电气机车的电气车辆的逆变装置。

在实践中，已经把利用逆变装置以可变的速度来驱动感应电动机的驱动系统用作驱动电气车辆的动力系统。

例如，当把这种逆变装置应用于把多台电动机分布在多个轮轴之间的电气有轨机动车上时，不得不把它们安装在地板下有限的空间内，所以这就要求它们尽可能地小。类似地，在电气机车内，要求减小每个逆变装置的尺寸，以增加能被安装在单个机车内的逆变装置的总容量。

如日本实用新型公开(Japanese Utility Model Laid-Open)第2-75738号或者“用于机车的GTO整流器”(西门子公司出版的单行本，取自ZEV-Glasers年刊113，1989年6月/7月，第259页至272页)所描述，GTO(栅极关断)半导体晶闸管已经在逆变器主电路中常被用作半导体开关器件来驱动电气车辆。这是由于与例如BT(双极晶体管)或IGBT(绝缘栅双极晶体管)等其它类型的半导体开关器件相比，GTO晶闸管提供电压和电流的能力相当大。因此，GTO晶闸管能减小逆变器主电路部分的尺寸。

为减小输出波形的高次谐波分量，已经提出了一种通过开关动作把三电平直流电流转换成交流输出的所谓的三电平逆变器(也称作“中间箝位逆变器”)。在这种三电平逆变器中，对应于逆变器一个相的逆变器主电路包括：一对与直流电源相连的直流输入端子；一与直流电源中间点相连的中间点端子；连接在一对串联输入端子之间的第一至第四半导体开关器件的串联电路；分别连接在第一和第二半导体开关器件的节点和中间点端子之间以及在第三和第四半导体开关器件的节点和中间点端子之间的箝位二极管；以及与第二和第三半导体开关器件的节点相连的交流输出端子。

GTO晶闸管包含有大的开关损耗。鉴于这一点，如上面提到的官方公报和上面提到的文件中描述的，为加强其冷却效果，把GTO晶闸管做成盘形，其两侧构成主电极，密封有起泡制冷剂的冷却传导块紧贴在这些主电极上。为保证在GTO晶闸管各侧上的冷却块之间以及制冷剂的冷凝部分和GTO晶闸管之间的绝缘性能，使用了绝缘制冷剂。通常把具有极好的冷却性能和绝缘特性的Flon用作冷剂，以满足上述要求。

但上面的已有技术存在下列问题：因为其大的器件开关损耗，缓冲电容器容量较大以及有抑制电压上升到截止电压的缓冲电阻等原因，GTO晶闸管的开关频率不能提高。实践中通常使用的GTO的开关频率约为500Hz。因此，如果用GTO晶闸管来制作逆变器，在减小输出波形谐波失真方面受到限制，在电动机电流中产生较大的脉动，在电动机中导致有大的电磁噪声。

鉴于这一点，可以采用由高频脉冲门信号驱动的半导体开关器件(此后一般称作半导体高频开关器件)，例如能增加开关频率的双极晶体管，IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOS栅极控制晶闸管等。

然而，用作这种半导体高频开关器件的器件一般耐压电平较低(例如，普通使用的IGBT耐压电平为1200V)，所以它们不能应用于要在直流1500V的架空线电压下运行的电气车辆。而且，一般地说，在实际中使用的半导体高频开关具有相当小的电流容量，所以当把它们应用在大容量的逆变装置上(例如用于驱动单台容量为200KW或更大的电动机)时，不得不并联多个这样的半导体器件。

因此，在把如IGBT等半导器高频开关器件应用于电气车辆的逆变装置的情况下，逆变器主电路部分的尺寸变得相当大，所以需要对结构作一些设计以减小整个装置的体积。

而且，从控制flon污染的观点出发，需要采用一种flon蒸发/冷却交替的冷却系统。

本发明的目的在于提供一种用于电气车辆的逆变装置，它使用能以比GTO晶闸管更高的频率来驱动的半导体开关器件，并且它能被做得较小。