模块化变流器制造技术

本发明专利技术涉及一种具有宽带隙半导体(2)、特别是SiC半导体的模块化变流器(1)。为了在使用宽带隙半导体方面优化变流器而提出：模块化变流器(1)具有至少两个基础单元(10)，其中，基础单元(10)在输入侧彼此连接，其中，基础单元在输入侧具有输入电路(11)并且在输出侧具有输出电路(12)，其中，输入电路(11)和输出电路(12)分别通过宽带隙半导体(2)形成，该宽带隙半导体布置在B6桥式电路中，其中，中间电路电容器(3)与输入电路(11)和输出电路(12)并联连接，进而输入电路(11)和输出电路(12)的中间电路彼此连接成中间电路(13)，其中，基础单元(10)或基础单元(10)的子集的输入电路(11)布置在串联电路中，其中，在两个输入电路(11)之间相应地设置有至少一个电感(15)。此外，本发明专利技术涉及一种交通工具(100)、特别是轨道交通工具，其具有这种模块化变流器(1)，其中，模块化变流器(1)是交通工具(100)的驱动器(101)的一部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】模块化变流器
本专利技术涉及一种具有宽带隙半导体的模块化变流器。本专利技术还涉及一种具有这种模块化变流器的交通工具、特别是轨道交通工具。
技术介绍
具有宽带隙的半导体(英语为wide-bandgapsemiconductors，由此得出德语Wide-Bandgap-Halbleiter即宽带的半导体)是其带隙/带间距(价带和导带之间的能隙)在半导体范围(3eV至超过4eV)的上限的半导体(来源：Wikipedia.de)。这种半导体由于其有效功率预计在不久的将来也使用在交通工具的驱动器中。该驱动器也称作为牵引装置，其配属的变流器称作为牵引变流器。基于碳化硅(SiC)的半导体、即SiC半导体是宽带隙半导体。用于轨道驱动器的牵引变流器的特征是大的使用范围。电机侧的功率范围在约100kW至2000kW的范围内。输入电压覆盖750V至3000V的范围。未来使用的SiC半导体(MOSFET)具有单极结构元件的典型特性，即在较高的设计电压下，有效功率会急剧下降。适用以下关系：RDSon开启大致与Usperr2.5成比例。此外，每个芯片的SiC半导体仅具有低载流能力。对于牵引变流器当前现有技术是使用IGBT。当前，这些牵引变流器以匹配的电压等级存在，在轨道交通工具中的牵引变流器中典型地为1700V、3300V和6500V，由此，它们直接匹配于轨道运行电压750V、1500V和3000VDC。还存在大量的电流等级。因此，现有技术是针对轨道交通工具中的牵引变流器的相应需要的电压等级和电流等级使用匹配的IGBT半导体。<br>
技术实现思路
本专利技术所基于的目的是在宽带隙半导体的使用方面优化变流器。该目的通过一种具有宽带隙半导体、特别是SiC半导体的模块化变流器来实现，其中，模块化变流器具有至少两个基础单元，其中，基础单元在输入侧彼此连接，其中，基础单元在输入侧具有输入电路并且在输出侧具有输出电路，其中，输入电路和输出电路分别通过宽带隙半导体形成，该宽带隙半导体布置在B6桥式电路中，其中，中间电路电容器并联连接到输入电路和输出电路，进而输入电路和输出电路的中间电路彼此连接成中间电路，其中，基础单元的输入电路或基础单元的子集的输入电路布置在串联电路中，其中，在两个输入电路之间相应地布置有至少一个电感。此外，该目的通过一种具有这种模块化变流器交通工具、特别是轨道交通工具来实现，其中，模块化变流器是交通工具的驱动器的一部分。本专利技术的其他有利的设计方案在从属权利要求中说明。本专利技术基于如下知识：该目的通过多个、即至少两个基础单元的互连来实现。在此，该问题通过标准化的基础单元解决，该基础单元作为半导体使用最佳电压等级的宽带隙半导体(典型地基于SiC)，其中，该最佳电压等级是大致1700V截止电压的。1700V作为大约最佳的值，因为在该点在SiC结构元件中厚度还相对小，并且正向电压降仍然受到沟道电阻的强烈影响，基础单元的典型的功率等级为大致100kW。换言之，输入电路和/或输出电路的半导体在有利的设计方案中具有1700V的截至电压。本专利技术提供如下解决方案，如何能够利用基于低电流和低电压的SiC半导体的基础单元来覆盖整个功率和电压范围。为此，使用如下特性：即总是仅使用最佳的小的截至电压和最佳小的电流的SiC半导体，并且形成基础单元，然后能够根据关于功率和/或电源电压的需要将其中的几个连接在一起。由这些宽带隙半导体限定基础单元，以及具有中间电路电容器的中间电路，以及半导体的配属的连接和驱控装置，其中，该基础单元包括两倍于三个相，即分别具有相应的三个相的输入电路和输出电路。此外，基础单元包括机械集成，该机械集成包括用于半导体的冷却设备。在此，基础单元的电气部件相对于机械装置和冷却装置隔离。在此，有利的是，基础单元在输入侧和/或输出上并联和/或串联至一个或多个另外的相同的基础单元，并且由此提高总电流或可达到的电压。通过并联电路能够提高模块化变流器所能够提供的总电流。在此，模块化变流器也能够具有并联连接的基础单元的串联电路，该串联电路因此提高了总电流而且也扩大了可达到的电压。基础单元在输入侧借助于电感串联连接，以便因此能够连接至更高的电压。通过电感能够控制或调节模块化变流器的输入电流。在此，串联连接成使得基础单元的相分别利用电感连接至下一基础单元的中间电路、例如连接至负电轨。于是，在电势方面的下一个电感连接至DC电压的输入侧的进行供应的正侧，而在电势方面最低的负电轨连接至输入侧的DC电压的负极。具有三线绕组系统的电机能够连接至三相输出侧。特别有利的是：在使用多个基础单元的情况下，将具有多个三相绕组系统的电机连接至多个三相输出侧。这例如是具有6线或9线或12线的绕组系统的电机。对于AC供电的情况有利的是：当基础单元在输入侧串联连接，使得AC电压的一个极处的相端子处于最低的基础电路处。然后，输入侧的第二相端子与下一基础单元的第二相连接。在使用在输入侧的交流电压的情况下，能够(但不必须)省去基础单元之间的电感。第一相于是又与下一基础单元的第一相连接。随后，第二相与随其后的第二相连接，等等，直至最后的相随后与另一AC端子连接。此外，有利的是，在输入侧馈电电压能够是DC和AC，通过基础单元全部如升压变换器那样串联连接，或者输入相中的两个分别与下一基础单元的两个相串联连接，使得形成所谓的4象限斩波器，此外，有利的是，当电阻连接至基础单元的第三输入侧的相，如果在制动过程中网络无法容纳整个制动功率，则该电阻用于耗散功率。该相的功能也被称作为制动斩波器。附图说明下面，根据附图中示出的实施例详细地描述和阐述本专利技术。附图示出：图1示出基础单元，图2示出宽带隙半导体的电路图，图3示出两个基础单元的并联电路，图4至图8示出基础单元的串联电路，图9示出模块化变流器的输出端处的电机，和图10示出具有模块化变流器作为驱动器的一部分的交通工具。具体实施方式图1示出基础单元10。该基础单元具有输入电路11和输出电路12。该输入电路和输出电路在直流电压侧彼此连接成中间电路13。在中间电路13中设置有电容器3。输入电路11和输出电路12分别具有由宽带隙半导体2构成的B6桥式电路。也称作为相的相端子作为输入端和输出端向外引导。此外，基础单元具有冷却单元14。冷却剂、空气或液体的流动用箭头表示。图2示出宽带隙半导体2与其驱控装置25。沿反向方向，该宽带隙半导体导通。对于该宽带隙半导体在一个实施方案中被设计为反向阻断的情况中，将在此未示出的二极管与半导体开关反并联地布置，该二极管给予半导体2其能够反向导通的特性。图3示出两个基础单元10的并联电路。该基础单元在输入侧和输出侧在全部三个相处并联。图4示出两个基础单元10的串联电路。该附图仅示出串联电路的原理。该串联电路能够扩展成任意多的基础单元10。同样地，在此示出的基础单元10能够是多个基础单元10的并联电路。在输入侧在输入电路处实现并联电路。地输入电路的第一相21与第二输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化变流器(1)，具有宽带隙半导体(2)、特别是SiC半导体，其中，所述模块化变流器(1)具有至少两个基础单元(10)，其中，所述基础单元(10)在输入侧彼此连接，其中，所述基础单元在输入侧具有输入电路(11)并且在输出侧具有输出电路(12)，其中，所述输入电路(11)和所述输出电路(12)分别通过所述宽带隙半导体(2)形成，所述宽带隙半导体布置在B6桥式电路中，其中，中间电路电容器(3)与所述输入电路(11)和所述输出电路(12)并联连接，进而所述输入电路(11)和所述输出电路(12)的中间电路彼此连接成中间电路(13)，其中，所述基础单元(10)的所述输入电路或所述基础单元(10)的子集的所述输入电路(11)布置在串联电路中，其中，在两个所述输入电路(11)之间相应地布置有至少一个电感(15)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180731 EP 18000636.31.一种模块化变流器(1)，具有宽带隙半导体(2)、特别是SiC半导体，其中，所述模块化变流器(1)具有至少两个基础单元(10)，其中，所述基础单元(10)在输入侧彼此连接，其中，所述基础单元在输入侧具有输入电路(11)并且在输出侧具有输出电路(12)，其中，所述输入电路(11)和所述输出电路(12)分别通过所述宽带隙半导体(2)形成，所述宽带隙半导体布置在B6桥式电路中，其中，中间电路电容器(3)与所述输入电路(11)和所述输出电路(12)并联连接，进而所述输入电路(11)和所述输出电路(12)的中间电路彼此连接成中间电路(13)，其中，所述基础单元(10)的所述输入电路或所述基础单元(10)的子集的所述输入电路(11)布置在串联电路中，其中，在两个所述输入电路(11)之间相应地布置有至少一个电感(15)。


2.根据权利要求1所述的模块化变流器(1)，其中，所述基础单元(10)具有冷却单元(14)，其中，所述冷却单元(14)相对于所述宽带隙半导体(2)电绝缘。


3.根据权利要求1或2所述的模块化变流器(1)，其中，所述基础单元(10)的另一子集或者所述基础单元的另一子集的所述输入电路(10)布置在并联电路中。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的模块化变流器(1)，其中，第一基础单元(10)的输入电路(11)的第一相(21)与第二基础单元(10)的输入电路(11)的第一相(21)连接。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的模块化变流器(1)，其中，第一基础单元(10)的输入电路(11)...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克马蒂亚斯·巴克兰，于尔根·伯默尔，马丁·黑尔斯佩尔，埃伯哈德·乌尔里希·克拉夫特，贝恩德·拉斯卡，安德烈亚斯·纳格尔，斯特凡·汉斯·维尔纳·舍内沃夫，简·魏格尔，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE