УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
DEVICE FOR ELECTRIC POWER TRANSFORMATION

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Способ, раскрытый в этом описании, относится к устройству преобразования электрической энергии, в котором параллельно подключены транзистор для преобразования электрической энергии и сглаживающий конденсатор.
2. Описание предшествующего уровня техники
[0002] В устройстве преобразования электрической энергии, например, преобразователе напряжения или инверторе, между линией положительного электрода и линией отрицательного электрода подключен транзистор (транзистор большой мощности) для преобразования электрической энергии, передающий электрическую энергию постоянного тока, а также между линией положительного электрода и линией отрицательного электрода дополнительно подключен сглаживающий конденсатор. Сглаживающий конденсатор служит для устранения пульсаций (импульсного напряжения/тока), которые возникают из-за повторения включений и выключений транзистора.
[0003] В последние годы из-за повышения скорости переключения транзистора становится проблемой устранение перенапряжения во время переключения транзистора. Например, в устройстве преобразования электрической энергии, раскрытом в публикации японской нерассмотренной патентной заявки №2012-231593 (JP 2012-231593 А), для предотвращения перенапряжения, параллельно со сглаживающим конденсатором добавлена демпферная цепь, образованная последовательным соединением другого конденсатора и катушки (элемента индуктивности). В устройстве преобразования электрической энергии согласно JP 2012-231593 А, контур сглаживающего конденсатора, другой конденсатор, и катушка образуют так называемый LC-резонансный контур. Согласно JP 2012-231593 А, по меньшей мере, емкость одного из двух конденсаторов или индуктивность катушки регулируется таким образом, что резонансная частота LC-резонансного контура становится заранее заданной частотой, подавляемой среди частотных компонентов, возникающих при перенапряжении.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Если нарастание перенапряжения велико, сразу после переключения возникает явление колебаний напряжения / тока. Такое явление колебаний именуется «звоном». Способ JP 2012-231593 А фокусируется на предотвращении перенапряжения, а не на устранении «звона». Данным изобретением предложено устройство преобразования электрической энергии, способное эффективно устранять «звон».
[0005] Объект изобретения представляет собой устройство преобразования электрической энергии. Устройство преобразования электрической энергии, содержащее транзистор для преобразования электрической энергии, диод, сглаживающий конденсатор, и демпферную цепь. Диод подключен последовательно с транзистором. Сглаживающий конденсатор подключен параллельно с транзистором и диодом. Сглаживающий конденсатор выполнен с возможностью устранения пульсаций, генерируемых транзистором. Демпферная цепь включает в себя демпферный конденсатор, элемент индуктивности, а также резистор. Демпферный конденсатор, элемент индуктивности и резистор последовательно соединены друг с другом. Демпферная цепь подключена параллельно со сглаживающим конденсатором. Емкость демпферного конденсатора, индуктивность элемента индуктивности и параметр резистора устанавливаются таким образом, что резонансная частота демпферной цепи совпадает с частотой «звона» транзистора, и устанавливается таким образом, что импеданс первого контура на резонансной частоте становится меньше, чем импеданс второго контура на резонансной частоте. Первый контур включает в себя демпферную цепь и сглаживающий конденсатор. Второй контур включает в себя транзистор и сглаживающий конденсатор.
[0006] Если импеданс первого контура на резонансной частоте меньше, чем импеданс второго контура на резонансной частоте, составляющая тока, имеющая такую же частоту, что и резонансная частота, течет в первом контуре легче, чем во втором контуре. То есть, согласно вышеописанной конфигурации, если емкость демпферного конденсатора, индуктивность элемента индуктивности и параметры резистора задаются таким образом, что резонансная частота демпферной цепи совпадает с частотой «звона» транзистора, а импеданс первого контура на резонансной частоте меньше, чем импеданс второго контура на резонансной частоте, составляющая тока, возникшая из-за «звона», течет в демпферной цепи, и энергия потребляется резистором. То есть, можно быстро устранить звон.
[0007] В устройстве преобразования электрической энергии, емкость демпферного конденсатора может быть установлена так, чтобы быть равной межконтактной емкости транзистора. Индуктивность элемента индуктивности может быть установлена таким образом, чтобы индуктивность первого контура была равной индуктивности второго контура. Параметры резистора могут быть установлены таким образом, чтобы импеданс первого контура на резонансной частоте был меньше, чем импеданс второго контура на резонансной частоте. При вышеописанной конфигурации, если емкость демпферного конденсатора устанавливается так, чтобы быть равной межконтактной емкости транзистора, индуктивность элемента индуктивности устанавливается таким образом, что индуктивность первого контура становится равной индуктивности второго контура, а резонансная частота демпферной цепи совпадает с частотой «звона». На резонансной частоте воздействие емкости конденсатора и импеданса индуктивности теоретически становится нулевым. То есть, импеданс на резонансной частоте демпферной цепи, сформированной последовательным соединением резистора, конденсатора, и элемента индуктивности, определяется только параметром резистора. По этой причине, если емкость демпферного конденсатора и индуктивность элемента индуктивности устанавливаются, как описано выше, импеданс первого контура на частоте «звона» может регулироваться только параметром резистора. То есть, емкость демпферного конденсатора, индуктивность элемента индуктивности, и параметр резистора могут устанавливаться отдельно, и легко выбираются соответствующие элементы для пропускания составляющих колебаний тока из-за «звона» через демпферную цепь. При таких установках, поскольку емкость демпферного конденсатора, индуктивность элемента индуктивности, и параметр резистора, входящих в демпферную цепь, могут устанавливаться отдельно, можно легко реализовать устройство преобразования электрической энергии с демпферной цепью, которая устраняет «звон».
[0008] В устройстве преобразования электрической энергии, демпферная цепь может быть размещена в блоке конденсатора. Блок конденсатора может помещать в себя сглаживающий конденсатор. При вышеописанной конфигурации нет необходимости предусматривать пространство для демпферной цепи, отличной от блока конденсатора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0009] Признаки, преимущества, а также техническое и промышленное назначение иллюстративных вариантов осуществления изобретения описываются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены одинаковые элементы, и на которых:
Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему устройства преобразования электрической энергии в первом примере;
Фиг. 2 представляет собой график, показывающий пример частотной характеристики импеданса контура сглаживающего конденсатора и импеданса контура демпферной цепи;
Фиг. 3 показывает пример результата моделирования для подтверждения эффектов демпферной цепи;
Фиг. 4 показывает пример результата моделирования для подтверждения эффекта снижения шумов, когда параметр резистора демпферной цепи меняется;
Фиг. 5 представляет собой принципиальную схему устройства преобразования электрической энергии во втором примере;
Фиг. 6 представляет собой вид сверху устройства преобразования электрической энергии второго примера; и
Фиг. 7 представляет собой вид в разрезе, взятый по линии VII-VII с фиг. 6.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0010] Устройство преобразования электрической энергии первого примера будет описано со ссылкой на фиг. 1-4. Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему устройства преобразования электрической энергии в первом примере. Устройство преобразования электрической энергии в первом примере представляет собой повышающий преобразователь 10, который повышает электрическую мощность источника 2 питания постоянного тока, соединенного с концом 11 входа и выдает электрическую мощность на конец 12 выхода.
[0011] Далее будет описана структура цепи повышающего преобразователя 10. Повышающий преобразователь 10 снабжен фильтрующим конденсатором 14, реактором 15, транзистором 16, диодом 18 предотвращения обратного тока, сглаживающим конденсатором 19, и демпферной цепью 20. Транзистор 16 представляет собой транзистор большой мощности для преобразования электрической энергии. Транзистор 16 формируется на подложке из карбида кремния (SiC) или нитрида галлия (GaN), и имеет высокую скорость переключения.
[0012] Фильтрующий конденсатор 14 подключен между положительным электродом Па конца входа и отрицательным электродом 11b конца входа повышающего преобразователя 10. Реактор 15 имеет первый конец, соединенный с положительным электродом Па конца входа, и второй конец, соединенный с электродом 16d стока транзистора 16. Электрод 16d стока также соединен с положительным электродом 12а конца выхода через диод 18 предотвращения обратного тока. Диод 18 предотвращения обратного тока имеет анод, соединенный с электродом 16d стока, а также катод, соединенный с положительным электродом 12а конца выхода. Электрод 16s истока транзистора 16 соединен с отрицательным электродом 11b конца входа. Электрод 16s истока транзистора 16 соединен с отрицательным электродом 12b конца выхода через катушку 28 (описано ниже). Другими словами, транзистор 16 подключен между положительной силовой линией 13а электрической мощности и отрицательной силовой линией 13b электрической мощности, на которую передается электрическая мощность источника 2 питания постоянного тока.
[0013] Диод 18 предотвращения обратного тока подключен последовательно с транзистором 16. Сглаживающий конденсатор 19 подключен параллельно с последовательным соединением транзистора 16 и диода 18 предотвращения обратного тока.
[0014] Демпферная цепь 20 формируется последовательным соединением резистора 21, демпферного конденсатора 22, и катушки 23, а последовательное соединение подключено параллельно со сглаживающим конденсатором 19. Другими словами, подобно транзистору 16 или сглаживающему конденсатору 19, демпферная цепь 20 подключена между положительной силовой линией 13а электрической мощности и отрицательной силовой линией 13b электрической мощности.
[0015] Катушка 28, обозначенная прерывистой линией на фиг. 1, обозначает паразитную индуктивность, которая возникает в контуре, формируемом транзистором 16 и сглаживающим конденсатором 19, а конденсатор 16 с, обозначенный прерывистой линией, обозначает межконтактную емкость (паразитную емкость), которая возникает между электродом 16d стока, и электродом 16s истока транзистора 16. При этом, паразитная индуктивность, которая возникает в контуре, образованном транзистором 16 и сглаживающим конденсатором 19, обозначена символом La, и межконтактная емкость транзистора 16 обозначена символом Са. Паразитная индуктивность La находится в диапазоне от нескольких [нГн] до нескольких десятков [нГн], и межконтактная емкость Са составляет нескольких сотен [пФ].
[0016] Транзистор 16 повышающего преобразователя 10 многократно включается и выключается в ответ на сигнал возбуждения, имеющий заданный коэффициент заполнения, отправленный с драйвера управления затвором (не показан), и повышает электрическую мощность постоянного тока, подаваемую на конец 11 входа. Конфигурация схемы (исключая демпферную цепь 20) повышающего преобразователя 10, показанная на фиг. 1, хорошо известна, и, таким образом, подробное описание ее работы будет опущено.
[0017] Фильтрующий конденсатор 14 и сглаживающий конденсатор 19 служат для устранения пульсаций, возникающих в электропитании постоянным током. Пульсации представляют собой импульсное напряжение/импульсный ток, возникающие из-за повторения переключения транзистора 16, и их частота зависит от несущей частоты при определении времени переключения транзистора 16. Несущая частота транзистора 16 находится, по существу, в диапазоне от нескольких [кГц] до нескольких десятков [кГц]. Соответственно, полоса частот пульсации становится диапазоном от нескольких [кГц] до нескольких десятков [кГц]. Емкость фильтрующего конденсатора 14 или сглаживающего конденсатора 19 для устранения пульсаций в этой полосе частот устанавливается в диапазоне от нескольких десятков [мкФ] до нескольких сотен [мкФ].
[0018] В быстродействующем транзисторе большой мощности с использованием карбида кремния (SiC) или нитрида галлия (GaN), возрастают колебания напряжения / тока, возникающие в электроде стока или электроде истока сразу после переключения от открытого состояния к закрытому состоянию и сразу после переключения от закрытого состояния к открытому состоянию. Колебания напряжения / тока, возникающие сразу после переключения от открытого состояния к закрытому состоянию и сразу после переключения от закрытого состояния к открытому состоянию, именуются «звоном». Емкость Cs демпферного конденсатора 22, параметр Rs резистора 21, и индуктивность Ls катушки 23 демпферной цепи 20 устанавливаются таким образом, чтобы устранить «звон».
[0019] Далее будут описаны установки емкости Cs демпферного конденсатора 22, параметра Rs резистора 21, и индуктивности катушки 23 демпферной цепи 20. Индуктивность контура (контура, обозначенного ссылочной позицией А1 на фиг. 1) сглаживающего конденсатора 19 и демпферная цепь 20, включающая в себя индуктивность катушки 23, обозначена символом Ls. Полоса частот «звона» зависит от межконтактной емкости Са транзистора 16 и паразитной индуктивности La контура (контура, обозначенного ссылочной позицией А2 на фиг. 1) транзистора 16 и сглаживающего конденсатора 19. В частности, частота Fa «звона» может быть приблизительно определена выражением (1).
[0020] В то время, как сглаживающий конденсатор 19 присутствует в контуре транзистора 16 и сглаживающего конденсатора 19, емкость Cm сглаживающего конденсатора 19 отсутствует в выражении (1). Это связано с тем, что полоса частот «звона» находится в диапазоне от нескольких [МГц] до нескольких десятков [МГц] и в 1000 раз больше, чем полоса частот (от нескольких [кГц] до нескольких десятков [кГц]) пульсаций. То есть, в случае приблизительного определения частоты Fa «звона», емкостью сглаживающего конденсатора 19 для устранения пульсаций можно пренебречь. В этой связи, межконтактная емкость Са находится в диапазоне от нескольких сотен [пФ] до нескольких [нФ] и равна или меньше, чем одна тысячная емкости (от нескольких [мкФ] до нескольких сотен [мкФ]) сглаживающего конденсатора 19.
[0021] Далее, для удобства описания, контур (контур сглаживающего конденсатора 19 и демпферная цепь 20), обозначенный ссылочной позицией А1 на фиг. 1, именуется первым контуром, а контур (контур транзистора 16 и сглаживающего конденсатора 19), обозначенный ссылочной позицией А2, именуется вторым контуром.
[0022] Резонансная частота Fs первого контура (контур А1 с фиг. 1), сформированного сглаживающим конденсатором 19 и демпферной цепью 20, может быть представлена выражением (2).
[0023] Как описано выше, в выражении (2), символ Cs обозначает емкость демпферного конденсатора 22, а символ Ls обозначает индуктивность первого контура, сформированного сглаживающим конденсатором 19 и демпферной цепью 20, включающей в себя индуктивность катушки 23. При совпадении частоты Fa «звона», представленной в выражении (1), с резонансной частотой Fs демпферной цепи 20, представленной в выражении (2), емкость Cs и индуктивность катушки 23 можно регулировать таким образом, что произведение [Cs⋅Ls] емкости Cs демпферного конденсатора 22 и индуктивности Ls первого контура становится равным произведению [Са⋅La] межконтактной емкости Са и паразитной индуктивности La (индуктивности второго контура). Просто емкость Cs демпферного конденсатора 22 может быть установлена на значение, равное межконтактной емкости Са, а индуктивность катушки 23 может быть установлена таким образом, что индуктивность Ls первого контура становится равной индуктивности La второго контура. И наоборот, емкость Cs демпферного конденсатора 22 устанавливается на величину, равную межконтактной емкости Са, а индуктивность катушки 23 устанавливается таким образом, что индуктивность Ls первого контура становится равной индуктивности La второго контура, благодаря чему можно сделать резонансную частоту Fs демпферной цепи совпадающей с частотой Fa «звона». Емкость Са демпферного конденсатора 22 становится равной межконтактной емкости в диапазоне от нескольких сотен [пФ] до нескольких [нФ], и в результате, становится равной или меньше, чем одна тысячная емкости (несколько десятков [мкФ] до нескольких сотен [мкФ]) сглаживающего конденсатора 19, описанного выше.
[0024] При обеспечении совпадения произведения [Cs⋅Ls] с произведением [Са⋅La], емкость Cs и индуктивность Ls могут иметь заданное соотношение. Однако в этом примере емкость Cs демпферного конденсатора 22 выполнена так, чтобы совпадать с паразитной емкостью Са, а индуктивность Ls первого контура выполнена так, чтобы совпадать с индуктивностью La второго контура. Преимущество такой установки будет описано ниже.
[0025] Далее будет описана установка параметра (значения Rs сопротивления) резистора 21 демпферной цепи 20. Частотная характеристика импеданса Z1 первого контура сглаживающего конденсатора 19 и демпферной цепи 20 может быть представлена выражением (3).
[0026] На резонансной частоте Fs значение в скобках в правой части выражения (3) равно нулю. Соответственно, импеданс Z1 на резонансной частоте Fs определяется значением Rs сопротивления резистора 21. Другими словами, емкость Cs демпферного конденсатора 22 и индуктивность Ls первого контура не влияют на импеданс Z1 на резонансной частоте Fs. Далее, импеданс первого контура на резонансной частоте обозначается символом Zs.
[0027] На фиг. 2 показаны примеры частотной характеристики импеданса Z1 первого контура демпферной цепи 20 и сглаживающего конденсатора 19, и частотной характеристики импеданса Z2 второго контура транзистора 16 и сглаживающего конденсатора 19. Как показано на фиг. 2, значение Rs сопротивления устанавливается таким образом, что импеданс Zs первого контура демпферной цепи 20 и сглаживающего конденсатора 19 на резонансной частоте Fs становится меньше, чем импеданс Z2a второго контура сглаживающего конденсатора 19 и транзистора 16 на резонансной частоте Fs. Таким образом, составляющая колебаний тока (частота Fa=Fs) «звона», возникающего в транзисторе 16, с легкостью течет в первом контуре (то есть, контуре, сформированном демпферной цепью 20 и сглаживающим конденсатором 19), имеющем импеданс ниже, чем у второго контура. В результате, составляющая колебаний тока «звона», возникающего в транзисторе 16, циркулирует по первому контуру, сформированному демпферной цепью 20 й сглаживающим конденсатором 19, и ослабляется резистором 21 при каждой циркуляции.
[0028] Емкость Cs демпферного конденсатора 22, значение Rs сопротивления резистора 21, и индуктивность катушки 23 устанавливаются, как описано выше, в результате чего можно эффективно устранять «звон», возникающий в транзисторе 16. В частности, можно задавать емкость Cs, соответствующую межконтактной емкости Са транзистора 16, и задавать индуктивность катушки 23, соответствующую индуктивности La второго контура. Можно задавать значение Rs сопротивления, соответствующее импедансу на резонансной частоте Fs. То есть, можно отдельно задавать емкость Cs демпферной цепи 20, индуктивность катушки 23, и значение Rs сопротивления. При использовании способа в соответствии с данным примером, можно легко реализовать устройство преобразования электрической энергии с демпферной цепью, которая эффективно устраняет «звон».
[0029] Индуктивность элемента индуктивности регулируется таким образом, что индуктивность Ls первого контура, сформированного демпферной цепью 20 и сглаживающим конденсатором 19, становится равной индуктивности La второго контура, сформированного транзистором 16 и сглаживающим конденсатором 19, в результате чего достигается следующее преимущество. Индуктивность Ls первого контура соответствует наклону частотной характеристики импеданса первого контура в области частоты, которая выше, чем резонансная частота. Индуктивность La второго контура соответствует наклону частотной характеристики импеданса второго контура в области частоты, которая выше, чем резонансная частота. Когда индуктивность La становится равной индуктивности Ls, как показано на фиг. 2, это означает, что диаграммы частотных характеристик импеданса первого контура и второго контура параллельны друг другу в области частоты, которая выше, чем резонансная частота Fs. Соответственно, если значение Rs сопротивления задается таким образом, что импеданс Zs первого контура становится ниже, чем импеданс Z2a второго контура, на заданную разность или более на резонансной частоте Fs, это гарантирует то, что импеданс первого контура становится ниже, чем импеданс второго контура в полосе частот, которая выше, чем резонансная частота Fs. В этом случае, составляющая колебаний тока «звона» на частоте, которая выше, чем резонансная частота Fs, также с легкостью течет в демпферной цепи 20. Можно устранить не только составляющую колебаний тока «звона» на основной частоте, но и составляющую колебаний тока на высокой частоте. Значение Rs сопротивления задается таким образом, что импеданс Zs первого контура становится ниже, чем импеданс Z2a второго контура, на заданную разность, или более, в силу чего можно также ожидать следующего результата. Даже если фактические характеристики импеданса первого контура и второго контура слегка отклоняются от расчетных характеристик импеданса, меньше вероятности, что импеданс первого контура станет выше, чем импеданс второго контура в области частоты, которая выше, чем резонансная частота Fs. Соответственно, составляющая шумов, имеющая частоту, которая выше, чем резонансная частота Fs (= частота Fa «звона»), с надежностью направляется в демпферную цепь 20, в результате чего можно ожидать эффекта снижения шумов демпферной цепи 20.
[0030] Поскольку импеданс первого контура на резонансной частоте Fs задается только значением Rs сопротивления, как показано на фиг. 2, кривая импеданса первого контура вблизи резонансной частоты Fs становится плоской. Это означает, что даже если фактическая частота Fa «звона» и фактическая резонансная частота Fs немного отклоняются, демпферная цепь 20 может поддерживать высокую характеристику ослабления по отношению к «звону».
[0031] Емкость Cs демпферного конденсатора 22, значение Rs сопротивления резистора 21, и индуктивность катушки 23 регулируются, как описано выше, в силу чего можно также ожидать следующего результата. Если емкость Cs демпферного конденсатора 22 устанавливается на величину, равную межконтактной емкости Са, а индуктивность катушки 23 устанавливается таким образом, что индуктивность Ls первого контура становится равной индуктивности La второго контура, схема демпферной цепи 20 для устранения «звона» упрощается. То есть, в конструкции повышающего преобразователя 10, емкость Cs демпферного конденсатора 22 может быть установлена согласно межконтактной емкости Са транзистора 16. Другими словами, демпферный конденсатор 22 может быть выбран согласно межконтактной емкости Са транзистора 16. В конструкции повышающего преобразователя 10, индуктивность катушки 23 демпферной цепи 20 может устанавливаться в соответствии с конструкцией проводника (шины), который соединяет транзистор 16 и сглаживающий конденсатор 19. Другими словами, катушка 23 демпферной цепи 20 может выбираться в зависимости от конструкции проводника (шины), который соединяет транзистор 16 и сглаживающий конденсатор 19.
[0032] Далее будет описан результат моделирования для подтверждения эффекта демпферной цепи 20. Фиг. 3 представляет собой диаграмму результата моделирования контура с фиг. 1. На фиг. 3 показана форма временной характеристики выходного напряжения, когда транзистор 16 переключают с включенного режима на выключенный режим в момент Ts времени. Черная линия обозначает временную характеристику в случае, когда имеется демпферная цепь, а серая линия обозначает временную характеристику в случае, когда демпферная цепь отсутствует. Использованные параметры следующие: выходное напряжение (напряжение после повышения)=600 [В], межконтактная емкость Са транзистора 16=1 [нФ], индуктивность La контура (второй контур) транзистора 16 и сглаживающего конденсатора 19=50 [нГн], емкость Cm сглаживающего конденсатора 19=355 [мкФ], емкость Cs демпферного конденсатора 22=1 [нФ], значение Rs сопротивления резистора 21=500 [мОм], и индуктивность Ls контура (первый контур), образованного демпферной цепью 20 и сглаживающим конденсатором 19=50 [нГн]. Индуктивность Ls включает в себя индуктивность катушки 23 и паразитную индуктивность, возникающую в проводнике, образующем первый контур. Условия, используемые при моделировании, составляют [емкость Cs демпферного конденсатора 22]=[межконтактная емкость Са транзистора 16]=1 [нФ]. Кроме того, [индуктивность Ls первого контура]=[индуктивность La второго контура]=50 [нГн]. Значение Rs сопротивления резистора 21=500 [мОм] соответствует Zs на диаграмме с фиг. 2. Как показано на фиг. 3, при применении демпферной цепи 20, составляющие колебаний тока, вызванные «звоном», быстро затухают.
[0033] Далее будет описан результат моделирования для оценки влияния значения Rs сопротивления. Фиг. 4 представляет собой диаграмму, на которой изображена величина уровня шума при изменении значения Rs сопротивления. На фиг. 4 показана величина уровня (уровня шума) на частоте «звона» посредством преобразования частоты временной характеристики, когда транзистор 16 включается и выключается. Как показано на фиг. 4, когда значение Rs сопротивления = 500 [мОм], уровень шума становится минимальным. В это время, уровень шума понижен не менее, чем на 10 [дБ], по сравнению со случаем, когда демпферная цепь 20 не используется (в случае, когда Rs=0).
[0034] Если значение Rs сопротивления чрезмерно большое, как описано со ссылкой на фиг. 2, величина тока, текущего в первом контуре демпферной цепи 20 вследствие составляющей колебаний тока, возникшей из-за «звона», становится больше, чем величина тока, текущего во втором контуре сглаживающего конденсатора 19 и транзистора 16 вследствие составляющей колебаний тока, возникшей из-за «звона», и уровень шума увеличивается. Если значение Rs сопротивления избыточно мало, эффект ослабления снижается. Как описано выше, значение Rs сопротивления устанавливается таким образом, что импеданс Zs на резонансной частоте Fs первого контура демпферной цепи 20 и сглаживающего конденсатора 19 становится меньше, чем импеданс Z2a на резонансной частоте Fs второго контура транзистора 16 и сглаживающего конденсатора 19.
[0035] В примере с фиг. 2, значение Rs сопротивления задается таким образом, что импеданс Zs первого контура становится ниже, чем импеданс Z2a второго контура, на заранее заданную разность или более. До тех пор, пока значение Rs сопротивления устанавливается таким образом, что импеданс Zs первого контура на резонансной частоте Fs становится меньше, чем импеданс Z2a второго контура на резонансной частоте Fs, вышеописанное условие может не выполняться. То есть, на диаграмме с фиг. 2, если сплошная линия находится ниже пунктирной линии на резонансной частоте Fs, пунктирная линия может быть расположена ниже сплошной линии в полосе частот, которая выше, чем резонансная частота Fs.
[0036] В вышеописанном примере, емкость Cs демпферного конденсатора 22 устанавливается так, чтобы быть равной межконтактной емкости Са транзистора 16, а индуктивность катушки 23 устанавливается таким образом, что индуктивность первого контура становится равной индуктивности второго контура. Даже если эти условия не выполнены, емкость Cs, индуктивность катушки 23, и значение Rs сопротивления могут соответствовать следующим условиям. То есть, емкость Cs, индуктивность катушки 23, и значение Rs сопротивления могут быть установлены таким образом, что резонансная частота Fs демпферной цепи 20 совпадает с частотой «звона» Fa транзистора 16, а импеданс первого контура на резонансной частоте Fs становится меньше, чем импеданс второго контура на резонансной частоте Fs. В частности, произведение [Cs⋅Ls] емкости Cs демпферного конденсатора 22 и индуктивности Ls первого контура может совпадать с произведением [Са⋅La] межконтактной емкости Са транзистора 16 и паразитной индуктивности La второго контура. При этом, значение Rs сопротивления может быть установлено таким образом, что импеданс первого контура на резонансной частоте Fs становится меньше, чем импеданс второго контура на резонансной частоте Fs. В этом случае, предпочтительно, что достигается степень свободы при установке емкости Cs демпферного конденсатора 22 и индуктивности катушки 23.
[0037] Устройство преобразования электрической энергии второго примера будет описано со ссылкой на фиг. 5-7. Фиг. 5 представляет собой принципиальную схему устройства 10а преобразования электрической энергий второго примера. Устройство 10а преобразования электрической энергии представляет собой устройство, которое повышает электрическую мощность источника 2 питания постоянного тока, преобразует электрическую энергию в электрическую энергию переменного тока, и подает трехфазную электрическую энергию переменного тока на два электродвигателя 3а, 3b. Устройство 10а преобразования электрической энергии установлено в электрическом транспортном средстве, и два электродвигателя 3а, 3b являются электродвигателями для обеспечения движения. Электродвигатели 3а, 3b функционируют также в качестве генераторов электрической энергии.
[0038] Устройство 10а преобразования электрической энергии содержит двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный и два инвертора 32а, 32b. Двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный может выполнять операцию повышения, чтобы повышать напряжение источника 2 питания постоянного тока и подавать напряжение на инверторы 32а, 32b, а также операцию снижения для снижения напряжения регенеративной электрической энергии, передаваемой от инверторов 32а, 32b, и подавать регенеративную электрическую энергию на источник 2 питания постоянного тока. Регенеративная электрическая энергия является электрической энергией, генерируемой электродвигателями 3а, 3b. Инверторы 32а, 32b могут преобразовывать электрическую энергию переменного тока, генерируемую электродвигателями 3а, 3b, в электрическую энергию постоянного тока, и могут подавать электрическую энергию постоянного тока на двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный.
[0039] Двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный снабжен фильтрующим конденсатором 14, реактором 15, двумя транзисторами 16а, 16b, и обратными диодами 17а, 17b. Два транзистора 16а, 16b подключены последовательно, а обратные диоды 17а, 17b подсоединены обратно-параллельно с транзисторами 16а, 16b, соответственно. Транзистор 16а со стороны высокого напряжения и обратный диод 17b со стороны низкого напряжения участвуют главным образом в операции снижения, а транзистор 16b со стороны низкого напряжения и обратный диод 17а со стороны высокого напряжения участвуют главным образом в операции повышения. Конфигурация контура и функционирование двунаправленного преобразователя постоянного тока в постоянный с фиг. 5 хорошо известны, и, таким образом, их дальнейшее описание будет опущено.
[0040] Сглаживающий конденсатор 19 соединен с высоковольтными выводами 31а, 31b двунаправленного преобразователя постоянного тока в постоянный. Другими словами, сглаживающий конденсатор 19 подключен параллельно с последовательным соединением транзисторов 16а, 16b. При рассмотрении транзистора 16а и обратного диода 17b, можно отметить, что сглаживающий конденсатор 19 подключен параллельно с последовательным соединением транзистора 16а и обратного диода 17b. При рассмотрении транзистора 16b и обратного диода 17а, можно отметить, что сглаживающий конденсатор 19 подключен параллельно с последовательным соединением транзистора 16b и обратного диода 17а. Демпферная цепь 20 подключена параллельно со сглаживающим конденсатором 19. Демпферная цепь 20 сформирована последовательным соединением резистора 21, демпферного конденсатора 22, и катушки 23. Демпферная цепь 20 на фиг. 5 такая же, что и демпферная цепь 20, показанная на фиг. 1.
[0041] Инверторы 32а, 32b соединены с высоковольтными выводами 31а, 31b двунаправленного преобразователя постоянного тока в постоянный. Инвертор 32а снабжен тремя группами последовательных соединений двух транзисторов 4. Обратный диод 5 подключен обратно-параллельно с каждым транзистором 4. Три группы последовательных соединений подключены параллельно между положительной силовой линией 13а электрической мощности и отрицательной силовой линией 13b электрической мощности. Переменный ток выдается из средней точки каждого последовательного соединения. Конфигурация контура преобразователя 32b такая же, что и конфигурация контура преобразователя 32а, и, соответственно, на фиг. 5, конфигурация контура преобразователя 32b не показана.
[0042] Все транзисторы 16а, 16b двунаправленного преобразователя постоянного тока в постоянный и совокупность транзисторов 4 инверторов 32а, 32b являются транзисторами большой мощности для преобразования электрической энергии, и выполнены с подложкой из карбида кремния (SiC) или нитрида галлия (GaN) в качестве основания. Такие транзисторы имеют быструю скорость переключения, и, подобно транзистору 16 первого примера, имеют большую величину «звона» (колебания напряжения/тока после переключения). Как описано ниже, демпферная цепь 20 может устранять «звон» всех транзисторов 16а, 16b, 4 устройства 10а преобразования электрической энергии.
[0043] Как показано на фиг. 5, все транзисторы 16а, 16b двунаправленного преобразователя постоянного тока в постоянный и транзисторы 4 инверторов 32а, 32b подключены параллельно со сглаживающим конденсатором 19 и демпферной цепью 20.
[0044] В устройстве 10а преобразования электрической энергии, все транзисторы имеют одинаковые характеристики, и имеют одинаковую межконтактную емкость Са. В устройстве 10а преобразования электрической энергии, проводник, который соединяет каждый транзистор и сглаживающий конденсатор 19, регулируется таким образом, чтобы индуктивность контура (второго контура), сформированного каждым транзистором и сглаживающим конденсатором 19, являлась одинаковой. По этой причине, частота «звона» становится одинаковой во всех транзисторах. Емкость демпферного конденсатора 22 устанавливается так, чтобы стать равной межконтактной емкости транзистора. Индуктивность катушки 23 может регулироваться таким образом, чтобы индуктивность контура (первого контура), сформированного демпферной цепью 20 и сглаживающим конденсатором 19, становилась равной индуктивности контура (второго контура), сформированного каждым транзистором и сглаживающим конденсатором. По этой причине, как и в первом примере, резонансная частота демпферной цепи 20 совпадает с частотой «звона» транзистора. Параметр резистора 21 регулируется таким образом, что импеданс на резонансной частоте Fs контура (первого контура) демпферной цепи 20 и сглаживающего конденсатора 19, становился меньше, чем импеданс на резонансной частоте Fs контура (второго контура) сглаживающего конденсатора 19 и каждого транзистора. Поскольку соответствующие элементы демпферной цепи 20 устанавливаются, как описано выше, демпферная цепь 20 может устранить «звон» всех транзисторов. В устройстве 10а преобразования электрической энергии с фиг. 5, подобно повышающему преобразователю 10 первого примера, емкость демпферного конденсатора 22, индуктивность катушки 23, и параметр резистора 21 демпферной цепи 20 можно задавать отдельно.
[0045] Фиг. 6 представляет собой вид сверху оборудования устройства 10а преобразования электрической энергии, а фиг. 7 представляет собой вид в разрезе, взятый по линии VII-VII с фиг. 6. В устройстве 10а преобразования электрической энергии, в кожухе 90 размещен многослойный блок 40, в котором послойно установлено несколько плат 8 питания и несколько охлаждающих пластин 41, реакторный блок 104, блок 103 первого конденсатора, и блок 105 второго конденсатора.
[0046] В многослойном блоке 40, с послойным чередованием уложены по одной платы 8 питания и охлаждающие пластины 41. Через охлаждающие пластины 41 проходит трубка 91 подачи хладагента и трубка 92 выпуска хладагента. Один конец трубки 91 подачи хладагента и трубки 92 выпуска хладагента выходит наружу кожуха 90 и соединяется с устройством циркуляции хладагента (не показано). Хладагент распределяется на все охлаждающие пластины 41 через трубку 91 подачи хладагента, и охлаждает платы 8 питания, смежные с каждой из охлаждающих пластин 41. Хладагент, проходящий через охлаждающую пластину 41, возвращается в устройство циркуляции хладагента (не показано) через трубку 92 выпуска хладагента.
[0047] В каждой плате 8 питания, два транзистора, подключенных последовательно, и обратный диод, соединенные обратно-параллельно с каждым транзистором, размещены в пластиковом основном корпусе 9. В устройстве 10а преобразования электрической энергии, одна группа из последовательного соединения двух транзисторов 16а, 16b включена в двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный, и три группы последовательных соединений из двух транзисторов 4 включены в каждый из инверторов 32а, 32b. Каждое последовательное соединение соответствует одной плате 8 питания. То есть, устройство 10а преобразования электрической энергии оснащено семью группами последовательных соединений, то есть, семью платами 8 питания. Вывод 8а положительного электрода, соответствующий выводу со стороны высокого напряжения последовательного соединения транзисторов, вывод 8b отрицательного электрода, соответствующий выводу со стороны низкого напряжения, и средний вывод 8 с, соответствующий средней точке, выступают из основного корпуса 9 каждой платы 8 питания. Выводы 8а положительного электрода и выводы 8b отрицательного электрода всех плат 8 питания соединены со вторым блоком 105 конденсатора шиной 43 положительного электрода и шиной 42 отрицательного электрода, соответственно. Шина 43 положительного электрода соответствует линии 13а положительного электрода электрической энергии с фиг. 5, а шина 42 отрицательного электрода соответствует линии 13b отрицательного электрода электрической энергии с фиг. 5.
[0048] Конденсаторный элемент 105а, соответствующий сглаживающему конденсатору 19 на фиг. 5, конденсаторный элемент 122, соответствующий демпферному конденсатору 22 демпферной цепи 20 на фиг. 5, резисторный элемент 121, соответствующий резистору 21 на фиг. 5, и катушечный элемент 123, соответствующий катушке 23 с фиг. 5, встроены во второй блок 105 конденсатора (см. фиг. 7). Конденсаторный элемент 105а подключен между шиной 43 положительного электрода и шиной 42 отрицательного электрода внутри второго блока 105 конденсатора. Резисторный элемент 121, конденсаторный элемент 122, и катушечный элемент 123 подключены последовательно внутри второго блока 105 конденсатора, и последовательное соединение (демпферная цепь 20) подключена между шиной 43 положительного электрода и шиной 42 отрицательного электрода. То есть, демпферная цепь 20 размещена во втором блоке 105 конденсатора, в котором размещен сглаживающий конденсатор 19. При этом, демпферная цепь 20 (конденсаторный элемент 122, резисторный элемент 121, и катушечный элемент 123) подключена параллельно со сглаживающим конденсатором 19 (конденсаторным элементом 105а) внутри второго блока 105 конденсатора. Демпферная цепь 20 размещена во втором блоке 105 конденсатора, в результате чего можно уменьшить размер устройства 10а преобразования электрической энергии по сравнению со случаем, когда предусмотрено независимое пространство для демпферной цепи 20.
[0049] Средние выводы 8 с шести плат питания (остальных плат 8 питания, исключая платы питания на левом конце с фиг. 6), составляющих два инвертора 32а, 32b, соединены с соединительным выводом 93 снаружи через другую шину. Платы питания (платы 8 питания на левом конце с фиг. 6), содержащие последовательное соединение транзисторов, входящих в двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный, соединены с реакторным блоком 104 через шину 44. Реакторный блок 104 и первый блок 103 конденсатора присоединены друг к другу посредством другой шины 45. Реакторный элемент, соответствующий реактору 15 с фиг. 5, размещен в реакторном блоке 104, показанном на фиг. 6, а конденсаторный элемент, соответствующий конденсатору 14 фильтра с фиг. 5, размещен в первом блоке 103 конденсатора.
[0050] Далее будут описаны основные моменты, относящиеся к способу, описанному в примерах. Сглаживающий конденсатор 19 представляет собой конденсатор, который устраняет пульсации от нескольких [кГц] до нескольких десятков [кГц], и емкость которого, по существу, установлена в диапазоне от нескольких десятков [мкФ] до нескольких сотен [мкФ]. Емкость демпферного конденсатора 22, который включен для устранения «звона» в диапазоне от нескольких [МГц] до нескольких десятков [МГц], по существу, установлена в диапазоне от нескольких сотен [пФ] до нескольких [нФ]. Емкость Cs демпферного конденсатора 22 равна или меньше, чем одна тысячная емкости Cm сглаживающего конденсатора 19 для устранения пульсаций. Поскольку имеется такая разница, в случае определения емкости демпферного конденсатора 22, емкостью сглаживающего конденсатора 19 можно пренебречь.
[0051] Транзисторы 16, 16а, 16b, и 4 данных примеров соответствуют примеру «транзистора для преобразования электрической энергии» в соответствии с «СУЩНОСТЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ». Катушка 23 примеров соответствует примеру «элемент индуктивности» в соответствии с «СУЩНОСТЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ». Контур, обозначенный ссылочной позицией А на фиг. 1, соответствует примеру «первого контура» в соответствии с «СУЩНОСТЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ», а контур, обозначенный ссылочной позицией А2 на фиг. 1 соответствует примеру «второго контура» в соответствии с «СУЩНОСТЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ». На фиг. 5 контур, сформированный демпферной цепью 20 и сглаживающим конденсатором 19, соответствует другому примеру «первого контура» в соответствии с «СУЩНОСТЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ», а контур, сформированный из каждого транзистора и сглаживающего конденсатора 19, соответствует другому примеру «второго контура» в соответствии с «СУЩНОСТЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ».
[0052] Хотя конкретные примеры изобретения были описаны подробно, эти примеры приведены в иллюстративных целях и не предназначены для ограничения изобретения. Изобретение включает в себя различные модификации и изменения конкретных примеров, показанных выше. Технические элементы, описанные в этом описании или чертежах, имеют техническую пользу отдельно или в сочетании некоторых из них, и это сочетание не ограничивается тем, что описано в представленной формуле изобретения. Технология, проиллюстрированная в этом описании или чертежах, одновременно достигает нескольких целей, и имеет техническую пользу путем достижения одной из этих целей.