DE69316692T2

DE69316692T2 - Wechselrichter für ein elektrisches Betriebsmittel

Info

Publication number: DE69316692T2
Application number: DE69316692T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ando; Akira Horie; Takayuki Matsui; Kiyoshi Nakamura; Kiyoshi Nakata; Shuji Saito; Toshihiko Takaku; Eiichi Toyota; Takashi Tsuboi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-10-02
Filing date: 1993-09-22
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2013-09-23
Also published as: CN1091869A; EP0590502A3; CN1036749C; EP0590502B1; DE69316692D1; KR940009568A; EP0590502A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Wechseirichter für elektrische Fahrzeuge, und insbesondere betrifft sie einen Wechseirichter, der für elektrische Fahrzeuge wie elektrische Schienenfahrzeuge und Elektrolokomotiven geeignet ist.

2. Beschreibung der einschlägigen Technik

Es wurde ein Ansteuerungssystem zum Ansteuern eines Induktionsmotors mit variablen Drehzahlen unter Verwendung eines Wechselrichters als Energieversorgungssystem zum Betreiben elektrischer Fahrzeuge der praktischen Verwendung zugeführt.
Wenn derartige Wechselrichter z.B. bei einem Schienenfahrzeug angewandt werden, bei dem Elektromotoren über mehrere Achsen verteilt sind, müssen sie in begrenztem Unterbodenraum montiert werden, so dass sie so klein wie möglich sein müssen. Auf ähnliche Weise besteht bei Elektrolokomotiven Bedarf nach einer Verringerung der Größe jedes Wechselrichters, um das Gesamtleistungsvermögen der Wechselrichter zu erhöhen, die an einer einzelnen Lokomotive montiert werden können.
Herkömmlicherweise werden GTO-Thyristoren (Gate-Abschalt- Thyristoren) als Halbleiter-Schaltbauteile in Wechselrichter-Hauptschaltkreisen zum Ansteuern elektrischer Fahrzeuge verwendet, wie in der Offenlegung Nr. 2-75738 zu einem Japanischen Gebrauchsmuster oder in "GTO-Stromrichter für Bahnen" (SIEMENS, Sonderdruck aus ZEV-Glasers Annalen 113 (1989), Nr. 6/7, Juni/Juli, Seiten 259 bis 272). Dies aufgrund der Tatsache, dass ein GTO-Thyristor hinsichtlich Spannung und Strom ein Funktionsvermögen aufweist, das relativ groß im Vergleich mit demjenigen anderer Typen von Halbleiter-Schaltbauteilen, wie BTs (Bipolartransistoren) oder IGBT (Bipolare Sperrschichtttansistoren), ist. Daher ermöglicht es ein GTO-Thyristor, den Abschnitt eines Wechselrichter-Hauptschaltkreises zu verkleinern.
Um die höheren harmonischen Komponenten eines Ausgangssignalverlaufs zu verringern, wurde ein sogenannter Drei-Pegel-Wechselrichter (auch als "Wechselrichter mit geklemmtem Nullpunkt" bezeichnet) vorgeschlagen, der einen Gleichstrom von drei Pegeln durch Schalten in ein Wechselspannungs-Ausgangssignal wandelt. Bei diesem Drei-Pegel-Wechselrichter weist ein Wechselrichter-Hauptschaltkreis, der einer Wechselrichterphase entspricht, folgendes auf: ein Paar Gleichspannungs-Eingangsanschlüsse, die mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sind; einen Nullpunkt-Anschluss, der mit einem Nullpunkt der Gleichspannungsquelle verbunden ist; eine Reihenschaltung aus ersten bis vierten Halbleiter- Schaltmodulen, die mit dem Paar Gleichspannungs-Eingangsanschlüsse verbunden sind; Klemmdioden, die zwischen einen Knotenpunkt des ersten und zweiten Halbleiter-Schaltmoduls und den Nullpunkt-Anschluss und zwischen einen Knotenpunkt des dritten und vierten Halbleiter-Schaltmoduls und den Nullpunkt-Anschluss geschaltet sind; und einen Wechselspannungs-Ausgangsanschluss, der mit einem Knotenpunkt des zweiten und dritten Halbleiter-Schaltmoduls verbunden ist.
Ein GTO-Thyristor weist große Schaltverluste auf. Angesichts dieser Tatsache wird, wie es in der oben genannten offiziellen Zeitschrift und dem oben genannten Dokument beschrieben ist, zum Verbessern der Kühleigenschaften des GTO-Thyristors derselbe als Scheibe ausgebildet, deren beide Seiten Hauptelektroden bilden, und gegen diese Hauptelektroden werden leitende Kühlblöcke gepresst, in denen ein aufschäumendes Kühlmittel dicht eingeschlossen ist. Um Isolierung zwischen den Kühlblöcken zu den beiden Seiten des GTO-Thyristors und dem kondensierten des Kühlmittels und dem GTO-Thyristor zu gewährleisten, wird ein isolierendes Kühlmittel verwendet. Im allgemeinen wurde als Kühlmittel, das der obigen Bedingung genügt, Flon verwendet, das hervorragende Kühlfunktion und Isoliereigenschaften zeigt.
Bei der obigen bekannten Technik besteht jedoch das folgende Problem: wegen der großen Schaltverluste des Bauteils, der großen Kapazität des Überspannungsschutz-Kondensators und des Überspannungsschutz-Widerstands zum Beschränken des Spannungsanstiegs beim Abschalten usw., kann die Schaltfrequenz eines GTO-Thyristors nicht erhöht werden. Bei herkömmlichen GTOs für den praktischen Einsatz beträgt die Schaltfrequenz näherungsweise 500 Hz. So besteht, wenn ein Wechselrichter unter Verwendung von GTO-Thyristoren hergestellt wird, eine Grenze hinsichtlich einer Verringerung der Verzerrung durch Harmonische im Ausgangssignal, was zu einer großen Welligkeit im Motorstrom führt, wodurch sich starke elektromagnetische Störungen im Motor ergeben.
Angesichts dieser Tatsache könnten Halbleiter-Schaltbauelemente verwendet werden, die durch hochfrequente, impulsförmige Torsignale angesteuert werden können (nachfolgend allgemein als "hochfrequente Halbleiter-Schaltbauelemente" bezeichnet), wie Bipolartransistoren, die eine Erhöhung der Schaltfrequenz erlauben, IGBTs (Bipolare Sperrschichttransistoren), Gate-gesteuerte MOS-Transistoren usw.
Jedoch weisen Bauelemente, die als derartige hochfrequente Halbleiter-Schaltbauelemente verwendet werden, im allgemeinen niedrige Standhaltespannungspegel auf (z.B. auf einem Niveau von 1200 V bei Universal-IGBTs), so dass sie nicht als solche bei elektrischen Fahrzeugen verwendet werden können, die bei einer Oberleitungs-Gleichspannung von 1500 V zu betreiben sind. Ferner weisen, allgemein gesagt, hochfrequente Halbleiter-Schaltbauelemente im praktischen Einsatz ein relativ kleines Stromführungsvermögen auf, so dass dann, wenn sie bei einem Wechselrichter mit großem Leistungsvermögen angewandt werden (wie er z.B. dazu verwendet wird, einen Elektromotor mit einem Leistungsvermögen einer einzelnen Einheit von 200 kW oder mehr zu betreiben) , mehrere derartige Halbleiter-Bauelemente in Parallelschaltung verwendet werden müssen.
So besteht dann, wenn hochfrequente Halbleiter-Schaltbauelemente wie IGBTs bei einem Wechselrichter für elektrische Fahrzeuge anzuwenden sind, die Tendenz, dass die Größe des Wechselrichter-Hauptschaltkreisabschnitts relativ groß wird, so dass gewisse Kunstgriffe bei der Konstruktion erforderlich sind, um die Größe der gesamten Vorrichtung zu verringern.
Ferner ist aus dem Gesichtspunkt einer Umweltverschmutzungs- Kontrolle hinsichtlich Flon, die Verwendung eines Wechselkühlsystems vom Siede/Kühl-Typ für Flon erforderlich.
Aus DE-U-9107692 ist ein Wechselrichter mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 bekannt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Wechselrichter für elektrische Fahrzeuge zu schaffen, der Halbleiter-Schaltbauelemente verwendet, die mit höherer Frequenz als GTO-Thyristoren angesteuert werden können und die im wesentlichen klein ausgebildet werden können.
Diese Aufgabe ist durch einen Wechselrichter gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Gemäß der Erfindung weist ein Wechseirichter für elektrische Fahrzeuge, bei dem ein Hauptschaltkreis jeder Phase einen Wechselrichter bildet, folgendes auf: ein Paar Gleichspannungs-Eingangsanschlüsse, die mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sind; einen Nullpunkt-Anschluss, der mit einem Nullpunkt der Gleichspannungsquelle verbunden ist; eine Reihenschaltung aus ersten bis vierten Halbleiter-Schaltmodulen, die mit dem Paar Gleichspannungs-Eingangsanschlüsse verbunden sind; Klemmdioden, die zwischen einen Knotenpunkt des ersten und zweiten Halbleiter-Schaltmoduls und den Nullpunkt-Anschluss und zwischen einen Knotenpunkt des dritten und vierten Halbleiter-Schaltmoduls und den Nullpunkt-Anschluss geschaltet sind; und einen Wechselspannungs-Ausgangsanschluss, der mit einem Knotenpunkt des zweiten und dritten Halbleiter-Schaltmoduls verbunden ist; wobei. die ersten bis vierten Halbleiter-Schaltmodule aus Halbleiter- Schaltbauelementen bestehen, die bei einer höheren Frequenz als der eines GTO-Thyristors betrieben werden können und auf einem wärmeleitenden Substrat mit einem dazwischen liegenden isolierenden Element vorgesehen sind; wobei die ersten bis vierten Halbleiter-Schaltmodule so in zwei Paare aufgeteilt sind, dass ein Paar eines Typs aus einer Kombination des ersten oder vierten Halbleiter-Schaltmoduls und des zweiten oder dritten Halbleiter-Schaltmoduls besteht und ein Paar des anderen Typs aus dem verbleibenden ersten oder vierten Halbleiter-Schaltmodul und dem verbleibenden zweiten oder dritten Halbleiter-Schaltmodul besteht; wobei diese mit wärmeaufnehmenden Platten auf solche Weise verbunden sind, dass jedes Paar von Halbleiter-Schaltmodulen an einer gesonderten oder gemeinsamen wärmeaufnehmenden Platte befestigt ist, und wobei die Halbleiter-Schaltmodule eine Kühleinrichtung aufweisen, die zum Wärmetransport mit der wärmeaufnehmenden Platte verbunden ist, um dieselbe zu kühlen.
Hierbei können die Halbleiter-Schaltbauelemente aus einem der folgenden Typen bestehen: bipolare Transistoren, bipolare Sperrschichttransistoren und Gate-gesteuerte MOS-Thyristoren.
Das Befestigen der zwei Paare von Halbleiter-Schaltmodulen an den wärmeaufnehmenden Platten kann auf solche Weise erfolgen, dass verschiedene Paare an verschiedenen wärmeaufnehmenden Platten befestigt werden oder alle an ein und derselben wärmeaufnehmenden Platte befestigt werden. Es ist auch möglich, verschiedene wärmeaufnehmende Platten für verschiedene Wechselrichterphasen auszubilden, oder eine wärmeaufnehmende Platte auszubilden, die den Wechselrichterphasen gemeinsam ist.
Es ist wünschenswert, dass die wärmeaufnehmenden Platten wegnehmbar in einer Öffnung in einer vertikalen Außenwand eines Gehäuses angebracht sind, das die Wechselrichterkomponenten hermetisch aufnimmt, auf solche Weise, dass die Oberfläche, auf der die Halbleiter-Schaltmodule montiert sind, auf der Innenseite liegt. Hierbei ist es wünschenswert, dass die an den wärmeaufnehmenden Platten befestigen Halbleiter- Schaitmodule in der Reihenfolge ihrer Reihenschaltung angeordnet sind.
Um eine Größenverringerung zu erzielen, wird die Kühleinrichtung vorzugsweise so ausgebildet, dass eine wärmeabstrahlende Rippe an einem Teil eines Wärmeübertragungselements montiert wird, das einstückig mit jeder wärmeaufnehmenden Platte verbunden ist. Vorzugsweise wird eine Wärmeübertragungsröhre als Wärmeübertragungselement verwendet. Ein Teil der Wärmeübertragungsröhre ist in jede wärmeaufnehmende Platte eingebettet, und die wärmeabstrahlende Rippe ist an einem freiliegenden Abschnitt der Wärmeübertragungsröhre befestigt, um die Kühleinrichtung zu bilden. Es ist auch möglich, die wärmeabstrahlende Rippe unmittelbar an derjenigen Fläche jeder wärmeaufnehmenden Platte anzubringen, die von der Fläche derselben abgewandt ist, an der die Halbleiter-Schaltmodule befestigt sind. In diesem Fall können die wärmeabstrahlende Rippe und die wärmeaufnehmende Platte als einstückige Einheit ausgebildet werden.
Aufgrund der oben beschriebenen Konstruktion ist es gemäß der Erfindung möglich, die oben genannten Ziele durch die folgenden Effekte zu erreichen.
Bei der Erfindung ist es möglich, eine Verringerung höherer Harmonischer zu erzielen, da sie grundsätzlich eine Drei- Pegel-Wechselrichterschaltung nutzt. Ferner ist es aufgrund der Verwendung von Halbleiter-Schaltbauelementen, die bei höherer Frequenz als GTO-Thyristoren verwendet werden können, möglich, die Welligkeit durch die höheren Harmonischen und den Ausgangsstrom durch Erhöhen der Schaltfrequenz zu verringern, um dadurch eine weitere Verringerung elektromagnetischer Störungen zu erzielen. Wenn z.B. IGBTs als hochfrequente Halbleiter-Schaltbauelemente verwendet werden, ist es wünschenswert, dass die Schaltfrequenz innerhalb des Bereichs von 500 bis 3 kHz ausgewählt wird. Wenn Bipolartransistoren verwendet werden, kann die Schaltfrequenz 1 kHz oder mehr betragen.
Die Verluste (kalorischer Wert) des ersten bis vierten Halbleiter-Schaltbauelements, die den Hauptschaltkreis des Drei- Pegel-Wechselrichters bilden, variieren abhängig von den Betriebsmodi (Betrieb unter Energiezufuhr, Schubbetrieb und Bremsbetrieb) des zugehörigen Motors des elektrischen Fahrzeugs. Es hat sich herausgestellt, dass die Verluste des ersten und vierten Halbleiter-Schaltbauelements während des Betriebs unter Energiezufuhr einen Spitzenwert aufweisen, und dass die Verluste des zweiten und dritten Halbleiter- Schaltbauelements während Bremsbetriebs einen Spitzenwert aufweisen. So ist es durch Anbringen einer Kombination aus dem ersten und zweiten Halbleiter-Schaltmodul, oder einer Kombination aus dem dritten und vierten Halbleiter-Schaltmodul, wobei jede Kombination eine Diskrepanz hinsichtlich des Verlust-Spitzenwerts aufweist, an einer gemeinsamen wärmeaufnehmenden Platte, und durch Anbringen einer Kühleinrichtung an dieser wärmeaufnehmenden Platte, möglich, die Wärmebelastung der Kühleinrichtung zeitbezogen zu nivellieren. Demgemäß kann die Größe der Kühleinrichtung verringert werden, um dadurch zu einer Verringerung der Größe der gesamten Vorrichtung beizutragen.
Ferner können durch Anbringen von Klemmdioden an derselben wärmeaufnehmenden Platte wie die Halbleiter-Schaltmodule, die wärmeerzeugenden Halbleiter-Bauelemente und das zugehörige Kühlsystem kompakter ausgebildet werden, um dadurch zu einer Verringerung der Größe der gesamten Vorrichtung beizutragen.
Die die Halbleiter-Schaltmodule bildenden Halbleiter-Schaltbauelemente sowie die Freilaufdioden sind mittels eines Isolierelements auf einem Substrat angeordnet. So ist aufgrund des Vorhandenseins des Isolierelements für Isolierung gegen Masse hinsichtlich der Halbleiter-Schaltbauelemente usw. innerhalb der Module gesorgt. Daher können die wärmeaufnehmenden Platten, an denen die Halbleiter-Schaltmodule befestigt sind, geerdet werden, und es ist nicht erforderlich, für eine spezielle Isolierung der wärmeaufnehmenden Platten und der mit ihnen thermisch verbundenen Kühleinrichtungen gegen Masse zu sorgen, so dass die Kühlsystemkonfiguration vereinfacht werden kann, was zu einer Verringerung der Größe der gesamten Vorrichtung beiträgt.
Ferner kann, da die wärmeaufnehmenden Platten geerdet werden können, eine Wärmeübertragungsröhre mit einfacher Konstruktion unter Verwendung von Wasser als Kühlmittel als Wärmeübertragungselement zum thermischen Verbinden jeder wärmeaufnehmenden Platte und der Kühleinrichtung miteinander verwendet werden, was für die erforderliche Kühlfunktion und die Vermeidung des Gebrauchs von Flon, das eine schädliche Substanz ist, sorgt.
Außerdem können, da die wärmeaufnehmenden Platten geerdet werden können, die Wechselrichterkomponenten unmittelbar an einem Gehäuse befestigt werden, das sie hermetisch aufnimmt. So liegen die wärmeaufnehmenden Platten an der Außenseite des Gehäuses frei, wenn dieselben wegnehmbar in einer Öffnung angebracht werden, die in der Außenwand dieses Gehäuses ausgebildet ist. Im Ergebnis wirken die freiliegenden Flächen der wärmeaufnehmenden Platten auch wirkungsvoll als Abstrahlungsflächen, so dass der Temperaturanstieg innerhalb des Gehäuses im Vergleich mit dem bei einer herkömmlichen Struktur beschränkt werden kann, bei der die wärmeaufnehmenden Platten innerhalb des Gehäuses vorhanden sind. Darüber hinaus kann eine Größenverringerung durch Verringern des Wärmeabstrahlungsvermögens der Kühleinrichtung erzielt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines wesentlichen Teils eines Wechselrichters für elektrische Fahrzeuge gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ist eine Ansicht in der Richtung von Pfeilen II-II beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1;
Fig. 3(A) ist eine vergrößerte Ansicht, die eine Anordnung von Halbleiter-Schaltmodulen und Klemmdioden auf wärmeaufnehmenden Platten zeigt;
Fig. 3(B) zeigt den elektrischen Anschluss zwischen den Halbleiter-Schaltmodulen und den Klemmdioden;
Fig. 4 ist eine teilgeschnittene, perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines Halbleiter-Schaltmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 5 zeigt die Spannungssystemkonfiguration eines Wechselrichters für elektrische Schienenfahrzeuge;
Fig. 6 ist ein Schaltbild, das den Aufbau eines Hauptschaltkreises zeigt, wie er einer Phase eines erfindungsgemäßen Drei-Pegel-Wechselrichters entspricht;
Fig. 7 ist ein Kurvenbild, das Verluste in Halbleiter- Schaltmodulen und Klemmdioden hinsichtlich Betriebsmodi des Wechselrichters veranschaulicht;
Fig. 8 ist ein Schaltbild, das einen Wechselrichter-Hauptschaltkreis zeigt, um Muster von Anordnungen wärmeaufnehmender Platten zu veranschaulichen; und
Fig. 9 zeigt eine Kühleinrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Nun wird die Erfindung unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7 wird ein Wechselrichter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt den Aufbau des wesentlichen Teils eines Wechselrichters für elektrische Schienenfahrzeuge gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 2 ist eine Ansicht in der Richtung von Pfeilen II-II in Fig. 1; Fig. 3(A) ist eine vergrößerte Ansicht, die eine Anordnung von Halbleiter-Schaltmodulen und Klemmdioden auf wärmeaufnehmenden Platten zeigt; Fig. 3(B) zeigt die elektrische Verbindung zwischen den Halbleiter-Schaltmodulen und den Klemmdioden; Fig. 4 ist eine teilgeschnittene, perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines Halbleiter-Schaltmoduls gemäß diesem Ausführungsbeispiel zeigt; Fig. 5 zeigt die gesamte Spannungssystemkonfiguration eines Wechselrichters für elektrische Schienenfahrzeuge gemäß diesem Ausführungsbeispiel; und Fig. 6 ist ein Schaltbild, das den Aufbau eines einer Wechselrichterphase entsprechenden Wechselrichter-Hauptschaltkreises zeigt.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 der Gesamtaufbau eines Wechselrichters gemäß diesem Ausführungsbeispiel und eines darin befindlichen Wechselrichter-Hauptschaltkreises beschrieben.
Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, besteht das Ansteuerungssystem eines elektrischen Schienenfahrzeugs, bei dem der Wechselrichter dieses Ausführungsbeispiels angewandt ist, aus vier Induktionsmotoren M1, M2, M3 und M4, für die zwei Wechselrichter 1A und 1B mit demselben Aufbau vorhanden sind, wobei die Induktionsmotoren M1 und M2 durch den Wechselrichter 1A betrieben werden, während die Induktionsmotoren M3 und M4 durch den Wechselrichter 1B betrieben werden. Jeder der Wechselrichter 1A und 1B enthält Spannungseinheiten PU1 bis PU3, die durch phasenmäßiges Aufteilen eines Hauptschaltkreises eines drei-phasigen Wechselrichters erhalten wurden. Ein Gleichspannungs-Eingangsanschluss jeder der Spannungseinheiten PU1 bis PU3 ist über einen Trennschalter 3, offene Schalter 4A und 4B und Filterdrosseln 5A, 5B mit einem Stromabnehmer 2 verbunden, wobei der andere Gleichspannungs-Eingangsanschluss mit Masse verbunden ist.
Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, ist als Hauptschaltkreis jeder der Spannungseinheiten PU1 bis PU3 eine sogenannte Drei-Pegel-Wechselrichterschaltung verwendet. Fig. 6 zeigt einen Hauptschaltkreis, wie er einer Wechselrichterphase entspricht, und er weist ein Paar von Gleichspannungs-Eingangsanschlüssen P und N auf, von denen der Anschluss P mit einer mit dem Stromabnehmer 2 in Fig. 3 verbundenen Gleichspannungsleitung verbunden ist und wobei der Anschluss N mit Masse verbunden ist. Mit dem Paar Gleichspannungs-Eingangsanschlüssen P und N ist eine Reihenschaltung auf zwei Filterkondensatoren CF1 und CF2 verbunden, deren Knoten den Nullpunkt der Gleichspannungsquelle bildet, der mit einem Nuilpunktanschluss O verbunden ist. Zwischen das Paar Gleichspannungs-Eingangsanschlüsse P und N ist eine Reihenschaltung aus vier Halbleiter-Schaltmqdulen SM1 bis SM4 geschaltet, die aus einer antiparallelen Verbindung von IGBTs Q1 bis Q4 und Freilaufdioden DF1 bis DF4 bestehen. Der Knoten der Halbleiter-Schaltmodule SM1 und SM2 sowie derjenige der Halbleiter-Schaltmodule SM3 und SM4 sind über Klemmdioden DC1 bzw. DC2 mit dem Nulipunktanschluss O verbunden. Der Knoten der Halbleiter-Schaitmodule SM2 und SM3 ist mit einem Wechselspannungs-Ausgangsanschluss M verbunden.
Eine Überspannungsschutzschaltung besteht aus Überspannungsschutzkondensatoren CS1 und CS2, Überspannungsschutzdioden DS1 bis D54 und Überspannungsschutz-Widerständen RS1 bis RS3. Jeder der Überspannungsschutzkondensatoren CS1und CS2 besteht aus drei Kondensatoren C1 bis C3 in Dreiecksverbindung. Durch einen Gatetreiber GD verstärkte Torimpulse werden den Gates der Halbleiter-Schaltmodule SM1 bis SM4 zugeführt.
Nun wird der Aufbau der Spannungseinheiten PU unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 beschrieben. Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht des wesentlichen Teils einer Spannungseinheit. Fig. 2 ist eine Ansicht in der Richtung von Pfeilen II-II in Fig. 1. Die Fig. 3(A) und 3(B) sind vergrößerte Ansichten, die eine Anordnung von Halbleiter- Schaltmodulen und Klemmdioden auf wärmeaufnehmenden Platten sowie dielektrische Verbindung zwischen ihnen zeigen.
Wie es in diesen Zeichnungen dargestellt ist, besteht jedes der Halbleiter-Schaltmodule SM1 bis SM4 aus zwei Halbleiter- Schaltmodulen, die Seite an Seite angeordnet sind und parallel verbunden sind. Die Halbleiter-Schaltmodule SM1 und SM2 an der positiven Seite sind vertikal (wie in der Zeichnung dargestellt) auf der Oberfläche einer ersten wärmeaufnehmenden Platte 31 angeordnet und mit dieser verbunden, und die Halbleiter-Schaltmodule SM3 und SM4 auf der negativen Seite sind vertikal (wie in der Zeichnung dargestellt) auf der Oberfläche einer zweiten wärmeaufnehmenden Platte 32 angeordnet und mit dieser verbunden. Ferner sind die Klemmdioden DC1 und DC2 mit den Oberflächen der wärmeaufnehmenden Platten 31 bzw. 32 verbunden. Jede der Klemmdioden DC1 und DC2 besteht ebenfalls aus zwei parallel geschalteten Dioden. Wie es in Fig. 3(B) dargestellt ist, sind die Halbleiter-Schaltmodule SM1 bis SM4 sowie die Klemmdioden DC1 und DC2 durch Leiter 11 bis 16 gemäß der Schaltungskonfiguration von Fig. 6 miteinander verbunden.
Die Halbleiter-Schaltmodule SM1 bis SM4 haben denselben Aufbau, jeweils mit einer Struktur, wie sie in der teilgeschnittenen, perspektivischen Ansicht von Fig. 4 dargestellt ist. Wie es in der Zeichnung dargestellt ist, ist jedes Halbleiter-Schaltmodul wie folgt aufgebaut: eine isolierende Platte 22 aus Aluminiumoxid oder dergleichen ist auf einem Substrat 21 aus einem Material mit guten Wärmeübertragungseigenschaften, wie Kupfer, vorhanden. Eine erste Hauptelektrode 23 aus einem leitenden Material, wie einer Kupferplatte, ist auf der isolierenden Platte 22 vorhanden. Mehrere Platten 24 zum Mindern von Wärmespannungen aus einem leitenden Material, wie Molybdän, sind auf der Hauptelektrode 23 vorhanden. Auf jeder der Platten 24 zum Mindern von Wärmespannung ist ein IGBT-Bauelement 25 vorhanden. Ferner ist eine zweite Hauptelektrode 26a aus einem leitenden Material wie einer Kupferplatte vermittels einer isolierenden Platte 26b auf der ersten Hauptelektrode 23 vorhanden. Alle obigen Komponenten sind durch ein Isoliergehäuse 27 abgedeckt. Ein Paar Hauptelektrodenanschlüsse 28 und Gateanschlüsse 29 liegen an der Außenfläche des Isoliergehäuses 27 frei. Ferner sind Freilaufdioden DF (nicht dargestellt), die antiparallel zu den IGBT-Bauelementen 25 geschaltet sind, auf der ersten Hauptelektrode 23 vorhanden. Das oben beschriebene Halbleiterschaltmodul ist mittels Schraubenlöchern 30 im Substrat 21 an der ersten oder zweiten wärmeaufnehmenden Platte 31 oder 32 befestigt.
Die erste und die zweite wärmeaufnehmende Platte 31 und 32 bestehen aus einem Material mit hervorragenden Wärmeübertragungseigenschaften, wie Aluminium. Die wärmeaufnehmenden Platten 31 und 32 sind an einem Spannungseinheit-Trägerrahmen 33, der als rechteckiger Rahmen ausgebildet ist, mittels Schrauben 34 befestigt.
Am Rand des Spannungseinheit-Trägerrahmens 33 ist ein Flansch 35 vorhanden. Ein Gehäuse 36, das in Fig. 1 nur teilweise dargestellt ist, nimmt die Wechselrichterkomponenten auf. Ein rahmenähnlicher Montagesitz 37 ist am Rand einer Seitenöffnung des Gehäuses 36 ausgebildet. Der Flansch 35 des Spannungseinheit-Trägerrahmens 33 ist vermittels einer Dichtung 39 am Montagesitz 37 befestigt, um dadurch den Spannungseinheit-Trägerrahmen 33 am Gehäuse 36 zu befestigen. So bilden die wärmeaufnehmenden Platten 31 und 32 und der Spannungseinheit-Trägerrahmen 33 einen Teil einer Seitenfläche des Gehäuses 36, wobei die Dichtung 39 für die erforderliche Luftdichtigkeit sorgt.
An der Gegenseite der wärmeaufnehmenden Platten 31 und 32 in bezug auf die Halbleiter-Schaltmodule SM1 bis SM4 ist ein Teilemontageelement 40 vorhanden. Das Teilemontageelement 40 ist über Arme 41 mit dem Spannungseinheit-Trägerelement 33 verbunden. Die Überspannungsschutzkondensatoren CS1 und CS2 sowie die Überspannungsschutzdioden DS1 bis DS4 sind auf solche Weise am Teilemontageelement 40 montiert, dass sie den Halbleiter-Schaltmodulen SM1 bis SM4 gegenüberstehen, um dadurch eine Überspannungsschutzschaltung mit der kürzesten Leistungslänge zu realisieren.
Aus einem isolierenden Material wie Epoxidharz bestehende Anschlussblöcke 42 bis 45 sind an der anderen Seite des Teilemontageelements 40 befestigt. Die Gleichspannungs-Eingangsanschlüsse P und N, der Nullpunktanschluss O und der Wechselspannungs-Ausgangsanschluss M werden durch die Anschlussblöcke 42 bis 45 gehalten. Ferner sind ein Stromtransformator CT und Gatetreiber GD (GD1 und GD2) seitens der Anschlussblöcke 42 bis 45 angeordnet und am Teilemontageelement 40 befestigt. Die Filterkondensatoren CF1 und CF2 sind im Raum unter dem Stromtransformator CT und den Gatetreibern GD angeordnet. Die Gatetreiber GD1 und GD2 entsprechen der positiven bzw. negativen Seite der Halbleiter- Schaltmodule.
Kühleinrichtungen 53 und 54, die jeweils aus mehreren Wärmeübertragungsrohren 51 und mit diesen verbundenen Wärmeabstrahlungsrippen 52 bestehen, sind thermisch mit den wärmeaufnehmenden Platten 31 bzw. 32 verbunden. Die Wärmeübertragungsrohre 51, in die als blasenbildendes Kühlmittel dienendes Wasser eingeleitet ist, bestehen aus einem Material mit hervorragenden Wärmeübertragungseigenschaften und hervorragender Bearbeitbarkeit, wie Kupfer. Um das Sieden bei niedriger Temperatur zu erleichtern, oder um zu verhindern, dass nichtkondensierbare Gase in das Kühlmittel einmischen, werden die Wärmeübertragungsröhren auf Unterdruck eingestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jede Wärmeleitungsröhre 51 L-förmig gebogen, wobei ein gerader Röhrenabschnitt in die wärmeaufnehmende Platte 31, 32 eingebettet ist und mit dieser thermisch verbunden ist, um einen Verdampfungsabschnitt 51a auszubilden, der die Wärmeübertragungsröhre auf der wärmeaufnehmenden Platte hält. Am anderen geraden. Röhrenabschnitt, der in bezug auf die horizontale Platte leicht nach oben geneigt ist, sind mehrere Abstrahlungsrippen 52 angebracht, um einen Kondensierungsabschnitt 51b auszubilden.
Als nächstes wird die Funktion des oben beschriebenen Wechselrichters für elektrische Schienenfahrzeuge beschrieben, wobei Nachdruck auf die Merkmale der Erfindung gelegt wird.
Die Torimpulse zum Ansteuern des Wechselrichters für elektrische Schienenfahrzeuge gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel werden in einer PWM-Steuerung (nicht dargestellt) gemäß dem wohlbekannten Grundbetrieb eines Drei-Pegel-Wechselrichters erzeugt (siehe "A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter, IEEE Transactions on Industry Applications", Vol 1A-17, No. 5, September/Oktober 1981). Beim Grundbetrieb eines Drei-Pegel-Wechselrichters werden die Halbleitermodule SM1 bis SM4 abhängig von den folgenden drei Leitungsmodi auf EIN oder AUS geschaltet, um dadurch selektiv eine Spannung von drei Pegeln an den Wechselspannungs- Ausgangsanschluss M zu liefern. In der folgenden Tabelle kennzeichnet Ed die gesamte Gleichspannung, wobei angenommen ist, dass die Nullpunktspannung 0V beträgt.
Bei einem derartigen Drei-Pegel-Wechselrichter ist die Anzahl der Spannungspegel der Ausgangsspannungsimpulse im Vergleich mit derjenigen bei einem gewöhnlichen Zwei-Pegel- Wechselrichter erhöht, so dass die scheinbare Schaltfrequenz erhöht ist, was zu einer Verringerung höherer Harmonischer führt. Ferner kann aufgrund der Verwendung von IGBTs, als Halbleiter-Schaltbauelementen die Schaltfrequenz bis in den Bereich von 500 Hz bis 3 kHz erhöht werden. Auch dies trägt zu einer Begrenzung höherer Harmonischer bei, um dadurch die elektromagnetischen Störungen zu verringern.
Die PWM-Steuerung erzeugt Torimpulse entsprechend den obigen drei Leitungsmodi sowie der spezifizierten Solldrehzahl und Fahrmodi für das zugehörige elektrische Schienenfahrzeug, um die Halbleiter-Schaltmodule über die Gatetreiber auf EIN und AUS zu schalten, um dadurch eine variable Steuerung der Ausgangsspannung und der Frequenz des Wechselrichters zu erzielen und den Wechselrichter entsprechend den Fahrmodi (Fahrbetrieb unter Energiezufuhr, Schubbetrieb und Bremsbetrieb) des elektrischen Schienenfahrzeugs zu kontrollieren.
Die Halbleiter-Schaltmodule SM1 bis SM4 erzeugen infolge der Verluste während des EIN-Betriebs Wärme. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Wärme durch das Kühlsystem aus den wärmeaufnehmenden Platten 31 und 32 und den Kühleinrichtungen 53 und 54 abgeführt. D.h., dass die Wärme der Halbleiter-Schaltmodule SM1 bis SM4 zunächst durch die Substrate 31 an die wärmeaufnehmenden Platten 31 und 32 übertragen wird, was einen Temperaturanstieg dieser Platten hervorruft. Dann siedet, als Ergebnis des Temperaturanstiegs in den wärmeaufnehmenden Platten 31 und 32, das Wasser in den Verdampfungsabschnitten 51a der Wärmeübertragungsröhren 50, um zu verdampfen, und die sich ergebende Verdampfungswärme kühlt die wärmeaufnehmenden Platten 31 und 32 ab. Das in Dampf überführte Wasser in den Wärmeübertragungsröhren 51 wird zum Kondensierungsabschnitt 51b geleitet und durch die Wärmeabstrahlungsrippen einem Wärmeaustausch mit dem Betriebswind (der im wesentlichen in einer Richtung rechtwinklig zur Zeichnungsebene bläst) des elektrischen Schienenfahrzeugs unterzogen und dadurch kondensiert. Das kondensierte Wasser wird an den Innenwänden der Wärmeübertragungsröhren 51 entlanggeführt und zu den Verdampfungsabschnitten 51a rückgeführt, um den oben beschriebenen Kühlvorgang zu wiederholen.
Es hat sich herausgestellt, dass die Verluste (Menge erzeugter Wärme) der Halbleiter-Schaitmodule SM1 bis SM4 in Beziehung mit den Fahrmodi (Fahrbetrieb unter Energiezufuhr, Schubbetrieb und Bremsbetrieb) des zugehörigen elektrischen Schienenfahrzeugs steht, wie es durch die in den Fig. 7(a) und 7(b) dargestellten Zyklen der Wärmeerzeugung in den Halbleiter-Bauelementen dargestellt ist. Die Verluste in den Halbleiter-Schaltmodulen SM1 und SM4 weisen während Fahrbetriebs unter Energiezufuhr einen Spitzenwert auf, wohingegen die Verluste in den Halbleiter-Schaltmodulen SM2 und SM3 bei Bremsbetrieb einen Spitzenwert aufweisen.
Angesichts dieser Tatsache verwendet das vorliegende Ausführungsbeispiel eine Anordnung, bei der, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ein aus den Halbleiter-Schaltmodulen SM1 und SM2 bestehendes Paar, bei dem eine Diskrepanz hinsichtlich der Verlustspitzen besteht, an derselben wärmeaufnehmenden Platte 31 befestigt ist, wobei in ähnlicher Weise ein aus den Halbleiter-Schaltmodulen SM3 und SM4 bestehendes Paar an derselben wärmeaufnehmenden Platte 32 befestigt ist. Aufgrund dieser Anordnung sind die an die wärmeaufnehmenden Platten während Fahrbetrieb unter Energiezufuhr übertragene Wärmemenge und die an diese während Bremsbetriebs übertragene Wärmemenge einander gleichgemacht, wodurch die Wärmebelastungen der Kühleinrichtungen 53 und 54 in stärkerem Ausmaß als dann ausgeglichen sind, wenn die Kühleinrichtungen einzeln hinsichtlich der Halbleiter-Schaltmodule SM1 bis SM4 vorhanden sind. So ist es bei diesem Ausführungsbeispiel möglich, die Größe der Kühleinrichtungen zu verringern.
Ferner sind im Halbleitermodul M die Freilaufdioden DF auf demselben Substrat wie die IGBTs vorhanden, um die Wärme erzeugenden Halbleiter-Bauelemente und das zugehörige Kühlsystem kompakter zu machen, um dadurch zu einer Größenverringerung der gesamten Vorrichtung beizutragen.
Auf ähnliche Weise können, da die Klemmdioden DC1 und DC2 an derselben wärmeaufnehmenden Platte 31 bzw. 32 wie die Halbleiter-Schaltmodule SM befestigt sind, die wärmeerzeugenden Halbleiter-Bauelemente und das zugehörige Kühlsystem noch kompakter gemacht werden, um dadurch zu einer Größenverringerung der gesamten Vorrichtung beizutragen. Ferner variieren die Verluste der Klemmdioden DC1 und DC2 abhängig von den Fahrmodi des elektrischen Schienenfahrzeugs, wie es in Fig. 7(c) dargestellt ist, so dass die Wärmebelastung der Kühleinrichtungen in gewissem Ausmaß im Vergleich mit dem Fall ausgeglichen werden kann, bei dem die Kühleinrichtungen individuell vorhanden sind.
Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, ist es möglich, die wärmeaufnehmenden Platten 31 und 32 auf Massepotential einzustellen, da die IGBTs und die Freilaufdioden, die die Halbleiter-Schaltmodule SM bilden, vermittels der isolierenden Platte 22 auf dem Substrat 21 vorhanden sind, um für Isolierung gegen Masse innerhalb des Moduls zu sorgen. Dies beseitigt das Erfordernis einer Isolierung der wärmeaufnehmenden Platten 31 und 32 und der Kühleinrichtungen 53 und 54 gegen Masse, was zu einer Vereinfachung der Konstruktion des Kühlsystems und zu einer Verringerung der Größe der gesamten Vorrichtung beiträgt. Ferner ermöglicht es diese Anordnung, Wärmeübertragungsröhren unter Verwendung eines nicht isolierenden Kühlmittels wie Wasser als Wärmeübertragungselemente zum thermischen Verbinden der wärmeaufnehmenden Platten 31 und 32 mit den Kühleinrichtungen 53 und 54 zu verwenden. So kann ein Kühlsystem, das nicht das schädliche Flon verwendet, realisiert werden, ohne dass dies zu einer Beeinträchtigung der Kühlfunktion führen würde.
Ferner sind aufgrund der Anordnung, bei der die wärmeaufnehmenden Platten auf Massepotential eingestellt werden könnten, diese wärmeaufnehmenden Platten 31 und 32 wegnehmbar in einer Öffnung in der vertikalen Außenwand des Gehäuses 36 angebracht, wobei die Halbleiter-Schaltmodule SM auf der Innenseite liegen, so dass eine Fläche jeder der wärmeaufnehmenden Platten 31 und 32 an der Außenseite des Gehäuses 36 freiliegt. Im Ergebnis wirken die freiliegenden Oberflächen der wärmeaufnehmenden Platten als Abstrahlungsflächen, so dass der Temperaturanstieg innerhalb des Gehäuses unterdrückt werden kann und gleichzeitig das Wärmeabstrahlungsvermögen der Kühleinrichtungen verringert werden kann, um eine Verringerung ihrer Größe zu erzielen.
Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie kann wie folgt modifiziert werden.
Z.B. besteht für die hochfrequenten Halbleiter-Schaltbauelemente keine Beschränkung auf IGBTs. Es kann dieselbe Wirkung unter Verwendung anderer Halbleiter-Schaltbauelemente erzielt werden, die mit höheren Frequenzen als GTOs angesteuert werden können, wie Bipolartransistoren oder Gate-gesteuerte MOS-Thyristoren.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Beispiel mit gesonderten, mit Kühleinrichtungen 53 und 54 versehenen wärmeaufnehmenden Platten 31 bzw. 32 beschrieben wurde, kann derselbe Effekt dadurch erzielt werden, dass die wärmeaufnehmenden Platten 31 und 32 als einzelne Platte ausgebildet werden. Jedoch ist, wenn die Tatsache berücksichtigt wird, dass die Zusammenbauarbeit ausgeführt wird, nachdem die Kühleinrichtungen an den wärmeaufnehmenden Platten montiert wurden, die Struktur mit zwei gesonderten Platten geschickter, da sie es ermöglicht, die Komponenten während des Zusammenbaus einfacher zu handhaben.
Es ist auch möglich, eine doppelschichtige Struktur zu verwenden, bei der die wärmeaufnehmenden Platten 31 und 32 zwischen der Seite des Halbleiter-Schaltmoduls und der Seite der Kühleinrichtung unterteilt sind. Dies erleichtert die Herstellung und den Zusammenbau der Vorrichtung weiter. Jedoch umfasst eine derartige Struktur die Möglichkeit, dass der Kühleffekt aufgrund des Widerstands gegen die Wärmeübertragung zwischen den zwei Schichten der wärmeaufnehmenden Platten beeinträchtigt ist.
Hinsichtlich der Unterteilung der wärmeaufnehmenden Platten sind mehrere Muster verwendbar, wie sie in Fig. 8 dargestellt sind. Diese Zeichnung zeigt schematisch einen Hauptschaltkreisabschnitt eines dreiphasigen Inverters, um Muster A bis D für die Unterteilung wärmeaufnehmender Platten zu veranschaulichen. Das in Fig. 8 dargestellte Unterteilungsmuster A entspricht dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel. Bei diesem Muster sind eine wärmeaufnehmende Platte mit den Halbleiter-Schaltmodulen SM1 und SM2 sowie eine solche mit den Halbleiter-Schaltmodulen SM3 und SM4 für jede der drei Phasen U, V und W vorhanden, wobei diejenigen wärmeaufnehmenden Platten mit den Halbleiter-Schaltmodulen SM1 und SM2 auf der Seite des positiven Arms und diejenigen mit den Halbleiter-Schaltmodulen SM3 und SM4 auf der Seite des negativen Arms angeordnet sind. Beim Muster B ist eine wärmeaufnehmende Platte mit Halbleiter-Schaltmodulen SM1, SM2, SM3 und SM4 für jede der drei Phasen U, V und W vorhanden, wobei die wärmeaufnehmenden Platten am Arm auf der positiven und der negativen Seite befestigt sind, die diesen wärmeaufnehmenden Platten gemeinsam sind. Beim Muster C sind die wärmeaufnehmenden Platten in diejenigen auf der Seite des positiven Arms (SM1 und SM2) und diejenigen auf der Seite des negativen Arms (SM3 und SM4) unterteilt, wobei die zwei Arme allen Phasen U, V und W gemeinsam sind. Beim Muster D ist die wärmeaufnehmende Platte den Armen der dreiphasigen positiven Seite (SM1 und SM2) und der negativen Seite (SM3 und SM4) gemeinsam. Bei allen diesen Unterteilungsmustern sind mindestens zwei Halbleiter-Schaltmodule SM für jede Phase, die sich hinsichtlich des Verlustspitzenwerts abhängig vom Betriebsmodus unterscheiden (Kombination von SM1 und SM2 oder SM3, oder Kombination von SM4 und SM2 oder SM3) an einer gemeinsamen wärmeaufnehmenden Platte befestigt.
Anstatt die Kühleinrichtungen gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel zu verwenden, die Wärmeübertragungsröhren verwenden, ist es auch möglich, wie es in Fig. 9 dargestellt ist, Wärmeabstrahlungsrippen 57 zu verwenden, die einstückig an der wärmeaufnehmenden Platte 31 (oder 32) ausgebildet oder befestigt sind. Wenn die wärmeaufnehmende Platte 31 aus Aluminium besteht, ist es erwünscht, dass die Wärmeabstrahlungsrippen 37 durch Extrusion oder Ziehen einstückig mit der wärmeaufnehmenden Platte 31 ausgebildet werden. Ferner ist es, was jedoch nicht dargestellt ist, durch Anbringen eines Lüfters auf solche Weise, dass ein Luftstrom in einer Richtung rechtwinklig zur Zeichnungsebene erzeugt wird, möglich, verbesserte Kühlwirkung zu erzielen.

Claims

1. Wechselrichter für elektrische Fahrzeuge des Typs, bei dem eine Wechselrichter-Hauptschaltung von jeder Phase, die einen Wechselrichter bildet:

ein Paar Gleichspannungs-Eingangsanschlüsse (P, N), die mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sind; einen Nullpunkt-Anschluß (0), der mit einem Nullpunkt der Gleichspannungsquelle verbunden ist; eine Reihenschaltung aus ersten bis vierten Halbleiter-Schaltnodulen (SM&sub1;...SM&sub4;), die mit dem Paar Gleichspannungs-Eingangsanschlüsse verbunden sind; Klemmdioden (DC&sub1;, DC&sub2;), die zwischen einen Knotenpunkt des ersten und zweiten Halbleiter-Schaltmoduls und den Nullpunkt- Anschluß und zwischen einen Knotenpunkt des dritten und vierten Halbleiter-Schaltmoduls und dem Nullpunkt-Anschluß geschaltet sind; einen Wechselspannungs-Ausgangsanschluß (M), der mit einen Knotenpunkt des zweiten und dritten Halbleiter- Schaltmoduls verbunden ist und eine wärmeaufnehmende Einrichtung (31, 32, 53, 54), die mit den ersten bis vierten Halbleiter-Schaltmodulen verbunden ist, aufweist;

dadurch gekennzeichnet, daß die ersten bis vierten Halbleiter-Schaltmodule (SM&sub1;... SM&sub4;) aus Halbleiter-Schaltbauelementen (Q&sub1;...Q&sub4;) bestehen, die bei einer über 500 Hz liegenden Frequenz betrieben werden können und auf einem wärmeleitenden Substrat (21) mit einem dazwischen liegenden isolierenden Element (22) vorgesehen sind,

die ersten bis vierten Halbleiter-Schaltmodule so in zwei Paare aufgeteilt sind, daß das eine Paar aus einer Kombination des ersten oder vierten Halbleiter-Schaltmoduls und des zweiten oder dritten Halbleiter-Schaltmoduls besteht und das andere Paar aus dem verbleibenden ersten oder vierten Halbleiter-Schaltmodul und dem verbleibenden zweiten oder dritten Halbleiter-Schaltnodul besteht, wobei jedes Paar von Halbleiter-Schaltmodulen an der wärmeaufnehmenden Einrichtung angebracht ist, und

die wärmeaufnehmende Einrichtung wenigstens eine wärmeaufnehmende Platte (31, 32) und eine Kühleinrichtung (53, 54), die mit der wärmeaufnehmenden Platte zu deren Kühlung verbunden ist, aufweist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Halbleiter- Schaltbauelemente (Q&sub1;...Q&sub4;) Bipolartransistoren, Isolierschicht-Bipolartrans is toren oder MOS-Gate-gesteuerte Thyristoren sind.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Halbleiter-Schaltmodule in ein Paar (SM&sub1;, SM&sub2;) aus den ersten und zweiten Halbleiter-Schaltmodulen und ein Paar (SM&sub3;, SM&sub4;) aus den dritten und vierten Halbleiter-Schaltmodulen für die wechselrichter-Hauptschaltung von jeder Phase aufgeteilt sind, und

die wärmeaufnehmenden Platten (31, 32) für jedes der Paare von Halbleiter-Schaltmodulen für die Wechselrichter- Hauptschaltung von jeder Phase getrennt vorgesehen sind.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die wärmeaufnehmenden Platten (31, 32) zusammen an den zwei Paaren von Halbleiter-Schaltmodulen (SM&sub1;, SM&sub2;; SM&sub3;, SM&sub4;) und getrennt an der Wechselrichter-Hauptschaltung von jeder Phase angebracht sind.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Halbleiter-Schaltmodule in ein Paar (SM&sub1;, SM&sub2;) aus den ersten und zweiten Halbleiter-Schaltmodulen und ein Paar (SM&sub3;, SM&sub4;) aus den dritten und vierten Halbleiter-Schaltmodulen für die Wechselrichter-Hauptschaltung von jeder Phase aufgeteilt sind, und

die wärmeaufnehmenden Platten (31, 32) gemeinsam für die Paare von Halbleiter-Schaltmodulen vorgesehen sind.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Halbleiter-Schaltmodule in ein Paar (SM&sub1;, SM&sub2;) aus den ersten und zweiten Halbleiter-Schaltmodulen und ein Paar (SM&sub3;, SM&sub4;) aus den dritten und vierten Halbleiter-Schaltmodulen für die Wechselrichter-Hauptschaltung von jeder Phase aufgeteilt sind, und

die wärmeaufnehmenden Platten (31, 32) getrennt für jedes der Paare und gleichzeitig gemeinsam für die Wechselrichter-Hauptschaltung von jeder Phase angebracht sind.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die wärmeaufnehmenden Platten (31, 32) gemeinsam für die zwei Paare und gemeinsam für die Wechselrichter-Hauptschaltung von jeder Phase vorgesehen sind.

8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Klemmdioden (DC&sub1;, DC&sub2;) an jeder wärmeaufnehmenden Platte (31, 32) angebracht sind.

9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die wärmeaufnehmenden Platten (31, 32) abnehmbar in einer Öffnung an einer äußeren Wandung eines Gehäuses (36) angebracht sind, das die Komponenten des Wechselrichters hermetisch so einschließt, daß die Oberflächen der wärmeaufnehmenden Platten mit den Halbleiter-Schaltmodulen (SM&sub1;...SM&sub4;) sich an der Innenseite des Gehäuses befinden.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die ersten bis vierten Halbleiter-Schaltmodule (SM&sub1;...SM&sub4;), die an den wärmeaufnehmenden Platten (31, 32) angebracht sind, in der Reihenfolge ihrer Reihenschaltung angeordnet sind.

11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Kühleinrichtung (53, 54) aus Wärmeübertragungsröhren (51), die teilweise in den wärmeaufnehmenden Platten (31, 32) eingebettet sind, und wärmeabstrahlenden Rippen (52), die an freiliegenden Abschnitten der Wärmeübertragungsrähren angebracht sind, besteht.

12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Kühleinrichtung aus wärmeabstrahlenden Rippen (57), die zur Wärmeübertragung an den wärmeaufnehmenden Platten (31, 32) der Oberfläche mit den Halbleiter-Schaltmodulen (SM&sub1;...SM&sub4;) gegenüberliegend angeordnet sind.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die wärmeabstrahlenden Rippen (57) integral mit den wärmeaufnehmenden Platten (31, 32) ausgebildet sind.