三電平變流器的製造方法
2023-06-04 15:58:02
三電平變流器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種三電平變流器包括至少一相橋臂，每相橋臂包括上半橋臂電路模塊與下半橋臂電路模塊。上半橋臂電路模塊包括第一開關單元、第二開關單元與第一二極體單元，第一開關單元串聯第二開關單元，第一開關單元連接直流母線的正極端；下半橋臂電路模塊包括第三開關單元、第四開關單元與第二二極體單元，第三開關單元串聯第四開關單元，第一二極體單元與第二二極體單元連接至電容單元的中性點，第二開關單元與第三開關單元連接至交流接線端，第四開關單元連接直流母線的負極端，電容單元連接於直流母線的正極端與負極端之間，上下半橋臂電路模塊並列面對面放置。
【專利說明】三電平變流器【技術領域】
[0001]本發明是有關於一種變流器，且特別是涉及一種三電平變流器。
【背景技術】
[0002]變頻器在工業控制領域有著廣泛的應用，更是工業上對大功率電機進行控制、調速的重要設備，是能源體系的一個重要組成部分。目前工業用大中型高壓電機在生產中扮演著越來越重要的角色，其消耗的能源佔全部發電總量的近三分之二，其能效的進一步提高對於整個社會有著重要的意義。
[0003]已有的R0BIC0N方案(US5625545)的變頻器是由低壓半導體器件實現高壓變頻，不過R0BIC0N方案變頻器前端需要一個移相變壓器，該變壓器成本高、體積大、損耗也比較大；且R0BIC0N方案需要大量的電容，成本高，失效率也高。以上這些因素導致了 R0BIC0N方案總體體積大，效率低，可靠性較低。其他高壓變頻產品均採用高壓半導體器件實現高壓變頻，而高壓半導體器件非常昂貴，且損耗較大，系統成本仍然較高。
[0004]為了克服上述缺點，採用低壓半導體器件(例如:IGBT)直接串聯(半導體器件同時開通和關斷，等效為一個開關器件進行工作)是一個很好的選擇；同時為了減少系統成本，故在高壓變頻器領域採用無輸入變壓器的三電平低壓IGBT串聯方案是一個很好的選擇。目前市場上已有應用多個IGBT串聯的兩電平變流器的產品，但其設計布局存在可維護性較差，換流迴路較大，生產成本高等問題。 [0005]由此可見，上述現有的技術，顯然仍存在不便與缺陷，而有待加以進一步改進。為了解決上述問題，相關領域莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的方式被發展完成。因此，如何能更有效率地解決上述問題，實屬當前重要研發課題之一，亦成為當前相關領域亟需改進的目標。
【發明內容】
[0006]因此，本發明之一目的是在提供一種三電平變流器的布局設計，採用模塊化設計，結構緊湊，安裝與維護方便，系統換流迴路小，雜散電感小，生產成本低，能有效解決現有技術的問題。
[0007]本發明提供的一種三電平變流器包括至少一相橋臂，每相橋臂包括上半橋臂電路模塊與下半橋臂電路模塊。上半橋臂電路模塊包括第一開關單元、第二開關單元、第一二極體單元、第一連接母排、第一絕緣導線與第一轉接母排，第一開關單元串聯第二開關單元，第一開關單元連接直流母線的正極端，第一連接母排連接第一開關單元與第一二極體單元，第一轉接母排連接第二開關單元，第一絕緣導線連接至第一轉接母排和第一連接母排；下半橋臂電路模塊包括第三開關單元、第四開關單元、第二二極體單元、第二連接母排、第二絕緣導線與第二轉接母排，第三開關單元串聯第四開關單元，第一二極體單元與第二二極體單元連接至電容單元的中性點，第二開關單元與第三開關單元連接至交流接線端，第四開關單元連接直流母線的負極端，電容單元連接於直流母線的正極端與負極端之間，第二連接母排連接第四開關單元與第二二極體單元，第二轉接母排連接第三開關單元，第二絕緣導線連接第二連接母排和第二轉接母排，上半橋臂電路模塊與下半橋臂電路模塊並列面對面放置。
[0008]每一開關單元包括多個絕緣柵雙極型電晶體模塊與多條串聯母排，絕緣柵雙極型電晶體模塊經由串聯母排而串聯。
[0009]第一開關單元面對第四開關單元，第一二極體單元面對第二二極體單元，第二開關單元面對第三開關單元。
[0010]第一二極體單元位於第一開關單元與第二開關單元之間，第二二極體單元位於第三開關單元與第四開關單元之間。
[0011]上半橋臂電路模塊和下半橋臂均呈品字形排布，第一二極體單元位於第一開關單元與第二開關單元的旁邊，第二二極體單元位於第三開關單元與第四開關單元的旁邊。
[0012]上半橋臂電路模塊還包括直流母線正極導體，連接第一開關單元至直流母線的正極端。
[0013]上半橋臂電路模塊還包括第一交流輸出母排，連接第二開關單元至交流接線端。
[0014]上半橋臂電路模塊還包括第一中性點連接母排，連接第一二極體單元與電容單元的中性點。
[0015]上半橋臂電路模塊還包括絕緣板材，下半橋臂電路模塊還包括另一絕緣板材。
[0016]下半橋臂電路模塊還包括直流母線負極導體，連接第四開關單元至直流母線的負極端。
[0017]下半橋臂電路模塊還包括第二交流輸出母排，連接第三開關單元至交流接線端。
[0018]下半橋臂電路模塊還包括第二中性點連接母排，連接第二二極體單元與電容單元的中性點。
[0019]綜上所述，本發明的技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。藉由上述技術方案，可達到相當的技術進步，並具有產業上的廣泛利用價值，其至少具有下列優
佔-
^ \\\.[0020]1.以半個橋臂電路為一個模塊進行了模塊化設計；安裝與更換方便；結構緊湊；系統換流迴路較小，雜散電感較小；
[0021]2.連接部分是由連接母排(亦即，由導電導體材料製成，例如銅排、鋁)與絕緣導線(亦即，絕緣電纜)混合組成，區別於其他產品的連接部分全部由母排組成的連接方式。此連接方式，可以有效地解決系統連線過程中因為高壓而導致的局部放電問題；以及
[0022]3.上半橋臂電路和下半橋臂電路並列面對面放置，且結合半個橋臂電路的模塊化設計，以及連接部分採用母排與絕緣導線結合的連接方式，使得變流器換流迴路較小，雜散電感較小，結構緊湊，安裝方便以及生產成本低等。
[0023]以下將以實施方式對上述的說明作詳細的描述，並對本發明的技術方案提供更進
一步的解釋。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]為讓本發明的上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，【專利附圖】
【附圖說明】如下:[0025]圖1是一種三電平變流器電路的原理圖(單相)；
[0026]圖2是圖1的三電平變流器的一換流迴路；
[0027]圖3是圖1的三電平變流器的另一換流迴路；
[0028]圖4是依照本發明一實施例的一種IGBT串聯電路的原理圖；
[0029]圖5是依照本發明一實施例的一種開關單元結構圖；
[0030]圖6、圖7是依照本發明第一實施例的一種上橋臂電路結構布局圖及其連接線；
[0031]圖8、圖9是依照本發明第一實施例的一種下橋臂電路結構圖布局及其連接線；
[0032]圖10是依照本發明第一實施例的一種三電平變流器單相橋臂的結構圖；
[0033]圖11是依照本發明第二實施例的一種上橋臂電路結構布局圖；
[0034]圖12是依照本發明第二實施例的一種下橋臂電路結構布局圖；以及
[0035]圖13是依照本發明第二實施例的一種三電平變流器單相橋臂的結構圖。
[0036]其中，附圖標記:
[0037]
I:直流母線正極導體I散熱器
3:絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)模塊
4:串聯母排5:第一連接母排
6；第一絕緣導線7:第一轉接母排
8:第一交流輸出母排9:絕緣板材
10:第一中性點連接母排11:第二連接母排
12:第二絕緣導線13:第二轉接母排
14:第二交流輸出母排15:直流母線負極導體
16:絕緣板材17:第二中性點連接母排
AC out:交流接線端DC+:直流母線的正極端
N:電容單元的中性點DC-:直流母線的負極端
SI:第一開關單元
D1:第一二極體單元
S2:第二開關單元
S3:第二開關單元
D2:第二二極體單元
S4:第四開關單元
【具體實施方式】
[0038]為了使本發明的敘述更加詳盡與完備，可參照附圖及以下所述各種實施例，附圖
中相同的號碼代表相同或相似的元件。另一方面，眾所周知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本發明造成不必要的限制。
[0039]本發明的技術方案是一種三電平變流器，其可應用在變頻器，或是廣泛地運用在相關的技術環節，以下將搭配圖1?圖13來說明該三電平變流器的器件布局及連接方式。
[0040]圖1是三電平變流器電路原理圖(單相)。在圖1中，三電平變流器包括第一開關單元S1、第二開關單元S2、第三開關單元S3、第四開關單S4、第一二極體單元Dl與第二二極體單元D2。在結構上，第一開關單元SI串聯第二開關單元S2，第一二極體單元Dl電性連接第一開關單元SI與第二開關單元S2 ;第三開關單元S3串聯第四開關單元S4，第二二極體單元D2電性連接第三開關單元S3與第四開關單元S4，第一二極體單元Dl與第二二極體單元D2連接至電容單元的中性點N，第二開關單元S2與第三開關單元S3連接至交流接線端AC out,第一開關單元SI連接直流母線的正極端DC+,第四開關單元S4連接直流母線的負極端DC-，電容單元連接於直流母線的正極端DC+與直流母線的負極端DC-之間。在運作時，圖2和圖3示意了三電平的兩個換流迴路。關於該三電平變流器的換流迴路是為該【技術領域】的技術人員所周知技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。需要說明的是第一開關單元S1-第四開關單元S4可以是絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)。
[0041]圖4是本實施例實際絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)串聯原理圖，本實施例中，每個等效開關單元是由數個絕緣柵雙極型電晶體串聯而成(圖4中以6個為例)；每個二極體單元包括數個串聯的二極體，需要說明的是，二極體可以是箝位二極體或是絕緣柵雙極型電晶體的體二極體，(圖4中以6個為例)。本實施例中其等效開關單元的結構圖如圖5所示，每個開關單元包括數個絕緣柵雙極型電晶體模塊3 (圖5中以3個為例)與數條串聯母排4，每個二極體單元包括數個二極體或絕緣柵雙極型電晶體，且數個二極體或絕緣柵雙極型電晶體由串聯母排串聯連接，本實施例所採用的每個絕緣柵雙極型電晶體模塊3內部集成了 2個絕緣柵雙極型電晶體，絕緣柵雙極型電晶體模塊3經由串聯母排4而串聯。需要指出的是，母排，即由導電導體材料製成，例如，銅、招，本文以下內容將以母排為例進行說明。另外，絕緣柵雙極型電晶體模塊3安裝於散熱器2上。
[0042]應了解到，雖然上述以6個元器件串聯為例，但此並不限制本發明，實務上，本領域的技術人員應視需要彈性調整元器件的數量。
[0043]在第一實施例中，整個橋臂的設計結構如圖10所示，其中上半橋臂的結構如圖6、圖7所示，上半橋臂電路模塊包括第一開關單元S1、第二開關單元S2與第一二極體單元Dl0下半橋臂的結構如圖8、圖9所示，下半橋臂電路模塊包括第三開關單元S3、第四開關單元S4與第二二極體單元D2。
[0044]在結構設計上，開關單元SI位於上半橋臂上部，二極體單元Dl位於橋臂中部，開關單元S2位於橋臂下端；開關單元S3的位置與S2相對應位於下半橋臂下部，二極體單元D2與Dl相對應位於下半橋臂中部，開關單元S4的位置與SI相對應位於下半橋臂上部。上半橋臂電路模塊與下半橋臂電路模塊並列面對面放置，基本成鏡像關係，整體成U型結構。
[0045]具體而言，整個橋臂如圖10所示，第一開關單元SI面對第四開關單元S4，第一二極體單元Dl面對第二二極體單元D2，第二開關單元S2面對第三開關單元S3。上半橋臂電路模塊如圖6、圖7所示，第一二極體單元Dl位於第一開關單元SI與第二開關單元S2之間，且第一開關單元S1、第一二極體單元Dl與第二開關單元S2三者呈一直線排列；相似地，下半橋臂電路模塊如圖8、圖9所示，第二二極體單元D2位於第三開關單元S3與第四開關單元S4之間，且第四開關單元S4、第二二極體單元D2與第三開關單元S3三者呈一直線排列。
[0046]本發明的第二實施例如圖11、12、13所示。圖11為三電平單相橋臂上半橋臂布局結構圖，其中圖11所示為三電平單相橋臂上半橋臂布局結構圖，第一開關單元SI與第二開關單元S2成上下排列，第一開關單元SI在上，第二開關單元S2在下，第一二極體單元Dl位於第一開關單元SI與第二開關單元S2的旁邊，整體成品字型分布；圖12所示為三電平單相橋臂下半橋臂布局結構圖，亦成一品字型分布，第三開關單元S3在下，第四開關單元S4在上，第二二極體單元D2位於第三開關單元與第四開關單元的旁邊。整個橋臂如圖13所示，上、下半個橋臂面對面，基本成鏡像關係，整體為U型結構。
[0047]綜合以上，本發明提出一種新型IGBT串聯三電平變流器的器件布局。本布局方式的特點:以半個橋臂為一個模塊進行了模塊化設計，且上半橋臂電路和下半橋臂電路並列面對面放置，使得安裝與更換方便；結構緊湊；變換器換流迴路較小，雜散電感較小。
[0048]本發明結構的另一特點為其連接線方式。在圖6、7描述了 IGBT串聯三電平單相橋臂中上半橋臂的連接方式，第一、第二開關單元S1、S2內部由串聯母排4 (如:串聯銅排)連接，第一二極體單元Dl由多個串聯的二極體串聯而成，需要說明的是，多個二極體之間可以採用串聯母排4連接，第一開關單元SI與第一二極體單元Dl之間由第一連接母排5(如:連接銅排)連接，第一開關單元SI和第一二極體單元Dl與第二開關單元S2之間的連接由第一絕緣導線6 (如，耐局部放電絕緣導線)、第一連接母排5和第一轉接母排7 (如，轉接銅排)構成，上半橋臂輸出引線為第一交流輸出母排8 (如，交流輸出銅排)，上半橋臂的第一二極體單元Dl與電容單元的中性點N之間由第一中性點連接母排10(如，中性點連接銅排)連接，第一中性點連接母排10與上半橋臂第一開關單元SI與第一二極體單元Dl中其他導體之間的絕緣由絕緣板材9構成，需要說明的是，第一開關單元SI與第一二極體單元Dl中其他導體指的是串聯母排4、第一連接母排5和第一轉接母排7 ;下半橋臂的連接方式如圖8、9所示，第三開關單元S3、第二二極體單元D2與第四開關單元S4內部均由串聯母排4(如，串聯銅排)連接，第四開關單元S4與第二二極體單元D2之間由第二連接母排11 (如，連接銅排)連接，第四開關單元S4和第二二極體單元D2與第三開關單元S3之間的連接由第二絕緣導線12 (如，耐局部放電絕緣導線)、第二連接母排11和第二轉接母排13 (如，轉接銅排)構成。下半橋臂輸出引線為第二交流輸出母排14 (如，交流輸出銅排)，下半橋臂第二二極體單元D2與電容單元的中性點N之間由第二中性點連接母排17(如，中性點連接銅排)連接，第二中性點連接母排17與下半橋臂的第四開關單元S4與第二二極體單元D2中其他導體之間的絕緣由絕緣板材16構成，需要說明的是，下半橋臂的第四開關單元S4與第二二極體單元D2中其他導體指的是串聯母排4、第二連接母排11、第二轉接母排13。
[0049]具體而言，整個橋臂如圖10所示，上半橋臂電路模塊包括直流母線正極導體1，直流母線正極導體I連接第一開關單元SI與直流母線的正極端DC+ ;下半橋臂電路模塊包括直流母線負極導體15，直流母線負極導體15連接第四開關單元S4與直流母線的負極端DC-。
[0050]上半橋臂電路模塊如圖6、圖7所示，上半橋臂電路模塊還包括第一連接母排5，第一連接母排5連接第一開關單元SI與第一二極體單元Dl ;上半橋臂電路模塊還包括第一耐局部放電絕緣導線6與第一轉接母排7，第一耐局部放電絕緣導線6連接至第一開關單元S1、第二開關單元S2與第一二極體單元D1，第一轉接母排7連接第二開關單元S2與第一絕緣導線6 ;上半橋臂電路模塊還包括第一交流輸出母排8，連接第二開關單元S2至交流接線端AC out ;上半橋臂電路模塊還包括第一中性點連接母排10，第一中性點連接母排10連接第一二極體單元Dl與電容單元的中性點N ;上半橋臂電路模塊還包括絕緣板材9,絕緣板材9隔離第一中性點連接母排10與上半橋臂電路的第一開關單元SI與第一二極體單元Dl中其他導體。
[0051]下半橋臂電路模塊如圖8、圖9所示，下半橋臂電路模塊還包括第二連接母排11，第二連接母排11連接第四開關單元S4與第二二極體單元D2 ;下半橋臂電路模塊還包括第二絕緣導線12 (如，耐局部放電絕緣導線)與第二轉接母排13，第二絕緣導線12連接至第三開關單元S3、第四開關單元S4與第二二極體單元D2，第二轉接母排13連接第三開關單元S3與第二絕緣導線12 ;下半橋臂電路模塊還包括第二交流輸出母排14，第二交流輸出母排14連接第三開關單元S3至交流接線端AC out ;下半橋臂電路模塊還包括第二中性點連接母排17，第二中性點連接母排17連接第二二極體單元D2與電容單元的中性點；再者，下半橋臂電路模塊還包括絕緣板材16，絕緣板材16隔離第二中性點連接母排17與下半橋臂電路第四開關單元S4與第二二極體單元D2中其他導體。
[0052]另外，由於本發明第二實施例的連接方式與第一實施例基本一致，故此處不再詳細贅述之。
[0053]綜合以上，本連接方式的特點:連接部分是由連接母排(如:銅排)與絕緣導線混合組成，區別於其他產品與專利的全部由母排組成的連接方式。此連接方式，可以有效地解決系統連線過程中因為高壓而導致的局部放電問題，半橋臂連接母排僅2層，結構簡單、成本較低。
[0054]雖然本發明已以實施方式公開如上，但其並非用以限定本發明，任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與修改，因此本發明的保護範圍當視後附的權利要求保護範圍所界定者為準。
【權利要求】
1.一種三電平變流器，其特徵在於，所述三電平變流器包括至少一相橋臂，所述每相橋臂包括: 一上半橋臂電路模塊，包括一第一開關單元、一第二開關單元、一第一二極體單元、一第一連接母排、一第一絕緣導線與一第一轉接母排，所述第一開關單元串聯所述第二開關單元，所述第一開關單元連接一直流母線的正極端，所述第一連接母排連接所述第一開關單元與所述第一二極體單元，所述第一轉接母排連接所述第二開關單元，所述第一絕緣導線連接至所述第一轉接母排和所述第一連接母排；以及 一下半橋臂電路模塊，包括一第三開關單元、一第四開關單元、一第二二極體單元、一第二連接母排、一第二絕緣導線與一第二轉接母排，所述第三開關單元串聯所述第四開關單元，所述第一二極體單元與所述第二二極體單元連接至一電容單元的中性點，所述第二開關單元與所述第三開關單元連接至一交流接線端，所述第四開關單元連接所述直流母線的負極端，所述電容單元連接於所述直流母線的正極端與負極端之間，所述第二連接母排連接所述第四開關單元與所述第二二極體單元，所述第二轉接母排連接所述第三開關單元，所述第二絕緣導線連接所述第二連接母排和所述第二轉接母排，所述上半橋臂電路模塊與所述下半橋臂電路模塊並列面對面放置。
2.根據權利要求1所述的三電平變流器，其特徵在於，每一開關單元包括多個絕緣柵雙極型電晶體模塊與多條串聯母排，所述絕緣柵雙極型電晶體模塊經由所述串聯母排而串聯。
3.根據權利要求1所述的三電平變流器，其特徵在於，所述第一開關單元面對所述第四開關單元，所述第一二極體單元面對所述第二二極體單元，所述第二開關單元面對所述第三開關單元。
4.根據權利要求3所述的三電平變流器，其特徵在於，所述第一二極體單元位於所述第一開關單元與所述第二開關單元之間，所述第二二極體單元位於所述第三開關單元與所述第四開關單元之間。
5.根據權利要求3所述的三電平變流器，其特徵在於，所述上半橋臂電路模塊和所述下半橋臂均呈品字形排布，所述第一二極體單元位於所述第一開關單元與所述第二開關單元的旁邊，所述第二二極體單元位於所述第三開關單元與所述第四開關單元的旁邊。
6.根據權利要求1所述的三電平變流器，其特徵在於，所述上半橋臂電路模塊還包括一直流母線正極導體，連接所述第一開關單元至所述直流母線的正極端。
7.根據權利要求1所述的三電平變流器，其特徵在於，所述上半橋臂電路模塊還包括一第一交流輸出母排，連接第二開關單元至所述交流接線端。
8.根據權利要求1所述的三電平變流器，其特徵在於，所述上半橋臂電路模塊還包括一第一中性點連接母排，連接所述第一二極體單元與所述電容單元的中性點。
9.根據權利要求8所述的三電平變流器，其特徵在於，所述上半橋臂電路模塊還包括一絕緣板材，所述下半橋臂電路模塊還包括另一絕緣板材。
10.根據權利要求1所述的三電平變流器，其特徵在於，所述下半橋臂電路模塊還包括一直流母線負極導體，連接所述第四開關單元至所述直流母線的負極端。
11.根據權利要求1所述的三電平變流器，其特徵在於，所述下半橋臂電路模塊還包括一第二交流輸出母排，連接所述第三開關單元至所述交流接線端。
12.根據權利要求1所述的三電平變流器，其特徵在於，所述下半橋臂電路模塊還包括一第二中性點連接 母排，連接所述第二二極體單元與所述電容單元的中性點。
【文檔編號】H02M7/48GK104038085SQ201310074909
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年3月8日 優先權日:2013年3月8日
【發明者】應建平, 馬少才, 甘鴻堅, 文森林 申請人:臺達電子工業股份有限公司