三電平功率變換器的製作方法
2023-06-03 01:30:36 3
專利名稱：三電平功率變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用諸如IGBT (絕緣柵雙極電晶體)之類的開關元件輸出三 電平電壓的三電平功率變換器。
背景技術：
如專利文獻l所示，以往的三電平功率變換器包括具有正極端子、中間 端子和負極端子的直流電壓源；在正極端子與交流輸出端子之間依次串聯連接 的第一及第二 IGBT;在第一及第二 IGBT的連接點與中間端子之間連接的第一 耦合二極體；在交流輸出端子與負極端子之間依次串聯連接的第三及第四 IGBT;以及在第三及第四IGBT的連接點與中間端子之間連接的第二耦合二極 管，功率變換器被配置為對第一至第四IGBT適當地進行接通/斷開控制，以便 從交流輸出端子輸出三電平電壓。
專利文獻l:日本專利第3229931號公報
發明內容
本發明要解決的技術問題
在以往的三電平功率變換器中，由於使用各自搭載有一個IGBT的四個模 塊，所以變換器的尺寸較大，這導致在各元件之間互連的各條布線的浮地電感 較大，引起較高的關斷浪湧電壓。
作為控制該關斷浪湧電壓的方法，有一種方法將使用電容器的緩衝電路分 別與各IGBT並聯連接，用於吸收布線的浮地電感的能量。然而，在布線電感 增大時，吸收布線電感能量的緩衝電路的電容器容量也會增大，並且儘管由元 件生成的熱量不會隨著原件布局而改變，但有時冷卻器較大，會導致由於變換 器損耗的增加、變換器外形尺寸增大、變換器成本的提高、構件數量的增多引 起的可靠性下降。本發明為解決如上所述的問題而作出，並提供一種減小變換器的大小，使 在各元件之間互連的布線的浮地電感降低，並容易地與緩衝電路附連的三電平 功率變換器。
解決問題的手段
本發明的三電平功率變換器包括具有正極端子、中間端子和負極端子的 直流電壓源；在正極端子與交流輸出端子之間依次串聯連接的第一及第二開關 元件；在第一及第二開關元件的連接點與上述中間端子之間連接的第一耦合二 極管；在交流輸出端子和負極端子之間依次串聯連接的第三及第四開關元件； 以及在第三及第四開關元件的連接點與上述中間端子之間連接的第二耦合二 極管，對第一至第四開關元件進行接通/斷開控制，以便從交流輸出端子輸出 三電平的電壓，其中，功率變換器具有包含一組第一及第四開關元件作為構 成單位的第一模塊；包含一組第二及第三開關元件作為構成單位的第二模塊； 包含第一耦合二極體的第三模塊；以及包含第二耦合二極體的第四模塊，以及 從靠近交流輸出端子的位置依次將第二模塊、第四模塊、第三模塊、第一模塊 配置成一列。
本發明的優點
根據本發明，可以實現一種減小變換器的大小，使在各元件之間互連的布 線的浮地電感降低，並容易地與取決於變換器電容的緩衝電路附連的三電平功 率變換器。
圖l是示出本發明的實施方式l的三電平功率變換器的主電路結構的電路圖。
圖2是示出圖1的主電路的工作狀態的一個例子的說明圖。
圖3是示出圖1的主電路的工作狀態的另一個例子的說明圖。
圖4是示出實施方式1的三電平功率變換器的模塊配置結構的俯視圖。
圖5是示出圖4的模塊配置結構中的各元件間的互連的說明圖。
圖6是示出穿過實施方式1中的模塊的冷卻器底座設置熱管的情況的俯視圖。圖7是示出設置緩衝電路作為本發明的實施方式2的情況的電路圖。
圖8是示出在實施方式2中使用的緩衝單元的例子的結構圖。
圖9是示出在實施方式2中設置緩衝單元的情況的一個例子的結構圖。
圖10是示出在實施方式2中設置緩衝單元的情況的另一個例子的結構圖。
圖11是示出在實施方式2中設置緩衝單元的情況的又一個例子的結構圖。
圖12是在實施方式2中設置緩衝單元的情況下示意性示出作為變換器整
體的一個例子的側視圖。
圖13是在實施方式2中設置緩衝單元的情況下示意性示出作為變換器整
體的另一個例子的側視圖。
圖14是在實施方式2中設置緩衝單元的情況下示意性示出作為變換器整
體的又一個例子的側視圖。
圖15是示出本發明的實施方式3的三電平功率變換器的模塊配置結構的
俯視圖。
具體實施例方式
實施方式1
圖1是示出本發明的實施方式1的三電平功率變換器的電路框圖。圖中， 直流電壓源包括串聯連接的電容器7和8，並具有正極端子P、中間端子C及 負極端子N。
直流電壓源的正極端子P與交流輸出端子AC之間的正側臂部由第一 IGBT 1、第二 IGBT 2和第一耦合二極體5構成，其中第一 IGBT 1的集電極與正極 端子P連接，其發射極與第二 IGBT 2的集電極和第一耦合二極體5的陰極連 接。第一耦合二極體5的陽極與中間端子C連接，且第二 IGBT 2的發射極與 交流輸出端子AC連接。
接下來，交流輸出端子AC與負極端子N之間的負側臂部由第三IGBT 3、 第四IGBT 4和第二耦合二極體6構成，其中第三IGBT 3的集電極與交流輸出 端子AC連接，其發射極與第四IGBT 4的集電極C和第二耦合二極體6的陽極 連接。第二耦合二極體6的陰極與中間端子C連接，且第四IGBT 4的發射極 與負極端子N連接。在第一耦合二極體5、第二耦合二極體6分別並聯連接分壓電阻Ra、 Rb。
在如上所述構成的三電平功率變換器中，用已知的方法對第一至第四 IGBT 1 工GBT4適當地進行接通/斷開控制，以便從交流輸出端子AC輸出三電 平電壓，但在關斷各IGBT 1 IGBT 4時，由於在各元件之間互連的各條布線 的浮地電感而產生高的關斷浪湧電壓。
圖2、圖3分別是示出三電平功率變換器的工作狀態的電流通路的一個例 子的說明圖，其中L1 L5示出在各元件之間互連的布線的浮地電感。如圖2 所示，在從IGBT 1、 IGBT 2都接通的狀態下關斷IGBT 1時，則電流II變為 電流12。在該情況下，由於各條布線的電感感應出的電壓，IGBT 1被施加電 容器7的電壓與電壓V1、 V2、 V3的電壓之和，作為浪湧電壓。
如圖2所示，在關斷IGBT2且IGBT3、 IGBT 4各自的續流二極體接通時， 即電流I2變為電流I3時，IGBT 2被施加電容器8的電壓與電壓V2、 V3、 V5 的電壓之和，作為浪湧電壓。
每個浪湧電壓被稱為關斷浪湧電壓，且若不將這些關斷浪湧電壓抑制在安 全工作範圍內，則會使IGBT毀壞。
在以往的3電平功率變換器的情況下，由於將四個各自搭載有一個IGBT 的模塊串聯連接，所以變換器尺寸變大，這導致各條布線的浮地電感增大，引 起關斷浪湧電壓升高。因此，為了保護IGBT不受關斷浪湧電壓的影響，通常 將緩衝電路附連至各IGBT，但這會導致變換器尺寸進一步增大。
因此，在根據本發明的實施方式l的三電平功率變換器中，如圖4所示， 使用包含兩個IGBT元件的模塊，將一組外側元件即第一及第四IGBT1、 IGBT4 作為構成單位構成第一模塊11，另外將一組內側元件即第二及第三IGBT 2、 IGBT3作為構成單位構成第二模塊12，並將這些模塊ll、 12布置在兩端，在 模塊之間布置包含第一耦合二極體的第三模塊13、包含第二耦合二極體的第四 模塊14，其這些模塊的模塊配置結構為從靠近交流輸出端子AC的位置，依 次將第二模塊12、第四模塊14、第三模塊13、第一模塊ll排列成一列，如圖 5所示，各模塊的元件與作為直流電壓源的各電容器7和8連接。圖4中的C、 E表示各IGBT的陰極、陽極，A、 K表示各耦合二極體的陰極、陽極。
根據這樣的模塊配置結構，與以往的將各自搭載有一個IGBT的四個模塊與兩個二極體模塊配置成一列且各模塊的元件相互連接的結構相比，變換器尺寸可減小，因此可以降低各條布線的浮地電感。
在使用熱管作為各模塊的冷卻裝置時，如圖6所示，各模塊11 14的螺
旋夾鉗部16在插入各熱管15的方向上沿各邊平行排列，從而可以使熱管15插入各模塊的冷卻器而不被各模塊的螺旋夾鉗部16阻擋，致使冷卻結構的尺寸減小。
實施方式2
實施方式2示出在實施方式1的三電平功率變換器中設置緩衝電路的情況的例子。
圖7示出分別在第一至第四IGBT附加與該IGBT並聯連接的緩衝電路的情況的電路結構。
圖7中，用於第二IGBT2的緩衝電路由以下器件形成陽極與第二IGBT2的集電極側連接的二極體D2;在該二極體的陰極側與第二耦合二極體6的陰極側之間連接的電容器C2;以及在該電容器和二極體6的陰極的連接點與正極側端子P之間連接的放電電阻R2。
用於第三IGBT 3的緩衝電路由以下器件形成陰極與第三IGBT 3的發射極側連接的二極體D3;在該二極體的陽極側與第一耦合二極體a的陽極側之間連接的電容器C3;以及在該電容器和二極體D3的陰極的連接點與負極側端子N之間連接的放電電阻R3。
進一步地，用於第一 IGBT 1的緩衝電路由以下器件形成 一端與第一 IGBT1的集電極側連接的電容器C1;陰極與第一 IGBT 1的發射極側連接且陽極與電容器C1的另一端連接的二極體D1;以及在電容器C1和二極體D1的連接點與直流電源的中間端子C之間連接的放電電阻Rl。
用於第四IGBT 1的緩衝電路由以下器件形成 一端與第四IGBT 4的發射極側連接的電容器C4;陽極與第四IGBT 4的集電極側連接且陰極與電容器C4的另一端連接的二極體D4;以及在電容器C4和二極體D4的連接點與直流電源的中間端子C之間連接的放電電阻R4。
在本實施方式2中，各第一至第四緩衝電路設置作為如圖8所示的緩衝單元，以利於附連與實施方式1所示的模塊配置結構對應的緩衝電路。
9圖8 (a)示出通過在公共基板上形成除了用於第二IGBT 2、第三IGBT 3的緩衝電路的放電電阻R2、 R3以外的電路部分，來構成第一緩衝單元21的例子，圖8 (b)示出通過在不同的基板分別形成除了用於第一 IGBT 1、第四IGBT4的緩衝電路的放電電阻R1、 R4以外的電路部分，來構成第二及第三緩衝單元22、 23的例子，圖8 (c)示出通過在公共基板上形成除了用於第一 IGBT 1、第四IGBT4的緩衝電路的放電電阻R1、 R4以外的電路部分，來構成第四緩衝單元24的例子。
圖中，C、 E分別表示與各IGBT的陰極、陽極對應的連接端子部，A、 K分別表示與各耦合二極體的陰極、陽極對應的連接端子部，Gl、 G2、 G3、 G4分別表示與放電電阻R1 R4的連接端子部。
根據需要將圖8所示的第一至第四緩衝單元21 24以重疊在圖5所示的模塊配置結構中排列成一列的模塊上方的方式布置，並利用經由絕緣板彼此相鄰布置的多個平板狀的布線板與模塊的各元件連接。
圖9示出依次將第一緩衝單元21、第三緩衝單元23及第二緩衝單元22配置成一列的例子，圖10示出將第一緩衝單元21和第四緩衝單元24鄰近配置的例子。
取決於主電路的內部電感，有時不需要用於作為外側元件的第一及第四IGBT的緩衝電路，在這種情況下，如圖11所示只設置第一緩衝單元21即可。
這樣，將緩衝單元分為內側元件用單元和外側元件用單元，可以根據主電路的電感的大小適當使用緩衝單元。
圖12至14分別是在設置緩衝單元的情況下示意性示出作為變換器整體的側視圖，這種情況下，在圖12與圖9對應，圖13與圖10對應，圖14與圖11對應時，按照對模塊11 14為公共的冷卻器底座30、模塊11 14的本體、緩衝單元21 24、電容器7、 8的順序將其三維地堆疊。
各圖(a)示出用絕緣板40覆蓋各模塊11 14的側面，該絕緣板40附連分壓電阻Ra、 Rb及放電電阻Rl R4;各圖(b)示出去除上述絕緣板40，使得用於互連元件的布線板50可見。
在不使用緩衝單元21 24時，不設置絕緣板40，分壓電阻Ra、 Rb直接設置在第一及第二耦合二極體的模塊13、 14上。實施方式3
在實施方式1中，模塊的模塊配置結構是將包含IGBT的模塊11、 12布置在兩端，包含第二耦合二極體的模塊13、包含第一耦合二極體的模塊14在模塊ll、 12之間依次配置成一列。但如圖15所示，模塊的模塊配置結構也可以是將一組上側元件即第一及第二 IGBT 1、 IGBT 2作為構成單位構成第五模塊17，將一組下側元件即第三及第四IGBT 3、 IGBT 4作為構成單位構成第六模塊18，包含第一耦合二極體5的第七模塊19及包含第二耦合二極體6的第八模塊20夾設模塊17、 18的方式配置，從靠近交流輸出端子AC的位置，依次將第八模塊20、第六模塊18、第五模塊17、第七模塊19排列成一列。
即使在該模塊配置結構中，也可以減小變換器的尺寸並降低各條布線的浮地電感，並且在將三電平功率變換器用於大容量功率變換器時，可以適當使用圖8所示的緩衝單元21 24。
另外，在上側元件或者下側元件產生故障時，在實施方式1的模塊配置結構的情況下下必須更換兩個模塊。但根據本實施方式的模塊配置結構只更換一個模塊即可。
另外，上面說明了使用IGBT作為開關元件的情況，但本發明也可以同樣應用於不同的開關元件，例如電晶體、智能功率模塊或者FET (場效應電晶體)等，此時也能取得相同的效果。
權利要求
1.一種三電平功率變換器，包括具有正極端子、中間端子和負極端子的直流電壓源；在所述正極端子與交流輸出端子之間依次串聯連接的第一及第二開關元件；在所述第一和第二開關元件的連接點與所述中間端子之間連接的第一耦合二極體；在所述交流輸出端子和所述負極端子之間依次串聯連接的第三及第四開關元件；以及在所述第三和第四開關元件的連接點與所述中間端子之間連接的第二耦合二極體，對所述第一至第四開關元件進行接通/斷開控制，以便從所述交流輸出端子輸出三電平的電壓，其特徵在於，包括包含一組所述第一及第四開關元件作為構成單位的第一模塊；包含一組所述第二及第三開關元件作為構成單位的第二模塊；包含所述第一耦合二極體的第三模塊；以及包含所述第二耦合二極體的第四模塊，其中，從靠近所述交流輸出端子的位置依次將所述第二模塊、第四模塊、第三模塊、第一模塊配置成一列。
2. 如權利要求1所述的三電平功率變換器，其特徵在於，具有與所述第 二及第三開關元件分別並聯連接的緩衝電路，其中，所述緩衝電路形成於公共 基板上，以便作為第一緩衝單元。
3. 如權利要求2所述的三電平功率變換器，其特徵在於，具有與所述第 -及第四開關元件分別並聯連接的緩衝電路，其中，所述緩衝電路分別形成於不同的基板上，以便分別作為第二及第三緩衝單元。
4. 如權利要求2所述的三電平功率變換器，其特徵在於，具有與所述第 一及第四開關元件分別並聯連接的緩衝電路，其中，所述緩衝電路形成於公共 基板上，以便作為第四緩衝單元。
5. 如權利要求2所述的三電平功率變換器，其特徵在於，所述第一緩衝單元包括由陽極與所述第二開關元件的輸入側連接的二極體；在所述二極體的陰極 側與所述第二耦合二極體的陰極側之間連接的電容器；以及在所述電容器和所 述二極體的陰極的連接點與所述正極端子之間連接的放電電阻形成的緩衝電路；以及由陰極與所述第三開關元件的輸出側連接的二極體；在所述二極體的陽極 側與所述第一耦合二極體的陽極側之間連接的電容器；以及在所述電容器和所 述二極體的陰極的連接點與所述負極端子之間連接的放電電阻形成的緩衝電 路。
6. 如權利要求3所述的三電平功率變換器，其特徵在於， 所述第二緩衝單元包括由一端與所述第一開關元件的輸入側連接的電容器；陰極與所述第一開關 元件的輸出側連接且陽極與所述電容器的另一端連接的二極體；以及在所述電 容器和二極體的連接點與所述直流電源的中間端子之間連接的放電電阻形成 的第三緩衝電路，所述第三緩衝單元包括由一端與所述第四開關元件的輸出側連接的電容器；陽極與所述第四開關 元件的輸入側連接且陰極與所述電容器的另一端連接的二極體；以及在所述電 容器和二極體的連接點與所述直流電源的中間端子之間連接的放電電阻形成的緩衝電路。
7. 如權利要求4所述的三電平功率變換器，其特徵在於， 所述第四緩衝單元包括由一端與所述第一開關元件的輸入側連接的電容器；陰極與所述第一開關 元件的輸出側連接且陽極與所述電容器的另一端連接的二極體；以及在所述電 容器和二極體的連接點與所述直流電源的中間端子之間連接的放電電阻形成的緩衝電路；以及由一端與所述第四開關元件的輸出側連接的電容器；陽極與所述第四開關 元件的輸入側連接且陰極與所述電容器的另一端連接的二極體；以及在所述電 容器和二極體的連接點與所述直流電源的中間端子之間連接的放電電阻形成 的緩衝電路。
8. 如權利要求1所述的三電平功率變換器，其特徵在於，在依次配置成 一列的各所述第二模塊、所述第四模塊、所述第三模塊、所述第一模塊的冷卻 器，沿著模塊的配置方向設置公共的熱管。
9. 一種三電平功率變換器，包括具有正極端子、中間端子和負極端子 的直流電壓源；在所述正極端子與交流輸出端子之間依次串聯連接的第一及第 二開關元件；在所述第一及第二開關元件的連接點與所述中間端子之間連接的第一耦合二極體；在所述交流輸出端子和所述負極端子之間依次串聯連接的第三及第四開關元件；以及在所述第三及第四開關元件的連接點與所述中間端子 之間連接的第二耦合二極體，對所述第一及第二開關元件進行接通/斷開控制， 以便從所述交流輸出端子輸出三電平電壓，其特徵在於，包括包含一組所述第一及第二開關元件作為構成單位的第五模塊；包含一組所述第三及第四開關元件作為構成單位的第六模塊；包含所述第一耦合二極體的第七模塊；以及包含所述第二耦合二極體的第八模塊，其中從靠近所述交流輸出端子的位置依次將所述第八模塊、第六模塊、第 五模塊、第七模塊配置成一列。
全文摘要
本發明提供一種減小變換器的尺寸，使在元件之間互連的布線的浮地電感降低，並容易地與緩衝電路的附連的三電平功率變換器。該三電平功率變換器對第一至第四開關元件(1)～(4)進行接通/斷開控制，以便從交流輸出端子AC輸出三電平電壓，其中，功率變換器具有包括第一及第四開關元件(1)、(4)作為構成單位的第一模塊(11)；包括第二及第三開關元件(2)、(3)作為構成單位的第二模塊(12)；包括第一耦合二極體(5)作為構成單位的第三模塊(14)；以及包括第二耦合二極體作為構成單位的第四模塊(13)，並從靠近交流輸出端子AC的位置依次將第二模塊(11)、第四模塊(14)、第三模塊(13)、第一模塊(11)配置成一列。
文檔編號H02M7/48GK101563838SQ20068005672
公開日2009年10月21日 申請日期2006年12月20日 優先權日2006年12月20日
發明者小野力正, 田中毅 申請人:三菱電機株式會社