CN103986340B - 电源变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电源变换器。该电源变换器包含机柜、第一变换电路模块、第二变换电路模块及直流电容模块。第一变换电路模块包含至少一第一桥臂。第二变换电路模块包含至少一第二桥臂。第一变换电路模块、第二变换电路模块与直流电容模块皆设置于机柜中。第二桥臂与第一桥臂相互平行成背靠背布局。直流电容模块电性连接于该第一桥臂与该第二桥臂之间，使得第一桥臂与第二桥臂共享直流电容模块。

Description

电源变换器
技术领域
本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种电源变换器。
背景技术
电机驱动用的变频器、电能质量管理领域的静止无功发生器(SVG)、有源滤波器(APF)等电源变换器产品在节约电能、提高电能质量等方面起到越来越重要的作用，在众多的工业领域得到了越来越广泛的推广与应用，产生了良好的经济效益与社会效益。
中压大功率变频器(MVD)是电源变换器的典型代表。一种现有电源变换器的特点，是与电网侧连接端需要一个体积巨大且成本高昂的移相变压器。移相变压器二次侧与众多的低压单相功率模块的二极管整流电路相连。若干个低压单相功率模块逆变输出进行串联得到所需的中压。每个低压单相功率模块均有直流母线电容模块。因此，其最大的缺点是需要体积大且成本高的移相变压器，另外功率变换电路部分整体所需的直流母线电容器数量多、体积巨大、成本高。
为了解决上述的缺点，另有一种基于功率器件(比如IGBT/Diode)串联技术的中压大功率变频器被提出，这种功率变频器的一大优点是不再需要体积巨大且成本高昂的移相变压器。然而，这种功率变频器的直流母线电容模块都存在不同程度的分散，比如每相变换电路配置相应的直流母线电容器(或组)，再用母线将各部分直流母线电容器(或组)的公共接线点相接。其所产生的问题是产品整体配置的电容相对多而导致成本提高，且电容所需体积大而导致功率密度降低。另外，各分散的直流母线电容模块之间还有产生内部震荡的风险。
因此，如何减小功率变换器的体积、提高功率密度、节约产品制造成本与运输成本、节省产品安装所需空间，一直是业界持续研究的一个重要问题。
发明内容
本发明提供一种电源变换器，其包含机柜、第一变换电路模块、第二变换电路模块以及直流电容模块。第一变换电路模块设置于机柜中，并包含至少一第一桥臂。第二变换电路模块设置于机柜中，并包含至少一第二桥臂。第一桥臂与第二桥臂相互平行成背靠背布局。直流电容模块设置于机柜中，并电性连接于第一桥臂与第二桥臂之间，使得第一桥臂与第二桥臂共享直流电容模块。
于本发明的一实施方式中，上述的机柜具有第一进风口以及第二进风口。第一进风口与第二进风口分别位于机柜的两相对侧。第一桥臂与第二桥臂位于第一进风口与第二进风口之间。第一桥臂邻近第一进风口。第二桥臂邻近第二进风口。
于本发明的一实施方式中，上述的机柜还具有出风口。第一桥臂与第二桥臂之间形成风道。出风口位于风道的一端。
于本发明的一实施方式中，上述的出风口位于机柜的顶部。直流电容模块位于机柜的底部。出风口与直流电容模块分别位于风道的两端。
于本发明的一实施方式中，上述的电源变换器还包含风机。风机固定至机柜，并与出风口连通。
于本发明的一实施方式中，上述的直流电容模块包含电容阵列以及连接母排。电容阵列由多个电容单元排列而成。电容单元经由连接母排电性连接第一桥臂与第二桥臂。
于本发明的一实施方式中，上述的第一变换电路模块为三相变换电路。
于本发明的一实施方式中，上述的第二变换电路模块为三相变换电路。
于本发明的一实施方式中，上述的第一桥臂为整流桥臂或逆变桥臂。
于本发明的一实施方式中，上述的第二桥臂为整流桥臂或逆变桥臂。
于本发明的一实施方式中，上述的电源变换器还可采用液冷散热方式或热管散热方式进行散热。
综上所述，本发明的电源变换器的技术特征至少包含：(1)两组变换电路模块共享一个直流电容模块；以及(2)两组变换电路模块位于直流电容模块的连接母排上方，并相互平行成背靠背布局。因此，本发明的电源变换器至少具有以下优点：(1)电源变换器集中共享直流电容模块，可节省电容；(2)电源变换器整体结构紧凑、体积小，并且功率密度高；以及(3)节省生产与运输成本、节省设备安装所需空间。
附图说明
图1A为绘示本发明一实施方式中电源变换器的前视图。
图1B为绘示图1A中电源变换器的后视图。
图2为绘示图1A中电源变换器的侧视图。
图3为绘示本发明一实施方式中电源变换器的系统原理图。
图4为绘示本发明一实施方式中第二变换电路模块的电路原理图。
图5为绘示图1A中直流电容模块的立体示意图。
图6为绘示本发明另一实施方式中电源变换器的侧视图。
附图标记说明：
1、3：电源变换器 140：逆变桥臂
10：机柜 16：直流电容模块
100：第一进风口 160：电容阵列
102：第二进风口 162：连接母排
104：风道 18：风机
106：出风口 2：电网
12、32：第一变换电路模块 320：第一逆变桥臂
120：整流桥臂 340：第二逆变桥臂
14、34：第二变换电路模块 4：电机
具体实施方式
以下将以图式公开本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些现有惯用的结构与元件在图式中将以简单示意的方式绘示。
请参照图1A、图1B以及图2。图1A为绘示本发明一实施方式中电源变换器1的前视图。图1B为绘示图1A中的电源变换器1的后视图。图2为绘示图1A中的电源变换器1的侧视图。
如图1A至图2所示，于本实施方式中，电源变换器1包含机柜10、第一变换电路模块12、第二变换电路模块14以及直流电容模块16。电源变换器1的第一变换电路模块12设置于机柜10中，并包含至少一第一桥臂。于本实施方式中，第一桥臂以整流桥臂120为例。电源变换器1的第二变换电路模块14设置于机柜10中，并包含至少一第二桥臂。于本实施方式中，第二桥臂以逆变桥臂140为例。电源变换器1的直流电容模块16设置于机柜10中。电源变换器1的机柜10具有第一进风口100以及第二进风口102。机柜10的第一进风口100与第二进风口102分别位于机柜10的两相对侧(即图1A所示的前侧与图1B所示的后侧)。第一变换电路模块12的整流桥臂120与第二变换电路模块14的逆变桥臂140位于机柜10的第一进风口100与第二进风口102之间。其中，整流桥臂120邻近机柜10的第一进风口100，而逆变桥臂140邻近机柜10的第二进风口102。
电源变换器1的机柜10还具有出风口106。第一变换电路模块12的整流桥臂120与第二变换电路模块14的逆变桥臂140之间形成风道104，并且机柜10的出风口106位于风道104的一端。详细来说，机柜10的出风口106位于机柜10的顶部，而直流电容模块16位于机柜10的底部。机柜10的出风口106与直流电容模块16分别位于风道104的两端。
进一步来说，电源变换器1还包含风机18。电源变换器1的风机18固定于机柜10，并与出风口106连通。当电源变换器1的风机18在运作时，会将机柜10外的冷却空气由机柜10前侧的第一进风口100与机柜10后侧的第二进风口102吸入机柜10中。由第一进风口100与第二进风口102进入的冷却空气，会与第一变换电路模块12的整流桥臂120及第二变换电路模块14的逆变桥臂140进行热交换，并在通过整流桥臂120与逆变桥臂140之后于风道104汇集，最后再经由机柜10的出风口106被风机18排出机柜10。本发明在机柜10的前侧与后侧分别开设第一进风口100与第二进风口102的作法，不仅可使得冷却空气能够与整流桥臂120及逆变桥臂140进行大面积的热交换，还可增加安装与维护电源变换器1的便利性。
要特别说明的是，本发明的技术特征之一，在于电源变换器1的直流电容模块16是电性连接于第一变换电路模块12的整流桥臂120与第二变换电路模块14的逆变桥臂140之间。也就是说，整流桥臂120与逆变桥臂140共享一个直流电容模块16，因此本发明的电源变换器1具有节省电容的优点。
另外，在机柜10中，第一变换电路模块12的整流桥臂120与第二变换电路模块14的逆变桥臂140是位于直流电容模块16的上方，并相互平行成背靠背布局。较精确来说，整流桥臂120与逆变桥臂140的平行方向为图2中的铅直方向，整流桥臂120与逆变桥臂140的背靠背布局方向为图2中的水平方向。因此，本发明的电源变换器1还具有整体结构紧凑、体积小，并且功率密度高的优点。
于其他实施方式中，电源变换器1还可采用液冷散热方式或热管散热方式进行散热。
请参照图3，其为绘示本发明一实施方式中电源变换器1的系统原理图。
如图3所示，于本实施方式中，电源变换器1的第一变换电路模块12是以Vienna整流电路的架构实现，而第二变换电路模块14是以NPC三电平逆变电路的架构实现，并集中共享直流电容模块16。由此可知，第一变换电路模块12包含三个整流桥臂120，而第二变换电路模块14包含三个逆变桥臂140。第一变换电路模块12上端的交流接线端子与电网2侧的三相交流输入电缆连接。第二变换电路模块14上端的交流输出接线端子与电机4侧的三相交流电缆连接。第一变换电路模块12的整流桥臂120与第二变换电路模块14的逆变桥臂140皆由功率器件、驱动和控制及保护电路、散热器等元件所组成。第一变换电路模块12与第二变换电路模块14中的每相变换电路皆设计为上半桥臂模块与下半桥臂模块，且上半桥臂模块与下半桥臂模块是以面对面的布局方式形成一个桥臂。
请参照图4，其为绘示本发明一实施方式中第二变换电路模块14的电路原理图。
如图4所示，于本实施方式中，第二变换电路模块14是为基于功率器件(IGBT/Diode)串联技术的NPC三电平逆变电路，其中每个功率器件由若干个(图4中为6个)低压器件串联而成。器件S1、S2与D1组成上半桥臂模块，而器件S3、S4与D2组成下半桥臂模块。上半桥臂模块与下半桥臂模块相互平行且面对面安装布局。而图3中的Vienna整流电路与NPC三电平逆变电路相似，同样是每个功率器件由若干个低压器件串联而成，并组成类似的上半桥臂模块与下半桥臂模块，且上半桥臂模块与下半桥臂模块同样采用面对面安装布局。
请参照图5，其为绘示图1A中的直流电容模块16的立体示意图。
如图3与图5所示，于本实施方式中，直流电容模块16包含电容阵列160以及连接母排162。电容阵列160是由多个电容单元排列而成。电容阵列160的电容单元经由连接母排162电性连接第一变换电路模块12的整流桥臂120与第二变换电路模块14的逆变桥臂140。详细来说，在直流电容模块16的连接母排162的两边分别设计有三组直流接线端子(DC+/DC－，或DC+/NP/DC-)。第一变换电路模块12的三个整流桥臂120按一字阵列布局组成一个三相变换电路，第二变换电路模块14的三个逆变桥臂140也按一字阵列布局组成另一个三相变换电路。两组三相变换电路模块(即第一变换电路模块12与第二变换电路模块14)的直流接线端再分别与直流电容模块16的直流接线端子形成电性连接。两组三相变换电路模块位于直流电容模块16的连接母排162上方，且相互平行成背靠背布局。藉由上述的布局架构，整个电源变换器1的所有变换电路集中共享一个直流电容模块16，并且变换器总体结构非常紧凑，保证了很高的功率密度，节省制造与运输成本，节省设备安装所需空间，使得电源变换器1实现了本发明所预期的目的。
请参照图6，其为绘示本发明另一实施方式中电源变换器3的侧视图。
如图6所示，于本实施方式中，电源变换器3包含机柜10、第一变换电路模块32、第二变换电路模块34、直流电容模块16以及风机18。本实施方式的机柜10、直流电容模块16与风机18的结构、功能与连接关系，皆与图2所示的实施方式相同，因此在此不再赘述。
在此要特别说明的是，本实施方式与图2所示的实施方式的差异之处，在于本实施方式的电源变换器3的第一变换电路模块32所包含的第一桥臂以第一逆变桥臂320为例，而第二变换电路模块34所包含的第二桥臂以第二逆变桥臂340为例。换言之，只需将图2所示的整流桥臂120更改为逆变桥臂140，即可获得本实施方式的电源变换器3。由此可知，于本实施方式的电源变换器3中，集中共享的直流电容模块16上方是两组拓扑结构相同的变换电路模块。两组变换电路模块上端的交流接线端子若与电网2的三相交流电缆连接，就可实现共享直流电容模块16的两个中压大功率NPC三电平静止无功发生器(SVG)的并联，在保证功率密度高的前提下可提高无功发生器的容量。
由于有源滤波器(APF)与静止无功发生器可以有完全相同的拓扑，因此本实施方式也可应用于并联型的NPC三电平中压大功率有源滤波器。
于其他实施方式中，亦可将图2所示的逆变桥臂140更改为整流桥臂120，进而获得具有两组整流桥臂120的电源变换器。
由以上对于本发明的具体实施例的详述，可以明显地看出，本发明的电源变换器的技术特征至少包含：(1)两组变换电路模块共享一个直流电容模块；(2)在直流电容模块的连接母排两边分别设置三组直流接线端子；(3)一字阵列布局的三个模块化的变换电路(桥臂)组成一组三相变换电路模块，且其直流接线端子分别与直流电容模块对应的直流接线端子形成电性连接；以及(4)两组变换电路模块位于直流电容模块的连接母排上方，并相互平行成背靠背布局。因此，本发明的电源变换器至少具有以下优点：(1)电源变换器集中共享直流电容模块，可节省电容；(2)电源变换器整体结构紧凑、体积小，并且功率密度高；以及(3)节省生产与运输成本、节省设备安装所需空间。
虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视的权利要求的界定为准。

Claims (11)

1.一种电源变换器，其特征在于，包含：
一机柜；
一第一变换电路模块，设置于该机柜中，并包含按一字阵列布局的至少一第一桥臂；
一第二变换电路模块，设置于该机柜中，并包含按一字阵列布局的至少一第二桥臂，其中该第一桥臂与该第二桥臂相互平行成背靠背布局；以及
一直流电容模块，设置于该机柜中，并电性连接于该第一变换电路模块与该第二变换电路模块之间，且该第一变换电路模块与该第二变换电路模块位于该直流电容模块的连接母排的上方且该连接母排的两边分别设计有直流连接端子，使得该第一变换电路模块与该第二变换电路模块共享该直流电容模块。
2.如权利要求1所述的电源变换器，其特征在于，该机柜具有一第一进风口以及一第二进风口，分别位于该机柜的两相对侧，该第一桥臂与该第二桥臂位于该第一进风口与该第二进风口之间，该第一桥臂邻近该第一进风口，并且该第二桥臂邻近该第二进风口。
3.如权利要求2所述的电源变换器，其特征在于，该机柜还具有一出风口，该第一桥臂与该第二桥臂之间形成一风道，并且该出风口位于该风道的一端。
4.如权利要求3所述的电源变换器，其特征在于，该出风口位于该机柜的顶部，该直流电容模块位于该机柜的底部，并且该出风口与该直流电容模块分别位于该风道的两端。
5.如权利要求3所述的电源变换器，其特征在于，还包含一风机，该风机固定至该机柜，并与该出风口连通。
6.如权利要求1所述的电源变换器，其特征在于，该直流电容模块包含：
一电容阵列，由多个电容单元排列而成；以及
一连接母排，其中该些电容单元经由该连接母排电性连接该第一桥臂与该第二桥臂。
7.如权利要求1所述的电源变换器，其特征在于，该第一变换电路模块为一三相变换电路。
8.如权利要求1所述的电源变换器，其特征在于，该第二变换电路模块为一三相变换电路。
9.如权利要求1所述的电源变换器，其特征在于，该第一桥臂为一整流桥臂或一逆变桥臂。
10.如权利要求1所述的电源变换器，其特征在于，该第二桥臂为一整流桥臂或一逆变桥臂。
11.如权利要求1所述的电源变换器，其特征在于，该电源变换器还可采用液冷散热方式或热管散热方式进行散热。
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