CN103986350A - 五电平整流器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种五电平整流器。该五电平整流器包括至少一相桥臂，其包括上半桥臂电路模块与下半桥臂电路模块。上半桥臂电路模块包括第一功率半导体开关单元、第二功率半导体开关单元、第一二极管单元、第二二极管单元、第一连接母排、第一绝缘导线与第一转接母排；下半桥臂电路模块包括第三功率半导体开关单元、第四功率半导体开关单元、第三二极管单元、第四二极管单元、第二连接母排、第二绝缘导线与第二转接母排。上半桥臂电路模块与下半桥臂电路模块并列面对面放置。

Description

五电平整流器
技术领域
本发明涉及一种整流器，且特别涉及一种五电平整流器。
背景技术
变频器在工业控制领域有着广泛的应用，更是工业上对大功率电机进行控制、调速的重要设备，是能源体系的一个重要组成部分。目前工业用大中型高压电机在生产中扮演着越来越重要的角色，其消耗的能源占全部耗能总量的近三分之二，其能效的进一步提高对于整个社会有着重要的意义。
已有的ROBICON方案(US5625545)的变频器是由低压半导体器件实现高压变频，不过ROBICON方案变频器前端需要一个移相变压器，该变压器成本高、体积大、损耗也比较大；且ROBICON方案需要大量的电容，成本高，失效率也高。以上这些因素导致了ROBICON方案总体体积大，效率低，可靠性较低。其他高压变频产品均采用高压半导体器件实现高压变频，而高压半导体器件非常昂贵，且损耗较大，系统成本仍然较高。
为了克服上述缺点，采用低压半导体器件(例如：IGBT)直接串联(半导体器件同时开通和关断，等效为一个开关器件进行工作)是一个很好的选择；同时为了减少系统成本，故在高压变频器领域采用无输入变压器的三电平低压IGBT串联方案是一个很好的选择。目前市场上已有应用多个IGBT串联的两电平变流器的产品，但其设计布局存在可维护性较差，换流回路较大，生产成本高等问题。
由此可见，上述的现有技术，显然仍存在不便与缺陷，而有待进一步改进。为解决上述问题，相关领域莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的方式被发展完成。因此，如何能更有效地解决上述问题，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前相关领域需改进的目标。
发明内容
本发明提出了一种适用于半导体器件串联五电平整流器的布局设计，采用模块化设计，结构紧凑，安装与维护方便，系统换流回路小，杂散电感小，提高了开关器件的使用寿命，增加了系统的可靠性。
本发明第一实施例所提供的一种五电平整流器包括至少一相桥臂，该至少一相桥臂包括上半桥臂电路模块与下半桥臂电路模块。上半桥臂电路模块包括第一功率半导体开关单元、第二功率半导体开关单元、第一二极管单元、第二二极管单元、第一连接母排、第一绝缘导线与第一转接母排，第一二极管单元串联第二二极管单元，第一、第二功率半导体开关单元之间串联的连接点与相电容器的正极性端相连，第一二极管单元连接第一直流母线电容器的正极性端，第一连接母排连接第一二极管单元与第二二极管单元，第一转接母排连接第一、第二功率半导体开关单元，第一绝缘导线连接至第一转接母排和第一连接母排。下半桥臂电路模块包括第三功率半导体开关单元、第四功率半导体开关单元、第三二极管单元、第四二极管单元、第二连接母排、第二绝缘导线与第二转接母排，第三二极管单元串联第四二极管单元，第三、第四功率半导体开关单元之间串联的连接点连接至相电容器的负极性端，第四二极管单元连接第二直流母线电容器的负极性端，第二二极管单元与第三二极管单元连接至第一、第二直流母线电容器之间相连的中性点，第二功率半导体开关单元与第三功率半导体开关单元连接至一交流接线端，第二连接母排连接第三二极管单元与第四二极管单元，第二转接母排连接第三、第四功率半导体开关单元，第二绝缘导线连接第二连接母排和第二转接母排，上半桥臂电路模块与下半桥臂电路模块并列面对面放置。
于第一实施例的一种实施方式中，第一二极管单元、第二二极管单元与第一、第二功率半导体开关单元呈一直线排列，第二二极管单元位于第一二极管单元与第一、第二功率半导体开关单元之间；第四二极管单元、第三二极管单元与第三、第四功率半导体开关单元呈一直线排列，第三二极管单元位于第四二极管单元与第三、第四功率半导体开关单元之间。
于第一实施例的一种实施方式中，第一、第二功率半导体开关单元包括多个功率半导体开关模块与多条串联母排，这些功率半导体开关模块是经由这些串联母排而串联
于第一实施例的一种实施方式中，第三、第四功率半导体开关单元包括多个功率半导体开关模块与多条串联母排，这些功率半导体开关模块是经由这些串联母排而串联。
于第一实施例的一种实施方式中，第一、第二、第三、第四二极管单元中每一者包括多个二极管模块与多条串联母排，这些二极管模块是经由这些串联母排而串联。
于第一实施例的一种实施方式中，第一二极管单元面对第四二极管单元，第二二极管单元面对第三二极管单元，第一、第二功率半导体开关单元面对第三、第四功率半导体开关单元。
于第一实施例的一种实施方式中，上半桥臂电路模块还包括一电容母线正极导体，连接第一二极管单元至第一直流母线电容器的正极性端。
于第一实施例的一种实施方式中，上半桥臂电路模块还包括一第一交流连接母排，连接第二功率半导体开关单元至交流接线端。
于第一实施例的一种实施方式中，上半桥臂电路模块还包括一第一中性点连接母排，连接第二二极管单元与中性点。
于第一实施例的一种实施方式中，上半桥臂电路模块还包括绝缘板材，设置于第一、第二二极管单元上，且第一中性点连接母排设置于绝缘板材上。
于第一实施例的一种实施方式中，上半桥臂电路模块包括一正极性端连接导体，连接第一、第二功率半导体开关单元之间串联的连接点至相电容器的正极性端。
于第一实施例的一种实施方式中，下半桥臂电路模块还包括一电容母线负极导体，连接第四二极管单元至第二直流母线电容器的负极性端。
于第一实施例的一种实施方式中，下半桥臂电路模块还包括一第二交流连接母排，连接第三功率半导体开关单元至交流接线端。
于第一实施例的一种实施方式中，下半桥臂电路模块还包括一第二中性点连接母排，连接第三二极管单元与中性点。
于第一实施例的一种实施方式中，下半桥臂电路模块还包括绝缘板材，设置于第三、第四二极管单元上，且第二中性点连接母排设置于绝缘板材上。
于第一实施例的一种实施方式中，下半桥臂电路模块包括一负极性端连接导体，连接第三、第四功率半导体开关单元之间串联的连接点至相电容器的负极性端。
本发明第二实施例所提供的一种五电平整流器包括至少一相桥臂，该至少一相桥臂包括上半桥臂电路模块与下半桥臂电路模块。上半桥臂电路模块包括第一功率半导体开关单元、第二功率半导体开关单元、第五功率半导体开关单元、第一二极管单元、第一连接母排、第一绝缘导线与第一转接母排，第一二极管单元串联第五功率半导体开关单元，第一、第二功率半导体开关单元之间串联的连接点与相电容器的正极性端相连，第一二极管单元连接第一直流母线电容器的正极性端，第一连接母排连接第一二极管单元与第五功率半导体开关单元，第一转接母排连接第一、第二功率半导体开关单元，第一绝缘导线连接至第一转接母排和第一连接母排。下半桥臂电路模块包括第三功率半导体开关单元、第四功率半导体开关单元、第六功率半导体开关单元、第二二极管单元、第二连接母排、第二绝缘导线与第二转接母排，第六功率半导体开关单元串联第二二极管单元，第三、第四功率半导体开关单元之间串联的连接点连接至相电容器的负极性端，第二二极管单元连接第二直流母线电容器的负极性端，第五功率半导体开关单元与第六功率半导体开关单元连接至第一、第二直流母线电容器之间相连的中性点，第二功率半导体开关单元与第三功率半导体开关单元连接至一交流接线端，第二连接母排连接第六功率半导体开关单元与第二二极管单元，第二转接母排连接第三、第四功率半导体开关单元，第二绝缘导线连接第二连接母排和第二转接母排，上半桥臂电路模块与下半桥臂电路模块并列面对面放置。
于第二实施例的一种实施方式中，第一二极管单元、第五功率半导体开关单元与第一、第二功率半导体开关单元呈一直线排列，第五功率半导体开关单元位于第一二极管单元与第一、第二功率半导体开关单元之间；第二二极管单元、第六功率半导体开关单元与第三、第四功率半导体开关单元呈一直线排列，第六功率半导体开关单元位于第二二极管单元与第三、第四功率半导体开关单元之间。
于第二实施例的一种实施方式中，第一、第二功率半导体开关单元包括多个功率半导体开关模块与多条串联母排，这些功率半导体开关模块是经由这些串联母排而串联。
于第二实施例的一种实施方式中，第三、第四功率半导体开关单元包括多个功率半导体开关模块与多条串联母排，这些功率半导体开关模块是经由这些串联母排而串联。
于第二实施例的一种实施方式中，第五、第六功率半导体开关单元中每一者包括多个功率半导体开关模块与多条串联母排，这些功率半导体开关模块是经由这些串联母排而串联。
于第二实施例的一种实施方式中，第一、第二二极管单元中每一者包括多个二极管模块与多条串联母排，这些二极管模块是经由这些串联母排而串联。
于第二实施例的一种实施方式中，第一二极管单元面对第二二极管单元，第五功率半导体开关单元面对第六功率半导体开关单元，第一、第二功率半导体开关单元面对第三、第四功率半导体开关单元。
于第二实施例的一种实施方式中，上半桥臂电路模块还包括一电容母线正极导体，连接第一二极管单元至第一直流母线电容器的正极性端。
于第二实施例的一种实施方式中，上半桥臂电路模块还包括一第一交流连接母排，连接第二功率半导体开关单元至交流接线端。
于第二实施例的一种实施方式中，上半桥臂电路模块还包括一第一中性点连接母排，连接第五功率半导体开关单元与中性点。
于第二实施例的一种实施方式中，上半桥臂电路模块还包括绝缘板材，设置于第一二极管单元与第五功率半导体开关单元上，且第一中性点连接母排设置于绝缘板材上。
于第二实施例的一种实施方式中，上半桥臂电路模块包括一正极性端连接导体，连接第一、第二功率半导体开关单元之间串联的连接点至相电容器的正极性端。
于第二实施例的一种实施方式中，下半桥臂电路模块还包括一电容母线负极导体，连接第二二极管单元至第二直流母线电容器的负极性端。
于第二实施例的一种实施方式中，下半桥臂电路模块还包括一第二交流连接母排，连接第三功率半导体开关单元至交流接线端。
于第二实施例的一种实施方式中，下半桥臂电路模块还包括一第二中性点连接母排，连接第六功率半导体开关单元与中性点。
于第二实施例的一种实施方式中，下半桥臂电路模块还包括绝缘板材，设置于第二二极管单元与第六功率半导体开关单元上，且第二中性点连接母排设置于绝缘板材上。
于第二实施例的一种实施方式中，下半桥臂电路模块包括一负极性端连接导体，连接第三、第四功率半导体开关单元之间串联的连接点至相电容器的负极性端。
综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。藉由上述技术方案，可实现较大的技术进步，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
1.以半个桥臂电路为一个模块进行了模块化设计，且上半桥臂电路模块和下半桥臂电路模块并列面对面放置，使得整流器的换流回路较小，杂散电感较小，结构紧凑，安装与更换方便以及生产成本低等；
2.连接部分是由母排(由导电导体材料制成，例如：铜排、铝排)与绝缘导线(如：绝缘电缆)混合组成，区别于其他产品的连接部分全部由母排组成的连接方式。此连接方式，可以有效地解决系统连线过程中因为高压而导致的局部放电问题。
以下将通过实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本发明的技术方案提供更进一步的解释。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，说明书附图的说明如下：
图1是依照本发明第一实施例的一种五电平整流器电路的原理图(单相)；
图2是图1的五电平整流器的一种换流回路；
图3是依照本发明一实施例的一种功率半导体开关串联、二极管串联电路原理图；
图4A、4B是依照本发明第一实施例的一种上半桥臂电路模块结构布局图及其连接线；
图5A、5B是依照本发明第一实施例的一种下半桥臂电路模块结构布局图及其连接线；
图6是依照本发明第一实施例的一种五电平整流器单相桥臂的结构图；
图7是依照本发明第二实施例的一种五电平整流器电路的原理图(单相)；
图8是图7的五电平整流器的一种换流回路；
图9A、9B是依照本发明第二实施例的一种上半桥臂电路模块结构布局图及其连线；
图10A、10B是依照本发明第二实施例的一种下半桥臂电路模块结构布局图及其连线；
图11是依照本发明第二实施例的一种五电平整流器单相桥臂的结构图。
附图标记说明：
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，附图标记的说明如下：
AC：交流接线端
C1：第一直流母线电容器
C2：第二直流母线电容器
D1：第一二极管单元
D2：第二二极管单元
D3：第三二极管单元
D4：第四二极管单元
N：中性点
P、Q：连接点
S1：第一功率半导体开关单元
S2：第二功率半导体开关单元
S3：第三功率半导体开关单元
S4：第四功率半导体开关单元
S5：第五功率半导体开关单元
S6：第六功率半导体开关单元
1：电容母线正极导体
2：散热器
3：二极管模块
3’：功率半导体开关模块
4：串联母排
5：第一连接母排
6：第一绝缘导线
7：第一转接母排
8：第一交流连接母排
9、16：绝缘板材
10：第一中性点连接母排
11：第二连接母排
12：第二绝缘导线
13：第二转接母排
14：第二交流连接母排
15：电容母线负极导体
17：第二中性点连接母排
18：正极性端连接导体
19：负极性端连接导体
31：功率半导体开关
33：二极管
100、200：五电平整流器
具体实施方式
为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的图式及以下该各种实施例，图式中相同的号码代表相同或相似的元件。另一方面，众所周知的元件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。
本发明的技术态样是五电平整流器，其可应用在变频器，或是广泛地运用在相关的技术环节，以下将搭配图1～图6来说明第一实施例的五电平整流器的器件布局及连接方式，另搭配图7～图11来说明第二实施例的五电平整流器的器件布局及连接方式。
图1是依照本发明第一实施例的一种五电平整流器电路的原理图(单相)。于图1中，五电平整流器100包括第一二极管单元D1、第二二极管单元D2、第三二极管单元D3、第四二极管单元D4、第一功率半导体开关单元S1、第二功率半导体开关单元S2、第三功率半导体开关单元S3与第四功率半导体开关单元S4。在结构上，第一二极管单元D1串联第二二极管单元D2，第一、第二功率半导体开关单元S1、S2之间串联的连接点P与相电容器C3的正极性端相连，第一二极管单元D1连接第一直流母线电容器C1的正极性端，第三二极管单元D3串联第四二极管单元D4，第三、第四功率半导体开关单元S3、S4之间串联的连接点Q连接至相电容器C3的负极性端，第四二极管单元D4连接第二直流母线电容器C2的负极性端，第二二极管单元D2与第三二极管单元D3连接至第一、第二直流母线电容器C1、C2之间相连的中性点N，第二功率半导体开关单元S2与第三功率半导体开关单元S3连接至交流接线端AC。
具体而言，第一功率半导体开关单元S1具有集电极与发射极；第二功率半导体开关单元S2具有集电极与发射极；第三功率半导体开关单元S3具有集电极与发射极，其中第二功率半导体开关单元S2的发射极连接第三功率半导体开关单元S3的集电极；第四功率半导体开关单元S4具有集电极与发射极；第一直流母线电容器C1具有正极性端与负极性端；第二直流母线电容器C2具有正极性端与负极性端；第一二极管单元D1具有阳极与阴极，其中第一直流母线电容器C1的正极性端连接第一二极管单元D1的阴极；第二二极管单元D2具有阳极与阴极，其中第一二极管单元D1的阳极、第二二极管单元D2的阴极与第一功率半导体开关单元S1的集电极彼此相连；第三二极管单元D3具有阳极与阴极，其中第一直流母线电容器C1的负极性端、第二直流母线电容器C2的正极性端、第二二极管单元D2的阳极与第三二极管单元D3的阴极彼此相连；相电容器C3具有正极性端与负极性端，其中第一功率半导体开关单元S1的发射极、第二功率半导体开关单元S2的集电极与相电容器C3的正极性端彼此相连，第三功率半导体开关单元S3的发射极、第四功率半导体开关单元S4的集电极与相电容器C3的负极性端彼此相连；第四二极管单元D4具有阳极与阴极，其中第四功率半导体开关单元S4的发射极、第三二极管单元D3的阳极与第四二极管单元D4的阴极彼此相连，第四二极管单元D4的阳极与第二直流母线电容器C2的负极性端彼此相连。
在运作时，第一直流母线电容器C1与第二直流母线电容器C2可连接公共直流母线，以取得直流电压；相电容器C3用以稳定电压，交流接线端AC作为一相输入端，并藉由脉宽调制信号(Pulse With Modulation,PWM)分别控制功率半导体开关单元S1～S4的开关，使五电平整流器100得以进行整流。于其他实施方式中，可以藉由脉冲频率调制信号(Pulse FrequencyModulation,PFM)或脉冲幅度调制信号(Pulse Amplitude Modulation,PAM)等调制技术分别控制功率半导体开关单元S1～S4的开关，使五电平整流器100得以进行整流。
为了对五电平整流器100的工作原理做更进一步描述，请参照下表一，对相关参数规定如下：交流电流入整流器时方向为正，交流电流出整流器时方向为负；直流母线电容器C1与C2的电压均为Vbus/2，相电容C3的电压为Vbus/4；输出相电压为交流接线端AC至中性点N的电压VON。
﹤表一﹥
S1 S2 S3 S4 D1 D2 D3 D4 VON
状态1 开通 开通 关断 关断 开通 关断 关断 关断 Vbus/2
状态2 开通 关断 开通 关断 开通 关断 关断 关断 Vbus/4
状态3 关断 开通 关断 开通 关断 关断 开通 关断 Vbus/4
状态4 关断 关断 开通 开通 关断 关断 开通 关断 0
状态5 开通 开通 关断 关断 关断 开通 关断 关断 0
状态6 开通 关断 开通 关断 关断 开通 关断 关断 -Vbus/4
状态7 关断 开通 关断 开通 关断 关断 关断 开通 -Vbus/4
状态8 关断 关断 开通 开通 关断 关断 关断 开通 -Vbus/2
图2示意了五电平整流器100的一种换流回路。需要特别说明的是，五电平整流器100有很多种换流回路，图2仅示意性示出了其中一种。关于五电平整流器100的换流回路为本技术领域中技术人员所周知技术，且非本发明所欲保护范围，于此不再详述。
图3是依照本发明一实施例的一种功率半导体开关串联、二极管串联电路原理图。如图3所示，每个功率半导体开关单元是由数个功率半导体开关31串联而成(图3中以3个为例)。每个二极管单元包括数个串联的二极管，需要说明的是，第一二极管单元D1、第二二极管单元D2、第三二极管单元D3与第四二极管单元D4的架构实质上相同且均集成了数个串联的二极管33(图3中以6个为例)。
于第一实施例中，承上所述的功率半导体开关单元S1～S4，其具体结构如图4A、5A所示，第一、第二功率半导体开关单元S1、S2包括数个功率半导体开关模块3’(图4A中以3个为例)与数条串联母排4；相似地，第三、第四功率半导体开关单元S3、S4包括数个功率半导体开关模块3’(图5A中以3个为例)与数条串联母排4。功率半导体开关模块3’是经由串联母排4而串联，本实施例所采用的每个功率半导体开关模块3’内部集成了两个串联的功率半导体开关，换言之，每一功率半导体开关单元中所有的功率半导体开关模块3’内共具有六个串联的功率半导体开关31。功率半导体开关31主要是指全控型器件，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，但不以此为限。需要指出的是，母排，即由导电导体材料制成，例如，铜、铝，本文以下内容将以母排为例进行说明。另外，功率半导体开关模块3’安装于散热器2上。
于第一实施例中，承上所述的二极管单元D1～D4，其具体结构亦如图4A、5A所示，第一、第二、第三、第四二极管单元中每一者包括多个二极管模块3(图4A、5A中以3个为例)与多条串联母排4，二极管模块3是经由串联母排4而串联，并安装于散热器2上。每一二极管模块3集成了两个串联的二极管，换言之，每一二极管单元中所有的二极管模块3内共具有六个串联二极管33(绘示于图3)。
应了解到，虽然上述是以六个元器件串联为例，但此并不限制本发明，实务上，熟习此项技艺者应视需要弹性调整元器件的数量。
于第一实施例中，整个桥臂的设计结构如图6所示，其中上半桥臂的结构如图4A、图4B所示，上半桥臂电路模块包括第一功率半导体开关单元S1、第二功率半导体开关单元S2、第一二极管单元D1与第二二极管单元D2。下半桥臂的结构如图5A、图5B所示，下半桥臂电路模块包括第三功率半导体开关单元S3、第四功率半导体开关单元S4、第三二极管单元D3与第四二极管单元D4。
在结构设计上，第一二极管单元D1位于上半桥臂上部，第二二极管单元D2位于上半桥臂中部，第一、第二功率半导体开关单元S1、S2位于上半桥臂下部；第四二极管单元D4的位置与第一二极管单元D1相对应且位于下半桥臂上部，第三二极管单元D3的位置与第二二极管单元D2相对应且位于下半桥臂中部，第三、第四功率半导体开关单元S3、S4的位置与第一、第二功率半导体开关单元S1、S2相对应且位于下半桥臂下部。上半桥臂电路模块与下半桥臂电路模块并列面对面放置，基本成镜像关系，整体成U型结构。
具体而言，整个桥臂如图6所示，第一二极管单元D1面对第四二极管单元D4，第二二极管单元D2面对第三二极管单元D3，第一、第二功率半导体开关单元S1、S2面对第三、第四功率半导体开关单元S3、S4。上半桥臂电路模块如图4A、图4B所示，第二二极管单元D2位于第一二极管单元D1与第一、第二功率半导体开关单元S1、S2之间，且第一二极管单元D1、第二二极管单元D2与第一、第二功率半导体开关单元S1、S2呈一直线排列；相似地，下半桥臂电路模块如图5A、图5B所示，第三二极管单元D3位于第四二极管单元D4与第三、第四功率半导体开关单元S3、S4之间，且第四二极管单元D4、第三二极管单元D3与第三、第四功率半导体开关单元S3、S4呈一直线排列。
综合以上，本发明的第一实施例提出一种创新的五电平整流器100的器件布局。本布局方式的特点：以半个桥臂为一个模块进行了模块化设计，且上半桥臂电路模块和下半桥臂电路模块并列面对面放置，使得安装与更换方便，结构紧凑，整流器换流回路较小，杂散电感较小。
本发明结构的另一特点为其连接线方式。于第一实施例中，图4A、图4B描述了五电平单相桥臂中上半桥臂的连接方式。具体而言，于图4A中绘示第一层结构，第一连接母排5连接第一二极管单元D1与第二二极管单元D2，第一转接母排7连接第一、第二功率半导体开关单元S1、S2，第一绝缘导线6(如：耐局部放电绝缘导线)连接至第一转接母排7和第一连接母排5，电容母线正极导体1连接第一二极管单元D1至第一直流母线电容器C1的正极性端(绘示于图1)，第一交流连接母排8连接第二功率半导体开关单元S2至交流接线端AC(绘示于图1)，正极性端连接导体18连接第一、第二功率半导体开关单元S1、S2之间串联的连接点P至相电容器C3的正极性端(绘示于图1)。于图4B中绘示第二层结构，第一中性点连接母排10连接第二二极管单元D2与中性点N(绘示于图1)，绝缘板材9设置于第一、第二二极管单元D1、D2上，且第一中性点连接母排10设置于绝缘板材9上，因此，第一中性点连接母排10与上半桥臂其他导体之间绝缘。
于第一实施例中，下半桥臂的连接方式如图5A、5B所示。具体而言，于图5A中绘示第一层结构，第二连接母排11连接第三二极管单元D3与第四二极管单元D4，第二转接母排13连接第三、第四功率半导体开关单元S3、S4，第二绝缘导线12连接第二连接母排11和第二转接母排13，电容母线负极导体15连接第四二极管单元D4至第二直流母线电容器C2的负极性端(绘示于图1)，第二交流连接母排14连接第三功率半导体开关单元S3至交流接线端AC(绘示于图1)，负极性端连接导体19连接第三、第四功率半导体开关单元S3、S4之间串联的连接点Q至相电容器C3的负极性端(绘示于图1)。于图5B中绘示第二层结构，第二中性点连接母排17连接第三二极管单元D3与中性点N(绘示于图1)，绝缘板材16设置于第三、第四二极管单元D3、D4上，且第二中性点连接母排17设置于绝缘板材16上，因此，第二中性点连接母排17与下半桥臂其他导体之间绝缘。
整体而言，单相桥臂如图6所示，上半桥臂电路模块包括第一二极管单元D1、第二二极管单元D2、第一功率半导体开关单元S1与第二功率半导体开关单元S2，依序分别连接电容母线正极导体1、第一中性点连接母排10、正极性端连接导体18与第一交流连接母排8，其中电容母线正极导体1用于电性连接至第一直流母线电容器C1的正极性端(绘示于图1)，第一中性点连接母排10用于电性连接至中性点N(绘示于图1)，正极性端连接导体18用于电性连接至相电容器C3的正极性端(绘示于图1)，第一交流连接母排8用于电性连接至交流接线端AC(绘示于图1)。下半桥臂电路模块包括第四二极管单元D4、第三二极管单元D3、第三功率半导体开关单元S3与第四功率半导体开关单元S4，依序分别连接电容母线负极导体15、第二中性点连接母排17、第二交流连接母排14与负极性端连接导体19，其中电容母线负极导体15用于电性连接至第二直流母线电容器C2的负极性端(绘示于图1)，第二中性点连接母排17用于电性连接至中性点N(绘示于图1)，负极性端连接导体19用于电性连接至相电容器C3的负极性端(绘示于图1)，第二交流连接母排14用于电性连接至交流接线端AC(绘示于图1)。
综合以上，本发明第一实施例的连接方式的特点：连接部分是由连接母排(如：铜排)与绝缘导线混合组成，区别于其他产品与专利的全部由母排组成的连接方式。此连接方式，可以有效地解决系统连线过程中因为高压而导致的局部放电问题，半桥臂连接母排仅两层，结构简单、成本较低。
图7是依照本发明第二实施例的一种五电平整流器电路的原理图(单相)。于图7中，五电平整流器200包括第一二极管单元D1、第二二极管单元D2、第一功率半导体开关单元S1、第二功率半导体开关单元S2、第三功率半导体开关单元S3、第四功率半导体开关单元S4、第五功率半导体开关单元S5与第六功率半导体开关单元S6。在结构上，第一二极管单元D1串联第五功率半导体开关单元S5，第一、第二功率半导体开关单元S1、S2之间串联的连接点P与相电容器C3的正极性端相连，第一二极管单元D1连接第一直流母线电容器C1的正极性端，第六功率半导体开关单元S6串联第二二极管单元D2，第三、第四功率半导体开关单元S3、S4之间串联的连接点Q连接至相电容器C3的负极性端，第二二极管单元D2连接第二直流母线电容器C2的负极性端，第五功率半导体开关单元S5与第六功率半导体开关单元S6连接至第一、第二直流母线电容器C1、C2之间相连的中性点N，第二功率半导体开关单元S2与第三功率半导体开关单元S3连接至交流接线端AC。
具体而言，第一功率半导体开关单元S1具有集电极与发射极；第二功率半导体开关单元S2具有集电极与发射极；第三功率半导体开关单元S3具有集电极与发射极，其中第二功率半导体开关单元S2的发射极连接第三功率半导体开关单元S3的集电极；第四功率半导体开关单元S4具有集电极与发射极；第五功率半导体开关单元S5具有集电极与发射极；第六功率半导体开关单元S6具有集电极与发射极；第一二极管单元D1具有阳极与阴极，其中第一二极管单元D1的阳极、第一功率半导体开关单元S1的集电极与第五功率半导体开关单元S5的集电极彼此相连；第一直流母线电容器C1具有正极性端与负极性端，其中第一直流母线电容器C1的正极性端连接第一二极管单元D1的阴极；第二直流母线电容器C2具有正极性端与负极性端，其中第一直流母线电容器C1的负极性端、第二直流母线电容器C2的正极性端、第五功率半导体开关单元S5的发射极与第六功率半导体开关单元S6的集电极彼此相连；相电容器C3具有正极性端与负极性端，其中第一功率半导体开关单元S1的发射极、第二功率半导体开关单元S2的集电极与相电容器C3的正极性端彼此相连，第三功率半导体开关单元S3的发射极、第四功率半导体开关单元S4的集电极与相电容器的负极性端彼此相连；第二二极管单元D2具有阳极与阴极，其中第六功率半导体开关单元S6的发射极、第四功率半导体开关单元S4的发射极与第二二极管单元D2的阴极彼此相连，第二二极管单元D2的阳极连接第二直流母线电容器C2的负极性端。
在运作时，第一直流母线电容器C1与第二直流母线电容器C2可连接公共直流母线，以取得直流电压；相电容器C3用以稳定电压，交流接线端AC作为一相输入端，并藉由脉宽调制信号分别控制功率半导体开关单元S1～S6的开关，使五电平整流器200得以进行整流。于其他实施例中，可以藉由脉冲频率调制信号或脉冲幅度调制信号等调制技术分别控制功率半导体开关单元S1～S6的开关，本领域技术人员可视实际需要灵活选择。
为了对五电平整流器200的工作原理做更进一步描述，请参照下表二，对相关参数规定如下：交流电流入整流器时方向为正，交流电流出整流器时方向为负；直流母线电容器C1与C2的电压均为Vbus/2，相电容C3的电压为Vbus/4；输出相电压为交流接线端AC至中性点N的电压VON。
﹤表二﹥
S1 S2 S3 S4 S5 S6 D1 D2 VON
状态1 开通 开通 关断 关断 关断 关断 开通 关断 Vbus/2
状态2 开通 关断 开通 关断 关断 关断 开通 关断 Vbus/4
状态3 关断 开通 关断 开通 关断 开通 关断 关断 Vbus/4
状态4 关断 关断 开通 开通 关断 开通 关断 关断 0
状态5 开通 开通 关断 关断 开通 关断 关断 关断 0
状态6 开通 关断 开通 关断 开通 关断 关断 关断 -Vbus/4
状态7 关断 开通 关断 开通 关断 关断 关断 开通 -Vbus/4
状态8 关断 关断 开通 开通 关断 关断 关断 开通 -Vbus/2
图8示意了五电平整流器200的换流回路。需要特别说明的是，五电平整流器200有很多种换流回路，图8仅示意性示出了其中一种。关于五电平整流器200的换流回路为本技术领域中技术人员所周知技术，且非本发明所欲保护范围，于此不再详述。
于第二实施例中，承上所述的功率半导体开关单元S1～S6，其具体结构如图9A、10A所示。于图9A中，第一、第二功率半导体开关单元S1、S2包括数个功率半导体开关模块3’(图9A中以3个为例)与数条串联母排4，相似地，第五功率半导体开关单元S5亦包括数个功率半导体开关模块3’(图9A中以3个为例)与数条串联母排4；于图10A中，第三、第四功率半导体开关单元S3、S4包括数个功率半导体开关模块3’(图10A中以3个为例)与数条串联母排，相似地，第六功率半导体开关单元S6亦包括数个功率半导体开关模块3’(图10A中以3个为例)与数条串联母排4。功率半导体开关模块3’是经由串联母排4而串联，本实施例所采用的每个功率半导体开关模块3’内部集成了两个串联的功率半导体开关。功率半导体开关主要是指全控型器件，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，但不以此为限。另外，功率半导体开关模块3’安装于散热器2上。
于第二实施例中，承上所述的二极管单元D1、D2，其具体结构亦如图9A、10A所示，第一、第二二极管单元中每一者包括多个二极管模块3(图9A、10A中以3个为例)与多条串联母排4，二极管模块3是经由串联母排4而串联，并安装于散热器2上。每一二极管模块3集成了两个串联的二极管。
在结构设计上，第一二极管单元D1位于上半桥臂上部，第五功率半导体开关单元S5位于上半桥臂中部，第一、第二功率半导体开关单元S1、S2位于上半桥臂下部；第二二极管单元D2的位置与第一二极管单元D1相对应且位于下半桥臂上部，第六功率半导体开关单元S6的位置与第五功率半导体开关单元S5相对应且位于下半桥臂中部，第三、第四功率半导体开关单元S3、S4的位置与第一、第二功率半导体开关单元S1、S2相对应且位于下半桥臂下部。上半桥臂电路模块与下半桥臂电路模块并列面对面放置，基本成镜像关系，整体成U型结构。
具体而言，整个桥臂如图11所示，第一二极管单元D1面对第二二极管单元D2，第五功率半导体开关单元S5面对第六功率半导体开关单元S6，第一、第二功率半导体开关单元S1、S2面对第三、第四功率半导体开关单元S3、S4。上半桥臂电路模块如图9A、图9B所示，第五功率半导体开关单元S5位于第一二极管单元D1与第一、二功率半导体开关单元S1、S2之间，且第一二极管单元D1、第五功率半导体开关单元S5与第一、第二功率半导体开关单元S1、S2呈一直线排列；相似地，下半桥臂电路模块如图10A、图10B所示，第六功率半导体开关单元S6位于第二二极管单元D2与第三、第四功率半导体开关单元S3、S4之间，且第二二极管单元D2、第六功率半导体开关单元S6与第三、第四功率半导体开关单元S3、S4呈一直线排列。
综合以上，本发明的第二实施例提出一种创新的五电平整流器200的器件布局。本布局方式的特点：以半个桥臂为一个模块进行了模块化设计，且上半桥臂电路模块和下半桥臂电路模块并列面对面放置，使得安装与更换方便，结构紧凑，整流器换流回路较小，杂散电感较小。
本发明结构的另一特点为其连接线方式。于第二实施例中，在图9A、图9B描述了五电平单相桥臂中上半桥臂的连接方式。具体而言，于图9A中绘示第一层结构，第一连接母排5连接第一二极管单元D1与第五功率半导体开关单元S5，第一转接母排7连接第一、第二功率半导体开关单元S1、S2，第一绝缘导线6(如：耐局部放电绝缘导线)连接至第一转接母排7和第一连接母排5，电容母线正极导体1连接第一二极管单元D1至第一直流母线电容器C1的正极性端(绘示于图7)，第一交流连接母排8连接第二功率半导体开关单元S2至交流接线端AC(绘示于图7)，正极性端连接导体18连接第一、第二功率半导体开关单元S1、S2之间串联的连接点P至相电容器C3的正极性端(绘示于图7)。于图9B中绘示第二层结构，第一中性点连接母排10连接第五功率半导体开关单元S5与中性点N(绘示于图7)，绝缘板材9设置于第一二极管单元D1与第五功率半导体开关单元S5上，且第一中性点连接母排10设置于绝缘板材9上，因此，第一中性点连接母排10与上半桥臂其他导体之间绝缘。
于第二实施例中，下半桥臂的连接方式如图10A、10B所示。具体而言，于图10A中绘示第一层结构，第二连接母排11连接第六功率半导体开关单元与第二二极管单元，第二转接母排13连接第三、第四功率半导体开关单元S3、S4，第二绝缘导线12连接第二连接母排11和第二转接母排13，电容母线负极导体15连接第二二极管单元D2至第二直流母线电容器C2的负极性端(绘示于图7)，第二交流连接母排14连接第三功率半导体开关单元S3至交流接线端AC(绘示于图7)，负极性端连接导体19连接第三、第四功率半导体开关单元S3、S4之间串联的连接点Q至相电容器C3的负极性端(绘示于图7)。于图10B中绘示第二层结构，第二中性点连接母排17连接第六功率半导体开关单元S6与中性点N(绘示于图7)，绝缘板材16设置于第二二极管单元D2与第六功率半导体开关单元S6上，且第二中性点连接母排17设置于绝缘板材16上，因此，第二中性点连接母排17与下半桥臂其他导体之间绝缘。
整体而言，单相桥臂如图11所示，上半桥臂电路模块包括第一二极管单元D1、第五功率半导体开关单元S5、第一功率半导体开关单元S1与第二功率半导体开关单元S2，依序分别连接电容母线正极导体1、第一中性点连接母排10、正极性端连接导体18与第一交流连接母排8，其中电容母线正极导体1用于电性连接至第一直流母线电容器C1的正极性端(绘示于图7)，第一中性点连接母排10用于电性连接至中性点N(绘示于图7)，正极性端连接导体18用于电性连接至相电容器C3的正极性端(绘示于图7)，第一交流连接母排8用于电性连接至交流接线端AC(绘示于图7)。下半桥臂电路模块包括第二二极管单元D2、第六功率半导体开关单元S6、第三功率半导体开关单元S3与第四功率半导体开关单元S4，依序分别连接电容母线负极导体15、第二中性点连接母排17、第二交流连接母排14与负极性端连接导体19，其中电容母线负极导体15用于电性连接至第二直流母线电容器C2的负极性端(绘示于图7)，第二中性点连接母排17用于电性连接至中性点N(绘示于图7)，负极性端连接导体19用于电性连接至相电容器C3的负极性端(绘示于图7)，第二交流连接母排14用于电性连接至交流接线端AC(绘示于图7)。
综合以上，本发明第二实施例的连接方式的特点：连接部分是由连接母排(如：铜排)与绝缘导线混合组成，区别于其他产品与专利的全部由母排组成的连接方式。此连接方式，可以有效地解决系统连线过程中因为高压而导致的局部放电问题，半桥臂连接母排仅两层，结构简单、成本较低。
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，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (33)

1.一种五电平整流器，其特征在于，包括至少一相桥臂，该至少一相桥臂包括：
上半桥臂电路模块，包括第一功率半导体开关单元、第二功率半导体开关单元、第一二极管单元、第二二极管单元、第一连接母排、第一绝缘导线与第一转接母排，该第一二极管单元串联该第二二极管单元，该第一、第二功率半导体开关单元之间串联的连接点与相电容器的正极性端相连，该第一二极管单元连接第一直流母线电容器的正极性端，该第一连接母排连接该第一二极管单元与该第二二极管单元，该第一转接母排连接该第一、第二功率半导体开关单元，该第一绝缘导线连接至该第一转接母排和该第一连接母排；以及
下半桥臂电路模块，包括第三功率半导体开关单元、第四功率半导体开关单元、第三二极管单元、第四二极管单元、第二连接母排、第二绝缘导线与第二转接母排，该第三二极管单元串联该第四二极管单元，该第三、第四功率半导体开关单元之间串联的连接点连接至相电容器的负极性端，该第四二极管单元连接第二直流母线电容器的负极性端，该第二二极管单元与该第三二极管单元连接至第一、第二直流母线电容器之间相连的中性点，该第二功率半导体开关单元与该第三功率半导体开关单元连接至一交流接线端，该第二连接母排连接该第三二极管单元与该第四二极管单元，该第二转接母排连接第三、第四功率半导体开关单元，该第二绝缘导线连接该第二连接母排和该第二转接母排，该上半桥臂电路模块与该下半桥臂电路模块并列面对面放置。
2.如权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该第一二极管单元、该第二二极管单元与该第一、第二功率半导体开关单元呈一直线排列，该第二二极管单元位于该第一二极管单元与该第一、第二功率半导体开关单元之间；该第四二极管单元、该第三二极管单元与该第三、第四功率半导体开关单元呈一直线排列，该第三二极管单元位于该第四二极管单元与该第三、第四功率半导体开关单元之间。
3.如权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该第一、第二功率半导体开关单元包括多个功率半导体开关模块与多条串联母排，该些功率半导体开关模块是经由该些串联母排而串联。
4.如权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该第三、第四功率半导体开关单元包括多个功率半导体开关模块与多条串联母排，该些功率半导体开关模块是经由该些串联母排而串联。
5.如权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该第一、第二、第三、第四二极管单元中每一者包括多个二极管模块与多条串联母排，该些二极管模块是经由该些串联母排而串联。
6.如权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该第一二极管单元面对该第四二极管单元，该第二二极管单元面对该第三二极管单元，该第一、第二功率半导体开关单元面对该第三、第四功率半导体开关单元。
7.如权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该上半桥臂电路模块还包括一电容母线正极导体，连接该第一二极管单元至该第一直流母线电容器的正极性端。
8.如权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该上半桥臂电路模块还包括一第一交流连接母排，连接该第二功率半导体开关单元至该交流接线端。
9.如权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该上半桥臂电路模块还包括一第一中性点连接母排，连接该第二二极管单元与该中性点。
10.如权利要求9所述的五电平整流器，其特征在于，该上半桥臂电路模块还包括绝缘板材，设置于该第一、第二二极管单元上，且该第一中性点连接母排设置于该绝缘板材上。
11.如权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该上半桥臂电路模块包括一正极性端连接导体，连接该第一、第二功率半导体开关单元之间串联的连接点至该相电容器的正极性端。
12.如权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该下半桥臂电路模块还包括一电容母线负极导体，连接该第四二极管单元至该第二直流母线电容器的负极性端。
13.如权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该下半桥臂电路模块还包括一第二交流连接母排，连接该第三功率半导体开关单元至该交流接线端。
14.如权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该下半桥臂电路模块还包括一第二中性点连接母排，连接该第三二极管单元与该中性点。
15.如权利要求14所述的五电平整流器，其特征在于，该下半桥臂电路模块还包括绝缘板材，设置于该第三、第四二极管单元上，且该第二中性点连接母排设置于该绝缘板材上。
16.如权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该下半桥臂电路模块包括一负极性端连接导体，连接该第三、第四功率半导体开关单元之间串联的连接点至该相电容器的负极性端。
17.一种五电平整流器，其特征在于，包括至少一相桥臂，该至少一相桥臂包括：
上半桥臂电路模块，包括第一功率半导体开关单元、第二功率半导体开关单元、第五功率半导体开关单元、第一二极管单元、第一连接母排、第一绝缘导线与第一转接母排，该第一二极管单元串联该第五功率半导体开关单元，该第一、第二功率半导体开关单元之间串联的连接点与相电容器的正极性端相连，该第一二极管单元连接第一直流母线电容器的正极性端，该第一连接母排连接该第一二极管单元与该第五功率半导体开关单元，该第一转接母排连接该第一、第二功率半导体开关单元，该第一绝缘导线连接至该第一转接母排和该第一连接母排；以及
下半桥臂电路模块，包括第三功率半导体开关单元、第四功率半导体开关单元、第六功率半导体开关单元、第二二极管单元、第二连接母排、第二绝缘导线与第二转接母排，该第六功率半导体开关单元串联该第二二极管单元，该第三、第四功率半导体开关单元之间串联的连接点连接至相电容器的负极性端，该第二二极管单元连接第二直流母线电容器的负极性端，该第五功率半导体开关单元与该第六功率半导体开关单元连接至第一、第二直流母线电容器之间相连的中性点，该第二功率半导体开关单元与该第三功率半导体开关单元连接至一交流接线端，该第二连接母排连接该第六功率半导体开关单元与该第二二极管单元，该第二转接母排连接第三、第四功率半导体开关单元，该第二绝缘导线连接该第二连接母排和该第二转接母排，该上半桥臂电路模块与该下半桥臂电路模块并列面对面放置。
18.如权利要求17所述的五电平整流器，其特征在于，该第一二极管单元、该第五功率半导体开关单元与该第一、第二功率半导体开关单元呈一直线排列，该第五功率半导体开关单元位于该第一二极管单元与该第一、第二功率半导体开关单元之间；该第二二极管单元、该第六功率半导体开关单元与该第三、第四功率半导体开关单元呈一直线排列，该第六功率半导体开关单元位于该第二二极管单元与该第三、第四功率半导体开关单元之间。
19.如权利要求17所述的五电平整流器，其特征在于，该第一、第二功率半导体开关单元包括多个功率半导体开关模块与多条串联母排，该些功率半导体开关模块是经由该些串联母排而串联。
20.如权利要求17所述的五电平整流器，其特征在于，该第三、第四功率半导体开关单元包括多个功率半导体开关模块与多条串联母排，该些功率半导体开关模块是经由该些串联母排而串联。
21.如权利要求17所述的五电平整流器，其特征在于，该第五、第六功率半导体开关单元中每一者包括多个功率半导体开关模块与多条串联母排，该些功率半导体开关模块是经由该些串联母排而串联。
22.如权利要求17所述的五电平整流器，其特征在于，该第一、第二二极管单元中每一者包括多个二极管模块与多条串联母排，该些二极管模块是经由该些串联母排而串联。
23.如权利要求17所述的五电平整流器，其特征在于，该第一二极管单元面对该第二二极管单元，该第五功率半导体开关单元面对该第六功率半导体开关单元，该第一、第二功率半导体开关单元面对该第三、第四功率半导体开关单元。
24.如权利要求17所述的五电平整流器，其特征在于，该上半桥臂电路模块还包括一电容母线正极导体，连接该第一二极管单元至该第一直流母线电容器的正极性端。
25.如权利要求17所述的五电平整流器，其特征在于，该上半桥臂电路模块还包括一第一交流连接母排，连接该第二功率半导体开关单元至该交流接线端。
26.如权利要求17所述的五电平整流器，其特征在于，该上半桥臂电路模块还包括一第一中性点连接母排，连接该第五功率半导体开关单元与该中性点。
27.如权利要求26所述的五电平整流器，其特征在于，该上半桥臂电路模块还包括绝缘板材，设置于该第一二极管单元与该第五功率半导体开关单元上，且该第一中性点连接母排设置于该绝缘板材上。
28.如权利要求17所述的五电平整流器，其特征在于，该上半桥臂电路模块包括一正极性端连接导体，连接该第一、第二功率半导体开关单元之间串联的连接点至该相电容器的正极性端。
29.如权利要求17所述的五电平整流器，其特征在于，该下半桥臂电路模块还包括一电容母线负极导体，连接该第二二极管单元至该第二直流母线电容器的负极性端。
30.如权利要求17所述的五电平整流器，其特征在于，该下半桥臂电路模块还包括一第二交流连接母排，连接该第三功率半导体开关单元至该交流接线端。
31.如权利要求17所述的五电平整流器，其特征在于，该下半桥臂电路模块还包括一第二中性点连接母排，连接该第六功率半导体开关单元与该中性点。
32.如权利要求31所述的五电平整流器，其特征在于，该下半桥臂电路模块还包括绝缘板材，设置于该第二二极管单元与该第六功率半导体开关单元上，且该第二中性点连接母排设置于该绝缘板材上。
33.如权利要求17所述的五电平整流器，其特征在于，该下半桥臂电路模块包括一负极性端连接导体，连接该第三、第四功率半导体开关单元之间串联的连接点至该相电容器的负极性端。
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