CN104038085A - 三电平变流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平变流器包括至少一相桥臂，每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开关单元、第二开关单元与第一二极管单元，第一开关单元串联第二开关单元，第一开关单元连接直流母线的正极端；下半桥臂电路模块包括第三开关单元、第四开关单元与第二二极管单元，第三开关单元串联第四开关单元，第一二极管单元与第二二极管单元连接至电容单元的中性点，第二开关单元与第三开关单元连接至交流接线端，第四开关单元连接直流母线的负极端，电容单元连接于直流母线的正极端与负极端之间，上下半桥臂电路模块并列面对面放置。

Description

三电平变流器

技术领域

本发明是有关于一种变流器，且特别是涉及一种三电平变流器。

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发电总量的近三分之二，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，上述现有的技术，显然仍存在不便与缺陷，而有待加以进一步改进。为了解决上述问题，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，如何能更有效率地解决上述问题，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前相关领域亟需改进的目标。

发明内容

因此，本发明之一目的是在提供一种三电平变流器的布局设计，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，生产成本低，能有效解决现有技术的问题。

本发明提供的一种三电平变流器包括至少一相桥臂，每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开关单元、第二开关单元、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，第一开关单元串联第二开关单元，第一开关单元连接直流母线的正极端，第一连接母排连接第一开关单元与第一二极管单元，第一转接母排连接第二开关单元，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开关单元、第四开关单元、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，第三开关单元串联第四开关单元，第一二极管单元与第二二极管单元连接至电容单元的中性点，第二开关单元与第三开关单元连接至交流接线端，第四开关单元连接直流母线的负极端，电容单元连接于直流母线的正极端与负极端之间，第二连接母排连接第四开关单元与第二二极管单元，第二转接母排连接第三开关单元，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。

每一开关单元包括多个绝缘栅双极型晶体管模块与多条串联母排，绝缘栅双极型晶体管模块经由串联母排而串联。

第一开关单元面对第四开关单元，第一二极管单元面对第二二极管单元，第二开关单元面对第三开关单元。

第一二极管单元位于第一开关单元与第二开关单元之间，第二二极管单元位于第三开关单元与第四开关单元之间。

上半桥臂电路模块和下半桥臂均呈品字形排布，第一二极管单元位于第一开关单元与第二开关单元的旁边，第二二极管单元位于第三开关单元与第四开关单元的旁边。

上半桥臂电路模块还包括直流母线正极导体，连接第一开关单元至直流母线的正极端。

上半桥臂电路模块还包括第一交流输出母排，连接第二开关单元至交流接线端。

上半桥臂电路模块还包括第一中性点连接母排，连接第一二极管单元与电容单元的中性点。

上半桥臂电路模块还包括绝缘板材，下半桥臂电路模块还包括另一绝缘板材。

下半桥臂电路模块还包括直流母线负极导体，连接第四开关单元至直流母线的负极端。

下半桥臂电路模块还包括第二交流输出母排，连接第三开关单元至交流接线端。

下半桥臂电路模块还包括第二中性点连接母排，连接第二二极管单元与电容单元的中性点。

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，可达到相当的技术进步，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；安装与更换方便；结构紧凑；系统换流回路较小，杂散电感较小；

2.连接部分是由连接母排（亦即，由导电导体材料制成，例如铜排、铝）与绝缘导线（亦即，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；以及

3.上半桥臂电路和下半桥臂电路并列面对面放置，且结合半个桥臂电路的模块化设计，以及连接部分采用母排与绝缘导线结合的连接方式，使得变流器换流回路较小，杂散电感较小，结构紧凑，安装方便以及生产成本低等。

以下将以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，附图说明如下：

图1是一种三电平变流器电路的原理图（单相）；

图2是图1的三电平变流器的一换流回路；

图3是图1的三电平变流器的另一换流回路；

图4是依照本发明一实施例的一种IGBT串联电路的原理图；

图5是依照本发明一实施例的一种开关单元结构图；

图6、图7是依照本发明第一实施例的一种上桥臂电路结构布局图及其连接线；

图8、图9是依照本发明第一实施例的一种下桥臂电路结构图布局及其连接线；

图10是依照本发明第一实施例的一种三电平变流器单相桥臂的结构图；

图11是依照本发明第二实施例的一种上桥臂电路结构布局图；

图12是依照本发明第二实施例的一种下桥臂电路结构布局图；以及

图13是依照本发明第二实施例的一种三电平变流器单相桥臂的结构图。

其中，附图标记：

具体实施方式

为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照附图及以下所述各种实施例，附图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。

本发明的技术方案是一种三电平变流器，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13来说明该三电平变流器的器件布局及连接方式。

图1是三电平变流器电路原理图（单相）。在图1中，三电平变流器包括第一开关单元S1、第二开关单元S2、第三开关单元S3、第四开关单S4、第一二极管单元D1与第二二极管单元D2。在结构上，第一开关单元S1串联第二开关单元S2，第一二极管单元D1电性连接第一开关单元S1与第二开关单元S2；第三开关单元S3串联第四开关单元S4，第二二极管单元D2电性连接第三开关单元S3与第四开关单元S4，第一二极管单元D1与第二二极管单元D2连接至电容单元的中性点N，第二开关单元S2与第三开关单元S3连接至交流接线端AC out，第一开关单元S1连接直流母线的正极端DC+，第四开关单元S4连接直流母线的负极端DC-，电容单元连接于直流母线的正极端DC+与直流母线的负极端DC-之间。在运作时，图2和图3示意了三电平的两个换流回路。关于该三电平变流器的换流回路是为该技术领域的技术人员所周知技术，且非本发明所欲保护范围，于此不再详述之。需要说明的是第一开关单元S1-第四开关单元S4可以是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

图4是本实施例实际绝缘栅双极型晶体管（IGBT）串联原理图，本实施例中，每个等效开关单元是由数个绝缘栅双极型晶体管串联而成（图4中以6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，二极管可以是箝位二极管或是绝缘栅双极型晶体管的体二极管，（图4中以6个为例）。本实施例中其等效开关单元的结构图如图5所示，每个开关单元包括数个绝缘栅双极型晶体管模块3（图5中以3个为例）与数条串联母排4，每个二极管单元包括数个二极管或绝缘栅双极型晶体管，且数个二极管或绝缘栅双极型晶体管由串联母排串联连接，本实施例所采用的每个绝缘栅双极型晶体管模块3内部集成了2个绝缘栅双极型晶体管，绝缘栅双极型晶体管模块3经由串联母排4而串联。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，绝缘栅双极型晶体管模块3安装于散热器2上。

应了解到，虽然上述以6个元器件串联为例，但此并不限制本发明，实务上，本领域的技术人员应视需要弹性调整元器件的数量。

在第一实施例中，整个桥臂的设计结构如图10所示，其中上半桥臂的结构如图6、图7所示，上半桥臂电路模块包括第一开关单元S1、第二开关单元S2与第一二极管单元D1。下半桥臂的结构如图8、图9所示，下半桥臂电路模块包括第三开关单元S3、第四开关单元S4与第二二极管单元D2。

在结构设计上，开关单元S1位于上半桥臂上部，二极管单元D1位于桥臂中部，开关单元S2位于桥臂下端；开关单元S3的位置与S2相对应位于下半桥臂下部，二极管单元D2与D1相对应位于下半桥臂中部，开关单元S4的位置与S1相对应位于下半桥臂上部。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10所示，第一开关单元S1面对第四开关单元S4，第一二极管单元D1面对第二二极管单元D2，第二开关单元S2面对第三开关单元S3。上半桥臂电路模块如图6、图7所示，第一二极管单元D1位于第一开关单元S1与第二开关单元S2之间，且第一开关单元S1、第一二极管单元D1与第二开关单元S2三者呈一直线排列；相似地，下半桥臂电路模块如图8、图9所示，第二二极管单元D2位于第三开关单元S3与第四开关单元S4之间，且第四开关单元S4、第二二极管单元D2与第三开关单元S3三者呈一直线排列。

本发明的第二实施例如图11、12、13所示。图11为三电平单相桥臂上半桥臂布局结构图，其中图11所示为三电平单相桥臂上半桥臂布局结构图，第一开关单元S1与第二开关单元S2成上下排列，第一开关单元S1在上，第二开关单元S2在下，第一二极管单元D1位于第一开关单元S1与第二开关单元S2的旁边，整体成品字型分布；图12所示为三电平单相桥臂下半桥臂布局结构图，亦成一品字型分布，第三开关单元S3在下，第四开关单元S4在上，第二二极管单元D2位于第三开关单元与第四开关单元的旁边。整个桥臂如图13所示，上、下半个桥臂面对面，基本成镜像关系，整体为U型结构。

综合以上，本发明提出一种新型IGBT串联三电平变流器的器件布局。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，且上半桥臂电路和下半桥臂电路并列面对面放置，使得安装与更换方便；结构紧凑；变换器换流回路较小，杂散电感较小。

本发明结构的另一特点为其连接线方式。在图6、7描述了IGBT串联三电平单相桥臂中上半桥臂的连接方式，第一、第二开关单元S1、S2内部由串联母排4（如：串联铜排）连接，第一二极管单元D1由多个串联的二极管串联而成，需要说明的是，多个二极管之间可以采用串联母排4连接，第一开关单元S1与第一二极管单元D1之间由第一连接母排5（如：连接铜排）连接，第一开关单元S1和第一二极管单元D1与第二开关单元S2之间的连接由第一绝缘导线6（如，耐局部放电绝缘导线）、第一连接母排5和第一转接母排7（如，转接铜排）构成，上半桥臂输出引线为第一交流输出母排8（如，交流输出铜排），上半桥臂的第一二极管单元D1与电容单元的中性点N之间由第一中性点连接母排10（如，中性点连接铜排）连接，第一中性点连接母排10与上半桥臂第一开关单元S1与第一二极管单元D1中其他导体之间的绝缘由绝缘板材9构成，需要说明的是，第一开关单元S1与第一二极管单元D1中其他导体指的是串联母排4、第一连接母排5和第一转接母排7；下半桥臂的连接方式如图8、9所示，第三开关单元S3、第二二极管单元D2与第四开关单元S4内部均由串联母排4（如，串联铜排）连接，第四开关单元S4与第二二极管单元D2之间由第二连接母排11（如，连接铜排）连接，第四开关单元S4和第二二极管单元D2与第三开关单元S3之间的连接由第二绝缘导线12（如，耐局部放电绝缘导线）、第二连接母排11和第二转接母排13（如，转接铜排）构成。下半桥臂输出引线为第二交流输出母排14（如，交流输出铜排），下半桥臂第二二极管单元D2与电容单元的中性点N之间由第二中性点连接母排17（如，中性点连接铜排）连接，第二中性点连接母排17与下半桥臂的第四开关单元S4与第二二极管单元D2中其他导体之间的绝缘由绝缘板材16构成，需要说明的是，下半桥臂的第四开关单元S4与第二二极管单元D2中其他导体指的是串联母排4、第二连接母排11、第二转接母排13。

具体而言，整个桥臂如图10所示，上半桥臂电路模块包括直流母线正极导体1，直流母线正极导体1连接第一开关单元S1与直流母线的正极端DC+；下半桥臂电路模块包括直流母线负极导体15，直流母线负极导体15连接第四开关单元S4与直流母线的负极端DC-。

上半桥臂电路模块如图6、图7所示，上半桥臂电路模块还包括第一连接母排5，第一连接母排5连接第一开关单元S1与第一二极管单元D1；上半桥臂电路模块还包括第一耐局部放电绝缘导线6与第一转接母排7，第一耐局部放电绝缘导线6连接至第一开关单元S1、第二开关单元S2与第一二极管单元D1，第一转接母排7连接第二开关单元S2与第一绝缘导线6；上半桥臂电路模块还包括第一交流输出母排8，连接第二开关单元S2至交流接线端AC out；上半桥臂电路模块还包括第一中性点连接母排10，第一中性点连接母排10连接第一二极管单元D1与电容单元的中性点N；上半桥臂电路模块还包括绝缘板材9，绝缘板材9隔离第一中性点连接母排10与上半桥臂电路的第一开关单元S1与第一二极管单元D1中其他导体。

下半桥臂电路模块如图8、图9所示，下半桥臂电路模块还包括第二连接母排11，第二连接母排11连接第四开关单元S4与第二二极管单元D2；下半桥臂电路模块还包括第二绝缘导线12（如，耐局部放电绝缘导线）与第二转接母排13，第二绝缘导线12连接至第三开关单元S3、第四开关单元S4与第二二极管单元D2，第二转接母排13连接第三开关单元S3与第二绝缘导线12；下半桥臂电路模块还包括第二交流输出母排14，第二交流输出母排14连接第三开关单元S3至交流接线端AC out；下半桥臂电路模块还包括第二中性点连接母排17，第二中性点连接母排17连接第二二极管单元D2与电容单元的中性点；再者，下半桥臂电路模块还包括绝缘板材16，绝缘板材16隔离第二中性点连接母排17与下半桥臂电路第四开关单元S4与第二二极管单元D2中其他导体。

另外，由于本发明第二实施例的连接方式与第一实施例基本一致，故此处不再详细赘述之。

综合以上，本连接方式的特点：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2层，结构简单、成本较低。

虽然本发明已以实施方式公开如上，但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，当可作各种的更动与修改，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求保护范围所界定者为准。

Claims (12)

1.一种三电平变流器，其特征在于，所述三电平变流器包括至少一相桥臂，所述每相桥臂包括：

一上半桥臂电路模块，包括一第一开关单元、一第二开关单元、一第一二极管单元、一第一连接母排、一第一绝缘导线与一第一转接母排，所述第一开关单元串联所述第二开关单元，所述第一开关单元连接一直流母线的正极端，所述第一连接母排连接所述第一开关单元与所述第一二极管单元，所述第一转接母排连接所述第二开关单元，所述第一绝缘导线连接至所述第一转接母排和所述第一连接母排；以及

一下半桥臂电路模块，包括一第三开关单元、一第四开关单元、一第二二极管单元、一第二连接母排、一第二绝缘导线与一第二转接母排，所述第三开关单元串联所述第四开关单元，所述第一二极管单元与所述第二二极管单元连接至一电容单元的中性点，所述第二开关单元与所述第三开关单元连接至一交流接线端，所述第四开关单元连接所述直流母线的负极端，所述电容单元连接于所述直流母线的正极端与负极端之间，所述第二连接母排连接所述第四开关单元与所述第二二极管单元，所述第二转接母排连接所述第三开关单元，所述第二绝缘导线连接所述第二连接母排和所述第二转接母排，所述上半桥臂电路模块与所述下半桥臂电路模块并列面对面放置。

2.根据权利要求1所述的三电平变流器，其特征在于，每一开关单元包括多个绝缘栅双极型晶体管模块与多条串联母排，所述绝缘栅双极型晶体管模块经由所述串联母排而串联。

3.根据权利要求1所述的三电平变流器，其特征在于，所述第一开关单元面对所述第四开关单元，所述第一二极管单元面对所述第二二极管单元，所述第二开关单元面对所述第三开关单元。

4.根据权利要求3所述的三电平变流器，其特征在于，所述第一二极管单元位于所述第一开关单元与所述第二开关单元之间，所述第二二极管单元位于所述第三开关单元与所述第四开关单元之间。

5.根据权利要求3所述的三电平变流器，其特征在于，所述上半桥臂电路模块和所述下半桥臂均呈品字形排布，所述第一二极管单元位于所述第一开关单元与所述第二开关单元的旁边，所述第二二极管单元位于所述第三开关单元与所述第四开关单元的旁边。

6.根据权利要求1所述的三电平变流器，其特征在于，所述上半桥臂电路模块还包括一直流母线正极导体，连接所述第一开关单元至所述直流母线的正极端。

7.根据权利要求1所述的三电平变流器，其特征在于，所述上半桥臂电路模块还包括一第一交流输出母排，连接第二开关单元至所述交流接线端。

8.根据权利要求1所述的三电平变流器，其特征在于，所述上半桥臂电路模块还包括一第一中性点连接母排，连接所述第一二极管单元与所述电容单元的中性点。

9.根据权利要求8所述的三电平变流器，其特征在于，所述上半桥臂电路模块还包括一绝缘板材，所述下半桥臂电路模块还包括另一绝缘板材。

10.根据权利要求1所述的三电平变流器，其特征在于，所述下半桥臂电路模块还包括一直流母线负极导体，连接所述第四开关单元至所述直流母线的负极端。

11.根据权利要求1所述的三电平变流器，其特征在于，所述下半桥臂电路模块还包括一第二交流输出母排，连接所述第三开关单元至所述交流接线端。

12.根据权利要求1所述的三电平变流器，其特征在于，所述下半桥臂电路模块还包括一第二中性点连接母排，连接所述第二二极管单元与所述电容单元的中性点。