CN106664029A - 功率转换器和功率转换器的组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通过模块化功率组件设计构造功率转换器的概念。可以通过合并多个模块化功率组件单元1来分别适应所述功率转换器的功能和功率范围。为了适应所述功率转换器的所述功率范围，可以并联合并多个模块化功率组件单元1。

Description

功率转换器和功率转换器的组装方法

技术领域

本发明涉及一种功率转换器以及一种用于组装功率转换器的组装方法。具体而言，本发明涉及一种功率转换器以及一种模块化设计的功率转换器的组装方法。

背景技术

功率转换器在许多应用中使用。例如，功率转换器在逆变器中将直流电(directcurrent，DC)变为交流电(alternating current，AC)，在整流器中将交流电变为直流电，在DC/DC转换器中改变直流电的电压，或者在转换器中改变交流电的电压和/或频率。

US 7,667,952 B2公开了一种与逆变器关联的具有电容器阵列的连接系统，其中，电容器通过接线排连接并通过绝缘层隔开，接线排由堆叠的极性不同的两个细条组成。

功率转换器在不间断电源(uninterruptible power supply，UPS)等中使用。在这一应用中，对外部电源的交流电进行整流以对电池充电。当外部电源中断时，调整电池的直流电以便维持内部电源。

此外，功率转换器还用于可再生能源生成方面。例如，风力发电机或光伏板通常产生直流电。因此，能源必须转变为交流电以将能源注入公共电网。

另外，功率转换器还用于许多其它领域，例如，电机驱动、主动前端(active frontends，AFE)、并网逆变器(grid-tied inverter，GTI)和许多其它应用。

对于所有这些应用，功率转换器包括电源模块。这些电源模块包括绝缘栅极双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)和/或二极管芯片。根据功率范围以及根据所需应用，必须选择一个合适的电源模块。

上述应用的功率范围通常在非常大的范围中变化，该范围从50kVA直至2MVA以及更大。因此，需要针对各个应用的许多专用电源模块以及每个功率转换器的所需功率范围。因此，必须针对许多电源模块中的每一个设计单独的功率转换器。通过使用大量不同的电源模块，所有这些专用电源模块的设计导致每个单独的电源模块的每项成本相对高。

此外，许多不同电源模块中的每一个要求单独的控制电路。因此，单独设计针对所有电源模块和所用电源模块的功率转换器同样要求巨大工程量。

功率转换器通常针对专用功率范围设计，并且功率转换器使用专用电源模块和专用控制电路，这两者都适用于特定应用和预定功率范围。因此，之后不可能改变功率转换器的功率范围。当应用的功率范围改变时，需要具有新电源模块和新控制电路的全新功率转换器。

此外，功率转换器通常具有高热功率损耗，导致各个部件发热。为了避免因功率转换器的高温度而引起的损坏，必须对功率转换器的部件，尤其是IGBT和二极管芯片进行散热。为此，需要一种强制性散热系统，例如，液冷系统或风冷系统。这样一种散热系统的体积通常需要很大，导致功率转换器的尺寸很大。

因此，需要一种能够很容易适应功率范围的功率转换器，其中，可以事后使功率范围适应。

还需要一种能够适用于不同应用的功率转换器。

还需要一种能够基于少量标准电源模块制造的功率转换器。

此外，需要一种提供有效散热并具有相对较小尺寸的功率转换器。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种具有多个模块化功率组件单元的功率转换器，每个模块化功率组件单元包括：多个电源模块，每个电源模块与一个独立的驱动单元连接；电容器；用于连接所述电源模块与所述电容器的连接构件；以及电接口，其中，所述多个模块化功率组件单元的每个电接口均具有相同的结构。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于组装功率转变器的组装方法，所述方法包括以下步骤：提供多个模块化功率组件单元，每个模块化功率组件单元包括：多个电源模块，每个电源模块与一个独立的驱动单元连接；电容器；用于连接所述电源模块与所述电容器的连接构件；以及电接口，其中，所述多个模块化功率组件单元的每个电接口均具有相同的结构；以及通过所述电接口连接所述多个模块化功率组件单元。

本发明的一个潜在理念是将一个功率转换器分成多个模块化功率组件模块。这些模块化功率组件单元中的每一个都是以标准化部件为基础，尤其是基于常用的标准化功率模块。为了使功率转换器的功率范围适应所需功率，合并多个模块化功率组件单元。通过为所有模块化功率组件单元提供相同的电接口，可以很容易合并多个模块化功率组件单元。

这样，电源可以基于标准化功率模块而建立。因此，各个部件具有良好的可用性并且较便宜。因此，可以降低制造这一功率转换器的成本。

通过将整个功率转换器划分为多个子模块，可以实现功率范围的灵活调整。通过简单地增加或移除一个或多个模块可以很容易地扩大或缩小这一功率转换器的功率范围。

另外，也可以提高功率转换器的可靠性。即便一个模块损坏，也只需更换该损坏的模块。可以继续使用剩余模块而无需任何改变。

通过将功率转换器分为单独的模块，可以实现增强的热管理。这样，提供了功率转换器的有效散热。因此，可以减小这一功率转换器的尺寸。

根据本发明的所述第一方面的功率转换器的第一实施形式，所述功率模块包括功率二极管和/或绝缘栅极双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。基于这类功率模块，可以实现模块化功率组件单元的灵活设计。

根据如上所述本发明的所述第一方面的功率转换器的第二实施形式或根据所述第一方面的所述第一实施形式，每个功率模块的所述独立的驱动单元适用于分别提供IGBT驱动信号给所连接的功率模块。

根据本发明的所述第一方面的所述第二实施形式的功率转换器的第三实施形式，所有功率模块都相同。通过使用多个公共功率模块，尤其是标准化功率模块，这些模块通常较便宜并且具有良好的可用性。

根据如上所述本发明的所述第一方面的功率转换器的第四实施形式或根据所述第一方面的任一前述实施形式，所述模块化功率组件单元还包括散热构件。

根据本发明的所述第一方面的所述第四实施形式的功率转换器的第五实施形式，所述散热构件包括强制性风冷系统或液冷系统。通过将独立的散热单元应用到每个功率组件单元，可以实现良好且可靠的散热，并且提高了模块化功率组件单元的效率。

根据如上所述本发明的所述第一方面的功率转换器的第六实施形式或根据所述第一方面的任一前述实施形式，所述多个模块化功率组件单元中的每一个均包括机械接口，其中，所述多个模块化功率组件单元的每个机械接口均相同。这样，实现了功率转换器的容易且灵活的组装。

根据如上所述本发明的所述第一方面的功率转换器的第七实施形式或根据所述第一方面的任一前述实施形式，所述连接构件包括接线排。用于连接所述功率模块与所述电容器的接线排提供了低感应率的连接。

根据如上所述本发明的所述第一方面的功率转换器的第八实施形式或根据所述第一方面的任一前述实施形式，所述多个模块化功率组件单元中的至少一个是整流器、逆变器、DC/DC转换器或AC/DC/AC转换器。基于这种模块化功率组件单元，可以基于单独功率组件单元的合并来创建非常灵活的功率转换器。

根据如上所述本发明的所述第一方面的功率转换器的第九实施形式或根据所述第一方面的任一前述实施形式，所述功率转换器还包括用于接收所述多个模块化功率组件单元的安装设备。安装设备，例如，机架，提供了一种安装及连接单独模块化功率组件单元的有效且灵活的方式。

根据本发明的所述第九方面的所述第四实施形式的功率转换器的第十实施形式，所述安装设备还包括用于连接所述模块化功率组件单元的所述电接口的可插拔连接器。通过可插拔连接器可以非常容易地安装和拆卸单独的模块。

根据本发明的所述第二方面的方法的第一实施形式，所述用于组装功率转换器的方法基于所述功率转换器的设计功率范围确定模块化功率组件单元的数目。通过使所需模块的数目适应所需功率范围，可以实现用于非常大的功率范围的单独功率转换器。

根据本发明的第三方面，提供了一种包括根据如上所述本发明的所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实施形式的功率转换器的不间断电源。

根据本发明的第四方面，提供了一种包括根据如上所述本发明的所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实施形式的功率转换器的太阳能逆变器或风能逆变器。

附图说明

在下文中，本发明结合附图进行描述，其中：

图1为根据本发明一实施例的功率转换器的示意俯视图；

图2为根据本发明一实施例的功率组件单元的示意后视图；

图3为根据本发明一实施例的功率组件模块的电路图；

图4为根据本发明一实施例的功率转换器的示意图；以及

图5为根据本发明一实施例的功率转换器的组装方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，描述方向的术语，例如“上方”、“下方”、“左侧”、“右侧”等只是为了更好地理解附图，而不限制本发明。相同参考标号与相同或相似部件有关。附图尺寸仅出于说明目的而不是限制本发明。

图1示出了模块化功率组件单元1的示例。根据本示例，一个或多个功率单元2排列在功率组件单元1的左侧和/或右侧。功率单元2在模块化功率组件单元1中的其它排列也是有可能的。

功率模块2可为包括功率二极管或IGBT模块等模块。

多个模块单元2可以排列在模块化功率组件单元1中。例如，功率模块可以排列在左侧以及右侧。例如，分别地，三个IGBT模块可以排列在左侧，另外三个模块可以排列在右侧。这样，构造两个三相逆变器是可能的，一个位于左侧，一个位于右侧。然而，功率模块2的其它排列也是有可能的。

每个功率模块2包括用于驱动各个功率模块2的独立驱动单元。具体而言，每个驱动单元提供一个IGBT驱动信号用于驱动相应功率模块2。为此，IGBT驱动信号相对功率组件单元1的供电电压进行电绝缘。具体而言，驱动单元可具有额外的辅助供电电压。为了驱动IGBT模块，驱动单元可包括输出级，进行栅极电压控制，保护IGB的集电极与发射极V_CE(sat)之间的压降和/或用于互锁保护特征。

散热构件5排列在功率模块2的前面以对功率模块2进行散热。散热构件5可以是液冷系统或强制性风冷。例如，强制性风冷系统可包括多个风扇。替代性散热系统也是可能的。

通过将散热系统5靠近功率模块2排列，实现了功率模块2的非常有效的散热。因此，这种有效散热导致功率模块2的工作温度较低。因此，提高了模块化功率组件单元1的效率，尤其是功率模块2的效率。

因此，散热效率可以显著提高。功率模块可以结合散热要求以优化方式排列。因此，仅需要较少和/或较小的部件用于强制性散热。与常规功率转换系统相比，根据本发明的功率转换器仅需一半体积。

这样，可以减小功率转换器的总尺寸。因此，也显著减少了本发明的功率转换器的重量。因此，可以降低制造这一功率转换器的成本。

在模块化功率组件单元1的中间，一个或多个电容器3排列于左侧和右侧功率模块2之间。电容器3与功率模块2通过连接构件4连接。为了实现非常有效率的连接，例如，接线排可以用于连接电容器3与功率模块2。接线排是具有良好电导性的扁平矩形元件。功率模块2与电容器3的这一连接提供了具有低寄生电感的极好连接。因此，由于电容器3与功率模块2之间的连接的低电感，可以实现功率模块2的非常好的开关特性。

为了提供电连接，模块化功率组件单元1还包括电接口6。电接口6包括多个端子，用于连接具有更多模块化功率组件单元1的功率组件单元1或用于连接具有更多外部部件的模块化功率组件单元1。

为了实现单独的模块化功率组件单元1的灵活使用，每个模块化功率组件单元1的电接口6具有相同结构。每个模块化功率组件单元1中具有相同功能的电接口6的单独端子位于相同位置且具有相同设计。例如，用于接收和/或提供交流电的三个相位的端子具有预定结构且位于模块化功率组件单元1内的预定位置。同样地，用于接收和/或提供直流电的端子也具有预定结构且位于模块化功率组件单元1内的预定位置。

这样，用于接收模块化功率组件单元1的安装设备可以装备有标准化接口，用于接收模块化功率组件单元1的电接口的端子。

例如，接口包括用于可插拔连接的多个端子。电接口的可插拔连接实现了模块化功率组件单元1的非常快的连接。这样，模块化功率组件单元1可以很容易地放置到机架等安装设备中，并且电连接自动建立。

通过为所有模块化功率组件单元1提供相同的电接口6，可以实现模块化功率组件单元1的灵活排列。这样，可以提供标准化安装设备，例如，机架。这种安装设备提供了多个电接口和机械接口，用于接收每个模块化功率组件单元1的相应电接口和机械接口。因此，可以很容易地插入和移除动单独的模块化功率组件单元1。因此，可以实现简单组装和加速维护。

可替代地或另外，电接口6的端子可通过电缆连接。这样，可以实现单独模块化功率组件单元1之间的非常灵活的连接和/或到外围元件的连接。

此外，这类电缆还可充当熔线。如果功率转换器的一个部件可能会损坏且高电流流经电缆，那么电缆可融化且电连接将中断。这样，可以防止功率转换器进一步损坏。

由于每个功率模块2都由独立的驱动单元控制，所以一个功率模块的损坏不会影响剩余的功率模块。因此，可以维持整个功率组件单元1的功能，即使多个功率模块2中的一个功率单元2将要损坏。与此相反，常规功率组件中的单个IGBT的损坏将导致过流以及整个功率组件的损坏。因此，相对于常规功率组件，可以提高本发明功率组件单元1的可靠性。

图2示出了功率组件单元1的示意后视图。根据本实施例的图示，三个端子排列在左侧，三个端子排列在右侧。具有其它数目的连接端子的连接器的其它排列也是可能的。为了实现多个模块化功率组件单元1的灵活合并，具有端子的电接口6的结构对于每个模块化功率组件单元1来说都是唯一的。

图3示出了可以由根据本发明的模块化功率组件单元1实现的三相逆变器的示意配置。如可以从图3看出的，逆变器包括电容器30和三个功率模块21、22和23。这种三相逆变器可以由功率范围为100kVA、125kVA或150kVA的常用标准IGBT模块等来实现。功率模块，尤其是具有另一功率范围的标准化功率模块也是可能的。

为了扩大功率范围，一个模块化功率组件单元1可包括三相逆变器排列中的两个。例如，根据图1，第一三相逆变器可以排列在左侧，第二三相逆变器可以排列在右侧。在使用例如125kVA标准IGBT模块时，无需专门的250kVA功率模块就可实现250kVA的功率范围。

包括不同数目的功率模块2和不同数目的逆变器等功能元件的模块化功率组件单元1的其它排列也是可能的。

为了进一步扩大功率转换器的功率范围，可以合并两个或更多模块化功率组件单元1。例如，可以通过合并上述模块化功率组件单元1中的四个来实现1.000kVA的功率范围，其中每个模块化功率组件单元1分别包括两个125kVA的三相逆变器。图4示出了功率转换器中四个模块化功率组件单元1的这一合并。

然而，本发明不限于四个模块化功率组件单元1的合并。还可能合并功率转换器中四个以下或以上的模块化功率组件单元1。具体而言，通过增加或减少模块化功率组件单元1的数目来稍后改变功率转换器的功率范围也是可能的。因此，提供了功率转换器的非常灵活的排列。通过增加或移除单独的部件甚至也可以实现这一功率转换器的整体功率规模的自适应。

通过构造具有多个单独的模块化功率组件单元1的功率转换器，功率转换器的可靠性也得以提高。如果一个模块化功率组件单元1发生故障，剩余模块化功率组件单元1将仍然起作用。因此，只有不工作的模块化功率组件单元1必须替换为另一个。

为了使多个模块化功率组件单元1能够灵活且容易排列，模块化功率组件单元1可以排列在机架等安装设备10中。这种安装设备10可提供多个机械接口，用于接收模块化功率组件单元1的机械接口。通过将相同的机械接口应用到所有模块化功率组件单元1，可以实现功率转换器的快速且容易的组装。此外，安装设备10还可提供端子，用于连接模块化功率组件单元1的电接口6的端子。这样，在模块化功率组件单元1插入到安装设备10时建立电连接。因此，可以进一步加速功率转换器的组装，并且可以简化损坏的模块化功率组件单元1的替换。

在下文中，将结合常规功率组件说明本发明配置的优势。常规IGBT功率组件构建是已知的，例如，如在开头部分已经论述的。例如，这一常规功率组件构建可在用于光伏应用的逆变器中使用。在一项示例中，这一常规逆变器可包括每相位8个并联的IGBT半桥。因此，总共使用了24个IGBT模块。在使用例如SKM 400GB 123D(西门康)类型的24个IGBT模块时，可实现500kW的功率范围。

根据本发明一实施例，通过使用同一类型(SKM 400GB 123D)的24个功率模块2，可以形成三个相位，每相位有8个功率模块2。因此，由于无热堆叠的极好散热条件以及由于低开关损耗，包括三个相位的8个功率模块2中的每一个均可以实现250kW的功率范围。因此，可以实现1500kW(8乘以250kW)的总功率。因此，通过采用相同数目的IGBT模块，输出功率比常规功率组件高三倍。

这样，功率范围可以扩大和/或功率组件1的尺寸和重量可以减小。因为功率组件1的成本对应功率组件1的重量和尺寸，所以，相对于具有相同输出范围的常规功率组件，功率组件的成本可以降低。

尽管以上描述与模块化逆变器有关，但是本发明不限于提供逆变器的功率转换器。

在本发明的另一实施例中，一个或多个模块化功率组件单元1可提供整流器、DC/DC转换器、AC/DC/AC转换器或其它功能组。因此，通过合并这类不同的模块化功率组件单元1，可以实现功率转换器的非常灵活的排列。

通过合并具有相同功能的多个标准化的模块化功率组件单元1，可以扩大功率转换器的功率范围。另外，可以通过增加或移除一个或多个模块化功率组件单元1来扩大或缩小这种功率转换器的功率范围。

此外，通过合并具有不同功能的多个模块化功率组件单元1，例如，整流器、逆变器和/或DC-DC转换器，可以实现非常灵活的功率转换器排列。

例如，可以通过合并整流器、DC/DC转换器和逆变器来实现不间断电源(uninterruptible power supply，UPS)。只要外部电源可用，就可以通过一个或多个整流器模块对交流电进行整流以对电池充电。如果必要的话，还可以通过额外模块化功率组件单元中的DC/DC转换器使整流的电压适应电池的电压。

此外，UPS包括提供逆变器功能的一个或多个模块化功率组件单元1。在外部电源中断时，可以通过这些模块化功率组件单元1基于充电电池的能量提供逆变器能力来维持内部电源。

根据UPS的所需功率范围，可以通过合并多个标准化的模块化功率组件单元1来并联使用一个或多个整流器、逆变器、DC/DC转换器。

基于本发明的模块化概念，相同的模块化功率组件单元1可以用于构造逆变器、UPS等等。因此，本发明提供了一种使功率转换器适应单独的应用和功率范围的非常灵活的概念。

如在上述实施例中已经说明的，模块化功率组件单元1的概念允许使功率转换器适应单独的要求。基于公共部件，可以实现用于非常广泛的功率范围和许多不同应用的功率转换器。例如，相同的模块化功率组件单元1可以在用于光伏发生器、风力发电机的逆变器中或甚至在UPS中使用。

图5所示为用于组装本发明的功率转换器的组装方法的图。在第一步骤S1中，提供多个模块化功率组件单元1。每个模块化功率组件单元包括：多个功率模块2，每个功率模块2连接到独立的驱动单元，电容器3，用于连接功率模块2与电容器3的连接构件4，以及电接口6。在另一步骤S2中，通过电接口6连接多个模块化功率组件单元1。

为了适应功率转换器的功率范围，可以基于功率转换器的所需功率范围确定一些模块化功率组件单元1。通过使用并联的多个模块化功率组件单元1，可以很容易地适应功率转换器的功率范围。

另外，可以选择提供不同功能的单独的模块化功率组件单元1以便构造所需功率转换器，例如，逆变器、整流器或不间断电源等等。

总而言之，本发明提供了一种通过模块化功率组件设计构造功率转换器的概念。可以通过合并多个模块化功率组件单元1来分别适应功率转换器的功能和功率范围。为了适应功率转换器的功率范围，可以并联合并多个模块化功率组件单元1。

Claims (15)

1.一种具有多个模块化功率组件单元(1)的功率转换器，其特征在于，每个模块化功率组件单元(1)包括：

多个功率模块(2)，每个所述功率模块(2)连接到独立的驱动单元；

电容器(3)，用于连接所述功率模块(2)与所述电容器(3)的连接构件(4)；

电接口(6)，其中，所述多个模块化功率组件单元(1)的每个电接口(6)均具有相同的结构。

2.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，每个功率模块(2)包括一个功率二极管和/或一个绝缘栅极双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。

3.根据权利要求1或2所述的功率转换器，其特征在于，每个功率模块(2)的所述独立的驱动单元适合分别为所述连接的功率模块(2)提供IGBT驱动信号。

4.根据权利要求3所述的功率转换器，其特征在于，与独立的驱动单元连接的每个功率模块(2)均相同。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的功率转换器，其特征在于，所述模块化功率组件单元(1)还包括散热构件(5)。

6.根据权利要求5所述的功率转换器，其特征在于，所述散热构件(5)还包括强制性风冷散热系统或液冷系统。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的功率转换器，其特征在于，所述多个功率组件单元(1)中的每一个均包括机械接口，所述多个模块化功率组件单元(1)的每个机械接口均相同。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的功率转换器，其特征在于，所述连接构件(4)包括接线排。

9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的功率转换器，其特征在于，所述多个模块化功率组件单元(1)中的至少一个是整流器、逆变器、DC/DC转换器或AC-DC-AC转换器。

10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的功率转换器，其特征在于，还包括用于接收所述多个模块化功率组件单元的安装设备(10)。

11.根据权利要求10所述的功率转换器，其特征在于，所述安装设备(10)还包括用于连接所述模块化功率组件单元(1)的所述电接口(6)的可插拔连接器。

12.一种不间断电源，其特征在于，包括根据权利要求1至11中任一权利要求的功率转换器。

13.一种太阳能逆变器或风能逆变器，其特征在于，包括根据权利要求1至11中任一权利要求的功率转换器。

14.一种用于组装功率转换器的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供(S1)多个模块化功率组件单元(1)，每个模块化功率组件单元(1)包括：

多个功率模块(2)，每个功率模块(2)连接到独立的驱动单元，电容器(3)，用于连接所述功率模块(2)与所述电容器(3)的连接构件(4)，以及电接口(6)，其中，所述多个模块化功率组件单元(1)的每个电接口(6)均具有相同的结构；以及

通过所述电接口(6)连接(S2)所述多个模块化功率组件单元(1)。

15.根据权利要求14所述的组装方法，其特征在于，基于所述功率转换器的所需功率范围确定一些模块化功率组件单元(1)。