CN110120738B - 电力变换器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及电力变换器。说明书提供一种适用于电力变换器的功率模块的利用方式，所述电力变换器具备多个并联连接的电力变换电路和切断各电力变换电路的连接的断路开关。本说明书所公开的电力变换器(10)具备并联连接的多个电力变换电路(14a、14b)以及切断各电力变换电路的连接的断路晶体管(5a、5b)。多个断路晶体管(5a、5b)汇集于功率模块(断路模块(7))。通过将多个电力变换电路(14a、14b)的断路晶体管(5a、5b)汇集于一个功率模块，能够使电力变换器小型化。

Description

电力变换器
技术领域
本说明书所公开的技术涉及具备并联连接的多个电力变换电路的电力变换器。
背景技术
已知并联连接有多个电力变换电路的电力变换器。日本特开2017-022872号公报以及日本特开2017-034925号公报中公开了这种电力变换器的例子。并联连接有多个电力变换电路的电力变换器主要有两个优点。一个是由于负载能够分散，因此能够使容许电力增大。另一个是即使一个电力变换电路发生故障，也能够由其他的电力变换电路继续工作(发挥其功能)。为了实现后一优点，日本特开2017-022872号公报以及日本特开2017-034925号公报中所公开的电力变换器具备将发生短路故障的电力变换电路的连接切断的断路开关。
另外，电力变换电路包含大量相同或相似的开关元件。包含大量开关元件的电力变换器有时会采用将若干个开关元件进行封装的模块(功率模块)。日本特开2015-171246号公报以及日本特开2016-096620号公报中公开了采用封装有电力变换用的开关元件和电流断路用的断路开关的模块的电力变换器。在日本特开2015-171246号公报以及日本特开2016-096620号公报所公开的电力变换器中，电力变换用的开关元件与断路开关在模块的内部串联连接。断路开关可以是与电力变换用的开关元件为相同类型的设备，也可以是不同类型的设备。
发明内容
发明所要解决的问题
本说明书提供一种适用于电力变换器的功率模块的利用方式，所述电力变换器具备多个并联连接的电力变换电路和切断各电力变换电路的连接的断路开关。
用于解决问题的技术方案
本说明书所公开的电力变换器具备多个并联连接的电力变换电路和设置于各个电力变换电路的断路开关。断路开关使对应的电力变换电路与其他的电力变换电路电断路。在本说明书所公开的电力变换器中，多个电力变换电路的断路开关收纳于一个模块。通过将多个电力变换电路的断路开关汇集于一个模块，能够使电力变换器小型化。
如上所述，电力变换电路有时会包含多个开关元件。有时会在一个电力变换电路中采用多个电力变换用的开关元件的并联连接。通过使并联连接的多个开关元件同步通断(导通和截止)，能够使一个电力变换电路的容许电流增大。于是，在本说明书所公开的电力变换器的一个技术方案中，多个电力变换电路的每一个具备并联连接的多个电力变换用的开关元件。并联连接的多个电力变换用的开关元件收纳于另一个模块。通过在一个模块中将开关元件并联连接，能够使电流均衡流通于多个开关元件。此外，为便于说明，将收纳有多个断路开关的模块称为第1模块或者断路模块，将收纳有多个电力变换用的开关元件的模块称为第2模块或者变换模块。通过采用汇集了断路开关的模块(第1模块/断路模块)和汇集了电力变换用的开关元件的模块(第2模块/变换模块)，能够使多个开关元件和多个开关紧凑地汇集在一起。
尤其在电力变换器包含有两个电力变换电路的情况下，优选如下构成。电力变换器对应于每个电力变换电路而包含两个第2模块。两个第2模块配置为将第1模块介于之间。第1模块收纳有两个电力变换电路的断路开关。在第1模块的两侧分别配置有电力变换电路的第2模块。由于第1模块不论距离哪个第2模块都为等距离，因此模块间的连接变得简单。
本说明书所公开的技术的详情和进一步的改良在以下的“具体实施方式”中进行说明。
附图说明
图1是第1实施例的电力变换器的电路图。
图2是变换模块的立体图。
图3是变换模块内部的电路图。
图4是断路模块的立体图。
图5是断路模块内部的电路图。
图6是电力变换器的俯视图。
图7是第2实施例的电力变换器的电路图。
图8是第2实施例的电力变换器中的断路模块内部的电路图。
具体实施方式
(第1实施例)
参照图1至图6来说明第1实施例的电力变换器10。图1中表示电力变换器10的电路图。第1实施例的电力变换器10是具有升压功能和降压功能的双向DC-DC转换器，升压功能是将被输入到低压端12(低压正极端12a和低压负极端12b)的电力的电压升高后输出到高压端13(高压正极端13a和高压负极端13b)的功能，降压功能是将被输入到高压端13的电力的电压降低后输出到低压端12的功能。
电力变换器10具备两个电力变换电路14a、14b、滤波电容器11以及控制器8。两个电力变换电路14a、14b均为双向DC-DC转换器。两个电力变换电路14a、14b在低压端12与高压端13之间并联连接。在低压正极端12a与低压负极端12b之间连接有滤波电容器11。
对第1电力变换电路14a进行说明。第1电力变换电路14a具备三个上臂晶体管3a-3c、三个下臂晶体管4a-4c、断路晶体管5a以及电抗器2a。三个上臂晶体管3a-3c并联连接。三个下臂晶体管4a-4c也并联连接。以下，为了使说明简单，将三个上臂晶体管3a-3c统称为上臂晶体管3。同样地，将三个下臂晶体管4a-4c统称为下臂晶体管4。
上臂晶体管3、下臂晶体管4和断路晶体管5a在高压正极端13a与高压负极端13b之间串联连接。在上臂晶体管3和下臂晶体管4的串联连接的中点与低压正极端12a之间连接有电抗器2a。低压负极端12b与高压负极端13b直接连接。对上臂晶体管3和下臂晶体管4的各晶体管反并联连接有二极管。
对与第1电力变换电路14a并联连接的第2电力变换电路14b进行说明。第2电力变换电路14b的电路构成与第1电力变换电路14a相同。第2电力变换电路14b具备三个上臂晶体管3a-3c、三个下臂晶体管4a-4c、断路晶体管5b以及电抗器2b。三个上臂晶体管3a-3c并联连接。三个下臂晶体管4a-4c也并联连接。在第2电力变换电路14b中，也将上臂晶体管3a-3c统称为上臂晶体管3，将下臂晶体管4a-4c统称为下臂晶体管4。
第2电力变换电路14b的上臂晶体管3、下臂晶体管4和断路晶体管5b在高压正极端13a与高压负极端13b之间串联连接。在上臂晶体管3和下臂晶体管4的串联连接的中点与低压正极端12a之间连接有电抗器2b。对上臂晶体管3和下臂晶体管4的各晶体管反并联连接有二极管。
第1电力变换电路14a具备并联连接的三个上臂晶体管3a-3c和并联连接的三个下臂晶体管4a-4c。施加于第1电力变换电路14a的负载分散到并联连接的三个晶体管3a-3c(4a-4c)。因此，第1电力变换电路14a能够承受高负载。第2电力变换电路14b也是同样的。
如图1所示，第1电力变换电路14a和第2电力变换电路14b具有相同的电路构造。在电力变换电路14a、14b中，上臂晶体管3有助于降压操作，下臂晶体管4有助于升压操作。上臂晶体管3和下臂晶体管4是电力变换用的晶体管。对于上臂晶体管3和下臂晶体管4，优选为采用相同类型的晶体管。上臂晶体管3和下臂晶体管4例如为IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)，但也可以是其他类型的开关元件。
第1电力变换电路14a和第2电力变换电路14b的晶体管由控制器8控制。控制器8向电力变换电路14a、14b的上臂晶体管3a-3c供给同一驱动信号。控制器8向电力变换电路14a、14b的下臂晶体管4a-4c供给与向上臂晶体管3a-3c供给的驱动信号不同的驱动信号。这样，两个电力变换电路14a、14b如同作为一个电力变换电路而发挥功能。电力变换器10通过将负载分散到两个电力变换电路14a、14b，能够应对大功率。
上臂晶体管3、下臂晶体管4、断路晶体管5a、5b由控制器8控制。控制器8从未图示的上位的控制器接收低压端12与高压端13的电压比的指令。控制器8基于指令，生成对上臂晶体管3和下臂晶体管4各自的驱动信号，并将这些驱动信号给予对应的晶体管的栅极。对各晶体管的驱动信号为PWM信号。对上臂晶体管3的驱动信号与对下臂晶体管4的驱动信号是互补的PWM信号。根据互补的PWM信号，上臂晶体管3和下臂晶体管4互补地切换通断。当对上臂晶体管3和下臂晶体管4给予互补的PWM信号时，电力变换电路14a、14b根据施加于低压端12和高压端13的电压来被动地在升压操作与降压操作间进行切换。
断路晶体管5a、5b通常保持在导通状态(ON状态)。控制器8监视上臂晶体管3的下臂晶体管4的状态。控制器8当在第1电力变换电路14a的晶体管3a-3c、4a-4c的某一个中检测到短路故障时，将断路晶体管5a切换为截止(OFF)，将第1电力变换电路14a从其他电路断开。换言之，控制器8截断第1电力变换电路14a的电流。控制器8当在第2电力变换电路14b的晶体管3a-3c、4a-4c的某一个中检测到短路故障时，将断路晶体管5b切换为截止，将第2电力变换电路14b从其他电路断开。换言之，控制器8截断第2电力变换电路14b的电流。此外，晶体管3a-3c、4a-4c具备检测流通的电流的感测发射器(sense emitter)，控制器8通过监视来自感测发射器的信号，能够检测各晶体管的短路故障。
断路晶体管5a(5b)是用于切断电力变换电路14a(14b)的连接的晶体管。换言之，断路晶体管5a(5b)是用于截断电力变换电路14a(14b)的电流的晶体管。再换言之，断路晶体管5a(5b)是用于将电力变换电路14a(14b)从其他的电力变换电路14b(14a)分离的晶体管。作为断路晶体管5a、5b，既可以采用与上臂晶体管3为相同类型的晶体管，也可以采用另外类型的开关。
电力变换器10具备并联连接的两个电力变换电路14a、14b。电力变换电路14a、14b各自具备当在上臂晶体管3和下臂晶体管4的某一个中产生了短路故障时切断电力变换电路14a(14b)的连接的断路晶体管5a(5b)。即使在两个电力变换电路14a、14b的某一个中产生了短路故障，电力变换器10也能够通过另一个电力变换电路继续工作。
在图1中，标号6a-6d所示的虚线框表示了功率模块。即，第1电力变换电路14a的三个上臂晶体管3a-3c收纳于功率模块6a。同样地，第1电力变换电路14a的三个下臂晶体管4a-4c收纳于功率模块6b。第2电力变换电路14b的三个上臂晶体管3a-3c收纳于功率模块6c。第2电力变换电路14b的三个下臂晶体管4a-4c收纳于功率模块6d。另外，图1的标号7所示的虚线框表示了功率模块7。第1电力变换电路14a的断路晶体管5a和第2电力变换电路14b的断路晶体管5b收纳于功率模块7。以下，为便于说明，将收纳有电力变换用的晶体管(上臂晶体管3和下臂晶体管4)的功率模块6a-6d称为变换模块6a-6d。另外，有时将变换模块6a-6d统称为变换模块6。再者，将收纳有断路晶体管5a、5b的功率模块7称为断路模块7。
图2中表示变换模块6的立体图，图3中表示变换模块6内部的电路图。变换模块6是在树脂制的封装体42中密封有三个半导体芯片41a、41b、41c的设备。半导体芯片41a、41b、41c中安装有晶体管3和二极管，晶体管3与二极管在芯片内部反并联连接。半导体芯片41a与图1的电路图的晶体管3a(4a)和二极管的反并联电路相当。半导体芯片41b与图1的电路图的晶体管3b(4b)和二极管的反并联电路相当。半导体芯片41c与图1的电路图的晶体管3c(4c)和二极管的反并联电路相当。
从封装体42的上表面延伸出正极功率端子61和负极功率端子62。正极功率端子61在封装体42的内部连接于三个晶体管3(4)的集电极(高电位侧电极)。负极功率端子62在封装体42的内部连接于三个晶体管3(4)的发射极(低电位侧电极)。即，在变换模块6的封装体42的内部，三个晶体管3(4)并联连接。
从封装体42的下表面延伸出控制端子43a、43b、43c。控制端子43a与晶体管3a(4a)的栅电极相连接。虽省略了图示，但多个控制端子43a与晶体管3a(4a)的感测发射器和/或内置于半导体芯片41a的温度传感器相连。控制端子43b与晶体管3b(4b)的栅电极、感测发射器、半导体芯片41b的温度传感器等相连接。控制端子43c与晶体管3c(4c)的栅电极、感测发射器、半导体芯片41c的温度传感器等相连接。
图4中表示断路模块7的立体图，图5中表示断路模块7内部的电路图。断路模块7是在树脂制的封装体52中密封有两个半导体芯片51a、51b的设备。半导体芯片51a中安装有断路晶体管5a，半导体芯片51b中安装有断路晶体管5b。
从封装体52的上表面延伸出第1正极端子71、共用负极端子72和第2正极端子73。第1正极端子71在封装体52的内部连接于断路晶体管5a的集电极(高电位侧电极)。第2正极端子73在封装体52的内部连接于断路晶体管5b的集电极(高电位侧电极)。共用负极端子72在封装体52的内部连接于断路晶体管5a、5b的发射极(低电位侧电极)。
从封装体52的下表面延伸出控制端子53a、53b。控制端子53a与断路晶体管5a的栅电极、感测发射器、半导体芯片51a的温度传感器等相连接。控制端子53b与断路晶体管5b的栅电极、感测发射器、半导体芯片51b的温度传感器等相连接。如图4、图5中清楚示出的，两个电力变换电路14a、14b各自的断路晶体管5a、5b收纳于一个功率模块(断路模块7)。
图6中表示电力变换器10的俯视图。此外，在图6中，仅表示了四个变换模块6(6a-6d)和断路模块7，而省略了电抗器2a、2b、控制器8的图示。
四个变换模块6和断路模块7与多个冷却器80层叠在一起。图6是从变换模块6的功率端子61、62侧观察到的俯视图。变换模块6和断路模块7与多个冷却器80逐个交替层叠。冷却器80位于层叠体的两端。变换模块6和断路模块7分别从两侧由冷却器80冷却。
如图1所示，变换模块6a、6b是第1电力变换电路14a所包含的功率模块，变换模块6c、6d是第2电力变换电路14b所包含的功率模块。接着，对各模块的连接关系进行说明。
第1电力变换电路14a和第2电力变换电路14b在正极母线31与负极母线32之间并联连接。如图1所示，在第1电力变换电路14a中，以变换模块6a位于正极侧、变换模块6b位于负极侧的方式串联连接有变换模块6a、6b。变换模块6a的正极功率端子61通过短母线34与正极母线31连接，变换模块6a的负极功率端子62通过短母线33与变换模块6b的正极功率端子61连接。此外，短母线33相当于两个上臂晶体管3(变换模块6a)与下臂晶体管4(变换模块6b)的串联连接的中点。变换模块6b的正极功率端子61通过短母线81与未图示的电抗器2a连接。变换模块6b的负极功率端子62通过短母线35与断路模块7的第1正极端子71连接。断路模块7的共用负极端子72通过短母线36与负极母线32连接。以上说明了第1电力变换电路14a中的晶体管的连接关系。
在第2电力变换电路14b中，以变换模块6c位于正极侧、变换模块6d位于负极侧的方式串联连接有变换模块6c、6d。变换模块6c的正极功率端子61通过短母线39与正极母线31连接，变换模块6c的负极功率端子62通过短母线38与变换模块6d的正极功率端子61相连接。短母线38相当于上臂晶体管3(变换模块6c)与下臂晶体管4(变换模块6d)的串联连接的中点。变换模块6d的正极功率端子61通过短母线82与未图示的电抗器2b连接。变换模块6d的负极功率端子62通过短母线37与断路模块7的第2正极端子73连接。如上所述，断路模块7的共用负极端子72通过短母线36与负极母线32连接。以上说明了第2电力变换电路14b中的晶体管的连接关系。
如图6所示，在第1电力变换电路14a所包含的变换模块6a、6b与第2电力变换电路14b所包含的变换模块6c、6d之间隔着断路模块7。此外，变换模块6a和6b以正极功率端子61不相向(对置)的方式彼此反向地层叠，变换模块6c和6d也以正极功率端子61不相向的方式彼此反向地层叠。如图6所示，所有功率端子能够通过短母线33-39连接。图6中的模块的排列便于将各模块用短母线进行连接。
将电力变换器10的特征和优点归纳如下。电力变换器10具备并联连接的两个电力变换电路14a、14b。各个电力变换电路14a、14b具备当在电力变换用的晶体管(上臂晶体管3、下臂晶体管4)的某一个中检测到短路故障时切断电力变换电路的连接的断路晶体管5a、5b。两个电力变换电路14a、14b的断路晶体管5a、5b收纳于一个功率模块(断路模块7)。通过将两个电力变换电路14a、14b的断路晶体管5a、5b收纳于一个功率模块(断路模块7)，能够使电力变换器10小型化。
电力变换电路14a、14b各自具备并联连接的多个电力变换用晶体管(上臂晶体管3a-3c、下臂晶体管4a-4c)。并联连接的电力变换用晶体管(上臂晶体管3或者下臂晶体管3)收纳于另外的功率模块(变换模块6a-6d)。如图2、图3中所示，并联连接的三个晶体管(上臂晶体管3a-3c或者下臂晶体管4a-4c)密集地布线在一个封装体42当中。因此，通过收纳于一个功率模块，能够使电流均等地流向并联连接的晶体管。
第1电力变换电路14a所包含的第1变换模块6a、6b与第2电力变换电路14b所包含的第2变换模块6c、6d隔着断路模块7而层叠。断路模块7收纳有切断第1电力变换电路14a的连接的第1断路晶体管5a和切断第2电力变换电路14b的连接的第2断路晶体管5b。如图6所示，多个功率模块的上述配置能够使连接模块的短母线缩短。此外，通过采用两组(sets)图6的层叠体，能够实现并联连接有四个电力变换电路的电力变换器。
(第2实施例)
参照图7和图8来说明第2实施例的电力变换器10a。图7是第2实施例的电力变换器10a的电路图。电力变换器10a具备并联连接的三个电力变换电路14a-14c。电力变换电路14a、14b与第1实施例的电力变换器10所具备的电力变换电路14a、14b相同。第3电力变换电路14c也与电力变换电路14a、14b为相同的构成。此外，在图7中，省略了变换模块6e、6f的详细的电路图。变换模块6e与变换模块6a相同，在树脂封装体的内部并联连接有三个上臂晶体管3a-3c，并且对各个上臂晶体管3a-3c反并联连接有二极管。变换模块6f与变换模块6b相同，在树脂封装体的内部并联连接有三个下臂晶体管4a-4c，并且对各个下臂晶体管4a-4c反并联连接有二极管。与变换模块6e、6f一起，串联连接有第3断路晶体管5c。控制器8监视变换模块6e、6f的晶体管，当在变换用晶体管(上臂晶体管3、下臂晶体管4)的某一个中检测到短路故障时，将第3断路晶体管5c从导通切换到截止，切断第3电力变换电路14c的连接。
断路晶体管5a-5c收纳于一个功率模块(断路模块7a)。图8中表示断路模块7a的电路图。断路模块7a是在树脂制的封装体52a中埋设有三个半导体芯片51a、51b、51c的设备。半导体芯片51a中安装有断路晶体管5a，半导体芯片51b中安装有断路晶体管5b，半导体芯片51c中安装有断路晶体管5c。
从封装体52a的上表面延伸出第1正极端子71、共用负极端子72、第2正极端子73以及第3正极端子74。第1正极端子71在封装体52a的内部连接于断路晶体管5a的集电极(高电位侧电极)。第2正极端子73在封装体52a的内部连接于断路晶体管5b的集电极(高电位侧电极)。第3正极端子74在封装体52a的内部连接于断路晶体管5c的集电极(高电位侧电极)。共用负极端子72在封装体52的内部连接于断路晶体管5a、5b、5c的发射极(低电位侧电极)。
从封装体52a的下表面延伸出控制端子53a、53b、53c。控制端子53a与断路晶体管5a的栅电极、感测发射器、半导体芯片51a的温度传感器等相连接。控制端子53b与断路晶体管5b的栅电极、感测发射器、半导体芯片51b的温度传感器等相连接。控制端子53c与断路晶体管5c的栅电极、感测发射器、半导体芯片51c的温度传感器等相连接。三个电力变换电路14a-14c各自的断路晶体管5a-5c收纳于一个断路模块7a。第2实施例的电力变换器10a也由于三个电力变换电路14a-14c各自所具备的断路晶体管5a-5c收纳于一个功率模块(断路模块7a)，从而能够使电力变换器10a小型化。
另外，由于多个变换电路14a-14c各自的断路晶体管5a-5c收纳于一个功率模块，由此能获得如下优点。若断路晶体管5a-5c个别地收纳于功率模块，则从控制器8到各个功率模块的距离不同。当与控制器8的距离不同时，从控制器8发送了断路指令到断路晶体管5a-5c工作为止的时间差(time-lag)会产生差异。不希望到将电力变换电路截断为止的时间差取决于要截断的电路而不同。由于多个电力变换电路的断路晶体管汇集于一个功率模块，从控制器8到各个断路晶体管的电流路径变得大致相等。因此，到将电力变换电路截断为止的时间差不依赖于要截断的电路而变为恒定。
叙述与在实施例中所说明的技术相关的注意点。实施例的电力变换电路14a-14c是双向DC-DC转换器。并联连接的电力变换电路也可以是升压转换器、降压转换器、逆变器等。实施例的电力变换电路14a-14c具备并联连接的三个晶体管。电力变换电路也可以具备并联连接的两个晶体管，还可以具备并联连接的四个以上的晶体管。
断路模块7相当于第1模块的一例。变换模块6a-6f相当于第2模块的一例。
断路晶体管5a、5b、5c相当于断路开关的一例。上臂晶体管3、下臂晶体管4相当于电力变换用的开关元件的一例。
以上，详细说明了本发明的具体示例，但这些仅为例示而并非限定权利要求的范围。在权利要求书所记载的技术中包括将以上例示的具体示例进行各种变形、变更的技术。本说明书或附图中所说明的技术要素为通过单独使用或各种组合而发挥技术作用的要素，并不限定于申请时权利要求记载的组合。此外，本说明书或附图所例示的技术为同时达成多个目的的技术，达成其中一个目的本身便具有技术上的有用性。

Claims (1)

1.一种电力变换器，具备：
并联连接的两个电力变换电路；以及
断路开关，其设置在每个所述电力变换电路中，切断该电力变换电路与其他电力变换电路的连接，
两个所述电力变换电路的所述断路开关收纳于一个第1模块，
在所述第1模块的内部，多个所述断路开关的低电位侧电极连接于共用负极端子，
每一个所述电力变换电路具备并联连接的多个电力变换用的开关元件，
并联连接的多个所述开关元件收纳于一个第2模块，
分别与两个所述电力变换电路的每一个相对应的两个所述第2模块配置为将所述第1模块介于之间，且两个所述第2模块与所述第1模块层叠。
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