CN211127562U - Igbt驱动电路、功率模块及变流器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种IGBT驱动电路、功率模块及变流器。其中,IGBT驱动电路包括:脉冲调制器,脉冲调制器将PWM信号调制为第一脉冲信号;时序控制电路,时序控制电路与脉冲调制器连接,时序控制电路将第一脉冲信号中的第二脉冲转化为第三脉冲,形成第二脉冲信号;脉冲变压器,脉冲变压器包括初级绕组和次级绕组,初级绕组与时序控制电路连接;整流电路,整流电路与次级绕组连接,整流电路将第二脉冲信号整流为第三脉冲信号;脉冲解调器,脉冲解调器与整流电路连接,脉冲解调器将第三脉冲信号解调为第四脉冲信号,以驱动IGBT工作。根据本实用新型实施例,能够解决现有技术中的驱动电路在对PWM信号进行隔离转换的过程中容易受到EMC干扰的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于驱动电路技术领域,尤其涉及一种IGBT驱动电路、功率模块及变流器。
背景技术
驱动电路作为控制电路与功率器件之间的桥梁,在充分利用功率器件的性能及提高功率系统可靠性、稳定性方面起着至关重要的作用。
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是变流器的功率模块中的核心部件,IGBT驱动电路的功能是:将脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation,PWM)信号经隔离转换为具有足够功率的控制信号,来保证IGBT的可靠开通与关断。
但是,现有的驱动电路在对PWM信号进行隔离转换的过程中,容易受到电磁兼容(EMC)干扰,导致转换得到的控制信号波形异常,容易引发IGBT故障。
实用新型内容
本实用新型实施例提供一种IGBT驱动电路、功率模块及变流器,能够解决现有技术中的驱动电路在对PWM信号进行隔离转换的过程中容易受到EMC干扰的问题。
第一方面,本实用新型实施例提供了一种IGBT驱动电路,包括:
脉冲调制器,脉冲调制器将PWM信号调制为第一脉冲信号;其中,第一脉冲信号包括第一脉冲和第二脉冲,第一脉冲对应PWM信号的脉冲上升沿,第二脉冲对应PWM信号的脉冲下降沿,第一脉冲和第二脉冲的极性相同;
时序控制电路,时序控制电路与脉冲调制器连接,时序控制电路将第一脉冲信号中的第二脉冲转化为第三脉冲,形成第二脉冲信号;其中,第三脉冲与第二脉冲的极性相反;
脉冲变压器,脉冲变压器包括初级绕组和次级绕组,初级绕组与时序控制电路连接;
整流电路,整流电路与次级绕组连接,整流电路将第二脉冲信号整流为第三脉冲信号;其中,第三脉冲信号与第一脉冲信号的波形相同;
脉冲解调器,脉冲解调器与整流电路连接,脉冲解调器将第三脉冲信号解调为第四脉冲信号,以驱动IGBT工作;其中,第四脉冲信号与PWM 信号的波形相同。
进一步地,还包括:
第一电平转换电路,第一电平转换电路将PWM信号由第一幅值转换为第二幅值,得到转换后的PWM信号;其中,第二幅值为脉冲调制器的工作电压;
其中,脉冲调制器与第一电平转换电路连接,脉冲调制器将转换后的 PWM信号调制为第一脉冲信号。
进一步地,时序控制电路与脉冲变压器之间还连接有第二电平转换电路,第二电平转换电路将第二脉冲信号由第二幅值转换为第三幅值,得到转换后的第二脉冲信号;
其中,整流电路将转换后的第二脉冲信号整流为第三脉冲信号。
进一步地,脉冲解调器与整流电路之间还连接有第三电平转换电路,第三电平转换电路将第三脉冲信号由第三幅值转换为第二幅值,得到转换后的第三脉冲信号;
其中,脉冲解调器将转换后的第三脉冲信号解调为第四脉冲信号。
进一步地,还包括:
第四电平转换电路,第四电平转换电路与脉冲解调器连接,第四电平转换电路将第四脉冲信号由第二幅值转换为第一幅值,得到PWM信号,以驱动IGBT工作。
进一步地,还包括:
功率放大电路,功率放大电路与第四电平转换电路连接,功率放大电路将PWM信号放大至预定功率,得到控制信号,以驱动IGBT工作。
优选地,第一脉冲、第二脉冲和第三脉冲均为预定宽度的矩形波,预定宽度的宽度范围为500ns-2us。
优选地,脉冲调制器和脉冲解调器均为可编程逻辑器件。
第二方面,本实用新型实施例提供了一种功率模块,包括第一方面所述的IGBT驱动电路。
第三方面,本实用新型实施例提供了一种变流器,包括第二方面所述的功率模块。
本实用新型实施例的IGBT驱动电路、功率模块及变流器,能够利用脉冲调制器先将PWM信号调制为所有脉冲的极性相同的第一脉冲信号,然后利用时序控制电路将第一脉冲信号转换为脉冲的极性交错设置的第二脉冲信号,再通过脉冲变压器将第二脉冲信号传递给整流电路,利用整流电路将第二脉冲信号整流为与第一脉冲信号波形相同的第三脉冲信号,最后利用脉冲解调器将第三脉冲信号调节为与PWM波形相同的第四脉冲信号,以利用第四脉冲信号驱动IGBT工作,由于脉冲调制器可以将PWM信号调制为具有任意宽度的脉冲的第一脉冲信号,用户可以根据需要对第一脉冲信号的脉冲宽度进行设置,避免第一脉冲信号的脉冲宽度与EMC干扰信号的宽度相同,从而保证第四脉冲信号的波形与PWM波形相同,避免在对PWM信号进行隔离转换的过程中受到EMC干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案,下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单的介绍,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有的一种功率模块的模块结构图;
图2是图1中IGBT驱动电路的结构示意图;
图3是图2所示的IGBT驱动电路的信号变化示意图;
图4是本实用新型一个实施例提供的IGBT驱动电路的结构示意图;
图5是本实用新型一个实施例提供的时序控制电路的结构示意图;
图6是本实用新型一个实施例提供的整流电路的结构示意图;
图7是图4所示的IGBT驱动电路的信号变化示意图;
图8是本实用新型一个实施例提供的电平转换电路的结构示意图;
图9是本实用新型另一个实施例提供的IGBT驱动电路的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例,为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及具体实施例,对本实用新型进行进一步详细描述。应理解,此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本实用新型,并不被配置为限定本实用新型。对于本领域技术人员来说,本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型更好的理解。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
图1示出了现有的一种功率模块的模块结构图。如图1所示,功率模块包括两个IGBT 110,每个IGBT 110分别通过一个IGBT驱动电路120与一个IGBT控制电路130通信连接。IGBT驱动电路120用于接收IGBT控制电路130示出的PWM信号,然后根据PWM信号驱动IGBT开通和关断,以驱动IGBT工作。
图2示出了图1中IGBT驱动电路的结构示意图。图3示出了图2所示的IGBT驱动电路的信号变化示意图。
如图2所示,IGBT驱动电路包括信号调制模块121、信号传递模块 122和信号解调模块123。其中,信号调制模块121和信号解调模块123分别模拟电路,信号传递模块122为脉冲变压器,信号调制模块121根据来自于IGBT控制电路的PWM信号的电压变化方向和电压变化大小,直接将 PWM信号调制为图3所示的窄脉冲信号,然后信号传递模块122将窄脉冲信号传递给信号解调模块123,以使信号解调模块123将窄脉冲信号还原为与PWM信号波形相同的控制信号。
具体地,目前的信号调制模块121的调制原理为:接收到PWM信号后,将PWM信号的上升沿捕捉为15V的一个窄脉冲,PWM信号的下降沿捕捉为-15V的窄脉冲,由于模拟电路的各个电路元件的性能有限,窄脉冲的脉冲宽度仅能达到几十~三百ns,在信号调制与信号解调的过程中,容易受到EMC干扰而产生误动作,而EMC干扰所产生的干扰脉冲的脉冲宽度与窄脉冲的脉冲宽度相近,导致信号解调的过程中,转换得到的控制信号的波形异常,容易引发IGBT故障。
为了解决现有技术问题,本实用新型实施例提供了一种IGBT驱动电路、功率模块及变流器。下面首先对本实用新型实施例所提供的IGBT驱动电路进行介绍。
图4示出了本实用新型一个实施例提供的IGBT驱动电路的结构示意图。如图4所示,该IGBT驱动电路可以包括:
脉冲调制器210,脉冲调制器将PWM信号调制为第一脉冲信号;其中,第一脉冲信号包括第一脉冲和第二脉冲,第一脉冲对应PWM信号的脉冲上升沿,第二脉冲对应PWM信号的脉冲下降沿,第一脉冲和第二脉冲的极性相同;
时序控制电路220,时序控制电路与脉冲调制器连接,时序控制电路将第一脉冲信号中的第二脉冲转化为第三脉冲,形成第二脉冲信号;其中,第三脉冲与第二脉冲的极性相反;
脉冲变压器230,脉冲变压器包括初级绕组和次级绕组,初级绕组与时序控制电路连接;
整流电路240,整流电路与次级绕组连接,整流电路将第二脉冲信号整流为第三脉冲信号;其中,第三脉冲信号与第一脉冲信号的波形相同;
脉冲解调器250,脉冲解调器与整流电路连接,脉冲解调器将第三脉冲信号解调为第四脉冲信号,以驱动IGBT工作;其中,第四脉冲信号与 PWM信号的波形相同。
在本实用新型实施例中,由于脉冲调制器可以将PWM信号调制为具有任意宽度的脉冲的第一脉冲信号,用户可以根据需要对第一脉冲信号的脉冲宽度进行设置,避免第一脉冲信号的脉冲宽度与EMC干扰信号的宽度相同,从而保证第四脉冲信号的波形与PWM波形相同,避免在对PWM 信号进行隔离转换的过程中受到EMC干扰。
在本实用新型实施例中,脉冲调制器210可以为任意一种可以实现数字脉冲宽度调制功能的脉冲调制器。在一些实施例中,脉冲调制器210可以为可编程逻辑器件,脉冲调制器210上可以预先设置有脉冲调制逻辑,以能够将PWM信号调制为具有第一脉冲和第二脉冲的第一脉冲信号。
在本实用新型实施例中,脉冲解调器250可以为任意一种可以实现数字脉冲宽度解调功能的脉冲解调器。在一些实施例中,脉冲解调器250可以为可编程逻辑器件,脉冲解调器250上可以预先设置有脉冲解调逻辑,以能够将第三脉冲信号解调为与PWM信号波形相同的第四脉冲信号。
具体地,可编程逻辑器件可以为单片机、复杂可编程逻辑器件 (ComplexProgrammable Logic Device,CPLD)、现场可编程门阵列 (Field-Programmable GateArray,FPGA)等等。
在本实用新型实施例中,时序控制电路220可以对第一脉冲信号中的各个脉冲的时序进行监控,并且将时序为偶数的第二脉冲转化为第三脉冲。
图5示出了本实用新型一个实施例提供的时序控制电路的结构示意图。如图5所示,时序控制电路包括并联连接的第一时序控制支路和第二时序控制支路,第一时序控制支路上设置有第一模拟开关221,第二时序控制支路上串联有第二模拟开关222和取反电路223。时序控制电路220的输入端与脉冲调制器210的脉冲信号输出端连接,用于接收第一脉冲信号。第一模拟开关221与脉冲调制器210的第一时序信号输出端连接,当第一时序信号输出端输出高电压时,说明PWM信号上升沿到来,第一模拟开关221闭合,使第一时序控制支路导通,输出第一脉冲。第二模拟开关222与脉冲调制器210的第二时序信号输出端连接,当第二时序信号输出端输出高电压时,说明PWM信号下降沿到来,第二模拟开关222闭合,使第二时序控制支路导通,取反电路223将第二脉冲取反为第三脉冲。
由此,时序控制电路220可以输出第二脉冲信号,第二脉冲信号包括第一脉冲和第三脉冲,并且第三脉冲与第二脉冲的极性相反。
需要说明的是,脉冲调制器210的第一时序信号输出端输出高电压时,脉冲调制器210的第二时序信号输出端输出低电压;脉冲调制器210的第二时序信号输出端输出高电压时,脉冲调制器210的第一时序信号输出端输出低电压。由此,可以保证在一个时刻下,仅有一个时序控制支路导通。
在这些实施例中,可选地,第一模拟开关221和第二模拟开关222可以均为型号为ADG721的模拟开关。
在本实用新型实施例中,脉冲变压器230的初级绕组和次级绕组的等效比可以为1,也可以为其他等效比,在此不做限制,只要是能够实现将 IGBT驱动电路的调制侧和解调侧隔离即可。
在本实用新型一些实施例中,脉冲变压器230的初级绕组的一端接地,另一端与时序控制电路的输出端电连接。
图6示出了本实用新型一个实施例提供的整流电路的结构示意图。如图6所示,整流电路为桥式整流电路,桥式整流电路由四个二极管241构成,桥式整流电路的两个输入端分别连接脉冲变压器的次级绕组的两端电连接,桥式整流电路的两个输出端之间串联有第一负载电阻242,并且其中一个输出端接地,另一个输出端与脉冲解调器连接,用于输出第三脉冲信号。
图7示出了图4所示的IGBT驱动电路的信号变化示意图。如图7所示,经过数字脉冲宽度调制的第一脉冲信号、第二脉冲信号和第三脉冲信号中的各个脉冲可以为矩形波。具体地,第一脉冲、第二脉冲和第三脉冲可以均为预定宽度的矩形波,预定宽度的宽度范围可以为500ns-2us。由于预定宽度远大于EMC干扰所产生的干扰脉冲的脉冲宽度,因此,在对第三脉冲信号进行解调的过程中,不会受到EMC干扰的影响,使得抗干扰能力大大提高。
在本实用新型一些实施例中,该IGBT驱动电路还可以包括:
第一电平转换电路,第一电平转换电路将PWM信号由第一幅值转换为第二幅值,得到转换后的PWM信号;其中,第二幅值为脉冲调制器的工作电压。
在这些实施例中,脉冲调制器与第一电平转换电路连接,脉冲调制器将转换后的PWM信号调制为第一脉冲信号。
具体地,可以在IGBT控制电路与脉冲调制器之间,增加第一电平转换电路,从而将高幅值的PWM信号转化为低幅值的PWM信号,即使 PWM信号由第一幅值降低为脉冲调制器的工作电压对应的第二幅值,从而保护脉冲调制器,使脉冲调制器能够正常工作。
在这些实施例中,可选地,时序控制电路与脉冲变压器之间还连接有第二电平转换电路,第二电平转换电路将第二脉冲信号由第二幅值转换为第三幅值,得到转换后的第二脉冲信号。
在这些实施例中,整流电路将转换后的第二脉冲信号整流为第三脉冲信号。
具体地,在时序控制电路与脉冲变压器之间增加第二电平转换电路,可以将低幅值的第二脉冲信号转化为高幅值的第二脉冲信号,即使第二脉冲信号由第二幅值升高为第三幅值,从而保证脉冲变压器对第二脉冲信号进行传递的准确性。
在这些实施例中,可选地,脉冲解调器与整流电路之间还连接有第三电平转换电路,第三电平转换电路将第三脉冲信号由第三幅值转换为第二幅值,得到转换后的第三脉冲信号;
在这些实施例中,脉冲解调器将转换后的第三脉冲信号解调为第四脉冲信号。
具体地,在脉冲解调器与整流电路之间增加第三电平转换电路,可以将高幅值的第三脉冲信号转化为低幅值的第三脉冲信号,即第三脉冲信号由第三幅值降低为第二幅值,从而保证调制解调器能够正常工作。
在本实用新型一些实施例中,该IGBT驱动电路还可以包括:
第四电平转换电路,第四电平转换电路与脉冲解调器连接,第四电平转换电路将第四脉冲信号由第二幅值转换为第一幅值,得到PWM信号,以驱动IGBT工作。
具体地,在脉冲解调器与IGBT之间增加第四电平转换电路,可以将高低值的第四脉冲信号转化为高幅值的第四脉冲信号,即第四脉冲信号由第二幅值降低为第一幅值,从而得到PWM信号。
在本实用新型一些实施例中,该IGBT驱动电路还可以包括:
功率放大电路,功率放大电路与第四电平转换电路连接,功率放大电路将PWM信号放大至预定功率,得到控制信号,以驱动IGBT工作。
具体地,在第四电平转换电路与IGBT之间增加功率放大电路,可以将PWM信号的功率放大为控制IGBT所需的预定功率,从而可以驱动 IGBT开通和关断,以驱动IGBT工作。
在本实用新型实施例中,电平转换电路有多种结构。
图8示出了本实用新型一个实施例提供的电平转换电路的结构示意图。电平转换电路包括三极管310和第二负载电阻320,其中,三极管310的基极输入为0V时,三极管310不导通,三极管310的输出为0V,三极管310 的基极输入为3.3V时,三极管310导通,三极管310的输出为15V。
图9示出了本实用新型另一个实施例提供的IGBT驱动电路的结构示意图。如图9所示,IGBT驱动电路包括依次连接的第一电平转换电路260、脉冲调制器210、时序控制电路220、第二电平转换电路270、脉冲变压器 230、整流电路240、第三电平转换电路280、脉冲解调器250和第四电平转换电路290。其中,第一电平转换电路260将幅值为15V的PWM信号转换为幅值为3.3V的PWM信号,脉冲调制器将幅值为3.3V的PWM信号解调为幅值为3.3V的第一脉冲信号,时序控制电路220将幅值为3.3V的第一脉冲信号转换为幅值为3.3V的第二脉冲信号,第二电平转换电路270 将幅值为3.3V的第二脉冲信号转换为幅值为15V的第二脉冲信号,脉冲变压器230将幅值为15V的第二脉冲信号传递给整流电路240,整流电路240 将幅值为15V的第二脉冲信号整流为幅值为15V的第三脉冲信号,第三电平转换电路280将幅值为15V的第三脉冲信号转换为幅值为3.3V的第三脉冲信号,脉冲解调器250将幅值为3.3V的第三脉冲信号解调为幅值为3.3V 的第四脉冲信号,第四电平转换电路290将幅值为3.3V的第四脉冲信号转换为15V的PWM信号。
本实用新型实施例还提供了一种功率模块,该功率模块至少包括一个 IGBT,每个IGBT的控制端分别通过一个IGBT驱动电路与一个IGBT控制电路通信连接。
其中,IGBT驱动电路可以如图4至图8所示,其原理与如图4至图8 所示实施例的IGBT驱动电路的原理相似,在此不做赘述。
在本实用新型实施例中,由于脉冲调制器可以将PWM信号调制为具有任意宽度的脉冲的第一脉冲信号,用户可以根据需要对第一脉冲信号的脉冲宽度进行设置,避免第一脉冲信号的脉冲宽度与EMC干扰信号的宽度相同,从而保证第四脉冲信号的波形与PWM波形相同,避免在对PWM 信号进行隔离转换的过程中受到EMC干扰。
本实用新型实施例还提供了一种变流器,该变流器包括本实用新型实施例提供的功率模块。在本实用新型实施例中,由于脉冲调制器可以将 PWM信号调制为具有任意宽度的脉冲的第一脉冲信号,用户可以根据需要对第一脉冲信号的脉冲宽度进行设置,避免第一脉冲信号的脉冲宽度与 EMC干扰信号的宽度相同,从而保证第四脉冲信号的波形与PWM波形相同,避免在对PWM信号进行隔离转换的过程中受到EMC干扰。
以上所述,仅为本实用新型的具体实施方式,所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为了描述的方便和简洁,上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。应理解,本实用新型的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种IGBT驱动电路,其特征在于,包括:
脉冲调制器,所述脉冲调制器将PWM信号调制为第一脉冲信号;其中,所述第一脉冲信号包括第一脉冲和第二脉冲,所述第一脉冲对应所述PWM信号的脉冲上升沿,所述第二脉冲对应所述PWM信号的脉冲下降沿,所述第一脉冲和所述第二脉冲的极性相同;
时序控制电路,所述时序控制电路与所述脉冲调制器连接,所述时序控制电路将所述第一脉冲信号中的所述第二脉冲转化为第三脉冲,形成第二脉冲信号;其中,所述第三脉冲与所述第二脉冲的极性相反;
脉冲变压器,所述脉冲变压器包括初级绕组和次级绕组,所述初级绕组与所述时序控制电路连接;
整流电路,所述整流电路与所述次级绕组连接,所述整流电路将所述第二脉冲信号整流为第三脉冲信号;其中,所述第三脉冲信号与所述第一脉冲信号的波形相同;
脉冲解调器,所述脉冲解调器与所述整流电路连接,所述脉冲解调器将所述第三脉冲信号解调为第四脉冲信号,以驱动IGBT工作;其中,所述第四脉冲信号与所述PWM信号的波形相同。
2.根据权利要求1所述的IGBT驱动电路,其特征在于,还包括:
第一电平转换电路,所述第一电平转换电路将所述PWM信号由第一幅值转换为第二幅值,得到转换后的PWM信号;其中,所述第二幅值为所述脉冲调制器的工作电压;
其中,所述脉冲调制器与所述第一电平转换电路连接,所述脉冲调制器将所述转换后的PWM信号调制为所述第一脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的IGBT驱动电路,其特征在于,所述时序控制电路与所述脉冲变压器之间还连接有第二电平转换电路,所述第二电平转换电路将所述第二脉冲信号由所述第二幅值转换为第三幅值,得到转换后的第二脉冲信号;
其中,所述整流电路将所述转换后的第二脉冲信号整流为所述第三脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的IGBT驱动电路,其特征在于,所述脉冲解调器与所述整流电路之间还连接有第三电平转换电路,所述第三电平转换电路将所述第三脉冲信号由所述第三幅值转换为所述第二幅值,得到转换后的第三脉冲信号;
其中,所述脉冲解调器将所述转换后的第三脉冲信号解调为所述第四脉冲信号。
5.根据权利要求4所述的IGBT驱动电路,其特征在于,还包括:
第四电平转换电路,所述第四电平转换电路与所述脉冲解调器连接,所述第四电平转换电路将所述第四脉冲信号由所述第二幅值转换为所述第一幅值,得到所述PWM信号,以驱动所述IGBT工作。
6.根据权利要求5所述的IGBT驱动电路,其特征在于,还包括:
功率放大电路,所述功率放大电路与所述第四电平转换电路连接,所述功率放大电路将所述PWM信号放大至预定功率,得到控制信号,以驱动所述IGBT工作。
7.根据权利要求1所述的IGBT驱动电路,其特征在于,所述第一脉冲、所述第二脉冲和所述第三脉冲均为预定宽度的矩形波,所述预定宽度的宽度范围为500ns-2us。
8.根据权利要求1所述的IGBT驱动电路,其特征在于,所述脉冲调制器和所述脉冲解调器均为可编程逻辑器件。
9.一种功率模块,其特征在于,包括权利要求1-8任一项所述的IGBT驱动电路。
10.一种变流器,其特征在于,包括权利要求9所述的功率模块。
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