TWI517548B - 五電平整流器 - Google Patents

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Description

五電平整流器
本發明是有關於一種整流器，且特別是有關於一種五電平整流器。
變頻器在工業控制領域有著廣泛的應用，更是工業上對大功率電機進行控制、調速的重要設備，是能源體系的一個重要組成部分。目前工業用大中型高壓電機在生產中扮演著越來越重要的角色，其消耗的能源占全部耗能總量的近三分之二，其能效的進一步提高對於整個社會有著重要的意義。
已有的ROB1CON方案(US5625545)的變頻器是由低壓半導體器件實現高壓變頻，不過ROBICON方案變頻器前端需要一個移相變壓器，該變壓器成本高、體積大、損耗也比較大；且ROBICON方案需要大量的電容，成本高，失效率也高。以上這些因素導致了ROBICON方案總體體積大，效率低，可靠性較低。其他高壓變頻產品均採用高壓半導體器件實現高壓變頻，而高壓半導體器件非常昂貴，且損耗較大，系統成本仍然較高。
為了克服上述缺點，採用低壓半導體器件(例如： IGBT)直接串聯(半導體器件同時開通和關斷，等效為一個開關器件進行工作)是一個很好的選擇；同時為了減少系統成本，故在高壓變頻器領域採用無輸入變壓器的三電平低壓IGBT串聯方案是一個很好的選擇。目前市場上已有應用多個IGBT串聯的兩電平變流器的產品，但其設計佈局存在可維護性較差，換流回路較大，生產成本高等問題。
由此可見，上述現有的技術，顯然仍存在不便與缺陷，而有待進一步改進。為解決上述問題，相關領域莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的方式被發展完成。因此，如何能更有效地解決上述問題，實屬當前重要研發課題之一，亦成為當前相關領域需改進的目標。
本發明提出了一種適用於半導體器件串聯五電平整流器的佈局設計，採用模組化設計，結構緊湊，安裝與維護方便，系統換流回路小，雜散電感小，提高了開關器件的使用壽命，增加了系統的可靠性。
本發明第一實施例所提供之一種五電平整流器包括至少一相橋臂，該至少一相橋臂包括上半橋臂電路模組與下半橋臂電路模組。上半橋臂電路模組包括第一功率半導體開關單元、第二功率半導體開關單元、第一二極管單元、第二二極管單元、第一連接母排、第一絕緣導線與第一轉接母排，第一二極管單元串聯第二二極管單元，第一、 第二功率半導體開關單元之間串聯的連接點與相電容器的正極性端相連，第一二極管單元連接第一直流母線電容器的正極性端，第一連接母排連接第一二極管單元與第二二極管單元，第一轉接母排連接第一、第二功率半導體開關單元，第一絕緣導線連接至第一轉接母排和第一連接母排。下半橋臂電路模組包括第三功率半導體開關單元、第四功率半導體開關單元、第三二極管單元、第四二極管單元、第二連接母排、第二絕緣導線與第二轉接母排，第三二極管單元串聯第四二極管單元，第三、第四功率半導體開關單元之間串聯的連接點連接至相電容器的負極性端，第四二極管單元連接第二直流母線電容器的負極性端，第二二極管單元與第三二極管單元連接至第一、第二直流母線電容器之間相連的中性點，第二功率半導體開關單元與第三功率半導體開關單元連接至一交流接線端，第二連接母排連接第三二極管單元與第四二極管單元，第二轉接母排連接第三、第四功率半導體開關單元，第二絕緣導線連接第二連接母排和第二轉接母排，上半橋臂電路模組與下半橋臂電路模組並列面對面放置。
於第一實施例中，第一二極管單元、第二二極管單元與第一、第二功率半導體開關單元呈一直線排列，第二二極管單元位於第一二極管單元與第一、第二功率半導體開關單元之間；第四二極管單元、第三二極管單元與第三、第四功率半導體開關單元呈一直線排列，第三二極管單元位於第四二極管單元與第三、第四功率半導體開關單元之 間。
於第一實施例中，第一、第二功率半導體開關單元包括複數個功率半導體開關模組與複數條串聯母排，這些功率半導體開關模組係經由這些串聯母排而串聯。
於第一實施例中，第三、第四功率半導體開關單元包括複數個功率半導體開關模組與複數條串聯母排，這些功率半導體開關模組係經由這些串聯母排而串聯。
於第一實施例中，第一、第二、第三、第四二極管單元中每一者包括複數個二極管模組與複數條串聯母排，這些二極管模組係經由這些串聯母排而串聯。
於第一實施例中，第一二極管單元面對第四二極管單元，第二二極管單元面對第三二極管單元，第一、第二功率半導體開關單元面對第三、第四功率半導體開關單元。
於第一實施例中，上半橋臂電路模組還包括一電容母線正極導體，連接第一二極管單元至第一直流母線電容器的正極性端。
於第一實施例中，上半橋臂電路模組還包括一第一交流連接母排，連接第二功率半導體開關單元至交流接線端。
於第一實施例中，上半橋臂電路模組還包括一第一中性點連接母排，連接第二二極管單元與中性點。
於第一實施例中，上半橋臂電路模組還包括絕緣板材，設置於第一、第二二極管單元上，且第一中性點連接母排設置於絕緣板材上。
於第一實施例中，上半橋臂電路模組包括一正極性端連接導體，連接第一、第二功率半導體開關單元之間串聯的連接點至相電容器的正極性端。
於第一實施例中，下半橋臂電路模組還包括一電容母線負極導體，連接第四二極管單元至第二直流母線電容器的負極性端。
於第一實施例中，下半橋臂電路模組還包括一第二交流連接母排，連接第三功率半導體開關單元至交流接線端。
於第一實施例中，下半橋臂電路模組還包括一第二中性點連接母排，連接第三二極管單元與中性點。
於第一實施例中，下半橋臂電路模組還包括絕緣板材，設置於第三、第四二極管單元上，且第二中性點連接母排設置於絕緣板材上。
於第一實施例中，下半橋臂電路模組包括一負極性端連接導體，連接第三、第四功率半導體開關單元之間串聯的連接點至相電容器的負極性端。
本發明第二實施例所提供之一種五電平整流器包括至少一相橋臂，該至少一相橋臂包括上半橋臂電路模組與下半橋臂電路模組。上半橋臂電路模組包括第一功率半導體開關單元、第二功率半導體開關單元、第五功率半導體開關單元、第一二極管單元、第一連接母排、第一絕緣導線與第一轉接母排，第一二極管單元串聯第五功率半導體開關單元，第一、第二功率半導體開關單元之間串聯的 連接點與相電容器的正極性端相連，第一二極管單元連接第一直流母線電容器的正極性端，第一連接母排連接第一二極管單元與第五功率半導體開關單元，第一轉接母排連接第一、第二功率半導體開關單元，第一絕緣導線連接至第一轉接母排和第一連接母排。下半橋臂電路模組包括第三功率半導體開關單元、第四功率半導體開關單元、第六功率半導體開關單元、第二二極管單元、第二連接母排、第二絕緣導線與第二轉接母排，第六功率半導體開關單元串聯第二二極管單元，第三、第四功率半導體開關單元之間串聯的連接點連接至相電容器的負極性端，第二二極管單元連接第二直流母線電容器的負極性端，第五功率半導體開關單元與第六功率半導體開關單元連接至第一、第二直流母線電容器之間相連的中性點，第二功率半導體開關單元與第三功率半導體開關單元連接至一交流接線端，第二連接母排連接第六功率半導體開關單元與第二二極管單元，第二轉接母排連接第三、第四功率半導體開關單元，第二絕緣導線連接第二連接母排和第二轉接母排，上半橋臂電路模組與下半橋臂電路模組並列面對面放置。
於第二實施例中，第一二極管單元、第五功率半導體開關單元與第一、第二功率半導體開關單元呈一直線排列，第五功率半導體開關單元位於第一二極管單元與第一、第二功率半導體開關單元之間；第二二極管單元、第六功率半導體開關單元與第三、第四功率半導體開關單元呈一直線排列，第六功率半導體開關單元位於第二二極管 單元與第三、第四功率半導體開關單元之間。
於第二實施例中，第一、第二功率半導體開關單元包括複數個功率半導體開關模組與複數條串聯母排，這些功率半導體開關模組係經由這些串聯母排而串聯。
於第二實施例中，第三、第四功率半導體開關單元包括複數個功率半導體開關模組與複數條串聯母排，這些功率半導體開關模組係經由這些串聯母排而串聯。
於第二實施例中，第五、第六功率半導體開關單元中每一者包括複數個功率半導體開關模組與複數條串聯母排，這些功率半導體開關模組係經由這些串聯母排而串聯。
於第二實施例中，第一、第二二極管單元中每一者包括複數個二極管模組與複數條串聯母排，這些二極管模組係經由這些串聯母排而串聯。
於第二實施例中，第一二極管單元面對第二二極管單元，第五功率半導體開關單元面對第六功率半導體開關單元，第一、第二功率半導體開關單元面對第三、第四功率半導體開關單元。
於第二實施例中，上半橋臂電路模組還包括一電容母線正極導體，連接第一二極管單元至第一直流母線電容器的正極性端。
於第二實施例中，上半橋臂電路模組還包括一第一交流連接母排，連接第二功率半導體開關單元至交流接線端。
於第二實施例中，上半橋臂電路模組還包括一第一 中性點連接母排，連接第五功率半導體開關單元與中性點。
於第二實施例中，上半橋臂電路模組還包括絕緣板材，設置於第一二極管單元與第五功率半導體開關單元上，且第一中性點連接母排設置於絕緣板材上。
於第二實施例中，上半橋臂電路模組包括一正極性端連接導體，連接第一、第二功率半導體開關單元之間串聯的連接點至相電容器的正極性端。
於第二實施例中，下半橋臂電路模組還包括一電容母線負極導體，連接第二二極管單元至第二直流母線電容器的負極性端。
於第二實施例中，下半橋臂電路模組還包括一第二交流連接母排，連接第三功率半導體開關單元至交流接線端。
於第二實施例中，下半橋臂電路模組還包括一第二中性點連接母排，連接第六功率半導體開關單元與中性點。
於第二實施例中，下半橋臂電路模組還包括絕緣板材，設置於第二二極管單元與第六功率半導體開關單元上，且第二中性點連接母排設置於絕緣板材上。
於第二實施例中，下半橋臂電路模組包括一負極性端連接導體，連接第三、第四功率半導體開關單元之間串聯的連接點至相電容器的負極性端。
綜上所述，本發明之技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。藉由上述技術方案，可達到相當的技術進步，並具有產業上的廣泛利用價值，其至少具有 下列優點： 1.以半個橋臂電路為一個模組進行了模組化設計，且上半橋臂電路模組和下半橋臂電路模組並列面對面放置，使得整流器的換流回路較小，雜散電感較小，結構緊湊，安裝與更換方便以及生產成本低等； 2.連接部分是由母排(由導電導體材料製成，例如：銅排、鋁排)與絕緣導線(如：絕緣電纜)混合組成，區別於其他產品的連接部分全部由母排組成的連接方式。此連接方式，可以有效地解決系統連線過程中因為高壓而導致的局部放電問題。
以下將以實施方式對上述之說明作詳細的描述，並對本發明之技術方案提供更進一步的解釋。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附符號之說明如下：
AC‧‧‧交流接線端
C1‧‧‧第一直流母線電容器
C2‧‧‧第二直流母線電容器
D1‧‧‧第一二極管單元
D2‧‧‧第二二極管單元
D3‧‧‧第三二極管單元
D4‧‧‧第四二極管單元
N‧‧‧中性點
P、Q‧‧‧連接點
S1‧‧‧第一功率半導體開關單元
S2‧‧‧第二功率半導體開關單元
S3‧‧‧第三功率半導體開關單元
S4‧‧‧第四功率半導體開關單元
S5‧‧‧第五功率半導體開關單元
S6‧‧‧第六功率半導體開關單元
1‧‧‧電容母線正極導體
2‧‧‧散熱器
3‧‧‧二極管模組
3’‧‧‧功率半導體開關模組
4‧‧‧串聯母排
5‧‧‧第一連接母排
6‧‧‧第一絕緣導線
7‧‧‧第一轉接母排
8‧‧‧第一交流連接母排
9、16‧‧‧絕緣板材
10‧‧‧第一中性點連接母排
11‧‧‧第二連接母排
12‧‧‧第二絕緣導線
13‧‧‧第二轉接母排
14‧‧‧第二交流連接母排
15‧‧‧電容母線負極導體
17‧‧‧第二中性點連接母排
18‧‧‧正極性端連接導體
19‧‧‧負極性端連接導體
31‧‧‧功率半導體開關
33‧‧‧二極管
100、200‧‧‧五電平整流器
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：圖1是依照本發明第一實施例的一種五電平整流器電路的原理圖(單相)；圖2是圖1的五電平整流器的一種換流回路；圖3是依照本發明一實施例的一種功率半導體開關串聯、二極管串聯電路原理圖；圖4A、4B是依照本發明第一實施例的一種上半橋臂電路模組結構佈局圖及其連接線；圖5A、5B是依照本發明第一實施例的一種下半橋臂電 路模組結構佈局圖及其連接線；圖6是依照本發明第一實施例的一種五電平整流器單相橋臂的結構圖；圖7是依照本發明第二實施例的一種五電平整流器電路的原理圖(單相)；圖8是圖7的五電平整流器的一種換流回路；圖9A、9B是依照本發明第二實施例的一種上半橋臂電路模組結構佈局圖及其連線；圖10A、10B是依照本發明第二實施例的一種下半橋臂電路模組結構佈局圖及其連線；圖11是依照本發明第二實施例的一種五電平整流器單相橋臂的結構圖。
為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下該各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本發明造成不必要的限制。
本發明之技術態樣是五電平整流器，其可應用在變頻器，或是廣泛地運用在相關之技術環節，以下將搭配圖1~圖6來說明第一實施例的五電平整流器的器件佈局及連接方式，另搭配圖7~圖11來說明第二實施例的五電平整流器的器件佈局及連接方式。
圖1是依照本發明第一實施例的一種五電平整流 器電路的原理圖(單相)。於圖1中，五電平整流器100包括第一二極管單元D1、第二二極管單元D2、第三二極管單元D3、第四二極管單元D4、第一功率半導體開關單元S1、第二功率半導體開關單元S2、第三功率半導體開關單元S3與第四功率半導體開關單元S4。在結構上，第一二極管單元D1串聯第二二極管單元D2，第一、第二功率半導體開關單元S1、S2之間串聯的連接點P與相電容器C3的正極性端相連，第一二極管單元D1連接第一直流母線電容器C1的正極性端，第三二極管單元D3串聯第四二極管單元D4，第三、第四功率半導體開關單元S3、S4之間串聯的連接點Q連接至相電容器C3的負極性端，第四二極管單元D4連接第二直流母線電容器C2的負極性端，第二二極管單元D2與第三二極管單元D3連接至第一、第二直流母線電容器C1、C2之間相連的中性點N，第二功率半導體開關單元S2與第三功率半導體開關單元S3連接至交流接線端AC。
具體而言，第一功率半導體開關單元S1具有集電極與發射極；第二功率半導體開關單元S2具有集電極與發射極；第三功率半導體開關單元S3具有集電極與發射極，其中第二功率半導體開關單元S2的發射極連接第三功率半導體開關單元S3的集電極；第四功率半導體開關單元S4具有集電極與發射極；第一直流母線電容器C1具有正極性端與負極性端；第二直流母線電容器C2具有正極性端與負極性端；第一二極管單元D1具有陽極與陰極，其中第一直 流母線電容器C1的正極性端連接第一二極管單元D1的陰極；第二二極管單元D2具有陽極與陰極，其中第一二極管單元D1的陽極、第二二極管單元D2的陰極與第一功率半導體開關單元S1的集電極彼此相連；第三二極管單元D3具有陽極與陰極，其中第一直流母線電容器C1的負極性端、第二直流母線電容器C2的正極性端、第二二極管單元D2的陽極與第三二極管單元D3的陰極彼此相連；相電容器C3具有正極性端與負極性端，其中第一功率半導體開關單元S1的發射極、第二功率半導體開關單元S2的集電極與相電容器C3的正極性端彼此相連，第三功率半導體開關單元S3的發射極、第四功率半導體開關單元S4的集電極與相電容器C3的負極性端彼此相連；第四二極管單元D4具有陽極與陰極，其中第四功率半導體開關單元S4的發射極、第三二極管單元D3的陽極與第四二極管單元D4的陰極彼此相連，第四二極管單元D4的陽極與第二直流母線電容器C2的負極性端彼此相連。
在運作時，第一直流母線電容器C1與第二直流母線電容器C2可連接公共直流母線，以取得直流電壓；相電容器C3用以穩定電壓，交流接線端AC作為一相輸入端，並藉由脈寬調制訊號(Pulse Width Modulation,PWM)分別控制功率半導體開關單元S1~S4之啟閉，使五電平整流器100得以進行整流。於其他實施方式中，可以藉由脈衝頻率調製訊號(Pulse Frequency Modulation,PFM)或脈衝幅度調製訊號(Pulse Amplitude Modulation,PAM)等調製 技術分別控制功率半導體開關單元S1~S4之啟閉，使五電平整流器100得以進行整流。
為了對五電平整流器100的工作原理做更進一步描述，請參照下表一，對相關參數規定如下：交流電流入整流器時方向為正，交流電流出整流器時方向為負；直流母線電容器C1與C2的電壓均為Vbus/2，相電容C3的電壓為Vbus/4；輸出相電壓為交流接線端AC至中性點N的電壓VON。
圖2示意了五電平整流器100的一種換流回路。需要特別說明的是，五電平整流器100有很多種換流回路，圖2僅示意性示出了其中一種。關於五電平整流器100之換流回路係為本技術領域中具有通常知識者所周知技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。
圖3是依照本發明一實施例的一種功率半導體開關串聯、二極管串聯電路原理圖。如圖3所示，每個功率半導體開關單元是由數個功率半導體開關31串聯而成(圖3中以3個為例)。每個二極管單元包括數個串聯的二極管，需要說明的是，第一二極管單元D1、第二二極管單元D2、第三二極管單元D3與第四二極管單元D4的架構實質上相同且均集成了數個串聯的二極管33(圖3中以6個為例)。
於第一實施例中，承上所述之功率半導體開關單元S1~S4，其具體結構如圖4A、5A所示，第一、第二功率半導體開關單元S1、S2包括數個功率半導體開關模組3’(圖4A中以3個為例)與數條串聯母排4；相似地，第三、第四功率半導體開關單元S3、S4包括數個功率半導體開關模組3’(圖5A中以3個為例)與數條串聯母排4。功率半導體開關模組3’係經由串聯母排4而串聯，本實施例所採用的每個功率半導體開關模組3’內部集成了兩個串聯的功率半導體開關，換言之，每一功率半導體開關單元中所有的功率半導體開關模組3’內共具有六個串聯的功率半導體開關31。功率半導體開關31主要是指全控型器件，例如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，但不以此為限。需要指出的是，母排，即由導電導體材料製成，例如，銅、鋁，本文以下內容將以母排為例進行說明。另外，功率半導體開關模組3’安裝於散熱器2上。
於第一實施例中，承上所述之二極管單元D1~ D4，其具體結構亦如圖4A、5A所示，第一、第二、第三、第四二極管單元中每一者包括複數個二極管模組3(圖4A、5A中以3個為例)與複數條串聯母排4，二極管模組3係經由串聯母排4而串聯，並安裝於散熱器2上。每一二極管模組3集成了兩個串聯的二極管，換言之，每一二極管單元中所有的二極管模組3內共具有六個串聯二極管33(繪示於圖3)。
應瞭解到，雖然上述係以六個元器件串聯為例，但此並不限制本發明，實務上，熟習此項技藝者應視需要彈性調整元器件的數量。
於第一實施例中，整個橋臂的設計結構如圖6所示，其中上半橋臂的結構如圖4A、圖4B所示，上半橋臂電路模組包括第一功率半導體開關單元S1、第二功率半導體開關單元S2、第一二極管單元D1與第二二極管單元D2。下半橋臂的結構如圖5A、圖5B所示，下半橋臂電路模組包括第三功率半導體開關單元S3、第四功率半導體開關單元S4、第三二極管單元D3與第四二極管單元D4。
在結構設計上，第一二極管單元D1位於上半橋臂上部，第二二極管單元D2位於上半橋臂中部，第一、第二功率半導體開關單元S1、S2位於上半橋臂下部；第四二極管單元D4的位置與第一二極管單元D1相對應且位於下半橋臂上部，第三二極管單元D3的位置與第二二極管單元D2相對應且位於下半橋臂中部，第三、第四功率半導體開關單元S3、S4的位置與第一、第二功率半導體開關單元 S1、S2相對應且位於下半橋臂下部。上半橋臂電路模組與下半橋臂電路模組並列面對面放置，基本成鏡像關係，整體成U型結構。
具體而言，整個橋臂如圖6所示，第一二極管單元D1面對第四二極管單元D4，第二二極管單元D2面對第三二極管單元D3，第一、第二功率半導體開關單元S1、S2面對第三、第四功率半導體開關單元S3、S4。上半橋臂電路模組如圖4A、圖4B所示，第二二極管單元D2位於第一二極管單元D1與第一、第二功率半導體開關單元S1、S2之間，且第一二極管單元D1、第二二極管單元D2與第一、第二功率半導體開關單元S1、S2呈一直線排列；相似地，下半橋臂電路模組如圖5A、圖5B所示，第三二極管單元D3位於第四二極管單元D4與第三、第四功率半導體開關單元S3、S4之間，且第四二極管單元D4、第三二極管單元D3與第三、第四功率半導體開關單元S3、S4呈一直線排列。
綜合以上，本發明的第一實施例提出一種創新的五電平整流器100的器件佈局。本佈局方式的特點：以半個橋臂為一個模組進行了模組化設計，且上半橋臂電路模組和下半橋臂電路模組並列面對面放置，使得安裝與更換方便，結構緊湊，整流器換流回路較小，雜散電感較小。
本發明結構的另一特點為其連接線方式。於第一實施例中，圖4A、圖4B描述了五電平單相橋臂中上半橋臂的連接方式。具體而言，於圖4A中繪示第一層結構，第一 連接母排5連接第一二極管單元D1與第二二極管單元D2，第一轉接母排7連接第一、第二功率半導體開關單元S1、S2，第一絕緣導線6(如：耐局部放電絕緣導線)連接至第一轉接母排7和第一連接母排5，電容母線正極導體1連接第一二極管單元D1至第一直流母線電容器C1的正極性端(繪示於圖1)，第一交流連接母排8連接第二功率半導體開關單元S2至交流接線端AC(繪示於圖1)，正極性端連接導體18連接第一、第二功率半導體開關單元S1、S2之間串聯的連接點P至相電容器C3的正極性端(繪示於圖1)。於圖4B中繪示第二層結構，第一中性點連接母排10連接第二二極管單元D2與中性點N(繪示於圖1)，絕緣板材9設置於第一、第二二極管單元D1、D2上，且第一中性點連接母排10設置於絕緣板材9上，藉此，第一中性點連接母排10與上半橋臂其他導體之間絕緣。
於第一實施例中，下半橋臂的連接方式如圖5A、5B所示。具體而言，於圖5A中繪示第一層結構，第二連接母排11連接第三二極管單元D3與第四二極管單元D4，第二轉接母排13連接第三、第四功率半導體開關單元S3、S4，第二絕緣導線12連接第二連接母排11和第二轉接母排13，電容母線負極導體15連接第四二極管單元D4至第二直流母線電容器C2的負極性端(繪示於圖1)，第二交流連接母排14連接第三功率半導體開關單元S3至交流接線端AC(繪示於圖1)，負極性端連接導體19連接第三、第四功率半導體開關單元S3、S4之間串聯的連接點Q至相 電容器C3的負極性端(繪示於圖1)。於圖5B中繪示第二層結構，第二中性點連接母排17連接第三二極管單元D3與中性點N(繪示於圖1)，絕緣板材16設置於第三、第四二極管單元D3、D4上，且第二中性點連接母排17設置於絕緣板材16上，藉此，第二中性點連接母排17與下半橋臂其他導體之間絕緣。
整體而言，單相橋臂如圖6所示，上半橋臂電路模組包括第一二極管單元D1、第二二極管單元D2、第一功率半導體開關單元S1與第二功率半導體開關單元S2，依序分別連接電容母線正極導體1、第一中性點連接母排10、正極性端連接導體18與第一交流連接母排8，其中電容母線正極導體1用於電性連接至第一直流母線電容器C1的正極性端(繪示於圖1)，第一中性點連接母排10用於電性連接至中性點N(繪示於圖1)，正極性端連接導體18用於電性連接至相電容器C3的正極性端(繪示於圖1)，第一交流連接母排8用於電性連接至交流接線端AC(繪示於圖1)。下半橋臂電路模組包括第四二極管單元D4、第三二極管單元D3、第三功率半導體開關單元S3與第四功率半導體開關單元S4，依序分別連接電容母線負極導體15、第二中性點連接母排17、第二交流連接母排14與負極性端連接導體19，其中電容母線負極導體15用於電性連接至第二直流母線電容器C2的負極性端(繪示於圖1)，第二中性點連接母排17用於電性連接至中性點N(繪示於圖1)，負極性端連接導體19用於電性連接至相電容器C3的負極性端 (繪示於圖1)，第二交流連接母排14用於電性連接至交流接線端AC(繪示於圖1)。
綜合以上，本發明第一實施例的連接方式的特點：連接部分是由連接母排(如：銅排)與絕緣導線混合組成，區別於其他產品與專利的全部由母排組成的連接方式。此連接方式，可以有效地解決系統連線過程中因為高壓而導致的局部放電問題，半橋臂連接母排僅兩層，結構簡單、成本較低。
圖7是依照本發明第二實施例的一種五電平整流器電路的原理圖(單相)。於圖7中，五電平整流器200包括第一二極管單元D1、第二二極管單元D2、第一功率半導體開關單元S1、第二功率半導體開關單元S2、第三功率半導體開關單元S3、第四功率半導體開關單元S4、第五功率半導體開關單元S5與第六功率半導體開關單元S6。在結構上，第一二極管單元D1串聯第五功率半導體開關單元S5，第一、第二功率半導體開關單元S1、S2之間串聯的連接點P與相電容器C3的正極性端相連，第一二極管單元D1連接第一直流母線電容器C1的正極性端，第六功率半導體關關單元S6串聯第二二極管單元D2，第三、第四功率半導體開關單元S3、S4之間串聯的連接點Q連接至相電容器C3的負極性端，第二二極管單元D2連接第二直流母線電容器C2的負極性端，第五功率半導體開關單元S5與第六功率半導體開關單元S6連接至第一、第二直流母線電容器C1、C2之間相連的中性點N，第二功率半導體開關單 元S2與第三功率半導體開關單元S3連接至交流接線端AC。
具體而言，第一功率半導體開關單元S1具有集電極與發射極；第二功率半導體開關單元S2具有集電極與發射極；第三功率半導體開關單元S3具有集電極與發射極，其中第二功率半導體開關單元S2的發射極連接第三功率半導體開關單元S3的集電極；第四功率半導體開關單元S4具有集電極與發射極；第五功率半導體開關單元S5具有集電極與發射極；第六功率半導體開關單元S6具有集電極與發射極；第一二極管單元D1具有陽極與陰極，其中第一二極管單元D1的陽極、第一功率半導體開關單元S1的集電極與第五功率半導體開關單元S5的集電極彼此相連；第一直流母線電容器C1具有正極性端與負極性端，其中第一直流母線電容器C1的正極性端連接第一二極管單元D1的陰極；第二直流母線電容器C2具有正極性端與負極性端，其中第一直流母線電容器C1的負極性端、第二直流母線電容器C2的正極性端、第五功率半導體開關單元S5的發射極與第六功率半導體開關單元S6的集電極彼此相連；相電容器C3具有正極性端與負極性端，其中第一功率半導體開關單元S1的發射極、第二功率半導體開關單元S2的集電極與相電容器C3的正極性端彼此相連，第三功率半導體開關單元S3的發射極、第四功率半導體開關單元S4的集電極與相電容器的負極性端彼此相連；第二二極管單元D2具有陽極與陰極，其中第六功率半導體開關單元S6的發射極、 第四功率半導體開關單元S4的發射極與第二二極管單元D2的陰極彼此相連，第二二極管單元D2的陽極連接第二直流母線電容器C2的負極性端。
在運作時，第一直流母線電容器C1與第二直流母線電容器C2可連接公共直流母線，以取得直流電壓；相電容器C3用以穩定電壓，交流接線端AC作為一相輸入端，並藉由脈寬調制訊號分別控制功率半導體開關單元S1~S6之啟閉，使五電平整流器200得以進行整流。於其他實施例中，可以藉由脈衝頻率調製訊號或脈衝幅度調製訊號等調製技術分別控制功率半導體開關單元S1~S6之啟閉，本領域技術人員當視實際需要彈性選擇之。
為了對五電平整流器200的工作原理做更進一步描述，請參照下表二，對相關參數規定如下：交流電流入整流器時方向為正，交流電流出整流器時方向為負；直流母線電容器C1與C2的電壓均為Vbus/2，相電容C3的電壓為Vbus/4；輸出相電壓為交流接線端AC至中性點N的電壓VON。
圖8示意了五電平整流器200的換流回路。需要特別說明的是，五電平整流器200有很多種換流回路，圖8僅示意性示出了其中一種。關於五電平整流器200之換流回路係為本技術領域中具有通常知識者所周知技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。
於第二實施例中，承上所述之功率半導體開關單元S1~S6，其具體結構如圖9A、10A所示。於圖9A中，第一、第二功率半導體開關單元S1、S2包括數個功率半導體開關模組3’(圖9A中以3個為例)與數條串聯母排4，相似地，第五功率半導體開關單元S5亦包括數個功率半導體開關模組3’(圖9A中以3個為例)與數條串聯母排4；於圖10A中，第三、第四功率半導體開關單元S3、S4包括數個功率半導體開關模組3’(圖10A中以3個為例)與數條串聯母排，相似地，第六功率半導體開關單元S6亦包括數個功率半導體開關模組3’(圖10A中以3個為例)與數條串聯母排4。功率半導體開關模組3’係經由串聯母排4而串聯，本實施例所採用的每個功率半導體開關模組3’內部集成了兩個串聯的功率半導體開關。功率半導體開關主要是指全控型器件，例如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，但不以此為限。另外，功率半導體開關模組3’安裝於散熱器2上。
於第二實施例中，承上所述之二極管單元D1、D2，其具體結構亦如圖9A、10A所示，第一、第二二極管單元中每一者包括複數個二極管模組3(圖9A、10A中以3個為例)與複數條串聯母排4，二極管模組3係經由串聯母排4而串聯，並安裝於散熱器2上。每一二極管模組3集成了兩個串聯的二極管。
在結構設計上，第一二極管單元D1位於上半橋臂上部，第五功率半導體開關單元S5位於上半橋臂中部，第一、第二功率半導體開關單元S1、S2位於上半橋臂下部；第二二極管單元D2的位置與第一二極管單元D1相對應且位於下半橋臂上部，第六功率半導體開關單元S6的位置與第五功率半導體開關單元S5相對應且位於下半橋臂中部，第三、第四功率半導體開關單元S3、S4的位置與第一、第二功率半導體開關單元S1、S2相對應且位於下半橋臂下部。上半橋臂電路模組與下半橋臂電路模組並列面對面放置，基本成鏡像關係，整體成U型結構。
具體而言，整個橋臂如圖11所示，第一二極管單元D1面對第二二極管單元D2，第五功率半導體開關單元S5面對第六功率半導體開關單元S6，第一、第二功率半導體開關單元S1、S2面對第三、第四功率半導體開關單元S3、S4。上半橋臂電路模組如圖9A、圖9B所示，第五功率半導體開關單元S5位於第一二極管單元D1與第一、二功率半導體開關單元S1、S2之間，且第一二極管單元D1、第五功率半導體開關單元S5與第一、第二功率半導體開關 單元S1、S2呈一直線排列；相似地，下半橋臂電路模組如圖10A、圖10B所示，第六功率半導體開關單元S6位於第二二極管單元D2與第三、第四功率半導體開關單元S3、S4之間，且第二二極管單元D2、第六功率半導體開關單元S6與第三、第四功率半導體開關單元S3、S4呈一直線排列。
綜合以上，本發明的第二實施例提出一種創新的五電平整流器200的器件佈局。本佈局方式的特點：以半個橋臂為一個模組進行了模組化設計，且上半橋臂電路模組和下半橋臂電路模組並列面對面放置，使得安裝與更換方便，結構緊湊，整流器換流回路較小，雜散電感較小。
本發明結構的另一特點為其連接線方式。於第二實施例中，在圖9A、圖9B描述了五電平單相橋臂中上半橋臂的連接方式。具體而言，於圖9A中繪示第一層結構，第一連接母排5連接第一二極管單元D1與第五功率半導體開關單元S5，第一轉接母排7連接第一、第二功率半導體開關單元S1、S2，第一絕緣導線6(如：耐局部放電絕緣導線)連接至第一轉接母排7和第一連接母排5，電容母線正極導體1連接第一二極管單元D1至第一直流母線電容器C1的正極性端(繪示於圖7)，第一交流連接母排8連接第二功率半導體開關單元S2至交流接線端AC(繪示於圖7)，正極性端連接導體18連接第一、第二功率半導體開關單元S1、S2之間串聯的連接點P至相電容器C3的正極性端(繪示於圖7)。於圖9B中繪示第二層結構，第一中性 點連接母排10連接第五功率半導體開關單元S5與中性點N(繪示於圖7)，絕緣板材9設置於第一二極管單元D1與第五功率半導體開關單元S5上，且第一中性點連接母排10設置於絕緣板材9上，藉此，第一中性點連接母排10與上半橋臂其他導體之間絕緣。
於第二實施例中，下半橋臂的連接方式如圖10A、10B所示。具體而言，於圖10A中繪示第一層結構，第二連接母排11連接第六功率半導體開關單元與第二二極管單元，第二轉接母排13連接第三、第四功率半導體開關單元S3、S4，第二絕緣導線12連接第二連接母排11和第二轉接母排13，電容母線負極導體15連接第二二極管單元D2至第二直流母線電容器C2的負極性端(繪示於圖7)，第二交流連接母排14連接第三功率半導體開關單元S3至交流接線端AC(繪示於圖7)，負極性端連接導體19連接第三、第四功率半導體開關單元S3、S4之間串聯的連接點Q至相電容器C3的負極性端(繪示於圖7)。於圖10B中繪示第二層結構，第二中性點連接母排17連接第六功率半導體開關單元S6與中性點N(繪示於圖7)，絕緣板材16設置於第二二極管單元D2與第六功率半導體開關單元S6上，且第二中性點連接母排17設置於絕緣板材16上，藉此，第二中性點連接母排17與下半橋臂其他導體之間絕緣。
整體而言，單相橋臂如圖11所示，上半橋臂電路模組包括第一二極管單元D1、第五功率半導體開關單元S5、第一功率半導體開關單元S1與第二功率半導體開關單 元S2，依序分別連接電容母線正極導體1、第一中性點連接母排10、正極性端連接導體18與第一交流連接母排8，其中電容母線正極導體1用於電性連接至第一直流母線電容器C1的正極性端(繪示於圖7)，第一中性點連接母排10用於電性連接至中性點N(繪示於圖7)，正極性端連接導體18用於電性連接至相電容器C3的正極性端(繪示於圖7)，第一交流連接母排8用於電性連接至交流接線端AC(繪示於圖7)。下半橋臂電路模組包括第二二極管單元D2、第六功率半導體開關單元S6、第三功率半導體開關單元S3與第四功率半導體開關單元S4，依序分別連接電容母線負極導體15、第二中性點連接母排17、第二交流連接母排14與負極性端連接導體19，其中電容母線負極導體15用於電性連接至第二直流母線電容器C2的負極性端(繪示於圖7)，第二中性點連接母排17用於電性連接至中性點N(繪示於圖7)，負極性端連接導體19用於電性連接至相電容器C3的負極性端(繪示於圖7)，第二交流連接母排14用於電性連接至交流接線端AC(繪示於圖7)。
綜合以上，本發明第二實施例的連接方式的特點：連接部分是由連接母排(如：銅排)與絕緣導線混合組成，區別於其他產品與專利的全部由母排組成的連接方式。此連接方式，可以有效地解決系統連線過程中因為高壓而導致的局部放電問題，半橋臂連接母排僅兩層，結構簡單、成本較低。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
D1‧‧‧第一二極管單元
D2‧‧‧第二二極管單元
D3‧‧‧第三二極管單元
D4‧‧‧第四二極管單元
S1‧‧‧第一功率半導體開關單元
S2‧‧‧第二功率半導體開關單元
S3‧‧‧第三功率半導體開關單元
S4‧‧‧第四功率半導體開關單元
1‧‧‧電容母線正極導體
8‧‧‧第一交流連接母排
10‧‧‧第一中性點連接母排
14‧‧‧第二交流連接母排
15‧‧‧電容母線負極導體
17‧‧‧第二中性點連接母排
18‧‧‧正極性端連接導體
19‧‧‧負極性端連接導體

Claims (33)

  1. 一種五電平整流器，包括至少一相橋臂，該至少一相橋臂包括：上半橋臂電路模組，包括第一功率半導體開關單元、第二功率半導體開關單元、第一二極管單元、第二二極管單元、第一連接母排、第一絕緣導線與第一轉接母排，該第一二極管單元串聯該第二二極管單元，該第一、第二功率半導體開關單元之間串聯的連接點與相電容器的正極性端相連，該第一二極管單元連接第一直流母線電容器的正極性端，該第一連接母排連接該第一二極管單元與該第二二極管單元，該第一轉接母排連接該第一、第二功率半導體開關單元，該第一絕緣導線連接至該第一轉接母排和該第一連接母排；以及下半橋臂電路模組，包括第三功率半導體開關單元、第四功率半導體開關單元、第三二極管單元、第四二極管單元、第二連接母排、第二絕緣導線與第二轉接母排，該第三二極管單元串聯該第四二極管單元，該第三、第四功率半導體開關單元之間串聯的連接點連接至相電容器的負極性端，該第四二極管單元連接第二直流母線電容器的負極性端，該第二二極管單元與該第三二極管單元連接至第一、第二直流母線電容器之間相連的中性點，該第二功率半導體開關單元與該第三功率半導體開關單元連接至一交流接線端，該第二連接母排連接該第三二極管單元與該第四二極管單元，該第二轉接母排連接第三、第四功率半導體開關單元，該第二絕緣導線連接該第二連接母排和該第二轉接母 排，該上半橋臂電路模組與該下半橋臂電路模組並列面對面放置。
  2. 如請求項1所述之五電平整流器，其中該第一二極管單元、該第二二極管單元與該第一、第二功率半導體開關單元呈一直線排列，該第二二極管單元位於該第一二極管單元與該第一、第二功率半導體開關單元之間；該第四二極管單元、該第三二極管單元與該第三、第四功率半導體開關單元呈一直線排列，該第三二極管單元位於該第四二極管單元與該第三、第四功率半導體開關單元之間。
  3. 如請求項1所述之五電平整流器，其中該第一、第二功率半導體開關單元包括複數個功率半導體開關模組與複數條串聯母排，該些功率半導體開關模組係經由該些串聯母排而串聯。
  4. 如請求項1所述之五電平整流器，其中該第三、第四功率半導體開關單元包括複數個功率半導體開關模組與複數條串聯母排，該些功率半導體開關模組係經由該些串聯母排而串聯。
  5. 如請求項1所述之五電平整流器，其中該第一、第二、第三、第四二極管單元中每一者包括複數個二極管模組與複數條串聯母排，該些二極管模組係經由該些串聯母排而串聯。
  6. 如請求項1所述之五電平整流器，其中該第一二極管單元面對該第四二極管單元，該第二二極管單元面對該第三二極管單元，該第一、第二功率半導體開關單元面對該第三、第四功率半導體開關單元。
  7. 如請求項1所述之五電平整流器，其中該上半橋臂電路模組還包括一電容母線正極導體，連接該第一二極管單元至該第一直流母線電容器的正極性端。
  8. 如請求項1所述之五電平整流器，其中該上半橋臂電路模組還包括一第一交流連接母排，連接該第二功率半導體開關單元至該交流接線端。
  9. 如請求項1所述之五電平整流器，其中該上半橋臂電路模組還包括一第一中性點連接母排，連接該第二二極管單元與該中性點。
  10. 如請求項9所述之五電平整流器，其中該上半橋臂電路模組還包括絕緣板材，設置於該第一、第二二極管單元上，且該第一中性點連接母排設置於該絕緣板材上。
  11. 如請求項1所述之五電平整流器，其中該上半橋臂電路模組包括一正極性端連接導體，連接該第一、第二功率半導體開關單元之間串聯的連接點至該相電容器的正極性端。
  12. 如請求項1所述之五電平整流器，其中該下半橋臂電路模組還包括一電容母線負極導體，連接該第四二極管單元至該第二直流母線電容器的負極性端。
  13. 如請求項1所述之五電平整流器，其中該下半橋臂電路模組還包括一第二交流連接母排，連接該第三功率半導體開關單元至該交流接線端。
  14. 如請求項1所述之五電平整流器，其中該下半橋臂電路模組還包括一第二中性點連接母排，連接該第三二極管單元與該中性點。
  15. 如請求項14所述之五電平整流器，其中該下半橋臂電路模組還包括絕緣板材，設置於該第三、第四二極管單元上，且該第二中性點連接母排設置於該絕緣板材上。
  16. 如請求項1所述之五電平整流器，其中該下半橋臂電路模組包括一負極性端連接導體，連接該第三、第四功率半導體開關單元之間串聯的連接點至該相電容器的負極性端。
  17. 一種五電平整流器，包括至少一相橋臂，該至少一相橋臂包括：上半橋臂電路模組，包括第一功率半導體開關單元、第二功率半導體開關單元、第五功率半導體開關單元、第一二極管單元、第一連接母排、第一絕緣導線與第一轉接母排， 該第一二極管單元串聯該第五功率半導體開關單元，該第一、第二功率半導體開關單元之間串聯的連接點與相電容器的正極性端相連，該第一二極管單元連接第一直流母線電容器的正極性端，該第一連接母排連接該第一二極管單元與該第五功率半導體開關單元，該第一轉接母排連接該第一、第二功率半導體開關單元，該第一絕緣導線連接至該第一轉接母排和該第一連接母排；以及下半橋臂電路模組，包括第三功率半導體開關單元、第四功率半導體開關單元、第六功率半導體開關單元、第二二極管單元、第二連接母排、第二絕緣導線與第二轉接母排，該第六功率半導體開關單元串聯該第二二極管單元，該第三、第四功率半導體開關單元之間串聯的連接點連接至相電容器的負極性端，該第二二極管單元連接第二直流母線電容器的負極性端，該第五功率半導體開關單元與該第六功率半導體開關單元連接至第一、第二直流母線電容器之間相連的中性點，該第二功率半導體開關單元與該第三功率半導體開關單元連接至一交流接線端，該第二連接母排連接該第六功率半導體開關單元與該第二二極管單元，該第二轉接母排連接第三、第四功率半導體開關單元，該第二絕緣導線連接該第二連接母排和該第二轉接母排，該上半橋臂電路模組與該下半橋臂電路模組並列面對面放置。
  18. 如請求項17所述之五電平整流器，其中該第一二極管單元、該第五功率半導體開關單元與該第一、第二功率半導體開關單元呈一直線排列，該第五功率半導體開關單元位於該第一二極管單元與該第一、第二功率半導體開關單元 之間；該第二二極管單元、該第六功率半導體開關單元與該第三、第四功率半導體開關單元呈一直線排列，該第六功率半導體開關單元位於該第二二極管單元與該第三、第四功率半導體開關單元之間。
  19. 如請求項17所述之五電平整流器，其中該第一、第二功率半導體開關單元包括複數個功率半導體開關模組與複數條串聯母排，該些功率半導體開關模組係經由該些串聯母排而串聯。
  20. 如請求項17所述之五電平整流器，其中該第三、第四功率半導體開關單元包括複數個功率半導體開關模組與複數條串聯母排，該些功率半導體開關模組係經由該些串聯母排而串聯。
  21. 如請求項17所述之五電平整流器，其中該第五、第六功率半導體開關單元中每一者包括複數個功率半導體開關模組與複數條串聯母排，該些功率半導體開關模組係經由該些串聯母排而串聯。
  22. 如請求項17所述之五電平整流器，其中該第一、第二二極管單元中每一者包括複數個二極管模組與複數條串聯母排，該些二極管模組係經由該些串聯母排而串聯。
  23. 如請求項17所述之五電平整流器，其中該第一二極管單元面對該第二二極管單元，該第五功率半導體開關單 元面對該第六功率半導體開關單元，該第一、第二功率半導體開關單元面對該第三、第四功率半導體開關單元。
  24. 如請求項17所述之五電平整流器，其中該上半橋臂電路模組還包括一電容母線正極導體，連接該第一二極管單元至該第一直流母線電容器的正極性端。
  25. 如請求項17所述之五電平整流器，其中該上半橋臂電路模組還包括一第一交流連接母排，連接該第二功率半導體開關單元至該交流接線端。
  26. 如請求項17所述之五電平整流器，其中該上半橋臂電路模組還包括一第一中性點連接母排，連接該第五功率半導體開關單元與該中性點。
  27. 如請求項26所述之五電平整流器，其中該上半橋臂電路模組還包括絕緣板材，設置於該第一二極管單元與該第五功率半導體開關單元上，且該第一中性點連接母排設置於該絕緣板材上。
  28. 如請求項17所述之五電平整流器，其中該上半橋臂電路模組包括一正極性端連接導體，連接該第一、第二功率半導體開關單元之間串聯的連接點至該相電容器的正極性端。
  29. 如請求項17所述之五電平整流器，其中該下半橋 臂電路模組還包括一電容母線負極導體，連接該第二二極管單元至該第二直流母線電容器的負極性端。
  30. 如請求項17所述之五電平整流器，其中該下半橋臂電路模組還包括一第二交流連接母排，連接該第三功率半導體開關單元至該交流接線端。
  31. 如請求項17所述之五電平整流器，其中該下半橋臂電路模組還包括一第二中性點連接母排，連接該第六功率半導體開關單元與該中性點。
  32. 如請求項31所述之五電平整流器，其中該下半橋臂電路模組還包括絕緣板材，設置於該第二二極管單元與該第六功率半導體開關單元上，且該第二中性點連接母排設置於該絕緣板材上。
  33. 如請求項17所述之五電平整流器，其中該下半橋臂電路模組包括一負極性端連接導體，連接該第三、第四功率半導體開關單元之間串聯的連接點至該相電容器的負極性端。
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