TWI517549B - 三電平整流器 - Google Patents

Description

三電平整流器

本發明是有關於一種整流器，且特別是有關於一種三電平整流器。

中高壓變頻器在大型礦業生產、石油化工、市政供水、冶金鋼鐵、電力能源等行業的各種風機、水泵、壓縮機、軋鋼機等領域得到廣泛地應用，收到了顯著的節能效果。

整流單元是中高壓變頻器的重要組成部分。二極管不控整流具有結構簡單可靠且成本低的優點，但其入網諧波較大，可採用移相變壓改善諧波，但大大增加了系統成本；三電平技術有效降低了開關器件的電壓應力，改善系統諧波與電磁干擾(Electro-Magnetic Interference,EMI)，但半導體開關器件的增加使控制更加複雜。

功率半導體器件如絕緣柵雙極性晶體管(Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT)在中高壓變頻器領域有著廣泛的應用。但目前高壓功率半導體器件電壓等級有限，且電壓等級越高成本越高，開關性能較差。

基於低壓功率半導體器件(如；IGBT)直接串聯 的傳統整流器能有效地解決上述問題，但由於功率、電壓等級較高，需要較多的功率半導體開關模塊和功率二極管模塊串聯以構成傳統整流器的每相橋臂，將導致橋臂體積較大，安裝維護困難，同時較大換流迴路的雜散電感惡化了開關器件的電壓應力與系統的電磁干擾(EMI)。

本發明提出一種高功率密度、高可靠性、雜散電感小、安裝與維護方便的適用於低壓功率半導體器件串聯的三電平整流器。

本發明所提供之三電平整流器包括至少一相橋臂，其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，第一二極管單元連接直流母線的正極端，第一連接母排連接第一功率半導體開關單元與第一二極管單元，第一轉接母排連接第二二極管單元，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二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，第一功率半導體開關單元與第二功率半導體開關單元連接至電容單元的中性點，第二二極管單元與第三二極管單元連接至一交流接線端，第四二極管 單元連接直流母線的負極端，電容單元連接於直流母線的正極端與負極端之間，第二連接母排連接第二功率半導體開關單元與第四二極管單元，第二轉接母排連接第三二極管單元，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。

於一實施例中，第一、第二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，功率半導體開關模組係經由串聯母排而串聯，這些功率半導體開關模組內具有複數個功率半導體開關。

於一實施例中，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，二極管模組係經由串聯母排而串聯，這些二極管模組內具有複數個二極管。

於一實施例中，第一二極管單元面對第四二極管單元，第一功率半導體開關單元面對第二功率半導體開關單元，第二二極管單元面對第三二極管單元。

於一實施例中，第一二極管單元、第一功率半導體開關單元、第二二極管單元呈一直線排列，第一功率半導體開關單元位於第一二極管單元與第二二極管單元之間；第四二極管單元、第二功率半導體開關單元、第三二極管單元呈一直線排列，第二功率半導體開關單元位於第四二極管單元與第三二極管單元之間。

於一實施例中，上半橋臂電路模組還包括一直流母 線正極導體，連接第一二極管單元至直流母線的正極端。

於一實施例中，上半橋臂電路模組還包括一第一交流連接母排，連接第二二極管單元至交流接線端。

於一實施例中，上半橋臂電路模組還包括一第一中性點連接母排，連接第一功率半導體開關單元與電容單元的中性點。

於一實施例中，上半橋臂電路模組還包括絕緣板材，設置於第一功率半導體開關單元與第一二極管單元上，且第一中性點連接母排設置於絕緣板材上。

於一實施例中，下半橋臂電路模組還包括一直流母線負極導體，連接第四二極管單元至直流母線的負極端。

於一實施例中，下半橋臂電路模組還包括一第二交流連接母排，連接第三二極管單元至交流接線端。

於一實施例中，下半橋臂電路模組還包括一第二中性點連接母排，連接第二功率半導體開關單元與電容單元的中性點。

於一實施例中，下半橋臂電路模組還包括絕緣板材，設置於第二功率半導體開關單元與第四二極管單元上，且第二中性點連接母排設置於絕緣板材上。

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，且上半橋臂電路和下半橋臂電路並列面對面放置，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：

DC+‧‧‧直流母線的正極端

DC-‧‧‧直流母線的負極端

N‧‧‧電容單元的中性點

AC_in‧‧‧交流接線端

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

1‧‧‧第一交流連接母排

2‧‧‧第二交流連接母排

3‧‧‧直流母線正極導體

4‧‧‧直流母線負極導體

5‧‧‧第一中性點連接母排

6‧‧‧第二中性點連接母排

7、8、13、17‧‧‧串聯母排

9‧‧‧第一轉接母排

10、18‧‧‧二極管模組

11、12、16‧‧‧散熱器

14‧‧‧第一絕緣導線

14’‧‧‧第二絕緣導線

15‧‧‧功率半導體開關模組

19‧‧‧第一連接母排

19’‧‧‧第二連接母排

21‧‧‧第二轉接母排

20、20’‧‧‧絕緣板材

30‧‧‧電容單元

31‧‧‧功率半導體開關

33‧‧‧二極管

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是一種三電平整流器電路的原理圖(單相)；圖2是圖1的三電平整流器的換流回路；圖3是依照本發明一實施例的一種功率半導體開關串聯、二極管串聯電路的原理圖；圖4是依照本發明一實施例的一種功率半導體開關單元的結構圖；。

圖5是依照本發明一實施例的一種二極管單元的結構圖；圖6A、6B是依照本發明一實施例的一種上半橋臂電路結構佈局圖及其連接線； 圖7A、7B是依照本發明一實施例的一種下半橋臂電路結構圖佈局及其連接線；以及圖8是依照本發明一實施例的一種三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一種三電平整流器，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7B來說明該三電平整流器單相橋臂的器件佈局及連接方式。

圖1是三電平整流器電路原理圖(單相)。於圖1中，三電平整流器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D4、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。在結構上，第一二極管單元D1串聯第二二極管單元D2，第一功率半導體開關單元S1電性連接第一二極管單元D1與第二二極管單元D2；第三二極管單元D3串聯第四二極管單元D4，第二功率半導體開關單元S2電性連接第三二極管單元D3與第四二極管單元D4，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連接至電容單元30的中 性點N，第二二極管單元D2與第三二極管單元D3連接至交流接線端AC_in，第一二極管單元D1連接直流母線的正極端DC+，第四二極管單元D4連接直流母線的負極端DC-。在運作時，圖2示意了三電平的換流回路。需要特別說明的是，三電平整流器的換流回路有很多種，圖2只是示意性的示出了其中的一種。關於該三電平整流器之換流回路是為該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6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。

承上所述之功率半導體開關單元S1、S2，其具體結構如圖4所示，功率半導體開關單元包括數個功率半導體開關模組15(圖4中以3個為例)與數條串聯母排13，功率半導體開關模組15係經由串聯母排13而串聯，本實施例所採用的每個功率半導體開關模組15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15內共具有六個串聯的功率半導體開關31。該些功率半導體開關主要指全控型器件，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15安裝於散熱器12上。

承上所述之第一、第二、第三與第四二極管單元D1、D2、D3與D4，其中任一者的具體結構如圖5所示，於第一、第二、第三或第四二極管單元中，二極管模組18係經由串聯母排17而串聯，並安裝於散熱器16上，每一二極管模組18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18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。

於一實施例中，整個橋臂的設計結構如圖8所示，其中上半橋臂的結構如圖6A、圖6B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與第一功率半導體開關單元S1。下半橋臂的結構如圖7A、圖7B所示，下半橋臂電路模組包括第三二極管單元D3、第四二極管單元D4與第二功率半導體開關單元S2。

在結構設計上，第二二極管單元D2位於上半橋臂上部，第一功率半導體開關單元S1位於上半橋臂中部，第一二極管單元D1位於上半橋臂下部；第四二極管單元D4的位置與D1相對應且位於下半橋臂下部，第二功率半導體開關單元S2與S1相對應且位於下半橋臂中部，第三二極 管單元D3的位置與D2相對應且位於下半橋臂上部。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8所示，第一二極管單元D1面對第四二極管單元D4，第一功率半導體開關單元S1面對第二功率半導體開關單元S2，第二二極管單元D2面對第三二極管單元D3。上半橋臂電路模組如圖6A、圖6B所示，第一功率半導體開關單元S1位於第一二極管單元D1與第二二極管單元D2之間，且第一二極管單元D1、第一功率半導體開關單元S1與第二二極管單元D2三者呈一直線排列；相似地，下半橋臂電路模組如圖7A、圖7B所示，第二功率半導體開關單元S2位於第三二極管單元D3與第四二極管單元D4之間，且第四二極管單元D4、第二功率半導體開關單元S2與第三二極管單元D3三者呈一直線排列。

綜合以上，本發明提出一種創新的三電平整流器的器件佈局。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，且上半橋臂電路和下半橋臂電路並列面對面放置，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。於一實施例中，圖6A、圖6B描述了三電平單相橋臂中上半橋臂的連接方式。具體而言，於圖6A中繪示第一層結構，第一連接母排19連接第一功率半導體開關單元S1與第一二極管 單元D1，第一轉接母排9連接第二二極管單元D2，第一絕緣導線(如：耐局部放電絕緣導線)14連接至第一轉接母排9和第一連接母排19，直流母線正極導體3連接第一二極管單元D1至直流母線的正極端DC+(繪示於圖1)，第一交流連接母排1連接第二二極管單元D2至交流接線端AC_in(繪示於圖1)。於圖6B中繪示第二層結構，第一中性點連接母排5連接第一功率半導體開關單元S1與電容單元的中性點N(繪示於圖1)，絕緣板材20設置於第一功率半導體開關單元S1與第一二極管單元D1上，且第一中性點連接母排5設置於絕緣板材20上，藉此，第一中性點連接母排5與上半橋臂其他導體之間絕緣。

於一實施例中，下半橋臂的連接方式如圖7A、7B所示。具體而言，於圖7A中繪示第一層結構，第二連接母排19’連接第二功率半導體開關單元S2與第四二極管單元D4，第二轉接母排21連接第三二極管單元D3，第二絕緣導線14’連接第二連接母排19’和第二轉接母排21，直流母線負極導體4連接第四二極管單元D4至直流母線的負極端DC-(繪示於圖1)，第二交流連接母排2連接第三二極管單元D3至交流接線端AC_in(繪示於圖1)。於圖7B中繪示第二層結構，第二中性點連接母排6連接第二功率半導體開關單元S2與電容單元的中性點N(繪示於圖1)，絕緣板材20’設置於第二功率半導體開關單元S2與第四二極管單元D4上，且第二中性點連接母排6設置於絕緣板材20’上，藉此，第二中性點連接母排6與下半橋臂其他導體之 間絕緣。

整體而言，單相橋臂如圖8所示，上半橋臂電路模組包括第二二極管單元D2、第一二極管單元D1與第一功率半導體開關單元S1，依序分別連接第一交流連接母排1、直流母線正極導體3與第一中性點連接母排5，其中第一交流連接母排1用於電性連接至交流接線端AC_in(繪示於圖1)，直流母線正極導體3用於電性連接至直流母線的正極端DC+(繪示於圖1)，第一中性點連接母排5用於電性連接至電容單元的中性點N(繪示於圖1)。下半橋臂電路模組包括第三二極管單元D3、第四二極管單元D4與第二功率半導體開關單元S2，依序分別連接第二交流連接母排2、直流母線負極導體4與第二中性點連接母排6，其中第二交流連接母排2用於電性連接至交流接線端AC_in(繪示於圖1)，直流母線負極導體4用於電性連接至直流母線的負極端DC-(繪示於圖1)，第二中性點連接母排6用於電性連接至電容單元的中性點N(繪示於圖1)。

綜合以上，本連接方式的特點：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

1‧‧‧第一交流連接母排

2‧‧‧第二交流連接母排

3‧‧‧直流母線正極導體

4‧‧‧直流母線負極導體

5‧‧‧第一中性點連接母排

6‧‧‧第二中性點連接母排

Claims (13)

1. 一種三電平整流器，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，該第一二極管單元連接直流母線的正極端，該第一連接母排連接該第一功率半導體開關單元與該第一二極管單元，該第一轉接母排連接該第二二極管單元，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，包括第二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，該第一功率半導體開關單元與該第二功率半導體開關單元連接至電容單元的中性點，該第二二極管單元與該第三二極管單元連接至一交流接線端，該第四二極管單元連接直流母線的負極端，該電容單元連接於該直流母線的正極端與負極端之間，該第二連接母排連接該第二功率半導體開關單元與該第四二極管單元，該第二轉接母排連接該第三二極管單元，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所述之三電平整流器，其中該第一、第二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，該些功率半導體開關模組內具有複數個功率半導體開關。
3. 如請求項1所述之三電平整流器，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，該些二極管模組內具有複數個二極管。
4. 如請求項1所述之三電平整流器，其中該第一二極管單元面對該第四二極管單元，該第一功率半導體開關單元面對該第二功率半導體開關單元，該第二二極管單元面對該第三二極管單元。
5. 如請求項1所述之三電平整流器，其中該第一二極管單元、該第一功率半導體開關單元、該第二二極管單元呈一直線排列，該第一功率半導體開關單元位於該第一二極管單元與該第二二極管單元之間；該第四二極管單元、該第二功率半導體開關單元、該第三二極管單元呈一直線排列，該第二功率半導體開關單元位於該第四二極管單元與該第三二極管單元之間。
6. 如請求項1所述之三電平整流器，其中該上半橋臂電路模組還包括一直流母線正極導體，連接該第一二極管單元至該直流母線的正極端。
7. 如請求項1所述之三電平整流器，其中該上半橋臂電路模組還包括一第一交流連接母排，連接該第二二極管單元至該交流接線端。
8. 如請求項1所述之三電平整流器，其中該上半橋臂電路模組還包括一第一中性點連接母排，連接該第一功率半導體開關單元與該電容單元的中性點。
9. 如請求項8所述之三電平整流器，其中該上半橋臂電路模組還包括絕緣板材，設置於該第一功率半導體開關單元與該第一二極管單元上，且該第一中性點連接母排設置於該絕緣板材上。
10. 如請求項1所述之三電平整流器，其中該下半橋臂電路模組還包括一直流母線負極導體，連接該第四二極管單元至該直流母線的負極端。
11. 如請求項1所述之三電平整流器，其中該下半橋臂電路模組還包括一第二交流連接母排，連接該第三二極管單元至該交流接線端。
12. 如請求項1所述之三電平整流器，其中該下半橋臂電路模組還包括一第二中性點連接母排，連接該第二功率半導體開關單元與該電容單元的中性點。
13. 如請求項12所述之三電平整流器，其中該下半橋 臂電路模組還包括絕緣板材，設置於該第二功率半導體開關單元與該第四二極管單元上，且該第二中性點連接母排設置於該絕緣板材上。