专利名称：三电平功率变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用诸如IGBT (绝缘栅双极晶体管)之类的开关元件输出三 电平电压的三电平功率变换器。
背景技术：
如专利文献l所示，以往的三电平功率变换器包括具有正极端子、中间 端子和负极端子的直流电压源；在正极端子与交流输出端子之间依次串联连接 的第一及第二 IGBT;在第一及第二 IGBT的连接点与中间端子之间连接的第一 耦合二极管；在交流输出端子与负极端子之间依次串联连接的第三及第四 IGBT;以及在第三及第四IGBT的连接点与中间端子之间连接的第二耦合二极 管，功率变换器被配置为对第一至第四IGBT适当地进行接通/断开控制，以便 从交流输出端子输出三电平电压。
专利文献l:日本专利第3229931号公报
发明内容
本发明要解决的技术问题
在以往的三电平功率变换器中，由于使用各自搭载有一个IGBT的四个模 块，所以变换器的尺寸较大，这导致在各元件之间互连的各条布线的浮地电感 较大，引起较高的关断浪涌电压。
作为控制该关断浪涌电压的方法，有一种方法将使用电容器的缓冲电路分 别与各IGBT并联连接，用于吸收布线的浮地电感的能量。然而，在布线电感 增大时，吸收布线电感能量的缓冲电路的电容器容量也会增大，并且尽管由元 件生成的热量不会随着原件布局而改变，但有时冷却器较大，会导致由于变换 器损耗的增加、变换器外形尺寸增大、变换器成本的提高、构件数量的增多引 起的可靠性下降。本发明为解决如上所述的问题而作出，并提供一种减小变换器的大小，使 在各元件之间互连的布线的浮地电感降低，并容易地与缓冲电路附连的三电平 功率变换器。
解决问题的手段
本发明的三电平功率变换器包括具有正极端子、中间端子和负极端子的 直流电压源；在正极端子与交流输出端子之间依次串联连接的第一及第二开关 元件；在第一及第二开关元件的连接点与上述中间端子之间连接的第一耦合二 极管；在交流输出端子和负极端子之间依次串联连接的第三及第四开关元件； 以及在第三及第四开关元件的连接点与上述中间端子之间连接的第二耦合二 极管，对第一至第四开关元件进行接通/断开控制，以便从交流输出端子输出 三电平的电压，其中，功率变换器具有包含一组第一及第四开关元件作为构 成单位的第一模块；包含一组第二及第三开关元件作为构成单位的第二模块； 包含第一耦合二极管的第三模块；以及包含第二耦合二极管的第四模块，以及 从靠近交流输出端子的位置依次将第二模块、第四模块、第三模块、第一模块 配置成一列。
本发明的优点
根据本发明，可以实现一种减小变换器的大小，使在各元件之间互连的布 线的浮地电感降低，并容易地与取决于变换器电容的缓冲电路附连的三电平功 率变换器。
图l是示出本发明的实施方式l的三电平功率变换器的主电路结构的电路图。
图2是示出图1的主电路的工作状态的一个例子的说明图。
图3是示出图1的主电路的工作状态的另一个例子的说明图。
图4是示出实施方式1的三电平功率变换器的模块配置结构的俯视图。
图5是示出图4的模块配置结构中的各元件间的互连的说明图。
图6是示出穿过实施方式1中的模块的冷却器底座设置热管的情况的俯视图。图7是示出设置缓冲电路作为本发明的实施方式2的情况的电路图。
图8是示出在实施方式2中使用的缓冲单元的例子的结构图。
图9是示出在实施方式2中设置缓冲单元的情况的一个例子的结构图。
图10是示出在实施方式2中设置缓冲单元的情况的另一个例子的结构图。
图11是示出在实施方式2中设置缓冲单元的情况的又一个例子的结构图。
图12是在实施方式2中设置缓冲单元的情况下示意性示出作为变换器整
体的一个例子的侧视图。
图13是在实施方式2中设置缓冲单元的情况下示意性示出作为变换器整
体的另一个例子的侧视图。
图14是在实施方式2中设置缓冲单元的情况下示意性示出作为变换器整
体的又一个例子的侧视图。
图15是示出本发明的实施方式3的三电平功率变换器的模块配置结构的
俯视图。
具体实施例方式
实施方式1
图1是示出本发明的实施方式1的三电平功率变换器的电路框图。图中， 直流电压源包括串联连接的电容器7和8，并具有正极端子P、中间端子C及 负极端子N。
直流电压源的正极端子P与交流输出端子AC之间的正侧臂部由第一 IGBT 1、第二 IGBT 2和第一耦合二极管5构成，其中第一 IGBT 1的集电极与正极 端子P连接，其发射极与第二 IGBT 2的集电极和第一耦合二极管5的阴极连 接。第一耦合二极管5的阳极与中间端子C连接，且第二 IGBT 2的发射极与 交流输出端子AC连接。
接下来，交流输出端子AC与负极端子N之间的负侧臂部由第三IGBT 3、 第四IGBT 4和第二耦合二极管6构成，其中第三IGBT 3的集电极与交流输出 端子AC连接，其发射极与第四IGBT 4的集电极C和第二耦合二极管6的阳极 连接。第二耦合二极管6的阴极与中间端子C连接，且第四IGBT 4的发射极 与负极端子N连接。在第一耦合二极管5、第二耦合二极管6分别并联连接分压电阻Ra、 Rb。
在如上所述构成的三电平功率变换器中，用已知的方法对第一至第四 IGBT 1 工GBT4适当地进行接通/断开控制，以便从交流输出端子AC输出三电 平电压，但在关断各IGBT 1 IGBT 4时，由于在各元件之间互连的各条布线 的浮地电感而产生高的关断浪涌电压。
图2、图3分别是示出三电平功率变换器的工作状态的电流通路的一个例 子的说明图，其中L1 L5示出在各元件之间互连的布线的浮地电感。如图2 所示，在从IGBT 1、 IGBT 2都接通的状态下关断IGBT 1时，则电流II变为 电流12。在该情况下，由于各条布线的电感感应出的电压，IGBT 1被施加电 容器7的电压与电压V1、 V2、 V3的电压之和，作为浪涌电压。
如图2所示，在关断IGBT2且IGBT3、 IGBT 4各自的续流二极管接通时， 即电流I2变为电流I3时，IGBT 2被施加电容器8的电压与电压V2、 V3、 V5 的电压之和，作为浪涌电压。
每个浪涌电压被称为关断浪涌电压，且若不将这些关断浪涌电压抑制在安 全工作范围内，则会使IGBT毁坏。
在以往的3电平功率变换器的情况下，由于将四个各自搭载有一个IGBT 的模块串联连接，所以变换器尺寸变大，这导致各条布线的浮地电感增大，引 起关断浪涌电压升高。因此，为了保护IGBT不受关断浪涌电压的影响，通常 将缓冲电路附连至各IGBT，但这会导致变换器尺寸进一步增大。
因此，在根据本发明的实施方式l的三电平功率变换器中，如图4所示， 使用包含两个IGBT元件的模块，将一组外侧元件即第一及第四IGBT1、 IGBT4 作为构成单位构成第一模块11，另外将一组内侧元件即第二及第三IGBT 2、 IGBT3作为构成单位构成第二模块12，并将这些模块ll、 12布置在两端，在 模块之间布置包含第一耦合二极管的第三模块13、包含第二耦合二极管的第四 模块14，其这些模块的模块配置结构为从靠近交流输出端子AC的位置，依 次将第二模块12、第四模块14、第三模块13、第一模块ll排列成一列，如图 5所示，各模块的元件与作为直流电压源的各电容器7和8连接。图4中的C、 E表示各IGBT的阴极、阳极，A、 K表示各耦合二极管的阴极、阳极。
根据这样的模块配置结构，与以往的将各自搭载有一个IGBT的四个模块与两个二极管模块配置成一列且各模块的元件相互连接的结构相比，变换器尺寸可减小，因此可以降低各条布线的浮地电感。
在使用热管作为各模块的冷却装置时，如图6所示，各模块11 14的螺
旋夹钳部16在插入各热管15的方向上沿各边平行排列，从而可以使热管15插入各模块的冷却器而不被各模块的螺旋夹钳部16阻挡，致使冷却结构的尺寸减小。
实施方式2
实施方式2示出在实施方式1的三电平功率变换器中设置缓冲电路的情况的例子。
图7示出分别在第一至第四IGBT附加与该IGBT并联连接的缓冲电路的情况的电路结构。
图7中，用于第二IGBT2的缓冲电路由以下器件形成阳极与第二IGBT2的集电极侧连接的二极管D2;在该二极管的阴极侧与第二耦合二极管6的阴极侧之间连接的电容器C2;以及在该电容器和二极管6的阴极的连接点与正极侧端子P之间连接的放电电阻R2。
用于第三IGBT 3的缓冲电路由以下器件形成阴极与第三IGBT 3的发射极侧连接的二极管D3;在该二极管的阳极侧与第一耦合二极管a的阳极侧之间连接的电容器C3;以及在该电容器和二极管D3的阴极的连接点与负极侧端子N之间连接的放电电阻R3。
进一步地，用于第一 IGBT 1的缓冲电路由以下器件形成 一端与第一 IGBT1的集电极侧连接的电容器C1;阴极与第一 IGBT 1的发射极侧连接且阳极与电容器C1的另一端连接的二极管D1;以及在电容器C1和二极管D1的连接点与直流电源的中间端子C之间连接的放电电阻Rl。
用于第四IGBT 1的缓冲电路由以下器件形成 一端与第四IGBT 4的发射极侧连接的电容器C4;阳极与第四IGBT 4的集电极侧连接且阴极与电容器C4的另一端连接的二极管D4;以及在电容器C4和二极管D4的连接点与直流电源的中间端子C之间连接的放电电阻R4。
在本实施方式2中，各第一至第四缓冲电路设置作为如图8所示的缓冲单元，以利于附连与实施方式1所示的模块配置结构对应的缓冲电路。
9图8 (a)示出通过在公共基板上形成除了用于第二IGBT 2、第三IGBT 3的缓冲电路的放电电阻R2、 R3以外的电路部分，来构成第一缓冲单元21的例子，图8 (b)示出通过在不同的基板分别形成除了用于第一 IGBT 1、第四IGBT4的缓冲电路的放电电阻R1、 R4以外的电路部分，来构成第二及第三缓冲单元22、 23的例子，图8 (c)示出通过在公共基板上形成除了用于第一 IGBT 1、第四IGBT4的缓冲电路的放电电阻R1、 R4以外的电路部分，来构成第四缓冲单元24的例子。
图中，C、 E分别表示与各IGBT的阴极、阳极对应的连接端子部，A、 K分别表示与各耦合二极管的阴极、阳极对应的连接端子部，Gl、 G2、 G3、 G4分别表示与放电电阻R1 R4的连接端子部。
根据需要将图8所示的第一至第四缓冲单元21 24以重叠在图5所示的模块配置结构中排列成一列的模块上方的方式布置，并利用经由绝缘板彼此相邻布置的多个平板状的布线板与模块的各元件连接。
图9示出依次将第一缓冲单元21、第三缓冲单元23及第二缓冲单元22配置成一列的例子，图10示出将第一缓冲单元21和第四缓冲单元24邻近配置的例子。
取决于主电路的内部电感，有时不需要用于作为外侧元件的第一及第四IGBT的缓冲电路，在这种情况下，如图11所示只设置第一缓冲单元21即可。
这样，将缓冲单元分为内侧元件用单元和外侧元件用单元，可以根据主电路的电感的大小适当使用缓冲单元。
图12至14分别是在设置缓冲单元的情况下示意性示出作为变换器整体的侧视图，这种情况下，在图12与图9对应，图13与图10对应，图14与图11对应时，按照对模块11 14为公共的冷却器底座30、模块11 14的本体、缓冲单元21 24、电容器7、 8的顺序将其三维地堆叠。
各图(a)示出用绝缘板40覆盖各模块11 14的侧面，该绝缘板40附连分压电阻Ra、 Rb及放电电阻Rl R4;各图(b)示出去除上述绝缘板40，使得用于互连元件的布线板50可见。
在不使用缓冲单元21 24时，不设置绝缘板40，分压电阻Ra、 Rb直接设置在第一及第二耦合二极管的模块13、 14上。实施方式3
在实施方式1中，模块的模块配置结构是将包含IGBT的模块11、 12布置在两端，包含第二耦合二极管的模块13、包含第一耦合二极管的模块14在模块ll、 12之间依次配置成一列。但如图15所示，模块的模块配置结构也可以是将一组上侧元件即第一及第二 IGBT 1、 IGBT 2作为构成单位构成第五模块17，将一组下侧元件即第三及第四IGBT 3、 IGBT 4作为构成单位构成第六模块18，包含第一耦合二极管5的第七模块19及包含第二耦合二极管6的第八模块20夹设模块17、 18的方式配置，从靠近交流输出端子AC的位置，依次将第八模块20、第六模块18、第五模块17、第七模块19排列成一列。
即使在该模块配置结构中，也可以减小变换器的尺寸并降低各条布线的浮地电感，并且在将三电平功率变换器用于大容量功率变换器时，可以适当使用图8所示的缓冲单元21 24。
另外，在上侧元件或者下侧元件产生故障时，在实施方式1的模块配置结构的情况下下必须更换两个模块。但根据本实施方式的模块配置结构只更换一个模块即可。
另外，上面说明了使用IGBT作为开关元件的情况，但本发明也可以同样应用于不同的开关元件，例如晶体管、智能功率模块或者FET (场效应晶体管)等，此时也能取得相同的效果。
权利要求
1.一种三电平功率变换器，包括具有正极端子、中间端子和负极端子的直流电压源；在所述正极端子与交流输出端子之间依次串联连接的第一及第二开关元件；在所述第一和第二开关元件的连接点与所述中间端子之间连接的第一耦合二极管；在所述交流输出端子和所述负极端子之间依次串联连接的第三及第四开关元件；以及在所述第三和第四开关元件的连接点与所述中间端子之间连接的第二耦合二极管，对所述第一至第四开关元件进行接通/断开控制，以便从所述交流输出端子输出三电平的电压，其特征在于，包括包含一组所述第一及第四开关元件作为构成单位的第一模块；包含一组所述第二及第三开关元件作为构成单位的第二模块；包含所述第一耦合二极管的第三模块；以及包含所述第二耦合二极管的第四模块，其中，从靠近所述交流输出端子的位置依次将所述第二模块、第四模块、第三模块、第一模块配置成一列。
2. 如权利要求1所述的三电平功率变换器，其特征在于，具有与所述第 二及第三开关元件分别并联连接的缓冲电路，其中，所述缓冲电路形成于公共 基板上，以便作为第一缓冲单元。
3. 如权利要求2所述的三电平功率变换器，其特征在于，具有与所述第 -及第四开关元件分别并联连接的缓冲电路，其中，所述缓冲电路分别形成于不同的基板上，以便分别作为第二及第三缓冲单元。
4. 如权利要求2所述的三电平功率变换器，其特征在于，具有与所述第 一及第四开关元件分别并联连接的缓冲电路，其中，所述缓冲电路形成于公共 基板上，以便作为第四缓冲单元。
5. 如权利要求2所述的三电平功率变换器，其特征在于，所述第一缓冲单元包括由阳极与所述第二开关元件的输入侧连接的二极管；在所述二极管的阴极 侧与所述第二耦合二极管的阴极侧之间连接的电容器；以及在所述电容器和所 述二极管的阴极的连接点与所述正极端子之间连接的放电电阻形成的缓冲电路；以及由阴极与所述第三开关元件的输出侧连接的二极管；在所述二极管的阳极 侧与所述第一耦合二极管的阳极侧之间连接的电容器；以及在所述电容器和所 述二极管的阴极的连接点与所述负极端子之间连接的放电电阻形成的缓冲电 路。
6. 如权利要求3所述的三电平功率变换器，其特征在于， 所述第二缓冲单元包括由一端与所述第一开关元件的输入侧连接的电容器；阴极与所述第一开关 元件的输出侧连接且阳极与所述电容器的另一端连接的二极管；以及在所述电 容器和二极管的连接点与所述直流电源的中间端子之间连接的放电电阻形成 的第三缓冲电路，所述第三缓冲单元包括由一端与所述第四开关元件的输出侧连接的电容器；阳极与所述第四开关 元件的输入侧连接且阴极与所述电容器的另一端连接的二极管；以及在所述电 容器和二极管的连接点与所述直流电源的中间端子之间连接的放电电阻形成的缓冲电路。
7. 如权利要求4所述的三电平功率变换器，其特征在于， 所述第四缓冲单元包括由一端与所述第一开关元件的输入侧连接的电容器；阴极与所述第一开关 元件的输出侧连接且阳极与所述电容器的另一端连接的二极管；以及在所述电 容器和二极管的连接点与所述直流电源的中间端子之间连接的放电电阻形成的缓冲电路；以及由一端与所述第四开关元件的输出侧连接的电容器；阳极与所述第四开关 元件的输入侧连接且阴极与所述电容器的另一端连接的二极管；以及在所述电 容器和二极管的连接点与所述直流电源的中间端子之间连接的放电电阻形成 的缓冲电路。
8. 如权利要求1所述的三电平功率变换器，其特征在于，在依次配置成 一列的各所述第二模块、所述第四模块、所述第三模块、所述第一模块的冷却 器，沿着模块的配置方向设置公共的热管。
9. 一种三电平功率变换器，包括具有正极端子、中间端子和负极端子 的直流电压源；在所述正极端子与交流输出端子之间依次串联连接的第一及第 二开关元件；在所述第一及第二开关元件的连接点与所述中间端子之间连接的第一耦合二极管；在所述交流输出端子和所述负极端子之间依次串联连接的第三及第四开关元件；以及在所述第三及第四开关元件的连接点与所述中间端子 之间连接的第二耦合二极管，对所述第一及第二开关元件进行接通/断开控制， 以便从所述交流输出端子输出三电平电压，其特征在于，包括包含一组所述第一及第二开关元件作为构成单位的第五模块；包含一组所述第三及第四开关元件作为构成单位的第六模块；包含所述第一耦合二极管的第七模块；以及包含所述第二耦合二极管的第八模块，其中从靠近所述交流输出端子的位置依次将所述第八模块、第六模块、第 五模块、第七模块配置成一列。
全文摘要
本发明提供一种减小变换器的尺寸，使在元件之间互连的布线的浮地电感降低，并容易地与缓冲电路的附连的三电平功率变换器。该三电平功率变换器对第一至第四开关元件(1)～(4)进行接通/断开控制，以便从交流输出端子AC输出三电平电压，其中，功率变换器具有包括第一及第四开关元件(1)、(4)作为构成单位的第一模块(11)；包括第二及第三开关元件(2)、(3)作为构成单位的第二模块(12)；包括第一耦合二极管(5)作为构成单位的第三模块(14)；以及包括第二耦合二极管作为构成单位的第四模块(13)，并从靠近交流输出端子AC的位置依次将第二模块(11)、第四模块(14)、第三模块(13)、第一模块(11)配置成一列。
文档编号H02M7/48GK101563838SQ20068005672
公开日2009年10月21日 申请日期2006年12月20日 优先权日2006年12月20日
发明者小野力正, 田中毅 申请人:三菱电机株式会社