专利名称：三电平转换器的开关支路和三相三电平转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及三电平转换器的开关支路和三相三电平转换器。
背景技术：
三电平转换器，诸如整流器或反相器，是具有三个直流电压电极的转换器。它们不仅具有正负直流电压电极，而且具有中性直流电压电极。在下面的公布中公开了三电平 ^k^h^TTM :Υ· Zhao, Y. Li \)JsR Τ. A. Lipo Force commutated three level boost type rectifier" , IEEE transactions on industry applications, Vol. 31, No. 1,1995 年 1 月/2 月，禾P J. W. Kolar 与 F. C. Zach 的"A novel three-phase utility interface minimizing line current harmonics of high-power telecommunications rectifier modules " , IEEE transactions on industrial electronics, Vol. 44, No. 4,1997 年 8 月。图1示出三相三电平整流器的主电路的电路图。所述整流器包括三个开关支路 (switching branch)，每个开关支路中具有一个交流电压输入AC1、AC2、AC3。直流电压输出则由三个电极形成正直流电压电极Udc+、负直流电压电极Udc-和中性直流电压电极 NP0整流器的每一个开关支路还包括在正负直流电压电极之间串联连接的四个二极管以及两个可控开关，所述两个可控开关根据给定的调制方法来调制输入的电压。可能的调制方法包括向量调制和迟滞调制(hysteresis modulation)。根据调制计划，在每一个开关支路中的上部开关因此与串联连接的最上部二极管换向，并且下部开关与串联连接的最下部二极管换向。在图中的示例中，每一个可控开关还与一个二极管并联连接。图1的整流器可以被实现为一个集成功率模块，该集成功率模块包括主电路的二极管和可控开关。冷却优化可能因此出现问题，因为不同的部件通常具有不同的冷却要求。
发明内容本发明的目的是开发一种用于解决或至少减轻上述问题的设备。本发明的该目的是通过一种三电平转换器的开关支路和一种三相三电平转换器来实现的，所述三电平转换器的开关支路和三相三电平转换器的特征在于在独立权利要求中所述的内容。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。本发明基于下述情况彼此换向的所述三电平转换器的第一二极管和第一半导体开关位于第一开关支路特有的半导体模块中，而彼此换向的所述开关支路的第四二极管和第二半导体开关位于第二开关支路特有的半导体模块中。本发明的解决方案提供了下述优点与所有的部件位于同一壳体中的一个大集成功率模块相比，位于清楚地分离的模块中的部件实体的冷却可以得到优化。也更容易优化例如部件的损耗和载流能力。另外，由于这样的耦合的结构，不可能在转换器中出现有意的穿透，这提高了可靠性。而且，因为彼此在调制频率上彼此换向的半导体总是物理地位于同一模块内，所以有可能最小化换向电流路径的分布电感。
现在结合优选实施例并参考附图来更详细地描述本发明。在附图中图1示出根据一个实施例的三相整流器的主电路的电路图；图2示出根据一个实施例的整流器的开关支路的电路图；图3示出半导体模块结构的示例；图4示出半导体模块结构的示例；图5示出根据一个实施例的转换器的开关支路的电路图；图6示出半导体模块结构的示例；以及图7示出根据一个实施例的三相转换器的主电路的电路图。
具体实施方式
本发明的应用不限于任何特定系统，而是可以被应用到各种电子系统。另外，本发明的使用不限于利用特定基本频率的任何系统或任何特定的电压电平。图2示出根据一个实施例的三相整流器的开关支路的电路图。应当注意，该图仅显示了对于理解本发明而言必要的元件。开关支路可以是三相整流器的一个开关支路或一相整流器的开关支路。图2的开关支路包括交流电压输入电极AC，用于将开关支路连接到交流电压输出(未示出)；以及正直流电压电极Udc+、负直流电压电极Udc-和中性直流电压电极NP。此外，开关支路包括在开关支路的正直流电压电极Udc+和交流电压电极AC 之间互相串联连接的第一二极管Dl和第二二极管D2。此外，开关支路包括在开关支路的负直流电压电极Udc-和交流电压电极AC之间互相串联连接的第三二极管D3和第四二极管 D4。开关支路还包括第一可控半导体开关Si，其连接在中性直流电压电极NP与在开关支路的第一和第二二极管之间的连接点之间；以及第二可控半导体开关S2，其连接在中性直流电压电极NP与在开关支路的第三和第四二极管之间的连接点之间。半导体开关Si、S2 可以是诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)或FET(场效应晶体管)的晶体管或其他半导体开关。为了清楚，在这个图中未示出控制部件以及半导体开关的耦合。如图中所示，开关支路可以进一步包括第五二极管D5，其与第一半导体开关Sl并联连接；以及第六二极管D6， 其与第二半导体开关S2并联连接。根据一个实施例，开关支路的第一二极管Dl和第一半导体开关Sl位于第一开关支路特有的半导体模块10中，而开关支路的第四二极管D4和第二半导体开关S2位于第二开关支路特有的半导体模块20中。根据一个实施例，开关支路的第五二极管D5也位于第一开关支路特有的半导体模块10中，而开关支路的第六二极管D6也位于第二开关支路特有的半导体模块20中。在该上下文中，半导体模块一般指的是包括多个半导体元件的模块， 所述多个半导体元件被布置在公共衬底上，并且以适当的方式彼此电连接。图3示出半导体模块结构的示例，可以使用所述结构来实现根据图2的示例的第一开关支路特有的半导体模块10。图3的斩波器模块包括以下述方式串联连接的半导体开关和二极管二极管的阳极连接到半导体开关的漏极或集电极。另外，另一个二极管以图中所示的方式与开关并联连接。图4示出斩波器模块结构的示例，可以使用所述结构来实现根据图2的示例的第二开关支路特有的半导体模块20。图4的斩波器模块包括以下述方式串联连接的半导体开关和二极管二极管的阴极连接到半导体开关的源极或发射极。另外，
5另一个二极管以图中所示的方式与开关并联连接。事实上，图2的开关支路的第一开关支路特有的半导体模块10和第二开关支路特有的半导体模块20优选地是斩波器模块。借助于在图3和4中描述的斩波器模块或对应的成品斩波器模块，容易实现图2的整流器结构。图5示出根据第二实施例的三电平转换器的开关支路的电路图。图5的开关支路对应于在图2的示例中的开关支路，除了它还包括与第一二极管Dl并联连接的第三可控半导体开关S3，与第二二极管D2并联连接的第四可控半导体开关S4,与第三二极管D3并联连接的第五可控半导体开关S5，以及与第四二极管D4并联连接的第六可控半导体开关 S6。半导体开关S3、S4、S5、S6可以是诸如IGBT (绝缘栅双极晶体管)或FET (场效应晶体管)等的晶体管或其他半导体开关。为了清楚，在该图中未示出控制部件以及半导体开关的耦合。在图5的实施例中，开关支路的第一二极管Dl和第一半导体开关Sl位于第一开关支路特有的半导体模块11中，而开关支路的第四二极管D4和第二半导体开关S2位于第二开关支路特有的半导体模块21中。另外，第三二极管S3位于第一开关支路特有的半导体模块11中，而第六二极管S6位于第二开关支路特有的半导体模块21中。根据一个实施例，开关支路的第五二极管D5也位于第一开关支路特有的半导体模块11中，而开关支路的第六二极管D6也位于第二开关支路特有的半导体模块21中。根据一个实施例，第二二极管D2和第三二极管D3与第四半导体开关S4和第五半导体开关S5位于第三开关支路特有的半导体模块31中。图6示出半导体模块结构的示例，使用该半导体模块结构，可以实现图5的第一开关支路特有的半导体模块11、第二开关支路特有的半导体模块21和第三开关支路特有的半导体模块31。图6的反相器支路模块包括串联连接的两个半导体开关，每一个半导体开关以在图中所示的方式与一个二极管并联连接。事实上，图5的开关支路的第一开关支路特有的半导体模块11、第二开关支路特有的半导体模块21和第三开关支路特有的半导体模块31优选地是根据图6的半导体模块。借助于在图6中所述的半导体模块结构或对应的成品半导体开关结构，容易实现图5的转换器支路结构。根据一个实施例，可以通过互连三个任何一个实施例的上述开关支路来实现三相三电平转换器。图1示出整流器的主电路的简化电路图，所述主电路由图2的三相特有的开关支路形成，所述三相特有的开关支路通过连接每一个开关支路的正直流电压电极Udc+、 负直流电压电极Udc-和中性直流电压电极NP而互连。每一个开关支路对应地具有交流电压输入电极AC1、AC2、AC3，用于将整流器连接到三相交流电压输出的三相(未示出)。每一个开关支路进一步包括以上面在图2中所示的方式连接的第一二极管Dll、D12、D13和第二二极管D21、D22、D23以及第三二极管D31、D32、D33和第四二极管D41、D42、D43。另外， 每一个开关支路包括第一可控半导体开关Sll、S12、S13和第二半导体开关S21、S22、S23， 它们也以上面在图2中所示的方式连接。为了清楚，在该图中未示出控制部件以及半导体开关的耦合。图1的整流器的每一个开关支路也可以包括第五二极管D51、D52、D53和第六二极管D61、D62、D63，如图中所示。图1的整流器的直流电压中间电路又包括以下述方式在正直流电压电极Udc+和负直流电压电极Udc-之间串联连接的电容器Cl和C2 在电容器的连接点处形成中性直流电压电极NP。中间电路的结构也与在图中所示的不同。图7示出根据第二实施例的三相三电平转换器。图7的转换器由三个根据图5的开关支路形成，所述三个开关支路通过连接每一个开关支路的正直流电压电极Udc+、负直流电压电极Udc-和中性直流电压电极NP而互连。图7的转换器对应于在图1中所示的转换器，但是在每一个开关支路中也包括以上面在图5中所述的方式连接的第三可控半导体开关S31、S32、S33、第四可控半导体开关S41、S42、S43、第五可控半导体开关S51、S52、S53 和第六可控半导体开关S61、S62、S63。图7的转换器既可以用作整流器，也可以用作反相
ο 本领域内的技术人员都清楚，随着技术进步，可以以各种方式来实现本发明的基本思想。本发明及其实施例因此不限于上面的示例，而是可以在权利要求的范围内改变。
权利要求1.一种三电平转换器的开关支路，包括第一二极管(Dl ；Dll, D12，D13)和第二二极管(D2 ；D21, D22，D23)，所述第一二极管 (Dl ；Dll, D12，D13)和第二二极管(D2 ；D21, D22，D23)串联连接在所述开关支路的正直流电压电极(Udc+)和交流电压电极(AC ；AC1，AC2，AC3)之间；第三二极管(D3 ；D31, D32，D33)和第四二极管(D4 ；D41, D42，D43)，所述第三二极管 (D3 ；D31, D32，D33)和第四二极管(D4 ；D41, D42，D43)串联连接在所述开关支路的负直流电压电极(Udc-)和所述交流电压电极(AC ；AC1，AC2，AC3)之间；第一半导体开关(Si ；Sll, S12，S13)，连接在中性直流电压电极(NP)与在所述第一和第二二极管之间的连接点之间；以及第二半导体开关(S2 ；S21, S22，S23)，连接在所述中性直流电压电极(NP)与在所述第三和第四二极管之间的连接点之间，其特征在于，所述开关支路的所述第一二极管(Dl ；D11,D12,D13)和所述第一半导体开关(Si ；Sll, S12，S13)位于第一开关支路特有的半导体模块(10 ；11)中；以及所述开关支路的所述第四二极管(D4 ；D41，D42，D43)和所述第二半导体开关(S2 ；S21, S22，S23)位于第二开关支路特有的半导体模块OO ；21)中。
2.根据权利要求1所述的转换器的开关支路，其特征在于，所述开关支路包括第五二极管(D5 ;051，052，053)，其与所述第一半导体开关(Si ；Sll, S12, S13)并联连接；以及第六二极管(D6 ；D61, D62，D63)，其与所述第二半导体开关(S2 ；S21, S22，S23)并联连接。
3.根据权利要求2的转换器的开关支路，其特征在于所述开关支路的所述第五二极管(D5 ；D51,D52,D53)位于所述第一开关支路特有的半导体模块(10; 11)中；以及所述开关支路的所述第六二极管(D6 ；D61,D62,D63)位于所述第二开关支路特有的半导体模块中。
4.根据权利要求1、2或3的转换器的开关支路，其特征在于，所述第一开关支路特有的半导体模块(10)和所述第二开关支路特有的半导体模块00)是斩波器模块。
5.根据权利要求1、2或3的转换器的开关支路，其特征在于，所述开关支路包括第三半导体开关(S3 ；S31, S32，S33)，其与所述第一二极管(Dl ；Dll, D12, D13)并联连接；第四半导体开关(S4;S41，S42，S43)，其与所述第二二极管(D2 ；D21, D22, D23)并联连接；第五半导体开关(S5;S51，S52，S53)，其与所述第三二极管(D3 ；D31, D32, D33)并联连接；以及第六半导体开关(S6;S61，S62，S63)，其与所述第四二极管(D4 ；D41, D42, D43)并联连接。
6.根据权利要求5所述的转换器的开关支路，其特征在于，所述开关支路的所述第三半导体开关(S3 ；S31，S32，S33)位于所述第一开关支路特有的半导体模块(U)中；以及所述开关支路的所述第六半导体开关(S6 ；S61，S62，S63)位于所述第二开关支路特有的半导体模块中。
7.根据权利要求5所述的转换器的开关支路，其特征在于，所述开关支路的第二二极管(D2，D21，D22，D23)、所述开关支路的第三二极管(D3，D31，D32，D33)、所述开关支路的第四半导体开关(S4 ；S41, S42，S43)和所述开关支路的第五半导体开关(S5 ；S51, S52，S53) 位于第三开关支路特有的半导体模块(31)中。
8.根据权利要求6所述的转换器的开关支路，其特征在于，所述开关支路的第二二极管(D2，D21，D22，D23)、所述开关支路的第三二极管(D3，D31，D32，D33)、所述开关支路的第四半导体开关(S4 ；S41, S42，S43)和所述开关支路的第五半导体开关(S5 ；S51, S52，S53) 位于第三开关支路特有的半导体模块(31)中。
9.一种三相三电平转换器，其包括三个根据权利要求1-8中任何一项的开关支路。
10.根据权利要求9所述的转换器，其特征在于，每一个开关支路的正直流电压电极 (Udc+)互连，每一个开关支路的负直流电压电极(Udc-)互连，并且每一个开关支路的中性直流电压电极(NP)互连。
11.根据权利要求9或10的转换器，其特征在于，所述转换器是整流器和/或反相器。
专利摘要一种三电平转换器的开关支路和三相三电平转换器。所述三电平转换器的开关支路包括在正直流电压电极(Udc+)和交流电压电极(AC)之间串联连接的第一二极管(D1)和第二二极管(D2)；在负直流电压电极(Udc-)和交流电压电极(AC)之间串联连接的第三二极管(D3)和第四二极管(D4)；第一半导体开关(S1)，连接在中性直流电压电极(NP)与第一和第二二极管之间的连接点之间；以及第二半导体开关(S2)，连接在中性直流电压电极(NP)与第三和第四二极管之间的连接点之间，第一二极管(D1)和第一半导体开关(S1)位于第一开关支路特有的半导体模块(10)中，且第四二极管(D4)和第二半导体开关(S2)位于第二开关支路特有的半导体模块(20)中。
文档编号H02M7/155GK202009338SQ20102059894
公开日2011年10月12日 申请日期2010年11月2日 优先权日2010年9月14日
发明者泰勒·维塔宁 申请人:Abb公司