变流器的电路支路和三相变流器的制造方法
【专利摘要】变流器的电路支路，所述电路支路具有至少两个具有一个或多个半导体的第一半导体组(M15.1，M15.2，M15.3)和至少两个具有一个或多个半导体的第二半导体组(M23.1，M23.2，M23.3)，其中第一半导体组与第二半导体组串联在电路支路的一个交流电压极(AC)和一个或多个直流电压极(dc+，dc-，NP)之间，其中每个第一半导体组仅与一个第二半导体组串联并且每个第二半导体组仅与一个第一半导体组串联。本实用新型还涉及一种具有上述电路支路的三相变流器。
【专利说明】 变流器的电路支路和三相变流器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种变流器的电路支路和一种三相变流器。
【背景技术】
[0002]当例如在两个电气系统之间传输电能时，变流器设备、如整流器或逆变器用于转换电能。例如，待传输的电能的电压和/或频率能够借助于变流器设备来改变。
[0003]三相变流器是具有三个直流电压极的变流器。除了正和负的直流电压极以外，所述直流电压极具有电中性的直流电压极。用于三相变流器的实例在公开文献Y.Zhao，Y.Li 和 Τ.A.Lipo 著的 “Force commutated three level boost type rectifier”，IEEEtransactions on industry applications, Vol.31, N0.1,1995 年一月 / 二月，以及J.W.Kolar和F.C.Zach著的“A novel three-phase utility interface minimizing linecurrent harmonics of high-power telecommunications rectifier modules，，，IEEEtransactions on industry electronics, Vol.44, N0.4,1997 年八月中被说明。
[0004]图1示出用于三相三级变流器的主电路的实例。实例的变流器是ANPC变流器(Active Neutral Point Clamped有源中点钳位),所述ANPC变流器具有三个电路支路，所述电路支路各具有交流电压极ACa、ACb、ACc。还存在三个直流电压极:正的直流电压极dc+，负的直流电压极dc-和电中性的直流电压级NP。变流器的直流电压中间电路在其方面包括电容器Cl和C2，所述电容器串联在正的直流电压极dc+和负的直流电压极dc-之间，使得电中性的直流电压极NP在电容器的连接点上形成。变流器的每个电路支路还具有六个二极管Dxl至Dx6和六个可控制的开关Txl和Tx6。
[0005]图2示出图1的三相三级变流器的电路支路。电路支路能够借助于半导体模块Μ15、Μ23、Μ46构成，所述半导体模块在图2的实例中例如是IGBT对(Insulated GateBipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)或相应的半导体。
[0006]因为半导体的电流持续时间变为受限制的因素，所以为了提高总共的电流持续时间必须将所述半导体并联。在一个典型的并联电路中，可应用的半导体彼此固定不变地连接，其中能够认为，所构成的合成体表现为具有较大电流的半导体。图3示出三个IGBT对的输出相位的固定不变的并联电路。
[0007]固定不变的并联电路的问题可以是半导体的电流分布。电流分布应当是尽可能均匀的，使得不必缩短系统的使用寿命并且使得基于对称结构的诊断功能而能够尽可能准确地确定装置的相应的状态。电流分布受电路、半导体的控制信号的大小和定时、半导体部件的导电性，半导体端子的阈值电压以及电流路径的可能的阻抗差的影响。
[0008]当期望提高变流器的额定电流时，能够将根据图3的两个或更多的IGBT对并联，以便提供具有更大电流持续时间的功能对。原则上，图2的每个对能够是根据图3构成的三个并联电路。如果这种对形成ANPC变流器的电路支路，那么M15半导体模块和M46半导体模块与M23半导体模块的连接是高要求的。这在图4中清楚示出。如在图4中所示出的，在不同的模块之间由于模块的物理距离和连接轨道形成完全不同的电流路径。图4的电路也具有下述问题:由于开关延迟，所有三个并联的对的电流在另一并联电路中仅能够流经一个对(例如M23.1+M23.2+M23.3的总电流流经M15.3)。在这种情况下，装置的运行被干扰或装置甚至能够被破坏。借助于图4的布置极其难于对称地且可易于安装地构造连接轨道，尽管借助于所述布置不能消除可能由开关延迟而引起的总的不平衡负载。
实用新型内容
[0009]本实用新型基于的目的是，提出一种设备使得能够解决或至少减少上文所述的问题。本实用新型的目的借助于一种变流器的电路支路和借助于一种三相变流器来实现，其特征在于设有在本文中所描述的内容。本实用新型的优选实施形式在本文中说明。
[0010]本实用新型基于:每个与第二半导体组串联的半导体组仅与唯一的第二半导体组串联。
[0011]根据本实用新型的解决方案的优点在于，在所有情况下电流能够均匀地在并联支路之中分布并且不容易出现如在固定不变的并联电路中的总的不平衡负载。
[0012]本实用新型的特征以编号的形式列举为:
[0013]特性1.一种变流器的电路支路，所述电路支路具有:
[0014]至少两个具有一个或多个半导体的第一半导体组；和
[0015]至少两个具有一个或多个半导体的第二半导体组，
[0016]其中所述第一半导体组与所述第二半导体组串联在所述电路支路的一个交流电压极和一个或多个直流电压极之间，其特征在于，
[0017]每个第一半导体组仅与一个第二半导体组串联；并且
[0018]每个第二半导体组仅与一个第一半导体组串联。
[0019]特性2.根据特性I所述的变流器的电路支路，
[0020]其特征在于，
[0021 ] 所述变流器是三相变流器。
[0022]特性3.根据特性2所述的变流器的电路支路，
[0023]其特征在于，
[0024]所述电路支路具有至少两个具有一个或多个半导体的第三半导体组，其中所述第三半导体组与所述第二半导体组串联在所述电路支路的所述交流电压极和一个或多个直流电压极之间，使得:
[0025]每个第三半导体组仅与一个第二半导体组串联；并且
[0026]每个第二半导体组仅与一个第三半导体组串联。
[0027]特性4.根据特性3所述的变流器的电路支路，
[0028]其特征在于，
[0029]至少两个所述第一半导体组、至少两个所述第二半导体组和至少两个所述第三半导体组各包括半导体模块。
[0030]特性5.根据特性4所述的变流器的电路支路，
[0031]其特征在于，
[0032]所述变流器的所述电路支路是ANPC变流器的电路支路。
[0033]特性6.根据特性2所述的变流器的电路支路，[0034]其特征在于，
[0035]所述电路支路具有:
[0036]至少两个具有一个或多个半导体的第三半导体组；和
[0037]至少两个具有一个或多个半导体的第四半导体组，
[0038]其中所述第三半导体组与所述第四半导体组串联在所述电路支路的所述交流电压极和一个或多个直流电压极之间，使得:
[0039]每个第三半导体组仅与一个第四半导体组串联；并且
[0040]每个第四半导体组仅与一个第三半导体组串联。
[0041]特性7.根据特性6所述的变流器的电路支路，
[0042]其特征在于，
[0043]所述电路支路具有:
[0044]至少两个具有一个或多个半导体的第五半导体组；和
[0045]至少两个具有一个或多个半导体的第六半导体组，
[0046]其中所述第五半导体组与所述第六半导体组串联在所述电路支路的所述交流电压极和一个或多个直流电压极之间，使得:
[0047]每个第五半导体组仅与一个第六半导体组串联；并且
[0048]每个第六半导体组仅与一个第五半导体组串联。
[0049]特性8.根据特性7所述的变流器的电路支路，
[0050]其特征在于，
[0051]所述变流器的所述电路支路是NPP变流器的电路支路。
[0052]特性9.根据特性I至8之一所述的变流器的电路支路，
[0053]其特征在于，
[0054]所述半导体是半导体开关或二极管。
[0055]特性10.—种三相变流器，所述三相变流器具有根据特性I至8之一所述的三个电路支路。
[0056]特性11.根据特性10所述的变流器，其特征在于，所述变流器是整流器和/或逆变器。
【专利附图】
【附图说明】
[0057]现在结合优选的实施形式在参考附图的情况下详细地描述本实用新型，其中:
[0058]图1示出用于三相三级变流器的主电路的一个实例；
[0059]图2示出用于三相变流器的电路支路的一个实例；
[0060]图3示出用于半导体的固定不变并联电路的一个实例；
[0061]图4示出用于三级变流器的电路支路的一个实例，所述电路支路具有并联的半导体；
[0062]图5示出用于三级变流器的电路支路的一个实例，所述电路支路具有并联的半导体；
[0063]图6示出用于三相三极变流器的主电路的一个实例；以及
[0064]图7示出用于三级变流器的电路支路的一个实例，所述电路支路具有并联的半导体。
【具体实施方式】
[0065]本实用新型的应用不受特定的系统的限制，而是能够结合不同的电气系统来应用本实用新型。此外，本实用新型的应用不受利用基本频率的特定的系统或受特定的电平的限制。此外，本实用新型例如能够应用到二级变流器上或三级(或通常多级)变流器上。
[0066]根据本实用新型，变流器的电路支路包括至少两个具有一个或多个半导体的第一半导体组和至少两个具有一个或多个半导体的第二半导体组，使得第一半导体组与第二半导体组串联在电路支路的一个交流电压极和一个或多个直流电压极之间，并且使得每个第一半导体组仅与一个第二半导体组串联并且每个第二半导体组仅与一个第一半导体组串联。有利地，至少两个所述第一半导体组有利地是彼此类似的并且至少两个所述第二半导体组有利地是彼此类似的。半导体例如能够是半导体开关，如IGBT，和二极管或其他的半导体。
[0067]图5示出用于三级变流器的电路支路的一个实例。要注意的是，在附图中仅为了理解本实用新型而示出主要的元件。图5的电路支路相应于图2的电路支路，但是在图5的电路支路中，图2的电路支路的每个半导体对构成为三对并联电路。图5的电路支路包括三个第一半导体组M15.1、Μ15.2、Μ15.3和三个第二半导体组Μ23.1、Μ23.2、Μ23.3，所述三个第一半导体组和三个第二半导体组串联在电路支路的交流电压极AC和直流电压极dc+和NP之间。每个第一半导体组M15.1、M15.2、M15.3仅与一个第二半导体组M23.1、Μ23.2、Μ23.3串联并且每个第二半导体组仅与一个第一半导体组串联。
[0068]根据一个实施形式，电路支路包括至少两个具有一个或多个半导体的第三半导体组，其中第三半导体组与第二半导体组串联在电路支路的交流电压极和一个或多个直流电压极之间，使得每个第三半导体组仅与一个第二半导体组串联并且每个第二半导体组仅与一个第三半导体组串联。有利地，至少两个所述第三半导体组彼此类似。根据所述实施形式，图5的电路支路还包括三个第三半导体组Μ46.1、Μ46.2、Μ46.3，所述第三半导体组与第二半导体组Μ23.1、Μ23.2、Μ23.3串联在电路支路的交流电压极AC和一个或多个直流电压极dc-和NP之间，使得每个第三半导体组M46.1、M46.2、M46.3仅与一个第二半导体组M23.1、M23.2、M23.3串联并且每个第二半导体组仅与一个第三半导体组串联。
[0069]根据一个实施形式，至少两个所述第一半导体组、至少两个所述第二半导体组和至少两个所述第三半导体组各包括半导体模块。在图5的实例中，每个半导体组M15.1、M15.2、Μ15.3、Μ23.1、Μ23.2、Μ23.3、Μ46.1、Μ46.2、Μ46.3 有利地由例如具有两个半导体开关和两个二极管的半导体模块构成。半导体模块的结构能够根据变流器的电路来变化。在本文中，半导体模块通常意味着具有多个半导体元件的模块，所述半导体元件设置在共同的基板上并且以适合的方式彼此电连接。
[0070]图6示出用于三相三极变流器的主电路的一个实例。实例的变流器是NPP变流器(Neutral Point Piloted中性点先导)。图6的变流器与图1的变流器的不同之处在于:代替开关Tx5和Τχ6和二极管Dx5和Dx6，图6的变流器的每个电路支路在电中性的直流电压极NP和交流电压极ACa、ACb、ACc之间具有串联的半导体开关Tx7和Τχ8以及二极管Dx7和 Dx8。[0071]图7示出用于图6的三级变流器的电路支路的一个实例，其中将每个由半导体开关和二极管构成的半导体组加倍。图7的电路支路包括两个第一半导体组Gl.1、Gl.2和两个第二半导体组G2.1、G2.2，所述第一半导体组和所述第二半导体组串联在电路支路的交流电压极AC和正的直流电压极dc+之间。每个第一半导体组Gl.K Gl.2仅与一个第二半导体组G2.1、G2.2串联并且每个第二半导体组仅与一个第一半导体组串联。
[0072]根据一个实施形式，电路支路包括至少两个具有一个或多个半导体的第三半导体组和至少两个具有一个或多个半导体的第四半导体组，其中第三半导体组与第四半导体组串联在电路支路的交流电压极和一个或多个直流电压极之间，使得每个第三半导体组仅与一个第四半导体组串联并且每个第四半导体组仅与一个第三半导体组串联。有利地，至少两个所述第三半导体组彼此类似并且至少两个所述第四半导体组彼此类似。根据所述实施形式，图7的电路支路还包括两个第三半导体组G3.1、G3.2和两个第四半导体组G4.1、G4.2，所述第三半导体组与第四半导体组串联在电路支路的交流电压极AC和负的直流电压极dc-之间，使得每个第三半导体组G3.1、G3.2仅与一个第四半导体组G4.1、G4.2串联并且每个第四半导体组仅与一个第三半导体组串联。
[0073]根据一个实施形式，电路支路包括至少两个具有一个或多个半导体的第五半导体组和至少两个具有一个或多个半导体的第六半导体组，其中第五半导体组与第六半导体组串联在电路支路的交流电压极和一个或多个直流电压极之间，使得每个第五半导体组仅与一个第六半导体组串联并且每个第六半导体组仅与一个第五半导体组串联。有利地，至少两个所述第五半导体组彼此类似并且至少两个所述第六半导体组彼此类似。根据所述实施形式，图7的电路支路还包括两个第五半导体组G5.1、G5.2和两个第六半导体组G6.1、G6.2，所述第五半导体组与第六半导体组串联在电路支路的交流电压极AC和电中性的直流电压极NP之间，使得每个第五半导体组G5.1、G5.2仅与一个第六半导体组G6.1、G6.2串联并且每个第六半导体组仅与一个第五半导体组串联。
[0074]根据一个实施形式，三相变流器构成为，使得根据一个实施形式三个上文所述的电路支路彼此连接，有利地，使得每个电路支路的正的直流电压极彼此连接，负的直流电压极彼此连接并且电中性的直流电压极彼此连接。
[0075]对于本领域技术人员显而易见的是，当技术具有进步时，本实用新型的基本设想能够以多种不同的方式实现。因此，本实用新型及其实施形式不受上文所述的实例的限制，而是能够在权利要求的范围中变化。
【权利要求】
1.一种变流器的电路支路，所述电路支路具有: 至少两个具有一个或多个半导体的第一半导体组(M15.1，M15.2，M15.3 ；G1.1，Gl.2)；和 至少两个具有一个或多个半导体的第二半导体组(M23.1，M23.2，M23.3 ；G2.1，G2.2)，其中所述第一半导体组与所述第二半导体组串联在所述电路支路的一个交流电压极(AC)和一个或多个直流电压极(dc+，dc-, NP)之间，其特征在于， 每个第一半导体组仅与一个第二半导体组串联；并且 每个第二半导体组仅与一个第一半导体组串联。
2.根据权利要求1所述的变流器的电路支路， 其特征在于， 所述变流器是三相变流器。
3.根据权利要求2所述的变流器的电路支路， 其特征在于， 所述电路支路具有至少两个具有一个或多个半导体的第三半导体组(M46.1，M46.2，M46.3)，其中所述第三半导体组与所述第二半导体组(M23.1，M23.2，M23.3)串联在所述电路支路的所述交流电压极和一个或多个直流电压极之间，使得: 每个第三半导体组仅与一个第二半导体组串联；并且 每个第二半导体组仅与一个第三半导体组串联。
4.根据权利要求3所述的变流器的电路支路， 其特征在于， 至少两个所述第一半导体组、至少两个所述第二半导体组和至少两个所述第三半导体组各包括半导体模块。
5.根据权利要求4所述的变流器的电路支路， 其特征在于， 所述变流器的所述电路支路是ANPC变流器的电路支路。
6.根据权利要求2所述的变流器的电路支路， 其特征在于， 所述电路支路具有: 至少两个具有一个或多个半导体的第三半导体组(G3.1，G3.2);和 至少两个具有一个或多个半导体的第四半导体组(G4.1，G4.2)， 其中所述第三半导体组与所述第四半导体组串联在所述电路支路的所述交流电压极和一个或多个直流电压极之间，使得: 每个第三半导体组仅与一个第四半导体组串联；并且 每个第四半导体组仅与一个第三半导体组串联。
7.根据权利要求6所述的变流器的电路支路， 其特征在于， 所述电路支路具有: 至少两个具有一个或多个半导体的第五半导体组(G5.1，G5.2);和 至少两个具有一个或多个半导体的第六半导体组(G6.1，G6.2)，其中所述第五半导体组与所述第六半导体组串联在所述电路支路的所述交流电压极和一个或多个直流电压极之间，使得: 每个第五半导体组仅与一个第六半导体组串联；并且 每个第六半导体组仅与一个第五半导体组串联。
8.根据权利要求7所述的变流器的电路支路， 其特征在于， 所述变流器的所述电路支路是NPP变流器的电路支路。
9.根据权利要求1至8之一所述的变流器的电路支路， 其特征在于， 所述半导体是半导体开关或二极管。
10.一种三相变流器，所述三相变流器具有三个根据权利要求1至8之一所述的电路支路。
11.根据权 利要求10所述的变流器，其特征在于，所述变流器是整流器和/或逆变器。
【文档编号】H02M1/088GK203761253SQ201320617291
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2012年10月2日
【发明者】泰勒·维塔宁, 罗曼·尧霍宁, 米卡·马斯蒂 申请人:Abb公司