用于将直流电功率转换为三相电功率的系统及其功率模块及电极系统的制作方法

本发明涉及用于转换电能，特别是用于高速和/或变速电机的转换器领域。

背景技术：

固态转换器是能够将一种电信号转换为另一种具有不同特性的电信号的系统。例如，一种转换器能够将一交流电压转换为另一具有不同频率和/或幅值的交流电压，这种转换器因此被称作交流/交流或AC/AC转换器。根据另一实例，一种转换器能够将一交流电压转换为一直流电压，这种转换器因此被称作交流/直流或AC/DC转换器。对于相反的直流/交流转换，应用术语DC/AC转换器。根据最后一个实例，一种转换器能够将一直流电压转换为不同电压的直流电压，其因此被称作DC/DC转换器。转换器可以是可逆的或者不可逆的。通常，通过可控开关来实现转换。

为了驱动电机，特别是具有永磁体的电机，从(多个)电能存储系统(例如电池)将直流电能转换为三相交流电能是必要的。这种转换可以通过DC/AC转换器来完成。这种转换器必须提供相对于彼此电气相移120^。度的三个正弦波电压，其幅值直接取决于转矩需求(但也取决于旋转速度)，并且其频率唯一地取决于连接到转换器的电机的旋转速度。

按惯例，DC/AC转换器包括三个开关臂。每个开关臂包括两个可控开关和两个并联到可控开关的二极管。根据负载电流指令，一个臂可由几个并联的“辅助臂”构成。电机的相被连接到每个臂的中点。通过在斩波周期驱动开关打开和闭合每个臂被独立地控制，以便形成三相信号。

图1示出了这样一种传统的DC/AC转换器。来自电能存储装置的直流电压被表示为Udc。三相电机M通过三个线圈来示意性地表示，其由电流Ia，Ib和Ic来供电。转换器包括三个开关臂A，B，C，每个开关臂A，B，C被连接到电机M的一相。每个开关臂包括两个开关1和两个二极管2。开关臂A，B，C被并联布置在电压转换器Udc的两个直流输入相之间。开关臂A，B，C的输出相被连接到开关臂的中点(两个开关之间)。

图2表示传统DC/AC转换器(如上参照图1所述的)的开关的具有恒定占空比为50％的控制信号COM，在开关端子上的电压Udc和电流Ic。对于控制信号COM，脉冲的低部分对应开关被打开，以及脉冲的高部分对应开关被闭合。这种开关情形被称为硬开关或通/断(＜＜on/off＞＞)开关。注意，对于转换器的这种设计，会发生电压Udc和电流Io的过冲。电流Io对应于Ic的永久值，并且对应于送入电机的电流。

因此，这种传统的转换器设计的主要缺点如下：

开关损耗：这种设计表现出显著的开关损耗，这使得其使用与高开关频率不兼容，以及因此与在非常高的速度下使用的电机不兼容。

电流/电压过冲：如图2中所示，这种策略表现出开关切换瞬间的电压和电流过冲。因此，这种类型的驱动需要对转换器(也称逆变器)设计中的不同组件的电压和电流留出裕度。这包括使用的组件的尺寸过大，(例如：对于300伏的DC母线电压，使用具有600伏额定电压的IGBT开关)以及

显著的电磁发射(EMC)。

通过从该“硬开关”策略的缺点(损耗，与高速电机的不兼容性)入手，开发出了所谓的软开关设计。因此，为了限制开关上的电流和电压的过冲，线圈和电容器被附加到前述电路上。线圈调节电流di/dt的变化(接通)，并且电容器调节电压dv/dt的变化(关断)。此外，为了确保电路的工作，并因此达到零能量平衡，电阻器被附加在使用的电源电压和电容性电路之间的电路中。该电阻器能够确保该电路的工作和降低在电容性电路的端子上的电压。这种DC/AC转换器设计在专利申请WO 11016854中被特别地描述。

图3表示具有用于软开关的电容器Cs，线圈Ls，电阻器R和电容器Cov的开关臂(具有两个开关1)的简化图。该电路被称作“缓冲电路(Undeland Snubber)”。电压Udc对应于直流电能存储装置端子上的电压。线圈Ls被置于直流输入相Udc和开关臂A之间。支路从线圈Ls和开关臂A之间的节点开始，该支路包括两个二极管D，并且到达电阻器R和电容器Cov之间的节点。电阻器R的另一端被连接到转换器的直流输入相。电容器Cs的另一端被连接到开关臂A的交流输出相。电容器Cov的另一端被连接到地。电容器Cs能够调节在开关端子上的电压变化。该电容器由于开关的软开关存储部分能量。能量的另一部分被存储在较高电容值的电容器Cov中。接着，存储在电容器中的能量通过电阻器被返还到使用的储能系统(电池)中。线圈Ls能够调节在开关端子上的电流变化。事实上，由线圈Ls引起的能量没有完全储存在电容器Cs中，因此需要一个比Cs更高值的第二电容器Cov。电阻器确保系统的工作，并能够降低回电压Vrec。

图4以与图2类似的方式表示在所谓的“软”开关时的开关信号COM，开关的电压Udc和电流Ic的变化。对于控制信号COM，脉冲的低部分对应开关被打开，以及脉冲的高部分对应开关被闭合。在这个图中，可以注意到与所谓的“硬”开关相比电压Udc和电流Ic的过冲被降低。

软开关的优点是：

更低的开关损耗，转换器的这种设计与高开关频率相兼容，因此，该设计可被用于驱动高速电机。

开关上的小电压和电流过冲，从而不再需要组件的过大尺寸，以及

通过Ls和Cs的选取在转换时开关端子上的电压和电流变化被分别调节。

转换器的这种设计需要不同电气组件的特别布置，这使得它的装配费时长而复杂。

为了减轻这些缺点，本发明涉及一种用于系统的功率模块，系统用于将直流电功率转换为三相电功率。根据本发明的该功率模块包括两个输入，一个输出，两个开关，两个二极管，以及两个电容器。因此，用于转换系统的该功率模块可以是标准的，允许转换系统被简单迅速地装配。此外，根据本发明的该功率模块适于软开关，通过电容器的存在，这能够最小化开关损耗，并且限制电压和电流过冲。

技术实现要素：

本发明涉及一种用于将直流电功率转换为三相电功率的系统的功率模块，所述功率模块包括可被连接到所述转换系统的直流输入的两个输入，被串联置于所述输入之间的两个开关，以及布置在所述两个电容器之间的第一输出，所述第一输出可被连接到所述转换系统的交流输出相。所述功率模块进一步包括两个二极管和两个电容器。

根据本发明的一个实施例，所述两个二极管被串联布置，并被连接到所述模块的第一输入和所述模块的第二输出，所述第二输出可被连接到所述转换系统的能量收集器模块。

有利地，第一电压调节电容器被连接在包含在所述二极管间的点和所述第一输出之间。

根据一个实施方式，第二电容器被连接在所述模块的所述第二输出和所述模块的第二输入之间。

优选地，所述开关为MOSFET或IGBT型。

根据本发明的一个特征，所述电压调节电容器具有在4到15nF之间的电容值。

根据一个可能的设计，所述第二电容器具有在500到5000nF之间的电容值。

根据一个实施例，所述模块形成一个单元，该单元可被装配在转换系统的电路板上。

有利地，所述单元包括固定装置。

优选地，所述固定装置包括至少一个用于螺杆的通道的槽口。

此外，本发明涉及一种用于将直流电功率转换为三相电功率的系统，包括三个开关臂。每个开关臂包括根据前述特征之一的功率模块。

有利地，每个开关臂包括根据前述特征之一的两个或三个功率模块。

根据一个特征，所述转换系统包括一个能量收集器模块和至少一个电流调节线圈。

此外，本发明涉及一种电机系统，包括至少一个电能存储装置和一个三相电机。该电机系统包括根据前述特征之一的转换系统，用于将来自所述电能存储装置的直流电能转换为用于所述电机的三相交流电能。

附图说明

通过参考下文描述的附图阅读下面非限制性的示例性实施例的描述，根据本发明的系统的其他特征和优点将变得显而易见。

图1如已经描述地示出了根据现有技术采用硬开关的一种传统的DC/AC转换器。

图2如已经描述地示出了用于根据图1的设计的DC/AC转换器的一相的开关信号、电压和电流。

图3如已经描述地示出了根据现有技术的采用软开关的DC/AC转换器。

图4如已经描述地示出了用于根据图3的设计的DC/AC转换器的一相的开关信号、电压和电流。

图5a示出了根据本发明一个实施例的用于转换器的电能收集器模块的一个示例性的实施例。

图5b示出了图5a的电能收集器模块的电阻性等效模型。

图6示出了根据本发明一个实施例的功率模块的电路图。

图7示出了根据本发明一个实施例的功率模块的设计图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于将直流电功率转换为三相电功率的系统的功率模块。该功率模块用作转换系统的开关臂。该功率模块包括：

-两个输入，其可被连接到转换系统的DC输入，第一输入可被连接到正电压，且第二输入可被连接到接地，

-两个开关，被串联置于两个输入之间，所述开关可被控制，以便提供交流输出电流，

-一个输出，其可被连接到转换系统的交流输出相，该输出被连接在两个开关之间的点上。

-两个二极管，允许电流在一个方向通过，以及

-两个电容器，称作电压调节电容器(其允许用于软开关的电压变量的调节)的第一电容器和第二电容器(其能够存储在电压调节中引起的没有存储在第一电容器中的能量)。

这种功率模块与宽电压工作范围兼容。

根据本发明的一个实施例，该功率模块仅仅包括这些电子元件：两个开关，两个二极管，以及两个电容器。对于这个实施例，仅第二电容器可通过几个电容器(例如两个或三个电容器)的并联关联而被形成。

此外，该功率模块可适于连接到电能收集器模块。在这种情况下，该功率模块可包括第二输出，其可被连接到电能收集器模块。这个第二输出可被连接到二极管。

根据本发明的一个实施例，该功率模块的二极管被布置成串联连接。这些二极管可被连接到该功率模块的第一输入。例如，连接到正电压的输入。在该功率模块包括用于电能收集器模块的第二输出的这样的情况下，二极管被连接到该第二输出。

此外，该电压调节电容器可被布置在位于两个二极管和第一输出之间的点之间。

此外，该第二电容器可被布置在该功率模块的该第二输出和该第二输入之间，也即在二极管没有布置在其上的该功率模块的输入上，例如该第二输入可与接地相关。

根据本发明的一个特征，根据DC母线输入电压，开关可以是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)和/或IGBT(绝缘栅双极晶体管)型开关。对于高电压，可使用IGBT开关。对于低电压，可使用MOSFET开关。

优选地，开关可通过脉冲宽度调制(PWM)方法来控制。这种调制方法的主要原理是在适当选择的持续期间通过施加连续的离散状态(discrete states)，这可能能获得在特定周期上的平均的任意中间值。

对于电压变化的调节，第一电压调节电容器可具有1到15nF之间的值，优选地为2到10nF之间。

该第二电容器优选地具有比该第一电容器更高的电容值。该第二电容器可具有500到5000nF之间的值，优选地为600到2500nF之间。根据本发明的变形例，该第二电容器可由几个并联和/或串联连接的电容器形成。有利地，为了限制体积，该第二电容器可由三个并联连接的相同的(具有相同电容值)电容器形成。

有利地，该功率模块采取单元的形式，以便于其装配、小型化和标准化。该单元可包括一个支架，一个包括印刷电路的板，以及该功率模块的电子组件(开关，二极管，电容器)。板可以是印刷电路的形式。电子组件安装在板上。板安装在支架上。该单元可被布置以便安装在转换系统的板上。该单元可具有基本为平行六面体的形式。

根据本发明的一个变形例，该单元可包括几个用于固定到转换系统的板上的装置。该固定装置可特别地为至少一个用于螺杆的通道的槽口。该槽口可被提供在支架中和/或单元的板中。该槽口可为基本长方形的形式。该固定装置还可包括至少一个狭缝或凸起，以便允许通过卡扣配合(夹住)的固定或者允许该单元的定位。

该单元还可包括用于将几个模块固定在一起的固定装置，以便能够将几个模块连接在一起，特别是在电流为高的情况下，这使得能够在不采用具有高特殊性能且昂贵的组件的情况下生产转换系统的开关臂。

根据本发明的该功率模块不包括电能收集器装置，或者用于调节电流变化的线圈，允许软开关。

图6以非限制性的方式示出了根据本发明一个实施例的功率模块的电路图。该功率模块包括两个输入E1和E2，其旨在连接到转换系统的直流输入。该输入E1可对应正电压输入，并且该输入E2可对应于接地。在两个输入E1和E2之间，两个可控开关1被串联布置。在两个开关1之间，输出S被连接，该输出S旨在被连接到该转换系统的输出相。两个二极管D被串联布置在输入E1和第二输出Vrec之间，第二输出Vrec可被连接到电能收集器模块。旨在用于电压调节的第一电容器Cs被连接在两个二极管D和第一输出S之间的点上。第二电容器Cov被连接在第二输出Vrec和第二输入E2之间。

图7以非限制的方式示意性地示出了根据本发明一个实施例的功率模块。该模块基本为单元7的形式。单元7包括印刷电路形式的板8，在其上安装有各种电子组件。板8基本为矩形的形式。板8安装在支架9上。支架9基本为长方体的形式。板8和支架9包括多个固定装置：提供用于螺杆的通道的槽口10，两个狭缝11和12，用于通过卡扣配合来固定和/或用于单元的定位。电子组件(示意性地表示)被安装在板8上与支架9相对的一侧。在这些电子组件中，第二电容器Cov由三个并联连接的电容器13形成。

此外，本发明涉及一种DC/AC转换系统(转换器)，其能够将直流电能转换成三相交流电能。有利地，根据本发明的转换系统可以是双向的(可逆的)。因此，依靠根据本发明的转换系统，三相交流电能可被转换为直流电能。

通常，根据本发明的转换系统包括三个开关臂，直流输入相，以及三个交流输出相。每个开关臂包括一个根据本发明的功率模块。因此，转换系统包括至少三个功率模块。根据本发明的一个实施例，每个开关臂可包括多个，优选为二，三或四个并联连接的功率模块。功率模块的这种连接能够增加电流的特性，特别是电流的密度。例如，如果DC/AC转换器需要300A Rms(均方根值)的电流，三个允许电流为100A Rms的功率模块可被并联连接。独立的和标准化的功率模块被用于形成开关臂的事实能够简化转换器的安装和设计。

根据本发明，转换系统进一步包括电压和电流调节电路。该电压和电流调节电路允许软开关，这能够限制开关损耗，限制开关上的电压和电流过冲。调节电路包括用于调节电流变化的线圈，和用于调节电压变化的每个功率模块的第一和第二电容器。调节电路的电容器被包括在功率模块中。第一电容器允许电压变化的调节，并且第二电容器能够存储由线圈引起的并且没有由第一电容器存储的能量。

根据本发明的一个实施例，转换系统进一步包括电能收集器模块。因此，转换系统不包括任何电阻器，在现有技术中能量在其中被耗散。相反的，代替了电阻器的电能收集器模块能够通过收集在软开关中可获得的能量和通过将能量送入电能存储装置(例如电池)来收集可获得的能量或者在所谓的软开关中产生的能量，电能存储装置连接到转换系统的直流相。因此，电能损耗被大大降低。电能收集器模块被连接到开关臂和调节电路。

电能收集器模块可包括至少一个电感器，至少一个二极管，至少一个电容器和至少一个开关。开关被控制以便允许能量的收集和将其传输到电能存储装置。

根据本发明的变形例，电能收集器模块可包括连接在一个节点上的三条支路，包括：

-包括开关的第一支路，

-包括二极管的第二支路，以及

-包括电感器的第三支路。

因此，转换系统的印刷电路板可被特别地更改以使用软开关转换器的设计，其与高开关频率兼容，同时由于被附加以确保调节电路的工作的无源电路而使得损耗最小化。

图5a以非限制的方式示意性地示出了这样的电能收集器模块。该电能收集器模块包括连接在节点P上的三条支路，包括：

-具有开关6的第一支路，

-包括二极管4(取决于在其端子上的电压的电流iL在其中循环流动)的第二支路，以及

-包括电感器Lrec的第三支路。

在图5a中，电容器5表示电能存储装置(电池)的电容值，并且其不是收集器模块的组件。电容器5被置于电感器Lrec和接地之间。

此外，电容器3表示电容值Crec，且其是收集器模块的组件。电容器3被置于开关和接地之间。

二极管4被置于三条支路和接地的节点之间。

通过驱动开关(其占空比)，能够驱动在Vrec和Udc之间循环流动的电流iL(送入电池的电流)。

因此，考虑到由收集器模块和电能存储装置的电容器形成的组状件，由三个并联支路形成的该组件被置于点P和接地之间，其包括：

-包括开关6和电容器3的第一支路，

-包括二极管4的第二支路，以及

-包括电感器Lrec和电能存储装置的电容5的第三支路。

当开关被闭合，二极管处于阻断模式，并且在线圈Lrec中循环流动的电流iL(图5a中表示的)等于

当开关被打开，二极管处于导通模式，并且在线圈Lrec中循环流动的电流iL(图5a中表示的)等于

因此，通过驱动开关打开和闭合的时间，能够控制电流iL的平均值，并且具有与电阻性电路等效的作用。

图5b以非限制的方式示出了图5a中示出的电能收集器模块的等效电路图。因此，电能收集器模块等效为等效电阻器Req，电流iL在其中循环流动，但是没有电能的耗散。

对这一变形例，电路中的平均电流可被表示为下面的形式：

其中：

-T为开关的开关周期，

-V_rec为收集电压，

-U_dc为直流输入相电压，

-L_rec为收集器模块的电感量，

-Req为等效电阻，

-Fsw表示开关的开关频率。

优选地，这种电能收集器模块被布置在配置有调节电路的转换系统中，以至于电能收集器模块被布置在转换系统的直流输入相与开关臂和调节电路的电容器之间的节点之间。对图5a的实施例，电能收集器模块可被这样连接：

-收集器模块的连接到转换系统的直流输入相(电压U_dc)的点对应于在电感L_rec和第二电容器5(该电容器是电池的电容量)之间的收集器模块的第三支路的点，以及

-收集器模块的连接到开关臂(电压V_rec)和调节电路的电容器之间的节点的点对应于在开关6和第一电容器3之间的收集器模块的第一支路的点。

根据本发明的转换系统能够驱动所有应用种类的电机，特别是具有高逆变器(转换器)效率的以非常高的速度旋转的电机。

根据本发明的转换器可被提供用于嵌入式用途，特别是在车辆中，尤其是在陆地，航空或海军中。

根据本发明的转换系统还可被用于非嵌入式电能产生系统，例如涡轮机，微型涡轮机或风力涡轮机中。

此外，本发明涉及一种电机系统，包括至少一个电能存储装置，例如电池，以及一个三相电机，例如永磁电机。电机系统包括根据上述实施例之一的转换系统，以将来自电能存储装置的直流电能转换为用于电机的三相交流电能，并且反之亦然。因此，依靠转换系统，电机可被驱动，同时限制了电损耗。此外，如果转换系统是双向的(可逆的)，则还能存储(例如在电池中)由电机的旋转生成的电能。

比较的实例：

一个比较的实例被提供，以便比较根据本发明的转换系统的损耗与根据现有技术的DC/AC转换系统的损耗。测试的根据本发明的系统对应于图5a的实施例(电能收集器)，每个开关臂由根据图6的实例(功率模块)的功率模块形成。现有技术的DC/AC转换系统分别对应于根据图1和3的实施例的软开关和硬开关。

对这个例子，用于具有额定功率为50kW的逆变器的值，如下所示：

-Ls～＝300微亨，

-Cs～＝6.8纳法，

-Cov～＝1410纳法(由三个470纳法的电容器形成)，

-Vrec～＝1.5Vbus，

-Lrec＝56微亨，

-Crec＝20纳法，

-开关类型：IGBT。

表1—比较例

可以注意到与根据现有技术的转换系统相比，该转换系统能够降低约42.5％的总损耗。该降低是由于与软开关(开关损耗相对于硬开关降低50％)有联系的开关损耗的降低，以及在附加电路中耗散的损耗的降低(耗散损耗相对于软开关降低85％)。