专利名称：用来把直流电压转换成交流电压的低杂散互连电感功率转换模块、及其转换方法
在过去几年，电力电子工业已经有快速增长。该工业涉及电力电子控制开关的使用。这些开关的功能是在电子信号的命令下顺序闭合和断开两个电极之间的导电连接。实际技术使用半导体基片来生产这些开关，由此其切换时间远比最好的机械式继电器的切换时间短。因为如此，功率半导体开关对于潮流控制有吸引力。在这些系统中，半导体开关通常在限定的配置中与无源元件成组，并且连接在电源与负载或另一个电源之间。而且，提供一系列电压和电流传感器，以把信息供给到其中分析所述信息的控制单元。根据分析的信息，把切换命令从控制单元传送到开关，从而大量电能能以受控方式在诸源之间交换。这些系统最好称作功率转换器。
功率转换器的一个常见用途是用来驱动电动机。在这种类型的用途中，直流电压源一般用作电源，而功率转换器用来把直流电压转换成多相交流电压，以供给和控制多相交流电动机。这些直流到交流功率转换器通常也称作逆变器。
为了把大功率供给到交流电动机，功率转换器要求开关能承受高电压和大电流。在大多数已知的配置中，功率转换器以硬切换模式操作开关。在这种模式中，开关分两步从断路状态走到完全导电状态。在第一步骤，在跨过开关仍有断路电压的情况下，电流通过开关升高以达到负载电流。在第二步骤，负载电流通过开关循环，同时断路电压下降，直到跨过开关达到完全导电的电压降。为了从完全导电状态走到断路状态，反过来完成相同的步骤。
在这两个步骤期间，电流电压乘积非常高，并且在电子元件内产生切换功率损耗。这些切换功率损耗添加到开关的导电损耗上，并且这两者都产生热。为了避免电子元件的毁坏，其温度必须保持在临界值以下。然后借助于与切换装置并排接合的散热器实现电子零件的冷却，以释放热能。这种散热器的大小直接取决于产生的热损耗量，该热损耗量本身与切换频率成正比地变化。一方面，以低切换频率操作的转换器要求较小的散热器。另一方面，希望较高的切换频率，以减小滤波器零件的大小和声频噪声。因此，不得不在操作切换频率的选择中进行妥协。为了减小散热器和滤波器零件的大小，为了减小噪声，及为了增大功率转换器的效率，不得不减小导电和切换损耗。
今天在功率转换器中最常用的切换元件是栅电容晶体管，象Mosfet、IGBT或MCT，因为他们容易操作。这些开关元件的导电损耗与其物理性能、与其大小、及与其他们中几个能并联安装的事实有关。因而，通过对控制切换元件的方式作用，对于减小这些导电损耗几乎或根本无能为力。例如，当其栅输入电容完全充电时，不可能通过处理其控制对Mosfet或IGBT的导电损耗起作用。但是，在以这样一种方式操作开关、以致于通过处理控制开关的方式仍能对切换损耗起作用的情况下，有可能减小切换损耗。于是，通过用适当的电调节，如适当选择用于IGBT或Mosfet的栅电阻器，增大切换速度，能进一步减小切换损耗。然而，功率电子切换装置然后经受由流经位于功率转换器组件内的杂散互连电感的电流突然变化引起的高瞬变电压峰值。这些电压峰值添加到母线电压上。结合电压峰值和母线电压的电压在断相期间跨过开关施加。如果电压峰值的幅值变得太高，则功率转换器内的切换电子元件可能被损坏。此外，电压峰值产生通过杂散电容元件影响电路中的其他零件的噪声，并且他也添加EMI(电磁干扰)问题。
而且，正好在断相之前，应该注意存储在杂散互连电感磁场中的能量将必须释放。该能量通过开关内的热损耗消除。在M.Fasching的标题为“由开关模式转换器中的杂散电感造成的损耗”、且发表于EPE期刊，第6卷，No.2,1996年9月第33-36页的文章中，解释到当在相同周期中接通电流不同于断开电流时，转换器中的附加功率损耗可能与杂散互连电感有关，这些损耗主要构成功率转换器的总损耗。
为了减小电压峰值或减小转换器的切换损耗，可以采用不同的技术。
首先，跨过开关连接一个箝位装置，以抑制在开关断相期间的电压峰值。这样做，箝位装置转移和保持刚好在断相前存储在杂散互连电感中的能量。应该注意，当箝位装置在操作中时，开关不再控制电流的下降速率。该下降速率取决于施加在杂散互连电感上的电压，并且取决于杂散互连电感的值。这个电压的值代表能承受的电压峰值的幅值。而且，当箝位装置在操作中时，能量从直流电源抽出到箝位装置中。所以，箝位装置的添加增大了断开损耗，并且开关放松了其对电流下降速率的控制。抑制得电压峰值越多，由箝位装置处理的能量量越大。如果通过热损耗消除这种能量，那么它影响功率转换器的效率。根据该技术状态的最新发展，使用包含把收集的能量送回直流电压源的附加零件的箝位装置。然后，效率不受影响，但系统更加复杂。
其次，代之以增大引起电压峰值的开关的断开速度，可以使用能量恢复缓冲器，以吸收较高的切换损耗，并且把该能量送回电源。然后，能增大切换源电压的频率。于是，提高转换器的效率，并且限制电压峰值，但电流下降速率仍不能由开关控制。在I.Takahashi等人的标题为“关于用于晶体管逆变器的99％效率”、且发表在IEEE工业应用杂志，第2卷，1996年11月/12月第39-46页的文章中，表示了能量恢复缓冲器电路的使用，以提高上述转换器的效率。
上述的两项技术都改进了功率转换器，但他们都向电路添加零件，因此增加了整个组件的复杂性。
在不能抑制电压峰值的用途中，不希望使用箝位装置或缓冲器，因此必须使用能支持母线电压与断相期间电压峰值之和的高压电力电子切换装置。不幸的是，这种方案误用了装置的切换能力，要求较大的组件以与较大的半导体芯片一起操作，并且产生较高的导电损耗，因为使用的芯片大小和其导电损耗都随其电压承受能力增大。因此，强烈地希望减小功率转换器组件内的杂散互连电感，以减小施加在切换装置上的电压峰值的幅值，以增大切换速度，以避免箝位装置或缓冲器的使用，以借助于开关控制电流下降速率，以减小与杂散互连电感本身有关的损耗，及以减小功率转换器的大小。
通过转换器内的良好布线结构得到较小的杂散互连电感。在大的模块中，并联安装几个半导体芯片，以增大电流切换能力。这些半导体芯片的布线必须以特定的方式进行，以防止振荡。较差的布线因为连接所有芯片的杂散互连电感，在断开和接通各相期间在芯片之间产生振荡。在设计新模块时必须考虑这个问题。
在先有技术中已知的有美国专利Nos.5616955、5574312、5563447、5541453、5523620、5512790、5471089、5459356、5457604、5444295、5424579、5347158、5170337、5043859、4907068、英国专利No.2261768和欧洲专利No.621635、427143；及标题为“目的在于高频用途的新颖小外形功率模块”、发表在ISPSD会刊，关于功率半导体器件和集成电路的第8届国际年会，1996年5月第321-324页的文章；标题为“三菱模块的最新技术改进”、发表在IEE讨论会报告(摘要)，#146，1996年第5/1-5/5页的文章；标题为“用于牵引用途的可靠1200安培2500伏特IGBT模块”、发表在IEE讨论会报告(摘要)，#81，1995年第3/1-3/13页的文章；以及标题为“使用GaAs半导体、金属基体复合包装材料、和低电感设计的先进功率模块”、发表在关于功率半导体器件和集成电路的IEEE国际讨论会会刊，1994年第21-24页的文章。
在这些资料中，提出了不同的实施例，以减小包含一个或多个半导体开关器件的外壳的内部部分内的杂散互连电感。然而，这些资料没有讲授也没有表示如何减小由布线产生的杂散互连电感，布线把每个外壳连接到由一个电容器隔开的两个直流电压端子上。
在先有技术中已知的还有美国专利Nos.5430326、5202578，其中对于功率半导体器件提出了带有特别外部连接装置的模块。就这些模块而论，功率转换器组件装有互连长度减到最小的总线条或模块，由此减小这些模块外部的杂散互连电感。这些专利没有讲授也没有表示如何能减小模块内的杂散互连电感。
在先有技术中已知的还有标题为“汇流条改进功率模块互连”、发表在功率转换和智能运动功率和运动合成技术及用途，第21卷，1995年4月第18-25页的文章。在这篇文章中，呈现了采用分层汇流条以在转换器组件内互连功率模块和电容器的布线技术。使用这种技术，实现低的杂散互连电感。然而，该文件没有讲授也没有表示如何能减小模块内的杂散互连电感。
在先有技术中已知的还有美国专利No.5528073、5493472、5414616、5313363、5142439、5132896和日本专利No.6225545。这些专利公开了每个用制造商的功率半导体切换模块，特别是端子链和一个电容器，建立的功率转换器组件。这些组件由具有特别布置的短导电互连件制成，从而模块，且包括电容器，外部的互连电感较低。用这些组件实现整体较低的互连电感，但这些专利没有讲授也没有表示如何能减小模块内的杂散互连电感。
所有上述专利和文件仅给出了用来减小杂散互连电感的部分方案。
在先有技术中已知的还有美国专利No.4670833。在该专利中，公开了功率转换器电路的完整布局。发明者公开了一种新的切换模块，该模块装有连接装置，并且布置有由一个绝缘层隔开、且直接连接在切换模块上的两块层导电板制成的一对直流端子，由此减小杂散互连电感。当把一个滤波电容器直接连接到两块层导电板上时，实现整体低的杂散互连电感。在这个专利中，包含半导体开关的模块、电容器和直流端子不是唯一外壳的部分。
在先有技术中已知的还有美国专利No.4755910，描述用来封装电子电路的包装单元。该发明是一块装有多个接线柱和至少一个中央开口的圆形电子电路板。接线柱分成两组，第一组位于电路板的边缘处，而第二组位于中央开口的边缘处。而且，一个多层电容器形成一个叠置在电路顶部上的盖。这个电容器经两组接线柱把供电电压引导到电子电路板。就这种特别的布置而论，供电电压沿一段最大仅为具有相同面积的电子电路板中供电电压传导距离一半的距离传导，其两个供电电压电极并排地位于电子电路板的边缘处。因此对于电路线路中每个传导路径减小导线电感和导线电阻。这个发明是对于把多根信号线用于逻辑传送的电子集成电路的一种改进，在该逻辑传送中单个导线电感能引起干扰逻辑电平译码的噪声。然而，这个发明没有讲授也没有表示如何能提供一种低互连电感功率转换模块。
因而，本发明的一个目的在于提供一种低杂散互连电感转换模块、和一种用来把直流电压转换成交流电压的方法，其中功率切换装置、直流端子、一个交流端子和隔离电容器位于独特的外壳内，并且杂散互连电感比用先有技术的设备和方法得到的低。
根据本发明，提供了一种用来把直流电压转换成交流电压的低杂散互连电感功率转换模块，该模块包括两个直流电压端子，用来接受直流电压；一个交流电压端子，用来输送交流电压；一个半桥，包括一对经交流电压端子连接为直流电压端子之间的一系列推拉输出电路的功率切换元件；及一个隔离装置，用来隔离半桥，该隔离装置包括一系列由一种介电材料隔开的、且近似地与半桥以重叠关系延伸的至少两块邻近叠置的电极板，邻近电极板的每一块连接到直流端子的不同的一个上，电极板用两个功率切换元件、直流端子和交流端子，形成一个减小横截面的带状电流闭合回路，通过该回路得到一种低杂散互连电感功率转换模块。
根据本发明，还提供了一种把直流电压转换成交流电压的方法，该方法包括把直流电压施加到其之间连接有一个半桥的两个直流电压端子上，半桥包括一对经一个交流电压端子连接为直流电压端子之间的一系列推拉输出电路的功率切换元件；交替地切换功率切换元件；借助于一个隔离装置隔离半桥，该隔离装置包括一系列由一种介电材料隔开的、且近似地与半桥以重叠关系延伸的至少两块邻近叠置电极板，邻近电极板的每一块连接到直流端子的不同的一个上，电极板用两个功率切换元件、直流端子和交流端子，形成一个减小横截面的带状电流闭合回路；及借助于交流电压端子输送交流电压。
在参照附图阅读仅为举例目的的本发明最佳实施例的如下非限制性描述时，本发明的目的、优点和其他特征将变得更明白。
图1是先有技术中已知的一种直流至交流功率转换器的示意电路图；图2是示意图，表示流经一个闭合回路的电流生成的磁通，用来支持解释本发明；图3是示意图，表示流经一个圆柱形导体的电流生成的磁场，用来支持解释本发明；图4是根据本发明的一种功率转换模块的示意立体图5是图4中所示功率转换模块的示意立体图，带有剖开部分以表示其内部部分；图6是根据本发明的一种功率转换模块的示意立体图，带有剖开部分以表示其内部部分；图7是根据本发明的一种功率转换模块的示意分解立体图；图8是图7中所示功率转换模块在组装位置的示意立体侧视图；图9涉及图7和8的模块，表示相对于时间跨过开关的电压和负载中的电流；图10相对于由输出开关承受的电压，表示测量输出电容，涉及图7和8的模块；图11是根据本发明的一种功率转换模块的示意立体图；图12是示意图，表示流经同心圆柱形导体的电流生成的磁场，用来支持解释本发明；图13是等效于图12中所示电路的电路图；图14是根据本发明的一种功率转换模块的示意立体图；图15是示意电路图，表示包括图14中所示模块的一种功率转换器；图16(a)、(b)和(c)表明相对于时间的图15的网孔电流I1和I2，电流I2以两种不同的情形表示；图17是根据本发明的一种功率转换模块的示意分解立体图；图18是图17中所示功率转换模块在组装位置的示意立体侧视图；图19涉及图17和18的模块，表示相对于时间跨过开关的电压和负载中的电流；图20是根据本发明的一种功率转换模块的示意分解立体图；图21是图20中所示功率转换模块在组装位置的示意立体侧视图；图22涉及图20和21的模块，表示相对于时间跨过开关的电压和负载中的电流；图23是示意电路图，表示包括图14中所示模块的一种功率转换器，用来支持解释本发明；图24是根据本发明的一种功率转换模块的示意立体图；图25是开关的示意电路图，一种功率转换模块带有其驱动器；
图26是电马达轮组件的转子和定子的部分剖视的正视图；及图27是图26中表示的示意图，具有根据本发明的改进。
现在参照图1，表示一种单相直流至交流功率转换器的基本布局，如在先有技术中已知的那样。它包括安装在推拉输出电路配置中的两个电力电子开关2和4。这种功率转换器也称作半桥配置。开关2、4带有分别连接到直流端子6、8上的端部，并且还带有在端子10处连接在一起的端部(以后文中也称作中心点)。一个端子定义为电气零件电气连接到其上的接合点。一个电容器12和一个直流电压源14并联连接在直流端子6与8之间。L1和L2是杂散布线电感。一个具有电流幅值I的直流电流源16使一端连接到中心点10，而另一端连接到直流电压源14的负极上。当交替地断开和闭合开关2和4时，在中心点10处产生交流电压。两个开关2和4按预定顺序交替地断开和闭合，以得到希望的交流电压幅值和谐波成分。在多相用途中，借助于并联连接到端子6和8上的多个半桥产生多相电压，其各中心点连接到其本身的负载上。在功率转换器的操作期间，由于在开关2、4中的突然电流变化，在电路的杂散互连电感L1、L2中感应出电压。
现在参照图2，讨论以上的现象。在闭合回路19中流动的单电流18产生由如下定义的磁通ΦΦ=L·I其中I是电流，而L称作电路的自感且只取决于电路的几何尺寸。在电路中流动的电流变化在该电路中产生等于LdI/dt的感应电压，该感应电压添加到已经存在于回路19中的其他电压上。
因此，在功率转换器组件内造成电压峰值的杂散互连电感取决于电路组件的几何尺寸。为了确定功率转换器中的杂散互连电感，必须完成切换顺序的分析，以测量其对电路所有节点中的电流分布的影响。
再参照图1，当功率转换器在操作中时，直流电流源16的电流I沿两个不同的路径流动。作为一种近似，直流电流源16的电流I认为是恒定的，以反映具有比切换周期高得多的时间常数的电感性负载的行为，例如象电动机一相的电感的行为。当开关2闭合，而开关4断开时，电流I流经端子8。当开关4闭合，而开关2断开时，电流I流经端子6。在这两种状态之间，开关2、4都处于换向状态。在这种换向状态期间，流经端子6、8之一的正(或负)电流随流经其他端子6或8的负(或正)电流的升高而下降，从而之和保持等于I。正电流视作从顶部向底部流经相应开关2、4的电流。在换向状态期间，相同幅值和符号的电流变化dI/dt出现在开关2和4中，并且通过端子6、8和10。这种换向状态越快，开关2和4及端子6、8和10中的电流变化速率越高。
一般地说，电压源14不设置在功率转换器附近。因此，一个电容器12跨过端子6、8靠近两个开关2、4连接，从而大的电流变化不会流入电压源14与功率转换器之间的杂散互连电感L1中。流经端子6、8的大变化电流经起短路作用的电容器12沿闭合回路路径21流动。电压源14仅产生具有非常低谐波电流的直流。因此在电压源14与电容器12之间的互连电感L1中仅感应出非常低的电压。造成电压峰值的这种大电流变化dI/dt由此施加在流经开关2和4，流经端子6、8和10及流经电容器12的电流闭合回路路径21上。这种感应电压峰值的幅值取决于由闭合回路路径21的几何形状形成的杂散互连电感L2。此外，这种感应电压峰值添加到电容器12的电压上，并且在断相期间跨过开关2或4施加。感应电压与电流变化有关，如以下公式所示V=L2dI/dt本发明的目的在于提供一种在独特外壳中的紧凑功率转换器组件，该紧凑功率转换器组件包括半桥电力电子切换装置、直流端子、交流端子和电容器。这种紧凑功率转换器组件应该具有减小的总杂散互连电感L2以减小施加在开关2、4上的瞬时电压峰值，允许较高的切换速度，避免使用箝位装置或缓冲器，允许借助于开关控制电流下降速率，允许几个切换装置并联安装，减小由杂散互连电感L2本身造成的损耗，及减小转换器的尺寸。
现在参照图3，这里表示一个直径d和长度l的圆柱形导电体。均匀地以带状形式分布在圆柱表面上的电流回路I1，产生一个沿圆柱中心轴线的磁场H1，该磁场H1产生自感。对于l＞0.2d，如下公式给出具有小于3％误差的电感值L=2.2d2d+2.2l·10-6]]>亨利(1)其中l和d为米。这个公式表示在“电技术”，第二版，第230页，由TheodoreWildi所著，Laval大学出版社出版。例如，如果我们把表示先有技术中已知电流模块尺寸的d和l值代入公式(1)，我们得到几个10-9亨利的生成电感。本发明通过在相切换期间在转换器模块组件中提供带状电流路径，减小杂散互连电感。
现在参照图4和5，分别表示根据本发明提供一种带状电流路径的一种功率转换器模块的立体图，并且相同的模块具有剖开的部分以露出其内部的部分。
低杂散互连电感功率转换模块用来把直流电压转换成交流电压。它包括两个用来接收直流电压的直流电压端子20和22、和一个用来输送交流电压的交流电压端子24。还提供有一个半桥，该半桥包括一对经交流电压端子24连接为直流电压端子20与22之间的一系列推拉输出电路的功率切换元件26和28。有一个用来隔离半桥的隔离装置30。隔离装置30包括一系列由一种介电材料隔开的、且近似地与半桥以重叠关系延伸的至少两块邻近叠置电极板31。邻近电极板31的每一块连接到直流端子20和22的不同的一个上。电极板31用两个功率切换元件26和28、直流端子20和22、及交流端子24，形成一个减小横截面的带状电流闭合回路64，通过回路64得到一种低杂散互连电感功率转换模块。叠置电极板31形成电容。
最好，功率转换模块包括一个由陶瓷材料制成的基座32，其上安装功率切换元件26和28。功率切换元件26和28的每一个都包括一排并联安装的功率半导体器件。交流端子24包括一块安装在基座32上的中心金属板34。直流端子20和22的每一个都包括一块安装在基座32上的侧金属板36或38、及一块连接在相应侧金属板36或38与隔离装置30之间的侧面竖直金属壁40或42。功率切换元件26和28经交流电压端子24的中心金属板34，连接成直流电压端子20和22的侧金属板36与38之间的一系列推拉输出电路。
最好，每排功率半导体器件包括MOSFET、IGBT和/或二极管。模块进一步包括安装在基座32上靠近MOSFET或IGBT的驱动器54，以把栅信号带到MOSFET或IGBT。在本说明书中，把驱动器定义为一块装有电子零件的板，这些电子零件用来经输出连接区把模拟栅信号供给到半导体芯片的栅。最好，减小横截面的带状电流闭合回路由中心板34、侧金属板36和38、侧面竖直金属壁40和42、叠置电极板31及切换元件26和28限定。这个带状电流闭合回路具有矩形横截面。
在操作中，用来把直流电压转换成交流电压的方法包括步骤把直流电压施加到其之间连接有一个半桥的两个直流电压端子20和22上，半桥包括经一个交流电压端子24连接为直流电压端子20与22之间的一系列推拉输出电路的一对功率切换元件26和28。
然后有这样的步骤交替地切换功率切换元件26和28；及借助于一个包括一系列由一种介电材料隔开的、且近似地与半桥以重叠关系延伸的至少两块邻近叠置电极板31的隔离装置30来隔离半桥，邻近电极板31的每一块连接到直流端子20和22的不同的一个上。电极板31用两个功率切换元件26和28、直流端子20和22、及交流端子24，形成一个减小横截面的带状电流闭合回路。最后，有一个借助于交流电压端子24输送交流电压的步骤。
板36、38和34是提供在由诸如矾土或氮化铝之类的绝缘基体制成的基板32上的导电条。这些条并联地且沿方向A安置。第一排半导体芯片46和第二排半导体芯片48，如Mosfet、IGBT和/或二极管，分别安装在导电板36和34的表面上。半导体芯片46和48与其各自的导电板36和34电气连接。而且，第一排半导体芯片46的表面连接区与至导电板34的联接导线50电气连接。第二排半导体芯片48的连接区与至导电板38的联接导线52电气连接。而且，由诸如矾土之类的绝缘基体制成的驱动器板54置于芯片的附近，以经联接导线56提供栅信号。这样，整个组件包括一个半桥功率转换器电路。
用诸如陶瓷之类的介电材料分隔的一系列叠置横向导电板31，以最小的距离安装在绝缘基板32的顶部。该最小距离为联接导线50和52留有位置。而且，每块导电板31仅一个边缘连接到竖直壁40或竖直壁42上，边缘连接的顺序从板31的一块到下一块交替。
因此，板31的组件形成一个电容器。该电容器并联地直接连接到安装在其下方的半桥功率转换器上。
端子22用来接收双极直流电压源的第一电极(未表示)。端子20用来接收双极直流电压源的第二电极(未表示)。端子24用来与一个负载(未表示)连接。由此，整个组件经半桥功率转换器把交流电压供给到负载。端子20、22和24上的连接点位置在功率转换器中不重要，并且可以在对电气、机械或装配目的方便的地方。
本发明的模块包括几个并联的半桥转换器，每一个由以推拉输出电路配置安装的两个半导体芯片46和48制成。半导体芯片46和48的每一个由并联连接到IGBT芯片上二极管芯片制成。这些半桥转换器并联地沿方向A排列，以增大电流能力。电容器30跨过所有并联半桥转换器直接连接。这样，得到所有半桥转换器的直接隔离，并且避免了在接通或断开期间由于杂散互连电感在邻近半桥转换器之间造成的可能振荡。而且，进行芯片46、48的定位和联接，以得到电流沿方向A的均匀分布。这样，瞬时电流回路路径沿方向B定向。此外，由板31制成的电容器对于瞬时电流起短路的作用，从而在功率转换器切换顺序期间出现的电流变化沿带状路径64流动，带状路径64类似于图3中所示的管状几何形状。
因此，这个组件的杂散互连电感大体上等效于具有相同横截面面积和长度的圆柱形线圈的电感。这种杂散互连电感非常低，由此减小跨过切换元件26、28产生的电压峰值，允许较高的切换速度，避免使用箝位装置或缓冲器，允许借助于开关控制电流下降速率，允许几个切换装置并联，减小由杂散互连电感L2本身造成的损耗，及减小转换器的尺寸。
现在参照图6，表示本发明另一个实施例的剖视立体图。代替图4和5中所示单端子24的是，两个分别包括板34和35的端子24和25并排沿方向A安装在绝缘基板32上。半导体芯片排48的第一半60安装在板34上。半导体芯片排49的第二半62安装在板35上。而且，安装在板36上的半导体芯片排46的第一半60的联接导线50电气连接到板34上，而安装在板36上的半导体芯片排47的第二半62的联接导线51电气连接到板35上。而且，两组驱动器板54和55分别放置在其芯片组48、49附近，以经联接导线56提供栅信号。由此该整个组件现在具有两个半桥功率转换器。
端子24和25用于与一个负载(未表示)的两个端部端子或两个负载(未表示)的第一端部端子连接，这两个负载的另外端部端子连接到电压源电极的一个上。这样两个交流电压借助于两个半桥功率转换器供给到负载。在操作中，这两个半桥功率转换器产生瞬时电流带状路径64和66，路径64和66类似于图3中所示的路径。就这种组件而论，对于每个半桥的杂散互连电感L2等效于具有相同横截面面积和长度的圆柱形线圈的电感，这种杂散互连电感非常低，因此减小了跨过开关产生的电压峰值，允许较高的切换频率，及减小了与杂散互连电感本身有关的损耗。端子24和25上的连接点位置在功率转换器中不重要，并且可以在对电气、机械或装配目的方便的地方。本实施例能容易地适于多于两个的半桥功率转换器。
现在参照图7和8，详细表示根据本发明建立的一种功率转换器模块。在这些图中，省去了下功率电子电路板的联接导线和细节以使他们不过分复杂。图7是模块的分解视图，而图8是相同模块的组装视图。带有内装续流二极管的的四个大功率Mosfet芯片70用作半导体芯片。这些芯片70的特征在于超快断开速度能力。绝缘基板32由矾土制成。一个多层陶瓷电容器72安装在组件的顶部。由此整个组件形成类似于图4中所示的一个半桥功率转换器。两个栅驱动器74安装在导电板76上，非常靠近功率Mosfet芯片70。
当组装模块时，一块与驱动器74一起操作的控制板78插入在位于电容器72下面的间隙中。控制板78包括诸如带有传感器和放大器的微控制器之类的数字和模拟零件；与主控制器连接的数字输入/输出；及经驱动器74驱动半导体芯片的模拟输出。多根导电连接线把控制板78电气连接到驱动器74上，从而经驱动器74和控制板78把栅控制信号提供给功率Mosfet70。控制板78支撑不要求在陶瓷基座上的模拟和逻辑电路，这样显著减小了基板32的尺寸。与由沿方向B的基板表面增大产生的影响相比，间隙增大以插入控制板78对杂散互连电感没有什么影响。这块控制板78没有表示在以前的图中以使他们不过分复杂。标号80和82指示将在描述中以后提及的横截面表面。
现在参照图9，表示在流经Mosfet芯片70的电流的断开顺序期间，跨过图7和8中所示一排Mosfet芯片70直接测量的电压。截止电流是125安培，并且来自电感性负载，而工作母线电压是400伏特。能观察到，电压具有带有由杂散互连电感L2的振荡引起的减幅振荡衰减的峰值，杂散互连电感L2与支持电压的Mosfet芯片的输出电容串联。包含在振荡中的能量由电阻性连接线中的焦尔效应消除。杂散互连电感L2能借助于串联谐振LCR电路的阻尼频率和二阶方程估计。阻尼频率能用下式计算
其中z是阻尼因数，并且具有在区间0≤Z≤1内的值。不用估计z，我们能改进公式得到
我们能把公式变成
表示在图9中的电压的阻尼频率约为40Mhz，并且电压在400伏特周围振荡。
现在参照图10，对于图7和8的实施例，表示测量的输出电容与由一排Mosfet芯片70相对于基板32承受的电压的关系曲线。在400伏特处，电容约为1.9×10-9法拉。通过借助于公式(4)计算互连电感L2的值，我们得到L2≤8.3·10-9亨利再返回图8，造成感应电压峰值的磁通部分穿过基板32与电容器72之间的横截面80。另一部分磁通穿过电容器72中的横截面82，并且这部分磁通只取决于电容器多层几何形状内的电流变化分布。在40Mhz下，在电容器电极中的穿透深度具有可与其电极板之一的厚度相比较的值，从而总电流梯度回路流入叠置导电电极的第一下层。这样，没有磁通出现在电容器上部中，磁通大部分穿过横截面80。在高频率下，在电容器30内的任何磁通变化都由内部电流回路抵消，因此在电容器30的体内不可能存在高频率磁通变化。
已经秘密试验的原型的横截面80约是5.5×10-4m2，并且模块的长度约是0.03米。具有等效横截面的圆柱形电流回路具有等于0.026米的直径。因此用公式(1)计算的电感等于16.6×10-9亨利。由公式(4)导出的下互连电感L2能归因于电容器30的存在，并且归因于把模块固定到其上的较大铝散热器的存在。对于散热器，因为其导电表面与在切换顺序期间由电流梯度回路产生的磁场分布相互作用，所以减小了在电感中的磁通变化。因此，得到比期望值低的等效杂散互连电感。
就本发明而论，通过降低杂散电感L2能减小电压峰值。这通过减小横截面80实现。不幸的是，必须提供一些空隙用来插入控制板78和清除联接导线50、52。但通过使用减小杂散互连电感中磁通变化的一个第二导电闭合回路，能实现电压峰值的进一步减小。这个第二导电闭合回路将称作峰值抑制器。
例如，现在参照图3，如果我们把两个导电壁(未表示)置于圆柱的两端，则这些导电壁与对来自圆柱体两端的磁通密度变化起作用的导电散热器，起相同的作用。这些导电壁充当环绕在每端出来的磁通密度的导电回路。在回路中产生的电压正比于磁通变化率V=dΦdt]]>由于这个电压的存在，电流形成，并且立即产生一个与磁场源相反的磁场变化，磁场源导致减小回路内的磁通变化。
现在参照图11，表示根据上述原理的一个实施例。模块带有分别置于模块两端处的导电壁21。这些壁21至少覆盖着图8中所示模块的横截面80。这些导电壁21的每一个能连接到三个端子20、22和24的一个上。圆柱形电流路径和在两端处的壁象两个具有相互耦合的线圈，这种耦合由于两个线圈的相对位置彼此相比并不完全匹配，从而仅减小磁通源波动的一部分。
现在参照图12，表示一种根据本发明减小电压峰值的更有效方法。由圆柱形电流回路110产生的磁场H1由一个第二圆柱形导电回路112围绕着。最好，第二回路112尽可能紧密地匹配由第一电流回路110跟随的路径。就这种电路而论，由电流I1产生的任何磁场H1，产生也由第二圆柱形回路112环绕的磁通密度。圆柱形电流I1的任何变化由于磁通变化，在圆柱形导电回路112内产生电压降。因为第二圆柱形回路112是短路的，所以圆柱形电流变化I2以相反方向立即出现，与电压降的存在作用，以产生与磁场源H1相反的磁场H2。这个磁场H2减小生成的磁通变化。因为电流变化I1和I2出现在尺寸和位置几乎相同的圆柱形电流路径中，所以由圆柱形电流变化I1产生的磁通变化的大部分，通过由圆柱形电流变化I2产生的相反磁通变化抵消，由此，抑制与磁通源波动有关的电压峰值。
现在参照图13，表示一种等效于图12的两个同心圆柱形回路110、112的电路。回路110、112由一个使其次级绕组(未表示)短路的变压器表示。有一个电流源I1串联连接到一个电路上，该电路包括代表由两个圆柱110、112围绕的磁通的互感M、以及两个与漏磁通有关的非常小的漏电感L3和L4，漏电感L3和L4是由于不适当匹配，由两个圆柱110、112之一产生的，且不由另一个围绕。还有两个电阻器R1(f)和R2(f)，限定在与集肤效应有关的额定频率下的导体电阻。图12中所示的第二圆柱112离图12中所示的第一圆柱110越近，漏电感L3和L4越低。
现在参照图14，表示根据本发明带有一个第二导电闭合回路的一种模块的立体图。除了它进一步包括一个壳体外，该模块组件类似于图4中所示的组件，该壳体包括围绕图5中所示减小横截面带状电流闭合回路64的导电壁90，借此，在操作中，一个电流被磁感应在导电壁90中，以进一步减小与杂散互连电感有关的电压峰值。导电壁90沿方向A围绕着模块组件。这些导电壁90同模块组件内的导电部分由一种绝缘材料91绝缘开。这些导电壁90形成一个闭合回路，该闭合回路环绕在切换顺序期间由半桥功率转换器的瞬时带状电流产生的磁通密度。由此，一个相反的电流感应在闭合回路90中，并且减小其横截面内的任何磁通变化。因为在电容器中没有产生磁通，所以两个回路的匹配非常良好，并因此产生相反方向的两个同心带状电流。在这种情况下，显著减小模块的杂散互连电感中的磁通变化，并因此也减小了电压峰值。根据图14中所示的最佳实施例，用来把直流电压转换成交流电压的方法包括，借助于包括导电壁的一个壳体围绕减小横截面的带状电流闭合回路的添加步骤。
上述的峰值抑制器起象一个箝位装置的作用，保持在切换操作期间、在图5中所示的带状电流闭合回路64中产生的大多数磁场恒定。包含在磁场中的能量存储在杂散互感M中，该互感M具有接近图1中所示杂散电感L2的值。
现在参照图15，示出代表包括图14中所示模块的一种功率转换器的电路图，假定在两个闭合回路之间有足够好的匹配，以忽略图13中所示的漏电感L3和L4。电流分布能通过四个网孔电流I1、I2、I负载、和I源表示。网孔电流I负载和I源是连续的，并因而不产生显著的电流断续性。一个较大的磁通变化由网孔电流I1和I2的变化产生。这种大磁通取决于电流I1和I2路径的几何形状。
现在参照图16(a)、(b)和(c)，表示说明图15的交流网孔电流I1和I2相对于时间的曲线。网孔电流I2用于两个不同的切换周期T，如T＜＜M/R(f)和T＞＞M/R(f)。如这些图16(a)、(b)和(c)中所示，峰值抑制器通过在换相期间产生抑制这种磁通变化的电流，来对任何磁通变化起作用。在较大的时间段上，由峰值抑制器产生的磁通的存在时间取决于其时间常数M/R(f)，在切换顺序之间的时间周期是T。
当时间周期T远大于M/R(f)时，由峰值抑制器存储的磁能量以焦尔损耗消失在其导电回路内，如结合图16(a)和图16(c)中所示。以瓦特为单位的总损耗量等于在每次切换事件之间的磁能量损耗量与切换事件的切换频率的乘积。因而在这种情形下，峰值抑制器起耗能箝位装置的作用。
当时间周期T远小于M/R(f)时，存储在峰值抑制器中磁能量的主要部分在下一个换相开始处仍然存在，如图16(a)和(b)中所示。由此，在峰值抑制器中相对于以焦尔为单位的磁能量的损耗不再与切换频率线性地增大，因为倒不如说磁能量在网孔电流I1与I2之间交换。因而在这种情形下，峰值抑制器起电感减小装置的作用，进一步降低功率转换器模块的杂散互感M。
与传统的耗能箝位装置相比，本发明的峰值抑制器随切换频率增大而限制其功率损耗。而且，峰值抑制器直接作用在杂散互连电感上，以保持在换相期间存储磁能量的存在。因此，由于该电感，正象在使用传统箝位装置的情况下那样，不会从直流电源抽出能量，并且电流下降速率仍在开关的控制下。相对于先有技术，本发明有进一步的优点。
根据本发明通过把第一或第二带状电流闭合回路的两端与导电壁闭合，能实现峰值抑制器。然而，这没有显著的峰值抑制效果。通过具有彼此尽可能靠近而不接触的两个同心带状电流闭合回路，以减小由第一带状电流闭合回路产生的、且不由第二带状导电闭合回路环绕的漏磁通，实现更有效的峰值抑制效果。由此薄绝缘材料91的使用，如图14中所示，给出良好的结果。两个打开的端部都能用作用于电气和逻辑电缆连接线的通道。而且，峰值抑制器的导电壁可以是能用作散热器的模块壳体的部分。就根据本发明的峰值抑制器的使用而论，在互感M内的磁通波动被减到最小，以进一步减小电压峰值，允许更高的切换速度，避免使用箝位装置或缓冲器，允许通过半导体开关控制电流下降速率，允许几个切换装置并联安装，对于高切换频率限制与杂散互连互电感有关的损耗，及减小转换器的尺寸。
再参照图14，由于以上原因，根据本发明，功率转换模块因此装有一个峰值抑制器。壳体包括围绕减小横截面的带状电流闭合回路的导电壁90，借此，在操作中，电流被磁感应到导电壁90中，以减小杂散互连互电感内的磁通变化。因而，在这种情况下，用来把直流电压转换成交流电压的方法包括，借助于包括导电壁90的一个壳体围绕减小横截面的带状电流闭合回路的添加步骤。
图14中所示的模块组件类似于图4中所示的组件，但它进一步包括在方向A延伸的导电壁90。这些导电壁90通过绝缘材料91与模块组件内的导电部分绝缘。这些导电壁90形成一个闭合回路，该闭合回路环绕在切换顺序期间由半桥功率转换器的瞬时带状电流产生的磁场。因此，导电壁90起作用，并且感生一个减小模块中产生的磁通变化幅值的相反磁场，由此降低由杂散互连互电感M产生的电压峰值。就这种组件而论，得到比先有技术的低的，或等于图4、5和6的实施例之一的生成杂散互连互电感M。这种较低的杂散互连互电感减小了电压峰值，允许更高的切换速度，避免使用箝位装置或缓冲器，允许通过半导体开关控制电流下降速率，允许几个切换装置并联安装，对于高切换频率限制与杂散互连互电感有关的损耗，及减小转换器的尺寸。
现在参照图17和18，详细表示与图7和8中所示相同的、带有根据本发明建立的峰值抑制器的转换模块。图17是带有峰值抑制器的模块的分解视图，而图18是相同模块的组装视图。模块基座32安装在一块铜板94上，而一个盖96用接线柱固定在铜板94上。这个盖96和铜板94以图12中所示的同心方式，绕第一带状导电路径形成一个第二带状导电路径。壳体的导电壁然后由连接在一起的至少两部分制成，这两部分是盖96和铜板94。用来从母线直流电压源接收电压和用来供给调制相位的连接器(未表示)定位在模块的开口端。小的开口能制在带状导电路径的导电壁上，用于与模块内的端子进行电气连接，而不显著影响对杂散互连互电感中的磁通变化的减小效果。
现在参照图19，表示在流经Mosfet芯片70的电流的断开顺序期间，跨过图17和18中所示实施例的一排Mosfet芯片70直接测量的电压。我们能把图9与图19相比较，并且看到在图19中，截止电流也是125安培并且来自相同的电感性负载，而工作母线电压也是400伏特。在图9中看到的电压振荡实际上消失了，并且减小了电压峰值，因此表现出添加第二带状导电路径的优点。
现在参照图20和21，表示用IGBT芯片100和二极管芯片102建立的一种较大模块。在这些图中，省去了电路板的联接导线和细节以使他们不过分复杂。图20是模块的分解视图，而图21是相同模块的组装视图。组件具有沿方向A比图17和18中所示实施例的长度长三倍的长度。相对于图17和18中所示的实施例，减小了在第二带状导电路径与第一带状导电路径之间的绝缘间隙、和在基板与隔离装置之间的间隙。对于每排模块，并联连接八个带有八个二极管芯片的IGBT芯片。就这种组件而论，由于在公式(1)中所示的模块的l/d比值较大，所以杂散互连互电感较小，模块的l和d按图3中所示定义。
现在参照图22，表示在图20和21中所示模块上进行切换试验的结果。在切换试验期间跨过一排IGBT芯片100测量电压。截止电流是45安培，并且母线电压设置在500伏特。试验表示切断顺序没有明显的电压峰值，并且电压在小于20毫微秒内从0摆动到500伏特。改进归因于l/d比值较大、两个带状导电路径之间的绝缘间隙较小、及基板与隔离装置之间的间隙较小，这与图17和18的实施例相比，进一步减小了在杂散互连电感中产生的电压峰值，由此表明本发明的效果。
本发明的峰值抑制器能根据不同的实施例制造。图17、18、20和21中所示的模块表明带有两部分的一种带状导电回路。第一部分是由诸如铜或铝之类的导电材料制成的盖96。这个盖96带有焊接到、或用诸如螺杆之类的固定元件固定到置于模块绝缘基座32下面的导电基板94上。板94构成回路的第二部分。基板94能形成一个散热器，或者能联接在绝缘板32下面，如一个铜联接线路(copper bound layout)联接在一块铜-陶瓷-铜板下面。而且，为了保证适当的绝缘，峰值抑制器与模块用绝缘材料隔离(未表示)。
根据本发明，峰值抑制器还能通过使用薄膜金属淀积制成。图14中所示壳体的导电壁90然后通过金属淀积形成在绝缘壁91上。在这种情况下，模块首先封装在塑料或任何具有绝缘性能的其他材料中，并然后用金属蒸汽喷涂，或者浸渍在液态金属槽中，以在其表面上形成薄膜金属淀积层。这种金属淀积层形成峰值抑制器的带状导电回路。薄膜淀积层可以仅涂敷在模块的指定部分上，例如其顶部和侧面，带状导电回路的其余部分是联接在绝缘基座32表面下面的铜线路。
现在参照图23，这是表示包括图14中所示模块的一种功率转换器的示意电路图。因为在负载与邻近导电部分之间存在杂散电容，例如，在电动机定子线圈与其金属空心部分之间存在杂散电容，所以经常出现一种问题。这种问题示意地表示在图23的图中。一个半桥功率转换器121把交流电压供给到一个具有杂散电容122的负载120，杂散电容122带有导电部分124。通过这个杂散电容122，导电部分124的电位，参照直流母线电压的电极126和128，以按照由半桥功率转换器121施加到负载120上的方波电压的频率振荡。连接在负载壳体与直流供给电压母线的电极126、128之一之间的任何形式杂散阻抗，都产生经杂散电容122的电流。这种电流是噪声问题的源头，并且可能是有害的。
在电压母线的电极126、128都不直接接地到导电部分124的情况下，一个具有比杂散电容122的值高的旁路电容器130，连接在导电部分124与母线电压电极的至少一个，如电极128之间。在杂散电容122内的感应杂散电流经电容器130沿一条容易的路径流回母线电极128。就这种电路而论，在旁路电容器130上建立的电压的幅值是供给电压的一部分，这部分的值由杂散电容器值相对于旁路电容器值的比值确定。在如图4、5、6和11中所示模块不带有峰值抑制器的情况下，这个旁路电容器能使一端连接到模块电极端子20或22之一上。电容器的自由端可用来通过产生杂散电容的导电部分与负载连接(未表示)。
现在参照图24，表示一个与图14中所示的类似的实施例，但它进一步包括一个内装的旁路电容器。在这个模块装有根据本发明的峰值抑制器的情况下，电容器的自由端连接到峰值抑制器的带状导电回路的壁90上，并且峰值抑制器的一个自由连接点138在导电回路上，可用来通过负载连接到形成杂散电容的导电部分(未表示)上。如果这个电容器是一个独立部分，则它能插入在位于峰值抑制器的导电壁90与模块之间的空隙中。
在图24中所示模块的情况下，一块横向导电板134叠置在叠置电极板31最上部导电板132的上方，并且与其通过一种介电材料136，如陶瓷隔开，整体由此形成所述的内装旁路电容器。导电板134构成峰值抑制器的带状导电壁90的一段。在图24中，为了清晰起见，在该图中所示、在板134与最上部板132之间的间隙比存在的间隙大，存在的间隙实际上与叠置电极板31的相邻板之间的间隙相同。而且，连接点138能定位在峰值抑制器的导电壁90上的任何地方，以便与导电部分124连接。电容器连接在作为壳体导电壁90的一部分的导电板134、与电气连接到直流端子之一的导电板132之间。导电壁为电气连接目的提供有一个连接点138。电容器然后由与顶部电极板132相邻、且借助于介电材料136与顶部电极板132隔开的诸壁的一个壁形成。因此，当峰值抑制器的带状导电壁通过负载连接到形成杂散电容器的导电部分(未表示)上时，提供根据本发明制成的旁路电容器。
根据本发明的另一个方面，模块具有由峰值抑制器进一步箝位的非常低的杂散互连电感的事实，在换相期间不会产生米勒效应(参考资料国际整流器，Hexfet，功率NOSFET设计者手册，应用注意#947)。这种米勒效应存在于栅电容晶体管中，如Mosfet和IGBT。在Mosfet的情况下，漏极电流由在其到源电容的栅极中累积的电荷量控制。在接通相期间，漏极电压降低，因为增大的漏极电流感生一个跨过互连电感的电压。随着漏极电压降低，一部分栅极输入充电电流经栅极旁路到漏极杂散电容，夺去通常接收的栅极到源电容的电荷。这种负反馈减慢了漏极电流的升高，并且称作米勒效应。
在根据本发明制成的模块的情况下，在互连电感处的电压降是可忽略的，从而米勒效应不存在。没有米勒效应，输入栅电流不被旁路，并且仅用来充电到Mosfet或IGBT的源电容的栅极。因此，漏极电流升高速率仅取决于输入栅极充电电流。当输入栅电流太大时，漏极或集电极电流的上升时间非常短。则这可能产生一种问题，如果接通的开关接收在续流模式中流经带有反向恢复电荷的二极管的感应负载电流的话。高的电流升高速率增大二极管和Mosfet或IGBT内的反向恢复电流密度，这对半导体可能是破坏性的。为了保证安全操作，栅极输入充电电流用一个电阻器限制，以限制升高电流速率。在二极管的恢复之后，漏极电压降低速率取决于现在把栅极放电到漏极电容的相同输入栅极电流。该漏极电压降低速率不太成问题，并且能加速以减小切换损耗。这通过注入较大的栅极输入电流来实现，以改进切换性能。
现在参照图25，表示一种带有其驱动器的开关的电路图。为了提高开关的整体切换性能，在接通相期间，把栅输入电流限制为两个值，一个用于增大电流及一个用于降低电压。这个功能借助于驱动器实现。驱动器包括一个端子220，以接收用于相应半导体器件的栅信号。一个第一电阻器R1连接在端子220与相应半导体器件224的栅极222之间。
有一个包括一个电压栅极受控开关T1和一个串联连接的第二电阻器R2的电路段。电路并联连接到第一电阻器R1上。一个电容器C1连接在电压栅极受控开关T1与相应半导体器件224的集电极228之间，用来监视其集电极电压信号。有一个电压箝位装置X1连接在电压栅极受控开关T1的栅极226与端子220之间。借此，在操作中，第一电阻器R1在集电极电压信号降低之前，限制相应半导体器件的栅电流，由此限制集电极电流的上升时间，而第一和第二电阻器R1和R2在集电极电压降低期间，限制相应半导体器件224的栅电流，由此限制集电极电压的下降时间。
一个第一电阻器R1连接在接收方波电压信号的输入端与开关224的栅极222之间，以把栅极输入充电电流限制到一个第一值Ig1，直到流经二极管D的电流抽空其反向恢复电荷且进入其阻断状态。然后，漏极电压开始下降并且由一个电容器C1检测，电容器C1连接在开关224的漏极228与一个P沟道Mosfet T1的栅极226之间，P沟道Mosfet T1与一个第二电阻器R2串联连接。当开关224是Mosfet时，电容器C1连接到漏极228上，而当开关224是IGBT时，电容器连接到集电极上。在下面当我们提及集电极时，根据情况它也可能指漏极。Mosfet T1和电阻器R2都并联到电阻器R1上。下降电压感生通过迅速对P沟道Mosfet T1的栅极充电的电容器C1的电流，P沟道Mosfet T1立即导电以与电阻器R2建立串联连接。这样，输入电流增大了第二栅极输入充电电流Ig2，进一步增强电压下降速率以增大切换速度，由此减小切换损耗。一个箝位装置X1跨接P沟道Mosfet T1的栅电容，以限制电压。与电阻器R1并联地添加一个与一个电阻器R3串联连接的电容器C2，以把电流脉冲注入到栅极222中，而缩短输入电压过渡与漏极电流升高开始之间的延迟。
现在参照图26，其表示本发明的可能用途之一。这种用途是用于电动机轮，如在美国专利No.5,438,228中公开的电动机轮。电动机安装在一个轮中，电动机的功率转换器安装在轮的空心部分中。电动机带有一个外转子200和一个由十字件204支撑在一根轴上的内定子201。功率转换器包括模块205和电容器206，这些都安装在支撑十字件204的支腿上。提供导体207，以把每个模块连接到提供在空心部分中的直流电压母线上，并且把每个模块连接到定子绕组上。诸模块构成一个多相直流至交流功率转换器。本发明模块的紧凑使他们便于安装在电动机轮的空心部分内。
现在参照图27，表示本发明的功率转换器如何安装在电动机轮的十字件204上。在一个电动机轮中有三个功率转换器模块205的组合，该电动机轮装有一个由导电材料制成的一个十字件204支撑的定子架。三个模块205分别安装在电动机轮内的十字件204的三个支腿上。模块205形成一个三相功率转换器，该功率转换器进一步包括一根第一导电母线，该导电母线带有一个通过十字件204一侧上的供电槽连接器211连接到每个模块205的直流端子之一上的极209。有一根第二导电母线，该导电母线带有一个把每个模块的其他直流端子连接在十字件204的另一侧上的极(未表示，但类似于带有类似于连接器211的连接器的极209)。两根导电母线确定在相邻模块之间用十字件204的导电材料填充的空隙。两根导电母线通过绝缘材料210与模块壳体和十字件204隔开，借此，在操作中，一个电流磁感生在十字件204中，以抑制在存在于模块之间的杂散互连电感中产生的磁通变化。
该电机是一种三相永久磁铁交流电机。每个包含一个半桥功率转换器(每相一个)的三个模块205安装在十字件204的支腿上。每个支腿有一个模块。每个支腿起用于相应模块的散热器的作用。提供在空心部分中的双极直流电压母线带有一个通过供电槽连接器211连接到模块的端子22上的极209，例如该模块如在图4中所示。所有连接定位在十字件204的一侧上。直流电压母线的另一个极(未表示，但类似于带有类似于连接器211的连接器的极209)连接到图4模块的其他端子上20上，所有连接定位在十字件204的另一侧上。每个极通过一个绝缘层210与十字件的导电部分和模块壳体隔开。
因为三个模块205是分开的，所以连接模块205的杂散电感性互连，由于负载电流由每个模块切换、及这种切换从一极交替到另一极的事实，可能在每个模块电容器之间引起电压波动。在这种情况下，必须使互连电感最小。一种用来使互连电感最小的方法是，借助于并排安装的、且用一种薄绝缘材料隔开的两个导电条连接两个相邻模块。对于本发明为了使互连电感最小，要求一个互连从模块的一侧通到另一侧。这里，通过借助于位于十字件支腿旁边的直线互连来直接连接模块而进行较简单的连接，如图27中所示。就这种布置而论，在两个相邻互连之间的、和在两个相邻模块之间的容积完全填充有十字件204的导电材料，如铝。由此通过抑制由存在于模块之间的互连电感产生的磁通变化，得到进一步的峰值抑制效果，这样，避免了每个模块电容器之间的母线电压振荡。每条支腿的中心可以没有导电材料，而不影响峰值抑制效果。
总之，根据本发明，通过把功率电子切换装置、直流端子、交流端子和电容器集成在一个特征在于带有带状电流闭合回路的外壳内，大大地减小了功率转换器组件的互连电感。通过添加一个第二带状闭合回路，能进一步减小互连电感中感生的电压峰值，该第二带状闭合回路在这里称作峰值抑制器，并且围绕着模块，以把在切换事件期间在模块中产生的环流环绕在带状瞬时电流回路中。减小的互连电感和峰值抑制器，以跨过开关的较低电压峰值允许较高的切换速度和频率，因而提高功率转换器的效率。
尽管以上在最佳实施例的框架中已经描述了本发明，但应该理解，本发明的范围由附属的权利要求书确定。
权利要求
1．一种用来把直流电压转换成交流电压的低杂散互连电感率转换模块，该模块包括两个直流电压端子，用来接收直流电压；一个交流电压端子，用来输送交流电压；一个半桥，包括一对经交流电压端子连接为直流电压端子之间的一系列推拉输出电路的功率切换元件；及一个隔离装置，用来隔离半桥，该隔离装置包括一系列由一种介电材料隔开的、且近似地与半桥以重叠关系延伸的至少两块邻近叠置电极板，邻近电极板的每一块连接到直流端子的不同的一个上，电极板用两个功率切换元件、直流端子和交流端子，形成一个减小横截面的带状电流闭合回路，通过该回路得到一种低杂散互连电感功率转换模块。
2．根据权利要求1所述的功率转换模块，包括陶瓷材料制成的基座，在该基座上安装有功率切换元件，并且其中功率切换元件的每一个包括一排并联安装的功率半导体器件；交流端子包括一块安装在基座上的中心金属板；及两个直流电压端子的每一个包括一块安装到基座上的侧金属板、和一个连接在侧金属板与隔离装置之间的侧面竖直金属壁，功率切换元件经交流电压端子的中心金属板，连接成直流电压端子的侧金属板之间的一系列推拉输出电路。
3．根据权利要求2所述的功率转换模块，其中减小横截面的带状电流闭合回路由中心金属板、侧金属板、侧面竖直金属壁、叠置电极板及功率切换元件形成，并且具有矩形横截面。
4．根据权利要求2或3所述的功率转换模块，进一步包括安装在基座上靠近功率切换装置的驱动器，用来驱动功率半导体器件。
5．根据权利要求4所述的功率转换模块，其中所述半导体器件是栅电容受控半导体器件，并且其中驱动器的每一个包括一个端子，接收用于相应半导体器件的栅信号；一个第一电阻器，连接在该端子与相应半导体器件的栅极之间；一个电路段，包括串联连接的一个电压栅极受控开关和一个第二电阻器，该电路并联连接到第一电阻器上；一个电容器，连接在电压栅极受控开关的栅极与相应半导体器件的集电极之间，用来监视相应半导体器件的集电极电压信号；一个电压箝位装置，连接在电压栅极受控开关的栅极与端子之间，借此，在操作中，第一电阻器在集电极电压信号降低之前，限制相应半导体器件的栅电流，由此限制集电极电流的上升时间，及借此，在操作中，第一和第二电阻器在集电极电压的所述降低期间，限制相应半导体器件的栅电流，由此限制集电极电压的下降时间。
6．根据权利要求2、3、4、或5所述的功率转换模块，包括一块用来控制功率半导体器件的控制板，该控制板定位在其上安装有功率切换元件的基座与隔离装置之间。
7．根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的功率转换模块，进一步包括导电材料制成的、用来闭合带状电流闭合回路的开口端部的壁，开口端部的每一个由中心板的、侧金属板的、和侧金属壁的边缘，及由叠置金属板的下边缘确定，借此，在操作中，一个电流磁感生在导电壁中，以进一步减小与杂散互连电感有关的电压峰值。
8．根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的功率转换模块，进一步包括一个壳体，该壳体包括围绕减小横截面带状电流闭合回路的导电壁，借此，在操作中，一个电流磁感生在导电壁中，以进一步减小与杂散互连电感有关的电压峰值。
9．根据权利要求8所述的功率转换模块，其中壳体导电壁的至少一个由在绝缘壁上的金属淀积形成。
10．根据权利要求8或9所述的功率转换模块，其中壳体的导电壁至少由连接在一起的两部分制成。
11．根据权利要求8、9或10所述的功率转换模块，进一步包括一个连接在壳体导电壁与直流端子之一之间的电容器，导电壁提供一个用于电气连接目的的连接点。
12．根据权利要求11所述的功率转换模块，其中电容器由导电壁的一个与隔离装置的顶部电极板相邻、且借助于介电材料与顶部电极板隔开的壁形成。
13．一种根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12所述的三个功率转换模块的组合，用于一个电动机轮中，该电动机轮装有一个由导电材料制成的一个十字件支撑的定子架，其中三个模块分别安装在电动机轮内十字件的三个支腿上，诸模块形成一个三相功率转换器，该功率转换器进一步包括一根第一导电母线，连接十字件一侧上每个模块的直流端子之一；一根第二导电母线，连接十字件另一侧上每个模块的其他直流端子，两根导电母线确定在相邻模块之间用十字件的导电材料填充的空隙，两根导电母线和十字件通过绝缘材料隔开，借此，在操作中，一个电流磁感生在十字件中，以抑制由存在于模块之间的杂散互连电感在每个模块的电容器上造成的电压振荡。
14．一种用来把直流电压转换成交流电压的方法，该方法包括把直流电压施加到其之间连接有一个半桥的两个直流电压端子上，半桥包括一对经一个交流电压端子连接为直流电压端子之间的一系列推拉输出电路的功率切换元件；交替地切换功率切换元件；借助于一个隔离装置隔离半桥，该隔离装置包括一系列由一种介电材料隔开的、且近似地与半桥以重叠关系延伸的至少两块邻近叠置电极板，邻近电极板的每一块连接到直流端子的不同的一个上，电极板用两个功率切换元件、直流端子和交流端子，形成一个减小横截面的带状电流闭合回路；及借助于交流电压端子输送交流电压。
15．根据权利要求14所述的方法，包括借助于包括导电壁的一个壳体围绕减小横截面的带状电流闭合回路的添加步骤，借此，在操作中，一个电流磁感生在导电壁中，以进一步减小与杂散互连电感有关的电压峰值。
全文摘要
低杂散互连电感功率转换模块,用来把直流电压转换成交流电压。它包括:两个直流电压端子,用来接收直流电压;一个交流电压端子,用来输送交流电压;及一个半桥,包括一对经交流电压端子连接为直流电压端子之间的一系列推拉输出电路的功率切换元件。它还包括一个用来隔离半桥的隔离装置。该隔离装置包括一系列由一种介电材料隔开的、且近似地与半桥以重叠关系延伸的至少两块邻近叠置电极板。邻近电极板的每一块连接到直流端子的不同的一个上。电极板用两个功率切换元件、直流端子和交流端子,形成一个减小横截面的带状电流闭合回路,通过该回路得到一种低杂散互连电感功率转换模块。
文档编号H02M7/00GK1225757SQ97196611
公开日1999年8月11日 申请日期1997年6月25日 优先权日1996年7月22日
发明者布鲁诺·佛朗哥, 皮尔·科图尔 申请人:魁北克水电公司