三电平功率变换器及其功率单元的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三电平功率变换器及其功率单元。
【背景技术】
[0002]图1示出三电平功率变换器的一功率单元的三电平电路拓扑图。S1, S2，S3，S4为可控型功率半导体开关器件，FffD1, FffD2, FffD3, FffD4为续流二极管，D1, D2为钳位二极管，C1, C2分别为直流母线电容。定义正常工作时直流母线电容C2的电压为V2，直流母线电容C3的电压为V2，即S1, S2, S3, S4, FffD1, FffD2, FffD3, FffD4, D1, D2所承受的最大稳态电压为V2，为了保证正常工作一般选择额定电压为2*V2左右的半导体器件。同时输出或输入的交流电压为0，V2或者2*V2。可以看到，如果采用相同的功率半导体开关器件，三电平电路拓扑理论上可以使系统电压升高一倍，使输出功率或输入功率提高一倍，同时输出或输入电流波形的谐波含量减少。目前市场上能够见到的适用于690V两电平低压风电变流器的功率半导体开关器件，如IGBT的额定电流最大为3600A单管，输出功率不超过2.5MW，所以变流器厂商一般采用I?1.5MW功率半导体开关器件并联以达到5?6MW额定输出，这样做势必会增加变流器结构成本，线缆成本的比重，降低功率密度。同时超大功率IGBT的价格和性能也不及常用IGBT具有优势。如果采用中高压变流技术将系统电压提高至1140V，甚至采用多电平技术、级联技术或者串联技术等将系统电压提高至3.3kV，6kV或者10kV，变流器便可以使用性价比更高的功率半导体开关器件，减少变流器结构，线缆以及滤波器的成本。近几年，高压化、大功率化已经被业内广泛接受，是今后发展的趋势。
[0003]图2A至图2D分别示出了具有二极管钳位的三电平功率变换器的功率单元中存在的四种换流回路的二电平电路拓扑图。
[0004]参考图2A，换流回路Loop1经由直流母线电容C1、可控型功率半导体开关器件S1'钳位二极管D1以及这些器件之间的连接导体至AC端，如2A中的虚线及箭头所示。由于可控型功率半导体开关器件S1从导通到关断过程中流经可控型功率半导体开关器件S1的电流减小而流经钳位二极管D1的电流增大，因此在寄生电感上感应出的电压会施加在可控型功率半导体开关器件S1上，从而增大可控型功率半导体开关器件S1的电气应力。
[0005]参考图2B，换流回路Loop2从AC端经由直流母线电容C1、续流二极管FWD1' FffD2,可控型功率半导体开关器件S3、钳位二极管D2以及这些器件之间的连接导体，如图2B中的虚线及箭头所示。由于可控功率型半导体开关器件S3从导通到关断过程中流经可控型功率半导体开关器件S3、钳位二极管D2的电流减小而流经续流二极管FWD1、续流二极管FWD2的电流增大，因此在寄生电感上感应出的电压会施加在可控型功率半导体开关器件S3上，从而增大可控型功率半导体开关器件S3的电气应力。
[0006]参考图2C，换流回路Loop3从AC端经由直流母线电容C2、可控型功率半导体开关器件S4、钳位二极管D2以这些器件及之间的连接导体，如图2C中的虚线及箭头所示。由于可控型功率半导体开关器件S4从导通到关断时流经可控型功率半导体开关器件S4的电流减小而流经钳位二极管D2的电流增大，因此在寄生电感上感应出的电压会施加在可控型功率半导体开关器件S4上，从而增大可控型功率半导体开关器件S4的电气应力。
[0007]参考图2D，当可控型功率半导体开关器件S2从导通到关断时，换流回路Loop4经由直流母线电容C2、可控型功率半导体开关器件S2、续流二极管FWD3、FWD4、钳位二极管D1以及这些器件之间的连接导体至AC端，如图2D中的虚线及箭头所示。由于可控型功率半导体开关器件S2从导通到关断时流经可控型功率半导体开关器件S2、钳位二极管D1的电流减小而流经续流二极管FWD3、FffD4的电流增大，因此在寄生电感上感应出的电压会施加在可控型功率半导体开关器件S2上，从而增大了可控型功率半导体器件S2的电气应力。
[0008]由此可以看出，在三电平功率变换器中，可控型半导体器件状态切换时由在寄生电感上感应出的电压会增大可控型半导体器件的电气应力，从而影响可控型半导体器件的性能并可能造成可控型半导体器件的损坏，同时也会提高对可控型功率半导体开关器件的性能需求，从而增加制造成本。可通过降低功率变换器的寄生电感来消除上述这种不利影响。
[0009]图3A至图3C示出传统的三电平功率变换器的一个功率单元中具有钳位电路的三电平电路拓扑结构图，即在半导体开关器件两侧并联钳位(Snubber)电路。典型的拓扑结构有R拓扑结构、RC拓扑结构和RCD拓扑结构等。在可控型功率半导体开关器件Sa关断时，寄生电感上的能量会被钳位电路中的储能元件吸收，从而减小了此时Sa两侧的电压。这种方法简单有效。但是，在可控型功率半导体开关器件Sa下次开通时，之前吸收的能量会通过可控型功率半导体开关器件Sa释放，给可控型功率半导体开关器件带来了额外的开通损耗，使可控型功率半导体开关器件的动态性能恶化。另外，钳位电路也有悖于提高功率密度并降低成本的发展方向。
[0010]在所述【背景技术】部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种能降低寄生电感的功率单元，以及具有本发明功率单元的三电平功率变换器。
[0012]本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
[0013]根据本发明的一个方面，一种功率单元，包括功率开关模块和叠层母排结构，所述功率开关模块包括:
[0014]第一功率半导体开关模块，其包含第一端、第二端和第三端；
[0015]钳位二极管模块，包含第一端、第二端和第三端；
[0016]第二功率半导体开关模块，包含第一端、第二端和第三端；
[0017]其中，所述叠层母排结构包括叠至于所述功率开关模块上方的第三层母排、第二层母排和第一层母排，其中:
[0018]所述第一层母排与所述钳位二极管模块的第三端电气连接；
[0019]所述第二层母排分别与所述第一功率半导体开关模块的第二端和第二功率半导体开关模块的第一端电气连接；
[0020]所述第三层母排，包含第一子母排、第二子母排、第三子母排和第四子母排；
[0021]所述第一子母排与所述第一功率半导体开关模块的第一端电气连接；
[0022]所述第二子母排分别与所述第一功率半导体开关模块的第三端、所述钳位二极管模块的第一端进行电气连接；
[0023]所述第三子母排与所述钳位二极管模块的第二端、所述第二功率半导体开关模块的第三端进行电气连接；以及
[0024]所述第四子母排与所述第二功率半导体开关模块的第二端进行电气连接。
[0025]根据本发明的另一个方面，一种三电平功率变换器，包含多个本发明所述的功率单元，并且每一所述功率单元的叠层母排结构的第一连接端子之间、第二连接端子之间以及第三连接端子之间各自通过导体互连。
[0026]由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于:
[0027]本发明中的叠层母排结构中，三层母排以层叠层的方式布置，结构紧凑，安装方便，且这种布置方式可使得流过三层母排中的电流对称且方向相反，有效地减小功率单元及三电平功率变换器中的寄生电感，从而降低功率开关模块的电压应力。
【附图说明】
[0028]通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
[0029]图1示出三电平功率变换器的一功率单元的三电平电路拓扑结构图；
[0030]图2A至图2D分别示出了具有二极管钳位的三电平功率变换器的一功率单元中存在的四种换流回路的三电平电路拓扑结构图；
[0031]图3A至图3C示出传统的三电平功率变换器的一个功率单元中具有钳位电路的三电平电路拓扑结构图；
[0032]图4A为根据本发明第一实施方式的功率单元的电路拓扑结构图；
[0033]图4B为根据本发明第一实施方式的功率单元的功率开关模块的立体结构示意图；
[0034]图5A为根据本发明第一实施方式的功率单元中的功率开关模块与叠层母排结构之间关系的立体结构示意图；
[0035]图5B为根据本发明第一实施方式的功率单元中的功率开关模块与叠层母排结构之间关系的立体分解结构示意图；
[0036]图5C为根据本发明第一实施方式的功率单元中的第一层母排的结构示意图；
[0037]图6A示出了根据本发明第一实施方式的功率单元中换流回路I的分布的示意图；
[0038]图6B示出了根据本发明第一实施方式的功率单元中换流回路2的分布的示意图；
[0039]图6C示出了根据本发明第一实施方式的功率单元中换流回路3的分布的示意图；
[0040]图6D示出了根据本发明第一实施方式的功率单元中换流回路4的分布的示意图；
[0041]图7示出了根据本发明第二实施方式的功率单元分解结构示意图；
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