三电平整流器的制造方法
【专利摘要】本公开提供了一种三电平整流器。该三电平整流器包括至少一相桥臂，其包括上半桥臂电路模块与下半桥臂电路模块。上半桥臂电路模块包括第一功率半导体开关单元与串联的第一、第二二极管单元，第一二极管单元连接直流母线的正极端。下半桥臂电路模块包括第二功率半导体开关单元与串联的第三、第四二极管单元，第一功率半导体开关单元与第二功率半导体开关单元连接至电容单元的中性点，第二二极管单元与第三二极管单元连接至一交流接线端，第四二极管单元连接直流母线的负极端，上半桥臂电路模块与下半桥臂电路模块并列面对面放置。
【专利说明】三电平整流器【技术领域】
[0001]本发明涉及一种整流器，且特别涉及一种三电平整流器。
【背景技术】
[0002]中高压变频器在大型矿业生产、石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、轧钢机等领域得到了广泛的应用，收到了显著的节能效果。
[0003]整流单元是中高压变频器的重要组成部分。二极管不控整流具有结构简单可靠且成本低的优点，但其入网谐波较大，虽可采用移相变压改善谐波，但大大增加了系统成本；三电平技术有效降低了开关器件的电压应力，改善系统谐波与电磁干扰(Electro-Magnetic Interference, EMI),但半导体开关器件的增加使控制更加复杂。
[0004]功率半导体器件如绝缘栅双极性晶体管(Insulate Gate Bipolar Transistor,IGBT)在中高压变频器领域有着广泛的应用。但目前高压功率半导体器件电压等级有限，且电压等级越高成本越高，开关性能较差。
[0005]基于低压功率半导体器件(如；IGBT)直接串联的传统整流器能有效地解决上述问题，但由于功率、电压等级较高，需要较多的功率半导体开关模块和功率二极管模块串联以构成传统整流器的每相桥臂，将导致桥臂体积较大，安装维护困难，同时较大换流回路的杂散电感恶化了开关器件的电压应力与系统的电磁干扰(EMI)。
【发明内容】
[0006]本发明提出一种高功率密度、高可靠性、杂散电感小、安装与维护方便的适用于低压功率半导体器件串联的三电平整流器。
[0007]本发明所提供的三电平整流器包括至少一相桥臂，其包括上半桥臂电路模块与下半桥臂电路模块。上半桥臂电路模块包括第一功率半导体开关单元、第一二极管单元、第二二极管单元、第一连接母排、第一绝缘导线与第一转接母排，第一二极管单元串联第二二极管单元，第一二极管单元连接直流母线的正极端，第一连接母排连接第一功率半导体开关单元与第一二极管单元，第一转接母排连接第二二极管单元，第一绝缘导线连接至第一转接母排和第一连接母排。下半桥臂电路模块包括第二功率半导体开关单元、第三二极管单元、第四二极管单元、第二连接母排、第二绝缘导线与第二转接母排，第三二极管单元串联第四二极管单元，第一功率半导体开关单元与第二功率半导体开关单元连接至电容单元的中性点，第二二极管单元与第三二极管单元连接至一交流接线端，第四二极管单元连接直流母线的负极端，电容单元连接于直流母线的正极端与负极端之间，第二连接母排连接第二功率半导体开关单元与第四二极管单元，第二转接母排连接第三二极管单元，第二绝缘导线连接第二连接母排和第二转接母排，上半桥臂电路模块与下半桥臂电路模块并列面对面放置。
[0008]于一实施例中，第一、第二功率半导体开关单元中每一个包括多个功率半导体开关模块与多条串联母排，功率半导体开关模块是经由串联母排而串联，这些功率半导体开关模块内具有多个功率半导体开关。
[0009]于一实施例中，第一、第二、第三、第四二极管单元中每一个包括多个二极管模块与多条串联母排，二极管模块是经由串联母排而串联，这些二极管模块内具有多个二极管。
[0010]于一实施例中，第一二极管单元面对第四二极管单元，第一功率半导体开关单元面对第二功率半导体开关单元，第二二极管单元面对第三二极管单元。
[0011]于一实施例中，第一二极管单元、第一功率半导体开关单元、第二二极管单元呈一直线排列，第一功率半导体开关单元位于第一二极管单元与第二二极管单元之间；第四二极管单元、第二功率半导体开关单元、第三二极管单元呈一直线排列，第二功率半导体开关单元位于第四二极管单元与第三二极管单元之间。
[0012]于一实施例中，上半桥臂电路模块还包括一直流母线正极导体，连接第一二极管单元至直流母线的正极端。
[0013]于一实施例中，上半桥臂电路模块还包括一第一交流连接母排，连接第二二极管单元至交流接线端。
[0014]于一实施例中，上半桥臂电路模块还包括一第一中性点连接母排，连接第一功率半导体开关单元与电容单元的中性点。
[0015]于一实施例中，上半桥臂电路模块还包括绝缘板材，设置于第一功率半导体开关单元与第一二极管单元上，且第一中性点连接母排设置于绝缘板材上。
[0016]于一实施例中，下半桥臂电路模块还包括一直流母线负极导体，连接第四二极管单元至直流母线的负极端。
[0017]于一实施例中，下半桥臂电路模块还包括一第二交流连接母排，连接第三二极管单元至交流接线端。
[0018]于一实施例中，下半桥臂电路模块还包括一第二中性点连接母排，连接第二功率半导体开关单元与电容单元的中性点。
[0019]于一实施例中，下半桥臂电路模块还包括绝缘板材，设置于第二功率半导体开关单元与第四二极管单元上，且第二中性点连接母排设置于绝缘板材上。
[0020]综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。藉由上述技术方案，可达到相当的技术进步，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优
占-
^ \\\.[0021 ] 1.以半个桥臂电路为一个模块进行了模块化设计，且上半桥臂电路和下半桥臂电路并列面对面放置，使得整流器的换流回路较小，杂散电感较小，结构紧凑，安装与更换方便以及生产成本低等；
[0022]2.连接部分是由母排(由导电导体材料制成，例如:铜排、铝排)与绝缘导线(如:绝缘电缆)混合组成，区别于其他产品的连接部分全部由母排组成的连接方式。此连接方式，可以有效地解决系统连线过程中因为高压而导致的局部放电问题。
[0023]以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本发明的技术方案提供更进一步的解释。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，说明书附图的说明如下:
[0025]图1是一种三电平整流器电路的原理图(单相)；
[0026]图2是图1的三电平整流器的换流回路；
[0027]图3是依照本发明一实施例的一种功率半导体开关串联、二极管串联电路的原理图；
[0028]图4是依照本发明一实施例的一种功率半导体开关单元的结构图；。
[0029]图5是依照本发明一实施例的一种二极管单元的结构图；
[0030]图6A、6B是依照本发明一实施例的一种上半桥臂电路结构布局图及其连接线；
[0031]图7A、7B是依照本发明一实施例的一种下半桥臂电路结构图布局及其连接线；
[0032]图8是依照本发明一实施例的一种三电平整流器单相桥臂的结构图。
[0033]附图标记说明:
[0034]DC+:直流母线的正极端
[0035]DC-:直流母线的负极端
[0036]N:电容单元的中性点
[0037]AC_in:交流接线端
[0038]Dl:第一二极管单元
[0039]D2:第二二极管单元
[0040]D3:第三二极管单元
[0041]D4:第四二极管单元
[0042]S1:第一功率半导体开关单元
[0043]S2:第二功率半导体开关单元
[0044]1:第一交流连接母排
[0045]2:第二交流连接母排
[0046]3:直流母线正极导体
[0047]4:直流母线负极导体
[0048]5:第一中性点连接母排
[0049]6:第二中性点连接母排
[0050]7、8、13、17:串联母排
[0051]9:第一转接母排
[0052]10、18: 二极管模块
[0053]11、12、16:散热器
[0054]14:第一绝缘导线
[0055]14’:第二绝缘导线
[0056]15:功率半导体开关模块
[0057]19:第一连接母排
[0058]19’:第二连接母排
[0059]21:第二转接母排
[0060]20、20’:绝缘板材
[0061]30:电容单元[0062]31:功率半导体开关
[0063]33: 二极管
【具体实施方式】
[0064]为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的图式及以下该各种实施例，图式中相同的号码代表相同或相似的元件。另一方面，众所周知的元件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。
[0065]本发明的技术态样是一种三电平整流器，其可应用在变频器，或是广泛地运用在相关的技术环节，以下将搭配图1?图7B来说明该三电平整流器单相桥臂的器件布局及连接方式。
[0066]图1是三电平整流器电路原理图(单相)。于图1中，三电平整流器包括第一二极管单元D1、第二二极管单元D2、第三二极管单元D3、第四二极管单D4、第一功率半导体开关单元SI与第二功率半导体开关单元S2。在结构上，第一二极管单元Dl串联第二二极管单元D2，第一功率半导体开关单元SI电性连接第一二极管单元Dl与第二二极管单元D2 ;第三二极管单元D3串联第四二极管单元D4，第二功率半导体开关单元S2电性连接第三二极管单元D3与第四二极管单元D4，第一功率半导体开关单元SI与第二功率半导体开关单元S2连接至电容单元30的中性点N，第二二极管单元D2与第三二极管单元D3连接至交流接线端AC_in，第一二极管单元Dl连接直流母线的正极端DC+，第四二极管单元D4连接直流母线的负极端DC-。在运行时，图2示意了三电平的换流回路。需要特别说明的是，三电平整流器的换流回路有很多种，图2只是示意性的示出了其中的一种。关于该三电平整流器的换流回路为该【技术领域】中技术人员所熟知的技术，且非本发明所欲保护的范围，于此不再赘述。
[0067]图3是依照本发明一实施例的一种功率半导体开关串联、二极管串联电路原理图。如图3所示，每个功率半导体开关单元是由数个功率半导体开关31串联而成(图3中以6个为例)。每个二极管单元包括数个串联的二极管,需要说明的是,第一二极管单元D1、第二二极管单元D2、第三二极管单元D3与第四二极管单元D4的架构实质上相同且均集成了数个串联的二极管33。
[0068]承上所述的功率半导体开关单元S1、S2，其具体结构如图4所示，功率半导体开关单元包括数个功率半导体开关模块15(图4中以3个为例)与数条串联母排13，功率半导体开关模块15是经由串联母排13而串联，本实施例所采用的每个功率半导体开关模块15内部集成了两个串联的功率半导体开关，换言之，每一功率半导体开关单元中所有的功率半导体开关模块15内共具有六个串联的功率半导体开关31。该些功率半导体开关主要指全控型器件，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，但不以此为限。需要指出的是，母排，即由导电导体材料制成，例如，铜、铝，本文以下内容将以母排为例进行说明。另外，功率半导体开关模块15安装于散热器12上。
[0069]承上所述的第一、第二、第三与第四二极管单元Dl、D2、D3与D4，其中任一者的具体结构如图5所示，于第一、第二、第三或第四二极管单元中，二极管模块18是经由串联母排17而串联，并安装于散热器16上，每一二极管模块18集成了两个串联的二极管，换言之，每一二极管单元中所有的二极管模块18内共具有六个串联二极管33 (绘示于图3)。[0070]应了解到，虽然上述是以六个元器件串联为例，但此并不限制本发明，实际操作中，本领域内的技术人员可以视需要弹性调整元器件的数量。
[0071]于一实施例中，整个桥臂的设计结构如图8所示，其中上半桥臂的结构如图6A、图6B所示，上半桥臂电路模块包括第一二极管单元Dl、第二二极管单元D2与第一功率半导体开关单元SI。下半桥臂的结构如图7A、图7B所示，下半桥臂电路模块包括第三二极管单元D3、第四二极管单元D4与第二功率半导体开关单元S2。
[0072]在结构设计上，第二二极管单元D2位于上半桥臂上部，第一功率半导体开关单元SI位于上半桥臂中部，第一二极管单元Dl位于上半桥臂下部；第四二极管单元D4的位置与Dl相对应且位于下半桥臂下部，第二功率半导体开关单元S2与SI相对应且位于下半桥臂中部，第三二极管单元D3的位置与D2相对应且位于下半桥臂上部。上半桥臂电路模块与下半桥臂电路模块并列面对面放置，基本成镜像关系，整体成U型结构。
[0073]具体而言，整个桥臂如图8所示，第一二极管单元Dl面对第四二极管单元D4，第一功率半导体开关单元SI面对第二功率半导体开关单元S2，第二二极管单元D2面对第三二极管单元D3。上半桥臂电路模块如图6A、图6B所示，第一功率半导体开关单元SI位于第一二极管单元Dl与第二二极管单元D2之间，且第一二极管单元D1、第一功率半导体开关单元SI与第二二极管单元D2三者呈一直线排列；相似地，下半桥臂电路模块如图7A、图7B所示，第二功率半导体开关单元S2位于第三二极管单元D3与第四二极管单元D4之间，且第四二极管单元D4、第二功率半导体开关单元S2与第三二极管单元D3三者呈一直线排列。
[0074]综合以上，本发明提出一种创新的三电平整流器的器件布局。本布局方式的特点:以半个桥臂为一个模块进行了模块化设计，且上半桥臂电路和下半桥臂电路并列面对面放置，使得安装与更换方便，结构紧凑，整流器换流回路较小，杂散电感较小。
[0075]本发明结构的另一特点为其连接线方式。于一实施例中，图6A、图6B描述了三电平单相桥臂中上半桥臂的连接方式。具体而言，于图6A中绘示第一层结构，第一连接母排19连接第一功率半导体开关单元SI与第一二极管单元D1，第一转接母排9连接第二二极管单元D2，第一绝缘导线(如:耐局部放电绝缘导线)14连接至第一转接母排9和第一连接母排19，直流母线正极导体3连接第一二极管单元Dl至直流母线的正极端DC+(绘示于图1)，第一交流连接母排I连接第二二极管单元D2至交流接线端AC_in (绘示于图1)。于图6B中绘示第二层结构，第一中性点连接母排5连接第一功率半导体开关单元SI与电容单元的中性点N(绘示于图1)，绝缘板材20设置于第一功率半导体开关单元SI与第一二极管单元Dl上，且第一中性点连接母排5设置于绝缘板材20上，因此，第一中性点连接母排5与上半桥臂其他导体之间绝缘。
[0076]于一实施例中，下半桥臂的连接方式如图7A、7B所示。具体而言，于图7A中绘示第一层结构，第二连接母排19’连接第二功率半导体开关单元S2与第四二极管单元D4，第二转接母排21连接第三二极管单元D3，第二绝缘导线14’连接第二连接母排19’和第二转接母排21，直流母线负极导体4连接第四二极管单元D4至直流母线的负极端DC-(绘示于图1)，第二交流连接母排2连接第三二极管单元D3至交流接线端AC_in (绘示于图1)。于图7B中绘示第二层结构，第二中性点连接母排6连接第二功率半导体开关单元S2与电容单元的中性点N(绘示于图1)，绝缘板材20’设置于第二功率半导体开关单元S2与第四二极管单元D4上，且第二中性点连接母排6设置于绝缘板材20’上，因此，第二中性点连接母排6与下半桥臂其他导体之间绝缘。
[0077]整体而言，单相桥臂如图8所示，上半桥臂电路模块包括第二二极管单元D2、第一二极管单元Dl与第一功率半导体开关单元SI，依序分别连接第一交流连接母排1、直流母线正极导体3与第一中性点连接母排5，其中第一交流连接母排I用于电性连接至交流接线端AC_in (绘示于图1)，直流母线正极导体3用于电性连接至直流母线的正极端DC+(绘示于图1)，第一中性点连接母排5用于电性连接至电容单元的中性点N(绘示于图1)。下半桥臂电路模块包括第三二极管单元D3、第四二极管单元D4与第二功率半导体开关单元S2，依序分别连接第二交流连接母排2、直流母线负极导体4与第二中性点连接母排6，其中第二交流连接母排2用于电性连接至交流接线端AC_in (绘示于图1)，直流母线负极导体4用于电性连接至直流母线的负极端DC-(绘示于图1)，第二中性点连接母排6用于电性连接至电容单元的中性点N(绘示于图1)。
[0078]综合以上，本连接方式的特点:连接部分是由连接母排(如:铜排)与绝缘导线混合组成，区别于其他产品与专利的全部由母排组成的连接方式。此连接方式，可以有效地解决系统连线过程中因为高压而导致的局部放电问题，半桥臂连接母排仅两层，结构简单、成本较低。
[0079]虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并不用以限定本发明，任何本领域内的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求的界定为准。
【权利要求】
1.一种三电平整流器，其特征在于，包括至少一相桥臂，该至少一相桥臂包括: 上半桥臂电路模块，包括第一功率半导体开关单元、第一二极管单元、第二二极管单元、第一连接母排、第一绝缘导线与第一转接母排，该第一二极管单元串联该第二二极管单元，该第一二极管单元连接直流母线的正极端，该第一连接母排连接该第一功率半导体开关单元与该第一二极管单元，该第一转接母排连接该第二二极管单元，该第一绝缘导线连接至该第一转接母排和该第一连接母排；以及 下半桥臂电路模块，包括第二功率半导体开关单元、第三二极管单元、第四二极管单元、第二连接母排、第二绝缘导线与第二转接母排，该第三二极管单元串联该第四二极管单元，该第一功率半导体开关单元与该第二功率半导体开关单元连接至电容单元的中性点，该第二二极管单元与该第三二极管单元连接至一交流接线端，该第四二极管单元连接直流母线的负极端，该电容单元连接于该直流母线的正极端与负极端之间，该第二连接母排连接该第二功率半导体开关单元与该第四二极管单元，该第二转接母排连接该第三二极管单元，该第二绝缘导线连接该第二连接母排和该第二转接母排，该上半桥臂电路模块与该下半桥臂电路模块并列面对面放置。
2.如权利要求1所述的三电平整流器，其特征在于，该第一、第二功率半导体开关单元中每一个包括多个功率半导体开关模块与多条串联母排，该些功率半导体开关模块是经由该些串联母排而串联，该些功率半导体开关模块内具有多个功率半导体开关。
3.如权利要求1所述的三电平整流器，其特征在于，该第一、第二、第三、第四二极管单元中每一个包括多个二极管模块与多条串联母排，该些二极管模块是经由该些串联母排而串联，该些二极管模块内具有多个二极管。
4.如权利要求1所述的三电平整流器，其特征在于，该第一二极管单元面对该第四二极管单元，该第一功率半导体开关单元面对该第二功率半导体开关单元，该第二二极管单元面对该第三二极管单元。
5.如权利要求1所述的三电平整流器，其特征在于，该第一二极管单元、该第一功率半导体开关单元、该第二二极管单元呈一直线排列，该第一功率半导体开关单元位于该第一二极管单元与该第二二极管单元之间；该第四二极管单元、该第二功率半导体开关单元、该第三二极管单元呈一直线排列，该第二功率半导体开关单元位于该第四二极管单元与该第三二极管单元之间。
6.如权利要求1所述的三电平整流器，其特征在于，该上半桥臂电路模块还包括一直流母线正极导体，连接该第一二极管单元至该直流母线的正极端。
7.如权利要求1所述的三电平整流器，其特征在于，该上半桥臂电路模块还包括一第一交流连接母排，连接第二二极管单元至该交流接线端。
8.如权利要求1所述的三电平整流器，其特征在于，该上半桥臂电路模块还包括一第一中性点连接母排，连接该第一功率半导体开关单元与该电容单元的中性点。
9.如权利要求8所述的三电平整流器，其特征在于，该上半桥臂电路模块还包括绝缘板材，设置于该第一功率半导体开关单元与该第一二极管单元上，且该第一中性点连接母排设置于该绝缘板材上。
10.如权利要求1所述的三电平整流器，其特征在于，该下半桥臂电路模块还包括一直流母线负极导体，连接该第四二极管单元至该直流母线的负极端。
11.如权利要求1所述的三电平整流器，其特征在于，该下半桥臂电路模块还包括一第二交流连接母排，连接第三二极管单元至该交流接线端。
12.如权利要求1所述的三电平整流器，其特征在于，该下半桥臂电路模块还包括一第二中性点连接母排，连接该第二功率半导体开关单元与该电容单元的中性点。
13.如权利要求12所述的三电平整流器，其特征在于，该下半桥臂电路模块还包括绝缘板材，设置于该第二功率半导体开关单元与该第四二极管单元上，且该第二中性点连接母排设置于该 绝缘板材上。
【文档编号】H02M7/219GK103986354SQ201410222309
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】黄建刚, 张兵, 陶洋洋, 文森林, 乔理峰, 甘鸿坚, 应建平 申请人:台达电子企业管理（上海）有限公司