一种双管并联NPC三电平逆变器的叠层母排及逆变器的制作方法

一种双管并联npc三电平逆变器的叠层母排及逆变器
技术领域
1.本实用新型属于叠层母排技术领域，具体涉及一种双管并联npc三电平逆变器的叠层母排，尤其涉及一种低杂散电感量、大载流量的叠层母排，以及采用该叠层母排连接的逆变器。


背景技术：

2.现有技术中逆变器包括多个可控型半导体器件，由于电路寄生电感的存在，当可控型半导体器件在导通与闭锁之间切换时会在电路上会产生一个瞬时的电压尖峰，如果不能有效的抑制电压尖峰则有可能将可控半导体器件过压击穿导致损坏。在电路内增加突波吸收电容能够有效的吸收瞬时电压尖峰，突波吸收电容安装在尽量靠近可控半导体器件附近的位置上时效果最好。
3.如图1所示，现有的典型二极管钳位三电平逆变器包括4个可控型半导体器件t1、t2、t3、t4，两个钳位二极管d1、d2，和母线支撑电容c1、c2。该逆变器的载流能力受制于可控半导体器件的载流能力大小限制。同时没有突波吸收电容使得其直流母线的电压必须保留更多的安全余量防止电压尖峰将可控半导体器件击穿。
4.专利cn 102882385 b公开了一种用于三电平功率变换器的叠层母排结构以及功率变换器，其采用单个可控半导体器件，载流量有限，无法提供更大的电流，可扩展性不强。该叠层母排主要用于可控半导体器件的电气连接，若要连接突波吸收电容，需要增加额外的母排或连接结构，且突波吸收电容离半导体器件较远，不能有效吸收瞬时电压尖峰，若不增加突波吸收电容，直流母线的电压必须保留更多的安全余量防止电压尖峰将可控半导体器件击穿，降低逆变器电压输出能力。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供了一种双管并联npc三电平逆变器的叠层母排及逆变器，该叠层母排包括与可控半导体器件距离较近的突波吸收电容连接端子、以及并联可控半导体器件的连接位置，采用该叠层母排可以增加逆变器的载流能力，抑制可控半导体器件在导通与关断切换时产生的电压尖峰，提高逆变器的容量。
6.本实用新型实现上述目的采用的技术方案如下：
7.本实用新型提供了一种双管并联npc三电平逆变器的叠层母排，包括四层母排；
8.第一层母排，用于设置安装突波吸收电容的连接端子；
9.第二层、第四层母排，采用镜像设计，用于逆变器上桥臂与p极直流母线或者下桥臂与n极直流母线的电气连接，以及逆变器上、下桥臂内可控半导体器件之间、以及可控半导体器件与钳位二极管之间的电气连接；
10.第三层母排，用于逆变器上、下桥臂与ac交流输出的电气连接，以及两个钳位二极管与o极直流母线的电气连接；
11.所述第二层、第三层、第四层母排上可控半导体器件的连接孔采用两组并联设置。
12.进一步地，所述第一层母排包括第一母排，用于设置安装突波吸收电容的连接端子，以及将连接端子连通到o极直流母线上；
13.所述第二层母排包括第二母排、第三母排，所述第二母排用于逆变器下桥臂与n极直流母线的电气连接，所述第三母排用于逆变器下桥臂可控半导体器件之间、以及可控半导体器件与钳位二极管之间的电气连接；
14.所述第三层母排包括第四母排、第五母排，所述第四母排用于逆变器上、下桥臂与ac交流输出的电气连接，所述第五母排用于两个钳位二极管与o极直流母线的电气连接，以及第一母排与o极直流母线的连接；
15.所述第四层母排包括第六母排、第七母排，所述第六母排用于逆变器上桥臂与p极直流母线的电气连接，所述第七母排用于逆变器上桥臂可控半导体器件之间、以及可控半导体器件与钳位二极管之间的电气连接。
16.进一步地，所述第一母排包括直排、中心与直排一端一体连接的侧排，第一母排关于直排对称设计；
17.所述第二母排、第三母排均为矩形结构，相邻侧边平行于直排长度方向；
18.所述第四母排、第五母排均为矩形结构，相邻侧边垂直于直排长度方向，所述第五母排与第一母排侧排结构相同；
19.所述第六母排、第七母排均为矩形结构，相邻侧边平行于直排长度方向。
20.进一步地，所述第四母排远离第五母排一侧设置ac连接端，所述第二母排、第五母排、第六母排远离第四母排一侧分别设置弯折的n、o、p连接端。
21.进一步地，所述第一母排沿直排长度方向设置六个突波吸收电容的连接端子；所述第二母排、第三母排、第四母排、第六母排、第七母排上的可控半导体器件的连接孔沿直线设置，并平行于第一母排上连接端子所在直线；所述第三母排、第七母排上的钳位二极管的连接孔靠近n、p极直流输入端。
22.进一步地，所述第一母排侧排与第五母排均连通o极直流母线。
23.本实用新型还提供了一种逆变器，包括4个开关模块、2个钳位二极管、2组母线支撑电容和2组突波吸收电容，1组母线支撑电容、1组突波吸收电容并联在p极、o极之间，1组母线支撑电容、1组突波吸收电容并联在o极、n极之间，所述4个开关模块串联后并联在p极、n极之间，所述4个开关模块中点连接ac交流输出，上、下桥臂2个开关模块的中点分别连接一个与o极连接的钳位二极管；每个所述开关模块包括并联的两个可控半导体器件；所述逆变器采用上述所述的叠层母排连接。
24.进一步地，所述2组突波吸收电容的一端连接到叠层母排第一母排的连接端子上，另一端分别连接到第二母排、第六母排上。
25.本实用新型与现有技术相比的有益效果：
26.本实用新型提供的叠层母排可用于双管并联npc三电平逆变器的电气连接，增加逆变器的载流能力；叠层母排上直接设置突波吸收电容连接端子，减小突波吸收电容与可控半导体器件的安装距离，使得可控半导体器件在导通与关断切换时产生的电压尖峰抑制效果最好，提高逆变器的容量。
27.采用本实用新型叠层母排的逆变器，采用并联的可控半导体器件，极大的增加了逆变器的载流能力。同时增加的突波吸收电容可以抑制可控半导体器件在导通与关断切换
时产生的电压尖峰。逆变器可以在更加接近可控半导体器件耐压极限附近运行，提高了逆变器的容量。
附图说明
28.所包括的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本实用新型的实施例，并与文字描述一起来阐释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为典型二极管钳位三电平逆变器拓扑结构示意图；
30.图2为本实用新型具体实施例提供的双管并联的二极管钳位三电平逆变器拓扑结构示意图；
31.图3为图2中的可控半导体器件与钳位二极管布局示意图；
32.图4为本实用新型具体实施例提供的叠层母排组合爆炸图；
33.图5为图4中的第一层母排结构示意图；
34.图6为图4中的第二层母排结构示意图；
35.图7为图4中的第三层母排结构示意图；
36.图8为图4中的第四层母排结构示意图；
37.图9为图4中的叠层母排结构示意图；
38.图10为本实用新型具体实施例提供的叠层母排装配突波吸收电容结构示意图。
具体实施方式
39.下面对本实用新型的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本实用新型。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本实用新型。
40.在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与本实用新型的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。
41.本实用新型提供的一种双管并联npc三电平逆变器的叠层母排，包括四层，第一层母排用于设置安装突波吸收电容的连接端子；第二层、第四层母排采用镜像设计，用于逆变器上桥臂与p极直流母线或者下桥臂与n极直流母线的电气连接，以及逆变器上、下桥臂内可控半导体器件之间、以及可控半导体器件与钳位二极管的电气连接；第三层母排用于逆变器上、下桥臂与ac交流输出的电气连接，以及两个钳位二极管与o极直流母线的电气连接；第二～四层母排上可控半导体器件的连接孔采用两组并联设置。
42.本实用新型提供的叠层母排可用于双管并联npc三电平逆变器的电气连接，增加逆变器的载流能力；叠层母排上直接设置突波吸收电容连接端子，减小突波吸收电容与可控半导体器件的安装距离，使得可控半导体器件在导通与关断切换时产生的电压尖峰抑制效果最好，提高逆变器的容量。
43.本实用新型还提供了采用上述叠层母排的逆变器，包括4个开关模块、2个钳位二极管、2组母线支撑电容和2组突波吸收电容，1组母线支撑电容、1组突波吸收电容并联在p
极、o极之间，1组母线支撑电容、1组突波吸收电容并联在o极、n极之间，4个开关模块串联后并联在p极、n极之间，4个开关模块中点连接ac交流输出，并将4个开关模块分成上、下桥臂，上、下桥臂2个开关模块的中点分别连接一个与o极连接的钳位二极管；每个开关模块包括并联的两个可控半导体器件。
44.本实用新型中提到的可控半导体器件可以为igbt(绝缘栅双极晶体管)、igct(集成门极换流晶体管)、iegt(门极注入增强型晶体管)、power mosfet(电力场效应晶体管)等器件中的一种，作用在于控制电流的导通或关闭。
45.下面结合附图及一个具体实施例对本实用新型的技术方案进行详细阐述。
46.如图2所示，本实用新型提供的双管并联的二极管钳位三电平逆变器拓扑，包括8个可控半导体器件t11、t12、t21、t22、t31、t32、t41、t42，2个钳位二极管d1、d2，2组母线支撑电容c1、c2，和2组突波吸收电容c11、c12。其中，可控半导体器件t11、t12并联构成第一开关模块；可控半导体器件t21、t22并联构成第二开关模块；可控半导体器件t31、t32并联构成第三开关模块；可控半导体器件t41、t42并联构成第四开关模块。并联的可控半导体器件极大的增加了逆变器的载流能力。同时增加的突波吸收电容可以抑制可控半导体器件在导通与关断切换时产生的电压尖峰。逆变器可以在更加接近可控半导体器件耐压极限附近运行，提高了逆变器的容量。
47.如图3所示，为了优化逆变器的电气连接，对逆变器的可控半导体器件和钳位二极管进行布局，第二、第一、第四、第三开关模块依次竖直对齐，每个开关模块的两个可控半导体器件平行对齐，两个钳位二极管分别在同侧对齐第一、第四开关模块，pon三电平直流侧输入设置在靠近钳位二极管的开关模块一侧，ac交流输出设置在远离钳位二极管开关模块另一侧。具体的，可控半导体器件t11和t12的c极连接到了叠层母排的p极；可控半导体器件t41和t42的e极连接到了叠层母排的n极；钳位二极管d1的a极与钳位二极管d2的c极连接到了叠层母排的o极；可控半导体器件t21和t22的e极、可控半导体器件t31和t32的c极连接到了叠层母排的ac极；可控半导体器件t21和t22的c极，与可控半导体器件t11和t12的e极，还有钳位二极管d1的c极连接在一起；可控半导体器件t41和t42的c极，与可控半导体器件t31和t32的e极，还有钳位二极管d2的a极连接在一起。
48.如图4所示，本实用新型提供的叠层母排一共分为四层。第一层包括一块第一母排a1；第二层包括第二母排b1、第三母排b2；第三层包括第四母排c1、第五母排c2；第四层包括第六母排d1、第七母排d2。第二层母排与第四层母排成镜像对称设计。第一母排a1用于设置安装突波吸收电容的连接端子，以及将连接端子连通到o极直流母线上；第二母排b1用于逆变器下桥臂与n极直流母线的电气连接；第三母排b2用于逆变器下桥臂可控半导体器件之间、以及可控半导体器件与钳位二极管的电气连接；第四母排c1用于逆变器上、下桥臂与ac交流输出的电气连接；第五母排c2用于两个钳位二极管与o极直流母线的电气连接，同时也用于第一母排a1与o极直流母线的连接；第六母排d1用于逆变器上桥臂与p极直流母线的电气连接；第七母排d2用于逆变器上桥臂可控半导体器件之间、以及可控半导体器件与钳位二极管的电气连接。
49.如图5所示，第一层第一母排a1包括直排、中心与直排一端一体连接的侧排，第一母排a1关于直排对称设计，整体形成t型结构。直排为窄长条结构，沿直排长度方向设置六个连接端子a1-j2、a1-j3、a1-j4、a1-j5、a1-j6，侧排设置四个连接孔a1-j7、a1-j8、a1-j9、
a1-j10。第一母排a1将连接端子a1-j1、a1-j2、a1-j3、a1-j4、a1-j5、a1-j6通过连接孔a1-j7、a1-j8、a1-j9、a1-j10连接到了第三层第五母排c2的连接孔c2-j1、c2-j2、c2-j3、c2-j4上。同时，第一母排a1与第五母排c2同时连接在了直流母线的o极上。
50.如图6所示，第二层第二母排b1、第三母排b2均为矩形结构，相邻侧边平行于直排长度方向。第二母排b1靠近第三母排b2一侧边沿直线设置六个连接孔b1-j1、b1-j2、b1-j3、b1-j4、b1-j5、b1-j6，一侧设置弯折的n极连接端。第二母排b1通过连接孔b1-j1、b1-j2、b1-j3、b1-j4、b1-j5、b1-j6将第四开关模块可控半导体器件t41、t42的e极连接到了直流母线的n极上。
51.如图6所示，第三母排b2靠近第二母排b1一侧沿直线设置八个连接孔b2-j1、b2-j2、b2-j3、b2-j4、b2-j5、b2-j6、b2-j13、b2-j14，远离第二母排b1一侧沿直线设置六个连接孔b2-j7、b2-j8、b2-j9、b2-j10、b2-j11、b2-j12。第三母排b2通过连接孔b2-j1、b2-j2、b2-j3、b2-j4、b2-j5、b2-j6将第四开关模块可控半导体器件t41、t42的c极连接在一起；同时第三母排b2通过连接孔b2-j7、b2-j8、b2-j9、b2-j10、b2-j11、b2-j12将第三开关模块可控半导体器件t31、t32的e极连接在一起；同时第三母排b2通过连接孔b2-j13、b2-j14将钳位二极管d2的a极连接在一起。
52.如图7所示，第三层第四母排c1、第五母排c2均为矩形结构，相邻侧边垂直于直排长度方向。第四母排c1沿直排长度方向两侧边，分别沿直线设置六个连接孔c1-j1、c1-j2、c1-j3、c1-j4、c1-j5、c1-j6、c1-j7、c1-j8、c1-j9、c1-j10、c1-j11、c1-j12，远离第五母排c2一侧设置ac连接端。第四母排c1通过连接孔c1-j1、c1-j2、c1-j3、c1-j4、c1-j5、c1-j6将第二开关模块可控半导体器件t21和t22的e极与交流输出ac极连接在一起；同时c1通过连接孔c1-j7、c1-j8、c1-j9、c1-j10、c1-j11、c1-j12将第三开关模块可控半导体器件t31、t32的c极与交流输出ac极连接在一起。
53.如图7所示，第五母排c2与第一母排a1侧排对齐，设置对应的四个连接孔c2-j1、c2-j2和c2-j3、c2-j4，并在远离第四母排c1一侧设置弯折的o极连接端。第五母排c2通过连接孔c2-j1、c2-j2和c2-j3、c2-j4分别将钳位二极管d1的a极和钳位二极管d2的c极连接在直流母线的o极上。
54.如图8所示，第四层第六母排d1、第七母排d2均为矩形结构，相邻侧边平行于直排长度方向。第六母排d1靠近第七母排d2一侧沿直线设置六个连接孔d1-j1、d1-j2、d1-j3、d1-j4、d1-j5、d1-j6，一侧设置弯折的p极连接端。第六母排d1通过连接孔d1-j1、d1-j2、d1-j3、d1-j4、d1-j5、d1-j6将第一开关模块可控半导体器件t11和t12的c极与直流母线的p极连接在一起。
55.如图8所示，第七母排d2靠近第六母排d1一侧沿直线设置八个连接孔d2-j1、d2-j2、d2-j3、d2-j4、d2-j5、d2-j6、d2-j13、d2-j14，远离第六母排d1一侧沿直线设置六个连接孔d2-j7、d2-j8、d2-j9、d2-j10、d2-j11、d2-j12。第七母排d2通过连接端子d2-j1、d2-j2、d2-j3、d2-j4、d2-j5、d2-j6将第一开关模块可控半导体器件t11和t12的e极连接在一起；同时第七母排d2通过d2-j7、d2-j8、d2-j9、d2-j10、d2-j11、d2-j12将第二开关模块可控半导体器件t21、t22的c极连接在一起；同时第七母排d2通过d2-j13、d2-j14将钳位二极管d1的c极连接在一起。
56.如图9所示，叠层母排整体上下对称，右侧为p、o、n三电平直流侧输入，左侧中心为
ac交流输出。第一母排a1上连接端子所在直线，与第二母排b1、第三母排b2、第四母排c1、第六母排d1、第七母排d2上的可控半导体器件连接孔所在直线平行设置。每块母排连接孔、连接通孔(连接通孔用于连接导体无接触通过)前后匹配对齐。
57.如图10所示，叠层母排连接端子上安装两组突波吸收电容，一组6个突波吸收电容c11-1、c11-2、c11-3、c11-4、c11-5、c11-6一端分别连接在了第一层第一母排a1的a1-j1、a1-j2、a1-j3、a1-j4、a1-j5、a1-j6的连接端子上；同时这6个突波吸收电容的另一端分别连接在了第四层第六母排d1的d1-j1、d1-j2、d1-j3、d1-j4、d1-j5、d1-j6的连接孔内的连接端子上。另一组6个突波吸收电容c12-1、c12-2、c12-3、c12-4、c12-5、c12-6的一端分别连接在了第一层第一母排a1的a1-j1、a1-j2、a1-j3、a1-j4、a1-j5、a1-j6的连接端子上；同时这6个突波吸收电容的另一端分别连接在了第二层第二母排b1的b1-j1、b1-j2、b1-j3、b1-j4、b1-j5、b1-j6的连接孔内的连接端子上。
58.该实施例中，叠层母排工作过程中电流的流向如下：
59.(1)p电平工作时，t11、t12、t21、t22都处于开通状态，t31、t32、t41、t42处于关闭状态。
60.此时从叠成母排流出的电流路径为：
61.从直流母线端子p开始，经过第六母排d1流向t11和t12的c极；从t11和t12的e极流出后，经过第七母排d2流向t21和t22的c极；从t21和t22的e极流出后，经过第四母排c1流向输出端子ac后流出叠成母排。
62.此时从叠成母排流入电流的路径为：
63.从输出端子ac开始，经过第四母排c1流向t21和t22的e极，经过t21和t22内部的续流二极管后从t21和t22的c极流出后；经过第七母排d2流向t11和t12的e极；经过t11和t12内部的续流二极管后从t11和t12的e极流出后；经过第六母排d1流向直流母线端子p。
64.(2)o电平工作时，t21、t22、t31、t32处于开通状态，t11、t12、t41、t42处于关闭状态。
65.此时从叠成母排流出的电流路径为：
66.从直流母线端子o开始，经过第五母排c2流向钳位二极管d1的a极；从钳位二极管d1的c极流出后，经过第七母排d2流向t21和t22的c极；从t21和t22的e极流出后，通过第四母排c1流向输出端子ac后流出叠成母排。
67.此时从叠成母排流入电流的路径为：
68.从输出端子ac开始，经过第四母排c1流向t31和t32的c极；从t31和t32的e极流出后，通过第三母排b2流向钳位二极管d2的a极；从钳位二极管d2的c极流出后，经过第五母排c2流向直流母线端子o。
69.(3)n电平工作时，t31、t32、t41、t42都处于开通状态，t11、t12、t21、t22处于关闭状态。
70.此时从叠成母排流出的电流路径为：
71.从直流母线端子n开始，经过第二母排b1流向t41和t42的e极，经过t41和t42内部的续流二极管后从t41和t42的c极流出后；经过第三母排b2流向t31和t32的e极；经过t31和t32内部的续流二极管后从t31和t32的e极流出后；经过第四母排c1流向端子ac后流出叠成母排。
72.此时从叠成母排流入电流的路径为：
73.从输出端子ac开始，经过第四母排c1流向t31和t32的c极；从t31和t32的e极流出后，经过第三母排b2流向t41和t42的c极；从t41和t42的e极流出后，经过第二母排b1流向直流母线端子n。
74.上述实施例中，由于三电平逆变器的叠层母排，p极(母排d1)与n极(母排b1)之间的电压是p极与o极(母排c2)或者o极与n极之间的两倍，在p极与n极之间放置o极可有效增加p极与n之间的距离，降低叠层母排的对耐压等级的需求。
75.上述实施例中，用于做突波吸收电容连接的第一母排a1放置于第一层便于突波吸收电容的安装。由于可控半导体器件是产生电压尖峰的源头，越靠近源头安装突波吸收电容，对电压尖峰抑制的效果越好。第一母排a1为安装突波吸收电容提供了尽可能靠近可控半导体器件的安装位置，因此能够达到最佳的电压尖峰抑制效果。
76.上述实施例中，叠成母排为8个可控半导体器件和两个钳位二极管提供了电气连接关系，同时叠层母排选择了最紧凑的布局方式。如图3所示，将长方形的可控型半导体器排列成了4排两列的布局，将外形较小的钳位二极管布置在了两列右侧的中间的位置。这样的布局方式将总共10个器件以最紧密的方式排列，提高了结构整体的紧凑都，减小了叠成母排的面接，节省了叠成母排在逆变器内所占用的空间。
77.本实用新型提供的逆变器，在原有二极管钳位三电平逆变器拓扑的基础上，每个可控半导体器件的位置上放置两个并联的igbt，极大的增加了逆变器的通流能力，使其在耐压能力不变的情况下通流能力增加了一倍。同时，通过叠层母排，在最靠近igbt的位置增加突波吸收电容，抵消了电流回路里寄生电感导致电压尖峰的影响，igbt可以在更加接近理论耐压值的电压下运行，提高了变流器的输出电压和功率密度。
78.如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
79.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
80.这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本实用新型的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
81.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
82.本实用新型未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。