专利名称：功率转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率转换装置，包括一桥式电路，桥式电路的每一个臂具有多个并联连接的半导体器件，更具体地说，本发明涉及改善每个半导体器件的电流分享平衡的功率转换装置。
图6示出用于功率转换装置的电解电池设备的整流器的主电路的连接图。
在图6中，1表示交流侧第一相的母线，2表示交流侧第二相的母线，3表示交流侧第三相的母线，4表示直流侧正极的母线，5表示直流侧负极的母线，11至34用作半导体器件的半导体闸流管，41至64表示从母线1至3中一个延伸到闸流管11至34的连接导体。在这一整流器的主电路中，将闸流管11至14并联连接，以致于形成一个U相臂，将闸流管15至18并联连接，以致于形成一个V相臂，将闸流管19至22并联连接，以致于形成一个W相臂，将闸流管23至26并联连接，以致于形成一个X相臂，将闸流管27至30并联连接，以致于形成一个Y相臂，将闸流管31至34并联连接，以致于形成一个Z相臂。通过将U至W相臂排列成例如上臂，同时将X至Z相臂排列成例如下臂，整个装置组成为一个三相桥式电路。
图7是表明图6所示的整流器的主电路的传统例子的典型概念图，这里闸流管11至34具有平坦结构。
在图7所示的构造中，U至W相臂中每一个的闸流管11至22的阴极接触直流侧正极的母线4的一个表面，闸流管11至22的阳极经连接导体41至52连接至母线1至3(未示出)之一。此外，X至Z相臂中每一个的闸流管23至34的阴极接触直流侧负极的母线5的一个表面，它形成位于相对于直流侧正极的母线4表面的背面，闸流管23至34的阳极经连接导体53至64连接至母线1至3(未示出)之一。正如图7所示，闸流管11至22线性排列在母线4的一个表面上，而闸流管23至34线性排列在母线5的一个表面上。
在图7所示的结构中，当电流开始流过例如U相臂时，在连接导体41至44上出现电压降，正如方程式(1)至(4)所示。
在每一个方程式(1)至(12)中，脚标表示连接导体41至64和导体之间的中间位置。
(方程式1)V41＝R41·i41+L41·di41/dt+M41-42·di42/dt+M41-43·di43/dt+M41-44·di44/dt(1)(方程式2)V42＝R42·i42+L42·di42/dt+M41-42·di41/dt+M42-43·di43/dt+M42-44·di44/dt(2)(方程式3)V43＝R43·i43+L43·di43/dt+M41-43·di41/dt+M42-43·di42/dt+M41-44·di44/dt(3)(方程式4)V44＝R44·i44+L44·di44/dt+M41-44·di41/dt+M42-44·di42/dt+M43-44·di43/dt(4)在方程式(1)至(4)中，V表示电压，R表示电阻，(i)表示电流，L表示自感，M表示互感，di/dt表示电流(i)随时间变化的程度。
在方程式(1)至(4)中，如果U相臂的闸流管11至14的前向电压降的偏差和连接导体41至44的特性常数的偏差可以忽略，那么，电压降V41至V44在连接导体41至44上是相等的。
然而，在图7所示的结构中，连接导体41至44每个之间的互感M与导体之间的距离成反比。因此，在方程式(1)至(4)中，流过导体41、44的电流i41、i44大于流过导体42、43的电流i42、i43。因此，流过闸流管11、14的电流大于流过闸流管12、13的电流。当每个电流随时间变化(di/dit≠0)时出现这些差值。
此外，在图7所示的结构中，当电流流过例如Y相臂时，如果电流在相对于Y相臂的相反方向上开始流过U相臂，那么，方程式(5)至(8)中所示的电压降将出现在连接导体41至44两端上。
(方程式5)V41＝R41·i41+L41·di41/dt-M41-57·di57/dt-M41-58·di58/dt-M41-59·di59/dt-M41-60·di60/dt(5)(方程式6)V42＝R42·i42+L42·di42/dt-M42-57·di57/dt-M42-58·di58/dt-M42-59·di59/dt-M42-60·di60/dt(6)(方程式7)V43＝R43·i43+L43·di43/dt-M43-57·di57/dt-M43-58·di58/dt-M43-59·di59/dt-M43-60·di60/dt(7)(方程式8)V44＝R44·i44+L44·di44/dt-M44-57·di57/dt-M44-58·di58/dt-M44-59·di59/dt-M44-60·di60/dt(8)
在方程式(5)至(8)中，V表示电压，R表示电阻，(i)表示电流，L表示自感，M表示互感，di/dt表示电流(i)随时间变化的程度。
在方程式(5)至(8)中，如果U相臂的闸流管11至14的边缘电压的偏差和连接导体41至44的特性常数的偏差可以忽略，那么，电压降V41至V44在连接导体41至44上是相等的。
然而，在图7所示的结构中，连接导体41至44中每一个和连接导体57至60中每一个之间的互感M与导体之间的距离成反比。因此，在方程式(5)至(8)中，流过导体44的电流i44大于流过导体41至43的电流i41、i42、i43。因此，流过闸流管14的电流大于流过闸流管11至13的电流。当每个电流随时间变化(di/dit≠0)时出现这些差值。
此外，在图7所示的结构中，当电流正在流过例如U相臂，以及通过Y相臂的电流与通过Z相臂的电流交换时，方程式(9)至(12)中所示的电压降将出现在连接导体41至44两端上。
(方程式9)V41＝R41·i41+L41-di41/dt+M41-57·di57/dt+M41-58·di58/dt+M41-59·di59/dt+M41-60·di60/dt-M41-61·di61/dt-M41-62·di62/dt-M41-63·di63/dt-M41-64·di64/dt (9)(方程式10)V42＝R42·i42+L42·di42/dt+M42-57·di57/dt+M42-58·di58/dt+M42-59·di59/dt+M42-60·di60/dt-M42-61·di61/dt
-M42-62·di62/dt-M42-63·di63/dt-M42-64·di64/dt (10)(方程式11)V43＝R43·i43+L43·di43/dt+M43-57·di57/dt+M43-58·di58/dt+M43-59·di59/dt+M43-60·di60/dt-M43-61·di61/dt-M43-62·di62/dt-M43-63·di63/dt-M43-64·di64/dt (11)(方程式12)V44＝R44·i44+L44·di44/dt+M44-57·di57/dt+M44-58·di58/dt+M44-59·di59/dt+M44-60·di60/dt-M44-61·di61/dt-M44-62·di62/dt-M44-63·di63/dt-M44-64·di64/dt (12)在方程式(9)至(12)中，V表示电压，R表示电阻，(i)表示电流，L表示自感，M表示互感，di/dt表示电流(i)随时间变化的程度。
在方程式(9)至(12)中，如果U相臂的闸流管11至14的边缘电压的偏差和连接导体41至44的特性常数的偏差可以忽略，那么，电压降V41至V44在连接导体41至44上是相等的。
然而，在图7所示的结构中，连接导体41至44中每一个和连接导体57至64中每一个之间的互感M同导体之间的距离成反比。因此，在方程式(9)至(12)中，流过导体44的电流i44大于流过导体41至43的电流i41、i42、i43。因此，流过闸流管14的电流大于流过闸流管11至13的电流。当每个电流随时间变化(di/dit≠0)时出现这些差值。
在用作功率转换装置的整流器的主电路的传统结构中，在构成每个臂的多个半导体器件当中出现电流不平衡。
因此，为了消除这一电流不平衡，增加了并联连接的半导体器件的数目，从而导致功率转换装置体积更大，价格更高。
此外，众所周知，为了降低电流的不平衡，已经为功率转换装置的每个半导体器件分别确定了边缘电压的幅度。然而，半导体制造技术的近期发展已经对降低半导体器件的边缘电压作出贡献。结果，这一操作需要大量时间和劳力。
本发明的目的是提供一种解决这些问题的功率转换装置。
本发明的第一方面是一种功率转换装置，它包括一桥式电路，桥式电路的每一个臂具有多个并联的半导体器件，其特征在于从桥式电路的交流侧到每个臂的半导体器件的各个连接导体是以使连接导体之间的互感基本上相等的方式放置的。
本发明的第二方面是上述的功率转换装置，其特征在于从桥式电路的一个交流侧到桥式电路的上臂的半导体器件的各个连接导体以及从桥式电路的另一个交流侧到桥式电路的下臂的半导体器件的各个连接导体是降低前者与后者连接导体之间互感的方式放置的。
此外，本发明的第三方面是上述的功率转换装置，其特征在于从桥式电路的一个交流侧到桥式电路的上臂的半导体器件的各个连接导体以及从桥式电路的另一个交流侧到桥式电路的下臂的半导体器件的各个连接导体是以前者连接导体垂直于后者连接导体的方式放置的。
此外，本发明的第四方面是上述的功率转换装置，其特征在于从桥式电路的交流侧到每个臂的半导体器件的各个连接导体是以使连接导体之间的互感基本上相等的方式放置的，以及另外，从桥式电路的一个交流侧到桥式电路的上臂的半导体器件的各个连接导体以及从桥式电路的另一个交流侧到桥式电路的下臂的半导体器件的各个连接导体是降低前者与后者连接导体之间互感的方式放置的。
此外，本发明的第五方面是上述的功率转换装置，其特征在于从桥式电路的交流侧到每个臂的半导体器件的各个连接导体是以使连接导体之间的互感基本上相等的方式放置的，以及另外，从桥式电路的一个交流侧到桥式电路的上臂的半导体器件的各个连接导体以及从桥式电路的另一个交流侧到桥式电路的下臂的半导体器件的各个连接导体是以前者连接导体垂直于后者连接导体的方式放置的。
如下所述，本发明使从桥式电路的交流侧到每个臂的半导体器件的各个连接导体之间的互感基本上相等，以便于改善器件之间的电流平衡。此外，如下所述，降低了从桥式电路的一个交流侧到桥式电路的上臂的半导体器件的每个连接导体以及从桥式电路的另一个交流侧到桥式电路的下臂的半导体器件的每个连接导体之间的互感，从而改善器件之间的电流平衡。
图1是说明本发明第一实施例的功率转换装置的典型概念方框图。
图2是说明本发明第二实施例的功率转换装置的典型概念方框图。
图3是说明本发明第三实施例的功率转换装置的典型概念方框图。
图4是说明本发明第四实施例的功率转换装置的典型概念方框图。
图5是说明本发明第五实施例的功率转换装置的典型概念方框图。
图6是用作这种功率转换装置的代表性整流器的电路连接图。
图7是说明传统例子的功率转换装置的典型概念方框图。
图1是说明与图6所示整流器主电路相关的本发明第一实施例的典型概念方框图。具有与图7所示传统结构中相同功能的这些元件，尽管它们的形状不同于图7所示的形状，但是它们采用相同的参考标号。
在图1所示的结构中，U至W相臂中每一个的闸流管11、12、15、16、19、20的阴极接触直流正极的母线4的一个表面，U至W相臂中每一个的闸流管13、14、17、18、21、22的阴极接触直流正极的母线4的另一个表面。闸流管11至22中每一个的阳极经连接导体41至52连接至母线1至3(未示出)中的一个。此外，X至Z相臂中每一个的闸流管23、24、27、28、31、32的阳极接触与直流正极的母线4相对的直流负极的母线5的一个表面，而X至Z相臂中每一个的闸流管25、16、29、30、33、34的阳极接触直流负极的母线5的另一个表面，闸流管23至34中每一个的阴极经连接导体53至64连接至母线1至3(未示出)中的一个。
在图1所示的结构中，当例如U相臂的连接导体41至44如此排列，即连接导体41与42之间的间隔、连接导体41与43之间的间隔、连接导体43与44之间的间隔、以及连接导体42与44之间的间隔相等时，那么，连接导体41与44之间的间隔和连接导体42与43之间的间隔也相等，方程式(1)至(4)中的互感M41-42、M41-43、M43-44、M42-44几乎具有相等的值。同样，互感M41-44和M42-43几乎具有相等的值，所以，尽管流过闸流管11至14的电流是随时间变化(di/dit≠0)的，各个电流之间的差减小了。尤其是，通过使流过闸流管11至14的电流随时间的变化程度(di/dit)均等化，可以使各个电流分享几乎平衡。
图2是说明与图6所示整流器主电路相关的本发明第二实施例的典型概念方框图。具有与图7所示传统结构中相同功能的这些元件，尽管它们的形状不同于图7所示的形状，但是它们采用相同的参考标号。
在图2所示的结构中，U至W相臂中每一个的闸流管11至22的阴极接触直流正极的母线4的一个表面，闸流管11至22中每一个的阳极经如图所示弯曲成阶梯形状的连接导体41至52连接至母线1至3(未示出)中的一个。此外，X至Z相臂中每一个的闸流管23至34的阳极接触直流负极的母线5的一个表面，它形成位于与直流正极的母线4相对的表面的背面，闸流管23至34中每一个的阴极经如图所示弯曲成阶梯形状的连接导体53至64连接至母线1至3(未示出)中的一个。正如图2所示，闸流管11至22线性排列在母线4的一个表面上，而闸流管23至34线性排列在母线5的一个表面上。
在图2所示的结构中，通过举例讨论U相臂的连接导体41至44和Y相臂的连接导体57至60。正如从图2中所示的沿A-A’线截取的截面图所看到的，通过以这样的方式排列连接导体41至44和连接导体57至60，即在所能提供的面积中增大前者与后者导体之间的间隔，能够减小方程式(5)至(8)中的互感M41-57、M41-58、M41-59、M41-60、M42-57、M42-58、M42-59、M42-60、M43-57、M43-58、M43-59、M43-60、M44-57、M44-58、M44-59、M44-60，以致于降低流过Y相臂的电流的不利效应。
同样，能够减小方程式(5)至(8)中的互感M41-61、M41-62、M41-63、M41-64、M42-61、M42-62、M42-63、M42-64、M43-61、M43-62、M43-63、M43-64、M44-61、M44-62、M44-63、M44-64，以致于降低流过Z相臂的电流的不利效应。
图3是说明与图6所示整流器主电路相关的本发明第三实施例的典型概念方框图。具有与图7所示传统结构中相同功能的这些元件，尽管它们的形状不同于图7所示的形状，但是它们采用相同的参考标号。
在图3所示的结构中，U至W相臂中每一个的闸流管11至22的阴极接触直流正极的母线4的一个表面，闸流管11至22中每一个的阳极经连接导体41至52连接至母线1至3(未示出)中的一个。此外，X至Z相臂中每一个的闸流管23至34的阳极接触直流负极的母线5的安装表面，它是垂直定位于直流正极的母线4的安装表面，闸流管23至34中每一个的阴极经连接导体53至64连接至母线1至3(未示出)中的一个。正如图3所示，闸流管11至22线性排列在母线4的一个表面上，而闸流管23至34线性排列在母线5的一个表面上。
在图3所示的结构中，例如，U相臂的连接导体41至44和Y相臂的连接导体57至60是相互垂直地排列的，以致于使方程式(5)至(8)中的互感M41-57、M41-58、M41-59、M41-60、M42-57、M42-58、M42-59、M42-60、M43-57、M43-58、M43-59、M43-60、M44-57、M44-58、M44-59、M44-60，几乎为0，由此降低流过Y相臂的电流的不利效应。
同样，能够使方程式(5)至(8)中的互感M41-61、M41-62、M41-63、M41-64、M42-61、M42-62、M42-63、M42-64、M43-61、M43-62、M43-63、M43-64、M44-61、M44-62、M44-63、M44-64几乎为0，由此降低流过Z相臂的电流的不利效应。
图4是说明与图6所示整流器主电路相关的本发明第四实施例的典型概念方框图。具有与图7所示传统结构中相同功能的这些元件，尽管它们的形状不同于图7所示的形状，但是它们采用相同的参考标号。
在图4所示的结构中，U至W相臂中每一个的闸流管11、12、15、16、19、20的阴极接触直流正极的母线4的一个表面，U至W相臂中每一个的闸流管13、14、17、18、21、22的阴极接触直流正极的母线4的另一个表面。闸流管11至22中每一个的阳极经如图所示的阶梯形状弯曲的连接导体41至52连接至母线1至3(未示出)中的一个。此外，X至Z相臂中每一个的闸流管23、24、27、28、31、32的阳极接触与直流正极的母线4相对的直流负极的母线5的一个表面，而X至Z相臂中每一个的闸流管25、16、29、30、33、34的阳极接触直流负极的母线5的另一个表面。闸流管23至34中每一个的阴极经如图所示的阶梯形状弯曲的连接导体53至64连接至母线1至3(未示出)中的一个。
在图4所示的结构中，例如，U相臂的连接导体41至44如此排列，即连接导体41与42之间的间隔、连接导体41与43之间的间隔、连接导体43与44之间的间隔、以及连接导体42与44之间的间隔相等。此外，正如从图4中沿A-A’线截取的截面图所示的，例如，U相臂的连接导体41至44和Y相臂的连接导体57至60是以这样的方式排列的，即在所能提供的面积中增大前者与后者导体之间的间隔。另外，正如从图4中沿A-A’线截取的截面图所示的，U相臂的连接导体41至44和Y相臂的连接导体61至64是以这样的方式排列的，即在所能提供的面积中增大前者与后者导体之间的间隔。因此，能够降低方程式(1)至(12)中的所有的互感。
图5是说明与图6所示整流器主电路相关的本发明第五实施例的典型概念方框图。具有与图7所示传统结构中相同功能的这些元件，尽管它们的形状不同于图7所示的形状，但是它们采用相同的参考标号。
在图5所示的结构中，U至W相臂中每一个的闸流管11、12、15、16、19、20的阴极接触直流正极的母线4的一个表面，U至W相臂中每一个的闸流管13、14、17、18、21、22的阴极接触直流正极的母线4的另一个表面。闸流管11至22中每一个的阳极经连接导体41至52连接至母线1至3(未示出)中的一个。此外，X至Z相臂中每一个的闸流管23、24、27、28、31、32的阳极接触垂直定位于直流正极的母线4安装表面的直流负极的母线5的一个表面，而X至Z相臂中每一个的闸流管25、16、29、30、33、34的阳极接触直流负极的母线5的另一个表面。闸流管23至34中每一个的阴极经连接导体53至64连接至母线1至3(未示出)中的一个。
在图5所示的结构中，例如，通过如此排列U相臂的连接导体41至44，使得连接导体41与42之间的间隔、连接导体41与43之间的间隔、连接导体43与44之间的间隔、以及连接导体42与44之间的间隔相等，可以使方程式(1)至(4)中的各个连接导体之间的互感基本上均等。此外，例如通过使U相臂的连接导体41至44和Y相臂的连接导体57至60相互垂直定位，另外，例如通过使U相臂的连接导体41至44和Z相臂的连接导体61至64相互垂直，可以使方程式(5)至(12)中的互感基本上为0。
本发明使从桥式电路的交流侧到每一个臂的各个半导体器件的各个连接导体之间的互感几乎均等，从而改善器件之间的电流平衡。此外，降低了从桥式电路的交流侧到桥式电路上臂的半导体器件的每个连接导体和从桥式电路的交流侧到桥式电路下臂的半导体器件的每个连接导体之间的互感，以改善器件之间的电流平衡，由此提供更小和更廉价的功率转换装置，以及免除在现有技术中需要分别确定每个半导体器件的边缘电压幅度的复杂的操作。
此外，对于用作电解电池设备的大容量整流器，在工厂中的操作测试通常是在低输出电压的额定值电流下进行的，这一电流波形不同于其实际操作期间产生的电流波形。因此，传统的结构需要在安装现场进行平衡电流的操作。然而，根据本发明能够免除需要这样的操作。
权利要求
1.一种功率转换装置，包括桥式电路，桥式电路的每一个臂具有多个并联连接的半导体器件，其特征在于从所述桥式电路的交流侧到每个臂的所述半导体器件的各个连接导体是以使连接导体之间的互感基本相等的方式放置的。
2.一种功率转换装置，包括桥式电路，桥式电路的每一个臂具有多个并联连接的半导体器件，其特征在于从所述桥式电路的一个交流侧到所述桥式电路的上臂的所述半导体器件的各个连接导体以及从所述桥式电路的另一个交流侧到所述桥式电路的下臂的所述半导体器件的各个连接导体是以降低前者与后者连接导体之间互感的方式放置的。
3.一种功率转换装置，包括桥式电路，桥式电路的每一个臂具有多个并联连接的半导体器件，其特征在于从所述桥式电路的一个交流侧到所述桥式电路的上臂的所述半导体器件的各个连接导体以及从所述桥式电路的另一个交流侧到所述桥式电路的下臂的所述半导体器件的各个连接导体是以前者连接导体垂直于后者连接导体的方式放置的。
4.一种功率转换装置，包括桥式电路，桥式电路的每一个臂具有多个并联连接的半导体器件，其特征在于从所述桥式电路的交流侧到每个臂的所述半导体器件的各个连接导体是以使连接导体之间的互感基本相等的方式放置的，以及此外，从所述桥式电路的一个交流侧到所述桥式电路的上臂的所述半导体器件的各个连接导体以及从所述桥式电路的另一个交流侧到所述桥式电路的下臂的所述半导体器件的各个连接导体是以降低前者与后者连接导体之间互感的方式放置的。
5.一种功率转换装置，包括桥式电路，桥式电路的每一个臂具有多个并联连接的半导体器件，其特征在于从所述桥式电路的交流侧到每个臂的所述半导体器件的各个连接导体是以使连接导体之间的互感基本相等的方式放置的，以及此外，从所述桥式电路的一个交流侧到所述桥式电路的上臂的所述半导体器件的各个连接导体以及从所述桥式电路的另一个交流侧到所述桥式电路的下臂的所述半导体器件的各个连接导体是以前者连接导体垂直于后者连接导体的方式放置的。
全文摘要
改善功率转换装置中多个半导体器件的电流分享的平衡,功率转换装置包括一桥式电路,其每一个臂具有多个并联连接的半导体器件。将每一个臂的闸流管11至34排列在直流侧母线4、5中每一个的各个表面上,使得从相同臂中连接导体的交流侧起的间隔相等,以致于使导体之间的互感几乎均等,由此当流过导体的电流随时间变化时平衡电流分享。
文档编号H02M1/00GK1250243SQ9912087
公开日2000年4月12日 申请日期1999年9月30日 优先权日1998年10月1日
发明者日野浩二 申请人:富士电机株式会社