專利名稱：交直交功率單元及其組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交直交電壓源型逆變器領(lǐng)域，尤其涉及大容量交直交功率單元及其組件。
背景技術(shù)：
交直交電壓源型逆變器一般采用二極管將輸入電網(wǎng)側(cè)交流電整流成為脈動(dòng)直流電，通過電容濾波后形成平穩(wěn)的直流電，再經(jīng)過由自關(guān)斷電力電子器件組成的逆變橋進(jìn)行逆變，輸出所需頻率和幅值的交流電。實(shí)際產(chǎn)品中根據(jù)需要可增設(shè)合閘上電用的限流電路，電容均壓電路，浪涌吸收電路等輔助電路。
中國(guó)機(jī)械工業(yè)出版社《通用變頻器及其應(yīng)用》第二版(ISBN7-111-04766-4/TP.598)第396頁(yè)介紹了一種交直交功率單元，其功率單元組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。此類功率單元通常用來組成單元串聯(lián)式多電平PWM(脈寬調(diào)制)電壓源型高壓變頻器。該功率單元為交直交電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，輸入采用三相二極管整流(其輸入為L(zhǎng)1、L2、L3)，直流環(huán)節(jié)采用電容器組C進(jìn)行濾波，輸出采用4個(gè)自關(guān)斷電力電子器件Q1-Q4組成兩組橋臂，形成H橋逆變結(jié)構(gòu)，輸出T1和T2之間實(shí)現(xiàn)單相交流輸出，圖中P表示正母線，N表示負(fù)母線。
該功率單元由兩大部分組成由多個(gè)電容器串并聯(lián)組成的濾波電容器組；由整流橋、逆變橋(包含兩個(gè)橋臂)等電力電子器件和散熱器組成的變流模組(如圖1中虛線框所示)。由于整流橋和整個(gè)逆變橋的電力電子器件都位于一組散熱器上(整流橋和逆變橋在一片散熱器上或者整流橋和逆變橋分別在兩片散熱器上)，導(dǎo)致大電流輸出時(shí)損耗非?？捎^，散熱器散熱能力不夠，溫升過高，影響器件正常運(yùn)行。這是目前逆變器容量受到限制的主要原因之一。
當(dāng)圖1中的整流橋采用三相輸入二極管整流時(shí)，如圖2所示，根據(jù)需要，每個(gè)二極管也可采用兩個(gè)以上二極管串聯(lián)或并聯(lián)使用，以提高輸入電壓和電流。整流輸入通常為三相輸入，也可根據(jù)需要采用單相和多相輸入方式。
根據(jù)需要，也可采用可控硅或自關(guān)斷電力電子器件代替整流二極管實(shí)現(xiàn)PWM整流，如《通用變頻器及其應(yīng)用》第二版(ISBN7-111-04766-4/TP.598)第391頁(yè)所示。
在逆變電橋中，每個(gè)逆變橋臂為兩個(gè)自關(guān)斷電力電子器件Qa和Qb(下面以絕緣柵雙極型晶體管IGBT為例)，和分別與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成，橋臂兩端連接在正負(fù)直流母線P和N之間，其中點(diǎn)為輸出T，如圖3所示。
上述橋臂內(nèi)每個(gè)器件根據(jù)需要可以由兩個(gè)以上器件串聯(lián)或并聯(lián)使用，以提高輸出電壓和電流。逆變橋根據(jù)需要也可采用三電平結(jié)構(gòu)，如《通用變頻器及其應(yīng)用》第二版(ISBN 7-111-04766-4/TP.598)第377頁(yè)所示。
上述這種結(jié)構(gòu)的交直交功率單元目前使用十分廣泛，但在大容量時(shí)，存在以下問題1.功率單元容量大時(shí)，輸出電流較大，整流橋和逆變橋損耗引起的發(fā)熱相當(dāng)可觀。由于整個(gè)功率單元只包括一個(gè)變流模組，所有的整流器件和整個(gè)逆變器件都集中在一個(gè)變流模組上，而且通常只采用一組散熱器，由于散熱器尺寸的限制，導(dǎo)致散熱能力有限，器件運(yùn)行溫度升高，不能正常運(yùn)行。這個(gè)因素限制了目前功率單元的最大輸出容量。例如，目前國(guó)際范圍內(nèi)690V電壓等級(jí)功率單元的最大輸出電流為660A，再大電流輸出時(shí)通常采用水冷方案提高散熱效果。
2.由于整個(gè)功率單元只包括一個(gè)變流模組，整流橋和整個(gè)逆變橋集中組成為一個(gè)變流模組，所有的電容器集中組成一個(gè)電容器組，二者體積都較大，導(dǎo)致電容器組和變流模組之間直流母線距離較長(zhǎng)，導(dǎo)致雜散電感增加，雜散電感會(huì)導(dǎo)致逆變器件開關(guān)過程產(chǎn)生浪涌電壓，影響器件安全運(yùn)行。
3.由于整個(gè)功率單元采用一個(gè)變流模組和一個(gè)電容器組，導(dǎo)致變流模組和電容器組的體積和重量都非常大，制作加工，維護(hù)更換，運(yùn)輸?shù)碾y度都增加。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有交直交功率單元在大容量時(shí)存在的諸多問題，本發(fā)明提供了一種新的交直交功率單元及其組件，能夠解決上述問題。
為了達(dá)到本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種交直交功率單元，其包括整流橋、逆變橋以及電容器組，其中，整流橋用于將輸入的交流電整流成為脈動(dòng)直流電，電容器組用于濾波整流橋輸出的脈動(dòng)直流電以形成平穩(wěn)的直流電，以及逆變橋用于將所述平穩(wěn)的直流電逆變?yōu)樗桀l率和幅值的交流電，其特征在于，所述交直交功率單元被構(gòu)造為包含至少兩個(gè)變流模組，變流模組的正負(fù)端分別通過正負(fù)直流母線并聯(lián)連接，每個(gè)變流模組包含一個(gè)逆變橋臂并配備獨(dú)立的一組散熱器。
發(fā)明還提供一種交直交功率單元組件，其包括多個(gè)上述的功率單元，其中所述多個(gè)功率單元的正負(fù)端并聯(lián)連接，其輸出也并聯(lián)連接。
發(fā)明還提供一種交直交功率單元組件，其包括多個(gè)功率單元，所述多個(gè)功率單元中的每個(gè)包括整流橋、逆變橋以及電容器組，其中，整流橋用于將輸入的交流電整流成為脈動(dòng)直流電，電容器組用于濾波整流橋輸出的脈動(dòng)直流電以形成平穩(wěn)的直流電，以及逆變橋用于將所述平穩(wěn)的直流電逆變?yōu)樗桀l率和幅值的交流電，每個(gè)功率單元作為一個(gè)變流模組，其特征在于，變流模組的正負(fù)端通過直流母線并聯(lián)連接，每個(gè)變流模組配備獨(dú)立的一組散熱器，所述多個(gè)變流模組的輸出分別并聯(lián)連接。
在本發(fā)明的交直交功率單元中，電器容器組可以單獨(dú)設(shè)置，也可分散位于變流模組之中。變流模組的冷卻可以采用風(fēng)冷或水冷。當(dāng)采用風(fēng)冷時(shí)，可以采用傳統(tǒng)的通過風(fēng)道集中通風(fēng)方式，也可采用每個(gè)模組單獨(dú)冷卻的分布式冷卻方案。
和常規(guī)交直交功率單元一樣，在本發(fā)明中，電力電子器件根據(jù)需要可以串聯(lián)和并聯(lián)使用，以提高電壓和電流。
根據(jù)本發(fā)明的上述技術(shù)方案，由于采取了兩個(gè)以上變流模組取代傳統(tǒng)的單個(gè)變流模組，功率單元在同等容量的情況下，每個(gè)模組的容量和損耗只有傳統(tǒng)方案的一半或更低，實(shí)現(xiàn)了分散散熱，散熱難度大大下降。
當(dāng)變流模組有電容器組時(shí)，總的電容分散在對(duì)應(yīng)的變流模組中。在每個(gè)模組內(nèi)部，電容器組可以和逆變橋緊靠一起，二者之間直流母線的長(zhǎng)度減少，對(duì)應(yīng)的雜散電感可以控制在很小的范圍，有利于減少浪涌電壓。
如果電容器組單獨(dú)設(shè)置，變流模組內(nèi)不含電容器組。當(dāng)采用兩個(gè)變流模組，變流模組可分別位于電容器組的兩邊，這樣電容器組和每個(gè)模組中逆變橋的距離也非常短，可以減少雜散電感和由此引起的浪涌電壓。
在單相或多相逆變器中采用兩個(gè)或多個(gè)變流模組后，每個(gè)變流模組的尺寸和重量降低，便于制造、維護(hù)和運(yùn)輸。
總之，采用本發(fā)明的技術(shù)方案后，交直交功率單元及其組件的容量跟傳統(tǒng)方案相比可大大提升。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1是現(xiàn)有的交直交功率單元組成結(jié)構(gòu)圖；圖2是圖1中的整流橋采用三相輸入二極管整流的電路圖；圖3是現(xiàn)有的逆變電橋的其中一個(gè)逆變橋臂的電路圖；圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的交直交功率單元的組成結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的交直交功率單元的組成結(jié)構(gòu)圖；圖6是本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的交直交功率單元的組成結(jié)構(gòu)圖；圖7是本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的交直交功率單元的組成結(jié)構(gòu)圖；圖8是本發(fā)明交直交功率單元組件由2n個(gè)變流模組構(gòu)成的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；以及圖9是本發(fā)明交直交功率單元組件由n個(gè)變流模組構(gòu)成的一個(gè)實(shí)施例的的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖來具體描述本發(fā)明大容量交直交功率單元的具體實(shí)施方式
，其中相同或相似的附圖標(biāo)號(hào)表示相同或相似的部件。
圖4為本發(fā)明的交直交功率單元結(jié)構(gòu)。
如前所述，整個(gè)功率單元也包括整流橋、逆變橋以及電容器組，整流橋用于將輸入的交流電整流成為脈動(dòng)直流電，電容器組用于濾波整流橋輸出的脈動(dòng)直流電以形成平穩(wěn)的直流電，以及逆變橋用于將所述平穩(wěn)的直流電逆變?yōu)樗桀l率和幅值的交流電，但在該實(shí)施例中，本發(fā)明的整個(gè)功率單元被構(gòu)造為包括兩個(gè)變流模組，二者通過直流母線P和N連接。每個(gè)變流模組(如圖中虛線框內(nèi)所示)包含整流橋，濾波電容器組C(電容容量為功率單元總電容的1/2)和一個(gè)逆變橋臂Q1、Q2或Q3、Q4組成，每個(gè)變流模組配備獨(dú)立的一組散熱器(其中整流橋和一個(gè)逆變橋臂在一片散熱器上或者整流橋和一個(gè)逆變橋臂分別在兩片散熱器上)。兩個(gè)變流模組的正負(fù)端分別通過正負(fù)直流母線并聯(lián)連接，兩個(gè)變流模組的輸出T1和T2間形成逆變后的單相交流輸出。
采取這種結(jié)構(gòu)以后，等于把功率單元的功率一分為二，解決了一組散熱器造成的散熱能力不夠問題。
由于電容分成兩部分分別分散在對(duì)應(yīng)的兩個(gè)變流模組中間。在每個(gè)變流模組內(nèi)部，電容器組可以和逆變橋臂緊靠一起，電容器組和逆變橋臂之間的直流母線的長(zhǎng)度減少，對(duì)應(yīng)的雜散電感可以控制在很小的范圍，有利于減少浪涌電壓。
兩個(gè)變流模組的整流橋輸入L11、L12、L13和L21、L22、L23可以并聯(lián)到同一個(gè)三相交流電源，此時(shí)相當(dāng)于兩組整流橋并聯(lián)使用。也可分別連接到兩個(gè)獨(dú)立的三相交流電源，比如變壓器的兩組不同副邊，若副邊繞組進(jìn)行一定的移相設(shè)計(jì)，則可實(shí)現(xiàn)多脈沖整流，降低諧波。
另外，根據(jù)需要也可以采取共用一個(gè)整流橋并單獨(dú)設(shè)置，此時(shí)，變流模組內(nèi)不含整流橋。如圖5所示，
為了節(jié)約成本，電容器組也可不分別設(shè)置在每個(gè)變流模組中，而是單獨(dú)設(shè)立，這樣每個(gè)變流模組內(nèi)不含電容器組，如圖6所示。
從圖6中可以看出，整個(gè)逆變器由獨(dú)立的公共電容器組C和兩個(gè)不含濾波電容器組的變流模組(如圖6中虛線框所示)組成。三者通過直流母線P和N連接。由于變流模組分別位于公共電容器組C的兩側(cè)，每個(gè)變流模組的體積較小，從而與現(xiàn)有技術(shù)中相比電容器組和變流模組之間的直流母線縮短，減少了雜散電感。
同樣，根據(jù)需要，可以把整流橋和電容器組都獨(dú)立設(shè)置，如圖7所示。
圖5和圖7中的整流橋可以放置于其中一個(gè)變流模組的散熱器上，或者單獨(dú)設(shè)置散熱器。
此外，當(dāng)容量非常大時(shí)候，也可以采取以下方式，由2n個(gè)變流模組并聯(lián)在直流母線上組成功率單元組件，每n個(gè)變流模組的輸出并聯(lián)成一個(gè)輸出點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展容量的目的。
圖8所示為交直交功率單元組件由2n個(gè)變流模組構(gòu)成的結(jié)構(gòu)圖。圖中方框表示一個(gè)如圖4中虛線框所示的變流模組。變流模組的交流輸入可以連接到同一電源，也可連接到不同的電源實(shí)現(xiàn)多脈沖整流。變流模組的輸出T11、T12、...T1n以及T21、T22、...T2n分別并聯(lián)成輸出點(diǎn)T1和T2。所有變流模塊內(nèi)同等位置的IGBT的觸發(fā)脈沖取自同一個(gè)脈沖源。
此外，當(dāng)將圖5的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于圖8時(shí)，2n個(gè)變流模組公用一個(gè)整流橋并單獨(dú)設(shè)置，此時(shí)，各變流模組內(nèi)不含整流橋。
也可采用圖9所示的功率單元組件的技術(shù)方案，其中整個(gè)單相逆變器由n個(gè)變流模組(與上述不同的是，在此處，變流模組為整個(gè)功率單元)并聯(lián)在直流母線P和N上組成，圖中方框表示的變流模組相當(dāng)于如圖1所示的整個(gè)功率單元。每個(gè)變流模組的輸出T11、T12、...T1n并聯(lián)成一個(gè)輸出點(diǎn)T1，每個(gè)變流模組的輸出T21、T22、...T2n并聯(lián)成一個(gè)輸出點(diǎn)T2，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展容量的目的。變流模組的交流輸入可以連接到同一電源，也可連接到不同的電源實(shí)現(xiàn)多脈沖整流。所有變流?？靸?nèi)同等位置的IGBT的觸發(fā)脈沖取自同一個(gè)脈沖源。
此外，當(dāng)將圖4-7的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于圖9時(shí)，圖中方框表示圖4-7所示的整個(gè)功率單元。每個(gè)功率單元的輸出T11、T12、...T1n并聯(lián)成一個(gè)輸出點(diǎn)T1，每個(gè)功率單元的輸出T21、T22、...T2n并聯(lián)成一個(gè)輸出點(diǎn)T2，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展容量的目的。
此外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不限于上述實(shí)施例中具體結(jié)構(gòu)，也可以采用其它的方式來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的交直交功率單元。例如，除單相輸出之外，根據(jù)上述思路，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很方便地將上述技術(shù)應(yīng)用到三相或更多相輸出的交直交功率單元中，例如當(dāng)上述技術(shù)應(yīng)用到三相或更多相輸出的交直交功率單元中時(shí)，上述例子中的兩個(gè)變流模塊變?yōu)槿齻€(gè)或更多個(gè)；或者，除整流橋?yàn)槿噍斎胫?，根?jù)上述思路，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以很方便地將上述技術(shù)應(yīng)用到整流橋?yàn)閱蜗噍斎牖蚱渌亩嘞噍斎?，這對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是非常容易理解的。為了避免重復(fù)，省略對(duì)其的具體描述。
盡管已對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但上述描述只是為了說明的目的，本發(fā)明不限于上述結(jié)合附圖的具體描述。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以對(duì)其進(jìn)行各種改變而不脫離本發(fā)明的精神，本發(fā)明的保護(hù)范圍由后附的權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種交直交功率單元，包括整流橋、逆變橋以及電容器組，其中，整流橋用于將輸入的交流電整流成為脈動(dòng)直流電，電容器組用于濾波整流橋輸出的脈動(dòng)直流電以形成平穩(wěn)的直流電，以及逆變橋用于將所述平穩(wěn)的直流電逆變?yōu)樗桀l率和幅值的交流電，其特征在于，所述交直交功率單元被構(gòu)造為包含至少兩個(gè)變流模組，變流模組的正負(fù)端分別通過正負(fù)直流母線并聯(lián)連接，每個(gè)變流模組包含一個(gè)逆變橋臂并配備獨(dú)立的一組散熱器。
2.如權(quán)利要求1所述的交直交功率單元，其特征在于，所述至少兩個(gè)變流模組中的每一個(gè)變流模組由整流橋、濾波電容器組和一個(gè)逆變橋臂組成。
3.如權(quán)利要求2所述的交直交功率單元，其特征在于，所述至少兩個(gè)變流模組中的整流橋輸入并聯(lián)到同一個(gè)交流電源。
4.如權(quán)利要求2所述的交直交功率單元，其特征在于，所述至少兩個(gè)變流模組中的整流橋輸入分別連接到兩個(gè)獨(dú)立的交流電源。
5.如權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)所述交直交功率單元，其特征在于，多個(gè)所述至少兩個(gè)變流模組的輸出分別并聯(lián)連接。
6.如權(quán)利要求1所述的交直交功率單元，其特征在于，所述至少兩個(gè)變流模組共用一個(gè)單獨(dú)設(shè)置的整流橋，所述至少兩個(gè)變流模組中的每一個(gè)變流模組由濾波電容器組和逆變橋中的一個(gè)逆變橋臂組成，其中所述整流橋單獨(dú)設(shè)置散熱器或放置在任意一個(gè)變流模組的散熱器上。
7.如權(quán)利要求1所述的交直交功率單元，其特征在于，所述至少兩個(gè)變流模組中的每一個(gè)變流模組由濾波電容器組和逆變橋中的一個(gè)逆變橋臂組成，多個(gè)所述至少兩個(gè)變流模組的輸出分別并聯(lián)連接，以及所述多個(gè)所述至少兩個(gè)變流模組共用一個(gè)單獨(dú)設(shè)置的整流橋。
8.如權(quán)利要求1所述的交直交功率單元，其特征在于，所述變流模組為兩個(gè)，其共用一個(gè)單獨(dú)設(shè)置的濾波電容器組，所述兩個(gè)變流模組分別位于公共濾波電容器組的兩側(cè)，所述兩個(gè)變流模組中的每一個(gè)變流模組由整流橋和逆變橋中的一個(gè)逆變橋臂組成。
9.如權(quán)利要求1所述的交直交功率單元，其特征在于，所述變流模組為兩個(gè)，其共用一個(gè)單獨(dú)設(shè)置的整流橋并共用一個(gè)單獨(dú)設(shè)置的濾波電容器組，所述兩個(gè)變流模組分別位于公共濾波電容器組的兩側(cè)，所述兩個(gè)變流模組中的每一個(gè)變流模組由逆變橋中的一個(gè)逆變橋臂組成。
10.一種交直交功率單元組件，其特征在于，所述功率單元組件包括多個(gè)如權(quán)利要求1-4、6和8-9中任一個(gè)所述的功率單元，其中所述多個(gè)功率單元的正負(fù)端并聯(lián)連接，其輸出也并聯(lián)連接。
11.一種交直交功率單元組件，其特征在于，所述功率單元組件包括多個(gè)功率單元，所述多個(gè)功率單元中的每個(gè)包括整流橋、逆變橋以及電容器組，其中，整流橋用于將輸入的交流電整流成為脈動(dòng)直流電，電容器組用于濾波整流橋輸出的脈動(dòng)直流電以形成平穩(wěn)的直流電，以及逆變橋用于將所述平穩(wěn)的直流電逆變?yōu)樗桀l率和幅值的交流電，每個(gè)功率單元作為一個(gè)變流模組，其特征在于，變流模組的正負(fù)端通過直流母線并聯(lián)連接，每個(gè)變流模組配備獨(dú)立的一組散熱器，所述多個(gè)變流模組的輸出分別并聯(lián)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及交直交功率單元及其組件，所述交直交功率單元包括整流橋、逆變橋以及電容器組，其中，整流橋用于將輸入的交流電整流成為脈動(dòng)直流電，電容器組用于濾波整流橋輸出的脈動(dòng)直流電以形成平穩(wěn)的直流電，以及逆變橋用于將所述平穩(wěn)的直流電逆變?yōu)樗桀l率和幅值的交流電，所述交直交功率單元被構(gòu)造為包含至少兩個(gè)變流模組，變流模組的正負(fù)端分別通過正負(fù)直流母線并聯(lián)連接，每個(gè)變流模組包含一個(gè)逆變橋臂并配備獨(dú)立的一組散熱器。由于本發(fā)明采取了至少兩個(gè)變流模組取代傳統(tǒng)的單個(gè)變流模組，功率單元在同等容量的情況下，每個(gè)模組的容量和損耗較低，實(shí)現(xiàn)了分散散熱、減少了雜散電感、易于制作加工、并降低了維護(hù)更換和運(yùn)輸?shù)碾y度。
文檔編號(hào)H02M1/14GK1949644SQ20051010868
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月18日
發(fā)明者竺偉 申請(qǐng)人:上海艾帕電力電子有限公司