CN1197232C

CN1197232C - 电源转换器装置

Info

Publication number: CN1197232C
Application number: CN00126368.4A
Authority: CN
Inventors: 佐藤和弘; 中嶋亮; 市川耕作
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 1999-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2020-09-06
Also published as: CA2317350C; DE60044009D1; EP1081833B1; EP1081833A1; JP2001078467A; JP3652934B2; CN1287404A; US6272028B1; CA2317350A1

Abstract

电源转换器装置，包括直流电源，与直流电源并联的半导体堆，具有多个半导体器件和冷却半导体器件的冷却装置，半导体器件和冷却装置堆叠并互相压置，与直流电源并联的缓冲器电路，具有电容器和二极管的串联电路，和与二极管并联的电阻器，电容器的一端置于紧邻半导体堆以使由电流流入端点产生的磁通量抵消由电流流入半导体堆引起的磁通量。

Description

电源转换器装置

本发明的权利要求享有1999年9月6提出的日本专利申请NO.11-251051的优先权，该申请的整个内容在此引为参考。

本发明涉及一种运用高速半导体开关器件的电源转换器装置，包括一个抑制浪涌电压的缓冲器电路，特别涉及一种缓冲器电路的线路结构。

近年来，在高速开关方面作为电源转换器或者电源逆变器的功率半导体开关器件有显著的进展。例如，GCT(栅传递晶闸管)是一种高速半导体开关器件的电流门触发器，IGBT(绝缘栅双极晶体三极管)、IEGT(注入加强栅晶体管)是高速半导体开关器件的电压门触发器类。这些能够对3-6KV的电压和3-4KA的电流进行开关控制的高速半导体开关器件，已经得到了发展并实际应用。而且，因为半导体开关器件在其关闭时dv/dt阻抗已经得到了提高，所以缓冲器电路力图做得尺寸更小，损耗更低。

图1表示传统的采用GTO为半导体开关器件的NPC(中性点箝位)逆变器的电路图。缓冲器电路2a，3a，4a和5a分别连接到GTO开关器件2，3，4和5。各个缓冲器电路2a-5a抑制在开关控制GTO开关器件2-5时产生的浪涌电压，每个缓冲器电路2a-5a包括一个电容器，一个二极管和一个电阻。

近年来，随着高性能GCT、IGBT和IEGT投入使用，紧缩的缓冲器电路或电容器逐渐与直流电源连用。这些高速半导体开关器件在性能上可以在1-2微秒将上千安培的电流切断为0。在切断大电流时，产生了由线路电感和电流上升率(dI/dt)的乘积表示的浪涌电压。如果浪涌电压峰值或电压上升率(dV/dt)高于半导体开关器件的压容量，半导体开关器件就可能永久性破坏。因此，浪涌电压小于半导体开关器件的压容量是重要的。

然而，在采用高速半导体开关器件的大容量类型电源转换器中，由于任一个充电和放电缓冲器电路或紧缩的缓冲器电路是与各个半导体开关器件相连，电源转换器尺寸变大且费用增高。由此，需要配置一种装置，通过唯一的紧缩的缓冲器电路按采用小耐压容量的半导体开关器件的电源转换器的相同方式联接到直流电源。也就是说，需要配置毋须将缓冲器电路附在各个半导体开关器件的一种抑制浪涌电压的装置。

由此，本发明的一个目的是提供一种电源转换器装置，该装置可以降低在开关控制半导体开关器件时产生的浪涌电压，并且保护半导体开关器件免遭浪涌电压的损坏。

本发明提供一种电源转换器装置，其特征在于，包括：一个直流电源；一个半导体堆，与所述的直流电源并联，具有多个半导体器件和冷却所述半导体器件的冷却装置，所述半导体器件和所述冷却装置堆叠并互相压置；以及一个缓冲器电路，与所述直流电源并联，具有电容器和二极管组成的串联电路，和与所述二极管并联的电阻器，所述电容器的一端点置为紧邻所述半导体堆以使由电流流入所述端点产生的磁通量抵消由电流流入所述半导体堆引起的磁通量。

本发明进一步提供一种电源转换器装置，其特征在于，包括：一个有正极，负极和中性点的直流电源；一个半导体堆，与直流电源并联，具有与所述正极耦合的第一冷却装置，与所述负极耦合的第二冷却装置，以及多个半导体器件，所述半导体器件和所述第一和第二冷却装置堆叠并互相压置；一个第一缓冲器电路，联接在正极和所述中性点之间，具有第一电容器和第一二极管组成的第一串联电路，以及与所述的第一二极管并联的第一电阻器；以及一个第二缓冲器电路，联接到所述负极和所述中性点之间，具有第二电容器和第二二极管组成的第二串联电路，和与所述第二二极管并联的第二电阻器，所述第一电容器的一端点和所述第二电容器的一端点置于紧邻所述半导体堆以使由电流流入所述第一和第二电容器的所述端点产生的磁通量抵消由电流流入所述半导体堆引起的磁通量。

结合附图，参考以下详细说明，本发明更为完善的价值和许多附加的优点将更容易得到，这一点变得更加能够理解。

图1是说明采用GTO的传统三阶NPC逆变器装置的主电路电路图。

图2是说明本发明第一实施例的三阶NPC逆变器装置的主电路电路图。

图3是第一实施例半导体堆的结构主示图。

图4是第一实施例半导体堆的透视图。

图5是第一实施例中性点汇流排的透视图。

图6是第一实施例NPC逆变器装置的U相电路的电流流向的电路图。

图7是对第一实施例的NPC逆变器装置的半导体开关器件施加浪涌电压的波形图。

图8是第一实施例NPC逆变器装置的二极管瞬态“开”电压的波形图。

图9是第二实施例的NPC逆变器的半导体堆的结构主示图。

根据图示的实施例，下面将对本发明进行详细说明。

(第一实施例)

结合图2-8，将对本发明的第一实施例采用IEGT的三阶NPC逆变器装置进行说明。

如图2所示，第一实施例中NPC逆变器装置的主电路包括一个具有平滑电容器1a和1b的直流电源，U相电路，V相电路以及W相电路。电容器1a接在直流电源正极与中性点间。电容器1b接在直流电源负极与中性点间。各个U，V和W相电路都与直流电源相连，且形式相同。U相电路包括半导体开关器件6，7，8，9，第一与第二联接二极管10和11，两个缓冲器电路12。各个半导体开关器件6-9包括一个IEGT和一个与IEGT反向并联的二极管。各个缓冲器电路12分别联接在正极与中性点之间，以及负极和中性点间也各有一个。每个缓冲器电路12包括一个缓冲器电容器12a，缓冲器二极管12b和放电电阻器12c。

下面将对安装上述主电路的半导体堆18进行说明。

通常，主电路采取空气冷却或水冷却。

图3和图4给出了包括图2所述的U相电路的一个半导体堆18水冷却的情况。图4给出了水冷却的冷却管31。

如图3和图4，第一和第二联接二极管10和11相互串联，中间隔一个中性点汇流排14C，都置于半导体堆18的中部。即汇流排14C与第一和第二联接二极管10和11的中性点联接。图3中，中性点的右侧是直流电源的正极，中性点的左侧是直流电源的负极。第一联接二极管10，绝缘隔离件16，半导体开关部件6和7，以及为半导体开关部件6，7冷却的散热片13都置于半导体堆18的正极侧。同样第二联接二极管11，绝缘隔离件16，半导体开关部件8和9，以及为半导体开关部件8，9冷却的散热片13都置于半导体堆18的负极侧。

半导体开关部件6-9，联接二极管10和11，散热片13，和绝缘隔离件16都堆置并以一定压力互相压叠。

按上述结构的半导体堆18与直流电源和缓冲器电路12联接。

每个缓冲器电容器12a的外壳12a1都由黄铜或类似材料构成形成端点。外壳12a1置于紧邻半导体堆18，这样由电流流入外壳12a1(终端)产生的磁通量抵消由电流流入半导体堆18产生的磁通量，而且外壳12a1直接与散热片13相连。缓冲器电容器12a的各另一端分为六个端点并包括一个与如图4中的12a1相绝缘的绝缘子12a2。各个端点联接到缓冲器二级管12b的端点(正极或负极)。缓冲器二极管12b的另一端点是中性点，直接联接到冷却缓冲器二极管12b的散热片17。即散热片17与中性点联接。

如图5所示，具有联接缓冲器二极管12b并使缓冲器二极管12b冷却的功能的散热片17保证了中性点汇流排14C形成一个NPC逆变器装置的中性点。如图3和5，汇流排14C固定在联接二极管10和11的正极与负极间，该联接二极管10和11置于半导体堆18的中部形成T状。T状汇流排14C的固定面32面积大于散热片17的固定面33面积。

上面的描述中，虽然汇流排14C形成的是T状，汇流排还可以形成倒L状。此时，联接二极管10和11的正极和负极都连接到L状汇流排上。只要L状汇流排的固定面面积大于散热片17的固定面33的面积的一半，可以取得与T状汇流排14C相同的效果。

参考图3和6，在第一实施例中的半导体堆18中，将对输出一个正电平，一个中性电平和一个负电平的NPC逆变器装置的电联接模式进行说明。

由于负电平输出模式的电流方向仅相反，省去对负电平的输出模式的描述。

图6中箭头A表示U相电路的电平的输出模式。

电流流经正极汇流排14P，半导体开关部件6，半导体开关部件7，和输出汇流排14U。对于半导体堆18具有图3所示的半导体开关部件6和7，电流流经正极汇流排14P，散热片13，半导体开关部件6，散热片13，半导体开关部件7，散热片13，以及图3中箭头A所示的输出汇流排14U。

图6中箭头B和C表示U相电路中点电平的输出模式。

电流流经中性点汇流排14C，联接二极管10，半导体开关器件7，输出汇流排14U，半导体开关器件8，联接二极管11以及中性点汇流排14C。对具有图3所示的半导体开关器件7和联接二极管10的半导体堆18，电流流经汇流排14C，联接二极管10，散热片13，汇流排15P，散热片13，半导体开关部件7，散热片13，图3箭头B所示的输出汇流排14U，以及进一步电流流经输出汇流排14U，散热片13，半导体开关部件8，散热片134，汇流排15N，散热片13，联接二极管11和中性点汇流排14C。

参考图7，将说明浪涌电压在输出模式中形成的原因。

电流IL流经的半导体开关部件6和7都开启，如果半导体开关部件6的门电压Vge如图7所示在时刻t1形成了负偏置，半导体开关部件6关闭，由此提高了加到半导体开关部件6的电压，降低了流入半导体开关部件6的电流Ic。由电流变化率(-dI/dt)和NPC逆变器装置主电路的线路电感形成的浪涌电压施加到半导体开关部件6。图7中t2时刻的浪涌电压Vs1通过下面方程式1表示。为抑制浪涌电压，需要降低线路电感并配置一个低瞬态“开”电压的二极管。

(方程式1)

Vs1＝V₀+L*dI/Dt+Vfr

图7中t3时刻产生的浪涌电压Vs2由下面的方程式2表示。

(方程式2)

Vs 2 = V_{0} + \sqrt{L 0 / C} * I_{c}

V₀是直流电压。L₀是从平滑电容器1a到缓冲器电路12的线路电感。L是线路电感L1，L2，L3，L4，L5之和，C是缓冲器电容的电容量，Vfr是缓冲器二极管12b的瞬态“开”电压。

根据第一实施例，因为缓冲器电容器12a的每个外壳12a1形成了一个直接连接到散热片13的端点，缓冲器电容器12a的端点置为紧邻半导体堆18，这样电流流入该端点产生的磁通量抵消了由电流流入半导体堆18产生的磁通量，NPC逆变器装置的线路电感减到最小，由此抑制施加到半导体开关器件6-9的浪涌电压。结果就没有必要为各个半导体开关部件6-9配置一个缓冲器电路。

而且，构成缓冲器电路12的线路和元件在尺寸上得到了减小。NPC逆变器装置的安装工时也减低。

在上述NPC逆变器装置中，缓冲器二极管12b有一个低瞬态“开”电压。如图8所示，在较大变化率(dI/dt)的电流开始流入二极管时形成一个较大电压Vfr，即电子散入一片二极管的各个领域。

如方程式1所示，对于施加到半导体部件6上的浪涌电压Vs1，缓冲器二极管12b的瞬态“开”电压Vfr是一个重要因素。由此，具有低瞬态“开”电压的多个缓冲器二极管12b采用并联和串联。如果缓冲器二极管串联，低电压阻抗的二极管可以作为缓冲器二极管。通常所知，低电压阻抗二极管具有异常低瞬态“开”电压性能。

如果缓冲器二极管相互并联，流入缓冲器二极管的电流分到多个缓冲器二极管中。结果，图8所示的瞬态“开”电压由多个缓冲器二极管分配。

而且，需要配备为半导体开关部件6-9冷却用的散热片13，联接二极管10和11，汇流排15P，15N和14U相互紧邻以降低线路电感。在该实施例中，绝缘隔离件16插入散热片13之间。

有两种方式固定绝缘隔离件16。一种是胶粘固定，另一种是螺钉固定。对胶粘固定，胶粘强度受冷却空气影响可能会减弱。对螺钉固定，因为螺钉由绝缘体构成，螺钉随着年代久远会松动。而且，由于螺钉位置形成孔洞，不导电的可靠性降低。

为避免上述问题，汇流排15P，15N和14U的电桥除端点外全都用绝缘体盖住。例如，采用环氧绝缘盖或热压缩管。

根据第一实施例，由于散热片13之间的距离以及汇流排15P，15N，14U的长度降到最低，线路电感得到了降低，由此将在NPC逆变器装置三阶电气模式下施加到半导体开关器件的浪涌电压降到最低。

而且，半导体开关器件6-9和散热片13受IEGT和连接二极管10和11产生的热而膨胀。如图4所示，半导体堆18由杆柱34以预定压力紧固。即由螺杆结合半导体开关器件6-9，连接二极管10和11，以及散热片13。在受热膨胀产生的热应力加到半导体堆18的初始压力情况下，总压力超出了半导体开关器件6-9的预定压力，由此半导体开关器件6-9就会损坏。为避免这种情况，半导体堆18的一端配置盘形弹簧30或板簧(未表示)。

在这种结构中，如果与半导体开关器件6-9电气联接的汇流排15P，15N和14U是刚性的，就不能取得满意的弹性效果。因此，汇流排15P，15N和14U各自具有弯曲部分，产生抑制热膨胀导致的热应力的效果。

为了取得更好的弹性效应，对汇流排进行退火，减少热膨胀导致的不良影响。

即使半导体堆18元件的联接形式改变，缓冲器电路12的线路结构可以按第一实施例的方式构成。

(第二实施例)

参考图9，将对本发明的第二实施例的NPC逆变器装置进行说明。

在第二实施例中，散热片19替代了第一实施例中的散热片17。如图9所示，缓冲器二极管12b的一端联接到为冷却缓冲器二极管12b的散热片19。散热片16还冷却连接二极管10和11。而且，散热片19同样作为中性点输出端的作用，并包括联接中性点汇流排14C的孔洞。散热片19的深度与散热片13的深度一致以减少线路电感。

根据第二实施例，由于缓冲器电容器12a的每个外壳12a1本身构成了一个直接联接到散热片13的端点，缓冲器电容器12a的各端点置于紧邻半导体堆18的位置，以使由电流流入端点产生的磁通量抵销电流流入半导体堆18的磁通量，NPC逆变器装置的线路电感降为最低，由此抑制了施加到半导体开关器件6-9上的浪涌电压。结果，不必为每个半导体开关器件6-9配置缓冲器电路。

根据本发明，由于NPC逆变器装置的线路电感降为最低，毋须将缓冲器电路附加到各个半导体开关器件就可以抑制浪涌电压。即仅仅通过将缓冲器电路附加到直流电源，就可以抑制浪涌电压。

而且，构成缓冲器电路的线路和元件在尺寸上得到了降低。NPC逆变器装置的安装工时也减低。

由此，由于浪涌电压得到了抑制，可以配置一种既经济又可靠的电源转换器装置。

根据以上讲述进行多种调整和改变都是可行的。因此，在附加权项范围内，就可以实施除这里具体说明以外的本发明。

Claims

1.一种电源转换器装置，其特征在于，包括：

一个直流电源；

一个半导体堆，与所述的直流电源并联，具有多个半导体器件和冷却所述半导体器件的冷却装置，所述半导体器件和所述冷却装置堆叠并互相压置；以及

一个缓冲器电路，与所述直流电源并联，具有电容器和二极管组成的串联电路，和与所述二极管并联的电阻器，

所述电容器的一端点置为紧邻所述半导体堆以使由电流流入所述端点产生的磁通量抵消由电流流入所述半导体堆引起的磁通量。

2.如权利要求1所述的电源转换器装置，其特征在于，所述电容器的所述端点由所述电容器外壳构成。

3.如权利要求2所述的电源转换器装置，其特征在于，所述外壳联接到所述冷却装置。

4.如权利要求2所述的电源转换器装置，其特征在于，所述电容器的另一端点分为多个端点。

5.一种电源转换器装置，其特征在于，包括：

一个有正极，负极和中性点的直流电源；

一个半导体堆，与直流电源并联，具有与所述正极耦合的第一冷却装置，与所述负极耦合的第二冷却装置，以及多个半导体器件，所述半导体器件和所述第一和第二冷却装置堆叠并互相压置；

一个第一缓冲器电路，联接在正极和所述中性点之间，具有第一电容器和第一二极管组成的第一串联电路，以及与所述的第一二极管并联的第一电阻器；以及

一个第二缓冲器电路，联接到所述负极和所述中性点之间，具有第二电容器和第二二极管组成的第二串联电路，和与所述第二二极管并联的第二电阻器，

所述第一电容器的一端点和所述第二电容器的一端点置于紧邻所述半导体堆以使由电流流入所述第一和第二电容器的所述端点产生的磁通量抵消由电流流入所述半导体堆引起的磁通量。

6.如权利要求5所述的电源转换器装置，其特征在于，其中

所述第一和第二电容器的所述端点各自相应地由所述第一和第二电容器的外壳构成。

7.如权利要求6所述的电源转换器装置，其特征在于，其中所述第一和第二电容器的所述外壳各自相应地连接到所述第一和第二冷却装置。

8.如权利要求5所述的电源转换器装置，其特征在于，

还包括：

一个与所述中性点耦合的第三个冷却装置；

在所述第一串联电路的所述第一二极管侧一端点和在所述第二串联电路的所述第二二极管侧一端点都连接到所述的第三个冷却装置。

9.如权利要求8所述的电源转换器装置，其特征在于，

还包括：

一个汇流排，连接到所述中性点，作为所述半导体器件的电极并将所述第三个冷却装置固定在它的固定面上，

所述固定面面积等于或大于所述第三个冷却装置的固定面的面积。