功率單元及使用該功率單元的多相電力驅動器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及功率單元領域，更特別地，涉及級聯型多相電力驅動器中使用的功率單元。
【背景技術】
[0002]級聯型多相電力驅動器在工業上用來向交流電動機提供可變電力。這些相同的驅動器可以用在不具體涉及電動機但需要可變輸出電壓或頻率的其他應用中。典型的驅動器具有交流輸入電源和一些類型的轉換裝置，轉換裝置常使用固態器件，用于將固定的交流輸入電壓轉換成可變電壓和/或可變頻率的輸出。美國專利5，625, 545中描述了這樣一種類型的驅動器，通過引用的方式將該專利合并于此。該專利描述了被用作驅動器的電源，該電源使用若干被布置成產生三相交流輸出的功率單元。這樣的多個串聯的功率單元可用于提供比單個功率單元更高的電壓輸出。
[0003]IGBT模塊傳統上被用于功率單元中的功率開關。例如，62mm外殼中雙IGBT模塊的價格非常有競爭優勢，但是僅能提供最多400A的額定值。這進一步限制了級聯型多相電力驅動器的功率單元的電流額定值。

【發明內容】

[0004]為此，本發明的目的是提供一種功率單元，包括:多相橋式整流器、平滑濾波器、和多個H橋逆變器；所述多相橋式整流器具有能夠電連接到多相交流電源的輸入端；所述平滑濾波器連接到所述多相橋式整流器的輸出端；其中:所述多個H橋逆變器的輸入端子與所述平滑濾波器并聯地電連接；所述多個H橋逆變器的輸出端子并聯地電連接并適于向交流負載提供單相輸出。由于所述功率單元具有一個三相橋式整流器，因此，通過使用所述功率單元，有助于消除在多于一個的三相橋式整流器中出現的均流問題。此外，通過在功率單元中使用并聯地電連接的三個H橋逆變器，所述功率單元的電流等級相比于具有一個H橋逆變器的功率單元的電流等級得以提高。優選地，可以將多個預充電的電阻器分別布置在多相橋式整流器的多個橋臂的各個的輸出端與多個電容器組的各個之間。
【附圖說明】
[0005]根據附圖示出的優選的示例性實施例，下文將對本發明的主題進行更詳細的說明，其中:
[0006]圖1示出了每相具有三個功率單元的級聯型多相驅動器的功率電路圖；
[0007]圖2示出了如圖1所示的典型的功率單元；
[0008]圖3A示出了根據本發明實施例的功率單元；
[0009]圖3B示出了根據本發明另一個實施例的功率單元，該功率單元可代替圖3A的功率單元；
[0010]圖3C示出了根據本發明另一個實施例的功率單元；
[0011]圖4A示出了根據圖3A的具有柵極驅動器的功率單元；以及
[0012]圖4B示出了根據圖4A的功率單元的驅動電路。
[0013]以簡要的形式在附圖標記列表中列出附圖中使用的附圖標記及其含義。原則上，附圖中相同的部件具有相同的附圖標記。
【具體實施方式】
[0014]圖1示出了每相具有三個功率單元的級聯型多相電力驅動器的功率電路圖。如圖1所示，三相交流電力被輸入到級聯型多相驅動器I的電力變壓器10的一次繞組100。可以是星形連接或網形連接的一次繞組100使三相二次繞組101至109通電。與二次繞組101至109中的每個二次繞組相關的三相電力分別被提供給功率單元110至118。在本實施例中，優選地，提供網形連接的二次繞組101至109，以降低電力變壓器的K因數并改進諧波控制。網形連接的繞組可以包括(例如)△結構或擴展的△結構。在某些情況下，可以對這種網形繞組進行操作，以使一些二次繞組提前預選角度的電相，使其他二次繞組延遲預選角度的電相，并(可能)使其他二次繞組的相位基本不發生移動。在圖1示出的本實施例中，描述了三分之一的二次繞組的相位被提前20 (度)，三分之一的二次繞組的相位被延遲20(度)。其余三分之一的二次繞組未發生移動。在圖1的實施例中，相移的繞組使用擴展的△結構的繞組，沒有相移的繞組使用△結構的繞組。對于其它電壓，所需的各自的相移可以通過按照每相功率單元的數量對60 (度)進行劃分獲得。例如，若每相5個功率單元，相移是+24 (度)、+12 (度)、0 (度)、_12 (度)和-24 (度);若每相6個功率單元，相移是+25 (度)、+15 (度)、+5 (度)、_5 (度)、_15 (度)和-25 (度);若每相8個功率單元，相移是+18.75 (度)、+11.25 (度)、+3.75 (度)、-3.75 (度)、-11.25 (度)、-18.75 (度)。優選地，將多個功率單元連接到每個相位輸出線路120、121、122，相位輸出線路120、121、122可以分別代表相A、相B和相C。多個功率單元在每個相位輸出線路上可以串聯連接，從而可以生成具有多個低壓功率單元的中壓輸入相位線路控制器。串聯連接還可以使每相有多個電壓狀態；每相的這些多個電壓狀態可以被用來獲得改進的電流波形。每個功率單元可以在內部形成低壓標準，例如，盡管被包含在中壓裝置中，每個功率單元也可以具有1000伏的額定值。在這種實施例中，使用適合于正在使用的中壓電平的絕緣材料，可以使各個功率單元與地面以及其它功率單元絕緣。
[0015]圖2示出了如圖1所示的典型的功率單元。然而，可以理解的是，還可以使用其它功率單元實施本發明。圖2示出的功率單元與美國專利5，625，545中示出的功率單元相似。如圖2所示，功率單元110至118中的每個都是功率變流器，所述功率變流器通過使用由二極管20a-20f組成的三相橋式整流器將三相輸入電力轉換成直流分量。該三相橋式整流器的輸出隨后被施加到電容器21兩端，所述電容器21可以提供對直流輸出的存儲和平滑。使用脈寬調制(PWM)方法，可以將變流器中的直流電力選擇性地應用到功率單元輸出端22a和22b。使用橋式變流器可以實現脈寬調制，所述橋式變流器由諸如23a-23d的半導體開關組成。可以使用任意類型可接受的開關元件；取決于功率水平，可以選擇不同的固態組件。如圖所示，變流器輸出端使用四個IGBT。在這種脈寬調制操作中，當這些開關操作時，它們可以被認為是完全閉合或完全斷開的。正如在多數應用中將會理解的，希望在級聯式布置中使用的功率單元是相似的并按照某種形式被構造，以便限制裝配件的數量并允許功率單元在同一驅動器內是可互換的。圖2中示出的功率單元110至118可以被用于圖1中的所有功率單元。
[0016]圖3A示出了根據本發明實施例的功率單元。如圖3A所示,功率單元3包括三相橋式整流器30、平滑濾波器31、三個H橋逆變器32、33、34。三相橋式整流器30具有能夠電連接到三相交流電源的輸入端30A、30B、30C，所述三相橋式整流器30可以將三相來電轉換成直流分量。三相橋式整流器30的輸出隨后被施加到平滑濾波器31兩端，所述平滑濾波器31可以提供直流輸出的存儲和平滑。平滑濾波器31可以是(例如)電容器組。H橋逆變器32、33、34的輸入端子與平滑濾波器31并聯地電連接。H橋逆變器32、33、34的輸出端子并聯地電連接，并適于向交流負載提供單相輸出。使用脈寬調制(Pmo方法，平滑濾波器31中的直流電力可以被選擇性地應用到功率單元輸出端35a和35b。使用并聯地電連結的H橋逆變器32、33、34可以實現脈寬調制，H橋逆變器32、33、34中的每個都由半導體開關(諸如32a-32d、33a-33d、以及34a_34d)組成。可以使用任意類型可接受的開關元件；取決于功率水平，可以選擇不同的固態組件。如圖所示，變流器輸出端使用四個IGBT。在這種脈寬調制操作中，當這些開關操作時，它們可以被認為是完全閉合或完全斷開的。正如在多數應用中將會理解的，希望在級聯式布置中使用的功率單元是相似的并按照某種形式被構造，以便限制裝配件的數量并允許功率單元在同一驅動器內是可互換的。圖3A中示出的功率單元3可以被用于圖1中的所有功率單元。如果三個根據圖2的功率單元并聯地電連接，由于功率單元的三個三相橋式整流器中使用的功率二極管不同的電流-電壓特性，在三個功率單元的三相橋式整流器中將會存在均流(current sharing)問題。通過使用根據圖3A的功率單元，其只有一個三相橋式整流器，因此，有助于消除發生在多于一個的三相橋式整流器中的均流問題。此外，通過將三個H橋逆變器并聯地電連接在功率單元中，功率單元的電流等級相比于具有一個H橋逆變器的電流等級得以提高。優選地，可以將多個預充電的電阻器分別布置在多相橋式整流器的多個橋臂中相應的橋臂的輸出端與多個電容器組中相應的電容器組之間。
[0017]參考圖3A，可以理解的是，對于三相橋式整流器30，使用了 6個二極管30a_30f，且電路的脈沖個數是6。三相橋式整流器30具有三個橋臂，每個橋臂具有串聯的兩個二極管(兩組二極管)，諸如串聯的二極管30a、30b，串聯的二極管30c、30d，以及串聯的二極管30e、30f，而且第一二極管的正極連接到第二二極管的負極，三相橋式整流器30為此被制造成單個組件。
[0018]圖3B示出了根據本發明另一個實施例的功率單元，該功率單元可替代圖3A的功率單元。根據圖3B的功率單元與根據圖3A的功率單元的區別在于:用并聯地電連接的三個二極管替換三相橋式整流器30的每個二極管，這三個二極管允許電流按照相同的方向流經，如被替換的一個二極管那樣。例如，圖3A中的二極管30a被二極管30ax、30ay、30az替換，圖3A中的二極管30b被二極管30bx、30by、30bz替換，圖3A中的二極管30c被二極管30cx、30cy、30cz替換，圖3A中的二極管30d被二極管30dx、30dy、30dz替換，圖3A中的二極管30e被二極管30ex、30ey、30ez替換，圖3A中的二極管30f被二極管30fx、30fy、30fz替換。通過這種替換，整流器中的電流由并聯地電連接的