МНОГОСЛОЙНАЯ ШИНА ДЛЯ СИЛОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И СИЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
MULTI-LAYERED BUS FOR POWER CONVERTER AND POWER CONVERTER

Настоящая заявка ссылается на приоритет заявки на патент Китая №201210403971.1, зарегистрированной 22 октября 2012, все содержание которой включено в настоящий документ путем ссылки.
Область техники
Настоящая заявка относится к многослойной силовой шине, а в частности к многослойной шине, имеющей два слоя, и к трехуровневому силовому преобразователю с фиксацией нейтральной точки (NPC neutral-point clamp) с многослойной шиной.
Уровень техники
В настоящее время преобразователи переменной частоты широко используются в промышленности, при этом имеется тенденция их развития в направлении высокого напряжения, большого тока, высокой мощности, высокой надежности и низкой цены. Что касается высокого напряжения переменной частоты, поскольку силовой преобразователь ограничен рабочими характеристиками полупроводниковых компонентов, обычно используется трехуровневая топология с фиксацией нейтральной точки.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
1
2
На фиг.1 показана принципиальная схема, демонстрирующая одну фазу цепи с типичной трехуровневой топологией NPC. Хотя на фиг.1 показан пример одной фазы для типичной трехуровневой топологии NPC, другие две фазы имеют такой же вид, что и на фиг.1. На фиг.1 S, S, S и S - полупроводниковые компоненты; FWD, FWD, FWD и FWD - демпфирующие диоды, подключенные параллельно S, S, S и S, соответственно; D и D - фиксирующие диоды; C - конденсатор верхнего плеча, С - конденсатор нижнего плеча, Р - положительная шина постоянного тока (DC), N - отрицательная шина постоянного тока, NP - нейтральная шина, и AC - входная/выходная шина переменного тока (АС).
Как показано на фиг.1, такая трехуровневая топология NPC характеризуется тем, что падение напряжения на каждом из полупроводниковых компонентов уменьшено наполовину по сравнению с двухуровневой топологией, количество полупроводниковых компонентов, содержащихся в блоке питания, растет, а его конструкция усложняется, при этом растет также паразитная индуктивность блока питания, и ею уже нельзя пренебрегать. В частности, по мере того как скорость переключения полупроводниковых компонентов все больше возрастает, а выходная мощность повышается, паразитная индуктивность индуцирует высокое напряжение, когда полупроводниковый компонент при нормальной работе размыкается или замыкается, что может увеличить падение напряжения на полупроводниковом компоненте, а это снижает его надежность и даже может привести к выходу полупроводникового компонента из строя. Поэтому очень важно сконструировать блоки питания так, чтобы снизить паразитную индуктивность.
На фиг.2А-2С схематично показаны примеры способа, позволяющего уменьшить влияние напряжения, вызванного паразитной индуктивностью, на полупроводниковый компонент в обычной трехуровневой топологии с фиксацией нейтральной точки.
1
1
1
1
Как показано на фиг.2А-2С, для уменьшения влияния напряжения, обусловленного паразитной индуктивностью, на полупроводниковые компоненты в трехуровневой топологии с фиксацией нейтральной точки обычно добавляют демпфирующую (ограничивающую) цепь параллельно полупроводниковому компоненту, и типичная демпфирующая цепь содержит элементы R, RC, RCD и т.п. Когда полупроводниковый компонент S выключается, энергия, имеющаяся в паразитной индуктивности, поглощается элементом аккумулирования энергии в демпфирующей цепи, и, таким образом, напряжение на полупроводниковом компоненте S может быть подавлено. Хотя этот способ позволяет просто и эффективно снизить рассматриваемое влияние паразитной индуктивности, но, когда S включается, энергия, поглощенная демпфирующей цепью, проходит через S, что приводит к дополнительным потерям при включении и ухудшает динамические рабочие характеристики полупроводниковых компонентов. Кроме того, поскольку добавлены дополнительные устройства высокого напряжения, преобразователь подвержен риску большей частоты отказов и понижения удельной мощности, что приводит к повышению стоимости и т.п.
Другой способ уменьшения паразитной индуктивности заключается в использовании многослойной шины. Преимущество многослойной шины заключается в ее малой паразитной индуктивности, эффективном подавлении электромагнитных помех (EMI) и т.п. Поэтому многослойные шины широко применяются в области мощных устройств преобразования частоты.
Для уменьшения паразитной индуктивности, многослойная шина должна обеспечить тракт, который заставляет токи через соответствующие слои частей проводника течь в зеркально-симметричном направлении. Чем выше симметрия, тем меньше площадь коммутационной петли в этой части проводника и меньше магнитный поток в случае постоянной магнитной индукции, а следовательно меньше паразитная индуктивность. Хотя при использовании многослойной шины паразитная индуктивность может стать пренебрежимо малой, в таких шинах все еще имеются проблемы. Например, в особенности в трехуровневой цепи NPC, поскольку количество компонентов растет и растет площадь самих компонентов, множество слоев в многослойных шинах имеют сложную электрическую разводку, и стоимость изготовления множества таких слоев в многослойных шинах становится высокой. Кроме того, по мере увеличения количества слоев в многослойной шине, паразитная индуктивность увеличивается вследствие увеличения толщины изолирующих слоев, расположенных между проводящими слоями, и процесс изоляции усложняется.
Например, в патенте США №6456516 B1 раскрыта конструкция многослойной шины. Многослойная шина, предложенная в этом документе, представляет собой три слоя многослойной шины, и может быть расширена на трехуровневую топологию NPC, содержащую N переключающих полупроводниковых компонентов, соединенных последовательно. Хотя в такой конструкции удается несколько снизить паразитную индуктивность, многослойная шина в этом патенте все еще представляет собой шину с множеством слоев, и поэтому между каждыми двумя слоями должен быть вставлен соответствующий толстый изолирующий слой посредством процесса изолирования, что приводит к тому, что многослойная шина, в целом, имеет большую толщину, и уменьшение паразитной индуктивности в этом случае зависит от толщины изолирующего слоя. Кроме того, в этом патенте формы соответствующих субшин отличаются друг от друга, а это обуславливает необходимость создания изгибов и ступенек различной глубины в соответствующих слоях для соединения каждого слоя шины с соответствующими ножками полупроводниковых компонентов, что делает процесс изготовления шины сложным; кроме того, необходимо обеспечить сцепления между соответствующими шинами, чтобы избежать возникновения промежутков между многослойными слоями вследствие изгиба шины. Поэтому электрические рабочие характеристики шины такой конструкции невысоки и не позволяют оптимизировать ее стоимость.
Аналогично, в патенте США №7881086 B2 раскрыта конструкция многослойной шины. Многослойная шина, предложенная в этом патенте, представляет собой шину с множеством слоев (4 слоя). Таким образом, там все еще существует проблема, обусловленная тем, что количество слоев в шине для создания низкой паразитной индуктивности слишком велико, и приходится выполнять различные отверстия, поскольку формы соответствующих субшин отличаются, а для слишком большого количество наложенных друг на друга слоев требуется больше отверстий (больше сквозных отверстий). Поэтому многослойная шина, предложенная в этом патенте, также является сложной и не позволяет оптимизировать стоимость шины.
Сущность изобретения
Чтобы устранить по меньшей мере одну из вышеуказанных проблем, предложена многослойная шина для использования в трехуровневом силовом преобразователе NPC, которая эффективно уменьшает паразитную индуктивность в силовом преобразователе, имеет простую конструкцию и проста в установке.
Для достижения вышеуказанной цели в рамках первого аспекта настоящего изобретения предложена многослойная шина для использования в трехуровневом силовом преобразователе NPC, которая содержит: первый слой шины, содержащий нейтральную субшину, предназначенную для обеспечения электрического соединения между соответствующими компонентами в трехуровневом силовом преобразователе NPC и потенциалом нейтральной точки; и второй слой шины, содержащий множество субшин, предназначенных для обеспечения электрического соединения между соответствующими компонентами в трехуровневом силовом преобразователе NPC и положительным входом постоянного тока (DC), отрицательным входом постоянного тока, и входом/выходом переменного тока (АС) в преобразователе и электрические соединения между соответствующими переключающими полупроводниковыми компонентами.
Второй аспект настоящего изобретения относится к трехуровневому силовому преобразователю NPC с низкой паразитной индуктивностью, содержащему: группу полупроводниковых компонентов, содержащую группу компонентов верхнего плеча, включенную между положительным входом постоянного тока и входом/выходом переменного тока, и группу компонентов нижнего плеча, включенную между отрицательным входом постоянного тока и входом/выходом переменного тока, при этом группа компонента верхнего плеча содержит первый фиксирующий диод, клемма которого связана с потенциалом нейтральной точки и который расположен между группой компонентов верхнего плеча и группой компонентов нижнего плеча, а группа компонентов нижнего плеча содержит второй фиксирующий диод, клемма которого связана с потенциалом нейтральной точки; теплоотвод, на котором смонтирована группа компонентов верхнего плеча и группа компонентов нижнего плеча; и многослойную шину, расположенную поверх группы полупроводниковых компонентов и содержащую: первый слой шины, содержащий нейтральную субшину, обеспечивающую электрические соединения между первым фиксирующим диодом, вторым фиксирующим диодом и потенциалом нейтральной точки; и второй слой шины, содержащий множество субшин, обеспечивающих электрические соединения между группой компонентов верхнего плеча и положительным входом постоянного тока, отрицательным входом постоянного тока и входом/выходом переменного тока, электрическое соединение между группой компонентов нижнего плеча и отрицательной шиной постоянного тока, входом/выходом переменного тока и электрическое соединение между соответствующими компонентами в группе компонентов верхнего плеча и группе компонентов нижнего плеча, соответственно.
Настоящее изобретение позволяет обеспечить зеркальный путь для токов, текущих через цепь в процессе переключения. Так, токи через шину верхнего слоя и шину нижнего слоя в процессе переключения текут навстречу друг другу и, таким образом, паразитная индуктивность силового преобразователя эффективно снижается, и уменьшается падение напряжения в момент, когда компонент выключается, при этом указанные два слоя в конструкции шины легко установить, и к ним имеется легкий доступ.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания предпочтительного варианта выполнения настоящего изобретения совместно с сопровождающими чертежами, хотя возможны вариации и изменения без отхода от сути и объема изобретения.
Краткое описание чертежей
Сопровождающие чертежи иллюстрируют один или более вариантов выполнения настоящего изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов изобретения. Везде, где это возможно, одинаковые позиции на чертежах используются для обозначения одинаковых или сходных элементов в различных вариантах выполнения настоящего изобретения, при этом:
на фиг.1 показана принципиальная схема, иллюстрирующая одну фазу цепи типичной трехуровневой топологии с использованием фиксирующих диодов;
на фиг.2А-2С показаны принципиальные схемы, иллюстрирующие пример способа понижения влияния напряжения, обусловленного паразитной индуктивностью, на полупроводниковый компонент в обычной трехуровневой топологии NPC;
на фиг.3А-3D показаны принципиальные схемы, демонстрирующие четыре петли коммутации в одной фазе цепи силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC, во время нормальной работы, соответственно;
на фиг.4А показана принципиальная схема, демонстрирующего цепь силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.4B схематично показано распределение компонентов силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.5А схематично показана структура каждой фазы блока питания в силовом преобразователе, имеющем трехуровневую топологию NPC согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.5B схематично показана структура многослойной шины согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.6С схематично показана структура субшины А6 согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.6А схематично показано распределение петли 1 коммутации в многослойной шине согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.6B схематично показано распределение петли 2 коммутации в многослойной шине согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.6С схематично показано распределение петли 3 коммутации в многослойной шине согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.6D схематично показано распределение петли 4 коммутации в многослойной шине согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.7А схематично показан узел одной фазы блока питания в силовом преобразователе, имеющем трехуровневую топологию NPC согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.7B схематично с частичным разнесением деталей показан узел блока питания, изображенный на фиг.7А;
на фиг.8А показана принципиальная схема силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.8B схематично показано распределение компонентов силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC, согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.9А схематично показана структура каждой фазы блока питания в силовом преобразователе, имеющем трехуровневую топологию NPC, согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;
на фига 9B схематично показана структура многослойной шины согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.9С схематично показана структура субшины В6 согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.10А схематично показано распределение петли 1 коммутации в многослойной шине согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.10B схематично показано распределение петли 2 коммутации в многослойной шине согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.10С схематично показано распределение петли 3 коммутации в многослойной шине согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.10D схематично показано распределение петли 4 коммутации в многослойной шине согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.11А схематично показан узел одной фазы блока питания в силовом преобразователе, имеющем трехуровневую топологию NPC, согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.11В схематично с частичным разнесением деталей показан узел блока питания, изображенный на фиг.11А.
Предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения.
Ниже варианты выполнения настоящего изобретения описаны подробно. Следует отметить, что эти варианты выполнения настоящего изобретения даны только для иллюстрации и не ограничивают настоящего изобретения.
Ниже настоящее изобретение описано более полно со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых показаны примеры вариантов выполнения настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение может быть реализовано в множестве различных форм, и не следует считать, что оно ограничено только вариантами выполнения настоящего изобретения, раскрытыми в настоящем описании. Эти варианты даны лишь для того, чтобы полнее раскрыть объем изобретения специалистам в данной области техники. На протяжении всего описания одинаковые позиции относятся к сходным элементам.
Терминология используется здесь только с целью описания конкретных вариантов выполнения настоящего изобретения и не предназначена для ограничения объема изобретения. В контексте настоящего изобретения подразумевается, что формы единственного числа включают и формы множественного числа, если из контекста не следует обратного. Кроме того, подразумеваться, что термины «содержит» и/или «содержащий», «включает» и/или «включающий» или «имеет» и/или «имеющий» в контексте настоящего изобретения определяют наличие заявляемых признаков, областей, целых чисел, шагов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают возможность присутствия или добавления одного или большего количества других признаков, областей, целых чисел, шагов, операций, элементов, компонентов и/или групп, состоящих из них.
Если не указано иного, все термины (включая технические и научные термины), используемые здесь, имеют общепринятое значение в области, к которой относится настоящее изобретение. Далее подразумевается, что термины, которые определены в обычно используемых словарях, должны интерпретироваться как имеющие значение, которое совместимо с их значением в контексте соответствующей области техники и формулы настоящего изобретения, и не должны интерпретироваться в идеализированном или чрезмерно формальном смысле, если это не заявлено явно.
В контексте настоящего изобретения термин «множество» означает количество, превышающее единицу.
На фиг.3А-3D показаны принципиальные схемы, демонстрирующие четыре петли коммутации в одной фазе цепи силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC, во время нормальной работы, соответственно.
1
1
1
1
1
1
1
1
На фиг.3А показана петля 1 коммутации. На фиг.3А петля 1 коммутации идет от конденсатора C шины верхнего плеча, полупроводникового компонента S, фиксирующего диода D и соединителей между вышеуказанными компонентами к выходной клемме переменного тока, как показано стрелками на фиг.3А. Когда S переходит из включенного состояния в выключенное состояние, ток, текущий через S, уменьшается, а ток, текущий через фиксирующий диод D, увеличивается, и напряжение, обусловленное паразитной индуктивностью, может оказаться приложенным к S (его направление показано на фиг.3А), и, таким образом, электрическое напряжение на S растет.
1
1
2
3
2
3
3
2
1
2
3
3
На фиг.3В показана петля 2 коммутации. На фиг.3В петля 2 коммутации идет от клеммы переменного тока и через конденсатор C шины верхнего плеча, демпфирующие диоды FWD и FWD, полупроводниковый компонент S, фиксирующий диод D и соединители между вышеуказанными компонентами, как показано стрелками на фиг.3В. Когда S переходит из включенного состояния в выключенное состояние, ток, текущий через S и D, уменьшается, а ток, текущий через демпфирующие диоды FWD и FWD, увеличивается, и напряжение, обусловленное паразитной индуктивностью, может оказаться приложенным к S (его направление показано на фиг.3В), и, таким образом, электрическое напряжение на S увеличивается.
2
4
2
4
4
2
4
4
На фиг.3С показана петля 3 коммутации. На фиг.3С петля 3 коммутации идет от клеммы переменного тока и через конденсатор C шины нижнего плеча, полупроводниковый компонент S, фиксирующий диод D и соединители между вышеуказанными компонентами, как показано стрелками на фиге 3C. Когда S переходит из включенного состояния в выключенное состояние, ток, текущий через S, уменьшается, а ток, текущий через фиксирующий диод D, увеличивается, и напряжение, обусловленное паразитной индуктивностью, может оказаться приложенным к S (его направление показано на фиг.3С), и, таким образом, электрическое напряжение на S увеличивается.
2
2
3
4
1
2
2
1
2
2
На фиг.3D показана петля 4 коммутации. На фиг.3D петля 4 коммутации идет от конденсатора C шины нижнего плеча, полупроводниковый компонент S, демпфирующие диоды FMD и FWD, фиксирующий диод D и соединители между вышеуказанными компонентами к выходной клемме переменного тока, как показано стрелками на фиг.3D. Когда S переходит из включенного состояния в выключенное состояние, ток, текущий через S и фиксирующий диод D, уменьшается, и напряжение, обусловленное паразитной индуктивностью, может оказаться приложенным к S (его направление показано на фиг.3D), и, таким образом, электрическое напряжение на S увеличивается.
Поэтому в трехуровневом силовом преобразователе NPC, когда состояния компонентов изменяются, напряжение, обусловленное паразитной индуктивностью, может увеличить падение напряжения на полупроводниковых компонентах, таким образом влияя на рабочие параметры в сторону их ухудшения, что приводит к повышению требований к параметрам полупроводниковых компонентов при изготовлении силового преобразователя и, таким образом, к повышению стоимости его изготовления. Вышеуказанные отрицательные эффекты можно устранить путем уменьшения паразитной индуктивности силового преобразователя.
Поэтому настоящее изобретение предлагает многослойную шину для трехуровневого силового преобразователя NPC, содержащую два слоя шины, при этом один слой шины содержит нейтральную субшину, обеспечивающую электрическое соединение между компонентами трехуровневого силового преобразователя NPC и потенциалом нейтральной точки, а другой слой шины может содержать множество субшин, обеспечивающих, соответственно, электрические соединения между соответствующими компонентами трехуровневого силового преобразователя NPC и положительным входом постоянного тока, отрицательным входом постоянного тока, входом/выходом переменного тока и электрические соединения между соответствующими компонентами.
В многослойной шине согласно варианту выполнения настоящего изобретения главные части указанных двух шин расположены соответственно в двух различных плоскостях. В контексте настоящего описания, главная часть каждого слоя шины относится к той проводящей части шины каждого слоя шины, которая будет подробно описана ниже.
Настоящее изобретение обеспечивает зеркальный путь для тока, текущего через цепь в процессе переключения посредством специальной конструкции двух слоев шин, то есть направления токов, текущих через верхний и нижний слои шин в процессе переключения, будут зеркально симметричны, в результате чего паразитную индуктивность в силовом преобразователе можно эффективно снизить, а падение напряжения, когда полупроводниковые компоненты выключаются, можно уменьшить, при этом конструкцию шины с двумя слоями можно легко изготовить и установить.
По сравнению со способом, показанном на фиг.2А-2С, настоящее изобретение не приводит к увеличению количества компонентов, что упрощает процесс производства и не влияет на динамические характеристики полупроводниковых компонентов. Кроме того, частота отказов не увеличивается, удельная мощность преобразователя не снижается, а его стоимость не увеличивается, поскольку никаких дополнительных компонентов не вводится.
По сравнению с многослойной шиной, предложенной в патенте США №645651681, при одинаковом уровне напряжения, одинаковом изолирующем материале и одинаковом процессе изолирования, рабочее напряжение между двумя слоями шины согласно настоящему изобретению равно половине напряжения на шине, а для такой конструкции требуется только один слой изолятора, толщина которого равна половине по сравнению с конструкцией с тремя слоями шины. Поэтому паразитная индуктивность в двух слоях шины в настоящем изобретении меньше, чем паразитная индуктивность в трех слоях. Кроме того, процесс изготовления шин в настоящем изобретении прост, а стоимость шин низка, поскольку по форме шины аналогичны друг другу, и для изготовления шин не требуется никакого специфического процесса, например изгиба, наклеивания и т.п.
По сравнению со многослойной шиной, предложенной в патенте США №7881086 B2, при одинаковом уровне напряжения, одинаковом изолирующем материале и одинаковом процессе изолирования количество слоев шины в настоящем изобретении значительно снижено, также как количество изолирующих слоев, что приводит к соответствующему уменьшению паразитной индуктивности. Кроме того, количество соединительных отверстий в многослойных шинах в настоящем изобретении уменьшено, что снижает стоимость производства шин.
Ниже многослойная шина для трехуровневого силового преобразователя NPC согласно настоящему изобретению будет описана на примере различных вариантов ее выполнения.
Первый вариант выполнения настоящего изобретения
11
13
11
13
11
13
14
16
14
16
14
16
12
11
13
15
14
16
110
120
Как показано на фиг.4А, верхнее плечо в одной фазе цепи силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC, содержит полупроводниковые компоненты S и S, демпфирующие диоды FWD и FWD, включенные параллельно S и S, соответственно, а нижнее плечо содержит полупроводниковые компоненты S и S, демпфирующие диоды FWD и FWD, включенные параллельно с S и S, соответственно. Клемма фиксирующего диода D соединена с S и S верхнего плеча, а другая его клемма соединена с потенциалом нейтральной точки. Клемма фиксирующего диода D соединена с S и S нижнего плеча, а другая его клемма соединена с потенциалом нейтральной точки. Конденсатор C шины верхнего плеча включен последовательно между положительным входом постоянного тока и потенциалом нейтральной точки, а конденсатор C шины нижнего плеча включен последовательно между отрицательным входом постоянного тока и потенциалом нейтральной точки. На фиг.4А «Р» обозначает положительный вход постоянного тока, «N» обозначает отрицательный вход постоянного тока, «NP» обозначает потенциал нейтральной точки, а «АС» обозначает вход/выход переменного тока.
11
11
12
13
13
14
14
15
16
16
В этом варианте выполнения настоящего изобретения, согласно структуре соединений между соответствующими компонентами в силовом преобразователе, компоненты в силовом преобразователе составляют различные полупроводниковые модули, и, таким образом, структура многослойной шины может быть организована в соответствии с этими модулями. Например, как показано на фиг.4А, S и FWD, соединенные параллельно, составляют полупроводниковый модуль 11; D составляет полупроводниковый модуль 12; S и FWD, соединенные параллельно, составляют полупроводниковый модуль 13; S и FWD, соединенные параллельно, составляют полупроводниковый модуль 14, D составляет полупроводниковый модуль 15; S и FWD, соединенные параллельно, составляют полупроводниковый коммутационный модуль 16.
Множество полупроводниковых модулей образуют группу 111 компонентов блока питания (или полупроводниковую группу компонентов) в силовом преобразователе. Как показано на фиг.4B, группа 111 блока питания может содержать шесть коммутационных модулей 11, 12, 13, 14, 15 и 16, расположенных в одной плоскости, при этом все они установлены на одном теплоотводе 10.
На фиг.4B, для того, чтобы сделать токи, которые текут через многослойную шину в верхнем и нижнем слоях, зеркально симметричными в процессе переключения, согласно электрическим соединениям между соответствующими компонентами в трехуровневой топологии цепи NPC, полупроводниковые модули 11, 12 и 13 располагают на одной стороне, а 14, 15 и 16 располагают на другой стороне - напротив первой стороны. Кроме того, предпочтительно, чтобы модуль 11 был расположен параллелью модулю 14, модуль 12 - параллельно модулю 15, а модуль 13 - параллелью модулю 16.
11
11
110
11
12
13
11
12
13
13
16
13
16
16
15
14
13
15
14
14
14
120
12
15
12
15
110
120
На фиг.5А и 7А в силовом преобразователе, имеющем трехуровневую топологию NPC согласно данному варианту выполнения настоящего изобретения, для примера взята одна фаза блока 100 питания в силовом преобразователе, чтобы пояснить структуру блока питания. Блок 100 питания, главным образом, содержит теплоотвод 10, группу 111 компонентов, содержащую модули 11, 12, 13, 14, 15 и 16 полупроводниковых компонентов, и субшины А1, А2, A3, А4, А5 и А6, каждая из которых по своим функциям разделена на проводящую и соединительную части. В данном варианте выполнения настоящего изобретения субшины связаны с соответствующими компонентами в блоке питания. Более конкретно, штырь C элемента 11 связан с соединительным отверстием C′ субшины А1, а соединитель 17 субшины А1 используется в качестве входной положительной клеммы постоянного тока, которая связана с входной положительной шиной постоянного тока через конденсатор C верхнего плеча. Штырь E элемента 11, штырь K элемента 12 и штырь C элемента 13 электрически связаны с соединительными отверстиями E′, K′ и C′ субшины А2, соответственно. Штырь E элемента 13 и штырь C элемента 16 электрически связаны с соединительными отверстиями E′ и C′ субшины А5, соответственно, а соединитель 110 субшины А5 используется в качестве входа/выхода переменного тока. Штырь E элемента 16, штырь A элемента 15 и штырь C элемента 14 электрически связаны с соединительными отверстиями E′, A′ и C′ субшины A3, соответственно. Штырь E элемента 14 электрически связан с соединительным отверстием E′ субшины А4, а соединитель 18 из субшины А4 используется в качестве входной отрицательной клеммы постоянного тока, которая связана с отрицательной общей шиной постоянного тока через конденсатор C нижнего плеча. Штырь A элемента 12 и штырь K элемента 15 электрически связаны с соединительными отверстиями A′ и K′ нейтральной субшины А6, расположенной на первом слое, а соединитель 19 нейтральной субшины А6 используется в качестве клеммы соединения с потенциалом нейтральной точки в одной фазе цепи силового преобразователя, которая связана с конденсатором C верхнего плеча и конденсатором C нижнего плеча.
На фиг.5B в многослойной шине A0, состоящей из субшин А1, А2, A3, А4, А5 и А6, соединитель 17 (то есть соединитель субшины А1) связан с входной положительной клеммой постоянного тока, соединитель 18 (то есть соединитель субшины А4) связан с входной отрицательной клеммой постоянного тока, соединитель 19 (то есть соединитель субшины А6) связан с нейтральной шиной, а соединитель 110 (то есть соединитель субшины А5) связан с входной/выходной шиной переменного тока.
В варианте выполнения настоящего изобретения, показанном на фиг.5B, многослойная шина A0 размещена поверх группы 111 компонентов блока питания. Многослойная шина A0 содержит два слоя шин. Первый слой шины в многослойной шине A0 - нейтральная субшина А6, которая является нейтральной шиной для одной фазы цепи силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC, и содержит соединитель 19. Второй слой шины в многослойной шине A0 содержит множество субшин А1-А5, которые обеспечивают электрические соединения между полупроводниковыми модулями и положительной шиной постоянного тока, отрицательной шиной постоянного тока и входной/выходной шиной переменного тока, обеспечивают электрические соединения между полупроводниковыми модулями, а также содержит соединитель 17, 18 и 110.
Поэтому в этом варианте выполнения настоящего изобретения многослойная шина A0 содержит шесть субшин А1-А6. В настоящем изобретении в качестве примера взята субшина А6 для иллюстрации структуры каждой из субшин в этом варианте выполнения настоящего изобретения.
Как показано на фиг.5С, субшина А6 содержит проводник А60 и соединитель А61. Проводник А60 - это часть субшины А6, которая используется для создания пути для тока через полупроводниковые модули, а соединитель А61 используется для надежного соединения проводника А60 с внешним устройством, таким как полупроводниковый модуль, конденсатор, двигатель, кабель и т.п., известным способом. В зависимости от различных соединяемых объектов соединитель А61 может содержать по меньшей мере одно из следующего: соединительную клемму А610, соединительное отверстие А611, сквозное отверстие А612 и т.п. Например, соединитель А61 может быть выполнен как соединитель 19 на фиг.5А, и этот соединитель 19 содержит только соединительные клеммы и соединительные отверстия. Аналогично, в других субшинах соединитель может быть выполнен как соединитель 17 и 18 на фиг.5А, а соединитель 17 и 18 также содержит только соединительные клеммы и соединительные отверстия.
В настоящем изобретении, когда требуется, соединитель шины может быть реализован по-разному: например, путем изгиба в пространстве, с помощью заклепки, выпуклости или вогнутости, болтового соединения, скобы, соединительного отверстия и сквозного отверстия различной формы и т.д. Например, при соединении полупроводниковых модулей посредством отверстий в каждой из субшин в многослойной шине выполнены отверстия в местах, соответствующих положениям соответствующих компонентов в полупроводниковых модулях. Отверстия могут быть отнесены к двум типам, в зависимости от их диаметров. Малое отверстие, имеющее меньший диаметр, является соединительным отверстием, и каждая из субшин электрически связана с соответствующим штырем полупроводниковых модулей через соединительные отверстия. Большое отверстие, имеющее больший диаметр, представляет собой сквозное отверстие, и эти сквозные отверстия в каждой из субшин электрически не связаны со штырями полупроводниковых модулей. На чертежах показан только пример, в котором отверстия являются круглыми, но специалистам очевидно, что форма отверстий этим не ограничена и отверстия могут иметь различную форму, например эллипсоидальную, квадратную, и т.д., лишь бы эти отверстия выполняли функции вышеуказанных соединительных отверстий или вышеуказанных сквозных отверстий и отличались друг от друга согласно этим двум функциям.
Многослойная шина A0 может дополнительно содержать изолирующую часть. Изолирующая часть располагается между двумя субшинами, имеющими различные рабочие напряжения и уложенными друг на друга. В качестве примера возьмем многослойную шину A0: в ней изолирующий слой имеется между верхним и нижним слоями шины, и изолирующий слой может быть прикреплен к поверхности субшины А6 или может быть присоединен к поверхностям субшин А1, А2, A3, А4 и А5 или может быть присоединен к поверхностям субшин А1, А2, A3, А4, А5 и А6 одновременно. Изолирующий слой может не быть присоединен ни к какой поверхности субшин, а может располагаться независимо между двумя слоями субшин, а эффективное сцепление между верхним и нижним слоями шины достигается посредством ламинирования, адгезии и т.д. Как показано на фиг.5А и 5B, нейтральная субшина А6 расположена отдельно поверх многослойной шины, и рабочие напряжения между другими субшинами, расположенными во втором слое, и нейтральной шиной А6, равны половине полного рабочего напряжения постоянного тока в силовом преобразователе. Однако в шине второго слоя рабочие напряжения между множеством субшин, то есть между А1 и А2, между А2 и А5, между A3 и А5, между A3 и А4, и между А2 и A3 также равны половине полного рабочего напряжения постоянного тока в преобразователе, а рабочее напряжение между А1 и А4 равно полному рабочему напряжению постоянного тока в преобразователе.
В этом варианте выполнения настоящего изобретения многослойная шина сформирована в виде двух слоев, что обеспечивает по существу зеркальную симметрию токов, текущих через верхний и нижний слои шины, что эффективно снижает паразитную индуктивность в силовом преобразователе и дополнительно снижает падение напряжения на переключающих компонентах. Кроме того, нейтральная субшина, выполненная в одном из двух слоев, может полностью покрывать все шины, выполненные в другом слое, что еще больше снижает паразитную индуктивность в силовом преобразователе.
Ниже со ссылками на фиг.6А-6D описано влияние многослойной шины согласно этому варианту выполнения настоящего изобретения на паразитную индуктивность в трехуровневом силовом преобразователе NPC.
На фиг.6А схематично показано распределение петли 1 коммутации в многослойной шине согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения. На фиг.6В схематично показано распределение петли 2 коммутации в многослойной шине согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения. На фиг.6С схематично показано распределение петли 3 коммутации в многослойной шине согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения. На фиг.6D схематично показано распределение петли 4 коммутации в многослойной шине согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения.
11
110
11
11
12
12
110
110
11
11
12
110
На фиг.3А и фиг.6А, когда полупроводниковый компонент S выключается, ток по петле 1 коммутации течет через субшину А1, полупроводниковый модуль 11, субшину А2 и полупроводниковый модуль 12, которые расположены в первом слое, и нейтральную субшину А6, которая расположена во втором слое. Более конкретно, ток в петле 1 коммутации течет по маршруту C-C-E-K-A-C, то есть, начиная от анодной клеммы конденсатора C шины верхнего плеча, в полупроводниковый модуль 11 через субшину А1 и клемму C полупроводникового модуля 11, затем от другой клеммы E полупроводникового модуля 11 в полупроводниковый модуль 12 через субшину А2 и клемму K полупроводникового модуля 12, затем от другой клеммы А12 полупроводникового модуля 12 и заканчивая на катодной клемме конденсатора C шины верхнего плеча через нейтральную субшину А6. Поскольку А6 и А1, А2 расположены в различных плоскостях, и предпочтительно А6 полностью перекрывает остальные, путь для тока в петле 1 коммутации экранирован, и, таким образом, создаваемая паразитная индуктивность очень мала. Чем больше перекрытие петли 1 коммутации, тем меньшую паразитную индуктивность создает петля 1 коммутации.
13
110
11
11
13
13
16
16
15
15
110
110
11
11
13
13
15
15
110
На фиг.3В и фиг.6B, когда полупроводниковый компонент S выключается, ток по петле 2 коммутации течет через субшину А1, полупроводниковый модуль 11, субшину А2, полупроводниковый модуль 13, субшину А5, полупроводниковый модуль 16, субшину A3, полупроводниковый модуль 15 и нейтральную субшину А6. Более конкретно, ток в петле 2 коммутации течет по пути C-C-E-C-E-C-E-A-K-C, то есть, начиная от анодной клеммы конденсатора C шины верхнего плеча, в полупроводниковый модуль 11 через субшину А1 и клемму C полупроводникового модуля 11, далее от другой клеммы E полупроводникового модуля 11 в полупроводниковый модуль 13 через субшину А2 и клемму C полупроводникового модуля 13, далее от другой клеммы E полупроводникового модуля 13 в полупроводниковый модуль 16 через субшину А5 и клемму С16 полупроводникового модуля 16, далее от другой клеммы Е16 полупроводникового модуля 16 в полупроводниковый модуль 15 через субшину A3 и клемму A полупроводникового модуля 15, далее от другой клеммы K полупроводникового компонента 15, и заканчивая на катодной клемме конденсатора C шины верхнего плеча через субшину А6. Поскольку А6 и А1, А2, А5, A3 расположены в различных плоскостях, и предпочтительно А6 полностью перекрывает остальные, путь для тока в петле 2 коммутации экранирован, и, таким образом, создаваемая паразитная индуктивность очень мала. Чем больше перекрытие петли 2 коммутации, тем меньшую паразитную индуктивность создает петля 2 коммутации.
120
14
14
15
15
120
120
15
15
14
14
На фиг.3С и фиг.6С, когда полупроводниковый компонент S14 выключается, ток в петле 3 коммутации течет через субшину А4, полупроводниковый модуль 14, субшину A3, полупроводниковый модуль 15 и нейтральную субшину А6. Более конкретно, ток в петле 3 коммутации течет по пути C-E-C-A-K-C, то есть, начиная от анодной клеммы конденсатора C шины нижнего плеча, в полупроводниковый модуль 15 через нейтральную субшину А6 и клемму K полупроводникового модуля 15, далее от другой клеммы A полупроводникового модуля 15 в полупроводниковый модуль 14 через субшину A3 и клемму С полупроводникового модуля 14, далее от другой клеммы K полупроводникового модуля 14 и заканчивая на катодной клемме конденсатора С120 шины нижнего плеча через субшину А4. Поскольку А6 и A3, А4 расположены в различных плоскостях, и предпочтительно А6 полностью перекрывает остальные, путь для тока в петле 3 коммутации экранирован, и, таким образом, создаваемая паразитная индуктивность очень мала. Чем больше перекрытие петли 3 коммутации, тем меньшую паразитную индуктивность создает петля 3 коммутации.
12
120
12
12
13
13
16
16
14
120
120
12
13
16
16
14
14
На фиг.3D и фиг.6D, когда полупроводниковый компонент S выключается, ток в петле 4 коммутации течет через субшину А4, полупроводниковый модуль 14, субшину A3, полупроводниковый модуль 16, субшину А5, полупроводниковый модуль 13, субшину А2, полупроводниковый модуль 12 и нейтральную субшину А6. Более конкретно, ток в петле 4 коммутации течет по пути C-A-K-C-E-C-E-C-C, то есть, начиная от анодной клеммы конденсатора C шины нижнего плеча, в полупроводниковый модуль 12 через нейтральную субшину А6 и клемму A полупроводникового модуля 12, далее от другой клеммы К12 полупроводникового модуля 12 в полупроводниковый модуль 13 через субшину А2 и клемму C полупроводникового модуля 13, далее от другой клеммы Е13 полупроводникового модуля 13 в полупроводниковый модуль 16 через субшину А5 и клемму C полупроводникового модуля 16, далее от другой клеммы E полупроводникового модуля 16 в полупроводниковый модуль 14 через субшину A3 и клемму C полупроводникового модуля 14, далее от другой клеммы E полупроводникового модуля 14 и заканчивая на катодной клемме конденсатора С120 шины нижнего плеча через субшину А4. Поскольку А6 и А2, А5, A3, А4 расположены в различных плоскостях, и предпочтительно А6 полностью перекрывает остальные, путь для тока в петле 4 коммутации экранирован, и, таким образом, создаваемая паразитная индуктивность очень мала. Чем больше перекрытие петли 4 коммутации, тем меньшую паразитную индуктивность создает петля 4 коммутации.
Как описано выше, первый вариант выполнения настоящего изобретения в принципе обеспечивает зеркальный путь для токов в момент переключения, уменьшает площадь петли коммутации и, таким образом, эффективно снижает паразитную индуктивность. По сравнению с вариантом с множеством слоев многослойных шин, в настоящем изобретении паразитную индуктивность можно понизить еще больше. При этом многослойная шина содержит только два слоя, а для соединений между соответствующими субшинами в каждом из этих двух слоев и полупроводниковыми модулями не обязательно использовать отдельный процесс, и, таким образом, многослойная шина согласно этому варианту выполнения настоящего изобретения имеет конструкцию, которую просто и легко изготовить.
В качестве модификации первого варианта выполнения настоящего изобретения можно изменить положение полупроводниковых модулей 11 и 14, положение полупроводникового модуля 12 и 15 и положение полупроводникового модуля 13 и 16. Соответственно, положение субшины А1 и А4 и положение субшины А2 и A3 также меняются, и при этом также можно обеспечить уменьшение паразитной индуктивности. В отношении многослойной шины, описанной выше, специалистам в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение можно осуществить при другой конструкции полупроводниковых модулей 11-16 и субшин, лишь бы токи в многослойных шинах текли по существу зеркально.
Ниже со ссылками на фиг.7А и фиг.7B описан узел одной фазы блока питания в силовом преобразователе, имеющем трехуровневую топологию NPC согласно этому варианту выполнения настоящего изобретения.
110
120
110
120
Как показано на фиг.7А, блок 100 питания дополнительно содержит конденсаторную группу 150 и многослойную шину 160 постоянного тока. Группа 150 содержит конденсатор C верхнего плеча и конденсатор C нижнего плеча. Поскольку напряжения, действующие в силовом преобразователе, очень высоки, конденсаторы, используемые в настоящем изобретении, имеют большие размеры, и для соединения соответствующих клемм C, C и многослойной шины A0 предпочтительно обеспечить многослойную шину 160 постоянного тока. Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено этим вариантом, и силовой преобразователь согласно настоящему изобретению может быть выполнен другими способами или без многослойной шины постоянного тока.
110
120
Конструкция блока питания показана на фиг.7B. На фиг.7B А7 - шина для соединения конденсатора C верхнего плеча, А8 - шина для соединения конденсатора C нижнего плеча и А9 - нейтральная шина для соединения нейтральной субшины А6 многослойной шины A0. Соединение между соединителем 17 шины A0 и соединителем А70 шины А7 соответствует положительному входу постоянного тока. Соединение между соединителем 18 шины A0 и соединителем А81 шины А8 соответствует отрицательному входу постоянного тока. Соединение между соединителем 19 шины A0 и соединителем А92 шины А9 соответствует нейтральной точке. Соединительная часть 110 вводной/выходной шины переменного тока для шины A0 связана со входным/выходным устройством (например фильтром или двигателем). При этом соединитель А73 шины А7 связан с шиной конденсатора верхнего плеча других фаз блоков питания в силовом преобразователе, соединитель А83 шины А8 связан с шинами конденсатора нижнего плеча других фаз блоков питания в силовом преобразователе, а соединитель А93 шины А9 связан с другими нейтральными шинами других фаз блоков питания в силовом преобразователе.
Второй вариант выполнения настоящего изобретения
211
221
222
232
211
221
222
232
212
231
210
220
Как показано на фиг.8А, в этом варианте выполнения настоящего изобретения S, S, S и S - полупроводниковые компоненты, FWD, FWD, FWD и FWD - демпфирующие диоды, FWD и FWD - фиксирующие диоды, C - конденсатор шины верхнего плеча и C - конденсатор шины нижнего плеча.
211
211
212
221
221
222
222
232
231
232
Разница между вторым вариантом выполнения настоящего изобретения и первым вариантом выполнения настоящего изобретения заключается в том, что имеется только три полупроводниковых модуля. В этом варианте выполнения настоящего изобретения полупроводниковые компоненты S, FWD и FWD составляют полупроводниковый модуль 21, полупроводниковые компоненты S, FWD, S и FWD составляют полупроводниковый модуль 22, а полупроводниковые компоненты S, FWD и FWD составляют полупроводниковый модуль 23. Множество полупроводниковых модулей образует группу 211 компонентов блока питания.
Как показано на фиг.8B, группа 211 компонентов блока питания содержит полупроводниковые модули 21, 22 и 23, которые располагаются в одной плоскости. Все полупроводниковые модули в группе 211 установлены на одном теплоотводе 20.
211
211
212
211
211
212
211
212
221
221
222
222
221
222
232
23
231
В этом варианте выполнения настоящего изобретения, поскольку полупроводниковые компоненты S, FWD и FWD содержатся в полупроводниковом модуле 21, S, FWD и FWD используют общий соединительный штырь E/C. Аналогично, полупроводниковые компоненты S, FWD и S, FWD используют общий соединительный штырь Е/С, а полупроводниковые компоненты S, FWD и фиксирующий диод FWD используют общий соединительный штырь Е231/С232.
211
212
212
211
Поэтому, как показано на фиг.8B, имеется только три штыря, идущих наружу из полупроводниковых модулей. Например, штыри, идущие из полупроводникового модуля 21, - это E/C, Е и С, а другие полупроводниковые модули сформированы аналогично.
211
211
210
211
212
221
211
212
221
222
231
232
222
231
232
232
232
220
221
222
221
222
212
231
212
231
210
220
На фиг.9А и фиг.11А для примера взята одна фаза блока 200 питания в силовом преобразователе, иллюстрирующая конструкцию силового преобразователя согласно этому варианту выполнения настоящего изобретения. Блок 200 питания, главным образом, содержит теплоотвод 20, группу 211 компонентов блока питания, содержащую полупроводниковые модули 21, 22 и 23, и субшины В1, В2, B3, В4, В5 и В6, при этом каждая из субшин по своим функциям разделена на проводящую и соединительную части. В данном варианте выполнения настоящего изобретения субшины связаны с соответствующими компонентами в блоке питания. Более конкретно, в многослойной шине В0 согласно этому варианту выполнения настоящего изобретения штырь С полупроводникового модуля 21 электрически связан с соединительным отверстием C′ субшины В1, а соединитель 27 субшины В1 используется в качестве входной положительной клеммы постоянного тока, которая связана с входной положительной шиной постоянного тока через конденсатор C верхнего плеча. Штырь Е/С полупроводникового модуля 21 и штырь С полупроводникового модуля 22 электрически связаны с соединительными отверстиями E′/C′ и C′ субшины В2, соответственно. Штырь Е полупроводникового модуля 22 и штырь Е/С полупроводникового модуля 23 электрически связаны с соединительными отверстиями Е′, E′/C′ субшины B3, соответственно. Штырь Е полупроводникового модуля 23 электрически связан с соединительным отверстием Е′ субшины В4, а соединитель 28 субшины В4 используется в качестве входной отрицательной клеммы постоянного тока, которая связана с входной отрицательной шиной постоянного тока через конденсатор С нижнего плеча. Штырь E/C полупроводникового модуля 22 электрически связан с соединительным отверстием E′/C′ субшины В5, а соединитель 210 субшины В5 используется в качестве входа/выхода переменного тока. Штырь Е полупроводникового модуля 21 и штырь С полупроводникового модуля 23 электрически связаны с соединительными отверстиями Е′ и С′ нейтральной субшины В6, соответственно, а соединитель 29 нейтральной субшины В6 используется в качестве нейтральной соединительной клеммы, которая связана с конденсатором C верхнего плеча и конденсатором C нижнего плеча.
На фиг.9B соединитель 27 многослойной шины В0, составленной из субшин В1, В2, B3, В4, В5 и В6 (то есть, соединитель субшины В1), связан с входной положительной шиной постоянного тока силового преобразователя, соединитель 28 (то есть, соединитель субшины В4) связан с входной отрицательной шиной постоянного тока силового преобразователя, соединитель 29 (то есть, соединитель субшины В6) связан с нейтральной шиной силового преобразователя, а соединитель 210 (то есть, соединитель субшины В5) связан с входной/выходной шиной переменного тока.
Как показано на фиг.9B, в этом варианте выполнения настоящего изобретения многослойная шина В0 распределена в группе 211 компонентов блока питания. Многослойная шина В0 содержит два слоя. Первый слой - это нейтральная субшина В6, которая представляет собой нейтральную шину одной фазы в трехуровневой топологии NPC с соединителем 29. Второй слой содержит множество субшин В1-В5, которые обеспечивают электрические соединения между полупроводниковыми модулями и входной положительной шиной постоянного тока, входной отрицательной шиной постоянного тока, вводной/выходной шиной переменного тока и электрическими соединениями между соответствующими полупроводниковыми модулями с помощью соединителей 27, 28 и 210.
Поэтому в этом варианте выполнения настоящего изобретения многослойная шина В0 содержит шесть субшин В1-В6. В настоящем изобретении в качестве примера для иллюстрации структуры любой шины согласно варианту выполнения настоящего изобретения на фиг.9С показана субшина В6. Как показано на фиге 9С, субшина В6 содержит проводящую часть В60 и соединительную часть В61. Часть В60 используется для обеспечения пути для тока в модулях переключающих компонентов. Часть В61 используется для эффективного соединения части В60 с внешним устройством, таким как модуль полупроводниковых компонентов, конденсатор, двигатель, кабель и т.п. В зависимости от различных соединительных объектов часть В61 может содержать по меньшей мере одно из следующего: соединительные клеммы В610, соединительные отверстия В611, сквозные отверстия В612 и т.д. Например, часть В61 может выполнена как соединитель 29 на фиг.9А, при этом соединитель 29 содержит только соединительные клеммы и соединительные отверстия. Аналогично, в других субшинах соединитель может быть выполнен как соединитель 27 и 28 на фиг.9А, при этом соединитель 27 и 28 также включает соединительные клеммы и соединительные отверстия.
В настоящем изобретении по потребности соединитель шины может быть реализован по-разному: например, путем изгиба в пространстве, с помощью заклепки, выпуклости или вогнутости, болтового соединения, скобы, соединительного отверстия и сквозного отверстия различной формы и т.д. Например, при соединении полупроводниковых модулей посредством отверстий в каждой из субшин в многослойной шине выполнены отверстия в местах, соответствующих положениям соответствующих компонентов в полупроводниковых модулях. Отверстия могут быть отнесены к двум типам, в зависимости от их диаметров. Малое отверстие, имеющее меньший диаметр, является соединительным отверстием, и каждая из субшин электрически связана с соответствующим штырем полупроводниковых модулей через соединительные отверстия. Большое отверстие, имеющее больший диаметр, представляет собой сквозное отверстие, и эти сквозные отверстия в каждой из субшин электрически не связаны со штырями полупроводниковых модулей. На чертежах показан только пример, в котором отверстия являются круглыми, но специалистам очевидно, что форма отверстий этим не ограничена и отверстия могут иметь различную форму, например эллипсоидальную, квадратную, и т.д., лишь бы эти отверстия выполняли функции вышеуказанных соединительных отверстий или вышеуказанных сквозных отверстий и отличались друг от друга согласно этим двум функциям.
Многослойная шина В0 может дополнительно содержать изолирующую часть. Изолирующая часть располагается между двумя субшинами, имеющими различные рабочие напряжения и уложенными друг на друга. В качестве примера возьмем многослойную шину В0: в ней изолирующий слой имеется между верхним и нижним слоями шины, и изолирующий слой может быть прикреплен к поверхности субшины В6, или может быть присоединен к поверхностям субшин В1, В2, B3, В4 и В5 или может быть присоединен к поверхностям субшин В1, В2, B3, В4, В5 и В6 одновременно. Изолирующий слой может не быть присоединен ни к какой поверхности субшин, а может располагаться независимо между двумя слоями субшин, а эффективное сцепление между верхним и нижним слоями шин достигается посредством ламинирования, адгезии и т.д. Как показано на фиг.9А и 9B, нейтральная субшина В6 расположена отдельно поверх многослойной шины, и рабочие напряжения между другими субшинами, расположенными во втором слое, и нейтральной субшиной В6, равны половине полного рабочего напряжения постоянного тока в силовом преобразователе. Однако в шине второго слоя, напряжения на изоляции между множеством субшин, то есть, между субшиной В1 и субшиной В2, между субшиной В2 и субшиной B3, между субшиной B3 и субшиной В5, между субшиной В2 и субшиной В5, равны половине полного рабочего напряжения постоянного тока.
В этом варианте выполнения настоящего изобретения многослойная шина сформирована в виде двух слоев субшин, что обеспечивает по существу зеркальную симметрию токов, текущих через верхний и нижний слои шин, что эффективно снижает паразитную индуктивность в силовом преобразователе и дополнительно снижает падение напряжения на переключающих компонентах. Кроме того, нейтральная субшина, выполненная в одном из двух слоев, может полностью покрывать все шины, выполненные в другом слое, что еще больше снижает паразитную индуктивность в силовом преобразователе.
Ниже со ссылками на фиг.10А-10D описано влияние многослойной шины согласно этому варианту выполнения настоящего изобретения на паразитную индуктивность в трехуровневом силовом преобразователе NPC.
На фиг.10А схематично показано распределение петли 1 коммутации в многослойной шине согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения. На фиг.10B схематично показано распределение петли 2 коммутации в многослойной шине согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения. На фиг.10С схематично показано распределение петли 3 коммутации в многослойной шине согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения. На фиг.10D схематично показано распределение петли 4 коммутации в многослойной шине согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения.
211
210
211
212
210
210
211
212
210
220
На фиг.3А и фиг.10А, когда полупроводниковый компонент S выключается, ток в петле 1 коммутации течет через субшину В1 в полупроводниковый модуль 21 и нейтральную субшину В6. Более конкретно, ток в петле 1 коммутации течет по пути C-C-E-C, то есть, начиная с анодной клеммы конденсатора C шины верхнего плеча к клемме C полупроводникового модуля 21 через субшину В1, далее от клеммы Е полупроводникового модуля 21 и заканчивая в катодной клемме конденсатора C шины верхнего плеча, то есть, к анодной клемме конденсатора C шины нижнего плеча через субшину В6. Поскольку В6 и В1 располагаются в различных плоскостях, и предпочтительно В6 полностью перекрывает В1, путь для тока в петле 1 коммутации оказывается экранирован, и, таким образом, создаваемая паразитная индуктивность очень мала. Чем больше перекрытие петли 1 коммутации, тем меньшую паразитную индуктивность создает петля 1 коммутации.
222
210
211
211
212
221
222
231
232
231
210
210
211
211
212
221
222
231
232
231
210
На фиг.3В и фиг.10B, когда полупроводниковый компонент S выключается, ток по петле 2 коммутации течет через субшину В1, полупроводниковый модуль 21, субшину В2, полупроводниковый модуль 22, субшину B3, полупроводниковый модуль 23 и нейтральную субшину В6. Более конкретно, ток в петле 2 коммутации течет по пути C-C-E/C-C-E-E/C-C-C, то есть, начиная с анодной клеммы конденсатора С шины верхнего плеча, к клемме C полупроводникового модуля 21 через субшину В1, далее от клеммы Е/С полупроводникового модуля 21 к клемме C полупроводникового модуля 22 через субшину В2, далее от клеммы E полупроводникового модуля 22 к клемме E/C полупроводникового модуля 23 через субшину B3, далее от клеммы C полупроводникового модуля 23 и заканчивая в катодной клемме конденсатора C шины верхнего плеча через субшину В6. Поскольку В6 и B1, В2, B3 располагаются в различных плоскостях, и предпочтительно В6 полностью перекрывает остальные, путь для тока в петле 2 коммутации оказывается экранирован, и, таким образом, создаваемая паразитная индуктивность очень мала. Чем больше перекрытие петли 2 коммутации, тем меньшую паразитную индуктивность создает петля 2 коммутации.
232
220
231
232
220
220
231
232
220
На фиг.3С и фиг.10С, когда полупроводниковый компонент S выключается, ток по петле 3 коммутации течет через субшину В4, полупроводниковый модуль 23 и нейтральную субшину В6. Более конкретно, ток в петле 3 коммутации течет по пути С-С-Е-С, то есть, начиная с анодной клеммы конденсатора C шины нижнего плеча к клемме C полупроводникового модуля 23 через нейтральную субшину В6, далее от клеммы Е полупроводникового модуля 23 и заканчивая в катодной клемме конденсатора C шины нижнего плеча через субшину В4. Поскольку В6 и В4 располагаются в различных плоскостях и предпочтительно В6 полностью перекрывает В4, путь для тока в петле 3 коммутации оказывается экранирован, и, таким образом, создаваемая паразитная индуктивность очень мала. Чем больше перекрытие петли 3 коммутации, тем меньшую паразитную индуктивность создает петля 3 коммутации.
220
212
211
212
221
222
231
232
232
220
220
211
212
221
222
231
232
232
220
На фиг.3D и фиг.10D, когда полупроводниковый компонент S221 выключен, ток по петле 4 коммутации течет через субшину В4, полупроводниковый модуль 23, субшину B3, полупроводниковый модуль 22, субшину В2, полупроводниковый модуль 21 и нейтральную субшину В6. Более конкретно, ток в петле 4 коммутации течет по пути C-E-E/C-С-Е-Е/С-Е-С, то есть, начиная с анода конденсатора C шины нижнего плеча к клемме Е212 полупроводникового модуля 21 через нейтральную субшину В6, далее от клеммы E/C полупроводникового модуля 21 к клемме C полупроводникового модуля 22 через субшину В2, далее от клеммы Е полупроводникового модуля 22, к клемме Е/С полупроводникового модуля 23 через субшину B3, далее от клеммы Е полупроводникового модуля 23, и заканчивая в катодной клемме конденсатора C шины нижнего плеча через субшину В4. Поскольку В6 и B2, B3, В4 располагаются в различных плоскостях, и В6 предпочтительно полностью перекрывает остальные, путь для тока в петле 4 коммутации экранирован, и, таким образом, создаваемая паразитная индуктивность очень мала. Чем больше перекрытие петли 4 коммутации, тем меньшую паразитную индуктивность создает петля 4 коммутации.
Как описано выше, второй вариант выполнения настоящего изобретения в принципе обеспечивает зеркальный путь для токов в момент переключения, уменьшает площадь петли коммутации и, таким образом, эффективно понижает паразитную индуктивность. По сравнению с вариантом с множеством слоев многослойных шин, в настоящем изобретении паразитную индуктивность можно понизить еще больше. При этом конструкция с использованием многослойных шин содержит только два слоя, а для соединений между соответствующими субшинами в каждом из этих двух слоев и полупроводниковых модулей, не обязательно использовать отдельный процесс, и, таким образом, многослойная шина согласно этому варианту выполнения настоящего изобретения имеет конструкцию, которую просто и легко изготовить.
Ниже со ссылками на фиг.11А и фиг.11В описан узел одной фазы блока питания в силовом преобразователе, имеющем трехуровневую топологию NPC согласно этому варианту выполнения настоящего изобретения.
В отличие от первого варианта выполнения настоящего изобретения в этом варианте выполнения настоящего изобретения в качестве примера, иллюстрирующего весь электрический узел, имеется трехфазная цепь силового преобразователя.
210
220
230
240
250
260
260
210
220
Как показано на фиг.11А, весь узел трехфазного блока питания для силового преобразователя содержит соответствующие фазовые блоки Р, P и Р питания, выполненные согласно этому варианту выполнения настоящего изобретения, теплоотвод Р, группу Р конденсаторных устройств и многослойную шину Р постоянного тока. В этом варианте выполнения настоящего изобретения, аналогично первому варианту выполнения настоящего изобретения, силовой преобразователь предпочтительно имеет многослойную шину Р постоянного тока для соединения соответствующих соединительных частей шины конденсатора С верхнего плеча, конденсатора C нижнего плеча и многослойной шины В0. Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено этим вариантом, и силовой преобразователь согласно настоящему изобретению может быть выполнен другими способами, или без многослойной шины постоянного тока.
220
210
220
230
210
Конструкция силового преобразователя согласно этому варианту выполнения настоящего изобретения показана на фиг.11B. На фиг.11B конденсатор 6210 шины верхнего плеча и конденсатор C шины нижнего плеча расположены напротив друг друга. Блоки Р, P и Р питания выполнены в виде блока питания, описанного во втором варианте выполнения настоящего изобретения. В24 - это шина конденсатора верхнего плеча, В25 - шина конденсатора нижнего плеча, а В26 - нейтральная шина. Соединитель В210 блока Р210, соединитель В220 блока Р220 и соединитель В230 блока Р230 связаны соответственно с соединителем В240 шины В24 конденсатора верхнего плеча для использования в качестве положительного входа постоянного тока, а шина В24 связана с конденсатором C верхнего плеча через соответствующие соединительные отверстия. Соединитель В211 блока Р210, соединитель В221 блока Р220 и соединитель В231 блока Р230 соответственно связаны с отрицательным вводом постоянного тока шины конденсатора В25 нижнего плеча для использования в качестве отрицательного ввода постоянного тока, а шина В25 связана с конденсатором С220 нижнего плеча через соответствующие соединительные отверстия. Соединитель В212 блока Р210, соединитель В222 блока Р220 и соединитель В232 блока Р230 соответственно связаны с соединителем В260 нейтральной шины В26 для использования в качестве нейтральной точки. Соединитель В213 блока Р210, соединитель В223 блока Р220, соединитель В233 блока Р230 соответственно связаны с входным/выходным устройством (например двигателем) для использования в качестве входа/выхода переменного тока.
Многослойная шина и силовой преобразователь с многослойной шиной согласно настоящему изобретению были описаны в первом варианте выполнения настоящего изобретения и втором варианте выполнения настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники очевидно, что предыдущее описание примеров вариантов выполнения настоящего изобретения было дано только для иллюстрации и не является исчерпывающим, а изобретение не ограничено раскрытыми формами. В рамках описанных принципов возможно множество вариаций и модификаций. Поэтому в качестве части силового преобразователя в преобразователе переменной частоты может использоваться конструкция многослойной шины, описанная в представленном варианте выполнения настоящего изобретения, а также может использоваться конструкция многослойной шины, модифицированная по сравнению с описанным вариантом выполнения настоящего изобретения.
Кроме того, поскольку преобразователь переменной частоты состоит, главным образом, из выпрямителя (преобразовывающего переменный ток в постоянный ток), фильтра, инвертора (преобразующего постоянный ток в переменный ток), управляющего блока, приводного блока, детекторного блока и микропроцессорного устройства, специалистам в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение может быть расширено на любой преобразователь переменной частоты, имеющий вышеуказанную многослойную конструкцию шины.
Варианты выполнения настоящего изобретения были выбраны и описаны для пояснения принципов изобретения и их практического применения, чтобы побудить других специалистов использовать приложения и различные варианты выполнения настоящего изобретения с различными модификациями, подходящими для специфического использования. Специалистам в данной области техники очевидны альтернативные варианты выполнения настоящего изобретения, не отходящие от сути изобретения. Соответственно, объем настоящего изобретения определяется пунктами формулы изобретения, а не предыдущим описанием и данными в нем в качестве примера вариантами выполнения настоящего изобретения.