CN103715915A - 三级整流半桥 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三级整流半桥，其具有第一基板（2）和与之分开布置的第二基板（3），第一基板具有第一绝缘材料体（6a）和布置在其上的、导电的、结构化的第一线路层（7a），第一功率半导体开关（T1）、第二功率半导体开关（T2）、第一二极管（D1）和第一二极管组件（10）布置在结构化的第一线路层上并且与之连接，其中，第二基板具有第二绝缘材料体（6b）和布置在第二绝缘材料体上的、导电的、结构化的第二线路层（7b），第三功率半导体开关（T3）、第四功率半导体开关（T4）、第二二极管（D2）和第二二极管组件（11）布置在结构化的第二线路层上并且与结构化的第二线路层连接。本发明实现具有降低的开关过电压的三级整流半桥（1、1’）。

Description

三级整流半桥
技术领域
本发明涉及一种三级整流半桥。
背景技术
三级整流器相对于普遍的传统整流器的卓越之处在于，如果它作为逆变器运行，则它在其交流电压侧的负载接头AC上不仅能够像传统整流器那样产生电压值基本上相应于中间电路电压Ud的正电压或负电压的交流电压，而且能够附加地在交流电压侧的负载接头AC上产生电压值基本上相应于中间电路电压Ud的正电压或负电压的一半的交流电压。
由此，例如能够使由整流器在交流电压侧的负载接头AC上所产生的电压更好地近似于正弦形式的交流电压。
在此，三级整流器具有多个三级整流半桥，为了实现三级整流器这些三级整流半桥相互电气式地电连接。
对于三级整流器公知的是，所有为了实现三级整流器所必需的功率半导体开关和二极管都布置在唯一的基板上，并且借助于基板的导体层和焊接线相互导电地连接。然而，三级整流器（其中，所有为了实现三级整流半桥所必需的功率半导体开关和二极管都布置在唯一的基板上）的可实现的电功率由于该唯一的基板的有限导热性能而受限。
此外还公知的是，为了实现三级整流器、尤其为了实现具有大的电功率的三级整流器，功率半导体开关和二极管布置在多个相互分开的基板上并且这些基板例如借助于电线相互导电地连接。在此，布置在基板上的功率半导体开关和二极管电气式地电连接成多个所谓的半桥电路，这些半桥电路通常用于电压和电流的整流和逆变。基板通常直接或间接地与冷却体连接。连接基板的电线具有如下的缺点，即，这些电线具有相对高的寄生电感，这在换向过程中导致高的开关过电压，该开关过电压阻碍功率半导体开关的可实现的开关速度和开关频率。
功率半导体开关通常以晶体管的形式例如IGBTs（绝缘栅双极型晶体管）、或MOSFETs（金属氧化层半导体场效晶体管）存在，或以受控地可关断的晶闸管的形式存在。
由EP1670131A2公知一种具有减小了的寄生电感的功率半导体模块。
发明内容
本发明的任务在于实现具有降低的开关过电压的三级整流半桥。
该任务通过具有第一基板和与第一基板分开布置的第二基板的三级整流半桥解决，
其中，第一基板具有第一绝缘材料体和布置在该第一绝缘材料体上的、导电的、结构化的第一线路层，其中，第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第一二极管和第一二极管组件布置在所述结构化的第一线路层上并且与所述结构化的第一线路层连接，
其中，第二基板具有第二绝缘材料体和布置在该第二绝缘材料体上的、导电的、结构化的第二线路层，
其中，第三功率半导体开关、第四功率半导体开关、第二二极管和第二二极管组件布置在结构化的第二线路层上并且与结构化的第二线路层连接，
其中，第一功率半导体开关的第二负载电流接头与第二功率半导体开关的第一负载电流接头导电地连接，
其中，第四功率半导体开关的第一负载电流接头与第三功率半导体开关的第二负载电流接头导电地连接，
其中，第一二极管的阴极与第一功率半导体开关的第二负载电流接头导电地连接，
其中，第二二极管的阳极与第三功率半导体开关的第二负载电流接头导电地连接，
其中，第二功率半导体开关的第二负载电流接头与第一二极管组件的阴极接头导电地连接，
其中，第三功率半导体开关的第一负载电流接头与第二二极管组件的阳极接头导电地连接，
其中，第一功率半导体开关的第一负载电流接头与第二二极管组件的阴极接头导电地连接，
其中，第四功率半导体开关的第二负载电流接头与第一二极管组件的阳极接头导电地连接，
其中，第一二极管的阳极与第二二极管的阴极导电地连接，
其中，第二功率半导体开关的第二负载电流接头与第三功率半导体开关的第一负载电流接头导电地连接。
本发明的有利构造方案由从属权利要求得知。
证实为有利的是，第一二极管组件具有第五和第六二极管，其中，第六二极管的阴极与第五二极管的阳极导电地连接，并且，第二二极管组件具有第三和第四二极管，其中，第四二极管的阴极与第三二极管的阳极导电地连接。这种措施允许对三级整流半桥的所有二极管使用具有相同的阻断电压的二极管。
此外证实为有利的是，第一二极管的阴极与第四二极管的阴极不导电地连接并且第六二极管的阴极与第二二极管的阳极不导电地连接，因为由此能够更简单地构造所述三级整流半桥。
还证实为有利的是，第一二极管组件以单个二极管的形式构造并且第二二极管组件以单个二极管的形式构造，那么，能够减少为了实现三级整流半桥所必需的二极管的数量。
附图说明
在附图中示出本发明的实施例并且在下面详细地阐述。其中：
图1示出常规技术的三级整流半桥的电路图；
图2示出根据本发明的三级整流半桥的电路图以及根据本发明的三级整流半桥的功率半导体开关和二极管在第一基板和第二基板上的根据本发明的分布方案；
图3以示意图的方式示出根据本发明的三级整流半桥的第一基板以及布置在该第一基板上的功率半导体开关和二极管；
图4以示意图的方式示出根据本发明的三级整流半桥的第二基板以及布置在该第二基板上的功率半导体开关和二极管；
图5示出另一根据本发明的三级整流半桥的电路图以及该另一根据本发明的三级整流半桥的功率半导体开关和二极管在第一基板和第二基板上的根据本发明的分布方案。
具体实施方式
在图1中示出常规技术的三级整流半桥的电路图。该三级整流半桥具有第一功率半导体开关T1、第二功率半导体开关T2、第三功率半导体开关T3、第四功率半导体开关T4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6，所述功率半导体开关和所述二极管如在图1中示出的那样电气式地电连接成所谓的半桥电路。该三级整流半桥由两个在图1中未示出的电源供电，所述电源分别产生一半的中间电路电压Ud/2，从而在两个直流电压接头DC+和DC-之间施加中间电路电压Ud。
在图1中，功率半导体开关构造为IGBT并且能够通过该功率半导体开关来接通和关闭控制输入端G。通过相应地接通和关闭功率半导体开关能够在交流电压侧的负载接头AC上产生电压，该电压的电压值基本上相应于中间电路电压Ud的电压或者基本上相应于一半的中间电路电压Ud/2，从而在相应地控制功率半导体开关时在交流电压侧的负载接头AC上从两个一半的中间电路电压Ud/2中或从中间电路电压Ud中产生相应的电压。三级整流半桥的电运转方式是普遍公知的现有技术。
要注意的是，三级整流器具有多个三级整流半桥。那么，三级整流器例如可以具有三个三级整流半桥，借助于所述三级整流半桥，通过相应地控制三级整流半桥的功率半导体开关，能够从两个一半的中间电路电压Ud/2中或从中间电路电压Ud中产生相应的三相交流电压，例如用于控制电动机。但是，三级整流器当然也可以作为直流整流器工作。
在根据图1的三级整流半桥的通常运行时，在接通和关闭功率半导体开关时，在第一功率半导体开关T1、第二功率半导体开关T2、第一二极管D1、第五二极管D5与第六二极管D6之间，并且在第三功率半导体开关T3、第四功率半导体开关T4、第二二极管D2、第三二极管D3与第四二极管D4之间仅发生电流换向。第一功率半导体开关T1、第二功率半导体开关T2、第一二极管D1、第五二极管D5和第六二极管D6由此构成第一换向组，并且第三功率半导体开关T3、第四功率半导体开关T4、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4由此构成第二换向组。在第一换向组和第二换向组的功率半导体开关与二极管之间没有电流换向在接通和关闭功率半导体开关时发生。
把上述技术知识应用于实现根据本发明的三级整流半桥。在图2中示出根据本发明的三级整流半桥1的电路图以及根据本发明的三级整流半桥1的功率半导体开关和二极管在第一基板2和第二基板3上的根据本发明的分布方案。在图3中以示意图的方式示出根据本发明的三级整流器1的第一基板2以及布置在该第一基板2上的功率半导体开关和二极管。在图4中以示意图的方式示出根据本发明的三级整流半桥1的第二基板3以及布置在该第二基板3上的功率半导体开关和二极管。
根据本发明，第一换向组的功率半导体开关和二极管布置在第一基板2上并且第二换向组的功率半导体开关和二极管布置在第二基板3上。因为由于在根据本发明的三级整流半桥1运行时没有电流换向在布置在第一基板2上的功率半导体开关和二极管与布置在第二基板3上的功率半导体开关和二极管之间出现，所以使得第一基板和第二基板导电地相互连接的电气连接线的寄生电感的作用显著地降低，并且因此，相对于把功率半导体开关和二极管以其他的形式分布在多个基板上的常规技术的三级整流半桥，在根据本发明的三级整流半桥1的情况下操作过电压显著地降低。
如已经描述的，根据本发明的三级整流半桥1具有第一基板2和与第一基板2分开布置的第二基板3。该第一基板2和该第二基板3可以布置在共同的壳体中或者布置在两个相互分开的壳体中。第一基板2具有第一绝缘材料体6a和布置在该第一绝缘材料体6a上的、导电的、结构化的第一线路层，该第一线路层由于其结构而构造成电气印制导线，其中，为了可视性在图3中仅三个印制导线7a设有参考标记。第一基板2优选具有另一导电的、优选未结构化的线路层，其中，绝缘材料体6a布置在结构化的第一线路层和该另一线路层之间。在第一基板2的该另一线路层上通常布置有冷却体，该冷却体用于冷却布置在第一基板2上的元件。第一基板2的该另一线路层在图3所示的视图中不可见地布置在第一绝缘材料体6a的背侧上。第一基板2的结构化的第一线路层例如可以由铜制成。第一基板例如可以以DCB基板的形式或者以绝缘金属基板的形式存在。在DCB基板的情况下，第一绝缘材料体6a例如可以由陶瓷制成并且第一基板的另一线路层可以由铜制成。在绝缘金属基板的情况下，第一绝缘材料体6a例如可以由聚酰亚胺和环氧树脂构成的层制成并且第一基板的另一线路层可以由金属成型体制成。金属成型体例如可以由铝或者铝合金制成。
第二基板3具有第二绝缘材料体6b和布置在该第二绝缘材料体6b上的、导电的、结构化的第二线路层，该第二线路层由于其结构而构造成电气印制导线，其中，为了可视性在图4中仅三个印制导线7b设有参考标记。第二基板3优选具有另一导电的、优选未结构化的线路层，其中，绝缘材料体6b布置在结构化的第二线路层和该另一线路层之间。在第二基板3的该另一线路层上通常布置有冷却体，该冷却体用于冷却布置在第二基板3上的元件。第二基板3的该另一线路层在图4所示的视图中不可见地布置在第二绝缘材料体6b的背侧上。第二基板3的结构化的第二线路层例如可以由铜制成。第二基板例如可以以DCB基板的形式或者以绝缘金属基板的形式存在。在DCB基板的情况下，第二绝缘材料体6b例如可以由陶瓷制成并且第二基板的另一线路层可以由铜制成。在绝缘金属基板的情况下，第二绝缘材料体6b例如可以由聚酰亚胺和环氧树脂构成的层制成并且第二基板的另一线路层可以由金属成型体制成。金属成型体例如可以由铝或者铝合金制成。
第一功率半导体开关T1、第二功率半导体开关T2、第一二极管D1和第一二极管组件10布置在第一基板2的结构化的第一线路层上并且与结构化的第一线路层连接。在图2至图4中所示的实施例中，第一二极管组件10具有第五二极管D5和第六二极管D6，其中，第六二极管D6的阴极与第五二极管D5的阳极在该实施例中通过焊接线导电地连接。为了可视性在图3中仅三个焊接线8a设有参考标记。第一功率半导体开关T1、第二功率半导体开关T2、第一二极管D1和第五二极管D5及第六二极管D6在它们朝向第一基板2的侧上具有电气负载电流接头，该负载电流接头例如通过熔焊连接、钎焊连接或烧结连接与分别配属的印制导线7a连接，并且在它们背离第一基板2的侧上具有电气负载电流接头，该负载电流接头在实施例中通过焊接线与分别配属的印制导线连接。
第三功率半导体开关T3、第四功率半导体开关T4、第二二极管D2和第二二极管组件11布置在第二基板3的结构化的第二线路层上并且与结构化的第二线路层连接。在图2至图4中所示的实施例中，第二二极管组件11具有第三二极管D3和第四二极管D4，其中，第四二极管D4的阴极与第三二极管D3的阳极在该实施例中通过焊接线导电地连接。为了可视性在图4中仅三个焊接线8b设有参考标记。第三功率半导体开关T3、第四功率半导体开关T4、第二二极管D2和第三二极管D3及第四二极管D4在它们朝向第二基板3的侧上具有电气负载电流接头，该负载电流接头例如通过熔焊连接、钎焊连接或烧结连接与分别配属的印制导线7b连接，并且在它们背离第二基板3的侧上具有电气负载电流接头，该负载电流接头在实施例中通过焊接线与分别配属的印制导线连接。
取代通过焊接线，所涉及的元件也可以通过其他电连接方法相互导电地连接。
第一功率半导体开关T1的第二负载电流接头E与第二功率半导体开关T2的第一负载电流接头C导电地连接。此外，第四功率半导体开关T4的第一负载电流接头C与第三功率半导体开关T3的第二负载电流接头E导电地连接。
第一二极管D1的阴极与第一功率半导体开关T1的第二负载电流接头E导电地连接并且第二二极管D2的阳极与第三功率半导体开关T3的第二负载电流接头E导电地连接。此外，第二功率半导体开关T2的第二负载电流接头E与第一二极管组件10的阴极接头导电地连接，其中，在本发明的这个实施例中，第一二极管组件10的阴极接头通过第五二极管D5的阴极构成。
此外，第三功率半导体开关T3的第一负载电流接头C与第二二极管组件11的阳极接头导电地连接，其中，在本发明的这个实施例中，第二二极管组件11的阳极接头通过第四二极管D4的阳极构成。
第一功率半导体开关T1的第一负载电流接头C与第二二极管组件11的阴极接头导电地连接，其中，在本发明的这个实施例中，第二二极管组件11的阴极接头通过第三二极管D3的阴极构成。此外，第四功率半导体开关T4的第二负载电流接头E与第一二极管组件10的阳极接头导电地连接，其中，在本发明的这个实施例中，第一二极管组件10的阳极接头通过第六二极管D6的阳极构成。
此外，第一二极管D1的阳极与第二二极管D2的阴极导电地连接并且第二功率半导体开关T2的第二负载电流接头E与第三功率半导体开关T3的第一负载电流接头C导电地连接。
在该实施例中，通过连接了第一基板或第二基板的负载接头元件使第一基板与第二基板经由电缆和/或母线13相互导电地连接。为了可视性在图3和图4中仅两个负载接头元件9a和9b设有参考标记。
在根据本发明的三级整流半桥1的情况下，图2中虚线示出的导电连接4和5不是必需的并且可以省去。因此，第一二极管D1的阴极与第四二极管D4的阴极优选不导电地连接并且第六二极管D6的阴极与第二二极管D2的阳极优选不导电地连接。
在这里要注意到，在本实施中，功率半导体开关以IGBT的形式存在，并且各功率半导体开关的第一负载电流接头C以分别的IGBT集电极的形式存在，并且各功率半导体开关的第二负载电流接头E以分别的IGBT发射极的形式存在。为了可视性功率半导体开关的控制接头G在图3和4中未示出并且在实施例中以分别的IGBT栅极的形式存在。
在这里还要注意到，在本发明的意义中，两个元件导电地连接的表述既理解为两个元件的借助于布置在两个元件之间的例如熔焊连接、钎焊连接或烧结连接的直接的导电连接，也理解为借助于例如一个或多个将两个元件相互电连接的线路元件，如印制导线、焊接线、导电的薄膜组合、汇流排或电缆，的间接的导电连接，从而电流可在两个相互导电地连接的元件之间产生。
在图5中示出另一根据本发明的三级整流半桥1’的电路图和该另一根据本发明的三级整流半桥1’的功率半导体开关和二极管在第一基板2和第二基板3上的根据本发明的分布方案。在此，三级整流半桥1’在功能上和在结构上相应于根据图2至图4的三级整流半桥1，其不同在于，第一二极管组件10以单个二极管的形式构造，其以下称为第七二极管D7，并且第二二极管组件11以单个二极管的形式构造，其以下称为第八二极管D8。在本发明的这个实施例中，第五二极管D5和第六二极管D6组成第七二极管D7，并且第三二极管D3和第四二极管D4组成第八二极管D8。
通过这种措施，可以减少为了实现三级整流半桥所必需的二极管的数量，并且由此可以相对于三级整流半桥1将三级整流半桥1’构造得更小。
在此，第七二极管D7和第八二极管D8应相对于第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管具有更高的阻断电压。
在这里要注意到，必要时为了提高根据本发明的三级整流半桥的载流能力而可以将功率半导体开关还分别与一个或多个功率半导体开关电并联。

Claims (4)

1.一种具有第一基板（2）和与第一基板（2）分开布置的第二基板（3）的三级整流半桥，
其中，所述第一基板（2）具有第一绝缘材料体（6a）和布置在所述第一绝缘材料体（6a）上的、导电的、结构化的第一线路层（7a），其中，第一功率半导体开关（T1）、第二功率半导体开关（T2）、第一二极管（D1）和第一二极管组件（10）布置在所述结构化的第一线路层（7a）上并且与所述结构化的第一线路层（7a）连接；
其中，所述第二基板（3）具有第二绝缘材料体（6b）和布置在所述第二绝缘材料体（6b）上的、导电的、结构化的第二线路层（7b）；
其中，第三功率半导体开关（T3）、第四功率半导体开关（T4）、第二二极管（D2）和第二二极管组件（11）布置在所述结构化的第二线路层（7b）上并且与所述结构化的第二线路层（7b）连接；
其中，所述第一功率半导体开关（T1）的第二负载电流接头（E）与所述第二功率半导体开关（T2）的第一负载电流接头（C）导电地连接；
其中，所述第四功率半导体开关（T4）的第一负载电流接头（C）与所述第三功率半导体开关（T3）的第二负载电流接头（E）导电地连接；
其中，所述第一二极管（D1）的阴极与所述第一功率半导体开关（T1）的第二负载电流接头（E）导电地连接；
其中，所述第二二极管（D2）的阳极与所述第三功率半导体开关（T3）的第二负载电流接头（E）导电地连接；
其中，所述第二功率半导体开关（T2）的第二负载电流接头（E）与所述第一二极管组件（10）的阴极接头导电地连接；
其中，所述第三功率半导体开关（T3）的第一负载电流接头（C）与所述第二二极管组件（11）的阳极接头导电地连接；
其中，所述第一功率半导体开关（T1）的第一负载电流接头（C）与所述第二二极管组件（11）的阴极接头导电地连接；
其中，所述第四功率半导体开关（T4）的第二负载电流接头（E）与所述第一二极管组件（10）的阳极接头导电地连接；
其中，所述第一二极管（D1）的阳极与所述第二二极管（D2）的阴极导电地连接；
其中，所述第二功率半导体开关（T2）的第二负载电流接头（E）与所述第三功率半导体开关（T3）的第一负载电流接头（C）导电地连接。
2.根据权利要求1所述的三级整流半桥，其特征在于，所述第一二极管组件（10）具有第五和第六二极管（D5、D6），其中，所述第六二极管（D6）的阴极与所述第五二极管（D5）的阳极导电地连接，并且，所述第二二极管组件（11）具有第三和第四二极管（D3、D4），其中，所述第四二极管（D4）的阴极与所述第三二极管（D3）的阳极导电地连接。
3.根据权利要求2所述的三级整流半桥，其特征在于，所述第一二极管（D1）的阴极与所述第四二极管（D4）的阴极不导电地连接并且所述第六二极管（D6）的阴极与所述第二二极管（D2）的阳极不导电地连接。
4.根据权利要求1所述的三级整流半桥，其特征在于，所述第一二极管组件（10）以单个二极管（D7）的形式构造并且所述第二二极管组件以单个二极管（8）的形式构造。
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