CN104124877A - 三级变流器半桥 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三级变流器半桥，其带有第一基底(2)和与该第一基底(2)分开布置的第二基底(3)，其中，三级变流器半桥(1)的功率半导体开关(T1、T2、T3、T4)和二极管(D1、D2、D3、D4)以如下方式分配到第一基底(2)和第二基底(3)上，即，在三级变流器半桥(1)以高的功率因数进行优选的运行时，在布置在第一基底(2)上的功率半导体开关(T1、T2)和二极管(D1、D3)之间以及在布置在第二基底(3)上的功率半导体开关(T3、T4)和二极管(D2、D4)之间不出现或仅极少出现电流换向。本发明提供一种具有降低的开关过压的三级变流器半桥。

Description

三级变流器半桥
技术领域
本发明涉及一种三级变流器半桥。
背景技术
相比广泛使用的传统的变流器，三级变流器的出众之处在于，当该变流器作为逆变器运行时，它在其交流电压侧的负载接口AC上不仅可以像传统的变流器那样产生交流电压，该交流电压的电压值基本上对应中间电路电压Ud的正电压或负电压，而且还可以额外地在交流电压侧的负载接口AC上产生如下电压，该电压的电压值基本上对应中间电路电压Ud的正电压或负电压的一半。
由此例如能使由变流器在交流电压侧的负载接口AC上产生的电压更好地接近正弦形的交流电压。
三级变流器在此具有多个三级变流器半桥，这些半桥为了实现三级变流器而彼此电联接。
在三级变流器中公知的是，所有为了实现三级变流器所需的功率半导体开关和二极管布置在一个单独的基底上以及借助该基底的导体层和焊丝相互导电地连接。但在所有为了实现三级变流器所需的功率半导体开关和二极管中都布置在一个单独的基底上时，三级变流器的可实现的电功率则由于该单独的基底的有限的散热能力而受到限制。
此外还公知的是，为了实现三级变流器，尤其是为了实现具有很大的电功率的三级变流器，功率半导体开关和二极管布置在多个彼此分开的基底上且这些基底例如借助电线相互导电地连接。布置在若干基底上的功率半导体开关和二极管在此联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。这些基底通常直接或间接地与冷却体连接。与基底连接的电线具有如下缺陷，即，这些电线具有相对高的寄生电感，这在换向过程中会导致很高的开关过压，开关过压会减小功率半导体开关的可实现的开关速度和开关频率。
由EP1670131A2已知一种带有减小的寄生电感的功率半导体模块。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带有降低的开关过压的三级变流器半桥。
该技术问题通过一种三级变流器半桥解决，其带有第一基底和与该第一基底分开布置的第二基底，其中，第一基底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导电层，其中，三级变流器半桥具有第一串联电路装置，其具有第二功率半导体开关和与该第二功率半导体开关在电路上串联的第三二极管，其中，第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第一二极管和第三二极管布置在结构化的第一导电层上且与该结构化的第一导电层连接，其中，第二基底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导电层，其中，三级变流器半桥具有第二串联电路装置，其具有第三功率半导体开关和与第三功率半导体开关在电路上串联的第二二极管，其中，第四功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四二极管和第二二极管布置在结构化的第二导电层上并与该结构化的第二导电层连接，其中，第一串联电路装置的输入接口与第二串联电路装置的输出接口导电地连接，以及第一串联电路装置的输出接口与第二串联电路装置的输入接口以及与第一功率半导体开关的第二负载电流接口和第四功率半导体开关的第一负载电流接口导电地连接，其中，第一二极管与第一功率半导体开关电路上反并联以及第四二极管与第四功率半导体开关在电路上反并联，其中，第一串联电路装置的在电路上布置在第二功率半导体开关与第三二极管之间的中间接口与第二串联电路装置的在电路上布置在第三功率半导体开关与第二二极管之间的中间接口相互导电地连接，并且/或者，在电路上与第二功率半导体开关反并联的第五二极管布置在结构化的第一导电层上并与该结构化的第一导电层连接，在电路上与第三功率半导体开关反并联的第六二极管布置在结构化的第二导电层上并与该结构化的第二导电层连接。
本发明有利的设计方案由从属权利要求得出。
证实有利的是，第一串联电路装置的输入接口以第二功率半导体开关的第一负载电流接口的形式存在以及第一串联电路装置的输出接口以第三二极管的阴极的形式存在，其中，第二串联电路装置的输入接口以第三功率半导体开关的第一负载电流接口的形式存在以及第二串联电路装置的输出接口以第二二极管的阴极的形式存在。由此提供第一和第二串联电路装置的一种特别简单的设计方案。
此外还证实有利的是，第一串联电路装置的输入接口以第三二极管的阳极的形式存在以及第一串联电路装置的输出接口以第二功率半导体开关的第二负载电流接口的形式存在，其中，第二串联电路装置的输入接口以第二二极管的阳极的形式存在以及第二串联电路装置的输出接口以第三功率半导体开关的第二负载电流接口的形式存在。由此提供第一和第二串联电路装置的一种特别简单的设计方案。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出以及在下文中加以详细阐释。其中：
图1示出了技术上常见的三级变流器半桥的电路图；
图2示出了根据本发明的三级变流器半桥的电路图以及根据本发明的三级变流器半桥的功率半导体开关和二极管到第一基底和第二基底上的根据本发明的分配；
图3示意性地示出了根据本发明的三级变流器半桥的第一基底和布置在该第一基底上的功率半导体开关和二极管；
图4示意性地示出了根据本发明的三级变流器半桥的第二基底和布置在该第二基底上的功率半导体开关和二极管；
图5示出了另一根据本发明的三级变流器半桥的电路图和另一根据本发明的三级变流器半桥的功率半导体开关和二极管到第一基底和第二基底上的根据本发明的分配；
图6示出了另一根据本发明的三级变流器半桥的电路图和另一根据本发明的三级变流器半桥的功率半导体开关和二极管到第一基底和第二基底上的根据本发明的分配；以及
图7示出了另一根据本发明的三级变流器半桥的电路图和另一根据本发明的三级变流器半桥的功率半导体开关和二极管到第一基底和第二基底上的根据本发明的分配。
具体实施方式
图1中示出了技术上常见的三级变流器半桥1'的电路图。三级变流器半桥1'在此具有T型电路拓扑结构。三级变流器半桥1'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和第四二极管D4，它们如图1所示电联接成所谓的半桥电路。技术上常见的三级变流器半桥1'具有第一基底2'和与第一基底2'分开布置的第二基底3'，其中，第二和第三功率半导体开关T2和T3以及第二和第三二极管D2和D3布置在第一基底2'上，以及第一和第四功率半导体开关T1和T4以及第一和第四二极管D1和D4布置在第二基底3'上。三级变流器半桥1'由两个在图1中未示出的电压源供电，这两个电压源分别产生一半的中间电路电压Ud/2，因而在两个直流电压接口DC+和DC-之间存在中间电路电压Ud。三级变流器半桥1'的中性接口在图1中用附图标记N标注。
在图1中，功率半导体开关构造成IGBT以及可以通过其控制输入端来接通和切断。通过相应地接通和切断功率半导体开关，可以在交流电压侧的负载接口AC上产生电压，这些电压的电压值基本上对应中间电路电压的电压Ud或基本上对应中间电路电压的一半Ud/2，从而在相应地操控功率半导体开关时，由两个一半的中间电路电压Ud/2或由中间电路电压Ud产生交流电压侧的负载接口AC上的相应的电压。三级变流器的电路工作原理通常是公知的现有技术。
要注意的是，三级变流器具有多个三级变流器半桥。因此该三级变流器可以具有例如三个三级变流器半桥，借助这些三级变流器半桥，通过相应地操控三级变流器半桥的功率半导体开关，可以由两个一半的中间电路电压Ud/2或中间电路电压Ud产生三相交流电压，例如用以操控电动机。当然，三级变流器也可以作为整流器工作。
在按图1的三级变流器半桥的正常运行下，在接通和切断功率半导体开关时，在以高的功率因数(高的有效功率份额)进行优选的运行时，首先出现在由第二功率半导体开关T2、第三二极管D3和第一功率半导体开关T1构成的第一开关装置与由第三功率半导体开关T3、第二二极管D2和第四功率半导体开关T4构成的第二开关装置之间的电流换向。
这种技术认识被用于实现根据本发明的三级变流器半桥。在图2中示出了根据本发明的三级变流器半桥1的电路图以及将根据本发明的三级变流器半桥1的功率半导体开关和二极管到第一基底2和第二基底3上的根据本发明的分配。在图3中则示意性地示出了根据本发明的三级变流器1的第一基底2和布置在该第一基底2上的功率半导体开关和二极管。在图4中示意性地示出了根据本发明的三级变流器半桥1的第二基底3和布置在第二基底3上的功率半导体开关和二极管。三级变流器半桥1在此具有T型电路拓扑结构。三级变流器半桥1的中性接口在图2至图7中用附图标记N标注。
根据本发明，根据本发明的三级变流器半桥1的功率半导体开关和二极管以如下方式分配到第一基底2和第二基底3上，即，在三级变流器半桥1以高功率因数(高的有效功率份额)进行优选的运行时，在布置在第一基底2上的功率半导体开关和二极管与布置在第二基底3上的功率半导体开关和二极管之间不出现或仅极少出现电流换向。由此，将第一和第二基底2和3相互导电地连接的电连接线路的寄生电感的重要性明显降低，并且因此，在根据本发明的三级变流器半桥1中的开关过压相比技术上常见的三级变流器半桥明显降低(在技术上常见的三级变流器半桥中，功率半导体开关和二极管以其它的形式分布在多个基底上)。
如已经描述的那样，根据本发明的三级变流器半桥1具有第一基底2和与该第一基底2分开布置的第二基底3。第一和第二基底2和3可以布置在共同的壳体中或布置在两个彼此分开的壳体中。第一基底2具有第一绝缘材料体6a和布置在第一绝缘材料体6a上的导电的结构化的第一导电层，该第一导电层由于它的结构而构造出电的印制导线7a。第一基底2优选具有另一导电的、优选非结构化的导电层，其中，绝缘材料体6a布置在结构化的第一导电层和另一导电层之间。在第一基底2的另一导电层上通常布置有冷却体，其用于冷却布置在第一基底2上的元件。第一基底2的另一导电层在图3所示的视图中不可见地布置在第一绝缘材料层6a的背面上。第一基底2的结构化的第一导电层可以例如由铜构成。但第一基底2的结构化的第一导电层也可以具有多层式结构(例如带有金属的表面涂层的铜层)。第一基底可以例如以DCB基底的形式或以绝缘金属基底的形式存在。在DCB基底的情况下，第一绝缘材料体6a可以例如由陶瓷构成以及第一基底的另一导电层由铜构成。在绝缘金属基底的情况下，第一绝缘材料体可以例如由一个由聚酰亚胺或环氧树脂制成的层构成，并且第一基底的另一导电层由金属成型体构成。金属成型体例如可以由铝或铝合金构成。
第二基底3具有第二绝缘材料体6b和布置在第二绝缘材料体6b上的导电的结构化的第二导电层，该第二导电层由于它的结构而构造出电的印制导线7b。第二基底3优选具有另一导电的、优选非结构化的导电层，其中，绝缘材料体6b布置在结构化的第一导电层与另一导电层之间。在第二基底3的另一导电层上通常布置有冷却体，其用于冷却布置在第二基底3上的元件。第二基底3的另一导电层在图3所示的视图中不可见地布置在第二绝缘材料体6b的背面上。第二基底3的结构化的第二导电层可以例如由铜构成。第二基底3的结构化的第二导电层也可以具有多层式结构(例如带有金属的表面涂层的铜层)。第二基底可以例如以DCB基底的形式或以绝缘金属基底的形式存在。在DCB基底的情况下，第二绝缘材料体6b可以例如由陶瓷构成以及第二基底的另一导电层由铜构成。在绝缘金属基底的情况下，第二绝缘材料体6b可以例如由一个由聚酰亚胺或环氧树脂制成的层构成，并且第二基底的另一导电层由金属成型体构成。金属成型体例如可以由铝或铝合金构成。
三级变流器半桥1具有第一串联电路装置8，第一串联电路装置具有第二功率半导体开关T2和与第二功率半导体开关T2在电路上串联的第三二极管D3，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和第三二极管D3布置在结构化的第一导电层7a上并与结构化的第一导电层7a连接。
此外，三级变流器半桥1具有第二串联电路装置9，其具有第三功率半导体开关T3和与第三功率半导体开关T3在电路上串联的第二二极管D2，其中，第四功率半导体开关T4、第三功率半导体开关T3、第四二极管D4和第二二极管D2布置在结构化的第二导电层7b上并与结构化的第二导电层7b连接。
第一串联电路装置8的输入接口与第二串联电路装置9的输出接口导电地连接，其中，在本实施例的框架内，第一串联电路装置8的输入接口以第二功率半导体开关T2的第一负载电流接口C的形式存在以及第二串联电路装置9的输出接口以第二二极管D2的阴极的形式存在。
第一串联电路装置8的输出接口与第二串联电路装置9的输入接口以及与第一功率半导体开关T1的第二负载电流接口E和第四功率半导体开关T4的第一负载电流接口C导电地连接，其中，在本实施例的框架内，第一串联电路装置8的输出接口以第三二极管D3的阴极的形式存在以及第二串联电路装置9的输入接口以第三功率半导体开关T3的第一负载电流接口C的形式存在。
第一二极管D1在电路上与第一功率半导体开关T1反并联以及第四二极管D4在电路上与第四功率半导体开关T4反并联，其中，在本实施例中，第一二极管D1的阳极与第一功率半导体开关T1的第二负载电流接口E如此导电地连接且第一二极管D1的阴极与第一功率半导体开关T1的第一负载电流接口C导电地连接，以及第四二极管D4的阳极与第四功率半导体开关T4的第二负载电流接口E导电地连接且第四二极管D4的阴极与第四功率半导体开关T4的第一负载电流接口C导电地连接。
第一串联电路装置8具有中间接口10，其在电路上布置在第二功率半导体开关T2与第三二极管D3之间以及在本实施例中与第二功率半导体开关T2的第二负载电流接口E以及与第三二极管D3的阳极如此导电地连接。第二串联电路装置9具有中间接口11，其在电路上布置在第三功率半导体开关T3与第二二极管D2之间以及在本实施例中与第三功率半导体开关T3的第二负载电流接口E以及与第二二极管D2的阳极如此导电地连接。在按图2的本发明的实施例中，第一串联电路装置8的中间接口10与第二串联电路装置9的中间接口11借助导电的连接装置4相互导电地连接。导电的连接装置4在此从第一基底2延伸到第二基底3。通过将第一串联电路装置8的中间接口10与第二串联电路装置9的中间接口11导电地连接，可以取消与第二功率半导体开关T2在电路上反并联的第五二极管和与第三功率半导体开关T3在电路上反并联的第六二极管。在本实施例的框架内，没有二极管在电路上与第二功率半导体开关T2和第三功率半导体开关T3反并联。按图2的三级变流器半桥1因此具有特别少数量的电路结构元件。
在图5中示出了另一根据本发明的三级变流器半桥1的电路图，该三级变流器半桥与按图2的三级变流器半桥1一致，但以下特征除外：在按图5的三级变流器半桥1中，在结构化的第一导电层上布置有与第二功率半导体开关T2在电路上反并联的第五二极管D5且该二极管与结构化的第一导电层连接，在结构化的第二导电层上布置有与第三功率半导体开关T3在电路上反并联的第六二极管D6且该二极管与结构化的第二导电层连接，以及第一串联电路装置8的中间接口10不与第二串联电路装置9的中间接口11导电地连接。按图5的三级变流器半桥1与按图2的三级变流器半桥1相比具有这样的优势，即，可以取消搭接基底的导电的连接装置4。
在图6中示出了另一根据本发明的三级变流器半桥1的电路图，该三级变流器半桥与按图2的三级变流器半桥1一致，但以下特征除外：在按图6的三级变流器半桥1中，第一串联电路装置8的输入接口以第三二极管D3的阳极的形式存在以及第一串联电路装置8的输出接口以第二功率半导体开关T2的第二负载电流接口E的形式存在，其中，第二串联电路装置9的输入接口以第二二极管D2的阳极的形式存在以及第二串联电路装置9的输出接口以第三功率半导体开关T3的第二负载电流接口E的形式存在。第一串联电路装置8的在电路上布置在第二功率半导体开关T2与第三二极管D3之间的中间接口10在这个实施例中与第二功率半导体开关T2的第一负载电流接口C以及与第三二极管D3的阴极如此导电地连接，且第二串联电路装置9的在电路上布置在第三功率半导体开关T3与第二二极管D2之间的中间接口11在这个实施例中与第三功率半导体开关T3的第一负载电流接口C以及与第二二极管D2的阴极如此导电地连接。
在图7中示出了另一根据本发明的三级变流器半桥1的电路图，该三级变流器半桥与按图5的三级变流器半桥1一致，但以下特征除外：在按图7的三级变流器半桥1中，第一串联电路装置8的输入接口以第三二极管D3的阳极的形式存在以及第一串联电路装置8的输出接口以第二功率半导体开关T2的第二负载电流接口E存在，其中，第二串联电路装置9的输入接口以第二二极管D2的阳极的形式存在以及第二串联电路装置9的输出接口以第三功率半导体开关T3的第二负载电流接口E的形式存在。
在此要注意的是，在图2和图5中示出的实施例也可以相互组合。此外，在图6和图7中示出的实施例也可以相互组合。在这种情况下，第一二极管D1在电路上与第一功率半导体开关T1反并联以及第四二极管D4在电路上与第四功率半导体开关T4反并联，其中，第一串联电路装置8的在电路上布置在第二功率半导体开关T2与第三二极管D3之间的中间接口10与第二串联电路装置9的在电路上布置在第三功率半导体开关T3与第二二极管D2之间的中间接口11相互导电地连接，在结构化的第一导电层7a上布置有与第二功率半导体开关T2反并联的第五二极管D5且该二极管与结构化的第一导电层7a连接，在结构化的第二导电层7b上布置有与第三功率半导体开关T3反并联的第六二极管D6且该二极管与结构化的第二导电层7b连接。在这种情况下，在电路上并联的第二和第五二极管D2和D5之间或在电路上并联的第三和第六二极管D3和D6之间的负载电流被分配。这个实施例具有如下优势，即，电功率必须针对第二和第三二极管设计、可以被减小以及因此可以使用比第二和第三二极管更小的二极管。
在该实施例的框架内，各功率半导体开关或二极管在它们的面朝第一或第二基底的那一侧上具有电的负载电流接口，其例如通过钎焊连接或烧结连接与基底的各配属的印制导线连接，以及在它们的背对第一或第二基底的那一侧上具有电的负载电流接口，其在本实施例中通过焊丝与各配属的印制导线连接。为清楚起见，在图3和图4中未示出焊丝以及仅示出主要的印制导线。取代通过焊丝的是，相关的元件也可以通过其它的电路连接方式相互导电地连接。此外，为清楚起见，在图3和图4中也未示出在第一与第二基底之间的导电的连接装置。
功率半导体开关通常以晶体管，例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)的形式存在，或以能受控地被切断的晶闸管的形式存在，其中，在本实施例的框架内，功率半导体开关以IGBT的形式存在且相应的功率半导体开关的第一负载电流接口C以相应的IGBT的集电极的形式存在以及相应的功率半导体开关的第二负载电流接口E以相应的IGBT的发射极的形式存在。功率半导体开关的控制接口为清楚起见并未在图3和图4中示出以及在本实施例中以相应的IGBT的栅极的形式存在。
此外在此还要注意的是，在本发明的意义中，两个元件导电地连接既理解为两个元件借助例如一种存在于两个元件之间的熔焊连接、钎焊连接或烧结连接的直接导电连接，又理解为两个元件借助例如一个或多个将两个元件在电路上相互连接的导电元件，例如印制导线、焊丝、导电的复合薄膜、导电轨或电缆的间接的导电的连接，从而实现在两个彼此导电连接的元件之间的双向的电流动。
此外要注意的是，可能时为了提高根据本发明的三级变流器半桥的电流负载能力，还可以将一个或多个功率半导体开关在电路上并联到各功率半导体开关上以及还可以将一个或多个二极管在电路上并联到各二极管上。

Claims (3)

1.一种三级变流器半桥，所述三级变流器半桥带有第一基底(2)和与所述第一基底(2)分开布置的第二基底(3)，其中，所述第一基底(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导电层(7a)，其中，所述三级变流器半桥(1)具有第一串联电路装置(8)，所述第一串联电路装置具有第二功率半导体开关(T2)和与所述第二功率半导体开关(T2)在电路上串联的第三二极管(D3)，其中，第一功率半导体开关(T1)、所述第二功率半导体开关(T2)、第一二极管(D1)和所述第三二极管(D3)布置在所述结构化的第一导电层(7a)上且与所述结构化的第一导电层(7a)连接，其中，所述第二基底(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导电层(7b)，其中，所述三级变流器半桥(1)具有第二串联电路装置(9)，所述第二串联电路装置具有第三功率半导体开关(T3)和与所述第三功率半导体开关(T3)在电路上串联的第二二极管(D2)，其中，第四功率半导体开关(T4)、所述第三功率半导体开关(T3)、第四二极管(D4)和所述第二二极管(D2)布置在所述结构化的第二导电层(7b)上并与所述结构化的第二导电层(7b)连接，其中，所述第一串联电路装置(8)的输入接口与所述第二串联电路装置(9)的输出接口导电地连接，以及所述第一串联电路装置(8)的输出接口与所述第二串联电路装置(9)的输入接口以及与所述第一功率半导体开关(T1)的第二负载电流接口(E)和所述第四功率半导体开关(T4)的第一负载电流接口(C)导电地连接，其中，所述第一二极管(D1)与所述第一功率半导体开关(T1)在电路上反并联以及所述第四二极管(D4)与所述第四功率半导体开关(T4)在电路上反并联，其中，所述第一串联电路装置(8)的在电路上布置在所述第二功率半导体开关(T2)与所述第三二极管(D3)之间的中间接口(10)与所述第二串联电路装置(9)的在电路上布置在所述第三功率半导体开关(T3)与所述第二二极管(D2)之间的中间接口(11)相互导电地连接，并且/或者，在电路上与所述第二功率半导体开关(T2)反并联的第五二极管(D5)布置在所述结构化的第一导电层(7a)上并与所述结构化的第一导电层(7a)连接，在电路上与所述第三功率半导体开关(T3)反并联的第六二极管(D6)布置在所述结构化的第二导电层(7b)上并与所述结构化的第二导电层(7b)连接。
2.按权利要求1所述的三级变流器半桥，其特征在于，所述第一串联电路装置(8)的输入接口以所述第二功率半导体开关(T2)的第一负载电流接口(C)的形式存在以及所述第一串联电路装置(8)的输出接口以所述第三二极管(D3)的阴极的形式存在，其中，所述第二串联电路装置(9)的输入接口以所述第三功率半导体开关(T3)的第一负载电流接口(C)的形式存在以及所述第二串联电路装置(9)的输出接口以所述第二二极管(D2)的阴极的形式存在。
3.按权利要求1所述的三级变流器半桥，其特征在于，所述第一串联电路装置(8)的输入接口以所述第三二极管(D3)的阳极的形式存在以及所述第一串联电路装置(8)的输出接口以所述第二功率半导体开关(T2)的第二负载电流接口(E)的形式存在，其中，所述第二串联电路装置(9)的输入接口以所述第二二极管(D2)的阳极的形式存在以及所述第二串联电路装置的输出接口以所述第三功率半导体开关(T3)的第二负载电流接口(E)的形式存在。
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