CN206332626U - 功率单元及使用该功率单元的电力电子变换装置 - Google Patents

Abstract

功率单元，包括：多个功率变换电路，多个变换电路中相邻两个功率变换电路的其中一者的第一输出端与其中另一者的第二输出端依次连接；本地控制器，用以输出多个控制信号；多个驱动电路，根据多个控制信号输出驱动信号驱动多个功率半导体开关的通断，多个功率变换电路中相同位置的功率半导体开关所对应的控制信号相同，多个功率变换电路中相同位置的功率半导体开关同时通断。本实用新型功率单元可分担更高的电压，减少光纤、辅助电源及本地控制器的数量，简化电路结构，提升***可靠性，可采用低压功率器件实现减少功率单元数量的目的，节约成本，仅需为每个功率变换电路配置电压钳位电路，减少电压钳位电路的数量，减少成本，提高***可靠性。本实用新型还公开了一种电力电子变换装置，包括上述功率单元。

Description

功率单元及使用该功率单元的电力电子变换装置

相关申请的交叉引用

本实用新型要求2016年12月16日提交的申请号为201621385878.2，名称为“功率单元及使用该功率单元的电力电子变换装置”的中国申请的优先权，其内容通过引用合并于此。

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别涉及一种功率单元，以及使用这种功率单元的电力电子变换装置。

背景技术

受目前电力电子开关器件的耐压等级所限，在高压大功率应用场合中，功率单元串联叠加的级联式拓扑是一种较好的解决方案。传统的级联方案需要给每个功率单元配备一套光纤、辅助电源、控制板。而电压等级的提高，需要级联的功率单元的数量也增多，导致光纤、辅助电源及控制板的数量也急剧增加，***结构设计复杂，成本高，同时也会降低***的可靠性。

图1、图2所示为目前常用的静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)的示意图，其中该SVG包括三相电路，每相电路中的功率单元级联连接。

如图1所示，SVG的每一相电路都由多个功率单元1级联而成，其中，每个功率单元包括第一端和第二端，每一相电路的第一个功率单元的第一端经过滤波器L分别连接到三相电网的A、B和C三相线路上，相邻两个功率单元的其中一个的第二端与另一个的第一端连接，每一相电路的最后一个功率单元的第二端相互连接。

如图2所述，SVG的每一相电路都由8个功率单元P1至P8级联而成，每个功率单元包括第一端和第二端，其中相邻两个功率单元的其中一个的第二端与另一个的第一端连接，例如，功率单元P1的第二端与功率单元P2的第一端连接，功率单元P2的第二端与功率单元P3的第一端连接，依次类推，功率单元P7的第二端与功率单元P8的第一端连接，三相电路中三个功率单元P1的第一端经过滤波电路(由电感、电阻和电容组成，例如LCL)分别连接于三相电网G的A、B和C相和负载R_load，三相电路中三个功率单元P8的第二端相互连接。每个功率单元中包括四个功率器件2，每个功率器件2由一个功率半导体开关S与一个二极管D构成，功率半导体开关S的集电极与二极管D的阴极连接，功率半导体开关S的发射极与二极管D的阳极连接。

单相SVG也包括多个功率单元，每个功率单元包括第一端和第二端，相邻两个功率单元其中一个的第一端与另一个的第二端连接。

图1所示的功率单元1可以是H桥电路，也可以是其它电路拓扑结构，如半桥电路、三电平变换电路等。例如，以功率单元为H桥电路为例，H桥电路如图3所示，包括功率半导体开关S1至S4和母线电容C。功率半导体开关S1的第一端连接于母线电容C的正极端和功率半导体开关S3的第一端，功率半导体开关S1的第二端连接于功率半导体开关S4的第一端，功率半导体开关S4的第二端连接于母线电容C的负极端和功率半导体开关S2的第二端，功率半导体开关S3的第二端连接功率半导体开关S2的第一端，功率半导体开关S1的第二端作为H桥电路的第一输出端O₁，功率半导体开关S3的第二端作为H桥电路的第二输出端O₂。

上述功率单元的级联拓扑结构若应用于35KV的风电厂，通常有3种实现方案，具体方案描述如下：

1、每个功率单元采用H桥电路，且H桥电路中的功率半导体开关S1至S4可以选用低压功率器件，例如低压IGBT(Insulated Gate Bipolar Translator)。

优点：低压IGBT(例如1700V)目前工艺较成熟，且市场用量较大，其成本在可接受的范围内，每个功率半导体开关由一个IGBT构成，无需考虑均压问题。

缺点：由于单个功率器件电压较低(例如1700V的IGBT，母线电容C两端的直流母线电压在1000V左右)，因而每相电路中需要用到约72级H桥电路级联。H桥电路的数量较多，***的可靠性将受影响，而且每个H桥电路配备一套光纤(高压应用场合中通常使用光纤进行信号传输)，辅助电源及控制板，每个H桥电路都需要独立控制。由于H桥电路的级联数量多，此种方案会导致光纤、辅助电源及控制板的数量很多，使得整个***的控制及结构设计变得复杂，成本增加，同时***的可靠性将降低。

2、每个功率单元采用H桥电路，且H桥电路中的功率半导体开关S1至S4可以选用高压功率器件，例如高压IGBT(Insulated Gate Bipolar Translator))

优点：单个功率器件耐压较高(例如6500V的IGBT)，母线电容C两端的直流母线电压在3000V左右，因而每相电路中需要用到约18级H桥电路，减少了级联的H桥电路的数量；同时减少了光纤、辅助电源、控制板的数量，可降低***中这部分装置的成本，并简化了***控制与结构设计，同时增加了可靠性。

缺点：高压IGBT的成本远远高于低压IGBT(6500V的IGBT成本远远高于1700V的IGBT成本的4倍)，导致采用高压IGBT增加的成本会远高于控制板以及光纤节省的成本，导致***成本大幅增加。

3、每个功率单元采用H桥电路，且H桥电路中的功率半导体开关S1至S4可以选用低压功率器件串联连接而成，。

优点：减少了级联的H桥电路的数量，H桥电路的级联数量与第二种方案相同，但是每个H桥电路中的功率半导体开关采用多个低压功率器件串联而成(例如采用4个1700VIGBT串联而成等效1个6500V IGBT)，降低了***成本。对比于第一种方案，这种方案中级联的H桥电路的数量减少，光纤、辅助电源、控制板数量也减少，成本降低，且控制与结构简化，可靠性增加；对比于第二种方案，采用多个低压IGBT串联等效一个高压功率器件的成本低于单个高压功率器件，这种由低压功率器件串联等效高压功率器件的方案在总成本方面占优势。

缺点：低压IGBT串联应用存在不均压的问题，为了解决该问题，需要给每个低压IGBT配备钳位板，导致钳位板数量较多，降低了***可靠性。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种功率单元，以及使用这种功率单元的电力电子变换装置，从而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或多个问题。

本实用新型的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本实用新型的实践而习得。

根据本实用新型的一个方面，提供一种功率单元，其特征在于，包括：

多个功率变换电路，每个所述功率变换电路包括至少一具有多个功率半导体开关的桥臂，且每个所述功率变换电路包括第一输出端和第二输出端，其中所述多个变换电路中相邻两个所述功率变换电路的其中一者的所述第一输出端与其中另一者的所述第二输出端依次连接，剩余的两个第一输出端和第二输出端形成所述功率单元的第一端和第二端；

本地控制器，用以输出多个控制信号；以及

多个驱动电路，与所述本地控制器耦接，用以接收所述多个控制信号，并根据所述多个控制信号分别输出各个驱动信号，来驱动所述多个功率半导体开关的导通或关断，

其中所述多个功率变换电路相同，且所述多个控制信号的数量与每个所述功率变换电路中的所述功率半导体开关的数量相同，以及所述多个功率变换电路中相同位置的所述功率半导体开关所对应的所述控制信号相同，使得所述多个功率变换电路中相同位置的所述功率半导体开关同时导通或同时关断。

根据一个实施例，其中所述功率单元还包括：

辅助电源，与所述本地控制器连接，用以为所述本地控制器供电。

根据一个实施例，其中所述多个驱动电路的数量与所述功率半导体开关的数量相同，每个所述驱动电路驱动对应的所述功率半导体开关的导通和关断。

根据一个实施例，其中所述多个驱动电路与所述本地控制器直接连接，或者所述多个驱动电路与所述本地控制器通过磁隔离器件连接，或者所述多个驱动电路与所述本地控制器通过光隔离器件连接。

根据一个实施例，其中所述功率变换电路包括：

母线电容和电压钳位电路，所述母线电容的两端并联连接在所述桥臂的两端，且所述电压钳位电路并联连接于所述母线电容的两端。

根据一个实施例，其中所述母线电容的两端之间的母线电压被所述电压钳位电路钳位在一预定范围内。

根据一个实施例，其中所述多个功率变换电路为n个所述功率变换电路，第1个所述功率变换电路的所述第一输出端为所述功率单元的所述第一端，第1个所述功率变换电路的所述第二输出端与第2个所述功率变换电路的所述第一输出端连接，依次连接下去，直到第n-1个所述功率变换电路的所述第二输出端与第n个所述功率变换电路的所述第一输出端连接，第n个所述功率变换电路的所述第二输出端为所述功率单元的所述第二端，其中n为大于1的自然数。

根据一个实施例，其中所述功率变换电路为H桥电路，其中所述H桥电路包括：

所述至少一桥臂，所述至少一桥臂包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂均包括上功率半导体开关和下功率半导体开关，所述第一桥臂的所述上功率半导体开关和所述下功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的第一输出端，所述第二桥臂的所述上功率半导体开关和所述下功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的第二输出端。

根据一个实施例，其中所述功率变换电路为半桥电路，所述半桥电路包括所述桥臂，其中所述桥臂包括：具有第一端和第二端的上功率半导体开关和下功率半导体开关，所述上功率半导体开关的所述第二端与所述下功率半导体开关的所述第一端连接于一连接点，该连接点为所述功率变换电路的第一输出端，所述下功率半导体开关的所述第二端为所述功率变换电路的第二输出端。

根据一个实施例，其中所述功率变换电路为二极管钳位三电平电路，其中所述二极管钳位三电平电路包括：

所述至少一桥臂，所述至少一桥臂包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂均包括各自的第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关和第四功率半导体开关，其中所述第一桥臂的所述第一功率半导体开关、所述第二功率半导体开关、所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关串联连接，所述第一桥臂的所述第二功率半导体开关和所述第三功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的第一输出端，所述第二桥臂的所述第一功率半导体开关、所述第二功率半导体开关、所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关串联连接，所述第二桥臂的所述第二功率半导体开关和所述第三功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的第二输出端；

第一母线电容、第二母线电容，其中所述第一母线电容和所述第二母线电容串联连接后与所述第一桥臂和所述第二桥臂并联连接；以及

第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中所述第一开关和所述第二开关串联后连接在所述第一桥臂的所述第一功率半导体开关和所述第二功率半导体开关的连接点和所述第一桥臂的所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关的连接点之间，所述第三开关和所述第四开关串联后连接在所述第二桥臂的所述第一功率半导体开关和所述第二功率半导体开关的连接点和所述第二桥臂的所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关的连接点之间，所述第一开关和所述第二开关的连接点与所述第一母线电容和所述第二母线电容的连接点连接，所述第三开关和所述第四开关的连接点与所述第一母线电容和所述第二母线电容的连接点连接。

根据一个实施例，其中所述功率变换电路为飞跨电容三电平电路，其中所述飞跨电容三电平电路包括：

所述至少一桥臂，所述至少一桥臂包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂均包括各自的第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关和第四功率半导体开关，其中所述第一桥臂的所述第一功率半导体开关、所述第二功率半导体开关、所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关串联连接，所述第一桥臂的所述第二功率半导体开关和所述第三功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的第一输出端，所述第二桥臂的所述第一功率半导体开关、所述第二功率半导体开关、所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关串联连接，所述第二桥臂的所述第二功率半导体开关和所述第三功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的第二输出端；

第一母线电容、第二母线电容，其中所述第一母线电容和所述第二母线电容串联连接后与所述第一桥臂和所述第二桥臂并联连接；以及

第一电容和第二电容，其中所述第一电容连接在所述第一桥臂的所述第一功率半导体开关和所述第二功率半导体开关的连接点和所述第一桥臂的所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关的连接点之间，所述第二电容连接在所述第二桥臂的所述第一功率半导体开关和所述第二功率半导体开关的连接点和所述第二桥臂的所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关的连接点之间。

根据一个实施例，其中所述功率变换电路为中性点可控三电平电路，其中所述中性点可控三电平电路包括：

所述至少一桥臂，所述至少一桥臂包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂均包括各自的上功率半导体开关和下功率半导体开关，其中所述第一桥臂的所述上功率半导体开关和所述下功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的第一输出端，所述第二桥臂的所述上功率半导体开关和所述下功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的第二输出端，

第一母线电容、第二母线电容，其中所述第一母线电容和所述第二母线电容串联连接后与所述第一桥臂和所述第二桥臂并联连接；以及

第一开关组和第二开关组，其中所述第一开关组连接在所述第一桥臂的所述上功率半导体开关和所述下功率半导体开关的连接点与所述第一母线电容和所述第二母线电容的连接点之间，所述第二开关组连接在所述第二桥臂的所述上功率半导体开关和所述下功率半导体开关的连接点与所述第一母线电容和所述第二母线电容的连接点之间。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种电力电子变换装置，其特征在于，包括：

主控制器，用以输出主控制信号；以及

至少前述实施例的功率单元，所述本地控制器与所述主控制器耦接，用以接收所述主控制信号，以产生相应的所述控制信号。

根据一个实施例，其中所述至少一功率单元为多个，相邻两个所述功率单元的其中一者的所述第二端与其中另一者的所述第一端连接，且每个所述功率单元的所述本地控制器与所述主控制器耦接。

根据一个实施例，其中所述本地控制器与所述主控制器通过光纤连接，或者所述本地控制器与所述主控制器直接电性连接。

现有技术的第一种方案中相当于每个功率单元100仅包括一个功率变换电路110，由于每个功率单元100对应一套光纤、辅助电源150及控制板等，且功率变换电路较多。因此，相较于现有技术的第一种方案，本实用新型实施方式的功率单元100包括多个功率变换电路110，可分担更高的电压，因此，功率单元100的数量也会较少，从而减少了光纤、辅助电源150及本地控制器120等的数量，简化了电路结构，提升了***可靠性。

现有技术的第二种方案是采用高压功率器件从而减少级联的功率单元100的数量，而高压功率器件成本较高。本实用新型实施方式的功率单元100可采用低压功率器件同样实现减少功率单元100数量的目的，且相较于现有技术的第二种方案，本实用新型节约了成本。

现有技术的第三种方案是将多个相同的功率半导体开关串联连接以等效为高压功率器件，这样为防止不均压，需为每个功率半导体开关配置电压钳位电路。而本实用新型实施方式的功率单元100仅需为每个功率变换电路110配置电压钳位电路即可，从而可减少电压钳位电路的数量，减少成本，提高***可靠性。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本实用新型的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。

图1为目前常用的静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)的示意图；

图2为目前常用的静止无功发生器更具体的示意图；

图3为H桥电路的示意图；

图4是根据本实用新型实施方式的一种功率单元100的示意图；

图5是根据本实用新型另一实施方式的一种功率单元100的示意图；

图6是根据本实用新型另一实施方式的一种功率单元100的示意图；

图7是根据本实用新型另一实施方式的一种功率单元100的示意图；

图8是根据本实用新型另一实施方式的一种功率单元的示意图；

图9是根据本实用新型另一实施方式的一种功率单元的示意图；

图10是根据本实用新型另一实施方式的一种功率单元的示意图；

图11是根据本实用新型另一实施方式的一种功率单元的示意图；以及

图12是根据本实用新型的一种电力电子变换装置。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本实用新型的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本实用新型的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本实用新型的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本实用新型的各方面变得模糊。

图4是本实用新型实施方式的一种功率单元100，包括：多个功率变换电路110-1…110-n、本地控制器120、以及多个驱动电路130。

其中每个功率变换电路110包括至少一具有多个功率半导体开关(如Q₁₁、Q₁₂)的桥臂111，且每个功率变换电路110包括第一输出端O₁和第二输出端O₂，其中多个变换电路中相邻两个功率变换电路110的其中一者的第一输出端O₁与另一者的第二输出端O₂依次连接，剩余的两个第一输出端和第二输出端形成功率单元100的第一端(如第一个功率变换电路110的第一输出端O₁)和第二端(如最后第一个功率变换电路110-n的第二输出端O₂)。具体而言，多个功率变换电路为n个功率变换电路，第1个功率变换电路110-1的第一输出端O₁为功率单元100的第一端，第1个功率变换电路110-1的第二输出端O₂与第2个功率变换电路110-2的第一输出端O1连接，依次连接，直到第n-1个功率变换电路的第二输出端O₂与第n个功率变换电路110-n的第一输出端O₁连接，第n个功率变换电路110-n的第二输出端O₂为功率单元100的第二端，其中n为大于1的自然数。

本地控制器120用以输出多个控制信号(未示出)。

多个驱动电路130与本地控制器120耦接，用以接收所述多个控制信号，并根据所述多个控制信号分别输出各个驱动信号，来驱动功率半导体开关(如图中的Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃……Q_n4)的导通或关断。

在图4中，多个功率变换电路是都是相同的功率变换电路，且控制信号的数量与每个功率变换电路中的功率半导体开关的数量相同。多个功率变换电路中相同位置的功率半导体开关所对应的驱动电路130所接收的控制信号相同，使得多个功率变换电路中相同位置的功率半导体开关同时导通或同时关断。

也就是说，每个功率单元100包括多个相同的功率变换电路，每个功率变换电路相同位置的功率半导体开关由相同的控制信号进行控制，因此，每个功率单元100中各个功率变换电路110的功能是相同的。

其中图4是以功率变换电路110-1…110-n为H桥电路作为示例来说明的，然而本实用新型实施方式的功率变换电路110-1…110-n并不限于H桥电路。

另外，请参阅图5，在某些实施方式中，功率单元100还包括辅助电源150。辅助电源150与本地控制器120连接，用以为本地控制器120供电。

由于每个功率单元100仅需配置一个辅助电源150，因此本实施方式的功率单元100所应用的电力电子变换装置所需要的辅助电源150较少，节约成本且简化电路结构。

在某些实施方式中，驱动电路130的数量与功率半导体开关的数量相同，每个驱动电路130驱动对应的功率半导体开关(如图中的Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃……Q_n4)的导通和关断。

也就是说，每个驱动电路130用于传输一个控制信号给特定的功率半导体开关以控制其导通和关断。

在某些实施方式中，多个驱动电路130与本地控制器120直接电连接。

在某些实施方式中，多个驱动电路130与本地控制器120通过磁隔离器件连接。

在某些实施方式中，多个驱动电路130与本地控制器120通过光隔离器件连接。

采用磁隔离器件具有更可靠、高性能、低功耗等优点。采用光隔离器件具有信号单向传输、输入端与输出端完全实现了电气隔离、输出信号对输入端无影响、抗干扰能力强、工作稳定、无触点、使用寿命长、传输效率高等优点。

另外，请参阅图6，在某些实施方式中，功率变换电路还包括母线电容C和电压钳位电路160，母线电容C的两端并联连接在桥臂111的两端，且电压钳位电路160并联连接于母线电容C的两端。

在本实施方式中，母线电容C的两端之间的直流母线电压被电压钳位电路160钳位在预定范围内。这里的预定范围可以为本领域技术人员所熟知的各种工作电压范围，不再赘述。

由于在每个功率单元100中，相邻的两个功率变换电路的其中一者的第一输出端与另一者的第二输出端依次串联连接，为避免出现不均压的问题，可为每个功率变换电路的母线电容C的两端设置电压钳位电路160，母线电容C与电压钳位电路160相并联，并均并联于桥臂111的两端。如此一来，每个功率变换电路母线电容C的两端之间的直流母线电压就被钳位在预定范围内，使得每个功率变换电路不会出现过压情况，有利于保护功率半导体开关。

由于在本实用新型实施方式的功率单元100仅需为每个功率变换电路的母线电容C的两端配置电压钳位电路160，而不需要为每个功率半导体开关配置电压钳位电路，因此可减少电压钳位电路的数量，减少成本和电路复杂度，提高***可靠性。

为便于说明，假设在某些实施方式中，多个功率变换电路为n个功率变换电路，第1个功率变换电路的第一输出端O₁为功率单元100的第一端，第1个功率变换电路的第二输出端O₂与第2个功率变换电路的第一输出端O₁连接，依次连接下去，直到第n-1个功率变换电路的第二输出端O₂与第n个功率变换电路的第一输出端O₁连接，第n个功率变换电路的第二输出端O₂为功率单元100的第二端，其中n为大于1的自然数。通常n远大于1。

本实用新型实施方式的功率单元100所涉及的功率变换电路可采用不同的拓扑结构，以下以几种不同的拓扑结构作为可选实施方式进行说明。然而，本实用新型并不局限于以下列举的拓扑结构。

请参阅图7，在某些实施方式中，每个功率变换电路均为H桥电路，H桥电路包括至少一桥臂，至少一桥臂包括第一桥臂和第二桥臂，每个桥臂均包括上功率半导体开关和下功率半导体开关。在本实施例中，以第1个功率变换电路110-1为例，该功率变换电路为H桥电路，包括桥臂111a和桥臂111b。桥臂111a包含上功率半导体开关Q₁₁和下功率半导体开关Q₁₂。桥臂111b包括上功率半导体开关Q₁₃和下功率半导体开关Q₁₄。其中，上功率半导体开关Q₁₁和下功率半导体开关Q₁₂的连接点为H桥电路110-1的第一输出端O₁。上功率半导体开关Q₁₃和下功率半导体开关Q₁₄的连接点为H桥电路110-1的第二输出端O₂。

在本实施例中，本地控制器120输出4个控制信号，每个H桥电路可以对应一个驱动电路130，驱动电路130与本地控制器120耦接，且与上功率半导体开关Q₁₁和Q₁₃以及下功率半导体开关Q₁₂和Q₁₄的控制端相连，用以接收本地控制器130输出的4个控制信号，并对控制信号进行处理以产生4个驱动信号输出至H桥电路中上功率半导体开关Q₁₁和Q₁₃以及下功率半导体开关Q₁₂和Q₁₄的控制端，用以驱动上功率半导体开关Q₁₁和Q₁₃以及下功率半导体开关Q₁₂和Q₁₄的导通或关断。驱动电路130与本地控制器120可以直接电连接；也可以通过磁隔离器件进行连接，例如变压器；还可以通过光隔离器件连接，例如光耦或光纤等。

在本实施例中，本地控制器120输出4个控制信号，每个H桥电路可以对应于4个驱动电路，驱动电路与本地控制器120耦接，且与H桥电路中的功率半导体开关的控制端一一对应连接，亦即，驱动电路的数量与功率半导体开关的数量相同，用以接收一个控制信号，并对控制信号进行处理以产生每一个驱动信号输出至对应的功率半导体开关的控制端，用以驱动该功率半导体开关的导通或关断。

在本实施例中，每个H桥电路的相同位置的功率半导体开关所对应的控制信号相同，例如，以H桥电路的桥臂111a的上功率半导体开关为例，具体而言第1个H桥电路的桥臂111a的上功率半导体开关Q₁₁，第2个H桥电路的桥臂111a的上功率半导体开关Q₂₁，依次类推，直至第n个H桥电路的桥臂111a的上功率半导体开关Q_n1所对应控制信号相同，使得上功率半导体开关Q₁₁、Q₂₁…Q_n1同时导通或同时关断。

请参阅图8，在某些实施方式中，每个功率变换电路均为半桥电路，半桥电路包括桥臂111，桥臂111包括具有第一端和第二端的上功率半导体开关(如Q₁₁)和下功率半导体开关(如Q₁₂)，上功率半导体开关的第二端与下功率半导体开关的第一端连接于连接点，该连接点为半桥电路的第一输出端O₁，下功率半导体开关的第二端为半桥电路的第二输出端O₂。在本实施例中，相邻两个功率变换电路的其中一者的第一输出端与其中另一者的第二输出端依次连接，具体而言，第1个半桥电路的第一输出端O₁为功率单元的第一端，第1个半桥电路的第二输出端O₂与第2个半桥电路的第一输出端O₁连接，依次连接下去，第n-1个半桥电路的第二输出端O₂与第n个半桥电路的第一输出端O₁连接，第n个半桥电路的第二输出端O₂为功率单元的第二端。

在本实施例中，本地控制器120输出2个控制信号(未示出)，每个控制信号用以控制对应的桥臂的上功率半导体开关和下功率半导体开关的其中一者，且每个半桥电路可以对应一个驱动电路130，驱动电路130与本地控制器120耦接，且与上功率半导体开关Q₁₁以及下功率半导体开关Q₁₂的控制端相连，用以接收本地控制器130输出的2个控制信号，并对控制信号进行处理以产生2个驱动信号输出至H桥电路中的上功率半导体开关Q₁₁以及下功率半导体开关Q₁₂的控制端，用以控制上功率半导体开关Q₁₁以及下功率半导体开关Q₁₂的导通或关断。

在本实施例中，每个半桥电路的相同位置的功率半导体开关所对应的控制信号相同，例如，以半桥电路的上功率半导体开关为例，第1个半桥电路的上功率半导体开关Q₁₁、第2个半桥电路的上功率半导体开关Q₂₁、依次类推直至第n个半桥电路的上功率半导体开关Q_n1所对应的控制信号相同，以至于上功率半导体开关Q₁₁、Q₂₁直至Q_n1同时导通或同时关断。

请参阅图9，在某些实施方式中，功率变换电路为二极管钳位三电平电路，二极管钳位三电平电路包括至少一桥臂，至少一桥臂包括第一桥臂111a和第二桥臂111b。第一桥臂111a和第二桥臂111b均包括第一功率半导体开关(如Q₁₁、Q₁₅)、第二功率半导体开关(如Q₁₂、Q₁₆)、第三功率半导体开关(如Q₁₃、Q₁₇)和第四功率半导体开关(如Q₁₄、Q₁₈)。二极管钳位三电平电路还包括第一母线电容C₁、第二母线电容C₂、第一开关D₁、第二开关D₂、第三开关D₃和第四开关D₄。其中第一母线电容C₁和第二母线电容C₂串联连接后与第一桥臂111a和第二桥臂111b并联连接。第一桥臂111a的第一功率半导体开关Q₁₁、第二功率半导体开关Q₁₂、第三功率半导体开关Q₁₃和第四功率半导体开关Q₁₄串联连接。第二功率半导体开关Q₁₂和第三功率半导体开关Q₁₃的连接点为第一输出端O₁。第二桥臂111b的第一功率半导体开关Q₁₅、第二功率半导体开关Q₁₆、第三功率半导体开关Q₁₇和第四功率半导体开关Q₁₈串联连接。第二功率半导体开关Q₁₆和第三功率半导体开关Q₁₇的连接点为第二输出端O₂。第一开关D₁和第二开关D₂串联后连接在第一桥臂111a的第一功率半导体开关Q₁₁和第二功率半导体开关Q₁₂的连接点和第三功率半导体开关Q₁₃和第四功率半导体开关Q₁₄的连接点之间。第三开关D₃和第四开关D₄串联后连接在第二桥臂111b的第一功率半导体开关Q₁₆和第二功率半导体开关Q₁₇的连接点和第三功率半导体开关Q₁₇和第四功率半导体开关Q₁₈的连接点之间。第一开关D₁和第二开关D₂的连接点与第一母线电容C₁和第二母线电容C₂的连接点连接。第三开关D₃和第四开关D₄的连接点与第一母线电容C₁和第二母线电容C₂的连接点连接。在本实施例中，第一开关D₁和第二开关D₂为钳位二极管，第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关和第四功率半导体开关为IGBT或者IGCT等。

在本实施例中，相邻两个功率变换电路的其中一者的第一输出端与其中另一者的第二输出端依次连接，具体而言，第1个二极管钳位三电平电路的第一输出端O₁为功率单元的第一端，第1个二极管钳位三电平电路的第二输出端O₂与第2个二极管钳位三电平电路的第一输出端O₁连接，依次连接下去，第n-1个二极管钳位三电平电路的第二输出端O₂与第n个二极管钳位三电平电路的第一输出端O₁连接，第n个二极管钳位三电平电路的第二输出端O₂为功率单元的第二端。

在本实施例中，本地控制器输出8个控制信号，每个控制信号用以控制对应的第一功率半导体开关(如Q₁₁、Q₁₅)、第二功率半导体开关(如Q₁₂、Q₁₆)、第三功率半导体开关(如Q₁₃、Q₁₇)和第四功率半导体开关(如Q₁₄、Q₁₈)其中一者。每个二极管钳位三电平电路的相同位置的功率半导体开关所对应的控制信号相同，例如，以二极管钳位三电平电路的第一功率半导体开关为例，第1个二极管钳位三电平电路的第一功率半导体开关Q₁₁、第2个二极管钳位三电平电路的第一功率半导体开关Q₂₁、依次类推直至第n个二极管钳位三电平电路的第一功率半导体开关Q_n1所对应的控制信号相同，以至于第一功率半导体开关Q₁₁、Q₂₁直至Q_n1同时导通或同时关断。

请参阅图10，在某些实施方式中，功率变换电路110为飞跨电容三电平电路。飞跨电容三电平电路包括至少一桥臂，至少一桥臂包括第一桥臂111a和第二桥臂111b。第一桥臂111a和第二桥臂111b均包括第一功率半导体开关(Q₁₁、Q₁₅)、第二功率半导体开关(Q₁₂、Q₁₆)、第三功率半导体开关(Q₁₃、Q₁₇)和第四功率半导体开关(Q₁₄、Q₁₈)。飞跨电容三电平电路还包括第一母线电容C₁、第二母线电容C₂、第一电容C₃和第二电容C₄。其中第一母线电容C₁和第二母线电容C₂串联连接后与第一桥臂111a和第二桥臂111b并联连接。第一桥臂111a的第一功率半导体开关Q₁₁、第二功率半导体开关Q₁₂、第三功率半导体开关Q₁₃和第四功率半导体开关Q₁₄串联连接。第二功率半导体开关Q₁₂和第三功率半导体开关Q₁₃的连接点为第一输出端O₁。第二桥臂111b的第一功率半导体开关Q₁₅、第二功率半导体开关Q₁₆、第三功率半导体开关Q₁₇和第四功率半导体开关Q₁₈串联连接。第二功率半导体开关Q₁₆和第三功率半导体开关Q₁₇的连接点为第二输出端O₂。第一电容C₃连接于第一桥臂111a的第一功率半导体开关Q₁₁和第二功率半导体开关Q₁₂的连接点与第一桥臂111a的第三功率半导体开关Q₁₃和第四功率半导体开关Q₁₄的连接点之间。第二电容C₄连接于第二桥臂111b的第一功率半导体开关Q₁₅和第二功率半导体开关Q₁₆的连接点与第二桥臂111b的第三功率半导体开关Q₁₇和第四功率半导体开关Q₁₈的连接点之间。

在本实施例中，相邻两个功率变换电路的其中一者的第一输出端与其中另一者的第二输出端依次连接，具体而言，第1个飞跨电容三电平电路的第一输出端O₁为功率单元的第一端，第1个飞跨电容三电平电路的第二输出端O₂与第2个飞跨电容三电平电路的第一输出端O₁连接，依次连接下去，第n-1个飞跨电容三电平电路的第二输出端O₂与第n个飞跨电容三电平电路的第一输出端O₁连接，第n个飞跨电容三电平电路的第二输出端O₂为功率单元的第二端。

在本实施例中，本地控制器输出8个控制信号，每个控制信号用以控制对应的第一功率半导体开关(如Q₁₁、Q₁₅)、第二功率半导体开关(如Q₁₂、Q₁₆)、第三功率半导体开关(如Q₁₃、Q₁₇)和第四功率半导体开关(如Q₁₄、Q₁₈)其中一者。每个飞跨电容三电平电路的相同位置的功率半导体开关所对应的控制信号相同，例如，以飞跨电容三电平电路的第一功率半导体开关为例，第1个飞跨电容三电平电路的第一功率半导体开关Q₁₁、第2个飞跨电容三电平电路的第一功率半导体开关Q₂₁、依次类推直至第n个飞跨电容三电平电路的第一功率半导体开关Q_n1所对应的控制信号相同，以至于第一功率半导体开关Q₁₁、Q₂₁直至Q_n1同时导通或同时关断。

请参阅图11，在某些实施方式中，功率变换电路110为中性点可控三电平电路。中性点可控三电平电路包括至少一桥臂，至少一桥臂包括第一桥臂111a和第二桥臂111b。第一桥臂111a和第二桥臂111b均包括上功率半导体开关(如Q₁₁、Q₁₅)和下功率半导体开关(如Q₁₂、Q₁₆)。中性点可控三电平电路还包括第一母线电容C₁、第二母线电容C₂，第一开关组(如Q₁₃、Q₁₄)和第二开关组(如Q₁₇、Q₁₈)。其中第一母线电容C₁和第二母线电容C₂串联连接后与第一桥臂111a和第二桥臂111b并联连接。第一桥臂111a的上功率半导体开关Q₁₁和下功率半导体开关Q₁₂的连接点为第一输出端O₁。第二桥臂111b的上功率半导体开关Q₁₅和下功率半导体开关Q₁₆的连接点为第二输出端O₂。第一开关组(如Q₁₃、Q₁₄)连接在第一桥臂111a的上功率半导体开关Q₁₁和下功率半导体开关Q₁₂的连接点与第一母线电容C₁和第二母线电容C₂的连接点之间。第二开关组(如Q₁₇、Q₁₈)连接在第二桥臂111b的上功率半导体开关Q₁₅和下功率半导体开关Q₁₆的连接点与第一母线电容C₁和第二母线电容C₂的连接点之间。在本实施例中，第一开关组为由两个功率半导体开关串联而成，其中，该两个功率半导体开关为双向可控开关。

在本实施例中，相邻两个功率变换电路的其中一者的第一输出端与其中另一者的第二输出端依次连接，具体而言，第1个中性点可控三电平电路的第一输出端O₁为功率单元的第一端，第1个中性点可控三电平电路的第二输出端O₂与第2个中性点可控三电平电路的第一输出端O₁连接，依次连接下去，第n-1个中性点可控三电平电路的第二输出端O₂与第n个中性点可控三电平电路的第一输出端O₁连接，第n个中性点可控三电平电路的第二输出端O₂为功率单元的第二端。

在本实施例中，本地控制器输出8个控制信号，每个控制信号用以控制对应的上功率半导体开关(如Q₁₁、Q₁₅)、下功率半导体开关(如Q₁₂、Q₁₆)、第一开关组(如Q₁₃、Q₁₄)和第二开关组(如Q₁₇、Q₁₈)其中一者。每个中性点可控三电平电路的相同位置的功率半导体开关所对应的控制信号相同，例如，以中性点可控三电平电路的第一功率半导体开关为例，第1个中性点可控三电平电路的第一功率半导体开关Q₁₁、第2个中性点可控三电平电路的第一功率半导体开关Q₂₁、依次类推直至第n个中性点可控三电平电路的第一功率半导体开关Q_n1所对应的控制信号相同，以至于第一功率半导体开关Q₁₁、Q₂₁直至Q_n1同时导通或同时关断。

请参阅图12，本实用新型还提供一种电力电子变换装置500，其可包括：

主控制器300，用以输出主控制信号；以及至少一个根据本实用新型实施方式的功率单元100。

本地控制器120与主控制器300耦接，用于接收并根据主控制信号产生相应的控制信号。

在某些实施方式中，至少一功率单元100为多个，相邻两个功率单元100的其中一者的第二端与相邻两个功率单元100的其中另一者的第一端依次连接，且每个功率单元100的本地控制器120与主控制器300耦接。

在某些实施方式中，本地控制器120与主控制器300通过光纤310连接；或者本地控制器120与主控制器300直接电性连接。

现有技术的第一种方案中相当于每个功率单元100仅包括一个功率变换电路110，由于每个功率单元100对应一套光纤、辅助电源150及控制板等，且功率变换电路较多。因此，相较于现有技术的第一种方案，本实用新型实施方式的功率单元100包括多个功率变换电路110，可分担更高的电压，因此，功率单元100的数量也会较少，从而减少了光纤、辅助电源150及本地控制器120等的数量，简化了电路结构，提升了***可靠性。

现有技术的第二种方案是采用高压功率器件从而减少级联的功率单元100的数量，而高压功率器件成本较高。本实用新型实施方式的功率单元100可采用低压功率器件同样实现减少功率单元100数量的目的，且相较于现有技术的第二种方案，本实用新型节约了成本。

现有技术的第三种方案是将多个相同的功率半导体开关串联连接以等效为高压功率器件，这样为防止不均压，需为每个功率半导体开关配置电压钳位电路。而本实用新型实施方式的功率单元100仅需为每个功率变换电路110配置电压钳位电路即可，从而可减少电压钳位电路的数量，减少成本，提高***可靠性。

以上具体地示出和描述了本实用新型的示例性实施方式。应可理解的是，本实用新型不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本实用新型意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (15)

1.一种功率单元，其特征在于，包括：

多个功率变换电路，每个所述功率变换电路包括至少一具有多个功率半导体开关的桥臂，且每个所述功率变换电路包括第一输出端和第二输出端，其中所述多个变换电路中相邻两个所述功率变换电路的其中一者的所述第一输出端与其中另一者的所述第二输出端依次连接，剩余的两个第一输出端和第二输出端形成所述功率单元的第一端和第二端；

本地控制器，用以输出多个控制信号；以及

多个驱动电路，与所述本地控制器耦接，用以接收所述多个控制信号，并根据所述多个控制信号分别输出各个驱动信号，来驱动所述多个功率半导体开关的导通或关断，

其中所述多个功率变换电路相同，且所述多个控制信号的数量与每个所述功率变换电路中的所述功率半导体开关的数量相同，以及所述多个功率变换电路中相同位置的所述功率半导体开关所对应的所述控制信号相同，使得所述多个功率变换电路中相同位置的所述功率半导体开关同时导通或同时关断。

2.如权利要求1所述的功率单元，其特征在于，所述功率单元还包括：

辅助电源，与所述本地控制器连接，用以为所述本地控制器供电。

3.如权利要求1所述的功率单元，其特征在于，所述多个驱动电路的数量与所述功率半导体开关的数量相同，每个所述驱动电路驱动对应的所述功率半导体开关的导通和关断。

4.如权利要求1所述的功率单元，其特征在于，所述多个驱动电路与所述本地控制器直接连接，或者所述多个驱动电路与所述本地控制器通过磁隔离器件连接，或者所述多个驱动电路与所述本地控制器通过光隔离器件连接。

5.如权利要求1所述的功率单元，其特征在于，所述功率变换电路包括：

母线电容和电压钳位电路，所述母线电容的两端并联连接在所述桥臂的两端，且所述电压钳位电路并联连接于所述母线电容的两端。

6.如权利要求5所述的功率单元，其特征在于，所述母线电容的两端之间的母线电压被所述电压钳位电路钳位在一预定范围内。

7.如权利要求1所述的功率单元，其特征在于，所述多个功率变换电路为n个所述功率变换电路，第1个所述功率变换电路的所述第一输出端为所述功率单元的所述第一端，第1个所述功率变换电路的所述第二输出端与第2个所述功率变换电路的所述第一输出端连接，依次连接下去，直到第n-1个所述功率变换电路的所述第二输出端与第n个所述功率变换电路的所述第一输出端连接，第n个所述功率变换电路的所述第二输出端为所述功率单元的所述第二端，其中n为大于1的自然数。

8.如权利要求7所述的功率单元，其特征在于，所述功率变换电路为H桥电路，其中所述H桥电路包括：

所述至少一桥臂，所述至少一桥臂包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂均包括上功率半导体开关和下功率半导体开关，所述第一桥臂的所述上功率半导体开关和所述下功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的所述第一输出端，所述第二桥臂的所述上功率半导体开关和所述下功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的所述第二输出端。

9.如权利要求7所述的功率单元，其特征在于，所述功率变换电路为半桥电路，所述半桥电路包括所述桥臂，其中所述桥臂包括：具有第一端和第二端的上功率半导体开关和下功率半导体开关，所述上功率半导体开关的所述第二端与所述下功率半导体开关的所述第一端连接于一连接点，该连接点为所述功率变换电路的所述第一输出端，所述下功率半导体开关的所述第二端为所述功率变换电路的所述第二输出端。

10.如权利要求7所述的功率单元，其特征在于，所述功率变换电路为二极管钳位三电平电路，其中所述二极管钳位三电平电路包括：

所述至少一桥臂，所述至少一桥臂包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂均包括各自的第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关和第四功率半导体开关，其中所述第一桥臂的所述第一功率半导体开关、所述第二功率半导体开关、所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关串联连接，所述第一桥臂的所述第二功率半导体开关和所述第三功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的所述第一输出端，所述第二桥臂的所述第一功率半导体开关、所述第二功率半导体开关、所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关串联连接，所述第二桥臂的所述第二功率半导体开关和所述第三功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的所述第二输出端；

第一母线电容、第二母线电容，其中所述第一母线电容和所述第二母线电容串联连接后与所述第一桥臂和所述第二桥臂并联连接；以及

第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中所述第一开关和所述第二开关串联后连接在所述第一桥臂的所述第一功率半导体开关和所述第二功率半导体开关的连接点和所述第一桥臂的所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关的连接点之间，所述第三开关和所述第四开关串联后连接在所述第二桥臂的所述第一功率半导体开关和所述第二功率半导体开关的连接点和所述第二桥臂的所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关的连接点之间，所述第一开关和所述第二开关的连接点与所述第一母线电容和所述第二母线电容的连接点连接，所述第三开关和所述第四开关的连接点与所述第一母线电容和所述第二母线电容的连接点连接。

11.如权利要求7所述的功率单元，其特征在于，所述功率变换电路为飞跨电容三电平电路，其中所述飞跨电容三电平电路包括：

所述至少一桥臂，所述至少一桥臂包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂均包括各自的第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关和第四功率半导体开关，其中所述第一桥臂的所述第一功率半导体开关、所述第二功率半导体开关、所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关串联连接，所述第一桥臂的所述第二功率半导体开关和所述第三功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的所述第一输出端，所述第二桥臂的所述第一功率半导体开关、所述第二功率半导体开关、所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关串联连接，所述第二桥臂的所述第二功率半导体开关和所述第三功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的所述第二输出端；

第一母线电容、第二母线电容，其中所述第一母线电容和所述第二母线电容串联连接后与所述第一桥臂和所述第二桥臂并联连接；以及

第一电容和第二电容，其中所述第一电容连接在所述第一桥臂的所述第一功率半导体开关和所述第二功率半导体开关的连接点和所述第一桥臂的所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关的连接点之间，所述第二电容连接在所述第二桥臂的所述第一功率半导体开关和所述第二功率半导体开关的连接点和所述第二桥臂的所述第三功率半导体开关和所述第四功率半导体开关的连接点之间。

12.如权利要求7所述的功率单元，其特征在于，所述功率变换电路为中性点可控三电平电路，其中所述中性点可控三电平电路包括：

所述至少一桥臂，所述至少一桥臂包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂均包括各自的上功率半导体开关和下功率半导体开关，其中所述第一桥臂的所述上功率半导体开关和所述下功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的所述第一输出端，所述第二桥臂的所述上功率半导体开关和所述下功率半导体开关的连接点为所述功率变换电路的所述第二输出端，

第一母线电容、第二母线电容，其中所述第一母线电容和所述第二母线电容串联连接后与所述第一桥臂和所述第二桥臂并联连接；以及

第一开关组和第二开关组，其中所述第一开关组连接在所述第一桥臂的所述上功率半导体开关和所述下功率半导体开关的连接点与所述第一母线电容和所述第二母线电容的连接点之间，所述第二开关组连接在所述第二桥臂的所述上功率半导体开关和所述下功率半导体开关的连接点与所述第一母线电容和所述第二母线电容的连接点之间。

13.一种电力电子变换装置，其特征在于，包括：

主控制器，用以输出主控制信号；以及

至少一如权利要求1-12中任何一个所述的功率单元，所述本地控制器与所述主控制器耦接，用以接收所述主控制信号，以产生相应的所述控制信号。

14.如权利要求13所述的电力电子变换装置，其特征在于，所述至少一功率单元为多个，相邻两个所述功率单元的其中一者的所述第二端与其中另一者的所述第一端连接，且每个所述功率单元的所述本地控制器与所述主控制器耦接。

15.如权利要求13所述的电力电子变换装置，其特征在于，所述本地控制器与所述主控制器通过光纤连接，或者所述本地控制器与所述主控制器直接电性连接。