[发明专利]开关模块、功率转换器及采用开关模块组成的功率转换器

说明书

本发明涉及开关模块、功率转换器及采用开关模块组成的功率转换器，而更具体地涉及由多个串联的自断路器件组成的开关模块、带有低损耗缓冲电路的功率转换器及带有用开关模块组成的低损耗缓冲电路的功率转换器。

图25中示出了到目前为止所采用的由单个自断路器件组成的开关模块SM0。这一开关模块SM0是由诸如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等单个自断路器件S1及与自断路器件S1逆并联的单个续流二极管D1组成的。自断路器件S1的集电极引线(正侧端子)作为第一外部端子1引出，及自断路器件S1的发射极引线(负侧端子)作为第二外部端子2引出，并进一步将用于自断路器件S1的接通/断开控制的门信号引线30引出开关模块SM0。

图26中示出了采用这种开关模块SM0组成的传统的单相中点箝位功率转换器(此后称作“NPC倒相器”)的配置的实例。此外，图27中示出了图26中所示的NPC倒相器的电路配置图。

图26与27中所示的NPC倒相器由四个分别用单个自断路器件S1、S2、S3与S4及与它们逆并联的单个续流二极管D1、D2、D3与D4组成的串联开关模块SM01-SM04组成。开关模块SM01-SM04是通过将正侧开关模块的外部端子2连接到负侧开关模块的外部端子1上而串联的。再者，各自断路器件S1、S2、S3与S4与一个缓冲电路并联。各缓冲电路由一个缓冲二极管D_s、一个与缓冲二极管D_s串联的缓冲电容器C_s及一个与缓冲二极管并联的缓冲电阻器R_s组成。后缀到器件上的数字码1-4表示对应的模块SM01-SM04。在开关模块SM01与SM02的连接点与开关模块SM03与SM04的连接点之间，在与自断路器件S1-S4的极性相反的方向上串联箝位二极管DC1与DC2。从由带有电压Vd1与Vd2的电容器Cp1与Cp2组成的DC电压源(电压Vd=Vd1+Vd2)，引出正侧端子10、零电压端子11及负侧端子12。通过线路电感L1、L3将串联的四个开关模块SM01-SM04连接在正与负侧端子10与12之间。再者，将箝位二极管DC1、DC2的连接点连接到零电压端子11上，并且在此还示出线路电感L2。从两个开关模块SM02与SM03的连接点上引出NPC倒相器的输出端20。

下面描述图26与27中所示的NPC倒相器的工作。

下面示出自断路器件S1-S4的开关操作与电压电平的关系。当自断路器件S1与S2接通时这一NPC倒相器输出电压Vd1，当自断路器件S2与S3接通时输出零电压，而当自断路器件S3与S4接通时输出电压-Vd2。为了简化说明，假设Vd1=Vd2=Vd/2。

在NPC倒相器中，例如，如果同时接通自断路器件S1-S3，便在自断路器件S1-S2-S3及箝位二极管DC2的通路中形成DC电压Vd1的短路，而过量的短路电流流经短路中的器件。为了防止这一短路电流，自断路器S1与S3相反地操作(当其中之一接通时另一个断开)并且自断路器件S2与S4也相反地操作。

下面描述图26与27中所示的缓冲电路的操作。各缓冲电路配置在靠近各自的自断路器件S1-S4以减少线路电感的影响。如果在电流正在流经线路电感L1及自断路器件S1与S2的状态中断开自断路器件S1，线路电感L1的剩余能量通过二极管D_s1充电缓冲电容器C_s1，如图28中所示。电容器C_s1的电压成为DC电压Vd1与线路电感L1的剩余能量的电压之和。当下一次接通自断路器件S1时缓冲电容器C_s1中的电荷通过通路从缓冲电容器C_s1→缓冲电阻器R_s1→自断路器件S1放电，而缓冲电容器C_s1中的电荷降低到接近零。这也适用于图29中所示的其它自断路器件S2-S4。

在图25中所示的开关模块SM0中，自断路器件S1及与之逆并联的续流二极管D1之间的接线长度变短而能减少它们之间的线路电感。但不能减少开关模块SM0与其它器件之间所需的线的电感。再者，在图27中所示的电路配置的缓冲电路的情况中，缓冲电阻器R_s1-R_s4消耗全部缓冲能量而因此其效率更差。

在解决这一缺点的努力中，提出了用于NPC倒相器的一种低损耗缓冲电路(日本电气工程师协会1995年全国会议，报告NO.5,320页，1178：“三电平倒相器的箝位缓冲器”)。这一建议的缓冲电路示出在图30中。