[发明专利]带有电力半导体开关母线系统的转换模块

说明书

                         技术领域

本发明涉及电力电子领域。根据权利要求1与10的前序部分，它建立在一种转换模块与转换器的基础上。

                         先有技术

本发明涉及到用于大容量转换器的转换模块。转换模块由若干电力半导体开关通过母线系统的方式构成。该母线系统在诸如“GTO-Hochleistungsstromrichter fur Triebfahrzeuge mitDrehstromantrieb”(GTO大容量转换器采用三相发动机来牵引车辆)的文章有过叙述，ABB技术4/1995，第4～13页。电能通过一种DC中介电路供给电力驱动机车，在输入侧，DC中介电路与一DC电网相连，或通过干线转换器与一AC电网相连，通常情况下，利用一种多相驱动转换器，可在输出侧为三相异步牵引电机提供幅值与频率都可变的电功率。母线系统组成了干线转换器-或架空DC电网-与电力半导体开关或驱动转换器各模块之间的电气节点。这样可能十分复杂，可能会限制实现该电气开关系统，而且将导致相当高的成本。

在电力半导体开关的发展过程中，已将常规晶闸管或栅极关断晶闸管(GTO)改进为IGBT(绝缘栅极双极晶体管)。IGBT通常集成为一个模块。由于电流及功率较大，多数模块作并联连接。对于不同功率的转换器类型，可以找到相应的母线系统，母线系统允许多相转换器设计为标准型，可按比例缩放且电感较低。

在早期的两个德国专利申请中(申请号为19600367.9及19612839.0)，该问题通过电力半导体模块在扁平状DC电极板及平行相线母线的上方组成一种二维排列而得以解决，这样没有什么优点。在扁平模块狭长的一边，沿其纵向带有插入式触头，这些模块便可插入两排母线的突缘里，该突缘起到配套连接作用，且同相线母线平行。相邻最近的模块间彼此互转180度并通过桥电路相互联接起来。由此以形成半桥或桥臂对，也就是说，这些模块联结在极性相反的DC电极板上，然后将半个周期的反极性电流馈至公共相线母线上。相反地，下一组相邻的模块也沿相同方向排列，而且并联起来，起到功率划分作用。

这种结构仍然存在着缺点，譬如，对称性不够好，电感不够理想，特别是结构较为复杂。模块间的电流流径途径较长，且有不同路数，便导致了电流不对称与模块负荷的不均匀。随着功率级或每相模块数量的增加，导致部分优化用电增多，功率额定值便降低了。这种排列还在设计方面带来一些问题。各种型号需要大量不同的部件且装配较为复杂。由于正负极节点彼此靠近且相互渗透，因此需特别注意绝缘隔离的最小柔量值以及漏电距离。此外，对于各种应用及功率级，需要制定金属板的剪制尺寸，还要逐个地搭配元件。

根据DE 4402425A1的发明，先有技术为，沿着相线母线将许多由半导体开关元件组成的桥臂对并联起来。每个桥臂元件作首尾相连排列，或彼此相对，两者可为一样类型，由纵向剖面可看出，它们保持相互接触并由螺丝拧紧。其一个显著的缺点在于，为减小电感，相线母线在末端折叠后再平行返回。

                        发明概述

因而，本发明的目的就是为转换器提供一种新型的母线系统，其特征在于，设计简便，空间节省，装配复杂性降低，而且对称性改善，电感较低且电流容量大。根据本发明权利要求1的特征，可以达到上述目的。

具体地说，本发明的实质就在于优选地采用插入式电力半导体开关，这些开关成对地同DC中介电路的正负极节点及相线母线连结起来，且在排列时，其前侧或后侧彼此相对，相靠颇近。由此，负载电流与换向电流所流经的途径均为对称状，而且设计的电感较低。同时，提供各种转换模块方案，由于模块为标准化设计，所以在装配时比较简单，而且可按照需要的额定值进行简捷的搭配。

第一种典型的实施方案为一种单相的转换模块，它包含两个电力半导体开关，其前侧或后侧彼此相对而构成一个桥电路。

另一种典型的实施方案为一种单相的转换模块，它包括四个电力半导体开关，其中每两个开关元件为彼此相对且并联为一桥臂，两个桥臂侧面毗邻，也就是说，在相线母线的方向上有一个偏差。

最后一种典型的实施方案为一种两相的转换模块，它包括四个电力半导体开关，其中每两个开关元件在水平平行的位置上形成一个桥臂对，并且两个桥臂对沿中心而成镜像布置，它们给不同的两相供电。

根据本发明的母线系统有一个优点，即电力半导体开关元件布置高度均匀，使得各元件的负载电流变得均匀了，由此，总的电流值允许得到增加。