多电平功率转换器电路的机械装置制造方法
【专利摘要】多电平功率转换器电路的机械装置包括：功率转换器，其具有：具有多个第一控制输入、至少三个直流电压输入和交流电压输出的第一部分，以及具有多个第二控制输入、该至少三个直流电压输入和交流电压输出的第二部分。该第二部分与该第一部分分开。该功率转换器具有对应于该至少三个直流电压输入的至少三个电平。
【专利说明】多电平功率转换器电路的机械装置
[0001]相关申请的交叉引用
该申请要求2010年12月22日提交的美国临时专利申请序列号61/426，051的权益，其通过本文引用结合于此，和2011年6月28日提交的美国临时专利申请序列号61/501，876的权益，其通过本文引用结合于此。
【技术领域】
[0002]公开的概念一般来说关于例如多电平功率转换器的功率电子装置，并且更具体地关于多电平逆变器和多电平驱动器。
【背景技术】
[0003]多电平功率逆变器是功率电子装置，其形成结构来从直流(DC)输入电压产生交流(AC)波形。多电平功率逆变器在很多种应用中使用，例如(无限制地)变速马达驱动器和高压DC传输线与AC传输线之间的接口。
[0004]多电平功率逆变器后的一般概念是使用多个功率半导体开关，其耦合于多个较低电平的DC电压源来通过合成阶梯电压波形执行功率转换。用于实现多电平功率逆变器的多个不同的拓扑结构是众所周知的，包括但不限于中性点箝位(NPC)拓扑结构、飞跨电容器(FC)拓扑结构和H桥拓扑结构。还有如本文公开的中性点先导(NPP)拓扑结构。
[0005]如常规的，耦合于一个或多个DC电压输入的一组电容器(“DC链路”)常常用于提供多个DC电压源，其采用于多电平功率逆变器的操作。例如，已知在NPC和FC拓扑结构中使用这样的包括一组电容器的DC链路。
[0006]多电平NPC功率转换器或多电平NPP功率转换器的常规布局导致相对大量的交叉电连接，并且从而相对非常复杂的电母线结构。复杂的分层母线支撑结构(buswork)在中压设备中成本可能过高。在低压功率转换器中，电路布局复杂性也增加成本。
[0007]已知采用相对更简单的拓扑结构或相对昂贵的层叠母线支撑结构，其包含相对许多层绝缘体和导体。在低压设备中，例如相对高度复杂的互连电路常常导致多层印刷电路板(PCB)。
[0008]图1示出用于具有AC输出4、五个DC输入6、8、10、12、14和多个控制输入16、18、20,22和24、26、28、30的单相桥臂的五电平NPC拓扑结构2的常规电布局。例如，这些拓扑结构2中的三个用于组成三相DC至AC逆变器(未示出)。该五电平NPC拓扑结构2的机械布局(未示出)根据该电连接结构得出。该结构扩展至任何数量的电平，其中对每个另外的电平增加一串二极管(未示出，但参见例如关于图1垂直示出的二极管串32、34、36)、额外的电容器(未不出，但参见例如电容器38、40、42、44)和两个额外的IGBT器械(未不出，但参见例如IGBT 46、48、50、52和54、56、58、60)。该相桥臂和它的控制输入16、18、20、22和
24、26、28、30的控制和选通电路没有示出。
[0009]图7示出单相桥臂的五电平NPP拓扑结构70的常规电布局。例如，这些单相桥臂中的三个用于组成三相DC-AC NPP逆变器(未示出)。NPP逆变器由宾夕法尼亚州，匹兹堡的Converteam有限公司在市场上销售。该五电平NPP拓扑结构70的机械布局(未不出)根据该电连接结构得出。该结构扩展至任何数量的电平。该相桥臂和它的控制输入的控制和选通电路没有示出。
[0010]图11示出其中有三个DC电压输入82、84、86的单相桥臂的三电平NPP拓扑结构80的常规电布局。
[0011]图13示出其中有四个DC电压输入92、94、96、98的单相桥臂的四电平NPP拓扑结构90的常规电布局。
【发明内容】
[0012]公开的概念的实施例是多电平功率转换器电路(例如无限制地，二极管箝位多电平逆变器(DCMLI);多电平中性点箝位(MLNPC)逆变器；三电平中性点箝位逆变器；四电平中性点箝位逆变器(例如，四电平NPC);五电平中性点箝位逆变器(例如，五电平NPC);多电平中性点先导(NPP)反并联逆变器；多电平中性点先导逆变器；三电平中性点先导逆变器；四电平中性点先导逆变器；五电平中性点先导逆变器)的空间(例如，分开)机械装置来实现单相桥臂的每一半或两半的相对低成本的单平面构建。
[0013]根据公开的概念的一个方面，多电平功率转换器电路的机械装置包括:功率转换器，其包括:包括多个第一控制输入、至少三个直流电压输入和交流电压输出的第一部分；和包括多个第二控制输入、该至少三个直流电压输入和交流电压输出的第二部分，该第二部分与该第一部分分开，其中该功率转换器具有对应于该至少三个直流电压输入的至少三个电平。
[0014]根据公开的概念的另一个方面，多电平功率转换器电路的机械装置包括:功率转换器，其包括:交流电压输出；包括至少三个直流电压输入和到该交流电压输出的输出的第一部分，其提供正向电流给该交流电压输出；以及包括该至少三个直流电压输入和到该交流电压输出的输出的第二部分，其从该交流电压输出提供相反的负向电流，其中该功率转换器具有对应于该至少三个直流电压输入的至少三个电平。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]当结合附图阅读时，公开的概念的充分理解可以从优选实施例的下列描述得到，其中:
图1是五电平NPC相桥臂的常规电布局。
[0016]图2是具有续流二极管(FWD)的备用配置的五电平NPC相桥臂的电布局。
[0017]图3是图2的五电平NPC相桥臂的电布局，但根据公开的概念的实施例重绘成单个平面。
[0018]图4是图3的五电平NPC相桥臂的上部功率板的平面视图。
[0019]图5是主要示出图4的上部功率板的组装相桥臂的立体图，其中通过上部功率板中的切口示出控制板的角。
[0020]图6是示出图5的上部功率板和下部功率板的组装模块的垂直正视图。
[0021]图7是五电平NPP相桥臂的常规电布局。
[0022]图8是具有FWD的备用配置的五电平NPP相桥臂的电布局。[0023]图9是图8的五电平NPP相桥臂的电布局，但根据公开的概念的实施例重绘成单个平面。
[0024]图10是图9的五电平NPP相桥臂的上部功率板的平面视图。
[0025]图11是三电平NPP相桥臂的常规电布局。
[0026]图12是图11的三电平NPP相桥臂的电布局，但根据公开的概念的实施例在分成半桥臂后重绘成单个平面。
[0027]图13是四电平NPP相桥臂的常规电布局。
[0028]图14是图13的四电平NPP相桥臂的电布局，但根据公开的概念的实施例在分成半桥臂后重绘成单个平面。
[0029]图15A和15B是图12的两个半桥臂的母线支撑结构电布局的平面视图。
[0030]图15C是图15A和15B的两个组装的半桥臂的垂直正视图。
【具体实施方式】
[0031 ] 如本文采用的，术语“数量”将意味一或大于一的整数(即，多个)。
[0032]如本文采用的，术语“低压”将意味小于大约600Vms的任何电压。
[0033]如本文采用的，术语“中压”将意味大于低压并且在从大约600Vkms到大约38kVMS的范围中的任何电压。
[0034]如本文采用的，术语“高压”将意味大于中压的任何电压。
[0035]如本文采用的，术语“逆变器”将意味将直流(DC)转换成交流(AC)的电器械。该转换的AC可处于任何适合的电压和频率。
[0036]例如并且无限制地，在用于三AC相的常规双电平逆变器中，双电平DC母线电压横过六开关逆变桥施加，其产生双电平PWM电压输出。DC母线的双电平构成正母线和负母线。这六个开关分成每个具有两个开关的三个分支。控制器经由开关的控制端子控制每个开关。每个分支的顶部开关连接到正母线并且每个分支的底部开关连系到负母线。
[0037]作为另一个非限制性示例，逆变器可可选地包括有源前端，其中例如三相AC至DC整流器将AC整流成DC用于随后由逆变器的DC至AC转换。利用有源前端，一般逆变器的DC输入电压点的全部典型地由多个逆变器共享，而不仅是外面的两个DC输入电压点，尽管这是可能的备选。
[0038]与双电平逆变器相比，在三相的三电平逆变器中，DC母线具有三个电压电平(相对地标记为正、中性和负)，并且逆变桥具有(例如并且无限制地)十二或十八个开关。
[0039]如本文采用的，术语“多电平”(例如，无限制地，三电平；四电平；五电平；六电平；大于六电平)将意味能够典型地关于逆变器中某处的DC链路电压点在每个端点处形成三个或更多电压电平的逆变器或逆变器相桥臂。
[0040]例如并且无限制地，对于四电平逆变器相桥臂，电压中间电路的DC电压细分成四个DC电势电平。作为非限制性示例，常规NPC相桥臂具有六个IGBT和每相桥臂最少四个二极管，使得三相逆变器的开关的最小数量是18或30，其取决于是否计算二极管。在另一方面，NPP相桥臂基本上每电平每相具有单个理想的开关，使得对于四电平NPP逆变器具有最少十二个开关。然而，不认为理想的开关实现可用当前技术实现，使得该数量一般高很多。三相的对应四电平逆变器具有(例如并且无限制地)十八、三十、三十六或七十二个开关，例如无限制地，如果对于所有开关期望共同的额定电压，尽管具有多种额定电压，这将落至NPC逆变器的36个开关和NPP逆变器的72个开关。
[0041]相似地，例如并且无限制地，对于五电平逆变器相桥臂，电压中间电路的DC电压细分成五个DC电势电平。三相的对应逆变器具有(例如并且无限制地)四十二或六十个开关。再次，NPP相桥臂基本上每电平每相具有单个理想的开关，使得对于五电平NPP逆变器具有最少十五个开关。然而，不认为理想的开关实现可用当前技术实现，使得该数量一般高很多。
[0042]如本文采用的，术语“功率转换器电路”将意味多电平逆变器。多电平逆变器的非限制性示例包括二极管箝位多电平逆变器(DCMLI);多电平中性点箝位(MLNPC)逆变器；三电平中性点箝位逆变器；四电平中性点箝位逆变器(例如，四电平NPC);五电平中性点箝位逆变器(例如，五电平NPC);多电平中性点先导(NPP)反并联逆变器；多电平中性点先导逆变器；三电平中性点先导逆变器；四电平中性点先导逆变器；以及五电平中性点先导逆变器。
[0043]DCMLI和MLNPC —般指相同的功率转换器电路。三电平NPC、四电平NPC和五电平NPC例如是MLNPC或DCMLI的版本。
[0044]如本文采用的，两个或更多部件“连接”或“耦合”在一起的陈述将意味这些部件直接联接在一起或通过一个或多个中间部件联接。此外，如本文采用的，两个或更多部件“附连”的陈述将意味部件直接联接在一起。
[0045]存在很多种方式提供根据公开的概念的实施例的机械装置(例如无限制地，物理电路布局)。一个非限制性示例是用于低压操作的单层印刷电路板(PCB)布局。这可以(例如并且无限制地)采用空气冷却的散热装置，采用单独液体冷却的散热装置，或浸入液体冷却剂中。尽管不是公开的概念的部分，还将有附随的控制电路，其可是或可不是相同的PCB或功率转换器电路的部分。典型地，功率转换器的每相将采用单独PCB。例如并且无限制地，该控制电路可以设置在接近组装件前面的外壳中(具有或没有AC电流传感器)，或可以设置在两个PCB中间。备选地，DC电压测量板可以设置在两个PCB中间。
[0046]作为另一个非限制性示例，机械装置采用双PCB，其中相桥臂的每一半折叠。控制电路然后可以夹在其之间，或可以机械地到主电力电路的侧。这可以(例如并且无限制地)采用具有空气冷却或液体冷却的单独散热装置或浸入式冷却。
[0047]功率转换器的示例PCB布局可以典型地采用在诸如例如并且无限制地T0-220或T0-247的封装件中的PCB安装IGBT或M0SFET。功率转换器还可以用表面安装器械形成，诸如例如并且无限制地采用PCB作为散热装置的DPAK封装件。其他可能的实施例包括单个或多个相对大的散热装置上的常规的扁平封装IGBT。
[0048]另一个示例实施例是用折叠的双PCB布局制成的中压空气冷却的功率转换器，其中第三控制电路PCB —体地夹在其他两个PCB之间，在每个PCB之间具有绝缘层和空气。
[0049]公开的概念的示例应用包括(例如并且无限制地)中压马达驱动器、低压马达驱动器、例如风和太阳能转换器的备选能量的电网接口转换器以及形成AC电压的任何功率转换器。
[0050]图1的五电平NPC拓扑结构2的常规电布局的备用形式可以通过将附随每个IGBT的续流二极管(FWD)连接到如在图2中示出的单个二极管串100、102中制成。该拓扑结构104是具有FWD的备用配置的五电平NPC相桥臂。原则上，然后可以消除与每个IGBT关联的反并联FWD，但在大多数情况下一般需要它们来保护IGBT器械。在正常操作中，因为电容器38、40、42、44每个具有正电压，这在功能上是等同的。存在其中这可稍稍不同表现的情况。例如，二极管(未示出)可横过每个电容器38、40、42、44放置来防止失效期间负电荷在这些电容器中的任何电容器中累积的可能性。
[0051]示例 I
图3示出图2的相同五电平NPC电子电路，但根据公开的概念的实施例重绘成单个平面。公开的概念的重要方面是图1的相同功率电子电路配置的该重绘的机械装置。在图3的公开的机械装置110中，没有交叉的网。电子电路自身具有相同的电连接，但被认为在机械上是新颖并且不明显的。图2的电容器38、40、42、44分成两个并联电容器138-139、140-141、142-143、144-145，但仅示出此来在后面示出它如何可以可选地分成两个独立的电路，例如半桥臂146、148的示例PCB。
[0052]示例 2
在图3的公开的机械装置110中，第一半桥臂146可以在PCB的第一层上，并且第二半桥臂148可以在相同PCB的由绝缘体(例如无限制地，PCB的玻璃纤维)与该第一层分开的不同的第二层上。
[0053]示例 3
在图3的公开的机械装置110中，第一半桥臂146可以在PCB的第一区域上，并且第二半桥臂148可以在相同PCB的由该第一区域和第二不同的区域之间的间隙(例如，在图3的轴150周围示出)与该第一区域分开的该不同的第二区域上。例如，PCB的第一区域包括至少一层(例如，一层；两层)，并且PCB的不同的第二区域包括至少一层(例如，一层；两层)。
[0054]示例 4
同样参照图4-6，示出新的机械装置110的非限制性示例。这里，图2的五电平NPC电路拓扑结构104首先重绘成单个平面(如在图3中示出的)，并且然后分成两个半桥臂146、148。该机械装置110使能够采用(例如并且无限制地)紧凑的PCB或相对非常简单的单个平面母线支撑结构(对于三电平NPP参见例如图15A-15C)。该机械装置110的另一个益处是所有邻近的器械具有相同的压降，使得横过示例PCB或母线支撑结构一直有均匀的电压梯度。这在(例如并且无限制地)双层PCB上实现中压电路。
[0055]另外，如在图3中示出的，机械装置110的单个平面版本可以沿电容器轴150向下划分，使得第一(例如无限制地，相对于图5和6上部的)和第二(例如无限制地，相对于图5和6下部的)电力段形成。然后这两个电力段可以夹(如在图6中最佳示出的)成实现相对更紧凑的整体设计的结构。控制电路152 (图5)可以放置在这些层之间(如示出的)，或集成到功率PCB中的一个或两个中或在模块(未示出)的前面。
[0056]如在图4中示出的，示例半桥臂146的电路可以使用图3的五电平NPC机械装置110构建，但具有每个组件的多个串联和并联组合以便提供期望的额定电压和电流。例如并且无限制地，示出的例如Q17、Q18、Q19、Q20的每个IGBT是八个器械(例如，四个并联器械的两个串联组)。例如D48、D47、D46、D45的FWD也可以用多达八个器械(例如，四个并联器械的两个串联组)制成。例如D49、D56、D55、D52、D51、D50的其他二极管用两个器械(例如，两个串联器械)制成。例如C16、C15、C14、C13的电容器各自用四个电容器(例如，两个并联器械的两个串联组)制成。将意识到功率半导体器械、二极管和电容器可以用这样的器械的任何适合的数量和布置采用大范围的更简单的、不同的或更复杂的组合制成。
[0057]图4示出图3的第一半桥臂146 (例如无限制地，上部电力段)。图3的第二半桥臂148 (例如无限制地，下部电力段)(未在图4中示出)是相似的，除了右上(关于图4)角中的示例切口 154。该切口 154用于通向控制电路152 (图5)的部分，并且对于公开的概念不是关键的。为了便于参考，IGBT、电阻器和电容器标号在图3和4的两者中示出。
[0058]图5和6示出包括第一和第二半桥臂146、148 (其形成相桥臂)的部分组装模块156。该模块156包括在半桥臂146、148之间使用的用于额外的电压隔离的适合的绝缘体158 (例如无限制地，多个塑料片)，其具有切口和孔(未示出)。
[0059]在图4-6的示例中，第一部分(或第一半桥臂146 )在第一 PCB上，并且第二部分(或第二半桥臂148)在由示例绝缘体158与该第一 PCB分开的第二 PCB上。同样，在该示例中，该第一 PCB平行于该第二 PCB并且在该第二 PCB上面(关于图5和6)。该第一和第二 PCB每个包括多层(例如无限制地，两层，例如组件侧层和电路侧层)。
[0060]示例5
再次参照图3，交流电压输出160是由半桥臂146、148形成的相桥臂的交流连接点。交流电压输出160提供(例如并且无限制地)阶梯交流电压波形和/或非正弦交流波形。该阶梯交流电压波形可近似具有逐渐更大数量的电平的正弦交流波形或任何其他适合的交流波形。对于一个交流循环，半桥臂146在该交流循环的第一半期间传导正向电流到交流电压输出160 (例如取决于它采用哪个电平通过FWD 048、047、046、045，通过晶体管叭7、Q18、Q19、Q20或通过各种其他路径)，由此提供正向电流到输出160。另一个半桥臂148在该交流循环的相反第二半期间从交流电压输出160传导负向电流(例如取决于它采用哪个电平通过FWD D44、D43、D42、D41，通过晶体管Q21、Q22、Q23、Q24或通过各种其他路径)，由此从输出160提供相反的负向电流。
[0061]第一半桥臂146包括第一数量(例如无限制地，在该示例中四个，尽管形成C16、C15、C14、C13的16个单独电容器在图4中示出)的直流链路电容器139、141、143、145。第二半桥臂148相似地包括第二数量(例如无限制地，在该示例中四个，尽管在图4中对于第一半桥臂146示出16个)的直流链路电容器138、140、142、144。电容器139、141、143、145与相应的电容器138、140、142、144并联电连接，由此允许功率转换器通过横过这些DC链路电容器的轴150折叠而构建。
[0062]如果采用图3的机械装置110与可选的有源前端(例如无限制地AC至DC整流器)，那么该功率转换器是整流器的相桥臂。
[0063]参照图8，图7的五电平NPP拓扑结构70的常规电布局的备用形式可以通过如在图8中示出的将附随每个IGBT的FWD的额外组连接到单个二极管串200、202中制成。该拓扑结构204是具有FWD的备用配置的五电平NPP相桥臂。在正常操作中，因为电容器72、74、76、78每个具有正电压，这在功能上是等同的。原则上，然后可以消除与每个IGBT关联的反并联FWD，但在大多数情况下一般需要它们来保护IGBT器械。
[0064]示例 6
公开的概念的重要方面是图8的相同电力电路配置的重绘机械装置210 (图9)。在图9的公开的机械装置210中，没有交叉的网。图9的电子电路自身具有与图8的拓扑结构204相同的电连接，但被认为在机械上是新颖并且不明显的。图8的电容器72、74、76、78分别分成两个并联电容器272-273、274-275、276-277、278-279，但仅示出此来在后面示出它如何可以可选地分成两个独立的电路(例如无限制地PCB)。
[0065]图9示出图8的相同五电平NPP电子电路，但根据公开的概念的实施例重绘成单个平面。图9的该公开的机械装置210实现采用相对紧凑的PCB或相对非常简单的单个平面母线支撑结构。该布局的另一个益处是所有邻近的器械具有相同的压降，使得横过电路(例如无限制地，PCB ;母线支撑结构)一直有均匀的电压梯度。这在(例如并且无限制地)双层PCB上实现中压电路。
[0066]另外，布局的单个平面版本可以沿电容器轴280向下划分，使得第一 282 (例如无限制地，上层)和第二 284 (例如无限制地，下层)电力段(例如无限制地，PCB ;母线支撑结构)形成。然后这两个电力段282、284可以夹成实现相对更紧凑的整体设计的结构(未示出，但参见图5和6的夹层结构)。控制电路152 (未示出，但参见图5的控制电路152)可以放置在这两个电力段之间，或集成到这样的电力段中的一个或两个中，或邻近这两个电力段。
[0067]示例第一电力段(半桥臂)282的电路组装件可以使用图9的五电平NPP机械装置210构建，但具有每个组件的多个串联和并联组合以便提供期望的额定电压和电流。例如并且无限制地，示出的例如Q41、Q42、Q43、Q44、Q45、Q46、Q47、Q48、Q49、Q50的每个IGBT是八个器械(例如，四个并联器械的两个串联组)，并且例如0112、0111、0110、0109、076、077、D78、D74、D75的每个FWD也可以用八个器械(例如，四个并联器械的两个串联组)制成。例如D85、D86、D87、D88、D89、D90、D91、D92、D93、D94的其他二极管用两个器械(例如，两个串联器械)制成。并且，例如D85、D86、D87和D88的二极管不一直存在。此外，在示例实施例中，二极管D73和IGBT/ 二极管Q50/D94是四并联器械的三个串联组。将意识到功率半导体器械、二极管和电容器可以用这样的器械的任何适合的数量和布置采用大范围的更简单的、不同的或更复杂的组合制成。
[0068]图9的示例第二电力段(半桥臂)284的电路组装件为了简洁没有示出，但除了图9中示出的开关方向差异是几乎相同的。
[0069]在图4和10中示出的示例电路组装件采用两个PCB层(例如无限制地，组件侧和电路侧)。公开的概念消除对超过两个PCB层的需要。
[0070]示例7
图12示出图11的相同三电平NPP拓扑结构80的重绘机械装置300。这根据公开的概念的实施例在分成半桥臂302、304后重绘成单个平面。该机械装置300的重要方面是没有交叉的网。图12的电子电路自身具有与图11的拓扑结构80相同的电连接，但被认为在机械上是新颖并且不明显的。图11的电容器306、308分别分成图12的两个并联电容器310-312、314-316。
[0071]示例 8
图14示出图13的相同四电平NPP拓扑结构90的重绘机械装置320。这根据公开的概念的实施例在分成半桥臂322、324后重绘成单个平面。该机械装置320的重要方面是没有交叉的网。图14的电子电路自身具有与图13的拓扑结构90相同的电连接，但被认为在机械上是新颖并且不明显的。图13的电容器326、328、330分别分成图14的两个并联电容器332-334、336-338、340-342。[0072]示例9
图15A-15C示出图11的相同三电平NPP拓扑结构80的另一个机械装置360。为了便于比较，电容器 C29、C28、C21、C25，二极管 D117、D118、D116、D132、D131、D133 和 IGBT Q68、Q63、Q64、Q87、Q92、Q91的相同组件标号在图12的机械装置300中示出，理解可以采用不同的机械结构(例如无限制地，多个PCB ;母线支撑结构)。在图15A-15C中，IGBT 二极管D134、D135、D138、D152、D173、D174与IGBT封装件集成或不被采用。半桥臂302、304的各种电容器、二极管和IGBT由母线支撑结构的单独段362、364、366、368、370、372、374和363、365、367、369、371、373、375电互连。这样的段可以用适合的导体(例如无限制地，铜)制成，其具有用于相对高的电流的适合的横截面(例如，如与PCB传导迹线对比)。图15C示出折叠到多个冷板376上的两个半桥臂302、304。备选地，这多个冷板376可以采用具有多个散热装置鳍片(未示出)和/或多个绝缘体(未示出)的空气通道(未示出)，以便将半桥臂302、304彼此电绝缘。
[0073]图4_6、9和10、12、14和15A-15C公开多电平功率转换器电路的各种机械装置110、210、300、320、360。例如，如在图4_6中示出的，功率转换器机械装置110包括具有多个第一控制输入147、至少三个直流电压输入(例如无限制地,五个DC电压输入6、8、10、12、14在图3中示出)和交流电压输出160的第一部分146，和具有多个第二控制输入149、该至少三个直流电压输入(例如无限制地，五个DC电压输入6、8、10、12、14在图3中示出)和交流电压输出160的第二部分148。该第二部分148从该第一部分146分开。该功率转换器机械装置110具有对应于该至少三个直流电压输入(例如无限制地，五个DC电压输入6、
8、10、12、14在图3中示出)的至少三个电平(例如无限制地，五个电平在图3中示出)。
[0074]公开的概念可直接应用于所有功率范围的逆变器和马达驱动器。
[0075]公开的概念简化构建，包括(例如并且无限制地)简单PCB在中压转换器的背景中的使用。公开的机械装置可将功率转换器在AC连接点分离，并且将电路展开成第一(例如无限制地，上部)段和第二(例如无限制地，下部)段。在该展开后，功率转换器可在单层中构建，或横过DC链路电容器的轴折叠，由此导致相对非常简单的机械装置。功率转换器的元件的全部暴露于均匀的电压分布(例如无限制地，示例PCB或母线支撑结构的角间的均匀电压)，其实现非常紧凑的布局并且允许相对更小的余隙。
[0076]尽管已经详细描述了公开的概念的具体实施例，本领域内技术人员将意识到可以根据本公开的整体教导开发对这些细节的各种修改和备选。因此，公开的特定装置关于公开的概念的范围仅意为说明性的并且非限制性，该范围将由附上的权利要求的全宽和其的任何与所有等同物给出。
【权利要求】
1.一种多电平功率转换器电路的机械装置，所述机械装置包括: 功率转换器，其包括: 第一部分，所述第一部分包括多个第一控制输入、至少三个直流电压输入和交流电压输出；以及 第二部分，所述第二部分包括多个第二控制输入、所述至少三个直流电压输入和所述交流电压输出，所述第二部分与所述第一部分分开， 其中所述功率转换器具有对应于所述至少三个直流电压输入的至少三个电平。
2.如权利要求1所述的机械装置，其中，所述功率转换器是逆变器的相桥臂。
3.如权利要求1所述的机械装置，其中，所述功率转换器是马达驱动器的相桥臂。
4.如权利要求1所述的机械装置，其中，所述功率转换器是从由二极管箝位多电平逆变器、多电平中性点箝位逆变器、三电平中性点箝位逆变器、四电平中性点箝位逆变器、五电平中性点箝位逆变器、多电平中性点先导反并联逆变器、多电平中性点先导逆变器、三电平中性点先导逆变器、四电平中性点先导逆变器和五电平中性点先导逆变器构成的组选择的多电平逆变器的相桥臂。
5.如权利要求1所述的机械装置，其中，所述至少三个电平是三个电平。
6.如权利要求1所述的机械装置，其中，所述至少三个电平是至少四个电平。
7.如权利要求6所述的机械装置，其中，所述至少四个电平是四个电平。
8.如权利要求6所述的机械装置，其中，所述至少四个电平是五个电平。
9.如权利要求1所述的机械装置，其中，所述第一部分在第一印刷电路板上；并且其中所述第二部分在由绝缘体与所述第一印刷电路板分开的第二印刷电路板上。
10.如权利要求9所述的机械装置，其中，所述功率转换器形成结构来输出中压。
11.如权利要求9所述的机械装置，其中，第一印刷电路板平行于第二印刷电路板。
12.如权利要求9所述的机械装置，其中，第一印刷电路板在第二印刷电路板上面。
13.如权利要求9所述的机械装置，其中，第一印刷电路板包括第一多个层；并且其中第二印刷电路板包括第二多个层。
14.如权利要求13所述的机械装置，其中，所述第一多个层和所述第二多个层是两层。
15.如权利要求1所述的机械装置，其中，所述第一部分由第一母线支撑结构电互连；并且其中所述第二部分由第二母线支撑结构电互连，所述第二母线支撑结构由多个绝缘体与所述第一母线支撑结构分开。
16.如权利要求1所述的机械装置，其中，所述第一部分在印刷电路板的第一层上；并且其中所述第二部分在由绝缘体与所述第一层分开的所述印刷电路板的不同的第二层上。
17.如权利要求1所述的机械装置，其中，所述第一部分在印刷电路板的第一区域上；并且其中所述第二部分在由所述第一区域和第二不同区域之间的间隙与所述第一区域分开的所述印刷电路板的不同的第二区域上。
18.如权利要求17所述的机械装置，其中，所述功率转换器形成结构来输出低压。
19.如权利要求17所述的机械装置，其中，印刷电路板的第一区域包括至少一层；并且其中印刷电路板的不同的第二区域包括至少一层。
20.如权利要求1所述的机械装置，其中，所述第一部分是交流相桥臂的第一半；并且其中与所述第一部分分开的所述第二部分是所述交流相桥臂的第二半。
21.如权利要求1所述的机械装置，其中，所述交流电压输出是交流连接点。
22.如权利要求1所述的机械装置，其中，所述第一部分包括第一数量的直流链路电容器；其中所述第二部分包括第二数量的直流链路电容器；其中第一数量等于第二数量；并且其中第一数量的直流链路电容器与第二数量的直流链路电容器并联电连接。
23.如权利要求1所述的机械装置，其中，所述第一部分和所述第二部分中的每个包括多个续流二极管。
24.如权利要求1所述的机械装置，其中，所述功率转换器是整流器的相桥臂。
25.一种多电平功率转换器电路的机械装置，所述机械装置包括: 功率转换器，其包括: 交流电压输出； 第一部分，所述第一部分包括至少三个直流电压输入和到所述交流电压输出的输出，其提供正向电流给所述交流电压输出；以及 第二部分，所述第二部分包括所述至少三个直流电压输入和到所述交流电压输出的输出，其从所述交流电压输出提供相反的负向电流， 其中所述功率转换器具有对应于所述至少三个直流电压输入的至少三个电平。
26.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述交流电压输出从由阶梯交流电压波形和非正弦交流波形构成的组选择。
27.如权利要求25所述的机械装置，其中，对于一个交流循环，所述第一部分在所述交流循环的第一半期间传导正向电流到`所述交流电压输出，并且所述第二部分在所述交流循环的第二半期间从所述交流电压输出传导负向电流。
28.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述功率转换器是逆变器的相桥臂。
29.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述功率转换器是马达驱动器的相桥臂。
30.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述功率转换器是从由二极管箝位多电平逆变器、多电平中性点箝位逆变器、三电平中性点箝位逆变器、四电平中性点箝位逆变器、五电平中性点箝位逆变器、多电平中性点先导反并联逆变器、多电平中性点先导逆变器、三电平中性点先导逆变器、四电平中性点先导逆变器和五电平中性点先导逆变器构成的组选择的多电平逆变器的相桥臂。
31.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述至少三个电平是三个电平。
32.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述至少三个电平是至少四个电平。
33.如权利要求32所述的机械装置，其中，所述至少四个电平是四个电平。
34.如权利要求32所述的机械装置，其中，所述至少四个电平是五个电平。
35.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述第一部分在第一印刷电路板上；并且其中所述第二部分在由绝缘体与所述第一印刷电路板分开的第二印刷电路板上。
36.如权利要求35所述的机械装置，其中，所述功率转换器形成结构来输出中压。
37.如权利要求35所述的机械装置，其中，第一印刷电路板平行于第二印刷电路板。
38.如权利要求35所述的机械装置，其中，第一印刷电路板在第二印刷电路板上面。
39.如权利要求35所述的机械装置，其中，第一印刷电路板包括第一多个层；并且其中第二印刷电路板包括第二多个层。
40.如权利要求39所述的机械装置，其中，所述第一多个层和所述第二多个层是两层。
41.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述第一部分由第一母线支撑结构电互连；并且其中所述第二部分由第二母线支撑结构电互连，所述第二母线支撑结构由多个绝缘体与所述第一母线支撑结构分开。
42.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述第一部分在印刷电路板的第一层上；并且其中所述第二部分在由绝缘体与所述第一层分开的所述印刷电路板的不同的第二层上。
43.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述第一部分在印刷电路板的第一区域上；并且其中所述第二部分在由所述第一区域和第二不同区域之间的间隙与所述第一区域分开的所述印刷电路板的不同的第二区域上。
44.如权利要求43所述的机械装置，其中，所述功率转换器形成结构来输出低压。
45.如权利要求43所述的机械装置，其中，印刷电路板的第一区域包括至少一层；并且其中印刷电路板的不同的第二区域包括至少一层。
46.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述第一部分是交流相桥臂的第一半；并且其中与所述第一部分分开的所述第二部分是所述交流相桥臂的第二半。
47.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述交流电压输出是交流连接点。
48.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述第一部分包括第一数量的直流链路电容器；其中所述第二部分包括第二数量的直流链路电容器；其中第一数量等于第二数量；并且其中第一数量的直流链路电容器与第二数量的直流链路电容器并联电连接。
49.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述第一部分和所述第二部分中的每个包括多个续流二极管。
50.如权利要求25所述的机械装置，其中，所述功率转换器是整流器的相桥臂。
【文档编号】H02M7/00GK103493351SQ201180068244
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2011年12月19日 优先权日:2010年12月22日
【发明者】A.佩尔穆伊, N.D.贝纳维德斯 申请人:通用电气能源能量变换技术有限公司