三电平变流器的功率组件及三电平变流器的制作方法

本发明属于变流器技术领域，尤其涉及一种三电平变流器的功率组件及三电平变流器。

背景技术：

风电变流器可实现风力发电机组与电网之间交流-直流-交流的变换，是风力发电机组的重要核心组成之一。中点钳位型(neutralpointclamped，npc)三电平变流器是风电变流器的一种，可以利用低阻断电压的绝缘栅双极型晶体管(insulategatebipolartransistor，igbt)器件实现直流母线电压的提高，进而提升交流输出电压，扩大系统功率等级，因此得到了广泛应用。

但是，在已有的npc三电平变流器中，不同igbt器件所承担的损耗不同，导致npc三电平变流器的igbt器件损耗分布不均匀，进而增加了散热器的设计难度。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种三电平变流器的功率组件及三电平变流器，能够平衡三电平变流器的各个npc桥臂单元的损耗，进而使三电平变流器的igbt器件损耗均匀分布。

第一方面，本发明实施例提供一种三电平变流器的功率组件，包括：

第一npc桥臂单元，第一npc桥臂单元包括并联的多个第一npc桥臂，第一npc桥臂单元的第一端形成直流正极端，第一npc桥臂单元的第二端形成直流中点端；

第二npc桥臂单元，第二npc桥臂单元包括并联的多个第二npc桥臂，第二npc桥臂单元的第一端与第一npc桥臂单元的第二端连接，第二npc桥臂单元的第二端形成直流负极端；

第三npc桥臂单元，第三npc桥臂单元包括并联的多个第三npc桥臂，第三npc桥臂单元的第一端与第一npc桥臂单元的第三端连接，第三npc桥臂单元的第二端与第二npc桥臂单元的第三端连接，第三npc桥臂单元的第三端形成交流端；

其中，第二npc桥臂的数量与第一npc桥臂的数量相同，第三npc桥臂的数量根据第一npc桥臂和第三npc桥臂之间的损耗比确定。

第二方面，本发明实施例提供了一种三电平变流器，包括如第一方面所述的三电平变流器的功率组件。

本发明实施例的三电平变流器的功率组件及三电平变流器，其功率组件包括第一npc桥臂单元、第二npc桥臂单元和第三npc桥臂单元，第一npc桥臂单元中的第一npc桥臂的数量与第二npc桥臂单元中的第二npc桥臂的数量相同，第三npc桥臂单元中的第三npc桥臂的数量可以根据第一npc桥臂和第三npc桥臂之间的损耗比确定，由此，可以基于损耗比调节第一npc桥臂、第二npc桥臂和第三npc桥臂的数量，进而调节每个第三npc桥臂所控制的igbt器件数量，以调节每个第三npc桥臂中的igbt器件开关动作电流对应的损耗，平衡各个npc桥臂中的igbt器件的损耗，进而使三电平变流器的igbt器件损耗均匀分布。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是相关技术中的一种三电平变流器的功率组件的拓扑示意图；

图2是图1所示的功率组件的换流回路的一个示例的示意图；

图3是图1所示的功率组件的换流回路的另一个示例的示意图；

图4是图1所示的功率组件的换流回路的又一个示例的示意图；

图5是图1所示的功率组件的换流回路的再一个示例的示意图；

图6是图1所示的功率组件的脉冲示意图；

图7是相关技术中的一种npc桥臂的拓扑示意图；

图8是相关技术中的另一种npc桥臂的拓扑示意图；

图9是相关技术中的又一种npc桥臂的拓扑示意图；

图10是本发明一个实施例提供的三电平变流器的功率组件的电路结构示意图；

图11是本发明一个实施例提供的三电平变流器的功率组件的拓扑示意图；

图12是本发明一个实施例提供的三电平变流器的功率组件的结构示意图；

图13是本发明一个实施例提供的各个npc桥臂单元之间的电气连接示意图；

图14是本发明一个实施例提供的连接结构的示意图；

图15是本发明另一个实施例提供的三电平变流器的功率组件的结构示意图；

图16是本发明一个实施例提供的电容池与npc桥臂单元之间的电气连接示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

风电变流器可实现风力发电机组与电网之间交流-直流-交流的变换，是风力发电机组的重要核心组成之一。中点钳位型(neutralpointclamped，npc)三电平变流器是风电变流器的一种，可以利用低阻断电压的绝缘栅双极型晶体管(insulategatebipolartransistor，igbt)器件实现直流母线电压的提高，进而提升交流输出电压，扩大系统功率等级，因此得到了广泛应用。

图1示出了相关技术中的一种三电平变流器的功率组件的拓扑示意图。如图1所示，在相关技术中的一种三电平变流器的功率组件可以包括igbt器件q1-q6。其中，每个igbt器件可以分别包括一个igbt和一个续流二极管。igbt的集电极可以形成igbt器件的集电极，igbt的发射极可以形成igbt器件的发射极，igbt的栅极可以形成igbt器件的栅极。igbt的集电极可以与续流二极管的阴极连接，igbt的发射极可以与续流二极管的阳极连接。

igbt器件q1、q2、q3和q4可以依次串联连接。具体地，igbt器件q1的集电极可以形成三电平变流器的功率组件的直流正极端，用于与三电平变流器的直流母线正极dc+连接。igbt器件q1的发射极可以与igbt器件q2的集电极连接，形成连接点a。igbt器件q2的发射极可以与igbt器件q3的集电极连接。igbt器件q3的发射极可以与igbt器件q4的集电极连接，形成连接点b。igbt器件q4的发射极可以形成三电平变流器的功率组件的直流负极端，用于与三电平变流器的直流母线负极dc-连接。

进一步地，igbt器件q2的发射极和igbt器件q3的集电极还可以形成三电平变流器的功率组件的交流端ac。

igbt器件q5和q6可以依次串联连接。具体地，igbt器件q5的集电极可以与gbt器件q2的集电极连接，igbt器件q5的发射极可以与igbt器件q6的集电极连接，igbt器件q6的发射极可以与igbt器件q3的发射极连接，igbt器件q5的发射极和igbt器件q6的集电极还可以形成三电平变流器的功率组件的直流中点端，用于与三电平变流器的直流母线中点np连接。

其中，igbt器件q5和q6中的igbt始终处于关断状态，使igbt器件q5和q6在三电平变流器的功率组件中作为二极管使用。

进一步地，该三电平变流器的功率组件还可以包括电容c1和c2。其中，电容c1的一端与igbt器件q1的集电极连接，电容c1的另一端与igbt器件q5的发射极和igbt器件q6的集电极连接。电容c2的一端与igbt器件q4的发射极连接，电容c2的另一端与igbt器件q5的发射极和igbt器件q6的集电极连接。

继续参见图1，在igbt器件q2中的igbt处于导通状态时，igbt器件q5将连接点a的电位钳位到与np相同；在igbt器件q3中的igbt处于导通状态时，igbt器件q6将连接点b的电位钳位到与np相同。

基于图1所示的三电平变流器的功率组件，申请人在使用过程中发现了如下问题：

首先，申请人仔细研究了图1所示的三电平变流器的功率组件的换流工作原理。

图2示出了图1所示的功率组件的换流回路的一个示例的示意图。图3示出了图1所示的功率组件的换流回路的另一个示例的示意图。图4示出了图1所示的功率组件的换流回路的又一个示例的示意图。图5示出了图1所示的功率组件的换流回路的再一个示例的示意图。

如图2所示，电流可以由交流端ac流入三电平变流器的功率组件，在igbt器件q3中的igbt处于导通状态时，电流可以按照第一路径210流通，即电流可以依次流过igbt器件q3中的igbt和igbt器件q6中的续流二极管，并最终流至直流母线中点np；在igbt器件q3中的igbt处于关断状态时，电流可以按照第二路径220流通，即电流可以依次流过igbt器件q2中的续流二极管和igbt器件q1中的续流二极管，并最终流至直流母线正极dc+。

在igbt器件q1中的igbt和igbt器件q3中的igbt的门级互锁导通、igbt器件q2中的igbt处于常通状态时，电流在第一路径210和第二路径220之间切换，同时，第一路径210中的电流减小时，第二路径220中的电流增大。在第一路径210中，电流流向np电位，则输出电流为零电平。在第二路径220中，电流流向dc+电位，则输出电流为正电平。

如图5所述，电流的流通路径与图2相似，在第七路径510中，电流流向np电位，则输出电流为零电平。在第八路径520中，电流流向dc-电位，则输出电流为负电平，在此不做赘述。

如图3所示，电流可以由交流端ac流出三电平变流器的功率组件，在igbt器件q1中的igbt处于导通状态时，电流可以按照第三路径310流通，即电流可以依次流过直流母线正极dc+、igbt器件q1中的igbt、igbt器件q2中的igbt，并最终流至交流端ac；在igbt器件q1中的igbt处于关断状态时，电流可以按照第四路径320流通，即电流可以依次流过igbt器件q5中的续流二极管和igbt器件q2，并最终流至交流端ac。

在igbt器件q1中的igbt和igbt器件q3中的igbt的门级互锁导通、igbt器件q2中的igbt处于常通状态时，电流在第三路径310和第四路径320之间切换，同时，第四路径320中的电流减小时，第三路径310中的电流增大。在第三路径310中，电流由dc+电位流出，则输出电流为正电平。在第四路径320中，电流由np电位流出，则输出电流为零电平。

如图4所述，电流的流通路径与图3相似，在第五路径410中，电流由dc-电位流出，则输出电流为负电平。在第六路径420中，电流由np电位流出，则输出电流为零电平。

可见，上述的换流过程构成了功率组件的脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，pwm)输出开关脉冲，开关脉冲可以具有正电平、零电平以及负电平三个状态，且在开关脉冲为正电平的时候，igbt器件q2中的igbt常通；在开关脉冲为负电平的时候，igbt器件q3中的igbt常通；在开关脉冲为零电平的时候，igbt器件q2中的igbt或igbt器件q3中的igbt保持导通状态，igbt器件q1中的igbt或igbt器件q4中的igbt与igbt器件q5中的igbt或igbt器件q6中的igbt进行换流开关动作。

从上述的换流过程可以得出功率组件换流过程中的特点：在直流dc/交流ac的网侧逆变过程中，当功率因数接近1(网侧相电压和网侧相电流的相位基本重合)时，开关脉冲为正电平的时刻，电流流出ac；开关脉冲为负电平的时刻，电流流入ac。这样，igbt器件q2或igbt器件q3在半个负载周期内始终处于导通状态，igbt器件q2、igbt器件q3仅承担igbt的导通损耗，igbt器件q1、igbt器件q4、igbt器件q5和igbt器件q6承担导通损耗和开关损耗。

然后，申请人仔细研究了图1所示的三电平变流器的功率组件的脉冲控制原理。

图6示出了图1所示的功率组件的脉冲示意图。

如图6所示，在调制波的半个周期内(调制波和网侧相电压同频同相)，igbt器件q2中的igbt或igbt器件q3中的igbt始终处于导通状态，没有pwm开关动作，与此对应的，igbt器件q1中的igbt或igbt器件q4中的igbt处于高频pwm开关动作状态。由于igbt器件q1中的igbt、igbt器件q4的igbt的高频开关动作，使得igbt器件q1中的igbt、igbt器件q4的igbt的损耗会远远高于igbt器件q2中的igbt、igbt器件q3中的igbt的损耗，考虑到igbt器件q5中的续流二极管、igbt器件q6中的续流二极管也在同步进行开关动作，而igbt器件q2中的续流二极管、igbt器件q3中的续流二极管不进行开关动作，因此，igbt器件q5中的续流二极管、igbt器件q6中的续流二极管的损耗会远远高于igbt器件q2中的续流二极管、igbt器件q3中的续流二极管的损耗。可见，igbt器件q1、igbt器件q4、igbt器件q5和igbt器件q6的损耗远远高于igbt器件q2和igbt器件q3的损耗。

最后，由于相关技术中一般将多个封装的npc桥臂拼接构成三电平变流器的功率组件，因此，申请人仔细研究了能够组成图1所示的三电平变流器的功率组件的npc桥臂的拓扑结构。

图7示出了相关技术中的一种npc桥臂的拓扑示意图。图8示出了相关技术中的另一种npc桥臂的拓扑示意图。图9示出了相关技术中的又一种npc桥臂的拓扑示意图。

如图7所示，该npc桥臂可以为双管econodual封装模块，包括图1中所示的电容c1、igbt器件q1和igbt器件q5。如图8所示，该npc桥臂可以为双管econodual封装模块，包括图1中所示的电容c2、igbt器件q4和igbt器件q6。如图9所示，该npc桥臂可以为双管econodual封装模块，包括图1中所示的igbt器件q2和igbt器件q3。

因此，根据上述对脉冲控制原理的分析和每个npc桥臂的分析可知，igbt器件的损耗在各个npc桥臂中分布是严重不均匀的。图7和图8所示的npc桥臂承担的损耗较高，图9所示的npc桥臂承担的损耗较低。

另外，在相关技术中，当图1所示的三电平变流器的功率组件输出电流的能力无法满足风电变流器的要求时，一般通过将多个图1所示的三电平变流器的功率组件直接硬并联来提高输出电流，使得不同类型的npc桥臂之间的损耗的差距更大。由于不同类型的npc桥臂之间的损耗不均匀，因此，需要针对不同的npc桥臂进行独立的散热功率设计，使得承担为igbt器件降温的散热器设计变得复杂。另外，将多个图1所示的三电平变流器的功率组件直接硬并联，还会使得igbt器件的使用数量存在浪费现象，增加了三电平变流器的功率组件的成本。

另外，申请人通过对图1所示的三电平变流器的功率组件中的各个igbt器件的损耗进行仿真，发现了在igbt器件的型号相同时，igbt器件q1、igbt器件q4、igbt器件q5和igbt器件q6与igbt器件q2和igbt器件q3具有固定的损耗比。例如，在功率因数为1的逆变状态下，损耗比可以为1.55倍。

为了解决上述的问题，本发明实施例提供了一种三电平变流器的功率组件及三电平变流器，能够基于上述发现的损耗比，确定不同npc桥臂的数量，进而使三电平变流器的igbt器件损耗均匀分布。下面首先对本发明实施例所提供的三电平变流器的功率组件进行介绍。

图10示出了本发明一个实施例提供的三电平变流器的功率组件的电路结构示意图。

如图10所示，该三电平变流器的功率组件可以包括第一npc桥臂单元1010、第二npc桥臂单元1020和第三npc桥臂单元1030。

第一npc桥臂单元1010可以包括并联的多个第一npc桥臂1011，多个第一npc桥臂1011的第一连接端并联形成第一npc桥臂单元1010的第一端，第一npc桥臂单元1010的第一端形成直流正极端，并且用于与三电平变流器的直流母线正极dc+连接。多个第一npc桥臂1011的第二连接端并联形成第一npc桥臂单元1010的第二端，第一npc桥臂单元1010的第二端形成直流中点端，并且用于与三电平变流器的直流母线中点np连接。多个第一npc桥臂1011的第三连接端并联形成第一npc桥臂单元1010的第三端。

在本发明一些实施例中，每个第一npc桥臂1011可以包括第一igbt单元、第二igbt单元和第一电容单元。

第一igbt单元的第一端形成第一npc桥臂1011的第一连接端，第一igbt单元的第二端与第二igbt单元的第一端连接，第二igbt单元的第二端形成第一npc桥臂1011的第二连接端，第一igbt单元的第二端和第二igbt单元的第一端分别形成第一npc桥臂1011的第三连接端。第一电容单元的第一端与第一npc桥臂1011的第一连接端连接，第一电容单元的第二端与第一npc桥臂1011的第二连接端连接。

第一igbt单元可以包括一个igbt器件或者两个以上的igbt器件。在第一igbt单元包括一个igbt器件的情况下，igbt器件的集电极形成第一igbt单元的第一端，igbt的发射极形成第一igbt单元的第二端。在第一igbt单元包括两个以上的igbt器件的情况下，两个以上的igbt器件可以串联或者并联连接，在igbt器件串联连接时，首个igbt器件的集电极形成第一igbt单元的第一端，末个igbt的发射极形成第一igbt单元的第二端；在igbt器件并联连接时，两个以上的igbt器件的集电极并联形成第一igbt单元的第一端，两个以上的igbt的发射极并联形成第一igbt单元的第二端。

具体地，每个igbt器件可以分别包括一个igbt和一个续流二极管。igbt的集电极可以形成igbt器件的集电极，igbt的发射极可以形成igbt器件的发射极，igbt的栅极可以形成igbt器件的栅极。igbt的集电极可以与续流二极管的阴极连接，igbt的发射极可以与续流二极管的阳极连接。

第二igbt单元与第一igbt单元的结构相似，在此不做赘述。

第一电容单元可以包括一个第一电容或者两个以上的第一电容。在第一电容单元包括一个第一电容的情况下，第一电容的第一端形成第一电容单元的第一端，第一电容的第二端形成第一电容单元的第二端。在第一电容单元包括两个以上的第一电容的情况下，两个以上的第一电容串联连接，首个第一电容的第一端形成第一电容单元的第一端，末个第一电容的第二端形成第一电容单元的第二端。

第二npc桥臂单元1020可以包括并联的多个第二npc桥臂1021，多个第二npc桥臂1021的第一连接端并联形成第二npc桥臂单元1020的第一端，第二npc桥臂单元1020的第一端也可以形成直流中点端，并且第二npc桥臂单元1020的第一端与第一npc桥臂单元1010的第二端连接。多个第二npc桥臂1021的第二连接端并联形成第二npc桥臂单元1020的第二端，第二npc桥臂单元1020的第二端形成直流负极端，并且用于与三电平变流器的直流母线负极dc-连接。多个第二npc桥臂1021的第三连接端并联形成第二npc桥臂单元1020的第三端。

在本发明一些实施例中，每个第二npc桥臂1021可以包括第三igbt单元、第四igbt单元和第二电容单元。

第三igbt单元的第一端形成第二npc桥臂1021的第一连接端，第三igbt单元的第二端与第四igbt单元的第一端连接，第四igbt单元的第二端形成第二npc桥臂1021的第二连接端，第三igbt单元的第二端和第四igbt单元的第一端分别形成第二npc桥臂1021的第三连接端。第二电容单元的第一端与第二npc桥臂1021的第一连接端连接，第二电容单元的第二端与第二npc桥臂1021的第二连接端连接。

第三igbt单元和第四igbt单元分别与第一igbt单元的结构相似，在此不做赘述。第二电容单元与第一电容单元的结构相似，在此不做赘述。

第三npc桥臂单元1030可以包括并联的多个第三npc桥臂1031，多个第三npc桥臂1031的第一连接端并联形成第三npc桥臂单元1030的第一端，第三npc桥臂单元1030的第一端与第一npc桥臂单元1010的第三端连接，第三npc桥臂单元1030的第二端与第二npc桥臂单元1010的第三端连接。多个第三npc桥臂1031的第三连接端并联形成第三npc桥臂单元1030的第三端，第三npc桥臂单元1030的第三端形成交流端，并且用于与三电平变流器的交流母线连接。

在本发明一些实施例中，每个第三npc桥臂1031可以包括第五igbt单元和第六igbt单元。

第五igbt单元的第一端形成第三npc桥臂1031的第一连接端，第五igbt单元的第二端与第六igbt单元的第一端连接，第六igbt单元的第二端形成第三npc桥臂1031的第二连接端，第五igbt单元的第二端和第六igbt单元的第一端分别形成第三npc桥臂1031的第三连接端。

第五igbt单元和第六igbt单元分别与第一igbt单元的结构相似，在此不做赘述。

在本发明一些实施例中，可选地，上述的各个npc桥臂可以为econodual封装模块、ihm封装模块、62mm封装模块或者primepack封装模块中的任一种封装类型的封装模块，且各个npc桥臂的封装类型相同。

在npc桥臂为econodual封装模块的情况下，第一npc桥臂1011可以为图7所示的npc桥臂，第二npc桥臂1021可以为图8所示的npc桥臂，第三npc桥臂1031可以为图9所示的npc桥臂。

继续参见图10，第二npc桥臂1021的数量可以与第一npc桥臂1011的数量相同，第三npc桥臂1031的数量可以根据第一npc桥臂1011和第三npc桥臂1031之间的损耗比确定，以根据第一npc桥臂1011和第三npc桥臂1031之间的损耗比，调节第一npc桥臂1011、第二npc桥臂1021和第三npc桥臂1031的数量。

以第一npc桥臂1011和第三npc桥臂1031之间的损耗比为1.55为例，可以使第三npc桥臂1031的数量小于第一npc桥臂1011的数量，以增加每个第三npc桥臂1031所控制的igbt器件数量，进而增加每个第三npc桥臂1031中的igbt器件开关动作电流对应的损耗，并提高各个第三npc桥臂1031中的igbt器件的损耗，进而平衡各个第一npc桥臂1011、第二npc桥臂1021和第三npc桥臂1031中的igbt器件的损耗。

在本发明实施例中，其功率组件包括第一npc桥臂单元1010、第二npc桥臂单元1020和第三npc桥臂单元1030，第一npc桥臂单元1010中的第一npc桥臂1011的数量与第二npc桥臂单元1020中的第二npc桥臂1021的数量相同，第三npc桥臂单元1030中的第三npc桥臂1031的数量可以根据第一npc桥臂1011和第三npc桥臂1031之间的损耗比确定，由此，可以基于损耗比调节第一npc桥臂1011、第二npc桥臂1021和第三npc桥臂1031的数量，进而调节每个第三npc桥臂1031所控制的igbt器件数量，以调节每个第三npc桥臂1031中的igbt器件开关动作电流对应的损耗，平衡各个npc桥臂中的igbt器件的损耗，进而使三电平变流器的igbt器件损耗均匀分布。

在本发明一些实施例中，由于igbt器件q1、igbt器件q4、igbt器件q5和igbt器件q6中的任一个与igbt器件q2和igbt器件q3中的任一个的损耗比均相同，因此，可以对图1所示的三电平变流器的功率组件中的各个igbt器件进行仿真测试，得到损耗仿真结果，然后，计算igbt器件q1、igbt器件q4、igbt器件q5和igbt器件q6中的任一个与igbt器件q2和igbt器件q3中的任一个的损耗比。

其中，仿真测试可以通过德国英飞凌(infineon)在线仿真软件iposim实现。

在本发明一些实施例中，第三npc桥臂1031的数量可以为第一npc桥臂1011的数量与损耗比的商向上取整的数值。

具体地，可以将第一npc桥臂1011的数量除以第一npc桥臂1011和第三npc桥臂1031之间的损耗比，然后对除法运算所得到的上进行向上取整，向上取整后的数值即为第三npc桥臂1031的数量。由此，可以基于第一npc桥臂1011和第三npc桥臂1031之间的损耗比和第一npc桥臂1011的数量，确定第三npc桥臂1031的数量，实现对第三npc桥臂1031的数量的调节。

继续以第一npc桥臂1011和第三npc桥臂1031之间的损耗比为1.55为例，若第一npc桥臂1011的数量为4个，则第二npc桥臂1021的数量为4个，第三npc桥臂1031的数量为3个；若第一npc桥臂1011的数量为3个，则第二npc桥臂1021的数量为3个，第三npc桥臂1031的数量为2个；若第一npc桥臂1011的数量为5个，则第二npc桥臂1021的数量为5个，第三npc桥臂1031的数量为4个。

下面以一个示例，对本发明实施例所提供的三电平变流器的功率组件的拓扑结构进行说明。

图11示出了本发明一个实施例提供的三电平变流器的功率组件的拓扑示意图。

如图11所示，该三电平变流器的功率组件可以包括第一npc桥臂单元、第二npc桥臂单元和第三npc桥臂单元。第一npc桥臂单元可以包括并联的四个第一npc桥臂，第二npc桥臂单元可以包括并联的四个第二npc桥臂，第三npc桥臂单元可以包括并联的四个第三npc桥臂。

其中，每个第一npc桥臂分别可以为图7所示的npc桥臂，每个第二npc桥臂分别可以为图8所示的npc桥臂，每个第三npc桥臂分别可以为图9所示的npc桥臂，在此不做赘述。

具体地，四个图7所示的npc桥臂中的igbt器件q1的集电极并联连接，四个图7所示的npc桥臂中的igbt器件q1的发射极并联连接，四个图7所示的npc桥臂中的igbt器件q5的发射极并联连接。四个图8所示的npc桥臂中的igbt器件q6的集电极并联连接，四个图8所示的npc桥臂中的igbt器件q6的发射极并联连接，四个图8所示的npc桥臂中的igbt器件q4的发射极并联连接。四个图9所示的npc桥臂中的igbt器件q2的集电极并联连接，四个图9所示的npc桥臂中的igbt器件q2的发射极并联连接，四个图9所示的npc桥臂中的igbt器件q3的发射极并联连接。

由此，图11所示的三电平变流器的功率组件的拓扑结构，可以增加每个第三npc桥臂所控制的igbt器件数量，进而增加每个第三npc桥臂中的igbt器件开关动作电流对应的损耗，并提高各个第三npc桥臂中的igbt器件的损耗，从而平衡各个第一npc桥臂、第二npc桥臂和第三npc桥臂中的igbt器件的损耗。

在本发明一些实施例中，为了提高igbt器件的可靠性，该三电平变流器的功率组件还可以包括散热板。其中，散热板可以具有第一散热区域和第二散热区域。多个第一npc桥臂和多个第二npc桥臂可以交替分布于第一散热区域内，并且多个第三npc桥臂可以沿多个第一npc桥臂和多个第二npc桥臂的分布方向线性分布于第二散热区域内。

在一些实施例中，多个第一npc桥臂和多个第二npc桥臂可以沿散热板的宽度方向分部，则多个第三npc桥臂也可以沿散热板的宽度方向分部。

在另一些实施例中，多个第一npc桥臂和多个第二npc桥臂可以沿散热板的长度方向分部，则多个第三npc桥臂也可以沿散热板的长度方向分部。

因此，在本发明实施例中，可以通过一块散热板对第一npc桥臂、第二npc桥臂和第三npc桥臂中的各个igbt器件进行散热。由于多个第一npc桥臂和多个第二npc桥臂可以交替分布，还可以使得散热板的热量分布均匀，降低散热板的设计难度。

图12示出了本发明一个实施例提供的三电平变流器的功率组件的结构示意图。如图12所示，该三电平变流器的功率组件可以包括散热板310、四个第一npc桥臂320、四个第二npc桥臂330和三个第三npc桥臂340。

其中，散热板310的上半部分可以为第一散热区域，散热板310的下半部分可以为第二散热区域。四个第一npc桥臂320和四个第二npc桥臂330可以沿散热板310的宽度方向依次交替分布于散热板310的第一散热区域内，三个第三npc桥臂340可以沿散热板310的宽度方向依次呈直线型地分布于散热板310的第二散热区域内。每个第一npc桥臂320的封装壳体321的四个角点分别通过螺栓与散热板310可拆卸连接，以使第一npc桥臂320的封装壳体321可以安装于散热板310上。每个第二npc桥臂330的封装壳体331的四个角点分别通过螺栓与散热板310可拆卸连接，以使第二npc桥臂330的封装壳体331可以安装于散热板310上。每个第三npc桥臂340的封装壳体341的四个角点分别通过螺栓与散热板310可拆卸连接，以使第三npc桥臂340的封装壳体341可以安装于散热板310上。

在本发明一些实施例中，第一npc桥臂单元的第三端可以包括多个第一npc桥臂的第三连接端，并且多个第一npc桥臂的第三连接端并联连接；第二npc桥臂单元的第三端可以包括多个第二npc桥臂的第三连接端，并且多个第二npc桥臂的第三连接端并联连接；第三npc桥臂单元的第一端可以包括多个第三npc桥臂的第一连接端，并且多个第三npc桥臂的第一连接端并联连接；第三npc桥臂单元的第二端可以包括多个第三npc桥臂的第二连接端，并且多个第三npc桥臂的第二连接端并联连接。

由此，在图12所示的三电平变流器的功率组件中，第一npc桥臂320、第二npc桥臂330和第三npc桥臂340的损耗相接近，使得散热板310能够均衡设计。

图13示出了本发明一个实施例提供的各个npc桥臂单元之间的电气连接示意图。

如图13所示，四个第一npc桥臂(桥臂ⅰ)320和四个第二npc桥臂(桥臂ⅱ)330交替排列，三个第三npc桥臂(桥臂ⅲ)340与四个第一npc桥臂320和四个第二npc桥臂330平行设置，三个第三npc桥臂340且位于四个第一npc桥臂320和四个第二npc桥臂330的下方。

第一npc桥臂320的第一连接端可以为直流正极端322，第一npc桥臂320的第二连接端可以为第一直流中点端323，第一npc桥臂320可以具有两个第三连接端，第一npc桥臂320的每个第三连接端可以分别为第一桥臂连接端324。

在第一npc桥臂320为图7所示的npc桥臂的情况下，图7所示的igbt器件q1的集电极可以形成直流正极端322，图7所示的igbt器件q1的发射极可以形成一个第一桥臂连接端324，图7所示的igbt器件q5的集电极可以形成另一个第一桥臂连接端324，图7所示的igbt器件q5的发射极可以形成第一直流中点端323。

第二npc桥臂330的第一连接端可以为第二直流中点端332，第二npc桥臂330的第二连接端可以为直流负极端333，第二npc桥臂330可以具有两个第三连接端，第二npc桥臂330的每个第三连接端可以分别为两个第二桥臂连接端334。

在第二npc桥臂330为图8所示的npc桥臂的情况下，图8所示的igbt器件q6的集电极可以形成第二直流中点端332，图8所示的igbt器件q6的发射极可以形成一个第二桥臂连接端334，图8所示的igbt器件q4的集电极可以形成另一个第二桥臂连接端334，图8所示的igbt器件q4的发射极可以形成直流负极端333。

第三npc桥臂340的第一连接端可以为第三桥臂连接端342，第三npc桥臂340的第二连接端可以为第四桥臂连接端343，第三npc桥臂340可以具有两个第三连接端，第三npc桥臂340的每个第三连接端可以分别为交流端344。

在第三npc桥臂340为图9所示的npc桥臂的情况下，图9所示的igbt器件q2的集电极可以形成第三桥臂连接端342，图9所示的igbt器件q2的发射极可以形成一个交流端344，图9所示的igbt器件q3的集电极可以形成另一个交流端344，图9所示的igbt器件q3的发射极可以形成第四桥臂连接端343。

具体地，每个第一桥臂连接端324可以分别与每个第三桥臂连接端342并联连接，每个第二桥臂连接端334可以分别与每个第四桥臂连接端343并联连接。

由此，在本发明实施例中，可以实现第一npc桥臂320和第二npc桥臂330的四并联转第三npc桥臂340的三并联结构。

在本发明实施例中，每个第三桥臂连接端342可以分别连接到相邻的两个第一桥臂连接端324的汇流连接中点，每个第四桥臂连接端343可以分别连接到相邻的两个第二桥臂连接端334的汇流连接中点，使得每个第三npc桥臂340均处于中点位置，进而保证较好的三并联均流效果。

在本发明一些实施例中，该三电平变流器的功率组件还可以包括第一连接母排、第二连接母排和绝缘结构。其中，第一连接母排可以将多个第一npc桥臂的第三连接端与多个第三npc桥臂的第一连接端进行连接，第二连接母排可以将多个第二npc桥臂的第三连接端与多个第三npc桥臂的第二连接端进行连接，绝缘结构可以设置于第一连接母排与第二连接母排之间，以使第一连接母排与第二连接母排绝缘设置，进而充分利用空间，减小三电平变流器的功率组件的体积。

具体地，第一连接母排可以为金属导电结构，并且分别与多个第一npc桥臂的第三连接端和多个第三npc桥臂的第一连接端连接，以使多个第一npc桥臂的第三连接端和多个第三npc桥臂的第一连接端并联连接。第二连接母排可以为金属导电结构，并且分别与多个第二npc桥臂的第三连接端和多个第三npc桥臂的第二连接端连接，以使多个第二npc桥臂的第三连接端和多个第三npc桥臂的第二连接端并联连接。

其中，金属导电结构可以为金属片或者铜排。

图14示出了本发明一个实施例提供的连接结构的示意图。如图14所示，第一连接母排360和第二连接母排370可以分别为金属片。其中，第一连接母排360上设有四个第一凹部361、四个第一凸部362、三个第二凹部363和三个第二凸部364，第一凹部361和第一凸部361沿第一连接母排360的长度方向交替设置于第一连接母排360的一侧，第二凹部363和第二凸部364沿第一连接母排360的长度方向交替设置于第一连接母排360的另一侧。第二连接母排370上设有四个第三凹部371、四个第三凸部372、三个第四凹部373和三个第四凸部374，第三凹部371和第三凸部372沿第二连接母排370的长度方向交替设置于第二连接母排370的一侧，第四凹部373和第四凸部374沿第二连接母排370的长度方向交替设置于第二连接母排370的另一侧，并且第三凹部371和第三凸部372与第一凹部361和第一凸部361同侧设置，第四凹部373和第四凸部374与第二凹部363和第二凸部364同侧设置。

继续参考图12，第一连接母排360的每个第一凸部可以分别通过螺栓与图12中所示的一个第一npc桥臂320的全部第三连接端连接，该螺栓分别穿过第二连接母排370的第三凹部。第一连接母排360的每个第二凸部可以分别与图12中所示的一个第三npc桥臂340的全部第一连接端连接，该螺栓分别穿过第二连接母排370的第四凹部。第二连接母排370的每个第三凸部可以分别与图12中所示的一个第二npc桥臂330的全部第三连接端连接，该螺栓分别穿过第一连接母排360的第一凹部。第二连接母排370的每个第四凸部可以分别与图12中所示的一个第三npc桥臂340的全部第二连接端连接，该螺栓分别穿过第一连接母排360的第二凹部。

在本发明一些实施例中，参见图13，第三npc桥臂单元的第三端还可以包括多个第三npc桥臂的第三连接端，并且多个第三npc桥臂的第三连接端并联连接。

在本发明一些实施例中，该三电平变流器的功率组件还可以包括交流母排，交流母排可以为金属导电结构，交流母排分别可以分别与多个第三npc桥臂的第三连接端连接。

继续参考图12，交流母排350可以为铜排，交流母排350上可以开设有长圆形通孔351，以保证第三连接端并联后的均流效果。

交流母排350还可以具有两个第五凹部352和三个第五凸部353，第五凹部352和第五凸部353交替设置，并且每个第五凸部353分别通过螺栓与一个第三npc桥臂340的全部第三连接端连接。

交流母排350还可以具有交流端连接孔354，交流端连接孔354可以用于与交流母线连接。

在本发明一些实施例中，该三电平变流器的功率组件还可以包括直流母排，该直流母排可以与散热板的第一散热区域连接，并且该直流母排可以位于第一散热区域远离第二散热区域的一侧。直流母排可以包括直流母排正极、直流母排中点和直流母排负极。直流母排正极、直流母排中点和直流母排负极可以分别由一个金属导电结构构成，例如金属片或铜排，并且直流母排正极、直流母排中点和直流母排负极可以层叠设置。为了使直流母排正极、直流母排中点和直流母排负极之间可以绝缘设置，直流母排正极和直流母排中点之间可以设有绝缘件，直流母排中点和直流母排负极之间可以设有绝缘件。

在本发明一些实施例中，第一npc桥臂单元的第一端可以包括多个第一npc桥臂的第一连接端，第一npc桥臂单元的第二端可以包括多个第一npc桥臂的第二连接端，第二npc桥臂单元的第一端可以包括多个第二npc桥臂的第一连接端，第二npc桥臂单元的第二端可以包括多个第二npc桥臂的第二连接端，多个第一npc桥臂的第一连接端可以分别与直流母排正极连接，多个第一npc桥臂的第二连接端和多个第二npc桥臂的第一连接端可以分别与直流母排中点连接，多个第二npc桥臂的第二连接端可以分别与直流母排负极连接。

在一些实施例中，直流母排可以直接与各个第一npc桥臂和各个第二npc桥臂连接。

在另一些实施例中，直流母排可以还可以通过电容池与各个第一npc桥臂和各个第二npc桥臂连接，同时，直流母排还可以起到固定电容池中的各个电容的作用。

可选地，该三电平变流器的功率组件还可以包括电容池，该电容池可以设置于直流母排上，并且电容池可以包括第一电容单元和第二电容单元，第一电容单元的第一端可以分别与直流母排正极和多个第一npc桥臂的第一连接端连接，第一电容单元的第二端可以分别与直流母排中点和多个第一npc桥臂的第二连接端连接，第二电容单元的第一端可以分别与直流母排中点和多个第二npc桥臂的第一连接端连接，第二电容单元的第二端可以分别与直流母排负极和多个第二npc桥臂的第二连接端连接。

具体地，第一电容单元可以包括多个第一电容，每个第一电容的第一端可以并联连接形成第一电容单元的第一端，每个第一电容的第二端可以并联连接形成第一电容单元的第二端。进一步地，每个第一电容的第一端可以分别与直流母排正极连接，每个第一电容的第二端可以分别与直流母排中点连接。

第二电容单元可以包括多个第二电容，每个第二电容的第一端可以并联连接形成第二电容单元的第一端，每个第二电容的第二端可以并联连接形成第二电容单元的第二端。进一步地，每个第二电容的第一端可以分别与直流母排中点连接，每个第二电容的第二端可以分别与直流母排负极连接。

图15示出了本发明另一个实施例提供的三电平变流器的功率组件的结构示意图。如图15所示，该三电平变流器的功率组件还可以包括直流母排380，该直流母排380可以与散热板310的第一散热区域连接，并且直流母排380可以位于第一散热区域远离第二散热区域的一侧。

直流母排380上可以设有四个第一电容381和四个第二电容382。由于第一电容381的数量与第一npc桥臂320的数量相同，第二电容382的数量与第二npc桥臂330的数量相同，因此，可以简化电容与对应的npc桥臂之间的连接结构。

进一步地，一个第一电容381和一个第二电容382沿散热板310的竖直方向设置，并且对应与其相邻的一个第一npc桥臂320和一个第二npc桥臂330。

图16示出了本发明一个实施例提供的电容池与npc桥臂单元之间的电气连接示意图。

如图16所示，每个第一电容381的第一端可以与相邻的第一npc桥臂320的直流正极端322连接，每个第一电容381的第二端可以与相邻的第一npc桥臂320的第一直流中点端323连接，每个第二电容382的第一端可以与相邻的第二npc桥臂330的第二直流中点端332连接，每个第二电容382的第二端可以与相邻的第二npc桥臂330的直流负极端333连接。

因此，在本发明实施例中，可以形成四组npc桥臂和直流电容的对称性的结构关系，每个直流电容分别向对应的npc桥臂提供直流支撑和纹波电流。在npc桥臂中的igbt器件进行开关动作和换流时，直流电容同步进行充放电，直流电容的充放电路径如上图16中的箭头所示，电流路径相反且基本重合，可以抵消直流电容的电流路径上的杂散电感，减小换流过程的电压应力，以极大程度的提高直流并联部分的均流程度。

继续参见图15，每个第一电容381的第一端可以与相邻的第一npc桥臂320的第一连接端通过金属导电结构连接，每个第一电容381的第二端可以与相邻的第一npc桥臂320的第二连接端通过金属导电结构连接，每个第二电容382的第一端可以与相邻的第二npc桥臂330的第一连接端连接，每个第二电容382的第二端可以与相邻的第二npc桥臂330的第二连接端通过金属导电结构连接。

进一步地，金属导电结构可以为金属片或者铜排。

在本发明一些实施例中，每个第一npc桥臂可以包括串联的两个以上的igbt器件，每个第一npc桥臂上还分别设有与每个igbt器件的栅极连接端，第二npc桥臂可以包括串联的两个以上的igbt器件，每个第二npc桥臂还分别设有与每个igbt器件的栅极连接端。

在本发明一些实施例中，该三电平变流器的功率组件还可以包括第一驱动板，该第一驱动板可以设置于第一npc桥臂单元和第二npc桥臂单元上，第一驱动板的第一信号输出端分别与第一igbt器件的栅极连接，第一驱动板的第二信号输出端分别与第二igbt器件的栅极连接。

具体地，第一驱动板可以具有多个第一信号输出端，一个第一信号输出端对应一个第一npc桥臂中的一个igbt器件的栅极，每个第一信号输出端分别可以通过对应的igbt器件的栅极连接端与该igbt器件的栅极连接。第一驱动板可以具有多个第二信号输出端，一个第二信号输出端对应一个第二npc桥臂中的一个igbt器件的栅极，每个第二信号输出端分别可以通过对应的igbt器件的栅极连接端与该igbt器件的栅极连接。

继续参见图15，该三电平变流器的功率组件还可以包括第一驱动板391，第一驱动板391可以设置于各个第一npc桥臂320和第二npc桥臂330上。

在本发明一些实施例中，每个第三npc桥臂可以包括串联的两个以上的igbt器件，每个第一npc桥臂上还分别设有与每个igbt器件的栅极连接端。

在本发明一些实施例中，该三电平变流器的功率组件还可以包括第二驱动板，该第二驱动板可以设置于第三npc桥臂单元上，第二驱动板的信号输出端分别与第三npc桥臂中的igbt器件的栅极连接。

具体地，第二驱动板可以具有多个第三信号输出端，一个第三信号输出端对应一个第三npc桥臂中的一个igbt器件的栅极，每个第三信号输出端分别可以通过对应的igbt器件的栅极连接端与该igbt器件的栅极连接。

继续参见图15，该三电平变流器的功率组件还可以包括第二驱动板392，第二驱动板392可以设置于各个第三npc桥臂340上。

综上所述，本发明实施例提供的三电平变流器的功率组件通过合理的结构布局和器件配置，实现了各个npc桥臂的损耗均衡分布，同时实现了很好的均流效果，能够降低散热板的设计难度。另外，三电平变流器的功率组件还可以降低igbt的使用数量，进而降低三电平变流器的功率组件的成本。

本发明实施例还提供了一种三电平变流器，该三电平变流器可以包括本发明实施例提供的三电平变流器的功率组件。

在本发明实施例中，三电平变流器的功率组件包括第一npc桥臂单元、第二npc桥臂单元和第三npc桥臂单元，第一npc桥臂单元中的第一npc桥臂的数量与第二npc桥臂单元中的第二npc桥臂的数量相同，第三npc桥臂单元中的第三npc桥臂的数量可以根据第一npc桥臂和第三npc桥臂之间的损耗比确定，由此，可以基于损耗比调节第一npc桥臂、第二npc桥臂和第三npc桥臂的数量，进而调节每个第三npc桥臂所控制的igbt器件数量，以调节每个第三npc桥臂中的igbt器件开关动作电流对应的损耗，平衡各个npc桥臂中的igbt器件的损耗，进而使三电平变流器的igbt器件损耗均匀分布。

进一步地，三电平变流器可以为风电变流器、光伏变流器、储能变流器等中的任意一种。

需要说明的是，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。