專利名稱：可獨(dú)立使用或在多相功率變換器中使用的模塊化功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及電功率變換器領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明針對(duì)模塊 化功率變換器和具有一組模塊化功率變換器的多相功率變換器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
諸如三相功率變換器等用于將輸入電流或電壓變換成輸出電流或 電壓的功率變換器一般包括復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致大而笨重的裝置。已 知的多相功率變換器通常包括根據(jù)指定應(yīng)用設(shè)計(jì)的復(fù)雜電路。
將多相功率變換器細(xì)分成離散的模塊， 一個(gè)模塊用于輸出電流的 一個(gè)相位，這已為人所熟知。不過(guò)，提到的已知模塊化設(shè)計(jì)遭受限制 其完全潛能的一個(gè)或多個(gè)缺陷。這些缺陷包括(i)對(duì)相鄰功率變換 器模塊和其它電子設(shè)備造成電磁干擾的電磁能量的傳導(dǎo)和輻射；(ii) 多個(gè)功率和控制接線連接，由于空間約束、專門技術(shù)和其它因素，這
些連接能難以連接；(iii)需要使用PhD或其它高技能集工程技術(shù)人 才設(shè)計(jì)和/或獲得與模塊使用的組件(例如濾波器和電感器網(wǎng)絡(luò))的定 制工程技術(shù)服務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，提供一種可與控制系統(tǒng)使用的功率變換器模塊。 該功率變換器模塊包括功率變換器，用于將輸入變換成具有單相的輸出；控制接口，連接到功率變換器并配置用于到控制系統(tǒng)的連接； 第一濾波器，用于從輸出濾出第一分量；第二濾波器，用于從輸出濾 出第二分量；以及外殼(enclosure),包圍功率變換器、控制接口、 第一濾波器和第二濾波器。
在另一實(shí)現(xiàn)中，提供一種功率變換器模塊。該功率變換器模塊包 括功率變換器，用于以下變換之一(a)將輸入變換成單相輸出， 以及(b)將多相輸入的一個(gè)相位變換成輸出；以及控制接口，連接 到功率變換器并配置用于到控制系統(tǒng)的連接?？刂平涌诎ǚ且资?存儲(chǔ)器以用于存儲(chǔ)有關(guān)功率變換器模塊的操作歷史和其它屬性的信 息。
在還有的另一實(shí)現(xiàn)中，提供一種用于將輸入變換成具有多個(gè)相位 的輸出的多相功率變換系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)；連接到控制系 統(tǒng)的多個(gè)功率變換器模塊， 一個(gè)模塊用于多個(gè)相位之一。多個(gè)功率變 換器模塊的每個(gè)模塊具有功率變換器，用于將輸入變換成具有多個(gè) 相位的一個(gè)相位的輸出；控制接口，連接到功率變換器和控制系統(tǒng)； 第一濾波器，用于從輸出電流濾出第一分量；第二濾波器，用于從輸 出電流濾出第二分量；以及外殼，包圍功率變換器、控制接口、第一 濾波器和第二濾波器。
在仍有的另一實(shí)現(xiàn)中，提供一種功率變換器。該功率變換器包括 用于將輸入變換成具有不同電特性的輸出的電路；與電路熱耦合的至 少一個(gè)散熱器；以及將散熱器耦合到地的連接，該連接包括電阻。


為便于說(shuō)明本發(fā)明，圖形示出本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的方面。 然而，應(yīng)理解本發(fā)明并不限于圖中所示精確設(shè)置和手段，其中
圖1是具有多個(gè)功率變換器模塊的多相功率變換器系統(tǒng)的示意 圖，每個(gè)模塊用于將輸入變換成多相輸出的一個(gè)相位；
圖2A是在圖1的多相功率變換器系統(tǒng)中使用的類型的功率變換器模塊的一個(gè)實(shí)現(xiàn)的示意圖2B是在圖l的多相功率變換器中使用的類型的功率變換器模 塊的備選實(shí)現(xiàn)的示意圖3是除了示出交換網(wǎng)絡(luò)和DC總線中使用的電路外、與圖2A 中所示類似的功率變換器模塊的示意圖4是除了示出交換網(wǎng)絡(luò)和DC總線中使用的電路外，與圖2A 中所示類似的另一功率變換器模塊的示意圖5是在諸如圖2A、 2B、 3和4的功率模塊等功率變換器模塊中 使用的交換網(wǎng)絡(luò)的示意圖；以及
圖6是滑動(dòng)部件、電連接器和其它結(jié)構(gòu)的示意圖，它們可用于支 持功率變換器模塊并允許從輸入和輸出電流/電壓和到控制系統(tǒng)的迅 速連接和斷開。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照?qǐng)D形，圖1示出包括與多相功率變換器110通信的控制 系統(tǒng)105的功率變換系統(tǒng)100。"多相"，當(dāng)該術(shù)語(yǔ)結(jié)合多相功率變換 器110使用時(shí)，指輸出電流或電壓中的頂級(jí)相位(top-level phase), 例如，傳統(tǒng)三相功率系統(tǒng)中的三個(gè)相位，并且不是指給定相位中的子 相位(有時(shí)也稱為交4晉相位(staggered phase)或交織相位(interleaved phase))。多相功率變換器110連接負(fù)載或源115 (在線路125上接 收或提供單相輸入)與負(fù)載或源116 (在線路130上接收或提供多相 輸出)之間。如下面更詳細(xì)所述的，功率變換器模塊135是雙向的， 因此，其操作方向?qū)⒂绊懺?15和116是源還是負(fù)載。為便于論述， 并且不限制功率變換器模塊135操作的方式，在線路125上傳送的電 流和電壓統(tǒng)稱為輸入，并且在線路130上傳送的電流和電壓將統(tǒng)稱為 輸出。在所有情況下，線路130上相位輸出的電壓將落在線路125上 的正負(fù)電壓輸入之間。
多相功率變換器110包括多個(gè)功率變換器模塊135，例如，模塊135A-C,如下面更詳細(xì)論述的，這些模塊可獨(dú)立使用或在多相功率變 換器中使用。雖然功率變換器模塊135可具有任何大小，但它們一般 在大于lkW時(shí)具有更大的應(yīng)用性。每個(gè)功率變換器模塊135包括生成 多相輸出的一個(gè)相位或單相輸出的模塊電路140，例如模塊電路 140A-C。例如，如圖1所示，功率變換器模塊135A-C每個(gè)提供構(gòu)成 三相輸出的一個(gè)相位的輸出。雖然多相功率變換器IIO在圖1中示為 帶有功率變換器模塊135A-C (即， 一個(gè)功率變換器模塊用于線路130 上輸出的一個(gè)相位)，但可設(shè)想到的是多相功率變換器可具有任何數(shù) 量的功率變換器模塊135，根據(jù)需要一個(gè)或多個(gè)模塊用于輸出的每個(gè) 相位。在一些情況下，將希望為輸出的給定相位并聯(lián)連接兩個(gè)或更多 功率變換器模塊135。此外，并且如下面結(jié)合圖2A和2B更詳細(xì)論述 的，可設(shè)想的是模塊電路140以某種方式設(shè)計(jì)，以允許單獨(dú)的功率變 換器模塊135在功率變換系統(tǒng)110中獨(dú)立操作或者以多種不同配置與 多相功率變換器110中的其它功率變換器模塊一起操作。除其它之夕卜， 這些配置包括例如雙向三相逆變器、雙向三相整流器、雙向降壓變換 器、雙向升壓變換器、單相變換器(例如，dc-dc變換器)及多相功 率變換器。
圖2A和2B分別示出根據(jù)本發(fā)明的概念、獨(dú)立使用或在多相功率 變換器110 (圖1 )中使用的功率變換器模塊200和202的實(shí)現(xiàn)。具 體而言，功率變換器模塊200和202更詳細(xì)示出可包括在功率變換器 模塊135中的組件的示例。因此，無(wú)論在何處示出模塊135，模塊200 和202可在多相功率變換器110中使用。由于模塊200和202基本上 相同，因此，除下面論述的EMI濾波中的某些不同外，下面為模塊 200提供的描述也適用于模塊202,并且因此用于模塊202的單獨(dú)描 述未提供。
功率變換器^^莫塊200和202配置成響應(yīng)輸入215提供單相輸出 205。如上所述，術(shù)語(yǔ)"輸出"和"輸入"在此處為方便起見而使用，由于 才莫塊200和202是雙向的，因此在205的電流或電壓可以是輸入，而在215的電流或電壓可以是輸出。
功率變換器模塊200包括包圍下述的功率變換器模塊的各種組件 和內(nèi)部電路的外殼220。外殼220 —般以阻止例如紋波電流頻率(一 般為1kHz到100kHz)和EMI頻率( 一般高于紋波電流頻率)等由外 殼邊界內(nèi)的此類組件和電路生成的各種形式的干擾的輻射的方式構(gòu) 造。例如鋼和鋁等各種材料可在外殼220的構(gòu)造中使用以提供足夠的 干擾保護(hù)，并且也提供足夠堅(jiān)固的外殼以在預(yù)期操作環(huán)境中安全地支 持其所容物體。
功率變換器模塊200包括接收輸入215的輸入節(jié)點(diǎn)225A-C和輸 出節(jié)點(diǎn)230A和230B,通過(guò)輸出節(jié)點(diǎn)，單相輸出205可傳遞到負(fù)載(未 示出)。輸入215是DC電流或電壓時(shí)，輸入節(jié)點(diǎn)225A-C可充當(dāng)正 節(jié)點(diǎn)225A、負(fù)節(jié)點(diǎn)225B和中性節(jié)點(diǎn)225C。某些情況下，可能希望 省略或不連接節(jié)點(diǎn)225B。輸出節(jié)點(diǎn)230A將充當(dāng)中性節(jié)點(diǎn)，并且輸出 節(jié)點(diǎn)230B將充當(dāng)相位節(jié)點(diǎn)。許多情況下，將希望在外殼220內(nèi)定位 輸入節(jié)點(diǎn)225A-C和輸出節(jié)點(diǎn)230A和B以包容干擾。下面將更詳細(xì) 地論述如圖2A (和圖2B、 3和4 )所示在外殼220內(nèi)節(jié)點(diǎn)的布置所產(chǎn) 生的增加益處。
功率模塊200還包括紋波濾波器235和EMI濾波器240，連接這 些濾波器以在到達(dá)節(jié)點(diǎn)前過(guò)濾節(jié)點(diǎn)230A和B處提供的輸出。在一個(gè) 實(shí)現(xiàn)中，如圖2A所示，紋波濾波器235經(jīng)設(shè)計(jì)和連接以從提供到節(jié) 點(diǎn)230A和230B的輸出濾出第一分量。 一般情況下，這些分量是在 lkHz到100kHz范圍中的頻率。紋波濾波器235 —般包括與例如電感 器、其它電容器和電阻器等其它電路元件并聯(lián)的電容器。類似地，EMI 濾波器240經(jīng)設(shè)計(jì)和連接以從提供到節(jié)點(diǎn)230A和230B的輸出濾出第 二分量， 一般為射頻。這些第二分量一般情況下具有比紋波濾波器235 過(guò)濾的第一分量具有更高的頻率，但可存在一定的重疊。在其最筒單 的形式中，EMI濾波器240是電容器，并且在其它實(shí)現(xiàn)中，可添加電 阻和其它電容器。在圖2A所示的功率變換器模塊200中，EMI濾波器240連接在中性節(jié)點(diǎn)225C與中性節(jié)點(diǎn)230A之間。
根據(jù)本公開的概念的功率模塊200的其它實(shí)現(xiàn)將為EMI濾波器 240提供其它連接方案。在圖2B所示的功率變換器模塊202中，EMI 濾波器240通過(guò)兩部分配置實(shí)現(xiàn)，即，EMI濾波器240A和240B。 EMI 濾波器240A連接在節(jié)點(diǎn)225B與節(jié)點(diǎn)230A之間，并且EMI濾波器 240B連接在節(jié)點(diǎn)225A與節(jié)點(diǎn)230B之間。任何情況下，最好直接或 通過(guò)其它EMI濾波器將EMI濾波器240附連到地。除EMI濾波器240 中的此不同之外，功率變換器模塊200和202是相同的。因此，以下 的模塊200中的特征的論述也適合模塊202。
在已知功率變換器中，用于輸入和輸出的連接通常放置在功率變 換器的外殼之外。如上所述并如圖2A和2B中所示，在功率變換器模 塊200和202中，將通常希望以某種方式在外殼220內(nèi)部^:置這些連 接點(diǎn)，即，輸入節(jié)點(diǎn)225A-C和輸出節(jié)點(diǎn)230A和B，該方式從外殼將 這些節(jié)點(diǎn)傳遞的高頻分量的傳導(dǎo)和輻射降到最低。此類設(shè)計(jì)的增強(qiáng)將 降低與包括功率變換器模塊200或202的多相功率變換器110中存在 的功率變換器模塊200或202的相鄰模塊的電磁干擾，或降低與其它 相鄰電子裝置的電磁干擾。在此方面，在節(jié)點(diǎn)225A-C和230A-B的任 何節(jié)點(diǎn)傳導(dǎo)的EMI輻射一般將是高于150 kHz低于ldBV，以及高于 20MHz低于ldBmV。
功率變換器模塊200還包括將輸入215變換成具有修改后的電特 性(例如，與單相,AC輸出205 —致的特性)的輸出的功率變換器245。 更具體地說(shuō)，如上結(jié)合圖l所述，功率變換器模塊200可用于根據(jù)需 要將多種輸入變換成多種輸出。功率變換器245的一個(gè)實(shí)現(xiàn)包括DC 總線255和交換網(wǎng)絡(luò)260，它們將輸入215變換成具有不同形式的輸 出電流和電壓，例如組成多相AC輸出的一個(gè)相位的單相AC輸出或 與輸入215不同形式的DC輸出。DC總線255連接到輸入節(jié)點(diǎn)225A-C 以接收輸入215，并將它分配到交換網(wǎng)絡(luò)260。交換網(wǎng)絡(luò)260包括如 下結(jié)合圖3、 4和5更詳細(xì)描述的、配置成生成已變換輸出的內(nèi)部交
ii換電路。
來(lái)自交換網(wǎng)絡(luò)260的輸出提供到串聯(lián)阻抗網(wǎng)絡(luò)265。后者包括用 作EMI濾波器240和紋波濾波器235的部分、并限制這些濾波器中電 流紋波的一個(gè)或多個(gè)電感器(圖2A和2B中未示出)。來(lái)自串聯(lián)阻抗 網(wǎng)絡(luò)265的輸出提供到節(jié)點(diǎn)230B和紋波濾波器235。
如圖2A所示，紋波濾波器235、 EMI濾波器240和串聯(lián)阻抗網(wǎng) 絡(luò)265用于大多數(shù)應(yīng)用，但不一定放置在外殼220內(nèi)。這與已知模塊 化功率變換器不同，在已知模塊化功率變換器中，基本上只是功率變 換器245的元件放置在外殼內(nèi)。因此，已知模塊化功率變換器和相關(guān) 聯(lián)電感器、濾波器及其它組件作為整個(gè)部件，生成相當(dāng)大的傳導(dǎo)和輻 射電磁能量。在已知模塊化功率變換器中開發(fā)控制EMI到適當(dāng)水平所 需的相關(guān)聯(lián)濾波一般情況下要求定制工程技術(shù)服務(wù),這排除了 "即插即 用"功能性的使用，而該功能性利用本公開的功率變換器模塊可實(shí)現(xiàn)。
鑒于上述內(nèi)容，可設(shè)想的是根據(jù)本發(fā)明的概念的功率變換器模塊 200也可包括根據(jù)美國(guó)專利申請(qǐng)11/850103 ("'103申請(qǐng)")中論述的概 念的內(nèi)部電路，該申請(qǐng)通過(guò)引用整體結(jié)合于本文中。除其它內(nèi)容外， '103申請(qǐng)公開了可在功率變換器模塊200中使用的功率變換器的幾個(gè) 示范配置。在此連接中，圖l-4分別示出以某種方式配置的降壓變換 器電路、升壓變換器電路、半橋電路及備用降壓變換器電路，在該方 式中，它們能結(jié)合到功率變換器模塊200的某些實(shí)現(xiàn)中以便獨(dú)立使用 或在多相功率變換器100 (圖1)中使用。因此，這些圖形及說(shuō)明書 中相關(guān)聯(lián)的公開明確地通過(guò)引用結(jié)合于本文中。此外，圖5A、 6A、 7A、 8、 9A、 10A中所示的和'103申請(qǐng)的說(shuō)明書(包括相關(guān)聯(lián)的時(shí)序 圖)的相關(guān)聯(lián)文本中所述的類型的變換器單元(converter cell)可整 體或部分在功率變換器200的某些實(shí)現(xiàn)中使用。這些圖形及說(shuō)明書中 相關(guān)聯(lián)的公開也明確地通過(guò)引用結(jié)合于本文中。通過(guò)引用的這些明確 的結(jié)合無(wú)意限制通過(guò)'103申請(qǐng)的其它方面的引用的結(jié)合，該申請(qǐng)如上 所述整體結(jié)合于本文中。再參照?qǐng)D2A和2B,功率變換器模塊200還包括在控制和保護(hù)模 塊的操作中涉及的控制接口 270。在一些實(shí)現(xiàn)中，控制接口 270還將 控制信息提供到單獨(dú)的控制系統(tǒng)105，控制信息由此類控制系統(tǒng)用于 控制功率變換器模塊200的操作。在其它實(shí)現(xiàn)中，功率變換器模塊200 由控制接口 270獨(dú)立控制。連接控制接口 270以檢測(cè)在節(jié)點(diǎn)225A和 225B接收的輸入電壓，并檢測(cè)來(lái)自串聯(lián)阻抗網(wǎng)絡(luò)265的輸出電流和電 壓?？刂平涌?270接收的此電流和電壓信息結(jié)合控制功率變換器模塊 200的操作使用，并且在功率變換網(wǎng)絡(luò)100中使用時(shí)可作為控制信息 提供到控制系統(tǒng)105。功率控制模塊200可包括用于監(jiān)視模塊的各種 元件的操作狀態(tài)(例如，溫度)和條件的各種傳感器(未示出)，這 些傳感器的輸出提供到控制接口 270以便在控制功率變換器模塊的操 作中使用。更具體地說(shuō)，來(lái)自功率變換器模塊200中各種傳感器的輸 出可由控制接口 270結(jié)合瞬時(shí)電流、電壓與溫度停止運(yùn)轉(zhuǎn)(shut-down) 和閉鎖(latching )使用。在此方面，通過(guò)控制接口 270提供的停止運(yùn) 轉(zhuǎn)和閉鎖保護(hù)，將解決在控制系統(tǒng)105的軟件中能導(dǎo)致功率變換器模 塊200以可能損害模塊的方式操作的問題。在功率變換器模塊200的備選實(shí)現(xiàn)中，控制接口 270可選地包括 允許存儲(chǔ)有關(guān)功率變換器模塊200的設(shè)計(jì)和搡作歷史的信息的存儲(chǔ)器 290。存儲(chǔ)器290例如可以是與控制接口 270的其它方面通信的非易 失性存儲(chǔ)器或其它穩(wěn)定的存儲(chǔ)裝置(例如，存儲(chǔ)卡、軟盤驅(qū)動(dòng)器、閃 存)。可設(shè)想的是例如存儲(chǔ)器290可包括用于操作小時(shí)數(shù)的計(jì)數(shù)器、 維護(hù)歷史和例如序列號(hào)的標(biāo)識(shí)信息。通過(guò)提供對(duì)單個(gè)功率變換器模塊 200特定的識(shí)別信息，能輕松替換具有類似功能性的其它功率模塊而 無(wú)需詳細(xì)的功率工程技術(shù)設(shè)計(jì)和分析服務(wù)。更詳細(xì)地論述控制系統(tǒng)105與控制接口 270之間的相互關(guān)系，控 制系統(tǒng)為功率變換系統(tǒng)IOO提供信號(hào)處理控制。此信號(hào)處理控制包括 切換it式生成、電流調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)。此控制通過(guò)^f吏用在功率變換器 模塊200中檢測(cè)并經(jīng)控制接口 270提供到控制系統(tǒng)105的信息而實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)105也充當(dāng)通過(guò)例如以太網(wǎng)或RS 232等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)"^義或在 需要時(shí)的專用通信協(xié)議與"外部世界"的通信接口 。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的概念的、獨(dú)立使用或在多相功率變換器110 中使用的功率變換器模塊300。除示出功率變換器245的一個(gè)電路實(shí) 現(xiàn)的細(xì)節(jié)外，功率變換器模塊300類似于功率模塊200。如上相對(duì)于 功率變換器模塊的其它實(shí)施例所述，功率變換器模塊300包括以允許 功率模塊限制電磁能量的輻射的方式包圍內(nèi)部電路的外殼320。功率 變換器模塊300還包括輸入節(jié)點(diǎn)325A-C、輸出節(jié)點(diǎn)330A與B、紋波 濾波器335、 EMI濾波器340、功率變換器345、電感器365及控制接 口 370，它們每個(gè)類似于上述相對(duì)于功率變換器模塊的其它實(shí)施例所 述的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)。功率變換器模塊300以類似于上面結(jié)合圖2A和2B所 述的方式生成單相輸出305。更具體地說(shuō)，功率變換器345連接到輸入節(jié)點(diǎn)325A-C，并且包括 采用半橋變換器形式的功率電路350。功率電路350包括單個(gè)功率變 換器單元360和兩個(gè)串聯(lián)連接的DC總線電容器361和362。功率變 換器單元360包括兩個(gè)串聯(lián)連接的功率開關(guān)367A-B。功率開關(guān)367A-B 與DC總線電容器361、 362和緩沖電容器(snubber capacitor) 376并 聯(lián)連接。用于開關(guān)367A-B的裝置可包括IGBT、 MOSFET、雙極晶體 管、GTO、 MCT以及能快速且較易打開和關(guān)閉、功率損耗極低且可 靠的其它功率開關(guān)。在圖3所示的實(shí)現(xiàn)中，功率變換器單元360包括 用于在線路380上生成提供到電感器365的已變換單相輸出的一對(duì) IGBT半導(dǎo)體裝置。為便于圖示，未示出將控制信息從接口電路370 傳送到開關(guān)367A-B的接線。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的概念的、結(jié)構(gòu)上類似于上面詳細(xì)描述的功 率模塊300 (圖3)的功率變換器模塊400。此處，功率變換器模塊 400從輸入415生成單相輸出405。像上述功率才莫塊200、 300—樣， 功率模塊400包括包圍紋波濾波器435、 EMI濾波器440、功率變換 器445 、相間變壓器(interphase transformer) 455 、電感器465及控制接口 470的外殼420，配置所有組件以生成單相輸出405。功率變換器445的內(nèi)部電路不同于上述功率變換器345 (圖3 )的 內(nèi)部電路。此處，功率變換器445連接到節(jié)點(diǎn)445A-C，并且包括采 用三單元半橋變換器形式的功率變換器電路450。功率變換器電路450 包括三個(gè)功率變換器單元460A-C,每個(gè)單元包括兩個(gè)功率開關(guān) 467A-B。每個(gè)功率變換器單元460A-C從輸入415在線路485A-C上 生成已變換輸出。在本示例中，線路485A-C上的每個(gè)已變換信號(hào)與 AC信號(hào)的單個(gè)相位一致。不同于將單個(gè)已變換信號(hào)直接傳遞到電感 器的功率變換器300 (圖3 )，此功率變換器將在線路485A-C上的已 變換信號(hào)傳遞到相間變壓器455。通常，相間變壓器455 (或備選地 稱為相間電抗器(interphase reactor))和類似的裝置在本4支術(shù)領(lǐng)域/^ 知的是配置成生成輸出信號(hào)的單個(gè)相位以響應(yīng)多個(gè)輸入。在'103申請(qǐng) 中描述了用于相間變壓器455的適合^1計(jì)。此外，相間變壓器455在 線路490上生成已變壓輸出以響應(yīng)線路485A-C上的已變換輸入。具 有AC信號(hào)的單個(gè)相位的線路490上的已變壓信號(hào)經(jīng)電感器465被傳 遞到負(fù)載(未示出)。圖5是能獨(dú)立使用或與諸如功率模塊200、 300、 400等根據(jù)本發(fā) 明的概念的功率模塊使用的功率半導(dǎo)體模塊500。功率半導(dǎo)體模塊500 包括輸入節(jié)點(diǎn)505A-B和功率變換器電路510。注意，功率變換器電 路510包括三個(gè)功率變換器單元515A-C，每個(gè)單元包括兩個(gè)功率開 關(guān)520，其組合先許每個(gè)功率變換器單元515A-C在線路535A-C生成 已變換信號(hào)。不同于上面功率變換器的示例，功率半導(dǎo)體模塊500還包括與連 接到地550的電阻545通信的散熱器540。作為比較，人們認(rèn)為已知 功率半導(dǎo)體散熱器始終直接連接到地而未使用電阻。經(jīng)電阻將功率半導(dǎo)體散熱器連接到地的概念不限于本文中所述類型的功率半導(dǎo)體模 塊。此特征更普遍適用于任何類型的功率變換器。通常，功率電子工程師將認(rèn)識(shí)到圖5所示的功率變換器模塊500示出安裝到單個(gè)散熱器的每個(gè)開關(guān)520A-C。然而，可設(shè)想的是每個(gè) 開關(guān)520A-C能安裝到對(duì)應(yīng)的單個(gè)散熱器(未示出)或其它裝置或以 從開關(guān)散熱的其它配置安裝。利用多個(gè)散熱器540時(shí)，每個(gè)散熱器能 包括到地的電阻，或備選地所有散熱器可與到地的單個(gè)電阻通信。如下面更詳細(xì)論述的，包括通過(guò)電阻連接到地的散熱器的功率變 換器模塊將改進(jìn)EMI濾波器性能。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，例如 在開關(guān)與散熱器之間的耦合電容是共模噪聲的源。例如，在開關(guān)切換 時(shí)，流過(guò)半導(dǎo)體開關(guān)與散熱器之間的耦合電容的電流的大脈沖轉(zhuǎn)到 地，這導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)別地中出現(xiàn)快速電流上升時(shí)間。 一般情況下，此電 流上升引起的噪聲通過(guò)電感器的各種配置被過(guò)濾，并且通過(guò)在功率變 換器或相關(guān)聯(lián)EMI濾波器中存在的電容器分流到地。可設(shè)想的是通過(guò)限制這些脈沖中的電流，并隨時(shí)間將它擴(kuò)散，將 散熱器通過(guò)電阻連接到地降低了 EMI濾波器觀察到的高頻能量。在一 個(gè)實(shí)現(xiàn)中，電阻大約等于在串聯(lián)濾波器電感與開關(guān)部件的散熱器到襯 底電容之間的并聯(lián)共振的特性阻抗。在備選實(shí)現(xiàn)中，電阻可根據(jù)以下 等式變化其中，R是電阻，L是串聯(lián)電感器的并聯(lián)組合，以及C是電路到散熱 器的總電容。在如上所述包括多個(gè)散熱器的還有的其它實(shí)現(xiàn)中，L是 與每個(gè)對(duì)應(yīng)散熱器相關(guān)聯(lián)的電感，并且C是與該對(duì)應(yīng)散熱器相關(guān)聯(lián)的 電容?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1和6,除設(shè)計(jì)和配置成支持模塊化的功率變換器模 塊135、 200、 202、 300、 400及500的各種電氣組件外，功率變換器 模塊還可包括允許快速、輕松地將一個(gè)功率變換器模塊替換為另一模 塊的機(jī)械方面。雖然為方便起見，這些才幾械方面的以下論述涉及功率 變換器模塊135，但要理解，它同樣適用于本公開涵蓋的其它功率模 塊。等式l功率變換器模塊135可有利地安裝在滑動(dòng)部件700上，該部件允 許輕松地安裝和拆卸模塊。滑動(dòng)部件700可包括例如一對(duì)軌道720， 并且功率變換器模塊135可包括與軌道720協(xié)作的相關(guān)聯(lián)的輥或其它 結(jié)構(gòu)(未示出)，以便允許功率變換器模塊135如箭頭730所示相對(duì) 于總線732沿軌道來(lái)回移動(dòng)。后者連接到源或負(fù)載115和源或負(fù)載 116,并且在如下所述附連時(shí)，將輸入和輸出電流和電壓傳導(dǎo)入和出 功率變換器模塊135。在此方面，總線732既充當(dāng)用于傳送輸入和輸 出電流和電壓的電氣總線，又充當(dāng)用于接收功率變換器模塊135的機(jī) 械底板，如以下更詳細(xì)描述的?？偩€732還包括電連接器740和742。 電連接器740連接到源或負(fù)載115,并且電連接器742連接到源或負(fù) 載116。如下面更詳細(xì)論述的，電連接器740和742》文置在總線732 上的預(yù)定位置。功率變換器模塊135包括上面相對(duì)于功率變換器模塊的其它實(shí)現(xiàn) 所述類型的外殼137，例如，功率變換器模塊200的外殼220。功率 變換器模塊135還包括一般(但不一定)放置在外殼137內(nèi)的電連接 器750和752。電連接器750和752放置在功率變換器模塊135上， 以便模塊在滑動(dòng)部件700上被支撐并向總線732移動(dòng)時(shí)，電連接器750 與電連接器740對(duì)齊并可連接到該連接器，而電連接器752與電連接 器742對(duì)齊并可連接到該連接器。此外，電連接器740和750及電連 接器742和752設(shè)計(jì)成相互連接，以便功率變換器模塊135沿滑動(dòng)部 件700移動(dòng)時(shí)，通過(guò)促使連接器對(duì)相互接合而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電連接。此"即 插即用"設(shè)置有利于將功率變換器模塊135快速連接到總線732，并最 終連接到來(lái)自源/負(fù)載115和源/負(fù)載116的電流/電壓輸入和輸出。功率變換器模塊135還包括另一連接器754,在許多(但不一定 是全部)情況下，該連接器也放置在外殼137內(nèi)。提供此連接器以允 許在控制系統(tǒng)105與功率變換器模塊135之間實(shí)現(xiàn)快速連接，并且借 助于通過(guò)電纜758連接到控制系統(tǒng)105的電連接器756實(shí)現(xiàn)。在模塊 135上也可提供到水和/或空氣的源的快速釋放連接(未示出)。17功率變換器模塊135、 200、 202、 300、 400和500的模塊化設(shè)計(jì) 的性質(zhì)提供了多個(gè)益處。除其它益處外，這些益處包括允許快速、輕 松地安裝和拆卸功率變換器模塊，將例如電磁干擾(EMI)和紋波干 擾的傳導(dǎo)和輻射的干擾降到最低，以及將與模塊的使用有關(guān)的所需定 制工程技術(shù)服務(wù)的程度降到最低。示范實(shí)施例已在上面公開并在附圖中示出。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將 理解，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，可對(duì)本文明確公開的內(nèi) 容進(jìn)行各種更改、省略和添加。
權(quán)利要求
1.一種可與控制系統(tǒng)使用的功率變換器模塊，所述功率變換器模塊包括功率變換器，用于將輸入變換成具有單相的輸出；控制接口，連接到所述功率變換器并配置用于到所述控制系統(tǒng)的連接；第一濾波器，用于從所述輸出濾出第一分量；第二濾波器，用于從所述輸出濾出第二分量；以及外殼，包圍所述功率變換器、所述控制接口、所述第一濾波器和所述第二濾波器。
2. 如權(quán)利要求1所述的功率變換器模塊，其中所述輸出是三相交 流電的一個(gè)相。
3. 如權(quán)利要求1所述的功率變換模塊，還包括用于接收所述輸入 的輸入節(jié)點(diǎn)和用于提供所述輸出的輸出節(jié)點(diǎn)，其中在所述輸入節(jié)點(diǎn)和 所述輸出節(jié)點(diǎn)所測(cè)量的傳導(dǎo)電磁輻射高于150kHz低于ldB伏，以及 高于20 MHz低于ldB毫伏。
4. 如權(quán)利要求1所述的功率變換器模塊，其中所述功率變換器模 塊包括DC總線、交換網(wǎng)絡(luò)和串聯(lián)阻抗網(wǎng)絡(luò)。
5. 如權(quán)利要求1所述的功率變換器模塊，其中所述第一濾波器是 用于過(guò)濾在lkHz到lOOkHz范圍中的頻率的紋波濾波器。
6. 如權(quán)利要求1所述的功率變換器模塊，其中所述第二濾波器是 用于過(guò)濾可造成電磁干擾的所述輸出的分量的EMI濾波器。
7. 如權(quán)利要求1所述的功率變換器模塊，還包括負(fù)輸入、正輸出 和中性輸入，以及中性輸出和相位輸出，其中所述EMI濾波器包括連 接到所述中性輸入和所述中性輸出的第一 EMI濾波器和連接到所述 正輸入和所述中性輸出的第二 EMI濾波器。
8. 如權(quán)利要求1所述的功率變換器模塊，其中所述控制接口以允許所述功率變換器模塊與其它功率變換器模塊操作的方式與所述控 制系統(tǒng)通信，以便產(chǎn)生具有包括所述單相的多個(gè)相位的輸出。
9. 如權(quán)利要求1所述的功率變換器模塊，還包括具有經(jīng)電阻與地 通信的 一個(gè)或多個(gè)散熱器的交換網(wǎng)絡(luò)。
10. 如權(quán)利要求9所述的功率變換器模塊，其中所述電阻具有以 下電阻值其中R是電阻值，L是與所述散熱器相關(guān)聯(lián)的電感，以及C是所 述散熱器的總電容。
11. 一種功率變換器模塊，包括功率變換器，用于以下變換之一(a)將輸入變換成單相輸出， 以及(b)將多相輸入的一個(gè)相變換成輸出；以及控制接口 ，連接到所述功率變換器并配置用于到控制系統(tǒng)的連 接，其中所述控制接口包括非易失性存儲(chǔ)器以用于存儲(chǔ)有關(guān)所述功率 變換器模塊的操作歷史和其它屬性的信息。
12. 如權(quán)利要求11所述的功率變換器模塊，其中所述控制接口監(jiān) 視所述功率變換器的操作，并在預(yù)定的安全操作參數(shù)未滿足時(shí)將它關(guān) 閉。
13. —種用于將輸入變換成具有多個(gè)相位的輸出的多相功率變換 器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)；多個(gè)功率變換器模塊，連接到所述控制系統(tǒng)， 一個(gè)功率變換器模 塊用于所述多個(gè)相位之一，所述多個(gè)功率變換器模塊的每個(gè)具有功率變換器，用于將輸入變換成具有多個(gè)相位的一個(gè)相位的 輸出；控制接口 ，連接到所述功率變換器和所述控制系統(tǒng)； 第一濾波器，用于從所述輸出電流濾出第一分量；第二濾波器，用于從所述輸出電流濾出第二分量；以及 外殼，包圍所述功率變換器、所述控制接口、所述第一濾波 器和所述第二濾波器。
14. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述控制接口包括非易失性 存儲(chǔ)器以用于存儲(chǔ)有關(guān)所述功率變換器模塊的操作歷史和其它屬性 的4言息。
15. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括用于接收所述輸入的輸入 節(jié)點(diǎn)和用于提供所述輸出的輸出節(jié)點(diǎn)，其中在所述輸入節(jié)點(diǎn)和所述輸 出節(jié)點(diǎn)所測(cè)量的傳導(dǎo)電石茲輻射高于150kHz低于ldB伏，以及高于20 MHzl氐于ldB毫伏。
16. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述功率變換器模塊的每個(gè) 包括DC總線、交換網(wǎng)絡(luò)和串聯(lián)阻抗網(wǎng)絡(luò)。
17. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)控制所述多個(gè) 功率變換器模塊的操作，以允許所述模塊作為多相功率變換器一起操 作。
18. 如權(quán)利要求12所述的功率變換器系統(tǒng)，其中所述控制接口存 儲(chǔ)允許為不同模塊快速交換所述功率變換器模塊的每個(gè)的數(shù)據(jù)。
19. 如權(quán)利要求12所述的功率變換器系統(tǒng)，其中所述功率變換器 模塊的每個(gè)包括具有經(jīng)電阻與地通信的 一個(gè)或多個(gè)散熱器的交換網(wǎng) 絡(luò)。
20. 如權(quán)利要求18所述的功率變換系統(tǒng)，其中所述電阻具有以下 電阻值其中R是所述電阻值，L是與所述散熱器相關(guān)聯(lián)的電感，以及C 是所述散熱器的總電容。
21.如權(quán)利要求12所述的功率變換器系統(tǒng)，其中所述第一濾波器 是紋波電流濾波器。
22. 如權(quán)利要求12所述的功率變換器系統(tǒng)，其中所述第二濾波器 是用于過(guò)濾可造成電磁干擾的所述輸出的分量的EMI濾波器。
23. —種功率變換器，包括電路，用于將輸入變換成具有不同電特性的輸出；至少一個(gè)散熱器，與所述電路熱耦合；以及連接，將所述散熱器耦合到地，所述連接包括電阻。
全文摘要
一種獨(dú)立使用或與多相功率變換器中的其它模塊一起使用的功率變換器模塊。所述功率變換器模塊具有包圍內(nèi)部組件以防止電磁能量輻射的外殼，內(nèi)部組件也限制電磁能量的傳導(dǎo)。內(nèi)部組件包括EMI濾波器、紋波濾波器、功率變換器和與功率變換系統(tǒng)的控制系統(tǒng)通信的控制接口?？刂平涌诎ù鎯?chǔ)與功率變換器模塊有關(guān)的信息的存儲(chǔ)器以便改進(jìn)類似功率模塊與多相功率變換器的可交換性。
文檔編號(hào)H02J3/36GK101669262SQ200780050674
公開日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月7日
發(fā)明者C·S·巴杰, J·K·彼得, K·K·K·錢納克沙瓦, S·M·丹尼亞爾, S·P·霍斯金斯 申請(qǐng)人:北方電力系統(tǒng)公司