专利名称：中性点钳位的电源变换装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种中性点钳位的电源变换装置，尤其涉及用于该装置的续流二极管。
在日本专利申请Nos.2-262827、2-131370和1-198280中揭示了已有技术的中性点钳位电源变换装置，它们包含串联连接的第一、第二、第三和第四开关元件，反向并联在第一和第二开关元件的连接节点与第三和第四开关元件的连接节点之间的钳位二极管串联电路和反向并联到上述各开关元件上的续流二极管。
通过应用已经证实，上述已有技术的实际中性点钳位电源变换装置产生了一个新的问题，会引起续流二极管损耗不平衡。
在产生这种不平衡损耗时，如果为各续流二极管设计相同的冷却方法而不考虑它们各自对冷却的具体要求，就会造成这样一个问题，热周期产生的性能下降上的差异会引起外二极管和内二极管之间寿命不相等，最终使它们之中部分更换的次数成倍增加。而且，更为严重的情况是，有较大损耗的续流二极管上的温度将不断升高而使其击穿。
本发明的主要目的是提供一种中性点钳位电源变换装置，该装置消除了其续流二极管之间损耗不平衡的情况。
本发明的上述目的是由提供这样一种中性点钳位电源变换装置来实现的，它具有串联连接的第一、第二、第三和第四开关元件，反向并联在第一和第二开关元件的连接节点和第三和第四开关元件的连接节点之间的钳位二极管串联电路和反向并联在上述各开关元件上的续流二极管，该处反向并联到第一和第四开关元件上的各续流二极管的容量大于反向并联到第二和第三开关元件上的各续流二极管的容量。
如下文所描述的，反向并联到第一和第四开关元件(外开关元件)上的续流二极管的损耗大于反向并联到第二和第三开关元件(内开关元件)上的续流二极管的损耗。然而这种损耗的不平衡可以通过这样的安排来消除，即使反向并联到外开关元件上的续流二极管的容量大于反向并联到内开关元件上的续流二极管的容量。
参照下列附图将会对本发明有更清楚的了解，其中
图1是本发明的一个实施例的示意图;
图2是说明本发明原理的示意图;
图3是说明本发明原理另一方面的示意图;
图4是说明本发明原理的又一个方面的示意图;
图5是模块开关元件设置的示意图;
图6是本发明另一个实施例的示意图;
图7是本发明的使用压接半导体元件的电路图;
图8是压接半导体元件的设置示意图;
图9是本发明的使用反向导通压接半导体元件的电路图;
图10是反向导通压接半导体元件的设置图;
图11是本发明的另一个实施例的示意图;
图12是本发明又一个实施例的示意图。
符号说明T1-T8……晶体管;
D12、D13、D52、D53……钳位二极管;
D1-D4……续流二极管;
D11、D14、D51、D54……容量增大的续流二极管。
请参见图1，图1示出了本发明的一个实施例，它已应用于电气火车上的中性点钳位变换器。
通过受电弓2接收来自交流馈电线上的交流电流，通过降压变压器3降低其电压。通过脉宽调制(PWM)把该经降压的交流电转换成与中性点钳位变换器4的直流电压指令一致的直流电压。通过抽头电容器5、6把该经转换的直流电输入至逆变器7，该抽头电容器5、6还用作滤波器。在逆变器中，该直流电被逆变成三相可变压可变频的交流电，用于驱动感应电动机，以驱动电气火车。例如，该逆变器7可以是两电平逆变器，或者如此图所示的三电平逆变器(中性点钳位)。此外，当用直流电机驱动电气火车时，也可提供驱动直流电机的斩波器。
在中性点钳位变换器4中，晶体管T1-T4串联连接，各晶体管T1-T4为具有自断功能的开关元件，在各晶体管上并联有续流二极管D1-D4钳位二极管D12、D13串联电路反向并联在外元件T1T4的连接节点和内元件T2，T3的连接节点之间，构成U相电路。V相的构成相同。
变压器3的输出输入到各内元件之间(即晶体管T2和T3之间，晶体管T6和T7之间)的各连接节点上。而且，抽头电容器5的正极与晶体管T5、T1的集电极和续流二极管D1、D5的阴极相连，而抽头电容器6的负极与晶体管T4，T8的发射极以及续流二极管D4，D8的阳极相连。并且，抽头电容器5和6之间的连接节点(此后称为中性点)连接到钳位二极管D12和D13之间以及D52和D53之间的连接节点上。
例如，在本发明的该最佳实施例的描述中，把自断式开关元件规定为晶体管，然而，自断式开关元件并不限于此，它可以是GTO闸流管、IGBT或者容性闸流管，无论采用它们中的哪一种开关元件，下面描述的本发明的原理都是有效的。
除了上述的具有外晶体管元件T1，T4，T5，T6和具有分别连接到各个晶体管上的外续流二管D1，D4，D5，D8的中性点钳位变换器设计的基本结构之外，在本发明的这个实施例中，有另一组续流二极管D11，D14，D51，D54反向并联到外元件上，所以外续流二极管的实际容量变得大于内续流二极管D2，D3，D6，D7的容量。在图1的电路中，这些新增加的续流二极管串联连接到钳位二极管上。然而，并不限于这种连接，只要能达到相同的效果的连接方法都是可行的，例如，只要做到相当的电气连接，可以与已有的外续流二极管并联。
下在参照图2至图4描述本发明的原理。
图2和图4是单相工作模式的中性点钳位变换器的示意图。图2示出了晶体管T2和T3之间(交流侧电压)电压自0到E/2变化的电压变化模式，而图3示出了在E/2和E之间变化的交流侧电压变化模式。
中性点钳位变换器通过这些运行模式可把交流电转换成直流，或者把直流电逆变成交流电。
首先，在图2中，晶体管T2导通，中性点电压通过钳位二极管D5和晶体管T2输出至负载10，因此，产生(1)方向上的电流。然后，晶体管T2截止，已经流过负载10的电流转而流过续流二极管D3和D4。重复这种导通和截止，则向负载输出E/2和0的电压。在这期间，T1至T4的通-断信号如下T1始终截止，T3始终导通，T2和T4重复截止到导通和从导通到截上，在转换之间插入一个非重叠时间，以防止短路。
在把续流二极管D3，D4从续流模式(2)转换到模式(1)时，T2从截止状态转换成导通状态，该转换运作使E/2电压加到续流二极管D4上。此时，图中下部示出的E/2电源使从阳极到阴极流过续流二极管D4的电流消失，逐步地减小，最终在短时间内产生反向流动的电流。这种过程称为二极管恢复现象，它会在二极管内产生恢复损耗。
此时，类似于流过D4的负载电流流过续流二极管D3，然而，由于在这种运作模式下在晶体管T3上始终施加了导通信号，所以每当反向电流流过续流二极管D3时，晶体管T3就导通。因此，可以清楚地理解，这种恢复现象仅发生在续流二极管D4中，而不会发生在D3中。
参见图3，对续流二极管D1和D4的描述相同。
晶体管T3导通;电流以图中所示的方向(2)流过负载10、晶体管T3和二极管D6到电压的中性点。然后，晶体管T3截止，流过负载10的电流流经续流二极管D1和D2。重复这些转换运作，向负载10提供E/2和E的电压。
在这种运作期间，晶体管T1至T4的导通和截止信号如下T4始终截止，T2始终导通，T1和T3重复“截止到导通”和“导通到截止”，在转换运作之间插入一段非重叠时间TD，以防止发生短路。
当把续流二极管D1，D2从续流环回路(2)转换到模式(1)时，晶体管T3从截止状态转换到导通状态，由此，把E/2电压作用于续流二极管D1上。在该运作期间，图中上半部分所示的E/2电源使从阳极到阴极流过续流二极管D1的电流消失，逐渐减小，最终在短时间内产生反向流过的反向电流。在这种情况下，在续流二极管D1中产生恢复损耗。此时，类似于上述的流过D3的负载电流流过续流二极管D2，然而，由于在该运作模式期间在晶体管T2上始终有导通信号，所以只要反向电流一流过续流二极管D2，T2就导通，由此防止了在D2中产生在续流二极管D1中发生的恢复现象。
从上面的描述中应清楚地理解，虽然在外续流二极管D1和D4中发生恢复现象，但在内续流二极管D2和D3中不发生恢复现象。
请参见图4，图4比较了外续流二极管D1，D4和内续流二极管D2，D4之间的损耗。
在图4中，示出了正向电压和二极管中恢复损耗的例子。
假设内晶体管T2，T3的开关频率为3KHz，续流模式的导通宽度为50%占空比，交流二极管电流的平均值为300A，则其损耗可细分如下正向损耗＝300A×1.25V×0.5(占空比)×0.5(交流半波)＝94W;
恢复损耗＝0.25J×3000(开关频率)×0.5(交流半波)＝375W。
从上式中可以看出，有恢复损耗的外续流二极管D1，D4的损耗总计为496W，而无恢复损耗的内续流二极管D2，D3的损耗仅94W，因此，两者之间出现了较大的不平衡。
为了较正这种内外续流二极管内产生的不平衡，根据本发明采取了下列措施。
(1)使外续流二极管的容量大于内续流两极管的容量;
(2)并联的外续流二极管的数量多于并联的内续流二极管的数量;
(3)为各外续流二极管设置的散热片其冷却性能优于为各内续流二极管设置的散热片的冷却性能。
图1的本发明的一个实施例实现了根据上述第(1)种观点的第(2)个原理。
根据本发明的这一实施例，外续流二极管的容量大于内续流二极管的容量，所以，通过这种设置使内二极管和外二极管之间产生的不平衡度最小。
请参见图5，图5示出了图1变换器的主电路图，图中仅示出了一相组成结构，在本发明中使用半导体开关模块，各晶体管T1至T4和续流二极管D1至D4被单独封装。
构成中性点钳位变换器电路所需要的最少的零件包括半导体开关模块TD1至TD4以及二极管模块DM5，DM6。除了这些之外，还可以把二极管模块DM11，DM41分别与半导体开关模块TD1，TD4并联连接，以增加其容量。
在图5的这种构造中，4块半导体模块TD1-TD4排成直线，并串联连接，二极管模块DM5，DM6分别与半导体模块TD2，TD3并列，以减少布线，有利于小型电路连接。然后，把二极管模块DM11，DM41分别放置在二极管模块DM5，DM6的外侧，使变换器的空间利用率最高。由于冷却部件可以安装在模块反面，所以可以使安装冷却部件所在用的空间和面积减到最小。
参见图6，图6示出了本发明的另一个实施例的实际电路设置，它增加了外续流二极管和内续流二极管的容量，并且仍使它们之间的损耗不平衡度最小。
图6的电路是根据图5而来的，它进一步包含同时仅向并联的续流二极管。
尤其是，把各个二极管模块反向并联到各半导体开关模块TD1至TD4上，而仅在晶体管TD1和TD4上反向并联连接上辅助二极管模块DM12，DM42，把它加到外续流二极管上。
本发明的这种结构有这样一些优点，它可以使损耗不平衡度最小，并且还能消除外续流二极管容量的不足。
另外，虽然在图5和图6的实施例中并联连接的续流二极管的数量为1或2个，但本发明并不受此限制，其数量可以进一步增加，直到达到本发明目的。
参见图7，图7示出了本发明使用诸如GTO闸流管等平面型半导体元件的一个实施例，GTO闸流管等平面型半导体元件是通过压接一个片状半导体来制造的，片状半导体设置在铜柱之间的两端上。更具体地说，如本例中所示，续流二极管D11，D41分别反向并联到GTO闸流管G1，G4上。当然通过布置使D1，D4上。当然通过布置使D1，D4的容量大于D2，D3而不增加续流二极管D11，D41同样也能实现本发明使损耗不平衡度最小的目的。
参见图8，图8示出了根据本发明的开关元件和二极管设置的一个例子，该开关元件和二极管经压接构成使用图7所示的平面型半导体元件的变换器电路。
如果使用诸如GTO闸流管等平面型半导体元件，就必须考虑具体的设计要求把所有对应于一相的元件排成直线，进行压接，并使用特别的冷却方法。如图8所示，在GTO闸流管G1和钳位二极管D5之间、在续流二极管D2和D3之间以及在续流二极管D1和D4之间分别插入各绝缘件11，然后把二极管D11和D41设置在续流二极管D1和D4外侧，在垂直方向上以规定压力进行压接，这样就能容易地对电路的一相零件进行这种直线设置。
参见图9，图9示出了本发明的另一个实施例，它是诸如反向导通GTO闸流管等平面型半导体器件，它把开关元件和反向并联连接的二极管集成在同一块半导体片上。在该实施例中，续流二极管D11和D41分别与反向导通GTO闸流管GD1和GD4反向并联。当然，使GD1和GD4的容量大于GD2和GD3的容量而不设置D11，D41，也同样能实现本发明的目的。
图10示出了开关元件和二极管设置的一个例子，开关元件和二极管经压接构成使用图9的平面型半导体器件的变换器电路。可以理解，把这些元件以上述设置方式在两侧上加上预定的压力进行压接就能容易地实现该实施例的电路。
如果使用平面型半导体元件，用改变冷却各个元件的各个散热片的冷却能力，也能实现本发明的目的。
参见图11，图11示出了本发明的另一个实施例，它是对图7的实施例的改进，在本实施例中，去掉了为增加容量而安装的续流二极管D11，D41，取而代之的是在外续流二极管D1，D4和内续流二极管D2，D3之间改变为这些续流二极管冷却的散热片的冷却能力。为了提高对外二极管的冷却能力，在续流二极管D1的两侧设置两片散热片F1，F2，在续流二极管D4的两侧也设置两散热片F11，F12，而在续流二极管D2上仅在其一侧设置一片散热片F6，在续流二极管D3上仅在其一侧上设置一片散热片F7。
既使在所有的二极管的两侧上分别设置有散热片的情况下，将外续流二极管D1，D4的散热片的冷却能力设置得大于内续流二极管D2，D3的散热片的冷却能力，本发明目的也同样能实现。
图12示出了本发明的又一个实施例，它是对图9实施例的改进，在本实施例中，以最少的散热片数量实现了本发明的目的。在本实施例中，不设置续流二极管D11，D41，而为在外侧的反向导通GTO闸流管GD1，GD4提供4片散热片F13，F14，F20和F21，而为在内侧的反向导通GTO闸流管GD2，GD3提供了3片散热片F16，F17和F18。
如上所述，通过设置使为外反向导通GTO闸流管GD1，GD4冷却的散热片的冷却能力大于为内反向导通GTO闸流管GD2，GD3冷却的散热片的冷却能力，也同样能使本发明的目的得以实现。
根据本发明上述的一个实施例，不增加续流二极管的数量或容量，也可以使已有技术中存在的损耗不平衡度最小。
作为实例，此处描述的上述实施例都与变换器有关。这是因为在电气火车运行期间，其变换器把交流电转换成直流电时上述问题变得十分重要。
然而，既使在诸如中性点钳位逆变器等把直流电逆变成三电平交流电以驱动感应电动机的三电平交流逆变器中，由于再生运行在内外续流二极管之间也会发生显著的损耗不平衡。因而，如上所述，也可以使三电平逆变器的外续流二极管具有较大的容量，防止这种情况发生。即，本发明可以应用于任何中性点钳位型的电源变换器中。
另外，在带有中性点钳位逆变电路的中性点钳位变换器电路的主电路中，尽管要求其转换电路的外续流二极管的容量较大，或者冷却能力较高，但在其逆变电路上并不一定需要同样的要求。
而且，上述本发明的实施例还都与电气火车的控制有关，然而，本发明并不限于此，本发明可以应用于任何需要中性点钳位的变换器或逆变器的应用中，例如，这些应用可以包括用于轧钢机控制等的变换器或逆变器主电路。
如上所述，根据本发明制造的中性点钳位电源转换装置降低了成本，它有这样一些优点，通过使用适当的具有足够容量的二极管，并通过为各二极管提供足够的冷却能力，解决了外续流二极管和内续流二极管之间的损耗不平衡。
权利要求
1.一种中性点钳位电源变换装置，具有连接有第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件的串联电路，与所述串联电路反向并联连接的钳位二极管串联电路，其一端连接到所述第一和第二开关元件的第一连接节点上，其另一端连接到所述第三和第四开关元件的第二连接节点上，以及与所述各开关元件反向并联的续流二极管，其特征在于，与所述第一开关元件和所述第四开关元件反向并联的各续流二极管的容量大于与所述第二开关元件和第三开关元件反向并联的各续流二极管的容量。
2.如权利要求1所述的中性点钳位电源变换装置，其特征在于，所述第一开关元件和所述第四开关元件各自包含的与之反向并联的续流二极管的数量多于与所述第二开关元件和所述第三开关元件反向并联的续流二极管的数量，以增加其容量。
3.如权利要求1所述的中性点钳位电源变换装置，其特征在于，所述第一开关元件和所述第四开关元件各自包含的冷却与其反向并联的续流二极管的冷却装置的冷却能力大于冷却与所述第二开关元件和第三开关元件反向并联的续流二极管的冷却装置的冷却能力，以提高其续流二极管的容量。
4.如权利要求1所述的中性点钳位电源变换装置，其特征在于，所述中性点钳位电源变换装置为把交流电转换成直流电的中性点钳位变换器。
5.如权利要求1所述的中性点钳位电源变换装置，其特征在于，所述中性点钳位电源变换装置为把直流电逆变成交流电的中性点钳位逆变器。
6.一种中性点钳位电源变换装置，具有第一串联电路，包括第一半导体模块、第二半导体模块、第三半导体模块和第四半导体模块，各模块具有一开关元件和与其反向串联的二极管，以及第二串联电路，包括在第一开关元件和第二开关元件之间的第一连接节点和在第三开关元件和第四开关元件之间的第二连接节点之间与所述第一串联电路反向并联的钳位二极管，其特征在于，所述第一半导体模块和所述第四半导体模块各包含一个与其反向并联的外二极管。
7.如权利要求6所述的中性点钳位电源变换装置，其特征在于，所述中性点钳位电源变换装置的所述半导体模块成直线排列，所述钳位二极管和所述外二极管也直线排列，并与所述直线排列的半导体模块并列。
8.如权利要求6所述的中性点钳位电源变换装置，其特征在于，所述中性点钳位电源变换装置的二极管各自与所述半导体模块反向并联。
全文摘要
一种中性点钳位电源变换装置，具有四块串联的电源半导体开关元件，其特征是提供与外半导体开关元件反向并联的外续流二极管的容量，使之大于内续流二极管的容量，由此通过使用具有满足最低要求的适当容量的二极管，使内外续流二极管之间的损耗不平衡度最小，从而提供一种性能和制造价格极为优异的逆变电路。
文档编号H02M7/48GK1112306SQ9510066
公开日1995年11月22日 申请日期1995年3月10日 优先权日1994年3月10日
发明者堀江哲, 齐藤秀治, 板鼻博 申请人:株式会社日立制作所, 日立水产工程株式会社