专利摘要

本发明公开了一种五电平有源中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，包括左半桥臂器件、右半桥臂器件、叠层母排、上支撑电容、下支撑电容、左桥臂悬浮电容及右桥臂悬浮电容；左半桥臂器件与右半桥臂器件的布局相同，左半桥臂器件位于叠层母排右半部分，右半桥臂器件位于叠层母排左半部分；合理的器件布局能有效缩短换流路径长度，改善换流回路复合效果，降低叠层母排的设计难度；良好的叠层母排设计能实现换流路径的充分复合，降低了换流回路的杂散电感，大幅度降低了功率器件的关断过电压，简化了吸收电路，在降低成本的同时使结构更加紧凑、功率密度进一步提高，扩大了五电平变流器的安全工作区域，有利于五电平变流器的长期安全、稳定运行。

权利要求

1.一种五电平有源中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，叠层母排结构布局包括左半桥臂器件、右半桥臂器件、叠层母排、上支撑电容Cd1、下支撑电容Cd2、左桥臂悬浮电容Cf1及右桥臂悬浮电容Cf2；左半桥臂器件包括第一IGBT组T1、第二IGBT组T2、第三IGBT组T3、第四IGBT组T4、第五IGBT组T5及第六IGBT组T6，每组IGBT组包括两个独立的IGBT；其特征在于：所述左半桥臂器件与右半桥臂器件的布局相同，左半桥臂器件位于叠层母排右半部分，右半桥臂器件位于叠层母排左半部分；

第一IGBT组T1位于右上角，组件内两个独立的IGBT从右至左串联布置，右侧IGBT集电极端子接口处于最右侧，左侧IGBT发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；第二IGBT组T2位于第一IGBT组T1下方，组件内两个独立的IGBT从右至左串联布置，左侧IGBT集电极端子接口处于最右侧，右侧IGBT发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；第三IGBT组T3位于右下角，组件内两个独立的IGBT从右至左串联布置，左侧IGBT集电极端子接口处于最右侧，右侧IGBT射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；第四IGBT组T4位于第三IGBT组T3上方，组件内两个独立的IGBT从右至左串联布置，左侧IGBT集电极端子接口处于最右侧，右侧IGBT发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；第五IGBT组T5位于中间，处在第二IGBT组T2下方，组件内两个独立的IGBT从右至左串联布置，左侧IGBT集电极端子接口处于最右侧，右侧IGBT发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；第六IGBT组T6位于中间，处在第五IGBT组T5下方，组件内两个独立的IGBT从右至左串联布置，左侧IGBT集电极端子接口处于最右侧，右侧IGBT发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧。

2.根据权利要求1所述五电平有源中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，其特征在于：所述叠层母排包括四层，第一层包括模块正母排P、模块负母排N及中线点母排O；第二层包括左桥臂悬浮电容正母排（2-1）、左桥臂悬浮电容负母排（2-2）、右桥臂悬浮电容正母排（2-3）、右桥臂悬浮电容负母排（2-4）；第三层包括左上连结母排（3-1）、左下连结母排（3-2）、右上连结母排（3-3）、右下连结母排（3-4）；第四层包括左桥臂交流输出母排a、右桥臂交流输出母排b。

3.根据权利要求2所述五电平有源中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，其特征在于：所述第二IGBT组T2的左侧端口通过第二层的左桥臂悬浮电容正母排（2-1）与左桥臂悬浮电容Cf1正极连接；第三IGBT组T3的左侧端口通过第二层的左桥臂悬浮电容负母排（2-2）与左桥臂悬浮电容Cf1负极连接；第一IGBT 组T1的中间端口通过第三层的左上连接母排（3-1）分别与第二IGBT组T2的最右侧端口、第五IGBT组T5的最右侧端口连接；第六IGBT组T6的中间端口通过第三层的左下连接母排（3-2）分别与第三IGBT组T3的中间端口、第四IGBT组T4的最右侧端口连接；第二IGBT组T2的中间端口通过第四层的左桥臂交流输出母排a与第三IGBT组T3的最右侧端口连接。

4.根据权利要求2所述五电平有源中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，其特征在于：所述左桥臂悬浮电容Cf1及右桥臂悬浮电容Cf2位于上支撑电容Cd1与下支撑电容Cd2之间，同时，左桥臂悬浮电容Cf1、右桥臂悬浮电容Cf2、上支撑电容Cd1及下支撑电容Cd2位于左半桥臂器件与右半桥臂器件之间。

5.根据权利要求4所述五电平有源中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，其特征在于：所述上支撑电容Cd1正极通过第一层的模块正母排P分别与第一IGBT组T1最右侧端口、第七IGBT组T7最右侧端口连接；所述上支撑电容Cd1负极通过第一层的中性点母排O分别与下支撑电容Cd2正极、第五IGBT组T5的中间端口、第六IGBT组T6的最右侧端口、第十一IGBT组T22的中间端口、第十二IGBT组T12的最右侧端口连接；所述下支撑电容Cd2负极通过第一层的模块负母排N分别与第四IGBT组T4中间端口、第十IGBT组T10中间端口连接。

说明书

技术领域

本发明属于大功率电能变换技术领域，具体涉及一种五电平有源中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局。

背景技术

随着电力电子器件技术、信息和控制技术的日益进步，电力电子变流技术得到了很大的发展和提高。目前，中高压、大容量电力电子变流器所涉及和应用的范围越来越广泛，如风电变流器、高压直流输电变流器、重载机车牵引变流器、矿用电气传动变流器、军用移动平台变流器等，成为行业发展的重要方向。传统的两电平变换器的功率器件耐压能力有限，器件串联存在均压等问题，不适用于中压大容量场合。五电平有源中点钳位变换器（5L-ANPC）是一种多电平拓扑，较好解决了开关器件的耐压问题，使得现有电压等级的电力电子器件在中高压场合的应用成为可能，因此，基于五电平有源中点钳位拓扑在中压领域有广阔的应用前景。

驱动中压多相开绕组电机的变频器采用五电平有源中点钳位拓扑的多相H桥结构，不同的H桥单元主电路不存在耦合，功率单元相互独立，其H桥电路结构可独立设计。H桥功率器件布局和叠层母排设计的优劣直接关系到变流器的整体性能。相比传统的二电平变流器，五电平有源中点钳位变流器换流回路更多、更复杂，换流路径也更长。功率开关器件动作时，其换流回路杂散电感产生的电压尖峰将叠加在功率器件两端，增加了器件电压应力甚至可能超出器件耐压范围，易造成功率开关器件损坏。此外，杂散电感与吸收电容形成谐振回路，易引起功率电路振荡，增加了系统损耗并延长了器件关断过渡过程，不利于器件安全工作。为进一步提高五电平有源中点钳位变流器性能和可靠性，其功率器件布局和叠层母排设计非常关键。合理的功率器件布局能缩短换流路径长度，简化换流回路，也能降低叠层母排的设计难度；良好的叠层母排设计能实现换流路径的充分复合，最大限度降低换流回路的杂散电感。此外，因制造和装配误差、母排本身和电容等因素作用，导致功率器件受力是不可避免的，如果不在功率器件布局和叠层母排设计阶段将这些因素考虑进去，很可能导致功率器件承受过大的应力。特别是五电平有源中点钳位变换器的母排通常较大，功率器件数量较两电平多，更增加了这种风险。此外，五电平变流器内管换流路径比较长，在实际应用时通常都会留有较大的电压和电流裕量，功率模块的容量得不到充分的应用。为了提高系统可靠性，对IGBT的安全工作区充分利用，须在考虑五电平有源中点钳位拓扑换流路径的基础上精确、合理地设计器件布局和叠层母排。叠层母排能实现变流器功率器件的高度集成，同时，通过合理的器件布局及叠层母排回路复合大幅降低换流回路杂散电感，从而有效降低功率器件开关过程中所承受的尖峰电压，降低功率器件对保护吸收电路的要求，提高功率器件利用率及运行的可靠性和稳定性。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种能缩短各半桥换流路径长度、简化换流回路的五电平有源中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局。

为实现上述目的，本发明所设计的五电平有源中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，叠层母排结构布局包括左半桥臂器件、右半桥臂器件、叠层母排、上支撑电容Cd1、下支撑电容Cd2、左桥臂悬浮电容Cf1及右桥臂悬浮电容Cf2；左半桥臂器件包括第一IGBT组T1、第二IGBT组T2、第三IGBT组T3、第四IGBT组T4、第五IGBT组T5及第六IGBT组T6，每组IGBT组包括两个独立的IGBT；所述左半桥臂器件与右半桥臂器件的布局相同，左半桥臂器件位于叠层母排右半部分，右半桥臂器件位于叠层母排左半部分；

第一IGBT组T1位于右上角，组件内两个独立的IGBT从右至左串联布置，右侧IGBT集电极端子接口处于最右侧，左侧IGBT发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；第二IGBT组T2位于第一IGBT组T1下方，组件内两个独立的IGBT从右至左串联布置，左侧IGBT集电极端子接口处于最右侧，右侧IGBT发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；第三IGBT组T3位于右下角，组件内两个独立的IGBT从右至左串联布置，左侧IGBT集电极端子接口处于最右侧，右侧IGBT射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；第四IGBT组T4位于第三IGBT组T3上方，组件内两个独立的IGBT从右至左串联布置，左侧IGBT集电极端子接口处于最右侧，右侧IGBT发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；第五IGBT组T5位于中间，处在第二IGBT组T2下方，组件内两个独立的IGBT从右至左串联布置，左侧IGBT集电极端子接口处于最右侧，右侧IGBT发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；第六IGBT组T6位于中间，处在第五IGBT组T5下方，组件内两个独立的IGBT从右至左串联布置，左侧IGBT集电极端子接口处于最右侧，右侧IGBT发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧。

进一步地，所述叠层母排包括四层，第一层包括模块正母排P、模块负母排N及中线点母排O；第二层包括左桥臂悬浮电容正母排2-1、左桥臂悬浮电容负母排2-2、右桥臂悬浮电容正母排2-3、右桥臂悬浮电容负母排2-4；第三层包括左上连结母排3-1、左下连结母排3-2、右上连结母排3-3、右下连结母排3-4；第四层包括左桥臂交流输出母排a、右桥臂交流输出母排b。

进一步地，所述第二IGBT组T2的左侧端口通过第二层的左桥臂悬浮电容正母排2-1与左桥臂悬浮电容Cf1正极连接；第三IGBT组T3的左侧端口通过第二层的左桥臂悬浮电容负母排2-2与左桥臂悬浮电容Cf1负极连接；第一IGBT 组T1的中间端口通过第三层的左上连接母排3-1分别与第二IGBT组T2的最右侧端口、第五IGBT组T5的最右侧端口连接；第六IGBT组T6的中间端口通过第三层的左下连接母排3-2分别与第三IGBT组T3的中间端口、第四IGBT组T4的最右侧端口连接；第二IGBT组T2的中间端口通过第四层的左桥臂交流输出母排a与第三IGBT组T3的最右侧端口连接。

进一步地，所述左桥臂悬浮电容Cf1及右桥臂悬浮电容Cf2位于上支撑电容Cd1与下支撑电容Cd2之间，同时，左桥臂悬浮电容Cf1、右桥臂悬浮电容Cf2、上支撑电容Cd1及下支撑电容Cd2位于左半桥臂器件与右半桥臂器件之间。

进一步地，所述上支撑电容Cd1正极通过第一层的模块正母排P分别与第一IGBT组T1最右侧端口、第七IGBT组T7最右侧端口连接；所述上支撑电容Cd1负极通过第一层的中性点母排O分别与下支撑电容Cd2正极、第五IGBT组T5的中间端口、第六IGBT组T6的最右侧端口、第十一IGBT组T22的中间端口、第十二IGBT组T12的最右侧端口连接；所述下支撑电容Cd2负极通过第一层的模块负母排N分别与第四IGBT组T4中间端口、第十IGBT组T10中间端口连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明五电平有源中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，合理的器件布局能有效缩短换流路径长度，改善换流回路复合效果，降低叠层母排的设计难度；良好的叠层母排设计能实现换流路径的充分复合，降低了换流回路的杂散电感，大幅度降低了功率器件的关断过电压，简化了吸收电路，在降低成本的同时使结构更加紧凑、功率密度进一步提高，扩大了五电平变流器的安全工作区域，有利于五电平变流器的长期安全、稳定运行。

附图说明

图1为H桥五电平电路的原理图；

图2为本发明五电平有源中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局示意图；

图3为本发明叠层母排第一层示意图；

图4为本发明叠层母排第二层示意图；

图5为本发明叠层母排第三层示意图；

图6为本发明叠层母排第四层示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2所示，五电平有源中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，叠层母排结构布局包括左半桥臂器件、右半桥臂器件、叠层母排、上支撑电容Cd1、下支撑电容Cd2、左桥臂悬浮电容Cf1及右桥臂悬浮电容Cf2。左半桥臂器件包括第一IGBT组T1、第二IGBT组T2、第三IGBT组T3、第四IGBT组T4、第五IGBT组T5及第六IGBT组T6，每组IGBT组包括两个独立的IGBT，共12个IGBT，即S1~S12；同理，右半桥臂器件包括第七IGBT组T7、第八IGBT组T8、第九IGBT组T9、第十IGBT组T10、第十一IGBT组T11及第十二IGBT组T12，每组IGBT组包括两个独立的IGBT，共12个IGBT，即S13~S24。左半桥臂器件与右半桥臂器件的布局相同，左半桥臂器件位于叠层母排右半部分，右半桥臂器件位于叠层母排左半部分，左桥臂悬浮电容Cf1及右桥臂悬浮电容Cf2位于上支撑电容Cd1与下支撑电容Cd2之间，同时，左桥臂悬浮电容Cf1、右桥臂悬浮电容Cf2、上支撑电容Cd1及下支撑电容Cd2位于左半桥臂器件与右半桥臂器件之间。

结合图3~6所示，叠层母排包括四层，第一层包括模块正母排P、模块负母排N及中线点母排O；第二层包括左桥臂悬浮电容正母排2-1、左桥臂悬浮电容负母排2-2、右桥臂悬浮电容正母排2-3、右桥臂悬浮电容负母排2-4；第三层包括左上连结母排3-1、左下连结母排3-2、右上连结母排3-3、右下连结母排3-4；第四层包括左桥臂交流输出母排a、右桥臂交流输出母排b。

其中，左半桥臂器件的布局如下，如图2所示：

第一IGBT组T1位于右上角，组件内两个独立的S1、S2从右至左串联布置，其右侧S1集电极端子接口处于最右侧，左侧S2发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；

第二IGBT组T2位于第一IGBT组T1下方，组件内两个独立的S9、S10从右至左串联布置，左侧S9集电极端子接口处于最右侧，右侧S10发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；

第三IGBT组T3位于右下角，组件内两个独立的S11、S12从右至左串联布置，左侧S11）集电极端子接口处于最右侧，右侧S12射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；

第四IGBT组T4位于第三IGBT组T3上方，组件内两个独立的S7、S8从右至左串联布置，左侧S7集电极端子接口处于最右侧，右侧S8发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；

第五IGBT组T5位于中间，处在第二IGBT组T2下方，组件内两个独立的S3、S4从右至左串联布置，左侧S3集电极端子接口处于最右侧，右侧S4发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧；

第六IGBT组T6位于中间，处在第五IGBT组T5下方，组件内两个独立的S5、S6从右至左串联布置，左侧S5集电极端子接口处于最右侧，右侧S6发射极端子接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左侧。

右半桥臂器件的布局和左半桥臂器件的布局一样，位于叠层母排的右侧，在此不再赘述。

左半桥臂器件与叠层母排的连接具体如下：

第二IGBT组T2的左侧端口通过第二层的左桥臂悬浮电容正母排2-1与左桥臂悬浮电容Cf1正极连接；

第三IGBT组T3的左侧端口通过第二层的左桥臂悬浮电容负母排2-2与左桥臂悬浮电容Cf1负极连接；

第一IGBT 组T1的中间端口通过第三层的左上连接母排3-1分别与第二IGBT组T2的最右侧端口、第五IGBT组T5的最右侧端口连接；

第六IGBT组T6的中间端口通过第三层的左下连接母排3-2分别与第三IGBT组T3的中间端口、第四IGBT组T4的最右侧端口连接；

第二IGBT组T2的中间端口通过第四层的左桥臂交流输出母排a与第三IGBT组T3的最右侧端口连接。

右半桥臂器件的布局和左半桥臂器件的布局一样，右半桥臂器件与叠层母排的连接同左半桥臂器件与叠层母排的连接是完全一致的，即：

第八IGBT组T8的左侧端口通过第二层的右桥臂悬浮电容正母排2-3与右桥臂悬浮电容Cf2正极连接；

第九IGBT组T9的左侧端口通过第二层的右桥臂悬浮电容负母排2-4与右桥臂悬浮电容Cf2负极连接；

第七IGBT 组T7的中间端口通过第三层的右上连接母排3-3分别与第八IGBT组T8的最右侧端口、第十一IGBT组T11的最右侧端口连接；

第十二IGBT组T12的中间端口通过第三层的右下连接母排3-4分别与第九IGBT组T9的中间端口、第十IGBT组T10的最右侧端口连接；

第八IGBT组T8的中间端口通过第四层的右桥臂交流输出母排b与第九IGBT组T9的最右侧端口连接。

另外，上支撑电容Cd1正极通过第一层的模块正母排P分别与第一IGBT组T1最右侧端口、第七IGBT组T7最右侧端口连接；

上支撑电容Cd1负极通过第一层的中性点母排O分别与下支撑电容Cd2正极、第五IGBT组T5的中间端口、第六IGBT组T6的最右侧端口、第十一IGBT组T22的中间端口、第十二IGBT组T12的最右侧端口连接；

下支撑电容Cd2负极通过第一层的模块负母排N分别与第四IGBT组T4中间端口、第十IGBT组T10中间端口连接。

综上，本发明通过合理的叠层母排结构和器件布局，有效缩短了换流路径长度，改善换流回路复合效果，有效地降低了换流回路的杂散电感，可以大幅度降低功率器件的关断过电压，扩大变流器的安全工作区域，有利于五电平有源钳位变流器的长期安全、稳定运行。

除上述实例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本专利要求的保护范围内。

五电平有源中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。