专利摘要

专利摘要

本发明公开了一种四电平嵌套中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，器件包括左半桥臂器件、右半桥臂器件及叠层母排；左半桥臂器件包括第一IGBT组、第二IGBT组、第三IGBT组、左半桥臂钳位二极管组Da、左支撑电容Cd1、左上悬浮电容Cfa1及左下悬浮电容Cfa2，IGBT组包括两个独立的IGBT；左半桥臂器件与右半桥臂器件的布局与连接完全相同。能有效缩短换流路径长度，改善换流回路复合效果，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，扩大了四电平变流器的安全工作区域，有利于四电平变流器的长期安全、稳定运行。

权利要求

1.一种四电平嵌套中点钳位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、右半桥臂器件及叠层母排；左半桥臂器件包括第一IGBT组T1、第二IGBT组T2、第三IGBT组T3、左半桥臂钳位二极管组Da、左支撑电容Cd1、左上悬浮电容Cfa1及左下悬浮电容Cfa2，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完全相同，所述左半桥臂器件位于叠层母排上半部分，所述右半桥臂器件位于叠层母排下半部分；

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，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；第三IGBT组T3位于第二IGBT组T2下方，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。

2.根据权利要求1所述四电平嵌套中点钳位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P1、左半桥臂IGBT与二极管连接母排（2）、右半桥臂IGBT与二极管连接母排（2-b），第二层包括左半桥臂悬浮电容中点母排M、右半桥臂悬浮电容中点母排M-b、左半桥臂交流输出母排AC、右半桥臂交流输出母排AC-b、左半桥臂下悬浮电容连接母排（4）及右半桥臂下悬浮电容连接母排（4-b），第三层包括左半桥臂支撑电容正连结母排P2、右半桥臂支撑电容正连结母排P2-b、左半桥臂支撑电容负连结母排N2及右半桥臂支撑电容负连结母排N2-b，第四层包括模块负母排N1、左半桥臂IGBT与二极管连接母排（3）、右半桥臂IGBT与二极管连接母排（3-b）、左半桥臂上悬浮电容连接母排（1）及右半桥臂上悬浮电容连接母排（1-b）。

3.根据权利要求2所述四电平嵌套中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，其特征在于：所述第一IGBT组T1的中间端口通过第一层的左半桥臂IGBT与二极管连接母排（2）分别与第二IGBT组T2的最右侧端口、左半桥臂钳位二极管组Da的最右侧端口相连接；第二IGBT组T2的左侧端口与第二层的左半桥臂交流输出母排AC连接；第三IGBT组T3的左侧端口通过第二层的左半桥臂下悬浮电容连接母排（4）与左下悬浮电容Cfa1的阴极连接；第一IGBT组T1的右侧端口通过第三层的左半桥臂支撑电容正连结母排P2与左支撑电容Cd1的阳极连接；第三IGBT组T3的中间端口通过第三层的左半桥臂支撑电容负连结母排N2与左支撑电容Cd1的阴极连接；第一IGBT组T1的左侧端口通过第四层的左半桥臂上悬浮电容连接母排（1）与左上悬浮电容Cfa1正极连接；第二IGBT组T2的中间端口通过第四层的左半桥臂IGBT与二极管连接母排（3）分别与第三IGBT组T3的最右侧端口、左半桥臂钳位二极管组Da的中间端口相连接；且所述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一致的。

4.根据权利要求2所述四电平嵌套中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，其特征在于：所述左半桥臂钳位二极管组Da位于第二IGBT组T2左侧，组内两个独立的二极管串联布置，串联后右侧二极管Da1阴极端子的接口位于最右端，左侧二极管Da2阳极端子的接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左端；左上悬浮电容Cfa1和左下悬浮电容Cfa2位于左半桥臂钳位二极管组Da的左侧，左支撑电容Cd1位于左上悬浮电容Cfa1与左下悬浮电容Cfa2之间且位于最左端。

5.根据权利要求4所述四电平嵌套中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，其特征在于：所述左支撑电容Cd1正极与第一层的模块正母排P1连接；左上悬浮电容Cfa1的负极通过第二层的左半桥臂悬浮电容中点母排M分别与左下悬浮电容Cfa2的正极、左半桥臂钳位二极管组Da的最右侧端口连接；左支撑电容Cd1负极与第四层的模块负母排N1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，具体涉及一种四电平嵌套中点钳位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。四电平嵌套中点钳位变换器（4L-NNPC）是一种新型多电平拓扑，其拓扑结构简单、所需器件较少，并且所有功率器件承受的电压均为直流侧的1/3，无需功率器件串联便可以工作在10kV电压等级上。因此，四电平嵌套中点钳位拓扑十分适用于中压大容量场合，特别是对体积重量要求严苛的移动平台。

驱动中压多相开绕组电机的变频器采用基于四电平嵌套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。其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。相比传统的两电平变流器，四电平嵌套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。

为进一步提高四电平嵌套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。特别是四电平嵌套中点钳位变换器的母排通常较大，电容数量较两电平多，更增加了这种风险。此外，四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，须在考虑四电平嵌套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、简化换流回路的四电平嵌套中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局。

为实现上述目的，本发明所设计的四电平嵌套中点钳位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、右半桥臂器件及叠层母排；左半桥臂器件包括第一IGBT组T1、第二IGBT组T2、第三IGBT组T3、左半桥臂钳位二极管组Da、左支撑电容Cd1、左上悬浮电容Cfa1及左下悬浮电容Cfa2，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完全相同，所述左半桥臂器件位于叠层母排上半部分，所述右半桥臂器件位于叠层母排下半部分；

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，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；第三IGBT组T3位于第二IGBT组T2下方，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。

进一步地，所述叠层母排包括四层，第一层包括模块正母排P1、左半桥臂IGBT与二极管连接母排2、右半桥臂IGBT与二极管连接母排2-b，第二层包括左半桥臂悬浮电容中点母排M、右半桥臂悬浮电容中点母排M-b、左半桥臂交流输出母排AC、右半桥臂交流输出母排AC-b、左半桥臂下悬浮电容连接母排4及右半桥臂下悬浮电容连接母排4-b，第三层包括左半桥臂支撑电容正连结母排P2、右半桥臂支撑电容正连结母排P2-b、左半桥臂支撑电容负连结母排N2及右半桥臂支撑电容负连结母排N2-b，第四层包括模块负母排N1、左半桥臂IGBT与二极管连接母排3、右半桥臂IGBT与二极管连接母排3-b、左半桥臂上悬浮电容连接母排1及右半桥臂上悬浮电容连接母排1-b。

进一步地，所述第一IGBT组T1的中间端口通过第一层的左半桥臂IGBT与二极管连接母排2分别与第二IGBT组T2的最右侧端口、左半桥臂钳位二极管组Da的最右侧端口相连接；第二IGBT组T2的左侧端口与第二层的左半桥臂交流输出母排AC连接；第三IGBT组T3的左侧端口通过第二层的左半桥臂下悬浮电容连接母排4与左下悬浮电容Cfa1的阴极连接；第一IGBT组T1的右侧端口通过第三层的左半桥臂支撑电容正连结母排P2与左支撑电容Cd1的阳极连接；第三IGBT组T3的中间端口通过第三层的左半桥臂支撑电容负连结母排N2与左支撑电容Cd1的阴极连接；第一IGBT组T1的左侧端口通过第四层的左半桥臂上悬浮电容连接母排1与左上悬浮电容Cfa1正极连接；第二IGBT组T2的中间端口通过第四层的左半桥臂IGBT与二极管连接母排3分别与第三IGBT组T3的最右侧端口、左半桥臂钳位二极管组Da的中间端口相连接；且所述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一致的。

进一步地，所述左半桥臂钳位二极管组Da位于第二IGBT组T2左侧，组内两个独立的二极管串联布置，串联后右侧二极管Da1阴极端子的接口位于最右端，左侧二极管Da2阳极端子的接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左端；左上悬浮电容Cfa1和左下悬浮电容Cfa2位于左半桥臂钳位二极管组Da的左侧，左支撑电容Cd1位于左上悬浮电容Cfa1与左下悬浮电容Cfa2之间且位于最左端。

进一步地，所述左支撑电容Cd1正极与第一层的模块正母排P1连接；左上悬浮电容Cfa1的负极通过第二层的左半桥臂悬浮电容中点母排M分别与左下悬浮电容Cfa2的正极、左半桥臂钳位二极管组Da的最右侧端口连接；左支撑电容Cd1负极与第四层的模块负母排N1连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明四电平嵌套中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，叠层母排与器件的连接布局，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，扩大了四电平变流器的安全工作区域，有利于四电平变流器的长期安全、稳定运行。

附图说明

图1为H桥四电平电路的原理图；

图2为本发明四电平嵌套中点钳位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，四电平嵌套中点钳位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、右半桥臂器件及叠层母排。左半桥臂器件与右半桥臂器件的布局完全相同，左半桥臂器件位于叠层母排上半部分，右半桥臂器件位于叠层母排下半部分。左半桥臂器件包括第一IGBT组T1、第二IGBT组T2、第三IGBT组T3、左半桥臂钳位二极管组Da、左支撑电容Cd1、左上悬浮电容Cfa1及左下悬浮电容Cfa2，每组IGBT组包括两个独立的IGBT；同理，右半桥臂器件包括第四IGBT组T4、第五IGBT组T5、第六IGBT组T6、右半桥臂钳位二极管组Db、右支撑电容Cd2、右上悬浮电容Cfb1及右下悬浮电容Cfb2，每组IGBT组包括两个独立的IGBT。即本实施例中，全桥四电平电路包括12个IGBT，即Ta1~Ta6及Tb1~Tb6，两桥臂的钳位二极管Da1、Da2、Db1及Db2。

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P1、左半桥臂IGBT与二极管连接母排2、右半桥臂IGBT与二极管连接母排2-b，第二层包括左半桥臂悬浮电容中点母排M、右半桥臂悬浮电容中点母排M-b、左半桥臂交流输出母排AC、右半桥臂交流输出母排AC-b、左半桥臂下悬浮电容连接母排4及右半桥臂下悬浮电容连接母排4-b，第三层包括左半桥臂支撑电容正连结母排P2、右半桥臂支撑电容正连结母排P2-b、左半桥臂支撑电容负连结母排N2及右半桥臂支撑电容负连结母排N2-b，第四层包括模块负母排N1、左半桥臂IGBT与二极管连接母排3、右半桥臂IGBT与二极管连接母排3-b、左半桥臂上悬浮电容连接母排1及右半桥臂上悬浮电容连接母排1-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Ta1、Ta2从右至左串联布置，其右侧Ta1集电极端子接口处于最右侧，左侧Ta2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Ta3、Ta4从右至左串联布置，其右侧Ta3集电极端子接口处于最右侧，左侧Ta4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位于第二IGBT组T2下方。组件内两个独立的Ta5、Ta6从右至左串联布置，其右侧Ta5集电极端子接口处于最右侧，左侧Ta6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；

左半桥臂钳位二极管组Da位于第二IGBT组T2左侧，组内两个独立的二极管Da1、Da2串联布置，串联后右侧二极管Da1阴极端子的接口位于最右端，左侧二极管Da2阳极端子的接口位于中间，串联中点端子的接口位于最左端；

左上悬浮电容Cfa1和左下悬浮电容Cfa2位于左半桥臂钳位二极管组Da的左侧，左支撑电容Cd1位于左上悬浮电容Cfa1与左下悬浮电容Cfa2之间且位于最左端。

左半桥臂器件与叠层母排的连接具体如下：

左支撑电容Cd1正极与第一层的模块正母排P1连接；

第一IGBT组T1的中间端口通过第一层的左半桥臂IGBT与二极管连接母排2分别与第二IGBT组T2的最右侧端口、左半桥臂钳位二极管组Da的最右侧端口相连接；

左上悬浮电容Cfa1的负极通过第二层的左半桥臂悬浮电容中点母排M分别与左下悬浮电容Cfa2的正极、左半桥臂钳位二极管组Da的最右侧端口连接；

第二IGBT组T2的左侧端口与第二层的左半桥臂交流输出母排AC连接；

第三IGBT组T3的左侧端口通过第二层的左半桥臂下悬浮电容连接母排4与左下悬浮电容Cfa1的阴极连接；

第一IGBT组T1的右侧端口通过第三层的左半桥臂支撑电容正连结母排P2与左支撑电容Cd1的阳极连接；

第三IGBT组T3的中间端口通过第三层的左半桥臂支撑电容负连结母排N2与左支撑电容Cd1的阴极连接；

左支撑电容Cd1负极与第四层的模块负母排N1连接；

第一IGBT组T1的左侧端口通过第四层的左半桥臂上悬浮电容连接母排1与左上悬浮电容Cfa1正极连接；

第二IGBT组T2的中间端口通过第四层的左半桥臂IGBT与二极管连接母排3分别与第三IGBT组T3的最右侧端口、左半桥臂钳位二极管组Da的中间端口相连接。

右半桥臂器件的布局和左半桥臂器件的布局一样，且右半桥臂器件位于左半桥臂器件的下方。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：

右支撑电容Cd2正极与第一层的模块正母排P1连接；

第四IGBT组T4的中间端口通过第一层的右半桥臂IGBT与二极管连接母排2-b分别与第五IGBT组T5的最右侧端口、右半桥臂钳位二极管组Db的最右侧端口相连接；

右上悬浮电容Cfb1的负极通过第二层的右半桥臂悬浮电容中点母排M-b分别与右下悬浮电容Cfb2的正极、右半桥臂钳位二极管组Db的最右侧端口连接；

第五IGBT组T5的左侧端口与第二层的右半桥臂交流输出母排AC-b连接；

第六IGBT组T6的左侧端口通过第二层的右半桥臂下悬浮电容连接母排4-b与右下悬浮电容Cfb1的阴极连接；

第四IGBT组T4的右侧端口通过第三层的右半桥臂支撑电容正连结母排P2-b与右支撑电容Cd2的阳极连接；

第六IGBT组T6的中间端口通过第三层的右半桥臂支撑电容负连结母排N2-b与右支撑电容Cd2的阴极连接；

右支撑电容Cd2负极与第四层的模块负母排N1连接；

第四IGBT组T4的左侧端口通过第四层的右半桥臂上悬浮电容连接母排1-b与右上悬浮电容Cfb1正极连接；

第五IGBT组T5的中间端口通过第四层的右半桥臂IGBT与二极管连接母排3-b分别与第六IGBT组T6的最右侧端口、右半桥臂钳位二极管组Db的中间端口相连接。

综上，本发明中合理的器件布局能缩短各半桥换流路径长度，简化换流回路，同时，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，有效抑制器件的关断过电压，扩大变流器的安全工作区域，有利于四电平中点钳位变流器的长期安全、稳定运行；简化吸收电路，在降低成本的同时使结构更加紧凑，功率密度进一步提高。

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。

四电平嵌套中点钳位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》。