專利名稱：開關模塊、功率轉換器及采用開關模塊組成的功率轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及開關模塊、功率轉換器及采用開關模塊組成的功率轉換器，而更具體地涉及由多個串聯(lián)的自斷路器件組成的開關模塊、帶有低損耗緩沖電路的功率轉換器及帶有用開關模塊組成的低損耗緩沖電路的功率轉換器。
圖25中示出了到目前為止所采用的由單個自斷路器件組成的開關模塊SM0。這一開關模塊SM0是由諸如IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)等單個自斷路器件S1及與自斷路器件S1逆并聯(lián)的單個續(xù)流二極管D1組成的。自斷路器件S1的集電極引線(正側端子)作為第一外部端子1引出，及自斷路器件S1的發(fā)射極引線(負側端子)作為第二外部端子2引出，并進一步將用于自斷路器件S1的接通/斷開控制的門信號引線30引出開關模塊SM0。
圖26中示出了采用這種開關模塊SM0組成的傳統(tǒng)的單相中點箝位功率轉換器(此后稱作“NPC倒相器”)的配置的實例。此外，圖27中示出了圖26中所示的NPC倒相器的電路配置圖。
圖26與27中所示的NPC倒相器由四個分別用單個自斷路器件S1、S2、S3與S4及與它們逆并聯(lián)的單個續(xù)流二極管D1、D2、D3與D4組成的串聯(lián)開關模塊SM01-SM04組成。開關模塊SM01-SM04是通過將正側開關模塊的外部端子2連接到負側開關模塊的外部端子1上而串聯(lián)的。再者，各自斷路器件S1、S2、S3與S4與一個緩沖電路并聯(lián)。各緩沖電路由一個緩沖二極管Ds、一個與緩沖二極管Ds串聯(lián)的緩沖電容器Cs及一個與緩沖二極管并聯(lián)的緩沖電阻器Rs組成。后綴到器件上的數(shù)字碼1-4表示對應的模塊SM01-SM04。在開關模塊SM01與SM02的連接點與開關模塊SM03與SM04的連接點之間，在與自斷路器件S1-S4的極性相反的方向上串聯(lián)箝位二極管DC1與DC2。從由帶有電壓Vd1與Vd2的電容器Cp1與Cp2組成的DC電壓源(電壓Vd＝Vd1+Vd2)，引出正側端子10、零電壓端子11及負側端子12。通過線路電感L1、L3將串聯(lián)的四個開關模塊SM01-SM04連接在正與負側端子10與12之間。再者，將箝位二極管DC1、DC2的連接點連接到零電壓端子11上，并且在此還示出線路電感L2。從兩個開關模塊SM02與SM03的連接點上引出NPC倒相器的輸出端20。
下面描述圖26與27中所示的NPC倒相器的工作。
下面示出自斷路器件S1-S4的開關操作與電壓電平的關系。當自斷路器件S1與S2接通時這一NPC倒相器輸出電壓Vd1，當自斷路器件S2與S3接通時輸出零電壓，而當自斷路器件S3與S4接通時輸出電壓-Vd2。為了簡化說明，假設Vd1＝Vd2＝Vd/2。
在NPC倒相器中，例如，如果同時接通自斷路器件S1-S3，便在自斷路器件S1-S2-S3及箝位二極管DC2的通路中形成DC電壓Vd1的短路，而過量的短路電流流經短路中的器件。為了防止這一短路電流，自斷路器S1與S3相反地操作(當其中之一接通時另一個斷開)并且自斷路器件S2與S4也相反地操作。
下面描述圖26與27中所示的緩沖電路的操作。各緩沖電路配置在靠近各自的自斷路器件S1-S4以減少線路電感的影響。如果在電流正在流經線路電感L1及自斷路器件S1與S2的狀態(tài)中斷開自斷路器件S1，線路電感L1的剩余能量通過二極管Ds1充電緩沖電容器Cs1，如圖28中所示。電容器Cs1的電壓成為DC電壓Vd1與線路電感L1的剩余能量的電壓之和。當下一次接通自斷路器件S1時緩沖電容器Cs1中的電荷通過通路從緩沖電容器Cs1→緩沖電阻器Rs1→自斷路器件S1放電，而緩沖電容器Cs1中的電荷降低到接近零。這也適用于圖29中所示的其它自斷路器件S2-S4。
在圖25中所示的開關模塊SM0中，自斷路器件S1及與之逆并聯(lián)的續(xù)流二極管D1之間的接線長度變短而能減少它們之間的線路電感。但不能減少開關模塊SM0與其它器件之間所需的線的電感。再者，在圖27中所示的電路配置的緩沖電路的情況中，緩沖電阻器Rs1-Rs4消耗全部緩沖能量而因此其效率更差。
在解決這一缺點的努力中，提出了用于NPC倒相器的一種低損耗緩沖電路(日本電氣工程師協(xié)會1995年全國會議，報告NO.5，320頁，1178“三電平倒相器的箝位緩沖器”)。這一建議的緩沖電路示出在圖30中。
圖30示出采用這種低損耗緩沖電路的NPC倒相器的單相主電路配置的一個實例。再者，對于圖30中所示的電路，圖31中示出了應用圖25中所示的傳統(tǒng)開關模塊SM0的NPC倒相器的單相主電路配置的實例。
在圖30與31中，作為圖26與27中所示的NPC倒相器的放電緩沖電路的緩沖電路元件增加了緩沖二極管Ds1-Ds4、Ds22與Ds32、緩沖電容器Cs1-Cs4及緩沖電阻器Rs1-Rs4。
下面描述采用圖30與31中所示的低損耗緩沖電路的NPC倒相器的操作。當在電流正在流經線路電感L1及自斷路器件S1與S2的狀態(tài)中斷開自斷路器件S1時，自斷路器件S1的電壓被線路電感L1的剩余能量升高。當自斷路器件S1的電壓超過緩沖電容器CS1的電壓時，便將一個正向電壓作用到緩沖二極管Ds1上而緩沖二極管Ds1成為接通狀態(tài)。結果，線路電感L1的剩余能量流入緩沖電容器Cs1中。此時，如果緩沖電容器Cs1的電壓升高到高于DC電壓Vd1，超過的電壓被緩沖電阻器Rs1放電，從而使緩沖電容器Cs1的電壓等于電壓Vd1。
這些狀態(tài)示出于圖32與圖33中。將緩沖電容器Cs1的電壓作用在自斷路器件S1上，然后將DC電壓Vd1平穩(wěn)地作用在其上。當接通自斷路器件S1時，電容器Cs1并不放電而是保持箝位在DC電壓Vd1上。因此，只在斷開時通過緩沖電阻器Rs1釋放過量的電壓，并從而能得到低損耗緩沖電路。
下面描述斷開自斷路器件S2時的操作。當自斷路器件S2在接通狀態(tài)中并且電流正在流經線路電感L2、箝位二極管Dc1及自斷路器件S2的狀態(tài)中斷開自斷路器件S2時，自斷路器件S2的電壓被線路電感L2的剩余能量升高。如果自斷路器件S2的終端電壓超過了緩沖電容器Cs2的電壓，緩沖二極管Ds2成為接通狀態(tài)，而線路電感L2的剩余能量流入緩沖電容器Cs2中。結果，緩沖電容器Cs2的電壓升高，而緩沖電容器Cs2保持充電，因為即使緩沖電容器Cs2的電壓成為高于DC電壓Vd2，電荷也無處可去。圖34中示出了這一狀態(tài)中的電路圖。
圖35示出釋放緩沖電容器Cs2的過度充電電荷的通路。在下一次接通自斷路器件S2時，按照上述開關控制，自斷路器件S3也在接通狀態(tài)中。放電通路的次序為緩沖電容器Cs2→自斷路器件S2→自斷路器件S3→箝位二極管Dc2→DC電壓源Cp2→緩沖二極管Ds22→緩沖電阻器Rs2。緩沖電容器Cs2的電壓箝位在電壓Vd2上并且只有超過電壓Vd2的電壓通過緩沖阻器Rs2釋放。在自斷路器件S3與S4的緩沖電路中也一樣。
對于圖30與31中所示的傳統(tǒng)低損耗緩沖電路，緩沖二極管Ds22與Ds32成為新需要的。下面描述這些二極管Ds22與Ds32的操作。例如，當自斷路器件S1與S2在接通狀態(tài)中時，自斷路器件S2的正側端子上，即在緩沖電容器Cs2的一端上的電位變成等于在DC電壓源的正側端子10上的電位。假定沒有緩沖二極管Ds22時，緩沖電容器Cs2的另一端上的電位變成等于DC電壓源的負側端子12上的電位。這便是，需要緩沖二極管Ds22來防止將DC電壓源的全部電壓作用在緩沖電容器Cs2上的狀態(tài)，即將DC電壓源的全部電壓作用在自斷路器件S2上。以相同方式，緩沖二極管Ds22防止將DC電源的全部電壓作用在自斷路器件S3上。
在采用圖30與31中所示的傳統(tǒng)低損耗緩沖電路的NPC倒相器的電路配置中，存在著這樣的問題，接通/斷開開關中的自斷路器件的組合必須是自斷路器件S2與S2，自斷路器件S2與S3以及自斷路器件S3與S4。這里有一個在日本專利公開(Kokai)號Hei4-295279中提出的其它開關控制系統(tǒng)的實例。
按照這一控制系統(tǒng)，通過取決于輸出電流方向的要求只接通自斷路器件，便有可能以消除無用的開關操作而減少損耗。這便是，當輸出電流為正時，接通自斷路器件S1與S2而輸出電壓電平為Vd1(Vd/2)；當輸出電流為正時，自斷路器件S2接通而電壓電平為0伏；當輸出電流為負時，自斷路器件S3接通而電壓電平為0伏；以及當輸出電流為負時，自斷路器件S3與S4接通而電壓電平為-Vd2(＝-Vd/2)。
換言之，當輸出電流為正時，自斷路器件S3與S4保持斷開，從而不進行無用的開關。再者，當輸出電流為負時，自斷路器件S1與S2保持斷開而不進行其無用的開關。這樣便能降低開關損耗。
然而，當試圖將這一控制系統(tǒng)應用在采用圖30與31中所示的傳統(tǒng)低損耗緩沖電路的NPC倒相器上時，便會產生下述問題。
這便是例如當輸出電流為正時，有可能需要接通/斷開自斷路器件S2，同時自斷路器件S3與S4保持在斷開狀態(tài)中。在這一情況中，即使在自斷路器件S2接通時，由于自斷路器件S3保持在斷開狀態(tài)中而不釋放緩沖電容器Cs2的過剩電壓。因此，每一次斷開自斷路器件S2時，緩沖電容器Cs2的電壓都升高，而最終將緩沖電容器Cs2充電到DC電壓源的總電壓(Vd＝Vd1+Vd2)。結果，自斷路器件S2的電壓成為過電壓。因此，難于將上述控制系統(tǒng)應用在具有圖30與31中所示的低損耗緩沖電路的NPC倒相器上。上述傳統(tǒng)開關模塊與傳統(tǒng)功率轉換器具有下述問題1.當采用傳統(tǒng)的開關模塊組成功率轉換器時，外部接線變長，線路電感增加，結果導致電路操作中的麻煩。
2.為了減少電路電感的影響，必須將緩沖電路布置得盡可能靠近開關模塊，因此，緩沖電路配置受到限制。
3.靠近開關模塊安裝的傳統(tǒng)緩沖電路具有大的損耗而使功率轉換器的效率變得更壞。與之相關，不可避免地會加大冷卻裝置的尺寸。
4.裝備傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路的中點箝位功率轉換器具有開關控制的限制并且自斷路器件取決于控制系統(tǒng)可能遭到過量電壓的作用。
從而，本發(fā)明的一個目的為提供一種能降低功率轉換器的主電路中的線路電感，能達到減少功率轉換器的整個系統(tǒng)的尺寸并能方便低損耗緩沖電路的組成的開關模塊。
本發(fā)明的另一個目的為提供裝有低損耗緩沖電路的高效功率轉換器。
本發(fā)明的又一目的為提供一種具有裝備了不易遭受自斷路器件的開關控制的限制的主電路的低損耗緩沖電路的功率轉換器。
本發(fā)明的另一目的為提供采用開關模塊組成的裝有低損耗緩沖電路的高效功率轉換器。
本發(fā)明的這些與其它目的能夠通過提供一種開關模塊達到，該開關模塊包括第一自斷路器件、與第一自斷路器件串聯(lián)的第二自斷路器件、與第一自斷路器件逆并聯(lián)的第一二極管、與第二自斷路器件逆并聯(lián)的第二二極管及以其陰極連接在第一與第二自斷路器件的連接點上的第三二極管。該開關模塊還包括連接在第一自斷路器件的正側端子上的第一外部端子、連接在第二自斷路器件的負側端子上的第二外部端子、連接在第三二極管的陽極上的第三外部端子、連接在第一自斷路器件的控制信號端上的第一外部控制端子及連接在第二自斷路器件的控制信號端上的第二外部控制端子。
按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種開關模塊，它包括第一自斷路器件、與第一自斷路器件串聯(lián)的第二自斷路器件、與第一自斷路器件逆并聯(lián)的第一二極管、與第二自斷路器件逆并聯(lián)的第二二極管及以其陽極連接在第一與第二自斷路器件的連接點上的第三二極管。該開關模塊還包括連接在第一自斷路器件的正側端子上的第一外部端子、連接在第二自斷路器件的負側端子上的第二外部端子、連接在第三二極管的陰極上的第三外部端子、連接在第一自斷路器件的控制信號端上的第一外部控制端子及連接在第二自斷路器件的控制信號端上的第二外部控制端子。
按照本發(fā)明另一方面，提供了一種中點箝位功率轉換器，它包括一個帶有正側端子、零電壓端子與負側端子的DC電壓源、由上述開關模塊組成的第一開關模塊、由上述開關模塊組成的第二開關模塊、以及連接在第一開關模塊的第二外部端子與第二開關模塊的第一外部端子上的中點箝位功率轉換器的輸出端。第一開關模塊的第一外部端子連接在DC電壓源的正側端子上。第一開關模快的第三外部端子與第二開關模塊的第三外部端子連接在DC電壓源的零電壓端子上，并且第二開關模塊的第二外部端子連接在DC電壓源的負側端子上。該中點箝位功率轉換器還包括以其陰極連接在第一開關模塊的第三外部端子上的第一緩沖二極管、連接在第一緩沖二極管的陽極與第一開關模塊的第一外部端子之間的第一緩沖電容器、與第一緩沖電容器并聯(lián)的第一緩沖電阻器、以其陰極連接在第一開關模塊的第二外部端子上的第二緩沖二極管、連接在第二緩沖二極管的陽極與第一開關模塊的第三外部端子之間的第二緩沖電容器、連接在第二緩沖二極管的陽極與DC電壓源的負側端子之間的第二緩沖電阻器、以其陽極連接在第二開關模塊的第一外部端子上的第三緩沖二極管、連接在第三緩沖二極管與第二開關模塊的第三外部端子之間的第三緩沖電容器、連接在第三緩沖二極管的陰極與DC電壓源的正側端子之間的第三緩沖電阻器、以其陽極連接在第二開關模塊的第三外部端子上的第四緩沖二極管、連接在第四緩沖二極管的陰極與第二開關模塊的第二外部端子之間的第四緩沖電容器以及與第四緩沖電容器并聯(lián)的第四緩沖電阻器。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種中點箝位功率轉換器，它包括一個帶有正側端子、零電壓端子與負側端子的DC電壓源、第一自斷路器件、第二自斷路器件、第三自斷路器件與第四自斷路器件的一串聯(lián)電路、與第一自斷路器件逆并聯(lián)的第一二極管、與第二自斷路器件逆并聯(lián)的第二二極管、與第三自斷路器件逆并聯(lián)的第三二極管、與第四自斷路器件逆并聯(lián)的第四二極管、以及連接在第二與第三自斷路器件的連接點上的中點箝位功率轉換器的輸出端子。第一自斷路器件的正側端子連接在DC電壓源的正側端子上，而第四自斷路器件的負側端子則連接在DC電壓源的負側端子上。該中點箝位功率轉換器還包括以其陰極連接在第一與第二自斷路器件的連接點上及其陽極連接在DC電壓源的零電壓端子上的第五二極管、以其陽極連接在第三與第四自斷路器件的連接點上及其陰極連接在DC電壓源的零電壓端子上的第六二極管、以其陰極連接在第二與第三自斷路器件的連接點上的第七二極管、以其陽極連接在第二與第三自斷路器件的連接點上的第八二極管、以其陰極連接在第五二極管的陽極上的第九二極管、以及以其陽極連接在第六二極管的陰極上的第十二極管。該中點箝位功率轉換器還包括連接在第九二極管的陽極與第一自斷路器件的正側端子之間的第一電容器、與第九二極管并聯(lián)的第一電阻器、連接在第五二極管的陽極與第七二極管的陽極之間的第二電容器、連接在第七二極管的陽極與DC電壓源的負側端子之間的第二電阻器、連接在第八二極管的陰極與DC電壓源的正側端子之間的第三電阻器、連接在第六二極管的陰極與第八二極管的陰極之間第三電容器、連接在第十二極管的陰極與第四自斷路器件的負側端子之間的第四電容器、以及與第十二極管并聯(lián)的第四電阻器。
隨著參照附圖考慮下面的詳細描述而更好地理解本發(fā)明，將會容易地得出本發(fā)明的更全面的理解及其伴隨的許多優(yōu)點，附圖中

圖1為展示按照本發(fā)明的第一實施例的開關模塊的配置的圖2為展示圖1中所示的開關模塊的結構的圖，其中(a)示出其平面圖，及(b)示出其正面圖；圖3為展示按照本發(fā)明的第二實施例的開關模塊的配置的圖；圖4為展示圖3中所示的開關模塊的結構的圖，其中(a)示出其平面圖，及(b)示出其正面圖；圖5為展示按照本發(fā)明的第三實施例的開關模塊的配置的圖；圖5A為圖5中所示的開關模塊的分解透視圖；圖6為展示圖5中所示的開關模塊的結構的圖，其中(a)示出其平面圖，(b)示出其正面圖；圖7為展示按照本發(fā)明的第四實施例的開關模塊的配置的圖；圖8為展示圖7中所示的開關模塊的結構的圖，其中(a)示出其平面圖，及(b)示出其正面圖；圖9為展示按照本發(fā)明的第五實施例的開關模塊的配置的圖；圖10為展示圖9中所示的開關模塊的結構的圖，其中(a)示出其平面圖，及(b)示出其正面圖；圖11為展示照本發(fā)明的第六實施例的開關模塊的配置的圖；圖12為展示11中所示的開關模塊的結構的圖，其中(a)示出其平面圖，及(b)示出其正面圖13為展示按照本發(fā)明的第七實施例的開關模塊的配置的圖；圖14為展示圖13中所示的開關模塊的結構的圖，其中(a)示出其平面圖，及(b)示出其正面圖；圖15為展示按照本發(fā)明的第八實施例的開關模塊的配置的圖；圖16為展示圖15中所示的開關模塊的結構的圖，其中(a)示出其平面圖，及(b)示出其正面圖；圖17為展示按照本發(fā)明的第九實施例的，裝有低損耗緩沖電路的NPC倒相器的電路圖；圖18為展示按照本發(fā)明的第十實施例的，裝有低損耗緩沖電路的NPC倒相器的電路圖；圖19為說明圖18所示的NPC倒相器中的緩沖電容器的充電操作的圖；圖20為說明圖18中所示的NPC倒相器中的緩沖電容器與緩沖電阻器的放電操作的圖；圖21為展示按照本發(fā)明的第十一實施例的，裝有低損耗緩沖電路的NPC倒相器的電路圖；圖22為展示按照本發(fā)明的第十二實施例的，裝有低損耗緩沖電路的NPC倒相器的電路圖；圖23為說明圖22中所示的NPC倒相器中的緩沖電容器的充電操作的圖；圖24為說明圖22中所示的NPC倒相器中的緩沖電容器與緩沖電阻器的放電操作的圖；圖25為展示傳統(tǒng)的開關模塊的一個實例的配置的圖；圖26為展示采用圖25中所示的開關模塊組成的傳統(tǒng)NPC倒相器的一個實例的電路圖；圖27為圖26中所示的NPC倒相器的電路圖；圖28為說明圖27中所示的NPC倒相器中的緩沖電容器的充電操作的圖；圖29為說明圖27中所示的NPC倒相器中的緩沖電容器的放電操作的圖；圖30為展示裝有低損耗緩沖電路的傳統(tǒng)的NPC倒相器的一個實例的電路圖；圖31為展示具有圖30中所示的電路構成的，采用圖25中所示的開關組件組成的傳統(tǒng)NPC倒相器的電路圖；圖32為說明圖30中所示的NPC倒相器中的緩沖電容器的充電操作的圖；圖33為說明圖30中所示的NPC倒相器中的緩沖電容器的放電操作的圖；圖34為說明圖30中所示的NPC倒相器中的緩沖電容器的充電操作的圖；以及圖35為說明圖30中所示的NPC倒相器中的緩沖電容器的放電操作的圖。
參見附圖，其中相同的參照數(shù)字表示全體視圖中的相同的或對應的部件，下面描述本發(fā)明的實施例。
圖1示出按照本發(fā)明的第一實施例的開關模塊SM1的配置。這一開關模塊SM1由下述器件組成兩個串聯(lián)的自斷路器件S1與S2(它們分別由諸如IGBT構成)、與自斷路器件S1與S2逆并聯(lián)的續(xù)流二極管D1與D2、以及其陰極連接在兩個自斷路器件S1與S2的連接點上的箝位二極管Dc1。在開關模塊SM1中，作為第一外部端子1引出自斷路器件S1的集電極，即正側端子，作為第二外部端子2引出自斷路器件S2的發(fā)射極，即負側端子，作為第三外部端子3引出箝位二極管Dc1的陽極，以及進一步將各自斷路器件S1與S2的門信號端子31與32引出到外面。
圖2示出圖1中所示的開關模塊SM1的配置的實例。圖2中，(a)示出其平面圖，及(b)示出其正面圖。圖2中，在開關模塊SM1頂部中央以接近等間隔形成第一至第三外部端子1、2與3，并在開關模塊SM1的較低層兩端上形成門信號端子31與32。
再者，通過將其連接到DC電壓源的正側面在中點箝位功率轉換器中使用設有箝位二極管Dc1的開關模塊SM1。
通過固結兩個自斷路器件S1、S2及三個二極管D1、D2、Dc1將功率轉換器組合成單一的開關模塊SM1，便有可能減少功率轉換器的主電路中的線路電感。通過使得起箝位二極管作用的二極管Dc1與兩個自斷路器件S1、S2之間的連接點之間的接線極小，便有可能使開關模塊容易構成低損耗緩沖電路，并從而整個電路的大小得以減小。
圖3示出按照本發(fā)明的第二實施例的開關模塊SM2的配置。與圖1和2中所示的開關模塊SM1相比，這里所示的開關模塊SM2的特征是兩個自斷路器件S1、S2之間的連接點，即新拉出二極管Dc1的陰極作為第四外部端子4。開關模塊SM2的其它部分與開關模塊SM1相同。
圖4示出開關模塊SM2的配置的實例。在開關模塊SM2頂部中央接近等間隔處形成第一至第四外部端子1-4，并在開關模塊SM2頂部兩端形成門信號端子31與32。
第二實施例具有下述動作與效果，即在組成功率轉換器時，通過固結兩個自斷路器件S1、S2及三個二極管D1、D2、Dc1形成單個開關模塊SM2及尤其是通過提供第四外部端子4，除了第一實施例的動作與效果之外，不僅能容易地組成三級功率轉換器還能組成二級功率轉換器。在這一情況中，第四外部端子4成為二級功率轉換器的輸出端子。
圖5示出按照本發(fā)明的第三實施例的開關模塊SM3的配置。與圖1和2中所示的開關模塊SM1相比，這一開關模塊SM3的特征在于附加提供了其陽極連接在正側端子即自斷路器件S1的集電極上的第四二極管Ds1，及其陰極連接在負側端子，即自斷路器件S2的發(fā)射極上的第五二極管Ds2。再者，拉出二極管Ds1的陰極作為第四外部端子4并拉出二極管Ds1的陽極作為第五外部端子5。
圖6示出開關模塊SM3的配置的實例。在開關模塊SM3頂部中央接近等間隔上形成第一至第五外部端子1-5，并在開關模塊SM3頂部兩端上形成門信號端子31與32。
通過固結兩個自斷路器件S1、S2、及五個二極管D1、D2、Dc1、Ds1與Ds2而將功率轉換器組成單個開關模塊SM3，便有可能減少電路中的線路電感。特別是有可能使起箝位二極管作用的第三二極管Dc1、起緩沖二級管作用的第四與第五二管Ds1、Ds2、及兩個自斷路器件S1、S2的連接點之間的接線極度地小，由此減小整個電路的尺寸，及進一步構成一個低損耗緩沖電路。
圖7示出按照本發(fā)第四實施例的開關模塊SM4的配置。與圖5和6中所示的開關模塊SM3相比，這一開關模塊SM4的特征在于拉出自斷路器件S1、S2的連接點，即二極管Dc1的陰極，作為第六外部端子6。開關模塊SM4的所有其余部分與開關模塊SM3相同。
圖8示出開關模塊SM4的配置的實例。在開關模塊SM4頂部中央接近等間隔上形成第一至第六外部端子1-6，并在開關模塊SM4頂部兩端形成門信號端了31與32。
與圖5和6中所示的開關模塊SM3相比，開關模塊SM4專門設置了外部端子6，并在采用開關模塊SM4組成功率轉換器時，不僅能容易地組成三級功率轉換器，還能組成二級功率轉換器。
圖9示出按照本發(fā)明的第五實施例的開關模塊SM5的配置。這一開關模塊SM5等價于圖1與2中所示的開關模塊SM1，它在與二極管Dc1的極性相反的方向上裝有二極管Dc2來替代二極管Dc1。即開關模塊SM5由兩個串聯(lián)的自斷路器件S3、S4、分別與自斷路器件S3、S4逆并聯(lián)的續(xù)流二極管D3、D4、以及其陽極連接在自斷路器件S3與S4的連接點上的箝位二極管Dc2組成。在這一開關模塊SM5中，將自斷路器件S3的集電極，即正側端子拉出到外面作為第一外部端子1，將自斷路器件S4的發(fā)射極，即負側端子拉出作為第二外部端子2，拉出箝位二極管Dc2的陰極作為第三外部端子3。并進一步將各自斷路器件S3與S4的門信號端子31與32拉出到外面。
圖10示出開關模塊SM5的配置的實例。在開關模塊SM5頂部中央接近等間隔上形成第一至第三外部端子1-3，并在開關模塊SM5的較低層兩端形成門信號端子31與32。
再者，通過將其連接在中點箝位功率轉換器中的DC電壓源的負側上而使用裝有箝位二極管Dc2的開關模塊SM5。
本實施例的動作與效果與圖1及2中所示的第一實施例的相同。
圖11示出按照本發(fā)明的第六實施例的開關模塊SM6的配置。與圖9及10中所示的開關模塊SM5相比，這里所示的開關模塊的特征在于兩個自斷路器件S3與S4的連接點，即新拉出二極管Dc2的陽極作為第四外部端子4。開關模塊SM6的所有其它部分與開關模塊SM5的相同。
圖12示出開關模塊SM6的配置的實例。在開關模塊SM6頂部中央接近等間隔上形成第一至第四外部端子1-4，并在開關模塊SM6頂部兩側形成門信號端子31與32。
本實施例的動作與效果與圖3及4中所示的第二實施例的相同。
圖13示出按照本發(fā)明的第七實施例的開關模塊SM7的配置。與圖9及10中所示的開關模塊SM5相比，這一開關模塊SM7的特征在于附加設置了以其陽極連接在正側端子，即自斷路器件S3的集電極上的第四二極管Ds3，以及以其陰極連接在負側端子，即自斷路器件S4的發(fā)射極上的第五二極管Ds4。此外，拉出二極管Ds3的陰極作為第四外部端子4并拉出二極管Ds4的陽極作為第五外部端子5。
圖14示出開關模塊SM7的配置的實例。在開關模塊SM7頂部中央接近等間隔上形成第一至第五外部端子1-5，并在開關模塊SM7頂部兩端形成門信號端子31與32。
本實施例的動作與效果與圖5及6中所示的第三實施例的相同。
圖15示出按照本發(fā)明的第八實施例的開關模塊SM8的配置。與圖13及14中所示的開關模塊SM7相比，這一開關模塊SM8的特征在于自斷路器件S3、S4的連接點，即拉出二極管Dc2的陽極作為第六外部端子6。開關組件SM8的所有其它部分與開關模塊SM7相同。
圖16示出開關模塊SM8的配置的實例。在開關模塊SM8頂部中央接近等間隔上形成第一至第六外部端子1-6，并在開關模塊SM8頂部兩端形成門信號端子31與32。
本實施例的動作與效果與圖7及8中所示的第四實施例相同。
下面，以開關模塊SM3作為例子描述制造開關模塊SM1-SM8的方法。
圖5A為開關模塊SM3的分解透視圖。用裸芯片安裝法將自斷路器件S1、自斷路器件S2(未示出)、續(xù)流二極管、續(xù)流二極管D2(未示出)、緩沖二極管Ds1、緩沖二極管Ds2(未示出)及箝位二極管Dc1的芯片安裝在基板上并加以接線以構成開關模塊SM3，裸芯片安裝法也用于制造傳統(tǒng)的開關組件SM0。
其它開關模塊SM1、SM2、SM4-SM8也用裸芯片安裝法分別用開關模塊SM1、SM2、SM4-SM8的電路所需要的芯片制成。因而省略制造它們的細節(jié)描述。
圖17示出按照本發(fā)明的第九實施例的裝有低損耗緩沖電路的NPC倒相器。圖17示出單相(U相位)NPC倒相器的主電路，在三相輸出倒相器的情況中，為V相位與W相位構成的主電路與U相位的相同。
圖17中所示的功率轉換器(NPC倒相器)PC1采用圖1、2中所示的開關模塊SM1與圖9、圖10中所示的開關模塊SM5串聯(lián)組成。分別將緩沖電路連接在并關模塊SM1與SM5上。緩沖電路由緩沖電容器Cs1-Cs4、緩沖二極管Ds1-Ds4及緩沖電阻器Rs1-Rs4構成。在DC電壓源(電壓Vd)中設置正側端子10、零電壓端子11及負側端子12。DC電壓源(電壓Vd＝Vd1+Vd2)示出為帶有正側端子10與零電壓端子11以及零電壓端子11與負側端子12之間的電壓Vd1與Vd2的電容器Cp1與Cp2。正與負側端子10、12分別連接在串聯(lián)的兩個開關模塊的SM1與SM5的兩端上，即開關模塊SM1的外部端子1及開關模塊SM5的外部端子2上。開關模塊SM1的外部端子2及開關模塊SM5的外部端子1連接在輸出端子20上。此外，兩個開關模塊SM1與SM5的外部端子3分別連接在零電壓端子11上。到DC電源的線路電感分別用L1-L3示出。
第一緩沖二極管Ds1的陰極連接開關模塊SM1的第三外部端子3上，而第一緩沖電容器Cs1連接在第一緩沖二極管Ds1的陽極與開關模塊SM1的第一外部端子1之間。第一緩沖電阻器Rs1與第一緩沖二極管Ds1并聯(lián)。第二緩沖二極管Ds2的陰極連接在開關模塊SM1的第二外部端子2上，而第二緩沖電容器Cs2連接在開關模塊SM1的第三外部端子3與第二緩沖二極管Ds2的陽極之間。第二緩沖電阻器Rs2連接在第二緩沖二極管Ds2的陽極與DC電壓源的負側端子12之間。第三緩沖二極管Ds3的陽極連接在開關模塊的SM5的第一外部端子1上，而第三緩沖電容器Cs3連接在第三緩沖二極管Ds3的陰極與開關模塊SM5的第三外部端子3之間。第三緩沖電阻器Rs3連接在第三緩二極管Ds3的陰極與DC電壓源的正側端子10之間。第四緩沖二極管Ds4的陽極連接在開關模塊SM5的第三外部端子3上，而第四緩沖電容器Cs4連接在第四緩沖二極管Ds4的陰極與開關模塊SM5的第二外部端子2之間。此外，第四緩沖電阻器Rs4與第四緩沖二極管Ds4并聯(lián)。
應指出，圖17中所示的NPC倒相器PC1中的開關模塊SM1中的箝位二極管Dc1與開關模塊SM5中箝位二極管Dc2的連接點與圖30所示的傳統(tǒng)NPC倒相器的箝位二極管Dc1與Dc2的連接點不同。
圖17中，開關模塊SM1中的箝位二極管Dc1連接在自斷路器件S1與S2的連接點與開關模塊SM1的第三外部端子3，即DC電壓源(通過線路電感L2)的零電壓端子11之間。圖30中，箝位二極管Dc1連接在緩沖二極管Ds1與緩沖電容器Cs2的連接點與DC電壓源(通過線路電感L2)的零電壓端子11之間。
此外在圖17中，開關模塊SM5中的箝位二極管Dc2連接在自斷路器件S3與S4的連接點與開關模塊SM5的第三外部端子3，即DC電壓源(通過線路電感L2的零電壓端子)11之間。圖30中，箝位二極管Dc2連接在緩沖二極管Ds4與緩沖電容器Cs3連接點與DC電壓源(通過線路電感L2)的零電壓端子11之間。
本實施例的動作與下面描述(圖18)的第十實施例的相同，后者不受開關模塊的限制組成，并將在第十實施例的部分中描述。
按照圖17中所示的實施例，有可能提供裝有低損耗緩沖電路的NPC倒相器，其線路電感隨著能使NPC倒相器的主電路的接線長度的縮短而減少。再者，按照本發(fā)明的NPC倒相器PC1具有這樣的優(yōu)點，即與裝有低損耗緩沖電路的傳統(tǒng)NPC倒相器相比，自斷路器件的開關控制不受限制。此外，它具有在本實施例中不需要傳統(tǒng)低損耗緩沖電路中必不可少的外部緩沖二極管Ds22與Ds32(圖30與31)的優(yōu)點，從而能夠減少二極管的數(shù)目。
圖18示出按照本發(fā)明的第十實施例的、裝有低損耗緩沖電路的NPC倒相器PC2。圖18示出單相(U相位)NPC倒相器的主電路，在三相輸出倒相器的情況中，V相位與W相位的主電路的組成與V相位的方式相同。
本實施例中與圖17中所述的實施例的不同之處在于電路是由單個部件而不是用開關模塊組成的。即在圖18中所示的NPC倒相器PC2中，用單個的自斷路器件S1、S2、續(xù)流二極管D1、D2及箝位二極管Dc1取代開關模塊SM1。類似地，用單個的自斷路器件S3、S4、續(xù)流二極管D3、D4及箝位二極管Dc2取代開關模塊SM5。因此，圖18中所示的電路配置基本上與圖17中所示的電路等效。
下面示出NPC倒相器PC2中的自斷路器件S1-S4的開關操作與電壓電平之間的關系。接通自斷路器件S1與S2時輸出電壓Vd1，接通自斷路器件S2與S3時輸出零電壓，而接通自斷器件S3與S4時輸出電壓-Vd2。為了使說明簡單，這里假設電壓為Vd1＝Vd2＝Vd/2。
在NPC倒相器中，在同時接通自斷路器件S1-S3時，DC電壓Vd1在通路自斷路器件S1→S2→S3→箝位二極管Dc2中短路，結果，過量的短路電流流到自斷路器件S1、S2與S3。為了防止這一短路電流，分別相反地操作自斷路器件S1與S3、以及自斷路器件S3與S4。
在假定電流正在流經線路電感L1及自斷路器件S1與S2的狀態(tài)中，緩沖電容器Cs1的電壓為Vd1而且緩沖電容器Cs1在已充電狀態(tài)中，此時，當斷開自斷路器件S1時，自斷路器件S1的電壓由線路電感L1的剩余能量提高，當這一電壓超過緩沖電容器Cs1的電壓時，正向電壓作用在緩沖二極管Ds1上，而將其置于接通狀態(tài)中。結果，線路電感L1的剩余能量流入并被緩沖電容器Cs1所吸收，如圖19中所示。
即使緩沖電容器Cs1的電壓升高，它仍將保存箝位在DC電壓Vd1上，并因此過量電壓被緩沖電阻器Rs1所釋放，從而緩沖電容器Cs1的電壓成為等于電壓Vd1。放電電流的通路為Cs1→L1→Cp1→L2→Rs1→Cs1，如圖20中所示。因為自斷路器件S1的電壓保持箝位在緩沖電容器Cs1的電壓上，自斷路器件S1的電壓能保持接近電壓Vd1。即使再度接通自斷路器件S1，緩沖電容器Cs1并不放電而保持電壓Vd1。緩沖電阻器Rs1所消耗的損耗只是緩沖電容器Cs1中充電的過量電壓。從而，在本實施例中，損耗能比傳統(tǒng)的放電型緩沖電路更劇烈地減少。
自斷路器件S2的操作及其緩沖電路的動作與自斷路器件S1的相同。當假定電流正在流經線路電感L2、箝位二極管Dc1及自斷路器件S2與S3的狀態(tài)中，緩沖電容器Cs2的電壓為Vd2且緩沖電容器Cs2已在充電狀態(tài)中。當斷開自斷路器件S2時，自斷路器件S2的電壓被線路電感L2所升高。當自斷路器件S2的電壓超過緩沖電容器Cs2的電壓時，正向電壓作用在緩沖二極管Ds2上，然后將其置于接通狀態(tài)中。結果，線路電感L2的剩余能量流入并被緩沖電容器Cs2所吸收。此時，緩沖電容器Cs2的電壓升高，但它保持箝在電壓-Vd2上，因此過量電壓被緩沖電阻器Rs2釋放，從而緩沖電容器Cs2的電壓成為等于電壓-Vd2。即使在再度接通自斷路器件S2時，緩沖電容器Cs2并不放電而保持電壓-Vd2。因此，緩沖電阻器Rs2消耗的損耗只是充電在緩沖電容器Cs2中的過量電壓，而電壓損耗能比傳統(tǒng)的放電型緩沖電路更劇烈地減少。此外，與傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路相比，在傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路中，為了釋放充電在緩沖電容器Cs2的過量電壓，必須再度接通自斷路器件S2并且自斷路器件S3也必須在接通狀態(tài)中。然而，按照本發(fā)明的NPC倒相器PC2的低損耗沖電路中，不論自斷路器件S2的操作狀態(tài)如何，緩沖電容器Cs2及自斷路器件S2的電壓成為穩(wěn)定地等于DC的電壓-Vd2。
自斷路器件S3、S4的緩沖電路的動作也與自斷路器件S1、S2的相同。
按照本實施例，例如，公開在日本專利公開(Kokai)號Hei4-295279中的控制系統(tǒng)也適用于本實施例。按照該控制系統(tǒng)，有可能通過只根據(jù)輸出電流的方向的要求接通自斷器件而消除無用的開關操作來減少損耗。例如，當輸出電流為正時，將自斷路器件S3與S4固定在斷開狀態(tài)上。再者，當輸出電流為負時，將自斷路器件S1的S2保持在斷開狀態(tài)中。從而，消除無用的開關及減少開關損耗成為可能。
現(xiàn)在，將應用該控制系統(tǒng)的按照本發(fā)明的NPC倒相器與應用該控制系統(tǒng)的裝有傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路的NPC倒相器作一比較。假定在輸出電流為正且自斷路器件S3與S4在斷開狀態(tài)的狀態(tài)中接通/斷開自斷路器件S2。為了釋放充電在傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路中的緩沖電容器Cs2中的過量的電壓，除非再度接通自斷路器件S2且自斷路器件S3也在接通狀態(tài)中，不會釋放過量電壓。反之，在按照本發(fā)明的NPC倒相器中的低損耗緩沖電路中，不論自斷路器件S2的操作狀態(tài)如何，有可能釋放緩沖電容器Cs2的過量電壓，并從而將緩沖電容器Cs2及自斷路器件S2的電壓穩(wěn)定地保持在等于DC電壓-Vd2的電平上。
傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路(圖30與31)中需要的緩沖二極管Ds22與Ds32在按照本發(fā)明的NPC倒相器PC2的低損耗緩沖電路中不再需要。
假定例如自斷路器件S1與S2在接通狀態(tài)中。
在圖30所示的電路中，當自斷路器件S1與S2在接通狀態(tài)中時，由于自斷路器件S1在接通狀態(tài)中，緩沖電容器Cs2的正側端子上的電位成為等于DC電壓源的正側端子10上的電位。當假定沒有緩沖二極管Ds22時，電流流經DC電壓源的正側端子10、緩沖電容器Cs2、緩沖電阻器Rs2及DC電壓源的負側端子12的串聯(lián)電路。結果，電流繼續(xù)流經緩沖電阻器Rs2而被緩沖電阻器Rs2增加損耗。為了防止這一狀態(tài)，將緩沖二極管Ds22連接成如圖30中所示，以防止這一電流流經緩沖電阻器Rs2。
在圖18中所示的電路中，當自斷路器件S1與S2在接通狀態(tài)中時，緩沖電容器Cs2的正側端子上的電位成為等于DC電壓源的零電壓端子11上的電位，且緩沖電容器Cs2的負側端子上的電位成為接近等于DC電壓源的負側端子12上的電位。這便是，即使自斷路器件S1在接通狀態(tài)中時，箝位二極管Dc1在圖18中所示方向上連接在自斷路器件S1的負側端子與緩沖電容器Cs2的正側端子之間，而電流并不流經緩沖電容器Cs2。結果，不會出現(xiàn)將DC電壓源的總電壓Vd作用在緩沖電容器Cs2上的情況。
對于上述動作，在按照本發(fā)明的NPC倒相器的低損耗緩沖電路中，不會出現(xiàn)將DC電壓源的總電壓作用在緩沖電容器Cs2或Cs3上的情況，這在傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路中是一個問題。
按照圖18中所示的實施例，有可能提供裝有低損耗緩沖電路的NPC倒相器。再者，與裝有傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路的NPC倒相器相比，按照本發(fā)明的NPC倒相器具有自斷路器件的開關控制不受限制的優(yōu)點。此外，按照本發(fā)明的NPC倒相器具有另一優(yōu)點，即不需要傳統(tǒng)低損耗緩沖電路中所需要的外部緩沖二極管Ds22與Ds32，從而二極管的數(shù)目得以減少。
圖21示出按照本發(fā)明的第十一實施例的裝有低損耗緩沖電路的NPC倒相器。圖21示出單相(U相位)NPC倒相器的主電路，而在三相輸出倒相器的情況中，V相位與W相位的主電路也以相同的方式組成。
圖21中所示的NPC倒相器PC3由串聯(lián)的圖5與6中所示的開關模塊SM3及圖13與14中所示的開關模塊SM7組成。與圖17中所示的不同的緩沖電路連接在開關模塊SM3與SM7上。外部緩沖電路由緩沖電容器Cs1-Cs4及緩沖電阻器Rs1-Rs4組成。這里緩沖二極管Ds1-Ds4內裝在開關模塊SM3、SM7中，而在開關模塊SM3、SM7外部不使用緩沖二極管。在DC電壓源(電壓Vd)設有正側端子10、零電壓端子11及負側端子12。電容器Cp1與Cp2分別連接在正側端子10與零電壓端子11之間，及零電壓端子11與負側端子12之間，以及電容器Cp1與Cp2的電壓分別示出為Vd1與Vd2。正與負側端子10與12分別連接在串聯(lián)的二個開關模塊SM3與SM7的兩端上。開關模塊SM3的外部端子2及開關模塊SM7的外部端子1連接在輸出端子20上。再者，兩個開關模塊SM3與SM7的外部端子3分別連接在零電壓端子11上。到DC電壓源的線路電感分別用L1-L3示出。
第一緩沖電阻器Rs1連接在開關模塊SM3的第一與第四處部端子1與4之間。第一緩沖電容器Cs1連接在第三與第四外部端子與3與4之間，第二緩沖電容器Cs2連接在第三與第五外部端子3與5之間。第二緩沖電阻器Rs2連接在開關模塊SM3的第五外部端子5與DC電壓源的負側端了12之間。類似地，第三緩沖電阻器Rs3連接在開關模塊SM7的第四外部端子4與DC電壓源的正側端子10之間，及第三緩沖電容器Cs3連接在開關模塊SM7的第三與第四外部端子與3與4之間。第四緩沖電容器Cs4連接在開關模塊SM7的第三與第五外部端子3與5之間，及第四緩沖電阻器Rs4連接在第二與第五外部端子2與5之間。
應指出，圖21中所示的NPC倒相器PC3中的開關模塊SM3中的箝位二極管Dc1與開關模塊SM7中的箝位二極管Dc2的連接點與圖30所示的傳統(tǒng)NPC倒相器箝位二極管Dc1與Dc2的連接點不同。
圖21中，箝位二極管Dc1與Dc2連接在與圖17中所示的NPC倒相器PC1中基本上相同的位置上，即開關模塊SM3中的箝位二極管Dc1連接在自斷路器件S1與S2的連接點與開關模塊SM3的第三外部端子3，即DC電壓源(通過線路電感L2)的零電壓端子11之間。此外，開關模塊SM7中的箝位二極管Dc2連接在自斷路器件S3與S4的連接點與開關模塊SM7的第三外部端子3，即DC電壓源(通過線路電感L2)的零電壓端子11之間。
本實施例的動作與稍后的描述的第十二實施例(圖22)的相同，后者由不受限制的開關模塊組成，并將在第十二實施例的部分中描述。
按照圖21中所示的實施例，有可能提供裝設有通過使NPC倒相器的主電路的接線長度縮短而減少的線路電感的低損耗緩沖電路的NPC倒相器。再者，與裝有傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路的NPC倒相器相比，按照本發(fā)明的NPC倒相器具有自斷路器件的開關控制不受限制的優(yōu)點，此外還具有在本實施例中不需要傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路中所需的外緩沖二極管Ds22與Ds32的另一優(yōu)點，從而二極管的數(shù)目得以減少。
圖22示出按照本發(fā)明的第十二實施例的、裝有低損耗緩沖電路的NPC倒相器PC4。圖22示出單相(U相位)NPC倒相器的主電路，在三相輸出倒相器的情況中，V相位與W相位的主電路以與U相位相同的方式組成。
本實施例與圖21中所示的實施例的不同之處在于電路是由單個部件而不采用開關模塊組成的。這便是，在圖22中所示的NPC倒相器PC4中，用單個的自斷路器件S1、S2、續(xù)流二極管D1、D2、箝位二極管Dc1及緩沖二極管Ds1、Ds2取代了圖21中所示的開關模塊SM3。類似地，用單個的自斷路器件S3、S4、續(xù)流二極管D3、D4、箝位二極管Dc2及緩沖二極管Ds3、Ds4取代了模塊SM5。因此，圖22中的電路配置與21中所示的電路基本上等效。
下面為圖22中所示的NPC倒相器PC4中的自斷路器件的開關操作與電壓電平之間的關系的一個實倒。在自斷路器件S1與S2接通時，輸出電壓Vd1，當自斷路器件S2與S3接通時，輸出零電壓，而當自斷路器件S3與S4接通時，輸出電壓-Vd2。為使描述簡單，假定電壓Vd1＝Vd2＝Vd/2。
在NPC倒相器中，例如，當同時接通自斷路器件S1-S3時，如上所述DC電壓Vd1在通路自斷路器件S1→S2→S3→箝位二極管Dc2中短路，結果過量短路電流流經自斷路器件S1、S2、與S3。為了防止這一過量短路電流，自斷路器S1與S3相反地操作，而自斷路器件S2與S4也相反地操作。
假定在電流正在流經線路電感L1及自斷路器件S1、S2的狀態(tài)中。此時，緩沖電容器Cs1的電壓為Vd1且緩沖電容器Cs1已在充電狀態(tài)中。在斷開自斷路器件S1時，自斷路器件S1的電壓被線路電感L1的剩余能量所提高。當電壓超過緩沖電容器Cs1的電壓時，正向電壓作用在緩沖二極管Ds1上，后者成為按通狀態(tài)。結果，線路電感L1的剩余能量流入并被緩沖電容器Cs1吸收。這一狀態(tài)示出在圖23中。此時，緩沖電容器Cs1的電壓升高但保持箝位在DC電壓Vd1上，因此，過量電流在圖24中所示的通路緩沖電容器Cs1→緩沖電阻器Rs1中被緩沖電阻器Rs1釋放，從而緩沖電容器Cs1的電壓成為等于電壓Vd1。由于自斷路器件S1的電壓保持箝位在緩沖電容器Cs1的電壓上，自斷路器件S1的電壓便能保持在接近電壓Vd1上。
即使在再度接通自斷路器件S1時，緩沖電容器Cs1并不放電并保持電壓Vd1。從而，緩沖電阻器Rs1消耗的損耗只是充電在緩沖電容器Cs1中的過量電壓。從而，在本實施例中，能比傳統(tǒng)的放電型緩沖電路更劇烈地減少損耗。
下面描述自斷路器件S2及其緩沖電路的操作。假定在電流正在流經線路電感L2、箝位二極管Dc1及自斷路器件S2、S3的狀態(tài)中。此時，緩沖電容器Cs2的電壓為Vd2且緩沖電容器Cs2在已充電狀態(tài)中。當斷開自斷路器件S2時，自斷路器件S2的電壓由線路電感L2的剩余能量提高。自斷路器件S2的電壓超過緩沖電容器Cs2的電壓時，正向電壓作用在緩沖二極管Ds2上，它便成為接通狀態(tài)。結果，線路電感L2的剩余能量流入并被緩沖電容器Cs2所吸收。此是，緩沖電容器Cs2的電壓升高，但由于它保持箝位在電壓Vd2上，過量電壓被緩沖電阻器Rs2釋放，從而緩沖電容器Cs2的電壓成為等于電壓Vd2。即使在再度接通自斷路器件S2時，緩沖電容器Cs2也不放電且緩沖電容器Cs2的電壓保持在Vd2上。因此，緩沖電阻器Rs2消耗的損耗只是充電在緩沖電容器Cs2中的過量電壓，而電壓損耗能比傳統(tǒng)的放電型緩沖電路更劇烈地減小。此外，與傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路相比，為了釋放充電在緩沖電容器Cs2中的過量電壓，在傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路中，必須再度接通自斷路器件S2并且自斷路器件S3也必須在接通狀態(tài)中。而在按照本發(fā)明的NPC倒相器PC4的低損耗緩沖電路中，緩沖電容器Cs2及自斷路器件S2的電壓成為穩(wěn)定地等于DC電壓Vd2，而與自斷路器件S2的操作狀態(tài)無關。
自斷路器件S2與S4的緩沖電路的動作也與上述自斷路器件S1與S2的相同。按照本實施例，例如，公開在日本專利公開(Kokai)號Hei-295279中的控制系統(tǒng)也適用于本實施例。按照這一控制系統(tǒng)，通過只接通根據(jù)輸出電流的方向所需要的自斷路器件而消除無用的開關操作，便能減少損耗。例如，當輸出電流為正時，自斷路器件S3與S4保持在斷開狀態(tài)中。再者，當輸出電壓為負時，自斷路器件S1與S2保持在斷開狀態(tài)中。從而，使消除無用的開關及減小開關損耗成為可能。
按照本發(fā)明的應用這一控制系統(tǒng)的NPC倒相器與裝有傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路的應用這一控制系統(tǒng)的NPC倒相器比較，假定輸出電流為正且自斷路器件S3與S4在斷開狀態(tài)中接通/斷開自斷路器件S2。為了在傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路中釋放充電在緩沖電容Cs2中的過量電壓，除非再次接通自斷路器件S2且自斷路器件S3也在接通狀態(tài)中，充電在緩沖電容Cs2中的過量電壓是不會釋放的。反之，在按照本發(fā)明的NPC倒相器PC4的低損耗緩沖電路中，不論自斷路器件S2的操作狀態(tài)如何，都有可能釋放緩沖電容器Cs2的過量電壓，從而使緩沖電容器Cs2與自斷路器件S2的電壓穩(wěn)定地等于DC電壓Vd2。
按照本發(fā)明的NPC倒相器PC4的低損耗緩沖電路中不再需要傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路(圖30與31)中所需的緩沖二極管Ds22與Ds32。假定例如自斷路器件S1與S2在接通狀態(tài)中。
在圖30中所示的電路中，當自斷路器件S1與S2在接通狀態(tài)時，緩沖電容器Cs2正側端子上的電位變?yōu)榈扔贒C電壓源的正側端子10上的電位，因為自斷路器件S1在接通狀態(tài)中。當假定沒有緩沖二極管Ds22時，電流流經DC電壓源的正側端子10、緩沖電容器Cs2、緩沖電阻器Rs2及DC電壓源的負側端子12的串聯(lián)電路。結果，電流繼續(xù)流過緩沖電阻器Rs2，從而被緩沖電阻器Rs2增加損耗。為了防止這種狀態(tài)，如圖30中所示連接了緩沖二極管Ds22來防止這一電流流經緩沖電阻器Rs2。
在圖22所示的電路中，當自斷路器件S1與S2在接通狀態(tài)中時，緩沖電容器Cs2的正側端子上的電位成為等于DC電壓源的零電壓端子11上的電位，而緩沖電容器Cs2的負側端子上的電位成為接近等于DC電壓源的負側端子12上的電位。這便是，即使自斷路器件S1在接通狀態(tài)中時，箝位二極管Dc1在圖22中所示的方向上連接在自斷路器件S1的負側端子與緩沖電容器Cs2的正側端子之間，電流并不流過緩沖電容器Cs2。結果，不會出現(xiàn)DC電壓源的總電壓Vd作用在緩沖電容器Cs2上的情況。
對于上述動作，在按照本發(fā)明的NPC倒相器的低損耗緩沖電路中，不會出現(xiàn)DC電壓源的總電壓作用在緩沖電容器Cs2或Cs3上的情況，這在傳統(tǒng)低損耗緩沖電路中是一個問題。
按照圖22中所示的實施例，有可能提供裝有低損耗緩沖電路的NPC倒相器。再者，與裝有傳統(tǒng)的低損耗緩沖電路的NPC倒相器相比，本發(fā)明的NPC倒相器具有自斷路器件的開關控制不受限制并且不需要傳統(tǒng)低損耗緩沖電路中所的外部緩沖二極管Ds22、Ds32的優(yōu)點，從而二極管的數(shù)目得以減少。
從上面的描述中可以看到，按照本發(fā)明能得到下述效果。
1、按照本發(fā)明的開關模塊，有可能使外部接線最短，降低功率轉換器的主電路中的線路電感并減小功率轉換器整個系統(tǒng)的大小。具體地，通過使箝位二極管與自斷路器件之間的接線長度最短，有可能提供便于組成中點箝位倒相器中的低損耗緩沖電路的開關模塊。此外，有可能提供二極倒相器與三級倒相器(中點箝位倒相器)公用的并且適應標準化的開關模塊。
2、有可能提供裝有本發(fā)明的能減少部件數(shù)目的低損耗緩沖電路的中點箝位的倒相器。此外，有可能提供裝有低損耗緩沖電路的、在緩沖電容器的開關操作中不依賴于開關控制系統(tǒng)的高效功率轉換器。
3、還有可能提供采用裝有低損耗緩沖電路的開關模塊組成的高效功率轉換器。
顯而易見，根據(jù)以上講述，本發(fā)明的各種修正改變都是可能的。因此應理解在所附的權利要求書的范圍內，本發(fā)明可以用與這里具體描述的不同的方式來實踐。
權利要求
1.一種開關組件，包括第一自斷路器件；與所述第一自斷路器件串聯(lián)的第二自斷路器件；與所述第一自斷路器件逆并聯(lián)的第一二極管；與所述第二自斷路器件逆并聯(lián)的第二二極管；以其陰極連接在所述第一與第二自斷路器件的連接點上的第三二極管；連接在所述第一自斷路器件的正側端子的第一外部端子；連在所述第二自斷路器件的負側端子上的第二外部端子；連接在所述第三二極管的陽極上的第三外部端子；連接在所述第一自斷路器件的控制信號端上的第一外部控制端子；以及連在所述第二自斷路器件的控制信號端上的第二外部控制端子。
2.按照權利要求1的開關組件，還包括連接在所述第一與第二自斷路器件的所述連接點的第四外部端子。
3.按照權利要求1的開關組件，還包括以其陽極連接在所述第一自斷路器件的所述的正側端子上的第四二極管；以其陰極連在所述第二自斷路器件的所述負側端子上的第五二極管；連接在所述的第四二極管的陰極上的第四外部端子；及連接在所述第五二極管的陽極上的第五外部端子。
4.按照權利要求3的開關組件，還包括連接在所述第一與第二自斷路器件的所述連接點上的第六外部端子。
5.一種開關組件，包括第一自斷路器件；與所述第一自斷路器件串聯(lián)的第二自斷路器件；與所述第一自斷路器件逆并聯(lián)的第一二極管；與所述第二自斷路器件逆并聯(lián)的第二二極管；以其陽極連接在所述第一與第二自斷路器件的連接點上的第三二極管；連接在所述第一自斷路器件的正側端子上的第一外部端子；連接在所述第二自斷路器件的負側端子上的第二外部端子；連接在所述第三二極管的陰極上的第三外部端子；連接在所述第一自斷路器件的控制信號端上的第一外部控制端子；以及連接在所述第二自斷路器件的控制信號端上的第二外部控制端子。
6.按照權利要求5的開關組件，還包括連接在所述第一與第二自斷路器件的所述連接點上的第四外部端子。
7.按照權利要求5的開關組件，還包括；以其陽極連接在所述第一自斷路器件的所述正側端子上的第四二極管；以其陰極連接在所述第二自斷路器件的所述負側端子上的第五二極管；連接在所述第四二極管的陰極上的第四外部端子；及連接在所述第五二極管的陽極上的第五外部端子。
8.按照權利要求7的開關組件，還包括連接在所述第一與第二自斷路器件的所述連接點上的第六外部端子。
9.一種中點箝位功率轉換器，包括；帶有正側端子、零電壓端子及負側端子的DC電壓源；由按照權利要求1的所述開關組件組成的第一開關組件；由按照權利要求5的所述開關組件組成的第二開關組件；連在所述第一開關組件的所述第二外部端子及所述第二開關組件的所述第二外部端子的所述中點箝位功率轉換器的輸出端；連接在所述DC電壓源的所述正側端子上的所述第一開關組件的所述第一外部端子；與所述第二開關組件的所述第三外部端子連接在所述DC電壓源的所述零電壓端子上的所述第一開關組件的所述第三外部端子；連接在所述DC電壓源的所述負側端子上的所述第二開關組件的所述第二外部端子；以其陰極連接在所述第一開關組件的所述的第三外部端子上的第一緩沖二極管；連接在所述第一緩沖二極管的陽極與所述第一開關組件的第一外部端子之間的第一緩沖電容器；與所述第一緩沖電容器并聯(lián)的第一緩沖電阻器；以其陰極連接在所述第一開關組件的所述第二外部端子上的第二緩沖二極管；連接在所述第二緩沖二極管的陽極與所述第一開關組件的所述第三外部端子之間的第二緩沖電容器；連接在所述第二緩沖二極管的所述陽極與所述DC電壓源的所述負側端子之間的第二緩沖電阻器；以其陽極連接在所述第二開關組件的所述第一外部端子上的第三緩沖二極管；連接在所述第三緩沖二極管的陰極與所述第二開關組件的所述第三外部端子之間的第三緩沖電容器；連接在所述第三緩沖二極管的所述陰極與所述DC電壓源的所述正側端子之間的第三緩沖電阻器；以其陽極連接在所述第二開關組件的所述第三外部端子上的第四緩沖二極管；連接所述第四緩沖二極管的陰極與所述第二開關組件的所述第二外部端子之間的第四緩沖電容器；以及與所述第四緩沖電容器并聯(lián)的第四緩沖電阻器。
10.一種中點箝位功率轉換器，包括帶有正側端子、零電壓端子及負側端子的DC電壓源；第一自斷路器件、第二自斷路器件、第三自斷路器件與第四自斷路器件的串聯(lián)電路；與所述第一自斷路器件逆并聯(lián)的第一二極管；與所述第二自斷路器件逆并聯(lián)的第二二極管；與所述第三自斷路器件逆并聯(lián)的第三二極管；與所述第四自斷路器件逆并聯(lián)的第四二極管；連接在所述第二與第三自斷路器件的連接點上的所述中點箝位功率轉換器的輸出端；連接在所述DC電壓源的所述正側端子上的所述第一自斷路器件的所述正側端子；連接在所述DC電壓源的所述負側端子上的所述第四自斷路器件的所述負側端子；以其陰極連接在所述第一與第二自斷路器件的連接點上及其陽極連接在所述DC電壓源的所述零電壓端子上的第五二極管；以其陽極連接在所述第三與第四自斷路器件的連接點上及其陰極連接在所述DC電壓源的所述零電壓端子上的第六二極管；以其陰極連接在所述第二與第三自斷路器件的所述連接點上的第七二極管；以其陽極連在所述第二與第三自斷路器件的所述連接點上的第八二極管；以其陰極連在所述第五二極管的所述陽極上的第九二極管；以其陽極連接在所述第六二極管的所述陰極上的第十二極管；連接在所述第九二極管的陽極與所述第一自斷路器件的所述正側端子之間的第一電容器；與所述第九二極管并聯(lián)的第一電阻器；連接在所述第五二極管的所述陽極與所述第七二極管的陽極之間的第二電容器；連接在所述第七二極管的所述的陽極與所述DC電壓源的所述負側端子之間的第二電阻器；連接在所述第八二極管的陰極與所述DC電壓源的所述正側端子之間的第三電阻器；連接在所述第六二極管的所述陰極與所述第八二極管的所述陰極之間的第三電容器；連接在所述第十二極管的陰極與所述第四自斷路器件的所述負側端子之間的第四電容器；以及與所述第十二極管并聯(lián)的第四電阻器。
11.一種中點箝位功率轉換器，包括帶有正側端子、零電壓端子及負側端子的DC電壓源；由按照權利要求3的所述開關組件組成的第一開關組件；由按照權利要求7的所述開關組件組成的第二開關組件；連接在所述第一開關組件的所述第二外部端子及所述第二開關組件的所述第一外部端子上的所述中點箝位功率轉換器的輸出端；連接在所述DC電壓源的所述正側端子上的所述第一開關組件的所述第一外部端子；與所述第二開關組件的所述第三外部端子連接在所述DC電壓源的所述零電壓端子上的所述第一開關組件的所述第三外部端子；連接在所述DC電壓源的所述負側端子上的所述第二開關組件的所述第二外部端子；連接在所述第一開關組件的所述第一與第四外部端子之間的第一緩沖電阻器；連接在所述第一開關組件的所述第三與第四外部端子之間的第一緩沖電容器；連接在所述第一開關組件的所述第三與第五外部端子之間的第二緩沖電容器；連接在所述第一開關組件的所述第五外部端子與所述DC電壓源的所述負側端子之間的第二緩沖電阻器；連接在所述第二開關組件的所述第二與第五外部端子之間的第三緩沖電阻器；連接在所述第二開關組件的所述第三與第五外部端子之間的第三緩沖電容器；連接在所述第二開關組件的所述第三與第四外部端子之間的第四緩沖電容器；以及連接在所述第二開關組件的所述第四端子與所述DC電壓源的所述正側端子之間的第四緩沖電阻器。
12.一種中點箝位功率轉換器，包括帶有正側端子、零電壓端子及負側端子的DC電壓源；第一自斷路器件、第二自斷路器件、第三自斷路器件及第四自斷路器件的串聯(lián)電路；與所述第一自斷路器件逆并聯(lián)的第一二極管；與所述第二自斷路器件逆并聯(lián)的第二二極管；與所述第三自斷路器件逆并聯(lián)的第三二極管；與所述第四自斷路器件逆并聯(lián)的第四二極管；連接在所述第二與第三自斷路器件的連接點上的所述中點箝位功率轉換器的輸出端子；連接在所述DC電壓源的所述正側端子上的所述第一自斷路器件的所述正側端子；連接在所述DC電壓源的所述負側端子上的所述第四自斷路器件的所述負側端子；以其陽極連在所述第一自斷路器件的所述正側端子上的第五二極管；以其陰極連接在所述第一與第二自斷路器件的連接點上及其陽極連接在所述的DC電壓源的所述零電壓端子上的第六二極管；以其陰極連接在所述第二與第三自斷路器件的所述連接點上的第七二極管；以其陽極連接在所述第二與第三自斷路器件的所述連接點上的第八二極管；以其陽極連接在所述第三與第四自斷路器件的連接點上及其陰極連接在所述DC電壓源的所述零電壓端子上的第九二極管；以其陰極連接在所述第四自斷路器件的所述負側端上的第十二極管；連接在所述第五二極管的陰極與所述第六二極管的所述陽極之間的第一電容器；與所述第五二極管并聯(lián)的第一電阻器；連接在所述第六二極管的所述陽極與所述第七二極管的陽極之間的第二電容器；連接在所述第七二極管的所述陽極與所述DC電壓源的所述負側端子之間的第二電阻器；連接在所述第八二極管的陰極與所述第九二極管的所述陰極之間的第三電容器；連接在所述第八二極管的所述陰極與所述DC電壓源的所述正側端子之間的第三電阻器；連接在所述第九二極管的所述陰極與所述第十二極管的陽極之間的第四電容器，以及與所述第十二極管并聯(lián)的第四電阻器。
全文摘要
開關組件,包括第一自斷路器件、與前者串聯(lián)的第二自斷路器件、與第一自斷路器件逆并聯(lián)的第一二極管、與第二自斷路器件逆并聯(lián)的第二二極管、及陰極連接第一與第二自斷路器件連接點的第三二極管。還包括連接第一自斷路器件正側端子的第一外部端子、連接第二自斷路器件負側端子的第二外部端子、連接第三二極管陽極的第三外部端子、連接第一自斷路器件控制信號端的第一外部控制端子、及連接第二自斷路器件控制信號端的第二外部控制端子。
文檔編號H02M7/48GK1173068SQ97112500
公開日1998年2月11日 申請日期1997年6月18日 優(yōu)先權日1996年6月18日
發(fā)明者水谷麻美 申請人:東芝株式會社