Многослойная шина для силового преобразователя и силовой преобразователь

Многослойная шина для силового преобразователя и силовой преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящая заявка ссылается на приоритет заявки на патент Китая №201210403971.1, зарегистрированной 22 октября 2012, все содержание которой включено в настоящий документ путем ссылки.

Область техники

Настоящая заявка относится к многослойной силовой шине, а в частности к многослойной шине, имеющей два слоя, и к трехуровневому силовому преобразователю с фиксацией нейтральной точки (NPC neutral-point clamp) с многослойной шиной.

Уровень техники

В настоящее время преобразователи переменной частоты широко используются в промышленности, при этом имеется тенденция их развития в направлении высокого напряжения, большого тока, высокой мощности, высокой надежности и низкой цены. Что касается высокого напряжения переменной частоты, поскольку силовой преобразователь ограничен рабочими характеристиками полупроводниковых компонентов, обычно используется трехуровневая топология с фиксацией нейтральной точки.

На фиг.1 показана принципиальная схема, демонстрирующая одну фазу цепи с типичной трехуровневой топологией NPC. Хотя на фиг.1 показан пример одной фазы для типичной трехуровневой топологии NPC, другие две фазы имеют такой же вид, что и на фиг.1. На фиг.1 S₁, S₂, S₃ и S₄ - полупроводниковые компоненты; FWD₁, FWD₂, FWD₃ и FWD₄ - демпфирующие диоды, подключенные параллельно S₁, S₂, S₃ и S₄, соответственно; D₁ и D₂ - фиксирующие диоды; C₁ - конденсатор верхнего плеча, С₂ - конденсатор нижнего плеча, Р - положительная шина постоянного тока (DC), N - отрицательная шина постоянного тока, NP - нейтральная шина, и AC - входная/выходная шина переменного тока (АС).

Как показано на фиг.1, такая трехуровневая топология NPC характеризуется тем, что падение напряжения на каждом из полупроводниковых компонентов уменьшено наполовину по сравнению с двухуровневой топологией, количество полупроводниковых компонентов, содержащихся в блоке питания, растет, а его конструкция усложняется, при этом растет также паразитная индуктивность блока питания, и ею уже нельзя пренебрегать. В частности, по мере того как скорость переключения полупроводниковых компонентов все больше возрастает, а выходная мощность повышается, паразитная индуктивность индуцирует высокое напряжение, когда полупроводниковый компонент при нормальной работе размыкается или замыкается, что может увеличить падение напряжения на полупроводниковом компоненте, а это снижает его надежность и даже может привести к выходу полупроводникового компонента из строя. Поэтому очень важно сконструировать блоки питания так, чтобы снизить паразитную индуктивность.

На фиг.2А-2С схематично показаны примеры способа, позволяющего уменьшить влияние напряжения, вызванного паразитной индуктивностью, на полупроводниковый компонент в обычной трехуровневой топологии с фиксацией нейтральной точки.

Как показано на фиг.2А-2С, для уменьшения влияния напряжения, обусловленного паразитной индуктивностью, на полупроводниковые компоненты в трехуровневой топологии с фиксацией нейтральной точки обычно добавляют демпфирующую (ограничивающую) цепь параллельно полупроводниковому компоненту, и типичная демпфирующая цепь содержит элементы R, RC, RCD и т.п. Когда полупроводниковый компонент S₁ выключается, энергия, имеющаяся в паразитной индуктивности, поглощается элементом аккумулирования энергии в демпфирующей цепи, и, таким образом, напряжение на полупроводниковом компоненте S₁ может быть подавлено. Хотя этот способ позволяет просто и эффективно снизить рассматриваемое влияние паразитной индуктивности, но, когда S₁ включается, энергия, поглощенная демпфирующей цепью, проходит через S₁, что приводит к дополнительным потерям при включении и ухудшает динамические рабочие характеристики полупроводниковых компонентов. Кроме того, поскольку добавлены дополнительные устройства высокого напряжения, преобразователь подвержен риску большей частоты отказов и понижения удельной мощности, что приводит к повышению стоимости и т.п.

Другой способ уменьшения паразитной индуктивности заключается в использовании многослойной шины. Преимущество многослойной шины заключается в ее малой паразитной индуктивности, эффективном подавлении электромагнитных помех (EMI) и т.п. Поэтому многослойные шины широко применяются в области мощных устройств преобразования частоты.

Для уменьшения паразитной индуктивности, многослойная шина должна обеспечить тракт, который заставляет токи через соответствующие слои частей проводника течь в зеркально-симметричном направлении. Чем выше симметрия, тем меньше площадь коммутационной петли в этой части проводника и меньше магнитный поток в случае постоянной магнитной индукции, а следовательно меньше паразитная индуктивность. Хотя при использовании многослойной шины паразитная индуктивность может стать пренебрежимо малой, в таких шинах все еще имеются проблемы. Например, в особенности в трехуровневой цепи NPC, поскольку количество компонентов растет и растет площадь самих компонентов, множество слоев в многослойных шинах имеют сложную электрическую разводку, и стоимость изготовления множества таких слоев в многослойных шинах становится высокой. Кроме того, по мере увеличения количества слоев в многослойной шине, паразитная индуктивность увеличивается вследствие увеличения толщины изолирующих слоев, расположенных между проводящими слоями, и процесс изоляции усложняется.

Например, в патенте США №6456516 B1 раскрыта конструкция многослойной шины. Многослойная шина, предложенная в этом документе, представляет собой три слоя многослойной шины, и может быть расширена на трехуровневую топологию NPC, содержащую N переключающих полупроводниковых компонентов, соединенных последовательно. Хотя в такой конструкции удается несколько снизить паразитную индуктивность, многослойная шина в этом патенте все еще представляет собой шину с множеством слоев, и поэтому между каждыми двумя слоями должен быть вставлен соответствующий толстый изолирующий слой посредством процесса изолирования, что приводит к тому, что многослойная шина, в целом, имеет большую толщину, и уменьшение паразитной индуктивности в этом случае зависит от толщины изолирующего слоя. Кроме того, в этом патенте формы соответствующих субшин отличаются друг от друга, а это обуславливает необходимость создания изгибов и ступенек различной глубины в соответствующих слоях для соединения каждого слоя шины с соответствующими ножками полупроводниковых компонентов, что делает процесс изготовления шины сложным; кроме того, необходимо обеспечить сцепления между соответствующими шинами, чтобы избежать возникновения промежутков между многослойными слоями вследствие изгиба шины. Поэтому электрические рабочие характеристики шины такой конструкции невысоки и не позволяют оптимизировать ее стоимость.

Аналогично, в патенте США №7881086 B2 раскрыта конструкция многослойной шины. Многослойная шина, предложенная в этом патенте, представляет собой шину с множеством слоев (4 слоя). Таким образом, там все еще существует проблема, обусловленная тем, что количество слоев в шине для создания низкой паразитной индуктивности слишком велико, и приходится выполнять различные отверстия, поскольку формы соответствующих субшин отличаются, а для слишком большого количество наложенных друг на друга слоев требуется больше отверстий (больше сквозных отверстий). Поэтому многослойная шина, предложенная в этом патенте, также является сложной и не позволяет оптимизировать стоимость шины.

Сущность изобретения

Чтобы устранить по меньшей мере одну из вышеуказанных проблем, предложена многослойная шина для использования в трехуровневом силовом преобразователе NPC, которая эффективно уменьшает паразитную индуктивность в силовом преобразователе, имеет простую конструкцию и проста в установке.

Для достижения вышеуказанной цели в рамках первого аспекта настоящего изобретения предложена многослойная шина для использования в трехуровневом силовом преобразователе NPC, которая содержит: первый слой шины, содержащий нейтральную субшину, предназначенную для обеспечения электрического соединения между соответствующими компонентами в трехуровневом силовом преобразователе NPC и потенциалом нейтральной точки; и второй слой шины, содержащий множество субшин, предназначенных для обеспечения электрического соединения между соответствующими компонентами в трехуровневом силовом преобразователе NPC и положительным входом постоянного тока (DC), отрицательным входом постоянного тока, и входом/выходом переменного тока (АС) в преобразователе и электрические соединения между соответствующими переключающими полупроводниковыми компонентами.

Второй аспект настоящего изобретения относится к трехуровневому силовому преобразователю NPC с низкой паразитной индуктивностью, содержащему: группу полупроводниковых компонентов, содержащую группу компонентов верхнего плеча, включенную между положительным входом постоянного тока и входом/выходом переменного тока, и группу компонентов нижнего плеча, включенную между отрицательным входом постоянного тока и входом/выходом переменного тока, при этом группа компонента верхнего плеча содержит первый фиксирующий диод, клемма которого связана с потенциалом нейтральной точки и который расположен между группой компонентов верхнего плеча и группой компонентов нижнего плеча, а группа компонентов нижнего плеча содержит второй фиксирующий диод, клемма которого связана с потенциалом нейтральной точки; теплоотвод, на котором смонтирована группа компонентов верхнего плеча и группа компонентов нижнего плеча; и многослойную шину, расположенную поверх группы полупроводниковых компонентов и содержащую: первый слой шины, содержащий нейтральную субшину, обеспечивающую электрические соединения между первым фиксирующим диодом, вторым фиксирующим диодом и потенциалом нейтральной точки; и второй слой шины, содержащий множество субшин, обеспечивающих электрические соединения между группой компонентов верхнего плеча и положительным входом постоянного тока, отрицательным входом постоянного тока и входом/выходом переменного тока, электрическое соединение между группой компонентов нижнего плеча и отрицательной шиной постоянного тока, входом/выходом переменного тока и электрическое соединение между соответствующими компонентами в группе компонентов верхнего плеча и группе компонентов нижнего плеча, соответственно.

Настоящее изобретение позволяет обеспечить зеркальный путь для токов, текущих через цепь в процессе переключения. Так, токи через шину верхнего слоя и шину нижнего слоя в процессе переключения текут навстречу друг другу и, таким образом, паразитная индуктивность силового преобразователя эффективно снижается, и уменьшается падение напряжения в момент, когда компонент выключается, при этом указанные два слоя в конструкции шины легко установить, и к ним имеется легкий доступ.

Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания предпочтительного варианта выполнения настоящего изобретения совместно с сопровождающими чертежами, хотя возможны вариации и изменения без отхода от сути и объема изобретения.

Краткое описание чертежей

Сопровождающие чертежи иллюстрируют один или более вариантов выполнения настоящего изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов изобретения. Везде, где это возможно, одинаковые позиции на чертежах используются для обозначения одинаковых или сходных элементов в различных вариантах выполнения настоящего изобретения, при этом:

на фиг.1 показана принципиальная схема, иллюстрирующая одну фазу цепи типичной трехуровневой топологии с использованием фиксирующих диодов;

на фиг.2А-2С показаны принципиальные схемы, иллюстрирующие пример способа понижения влияния напряжения, обусловленного паразитной индуктивностью, на полупроводниковый компонент в обычной трехуровневой топологии NPC;

на фиг.3А-3D показаны принципиальные схемы, демонстрирующие четыре петли коммутации в одной фазе цепи силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC, во время нормальной работы, соответственно;

на фиг.4А показана принципиальная схема, демонстрирующего цепь силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.4B схематично показано распределение компонентов силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.5А схематично показана структура каждой фазы блока питания в силовом преобразователе, имеющем трехуровневую топологию NPC согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.5B схематично показана структура многослойной шины согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.6С схематично показана структура субшины А6 согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.6А схематично показано распределение петли 1 коммутации в многослойной шине согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.6B схематично показано распределение петли 2 коммутации в многослойной шине согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.6С схематично показано распределение петли 3 коммутации в многослойной шине согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.6D схематично показано распределение петли 4 коммутации в многослойной шине согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.7А схематично показан узел одной фазы блока питания в силовом преобразователе, имеющем трехуровневую топологию NPC согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.7B схематично с частичным разнесением деталей показан узел блока питания, изображенный на фиг.7А;

на фиг.8А показана принципиальная схема силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.8B схематично показано распределение компонентов силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC, согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.9А схематично показана структура каждой фазы блока питания в силовом преобразователе, имеющем трехуровневую топологию NPC, согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;

на фига 9B схематично показана структура многослойной шины согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.9С схематично показана структура субшины В6 согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.10А схематично показано распределение петли 1 коммутации в многослойной шине согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.10B схематично показано распределение петли 2 коммутации в многослойной шине согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.10С схематично показано распределение петли 3 коммутации в многослойной шине согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.10D схематично показано распределение петли 4 коммутации в многослойной шине согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.11А схематично показан узел одной фазы блока питания в силовом преобразователе, имеющем трехуровневую топологию NPC, согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.11В схематично с частичным разнесением деталей показан узел блока питания, изображенный на фиг.11А.

Предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения.

Ниже варианты выполнения настоящего изобретения описаны подробно. Следует отметить, что эти варианты выполнения настоящего изобретения даны только для иллюстрации и не ограничивают настоящего изобретения.

Ниже настоящее изобретение описано более полно со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых показаны примеры вариантов выполнения настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение может быть реализовано в множестве различных форм, и не следует считать, что оно ограничено только вариантами выполнения настоящего изобретения, раскрытыми в настоящем описании. Эти варианты даны лишь для того, чтобы полнее раскрыть объем изобретения специалистам в данной области техники. На протяжении всего описания одинаковые позиции относятся к сходным элементам.

Терминология используется здесь только с целью описания конкретных вариантов выполнения настоящего изобретения и не предназначена для ограничения объема изобретения. В контексте настоящего изобретения подразумевается, что формы единственного числа включают и формы множественного числа, если из контекста не следует обратного. Кроме того, подразумеваться, что термины «содержит» и/или «содержащий», «включает» и/или «включающий» или «имеет» и/или «имеющий» в контексте настоящего изобретения определяют наличие заявляемых признаков, областей, целых чисел, шагов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают возможность присутствия или добавления одного или большего количества других признаков, областей, целых чисел, шагов, операций, элементов, компонентов и/или групп, состоящих из них.

Если не указано иного, все термины (включая технические и научные термины), используемые здесь, имеют общепринятое значение в области, к которой относится настоящее изобретение. Далее подразумевается, что термины, которые определены в обычно используемых словарях, должны интерпретироваться как имеющие значение, которое совместимо с их значением в контексте соответствующей области техники и формулы настоящего изобретения, и не должны интерпретироваться в идеализированном или чрезмерно формальном смысле, если это не заявлено явно.

В контексте настоящего изобретения термин «множество» означает количество, превышающее единицу.

На фиг.3А-3D показаны принципиальные схемы, демонстрирующие четыре петли коммутации в одной фазе цепи силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC, во время нормальной работы, соответственно.

На фиг.3А показана петля 1 коммутации. На фиг.3А петля 1 коммутации идет от конденсатора C₁ шины верхнего плеча, полупроводникового компонента S₁, фиксирующего диода D₁ и соединителей между вышеуказанными компонентами к выходной клемме переменного тока, как показано стрелками на фиг.3А. Когда S₁ переходит из включенного состояния в выключенное состояние, ток, текущий через S₁, уменьшается, а ток, текущий через фиксирующий диод D₁, увеличивается, и напряжение, обусловленное паразитной индуктивностью, может оказаться приложенным к S₁ (его направление показано на фиг.3А), и, таким образом, электрическое напряжение на S₁ растет.

На фиг.3В показана петля 2 коммутации. На фиг.3В петля 2 коммутации идет от клеммы переменного тока и через конденсатор C₁ шины верхнего плеча, демпфирующие диоды FWD₁ и FWD₂, полупроводниковый компонент S₃, фиксирующий диод D₂ и соединители между вышеуказанными компонентами, как показано стрелками на фиг.3В. Когда S₃ переходит из включенного состояния в выключенное состояние, ток, текущий через S₃ и D₂, уменьшается, а ток, текущий через демпфирующие диоды FWD₁ и FWD₂, увеличивается, и напряжение, обусловленное паразитной индуктивностью, может оказаться приложенным к S₃ (его направление показано на фиг.3В), и, таким образом, электрическое напряжение на S₃ увеличивается.

На фиг.3С показана петля 3 коммутации. На фиг.3С петля 3 коммутации идет от клеммы переменного тока и через конденсатор C₂ шины нижнего плеча, полупроводниковый компонент S₄, фиксирующий диод D₂ и соединители между вышеуказанными компонентами, как показано стрелками на фиге 3C. Когда S₄ переходит из включенного состояния в выключенное состояние, ток, текущий через S₄, уменьшается, а ток, текущий через фиксирующий диод D₂, увеличивается, и напряжение, обусловленное паразитной индуктивностью, может оказаться приложенным к S₄ (его направление показано на фиг.3С), и, таким образом, электрическое напряжение на S₄ увеличивается.

На фиг.3D показана петля 4 коммутации. На фиг.3D петля 4 коммутации идет от конденсатора C₂ шины нижнего плеча, полупроводниковый компонент S₂, демпфирующие диоды FMD₃ и FWD₄, фиксирующий диод D₁ и соединители между вышеуказанными компонентами к выходной клемме переменного тока, как показано стрелками на фиг.3D. Когда S₂ переходит из включенного состояния в выключенное состояние, ток, текущий через S₂ и фиксирующий диод D₁, уменьшается, и напряжение, обусловленное паразитной индуктивностью, может оказаться приложенным к S₂ (его направление показано на фиг.3D), и, таким образом, электрическое напряжение на S₂ увеличивается.

Поэтому в трехуровневом силовом преобразователе NPC, когда состояния компонентов изменяются, напряжение, обусловленное паразитной индуктивностью, может увеличить падение напряжения на полупроводниковых компонентах, таким образом влияя на рабочие параметры в сторону их ухудшения, что приводит к повышению требований к параметрам полупроводниковых компонентов при изготовлении силового преобразователя и, таким образом, к повышению стоимости его изготовления. Вышеуказанные отрицательные эффекты можно устранить путем уменьшения паразитной индуктивности силового преобразователя.

Поэтому настоящее изобретение предлагает многослойную шину для трехуровневого силового преобразователя NPC, содержащую два слоя шины, при этом один слой шины содержит нейтральную субшину, обеспечивающую электрическое соединение между компонентами трехуровневого силового преобразователя NPC и потенциалом нейтральной точки, а другой слой шины может содержать множество субшин, обеспечивающих, соответственно, электрические соединения между соответствующими компонентами трехуровневого силового преобразователя NPC и положительным входом постоянного тока, отрицательным входом постоянного тока, входом/выходом переменного тока и электрические соединения между соответствующими компонентами.

В многослойной шине согласно варианту выполнения настоящего изобретения главные части указанных двух шин расположены соответственно в двух различных плоскостях. В контексте настоящего описания, главная часть каждого слоя шины относится к той проводящей части шины каждого слоя шины, которая будет подробно описана ниже.

Настоящее изобретение обеспечивает зеркальный путь для тока, текущего через цепь в процессе переключения посредством специальной конструкции двух слоев шин, то есть направления токов, текущих через верхний и нижний слои шин в процессе переключения, будут зеркально симметричны, в результате чего паразитную индуктивность в силовом преобразователе можно эффективно снизить, а падение напряжения, когда полупроводниковые компоненты выключаются, можно уменьшить, при этом конструкцию шины с двумя слоями можно легко изготовить и установить.

По сравнению со способом, показанном на фиг.2А-2С, настоящее изобретение не приводит к увеличению количества компонентов, что упрощает процесс производства и не влияет на динамические характеристики полупроводниковых компонентов. Кроме того, частота отказов не увеличивается, удельная мощность преобразователя не снижается, а его стоимость не увеличивается, поскольку никаких дополнительных компонентов не вводится.

По сравнению с многослойной шиной, предложенной в патенте США №645651681, при одинаковом уровне напряжения, одинаковом изолирующем материале и одинаковом процессе изолирования, рабочее напряжение между двумя слоями шины согласно настоящему изобретению равно половине напряжения на шине, а для такой конструкции требуется только один слой изолятора, толщина которого равна половине по сравнению с конструкцией с тремя слоями шины. Поэтому паразитная индуктивность в двух слоях шины в настоящем изобретении меньше, чем паразитная индуктивность в трех слоях. Кроме того, процесс изготовления шин в настоящем изобретении прост, а стоимость шин низка, поскольку по форме шины аналогичны друг другу, и для изготовления шин не требуется никакого специфического процесса, например изгиба, наклеивания и т.п.

По сравнению со многослойной шиной, предложенной в патенте США №7881086 B2, при одинаковом уровне напряжения, одинаковом изолирующем материале и одинаковом процессе изолирования количество слоев шины в настоящем изобретении значительно снижено, также как количество изолирующих слоев, что приводит к соответствующему уменьшению паразитной индуктивности. Кроме того, количество соединительных отверстий в многослойных шинах в настоящем изобретении уменьшено, что снижает стоимость производства шин.

Ниже многослойная шина для трехуровневого силового преобразователя NPC согласно настоящему изобретению будет описана на примере различных вариантов ее выполнения.

Первый вариант выполнения настоящего изобретения

Как показано на фиг.4А, верхнее плечо в одной фазе цепи силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC, содержит полупроводниковые компоненты S₁₁ и S₁₃, демпфирующие диоды FWD₁₁ и FWD₁₃, включенные параллельно S₁₁ и S₁₃, соответственно, а нижнее плечо содержит полупроводниковые компоненты S₁₄ и S₁₆, демпфирующие диоды FWD₁₄ и FWD₁₆, включенные параллельно с S₁₄ и S₁₆, соответственно. Клемма фиксирующего диода D₁₂ соединена с S₁₁ и S₁₃ верхнего плеча, а другая его клемма соединена с потенциалом нейтральной точки. Клемма фиксирующего диода D₁₅ соединена с S₁₄ и S₁₆ нижнего плеча, а другая его клемма соединена с потенциалом нейтральной точки. Конденсатор C₁₁₀ шины верхнего плеча включен последовательно между положительным входом постоянного тока и потенциалом нейтральной точки, а конденсатор C₁₂₀ шины нижнего плеча включен последовательно между отрицательным входом постоянного тока и потенциалом нейтральной точки. На фиг.4А «Р» обозначает положительный вход постоянного тока, «N» обозначает отрицательный вход постоянного тока, «NP» обозначает потенциал нейтральной точки, а «АС» обозначает вход/выход переменного тока.

В этом варианте выполнения настоящего изобретения, согласно структуре соединений между соответствующими компонентами в силовом преобразователе, компоненты в силовом преобразователе составляют различные полупроводниковые модули, и, таким образом, структура многослойной шины может быть организована в соответствии с этими модулями. Например, как показано на фиг.4А, S₁₁ и FWD₁₁, соединенные параллельно, составляют полупроводниковый модуль 11; D₁₂ составляет полупроводниковый модуль 12; S₁₃ и FWD₁₃, соединенные параллельно, составляют полупроводниковый модуль 13; S₁₄ и FWD₁₄, соединенные параллельно, составляют полупроводниковый модуль 14, D₁₅ составляет полупроводниковый модуль 15; S₁₆ и FWD₁₆, соединенные параллельно, составляют полупроводниковый коммутационный модуль 16.

Множество полупроводниковых модулей образуют группу 111 компонентов блока питания (или полупроводниковую группу компонентов) в силовом преобразователе. Как показано на фиг.4B, группа 111 блока питания может содержать шесть коммутационных модулей 11, 12, 13, 14, 15 и 16, расположенных в одной плоскости, при этом все они установлены на одном теплоотводе 10.

На фиг.4B, для того, чтобы сделать токи, которые текут через многослойную шину в верхнем и нижнем слоях, зеркально симметричными в процессе переключения, согласно электрическим соединениям между соответствующими компонентами в трехуровневой топологии цепи NPC, полупроводниковые модули 11, 12 и 13 располагают на одной стороне, а 14, 15 и 16 располагают на другой стороне - напротив первой стороны. Кроме того, предпочтительно, чтобы модуль 11 был расположен параллелью модулю 14, модуль 12 - параллельно модулю 15, а модуль 13 - параллелью модулю 16.

На фиг.5А и 7А в силовом преобразователе, имеющем трехуровневую топологию NPC согласно данному варианту выполнения настоящего изобретения, для примера взята одна фаза блока 100 питания в силовом преобразователе, чтобы пояснить структуру блока питания. Блок 100 питания, главным образом, содержит теплоотвод 10, группу 111 компонентов, содержащую модули 11, 12, 13, 14, 15 и 16 полупроводниковых компонентов, и субшины А1, А2, A3, А4, А5 и А6, каждая из которых по своим функциям разделена на проводящую и соединительную части. В данном варианте выполнения настоящего изобретения субшины связаны с соответствующими компонентами в блоке питания. Более конкретно, штырь C₁₁ элемента 11 связан с соединительным отверстием C₁₁′ субшины А1, а соединитель 17 субшины А1 используется в качестве входной положительной клеммы постоянного тока, которая связана с входной положительной шиной постоянного тока через конденсатор C₁₁₀ верхнего плеча. Штырь E₁₁ элемента 11, штырь K₁₂ элемента 12 и штырь C₁₃ элемента 13 электрически связаны с соединительными отверстиями E₁₁′, K₁₂′ и C₁₃′ субшины А2, соответственно. Штырь E₁₃ элемента 13 и штырь C₁₆ элемента 16 электрически связаны с соединительными отверстиями E₁₃′ и C₁₆′ субшины А5, соответственно, а соединитель 110 субшины А5 используется в качестве входа/выхода переменного тока. Штырь E₁₆ элемента 16, штырь A₁₅ элемента 15 и штырь C₁₄ элемента 14 электрически связаны с соединительными отверстиями E₁₃′, A₁₅′ и C₁₄′ субшины A3, соответственно. Штырь E₁₄ элемента 14 электрически связан с соединительным отверстием E₁₄′ субшины А4, а соединитель 18 из субшины А4 используется в качестве входной отрицательной клеммы постоянного тока, которая связана с отрицательной общей шиной постоянного тока через конденсатор C₁₂₀ нижнего плеча. Штырь A₁₂ элемента 12 и штырь K₁₅ элемента 15 электрически связаны с соединительными отверстиями A₁₂′ и K₁₅′ нейтральной субшины А6, расположенной на первом слое, а соединитель 19 нейтральной субшины А6 используется в качестве клеммы соединения с потенциалом нейтральной точки в одной фазе цепи силового преобразователя, которая связана с конденсатором C₁₁₀ верхнего плеча и конденсатором C₁₂₀ нижнего плеча.

На фиг.5B в многослойной шине A0, состоящей из субшин А1, А2, A3, А4, А5 и А6, соединитель 17 (то есть соединитель субшины А1) связан с входной положительной клеммой постоянного тока, соединитель 18 (то есть соединитель субшины А4) связан с входной отрицательной клеммой постоянного тока, соединитель 19 (то есть соединитель субшины А6) связан с нейтральной шиной, а соединитель 110 (то есть соединитель субшины А5) связан с входной/выходной шиной переменного тока.

В варианте выполнения настоящего изобретения, показанном на фиг.5B, многослойная шина A0 размещена поверх группы 111 компонентов блока питания. Многослойная шина A0 содержит два слоя шин. Первый слой шины в многослойной шине A0 - нейтральная субшина А6, которая является нейтральной шиной для одной фазы цепи силового преобразователя, имеющего трехуровневую топологию NPC, и содержит соединитель 19. Второй слой шины в многослойной шине A0 содержит множество субшин А1-А5, которые обеспечивают электрические соединения между полупроводниковыми модулями и положительной шиной постоянного тока, отрицательной шиной постоянного тока и входной/выходной шиной переменного тока, обеспечивают электрические соединения между полупроводниковыми модулями, а также содержит соединитель 17, 18 и 110.

Поэтому в этом варианте выполнения настоящего изобретения многослойная шина A0 содержит шесть субшин А1-А6. В настоящем изобретении в качестве примера взята субшина А6 для иллюстрации структуры каждой из субшин в этом варианте выполнения настоящего изобретения.

Как показано на фиг.5С, субшина А6 содержит проводник А60 и соединитель А61. Проводник А60 - это часть субшины А6, которая используется для создания пути для тока через полупроводниковые модули, а соединитель А61 используется для надежного соединения проводника А60 с внешним устройством, таким как полупроводниковый модуль, конденсатор, двигатель, кабель и т.п., известным способом. В зависимости от различных соединяемых объектов соединитель А61 может содержать по меньшей мере одно из следующего: соединительную клемму А610, соединительное отверстие А611, сквозное отверстие А612 и т.п. Например, соединитель А61 может быть выполнен как соединитель 19 на фиг.5А, и этот соединитель 19 содержит только соединительные клеммы и соединительные отверстия. Аналогично, в других субшинах соединитель может быть выполнен как соединитель 17 и 18 на фиг.5А, а соединитель 17 и 18 также содержит только соединительные клеммы и соединительные отверстия.

В настоящем изобретении, когда требуется, соединитель шины может быть реализован по-разному: например, путем изгиба в пространстве, с помощью заклепки, выпуклости или вогнутости, болтового соединения, скобы, соединительного отверстия и сквозного отверстия различной формы и т.д. Например, при соединении полупроводниковых модулей посредством отверстий в каждой из субшин в многослойной шине выполнены отверстия в местах, соответствующих положениям соответствующих компонентов в полупроводниковых модулях. Отверстия могут быть отнесены к двум типам, в зависимости от их диаметров. Малое отверстие, имеющее меньший диаметр, является соединительным отверстием, и каждая из субшин электрически связана с соответствующим штырем полупроводниковых модулей через соединительные отверстия. Большое отверстие, имеющее больший диаметр, представляет собой сквозное отверстие, и эти сквозные отверстия в каждой из субшин электрически не связаны со штырями полупроводниковых модулей. На чертежах показан только пример, в котором отверстия являются круглыми, но специалистам очевидно, что форма отверстий этим не ограничена и отверстия могут иметь различную форму, например эллипсоидальную, квадратную, и т.д., лишь бы эти отверстия выполняли функции вышеуказанных соединительных отверстий или вышеуказанных сквозных отверстий и отличались друг от друга согласно этим двум функциям.

Многослойная шина A0 может дополнительно содержать изолирующую часть. Изолирующая часть располагается между двумя субшинами, имеющими различные рабочие напряжения и уложенными друг на друга. В качестве примера возьмем многослойную шину A0: в ней изолирующий слой имеется между верхним и нижним слоями шины, и изолирующий слой может быть прикреплен к поверхности субшины А6 или может быть присоединен к поверхностям субшин А1, А2, A3, А4 и А5 или может быть присоединен к поверхностям субшин А1, А2, A3, А4, А5 и А6 одновременно. Изолирующий слой может не быть присоединен ни к какой поверхности субшин, а может располагаться независимо между двумя слоями субшин, а эффективное сцепление между верхним и нижним слоями шины достигается посредством ламинирования, адгезии и т.д. Как показано на фиг.5А и 5B, нейтральная субшина А6 расположена отдельно поверх многослойной шины, и рабочие напряжения между другими субшинами, расположенными во втором слое, и нейтральной шиной А6, равны половине полного рабочего напряжения постоянного тока в силовом преобразователе. Однако в шине второго слоя рабочие напряжения между множеством субшин, то есть между А1 и А2, между А2 и А5, между A3 и А5, между A3 и А4, и между А2 и A3 также равны половине полного рабочего напряжения постоянного тока в преобразователе, а рабочее напряжение между А1 и А4 равно полному рабочему напряжению постоянного тока в преобразователе.

В этом варианте выполнения настоящего изобретения многослойная шина сформирована в виде двух слоев, что обеспечивает по существу зеркальную симметрию токов, текущих через верхний и нижний слои шины, что эффективно снижает паразитную индуктивность в силовом преобразователе и дополнительно снижает падение напряжения на переключающих компонентах. Кроме того, нейтральная субшина, вып