[发明专利]具有功率转换部件的环形电容器

说明书

相关申请交叉引用

本申请要求2007年11月1日提交的美国临时专利申请第60984561号、第60984546号和第60984530号的优先权，各项美国临时专利申请的题目分别为“Annual capacitor with semiconductors around the perimeter to perform power conversion”、“Annual capacitor with semiconductor die or modules inside the hole for power conversion”以及“Annual capacitor with power conversion semiconductor electronics contained inside the center hole”，通过引用将这些申请的主题并入本文。在此，本发明是根据同一发明人于2007年10月30日发表的新近的专利7,289,311“Power ring pulse capacitor”得出的。

技术领域

本发明涉及功率转换电子设备中用作DC链路电容器的环形因子电容器。具体而言，本发明涉及围绕所述电容器或在所述电容器内部放置功率开关装置的配置选择，其对于给定的电容器电流而言能够使电容器内部温度上升最小。较低的内部温度将会产生可靠性的改进。这些配置选择的优点的另一种陈述方式为，对于给定的温度上升允许更高的电流通过所述电容器。这些配置选择还使得DC链路电容器与半导体开关之间的电感连接比典型的现有技术中的更低。

背景技术

在广泛应用的针对DC电压转换或DC到AC变换的功率转换技术中，典型的电路布置使用与开关半导体装置尽可能接近的电容器。该电容器用于减小从开关装置看来的DC源的阻抗。出于以下多个原因需要该电容器。

1)该电容器以所使用的开关频率给转换/变换开关提供电流。其从DC源去除了其他高频电流，这些高频电流通常对该源的寿命和可靠性是有害的。

2)该电容器去除了由开关动作引起的大部分“噪音”并且有助于将“噪音”抑制在功率转换/变换界限以内。

3)该电容器对开关的较低电感在开关断开期间降低了开关处的电压升高，而开关处的电压升高对于变换器/转换器设计者来说是主要问题。

该电容器还存储能量，从而使得DC源的短时间中断不会使输出中断，但该功能与本发明无关。

在功率转换/变换的已知技术领域中，用于该应用中的电容器称为“DC链路电容器”。通常根据必须由该电容器给开关提供的开关频率的AC电流的幅度以及应用DC源可接受的最大AC电流来决定这个电容器的尺寸。对于大功率转换系统，到2008年10月15日为止，商业上可获得的电容器卷绕机还不能够缠绕足够大的单个电容器元件来满足DC链路电容器的需求。通过将两个或更多个电容器绕组相互连接来制成适合的电容器以获得所期望的电压和AC电流承载需求。这可以由电容器制造商利用封装在具有用于连接至功率转换系统的至少一个端子对的金属或塑料容器之内的完整组件来实现。DC链路电容器还可以是由几个被适当配置的离散电容器组成的“组”。

对于这两种实现方式(内部连接的电容器绕组，或外部连接的电容器)，几乎都不能够保证每个电容元件承载相同的电流，这是因为承载相同的电流意味着从开关半导体到每个电容器元件的连接的阻抗要相等。最接近开关(从而到开关的阻抗最小)的电容器绕组将承载不成比例的电流从而导致不成比例的发热。与开关半导体最接近的电容器将获得产生的AC电流的最大份额。

现有技术对于组装的DC链路电容器实现方式的性能限制为，承载最多电流的电容器元件中的温度上升将限定整个电容器的电流承载能力；难以将电容器元件与开关半导体之间的电感最小化。

对于用户组装的“电容器组”的DC链路电容器而言，也存在同样的问题，在组中位于最接近开关半导体的各个电容器将承载多于其份额的电流。这是因为，最接近的电容器将具有与电流源最短的距离并因此在电路中的阻抗最低。

电容器的长期可靠性是电流负载条件下的电容器中最热点的函数。在此区域中将会出现薄弱点以及最终的故障。因此，电容器的长期可靠性将会是电容器中最热点的函数。

发明内容