一種基於全控型變流器件iegt的大容量h橋功率單元的製作方法

2023-05-11 00:13:41 2

專利名稱：一種基於全控型變流器件iegt的大容量h橋功率單元的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力電子行業中基於全控型變流器件的功率單元。
背景技術：
隨著市場對大容量變換器的需求越來越廣泛，電力電子器件技術的不斷提升， IEGT開關器件具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發展前景，具有低損耗、高速動作、高 耐壓、有源柵驅動智能化等特點，以及採用溝槽結構和多晶片並聯從而具有自均流的特性， 使IEGT開關器件在進一步擴大電流容量方面頗具潛力。基於IGBT的H橋串聯拓撲結構普遍應用於大功率變頻領域，但受開關器件耐受的 電壓、電流水平所限，每個功率單元的容量較小。基於大功率開關器件IEGT的H橋功率單 元可以克服這一限制，從而使得H橋串聯變換器更容易達到更高的功率水平，因此，研究開 IEGT功率單元，通過IEGT功率單元模塊實現大容量功率輸出是非常重要的，而且IEGT功率 單元模塊封裝方式還可提供眾多派生產品，在大、中容量變換器中應用。
發明內容本實用新型的目的是提供一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元， 該功率單元採用全控型變流器件IEGT，可實現大容量輸出，具有超強的通用性，可大大提高 其組成的串聯H橋結構產品的穩定性和可靠性。為實現上述目的，本實用新型通過以下技術方案實現一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，該功率單元以IEGT相模 塊組成的H橋功率單元為主體，輸出幅值和頻率可調的交流電壓或輸出幅值可調的直流電 壓。所述的H橋功率單元由兩個內含兩個IEGT器件的相模塊組成、或一個內含四個 IEGT器件的橋模塊組成。所述的一個相模塊包括兩個IEGT器件，兩個IEGT器件串聯在一起，中間連接端引 出為輸出端；每個相模塊還包括緩衝吸收電路和直流濾波電容，直流濾波電容接在正、負母 線之間。所述的緩衝吸收電路包括電感、電阻、二極體及電容，二極體正極端與電感相連， 二極體負極端與電阻相連，電阻與電感相連；二極體的負極端還連接電容，電容另一端與 負母排相連接。所述的每個IEGT器件均並聯有續流二極體，續流二極體可為內置或外置兩種形 式。所述的功率單元還包括撬槓模塊，撬槓模塊的兩端分別連接在正、負直流母線上。所述的撬槓模塊包括電流撬槓模塊和電壓撬槓模塊兩種，電流撬槓模塊由雙向晶 閘管與電阻串聯組成；電壓撬槓模塊由晶閘管與二極體反並聯後，與電阻串聯而成。所述的功率單元還包括旁路模塊，旁路模塊並聯在H橋功率單元輸出端。[0014]所述的旁路模塊由電壓傳感器VS、兩個反向並聯的晶閘管SCRl和SCR2、旁路接觸 器KM並聯組成，並聯於兩個相模塊的輸出端。所述的功率單元還包括斬波模塊，斬波模塊連接在正、負母線之間。所述的斬波模塊由全控型開關器件和制動電阻串聯而成，全控型開關器件和制動 電阻分別反向並聯了續流二極體。所述的功率單元還包括兩個電壓傳感器，其中一個電壓傳感器兩端連接在正、負 直流母線上，用於檢測功率單元的直流電壓；另一個電壓傳感器連接在H橋功率單元的輸 出側，用於檢測輸出電壓。所述的功率單元還包括一個電流傳感器，串聯在直流母線上，用於檢測流過直流 母線上的電流。所述的IEGT開關器件可單個使用，也可為多個IEGT開關器件串聯或並聯組成的 一組IEGT開關器件。所述的IEGT開關器件還可為PP IGBT、IGCT或其它全控型開關器件。所述的H橋功率單元可應用於高壓變頻器、高壓靜止無功發生器、機車車輛牽引 變流器、風力發電變流器領域。與現有技術相比，本實用新型的有益效果是該功率單元的設計，採用全控型變流器件IEGT，具有優異的模塊化結構設計，可實 現大容量功率輸出，具有超強的通用性及完善的保護，可大大提高其組成的串聯H橋結構 產品的穩定性和可靠性。

[0024]圖1為IEGT相模塊電氣結構示意圖；[0025]圖2為不控整流模塊電氣結構示意圖；[0026]圖3為半控整流模塊電氣結構示意圖；[0027]圖4為全控整流模塊電氣結構示意圖；[0028]圖5為斬波模塊電氣結構示意圖；[0029]圖6-1為電流撬槓模塊電氣結構示意圖；[0030]圖6-2為電壓撬槓模塊電氣結構示意圖；[0031]圖7為旁路模塊電氣結構示意圖；[0032]圖8為用於鏈式STATC0M功率單元的電氣結構示意圖；[0033]圖9為用於兩象限高壓變頻器的功率單元的電氣結構示意圖[0034]圖10為用於四象限高壓變頻器的功率單元的電氣結構示意圖[0035]圖11為角形接法的鏈式STATC0M的電氣結構示意圖；[0036]圖12為星形接法的串聯H橋高壓變頻器的電氣結構示意圖。
具體實施方式
下面通過具體實施方式
詳細敘述本實用新型。實施例1見圖8，用於鏈式STATC0M的IEGT大容量H橋功率單元，由1#相模塊、撬槓模塊、2#相模塊、旁路模塊、電壓傳感器組成。1#相模塊包括兩個完全相同的全控型開關器件 IEGTUIEGT2, IEGTl並聯續流二極體Dl，IEGT2並聯續流二極體D2。兩個IEGT器件串聯在 一起，中間連接端引出為輸出端；每個相模塊還包括直流濾波電容，直流濾波電容接在正、 負母線之間；相模塊還包括緩衝吸收電路，緩衝吸收電路跨接在直流濾波電容C3與開關器 件IEGTl、IEGT2之間，並分別與直流濾波電容C3、兩個開關器件IEGTl、IEGT2形成並聯。緩衝吸收電路由電感Li、電阻R1、二極體D5、電容Cl構成，二極體D5正極端與電 感Ll相連，二極體D5負極端與電阻Rl相連，電阻Rl與電感Ll相連；二極體D5的負極端 還連接電容Cl，電容Cl另一端與負母線相連接。撬槓模塊包括電流撬槓模塊和電壓撬槓模塊兩種，見圖6-1，電流撬槓模塊由雙向 晶閘管BJT與電阻R4串聯組成，本實施例中選用的是電流撬槓。電流撬槓模塊通過1個電 流傳感器可以同時檢測到不同的兩個相模塊中發生的直通短路。當電流達到保護設定閾值 時，電流撬槓保護動作，電阻R4旁路短路電流，分散短路能量，達到保護IEGT的效果。見圖 6-2，電壓撬槓模塊由晶閘管SCR3與二極體D24反並聯後，與電阻R5串聯而成。電壓撬槓 模塊通過直流母線的電壓傳感器來檢測直流過壓。當電壓達到保護設定閾值時，電壓撬槓 保護動作，直流母線電容通過電壓撬槓釋放能量從而降低母線電壓，使得IEGT不會發生過 壓損壞。2#相模塊包括兩個完全相同的全控型開關器件IEGT3、IEGT4，IEGT3並聯續流二 極管D3，IEGT4並聯續流二極體D4。兩個IEGT器件串聯在一起，中間連接端引出為輸出 端；每個相模塊還包括直流濾波電容C4，直流濾波電容處接在正、負母線之間；相模塊還包 括緩衝吸收電路，緩衝吸收電路跨接在直流濾波電容C4與開關器件IEGT3、IEGT4之間，並 分別與直流濾波電容C4、兩個開關器件IEGT3、IEGT4形成並聯。緩衝吸收電路由電感L2、電阻R2、二極體D6、電容C2構成，二極體D6正極端與電 感L2相連，二極體D6負極端與電阻R2相連，電阻R2與電感L2相連；二極體D6的負極端 還連接電容C2，電容C2另一端與負母線相連接。旁路模塊由兩個反並聯的晶閘管SCR1、SCR2、旁路接觸器KM並聯組成，並聯於兩 個相模塊的輸出端。該功率單元包括電壓傳感器VSl和電壓傳感器VS，電壓傳感器VSl設置於整流模 塊輸出側，其兩端分別連接在正、負直流母線上，用於檢測功率單元的中間直流電壓；電壓 傳感器VS設置於H橋功率單元的逆變輸出側，用於檢測逆變輸出電壓。實施例2見圖9，用於兩象限高壓變頻器的IEGT大容量H橋功率單元，由整流模塊、斬波模 塊、1#相模塊、撬槓模塊、2#相模塊、旁路模塊、電壓傳感器組成。本實施例中，整流模塊採用半控整流橋結構(圖3)，整流模塊還可採用不控整流 橋(圖2)或全控整流橋結構(圖4)。見圖3、圖9，半控整流橋由三個晶閘管SCR1、SCR2、SCR3及三個二極體D13、D14、 D15構成三相整流橋。見圖2，不控整流橋由六個二極體D7、D8、D9、D10、Dll、D12構成三相整流橋。見圖4，全控整流橋由六個全控型器件IEGT5、IEGT6、IEGT7、IEGT8、IEGT9、IEGTlO 構成三相整流橋結構，且每個全控型器件IEGT5均並聯續流二極體。全控型器件IEGT5、IEGT6、IEGT7、IEGT8、IEGT9、IEGTlO 分別並聯續流二極體 D16、D17、D18、D19、D20、D21。見圖5、圖9，斬波模塊由全控型開關器件IEGTll和制動電阻R3串聯而成，全控型 開關器件IEGTll和制動電阻R3分別與二極體D22、二極體D23反並聯連接。1#相模塊、撬槓模塊、2#相模塊、旁路模塊、電壓傳感器同實施例1。實施例3見圖10，用於四象限高壓變頻器的IEGT大容量H橋功率單元，由整流模塊、1#相 模塊、撬槓模塊、2#相模塊、旁路模塊、電壓傳感器組成。見圖4、圖10，本實施例採用全控整流模塊，由六個全控型器件IEGT5、IEGT6、 IEGT7、IEGT8、IEGT9、IEGTlO構成三相整流橋結構，且每個全控型器件IEGT5均並聯有續流 二極體。全控型器件IEGT5、IEGT6、IEGT7、IEGT8、IEGT9、IEGTlO分別並聯有續流二極體 D16、D17、D18、D19、D20、D21。1#相模塊、撬槓模塊、2#相模塊、旁路模塊、電壓傳感器同實施例1。上述實施例中，選用的箝位型緩衝吸收電路可以有效的抑制尖峰電壓和電流，即 有效阻止高dv/dt與di/dt，大大緩減器件在電路中承受的電應力，降低器件的開關損耗、 避免器件的二次擊穿和抑制電磁幹擾，從而提高電路的可靠性。所述的相模塊的緩衝吸收 電路也可以為其他類型的緩衝吸收電路，如C，RC, RCD, McMurry等。所述的整流模塊可以為不控整流橋、半控整流橋或全控整流橋。這裡的半控整流 橋包括3個晶間管和3個二極體。不控整流橋由6個二極體組成，可以實現最基本的整流 功能。半控整流橋的主要作用有兩個，一個是可通過對觸發角的控制，實現系統上電後對直 流濾波電容的快速而穩定的充電過程，有效地解決了電容充電湧流的問題；另一個是在正 常或故障情況下需要切斷單元輸入時，可以無需斷路器、熔斷器而通過對晶閘管的觸發控 制而快速地切斷單元的電源輸入。所述的半控整流橋可以用半控器件(晶閘管)也可以用 全控器件(IEGT等)。而全控整流橋的功能可以實現有功功率的雙向流動，使得所述的功率 單元除了可以正常的輸出有功功率外，還能在能量逆向流動時，向電源側回饋有功功率，同 時保持直流母線電壓的穩定。所述的斬波模塊由全控開關器件和制動電阻組成，通過開關器件的動作，可以可 控的對偏高的直流母線電壓進行放電調節，從而有效地解決能量回饋時造成的功率單元直 流母線電壓升高的問題。此斬波模塊可重複工作。所述的撬槓模塊有兩種，一種為電流撬槓模塊，另一種為電壓撬槓模塊。電流撬槓 模塊和電壓撬槓模塊都是用來保護相模塊中的開關器件，可以同時使用，也可以按具體需 求選用。所述的旁路模塊設計為包含晶閘管和旁路接觸器的複合旁路，保證故障時可以快 速的旁路故障單元，從而保證整個系統的不停機運行。旁路切換功能保證單元有故障時自 動將單元旁路且系統無需停機，待生產條件允許後再處理故障單元，包含晶間管和旁路接 觸器的單元複合旁路設計更是提高了系統快速處理故障的能力，從而提高了系統運行的可靠性。所述的相模塊，整流模塊，斬波模塊，撬槓模塊均為連接在直流母線上的子模塊， 通過模塊化的設計，每個模塊都用相同或相似的接插件連接在直流母線上，從而實現緊湊 而便於安裝維護的結構設計。[0064]所述的整流模塊，斬波模塊，撬槓模塊，旁路模塊可按系統的實際需要進行取捨。 由兩個相模塊組成的逆變單元可以應用於鏈式STATC0M，按系統需要可增加撬槓模塊和旁 路模塊等。由整流模塊和逆變單元可組成變頻功率單元，應用於H橋串聯型的大功率變頻 器，若其中的整流模塊為全控整流則大功率變頻器可以實現四象限運行。所述的半導體開關器件以IEGT為例，但不限於IEGT，它包括PP IGBT, IGCT及其 它全控型開關器件等。此外，圖中的一支IEGT可以是單支開關器件，也可以是多支IEGT的 串聯或並聯。圖11為本實用新型H橋功率單元的角形接法的鏈式STATC0M的電氣結構示意圖； 圖12為本實用新型H橋功率單元的星形接法的串聯H橋高壓變頻器的電氣結構示意圖。H 橋功率單元的結構可以是上述實施例中的任何一種，且不限於上述實施例。
權利要求1.一種基於全控型開關器件IEGT的大容量H橋功率單元，其特徵在於，該功率單元以 IEGT相模塊組成的H橋功率單元為主體，輸出幅值和頻率可調的交流電壓或輸出幅值可調 的直流電壓。
2.根據權利要求1所述的一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其 特徵在於，所述的H橋功率單元由兩個內含兩個IEGT器件的相模塊組成、或一個內含四個 IEGT器件的橋模塊組成。
3.根據權利要求2所述的一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其特 徵在於，所述的一個相模塊包括兩個IEGT器件，兩個IEGT器件串聯在一起，中間連接端引 出為輸出端；每個相模塊還包括緩衝吸收電路和直流濾波電容，直流濾波電容接在正、負母 線之間。
4.根據權利要求3所述的一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其特 徵在於，所述的緩衝吸收電路包括電感、電阻、二極體及電容，二極體正極端與電感相連，二 極管負極端與電阻相連，電阻與電感相連；二極體的負極端還連接電容，電容另一端與負母 排相連接。
5.根據權利要求2或3或4所述的一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率 單元，其特徵在於，所述的每個IEGT器件均並聯有續流二極體，續流二極體可為內置或外 置兩種形式。
6.根據權利要求1或2或3或4所述的一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋 功率單元，其特徵在於，所述的功率單元還包括撬槓模塊，撬槓模塊的兩端分別連接在正、 負直流母線上。
7.根據權利要求6所述的一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其特 徵在於，所述的撬槓模塊包括電流撬槓模塊和電壓撬槓模塊兩種，電流撬槓模塊由雙向晶 閘管與電阻串聯組成；電壓撬槓模塊由晶閘管與二極體反並聯後，與電阻串聯而成。
8.根據權利要求6所述的一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其特 徵在於，所述的功率單元還包括旁路模塊，旁路模塊並聯在H橋功率單元輸出端。
9.根據權利要求8所述的一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其特 徵在於，所述的旁路模塊由電壓傳感器VS、兩個反向並聯的晶閘管SCRl和SCR2、旁路接觸 器KM並聯組成，並聯於兩個相模塊的輸出端。
10.根據權利要求6所述的一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其 特徵在於，所述的功率單元還包括斬波模塊，斬波模塊連接在正、負母線之間。
11.根據權利要求10所述的一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其 特徵在於，所述的斬波模塊由全控型開關器件和制動電阻串聯而成，全控型開關器件和制 動電阻分別反向並聯了續流二極體。
12.根據權利要求8或9或10或11所述的一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H 橋功率單元，其特徵在於，所述的功率單元還包括兩個電壓傳感器，其中一個電壓傳感器兩 端連接在正、負直流母線上，用於檢測功率單元的直流電壓；另一個電壓傳感器連接在H橋 功率單元的輸出側，用於檢測輸出電壓。
13.根據權利要求8或9或10或11所述的一種基於全控型變流器件IEGT的大容量 H橋功率單元，其特徵在於，所述的功率單元還包括一個電流傳感器，串聯在直流母線上，用於檢測流過直流母線上的電流。
14.根據權利要求2或3所述的一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單 元，其特徵在於，所述的IEGT開關器件可單個使用，也可為多個IEGT開關器件串聯或並聯 組成的一組IEGT開關器件。
15.根據權利要求14所述的一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其 特徵在於，所述的IEGT開關器件還可為PP IGBT或IGCT開關器件。
專利摘要本實用新型涉及電力電子行業中一種基於全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，該功率單元以IEGT相模塊組成的H橋功率單元為主體，可輸出幅值和頻率可調的交流電壓或輸出幅值可調的直流電壓。一個相模塊包括兩個IEGT器件，兩個IEGT器件串聯在一起，中間連接端引出為輸出端；每個相模塊還包括緩衝吸收電路和直流濾波電容，直流濾波電容接在正、負母線之間。與現有技術相比，本實用新型的有益效果是該功率單元的設計，採用全控型變流器件IEGT，具有優異的模塊化結構設計，可實現大容量功率輸出，具有超強的通用性及完善的保護，可大大提高其組成的串聯H橋結構產品的穩定性和可靠性。
文檔編號H02M1/10GK201789411SQ20102012803
公開日2011年4月6日 申請日期2010年3月11日 優先權日2010年3月11日
發明者丁雅麗, 左強, 張其生, 張海濤, 徐穎, 李興, 李曠, 郭自勇 申請人:榮信電力電子股份有限公司