CN102163926B - 基于igbt模块并联的大功率变流器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于IGBT模块并联的大功率变流器。本发明的大功率变流器金属膜电容器采用异极性布置-电容器的极性为正负交错布置的大功率变流器结构，其电路结构对称，模块均流效果好，回路杂散电感小，便于链节模块之间级联以实现大功率应用。解决了单个IGBT模块容量不能满足大功率变流器的应用，以及并联IGBT模块存在的均流等问题。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于IGBT模块并联的大功率变流器。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
IGBT为全控型器件，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V或负电压，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极—发射极间施加十几V的驱动电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。
IGBT具有开关速度快，导通压降低，驱动功率小，工作频率高，控制灵活等特点，因此，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。目前，高电压、大电流的IGBT已经模块化，它的驱动电路现已制造出集成化的IGBT专用驱动电路，其性能更好，可靠性更高，体积更小，会在今后大、中功率的应用中占据主导地位。但在高电压、大功率变流器的许多应用领域中，要求器件的电压等级达到10kV以上，电流达到几千A，就目前而言，单个IGBT模块的电压和电流容量仍然有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求。
目前，随着市场对大功率变流器的需求与日俱增，IGBT模块并联方案已经成为一种趋势，这主要源于IGBT并联能够提供更高电流密度、均匀热分布、灵活布局以及较高性价比等优势。经常会采用两种IGBT并联方式，即IGBT模块并联和桥臂并联。通过将小功率IGBT模块、大功率IGBT模块进行并联组合，可获得不同额定电流的等效模块，且实现并联的连接方式也很灵活、多样。另外，通过并联可降低模块热集中，使其获得更加均匀的温度梯度分布，较低的平均散热器温度，这有益于提高热循环周次。因此，IGBT模块并联是大功率变流器设计应用的最佳方案之一。然而，并联IGBT模块之间静态与动态性能参数存在着差异，势必会引起器件电流分配不均衡，严重时会使器件失效甚至损坏主电路，为此，IGBT模块并联要考虑如何通过优化驱动、模块布局等设计来确保器件均流。
随着现代电力电子技术及大功率半导体器件的迅速发展，市场对大功率变流器的需求也日益增加。目前，大功率半导体器件的容量仍然有限，限制了大功率变流器的发展，IGBT模块并联方案已经成为一种发展趋势，提供了一种全新的解决方案。
基于IGBT模块并联的大功率变流器结构，可以设计为H桥电路左右桥臂布置在直流电容器的两侧，中间为多组并联安装的金属膜电容器，通过无感复合叠层母排与H桥IGBT模块相连。该方案设计的特点是：连接关系简单清晰、模块内部结构紧凑；但回路杂散电感大，IGBT模块均流效果差，直流电容器出力不均衡，此种方案应用较少。
基于IGBT模块并联的大功率变流器结构，大多数采用H桥电路左右桥臂布置在直流电容器的同侧，且直流电容器采用同极性布置—电容器的极性为正负平行布置，通过无感复合叠层母排与H桥IGBT模块相连。该方案设计的特点是：电路结构紧凑，模块均流效果较好，但回路杂散电感较大，关断尖峰电压较高。
发明内容
本发明提供一种变流器结构设计方案，在试验中取得了良好的效果。解决了单个IGBT模块容量不能满足大功率变流器的应用，以及并联IGBT模块存在的均流等问题。
本发明的一种基于IGBT模块并联的大功率变流器，包括IGBT模块、直流电容器、H桥电路、驱动电路、放电电路、旁路电路、单元控制器、交直流母排和液冷散热器，其中：
直流电容器起到电压支撑作用，并作为取能电源的输入电压；直流电容器选用多组并联安装的使用寿命长的金属膜电容器，且采用异极性布置，通过无感复合叠层母排与H桥IGBT模块相连；
H桥电路的作用是根据控制器指令输出补偿电压，为实现大功率输出，H桥电路中上下桥臂采用多只IGBT模块并联；两个左右桥臂布置在直流电容器的一侧，选用同一批次、同一包装的IGBT模块进行并联，从而保证并联IGBT模块参数的一致性；驱动电路用于触发IGBT模块中的器件，为使得并联IGBT模块的开通和关断特性一致，选用专门为大容量IGBT模块设计的主、从驱动电路，并且为了减少引线电感，驱动电路直接安装在IGBT模块上，所述IGBT模块安装在液冷散热器上；
交直流母排的作用是将直流电容器和H桥IGBT模块连接起来，为了减少杂散电感，设置为无感复合叠层母排，布置在直流电容器和IGBT模块的正上方；
液冷散热器起散热作用，为两路独立的水路，将IGBT模块开通和关断过程中产生的大部分热量通过水路散出去，为便于链节模块间的级联，液冷散热器的进、出水口设计在散热器的同一侧上；
放电电路的作用是为直流电容器提供过压保护，紧急和正常退出时为直流电容器放电；放电电路包括放电IGBT模块与放电电阻串联，当直流母线电压超过整定的阈值之后，放电IGBT模块导通，通过放电电阻给直流电容放电，放电IGBT模块安装在液冷散热器的背面，放电电阻设置在液冷散热器的下方，通过无感复合叠层母排引出端与液冷散热器相连接；
旁路电路的作用是为整个大功率变流器的链节模块提供保护，当链节模块正常运行时，H桥电路投入工作，旁路电路退出运行；当链节模块内部发生特定故障时，信号上报给主控制器，主控制器经过判断发出命令，封锁H桥电路，同时旁路电路开通，输出电流转移至旁路部分，从而使得故障链节退出；旁路元件选用单极机械开关，放置在液冷散热器的下方，通过交流输出排引出端与液冷散热器相连，交流输出排还与相邻链节模块相连接；
单元控制器负责接受并执行主控制器下发的命令，把大功率变流器内部的状态上传给主控制器，对大功率变流器进行控制、监测和保护，单元控制器及驱动电路布置在大功率变流器的外侧。
其中，直流电容器采用异极性布置的结构：直流电容器采用多组并联安装的使用寿命长的金属膜电容器，且采用异极性布置—电容器的极性为正负交错布置，通过无感复合叠层母排与H桥IGBT模块相连；H桥IGBT模块采用多只IGBT模块并联，并安装在液冷散热器上，H桥电路的两个左右桥臂位于直流电容器的一侧，H桥电路的输出通过交流输出排与旁路电路相连，并分别与相邻链节模块相连；驱动电路和吸收电容位于IGBT的上方，为减少引线电感，驱动电路直接安装在IGBT模块上方；液冷散热器位于IGBT的下方；为方便模块之间的级联，液冷散热器的进、出水口位置设计在液冷散热器的同一侧上；放电IGBT模块布置在液冷散热器的背面，散热器下方放置单元控制器、取能电源、放电电阻和旁路电路。
本发明的有益效果是：
本发明的大功率变流器，金属膜电容器采用异极性布置—电容器的极性为正负交错布置的大功率变流器结构，与其它的结构设计方案相比，该方案具有明显的优势：电路结构对称，模块均流效果好，回路杂散电感小，便于链节模块之间级联以实现大功率应用。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1依据本发明的电流源变流器拓扑结构图；
图2依据本发明的电压源变流器拓扑结构图；
图3依据本发明的级联H桥多电平拓扑图；
图4依据本发明的单个链节模块布局图(电容器在中间)；
图5依据本发明的电容器同极性布置平面布局图；
图6依据本发明的电容器同极性布置链节模块结构图；
图7依据本发明的电容器异极性布置平面布局图；
图8依据本发明的电容器异极性布置链节模块结构图；
图9是单个链节模块的电路原理示意图。
具体实施方式
基本的大功率变流器按直流母线性质可以分为电流源和电压源两大类拓扑结构。
该大功率变流器包括交直流母排8、液冷散热器9以及由取能电源1、直流电容器2、H桥电路3、驱动电路4、放电电路5、旁路电路6和单元控制器7构成的各链节模块，所述液冷散热器9置于框架的顶端，交直流母排8位于液冷散热器9的上方，交直流母排8与液冷散热器9之间设有H桥电路3，交直流母排8将H桥电路与置于框架侧端的直流电容器2相连接，驱动电路4位于H桥电路3和交直流母排8之间，取能电源1、放电电路5、旁路电路6和单元控制器7分别置于液冷散热器9的下方。
直流电容器采用异极性布置的结构：即直流电容器采用多组并联安装的使用寿命长的金属膜电容器，且采用异极性布置：即电容器的极性为正负交错布置，通过无感复合叠层母排与H桥IGBT模块相连；H桥IGBT模块采用多只IGBT模块并联，并安装在液冷散热器上，H桥电路的两个左右桥臂位于直流电容器的一侧，H桥电路的输出通过交流输出排与旁路电路相连，并分别与相邻链节模块相连；驱动电路和吸收电容位于IGBT的上方，为减少引线电感，驱动电路直接安装在IGBT模块上方；液冷散热器位于IGBT的下方；为方便模块之间的级联，液冷散热器的进、出水口位置设计在液冷散热器的同一侧上；放电IGBT模块布置在液冷散热器的背面，散热器下方放置单元控制器、取能电源、放电电阻和旁路电路。如图9所示，所述每个链节模块包括H桥电路3、直流电容器2、放电电路5、旁路电路6、取能电路1、单元控制器7及驱动电路4，H桥电路、直流电容器C、放电电路及取能电源相互并联，H桥电路包括两个相互并联的桥臂，两个桥臂的中点作为本链节的交流输出端，交流输出端之间并联有一旁路电路，取能电源将所得到的控制电源提供给单元控制器和驱动电路，单元控制器分别对H桥电路、直流电容器C、放电电路和旁路电路进行控制，驱动电路对H桥电路中的IGBT模块(即IGBT器件)和放电电路中的模块(即IGBT器件)进行驱动。
H桥电路3包括两个相并联的桥臂，每个桥臂由上、下两个电力电子元件(V1～V4)串联构成，每个电力电子元件由大功率IGBT器件及二极管按反电流流向并联而成，所述两个桥臂的上端与直流电容器C的正极相连，两个桥臂下端与直流电容器C的负极相连，两个桥臂的中点作为本链节的交流输出端，交流输出端之间并联一旁路电路后再与相邻链节交流端首尾连接；放电电路包括IGBT器件VT1、放电电阻R和二极管D1，IGBT器件与放电电阻R相串联，所述二极管D1与放电电阻相并联。
电流源变流器的基本拓扑结构如图1所示，电流源拓扑结构的发展主要经历了电容器辅助电流源逆变器(CACSI)、脉宽调制电流源逆变器(PWMCSI)、晶闸管组成的脉宽调制电流源逆变器(PWMCSI-SGCT)。CACSI这种拓扑是由晶闸管整流器、直流大电感、晶闸管逆变器和输出滤波电容组成。由于这种拓扑没有用到PWM技术，并且需要一个非常大的输出滤波电容，这种拓扑的应用已经越来越少。PWMCSI这种拓扑的特点是由1个SCR整流器，1个直流链电感，1个GTO逆变器和1个输出滤波电感组成。由于应用GTO，PWM控制成为可能，增强了调速性能，也大大减小了逆变器的尺寸。PWMCSI-SGCT这种拓扑的特点是由1个SCR整流器或者1个SGCT脉宽调制整流器，1个更小的直流链电容，1个SGCT逆变器和1个更小的输出滤波电容组成。
典型的电压源变流器是两电平的，其基本拓扑结构如图2所示，由1个前级整流器，1个大的直流电容和1个逆变器组成。典型的三电平逆变器拓扑是由1个12脉或者24脉的二极管不控整流桥，1个直流母线电容和1个三电平IGBT逆变器组成。级联H桥多电平拓扑也是当前广泛应用的一种多电平拓扑，如图3所示，它是由多个结构完全相同的H桥电路级联而成，从而获得需要的中高压应用。
目前，大功率半导体器件的容量仍然有限，限制了大功率变流器的发展，IGBT模块并联方案已经成为一种发展趋势，提供了一种全新的解决方案。基于IGBT模块并联的大功率变流器结构，可以采用H桥电路布置在直流电容器的两侧，如图4所示。中间为多组并联安装的金属膜电容，通过无感复合叠层母排与H桥IGBT模块相连，两个桥臂分别位于膜电容两侧，驱动板、吸收电路位于IGBT正上方，液冷散热器位于IGBT下方，散热器下方放置单元控制器、取能电路、放电电路、旁路电路等。交流输出排可以与相邻链节模块相连，强电部分在内侧，控制部分在外侧。但回路杂散电感大，IGBT模块均流效果差，直流电容器出力不均衡，此种方案应用较少。
基于IGBT模块并联的大功率变流器结构，大多数采用H桥电路布置在直流电容器的同侧，且直流电容器为同极性布置，其平面示意图如图5所示，结构布局图如图6所示，图中的符号C表示集电极，E表示发射极。多组并联安装的金属膜电容器在一侧，且为同极性布置，通过无感复合叠层母排与H桥IGBT模块相连，H桥IGBT模块采用多只IGBT模块并联，H桥两个左右桥臂位于电容器的一侧；驱动板、吸收电容位于IGBT上方，液冷散热器位于IGBT下方，进、出水口在散热器的一侧；散热器下方放置单元控制器、取能电源、放电电路、旁路电路等。该方案设计的特点是：电路结构紧凑，模块均流效果较好，但回路杂散电感较大，关断尖峰电压较高。
本发明的基于IGBT模块并联的大功率变流器，金属膜电容器采用异极性布置，其平面布局示意图如图7所示；属于级联H桥多电平电压源变流器，其单个H桥链节模块是由IGBT脉宽调制整流器、直流电容器和IGBT逆变器、放电电路、旁路电路等组成，链节模块结构图如图8所示。
直流电容器起到电压支撑作用，并作为取能电源的输入电压。直流电容器选用多组并联安装的使用寿命长的金属膜电容器，且采用异极性布置，通过正负极母排与H桥IGBT模块相连。
交直流母排的作用是将直流电容器和H桥IGBT模块连接起来，为了减少杂散电感，设置为无感复合叠层母排，布置在直流电容器和IGBT模块的正上方，并通过母排引出端将放电IGBT和放电电阻连接起来。为了减少回路的杂散电感，正负极母排与交流母排设计为复合叠层母排，采用绝缘薄膜将正负极母排和交流母排进行绝缘处理，由于绝缘薄膜厚度薄，可以减小正负母排之间的距离，所以叠层结构的母排杂散电感很小。同时，叠层母排的结构设计上，正极和负极的电流的流向相反，这样形成的磁场能够相互抵消，达到消除正负极母排重叠部分的互感，减小整个回路的杂散电感。
H桥电路是链节模块的核心电路，根据控制器指令输出补偿电压。为了实现大功率输出，H桥电路中上下桥臂采用多只IGBT模块并联；两个左右桥臂布置在直流电容器的一侧，H桥电路的输出通过交流输出排与旁路电路相连，并分别与相邻链节模块相连。由于并联IGBT之间静态与动态性能的差异会影响管子均流，因此，要保证并联IGBT模块参数的一致性，需选用同一批次、同一包装的模块进行并联。驱动板用于触发IGBT器件，为实现并联IGBT开通、关断特性一致，选用专门为大容量IGBT模块设计的主、从驱动板，而且为了减少引线电感，驱动板直接安装在IGBT模块上。IGBT模块安装在液冷散热器上。
液冷散热器可选用水冷散热器，为两路独立的水路，将IGBT模块开通和关断过程中产生的大部分热量通过水路散出去，为便于链节模块间的级联，液冷散热器的进、出水口设计在散热器的同一侧上。
放电电路主要用于为直流母线电容提供过压保护，紧急和正常退出时直流电容放电；电路主要由放电IGBT器件VT1与放电电阻R串联构成，当直流母线电压超过整定的阈值之后，放电IGBT导通，通过放电电阻给直流母线电容放电。放电IGBT模块安装在液冷散热器的背面，放电电阻放置在液冷散热器的下方，通过无感复合叠层母排引出端与其相连。
旁路电路为整个链节模块提供保护，当链节模块正常运行时，H桥电路投入工作，旁路电路退出运行；当链节模块内部发生特定故障时，信号上报给主控制器，主控制器经过判断发出命令，封锁H桥电路，同时旁路电路开通，输出电流转移至旁路部分，实现故障链节退出功能。旁路元件选用机械开关，放置在液冷散热器的下方，通过交流排引出端与其相连，交流输出排还分别与相邻链节模块相连。
单元控制器负责接受并执行主控制器下发的命令，可采用单片机，其把功率模块内部的状态上传给主控制器，对功率模块进行控制、监测和保护。单元控制器及驱动控制板布置在外侧。该方案设计的特点是：连接关系简单、清晰，模块布局对称，均流效果好，回路杂散电感小，便于链节模块之间级联。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (2)
1.一种基于IGBT模块并联的大功率变流器，其特征在于，包括IGBT模块、直流电容器、H桥电路、驱动电路、放电电路、旁路电路、单元控制器、交直流母排和液冷散热器，其中：
直流电容器起到电压支撑作用，并作为取能电源的输入电压；直流电容器选用多组并联安装的使用寿命长的金属膜电容器，且采用异极性布置，通过无感复合叠层母排与H桥IGBT模块相连；
H桥电路的作用是根据控制器指令输出补偿电压，为实现大功率输出，H桥电路中上下桥臂采用多只IGBT模块并联；两个左右桥臂布置在直流电容器的一侧，选用同一批次、同一包装的IGBT模块进行并联，从而保证并联IGBT模块参数的一致性；驱动电路用于触发IGBT模块中的器件，为使得并联IGBT模块的开通和关断特性一致，选用专门为大容量IGBT模块设计的主、从驱动电路，并且为了减少引线电感，驱动电路直接安装在IGBT模块上，所述IGBT模块安装在液冷散热器上；
交直流母排的作用是将直流电容器和H桥IGBT模块连接起来，为了减少杂散电感，设置为无感复合叠层母排，布置在直流电容器和IGBT模块的正上方；
液冷散热器起散热作用，为两路独立的水路，将IGBT模块开通和关断过程中产生的大部分热量通过水路散出去，为便于链节模块间的级联，液冷散热器的进、出水口设计在散热器的同一侧上；
放电电路的作用是为直流电容器提供过压保护，紧急和正常退出时为直流电容器放电；放电电路包括放电IGBT模块与放电电阻串联，当直流母线电压超过整定的阈值之后，放电IGBT模块导通，通过放电电阻给直流电容放电，放电IGBT模块安装在液冷散热器的背面，放电电阻设置在液冷散热器的下方，通过无感复合叠层母排引出端与液冷散热器相连接；
旁路电路的作用是为整个大功率变流器的链节模块提供保护，当链节模块正常运行时，H桥电路投入工作，旁路电路退出运行；当链节模块内部发生特定故障时，信号上报给主控制器，主控制器经过判断发出命令，封锁H桥电路，同时旁路电路开通，输出电流转移至旁路部分，从而使得故障链节退出；旁路元件选用单极机械开关，放置在液冷散热器的下方，通过交流输出排引出端与液冷散热器相连，交流输出排还与相邻链节模块相连接；
单元控制器负责接受并执行主控制器下发的命令，把大功率变流器内部的状态上传给主控制器，对大功率变流器进行控制、监测和保护，单元控制器及驱动电路布置在大功率变流器的外侧。
2.如权利要求1所述的大功率变流器，其特征在于：H桥电路的输出通过交流输出排与旁路电路相连，并分别与相邻链节单元相连；驱动电路和吸收电容位于IGBT的上方；散热器下方放置单元控制器和取能电源。
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