CN202524283U - 一种模块化多电平变流器子模块的缓冲电路结构 - Google Patents

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刘杰
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Abstract

本实用新型涉及一种模块化多电平变流器子模块的缓冲电路结构，子模块由 IGBT1 、 IGBT2 及直流电容 C 组成， IGBT1 与 IGBT2 的两端各分别反并联一个二极管， IGBT1 、 IGBT2 与直流电容 C 依次匹配串联连接，缓冲电阻 R s 、快恢复二极管 D s 并联后和缓冲电容 C s 构成 RCD 缓冲电路， RCD 缓冲电路的两端并联在子模块 IGBT1 的集电极和 IGBT2 的发射极两端。该缓冲电路中接入缓冲电阻，可以为缓冲电容放电时提供有效的放电回路，子模块只在 IGBT1 的集电极和 IGBT2 的发射极两端并联一个 RCD 缓冲电路，简化了子模块的结构，有效地降低了变流器的成本，缓冲电路中接入的快恢复二极管可以防止在器件关断时因缓冲电容和寄生电感引起谐振，提高了变流器的工作效率。

Description

一种模块化多电平变流器子模块的缓冲电路结构
技术领域
本实用新型涉及一种应用于电力电子领域中保护绝缘栅双极型晶体管的缓冲电路，尤其是一种模块化多电平变流器子模块的缓冲电路结构。
背景技术
模块化多电平变流器是一种新型的电压源变流器，主要应用于高压大功率场合，其子模块状态切换频繁，造成IGBT的开关频率很高，增大了开通和关断损耗，降低了模块化多电平变流器的工作效率。
模块化多电平变流器子模块的拓扑不同于传统的变流器结构，造成了其缓冲电路结构的特殊性。目前，模块化多电平变流器子模块的缓冲电路一般是按照以往的经验选取，常见的模块化多电平缓冲电路结构有两种：第一种缓冲电路结构是在每个IGBT两端并联C缓冲电路、RC缓冲电路或者RCD缓冲电路，增加了模块化多电平变流器设备成本，同时增大了子模块的寄生电感，有可能使IGBT关断时的过电压更大，影响了缓冲电路的应有的效果，严重的情况下还可能造成IGBT器件的损坏，降低了模块化多电平变流器的可靠性；第二种缓冲电路结构是在子模块的输入输出侧并联C缓冲电路、RC缓冲电路或者是RCD缓冲电路，此种缓冲电路的结构在缓冲电容经IGBT2放电时，放电电流很大，有可能超出IGBT的安全工作范围，存在安全隐患，并且此种缓冲电路在IGBT1关断时，抑制流过IGBT1电流的能力有限，抑制过电压效果不明显。
实用新型内容
为了解决现有的多电平变流器子模块的缓冲电路可靠性差，抑制过电压效果不明显的问题，本实用新型提供一种模块化多电平变流器子模块的缓冲电路结构，子模块中只有一个RCD缓冲电路，有效减少了变流器的成本，降低了结构的复杂程度；缓冲电容C s 在开关器件关断时进行充电，降低IGBT关断时流过子模块中寄生电感的电流变化率，可以有效的抑制子模块中IGBT关断时的过电压；缓冲电阻R s 在缓冲电容放电时，可以减小缓冲电容的放电电流，保证了IGBT开通时工作在安全工作范围内；快恢复二极管D s 可以箝位住因缓冲电容和电路中的寄生电感引起的电压振荡，抑制谐振的产生，有效的保障了模块化多电平变流器的正常工作。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：子模块由IGBT1、IGBT2及直流电容C组成，IGBT1与IGBT2的两端各分别反并联一个二极管D1和D2，IGBT1、IGBT2与直流电容C依次匹配串联连接，缓冲电阻R s 、快恢复二极管D s 并联后和缓冲电容C s 串联构成RCD缓冲电路， RCD缓冲电路的两端并联在子模块IGBT1的集电极和IGBT2的发射极两端。
所述快恢复二极管D s 的选取要配合IGBT1与IGBT2的开关频率，缓冲电阻R s 的阻值选取要合理，阻值太大可能会造成在IGBT1或IGBT2下次关断之前，不能将缓冲电容C s 储存的过电压能量释放掉，如果阻值太小会造成缓冲电容C s 放电速度过快，放电电流过大。缓冲电容C s 选取无感电容，这样可以降低电路的寄生电感，选取缓冲电容C s 时，如果选择的值过大，当IGBT1与IGBT2开关频率较高时，储存的过电压能量可能释放不掉；若选取过小，缓冲电路抑制关断过电压的效果不明显。另外，缓冲电路连接时应尽量接近IGBT1与IGBT2的端子，这样可以降低缓冲电路的寄生电感Lp，以免影响缓冲电路抑制过电压的效果。
本实用新型的有益效果是，该缓冲电路中接入缓冲电阻，可以为缓冲电容放电时提供有效的放电回路，子模块只在IGBT1的集电极和IGBT2的发射极两端并联一个RCD缓冲电路，简化了子模块的结构，在保证过电压抑制效果的前提下，有效地降低了变流器的成本，缓冲电路中接入的快恢复二极管可以防止在器件关断时因缓冲电容和寄生电感引起谐振，避免增加IGBT的关断损耗，提高了变流器的工作效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型的电路连接示意图。
图2是本实用新型电路中带有寄生电感的电路连接示意图。
具体实施方式
在图中，子模块由IGBT1、IGBT2及直流电容C组成，IGBT1与IGBT2的两端各分别反并联一个二极管D1和D2，IGBT1、IGBT2与直流电容C依次匹配串联连接，缓冲电阻R s 、快恢复二极管D s 并联后和缓冲电容C s 串联构成RCD缓冲电路， RCD缓冲电路的两端并联在子模块IGBT1的集电极和IGBT2的发射极两端。
子模块开关管正常运行时，有两种工作状态，四种工作方式。针对不同的工作方式，分析了过电压产生原因以及缓冲电路的工作原理。
工作方式1：电路放电，子模块投入
子模块工作在该工作方式时，电流从B端经IGBT1从A端流出。未加缓冲电路时，当给IGBT1发送关断脉冲后，流经IGBT1的电流急剧减小，母线寄生电感L P 上会感应出L P di/dt的电压，感应电压和子模块电容电压叠加，造成IGBT1两端承受过高电压，对IGBT1耐压形成威胁。当加入缓冲电路后，IGBT1关断时，缓冲电容C s 两端电压升高，缓冲电容C s 充电，充电电流和流过寄生电感的电流方向相同，降低了流过寄生电感的电流变化率，进而抑制了IGBT1的关断过电压。IGBT1关断时，桥臂电流减小，桥臂电抗器会感应出Ldi/dt的电压，使D2承受正向电压，当D2两端电压大于门槛电压时，D2开始导通，D2完全导通后，IGBT1完全关断，此后子模块工作在工作方式2。
工作方式2：电路放电，子模块切除
子模块工作在该工作方式时，电流从B端经D2从A端流出。未加缓冲电路时，当给IGBT2发送关断脉冲后，二极管D2的关断不受IGBT2关断脉冲的控制，只有当IGBT1开始开通，D2两端承受反向电压时，D2才开始关断，此后D2电流逐渐减小到负的最大值，然后再次快速恢复到0，在这个过程中母线寄生电感会感应L P di/dt的电压，造成IGBT2两端承受过高电压，对IGBT2耐压形成威胁。当加入缓冲电路后，D2关断时，缓冲电容C s 两端电压升高，缓冲电容C s 充电，充电电流和流过寄生电感的电流方向相同，降低了流过寄生电感的电流变化率，进而抑制了IGBT2的关断过电压。IGBT1完全导通后，D2完全关断，此后子模块工作在工作方式1。
工作方式3：电路充电，子模块投入
子模块工作在该工作方式时，子模块电流从A端经D1从B端流出。未加缓冲电路时，当给IGBT1发送关断脉冲后，二极管D1的关断不受IGBT1关断脉冲的控制，只有当IGBT2开始开通，D1两端承受反向电压时，D1才开始关断，D1电流逐渐减小到负的最大值，然后再次快速恢复到0，在这个过程中母线寄生电感会感应L P di/dt的电压，造成IGBT1两端承受过高电压，对IGBT1耐压形成威胁。当加入缓冲电路后，D1关断时，缓冲电容C s 两端电压升高，缓冲电容C s 充电，充电电流和流过寄生电感的电流方向相同，降低了流过寄生电感的电流变化率，进而抑制了IGBT1的关断过电压。IGBT2完全导通后，D1完全关断，此后子模块工作在工作方式4。
工作方式4：电路充电，子模块切除
子模块工作在该工作方式时，子模块电流从A端经IGBT2从B端流出。未加缓冲电路时，当给IGBT2发送关断脉冲后，流经IGBT2的电流急剧减小，桥臂电抗器上会感应-Ldi/dt的电压，造成二极管D1承受正向电压，当D1两端电压大于门槛电压时，D1开始导通，流过D1的电流逐渐增大，母线寄生电感L P 上会感应出L P di/dt的电压，感应电压和子模块电容电压叠加，造成IGBT2两端承受过高电压，对IGBT2耐压形成威胁。当加入缓冲电路后，IGBT2关断时，缓冲电容C s 两端电压升高，缓冲电容C s 充电，充电电流和流过寄生电感的电流方向相同，降低了流过寄生电感的电流变化率，进而抑制了IGBT2的关断过电压。D1完全导通后，IGBT2完全关断，此后子模块工作在工作方式3。

Claims (1)

1.一种模块化多电平变流器子模块的缓冲电路结构，子模块由IGBT1、IGBT2及直流电容C组成，IGBT1与IGBT2的两端各分别反并联一个二极管D1和D2，IGBT1、IGBT2与直流电容C依次匹配串联连接；其特征是：缓冲电阻Rs、快恢复二极管Ds并联后和缓冲电容Cs串联构成RCD缓冲电路， RCD缓冲电路的两端并联在子模块IGBT1的集电极和IGBT2的发射极两端。
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