專利名稱：一種基于全控型變流器件iegt的大容量h橋功率單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及電力電子行業中基于全控型變流器件的功率單元。
技術背景
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，以及采用溝槽結構和多芯片并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。基于IGBT的H橋串聯拓撲結構普遍應用于大功率變頻領域，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。基于大功率開關器件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
本發明的目的是提供一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，該功 率單元采用全控型變流器件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，本發明通過以下技術方案實現一種基于全控型變流器件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沖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。所述的緩沖吸收電路包括電感、電阻、二極管及電容，二極管正極端與電感相連， 二極管負極端與電阻相連，電阻與電感相連；二極管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器件均并聯有續流二極管，續流二極管可為內置或外置兩種形 式。所述的功率單元還包括撬杠模塊，撬杠模塊的兩端分別連接在正、負直流母線上。所述的撬杠模塊包括電流撬杠模塊和電壓撬杠模塊兩種，電流撬杠模塊由雙向晶 閘管與電阻串聯組成；電壓撬杠模塊由晶閘管與二極管反并聯后，與電阻串聯而成。所述的功率單元還包括旁路模塊，旁路模塊并聯在H橋功率單元輸出端。
所述的旁路模塊由電壓傳感器VS、兩個反向并聯的晶閘管SCRl和SCR2、旁路接觸 器KM并聯組成，并聯于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 電阻分別反向并聯了續流二極管。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，用于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，用于檢測輸出電壓。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，用于檢測流過直流 母線上的電流。所述的IEGT開關器件可單個使用，也可為多個IEBT開關器件串聯或并聯組成的 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橋功率單元可應用于高壓變頻器、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、輕型直流輸電領域。與現有技術相比，本發明的有益效果是該功率單元的設計，采用全控型變流器件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。
圖1為IEGT相模塊電氣結構示意圖；圖2為不控整流模塊電氣結構示意圖；圖3為半控整流模塊電氣結構示意圖；圖4為全控整流模塊電氣結構示意圖；圖5為斬波模塊電氣結構示意圖；圖6-1為電流撬杠模塊電氣結構示意圖；圖6-2為電壓撬杠模塊電氣結構示意圖；圖7為旁路模塊電氣結構示意圖；圖8為用于鏈式STATC0M功率單元的電氣結構示意圖；圖9為用于兩象限高壓變頻器的功率單元的電氣結構示意圖；圖10為用于四象限高壓變頻器的功率單元的電氣結構示意圖；圖11為角形接法的鏈式STATC0M的電氣結構示意圖；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。
具體實施例方式下面通過具體實施方式
詳細敘述本發明。實施例1見圖8，用于鏈式STATC0M的IEGT大容量H橋功率單元，由1#相模塊、撬杠模塊、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并聯續流二極管Dl，IEGT2并聯續流二極管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；相模塊還包括緩沖吸收電路，緩沖吸收電路跨接在直流濾波電容C3與開關器 件IEGTl、IEGT2之間，并分別與直流濾波電容C3、兩個開關器件IEGTl、IEGT2形成并聯。緩沖吸收 電路由電感Li、電阻R1、二極管D5、電容Cl構成，二極管D5正極端與電 感Ll相連，二極管D5負極端與電阻Rl相連，電阻Rl與電感Ll相連；二極管D5的負極端 還連接電容Cl，電容Cl另一端與負母線相連接。撬杠模塊包括電流撬杠模塊和電壓撬杠模塊兩種，見圖6-1，電流撬杠模塊由雙向 晶閘管BJT與電阻R4串聯組成，本實施例中選用的是電流撬杠。電流撬杠模塊通過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，電流撬杠保護動作，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，電壓撬杠模塊由晶閘管SCR3與二極管D24反并聯后，與電阻R5串聯而成。電壓撬杠 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，電壓撬杠 保護動作，直流母線電容通過電壓撬杠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并聯續流二 極管D3，IEGT4并聯續流二極管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 括緩沖吸收電路，緩沖吸收電路跨接在直流濾波電容C4與開關器件IEGT3、IEGT4之間，并 分別與直流濾波電容C4、兩個開關器件IEGT3、IEGT4形成并聯。緩沖吸收電路由電感L2、電阻R2、二極管D6、電容C2構成，二極管D6正極端與電 感L2相連，二極管D6負極端與電阻R2相連，電阻R2與電感L2相連；二極管D6的負極端 還連接電容C2，電容C2另一端與負母線相連接。旁路模塊由兩個反并聯的晶閘管SCR1、SCR2、旁路接觸器KM并聯組成，并聯于兩 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設置于整流模 塊輸出側，其兩端分別連接在正、負直流母線上，用于檢測功率單元的中間直流電壓；電壓 傳感器VS設置于H橋功率單元的逆變輸出側，用于檢測逆變輸出電壓。實施例2見圖9，用于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、撬杠模塊、2#相模塊、旁路模塊、電壓傳感器組成。本實施例中，整流模塊采用半控整流橋結構(圖3)，整流模塊還可采用不控整流 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及三個二極管D13、D14、 D15構成三相整流橋。見圖2，不控整流橋由六個二極管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均并聯續流二極管。全控型器件IEGT5、IEGT6、IEGT7、IEGT8、IEGT9、IEGTlO 分別并聯續流二極管 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分別與二極管D22、二極管D23反并聯連接。 1#相模塊、撬杠模塊、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，用于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、撬杠模塊、2#相模塊、旁路模塊、電壓傳感器組成。見圖4、圖10，本實施例采用全控整流模塊，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均并聯有續流 二極管。全控型器件IEGT5、IEGT6、IEGT7、IEGT8、IEGT9、IEGTlO分別并聯有續流二極管 D16、D17、D18、D19、D20、D21。1#相模塊、撬杠模塊、2#相模塊、旁路模塊、電壓傳感器同實施例1。上述實施例中，選用的箝位型緩沖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干擾，從而提高電路的可靠性。所述的相模塊的緩沖吸收 電路也可以為其他類型的緩沖吸收電路，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。這里的半控整流 橋包括3個晶間管和3個二極管。不控整流橋由6個二極管組成，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，實現系統上電后對直 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涌流的問題；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。此斬波模塊可重復工作。所述的撬杠模塊有兩種，一種為電流撬杠模塊，另一種為電壓撬杠模塊。電流撬杠 模塊和電壓撬杠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復合旁路，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，待生產條件允許后再處理故障單元，包含晶間管和旁路接 觸器的單元復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，撬杠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 而便于安裝維護的結構設計。
所述的整流模塊，斬波模塊，撬杠模塊，旁路模塊可按系統的實際需要進行取舍。 由兩個相模塊組成的逆變單元可以應用于鏈式STATC0M，按系統需要可增加撬杠模塊和旁 路模塊等。由整流模塊和逆變單元可組成變頻功率單元，應用于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，但不限于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 串聯或并聯。 圖11為本發明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 為本發明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，且不限于上述實施例。
權利要求
一種基于全控型開關器件IEGT的大容量H橋功率單元，其特征在于，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所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其 特征在于，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所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其特 征在于，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沖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所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其特 征在于，所述的緩沖吸收電路包括電感、電阻、二極管及電容，二極管正極端與電感相連，二 極管負極端與電阻相連，電阻與電感相連；二極管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所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率 單元，其特征在于，所述的每個IEGT器件均并聯有續流二極管，續流二極管 >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所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H橋 功率單元，其特征在于，所述的功率單元還包括撬杠模塊，撬杠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所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其特 征在于，所述的撬杠模塊包括電流撬杠模塊和電壓撬杠模塊兩種，電流撬杠模塊由雙向晶 閘管與電阻串聯組成；電壓撬杠模塊由晶閘管與二極管反并聯后，與電阻串聯而成。
8.根據權利要求6所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其特 征在于，所述的功率單元還包括旁路模塊，旁路模塊并聯在H橋功率單元輸出端。
9.根據權利要求8所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其特 征在于，所述的旁路模塊由電壓傳感器VS、兩個反向并聯的晶閘管SCRl和SCR2、旁路接觸 器KM并聯組成，并聯于兩個相模塊的輸出端。
10.根據權利要求6所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其 特征在于，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所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其 特征在于，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 動電阻分別反向并聯了續流二極管。
12.根據權利要求8或9或10或11所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H 橋功率單元，其特征在于，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，用于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，用于檢測輸出電壓。
13.根據權利要求8或9或10或11所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量 H橋功率單元，其特征在于，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，用于檢測流過直流母線上的電流。
14.根據權利要求2或3所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單 元，其特征在于，所述的IEGT開關器件可單個使用，也可為多個IEGT開關器件串聯或并聯 組成的一組IEGT開關器件。
15.根據權利要求14所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H橋功率單元，其 特征在于，所述的IEGT開關器件還可為PP IGBT、IGCT或其它全控型開關器件。
16.根據權利要求1或2或3或4所述的一種基于全控型變流器件IEGT的大容量H橋 功率單元，其特征在于，所述的H橋功率單元可應用于高壓變頻器、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、輕型直流輸電領域。
全文摘要
本發明涉及電力電子行業中一種基于全控型變流器件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沖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，本發明的有益效果是該功率單元的設計，采用全控型變流器件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H02M1/10GK101877530SQ20101012168
公開日2010年11月3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, 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