專利名稱：一種用于二極管鉗位型三電平變流器的疊層母排的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及疊成母排，尤其涉及一種用于二極管鉗位型三電平變流器的疊層母排。
背景技術(shù)：
在中高壓的電驅(qū)動場合，為了滿足系統(tǒng)的電壓需求，需要采用多只電力電子器件的串聯(lián)，而串聯(lián)電力電子器件的靜態(tài)和動態(tài)的均壓問題解決起來比較困難，從而降低整個系統(tǒng)的可靠性。二極管鉗位的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，順利地解決了開關(guān)器件的均壓問題，使得低電壓等級的電力電子器件在中高壓變流器系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能，因此在電力電子領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用，并具有廣闊的前景。三電平變流器的元器件布局和疊層母排直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體性能。疊層母排的主要作用是連接功率器件和直流支撐電容，是功率器件換流回路的主要組成部分。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)模塊的功率密度越來越高，開通關(guān)斷性能越來越好，這就意味著關(guān)斷電流及其斜率越來越大。如果疊層母排的雜散電感不能有效降低，器件關(guān)斷時在雜散電感中產(chǎn)生的過電壓，將導(dǎo)致IGBT模塊的損壞，進而造成系統(tǒng)故障。三電平變流器的工作頻率一般在IkHz左右，功率器件換流時會產(chǎn)生高頻電流。在鄰近效應(yīng)的作用下，這一高頻電流會在相鄰的導(dǎo)體中產(chǎn)生鏡像電流，這樣就構(gòu)成了電流的非平衡路徑。兩條非平衡路徑中的電流大小基本相等、方向相反，可以彼此削弱對外的磁場輻射，該回路中的等效電感降低。因此，將三電平變流器高頻換流回路分為兩層構(gòu)成非平衡路徑，可以有效降低其雜散電感。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于電流非平衡路徑并且用于二極管鉗位型三電平變流器的疊層母排，它可以大幅度地降低換流回路的雜散電感，有效抑制器件的關(guān)斷過電壓，省去du/dt吸收電路(關(guān)斷吸收電路)，在降低成本的同時使結(jié)構(gòu)更加緊湊。實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是:本發(fā)明之一的一種用于二極管鉗位型三電平變流器的疊層母排，包括相互連接的模塊母排和直流電容母排，其中:所述模塊母排分為五層，該五層通過絕緣膜熱壓合成一體，其中，第一層包括交流出線母排、模塊正母排和模塊負(fù)母排；第二層為絕緣層；第三層為模塊零母排；第四層為絕緣層；第五層包括第一模塊連接母排和第二模塊連接母排；所述直流電容母排分為五層，該五層通過絕緣膜熱壓合成一體，其中，第一層為電容正母排；第二層為絕緣層；第三層為電容零母排；第四層為絕緣層；第五層為電容負(fù)母排。上述的用于二極管鉗位型三電平變流器的疊層母排，其中，所述模塊正母排連接所述電容正母排；所述模塊零母排連接所述電容零母排；所述模塊負(fù)母排連接所述電容負(fù)母排。上述的用于二極管鉗位型三電平變流器的疊層母排，其中，所述二極管鉗位型三電平變流器包括連接正端、零端和負(fù)端的單相三電平電路，該單相三電平電路包括第一IGBT至第四IGBT、第一電容至第四電容以及第一鉗位二極管至第二鉗位二極管，其中:所述第一 IGBT的集電極依次通過所述模塊正母排和電容正母排與所述正端連接;所述第一 IGBT的發(fā)射極通過所述第一模塊連接母排分別連接所述第二 IGBT的集電極和所述第一鉗位二極管的陰極；所述第二 IGBT的發(fā)射極與第三IGBT的集電極通過所述模塊交流母排連接；所述第三IGBT的發(fā)射極通過所述第二模塊連接母排分別連接所述第四IGBT的集電極和所述第二鉗位二極管的陽極；所述第四IGBT的發(fā)射極依次通過所述模塊負(fù)母排和電容負(fù)母排連接負(fù)端；所述第一鉗位二極管的陽極通過所述模塊零母排連接所述第二鉗位二極管的陰極；所述第一鉗位二極管的陽極和第二鉗位二極管的陰極均依次通過所述模塊零母排和電容零母排連接零端；所述第一電容和第二電容通過所述電容正母排和電容零母排并聯(lián)，并接在正端和零端之間；所述第三電容和第四電容通過所述電容零母排和電容負(fù)母排并聯(lián)，并接在負(fù)端和零端之間。上述的用于二極管鉗位型三電平變流器的疊層母排，其中，所述模塊母排中第二層和第四層的絕緣層均為環(huán)氧樹脂板；所述直流電容母排中第二層和第四層的絕緣層均為絕緣紙。本發(fā)明之二的一種用于二極管鉗位型三電平變流器的模塊母排，所述模塊母排分為五層，該五層通過絕緣膜熱壓合成一體，其中，第一層包括交流出線母排、模塊正母排和模塊負(fù)母排；第二層為絕緣層；第三層為模塊零母排；第四層為絕緣層；第五層包括第一模塊連接母排和第二模塊連接母排。上述的用于二極管鉗位型三電平變流器的模塊母排，其中，所述二極管鉗位型三電平變流器包括單相三電平電路，該單相三電平電路包括第一 IGBT至第四IGBT、第一鉗位二極管和第二鉗位二極管，其中:所述第一 IGBT的集電極連接所述模塊正母排；所述第一 IGBT的發(fā)射極通過所述第一模塊連接母排分別連接所述第二 IGBT的集電極和所述第一鉗位二極管的陰極；所述第二 IGBT的發(fā)射極與第三IGBT的集電極通過所述模塊交流母排連接；所述第三IGBT的發(fā)射極通過所述第二模塊連接母排分別連接所述第四IGBT的集電極和所述第二鉗位二極管的陽極；所述第四IGBT的發(fā)射極連接所述模塊負(fù)母排；所述第一鉗位二極管的陽極通過所述模塊零母排連接所述第二鉗位二極管的陰極。
本發(fā)明之三的一種用于二極管鉗位型三電平變流器的直流電容母排，所述直流電容母排分為五層，該五層通過絕緣膜熱壓合成一體，其中，第一層為電容正母排；第二層為絕緣層；第三層為電容零母排；第四層為絕緣層；第五層為電容負(fù)母排。上述的用于二極管鉗位型三電平變流器的直流電容母排，其中，所述二極管鉗位型三電平變流器包括連接正端、零端和負(fù)端三個連接端的單相三電平電路，該單相三電平電路包括第一電容至第四電容，其中:所述第一電容接在正端和零端之間；所述第二電容的一端通過所述電容正母排接正端，另一端通過所述電容零母排接
零端;所述第三電容接在零端和負(fù)端之間；所述第四電容的一端通過所述電容零母排接零端，另一端通過所述電容負(fù)母排接負(fù)端。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明基于電流非平衡路徑，能有效地降低換流回路的雜散電感，大幅度降低了功率器件的關(guān)斷過電壓，省去du/dt吸收電路，在降低成本的同時使結(jié)構(gòu)更加緊湊，擴大了變流器的安全工作區(qū)域，有利于三電平變流器的長期安全、穩(wěn)定運行。
圖1為單相三電平電路的原理圖；圖2為本發(fā)明的上橋臂大換流回路示意圖；圖3為本發(fā)明的下橋臂大換流回路示意圖；圖4為本發(fā)明的下橋臂小換流回路示意圖；圖5為本發(fā)明的上橋臂小換流回路示意圖；圖6為本發(fā)明的直流電容母排示意圖；圖7為本發(fā)明的模塊母排示意圖；圖8為采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)疊層母排時IGBT的關(guān)斷過電壓實驗波形；圖9為采用本發(fā)明的疊層母排時IGBT的關(guān)斷過電壓實驗波形。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。二極管鉗位型三電平變流器包括單相三電平電路，請參閱圖1，該單相三電平電路包括第一至第四IGBT S1-S4、第一至第四電容C1-C4、第一至第二鉗位二極管D1-D2、模塊母排和直流電容母排，其中，模塊母排包括模塊正母排P1、第一模塊連接母排P2、第二模塊連接母排P5、模塊零母排P3、模塊交流母排P4和模塊負(fù)母排P6 ；直流電容母排包括電容正母排P7、電容零母排P8和電容負(fù)母排P9 ；第一 IGBT SI的集電極依次通過模塊正母排Pl和電容正母排P7與正端(直流正母線)DC+連接；第一 IGBT SI的發(fā)射極通過第一模塊連接母排P2分別連接第二 IGBT S2的集電極和第一鉗位二極管Dl的陰極；第二 I GBT S2的發(fā)射極與第三IGBT S3的集電極通過模塊交流母排P4連接，作為交流輸入/輸出端AC ;第三IGBT S3的發(fā)射極通過第二模塊連接母排P5分別連接第四IGBT S4的集電極和第二鉗位二極管D2的陽極；第四IGBT S4的發(fā)射極依次通過模塊負(fù)母排P6和電容負(fù)母排P9連接負(fù)端(直流負(fù)母線)DC-;第一鉗位二極管Dl的陽極通過模塊零母排P3連接第二鉗位二極管D2的陰極；第一鉗位二極管Dl的陽極和第二鉗位二極管D2的陰極均依次通過模塊零母排P3和電容零母排P8連接零端(直流中線)DCO ;第一電容Cl接在正端DC+和零端DCO之間；第二電容C2接在模塊正母排Pl與電容正母排P7的相接端以及模塊零母排P3與電容零母排P8的相接端之間；第三電容C3接在零端DCO和負(fù)端DC-之間；第四電容C4接在模塊零母排P3與電容零母排P8的相接端以及模塊負(fù)母排P6與電容負(fù)母排P9的相接端之間；第一至第四電容C1-C4構(gòu)成正電平、零電平及負(fù)電平的三電平直流側(cè)。請參閱圖2，為上橋臂大換流回路示意圖；交流電流流進直流側(cè)，該圖表現(xiàn)的工作狀態(tài)為AC點電位由零直流母線電壓到正直流母線電壓的過度過程，此時，第四IGBT S4完全關(guān)斷，第三IGBT S3處于關(guān)斷過程中，第二 IGBT S2完全開通，第一 IGBT SI處于開通過程中；一般IGBT的開通、關(guān)斷延時為微秒級，較周期為工頻的AC輸入電流iA。的頻率大得多，因此可以認(rèn)為在換流期間iA。保持不變?yōu)槌Ｖ礗，即iA。=〗。設(shè)流過第三IGBT S3，第二鉗位二極管D2的電流為iD=iDAe+ID，其中Id為iD的直流分量，iDAC為iD的高頻交流分量。流過第一和第二 IGBT S1、S2的電流為isUIs，其中Is為is的直流分量，iSAC為is的高頻交流分量。根據(jù)基爾霍夫電流定律可得iAC=I=iD+is=iDAC+ID+iSAC+Is，因為直流分量I=ID+IS，因此可得iDAe+iSAe=0，所以模塊正母排P1、第一 IGBT S1、第一模塊連接母排P2、第二 IGBT S2、模塊交流母排P4、第三IGBT S3、第二模塊連接母排P5、第二鉗位二極管D2、電容零母排P8、第一和第二電容Cl和C2以及電容正母排P7構(gòu)成一個高頻換流回路。請參閱圖3，為下橋臂大換流回路示意圖；交流電流由直流側(cè)流出，該圖表現(xiàn)的工作狀態(tài)為AC點電位由負(fù)直流母線電壓到零直流母線電壓的過度過程，此時，第一 IGBT SI完全關(guān)斷，第四IGB T S4處于關(guān)斷過程中，第三IGBT S3完全開通，第二 IGBT S2處于開通過程中。同圖2中所述，可以證明第一模塊連接母排P2、第二 I GBT S2、模塊交流母排P4、第三IGBT S3、第二模塊連接母排P5、第四IGBT S4、模塊負(fù)母排P6、電容負(fù)母排P9、第三和第四電容C3和C4、電容零母排P8、模塊零母排P3以及第一鉗位二極管Dl構(gòu)成一個高頻換流回路。請參閱圖4，為下橋臂小換流回路示意圖；交流電流流入直流側(cè)，該圖表現(xiàn)的工作狀態(tài)為AC點電位由負(fù)直流母線電壓到零直流母線電壓的過度過程，此時，第一 IGBT SI完全關(guān)斷，第四IGBT S4處于關(guān)斷過程中，第三IGBT S3完全開通，第二 IGBT S2處于開通過程中。同圖2中所述，可以證明第二模塊連接母排P5、第四IGBT S4、模塊負(fù)母排P6、電容負(fù)母排P9、第三和第四電容C3和C4、電容零母排P8、模塊零母排P3以及第二鉗位二極管D2構(gòu)成一個高頻換流回路。請參閱圖5，為上橋臂小換流回路示意圖；交流電流由直流側(cè)流出，該圖表現(xiàn)的工作狀態(tài)為AC點電位由正直流母線電壓到負(fù)直流母線電壓的過度過程，此時，第四IGBT S4完全關(guān)斷，第一 IGBT SI處于關(guān)斷過程中，第二 IGBT S2完全開通，第三IGBT S3處于開通過程中。同圖2中所述，可以證明模塊正母排P1、第一 IGBT S1、第一模塊連接母排P2、第一鉗位二極管Dl、模塊零母排P3、電容零母排P8、第一和第二電容Cl和C2以及電容正母排P7構(gòu)成一個高頻換流回路。根據(jù)上述高頻換流回路構(gòu)建基于電流非平衡路徑的疊層母排，將所有高頻回路內(nèi)的母排進行疊層，高頻換流回路中的所有導(dǎo)體均參與疊層，以減小回路中的雜散電感。特別地，由圖2和圖3可以看出，雖然模塊交流母排P4在換流回路內(nèi)，但換流過程中，第二 IGBTS2和第三IGBT S3端的電流流向相反，變化趨勢基本相同，因此在模塊交流母排P4上感生出的電壓可以相互抵消，同時考慮到交流出現(xiàn)的方便引出，模塊交流母排P4可以不參與疊層。鑒于便于安裝，將整體母排分為兩部分——模塊母排和直流電容母排，本發(fā)明之一的用于二極管鉗位型三電平變流器的疊層母排，包括模塊母排和直流電容母排，其中:請參閱圖7，模塊母排(即本發(fā)明之二)分為五層，該五層通過絕緣膜熱壓合成一體，導(dǎo)體表面采用絕緣粉末噴涂；其中，第一層包括交流出線母排P4、模塊正母排Pl和模塊負(fù)母排P6 ;第二層為絕緣層；第三層為模塊零母排P3 ;第四層為絕緣層；第五層包括第一和第二模塊連接母排P2和P5 ;模塊母排中第二層和第四層的絕緣層均為環(huán)氧樹脂板Q2 ；請參閱圖6，直流電容母排(即本發(fā)明之三)分為五層，該五層通過絕緣膜熱壓合成一體，其中，第一層為電容正母排P7 ;第二層為絕緣層；第三層為電容零母排P8 ;第四層為絕緣層；第五層為電容負(fù)母排P9;直流電容母排中第二和第四層的絕緣層均為絕緣紙Ql ；模塊正母排Pl連接電容正母排P7 ;模塊零母排P3連接電容零母排P8 ;模塊負(fù)母排P6連接電容負(fù)母排P9 ;直流電容母排通過正端DC+、零端DCO和負(fù)端DC-連接其他相的直流電容母排，即電容正母排P7通過正端DC+連接其他相的電容正母排，電容零母排P8通過零端DCO連接其他相的電容零母排，電容負(fù)母排P9通過負(fù)端DC-連接其他相的電容負(fù)母排。請參閱圖8和圖 9，采用 ABB IGBT 5SNA 1200G450300和二極管5SNA 0650J450300構(gòu)成的三電平電路進行測試。圖中Vce為IGBT兩端的電壓，Ic為流過IGBT集電極的電流，Vge為IGBT門極和發(fā)射極之間的電壓，Vpulse為驅(qū)動電壓；測試中直流母線電壓為4000V，關(guān)斷電流1480A的情況下，對比采用傳統(tǒng)疊層母排和本發(fā)明疊層母排的器件過電壓，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的疊層母排有效地降低了雜散電感，表現(xiàn)為關(guān)斷時器件的過電壓由1800V降低到 400V。綜上，本發(fā)明有效地降低了換流回路的雜散電感，可以大幅度降低功率器件的關(guān)斷過電壓，擴大變流器的安全工作區(qū)域，有利于三電平變流器的長期安全、穩(wěn)定運行。以上實施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇，應(yīng)由各權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種用于二極管鉗位型三電平變流器的疊層母排，其特征在于，包括相互連接的模塊母排和直流電容母排，其中: 所述模塊母排分為五層，該五層通過絕緣膜熱壓合成一體，其中，第一層包括交流出線母排、模塊正母排和模塊負(fù)母排；第二層為絕緣層；第三層為模塊零母排；第四層為絕緣層；第五層包括第一模塊連接母排和第二模塊連接母排； 所述直流電容母排分為五層，該五層通過絕緣膜熱壓合成一體，其中，第一層為電容正母排；第二層為絕緣層；第三層為電容零母排；第四層為絕緣層；第五層為電容負(fù)母排。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于二極管鉗位型三電平變流器的疊層母排，其特征在于，所述模塊正母排連接所述電容正母排；所述模塊零母排連接所述電容零母排；所述模塊負(fù)母排連接所述電容負(fù)母排。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于二極管鉗位型三電平變流器的疊層母排，其特征在于，所述二極管鉗位型三電平變流器包括連接正端、零端和負(fù)端的單相三電平電路，該單相三電平電路包括第一 IGBT至第四IGBT、第一電容至第四電容以及第一鉗位二極管至第二鉗位二極管，其中: 所述第一 IGBT的集電極依次通過所述模塊正母排和電容正母排與所述正端連接； 所述第一 IGBT的發(fā)射極通過所述第一模塊連接母排分別連接所述第二 IGBT的集電極和所述第一鉗位二極管的陰極； 所述第二 IGBT的發(fā)射極與第三IGBT的集電極通過所述模塊交流母排連接； 所述第三IGBT的 發(fā)射極通過所述第二模塊連接母排分別連接所述第四IGBT的集電極和所述第二鉗位二極管的陽極； 所述第四IGBT的發(fā)射極依次通過所述模塊負(fù)母排和電容負(fù)母排連接負(fù)端； 所述第一鉗位二極管的陽極通過所述模塊零母排連接所述第二鉗位二極管的陰極；所述第一鉗位二極管的陽極和第二鉗位二極管的陰極均依次通過所述模塊零母排和電容零母排連接零端； 所述第一電容和第二電容通過所述電容正母排和電容零母排并聯(lián)，并接在正端和零端之間； 所述第三電容和第四電容通過所述電容零母排和電容負(fù)母排并聯(lián)，并接在負(fù)端和零端之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于二極管鉗位型三電平變流器的疊層母排，其特征在于，所述模塊母排中第二層和第四層的絕緣層均為環(huán)氧樹脂板；所述直流電容母排中第二層和第四層的絕緣層均為絕緣紙。
5.一種用于二極管鉗位型三電平變流器的模塊母排，其特征在于，所述模塊母排分為五層，該五層通過絕緣膜熱壓合成一體，其中，第一層包括交流出線母排、模塊正母排和模塊負(fù)母排；第二層為絕緣層；第三層為模塊零母排；第四層為絕緣層；第五層包括第一模塊連接母排和第二模塊連接母排。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于二極管鉗位型三電平變流器的模塊母排，其特征在于，所述二極管鉗位型三電平變流器包括單相三電平電路，該單相三電平電路包括第一 IGBT至第四IGBT、第一鉗位二極管和第二鉗位二極管，其中: 所述第一 IGBT的集電極連接所述模塊正母排；所述第一 IGBT的發(fā)射極通過所述第一模塊連接母排分別連接所述第二 IGBT的集電極和所述第一鉗位二極管的陰極； 所述第二 IGBT的發(fā)射極與第三IGBT的集電極通過所述模塊交流母排連接； 所述第三IGBT的發(fā)射極通過所述第二模塊連接母排分別連接所述第四IGBT的集電極和所述第二鉗位二極管的陽極； 所述第四IGBT的發(fā)射極連接所述模塊負(fù)母排； 所述第一鉗位二極管的陽極通過所述模塊零母排連接所述第二鉗位二極管的陰極。
7.一種用于二極管鉗位型三電平變流器的直流電容母排，其特征在于，所述直流電容母排分為五層，該五層通過絕緣膜熱壓合成一體，其中，第一層為電容正母排；第二層為絕緣層；第三層為電容零母排；第四層為絕緣層；第五層為電容負(fù)母排。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于二極管鉗位型三電平變流器的直流電容母排，其特征在于，所述二極管鉗位型三電平變流器包括連接正端、零端和負(fù)端三個連接端的單相三電平電路，該單相三電平電路包括第一電容至第四電容，其中: 所述第一電容接在正端和零端之間； 所述第二電容的一端通過所述電容正母排接正端，另一端通過所述電容零母排接零端; 所述第三電容接在零端和負(fù)端之間； 所述第四電容的一端通過所述電容零母排接零端，另一端通過所述電容負(fù)母排接負(fù)端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于二極管鉗位型三電平變流器的疊層母排，包括相互連接的模塊母排和直流電容母排，所述模塊母排分為五層，第一層包括交流出線母排、模塊正母排和模塊負(fù)母排；第二層為絕緣層；第三層為模塊零母排；第四層為絕緣層；第五層包括第一和第二模塊連接母排；所述直流電容母排分為五層，第一層為電容正母排；第二層為絕緣層；第三層為電容零母排；第四層為絕緣層；第五層為電容負(fù)母排。本發(fā)明可以大幅度地降低換流回路的雜散電感，有效抑制器件的關(guān)斷過電壓，省去du/dt吸收電路，在降低成本的同時使結(jié)構(gòu)更加緊湊。
文檔編號H02M7/487GK103107713SQ20131003292
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者張魯華, 宋小亮, 薛兆強, 吳競之, 陳國棟, 董祖毅 申請人:上海電氣集團股份有限公司