Iegt功率模塊的直流取能電源的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種大功率電力電子變換器領域的IEGT功率模塊的直流取能電源，主電路包括濾波電路、非隔離反激變換器、隔離推挽變換器，輸入的高壓直流電能經過濾波電路濾波后，電能信號經過非隔離反激變換器經第一級變換，將母線高壓轉換成DC400V的電信號并經過濾波處理，濾波處理后的電信號再經過隔離推挽變換器進行第二級隔離變換處理，最后經過整流電路（圖4）的全波整流，使高位取能電源能夠穩定安全的輸出DC15V的電信號。該取能電源可實現在直流輸入電壓300Vdc～3700Vdc的范圍內取能，自然冷卻，為IEGT功率模塊的工作提供控制電源，并在復雜電磁場環境下能夠安全可靠的工作。
【專利說明】IEGT功率模塊的直流取能電源
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種大功率電力電子變換器領域的IEGT功率模塊的直流取能電源。
【背景技術】
[0002]大功率多電平級聯變流器的基本組成單兀是功率模塊，由功率模塊串聯組成。功率模塊的拓撲基本上都是DC/AC方案，即實現DC (直流WPAC (交流)能量之間的變換。直流側通常采用電容器進行儲能。
[0003]功率模塊的核心部件是大功率全控晶體管，目前常用的包括IGBT，IEGT和StakPak等。目前國內市場上以IGBT功率模塊為主，IEGT功率模塊只有一個供應商，StakPak功率模塊目前還沒有供應商。
[0004]每個功率模塊都有自己的控制裝置和保護裝置，這些裝置都需要供電，如何取能來提供裝置所需的電源是一個難點和關鍵點。目前的取能方式包括:直流側取能和地面取倉泛。
[0005]直流側取能:即從直流儲能元件(母線大容量電容)取得能量，采用先進的多管串-并級聯反激式DC-DC變換技術，實現高低壓隔離變換，再加以完整可靠的檢測電路、反饋電路、保護電路，最終穩定安全地為功率模塊的控制保護裝置提供持續電源。
[0006]地面取能:即以設備站內或廠內配電系統(380V)為能源，通過電能變換和高壓隔離，為功率模塊的控制保護裝置提供電源。
[0007]以上兩種取能方式的優缺點比較:直流取能的優勢是在超高壓領域的應用，比如柔性直流輸電換流器，電壓動輒超過IOOkV,在這樣的系統里，從地面取能是不現實的，技術難度大且成本高，直流取能是唯一的辦法。在35kV以下的系統里，既可以采用地面取能，也可以采用直流取能，采用地面取能有一個好處是允許變流器在任何情況下啟動，而采用直流取能則需要變流器與電網已經連接的情況下才能開始工作。
[0008]目前，兩種取能方式在IGBT功率模塊都已經實現了并投入使用，但是直流取能輸入電壓往往不超過1700V，原因是出于成本考慮制造商通常選用3300V及以下的IGBT。而對于IEGT功率模塊，在本實用新型出現之前，僅實現了地面取能。
實用新型內容
[0009]本實用新型的目的是提供一種IEGT功率模塊的直流取能電源，該取能電源可實現在直流輸入電壓300Vdc?3700Vdc的范圍內取能，自然冷卻，為IEGT功率模塊的工作提供控制電源，并在復雜電磁場環境下能夠安全可靠的工作。
[0010]為實現上述目的，本實用新型通過以下技術方案實現:
[0011]IEGT功率模塊的直流取能電源，在空間結構布置上，直流取能裝置位于IEGT閥串與功率模塊控制板之間，直流取能裝置的輸入端與作為直接帶電體的IEGT閥串散熱片相連接，IEGT閥串散熱片位于IEGT閥串的外部，IEGT閥串散熱片通過連接母排與直流電容相連接；直流電壓采樣板和IEGT驅動板布置于直流取能電源與IEGT閥串之間；
[0012]直流取能電源的主電路包括濾波電路、非隔離反激變換器、隔離推挽變換器，濾波電路由共模電感、電阻、電容組成，在高壓輸入端的正、負兩個輸入端分別設有共模電感，接于高壓正、負輸入端的共模電感兩端各有一串由電阻并聯電容組成的均壓串，構成濾波電路；非隔離反激變換器由多個功率電路級聯組成，各功率電路的輸入端串聯，輸出端并聯，串聯連接的功率電路的輸入端與濾波電路輸出端連接；非隔離反激變換器的輸出端與隔離推挽變換器的輸入端相連接。
[0013]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0014]1.MMC-HVDC換流器的直流電壓通常都比較高，至少在IOOkV以上，對于地面取能來說是不現實的；功率模塊是基于4500V-1EGT而設計的，其耐高壓的特性也就要求取能裝置應同樣具備高壓情況下穩定運行的能力，本實用新型取能電源可實現在直流輸入電壓300Vdc?3700Vdc的范圍內取能，自然冷卻，為IEGT功率模塊的工作提供控制電源，并在復雜電磁場環境下能夠安全可靠的工作。
[0015]2.由于單個功率模塊輸出能力的提高，同樣電壓等級換流器設備所需模塊數量將大大減少，從而在節約成本的同時，也使得其具備更加節約空間的優勢。
[0016]3.本實用新型直流取能電源可以用于基于4500V-1EGT的功率模塊，而基于4500V-1EGT的功率模塊可以用于MMC-HVDC換流器，高壓靜止無功發生器(例如35kV-STATC0M)等場合。
[0017]4.本實用新型填補了 IEGT功率模塊直流取能的空白，為高壓大功率多電平級聯變流器的應用提供了新的空間和市場，尤其是柔性直流輸電領域，本實用新型的直流取能電源的輸入電壓最大值達到3700V，遠遠超過IGBT功率模塊直流取能輸入電壓。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型的結構主視圖。
[0019]圖2是本實用新型的結構側視圖。
[0020]圖3是本實用新型的電氣結構框圖。
[0021]圖4是本實用新型的電氣原理圖。
[0022]圖5是功率電路級聯不意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖詳細敘述本實用新型的【具體實施方式】。
[0024]見圖1、圖2，IEGT功率模塊的直流取能電源，在空間結構布置上，直流取能裝置I位于IEGT閥串3與功率模塊控制板6之間，直流取能裝置I的輸入端與作為直接帶電體的IEGT閥串散熱片4相連接，IEGT閥串散熱片4位于IEGT閥串3的外部，IEGT閥串散熱片4通過連接母排7及直流電容端子8與直流電容5相連接；直流電壓采樣板和IEGT驅動板2布置于直流取能裝置I與IEGT閥串3之間。
[0025]見圖3、圖4、圖5，直流取能電源的主電路包括濾波電路、非隔離反激變換器、隔離推挽變換器，濾波電路由共模電感、電阻、電容組成，在高壓輸入端的正、負兩個輸入端分別設有共模電感，接于高壓正、負輸入端的共模電感兩端各有一串由電阻并聯電容組成的均壓串，構成濾波電路。非隔離反激變換器由多個功率電路級聯組成，各功率電路的輸入端串聯，輸出端并聯，串聯連接的功率電路的輸入端與濾波電路輸出端連接；非隔離反激變換器的輸出端與隔離推挽變換器的輸入端相連接。隔離推挽變換器的輸出端與整流電路相連接。所述的功率電路由高頻儲能變壓器、LC濾波器、二極管、輸出濾波電容、開關管組成，隔離推挽變換器由開關管、變壓器組成，在隔離推挽變換器的輸入端設有隔離輔助電源，在隔離推挽變換器的輸出端設有故障采集電路。
[0026]IEGT功率模塊的直流取能電源的工作過程是:如圖3所示，輸入的高壓直流電能經過濾波電路濾波后，由啟動電路將信號傳遞給輸入過欠壓保護及控制電路，輸入過欠壓保護及控制電路使電源處于工作狀態，電能信號經過非隔離反激變換器經第一級變換，將母線高壓轉換成DC400V的電信號并經過濾波處理，濾波處理后的電信號再經過隔離推挽變換器進行第二級隔離變換處理，最后經過整流電路(圖4)的全波整流，使高位取能電源能夠穩定安全的輸出DC15V的電信號。
[0027]本實用新型直流取能技術裝置可在直流輸入電壓300Vdc?3700Vdc的范圍內取能，自然冷卻，為IEGT功率模塊的工作提供控制電源，并在復雜電磁場環境下能夠安全可
靠的工作。
[0028]本實用新型的技術難點在于:
[0029]1.直流取能電源設計
[0030]在明確參數要求的前提下，如何設計出符合要求的直流取能電源，難點包括:非常寬的輸入電壓范圍(300Vdc?3700Vdc)，體積小，可靠性高。
[0031]2.在IEGT功率模塊中集成直流取能電源
[0032]在高壓、強電磁干擾環境下，如何將直流取能電源集成到IEGT功率模塊系統中，與其它部件互相配合和協調工作。
[0033]本實用新型的具體解決方案是:
[0034]1.空間位置。
[0035]在安裝直流取能裝置時，既要避免其與受電設備距離太長，導致其EMI特性下降，也要兼顧其擺放不使功率模塊體積太大。所以，本實用新型將直流取能裝置I擺放于IEGT閥串與功率模塊控制板6之間，且將直流電壓采樣板和IEGT驅動板2布置于直流取能裝置I與IEGT閥串3之間。
[0036]首先，在設計閥串結構時，就考慮了裝置的取能問題，此處，將電容正負兩個電極通過連接母排7連接于IEGT閥串散熱片4，直流取能裝置I的輸入端再與IEGT閥串散熱片4連接，IEGT閥串散熱片4成為與直流電容相連接的直接帶電體，直流取能裝置I從此處取能。這一方法大大縮短了取能裝置取能路徑，具有安全、可靠的優點。
[0037]其次，將直流電壓采樣板和IEGT驅動板2等受電控制單元布置在直流取能裝置周圍，這樣可以盡量縮短連接線纜的長度，減小可能產生的干擾。
[0038]最后，直流取能裝置以特殊金屬材料封裝，并配以特定的濾波裝置，以屏蔽來自模塊本身及四周的電磁干擾。
[0039]2.電氣特性
[0040]由于應用領域的要求，基于4500V-1EGT的功率模塊在實際運行時的直流電壓的變化范圍為O?3500Vdc，較高，所以，在應用直流取能技術時，要對電氣因素做詳細的分析。
[0041]啟動/停止:在整機設備入網和停機時，直流取能設備要經歷關閉和啟動的切換過程，直流側的電容電壓跨度也很大，所以，閥段(某數量功率模塊串聯而成)能夠均壓充電，取能裝置能夠平穩啟停，是至關重要的。
[0042]運行:整機在運行過程中，直流側電容電壓波動較大，會產生大量的差模干擾，所以要求取能設備在禁受住電磁干擾的同時，輸出電壓也能夠保持穩定。
[0043]取能裝置作為IEGT功率模塊的一個重要組成，對其耐高壓、安全等特性有著非常高的要求。本實用新型從拓撲結構、均壓及功率變換等幾個方面對取能裝置作出創新研究，設計改進，并最終完成裝置的研發及應用。
[0044]I)拓撲結構
[0045]①方案:本實用新型的取能裝置采用功率電路級聯的方式，輸入端串聯，輸出端并聯，具體電氣連接方式參照圖4、圖5所示。
[0046]輸入高壓經過多個串聯的均壓電容后，再分別接到各個功率電路的開關管。如圖
4、圖5所示，在共模電感的兩端各有一串由大阻值電阻并聯電容組成的均壓串。此時的開關管，電壓應力為單個開關管時的1/N (比如串接6個開關管為1/6)。同時熱分布也會相對平均，比較適合應用到高輸入電壓的電源環境中。
[0047]②器件選型:為了達到取能裝置耐高壓的要求，本設計選取的每只開關管電壓應力為 I2OOV 的 MOSFET。
[0048]2)均壓問題
[0049]①產生原因:串聯MOSFET驅動信號的不一致是導致均壓不良的主要原因，驅動延遲時間的不同會導致開通較慢的器件上產生電壓尖峰，和較高的靜態電壓，使各級電壓不均。另外，驅動電路的走線寄生電感和吸收電路特性不一樣，不同的MOSFET引線電感不同，導通特性也就有很大差異，另外MOSFET關斷瞬間的電壓上升斜率dV/dt與吸收電容的值有關，吸收電容的誤差較大以及工作環境的因素等方面都對開關管導通有較大影響，因此每個串聯的MOSFET的dV/dt也會有所不同，吸收電容小的MOSFET兩端會產生較大的電壓尖峰。
[0050]②解決方案:為了保證電路在工作過程中各級間電壓相等，首先，我們選擇同型號同批次的器件，并且在驅動電路和吸收電路的設計上要嚴格一致；其次，在每級間并聯較大阻值電阻，起到靜態下的均壓作用；另外，對于動態采用阻容式的鉗位電路，要保證驅動信號的幅值一致，確保多個MOSFET同步，即時間上和開通幅度上完全一致。
[0051]3)功率變換
[0052]該電源由于是從輸入DC300V-DC3700V的高電壓等級轉換到低壓DC15V直接一級變換的難度較大，主要是考慮到設備異常時或者人員誤操作時副邊的15V低壓出現故障時極有可能影響到原邊高壓側，而高壓側則是與模塊的主功率器件相連的，這樣非常不安全。出于這個考慮，本設計在高壓側做了兩級功率變換，保證DC15V側即使出現問題也不至于直接影響到高壓取能側。如圖3、圖4所示，輸入的高壓直流電能經過濾波后由啟動電路將電源控制部分“喚醒”使電源處于工作狀態，經過一級級聯反激電路，將母線高壓轉換成DC400V精電，經過濾波處理后繼續進行第二級隔離變換處理。最后經過全波整流技術，使高位取能電源能夠穩定安全的輸出DC15V精電。
【權利要求】
1.1EGT功率模塊的直流取能電源，其特征在于，在空間結構布置上，直流取能裝置位于IEGT閥串與功率模塊控制板之間，直流取能裝置的輸入端與作為直接帶電體的IEGT閥串散熱片相連接，IEGT閥串散熱片位于IEGT閥串的外部，IEGT閥串散熱片通過連接母排與直流電容相連接；直流電壓采樣板和IEGT驅動板布置于直流取能電源與IEGT閥串之間； 直流取能電源的主電路包括濾波電路、非隔離反激變換器、隔離推挽變換器，濾波電路由共模電感、電阻、電容組成，在高壓輸入端的正、負兩個輸入端分別設有共模電感，接于高壓正、負輸入端的共模電感兩端各有一串由電阻并聯電容組成的均壓串，構成濾波電路；非隔離反激變換器由多個功率電路級聯組成，各功率電路的輸入端串聯，輸出端并聯，串聯連接的功率電路的輸入端與濾波電路輸出端連接；非隔離反激變換器的輸出端與隔離推挽變換器的輸入端相連接。
【文檔編號】H02M3/28GK203674961SQ201320830311
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年12月13日 優先權日:2013年12月13日
【發明者】時偉, 艾錫剛, 王嘉藝, 張海濤, 饒宏, 黎小林, 許樹楷, 魏偉, 侯婷 申請人:榮信電力電子股份有限公司, 南方電網科學研究院有限責任公司