專利名稱：一種雙pwm集成門極換向晶閘管三電平功率柜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種雙PWM集成門極換向晶閘管 (The Integrated Gate Commutated Thyristor，簡稱 IGCT)三電平功率柜結(jié)構(gòu)，它適用于 3 27MVA大功率變流器中，可廣泛應(yīng)用于中壓傳動領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
集成門極換向晶閘管IGCT是瑞士 ABB公司專為中壓變頻器開發(fā)的功率半導(dǎo)體開 關(guān)器件。是在可關(guān)斷晶閘管GTO的基礎(chǔ)上所作的改良型器件，它作為一種新型的電力電子 器件，將GTO芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動器在外圍 以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管和晶閘管兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，即晶體管穩(wěn)定的關(guān)斷能力和 晶閘管的低通態(tài)損耗。IGCT在導(dǎo)通期間發(fā)揮晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈類似于晶體管的特 性。IGCT具有電流大、電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低的特點(diǎn)。IGCT集IGBT (絕緣門極雙極性晶體管)的高速開關(guān)特性和GTO (門極關(guān)斷晶閘管) 的高阻斷電壓和低導(dǎo)通損耗特性于一體。IGCT的快速開關(guān)能力無需緩沖電路，因而所需的 功率元件數(shù)目更少，運(yùn)行的可靠性更高。目前國際上IGCT的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是在 國內(nèi)卻還處于起步階段，還沒有IGCT變流器的成熟產(chǎn)品問世。完整的IGCT有源整流電路 或逆變電路包括IGCT、反并聯(lián)二極管、箝位電路器件等，若將這些元件分散組裝后再用母線 或?qū)Ь€進(jìn)行電氣連接，不僅其占用體積較大，而且連線回路面積較大，從而造成線路雜散電 感增大。雜散電感的增大會使IGCT的關(guān)斷電壓升高，這時候?yàn)榱吮ＷCIGCT的安全就必須 要減小輸出電流，從而造成輸出功率的減小。此外，IGCT的功率組件分散安裝，也不利于維 修工作的進(jìn)行。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為針對采用IGCT等電力電子器件的大功率三電平背靠背脈寬調(diào)制 變頻裝置，提出一種減少電路雜散電感，提高裝置輸出能力的模塊化的結(jié)構(gòu)，便于安裝組 接，可適用于不同工程要求。一種雙PWM集成門極換向晶閘管三電平功率柜，是由逆變功率單元柜1、電容柜2 和整流功率單元柜3組成的裝置。每臺逆變或整流功率單元柜里包含三組相互獨(dú)立的逆變 /整流功率模塊單元4，每組逆變/整流功率模塊單元上帶有四個或四個以上的IGCT元件， 構(gòu)成逆變/整流輸出的一相。由于雙PWM集成門極換向晶閘管三電平功率柜采用背靠背式 的電路結(jié)構(gòu)，使得逆變/整流功率模塊單元在結(jié)構(gòu)上完全相同，因此逆變功率單元柜與整 流功率單元柜的結(jié)構(gòu)也完全一致。逆變功率單元柜1的外型尺寸為2500x1200x1500 (高χ寬χ深，單位mm)。在柜 內(nèi)，從上至下內(nèi)分為三層，每層布置一組逆變/整流功率模塊單元4，每組模塊單元即為一 相完整的橋臂。每組逆變/整流功率模塊單元4上都帶有一個IGCT供電電源5，IGCT供電 電源5的設(shè)計(jì)為一拖多個的形式，即一只IGCT供電電源5可同時為一相橋臂的IGCT供電。
3本發(fā)明中IGCT供電電源5，逆變功率單元柜1統(tǒng)一放在逆變/整流功率模塊單元4的左側(cè)； 整流功率單元柜3統(tǒng)一放在逆變/整流功率模塊單元4的右側(cè)。逆變功率單元柜1在深度 方向上分為前部、中部、后部，逆變/整流功率模塊單元4位于柜體中部靠前的位置，前部布 置單元水路母管，后部是單元直流母線與交流母排和測量元件。由于逆變/整流功率模塊 單元4體積相對較大，兩臺功率單元柜內(nèi)略顯擁擠，因此功率單元柜內(nèi)布置也較為簡單，除 了柜體中部分層布置的逆變/整流功率模塊單元4外，柜體后部僅有部分搭接母排及測量 元件。這樣的設(shè)計(jì)使得整個逆變功率單元柜1分為三個功能區(qū)，水路與電路相隔開，便于安 裝和維護(hù)，避免了各個接口間的干擾，且結(jié)構(gòu)功能清晰。逆變/整流功率柜內(nèi)后部的搭接母排分為兩部分，直流母線搭接母排10和交流母 線搭接母排9。對于直流母線搭接母排10，在設(shè)計(jì)上需要盡可能的減小其雜散電感，這樣有 利于改善IGCT關(guān)斷特性。為此，直流母線搭接母排10布置在電容功率柜2與逆變功率單 元柜1或整流功率單元柜3銜接處，直接將整張電容層疊直流母線11和逆變/整流功率模 塊單元4的單元直流母線12相連。該母排同樣為三層層疊結(jié)構(gòu)，中間以絕緣板隔開，保證 絕緣。這種連接方式使得電容與功率模塊單元4之間的連接母線最短，有效地降低了其間 的雜散電感，并且便于拆換、維護(hù)。需要更換逆變/整流功率模塊單元4時，只需將直流搭 接母排10與功率模塊單元的單元直流母線12的連接斷開，即可將整個模塊單元整體移出。 交流搭接母排9的作用是將從逆變功率單元柜1或整流功率單元柜3引出三相交流電，而 在交流側(cè)，無須考慮雜散電感等分布參數(shù)。因此交流搭接母9的設(shè)計(jì)完全從使用、維護(hù)的角 度來考慮，應(yīng)盡可能的為使用、安裝帶來便利。電容柜2的外型尺寸為2500x1000x1500 (高χ寬χ深，單位mm)，柜內(nèi)主要有直流 電容6，冷卻水系統(tǒng)的供/回水豎直干管8，電容預(yù)充電電路13，并聯(lián)電阻和反并聯(lián)二極管等 輔助電路14及相應(yīng)母排。與逆變功率單元柜1相一致，電容柜2縱深方向也可分為三個部 分，前部、中部、后部。中部主要是直流電容組，直流電容6分兩層布置于電容柜2中，占據(jù) 了電容柜2中部空間。直流電容6間留有空隙，保證電容正常散熱。前部除了用于安裝水 冷系統(tǒng)的供/回水豎直干管8外，還利用前部中間狹窄空間安裝預(yù)充電變壓器7，其用橫梁 托起置于電容柜2底部。電容預(yù)充電電路分為預(yù)充電變壓器7及充電電路13。在柜體后部 把充電電路13制成一整塊電路板，縱向安裝于電容柜2側(cè)梁上。電容柜內(nèi)2還安裝了并聯(lián) 電阻和反并聯(lián)二極管等輔助電路14。并聯(lián)電阻是為了保證在放電電路失效的情況下，經(jīng)過 足夠長的時間后，直流電容仍然可以通過并聯(lián)電阻放電。反并聯(lián)二極管的作用是防止直流 電容反向充電。這兩部分輔助電路均設(shè)計(jì)在電容柜2的側(cè)面，利用柜體側(cè)梁進(jìn)行安裝。這 種設(shè)計(jì)的好處是節(jié)省了電容柜2內(nèi)的空間，有效利用了電容柜2側(cè)面的狹窄空間。對于反 并聯(lián)二極管而言，還減小了二極管與直流電容間的距離，使兩者之間的連接母排雜散電感 最小。一種雙PWM集成門極換向晶閘管三電平功率柜的發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于采用背靠背式的 電路結(jié)構(gòu)，使得逆變與整流功率模塊單元在結(jié)構(gòu)上完全相同，因此逆變功率單元柜與整流 功率單元柜的結(jié)構(gòu)也完全一致。將IGCT應(yīng)用電路中的各電力電子元件集成于一個逆變功 率單元柜或整流功率單元柜中，有效減小了占用體積。采用二極管箝位式三相三電平逆變 電路結(jié)構(gòu)，提高了電壓等級，解決了電力電子元件器件耐壓不足的問題，減少了電路雜散電 感，提高了裝置的輸出能力。逆變/整流功率模塊單元的一致性和相同性，有助于功率單元柜的安裝、調(diào)試和維修等工作，提高了工作效率，同時也為最小停柜時間的維護(hù)和維修工作 打下了基礎(chǔ)。裝卸便利，結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小。
圖1為雙PWM集成門極換向晶閘管三電平功率柜電路圖。圖2為雙PWM集成門極換向晶閘管三電平功率柜結(jié)構(gòu)圖(正面)，其中，逆變功率 單元柜1、電容柜2、整流功率單元柜3、逆變/整流功率模塊單元4、IGCT供電電源5、直流 電容6、預(yù)充電變壓器7、水冷系統(tǒng)的供/回水干管8圖3為雙PWM集成門極換向晶閘管三電平功率柜結(jié)構(gòu)圖(背面)，其中，交流母線 搭接母排9、直流母線搭接母排10、電容層疊直流母線11、單元直流母線12、充電電路13、并 聯(lián)電阻和反并聯(lián)二極管等輔助電路14。
具體實(shí)施例方式圖2為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，由逆變功率單元柜1、電容柜2和整流功率單元柜 3組成。每臺逆變或整流功率單元柜里包含三組相互獨(dú)立的逆變/整流功率模塊單元4，每 組逆變/整流功率模塊單元上帶有四個或四個以上的IGCT元件，構(gòu)成逆變/整流輸出的一 相。由于雙PWM集成門極換向晶閘管三電平功率柜采用背靠背式的電路結(jié)構(gòu)，使得逆變/ 整流功率模塊單元在結(jié)構(gòu)上完全相同，因此逆變功率單元柜與整流功率單元柜的結(jié)構(gòu)也完 全一致。逆變功率單元柜的外型尺寸為2500x1200xl500(高χ寬χ深，單位mm)。在柜內(nèi)， 從上至下內(nèi)分為三層，每層布置一組逆變/整流功率模塊單元4。電容柜2柜的外型尺寸為 2500x1000x1500 (高χ寬χ深，單位mm)，柜內(nèi)主要有直流電容6，冷卻水系統(tǒng)的供/回水豎 直干管8，電容預(yù)充電電路13，并聯(lián)電阻和反并聯(lián)二極管等輔助電路14及相應(yīng)母排。
權(quán)利要求
1.一種雙PWM集成門極換向晶閘管三電平功率柜，其特征在于功率柜由逆變功率單 元柜(1)、電容柜( 和整流功率單元柜( 組成；逆變功率單元柜包含三組相互獨(dú)立的逆 變/整流功率模塊單元，每組逆變/整流功率模塊單元上帶有四個或四個以上的IGCT元 件；構(gòu)成逆變輸出的一相；整流功率單元柜里包含三組相互獨(dú)立的逆變/整流功率模塊單 元，每組逆變/整流功率模塊單元上帶有與整流功率單元柜上數(shù)量相同的IGCT元件，構(gòu)成 整流輸出的一相；逆變功率單元柜(1)和整流功率單元柜C3)均從上至下內(nèi)分為三層，每層布置一組逆 變/整流功率模塊單元，每組模塊單元為一相完整的橋臂；每組逆變/整流功率模塊單元上 都帶有一個IGCT供電電源(5)，一個IGCT供電電源(5)同時為一相橋臂的IGCT供電；逆 變功率單元柜(I)IGCT供電電源，統(tǒng)一放在逆變/整流功率模塊單元的左側(cè)；整流功率單元 柜(3) IGCT供電電源，統(tǒng)一放在逆變/整流功率模塊單元的右側(cè)；逆變功率單元柜(1)在深 度方向上分為前部、中部、后部，逆變/整流功率模塊單元(4)位于柜體中部靠前的位置，前 部布置單元水路母管，后部是單元直流母線與交流母排和測量元件。逆變功率柜或整流功率柜內(nèi)后部的搭接母排分為直流母線搭接母排和交流母線搭接 母排；直流母線搭接母排布置在電容功率柜(2)與逆變功率單元柜(1)或整流功率單元柜 (3)銜接處，直接將整張電容層疊直流母線和逆變/整流功率模塊單元的單元直流母線相 連；交流搭接母排的作用是將從逆變功率單元柜(1)或整流功率單元柜(3)引出三相交流 電，而在交流側(cè)，無須考慮雜散電感分布參數(shù)；電容柜( 包括直流電容(6)、冷卻水系統(tǒng)的供/回水豎直干管(8)、電容預(yù)充電電路(13)和并聯(lián)電阻和反并聯(lián)二極管輔助電路(14)和相應(yīng)母排；電容柜(2)縱深方向分為三 個部分，前部、中部、后部；中部為直流電容組，直流電容分兩層布置于電容柜O)中部空 間，各直流電容間留有空隙，保證電容正常散熱；前部安裝水冷系統(tǒng)的供/回水豎直干管 (8)和預(yù)充電變壓器(7)，其用橫梁托起置于電容柜( 底部；電容預(yù)充電電路分為預(yù)充 電變壓器(7)及電容預(yù)充電電路(1 ；在柜體后部把電容預(yù)充電電路(1 制成一整塊電 路板，縱向安裝于電容柜(2)側(cè)梁上；電容柜(2)安裝并聯(lián)電阻和反并聯(lián)二極管輔助電路(14)；并聯(lián)電阻是保證在放電電路失效的情況下，經(jīng)過足夠長的時間后，直流電容仍然可以 通過并聯(lián)電阻放電；反并聯(lián)二極管用于防止直流電容反向充電；這兩部分輔助電路均設(shè)計(jì) 在電容柜O)的側(cè)面，利用柜體側(cè)梁進(jìn)行安裝。
2.如權(quán)利要求1所述的雙PWM集成門極換向晶閘管三電平功率柜，其特征在于所述 的直流母線搭接母排為三層層疊結(jié)構(gòu)，中間以絕緣板隔開；需要更換逆變/整流功率模塊 單元時，將直流搭接母排與功率模塊單元的單元直流母線的連接斷開后，將整個模塊單元 整體移出。
全文摘要
一種雙PWM集成門極換向晶閘管三電平功率柜，屬于大功率半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。包括逆變功率單元柜、電容柜和整流功率單元柜。本發(fā)明中每臺逆變或整流功率單元柜里包含三組逆變/整流功率模塊單元，每組逆變/整流功率模塊單元上帶有四個或四個以上IGCT元件，構(gòu)成逆變/整流輸出的一相。電容柜有直流電容、供/回水豎直干管、電容預(yù)充電電路、并聯(lián)電阻和反并聯(lián)二極管等輔助電路及相應(yīng)母排等。
文檔編號H02M3/315GK102097941SQ20101062329
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者蘭志明, 周亞寧, 唐磊, 朱春毅, 李凡, 李向欣, 李崇堅(jiān), 李英杰, 楊瓊濤, 段巍, 王成勝 申請人:冶金自動化研究設(shè)計(jì)院, 北京金自天正智能控制股份有限公司