专利名称：一种基于全控型变流器件iegt的大容量h桥功率单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力电子行业中基于全控型变流器件的功率单元。
技术背景
随着市场对大容量变换器的需求越来越广泛，电力电子器件技术的不断提升， IEGT开关器件具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高 耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联从而具有自均流的特性， 使IEGT开关器件在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。基于IGBT的H桥串联拓扑结构普遍应用于大功率变频领域，但受开关器件耐受的 电压、电流水平所限，每个功率单元的容量较小。基于大功率开关器件IEGT的H桥功率单 元可以克服这一限制，从而使得H桥串联变换器更容易达到更高的功率水平，因此，研究开 IEGT功率单元，通过IEGT功率单元模块实现大容量功率输出是非常重要的，而且IEGT功率 单元模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器中应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥功率单元，该功 率单元采用全控型变流器件IEGT，可实现大容量输出，具有超强的通用性，可大大提高其组 成的串联H桥结构产品的稳定性和可靠性。为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥功率单元，该功率单元以IEGT相模 块组成的H桥功率单元为主体，输出幅值和频率可调的交流电压或输出幅值可调的直流电 压。所述的H桥功率单元由两个内含两个IEGT器件的相模块组成、或一个内含四个 IEGT器件的桥模块组成。所述的一个相模块包括两个IEGT器件，两个IEGT器件串联在一起，中间连接端引 出为输出端；每个相模块还包括缓冲吸收电路和直流滤波电容，直流滤波电容接在正、负母 线之间。所述的缓冲吸收电路包括电感、电阻、二极管及电容，二极管正极端与电感相连， 二极管负极端与电阻相连，电阻与电感相连；二极管的负极端还连接电容，电容另一端与负 母排相连接。所述的每个IEGT器件均并联有续流二极管，续流二极管可为内置或外置两种形 式。所述的功率单元还包括撬杠模块，撬杠模块的两端分别连接在正、负直流母线上。所述的撬杠模块包括电流撬杠模块和电压撬杠模块两种，电流撬杠模块由双向晶 闸管与电阻串联组成；电压撬杠模块由晶闸管与二极管反并联后，与电阻串联而成。所述的功率单元还包括旁路模块，旁路模块并联在H桥功率单元输出端。
所述的旁路模块由电压传感器VS、两个反向并联的晶闸管SCRl和SCR2、旁路接触 器KM并联组成，并联于两个相模块的输出端。所述的功率单元还包括斩波模块，斩波模块连接在正、负母线之间。所述的斩波模块由全控型开关器件和制动电阻串联而成，全控型开关器件和制动 电阻分别反向并联了续流二极管。所述的功率单元还包括两个电压传感器，其中一个电压传感器两端连接在正、负直流母线上，用于检测功率单元的直流电压；另一个电压传感器连接在H桥功率单元的输 出侧，用于检测输出电压。所述的功率单元还包括一个电流传感器，串联在直流母线上，用于检测流过直流 母线上的电流。所述的IEGT开关器件可单个使用，也可为多个IEBT开关器件串联或并联组成的 一组IEGT开关器件。所述的IEGT开关器件还可为PP IGBT、IGCT或其它全控型开关器件。所述的H桥功率单元可应用于高压变频器、高压静止无功发生器、机车车辆牵引 变流器、风力发电变流器、轻型直流输电领域。与现有技术相比，本发明的有益效果是该功率单元的设计，采用全控型变流器件IEGT，具有优异的模块化结构设计，可实 现大容量功率输出，具有超强的通用性及完善的保护，可大大提高其组成的串联H桥结构 产品的稳定性和可靠性。
图1为IEGT相模块电气结构示意图；图2为不控整流模块电气结构示意图；图3为半控整流模块电气结构示意图；图4为全控整流模块电气结构示意图；图5为斩波模块电气结构示意图；图6-1为电流撬杠模块电气结构示意图；图6-2为电压撬杠模块电气结构示意图；图7为旁路模块电气结构示意图；图8为用于链式STATC0M功率单元的电气结构示意图；图9为用于两象限高压变频器的功率单元的电气结构示意图；图10为用于四象限高压变频器的功率单元的电气结构示意图；图11为角形接法的链式STATC0M的电气结构示意图；图12为星形接法的串联H桥高压变频器的电气结构示意图。
具体实施例方式下面通过具体实施方式
详细叙述本发明。实施例1见图8，用于链式STATC0M的IEGT大容量H桥功率单元，由1#相模块、撬杠模块、2#相模块、旁路模块、电压传感器组成。1#相模块包括两个完全相同的全控型开关器件 IEGTUIEGT2, IEGTl并联续流二极管Dl，IEGT2并联续流二极管D2。两个IEGT器件串联在 一起，中间连接端引出为输出端；每个相模块还包括直流滤波电容，直流滤波电容接在正、 负母线之间；相模块还包括缓冲吸收电路，缓冲吸收电路跨接在直流滤波电容C3与开关器 件IEGTl、IEGT2之间，并分别与直流滤波电容C3、两个开关器件IEGTl、IEGT2形成并联。缓冲吸收 电路由电感Li、电阻R1、二极管D5、电容Cl构成，二极管D5正极端与电 感Ll相连，二极管D5负极端与电阻Rl相连，电阻Rl与电感Ll相连；二极管D5的负极端 还连接电容Cl，电容Cl另一端与负母线相连接。撬杠模块包括电流撬杠模块和电压撬杠模块两种，见图6-1，电流撬杠模块由双向 晶闸管BJT与电阻R4串联组成，本实施例中选用的是电流撬杠。电流撬杠模块通过1个电 流传感器可以同时检测到不同的两个相模块中发生的直通短路。当电流达到保护设定阈值 时，电流撬杠保护动作，电阻R4旁路短路电流，分散短路能量，达到保护IEGT的效果。见图 6-2，电压撬杠模块由晶闸管SCR3与二极管D24反并联后，与电阻R5串联而成。电压撬杠 模块通过直流母线的电压传感器来检测直流过压。当电压达到保护设定阈值时，电压撬杠 保护动作，直流母线电容通过电压撬杠释放能量从而降低母线电压，使得IEGT不会发生过 压损坏。2#相模块包括两个完全相同的全控型开关器件IEGT3、IEGT4，IEGT3并联续流二 极管D3，IEGT4并联续流二极管D4。两个IEGT器件串联在一起，中间连接端引出为输出 端；每个相模块还包括直流滤波电容C4，直流滤波电容处接在正、负母线之间；相模块还包 括缓冲吸收电路，缓冲吸收电路跨接在直流滤波电容C4与开关器件IEGT3、IEGT4之间，并 分别与直流滤波电容C4、两个开关器件IEGT3、IEGT4形成并联。缓冲吸收电路由电感L2、电阻R2、二极管D6、电容C2构成，二极管D6正极端与电 感L2相连，二极管D6负极端与电阻R2相连，电阻R2与电感L2相连；二极管D6的负极端 还连接电容C2，电容C2另一端与负母线相连接。旁路模块由两个反并联的晶闸管SCR1、SCR2、旁路接触器KM并联组成，并联于两 个相模块的输出端。该功率单元包括电压传感器VSl和电压传感器VS，电压传感器VSl设置于整流模 块输出侧，其两端分别连接在正、负直流母线上，用于检测功率单元的中间直流电压；电压 传感器VS设置于H桥功率单元的逆变输出侧，用于检测逆变输出电压。实施例2见图9，用于两象限高压变频器的IEGT大容量H桥功率单元，由整流模块、斩波模 块、1#相模块、撬杠模块、2#相模块、旁路模块、电压传感器组成。本实施例中，整流模块采用半控整流桥结构(图3)，整流模块还可采用不控整流 桥(图2)或全控整流桥结构(图4)。见图3、图9，半控整流桥由三个晶闸管SCR1、SCR2、SCR3及三个二极管D13、D14、 D15构成三相整流桥。见图2，不控整流桥由六个二极管D7、D8、D9、D10、Dll、D12构成三相整流桥。见图4，全控整流桥由六个全控型器件IEGT5、IEGT6、IEGT7、IEGT8、IEGT9、IEGTlO 构成三相整流桥结构，且每个全控型器件IEGT5均并联续流二极管。全控型器件IEGT5、IEGT6、IEGT7、IEGT8、IEGT9、IEGTlO 分别并联续流二极管 D16、D17、D18、D19、D20、D21。见图5、图9，斩波模块由全控型开关器件IEGTll和制动电阻R3串联而成，全控型 开关器件IEGTll和制动电阻R3分别与二极管D22、二极管D23反并联连接。 1#相模块、撬杠模块、2#相模块、旁路模块、电压传感器同实施例1。实施例3见图10，用于四象限高压变频器的IEGT大容量H桥功率单元，由整流模块、1#相 模块、撬杠模块、2#相模块、旁路模块、电压传感器组成。见图4、图10，本实施例采用全控整流模块，由六个全控型器件IEGT5、IEGT6、 IEGT7、IEGT8、IEGT9、IEGTlO构成三相整流桥结构，且每个全控型器件IEGT5均并联有续流 二极管。全控型器件IEGT5、IEGT6、IEGT7、IEGT8、IEGT9、IEGTlO分别并联有续流二极管 D16、D17、D18、D19、D20、D21。1#相模块、撬杠模块、2#相模块、旁路模块、电压传感器同实施例1。上述实施例中，选用的箝位型缓冲吸收电路可以有效的抑制尖峰电压和电流，即 有效阻止高dv/dt与di/dt，大大缓减器件在电路中承受的电应力，降低器件的开关损耗、 避免器件的二次击穿和抑制电磁干扰，从而提高电路的可靠性。所述的相模块的缓冲吸收 电路也可以为其他类型的缓冲吸收电路，如C，RC, RCD, McMurry等。所述的整流模块可以为不控整流桥、半控整流桥或全控整流桥。这里的半控整流 桥包括3个晶间管和3个二极管。不控整流桥由6个二极管组成，可以实现最基本的整流 功能。半控整流桥的主要作用有两个，一个是可通过对触发角的控制，实现系统上电后对直 流滤波电容的快速而稳定的充电过程，有效地解决了电容充电涌流的问题；另一个是在正 常或故障情况下需要切断单元输入时，可以无需断路器、熔断器而通过对晶闸管的触发控 制而快速地切断单元的电源输入。所述的半控整流桥可以用半控器件(晶闸管)也可以用 全控器件(IEGT等)。而全控整流桥的功能可以实现有功功率的双向流动，使得所述的功率 单元除了可以正常的输出有功功率外，还能在能量逆向流动时，向电源侧回馈有功功率，同 时保持直流母线电压的稳定。所述的斩波模块由全控开关器件和制动电阻组成，通过开关器件的动作，可以可 控的对偏高的直流母线电压进行放电调节，从而有效地解决能量回馈时造成的功率单元直 流母线电压升高的问题。此斩波模块可重复工作。所述的撬杠模块有两种，一种为电流撬杠模块，另一种为电压撬杠模块。电流撬杠 模块和电压撬杠模块都是用来保护相模块中的开关器件，可以同时使用，也可以按具体需 求选用。所述的旁路模块设计为包含晶闸管和旁路接触器的复合旁路，保证故障时可以快 速的旁路故障单元，从而保证整个系统的不停机运行。旁路切换功能保证单元有故障时自 动将单元旁路且系统无需停机，待生产条件允许后再处理故障单元，包含晶间管和旁路接 触器的单元复合旁路设计更是提高了系统快速处理故障的能力，从而提高了系统运行的可靠性。所述的相模块，整流模块，斩波模块，撬杠模块均为连接在直流母线上的子模块， 通过模块化的设计，每个模块都用相同或相似的接插件连接在直流母线上，从而实现紧凑 而便于安装维护的结构设计。
所述的整流模块，斩波模块，撬杠模块，旁路模块可按系统的实际需要进行取舍。 由两个相模块组成的逆变单元可以应用于链式STATC0M，按系统需要可增加撬杠模块和旁 路模块等。由整流模块和逆变单元可组成变频功率单元，应用于H桥串联型的大功率变频 器，若其中的整流模块为全控整流则大功率变频器可以实现四象限运行。所述的半导体开关器件以IEGT为例，但不限于IEGT，它包括PP IGBT, IGCT及其 它全控型开关器件等。此外，图中的一支IEGT可以是单支开关器件，也可以是多支IEGT的 串联或并联。 图11为本发明H桥功率单元的角形接法的链式STATC0M的电气结构示意图；图12 为本发明H桥功率单元的星形接法的串联H桥高压变频器的电气结构示意图。H桥功率单 元的结构可以是上述实施例中的任何一种，且不限于上述实施例。
权利要求
一种基于全控型开关器件IEGT的大容量H桥功率单元，其特征在于，该功率单元以IEGT相模块组成的H桥功率单元为主体，输出幅值和频率可调的交流电压或输出幅值可调的直流电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥功率单元，其 特征在于，所述的H桥功率单元由两个内含两个IEGT器件的相模块组成、或一个内含四个 IEGT器件的桥模块组成。
3.根据权利要求2所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥功率单元，其特 征在于，所述的一个相模块包括两个IEGT器件，两个IEGT器件串联在一起，中间连接端引 出为输出端；每个相模块还包括缓冲吸收电路和直流滤波电容，直流滤波电容接在正、负母 线之间。
4.根据权利要求3所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥功率单元，其特 征在于，所述的缓冲吸收电路包括电感、电阻、二极管及电容，二极管正极端与电感相连，二 极管负极端与电阻相连，电阻与电感相连；二极管的负极端还连接电容，电容另一端与负母 排相连接。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥功率 单元，其特征在于，所述的每个IEGT器件均并联有续流二极管，续流二极管 >可为内置或外 置两种形式。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥 功率单元，其特征在于，所述的功率单元还包括撬杠模块，撬杠模块的两端分别连接在正、 负直流母线上。
7.根据权利要求6所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥功率单元，其特 征在于，所述的撬杠模块包括电流撬杠模块和电压撬杠模块两种，电流撬杠模块由双向晶 闸管与电阻串联组成；电压撬杠模块由晶闸管与二极管反并联后，与电阻串联而成。
8.根据权利要求6所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥功率单元，其特 征在于，所述的功率单元还包括旁路模块，旁路模块并联在H桥功率单元输出端。
9.根据权利要求8所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥功率单元，其特 征在于，所述的旁路模块由电压传感器VS、两个反向并联的晶闸管SCRl和SCR2、旁路接触 器KM并联组成，并联于两个相模块的输出端。
10.根据权利要求6所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥功率单元，其 特征在于，所述的功率单元还包括斩波模块，斩波模块连接在正、负母线之间。
11.根据权利要求10所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥功率单元，其 特征在于，所述的斩波模块由全控型开关器件和制动电阻串联而成，全控型开关器件和制 动电阻分别反向并联了续流二极管。
12.根据权利要求8或9或10或11所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H 桥功率单元，其特征在于，所述的功率单元还包括两个电压传感器，其中一个电压传感器两 端连接在正、负直流母线上，用于检测功率单元的直流电压；另一个电压传感器连接在H桥 功率单元的输出侧，用于检测输出电压。
13.根据权利要求8或9或10或11所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量 H桥功率单元，其特征在于，所述的功率单元还包括一个电流传感器，串联在直流母线上，用于检测流过直流母线上的电流。
14.根据权利要求2或3所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥功率单 元，其特征在于，所述的IEGT开关器件可单个使用，也可为多个IEGT开关器件串联或并联 组成的一组IEGT开关器件。
15.根据权利要求14所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥功率单元，其 特征在于，所述的IEGT开关器件还可为PP IGBT、IGCT或其它全控型开关器件。
16.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥 功率单元，其特征在于，所述的H桥功率单元可应用于高压变频器、高压静止无功发生器、 机车车辆牵引变流器、风力发电变流器、轻型直流输电领域。
全文摘要
本发明涉及电力电子行业中一种基于全控型变流器件IEGT的大容量H桥功率单元，该功率单元以IEGT相模块组成的H桥功率单元为主体，可输出幅值和频率可调的交流电压或输出幅值可调的直流电压。一个相模块包括两个IEGT器件，两个IEGT器件串联在一起，中间连接端引出为输出端；每个相模块还包括缓冲吸收电路和直流滤波电容，直流滤波电容接在正、负母线之间。与现有技术相比，本发明的有益效果是该功率单元的设计，采用全控型变流器件IEGT，具有优异的模块化结构设计，可实现大容量功率输出，具有超强的通用性及完善的保护，可大大提高其组成的串联H桥结构产品的稳定性和可靠性。
文档编号H02M1/10GK101877530SQ20101012168
公开日2010年11月3日 申请日期2010年3月11日 优先权日2010年3月11日
发明者丁雅丽, 张海涛, 徐颖, 李兴, 李旷, 郭自勇 申请人:荣信电力电子股份有限公司