T型三电平变流器功率模块的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子领域，适用于并网型或者离网型三电平变流器，用以实现对变流器整机设计、功率模块设计、功率变换电路设计等。
【背景技术】
[0002]目前，市场上的变流器主要以两电平为主，两电平变流器柜内的电抗器、滤波器的体积较大，并且在低功率时，变流器的谐波含量较高，系统效率低，只能基本满足用户对电能质量、谐波特性和效率的要求。而三电平变流器具有器件应力小，谐波效果好，系统效率高等方面的优势，目前是电力电子行业内的研究热点，变流器采用三电平设计后，具有整机模块小，电磁干扰低，转换效率高，成本低等优点，采用三电平技术的变流器正在迅速取代传统的两电平变流器，有望成为市场的主打产品。
[0003]三电平变流器产品主要分为I字型和Τ字型两种，Τ字型与I字型三电平电路比较，元件数量方面，Τ字型比I字型三电平少两个箝位二极管;损耗方面，Τ字型优于I字型；换流路径方面，Τ字型外管与内管之间的换流路径一致，I字型分为短换流路径与长换流路径，Τ字型拓扑优于I字型拓扑。所以Τ字型主电路设计降低了整机损耗，提高了电路的可靠性。
【发明内容】
[0004]本申请的发明目的:本申请提出的Τ型三电平变流器功率模块，将Τ型三电平功率变换电路、IGBT驱动电路、模拟量采集电路、模块控制器、LCL滤波电路、短路保护电路和双路±15V直流电源供电电路等集成设计在一个模块内，该模块可以自供电，独立运行，并且具备短路保护，模块具有交流输入端、直流输出端，可以实现多个模块的电气连接，变流器交流电网侧接入形式可以是三相三线制，也可以是三相四线制，整机容量可根据用户需求进行模块化的组装设计，结构紧凑，工艺设计简单，维护方便。
[0005]本发明的具体方案如下:
[0006]—种T型三电平变流器功率模块，包括T型三电平功率变换电路、IGBT驱动电路、模拟量采集电路、模块控制器、LCL滤波电路、短路保护模块和双路± 15V直流电源供电电路；其特征在于:
[0007]T型三电平功率变换电路包括3相T型三电平IGBT模块、直流母线支撑电容组、高频滤波电容组，所述3相T型三电平IGBT模块的直流侧依次并联高频滤波电容组、直流母线电容组形成T型三电平功率变换电路的直流侧，3相T型三电平IGBT模块的交流侧形成T型三电平功率变换电路的交流侧；
[0008]在T型三电平功率变换电路的直流侧母线正极和负极之间并联短路保护模块，所述短路保护模块由1个晶闸管和1个电阻串联组成；
[0009]所述T型三电平功率变换电路的交流侧通过LCL滤波电路与交流电网相连，所述LCL滤波电路由顺次连接的1个变流器侧三相电抗器、3个交流滤波电容器和1个电网侧三相电抗器组成；
[0010] 所述双路± 15V直流电源供电电路是T型三电平变流器功率模块的供电电源，共包含两路电源:第一路±15V电源的输入侧连接Τ型三电平功率变换电路与短路保护模块之间的直流母线正极和负极，包括依次连接的1个输入滤波电容、1个DC/DC开关电源模块和1个输出滤波电容;第二路± 15V电源的输入侧连接在LCL电路中的变流器侧三相电抗器和交流滤波电容器之间，包括依次连接1个单相二极管整流桥、1个输入滤波电容、1个DC/DC开关电源模块和1个输出滤波电容；
[0011 ]模拟量采集电路包括T型三电平变流器功率模块直流输出侧模拟量采集电路和交流输入侧模拟量采集电路，所述模拟量采集电路的输出侧与模块控制器的输入侧相连；
[0012]模块控制器接收模拟量采集电路上送的信息，通过计算处理后转化为SVPWM驱动脉冲，或者接收中央控制器的控制指令形成驱动脉冲，将所述驱动脉冲下发至IGBT驱动电路以控制T型三电平功率变换电路运行。
[0013]本发明还进一步优选包括以下方案:
[0014]所述三相T型三电平IGBT模块共包含三相IGBT模块，每相T型三电平IGBT模块包含4个IGBT，其中2个IGBT反并联连接，另外两个作为上管IGBT和下管IGBT分别反并联一个续流二极管，反并联连接的2个IGBT、上管IGBT和下管IGBT星形连接，星形连接的中点连接到T型三电平功率变换电路交流端的对应相，反并联连接的2个IGBT、上管IGBT和下管IGBT星形的另一端分别连接至T型三电平功率变换电路直流侧的N极端子、正极端子和负极端子。
[0015]其中直流母线支撑电容并联在3个T型三电平IGBT模块的正极端子与N极端子、负极端子与N极端子之间，正极母线、负极母线的直流母线支撑电容器组的容值和数量都相等，各是26个电容；高频滤波电容分别并联在3个T型三电平IGBT模块的正极端子与N极端子、负极端子与N极端子之间其中cal/ca2属于A相IGBT的正极/负极滤波电容，ca3/ca4属于B相IGBT的正极/负极滤波电容，ca5/ca6属于C相IGBT的正极/负极滤波电容。
[0016]IGBT驱动电路是T型三电平变流器功率模块的IGBT模块的执行电路，与功率变换电路集成使用。所述IGBT驱动电路主要由3套驱动板组成，每个IGBT模块需1套驱动板，每套驱动板包含1个门极适配板和1个驱动底座板。
[0017]模块控制器同时负责监控IGBT的运行状态、温度状态，还负责监控双路±15V电源模块的状态。
[0018]T型三电平变流器功率模块具备IGBT短路保护，阀值为150uA;IGBT欠压保护，阀值为12.8V; IGBT驱动电源检测保护，阀值为15.5V; IGBT温度保护，阀值为120°C，当达到阀值时，模块控制器会执行IGBT封脉冲指令，断开故障的功率模块;同时模块控制器将保护信息上送到中央控制器，由中央控制器跳开外部电气连接开关，彻底断开故障变流器。
[0019]T型三电平变流器功率模块发生直流侧短路时，模块控制器监测到直流侧电压采样和电流采样的异常变化，会及时触发短路保护模块，晶闸管以微秒级的速度快速导通，对直流侧的短路能量进行泄放；同时模块控制器将保护信息上送到中央控制器，由中央控制器跳开外部连接开关，彻底断开故障变流器。
[0020]本发明具有以下技术效果:
[0021 ] T型三电平变流器功率模块包含功率变换电路、IGBT驱动电路、模块控制器、LCL滤波电路等核心部分，将功率模块的断路器/接触器和预充电电阻独立于模块外部，可以节省功率模块体积，而且多个功率模块并联时，可以共用外部的断路器/接触器和预充电电阻，大大的节省了制造成本。
[0022]T型三电平变流器可以多个功率模块独立运行，互不干扰，单个功率模块不做散热设计，整机屏柜散热风道考虑，节省成本，提高整机散热效率。
[0023]T型三电平变流器具有双路±15V电源，两路±15V电源的正极分别串联一个防反二极管，两路汇总后并联输出公共的±15V电源，扩大二次电源系统容量，提高了供电可靠性。
[0024]T型三电平变流器功率模块内部包含IGBT过流保护、过压保护、IGBT驱动电源检测保护、IGBT温度保护和短路保护，由模块控制器直接进行故障处理，可以快速准确的定位故障点，提高保护动作的准确性、可靠性，减轻了三电平变流器中央控制器的设计复杂度，同时由于存在短路保护，变流器可以取消熔断器设计，节省成本。
[0025]变流器定制类的产品比较多，利用T型三电平变流器功率模块并联就可以达到需求容量，不但提高了产品的技术含量和产品性能，降低了设计难度，减轻了设计工作量，而且大大产品可靠性和稳定性，缩短了设计周期，节省了硬件制造成本，后期的工程服务工作也变得简单。
【附图说明】
[0026]图1为T型三电平变流器功率模块的主电路拓扑结构示意图；
[0027]图2为T型三电平变流器功率模块的T型三电平功率变换电路示意图；
[0028]图3为T型三电平变流器功率模块的IGBT驱动电路示意图；
[0029]图4为T型三电平变流器功率模块的模拟量采集电路示意图；
[0030]图5为T型三电平变流器功率模块的模块控制器示意图。
[0031 ]图6为T型三电平变流器功率模块的LCL滤波回路拓扑结构及接线示意图；
[0032]图7为T型三电平变流器功率模块的短路保护模块拓扑结构及接线示意图；
[0033]图8为T型三电平变流器功率模块的±15V控制电源拓扑结构及接线示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。
[0035]T型三电平变流器功率模块的拓扑结构如附图1所示，主要由T型三电平功率变换电路、IGBT驱动电路、模拟量采集电路、模块控制器、LCL滤波电路、短路保护模块和双路±15V控制电源组成。三相交流电网先接入变流器内部的断路器/接触器和预充电电阻，断路器/接触器和预充电电阻属于并联关系，当断路器/接触器接通后，预充电电阻被旁路不通过电流，而断路器/接触器与功率模块直接连接，两部分属于串联关系，断路器/接触器的交流出线端接入功率模块的LCL滤波电路的输入端;LCL滤波电路的电网侧和变流器侧电抗器之间并联有± 15V电源模块2，± 15V电源模块2的输入端分别为交流Ua相和交流N相;交流电能经过LCL电路的滤波处理后，由LCL电路的输出端直接接入到功率变换电路的输入侧，两部分属于串联关系；功率变换电路集成了直流母线电容器组、高频滤波电容器和IGBT驱动电路，功率变换电路的输出端为直流母线电容器组的公共正极和公共负极;直流正极母线和负极母线之间并联有±15V电源模块1和短路保护模块，这两个模块与功率变换电路均为并联关系，两个模块的输入端分别为功率变换电路的公共正极和公共负极。
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