专利名称：一种分体式高压变频器链节功率单元装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力电子领域，具体设计一种分体式高压变频器链节功率单元装置。
技术背景随着大功率全控电力电子器件IGBT的日益成熟，基于IGBT的链节功率单元在高压变频器中获得了广泛应用。目前厂商设计的链节功率单元采用的控制能量获取方式都是交流侧取能或者直流侧取能。图1给出了高压变频器链节单元的原理图。高压变频器链节功率单元由交流输入保护单元1、输入整流单元2、直流支撑电容单元3、直流放电单元4、逆变单元5和旁路单元6组成了链节功率单元的主回路；由取能单元7、链节控制器单元8和驱动保护单元构成的链节功率单元的控制回路；控制回路与主回路之间通过光纤连接。整个链节功率单元形成一个由101、102和103组成的三端输入、104 和105做两端输出的链节功率单元，其中三端输入的电压通常是通过移相变压器降压后的电压。图2给出了由若干个高压变频器链节功率单元构成的高压变频器示意图。3组若干个链节功率单元左边交流端与高压移相变压器连接，右边交流端每组绕组串联后一端以星形连接的方式连接，另一端接高压电机。从图1和图2中可以看出，高压变频器本身结合了电力电子技术、控制技术和高电压技术，具有相对较高的科技含量。同时由于高压变频器在节能方面的显著效果，从而使得众多厂商纷纷投入该行业。但是现有的高压变频器在实际应用中面临着两个问题一个是链节控制单元的供电问题；另一个是链节功率单元的结构设计问题。由于高压变频器存在移相变压器，故现有高压变频器链节控制单元取能多采用取能变压器，即采用交流取能方式。交流取能方式的原理图如图3所示。在图3中，从三相交流输入端的任意两端(如101和102实施取能)通过链节取能变压器701降压后供给普通商用开关电源，即可实现链节单元控制器的供电。该方式简单，成本低廉，从而得到了众多厂家认可。但是交流取能存在较大的技术风险。一方面，在供电系统电压发生电压质量问题时，如跌落时，交流取能有可能获取不到控制板卡所需的能量，从而使控制系统掉电，导致装置处于一种危险状态；而骤升时，可能使取能变压器绝缘损坏，从而造成装置的损坏。为了保证链节控制单元在很宽的范围内能够取得能量，必须保证链节取能变压器701在很宽的范围内线性工作；极端情况下，如果交流侧掉电，链节功率单元则无法工作。尽管高压变频器对交流供电电源的要求不如电力系统那么高，但是交流供电电源掉电后仍然会带来很大的麻烦，甚至是损失。如链节控制单元掉电后，IGBT门级处于掉电状态，有可能损坏设备；掉电后，高压变频器的主控系统无法对链节功率单元进行故障诊断，造成系统级调试及维护非常复杂等问题。从图1中可以看出，高压变频器的链节功率单元含有大量的电力电子器件，如整流单元1、放电单元4、逆变单元5和旁路单元6。电力电子器件的存在意味着必须对其进行散热处理，否则时间长了可能损坏电力电子器件。现有的高压变频器链节功率单元大多采用将所有的电力电子器件放置在一块大散热器上，如图5所示。从移相变压器输出的三相交流电101、102、103经交流输入保护单元1后进入链节功率单元。交流保护单元1可以放置在链节功率单元的右侧面与单元控制器的光纤接口在同一平面上。取能单元7和链节控制单元8放置在上侧面，以减少链节功率单元的宽度。整流桥(由二极管构成)构成输入整流单元1，逆变桥(由IGBT模块构成)组成逆变单元5， 放电IGBT和放电电阻组成直流放电单元4，旁路单元6与逆变单元就近放置。风道的方向为沿着整流桥方向，如图5所示。从结构布置和电气上看，很流畅，但是从散热的角度来看， 存在很大的问题。首先，输入整流单元2、直流放电单元4要么工作在低频50Hz，要么短时工作，发热量很少；而逆变桥1和逆变桥2构成的逆变单元工作在高频、高压、大电流状态， 发热量很大。如图布置的结果造成为了满足逆变单元大散热量的需求，而不得不采用大而笨重的散热器，增加了链节功率单元的体积和重量，同时增加了成本。而且，由于散热器整体风路过长，会影响到逆变单元的散热效果。针对现有高压变频器链节功率单元的上述两个缺点，本实用新型专利提出了解决办法，从而形成了新的高压变频器链节功率单元放置方式
实用新型内容
针对上述技术的不足，本实用新型提供一种高压变频器链节功率单元装置，解决了交流掉电后系统维护及调试没有链节控制电源的难题，并且散热性强。本实用新型提供的一种分体式高压变频器链节功率单元装置，所述装置包括依次连接的交流输入保护单元1、整流单元2、直流支撑电容单元3、直流放电单元4、逆变单元5 和旁路单元6构成的链节功率单元的主回路；依次连接的取能单元7、链节控制单元8和驱动保护单元构成的链节功率单元的控制回路；所述主回路与所述控制回路通过光纤连接； 其改进之处在于，将所述装置分成两部分一部分由直流支撑电容单元3的一半、交流输入保护单元1和整流单元2构成，放置在散热器I上；另一部分由所述直流支撑电容单元3的另一半、直流放电单元4、逆变单元5和旁路单元6、取能单元7和链节控制单元8构成，放置在散热器II上；所述两部分之间通过直流母线连接。本实用新型提供的第一优选方案的装置，其改进之处在于，将所述直流支撑电容单元3的两端依次与另一取能单元7和所述链节控制器8连接。本实用新型提供的第二优选方案的装置，其改进之处在于，所述交流输入保护单元1包括三相开关。本实用新型提供的第三优选方案的装置，其改进之处在于，所述整流单元2包括整流桥，所述整流桥由高压二极管构成。本实用新型提供的第四优选方案的装置，其改进之处在于，所述直流支撑电容单元3包括串联的电容和与每个电容并联的电阻。本实用新型提供的第五优选方案的装置，其改进之处在于，所述直流放电单元4 包括串联的IGBT和放电电阻。[0020]本实用新型提供的第六优选方案的装置，其改进之处在于，所述逆变单元5为H 桥结构，所述H桥结构包括两个桥臂，每个桥臂包括上下两个IGBT模块，每个IGBT模块由 IGBT和与所述IGBT反并联的二极管构成。本实用新型提供的第七优选方案的装置，其改进之处在于，所述取能单元7包括变压器和AD/DC变换器。本实用新型提供的第八优选方案的装置，其改进之处在于，所述另一取能单元7 包括DC/DC变换器。与现有技术比，本实用新型的有益效果为1.本实用新型采用直流取能，使链节功率逆变单元和不空整流单元解耦；2.本实用新型解决了交流取能在系统电压发生欠压或短时掉电时，链节控制单元失电的风险；3.本实用新型直流取能方式的存在，保证了装置整体的可靠性，即使系统电压发生大的跌落，也不会影响到控制回路的供电；4.本实用新型通过分体式结构设计，使链节功率逆变单元的散热能力得到大幅改善；根据发热量的不同拆分成的两部分(不控整流和可控逆变)，由于发热量不同，故可以选择不同尺寸的散热器，而不需要按照可控逆变部分的发热量进行散热设计，从而降低了散热器的重量和体积。5.本实用新型通过分体式结构设计，使链节功率逆变单元具有很强的结构通用性，即适用于所有H桥应用场合；6.本实用新型拆分的两个功率单元间由原来的交流连线改成直流连线，即原先需要的连接交流输入的3η (η为模块数)跟长交流母线，变成了 3η根短交流母线或者母排和 2η根直流母线，而且由于直流母线电压接近交流母线电压的峰值，故其电流相对较小，线径也可以减小，并且减少了装置的体积和重量，降低了制造成本。
图1为本实用新型提供的链节功率单元的原理示意图。图2为本实用新型提供的基于高压变频器链节单元构成的高压变频器原理图。图3为本实用新型提供的交流侧取能原理图。图4为本实用新型提供的直流侧取能原理图。图5为本实用新型提供的高压变频器链节功率单元结构布置俯视图。图6为本实用新型提供的分体式高压变频器链节功率单元原理图。图7为本实用新型提供的分体式高压变频器链节功率单元结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步的详细说明。本实施例将直流支撑电容单元3的输出端与依次与另一取能单元7和原有控制回路中的链节控制器8连接。本实施例提出从链节功率单元的直流储能单元3获取所链节控制器需要的能量。因直流侧存在大的储能电容，可以避免电压骤升骤降对链节控制器供电的影响。即使在交流侧完全掉电时，直流电容存储的能量也足以维持链节单元控制器的正
5常工作，解决了交流掉电后系统维护及调试没有链节控制电源的难题。直流侧取能原理图如图4所示。从直流支撑电容单元3的DC+、DC_输出的直流高压经高输入电压DC/DC变换器变换后给链节控制单元供电。由于充分利用了直流储能单元 3存储的能量，从而增强了链节功率单元的可靠性。鉴于当前高压变频器链节功率单元直流母线电压多在1200V直流电压以下，选用1700V系列的小电流IGBT，采用双端反激、双端正激或者桥式拓扑很容易实现上述变换。如图6所示，为了优化装置的散热设计，本实施例将高压变频器链节功率单元分为两部分。本实施例划分的原则一是发热量的不同，如第一部分发热量基本很小；另一则是将功率单元中的电力电子器件按照可控与不可控进行区分，如其中一部分全部是不需要控制的器件。其中，不控部分就近与高压移相变压器放置，可控逆变部分单独放置；此外，分体设计的另一个注意事项是高压变频器中通常需要大量的储能电容，在划分时，尽可能将多的储能电容放置在不控侧，目的在于减少可控部分的体积。本实施例一部分(此部分为不可控部分)由直流支撑电容单元(3)的一半、交流输入保护单元(1)和整流单元( 构成，放置在散热器I上，取能单元7和链节控制单元8 放置在上侧面，以减少链节功率单元的宽度；另一部分(此部分为可控部分)由所述直流支撑电容单元(3)的另一半、直流放电单元G)、逆变单元( 和旁路单元(6)、取能单元(7) 和链节控制单元(8)构成，放置在散热器II上；散热器I就近放置在高压移相变压器附近， 两部分之间通过直流母线连接。分体式结构设计后的模块结构布置如图7所示。从图7中可以看出，通过将链节功率单元拆分，逆变模块散热部分的风道大大缩短。最后应该说明的是结合上述实施例仅说明本实用新型的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到本领域技术人员可以对本实用新型的具体实施方式
进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
权利要求1.一种分体式高压变频器链节功率单元装置，所述装置包括依次连接的交流输入保护单元(1)、整流单元( 、直流支撑电容单元C3)、直流放电单元(4)、逆变单元( 和旁路单元(6)构成的链节功率单元的主回路；依次连接的取能单元(7)、链节控制单元(8)和驱动保护单元构成的链节功率单元的控制回路；所述主回路与所述控制回路通过光纤连接；其特征在于，将所述装置分成两部分一部分由直流支撑电容单元(3)的一半、交流输入保护单元 (1)和整流单元⑵构成，放置在散热器I上；另一部分由所述直流支撑电容单元⑶的另一半、直流放电单元G)、逆变单元( 和旁路单元(6)、取能单元(7)和链节控制单元(8) 构成，放置在散热器II上；所述两部分之间通过直流母线连接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，将所述直流支撑电容单元(3)的两端依次与另一取能单元(7)和所述链节控制器(8)连接。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述交流输入保护单元(1)包括三相开关。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述整流单元( 包括整流桥，所述整流桥由高压二极管构成。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述直流支撑电容单元(3)包括串联的电容和与每个电容并联的电阻。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述直流放电单元⑷包括串联的IGBT和放电电阻。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述逆变单元(5)为H桥结构，所述H桥结构包括两个桥臂，每个桥臂包括上下两个IGBT模块，每个IGBT模块由IGBT和与所述IGBT 反并联的二极管构成。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述取能单元(7)包括变压器和AD/DC变换ο
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述另一取能单元(7)包括DC/DC变换器。
专利摘要本实用新型公开了一种分体式高压变频器链节功率单元装置，所述装置包括依次连接的交流输入保护单元(1)、整流单元(2)、直流支撑电容单元(3)、直流放电单元(4)、逆变单元(5)和旁路单元(6)构成的链节功率单元的主回路；依次连接的取能单元(7)、链节控制单元(8)和驱动保护单元构成的链节功率单元的控制回路；所述主回路与所述控制回路通过光纤连接，将所述装置分成两部分一部分由直流支撑电容单元(3)的一半、交流输入保护单元(1)和整流单元(2)构成，放置在散热器I上；另一部分由所述直流支撑电容单元(3)的另一半、直流放电单元(4)、逆变单元(5)和旁路单元(6)、取能单元(7)和链节控制单元(8)构成，放置在散热器II上；所述两部分之间通过直流母线连接。
文档编号H02M1/32GK202309539SQ20112038248
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月10日 优先权日2011年10月10日
发明者乔尔敏 申请人:中国电力科学研究院