CN102545674A - 一种风力发电机变流器的功率单元 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机变流器的功率单元，包括由功率开关IGBT组成逆变桥及其控制保护电路，所述控制保护电路设有-死区设置电路，-PWM驱动电路，-过流保护电路，-有源钳位电路，所述逆变桥配有直流输入母线、交流输出引线和散热器，所述直流输入母线采用两块大面积矩形铜板作为母线的正负极，与逆变桥的输入臂连接，两块矩形铜板重叠布置，板间垫有绝缘层；所述交流输出引线采用软铜排；所述散热器的基片厚度、翅片厚度、翅片高度、相邻翅片的距离的比值为11.6∶1.5∶62.4∶2.8。

Description

一种风力发电机变流器的功率单元

技术领域

本发明属于风电变流器控制系统领域，具体涉及一种风力发电机变流器的功率单元，它是实现变流器逆变过程的一个重要组件。

背景技术

风电变流器在风力发电设备中非常关键的一个环节。双馈风机的变流器承担着交流—直流—交流的作用，其特点是输入输出特性好，功率可以双向流动。双馈电机变流器的工作频率通常较低，热应力较大，并且双馈电机较大的电磁过渡过程也威胁着变流器的安全运行。因此，在大功率变流器设计中，功率单元的电流输出能力对于整个系统的稳定运行起到至关重要的作用。

功率单元其核心组件是IGBT，如何高效、可靠的应用IGBT，使IGBT能够充分发挥其作用是大功率变流器急需解决的一个难题。本专利申请单位通过多年的研究，分析不同IGBT应用电路以及结构，采用一种新的机械结构和散热方式，更加安全可靠的电路设计，设计出了一款安全、可靠的国内领先水平的功率单元。

目前的风电变流器功率单元在技术上存在以下的不足：

1、IGBT的散热决定了功率单元的效率高低，由于功率单元各部件的形状，空间位置布局等结构原因，散热效果较差，且杂散电感较大，导致功率单元效率不高。

2、功率单元的控制保护电路设计不够完善，运行可靠性较差，存在过载运行和非正常关断的情况。

发明内容

本发明的目的，是提供一种风力发电机变流器的功率单元，该单元具有一种新型驱动保护电路，可实现正常地逆变转换以及对功率单元进行可靠保护。它的一些部件形状及空间位置布局更加合理，散热效果好、杂散电感小。

技术方案如下：

一种风力发电机变流器的功率单元，包括由功率开关IGBT组成逆变桥及其控制保护电路，所述逆变桥配有直流输入母线、交流输出引线和散热器，其特征在于，所述控制保护电路包括

-死区设置电路，对PWM波进行死区设置，保证逆变桥上、下桥臂的电压不会同时为高；

-PWM驱动电路，对PWM波进行处理放大，通过开通、关断电阻对控制IGBT开通、关断；

-过流保护电路，通过退饱和电路检测过流，及时关断IGBT；

-有源钳位电路，当功率开关IGBT非正常关断时，会产生一个较高的直流电压，利用有源钳位电路将功率开关IGBT打开，释放过电压能量，从而对IGBT进行保护。

所述逆变桥臂采用双管并联结构。

所述死区时间设置的电容的容值为220pF。

所述开通关断电阻的阻值为3.4Ω。

所述有源钳位电路的导通电压值约为1400V。

所述过流保护电路的延时关断时间约为8.6us。

所述散热器的基片厚度、翅片厚度、翅片高度、相邻翅片的距离的比值为11.6：1.5：62.4：2.8。

所述复合母线采用真空高压成型工艺制成，直流输入母线采用两块大面积矩形铜板作为母线的正负极，与逆变桥的输入臂连接，两块矩形铜板重叠布置，板间垫有绝缘层。

所述加热电路电阻为360Ω/300W。

所述交流输出引线采用软铜排连接。

本发明的技术效果:

上述结构的风力发电机变流器功率单元，提高了逆变可靠性、安全性，散热效果好、杂散电感小，可以更加充分地发挥IGBT功率特性，提高逆变效率。

附图说明

图1功率单元原理图；

图2死区设置电路原理图；

图3 PWM驱动电路原理图；

图4过流保护电路原理图；

图5有源钳位电路原理图；

图6加热电路原理图

图7-1是功率单元整体结构图立体图；

图7-2是图7-1的俯视图；

图7-3是7-1的正视图；

图8-1是复合母线结构图；

图8-2是图8-1的截面图；

图9 是交流输出引线结构图。

具体实施方式

功率单元驱动设计框图，如图1所示，图中描述了一个本设计中基本的功率单元功能，其中包括了电源、死区、驱动、保护等电路的设计，其中加热电阻的连接回路见图6。

将CA、CB通过电容接地，不同的电容值对应不同的死区时间。通过死区的设置，可以在硬件环节上对PWM波形进行分开控制，保证上下桥臂有足够的时间进行开通关断。合理的设置死区时间，可以更好的利用IGBT的特性，在保证电流输出波形的前提下，减少IGBT开关的损耗，最大程度的保护IGBT正常运行，本设计中采用的电容容值为220pF，如图2所示。

从图中可以看到，IGBT的开通和关断电阻分为两路驱动。由于IGBT的驱动特性决定了其开通和关断引起的VCE尖峰电压不同，因此研究人员通过大量实验最终确定了开通关断的驱动电阻的阻值，保证驱动的合理性，避免电压过冲对IGBT的损害，最大限度的将IGBT的特性充分使用,本设计中采用的开通关断电阻为3.4Ω。同时钳位二极管可以有效地保护IGBT的G级不会因为PWM电压的抬升导致的损坏，如图3所示。

过流保护电路通过一个快速二极管以及退饱和电路，达到有效保护IGBT短路引起的过流。通过调整C9、C11、R21的参数，可以设计出适合自己的功率单元短路保护值得电压和相应速度，最大程度的利用IGBT自身的过流能力，来完成功率单元的正常运行，本设计中保护延时关断时间约为8.6us，如图4所示。

有源钳位电路主要目的在于当IGBT非正常关断，直流母线电压产生一个尖峰电压时，可以有效地保护IGBT不会损坏。通过设置TVS二极管的电压，可以有效地保护IGBT，又不会误动作开通，本设计中开通电压设为1400V，如图5所示。

加热电路主要用于在低温下给功率单元加热使用。由于在低温环境下，电路板及IGBT特性会受到影响，为了保证功率单元稳定的工作，加热电路通过如图6所示回路对功率单元进行加热，图中①表示功率单元中的加热电阻，参数为360Ω/300W。

功率单元结构采用合理的布局，极大地保证了IGBT的散热，并且降低了功率单元的杂散电感，有效地保证了其安全可靠运行。如图7-1至图7-3所示，其中①表示电路板、②表示软铜排、③表示电解电容、④表示IGBT、⑤表示散热器、⑥表示复合母线。

复合母线如图8-1、图8-2所示。其中①、②、③表示紫铜，④、⑦表示外部绝缘PET纸，⑤、⑥表示内部绝缘PET纸，用真空模压工艺制成。该结构使母线构成一个容量很大的电容，极大的降低了功率单元的杂散电感，并可吸收由于IGBT关断带来的尖峰电压，有效的保证了IGBT工作在安全区域。

交流输出采用软铜排的连接方式，如图9所示。由于功率单元在机柜中的连接一般都采用的硬性铜排连接，而考虑到振动的影响，以及IGBT连接处非常柔软，如果采用一般的铜排会导致IGBT交流输出的地方很容易受损，因此，在这里设计了一种软性铜排，既保证了电流的承载能力，又有效地降低了振动带来的应力作用。

散热器采用influence软件进行精确仿真，确定其基片厚度、翅片厚度、翅片高度、相邻翅片的距离的比值为11.6：1.5：62.4：2.8，散热效果最佳，完全可以满足功率单元1.2倍过载情况下的散热情况。

Claims (10)

1.一种风力发电机变流器的功率单元，包括由功率开关IGBT组成逆变桥及其控制保护电路，所述逆变桥配有直流输入母线、交流输出引线和散热器，其特征在于，所述控制保护电路包括

-死区设置电路，对PWM波进行死区设置，保证逆变桥上、下桥臂的电压不会同时为高；

-PWM驱动电路，对PWM波进行处理放大，通过开通、关断电阻对控制IGBT开通、关断；

-过流保护电路，通过退饱和电路检测过流，及时关断IGBT；

-有源钳位电路，当功率开关IGBT非正常关断时，会产生一个较高的直流电压，利用有源钳位电路将功率开关IGBT打开，释放过电压能量，从而对IGBT进行保护。

2.如权利要求1所述的风力发电机变流器的功率单元，所述逆变桥臂采用双管并联结构。

3.如权利要求1所述的风力发电机变流器的功率单元，所述死区时间设置的电容的容值为220pF。

4.如权利要求1所述的风力发电机变流器的功率单元，所述开通关断电阻的阻值为3.4Ω。

5.如权利要求1所述的风力发电机变流器的功率单元，所述有源钳位电路的导通电压值约为1400V。

6.如权利要求1所述的风力发电机变流器的功率单元，所述过流保护电路的延时关断时间约为8.6us。

7.如权利要求1所述的风力发电机变流器的功率单元，所述散热器的基片厚度、翅片厚度、翅片高度、相邻翅片的距离的比值为11.6：1.5：62.4：2.8。

8.如权利要求1所述的风力发电机变流器的功率单元，所述复合母线采用真空高压成型工艺制成，直流输入母线采用两块大面积矩形铜板作为作为母线的正负极，与逆变桥的输入臂连接，两块矩形铜板重叠布置，板间垫有绝缘层；。

9.如权利要求1所述的风力发电机变流器的功率单元，所述加热电路电阻为360Ω/300W。

10.如权利要求1所述的风力发电机变流器的功率单元，所述交流输出引线采用软铜排连接。

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