CN103166478B - 一种高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜 - Google Patents

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本发明公开了一种高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜，其包括移相变压器单元柜、五电平功率单元柜和滤波和负载接线单元柜，其中，所述移相变压器单元柜包含18路脉冲移相变压器；所述五电平功率单元柜包含三组相互独立的五电平功率模块单元，每组五电平功率模块单元由单相五电平主电路模块、三相不可控整流模块、分压电容和外围电路模块构成；所述滤波和负载接线单元柜包含三相RC滤波电路和负载接线电路。本发明的高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜具有减少电路杂散电感，提高装置输出能力的模块化的结构，便于安装组接，可适用于不同工程要求。

Description

一种高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜
技术领域
本发明属于半导体开关的技术领域，特别地，涉及一种高压集成门极换向晶闸管(IntegratedGateCommutatedThyristor，IGCT)五电平功率柜，其适用于MW(MegaWatt)级大功率变流器，可广泛应用于高压大功率传动领域。
背景技术
集成门极换向晶闸管IGCT是在可关断晶闸管(GateTurn-OffThyristor，GTO)的基础上所作的改良型器件。它作为一种新型的电力电子器件，将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与IGCT门极驱动器在外围以低电感方式连接，从而结合了晶体管稳定的关断能力和晶闸管的低通态损耗的优点。IGCT在导通期间发挥晶闸管的性能，关断阶段呈类似于晶体管的特性，其采用硬驱动、缓冲层、透明发射级和逆导等新技术，具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低、安全工作区大和在无需均压电路的情况下可直接串联工作的特点，是一种比较理想的MW级中高压半导体开关器件。
中高压多电平变频器主要应用在电力、煤矿、冶金、水泥、石化、船舶和铁路等大功率传动领域，其电压变化率dv/dt小，输出电压电流谐波含量低，功率开关器件的耐压等级低。现有的中高压大功率变频器多采用三电平NPC拓扑结构，其输出相电压为四个电平级数。此外也有H桥级联型拓扑结构，通过级联可以得到不同的输出电压电平级数。目前国际上IGCT的应用技术已经很成熟，在中高压变频器中已有广泛应用，但是在国内却还处于起步阶段。完整的IGCT逆变电路包括IGCT、反并联二极管、箝位电路器件等，若将这些组件分散组装后再用母线或导线进行电气连接，不仅其占用体积较大，而且联机回路面积较大，从而造成线路杂散电感增大。杂散电感的增大会使IGCT的关断电压升高。这时候为了保证IGCT的安全就必须要减小输出电流，从而造成输出功率的减小。此外，IGCT的功率组件分散安装，也不利于维修工作的进行。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜，具有减少电路杂散电感，提高装置输出能力的模块化的结构，便于安装组接，可适用于不同工程要求。
为实现上述目的，本发明提供了一种高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜，其包括移相变压器单元柜、五电平功率单元柜和滤波和负载接线单元柜，其中，所述移相变压器单元柜包含18路脉冲移相变压器；所述五电平功率单元柜包含三组相互独立的五电平功率模块单元，每组五电平功率模块单元由单相五电平主电路模块、三相不可控整流模块、分压电容和外围电路模块构成；所述滤波和负载接线单元柜包含三相RC滤波电路和负载接线电路。
如上述的高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜，其中：所述单相五电平主电路模块由两个相同的三电平功率单元并联构成，每个三电平功率单元包括两个中点箝位二极管、四个IGCT组件和四个缓冲吸收电路。
进一步地，如上述的高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜，其中：所述三电平功率单元中的各个器件均匀固定在散热器上。
如上述的高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜，其中：所述18路脉冲移相变压器的三组隔离的三相输出分别与所述五电平功率单元柜的三组三相交流母排通过导线连接。
如上述的高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜，其中：所述移相变压器单元柜顶部安装有风扇。
如上述的高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜，其中：每组五电平功率模块单元上都带有一个多路隔离输出供电电源。
如上述的高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜，其中：所述五电平功率单元柜内的五电平功率模块单元输出母线排与所述滤波和负载接线单元柜中的三相RC滤波电路通过导线连接。
如上述的高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜，其中：所述五电平功率单元柜的长宽高分别为1200mm、1000mm和2000mm。
如上述的高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜，其中：所述滤波和负载接线单元柜的长宽高分别为1000mm、1000mm和2000mm。
因此，本发明的高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜具有以下有益的技术效果：
(1)采用18路脉冲移相变压器和中性点箝位/H桥(NPC/H)五电平高压变频器电路结构，将三相不可控整流模块、分压电容和外围电路模块和IGCT五电平功率模块集成于一个五电平功率单元柜中，有效减小了占用体积；
(2)采用中性点箝位/H桥(NPC/H)五电平逆变电路结构，提高了电压等级，解决了电力电子组件器件耐压不足的问题，减少了电路杂散电感，提高了装置的输出能力；
(3)功率模块单元结构紧凑，有助子功率单元柜的安装、调试和维修等工作，提高了工作效率。装卸便利，结构紧凑，体积较小。
附图说明
图1为本发明的高压集成门极换向晶闸管五电平变频器系统图。
图2为本发明的高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜的正面结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1为本发明的高压集成门极换向晶闸管五电平变频器系统图。包括预充电电路、18路脉冲变压器、整流桥、NPC/H逆变器。其中控制系统采用DSP+FPGA结构。每个驱动板触发两个绝缘栅双极晶体管(IGBT)，共需要12块脉冲驱动板。
图2为本发明的高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜的一种具体实施方式，其包括移相变压器单元柜1、五电平功率单元柜4和滤波和负载接线单元柜9。其中，移相变压器单元柜1中包含18路脉冲移相变压器11，从而达到多重化整流的目的，使输入电流谐波急剧减小，同时实现高、低压之间以及低压各绕组间的相互绝缘。五电平功率单元柜4中包含三组相互独立的五电平功率模块单元5，每组五电平功率模块单元5由单相五电平主电路模块、三相不可控整流模块、分压电容和外围电路模块构成。单相五电平主电路模块由两个相同的三电平功率单元并联构成，每个三电平功率单元包括两个中点箝位二极管、四个IGCT组件、四个缓冲吸收电路。三电平功率单元中的各个器件均匀固定在散热器上，且结构紧凑。滤波和负载接线单元柜9包含三相RC滤波电路10和负载接线电路，三相通过导线一一对应进行连接。
在具体实施例中，移相变压器单元柜1的外型尺寸为1200mmx1000mmx2000mm(长x宽x高)。在整个柜内，固定安装18路脉冲移相变压器11，顶部安装风扇2，用于空冷散热。18路脉冲移相变压器11的三组隔离的三相输出分别与五电平功率单元柜4的三组三相交流母排3通过导线实现连接。
五电平功率单元柜4的外型尺寸为1200mmx1000mmx2000mm(长x宽x高)。在五电平功率单元柜4内，从上至下内分为三层，每层布置一组五电平功率模块单元5，每组模块单元即为一相完整的桥臂。三相交流母排3分别与18路脉冲移相变压器11的输出通过导线连接，五电平功率模块单元输出母线排6与三相RC滤波电路10通过导线连接，用于输出电能。光纤模块7通过光纤与控制器连接，电源母线排8与外部交流电源通过导线连接。每组五电平功率模块单元5上都带有一个多路隔离输出供电电源，同时为一相功率模块供电。每组五电平功率模块单元5高度集成、结构紧凑，这种结构使得各个器件之间的连接最短，有效地降低了其间的杂散电感，并且便于拆换、维护。需要更换五电平功率模块单元5时，只需将五电平功率模块单元5中的三相交流母排3、功率模块单元输出母线排6、光纤模块7和电源母线排8与外部的连接断开，即可将整个模块单元整体移出。交流搭接母排3的作用是将从移相变压器单元柜1引入三相交流电，光纤模块7采用光纤传输开关脉冲，可靠性高。
滤波和负载接线单元柜9的外型尺寸为1000mmx1000mmx2000mm(长x宽x高)，柜内主要有三相RC滤波电路和负载接线电路10。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜，其特征在于：包括移相变压器单元柜、五电平功率单元柜和滤波和负载接线单元柜，其中，所述移相变压器单元柜包含18路脉冲移相变压器；所述五电平功率单元柜包含三组相互独立的五电平功率模块单元，每组五电平功率模块单元由单相五电平主电路模块、三相不可控整流模块、分压电容和外围电路模块构成；所述滤波和负载接线单元柜包含三相RC滤波电路和负载接线电路；所述单相五电平主电路模块由两个相同的三电平功率单元并联构成，每个三电平功率单元包括两个中点箝位二极管、四个IGCT组件和四个缓冲吸收电路；所述三电平功率单元中的各个器件均匀固定在散热器上；
每组五电平功率模块单元具有三相交流母排、功率模块单元输出母线排、光纤模块和电源母线排；每组五电平功率模块单元上都带有一个多路隔离输出供电电源；
所述18路脉冲移相变压器的三组隔离的三相输出分别与所述五电平功率单元柜的三组所述三相交流母排通过导线连接；所述五电平功率单元柜内的五电平功率模块单元输出母线排与所述滤波和负载接线单元柜中的三相RC滤波电路通过导线连接；光纤模块通过光纤与控制器连接；电源母线排与外部交流电源通过导线连接；
所述移相变压器单元柜的长宽高分别为1200mm、1000mm和2000mm，所述五电平功率单元柜的长宽高分别为1200mm、1000mm和2000mm，所述滤波和负载接线单元柜的长宽高分别为1000mm、1000mm和2000mm，所述五电平功率单元柜在所述移相变压器单元柜和所述滤波和负载接线单元柜之间，所述五电平功率单元柜和所述移相变压器单元柜共一个侧壁，所述五电平功率单元柜和所述滤波和负载接线单元柜共一个侧壁；所述五电平功率单元柜从上至下内分为三层，每一层布置一组所述五电平功率模块单元。
2.如权利要求l所述的高压集成门极换向晶闸管五电平功率柜，其特征在于：所述移相变压器单元柜顶部安装有风扇。
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