CN103219909B - 一种集成门极换向晶闸管五电平功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成门极换向晶闸管五电平功率模块，其包括不控整流模块、五电平单相功率电路模块和外围模块；其中，所述外围模块包括风扇、输入金属端子、电压电流传感器模块、输出金属端子、驱动电路模块、光纤模块、金属外壳、电源金属端子和两个隔离电源模块；所述不控整流模块包括三相不控整流模块、小散热器和分压电容；所述五电平单相功率电路模块包括两个三电平功率单元，所述三电平功率单元包括金属接件、大散热器、两个中点箝位二极管、四个IGCT元件和四个缓冲吸收电路。本发明的集成门极换向晶闸管五电平功率模块结构紧凑，空间尺寸小，组装简单、方便，适用于MVA大功率IGCT变流器。
Description
技术领域
本发明属于半导体开关的技术领域，特别地，涉及一种集成门极换向晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT)五电平功率模块，其适用于MW(MegaWatt)级大功率变流器中，可广泛应用于高压大功率传动领域。
背景技术
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，其输出相电压为三个电平级数。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。大容量变流器由于集高电压和大电流于一体，器件裕量不足，杂散参数影响大，器件发热量大，散热困难，使得变流器的可靠性大大降低，成为其全面推广所面临的难题。
在大功率应用领域，IGBT具有输入阻抗高、电流密度大、关断能力强的特点，但其损耗较大；可关断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor，GTO)损耗较小，然而需要昂贵且复杂的吸收电路。IGCT是在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，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，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。IGCT采用硬驱动、缓冲层、透明发射级和逆导等新技术，使其具有电流大、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。
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集成门极换向晶闸管五电平功率模块，其将中性点箝位/H桥(NPC/H)五电平单相桥臂、分压电容、不控整流桥、驱动保护电路和缓冲吸收电路集成到单独模块中，在应用中提供一种元件布局合理、结构紧凑、散热能力高的模块化实施方案。
为实现上述目的，本发明提供了一种集成门极换向晶闸管五电平功率模块，其包括不控整流模块、五电平单相功率电路模块和外围模块；其中，所述外围模块包括风扇、输入金属端子、电压电流传感器模块、输出金属端子、驱动电路模块、光纤模块、金属外壳、电源金属端子和两个隔离电源模块；所述不控整流模块包括三相不控整流模块、小散热器和分压电容；所述五电平单相功率电路模块包括两个三电平功率单元，所述三电平功率单元包括金属接件、大散热器、两个中点箝位二极管、四个IGCT元件和四个缓冲吸收电路；
其中，所述两个隔离电源模块、驱动电路模块、光纤模块和电压电流传感器模块分别固定在所述金属外壳底部；所述输入金属端子与三相不控整流模块通过导线实现电路连接；所述电源金属端子通过导线与所述隔离电源模块连接；所述两个隔离电源模块分别与所述驱动电路模块和所述电压电流传感器模块连接。
根据上述的集成门极换向晶闸管五电平功率模块，其中，所述金属外壳由钢板焊接而成的。
根据上述的集成门极换向晶闸管五电平功率模块，其中，所述IGCT元件、中点箝位二极管、缓冲吸收电路、三相不控整流模块、分压电容均固定在所述金属外壳上。
根据上述的集成门极换向晶闸管五电平功率模块，其中，所述三相不控整流模块固定在所述小散热器上，并通过所述金属接件与所述分压电容实现电路连接。
根据上述的集成门极换向晶闸管五电平功率模块，其中，所述两个中点箝位二极管、四个IGCT元件、四个缓冲吸收电路均固定在所述大散热器上。
根据上述的集成门极换向晶闸管五电平功率模块，其中，所述两个三电平功率单元构成中性点箝位/H桥五电平单相功率单元。
根据上述的集成门极换向晶闸管五电平功率模块，其中，所述大散热器和风扇固定在所述金属外壳底部，且平行放置。
因此，本发明的集成门极换向晶闸管五电平功率模块具有以下有益的技术效果：
(1)采用了结构紧凑的两个平行的三电平功率单元的设计，将三相不控整流模块、电压电流传感器模块、分压电容、缓冲吸收电路模块、驱动电路模块、光纤模块和隔离电源模块集成到一个功率模块，有效减小该换流回路的等效电感；
(2)还有利于功率模块的维护、检修与元件更换；
(3)功率模块的结构紧凑，空间尺寸小，组装简单、方便，适用于MVA大功率IGCT变流器。
附图说明
图1为本发明的五电平变频器单相主电路的电气结构示意图；
图2为本发明的集成门极换向晶闸管五电平功率模块的正面结构示意图。
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为本发明的五电平变频器单相主电路电气结构示意图。其中，R为三相不控整流桥，Ca1-Ca2为分压电容，D1-D4为中点箝位二极管，Sa1１-Sa24为IGCT元件。
图2为本发明的集成门极换向晶闸管五电平功率模块的正面结构示意图，其包括不控整流模块、五电平单相功率电路模块和外围模块。其中，外围模块包括风扇1、输入金属端子2、电压电流传感器模块5、输出金属端子12、驱动电路模块13、光纤模块14、金属外壳15、电源金属端子16和两个隔离电源模块17。不控整流模块包括三相不控整流模块3、小散热器4和分压电容6。五电平单相功率电路模块包括三电平功率单元18和三电平功率单元19。三电平功率单元18和三电平功率单元19分别包括金属接件7、大散热器9、两个中点箝位二极管8、四个IGCT元件10、四个缓冲吸收电路11。
具体地，本发明采用以厚型钢板焊接而成的金属外壳15为支撑，其通过导线和金属接件7分别将IGCT元件10、中点箝位二极管8、缓冲吸收电路11、三相不控整流模块3、分压电容6连接构成五电平单相功率电路，且IGCT元件10、中点箝位二极管8、缓冲吸收电路11、三相不控整流模块3、分压电容6均固定在金属外壳15上。三相不控整流模块3固定在小散热器4上，并通过金属接件7与分压电容6实现电路连接。两个中点箝位二极管8、四个IGCT元件10、四个缓冲吸收电路11均固定在大散热器9，构成一个三电平功率单元19，三电平功率单元18和三电平功率单元19的结构相同，相同的两个三电平功率单元构成中性点箝位/H桥(NPC/H)五电平单相功率单元，五电平单相功率单元包含的电力电子器件通过金属接件7实现电路连接。两个大散热器9和风扇1固定在金属外壳15底部平行放置，实现空冷散热。两个隔离电源模块17、驱动电路模块13、光纤模块14和电压电流传感器模块5分别固定在金属外壳15底部，通过导线实现以上模块和五电平单相功率单元间的电路连接。输入金属端子2与三相不控整流模块3通过导线实现电路连接，在外部通过导线连接电网实现电能输入，输出金属端子12通过导线与主电路连接，实现电能输出，电源金属端子16通过导线与隔离电源模块17连接。两个隔离电源模块17、驱动电路模块13布置紧凑，安装在金属外壳15的右侧。两个隔离电源模块17分别与驱动电路模块13和电压电流传感器模块5连接。五电平变频器单相主电路各模块间相互间距离很小，分布紧凑，之间的连接铜排很短，从而减小了相互的杂散电感。电压电流传感器模块5安装在金属外壳15左侧，方便测量电压电流。
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做出诸多修改和变化。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)
1.一种集成门极换向晶闸管五电平功率模块，其特征在于，包括不控整流模块、五电平单相功率电路模块和外围模块；其中，所述外围模块包括风扇、输入金属端子、电压电流传感器模块、输出金属端子、驱动电路模块、光纤模块、金属外壳、电源金属端子和两个隔离电源模块；所述不控整流模块包括三相不控整流模块、小散热器和分压电容；所述五电平单相功率电路模块包括两个三电平功率单元，所述三电平功率单元包括金属接件、大散热器、两个中点箝位二极管、四个IGCT元件和四个缓冲吸收电路；所述两个三电平功率单元构成中性点箝位/H桥五电平单相功率单元；
其中，所述两个隔离电源模块、驱动电路模块、光纤模块和电压电流传感器模块分别固定在所述金属外壳底部；所述输入金属端子与三相不控整流模块之间、所述分压电容与所述三相不控整流模块之间以及所述输出金属端子与所述IGCT元件之间通过导线实现电路连接；所述电源金属端子通过导线与所述隔离电源模块连接；所述两个隔离电源模块分别与所述驱动电路模块和所述电压电流传感器模块连接；所述IGCT元件、中点箝位二极管、缓冲吸收电路、三相不控整流模块、分压电容均固定在所述金属外壳上；所述IGCT元件之间、所述IGCT元件与所述中点箝位二极管之间、所述IGCT元件与所述分压电容之间、所述分压电容之间以及两个所述三电平功率单元之间通过所述金属接件连接；
所述三相不控整流模块固定在所述小散热器上；对于每个所述三电平功率单元，所述两个中点箝位二极管、四个IGCT元件、四个缓冲吸收电路均固定在一个所述大散热器上；
两个所述大散热器和风扇固定在所述金属外壳底部，且平行放置。
2.根据权利要求1所述的集成门极换向晶闸管五电平功率模块，其特征在于，所述金属外壳由钢板焊接而成的。
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