CN104158421A - 二极管钳位型三电平变流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大功率电能变换领域，具体提供了一种二极管钳位型三电平变流器。本发明主要涉及六个功率器件，其中，下钳位二极管位于左上角，上钳位二极管位于左下角，第二IGBT位于第一IGBT左侧，第三IGBT位于第二IGBT正上方第四IGBT位于第三IGBT右侧。本发明将叠层母排分为三层，第一层包括交流输出母排、模块中性点母排；第二层为上钳位二极管连接母排和下钳位二极管连接母排；第三层为模块正母排和模块负母排。本发明通过合理、精确的器件布局及叠层母排设计，可以大幅度地降低换流回路的杂散电感，有效抑制器件的关断过电压，简化关断尖峰吸收电路，在降低成本的同时使结构更加紧凑，功率密度进一步提高。

Description

二极管钳位型三电平变流器

技术领域

本发明属于大功率电能变换领域，具体内容涉及大容量电力电子系统中的一种二极管钳位型三电平变流器。 

背景技术

随着电力电子器件技术、信息和控制技术的日益进步，电力电子变流技术得到了很大的发展和提高，其中一个很重要的发展方向是中高压、大容量。目前，中高压、大容量电力电子变流器所涉及和应用的范围越来越广泛，如风电变流器、高压直流输电变流器、重载机车牵引变流器、矿用电气传动变流器、军用移动平台变流器等。对于中高压场合下变流器需要采用多只电力电子器件的串联，但电力电子器件串联存在均压问题，而二极管钳位型三电平拓扑结构较好解决了开关器件的均压问题，使得现有电压等级的电力电子器件在中高压场合的应用成为可能。因此，基于二极管钳位型三电平拓扑在电力电子领域得到了大量应用。 

然而二极管钳位型三电平变流器功率器件布局和叠层母排设计的优劣直接关系到变流器的整体性能。相比传统的二电平变流器，二极管钳位型三电平变流器换流回路更多、更复杂，换流路径也更长。功率开关器件动作时，其换流回路杂散电感产生的电压尖峰将叠加在功率器件两端，增加了器件电压应力甚至超出器件耐压范围，造成功率开关器件损坏。此外，杂散电感与吸收电容形成谐振回路，易引起功率电路振荡，增加了系统损耗并延长了器件关断过渡过程，不利于器件安全工作。为进一步提高三电平变流器性能和可靠性，其功率器件布局和叠层母排设计非常关键。合理的功率器件布局既能缩短换流回路，也能降低叠层母排的设计难度；良好的叠层母排设计能实现换流路径的充分复合，最大限度降低换流回路的杂散电感。加之，因制造和装配误差、母排本身和电容等重力作用，导致功率器件受力是不可避免的，如果不在功率器件布局和叠层母排设计阶段将 这些因素考虑进去，很可能导致功率器件承受过大的应力，尤其是二极管钳位型的三电平变流器，其母排一般都比较大，电容数量多，更增加了这种风险。三电平变流器内管换流路径比较长，在实际应用时通常都会留有较大的电压和电流裕量，功率模块的容量得不到充分的应用。 

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种二极管钳位型三电平变流器。本发明通过合理的器件布局缩短换流回路，也能降低叠层母排的设计难度，同时有效抑制器件的关断过电压，简化吸收电路，在降低成本的同时使结构更加紧凑，功率密度进一步提高。 

本发明提供了一种二极管钳位型三电平变流器，包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、上钳位二极管、下钳位二极管、由第一支撑电容和第二支撑电容串联组成的电容，第一支撑电容的正极为电容正极，第二支撑电容的负极为电容负极，第一支撑电容、第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT和第二支撑电容相互串联形成回路，上钳位二极管的阳极连接于第一支撑电容和第二支撑电容之间，上钳位二极管的阴极连接于第一IGBT和第二IGBT之间，下钳位二极管的阴极连接于第一支撑电容和第二支撑电容之间，下钳位二极管的阳极连接于第一IGBT和第二IGBT之间，上述各部件及其连接方式为二极管钳位型三电平变流器的常规设置。第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、上钳位二极管和下钳位二极管并排设置于变流器本体内部，上钳位二极管位于左上角，下钳位二极管位于左下角，所述第一IGBT位于右下角，第二IGBT位于第一IGBT左侧，第四IGBT位于右上角，第三IGBT位于第四IGBT的左侧。 

所述上钳位二极管的阴极与下钳位二极管的阳极相对设置；所述第一IGBT的集电极位于右侧，发射极位于左侧；所述第二IGBT集电极位于右侧，发射极位于左侧；所述第三IGBT集电极位于左侧，发射极位于右侧；第四IGBT集电极位于左侧，发射极位于右侧。本发明合理的功率器件布局既能缩短换流回路，也能降低叠层母排的设计难度。 

所述的二极管钳位型三电平变流器还包括模块母排，所述模块母排分为三层，其中，第一层包括交流输出母排、模块中性点母排；第二层为上钳位二极管连接母排和下钳位二极管连接母排；第三层为模块正母排和模块负母排。良好的叠层母排设计能实现换流路径的充分复合，最大限度降低换流回路的杂散电感。 

所述第一IGBT的集电极通过所述模块正母排和第一支撑电容正极连接；所述第一IGBT的发射极通过所述上钳位二极管连接母排分别与所述第二IGBT的集电极和所述上钳位二极管的阴极相连接；所述第二IGBT的发射极与第三IGBT的集电极通过所述模块交流输出母排连接；所述第三IGBT的发射极通过所述下钳位二极管连接母排分别与所述第四IGBT的集电极和所述下钳位二极管的阳极相连接；所述第四IGBT的发射极通过所述模块负母排和第二支撑电容的负极连接；所述上钳位二极管的阳极通过所述模块中性点母排连接所述下钳位二极管的阴极；所述上钳位二极管的阳极和下钳位二极管的阴极均通过所述模块中性点母排和电容中性点连接；所述第一支撑电容的负极和电容中性点母排相连接；所述第二支撑电容的正极和电容中性点母排相连接。第一支撑电容和第二支撑电容各参数指标相同。本发明通过叠层母排实现变流器功率器件的高度集成的同时，利用合理的器件布局及叠层母排回路复合，大幅降低换流回路杂散电感，从而有效降低功率器件开关过程中所承受的尖峰电压，降低功率器件对保护吸收电路的要求，提高功率器件利用率及运行的可靠性和稳定性。 

本发明合理布置了两个二极管和四个IGBT在变流器本体内部的相对位置，使变流器工作时的上下桥臂的大小换流回路中的IGBT均能实现电流杂感的有效复合。本发明采用叠层母排设计，能进一步有效缩短换流路径长度，改善换流回路复合效果，降低换流回路的杂散电感，大幅度降低功率器件的关断过电压，简化吸收电路。本发明在降低成本的同时，使结构更加紧凑、功率密度进一步提高，扩大了三电平变流器的安全工作区域，有利于三电平变流器的长期安全、稳定运行。 

附图说明

图1为三电平半桥电路的原理图； 

图2为本发明的二极管钳位型三电平变流器器件布局示意图； 

图3为本发明的上桥臂大换流回路对应器件布局换流路径示意图； 

图4为本发明的下桥臂大换流回路对应器件布局换流路径示意图； 

图5为本发明的下桥臂小换流回路对应器件布局换流路径示意图； 

图6为本发明的上桥臂小换流回路对应器件布局换流路径示意图； 

图7为本发明的二极管钳位型三电平母排分层结构示意图。 

图8为本发明的二极管钳位型三电平母排分层结构示意图b； 

图9为本发明的二极管钳位型三电平母排分层结构示意图c。 

其中，T1-第一IGBT，T2-第二IGBT，T3-第三IGBT，T4-第四IGBT，C1-第一支撑电容，C2-第二支撑电容，O-模块中性点母排，P-模块正母排，N-模块负母排，B-上钳位二极管连接母排，C-交流输出母排，D-下钳位二极管连接母排。 

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明： 

一种二极管钳位型三电平变流器，包括第一IGBT T1、第二IGBT T2、第三IGBT T3、第四IGBT T4、上钳位二极管D1、下钳位二极管D2、由第一支撑电容C1和第二支撑电容C2串联组成的电容，第一支撑电容C1的正极为电容正极，第二支撑电容C2的负极为电容负极，第一支撑电容C1、第一IGBT T1、第二IGBT T2、第三IGBT T3、第四IGBT T4和第二支撑电容C2相互串联形成回路，上钳位二极管D1的阳极连接于第一支撑电容C1和第二支撑电容C2之间，上钳位二极管D1的阴极连接于第一IGBT T1和第二IGBT T2之间，下钳位二极管D2的阴极连接于第一支撑电容C1和第二支撑电容C2之间，下钳位二极管D2的阳极连接于第一IGBT T1和第二IGBT T2之间，第一IGBT T1、第二IGBT T2、第三IGBT T3、第四IGBT T4、上钳位二极管D1和下钳位二极管D2并排设置于变流器本体内部，上钳位二极管D1位于左上角，下钳位二极管D2位于左下角，所述第一IGBT T1位于右下角，第二IGBT T2位于第一IGBT T1左侧，第四IGBT T4位于右 上角，第三IGBT T3位于第四IGBT T4的左侧。所述上钳位二极管D1的阴极与下钳位二极管D2的阳极相对设置；所述第一IGBT T1的集电极位于右侧，发射极位于左侧；所述第二IGBT T2集电极位于右侧，发射极位于左侧；所述第三IGBT T3集电极位于左侧，发射极位于右侧；第四IGBT T4集电极位于左侧，发射极位于右侧。本发明还包括模块母排，所述模块母排分为三层，其中，第一层包括交流输出母排C、模块中性点母排O；第二层为上钳位二极管连接母排B和下钳位二极管连接母排D；第三层为模块正母排P和模块负母排N。所述第一IGBT T1的集电极通过所述模块正母排P和第一支撑电容C1正极连接；所述第一IGBT T1的发射极通过所述上钳位二极管连接母排B分别与所述第二IGBT T2的集电极和所述上钳位二极管D1的阴极相连接；所述第二IGBT T2的发射极与第三IGBT T3的集电极通过所述模块交流输出母排C相连接；所述第三IGBT T3的发射极通过所述下钳位二极管连接母排D分别与所述第四IGBT T4的集电极和所述下钳位二极管D2的阳极相连接；所述第四IGBT T4的发射极通过所述模块负母排N和第二支撑电容C2的负极连接；所述上钳位二极管D1的阳极通过所述模块中性点母排O连接所述下钳位二极管D2的阴极；所述上钳位二极管D1的阳极和下钳位二极管D2的阴极均通过所述模块中性点母排O和电容中性点连接；所述第一支撑电容C1的负极和模块中性点母排O相连接；所述第二支撑电容C2的正极和模块中性点母排O相连接。 

如图1所示，本发明的半桥三电平电路包括第一至第四IGBT T1-T4、第一电容C1、第二电容C2、上钳位二极管D1、下钳位二极管D2。第一支撑电容C1、第一IGBT T1、第二IGBT T2、第三IGBT T3、第四IGBT T4和第二支撑电容C2相互串联形成回路，上钳位二极管D1的阳极连接于第一支撑电容C1和第二支撑电容C2之间，上钳位二极管D1的阴极连接于第一IGBT T1和第二IGBT T2之间，下钳位二极管D2的阴极连接于第一支撑电容C1和第二支撑电容C2之间，下钳位二极管D2的阳极连接于第一IGBT T1和第二IGBT T2之间。第一IGBT T1的集电极依次通过模块 正母排P和电容正端连接；第一IGBT T1的发射极通过上钳位二极管连接母排B分别连接第二IGBT T2的集电极和上钳位二极管D1的阴极；第二IGBT T2的发射极与第三IGBT T3的集电极通过模块交流母排C连接，作为交流输入/输出端C；第三IGBT T3的发射极通过下钳位二极管连接母排D分别连接第四IGBT T4的集电极和下钳位二极管D2的阳极；第四IGBT T4的发射极依次通过模块负母排N和电容负端相连；上钳位二极管D1的阳极通过模块中性点母排O连接下钳位二极管D2的阴极；上钳位二极管D1的阳极和下钳位二极管D2的阴极均通过模块中性点母排O连接；第一电容Cl接在模块正母排P和中性点母排O之间；第二电容C2接在中性点母排O和模块负母排N之间。 

如图2所示，二极管钳位型三电平变流器的器件布局主要涉及六个功率器件，其中，下钳位二极管D2位于左上角，二极管D2阳极位于上端，阴极位于下端；上钳位二极管D1位于左下角，二极管D1阳极位于上端，阴极位于下端；第一IGBT T1位于右下角，其集电极位于右侧，发射极位于左侧；第二IGBT T2位于第一IGBT T1左侧，第二IGBT T2集电极位于右侧，发射极位于左侧；第三IGBT T3位于第二IGBT T2正上方，第三IGBT T3集电极位于左侧，发射极位于右侧；第四IGBT T4位于第三IGBT T3右侧，也即第一IGBT T1正上方，其中第四IGBT T4集电极位于左侧，发射极位于右侧。 

如图3～图6所示，二极管钳位三电平电路存在的四个换流回路，其中图3标示的是上桥臂大换流回路对应器件布局换流路径，模块正母排P位于模块母排的第三层并与第一IGBT T1相连接，模块中性点母排O位于模块母排第一层并与下钳位二极管D2相连接，第三IGBT T3的发射极与下钳位二极管D2通过下钳位二极管连接母排D相连接，第一IGBT T1的发射极通过上钳位二极管连接母排B与第二IGBT T2的集电极相连接，第二IGBT T2的发射极与第三IGBT T3的集电极通过模块交流母排C连接，其中上钳位二极管连接母排B和下钳位二极管连接母排D位于模块母排的第 二层，模块交流母排C位于模块母排第一层，第一IGBT T1、第二IGBT T2和第三IGBT T3的电流流向相反，变化趋势基本相同，因此杂散电感得到了有效复合可有效降低了开关管关断电压尖峰。各IGBT本体所连接的模块母排均处于相邻的母排层，有效节约了换流路径，减少了生产成本。 

图4标示的是下桥臂大换流回路对应器件布局换流路径，其中模块中性点母排O位于模块母排第一层并与上钳位二极管D1相连接，上钳位二极管D1通过位于模块母排第二层的上钳位二极管连接母排B与第二IGBT T2相连接，第二IGBT T2通过位于模块母排第一层的交流输出母排C与第三IGBT T3相连接，第三IGBT T3通过位于第二层的下钳位二极管连接母排D与第四IGBT T4相连接，第四IGBT T4与位于模块母排第三层的模块负母排相连接。第二IGBT T2、第三IGBT T3和第四IGBT T4的电流流向相反，变化趋势基本相同，因此杂散电感同样得到了有效复合，可有效降低了开关管关断电压尖峰。各IGBT本体所连接的模块母排均处于相邻的母排层，有效节约了换流路径，减少了生产成本。 

图5标示的是下桥臂小换流回路对应器件布局换流路径，位于模块母排第一层的中性点母排O与下钳位二极管D2相连接，下钳位二极管D1通过位于模块母排第二层的下钳位二极管连接母排D与第三IGBT T3相连接，第三IGBT T3和第四IGBT T4通过位于模块母排的第二层的下钳位二极管连接母排D相连接，第四IGBT T4与位于模块母排第三层的模块负母排N相连接。第三IGBT T3和第四IGBT T4的电流流向相反，变化趋势基本相同，因此杂散电感同样得到了有效复合，可有效降低了开关管关断电压尖峰。各IGBT本体所连接的模块母排均处于相邻的母排层，有效节约了换流路径，减少了生产成本。 

图6标示的是上桥臂小换流回路对应器件布局换流路径，位于模块母排第一层的模块中性点母排O与上钳位二极管D1相连接，上钳位二极管D1通过位于模块母排第二层的上钳位二极管连接母排B和第二IGBT T2连接，第二IGBT T2通过位于模块母排第二层的上钳位二极管连接母排B 和第一IGBT T1相连接，第一IGBT T1与位于模块母排第三层的模块正母排相连接。第一IGBT T1和第二IGBT T2的电流流向相反，变化趋势基本相同，因此杂散电感同样得到了有效复合，可有效降低了开关管关断电压尖峰。各IGBT本体所连接的模块母排均处于相邻的母排层，有效节约了换流路径，减少了生产成本。上述四个回路内的母排均进行了叠层相互配合，有效减小回路中的杂散电感。 

本发明的用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排分为三层。如图7所示，第一层包括交流输出母排C、模块中性点母排O，其中下钳位二极管的阴极、上钳位二极管的阳极、第三IGBT T3的集电极和第二IGBT T2的发射极为第一层的电气点；如图8所示，第二层为上钳位二极管连接母排B和下钳位二极管连接母排D，其中中下钳位二极管的阳极、上钳位二极管的阴极、第三IGBT T3的发射极和第二IGBT T2的集电极为第二层的电气点；如图9所示，第三层为模块正母排P和模块负母排N，其中第三IGBT T3的集电极和第四IGBT T4的发射极为第三层的电气点。图7-9中用多环圆标示出了各层的电气点，圆环中带有字母C的表示IGBT集电极，圆环中带有字母E的表示IGBT发射极。综上，本发明有效地降低了换流回路的杂散电感，可以大幅度降低功率器件的关断过电压，扩大变流器的安全工作区域，有利于三电平变流器的长期安全、稳定运行。 

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。 

Claims (4)

1.一种二极管钳位型三电平变流器，包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、上钳位二极管、下钳位二极管、由第一支撑电容和第二支撑电容串联组成的电容，第一支撑电容的正极为电容正极，第二支撑电容的负极为电容负极，第一支撑电容、第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT和第二支撑电容相互串联形成回路，上钳位二极管的阳极连接于第一支撑电容和第二支撑电容之间，上钳位二极管的阴极连接于第一IGBT和第二IGBT之间，下钳位二极管的阴极连接于第一支撑电容和第二支撑电容之间，下钳位二极管的阳极连接于第一IGBT和第二IGBT之间，其特征在于第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、上钳位二极管和下钳位二极管并排设置于变流器本体内部，上钳位二极管位于左上角，下钳位二极管位于左下角，所述第一IGBT位于右下角，第二IGBT位于第一IGBT左侧，第四IGBT位于右上角，第三IGBT位于第四IGBT的左侧。

2.根据权利要求1所述的二极管钳位型三电平变流器，其特征在于上钳位二极管的阴极与下钳位二极管的阳极相对设置；所述第一IGBT的集电极位于右侧，发射极位于左侧；所述第二IGBT集电极位于右侧，发射极位于左侧；所述第三IGBT集电极位于左侧，发射极位于右侧；第四IGBT集电极位于左侧，发射极位于右侧。

3.根据权利要求2所述的二极管钳位型三电平变流器，其特征在于还包括模块母排，所述模块母排分为三层，其中，第一层包括交流输出母排、模块中性点母排；第二层为上钳位二极管连接母排和下钳位二极管连接母排；第三层为模块正母排和模块负母排。

4.根据权利要求3所述的二极管钳位型三电平变流器，其特征在于所述第一IGBT的集电极通过所述模块正母排和第一支撑电容正极连接；所述第一IGBT的发射极通过所述上钳位二极管连接母排分别与所述第二IGBT的集电极和所述上钳位二极管的阴极相连接；所述第二IGBT的发射极与第三IGBT的集电极通过所述模块交流输出母排连接；所述第三IGBT的发射极通过所述下钳位二极管连接母排分别与所述第四IGBT的集电极和所述下钳位二极管的阳极相连接；所述第四IGBT的发射极通过所述模块负母排和第二支撑电容的负极连接；所述上钳位二极管的阳极通过所述模块中性点母排连接所述下钳位二极管的阴极；所述上钳位二极管的阳极和下钳位二极管的阴极均通过所述模块中性点母排和电容中性点连接；所述第一支撑电容的负极和模块中性点母排相连接；所述第二支撑电容的正极和模块中性点母排相连接。