CN105471297A - T型三电平变流器功率模块 - Google Patents

T型三电平变流器功率模块 Download PDF

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Abstract

一种T型三电平变流器功率模块，所述功率模块采用T型三电平三相全桥电路拓扑，模块内部集成T型三电平功率变换电路、IGBT驱动电路、模拟量采集电路、模块控制器、LCL滤波电路、短路保护电路和双路±15V直流电源供电电路；功率模块具备IGBT过流保护、IGBT过压保护、IGBT驱动电源检测保护，并且在IGBT模块的散热片内嵌入了NTC测温电阻，实时监测IGBT模块的运行温度，实现温度保护。

Description

T型三电平变流器功率模块
技术领域
本发明属于电力电子领域，适用于并网型或者离网型三电平变流器，用以实现对变流器整机设计、功率模块设计、功率变换电路设计等。
背景技术
目前，市场上的变流器主要以两电平为主，两电平变流器柜内的电抗器、滤波器的体积较大，并且在低功率时，变流器的谐波含量较高，系统效率低，只能基本满足用户对电能质量、谐波特性和效率的要求。而三电平变流器具有器件应力小，谐波效果好，系统效率高等方面的优势，目前是电力电子行业内的研究热点，变流器采用三电平设计后，具有整机模块小，电磁干扰低，转换效率高，成本低等优点，采用三电平技术的变流器正在迅速取代传统的两电平变流器，有望成为市场的主打产品。
三电平变流器产品主要分为I字型和T字型两种，T字型与I字型三电平电路比较，元件数量方面，T字型比I字型三电平少两个箝位二极管；损耗方面，T字型优于I字型；换流路径方面，T字型外管与内管之间的换流路径一致，I字型分为短换流路径与长换流路径，T字型拓扑优于I字型拓扑。所以T字型主电路设计降低了整机损耗，提高了电路的可靠性。
发明内容
本申请的发明目的：本申请提出的T型三电平变流器功率模块，将T型三电平功率变换电路、IGBT驱动电路、模拟量采集电路、模块控制器、LCL滤波电路、短路保护电路和双路±15V直流电源供电电路等集成设计在一个模块内，该模块可以自供电，独立运行，并且具备短路保护，模块具有交流输入端、直流输出端，可以实现多个模块的电气连接，变流器交流电网侧接入形式可以是三相三线制，也可以是三相四线制，整机容量可根据用户需求进行模块化的组装设计，结构紧凑，工艺设计简单，维护方便。
本发明的具体方案如下：
一种T型三电平变流器功率模块，包括T型三电平功率变换电路、IGBT驱动电路、模拟量采集电路、模块控制器、LCL滤波电路、短路保护模块和双路±15V直流电源供电电路；其特征在于：
T型三电平功率变换电路包括3相T型三电平IGBT模块、直流母线支撑电容组、高频滤波电容组，所述3相T型三电平IGBT模块的直流侧依次并联高频滤波电容组、直流母线电容组形成T型三电平功率变换电路的直流侧，3相T型三电平IGBT模块的交流侧形成T型三电平功率变换电路的交流侧；
在T型三电平功率变换电路的直流侧母线正极和负极之间并联短路保护模块，所述短路保护模块由1个晶闸管和1个电阻串联组成；
所述T型三电平功率变换电路的交流侧通过LCL滤波电路与交流电网相连，所述LCL滤波电路由顺次连接的1个变流器侧三相电抗器、3个交流滤波电容器和1个电网侧三相电抗器组成；
所述双路±15V直流电源供电电路是T型三电平变流器功率模块的供电电源，共包含两路电源：第一路±15V电源的输入侧连接T型三电平功率变换电路与短路保护模块之间的直流母线正极和负极，包括依次连接的1个输入滤波电容、1个DC/DC开关电源模块和1个输出滤波电容；第二路±15V电源的输入侧连接在LCL电路中的变流器侧三相电抗器和交流滤波电容器之间，包括依次连接1个单相二极管整流桥、1个输入滤波电容、1个DC/DC开关电源模块和1个输出滤波电容；
模拟量采集电路包括T型三电平变流器功率模块直流输出侧模拟量采集电路和交流输入侧模拟量采集电路，所述模拟量采集电路的输出侧与模块控制器的输入侧相连；
模块控制器接收模拟量采集电路上送的信息，通过计算处理后转化为SVPWM驱动脉冲，或者接收中央控制器的控制指令形成驱动脉冲，将所述驱动脉冲下发至IGBT驱动电路以控制T型三电平功率变换电路运行。
本发明还进一步优选包括以下方案：
所述三相T型三电平IGBT模块共包含三相IGBT模块，每相T型三电平IGBT模块包含4个IGBT，其中2个IGBT反并联连接，另外两个作为上管IGBT和下管IGBT分别反并联一个续流二极管，反并联连接的2个IGBT、上管IGBT和下管IGBT星形连接，星形连接的中点连接到T型三电平功率变换电路交流端的对应相，反并联连接的2个IGBT、上管IGBT和下管IGBT星形的另一端分别连接至T型三电平功率变换电路直流侧的N极端子、正极端子和负极端子。
其中直流母线支撑电容并联在3个T型三电平IGBT模块的正极端子与N极端子、负极端子与N极端子之间，正极母线、负极母线的直流母线支撑电容器组的容值和数量都相等，各是26个电容；高频滤波电容分别并联在3个T型三电平IGBT模块的正极端子与N极端子、负极端子与N极端子之间其中ca1/ca2属于A相IGBT的正极/负极滤波电容，ca3/ca4属于B相IGBT的正极/负极滤波电容，ca5/ca6属于C相IGBT的正极/负极滤波电容。
IGBT驱动电路是T型三电平变流器功率模块的IGBT模块的执行电路，与功率变换电路集成使用。所述IGBT驱动电路主要由3套驱动板组成，每个IGBT模块需1套驱动板，每套驱动板包含1个门极适配板和1个驱动底座板。
模块控制器同时负责监控IGBT的运行状态、温度状态，还负责监控双路±15V电源模块的状态。
T型三电平变流器功率模块具备IGBT短路保护，阀值为150uA；IGBT欠压保护，阀值为12.8V；IGBT驱动电源检测保护,阀值为15.5V；IGBT温度保护，阀值为120℃，当达到阀值时，模块控制器会执行IGBT封脉冲指令，断开故障的功率模块；同时模块控制器将保护信息上送到中央控制器，由中央控制器跳开外部电气连接开关，彻底断开故障变流器。
T型三电平变流器功率模块发生直流侧短路时，模块控制器监测到直流侧电压采样和电流采样的异常变化，会及时触发短路保护模块，晶闸管以微秒级的速度快速导通，对直流侧的短路能量进行泄放；同时模块控制器将保护信息上送到中央控制器，由中央控制器跳开外部连接开关，彻底断开故障变流器。
本发明具有以下技术效果：
T型三电平变流器功率模块包含功率变换电路、IGBT驱动电路、模块控制器、LCL滤波电路等核心部分，将功率模块的断路器/接触器和预充电电阻独立于模块外部，可以节省功率模块体积，而且多个功率模块并联时，可以共用外部的断路器/接触器和预充电电阻，大大的节省了制造成本。
T型三电平变流器可以多个功率模块独立运行，互不干扰，单个功率模块不做散热设计，整机屏柜散热风道考虑，节省成本，提高整机散热效率。
T型三电平变流器具有双路±15V电源，两路±15V电源的正极分别串联一个防反二极管，两路汇总后并联输出公共的±15V电源，扩大二次电源系统容量，提高了供电可靠性。
T型三电平变流器功率模块内部包含IGBT过流保护、过压保护、IGBT驱动电源检测保护、IGBT温度保护和短路保护，由模块控制器直接进行故障处理，可以快速准确的定位故障点，提高保护动作的准确性、可靠性，减轻了三电平变流器中央控制器的设计复杂度，同时由于存在短路保护，变流器可以取消熔断器设计，节省成本。
变流器定制类的产品比较多，利用T型三电平变流器功率模块并联就可以达到需求容量，不但提高了产品的技术含量和产品性能，降低了设计难度，减轻了设计工作量，而且大大产品可靠性和稳定性，缩短了设计周期，节省了硬件制造成本，后期的工程服务工作也变得简单。
附图说明
图1为T型三电平变流器功率模块的主电路拓扑结构示意图；
图2为T型三电平变流器功率模块的T型三电平功率变换电路示意图；
图3为T型三电平变流器功率模块的IGBT驱动电路示意图；
图4为T型三电平变流器功率模块的模拟量采集电路示意图；
图5为T型三电平变流器功率模块的模块控制器示意图。
图6为T型三电平变流器功率模块的LCL滤波回路拓扑结构及接线示意图；
图7为T型三电平变流器功率模块的短路保护模块拓扑结构及接线示意图；
图8为T型三电平变流器功率模块的±15V控制电源拓扑结构及接线示意图。
具体实施方式
下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。
T型三电平变流器功率模块的拓扑结构如附图1所示，主要由T型三电平功率变换电路、IGBT驱动电路、模拟量采集电路、模块控制器、LCL滤波电路、短路保护模块和双路±15V控制电源组成。三相交流电网先接入变流器内部的断路器/接触器和预充电电阻，断路器/接触器和预充电电阻属于并联关系，当断路器/接触器接通后，预充电电阻被旁路不通过电流，而断路器/接触器与功率模块直接连接，两部分属于串联关系，断路器/接触器的交流出线端接入功率模块的LCL滤波电路的输入端；LCL滤波电路的电网侧和变流器侧电抗器之间并联有±15V电源模块2，±15V电源模块2的输入端分别为交流Ua相和交流N相；交流电能经过LCL电路的滤波处理后，由LCL电路的输出端直接接入到功率变换电路的输入侧，两部分属于串联关系；功率变换电路集成了直流母线电容器组、高频滤波电容器和IGBT驱动电路，功率变换电路的输出端为直流母线电容器组的公共正极和公共负极；直流正极母线和负极母线之间并联有±15V电源模块1和短路保护模块，这两个模块与功率变换电路均为并联关系，两个模块的输入端分别为功率变换电路的公共正极和公共负极。
T型三电平功率变换电路为三相全桥模式，电路拓扑如图2所示，此电路主要由3个T型三电平IGBT模块(Q1/Q2/Q3/Q4、Q5/Q6/Q7/Q8和Q9/Q10/Q11/Q12)、高频滤波电容(ca1/ca2、ca3/ca4和ca5/ca6)和直流母线支撑电容(C1/C2/……C26和C27/C28/……/C42)组成。
功率变换电路的进线端是LCL滤波器的变流器侧电抗器L12/L22/L32的出线端子(如图6所示)，电抗器的出线端子直接接入3个T型IGBT模块的相端子，3个T型IGBT模块的正极端子和N极端子之间，负极端子和N极端子之间分别并联一个高频滤波电容，A相半桥的直流正极端子和N极端子之间、负极端子和N极端子之间并联高频滤波电容ca1、ca2，B相半桥的直流正极端子和N极端子之间、负极端子和N极端子之间并联高频滤波电容ca3、ca4，C相半桥的直流正极端子和N极端子之间、负极端子和N极端子之间并联高频滤波电容ca5、ca6；3个T型IGBT模块的正极端子、N极端子和负极端子分别并联在一起组成3根直流母线，并且正极母线和N极母线之间、负极母线和N极母线之间分别并联一组数量相等、容值相等的直流母线电容器，正极母线和N极母线之间是C1/C2/……C26，负极母线和N极母线之间是C27/C28/……/C42；直流母线电容器组的公共正极作为功率变换电路的正极出线端，直流母线电容器组的公共负极作为功率变换电路的负极出线端。IGBT驱动电路是T型三电平IGBT模块开通与关断的驱动源，电路拓扑如图3所示。每个T型三电平IGBT模块由一组IGBT驱动电路驱动，IGBT驱动电路由驱动核电路和适配板电路两部分组成。模块控制器发出驱动信号T1-INA、T2-INA，经过驱动核电路，输出门极关断信号GL1/GL2/GL3/GL4，门极开通信号GH1/GH2/GH3/GH4。门极关断信号与门极开通信号经过适配板电路，输出为T型三电平IGBT模块中4个IGBT通道门极驱动信号。
模拟量采集电路是将一次电压电流信号转换为二次的电压电流信号，电压电流采样板由±15V供电，输出采样信号，电路拓扑如图4所示。采样板4、采样板5、采样板6为电流采样板，采样板7、采样板8、采样板9为电压采样板。
控制器模块是T型三电平变流器功率模块的核心控制模块，电路拓扑如图5所示。控制器模块输出开出信号，控制接触器和风扇电源的通断，控制器接收模拟量采集电路的采样信号，输出T型三电平IGBT模块的驱动信号。控制器模块高速光纤通讯接口是T型三电平变流器功率模块与上位机的通讯接口，上传T型三电平变流器功率模块的状态信息，下传电流指令。
LCL滤波电路的拓扑如图6所示，此电路是T型三电平变流器功率模块内部的滤波回路，主要由电网侧电抗器L11/L21/L31、电容器cf1、cf2、cf3和变流器侧电抗器L12/L22/L32组成，电网侧的电抗器直接与外部的接触器连接，L11/L21/L31的另一端分别与cf1、cf2、cf3、L12/L22/L32的一端连接，cf1、cf2、cf3与电网侧电抗器和变流器侧电抗器均为并联关系，cf1、cf2、cf3的另一端与交流电网N相连接；L12/L22/L32的另一端引出作为LCL滤波电路的变流器侧出线端，同时作为功率变换电路的进线端。
短路保护模块的电路拓扑如图7所示，此模块是T型三电平变流器功率模块内部的短路泄放回路，主要由晶闸管SCR和泄放电阻R组成，进线端是晶闸管的阳极端，进线端与直流母线正极并联连接，晶闸管的阴极端与电阻直接相连，电阻的另一端作为出线端，出线端与直流母线负极并联连接。
功率模块正常运行时，短路保护模块不工作；当直流电源侧短路或者直流母线支撑电容器组短路时，由模块控制器触发晶闸管，执行保护逻辑。
在进行短路模块的器件选型时，晶闸管的额定工作电压至少为直流电源侧电压的2倍，额定电流尽量接近直流电源侧的短路电流；泄放电阻是承受短路电流，消耗短路短路能量的关键器件，应该选用过载能力强，耐热性好的电阻器，具体可以根据直流电源侧的短路容量选择，当短路容量较大时推荐采用Crowbar电阻器；短路容量较小时，推荐采用波纹电阻器。
双路±15V控制电源是T型三电平变流器功率模块的供电电源，电路拓扑如图8所示，第一路±15V电源的输入侧为直流母线的正极和负极，主要由1个输入滤波电容Cm1、1个DC/DC开关电源和1个输出滤波电容Cm2等组成；第二路±15V电源的输入侧为交流电网A相和交流N相，主要由1个单相二极管整流桥Da1/Da2/Da3/Da4、1个输入滤波电容Cm3、1个DC/DC开关电源和1个输出滤波电容Cm4等组成；模拟量采集电路和IGBT驱动电路为±15V供电,模块控制器为+15V供电。
由于第一路±15V电源模块1输入的直流电压等级最高可达到1000V，而第二路±15V电源模块的直流输入电压为330V左右，所以功率模块内的DC/DC开关电源为定制类产品，输入直流电压范围为200VDC～1000VDC，输出电压为±15V，目前这种±15V电源模块在市场上比较少见。通过定制类的DC/DC开关电源实现此供电回路，大大降低了控制电源的设计复杂程度，提高了模块系统的控制电源稳定性。

Claims (5)

1.一种T型三电平变流器功率模块，包括T型三电平功率变换电路、IGBT驱动电路、模拟量采集电路、模块控制器、LCL滤波电路、短路保护模块和双路±15V直流电源供电电路；其特征在于：
T型三电平功率变换电路包括3相T型三电平IGBT模块、直流母线支撑电容组、高频滤波电容组，所述3相T型三电平IGBT模块的直流侧依次并联高频滤波电容组、直流母线电容组形成T型三电平功率变换电路的直流侧，3相T型三电平IGBT模块的交流侧形成T型三电平功率变换电路的交流侧；
在T型三电平功率变换电路的直流侧母线正极和负极之间并联短路保护模块，所述短路保护模块由1个晶闸管和1个电阻串联组成；
所述T型三电平功率变换电路的交流侧通过LCL滤波电路与交流电网相连，所述LCL滤波电路由顺次连接的1个变流器侧三相电抗器、3个交流滤波电容器和1个电网侧三相电抗器组成；
所述双路±15V直流电源供电电路是T型三电平变流器功率模块的供电电源，共包含两路电源：第一路±15V电源的输入侧连接T型三电平功率变换电路与短路保护模块之间的直流母线正极和负极，包括依次连接的1个输入滤波电容、1个DC/DC开关电源模块和1个输出滤波电容；第二路±15V电源的输入侧连接在LCL电路中的变流器侧三相电抗器和交流滤波电容器之间，包括依次连接1个单相二极管整流桥、1个输入滤波电容、1个DC/DC开关电源模块和1个输出滤波电容。
模拟量采集电路包括T型三电平变流器功率模块直流输出侧模拟量采集电路和交流输入侧模拟量采集电路，所述模拟量采集电路的输出侧与模块控制器的输入侧相连；
模块控制器接收模拟量采集电路上送的信息，通过计算处理后转化为SVPWM驱动脉冲，或者接收中央控制器的控制指令形成驱动脉冲，将所述驱动脉冲下发至IGBT驱动电路以控制T型三电平功率变换电路运行。
2.根据权利要求1所述的T型三电平变流器功率模块，其特征在于：
所述三相T型三电平IGBT模块共包含三相IGBT模块，每相T型三电平IGBT模块包含4个IGBT，其中2个IGBT反并联连接，另外两个作为上管IGBT和下管IGBT分别反并联一个续流二极管，反并联连接的2个IGBT、上管IGBT和下管IGBT星形连接，星形连接的中点连接到T型三电平功率变换电路交流端的对应相，反并联连接的2个IGBT、上管IGBT和下管IGBT星形的另一端分别连接至T型三电平功率变换电路直流侧的N极端子、正极端子和负极端子。
3.根据权利要求1所述的T型三电平变流器功率模块，其特征在于：
模块控制器同时负责监控IGBT的运行状态、温度状态，还负责监控双路±15V电源模块的状态。
4.根据权利要求1所述的T型三电平变流器功率模块，其特征在于：
T型三电平变流器功率模块具备IGBT短路保护，阀值为150uA；IGBT欠压保护，阀值为12.8V；IGBT驱动电源检测保护,阀值为15.5V；IGBT温度保护，阀值为120℃，当达到阀值时，模块控制器会执行IGBT封脉冲指令，断开故障的功率模块；同时模块控制器将保护信息上送到中央控制器，由中央控制器跳开外部电气连接开关，彻底断开故障变流器。
5.根据权利要求1所述的T型三电平变流器功率模块，其特征在于：
T型三电平变流器功率模块发生直流侧短路时，模块控制器监测到直流侧电压采样和电流采样的异常变化，会及时触发短路保护模块，晶闸管以微秒级的速度快速导通，对直流侧的短路能量进行泄放；同时模块控制器将保护信息上送到中央控制器，由中央控制器跳开外部连接开关，彻底断开故障变流器。
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