CN105490558A - 一种二极管钳位型三电平变流器及其功率系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统，包括四个IGBT模块、二极管模块、用于固定四个IGBT模块与二极管模块的固定板以及用于连接四个IGBT模块以及二极管模块且能够导电的三层母排；第一层母排与第二层母排之间、第二层母排与第三层母排之间均设置有绝缘层。该系统采用重叠放置的三层母排来连接功率系统中的各种元器件(半导体器件以及二极管器件等)，减小了功率系统的体积，缩短了换流路径的长度，降低了母排间的杂散电感。本发明还提供了一种包括上述功率系统的二极管钳位型三电平变流器。

Description

一种二极管钳位型三电平变流器及其功率系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种二极管钳位型三电平变流器及其功率系统。

背景技术

随着近年来海上风力发电技术的迅速发展，发电机组的性能也需要不断提高。变流器作为发电机组中的一个重要组成部分，变流器的性能是否优越直接影响到了发电机组的性能。

但是，随着变流器中电压等级的升高，变流器的电气间隙和爬电距离等电气绝缘距离需要相应的增加，而电气绝缘距离的增加需要变流器中母排的过孔变大，进而导致母排的体积增大。而母排的体积增大后不仅会使变流器的功率系统的体积也相应的增大，同时还会导致母排间的换流路径增长，增加了母排间的杂散电感。

因此，如何提供一种能够解决上述问题的二极管钳位型三电平变流器及其功率系统是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统，采用重叠放置的三层母排来连接功率系统中的各种元器件(半导体器件以及二极管器件等)，从而减小功率系统的体积，缩短换流路径的长度，降低母排间的杂散电感。本发明的另一目的是提供一种包括上述功率系统的二极管钳位型三电平变流器。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统，包括四个IGBT模块、二极管模块、用于固定四个所述IGBT模块与所述二极管模块的固定板以及用于连接四个所述IGBT模块以及所述二极管模块且能够导电的三层母排；其中：

四个所述IGBT模块与所述二极管模块设置于所述固定板的同一侧表面；

四个所述IGBT模块依次排列于第一直线上，其中，每个所述IGBT模块中的集电极与发射极的设置方向均与所述第一直线垂直；

所述二极管模块位于所述第一直线的一侧；所述二极管模块包括两个阳极以及两个阴极，其中，两个所述阳极所处的直线与所述第一直线垂直，两个所述阴极所处的直线与所述第一直线垂直；

第一层母排包括正母排、负母排以及交流输出排，其中，所述交流输出排位于所述正母排与所述负母排之间；

所述正母排与第一IGBT模块的集电极相连，所述正母排的引出端与直流侧母线电容组的正极端相连；

所述交流输出排分别与所述第二IGBT模块的发射极以及所述第三IGBT模块的集电极相连，所述交流输出排的引出端作为外部输入输出端；

所述负母排与第四IGBT模块的发射极相连，所述负母排的引出端与所述直流侧母线电容组的负极端相连；

第二层母排分别与所述二极管模块的第一阳极以及所述二极管模块的第二阴极相连，所述第二层母排包括三个引出端，其中，处于中心位置的引出端与所述直流侧母线电容组的中心端相连，剩余的两个所述引出端均作为外部输入输出端；

第三层母排包括上钳位二极管连接母排以及下钳位二极管连接母排，所述上钳位二极管连接母排分别与所述第一IGBT模块的发射极、所述第二IGBT模块的集电极以及所述二极管模块的第一阴极相连；所述下钳位二极管连接母排分别与所述第三IGBT模块的发射极、所述第四IGBT模块的集电极以及所述二极管模块的第二阳极相连；

所述第一层母排与所述第二层母排之间、所述第二层母排与所述第三层母排之间均设置有绝缘层。

优选地，四个所述IGBT模块与所述二极管模块之间的连接关系具体为：

所述二极管模块包括两个二极管，所述二极管模块的第一阴极为第一二极管的阴极，所述二极管模块的第一阳极为所述第一二极管的阳极，所述二极管模块的第二阴极为第二二极管的阴极，所述二极管模块的第二阳极为所述第二二极管的阳极；

所述第一IGBT模块的集电极与所述直流侧母线电容组的正极端相连，其公共端作为所述功率系统的正极端；所述第一IGBT模块的发射极与所述第二IGBT模块的集电极相连，其公共端与所述二极管模块的第一阴极相连；

所述第二IGBT模块的发射极与所述第三IGBT模块的集电极相连；

所述第三IGBT模块的发射极与所述第四IGBT模块的集电极相连，其公共端与所述二极管模块的第二阳极相连；

所述第四IGBT模块的发射极与所述直流侧母线电容组的负极端相连，其公共端作为所述功率系统的负极端；

所述二极管模块的第一阳极与所述二极管模块的第二阴极相连，其公共端与所述直流侧母线电容组的中心端相连。

优选地，三层所述母排的材质均为金属。

优选地，所述金属具体为铜或铝。

优选地，所述绝缘层为绝缘膜或绝缘板。

优选地，所述固定板为液冷板。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种二极管钳位型三电平变流器，包括以上任一项所述的功率系统。

本发明提供了一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统，该系统采用三层母排来连接功率系统中的各种元器件(半导体器件以及二极管器件等)，由于这三层母排在功率系统中是重叠放置的，因此减小了功率系统的体积，缩短了换流路径的长度，降低了母排间的杂散电感。本发明还提供了一种包括上述功率系统的二极管钳位型三电平变流器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统中各元器件的位置结构示意图；

图2为本发明提供的一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统中的三层母排的结构示意图；

图3为本发明提供的一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统的电路示意图；

图4为本发明提供的一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统中的第一层母排的结构示意图；

图5为本发明提供的一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统中的第二层母排的结构示意图；

图6为本发明提供的一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统中的第三层母排的结构示意图；

其中，图3中：

T1—第一IGBT模块、T2—第二IGBT模块、T3—第三IGBT模块、T4—第四IGBT模块、D1—第一二极管、D2—第二二极管。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统，采用重叠放置的三层母排来连接功率系统中的各种元器件(半导体器件以及二极管器件等)，从而减小功率系统的体积，缩短换流路径的长度，降低母排间的杂散电感。本发明的另一核心是提供一种包括上述功率系统的二极管钳位型三电平变流器。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统，参见图1和图2所示，图1为本发明提供的一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统中各器元件的位置结构示意图；图2为本发明提供的一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统中的三层母排的结构示意图。

该系统包括四个IGBT模块、二极管模块15、用于固定四个IGBT模块与二极管模块15的固定板16以及用于连接四个IGBT模块以及二极管模块15且能够导电的三层母排；其中：

四个IGBT模块与二极管模块15设置于固定板16的同一侧表面；

四个IGBT模块依次排列于第一直线上，其中，每个IGBT模块中的集电极与发射极的设置方向均与第一直线垂直；

二极管模块15位于第一直线的一侧；二极管模块15包括两个阳极以及两个阴极，其中，两个阳极所处的直线与第一直线垂直，两个阴极所处的直线与第一直线垂直；

第一层母排17包括正母排18、负母排20以及交流输出排19，其中，交流输出排19位于正母排18与负母排20之间；

正母排18与第一IGBT模块11的集电极相连，正母排18的引出端与直流侧母线电容组的正极端相连；

交流输出排19分别与第二IGBT模块12的发射极以及第三IGBT模块13的集电极相连，交流输出排19的引出端作为外部输入输出端；

负母排20与第四IGBT模块14的发射极相连，负母排20的引出端与直流侧母线电容组的负极端相连；

第二层母排21分别与二极管模块15的第一阳极以及二极管模块15的第二阴极相连，第二层母排21包括三个引出端，其中，处于中心位置的引出端与直流侧母线电容组的中心端相连，剩余的两个引出端均作为外部输入输出端；

第三层母排22包括上钳位二极管连接母排23以及下钳位二极管连接母排24，上钳位二极管连接母排23分别与第一IGBT模块11的发射极、第二IGBT模块12的集电极以及二极管模块15的第一阴极相连；下钳位二极管连接母排24分别与第三IGBT模块13的发射极、第四IGBT模块14的集电极以及二极管模块15的第二阳极相连；

第一层母排17与第二层母排21之间、第二层母排21与第三层母排22之间均设置有绝缘层。可以理解的是，这里的三层母排的设置方式是基于四个IGBT模块以及两个二极管模块15的排列结构以及连接方式决定的。

作为优选地，四个IGBT模块中的集电极均位于对应的发射极的同一侧；二极管模块15中的两个阴极也均位于对应的阳极的同一侧。

可以理解的是，当四个IGBT模块中的集电极不位于对应的发射极的同一侧时，可能会造成交流输出排19与正母排18以及负母排20之间发生重叠，上钳位二极管连接母排23与下钳位二极管连接母排24之间也可能会发生重叠，从而使功率系统的体积增大且结构复杂，并增大母排间的杂散电感，且提高了成本。

进一步可知，这里的位于同一侧可以是指四个IGBT模块中的集电极均位于对应的发射极的上方，二极管模块15中的两个阴极也均位于对应的阳极的上方；当然，本发明对此不作特别限定。

可以理解的是，这里的上方指的是当固定板16处于竖直方向且第一IGBT模块11处于第二IGBT模块12的上方时，每个IGBT模块的集电极位于对应的发射极的上方。

其中，参见图3所示，图3为本发明提供的一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统的电路示意图；四个IGBT模块与二极管模块15之间连接具体为：

二极管模块15包括两个二极管，二极管模块15的第一阴极为第一二极管的阴极，二极管模块15的第一阳极为第一二极管的阳极，二极管模块15的第二阴极为第二二极管的阴极，二极管模块15的第二阳极为第二二极管的阳极；

第一IGBT模块11的集电极与直流侧母线电容组的正极端相连，其公共端作为功率系统的正极端；第一IGBT模块11的发射极与第二IGBT模块12的集电极相连，其公共端与二极管模块15的第一阴极相连；

第二IGBT模块12的发射极与第三IGBT模块13的集电极相连；

第三IGBT模块13的发射极与第四IGBT模块14的集电极相连，其公共端与二极管模块15的第二阳极相连；

第四IGBT模块14的发射极与直流侧母线电容组的负极端相连，其公共端作为功率系统的负极端；

二极管模块15的第一阳极与二极管模块15的第二阴极相连，其公共端与直流侧母线电容组的中心端相连。

可以理解的是，由于三层母排能够导电，故通过在母排的对应位置上设置金属化通孔即可以使母排起到导线的作用，将四个IGBT模块与二极管模块15中需要相连的部分进行连接。参见图4、图5和图6所示，图4为本发明提供的一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统中的第一层母排的结构示意图；图5为本发明提供的一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统中的第二层母排的结构示意图；图6为本发明提供的一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统中的第三层母排的结构示意图；其中，图中采用黑色填充的部分表示该部分与对应的母排连接。

例如，交流输出排19分别与第二IGBT模块12的发射极以及第三IGBT模块13的集电极相连，由于交流输出排19导电，故此时第二IGBT模块12的发射极与第三IGBT模块13的集电极之间导通，其他母排的连接原理相同。

由于三层母排是重叠设置的，故减小了功率系统的体积，相比两层母排的结构，本发明的换流路径更短，减少了母排间的杂散电感，且有效抑制了IGBT模块的关断过电压，使IGBT模块的电压应力保持在IGBT模块的正常工作范围内，从而提高了功率系统内的元器件的安全性和可靠性，提高了功率密度。同时，本发明减少了吸收电路，且与四层母排的结构相比，本发明的成本更低。

其中，这里的三层母排的材质均为金属。

进一步的，这里的金属具体为铜或铝。当然，本发明对母排的材质不做特别限定，只要能够导电、且能够满足以上母排要求的材料均在本发明的保护范围之内。

另外，母排间的绝缘层为绝缘膜或绝缘板。当然，也可以采用其他形式的绝缘层，工作人员可根据实际情况选择合适形式以及合适材质的绝缘层。

其中，这里的固定板16为液冷板。当然，本发明对此不作特别限定。

进一步可知，三层母排的引出端均应设置于对应的母排的边缘处，且同时应设置于固定板16的边缘处，从而便于与对应的端口(直流侧母线电容组的正极端、负极端、中心端以及外部输入输出端)进行连接。

例如，交流输出排19的引出端应设置于交流输出排19远离二极管模块15的一侧，正母排18和负母排20的引出端可均设置于靠近二极管模块15的一侧。第二层母排21上处于中心位置的引出端由于需要与直流侧母线电容组的中心端相连，而直流侧母线电容组的中心端分别与二极管模块15的第一阳极以及二极管模块15的第二阴极相连，故为了缩短电流路径，可将该引出端设置于第二层母排21靠近二极管模块15的一侧上，第二层母排21的其余两个引出端也可设置于靠近二极管模块15的一侧上。当然，本发明对各层母排上的引出端的具体设置位置不做特别限定，工作人员可根据实际情况自行设定。

进一步的，引出端的长度可以设置为延伸至固定板16外，当然，本发明对此不作特别限定。

作为优选地，该系统还包括：

分别设置于四个IGBT模块上、且平行于对应的IGBT模块的集电极的四个驱动装置，用于连接功率系统的驱动光纤。

可以理解的是，这里的驱动装置的连接端应设置于靠近固定板16的边缘的一侧，从而便于驱动装置连接外部的驱动光纤，避免影响固定板16内部设置的电路线路，且容易进行操作和维护。当然，以上仅为优选方案，本发明对此不作过多限定。

本发明提供了一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统，该系统采用三层母排来连接功率系统中的各种元器件(半导体器件以及二极管器件等)，由于这三层母排在功率系统中是重叠放置的，因此减小了功率系统的体积，缩短了换流路径的长度，降低了母排间的杂散电感。

本发明还提供了一种二极管钳位型三电平变流器，包括上述功率系统。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种二极管钳位型三电平变流器的功率系统，其特征在于，包括四个IGBT模块、二极管模块、用于固定四个所述IGBT模块与所述二极管模块的固定板以及用于连接四个所述IGBT模块以及所述二极管模块且能够导电的三层母排；其中：

四个所述IGBT模块与所述二极管模块设置于所述固定板的同一侧表面；

四个所述IGBT模块依次排列于第一直线上，其中，每个所述IGBT模块中的集电极与发射极的设置方向均与所述第一直线垂直；

所述二极管模块位于所述第一直线的一侧；所述二极管模块包括两个阳极以及两个阴极，其中，两个所述阳极所处的直线与所述第一直线垂直，两个所述阴极所处的直线与所述第一直线垂直；

第一层母排包括正母排、负母排以及交流输出排，其中，所述交流输出排位于所述正母排与所述负母排之间；

所述正母排与第一IGBT模块的集电极相连，所述正母排的引出端与直流侧母线电容组的正极端相连；

所述交流输出排分别与所述第二IGBT模块的发射极以及所述第三IGBT模块的集电极相连，所述交流输出排的引出端作为外部输入输出端；

所述负母排与第四IGBT模块的发射极相连，所述负母排的引出端与所述直流侧母线电容组的负极端相连；

第二层母排分别与所述二极管模块的第一阳极以及所述二极管模块的第二阴极相连，所述第二层母排包括三个引出端，其中，处于中心位置的引出端与所述直流侧母线电容组的中心端相连，剩余的两个所述引出端均作为外部输入输出端；

第三层母排包括上钳位二极管连接母排以及下钳位二极管连接母排，所述上钳位二极管连接母排分别与所述第一IGBT模块的发射极、所述第二IGBT模块的集电极以及所述二极管模块的第一阴极相连；所述下钳位二极管连接母排分别与所述第三IGBT模块的发射极、所述第四IGBT模块的集电极以及所述二极管模块的第二阳极相连；

所述第一层母排与所述第二层母排之间、所述第二层母排与所述第三层母排之间均设置有绝缘层。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，四个所述IGBT模块与所述二极管模块之间的连接关系具体为：

所述二极管模块包括两个二极管，所述二极管模块的第一阴极为第一二极管的阴极，所述二极管模块的第一阳极为所述第一二极管的阳极，所述二极管模块的第二阴极为第二二极管的阴极，所述二极管模块的第二阳极为所述第二二极管的阳极；

所述第一IGBT模块的集电极与所述直流侧母线电容组的正极端相连，其公共端作为所述功率系统的正极端；所述第一IGBT模块的发射极与所述第二IGBT模块的集电极相连，其公共端与所述二极管模块的第一阴极相连；

所述第二IGBT模块的发射极与所述第三IGBT模块的集电极相连；

所述第三IGBT模块的发射极与所述第四IGBT模块的集电极相连，其公共端与所述二极管模块的第二阳极相连；

所述第四IGBT模块的发射极与所述直流侧母线电容组的负极端相连，其公共端作为所述功率系统的负极端；

所述二极管模块的第一阳极与所述二极管模块的第二阴极相连，其公共端与所述直流侧母线电容组的中心端相连。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，三层所述母排的材质均为金属。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述金属具体为铜或铝。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述绝缘层为绝缘膜或绝缘板。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固定板为液冷板。

7.一种二极管钳位型三电平变流器，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的功率系统。