CN106385163A - 基于非对称型igct的相功率单元和h桥链节结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于非对称型IGCT的相功率单元，其中第一非对称型IGCT的阳极与第一续流二极管的阴极连接，且其联接点连接至该相功率单元的直流正端口，第一非对称型IGCT的阴极与第一续流二极管的阳极连接，第二非对称型IGCT的阳极与第二续流二极管的阴极连接，第二非对称型IGCT的阴极与第二续流二极管的阳极连接，且其联接点连接至该相功率单元的直流负端口，第一非对称型IGCT的阴极与第一续流二极管的阳极的联接点、第二非对称型IGCT的阳极与第二续流二极管的阴极的联接点均连接至该相功率单元的交流端口。相应地，还提供一种包括上述相功率单元的H桥链节结构。本发明所述相功率单元和H桥链节结构的功率回路顺畅且结构布局紧凑。

Description

基于非对称型IGCT的相功率单元和H桥链节结构

技术领域

本发明涉及柔性输配电技术领域，具体涉及一种基于非对称型IGCT的相功率单元和一种基于非对称型IGCT的H桥链节结构。

背景技术

IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)是一种基于GTO(Gate Turn-off Thyristor，门极可断晶闸管)的新型大功率半导体器件，其中的门极回路电感很低从而能实现各阴极发射极准同步关断。该半导体器件综合了晶闸管通态损耗低和晶体管的均匀关断特性，具有良好的可制造性及高可靠性，功率容量比GTO更大，工作频率比GTO更高，还具有GTO高阻断能力和低通态压降特性，以及和IGBT相同的开关性能，因而是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。

其中，非对称型IGCT具有耐压等级高、容量大的优点，因此多个非对称型IGCT能构成转换容量更大的功率组件。然而，目前行业内没有针对非对称型IGCT设计的相功率单元和H桥链节结构，而且行业内基于非对称型IGCT设计的功率链节单元存在布局不合理，功率流回路混乱，结构布局不紧凑等问题，不利于推广应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种功率回路顺畅且结构布局紧凑的基于非对称型IGCT的相功率单元和H桥链节结构。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于非对称型IGCT的相功率单元，其包括第一非对称型IGCT、第二非对称型IGCT，第一续流二极管和第二续流二极管，

其中，所述第一非对称型IGCT的阳极与所述第一续流二极管的阴极连接，所述第一非对称型IGCT的阴极与所述第一续流二极管的阳极连接，所述第二非对称型IGCT的阳极与所述第二续流二极管的阴极连接，所述第二非对称型IGCT的阴极与所述第二续流二极管的阳极连接，且所述第一非对称型IGCT的阳极与所述第一续流二极管的阴极的联接点连接至该相功率单元的直流正端口，所述第二非对称型IGCT的阴极与所述第二续流二极管的阳极的联接点连接至该相功率单元的直流负端口，所述第一非对称型IGCT的阴极与所述第一续流二极管的阳极的联接点、所述第二非对称型IGCT的阳极与所述第二续流二极管的阴极的联接点均连接至该相功率单元的交流端口。

优选地，所述相功率单元采用阀堆压接的方式形成，其还包括设置在开关器件之间的散热器以及设置在散热器最外侧的绝缘垫，所述散热器与其本身压接的开关器件具有相同的电气特性。

优选地，所述散热器的形状与其本身压接的开关器件的形状相同。

优选地，所述散热器采用五个，分别为第一至第五散热器，所述绝缘垫采用两个，分别为第一和第二绝缘垫，每个散热器均具有用于电连接的输出铜牌，

其中，所述第一散热器分别与所述第一绝缘垫、所述第一非对称型IGCT的阴极连接，所述第二散热器分别与所述第一非对称型IGCT的阳极、所述第一续流二极管的阴极连接，所述第三散热器分别与所述第一续流二极管的阳极、所述第二续流二极管的阴极连接，所述第四散热器分别与所述第二续流二极管的阳极、所述第二非对称型IGCT的阴极连接，所述第五散热器分别与所述第二非对称型IGCT的阳极、所述第二绝缘垫连接，且所述第一散热器、所述第三散热器和所述第五散热器的输出铜牌并联在一起形成所述交流端口，所述第二散热器的输出铜牌作为所述直流正端口，所述第四散热器的输出铜牌作为所述直流负端口。

优选地，所述非对称型IGCT包括门极换流晶闸管、门极驱动电路和隔离变压器。

本发明还提供一种基于非对称型IGCT的H桥链节结构，其包括依次连接的第一相功率单元、第一箝位保护单元、母线电容、放电电阻、第二箝位保护单元和第二相功率单元，所述第一相功率单元还连接至该H桥链节结构的第一交流端口，所述第二相功率单元还连接至该H桥链节结构的第二交流端口，

其中，所述第一相功率单元和所述第二相功率单元均采用上述相功率单元，且二者呈镜像布置。

优选地，所述第一箝位保护单元和所述第二箝位保护单元的结构相同且呈镜像布置。

优选地，所述第一箝位保护单元包括缓冲电感、箝位二极管、箝位电容和箝位电阻，

其中，所述缓冲电感的两端分别连接至该第一箝位保护单元的第一直流正端口、第二直流正端口，所述箝位二极管的阳极连接至该第一箝位保护单元的第一直流正端口，其阴极分别与所述箝位电阻的一端、所述箝位电容的一端连接，所述箝位电阻的另一端连接至该第一箝位保护单元的第二直流正端口，所述箝位电容的另一端连接至该第一箝位保护单元的直流负端口，

所述第一箝位保护单元的第一直流正端口与所述第一相功率单元的直流正端口连接，所述第一箝位保护单元的直流负端口分别与所述第一相功率单元的直流负端口、所述母线电容的负极连接，所述第一箝位保护单元的第二直流正端口与所述母线电容的正极连接，所述放电电阻与所述母线电容并联，所述第二箝位保护单元的第一直流正端口与所述第二相功率单元的直流正端口连接，所述第二箝位保护单元的直流负端口分别与所述第二相功率单元的直流负端口、所述母线电容的负极连接，所述第二箝位保护单元的第二直流正端口与所述母线电容的正极连接。

优选地，所述第一交流端口为交流输入端口，所述第二交流端口为交流输出端口。

优选地，所述H桥链节结构还包括旁路开关，其两端分别连接至所述第一交流端口、所述第二交流端口，或者，所述第一交流端口为交流输出端口，所述第二交流端口为交流输入端口。

有益效果：

1)本发明所述基于非对称型IGCT的相功率单元采用独特的阀堆压接方式形成，在保证所形成的相功率单元充分散热的前提下，节省了其中散热器的数量，因而能缩小该相功率单元的体积，从而能节约系统成本，提高经济效益。

2)本发明所述基于非对称型IGCT的H桥链节结构采用相功率单元镜像布置的布局方式，使得该链节结构的功率流回路顺畅，结构布局紧凑，在提高产品可靠性的同时也便于该链节结构的维护、测试及安装，能够应用到更大容量、更高功率等级的电力电子装置系统中，从而解决了目前行业内没有针对非对称型IGCT设计的H桥链节结构的问题，也解决了目前针对非对称型IGCT设计的功率链节单元存在的布局不合理，功率流回路混乱，结构设计不紧凑等问题。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的相功率单元的电路图；

图2为本发明实施例1提供的IGCT的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的续流二极管的结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的散热器的结构示意图；

图5为本发明实施例1提供的相功率单元的阀堆压接示意图；

图6为本发明实施例2提供的基于非对称型IGCT的H桥链节结构的电路图；以及

图7为本发明实施例2提供的第一箝位保护单元的电路图。

图中：100－第一相功率单元；111－第一绝缘垫；112－第二绝缘垫；12－散热器；121－第一散热器；122－第二散热器；123－第三散热器；124－第四散热器；125－第五散热器；200－第一箝位保护单元；201－缓冲电感；202－箝位二极管；203－箝位电容；204－箝位电阻；300－母线电容；400－放电电阻；500－第二箝位保护单元；600－第二相功率单元；700－旁路开关。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

在下述实施例中，为描述方便，可将非对称型IGCT简称为IGCT，则IGCT 1表示第一非对称型IGCT，IGCT 2表示第二非对称型IGCT；可将续流二极管简称为Diode，则Diode 1表示第一续流二极管，Diode 2表示第二续流二极管；可将交流端口简称为AC，则AC1表示第一交流端口，AC2表示第二交流端口；可将直流正端口简称为DC+，直流负端口简称为DC-，则1DC+表示第一直流正端口，2DC+表示第二直流正端口。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种基于非对称型IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)的相功率单元，包括IGCT 1、IGCT 2，Diode 1和Diode 2。

其中，IGCT 1的阳极(即，A极)与Diode 1的阴极(即K极)连接，IGCT 1的阴极(即K极)与Diode 1的阳极(即，A极)连接，IGCT 2的阳极与Diode 2的阴极连接，IGCT 2的阴极与Diode 2的阳极连接，且IGCT 1的阳极与Diode 1的阴极的联接点连接至该相功率单元的用于直流接入的DC+，IGCT 2的阴极与Diode 2的阳极的联接点连接至该相功率单元的用于直流接入的DC-，IGCT 1的阴极与Diode 1的阳极的联接点、IGCT 2的阳极与Diode 2的阴极的联接点均连接至该相功率单元的用于交流接入的AC。

IGCT 1和IGCT 2的结构如图2所示，Diode 1和Diode 2的结构如图3所示，因非对称型IGCT正向能承受较高的电压，而反向只能承受20v左右的电压，为了保护非对称型IGCT不被损坏，使用时可反并联续流二极管。具体地，非对称型IGCT包括门极换流晶闸管(GCT，Gate Commutated Thyristors)、与GCT配套的门极驱动电路(即，图2中的Gate Driver Circuit)，以及用于为门极驱动电路供电的隔离变压器(图2中未示出)。

优选地，相功率单元采用阀堆压接的方式形成，其还包括设置在开关器件(即IGCT和Diode)之间的用于散热的散热器以及设置在散热器最外侧的用于电气隔离的绝缘垫；而且，散热器与其本身压接的开关器件具有相同的电气特性。

其中，散热器的形状与其本身压接的开关器件的形状相同，便于可靠压接，且形成的相功率单元结构紧凑。如图4所示，散热器12可采用圆饼形结构，相应地，开关器件也采用圆饼形结构，则采用阀堆压接方式形成的相功率单元为圆柱体结构。

优选地，散热器采用液冷方式进行散热，其上设置有一进一出两个冷却接头(即如4中与圆饼状结构相接的两个凸起状结构)，用于流通冷却介质，而且，散热器的冷却介质具有不导电的特性。

如图5所示，相功率单元中的散热器可采用五个，分别为第一散热器121、第二散热器122、第三散热器123、第四散热器124和第五散热器125，绝缘垫可采用两个，分别为第一绝缘垫111和第二绝缘垫112。需要说明的是，每个散热器均具有用于电连接的输出铜牌。

其中，第一散热器121分别与第一绝缘垫111、IGCT 1的阴极连接，第二散热器122分别与IGCT 1的阳极、Diode 1的阴极连接，第三散热器123分别与Diode 1的阳极、Diode 2的阴极连接，第四散热器124分别与Diode 2的阳极、IGCT 2的阴极连接，第五散热器125分别与IGCT 2的阳极、第二绝缘垫112连接，且第一散热器121、第三散热器123、第五散热器125的输出铜牌并联在一起形成该相功率单元的AC，第二散热器122的输出铜牌作为该相功率单元的DC+，第四散热器124的输出铜牌作为该相功率单元的DC-。

本发明实施例中，对于相功率单元的阀堆压接的顺序不做限制，例如可以为沿图5中自上而下的顺序，或者沿图5中自下而上的顺序，也可以为从中间至两端的顺序等。

可以看出，本实施例详细说明了相功率单元阀堆压接的器件布局及安装顺序，解决了目前行业内缺乏针对相功率单元中开关器件的极性，以及IGCT与Diode配合压接关系的详细描述的问题，本实施例通过一种全新的压接组合方式，在保证所形成的相功率单元充分散热的前提下，节省了其中散热器的数量，因而能缩小该相功率单元的体积，从而能节约系统成本，提高经济效益。

实施例2：

如图6所示，本实施例提供一种基于非对称型IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)的H桥链节结构，其包括依次连接的第一相功率单元100、第一箝位保护单元200、母线电容300、放电电阻400、第二箝位保护单元500和第二相功率单元600，其中第一相功率单元100还连接至该H桥链节结构的AC1，第二相功率单元600还连接至该H桥链节结构的AC2。其中，第一相功率单元和第二相功率单元可采用实施例1所述的相功率单元，即二者结构相同，且二者优选呈镜像布置。

其中，AC1可以为交流输入端口，AC2可以为交流输出端口，反之亦可，即，AC1可以为交流输出端口，AC2可以为交流输入端口。

可以看出，本实施例中的两个相功率单元分设在该H桥链节结构的两端，并呈镜像布置，以使得该H桥链节结构的设计简单、清晰，各器件摆放布局明朗，而且该H桥链节结构的电路结构及性能完整，且单元化的设计便于安装及维护。

优选地，第一箝位保护单元200和第二箝位保护单元500的结构相同且呈镜像布置，进一步使得该H桥链节结构的设计简单、清晰，各器件摆放布局明朗。

具体地，如图7所示，第一箝位保护单元200包括缓冲电感201、箝位二极管202、箝位电容203和箝位电阻204。

其中，缓冲电感201的两端分别连接至第一箝位保护单元200的用于直流接入的1DC+和2DC+，箝位二极管202的阳极连接至第一箝位保护单元200的1DC+，其阴极分别与箝位电阻204的一端、箝位电容203的一端连接，箝位电阻204的另一端连接至第一箝位保护单元200的2DC+，箝位电容203的另一端连接至第一箝位保护单元200的用于直流接入的DC-，第一箝位保护单元200的1DC+与第一相功率单元100的DC+连接，第一箝位保护单元200的DC-分别与第一相功率单元100的DC-、母线电容300的负极连接，第一箝位保护单元200的2DC+与母线电容300的正极连接，放电电阻400与母线电容300并联，第二箝位保护单元500的1DC+与第二相功率单元600的DC+连接，第二箝位保护单元500的DC-分别与第二相功率单元600的DC-、母线电容300的负极连接，第二箝位保护单元500的2DC+与母线电容300的正极连接。而第二箝位保护单元500具体结构与第一箝位保护单元200相同，故省略其描述。

本实施例中，第一箝位保护单元200和第二箝位保护单元500的作用均是抑制该H桥链节结构中的开关器件通/断时产生的过电压和过电流，吸收和消耗通/断时的能量。其中，缓冲电感用于抑制开关器件开通时产生的过电流di/dt的大小，箝位电容用于吸收开关器件关断时产生的过电压dv/dt，钳位二极管用于为过电压吸收和电抗器续流提供通路，箝位电阻用于消耗、吸收箝位电感上的储能以及提供能量回馈的路径。

此外，如图6所示，该H桥链节结构还可包括旁路开关700，其两端分别连接至AC1和AC2，以使其并接在AC1与AC2之间，具备旁路功能。

综上所述，本实施例提供的上述基于非对称型IGCT的H桥链节结构相比于现有技术具有布局合理，功率回路顺畅及结构布局紧凑等优势。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于非对称型IGCT的相功率单元，其特征在于，所述相功率单元包括第一非对称型IGCT、第二非对称型IGCT，第一续流二极管和第二续流二极管，

其中，所述第一非对称型IGCT的阳极与所述第一续流二极管的阴极连接，所述第一非对称型IGCT的阴极与所述第一续流二极管的阳极连接，所述第二非对称型IGCT的阳极与所述第二续流二极管的阴极连接，所述第二非对称型IGCT的阴极与所述第二续流二极管的阳极连接，且所述第一非对称型IGCT的阳极与所述第一续流二极管的阴极的联接点连接至该相功率单元的直流正端口，所述第二非对称型IGCT的阴极与所述第二续流二极管的阳极的联接点连接至该相功率单元的直流负端口，所述第一非对称型IGCT的阴极与所述第一续流二极管的阳极的联接点、所述第二非对称型IGCT的阳极与所述第二续流二极管的阴极的联接点均连接至该相功率单元的交流端口。

2.根据权利要求1所述的相功率单元，其特征在于，所述相功率单元采用阀堆压接的方式形成，其还包括设置在开关器件之间的散热器以及设置在散热器最外侧的绝缘垫，所述散热器与其本身压接的开关器件具有相同的电气特性。

3.根据权利要求2所述的相功率单元，其特征在于，所述散热器的形状与其本身压接的开关器件的形状相同。

4.根据权利要求2所述的相功率单元，其特征在于，所述散热器采用五个，分别为第一至第五散热器，所述绝缘垫采用两个，分别为第一和第二绝缘垫，每个散热器均具有用于电连接的输出铜牌，

其中，所述第一散热器分别与所述第一绝缘垫、所述第一非对称型IGCT的阴极连接，所述第二散热器分别与所述第一非对称型IGCT的阳极、所述第一续流二极管的阴极连接，所述第三散热器分别与所述第一续流二极管的阳极、所述第二续流二极管的阴极连接，所述第四散热器分别与所述第二续流二极管的阳极、所述第二非对称型IGCT的阴极连接，所述第五散热器分别与所述第二非对称型IGCT的阳极、所述第二绝缘垫连接，且所述第一散热器、所述第三散热器和所述第五散热器的输出铜牌并联在一起形成所述交流端口，所述第二散热器的输出铜牌作为所述直流正端口，所述第四散热器的输出铜牌作为所述直流负端口。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的相功率单元，其特征在于，所述非对称型IGCT包括门极换流晶闸管、门极驱动电路和隔离变压器。

6.一种基于非对称型IGCT的H桥链节结构，其特征在于，所述H桥链节结构包括依次连接的第一相功率单元、第一箝位保护单元、母线电容、放电电阻、第二箝位保护单元和第二相功率单元，所述第一相功率单元还连接至该H桥链节结构的第一交流端口，所述第二相功率单元还连接至该H桥链节结构的第二交流端口，

其中，所述第一相功率单元和所述第二相功率单元均采用权利要求1-5中任一项所述的相功率单元，且二者呈镜像布置。

7.根据权利要求6所述的H桥链节结构，其特征在于，所述第一箝位保护单元和所述第二箝位保护单元的结构相同且呈镜像布置。

8.根据权利要求7所述的H桥链节结构，其特征在于，

所述第一箝位保护单元包括缓冲电感、箝位二极管、箝位电容和箝位电阻，

其中，所述缓冲电感的两端分别连接至该第一箝位保护单元的第一直流正端口、第二直流正端口，所述箝位二极管的阳极连接至该第一箝位保护单元的第一直流正端口，其阴极分别与所述箝位电阻的一端、所述箝位电容的一端连接，所述箝位电阻的另一端连接至该第一箝位保护单元的第二直流正端口，所述箝位电容的另一端连接至该第一箝位保护单元的直流负端口，

所述第一箝位保护单元的第一直流正端口与所述第一相功率单元的直流正端口连接，所述第一箝位保护单元的直流负端口分别与所述第一相功率单元的直流负端口、所述母线电容的负极连接，所述第一箝位保护单元的第二直流正端口与所述母线电容的正极连接，所述放电电阻与所述母线电容并联，所述第二箝位保护单元的第一直流正端口与所述第二相功率单元的直流正端口连接，所述第二箝位保护单元的直流负端口分别与所述第二相功率单元的直流负端口、所述母线电容的负极连接，所述第二箝位保护单元的第二直流正端口与所述母线电容的正极连接。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的H桥链节结构，其特征在于，所述第一交流端口为交流输入端口，所述第二交流端口为交流输出端口，或者，所述第一交流端口为交流输出端口，所述第二交流端口为交流输入端口。

10.根据权利要求6-8中任一项所述的H桥链节结构，其特征在于，所述H桥链节结构还包括旁路开关，其两端分别连接至所述第一交流端口、所述第二交流端口。