CN112751496B - 一种变流器 - Google Patents

Abstract

一种变流器，其包括：变流模块，其包括若干结构相同的桥臂，这些桥臂中第一组桥臂的交流端口和第二组桥臂的交流端口分别与网侧变压器的次级线圈的两端连接；母排，其与变流模块的直流端连接，用于将变流器模块输出的直流电向外传输，其中，变流器模块中的功率芯片分别对称设置在母排直流端子的两侧，母排直流端子包括直流正极端子和直流负极端子，直流正极端子距离与其连接的功率芯片的对应端口距离相等，直流负极端子距离与其连接的功率芯片的对应端口距离相等。本变流器对并联器件换流路径(例如交流网侧电感、母排以及IGBT等)进行了参数均衡(例如电阻、电感)设计，从而通过优化全路径更好地减少了不均流现象。

Description

一种变流器

技术领域

本发明涉及变流器技术领域，具体地说，涉及一种变流器。

背景技术

随着轨道交通行业对兆瓦级大功率变流器的需求与日俱增，变流器的电压、电流和功率等级等也面临着更高的要求。为满足大功率电路设计的需求，通常选用大功率等级的IGBT通过并联的方式来满足电路要求。

然而，在IGBT并联使用时会引发一些新的问题。例如，IGBT器件受自身特性、驱动电路特性和主电路布局等的影响，将会导致流过并联IGBT的电流分配不均匀，IGBT器件可能由于过热而损坏。同时，并联的IGBT器件可能由于承受过电压、过电流或过du/dt而工作在安全工作区以外，从而导致变流器整体可靠性和寿命降低。

因此，亟需一种新的变流器来克服由于IGBT并联而引发的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种变流器，所述变流器包括：

变流模块，其包括若干结构相同的桥臂，这些桥臂中第一组桥臂的交流端口和第二组桥臂的交流端口分别与网侧变压器的次级线圈的两端连接；

母排，其与所述变流模块的直流端连接，用于将所述变流器模块输出的直流电向外传输，其中，所述变流器模块中的功率芯片分别对称设置在母排直流端子的两侧，母排直流端子包括直流正极端子和直流负极端子，所述直流正极端子距离与其连接的功率芯片的对应端口距离相等，所述直流负极端子距离与其连接的功率芯片的对应端口距离相等。

根据本发明的一个实施例，所述第一组桥臂中的各个上桥臂功率芯片的性能参数相互匹配，各个下桥臂功率芯片的性能参数相互匹配。

根据本发明的一个实施例，所述第一组桥臂中的各个上桥臂功率芯片的性能参数相等或是彼此误差在预设参数误差范围内。

根据本发明的一个实施例，所述变流模块通过输电线与所述网侧变压器连接，其中，与同一次级线圈端口连接的输电线缆紧贴走线。

根据本发明的一个实施例，与同一次级线圈端口连接的输电线缆的长度和/或围绕形状保持一致或是在预设线缆误差范围内。

根据本发明的一个实施例，所述直流正极端子和直流负极端子分别分布在不同的导体层中，并且工作时二者流过的电流方向相反。

根据本发明的一个实施例，所述直流正极端子和直流负极端子形成叠层结构。

根据本发明的一个实施例，对于所述第一组桥臂和第二组桥臂中的各个桥臂，同一桥臂中的功率芯片分布在所述母排直流端子的同侧，且在分布在所述母排直流端子两侧的桥臂数量相等。

根据本发明的一个实施例，所述直流正极端子距离与其连接的各个功率芯片的对应端口距离相等，所述直流负极端子距离与其连接的各个功率芯片的对应端口距离相等。

根据本发明的一个实施例，所述直流正极端子同与其连接的各个功率芯片的对应端口之间的电流路径最短，所述直流负极端子同与其连接的各个功率芯片的对应端口之间的电流路径最短。

本发明所提供的变流器对并联器件换流路径(例如交流网侧电感、母排以及IGBT等)进行了参数均衡(例如电阻、电感)设计，从而通过优化全路径更好地减少了不均流现象。

同时，根据母排内部器件间动态与静态换流路径，该变流器提供了提出了低感交互均流母排的结构，这种结构能够有效改善变流器各并联器件动态和静态下不均流，从而提升变流器整体应用可靠性和寿命。

该变流器的母排采用了叠层结构，这样也就使得母排具有了可重复电气性能、电感阻抗低、抗干扰能力强以及可靠性高等特点。同时，由于叠层母排中相邻的导电层流过的电流方向相反，这样也就可以使得母排能够产生相互抵消的磁场，从而大大降低了线路中的分布电感。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是不同饱和压降的IGBT输出特性比较示意图；

图2是布线不均衡时的电流分布示意图；

图3是不同开通电压时电流的分布示意图；

图4是杂散电感不同时的电流分布示意图；

图5和图6是电流动态换流方式示意图；

图7是根据本发明一个实施例的变流器的结构示意图；

图8是根据本发明一个实施例的变流器中的部分并联路径示意图；

图9是根据本发明一个实施例的输电线缆连接结构示意图；

图10是根据本发明一个实施例的IGBT分布示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种新的变流器，该变流器通过对变流器器件的换流路径进行参数均衡设计，来有效改善变流器中各并联器件的动态和静态下的不均流问题。

变流器中IGBT的并联不均流问题可以分为静态不均流和动态不均流两个方面。其中，静态不均流是指并联功率模块在流过电流稳定时所承受的电流分布不均，动态不均流则是指并联功率模块在开通和关断时刻电流变化时所承受的瞬间电流不均。

通过分析发现，造成静态电流不均衡的原因主要包括IGBT饱和压降(VCEsat)不同以及线路布局不对称导致的模块集射极连接线等的电阻差异。其中，图1示出了不同饱和压降的IGBT输出特性比较示意图，图2示出了布线不均衡时的电流分布示意图。

而造成动态电流不均衡的原因主要包括：开关电压(VGEth)不同、线路布局不对称导致的杂散电感不同、母排换流回路的杂散电感不同。其中，图3示出了不同开通电压时电流的分布示意图，图4示出了杂散电感不同时的电流分布示意图。

在不考虑唤醒过程的情况下，在任一时刻，四象限电路的四个桥臂应有两个桥臂导通。而为了避免短路，同一桥臂的上下桥臂不允许同时导通。这样四象限电路也就有4种稳态电流路径，而由于电流可以双向流动，因此四象限电路也就一共可以有8中稳态电流运行方式。

在正常控制过程中，对于一个桥臂来说同一时刻只会有一个IGBT动作，且上下管不同时导通，所以在任意一种电流运行方式下转到另一种电流运行方式会有两种选择，这样也就一共有8种动态换流路径。同时由于电流可以双向流动，因此也就一共可以有16中动态换流方式。图5和图6示出了所有电流动态换流方式示意图。

基于上述分析，本发明所提供的变流器的母排正是综合考虑了4中稳态电流路径以及8中动态换流路径，从而在保证低感的情况下，尽量保证每一种稳态电流路径和换流方式下流经并联IGBT母排的等效电感值相同。

图7示出了本实施例所提供的变流器的结构示意图。

如图7所示，本实施例所提供的变流器优选的包括：输电线缆702、变流模块703以及母排704。其中，变流模块703通过输电线缆702来与网侧变压器701连接。

变流模块703包括若干结构相同的桥臂，这些桥臂中第一组桥臂的交流端口和第二组桥臂的交流端口分别与网侧变压器的次级线圈的两端连接。母排704与变流模块703的直流端连接，其能够将变流器模块703输出的直流电向外传输。

对于输电线缆702来说，本实施例中，与同一次级线圈端口连接的输电线缆702紧贴走线。

具体地，本实施例中，与同一次级线圈端口连接的输电线缆的长度和/或围绕形状保持一致或是在预设线路误差范围内。

例如，图8所示了变流器中的部分并联路径示意图，以第一IGBT V1与第三IGBT V3并联形成的路径为例，第一IGBT V1通过输电线缆与网侧变流器的次级线圈连接，第一IGBTV1还通过母排与电容以及负载连接，三者形成了第一IGBT V1的电能传输路径(例如第一传输路径)。同样的，第三IGBT V3通过输电线缆与网侧变流器的同一次级线圈连接，第三IGBTV3还通过母排与电容以及负载连接，三者形成了第三IGBT V3的电能传输路径(例如第三传输路径)。其中，第一传输路径与第三传输路径由于其两端所连接的器件端口相同，因此第一传输路径与第三传输路径也行形成了并联结构。

类似地，本实施例中，图7中的第二IGBT V2所对应的第二传输路径与第四IGBT V4所对应的第四传输路径并联，第五IGBT V5所对应的第五传输路径与第七IGBT V7所对应的第七传输路径并联，第六IGBT V6所对应的第六传输路径与第八IGBT V8所对应的第八传输路径并联。

如图9所示，本实施例中，对于网侧变压器的次级线圈导出的输电线缆分支成两条，并分别连接到变流模块的两个对应端子。本实施例中，第一输电线缆702a与第二输电线缆702b的一端均与网侧变压器的次级线圈的同一端口连接，其另一端分别与第一桥臂和第二桥臂连接。类似地，第三输电线缆702c和第四输电线缆702d的一端均与网侧变压器的次级线圈的同一端口连接，其另一端分别与第三桥臂和第四桥臂连接。

本实施例中，第一输电线缆702a与第二输电线缆702b紧贴着走线，二者的长度和围绕形状保持一致或是基本一致。同样的，第三输电线缆702c和第四输电线缆702d紧贴着走线，二者的长度和围绕形状保持一致或是基本一致。这样也就可以消除与网侧变压器的次级线圈的同一端口连接的输电线缆的参数差异，从而改善全路径不均流现象。

本实施例中，对于图7所示的包含4个桥臂的变流模块来说，第一IGBT V1与第二IGBT V2所形成的第一桥臂以及第三IGBT V3与第四IGBT V4所形成的第二桥臂由于与网侧变压器的次级线圈的同一端口连接，因此第一桥臂与第二桥臂属于同一组桥臂(例如第一组桥臂)。而第三IGBT V3与第四IGBT V4所形成的第三桥臂以及第五IGBT V5与第六IGBTV6所形成的第六桥臂由于与网侧变压器的次级线圈的另一端口连接，因此第三桥臂与第四桥臂属于同一组桥臂(例如第二组桥臂)。

本实施例中，第一组桥臂中的各个上桥臂功率芯片的性能参数相互匹配，各个下桥臂功率芯片的性能参数相互匹配。具体地，第一组桥臂中的各个上桥臂功率芯片(例如第一IGBT V1和第三IGBT V3)的性能参数可以相等或是彼此误差在预设参数误差范围内，第一组桥臂中的下桥臂功率芯片(例如第二IGBT V2和第四IGBT V4)的性能参数同样可以相等或是彼此误差在预设参数误差范围内。同样的，第二组桥臂中的各个上桥臂功率芯片(例如第五IGBT V5和第七IGBT V7)的性能参数相等或是彼此误差在预设参数误差范围内，第二组桥臂中的下桥臂功率芯片(例如第六IGBT V6和第八IGBT V8)的性能参数相等或是彼此误差在预设参数误差范围内。

本实施例中，变流器模块中的功率芯片分别对称设置在母排704的母排直流端子的两侧。具体地，母排直流端子可以包括直流正极端子和直流负极端子，直流正极端子距离与其连接的功率芯片的对应端口距离相等或是近似相等，直流负极端子距离与其连接的功率芯片的对应端口距离相等或是近似相等。

需要指出的是，本实施例中，在保证直流正极端子距离与其连接的功率芯片的对应端口距离相等或是近似相等，直流负极端子距离与其连接的功率芯片的对应端口距离相等或是近似相等的同时，直流正极端子距离与其连接的功率芯片的对应端口之间的电流路径还最短，同时直流负极端子距离与其连接的功率芯片的对应端口之间的电流路径也最短。这样也就可以使得负载同一接口与其对应的IGBT之间的母排等效电阻相等。

例如，本实施例中，第一IGBT V1、第三IGBT V3、第五IGBT V5以及第七IGBT V7的集电极均通过直流母排来与负载的同一端口连接，第二IGBT V2、第四IGBT V4、第六IGBTV6以及第八IGBT V8的发射极均通过直流母排来与负载的另一端口连接，此时第一IGBT V1的集电极与负载之间的母排等效电阻L1、第三IGBT V3的集电极与负载之间的母排等效电阻L3、第五IGBT V5的集电极与负载之间的母排等效电阻L5以及第五IGBT V7的集电极与负载之间的母排等效电阻L7相等。类似的，第而IGBT V2的发射极与负载之间的母排等效电阻L2、第四IGBT V3的发射极与负载之间的母排等效电阻L4、第六IGBT V6的发射极与负载之间的母排等效电阻L6以及第八IGBT V8的发射极与负载之间的母排等效电阻L8相等。

如图10所示，对于本实施例中变流模块703所包含的8个IGBT来说，第一IGBT V1、第二IGBT V2、第五IGBT V5以及第六IGBT V6分布在母排直流端子的一侧，而第三IGBT V3、第四IGBT V4、第七IGBT V7以及第八IGBT V8则分布在母排直流端子的另一侧。

本实施例中，直流正极端子和直流负极端子分别分布在不同的导体层中，并且工作时二者流过的电流方向相反。同时，优选地，本实施例中，对于第一组桥臂(例如通过电感与网侧变压器的次级线圈的第一端口连接的桥臂)和第二组桥臂(例如通过电感与网侧变压器的次级线圈的第二端口连接的桥臂)中的各个桥臂，同一桥臂中的功率芯片分布在母排直流端子的同侧，且在分布在母排直流端子两侧的桥臂数量相等。

例如，第一IGBT V1和第二IGBT V2属于同一桥臂，因此这两个IGBT分布在母排直流端子的同侧。类似地，第三IGBT V3与第四IGBT V4同样属于同一桥臂，因此这两个IGBT分布在母排直流端子的同侧。

本实施例中，直流正极端子4与直流负极端子5优选地形成叠层结构。例如，直流正极端子4与直流负极端子5形成在不同的介质层中。需要指出的是，本发明并不对直流正极端子4与直流负极端子5彼此之间的位置关系进行限定，在本发明的不同实施例中，根据实际需要，既可以直流正极端子4处于直流负极端子5上方，也可以直流负极端子5处于直流正极端子4。

从上述描述中可以看出，本发明所提供的变流器对并联器件换流路径(例如交流网侧电感、母排以及IGBT等)进行了参数均衡(例如电阻、电感)设计，从而通过优化全路径更好地减少了不均流现象。

同时，根据母排内部器件间动态与静态换流路径，该变流器提供了提出了低感交互均流母排的结构，这种结构能够有效改善变流器各并联器件动态和静态下不均流，从而提升变流器整体应用可靠性和寿命。

该变流器的母排采用了叠层结构，这样也就使得母排具有了可重复电气性能、电感阻抗低、抗干扰能力强以及可靠性高等特点。同时，由于叠层母排中相邻的导电层流过的电流方向相反，这样也就可以使得母排能够产生相互抵消的磁场，从而大大降低了线路中的分布电感。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (6)

1.一种变流器，其特征在于，所述变流器包括：

变流模块，其包括若干结构相同的桥臂，这些桥臂中第一组桥臂的交流端口和第二组桥臂的交流端口分别与网侧变压器的次级线圈的两端连接；

母排，其与所述变流模块的直流端连接，用于将所述变流器模块输出的直流电向外传输，其中，所述变流器模块中的功率芯片分别对称设置在母排直流端子的两侧，母排直流端子包括直流正极端子和直流负极端子，所述直流正极端子和直流负极端子形成叠层结构，所述直流正极端子距离与其连接的各个功率芯片的对应端口之间的距离相等且电流路径最短，所述直流负极端子距离与其连接的各个功率芯片的对应端口之间的距离相等且电流路径最短，其中，

对于所述第一组桥臂和第二组桥臂中的各个桥臂，同一组桥臂中的不同桥臂对称分布在所述母排直流端子的两侧，以及同一桥臂中的不同功率芯片分布在所述母排直流端子的同侧，且在分布在所述母排直流端子两侧的桥臂数量相等。

2.如权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述第一组桥臂中的各个上桥臂功率芯片的性能参数相互匹配，各个下桥臂功率芯片的性能参数相互匹配。

3.如权利要求2所述的变流器，其特征在于，所述第一组桥臂中的各个上桥臂功率芯片的性能参数相等或是彼此误差在预设参数误差范围内。

4.如权利要求1~3中任一项所述的变流器，其特征在于，所述变流模块通过输电线与所述网侧变压器连接，其中，与同一次级线圈端口连接的输电线缆紧贴走线。

5.如权利要求4所述的变流器，其特征在于，与同一次级线圈端口连接的输电线缆的长度和/或围绕形状保持一致或是在预设线缆误差范围内。

6.如权利要求1~3中任一项所述的变流器，其特征在于，所述直流正极端子和直流负极端子分别分布在不同的导体层中，并且工作时二者流过的电流方向相反。

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