CN115189553A - 一种适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法 - Google Patents

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武振华
张书明
任高飞
岳耀辉
郭晓星
于少英
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Abstract

本发明提供一种适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法；模块化功率单元由功率单元模块、电容模块组成；功率单元模块包含两个小体积功率模块、功率单元外壳及控制电路板金属腔体；功率单元主电路采用单相PWM整流和单相H桥逆变；采用该模块化功率单元的四象限高压变频系统变压器二次绕组结构简单，并更高效的实现四象限H桥级联多电平高压变频系统无功率单元输入电抗器设计，同时实现将整流、逆变IGBT功率模块对称布置在两个小体积功率模块，极大降低了功率单元设计复杂程度，提升了功率单元模块化水平；是一种高可靠、低成本的模块化功率单元及方法。

Description

一种适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法
技术领域
本发明属于四象限H桥级联多电平高压变频系统技术领域，具体涉及一种适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法。
背景技术
在四象限H桥级联多电平高压变频系统中，功率单元的设计直接影响整个高压变频器系统的成本、可靠性、兼容性、便于维护性等关键因素。
目前应用于四象限H桥级联多电平高压变频系统常用的功率单元原理如图1所示。高压变频器的多绕组移相变压器T1通过多个三相输出的延边三角形二次绕组Ux、Vx、Wx将输入的三相高压电源隔离、降压、移相后分别供给每个功率单元，多绕组移相变压器二次绕组与功率单元之间串联三相功率单元输入电抗器Lnx以实现四象限PWM整流控制；四象限H桥级联多电平高压变频功率单元的整流电路一般采用三相PWM整流，逆变电路采用单相H桥逆变；整流电路直流输出侧和逆变电路直流输入侧与直流支撑电容C相连，电阻R用于对电容放电。单元控制电路板通过整流IGBT驱动板、逆变IGBT驱动板分别对功率单元的整流、逆变IGBT功率模块控制。
在四象限H桥级联多电平高压变频系统中，对高压变频系统成本影响较大的主要为多绕组移相变压器、功率单元输入三相电抗器和功率单元的IGBT功率模块。对多绕组移相变压器来说，采用多个三相输出的延边三角形二次绕组设计需使用更多的金属和绝缘材料，更复杂的绕制工艺，对变压器成本造成明显影响。对功率单元输入电抗器来说，因每个功率单元均需一个输入三相电抗器，以6KV四象限H桥级联多电平高压变频系统为例，按每相5级功率单元，则需15个三相输入电抗器，不仅明显影响高压变频系统成本，而且不利于减小变频系统的体积。对功率单元来说，三相PWM整流需使用3个半桥IGBT功率模块，不仅IGBT功率模块数量较多，整流、逆变IGBT驱动电路板不能通用，且功率单元设计时需考虑更多部件的安全距离，使用更多的金属连接件及绝缘件，较明显影响功率单元成本、体积及复杂程度。
目前H桥级联多电平高压变频系统的功率单元主要有两种设计方法：一体式的功率单元和功率模块与电容分离的功率单元。一体式的功率单元为将功率单元关键部件设计为一个整体，也就是将功率单元的三相整流功率模块和H桥逆变功率模块布置在一个散热器上，然后将包含支撑电容在内的其余关键部件和散热器设计在一个腔体中，形成一体式的功率单元，从而较容易实现部分关键主功率金属连接件低杂散电感效果，提高功率单元的可靠性。功率模块与电容分离的功率单元为将功率单元的三相整流功率模块和H桥逆变功率模块布置在一个散热器上，并将支撑电容之外的其余部件和散热器设计在一个腔体，形成一个功率模块，然后通过直流金属连接件与支撑电容相连，实现支撑电容与功率模块可分离，降低功率模块的重量和体积。
一体式的功率单元因一个散热器上安装功率元器件过多，造成其装配过程复杂，功率单元庞大笨重而不利于搬运、装配，维护成本较高，同时存在不利于模块化生产，不利于提高散热能力，兼容性低。功率模块与电容分离的功率单元虽然一定程度上减小了功率模块的体积和重量，但因功率单元内整流和逆变功率模块数量较多，布置在一个散热器后形成的功率模块体积和重量仍然比较大，功率模块与支撑电容之间的主功率金属连接件距离较长，较难实现关键直流金属连接件低杂散电感效果，影响功率单元的可靠性。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种低成本、高可靠、兼容性强、便于维护的适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法。
本发明的技术方案为：适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法，所述的模块化功率单元由功率单元模块和电容模块组成；所述的功率单元模块和电容模块前后布置，功率单元模块在前，电容模块在后；所述的功率单元模块包含一个左侧小体积功率模块和一个右侧小体积功率模块；所述的两个小体积功率模块分别包含左侧散热器和右侧散热器；所述的左侧散热器和右侧散热器的散热面对称布置有单相PWM整流模块和单相H桥逆变模块；所述的单相PWM整流模块和单相H桥逆变模块分别采用单相PWM整流电路和单相H桥逆变电路；所述的单相PWM整流模块包含第一单相PWM整流模块和第二单相PWM整流模块；所述的单相H桥逆变模块包含第一单相H桥逆变模块和第二单相H桥逆变模块；所述的第一单相PWM整流模块和第一单相H桥逆变模块布置在左侧散热器；所述的第二单相PWM整流模块和第二单相H桥逆变模块布置在右侧散热器；所述的单相PWM整流模块布置在散热器下部；所述的单相H桥逆变模块布置在散热器上部。
所述的单相PWM整流模块通过交流输入金属连接件与交流输入金属连接端子相连接，通过直流输出金属连接件与直流输出金属连接端子相连接；所述的交流输入金属连接件为铝排、铜排或电缆；所述的直流输出金属连接件为铜或铝的叠层复合母排、铜排或铝排；所述的交流输入金属连接端子包含第一交流输入金属连接端子和第二交流输入金属连接端子；所述的直流输出金属连接端子包含第一直流输出金属连接端子和第二直流输出金属连接端子；所述的第一交流输入金属连接端子和第二交流输入金属连接端子分别与变频系统的多绕组变压器二次单相输出绕组两端相连接；所述的多绕组变压器二次绕组采用单相绕组，绕组间无移相要求，不采用结构复杂的延边三角形三相输出绕组，同时通过增加多绕组变压器二次绕组阻抗来代替功率单元三相输入电抗器，实现四象限H桥级联多电平高压变频系统无功率单元输入电抗器。
所述的单相H桥逆变模块通过直流输入金属连接件与直流输入金属连接端子相连接，通过交流输出金属连接件与交流输出金属连接端子相连接；所述的交流输出金属连接件为铝排或铜排；所述的直流输入金属连接件为铜或铝的叠层复合母排；所述的直流输入金属连接端子包含第一直流输入金属连接端子和第二直流输入金属连接端子；所述的交流输出金属连接端子包含第一交流输出金属连接端子和第二交流输出金属连接端子；所述的第一交流输入金属连接端子和第一直流输出金属连接端子安装在左侧小体积功率模块；所述的第二交流输入金属连接端子和第二直流输出金属连接端子安装在右侧小体积功率模块。
所述的单相PWM整流模块和单相H桥逆变模块由半桥封装IGBT功率模块构成；所述的半桥封装IGBT功率模块正负端子安装突波吸收电容；所述的半桥封装IGBT功率模块可根据变频器容量需求采用非并联或并联结构。
所述IGBT功率模块采用62mm封装或EconoDUAL半桥封装IGBT功率模块。
所述的功率单元的电容模块包含由若干单体金属膜电容组成的电容组；所述的电容组通过电容金属连接件分别与直流输出金属连接端子和直流输入金属连接端子相连接；所述的电容组的底部设置有电容组底座，电容组底座在电容组的底部对其进行支撑；所述的放电电阻布置在电容组底座的后方；所述的放电电阻通过电缆与电容组的正负端子相连接。
所述的功率单元模块包括功率单元外壳；所述的小体积功率模块对称立式安装在功率单元外壳内部两侧，其中小体积功率模块的左右两侧散热器的散热面相对安装；所述的功率单元外壳在800KVA以下容量的四象限级联型变频系统中优选绝缘材质以利于减小功率单元之间绝缘距离要求，从而减小高压变频系统的体积；所述的功率单元外壳在800KVA以上容量的四象限级联型变频系统中优选金属材质以利于屏蔽高压变频系统的电磁干扰。
所述的功率单元模块包含控制电路板金属腔体；所述的控制电路板金属腔体安装在功率单元外壳的外侧；所述的控制电路板金属腔体的内部设置有单元控制电路板、电源电路板、整流IGBT驱动板、逆变IGBT驱动板；所述的控制电路板金属腔体内的电路板之间通过排线连接；所述的整流IGBT驱动板、逆变IGBT驱动板与单相PWM整流IGBT功率模块、单相H桥逆变IGBT功率模块之间通过电缆连接；所述的整流IGBT驱动板、逆变IGBT驱动板通用，可相互替换。
本发明的有益效果：
（1）四象限H桥级联多电平高压变频系统采用上述的模块化功率单元及方法，可实现变频器的多绕组变压器二次绕组由原来的延边三角形三相输出简化为单相输出，且变压器二次侧绕组间无移相角要求，不仅极大简化了多绕组变压器的绕组结构及制作工艺，而且使通过增加多绕组变压器二次绕组阻抗来代替输入电抗器的设计方法更简单，较容易的实现四象限H桥级联多电平高压变频系统无需价格昂贵的功率单元输入电抗器，简化了四象限高压变频主功率电路，对降低四象限H桥级联多电平高压变频系统成本及体积有明显优势。
（2）采用上述的模块化功率单元及方法，不仅减少功率单元整流IGBT功率模块数量和成本，而且减少了功率单元金属连接件和绝缘件使用数量，降低了功率单元设计复杂程度，在一定功率范围的四象限H桥级联多电平高压变频应用中，对降低变频器功率单元成本和体积有明显优势。
（3）采用上述的模块化功率单元及方法，较容易的实现将功率单元的单相PWM整流模块和单相H桥逆变模块对称布置在两个小体积散热器，提升了功率单元模块化、标准化程度，提高了功率单元中通用金属连接件的比例，便于功率单元生产和维护，且整流、逆变IGBT驱动板通用，对降低功率单元成本有明显优势。
（4）采用上述的模块化功率单元及方法，可明显减小单个功率模块的体积，易于实现功率模块与支撑电容模块之间关键直流金属连接件低电感设计，可提高功率单元可靠性。
（5）采用上述的模块化功率单元及方法，可更高效的利用风冷风型散热器的散热能力，更容易的解决整流、逆变IGBT功率模块散热问题，可提高功率单元功率扩展能力。
（6）对同一台四象限H桥级联多电平高压变频来说，采用上述的模块化功率单元及方法，不仅实现变频器中功率单元之间互换，而且不同功率单元中左右两个小体积功率模块也可分别相互替换，功率单元在兼容性上具备明显优势。
附图说明
图1为四象限H桥级联多电平高压变频系统常用功率单元原理示意图。
图2为本发明模块化功率单元及方法的原理示意图。
图3为本发明采用模块化功率单元的高压变频系统原理示意图。
图4为本发明中功率模块的结构示意图。
图5为本发明中机壳的局部结构示意图。
图6为本发明中模块化功率单元结构示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。本发明可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本发明透彻且完整，并且相本领域技术人员充分表达本发明的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如图2至6所示，适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法：模块化功率单元包含功率单元模块1和电容模块2；功率单元模块1和电容模块2前后布置，功率单元1在前，电容模块2在后。
功率单元模块1包含左侧小体积功率模块11和右侧小体积功率模块12；小体积功率模块11、12分别包含左侧散热器110和右侧散热器120；左侧散热器110和右侧散热器120分别包含一个散热器的散热面1101；两个散热器110、120的散热面1101上对称布置有单相PWM整流模块111和单相H桥逆变模块112；单相PWM整流模块111和单相H桥逆变模块112分别采用单相PWM整流电路和单相H桥逆变电路；单相PWM整流模块111包含第一单相PWM整流模块1111A和第二单相PWM整流模块1111B；单相H桥逆变模块112包含第一单相H桥逆变模块1121A和第二单相H桥逆变模块1121B；第一单相PWM整流模块1111A和第一单相H桥逆变模块1121A布置在左侧散热器110；第二单相PWM整流模块1111B和第二单相H桥逆变模块1121B布置在右侧散热器120；单相PWM整流模块111和单相H桥逆变模块112由半桥封装IGBT功率模块15构成；半桥封装IGBT功率模块15正负端子安装突波吸收电容117；半桥封装IGBT功率模块15可根据变频器容量需求采用非并联或并联结构，一种较优选的实施方式为采用62mm或EconoDUAL半桥封装IGBT功率模块，具体型号分别如FF200R17KE4或FF200R17ME4；采用此种方法，减少了功率单元整流IGBT功率模块数量和成本，降低了功率单元设计复杂程度，较容易实现将整流和逆变功率模块对称布置在左、右两侧散热器，更高效的利用风冷型散热器的散热能力，提高功率单元模块化程度。
单相PWM整流模块111和单相H桥逆变模块112在散热器的散热面1101上下布置；单相PWM整流模块111布置在散热器的散热面1101下部，单相H桥逆变模块112在散热器的散热面1101上部；因单相PWM整流模块111功耗大于单相H桥逆变模块112，采用此种方式布置可进一步充分利用风冷型散热器散热性能，易于实现单相H桥逆变模块112与电容金属连接件24之间距离最短，利于提高功率单元可靠性。
单相PWM整流模块111通过交流输入金属连接件113与交流输入金属连接端子1131相连接；单相PWM整流模块111通过直流输出金属连接件114与直流输出金属连接端子1141相连接；交流输入金属连接端子1131包含第一交流输入金属连接端子1131A和第二交流输入金属连接端子1131B；直流输出金属连接端子1141包含第一直流输出金属连接端子1141A和第二直流输出金属连接端子1141B。
第一交流输入金属连接端子1131A与第二交流输入金属连接端子1131B分别与多绕组变压器4的二次单相输出绕组两端相连接；多绕组变压器4的二次单相输出绕组分为Ux、Vx、Wx三个大组，如图3所示，以6KV电压等级高压变频系统为例，高压变频器U、V、W每相输出侧各需5个功率单元，则多绕组变压器U、V、W每相二次侧各有5组单相输出绕组，共15组单相输出绕组；多绕组变压器二次绕组由常用的延边三角形三相输出简化为单相输出绕组，变压器二次绕组之间无需移相角；因多绕组变压器二次绕组为简单的单相输出结构，从而较容易的通过增加变压器二次绕组阻抗来代替昂贵的功率单元三相输入电抗器，实现高压变频系统功率单元无需设置价格昂贵的三相输入电抗器；极大简化了多绕组变压器结构和四象限高压变频主功率电路。
单相H桥逆变模块112通过直流输入金属连接件115与直流输入金属连接端子1151相连接；直流输入金属连接端子1151包含第一直流输入金属连接端子1151A和第二直流输入金属连接端子1151B；单相H桥逆变模块112通过交流输出金属连接件116与交流输出金属连接端子1161相连接；交流输出金属连接端子1161包含第一交流输出金属连接端子1161A和第二交流输出金属连接端子1161B。
第一交流输入金属连接端子1131A和第一直流输出金属连接端子1141A安装在左侧小体积功率模块11；第二交流输入金属连接端子1131B和第二直流输出金属连接端子1141B安装在右侧小体积功率模块12；采用此种方法，减少了功率单元金属连接件和绝缘件使用数量，提高了功率单元中通用金属连接件的比例，实现不同功率单元中左右两个小体积功率模块分别相互替换，提高了功率单元的兼容性和便于维护性。
功率单元的电容模块2包含由若干单体金属膜电容组成的电容组21；电容组21通过电容金属连接件24分别与直流输出金属连接端子1141和直流输入金属连接端子1151相连接；通过拆装直流输出金属连接端子1141、直流输入金属连接端子1151与电容金属连接件24之间的固定金属螺丝可较容易的将功率单元模块和电容模块分离或组装在一起，便于对功率单元的组装和维护；电容组2的底部设置有电容组底座22，电容组底座22在电容组21的底部对其进行支撑；放电电阻23布置在电容组底座22的后方；放电电阻23通过电缆与电容组21的正负端子相连接。
功率单元模块1包括功率单元外壳13；小体积功率模块11和12对称立式安装在功率单元外壳13的内部两侧，其中小体积功率模块的左右两侧散热器布置整流、逆变功率模块侧面相对安装；功率单元外壳13在800KVA以下容量的高压变频系统中优选绝缘材质以利于减小功率单元之间绝缘距离要求，从而减小高压变频系统的功率柜体积；功率单元外壳13在800KVA以上容量的高压变频系统中优选金属材质以利于屏蔽高压变频系统的电磁干扰。
功率单元模块1包括控制电路板金属腔体14；控制电路板金属腔体14安装在功率单元外壳13的外侧；控制电路板金属腔体14的内部设置有单元控制电路板141、电源电路板142、整流IGBT驱动板143、逆变IGBT驱动板144；控制电路板金属腔体内的电路板之间通过排线连接；整流IGBT驱动板143、逆变IGBT驱动板144与半桥封装桥IGBT功率模块之间通过电缆连接；其中单元控制电路板141、电源电路板142、整流IGBT驱动板143、逆变IGBT驱动板144均为现有技术中的部件，故其功能及结构不再赘述。
至此，已经详细描述了本发明的各实施例。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法，其特征在于：所述的模块化功率单元由功率单元模块和电容模块组成；所述的功率单元模块和电容模块前后布置，功率单元模块在前，电容模块在后；所述的功率单元模块包含一个左侧小体积功率模块和一个右侧小体积功率模块；所述的两个小体积功率模块分别包含左侧散热器和右侧散热器；所述的左侧散热器和右侧散热器的散热面对称布置有单相PWM整流模块和单相H桥逆变模块；所述的单相PWM整流模块和单相H桥逆变模块分别采用单相PWM整流电路和单相H桥逆变电路；所述的单相PWM整流模块包含第一单相PWM整流模块和第二单相PWM整流模块；所述的单相H桥逆变模块包含第一单相H桥逆变模块和第二单相H桥逆变模块；所述的第一单相PWM整流模块和第一单相H桥逆变模块布置在左侧散热器；所述的第二单相PWM整流模块和第二单相H桥逆变模块布置在右侧散热器；所述的单相PWM整流模块布置在散热器下部；所述的单相H桥逆变模块布置在散热器上部。
2.根据权利要求1所述的一种适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法，其特征在于：所述的单相PWM整流模块通过交流输入金属连接件与交流输入金属连接端子相连接，通过直流输出金属连接件与直流输出金属连接端子相连接；所述的交流输入金属连接件为铝排、铜排或电缆；所述的直流输出金属连接件为铜或铝的叠层复合母排、铜排或铝排；所述的交流输入金属连接端子包含第一交流输入金属连接端子和第二交流输入金属连接端子；所述的直流输出金属连接端子包含第一直流输出金属连接端子和第二直流输出金属连接端子；所述的第一交流输入金属连接端子和第二交流输入金属连接端子分别与变频系统的多绕组变压器二次单相输出绕组两端相连接；所述的多绕组变压器二次绕组采用单相绕组，绕组间无移相要求，不采用结构复杂的延边三角形三相输出绕组，同时通过增加多绕组变压器二次绕组阻抗来代替功率单元三相输入电抗器，实现四象限H桥级联多电平高压变频系统无功率单元输入电抗器。
3.根据权利要求1所述的一种适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法，其特征在于：所述的单相H桥逆变模块通过直流输入金属连接件与直流输入金属连接端子相连接，通过交流输出金属连接件与交流输出金属连接端子相连接；所述的交流输出金属连接件为铝排或铜排；所述的直流输入金属连接件为铜或铝的叠层复合母排；所述的直流输入金属连接端子包含第一直流输入金属连接端子和第二直流输入金属连接端子；所述的交流输出金属连接端子包含第一交流输出金属连接端子和第二交流输出金属连接端子；所述的第一交流输入金属连接端子和第一直流输出金属连接端子安装在左侧小体积功率模块；所述的第二交流输入金属连接端子和第二直流输出金属连接端子安装在右侧小体积功率模块。
4.根据权利要求1所述的一种适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法，其特征在于：所述的单相PWM整流模块和单相H桥逆变模块由半桥封装IGBT功率模块构成；所述的半桥封装IGBT功率模块正负端子安装突波吸收电容；所述的半桥封装IGBT功率模块可根据变频器容量需求采用非并联或并联结构。
5.根据权利要求4所述的一种适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法，其特征在于：所述IGBT功率模块采用62mm封装或EconoDUAL半桥封装IGBT功率模块。
6.根据权利要求1所述的一种适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法，其特征在于：所述的功率单元的电容模块包含由若干单体金属膜电容组成的电容组；所述的电容组通过电容金属连接件分别与直流输出金属连接端子和直流输入金属连接端子相连接；所述的电容组的底部设置有电容组底座，电容组底座在电容组的底部对其进行支撑；所述的放电电阻布置在电容组底座的后方；所述的放电电阻通过电缆与电容组的正负端子相连接。
7.根据权利要求1所述的一种适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法，其特征在于：所述的功率单元模块包括功率单元外壳；所述的小体积功率模块对称立式安装在功率单元外壳内部两侧，其中小体积功率模块的左右两侧散热器的散热面相对安装；所述的功率单元外壳在800KVA以下容量的四象限级联型变频系统中优选绝缘材质以利于减小功率单元之间绝缘距离要求，从而减小高压变频系统的体积；所述的功率单元外壳在800KVA以上容量的四象限级联型变频系统中优选金属材质以利于屏蔽高压变频系统的电磁干扰。
8.根据权利要求1所述的一种适用于四象限级联型变频的模块化功率单元及方法，其特征在于：所述的功率单元模块包含控制电路板金属腔体；所述的控制电路板金属腔体安装在功率单元外壳的外侧；所述的控制电路板金属腔体的内部设置有单元控制电路板、电源电路板、整流IGBT驱动板、逆变IGBT驱动板；所述的控制电路板金属腔体内的电路板之间通过排线连接；所述的整流IGBT驱动板、逆变IGBT驱动板与单相PWM整流IGBT功率模块、单相H桥逆变IGBT功率模块之间通过电缆连接；所述的整流IGBT驱动板、逆变IGBT驱动板通用，可相互替换。
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