CN201467005U - 基于igbt并联的大功率半桥pebb - Google Patents
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Abstract
基于IGBT并联的大功率半桥PEBB由装有散热器的IGBT模块、驱动单元、中间直流电容、均流电感、复合母排组成；复合母排由正母线和负母线组成。本专利提出了一种新型的基于IGBT并联的大功率半桥PEBB(Power Electric Building Block，功率半导体组件或功率半导体模块)技术，将大功率IGBT器件的驱动、均流、保护、散热以及中间支撑电容等关键零部件集成在结构和功能相对比较完整和独立的模块内，借助完善的试验和规模化带来的成本优势，可以大幅度降低用户使用的技术门槛，促进相关产品的推广，主要用于各种中低压大容量变流器领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及中低压大容量变流技术，尤其涉及基于IGBT并联的大功率半桥PEBB(Power Electric Building Block，功率半导体组件或功率半导体模块)。
背景技术
随着电力电子技术的发展，电力电子装置的功率等级不断提高，各种各样从数MVA到几十MVA的电力电子装置在电力系统、大功率传动以及风力发电等领域被越来越广泛地使用，如何提高大功率电力电子装置的性能，降低成本，成为电力电子技术非常重要的发展方向。
受电力电子器件生产制造工艺的限制，MVA以上的电力电子装置目前都必须采用变流单元多重化串并联或是电力电子器件直接串并联的方法。
所谓“变流单元多重化串并联”，就是利用功率相对较小的变流单元，通过串联或并联连接，构成一个大功率变流器，同时通过脉冲的多重化技术达到改善电压或电流质量的目的。这种方法最典型的应用包括采用“H桥”串联结构的变流器和多重化并联的PWM整流器，如下图1和图4所示(。采用变流单元多重化串并联技术的优点在于，由于每个单元结构完全相同，像搭积木一样将模块化单元串联或并联，就可以方便地提高装置的电压电流等级，功率的提升“几乎”没有限制。另外，通过适当增加单元的数量和设置相应的控制策略，可以提高装置的冗余性能和可靠性，这一点对大功率变流器的应用非常具有吸引力。另一方面，由于各单元相对独立，因此变流单元多重化串并联技术也存在控制和主电路结构复杂以及成本较高等缺点，在10MVA以下的应用中受到一定的限制。
用电压电流等级较低的电力电子器件通过直接串并联的方法设计大功率变流装置，变流器的结构相对比较简单，加上控制策略可以与小功率装置兼容，功率的提升主要依靠电力电子器件串并联数目的增加，因此具有成本相对较低、便于不同功率等级变流器进行模块化设计和生产等优点。但是，这种方法也受到大功率电力电子器件串并联技术的限制，随着功率的提高，在技术难度急剧增加的同时，装置的可靠性却在降低，并且相关研究投资大、周期长、风险高、验证困难，一般用户难以承受。
另外，变流器交流输出电压脉冲对于负载的安全可靠工作可能产生十分不利的影响，特别是类似于大型风力发电机这样长期处于工作状态的电机负载，过高的du/dt以及由此产生的过电压不但会威胁电机绝缘的安全，同时也会产生大量的电磁干扰，影响变流器和其它设备的正常工作。
实用新型内容
鉴于目前现有技术的不足，本实用新型提出了一种新型的基于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型功率管)并联的大功率半桥PEBB(Power Electric Building Block，功率半导体组件或功率半导体模块)，将大功率IGBT器件的驱动、均流、保护、散热以及中间支撑电容等关键零部件集成在结构和功能相对比较完整和独立的模块内，借助规模化带来的成本优势，可以大幅度降低用户使用的技术门槛，促进相关产品的推广；同时，还有效的解决了du/dt问题.
为达到上述目的，本专利所述的一种新型的基于IGBT并联的大功率半桥PEBB是这样实现的：
基于IGBT并联的大功率半桥PEBB由装有散热器的IGBT模块、驱动单元、中间直流电容、均流电感、复合母排组成；复合母排由正母线和负母线组成；复合母排的正母线和负母线之间连接有中间直流电容，多组装有散热器的IGBT模块的两端分别并联连接复合母排的正母线和负母线，每个装有散热器的IGBT模块通过导线分别与一个均流电感连接，均流电感的另一端通过导线连接在一起后作为交流输出端；驱动单元通过电源线连接到IGBT模块上。
本实用新型所述的基于IGBT并联的大功率半桥PEBB，其特征在于所述的中间直流电容可以为电解电容、薄膜电容。
本实用新型所述的基于IGBT并联的大功率半桥PEBB，其特征在于通过改变各并联IGBT开通关断的先后顺序，降低其交流输出电压的du/dt。
本实用新型所述的基于IGBT并联的大功率半桥PEBB，其特征在于通过均流电感的串联，解决并联IGBT的均流。
本实用新型所述的基于IGBT并联的大功率半桥PEBB，其特征在于可靠性高、使用简单、价格相对比较低廉以及与现有控制策略完全兼容的优点。
附图说明
图1变流器多重化串并联拓扑图——“H桥”串联结构；
左图中：1、IGBT模块，2、中间直流电容，3、正母线，4、负母线，5、交流输出端。
右图中：1、IGBT模块，2、中间直流电容，3、正母线，4、负母线，5、交流输出端，6、均流电感。
图2基于IGBT并联的大功率半桥PEBB拓扑图
图中：1、IGBT模块，2、中间直流电容，3、正母线，4、负母线，5、交流输出端，6、均流电感，7、IGBT模块b，8、IGBT模块c，9、驱动单元；
图3基于IGBT并联的大功率半桥PEBB交流输出端电压波形；
图4变流器多重化串并联拓扑图——多重化并联的PWM整流器。
具体实施方式
如附图2所示，PEBB主要包括如下部分：IGBT模块1、7、8，驱动单元9，中间直流电容2，正母线3，负母线4，均流电感6，交流输出端5。
本方案的硬件具体实施方式以三个IGBT模块并联为例：
步骤一：将三个IGBT模块1、7、8安装于散热器上。
步骤二：三个IGBT模块1、7、8正负端子都通过复合母排3、4与中间直流电容2连接，中间直流电容2可以是电解电容或者薄膜电容。
步骤三：三个IGBT模块1、7、8的交流端分别通过三个均流电感6后并联在一起，形成交流输出端5。
步骤四：给三个IGBT模块1、7、8安装吸收电路和驱动单元9。
本方案对du/dt抑制的具体实施方式如下：
步骤一：外部送入一对脉冲给驱动单元9。
步骤二：驱动单元9通过其内部电路将一对脉冲变为三对脉冲，新产生的三对脉冲中，第二对比第一对延时td1时间，第三对比第二对延时td2时间，td1和td2可以分别设定相同或不同的时间。
步骤三：驱动单元9产生的三对脉冲分别用于驱动三个IGBT模块1、7、8，使各IGBT模块1、7、8导通关断时刻不同，在交流端输出边缘带形成有台阶的电压波形，如图3。同时驱动单元9还要对产生的三对脉冲顺序进行轮换，使三个IGBT模块1、7、8的换流顺序轮换，比如这样循环：第一次换流顺序IGBT模块1→IGBT模块7→IGBT模块8，第二次换流顺序IGBT模块7→IGBT模块8→IGBT模块1，第三次换流顺序IGBT模块8→IGBT模块1→IGBT模块7，如此往复。
本方案对du/dt的抑制分析如下：
假设初始状态3个并联IGBT半桥模块的下桥臂管导通，相对于直流环节负极，通过串联电感并接在一起的交流端输出端电压为0，首先关断IGBT模块1的下桥臂管，并导通IGBT模块1的上桥臂管，由于均流电感分压，这时交流输出端电压为
(VDC为直流母线电压)；接着关断IGBT模块7的下桥臂管，并导通IGBT模块7的上桥臂管，交流端输出电压为
最后，3个IGBT模块都换流成上桥臂管导通，交流输出端电压变为VDC。这样一来，依靠串联的均流电感，在开关过程中交流输出电压多了2级台阶，从而达到抑制du/dt的目的。
由于首先换流的IGBT模块将承担更大的开关损耗，因此为了确保并联IGBT模块开关负荷的一致性，还必须合理控制脉冲的分配，以避免因IGBT模块的结温差异而影响静态均流的效果。
Claims (3)
1.基于IGBT并联的大功率半桥PEBB，其特征在于，由装有散热器的IGBT模块、驱动单元、中间直流电容、均流电感、复合母排组成；复合母排由正母线和负母线组成；复合母排的正母线和负母线之间连接有中间直流电容，多组装有散热器的IGBT模块的两端分别并联连接复合母排的正母线和负母线，每个装有散热器的IGBT模块通过导线分别与一个均流电感连接，均流电感的另一端通过导线连接在一起后作为交流输出端；驱动单元通过电源线连接到IGBT模块上。
2.如权利要求1所述的基于IGBT并联的大功率半桥PEBB，其特征在于所述的中间直流电容可以为电解电容、薄膜电容。
3.如权利要求1所述的基于IGBT并联的大功率半桥PEBB，其特征在于各并联IGBT开通关断的先后顺序不固定。
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