CN202535291U - 3电平igbt变换器 - Google Patents

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郑和建
黄吕山
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White Clouds Water Chestnut Electro-Mechanical Force Electronics Co Ltd Of Guangzhou Toshiba
Guangzhou Toshiba Baiyun Ling Machine Power Electronics Co Ltd
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White Clouds Water Chestnut Electro-Mechanical Force Electronics Co Ltd Of Guangzhou Toshiba
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Abstract

本实用新型公开了一种3电平IGBT变换器装置，它包括三组并联的IGBT功率模块，三组IGBT功率模块采用单极性调制，一个周期里，输出的相电压的前半周期为中性电位与正电位(+E/2)间的反复脉冲波，后半周期为中性电位与负电位(-E/2)间的反复脉冲波，3电平变换器是通过控制IGBT功率模块的开/断方式，功率开关在NPC三电平电路里的排列方式可以利用直流母线电压的中性点电势，每个的IGBT功率模块包括一个NPC桥臂，NPC桥臂包括4个IGBT单元以及两个钳位二极管。相比2电平电路，在每个功率开关上的电压应力是直流电压E的一半，降低电力的疲劳和开关损耗，由于降低了一倍外加电压，从而可以不需缓冲器电路，大大降低了EMI值、脉冲电压、温度以及变换器自身的功率损耗。

Description

3电平IGBT变换器
技术领域
本实用新型涉及一种UPS内部使用的IGBT变换器，具体来说，涉及一种结构更加简单、损耗更低、技术更先进、效率更高、可靠性更高的3电平IGBT变换器装置。 
背景技术
以往的变换器都是采用2电平电路结构，六只开关器件需要用耐压1200V的大功率IGBT，这样的大功率IGBT价格贵，开关速度慢，通态电阻大，开关损耗和电路损耗也大，输出只有正（高电平+E）和负（低电平-E）两个电平，直流侧无中性点，不便于采用三相三线制输入，也不便于三相单独进行控制，而且也不能采用1200V以下的IGBT做开关成本较高。另外，2电平电路结构输出的电流谐波偏高，而且所标配的滤波器结构和重量都会因此变得相对比较大。随着社会发展的需要，输出电流谐波含量低、标配的滤波器小型化，效率高的变换器电路结构将会是今后发展的方向。 
实用新型内容
针对以上的不足，本实用新型提供了一种结构更加简单、成本更低、损耗更低、体积更小、重量更轻的3电平IGBT变换器装置，它包括三组 并联的IGBT功率模块，三组IGBT功率模块采用单极性调制，一个周期里，输出的相电压的前半周期为中性电位与正电位（+E/2）间的反复脉冲波，后半周期为中性电位与负电位（-E/2）间的反复脉冲波。 
每一所述的IGBT功率模块包括一个NPC桥臂。 
所述NPC桥臂包括4个IGBT单元以及两个钳位二极管。 
本实用新型的有益效果：本实用新型的3电平IGBT变换器由于使用了3电平电路技术，成功使得变换器的工作环境电压下降到原有2电平电路的一半，所以对IGBT功率器件的电压规格要求也相应降低了一半，成功降低IGBT的开关损耗，同时提高了3电平IGBT变换器的效率；由于3电平技术的成功应用使得变换电流波形更加平滑稳定；3电平IGBT变换器输出电流的纹波(ripple)频率是一般2电平变换器的一半，因而减小了滤波器所需的电感器，即所需要的电感值可以降低，因此只需要较小型的电感器就能达成所需要的效果；3电平电路结构成功运用于IGBT变换器，大大降低了变换器的EMI值、脉冲电压、温度以及自身的功率损耗；从整体上提高了3电平IGBT变换器的效率，起到更加节能环保的效果。 
附图说明
图1为本实用新型3电平IGBT变换器的电路原理图； 
图2为本实用新型IGBT功率模块的电路原理图； 
图3为本实用新型3电平IGBT变换器的电压波形图。 
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行进一步阐述。 
如图1所示，本实用新型的3电平IGBT变换器包括三组3电平4-in-1IGBT功率模块，3电平变换器采用单极性调制，一个周期里，输出的相电压的前半周期为中性电位与正电位（+E/2）间的反复脉冲波，后半周期为中性电位与负电位（-E/2）的反复脉冲波，3电平变换器是通过控制IGBT功率模块的开/断方式，功率开关在NPC三电平电路里的排列方式可以利用直流母线电压的中性点电势，相比2电平电路，在每个功率开关上的电压应力是直流电压E的一半。相比于以往的2电平变换器，3电平IGBT变换器多出了一个中性电位，使得3电平电路中给个别半导体外加电压为原来的一半（E/2），降低电力的疲劳和开关损耗，另外，3电平IGBT变换器降低了一倍外加电压，从而可以不需缓冲器电路，大大降低了EMI值、脉冲电压、温度以及变换器自身的功率损耗，3电平IGBT变换器的电压环境比以往2电平变换器低了一半，所以对IGBT功率器件的电压规格要求也相应降低了一半，3电平的电路布局降低了寄生电感，使得此IGBT模块不需要使用吸收电路从而减少了元件数量，成功降低了IGBT的开关损耗，同时提高了变换器的效率。3电平IGBT变换器的输出电压波形是正弦波经脉冲宽度调制器调制后的脉冲电压波形。经由输出扼流圈（AC-L）和电容器（AC-C）组成的滤波回路去除脉宽调制频率，输出变成正弦波电压波形，由于采用了控制输出电流的局部磁滞回路，实现了更稳定、高性能的输出特性，特别是由于将负载电流前馈，对负载急变、负载电流失真也能高速应答，抑制了输出电压的过度变动和恒 常失真，另外，在电流和脉宽调制控制里采用了单极性调制（3电平变换器用三角波载波比较），改善了转换损失。由于3电平技术的成功应用使得变换器的电流波形更加平滑稳定。变换器内部电感和电流纹波的减少大大降低了对变换器输出所需滤波器的要求。使得变换器输出的滤波器体积更加小型化。 
如图2所示，显示了针对3电平技术而定制的具有代表性的IGBT功率模块电路，这种IGBT功率模块包括一个NPC 3电平变换器的一个桥臂，NPC桥臂包括4个IGBT单元以及两个钳位二极管。直流电源由P，N两极接入，经过IGBT开关切换最终以单相线电压输出交流电，三组并联的IGBT功率模块总共分别输出三相交流电源，从而将直流电源逆变成交流电源。这种IGBT功率模块封装（600V）是最先进成熟的技术，具有大量的现场实际应用案例，此IGBT功率模块降低了电气和热应力，提高了可靠性，3电平的电路布局降低了寄生电感，使得此IGBT模块不需要使用吸收电路从而减少了元件数量。 
表1为3电平IGBT功率模块的开/断状态图，通过控制IGBT的开和关来实现3电平的技术要求。当开关Q11 ON、Q12 ON、Q13 OFF、Q14 OFF的时候输出的是+E/2，当开关Q11 OFF、Q12 ON、Q13 ON、Q14 OFF的时候输出的是0，当开关Q11 OFF、Q12 OFF、Q13 ON、Q14ON的时候输出的是-E/2。表1： 
Figure DEST_PATH_GDA00001842124800041
如图3所示，此显示了一个使用实用性3电平IGBT变换器的拓扑结构的变换器输出线电压的波形图，最终的脉宽调制波形与2电平变换器相比更加接近于正弦波。 
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。 

Claims (3)

1.一种3电平IGBT变换器，它包括三组并联的IGBT功率模块，其特征在于，三组IGBT功率模块采用单极性调制，一个周期里，输出的相电压的前半周期为中性电位与正电位间的反复脉冲波，后半周期为中性电位与负电位间的反复脉冲波。
2.根据权利要求1所述的3电平IGBT变换器，其特征在于，每一所述的IGBT功率模块包括一个NPC桥臂。
3.根据权利要求2所述的3电平IGBT变换器，其特征在于，所述NPC桥臂包括4个IGBT单元以及两个钳位二极管。
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