CN203104302U - 一种用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排，包括相互连接的模块母排和直流电容母排，所述模块母排分为五层，第一层包括交流出线母排、模块正母排和模块负母排；第二层为绝缘层；第三层为模块零母排；第四层为绝缘层；第五层包括第一和第二模块连接母排；所述直流电容母排分为五层，第一层为电容正母排；第二层为绝缘层；第三层为电容零母排；第四层为绝缘层；第五层为电容负母排。本实用新型可以大幅度地降低换流回路的杂散电感，有效抑制器件的关断过电压，省去du/dt吸收电路，在降低成本的同时使结构更加紧凑。

Description

一种用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排

技术领域

本实用新型涉及叠成母排，尤其涉及一种用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排。

背景技术

在中高压的电驱动场合，为了满足系统的电压需求，需要采用多只电力电子器件的串联，而串联电力电子器件的静态和动态的均压问题解决起来比较困难，从而降低整个系统的可靠性。二极管钳位的三电平拓扑结构，顺利地解决了开关器件的均压问题，使得低电压等级的电力电子器件在中高压变流器系统的应用成为可能，因此在电力电子领域得到了大量应用，并具有广阔的前景。

三电平变流器的元器件布局和叠层母排直接关系到系统的整体性能。叠层母排的主要作用是连接功率器件和直流支撑电容，是功率器件换流回路的主要组成部分。随着电力电子技术的发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块的功率密度越来越高，开通关断性能越来越好，这就意味着关断电流及其斜率越来越大。如果叠层母排的杂散电感不能有效降低，器件关断时在杂散电感中产生的过电压，将导致IGBT模块的损坏，进而造成系统故障。

三电平变流器的工作频率一般在1kHz左右，功率器件换流时会产生高频电流。在邻近效应的作用下，这一高频电流会在相邻的导体中产生镜像电流，这样就构成了电流的非平衡路径。两条非平衡路径中的电流大小基本相等、方向相反，可以彼此削弱对外的磁场辐射，该回路中的等效电感降低。因此，将三电平变流器高频换流回路分为两层构成非平衡路径，可以有效降低其杂散电感。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于电流非平衡路径并且用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排，它可以大幅度地降低换流回路的杂散电感，有效抑制器件的关断过电压，省去du/dt吸收电路（关断吸收电路），在降低成本的同时使结构更加紧凑。

实现上述目的的技术方案是：

本实用新型之一的一种用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排，包括相互连接的模块母排和直流电容母排，其中：

所述模块母排分为五层，该五层通过绝缘膜热压合成一体，其中，第一层包括交流出线母排、模块正母排和模块负母排；第二层为绝缘层；第三层为模块零母排；第四层为绝缘层；第五层包括第一模块连接母排和第二模块连接母排；

所述直流电容母排分为五层，该五层通过绝缘膜热压合成一体，其中，第一层为电容正母排；第二层为绝缘层；第三层为电容零母排；第四层为绝缘层；第五层为电容负母排。

上述的用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排，其中，所述模块正母排连接所述电容正母排；所述模块零母排连接所述电容零母排；所述模块负母排连接所述电容负母排。

上述的用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排，其中，所述二极管钳位型三电平变流器包括连接正端、零端和负端的单相三电平电路，该单相三电平电路包括第一IGBT至第四IGBT、第一电容至第四电容以及第一钳位二极管至第二钳位二极管，其中：

所述第一IGBT的集电极依次通过所述模块正母排和电容正母排与所述正端连接；

所述第一IGBT的发射极通过所述第一模块连接母排分别连接所述第二IGBT的集电极和所述第一钳位二极管的阴极；

所述第二IGBT的发射极与第三IGBT的集电极通过所述模块交流母排连接；

所述第三IGBT的发射极通过所述第二模块连接母排分别连接所述第四IGBT的集电极和所述第二钳位二极管的阳极；

所述第四IGBT的发射极依次通过所述模块负母排和电容负母排连接负端；

所述第一钳位二极管的阳极通过所述模块零母排连接所述第二钳位二极管的阴极；

所述第一钳位二极管的阳极和第二钳位二极管的阴极均依次通过所述模块零母排和电容零母排连接零端；

所述第一电容和第二电容通过所述电容正母排和电容零母排并联，并接在正端和零端之间；

所述第三电容和第四电容通过所述电容零母排和电容负母排并联，并接在负端和零端之间。

上述的用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排，其中，所述模块母排中第二层和第四层的绝缘层均为环氧树脂板；所述直流电容母排中第二层和第四层的绝缘层均为绝缘纸。

本实用新型之二的一种用于二极管钳位型三电平变流器的模块母排，所述模块母排分为五层，该五层通过绝缘膜热压合成一体，其中，第一层包括交流出线母排、模块正母排和模块负母排；第二层为绝缘层；第三层为模块零母排；第四层为绝缘层；第五层包括第一模块连接母排和第二模块连接母排。

上述的用于二极管钳位型三电平变流器的模块母排，其中，所述二极管钳位型三电平变流器包括单相三电平电路，该单相三电平电路包括第一IGBT至第四IGBT、第一钳位二极管和第二钳位二极管，其中：

所述第一IGBT的集电极连接所述模块正母排；

所述第一IGBT的发射极通过所述第一模块连接母排分别连接所述第二IGBT的集电极和所述第一钳位二极管的阴极；

所述第二IGBT的发射极与第三IGBT的集电极通过所述模块交流母排连接；

所述第三IGBT的发射极通过所述第二模块连接母排分别连接所述第四IGBT的集电极和所述第二钳位二极管的阳极；

所述第四IGBT的发射极连接所述模块负母排；

所述第一钳位二极管的阳极通过所述模块零母排连接所述第二钳位二极管的阴极。

本实用新型之三的一种用于二极管钳位型三电平变流器的直流电容母排，所述直流电容母排分为五层，该五层通过绝缘膜热压合成一体，其中，第一层为电容正母排；第二层为绝缘层；第三层为电容零母排；第四层为绝缘层；第五层为电容负母排。

上述的用于二极管钳位型三电平变流器的直流电容母排，其中，所述二极管钳位型三电平变流器包括连接正端、零端和负端三个连接端的单相三电平电路，该单相三电平电路包括第一电容至第四电容，其中：

所述第一电容接在正端和零端之间；

所述第二电容的一端通过所述电容正母排接正端，另一端通过所述电容零母排接零端；

所述第三电容接在零端和负端之间；

所述第四电容的一端通过所述电容零母排接零端，另一端通过所述电容负母排接负端。

本实用新型的有益效果是：本实用新型基于电流非平衡路径，能有效地降低换流回路的杂散电感，大幅度降低了功率器件的关断过电压，省去du/dt吸收电路，在降低成本的同时使结构更加紧凑，扩大了变流器的安全工作区域，有利于三电平变流器的长期安全、稳定运行。

附图说明

图1为单相三电平电路的原理图；

图2为本实用新型的上桥臂大换流回路示意图；

图3为本实用新型的下桥臂大换流回路示意图；

图4为本实用新型的下桥臂小换流回路示意图；

图5为本实用新型的上桥臂小换流回路示意图；

图6为本实用新型的直流电容母排示意图；

图7为本实用新型的模块母排示意图；

图8为采用传统结构叠层母排时IGBT的关断过电压实验波形；

图9为采用本实用新型的叠层母排时IGBT的关断过电压实验波形。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。

二极管钳位型三电平变流器包括单相三电平电路，请参阅图1，该单相三电平电路包括第一至第四IGBT S1-S4、第一至第四电容C1-C4、第一至第二钳位二极管D1-D2、模块母排和直流电容母排，其中，

模块母排包括模块正母排P1、第一模块连接母排P2、第二模块连接母排P5、模块零母排P3、模块交流母排P4和模块负母排P6；

直流电容母排包括电容正母排P7、电容零母排P8和电容负母排P9；

第一IGBT S1的集电极依次通过模块正母排P1和电容正母排P7与正端（直流正母线）DC+连接；第一IGBT S1的发射极通过第一模块连接母排P2分别连接第二IGBT S2的集电极和第一钳位二极管D1的阴极；第二IGBT S2的发射极与第三IGBT S3的集电极通过模块交流母排P4连接，作为交流输入/输出端AC；第三IGBT S3的发射极通过第二模块连接母排P5分别连接第四IGBT S4的集电极和第二钳位二极管D2的阳极；第四IGBT S4的发射极依次通过模块负母排P6和电容负母排P9连接负端（直流负母线）DC-；第一钳位二极管D1的阳极通过模块零母排P3连接第二钳位二极管D2的阴极；第一钳位二极管D1的阳极和第二钳位二极管D2的阴极均依次通过模块零母排P3和电容零母排P8连接零端（直流中线）DC0；第一电容C1接在正端DC+和零端DC0之间；第二电容C2接在模块正母排P1与电容正母排P7的相接端以及模块零母排P3与电容零母排P8的相接端之间；第三电容C3接在零端DC0和负端DC-之间；第四电容C4接在模块零母排P3与电容零母排P8的相接端以及模块负母排P6与电容负母排P9的相接端之间；第一至第四电容C1-C4构成正电平、零电平及负电平的三电平直流侧。

请参阅图2，为上桥臂大换流回路示意图；交流电流流进直流侧，该图表现的工作状态为AC点电位由零直流母线电压到正直流母线电压的过度过程，此时，第四IGBT S4完全关断，第三IGBT S3处于关断过程中，第二IGBT S2完全开通，第一IGBT S1处于开通过程中；

一般IGBT的开通、关断延时为微秒级，较周期为工频的AC输入电流i_AC的频率大得多，因此可以认为在换流期间i_AC保持不变为常值I，即i_AC=I。设流过第三IGBT S3，第二钳位二极管D2的电流为i_D=i_DAC+I_D，其中I_D为i_D的直流分量，i_DAC为i_D的高频交流分量。流过第一和第二IGBT S1、S2的电流为i_S=i_SAC+I_S，其中I_S为i_S的直流分量，i_SAC为i_S的高频交流分量。根据基尔霍夫电流定律可得i_AC=I=i_D+i_S=i_DAC+I_D+i_SAC+I_S，因为直流分量I=I_D+I_S，因此可得i_DAC+i_SAC=0，所以模块正母排P1、第一IGBT S1、第一模块连接母排P2、第二IGBT S2、模块交流母排P4、第三IGBT S3、第二模块连接母排P5、第二钳位二极管D2、电容零母排P8、第一和第二电容C1和C2以及电容正母排P7构成一个高频换流回路。

请参阅图3，为下桥臂大换流回路示意图；交流电流由直流侧流出，该图表现的工作状态为AC点电位由负直流母线电压到零直流母线电压的过度过程，此时，第一IGBT S1完全关断，第四IGBT S4处于关断过程中，第三IGBT S3完全开通，第二IGBT S2处于开通过程中。同图2中所述，可以证明第一模块连接母排P2、第二IGBT S2、模块交流母排P4、第三IGBT S3、第二模块连接母排P5、第四IGBT S4、模块负母排P6、电容负母排P9、第三和第四电容C3和C4、电容零母排P8、模块零母排P3以及第一钳位二极管D1构成一个高频换流回路。

请参阅图4，为下桥臂小换流回路示意图；交流电流流入直流侧，该图表现的工作状态为AC点电位由负直流母线电压到零直流母线电压的过度过程，此时，第一IGBT S1完全关断，第四IGBT S4处于关断过程中，第三IGBT S3完全开通，第二IGBT S2处于开通过程中。同图2中所述，可以证明第二模块连接母排P5、第四IGBT S4、模块负母排P6、电容负母排P9、第三和第四电容C3和C4、电容零母排P8、模块零母排P3以及第二钳位二极管D2构成一个高频换流回路。

请参阅图5，为上桥臂小换流回路示意图；交流电流由直流侧流出，该图表现的工作状态为AC点电位由正直流母线电压到负直流母线电压的过度过程，此时，第四IGBT S4完全关断，第一IGBT S1处于关断过程中，第二IGBT S2完全开通，第三IGBT S3处于开通过程中。同图2中所述，可以证明模块正母排P1、第一IGBT S1、第一模块连接母排P2、第一钳位二极管D1、模块零母排P3、电容零母排P8、第一和第二电容C1和C2以及电容正母排P7构成一个高频换流回路。

根据上述高频换流回路构建基于电流非平衡路径的叠层母排，将所有高频回路内的母排进行叠层，高频换流回路中的所有导体均参与叠层，以减小回路中的杂散电感。特别地，由图2和图3可以看出，虽然模块交流母排P4在换流回路内，但换流过程中，第二IGBT S2和第三IGBT S3端的电流流向相反，变化趋势基本相同，因此在模块交流母排P4上感生出的电压可以相互抵消，同时考虑到交流出现的方便引出，模块交流母排P4可以不参与叠层。鉴于便于安装，将整体母排分为两部分——模块母排和直流电容母排，本实用新型之一的用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排，包括模块母排和直流电容母排，其中：

请参阅图7，模块母排（即本实用新型之二）分为五层，该五层通过绝缘膜热压合成一体，导体表面采用绝缘粉末喷涂；其中，第一层包括交流出线母排P4、模块正母排P1和模块负母排P6；第二层为绝缘层；第三层为模块零母排P3；第四层为绝缘层；第五层包括第一和第二模块连接母排P2和P5；模块母排中第二层和第四层的绝缘层均为环氧树脂板Q2；

请参阅图6，直流电容母排（即本实用新型之三）分为五层，该五层通过绝缘膜热压合成一体，其中，第一层为电容正母排P7；第二层为绝缘层；第三层为电容零母排P8；第四层为绝缘层；第五层为电容负母排P9;直流电容母排中第二和第四层的绝缘层均为绝缘纸Q1；

模块正母排P1连接电容正母排P7；模块零母排P3连接电容零母排P8；模块负母排P6连接电容负母排P9；直流电容母排通过正端DC+、零端DC0和负端DC-连接其他相的直流电容母排，即电容正母排P7通过正端DC+连接其他相的电容正母排，电容零母排P8通过零端DC0连接其他相的电容零母排，电容负母排P9通过负端DC-连接其他相的电容负母排。

请参阅图8和图9，采用ABB IGBT5SNA1200G450300和二极管5SNA0650J450300构成的三电平电路进行测试。图中Vce为IGBT两端的电压，Ic为流过IGBT集电极的电流，Vge为IGBT门极和发射极之间的电压，Vpulse为驱动电压；测试中直流母线电压为4000V，关断电流1480A的情况下，对比采用传统叠层母排和本实用新型叠层母排的器件过电压，可以发现本实用新型的叠层母排有效地降低了杂散电感，表现为关断时器件的过电压由1800V降低到400V。

综上，本实用新型有效地降低了换流回路的杂散电感，可以大幅度降低功率器件的关断过电压，扩大变流器的安全工作区域，有利于三电平变流器的长期安全、稳定运行。

以上实施例仅供说明本实用新型之用，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本实用新型的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排，其特征在于，包括相互连接的模块母排和直流电容母排，其中：

所述模块母排分为五层，该五层通过绝缘膜热压合成一体，其中，第一层包括交流出线母排、模块正母排和模块负母排；第二层为绝缘层；第三层为模块零母排；第四层为绝缘层；第五层包括第一模块连接母排和第二模块连接母排；

所述直流电容母排分为五层，该五层通过绝缘膜热压合成一体，其中，第一层为电容正母排；第二层为绝缘层；第三层为电容零母排；第四层为绝缘层；第五层为电容负母排。

2.根据权利要求1所述的用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排，其特征在于，所述模块正母排连接所述电容正母排；所述模块零母排连接所述电容零母排；所述模块负母排连接所述电容负母排。

3.根据权利要求1或2所述的用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排，其特征在于，所述二极管钳位型三电平变流器包括连接正端、零端和负端的单相三电平电路，该单相三电平电路包括第一IGBT至第四IGBT、第一电容至第四电容以及第一钳位二极管至第二钳位二极管，其中：

所述第一IGBT的集电极依次通过所述模块正母排和电容正母排与所述正端连接；

所述第一IGBT的发射极通过所述第一模块连接母排分别连接所述第二IGBT的集电极和所述第一钳位二极管的阴极；

所述第二IGBT的发射极与第三IGBT的集电极通过所述模块交流母排连接；

所述第三IGBT的发射极通过所述第二模块连接母排分别连接所述第四IGBT的集电极和所述第二钳位二极管的阳极；

所述第四IGBT的发射极依次通过所述模块负母排和电容负母排连接负端；

所述第一钳位二极管的阳极通过所述模块零母排连接所述第二钳位二极管的阴极；

所述第一钳位二极管的阳极和第二钳位二极管的阴极均依次通过所述模块零母排和电容零母排连接零端；

所述第一电容和第二电容通过所述电容正母排和电容零母排并联，并接在正端和零端之间；

所述第三电容和第四电容通过所述电容零母排和电容负母排并联，并接在负端和零端之间。

4.根据权利要求3所述的用于二极管钳位型三电平变流器的叠层母排，其特征在于，所述模块母排中第二层和第四层的绝缘层均为环氧树脂板；所述直流电容母排中第二层和第四层的绝缘层均为绝缘纸。

5.一种用于二极管钳位型三电平变流器的模块母排，其特征在于，所述模块母排分为五层，该五层通过绝缘膜热压合成一体，其中，第一层包括交流出线母排、模块正母排和模块负母排；第二层为绝缘层；第三层为模块零母排；第四层为绝缘层；第五层包括第一模块连接母排和第二模块连接母排。

6.根据权利要求5所述的用于二极管钳位型三电平变流器的模块母排，其特征在于，所述二极管钳位型三电平变流器包括单相三电平电路，该单相三电平电路包括第一IGBT至第四IGBT、第一钳位二极管和第二钳位二极管，其中：

所述第一IGBT的集电极连接所述模块正母排；

所述第一IGBT的发射极通过所述第一模块连接母排分别连接所述第二IGBT的集电极和所述第一钳位二极管的阴极；

所述第二IGBT的发射极与第三IGBT的集电极通过所述模块交流母排连接；

所述第三IGBT的发射极通过所述第二模块连接母排分别连接所述第四IGBT的集电极和所述第二钳位二极管的阳极；

所述第四IGBT的发射极连接所述模块负母排；

所述第一钳位二极管的阳极通过所述模块零母排连接所述第二钳位二极管的阴极。

7.一种用于二极管钳位型三电平变流器的直流电容母排，其特征在于，所述直流电容母排分为五层，该五层通过绝缘膜热压合成一体，其中，第一层为电容正母排；第二层为绝缘层；第三层为电容零母排；第四层为绝缘层；第五层为电容负母排。

8.根据权利要求7所述的用于二极管钳位型三电平变流器的直流电容母排，其特征在于，所述二极管钳位型三电平变流器包括连接正端、零端和负端三个连接端的单相三电平电路，该单相三电平电路包括第一电容至第四电容，其中：

所述第一电容接在正端和零端之间；

所述第二电容的一端通过所述电容正母排接正端，另一端通过所述电容零母排接零端；

所述第三电容接在零端和负端之间；

所述第四电容的一端通过所述电容零母排接零端，另一端通过所述电容负母排接负端。

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