CN203675001U - 一种新型低功耗三电平变频器逆变单元 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型低功耗三电平变频器逆变单元，它的实现原理是功率模块和直流电容共用一个叠成母排的逆变结构，逆变单元由三相单独的桥臂构成，每相桥臂由4个功率模块1、2个钳位二极管2、4个隔离电源5、4个驱动板4、4个吸收电容7、2个均压电阻8、1个叠成母排3和18个直流电容6构成。在功率模块与电容的换流过程中，当晶体管主动关断和二极管反向恢复时，由于di/dt很高，回路电感会在晶体管和二极管中感应出开关过电压。这一效应使得关断损耗增加，且功率模块的电压应力也随之增加。本实用新型采用功率模块1、钳位二极管2和直流电容6共用一个叠成母排的结构来达到减少总电感量的目的，从而减小关断损耗。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种新型低功耗三电平变频器逆变单元，用于高压、大容量、发热量高的变频器中，从而减小功率模块的损耗，降低变频器内部的温升。
背景技术
能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题。能源危机以及当前环境问题的严重性，引起世界各国对节能技术的广泛关注。在能源十分紧张的情况下，浪费现象仍十分严重。例如，在煤矿井下，高压大功率电机拖动的风机、水泵、刮板机占很大比例，这些设备每天都在消耗大量的电能。如果采用高压大容量变频调速装置拖动交流电机，对降低能耗具有重大意义。但变频调速技术在中高压大功率交流传动中遇到很多困难，主要有下面的问题：
1、在两电平逆变器的高压大容量应用中，往往采用功率开关器件串并联方式，这就要求所有串并联的开关器件必须同时开通和关断，所有开关器件的开关特性要完全一致。而由于器件匹配的困难使开关器件的利用因数降低，使这种方案非常麻烦甚至很难实现。
2、当采用交—直—交变频方式时，一般是将多个低压小容量变换器采用多重化获得高压大功率，或是在交流输入侧和交流输出侧分别采用低压变换器。这些方法均采用了笨重、昂贵、耗能的变压器，且对于第二种方法还会出现中间环节电流过大，系统效率下降，可靠性降低，低频时能量传输困难等诸多问题。
3、在三电平变频器中，由于换流回路中的电感量主要由母排和功率模块内部产生，功率模块内部的电感量已无法控制，设计中主要是减少母排的电感量。然而，由于电容和功率模块连接处电感量很大，使功率模块关断损耗增加，同时，功率模块的电压应力也随之增加。
发明内容
针对上述问题，本实用新型提供了一种新型低功耗三电平变频器逆变单元，其目的在于解决煤矿井下高压大容量变频器应用中降低功率模块功耗、增加效率、节约能源的问题。逆变单元由三相单独的桥臂构成，每相桥臂由4个功率模块、2个钳位二极管、4个隔离电源、4个驱动板、4个吸收电容、2个均压电阻、1个叠成母排和18个直流电容构成。每相桥臂之间的正、负、零母线采用扁铜排连接。由于换流回路中的电感量主要由母排和功率模块内部产生，功率模块内部的电感量已无法控制，设计中主要是减少母排的电感量。功率模块的总功耗主要是通态损耗和开关损耗。在功率模块与电容的换流过程中，当晶体管主动关断和二极管反向恢复时，由于di/dt很高，回路电感将在晶体管和二极管中感应出开关过电压。这一效应使得关断损耗增加，且功率模块的电压应力也随之增加。因此，本实用新型采用每相的4个功率模块、2个钳位二极管和18个直流电容共用一个叠成母排的方法，降低母排总电感量，从而减小关断损耗。功率模块的通态损耗、开关损耗、截止损耗等所产生的温升采用水冷散热器来降低。
本实用新型专利的有益效果：可以克服传统逆变器较高的dv/dt和di/dt所引起的开关应力，多电平逆变器作为一种新型的逆变器类型，通过对主电路拓扑结构的改进，使所有功率器件工作在基频以下，达到减小开关应力，降低换流回路中总的电感量，从而降低功率模块在主动关断过程中的关断损耗，降低模块的温度，改善输出波形 。
附图说明
图1三电平变频器逆变单元单相桥臂电感量分布图
图2三电平变频器单相逆变单元组成图
具体实施方式
图1为三电平变频器逆变单元单相桥臂电感量分布图，由于换流回路中的电感量主要由母排和功率模块内部产生，功率模块内部的电感量已无法控制，设计中主要是减少母排的电感量。例如，在含有T1、T2、D3和D4的换流回路中，参与换流的总电感是L1、L11、L21、L32、L42、L3之和。在含有D5、T2 、D3和D4的换流回路中，参与换流的总电感是L2、L5、L21、L32、L42、L3之和。
当T1和T2主动关断以及在D1和D2反向恢复时，由于di/dt很高，回路电感会在晶体管和二极管中感应出开关过电压。这一效应使得关断损耗增加，且功率半导体的电压应力也随之增加。这一效应的负面影响在短路和过载时尤为突出。另外，当线路中存在寄生电容时，还会引起高频振荡。
因此，在采用硬开关的变流器中，应当使换流回路的总电感尽可能地小。除了L1和L3以外，其它换流电感均为模块的内部电感。所以每相采用4个功率模块、2个钳位二极管和18个直流电容共用一个叠成母排，以进一步地减少母线上的电感量。
图2为三电平变频器单相逆变单元组成图，该单元每相桥臂由4个功率模块1、2个钳位二极2管、4个隔离电源5、4个驱动板4、4个吸收电容7、2个均压电阻8、1个叠成母排3和18个直流电容6构成。叠成母排3分为五层，分别为正母排、负母排、零母排、输出母排和中间连接板。功率模块1通过正母排与直流电容6的正极相连，通过负母排与直流电容6的负极相连，钳位二极管2通过零母排与直流电容组6的零位相连，功率模块1和钳位二极管2通过中间连接板连接，输出大线与叠成母排3的输出母排相连，驱动板4放在叠成母排的上面，它的门极和集电极通过双绞线与功率模块相连，发射极利用铜柱与功率模块1连接，隔离电源5的输入为+15V，输出为+15V，通过高压线与驱动板电源接口相连。吸收电容7安装在正母排与零母排及负母排与零母排之间，用于减缓回路中功率模块1两端的过压值。均压电阻8分别与正母排、零母排和负母排相连，直流电容6的两极直接安装在叠成母排3上，外壳采用绝缘挡板固定在框架上，保证电容的外壳与地隔离。每相桥臂之间的正、负、零母线采用扁铜排连接。功率模块的通态损耗、开关损耗、截止损耗等所产生的温升由水冷散热器来降低。逆变单元每个桥臂由两个功率模块1串联，并通过两个钳位二极管2钳位到直流母线的中点；该逆变单元每相可以输出三种电平，假设直流母线电压为Vdc，若以母线中点为参考点，则输出电平分别定义为：+Vdc/2、0、-Vdc/2。
由于功率器件在关断时，自身的瞬时损耗功率是电压与电流的乘积，因此每次的开关动作都会有损耗。同时，由于整个换流回路中电感量越大，di/dt越高，使得关断损耗越大，采用功率模块1、钳位二极管2和直流电容6共用一个叠成母排3，可减少回路中总电感量，从而减小关断损耗。对于相同直流母线电压来说，三电平开关器件的峰值电压只有两电平的一半，因此单次开关动作时损耗小，其总损耗也小。
Claims (6)
1.一种新型低功耗三电平变频器逆变单元，其特征为：该装置由三相抽拉式单元构成，每相桥臂由4个功率模块(1)、2个钳位二极管(2)、4个隔离电源(5)、4个驱动板(4)、4个吸收电容(7)、2个均压电阻(8)、1个叠成母排(3)和18个直流电容(6)构成。
2.根据权利要求1所述的三电平变频器逆变单元，其特征是：每相的4个功率模块、2个钳位二极管和18个直流电容共用一个叠成母排。
3.根据权利要求1所述的三电平变频器逆变单元，其特征是：每相桥臂之间的正、负、零母线采用扁铜排连接。
4.根据权利要求1所述的三电平变频器逆变单元，其特征是：驱动电路采用隔离的独立电源。
5.根据权利要求1所述的三电平变频器逆变单元，其特征是：功率模块的通态损耗、开关损耗、截止损耗等所产生的温升需由散热器来降低，该散热器采用水冷散热器。
6.根据权利要求1所述的三电平变频器逆变单元，其特征是：在功率模块两端并联吸收电容以减小过电压。
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| CN107735950A (zh) * | 2015-06-16 | 2018-02-23 | 三菱电机株式会社 | 包括多晶片功率模块的系统和用于控制多晶片功率模块的操作的方法 |
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