CN217037160U - 电平变换电路、设备、npc变流器电路及npc变流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了电平变换电路、设备、NPC变流器电路及NPC变流器，电平变换电路包括：两个并联连接的三电平模块，三电平模块中包括位于桥臂中间的第一IGBT模块、位于桥臂一端且与电源负极相连的第二IGBT模块、位于桥臂另一端且与电源正极相连的第三IGBT模块；两个三电平模块并列排布在基板上，且两个三电平模块中的同一IGBT以两个三电平模块之间的中线为轴线对称排布；其中，从轴线向两侧的排布顺序为：第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块。本实用新型提供的方案中由于轴线两侧的换流回路对称等长，因此两侧的杂散电感几乎相等，保证了换流时IGBT模块间均流性能。

Description

电平变换电路、设备、NPC变流器电路及NPC变流器

技术领域

本实用新型涉及电路技术领域，尤其涉及电平变换电路、设备、NPC变流器电路及NPC变流器。

背景技术

I型-NPC(Neutral Point Clamped，中点钳位)三电平技术具有开关损耗小、效率高、输出谐波含量低等优点，目前广泛应用于电力电子产品中，包括各种全功率或双馈风电变流器。如图1所示。EconoDUAL IGBT(EconoDUAL Insulated Gate Bipolar Transistor，半桥型绝缘栅双极型晶体管)模块因具备体积小、成本低广泛应用于风电变流器功率模块中，并常通过IGBT硬并联再模块并联方式满足风电变流器日益增加的功率等级需求。

但I-NPC内管IGBT在关断过程中换流路径为大换流回路，回路经过三个 IGBT模块杂散电感较大，导致关断时候集电极-发射极间电压Vce较大，容易引起IGBT模块的损坏；另外，由于两并联IGBT的三电平模块均流性能会受到模块布局的影响，而目前行业应用中基于EconoDUAL IGBT实现的功率模块多以两并联为主，所以I-NPC中基于两并联IGBT的三电平模块的布局需要进行精细设计。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了电平变换电路、设备、NPC变流器电路及NPC变流器，用以解决集电极-发射极间电压Vce较大和均流性能不佳的问题。

因此，本实用新型实施例提供了一种电平变换电路，包括：两个并联连接的三电平模块，三电平模块中包括位于桥臂中间的第一IGBT模块、位于桥臂一端且与电源负极相连的第二IGBT模块、位于桥臂另一端且与电源正极相连的第三IGBT模块；

两个三电平模块并列排布在基板上，且两个三电平模块中的同一IGBT以两个三电平模块之间的中线为轴线对称排布；

其中，从轴线向两侧的排布顺序为：第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的电平变换电路中，任一IGBT模块的端子包括位于同一边的正极端子和负极端子，及位于对边的第一交流引线端子和第二交流引线端子，且同一IGBT模块的端子在两个三电平模块的排布方式相同；

第二IGBT模块与第三IGBT模块的端子排布方式均为：正极端子和负极端子为上端口，第一交流引线端子和第二交流引线端子为下端口；

第一IGBT模块的端子排布方式为：第一交流引线端子和第二交流引线端子为上端口，正极端子和负极端子为下端口。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的电平变换电路中，任一IGBT模块包括两个相互连接的第一IGBT和第二IGBT，第二IGBT模块与第三IGBT模块中，正极端子位于负极端子的左侧，第一交流引线端子位于第二交流引线端子的左侧；

第一IGBT模块中，第二交流引线端子位于第一交流引线端子的左侧，负极端子位于正极端子的左侧；

第一交流引线端子为连接第一IGBT发射极的端子，第二交流引线端子为连接第二IGBT集电极的端子。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的电平变换电路中，任一IGBT模块的第一交流引线端子和第二交流引线端子连接后向外引线，在轴线任一侧，第三IGBT模块的引线与第一IGBT模块的正极端子相连；

第二IGBT模块的引线与第一IGBT模块的负极端子相连；

第二IGBT模块的正极端子与第三IGBT模块的负极端子相连。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的电平变换电路中，在轴线任一侧，第三IGBT模块的正极端子连接电源正极，负极端子连接电源中性点，且第二IGBT模块的负极端子连接到电源负极。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的电平变换电路中，两个并联连接的三电平模块中的第一IGBT模块的正极端子相互相连，且负极端子相互相连。

本实用新型实施例还提供了一种NPC变流器电路，包括：

交流电源；

三个并联连接的上述电平变换电路，分别与交流电源连接。

本实用新型实施例还提供了一种电平变换设备，包括：本实用新型实施例提供的上述电平变换电路。

本实用新型实施例还提供了一种NPC变流器，包括：本实用新型实施例提供的上述NPC变流器电路。

本实用新型实施例提供的电平变换电路包括：两个并联连接的三电平模块，三电平模块中包括位于桥臂中间的第一IGBT模块、位于桥臂一端且与电源负极相连的第二IGBT模块、位于桥臂另一端且与电源正极相连的第三IGBT模块；两个三电平模块并列排布在基板上，且两个三电平模块中的同一IGBT以两个三电平模块之间的中线为轴线对称排布；其中，从轴线向两侧的排布顺序为：第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块；这样，轴线两侧的换流回路对称等长，因此两侧的杂散电感几乎相等，保证了换流时IGBT模块间均流性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种IGBT模块的内部结构的示意图；

图2为一种三电平模块的示意图；

图3为本实用新型实施例提供一种电平变换电路布局的示意图；

图4为本实用新型实施例提供一种IGBT内管T3关断时大换流回路的示意图；

图5为本实用新型实施例提供一种电平变换电路布局中IGBT内管T3关断时大换流回路的示意图；

图6为本实用新型实施例提供一种IGBT内管T2关断时大换流回路的示意图；

图7为本实用新型实施例提供一种电平变换电路布局中IGBT内管T2关断时大换流回路的示意图；

图8为本实用新型实施例提供一种NPC变流器电路的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为一种IGBT模块的内部结构的示意图，每个IGBT模块都是由两个 IGBT单元组成，对应图1中的A1和A2，每个IGBT单元包括一个IGBT和一个反向并联的二极管，其中，IGBT单元A1中IGBT的发射极与IGBT单元 A2中IGBT的集电极相连接；并且，每个IGBT模块具有四个端子，即一个正极端子(图1中端子4)、一个负极端子(图1中端子3)和两个引线端子(图1中第一引线端子10和第二引线端子11)，其中第一引线端子10为与IGBT 单元A1的发射极相连接的端子，第二引线端子11为与IGBT单元A2集电极相连接的端子，并且两个交流引线端子，即第一引线端子10和第二引线端子 11相互连接，并向外引线。

图2为一种三电平模块的示意图，如图2所示，一个三电平模块包括三个 IGBT模块，分别为：位于桥臂中间的第一IGBT模块(图2中的M1)、位于桥臂一端且与电源负极相连的第二IGBT模块(图2中的M2)和位于桥臂另一端且与电源正极相连的第三IGBT模块(图2中的M3)。

其中，T1表示第三IGBT模块中的IGBT，D1、D5表示第三IGBT模块中的两个二极管，第一IGBT和第二IGBT中与之类似，需要注意的是，由于电平变换电路中不需要使用与二极管并联D5的IGBT和与二极管并联D6的 IGBT，因此图3中进行了省略，之后的图进行了类似的处理。

本实用新型实施例提供一种电平变换电路，如图3所示，包括：两个并联连接的三电平模块(图3中K1和K2)，三电平模块中包括位于桥臂中间的第一 IGBT模块(图3中M1和M1’)、位于桥臂一端且与电源负极相连的第二IGBT 模块(图3中M2和M2’)、位于桥臂另一端且与电源正极相连的第三IGBT 模块(图3中M3和M3’)，其中IGBT模块M1、M2、M3属于三点电平模块 K1，IGBT模块M1’、M2’和M3’属于三电平模块K2；

两个三电平模块并列排布在基板上，且所述两个三电平模块中的同一 IGBT以所述两个三电平模块之间的中线为轴线对称排布；

本实用新型实施例中，如图3所示，三电平模块K1和三电平模K2以图中所示的中线M为轴向两侧对称排布，需要注意的是，仅是三电平模块整体以中线为轴对称排布，其内部IGBT的各个端子并不以中线为轴对称排布。

其中，从所述轴线向两侧的排布顺序为：第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块，对应于图3中的排布顺序，即按照从左到右的顺序依次为M3，M2、M1、M1’、M2’、M3’。

上述方法，两个三电平模块中的同一IGBT以所述两个三电平模块之间的中线为轴线对称排布，换流回路对称等长，因此两侧的杂散电感几乎相等，保证了换流时IGBT模块间均流性能。

作为一种可选的实施方式，上述电平变换电路中，任一IGBT模块的端子包括位于同一边的正极端子和负极端子(即图3中的端子4和端子3)，及位于对边的第一交流引线端子和第二交流引线端子(即图3中的端子10和端子11)，且同一IGBT模块的端子在两个三电平模块的排布方式相同，如图3所示，IGBT 模块M1和M1’中端子的排布方式相同，IGBT模块M2和M2’中端子的排布方式相同，IGBT模块M3和M3’中端子的排布方式相同，并且第二IGBT模块和第三IGBT模块中端子的排布方式相同，对应于图3中的IGBT模块M2 和M3中端子排布方式相同，IGBT模块M2’和M3’中端子排布方式相同；

上述第二IGBT模块与上述第三IGBT模块的端子排布方式均为：正极端子和负极端子为上端口，第一交流引线端子和第二交流引线端子为下端口，即图3中所示的端口4和端口3位于IGBT模块的上边，端口10和端口11位于 IGBT模块的下边；

上述第一IGBT模块的端子排布方式为：第一交流引线端子和第二交流引线端子为上端口，正极端子和负极端子为下端口，即图3中所示的端口4和端口3位于IGBT模块的下边，端口10和端口11位于IGBT模块的上边。

作为一种可选的实施方式，上述电平变换电路中，任一IGBT模块包括两个相互连接的第一IGBT(图1中的A1)和第二IGBT(图1中的A2)，上述第二IGBT模块(图3中的M2和M2’)与所述第三IGBT模块中，正极端子位于负极端子的左侧，第一交流引线端子位于第二交流引线端子的左侧；

所述第一IGBT模块中，第二交流引线端子位于第一交流引线端子的左侧，负极端子位于正极端子的左侧；

所述第一交流引线端子为连接第一IGBT发射极的端子，所述第二交流引线端子为连接第二IGBT集电极的端子。

在本实用新型实施例中，如图3所示，IGBT模块中端子的布局按照顺时针顺序依次为端子4、端子3、端子11、端子10，如果设定IGBT模块正放为端子4和端子3位于IGBT模块上边，端子10和端子11位于IGBT模块下边， IGBT模块反放为端子4和端子3位于IGBT模块下边，端子10和端子11位于IGBT模块上边，则在上述电平变换电路中第一IGBT模块反放，第二IGBT 模块和第三IGBT模块均正放。

上述方法，大换流回路的长度较短，减小了大换流回路的杂散电感，降低 IGBT模块中内管IGBT关断过程中的内管IGBT集电极-发射极间电压Vce的电压应力。

以下对上述电平变换电路中各IGBT模块间的连接方式进行介绍：

作为一种可选的实施方式，上述电平变换电路，任一IGBT模块的第一交流引线端子和第二交流引线端子连接后向外引线，在上述轴线任一侧，上述第三IGBT模块的引线与上述第一IGBT模块的正极端子相连；

上述第二IGBT模块的引线与上述第一IGBT模块的负极端子相连；

上述第二IGBT模块的正极端子与上述第三IGBT模块的负极端子相连。

如图1和图3所示，在上述电平变换电路的任一三电平模块内部，各IGBT 模块的连接方式相同，且任一IGBT模块的端子10和端子11相连接后，向外引线(对应于图3中的L1、L2、L3、L1’、L2’、L3’)，以三电平模块K1为例，其内部IGBT模块的连接方式为：IGBT模块M3的引线L3与IGBT模块M1 的端子3相连，IGBT模块M2的引线L2与IGBT模块M1的端子4相连，IGBT模块M2的端子4与IGBT模块M3的端子3相连。

作为一种可选的实施方式，上述电平变换电路，在上述轴线任一侧，上述第三IGBT模块的正极端子连接电源正极，负极端子连接电源中性点，且上述第二IGBT模块的负极端子连接到电源负极。

以三电平模块K1所在的一侧为例，IGBT模块M3的端子4连接电源正极 A，IGBT模块M3的端子3连接电源中性点B，IGBT模块M2的端子3连接电源负极C。

作为一种可选的实施方式，上述电平变换电路，上述两个并联连接的三电平模块中的第一IGBT模块的正极端子相互相连，且负极端子相互相连，对应于图3中IGBT模块M1中的端子4和IGBT模块M1’中的端子4相连，且IGBT 模块M1中的端子3和IGBT模块M1’中的端子3相连。

上述方法，可以保证上述电平变换电路中位于对称轴两侧的第一IGBT模块M1和M1’的两正极端子4处的电位一致，并且两负极端子3处的电位一致，以便后续可以使用同一驱动器对两侧的同一IGBT模块进行驱动。

在电平变换电路中，当内管IGBT(第一IGBT模块中两个IGBT)关断产生大电流换流回路时，上述内管IGBT中集电极-发射极间电压Vce为母线电压的一半加电压变化量，而电压变化量收IGBT关断时电流下降的斜率di/dt和大换流回路的杂散电感决定，其中电流下降的斜率受外部信号控制，大换流回路的杂散电感则由IGBT外部杂散电感(较大)和内部杂散电感(较小)决定，并且外部杂散电感受换流回路长度的影响，环流回路越短，外部杂散电感越小，进而内管IGBT中集电极-发射极间电压Vce就会减小，避免IGBT模块的损坏。

以下举例说明在本实用新型实施例提供的电平变换电路中，因内管IGBT 关断导致的大换流回路的具体走向。

实例一：如图4和图5所示，本实用新型实施例提供一种IGBT内管T3 关断时大换流回路的示意图，其中，虚线代表大换流回路的走向。

具体实施中，在IGBT内管T3关断前，电流流向为由AC端流入M1模块，并经T3流出M1模块，当内管T3逐渐关断时，由于由AC端流入的电流不会发生突变，且T3由于正在关断，仅能允许极小的电流流过，因此大部分电流只能通过D2流出M1模块，此时大换流回路的走向为，小部分电流经过T3 和D6，流入中性点，大部分电流经过D2和D1流入电源正极，形成图4和图 5中虚线所示的大换流回路。

在这种情形下，如图5所示，大换流回路在中线左侧或右侧单侧集中，并且回路长度较小，因此保证了外部杂散电感较小，进而内管IGBT中集电极- 发射极间电压Vce较小。

实例二：如图6和图7所示，本实用新型实施例提供一种IGBT内管T2 关断时大换流回路的示意图，其中，虚线代表大换流回路的走向。

具体实施中，在IGBT内管T2关断前，电流流向为由AC端流出M1模块，并经T2流入M1模块，当内管T2逐渐关断时，由于由AC端流入的电流不会发生突变，且T2由于正在关断，仅能允许极小的电流流过，因此大部分电流只能通过D3流入M1模块，此时大换流回路的走向为，小部分电流经过D5 和T2(此时T1为关断状态)，流入AC端，大部分电流经过T3和T4流入AC 端，形成图6和图7中虚线所示的大换流回路。

在这种情形下，如图7所示，大换流回路在中线左侧或右侧单侧集中，并且回路长度较小，因此保证了外部杂散电感较小，进而内管IGBT中集电极- 发射极间电压Vce较小。

并且，如果并联的两个三电平模块中杂散电感不一致，就会导致两个三电平模块中同一IGBT模块中流经的电流不一致，即均流性能不佳。

在本实用新型实施例提供的电平变换电路中，两个并联三电平模块对称排布，换流回路对称等长，因此两侧的杂散电感几乎相等，也保证了换流时IGBT 模块间均流性能。

本实用新型实施例还提供一种NPC变流器电路，如图8所示，包括：

交流电源801；

三个并联连接的上述的电平变换电路802，分别与交流电源连接。

其中，交流电源801为三相交流电源，其三相分别与三个并联的上述电平变换电路802的任一三电平模块中第一IGBT模块的引线AC(第一引线端子 10和第二引线端子11相互连接后向外的引线，如图2、图4和图6中所示) 相连，上述电平变换电路中另一三电平模块中的引线AC与三相用电设备相连，为用电设备进行供电。

基于同一实用新型构思，本实用新型实施例还提供了一种电平变换设备，包括上述电平变换电路。

上述电平变换设备可以为风力发电用变流器、光伏发电用逆变器、储能变流器、变频器等三电平变换器设备中的任一设备，该设备中除包含上述电平变换电路外，还包括实现该设备功能的其他组成模块。

本实用新型实施例还提供了一种NPC变流器，该NPC变流器包括上述 NPC变流器电路。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种电平变换电路，包括：两个并联连接的三电平模块，所述三电平模块中包括位于桥臂中间的第一IGBT模块、位于桥臂一端且与电源负极相连的第二IGBT模块、位于桥臂另一端且与电源正极相连的第三IGBT模块，其特征在于：

两个三电平模块并列排布在基板上，且所述两个三电平模块中的同一IGBT以所述两个三电平模块之间的中线为轴线对称排布；

其中，从所述轴线向两侧的排布顺序为：第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块。

2.如权利要求1所述的电平变换电路，其特征在于，任一IGBT模块的端子包括位于同一边的正极端子和负极端子，及位于对边的第一交流引线端子和第二交流引线端子，且同一IGBT模块的端子在两个三电平模块的排布方式相同；

所述第二IGBT模块与所述第三IGBT模块的端子排布方式均为：正极端子和负极端子为上端口，第一交流引线端子和第二交流引线端子为下端口；

所述第一IGBT模块的端子排布方式为：第一交流引线端子和第二交流引线端子为上端口，正极端子和负极端子为下端口。

3.如权利要求2所述的电平变换电路，其特征在于，任一IGBT模块包括两个相互连接的第一IGBT和第二IGBT，所述第二IGBT模块与所述第三IGBT模块中，正极端子位于负极端子的左侧，第一交流引线端子位于第二交流引线端子的左侧；

所述第一IGBT模块中，第二交流引线端子位于第一交流引线端子的左侧，负极端子位于正极端子的左侧；

所述第一交流引线端子为连接第一IGBT发射极的端子，所述第二交流引线端子为连接第二IGBT集电极的端子。

4.如权利要求2或3所述的电平变换电路，其特征在于，任一IGBT模块的第一交流引线端子和第二交流引线端子连接后向外引线，在所述轴线任一侧，所述第三IGBT模块的引线与所述第一IGBT模块的正极端子相连；

所述第二IGBT模块的引线与所述第一IGBT模块的负极端子相连；

所述第二IGBT模块的正极端子与所述第三IGBT模块的负极端子相连。

5.如权利要求4所述的电平变换电路，其特征在于，在所述轴线任一侧，所述第三IGBT模块的正极端子连接电源正极，负极端子连接电源中性点，且所述第二IGBT模块的负极端子连接到电源负极。

6.如权利要求2或3所述的电平变换电路，其特征在于，所述两个并联连接的三电平模块中的第一IGBT模块的正极端子相互相连，且负极端子相互相连。

7.一种NPC变流器电路，其特征在于，包括：

交流电源；

三个并联连接的如权利要求1～6任意一项所述的电平变换电路，分别与所述交流电源连接。

8.一种电平变换设备，其特征在于，包括：如权利要求1～6任意一项所述的电平变换电路。

9.一种NPC变流器，其特征在于，包括：如权利要求7所述的NPC变流器电路。

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