[發明專利]四電平嵌套中點鉗位H橋變流器的疊層母排結構布局

有效

• 申請號: 202110013780.3
• 申請日: 2021-01-06
• 公開（公告）號: CN112332681B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 肖飛;胡亮燈;辛子越;艾勝;李兵;樓徐杰;熊又星
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: H02M7/00
• 分類號: H02M7/00;H02M7/487
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 馬輝;張繼巍

本發明公開了一種四電平嵌套中點鉗位H橋變流器的疊層母排結構布局，器件包括左半橋臂器件、右半橋臂器件及疊層母排；左半橋臂器件包括第一IGBT組、第二IGBT組、第三IGBT組、左半橋臂鉗位二極管組Da、左支撐電容C_d1、左上懸浮電容C_fa1及左下懸浮電容C_fa2，IGBT組包括兩個獨立的IGBT；左半橋臂器件與右半橋臂器件的布局與連接完全相同。能有效縮短換流路徑長度，改善換流回路復合效果，降低了換流回路的雜散電感，大幅度降低了功率器件的關斷過電壓，簡化了吸收電路，在降低成本的同時使結構更加緊湊、功率密度進一步提高，擴大了四電平變流器的安全工作區域，有利于四電平變流器的長期安全、穩定運行。

技術領域

本發明屬于大功率電能變換技術領域，具體涉及一種四電平嵌套中點鉗位H橋變流器的疊層母排結構布局。

背景技術

隨著電力電子器件技術、信息和控制技術的日益進步，電力電子變流技術得到了很大的發展和提高。目前，中高壓、大容量電力電子變流器所涉及和應用的范圍越來越廣泛，如風電變流器、高壓直流輸電變流器、重載機車牽引變流器、礦用電氣傳動變流器、軍用移動平臺變流器等，成為行業發展的重要方向。傳統的兩電平變換器的功率器件耐壓能力有限，器件串聯存在均壓等問題，不適用于中壓大容量場合。四電平嵌套中點鉗位變換器（4L-NNPC）是一種新型多電平拓撲，其拓撲結構簡單、所需器件較少，并且所有功率器件承受的電壓均為直流側的1/3，無需功率器件串聯便可以工作在10kV電壓等級上。因此，四電平嵌套中點鉗位拓撲十分適用于中壓大容量場合，特別是對體積重量要求嚴苛的移動平臺。

驅動中壓多相開繞組電機的變頻器采用基于四電平嵌套中點鉗位拓撲的多相H橋結構，不同的H橋單元主電路不存在耦合，功率單元相互獨立，其H橋電路結構可獨立設計。其H橋功率器件布局和疊層母排設計的優劣直接關系到變流器的整體性能。相比傳統的兩電平變流器，四電平嵌套中點鉗位變流器換流回路更多、更復雜，換流路徑也更長。功率開關器件動作時，其換流回路雜散電感產生的電壓尖峰將疊加在功率器件兩端，增加了器件電壓應力甚至可能超出器件耐壓范圍，易造成功率開關器件損壞。此外，雜散電感與吸收電容形成諧振回路，易引起功率電路振蕩，增加了系統損耗并延長了器件關斷過渡過程，不利于器件安全工作。

為進一步提高四電平嵌套中點鉗位變流器性能和可靠性，其功率器件布局和疊層母排設計非常關鍵。合理的功率器件布局能縮短換流路徑長度，簡化換流回路，也能降低疊層母排的設計難度；良好的疊層母排設計能實現換流路徑的充分復合，最大限度降低換流回路的雜散電感。此外，因制造和裝配誤差、母排本身和電容等因素作用，導致功率器件受力是不可避免的，如果不在功率器件布局和疊層母排設計階段將這些因素考慮進去，很可能導致功率器件承受過大的應力。特別是四電平嵌套中點鉗位變換器的母排通常較大，電容數量較兩電平多，更增加了這種風險。此外，四電平變流器內管換流路徑比較長，在實際應用時通常都會留有較大的電壓和電流裕量，功率模塊的容量得不到充分的應用。為了提高系統可靠性，對IGBT的安全工作區充分利用，須在考慮四電平嵌套中點鉗位拓撲換流路徑的基礎上精確、合理地設計器件布局和疊層母排。疊層母排能實現變流器功率器件的高度集成，同時，通過合理的器件布局及疊層母排回路復合大幅降低換流回路雜散電感，從而有效降低功率器件開關過程中所承受的尖峰電壓，降低功率器件對保護吸收電路的要求，提高功率器件利用率及運行的可靠性和穩定性。

發明內容

本發明的目的是針對上述技術的不足，提供一種能縮短各半橋換流路徑長度、簡化換流回路的四電平嵌套中點鉗位H橋變流器的疊層母排結構布局。