[發(fā)明專利]五電平有源中點鉗位H橋變流器的疊層母排結(jié)構(gòu)布局

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110013891.4
• 申請日: 2021-01-06
• 公開（公告）號: CN112332682B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 肖飛;胡亮燈;辛子越;蔣林飛;吳文捷;任強;李偉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍海軍工程大學(xué)
• 主分類號: H02M7/00
• 分類號: H02M7/00;H02M7/487
• 代理公司: 武漢開元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42104
• 代理人: 馬輝;張繼巍

本發(fā)明公開了一種五電平有源中點鉗位H橋變流器的疊層母排結(jié)構(gòu)布局，包括左半橋臂器件、右半橋臂器件、疊層母排、上支撐電容、下支撐電容、左橋臂懸浮電容及右橋臂懸浮電容；左半橋臂器件與右半橋臂器件的布局相同，左半橋臂器件位于疊層母排右半部分，右半橋臂器件位于疊層母排左半部分；合理的器件布局能有效縮短換流路徑長度，改善換流回路復(fù)合效果，降低疊層母排的設(shè)計難度；良好的疊層母排設(shè)計能實現(xiàn)換流路徑的充分復(fù)合，降低了換流回路的雜散電感，大幅度降低了功率器件的關(guān)斷過電壓，簡化了吸收電路，在降低成本的同時使結(jié)構(gòu)更加緊湊、功率密度進一步提高，擴大了五電平變流器的安全工作區(qū)域，有利于五電平變流器的長期安全、穩(wěn)定運行。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于大功率電能變換技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種五電平有源中點鉗位H橋變流器的疊層母排結(jié)構(gòu)布局。

背景技術(shù)

隨著電力電子器件技術(shù)、信息和控制技術(shù)的日益進步，電力電子變流技術(shù)得到了很大的發(fā)展和提高。目前，中高壓、大容量電力電子變流器所涉及和應(yīng)用的范圍越來越廣泛，如風(fēng)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(yè)發(fā)展的重要方向。傳統(tǒng)的兩電平變換器的功率器件耐壓能力有限，器件串聯(lián)存在均壓等問題，不適用于中壓大容量場合。五電平有源中點鉗位變換器（5L-ANPC）是一種多電平拓撲，較好解決了開關(guān)器件的耐壓問題，使得現(xiàn)有電壓等級的電力電子器件在中高壓場合的應(yīng)用成為可能，因此，基于五電平有源中點鉗位拓撲在中壓領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

驅(qū)動中壓多相開繞組電機的變頻器采用五電平有源中點鉗位拓撲的多相H橋結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)可獨立設(shè)計。H橋功率器件布局和疊層母排設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到變流器的整體性能。相比傳統(tǒng)的二電平變流器，五電平有源中點鉗位變流器換流回路更多、更復(fù)雜，換流路徑也更長。功率開關(guān)器件動作時，其換流回路雜散電感產(chǎn)生的電壓尖峰將疊加在功率器件兩端，增加了器件電壓應(yīng)力甚至可能超出器件耐壓范圍，易造成功率開關(guān)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(tǒng)損耗并延長了器件關(guān)斷過渡過程，不利于器件安全工作。為進一步提高五電平有源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(shè)計非常關(guān)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(shè)計難度；良好的疊層母排設(shè)計能實現(xiàn)換流路徑的充分復(fù)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(dǎo)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(shè)計階段將這些因素考慮進去，很可能導(dǎo)致功率器件承受過大的應(yīng)力。特別是五電平有源中點鉗位變換器的母排通常較大，功率器件數(shù)量較兩電平多，更增加了這種風(fēng)險。此外，五電平變流器內(nèi)管換流路徑比較長，在實際應(yīng)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(yīng)用。為了提高系統(tǒng)可靠性，對IGBT的安全工作區(qū)充分利用，須在考慮五電平有源中點鉗位拓撲換流路徑的基礎(chǔ)上精確、合理地設(shè)計器件布局和疊層母排。疊層母排能實現(xiàn)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(fù)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(guān)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(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對上述技術(shù)的不足，提供一種能縮短各半橋換流路徑長度、簡化換流回路的五電平有源中點鉗位H橋變流器的疊層母排結(jié)構(gòu)布局。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計的五電平有源中點鉗位H橋變流器的疊層母排結(jié)構(gòu)布局，疊層母排結(jié)構(gòu)布局包括左半橋臂器件、右半橋臂器件、疊層母排、上支撐電容C_d1、下支撐電容C_d2、左橋臂懸浮電容C_f1及右橋臂懸浮電容C_f2；左半橋臂器件包括第一IGBT組T1、第二IGBT組T2、第三IGBT組T3、第四IGBT組T4、第五IGBT組T5及第六IGBT組T6，每組IGBT組包括兩個獨立的IGBT；所述左半橋臂器件與右半橋臂器件的布局相同，左半橋臂器件位于疊層母排右半部分，右半橋臂器件位于疊層母排左半部分；