Iegt功率模塊的直流取能電源的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種大功率電力電子變換器領(lǐng)域的IEGT功率模塊的直流取能電源，主電路包括濾波電路、非隔離反激變換器、隔離推挽變換器，輸入的高壓直流電能經(jīng)過濾波電路濾波后，電能信號經(jīng)過非隔離反激變換器經(jīng)第一級變換，將母線高壓轉(zhuǎn)換成DC400V的電信號并經(jīng)過濾波處理，濾波處理后的電信號再經(jīng)過隔離推挽變換器進(jìn)行第二級隔離變換處理，最后經(jīng)過整流電路（圖4）的全波整流，使高位取能電源能夠穩(wěn)定安全的輸出DC15V的電信號。該取能電源可實現(xiàn)在直流輸入電壓300Vdc～3700Vdc的范圍內(nèi)取能，自然冷卻，為IEGT功率模塊的工作提供控制電源，并在復(fù)雜電磁場環(huán)境下能夠安全可靠的工作。
【專利說明】IEGT功率模塊的直流取能電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種大功率電力電子變換器領(lǐng)域的IEGT功率模塊的直流取能電源。
【背景技術(shù)】
[0002]大功率多電平級聯(lián)變流器的基本組成單兀是功率模塊，由功率模塊串聯(lián)組成。功率模塊的拓?fù)浠旧隙际荄C/AC方案，即實現(xiàn)DC (直流WPAC (交流)能量之間的變換。直流側(cè)通常采用電容器進(jìn)行儲能。
[0003]功率模塊的核心部件是大功率全控晶體管，目前常用的包括IGBT，IEGT和StakPak等。目前國內(nèi)市場上以IGBT功率模塊為主，IEGT功率模塊只有一個供應(yīng)商，StakPak功率模塊目前還沒有供應(yīng)商。
[0004]每個功率模塊都有自己的控制裝置和保護(hù)裝置，這些裝置都需要供電，如何取能來提供裝置所需的電源是一個難點和關(guān)鍵點。目前的取能方式包括:直流側(cè)取能和地面取倉泛。
[0005]直流側(cè)取能:即從直流儲能元件(母線大容量電容)取得能量，采用先進(jìn)的多管串-并級聯(lián)反激式DC-DC變換技術(shù)，實現(xiàn)高低壓隔離變換，再加以完整可靠的檢測電路、反饋電路、保護(hù)電路，最終穩(wěn)定安全地為功率模塊的控制保護(hù)裝置提供持續(xù)電源。
[0006]地面取能:即以設(shè)備站內(nèi)或廠內(nèi)配電系統(tǒng)(380V)為能源，通過電能變換和高壓隔離，為功率模塊的控制保護(hù)裝置提供電源。
[0007]以上兩種取能方式的優(yōu)缺點比較:直流取能的優(yōu)勢是在超高壓領(lǐng)域的應(yīng)用，比如柔性直流輸電換流器，電壓動輒超過IOOkV,在這樣的系統(tǒng)里，從地面取能是不現(xiàn)實的，技術(shù)難度大且成本高，直流取能是唯一的辦法。在35kV以下的系統(tǒng)里，既可以采用地面取能，也可以采用直流取能，采用地面取能有一個好處是允許變流器在任何情況下啟動，而采用直流取能則需要變流器與電網(wǎng)已經(jīng)連接的情況下才能開始工作。
[0008]目前，兩種取能方式在IGBT功率模塊都已經(jīng)實現(xiàn)了并投入使用，但是直流取能輸入電壓往往不超過1700V，原因是出于成本考慮制造商通常選用3300V及以下的IGBT。而對于IEGT功率模塊，在本實用新型出現(xiàn)之前，僅實現(xiàn)了地面取能。
實用新型內(nèi)容
[0009]本實用新型的目的是提供一種IEGT功率模塊的直流取能電源，該取能電源可實現(xiàn)在直流輸入電壓300Vdc?3700Vdc的范圍內(nèi)取能，自然冷卻，為IEGT功率模塊的工作提供控制電源，并在復(fù)雜電磁場環(huán)境下能夠安全可靠的工作。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0011]IEGT功率模塊的直流取能電源，在空間結(jié)構(gòu)布置上，直流取能裝置位于IEGT閥串與功率模塊控制板之間，直流取能裝置的輸入端與作為直接帶電體的IEGT閥串散熱片相連接，IEGT閥串散熱片位于IEGT閥串的外部，IEGT閥串散熱片通過連接母排與直流電容相連接；直流電壓采樣板和IEGT驅(qū)動板布置于直流取能電源與IEGT閥串之間；
[0012]直流取能電源的主電路包括濾波電路、非隔離反激變換器、隔離推挽變換器，濾波電路由共模電感、電阻、電容組成，在高壓輸入端的正、負(fù)兩個輸入端分別設(shè)有共模電感，接于高壓正、負(fù)輸入端的共模電感兩端各有一串由電阻并聯(lián)電容組成的均壓串，構(gòu)成濾波電路；非隔離反激變換器由多個功率電路級聯(lián)組成，各功率電路的輸入端串聯(lián)，輸出端并聯(lián)，串聯(lián)連接的功率電路的輸入端與濾波電路輸出端連接；非隔離反激變換器的輸出端與隔離推挽變換器的輸入端相連接。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是:
[0014]1.MMC-HVDC換流器的直流電壓通常都比較高，至少在IOOkV以上，對于地面取能來說是不現(xiàn)實的；功率模塊是基于4500V-1EGT而設(shè)計的，其耐高壓的特性也就要求取能裝置應(yīng)同樣具備高壓情況下穩(wěn)定運行的能力，本實用新型取能電源可實現(xiàn)在直流輸入電壓300Vdc?3700Vdc的范圍內(nèi)取能，自然冷卻，為IEGT功率模塊的工作提供控制電源，并在復(fù)雜電磁場環(huán)境下能夠安全可靠的工作。
[0015]2.由于單個功率模塊輸出能力的提高，同樣電壓等級換流器設(shè)備所需模塊數(shù)量將大大減少，從而在節(jié)約成本的同時，也使得其具備更加節(jié)約空間的優(yōu)勢。
[0016]3.本實用新型直流取能電源可以用于基于4500V-1EGT的功率模塊，而基于4500V-1EGT的功率模塊可以用于MMC-HVDC換流器，高壓靜止無功發(fā)生器(例如35kV-STATC0M)等場合。
[0017]4.本實用新型填補了 IEGT功率模塊直流取能的空白，為高壓大功率多電平級聯(lián)變流器的應(yīng)用提供了新的空間和市場，尤其是柔性直流輸電領(lǐng)域，本實用新型的直流取能電源的輸入電壓最大值達(dá)到3700V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過IGBT功率模塊直流取能輸入電壓。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)主視圖。
[0019]圖2是本實用新型的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0020]圖3是本實用新型的電氣結(jié)構(gòu)框圖。
[0021]圖4是本實用新型的電氣原理圖。
[0022]圖5是功率電路級聯(lián)不意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖詳細(xì)敘述本實用新型的【具體實施方式】。
[0024]見圖1、圖2，IEGT功率模塊的直流取能電源，在空間結(jié)構(gòu)布置上，直流取能裝置I位于IEGT閥串3與功率模塊控制板6之間，直流取能裝置I的輸入端與作為直接帶電體的IEGT閥串散熱片4相連接，IEGT閥串散熱片4位于IEGT閥串3的外部，IEGT閥串散熱片4通過連接母排7及直流電容端子8與直流電容5相連接；直流電壓采樣板和IEGT驅(qū)動板2布置于直流取能裝置I與IEGT閥串3之間。
[0025]見圖3、圖4、圖5，直流取能電源的主電路包括濾波電路、非隔離反激變換器、隔離推挽變換器，濾波電路由共模電感、電阻、電容組成，在高壓輸入端的正、負(fù)兩個輸入端分別設(shè)有共模電感，接于高壓正、負(fù)輸入端的共模電感兩端各有一串由電阻并聯(lián)電容組成的均壓串，構(gòu)成濾波電路。非隔離反激變換器由多個功率電路級聯(lián)組成，各功率電路的輸入端串聯(lián)，輸出端并聯(lián)，串聯(lián)連接的功率電路的輸入端與濾波電路輸出端連接；非隔離反激變換器的輸出端與隔離推挽變換器的輸入端相連接。隔離推挽變換器的輸出端與整流電路相連接。所述的功率電路由高頻儲能變壓器、LC濾波器、二極管、輸出濾波電容、開關(guān)管組成，隔離推挽變換器由開關(guān)管、變壓器組成，在隔離推挽變換器的輸入端設(shè)有隔離輔助電源，在隔離推挽變換器的輸出端設(shè)有故障采集電路。
[0026]IEGT功率模塊的直流取能電源的工作過程是:如圖3所示，輸入的高壓直流電能經(jīng)過濾波電路濾波后，由啟動電路將信號傳遞給輸入過欠壓保護(hù)及控制電路，輸入過欠壓保護(hù)及控制電路使電源處于工作狀態(tài)，電能信號經(jīng)過非隔離反激變換器經(jīng)第一級變換，將母線高壓轉(zhuǎn)換成DC400V的電信號并經(jīng)過濾波處理，濾波處理后的電信號再經(jīng)過隔離推挽變換器進(jìn)行第二級隔離變換處理，最后經(jīng)過整流電路(圖4)的全波整流，使高位取能電源能夠穩(wěn)定安全的輸出DC15V的電信號。
[0027]本實用新型直流取能技術(shù)裝置可在直流輸入電壓300Vdc?3700Vdc的范圍內(nèi)取能，自然冷卻，為IEGT功率模塊的工作提供控制電源，并在復(fù)雜電磁場環(huán)境下能夠安全可
靠的工作。
[0028]本實用新型的技術(shù)難點在于:
[0029]1.直流取能電源設(shè)計
[0030]在明確參數(shù)要求的前提下，如何設(shè)計出符合要求的直流取能電源，難點包括:非常寬的輸入電壓范圍(300Vdc?3700Vdc)，體積小，可靠性高。
[0031]2.在IEGT功率模塊中集成直流取能電源
[0032]在高壓、強電磁干擾環(huán)境下，如何將直流取能電源集成到IEGT功率模塊系統(tǒng)中，與其它部件互相配合和協(xié)調(diào)工作。
[0033]本實用新型的具體解決方案是:
[0034]1.空間位置。
[0035]在安裝直流取能裝置時，既要避免其與受電設(shè)備距離太長，導(dǎo)致其EMI特性下降，也要兼顧其擺放不使功率模塊體積太大。所以，本實用新型將直流取能裝置I擺放于IEGT閥串與功率模塊控制板6之間，且將直流電壓采樣板和IEGT驅(qū)動板2布置于直流取能裝置I與IEGT閥串3之間。
[0036]首先，在設(shè)計閥串結(jié)構(gòu)時，就考慮了裝置的取能問題，此處，將電容正負(fù)兩個電極通過連接母排7連接于IEGT閥串散熱片4，直流取能裝置I的輸入端再與IEGT閥串散熱片4連接，IEGT閥串散熱片4成為與直流電容相連接的直接帶電體，直流取能裝置I從此處取能。這一方法大大縮短了取能裝置取能路徑，具有安全、可靠的優(yōu)點。
[0037]其次，將直流電壓采樣板和IEGT驅(qū)動板2等受電控制單元布置在直流取能裝置周圍，這樣可以盡量縮短連接線纜的長度，減小可能產(chǎn)生的干擾。
[0038]最后，直流取能裝置以特殊金屬材料封裝，并配以特定的濾波裝置，以屏蔽來自模塊本身及四周的電磁干擾。
[0039]2.電氣特性
[0040]由于應(yīng)用領(lǐng)域的要求，基于4500V-1EGT的功率模塊在實際運行時的直流電壓的變化范圍為O?3500Vdc，較高，所以，在應(yīng)用直流取能技術(shù)時，要對電氣因素做詳細(xì)的分析。
[0041]啟動/停止:在整機設(shè)備入網(wǎng)和停機時，直流取能設(shè)備要經(jīng)歷關(guān)閉和啟動的切換過程，直流側(cè)的電容電壓跨度也很大，所以，閥段(某數(shù)量功率模塊串聯(lián)而成)能夠均壓充電，取能裝置能夠平穩(wěn)啟停，是至關(guān)重要的。
[0042]運行:整機在運行過程中，直流側(cè)電容電壓波動較大，會產(chǎn)生大量的差模干擾，所以要求取能設(shè)備在禁受住電磁干擾的同時，輸出電壓也能夠保持穩(wěn)定。
[0043]取能裝置作為IEGT功率模塊的一個重要組成，對其耐高壓、安全等特性有著非常高的要求。本實用新型從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、均壓及功率變換等幾個方面對取能裝置作出創(chuàng)新研究，設(shè)計改進(jìn)，并最終完成裝置的研發(fā)及應(yīng)用。
[0044]I)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
[0045]①方案:本實用新型的取能裝置采用功率電路級聯(lián)的方式，輸入端串聯(lián)，輸出端并聯(lián)，具體電氣連接方式參照圖4、圖5所示。
[0046]輸入高壓經(jīng)過多個串聯(lián)的均壓電容后，再分別接到各個功率電路的開關(guān)管。如圖
4、圖5所示，在共模電感的兩端各有一串由大阻值電阻并聯(lián)電容組成的均壓串。此時的開關(guān)管，電壓應(yīng)力為單個開關(guān)管時的1/N (比如串接6個開關(guān)管為1/6)。同時熱分布也會相對平均，比較適合應(yīng)用到高輸入電壓的電源環(huán)境中。
[0047]②器件選型:為了達(dá)到取能裝置耐高壓的要求，本設(shè)計選取的每只開關(guān)管電壓應(yīng)力為 I2OOV 的 MOSFET。
[0048]2)均壓問題
[0049]①產(chǎn)生原因:串聯(lián)MOSFET驅(qū)動信號的不一致是導(dǎo)致均壓不良的主要原因，驅(qū)動延遲時間的不同會導(dǎo)致開通較慢的器件上產(chǎn)生電壓尖峰，和較高的靜態(tài)電壓，使各級電壓不均。另外，驅(qū)動電路的走線寄生電感和吸收電路特性不一樣，不同的MOSFET引線電感不同，導(dǎo)通特性也就有很大差異，另外MOSFET關(guān)斷瞬間的電壓上升斜率dV/dt與吸收電容的值有關(guān)，吸收電容的誤差較大以及工作環(huán)境的因素等方面都對開關(guān)管導(dǎo)通有較大影響，因此每個串聯(lián)的MOSFET的dV/dt也會有所不同，吸收電容小的MOSFET兩端會產(chǎn)生較大的電壓尖峰。
[0050]②解決方案:為了保證電路在工作過程中各級間電壓相等，首先，我們選擇同型號同批次的器件，并且在驅(qū)動電路和吸收電路的設(shè)計上要嚴(yán)格一致；其次，在每級間并聯(lián)較大阻值電阻，起到靜態(tài)下的均壓作用；另外，對于動態(tài)采用阻容式的鉗位電路，要保證驅(qū)動信號的幅值一致，確保多個MOSFET同步，即時間上和開通幅度上完全一致。
[0051]3)功率變換
[0052]該電源由于是從輸入DC300V-DC3700V的高電壓等級轉(zhuǎn)換到低壓DC15V直接一級變換的難度較大，主要是考慮到設(shè)備異常時或者人員誤操作時副邊的15V低壓出現(xiàn)故障時極有可能影響到原邊高壓側(cè)，而高壓側(cè)則是與模塊的主功率器件相連的，這樣非常不安全。出于這個考慮，本設(shè)計在高壓側(cè)做了兩級功率變換，保證DC15V側(cè)即使出現(xiàn)問題也不至于直接影響到高壓取能側(cè)。如圖3、圖4所示，輸入的高壓直流電能經(jīng)過濾波后由啟動電路將電源控制部分“喚醒”使電源處于工作狀態(tài)，經(jīng)過一級級聯(lián)反激電路，將母線高壓轉(zhuǎn)換成DC400V精電，經(jīng)過濾波處理后繼續(xù)進(jìn)行第二級隔離變換處理。最后經(jīng)過全波整流技術(shù)，使高位取能電源能夠穩(wěn)定安全的輸出DC15V精電。
【權(quán)利要求】
1.1EGT功率模塊的直流取能電源，其特征在于，在空間結(jié)構(gòu)布置上，直流取能裝置位于IEGT閥串與功率模塊控制板之間，直流取能裝置的輸入端與作為直接帶電體的IEGT閥串散熱片相連接，IEGT閥串散熱片位于IEGT閥串的外部，IEGT閥串散熱片通過連接母排與直流電容相連接；直流電壓采樣板和IEGT驅(qū)動板布置于直流取能電源與IEGT閥串之間； 直流取能電源的主電路包括濾波電路、非隔離反激變換器、隔離推挽變換器，濾波電路由共模電感、電阻、電容組成，在高壓輸入端的正、負(fù)兩個輸入端分別設(shè)有共模電感，接于高壓正、負(fù)輸入端的共模電感兩端各有一串由電阻并聯(lián)電容組成的均壓串，構(gòu)成濾波電路；非隔離反激變換器由多個功率電路級聯(lián)組成，各功率電路的輸入端串聯(lián)，輸出端并聯(lián)，串聯(lián)連接的功率電路的輸入端與濾波電路輸出端連接；非隔離反激變換器的輸出端與隔離推挽變換器的輸入端相連接。
【文檔編號】H02M3/28GK203674961SQ201320830311
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】時偉, 艾錫剛, 王嘉藝, 張海濤, 饒宏, 黎小林, 許樹楷, 魏偉, 侯婷 申請人:榮信電力電子股份有限公司, 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司