一种双PWM集成门极换向晶闸管三电平功率柜

摘要

一种双PWM集成门极换向晶闸管三电平功率柜，属于大功率半导体开关技术领域。包括逆变功率单元柜、电容柜和整流功率单元柜。本发明中每台逆变或整流功率单元柜里包含三组逆变/整流功率模块单元，每组逆变/整流功率模块单元上带有四个或四个以上IGCT元件，构成逆变/整流输出的一相。电容柜有直流电容、供/回水竖直干管、电容预充电电路、并联电阻和反并联二极管等辅助电路及相应母排等。

说明书

技术领域

本发明属于半导体开关技术领域，特别是提供了一种双PWM集成门极换向晶闸管(The Integrated Gate Commutated Thyristor，简称IGCT)三电平功率柜结构，它适用于3～27MVA大功率变流器中，可广泛应用于中压传动领域。 

背景技术

集成门极换向晶闸管IGCT是瑞士ABB公司专为中压变频器开发的功率半导体开关器件。是在可关断晶闸管GTO的基础上所作的改良型器件，它作为一种新型的电力电子器件，将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点，即晶体管稳定的关断能力和晶闸管的低通态损耗。IGCT在导通期间发挥晶闸管的性能，关断阶段呈类似于晶体管的特性。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低的特点。 

IGCT集IGBT(绝缘门极双极性晶体管)的高速开关特性和GTO(门极关断晶闸管)的高阻断电压和低导通损耗特性于一体。IGCT的快速开关能力无需缓冲电路，因而所需的功率元件数目更少，运行的可靠性更高。目前国际上IGCT的应用技术已经很成熟，但是在国内却还处于起步阶段，还没有IGCT变流器的成熟产品问世。完整的IGCT有源整流电路或逆变电路包括IGCT、反并联二极管、箝位电路器件等，若将这些元件分散组装后再用母线或导线进行电气连接，不仅其占用体积较大，而且连线回路面积较大，从而造成线路杂散电感增大。杂散电感的增大会使IGCT的关断电压升高，这时候为了保证IGCT的安全就必须要减小输出电流，从而造成输出功率的减小。此外，IGCT的功率组件分散安装，也不利于维修工作的进行。 

发明内容

本发明的目的为针对采用IGCT等电力电子器件的大功率三电平背靠背脉宽调制变频装置，提出一种减少电路杂散电感，提高装置输出能力的模块化的结构，便于安装组接，可适用于不同工程要求。 

一种双PWM集成门极换向晶闸管三电平功率柜，是由逆变功率单元柜1、电容柜2和整流功率单元柜3组成的装置。每台逆变或整流功率单元柜里包含三组相互独立的逆变/整流功率模块单元4，每组逆变/整流功率模块单元上带有四个或四个以上的IGCT元件，构成逆变/整流输出的一相。由于双PWM集成门极换向晶闸管三电平功率柜采用背靠背式的电路结构，使得逆变/整流功率模块单元在结构上完全相同，因此逆变功率单元柜与整流功率单元柜的结构也完全一致。 

逆变功率单元柜1的外型尺寸为2500x1200x1500(高x宽x深，单位：mm)。在柜内，从上至下内分为三层，每层布置一组逆变/整流功率模块单元4，每组模块单元即为一相完整的桥臂。每组逆变/整流功率模块单元4上都带有一个IGCT供电电源5，IGCT供电电源5的设计为一拖多个的形式，即一只IGCT供电电源5可同时为一相桥臂的IGCT供电。本发明中IGCT供电电源5，逆变功率单元柜1统一放在逆变/整流功率模块单元4的左侧；整流功率单元柜3统一放在逆变/整流功率模块单元4的右侧。逆变功率单元柜1在深度方向上分为前部、中部、后部，逆变/整流功率模块单元4位于柜体中部靠前的位置，前部布置单元水路母管，后部是单元直流母线与交流母排和测量元件。由于逆变/整流功率模块单元4体积相对较大，两台功率单元柜内略显拥挤，因此功率单元柜内布置也较为简单，除了柜体中部分层布置的逆变/整流功率模块单元4外，柜体后部仅有部分搭接母排及测量元件。这样的设计使得整个逆变功率单元柜1分为三个功能区，水路与电路相隔开，便于安装和维护，避免了各个接口间的干扰，且结构功能清晰。 

逆变/整流功率柜内后部的搭接母排分为两部分，直流母线搭接母排10和交流母线搭接母排9。对于直流母线搭接母排10，在设计上需要尽可能的减小其杂散电感，这样有利于改善IGCT关断特性。为此，直流母线搭接母排10布置在电容功率柜2与逆变功率单元柜1或整流功率单元柜3衔接处，直接将整张电容层叠直流母线11和逆变/整流功率模块单元4的单元直流母线12相连。该母排同样为三层层叠结构，中间以绝缘板隔开，保证绝缘。这种连接方式使得电容与功率模块单元4之间的连接母线最短，有效地降低了其间的杂散电感，并且便于拆换、维护。需要更换逆变/整流功率模块单元4时，只需将直流搭接母排10与功率模块单元的单元直流母线12的连接断开，即可将整个模块单元整体移出。交流搭接母排9的作用是将从逆变功率单元柜1或整流功率单元柜3引出三相交流电，而在交流侧，无须考虑杂散电感等分布参数。因此交流搭接母9的设计完全从使用、维护的角度来考虑，应尽可能的为使用、安装带来便利。 

电容柜2的外型尺寸为2500x1000x1500(高x宽x深，单位：mm)，柜内主要有直流电容6，冷却水系统的供/回水竖直干管8，电容预充电电路13，并联电阻和反并联二极管等辅助电路14及相应母排。与逆变功率单元柜1相一致，电容柜2纵深方向也可分为三个部分，前部、中部、后部。中部主要是直流电容组，直流电容6分两层布置于电容柜2中，占据了电容柜2中部空间。直流电容6间留有空隙，保证电容正常散热。前部除了用于安装水冷系统的供/回水竖直干管8外，还利用前部中间狭窄空间安装预充电变压器7，其用横梁托起置于电容柜2底部。电容预充电电路分为预充电变压器7及充电电路13。在柜体后部把充电电路13制成一整块电路板，纵向安装于电容柜2侧梁上。电容柜内2还安装了并联电阻和反并联二极管等辅助电路14。并联电阻是为了保证在放电电路失效的情况下，经过足够长的时间后，直流电容仍然可以通过并联电阻放电。反并联二极管的作用是防止直流电容反向充电。 这两部分辅助电路均设计在电容柜2的侧面，利用柜体侧梁进行安装。这种设计的好处是节省了电容柜2内的空间，有效利用了电容柜2侧面的狭窄空间。对于反并联二极管而言，还减小了二极管与直流电容间的距离，使两者之间的连接母排杂散电感最小。 

一种双PWM集成门极换向晶闸管三电平功率柜的发明优点在于：采用背靠背式的电路结构，使得逆变与整流功率模块单元在结构上完全相同，因此逆变功率单元柜与整流功率单元柜的结构也完全一致。将IGCT应用电路中的各电力电子元件集成于一个逆变功率单元柜或整流功率单元柜中，有效减小了占用体积。采用二极管箝位式三相三电平逆变电路结构，提高了电压等级，解决了电力电子元件器件耐压不足的问题，减少了电路杂散电感，提高了装置的输出能力。逆变/整流功率模块单元的一致性和相同性，有助于功率单元柜的安装、调试和维修等工作，提高了工作效率，同时也为最小停柜时间的维护和维修工作打下了基础。装卸便利，结构紧凑，体积较小。 

附图说明

图1为双PWM集成门极换向晶闸管三电平功率柜电路图。 

图2为双PWM集成门极换向晶闸管三电平功率柜结构图(正面)，其中，逆变功率单元柜1、电容柜2、整流功率单元柜3、逆变/整流功率模块单元4、IGCT供电电源5、直流电容6、预充电变压器7、水冷系统的供/回水干管8 

图3为双PWM集成门极换向晶闸管三电平功率柜结构图(背面)，其中，交流母线搭接母排9、直流母线搭接母排10、电容层叠直流母线11、单元直流母线12、充电电路13、并联电阻和反并联二极管等辅助电路14。 

具体实施方式

图2为本发明的一种实施方式，由逆变功率单元柜1、电容柜2和整流功率单元柜3组成。每台逆变或整流功率单元柜里包含三组相互独立的逆变/整流功率模块单元4，每组逆变/整流功率模块单元上带有四个或四个以上的IGCT元件，构成逆变/整流输出的一相。由于双PWM集成门极换向晶闸管三电平功率柜采用背靠背式的电路结构，使得逆变/整流功率模块单元在结构上完全相同，因此逆变功率单元柜与整流功率单元柜的结构也完全一致。逆变功率单元柜的外型尺寸为2500x1200x1500(高x宽x深，单位：mm)。在柜内，从上至下内分为三层，每层布置一组逆变/整流功率模块单元4。电容柜2柜的外型尺寸为2500x1000x1500(高x宽x深，单位：mm)，柜内主要有直流电容6，冷却水系统的供/回水竖直干管8，电容预充电电路13，并联电阻和反并联二极管等辅助电路14及相应母排。