电压抑制单元和功率转换装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种电压抑制单元和功率转换装置，该电压抑制单元包括：至少一个储能电容，用于并联在功率转换装置中各桥臂的两端，其中，每个所述桥臂包括两个串联的IGBT；放电电阻，与各所述储能电容并联，用于释放所述储能电容中的电荷。本发明提供的电压抑制单元通过在桥臂两端并联储能电容来实现抑制IGBT关断时的尖峰电压，并通过与储能电容并联的放电电阻将电能释放，保护IGBT不被损坏。该电压抑制单元采用的元件少，电路实现简单，成本低。
【专利说明】电压抑制单元和功率转换装置【技术领域】
[0001 ] 本发明实施例涉及电力机车技术，尤其涉及一种电压抑制单元和功率转换装置。【背景技术】
[0002]在大功率交流传动电力机车中，高压大电流的绝缘栅双极晶体管(Insulated-Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)被普遍使用在功率转换装置中，通过控制IGBT的开通和关断完成功率转换。但是，由于直流回路中杂散电感的存在，在IGBT的关断过程中IGBT的集电极C和发射极E之间会产生尖峰电压，该尖峰电压的值高，如果不能有效地抑制该尖峰电压，会造成IGBT的损坏，影响电力机车的正常运行。因此，抑制IGBT关断时的尖峰电压的抑制电路至关重要。
[0003]图1为现有技术中电阻-电容-二极管(RCD)型电压抑制单元的电路图，用来抑制IGBT关断时的尖峰电压。如图1所示，功率转换装置的一个桥臂上设置有两个串联的IGBT，分别为IGBTl和IGBT2，IGBTl的集电极C和直流电源Ud的正极连接，直流电源Ud为其提供直流电，IGBTl在工作时门极G和发射极E之间输入的是方波电压信号，通过该方波电压信号控制IGBTl的导通和截止。具体地，当在IGBTl的门极G和发射极E之间加上正向的电压时，即在方波电压信号的正半周期内，IGBTl导通，当在IGBTl两端加负向电压时，即在方波电压电压信号的负半周期内，IGBTl截止。IGBTl的发射极E和IGBT2的集电极C连接。Ld为直流侧杂散电感，L为负载电感，每个IGBT关断时的尖峰电压主要为Ld导致。该功率转换装置 所采用的电压抑制单元包括负载电阻Rl和R2、电容Cl和C、以及二极管Dl和D2，其连接关系如图1所示。
[0004]以IGBTl由开通转为截止，IGBT2处于截止状态为例进行说明。当IGBTl在关断过程中，IGBTl两端的电压Ul逐渐升高，当Ul大于Ud时Dl导通，Ld与Cl构成谐振回路，在谐振过程中,Dl反相恢复，之后Cl中的能量通过Ud，Ld、Rl和Cl构成的回路释放给中间回路。
[0005]但是，现有技术的RCD型电压抑制单元，所需要的元件比较多，电路复杂，设计难度大。
【发明内容】
[0006]为了解决上述问题，本发明提供一种电压抑制单元和功率转换装置。
[0007]本发明提供一种电压抑制单元，包括:
[0008]至少一个储能电容，用于并联在功率转换装置中各桥臂的两端，其中，每个所述桥臂包括两个串联的绝缘栅双极晶体管IGBT ；
[0009]放电电阻，与各所述储能电容并联，用于释放所述储能电容中的电荷。
[0010]如上所述的电压抑制单元，优选地，所述储能电容的数量为三个。
[0011]本发明还提供一种功率转换装置，包括至少一个桥臂，且每个所述桥臂包括两个串联的绝缘栅双极晶体管IGBT,其中,还包括:上述任一所述的电压抑制单元。[0012]如上所述的功率转换装置，优选地，各个所述桥臂并列设置，各所述储能电容并列设置在所述桥臂的边缘，所述储能电容的两极分别通过母排与各所述桥臂的两端电连接。
[0013]本发明提供的电压抑制单元通过在同一桥臂的两端并联储能电容，当IGBT关断时，电路中的杂散电感产生的尖峰电压被储能电容吸收，从而抑制IGBT的集电极和发射极之间电压上升，在IGBT停止工作时，储能电容将大部分储存的电能回馈到系统的直流电源中，少部分电能通过与其并联的放电电阻将电荷释放掉。本实施例提供的电压抑制单元，能够实现抑制尖峰电压，保护IGBT不被损坏，且该电路采用的元件少，电路实现简单，成本也低。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为现有技术中RCD型电压抑制单元的电路图；
[0015]图2为本发明提供的电压抑制单元的电路图；
[0016]图3为图2中电压抑制单元存在杂散电感时的等效电路图。
【具体实施方式】
[0017]以下将结合具体附图和实施例对本发明做进一步地说明。
[0018]本实施例提供的电压抑制单元包括:至少一个储能电容和放电电阻。其中，各储能电容用于并联在功率转换装置中各桥臂的两端，每个桥臂包括两个串联的IGBT。放电电阻与各储能电容并联，用于释放储能电容中的电荷。
[0019]在IGBT关断时，电路中杂散电感会在IGBT集电极和发射极之间产生正向的尖峰电压。具体来说，当IGBT的集电极发射极之间的电压等于直流电压Ud时，由于直流侧的杂散电感中存储有电能，导致IGBT集电极和发射极两端的电压迅速上升，会损坏IGBT。本实施例中，通过在桥臂两端并联有至少一个电容，由于储能电容的存在，杂散电感中的电能被储能电容所吸收，由于储能电容两端电压不能突变，从而有效的限制了 IGBT集电极和发射极之间电压的上升。IGBT截止后，储能电容将大部分储存的电能回馈到系统的直流电源中，少部分电能通过与其并联的放电电阻将电荷释放掉。
[0020]本实施例提供的电压抑制单元通过在同一桥臂的两端并联储能电容，当IGBT关断时，产生的尖峰电压存储在该储能电容上，抑制电压IGBT的集电极和发射极之间电压上升，在IGBT停止工作时，储能电容和其并联的放电电阻形成回路，通过放电电阻将电荷释放掉。本实施例提供的电压抑制单元，能够有效抑制IGBT关断时的尖峰电压，保护IGBT不被损坏，且该电路采用的元件少，电路实现简单，成本也低。相比于图1所示的现有RCD型电压抑制单元，本发明实施例仅采用储能电容和放电电阻就可起到抑制电压的作用，而无需设置二极管。元件的种类减少，且元件的数量也有所减少。而元件数量的多少对于大功率电力机车是有很大影响的。大功率电力机车的功率转换装置使用的均为高压大电流的IGBT，采用尽量少的元件降低对IGBT的工作的影响，提高装置的可靠性。
[0021]图2为本发明提供的电压抑制单元的的电路图。优选地，本实施例中，储能电容的数量为三个。功率转换装置可包括一个或多个桥臂，如图2所示，每个桥臂包括两个串联的IGBT，分别为IGBTl和IGBT2，直流电源Ud为其提供直流电。IGBTl的集电极C和直流电源Ud的正极相连，发射极E和IGBT2的集电极C连接，且连接有负载L，IGBT2的发射极E接到直流电Ud的负极，IGBTl和IGBT2的门极G分别和方波信号源连接(未示出)。在桥臂的两端并联有三个储能电容C1、C2和C3，电容两端并联有放电电阻R。优选地，三个电容规格和容量是相同的。
[0022]在本发明实施例，虽然设置一个储能电容也可能起到抑制尖峰电压的作用，但是需要提高电容的参数，从而使得电容体积增大，必然使得该电容在纵向或横向的长度较长。而若储能电容数量过多，也会由于同时并联太多的储能电容，而增加产品的体积，以及设计的难度，综合考虑，优选采用三个电容并联使用。
[0023]本实施例以IGBTl导通，IGBT2截止为例来说明该电压抑制单元如何抑制尖峰电压。方波信号源产生周期性方波信号，在方波信号的正半周期产生的是正向的电压，在方波信号的负半周期产生的是负向电压。当IGBTl的门极G和发射极E之间的加上正向的驱动电压时，即在方波信号的正半周期内，IGBTl导通，能够正常工作。当IGBTl的门极G和发射极E之间加上反向的驱动电压，即在方波信号的负半周期内，IGBTl关断。IGBTl关断的过程中，电路中的杂散电感会在IGBTl的集电极C和发射极E之间产生正向的尖峰电压。具体来说，当IGBTl的集电极C和发射极E之间的电压等于直流电压Ud时，由于直流侧的杂散电感Ld中存储有电能，导致IGBTl集电极C端的电压持续上升，此时，由于储能电容Cl、C2、C3的存在，杂散电感Ld中的电能被储能电容C1、C2、C3吸收，从而有效抑制IGBTl两端的电压上升，使得IGBTl的集电极C和发射极E之间的电压缓慢变化。当IGBT关断后，储能电容Cl、C2、C3中存储的大部分电能将回馈给直流电源，少部分通过放电电阻R释放掉，以使得直流电源将这部分能量再次利用。当整个系统停止工作时，储存在储能电容电容Cl、C2、C3中的电荷才通过放电电阻R释放。
[0024]本实施例中，采用三个电容并联的方案，一方面，并联后的三个电容的总容量增大，为三个电容的容量之和，对于尖峰电压的值过高时，可以很好的抑制。另一方面，各个电容产生的杂散电感并联后，电路中总的杂散电感减小，能够提高系统的可靠性。图3为图2中存在杂散电感时的等效电路图，如图3所示，杂散电感Ld指电路中直流侧产生的杂散电感，杂散电感是指电路中的连接导线、元件本体等呈现出来的等效电感。电容Cl两端产生杂散电感Lll和L12，电容C2两端产生杂散电感L21和L22，电容C3两端产生杂散电感L31和L32，L为电感负载。在IGBTl关断的过程中，尖峰电压主要是直流侧杂散电感Ld产生的，通过储能电容C1、C2和C3抑制IGBTl集电极C和发射极E之间电压的升高。对于电感来说，并联后电感量减小，从而使得整个电路中的杂散电感减小。
[0025]由于储能电容C1、C2和C3的存在，即使IGBT不工作，也会在电容上存储一定的电荷，如果不将这部分电荷释放，在对电路操作过程中，可能会对人体造成危害，存在安全隐患。本实施例中，也可以通过放电电阻R将这部分电荷释放，避免造成不必要的损失。
[0026]本发明还提供一种功率转换装置，包括至少一个桥臂，且每个桥臂包括两个串联的IGBT，该功率转换装置还包括本发明任意实施例所提供的电压抑制单元。本实施例中，各个桥臂并列设置，各储能电容并列设置在桥臂的边缘，各储能电容的两极分别通过母排与各桥臂的两端电连接。能够有效抑制IGBT关断时的尖峰电压，同时，简化了产品的结构，提高了系统的可靠性。
[0027]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【权利要求】
1.一种电压抑制单元，其特征在于，包括: 至少一个储能电容，用于并联在功率转换装置中各桥臂的两端，其中，每个所述桥臂包括两个串联的绝缘栅双极晶体管IGBT ； 放电电阻，与各所述储能电容并联，用于释放所述储能电容中的电荷。
2.根据权利要求1所述的电压抑制单元，其特征在于:所述储能电容的数量为三个。
3.—种功率转换装置，包括至少一个桥臂，且每个所述桥臂包括两个串联的绝缘栅双极晶体管IGBT，其特征在于，还包括:权利要求1或2所述的电压抑制单元。
4.根据权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于:各个所述桥臂并列设置，各所述储能电容并列设置在所述桥臂的边缘，所述储能电容的两极分别通过母排与各所述桥臂的两端电连接。
【文档编号】H02M1/32GK103915995SQ201310005211
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年1月7日 优先权日:2013年1月7日
【发明者】梁海刚, 柴媛, 杨春宇 申请人:永济新时速电机电器有限责任公司