Iegt功率模块的直流取能电源的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种大功率电力电子变换器领域的IEGT功率模块的直流取能电源，主电路包括滤波电路、非隔离反激变换器、隔离推挽变换器，输入的高压直流电能经过滤波电路滤波后，电能信号经过非隔离反激变换器经第一级变换，将母线高压转换成DC400V的电信号并经过滤波处理，滤波处理后的电信号再经过隔离推挽变换器进行第二级隔离变换处理，最后经过整流电路（图4）的全波整流，使高位取能电源能够稳定安全的输出DC15V的电信号。该取能电源可实现在直流输入电压300Vdc～3700Vdc的范围内取能，自然冷却，为IEGT功率模块的工作提供控制电源，并在复杂电磁场环境下能够安全可靠的工作。
【专利说明】IEGT功率模块的直流取能电源
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种大功率电力电子变换器领域的IEGT功率模块的直流取能电源。
【背景技术】
[0002]大功率多电平级联变流器的基本组成单兀是功率模块，由功率模块串联组成。功率模块的拓扑基本上都是DC/AC方案，即实现DC (直流WPAC (交流)能量之间的变换。直流侧通常采用电容器进行储能。
[0003]功率模块的核心部件是大功率全控晶体管，目前常用的包括IGBT，IEGT和StakPak等。目前国内市场上以IGBT功率模块为主，IEGT功率模块只有一个供应商，StakPak功率模块目前还没有供应商。
[0004]每个功率模块都有自己的控制装置和保护装置，这些装置都需要供电，如何取能来提供装置所需的电源是一个难点和关键点。目前的取能方式包括:直流侧取能和地面取倉泛。
[0005]直流侧取能:即从直流储能元件(母线大容量电容)取得能量，采用先进的多管串-并级联反激式DC-DC变换技术，实现高低压隔离变换，再加以完整可靠的检测电路、反馈电路、保护电路，最终稳定安全地为功率模块的控制保护装置提供持续电源。
[0006]地面取能:即以设备站内或厂内配电系统(380V)为能源，通过电能变换和高压隔离，为功率模块的控制保护装置提供电源。
[0007]以上两种取能方式的优缺点比较:直流取能的优势是在超高压领域的应用，比如柔性直流输电换流器，电压动辄超过IOOkV,在这样的系统里，从地面取能是不现实的，技术难度大且成本高，直流取能是唯一的办法。在35kV以下的系统里，既可以采用地面取能，也可以采用直流取能，采用地面取能有一个好处是允许变流器在任何情况下启动，而采用直流取能则需要变流器与电网已经连接的情况下才能开始工作。
[0008]目前，两种取能方式在IGBT功率模块都已经实现了并投入使用，但是直流取能输入电压往往不超过1700V，原因是出于成本考虑制造商通常选用3300V及以下的IGBT。而对于IEGT功率模块，在本实用新型出现之前，仅实现了地面取能。
实用新型内容
[0009]本实用新型的目的是提供一种IEGT功率模块的直流取能电源，该取能电源可实现在直流输入电压300Vdc?3700Vdc的范围内取能，自然冷却，为IEGT功率模块的工作提供控制电源，并在复杂电磁场环境下能够安全可靠的工作。
[0010]为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现:
[0011]IEGT功率模块的直流取能电源，在空间结构布置上，直流取能装置位于IEGT阀串与功率模块控制板之间，直流取能装置的输入端与作为直接带电体的IEGT阀串散热片相连接，IEGT阀串散热片位于IEGT阀串的外部，IEGT阀串散热片通过连接母排与直流电容相连接；直流电压采样板和IEGT驱动板布置于直流取能电源与IEGT阀串之间；
[0012]直流取能电源的主电路包括滤波电路、非隔离反激变换器、隔离推挽变换器，滤波电路由共模电感、电阻、电容组成，在高压输入端的正、负两个输入端分别设有共模电感，接于高压正、负输入端的共模电感两端各有一串由电阻并联电容组成的均压串，构成滤波电路；非隔离反激变换器由多个功率电路级联组成，各功率电路的输入端串联，输出端并联，串联连接的功率电路的输入端与滤波电路输出端连接；非隔离反激变换器的输出端与隔离推挽变换器的输入端相连接。
[0013]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0014]1.MMC-HVDC换流器的直流电压通常都比较高，至少在IOOkV以上，对于地面取能来说是不现实的；功率模块是基于4500V-1EGT而设计的，其耐高压的特性也就要求取能装置应同样具备高压情况下稳定运行的能力，本实用新型取能电源可实现在直流输入电压300Vdc?3700Vdc的范围内取能，自然冷却，为IEGT功率模块的工作提供控制电源，并在复杂电磁场环境下能够安全可靠的工作。
[0015]2.由于单个功率模块输出能力的提高，同样电压等级换流器设备所需模块数量将大大减少，从而在节约成本的同时，也使得其具备更加节约空间的优势。
[0016]3.本实用新型直流取能电源可以用于基于4500V-1EGT的功率模块，而基于4500V-1EGT的功率模块可以用于MMC-HVDC换流器，高压静止无功发生器(例如35kV-STATC0M)等场合。
[0017]4.本实用新型填补了 IEGT功率模块直流取能的空白，为高压大功率多电平级联变流器的应用提供了新的空间和市场，尤其是柔性直流输电领域，本实用新型的直流取能电源的输入电压最大值达到3700V，远远超过IGBT功率模块直流取能输入电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本实用新型的结构主视图。
[0019]图2是本实用新型的结构侧视图。
[0020]图3是本实用新型的电气结构框图。
[0021]图4是本实用新型的电气原理图。
[0022]图5是功率电路级联不意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图详细叙述本实用新型的【具体实施方式】。
[0024]见图1、图2，IEGT功率模块的直流取能电源，在空间结构布置上，直流取能装置I位于IEGT阀串3与功率模块控制板6之间，直流取能装置I的输入端与作为直接带电体的IEGT阀串散热片4相连接，IEGT阀串散热片4位于IEGT阀串3的外部，IEGT阀串散热片4通过连接母排7及直流电容端子8与直流电容5相连接；直流电压采样板和IEGT驱动板2布置于直流取能装置I与IEGT阀串3之间。
[0025]见图3、图4、图5，直流取能电源的主电路包括滤波电路、非隔离反激变换器、隔离推挽变换器，滤波电路由共模电感、电阻、电容组成，在高压输入端的正、负两个输入端分别设有共模电感，接于高压正、负输入端的共模电感两端各有一串由电阻并联电容组成的均压串，构成滤波电路。非隔离反激变换器由多个功率电路级联组成，各功率电路的输入端串联，输出端并联，串联连接的功率电路的输入端与滤波电路输出端连接；非隔离反激变换器的输出端与隔离推挽变换器的输入端相连接。隔离推挽变换器的输出端与整流电路相连接。所述的功率电路由高频储能变压器、LC滤波器、二极管、输出滤波电容、开关管组成，隔离推挽变换器由开关管、变压器组成，在隔离推挽变换器的输入端设有隔离辅助电源，在隔离推挽变换器的输出端设有故障采集电路。
[0026]IEGT功率模块的直流取能电源的工作过程是:如图3所示，输入的高压直流电能经过滤波电路滤波后，由启动电路将信号传递给输入过欠压保护及控制电路，输入过欠压保护及控制电路使电源处于工作状态，电能信号经过非隔离反激变换器经第一级变换，将母线高压转换成DC400V的电信号并经过滤波处理，滤波处理后的电信号再经过隔离推挽变换器进行第二级隔离变换处理，最后经过整流电路(图4)的全波整流，使高位取能电源能够稳定安全的输出DC15V的电信号。
[0027]本实用新型直流取能技术装置可在直流输入电压300Vdc?3700Vdc的范围内取能，自然冷却，为IEGT功率模块的工作提供控制电源，并在复杂电磁场环境下能够安全可
靠的工作。
[0028]本实用新型的技术难点在于:
[0029]1.直流取能电源设计
[0030]在明确参数要求的前提下，如何设计出符合要求的直流取能电源，难点包括:非常宽的输入电压范围(300Vdc?3700Vdc)，体积小，可靠性高。
[0031]2.在IEGT功率模块中集成直流取能电源
[0032]在高压、强电磁干扰环境下，如何将直流取能电源集成到IEGT功率模块系统中，与其它部件互相配合和协调工作。
[0033]本实用新型的具体解决方案是:
[0034]1.空间位置。
[0035]在安装直流取能装置时，既要避免其与受电设备距离太长，导致其EMI特性下降，也要兼顾其摆放不使功率模块体积太大。所以，本实用新型将直流取能装置I摆放于IEGT阀串与功率模块控制板6之间，且将直流电压采样板和IEGT驱动板2布置于直流取能装置I与IEGT阀串3之间。
[0036]首先，在设计阀串结构时，就考虑了装置的取能问题，此处，将电容正负两个电极通过连接母排7连接于IEGT阀串散热片4，直流取能装置I的输入端再与IEGT阀串散热片4连接，IEGT阀串散热片4成为与直流电容相连接的直接带电体，直流取能装置I从此处取能。这一方法大大缩短了取能装置取能路径，具有安全、可靠的优点。
[0037]其次，将直流电压采样板和IEGT驱动板2等受电控制单元布置在直流取能装置周围，这样可以尽量缩短连接线缆的长度，减小可能产生的干扰。
[0038]最后，直流取能装置以特殊金属材料封装，并配以特定的滤波装置，以屏蔽来自模块本身及四周的电磁干扰。
[0039]2.电气特性
[0040]由于应用领域的要求，基于4500V-1EGT的功率模块在实际运行时的直流电压的变化范围为O?3500Vdc，较高，所以，在应用直流取能技术时，要对电气因素做详细的分析。
[0041]启动/停止:在整机设备入网和停机时，直流取能设备要经历关闭和启动的切换过程，直流侧的电容电压跨度也很大，所以，阀段(某数量功率模块串联而成)能够均压充电，取能装置能够平稳启停，是至关重要的。
[0042]运行:整机在运行过程中，直流侧电容电压波动较大，会产生大量的差模干扰，所以要求取能设备在禁受住电磁干扰的同时，输出电压也能够保持稳定。
[0043]取能装置作为IEGT功率模块的一个重要组成，对其耐高压、安全等特性有着非常高的要求。本实用新型从拓扑结构、均压及功率变换等几个方面对取能装置作出创新研究，设计改进，并最终完成装置的研发及应用。
[0044]I)拓扑结构
[0045]①方案:本实用新型的取能装置采用功率电路级联的方式，输入端串联，输出端并联，具体电气连接方式参照图4、图5所示。
[0046]输入高压经过多个串联的均压电容后，再分别接到各个功率电路的开关管。如图
4、图5所示，在共模电感的两端各有一串由大阻值电阻并联电容组成的均压串。此时的开关管，电压应力为单个开关管时的1/N (比如串接6个开关管为1/6)。同时热分布也会相对平均，比较适合应用到高输入电压的电源环境中。
[0047]②器件选型:为了达到取能装置耐高压的要求，本设计选取的每只开关管电压应力为 I2OOV 的 MOSFET。
[0048]2)均压问题
[0049]①产生原因:串联MOSFET驱动信号的不一致是导致均压不良的主要原因，驱动延迟时间的不同会导致开通较慢的器件上产生电压尖峰，和较高的静态电压，使各级电压不均。另外，驱动电路的走线寄生电感和吸收电路特性不一样，不同的MOSFET引线电感不同，导通特性也就有很大差异，另外MOSFET关断瞬间的电压上升斜率dV/dt与吸收电容的值有关，吸收电容的误差较大以及工作环境的因素等方面都对开关管导通有较大影响，因此每个串联的MOSFET的dV/dt也会有所不同，吸收电容小的MOSFET两端会产生较大的电压尖峰。
[0050]②解决方案:为了保证电路在工作过程中各级间电压相等，首先，我们选择同型号同批次的器件，并且在驱动电路和吸收电路的设计上要严格一致；其次，在每级间并联较大阻值电阻，起到静态下的均压作用；另外，对于动态采用阻容式的钳位电路，要保证驱动信号的幅值一致，确保多个MOSFET同步，即时间上和开通幅度上完全一致。
[0051]3)功率变换
[0052]该电源由于是从输入DC300V-DC3700V的高电压等级转换到低压DC15V直接一级变换的难度较大，主要是考虑到设备异常时或者人员误操作时副边的15V低压出现故障时极有可能影响到原边高压侧，而高压侧则是与模块的主功率器件相连的，这样非常不安全。出于这个考虑，本设计在高压侧做了两级功率变换，保证DC15V侧即使出现问题也不至于直接影响到高压取能侧。如图3、图4所示，输入的高压直流电能经过滤波后由启动电路将电源控制部分“唤醒”使电源处于工作状态，经过一级级联反激电路，将母线高压转换成DC400V精电，经过滤波处理后继续进行第二级隔离变换处理。最后经过全波整流技术，使高位取能电源能够稳定安全的输出DC15V精电。
【权利要求】
1.1EGT功率模块的直流取能电源，其特征在于，在空间结构布置上，直流取能装置位于IEGT阀串与功率模块控制板之间，直流取能装置的输入端与作为直接带电体的IEGT阀串散热片相连接，IEGT阀串散热片位于IEGT阀串的外部，IEGT阀串散热片通过连接母排与直流电容相连接；直流电压采样板和IEGT驱动板布置于直流取能电源与IEGT阀串之间； 直流取能电源的主电路包括滤波电路、非隔离反激变换器、隔离推挽变换器，滤波电路由共模电感、电阻、电容组成，在高压输入端的正、负两个输入端分别设有共模电感，接于高压正、负输入端的共模电感两端各有一串由电阻并联电容组成的均压串，构成滤波电路；非隔离反激变换器由多个功率电路级联组成，各功率电路的输入端串联，输出端并联，串联连接的功率电路的输入端与滤波电路输出端连接；非隔离反激变换器的输出端与隔离推挽变换器的输入端相连接。
【文档编号】H02M3/28GK203674961SQ201320830311
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】时伟, 艾锡刚, 王嘉艺, 张海涛, 饶宏, 黎小林, 许树楷, 魏伟, 侯婷 申请人:荣信电力电子股份有限公司, 南方电网科学研究院有限责任公司