阅读说明：本技术 一种中压变流器三电平功率模块拓扑模块及装置 (Medium voltage converter three-level power module topology module and device ) 是由 杨飞 毛江 雷肖 张斯翔 过亮 周敏 于彬 王�琦 罗维 于 2020-03-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种中压变流器三电平功率模块拓扑模块及装置,包括二极管钳位型三电平拓扑结构,所述二极管钳位型三电平拓扑结构包括两个吸收电容Cs1、Cs2、四个功率开关管T1-T4、两个钳位二极管D5、D6,在所述二极管钳位型三电平拓扑结构中的两个钳位点之间加入钳位电阻。优点：本发明具有电气拓扑先进,器件选型合理,机械结构紧凑,稳定可靠,整体性能处于国内先进水平。(The invention discloses a medium-voltage converter three-level power module topology module and a device, which comprise a diode-clamped three-level topology structure, wherein the diode-clamped three-level topology structure comprises two absorption capacitors Cs1 and Cs2, four power switch tubes T1-T4, two clamping diodes D5 and D6, and a clamping resistor is added between two clamping points in the diode-clamped three-level topology structure. The advantages are that: the invention has the advantages of advanced electrical topology, reasonable device type selection, compact mechanical structure, stability and reliability, and the overall performance of the invention is at the domestic advanced level.)

一种中压变流器三电平功率模块拓扑模块及装置

技术领域

本发明涉及一种中压变流器三电平功率模块拓扑模块及装置，属于中压变流器系统技术领域。

背景技术

近年来受陆地各种资源的限制，风电的发展开始向风资源更好的海上发展，海上风电已经在世界范围内迅速发展。为适应海上风电的发展，国际上各大风机制造公司都在各自风机的基础上推出了5MW及以上级风机水冷变流器。作为风电接入电力系统的关键设备-中压变流器是最理想的技术方案，未来海上风电变流器市场的主流必定是中压全功率大容量变流器。

由于高技术门槛和高资金门槛，目前国内已建和在建的海上风电机组中压变流器采用的均为ABB、GE进口产品，国内还处于样机阶段，是国产化率低的关键电气部件之一。整机功率等级以3MW、3.6MW和4MW功率等级居多， 5MW以上处于样机阶段，尚未大批量。国内基本上都是690V低压方案，3300V 中压等级的中压变流器尚处于预研阶段。

发明内容

本发明的目的是针对3300V中压变流器的技术需求，提供一种中压变流器三电平功率模块拓扑模块及装置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种中压变流器三电平功率模块拓扑模块，包括二极管钳位型三电平拓扑结构，所述二极管钳位型三电平拓扑结构包括两个吸收电容Cs1、Cs2、四个功率开关管T1-T4、两个钳位二极管D5、D6，在所述二极管钳位型三电平拓扑结构中的两个钳位点之间加入钳位电阻。

进一步的：所述钳位电阻与二极管钳位型三电平拓扑结构中的串联的两个钳位二极管并联。

进一步的：所述功率开关管为压接式IGBT功率模块或压接式IEGT功率模块。

一种中压变流器三电平功率模块拓扑装置，包括壳体和权利要求1-3任一项所述的中压变流器三电平功率模块拓扑模块，所述中压变流器三电平功率模块拓扑模块设在所述壳体中。

进一步的：还包括中性点铜排、AC铜排、层叠母排、八个水冷散热器、第三水冷散热器、第一直流支撑电容和第二直流支撑电容；

所述功率开关管T1压接在第一水冷散热器和第二水冷散热器之间，功率开关管T2压接在第二水冷散热器和第三水冷散热器之间，功率开关管T3压接在第六水冷散热器和第七水冷散热器之间，功率开关管T4压接在第七水冷散热器和第八水冷散热器之间；

钳位二极管D5压接在第四水冷散热器与中性点铜排之间，钳位二极管D6 压接在第五水冷散热器与中性点铜排之间；

第三水冷散热器和第六水冷散热器通过接线铜排连接在AC铜排上；

中性点铜排连接在层叠母排上，第一水冷散热器通过第一输出铜排连接在层叠母排上，第八水冷散热器通过第二输出铜排连接在层叠母排上，层叠母排通过其第一母排输出中性点，通过其第二母排输出+DC，通过其第三母排输出 -DC；

第二直流支撑电容通过第一端子和第二端子连接在层叠母排上，同样第一支撑电容通过端子连接在层叠母排上，吸收电容Cs1和吸收电容Cs2通过线缆连接在层叠母排上，钳位电阻通过线缆连接在层叠母排上。

进一步的：所述AC铜排通过霍尔电流传感器采集AC电流。

进一步的：所述功率开关管，钳位二极管，水冷散热器通过紧固件固定在机械框架中。

本发明所达到的有益效果：

本发明具有电气拓扑先进，器件选型合理，机械结构紧凑，稳定可靠，整体性能处于国内先进水平。

附图说明

图1为本发明中压变流器三电平功率模块拓扑模块的电路示意图；

图2为本发明三电平功率模块拓扑与装置的吸收电容三电平半桥臂拓扑图；

图3为本发明三电平功率模块拓扑与装置的钳位电阻拓扑图；

图4为本发明三电平功率模块拓扑与装置的钳位二极管“0”状态拓扑图；

图5为本发明三电平功率模块拓扑与装置立体正面图；

图6为本发明三电平功率模块拓扑与装置立体背面图；

图7为本发明三电平功率模块拓扑与装置的压接机械装置立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明公开中压变流器三电平功率模块电气拓扑，该电气拓扑采用双桥背二极管钳位三电平拓扑结构，该电气拓扑包括IGBT/IEGT功率模块，钳位二极管，直流支撑电容，吸收电容，钳位电阻等。该双桥背电气拓扑中直流电压2600V，根据公式U_m＝(k₁U_Max+U_sp)·k₂计算出压接式IEGT功率模块的额定电压为 4032V。其中k₁-过电压系数；k₂-安全系数；U_Max-直流电压最大值；U_sp-关断尖峰过电压。取k₁为1.1，k₂为1.2，U_sp为500V。根据功率模块厂家提供的技术参数，在开关频率750HZ时，西玛T1800GB45A型IGBT满足系统设计需求。

如图1所示，一种中压变流器三电平功率模块电气拓扑结构的具体电路为：

包括若干并联的双桥背二极管钳位三电平拓扑结构、两个直流支撑电容C1、 C2；

所述双桥背二极管钳位三电平拓扑结构包括两个吸收电容Cs1、Cs2、钳位电阻R1、四个功率开关管T1-T4、两个钳位二极管D5、D6。四个续流二极管 D1-D4；

功率开关管T1的集电极分别接吸收电容Cs1一端、直流支撑电容C1一端、第一电平输出端、续流二极管D1负极；

功率开关管T1的发射极分别接功率开关管T2的集电极、钳位电阻R1一端、钳位二极管D5负极、续流二极管D1正极、续流二极管D2负极；

功率开关管T2的发射极分别接续流二极管D2正极、功率开关管T3的集电极、续流二极管D3负极和交流输入端；

功率开关管T3的发射极分别接钳位二极管D6正极、钳位电阻R1另一端、功率开关管T4的集电极、续流二极管D3正极、续流二极管D4负极；

功率开关管T3的发射极分别接续流二极管D4正极、吸收电容Cs2一端、流支撑电容C2一端、第二电平输出端；

直流支撑电容C1另一端接第三电平输出端(NP)、直流支撑电容C2另一端、吸收电容Cs1另一端、吸收电容Cs2另一端、钳位二极管D5正极、钳位二极管D6负极。

如图2至图4所示，分别对应吸收电容三电平半桥臂拓扑设计图，钳位电阻拓扑设计图，钳位二极管“0”状态拓扑设计图。

图2中所示为吸收电容直接并联在IGBT两端的形式，此方法电路结构简单，成本低，应用可靠。根据公式：

其中L_s为吸收电路的寄生电感；L_P为直流母线杂散电感；L_C为直流电容寄生电感；i₀为工作电流；ΔU_P2为尖峰电压；C_s为吸收电容容值。

其中(L_C+L_P+L_s)参考西玛IGBT厂家双脉冲仿真报告，取最小值300Nh， i₀为ΔU_P2取值1000V得C_s≥1.86μF，取值2μF，图3中所示在两个钳位点之间加入钳位电阻，通过钳位电阻提供的通路，弥补二极管的单向钳位作用。理论上钳位电阻值越大钳位效果越好，但在电压恒定时，电阻大发热也厉害，此处考虑辅助钳位电阻取20kΩ。

图4中所示为钳位二极管“0”状态拓扑。对于二极管钳位三电平拓扑，每一个桥臂油4个主管串联而成，每一相由2个钳位二极管反并联与上下桥臂的中间。根据三电平工作原理，每个桥臂有正、负、零三种开关状态，根据负载电流的方向，每种开关状态下有流入、流出两种电流流通方式。本发明中选择西玛E2400EC45E型钳位二极管，反向峰值电压4500V，正向电流2400A。

请再进一步参阅图5至图7所示，分别对应三电平功率模块拓扑与装置立体正面图，背面图，压接机械装置立体图。

图5至图6所示为三电平功率模块拓扑的电气连接装置。所述压接式 IGBT/IEGT功率模块1压接在水冷散热器10、11之间，IGBT/IEGT功率模块2 压接在水冷散热器11、12之间，IGBT/IEGT功率模块3压接在水冷散热器15、 16之间，IGBT/IEGT功率模块4压接在水冷散热器16、17之间；钳位二极管5 压接在水冷散热器13与中性点铜排21之间，钳位二极管6压接在水冷散热器 14与中性点铜排21之间。水冷散热器12，15通过铜排连接在模块AC铜排7 上，AC铜排19通过电流采样霍尔18采集AC电流。中性点铜排21连接在层叠母排9上，水冷散热器1通过+DC铜排22连接在层叠母排9上，水冷散热器 4通过-DC铜排23连接在层叠母排9上，层叠母排9通过92输出中性点，通过 91输出+DC，通过93输出-DC。直流支撑电容8通过端子81、82连接在层叠母排9上，同样支撑电容7通过端子连接在层叠母排9上，吸收电容24、25通过线缆连接在层叠母排9上，钳位电阻20通过线缆连接在层叠母排9上。

图7所示为三电平功率模块拓扑压接机械装置。所述压接式IGBT/IEGT功率模块1、2、3、4，钳位二极管5、6，水冷散热器10、11、12、13、14、15、 16、17通过机械框架26，固定螺栓27、28、29限定位置，通过碟形垫片30、 31，紧固螺母32、33提供20MP预紧力。压接机械装置把三电平功率模块组成一个有机整体，结构紧凑，可靠稳定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。