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功率单元级联式高压变频器的旁路电路

阅读:345发布:2021-07-30

专利汇可以提供功率单元级联式高压变频器的旁路电路专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本实用新型提供一种高可靠性,结构简单,低成本的针对功率单元级联式高压 变频器 的旁路 电路 ;它包括旁路电路和控制电路,旁路电路采用共发射极双IGBT模 块 S5,共发射极双IGBT模块S5的两集 电极 PC1、PC2与功率单元的输出端并联,双IGBT的栅极G1和G2作为共用控制端G1/G2连接在一起( 附图 中未示出),控制电路与共发射极双IGBT模块的共用控制端G1/G2与共发射极端PE1/PE2连接。功率单元发生故障时,控制电路驱动共发射极双IGBT模块S5使其导通,使功率单元的输出端 短路 ,以维持高压变频器的运行,防止其停机。由于旁路电路使用共发射极双IGBT模块作为旁路器件,不仅可承受很高的dv/dt值,和很短的导通时间,与对双IGBT分别进行驱动的方式相比可省去一组驱动电路。,下面是功率单元级联式高压变频器的旁路电路专利的具体信息内容。

1.一种功率单元级联式高压变频器的旁路装置,包括旁路电路和驱动电路,所述旁路电路包括共发射极双IGBT模(S5),该共发射极双IGBT模块(S5)由发射极互相连接在一起的两个IGBT(T1、T2)构成,两个集电极(PC1、PC2)分别并联在功率单元的输出端(L1、L2),两个IGBT(T1、T2)的集电极(PC1、PC2)和发射极(PE1、PE2)之间分别反向并联有续流二极管(D1、D2),两个IGBT(T1、T2)的栅极(G1、G2)互相连接在一起形成共用控制端(G1/G2),所述驱动电路的输出端分别与共发射极双IGBT模块(S5)的共用控制端(G1/G2)和发射极端(PE1/PE2)连接,在功率单元故障时,对应的所述驱动电路驱动共发射极双IGBT模块(S5)导通,将故障的功率单元的输出端(L1、L2)短路,以维持高压变频器的运行。
2.根据权利要求1所述的功率单元级联式高压变频器的旁路装置,其特征在于,所述旁路电路还具有预充电电路,所述预充电电路由两个预充电电阻(R1、R2)构成,该两个预充电电阻(R1、R2)分别串接在所述的功率单元的正母线或负母线与两输出端(L1、L2)之间,通过两个预充电电阻(R1、R2)使静态时,功率单元输出端(L1、L2)间的电压差为零,以降低共发射极双IGBT模块所承受的dv/dt值。
3.根据权利要求1所述的功率单元级联式高压变频器的旁路装置,其特征在于,所述旁路电路还具有预充电电路,所述预充电电路由四个充电支路构成,各个充电支路由预充电电阻(R1、R2、R3、R4)与充电电容(C1、C2、C3、C4)串联组成,分别并联在功率单元的四个开关器件(S1、S2、S3、S4)两端,通过预充电电阻(R1、R2、R3、R4)与充电电容(C1、C2、C3、C4)使静态时,功率单元的两输出端(L1、L2)之间的电压差为零,以降低共发射极双IGBT模块所承受的dv/dt值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率单元级联式高压变频器的旁路装置,其特征在于,所述旁路电路还具有吸收电路,该吸收电路由串联的电阻(RS1)和电容(RS1)组成,并联在共发射极双IGBT模块(S5)的两个集电极(PC1、PC2)之间,以防止功率单元的两输出端(L1、L2)产生高电压尖峰。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的功率单元级联式高压变频器的旁路装置,其特征在于,所述功率单元的逆变电路采用H桥功率模块,所共发射极双IGBT模块(S5)与H桥功率模块安装在同一散热板上。
6.根据权利要求5所述的功率单元级联式高压变频器的旁路装置,其特征在于,所述驱动电路在功率单元正常工作时,输出负的控制电压,使共发射极双IGBT模块(S5)深度关断。
7.根据权利要求6所述的功率单元级联式高压变频器的旁路装置,其特征在于,所述驱动电路在功率单元正常工作时,输出的控制电压为负电压,其范围在0~-20V,优选-7~-15V,以保证旁路IGBT不会误导通。
8.根据权利要求6或7所述的功率单元级联式高压变频器的旁路装置,其特征在于,所述驱动电路在功率单元故障时,输出正的控制电压,使共发射极双IGBT模块(S5)导通,其电压根据功率单元的额定电流设定。
9.根据权利要求6或7所述的功率单元级联式高压变频器的旁路装置,其特征在于,所述驱动电路在功率单元故障时,输出正的控制电压,使共发射极双IGBT模块(S5)导通,其电压的范围为11~20V,优选14~15V。

说明书全文

功率单元级联式高压变频器的旁路电路

技术领域

[0001] 本发明涉及功率单元级联式高压变频器的旁路电路,尤其涉及使旁路电路能够稳定可靠发挥作用的结构。

背景技术

[0002] 随着工业化进程,以及电技术的发展,高压变频调速器的应用越来越广泛。而由功率单元串联构成的高压变频调速系统以工作电压高,谐波小等优异的性能受到生产厂商,工程技术人员及用户的青睐。
[0003] 这种高压变频器,由于使用多个串联的功率单元,任何一个功率单元的故障都将导致停机。对于某些工况,高压变频器的停机可能造成重大经济损失。为提高其可靠性,现有技术中,通常在各个功率单元的输出端并联旁路电路,在功率单元发生故障时,使旁路电路导通,将故障功率单元的输出端短路,来维持高压变频器的运行,防止停机。
[0004] 现如今在高压变频器中使用的旁路电路有两种。一种是由继电器构成的旁路电路。一种是由整流桥加可控构成的旁路电路。由继电器构成的旁路电路由于继电器的机械触点有时会接触不良或不能准确的动作,影响了系统的可靠性,目前已经较少被应用,而现在普遍采用如图1所示的第二种旁路电路。但第二种旁路电路也有它的弊端。因为旁路部分使用的可控硅SCR不能承受过高的dv/dt值,当功率单元的逆变IGBT器件开始导通时,由于可控硅两端电压为零,功率单元直流侧电压直接加在可控硅阳阴极间,可控硅会承受超过其本身能耐受能力的dv/dt,导致可控硅误导通,引发功率单元输出出现短路故障。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种工作更可靠稳定、低损耗,结构设计更简单的功率单元级联式高压变频器的旁路电路。
[0006] 本发明的第一技术方案为一种功率单元级联式高压变频器的旁路装置,包括旁路电路和驱动电路,所述旁路电路包括共发射极双IGBT模(S5),该共发射极双IGBT模块(S5)由发射极互相连接在一起的两个IGBT(T1、T2)构成,两个集电极(PC1、PC2)分别并联在功率单元的输出端(L1、L2),两个IGBT(T1、T2)的集电极(PC1、PC2)和发射极(PE1、PE2)之间分别反向并联有续流二极管(D1、D2),两个IGBT(T1、T2)的栅极(G1、G2)互相连接在一起形成共用控制端(G1/G2),所述驱动电路的输出端分别与共发射极双IGBT模块(S5)的共用控制端(G1/G2)和发射极端(PE1/PE2)连接,在功率单元故障时,对应的所述驱动电路驱动共发射极双IGBT模块(S5)导通,将故障的功率单元的输出端(L1、L2)短路,以维持高压变频器的运行。
[0007] 由于使用共发射极双IGBT模块(S5)作为旁路器件,导通速度更快,损耗更低,能够承受单元功率动态运行时的dv/dt值,旁路电路在结构设计上更加简单。
[0008] 由于两个IGBT(T1、T2)的栅极(G1、G2)在模块内互相连接在一起构成共用控制端(G1/G2),与单独对双IGBT进行驱动的方式相比不仅可省去一组驱动电路,还能以相同的条件对共发射极双IGBT模块(S5)进行驱动。
[0009] 由于采用共发射极对接双IGBT模块(S5)的结构,不仅各个IGBT的开关特性可以保持一致,两个反向串联的两个IGBT(T1、T2)所处的温度条件一致,即使温度发生变化也能保持两个IGBT参数特性的一致,使旁路电路在各种温度条件下都能保持稳定工作。
[0010] 本发明的第二技术方案是在第一技术方案的基础上实现的,其特征在于,所述旁路电路还具有预充电电路,所述预充电电路由两个预充电电阻(R1、R2)构成,该两个预充电电阻(R1、R2)分别串接在所述的功率单元的正母线或负母线与两输出端(L1、L2)之间,通过两个预充电电阻(R1、R2)使静态时,功率单元输出端(L1、L2)间的电压差为零,以降低共发射极双IGBT模块所承受的dv/dt值。
[0011] 由于预充电电路使功率单元的输出端(L1、L2)间电压差为零,可减小旁路器件所承受的dv/dt值,进一步保证了并联在功率模块输出端的共发射极对接双IGBT模块(S5)不会受到过高的dv/dt值,确保系统可靠性。
[0012] 本发明的第三技术方案是在第一技术方案的基础上实现的,其特征在于,所述旁路电路还具有预充电电路,所述预充电电路由四个充电支路构成,各个充电支路由预充电电阻(R1、R2、R3、R4)与充电电容(C1、C2、C3、C4)串联组成,分别并联在功率单元的四个开关器件(S1、S2、S3、S4)两端,通过预充电电阻(R1、R2、R3、R4)与充电电容(C1、C2、C3、C4)使静态时,功率单元的两输出端(L1、L2)之间的电压差为零,以降低共发射极双IGBT模块所承受的dv/dt值。
[0013] 由于预充电电路使功率单元的输出端(L1、L2)间电压差为零,可减小旁路器件所承受的dv/dt值,进一步保证了并联在功率模块输出端的共发射极对接双IGBT模块(S5)不会受到过高的dv/dt值,提高了系统可靠性。
[0014] 本发明的第四技术方案是在第一至三中任一技术方案的基础上实现的,其特征在于,所述旁路电路还具有吸收电路,该吸收电路由串联的电阻(RS1)和电容(RS1)组成,并联在共发射极双IGBT模块的两个集电极(PC1、PC2)之间,以防止功率单元的两输出端(L1、L2)产生高电压尖峰。
[0015] 由于防止了功率单元的两输出端(L1、L2),即共发射极对接双IGBT模块(S5)两端产生高电压尖峰,防止共发射极对接双IGBT模块(S5)因过压而损坏,提高了系统可靠性。
[0016] 本发明的第五技术方案是在第一至三中任一技术方案的基础上实现的,其特征在于,所述功率单元的逆变电路采用H桥功率模块,所述共发射极双IGBT模块与H桥功率模块安装在同一散热板上。
[0017] 由于共发射极双IGBT模块与H桥功率模块安装在同一散热板上,共发射极双IGBT模块能够与H桥功率模块共用温度保护机构,不需要为共发射极双IGBT模块另设温度保护机构。
[0018] 本发明的第六技术方案是在第五技术方案的基础上实现的,其特征在于,所述驱动电路在功率单元正常工作时,输出负的控制电压,使共发射极双IGBT模块深度关断。
[0019] 由于功率单元正常工作时,共发射极双IGBT模块处于深度关断状态,增加了抗干扰能力,提高了系统可靠性。
[0020] 本发明的第七技术方案是在第六技术方案的基础上实现的,其特征在于,所述驱动电路在功率单元正常工作时,输出的控制电压为负电压,其范围在0~-20V,优选-7~-15V,以保证旁路IGBT不会误导通。
[0021] 本发明的第八技术方案是在第六或第七技术方案的基础上实现的,其特征在于,所述驱动电路在功率单元故障时,输出正的控制电压,使共发射极双IGBT模块导通,其电压根据功率单元的额定电流设定。
[0022] 本发明的第九技术方案是在第六或第七技术方案的基础上实现的,其特征在于,所述驱动电路在功率单元故障时,输出正的控制电压,使共发射极双IGBT模块(S5)导通,其电压的范围为11~20V,优选14~15V。附图说明
[0023] 图1为目前常用的旁路电路原理图;
[0024] 图2为本发明的实施例1的电路原理图;
[0025] 图3为本发明的实施例2的电路原理图;
[0026] 图4为本发明的实施例3的电路原理图
[0027] 图5为本发明中使用的共发射极双IGBT模块的结构原理图。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明的电路工作原理作进一步的说明,级联式高压变频器的每一相由多个功率模块串联而成,旁路装置由旁路电路和驱动电路构成,旁路电路并联在功率模块的输出端的两端。旁路装置受级联式高压变频器中的主控制器控制。即,主控制器检测到功率模块故障时,停止向该故障的功率模块输出控制信号,并将该功率模块故障的信息发送给旁路装置。旁路装置中的驱动电路驱动旁路电路使故障的功率模块的输出端短路,以维持级联式高压变频器的运行。
[0029] 实施例1
[0030] 如图2所示,S1、S2、S3、S4,为H桥功率模块的关键开关器件,S5为共发射极双IGBT旁路器件,当H桥功率模块正常输出运行时,共发射极双IGBT器件工作在断开状态。H桥功率模块发生故障时S5导通将故障功率模块的旁路。
[0031] 实施例2
[0032] 图3是本发明的另一种形式的旁路电路,如图3所示,S1、S2、S3、S4,为H桥功率模块的关键器件,所述旁路电路由R1、R2组成预充电电路,S5共发射极双IGBT,CS1、RS1吸收电路构成,当功率模块直流电压上电,在静态时(H桥逆变部分不工作时)功率模块的正母线通过预充电电阻R1、R2将输出端充电到一定电压值,使逆变输出端L1、L2间电压差为零,此时可减小旁路器件所承受的dv/dt值,提高了系统的可靠性,而共发射极双IGBT在正常情况下是断开状态,吸收电路吸收功率模块输出的电压尖峰。保证S5不会承受其最大电压值。
[0033] 实施例3
[0034] 图4是本发明的另一种形式的旁路电路,如图4所示,S1、S2、S3、S4,为H桥功率模块的关键器件,所述旁路电路由R1、C1、R2、C2、R3、C3、R4、C4组成预充电电路,S5共发射极双IGBT,CS1、RS1组成吸收电路构成,当功率模块直流电压上电,在静态时(H桥逆变部分不工作时)通过R1、C1、R2、C2、R3、C3、R4、C4充电到一定电压值,使逆变输出端L1、L2间电压差为零,此时可减小旁路器件S5不会承受过高的dv/dt,提高了系统的可靠性。CS1、RS1是防止输出端过高电压尖峰。
[0035] 在本发明中,作为共发射极双IGBT旁路器件采用共发射极双IGBT模块。如图5所示,共发射极双IGBT模块S5由发射极互相连接在一起的两个IGBT(T1、T2)和两个续流二极管D1、D2构成,模块的两个集电极PC1、PC2分别并联在图2至3中H桥功率模块的输出端L1、L2,两个续流二极管D1、D2分别反向并联在两个IGBT(T1、T2)的集电极PC1、PC2和发射极PE1、PE2之间。两个IGBT(T1、T2)的栅极G1、G2互相连接在一起形成共用控制端G1/G2(在图5中未示出),驱动电路的输出端分别与共发射极双IGBT模块S5的共用控制端(G1/G2)和发射极端PE1/PE2连接,在H桥功率模块故障时,对应的驱动电路驱动共发射极双IGBT模块S5导通,将故障的H桥功率模块的输出端L1、L2短路,因此即使H桥功率模块故障仍可维持高压变频器的运行,防止了因停机造成的经济损失。
[0036] 对于图5所示的共发射极双IGBT模块S5,本发明只是利用了其集电极PC1、PC2,在模块内部共接在一起的发射极PE1/PE2以及图5中未示出在模块内部由两个栅极共接在一起的共用控制端G1/G2。由于两个栅极G1、G2在模块内部共接在一起,以共用控制端G1/G2的形式与控制电路连接,保证了产生在各个IGBT栅极上的漏感等一致,与单独利用栅极G1、G2和发射极E1、E2相比,提高了共发射极双IGBT模块S5的工作稳定性
[0037] 在本发明中,共发射极双IGBT模块S5与H桥功率模块安装在同一散热板上。这样,共发射极双IGBT模块S5出现温度过高等问题时,能够利用H桥功率模块的温度保护功能进行保护。而不用为共发射极双IGBT模块S5另设温度保护机构,减低了成本。
[0038] 在H桥功率模块正常工作时,驱动电路输出负的控制电压,使共发射极双IGBT模块S5深度关断,增加抗干扰能力,提高了系统可靠性。
[0039] 深度关断时的控制电压一般可取0~-20V,推荐为-7~-15V;优选-7V,即,栅极的电压比发射极的电压低7V。
[0040] 在功率单元故障时,驱动电路输出正的控制电压,使共发射极双IGBT模块导通,其电压根据功率单元的额定电流设定,一般可取11~20V,推荐为14~15V,优选为15V,即,栅极的电压比发射极的电压高15V。
[0041] 以上所述,仅为本发明的具体实施例,并不以次限制本发明的保护范围。任何基于本发明技术方案所作的等效变换,如实施例2中,预充电电阻R1、R2连接在模块的正母线与输出端L1、L2之间,但也可以将预充电电阻R1、R2连接在模块的负母线与输出端L1、L2之间,类似的改变均属于本发明的保护范围之内。
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