[发明专利]四电平嵌套中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局

说明书

本发明公开了一种四电平嵌套中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局，器件包括左半桥臂器件、右半桥臂器件及叠层母排；左半桥臂器件包括第一IGBT组、第二IGBT组、第三IGBT组、左半桥臂钳位二极管组Da、左支撑电容C_d1、左上悬浮电容C_fa1及左下悬浮电容C_fa2，IGBT组包括两个独立的IGBT；左半桥臂器件与右半桥臂器件的布局与连接完全相同。能有效缩短换流路径长度，改善换流回路复合效果，降低了换流回路的杂散电感，大幅度降低了功率器件的关断过电压，简化了吸收电路，在降低成本的同时使结构更加紧凑、功率密度进一步提高，扩大了四电平变流器的安全工作区域，有利于四电平变流器的长期安全、稳定运行。

技术领域

本发明属于大功率电能变换技术领域，具体涉及一种四电平嵌套中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局。

背景技术

随着电力电子器件技术、信息和控制技术的日益进步，电力电子变流技术得到了很大的发展和提高。目前，中高压、大容量电力电子变流器所涉及和应用的范围越来越广泛，如风电变流器、高压直流输电变流器、重载机车牵引变流器、矿用电气传动变流器、军用移动平台变流器等，成为行业发展的重要方向。传统的两电平变换器的功率器件耐压能力有限，器件串联存在均压等问题，不适用于中压大容量场合。四电平嵌套中点钳位变换器（4L-NNPC）是一种新型多电平拓扑，其拓扑结构简单、所需器件较少，并且所有功率器件承受的电压均为直流侧的1/3，无需功率器件串联便可以工作在10kV电压等级上。因此，四电平嵌套中点钳位拓扑十分适用于中压大容量场合，特别是对体积重量要求严苛的移动平台。

驱动中压多相开绕组电机的变频器采用基于四电平嵌套中点钳位拓扑的多相H桥结构，不同的H桥单元主电路不存在耦合，功率单元相互独立，其H桥电路结构可独立设计。其H桥功率器件布局和叠层母排设计的优劣直接关系到变流器的整体性能。相比传统的两电平变流器，四电平嵌套中点钳位变流器换流回路更多、更复杂，换流路径也更长。功率开关器件动作时，其换流回路杂散电感产生的电压尖峰将叠加在功率器件两端，增加了器件电压应力甚至可能超出器件耐压范围，易造成功率开关器件损坏。此外，杂散电感与吸收电容形成谐振回路，易引起功率电路振荡，增加了系统损耗并延长了器件关断过渡过程，不利于器件安全工作。

为进一步提高四电平嵌套中点钳位变流器性能和可靠性，其功率器件布局和叠层母排设计非常关键。合理的功率器件布局能缩短换流路径长度，简化换流回路，也能降低叠层母排的设计难度；良好的叠层母排设计能实现换流路径的充分复合，最大限度降低换流回路的杂散电感。此外，因制造和装配误差、母排本身和电容等因素作用，导致功率器件受力是不可避免的，如果不在功率器件布局和叠层母排设计阶段将这些因素考虑进去，很可能导致功率器件承受过大的应力。特别是四电平嵌套中点钳位变换器的母排通常较大，电容数量较两电平多，更增加了这种风险。此外，四电平变流器内管换流路径比较长，在实际应用时通常都会留有较大的电压和电流裕量，功率模块的容量得不到充分的应用。为了提高系统可靠性，对IGBT的安全工作区充分利用，须在考虑四电平嵌套中点钳位拓扑换流路径的基础上精确、合理地设计器件布局和叠层母排。叠层母排能实现变流器功率器件的高度集成，同时，通过合理的器件布局及叠层母排回路复合大幅降低换流回路杂散电感，从而有效降低功率器件开关过程中所承受的尖峰电压，降低功率器件对保护吸收电路的要求，提高功率器件利用率及运行的可靠性和稳定性。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种能缩短各半桥换流路径长度、简化换流回路的四电平嵌套中点钳位H桥变流器的叠层母排结构布局。