一种基于IGCT的有源中点钳位模组及变流器的制作方法

一种基于igct的有源中点钳位模组及变流器
技术领域
1.本技术涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于igct的有源中点钳位模组及变流器。


背景技术：

2.随着变流器功率等级大幅提升，压接型器件集成门极换流晶闸管(igct，integrated gate-commutated thyristor)得到重视。现有igct主要用于中点钳位型(npc，neutral point clamped)拓扑，在npc拓扑中，igct布局及铜排连接方式相对确定。
3.为了进一步提高变流器的功率等级，利用igct构成有源中点钳位型(anpc，active neutral point clamped)模组的方式。
4.但是，anpc拓扑相对npc拓扑igct的数量增多，增加了igct布局及铜排连接方式的复杂性。由于换流路径杂散电感的存在，igct关断时必然存在尖峰电压，变流器功率等级的提升被限制。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提供一种基于igct的有源中点钳位模组及变流器，能够平衡不同换流路径的杂散电感，降低尖峰电压，有利于提升变流器的功率等级。
6.本技术提供一种基于igct的有源中点钳位模组，包括六个igct；六个igct包括上外管、上内管、下内管、下外管、上钳位管和下钳位管；
7.六个igct自上至下依次设置：上外管、上内管、上钳位管、下钳位管、下内管和下外管。
8.优选地，六个igct中的每个igct包括反并联二极管，六个igct位于第一列，六个反并联二极管位于第二列，反并联二极管与对应的igct一一对应设置。
9.优选地，igct与对应的反并联二极管之间通过铜排连接。
10.优选地，模组的正极通过上外管的阳极的散热器和上外管的反并联二极管的阴极的散热器引出；
11.模组的负极通过下外管的阴极的散热器和下外管的反并联二极管的阳极的散热器引出。
12.优选地，模组的直流侧电容中点通过上钳位管与下钳位管之间的散热器，以及上钳位管的反并联二极管与下钳位管的反并联二极管之间的散热器引出。
13.优选地，还包括：上吸收电路中的上吸收二极管和下吸收电路中的下吸收二极管；上吸收电路连接在模组的正极和直流侧电容中点之间，下吸收电路连接在模组的负极和直流侧电容中点之间；
14.上吸收电路还包括上吸收电容，下吸收电路还包括下吸收电容；
15.上吸收电容的正极通过第一铜排连接上吸收二极管的阴极；第一铜排与上吸收二极管压接；
16.下吸收电容的负极通过第二铜排连接下吸收二极管的阳极；第二铜排与下吸收二极管压接。
17.优选地，上内管和下内管之间通过至少一个第三铜排连接，第三铜排作为模组的交流输出端。
18.优选地，上外管与上内管的公共端通过至少一个第四铜排连接上钳位管的阳极；下内管与下外管的公共端通过至少一个第五铜排连接下钳位管的阴极。
19.优选地，第三铜排、第四铜排和第五铜排平行布置。
20.本技术还提供一种基于igct的变流器，包括以上介绍的有源中点钳位模组。
21.由此可见，本技术具有如下有益效果：
22.本技术提供的anpc模组，igct器件从上至下采用v1-v2-v5-v6-v3-v4的方式布局，这样可以减少长换流路径经过的铜排数量，即降低长换流路径的杂散电感；增加短换流路径经过的铜排数量，即增加短换流路径的杂散电感。因此，本技术实施例提供的anpc模组可以实现短换流路径的杂散电感与长换流路径的杂散电感的均衡，由于anpc模组的功率受限于长换流路径的限制，当长换流路径的杂散电感降低后，可以降低长换流路径下igct的关断尖峰电压，从而使得anpc模组的功率等级得到提升。
附图说明
23.图1为本技术实施例提供的一种基于igct的anpc模组的电路图；
24.图2a-图2h为本技术实施例提供的8中不同换流路径示意图；
25.图3为传统中一种基于igct的anpc模组的结构图；
26.图4为图3对应的短换流路径的示意图；
27.图5为图3对应的长换流路径的示意图；
28.图6为本技术实施例提供的一种基于igct的有源中点钳位模组的结构图；
29.图7为本技术实施例提供的一种anpc模组的短换流路径图；
30.图8为本技术实施例提供的一种anpc模组的长换流路径图；
31.图9为本技术实施例提供的一种anpc模组的立体图；
32.图10为本技术实施例提供的又一种anpc模组的立体图；
33.图11为本技术实施例提供的另一种anpc模组的立体图；
34.图12为本技术实施例提供的再一种anpc模组的立体图。
具体实施方式
35.为了使本领域技术人员能够更好地理解和实施本技术实施例提供的技术方案，下面先结合附图介绍一种基于igct的anpc模组。其中，anpc模组以三电平为例进行介绍。本技术实施例不具体限定anpc模组的应用场景，例如可以应用于三电平变流器中，该变流器为ac-dc-ac变换器，即输入为交流电，输出为交流电，先整流再逆变。
36.参见图1，该图为本技术实施例提供的一种基于igct的anpc模组的电路图。
37.三电平的anpc模组包括六个igct；六个igct包括上外管v1、上内管v2、下内管v3、下外管v4、上钳位管v5和下钳位管v6。其中，桥臂电路包括依次串联的：上外管v1、上内管v2、下内管v3和下外管v4四个igct。其中，v1和v2的公共端为第一节点a，v2和v3的公共端为
第二节点b，v3和v4的公共端为第三节点c。上钳位管v5和下钳位管v6作为桥臂电路的钳位igct。v5连接在第一节点a和n端之间，v6连接在第三节点c和n端之间。
38.六个igct均包括反并联二极管，v1对应d1，v2对应d2，v3对应d3，v4对应d4，v5对应d5，v6对应d6。
39.另外，三电平的anpc变流器还包括吸收电路，吸收电路包括上吸收电路和下吸收电路。吸收电路的作用主要是在igct开通和反并联二极管关断器件时刻，反并联二极管会产生很大的反向恢复电流，为了保护反并联二极管，设有由rlcd构成的缓冲吸收回路，用以限制igct开通过程中的di/dt，并吸收关断电压尖峰。其中，吸收电容中的二极管位于本技术实施例介绍的anpc模组的内部，另外，l、r和c也可以位于anpc模组的内部。
40.上吸收电路包括c1、r1、l1和d7。d7的阳极连接v1的第一端，d7的阴极通过c1连接n端，r1的两端分别连接直流侧电容正极和d7的阴极，l1的两端分别连接直流侧电容正极和d7的阳极。下吸收电路包括：c2、r2、d8和l2。d8的阴极连接v4的第二端，d8的阳极通过c2连接n端，r2的两端连接d8的阳极和直流侧电容负极，l2的两端连接d8的阴极和直流侧电容负极。
41.另外，该三电平anpc模组还可以包括输入电容c3和c4，c3的两端连接直流侧电容正极和直流侧电容中点。c4的两端连接直流侧电容中点和直流侧电容负极。
42.根据anpc模组的工作模态可知，anpc模组共存在8种不同换流路径，分别对应图2a-图2h中的加粗线条所示。其中包括4种短换流路径如图2a-图2d所示，4种长换流路径如图2e-图2h所示。
43.图2a的换流路径为c1-d5-v1-d7。图2b的换流路径为c2-d8-d4-d3-v2-d5，图2b中的换流路径为两个，即从c2-d5-v2切换到d8-d4-d3。图2c的换流路径为d2-d1-d7-c1-d6-v3。图2d的换流路径为c2-d8-v4-d6。图2e的换流路径为c1-v5-d1-d7。图2f的换流路径为c2-d8-v4-v3-d2-v5。图2g的换流路径为c1-v6-d3-v2-v1-d7。图2h的换流路径为c2-d8-d4-v6。
44.由于igct结构设计时换流回路相对对称，因此仅需对其中一个短换流路径及其中一个长换流路径进行杂散电感分析。传统方案中igct器件布局如图3所示。
45.从图3可以看出，igct位于一列，二极管位于一列。其中igct从上至下依次排布v1、v2、v5、v6、v3和v4。
46.短换流路径及长换流路径的示意图分别如图4和图5所示，如图中箭头所指的路线，为方便分析，将部分连接铜排置于功率串两边，实际设计时位于功率串前端，短换流路径与长换流路径所经过的器件数量及铜排数量差异较大，从而等效杂散电感差异较大，模组的功率等级受到长换流路径杂散电感的限制。
47.本技术实施例为了提高基于igct的anpc模组的功率等级，将长换流路径和短换流路径进行均衡，减少长换流路径包括的铜排数量，增加短换流路径包括的铜排数量，即降低长换流路径的杂散电感，增加短换流路径的杂散电感，但是短换流路径的杂散电感小于长换流路径的杂散电感。本技术实施例提供的基于igct的anpc模组，通过均衡不同换流路径的杂散电感，从而有效地减小尖峰电压对提升功率等级的限制。
48.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术实施例作进一步详细的说明。
49.参见图6，该图为本技术实施例提供的一种基于igct的有源中点钳位模组的结构图。
50.本技术实施例提供的基于igct的有源中点钳位模组，包括六个igct；六个igct包括上外管v1、上内管v2、下内管v3、下外管v4、上钳位管v5和下钳位管v6。
51.六个igct自上至下依次设置：上外管v1、上内管v2、上钳位管v5、下钳位管v6、下内管v3和下外管v4。
52.由于igct为压接器件，压接器件的优点在于可以通过器件的压接降低功率回路的杂散电感，因此anpc模组的结构，存在公共端的部分应尽量采用压接的方式实现。例如，v1与v2之间的连接采用压接方式。
53.本技术实施例提供的anpc模组，igct器件从上至下采用v1-v2-v5-v6-v3-v4的方式布局，这样可以降低长换流路径经过的铜排数量，即降低长换流路径的杂散电感；增加短换流路径经过的铜排数量，即增加短换流路径的杂散电感。因此，本技术实施例提供的anpc模组可以实现短换流路径的杂散电感与长换流路径的杂散电感的均衡，由于anpc模组的功率受限于长换流路径的限制，当长换流路径的杂散电感降低后，可以降低igct的关断尖峰电压，从而使得anpc模组的功率等级得到提升。
54.继续参见图6，本技术实施例提供的anpc的模组，六个igct中的每个igct包括反并联二极管，六个igct位于第一列，作为igct功率串；六个反并联二极管位于第二列，作为二极管功率串。反并联二极管与对应的igct一一对应设置。v1对应d1，v2对应d2，v5对应d5，v6对应d6，v3对应d3，v4对应d4。
55.igct与对应的反并联二极管之间通过铜排连接。
56.本技术实施例提供的anpc模组，还包括：上吸收电路中的上吸收二极管d7和下吸收电路中的下吸收二极管d8；上吸收电路连接在模组的正极和直流侧电容中点之间，下吸收电路连接在模组的负极和n端之间。
57.上吸收电路还包括上吸收电容c1，下吸收电路还包括下吸收电容c2。
58.上吸收电容c1的正极通过第一铜排p1连接上吸收二极管d7的阴极。第一铜排p1与上吸收二极管d7压接。
59.下吸收电容c2的负极通过第二铜排p2连接下吸收二极管d8的阳极；第二铜排p2与下吸收二极管d8压接。
60.本技术实施例提供的anpc模组，上吸收二极管d7位于d1之上，下吸收二极管d8位于d4之下，即从上到下采用d7-d1-d2-d5-d6-d3-d4-d8的方式布局。
61.本技术实施例提供的模组的正极通过上外管的阳极的散热器和上外管的反并联二极管的阴极的散热器引出；模组的负极通过下外管的阴极的散热器和下外管的反并联二极管的阳极的散热器引出。即模组的正极“+”通过d1阴极及v1阳极的散热器引出，模组的负极
“‑”
通过v4阴极及d4阳极的散热器引出。模组的直流侧电容中点通过上钳位管与下钳位管之间的散热器，以及上钳位管的反并联二极管与下钳位管的反并联二极管之间的散热器引出。即模组的“n”端通过v5与v6之间的散热器，及d5与d6之间的散热器引出，同时作为上吸收电容c1的负极以及下吸收电容c2的正极。
62.上吸收电容c1的正极通过第一铜排p1连接至d7的阴极，下吸收电容c2的负极通过第二铜排p2连接至d8的阳极，第一铜排p1与第二铜排p2的部分与二极管功率串进行压接连
接。v2与v3采用至少一个第三铜排p3连接，作为交流输出端ac引出。v1与v2的连接点通过至少一个第四铜排p4与v5阳极连接，v3与v4连接点通过至少一个第五铜排p5与v6阴极连接。第三铜排p3与第四铜排p4、第五铜排p5平行布置，且在满足安规要求的前提下距离可以设置的较近。本技术实施例不具体限定第三铜排p3的数量，可以根据相对位置和实际出现方式来设置，同理也不具体限定第四铜排p4和第五铜排p5的数量。
63.本技术实施例提供的anpc模组，上内管v2和下内管v3之间通过第三铜排p3连接，第三铜排p3作为模组的交流输出端。
64.本技术实施例提供的anpc模组，上外管v1与上内管v2的公共端通过第四铜排p4连接上钳位管v5；下内管v3与下外管v4的公共端通过第五铜排p5连接下钳位管。
65.下面结合附图举例介绍本技术实施例提供的短换流路径和长换流路径。
66.参见图7，该图为本技术实施例提供的一种anpc模组的短换流路径图。
67.图7所示的一种短换流路径为d7-v1-第四铜排p4-d5。
68.将图7对比图4所示的短换流路径，可以看出，图7所示的短换流路径多了一个铜排，因此，本技术实施例提供的anpc模组增加了短换流路径中的铜排数量，进而增加短换流路径的杂散电感。
69.参见图8，该图为本技术实施例提供的一种anpc模组的长换流路径图。
70.从图8可以看出，本技术实施例提供的anpc模组的长换流路径包括d5-v2-第三铜排p3-d3-d4-d8。
71.对比图8和图5可以看出，图8的长换流路径包括的铜排的数量比图5中的长换流路径包括铜排数量少。同时，图8的长换流路径经过第四铜排p4的电流方向与经过第三铜排p3的电流方向相反，空间上存在重叠部分，这样有利于磁场抵消，从而降低杂散电感，对应换流路径应该是d5-第四铜排p4-v2-第三铜排p3-d3-d4-d8。因此，本技术实施例提供的anpc模组可以减少铜排的数量，进而降低杂散电感。
72.通过以上分析可知，本技术实施例提供的anpc模组，增加了短换流路径中的铜排数量，降低了长换流路径中的铜排数量，这样对短换流路径的铜排数量和长换流路径中的铜排数量进行了平衡，进而可以降低长换流路径的杂散电感，由于anpc模组的功率等级取决于长换流路径，因此，有利于提高anpc模组的功率等级。
73.本技术实施例不具体限定铜排的数量，下面结合附图介绍一种具体的实现方式。
74.参见图9，该图为本技术实施例提供的一种anpc模组的立体图。
75.本实施例提供的anpc模组包括一个第三铜排p3，一个第四铜排p4和一个第五铜排p5。anpc模组包括igct功率串10和二极管功率串20。
76.参见图10，该图为本技术实施例提供的又一种anpc模组的立体图。
77.本实施例提供的anpc模组包括一个第三铜排p3，一个第四铜排p4和一个第五铜排p5，图10与图9不同的是，第三铜排p3与第四铜排p4的位置进行了调换。同理，第五铜排p5与第四铜排p4类似，图10中第五铜排p5的位置也进行了调换。anpc模组包括igct功率串10和二极管功率串20。
78.参见图11，该图为本技术实施例提供的另一种anpc模组的立体图。
79.本实施例提供的anpc模组包括一个第三铜排p3，两个第四铜排p4和两个第五铜排p5，两个第四铜排p4对称设置在第三铜排p3的两侧，两个第五铜排p5对称设置在第三铜排
p3的两侧。当第四铜排p4为两个时，单个第四铜排p4的宽度比图10的仅有一个第四铜排p4的宽度要窄，第五铜排p5同理，在此不再赘述。anpc模组包括igct功率串10和二极管功率串20。
80.参见图12，该图为本技术实施例提供的再一种anpc模组的立体图。
81.本实施例提供的anpc模组包括两个第三铜排p3，一个第四铜排p4和一个第五铜排p5，两个第三铜排p3对称设置在第四铜排p4的两侧，同理，两个第三铜排p3也对称设置在第五铜排p5的两侧。当第三铜排p3为两个时，单个第三铜排p3的宽度比图11的仅有一个第三铜排p3的宽度要窄。anpc模组包括igct功率串10和二极管功率串20。
82.以上图9-图12所示为anpc模组布局的示例，第三铜排p3、第四铜排p4和第五铜排p5的数量以及相对位置，可以根据实际的出线方式进行改变，且各个铜排之间未产生干涉。实际设计时，在满足安规要求的前提下，第三铜排p3、第四铜排p4和第五铜排p5的宽度尽可能宽以减小自感，且第三铜排p3、第四铜排p4和第五铜排p5的距离尽可能近以增大铜排间互感，从而使得换流路径杂散电感尽可能减小，模组结构方案最优。
83.基于以上实施例提供的一种基于igct的有源中点钳位模组，本技术实施例还提供一种基于igct的变流器，下面进行详细介绍。
84.本技术实施例还提供一种基于igct的变流器，包括以上实施例介绍基于igct的有源钳位anpc模组。
85.本技术实施例不具体限定基于igct的变流器的类型，例如可以为逆变器，也可以为整流器，也可以为其他类型的变流器。本技术实施例也不具体限定该变流器的具体应用场景，例如应用于风电变流器，或者高压变频器等。
86.由于本技术实施例提供的变流器中的anpc模组可以实现短换流路径的杂散电感与长换流路径的杂散电感的均衡，由于anpc模组的功率受限于长换流路径的限制，当长换流路径的杂散电感降低后，可以降低igct的关断尖峰电压，从而使得anpc模组的功率等级得到提升，进而提升变流器的功率等级。
87.需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
88.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种基于igct的有源中点钳位模组，其特征在于，包括六个igct；所述六个igct包括上外管、上内管、下内管、下外管、上钳位管和下钳位管；所述六个igct自上至下依次设置：所述上外管、所述上内管、所述上钳位管、所述下钳位管、所述下内管和所述下外管。2.根据权利要求1所述的模组，其特征在于，所述六个igct中的每个所述igct包括反并联二极管，所述六个igct位于第一列，六个所述反并联二极管位于第二列，所述反并联二极管与对应的所述igct一一对应设置。3.根据权利要求2所述的模组，其特征在于，所述igct与对应的所述反并联二极管之间通过铜排连接。4.根据权利要求2或3所述的模组，其特征在于，所述模组的正极通过所述上外管的阳极的散热器和所述上外管的反并联二极管的阴极的散热器引出；所述模组的负极通过所述下外管的阴极的散热器和所述下外管的反并联二极管的阳极的散热器引出。5.根据权利要求2或3所述的模组，其特征在于，所述模组的直流侧电容中点通过所述上钳位管与所述下钳位管之间的散热器，以及所述上钳位管的反并联二极管与所述下钳位管的反并联二极管之间的散热器引出。6.根据权利要求2或3所述的模组，其特征在于，还包括：上吸收电路中的上吸收二极管和下吸收电路中的下吸收二极管；所述上吸收电路连接在所述模组的正极和直流侧电容中点之间，所述下吸收电路连接在所述模组的负极和所述直流侧电容中点之间；所述上吸收电路还包括上吸收电容，所述下吸收电路还包括下吸收电容；所述上吸收电容的正极通过第一铜排连接所述上吸收二极管的阴极；所述第一铜排与所述上吸收二极管压接；所述下吸收电容的负极通过第二铜排连接所述下吸收二极管的阳极；所述第二铜排与所述下吸收二极管压接。7.根据权利要求1所述的模组，其特征在于，所述上内管和所述下内管之间通过至少一个第三铜排连接，所述第三铜排作为所述模组的交流输出端。8.根据权利要求7所述的模组，其特征在于，所述上外管与所述上内管的公共端通过至少一个第四铜排连接所述上钳位管的阳极；所述下内管与所述下外管的公共端通过至少一个第五铜排连接所述下钳位管的阴极。9.根据权利要求8所述的模组，其特征在于，所述第三铜排、所述第四铜排和所述第五铜排平行布置。10.一种基于igct的变流器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的有源中点钳位模组。

技术总结
本申请公开了一种基于IGCT的有源中点钳位模组及变流器，有源中点钳位模组包括六个IGCT；六个IGCT包括上外管、上内管、下内管、下外管、上钳位管和下钳位管；六个IGCT自上至下依次设置：上外管、上内管、上钳位管、下钳位管、下内管和下外管。本申请实施例提供的ANPC模组可以实现短换流路径的杂散电感与长换流路径的杂散电感的均衡，由于ANPC模组的功率受限于长换流路径的限制，当长换流路径的杂散电感降低后，可以降低长换流路径下IGCT的关断尖峰电压，从而使得ANPC模组的功率等级得到提升。从而使得ANPC模组的功率等级得到提升。从而使得ANPC模组的功率等级得到提升。


技术研发人员：庄桂元 常仁贺 庄园
受保护的技术使用者：阳光电源股份有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/13