專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的功率單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風(fēng)電變流器控制系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及ー種風(fēng)カ發(fā)電機(jī)變流器的功率單元，它是實(shí)現(xiàn)變流器逆變過程的ー個重要組件。
背景技術(shù)：
風(fēng)電變流器在風(fēng)カ發(fā)電設(shè)備中非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。雙饋風(fēng)機(jī)的變流器承擔(dān)著交流一直流一交流的作用，其特點(diǎn)是輸入輸出特性好，功率可以雙向流動。雙饋電機(jī)變流器的工作頻率通常較低，熱應(yīng)カ較大，并且雙饋電機(jī)較大的電磁過渡過程也威脅著變流器的安全運(yùn)行。因此，在大功率變流器設(shè)計(jì)中，功率単元的電流輸出能力對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。功率単元其核心組件是IGBT，如何高效、可靠的應(yīng)用IGBT，使IGBT能夠充分發(fā)揮其作用是大功率變流器急需解決的ー個難題。本專利申請單位通過多年的研究，分析不同 IGBT應(yīng)用電路以及結(jié)構(gòu)，采用ー種新的機(jī)械結(jié)構(gòu)和散熱方式，更加安全可靠的電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了ー款安全、可靠的國內(nèi)領(lǐng)先水平的功率単元。目前的風(fēng)電變流器功率単元在技術(shù)上存在以下的不足
1、IGBT的散熱決定了功率単元的效率高低，由于功率単元各部件的形狀，空間位置布局等結(jié)構(gòu)原因，散熱效果較差，且雜散電感較大，導(dǎo)致功率単元效率不高。2、功率単元的控制保護(hù)電路設(shè)計(jì)不夠完善，運(yùn)行可靠性較差，存在過載運(yùn)行和非正常關(guān)斷的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是提供一種風(fēng)カ發(fā)電機(jī)變流器的功率単元，該單元具有ー種新型驅(qū)動保護(hù)電路，可實(shí)現(xiàn)正常地逆變轉(zhuǎn)換以及對功率單元進(jìn)行可靠保護(hù)。它的ー些部件形狀及空間位置布局更加合理，散熱效果好、雜散電感小。技術(shù)方案如下
一種風(fēng)カ發(fā)電機(jī)變流器的功率単元，包括由功率開關(guān)IGBT組成逆變橋及其控制保護(hù)電路，所述逆變橋配有直流輸入母線、交流輸出引線和散熱器，其特征在干，所述控制保護(hù)電路包括
-死區(qū)設(shè)置電路，對PWM波進(jìn)行死區(qū)設(shè)置，保證逆變橋上、下橋臂的電壓不會同時(shí)為高； -PWM驅(qū)動電路，對PWM波進(jìn)行處理放大，通過開通、關(guān)斷電阻對控制IGBT開通、關(guān)斷； -過流保護(hù)電路，通過退飽和電路檢測過流，及時(shí)關(guān)斷IGBT ；
-有源鉗位電路，當(dāng)功率開關(guān)IGBT非正常關(guān)斷時(shí)，會產(chǎn)生一個較高的直流電壓，利用有源鉗位電路將功率開關(guān)IGBT打開，釋放過電壓能量，從而對IGBT進(jìn)行保護(hù)。所述逆變橋臂采用雙管并聯(lián)結(jié)構(gòu)。所述死區(qū)時(shí)間設(shè)置的電容的容值為220pF。所述開通關(guān)斷電阻的阻值為3. 4Ω。
所述有源鉗位電路的導(dǎo)通電壓值約為1400V。所述過流保護(hù)電路的延時(shí)關(guān)斷時(shí)間約為8. 6us。所述散熱器的基片厚度、翅片厚度、翅片高度、相鄰翅片的距離的比值為11.6: 1. 5 62. 4 2. 8。所述復(fù)合母線采用真空高壓成型エ藝制成，直流輸入母線采用兩塊大面積矩形銅板作為母線的正負(fù)極，與逆變橋的輸入臂連接，兩塊矩形銅板重疊布置，板間墊有絕緣層。所述加熱電路電阻為360 Ω/300W。所述交流輸出引線采用軟銅排連接。本發(fā)明的技術(shù)效果
上述結(jié)構(gòu)的風(fēng)カ發(fā)電機(jī)變流器功率単元，提高了逆變可靠性、安全性，散熱效果好、雜散電感小，可以更加充分地發(fā)揮IGBT功率特性，提高逆變效率。


圖1功率単元原理圖； 圖2死區(qū)設(shè)置電路原理圖； 圖3 PWM驅(qū)動電路原理圖； 圖4過流保護(hù)電路原理圖； 圖5有源鉗位電路原理圖； 圖6加熱電路原理圖
圖7-1是功率単元整體結(jié)構(gòu)圖立體圖； 圖7-2是圖7-1的俯視圖； 圖7-3是7-1的正視圖； 圖8-1是復(fù)合母線結(jié)構(gòu)圖； 圖8-2是圖8-1的截面圖； 圖9是交流輸出引線結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式功率単元驅(qū)動設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示，圖中描述了ー個本設(shè)計(jì)中基本的功率単元功能，其中包括了電源、死區(qū)、驅(qū)動、保護(hù)等電路的設(shè)計(jì)，其中加熱電阻的連接回路見圖6。將CA、CB通過電容接地，不同的電容值對應(yīng)不同的死區(qū)時(shí)間。通過死區(qū)的設(shè)置， 可以在硬件環(huán)節(jié)上對PWM波形進(jìn)行分開控制，保證上下橋臂有足夠的時(shí)間進(jìn)行開通關(guān)斷。 合理的設(shè)置死區(qū)時(shí)間，可以更好的利用IGBT的特性，在保證電流輸出波形的前提下，減少 IGBT開關(guān)的損耗，最大程度的保護(hù)IGBT正常運(yùn)行，本設(shè)計(jì)中采用的電容容值為220pF，如圖 2所示。從圖中可以看到，IGBT的開通和關(guān)斷電阻分為兩路驅(qū)動。由于IGBT的驅(qū)動特性決定了其開通和關(guān)斷引起的VCE尖峰電壓不同，因此研究人員通過大量實(shí)驗(yàn)最終確定了開通關(guān)斷的驅(qū)動電阻的阻值，保證驅(qū)動的合理性，避免電壓過沖對IGBT的損害，最大限度的將IGBT的特性充分使用，本設(shè)計(jì)中采用的開通關(guān)斷電阻為3. 4Ω。同時(shí)鉗位ニ極管可以有效地保護(hù)IGBT的G級不會因?yàn)镻WM電壓的抬升導(dǎo)致的損壞，如圖3所示。過流保護(hù)電路通過ー個快速ニ極管以及退飽和電路，達(dá)到有效保護(hù)IGBT短路引起的過流。通過調(diào)整C9、C11、R21的參數(shù)，可以設(shè)計(jì)出適合自己的功率単元短路保護(hù)值得電壓和相應(yīng)速度，最大程度的利用IGBT自身的過流能力，來完成功率単元的正常運(yùn)行，本設(shè)計(jì)中保護(hù)延時(shí)關(guān)斷時(shí)間約為8. 6us，如圖4所示。有源鉗位電路主要目的在于當(dāng)IGBT非正常關(guān)斷，直流母線電壓產(chǎn)生ー個尖峰電壓時(shí)，可以有效地保護(hù)IGBT不會損壞。通過設(shè)置TVS ニ極管的電壓，可以有效地保護(hù)IGBT， 又不會誤動作開通，本設(shè)計(jì)中開通電壓設(shè)為1400V，如圖5所示。加熱電路主要用于在低溫下給功率単元加熱使用。由于在低溫環(huán)境下，電路板及 IGBT特性會受到影響，為了保證功率単元穩(wěn)定的工作，加熱電路通過如圖6所示回路對功率單元進(jìn)行加熱，圖中①表示功率単元中的加熱電阻，參數(shù)為360 Ω /300W。功率単元結(jié)構(gòu)采用合理的布局，極大地保證了 IGBT的散熱，并且降低了功率単元的雜散電感，有效地保證了其安全可靠運(yùn)行。如圖7-1至圖7-3所示，其中①表示電路板、 ②表示軟銅排、③表示電解電容、④表示IGBT、⑤表示散熱器、⑥表示復(fù)合母線。復(fù)合母線如圖8-1、圖8-2所示。其中①、②、③表示紫銅，④、⑦表示外部絕緣PET 紙，⑤、⑥表示內(nèi)部絕緣PET紙，用真空模壓エ藝制成。該結(jié)構(gòu)使母線構(gòu)成ー個容量很大的電容，極大的降低了功率単元的雜散電感，并可吸收由于IGBT關(guān)斷帶來的尖峰電壓，有效的保證了 IGBT工作在安全區(qū)域。交流輸出采用軟銅排的連接方式，如圖9所示。由于功率単元在機(jī)柜中的連接ー 般都采用的硬性銅排連接，而考慮到振動的影響，以及IGBT連接處非常柔軟，如果采用一般的銅排會導(dǎo)致IGBT交流輸出的地方很容易受損，因此，在這里設(shè)計(jì)了ー種軟性銅排，既保證了電流的承載能力，又有效地降低了振動帶來的應(yīng)力作用。散熱器采用influence軟件進(jìn)行精確仿真，確定其基片厚度、翅片厚度、翅片高度、相鄰翅片的距離的比值為11.6 :1.5 :62. 4 :2. 8，散熱效果最佳，完全可以滿足功率単元 1. 2倍過載情況下的散熱情況。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)カ發(fā)電機(jī)變流器的功率単元，包括由功率開關(guān)IGBT組成逆變橋及其控制保護(hù)電路，所述逆變橋配有直流輸入母線、交流輸出引線和散熱器，其特征在干，所述控制保護(hù)電路包括-死區(qū)設(shè)置電路，對PWM波進(jìn)行死區(qū)設(shè)置，保證逆變橋上、下橋臂的電壓不會同時(shí)為高；-PWM驅(qū)動電路，對PWM波進(jìn)行處理放大，通過開通、關(guān)斷電阻對控制IGBT開通、關(guān)斷；-過流保護(hù)電路，通過退飽和電路檢測過流，及時(shí)關(guān)斷IGBT ；-有源鉗位電路，當(dāng)功率開關(guān)IGBT非正常關(guān)斷時(shí)，會產(chǎn)生一個較高的直流電壓，利用有源鉗位電路將功率開關(guān)IGBT打開，釋放過電壓能量，從而對IGBT進(jìn)行保護(hù)。
2.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的功率単元，所述逆變橋臂采用雙管并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的功率単元，所述死區(qū)時(shí)間設(shè)置的電容的容值為220pF。
4.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的功率単元，所述開通關(guān)斷電阻的阻值為 3· 4Ω。
5.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的功率単元，所述有源鉗位電路的導(dǎo)通電壓值約為1400V。
6.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的功率単元，所述過流保護(hù)電路的延時(shí)關(guān)斷時(shí)間約為8. 6us。
7.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的功率単元，所述散熱器的基片厚度、翅片厚度、翅片高度、相鄰翅片的距離的比值為11. 6 1.5 62. 4 2. 8。
8.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的功率単元，所述復(fù)合母線采用真空高壓成型エ藝制成，直流輸入母線采用兩塊大面積矩形銅板作為作為母線的正負(fù)極，與逆變橋的輸入臂連接，兩塊矩形銅板重疊布置，板間墊有絕緣層；。
9.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的功率単元，所述加熱電路電阻為 360Ω/3001
10.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的功率単元，所述交流輸出引線采用軟銅排連接。
全文摘要
一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的功率單元，包括由功率開關(guān)IGBT組成逆變橋及其控制保護(hù)電路，所述控制保護(hù)電路設(shè)有-死區(qū)設(shè)置電路，-PWM驅(qū)動電路，-過流保護(hù)電路，-有源鉗位電路，所述逆變橋配有直流輸入母線、交流輸出引線和散熱器，所述直流輸入母線采用兩塊大面積矩形銅板作為母線的正負(fù)極，與逆變橋的輸入臂連接，兩塊矩形銅板重疊布置，板間墊有絕緣層；所述交流輸出引線采用軟銅排；所述散熱器的基片厚度、翅片厚度、翅片高度、相鄰翅片的距離的比值為11.6∶1.5∶62.4∶2.8。
文檔編號H02H7/20GK102545674SQ201110454780
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者彭濤, 杜睿, 熊向杰, 田紹據(jù), 蔣馳雷, 閔澤生, 陳建國 申請人:東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司, 四川東方電氣自動控制工程有限公司