電壓抑制單元和功率轉(zhuǎn)換裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種電壓抑制單元和功率轉(zhuǎn)換裝置，該電壓抑制單元包括：至少一個儲能電容，用于并聯(lián)在功率轉(zhuǎn)換裝置中各橋臂的兩端，其中，每個所述橋臂包括兩個串聯(lián)的IGBT；放電電阻，與各所述儲能電容并聯(lián)，用于釋放所述儲能電容中的電荷。本發(fā)明提供的電壓抑制單元通過在橋臂兩端并聯(lián)儲能電容來實現(xiàn)抑制IGBT關斷時的尖峰電壓，并通過與儲能電容并聯(lián)的放電電阻將電能釋放，保護IGBT不被損壞。該電壓抑制單元采用的元件少，電路實現(xiàn)簡單，成本低。
【專利說明】電壓抑制單元和功率轉(zhuǎn)換裝置【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明實施例涉及電力機車技術，尤其涉及一種電壓抑制單元和功率轉(zhuǎn)換裝置。【背景技術】
[0002]在大功率交流傳動電力機車中，高壓大電流的絕緣柵雙極晶體管(Insulated-Gate Bipolar Transistor,簡稱IGBT)被普遍使用在功率轉(zhuǎn)換裝置中，通過控制IGBT的開通和關斷完成功率轉(zhuǎn)換。但是，由于直流回路中雜散電感的存在，在IGBT的關斷過程中IGBT的集電極C和發(fā)射極E之間會產(chǎn)生尖峰電壓，該尖峰電壓的值高，如果不能有效地抑制該尖峰電壓，會造成IGBT的損壞，影響電力機車的正常運行。因此，抑制IGBT關斷時的尖峰電壓的抑制電路至關重要。
[0003]圖1為現(xiàn)有技術中電阻-電容-二極管(RCD)型電壓抑制單元的電路圖，用來抑制IGBT關斷時的尖峰電壓。如圖1所示，功率轉(zhuǎn)換裝置的一個橋臂上設置有兩個串聯(lián)的IGBT，分別為IGBTl和IGBT2，IGBTl的集電極C和直流電源Ud的正極連接，直流電源Ud為其提供直流電，IGBTl在工作時門極G和發(fā)射極E之間輸入的是方波電壓信號，通過該方波電壓信號控制IGBTl的導通和截止。具體地，當在IGBTl的門極G和發(fā)射極E之間加上正向的電壓時，即在方波電壓信號的正半周期內(nèi)，IGBTl導通，當在IGBTl兩端加負向電壓時，即在方波電壓電壓信號的負半周期內(nèi)，IGBTl截止。IGBTl的發(fā)射極E和IGBT2的集電極C連接。Ld為直流側(cè)雜散電感，L為負載電感，每個IGBT關斷時的尖峰電壓主要為Ld導致。該功率轉(zhuǎn)換裝置 所采用的電壓抑制單元包括負載電阻Rl和R2、電容Cl和C、以及二極管Dl和D2，其連接關系如圖1所示。
[0004]以IGBTl由開通轉(zhuǎn)為截止，IGBT2處于截止狀態(tài)為例進行說明。當IGBTl在關斷過程中，IGBTl兩端的電壓Ul逐漸升高，當Ul大于Ud時Dl導通，Ld與Cl構(gòu)成諧振回路，在諧振過程中,Dl反相恢復，之后Cl中的能量通過Ud，Ld、Rl和Cl構(gòu)成的回路釋放給中間回路。
[0005]但是，現(xiàn)有技術的RCD型電壓抑制單元，所需要的元件比較多，電路復雜，設計難度大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種電壓抑制單元和功率轉(zhuǎn)換裝置。
[0007]本發(fā)明提供一種電壓抑制單元，包括:
[0008]至少一個儲能電容，用于并聯(lián)在功率轉(zhuǎn)換裝置中各橋臂的兩端，其中，每個所述橋臂包括兩個串聯(lián)的絕緣柵雙極晶體管IGBT ；
[0009]放電電阻，與各所述儲能電容并聯(lián)，用于釋放所述儲能電容中的電荷。
[0010]如上所述的電壓抑制單元，優(yōu)選地，所述儲能電容的數(shù)量為三個。
[0011]本發(fā)明還提供一種功率轉(zhuǎn)換裝置，包括至少一個橋臂，且每個所述橋臂包括兩個串聯(lián)的絕緣柵雙極晶體管IGBT,其中,還包括:上述任一所述的電壓抑制單元。[0012]如上所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，優(yōu)選地，各個所述橋臂并列設置，各所述儲能電容并列設置在所述橋臂的邊緣，所述儲能電容的兩極分別通過母排與各所述橋臂的兩端電連接。
[0013]本發(fā)明提供的電壓抑制單元通過在同一橋臂的兩端并聯(lián)儲能電容，當IGBT關斷時，電路中的雜散電感產(chǎn)生的尖峰電壓被儲能電容吸收，從而抑制IGBT的集電極和發(fā)射極之間電壓上升，在IGBT停止工作時，儲能電容將大部分儲存的電能回饋到系統(tǒng)的直流電源中，少部分電能通過與其并聯(lián)的放電電阻將電荷釋放掉。本實施例提供的電壓抑制單元，能夠?qū)崿F(xiàn)抑制尖峰電壓，保護IGBT不被損壞，且該電路采用的元件少，電路實現(xiàn)簡單，成本也低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為現(xiàn)有技術中RCD型電壓抑制單元的電路圖；
[0015]圖2為本發(fā)明提供的電壓抑制單元的電路圖；
[0016]圖3為圖2中電壓抑制單元存在雜散電感時的等效電路圖。
【具體實施方式】
[0017]以下將結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明做進一步地說明。
[0018]本實施例提供的電壓抑制單元包括:至少一個儲能電容和放電電阻。其中，各儲能電容用于并聯(lián)在功率轉(zhuǎn)換裝置中各橋臂的兩端，每個橋臂包括兩個串聯(lián)的IGBT。放電電阻與各儲能電容并聯(lián)，用于釋放儲能電容中的電荷。
[0019]在IGBT關斷時，電路中雜散電感會在IGBT集電極和發(fā)射極之間產(chǎn)生正向的尖峰電壓。具體來說，當IGBT的集電極發(fā)射極之間的電壓等于直流電壓Ud時，由于直流側(cè)的雜散電感中存儲有電能，導致IGBT集電極和發(fā)射極兩端的電壓迅速上升，會損壞IGBT。本實施例中，通過在橋臂兩端并聯(lián)有至少一個電容，由于儲能電容的存在，雜散電感中的電能被儲能電容所吸收，由于儲能電容兩端電壓不能突變，從而有效的限制了 IGBT集電極和發(fā)射極之間電壓的上升。IGBT截止后，儲能電容將大部分儲存的電能回饋到系統(tǒng)的直流電源中，少部分電能通過與其并聯(lián)的放電電阻將電荷釋放掉。
[0020]本實施例提供的電壓抑制單元通過在同一橋臂的兩端并聯(lián)儲能電容，當IGBT關斷時，產(chǎn)生的尖峰電壓存儲在該儲能電容上，抑制電壓IGBT的集電極和發(fā)射極之間電壓上升，在IGBT停止工作時，儲能電容和其并聯(lián)的放電電阻形成回路，通過放電電阻將電荷釋放掉。本實施例提供的電壓抑制單元，能夠有效抑制IGBT關斷時的尖峰電壓，保護IGBT不被損壞，且該電路采用的元件少，電路實現(xiàn)簡單，成本也低。相比于圖1所示的現(xiàn)有RCD型電壓抑制單元，本發(fā)明實施例僅采用儲能電容和放電電阻就可起到抑制電壓的作用，而無需設置二極管。元件的種類減少，且元件的數(shù)量也有所減少。而元件數(shù)量的多少對于大功率電力機車是有很大影響的。大功率電力機車的功率轉(zhuǎn)換裝置使用的均為高壓大電流的IGBT，采用盡量少的元件降低對IGBT的工作的影響，提高裝置的可靠性。
[0021]圖2為本發(fā)明提供的電壓抑制單元的的電路圖。優(yōu)選地，本實施例中，儲能電容的數(shù)量為三個。功率轉(zhuǎn)換裝置可包括一個或多個橋臂，如圖2所示，每個橋臂包括兩個串聯(lián)的IGBT，分別為IGBTl和IGBT2，直流電源Ud為其提供直流電。IGBTl的集電極C和直流電源Ud的正極相連，發(fā)射極E和IGBT2的集電極C連接，且連接有負載L，IGBT2的發(fā)射極E接到直流電Ud的負極，IGBTl和IGBT2的門極G分別和方波信號源連接(未示出)。在橋臂的兩端并聯(lián)有三個儲能電容C1、C2和C3，電容兩端并聯(lián)有放電電阻R。優(yōu)選地，三個電容規(guī)格和容量是相同的。
[0022]在本發(fā)明實施例，雖然設置一個儲能電容也可能起到抑制尖峰電壓的作用，但是需要提高電容的參數(shù)，從而使得電容體積增大，必然使得該電容在縱向或橫向的長度較長。而若儲能電容數(shù)量過多，也會由于同時并聯(lián)太多的儲能電容，而增加產(chǎn)品的體積，以及設計的難度，綜合考慮，優(yōu)選采用三個電容并聯(lián)使用。
[0023]本實施例以IGBTl導通，IGBT2截止為例來說明該電壓抑制單元如何抑制尖峰電壓。方波信號源產(chǎn)生周期性方波信號，在方波信號的正半周期產(chǎn)生的是正向的電壓，在方波信號的負半周期產(chǎn)生的是負向電壓。當IGBTl的門極G和發(fā)射極E之間的加上正向的驅(qū)動電壓時，即在方波信號的正半周期內(nèi)，IGBTl導通，能夠正常工作。當IGBTl的門極G和發(fā)射極E之間加上反向的驅(qū)動電壓，即在方波信號的負半周期內(nèi)，IGBTl關斷。IGBTl關斷的過程中，電路中的雜散電感會在IGBTl的集電極C和發(fā)射極E之間產(chǎn)生正向的尖峰電壓。具體來說，當IGBTl的集電極C和發(fā)射極E之間的電壓等于直流電壓Ud時，由于直流側(cè)的雜散電感Ld中存儲有電能，導致IGBTl集電極C端的電壓持續(xù)上升，此時，由于儲能電容Cl、C2、C3的存在，雜散電感Ld中的電能被儲能電容C1、C2、C3吸收，從而有效抑制IGBTl兩端的電壓上升，使得IGBTl的集電極C和發(fā)射極E之間的電壓緩慢變化。當IGBT關斷后，儲能電容Cl、C2、C3中存儲的大部分電能將回饋給直流電源，少部分通過放電電阻R釋放掉，以使得直流電源將這部分能量再次利用。當整個系統(tǒng)停止工作時，儲存在儲能電容電容Cl、C2、C3中的電荷才通過放電電阻R釋放。
[0024]本實施例中，采用三個電容并聯(lián)的方案，一方面，并聯(lián)后的三個電容的總?cè)萘吭龃螅瑸槿齻€電容的容量之和，對于尖峰電壓的值過高時，可以很好的抑制。另一方面，各個電容產(chǎn)生的雜散電感并聯(lián)后，電路中總的雜散電感減小，能夠提高系統(tǒng)的可靠性。圖3為圖2中存在雜散電感時的等效電路圖，如圖3所示，雜散電感Ld指電路中直流側(cè)產(chǎn)生的雜散電感，雜散電感是指電路中的連接導線、元件本體等呈現(xiàn)出來的等效電感。電容Cl兩端產(chǎn)生雜散電感Lll和L12，電容C2兩端產(chǎn)生雜散電感L21和L22，電容C3兩端產(chǎn)生雜散電感L31和L32，L為電感負載。在IGBTl關斷的過程中，尖峰電壓主要是直流側(cè)雜散電感Ld產(chǎn)生的，通過儲能電容C1、C2和C3抑制IGBTl集電極C和發(fā)射極E之間電壓的升高。對于電感來說，并聯(lián)后電感量減小，從而使得整個電路中的雜散電感減小。
[0025]由于儲能電容C1、C2和C3的存在，即使IGBT不工作，也會在電容上存儲一定的電荷，如果不將這部分電荷釋放，在對電路操作過程中，可能會對人體造成危害，存在安全隱患。本實施例中，也可以通過放電電阻R將這部分電荷釋放，避免造成不必要的損失。
[0026]本發(fā)明還提供一種功率轉(zhuǎn)換裝置，包括至少一個橋臂，且每個橋臂包括兩個串聯(lián)的IGBT，該功率轉(zhuǎn)換裝置還包括本發(fā)明任意實施例所提供的電壓抑制單元。本實施例中，各個橋臂并列設置，各儲能電容并列設置在橋臂的邊緣，各儲能電容的兩極分別通過母排與各橋臂的兩端電連接。能夠有效抑制IGBT關斷時的尖峰電壓，同時，簡化了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性。
[0027]最后應說明的是:以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范圍。
【權利要求】
1.一種電壓抑制單元，其特征在于，包括: 至少一個儲能電容，用于并聯(lián)在功率轉(zhuǎn)換裝置中各橋臂的兩端，其中，每個所述橋臂包括兩個串聯(lián)的絕緣柵雙極晶體管IGBT ； 放電電阻，與各所述儲能電容并聯(lián)，用于釋放所述儲能電容中的電荷。
2.根據(jù)權利要求1所述的電壓抑制單元，其特征在于:所述儲能電容的數(shù)量為三個。
3.—種功率轉(zhuǎn)換裝置，包括至少一個橋臂，且每個所述橋臂包括兩個串聯(lián)的絕緣柵雙極晶體管IGBT，其特征在于，還包括:權利要求1或2所述的電壓抑制單元。
4.根據(jù)權利要求3所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:各個所述橋臂并列設置，各所述儲能電容并列設置在所述橋臂的邊緣，所述儲能電容的兩極分別通過母排與各所述橋臂的兩端電連接。
【文檔編號】H02M1/32GK103915995SQ201310005211
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年1月7日 優(yōu)先權日:2013年1月7日
【發(fā)明者】梁海剛, 柴媛, 楊春宇 申請人:永濟新時速電機電器有限責任公司