高压变频器功率单元概要

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可控硅
4、可控硅
可控硅(SCR，Silicon Controlled Rectifier)是可控硅整流 器的简称。一种可控整流电子元件，能在外部控制信号作用 下由关断变为导通，但一旦导通，外部信号就无法使其关断， 只能靠去除负载或降低其两端电压使其关断。 我公司的产品上，可控硅用于充电电路和旁通回路，均 起“电子开关”作用。我公司使用的可控硅内部封装形式如 图6所示：
东方日立（成都）电控设备有限公司
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功率单元
吴天鹏
2012年5月
东方日立（成都）电控设备有限公司
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目录
1 概述 2 主要功率器件 3 我公司功率单元发展历程 4 功率单元主回路 5 功率单元旁通技术 6 功率单元型号定义 7 功率单元控制驱动板件
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2、主回路IGBT旁通技术
该技术为我公司专利技术。它是利用IGBT进行旁通控制，即采 用主回路上的4只IGBT（图9）实现图7中的“电子开关”功能。
主回路IGBT旁通技 术
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目前我公司使用的IGBT品牌有：Eupec、Semikron； 使用的IGBT电压等级有：1200V、1700V； 例如：BSM100GB170DLC、FF400R12KE3。
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1.3我公司使用整流桥的常规参数
品牌： Semikron 、 Eupec；
电压等级：1400V、1800V； 整流桥型号说明： 例如：SKD62/18为Semikron公司额定电流 62A、额定 电压1800V的6只整流二极管封装的整流桥，SKKD260/14 为Semikron公司额定电流260A、额定电压1400V的2只整 流二极管封装的整流桥。
使用的容量有3300uF、6800uF、10000uF。
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IGBT
3、IGBT
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor ），绝缘 栅双极晶体管，是一种结合了BJT（大功率晶体管）和MOSFET （功率场效应管）二者优点的复合型器件，它既具有MOS器件 的工作速度快，驱动功率小的优点，又具备了大功率晶体管 的电流能力大，导通压降低的优点，是目前最具有优势的电 力电子器件，在电力电子行业得到广泛应用。 IGBT是功率单元上的重要器件，其作用是逆变（将直流 转变为交流）。我公司目前使用的IGBT 大部分为“双管” （内部封装了两组IGBT芯片），内部封装示意图如图5所示：
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可控硅旁通技术
1、可控硅旁通技术
该技术就是利用可控硅进行旁通控制，即采用图8所示的电路实
现图7中的“电子开关”功能。
图8
旁通回路拓扑结构图 All Rights Reserved, Copyright 2004 DongFang Hitachi., Ltd.
该技术存在以下缺点： 1）容易受干扰（门极导通阈值低<2V）； 2）不易关断，应用不灵活； 3）体积较大，不利于小型化； 4）旁通时产生噪音； 5）器件多，可靠性低； 6）成本高。
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功率单元主回路
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高压大功率变频器功率单元主回路由整流、滤波、逆变三部分电 路组成，如图7所示： 由于我公司技术不断进步，功率单元上的充电电路已逐步被取消， 取而代之的是变频器集总充电技术。
2）改进型型号定义 型号：如PC75N、PC100N、PC150N、PC200N、PC300N、 PC400N等。
例如：PC200N表示配置IGBT额定电流为200A的改 进型功率单元。
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我公司功率单元发展历程
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我公司功率单元发展历程
我公司从成立到现在，在功率单元方面已推出四代产品，对这 四代产品对比如表1： 表1 四代功率单元对比表
目前，我公司已推出两个系列的第四代功率单元产品，其它系 列正在研发当中，将陆续推出。
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电解电容
2、 电 解 电 容
这里所说的电解电容为铝电解电容，其作用是对整 流桥整流后的直流进行滤波，同时储能。 目前我公司使用的电解电容品牌有： NICHICON（日本）、BHC（英国）、CDE（美国）、 EPCOS（德国）。 使用的电压等级有：400Vdc。
1.第三代功率单元型号定义
1）普通型型号定义 型号：如PC75A、PC100B、PC150A、PC200C、PC300A、PC400G等。
例如：PC200B表示配置IGBT 额定电流为200A、配置变频器额定 容量1000KVA的功率单元。
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目前我公司使用的可控硅品牌有：Semikron； 使用的可控硅电压等级有：1400V、1800V； 型号例如：SKKH57/18E、SKKT210/14E
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发展经历
1、我公司功率单元控制驱动板件发展经历 我公司功率单元控制驱动板件随着功率单元的发展 而发展，大概经历3个阶段，如下： 第一阶段：共5块板件，一次电源板、二次电源板、 光通信板、检测板、驱动板； 第二阶段：共4块板件，电源板、控制板、驱动板、 旁通板； 第三阶段：共2块板件，二合一控制板、驱动板
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第四代功率单元型号定义
2.第四代功率单元型号定义
型号：如I-6B、I-10C、IV-6A等。
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功率单元控制驱动板件
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概述
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概述
功率单元是使用功率电力电子器件进行整流、滤波、逆 变的高压变频器部件，是构成高压变频器主回路的主要部 分。每个功率单元都相当于一台交-直-交电压型单相低压 变频器。
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二合一控制板
2.二合一控制板
二合一控制板是在第三代功率单元多年应用的基础上，经过大量的改 进设计，将电源板和控制板合二为一的板件。 板件作用： a. 接收主控系统信号，给驱动板提供控制信号； b. 进行实时故障监测，向主控系统上报故障信息； c. 给单元驱动板供电。 板件接口： a. 光纤接口：与主控系统进行连接； b. 电压检测接口：与单元正负母线连接； c. 驱动板信号（Top1、Top2、/Lock、ERR）接口：与驱动板连接； d. 15V电源输出接口：与驱动板连接，为驱动板供电； e. 缺相检测接口：接功率单元整流桥输入端； f 过热检测接口：接温度检测开关； g. 充电可控硅驱动信号接口（预留）：接上电可控硅门极。
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功率单元型号定义
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第三代功率单元型号定义
1.1整流桥封装形式 其作用是整流（将交流变成直流）。我公司使用的整 流桥内部封装形式有以下两种，图1所示的封装内部有6只 整流二极管，用在功率单元的三相输入端；图2所示的封装 内部有2只整流二极管，用在功率单元的三相输入端以及旁 通回路中。 1.2整流桥工作原理 在我公司产品上，整流二极管的工作方式均为全波不控整 流。
图9 主回路IGBT旁通示意图
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主回路IGBT旁通及自恢复技术的优势： 1）无额外成本开支；主回路必不可少； 2）开关驱动可靠，灵活； 3）在故障消失后，可以自动回复到正常运行状态； 4）旁通时不产生噪音污染； 5）器件少，可靠性高。
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2）三相全桥不控整流 三相全桥不控整流电路，根据IEC971 (1989)对半导 体变换器的指定编码属于：B6U。工作原理如图4所示：
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单元驱动板
3.单元驱动板
板件作用： 接收单元控制板的控制信号，为单元上的四路 IGBT提供驱动信号，同时对驱动故障进行监测，上报 单元控制板。 板件接口： 15V电源输入接口：接单元控制板； 输入信号（Top1、Top2、/Lock） ：接单元控制板； 输出信号（ERRout）：接单元控制板； 输出信号（TOP1、BOT1、TOP2、BOT2路IGBT驱动信 号）：分别接TOP1 、BOT1、TOP2、BOT2路IGBT的C、 G、E极。
图7 功率单元主回路拓扑结构图
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功率单元旁通技术
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主要功率器件
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整流桥 1、整流桥
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1）单相全桥不控整流 单相全桥不控整流电路，根据IEC971 (1989)对半导 体变换器的指定编码属于：B2U。工作原理如图3所示：