[发明专利]基于瞬态电量平衡的无源无损无接触一体化直流母排方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于瞬态电量平衡的无源无损无接触一体化直流母排方法，属于电力电子应用技术领域。

背景技术

电力电子变换器的目的是实现电磁能量特征(电量波形、特征参数等)的有效变换。在变换过程中，它必须遵循电磁能量守恒和能量不能突变原则。电力电子技术中常见的软开关技术和吸收缓冲电路等本质上都是对变换过程中的瞬态能量进行有效平衡。目前普遍采用的是在主电路中串电感并电容等手段，称之为无源无损软开关技术。用常规的无源无损软开关技术在中小容量的电力电子变换器应用中取得了比较好的效果，但在高压大容量或超大容量电力电子变换装置中，由于功率密度大，能量变换特征明显，该技术难以做到瞬态电量平衡。于是，人们又发明出了多电平变换器技术。其出发点与高频谐振软开关技术是相同的，都是为了克服电力电子变换器中较高的dv/dt和di/dt所引起的高开关应力及电磁干扰问题，使得瞬态电量能有效平衡。但两者的思路并不相同：软开关技术是期望在实现低损耗的前提下，最终实现能量的高频转换(MHz)，一般适用于小容量电力电子变换器；而多电平变换器则是期望在改变主回路结构的前提下，实现功率开关的低频输出，一般应用于高压大容量变换器。将软开关技术与多电平技术结合一直是人们所期望的结果。

应该说，在目前的高压大容量变换器中，软开关和多电平技术并没有得到很好的结合，主要原因是：(1)需要更多的无源电感和电容，结构复杂；(2)杂散电感和电容的影响大，使得谐振频率难以控制；(3)高压环境使得无源器件可靠性降低；(4)开关频率低，电磁暂态过渡过程长，瞬间过零点作用不明显。如何在高压大容量变换器中应用软开关技术，是人们一直关注的一个热点问题。目前普遍认为软开关在大容量中的应用还仅仅停留在理论上，控制上的复杂性、精确性都是软开关在大容量中有效应用的掣肘。

发明内容

本发明的目的是在大容量电力电子变换器中减小由于电应力di/dt产生的尖峰电压，提出一种基于瞬态能量平衡的、具有自适应性的、无源无损无接触的一体化直流母排设计方法。本发明以电力电子变换器关断瞬态过程分析为基础，在仔细分析了电力电子变换器产生尖峰电压的原因后，认为主要是在开关器件短时间的关断过程中电流变化大，产生了很大的di/dt。而从直流母排到开关器件的连线和接头中，存在分布的杂散电感L_s。尽管杂散电感L_s很小，但由于di/dt很大，则两者的乘积L_sdi/dt仍然很大，由此产生较高的尖峰电压。严重时甚至会直接击穿开关器件，损坏器件和装置。针对该问题，本发明提出一种具有与母排分布电感相适应的分布电容直流母排结构，以使分布杂散电感中的磁能迅速转换为分布电感中的电能，从而有效地减小L_sdi/dt。该方法具有无源无损无接触的特点，同时使分布式电容与分布式电感具有自适应匹配的特点，达到使开关器件关断时的瞬态电磁能量迅速平衡的目的。

本发明的特征在于：

1.瞬态电量平衡无源无损无接触的一体化直流母排设计方法，依次含有以下步骤：

步骤(1)：构造一个两电平电压型变换器用的一体化直流母排：

在整流桥输出端与滤波电容阵列之间用铜条连接，在所述滤波电容阵列与开关器件模块的端子之间采用经过优化的两层层叠结构的所述一体化直流母排连接，

所述一体化直流母排采用介电常数为ε_r＝4的绝缘介质填充物作为正母排、零母排和负母排相互之间的绝缘材料，并相对固定，一体化成型，其中：

顶层为正母排和一部分零母排，

底层为负母排和另一部分零母排，

所述一体化直流母排中有多个安装铝电解电容的开孔，采用螺旋紧固的方式实现铝电解电容与母排的连接，

同时，按照设计所需的电流和滤波电容排布计算出所述一体化母排的结构参数：铜皮厚度δ、母排长度l、母排宽度w，以及根据设计的绝缘等级确定正、负母排间的间距d，所述滤波电容排布是指根据所述滤波电容安装位置对母排进行区段划分的区段数目，设定：沿电流方向把整流桥输出端与开关器件模块端子之间的母排以滤波电容阵列为分割线分成四个区段；

步骤(2)：依次按以下步骤对步骤(1)所述一体化直流母排用缩短所述滤波电容阵列与开关器件端子之间的距离的一体化原则对一体化直流母排进行优化设计：

步骤(2.1)把所述一体化直流母排的结构参数以及对所述一体化直流母排等效电路中介于所述整流桥输出端与开关器件模块的端子之间的所述滤波电容阵列进行划分的区段数输入计算机；