均流母排的製作方法
2023-10-27 07:47:07
均流母排的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種均流母排，用於一變流器，包括：直流母排，連接至變流器的直流端和該變流器中的各功率模組的正極端子和負極端子；交流母排,連接至該變流器中的各功率模組的交流端子和一負載；其中，當變流器工作時，該直流母排在該直流端與該變流器的一個功率模組的正極端子或負極端子之間產生的電感和該交流母排在該負載與該功率模組的交流端子之間產生的電感之和等效於該直流母排在該直流端與該變流器的其它功率模組的正極端子或負極端子之間產生的電感和該交流母排在該負載與該其它功率模組的交流端子之間產生的電感之和。本發明能夠實現良好的均流性能，且設計簡單而有利於系統設計。
【專利說明】均流母排
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種母線排結構，尤其涉及一種用於變流器的均流母排。
【背景技術】
[0002]風能作為一種清潔，無汙染的可再生能源越來越受到人們的關注。經過多年的發展，風力發電所佔的比重逐年上升，而風力發電機的單體容量也越做越大。身為風力發電主要部件的變流器的單體容量迅速增大，例如:國外主流機型從2000年的500?1000KW到2009年的2?:MW，目前正在開發8?10麗；國內主流機型從2005年的600?1000KW到2009年850?2000KW，目前正在開發6MW。
[0003]通常，變流器包括整流電路部分和逆變電路部分，在逆變電路部分或在整流電路部分，需要進行直流到交流的逆變轉換或者交流到直流的整流轉換以輸出交流電或直流電。而隨著變流器單體容量的增大，也需要由大功率容量的功率器件構成的功率模組(Power stack)的容量變大，因此出於成本和半導體器件製造工藝水平的限制，這需要並聯使用功率器件(例如IGBT)以滿足對輸出的設計需求。
[0004]並聯IGBT的一個重要問題就是器件之間的均流問題，良好的均流能提高器件的利用率並節約成本，還能提高系統的可靠性。用於並聯的IGBT的交流母排、直流母排的設計是影響並聯均流性的一個重要原因，只有每支並聯支路的雜散電感越小，均流程度才能越好。
[0005]如圖1所示，一種傳統的設置方式採用對稱設置的交、直流母排，其中功率模組I和功率模組2並聯連接，功率模組I和功率模組2的正負端子通過直流母排連接於直流端，例如，母線電容的正負極，功率模組I和功率模組2的交流端子均通過交流母排連接於負載(圖1中未示出)，並且L1、L2、L4、以及L5代表直流母排的雜散電感，L3和L6代表交流母排的雜散電感。通過圖1中的這種設置方式可以實現L1+L2 = L4+L5且L3 = L6，從而產生良好的均流效果，但是，該設置方式要求交流母排對稱設計，將會導致銅排尺寸大和造價高，且對銅排的出線方式要求高。此外，對稱式銅排在安裝時也較困難，從而不利於系統設計。
[0006]另一種傳統的設置方式如圖2所示。在圖2所示的設置方式中，交流母排作為一個公共的交流母排直接連接在IGBT的交流側，而並不考慮L3、L6是否一致。圖2所示的交流母排和直流母排的整體安裝示意圖如圖3所示，其中箭頭為電流流入方向。如圖3所示，直流母排3分別連接至功率模組I和功率模組2的正極端子和負極端子，交流母排4連接至功率模組1、功率模組2的交流端子和負載(圖2中未示出)，其中圖3中功率模組I與功率模組2之間的交流母排的雜散電感部分可以簡化為圖2中的L6，功率模組I的交流輸出端子到負載的交流母排的雜散電感等效為圖2中的L3。從圖2和圖3可以看出，這種設計固然簡單易行，安裝上也相對第一種容易，但是由於交流母排對於功率模組I和功率模組2的雜散電感不同，而導致均流程度不是很理想。
[0007]因此，上述通常的方式要麼設計簡單但均流性不好，要麼均流性很好但設計複雜、自身體積大、出線方式不夠靈活而影響整體系統的設計。
【發明內容】
[0008]鑑於上述問題，本發明提供一種均流母排結構，能夠實現良好的均流性能，且設計簡單而有利於系統設計。
[0009]根據一個實施例，本發明提供的均流母排，用於一變流器，包括:直流母排，連接至該變流器的直流端和該變流器中的各功率模組的正極端子和負極端子，通過該直流排向該變流器中的各功率模組供應直流電；交流母排，連接至該變流器中的各功率模組的交流端子和一負載；其中，當變流器工作時，該直流母排在該直流端與該變流器的一個功率模組的正極端子或負極端子之間產生的電感和該交流母排在該負載與該功率模組的交流端子之間產生的電感之和等效於該直流母排在該直流端與該變流器的其它功率模組的正極端子或負極端子之間產生的電感和該交流母排在該負載與該其它功率模組的交流端子之間產生的電感之和。
[0010]本發明所採用的均流母排結構簡單，但均流性效果好，且可靠性強而利於系統設計，因此可以廣泛應用於大功率的變流器中。
[0011]儘管在不背離本申請的新穎性概念的精神和範圍可實現其中的變型和修正，但從結合如下附圖的如下優選實施例的描述中，本申請的這些和其它方案將變得顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]附圖示出了本申請的一個或多個實施例，與書面描述一起，用來說明本申請的原理。如有可能的話，在附圖中通篇使用相同的附圖標記來指代實施例的相同或類似的元件，並且其中:
[0013]圖1為示出了一種傳統的用於交流器的直流母排和交流母排的等效電路原理圖；
[0014]圖2為示出了另一種傳統的用於交流器的直流母排和交流母排的等效電路原理圖；
[0015]圖3為示出了圖2所示的直流母排和交流母排的整體安裝示意圖；
[0016]圖4示出了根據本發明的一個實施例的用於變流器的均流母排結構的等效電路原理圖；
[0017]圖5為示出了一種傳統的具有對稱結構的交流母排的結構示意圖；
[0018]圖6為示出了根據本發明的一實施例的具有不對稱結構的交流母排的結構示意圖；
[0019]圖7為示出了根據本發明的另一實施例的具有不對稱結構的交流母排的結構示意圖；
[0020]圖8為示出了根據本發明的一個實施例的均流母排的整體裝配示意圖；
[0021]圖9和圖10為分別示出了圖2所示的不對稱結構的交流母排和圖7所示的U型交流母排的均流效果的圖表。
[0022]上述附圖中的附圖標記說明如下:
[0023]1、2?功率模組；3?直流母排；4?交流母排；31?功率模組I的直流連接端；32?功率模組2的直流連接端；41?功率模組I的交流連接端；42?功率模組2的交流連接端；43?交流母排的連接端。
【具體實施方式】
[0024]下面將詳細描述本申請的具體實施例。應當注意，這裡描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本申請。
[0025]下面將詳細描述本申請的具體實施例。應當注意，這裡描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本申請。
[0026]現將參考附圖(其中示出了本申請的示例實施例)在下文中更全面地描述本申請。然而，可以由多種不同形式來實施本申請，並且本申請不應被解釋為限於本文所提出的實施例。更確切地說，提供這些實施例，從而本披露內容將為深入的和完整的，並且將向本領域普通技術人員全面地傳達本申請的範圍。類似的附圖標記通篇指代類似的元件。
[0027]本文所使用的術語僅是為了描述特定實施例，而非傾向於作為本申請的限制。如在本文所使用的，除非文中清楚地另有表示，單數形式「一個」、「一」以及「該」也傾向於包含複數形式。還應理解到，當在本文使用術語「包括」和/或「包括有」、「包含」和/或「包含有」、或「具備」和/或「具有」時，這些術語指定了所陳述的特徵、區域、整數、步驟、操作、元件和/或組件的存在，而並未排除一個或多個其它特徵、區域、整數、步驟、操作、元件、組件和/或其組合的存在或附加。
[0028]除了另有界定之外，本文所使用的所有術語(包含技術和科技術語)具有如同本申請所屬的本領域普通技術人員通常理解的相同意義。還應理解到，除了本文所明確限定的之外，術語(如在通用字典中所限定的術語)應被解釋為具有與在相關技術和本披露內容中的意思相一致的意思，而不被解釋為理想化的或過於形式化的意義。
[0029]本發明的構思是不單獨考慮交流母排和直流母排各自對變流器中功率器件的均流影響，而是整體考慮直流母排和交流母排對功率器件模塊的均流影響，以非對稱的方式設計直流母排和交流母排的結構，使得由直流母排在功率模組中弓丨起的雜散電感和交流母排在功率模組中引起的雜散電感互補，從而實現良好的均流效果。
[0030]圖4示出了根據本發明的一個實施例的用於變流器的均流母排結構的等效電路原理圖。本實例所示例出的直流母排一側連接至一個直流端，例如，母線電容的正負極端或者直流源的正負極端，另一側連接至該變流器中的各功率模組的正極端子和負極端子，交流母排連接至變流器中功率器件的交流端子與負載。變流器的作用是將直流電逆變轉換為交流電或者將交流電整流為直流電，在變流器作為將直流電逆變轉換為交流電的逆變器時，本實例所示例出的直流母排的一側可以連接至一個直流端，例如，母線電容的正負極端或者直流源的正負極端，通過該直流母排向變流器中的各功率模組的進行供電，交流母排從該變流器的各功率模組的交流端子輸出電流至負載(圖4中未示出)。而當變流器作為將交流電整流轉換為直流電的整流器時，本實例所示例出的交流母排可接收來自外部的交流電，且直流母排可以輸出經功率模組整流後的直流電。
[0031]這裡所述的功率模組為包括上橋臂功率器件和下橋臂功率器件，圖3僅示出了兩個功率模組I和2，但是本領域普通技術人員應理解到並不限於此，根據電路的設計需求，例如變流器還可以包括三個、四個或多個功率模組。
[0032]在本發明中，直流母排的連接端(可為直流輸入端或為直流輸出端，下文被稱為直流端)到各功率模組的直流連接端(正極端子或負極端子)的距離是不等效的；用於各功率模組的交流母排的連接端(可為交流輸出端或為交流輸入端)到各功率模組的交流連接端(功率模塊的交流端子)也是不等效的。通過這種距離不等效，而使得交流母排帶來的電流不平衡和直流母排帶來的電流不平衡相抵消，從而實現均流效果。
[0033]也即，為了實現良好的均流效果，當變流器工作時，該直流母排在該直流端與該變流器的一個功率模組的正極端子或負極端子之間產生的雜散電感和該交流母排在該負載與該功率模組的交流端子之間產生的雜散電感之和大致等於(等效於)該直流母排在該直流端與該變流器的其它功率模組的正極端子或負極端子之間產生的雜散電感和該交流母排在該負載與其它功率模組的交流端子之間產生的雜散電感之和。也即，在變流器工作時由於不同寄生電感的存在而使得直流母排和交流母排對其中一個功率模組的電流影響可大致等於該直流母排和交流母排對另外功率模組的電流影響，從而可實現在各功率模組之間良好的均流效果。
[0034]為了便於說明，下述以變流器用作逆變器時即直流母排連接直流源且交流母排輸出交流為例來說明本申請的均流母排結構能夠實現的均流效果，本領域普通技術人員應理解到這種均流母排結構在變流器用作整流功能時也能實現同樣的均流效果。
[0035]以2隻並聯的功率器件IGBT構成的功率模組為例，如圖4所示，使交流母排帶來的電流不平衡和直流帶來的電流不平衡相抵消。具體而言，由於對於驅動信號一致的並聯IGBT，雜散電感對均流起到主要作用，因此，如果該變流器用作逆變器進行工作時，則對於交流輸出端，功率模組I的輸出雜散電感等效為L3，功率模組2的輸出雜散電感可等效為L3+L6 (包含作為公共部分的功率模組的輸出雜散電感L3)，所以必然使得功率模組2的輸出電流要小於功率模組I的輸出電流。為了實現相互抵消的作用，而對於直流供電端，功率模組2的輸入雜散電感小於功率模組I的輸入雜散電感，即，使得功率模組I的輸入雜散電感等效為L1+L2+L4+L5，功率模組2的輸入雜散電感等效為L4+L5，由於LI和L2的存在使得功率模組I的電流小於功率模組2，從而可以使得功率模組2的輸出電流要小於功率模組I的輸出電流。對於整體而言，假設功率模組I和2的上橋臂導通，功率模組I支路的雜散電感(包括直流母排和交流母排分別對功率模組I產生的寄生電感)為L1、L4以及L3之和，功率模組2支路的雜散電感(包括直流母排和交流母排分別對功率模組2產生的寄生電感)為L3、L6以及L4之和，並聯支路的均流是隨著該支路雜散電感的增加而減小的，因此當L6對電流的影響和LI對電流的影響相抵消時就達到了理想的均流效果。而假設功率模組I和2的下橋臂導通，功率模組I支路的雜散電感為L2、L5以及L3之和，功率模組2支路的雜散電感為L3、L6以及L5之和，並聯支路的均流是隨著該支路雜散電感的增加而減小的，因此當L6對電流的影響和L2對電流的影響相抵消時也同樣達到了理想的均流效果。
[0036]一種直流母排的示例性結構在圖8示出。參見圖8，該直流母排從連接母線電容C的直流端(也即，直流輸入端或輸出端)開始按照各功率模組距離該直流端的遠近程度依次向各功率模組的各直流連接端延伸，因而該直流母排在整體上連接各功率模組，卻對功率模組產生的雜散電感不同，在設計交流母排要考慮這種不同。
[0037]由於疊層母排具有雜散電感很小的優點，因此直流母排可以採用疊層母排。疊層母排包括疊置的多層母排，在本申請中優選包括兩層母排，其中一層母排連接功率模組的正極端子，另一層母排連接功率模組的負極端子，在這兩層母排之間設置有絕緣材料。採用了疊層母排的直流母排由於具有小的雜散電感，而使得交流母排在設計時與該直流母排不對稱的雜散電感也要很小。出於這種設計考慮，要將功率模組之間的電感差異做的比較小，可以通過交流母排的不對稱設計來達成目的。
[0038]圖5示出了一種具有對稱結構的交流母排，這種交流母排到功率模組I和功率模組2的雜散電感大小一致，而不適合用於本發明。
[0039]圖6示出了根據本發明的一個實施例的具有不對稱結構的交流母排。如圖6所示，交流母排連接負載的端子到功率模組I和功率模組2的交流連接端的距離不同，即，該交流母排的負載側連接端的導體偏離功率模組I與功率模組2之間的中心位置，這使得該交流母排對功率模組I和功率模組2產生的雜散電感不相同，雜散電感的大小考慮直流母排對他們產生的雜散電感的大小。圖6僅示例性示出了交流母排連接負載的端子偏離功率模組2的交流連接端更遠，但是本發明並不限於此，而是可以根據直流母排的設計方式，來設計這種偏離方式，只要能夠在整體上實現均流效果即可。圖7示出了根據本發明的另一個實施例的具有不對稱結構的交流母排。如圖7所示，該交流母排為一彎曲的U形母排，該U形母排從連接負載的端子朝著距離該連接負載的端子最遠的一個功率模組(本示例中為功率模組2)延伸，並在與該距離最遠的功率模組的交流連接端處彎折以朝著其它功率模組(本示例中為功率模組I)的交流連接端延伸。從圖7中可以看出，U形交流母排上下層之間可通過互感作用將整體的雜散電感降低。
[0040]一種直流母排和交流母排的整體裝配示例如圖8所示。為了實現不對稱而達到良好的均流效果，直流母排的直流端和交流母排連接負載的端子位於不同側。並且，根據一個優選實施例，該變流器的各功率模組並排放置在一水平面上，以便於能夠使用疊層母排。當然各功率模組也可位於不同平面上。
[0041 ] 當該變流器用作直流到交流的逆變時，直流母排從直流端將直流先引入給功率模組2的直流連接端32，然後再引入給功率模組I的直流連接端31，經過逆變之後，交流輸出通過交流母排輸出。而交流母排連接負載的交流母排連接端43距離功率模組2的交流連接端42更遠，而距離功率模組I的交流連接端41更近。直流母排和交流母排的這種不對稱設計能夠實現良好的均流效果。同樣，該變流器用作對交流到直流的整流時，交流母排從連接負載的端子43弓I入交流給功率模組I的交流連接端41，然後在引入給功率模組2的交流連接端42，之後經過整流輸出直流給直流母排。本發明的均流母排的整體設計，可以先根據系統需要設計直流母排和進出線的方向，通過仿真軟體得出功率器件之間的直流電感偏差。再根據交流輸出的方向和電流的大小大致確定交流母排的厚度等尺寸，然後通過調整空間的位置和微調尺寸等方法改變功率器件之間交流電感的偏差，整個調整過程可通過仿真實驗來得出。最終，當交流母排和直流母排產生的偏差效果能抵消掉或在接受的誤差範圍內時設計完成。
[0042]本發明的該種設計思想不僅對於兩隻功率器件並聯適用，對於多隻(兩隻以上)功率器件的並聯同樣適用。
[0043]圖9和圖10分別示出了圖2所示的不對稱結構的交流母排和圖7所示的U型交流母排在變流器用作逆變器時的均流效果。從圖9中可知，這種不對稱結構的均流效果不是很理想，而從圖10中可以看出，這種交流母排可以通過交流母排和直流母排的互補作用實現良好的均流效果，該種方案下交流輸出電流I=IlOOA時，兩隻功率器件(例如IGBT)的電流不均衡度小於±2%，均流效果很好。還可進一步看出，採用U型交流母排時的效果更好於採用圖2所示的不對稱結構的交流母排。
[0044]根據上述實施例，本發明所採用的均流母排結構簡單，但均流性效果好，且可靠性強而利於系統設計，因此可以廣泛應用於大功率的變流器中。
[0045]選擇並描述這些實施例是為了說明本發明的原理和其實踐性應用，從而激發本領域普通技術人員利用本發明和各種實施例，並利用適於期望的特殊使用的各種變型。對本發明所屬的本領域普通技術人員而言，替代實施例將變得顯而易見，而並未背離其精神和範圍。因此，通過所附權利要求而不是上述說明書和其中所描述的示例實施例來限定本發明的範圍。
【權利要求】
1.一種均流母排，用於一變流器，包括: 直流母排，連接至該變流器的直流端和該變流器中的各功率模組的正極端子和負極端子; 交流母排，連接至該變流器中的各功率模組的交流端子和一負載； 其中，該直流母排在該直流端與該變流器的一個功率模組的正極端子或負極端子之間產生的電感和該交流母排在該負載與該功率模組的交流端子之間產生的電感之和等效於該直流母排在該直流端與該變流器的其它功率模組的正極端子或負極端子之間產生的電感和該交流母排在該負載與該其它功率模組的交流端子之間產生的電感之和。
2.根據權利要求1所述的均流母排，其中該變流器的各功率模組並排放置在一水平面上。
3.根據權利要求1所述的均流母排，其中該直流母排為疊層母排。
4.根據權利要求1所述的均流母排，其中該直流端連接一母線電容。
5.根據權利要求1所述的均流母排，其中該直流端和該負載分別位於該變流器的不同側。
6.根據權利要求1所述的均流母排，該直流母排從該直流端開始按照各功率模組距離該直流端的遠近程度依次向各功率模組的該正極端子或該負極端子延伸。
7.根據權利要求1-6任一項所述的均流母排，該交流母排為非中心對稱母排，該非中心對稱母排連接該負載的端子偏離各功率模組的交流端子之間的中心位置。
8.根據權利要求1-6任一項所述的均流母排，其中該交流母排為一彎曲的U形母排，該U形母排連接該負載的端子向距離該端子最遠的該變流器的一個功率模組延伸，並在與該距離最遠的功率模組的交流端子處彎折以朝著其它功率模組的交流端子延伸。
9.根據權利要求1-6任一項所述的均流母排，所述各功率模組包括第一功率模組和第二功率模組。
10.根據權利要求9所述的均流母排，該直流母排在該直流端與該第一功率模組的正極端子或負極端子之間產生的電感和該交流母排在該負載與該第一功率模組的交流端子之間產生的電感之和等效於該直流母排在該直流端與該第二功率模組的正極端子或負極端子之間產生的電感和該交流母排在該負載與該第二功率模組的交流端子之間產生的電感之和。
【文檔編號】H02B1/20GK104242605SQ201310228230
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月7日 優先權日:2013年6月7日
【發明者】孫宗宇, 陳俊, 徐騰, 劉林, 匡經舷 申請人:臺達電子工業股份有限公司