Igbt三電平功率模塊的製作方法
2023-06-03 01:22:46
Igbt三電平功率模塊的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種IGBT三電平功率模塊，該模塊可應用於大功率風力發電機組的變流器中。該模塊使用的IGBT封裝形式為壓接式封裝，採用NPC三電平單相電路拓撲，模塊內部集成有母線支撐電容、IGBT驅動電路、母線瀉放電路、直流取電電路等。模塊整體不需要外部供電，可自給自足維持IGBT驅動電路的供電需求。同時模塊內部具有多項保護措施，如IGBT過流保護、IGBT過壓保護、短路檢測保護、門觸發驅動電源檢測保護、脈衝寬度檢測保護、過溫保護等。同時模塊還提供溫度採集的模擬量供機組使用。
【專利說明】IGBT三電平功率模塊
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種IGBT三電平功率模塊。
【背景技術】
[0002] 隨著人類社會的進步，生產力的發展，人類與自然之間的矛盾也逐步加劇，能源逐 步成為制約社會進步的主要問題之一。目前使用的常規能源以煤、石油、天然氣為主，均為 不可再生的礦石資源，隨著時間推移必將漸漸枯竭。因此，世界各國已越來越重視可再生能 源的開發利用。可再生能源包括太陽能，風能，生物質能，水能等等，均可永續利用。其中，太 陽能和風能作為新能源的代表，資源潛力大，清潔無汙染，近年來越來越受到世界各國的重 視，我國在十二五規劃中明確提出將新能源產業作為重點發展對象。相比而言，風能技術是 新能源發電技術中技術最為成熟，最具開發規模的發電方式之一。在有些發達國家，風電已 成為電網中不可或缺的一部分，其發電量佔國家總發電量的10-20%，據權威預測，到2020 年，風電將成為世界最重要的能源之一。
[0003] 而將目光投向國內，我國的風能資源十分豐富，具風能資源初步統計顯示，中國陸 上離地10米以上風能總儲量約為43億千瓦，可開發容量約為2. 5億千瓦。目前，中國已建 成數個百萬千瓦風電基地，發展十分迅速，2009年新增風電裝機容量約為1303萬千瓦，位 居世界第一。而隨著風力發電技術的發展，風電機組容量正迅速增大，國際上目前運行的風 電系統大多都為兆瓦級系統，並且均已商業化，國內主流風電機組也正逐步向兆瓦級機組 轉移。從未來的發展趨勢看，風電機組單機容量將向更大型化發展。目前風電機組單機容 量一般為1. 5兆瓦到3兆瓦，風電機組的電網側電壓為690V。通過對風電市場的觀察如果 繼續增加風電機組的單機容量則需要將風電機組的電網側電壓提高至3. 3kV。而目前的風 電機組中變流器使用的半導體器件很難達到該電壓等級。所以需要尋求一種新的電路拓撲 解決該問題。
[0004] 1981年，日本長崗大學Nabae等提出二極體中點鉗位（neutral-point-clamped, NPC)型三電平結構以來，三電平逆變器在中高壓變頻調速、有源電力濾波裝置、電力系統無 功補償和風力發電等領域得到了廣泛應用。與傳統兩電平結構相比，三電平結構具有如下 優點：1)每個功率管上只承受一半的直流側電壓；2)在相同的開關頻率下，輸出電壓、電流 諧波含量小；3)在每個功率管導通和關斷過程中，功率管只承擔一半的直流側電壓，因此 器件開關損耗低。
[0005] 對於三電平功率模塊的結構，主要研究方向是使提高散熱性能、保護性能、使用穩 定性等多種性能，並且減少體積和減少成本。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種三電平功率模塊，用以解決現有三電平功率模塊體積 大、散熱性能不佳的問題。
[0007] 為實現上述目的，本發明的方案包括：
[0008] -種IGBT三電平功率模塊，為一相的上下橋臂部分，包括第一開關管（T1)、第二 開關管（Τ2)、第三開關管（Τ3)、第四開關管（Τ4)，第一二極體（D1)、第二二極體（D2)，第一 電阻（R1)、第二電阻（R2)，第一電容（C1)、第二電容（C2) ;IGBT三電平功率模塊包括箱體 (1)，箱體中依次並列間隔固定設置第一開關管（T1)、第二開關管（T2)、第一二極體（D1)、 第二二極體（D2)，以及第三開關管（T3)、第四開關管（T4);所述第一二極體（D1)、第二二極 管（D2)之間設有中心點連接銅排（10);第二開關管（T2)與第一二極體（D1)之間設有第 一絕緣件（3)，第三開關管（T3)與第二二極體（D2)之間均設有第二絕緣件（4);第一開關 管（T1)、第二開關管（T2)、第一絕緣件（3)、第一二極體（D1)之間均設有散熱板；第二二極 管（D2)、第二絕緣件（4)、第三開關管（T3)、第四開關管（T4)之間也設有散熱板；第一開關 管（T1)與箱體外壁，第四開關管（T4)與箱體外壁之間也設有散熱板。
[0009] 箱體⑴安裝有蓋板（13)，蓋板（13)上安裝有各開關管對應的驅動電路模塊（5、 6、7、8)以及直流取電模塊（9);所述驅動電路模塊靠近對應開關管的散熱板位置。
[0010] 第一電阻（R1)、第二電阻（R2)，第一電容（C1)、第二電容（C2)位於箱體外部，並 列設置，並且通過中心點連接銅排（10)連接；第一電阻R1、第二電阻R2分別位於第一電容 C1、第二電容C2下方。
[0011] 第一二極體（D1)與第一絕緣件（3)間安裝的散熱器與第一開關管（T1)與第二開 關管（T2)間安裝的散熱器底部有銅排（11)短接；第二二極體（D2)與第二絕緣件（4)間 安裝的水冷散熱器與第三開關管（T3)與第四開關管（T4)間安裝的水冷散熱器底部有銅排
[11] 短接。
[0012] 所述第一開關管（T1)、第二開關管（T2)、第三開關管（T3)、第四開關管（T4)為壓 接式IGBT ;第一二極體（D1)、第二二極體（D2)為壓接式二極體。
[0013] 所述散熱板為水冷散熱板。
[0014] 本發明的目的提供一種單相的IBGT三相功率模塊，能夠適應於風力發電要求，同 時保證在相同的開關頻率下，輸出電壓、電流諧波含量小，減少電網汙染。本發明採用壓接 式IGBT和壓接式二極體，按照特定的組合順序和水冷散熱器、絕緣件的配合使用，通過壓 接工藝使其成為一個完整的NPC三電平單相電路拓撲。同時模塊內部集成有母線支撐電 容、IGBT驅動電路、母線瀉放電路、直流取電電路，使模塊完成，達到安裝簡單、維護方便的 目的，其結構緊湊，布局合理，節省空間而且散熱性能好。
[0015] 驅動電路模塊和直流取電模塊均設置在箱體外側，方便進行拆裝。散熱器採用水 冷散熱器，驅動電路模塊安裝於IGBT臨近的水冷散熱器上方。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發明實施例的IGBT三電平功率模塊電氣原理圖；
[0017] 圖2是本發明實施例的IGBT三電平功率模塊前視圖（去掉箱體前面板）；
[0018] 圖3是圖2的俯視圖（去掉箱體蓋板）；
[0019] 1箱體，2散熱板，3第一絕緣件，4第二絕緣件，5、6、7、8驅動電路模塊，9直流取電 模塊，10中心連接點連接銅排，11第一連接銅排，12第二連接銅排，13蓋板。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
[0021] 如圖1所示的一種IGBT三電平功率模塊，為單相的上下橋臂部分，包括第一開關 管T1、第二開關管T2、第三開關管T3、第四開關管T4(T1、T2、T3、T4均為IGBT)，第一二極 管D1、第二二極體D2,第一電阻R1、第二電阻R2,第一電容C1、第二電容C2 ;T1、T2、D1、R1、 Cl屬於上橋臂，T3、T4、D2、R2、C2屬於下橋臂。T1、T2分別用於連接直流母線，T2、T3連接 點用於連接交流側。第一電阻R1、第二電阻R2構成瀉放迴路。
[0022] IGBT三電平功率模塊包括箱體1，箱體中依次並列間隔固定設置第一開關管Τ1、 第二開關管Τ2、第一二極體D1、第二二極體D2,以及第三開關管Τ3、第四開關管Τ4 ;所述第 一二極體D1、第二二極體D2之間設有中心點連接銅排10 ;第二開關管Τ2與第一二極體D1 之間設有第一絕緣件3,第三開關管Τ3與第二二極體D2之間均設有第二絕緣件4 ;第一開 關管Τ1、第二開關管Τ2、第一絕緣件3、第一二極體D1之間均設有散熱板；第二二極體D2、 第二絕緣件4、第三開關管Τ3、第四開關管Τ4之間也設有散熱板；第一開關管Τ1與箱體外 壁，第四開關管Τ4與箱體外壁之間也設有散熱板（圖中僅標識了一個散熱板2)。
[0023] 箱體1的蓋板上安裝驅動電路模塊5、6、7、8以及直流取電模塊。
[0024] 第一電阻R1、第二電阻R2,第一電容C1、第二電容C2位於箱體外部，C1、C2並列設 置，通過中心點連接銅排10連接。第一電阻R1、第二電阻R2分別位於第一電容C1、第二電 容C2下方。
[0025] 具體的，本實施例的IGBT三電平功率模塊結構如圖2、圖3所示，上述開關管、二極 管均為壓接式結構；電容Cl、C2為金屬薄膜電容。如圖2,壓接式IGBT和壓接式二極體的 壓接順序為1'132、01、02、了334。散熱板採用水冷散熱器。11左側與壓接組件間安裝一 塊水冷散熱器，T1與T2間安裝一塊水冷散熱器，T2與絕緣件1間安裝一塊水冷散熱器，D1 與絕緣件1間安裝一塊水冷散熱器，D1與D2間安裝中心點連接銅排，D2與絕緣件2間安裝 一塊水冷散熱器，T3與絕緣件2間安裝一塊水冷散熱器，T3與T4間安裝一塊水冷散熱器， T4右側與壓接組件間安裝一塊水冷散熱器。D1與第一絕緣件3間安裝的水冷散熱器與T1 與T2間安裝的水冷散熱器底部有銅排11短接。D2與第二絕緣件4間安裝的水冷散熱器與 T3與T4間安裝的水冷散熱器底部有銅排12短接。
[0026] IGBT驅動電路模塊和直流取電迴路的安裝位置。IGBT驅動電路的門極、集電極、 發射極與IGBT的門極、集電極、發射極間採用同軸線連接，且線外有磁環，防止電磁誤操作 的發生。同時驅動電路模塊集成了 IGBT過流保護、IGBT過壓保護、短路檢測保護、門觸發 驅動電源檢測保護、脈衝寬度檢測保護。
[0027] 直流取電模塊由母線支撐電容的正負極進行供電，當母線支撐電容電壓達到300V 以上時，直流取電電源模塊啟動，為驅動迴路提供+24V輸出。
[0028] 直流取電迴路輸入端與正負母線即C1的正極與C2間負極連接。輸出端與各水冷 散熱器上方的驅動電路模塊的電源輸入端連接，為驅動電路模塊提供+24V電源。同時直流 取電安裝模塊中引出過溫信號和溫度測量模擬量信號。過溫信號使用溫度繼電器用U行絕 緣件固定在陶瓷片上陶瓷片與水冷散熱器接觸面用導熱矽脂塗勻後用螺絲緊固在水冷散 熱器上。溫度測量模擬量信號使用熱電偶用U行絕緣件固定在陶瓷片上陶瓷片與水冷散熱 器接觸面用導熱矽脂塗勻後用螺絲緊固在水冷散熱器上。
[0029] 溫度採集使用熱敏電阻，過溫保護使用溫度繼電器，兩者均安裝在水冷板上。由於 壓接式IGBT的水冷散熱器需要導電所以水冷散熱器中存在較高的電壓，為此熱敏電阻與 溫度繼電器均不能直接安裝在水冷散熱器上方，中間需要增加陶瓷片且熱敏電阻與溫度繼 電器與陶瓷片間需要U型固定架進行固定。
[0030] 圖3是壓接式IGBT的三電平功率模塊俯視布置圖，該圖標明金屬薄膜電容C1、C2 的位置。Cl的負極與C2間正極短接，其短接的中點與壓接模塊中的中心點連接銅排10連 接。C1的正極與T1左側與壓接組件間安裝的水冷散熱器連接。C2的負極與T4右側與壓 接組件間安裝的水冷散熱器連接。
[0031] 金屬薄膜電容C1、C2的的下方安裝有瀉放迴路R1、R2。R1 -端與直流母線正極連 接，R1另一端與R2的一端短接並連接到電容中心點。R2的另一端與直流母線負極連接。
[0032] 本發明所述的母線支撐電容採用兩個金屬薄膜電容，兩個電容串聯使用，同時引 出正負極和電容串聯中心點以供開關元件使用。同時電容正負連接高阻值的水冷厚膜電 阻，形成母線瀉放迴路，使模塊在不進行操作時，儘快瀉放電容電壓，確保維護安全。電容串 聯中心點除與開關元件連接外，還需要與模塊整體接地連接在一起，減少模塊整體的對地 的懸浮電壓。
[0033] 功率模塊對外提供過溫保護接口和溫度採集的模擬量傳輸。模塊整體由4路光纖 控制IGBT的導通與關斷，同時模塊對外提供4路光纖反饋信號，供判斷IGBT在運行過程中 是否出現故障，由光纖反饋的故障有IGBT過流保護、IGBT過壓保護、短路檢測保護、門觸發 驅動電源檢測保護、脈衝寬度檢測保護。
[〇〇34] 以上給出了具體的實施方式，但本發明不局限於所描述的實施方式。本發明的基 本思路在於上述基本方案，對本領域普通技術人員而言，根據本發明的教導，設計出各種變 形的模型、公式、參數並不需要花費創造性勞動。在不脫離本發明的原理和精神的情況下對 實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1. 一種IGBT三電平功率模塊，為一相的上下橋臂部分，包括第一開關管（T1)、第二開 關管（Τ2)、第三開關管（Τ3)、第四開關管（Τ4)，第一二極體（D1)、第二二極體（D2)，第一電 阻（R1)、第二電阻（R2)，第一電容（C1)、第二電容（C2);其特徵在於： IGBT三電平功率模塊包括箱體（1)，箱體中依次並列間隔固定設置第一開關管（Τ1)、 第二開關管（Τ2)、第一二極體（D1)、第二二極體（D2)，以及第三開關管（Τ3)、第四開關管 (Τ4);所述第一二極體（D1)、第二二極體（D2)之間設有中心點連接銅排（10);第二開關管 (Τ2)與第一二極體（D1)之間設有第一絕緣件（3)，第三開關管（Τ3)與第二二極體（D2)之 間均設有第二絕緣件（4);第一開關管（Τ1)、第二開關管（Τ2)、第一絕緣件（3)、第一二極體 (D1)之間均設有散熱板；第二二極體（D2)、第二絕緣件（4)、第三開關管（Τ3)、第四開關管 (Τ4)之間也設有散熱板；第一開關管（Τ1)與箱體外壁，第四開關管（Τ4)與箱體外壁之間 也設有散熱板。
2. 根據權利要求1所述的一種IGBT三電平功率模塊，其特徵在於，箱體（1)安裝有蓋 板（13)，蓋板（13)上安裝有各開關管對應的驅動電路模塊（5、6、7、8)以及直流取電模塊 (9);所述驅動電路模塊靠近對應開關管的散熱板位置。
3. 根據權利要求2所述的一種IGBT三電平功率模塊，其特徵在於，第一電阻（R1)、第 二電阻（R2)，第一電容（C1)、第二電容（C2)位於箱體外部，並列設置，並且通過中心點連接 銅排（10)連接；第一電阻R1、第二電阻R2分別位於第一電容C1、第二電容C2下方。
4. 根據權利要求3所述的一種IGBT三電平功率模塊，其特徵在於，第一二極體（D1)與 第一絕緣件（3)間安裝的散熱器與第一開關管（T1)與第二開關管（T2)間安裝的散熱板底 部有第一銅排（11)短接；第二二極體（D2)與第二絕緣件（4)間安裝的散熱板與第三開關 管（T3)與第四開關管（T4)間安裝的散熱板底部有第二銅排（12)短接。
5. 根據權利要求1所述的一種IGBT三電平功率模塊，其特徵在於，所述第一開關管 (T1)、第二開關管（T2)、第三開關管（T3)、第四開關管（T4)為壓接式IGBT;第一二極體 (D1)、第二二極體（D2)為壓接式二極體。
6. 根據權利要求1所述的一種IGBT三電平功率模塊，其特徵在於，所述散熱板為水冷 散熱板。
【文檔編號】H05K7/20GK104113192SQ201410290882
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】孫健, 翟超, 徐明明, 劉海艦, 許恩澤, 王鴻飛, 王青龍, 郜亞秋 申請人:許繼電氣股份有限公司