一種絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃的製作方法
2023-05-04 15:12:11
一種絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃的製作方法
【專利摘要】本發明絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃，包括櫃體以及櫃體內部安裝的六組逆變/整流功率模塊、三組直流濾波電容與搭接母排。所述櫃體內部，從上至下內分為上層、中層、下層，在深度方向上分為前部、中部、後部；則櫃體內每層以相同布局布置有兩組逆變/整流功率模塊與一組直流濾波電容，均位於櫃體中部靠前位置。六組逆變/整流功率模塊均通過水冷散熱板散熱，水冷散熱板通過櫃體內前部的水路母管與外部循環冷卻水路相連；搭接母排安裝於櫃體後部，包括每組逆變/整流功率模塊上安裝的層疊母排A，以及每組直流濾波電容上安裝的層疊母排B。本發明的優點為：電路雜散電感少，輸出能力高；且採用模塊化結構，便於安裝組接，可適用於不同工程要求。
【專利說明】一種絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃
【技術領域】
[0001]本發明屬於半導體開關【技術領域】，特別是提供了一種新型絕緣柵雙極型電晶體IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)三電平功率模塊，它適用於 0.5 ?5MVA 大功率變頻器中，可廣泛應用於中、高壓傳動領域。
【背景技術】
[0002]IGBT (絕緣柵雙極電晶體)作為新型電力半導體場控自關斷器件，集功率MOSFET的高速性能與雙極性器件的低電阻於一體，具有輸進阻抗高，電壓控制功耗低，控制電路簡單，耐高壓，承受電流大等特性，在各種電力變換中獲得極廣泛的應用。
[0003]自從日本長岡科技大學A.Nabae等人在1980年IAS年會上提出多電平變流器概念以來，多電平變流技術飛速發展。該電路以低壓器件獲得高壓輸出的概念，為中高壓大功率變流器的研究提供了一條嶄新的思路，具有兩電平變流器不可比擬的一系列優勢。在多電平變流器中，除了少量的四電平和五電平變流器產品，三電平變流器得到推廣。現今國內，一些企業包括各類基於IGBT的3kv以下中壓變頻器和基於IGCT的6kv以上高壓變頻器，各類三電平拓撲中，二極體中點箝位型三電平結構廣泛應用在以靜止同步補償器、有源電力濾波器為代表的柔性交流輸電技術和以中高壓變頻為代表的大電機拖動、風力發電等領域。其系統相對簡單，成本較低。但由於開關器件和二極體數量較多，為了優化各器件的關斷特性，結構設計具有相當的難度，尤其是在器件體積較大而端子距離較遠的情況下。在每個開關器件上並聯阻容吸收電路是一個可行的方法，但元器件增加會造成系統可靠性下降，功率電阻發熱帶來的機殼內部溫升也會成為一大問題。
【發明內容】
[0004]針對上述問題，本發明提出一種減少電路雜散電感，提高裝置輸出能力的模塊化的結構，便於安裝組接，可適用於不同工程要求的絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃。
[0005]本發明絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃，包括櫃體以及櫃體內部安裝的六組逆變/整流功率模塊、三組直流濾波電容與搭接母排。
[0006]所述櫃體內部，從上至下內分為上層、中層、下層，在深度方向上分為前部、中部、後部；則櫃體內每層以相同布局布置有兩組逆變/整流功率模塊與一組直流濾波電容，兩組逆變/整流功率模塊分別位於直流濾波電容左右兩側，且與直流濾波電容具有間距；且櫃體兩側的逆變/整流模塊間採用背靠背式的電路結構。櫃體內每層中兩組逆變/整流功率模塊與一組直流濾波電容均位於櫃體中部靠前位置。上述六組逆變/整流功率模塊相互獨立，結構相同，每組逆變/整流功率模塊構成逆變/整流輸出的一相。
[0007]六組逆變/整流功率模塊均通過水冷散熱板散熱,水冷散熱板通過水路母管與外部循環冷卻水路相連；水路母管安裝於櫃體內，位於櫃體前部。
[0008]搭接母排安裝於櫃體後部，包括每組逆變/整流功率模塊中IGBT元件與箝位二極體上安裝的層疊母排A，以及每組直流濾波電容上安裝的層疊母排B。層疊母排A用來實現IGBT元件與箝位二極體間的電路連接；層疊母排A與層疊母排B相連，實現逆變/整流功率模塊與直流濾波電容間的電路連接。同時，櫃體上層、中層與下層的層疊母排B間相連，實現櫃體內由上至下三組直流濾波電容直流側間相互短接。
[0009]本發明的優點在於:
[0010]1、本發明絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃，採用背靠背式的電路結構，使六組逆變/整流功率模塊單元在結構上完全相同；
[0011]2、本發明絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃，將IGBT應用電路中的各電力電子元件集成於一個功率櫃中，有效減小了佔用體積；
[0012]3、本發明絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃，採用二極體箝位式三相三電平逆變電路結構，提高了電壓等級，解決了電力電子元件器件耐壓不足的問題，減少了電路雜散電感，提高了裝置的輸出能力；
[0013]4、本發明絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃，逆變/整流功率模塊單元的一致性和相同性，有助於功率單元櫃的安裝、調試和維修等工作，提高了工作效率，同時也為最小停機時間的維護和維修工作打下了基礎；
[0014]5、本發明絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃，裝卸便利，結構緊湊，體積較小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃整體結構正視示意圖；
[0016]圖2為兩組逆變/整流功率模塊與一組直流濾波電容間位置示意圖；
[0017]圖3為逆變/整流功率模塊中IGBT元件與箝位二極體布局示意圖；
[0018]圖4為逆變/整流功率模塊上的層疊母排A結構示意圖；
[0019]圖5為本發明絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃整體結構後視示意圖；
[0020]圖6為櫃體內一層中層疊母排A與層疊母排B間的連接方式示意圖。
[0021]圖中:
[0022]1-櫃體2-逆變/整流功率模塊3-直流濾波電容
[0023]4-搭接母排5-水路母管201-箱體
[0024]202-水冷散熱器 203-1GBT元件204-箝位二極體
[0025]401-層疊母排A 402-層疊母排B403-直流外接P母排
[0026]404-交流外接母排405-直流外接M母排 406-直流外接N母排
[0027]407-層疊母排C
【具體實施方式】
[0028]本發明一種絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃，包括櫃體I以及櫃體I內部安裝的六組逆變/整流功率模塊2、三組直流濾波電容3與搭接母排4，如圖1所示。據電氣原理圖，合理布置各個電力電子元器件的位置，構成絕緣柵雙極型電晶體三電平功率模塊，具體布置方式如下:
[0029]所述櫃體I內部，從上至下內分為上層、中層、下層，在深度方向上分為前部、中部、後部；則櫃體內每層以相同布局布置有兩組逆變/整流功率模塊2與一組直流濾波電容3，兩組逆變/整流功率模塊2分別位於直流濾波電容3左右兩側，且與直流濾波電容3等間距，如圖2所示；且櫃體兩側的逆變/整流模塊間採用背靠背式的電路結構，使六組逆變/整流功率模塊在結構上完全相同。櫃體I內每層中兩組逆變/整流功率模塊2與一組直流濾波電容3均位於櫃體I中部靠前位置。
[0030]上述六組逆變/整流功率模塊2相互獨立，每組逆變/整流功率模塊2構成逆變/整流輸出的一相，每組逆變/整流功率模塊2即為一相完整的橋臂。逆變/整流功率模塊2包括箱體201、板式水冷散熱器202、IGBT元件203、箝位二極體204，如圖2、圖3所示。箱體201採用厚型鋼板通過機械加工製成；箱體201內底面上安裝水冷散熱器202 ;水冷散熱器202採用鋁製材質，內部加工水道，側壁上開有進水口與回水口，通過水路母管5與外部循環冷卻水路相連，實現對水冷散熱器202上表面安裝的發熱元件(IGBT元件、箝位二極體)的循環水冷卻，同時使功率電路接口與水路接口前後布置，相互隔開，避免各接口間的相互幹擾；所述水路母管5安裝於櫃體I內，位於櫃體I前部，如圖1所示。所述IGBT元件203為η只，η彡4，箝位二極體204為I只；η只IGBT元件203在水冷散熱器202上表面周向均布安裝，箝位二極體204安裝在水冷散熱器202上表面中心位置，本實施方式中採用4個IGBT元件。
[0031 ] 搭接母排4安裝於櫃體I後部，包括每組逆變/整流功率模塊2中IGBT元件203與箝位二極體204上安裝的層疊母排Α401，以及每組直流濾波電容3上安裝的層疊母排Β402，如圖4、圖5所示。層疊母排Α205用來實現IGBT元件203與箝位二極體204間的電路連接；同時還還起到了減小了迴路中的雜散電感、節省空間的作用。層疊母排Α401 —側具有四組外接母排，分別為直流外接P母排403，交流外接母排404，直流外接M母排405與直流外接N母排406，用來實現逆變/整流功率模塊2與直流濾波電容3間的電器連接，以及現場電纜的連接。層疊母排Β402用來實現逆變/整流功率模塊2與直流濾波電容3間的電路連接。
[0032]上述櫃體I每層中，層疊母排Β402兩側分別與兩組逆變/整流功率模塊2中層疊母排Α401的直流外接P母排403、直流外接M母排405與直流外接N母排406相連，實現兩組逆變/整流功率模塊2與直流濾波電容3接線端子的連接，如圖6所示；由此縮短了直流濾波電容3與兩組逆變/整流功率模塊2中IGBT元件203之間的距離，減小雜散電感。兩組逆變/整流功率模塊2上的層疊母排Α401的交流外接母排404，分別通過一塊層疊母排C407由櫃體下部後側壁處引出，以一定的安全距離並排排布，用來實現與現場電纜的連接。同時，櫃體I上層、中層與下層的層疊母排Β402間相連，由此實現櫃體I內由上至下三組直流濾波電容3直流側間相互短接，有利於改善IGBT元件203關斷特性，也利於節省櫃體後部的空間。
【權利要求】
1.一種絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃，其特徵在於:包括櫃體以及櫃體內部安裝的六組逆變/整流功率模塊、三組直流濾波電容與搭接母排； 所述櫃體內部，從上至下內分為上層、中層、下層，在深度方向上分為前部、中部、後部；則櫃體內每層以相同布局布置有兩組逆變/整流功率模塊與一組直流濾波電容，兩組逆變/整流功率模塊分別位於直流濾波電容左右兩側，且與直流濾波電容具有間距，櫃體兩側的逆變/整流模塊間採用背靠背式的電路結構；櫃體內每層中兩組逆變/整流功率模塊與一組直流濾波電容均位於櫃體中部靠前位置；上述六組逆變/整流功率模塊相互獨立，結構相同，每組逆變/整流功率模塊構成逆變/整流輸出的一相； 六組逆變/整流功率模塊均通過水冷散熱板散熱，水冷散熱板通過水路母管與外部循環冷卻水路相連；水路母管安裝於櫃體內，位於櫃體前部； 搭接母排安裝於櫃體後部，包括每組逆變/整流功率模塊中IGBT元件與箝位二極體上安裝的層疊母排A，以及每組直流濾波電容上安裝的層疊母排B ;層疊母排A用來實現IGBT元件與箝位二極體間的電路連接；層疊母排A與層疊母排B相連，實現逆變/整流功率模塊與直流濾波電容間的電路連接；同時，櫃體上層、中層與下層的層疊母排B間相連，實現櫃體內由上至下三組直流濾波電容直流側間相互短接。
2.如權利要求1所述一種絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃，其特徵在於:所述逆變/整流功率模塊包括箱體、板式水冷散熱器、IGBT元件與箝位二極體；箱體內底面上安裝水冷散熱器；IGBT元件為η只，η彡4，箝位二極體為I只；η只IGBT元件在水冷散熱器上表面周向均布安裝，箝位二極體安裝在水冷散熱器上表面中心位置。
3.如權利要求1所述一種絕緣柵雙極型電晶體三電平功率櫃，其特徵在於:所述層疊母排A —側具有四組外接母排，分別為直流外接P母排，交流外接母排，直流外接M母排與直流外接N母排；櫃體每層中，層疊母排B兩側分別與兩組逆變/整流功率模塊中層疊母排A的直流外接P母排、直流外接M母排、直流外接N母排相連；交流外接母排通過層疊母排C由櫃體下部後側壁處引出。
【文檔編號】H02M1/00GK104201866SQ201410471477
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月16日 優先權日:2014年9月16日
【發明者】王成勝, 唐磊, 楊瓊濤, 趙悅, 段巍, 趙曉坦, 蘭志明, 李凡, 李崇堅, 路尚書, 李向欣, 朱春毅, 周亞寧 申請人:北京金自天正智能控制股份有限公司