一種無感平面母線的製作方法
2023-05-25 06:33:41
專利名稱：一種無感平面母線的製作方法
技術領域：
本發明涉及高頻大功率電力電子變流器加工領域，尤其是一種無感平面母線。
背景技術：
高頻大功率化是當今電力電子技術的重要方向之一，決定了國民經濟中眾多重大問題解決能力，例如1)電力系統，如無功、諧波補償，交、直流輸電，柔性電力控制和大電網安全；2)大功率儲能和降耗節能，如蓄能電站、磁浮飛輪超導和超級電容儲能、中高壓調速和制動饋能；3)分布式和可再生能源發電併網組網，如風能、太陽能、煤層氣和小水利發電等；4)電力牽引，如磁懸浮、電力機車、礦井提升和梯吊設備；5)機、艦、船全電推進和高能武器供電和控制等。國際上相關技術較為成熟，兆瓦級甚至數百兆瓦的裝置獲得成功應用，部分已實現了商業化生產。國內總體落後，其關鍵技術之一的平面母線是限制其實際應有的技術瓶頸之一。平面母線在國內應用或深入的研究都還極少報導，在國外雖已有較為成熟的應用，但結構過於複雜、製作困難、成本較高。
無感平面母線由若干塊作為導電層的銅板和中間絕緣薄片間隔層疊而成，由於其具有低電感的特點，非常適合在電力電子裝置中用於連接主功率模塊和直流母線電容。其較低的等效電感可以大大減小開關管的關斷電壓尖峰，顯著改善了半導體功率器件的工作環境，是高頻大功率變流器得以實現的關鍵技術。
任何導體都有等效電感。在電力電子電路，特別是在有源電力濾波器(APF)和交流電機傳動中應用較多的大功率開關電路中，當主功率開關關斷時，其較高的關斷速度導致較高電流變化率di/dt，較高的di/dt就就會在直流側導線的等效電感上感應出較大的電壓尖峰。若電壓尖峰太高，超過主功率模塊的耐壓值，主功率模塊就會被擊穿損壞，嚴重威脅變流器的可靠運行。所以，在電力電子裝置中，除了半導體功率器件、電路拓撲和控制方法外，無感母線這一設計結構相關的技術，事實上，已成為高頻大功率變流裝置賴以實現的關鍵技術，嚴重限制了諸如電力機車牽引、艦船電力推進、電能質量控制和可再生能源發電等諸多重大經濟領域關鍵問題的自主解決。
在中小功率應用場合，阻容吸收電路通常被用來抑制關斷電壓尖峰。從本質上來說，吸收電路是通過把線路等效電感中的磁場能量裝化成吸收電容中的電場能量來對開關管兩端電壓進行箝位。但在大功率變流器中，由於磁場能量較大，要求的電容量也較大，但高頻特性良好的大容量吸收電容難以製造。況且，阻尼電阻的功耗也較大，難以實現。
由於磁場能量大小與等效電感量大小成正比，減小等效電感量同樣可以抑制關斷電壓尖峰。環路面積是電感量的決定性因素。在傳統的採用導線或銅排的連接方式中，減小直流高頻迴路的長度是唯一的辦法，但電路的長度受到功率模塊尺寸、散熱要求等多方面限制，並不能無限制地減小。所以傳統的直流母線結構並不能得到較低的等效電感。
減小直流母線環路面積的另一種選擇是減小正負母線間的距離。顯然，如果把正負母線由原來的電纜或銅排該由銅板代替，兩塊銅板採用薄絕緣片隔開，並把它們緊密貼合在一起，則正負母線間的距離就會非常短，可以預想到其等效電感也會很小。這就是平面母線概念的由來。平面母線的基本結構非常簡單，兩塊作為正負母線的銅板和中間絕緣片緊密層疊在一起，為了得到最小的直流側連接電感，電路長度、銅板間的距離和寬度都需要合理確定，這在很大程度上是主電路的優化布局問題。主電路的合理布局既要考慮緊湊性，又要考慮散熱、結構的簡單和易於加工，需要進行研究。平面母線雖然結構並不複雜，但對加工工藝有很高的要求，只有少數幾家專業工廠可以代工。雖然這些廠商的產品在性能上的確可以滿足要求，但工藝複雜、價格昂貴，且加工周期較長。對於最終用戶而言代價較高，特別是對於研發階段的產品。現有平板母線一般採用軟質絕緣片和絕緣薄膜分別作為中間絕緣層和外表面絕緣材料，這些軟質材料雖然易於平板母線折彎，但難以鑽孔。平板母線採用的絕緣片和絕緣薄膜是熱粘合材料，該材料受熱就可以和銅板粘結為一體，但材料和工藝都比較特殊和複雜。現有平板母線的筒管側面和銅板孔洞內表面焊接在一起，這樣平板母線的一體性較好，但焊接工藝難以掌握。只有少數幾家專業工廠可以代工，雖然這些廠商的產品在性能上的確可以滿足要求，但工藝複雜、價格昂貴，且加工周期較長。
發明內容
本文發明提供一種加工簡捷、製作方便的無感平面母線。
一種無感平面母線包括由若干塊間隔疊置的銅板和絕緣片、連接筒管，所述的絕緣片為硬質的環氧樹脂薄板，每塊銅板的兩側表面均設有絕緣片，銅板和絕緣片採用螺栓緊固。
每塊銅板的兩側表面均設有絕緣片，即整個無感平面母線最外面的兩塊是絕緣片，中間則是若干塊間隔疊置的銅板和絕緣片。
所述的螺栓兩端與銅板間設有絕緣墊，絕緣墊帶有環型突起。
所述的連接筒管分為上、下兩部分，內有螺栓穿過，通過螺栓使上、下兩部分連接筒管壓緊銅板。
在無感平面母線打孔處，銅板孔徑大於絕緣片的孔徑，打孔斷面形成環形的凹槽，凹槽內灌注絕緣矽膠。
所述的絕緣片的邊緣伸出銅板邊緣2～3mm，形成2～3mm深的凹槽，凹槽內灌注絕緣矽膠。
所述的絕緣片採用環氧樹脂薄板，環氧樹脂薄板具有較高的絕緣強度，機械強度好，且是硬質的板材，可以很容易地使用鑽床進行鑽孔，為了保證加工精度，儘量選擇數控鑽床進行鑽孔。
平面母線中的各層銅板和絕緣片需要進行緊固以保證一體性，在平板母線上打通孔並採用螺栓緊固是簡單可行的方法。
螺栓本身也要和銅板保持絕緣，可以利用絕緣墊以保證螺栓上部和銅板的安全絕緣距離。絕緣墊的環形突出部分還可以同時起到各層定位凸起的作用，有效地簡化了定位工作。絕緣墊可以利用絕緣膠木棒通過車床切削和鑽孔進行加工。
平板母線銅板斷面凹槽中的灌膠可以採用黏性較大的絕緣矽膠。採用的708絕緣矽膠具有良好的絕緣性能，且黏性較大，可以方便地灌膠。
為了使IPM模塊和直流母線電容的端子和對應的正負銅板保持良好的電氣連接，需要採用筒管作為轉接件。筒管可以利用端面作為接觸面並採用壓力連接的方式和銅板進行電氣連接，這要求筒管具有較高的端面平整度和長度精度。利用車床對銅棒進行切削、切割和鑽孔加工就可以製成內、外徑和長度都符合要求的筒管。壓接方法簡單，易於實現。
由於這裡的平面母線採用硬性的環氧樹脂片作為絕緣片，這就導致平板母線無法折彎。在必須折彎的場合可以採用變通的方法採用兩塊平板母線拼接，並把其中一塊的外露接頭進行折彎，這就可以實現折彎。
本發明應用普通的加工設備，採用簡單的結構和工藝方法，完全可以製作出符合要求的平面母線，降低成本，縮短周期，對於平面母線製作工藝的研究具有重要的現實意義。採用本發明的無感平面母線以後，大大減小了IPM模塊正負端的關斷電壓尖峰，且平板母線的結構、工藝相對簡單，易於加工，可以節約成本，加快產品的開發進度。使用情況表明，本發明提出的平板母線具有極低的等效電感，工作安全、可靠，且加工簡單，成本較低。
圖1是本發明無感平面母線中筒管連接結構剖面圖；圖2是本發明無感平面母線中銅板和絕緣片的螺栓緊固結構剖面圖；圖3是本發明無感平面母線中銅板和絕緣片凹槽內灌注絕緣膠的剖面示意圖；圖4是本發明無感平面母線中折彎結構示意圖；具體實施方式
以應用在50kVA有源電力濾波器(APF)中的平面母線為例進行說明。
平面母線的幾何形狀是多種多樣的，可以完全是平面的，也可以是帶有折彎的三維結構。平面型平板母線結構、加工簡單，非常適合於有限的工藝條件，且這種結構的平板母線適用於大部分應用場合。帶折彎的平板母線主要應用於對結構緊湊度要求較高的場合，但其工藝較複雜。一般來說，出於簡單性考慮，優先選擇平面型平板母線，所以50kVA APF中採用的平板母線也是平面型的。
變流器直流側迴路的長度對於平板母線等效電感的大小有較大影響，這就要求電路的布局要緊湊。典型的逆變器器直流側電路的主要元器件就是主功率模塊和直流儲能電容，在二維平面上減小電路長度的唯一方法就是儘量減小它們之間的間距。為了追求最小的間距，三塊智能功率模塊(IPM)緊密排列，直流母線電容儘可能靠近IPM模塊，只留下了安裝間隙。
根據已經確定好的布局以及主要元器件的尺寸就可以確定平板母線的基本幾何尺寸。IPM模塊寬90mm，三塊並排，直流母線電容直徑64mm，兩排並聯，再考慮安裝間隙，所以平板母線長度為470mm。由前分析，平板母線的寬度越寬，等效電感也就越小。考慮到IPM模塊和直流電容的尺寸，平板母線寬度定為200mm。銅板厚度根據載流密度決定，其值定為1.2mm。
為了保證變流器安全、可靠運行，平板母線的絕緣是需要嚴格保證的。由於正負銅板需要儘可能緊密地貼合在一起，這就要求中間絕緣片在保證絕緣強度的基礎上儘可能的薄。銅板的外表面也需要進行絕緣處理，以保證安全。比較簡單的方法是在銅板外表面覆蓋和中間絕緣片材質相同的絕緣片，從而保證了平板母線外表面的絕緣。
從原理上來說，平面母線是非常簡單的夾層結構，而IPM和直流母線電容各自端子導電面都在一個平面上，為了使端子和對應的銅板進行電氣連接，必須使用不同長度的連接件進行連接，一般採用筒管。由於很多時候筒管需要穿過不同導電面的筒板，這就需要考慮它們間的絕緣。同時，由於需要在銅板和絕緣片中穿過筒管和螺栓，在它們上面打孔是必不可少的，而孔洞的位置精度非常關鍵。
平面母線對銅板上孔洞的位置精度要求非常高，普通臺鑽難以保證各層銅板孔洞的同心，必須採用數控衝床進行衝孔。數控衝床在機械加工廠家中被普遍採用，可以比較容易地進行加工。
絕緣片採用0.3mm厚的FR4環氧樹脂薄板。FR4環氧樹脂具有較高的絕緣強度，機械強度好，且是硬質的板材，可以很容易地使用鑽床進行鑽孔。為了保證加工精度，儘量選擇數控鑽床進行鑽孔。專業廠家一般採用軟質絕緣片和絕緣薄膜分別作為中間絕緣層和外表面絕緣材料，這些軟質材料雖然易於平板母線折彎，但難以鑽孔，必須使用專業刀具。
平面母線中的各層銅板和絕緣片需要進行緊固以保證一體性，在平板母線上打通孔並採用螺栓緊固是比較簡單可行的方法。螺栓本身也要和銅板保持絕緣，可以利用絕緣墊以保證螺栓上部和銅板的安全絕緣距離。絕緣墊的突出部分還可以同時起到各層定位凸起的作用，有效地簡化了定位工作。絕緣墊可以利用絕緣膠木棒通過車床切削和鑽孔進行加工，並不複雜。
參見圖2，可以看出銅板1與絕緣片6間隔疊置，為了將銅板1與絕緣片6壓緊，在適當的部位打若干個孔，螺釘3穿過該孔，在螺帽與絕緣片6接觸的部位設有絕緣墊5，絕緣墊5帶有定位凸起4，通過定位凸起4可以使銅板1與絕緣片6定位對齊。專業廠家製作的平板母線並不需要採用螺栓進行緊固，因為它們採用的絕緣片和絕緣薄膜是熱粘合材料，該材料受熱就可以和銅板粘結為一體。但材料和工藝都比較特殊。
另外從圖2中也可一看出本發明平面母線的每塊銅板的兩側表面均設有絕緣片，即整個無感平面母線最外面的兩塊是絕緣片，中間則是若干塊間隔疊置的銅板和絕緣片。
平板母線銅板斷面凹槽中的灌膠可以採用黏性較大的絕緣矽膠。絕緣矽膠具有良好的絕緣性能，且黏性較大，可以方便灌膠。
為了使IPM模塊和直流母線電容的端子和對應的正負銅板保持良好的電氣連接，需要採用筒管作為轉接件。筒管可以利用端面作為接觸面並採用壓力連接的方式和銅板進行電氣連接，這要求筒管具有較高的端面平整度和長度精度。利用車床對銅棒進行切削、切割和鑽孔加工就可以製成內、外徑和長度都符合要求的筒管。參見圖1，圖中1是銅板，連接筒管分成銅板上部分2a和銅板下部分2b，螺釘3穿過連接筒管的內部，螺釘3旋緊後對筒管形成壓力，使銅板上部分2a和銅板下部分2b將銅板1夾緊。壓接方法簡單，易於實現。
專業廠商則把筒管側面和銅板孔洞內表面焊接在一起，這樣平板母線的一體性較好，但焊接工藝難以掌握。
為了防止爬電，銅板的斷面，包括四邊和孔洞內表面都需要進行絕緣處理。絕緣片的邊緣必須伸出銅板邊緣若干長度(2～3mm)，同時銅板的斷面和兩側伸出的絕緣片形成了凹槽，在該槽中灌注絕緣矽膠就可以徹低杜絕爬電的可能性。參見圖3，絕緣片6邊緣長出銅板1的邊緣，這樣就會形成由絕緣片—銅板—絕緣片圍成的凹槽7，在凹槽7灌注的絕緣膠可以徹底杜絕上下銅板間的爬電。專業廠家採用外表面絕緣膜閉合以及孔洞套絕緣環的方法進行斷面絕緣處理，但工藝複雜，難以在有限的加工條件下實現。
由於這裡的平面母線採用硬性的環氧樹脂片作為絕緣片，這就導致平板母線無法折彎。在必須折彎的場合可以採用變通的方法採用兩塊平板母線拼接，並把其中一塊的外露接頭進行折彎，這就可以實現折彎。參見圖4，當無感平面母線A和無感平面母線B需要連接時，可以將需要連接的銅板1延長伸出並折彎，延長出的銅板接觸後利用螺釘3連接固定，同樣的道理可以根據要求連接任意層的銅板。專業廠家的整體折彎法要求使用軟性的絕緣材料，不易加工。
採用本發明的無感平面母線以後，大大減小了IPM模塊正負端的關斷電壓尖峰，且平板母線的結構、工藝相對簡單，易於加工，可以節約成本，加快產品的開發進度。使用情況表明，本發明提出的平板母線具有極低的等效電感，工作安全、可靠，且加工簡單，成本較低。
權利要求
1.一種無感平面母線，包括若干塊間隔疊置的銅板和絕緣片、連接筒管，其特徵在於所述的絕緣片為硬質的環氧樹脂薄板，每塊銅板的兩側表面均設有絕緣片，銅板和絕緣片採用螺栓緊固。
2.如權利要求1所述的無感平面母線，其特徵在於所述的螺栓兩端與銅板間設有絕緣墊。
3.如權利要求2所述的無感平面母線，其特徵在於所述的絕緣墊帶有環型突起。
4.如權利要求1所述的無感平面母線，其特徵在於所述的連接筒管分為上、下兩部分，內有螺栓穿過，通過螺栓使上、下兩部分連接筒管壓緊銅板。
5.如權利要求1所述的無感平面母線，其特徵在於在無感平面母線打孔處，銅板孔徑大於絕緣片的孔徑，打孔斷面形成環形的凹槽，凹槽內灌注絕緣矽膠。
6.如權利要求1所述的無感平面母線，其特徵在於所述的絕緣片的邊緣伸出銅板邊緣2～3mm，形成2～3mm深的凹槽，凹槽內灌注絕緣矽膠。
全文摘要
本發明公開一種無感平面母線，包括若干塊間隔疊置的銅板和絕緣片、連接筒管，所述的絕緣片採用硬質的環氧樹脂薄板，銅板和絕緣片採用螺栓緊固。所述的螺栓兩端與銅板間設有絕緣墊。採用本發明的無感平面母線以後，大大減小了IPM模塊正負端的關斷電壓尖峰，且平板母線的結構、工藝相對簡單，易於加工，可以節約成本，加快產品的開發進度。使用情況表明，本發明提出的平板母線具有極低的等效電感，工作安全、可靠，且加工簡單，成本較低。
文檔編號H02M1/00GK101068074SQ20071006834
公開日2007年11月7日 申請日期2007年4月27日 優先權日2007年4月27日
發明者陳國柱, 仇志凌 申請人:浙江大學