一種中壓三電平三相全橋功率單元的製作方法

2024-03-07 04:07:15

一種中壓三電平三相全橋功率單元的製作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種用於中壓大功率變流器的三電平三相全橋功率單元。
【背景技術】
[0002]隨著中國能源環境的變化和風力發電產業的成熟，未來幾年風力發電將呈現新的趨勢:風電技術發展迅速，成本持續下降；技術裝備國產化比例必然提高;海上風電悄然興起，必將成為重要的能源形式;風力發電機組不斷向大型化發展。
[0003]市場需求催生了國內大功率中壓變流器的技術開發。對於當今先進水平的多兆瓦級風電機，中壓技術是處理其額定功率的理想之選，可將發電機、變流器及電纜的損耗降至最低。
[0004]中壓變流器功率單元的設計常採用二極體鉗位型三電平結構。由於高壓IGBT和高壓二極體，高壓疊層母排等體積和重量要比低壓系統大很多，現有功率單元設計常將IGBT和電容組件一體化安裝，這種集中方式存在如下缺點:
[0005]因為高壓IGBT、高壓二極體、高壓電容等體積大，重量重，一體式設計造成整個功率單元的體積大，而且重量重，安裝維護及其不便。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型要解決的技術問題是，提供一種布局合理、結構緊湊、連接方便，而且便於安裝、維護的中壓三電平三相全橋功率單元。
[0007]本實用新型中壓三電平三相全橋功率單元包括三個單相IGBT功率單元和一個直流支撐電容組件。三個單相IGBT功率單元和直流支撐電容組件並聯。
[0008]所述直流支撐電容組件由多個電容串並聯組成，多個電容之間通過第二疊層母排連接。直流支撐電容組件的第一行同列電容和第二行同列電容通過第二疊層母排串聯，直流支撐電容組件第三行同列電容和第四行同列電容通過第二疊層母排串聯。這些串聯之後的同列電容再通過過第二疊層母排的正極排和負極排並聯。第二疊層母排的正極接電容的正極，第二疊層母排的中性極接電容的中性極，第二疊層母排的負極接電容的負極。
[0009]三個所述單相IGBT功率單元通過第一疊層母排和第二疊層母排的端子與直流支撐電容組件連接。第一疊層母排和第二疊層母排的端子的連接方式如下:第一疊層母排的正極端子連接第二疊層母排的正極，第一疊層母排的中性極端子連接第二疊層母排的中性極，第一疊層母排的負極端子連接第二疊層母排的負極。
[0010]三個所述單相IGBT功率單元結構相同，可以相互替換使用。
[0011]所述的單相IGBT功率單元包括四個高壓IGBT、四個IGBT驅動器，四個驅動器隔離電源、一個高壓二極體，以及一個第一固定件。第一固定件位於水冷散熱板的下方，對單相IGBT功率單元起固定支撐作用。高壓IGBT和高壓二極體通過第一疊層母排連接。水冷散熱板放置在第一固定件的中間位置，兩個驅動器隔離電源位於水冷散熱板的上側，兩個驅動器隔離電源位於水冷散熱板的下側，每個驅動器對應一個隔離電源。四個高壓IGBT和高壓二極體均位於水冷散熱板的同一側。
[0012]所述的四個高壓IGBT上下左右對稱放置，每個高壓IGBT上焊接一個IGBT驅動器。高壓IGBT的集電極、發射極和驅動極分別連接IGBT驅動器的C端子、E端子和G端子。
[0013]所述的高壓二極體位於四個高壓IGBT的中心位置。第一高壓IGBT的發射極與高壓二極體上管的負極相連接，第三高壓IGBT的發射極和高壓二極體下管的正極相連接，高壓二極體上管的正極和高壓二極體下管的負極相連接，作為直流側的中間極。
[0014]本實用新型的有益效果如下:1、結構緊湊，通過疊層母排連接，可以有效降低IGBT和電容之間的雜散電感，無需外加緩衝吸收回路;2、功率單元模塊化設計，三相功率單元可相互替換，便於生產備貨;3、分體設計，降低了功率單元的體積和重量，便於安裝和維護。
【附圖說明】

[0015]圖1為本實用新型中三個單相IGBT功率單元和電容組件的電路圖；
[0016]圖2為本實用新型中單相IGBT功率單元的電路圖；
[0017]圖3為本實用新型中三個單相IGBT功率單元和電容組件布局圖；
[0018]圖4a為本實用新型中電容組件及其疊層母排的布局圖；
[0019]圖4b為本實用新型中電容組件的布局圖；
[0020]圖4c為本實用新型中第二疊層母排的示意圖；
[0021]圖5a為本實用新型中單相IGBT功率單元中疊層母排、隔離電源的布局圖；
[0022]圖5b為本實用新型中單相IGBT功率單元中水冷散熱板、高壓IGBT、高壓IGBT驅動器和高壓二極體的布局圖；
[0023]圖6a為本實用新型中第一疊層母排示意圖；
[0024]圖6b為本實用新型中單相IGBT功率單元與電容組件裝配示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖及實施方式對本實用新型做進一步說明。
[0026]如圖1所示，本實用新型包含三個單相IGBT功率單元與直流支撐電容組件單元。
[0027]如圖1所示，所述的直流支撐電容組件由電容Cl、C2、C3、C4串並聯組成。第一電容Cl和第二 C2串聯，第一電容Cl的正極接單相IGBT功率單元直流側的正極，第一電容Cl的負極與第二電容C2的正極相聯接，連接單相IGBT功率單元直流側的中間極;第二電容C2的負極接單相IGBT功率單元直流側的負極。第三電容C3和第四C4串聯，第三電容C3的正極接單相IGBT功率單元直流側的正極，第三電容C3的負極與第四電容C4的正極相聯接，連接單相IGBT功率單元直流側的中間極，第四電容C4的負極接單相IGBT功率單元直流側的負極。串聯後的第一電容Cl、第二電容C2與串聯後的第三電容C3、第四電容C4通過第二疊層母排的正極、負極並聯。
[0028]如圖2所示，所述的單相IGBT功率單元中，Dl為高壓二極體，Q1、Q2、Q3、Q4為高壓IGBT，每個高壓IGBT焊接有IGBT驅動器。
[0029]如圖2所示，第一高壓IGBTQl的集電極作為直流側的正極;第一高壓IGBT Ql的發射極和第二高壓IGBT Q2的集電極，以及高壓二極體Dl上管的負極相連接；第二高壓IGBTQ2的發射極和第三高壓IGBT Q3的集電極相連接，作為AC交流輸出極;第三高壓IGBT Q3的發射極和第四高壓IGBT Q4的集電極，以及高壓二極體Dl下管的正極相連接;第四高壓IGBTQ4的發射極作為直流側的負極;高壓二極體Dl上管的正極和高壓二極體Dl下管的負極相連接，作為直流側的中間極;第一高壓IGBT Q1、第二高壓IGBT Q2、第三高壓IGBT Q3、第四高壓IGBT Q4均連接一個驅動器，高壓IGBT的集電極連接驅動器的C端、高壓IGBT的發射極連接驅動器的E端、高壓IGBT的驅動極連接驅動器的G端。
[0030]如圖3所示，本實用新型包括三個單相IGBT功率單元I和一個直流支撐電容組件2。直流支撐電容組件2中的多個電容通過第二疊層母排201串並聯。單相IGBT功率單元通過第一疊層母排101和第二疊層母排201的母排端子和直流支撐電容組件2連接。
[0031]如圖4a所示，直流支撐電容組件202的第一行同列電容和第二行同列電容經過第二疊層母排201串聯，直流支撐電容組202的第三行同列電容和第四行同列電容通過過第二疊層母排201串聯。這些串聯之後的電容再經過第二疊層母排201的正極排和負極排並聯。直流支撐電容組202的正極、負極和中性極為直流支撐電容組件的直流輸出端。
[0032]如圖4b所示，電容組202與第二固定件203之間用螺栓連接，形成4行5列的電容組排列組合。
[0033]如圖5a所示，所述的單相IGBT功率單元包括四個高壓IGBT模塊105、一個高壓二極體106、一個水冷散熱板107、四個IGBT驅動器108，以及連接IGBT和二極體的第一疊層母排101，四個高壓IGBT模塊105和高壓二極體106均放於水冷散熱板107的同一側。水冷散熱板107放置在第一固定件103的中間位置，水冷散熱板107與第一固定件103之間用螺栓連接，第一固定件103位於水冷散熱板107的下方，支撐固定單相IGBT功率單元。
[0034]如圖5b所示，單相IGBT功率單元的四個高壓IGBT模塊105上下左右對稱放置，每個高壓IGBT模塊105連接一個IGBT驅動器108，每個IGBT模塊105的集電極、發射極和驅動極分別和IGBT驅動器108的C端、E端和G端連接;高壓二極體106位於四個高壓IGBT模塊105的中間位置。高壓二極體和高壓IGBT模塊105通過疊層母排101連接。如圖6a所示，單相IGBT功率單元的疊層母排101的端子1ld為電網或電機的單相輸入端。
[0035]如圖6b所示，單相IGBT功率單元與直流支撐電容組件的連接方式為:直流支撐電容組件的正極201a和單相IGBT功率單元的正極1la連接，直流支撐電容組件的負極201b和單相IGBT功率單元的負極1lb連接，直流支撐電容組件的中性極201c和單相IGBT功率單元的中性極101 c連接。
[0036]本實用新型的中壓三電平三相全橋功率單元可應用於功率變換器中，特別是中壓大功率風電變流器。
【主權項】
1.一種中壓三電平三相全橋功率單元，其特徵在於:所述的全橋功率單元包括三個單相IGBT功率單元(I)和一個直流支撐電容組件(2)，三個單相IGBT功率單元(I)和直流支撐電容組件(2)並聯;直流支撐電容組件(2)中的多個電容通過第二疊層母排(201)串並聯;單相IGBT功率單元通過第一疊層母排(101)和第二疊層母排(201)的母排端子與直流支撐電容組件(2)連接。2.按照權利要求1所述的中壓三電平三相全橋功率單元，其特徵在於:所述的三個單相IGBT功率單元(I)中，第一高壓IGBT(Q1)的集電極作為直流側的正極;第一高壓IGBT(Q1)的發射極和第二高壓IGBT(Q2)的集電極，以及高壓二極體(Dl)上管的負極相連接;第二高壓IGBT(Q2)的發射極和第三高壓IGBT(Q3)的集電極相連接，作為AC交流輸出極；第三高壓IGBT(Q3)的發射極和第四高壓IGBT(Q4)的集電極，以及高壓二極體(Dl)下管的正極相連接;第四高壓IGBT(Q4)的發射極作為直流側的負極；高壓二極體(Dl)上管的正極和高壓二極體(Dl)下管的負極相連接，作為直流側的中間極；第一高壓IGBT(Ql)、第二高壓IGBT(Q2)、第三高壓IGBT(Q3)、第四高壓IGBT(Q4)均分別與一個驅動器連接，高壓IGBT的集電極連接驅動器的C端、高壓IGBT的發射極連接驅動器的E端、高壓IGBT的驅動極連接驅動器的G端。3.按照權利要求1所述的中壓三電平三相全橋功率單元，其特徵在於:所述的直流支撐電容組件(2)由多個電容(C1、C2、C3、C4)串並聯組成;第一電容(Cl)和第二電容(C2)串聯；第一電容(Cl)的正極接單相IGBT功率單元直流側的正極，第一電容(Cl)的負極與第二電容(C2)的正極相聯接，連接單相IGBT功率單元直流側的中間極，第二電容件(C2)的負極連接單相IGBT功率單元直流側的負極;第三電容(C3)和第四電容(C4)串聯，第三電容(C3)的正極連接單相IGBT功率單元直流側的正極，第三電容(C3)的負極與第四電容(C4)的正極相聯接，連接單相IGBT功率單元直流側的中間極，第四電容(C4)的負極連接單相IGBT功率單元直流側的負極；串聯後的第一電容(Cl)、第二電容(C2)與串聯後的第三電容(C3)、第四電容(C4)通過第二疊層母排(201)並聯。4.按照權利要求1所述的中壓三電平三相全橋功率單元，其特徵在於:所述的單相IGBT功率單元包括四個高壓IGBT、四個IGBT驅動器和一個高壓二極體;所述的四個高壓IGBT上下左右對稱放置，每個IGBT上焊接一個IGBT驅動器，IGBT的發射極、集電極和驅動極分別連接IGBT驅動器的C端子、E端子和G端子;所述的高壓二極體位於四個高壓IGBT的中間位置，高壓二極體和高壓IGBT通過第一疊層母排(101)連接;水冷散熱板(107)放置在第一固定件(103)的中間位置，第一固定件(103)位於水冷散熱板(107)的下方;高壓IGBT和高壓二極體均放於水冷散熱板(107)的一側，兩個驅動器隔離電源位於水冷散熱板(107)的上側，兩個驅動器隔離電源位於水冷散熱板(107)的下側，每個驅動器對應一個隔離電源。
【專利摘要】一種中壓三電平三相全橋功率單元，包括三個單相IGBT功率單元(1)和直流支撐電容組件(2)。三個單相IGBT功率單元(1)和直流支撐電容組件(2)通過疊層母排並聯。每個單相IGBT功率單元包括四個高壓IGBT、四個IGBT驅動器和高壓二極體、IGBT和二極體均放置於水冷散熱板的一側。
【IPC分類】H02M7/00
【公開號】CN205385416
【申請號】CN201521072196
【發明人】任曉娜
【申請人】科諾偉業風能設備（北京）有限公司, 北京科諾偉業科技股份有限公司
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2015年12月21日