功率單元中的相單元、功率單元以及變頻器的製作方法

2023-08-07 09:09:36 2

本實用新型實施例涉及電路技術領域，更具體的涉及一種功率單元中的相單元、功率單元以及變頻器。

背景技術：

隨著國家的節能減排政策越來越明朗，越來越深入，在耗電量較大的設備中的電機逐漸採用變頻器調速。變頻器作為一種高效節能手段，在電機調速領域已經得到廣泛的應用。隨著風電及光伏等新能源技術的發展，市場對大功率變頻器的需求越來越緊迫，目前市場上早已出現MW級的大功率變頻器。

變頻器包括功率單元，功率單元包括三個相單元，每個相單元都採用大電流IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型電晶體)模塊或者中小電流IGBT模塊並聯的方式組成。大電流IGBT模塊體積大、成本高、散熱不易，而中小電流IGBT模塊並聯太多，導致連接複雜，相單元體積更大，從而使得功率單元體積大。

發明人在實現本實用新型創造的過程中發現，功率單元的體積大小很大程度上受限於IGBT模塊的電流密度。

技術實現要素：

有鑑於此，本實用新型提供了一種功率單元中的相單元、功率單元以及變頻器，以克服現有技術中功率單元體積較大的問題。

為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案：

一種功率單元中的相單元，包括：至少一個高電流密度IGBT模塊以及至少一個電容，所述高電流密度IGBT模塊的電流密度大於等於14.3A/cm2。

其中，所述高電流密度IGBT模塊包括：上橋絕緣柵雙極型電晶體IGBT、第一續流二極體、下橋IGBT、第二續流二極體、溫度檢測電阻；

所述上橋IGBT的集電極與所述第一續流二極體的負極相連，相連的一端作為第一連接端，所述第一連接端用於連接正母線、短路保護電路；所述上橋IGBT的發射集分別與所述第一續流二極體的正極、所述下橋IGBT的集電極、所述第二續流二極體的負極相連，相連的一端作為第二連接端，所述第二連接端用於連接第一門極驅動電路，且作為交流輸入或輸出的端子；所述上橋IGBT的門極用於連接所述第一門極驅動電路；所述下橋IGBT的發射極與所述第二續流二極體的正極相連，相連的一端作為第三連接端，所述第三連接端用於連接負母線、第二門極驅動電路以及所述溫度檢測電阻的一端，所述溫度檢測電阻的另一端用於連接溫度檢測電路；所述下橋IGBT的門極用於連接所述第二門極驅動電路。

其中，所述至少一個高電流密度IGBT模塊為三個，三個所述高電流密度IGBT模塊的第一連接端相連，三個所述高電流密度IGBT模塊的第三連接端相連，三個所述高電流密度IGBT模塊的第二連接端相連，所述至少一個電容為七個，七個所述電容的一端分別與三個所述高電流密度IGBT模塊的第一連接端相連，七個所述電容的另一端分別與三個所述高電流密度IGBT模塊的第三連接端相連；或所述至少一個高電流密度IGBT模塊為兩個，兩個所述高電流密度IGBT模塊的第一連接端相連，兩個所述高電流密度IGBT模塊的第三連接端相連，兩個所述高電流密度IGBT模塊的第二連接端相連，所述至少一個電容為五個，五個所述電容的一端分別與兩個所述高電流密度IGBT模塊的第一連接端相連，五個所述電容的另一端分別與兩個所述高電流密度IGBT模塊的第三連接端相連。

其中，所述至少一個電容的一端所在的平面與所述至少一個高電流密度IGBT模塊的與負母線連接的端子(3)和與正母線連接的端子(1)所在的平面為同一平面，所述至少一個電容通過疊層銅排與所述至少一個高電流密度IGBT模塊相連。

其中，所述至少一個電容的一端所在的平面位於所述至少一個高電流密度IGBT模塊所在的平面的上方，所述至少一個電容通過疊層銅排與所述至少一個高電流密度IGBT模塊相連。

其中，所述至少一個電容的一端所在的平面與所述至少一個高電流密度IGBT模塊所在的平面垂直，所述至少一個電容通過所述疊層銅排與所述至少一個高電流密度IGBT模塊相連。

一種功率單元，包括三個相單元，每一所述相單元包括上述任一所述功率單元中的相單元。

其中，

所述三個相單元中的所有電容的一端組成的平面與所述三個相單元中的所有高電流密度IGBT模塊的與負母線連接的端子和與正母線連接的端子所在的平面為同一平面，所述三個相單元中的所有電容通過疊層銅排與所述三個相單元中的所有高電流密度IGBT模塊相連；

或所述三個相單元中的所有電容的一端組成的平面位於所述三個相單元中的所有高電流密度IGBT模塊所在的平面的上方，所述三個相單元中的所有電容通過疊層銅排與所述三個相單元中的所有高電流密度IGBT模塊相連；

或所述三個相單元中的所有電容的一端所在的平面與所述述三個相單元中的所有高電流密度IGBT模塊所在的平面垂直，所述三個相單元中的所有電容通過疊層銅排與所述三個相單元中的所有高電流密度IGBT模塊相連。

其中，所述相單元為上述任一所述功率單元中的相單元，所述功率單元包括三個所述相單元。

一種變頻器，包括上述任一所述的功率單元。

經由上述的技術方案可知，與現有技術相比，本實用新型實施例提供的功率單元中的相單元中採用的高電流密度IGBT模塊的電流密度大於等於14.3A/cm2，在需要同等功率的情況下，與現有技術相比，實用新型實施例提供的相單元的高電流密度IGBT模塊的體積小，所以相單元體積小，因此由該相單元組成的功率單元體積也隨之減小，由功率單元組成的變頻器的體積也隨之減小。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型實施例提供的一種功率單元中的相單元中的高電流密度IGBT模塊的內部電路示意圖；

圖2為本實用新型實施例提供的一種功率單元中相單元中的高電流密度IGBT模塊的一種封裝結構示意圖；

圖3為本實用新型實施例提供的一種功率單元中相單元的一種實現方式的結構示意圖；

圖4為本實用新型實施例提供的一種功率單元的結構示意圖；

圖5為本實用新型實施例提供的一種功率單元的另一實現方式的結構示意圖；

圖6為本實用新型實施例提供的一種功率單元中的相單元的電容和高電流密度IGBT模塊連接關係示意圖；

圖7為本實用新型實施例提供的一種功率單元中電容與高電流密度IGBT模塊的連接關係示意圖。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

實施例一

本實用新型實施例提供了一種功率單元中的相單元，該相單元包括：至少一個高電流密度IGBT模塊以及至少一個電容，所述高電流密度IGBT模塊的電流密度大於等於14.3A/cm2。

所述至少一個高電流密度IGBT模塊可以為三個，所述至少一個電容可以為七個。當然所述至少一個高電流密度IGBT模塊可以為兩個，所述至少一個電容可以為五個。當然，至少一個高電流密度IGBT模塊可以為4個，至少一個電容可以為9個等等，本實用新型實施例並不對至少一個高電流密度IGBT模塊和至少一個電容的具體值作限定。

組成相單元的各個高電流密度IGBT模塊和電容並聯，假設所述至少一個高電流密度IGBT模塊可以為三個，所述至少一個電容可以為七個，那麼三個所述高電流密度IGBT模塊的第一連接端相連，三個所述高電流密度IGBT模塊的第三連接端相連，三個所述高電流密度IGBT模塊的第二連接端相連。七個所述電容與三個所述高電流密度IGBT模塊並聯，即七個所述電容的一端分別與三個所述高電流密度IGBT模塊的第一連接端相連，七個所述電容的另一端分別與三個所述高電流密度IGBT模塊的第三連接端相連。

假設所述至少一個高電流密度IGBT模塊可以為兩個，所述至少一個電容可以為五個，則兩個所述高電流密度IGBT模塊的第一連接端相連，兩個所述高電流密度IGBT模塊的第三連接端相連，兩個所述高電流密度IGBT模塊的第二連接端相連，五個所述電容的一端分別與兩個所述高電流密度IGBT模塊的第一連接端相連，五個所述電容的另一端分別與兩個所述高電流密度IGBT模塊的第三連接端相連。

電容可以為膜電容。

本實用新型實施例提供的功率單元中的相單元中採用的高電流密度IGBT模塊的電流密度大於等於14.3A/cm2，在需要同等功率的情況下，與現有技術相比，實用新型實施例提供的相單元的高電流密度IGBT模塊的體積小，所以相單元體積小，因此由該相單元組成的功率單元體積也隨之減小，由功率單元組成的變頻器的體積也隨之減小。

實施例二

請參閱圖1，為本實用新型實施例提供的一種功率單元中的相單元中的高電流密度IGBT模塊的內部電路示意圖。所述高電流密度IGBT模塊包括：上橋絕緣柵雙極型電晶體IGBT 11、第一續流二極體12、下橋IGBT 13、第二續流二極體14以及溫度檢測電阻15。

所述上橋IGBT 11的集電極C1與所述第一續流二極體12的負極相連，相連的一端作為第一連接端，所述第一連接端用於連接正母線、短路保護電路。

圖1中第一連接端引出了兩個端子，端子1用於連接正母線，端子4用於連接短路保護電路。

所述上橋IGBT 11的發射集E1分別與所述第一續流二極體12的正極、所述下橋IGBT 13的集電極C2、所述第二續流二極體14的負極相連，相連的一端作為第二連接端，所述第二連接端用於連接第一門極驅動電路，且作為交流輸入或輸出的端子。

圖1中第二連接端引出了兩個端子，端子2作為交流輸入或輸出的端子，端子6用於連接第一門極驅動電路。

所述上橋IGBT的門極用於連接所述第一門極驅動電路。

圖1中上橋IGBT的門極5用於連接所述第一門極驅動電路。

所述下橋IGBT 13的發射極E2與所述第二續流二極體14的正極相連，相連的一端作為第三連接端，所述第三連接端用於連接負母線、第二門極驅動電路以及溫度檢測電阻15的一端，所述溫度檢測電阻15的另一端用於連接溫度檢測電路。

圖1中第三連接端引出了3個端子，端子3用於連接負母線，端子8用於連接第二門極驅動電路，端子9用於連接溫度檢測電路。

所述下橋IGBT的門極用於連接所述第二門極驅動電路。

圖1中端子7為下橋IGBT的門極。

實施例三

請參閱圖2，為本實用新型實施例提供的一種功率單元中相單元中的高電流密度IGBT模塊的一種封裝結構示意圖。

圖2中的各個端子與圖1中的各個端子相對應，在此不再贅述，詳細參見對圖1中各個端子的描述。高電流密度IGBT模塊可以為100*140mm2的LINPAK封裝。

實施例四

為了使上述任一相單元實施例中的相單元體積更小，可以對電容和高電流密度IGBT模塊的位置進行設置，本實用新型實施例提供但不限於以下三種方式：

第一種，所述至少一個電容的一端所在的平面與所述至少一個高電流密度IGBT模塊的與負母線連接的端子3和與正母線連接的端子1所在的平面為同一平面，所述至少一個電容通過疊層銅排與所述至少一個高電流密度IGBT模塊相連。

第二種，所述至少一個電容的一端所在的平面位於所述至少一個高電流密度IGBT模塊所在的平面的上方，所述至少一個電容通過疊層銅排與所述至少一個高電流密度IGBT模塊相連

第三種，所述至少一個電容的一端所在的平面與所述至少一個高電流密度IGBT模塊所在的平面垂直，所述至少一個電容通過所述疊層銅排與所述至少一個高電流密度IGBT模塊相連

為了本領域技術人員更加，理解上述對電容和高電流密度IGBT模塊的位置關係，請參閱圖3，為本實用新型實施例提供的一種功率單元中相單元的一種實現方式的結構示意圖。

從圖3中可以看出該相單元包括3個高電流密度IGBT模塊以及7個電容。負母線DC-和正母線DC+的位置關係如圖3所示設置。本實用新型實施例中的3個高電流密度IGBT模塊以及7個電容只是舉例，並不對高電流密度IGBT模塊和電容的個數進行限制。

7個電容與3個高電流密度IGBT模塊擺放成90度，這樣可以進一步減小由三個相單元組成的功率單元的體積，同樣此相單元可以組成整流單元或者逆變單元。具體的，三個相單元在構成一個功率單元時，可將三個相單元並聯連接。

實施例五

可以理解的是，功率單元包括三個相單元，每一相單元的結構都可以如上述任一功率單元中的相單元實施例所描述的結構。

本實用新型實施例提供但不限於以下幾種結構：功率單元可以是一體式的，即一個整體，也可以是由三個相同結構的相單元組成的。

第一種，所述三個相單元中的所有電容的一端組成的平面與所述三個相單元中的所有高電流密度IGBT模塊的與負母線連接的端子3和與正母線連接的端子1所在的平面為同一平面，所述三個相單元中的所有電容通過疊層銅排與所述三個相單元中的所有高電流密度IGBT模塊相連。

第二種，所述三個相單元中的所有電容的一端組成的平面位於所述三個相單元中的所有高電流密度IGBT模塊所在的平面的上方，所述三個相單元中的所有電容通過疊層銅排與所述三個相單元中的所有高電流密度IGBT模塊相連。

第三種，所述三個相單元中的所有電容的一端所在的平面與所述述三個相單元中的所有高電流密度IGBT模塊所在的平面垂直，所述三個相單元中的所有電容通過疊層銅排與所述三個相單元中的所有高電流密度IGBT模塊相連。

為了本領域技術人員更加理解本實用新型實施例提供的功率單元的結構，下面舉例進行說明。

請參閱圖4，為本實用新型實施例提供的一種功率單元的結構示意圖。

可以看出該功率單元中每個相單元由2個高電流密度IGBT模塊以及5個電容組成，所以功率單元包括6個高電流密度IGBT模塊以及15個電容。每一個相單元中各個的高電流密度IGBT模塊的交流輸入或輸出的端子2相連，連接端作為功率單元的三相輸入輸出端其中的一端，即R端(U端)或S端(V端)或T端(W端)，其中功率單元的三相作為輸入端時稱為R端、S端、T端，作為輸出端時稱為U端、V端、W端。15個電容可以由3*5結構擺放入圖4所示，疊層銅排出來正母線DC+與負母線DC-，這樣可以使得相單元的高度較低、疊層銅排簡單、寄生電感小。本實用新型實施例中的6個高電流密度IGBT模塊以及15個電容只是舉例，並不對高電流密度IGBT模塊和電容的個數進行限制。

圖4中的功率單元可以是一體式的，即不是由三個相同結構的相單元組裝而成，而是一個統一的整體，這樣當需要的電流較小時，例如1000A，可以使用一體式的功率單元。

可以理解的是當需要的電流較大時，例如1500A，為了便於維護可以將相單元按照實施例四中第一種電容和高電流密度IGBT模塊的位置設置方式進行設置，然後在將三個相單元進行組裝。

請參閱圖5，為本實用新型實施例提供的一種功率單元的另一實現方式的結構示意圖。

可以看出該功率單元中每個相單元由2個高電流密度IGBT模塊以及5個電容組成。每一個相單元的交流輸入或輸出的端子2作為三相輸入輸出端，即R端、S端、T端。負母線DC-和正母線DC+的如圖5所示設置。本實用新型實施例中的2個高電流密度IGBT模塊以及5個電容只是舉例，並不對高電流密度IGBT模塊和電容的個數進行限制。

圖5中的功率單元可以是一體式的，即不是由三個相同結構的相單元組裝而成，而是一個統一的整體，這樣當需要的電流較小時，例如1000A，可以使用一體式的功率單元。

可以理解的是當需要的電流較大時，例如1500A，為了便於維護可以將相單元按照實施例四中第二種電容和高電流密度IGBT模塊的位置設置方式進行設置，然後在將三個相單元進行組裝。

圖5中相單元的結構為實施例四中第二種電容和高電流密度IGBT模塊的位置設置方式。這樣的方式可以減小相單元的長度，但是相單元的高度增加且疊層銅排設計複雜了。

為了本領域技術人員更加理解本實用新型實施例中電容和高電流密度IGBT模塊的連接關係，請參閱圖6，為本實用新型實施例提供的一種功率單元中的相單元的電容和高電流密度IGBT模塊連接關係示意圖。

從圖6中可以看出，該相單元包括3個高電流密度IGBT模塊，分別為高電流密度IGBT模塊IGBT1、高電流密度IGBT模塊IGBT2、高電流密度IGBT模塊IGBT3，7個電容，7個電容分別為電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7。由於電容個數較多在途6中僅示出了3個電容。

7個電容的一端均分別與3個高電流密度IGBT模塊的與負母線連接的端子3連接，7個電容的另一端均分別與3個高電流密度IGBT模塊的與正母線連接的端子1連接，圖6中DC+表示正母線，DC-表示負母線。

3個高電流密度IGBT模塊的交流輸入或輸出的端子2相連，作為R端(U端)或S端(V端)或T端(W端)。

請參閱圖7，為本實用新型實施例提供的一種功率單元中電容與高電流密度IGBT模塊的連接關係示意圖。

從圖7中可以看出，每個相單元包括2個高電流密度IGBT模塊以及5個電容，所以功率單元包括6個高電流密度IGBT模塊以及15個電容，6個高電流密度IGBT模塊分別為高電流密度IGBT模塊IGBT1、高電流密度IGBT模塊IGBT2、高電流密度IGBT模塊IGBT3、高電流密度IGBT模塊IGBT4、高電流密度IGBT模塊IGBT5、高電流密度IGBT模塊IGBT6，15個電容分別為電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7、電容C8、電容C9、電容C10、電容C11、電容C12、電容C13、電容C14以及電容C15。每個相單元中的2個高電流密度IGBT模塊的交流輸入或輸出的端子2相連作為R端(U端)或S端(V端)或T端(W端)，如圖高電流密度IGBT模塊IGBT1、高電流密度IGBT模塊IGBT2的交流輸入或輸出的端子2相連作為R端(U端)，高電流密度IGBT模塊IGBT3、高電流密度IGBT模塊IGBT4的交流輸入或輸出的端子2相連作為S端(V端)，高電流密度IGBT模塊IGBT5、高電流密度IGBT模塊IGBT6的交流輸入或輸出的端子2相連作為T端(W端)。

15個電容的一端均分別與6個高電流密度IGBT模塊的與負母線連接的端子3連接，15個電容的另一端均分別與6個高電流密度IGBT模塊的與正母線連接的端子連接，圖7中DC+表示正母線，DC-表示負母線。

本實用新型實施例中功率單元中每個相單元由2個高電流密度IGBT模塊並聯構成，三相共六個高電流密度IGBT模塊，可以用作整流單元或者逆變單元，用作整流功率單元時，輸入端R端、S端、T端三相交流690VAC(以690VAC為例，根據實際情況也可以為其他值)輸入經過高電流密度IGBT模塊整流後到正母線DC+和負母線DC-，正母線DC+和負母線DC-的電容可以由15個膜電容並聯。用作逆變功率單元時，正母線DC+和負母線DC-直流輸入，正母線DC+和負母線DC-支撐電容與整流單元一樣，然後經三相共六個高電流密度IGBT模塊逆變為輸出端U端、V端、W端三相交流690VAC輸出。

本實用新型實施例還提供了一種變頻器，該變頻器包括如上述任一功率單元實施例所描述的功率單元。

需要說明的是，本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。

還需要說明的是，在本文中，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括上述要素的物品或者設備中還存在另外的相同要素。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本實用新型將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。