CN101741227B - 水冷型三相二极管箝位型三电平逆变功率模块 - Google Patents

水冷型三相二极管箝位型三电平逆变功率模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相二极管箝位型三电平逆变拓扑的水冷型功率模块，包括：支撑架；位于支撑架上的电解电容组；铺设在电解电容组上的第二叠层母排；架设在第二叠层母排上方的水冷散热器；架设在水冷散热器上方的第一叠层母排，第一叠层母排与第二叠层母排相对应的齿状连接端子之间分别通过第二吸收电容组相连；固定在水冷散热器的上表面的功率器件、平衡电阻和电压传感器均通过第一叠层母排相互连接；第一吸收电容组，位于第一叠层母排上方，通过第一叠层母排相互连接。本发明安装在一整块水冷散热器上，大大提高功率密度，可用在狭小、密闭或有防爆要求的场合且关断电压尖峰小且电解电容不易发热，易于安装和维护。

Description

水冷型三相二极管箝位型三电平逆变功率模块
技术领域
本发明涉及一种大功率三电平交流传动技术领域，尤其涉及一种针对三相二极管箝位型三电平逆变拓扑的水冷型功率模块的主电路结构和布局。
背景技术
基于IGBT的大功率二极管箝位型三电平变频器是目前广泛应用的中压交流传动***方案之一，现今国内外一些企业已经有0.3～7.2MVA的工业产品。相比级联H桥拓扑而言，它不会有复杂的多绕组变压器，***可靠性更高，并且单直流母线***使得多台不同功率等级的三电平逆变器可以由一台整流器供能，大大节约了资源。但由于不同客户的特定需求，装置即便电气原理相同往往也要经过重新设计，尤其是***结构，需耗费大量的时间和物资投入。电力电子变流模块(Power Electronics BuildingBlock，PEBB)的应用可以省去许多重复工作。它可独立运行亦可组合使用，是当今大功率变频器设计的趋势，标准化的软硬件接口和精简的体积使其拥有很强的通用性、扩展性和优良的电磁兼容特性，受到设计者和市场的广泛欢迎。目前，工业界在多电平级联H桥逆变器的PEBB应用技术已经相当成熟。而在二极管箝位型三电平IGBT逆变器PEBB的研制中，少数国外公司和高校也已有相关产品或工业样机，但国内自主研发仍然不足。
二极管箝位型三电平变流模块设计的关键环节是元件的布局和叠层母线排的应用。大功率器中分布杂散电感对功率器件关断特性有重要影响，叠层母线排能在很大程度上减小杂散电感，有效地抑制各功率器件关断电压尖峰，省去冗杂的阻容吸收电路，使结构紧凑，并减小对敏感电路的干扰。但是，考虑到功率等级，IGBT和功率二极管模块体积较大，端子间距离较远。而该拓扑又使得参与换流的功率器件数量较多，因而减小换流回路杂散电感具有相当难度；另一方面，出于成本考虑一般选用铝电解电容支撑母线直流电压。由于其耐压等级低，需要大量串并联，连接线路上的杂散电感会造成各并联电容间高频电流分布不均匀，距离功率器件较近的电容会承受高于额定值的电流而急剧发热。因此这两者是工业工程应用中的主要问题，将在本发明专利中得到解决。
发明内容
本发明提供一种功率密度高、关断电压尖峰小且电解电容不易发热的水冷型三相二极管箝位型三电平逆变功率模块
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种三相二极管箝位型三电平逆变拓扑的水冷型功率模块，包括：
底部带有底层钢板的支撑架；
电解电容组，位于底层钢板上；
第二叠层母排，铺设在电解电容组上，所述的电解电容组通过第二叠层母排相互连接；
水冷散热器，架设在第二叠层母排上方；
第一叠层母排，架设在水冷散热器上方，第一叠层母排与第二叠层母排相对应的齿状连接端子之间分别通过第二吸收电容组相连；
功率器件、平衡电阻和电压传感器，均位于第一叠层母排和水冷散热器之间且固定在水冷散热器的上表面，功率器件、平衡电阻和电压传感器均通过第一叠层母排相互连接；
第一吸收电容组，位于第一叠层母排上方，通过第一叠层母排相互连接。
所述的第一叠层母排构成了二极管箝位型三电平拓扑，第一叠层母排分为四层：
最下层(最邻近水冷散热器的一层)是三相交流输出母排；
最下层上方是直流中点层；
直流中点层上方的一层包括处于同一平面的第一正极母排和第一负极母排；
最上层是连接IGBT和箝位二极管的母排。
第一叠层母排中的直流中点层、正极母排和负极母排的侧边设有交错分布的齿状的连接端子向下延伸出来，用来与第二叠层母排相对应的连接端子相连接。
所述的第二叠层母排分为两层：
下层(最邻近底层钢板的一层)包括电解电容串联母排和直流中点母排，其中所述的直流中点母排位于中心，电解电容串联母排分布在直流中点母排的两侧各两块；
上层包括第二正极母排和第二负极母排。
第二叠层母排中的直流中点层、正极母排和负极母排的侧边设有交错分布的齿状的连接端子延伸出来，用来与第一叠层母排相对应的齿状连接端子相连接。
第一叠层母排的三相通过大面积直流中点层、第一正极母排和第一负极母排连为整体，并在侧面向上翻起形成连接端子以便在功率器件附近安装第二吸收电容组。
直流输入、交流输出和制动端子(共8条)均位于整个水冷型功率模块的同侧，以便连接；而水冷散热器的进出水端口在水冷型功率模块的相反的一侧，避免外接水路与电路的交错。
所述的底层钢板上设有环氧树脂隔板，挖有若干定位孔，所述的电解电容组中的各个电容对应地定位在定位孔中，各个电容的端子通过螺钉与第二叠层母排连接，底层钢板可以如抽屉结构一样拉出功率模块支撑架，维护时只需拆掉第一叠层母排与第二叠层母排之间的吸收电容就可以将底层钢板连同电解电容组和第二叠层母排一同抽出。
支撑架上端两侧安装了手柄，利于搬运。
本发明的有益效果如下：
1、所有功率器件安装在一整块水冷散热器上，大大提高功率密度，可用在狭小、密闭或有防爆要求的场合。
2、将叠层母排分为两组，易于安装和维护。
3、第一叠层母排和安装在IGBT附近的第一吸收电容组减小了功率器件关断电压尖峰。
4、第二叠层母排使电解电容电流分布均匀，抑制了靠近IGBT的电解电容发热。
5、第一叠层母排和第二叠层母排连接处安装的吸收电容吸收了大部分高频电流，抑制了电解电容整体发热。
6、输入输出端子和水嘴在相反侧，避免外接水路与电路的交错。
7、支撑架上端两侧安装了手柄，利于搬运。
附图说明
图1中虚线框内为本发明电路拓扑图。
图2为本发明水冷散热器上功率器件、平衡电阻、温度开关以及电压传感器的安装位置图。
图3为本发明的立体结构图。
图4为本发明电解电容组和第二叠层母排的立体结构图。
图5a、图5b为本发明第一叠层母排正反面结构图。
图6a、图6b为本发明第二叠层母排正反面结构图。
图7为图3的正视图。
图8为图3的后视图。
图9为图3的俯视图。
具体实施方式
如图3、4、7、8、9所示，三相二极管箝位型三电平逆变拓扑的水冷型功率模块，包括：底部带有底层钢板的支撑架2；电解电容组1，位于底层钢板上；第二叠层母排5，铺设在电解电容组1上，电解电容组1通过第二叠层母排5相互连接；水冷散热器3，架设在第二叠层母排5上方；第一叠层母排4，架设在水冷散热器3上方，第一叠层母排4与第二叠层母排5相对应的齿状连接端子之间分别通过第二吸收电容组7相连；第一吸收电容组6，位于第一叠层母排4上方，连接到第一叠层母排4上。
如图2所示，七个IGBT 23，八个快恢复功率二极管24，三个平衡电阻25，八个温度开关26，四个电压传感器27均位于第一叠层母排4和水冷散热器3之间且固定在水冷散热器3的上表面，并均通过第一叠层母排4相互连接；
如图5所示，第一叠层母排4构成了二极管箝位型三电平拓扑，第一叠层母排4分为四层：最下层是三个三相交流输出母排18；最下层上方是直流中点层15；直流中点层15上方的一层包括处于同一平面的第一正极母排14和第一负极母排16；最上层是六个连接IGBT和箝位二极管的母排17。
第一叠层母排4中的直流中点层15、第一正极母排14和第一负极母排16的侧边设有交错分布的齿状的连接端子向下延伸出来，用来与第二叠层母排5相对应的连接端子相连接。
第一叠层母排4的三相通过大面积直流中点层15、第一正极母排14和第一负极母排16连为整体，并在侧面向上翻起形成连接端子以便在功率器件附近安装第二吸收电容组7。
如图6所示，第二叠层母排5分为两层：下层包括四个电解电容串联母排22和直流中点母排20，其中所述的直流中点母排20位于中心，电解电容串联母排22分布在直流中点母排20的两侧各两块；上层包括第二正极母排19和第二负极母排21。
第二叠层母排5中的直流中点母排20、第二正极母排19和第二负极母排21的侧边设有交错分布的齿状的连接端子延伸出来，用来与第一叠层母排4相对应的齿状连接端子相连接。
如图1所示为本发明的电路原理图，如图9所示，水冷型功率模块与外界接口共有八个：三个直流输入母排9(图6中的P、O、N点)是三个直流输入母排，它分别与第二正极母排19、直流中点母排20和第二负极母排21相连接；三相交流输出母排10(图6中的U、V、W)，分别与三个三相交流输出母排18相连接，穿过电流传感器8引出；制动母排11是图6中的X、Y。直流输入母排9、三相交流输出母排10和制动母排11均位于整个水冷型功率模块的同侧，而水冷散热器3的进出水端口在水冷型功率模块的相反的一侧。
所述的底层钢板上设有环氧树脂隔板，挖有若干定位孔，所述的电解电容组1中的各个电容对应的定位在定位孔中，各个电容的端子通过螺钉与第二叠层母排5连接，底层钢板可以如抽屉结构一样拉出功率模块支撑架2，维护时只需拆掉第一叠层母排4与第二叠层母排5之间的第二吸收电容组7就可以将底层钢板连同电解电容组1和第二叠层母排5一同抽出。
支撑架2上端两侧安装了手柄12。
安装时首先将电解电容组1在底层钢板上排列好，将第二叠层母排5从下层至上层依次放置：下层至上层之间要用绝缘纸隔开，用螺丝固定，形成一个如图2所示的抽屉结构。可先将抽屉结构推入样机柜中。将IGBT23、快恢复功率二极管24、平衡电阻25、温度开关26和电压传感器27固定在水冷散热器3上(如图5所示)，并用螺丝拧紧。再依次从下层至上层安装好第一叠层母排4：四层之间要用绝缘纸隔开。接着装上第一吸收电容组6。将第一叠层母排4与第二叠层母排5相对应的齿状连接端子之间分别通过第二吸收电容组7相连。最后安装好直流输入母排9、交流输出母排10和制动母排11。

Claims (6)

1.一种三相二极管箝位型三电平逆变拓扑的水冷型功率模块，其特征在于：
底部带有底层钢板的支撑架；
电解电容组，位于底层钢板上；
第二叠层母排，铺设在电解电容组上，所述的电解电容组通过第二叠层母排相互连接；
第二叠层母排分为两层：
下层包括电解电容串联母排和直流中点母排，其中所述的直流中点母排位于中心，电解电容串联母排分布在直流中点母排的两侧各两块；
上层包括第二正极母排和第二负极母排；
水冷散热器，架设在第二叠层母排上方；
第一叠层母排，架设在水冷散热器上方，第一叠层母排与第二叠层母排相对应的齿状连接端子之间分别通过第二吸收电容组相连；
第一叠层母排构成了二极管箝位型三电平拓扑，第一叠层母排分为四层：
最下层是三相交流输出母排；
最下层上方是直流中点层；
直流中点层上方的一层包括处于同一平面的第一正极母排和第一负极母排；
最上层是连接IGBT和箝位二极管的母排；
第一叠层母排中的直流中点层、第一正极母排和第一负极母排的侧边设有交错分布的齿状的连接端子向下延伸出来，用来与第二叠层母排相对应的连接端子相连接；
功率器件、平衡电阻和电压传感器，均位于第一叠层母排和水冷散热器之间且固定在水冷散热器的上表面，功率器件、平衡电阻和电压传感器均通过第一叠层母排相互连接；
第一吸收电容组，位于第一叠层母排上方，连接到第一叠层母排上。
2.根据权利要求1所述的水冷型功率模块，其特征在于：第二叠层母排中的直流中点母排、第二正极母排和第二负极母排的侧边设有交错分布的齿状的连接端子延伸出来，用来与第一叠层母排相对应的齿状连接端子相连接。
3.根据权利要求1所述的水冷型功率模块，其特征在于：第一叠层母排的三相通过大面积直流中点层、第一正极母排和第一负极母排连为整体，并在侧面向上翻起形成连接端子以便在功率器件附近安装第一吸收电容组。
4.根据权利要求1所述的水冷型功率模块，其特征在于：直流输入母排、三相交流输出母排和制动端子均位于整个水冷型功率模块的同侧，以便连接；而水冷散热器的进出水端口在水冷型功率模块的相反的一侧，避免外接水路与电路的交错。
5.根据权利要求1所述的水冷型功率模块，其特征在于：所述的底层钢板上设有环氧树脂隔板，挖有若干定位孔，所述的电解电容组中的各个电容对应的定位在定位孔中，各个电容的端子通过螺钉与第二叠层母排连接，底层钢板能够如抽屉结构一样拉出功率模块支撑架，维护时只需拆掉第一叠层母排与第二叠层母排之间的吸收电容就能够将底层钢板连同电解电容组和第二叠层母排一同抽出。
6.根据权利要求1所述的水冷型功率模块，其特征在于：支撑架上端两侧安装了手柄。
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