CN103354232B - 一种用于柔性直流输电的并联子模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于柔性直流输电的并联子模块，包括电容、两个IGBT功率单元和两个主母排，每个IGBT功率单元包括散热器、并联的两个以上的IGBT模块及其控制回路，各功率单元上的IGBT模块并列安装于相应板状散热器的一个板面上，控制回路对应安装在板状散热器的另一个板面上，每个IGBT功率单元还包括复合母排，复合母排与相应IGBT模块的远离板状散热器的表面贴设连接。本发明的用于柔性直流输电的并联子模块整体采用模块化设计，结构设计紧凑，布局合理，每个部分可以分别独立进行装配，不仅大大提高了子模块装配效率，而且便于整个装配过程质量控制，便于子模块的安装及元件更换，使子模块安装和拆卸十分方便。

Description

一种用于柔性直流输电的并联子模块

技术领域

本发明属于功率半导体元件的应用领域，如柔性直流输电，SVG等的大功率电力电子整流和逆变装置，具体涉及一种用于柔性直流输电的并联子模块结构。

背景技术

柔性直流输电是以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术，其采用最先进的电压源型换流器和全控器件，是常规直流输电技术的换代升级。相比于交流输电和常规直流输电，在传输能量的同时，还能灵活地调节与之相连的交流***电压。具有可控性较好、运行方式灵活、适用场合多等显著优点，因此柔性直流输电技术在孤岛供电、城市电网供电、分布式能源并网等方面具有很高的应用价值。

随着柔性直流输电(VSC-HVDC)技术在电力***中的逐步应用，其核心部件——大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)阀的可靠性成为电力***安全的关键因素之一。由于VSC—HVDC装置普遍具有高电压、强电流、大容量的特点，导致在试验环境中很难构建与实际运行工况相同的全载电路进行试验。因此，如何在试验环境中构建等效的试验电路，进行与实际运行工况强度相当的试验成为解决问题的关键。

随着电力***柔性直流输电技术的发展，***容量显得愈发的重要，功率子模块的容量受制于IGBT容量本身的限制。在容量需求不断增加的情况下，传统的扩容方案是通过增加功率子模块的串联数量提高输出电压的方式来进行扩容，但是其会带来模块数量大大增加、控制***设计复杂、成本大幅度增加的问题；而采用子模块并联的方案进行扩容则会带来成本高、体积庞大、控制复杂的问题。现在采用IGBT并联技术进行扩容，则可以在不增加子模块数量的情况下扩大***容量，能够大大的增加功率子模块的功率密度，其控制***简单、成本较低，能够有效的降低柔性直流输电***整体造价和体积。并联子模块的电气结构如图3所示，由图可知，该并联子模块包括电容C、S1～S4四个IGBT模块、晶闸管T和旁路开关K所构成的主回路，每个IGBT器件反并联一个二极管组成一个IGBT模块，S1和S2的并联支路与S3和S4的并联支路串联，且S3和S4的并联支路又与晶闸管T和旁路开关K依次并联。

中国专利申请号200920131707.0公开了一种IGBT功率模块，提供了一种IGBT功率模块的布局结构，该结构中将IGBT散热器固定在底架上，IGBT模块布置在IGBT散热器上侧，直流滤波电解电容紧邻IGBT散热器的进风口固定在底架上，这种布局主要在于改善电容的散热条件，减小电容与IGBT模块直流端之间的杂散电感，但是采用这种电路存在如下问题：现有的子模块各元件分散布置，不便于现场安装调试，同时在发生故障时检修不便，增加了***的维护成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于柔性直流输电的并联子模块，以解决现有子模块结构布置散乱，***不便于维护的问题。

本发明所提供用于柔性直流输电的并联子模块的技术方案如下：一种用于柔性直流输电的并联子模块，包括电容、两个IGBT功率单元和两个主母排，每个IGBT功率单元包括散热器、并联的两个以上的IGBT模块及其控制回路，所述散热器为板状散热器，所述各功率单元上的IGBT模块并列安装于相应板状散热器的一个板面上，控制回路对应安装在板状散热器的另一个板面上，所述每个IGBT功率单元还包括复合母排，复合母排与相应IGBT模块的远离板状散热器的表面贴设连接，所述复合母排上设置有用于与主母排对应连接的出线端和用于与电容连接的电容连接端、与对应IGBT模块的端子分别对应连接的连接端子；两主母排分别通过两个复合母排上设置的出线端与对应的IGBT功率单元连接，所述电容通过复合母排上设置的电容连接端与对应的IGBT功率单元连接。

所述与两个IGBT功率单元对应连接的复合母排分别为上、下母排，上母排用于连接第一主母排的出线端为第一出线端、用于连接电容的电容连接端为第一电容连接端，下母排上用于连接第二主母排的出线端为第二出线端、用于连接电容的电容连接端为第二电容连接端，上、下母排上与对应IGBT模块的端子分别对应连接的连接端子分别为上、下连接端子组，上母排上设有与第一出线端导电连接的与各个IGBT模块一一对应的两个以上的上对接端，下母排上设有用于与各个上对接端对接固连的下对接端，各上连接端子组均包括上对接连接端子、上电容连接端子，各下连接端子组均包括下对接连接端子、下电容连接端子和与第二出线端导电连接的第二出线端子，各上、下对接连接端子与相应的上、下对接端通过等长的导电排导电连接，各上、下电容连接端子与相应第一、二电容连接端通过等长的导电排导电连接。

第一出线端与各个上对接端通过等长的导电排导电连接；第二出线端与第二出线端子通过等长的导电排导电连接。

所述两主母排之间导电连接有一个晶闸管，所述晶闸管夹设于两主母排中间并通过一个压接装置进行压接固定而构成母排组件；所述母排组件的压接装置包括两个压接板、两个压紧螺栓和一个调节螺栓，所述晶闸管夹设于两主母排中间，两压接板分别设于两主母排外侧，两个压接板的上下两侧均设有用于穿设压紧螺栓的安装孔，其中一个压接板的中部设有用于穿设调节螺栓的安装孔。

该子模块还包括与两主母排连接的旁路开关；所述子模块还包括两个支撑轨道，所述IGBT功率单元和旁路开关沿支撑轨道的延伸方向并列固定安装于一固定底座上，所述母排组件固连于旁路开关上方与IGBT功率单元之间，所述固定底座滑动装配于两支撑轨道的一端；所述电容固定装配于两支撑轨道的另一端。

所述支撑轨道上设有滑道，所述固定底座两侧设有用于与支撑轨道上滑道吻合滑动装配的支撑滑杆。

所述电容上在其与支撑轨道固定装配处设有带连接孔的连接板，所述支撑轨道的滑道内设有螺纹滑块，通过连接板的连接孔及螺纹滑块将电容固定安装于支撑轨道的设定位置。

上、下母排叠压设置，第一出线端与第二出线端及第一电容连接端与第二电容连接端之间均通过绝缘板压合在一起；上、下母排对应位置处的上、下对接端通过螺丝连接。

所述每个IGBT功率单元的控制回路外均设有屏蔽罩，在母排组件的顶面设有屏蔽盖。

本发明的用于柔性直流输电的并联子模块整体采用模块化设计，将子模块分解为电容，IGBT功率单元，晶闸管压接单元和旁路开关，结构设计紧凑，布局合理，每个部分可以分别独立进行装配，不仅大大提高了子模块装配效率，而且便于整个装配过程质量控制，便于子模块的安装及元件更换，使子模块安装和拆卸十分方便。

IGBT功率单元和晶闸管单元集中在一起，通过两个复合母排将主回路的元件连接起来，不仅结构十分紧凑，而且有效避免了一般导线对控制回路的干扰。

用屏蔽罩将IGBT功率单元的控制回路罩住，不仅美观，更重要的是可以起到防尘，防电磁干扰的作用。

晶闸管压接采用模块化设计，压接结构简单，操作方便，通过控制压紧螺栓和调节螺栓的旋紧力矩即可实现压接，不仅可以保证晶闸管压接力要求，而且可以保证压力均匀；另外，本压接方式更换晶闸管十分方便，只需松开调节螺栓即可以从旁边将晶闸管取出。

附图说明

图1为本发明柔性直流输电子模块的电气结构图；

图2为本发明柔性直流输电子模块的整体结构图；

图3为支撑轨道及电容装配图；

图4为IGBT功率单元装配图；

图5为晶闸管压接单元装配图；

图6为组合装配图；

图7为本发明第一展开结构图；

图8为第二展开结构图；

图9为第三展开结构连接图；

图10为第四展开结构图；

图11为第五展开结构图；

图12为并联子模块结构布局图。

具体实施方式

如图2所示为本发明柔性直流输电子模块的整体结构图，由图可知，该子模块包括电容1、两个IGBT功率单元和两个主母排；每个IGBT功率单元包括散热器17、并联的两个以上的IGBT模块8及其控制回路3，散热器为板状散热器，各功率单元上的IGBT模块8并列安装于相应板状散热器17的一个板面上，控制回路对应安装在板状散热器的另一个板面上，每个IGBT功率单元还包括复合母排18，复合母排与相应IGBT模块的远离板状散热器的表面贴设连接，复合母排上设置有用于与主母排对应连接的出线端和用于与电容连接的电容连接端、与对应IGBT模块的端子分别对应连接的连接端子（图中未示出）；两主母排分别通过两个复合母排上设置的出线端与对应的IGBT功率单元连接，所述电容通过复合母排上设置的电容连接端与对应的IGBT功率单元连接。

如图5所示，两主母排13之间导电连接有一个晶闸管11，该晶闸管夹设于两主母排中间并通过一个压接装置进行压接固定而构成母排组件5。本实施例的母排组件的压接装置包括两个压接板15、两个压紧螺栓16和一个调节螺栓12，晶闸管11夹设于两主母排13中间，两压接板15分别设于两主母排13外侧，两个压接板15的上下两侧均设有用于穿设压紧螺栓16的安装孔，其中一个压接板的中部设有用于穿设调节螺栓12的安装孔。母排组件5的晶闸管压接采用模块化设计，压接结构简单，操作方便，通过控制压紧螺栓16和调节螺栓12的旋紧力矩即可实现压接，不仅可以保证晶闸管压接力要求，而且可以保证压力均匀。本压接方式另一个优点是更换晶闸管十分方便，只需松开调节螺栓12即可以从旁边将晶闸管取出。另外，在晶闸管单元的顶面设有屏蔽盖21。

如图3所示，该子模块还包括与两主母排连接的旁路开关6和两个支撑轨道7，IGBT功率单元和旁路开关6沿支撑轨道的延伸方向并列固定安装于一固定底座20上，母排组件5固连于旁路开关6上方与IGBT功率单元之间，固定底座20滑动装配于两支撑轨道的一端；电容1固定装配于两支撑轨道7的另一端。支撑轨道7内侧设有滑道，电容1上在其与支撑轨道固定装配处设有带连接孔10的连接板9，支撑轨道的滑道内设有螺纹滑块（图中未示出），利用一个插销通过连接板9上的连接孔10及螺纹滑块将电容1固定安装于支撑轨道7的设定位置。

如图4所示，将IGBT功率单元及其控制回路3均安装在板状散热器17上，不仅结构紧凑，而且可以对控制回路3散热，本实施例的散热器为板状水冷散热器，两水冷散热器上连接有水管2；另外，每个IGBT功率单元的控制回路3外均设有屏蔽罩4，用屏蔽罩将控制回路罩住，不仅美观，更重要的是可以起到防尘，防电磁干扰的作用。

并联IGBT功率单元中IGBT功率模块8与复合母排18的具体连接如下：与两个IGBT功率单元对应连接的复合母排分别为上母排P1和下母排P2，每个IGBT功率单元包括两个并列的IGBT模块，本实施例中将S1和S2放置在上母排上，将S3和S4放置在下母排上，两母排采用叠压式设计结构，将两母排通过一个绝缘隔板1压叠在一起（如图2所示）；由电磁感应定律可知，磁场干扰的强度与导体间包围的面积成正比，当正负母排通过绝缘隔板叠压后会极大的减小正负母排间的耦合面积，能够大大消弱周围功率模块产生磁场的影响。

如图8所示，两并列的IGBT模块在母排上的连接结构完全相同且对称，每个母排均采用对称设计，使得每个母排上的IGBT在电气结构上能够保持对称，使其自身的寄生参数一致，能够实现母排自身的均流。上母排P1上设有用于连接第一主母排的第一出线端out1和用于连接电容的第一电容连接端C1，下母排P2上设有用于连接第二主母排的第二出线端out2和用于连接电容的第二电容连接端C2，上母排上设有与第一出线端导电连接的与各个IGBT模块一一对应的上对接端D1和D2，下母排上设有用于与各个上对接端对接固连的下对接端D3和D4，即将S1的对接端D1和S3的对接端D3通过螺丝连接在一起，将S2的对接端D2和S4的对接端D4通过螺丝连接在一起。

如图9和图10所示，上、下母排上设有用于与各个IGBT模块的端子分别对应连接的上、下连接端子组，各上连接端子组均包括上对接连接端子、上电容连接端子，各下连接端子组均包括下对接连接端子、下电容连接端子和与第二出线端导电连接的第二出线端子。就本实施例而言，上母排P1的第一出线端out1通过导电排与两并联IGBT模块S1和S2的上对接连接端子B1（对应于S1）和B2（对应于S2）连接，第一电容连接端C1与上电容连接端子E1（对应于S1）和E2（对应于S2）连接；下母排P2上的两并联IGBT模块的下对接连接端子A1（对应于S3）和A2（对应于S4）通过对应的上、下对接端（D1和D3及D2和D4）及与P1的第一出线端out1连接，P2的下对接连接端子F1（对应于S3）和F2（对应于S4）与P2的第二电容连接端C2连接，P2的第二出线端子F3（对应于S3）和F4（对应于S4）与P2的第一出线端out2导电连接。

各上、下对接连接端子与相应的上、下对接端通过等长的导电排导电连接，各上、下电容连接端子与相应第一、二电容连接端通过等长的导电排导电连接：对于P1来说，D1到B1的导电排和D2到B2的导电排等长，E1到C1的导电排和E2到C1的导电排也等长；对于P2来说，D3到A1的导电排和D4到A2的导电排等长,F1到C2的导电排和F2到C2的导电排等长。

第一出线端out1与各个上对接端通过等长的导电排导电连接：即D1和D2到out1的导电排等长；第二出线端out2与第二出线端子通过等长的导电排导电连接：即F3到out2的导电排和F4到out2的导电排也等长。由于P1和P2上连接IGBT的母排做到了等长，同时保证了out1和out2对于每个并联IGBT母排连接输入输出的的等长，可以保证叠层母排上对应并联IGBT模块的均流度。

本实施例中对应的out1和out2及C1和C2之间均分别设置在对应母排P1和P2两侧的中部位置。

如图11所示，把两个母排设计成镜像结构，将两母排间的干扰降低到最低。

如图12所示，母排出线采用从中间出线的方式，把旁路开关6放置在一边，将第一出线端口23之间通过绝缘隔板22压合在一起，减小出线导电排之间的耦合面积，减小出线对于并联功率模块的影响。

如图6所示为IGBT功率单元、母排组件5的晶闸管和旁路开关6的组合装配图，由图可知，IGBT功率单元、晶闸管11和旁路开关6均安装于一固定底座20上，固定底座两侧设有用于与支撑轨道上滑道吻合滑动装配的支撑滑杆19。IGBT功率单元和晶闸管集中在一起，通过两个复合母排18和主母排13将主回路的元件连接起来，不仅结构十分紧凑，而且有效避免了一般导线对控制回路的干扰。

本发明的柔性直流输电子模块整体装配过程如下：

（1）按图3所示，将电容1安装在铝型材支撑轨道7上，支撑轨道内有螺纹滑块，可以将电容固定在合适的位置上，并根据实际情况可以进行调节；

（2）按图4所示，在一个水冷散热器17上安装IGBT功率单元，在IGBT功率单元上安装复合母排18，在水冷散热器17的另一面安装其控制回路3，水冷散热器上加工有螺纹沉孔，上面的所有元件均用螺钉直接固定。按照上述方式依次安装另一个IGBT功率单元；

（3）按图5所示，依次将主母排13、晶闸管11及压接装置进行装配，装配结束后按照规定力矩紧固调节螺栓12，保证晶闸管压接力要求；

（4）按图6所示，在固定底座20上依次安装IGBT功率单元，旁路开关6，包括晶闸管11的母排组件5，屏蔽罩4及水管2，安装结束后通过固定底座20上的支撑滑杆19固定在铝型材支撑轨道7上，支撑滑杆19可以在铝型材支撑轨道7内自由滑动，将复合母排18和电容1连接好后固定支撑滑杆。

Claims (8)

1.一种用于柔性直流输电的并联子模块，包括电容、两个IGBT功率单元和两个主母排，每个IGBT功率单元包括散热器、并联的两个以上的IGBT模块及其控制回路，其特征在于：所述散热器为板状散热器，所述各功率单元上的IGBT模块并列安装于相应板状散热器的一个板面上，控制回路对应安装在板状散热器的另一个板面上，所述每个IGBT功率单元还包括复合母排，复合母排与相应IGBT模块的远离板状散热器的表面贴设连接，所述复合母排上设置有用于与主母排对应连接的出线端和用于与电容连接的电容连接端、与对应IGBT模块的端子分别对应连接的连接端子；两主母排分别通过两个复合母排上设置的出线端与对应的IGBT功率单元连接，所述电容通过复合母排上设置的电容连接端与对应的IGBT功率单元连接；

所述与两个IGBT功率单元对应连接的复合母排分别为上、下母排，上母排用于连接第一主母排的出线端为第一出线端、用于连接电容的电容连接端为第一电容连接端，下母排上用于连接第二主母排的出线端为第二出线端、用于连接电容的电容连接端为第二电容连接端，上、下母排上与对应IGBT模块的端子分别对应连接的连接端子分别为上、下连接端子组，上母排上设有与第一出线端导电连接的与各个IGBT模块一一对应的两个以上的上对接端，下母排上设有用于与各个上对接端对接固连的下对接端，各上连接端子组均包括上对接连接端子、上电容连接端子，各下连接端子组均包括下对接连接端子、下电容连接端子和与第二出线端导电连接的第二出线端子，各上、下对接连接端子与相应的上、下对接端通过等长的导电排导电连接，各上、下电容连接端子与相应第一、二电容连接端通过等长的导电排导电连接。

2.根据权利要求1所述的用于柔性直流输电的并联子模块，其特征在于：第一出线端与各个上对接端通过等长的导电排导电连接；第二出线端与第二出线端子通过等长的导电排导电连接。

3.根据权利要求1所述的用于柔性直流输电的并联子模块，其特征在于：所述两主母排之间导电连接有一个晶闸管，所述晶闸管夹设于两主母排中间并通过一个压接装置进行压接固定而构成母排组件；所述母排组件的压接装置包括两个压接板、两个压紧螺栓和一个调节螺栓，所述晶闸管夹设于两主母排中间，两压接板分别设于两主母排外侧，两个压接板的上下两侧均设有用于穿设压紧螺栓的安装孔，其中一个压接板的中部设有用于穿设调节螺栓的安装孔。

4.根据权利要求3所述的用于柔性直流输电的并联子模块，其特征在于：该子模块还包括与两主母排连接的旁路开关；所述子模块还包括两个支撑轨道，所述IGBT功率单元和旁路开关沿支撑轨道的延伸方向并列固定安装于一固定底座上，所述母排组件固连于旁路开关上方与IGBT功率单元之间，所述固定底座滑动装配于两支撑轨道的一端；所述电容固定装配于两支撑轨道的另一端。

5.根据权利要求4所述的用于柔性直流输电的并联子模块，其特征在于：所述支撑轨道上设有滑道，所述固定底座两侧设有用于与支撑轨道上滑道吻合滑动装配的支撑滑杆。

6.根据权利要求4所述的用于柔性直流输电的并联子模块，其特征在于：所述电容上在其与支撑轨道固定装配处设有带连接孔的连接板，所述支撑轨道的滑道内设有螺纹滑块，通过连接板的连接孔及螺纹滑块将电容固定安装于支撑轨道的设定位置。

7.根据权利要求6所述的用于柔性直流输电的并联子模块，其特征在于：上、下母排叠压设置，第一出线端与第二出线端及第一电容连接端与第二电容连接端之间均通过绝缘板压合在一起；上、下母排对应位置处的上、下对接端通过螺丝连接。

8.根据权利要求7所述的用于柔性直流输电的并联子模块，其特征在于：所述每个IGBT功率单元的控制回路外均设有屏蔽罩，在母排组件的顶面设有屏蔽盖。