CN104201866B - 一种绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜 - Google Patents

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本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，包括柜体以及柜体内部安装的六组逆变/整流功率模块、三组直流滤波电容与搭接母排。所述柜体内部，从上至下内分为上层、中层、下层，在深度方向上分为前部、中部、后部；则柜体内每层以相同布局布置有两组逆变/整流功率模块与一组直流滤波电容，均位于柜体中部靠前位置。六组逆变/整流功率模块均通过水冷散热板散热，水冷散热板通过柜体内前部的水路母管与外部循环冷却水路相连；搭接母排安装于柜体后部，包括每组逆变/整流功率模块上安装的层叠母排A，以及每组直流滤波电容上安装的层叠母排B。本发明的优点为：电路杂散电感少，输出能力高；且采用模块化结构，便于安装组接，可适用于不同工程要求。

Description

一种绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜
技术领域
本发明属于半导体开关技术领域，特别是提供了一种新型绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)三电平功率模块，它适用于0.5～5MVA大功率变频器中，可广泛应用于中、高压传动领域。
背景技术
IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输进阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，在各种电力变换中获得极广泛的应用。
自从日本长冈科技大学A.Nabae等人在1980年IAS年会上提出多电平变流器概念以来，多电平变流技术飞速发展。该电路以低压器件获得高压输出的概念，为中高压大功率变流器的研究提供了一条崭新的思路，具有两电平变流器不可比拟的一系列优势。在多电平变流器中，除了少量的四电平和五电平变流器产品，三电平变流器得到推广。现今国内，一些企业包括各类基于IGBT的3kv以下中压变频器和基于IGCT的6kv以上高压变频器，各类三电平拓扑中，二极管中点箝位型三电平结构广泛应用在以静止同步补偿器、有源电力滤波器为代表的柔***流输电技术和以中高压变频为代表的大电机拖动、风力发电等领域。其***相对简单，成本较低。但由于开关器件和二极管数量较多，为了优化各器件的关断特性，结构设计具有相当的难度，尤其是在器件体积较大而端子距离较远的情况下。在每个开关器件上并联阻容吸收电路是一个可行的方法，但元器件增加会造成***可靠性下降，功率电阻发热带来的机壳内部温升也会成为一大问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种减少电路杂散电感，提高装置输出能力的模块化的结构，便于安装组接，可适用于不同工程要求的绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜。
本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，包括柜体以及柜体内部安装的六组逆变/整流功率模块、三组直流滤波电容与搭接母排。
所述柜体内部，从上至下内分为上层、中层、下层，在深度方向上分为前部、中部、后部；则柜体内每层以相同布局布置有两组逆变/整流功率模块与一组直流滤波电容，两组逆变/整流功率模块分别位于直流滤波电容左右两侧，且与直流滤波电容具有间距；且柜体两侧的逆变/整流模块间采用背靠背式的电路结构。柜体内每层中两组逆变/整流功率模块与一组直流滤波电容均位于柜体中部靠前位置。上述六组逆变/整流功率模块相互独立，结构相同，每组逆变/整流功率模块构成逆变/整流输出的一相。
六组逆变/整流功率模块均通过水冷散热板散热，水冷散热板通过水路母管与外部循环冷却水路相连；水路母管安装于柜体内，位于柜体前部。
搭接母排安装于柜体后部，包括每组逆变/整流功率模块中IGBT元件与箝位二极管上安装的层叠母排A，以及每组直流滤波电容上安装的层叠母排B。层叠母排A用来实现IGBT元件与箝位二极管间的电路连接；层叠母排A与层叠母排B相连，实现逆变/整流功率模块与直流滤波电容间的电路连接。同时，柜体上层、中层与下层的层叠母排B间相连，实现柜体内由上至下三组直流滤波电容直流侧间相互短接。
本发明的优点在于：
1、本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，采用背靠背式的电路结构，使六组逆变/整流功率模块单元在结构上完全相同；
2、本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，将IGBT应用电路中的各电力电子元件集成于一个功率柜中，有效减小了占用体积；
3、本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，采用二极管箝位式三相三电平逆变电路结构，提高了电压等级，解决了电力电子元件器件耐压不足的问题，减少了电路杂散电感，提高了装置的输出能力；
4、本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，逆变/整流功率模块单元的一致性和相同性，有助于功率单元柜的安装、调试和维修等工作，提高了工作效率，同时也为最小停机时间的维护和维修工作打下了基础；
5、本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，装卸便利，结构紧凑，体积较小。
附图说明
图1为本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜整体结构正视示意图；
图2为两组逆变/整流功率模块与一组直流滤波电容间位置示意图；
图3为逆变/整流功率模块中IGBT元件与箝位二极管布局示意图；
图4为逆变/整流功率模块上的层叠母排A结构示意图；
图5为本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜整体结构后视示意图；
图6为柜体内一层中层叠母排A与层叠母排B间的连接方式示意图。
图中：
1-柜体 2-逆变/整流功率模块 3-直流滤波电容
4-搭接母排 5-水路母管 201-箱体
202-水冷散热器 203-IGBT元件 204-箝位二极管
401-层叠母排A 402-层叠母排B 403-直流外接P母排
404-交流外接母排 405-直流外接M母排 406-直流外接N母排
407-层叠母排C
具体实施方式
本发明一种绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，包括柜体1以及柜体1内部安装的六组逆变/整流功率模块2、三组直流滤波电容3与搭接母排4，如图1所示。据电气原理图，合理布置各个电力电子元器件的位置，构成绝缘栅双极型晶体管三电平功率模块，具体布置方式如下：
所述柜体1内部，从上至下内分为上层、中层、下层，在深度方向上分为前部、中部、后部；则柜体内每层以相同布局布置有两组逆变/整流功率模块2与一组直流滤波电容3，两组逆变/整流功率模块2分别位于直流滤波电容3左右两侧，且与直流滤波电容3等间距，如图2所示；且柜体两侧的逆变/整流模块间采用背靠背式的电路结构，使六组逆变/整流功率模块在结构上完全相同。柜体1内每层中两组逆变/整流功率模块2与一组直流滤波电容3均位于柜体1中部靠前位置。
上述六组逆变/整流功率模块2相互独立，每组逆变/整流功率模块2构成逆变/整流输出的一相，每组逆变/整流功率模块2即为一相完整的桥臂。逆变/整流功率模块2包括箱体201、板式水冷散热器202、IGBT元件203、箝位二极管204，如图2、图3所示。箱体201采用厚型钢板通过机械加工制成；箱体201内底面上安装水冷散热器202；水冷散热器202采用铝制材质，内部加工水道，侧壁上开有进水口与回水口，通过水路母管5与外部循环冷却水路相连，实现对水冷散热器202上表面安装的发热元件(IGBT元件、箝位二极管)的循环水冷却，同时使功率电路接口与水路接口前后布置，相互隔开，避免各接口间的相互干扰；所述水路母管5安装于柜体1内，位于柜体1前部，如图1所示。所述IGBT元件203为n只，n≥4，箝位二极管204为1只；n只IGBT元件203在水冷散热器202上表面周向均布安装，箝位二极管204安装在水冷散热器202上表面中心位置，本实施方式中采用4个IGBT元件。
搭接母排4安装于柜体1后部，包括每组逆变/整流功率模块2中IGBT元件203与箝位二极管204上安装的层叠母排A401，以及每组直流滤波电容3上安装的层叠母排B402，如图4、图5所示。层叠母排A205用来实现IGBT元件203与箝位二极管204间的电路连接；同时还还起到了减小了回路中的杂散电感、节省空间的作用。层叠母排A401一侧具有四组外接母排，分别为直流外接P母排403，交流外接母排404，直流外接M母排405与直流外接N母排406，用来实现逆变/整流功率模块2与直流滤波电容3间的电器连接，以及现场电缆的连接。层叠母排B402用来实现逆变/整流功率模块2与直流滤波电容3间的电路连接。
上述柜体1每层中，层叠母排B402两侧分别与两组逆变/整流功率模块2中层叠母排A401的直流外接P母排403、直流外接M母排405与直流外接N母排406相连，实现两组逆变/整流功率模块2与直流滤波电容3接线端子的连接，如图6所示；由此缩短了直流滤波电容3与两组逆变/整流功率模块2中IGBT元件203之间的距离，减小杂散电感。两组逆变/整流功率模块2上的层叠母排A401的交流外接母排404，分别通过一块层叠母排C407由柜体下部后侧壁处引出，以一定的安全距离并排排布，用来实现与现场电缆的连接。同时，柜体1上层、中层与下层的层叠母排B402间相连，由此实现柜体1内由上至下三组直流滤波电容3直流侧间相互短接，有利于改善IGBT元件203关断特性，也利于节省柜体后部的空间。

Claims (1)

1.一种绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，其特征在于：包括柜体以及柜体内部安装的六组逆变/整流功率模块、三组直流滤波电容与搭接母排；
所述柜体内部，从上至下内分为上层、中层、下层，在深度方向上分为前部、中部、后部；则柜体内每层以相同布局布置有两组逆变/整流功率模块与一组直流滤波电容，两组逆变/整流功率模块分别位于直流滤波电容左右两侧，且与直流滤波电容具有间距，柜体两侧的逆变/整流模块间采用背靠背式的电路结构；柜体内每层中两组逆变/整流功率模块与一组直流滤波电容均位于柜体中部靠前位置；上述六组逆变/整流功率模块相互独立，结构相同，每组逆变/整流功率模块构成逆变/整流输出的一相；
六组逆变/整流功率模块均通过水冷散热板散热，水冷散热板通过水路母管与外部循环冷却水路相连；水路母管安装于柜体内，位于柜体前部；所述逆变/整流功率模块包括箱体、板式水冷散热器、IGBT元件与箝位二极管；箱体内底面上安装水冷散热器；IGBT元件为n只，n≥4，箝位二极管为1只；n只IGBT元件在水冷散热器上表面周向均布安装，箝位二极管安装在水冷散热器上表面中心位置；同时使功率电路接口与水路接口前后布置，相互隔开，避免各接口间的相互干扰；
搭接母排安装于柜体后部，包括每组逆变/整流功率模块中IGBT元件与箝位二极管上安装的层叠母排A，以及每组直流滤波电容上安装的层叠母排B；层叠母排A用来实现IGBT元件与箝位二极管间的电路连接；层叠母排A与层叠母排B相连，实现逆变/整流功率模块与直流滤波电容间的电路连接；同时，柜体上层、中层与下层的层叠母排B间相连，实现柜体内由上至下三组直流滤波电容直流侧间相互短接；
所述层叠母排A一侧具有四组外接母排，分别为直流外接P母排，交流外接母排，直流外接M母排与直流外接N母排；柜体每层中，层叠母排B两侧分别与两组逆变/整流功率模块中层叠母排A的直流外接P母排、直流外接M母排、直流外接N母排相连；交流外接母排通过层叠母排C由柜体下部后侧壁处引出。
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