CN104201867A - 一种基于热管散热器的三电平igbt功率柜 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜，包括整流功率模块、逆变功率模块、直流母线电容模组、层叠母排以及整流电流传感器和逆变电流传感器；所述整流功率模块与逆变功率模块中的元器件布局方式相同，分别安装在柜体后侧壁上部左侧与右侧，直流母线电容模组固定安装在柜体后侧壁中间，使整流功率模块与逆变功率模块相对于直流母线电容模组左右对称；整流功率模块、逆变功率模块、直流母线电容模组间通过层叠母排连接，且整流功率模块与逆变功率模块还通过层叠母排分别连接整流电流传感器和逆变电流传感器。柜体上部分预留交流进/出线孔位。本发明的优点为：实现了主模块的标准化，结构更加紧凑、增加了易维护性；热管散热方式效率更高；且电路杂散电感更少。

Description

一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜

技术领域

本发明属于半导体开关技术领域，设计一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜，具体来说，是一种模块化程度更高，电路杂散电感更少的三电平IGBT功率柜。

背景技术

在中小功率变流器中，多采用两电平IGBT逆变结构。但是两电平逆变结构电压等级低，容量小，对电机绝缘要求高，电机冲击大，电压畸变率大，电流谐波含量高。并且电磁兼容性能不好，功率器件发热量大。所以三电平变流器设备以其更优异的性能逐渐取代了两电平变流器设备。

三电平IGBT变流器设备与传统的两电平变流器相比较，主要优点是：器件具有2倍的正向阻断电压能力。电平数的增加也使电源侧电流比两电平中的电流更接近正弦，且随着电平数的增加，正弦性越好，功率因数更高。进而能减少谐波和降低开关频率，从而使***损耗减小。还可以提升输出电压等级来减小***电流应力。但是三电平变流器设备也存在一些缺点，如需要较多的开关器件，这些开关器件之间结构布局比较复杂。控制算法复杂。如果器件布局和走线不合理很容易引起电位不平衡问题。所以本发明在结构设计上更加合理的发挥了三电平IGBT变流器的优势。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜，通过将三电平IGBT桥臂集中到单独模块中，再配上驱动电路及直流母线电容模组和层叠母排及热管散热器，在应用中提供元件布局更加合理、结构更加紧凑、散热效率更高的设计。

本发明一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜，

所述整流功率模块与逆变功率模块中的元器件布局方式相同，分别安装在柜体后侧壁上部左侧与右侧，直流母线电容模组固定安装在柜体后侧壁中间，使整流功率模块与逆变功率模块相对于直流母线电容模组左右对称。

所述层叠母排包括整流功率模块层叠母排、逆变功率模块层叠母排与直流母线电容模组层叠母排，分别固定安装于整流功率模块、逆变功率模块以及直流母线电容模组表面。其中，整流功率模块层叠母排右侧伸出端子直接与直流母线电容模组层叠母排左侧伸出端子相连；逆变功率模块层叠母排左侧伸出端子直接与直流母线电容模组模层叠母排右侧伸出端子相连。

所述整流电流传感器与和逆变电流传感器分别固定安装于柜体内壁左侧与右侧，且传感器中心孔分别穿过交流进线母排组与交流出线母排组。交流进线母排组与交流出线母排组分别通过绝缘子固定在柜体内壁上方。交流进线母排组右侧伸出端子连接进线电缆，左侧伸出端子连接到整流功率模块层叠母排的左侧伸出端子。交流出线母排组左侧伸出端子连接到逆变功率模块层叠母排的右侧伸出端子，交流出线母排组右侧伸出端子连接出线电缆。

所述整流功率模块与逆变功率模块各通过一块散热基板安装在柜体上；整流功率模块与逆变功率模块所在的散热基板各连接一个位于柜体外部的热管散热器，热管散热器上方或者下方安装散热风机。

本发明的优点为：

1、本发明一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜，通过将三电平IGBT桥臂集成到单独模块中，再配上驱动电路及直流母线电容模组和层叠母排及热管散热器，元件布局更加合理、结构更加紧凑、散热效率更高；

2、本发明一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜，采用背靠背式的电路结构，使得逆变与整流功率模块在结构上完全相同，因此实现了主模块的标准化，增加了易维护性；且减少了备件的数量并且有助于维修和调试工作；

3、本发明一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜主要功率器件采用热管散热，热管散热器兼有铝散热器和铜散热器的优点，可以实现了自然条件下的高效散热，同时在使用中还设有带温控器的风机，环境温度过高限后自动启动风机，这就保证了功率器件在远低于其极限状态下的长期额定运行。而且，热管散热器正常运行时无噪音，设备灰尘少，这都给维护人员检修时带来极大方便。

4、本发明一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜，模块化程度更高，电路杂散电感更少，体积紧凑，重量轻，装卸便利，便于安装运输，可适合各种工程及矿山应用场合。

附图说明

图1为本发明一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜整体结构剖视示意图；

图2为本发明一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜中整流功率模块与逆变功率模块中的元器件布局方式示意图；

图3为本发明一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜热管散热器以及交流进线孔位、交流出线孔位所在位置示意图。

图中：

1-柜体                  2-整流功率模块              3-逆变功率模块热管散热器

4-直流母线电容模组      5-整流电流传感器            6-逆变电流传感器

7-IGBT                  8-驱动模块                  9-中点箝位二极管

10-散热基板             11-热管散热器               12-整流功率模块层叠母排

13-逆变功率模块层叠母排 14-直流母线电容模组层叠母排 15-交流进线母排组

16-交流出线母排组       17-绝缘子                   18-交流进线孔位

19-交流出线孔位

具体实施方式

本发明一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜，包括柜体1、整流功率模块2、逆变功率模块3、直流母线电容模组4、整流电流传感器5、逆变电流传感器6以及层叠母排，如图1所示。将整流功率模块2、逆变功率模块3和直流母线电容模组4安装在柜体1内，且采用平板安装方式，并排固定在柜体1后壁，且整流功率模块2、逆变功率模块3分别位于直流母线电容模组4两侧，三者间采用背靠背式的电路结构，实现了主模块的标准化，增加了易维护性。且形成背靠背式的电路结构，使得逆变功率模块2与整流功率模块3在结构上完全相同。

整流功率模块2用来将电网电压整流成直流电压送往逆变功率模块3；同时将反向制动产生的能量通过逆变功率模块3逆变成网侧频率电压送往电网。逆变功率模块3用来将直流电变换成交流电，通过电力电子开关的导通与关断，完成逆变的功能。直流母线电容模组作为支撑电容，即维持母线直流电压的恒定，使其基本保持在一定的稳定值范围；而且还起到了一定的储能、平波的作用。

整流功率模块2与逆变功率模块3均具有6个IGBT7和相应的驱动模块8以及6个中点箝位二极管9，分别固定安装在两块散热基板10上，如图2所示；其中，整流功率模块2与逆变功率模块3采用相同的元器件布局方式，另其中6个IGBT7分别为第一～第六IGBT；则其中第一～第三IGBT分别横向安装在散热基板10上部，相应的驱动模块8分别与第一～第三IGBT竖向设置，位于第一～第三IGBT下方；第一～第三IGBT与相应的3个驱动模块8间需保留安全电气间隙。6个中点箝位二极管9固定安装于散热基板10的中部，且分两排布置，每排3个，上下对称；同时相互对称的两个中点箝位二极管9间需保持足够间隙的爬电间距；第四～第六IGBT分别横向安装在散热基板10下部，相应的3个驱动模块8分别与第四～第六IGBT竖向设置，位于第四～第六IGBT下方；第四～第六IGBT与相应的3个驱动模块8间需保留安全电气间隙。通过上述布局在保证安全距离的情况下尽量使散热基板10面积最小并且不影响驱动模块8的接线。上述整流功率模块2与逆变功率模块3分别通过各自所在的散热基板10安装在柜体1后侧壁上部左侧与右侧。整流功率模块2与逆变功率模块3所在的散热基板10各连接一个位于柜体1外部的热管散热器11，如图3所示，热管散热器11上方或者下方安装散热风机。热管散热器有着散热能力强和性价比高的优点。在同等热阻条件下热管散热器消耗材料仅为铝(铜)实体散热器的一半，而且相比水冷设备减少了水路***设备。在IGBT运行起来之后，热源紧密接触热管管壁吸收热量，介质液(水)蒸发变成蒸汽并沿着管道扩散；到了压装有散热片的冷凝段，蒸汽冷凝成水，释放出汽化潜热；在重力的作用下，水再回到蒸发段。这样就完成了一个传热的工作循环。只要热管内部进行的液体蒸发、蒸汽流动、蒸汽凝结、凝结液回流4个工作循环过程不被破坏，热管就会连续不断地从热源传递大量的热到冷端。这不需要外动力来实现，而是通过传热中余量(蒸汽压差)和介质液的重力来驱动。为了增加冷凝段冷凝效果，本发明还通过安装外置风机实现热管散热器11的散热，在最大能力保证了散热的高效同时可以适应任何潮湿、粉尘等恶劣的极端工况。

所述层叠母排包括整流功率模块层叠母排12、逆变功率模块层叠母排13与直流母线电容模组层叠母排14，分别覆盖于整流功率模块2、逆变功率模块3以及直流母线电容模组4表面，且分别设计有与整流功率模块2、逆变功率模块3以及直流母线电容模组4中元器件安装孔位置对应的的螺栓孔位，进而通过螺栓将整流功率模块层叠母排12、逆变功率模块层叠母排13与直流母线电容模组层叠母排14分别与整流功率模块2、逆变功率模块3以及直流母线电容模组4固定。本发明中之所以采用叠层母排，主要由于层叠母排是一种多层复合结构的连接排，与传统的、笨重的、费时和麻烦的配线方法相比，叠层母排可以提供现代的、易于设计、安装快速和结构清晰的配电***；同时，层叠母排具有低电感、低阻抗、抗干扰、可靠性高、节省空间、装配简洁、快捷等特点，可作为大功率模块化的连接部件。上述整流功率模块层叠母排12、逆变功率模块层叠母排13与直流母线电容模组层叠母排14均为三层层叠结构，中间层为绝缘板，将上层与下层隔开，保证绝缘。其中，整流功率模块层叠母排12右侧伸出端子直接与直流母线电容模组层叠母排14左侧伸出端子相连；逆变功率模块层叠母排13左侧的伸出端子直接与直流母线电容模组层叠母排14右侧伸出端子相连。由此，使直流母线电容模组4与整流功率模块2和逆变功率模块3间的连接母线最短，有效地降低了其间的杂散电感，有利于改善IGBT的关断特性，并且便于拆换、维护。

所述整流电流传感器5与逆变电流传感器6分别用来采集本发明一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜整体的交流进线和交流出线的电流，用来为控制***提供实时的电流数字量信息。本发明中整流电流传感器5与和逆变电流传感器6分别固定安装于柜体1内壁左侧与右侧，且整流电流传感器5与和逆变电流传感器6中心孔分别穿过交流进线母排组15与交流出线母排组16。交流进线母排组15与交流出线母排组16分别通过绝缘子17固定在柜体1内壁上方。交流进线母排组15右侧伸出端子连接进线电缆，左侧伸出端子连接到整流功率模块层叠母排12的左侧伸出端子。交流出线母排组16左侧伸出端子连接到逆变功率模块层叠母排13右侧伸出端子，交流出线母排组16右侧伸出端子连接出线电缆。

本发明一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜的配线整体采用上进上出的方式，仅在柜体1顶面预留交流进线孔位18及交流出线孔位19，如图3所示，使本发明一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜可适合各种工程及矿山应用场合。

Claims (4)

1.一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜，包括整流功率模块、逆变功率模块、直流母线电容模组、层叠母排以及整流电流传感器和逆变电流传感器；其特征在于：

所述整流功率模块与逆变功率模块中的元器件布局方式相同，分别通过一块散热基板安装在柜体后侧壁上部左侧与右侧，整流功率模块与逆变功率模块所在的散热基板各连接一个热管散热器，热管散热器上方或者下方安装散热风机。直流母线电容模组固定安装在柜体后侧壁中间，使整流功率模块与逆变功率模块相对于直流母线电容模组左右对称；

所述层叠母排包括整流功率模块层叠母排、逆变功率模块层叠母排与直流母线电容模组模组层叠母排，分别固定安装于整流功率模块、逆变功率模块以及直流母线电容模组表面；其中，整流功率模块层叠母排右侧伸出端子直接与直流母线电容模组层叠母排左侧伸出端子相连；逆变功率模块层叠母排左侧的伸出端子直接与直流母线电容模组层叠母排右侧伸出端子相连；

所述整流电流传感器与和逆变电流传感器分别固定安装于柜体内壁左侧与右侧，且传感器中心孔分别穿过交流进线母排组与交流出线母排组；交流进线母排组与交流出线母排组分别通过绝缘子固定在柜体内壁上方；交流进线母排组右侧伸出端子连接进线电缆，左侧伸出端子连接到整流功率模块层叠母排的左侧伸出端子；交流出线母排组左侧伸出端子连接到逆变功率模块层叠母排的右侧伸出端子，交流出线母排组右侧伸出端子连接出线电缆。

2.如权利要求1所述一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜，其特征在于：所述整流功率模块与逆变功率模块均具有6个IGBT和相应的驱动以及6个中点箝位二极管；另整流功率模块与逆变功率模块中的6个IGBT分别为第一～第六IGBT；则其中第一～第三IGBT分别横向安装在散热基板上部，相应的驱动模块分别与第一～第三IGBT竖向设置，位于第一～第三IGBT下方；6个中点箝位二极管固定安装于散热基板的中部，且分两排布置，每排3个，上下对称；第四～第六IGBT分别横向安装在散热基板下部，相应的3个驱动模块分别与第四～第六IGBT竖向设置，位于第四～第六IGBT下方。

3.如权利要求2所述一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜，其特征在于：所述第一～第三IGBT与相应的3个驱动模块间具有电气间隙；6个中点箝位二极管中相互对称的两个中点箝位二极管间具有爬电间距；第四～第六IGBT与相应的3个驱动间具有电气间隙。

4.如权利要求1所述一种基于热管散热器的三电平IGBT功率柜，其特征在于：所述柜体左右侧壁安装定绝缘子，左右两侧绝缘端子分别位于交流进线母排组与机柜左侧壁之间，交流出线母排组与机柜右侧壁之间。