CN104701096B - 一种直流断路器桥式模块 - Google Patents

一种直流断路器桥式模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流断路器桥式模块，所述直流断路器桥式模块包括IGBT压装单元、电容器组、层叠母排、控制单元、供能单元和支撑框架，所述电容器组通过所述层叠母排与所述IGBT压装单元电气连接，所述电容器组与所述控制单元及所述供能单元连接，所述IGBT压装单元、所述电容器组、所述层叠母排、所述控制单元和所述供能单元位于所述支撑框架上。通过本发明提供的技术方案消除了传统焊接式模块在故障状态下的爆胀隐患，极大提高了模块集成度，减小了模块总体积；有效降低了模块在关断大电流时的电压尖峰，同时还为控制单元提供较大的散热面积。

Description

一种直流断路器桥式模块
技术领域
本发明涉及一种制造直流电网用的直流断路器，具体涉及一种直流断路器桥式模块。
背景技术
发电厂、变电站等容量大、电压高的电力***中，直流***为继电保护、操作控制、信号音响以及事故照明等设备提供可靠的电源，而作为直流***中最重要的元器件之一的小型直流断路器，其稳定可靠运行将直接保证整个电力***的安全；信息产业的蓬勃发展迎来了通讯电源、EPS、UPS等直流电源行业的大发展，基站、数据中心象雨后春笋般出现在神州大地上，为了保证直流电源的高精密度要求，作为直流电源中各级馈电回路中最重要的操作和保护元器件的直流断路器，以其可靠的选择性分级配合对保护设备、限制事故范围起着非常重要的作用；目前城市轨道交通体系一般用直流***供电。而其直流电源大多由大功率硅整流装置提供，硅整流装置元器件因过载能力低，所以对直流电网保护元器件的要求更高。快速分析的直流专用断路器是轨道交通中的重要元器件
直流断路器的最基本组成单元为断路器桥式模块。桥式模块在正常工作时，模块承担着导通大电流（1kA以上）的工作。而在故障发生时，桥式模块一方面在短时间内（2ms）承担极高的故障电流（10kA以上），另一方面则可以通过控制模块中的IGBT器件，来实现电流的转移及分断。
现有高压大容量电力电子产品，如直流断路器、STATOM、UPFC及柔性直流输电换流阀等，其中的桥式模块多采用焊接型IGBT器件，而此类模块的设计及生产虽然已较为成熟，但仍然有诸多缺点：
1)故障形式表现为断路，且在发生故障时容易发生爆胀；
2)器件自身寄生参数较大，模块中各IGBT之间通过较长母排连接，导致桥式模块整体寄生参数（寄生电感、寄生电容）控制极为困难，易产生过流及过压等现象；
3)焊接式IGBT应用于桥式模块中时，由于各IGBT间距受周边部件（层叠母排、散热器等）的影响，在布置时，无法提高桥式模块单位体积内的功率容量。
直流断路器的工作原理及环境导致现有的模块单元结构无法再适用于直流断路器。
因此，需要提供一种技术方案来克服以上至少一种缺陷。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种直流断路器桥式模块，所述直流断路器桥式模块包括IGBT压装单元、电容器组、层叠母排、控制单元、供能单元和支撑框架，所述电容器组通过所述层叠母排与所述IGBT压装单元连接，所述电容器组的外壳与所述控制单元及所述供能单元连接，其特征在于，所述IGBT压装单元、所述电容器组、所述层叠母排、所述控制单元和所述供能单元位于所述支撑框架上。
优选地，所述IGBT压装单元由四只压接式IGBT、水冷板式散热器、门极单元、出线母排和压装结构件组成，所述压接式IGBT与所述水冷板式散热器交替设置，所述门极单元与所述水冷板式散热器连接，所述出线母排叠放在所述水冷板式散热器的水冷板上，所述压装结构件通过四根金属拉杆连接。
优选地，所述门极单元采用插接方式与所述水冷板式散热器连接。
优选地，所述出线母排之间接入旁路晶闸管。
优选地，所述压装结构件为两个，所述四根金属拉杆横穿所述压装结构件的四个角，通过螺母将所述金属拉杆的两端固定在所述两个压装结构件的外表面。
优选地，所述四只压接式IGBT与所述电容器组拓扑为H桥结构。
优选地，所述出线母排和所述层叠母排为铜母排。
优选地，所述支撑框架为铝金属焊接结构框架。
优选地，所述直流断路器桥式模块的电感值在40nH以下。
和最接近的现有技术比，本发明的有益效果为：
1. 采用压接式IGBT消除了传统焊接式模块在故障状态下的爆胀隐患，同时通过压装式结构，可以极大程度上提高模块集成度，减小模块总体积；
2. 压装式结构配合层叠母排可以将模块杂散电感控制在40nH以下，有效降低了模块在关断大电流时的电压尖峰；
3. 所述模块的集成化紧凑设计可以实现在相同模块体积内实现更大的换流功率或者在相同换流功率下大大减小模块体积，电容器与控制单元及供能单元的结构集成，同时还可以为控制单元提供较大的散热面积。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明图直流断路器桥式模块正面结构示意图；
图2为本发明图直流断路器桥式模块背面结构示意图；
图3为本发明图直流断路器桥式模块的主视图；
图4为本发明图直流断路器桥式模块的电气结构图；
附图标记说明：1-门极单元；2-IGBT压装单元；3-电容器组；4-层叠母排；5-旁路晶闸管；6-出线母排；7-供能单元；8-支撑框架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
参照图1-图3，图1为本发明图直流断路器桥式模块正面结构示意图；图2为本发明图直流断路器桥式模块背面结构示意图；图3为本发明图直流断路器桥式模块的主视图。图中的直流断路器桥式模块，包括IGBT压装单元2、电容器组3、层叠母排4、控制单元、供能单元和支撑框架8，所述电容器组3通过所述层叠母排4与所述IGBT压装单元2电气连接，所述电容器组3的外壳设计接口与所述控制单元及所述供能单元连接，所述IGBT压装单元2、所述电容器组3、所述层叠母排4、所述控制单元和所述供能单元位于所述支撑框架8上；层叠母排4采用普通的铜母排，可有效降低杂散参数对于模块电气性能的影响。
所述IGBT压装单元2由四只压接式IGBT、水冷板式散热器、门极单元1、出线母排6和压装结构件组成，所述压接式IGBT与所述水冷板式散热器交替叠放安装，所述门极单元1安装在所述水冷板式散热器的专用接口上，所述出线母排6采用普通的铜母排，叠放在所述水冷板式散热器的水冷板上，所述压装结构件通过四根金属拉杆提供压装力，所述之金属拉杆连接紧固在两端法兰上；所述门极单元1采用插接和侧方紧固的方式固定在所述水冷板式散热器的专用接口上，可提高电气接触可靠性，便于快速安装更换；所述压接式IGBT由于其自身设计形式，可以在故障产生时形成短路故障状态，完全避免了传统焊接式器件断路式故障所导致的爆胀现象。
压接型IGBT与层叠母排4的结合应用大幅降低了回路中的杂散电感，所述IGBT压装单元经由出线母排6引至模块外部，所述出线母排6之间并联旁路晶闸管5以备故障切除之需，所述门极单元1及模块控制***通过供能***7提供所需能量，将所有部件固定于支撑框架8上，所述支撑框架8为铝金属焊接结构框架，为整体模块提供安装固定接口及有效支撑，从而形成完整的模块整体。
所述压装结构件的四个角上设置有横穿所述四个角的四根金属拉杆，通过四根金属拉杆提供压装力，所述之金属拉杆连接紧固在两端法兰上。
图4为本发明图直流断路器桥式模块的电气结构图。参照图2，直流断路器模块拓扑为H桥结构，包括四个大功率IGBT器件，以及一只转移换相用电容器，所述之大功率IGBT与电容器组成H桥拓扑结构。
采用本结构的断路器模块因为采用压接式IGBT而避免了故障状态下的爆胀现象，可以在极大程度上提高模块集成度，减小模块总体积；IGBT之间由于采用压装的实现直接连接形式极大程度的减小了器件间的杂散参数，可以将模块杂散电感控制在40nH以下，有效降低了模块在关断大电流时的电压尖峰；同时在增加通流容量的同时提高模块的集成度，使相同模块体积内的功率大大提升；所述模块的集成化紧凑设计可以实现在相同模块体积内更大的换流功率或者在相同换流功率下大大减小模块体积，电容器与控制单元及供能单元的结构集成，同时还可以为控制单元提供较大的散热面积。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种直流断路器桥式模块，所述直流断路器桥式模块包括IGBT压装单元（2）、电容器组（3）、层叠母排（4）、控制单元、供能单元（7）和支撑框架（8），所述电容器组（3）通过所述层叠母排（4）与所述IGBT压装单元（2）连接，所述电容器组（3）的外壳与所述控制单元及所述供能单元（7）连接，其特征在于，所述IGBT压装单元（2）、所述电容器组（3）、所述层叠母排（4）、所述控制单元和所述供能单元（7）位于所述支撑框架（8）上；
所述IGBT压装单元由四只压接式IGBT、水冷板式散热器、门极单元（1）、出线母排（6）和压装结构件组成，所述压接式IGBT与所述水冷板式散热器交替设置，所述门极单元（1）与所述水冷板式散热器连接，所述出线母排（6）叠放在所述水冷板式散热器的水冷板上，所述压装结构件通过四根金属拉杆连接。
2.根据权利要求1所述的直流断路器桥式模块，其特征在于，所述门极单元（1）采用插接方式与所述水冷板式散热器连接。
3.根据权利要求1所述的直流断路器桥式模块，其特征在于，所述出线母排（6）之间接入旁路晶闸管（5）。
4.根据权利要求1所述的直流断路器桥式模块，其特征在于，所述压装结构件为两个，所述四根金属拉杆用连接件固定在所述两个压装结构件的外表面。
5.根据权利要求1所述的直流断路器桥式模块，其特征在于，所述四只压接式IGBT与所述电容器组拓扑为H桥结构。
6.根据权利要求1所述的直流断路器桥式模块，其特征在于，所述出线母排（6）和所述层叠母排（4）为铜母排。
7.根据权利要求1所述的直流断路器桥式模块，其特征在于，所述支撑框架（8）为铝金属焊接结构框架。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的直流断路器桥式模块，其特征在于，所述直流断路器桥式模块的电感值在40nH以下。
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