CN107359801A - 一种压接式iegt柔性直流输电功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,包括箱体以及设置在箱体内前后布置的IEGT功率单元和储能单元,IEGT功率单元与储能单元之间通过DC叠层母排连接,电源模块输入端与DC叠层母排连接,输出端与控制器连接;控制器还与IEGT驱动器和真空接触器连接;本发明具有功率密度大;功率流简单、顺畅;拆卸和维修方便;水冷管路设置科学合理,散热性能好;电气接线的可操作性和抗干扰性强,功率模块具有防漏水功能,整体性能稳定等特点。
Description
技术领域
本发明属于直流输电技术领域,具体涉及一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,主要应用在新型能源接入大电网、孤岛输电、城市环网、不同步的电力***互联等领域。
背景技术
柔性直流输电技术也称VSC-HVDC技术,是一种以电压源型换流器(VSC)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)为基础的新型直流输电技术,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,因此将柔性直流输电技术的优势扩展到配电网,极大地拓宽了HVDC的应用范围,具有广阔的应用前景。
IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor,注入增强栅晶体管),耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件,通过采取增强注入的结构实现了低通态电压,使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。
目前,柔性直流输电***换流阀大部分采用焊接式IGBT模块,这种封装形式采用单面散热,器件的功率发挥受到限制,不易于串并联、耐盐雾差、耐振动冲击和热疲劳性能差。新型平板全压接大功率IGBT/IEGT(简称“压接式IGBT/IEGT”)器件不仅彻底解决了焊接工艺易产生空洞、焊接材料的热疲劳和单面散热效率低下的难题,还消除了因各种零部件产生的热阻、减小了体积和重量,大大提高了IGBT/IEGT的工作效率和可靠性,非常适宜于未来柔性直流输电***对换流阀器件的大功率、高电压、高可靠性要求,压接式IGBT/IEGT器件将在柔性直流输电***中广泛替代焊接式IGBT模块势在必行。
在实际使用中,IEGT一般与续流二极管并联使用。根据IEGT结构和电压等级的不同,有的IEGT和续流二极管为寄生关系,两者为一个整体,仅以IEGT功率器件的形式呈现;有的IEGT和续流二极管为非寄生关系,两者均为独立个体。非寄生关系的IEGT功率器件与有寄生关系的IEGT功率器件相比,同一电路拓扑中,功率器件的数量增加了一倍,同时也带来以下问题:
1、电路关系变得复杂,电气连接难度增加,信号线缆受功率母排干扰问题突出。
2、水冷散热器数量增加,对散热器的可靠性要求提高。
3、散热器上连接的水冷管路数量增加,连接关系更加复杂,水冷管路的可维护性要求提高,管路接头漏水影响功率模块的问题更加突出。
4、功率模块尺寸增大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷,提供一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是,一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,包括箱体以及设置在箱体内前后布置的IEGT功率单元和储能单元,IEGT功率单元与储能单元之间通过DC叠层母排连接,电源模块输入端与DC叠层母排连接,输出端与控制器连接;控制器还与IEGT驱动器和真空接触器连接;
所述IEGT功率单元包括IEGT阀串,IEGT阀串包括IEGT阀串一和IEGT阀串二;IEGT阀串一和IEGT阀串二均包括IEGT、续流二极管、水冷散热器、机械压紧装置、IEGT驱动器、水冷管路和AC母排,其中,IEGT驱动器与对应的IEGT的水冷散热器固定连接,续流二极管、机械压紧装置、水冷管路和AC母排通过阀串连接在一起实现电连接关系;其中,IEGT阀串一和IEGT阀串二中,水冷管路与水冷散热器的接口设置在靠近功率模块侧面的一侧。
IEGT功率单元的前端连接有AC母排,包括AC正母排和AC负母排,两母排分别通过转接母排转接后与真空接触器进行连接。
箱体前端设置有前面板,前面板上设置有进出通排孔和测试端子孔,箱体的两侧均设置有侧盖板,每个侧盖板包括第一侧盖板和第二侧盖板,第一侧盖板和第二侧盖板均设置有散热孔;箱体顶部设置有顶盖板,所述顶盖板包括第一顶盖板和第二顶盖板,第一顶盖板上设置有可开合的舱门,且所述舱门上设有开孔,***光纤通过开孔与功率模块进行连接。
还包括钳位二极管组件,钳位二极管组件包括设置在IEGT阀串顶部的安装板,安装板上安装有与IEGT阀串一一对应的钳位二极管,钳位二极管上设置有连接母排,采用电缆通过连接母排实现钳位二极管与IEGT阀串的连接。
还包括设置在IEGT功率单元顶部用于汇集泄漏水的接水盘,功率模块顶部的接水盘上设置有用于连接换流阀水路***的水路接口,接水盘底部通过排水接头与排水软管一端连通,排水软管另一端伸出箱体。
水冷管路包括进水管和回水管,进水管的进水口和回水管的出水口均设置在接水盘上方。
当多个水冷散热器共用一个进水管和回水管时,相邻水冷散热器之间通过串联水管进行串联;IEGT阀串一的水冷管路为两进两出形式;所述IEGT阀串二的水冷管路为一进一出形式。
储能单元包括储能电容一和储能电容二,均采用一体式储能电容,储能单元通过DC叠层母排实现与IEGT阀串的连接。
所述DC叠层母排一共四块,DC叠层母排的连接端子均设置在顶端;
DC叠层母排一和DC叠层母排二分别与IEGT阀串一和IEGT阀串二中的水冷散热器连接;DC叠层母排三和DC叠层母排四分别与储能电容一和储能电容二进行连接,DC叠层母排一和DC叠层母排三、DC叠层母排二和DC叠层母排四连接,_Dc叠层母排实现储能单元与IEGT阀串的连接。
箱体包括上框架、下框架和支撑架组成的骨架结构,上框架和下框架与支撑架之间均采用采用螺钉连接;前面板为绝缘材料制成。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:本发明能够满足功率密度大;功率流简单、顺畅;拆卸和维修方便;水冷管路设置科学合理,散热性能好;电气接线的可操作性和抗干扰性强,功率模块具有防漏水功能,整体性能稳定等特点。
真空接触器设置在所述箱体前部最下方的位置,真空接触器的导电母排直接作为整个功率模块对外的连接母排;电源模块设置在真空接触器和控制器上下位置之间,方便控制器从电源模块取电;控制器设置了所述功率模块结构所有的电缆及光纤的对外连接,将这些电缆及光纤统一布线至控制器后放置在所述箱体的顶部然后对外连接,不但能够方便的打开所述箱体的盖板,检查出现问题的线路,而且能够为这些对外连接的电缆及光纤提供屏蔽保护的功能;
IEGT功率单元设置在箱体中部位置,既方便电缆及光纤与控制器的连接,又方便转接母排与真空接触器连接;同时还利于DC叠层母排与储能电容的连接;另外,又能将水冷管路与水冷散热器的接口设置在功率模块的两侧便于操作和维护,并使整个功率模块对外连接的水路接口设置在功率模块顶部的接水盘上,方便与换流阀水路***连接,同时使功率模块具有防漏水功能。
进一步的,所述水冷管路与水冷散热器的接口设置在功率模块的两侧便于操作和维护,并使整个功率模块对外连接的水路接口设置在功率模块顶部的接水盘上,方便与换流阀水路***连接,同时使功率模块的具有防漏水功能。
进一步的,接水盘用于汇集泄漏水,接水盘底部通过排水接头连接有用于将泄漏水排出模块外的排水软管,提高了设备运行的稳定性和安全性。
进一步的,所述DC叠层母排一共四块,均为整体式封装结构,精度高、电气性能良好。
进一步的,IEGT驱动器与对应的IEGT的水冷散热器固定连接,如此结构合计能够保证线路的最短连线距离,提高了运行的稳定性。
进一步的,为了获得良好的散热效果,确保IEGT阀串中散热功率最大的水冷散热器优先进水,以及每个冷却水回路之间流阻的匹配,IEGT阀串一的水冷管路为两进两出形式,IEGT阀串二的水冷管路为一进一出形式。
进一步的,DC叠层母排的连接端子均设置在顶端,方便使用。
附图说明
以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
图1为本发明的外部结构示意图。
图2为本发明的部结构示意图。
图3为本发明的IEGT功率单元简化结构图。
图中:100-箱体;101-上框架;102-下框架;103-支撑架;104-顶盖板;1041-第一顶盖板;1042-舱门;1043-第二顶盖板;105-侧盖板;1051-第一侧盖板;1052-第二侧盖板;106-前面板;1061-进出铜排孔;1062-测试端子孔;1063-公司LOGO及相关的造型设计;107-后盖板;200-IEGT功率单元;201-IEGT阀串;2011-IEGT阀串一;2012-IEGT阀串二;2013-IEGT;2014-续流二极管;2015-水冷散热器;2016-机械压紧装置;2017-IEGT驱动器;2018-水冷管路;20181-进水管;20182-回水管;20183-串联水管;2019-AC母排;20191-AC正母排;20192-AC负母排;202-DC叠层母排;2021-DC叠层母排一;2022-DC叠层母排二;2023-DC叠层母排三;2024-DC叠层母排四;203-转接母排;2031-转接母排一;2032-转接母排二;204-短接母排;205-钳位二极管组件;2051-钳位二极管、2052-连接母排;2053-安装板;206-接水盘;207-排水接头;208-排水软管;300-真空接触器;400-储能电容;401-储能电容一;402-储能电容二;500-电源模块;600-控制器;
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明涉及一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,如图1所示,所述箱体100由前至后依次设置有真空接触器300、电源模块500、控制器600、IEGT功率单元200、储能电容400。
其中,所述真空接触器300为整个功率模块的电路提供旁路断开功能,由于体积较大,设置在所述箱体100前部最下方的位置,方便维护和操作,同时真空接触器300的导电母排还直接作为整个功率模块的对外连接母排,避免了功率模块内部导电母排再次转接;所述电源模块500为整个功率模块结构中的控制电路部分供电,设置在真空接触器300和控制器600上下位置之间,方便控制器从电源模块取电;所述控制器600内设置了所述功率模块结构所有的电缆及光纤的对外连接,将这些电缆及光纤统一布线至控制器600后放置在所述箱体100的顶部然后对外连接,不但能够方便的打开所述箱体100的盖板,检查出现问题的线路,而且能够为这些对外连接的电缆及光纤提供屏蔽保护的功能;这些电力电子元器件均属于所述功率模块结构的关键性部件,且需要时常维护和维修,把所述真空接触器300、电源模块500、控制器600集中在所述箱体100的前部,在考虑了电路结构和外部连线的同时,打开所述箱体100的同一部位即可对上述部件进行集中维护。
如图3所示,所述的IEGT功率单元200是整个功率模块中的核心部件,包括IEGT阀串201、DC叠层母排202、转接母排203、短接母排204、钳位二极管组件205、接水盘206、排水接头207及排水软管208。
所述IEGT功率单元200重达200公斤左右,将其设置在箱体100中部位置,既方便电缆及光纤与控制器600的连接,又方便转接母排203与真空接触器300连接;同时还利于DC叠层母排202与储能电容400的连接;另外,又能将水冷管路2018与水冷散热器2015的接口设置在功率模块的两侧便于操作和维护,并使整个功率模块对外连接的水路接口设置在功率模块顶部的接水盘206上,方便与换流阀水路***连接,同时使功率模块具有防漏水功能。
所述储能电容400为整个功率模块的电路结构提供储能和直流电支撑作用,由于所述储能电容400的体积最大,可重达200公斤左右一个,将其设置在所述箱体100的后部,使整个箱体内的电气部件布局更加清晰合理。
所述的IEGT阀串201包括IEGT阀串一2011和IEGT阀串二2012;其中IEGT阀串一2011和IEGT阀串二2012均包括IEGT2013、续流二极管2014、水冷散热器2015、机械压紧装置2016、IEGT驱动器2017、水冷管路2018、AC母排2019,除此之外,IEGT阀串一2011还包括压接阀串中间设置的绝缘垫块2020。
所述的IEGT2013和续流二极管2014使用所需的压紧力值要求相同,能够匹配同一套机械压紧装置2016。
如图3所示,为使功率模块电路连接关系顺畅,所述的IEGT阀串一2011由三块IEGT2013、三块续流二极管2014、一块绝缘垫块2020和八块水冷散热器2015间隔并联在一起,通过机械压紧装置2016压接而成。所述的绝缘垫块2020由绝缘材料加工而成,设置在其中一个IEGT2013和续流二极管2014之间,来确保电气连接关系的正确性。所述的IEGT阀串一2011由两块IEGT2013、两块续流二极管2014和五块水冷散热器2015间隔并联在一起,通过机械压紧装置2016压接而成。
其中,所述的IEGT驱动器2017通过驱动盒直接固定在与IEGT2013有对应关系的水冷散热器2015上,同时设置在IEGT功率单元200靠近控制器600的一侧,方便与控制器600之间的线缆和光纤连接。
所述的水冷管路2018包括进水管20181、回水管20182、串联水管20183;其中,为了获得良好的散热效果,确保IEGT阀串201中散热功率最大的水冷散热器2015优先进水,以及每个冷却水回路之间流阻的匹配,IEGT阀串一2011的水冷管路2018设置为两进两出形式;IEGT阀串二2012的水冷管路2018设置为一进一出形式,同时水冷管路2018的三个进水管20181和三个回水管20182的对外连接接口设置在功率模块顶部的接水盘206上,方便与换流阀水路***连接,同时使功率模块具有防漏水功能。
另外,所述的接水盘206将泄漏水汇集后,通过排水接头207和排水软管208将泄漏水排出模块外,提高了设备运行的稳定性和安全性。
所述的短接母排203将IEGT阀串一2011和IEGT阀串二2012中处于同一电位的水冷散热器2015进行连接,在本发明的优选实施例中,水冷散热器2015的尺寸为180mm*195mm*35mm。
如图2所示,所述的储能电容400包括储能电容一401和储能电容二402,两个均为一体式储能电容,在模块中独立使用。
如图3所示,所述的钳位二极管组件205在整个功率模块充电时起导流作用,包括两块钳位二极管2051、四根连接母排2052和一块安装板2053;四根连接母排2052与两块钳位二极管2051连接后,通过连接母排2052上的连接孔将钳位二极管组件205接入功率模块电路中。
如图3所示,所述的所述AC母排2019为整个功率模块结构中的电路提供交流电;包括AC正母排20191和AC负母排20192,两母排分别将IEGT阀串一2011和IEGT阀串二2012中代表同一导电极性的水冷散热器2015进行连接,然后通过转接母排203转接后与真空接触器300进行连接,最后通过真空接触器300上的导电母排直接与整个柔性直流输电***的电路进行连接,避免了功率模块内部导电母排转接,使整个模块功率流比较顺畅;同时将不需要维护的AC母排2019设置在IEGT阀串一2011和IEGT阀串二2012之间,把方便操作和维护的方位留给了其他有维护需求的部件,同时AC母排2019的设置也拉开了同IEGT驱动器2017之间的距离,使IEGT驱动器2017到IEGT2013之间的驱动线缆长度更短,抗干扰性更强;
如图3所示,所述的DC叠层母排202一共四块,均为整体式封装结构,精度高、电气性能良好。DC叠层母排一2021和DC叠层母排二2022分别与IEGT阀串一2011和IEGT阀串二2012的水冷散热器2015连接;DC叠层母排三2023和DC叠层母排四2024分别与储能电容一401和储能电容二404进行连接,然后又分别将DC叠层母排一2021和DC叠层母排三2023、DC叠层母排二2022和DC叠层母排四2024进行连接;
所述的DC叠层母排202分为四块的拆分和组合设计形式,在保证良好电气性能的同时,还方便了装配,同时通过DC叠层母排202在安装孔处的长调孔设计还能缓解储能电容400、IEGT阀串201这类因体积大、重量重的器件带来的装配误差和模块箱体100的加工误差。
另外,所述的功率模块通过AC母排2019和DC叠层母排202的巧妙设计和应用,规避了由于IEGT2013和续流二极管2014未能封装成一个整体带来的功率器件多、电路连接关系错综复杂的问题,使各种电连接关系比较顺畅,整个模块布局比较清晰和合理。
所述的转接母排203包括转接母排一2031和转接母排二2032。
如图1所示,所述的箱体100包括上框架101、下框架102、支撑架103、顶盖板104、侧盖板105、前面板106、后盖板107;上框架101、下框架102和支撑架103组成箱体100的骨架结构,上框架101和下框架102与支撑架103之间均采用采用螺钉连接,在保证箱体强度,方便电器和结构件装配的同时,由于不用考虑上框架101对储能电容400和IEGT功率单元200吊装的影响,使功率模块的尺寸更加紧凑;
如图1和图2所示,所述的前面板106为绝缘材料制成,前面板106上设有供真空接触器300导电母排进出的进出铜排孔1061,供功率模块测试使用的测试端子孔1062,以及表征公司文化理念的公司LOGO及相关的造型设计1063。
为保证所述箱体100在实际使用中必须具备的密封性和屏蔽性要求,如图1和图2所示,箱体100还设置有顶盖板104。其中,所述顶盖板104包括第一顶盖板1041和第二顶盖板1043;所述第一顶盖板1041上设置有可开合的舱门1042,且所述舱门1042上设有开孔。
所述舱门1042位于控制器600的上方,由于控制器600内有所有功率模块对外连接的电缆和光纤,而这些对外连接的电缆和光纤就是通过所述舱门1042上的开孔与外部连接的,当需要对所述控制器600进行维修维护时,可以只打开所述舱门1042就可以方便的检查所有的电缆和光纤。
Claims (10)
1.一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,其特征在于,包括箱体(100)以及设置在箱体(100)内前后布置的IEGT功率单元(200)和储能单元(400),IEGT功率单元(200)与储能单元(400)之间通过DC叠层母排(202)连接,电源模块(500)输入端与DC叠层母排(202)连接,输出端与控制器(600)连接;控制器(600)还与IEGT驱动器(2017)和真空接触器(300)连接;
所述IEGT功率单元(200)包括IEGT阀串(201),IEGT阀串(201)包括IEGT阀串一(2011)和IEGT阀串二(2012);IEGT阀串一(2011)和IEGT阀串二(2012)均包括IEGT(2013)、续流二极管(2014)、水冷散热器(2015)、机械压紧装置(2016)、IEGT驱动器(2017)、水冷管路(2018)和AC母排(2019),其中,IEGT驱动器(2017)与对应的IEGT(2013)的水冷散热器(2015)固定连接,续流二极管(2014)、机械压紧装置(2016)、水冷管路(2018)和AC母排(2019)通过阀串连接在一起实现电连接关系;其中,IEGT阀串一(2011)和IEGT阀串二(2012)中,水冷管路(2018)与水冷散热器(2015)的接口设置在靠近功率模块侧面的一侧。
2.根据权利要求1所述的一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,其特征在于,IEGT功率单元(200)的前端连接有AC母排(2019),包括AC正母排(20191)和AC负母排(20192),两母排分别通过转接母排(203)转接后与真空接触器(300)进行连接。
3.根据权利要求1所述的一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,其特征在于,箱体(100)前端设置有前面板(106),前面板(106)上设置有进出通排孔(1061)和测试端子孔(1062),箱体的两侧均设置有侧盖板(105),每个侧盖板(105)包括第一侧盖板(1051)和第二侧盖板(1052),第一侧盖板(1051)和第二侧盖板(1052)均设置有散热孔;箱体(100)顶部设置有顶盖板(104),所述顶盖板(104)包括第一顶盖板(1041)和第二顶盖板(1043),第一顶盖板(1041)上设置有可开合的舱门(1042),且所述舱门(1042)上设有开孔,***光纤通过开孔与功率模块进行连接。
4.根据权利要求1所述的一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,其特征在于,还包括钳位二极管组件(205),钳位二极管组件(205)包括设置在IEGT阀串顶部的安装板(2053),安装板(2053)上安装有与IEGT阀串(201)一一对应的钳位二极管(2051),钳位二极管(2051)上设置有连接母排(2052),采用电缆通过连接母排(2052)实现钳位二极管(2051)与IEGT阀串(201)的连接。
5.根据权利要求1所述的一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,其特征在于,还包括设置在IEGT功率单元(200)顶部用于汇集泄漏水的接水盘(206),功率模块顶部的接水盘(206)上设置有用于连接换流阀水路***的水路接口,接水盘(206)底部通过排水接头(207)与排水软管(208)一端连通,排水软管(208)另一端伸出箱体(100)。
6.根据权利要求1所述的一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,其特征在于,水冷管路(2018)包括进水管(20181)和回水管(20182),进水管(20181)的进水口和回水管(20182)的出水口均设置在接水盘(206)上方。
7.根据权利要求6所述的一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,其特征在于,当多个水冷散热器(2015)共用一个进水管(20181)和回水管(20182)时,相邻水冷散热器(2015)之间通过串联水管(20183)进行串联;IEGT阀串一(2011)的水冷管路(2018)为两进两出形式;所述IEGT阀串二(2012)的水冷管路(2018)为一进一出形式。
8.根据权利要求1所述的一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,其特征在于,储能单元(400)包括储能电容一(401)和储能电容二(402),均采用一体式储能电容,储能单元(400)通过DC叠层母排(202)实现与IEGT阀串(201)的连接。
9.根据权利要求1所述的一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,其特征在于,所述DC叠层母排(202)一共四块,DC叠层母排(202)的连接端子均设置在顶端;
DC叠层母排一(2021)和DC叠层母排二(2022)分别与IEGT阀串一(2011)和IEGT阀串二(2012)中的水冷散热器(2015)连接;DC叠层母排三(2023)和DC叠层母排四(2024)分别与储能电容一(401)和储能电容二(402)进行连接,DC叠层母排一(2021)和DC叠层母排三(2023)、DC叠层母排二(2022)和DC叠层母排四(2024)连接,DC叠层母排(202)实现储能单元(400)与IEGT阀串(201)的连接。
10.根据权利要求1所述的一种压接式IEGT柔性直流输电功率模块,其特征在于,箱体(100)包括上框架(101)、下框架(102)和支撑架(103)组成的骨架结构,上框架(101)和下框架(102)与支撑架(103)之间均采用采用螺钉连接;前面板(106)为绝缘材料制成。
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