一種igbt三電平功率模塊的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種IGBT三電平功率模塊，該模塊可應(yīng)用于大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變流器中。該模塊使用的IGBT封裝形式為壓接式封裝，采用NPC三電平單相電路拓?fù)?，模塊內(nèi)部集成有母線支撐電容、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、母線瀉放電路、直流取電電路等。模塊整體不需要外部供電，可自給自足維持IGBT驅(qū)動(dòng)電路的供電需求。同時(shí)模塊內(nèi)部具有多項(xiàng)保護(hù)措施，如IGBT過流保護(hù)、IGBT過壓保護(hù)、短路檢測保護(hù)、門觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電源檢測保護(hù)、脈沖寬度檢測保護(hù)、過溫保護(hù)等。同時(shí)模塊還提供溫度采集的模擬量供機(jī)組使用。
【專利說明】—種IGBT三電平功率模塊

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種IGBT三電平功率模塊。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，生產(chǎn)力的發(fā)展，人類與自然之間的矛盾也逐步加劇，能源逐步成為制約社會(huì)進(jìn)步的主要問題之一。目前使用的常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，均為不可再生的礦石資源，隨著時(shí)間推移必將漸漸枯竭。因此，世界各國已越來越重視可再生能源的開發(fā)利用?？稍偕茉窗ㄌ柲?，風(fēng)能，生物質(zhì)能，水能等等，均可永續(xù)利用。其中，太陽能和風(fēng)能作為新能源的代表，資源潛力大，清潔無污染，近年來越來越受到世界各國的重視，我國在十二五規(guī)劃中明確提出將新能源產(chǎn)業(yè)作為重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。相比而言，風(fēng)能技術(shù)是新能源發(fā)電技術(shù)中技術(shù)最為成熟，最具開發(fā)規(guī)模的發(fā)電方式之一。在有些發(fā)達(dá)國家，風(fēng)電已成為電網(wǎng)中不可或缺的一部分，其發(fā)電量占國家總發(fā)電量的10-20%，據(jù)權(quán)威預(yù)測，到2020年，風(fēng)電將成為世界最重要的能源之一。
[0003]而將目光投向國內(nèi)，我國的風(fēng)能資源十分豐富，具風(fēng)能資源初步統(tǒng)計(jì)顯示，中國陸上離地10米以上風(fēng)能總儲(chǔ)量約為43億千瓦，可開發(fā)容量約為2.5億千瓦。目前，中國已建成數(shù)個(gè)百萬千瓦風(fēng)電基地，發(fā)展十分迅速，2009年新增風(fēng)電裝機(jī)容量約為1303萬千瓦，位居世界第一。而隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組容量正迅速增大，國際上目前運(yùn)行的風(fēng)電系統(tǒng)大多都為兆瓦級(jí)系統(tǒng)，并且均已商業(yè)化，國內(nèi)主流風(fēng)電機(jī)組也正逐步向兆瓦級(jí)機(jī)組轉(zhuǎn)移。從未來的發(fā)展趨勢(shì)看，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量將向更大型化發(fā)展。目前風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量一般為1.5兆瓦到3兆瓦,風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)側(cè)電壓為690V。通過對(duì)風(fēng)電市場的觀察如果繼續(xù)增加風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量則需要將風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)側(cè)電壓提高至3.3kV。而目前的風(fēng)電機(jī)組中變流器使用的半導(dǎo)體器件很難達(dá)到該電壓等級(jí)。所以需要尋求一種新的電路拓?fù)浣鉀Q該問題。
[0004]1981年，日本長崗大學(xué)Nabae等提出二極管中點(diǎn)鉗位(neutral-point-clamped,NPC)型三電平結(jié)構(gòu)以來，三電平逆變器在中高壓變頻調(diào)速、有源電力濾波裝置、電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)兩電平結(jié)構(gòu)相比，三電平結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn):1)每個(gè)功率管上只承受一半的直流側(cè)電壓；2)在相同的開關(guān)頻率下，輸出電壓、電流諧波含量?。?)在每個(gè)功率管導(dǎo)通和關(guān)斷過程中，功率管只承擔(dān)一半的直流側(cè)電壓，因此器件開關(guān)損耗低。
[0005]對(duì)于三電平功率模塊的結(jié)構(gòu)，主要研究方向是使提高散熱性能、保護(hù)性能、使用穩(wěn)定性等多種性能，并且減少體積和減少成本。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的目的是提供一種三電平功率模塊，用以解決現(xiàn)有三電平功率模塊體積大、散熱性能不佳的問題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的方案包括:
[0008]一種IGBT三電平功率模塊，為一相的上下橋臂部分，包括第一開關(guān)管(Tl)、第二開關(guān)管(T2)、第三開關(guān)管(T3)、第四開關(guān)管(T4)，第一二極管(Dl)、第二二極管(D2)，第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)，第一電容(Cl)、第二電容(C2) ; IGBT三電平功率模塊包括箱體
(I)，箱體中依次并列間隔固定設(shè)置第一開關(guān)管(Tl)、第二開關(guān)管(T2)、第一二極管(Dl)、第二二極管(D2)，以及第三開關(guān)管(T3)、第四開關(guān)管(T4);所述第一二極管(Dl)、第二二極管(D2)之間設(shè)有中心點(diǎn)連接銅排(10);第二開關(guān)管(T2)與第一二極管(Dl)之間設(shè)有第一絕緣件(3)，第三開關(guān)管(T3)與第二二極管(D2)之間均設(shè)有第二絕緣件(4);第一開關(guān)管(Tl)、第二開關(guān)管(T2)、第一絕緣件(3)、第一二極管(Dl)之間均設(shè)有散熱板；第二二極管(D2)、第二絕緣件(4)、第三開關(guān)管(T3)、第四開關(guān)管(T4)之間也設(shè)有散熱板；第一開關(guān)管(Tl)與箱體外壁，第四開關(guān)管(T4)與箱體外壁之間也設(shè)有散熱板。
[0009]箱體⑴安裝有蓋板(13)，蓋板(13)上安裝有各開關(guān)管對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路模塊(5、
6、7、8)以及直流取電模塊(9);所述驅(qū)動(dòng)電路模塊靠近對(duì)應(yīng)開關(guān)管的散熱板位置。
[0010]第一電阻(Rl)、第二電阻(R2),第一電容(Cl)、第二電容(C2)位于箱體外部，并列設(shè)置，并且通過中心點(diǎn)連接銅排(10)連接；第一電阻R1、第二電阻R2分別位于第一電容Cl、第二電容C2下方。
[0011]第一二極管(Dl)與第一絕緣件(3)間安裝的散熱器與第一開關(guān)管(Tl)與第二開關(guān)管(T2)間安裝的散熱器底部有銅排(11)短接；第二二極管(D2)與第二絕緣件(4)間安裝的水冷散熱器與第三開關(guān)管(T3)與第四開關(guān)管(T4)間安裝的水冷散熱器底部有銅排
(II)短接。
[0012]所述第一開關(guān)管(Tl)、第二開關(guān)管(T2)、第三開關(guān)管(T3)、第四開關(guān)管(T4)為壓接式IGBT ;第一二極管(Dl)、第二二極管(D2)為壓接式二極管。
[0013]所述散熱板為水冷散熱板。
[0014]本實(shí)用新型的目的提供一種單相的IBGT三相功率模塊，能夠適應(yīng)于風(fēng)力發(fā)電要求，同時(shí)保證在相同的開關(guān)頻率下，輸出電壓、電流諧波含量小，減少電網(wǎng)污染。本實(shí)用新型采用壓接式IGBT和壓接式二極管，按照特定的組合順序和水冷散熱器、絕緣件的配合使用，通過壓接工藝使其成為一個(gè)完整的NPC三電平單相電路拓?fù)?。同時(shí)模塊內(nèi)部集成有母線支撐電容、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、母線瀉放電路、直流取電電路，使模塊完成，達(dá)到安裝簡單、維護(hù)方便的目的，其結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，節(jié)省空間而且散熱性能好。
[0015]驅(qū)動(dòng)電路模塊和直流取電模塊均設(shè)置在箱體外側(cè)，方便進(jìn)行拆裝。散熱器采用水冷散熱器，驅(qū)動(dòng)電路模塊安裝于IGBT臨近的水冷散熱器上方。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的IGBT三電平功率模塊電氣原理圖；
[0017]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的IGBT三電平功率模塊前視圖(去掉箱體前面板)；
[0018]圖3是圖2的俯視圖(去掉箱體蓋板)；
[0019]I箱體，2散熱板，3第一絕緣件，4第二絕緣件，5、6、7、8驅(qū)動(dòng)電路模塊，9直流取電模塊，10中心連接點(diǎn)連接銅排，11第一連接銅排，12第二連接銅排，13蓋板。

【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0021]如圖1所示的一種IGBT三電平功率模塊，為單相的上下橋臂部分，包括第一開關(guān)管Tl、第二開關(guān)管T2、第三開關(guān)管T3、第四開關(guān)管Τ4(Τ1、Τ2、Τ3、Τ4均為IGBT)，第一二極管D1、第二二極管D2，第一電阻R1、第二電阻R2，第一電容Cl、第二電容C2 ;T1、T2、D1、R1、Cl屬于上橋臂，T3、T4、D2、R2、C2屬于下橋臂。T1、T2分別用于連接直流母線，Τ2、Τ3連接點(diǎn)用于連接交流側(cè)。第一電阻R1、第二電阻R2構(gòu)成瀉放回路。
[0022]IGBT三電平功率模塊包括箱體1，箱體中依次并列間隔固定設(shè)置第一開關(guān)管Tl、第二開關(guān)管Τ2、第一二極管D1、第二二極管D2，以及第三開關(guān)管Τ3、第四開關(guān)管Τ4 ;所述第一二極管D1、第二二極管D2之間設(shè)有中心點(diǎn)連接銅排10 ;第二開關(guān)管Τ2與第一二極管Dl之間設(shè)有第一絕緣件3，第三開關(guān)管Τ3與第二二極管D2之間均設(shè)有第二絕緣件4 ;第一開關(guān)管Tl、第二開關(guān)管Τ2、第一絕緣件3、第一二極管Dl之間均設(shè)有散熱板；第二二極管D2、第二絕緣件4、第三開關(guān)管Τ3、第四開關(guān)管Τ4之間也設(shè)有散熱板；第一開關(guān)管Tl與箱體外壁，第四開關(guān)管Τ4與箱體外壁之間也設(shè)有散熱板(圖中僅標(biāo)識(shí)了一個(gè)散熱板2)。
[0023]箱體I的蓋板上安裝驅(qū)動(dòng)電路模塊5、6、7、8以及直流取電模塊。
[0024]第一電阻R1、第二電阻R2,第一電容Cl、第二電容C2位于箱體外部，C1、C2并列設(shè)置，通過中心點(diǎn)連接銅排10連接。第一電阻R1、第二電阻R2分別位于第一電容Cl、第二電容C2下方。
[0025]具體的，本實(shí)施例的IGBT三電平功率模塊結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示，上述開關(guān)管、二極管均為壓接式結(jié)構(gòu)；電容Cl、C2為金屬薄膜電容。如圖2，壓接式IGBT和壓接式二極管的壓接順序?yàn)?'132、01、02、了334。散熱板采用水冷散熱器。Tl左側(cè)與壓接組件間安裝一塊水冷散熱器，Tl與T2間安裝一塊水冷散熱器，T2與絕緣件I間安裝一塊水冷散熱器，Dl與絕緣件I間安裝一塊水冷散熱器，Dl與D2間安裝中心點(diǎn)連接銅排，D2與絕緣件2間安裝一塊水冷散熱器，T3與絕緣件2間安裝一塊水冷散熱器，T3與T4間安裝一塊水冷散熱器，T4右側(cè)與壓接組件間安裝一塊水冷散熱器。Dl與第一絕緣件3間安裝的水冷散熱器與Tl與T2間安裝的水冷散熱器底部有銅排11短接。D2與第二絕緣件4間安裝的水冷散熱器與T3與T4間安裝的水冷散熱器底部有銅排12短接。
[0026]IGBT驅(qū)動(dòng)電路模塊和直流取電回路的安裝位置。IGBT驅(qū)動(dòng)電路的門極、集電極、發(fā)射極與IGBT的門極、集電極、發(fā)射極間采用同軸線連接，且線外有磁環(huán)，防止電磁誤操作的發(fā)生。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路模塊集成了 IGBT過流保護(hù)、IGBT過壓保護(hù)、短路檢測保護(hù)、門觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電源檢測保護(hù)、脈沖寬度檢測保護(hù)。
[0027]直流取電模塊由母線支撐電容的正負(fù)極進(jìn)行供電，當(dāng)母線支撐電容電壓達(dá)到300V以上時(shí)，直流取電電源模塊啟動(dòng)，為驅(qū)動(dòng)回路提供+24V輸出。
[0028]直流取電回路輸入端與正負(fù)母線即Cl的正極與C2間負(fù)極連接。輸出端與各水冷散熱器上方的驅(qū)動(dòng)電路模塊的電源輸入端連接，為驅(qū)動(dòng)電路模塊提供+24V電源。同時(shí)直流取電安裝模塊中引出過溫信號(hào)和溫度測量模擬量信號(hào)。過溫信號(hào)使用溫度繼電器用U行絕緣件固定在陶瓷片上陶瓷片與水冷散熱器接觸面用導(dǎo)熱硅脂涂勻后用螺絲緊固在水冷散熱器上。溫度測量模擬量信號(hào)使用熱電偶用U行絕緣件固定在陶瓷片上陶瓷片與水冷散熱器接觸面用導(dǎo)熱硅脂涂勻后用螺絲緊固在水冷散熱器上。
[0029]溫度采集使用熱敏電阻，過溫保護(hù)使用溫度繼電器，兩者均安裝在水冷板上。由于壓接式IGBT的水冷散熱器需要導(dǎo)電所以水冷散熱器中存在較高的電壓，為此熱敏電阻與溫度繼電器均不能直接安裝在水冷散熱器上方，中間需要增加陶瓷片且熱敏電阻與溫度繼電器與陶瓷片間需要U型固定架進(jìn)行固定。
[0030]圖3是壓接式IGBT的三電平功率模塊俯視布置圖，該圖標(biāo)明金屬薄膜電容C1、C2的位置。Cl的負(fù)極與C2間正極短接，其短接的中點(diǎn)與壓接模塊中的中心點(diǎn)連接銅排10連接。Cl的正極與Tl左側(cè)與壓接組件間安裝的水冷散熱器連接。C2的負(fù)極與T4右側(cè)與壓接組件間安裝的水冷散熱器連接。
[0031]金屬薄膜電容C1、C2的的下方安裝有瀉放回路R1、R2。Rl —端與直流母線正極連接，Rl另一端與R2的一端短接并連接到電容中心點(diǎn)。R2的另一端與直流母線負(fù)極連接。
[0032]本實(shí)用新型所述的母線支撐電容采用兩個(gè)金屬薄膜電容，兩個(gè)電容串聯(lián)使用，同時(shí)引出正負(fù)極和電容串聯(lián)中心點(diǎn)以供開關(guān)元件使用。同時(shí)電容正負(fù)連接高阻值的水冷厚膜電阻，形成母線瀉放回路，使模塊在不進(jìn)行操作時(shí)，盡快瀉放電容電壓，確保維護(hù)安全。電容串聯(lián)中心點(diǎn)除與開關(guān)元件連接外，還需要與模塊整體接地連接在一起，減少模塊整體的對(duì)地的懸浮電壓。
[0033]功率模塊對(duì)外提供過溫保護(hù)接口和溫度采集的模擬量傳輸。模塊整體由4路光纖控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，同時(shí)模塊對(duì)外提供4路光纖反饋信號(hào)，供判斷IGBT在運(yùn)行過程中是否出現(xiàn)故障，由光纖反饋的故障有IGBT過流保護(hù)、IGBT過壓保護(hù)、短路檢測保護(hù)、門觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電源檢測保護(hù)、脈沖寬度檢測保護(hù)。
[0034]以上給出了具體的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型不局限于所描述的實(shí)施方式。本實(shí)用新型的基本思路在于上述基本方案，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本實(shí)用新型的教導(dǎo)，設(shè)計(jì)出各種變形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)。在不脫離本實(shí)用新型的原理和精神的情況下對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行的變化、修改、替換和變型仍落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種IGBT三電平功率模塊，為一相的上下橋臂部分，包括第一開關(guān)管(Tl)、第二開關(guān)管(T2)、第三開關(guān)管(T3)、第四開關(guān)管(T4)，第一二極管(Dl)、第二二極管(D2)，第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)，第一電容(Cl)、第二電容(C2);其特征在于: IGBT三電平功率模塊包括箱體(I)，箱體中依次并列間隔固定設(shè)置第一開關(guān)管(Tl)、第二開關(guān)管(T2)、第一二極管(Dl)、第二二極管(D2)，以及第三開關(guān)管(T3)、第四開關(guān)管(T4);所述第一二極管(Dl)、第二二極管(D2)之間設(shè)有中心點(diǎn)連接銅排(10);第二開關(guān)管(T2)與第一二極管(Dl)之間設(shè)有第一絕緣件(3)，第三開關(guān)管(T3)與第二二極管(D2)之間均設(shè)有第二絕緣件(4);第一開關(guān)管(Tl)、第二開關(guān)管(T2)、第一絕緣件(3)、第一二極管(Dl)之間均設(shè)有散熱板；第二二極管(D2)、第二絕緣件(4)、第三開關(guān)管(T3)、第四開關(guān)管(T4)之間也設(shè)有散熱板；第一開關(guān)管(Tl)與箱體外壁，第四開關(guān)管(T4)與箱體外壁之間也設(shè)有散熱板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種IGBT三電平功率模塊，其特征在于，箱體(I)安裝有蓋板(13)，蓋板(13)上安裝有各開關(guān)管對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路模塊(5、6、7、8)以及直流取電模塊(9);所述驅(qū)動(dòng)電路模塊靠近對(duì)應(yīng)開關(guān)管的散熱板位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種IGBT三電平功率模塊，其特征在于，第一電阻(R1)、第二電阻(R2)，第一電容(Cl)、第二電容(C2)位于箱體外部，并列設(shè)置，并且通過中心點(diǎn)連接銅排(10)連接；第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)分別位于第一電容(Cl)、第二電容(C2)下方。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種IGBT三電平功率模塊，其特征在于，第一二極管(Dl)與第一絕緣件(3)間安裝的散熱器與第一開關(guān)管(Tl)與第二開關(guān)管(T2)間安裝的散熱器底部有銅排(11)短接；第二二極管(D2)與第二絕緣件(4)間安裝的水冷散熱器與第三開關(guān)管(T3)與第四開關(guān)管(T4)間安裝的水冷散熱器底部有銅排(11)短接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種IGBT三電平功率模塊，其特征在于，所述第一開關(guān)管(Tl)、第二開關(guān)管(T2)、第三開關(guān)管(T3)、第四開關(guān)管(T4)為壓接式IGBT ;第一二極管(Dl)、第二二極管(D2)為壓接式二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種IGBT三電平功率模塊，其特征在于，所述散熱板為水冷散熱板。
【文檔編號(hào)】H05K7/20GK204030936SQ201420342558
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】孫健, 翟超, 徐明明, 劉海艦, 許恩澤, 王鴻飛, 王青龍, 郜亞秋 申請(qǐng)人:許繼電氣股份有限公司