CN102025261A - 风冷变流器功率模块系统 - Google Patents

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Abstract

风冷变流器功率模块系统，包括：风冷变流器功率模块系统为模块化设计，由多个单桥臂功率单元模块以及系统交直流母排、整体风道组成，整个系统包括：单桥臂功率单元模块(1)，模块前风道(2)，模块后风道(3)以及由系统正直流母排(4)和系统负直流母排(5)组合而成的低电感层叠母排，其中，多个单桥臂功率单元模块(1)通过系统正直流母排(4)和系统负直流母排(5)组合而成的低电感层叠母排进行电气连接。本发明解决了功率单元模块内部由于器件多而略显杂乱的问题；多个模块在柜内空间形成单独风道，保证散热量和尽量小的风压损耗。

Description

风冷变流器功率模块系统
技术领域
本发明属于半导体变流技术领域，涉及一种大功率变流器所用的变流器风冷功率模块系统。
背景技术
目前，大功率的变流器普遍采用以单个变流器桥臂作为一个功率单元模块的方式，通过模块外部连接组合而成。同时，单个模块配置单个风机，这种模式的优点在于：配置灵活，通过组合可以配置为不同功率级别的变流器；模块式结构，安装方便，易于实现大批量生产。缺点在于：由于元器件较多，集中布置在功率模块后难以形成风道，元器件损耗产生的热量不易散去，同时单体模块散热不容易实现扩展，风机故障在变流器运行中影响较大，同时考虑到安全绝缘距离，功率单元模块体积普遍偏大，不适用于像风电行业这样受空间限制的行业。
发明内容
针对以上不足，本发明提供一种适用于兆瓦级大功率变流器的风冷功率模块系统，其特征是：高电压、大电流、功率大、对外辐射小、安全可靠性高、安装方便、结构紧凑。
本发明通过如下技术方案来实现：风冷功率模块系统由多个单桥臂功率单元模块以及系统交直流母排、整体风道构成（如图1所示）。具体包括：单桥臂功率单元模块，模块前风道，模块后风道以及由系统正直流母排和系统负直流母排组合而成的低电感层叠母排，其中，系统正直流母排、系统负直流母排层叠布置，中间用高压绝缘PET纸进行电气隔离；多个单桥臂功率单元模块通过系统正直流母排和系统负直流母排组合而成的低电感层叠母排进行电气连接。
单桥臂功率单元模块通过前后风道构成水平风道与外部离心风扇构成绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)风冷散热器散热风道；该散热风道通过柜体外离心风机构成独立于柜体空间、平行于模块结构的风道；带风冷散热器的IGBT模块放置于单桥臂功率单元模块底板安装板上，以左侧出线方式引出交流母排，通过外部连接至主回路，而底板安装板采用滑轨方式进行安装和固定；底部安装板上开有电容安装孔，直流母线薄膜电容与之进行固定连接；模块正直流母排、模块负直流母排所组成的层叠母排平行布置，采用后出线方式，它们左侧各有4个连接头，左侧的连接头与模块正直流母排、模块负直流母排是一个整体母排；IGBT模块与模块正直流母排、模块负直流母排通过螺栓在左侧的连接头处固定连接，吸收无感电容安装在所述连接上。模块正直流母排、模块负直流母排后侧90°直角向内折叠，并与底部安装板平行，形成安装直流母线薄膜电容的空间，同时形成直流母线薄膜电容散热风道；多个直流母线薄膜电容正、负极在模块正直流母排、模块负直流母排所开的电容安装孔上通过螺栓进行电气连接。 
采用上述方案后，本发明具有如下优点：解决了功率单元模块内部由于器件多而略显杂乱的问题；多个模块在柜内空间形成单独风道，保证散热量和尽量小的风压损耗；自上而下三个模块一组的风道设计方式，便于实现今后针对功率等级对功率模块的选择和离心风机的配置，加强了可扩展性和可靠性；风冷散热器风道通过柜体上相应位置的开孔以及导条摆放，能够对风压/风流量进行灵活控制，以达到不同功率等级模块的配置要求；没有采用任何电缆电线连接，增加了可靠性；直流支撑电容采用膜电容，具备功率损耗和自感低，抗浪涌电压高，纹波电流大，以及使用寿命长等优点；并且直流支撑电容选用膜电容，电压等级高，无需传统电解电容并联所用的均压电阻，精简了结构，消除了因均压电阻问题引起的电容故障问题；吸收无感电容采用全并联结构，并预留通用接口，提高可靠性，便于扩展；底板和模块之间采用抽拉式导轨安装方式，增加了维护和安装的便利性；此安装方式也便于集成直流CROWBAR结构。
附图说明
图1是本发明的前端示意图；
         图2是本发明的后端示意图；
         图3是本发明的外观示意图；
         图4是本发明的系统正负直流母排示意图；
         图5是本发明的单桥臂功率单元模块俯视图；
         图6是本发明的单桥臂功率单元模块正视图；
       图7是本发明的单桥臂功率单元模块正负直流母排示意图。
具体实施方式
    本发明采用单桥臂功率模块并联结构，附图1所示为从上至下六个单桥臂功率模块(1)的并联。如图3所示，所有模块通过系统正直流母排(4)、系统负直流母排(5)并联实现一体化安装。每个功率模块的风道平行放置，前后风道(2) (3)安装距离与前后门距离一致，形成独立于柜内空间的风道，通过柜后离心风机形成从前至后的抽风，带走变流器运行时模块的发热量。
每个单桥臂功率模块包括带风冷散热器的IGBT模块(6)，交流母排(7)，吸收无感电容(8)，模块正直流母排(9)，模块负直流母排(10)，薄膜电容(11)，风冷散热器风道(12)。其中模块正直流母排(9)和模块负直流母排(10)根据直流母线薄膜电容(11)的数量和功率单元模块直流侧引出铜排尺寸开孔，中间垫高压绝缘纸后压装成层叠母排，如图5所示，模块正直流母排(9)和模块负直流母排(10)后方折叠成90°直角，用于安装系统正直流母排（4）和系统负直流母排（5）组合而成的低电感层叠母排。在单桥臂功率模块直流层叠母排下方放置直流母线薄膜电容(11)，直流母线薄膜电容(11)正负极与模块正直流母排(9)、模块负直流母排(10)通过螺栓连接；模块正直流母排(9)和模块负直流母排(10)左侧上下各有4个连接头，用于和带风冷散热器的IGBT模块(6)通过螺栓有机连接，在连接处同时并联吸收无感电容(8)。
带风冷散热器的IGBT模块(6)与功率模块底部安装板通过抽拉式导轨进行固定和安装；交流母排(7)左侧折叠开孔，便于和外部铜排连接；交流母排(7)折叠位置可因外部主回路接线做出调整。

Claims (12)

1.风冷变流器功率模块系统，其特征是：风冷变流器功率模块系统为模块化设计，由多个单桥臂功率单元模块以及系统交直流母排、整体风道组成，整个系统包括：单桥臂功率单元模块(1)，模块前风道（2），模块后风道(3)以及由系统正直流母排（4）和系统负直流母排（5）组合而成的低电感层叠母排，其中，多个单桥臂功率单元模块(1)通过系统正直流母排（4）和系统负直流母排（5）组合而成的低电感层叠母排进行电气连接。
2.根据权利要求1所述的风冷变流器功率模块系统，其特征是：系统正直流母排(4)、系统负直流母排(5)层叠布置，中间用高压绝缘PET纸进行电气隔离。
3.根据权利要求1所述的风冷变流器功率模块系统，其特征是：多个单桥臂功率单元模块(1)通过模块前风道（2），模块后风道(3)构成独立于柜体空间的散热风道。
4.根据权利要求1风冷变流器功率模块系统，其特征是，所述的单桥臂功率单元模块(1)包括：带风冷散热器的IGBT模块（6），交流母排(7)，吸收无感电容(8)，模块正直流母排（9），模块负直流母排(10)，直流母线薄膜电容(11)， 风冷散热器风道(12)，其中，多个直流母线薄膜电容(11)通过在模块正直流母排(9)、模块负直流母排(10)上所开的电容安装孔与模块正直流母排(9)、模块负直流母排(10)进行电气连接。
5.根据权利要求4所述的风冷变流器功率模块系统，其特征是：所述直流母线薄膜电容(11)通过在模块底部安装板上所开电容安装孔与模块底板进行固定连接。
6.根据权利要求4所述的风冷变流器功率模块系统，其特征是：所述模块正直流母排(9)、模块负直流母排(10)所组成的层叠母排与底部安装板平行布置，形成直流母线薄膜电容(11)散热风道。
7.根据权利要求4所述的风冷变流器功率模块系统，其特征是：所述风冷散热器风道(12)通过柜体外离心风机构成独立于柜体空间、平行于模块结构的风道。
8.根据权利要求4所述的风冷变流器功率模块系统，其特征是：所述风冷散热器风道(12)通过柜体上相应位置的开孔以及导条摆放，能够对进风口的风压/风流量进行灵活控制。
9.根据权利要求4所述的风冷变流器功率模块系统，其特征是：所述带风冷散热器的IGBT模块(6)在底板上安装，底板采用滑轨方式进行安装和固定，同时与模块正直流母排（9）、模块负直流母排（10）所组成的层叠母排平行布置，模块正直流母排（9）、模块负直流母排（10）左侧各有4个连接头与带风冷散热器的IGBT模块（6）连接，模块正直流母排（9）、模块负直流母排（10）与连接头是一个整体母排。
10.根据权利要求4所述的风冷变流器功率模块系统，，其特征是：所述吸收无感电容（8）通过带风冷散热器的IGBT模块(6)与模块正直流母排(9)、模块负直流母排(10)所组成的层叠母排固定的螺栓进行连接。
11.根据权利要求4所述的风冷变流器功率模块系统，，其特征是：所述吸收无感电容(8)采用全并联结构，并预留通用接口，提高可靠性，便于扩展。
12.根据权利要求4所述的风冷变流器功率模块系统，其特征是：所述模块正直流母排(9)、模块负直流母排(10)为后出线方式，交流母排(7)为左侧出线方式。
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