CN102148219A - 一种绝缘栅双极型晶体管的功率模块 - Google Patents

一种绝缘栅双极型晶体管的功率模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种绝缘栅双极型晶体管的功率模块,所述功率模块包括:电力电子电容器、前端部件、以及底座;所述电力电子电容器和所述前端部件前后排列安装在所述底座上,通过所述底座连接起来;在所述功率模块的一个侧面上,设置有第一连接母排和第二连接母排,用于在功率模块级联时,实现相邻两功率模块之间的连接。采用本发明实施例,能够方便的实现IGBT功率模块串联以满足高压或超高压输出的要求。

Description

一种绝缘栅双极型晶体管的功率模块
技术领域
[0001] 本发明涉及晶体管技术领域,特别是涉及一种绝缘栅双极型晶体管的功率模块。 背景技术
[0002]绝缘栅双极型晶体管 Gnsulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)属于电压 控制型电力电子器件,具有输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、开关速度 快、工作频率高、元件容量大、无吸收电路等优点,已广泛应用于工业变流、电力牵引等领 域。
[0003] 目前主要的应用模式是采用功率单元模块化结构,将IGBT元件、散热器、电力电 子电容器、门极驱动单元、门极驱动电源等主要部件集成在一起,组合成一个完整的具备整 流或逆变功能的单元。功率模块可以是一个桥臂,也可以是一个整流器或逆变器。受IGBT 元件技术水平的限制,目前IGBT元件最高阻断电压只能到6500V ;采用二电平电路的功率 模块中间直流电压约为3500V ;采用三电平电路也只能到约7000V ;采用更多电平数的功率 模块结构过于复杂,工程上很难实现。
[0004] 发明人在研究过程中发现,对于一般的中低压应用系统,现有的功率模块已经够 用。但是,在高压变频调速、柔性直流输电、静止无功补偿等领域,中间直流电压通常从几 十千伏到上千千伏,现有的IGBT功率模块无法满足要求。
发明内容
[0005] 有鉴于此,本发明的目的在于提供一种绝缘栅双极型晶体管的功率模块,能够方 便的实现IGBT功率模块的串联以满足高压或超高压输出的要求。
[0006] 本发明实施例提供一种绝缘栅双极型晶体管的功率模块,所述功率模块包括:电 力电子电容器、前端部件、以及底座;
[0007] 所述电力电子电容器和所述前端部件前后排列安装在所述底座上,通过所述底座 连接起来;
[0008] 在所述功率模块的一个侧面上,设置有第一连接母排和第二连接母排,用于在功 率模块级联时,实现相邻两功率模块之间的连接。
[0009] 优选地,当至少两个所述功率模块级联时,将各功率模块依次并列放置;通过一连 接母排将前一功率模块的第二连接母排与后一功率模块的第一连接母排相连。
[0010] 优选地,所述前端部件包括第一安装板和第二安装板;
[0011] 所述第一安装板和第二安装板分别位于所述前端部件的两侧,且所述第一安装板 和第二安装板分别通过螺钉与所述电力电子电容器相连。
[0012] 优选地,所述前端部件还包括:至少两个IGBT元件和散热器;
[0013] 所述IGBT元件安装在所述散热器上,通过低感母排实现与所述电力电子电容器 之间的电气连接;
[0014] 所述散热器为水冷散热器或风冷散热器。[0015] 优选地,所述前端部件还包括功率电阻;所述功率电阻安装在所述散热器上;所 述功率电阻两端分别与所述低感母排的正排和负排相连。
[0016] 优选地,所述前端部件还包括晶闸管;所述晶闸管的阳极和阴极分别连接所述低 感母排的正排和负排。
[0017] 优选地,所述前端部件还包括旁路开关;所述旁路开关的一端接所述第一连接母 排和第二连接母排,所述旁路开关的另一端接所述低感母排的正排和负排。
[0018] 优选地,所述前端部件还包括控制板;所述控制板上设置有光纤接口 ;通过所述 光纤接口实现所述功率模块与系统之间的通讯。
[0019] 优选地,所述前端部件还包括旁路开关电源和控制电源;
[0020] 所述旁路开关电源用于从所述电力电子电容器中高位取能,转化为旁路开关的闭 合线圈所需的电压,为所述旁路开关的闭合线圈供电。
[0021] 所述控制电源用于从所述电力电子电容器中高位取能,转化为所述控制板所需的 电压。
[0022] 优选地,所述旁路开关电源和所述控制电源集成为一体。
[0023] 优选地,所述前端部件还包括电压检测装置,用于检测所述电力电子电容器的工 作电压。
[0024] 优选地,在所述底座上设置安装孔,用于将所述功率模块安装在系统的基座上;
[0025] 或者,在所述底座上设置吊装,配合梁将所述功率模块吊装在系统的基座上。
[0026] 根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
[0027] 本发明实施例所述IGBT功率模块的电力电子电容器和前端部件前后排列安装在 所述底座上;在所述IGBT功率模块的一个侧面上,设置有第一连接母排和第二连接母排。 在实现至少两个所述IGBT功率模块级联时,只需将若干个IGBT功率模块依次并列放置,将 前一 IGBT功率模块的第二连接母排与后一 IGBT功率模块的第一连接母排相连即可。
[0028] 本发明实施例所述IGBT功率模块,能够方便的实现多个IGBT功率模块之间的级 联,从而很容易的就可以构建不同电压等级和容量的系统,以满足高压或超高压的输出要 求;同时,所述IGBT功率模块结构紧凑,方便安装和维护,节约空间,使系统的结构更加简
附图说明
[0029] 图1为本发明实施例提供的绝缘栅双极型晶体管的功率模块正视图;
[0030] 图2为本发明实施例提供的绝缘栅双极型晶体管的功率模块左视图;
[0031] 图3为本发明实施例的两个IGBT功率模块级联示意图;
[0032] 图4为本发明实施例的前端部件内部器件安装示意图;
[0033] 图5为本发明实施例的IGBT元件安装层的示意图;
[0034] 图6为本发明实施例的IGBT功率模块的控制板安装示意图;
[0035] 图7为本发明实施例的IGBT功率模块的主电路图。
具体实施方式
[0036] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0037] 有鉴于此,本发明的目的在于提供一种绝缘栅双极型晶体管的功率模块,能够方 便的实现IGBT功率模块串联以满足高压或超高压输出的要求。
[0038] 参照图1和图2,分别为本发明实施例提供的绝缘栅双极型晶体管的功率模块正 视图和左视图。
[0039] 所述IGBT功率模块包括:电力电子电容器1、前端部件2、以及底座3。
[0040] 所述电力电子电容器1和所述前端部件2前后排列安装在所述底座3上,通过所 述底座3连接起来。
[0041 ] 在所述IGBT功率模块的一个侧面上,设置有第一连接母排4和第二连接母排5,用 于对IGBT功率模块级联时,实现相邻IGBT功率模块之间的连接。
[0042] 具体的,在至少两个实现IGBT功率模块级联时,只需将若干个IGBT功率模块依次 并列放置,将前一 IGBT功率模块的第二连接母排与后一 IGBT功率模块的第一连接母排相 连即可。
[0043] 本发明实施例所述IGBT功率模块,能够方便的实现多个IGBT功率模块之间的级 联,从而很容易的就可以构建不同电压等级和容量的系统,以满足高压或超高压的输出要 求;同时,所述IGBT功率模块结构紧凑,方便安装和维护,节约空间,使系统的结构更加简
[0044] 如图1所示,所述IGBT功率模块采用前后安装方式,所述前端部件2和电力电子 电容器1前后排列,通过底座3将两者连接起来。
[0045] 优选地,为实现所述IGBT功率模块与系统的装配,可以在所述底座3上设置安装 孔,用于将所述IGBT功率模块安装在系统的基座上。
[0046] 也可以在所述底座3的上端设置吊装12,如图2所示,所述吊装12配合梁使用,能 够方便的将所述IGBT功率模块吊装在系统的基座上。
[0047] 需要说明的是,通过所述吊装12,还可以方便的实现所述IGBT功率模块的搬运。
[0048] 参照图3,为本发明实施例的两个IGBT功率模块级联示意图。如图3所示,将两个 IGBT功率模块并列放置,通过一连接母排6实现两个IGBT功率模块的级联。
[0049] 具体的,所述连接母排6的一端与前一 IGBT功率模块(位于左边的IGBT功率模 块)的第二连接母排5相连,所述连接母排6的另一端与后一 IGBT功率模块(位于右边的 IGBT功率模块)的第一连接母排4相连。其中,在图3中,设定面向图3时,左边为前方向, 右边为后方向。
[0050] 由此,本发明实施例所述IGBT功率模块,能够方便的实现多个IGBT功率模块之间 的级联,以满足高压或超高压输出的要求。
[0051] 优选地,为了便于实现并列的IGBT功率模块之间的连接,可以设置所述第一连接 母排4和第二连接母排5分别靠近所述IGBT功率模块一侧面的两侧边设置。
[0052] 如图2所示,图示IGBT功率模块上,所述第一连接母排4和第二连接母排5分别 靠近该IGBT功率模块的一侧面的左侧边和右侧边设置。由此可以使得,当若干个所述IGBT 功率模块级联时,能够方便的通过所述第一连接母排4实现该IGBT功率模块与其左侧相邻 的IGBT功率模块的互联,而通过所述第二连接母排5可以实现该IGBT功率模块与其右侧 相邻的IGBT功率模块的互联。[0053] 图2中给出了所述第一连接母排4和第二连接母排5的一种具体的实现形式。图 2中所述第一连接母排4和第二连接母排5均为折线形,能够更加方便的实现相邻两IGBT 功率模块之间的互联。当然,在实际应用中,所述第一连接母排4和第二连接母排5的形状 并不限于图2所示,可以根据实际需要具体设定,例如可以为直条型、S型、或弧形等。
[0054] 如图2所示,所述前端部件2包括第一安装板15和第二安装板16。
[0055] 所述第一安装板15和第二安装板16分别位于所述前端部件2的两侧,且所述第 一安装板15和第二安装板16分别通过螺钉17与所述电力电子电容器1相连。通过所述 第一安装板15和第二安装板16,能够增加所述IGBT功率模块的强度,保护所述前端部件2 的内部器件。
[0056] 参照图4和图5,分别为本发明实施例的前端部件内部器件安装示意图和IGBT元 件安装层的示意图。需要说明的是,所述IGBT的元件安装层覆盖在图4中示出的低感母排 7的下方。结合图7,图7为本发明实施例的IGBT功率模块的主电路图。
[0057] 结合图4和图5所示,所述前端部件2还包括:IGBT元件13、散热器14和功率电 阻8。
[0058] 所述IGBT元件13安装在所述散热器14上。所述IGBT元件13和所述电力电子 电容器1之间通过低感母排7实现电气连接。
[0059] 需要说明的是,所述IGBT功率模块上可以包括两个或两个以上所述IGBT元件13。 如图7所示,以两个IGBT元件13为例进行说明。在实际应用中,所述IGBT元件的数量可 以根据需要具体设定。
[0060] 如图7所示,所述IGBT功率模块还包括驱动单元,用于驱动各IGBT元件。
[0061] 通过低感母排7实现IGBT元件13与电力电子电容器1之间的电连接,能够减少 所述IGBT功率模块的换流回路的杂散电感。
[0062] 所述功率电阻8安装在所述散热器14上。所述功率电阻8的两端分别与所述低 感母排7的正排和负排相连。所述功率电阻8用于在所述IGBT功率模块充电时起均压的 作用,在IGBT功率模块停止工作时释放所述电力电子电容器1内的能量。
[0063] 优选地,所述散热器14可以为水冷散热器或风冷散热器。
[0064] 所述前端部件2还可以包括晶闸管9。所述晶闸管9的阳极和阴极分别连接所述 低感母排7的正排和负排。如图7所示,当系统的直流侧发生短路时,开通所述晶闸管9,能 够为所述IGBT元件13中的反并二极管的短路电流分流,从而能够为所述IGBT功率模块提 供自我保护,保护模块不受到损坏。
[0065] 优选地,所述晶闸管9可以为平板式也可以为模块式。
[0066] 如图4所示,所述前端部件2还可以包括旁路开关10。所述旁路开关10的一端接 所述第一连接母排4和第二连接母排5,另一端接所述低感母排7的正排和负排。
[0067] 如图7所示,所述旁路开关10的两端分别接所述IGBT功率模块的电气接口 A和 电气接口 B。所述电气接口 A和电气接口 B即为所述IGBT功率模块的两个输出端子。当级 联的若干个IGBT功率模块中,某一 IGBT功率模块出现严重故障时,通过闭合该故障IGBT 功率模块的旁路开关10,将该故障IGBT功率模块的两个输出端子旁路,从而能够将该故障 IGBT功率模块从整个系统中隔离出来,保证整个系统能够继续正常工作。
[0068] 优选地,所述旁路开关10可以通过一连接母排与所述低感母排7相连。[0069] 所述前端部件2还可以包括电压检测装置11,如图7所示,所述电压检测装置11 的两端与所述电力电子电容器1的两端相连,用于检测所述电力电子电容器1的工作电压。
[0070] 所述前端部件2还包括一控制板20。在所述控制板20上设置有光纤接口,如图 7所示。通过所述光纤接口,可以实现所述IGBT功率模块与系统之间的通讯。需要说明的 是,通过光纤实现IGBT功率模块与系统之间的通讯,能够实现IGBT功率模块的高压电气隔
1¾ O
[0071] 参照图6,为本发明实施例的IGBT功率模块的控制板安装示意图。
[0072] 所述前端部件2还包括旁路开关电源19,安装在所述控制板20上,用于为所述旁 路开关10中的闭合线圈提供电源。
[0073] 如图7所示,所述旁路开关电源19的输入端接所述电力电气电容器1的两端,其 输出端接所述旁路开关10的控制端。该旁路开关电源19从所述电力电子电容器1中高位 取能,转化为旁路开关10的闭合线圈所需的电压,为所述闭合线圈供电。
[0074] 所述前端部件2还包括控制电源18,安装在所述控制板20上用于为所述控制板 20提供工作所需的电能。
[0075] 如图7所示,所述控制电源18的输入端接所述电力电气电容器1的两端,其输出 端接所述控制板20。所述控制电源18从所述电力电子电容器1中高位取能,转化为所述控 制板20所需的电压。
[0076] 需要说明的是,本发明实施例中,所述旁路开关电源19和控制电源18均能够从所 述IGBT功率模块自身的主电路(电子电力电容器)上直接进行高位取能,不需要再为其提 供单独的控制电源,从而解决高压或超高压环境下的电气绝缘问题。
[0077] 优选地,所述旁路开关电源19和所述控制电源18可以集成为一体,同时为所述旁 路开关10和控制板20供电。
[0078] 以上对本发明所提供的一种绝缘栅双极型晶体管的功率模块,进行了详细介绍, 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用 于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的 思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为 对本发明的限制。

Claims (12)

1. 一种绝缘栅双极型晶体管的功率模块,其特征在于,所述功率模块包括:电力电子 电容器、前端部件、以及底座;所述电力电子电容器和所述前端部件前后排列安装在所述底座上,通过所述底座连接 起来;在所述功率模块的一个侧面上,设置有第一连接母排和第二连接母排,用于在功率模 块级联时,实现相邻两功率模块之间的连接。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的功率模块,其特征在于,当至少两个 所述功率模块级联时,将各功率模块依次并列放置;通过一连接母排将前一功率模块的第二连接母排与后一功率模块的第一连接母排相连。
3.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的功率模块,其特征在于,所述前端部 件包括第一安装板和第二安装板;所述第一安装板和第二安装板分别位于所述前端部件的两侧,且所述第一安装板和第 二安装板分别通过螺钉与所述电力电子电容器相连。
4.根据权利要求3所述的绝缘栅双极型晶体管的功率模块,其特征在于,所述前端部 件还包括:至少两个IGBT元件和散热器;所述IGBT元件安装在所述散热器上,通过低感母排实现与所述电力电子电容器之间 的电气连接;所述散热器为水冷散热器或风冷散热器。
5.根据权利要求4所述的绝缘栅双极型晶体管的功率模块,其特征在于,所述前端部 件还包括功率电阻;所述功率电阻安装在所述散热器上;所述功率电阻两端分别与所述低感母排的正排和 负排相连。
6.根据权利要求4所述的绝缘栅双极型晶体管的功率模块,其特征在于,所述前端部 件还包括晶闸管;所述晶闸管的阳极和阴极分别连接所述低感母排的正排和负排。
7.根据权利要求4所述的绝缘栅双极型晶体管的功率模块,其特征在于,所述前端部 件还包括旁路开关;所述旁路开关的一端接所述第一连接母排和第二连接母排,所述旁路开关的另一端接 所述低感母排的正排和负排。
8.根据权利要求7所述的绝缘栅双极型晶体管的功率模块,其特征在于,所述前端部 件还包括控制板;所述控制板上设置有光纤接口 ;通过所述光纤接口实现所述功率模块与系统之间的通讯。
9.根据权利要求8所述的绝缘栅双极型晶体管的功率模块,其特征在于,所述前端部 件还包括旁路开关电源和控制电源;所述旁路开关电源用于从所述电力电子电容器中高位取能,转化为旁路开关的闭合线 圈所需的电压,为所述旁路开关的闭合线圈供电。所述控制电源用于从所述电力电子电容器中高位取能,转化为所述控制板所需的电压。
10.根据权利要求9所述的绝缘栅双极型晶体管的功率模块,其特征在于,所述旁路开 关电源和所述控制电源集成为一体。
11.根据权利要求4所述的绝缘栅双极型晶体管的功率模块,其特征在于,所述前端部 件还包括电压检测装置,用于检测所述电力电子电容器的工作电压。
12.根据权利要求1至11任一项所述的绝缘栅双极型晶体管的功率模块,其特征在于, 在所述底座上设置安装孔,用于将所述功率模块安装在系统的基座上;或者,在所述底座上设置吊装,配合梁将所述功率模块吊装在系统的基座上。
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