CN103036400A - 一种中压大功率变频器水冷功率模块 - Google Patents

一种中压大功率变频器水冷功率模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种中压大功率变频器水冷功率模块，它是串联H桥多电平逆变器的一个单相H桥功率单元，属于电力推进技术领域。它包括一个模块框架，正、负功率组件，两个水冷电感，两个水冷电阻，五套为模块输入输出电流提供通道的高压大电流连接器、电源模块、电源转接端子、光电连接器以及滑轨。正、负功率组件处于模块顶部和底部，通过功率组件中的T形水冷散热板对称的固定安装在框架上；两根供T形水冷散热板冷却水进出的分水管直接固定在模块右前部框架上；模块用一对精密重载荷滑轨安装在柜体内。该功率模块具有杂散电感低、功率密度大、结构紧凑、满足正面维护、可靠性高和可维修性好等优点，可应用于中压大功率推进变频器。

Description

一种中压大功率变频器水冷功率模块
技术领域
本发明涉及一种中压大功率变频器水冷功率模块，它是串联H桥多电平逆变器的一个单相H桥功率单元，属于电力推进技术领域。
背景技术
随着电力电子技术及系统集成技术的飞速发展，船舶综合电力推进技术备受关注。船舶综合电力推进有着传统推进方式所不可比拟的优点，在军民用船舶中的应用也越来越多，大功率推进变频器是船舶综合电力推进系统的核心设备之一。串联H桥多电平逆变器是中压大功率传动系统中应用最为广泛的逆变器拓扑结构之一，它是由多个单相H桥逆变器组成的，把每个功率单元的交流输出串联起来，实现中压输出，并减小输出电压的谐波。目前，中压大功率变频器在工业生产中应用比较广泛，技术也日趋成熟，但常规的大功率变频器体积大，且不能满足正面维修及船舶使用环境等要求，在船舶应用领域受到限制。因此，对船用大功率变频器的研制很有必要，而我国在该领域的研究处于起步阶段。
发明内容
本发明的目的是：为了克服常规研制的大功率变频器在体积、功率密度及可维修性等方面的局限性，本发明提供了一种在保证可靠性和可维修性前提下，具有杂散电感低、结构紧凑、功率密度大的船用中压大功率变频器水冷功率模块。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种中压大功率变频器水冷功率模块，它包括一个模块框架1、正功率组件6、负功率组件11、两个水冷电感5、两个水冷电阻9、五套为模块输入输出电流提供通道的高压大电流连接器、电源模块4、电源转接端子3、光电连接器2以及滑轨12；所述的高压大电流连接器所在一侧为后部，相对的另外一侧为前部，每套连接器由插头8和插座7组成；连接器的插座7直接固定在框架1后部竖梁上，用软母排与水冷电感5及正、负功率组件6、11连接；连接器的插头8直接固定在柜体横梁上，用软母排与直流侧及输出侧母排连接；所述的正功率组件6和负功率组件11处于模块顶部和底部，它们通过功率组件中的T形水冷散热板对称的固定安装在框架1上；两根供T形水冷散热板冷却水进出的分水管10直接固定在模块右前部框架上；所述水冷电感5一端通过母排与连接器插座7连接，另一端通过母排与功率组件中的层叠母排连接；所述水冷电阻9 一端通过高压电缆与连接器插座7连接，另一端通过母排与功率组件中的层叠母排连接；光电连接器2与功率组件中IGBT驱动板间用光纤连接，传递控制和反馈信号；光电连接器2用两根高压电缆与电源模块4输入端连接，电源模块4输出端用高压电缆经电源转接端子3分线后与IGBT驱动板连接；模块用一对精密重载荷滑轨12安装在柜体内。
以下是本发明更进一步的技术方案：
优选的，所述的两个水冷电感5和两个水冷电阻9安装在模块中部，分别相对功率组件中线左右对称的安装在功率组件中T形水冷散热板两侧的框架上；所述水冷电感5固定在模块底部，所述水冷电阻9吊装在模块顶部；为功率组件内部的IGBT提供驱动电源的电源模块4和电源转接端子3安装在模块左前部框架上；光电连接器2安装在模块左前部框架1上，外部控制信号和电源通过它传递到IGBT驱动板和电源模块。
优选的，所述的正、负功率组件6、11，通过功率组件中的T形水冷散热板用螺栓固定在框架1上；所述的两个水冷电感5是高压限流水冷电感，所述的两个水冷电阻9是高压低感限流水冷电阻。
优选的，所述的正、负功率组件6、11中的IGBT和二极管安装在T形水冷散热板上，并通过水冷散热板散热，低感“工”字形层叠母排用螺钉固定在IGBT和二极管上；两组多个箝位高压低感电容对称的布置在“工”字形层叠母排上，电容处层叠母排通过绝缘板固定在框架1上。
优选的，所述的高压大电流连接器，其中左右两边及中间的三套连接器作为模块的电流输入端，另外两套连接器作为模块的电流输出端。
优选的，所述的两根分水管10分别为进水管和出水管；分水管的一端用水嘴及细软管与模块内正、负功率组件6、11内的T形水冷板、水冷电感5、水冷电阻9连接，另外一端由宝塔接头及带快插接头的软管与水冷系统的主水管相连；当拔下快插接头时，模块与水冷系统断开。
优选的，所述的滑轨12固定在框架1底部外侧；所述的模块框架1后部设有两个起辅助定位及承重作用的定位销与柜体内定位孔配合。
优选的，所述正、负功率组件6、11在模块装配完后，其“工”字形层叠母排后部三个接线端子贴合在一起，即它们共中点和输出。
优选的，所述的模块通过光电连接器2与外部220V工频交流电源及控制系统连接，接受驱动电源及控制信号并反馈状态信号。
优选的，由多个单相H桥逆变功率单元串联或并联组成的多电平逆变器，可用于中压大功率变频器中。
本发明的有益效果主要有：功率模块单元具有功率密度大、结构紧凑、满足正面维护、可靠性高和可维修性好等优点，具体而言，有以下特点：
1、功率模块单元采用了双对称设计，即模块的正、负功率组件电路及结构上下对称，正、负功率组件内部电路和结构及模块的箝位电容也是左右对称布置。这种双对称设计极大的减小了“工”字形层叠母排中的杂散电感，提高了变频器的工作性能。
2、功率模块通过精密高强度重载荷滑轨与柜体连接，能够快速的从柜体插入和抽出，便于安装及检修。另外，功率模块采用高压大电流连接器技术，使模块与直流侧及输出侧母排可以快速且可靠的结合及分离。
3、功率模块把水冷系统和结构设计巧妙的结合起来，实现了分水管、T形水冷散热板及功率组件的一体化设计，使模块结构变得更加紧凑。
附图说明
图1是单相H桥逆变器电气原理图；
图2是功率模块结构简图；
图3是图2的左视图
图4是正功率组件6结构简图；
图5是负功率组件11结构简图。
图中各构件的名称为：
1—模块框架，2—光电连接器，3—电源转接端子，4—电源模块，5—水冷电感，6—正功率组件，7—大电流连接器插座，8—大电流连接器插头，9—水冷电阻，10—分水管，11—负功率组件，12—滑轨，6.1—正层叠母排，11.1—负层叠母排，6.2、11.2—电容，6.3、11.3—T形水冷散热板，6.4、11.4—IGBT，6.5、11.5—二极管。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明进一步说明如下：
实施例1：
一种中压大功率变频器水冷功率模块，它包括一个模块框架1、正功率组件6、负功率组件11、两个水冷电感5、两个水冷电阻9、五套为模块输入输出电流提供通道的高压大电流连接器、电源模块4、电源转接端子3、光电连接器2以及滑轨12；所述的高压大电流连接器所在一侧为后部，相对的另外一侧为前部，每套连接器由插头8和插座7组成；连接器的插座7直接固定在框架1后部竖梁上，用软母排与水冷电感5及正、负功率组件6、11连接；连接器的插头8直接固定在柜体横梁上，用软母排与直流侧及输出侧母排连接；所述的正功率组件6和负功率组件11处于模块顶部和底部，它们通过功率组件中的T形水冷散热板对称的固定安装在框架1上；两根供T形水冷散热板冷却水进出的分水管10直接固定在模块右前部框架上；所述水冷电感5一端通过母排与连接器插座7连接，另一端通过母排与功率组件中的层叠母排连接；所述水冷电阻9 一端通过高压电缆与连接器插座7连接，另一端通过母排与功率组件中的层叠母排连接；光电连接器2与功率组件中IGBT驱动板间用光纤连接，传递控制和反馈信号；光电连接器2用两根高压电缆与电源模块4输入端连接，电源模块4输出端用高压电缆经电源转接端子3分线后与IGBT驱动板连接；模块用一对精密重载荷滑轨12安装在柜体内。
实施例2：
与上述实施例1不同的是，进一步说，所述的两个水冷电感5和两个水冷电阻9安装在模块中部，分别相对功率组件中线左右对称的安装在功率组件中T形水冷散热板两侧的框架上；所述水冷电感5固定在模块底部，所述水冷电阻9吊装在模块顶部；为功率组件内部的IGBT提供驱动电源的电源模块4和电源转接端子3安装在模块左前部框架上；光电连接器2安装在模块左前部框架1上，外部控制信号和电源通过它传递到IGBT驱动板和电源模块。
实施例3：
与上述实施例2不同的是，进一步说，所述的正、负功率组件6、11，通过功率组件中的T形水冷散热板用螺栓固定在框架1上；所述的两个水冷电感5是高压限流水冷电感，所述的两个水冷电阻9是高压低感限流水冷电阻。
实施例4：
与上述实施例3不同的是，进一步说，所述的正、负功率组件6、11中的IGBT和二极管安装在T形水冷散热板上，并通过水冷散热板散热，低感“工”字形层叠母排用螺钉固定在IGBT和二极管上；两组多个箝位高压低感电容对称的布置在“工”字形层叠母排上，电容处层叠母排通过绝缘板固定在框架1上。
实施例5：
与上述实施例2不同的是，进一步说，所述的高压大电流连接器，其中左右两边及中间的三套连接器作为模块的电流输入端，另外两套连接器作为模块的电流输出端。
实施例6：
与上述实施例2不同的是，进一步说，所述的两根分水管10分别为进水管和出水管；分水管的一端用水嘴及细软管与模块内正、负功率组件6、11内的T形水冷板、水冷电感5、水冷电阻9连接，另外一端由宝塔接头及带快插接头的软管与水冷系统的主水管相连；当拔下快插接头时，模块与水冷系统断开。
实施例7：
与上述实施例2不同的是，进一步说，所述的滑轨12固定在框架1底部外侧；所述的模块框架1后部设有两个起辅助定位及承重作用的定位销与柜体内定位孔配合。
实施例8：
与上述实施例2至7之一都不同的是，进一步说，所述正、负功率组件6、11在模块装配完后，其“工”字形层叠母排后部三个接线端子贴合在一起，即它们共中点和输出。
实施例9：
与上述实施例8不同的是，进一步说，所述的模块通过光电连接器2与外部220V工频交流电源及控制系统连接，接受驱动电源及控制信号并反馈状态信号。
实施例10：
与上述实施例2不同的是，进一步说，由多个单相H桥逆变功率单元串联或并联组成的多电平逆变器，可用于中压大功率变频器中。
结合附图和实施例对功率模块的工作过程说明如下：
如图1、2所示，单个功率模块装配完成后，由多个该模块以共直流母线的连接方式组成多相H桥逆变器。输入的交流电经前端整流器整流后，由柜体内公共直流母线提供给各逆变单元。逆变功率单元后部两侧及中间的三个高压大电流连接器插头通过软母排与公共直流母线搭接，并由对应的连接器插座通过软母排经限流电感后将电流引入逆变功率组件。逆变后的电流通过软母排经模块后部另外两个连接器输出，经滤波后给负载电机供电。
功率模块单元通过光电连接器与外部220V工频交流电源及控制系统连接，接受控制信号并反馈状态信号。
功率器件IGBT和二极管由T形水冷散热板冷却，水冷散热板既是器件散热板，又是器件安装板。水冷柜中的冷却水经水泵加压后进入各功率柜中的主水管，由功率模块中的分水管经细软管分散给各水冷散热板和限流电感及限流电阻。冷却水在散热器中完成热交换后汇聚到另一根分水管，经另一根主水管回到水冷柜。
结合附图对功率组件的设计作进一步说明如下：
根据电路原理所示，本发明中与直流正母线连接的是正功率组件，与直流负母线连接的是负功率组件，所以两个组件的上下安装位置可以互换，但同时它们所连接的连接器与直流母线的连接关系也要相应的互换。
如图1、4、5所示，正、负功率组件关于中点直流母线对称，功率组件内IGBT、二极管和箝位电容关于T形水冷散热板中心线也是对称设计。这种电路及结构上的双对称设计极大的减小了“工”字形层叠母排中的杂散电感，提高了变频器的工作性能。
进一步说明本发明的效果和技术参数如下：
采用本功率模块的大功率变频器逆变器，其直流侧母线电压可达4200V，输出侧电压可达2400V，通过多种形式的模块匹配组合，可以满足多种不同功率等级大功率推进变频器的要求。
本发明所涉及的大功率变频器水冷功率模块，经过容量试验和短路试验考核，运行正常，稳定可靠。
本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种中压大功率变频器水冷功率模块，其特征在于，它包括一个模块框架（1）、正功率组件（6）、负功率组件（11）、两个水冷电感（5）、两个水冷电阻（9）、五套为模块输入输出电流提供通道的高压大电流连接器、电源模块(4)、电源转接端子（3）、光电连接器（2）以及滑轨（12）；
所述的高压大电流连接器所在一侧为后部，相对的另外一侧为前部，每套连接器由插头（8）和插座（7）组成；连接器的插座(7)直接固定在框架(1)后部竖梁上，用软母排与水冷电感(5)及正、负功率组件(6、11)连接；连接器的插头(8)直接固定在柜体横梁上，用软母排与直流侧及输出侧母排连接；
所述的正功率组件（6）和负功率组件(11)处于模块顶部和底部，它们通过功率组件中的T形水冷散热板对称的固定安装在框架(1)上； 
两根供T形水冷散热板冷却水进出的分水管(10)直接固定在模块右前部框架上；
所述水冷电感(5)一端通过母排与连接器插座（7）连接，另一端通过母排与功率组件中的层叠母排连接；所述水冷电阻(9) 一端通过高压电缆与连接器插座（7）连接，另一端通过母排与功率组件中的层叠母排连接；光电连接器(2)与功率组件中IGBT驱动板间用光纤连接，传递控制和反馈信号；光电连接器（2）用两根高压电缆与电源模块(4)输入端连接，电源模块（4）输出端用高压电缆经电源转接端子(3)分线后与IGBT驱动板连接； 
模块用一对精密重载荷滑轨(12)安装在柜体内。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述的两个水冷电感(5)和两个水冷电阻(9)安装在模块中部，分别相对功率组件中线左右对称的安装在功率组件中T形水冷散热板两侧的框架上；所述水冷电感（5）固定在模块底部，所述水冷电阻（9）吊装在模块顶部；为功率组件内部的IGBT提供驱动电源的电源模块(4)和电源转接端子(3)安装在模块左前部框架上；光电连接器(2)安装在模块左前部框架（1）上，外部控制信号和电源通过它传递到IGBT驱动板和电源模块。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述的正、负功率组件(6、11)，通过功率组件中的T形水冷散热板用螺栓固定在框架(1)上；所述的两个水冷电感(5)是高压限流水冷电感，所述的两个水冷电阻(9)是高压低感限流水冷电阻。
4.根据权利要求3所述的功率模块，其特征在于，所述的正、负功率组件(6、11)中的IGBT和二极管安装在T形水冷散热板上，并通过水冷散热板散热，低感“工”字形层叠母排用螺钉固定在IGBT和二极管上；两组多个箝位高压低感电容对称的布置在“工”字形层叠母排上，电容处层叠母排通过绝缘板固定在框架(1)上。
5.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述的高压大电流连接器，其中左右两边及中间的三套连接器作为模块的电流输入端，另外两套连接器作为模块的电流输出端。
6.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述的两根分水管(10)分别为进水管和出水管；分水管的一端用水嘴及细软管与模块内正、负功率组件(6、11)内的T形水冷板、水冷电感(5)、水冷电阻(9)连接，另外一端由宝塔接头及带快插接头的软管与水冷系统的主水管相连；当拔下快插接头时，模块与水冷系统断开。
7.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述的滑轨(12)固定在框架(1)底部外侧；所述的模块框架(1)后部设有两个起辅助定位及承重作用的定位销与柜体内定位孔配合。
8.根据权利要求2、3、4之一所述的功率模块，其特征在于，所述正、负功率组件(6、11)在模块装配完后，其“工”字形层叠母排后部三个接线端子贴合在一起，即它们共中点和输出。
9.根据权利要求8所述的功率模块，其特征在于，所述的模块通过光电连接器(2)与外部220V工频交流电源及控制系统连接，接受驱动电源及控制信号并反馈状态信号。
10.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，由多个单相H桥逆变功率单元串联或并联组成的多电平逆变器，可用于中压大功率变频器中。
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