CN103066859A - 一种大功率高压变频器功率单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大功率高压变频器功率单元，包括：整流模块，用于对三相交流输入电压进行整流，以获得直流电压；IGBT逆变桥，连接至电容器，用于将该直流电压转换为频率、幅值和相位均可调的交流电压；旁路模块，与IGBT逆变桥连接，用于在IGBT逆变桥工作异常时提供旁路功能；以及热管散热器，具有散热基板，其两侧均放置有大功率高压变频器的功率器件。采用本发明，不仅可利用热管散热器良好的导热性来提升系统的散热效率，还可将功率器件集中放置从而使结构更加紧凑，进而减小电路中的杂散电感，此外，功率单元的电容子单元与功率器件子单元设置为相对独立的部件，其间的电气连接用螺丝固定，便于进行安装、拆卸与维护。

Description

一种大功率高压变频器功率单元
技术领域
本发明涉及电力电子器件的变频技术，尤其涉及一种大功率高压变频器功率单元。
背景技术
随着现代电力电子技术和微电子技术的快速发展，高压大功率变频调速装置的应用领域和范围也越来越广泛，如石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、轧钢机等。
在现有技术中，功能相对独立的功率单元是级联型高压变频器的重要组成部分，也是实现高压变频调速的关键部分，其不仅要考虑散热通风，还要考虑结构是否紧凑、布局是否合理、安装维护是否方便等诸多方面。
当前，大功率高压变频器在散热设计上，绝大多数采用铝挤型散热器，将所有的功率器件放置在散热器上，该结构使得其散热要求很高，在采用大型散热器的情形下，往往造成模块间距离较大，布局松散，进而造成这些功率器件与电容器之间的电气连接配合不便。尤其是在逆变桥中的每一逆变桥臂由多个IGBT并联构成时，散热要求更高。此外，铝挤型散热器体积大、重量重，系统成本较高。
有鉴于此，如何设计一种新型的大功率高压变频器功率单元，在实现各功率器件有效散热的同时，还可使结构更加紧凑、运行可靠，维护更加便捷，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
针对现有技术中的大功率高压变频器功率单元所存在的上述缺陷，本发明提供了一种新型的大功率高压变频器功率单元。
依据本发明，提供一种大功率高压变频器功率单元，其中，大功率高压变频器功率单元包括：
一功率器件子单元，包括一整流模块、一IGBT逆变桥，一旁路模块和一热管散热器。其中：一整流模块，用于对三相交流输入电压进行整流，以获得一直流电压；一IGBT逆变桥，电性连接至电容器，用于将所述直流电压转换为频率、幅值和相位均可调的交流电压；一旁路模块，与所述IGBT逆变桥相连接，用于在所述IGBT逆变桥工作异常时提供旁路功能；以及一热管散热器，具有一散热基板，并且所述散热基板的两侧均放置有所述大功率高压变频器的功率器件；以及
一电容子单元，包括电容器与机壳，其电性连接至所述整流模块和IGBT逆变桥，用于对整流后的直流电进行滤波，再将滤波处理后的直流电输送给所述IGBT逆变桥。
优选地，所述功率器件子单元中，所述IGBT逆变桥设置于所述散热基板的一侧，以及所述整流模块和所述旁路模块设置于所述散热基板的另一侧。
优选地，所述散热基板包括一进风端和一出风端，其中，所述整流模块位于所述进风端，以及所述旁路模块位于所述出风端。
在一实施例中，所述IGBT逆变桥包括2个桥臂，且每一桥臂具有并联连接的多个IGBT。
优选地，所述电容子单元与所述IGBT逆变桥紧邻设置，以缩短电能量的传送距离从而降低电路中的杂散电感。更优选地，所述IGBT逆变桥还包括一IGBT汇流排，所述电容子单元还包括一电容汇流排，并且所述IGBT与所述电容器通过所述IGBT汇流排和所述电容汇流排进行电气连接。更优选地，所述电容子单元可拆卸地固定连接至所述功率器件子单元。此连接方式可以将功率单元简单方便的拆分为两个独立子单元，两个子单元的重量基本相等，均约为整个功率单元的一半。两个子单元之间仅用数个螺丝相连，非常容易拆分与组合，这样就会使其生产、安装、维护与拆卸更加方便。
优选地，该大功率高压变频器还包括一控制模块，并且所述控制模块对应的印刷线路板四周均设置金属钣金件，以封闭所述印刷线路板从而实现电磁屏蔽。
采用本发明的大功率高压变频器，将其各功能模块(整流模块、逆变模块和旁路模块)的功率器件分别放置于热管散热器的散热基板两侧，不仅可利用热管散热器良好的导热性来提升系统的散热效率，还可将功率器件集中放置从而使结构更加紧凑。此外，将整流模块放置在散热基板的进风一侧也可有利于快速散热，以降低功率器件的工作温度。此外，电容子单元与IGBT逆变桥紧邻设置，通过各自的汇流排进行电气连接后可显著地降低电路的杂散电感。
附图说明
读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，
图1示出依据本发明的一个方面的大功率高压变频器功率单元的电路结构示意图；
图2A示出图1中的大功率高压变频器功率单元在安装机壳时的立体安装状态图；
图2B示出图1中的电容子单元与功率器件子单元的拆分效果图；
图2C示出图1中的大功率高压变频器功率单元在移除机壳时的立体安装状态图；以及
图3示出图1中的大功率高压变频器功率单元的IGBT的布局示意图。
具体实施方式
为了使本发明所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。
下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。
如前所述，现有技术中的大功率高压变频器在散热设计时，绝大多数采用铝挤型散热器，不仅体积大、重量大、成本高，而且所有的功率器件放置在该散热器时，相邻的功率器件之间距离较大，布局松散，极易造成功率器件与电容器的电气连接线路上杂散电感增加。为了有效解决这一缺陷，图1示出依据本发明的一个方面的大功率高压变频器功率单元的电路结构示意图。参照图1，该大功率高压变频器功率单元包括整流模块101、电容器103、IGBT逆变桥105、旁路模块107和热管散热器。其中，将该整流模块101、IGBT逆变桥105、旁路模块107和热管散热器的组合称为功率器件子单元，将电容器103及其外壳等称为电容子单元。
具体地，整流模块101对三相交流输入电压进行整流，从而将该交流输入转换为直流输入。另外，为了对主电路中的电流进行限流保护，在变频器的交流输入端与整流模块101之间还可设置熔断器，当电路中的电流高于熔断器的额定电流时，对电路进行断路保护。电容器103电性连接至整流模块101，用于对整流后的直流电压进行滤波处理，再将滤波处理后的直流电输送给IGBT逆变桥105。
IGBT逆变桥105电性连接至电容器，用于将该直流电压转换为频率、幅值和相位均可调的交流电压。需要指出的是，IGBT逆变桥105与电容器103电性连接时，IGBT逆变桥105中每一桥臂上的IGBT与电容器103之间的电气走线距离应当尽可能地设置为较短，以避免IGBT与电容器的连接线路上的杂散电感增加，进而有利于持续保证电路的可靠性和运行的稳定性。此外，为提升IGBT逆变桥105的耐压值或系统电流值，可使用多个IGBT串联或并联的方式来实现，并且在IGBT串联或并联时，应当适应性地调整散热器的散热规格，以满足IGBT串联工作或并联工作时更大的散热量以及对温度一致性的要求。
旁路模块107与IGBT逆变桥105相连接，用于在IGBT逆变桥105工作异常时提供旁路功能。例如，当IGBT逆变桥工作异常时，旁路模块107可投入该主电路，以给系统能量提供通路，从而保证变频器仍可以正常工作。在一具体实施例中，当整流模块101和IGBT逆变桥105正常工作或从故障状态恢复至正常工作状态时，旁路模块不工作或从主电路中切出；以及当整流模块101和IGBT逆变桥105从正常工作状态变化至故障状态时，旁路模块投入至该主电路并开始工作，此时整流模块101和IGBT逆变桥105均不工作。
本发明的大功率高压变频器还包括一热管散热器(图1未示出)，该热管散热器具有一散热基板，并且该散热基板的两侧均放置有该变频器的功率器件。与现有技术不同的是，本发明的功率器件分别放置于热管散热器的散热基板的两侧，因而在功率器件数量相同的情形下，可至少节约20％的布设空间。另外，在进行功率器件的排布时，还可侧重于将电容器与IGBT逆变桥中的IGBT间的电气连接距离尽可能缩小，从而减小电路中的杂散电感。
在一实施例中，IGBT逆变桥包括2个桥臂，且每一桥臂具有并联连接的多个IGBT。较佳地，IGBT逆变桥包括一第一桥臂和一第二桥臂，并且第一桥臂中IGBT相交的节点电性连接至变频器的交流输出端之第一端子，第二桥臂中IGBT相交的节点电性连接至变频器的交流输出端之第二端子。与此同时，第一桥臂上的该节点以及第二桥臂上的该节点连接至旁路模块107，以提供旁路功能。较佳地，为提高功率单元的电流值，该逆变桥臂均由4个IGBT并联连接所构成，并且这些IGBT的栅极控制信号均来自于同一控制信号。
在另一实施例中，整流模块101为一三相不控整流桥。
在另一实施例中，旁路模块107是由一个单相不控整流桥及一个晶闸管构成。
图2A示出图1中的大功率高压变频器功率单元在安装机壳时的立体安装状态图，图2B示出图1中的大功率高压变频器功率单元拆分为电容子单元与功率器件子单元的示意图，以及图2C示出图1中的大功率高压变频器功率单元在移除机壳时的立体安装状态图。参照图2A、图2B和图2C，标记1表示机壳，2为热管散热器，3为熔断器，4为输入铜排，5为整流模块，6为控制模块，9为绝缘子，10为电容器，11为电容汇流排，12为旁路模块。应当理解，图2A和2C中的整流模块5、电容器10、IGBT逆变桥7、旁路模块12与图1中的整流模块101、电容器103、IGBT逆变桥105和旁路模块107相同或相似，为描述方便起见，此处不再赘述，并以引用方式结合于此。
如图2A和2C所示，三相交流输入经由熔断器3接入整流模块5，然后整流模块5输出的直流电压通过电容汇流排11连接至电容器10。本发明的大功率高压变频器功率单元包括整流模块5、IGBT逆变桥7、旁路模块12和热管散热器2。当热管散热器2的散热基板沿竖直方向放置时，将整流模块5和旁路模块12放置在该散热基板左侧，以及将IGBT逆变桥7放置在该散热基板右侧。并且，由于该IGBT逆变桥7工作时为高频控制信号，而整流模块5和旁路模块12为低频信号，当IGBT逆变桥与整流模块、旁路模块分置于散热基板两侧后，可有效防止高频信号对低频信号产生干扰。此外，绝缘子9安装于变频器的下端，以电性隔离其电子部件的电位与机壳电位，并能够承受电压和一定的机械应力。
在一具体实施例中，该散热基板包括一进风端(也可称为迎风侧)和一出风端(也可称为背风侧)，其中，将整流模块5放置在散热基板的进风端，而将旁路模块12放置在散热基板的出风端。这是因为，在变频器正常工作情形下，整流模块和IGBT逆变桥正常工作而旁路模块不工作，该设置方式可灵活地将散热要求较高的整流模块优先地位于进风端，从而降低整流二极管的工作温度，保证电路整体运行的可靠性和稳定性。
在另一具体实施例中，电容器为多个电解电容串并联连接，例如，由电容汇流排将不同的电解电容进行串联、并联连接。
在另一具体实施例中，位于散热基板另一侧的IGBT逆变桥7与电容子单元10紧邻设置，以缩短电能量的传送距离从而降低电路中的杂散电感。
此外，该大功率高压变频器还包括一控制模块6，且控制模块6对应的印刷线路板四周均设置金属钣金件，只预留进线和出线的空间，通过封闭印刷线路板来保证控制模块6在强电磁干扰下也能够可靠地正常工作。
图3示出图1中的大功率高压变频器功率单元的IGBT的布局示意图。参照图3，该大功率高压变频器功率单元还包括一IGBT汇流排8和一电容汇流排11，并且IGBT逆变桥7的IGBT与电容子单元10的电容器通过IGBT汇流排8和电容汇流排11进行电气连接。由此可知，IGBT与电容器之间的电气连接距离较小，从而可显著降低电路中的杂散电感，以便提升电路的可靠性和稳定性。
在一实施例中，为了更便捷地维护或更换功率器件，该电容子单元设置为可拆卸地固定连接至功率器件子单元。此连接方式可以将功率单元简单方便的拆分为两个独立子单元，两个子单元的重量基本相等，均约为整个功率单元的一半。两个子单元之间仅用螺丝相连，非常容易拆分与组合，这样就会使其生产、安装、维护与拆卸更加方便。
采用本发明的大功率高压变频器功率单元，将其各功能模块(整流模块、逆变模块和旁路模块)的功率器件分别放置于热管散热器的散热基板两侧，不仅可利用热管散热器良好的导热性来提升系统的散热效率，还可将功率器件集中放置从而使结构更加紧凑。此外，将整流模块放置在散热基板的进风一侧也可有利于快速散热，以降低功率器件的工作温度。此外，电容器与IGBT逆变桥紧邻设置，通过各自的汇流排进行电气连接后可显著地降低电路的杂散电感。
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种大功率高压变频器功率单元，其特征在于，所述大功率高压变频器功率单元包括：
一功率器件子单元，包含：
一整流模块，用于对三相交流输入电压进行整流，以获得一直流电压；
一IGBT逆变桥，电性连接至电容器，用于将所述直流电压转换为频率、幅值和相位均可调的交流电压；
一旁路模块，与所述IGBT逆变桥相连接，用于在所述IGBT逆变桥工作异常时提供旁路功能；以及
一热管散热器，具有一散热基板，并且所述散热基板的两侧均放置有所述大功率高压变频器的功率器件；以及
一电容子单元，包含电容器与机壳，其电性连接至所述整流模块和IGBT逆变桥，用于对整流后的直流电进行滤波，再将滤波处理后的直流电输送给所述IGBT逆变桥。
2.根据权利要求1所述的大功率高压变频器功率单元，其特征在于，所述功率器件子单元中，IGBT逆变桥设置于所述散热基板的一侧，以及所述整流模块和所述旁路模块设置于所述散热基板的另一侧。
3.根据权利要求2所述的大功率高压变频器功率单元，其特征在于，所述散热基板包括一进风端和一出风端，其中，所述整流模块位于所述进风端，以及所述旁路模块位于所述出风端。
4.根据权利要求2所述的大功率高压变频器功率单元，其特征在于，所述IGBT逆变桥包括2个桥臂，且每一桥臂具有并联连接的多个IGBT。
5.根据权利要求1所述的大功率高压变频器功率单元，其特征在于，所述电容子单元与所述IGBT逆变桥紧邻设置，以缩短电能量的传送距离，从而降低电路中的杂散电感。
6.根据权利要求5所述的大功率高压变频器功率单元，其特征在于，所述IGBT逆变桥还包括一IGBT汇流排，所述电容子单元还包括一电容汇流排，并且所述IGBT与所述电容器通过所述IGBT汇流排和所述电容汇流排进行电气连接。
7.根据权利要求5所述的大功率高压变频器功率单元，其特征在于，所述电容子单元可拆卸地固定连接至所述功率器件子单元。
8.根据权利要求1所述的大功率高压变频器功率单元，其特征在于，还包括一控制模块，并且所述控制模块对应的印刷线路板四周均设置金属钣金件，以封闭所述印刷线路板从而实现电磁屏蔽。
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