CN103354231A - 一种igbt功率单元及用于柔性直流输电的子模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IGBT功率单元及用于柔性直流输电的子模块，包括电容、两个IGBT功率单元和两个主母排，每个IGBT功率单元包括散热器、IGBT模块及其控制回路，各功率单元上的IGBT模块安装于相应板状散热器的一个板面上，控制回路对应安装在板状散热器的另一个板面上，每个IGBT功率单元还包括复合母排，复合母排与相应IGBT模块的远离板状散热器的表面贴设连接。本发明的用于柔性直流输电的子模块及柔性直流输电子模块整体采用模块化设计，结构设计紧凑，布局合理，每个部分可以分别独立进行装配，不仅大大提高了子模块装配效率，而且便于整个装配过程质量控制，便于子模块的安装及元件更换，使子模块安装和拆卸十分方便。

Description

一种IGBT功率单元及用于柔性直流输电的子模块
技术领域
本发明属于功率半导体元件的应用领域，如柔性直流输电，SVG等的大功率电力电子整流和逆变装置，具体涉及一种IGBT功率单元及用于柔性直流输电的子模块结构。
背景技术
柔性直流输电是以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术，其采用最先进的电压源型换流器和全控器件，是常规直流输电技术的换代升级。相比于交流输电和常规直流输电，在传输能量的同时，还能灵活地调节与之相连的交流系统电压，具有可控性较好、运行方式灵活、适用场合多等显著优点，因此柔性直流输电技术在孤岛供电、城市电网供电、分布式能源并网等方面具有很高的应用价值。
随着柔性直流输电(VSC-HVDC)技术在电力系统中的逐步应用，其核心部件——大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)阀的可靠性成为电力系统安全的关键因素之一。由于VSC—HVDC装置普遍具有高电压、强电流、大容量的特点，导致在试验环境中很难构建与实际运行工况相同的全载电路进行试验。
基于模块化多电平换流器(MMC)的VSC-HVDC，是利用IGBT阀进行直流输电的一种新技术。子模块(SM)是构成MMC的最小功率单元，它由IGBT组成的半桥或者H桥与电容器并联组成。若干个子模块串联构成一个MMC阀组件，它能够成比例体现MMC阀的电气特性，是进行MMC阀稳态运行试验的基本电气单元。子模块的电气结构如图1所示，由图可知，该子模块包括电容、两个IGBT模块、晶闸管和旁路开关所构成的主回路，每个IGBT器件反并联一个二极管组成一个IGBT模块，两IGBT模块串联后形成的串联支路与电容并联，且其中一个IGBT模块又与晶闸管和旁路开关依次并联。
由于目前技术局限，IGBT的电压和电流等级均低于传统晶闸管，在同等输送能量的条件下，柔性直流输电所需要IGBT数量要大大多于传统晶闸管。中国专利申请号200920131707.0公开了一种IGBT功率模块，提供了一种IGBT功率模块的布局结构，该结构中将IGBT散热器固定在底架上，IGBT模块布置在IGBT散热器上侧，直流滤波电解电容紧邻IGBT散热器的进风口固定在底架上，这种布局主要在于改善电容的散热条件，减小电容与IGBT模块直流端之间的杂散电感，但是采用这种电路存在如下问题：现有的子模块各元件分散布置，不便于现场安装调试，同时在发生故障时检修不便，增加了系统的维护成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种IGBT功率单元，同时提供一种用于柔性直流输电的子模块，以解决现有子模块结构布置散乱，系统不便于维护的问题。
为了实现以上目的，本发明所提供IGBT功率单元的技术方案如下：包括散热器、IGBT模块及其对应的控制回路，所述散热器为板状散热器，所述IGBT模块安装于板状散热器的一个板面上，控制回路安装在板状散热器的另一个板面上，还包括与IGBT模块连接的复合母排，复合母排与IGBT模块的远离板状散热器的表面贴设连接，所述复合母排上设置有用于与主母排对应连接的出线端和用于与电容连接的电容连接端、与对应IGBT模块的端子分别对应连接的连接端子。
所述板状散热器为板状水冷散热器。
所述控制回路外设有屏蔽罩。
本发明所提供用于柔性直流输电的子模块的技术方案如下：包括电容、两个IGBT功率单元和两个主母排，每个IGBT功率单元包括散热器、IGBT模块及其控制回路，所述散热器为板状散热器，所述各功率单元上的IGBT模块安装于相应板状散热器的一个板面上，控制回路对应安装在板状散热器的另一个板面上，所述每个IGBT功率单元还包括复合母排，复合母排与相应IGBT模块的远离板状散热器的表面贴设连接，所述复合母排上设置有用于与主母排对应连接的出线端和用于与电容连接的电容连接端、与对应IGBT模块的端子分别对应连接的连接端子；两主母排分别通过两个复合母排上设置的出线端与对应的IGBT功率单元连接，所述电容通过复合母排上设置的电容连接端与对应的IGBT功率单元连接。
所述两主母排之间导电连接有一个晶闸管，所述晶闸管夹设于两主母排中间并通过一个压接装置进行压接固定而构成母排组件；所述母排组件的压接装置包括两个压接板、两个压紧螺栓和一个调节螺栓，所述晶闸管夹设于两主母排中间，两压接板分别设于两主母排外侧，两个压接板的上下两侧均设有用于穿设压紧螺栓的安装孔，其中一个压接板的中部设有用于穿设调节螺栓的安装孔。
该子模块还包括与两主母排连接的旁路开关；所述子模块还包括两个支撑轨道，所述IGBT功率单元和旁路开关沿支撑轨道的延伸方向并列固定安装于一固定底座上，所述母排组件固连于旁路开关上方与IGBT功率单元之间，所述固定底座滑动装配于两支撑轨道的一端；所述电容固定装配于两支撑轨道的另一端。
所述支撑轨道上设有滑道，所述固定底座两侧设有用于与支撑轨道上滑道吻合滑动装配的支撑滑杆。
所述电容上在其与支撑轨道固定装配处设有带连接孔的连接板，所述支撑轨道的滑道内设有螺纹滑块，通过连接板的连接孔及螺纹滑块将电容固定安装于支撑轨道的设定位置。
所述散热器为板状水冷散热器，各散热器上均连接有水管。
本发明的用于柔性直流输电的子模块及柔性直流输电子模块整体采用模块化设计，将子模块分解为电容，IGBT功率单元，晶闸管压接单元和旁路开关，结构设计紧凑，布局合理，每个部分可以分别独立进行装配，不仅大大提高了子模块装配效率，而且便于整个装配过程质量控制，便于子模块的安装及元件更换，使子模块安装和拆卸十分方便。
IGBT功率单元和晶闸管集中在一起，通过两个复合母排将主回路的元件连接起来，不仅结构十分紧凑，而且有效避免了一般导线对控制回路的干扰。
用屏蔽罩将IGBT功率单元的控制回路罩住，不仅美观，更重要的是可以起到防尘，防电磁干扰的作用。
晶闸管压接采用模块化设计，压接结构简单，操作方便，通过控制压紧螺栓和调节螺栓的旋紧力矩即可实现压接，不仅可以保证晶闸管压接力要求，而且可以保证压力均匀；另外，本压接方式更换晶闸管十分方便，只需松开调节螺栓即可以从旁边将晶闸管取出。
附图说明
图1为本发明柔性直流输电子模块的电气结构图；
图2为本发明柔性直流输电子模块的整体结构图；
图3为支撑轨道及电容装配图；
图4为IGBT功率单元装配图；
图5为晶闸管压接单元装配图；
图6为组合装配图。
具体实施方式
如图4所示为本发明IGBT功率单元结构图，由图可知,该IGBT功率单元包括散热器、IGBT模块及其对应的控制回路3，散热器为板状散热器17，IGBT模块8安装于板状散热器17的一个板面上，控制回路安装在板状散热器的另一个板面上，还包括与IGBT模块连接的复合母排18，复合母排与IGBT模块的远离板状散热器17的表面贴设连接，复合母排18上设置有用于与主母排对应连接的出线端和用于与电容连接的电容连接端以及与对应IGBT模块8的端子分别对应连接的连接端子（图中未示出）。
如图2所示为本发明柔性直流输电子模块的整体结构图，由图可知，该子模块包括电容1、两个IGBT功率单元和两个主母排；IGBT功率单元的结构如上所述，散热器、IGBT模块（本实施例中每个IGBT功率单元包括一个IGBT模块）及其对应的控制回路3，散热器为板状散热器17，IGBT模块8安装于板状散热器17的一个板面上，控制回路安装在板状散热器的另一个板面上，还包括与IGBT模块连接的复合母排18，复合母排与IGBT模块的远离板状散热器17的表面贴设连接，复合母排18上设置有用于与主母排对应连接的出线端和用于与电容连接的电容连接端以及与对应IGBT模块8的端子分别对应连接的连接端子（图中未示出）；两主母排分别通过两个复合母排上设置的出线端与对应的IGBT功率单元连接，电容1通过复合母排上设置的电容连接端与对应的IGBT功率单元连接。
如图5所示，两主母排13之间导电连接有一个晶闸管11，该晶闸管夹设于两主母排中间并通过一个压接装置进行压接固定而构成母排组件5。本实施例的母排组件的压接装置包括两个压接板15、两个压紧螺栓16和一个调节螺栓12，晶闸管11夹设于两主母排13中间，两压接板15分别设于两主母排13外侧，两个压接板15的上下两侧均设有用于穿设压紧螺栓16的安装孔，其中一个压接板的中部设有用于穿设调节螺栓12的安装孔。母排组件5的晶闸管压接采用模块化设计，压接结构简单，操作方便，通过控制压紧螺栓16和调节螺栓12的旋紧力矩即可实现压接，不仅可以保证晶闸管压接力要求，而且可以保证压力均匀。本压接方式另一个优点是更换晶闸管十分方便，只需松开调节螺栓12即可以从旁边将晶闸管取出。另外，在晶闸管单元的顶面设有屏蔽盖21。
如图3所示，该子模块还包括与两主母排连接的旁路开关6和两个支撑轨道7，IGBT功率单元和旁路开关6沿支撑轨道的延伸方向并列固定安装于一固定底座20上，母排组件5固连于旁路开关6上方与IGBT功率单元之间，固定底座20滑动装配于两支撑轨道的一端；电容1固定装配于两支撑轨道7的另一端。支撑轨道7内侧设有滑道，电容1上在其与支撑轨道固定装配处设有带连接孔10的连接板9，支撑轨道的滑道内设有螺纹滑块（图中未示出），利用一个插销通过连接板9上的连接孔10及螺纹滑块将电容1固定安装于支撑轨道7的设定位置。
如图4所示，将IGBT功率单元及其控制回路3均安装在板状散热器17上，不仅结构紧凑，而且可以对控制回路3散热，本实施例的散热器为板状水冷散热器，两水冷散热器上连接有水管2；另外，每个IGBT功率单元的控制回路3外均设有屏蔽罩4，用屏蔽罩将控制回路罩住，不仅美观，更重要的是可以起到防尘，防电磁干扰的作用。
如图6所示为IGBT功率单元、晶闸管和旁路开关的组合装配图，由图可知，IGBT功率单元、晶闸管和旁路开关均安装于一固定底座20上，固定底座两侧设有用于与支撑轨道上滑道吻合滑动装配的支撑滑杆19。IGBT功率单元和晶闸管集中在一起，通过两个复合母排18和主母排13将主回路的元件连接起来，不仅结构十分紧凑，而且有效避免了一般导线对控制回路的干扰。
本发明的柔性直流输电子模块整体装配过程如下：
（1）按图3所示，将电容1安装在铝型材支撑轨道7上，支撑轨道内有螺纹滑块，可以将电容固定在合适的位置上，并根据实际情况可以进行调节；
（2）按图4所示，在一个水冷散热器17上安装IGBT功率单元，在IGBT功率单元上安装复合母排18，在水冷散热器17的另一面安装其控制回路3，水冷散热器上加工有螺纹沉孔，上面的所有元件均用螺钉直接固定。按照上述方式依次安装另一个IGBT功率单元；
（3）按图5所示，依次将主母排13、晶闸管11及压接装置进行装配，装配结束后按照规定力矩紧固调节螺栓12，保证晶闸管压接力要求；
（4）按图6所示，在固定底座20上依次安装IGBT功率单元，旁路开关6，包括晶闸管11的母排组件5，屏蔽罩4及水管2，安装结束后通过固定底座20上的支撑滑杆19固定在铝型材支撑轨道7上，支撑滑杆19可以在铝型材支撑轨道7内自由滑动，将复合母排18和电容1连接好后固定支撑滑杆。

Claims (9)

1.一种IGBT功率单元，包括散热器、IGBT模块及其对应的控制回路，其特征在于：所述散热器为板状散热器，所述IGBT模块安装于板状散热器的一个板面上，控制回路安装在板状散热器的另一个板面上，还包括与IGBT模块连接的复合母排，复合母排与IGBT模块的远离板状散热器的表面贴设连接，所述复合母排上设置有用于与主母排对应连接的出线端和用于与电容连接的电容连接端、与对应IGBT模块的端子分别对应连接的连接端子。
2.根据权利要求1所述的IGBT功率单元，其特征在于：所述板状散热器为板状水冷散热器。
3.根据权利要求1或2所述的IGBT功率单元，其特征在于：所述控制回路外设有屏蔽罩。
4.一种用于柔性直流输电的子模块，包括电容、两个IGBT功率单元和两个主母排，每个IGBT功率单元包括散热器、IGBT模块及其控制回路，其特征在于：所述散热器为板状散热器，所述各功率单元上的IGBT模块安装于相应板状散热器的一个板面上，控制回路对应安装在板状散热器的另一个板面上，所述每个IGBT功率单元还包括复合母排，复合母排与相应IGBT模块的远离板状散热器的表面贴设连接，所述复合母排上设置有用于与主母排对应连接的出线端和用于与电容连接的电容连接端、与对应IGBT模块的端子分别对应连接的连接端子；两主母排分别通过两个复合母排上设置的出线端与对应的IGBT功率单元连接，所述电容通过复合母排上设置的电容连接端与对应的IGBT功率单元连接。
5.根据权利要求4所述的用于柔性直流输电的子模块，其特征在于：所述两主母排之间导电连接有一个晶闸管，所述晶闸管夹设于两主母排中间并通过一个压接装置进行压接固定而构成母排组件；所述母排组件的压接装置包括两个压接板、两个压紧螺栓和一个调节螺栓，所述晶闸管夹设于两主母排中间，两压接板分别设于两主母排外侧，两个压接板的上下两侧均设有用于穿设压紧螺栓的安装孔，其中一个压接板的中部设有用于穿设调节螺栓的安装孔。
6.根据权利要求5所述的用于柔性直流输电的子模块，其特征在于：该子模块还包括与两主母排连接的旁路开关；所述子模块还包括两个支撑轨道，所述IGBT功率单元和旁路开关沿支撑轨道的延伸方向并列固定安装于一固定底座上，所述母排组件固连于旁路开关上方与IGBT功率单元之间，所述固定底座滑动装配于两支撑轨道的一端；所述电容固定装配于两支撑轨道的另一端。
7.根据权利要求6所述的用于柔性直流输电的子模块，其特征在于：所述支撑轨道上设有滑道，所述固定底座两侧设有用于与支撑轨道上滑道吻合滑动装配的支撑滑杆。
8.根据权利要求6所述的用于柔性直流输电的子模块，其特征在于：所述电容上在其与支撑轨道固定装配处设有带连接孔的连接板，所述支撑轨道的滑道内设有螺纹滑块，通过连接板的连接孔及螺纹滑块将电容固定安装于支撑轨道的设定位置。
9.根据权利要求4～8任意一项所述的用于柔性直流输电的子模块，其特征在于：所述散热器为板状水冷散热器，各散热器上均连接有水管。
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