CN103354414A - 一种并联igbt功率单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并联IGBT功率单元，包括上、下桥IGBT模组，每个IGBT模组包括至少两个并联的IGBT模块，还包括分别与两IGBT模组对应连接的上、下母排，上母排设有用于连接第一主母排的第一出线端、用于连接电容的第一电容连接端，下母排设有用于连接第二主母排的第二出线端、用于连接电容的第二电容连接端。本发明并联IGBT功率单元采用两个IGBT模组及与每个模组对应连接的两个结构相同的母排，将每个母排上用于连接主母排的出线端和用于连接电容的电容连接端到对应母排上各IGBT模块对应位置的对接连接端子和电容连接端子采用等长的铜排导电连接，每个母排上的连接IGBT的母排做到了等长，保证了各母排上并联IGBT模块均流度，解决了在IGBT并联时所产生的不均流问题。

Description

一种并联IGBT功率单元
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，具体涉及一种并联IGBT功率单元。
背景技术
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。因此，如何在试验环境中构建等效的试验电路，进行与实际运行工况强度相当的试验成为解决问题的关键。
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。
随着电力系统柔性直流输电技术的发展，系统容量显得愈发的重要，功率子模块的容量受制于IGBT容量本身的限制。在容量需求不断增加的情况下，传统的扩容方案是通过增加功率子模块的串联数量提高输出电压的方式来进行扩容，但是其会带来模块数量大大增加、控制系统设计复杂、成本大幅度增加的问题；而采用子模块并联的方案进行扩容则会带来成本高、体积庞大、控制复杂的问题。中国专利申请号201110244817.X公开了一种柔性直流输电MMC阀稳态运行试验的背靠背试验方法，其附图1提供了采用子模块并联方案的结构。而现在采用IGBT并联技术进行扩容，则可以在不增加子模块数量的情况下扩大系统容量，能够大大的增加功率子模块的功率密度，其控制系统简单、成本较低，能够有效的降低柔性直流输电系统整体造价和体积。并联子模块的电气结构如图1所示，由图可知，该并联子模块包括电容C、S1～S4四个IGBT模块、晶闸管T和旁路开关K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，S1和S2的并联支路与S3和S4的并联支路串联，且S3和S4的并联支路又与晶闸管T和旁路开关K依次并联。
在实现IGBT并联时需要解决的关键技术问题是均流，均流的关键问题是保持IGBT输入输出在寄生参数（电气结构）上的对称，同时需要消弱母排自身、输出端子电流产生磁场以及周围功率模块产生磁场对于均流的影响，这是柔性直流输电子模块IGBT并联均流设计中需要解决的主要问题，现有技术并没有针对这个问题提出有效地解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种并联IGBT功率单元，以解决在IGBT并联时所产生的不均流问题。
为了实现以上目的，本发明所提供并联IGBT功率单元的技术方案如下：一种并联IGBT功率单元，包括上、下桥IGBT模组，每个IGBT模组包括至少两个并联的IGBT模块，还包括分别与上、下桥IGBT模组对应连接的上、下母排，上母排设有用于连接第一主母排的第一出线端、用于连接电容的第一电容连接端，下母排设有用于连接第二主母排的第二出线端、用于连接电容的第二电容连接端，上母排上设有与第一出线端导电连接的与各个IGBT模块一一对应的两个以上的上对接端，下母排上设有用于与各个上对接端对接固连的下对接端，上、下母排上设有与各个IGBT模块的端子分别对应连接的上、下连接端子组，各上连接端子组均包括上对接连接端子、上电容连接端子，各下连接端子组均包括下对接连接端子、下电容连接端子和与第二出线端导电连接的第二出线端子，各上、下对接连接端子与相应的上、下对接端通过等长的铜排导电连接，各上、下电容连接端子与相应第一、二电容连接端通过等长的铜排导电连接。
第一出线端与各个上对接端通过等长的铜排导电连接。
第二出线端与第二出线端子通过等长的铜排导电连接。
上、下母排各自均为对称结构。
上、下母排叠压设置，第一出线端与第二出线端及第一电容连接端与第二电容连接端之间均通过绝缘板压合在一起。
上、下母排对应位置处的上、下对接端通过螺丝连接。
对应的第一出线端与第二出线端及第一电容连接端与第二电容连接端之间均设置于对应母排两侧的中部位置。
本发明并联IGBT功率单元采用两个IGBT模组及与每个模组对应连接的两个结构相同的母排，将每个母排上用于连接主母排的出线端和用于连接电容的电容连接端到对应母排上各IGBT模块对应位置的对接连接端子和电容连接端子采用等长的铜排导电连接，因此每个母排上的连接IGBT的母排做到了等长，可以保证各母排上并联IGBT模块均流度，解决了在IGBT并联时所产生的不均流问题。
第一出线端和第二出线端到母排输入输出的等长保证了各IGBT模块的均流。
每个母排各自采用对称结构，使得每个母排上的IGBT在电气结构上能够保持对称，使其自身的寄生参数一致，能够实现母排自身的均流保证了母排上各IGBT模块的均流度。
另外，将两母排采用叠压式设计结构，通过一个绝缘隔板压叠在一起，极大的减小了两母排出线铜排间的耦合面积，能够大大消弱周围功率单元产生的磁场影响。
附图说明
图1为本发明并联IGBT功率单元实施例的电气结构图；
图2为本发明第一展开结构图；
图3为第二展开结构图；
图4为第三展开结构连接图；
图5为第四展开结构图；
图6为第五展开结构图；
图7为并联子模块结构布局图；
图8为脉冲测试波形图；
图9为系统测试波形图。
具体实施方式
如图1所示为本发明并联IGBT功率单元实施例的电气结构图，本实施例以每个IGBT模组包含两个并联的IGBT模块为例进行说明，由图可知，该功率单元包括两个IGBT模组及与每个模组对应连接的两个结构相同且上下对称的母排，两母排分别为上母排P1和下母排P2，每个IGBT模组包括两个并列的IGBT模块，本实施例中将S1和S2放置在上母排上，将S3和S4放置在下母排上，两母排采用叠压式设计结构，将两母排通过一个绝缘隔板1压叠在一起（如图2所示）；由电磁感应定律可知，磁场干扰的强度与导体间包围的面积成正比，当正负母排通过绝缘隔板叠压后会极大的减小正负母排间的耦合面积，能够大大消弱周围功率模块产生磁场的影响。
如图3所示，两并列的IGBT模块在母排上的连接结构完全相同且对称，每个母排均采用对称设计，使得每个母排上的IGBT在电气结构上能够保持对称，使其自身的寄生参数一致，能够实现母排自身的均流。上母排P1上设有用于连接第一主母排的第一出线端out1和用于连接电容的第一电容连接端C1，下母排P2上设有用于连接第二主母排的第二出线端out2和用于连接电容的第二电容连接端C2，上母排上设有与第一出线端导电连接的与各个IGBT模块一一对应的上对接端D1和D2，下母排上设有用于与各个上对接端对接固连的下对接端D3和D4，即将S1的对接端D1和S3的对接端D3通过螺丝连接在一起，将S2的对接端D2和S4的对接端D4通过螺丝连接在一起。
如图4和图5所示，上、下母排上设有用于与各个IGBT模块的端子分别对应连接的上、下连接端子组，各上连接端子组均包括上对接连接端子、上电容连接端子，各下连接端子组均包括下对接连接端子、下电容连接端子和与第二出线端导电连接的第二出线端子。就本实施例而言，上母排P1的第一出线端out1通过铜排与两并联IGBT模块S1和S2的上对接连接端子B1（对应于S1）和B2（对应于S2）连接，第一电容连接端C1与上电容连接端子E1（对应于S1）和E2（对应于S2）连接；下母排P2上的两并联IGBT模块的下对接连接端子A1（对应于S3）和A2（对应于S4）通过对应的上、下对接端（D1和D3及D2和D4）及与P1的第一出线端out1连接，P2的下对接连接端子F1（对应于S3）和F2（对应于S4）与P2的第二电容连接端C2连接，P2的第二出线端子F3（对应于S3）和F4（对应于S4）与P2的第一出线端out2导电连接。
各上、下对接连接端子与相应的上、下对接端通过等长的铜排导电连接，各上、下电容连接端子与相应第一、二电容连接端通过等长的铜排导电连接：对于P1来说，D1到B1的铜排和D2到B2的铜排等长，E1到C1的铜排和E2到C1的铜排也等长；对于P2来说，D3到A1的铜排和D4到A2的铜排等长,F1到C2的铜排和F2到C2的铜排等长。
第一出线端out1与各个上对接端通过等长的铜排导电连接：即D1和D2到out1的铜排等长；第二出线端out2与第二出线端子通过等长的铜排导电连接：即F3到out2的铜排和F4到out2的铜排也等长。由于P1和P2上连接IGBT的母排做到了等长，同时保证了out1和out2对于每个并联IGBT母排连接输入输出的的等长，可以保证叠层母排上对应并联IGBT模块的均流度。
本实施例中对应的out1和out2及C1和C2之间均分别设置在对应母排P1和P2两侧的中部位置。
如图6所示，把两个母排设计成镜像结构，将两母排间的干扰降低到最低。
如图7所示，母排出线采用从中间出线的方式，把旁路开关2放置在一边，将第一出线端3之间通过绝缘隔板1压合在一起，减小出线铜排之间的耦合面积，减小出线对于并联功率模块的影响。
如图8所示为本发明脉冲测试波形图，图中2通道为S1电流、3通道为S2电流；图9为本发明系统测试波形图，即实际系统均流特性图，图中3通道为S1电流，4通道为S2电流由图可知，采用了上述结构的并联IGBT功率单元，其均流效果良好。
本发明以每个IGBT模组包含两个并联的IGBT模块为例进行说明，但不局限于两个，当然三个、四个……都可以，即超出两个并联的IGBT模块也落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种并联IGBT功率单元，包括上、下桥IGBT模组，每个IGBT模组包括至少两个并联的IGBT模块，其特征在于：还包括分别与上、下桥IGBT模组对应连接的上、下母排，上母排设有用于连接第一主母排的第一出线端、用于连接电容的第一电容连接端，下母排设有用于连接第二主母排的第二出线端、用于连接电容的第二电容连接端，上母排上设有与第一出线端导电连接的与各个IGBT模块一一对应的两个以上的上对接端，下母排上设有用于与各个上对接端对接固连的下对接端，上、下母排上设有与各个IGBT模块的端子分别对应连接的上、下连接端子组，各上连接端子组均包括上对接连接端子、上电容连接端子，各下连接端子组均包括下对接连接端子、下电容连接端子和与第二出线端导电连接的第二出线端子，各上、下对接连接端子与相应的上、下对接端通过等长的铜排导电连接，各上、下电容连接端子与相应第一、二电容连接端通过等长的铜排导电连接。
2.根据权利要求1所述的并联IGBT功率单元，其特征在于：第一出线端与各个上对接端通过等长的铜排导电连接。
3.根据权利要求1或2所述的并联IGBT功率单元，其特征在于：第二出线端与第二出线端子通过等长的铜排导电连接。
4.根据权利要求1所述的并联IGBT功率单元，其特征在于：上、下母排各自均为对称结构。
5.根据权利要求4所述的并联IGBT功率单元，其特征在于：上、下母排叠压设置，第一出线端与第二出线端及第一电容连接端与第二电容连接端之间均通过绝缘板压合在一起。
6.根据权利要求4所述的并联IGBT功率单元，其特征在于：上、下母排对应位置处的上、下对接端通过螺丝连接。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的并联IGBT功率单元，其特征在于：对应的第一出线端与第二出线端及第一电容连接端与第二电容连接端之间均设置于对应母排两侧的中部位置。
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