CN103401434B - 一种大功率变流器功率单元 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大功率变流器功率单元，包括功率单元整体框架和位于功率单元整体框架内部的叠层母排（10）、功率元件IGBT及其驱动器（12）、电容支撑板（13）、支撑电容阵列（14）、散热器固定板（15）、散热器（16）、风机安装板（17）和散热风机（18）；功率单元整体框架包括位于功率单元整体框架的后面的长方形安装板（6）；支撑电容阵列（14）通过电容支撑板（13）安装在安装板（6）上；散热风机（18）通过风机安装板（17）安装在安装板（6）上；功率元件IGBT及其驱动器（12）通过散热器固定板（15）固定在安装板（6）上；叠层母排（10）平行于安装板（6），将主要元器件安装在一个安装板上，将所有器件整合封装成一个功率单元。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种大功率变流器功率单元。
背景技术
风能和太阳能是在我国得到较多应用的可再生能源。风电变流器和光伏逆变器中的功率单元通过控制功率元件的开通和关断，来改变输入电压的特性，起到整流和逆变的作用，功率单元是大功率变流器的核心部件，是实现电能变换的基础。
目前大部分厂家的变流器功率单元没有采用模块化的设计理念，存在功率密度低，结构复杂，安装和维护不便，流水线生产效率不高等问题。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明涉及一种大功率变流器功率单元，包括功率单元整体框架和位于所述功率单元整体框架内部的叠层母排（10）、功率元件IGBT及其驱动器（12）、电容支撑板（13）、支撑电容阵列（14）、散热器固定板（15）、散热器（16）、风机安装板（17）和散热风机（18）；
所述功率单元整体框架包括位于所述功率单元整体框架的后面的长方形安装板（6）；
所述支撑电容阵列（14）位于所述功率单元整体框架内部的上方，通过平行于所述安装板（6）的电容支撑板（13）安装在所述安装板（6）上；
所述散热风机（18）位于所述功率单元整体框架内部的下方，通过位于所述散热风机（18）上方的垂直于所述安装板（6）的风机安装板（17）安装在所述安装板（6）上；
所述功率元件IGBT及其驱动器（12）位于所述支撑电容阵列（14）和所述散热风机（18）之间，安装在所述散热器（16）上；散热器固定板（15）为位于长方体形所述散热器（16）的左面和右面与所述安装板（6）垂直的两块板，所述散热器（16）通过所述散热器固定板（15）固定在所述安装板（6）上；
所述叠层母排（10）平行于所述安装板（6），位于所述支撑电容阵列（14）和所述功率元件IGBT及其驱动器（12）的前面，所述支撑电容阵列（14）通过与所述叠层母排（10）相连实现各个支撑电容之间相互并联，所述功率元件IGBT及其驱动器（12）通过与叠层母排（10）相连实现各个大功率IGBT之间相互并联。
本发明提供的第一优选实施例中：所述大功率IGBT交流输出端并联后转接到与所述功率单元整体框架的左面平行的交流输出铜排（9）；
所述变流器功率单元内部还安装有IGBT脉冲同步接口板，所述IGBT脉冲同步接口板输出脉冲到IGBT驱动器，并为所述IGBT驱动器供电，所述IGBT驱动器反馈故障信息至所述IGBT脉冲同步接口板，保证所述并联的大功率IGBT的驱动脉冲同步；
脉冲同步接口板与变流器控制器采用高速光纤通信。
本发明提供的第二优选实施例中：所述叠层母排（10）与所述大功率IGBT的连接点处并联四个吸收电容（11），所述吸收电容用于吸收所述大功率IGBT通断时产生的过电压。
本发明提供的第三优选实施例中：所述叠层母排（10）由正、负极母排以及至少两层的绝缘纸压合而成，上端弯折90°；
所述叠层母排（10）的上端弯折部分为两块长方形板，所述支撑电容阵列（14）包括至少两个薄膜电容，通过与所述叠层母排（10）相连实现各个所述薄膜电容的并联后，所述叠层母排（10）的上端弯折部分的两块长方形板分别作为大功率变流器功率单元与外部相连的正、负极直流输入端（2）。
本发明提供的第四优选实施例中：所述散热器（16）通过风机安装板（7）将进风口与散热风机（18）的风机风道（19）相连，所述电容支撑板（13）为上面和下面为空的中空长方体形通道，所述散热器（16）的出风口与所述电容支撑板（13）的下面相连。
本发明提供的第五优选实施例中：所述功率单元整体框架还包括位于所述功率单元整体框架前面的盖板（1）、位于上面的顶板（4）和位于下面的底板（7）。
本发明提供的第六优选实施例中：所述盖板（1）为左下部分缺角的长方形板，所述缺角部分为长方形，所述盖板（1）上设有电气接口（5），所述变流器功率单元内部的线缆通过所述电气接口（5）与外部连接。
本发明提供的第七优选实施例中：所述顶板（4）上设有开孔，所述开孔作为所述支撑电容阵列（14）的散热孔和与所述电容支撑板（13）的上面相连的所述大功率IGBT的出风口（3）。
本发明提供的第八优选实施例中：所述功率单元整体框架的侧面设有拉手，所述底板（7）上安装有滚轮（8）。
本发明提供的一种大功率变流器功率单元的有益效果包括：
1、本发明提供的一种大功率变流器功率单元，以桥臂为单元进行设计，采用大功率IGBT直接并联技术，提高了功率密度和设计紧凑性。将主要元器件安装在一个安装板上，安装板与顶板和底板相互固定，将所有器件整合封装成一个功率单元。
2、大功率变流器功率单元模块内安装有IGBT脉冲同步接口板，保证并联IGBT的驱动脉冲同步，脉冲同步接口板与变流器控制器采用高速光纤通信，提高系统可靠性与实时性。
3、叠层母排与大功率IGBT的连接点处并联四个吸收功率元件大功率IGBT通断时产生的过电压吸收电容。
4、支撑电容和大功率IGBT的正、负极方向布置得与电流流向一致，使得叠层母排的杂散电感最小，有利于降低电压尖峰对功率元件的影响，提高功率元件的寿命。
5、功率单元的直流输入端和交流输出端伸出功率单元外与外部连接，变流器功率单元内部的线缆通过电气接口与外部连接，对外部的接口简单，使包括多组功率单元在内的整个机柜的装配和配线工作变得简单，有利于大批量流水线作业。
6、功率单元整体框架的侧面设有拉手，底板上安装有滚轮，有助于提高安装维护时的操作便利性。
7、散热通道由风机、风机风道、散热器和电容支撑板组成，冷却风由下而上，经过风机、风机风道、固定有功率元件的散热器和电容支撑板，从出风口吹出，帮助整个功率单元主要的发热源大功率IGBT散热，散热通道简洁，风阻小，散热效果良好，中空长方体形电容支撑板既可以用来固定支撑电容阵列，还作为功率元件的散热风道的组成成分。
附图说明
如图1所示为本发明提供的一种大功率变流器功率单元的实施例的内部结构立体图a；
如图2所示为本发明提供的一种大功率变流器功率单元的实施例的内部结构立体图a的局部分解示意图；
如图3所示为本发明提供的一种大功率变流器功率单元的实施例的内部结构主视图；
如图4所示为本发明提供的一种大功率变流器功率单元的实施例的整体结构立体图a；
如图5所示为本发明提供的一种大功率变流器功率单元的实施例的整体结构立体图b；
图中：1为盖板；2为直流输入端；3为出风口；4为顶板；5为电气接口；6为安装板；7为底板；8为滚轮；9为交流输出铜排；10为叠层母排；11为吸收电容；12为功率元件IGBT及驱动器；13为电容支撑板；14为支撑电容阵列；15为散热器固定板；16为散热器；17为风机安装板；18为风机；19为风机风道。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明提供一种大功率变流器功率单元，如图1和图2所示分别为本发明提供的一种大功率变流器功率单元的实施例的内部结构立体图a和该内部结构立体图a的局部分解示意图，由图1和图2可知，本发明提供的一种大功率变流器功率单元包括功率单元整体框架和位于该功率单元整体框架内部的叠层母排（10）、功率元件IGBT及其驱动器（12）、电容支撑板（13）、支撑电容阵列（14）、散热器固定板（15）、散热器（16）、风机安装板（17）和散热风机（18）。
其中，功率单元整体框架包括位于该功率单元整体框架的后面的长方形安装板（6），支撑电容阵列（14）位于功率单元整体框架内部的上方，通过平行于安装板（6）的电容支撑板（13）安装在该安装板（6）上。
散热风机（18）位于功率单元整体框架内部的下方，通过位于散热风机（18）上方的垂直于安装板（6）的风机安装板（17）安装在该安装板（6）上，该风机安装板（7）既可以固定该散热风机（18），还可以吸收散热风机（18）运行时的震动。
功率元件IGBT及其驱动器（12）位于支撑电容阵列（14）和散热风机（18）之间，安装在散热器（16）上，散热器固定板（15）为位于长方体形散热器（16）左面和右面与安装板（6）垂直的两块板，散热器（16）通过该散热器固定板（15）固定在安装板（6）上。
叠层母排（10）平行于安装板（6），位于支撑电容阵列（14）和功率元件IGBT及其驱动器（12）的前面，支撑电容阵列（14）通过与叠层母排（10）相连实现各个支撑电容之间相互并联，功率元件IGBT及其驱动器（12）通过与叠层母排（10）相连实现各个大功率IGBT之间相互并联。
优选的，由图2可知，大功率IGBT交流输出端并联后转接到与功率单元整体框架的左面平行的交流输出铜排（9），变流器功率单元内部还安装有IGBT脉冲同步接口板，IGBT脉冲同步接口板输出脉冲到IGBT驱动器，并为IGBT驱动器供电，IGBT驱动器反馈故障信息至IGBT脉冲同步接口板，保证并联IGBT的驱动脉冲同步，脉冲同步接口板与变流器控制器采用高速光纤通信，提高系统可靠性与实时性。
叠层母排（10）与大功率IGBT的连接点处并联四个吸收电容（11），用以吸收功率元件大功率IGBT通断时产生的过电压。
叠层母排（10）由正、负极母排以及若干层绝缘纸压合而成，上端弯折90°，叠层母排（10）的上端弯折部分为两块长方形板，支撑电容阵列（14）包括若干个薄膜电容，通过与叠层母排（10）相连实现各个薄膜电容的并联后，该叠层母排（10）的上端弯折部分的两块长方形板分别作为大功率变流器功率单元与外部相连的正、负极直流输入端（2）。
进一步的，支撑电容和大功率IGBT的正、负极方向布置得与电流流向一致，使得叠层母排（10）的杂散电感最小，有利于降低电压尖峰对功率元件的影响，提高功率元件的寿命。
如图3所示为本发明提供的一种大功率变流器功率单元的实施例的内部结构主视图，由图3可知，散热器（16）通过风机安装板（7）将进风口与散热风机（18）的风机风道（19）相连，电容支撑板（13）为上面和下面为空的中空长方体通道，散热器（16）的出风口与该电容支撑板（13）的下面相连，该电容支撑板（13）既可以用来固定支撑电容阵列（14），还作为功率元件的散热风道的组成成分。
如图4和图5所示为本发明提供的一种大功率变流器功率单元的实施例的整体结构立体图a和立体图b，由图4和图5可知，功率单元整体框架还包括位于该功率单元整体框架前面的盖板（1）、位于上面的顶板（4）和位于下面的底板（7）。
盖板（1）为左下部分缺角的长方形板，缺角部分为长方形，该盖板（1）上还设有电气接口（5），变流器功率单元内部的线缆通过该电气接口（5）与外部连接。
顶板（4）上设有开孔，该开孔作为支撑电容阵列（14）的散热孔和功率元件散热风道的出风口（3）。
功率单元整体框架的侧面设有拉手，底板（7）上安装有滚轮（8），有助于提高安装维护时的操作便利性。
功率元件大功率IGBT是整个功率单元主要的发热源，本发明中功率元件的散热通道由风机（18）、风机风道（19）、散热器（16）和电容支撑板（13）组成，冷却风由下而上，经过风机、风机风道、固定有功率元件的散热器和电容支撑板，从出风口（3）吹出，散热通道简洁，风阻小，散热效果良好。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种大功率变流器功率单元，其特征在于，所述变流器功率单元包括功率单元整体框架和位于所述功率单元整体框架内部的叠层母排(10)、功率元件IGBT及其驱动器(12)、电容支撑板(13)、支撑电容阵列(14)、散热器固定板(15)、散热器(16)、风机安装板(17)和散热风机(18)；
所述功率单元整体框架包括位于所述功率单元整体框架的后面的长方形安装板(6)；
所述支撑电容阵列(14)位于所述功率单元整体框架内部的上方，通过平行于所述安装板(6)的电容支撑板(13)安装在所述安装板(6)上；
所述散热风机(18)位于所述功率单元整体框架内部的下方，通过位于所述散热风机(18)上方的垂直于所述安装板(6)的风机安装板(17)安装在所述安装板(6)上；
所述功率元件IGBT及其驱动器(12)位于所述支撑电容阵列(14)和所述散热风机(18)之间，安装在所述散热器(16)上；散热器固定板(15)为位于长方体形所述散热器(16)的左面和右面与所述安装板(6)垂直的两块板，所述散热器(16)通过所述散热器固定板(15)固定在所述安装板(6)上；
所述叠层母排(10)平行于所述安装板(6)，位于所述支撑电容阵列(14)和所述功率元件IGBT及其驱动器(12)的前面，所述支撑电容阵列(14)通过与所述叠层母排(10)相连实现各个支撑电容之间相互并联，所述功率元件IGBT及其驱动器(12)通过与叠层母排(10)相连实现各个大功率IGBT之间相互并联；
所述的变流器功率单元，其特征在于，所述大功率IGBT交流输出端并联后转接到与所述功率单元整体框架的左面平行的交流输出铜排(9)；
所述变流器功率单元内部还安装有IGBT脉冲同步接口板，所述IGBT脉冲同步接口板输出脉冲到IGBT驱动器，并为所述IGBT驱动器供电，所述IGBT驱动器反馈故障信息至所述IGBT脉冲同步接口板，保证所述并联的大功率IGBT的驱动脉冲同步；
脉冲同步接口板与变流器控制器采用高速光纤通信。
2.如权利要求1所述的变流器功率单元，其特征在于，所述叠层母排(10)与所述大功率IGBT的连接点处并联四个吸收电容(11)，所述吸收电容用于吸收所述大功率IGBT通断时产生的过电压。
3.如权利要求2所述的变流器功率单元，其特征在于，所述叠层母排(10)由正、负极母排以及至少两层的绝缘纸压合而成，上端弯折90°；
所述叠层母排(10)的上端弯折部分为两块长方形板，所述支撑电容阵列(14)包括至少两个薄膜电容，通过与所述叠层母排(10)相连实现各个所述薄膜电容的并联后，所述叠层母排(10)的上端弯折部分的两块长方形板分别作为大功率变流器功率单元与外部相连的 正、负极直流输入端(2)。
4.如权利要求1所述的变流器功率单元，其特征在于，所述散热器(16)通过风机安装板(17)将进风口与散热风机(18)的风机风道(19)相连，所述电容支撑板(13)为上面和下面为空的中空长方体形通道，所述散热器(16)的出风口与所述电容支撑板(13)的下面相连。
5.如权利要求4所述的变流器功率单元，其特征在于，所述功率单元整体框架还包括位于所述功率单元整体框架前面的盖板(1)、位于上面的顶板(4)和位于下面的底板(7)。
6.如权利要求5所述的变流器功率单元，其特征在于，所述盖板(1)为左下部分缺角的长方形板，所述缺角部分为长方形，所述盖板(1)上设有电气接口(5)，所述变流器功率单元内部的线缆通过所述电气接口(5)与外部连接。
7.如权利要求5所述的变流器功率单元，其特征在于，所述顶板(4)上设有开孔，所述开孔作为所述支撑电容阵列(14)的散热孔和与所述电容支撑板(13)的上面相连的所述大功率IGBT的出风口(3)。
8.如权利要求5所述的变流器功率单元，其特征在于，所述功率单元整体框架的侧面设有拉手，所述底板(7)上安装有滚轮(8)。
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