CN104201866B - 一种绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜 - Google Patents

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本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，包括柜体以及柜体内部安装的六组逆变/整流功率模块、三组直流滤波电容与搭接母排。所述柜体内部，从上至下内分为上层、中层、下层，在深度方向上分为前部、中部、后部；则柜体内每层以相同布局布置有两组逆变/整流功率模块与一组直流滤波电容，均位于柜体中部靠前位置。六组逆变/整流功率模块均通过水冷散热板散热，水冷散热板通过柜体内前部的水路母管与外部循环冷却水路相连；搭接母排安装于柜体后部，包括每组逆变/整流功率模块上安装的层叠母排A，以及每组直流滤波电容上安装的层叠母排B。本发明的优点为：电路杂散电感少，输出能力高；且采用模块化结构，便于安装组接，可适用于不同工程要求。

Description

一种绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜
技术领域
本发明属于半导体开关技术领域，特别是提供了一种新型绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)三电平功率模块，它适用于0.5～5MVA大功率变频器中，可广泛应用于中、高压传动领域。
背景技术
IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输进阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，在各种电力变换中获得极广泛的应用。
自从日本长冈科技大学A.Nabae等人在1980年IAS年会上提出多电平变流器概念以来，多电平变流技术飞速发展。该电路以低压器件获得高压输出的概念，为中高压大功率变流器的研究提供了一条崭新的思路，具有两电平变流器不可比拟的一系列优势。在多电平变流器中，除了少量的四电平和五电平变流器产品，三电平变流器得到推广。现今国内，一些企业包括各类基于IGBT的3kv以下中压变频器和基于IGCT的6kv以上高压变频器，各类三电平拓扑中，二极管中点箝位型三电平结构广泛应用在以静止同步补偿器、有源电力滤波器为代表的柔性交流输电技术和以中高压变频为代表的大电机拖动、风力发电等领域。其系统相对简单，成本较低。但由于开关器件和二极管数量较多，为了优化各器件的关断特性，结构设计具有相当的难度，尤其是在器件体积较大而端子距离较远的情况下。在每个开关器件上并联阻容吸收电路是一个可行的方法，但元器件增加会造成系统可靠性下降，功率电阻发热带来的机壳内部温升也会成为一大问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种减少电路杂散电感，提高装置输出能力的模块化的结构，便于安装组接，可适用于不同工程要求的绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜。
本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，包括柜体以及柜体内部安装的六组逆变/整流功率模块、三组直流滤波电容与搭接母排。
所述柜体内部，从上至下内分为上层、中层、下层，在深度方向上分为前部、中部、后部；则柜体内每层以相同布局布置有两组逆变/整流功率模块与一组直流滤波电容，两组逆变/整流功率模块分别位于直流滤波电容左右两侧，且与直流滤波电容具有间距；且柜体两侧的逆变/整流模块间采用背靠背式的电路结构。柜体内每层中两组逆变/整流功率模块与一组直流滤波电容均位于柜体中部靠前位置。上述六组逆变/整流功率模块相互独立，结构相同，每组逆变/整流功率模块构成逆变/整流输出的一相。
六组逆变/整流功率模块均通过水冷散热板散热，水冷散热板通过水路母管与外部循环冷却水路相连；水路母管安装于柜体内，位于柜体前部。
搭接母排安装于柜体后部，包括每组逆变/整流功率模块中IGBT元件与箝位二极管上安装的层叠母排A，以及每组直流滤波电容上安装的层叠母排B。层叠母排A用来实现IGBT元件与箝位二极管间的电路连接；层叠母排A与层叠母排B相连，实现逆变/整流功率模块与直流滤波电容间的电路连接。同时，柜体上层、中层与下层的层叠母排B间相连，实现柜体内由上至下三组直流滤波电容直流侧间相互短接。
本发明的优点在于：
1、本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，采用背靠背式的电路结构，使六组逆变/整流功率模块单元在结构上完全相同；
2、本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，将IGBT应用电路中的各电力电子元件集成于一个功率柜中，有效减小了占用体积；
3、本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，采用二极管箝位式三相三电平逆变电路结构，提高了电压等级，解决了电力电子元件器件耐压不足的问题，减少了电路杂散电感，提高了装置的输出能力；
4、本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，逆变/整流功率模块单元的一致性和相同性，有助于功率单元柜的安装、调试和维修等工作，提高了工作效率，同时也为最小停机时间的维护和维修工作打下了基础；
5、本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，装卸便利，结构紧凑，体积较小。
附图说明
图1为本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜整体结构正视示意图；
图2为两组逆变/整流功率模块与一组直流滤波电容间位置示意图；
图3为逆变/整流功率模块中IGBT元件与箝位二极管布局示意图；
图4为逆变/整流功率模块上的层叠母排A结构示意图；
图5为本发明绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜整体结构后视示意图；
图6为柜体内一层中层叠母排A与层叠母排B间的连接方式示意图。
图中：
1-柜体 2-逆变/整流功率模块 3-直流滤波电容
4-搭接母排 5-水路母管 201-箱体
202-水冷散热器 203-IGBT元件 204-箝位二极管
401-层叠母排A 402-层叠母排B 403-直流外接P母排
404-交流外接母排 405-直流外接M母排 406-直流外接N母排
407-层叠母排C
具体实施方式
本发明一种绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，包括柜体1以及柜体1内部安装的六组逆变/整流功率模块2、三组直流滤波电容3与搭接母排4，如图1所示。据电气原理图，合理布置各个电力电子元器件的位置，构成绝缘栅双极型晶体管三电平功率模块，具体布置方式如下：
所述柜体1内部，从上至下内分为上层、中层、下层，在深度方向上分为前部、中部、后部；则柜体内每层以相同布局布置有两组逆变/整流功率模块2与一组直流滤波电容3，两组逆变/整流功率模块2分别位于直流滤波电容3左右两侧，且与直流滤波电容3等间距，如图2所示；且柜体两侧的逆变/整流模块间采用背靠背式的电路结构，使六组逆变/整流功率模块在结构上完全相同。柜体1内每层中两组逆变/整流功率模块2与一组直流滤波电容3均位于柜体1中部靠前位置。
上述六组逆变/整流功率模块2相互独立，每组逆变/整流功率模块2构成逆变/整流输出的一相，每组逆变/整流功率模块2即为一相完整的桥臂。逆变/整流功率模块2包括箱体201、板式水冷散热器202、IGBT元件203、箝位二极管204，如图2、图3所示。箱体201采用厚型钢板通过机械加工制成；箱体201内底面上安装水冷散热器202；水冷散热器202采用铝制材质，内部加工水道，侧壁上开有进水口与回水口，通过水路母管5与外部循环冷却水路相连，实现对水冷散热器202上表面安装的发热元件(IGBT元件、箝位二极管)的循环水冷却，同时使功率电路接口与水路接口前后布置，相互隔开，避免各接口间的相互干扰；所述水路母管5安装于柜体1内，位于柜体1前部，如图1所示。所述IGBT元件203为n只，n≥4，箝位二极管204为1只；n只IGBT元件203在水冷散热器202上表面周向均布安装，箝位二极管204安装在水冷散热器202上表面中心位置，本实施方式中采用4个IGBT元件。
搭接母排4安装于柜体1后部，包括每组逆变/整流功率模块2中IGBT元件203与箝位二极管204上安装的层叠母排A401，以及每组直流滤波电容3上安装的层叠母排B402，如图4、图5所示。层叠母排A205用来实现IGBT元件203与箝位二极管204间的电路连接；同时还还起到了减小了回路中的杂散电感、节省空间的作用。层叠母排A401一侧具有四组外接母排，分别为直流外接P母排403，交流外接母排404，直流外接M母排405与直流外接N母排406，用来实现逆变/整流功率模块2与直流滤波电容3间的电器连接，以及现场电缆的连接。层叠母排B402用来实现逆变/整流功率模块2与直流滤波电容3间的电路连接。
上述柜体1每层中，层叠母排B402两侧分别与两组逆变/整流功率模块2中层叠母排A401的直流外接P母排403、直流外接M母排405与直流外接N母排406相连，实现两组逆变/整流功率模块2与直流滤波电容3接线端子的连接，如图6所示；由此缩短了直流滤波电容3与两组逆变/整流功率模块2中IGBT元件203之间的距离，减小杂散电感。两组逆变/整流功率模块2上的层叠母排A401的交流外接母排404，分别通过一块层叠母排C407由柜体下部后侧壁处引出，以一定的安全距离并排排布，用来实现与现场电缆的连接。同时，柜体1上层、中层与下层的层叠母排B402间相连，由此实现柜体1内由上至下三组直流滤波电容3直流侧间相互短接，有利于改善IGBT元件203关断特性，也利于节省柜体后部的空间。

Claims (1)

1.一种绝缘栅双极型晶体管三电平功率柜，其特征在于：包括柜体以及柜体内部安装的六组逆变/整流功率模块、三组直流滤波电容与搭接母排；
所述柜体内部，从上至下内分为上层、中层、下层，在深度方向上分为前部、中部、后部；则柜体内每层以相同布局布置有两组逆变/整流功率模块与一组直流滤波电容，两组逆变/整流功率模块分别位于直流滤波电容左右两侧，且与直流滤波电容具有间距，柜体两侧的逆变/整流模块间采用背靠背式的电路结构；柜体内每层中两组逆变/整流功率模块与一组直流滤波电容均位于柜体中部靠前位置；上述六组逆变/整流功率模块相互独立，结构相同，每组逆变/整流功率模块构成逆变/整流输出的一相；
六组逆变/整流功率模块均通过水冷散热板散热，水冷散热板通过水路母管与外部循环冷却水路相连；水路母管安装于柜体内，位于柜体前部；所述逆变/整流功率模块包括箱体、板式水冷散热器、IGBT元件与箝位二极管；箱体内底面上安装水冷散热器；IGBT元件为n只，n≥4，箝位二极管为1只；n只IGBT元件在水冷散热器上表面周向均布安装，箝位二极管安装在水冷散热器上表面中心位置；同时使功率电路接口与水路接口前后布置，相互隔开，避免各接口间的相互干扰；
搭接母排安装于柜体后部，包括每组逆变/整流功率模块中IGBT元件与箝位二极管上安装的层叠母排A，以及每组直流滤波电容上安装的层叠母排B；层叠母排A用来实现IGBT元件与箝位二极管间的电路连接；层叠母排A与层叠母排B相连，实现逆变/整流功率模块与直流滤波电容间的电路连接；同时，柜体上层、中层与下层的层叠母排B间相连，实现柜体内由上至下三组直流滤波电容直流侧间相互短接；
所述层叠母排A一侧具有四组外接母排，分别为直流外接P母排，交流外接母排，直流外接M母排与直流外接N母排；柜体每层中，层叠母排B两侧分别与两组逆变/整流功率模块中层叠母排A的直流外接P母排、直流外接M母排、直流外接N母排相连；交流外接母排通过层叠母排C由柜体下部后侧壁处引出。
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