CN104242683A - 一种绝缘栅双极型晶体管npc/h桥逆变功率模块 - Google Patents

一种绝缘栅双极型晶体管npc/h桥逆变功率模块 Download PDF

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王成胜
唐磊
杨琼涛
赵悦
段巍
赵晓坦
兰志明
李凡
李崇坚
路尚书
李向欣
朱春毅
周亚宁
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Abstract

本发明一种绝缘栅双极型晶体管NPC/H桥逆变功率模块，包括支架以及支架上安装的第一NPC相模块、第二NPC相模块与直流滤波电容。所述两个NPC相模块分别位于直流滤波电容两侧，且与直流滤波电容见具有间隙；两个NPC相模块结构相同，均包括板式水冷散热器、IGBT元件、箝位二极管与层叠母排A；所述IGBT元件为4只，箝位二极管为1只；4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；4只IGBT元件与1只箝位二极管间的电路连接通过层叠母排A实现；直流滤波电容的后侧面上覆盖并固定安装有层叠母排B，与两个NPC相模块中层叠母排A相连。本发明电路布置紧凑，从而减小相互的杂散电感，将水路接口与功率电路接口前后布置，相互隔开。

Description

一种绝缘栅双极型晶体管NPC/H桥逆变功率模块
技术领域
本发明属于半导体开关技术领域，提出一种逆变功率模块，具体来说，是一种绝缘栅双极型晶体管IGBT元件7(Insulated Gate Bipolar Transistor)NPC/H桥逆变功率模块，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元件7(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT元件7综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
在三电平NPC的拓扑中，每一个桥臂由IGBT以串联的方式连接，另外再配上二极管，将它们中间节点连接到直流母线的中性点。其中所采用的所有功率半导体都具备相同的击穿电压。根据输出电压和电流的特点，一个周期的基频输出有四个不同续流工作状态。在设计三电平NPC功率模块时，如何控制好长换流回路的杂散电感和过压、散热问题，是设计人员所要面临的挑战。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种绝缘栅双极型晶体管NPC/H桥逆变功率模块，将以IGBT元件为主功率器件的三电平NPC单相桥臂作为一个模块，通过两个NPC相模块与直流滤波电容的结合，组成一个NPC/H桥逆变功率模块，布局更加合理、结构更加紧凑、散热能力更高。
一种绝缘栅双极型晶体管NPC/H桥逆变功率模块，包括支架以及支架上安装的第一NPC相模块、第二NPC相模块与直流滤波电容。
所述第一NPC相模块、第二NPC相模块分别位于直流滤波电容两侧，与直流滤波电容见具有间隙，且三者采用背靠背式的电路结构。第一NPC相模块与第二NPC相模块结构相同，均包括板式水冷散热器、IGBT元件、箝位二极管与层叠母排A；所述IGBT元件为4只，箝位二极管为1只。4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。4只IGBT元件与1只箝位二极管间的电路连接通过层叠母排A实现。直流滤波电容的后侧面上覆盖并固定安装有层叠母排B，与第一NPC相模块与第二NPC相模块中层叠母排A相连。
本发明的优点在于：
1、本发明逆变功率模块采用了将直流滤波电容设置在两个NPC相模块之间，即节省空间、同时也利于实现电气连接，减小电气连接距离，可以减小回路中的等效电感。
2、本发明逆变功率模块中两个NPC模块采用背靠背结构形式，实现了主模块的标准化，增加了易维护性，使得两个NPC相模块在结构上完全相同；
3、本发明逆变功率模块采用的四类接口，可分别独立正常工作，相互不干扰各自的运行。功率模块的结构紧凑，空间尺寸小，组装简单、方便，适用于0.5～5MVA大功率IGBT元件变流器；
附图说明
图1为本发明逆变功率模块整体结构示意图；
图2为本发明逆变功率模块中NPC相模块结构示意图；
图3为本发明逆变功率模块中IGBT元件与箝位二极管分布示意图；
图4为本发明逆变功率模块中层叠母排A与层叠母排B连接方式示意图。
图中：
1-支架             2-第一NPC相模块    3-第二NPC相模块
4-直流滤波电容     5-箱体             6-板式水冷散热器
7-IGBT元件         8-箝位二极管       9-层叠母排A
10-层叠母排B       11-直流外接P母排   12-交流外接母排
13-直流外接M母排   14-直流外接N母排   15-进水口
16-回水口
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明一种绝缘栅双极型晶体管NPC/H桥逆变功率模块，包括支架1、第一NPC相模块2、第二NPC相模块3与直流滤波电容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NPC/H桥逆变功率模块；具体布置方式如下：
所述支架1由厚钢板焊接而成；左、中、右设计有空腔A、空腔B与空腔C；第一NPC相模块2、第二NPC相模块3以及直流滤波电容4分别安装在空腔A、空腔C与空腔B内；且使第一NPC相模块2、第二NPC相模块3与直流滤波电容4间具有等间距间隔，且三者采用背靠背式的电路结构，使第一NPC相模块2、第二NPC相模块3在结构上完全相同。其中，第一NPC相模块2与第二NPC相模块3均包括箱体5、板式水冷散热器6、IGBT元件7、箝位二极管8与层叠母排A9，如图2、图3所示。箱体5采用厚型钢板通过机械加工制成；箱体5内底面上安装水冷散热器；水冷散热器采用铝制材质，内部加工水道，侧壁上开有进水口15与回水口16，与外部循环冷却水路相连，实现对水冷散热器上表面安装的发热元件(IGBT元件7、箝位二极管8)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IGBT元件7为4只，箝位二极管8为1只；4只IGBT元件7在水冷散热器上表面周向均布安装，箝位二极管8安装在水冷散热器上表面中心位置。4只IGBT元件7与1只箝位二极管8的上表面覆盖并固定有一块层叠母排A9，通过层叠母A排实现4只IGBT元件7与1只箝位二极管8间的电路连接；采用层叠母排A9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A9一侧具有四组外接母排，分别为直流外接P母排11，交流外接母排12，直流外接M母排13与直流外接N母排14，用来实现第一NPC相模块2、第二NPC相模块3与直流滤波电容4间的电器连接，以及现场电缆的连接。
直流滤波电容4的后侧面上覆盖并固定安装有层叠母排B10，层叠母排B10两侧分别与第一NPC相模块2和第二NPC相模块3中层叠母排A9的直流外接P母排11、直流外接M母排13与直流外接N母排14相连，如图4所示，实现了第一NPC相模块2与第二NPC相模块3与直流滤波电容4接线端子的连接；由此缩短了直流滤波电容4与第一NPC相模块2与第二NPC相模块3中IGBT元件7之间的距离，减小杂散电感。第一NPC相模块2与第二NPC相模块3中层叠母排A9的交流外接母排12，用来实现与现场电缆间的连接。
本发明作为一个独立的绝缘栅双极型晶体管NPC/H桥逆变功率模块，具有四类接口，分别为：支架上开设的螺纹固定孔构成的机械接口，用于将功率模块固定在柜体上；层叠母排延伸出的四组外接母排，用于电气连接；由水冷散热器侧面布置的进水口、回水水口组成的水路接口，用于与外部循环冷却水路相连；由IGBT元件7的驱动电路引出的控制电路接口，用于与外部控制系统相连。上述四类结构可分别独立正常工作，相互不干扰各自的运行。功率模块的结构紧凑，空间尺寸小，组装简单、方便，适用于0.5～5MVA大功率IGBT元件变流器。

Claims (4)

1.一种绝缘栅双极型晶体管NPC/H桥逆变功率模块，其特征在于：包括支架以及支架上安装的第一NPC相模块、第二NPC相模块与直流滤波电容；
所述第一NPC相模块、第二NPC相模块分别位于直流滤波电容两侧，与直流滤波电容见具有间隙，且三者采用背靠背式的电路结构；第一NPC相模块与第二NPC相模块结构相同，均包括板式水冷散热器、IGBT元件、箝位二极管与层叠母排A；所述IGBT元件为4只，箝位二极管为1只；4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；4只IGBT元件与1只箝位二极管间的电路连接通过层叠母排A实现；直流滤波电容的后侧面上覆盖并固定安装有层叠母排B，与第一NPC相模块与第二NPC相模块中层叠母排A相连。
2.如权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管NPC/H桥逆变功率模块，其特征在于：水冷散热器为长方体板式结构，铝制材质，内部加工水道，进水口、回水口布置在水冷散热器的一侧。
3.如权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管NPC/H桥逆变功率模块，其特征在于：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；层叠母排B两侧分别与第一NPC相模块和第二NPC相模块中层叠母排A的直流外接P母排、直流外接M母排与直流外接N母排相连；第一NPC相模块与第二NPC相模块中层叠母排A的交流外接母排，用来实现与现场电缆间的连接。
4.如权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管NPC/H桥逆变功率模块，其特征在于：具有四类接口，分别为：支架上开设的螺纹固定孔构成的机械接口，用于将功率模块固定在柜体上；层叠母排延伸出的四组外接母排，用于电气连接；由水冷散热器侧面布置的进水口、回水水口组成的水路接口，用于与外部循环冷却水路相连；由IGBT元件7的驱动电路引出的控制电路接口，用于与外部控制系统相连。
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