CN106549584B - 风电变流器的功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种风电变流器的功率模块，包括：电容器单元、电抗器单元、控制单元、外壳，沿从外壳的第一侧面板至外壳的第二侧面板的方向，依次布置电容器单元、电抗器单元，在外壳的前面板与电容器单元和电抗器单元之间布置控制单元。采用本发明的风电变流器的功率模块，内部器件使用合理、排布紧凑，可以提高功率等级、减小体积，并且，通过水冷散热的方式有效提升散热效果。
Description
技术领域
本发明总体说来涉及风电技术领域，更具体地讲，涉及一种风电变流器的功率模块。
背景技术
随着风力发电机组的单机容量向大功率化发展和海上风电日益成为发展趋势，风电行业对高集成的大功率变流器的需求也日益增加。功率模块作为风电变流器内部的核心器件，其性能的优劣直接决定整个风电变流器的性能。进一步地，功率模块的功率等级和体积直接决定了整个风电变流器的功率和体积。
然而，现有的满足大功率需求的功率模块往往体积较大，亟待改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风电变流器的功率模块，可以提高功率等级、减小体积。
本发明提供一种风电变流器的功率模块，包括：电容器单元、电抗器单元、控制单元、外壳，沿从外壳的第一侧面板至外壳的第二侧面板的方向，依次布置电容器单元、电抗器单元，在外壳的前面板与电容器单元和电抗器单元之间布置控制单元。
可选地，电抗器单元包括水冷电抗器；或者/并且，电容器单元包括：多个第一电容器和叠层母排，叠层母排布置在第一侧面板和第一电容器之间，每个第一电容器电连接在叠层母排的一对正负极端子之间。
可选地，电容器单元还包括：与外壳机械连接的支撑件，其中，第一电容器布置在支撑件内，叠层母排与支撑件机械连接，支撑件与水冷电抗器机械连接。
可选地，电抗器单元还包括：隔热棉，隔热棉布置在水冷电抗器和支撑件之间，其中，隔热棉具有缺口，水冷电抗器的连接件贯穿所述缺口与支撑件机械连接。
可选地，控制单元包括控制板单元和开关单元，开关单元布置在控制板单元与所述电容器单元和电抗器单元之间，开关单元包括：水冷基板和布置在水冷基板上的多个IGBT单元。
可选地，风电变流器的功率模块还包括：水冷管路和布置在外壳的下面板上的水冷快插接头，其中，水冷快插接头机械连接到水冷基板，水冷基板通过水冷管路机械连接到水冷电抗器，从而水冷基板通过水冷快插接头接入冷却水，经由水冷管路将冷却水输送至水冷电抗器。
可选地，水冷基板包括：第一进水口、第一出水口、第二进水口和第二出水口，第一进水口与第二出水口连通，第一出水口与第二进水口连通，水冷管路包括第一水冷管路和第二水冷管路，其中，第一进水口和第一出水口机械连接到水冷快插接头，第二出水口机械连接到第一水冷管路的一端，第一水冷管路的另一端机械连接到水冷电抗器的进水口，水冷电抗器的出水口机械连接到第二水冷管路的一端，第二水冷管路的另一端机械连接到第二进水口。
可选地，控制板单元包括：驱动控制电路板、电压采样电路板和电压转换电路板，其中，电压转换电路板将叠层母排的电压进行降压转换后输出到驱动控制电路板，从而给驱动控制电路板供电，电压采样电路板将叠层母排的电压进行变比转换后得到转换电压，并将转换电压输出到驱动控制电路板。
可选地，IGBT单元包括串联连接的第一IGBT和第二IGBT，驱动控制电路板经由第一IGBT的栅极和第二IGBT的栅极控制第一IGBT和第二IGBT之一导通，从而使IGBT单元导通，或者，驱动控制电路板经由第一IGBT的栅极和第二IGBT的栅极控制第一IGBT和第二IGBT均截止，从而使IGBT单元截止。
可选地，风电变流器的功率模块还包括：布置在外壳的后面板上的三个交流快插接头，其中，每个水冷电抗器的一端电连接到对应的一个IGBT单元中的第一IGBT的漏极和第二IGBT的源极，每个水冷电抗器的另一端电连接到对应的一个交流快插接头。
可选地，控制板单元还包括：多个第二电容器，每个第二电容器与对应的一个IGBT单元并联后电连接到叠层母排的一对正负极端子；第二电容器的数量、IGBT单元的数量和水冷电抗器的数量相同。
可选地，当叠层母排的电压达到预定阈值时，电压转换电路板将获取的叠层母排的电压进行降压转换后输出到驱动控制电路板；驱动控制电路板检测功率模块的状态是否正常，并将用于指示检测的功率模块的状态的反馈信号发送到上位机；驱动控制电路板响应于接收的上位机根据用于指示检测的功率模块的状态处于正常状态的反馈信号发出的指令，发送用于控制IGBT单元导通的驱动信号，从而控制IGBT单元导通。
可选地，驱动控制电路板检测功率模块的状态处于异常状态或者接收的转换电压处于异常状态时，驱动控制电路板发送用于控制IGBT单元截止的驱动信号，从而控制IGBT单元截止。
可选地，风电变流器的功率模块还包括：电阻器，电连接到叠层母排的一对正负极端子；或者/并且，布置在后面板上的直流快插接头，直流快插接头电连接到叠层母排。
采用本发明的风电变流器的功率模块，内部器件使用合理、排布紧凑，可以提高功率等级、减小体积，并且，通过水冷散热的方式有效提升散热效果。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1示出根据本发明的实施例的风电变流器的功率模块的立体图。
图2示出图1的主视图。
图3示出图1的后视图。
图4示出图1的仰视图。
图5示出图1的分解透视图。
图6示出开关单元的结构示意图。
图7示出根据本发明的实施例的风电变流器的功率模块的系统拓扑图。
具体实施方式
现在，将参照附图更充分地描述不同的示例实施例，其中，一些示例性实施例在附图中示出。
下面参照图1至图7描述根据本发明的实施例的风电变流器的功率模块。
参照图1至图7，根据本发明的实施例的风电变流器的功率模块包括：电容器单元10、电抗器单元20、控制单元30、外壳40。沿从外壳40的第一侧面板400至外壳40的第二侧面板401的方向，依次布置电容器单元10、电抗器单元20，在外壳40的前面板402与电容器单元10和电抗器单元20之间布置控制单元30。
这里，外壳40可为围绕在功率模块最外层的面板。具体地，外壳40可包括：第一侧面板400、第二侧面板401、前面板402、后面板403、上面板404、下面板405。每个面板可单独形成或与其他的一个或多个面板是一体的。优选地，第一侧面板400与后面板403可一体成型为L型面板。
电容器单元10可包括多个第一电容器100和支撑件101，第一电容器100布置在支撑件101内，从而通过支撑件101将第一电容器100固定。
这里，第一电容器100可为直流支撑电容器，起着储能、平滑滤波的作用。
应当理解，第一电容器100的数量可根据用户需要进行设置，例如，第一电容器100的数量可为10至18个。优选地，第一电容器100的数量为10个。
作为示例，支撑件101可包括第一支撑板、第二支撑板和多个支撑柱。支撑柱布置在第一支撑板和第二支撑板之间，并与第一支撑板和第二支撑板机械连接(例如，螺栓连接)。这里，支撑柱可用于支撑第一电容器100，从而将第一电容器100固定在第一支撑板和第二支撑板形成的空间内。本发明的支撑件101不限于上述示例，其他结构的支撑件101也是可行的，只要能够支撑固定第一电容器100即可。
这里，支撑件101与外壳40机械连接。优选地，支撑件101机械连接到以下面板中的至少一个：第二侧面板401、后面板403、上面板404、下面板405。
此外，电容器单元10可还包括：与支撑件101机械连接的叠层母排102。这里，叠层母排102可包括多对正负极端子，每个第一电容器100电连接在叠层母排102的一对正负极端子之间。
电抗器单元20可包括水冷电抗器200。水冷电抗器200与支撑件101机械连接。
此外，电抗器单元20可还包括：隔热棉201，隔热棉201布置在水冷电抗器200和支撑件101之间。隔热棉201具有缺口202，水冷电抗器200的连接件203贯穿缺口202与支撑件101机械连接。
应当理解，水冷电抗器200的数量可根据用户需要进行设置，优选地，水冷电抗器200的数量为9个。
控制单元30可包括控制板单元300和开关单元301。开关单元301布置在控制板单元300与电容器单元10和电抗器单元20之间。
控制板单元300可包括：驱动控制电路板302、电压采样电路板303和电压转换电路板304。
这里，电压采样电路板303将叠层母排102的电压进行变比转换后得到转换电压，并将转换电压输出到驱动控制电路板302；电压转换电路板304将叠层母排102的电压进行降压转换后输出到驱动控制电路板302，从而给驱动控制电路板302供电。
应当理解，电压采样电路板303可采用各种能够进行电压变比换算的电路板，电压转换电路板304可采用各种能够从叠层母排取电并进行电压降压转换的电路板，本发明对此不作限定。
这里，控制板单元300与外壳40机械连接。优选地，控制板单元300机械连接到以下面板中的至少一个：第一侧面板400、第二侧面板401、上面板404、下面板405。
开关单元301可包括：水冷基板305和布置在水冷基板305上的多个IGBT单元306。
应当理解，IGBT为绝缘栅双极型晶体管。
这里，水冷基板305与外壳40机械连接。优选地，水冷基板305机械连接到以下面板中的至少一个：上面板404、下面板405。
应当理解，水冷基板305可采用各种能够循环冷却水的结构件，本发明对此不作限定。例如，水冷基板305可为内部具有用于循环冷却水的流道的铝板。
具体地，IGBT单元306可包括串联连接的第一IGBT307和第二IGBT308。这里，第一IGBT307的漏极电连接到第二IGBT308的源极，驱动控制电路板302经由第一IGBT307的栅极和第二IGBT308的栅极控制第一IGBT307和第二IGBT308之一导通，从而控制IGBT单元306导通；或者，驱动控制电路板302经由第一IGBT307的栅极和第二IGBT308的栅极控制第一IGBT307和第二IGBT308都截止，从而控制IGBT单元306截止。
换言之，驱动控制电路板302经由第一IGBT307的栅极和第二IGBT308的栅极控制第一IGBT307和第二IGBT308的导通和截止状态相反，或者，驱动控制电路板302经由第一IGBT307的栅极和第二IGBT308的栅极控制第一IGBT307和第二IGBT308都处于截止状态。例如，驱动控制电路板302控制第一IGBT307处于导通状态、第二IGBT308处于截止状态。
应当理解，驱动控制电路板302可采用各种能够驱动IGBT单元的电路板，本发明对此不作限定。
具体地，当叠层母排102的电压达到预定阈值时，电压转换电路板304将获取的叠层母排102的电压进行降压转换后输出到驱动控制电路板302；驱动控制电路板302检测功率模块的状态是否正常，并将用于指示检测的功率模块的状态的反馈信号发送到上位机；驱动控制电路板302响应于接收的上位机根据用于指示检测的功率模块的状态处于正常状态的反馈信号发出的指令，发送用于控制IGBT单元306导通的驱动信号，从而控制IGBT单元306导通。
此外，驱动控制电路板302检测接收的转换电压，并将用于指示转换电压是否正常的反馈信号发送到上位机。
驱动控制电路板302检测功率模块的状态处于异常状态或者接收的转换电压处于异常状态时，驱动控制电路板302发送用于控制IGBT单元306截止的驱动信号，从而控制IGBT单元306截止。在此情况下，驱动控制电路板302还可对检测到的异常状态进行分类，并将用于指示分类后的结果的反馈信号发送到上位机。
作为示例，当叠层母排102的电压达到预定阈值500伏时，触发电压转换电路板304获取叠层母排102的电压，并将获取的500伏电压转换成24伏电压输出到驱动控制电路板302，从而给驱动控制电路板302供电。
优选地，驱动控制电路板302检测功率模块的状态是否正常可包括：检测功率模块的温度是否正常、检测功率模块的电流是否正常。
作为示例，电压采样电路板303采集的叠层母排102的电压为500V，将采集的电压500V进行变比转换后得到转换电压5V，然后将转换电压5V输出到驱动控制电路板302。驱动控制电路板302检测接收的电压5V是否在预定范围(例如，预定范围可为0至15伏)内，当检测到接收的电压5V在预定范围内(正常状态)时，驱动控制电路板302将用于指示转换电压处于正常状态的的反馈信号发送到上位机；当检测到接收的电压5V不在预定范围内(异常状态)时，驱动控制电路板302将用于指示转换电压处于异常状态的的反馈信号发送到上位机。
应当理解，IGBT单元306的数量可根据用户需要进行设置。优选地，IGBT单元306的数量为9个。
此外，控制板单元300可还包括多个第二电容器309。每个第二电容器309与对应的一个IGBT单元306并联后电连接到叠层母排102的一对正负极端子。
这里，第二电容器309可为滤波电容器，用于吸收绝缘栅双极型晶体管关断时由于杂散电感引起的电压突波，从而保证绝缘栅双极型晶体管的电压安全。
应当理解，第二电容器309的数量可根据用户需要进行设置。
优选地，第二电容器309的数量、IGBT单元306的数量和水冷电抗器200的数量相同。例如，第二电容器309的数量、IGBT单元306的数量和水冷电抗器200的数量均为9个。
此外，风电变流器的功率模块可还包括布置在外壳40的后面板403上的三个交流快插接头50。每个水冷电抗器200的一端电连接到对应的一个IGBT单元306中的第一IGBT307的漏极和第二IGBT308的源极，每个水冷电抗器200的另一端电连接到对应的一个交流快插接头50。这里，每个交流快插接头50对应交流电的一相输出。
作为示例，水冷电抗器200的数量为9个，每三个水冷电抗器200的另一端电连接到对应的一个交流快插接头50。
换言之，一个交流快插接头50对应三个并联的IGBT单元，在此情况下，上述用于控制IGBT单元306导通的驱动信号控制IGBT单元306处于导通状态，具体可为：用于控制IGBT单元306导通的驱动信号控制与一个交流快插接头50对应的IGBT单元中的第一IGBT307均导通、第二IGBT308均截止，与另两个交流快插接头50对应的IGBT单元中的第一IGBT307均截止、第二IGBT308均导通；或者，用于控制IGBT单元306导通的驱动信号控制与两个交流快插接头50对应的IGBT单元中的第一IGBT307均导通、第二IGBT308均截止，与另一个交流快插接头50对应的IGBT单元中的第一IGBT307均截止、第二IGBT308均导通。
本发明通过使用水冷电抗器200，可以提高IGBT单元的电流利用率，同时提升均流效果。
此外，风电变流器的功率模块可还包括：水冷管路60和布置在外壳40的下面板405上的水冷快插接头70。水冷快插接头70机械连接到水冷基板305，水冷基板305通过水冷管路60机械连接到水冷电抗器200，从而水冷基板305通过水冷快插接头70接入冷却水，经由水冷管路60将冷却水输送至水冷电抗器200，有效提升散热效果。
优选地，在上面板404和下面板405上均可布置有散热孔，用于通风散热，从而进一步提升散热效果。应当理解，散热孔的数量和排布方式可根据用户需要进行设置，本发明对此不作限定。
具体地，水冷基板305可包括第一进水口500、第一出水口501、第二进水口502和第二出水口503，第一进水口500与第二出水口503连通，第一出水口501与第二进水口502连通，水冷管路60可包括第一水冷管路和第二水冷管路。水冷基板305的第一进水口500和第一出水口501机械连接到水冷快插接头70，水冷基板305的第二出水口503机械连接到第一水冷管路的一端，第一水冷管路的另一端机械连接到水冷电抗器200的进水口，水冷电抗器200的出水口机械连接到第二水冷管路的一端，第二水冷管路的另一端机械连接到水冷基板305的第二进水口502，从而冷却水经由第一进水口500流入水冷基板305，再由第二出水口503流入第一水冷管路，然后流入水冷电抗器200；然后冷却水从水冷电抗器200流出进入第二水冷管路，经由第二进水口502流回水冷基板305，再由第一出水口501将冷却水排出，实现冷却水的循环。
这里，当水冷电抗器200的数量为多个时，可将多个水冷电抗器200中的用于流通冷却水的管路连通在一起，从而使连通后的管路的进水口机械连接第一水冷管路，连通后的管路的出水口机械连接第二水冷管路，进而实现冷却水的循环流通。
应当理解，第一进水口500、第一出水口501、第二进水口502和第二出水口503在水冷基板305上的位置可根据用户需要进行设置，本发明对此不作限定。
此外，风电变流器的功率模块可还包括电阻器80，电阻器80电连接到叠层母排102的一对正负极端子。
此外，风电变流器的功率模块可还包括布置在后面板403上的直流快插接头90，直流快插接头90电连接到叠层母排102。
应当理解，本发明交流快插接头50、水冷快插接头70和直流快插接头90的使用，满足了功率模块可维护性的需求，从而提高维护过程中的工作效率。
此外，风电变流器的功率模块可还包括把手91和窗口92。把手91和窗口92均布置在外壳40的前面板402上。
采用本发明的实施例的风电变流器的功率模块，内部器件使用合理、排布紧凑，可以提高功率等级、减小体积，并且，通过水冷散热的方式有效提升散热效果。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。
Claims (12)
1.一种风电变流器的功率模块，其特征在于，包括：电容器单元(10)、电抗器单元(20)、控制单元(30)、外壳(40)，
沿从外壳(40)的第一侧面板(400)至外壳(40)的第二侧面板(401)的方向，依次布置电容器单元(10)、电抗器单元(20)，在外壳(40)的前面板(402)与电容器单元(10)和电抗器单元(20)之间布置控制单元(30)，
其中，电容器单元(10)包括叠层母排(102)，控制单元(30)包括控制板单元(300)和开关单元(301)，开关单元(301)布置在控制板单元(300)与所述电容器单元(10)和电抗器单元(20)之间，控制板单元(300)包括：驱动控制电路板(302)、电压采样电路板(303)和电压转换电路板(304)，电压转换电路板(304)将叠层母排(102)的电压进行降压转换后输出到驱动控制电路板(302)，从而给驱动控制电路板(302)供电，电压采样电路板(303)将叠层母排(102)的电压进行变比转换后得到转换电压，并将转换电压输出到驱动控制电路板(302)；
开关单元(301)包括多个IGBT单元(306)，
其中，当叠层母排(102)的电压达到预定阈值时，电压转换电路板(304)将获取的叠层母排(102)的电压进行降压转换后输出到驱动控制电路板(302)；驱动控制电路板(302)检测功率模块的状态是否正常，并将用于指示检测的功率模块的状态的反馈信号发送到上位机；驱动控制电路板(302)响应于接收的上位机根据用于指示检测的功率模块的状态处于正常状态的反馈信号发出的指令，发送用于控制IGBT单元(306)导通的驱动信号，从而控制IGBT单元(306)导通。
2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，电抗器单元(20)包括水冷电抗器(200)；或者/并且，
电容器单元(10)还包括：多个第一电容器(100)，叠层母排(102)布置在第一侧面板(400)和第一电容器(100)之间，每个第一电容器(100)电连接在叠层母排(102)的一对正负极端子之间。
3.如权利要求2所述的功率模块，其特征在于，电容器单元(10)还包括：与外壳(40)机械连接的支撑件(101)，
其中，第一电容器(100)布置在支撑件(101)内，叠层母排(102)与支撑件(101)机械连接，支撑件(101)与水冷电抗器(200)机械连接。
4.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于，电抗器单元(20)还包括：隔热棉(201)，隔热棉(201)布置在水冷电抗器(200)和支撑件(101)之间，
其中，隔热棉(201)具有缺口(202)，水冷电抗器(200)的连接件贯穿所述缺口(202)与支撑件(101)机械连接。
5.如权利要求2所述的功率模块，其特征在于，开关单元(301)还包括水冷基板(305)，所述多个IGBT单元(306)布置在水冷基板(305)上。
6.如权利要求5所述的功率模块，其特征在于，还包括：水冷管路(60)和布置在外壳(40)的下面板(405)上的水冷快插接头(70)，
其中，水冷快插接头(70)机械连接到水冷基板(305)，水冷基板(305)通过水冷管路(60)机械连接到水冷电抗器(200)，从而水冷基板(305)通过水冷快插接头(70)接入冷却水，经由水冷管路(60)将冷却水输送至水冷电抗器(200)。
7.如权利要求6所述的功率模块，其特征在于，水冷基板(305)包括：第一进水口(500)、第一出水口(501)、第二进水口(502)和第二出水口(503)，第一进水口(500)与第二出水口(503)连通，第一出水口(501)与第二进水口(502)连通，
水冷管路(60)包括第一水冷管路和第二水冷管路，
其中，第一进水口(500)和第一出水口(501)机械连接到水冷快插接头(70)，第二出水口(503)机械连接到第一水冷管路的一端，第一水冷管路的另一端机械连接到水冷电抗器(200)的进水口，水冷电抗器(200)的出水口机械连接到第二水冷管路的一端，第二水冷管路的另一端机械连接到第二进水口(502)。
8.如权利要求5所述的功率模块，其特征在于，IGBT单元(306)包括串联连接的第一IGBT(307)和第二IGBT(308)，
驱动控制电路板(302)经由第一IGBT(307)的栅极和第二IGBT(308)的栅极控制第一IGBT(307)和第二IGBT(308)之一导通，从而使IGBT单元(306)导通，
或者，驱动控制电路板(302)经由第一IGBT(307)的栅极和第二IGBT(308)的栅极控制第一IGBT(307)和第二IGBT(308)均截止，从而使IGBT单元(306)截止。
9.如权利要求8所述的功率模块，其特征在于，还包括：布置在外壳(40)的后面板(403)上的三个交流快插接头(50)，
其中，每个水冷电抗器(200)的一端电连接到对应的一个IGBT单元(306)中的第一IGBT(307)的漏极和第二IGBT(308)的源极，每个水冷电抗器(200)的另一端电连接到对应的一个交流快插接头(50)。
10.如权利要求8所述的功率模块，其特征在于，控制板单元(300)还包括：多个第二电容器(309)，每个第二电容器(309)与对应的一个IGBT单元(306)并联后电连接到叠层母排(102)的一对正负极端子；第二电容器(309)的数量、IGBT单元(306)的数量和水冷电抗器(200)的数量相同。
11.如权利要求10所述的功率模块，其特征在于，驱动控制电路板(302)检测功率模块的状态处于异常状态或者接收的转换电压处于异常状态时，驱动控制电路板(302)发送用于控制IGBT单元(306)截止的驱动信号，从而控制IGBT单元(306)截止。
12.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于，还包括：
电阻器(80)，电连接到叠层母排(102)的一对正负极端子；或者/并且，
布置在后面板上的直流快插接头(90)，直流快插接头(90)电连接到叠层母排(102)。
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