CN106611679A - 一种全桥级联式高压直流断路器阀模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全桥级联式高压直流断路器阀模块，所述阀模块包括支撑框架和固定在所述支撑框架上的阀段；所述阀段包括依次平行设于所述支撑框架上的供能组件、A型IGBT压装单元、B型IGBT压装单元和电容器组件；所述A型IGBT压装单元、所述B型IGBT压装单元和所述电容器组件对应电气相连，以形成依次级联的全桥模块。本发明提供的阀模块结构紧凑、抗干扰能力强，电气可靠性高，杂散参数更低更易控制，阀模块单位体积功率容量更大。
Description
技术领域
本发明涉及一种阀模块，具体讲涉及一种全桥级联式高压直流断路器阀模块，属于柔性直流输电及直流电网领域。
背景技术
申请号为201310061175.9的专利申请公开了一种直流断路器及其实现方法；其中涉及一种基于全桥级联式的高压直流断路器拓扑结构，该高压直流断路器拓扑结构由主通流支路，转移支路和耗能保护支路依次并联组成，其中主通流支路由高速机械开关与半导体开关组件串并联组成。转移支路由阀模块级联组成，每个阀模块由半导体开关组件串并联组成。
高压直流断路器的工作过程中，半导体开关组件担负着导通和关断故障电流的任务。半导体开关的可靠运行是保证高压直流断路器正常可靠运行的前提。尤其在转移支路的阀模块中，高压直流断路器动作时，要求阀模块中的半导体开关必须在20μs以内快速可靠关断10kA以上的故障电流，关断过程中会产生极大的电流变化率(di/dt)，这就要求转移支路阀模块中的杂散电感越小越好，同时要求阀模块设计时充分考虑瞬变电流所产生的电磁骚扰。
鉴于全桥级联式高压直流断路器半导体开关组件在工作过程中必须能够承受大电流、高电流变化率、电磁骚扰等严苛的工况，需要设计一种可靠性高、紧凑性好、电感值低、抗干扰能力强的阀模块。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种全桥级联式高压直流断路器阀模块。
本发明提供的技术方案是：一种全桥级联式高压直流断路器阀模块，其改进之处在于：所述阀模块包括支撑框架和固定在所述支撑框架上的阀段；所述阀段包括依次平行设于所述支撑框架上的供能组件、A型IGBT压装单元、B型IGBT压装单元和电容器组件；所述A型IGBT压装单元、所述B型IGBT压装单元和所述电容器组件对应电气相连，以形成依次级联的全桥模块。
优选的，所述支撑框架包括平行设置的绝缘槽梁和垂直设于所述绝缘槽梁之间的金属支撑梁；所述金属支撑梁两端设有垂直于其轴线方向的金属固定板，所述金属固定板为矩形板，其四角处分别设有螺孔；所述绝缘槽梁上沿轴线方向设有与所述螺孔相对应的安装孔；所述金属固定板与所述绝缘槽梁的内侧相贴合，并通过贯穿所述螺孔和所述安装孔的螺栓与所述绝缘槽梁固定；供能组件、A型IGBT压装单元、B型IGBT压装单元和电容器组件均平行于所述绝缘槽梁。
进一步，所述A型IGBT压装单元和所述B型IGBT压装单元采用两种不同的压装形式分别压装在辅助框架内；
所述A型IGBT压装单元包括平行设于辅助框架内的水冷散热器和压装在水冷散热器之间的IGBT器件；所述IGBT器件成对分组相连，形成N组上桥臂，每组上桥臂由轴向距离最近的两个IGBT器件通过其间的水冷散热器反串联连接组成；所述上桥臂中两个IGBT器件的集电极对应相连；
所述B型IGBT压装单元包括平行设于辅助框架内的水冷散热器和压装在水冷散热器之间的IGBT器件；所述IGBT器件成对分组相连，形成N组下桥臂，每组下桥臂由轴向距离最近的两个IGBT器件通过其间的水冷散热器反串联连接组成；所述下桥臂中两个IGBT器件的发射极对应相连。
进一步，电容组件包括电容器和放电电阻；所述电容器沿平行于所述绝缘槽梁轴线的方向等距离固定在所述绝缘槽梁上；每只电容器两端通过垂直于所述绝缘槽梁的电容母排与所述A型IGBT压装单元中的上桥臂和所述B型IGBT压装单元中的下桥臂对应相连；所述放电电阻安装在所述电容母排正负极之间；
全桥模块包括所述上桥臂、所述下桥臂、所述电容器和所述放电电阻；所述上桥臂中两个IGBT器件的连接中点通过电容母排与电容器的一端电气相连，所述下桥臂中两个IGBT器件的连接中点通过电容母排与电容器的另一端电气相连；所述放电电阻与所述电容器并联；所述上桥臂中两个IGBT器件的发射极分别与所述下桥臂中两个IGBT器件的集电极通过导电母排对应电气相连。
进一步，所述A型IGBT压装单元和所述B型IGBT压装单元的上方分别安装有门极驱动单元；所述门极驱动单元固定在水冷散热器上，所述门极驱动单元的数量与所述A型IGBT压装单元和所述B型IGBT压装单元中IGBT器件的数量相等，每个门极驱动单元对应连接一个IGBT器件的门极，用于控制所述绝缘栅双极型晶体管的开通或关断。
进一步，所述A型IGBT压装单元和所述B型IGBT压装单元之间沿平行于绝缘槽梁的方向固定有等距离分布的中央控制单元；所述中央控制单元的数量等于全桥模块的数量；每个中央控制单元对应连接一个全桥模块中的电容器，用于检测电容器两端的电压。
进一步，所述中央控制单元固定在平行于所述绝缘槽梁的绝缘支架上，所述绝缘支架上设有辅助电位提取结构，用于将电容器两端的电压信号传递至所述中央控制单元。
进一步，所述供能组件包括沿平行于绝缘槽梁轴线的方向等距离固定在所述绝缘槽梁上的供能单元；所述供能单元包括电磁供能变送器和开关电源，所述电磁供能变送器固定在绝缘槽梁上，所述开关电源固定在所述电磁供能变送器顶部；所述供能单元的数量等于全桥模块的数量；每套供能单元对应一个全桥模块，所述开关电源将所述电磁供能变送器输出的高频交流电转化为直流电后，用于给所述全桥模块中的门极驱动单元和中央控制单元供能。
进一步，所述辅助框架包括同轴设置且轴线平行于绝缘槽梁的两个法兰、以及垂直设于所述两个法兰之间的绝缘支撑杆，所述绝缘支撑杆的两端分别通过紧固螺栓与所述两个法兰固定；所述水冷散热器和所述IGBT器件沿平行于所述绝缘槽梁的方向依次交替设于所述两个法兰之间；所述辅助框架固定在金属支撑梁上，两个法兰分别与金属支撑梁直接接触。
优选的，所述支撑框架上固定有至少两个阀段，每个阀段沿相同的方向并列布置，阀段之间通过导电母排级联。
与最接近的现有技术相比，本发明具有如下显著进步：
(1)本发明提供的阀模块通过阵列式压装的机械结构实现全桥模块的多级级联；可提高阀模块集成度，减小阀模块总体积，对比传统全桥模块设计方法，体积可以减少50％以上；
(2)本发明提供的阀模块采用阵列式压装级联设计，可极大程度上降低全桥模块内部以及全桥模块之间的杂散电感，可使故障电流通路上的集总电感值控制在最低水平下；
(3)阀模块中放电电阻安装布置在电容器母排正负极之间，在有效利用空间的同时，缩短了放电路径，减少了阀模块附件零件数量，使得阀模块结构更加紧凑，工作可靠性更高；
(4)阀模块中中央控制单元固定在平行于绝缘槽梁的绝缘支架上，绝缘支架上设有辅助电位提取结构；无需额外导线，即可将电容电压信号传递至中央控制单元，减少了阀模块附件零件数量，使模块在复杂严酷的工况下，提高其可靠性，降低因生产装配时误差所引起的故障率；
(5)阀模块中中央控制单元布置在A型IGBT压装单元和B型IGBT压装单元之间，从机械层面上保证了信号传递距离的一致性；
(6)阀模块采用两种形式压装的IGBT压装单元：A型IGBT压装单元和B型IGBT压装单元，两个IGBT压装单元紧邻安装，从机械上实现了完整全桥模块的级联布置；提高了阀模块集成度、以及阀模块单位体积的功率容量；
附图说明
图1为本发明提供的高压直流断路器阀模块的电气结构图；
图2为本发明提供的高压直流断路器阀模块的顶部轴测视图；
图3为本发明提供的高压直流断路器阀模块的底部轴测视图；
图4为本发明提供的高压直流断路器阀模块的俯视图；
图5为全桥模块的局部放大图；
图6为支撑框架的结构示意图；
其中1-电容器；2-支撑框架；3-供能组件；4-A型IGBT压装单元；5-B型IGBT压装单元；6-放电电阻；7-电容母排；8-中央控制单元；9-门极驱动单元；10-IGBT器件T1；11-IGBT器件T2；12-IGBT器件T3；13-IGBT器件T4；15-绝缘槽梁；16-金属支撑梁。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
本发明提供一种全桥级联式高压直流断路器阀模块，以此来满足和实现全桥级联式高压直流断路器。
全桥级联式高压直流断路器阀模块由多个全桥模块(本是实施例中为16个，但不限于16个)级联组成，其电气拓扑结构如图1所示。每个全桥模块中器件参数选型一致，以确保工作过程中各全桥间电压一致。每个全桥模块由四个IGBT器件组成(含反并联二极管)，IGBT器件T1和T2反串联连接组成上桥臂，IGBT器件T3和T4反串联连接组成下桥臂；在IGBT器件T1和IGBT器件T2的联结点与IGBT器件T3和IGBT器件T4的联结点之间有电容器，为保证断路器在工作完成后电容器中的残余电荷可以有效释放，在电容器两端并联放电电阻。
全桥级联式高压直流断路器阀模块的整体结构如图2-6所示。该阀模块由16级全桥模块级联组成的阀模块；为增强模块的结构强度，每八级全桥模块组成一个阀段，两个阀段并列安装在支撑框架上。所述阀段包括依次平行设于所述支撑框架上的供能组件、A型IGBT压装单元、B型IGBT压装单元和电容器组件，电容器组件包括电容器和放电电阻；另外在所述A型IGBT压装单元和所述B型IGBT压装单元之间还安装有中央控制单元；所述A型IGBT压装单元的顶部和所述B型IGBT压装单元的顶部还分别安装有门极驱动单元；每个全桥模块由4只压接式IGBT、1只电容器、水冷散热器、供能单元、4套门极驱动单元、1套中央控制单元及放电电阻等构成。
全桥级联式高压直流断路器阀模块的轴测视图如图2-3所示，其中图2为全桥级联式高压直流断路器阀模块的顶部轴测视图；图3为全桥级联式高压直流断路器阀模块的底部轴测视图。
所述图2全桥级联式高压直流断路器阀模块顶部轴测视图中，支撑框架2为整体阀模块的承力和固定部件，所述阀模块中所有零部件均通过不同的形式固定于阀模块支撑框架上。
所述支撑框架2的结构如图6所示，所述支撑框架2包括平行设置的绝缘槽梁和垂直设于所述绝缘槽梁之间的金属支撑梁；所述金属支撑梁两端设有垂直于其轴线方向的金属固定板，所述金属固定板为矩形板，其四角处分别设有螺孔；所述绝缘槽梁上沿轴线方向设有与所述螺孔相对应的安装孔；所述金属固定板与所述绝缘槽梁的内侧相贴合，并通过贯穿所述螺孔和所述安装孔的螺栓与所述绝缘槽梁固定；所述供能组件、所述A型IGBT压装单元、所述B型IGBT压装单元和所述电容器组件均平行于所述绝缘槽梁。
所述阀模块中的IGBT器件采用压接型IGBT，A型IGBT压装单元4与B型IGBT压装单元5各一套成为一组，直接安装在16金属支撑梁上；
所述A型IGBT压装单元和所述B型IGBT压装单元采用两种不同的压装形式分别压装在辅助框架内：
所述A型IGBT压装单元包括平行设于辅助框架内的水冷散热器和压装在水冷散热器之间的IGBT器件；所述IGBT器件成对分组相连，形成N组上桥臂，每组上桥臂由轴向距离最近的两个IGBT器件通过其间的水冷散热器反串联连接组成；所述上桥臂中两个IGBT器件的集电极对应相连；
所述B型IGBT压装单元包括平行设于辅助框架内的水冷散热器和压装在水冷散热器之间的IGBT器件；所述IGBT器件成对分组相连，形成N组下桥臂，每组下桥臂由轴向距离最近的两个IGBT器件通过其间的水冷散热器反串联连接组成；所述下桥臂中两个IGBT器件的发射极对应相连。
所述辅助框架包括同轴设置且轴线平行于绝缘槽梁的两个法兰、以及垂直设于所述两个法兰之间的绝缘支撑杆，所述绝缘支撑杆的两端分别通过紧固螺栓与所述两个法兰固定；所述水冷散热器和所述IGBT器件沿平行于所述绝缘槽梁的方向依次交替设于所述两个法兰之间；所述辅助框架固定在金属支撑梁上，两个法兰分别与金属支撑梁直接接触，为16金属支撑梁提供电位连接。
A型IGBT压装单元中的1、2号IGBT器件所述组成的上桥臂与B型IGBT压装单元中的1、2号IGBT所组成的下桥臂构成全桥模块中的4只IGBT器件，低感电容母排分别将A型IGBT压装单元中1、2号IGBT器件连接中点与B型IGBT压装单元中1、2号IGBT器件连接中点连接到电容器的正负极端子；每个IGBT器件配套1套门极驱动单元，每组全桥模块配套1套中央控制单元，所述中央控制单元跨接在A型IGBT压装单元及B型IGBT压装单元之间，以方便采集电容电压数据。
所述阀模块中，电容器1采用阵列式布置形式安装在支撑框架的一侧，如图3全桥级联式高压直流断路器阀模块底部轴测视图中所示，每只电容器对应一组全桥模块，其两端通过垂直于所述绝缘槽梁的电容母排与所述A型IGBT压装单元中的上桥臂和所述B型IGBT压装单元中的下桥臂对应相连；所述电容母排为低感设计，两根母排之间距离尽量贴近，或采用超低感值的层叠母排；所述母排之间设计安装6放电电阻，以便消耗电容器中的残余电荷。
所述阀模块中，供能组件3采用阵列式布置形式安装在支撑框架的另一侧，与电容器相对；所述供能组件3包括沿平行于绝缘槽梁轴线的方向等距离固定在所述绝缘槽梁上的供能单元；所述供能单元包括电磁供能变送器和开关电源，所述电磁供能变送器固定在绝缘槽梁上，所述开关电源固定在所述电磁供能变送器顶部；所述供能单元的数量等于全桥模块的数量；每个全桥模块对应一套供能单元；所述供能单元为每个全桥模块提供工作所需的能量，所述供能单元为四套门极驱动单元9和一套中央控制单元8提供能量，所述供能单元、门极驱动单元及中央控制单元的能量及信号传递通过高压导线连接。
所述阀模块中，4A型IGBT压装单元与5B型IGBT压装单元组成全桥模块的具体形式如图5中所示，4A型IGBT压装单元中的IGBT器件T1(含D1)10、IGBT器件T2(含D2)11反串联压装在一起，两个器件之间通过水冷散热器14进行电气连接及冷却散热；B型IGBT压装单元5中的IGBT器件T3(含D3)12、IGBT器件T4(含D4)13反串联压装在一起，两个器件之间通过水冷散热器14进行电气连接及冷却散热；所述门极驱动单元9固定在两种形式压装单元的水冷散热器14之上，同时保证了门极驱动单元外壳与相应IGBT器件之间电位的固定；所述中央控制单元8通过绝缘支架跨接在A型IGBT压装单元4与B型IGBT压装单元5之间，所述绝缘支架设计有辅助电位提取结构，无需额外引线，可以将电容器两端电压信号传递至8中央控制单元中。
所述阀模块通过以上描述，组成最终的具有完整功能的全桥级联式高压直流断路器阀模块。
以上仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所做的任何修改，同等替换或改进均包含在待审批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种全桥级联式高压直流断路器阀模块，其特征在于：所述阀模块包括支撑框架和固定在所述支撑框架上的阀段；所述阀段包括依次平行设于所述支撑框架上的供能组件、A型IGBT压装单元、B型IGBT压装单元和电容器组件；所述A型IGBT压装单元、所述B型IGBT压装单元和所述电容器组件对应电气相连，以形成依次级联的全桥模块。
2.根据权利要求1所述的阀模块，其特征在于：
所述支撑框架包括平行设置的绝缘槽梁和垂直设于所述绝缘槽梁之间的金属支撑梁；所述金属支撑梁两端设有垂直于其轴线方向的金属固定板，所述金属固定板为矩形板，其四角处分别设有螺孔；所述绝缘槽梁上沿轴线方向设有与所述螺孔相对应的安装孔；所述金属固定板与所述绝缘槽梁的内侧相贴合，并通过贯穿所述螺孔和所述安装孔的螺栓与所述绝缘槽梁固定；供能组件、A型IGBT压装单元、B型IGBT压装单元和电容器组件均平行于所述绝缘槽梁。
3.根据权利要求1或2所述的阀模块，其特征在于：
所述A型IGBT压装单元和所述B型IGBT压装单元采用两种不同的压装形式分别压装在辅助框架内：
所述A型IGBT压装单元包括平行设于辅助框架内的水冷散热器和压装在水冷散热器之间的IGBT器件；所述IGBT器件成对分组相连，形成N组上桥臂，每组上桥臂由轴向距离最近的两个IGBT器件通过其间的水冷散热器反串联连接组成；所述上桥臂中两个IGBT器件的集电极对应相连；
所述B型IGBT压装单元包括平行设于辅助框架内的水冷散热器和压装在水冷散热器之间的IGBT器件；所述IGBT器件成对分组相连，形成N组下桥臂，每组下桥臂由轴向距离最近的两个IGBT器件通过其间的水冷散热器反串联连接组成；所述下桥臂中两个IGBT器件的发射极对应相连。
4.根据权利要求3所述的阀模块，其特征在于：
电容组件包括电容器和放电电阻；所述电容器沿平行于所述绝缘槽梁轴线的方向等距离固定在所述绝缘槽梁上；每只电容器两端通过垂直于所述绝缘槽梁的电容母排与所述A型IGBT压装单元中的上桥臂和所述B型IGBT压装单元中的下桥臂对应相连；所述放电电阻安装在所述电容母排正负极之间；
全桥模块包括所述上桥臂、所述下桥臂、所述电容器和所述放电电阻；所述上桥臂中两个IGBT器件的连接中点通过电容母排与电容器的一端电气相连，所述下桥臂中两个IGBT器件的连接中点通过电容母排与电容器的另一端电气相连；所述放电电阻与所述电容器并联；所述上桥臂中两个IGBT器件的发射极分别与所述下桥臂中两个IGBT器件的集电极通过导电母排对应电气相连。
5.根据权利要求3所述的阀模块，其特征在于：
所述A型IGBT压装单元和所述B型IGBT压装单元的上方分别安装有门极驱动单元；所述门极驱动单元固定在水冷散热器上，所述门极驱动单元的数量与所述A型IGBT压装单元和所述B型IGBT压装单元中IGBT器件的数量相等，每个门极驱动单元对应连接一个IGBT器件的门极，用于控制所述绝缘栅双极型晶体管的开通或关断。
6.根据权利要求3所述的阀模块，其特征在于：
所述A型IGBT压装单元和所述B型IGBT压装单元之间沿平行于绝缘槽梁的方向固定有等距离分布的中央控制单元；所述中央控制单元的数量等于全桥模块的数量；每个中央控制单元对应连接一个全桥模块中的电容器，用于检测电容器两端的电压。
7.根据权利要求6所述的阀模块，其特征在于：
所述中央控制单元固定在平行于所述绝缘槽梁的绝缘支架上，所述绝缘支架上设有辅助电位提取结构，用于将电容器两端的电压信号传递至所述中央控制单元。
8.根据权利要求2所述的阀模块，其特征在于：
所述供能组件包括沿平行于绝缘槽梁轴线的方向等距离固定在所述绝缘槽梁上的供能单元；所述供能单元包括电磁供能变送器和开关电源，所述电磁供能变送器固定在绝缘槽梁上，所述开关电源固定在所述电磁供能变送器顶部；所述供能单元的数量等于全桥模块的数量；每套供能单元对应一个全桥模块，所述开关电源将所述电磁供能变送器输出的高频交流电转化为直流电后，用于给所述全桥模块中的门极驱动单元和中央控制单元供能。
9.根据权利要求3所述的阀模块，其特征在于：
所述辅助框架包括同轴设置且轴线平行于绝缘槽梁的两个法兰、以及垂直设于所述两个法兰之间的绝缘支撑杆，所述绝缘支撑杆的两端分别通过紧固螺栓与所述两个法兰固定；所述水冷散热器和所述IGBT器件沿平行于所述绝缘槽梁的方向依次交替设于所述两个法兰之间；所述辅助框架固定在金属支撑梁上，两个法兰分别与金属支撑梁直接接触。
10.根据权利要求1所述的阀模块，其特征在于：
所述支撑框架上固定有至少两个阀段，每个阀段沿相同的方向并列布置，阀段之间通过导电母排级联。
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