CN109450273A - 一种三相桥式可控硅整流功率模块 - Google Patents

一种三相桥式可控硅整流功率模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相桥式可控硅整流功率模块,属于半导体开关技术领域。具体包括支撑框架和三个完整的压堆;其中支撑框架包括框架下托架、框架侧面绝缘支撑、框架中部绝缘支撑与框架上盖板;框架侧面绝缘支撑和框架中部绝缘支撑一起将支撑框架分隔为左中右三个空间;支撑框架左中右三个空间内分别布置一个完整的压堆,且每个完整的压堆分别与支撑框架连接在一起,左中右三个完整的压堆结构布局完全一样,完整的压堆包括螺栓、碟形弹簧、螺杆套件、螺栓顶支撑块、薄绝缘子、可控硅、铜散热器和厚绝缘子。本发明利用可控硅为功率器件的一个模块单元,布局合理、结构紧凑、功率密度高,输出电流能力强,既可作为整流模块也可以作为逆变模块来使用。

Description

一种三相桥式可控硅整流功率模块
技术领域
本发明属于半导体开关技术领域,具体是指一种三相桥式可控硅整流功率模块。
背景技术
晶闸管又叫可控硅,是可以处理耐高压、大电流的大功率器件,随着设计技术和制造技 术的进步,越来越大容量化。变频装置(顺变和逆变的组合)用于同步电动机和异步电动机的 调速。同步电动机刚启动和低速运行时,电机定子基本没有反电动势,这时功率器件组成的 单元模块要想实现晶闸管的换相必须采用电流断续换相法。所谓换相,就是把正在导通相的 电流切换到欲导通相的过程。这主要通过触发和关断相应的晶闸管来完成。在负载换相同步 电动机旋转时,必须周期性地完成换相过程,由于晶闸管为半控开关器件,一旦触发导通后, 门极就失去了控制作用,要想关断它必须给晶闸管施加反向电压,使其电流减小到维持电流 以下,再把反向电压保持一段时间后,晶闸管才能可靠关断。
发明内容
针对上述问题,本发明提出一种三相桥式可控硅整流功率模块,是以可控硅元件为功率 器件的一个模块单元,布局合理、结构紧凑、功率密度高,输出电流能力强,既可作为整流 模块也可以作为逆变模块来使用。
本发明的一种三相桥式可控硅整流功率模块,包括支撑框架和三个完整的压堆;其中支 撑框架包括框架下托架、框架侧面绝缘支撑、框架中部绝缘支撑与框架上盖板;所述框架下 托架由钢板焊接而成,用于放置完整的压堆;框架侧面绝缘支撑有两个,按照左右对称的方 式分别插在框架下托架两端的固定孔中;框架中部绝缘支撑有两个,分别插在框架下托架上 两个三等分点处的固定孔中。框架侧面绝缘支撑和框架中部绝缘支撑一起将支撑框架分隔为 左中右三个空间。框架侧面绝缘支撑的内侧面具有支撑铜散热器的水平槽;框架中部绝缘支 撑的左右两个面均具有支撑铜散热器的水平槽;所述的框架上盖板由钢板焊接而成,与框架 侧面绝缘支撑和框架中部绝缘支撑的顶部固定连接,形成完整的支撑框架。
支撑框架左中右三个空间内分别布置一个完整的压堆,共三个完整的压堆,且每个完整 的压堆分别与支撑框架连接在一起,左中右三个完整的压堆结构布局完全一样,具体布局以 左侧完整的压堆为例:包括螺栓、碟形弹簧、螺杆套件、螺栓顶支撑块、薄绝缘子、可控硅、 铜散热器和厚绝缘子,在支撑框架左侧空间的框架下托架上表面通孔上放置碟形弹簧,碟形 弹簧中间具有弹簧通孔,此时碟形弹簧处于初始状态;然后穿过碟形弹簧中间的弹簧通孔插 入螺杆套件,螺杆套件上半部反扣住碟形弹簧;螺杆套件下半部沿轴向开有平槽,平槽与框 架下托架表面通孔配合并保证螺杆套件不发生旋转,螺杆套件能够相对于所述的表面通孔上 下移动,螺杆套件中间具有螺纹通孔,从框架下托架下表面将螺栓旋入螺杆套件中间的螺纹 通孔,螺栓从螺杆套件中间的螺纹通孔中旋出,直到螺栓露出螺杆套件上方一段距离后,在 螺栓顶端放置螺栓顶支撑块,螺栓顶支撑块与螺栓接触的一面为球形凹面,顶面为平面,之 后在螺栓顶支撑块的平面上水平放置薄绝缘子,再依次放置铜散热器和可控硅,二者交替布 置;其中薄绝缘子用于绝缘最下端带电的铜散热器和螺栓顶支撑块,所有铜散热器尺寸完全 相同,所有可控硅尺寸完全相同。最后在位于最上端的铜散热器的上端面放置厚绝缘子,厚 绝缘子用于绝缘最上端带电的铜散热器和框架上盖板;继续转动螺栓,通过螺栓、螺杆套件 和碟形弹簧之间的配合,将所有铜散热器和所有可控硅压接在一起形成完整的压堆。
所述铜散热器和可控硅的压接通过如下方式实现:螺栓顶端与螺栓顶支撑块接触,从框 架下托架下表面处旋动螺栓,由于螺栓上方的压力,螺栓相对于螺杆套件的转动,使得螺杆 套件向下位移,螺杆套件轴向挤压碟形弹簧,碟形弹簧产生弹性压缩形变,停止旋转螺栓后, 碟形弹簧产生的弹性压缩形变使螺杆套件和螺栓向上位移,通过螺栓顶支撑块挤压铜散热器 和可控硅,实现可控硅安装所需要的预紧力,通过预紧力将所有铜散热器和所有可控硅牢固 压接在一起,形成完整的压堆。每一个铜散热器的背面都电气连接一个散热器连接母排,并 且位于上下位置相邻的两个散热器连接母排左右相互岔开布置,其中每个散热器连接母排, 用来搭接不同的交流母排和直流母排构成三相全桥整流电路。
本发明的优点在于:
1、本发明所提供的三相桥式可控硅整流功率模块采用了完全相同的可控硅和铜散热器, 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、本发明所提供的三相桥式可控硅整流功率模块,实现了主模块的标准化,增加了易维 护性,既可作为整流模块也可以作为逆变模块来使用。
3、本发明所提供的三相桥式可控硅整流功率模块采用结构紧凑,空间尺寸小,组装简单、 方便,输出电流能力强,能够很好地满足大容量功率单元的串联或者并联要求。
附图说明
图1为本发明三相桥式可控硅整流功率模块结构正面示意图;
图2为本发明三相桥式可控硅整流功率模块结构背面结构示意图;
图3为本发明三个完整的压堆中可控硅的连接方式示意图。
图中:
1、框架下托架; 2、框架侧面绝缘支撑; 3、框架中部绝缘支撑;
4、螺栓; 5、碟形弹簧; 6、螺杆套件;
7、螺栓顶支撑块; 8、薄绝缘子; 9、可控硅;
10、铜散热器; 11、厚绝缘子; 12、框架上盖板;
13、散热器连接母排。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提供一种三相桥式可控硅整流功率模块,具体来说,是由可控硅元件作为三相全 桥整流的功率器件而形成一个模块单元,所述三相桥式可控硅整流功率模块的模块化程度更 高,既可作为整流模块也可以作为逆变模块来使用,功率密度高,结构紧凑,输出电流能力 强,可广泛应用于中、高压传动领域。
一种三相桥式可控硅整流功率模块,如图1所示,包括支撑框架和三个完整的压堆;其 中支撑框架包括框架下托架1、框架侧面绝缘支撑2、框架中部绝缘支撑3与框架上盖板12; 所述框架下托架1由钢板焊接而成,用于放置完整的压堆;框架侧面绝缘支撑2有两个,按 照左右对称的方式分别插在框架下托架1两端的固定孔中;框架中部绝缘支撑3有两个,分 别插在框架下托架1上两个三等分点处的固定孔中。框架侧面绝缘支撑2和框架中部绝缘支 撑3一起将支撑框架分隔为左中右三个空间。框架侧面绝缘支撑2的内侧面具有支撑铜散热 器10的水平槽;框架中部绝缘支撑3的左右两个面均具有支撑铜散热器10的水平槽。所述 的框架上盖板12由钢板焊接而成,与框架侧面绝缘支撑2和框架中部绝缘支撑3的顶部固定 连接,形成完整的支撑框架。
如图1所示,支撑框架左中右三个空间内分别布置一个完整的压堆,共三个完整的压堆, 且每个完整的压堆分别与支撑框架连接在一起,左中右三个完整的压堆结构布局完全一样, 具体布局以左侧完整的压堆为例:所述完整的压堆包括螺栓4、碟形弹簧5、螺杆套件6、螺 栓顶支撑块7、薄绝缘子8、可控硅9、铜散热器10和厚绝缘子11,在支撑框架左侧空间的 框架下托架1表面通孔上放置碟形弹簧5,碟形弹簧5中间具有弹簧通孔,此时碟形弹簧5 处于初始状态;然后穿过碟形弹簧5中间的弹簧通孔插入螺杆套件6,螺杆套件6上半部反 扣住碟形弹簧5;螺杆套件6下半部沿轴向开有平槽,平槽与框架下托架1表面通孔配合并 保证螺杆套件6不发生旋转,但是螺杆套件6可以相对于所述的表面通孔上下移动。螺杆套 件6中间具有螺纹通孔,从框架下托架1下表面将螺栓4旋入螺杆套件6中间的螺纹通孔,螺栓4从螺杆套件6中间的螺纹通孔中旋出,直到螺栓4露出螺杆套件6上方一段距离后, 在螺栓4顶端放置螺栓顶支撑块7,螺栓顶支撑块7与螺栓4接触的一面为球形凹面,顶面 为平面,起到保护和支撑的作用。之后在螺栓顶支撑块7的平面上水平放置薄绝缘子8,再 依次放置铜散热器10和可控硅9,共放置五个铜散热器10和四个可控硅9,二者交替布置; 其中薄绝缘子8用于绝缘最下端带电的铜散热器10和螺栓顶支撑块7,所有铜散热器10尺 寸完全相同,所有可控硅9尺寸完全相同。最后在位于最上端的铜散热器10的上端面放置厚 绝缘子11,厚绝缘子11用于绝缘最上端带电的铜散热器10和框架上盖板12。继续转动螺栓 4,通过螺栓4、螺杆套件6和碟形弹簧5之间的配合,将所有铜散热器10和所有可控硅9 压接在一起形成完整的压堆。
继续转动螺栓4,将所有铜散热器10和所有可控硅9牢固压接在一起,具体通过如下方 式实现:螺栓4顶端与螺栓顶支撑块7接触,限定螺栓4向上位移,从框架下托架1下表面 处旋动螺栓4,由于螺栓4上方的压力,螺栓4相对于螺杆套件6的转动,使得螺杆套件6向下位移,螺杆套件6轴向挤压碟形弹簧5,碟形弹簧5产生弹性压缩形变,停止旋转螺栓4后,碟形弹簧5产生的弹性压缩形变使螺杆套件6和螺栓4向上位移,通过螺栓顶支撑块7 挤压铜散热器10和可控硅9,实现可控硅9安装所需要的预紧力,通过预紧力将所有铜散热 器10和所有可控硅9牢固压接在一起,形成完整的压堆。一般安装可控硅9所需要的预紧力 为63~84KN。如图2所示,每一个铜散热器10的背面都电气连接一个散热器连接母排13, 并且位于上下位置相邻的两个散热器连接母排13左右相互岔开布置,以便更好的散热和连 接。其中每个散热器连接母排13,用来搭接不同的交流母排和直流母排构成三相全桥整流电路,其中铜散热器10作为导体,位于每个可控硅9上下的两个铜散热器10可以看成连接可控硅9的正负极。
三相全桥整流电路是一组共阴极与一组共阳极的三相半波可控整流电路的串联。如图3 所示,一个完整的压堆中四个可控硅9分别由V11,V24,V14,V21表示。另外两个完整的 压堆中八个可控硅9分别由V13,V26,V16,V23和V15,V22,V12,V25表示。V11, V24,V14,V21接U相,V13,V26,V16,V23接V相,V15,V22,V12,V25接W相。 V11,V24,V13,V26,V15,V22组成共阴极组,而V14,V21,V16,V23,V12,V25组 成共阳极组。在三相全桥整流电路中,对于共阴极组触发脉冲的要求是保证V11,V24,V13, V26,V15,V22依次导通,因此它们的触发脉冲之间的相位差应为120°。对于共阳极组触 发脉冲的要求是保证V14,V21,V16,V23,V12,V25依次导通,因此它们的触发脉冲之 间的相位差也是120°。
本发明所提供的三相桥式可控硅整流功率模块的结构紧凑,空间尺寸小,组装简单、方 便,输出电流能力强,能够很好地满足大容量功率单元的串联或者并联要求。

Claims (7)

1.一种三相桥式可控硅整流功率模块,其特征在于,包括支撑框架和三个完整的压堆;其中支撑框架包括框架下托架、框架侧面绝缘支撑、框架中部绝缘支撑与框架上盖板;所述框架下托架由钢板焊接而成;两个框架侧面绝缘支撑分别插在框架下托架两端的固定孔中,两个框架中部绝缘支撑分别插在框架下托架两个三等分点处的固定孔中,框架侧面绝缘支撑和框架中部绝缘支撑一起将支撑框架分隔为左中右三个空间,每个空间分别布置一个完整的压堆,共三个完整的压堆,左中右三个完整的压堆结构布局一样;框架上盖板由钢板焊接而成,与框架侧面绝缘支撑和框架中部绝缘支撑固定连接,形成完整的支撑框架;
以左侧完整的压堆为例:包括螺栓、碟形弹簧、螺杆套件、螺栓顶支撑块、薄绝缘子、可控硅、铜散热器和厚绝缘子,压接时,框架下托架上的表面通孔上放置碟形弹簧,碟形弹簧中间具有弹簧通孔,此时碟形弹簧处于初始状态,然后穿过碟形弹簧中间的弹簧通孔插入螺杆套件,螺杆套件上半部反扣住碟形弹簧,螺杆套件下半部沿轴向开有平槽,平槽与框架下托架表面通孔配合以保证螺杆套件不发生旋转,螺杆套件能够相对于所述的表面通孔上下移动;螺杆套件中间具有螺纹通孔,从框架下托架下表面将螺栓旋入螺杆套件中间的螺纹通孔,螺栓从螺杆套件中间的螺纹通孔中旋出,直到螺栓露出螺杆套件上方后,在螺栓顶端放置螺栓顶支撑块,之后在螺栓顶支撑块的平面上水平放置薄绝缘子,之后再依次放置铜散热器和可控硅,二者交替布置;最后在位于最上端的铜散热器的上端面放置厚绝缘子;继续转动螺栓,将所有铜散热器和所有可控硅牢固压接在一起;每一个铜散热器的背面都电气连接一个散热器连接母排,并且位于上下位置相邻的两个散热器连接母排左右相互岔开布置,其中每个散热器连接母排,用来搭接不同的交流母排和直流母排构成三相全桥整流电路。
2.如权利要求1所述的一种三相桥式可控硅整流功率模块,其特征在于,框架侧面绝缘支撑内侧面具有支撑铜散热器的水平槽;框架中部绝缘支撑两面均具有支撑铜散热器的水平槽。
3.如权利要求1所述的一种三相桥式可控硅整流功率模块,其特征在于,所述继续转动螺栓,将所有铜散热器和所有可控硅牢固压接在一起,具体通过如下方式实现:螺栓顶端与螺栓顶支撑块接触,限定螺栓向上位移;从框架下托架下表面处旋动螺栓,由于螺栓上方的压力,螺栓相对于螺杆套件的转动,使得螺杆套件向下位移,螺杆套件轴向挤压碟形弹簧,碟形弹簧产生弹性压缩形变,停止旋转螺栓后,碟形弹簧产生的弹性压缩形变使螺杆套件和螺栓向上位移,通过螺栓顶支撑块挤压铜散热器和可控硅,实现可控硅安装所需要的预紧力,通过预紧力将所有铜散热器和所有可控硅牢固压接在一起,形成完整的压堆。
4.如权利要求1所述的一种三相桥式可控硅整流功率模块,其特征在于,螺栓顶支撑块与螺栓接触的一面为球形凹面,顶面为平面。
5.如权利要求1所述的一种三相桥式可控硅整流功率模块,其特征在于,每个压堆包括五个铜散热器和四个可控硅。
6.如权利要求1所述的一种三相桥式可控硅整流功率模块,其特征在于,所需要的预紧力需要达到63~84KN。
7.如权利要求1所述的一种三相桥式可控硅整流功率模块,其特征在于,一个完整的压堆中四个可控硅分别由V11,V24,V14,V21表示,另外两个完整的压堆中八个可控硅分别由V13,V26,V16,V23和V15,V22,V12,V25表示,V11,V24,V14,V21接U相,V13,V26,V16,V23接V相,V15,V22,V12,V25接W相,V11,V24,V13,V26,V15,V22组成共阴极组,V14,V21,V16,V23,V12,V25组成共阳极组,对于共阴极组触发脉冲的要求是保证V11,V24,V13,V26,V15,V22依次导通,它们的触发脉冲之间的相位差为120°;对于共阳极组触发脉冲的要求是保证V14,V21,V16,V23,V12,V25依次导通,它们的触发脉冲之间的相位差也是120°。
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