CN111211699A - 一种多相h桥高功率密度变频器功率模块 - Google Patents

一种多相h桥高功率密度变频器功率模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，包括主体框架、设置在主体框架内的2N（N≥3）个单相H桥功率单元和N个支撑电容组件，每对H桥功率单元和一个支撑电容组件构成一层通过通长滑槽设置在主体框架内，所述的H桥功率单元主要由IGBT及其叠层母排、电器快插插座、引出铜排、水冷底板、航空插头、光纤插头、水路卡套接头以及其它附件组成；本专利功率模块立式卧式皆可安装，同时根据电气相数需要可设计成四层、五层或多个相同层数的模块并联来实现其灵活的扩展性，具有左右对称、构架清晰、安装灵活，结构紧凑、可扩展性好、可维修性好等优点。

Description

一种多相H桥高功率密度变频器功率模块
技术领域
本发明属于电力推进技术领域，具体涉及一种结构紧凑型多相H桥高功率密度变频器水冷功率模块。
背景技术
随着电力电子技术及系统集成技术的飞速发展，船舶综合电力推进技术备受关注。船舶综合电力推进有着传统推进方式所不可比拟的优点，在军民用船舶中的应用也越来越多，大功率推进变频器是船舶综合电力推进系统的核心设备之一。
多相H桥逆变器是大功率传动系统中应用最为广泛的逆变器拓扑结构之一，它是由多个单相H桥逆变器组成的，通过多相数来提高系统可靠性。
目前多相大功率变频器在船舶推进系统中应用比较广泛，技术也日趋成熟，但常规的多相大功率变频器体积大，且不能满足船舶苛刻的使用环境和较小的维修空间要求，因此对新型结构紧凑型船用多相大功率变频器的研制很有必要。
发明内容
为了克服常规研制的大功率变频器在体积、功率密度及可维修性等方面的局限性，本发明提供了一种在保证可靠性和可维修性前提下，具有结构紧凑、功率密度大的船用多相H桥变频器水冷功率模块。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，包括作为基础的一个金属主体框架、分N层设置在主体框架内的2N（N≥3）个单相H桥功率单元和N个支撑电容组件及叠层母排，每对H桥功率单元和一个支撑电容组件构成一层通过通长滑槽设置在主体框架内，两件H桥功率单元并列排在每一层的前部，支撑电容组件位于后部，主体框架每层都设置通长滑槽，所述的H桥功率单元模块化设计，采用IGBT作为主功率器件，与驱动电路板组装在封装框架上，每层的两个IGBT均固定在水冷底板上，所述的支撑电容组件由阵列式排布的多个标准的圆筒型薄膜铝电容通过金属的电容框架拼装构成一个整体，必要时也可采用定制整体电容直接安装，叠层母排将支撑电容组件和H桥功率单元并联在一起，左右两侧伸出接口连接主框架后部两侧的直流输入母排，和每层的叠层母排伸出接口相连，通过连接铜排连接到每层的叠层母排上给该层供电，主体框架左右两侧前部分布交流输出铜排，主体框架前部俩角位置设置有冷却主管路，冷却主管路引出的冷却支路管路分布在H桥功率单元前部两角，紧贴主体框架前壁， 端部通过卡套接头连通水冷底板，两端皆为可拆卸螺纹连接，主体框架后部有与外部水路连接的法兰接口。
所述的一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，其电容框架上下侧分别设置有轨道，以卡入对应的通长滑槽，电容框架背部设置多个方轴，支撑电容组件滑入到位后，方轴刚好插入主体框架后部的方孔实现定位。
所述的一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，其叠层母排通过螺钉固定在支撑电容组件的正负极柱上，叠层母排前面装有2套电器快插插头，所述的水冷底板后部设置有与电器快插插头对应的2套电器快插插座，作为IGBT的电流输入口，可实现H桥功率单元和叠层母排快速连接和分离，叠层母排通过电器快插将支撑电容组件和H桥功率单元并联在一起。
所述的一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，其叠层母排两侧伸出电气接口，直流输入母排通过转接铜排与叠层母排电气接口连接，给每层的功率单元供电。
所述的一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，其水冷底板两侧的轨道可直接卡入封装框架的内轨道，H桥功率单元整体可插入或拔出，便于安装、检修；水冷底板上下面可卡入封装框架的内轨道内。
所述的一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，其水冷底板前部设置冷却水的进出口，用于连接左右两侧的进出水总管，水冷底板前部附件上分别设置有拉手、航空插头、光纤插头和水路卡套接头，可满足设备的正面维护要求。
所述的一种结构紧凑型多相H桥高功率密度变频器功率模块，其H桥功率单元主要由两件IGBT、两件硬质板、一块水冷底板及其附件构成，两件IGBT并列安装在水冷底板上。
本发明的有益效果是：本发明的功率模块单元具有功率密度大、结构紧凑、满足正面维护、可靠性高和可维修性好等优点，具体而言，有以下特点：
1，功率模块分层安装，每层一致性好，左右对称，构架清晰，安装灵活，可扩展性好；
2，主体框架内的较大器件（支撑电容组件和H桥功率单元）皆可使用滑道安装，安装拆卸省时省力，满足正面维护要求；
3，H桥功率单元的电流输入口使用电器快插，可快速插入或拔出H桥功率单元，维护简单且满足和叠层母排的可靠电连接；
4，H桥功率单元模块化设计，水冷底板为IGBT冷却同时作为结构支撑，结构紧凑。
附图说明
图1是本发明功率模块的电气原理图；
图2是本发明功率模块主视方向的结构简图；
图3是本发明功率模块左视方向的结构简图；
图4是本发明单层功率模块主视方向的结构简图；
图5是本发明单层功率模块侧视方向的结构简图；
图6是本发明H桥功率单元主视方向的结构图；
图7是本发明H桥功率单元侧视方向的结构图。
各附图标记为：1—主体框架，2—冷却支路管路，3—单层功率模块，4—直流输入母排，5—交流输出铜排，6—冷却主管路，3.1—支撑电容组件，3.2—叠层母排，3.3—电器快插插头，3.4—H桥功率单元，3.5—电容框架，3.4.1—水冷底板，3.4.2—IGBT，3.4.3—硬质板，3.4.4—引出铜排，3.4.5—电器快插插座，3.4.6—封装框架，3.4.7—航空插头，3.4.8—卡套接头，3.4.9—拉手。
具体实施方式
本专利的功率模块器件布局左右对称，构架清晰、正面维护，立式或卧式皆可完成安装或者维修，同时根据电气相数需要可设计成四层、五层或多个相同层数的模块并联来实现其灵活的扩展性。
结合附图，以三层功率单元的实施例对功率模块的工作过程说明如下。
参照图1至图7所示，本发明公开的一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，输入电流从后部两侧的直流输入母排4输入，同时给三个单层功率模块3供电，其中左侧三个H桥功率单元3.4的交流输出通过转接铜排转换到功率模块的左侧输入，右侧三个H桥功率单元3.4的交流输出通过转接铜排转换到功率模块的右侧输入，左右各三相输出，对称布置，叠层母排3.2将支撑电容组件3.1内的6件电容与H桥功率单元3.4并联在一起。由于三层功率单元完全相同，以一层为例进行说明。
所述的H桥功率单元3.4主要由IGBT 3.4.2及其叠层母排3.2、电器快插插座3.4.5、引出铜排3.4.4、铜或铝制水冷底板3.4.1、航空插头3.4.7、光纤插头、水路卡套接头3.4.8以及其它附件组成，结构上以水冷底板3.4.1为基础，IGBT 3.4.2等部件皆直接或间接紧固在水冷底板3.4.1上，交流输出、控制、冷却水路等位于功率单元前部，直流输入位于其后部，通过电器快插实现输入。
直流电流通过叠层母排3.2进入到支撑电容组件3.1，同时经过电器快插进入到H桥功率单元3.4，实现了支撑电容组件3.1和H桥功率单元3.4的并联，逆变后的电流通过引出铜排3.4.4从H桥功率单元3.4引出到主体框架1前部，再通过输出铜排5输出到两侧。
分布在主体框架1前部两角的冷却主管路6，右侧的为进水管，左侧的为出水管。每层有2对（一进一出为一对）冷却支路管路2，分别为2件H桥功率单元3.4的水冷底板3.4.1供水。水流从进水总水管流入冷却支路管路2再流入到水冷底板3.4.1，经过水冷底板3.4.1的水道均匀分流到水冷底板3.4.1内部，吸收IGBT 3.4.2产生的热量，再通过出水支路汇入到左侧的总出水管。
主体框架1每层都设计了滑道，对应支撑电容组件3.1的电容框架3.5和H桥功率单元3.4的封装框架3.4.6上均设计了导轨，安装时支撑电容组件3.1、H桥功率单元3.4都可以通过导轨插入滑道限位后锁紧的方式固定。该安装方式保证了功率模块的各组成部分都可以进行正面取出、方便维修更换。
支撑电容组件3.1顺着滑槽先滑入到主体框架1后部固定好，然后将封装框架3.4.6滑入到位螺钉锁紧固定，H桥功率单元3.4的水冷底板3.4.1沿着封装框架3.4.6的内轨道滑入，直到电器快插连接，再使用固定板限位固定，可同时实现结构的安装和电气的连接。
封装框架3.4.6通过外轨道在装入水冷底板3.4.1之前滑入主体框架1的滑槽，通过内轨道的沉头螺钉固定在主体框架1上。在整体安装完毕后如果需要拆下H桥功率单元3.4，先将H桥功率单元3.4上的冷却支路管路2，输出铜排5，航空插头3.4.7和固定板等卸下，即可通过拉手3.4.9将H桥功率单元3.4整体拔出。
其中H桥功率单元3.4的装配过程为：将IGBT 3.4.2装入水冷底板3.4.1，再装入硬质板3.4.3；装入电器快插插座3.4.5，完成插座和IGBT 3.4.2的电连接。将H桥功率单元3.4前部附件装好，再使用引出铜排3.4.4连接IGBT 3.4.2输出端和H桥功率单元3.4前部与输出铜排5的对接口。最后使用封装外壳将IGBT 3.4.2、硬质板3.4.3和引出铜排3.4.4等封装保护起来。
支撑电容组件3.1及叠层母排3.2的安装过程为：先将框架四周及底部的框架使用螺钉组装完毕，再将6个支撑电容组件3.1底部螺柱插入对应的孔内，从反面锁紧。盖上电容卡板，使用螺钉从侧面锁紧。将叠层母排3.2装在支撑电容3.1上，最后将2件电器快插插头3.3装在叠层母排3.2上。
主体框架1及冷却主管路6的安装过程为：主体框架1为结构件，由于滑槽位置精度要求较高，且无法实现焊后加工，所以滑槽必须在焊接前加工好，焊接时保证其装配精度。为保证其焊接精度，在主框架的横梁和后梁上开方孔，滑槽前端和后端设计方轴，过渡配合插入方孔，完成主体框架1预装配和定位，再将两侧的梁焊好固定，最后将滑槽焊牢。冷却主管路6通过管夹固定在主体框架1上。
总装过程为：三层的结构相同，以一层为例。首先将支撑电容组件3.1沿通长滑槽滑入到底，保证支撑电容组件3.1背部的四个方轴插入到主体框架1后部的4个方孔内，然后将4个挡块装在滑槽上使用螺钉锁紧限位。
将封装框架3.4.6沿通长滑槽推入，直到和挡块接触，使用沉头螺钉将封装框架3.4.6固定在通长滑槽上。然后将H桥功率单元3.4沿封装框架3.4.6的内轨道滑入，直至电器快插完好连接，再使用固定板将H桥功率单元3.4锁紧固定。最后将输入交流输出铜排5安装在主体框架1的两侧，使用冷却支路管路2把水冷底板3.4.1和冷却主管路6连通。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，其特征在于：包括主体框架（1）、设置在主体框架（1）内的2N（N≥3）个单相H桥功率单元（3.4）和N个支撑电容组件（3.1），每对H桥功率单元（3.4）和一个支撑电容组件（3.1）构成一层通过通长滑槽设置在主体框架（1）内，所述的H桥功率单元（3.4）采用IGBT（3.4.2）作为主功率器件，与驱动电路板组装在封装框架（3.4.6）上，每层的两个IGBT（3.4.2）均固定在水冷底板（3.4.1）上，所述的支撑电容组件（3.1）由阵列式排布的多个圆筒型薄膜铝电容通过电容框架（3.5）拼装成一个整体，支撑电容组件（3.1）和H桥功率单元（3.4）通过叠层母排（3.2）并联在一起，叠层母排（3.2）两侧连接直流输入母排（4），所述的直流输入母排（4）设置在主体框架（1）侧面同时为N层H桥功率单元（3.4）供电，主体框架（1）左右两侧分布有交流输出铜排（5），主体框架（1）前部设置有冷却主管路（6），冷却主管路（6）引出的冷却支路管路（2）分布在H桥功率单元（3.4）前部，紧贴主体框架（1）前壁， 端部通过卡套接头（3.4.8）连通水冷底板（3.4.1）。
2.根据权利要求1所述的一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，其特征在于，所述的电容框架（3.5）上下侧分别设置有轨道，以卡入对应的通长滑槽，电容框架（3.5）背部设置多个方轴，以插入主体框架（1）后部的方孔实现定位。
3.根据权利要求1所述的一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，其特征在于，所述的叠层母排（3.2）通过螺钉固定在支撑电容组件（3.1）的正负极柱上，叠层母排（3.2）上装有一对电器快插插头（3.3），所述的水冷底板（3.4.1）后部设置有与电器快插插头（3.3）对应的电器快插插座（3.4.5），实现H桥功率单元（3.4）和叠层母排（3.2）快速连接和分离。
4.根据权利要求3所述的一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，其特征在于，所述的叠层母排（3.2）两侧伸出电气接口，直流输入母排（4）通过转接铜排与叠层母排（3.2）电气接口连接。
5.根据权利要求1所述的一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，其特征在于，所述水冷底板（3.4.1）两侧的轨道接卡入封装框架（3.4.6）的内轨道，以实现H桥功率单元（3.4）的整体插入或拔出。
6.根据权利要求5所述的一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，其特征在于，所述的水冷底板（3.4.1）前部设置冷却水的进出口，用于连接左右两侧的进出水总管，水冷底板（3.4.1）前部还设置有拉手（3.4.9）、航空插头（3.4.7）和光纤插头。
7.根据权利要求1所述的一种多相H桥高功率密度变频器功率模块，其特征在于，所述的H桥功率单元（3.4）由两件IGBT（3.4.2）、两件硬质板（3.4.3）、一块水冷底板（3.4.1）及其附件构成，两件IGBT（3.4.2）并列安装在水冷底板（3.4.1）上。
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