CN111327207A - Igbt功率单元及具有该功率单元的子模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种IGBT功率单元及具有该功率单元的子模块，IGBT功率单元包括IGBT模块、压装支架以及与IGBT模块电气连接的层叠母排，层叠母排设置在IGBT模块的周向至少一侧，IGBT模块的周向至少一侧沿垂直于压装方向向外并排叠设有至少两个层叠母排，其中靠近IGBT模块的层叠母排上设有避让位于外侧的层叠模块以实现外侧的层叠母排与IGBT模块电气连接的避让结构，保证每个层叠母排均具有宽度方向上的足够的面积实现与IGBT模块电气连接，即能够满足与对应的IGBT模块之间具有足够大的接触面积，保证电气连接的稳定性。

Description

IGBT功率单元及具有该功率单元的子模块

技术领域

本发明涉及一种IGBT功率单元及具有该功率单元的子模块。

背景技术

柔性直流输电技术是一种以电压源变流器、可关断器件和脉宽调制技术为基础的新型直流输电技术。与传统的基于晶闸管的电流源型直流输电技术相比，柔性直流输电技术采用了全控型的电力电子器件IGBT，系统反应速度快，可控性较好，运行方式灵活，能够减少系统短路容量，提高电能质量。相比于交流输电和常规直流输电，在传输能量的同时，还能灵活地调节与之相连的交流系统电压，具有可控性较好、运行方式灵活、适用场合多等显著优点，因此直流输电技术在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等方面具有很高的应用价值。

随着柔性直流输电(VSC-HVDC)技术在电力系统中的逐步应用，大功率绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)阀作为柔性直流输电技术的核心部件，其可靠性成为电力系统安全的关键因素之一。由于(VSC-HVDC)装置普遍具有高电压、强电流、大容量的特点，导致在试验环境中很难构建与实际运行工况相同的全载电路进行试验。

基于模块化多电平换流器(MMC)的VSC-HVDC，是利用 IGBT 阀进行直流输电的一种新技术。子模块(SM)是构成 MMC 的最小功率单元，它由IGBT组成的半桥或者H桥与电容器并联组成。若干个子模块串联构成一个MMC阀组件，它能够成比例体现MMC阀的电气特性，是进行MMC阀稳态运行试验的基本电气单元。子模块的电气拓扑结构如图10所示，由图可知，该子模块包括电容、四个IGBT、晶闸管和旁路开关及均压电阻所构成的主回路。

由于目前技术局限，IGBT的电压和电流等级均低于传统晶闸管，在同等输送能量的条件下，柔性直流输电所需要IGBT的数量大大多于传统晶闸管，如在申请号为CN104701096A的中国专利申请文件中公开了一种直流断路器桥式模块，其包括IGBT功率单元，电容器组，层叠母排，控制单元、功能单元和支撑框架，IGBT功率单元包括IGBT模块和IGBT压装支架等，IGBT模块有多个，沿厚度方向相对并排布置，并采用压装支架穿装连接并压装为一体，电容器组通过层叠母排与IGBT模块电气连接，电容器组与控制单元及所述功能单元连接，IGBT功率单元、电容器组、层叠母排控制单元和功能单元位于支撑框架上，这样的设置形式能够减小电容与IGBT模块的直流端之间的杂散电感，而且极大的提高了模块集成度，减少了模块总体积，有效的降低模块在关断大电流时的电压尖峰。

但是，这种子模块在实际的安装使用过程中，层叠母排布置在IGBT模块的向背两侧，且单侧的层叠母排有两片，采用上下并排铺设的形式来实现IGBT模块与电容器组的电气连接，这就导致层叠母排与对应的IGBT模块的对应的连接端在连接时，由于层叠母排的上下方向的宽度限制，导致层叠母排只能与IGBT模块的对应的连接端的上下宽度方向的一部分进行连接，这就导致层叠母排与IGBT模块连接时的接触面积较小，导致连接的稳定性较差，而且由于接触面积较少容易导致层叠母排的局部发热较大，散热差，进而影响子模块的运行性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种IGBT功率单元，以解决现有技术中的IGBT功率单元中的层叠母排与IGBT模块连接时接触面积少导致的稳定性差的问题；本发明的目的还在于提供一种具有该IGBT功率单元的子模块。

为实现上述目的，本发明IGBT功率单元的技术方案是：

IGBT功率单元，包括IGBT模块、压装支架以及与IGBT模块电气连接的层叠母排，层叠母排设置在IGBT模块的周向至少一侧，IGBT模块的周向至少一侧沿垂直于压装方向向外并排叠设有至少两个层叠母排，其中靠近IGBT模块的层叠母排上设有避让位于外侧的层叠模块以实现外侧的层叠母排与IGBT模块电气连接的避让结构。

有益效果是：本发明所涉及的IGBT功率单元，通过在IGBT模块的周向至少一侧设置沿长度方向并排叠设的至少两个层叠母排，同时，各个层叠母排中位于内侧的层叠母排上设有供外侧的层叠母排通过的避让结构，从而能够保证每个层叠母排均具有宽度方向上的足够的面积实现与IGBT模块电气连接，即能够满足与对应的IGBT模块之间具有足够大的接触面积，保证电气连接的稳定性，进一步的，由于连接接触面积增大，保证层叠母排的局部散热效果，保证子模块的运行性能。

进一步的，为了实现各个层叠母排与对应的IGBT的相应连接，所述避让结构为设置在对应的层叠母排上以供外侧的层叠母排上的连接端子穿过的避让孔。能够保证各个层叠母排的结构稳定性的同时，仅仅通过避让孔的设置即可实现各个层叠母排的相应连接，结构比较简单，而且加工方便，同时层叠母排与IGBT之间的连接接触面积可以足够大。

进一步的，为了保证整体阀段结构的稳定性和结构紧凑性，IGBT模块的周向相背两侧均布置有所述层叠母排。提高连接精度，避免层叠母排相互之间的干扰，体积小，结构紧凑。

进一步的，为了进一步保证结构稳定性，层叠母排均匀布置于IGBT模块的相背两侧。能够实现四个IGBT的电气拓扑结构，同时保证结构的稳定性。

进一步的，为了使层叠母排与IGBT模块的接触面积保证达到最大化，所述层叠母排的宽度与对应的IGBT模块的宽度一致。能够尽可能的合理利用层叠母排的宽度尺寸，结构更加紧凑。

本发明子模块的技术方案是：

子模块，包括IGBT功率单元、电容器组、控制单元、功能单元和支撑框架，所述IGBT功率单元包括IGBT模块、压装支架以及与IGBT模块电气连接的层叠母排，层叠母排设置在IGBT模块的周向至少一侧，IGBT模块的周向至少一侧沿垂直于压装方向向外并排叠设有至少两个层叠母排，其中靠近IGBT模块的层叠母排上设有避让位于外侧的层叠模块以实现外侧的层叠母排与IGBT模块电气连接的避让结构。

有益效果是：本发明所涉及的子模块，通过在IGBT功率单元的IGBT模块的周向至少一侧设置沿长度方向并排叠设的至少两个层叠母排，同时，各个层叠母排中位于内侧的层叠母排上设有供外侧的层叠母排通过的避让结构，从而能够保证每个层叠母排均具有宽度方向上的足够的面积实现与IGBT模块电气连接，即能够满足与对应的IGBT模块之间具有足够大的接触面积，保证电气连接的稳定性，进一步的，由于连接接触面积增大，保证层叠母排的局部散热效果，保证子模块的运行性能。

进一步的，为了实现各个层叠母排与对应的IGBT的相应连接，所述避让结构为设置在对应的层叠母排上以供外侧的层叠母排上的连接端子穿过的避让孔。能够保证各个层叠母排的结构稳定性的同时，仅仅通过避让孔的设置即可实现各个层叠母排的相应连接，结构比较简单，而且加工方便，同时层叠母排与IGBT之间的连接接触面积可以足够大。

进一步的，为了保证整体阀段结构的稳定性和结构紧凑性，IGBT模块的周向相背两侧均布置有所述层叠母排。提高连接精度，避免层叠母排相互之间的干扰，体积小，结构紧凑。

进一步的，为了进一步保证结构稳定性，层叠母排均匀布置于IGBT模块的相背两侧。能够实现四个IGBT的电气拓扑结构，同时保证结构的稳定性。

进一步的，为了使层叠母排与IGBT模块的接触面积保证达到最大化，所述层叠母排的宽度与对应的IGBT模块的宽度一致。能够尽可能的合理利用层叠母排的宽度尺寸，结构更加紧凑。

本发明的有益效果是：相比于现有技术，本发明所涉及的IGBT功率单元，通过在IGBT模块的周向至少一侧设置沿长度方向并排叠设的至少两个层叠母排，同时，各个层叠母排中位于内侧的层叠母排上设有供外侧的层叠母排通过的避让结构，从而能够保证每个层叠母排均具有宽度方向上的足够的面积实现与IGBT模块电气连接，即能够满足与对应的IGBT模块之间具有足够大的接触面积，保证电气连接的稳定性，进一步的，由于连接接触面积增大，保证层叠母排的局部散热效果，保证子模块的运行性能。

附图说明

图1为本发明的子模块的实施例的结构示意图；

图2为图1中去掉多功能防护外壳的结构示意图；

图3为图2中的底座装配结构示意图；

图4为图2中的IGBT功率单元结构示意图；

图5为图4中的阀段框架结构示意图；

图6为图5中的压装结构示意图；

图7为图4中层叠母排与软连接铜排连接的结构示意图；

图8为图7的仰视图；

图9为图7的俯视图；

图10为本发明的子模块的电气拓扑结构示意图。

附图标记说明：1-底座装配；2-电容器组；3-IGBT功率单元；4-冷却水路；5-驱动板卡；6-控制板卡；7-旁路开关；8-多功能防护外壳；9-压装结构；11-铝梁；12-电容支撑板；13-阀段支撑板；14-旁路开关支撑板；31-IGBT；32-散热器；33-晶闸管；34-绝缘拉杆；35-球头侧固定板；36-碟簧侧固定板；37-球头；38-软连接母排；39-层叠母排；391-第一层叠母排；392-第二层叠母排；393-第三层叠母排；394-第四层叠母排；81-顶板；82-底板；83-前面板；84-侧板；91-加载适配器；92-锁紧螺母；93-轴套；94-碟簧；95-导向套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的子模块的实施例，如图1至图3所示，该子模块包括底座装配1（即安装框架），定义底座装配1的延伸方向为前后方向，底座装配1上从后到前依次安装有电容器组2、IGBT功率单元3、旁路开关7，其中在IGBT功率单元3上还安装有控制板卡6和驱动板卡5。在本实施例中，对于底座装配1来说，其包括沿前后方向延伸的铝梁11，铝梁11有两根，沿左右方向并排间隔布置。且两条铝梁11之间沿前后方向并排布置有多个横撑，位于后侧的横撑为电容支撑板12，用于支撑并安装电容器组2；位于中间位置的横撑为阀段支撑板13，用于安装IGBT功率单元3；位于前侧的横撑为旁路开关支撑板14，用于安装旁路开关7。

对于IGBT功率单元3来说，如图4所示，在本实施例中，其包括IGBT模块和压装支架，对于IGBT模块来说，其包括IGBT31和散热器32，散热器32有六个，分别为SR1、SR2、SR3、SR4、SR5和SR6，且依次沿前后方向并排布置，IGBT31有四个，分别嵌装在SR1~SR5之间，且IGBT31与散热器32间隔交错叠设布置。对应的在SR5的前侧设置有晶闸管33，晶闸管33上配置有SR6。

对于压装支架来说，如图5和图6所示，其包括四根绝缘拉杆34、球头侧固定板35、碟簧侧固定板36，在实际的装配过程中，四根绝缘拉杆34围成矩形框架，然后通过将球头侧固定板35、碟簧侧固定板36与四根绝缘拉杆34组成阀段框架，同时在碟簧侧固定板36上固定有压装结构9，压装结构9为沿从后向前的方向依次装在碟簧侧固定板36上的加载适配器91，轴套93、锁紧螺母92、碟簧94、导向套95、端盖等，并在SR1的后侧上预先装好球头37，球头37伸入球头侧固定板35上的球窝内，然后按照装配顺序安装各个散热器32、IGBT31、晶闸管33，绝缘压盘等，IGBT31、晶闸管33、绝缘压盘靠散热器32上的销钉支撑。在实际的压装过程中，将液压工具连接到加载适配器91上，用手动液压工具给阀段加压，液压工具顶压轴套93，轴套93向后顶推碟簧94，碟簧94受到绝缘压板反馈给端盖的反向力，进而导致碟簧94受两侧的挤压力而压缩变形，待压力达到要求的数值后，停止加压，用扳手紧固轴套93上的锁紧螺母92，液压工具缓慢泄压，泄压结束后从加载适配器91上移走液压工具，这样就完成IGBT模块与压装支架之间的组装。该阀段结构紧凑，节省空间，而且操作简单方便，球头和球头侧固定板35上的球窝配合，确保IGBT31压力更加均匀。

在将阀段组装完成后，将阀段固定在底座装配1上，并对应的将电容器组2和旁路开关7安装在底座装配1上，在将各个部分装配完成后，采用层叠母排39以及软连接铜排38实现各个功能部分之间的电气连接。如图7至图9所示，在本实施例中，电容器组2具有两个电位，分别是DC+和DC-，子模块上位于旁路开关7侧具有两个电位，分别为AC IN 和 ACOUT，在本实施例中，定义各个IGBT31按照从前向后的顺序依次为IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4，在实际的连接过程中，上述的软连接铜排38位于IGBT模块的左右两侧，且左侧的软连接铜排38连接AC OUT电位，右侧的软连接铜排38连接AC IN电位，而软连接铜排38通过对应的层叠母排39与对应的IGBT31电气连接后，电容器组2与IGBT31之间也通过层叠母排39实现电气连接。

IGBT功率单元3还包括多个层叠母排39，层叠母排39设置在IGBT模块的左右相背两侧，且每一侧均具有两个层叠母排39，同一侧的两个层叠母排39沿左右方向向外并排叠设。同时，为了保证各个层叠母排39均能够与对应的IGBT31之间稳定连接，上述的位于内侧的层叠母排39的排面上还具有用于避让位于外侧的层叠母排39的连接端子以实现外侧的层叠母排39与对应的IGBT31电气连接的避让孔。且在本实施例中，避让孔有多个，沿上下方向间隔并排布置。且上述的层叠母排39的连接端为用于与IGBT31电气连接的连接端子结构，连接端子有多个，沿层叠母排的宽度方向间隔分布有五个。同时，层叠母排39的上下宽度尺寸与IGBT模块的上下宽度尺寸适配，在本实施例中，层叠母排39的上下宽度尺寸与IGBT31的上下宽度尺寸适配，这样设置能够保证每个层叠母排39上均具有面积足够大的连接端而与IGBT31电气连接，保证电气连接的稳定性，同时足够大的连接接触面积能够防止层叠母排39局部发热的问题，保证子模块的运行性能。

上述的阀段和层叠母排39的连接方式，如图7所示，定义位于IGBT模块的左侧的层叠母排39从内向外为第二层叠母排392和第一层叠母排391，位于IGBT模块的右侧的层叠母排39从内向外为第三层叠母排393和第四层叠母排394，在本实施例中，上述的AC OUT通过软连接铜排38与第一层叠母排391连通，并通过第一层叠母排391与SR4连接，上述的AC IN通过对应的软连接铜排38与SR6连接，并通过第二层叠母排392连接SR2，第二层叠母排392上设有供第一层叠母排391的连接端穿过与SR4连接的避让孔；电容侧的DC+通过第四层叠母排394连通至SR3，DC-通过第三层叠母排393连接至SR5和SR1，这样能够实现如图10所示的子模块电气拓扑结构。

在将IGBT功率单元3中的层叠母排39和阀段、电容器组2连接完成后，将控制板卡6和驱动板卡5安装在阀段的上侧，最后再安装多功能防护外壳8，多功能防护外壳8采用金属材料，专用模具一次成型，不仅外观美观，而且更具有电磁屏蔽，防尘、防水的功能，该多功能防护外壳8由前面板83、侧板84、顶板81和底板82构成，围设在旁路开关7和IGBT功率单元3的外侧，同时，在侧板84上还开设有散热孔，顶板81全封闭以防止上层模块漏水流入防护外壳内，同时底板82上开设有孔，若模块内部漏水，则水可通过底板82上的孔流出。上述的各个散热器32之间采用的是串联水路连接，水管接口内部安装电极，密封圈双层防护，双层防水。同时，冷却水路4在底侧，控制板卡6在上侧，解决漏水造成控制板卡6损坏的问题。

该子模块使用于模块化多电平换流器中，实现换流器高功率密度、高可靠性、紧凑化设计，为大规模新能源柔性直流送出与消纳、高压柔性直流电网构建、高压交流电网柔性分区互联以及混合直流输电技术提供了先进的解决方案和装备技术支撑。

在其他实施例中，避让结构也可以为开设在内侧的层叠母排上的避让豁口，或者是将内侧层叠母排的宽度小于外侧层叠母排的宽度，方便外侧层叠母排的连接端从内侧的层叠母排的宽度两侧绕过实现连接；也可以将避让结构设置为供多个对应层叠母排的连接端子通过的长圆孔。

在其他实施例中，可以根据实际的安装需要在IGBT模块的任意侧设置层叠母排，而且设置层叠母排的数量可以根据实际的需要增加或减少。

在其他实施例中，IGBT的数量增加时，层叠母排的数量可以根据需要增加。

在其他实施例中，层叠母排的宽度可以大于或小于IGBT模块的宽度。

本发明所涉及的IGBT功率单元，其具体结构与上述子模块的实施例中的IGBT功率单元的结构一致，不再详细展开。

Claims (10)

1.IGBT功率单元，包括IGBT模块、压装支架以及与IGBT模块电气连接的层叠母排，层叠母排设置在IGBT模块的周向至少一侧，其特征在于：IGBT模块的周向至少一侧沿垂直于压装方向向外并排绝缘间隔叠设有至少两个层叠母排，其中靠近IGBT模块的层叠母排上设有避让位于外侧的层叠模块以实现外侧的层叠母排与IGBT模块电气连接的避让结构。

2.据权利要求1所述的IGBT功率单元，其特征在于：所述避让结构为设置在对应的层叠母排上以供外侧的层叠母排上的连接端子穿过的避让孔。

3.根据权利要求1所述的IGBT功率单元，其特征在于：IGBT模块的周向相背两侧均布置有所述层叠母排。

4.根据权利要求3所述的IGBT功率单元，其特征在于：层叠母排均匀布置于IGBT模块的相背两侧。

5.根据权利要求1~4任一项所述的IGBT功率单元，其特征在于：所述层叠母排的宽度与对应的IGBT模块的宽度一致。

6.子模块，包括IGBT功率单元、电容器组、控制单元、功能单元和支撑框架，所述IGBT功率单元包括IGBT模块、压装支架以及与IGBT模块电气连接的层叠母排，层叠母排设置在IGBT模块的周向至少一侧，其特征在于：IGBT模块的周向至少一侧沿垂直于压装方向向外并排绝缘间隔叠设有至少两个层叠母排，其中靠近IGBT模块的层叠母排上设有避让位于外侧的层叠模块以实现外侧的层叠母排与IGBT模块电气连接的避让结构。

7.根据权利要求6所述的子模块，其特征在于：所述避让结构为设置在对应的层叠母排上以供外侧的层叠母排上的连接端子穿过的避让孔。

8.根据权利要求6所述的子模块，其特征在于：IGBT模块的周向相背两侧均布置有所述层叠母排。

9.根据权利要求8所述的子模块，其特征在于：层叠母排均匀布置于IGBT模块的相背两侧。

10.根据权利要求6~9任一项所述的子模块，其特征在于：所述层叠母排的宽度与对应的IGBT模块的宽度一致。

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