CN112117917A - 一种基于压接型igbt的低杂感三电平功率变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置，包括压接型IGBT压装单元和电容单元；压接型IGBT压装单元包括压装组件及交流输出排，压装组件包括三组压接型IGBT组件，每相邻两组压接型IGBT组件之间同轴布置有绝缘板，且最下压接型IGBT组件与底部之间同轴布置有绝缘板，最上压接型组件与底部之间布置有绝缘板和均压板；每组压接型组件包括三块水冷板和每相邻两块水冷板之间的压接型器件，通过所有水冷板与压装复合母排连接成三电平结构。工作过程中的所有换流回路均由压装复合母排、水冷板、压接型器件构成，换流回路的杂散电感小，进而减小压接型器件在开关瞬态承受的电气应力，提高器件的应用能力。

Description

一种基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置
技术领域
本发明属于大功率电能变换技术领域，具体涉及一种基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置。
背景技术
应用在高速磁悬浮系统中的电力电子功率变换装置，整机容量在几十兆瓦甚至几百兆瓦以上，对装置的功率密度、可靠性、可维修性等性能指标都提出了极高的要求，如何实现这些电力电子装置的集成化、模块化设计是非常重要的。
功率变换单元是整个装置的关键所在，其应用技术的优劣直接影响功率变换装置的整体性能。目前，市场上主流功率变换单元采用焊接型IGBT，由于受单个器件容量的限制，只能通过器件串并联方案来提高功率变换单元的容量，造成功率单元结构复杂；焊接型IGBT采用单面散热，且发生短路时损坏严重，无法满足高功率密度、高可靠性要求的应用场所。近年来，随着功率器件的快速发展，压接型IGBT在大容量柔性直流输电领域广泛应用，其性能与可靠性得到了充分验证。目前国内外市场上也陆续推出了一些基于压接型IGBT的三电平功率变换单元，但由于需要综合考虑功率单元的电压电流应力、热应力以及结构的适应性等，导致现有功率单元的换流回路杂感较大，器件的安全裕量较小，难以对器件达到尽限应用，且单元的结构尺寸也普遍偏大，无法满足装置的集成化、模块化设计要求。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种集成度高、通用性强的基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置，尤其适用于电力电子集成化装置。
为实现上述目的，本发明所设计的基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置，包括压接型IGBT压装单元和电容单元，所述压接型IGBT压装单元通过压装复合母排与所述电容单元的复合母排相连接；所述压接型IGBT压装单元包括压装组件及交流输出排；所述压装组件包括压装框架和同轴布置在压装框架内的三组压接型IGBT组件，每相邻两组压接型IGBT组件之间同轴布置有绝缘板，且最下压接型IGBT组件与底部之间同轴布置有绝缘板，最上压接型IGBT组件与底部之间由下而上依次同轴布置有绝缘板和均压板；每组所述压接型IGBT组件包括三块同轴布置的水冷板和同轴布置在每相邻两块水冷板之间的压接型IGBT器件，通过所有水冷板与压装复合母排连接成三电平结构，且所述交流输出排安装在中间压接型IGBT组件的中间水冷板上。
进一步地，三组所述压接型IGBT组件由上往下依次为第一组压接型IGBT组件、第二组压接型IGBT组件及第三组压接型IGBT组件；三块同轴布置的所述水冷板由上往下依次为上水冷板、中水冷板和下水冷板，同轴布置在每相邻两块水冷板之间的压接型IGBT器件为上压接型IGBT器件和下压接型IGBT器件；
进一步地，所述压装复合母排包括三层，内层为一个整体结构的内层母排，中间层包括并排布置的中间层右母排和中间层左母排，外层包括并排布置的外层右母排和外层左母排；内层母排通过两组连接孔分别与第一组压接型IGBT组件中的下水冷板和第三组压接型IGBT组件中的上水冷板连接；中间层右母排通过一组连接孔并穿过内层母排的通孔与第一组压接型IGBT组件中的上水冷板连接，中间层左母排通过一组连接孔并穿过内层母排的通孔与第三组压接型IGBT组件中的下水冷板连接；外层右母排通过两组连接孔并依次穿过中间层右母排的通孔和内层母排的通孔与第一组压接型IGBT组件中的中水冷板和第二组压接型IGBT组件中的上水冷板连接，外层左母排通过两组连接孔并依次穿过中间层右母排的通孔和内层母排的通孔与第二组压接型IGBT组件中的下水冷板和第三组压接型IGBT组件中的中水冷板连接。
进一步地，所述交流输出排安装在第二组压接型IGBT组件的中间水冷板上。
进一步地，所述内层母排的内层翻边通过三组内层螺栓孔与电容复合母排连接，中间层右母排的右翻边通过右螺栓孔并穿过内层翻板的通孔与电容复合母排连接，中间层左母排的左翻边通过左螺栓孔并穿过内层翻板的通孔与电容复合母排连接。
进一步地，所述压接型IGBT压装单元还包括两个吸收电容，一个吸收电容安装在压装复合母排的中间层右母排的表面，该吸收电容的一端固定在中间层右母排的表面上、另一端穿过中间层右母排的通孔与内层母排连接固定；另一个吸收电容安装在压装复合母排的中间层左母排的表面，该吸收电容的一端固定在中间层左母排的表面上、另一端穿过中间层左母排的通孔与内层母排连接固定。
进一步地，所述压接型IGBT压装单元还包括钳位电阻，钳位电阻安装在第一组压接型IGBT组件的中水冷板和第二组压接型IGBT组件的下水冷板之间。
进一步地，所述压装框架由底板、螺杆和板簧组成。
进一步地，所述压接型IGBT器件包含IGBT开关器件和反并联二极管。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)该功率变换单元实现了集成化、标准化设计的要求。压接型IGBT压装单元和电容单元分体结构，两部分可以拼装、拆分，结合单元滑轨，可以分别实现压装单元和电容单元的快速拆卸，方便维护。
2)该单元实现了电力电子变换装置的通用性要求。通过该单元的不同组合，可实现单相H桥、三相三桥臂、三相四桥臂、H桥并联、H桥级联等不同形式的拓扑结构。
3)该单元结构紧凑、功率密度高。采用高电压、大电流的压接型IGBT器件构成有源中点箝位三电平结构，单元输出的容量大；压接型IGBT压装单元和电容单元分别通过复合母排进行连接，相比传统铜排或电缆连接节省了很大的空间和成本，大大提高了整个单元的空间利用率。
4)该单元换流回路杂散电感低。工作过程中的所有换流回路，均由压装单元复合母排、水冷板、压接型器件构成，换流回路的杂散电感小，进而减小压接型器件在开关瞬态承受的电气应力，提高器件的应用能力。
5)该单元电磁兼容性好。IGBT器件的驱动信号和状态反馈、温度检测均采用光纤传输，抗干扰能力强。功率单元母排上装有吸收电容，能够对IGBT器件开通关断过程中产生的di/dt、du/dt进行有效地抑制，满足设备抗干扰技术要求。
附图说明
图1为本发明基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置的立体结构示意图；
图2为图1中压接型IGBT压装单元的立体结构示意图；
图3为图2的另一个角度立体结构示意图；
图4为2中压装组件的立体结构示意图；
图5为图1中压装复合母排结构分解示意图；
图6为图1中压装单元和电容单元的另一种连接形式结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置，包括压接型IGBT压装单元1和电容单元3，压接型IGBT压装单元1通过压装复合母排2与电容单元3的复合母排4相连接。
结合图2和图3所示，压接型IGBT压装单元1包括压装组件5、IGBT控制单元6、单元滑轨7、两个吸收电容8、钳位电阻9以及交流输出排10。压装组件5是整个功率变换单元的核心，它是通过压装复合母排2连接成三电平结构，将输入端的稳定直流电压转换为工程所需的变频变压交流电，通过交流输出排10输出，所有的换流回路均通过压装复合母排2进行连接，比传统铜排连接的压装单元杂散电感要小得多。
如图4所示，压装组件5包括由底板507、螺杆506和板簧501组成的压装框架，三组压接型IGBT组件同轴布置在压装框架内，即由上到下依次为第一组压接型IGBT组件504、第二组压接型IGBT组件505及第三组压接型IGBT组件508；每相邻两组压接型IGBT组件之间同轴布置有绝缘板503，且第三组压接型IGBT组件508与底板507之间同轴布置有绝缘板503，第一组压接型IGBT组件504与板簧501之间由下而上依次同轴布置有绝缘板503和均压板502，均压板502的触点与板簧501相接触用于调节压力的均衡分布。每组压接型IGBT组件包括三块同轴布置的水冷板(即上水冷板509、中水冷板510和下水冷板511)和同轴布置在每相邻两块水冷板之间的压接型IGBT器件，即上压接型IGBT器件512和下压接型IGBT器件513，在压装框架上施加一定的压力，把三组压接型IGBT组件和四个绝缘板构成的三电平变换单元进行电气连接。本实施例中，压接型IGBT器件包含IGBT开关器件和反并联二极管，交流输出排10安装在第二组压接型IGBT组件505的中间水冷板510上。
如图5所示，压装复合母排2包括三层，内层为一个整体结构的内层母排201，中间层包括并排布置的中间层右母排202和中间层左母排203，外层包括并排布置的外层右母排204和外层左母排205。每个水冷板均与压装复合母排2相连接，具体连接为：内层母排201通过两组连接孔209分别与第一组压接型IGBT组件504中的下水冷板511和第三组压接型IGBT组件508中的上水冷板509连接；中间层右母排202通过一组连接孔209并穿过内层母排的通孔210与第一组压接型IGBT组件504中的上水冷板509连接，中间层左母排203通过一组连接孔209并穿过内层母排201的通孔210与第三组压接型IGBT组件508中的下水冷板511连接；外层右母排204通过两组连接孔209并依次穿过中间层右母排202的通孔210和内层母排201的通孔210与第一组压接型IGBT组件504中的中水冷板510和第二组压接型IGBT组件505中的上水冷板509连接，外层左母排205通过两组连接孔209并依次穿过中间层右母排202的通孔210和内层母排201的通孔210与第二组压接型IGBT组件505中的下水冷板511和第三组压接型IGBT组件508中的中水冷板510连接。上述连接孔209均通过螺栓与水冷板连接，使得压装复合母排2与每个水冷板均相连接，并通过水冷板与每个压接型IGBT器件504实现电气的连接。
结合图1所示，内层母排201的内层翻边211通过三组内层螺栓孔206与电容复合母排4连接，中间层右母排202的右翻边213通过右螺栓孔207并穿过内层翻板211的通孔与电容复合母排4连接，中间层左母排203的左翻边212通过左螺栓孔208并穿过内层翻板211的通孔与电容复合母排4连接。上述螺栓孔均通过螺栓与电容复合母排4连接。
IGBT控制单元6是控制压接型IGBT器件的开关动作，并将每个压接型IGBT器件的状态反馈及温度等信号通过光纤反馈至控制器中。一个吸收电容8安装在压装复合母排2的中间层右母排202的表面，该吸收电容8的一端固定在中间层右母排202的表面上、另一端穿过中间层右母排202的通孔与内层母排201连接固定；另一个吸收电容8安装在压装复合母排2的中间层左母排203的表面，该吸收电容8的一端固定在中间层左母排203的表面上、另一端穿过中间层左母排203的通孔与内层母排201连接固定，以吸收压接型IGBT器件开通关断过程中的电压尖峰。钳位电阻9安装在第一组压接型IGBT组件504的中水冷板510和第二组压接型IGBT组件505的下水冷板511之间，用以平衡压接型IGBT器件开关过程中的暂态电压。
三电平功率单元工作过程中存在两个短换流回路和两个长换流回路，传统压接型器件功率单元采用铜排连接，导致其换流回路中具有较大的杂散电感，特别是长换流回路，可能会导致压接型器件在关断时产生过高的尖峰电压，从而导致器件损坏，影响装置运行的可靠性和稳定性。
本实施例中，三电平功率单元短换流回路1的路径为：中间层右母排202、第一组压接型IGBT组件的上水冷板505-1、第一组压接型IGBT组件的上压接型IGBT器件504-1、第一组压接型IGBT组件的中水冷板505-2、第一组压接型IGBT组件的下压接型IGBT器件504-2、第一组压接型IGBT组件的下水冷板505-3、内层母排201；
三电平功率单元短换流回路2的路径为：中间层左母排203、第三组压接型IGBT组件508的下水冷板511、第三组压接型IGBT组件508的下压接型IGBT器件513、第三组压接型IGBT组件508的中水冷板510、第三组压接型IGBT组件508的上压接型IGBT器件512、第三组压接型IGBT组件508的上水冷板509、内层母排201；
三电平功率单元长换流回路1的路径为：中间层右母排202、第一组压接型IGBT组件504的上水冷板509、第一组压接型IGBT组件504的上压接型IGBT器件512、第一组压接型IGBT组件504的中水冷板510、外层右母排204、第二组压接型IGBT组件505的上水冷板509、第二组压接型IGBT组件505的上压接型IGBT器件512、第二组压接型IGBT组件505的中水冷板510、第二组压接型IGBT组件505的下压接型IGBT器件513、第二组压接型IGBT组件505的下水冷板511、外层左母排205、第三组压接型IGBT组件508的中水冷板510、第三组压接型IGBT组件508的上压接型IGBT器件512、第三组压接型IGBT组件508的上水冷板509、外层母排201；
三电平功率单元长换流回路2的路径为：中间层左母排203、第三组压接型IGBT组件508的下水冷板511、第三组压接型IGBT组件508的下压接型IGBT器件513、第三组压接型IGBT组件508的中水冷板510、外层左母排205、第二组压接型IGBT组件505的下水冷板511、第二组压接型IGBT组件505的下压接型IGBT器件513、第二组压接型IGBT组件505的中水冷板510、第二组压接型IGBT组件505的上压接型IGBT器件509、第二组压接型IGBT组件505的上水冷板509、外层右母排204、第一组压接型IGBT组件504的中水冷板510、第一组压接型IGBT组件504的下压接型IGBT器件513、第一组压接型IGBT组件504的下水冷板511、外层母排201。
以上两个短换流回路和两个长换流回路均由压装复合母排2、水冷板、压接型IGBT器件504构成，换流回路的杂散电感小，进而减小压接型IGBT器件504在开关瞬态承受的电气应力；该结构还使得整个功率单元更加紧凑，减小对敏感电路的干扰。
如图6所示，本发明实施例的另一种连接形式结构，核心结构压装单元1和电容单元3不变，电容单元3顺时针旋转90°，压装复合母排2与电容复合母排4一个平面布置，两种结构可根据装置的安装维护空间，灵活选择。

Claims (8)

1.一种基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置，包括压接型IGBT压装单元和电容单元，所述压接型IGBT压装单元通过压装复合母排与所述电容单元的复合母排相连接；其特征在于：所述压接型IGBT压装单元包括压装组件及交流输出排；所述压装组件包括压装框架和同轴布置在压装框架内的三组压接型IGBT组件，每相邻两组压接型IGBT组件之间同轴布置有绝缘板，且最下压接型IGBT组件与底部之间同轴布置有绝缘板，最上压接型IGBT组件与底部之间由下而上依次同轴布置有绝缘板和均压板；每组所述压接型IGBT组件包括三块同轴布置的水冷板和同轴布置在每相邻两块水冷板之间的压接型IGBT器件，通过所有水冷板与压装复合母排连接成三电平结构，且所述交流输出排安装在中间压接型IGBT组件的中间水冷板上。
2.根据权利要求1所述基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置，其特征在于：三组所述压接型IGBT组件由上往下依次为第一组压接型IGBT组件、第二组压接型IGBT组件及第三组压接型IGBT组件；三块同轴布置的所述水冷板由上往下依次为上水冷板、中水冷板和下水冷板，同轴布置在每相邻两块水冷板之间的压接型IGBT器件为上压接型IGBT器件和下压接型IGBT器件；
所述压装复合母排包括三层，内层为一个整体结构的内层母排，中间层包括并排布置的中间层右母排和中间层左母排，外层包括并排布置的外层右母排和外层左母排；内层母排通过两组连接孔分别与第一组压接型IGBT组件中的下水冷板和第三组压接型IGBT组件中的上水冷板连接；中间层右母排通过一组连接孔并穿过内层母排的通孔与第一组压接型IGBT组件中的上水冷板连接，中间层左母排通过一组连接孔并穿过内层母排的通孔与第三组压接型IGBT组件中的下水冷板连接；外层右母排通过两组连接孔并依次穿过中间层右母排的通孔和内层母排的通孔与第一组压接型IGBT组件中的中水冷板和第二组压接型IGBT组件中的上水冷板连接，外层左母排通过两组连接孔并依次穿过中间层右母排的通孔和内层母排的通孔与第二组压接型IGBT组件中的下水冷板和第三组压接型IGBT组件中的中水冷板连接。
3.根据权利要求2所述基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置，其特征在于：所述交流输出排安装在第二组压接型IGBT组件的中间水冷板上。
4.根据权利要求1所述基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置，其特征在于：所述内层母排的内层翻边通过三组内层螺栓孔与电容复合母排连接，中间层右母排的右翻边通过右螺栓孔并穿过内层翻板的通孔与电容复合母排连接，中间层左母排的左翻边通过左螺栓孔并穿过内层翻板的通孔与电容复合母排连接。
5.根据权利要求1所述基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置，其特征在于：所述压接型IGBT压装单元还包括两个吸收电容，一个吸收电容安装在压装复合母排的中间层右母排的表面，该吸收电容的一端固定在中间层右母排的表面上、另一端穿过中间层右母排的通孔与内层母排连接固定；另一个吸收电容安装在压装复合母排的中间层左母排的表面，该吸收电容的一端固定在中间层左母排的表面上、另一端穿过中间层左母排的通孔与内层母排连接固定。
6.根据权利要求1所述基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置，其特征在于：所述压接型IGBT压装单元还包括钳位电阻，钳位电阻安装在第一组压接型IGBT组件的中水冷板和第二组压接型IGBT组件的下水冷板之间。
7.根据权利要求1所述基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置，其特征在于：所述压装框架由底板、螺杆和板簧组成。
8.根据权利要求1所述基于压接型IGBT的低杂感三电平功率变换装置，其特征在于：所述压接型IGBT器件包含IGBT开关器件和反并联二极管。
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