CN112713751A - 基于大功率igbt并联的高压电气连接方法及结构 - Google Patents

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Abstract

本发明为解决由于功率模块本身或者外部接口限制导致用于IGBT并联时复合母排并联支路存在固有不均衡性问题导致IGBT并联工作出现不同步性技术问题，提供一种基于大功率IGBT并联的高压电气连接方法及结构。一种基于大功率IGBT并联的高压电气连接方法，针对安装有一对并联IGBT组件的复合母排，引入两组外部电阻，每组外部电阻顺次与复合母排以及一个IGBT组件串联，构成一路高压电气连接电路，两路高压电气连接电路并联；调整每组外部电阻的阻值，减少分配在IGBT组件上的电流比例，使得两路高压电气连接电路达到均流。本发明将并联的IGBT的不平衡性转移至线路中，而不是落在IGBT上，有效减少功率模块上复合母排由于空间问题造成设计不同步的难度。

Description

基于大功率IGBT并联的高压电气连接方法及结构
技术领域
本发明涉及大功率交流传动牵引辅助变流系统的复合母排技术，具体为一种基于大功率IGBT并联的高压电气连接方法及结构。
背景技术
复合母排技术广泛应用于大功率交流传动牵引辅助变流系统的主电路连接中，它不仅能降低电气主回路中的杂散电感，提高功率器件工作的可靠性，更能节省空间，使得功率单元连接更加紧凑，简洁。
特别是在铁路机车或者动车牵引系统中，由于输出功率大，所需系统输入电流比较大，单个IGBT不能满足系统需要，往往需要两只IGBT并联才能完成整流工作。两只IGBT并联工作时需要考虑并联IGBT的工作同步性，作为IGBT主电路电气连接的复合母排同步性好坏直接影响并联IGBT工作。一般情况下，并联复合母排设计方法为对外为一个交流输出端子，内部连接两个并联IGBT。此种设计方法适用于复合母排交流输出端子与直流端子分离，不在同一侧安装，但是由于变流系统的柜体结构由于主电路和接口的需要，往往要求复合母排所有连接端子必须在同一侧，即复合母排交流端子与直流端子在同一侧；且这种并联方法将IGBT并联电流的高同步性要求全部落在功率单元的复合母排和IGBT上，大大增加了功率单元复合母排并联设计要求和IGBT参数匹配要求。
具体而言，现有技术存在如下缺点：由图1、2所示，IGBT并联的高压电气连接由功率模块的复合母排来完成。IGBT并联的高压电气连接体现在功率模块复合母排设计上，此复合母排连接两只IGBT，输出端子只有一个。IGBT并联的均流性好坏完全由复合母排来决定。如果复合母排的参数匹配和并联设计性能不好，势必会影响IGBT并联工作的可靠性，故整流复合母排设计时除了考虑满足温升、安装要求外还需考虑IGBT并联工作的同步性，设计难度和成本都大大增加。
发明内容
本发明为解决由于功率模块本身或者外部接口限制导致用于IGBT并联时复合母排并联支路存在固有不均衡性问题导致IGBT并联工作出现不同步性技术问题，提供一种基于大功率IGBT并联的高压电气连接方法及结构。
本发明所述基于大功率IGBT并联的高压电气连接方法是采用以下技术方案实现的：一种基于大功率IGBT并联的高压电气连接方法，针对安装有一对并联IGBT组件的复合母排，引入两组外部电阻，每个IGBT组件至少有一个IGBT管；每组外部电阻顺次与复合母排以及一个IGBT组件串联，构成一路高压电气连接电路，两路高压电气连接电路并联；调整每组外部电阻的阻值，减少分配在IGBT组件上的电流比例，使得两路高压电气连接电路达到均流。
如图1、3为传统方案以及本发明IGBT并联的电气原理图，IGBT并联的同步性与线路的参数有关系，任何线路的参数均可由电阻和电感组成，可将图1、3的电气原理简化成数学模型，如图4和图5所示。可以看出，同步性与线路的电阻和电感平衡性有关系，功率模块的复合母排只是整个并联支路的一部分。如果由于结构和接口的限制，复合母排两条支路差异性必然存在，为缩小线路不平衡对IGBT并联工作的影响，可以将不平衡性进行转移至线路中，而不是落在IGBT上。其实IGBT并联的均流性并不局限在功率模块的设计和工作上，要从整个变流系统的电气连接来考虑，系统电气连接设计时减缓考虑IGBT并联工作的可靠性。
并联支路电流的不均衡性均可由电阻和电感的不均衡性来表示，稳态下的并联支路的电流如公式(1)所示：
Figure BDA0002848839370000031
Figure BDA0002848839370000032
传统的IGBT同步性参数与功率单元的复合母排和IGBT器件的参数有关系，复合母排或者IGBT特性参数不匹配定会引起并联的同步性变化。
Figure BDA0002848839370000033
Figure BDA0002848839370000034
如果线路中影响并联的因素越多，参数数值越大，那分配在IGBT上的比例就越小，即在计算两条并联支路的不均衡性时，IGBT所占比例就越小，如上公式(2)所示。本发明所述连接方法把变流器连接铜排Rl列入两只IGBT并联支路内部，作为影响并联IGBT不同性的一个因素。铜排的电阻
Figure BDA0002848839370000035
与铜排电阻率ρ，长度l和横截面积s有关系。铜排长度越长，流过电流的横截面积越大，其电阻值越大，并联的不均流性在IGBT上体现越小。当然，连接铜排的电阻值太大，会导致铜排工作时发热越高，一般将铜排温升控制在30K之内。
该方法既满足复合母排安装要求，满足部件维修维护的便捷性，又大大减小对功率模块复合母排并联设计的难度。
上述公式中I1、I2分别为流过两个(组)IGBT的电流，I为总电流，Rl1、Rl2为引入的外部电阻(实物如铜排，外部电阻是铜排的数学模型的体现)的电阻，Rb1、Rb2分别为与两个(组)IGBT连接的复合母排部分的电阻，RT1和RT2分别为两个(组)IGBT的电阻。
本发明所述基于大功率IGBT并联的高压电气连接结构是采用如下技术方案实现的：一种基于大功率IGBT并联的高压电气连接结构，用于实现基于大功率IGBT并联的高压电气连接方法，由一对铜排以及其上并联安装有一对IGBT组件的复合母排组成；所述每组IGBT组件包括至少一个IGBT管；所述一对铜排对称安装在复合母排的一端。
本发明通过引入一对铜排，将并联的IGBT的不平衡性转移至线路(铜排和复合母排)中，而不是落在IGBT上，有效减少功率模块上复合母排由于空间问题造成设计不同步的难度。
附图说明
图1传统的IGBT并联电气连接方法示意图(电路图)。
图2传统的IGBT并联电气连接方法示意图(实物图)。
图3本发明所述方法的电气原理图。
图4传统的高压电气连接数学模型。
图5本发明电气连接方法的数学模型。
图6并联IGBT功率模块的高压电气连接安装示意图。
图7传统IGBT并联的高压电气连接方法示意图。
图8本发明设计的高压电气连接方法示意图。
1-铜排，2-复合母排。
具体实施方式
如图6所示，本发明设计了一种基于大功率IGBT并联的高压电气连接结构，由一对铜排以及其上并联安装有一对IGBT组件的复合母排组成；所述每组IGBT组件包括至少一个IGBT管；所述一对铜排对称安装在复合母排的一端。
每组IGBT组件由至少两个IGBT管串联而成，或者每组IGBT组件由一个IGBT管组成。
如图8所示，所述铜排由L型段以及安装段组成；所述L型段的竖直部分连接在水平部分的一端，其上设有与复合母排连接的安装孔，所述安装段与L型段所在平面垂直且连接在L型段的水平部分的另一端，安装段上开有安装孔。
铜排的电阻值根据运行时的温升进行控制，温升控制在30K以内。
通过控制铜排的长度开控制铜排的温升，进而控制铜排的电阻到一个合理的数值。
图7是传统的IGBT并联时铜排及复合母排的连接方式，从图中可以看出，IGBT并联的不同步性直接体现在复合母排的电流流向上，如黑色箭头线所示。图8是按照本发明设计的IGBT并联时铜排及复合母排的连接方式，虚线箭头是电流流向。可以看出，并联IGBT从铜排连接开始就是完全对称同步的，而且，可以将IGBT的不同步性可以分布在铜排和复合母排上，减少功率模块上复合母排由于空间问题造成设计不同步的难度。

Claims (10)

1.一种基于大功率IGBT并联的高压电气连接方法，其特征在于，针对安装有一对并联IGBT组件的复合母排，引入两组外部电阻，每个IGBT组件至少有一个IGBT管；每组外部电阻顺次与复合母排以及一个IGBT组件串联，构成一路高压电气连接电路，两路高压电气连接电路并联；调整每组外部电阻的阻值，减少分配在IGBT组件上的电流比例，使得两路高压电气连接电路达到均流。
2.如权利要求1所述的基于大功率IGBT并联的高压电气连接方法，其特征在于，在两路高压电气连接电路达到均流的情况下，选择各项参数一致的IGBT管。
3.如权利要求1所述的基于大功率IGBT并联的高压电气连接方法，其特征在于，每个IGBT组件由一个IGBT管组成，或每个IGBT组件由两个或两个以上的IBGT管串联而成。
4.如权利要求1~3任一项所述的基于大功率IGBT并联的高压电气连接方法，其特征在于，引入的两组外部电阻的电阻值根据运行时的温升进行控制，温升控制在30K以内。
5.一种基于大功率IGBT并联的高压电气连接结构，用于实现权利要求1所述基于大功率IGBT并联的高压电气连接方法，其特征在于，由一对铜排以及其上并联安装有一对IGBT组件的复合母排组成；所述每组IGBT组件包括至少一个IGBT管；所述一对铜排对称安装在复合母排的一端。
6.如权利要求5所述的基于大功率IGBT并联的高压电气连接结构，其特征在于，每组IGBT组件由至少两个IGBT管串联而成。
7.如权利要求5所述的基于大功率IGBT并联的高压电气连接结构，其特征在于，每组IGBT组件由一个IGBT管组成。
8.如权利要求5~7任一项所述的基于大功率IGBT并联的高压电气连接结构，其特征在于，所述铜排由L型段以及安装段组成；所述L型段的竖直部分连接在水平部分的一端，其上设有与复合母排连接的安装孔，所述安装段与L型段所在平面垂直且连接在L型段的水平部分的另一端，安装段上开有安装孔。
9.如权利要求5~7任一项所述的基于大功率IGBT并联的高压电气连接结构，其特征在于，铜排的电阻值根据运行时的温升进行控制，温升控制在30K以内。
10.如权利要求9所述的基于大功率IGBT并联的高压电气连接结构，其特征在于，通过控制铜排的长度来控制铜排的电阻，使得铜排的温升控制在30K以内。
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