CN112865489A - 一种中心对称的igbt多模块并联装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中心对称的IGBT多模块并联装置，包括多IGBT模块，叠层母排、散热板及支撑板，所述IGBT模块，叠层母排、散热板及支撑板构成紧凑STACK布局，实现了模块化设计，使大功率变流器的设计变得更加简单，所述叠层母排、散热板及支撑板的中心镂空设计优化了STACK散热性能，整体功率连接布局呈中心对称，降低了IGBT模块开关时产生的电磁耦合，另外通过叠层排的端子布局，不仅平衡了各电流支路的寄生阻抗，提高了各并联IGBT模块间的电流均衡度而且实现了可扩展性，使得STACK间的串并联更容易实现。

Description

一种中心对称的IGBT多模块并联装置

技术领域

本发明涉及大功率变流器领域，具体涉及一种中心对称的IGBT多模块并联装置。

背景技术

现代电力电子系统中至关重要的部分即为半导体器件，其中绝缘栅双极晶体管IGBT由于综合了场效应管MOSFET与电力晶体管GTR二者的优点，在大功率变流器应用如电气化铁路变流器、工业电机驱动系统以及海上风电功率变流器等场合都有着广泛应用。随着功率等级地不断提高，一方面，尽管耐压较高功率较大的IGBT模块已有现成产品，使用时的驱动电路设计比较简单，但是同时也附带一系列如价格高昂、维修不便以及可靠性不高等问题。因此，IGBT多模块进行并联使用在这类场合得以广泛应用。在大功率变流器设计中，并联IGBT模块间的功率连接结构是十分重要的，要考虑的因素较多，如整体布局的对称性、模块的散热以及模块化与可拓展性设计等等。最重要的是要保证并联模块电流的均匀分布，降低模块间的电磁影响，进而确保变流器安全且高效运行。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供：

(1)、通过一种中心对称的并联多IGBT模块功率连接结构，提升并联模块的电流均衡性，降低了并联模块间的电磁影响，改善了模块的散热条件；

(2)、中心对称的IGBT多模块并联结构构成一个STACK，可以通过STACK间的串并联满足更高电压更大功率等级的应用场合，实现了模块化和可扩展性的设计，为大功率变流器设计提供指导。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种中心对称的IGBT多模块并联装置，包括N个IGBT模块1，其中N>2，

当N个IGBT模块1水平摆放时，所述中心对称的IGBT多模块并联装置还包括：叠层母排2和吸收电容器组5；

所述吸收电容器组5包括N个吸收电容；

所述叠层母排2包括：层叠的顶部绝缘板、正极板、中间绝缘板、负极板和底部绝缘板；所述正极板与负极板的位置能够互换；

所述N个IGBT模块1和吸收电容器组5安装于叠层母排2上；

所述叠层母排2上设置有至少N组接口，每组接口包括若干个接口一3，若干个接口一3中的一对接口作为接口二4；

所述若干个接口一3用于连接叠层母排2与IGBT模块1，每组接口中的一半接口一3将叠层母排2的正极板与IGBT模块1的功率集电极相连接，每组接口中的另一半接口一3将叠层母排2的负极板与IGBT模块1的功率发射极相连接；

所述接口二4用于连接叠层母排2与吸收电容组5，其中一个接口二4将叠层母排正极板与吸收电容正极相连接，另一个接口二4将叠层母排负极板与吸收电容负极相连接，用于吸收IGBT模块1在开关过程中产生的过压。

所述叠层母排2引出正极板端子6和负极板端子7。

这种布局对N个并联IGBT模块电流路径上的寄生阻抗进行了平衡，有利于模块均流，抑制了开关瞬态不对称的电磁影响，所形成的模块化STACK可通过正负极板端子连接实现串并联，实现了可拓展性。N个IGBT模块底部安装有散热板8，所述散热板8中心镂空，与安装在IGBT模块顶部的镂空叠层母排相配合，有利于降低热阻，提高散热效率，并保持了整个装置的对称性。

当N个IGBT模块1竖直摆放时，所述中心对称的IGBT多模块并联装置还包括：吸收电容器组5、N个叠层支排9、汇流排10和支撑板11；

所述吸收电容器组5包括N个吸收电容；

所述叠层支排9与汇流排10包括：层叠的顶部绝缘板、正极板、中间绝缘板、负极板和底部绝缘板；所述正极板与负极板的位置能够互换；

N个IGBT模块1安装于N个叠层支排9上，所述叠层支排9上端弯曲形成汇流排10，用于进行汇流；

所述叠层支排9上设置有至少N组接口，每组接口包括若干个接口一3，若干个接口一3中的一对接口作为接口二4；

所述若干个接口一3用于连接叠层支排9与IGBT模块1，每组接口中的一半接口一3将叠层支排9的正极板与IGBT模块1的功率集电极相连接，每组接口中的另一半接口一3将叠层支排9的负极板与IGBT模块1的功率发射极相连接；

所述接口二4用于连接汇流排10与吸收电容组5，其中一个接口二4将汇流排10的正极板与吸收电容正极相连接，另一个接口二4将汇流排10的负极板与吸收电容负极相连接，用于吸收IGBT模块1在开关过程中产生的过压；

所述汇流排10一侧引出正极板端子6，从汇流排10另一侧引出负极板端子7；

所述N个叠层支排9的下端设置在支撑板11上。

这种布局对N个并联IGBT模块电流路径上的寄生阻抗进行了平衡，有利于模块均流，抑制了开关瞬态不对称的电磁影响，所形成的模块化STACK可通过正负极板端子的连接实现串并联，实现了可拓展性。并联IGBT模块1底部安装散热板8，所述散热板8中心镂空，呈中心对称。IGBT模块1无汇流排10覆盖侧安装支撑板11，所述支撑板11中心镂空，呈中心对称，与安装在IGBT模块1另一侧的镂空汇流排和安装在IGBT模块1底部的镂空散热板8相配合，有利于降低热阻，提高散热效率，并保持了整体的中心对称。

在上述方案的基础上，所述N个IGBT模块1摆成环状，呈中心对称。

在上述方案的基础上，所述IGBT模块1包括：六端子双列排列的IGBT模块、三端子直线排列的IGBT模块、四端子两侧分布的IGBT模块、四端子中间分布的IGBT模块、多端子直线排列的IGBT模块和多端子组合排列的IGBT模块。

在上述方案的基础上，当N个IGBT模块1水平摆放时，所述叠层母排2中心镂空，从叠层母排2的正极板引出正极板端子6，从叠层母排2的负极板引出负极板端子7，所述正极板端子6与负极板端子7空间引出位置互差180°，叠层母排2整体呈中心对称。

在上述方案的基础上，当N个IGBT模块1并联且每个IGBT模块1竖直摆放时，从汇流排10的正极板引出正极板端子6，从汇流排10的负极板引出负极板端子7，所述正极板端子6与负极板端子7空间引出位置互差180°，所述N个叠层支排9与汇流排10整体呈中心对称。

在上述方案的基础上，所述汇流排10呈“L”型；所述汇流排10中心镂空。

在上述方案的基础上，所述N个IGBT模块1的底部还装有散热板8，所述散热板8中心镂空，呈中心对称；

在上述方案的基础上，所述吸收电容器组5摆成环状，呈中心对称。

在上述方案的基础上，所述支撑板11中心镂空，呈中心对称。

本发明技术方案带来的有益效果：

(1)、本发明通过一种中心对称的并联IGBT模块功率连接结构设计，包括叠层母排、散热板及支撑板的布局与结构优化，使各功率连接部分安装便捷，不仅提高了并联IGBT模块的均流特性，抑制了开关瞬态模块间的不平衡电磁影响，提高了模块散热效率；

(2)、本发明对中心对称的IGBT多模块并联装置所构成的STACK进行了模块化设计，并且通过对叠层母排正极板与负极板的引出端子进行了布局，不仅平衡了整体布局寄生参数分布，而且实现了可拓展性，为大功率变流器设计提供指导。

缩略语、英文和关键术语定义列表：

1、Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)，绝缘栅双极晶体管；

2、Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor(MOSFET)，金属氧化物半导体场效应晶体管；

3、Giant Transistor(GTR)，电力晶体管；

4、STACK，由中心对称的IGBT多模块并联结构所构成的模块化的堆栈。

参考文献(如专利/论文/标准)

[1]Buchholz,Sven S,Matthias,etc.Electrical performance of a lowinductive 3.3kV half bridge IGBT module[C].PCIM Europe,InternationalExhibition&Conference for Power Electronics.VDE,2015.

[2]FZ1200R33HE3产品说明书，英飞凌科技有限公司，2019.

[3]Nobuya Nishida.ELECTRIC-POWER CONVERTING DEVICE,SOLAR POWERCONDITIONER SYSTEM,ELECTRICITY STORAGE SYSTEM,UNINTERRUPTIBLE POWER SOURCESYSTEM,WIND POWER GENERATION SYSTEM,AND MOTOR DRIVE SYSTEM，US20180233918[P].2018.

[4]蔡潇.一种IGBT模块的并联结构，CN203787403U[P].2014.

[5]张胜锰，一种带均流结构的复合母排，CN205160386U[P].2016.

附图说明

本发明有如下附图：

图1中心对称的IGBT多模块并联装置模块水平放置示意图；

图2中心对称的IGBT多模块并联装置模块竖直放置示意图；

图3三端子直线排列的IGBT模块示意图；

图4四端子两侧分布的IGBT模块示意图一；

图5四端子两侧分布的IGBT模块示意图二；

图6四端子中间分布的IGBT模块示意图；

图7多端子直线排列的IGBT模块示意图；

图8多端子组合排列的IGBT模块示意图。

附图标记

1IGBT模块 2叠层母排

3接口一 4接口二

5吸收电容器组 6正极板端子

7负极板端子 8散热板

9叠层支排 10汇流排

11支撑板

具体实施方式

本申请提出一种中心对称的IGBT多模块并联装置，具体的实施方式分为两种，以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

当N(N>2)个IGBT模块1并联且每个IGBT模块1水平摆放时，下面以8个IGBT模块1并联为例进行说明，如图1所示，

8个并联IGBT模块1摆成环状，呈中心对称，采用叠层母排2将8个IGBT模块1连接在一起，所述叠层母排2还包括至少有8组接口一3，一组6个接口，每组接口3分为两列，一列3个接口，一列接口一3用于将叠层母排2的正极板与IGBT模块1的功率集电极相连接，另外一列接口一3用于将叠层母排2的负极板与IGBT模块1的功率发射极相连接。

所述叠层母排2还包括至少有8对接口二4，一对2个接口，一个接口二4用于将叠层母排2的正极板与吸收电容正极相连接，另一个接口二4将叠层母排2的负极板与吸收电容的负极相连接；

所述吸收电容器组5通过接口二4安装在叠层母排2上，吸收电容器组5摆成环状，呈中心对称。

所述叠层母排2中心镂空，叠层母排2包括：层叠的顶部绝缘板、正极板、中间绝缘板、负极板、底部绝缘板；所述正极板与负极板的位置可互换，

所述正极板端子6从叠层母排2的正极板引出，负极板端子从叠层母排2的负极板引出，所述正极板端子6与负极板端子空间引出位置互差180°，使并联IGBT模块1电流路径上的寄生阻抗平衡，有利于模块均流，整体呈中心对称，抑制了不对称的电磁影响。

并联IGBT模块1底部安装有散热板8，所述散热板8中心镂空，呈中心对称，与安装在并联IGBT模块1顶部的镂空叠层母排2相配合，有利于降低热阻，提高散热效率。

当N(N>2)个IGBT模块1并联且每个IGBT模块1竖直摆放时，下面以8个IGBT模块1并联为例进行说明，如图2所示，8个并联IGBT模块1摆成环状，呈中心对称，所述叠层支排9呈中心对称，每个支排一端弯曲形成汇流排10，呈“L”型，进行汇流，整体呈中心对称。

用于吸收并联IGBT模块1在开关过程中产生的过压；

吸收电容器组5摆成环状，呈中心对称。所述汇流排10中心镂空；

叠层支排9与汇流排10均包括：层叠的顶部绝缘板、正极板、中间绝缘板、负极板、底部绝缘板；所述正极板与负极板的位置可互换，所述正极板端子6从汇流排10的正极板引出，负极板端子从汇流排10的负极板引出，所述正极板端子6与负极板端子空间引出位置互差180°；

叠层支排9至少有8组接口一3，一组6个接口，每组接口3分为两列，一列3个接口，一列接口一3用于将叠层支排9的正极板与IGBT模块的功率集电极相连接，另外一列接口一3用于将叠层支排9的负极板与IGBT模块的功率发射极相连接。

叠层支排9至少有8对接口二4，一对2个接口，一个接口二4用于将叠层支排9的正极板与吸收电容正极相连接，另一个接口二4将叠层支排9的负极板与吸收电容的负极相连接；

这种布局对并联IGBT模块1电流路径上的寄生阻抗进行了平衡，有利于模块均流，抑制了开关瞬态时的电磁影响。并联IGBT模块1底部安装散热板8，所述散热板8中心镂空，呈中心对称。并联IGBT模块1与汇流排10平行侧安装支撑板11，所述支撑板11中心镂空，呈中心对称，与安装在IGBT模块1顶部的汇流排10和安装在IGBT模块1底部的镂空散热板8相配合，有利于降低热阻，提高散热效率。

上述实施方式以六端子双列排列的IGBT模块为例，但本中心对称的多IGBT模块并联装置适用于图3～图8所示的多种IGBT模块类型，其中包括三端子直线排列的IGBT模块类型图3，四端子两侧分布的IGBT模块类型图4、图5，四端子中间分布的IGBT模块类型图6，多端子直线排列的IGBT模块类型图7以及多端子组合排列的IGBT模块类型图8。

本发明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不能够限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种中心对称的IGBT多模块并联装置，其特征在于，包括N个IGBT模块(1)，其中N>2；

当N个IGBT模块(1)水平摆放时，所述中心对称的IGBT多模块并联装置还包括：叠层母排(2)和吸收电容器组(5)；

所述吸收电容器组(5)包括N个吸收电容；

所述叠层母排(2)包括：层叠的顶部绝缘板、正极板、中间绝缘板、负极板和底部绝缘板；所述正极板与负极板的位置能够互换；

所述N个IGBT模块(1)和吸收电容器组(5)安装于叠层母排(2)上；

所述叠层母排(2)上设置有至少N组接口，每组接口包括若干个接口一(3)，若干个接口一(3)中的一对接口作为接口二(4)；

所述若干个接口一(3)用于连接叠层母排(2)与IGBT模块(1)，每组接口中的一半接口一(3)将叠层母排(2)的正极板与IGBT模块(1)的功率集电极相连接，每组接口中的另一半接口一(3)将叠层母排(2)的负极板与IGBT模块(1)的功率发射极相连接；

所述接口二(4)用于连接叠层母排(2)与吸收电容组(5)，其中一个接口二(4)将叠层母排(2)的正极板与吸收电容的正极相连接，另一个接口二(4)将叠层母排(2)的负极板与吸收电容的负极相连接，用于吸收IGBT模块(1)在开关过程中产生的过压；

所述叠层母排(2)引出正极板端子(6)和负极板端子(7)；

当N个IGBT模块(1)竖直摆放时，所述中心对称的IGBT多模块并联装置还包括：吸收电容器组(5)、N个叠层支排(9)、汇流排(10)和支撑板(11)；

所述吸收电容器组(5)包括N个吸收电容；

所述叠层支排(9)与汇流排(10)包括：层叠的顶部绝缘板、正极板、中间绝缘板、负极板和底部绝缘板；所述正极板与负极板的位置能够互换；

N个IGBT模块(1)安装于N个叠层支排(9)上，所述叠层支排(9)上端弯曲形成汇流排(10)，用于进行汇流；

所述叠层支排(9)上设置有至少N组接口，每组接口包括若干个接口一(3)，若干个接口一(3)中的一对接口作为接口二(4)；

所述若干个接口一(3)用于连接叠层支排(9)与IGBT模块(1)，每组接口中的一半接口一(3)将叠层支排(9)的正极板与IGBT模块(1)的功率集电极相连接，每组接口中的另一半接口一(3)将叠层支排(9)的负极板与IGBT模块(1)的功率发射极相连接；

所述接口二(4)用于连接汇流排(10)与吸收电容组(5)，其中一个接口二(4)将汇流排(10)的正极板与吸收电容的正极相连接，另一个接口二(4)将汇流排(10)的负极板与吸收电容的负极相连接，用于吸收IGBT模块(1)在开关过程中产生的过压；

所述汇流排(10)引出正极板端子(6)和负极板端子(7)；

所述N个叠层支排(9)的下端设置在支撑板(11)上。

2.如权利要求1所述的中心对称的IGBT多模块并联装置，其特征在于，所述N个IGBT模块(1)摆成环状，呈中心对称。

3.如权利要求1所述的中心对称的IGBT多模块并联装置，其特征在于，所述IGBT模块(1)包括：六端子双列排列的IGBT模块、三端子直线排列的IGBT模块、四端子两侧分布的IGBT模块、四端子中间分布的IGBT模块、多端子直线排列的IGBT模块、多端子组合排列的IGBT模块。

4.如权利要求4所述的中心对称的IGBT多模块并联装置，其特征在于，当N个IGBT模块(1)水平摆放时，所述叠层母排(2)中心镂空，从叠层母排(2)的正极板引出正极板端子(6)，从叠层母排(2)的负极板引出负极板端子(7)，所述正极板端子(6)与负极板端子(7)空间引出位置互差180°，叠层母排(2)整体呈中心对称。

5.如权利要求4所述的中心对称的IGBT多模块并联装置，其特征在于，当N个IGBT模块(1)竖直摆放时，从汇流排(10)的正极板引出正极板端子(6)，从汇流排(10)的负极板引出负极板端子(7)，所述正极板端子(6)与负极板端子(7)空间引出位置互差180°，所述N个叠层支排(9)与汇流排(10)整体呈中心对称。

6.如权利要求1所述的中心对称的IGBT多模块并联装置，其特征在于，所述汇流排(10)呈“L”型。

7.如权利要求6所述的中心对称的IGBT多模块并联装置，其特征在于，所述汇流排(10)中心镂空。

8.如权利要求1所述的中心对称的IGBT多模块并联装置，其特征在于，所述N个IGBT模块(1)的底部还装有散热板(8)，所述散热板(8)中心镂空，呈中心对称。

9.如权利要求1所述的中心对称的IGBT多模块并联装置，其特征在于，所述吸收电容器组(5)摆成环状，呈中心对称。

10.如权利要求1所述的中心对称的IGBT多模块并联装置，其特征在于，所述支撑板(11)中心镂空，呈中心对称。

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