CN115589166B - 一种基于器件直串的三电平功率模块结构 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于器件直串的三电平功率模块结构，包括：框架和多组压接组件；每组所述压接组件由电力电子器件与散热器通过连接件压接为一个整体而形成；在多组压接组件中，每两组压接组件以上下对称的形式组装为一个整体后安装于框架内。本发明置于前列的半导体器件，便于其前端控制板卡的调试和维护；器件上下对称的结构形式，便于前期模块组装，降低了串联器件较多时，阀串的压接难度；上、下组件间易于拆装的连接方法，便于后期设备的测试及维护；通过增加模块列数即可轻易实现系统设备的级联，拓展方便；综上，本发明采用模块化设计，结构紧凑、美观，电路分配合理，便于工程化、批量化生产，结构整体及内部组件安装、维护方便。

Description

一种基于器件直串的三电平功率模块结构

技术领域

本发明实施例涉及大功率电子器件装备技术领域，具体涉及一种基于器件直串的三电平功率模块结构。

背景技术

三电平变流器与两电平变流器相比，具有输出电压电流谐波小，开关器件承受的电压及开关损耗减半等优势，可有效减小滤波器等无源器件的体积和重量。因此，三电平变流器在中压大功率的场景中应用广泛。

传统大容量三电平变流器一般采用模块并联或装置并联的方式提高容量，存在并联均衡难以及换流等问题，影响装置的整体安全可靠运行。

发明内容

本发明基于压接式IGBT、IEGT、IGCT器件，提供了一种基于器件直串的三电平功率模块结构，具有模块化、压装简单、结构紧凑、维护方便等优点，基于器件直串技术以解决上述问题，可有效提升变流器的整体容量。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种基于器件直串的三电平功率模块结构，包括：

框架和多组压接组件；

每组所述压接组件由电力电子器件与散热器通过连接件压接为一个整体而形成；

在多组压接组件中，每两组压接组件以上下对称的形式组装为一个整体后安装于框架内。

优选地，上下两组压接组件之间通过第三铜排进行电气连接，所述第三铜排可拆卸的连接于上下两组压接组件之间。

优选地，所述散热器包括连接于上下两组压接组件之间的水冷管道，所述水冷管道采用转接水管，所述水冷管道搭配活接套筒连接于上下两组压接组件之间。

优选地，压接所述电力电子器件和散热器的压力为36~44kN。

优选地，每组压接组件中的所述电力电子器件包括多只半导体器件、多只二极管器件和两只压接电阻；

所述半导体器件置于二极管器件和压接电阻的前列；

多只半导体器件中，每三只半导体器件串联，每只所述二极管器件与其对应的半导体器件反并联，形成三电平电气结构；

位于前列的所述半导体器件与位于后列的所述二极管器件通过第二铜排相连。

优选地，所述二极管器件与所述半导体器件反并联形成的反并联结构的两极分别压接一个散热器。

优选地，每组所述反并联结构之间连接有绝缘件。

优选地，每组所述压接组件中的所述连接件包括四个拉杆和两个安装板；

所述拉杆的两端分别通过螺母与两个安装板连接；

所述电力电子器件和散热器固定于两个安装板之间。

优选地，所述连接件还包括缓冲件，所述缓冲件位于所述电力电子器件与两个安装板接触的位置。

优选地，每个所述安装板在相同位置上开设有定位孔，上下设置的安装板的定位孔内安装有同一个定位销。

优选地，所述压接组件的底部安装有滚子轴承。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、置于前列的半导体器件，便于其前端控制板卡的调试和维护；

2、器件上下对称的结构形式，便于前期模块组装，降低了串联器件较多时，阀串的压接难度；

3、上、下组件间易于拆装的连接方法，便于后期设备的测试及维护；

4、通过增加模块列数即可轻易实现系统设备的级联，拓展方便。

综上，本发明采用模块化设计，结构紧凑、美观，电路分配合理，便于工程化、批量化生产，结构整体及内部组件安装、维护方便。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是本发明一种基于器件直串的三电平功率模块结构的立体图；

图2是本发明一种基于器件直串的三电平功率模块结构的图1的后视图；

图3是本发明一种基于器件直串的三电平功率模块结构的图1的左视图；

图4是本发明一种基于器件直串的三电平功率模块结构的图1的右视图；

图5是本发明一种基于器件直串的三电平功率模块结构的系统级联图；

图中：1、缓冲件；2、拉杆；3、IGCT器件；4、散热器；5、二极管器件；6、压接电阻；7、第一铜排；8、第二铜排；9、绝缘件；10、第三铜排；11、转接水管；12、滚子轴承；13、安装板；14、压接组件；15、框架。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明一种基于器件直串的三电平功率模块结构的立体图，如图1所示，本发明提供了一种基于器件直串的三电平功率模块结构，包括：

框架15和多组压接组件14；

每组所述压接组件14由电力电子器件与散热器4通过连接件压接为一个整体而形成；

在多组压接组件14中，每两组压接组件14以上下对称的形式组装为一个整体后安装于框架15内。

图5是本发明一种基于器件直串的三电平功率模块结构的系统级联图，如图5所示，压接组件14共设置有4组，左侧的两组压接组件14上下对称组装为一个整体，右侧的两组压接组件14同样上下对称组装为一个整体，这4组压接组件14两两上下对称组装完成后整体安装于框架15内。

本实施例中，将两组压接组件14上下对称组装为一个整体后直接安装到框架15上，整体结构紧凑、美观；电路分配合理；便于工程化、批量化生产；而且通过增加模块列数即可轻易实现系统设备的级联，扩展方便；另外，上下对称的结构形式，便于前期模块组装，降低了串联器件较多时，阀串的压接难度。

图2是本发明一种基于器件直串的三电平功率模块结构的图1的后视图；如图2所示，上下两组压接组件14之间通过第三铜排10进行电气连接；所述第三铜排10可拆卸的连接于上下两组压接组件14之间。

示例性地，每个第三铜排10搭配四个螺栓使用，第三铜排10的两端上端和下端各打两个通孔，第三铜排10的上端通过两个螺栓配合两个通孔固定于上方的压接组件14，第三铜排10的下端通过两个螺栓配合两个通孔固定于下方的压接组件14。

本实施例中，上下两组压接组件14之间通过可拆卸的第三铜排10连接，一方面实现了上下两组压接组件14的电气连接，一方面方便了两组压接组件14的安装与拆卸，便于后期设备的测试及维护。

图4是本发明一种基于器件直串的三电平功率模块结构的图1的右视图；如图4所示，所述散热器4包括连接于上下两组压接组件14之间的水冷管道，所述水冷管道采用转接水管11搭配活接套筒连接。

示例性地，每根转接水管11搭配两个活接套筒，即每根转接水管11的两端各连接一个活接套筒，转接水管11的上下两端外表面均具有螺纹，活接套筒的内表面具有螺纹，转接水管11的上端通过其中一个活接套筒螺接于位于上方的压接组件14中的散热器4的底部，转接水管11的下端通过另一个活接套筒螺接于下方的压接组件14中的散热器4的顶部。

压接所述电力电子器件和散热器4的压力为36~44kN。示例性地，压接电力电子器件和散热器4的压力为36kN、40kN、42kN或44kN。

每组压接组件14中的所述电力电子器件包括多只半导体器件、多只二极管器件5和两只压接电阻6；值得说明的是，阀串最上端和最下端各有一只压接电阻6，与二极管器件5一起通过水冷散热器直接压接，形成二极管器件5阀串。

所述半导体器件置于二极管器件5和压接电阻6的前列；

多只半导体器件中，每三只半导体器件串联，每只所述二极管器件5与其对应的半导体器件反并联，形成三电平电气结构；

图3是本发明一种基于器件直串的三电平功率模块结构的图1的左视图；如图3所示，位于前列的所述半导体器件与位于后列的所述二极管器件5通过第二铜排8相连，优选地，第二铜排8采用软铜排。

示例性地，半导体器件与二极管器件5的数量一致，半导体器件包括IGCT器件3、IGBT器件以及IEGT器件，以IGCT器件3为例，本实施例中，IGCT器件3的数量为18只，18只IGCT器件3三三串联后，采用三电平拓扑方式连接，具体地，采用第一铜排7实现绝缘要求和电气连接，其中，第一铜排7的表面喷涂有环氧树脂；IGCT器件3置于前列，每个二极管器件5与对应的IGCT器件3反并联，形成三电平电气结构。

本实施例中，半导体器件置于前列，二极管器件5和压接电阻6置于后列，如此，便于半导体器件前端控制板卡的调试和维护。

二极管器件5与半导体器件反并联形成的反并联结构的两极分别压接一个散热器4，其中，散热器4采用水冷散热器4。

本实施例中，通过设置的水冷散热器4，一方面对二极管器件5和半导体器件起到散热作用，一方面起到电流导通的作用。

如图4所示，每组所述反并联结构之间连接有绝缘件9。

本实施例中，通过设置的绝缘件9，不仅起到支撑作用，而且保证了半导体器件IGCT器件3和二极管器件5的空气放电间隙和爬电距离。

如图1-3所示：每组所述压接组件14中的所述连接件包括四个拉杆2和两个安装板13；

所述拉杆2的两端分别通过螺母与两个安装板13连接；

所述电力电子器件和散热器4固定于两个安装板13之间。

两个所述安装板13上开设有四个用于安装拉杆2的安装孔；

所述连接件还包括缓冲件1，所述缓冲件1位于所述电力电子器件与两个安装板13接触的位置。值得说明的是，缓冲件1用于在压接时起到缓冲作用，示例性地，本实施例缓冲件1采用蝶形弹簧。

每个所述安装板13在相同位置上开设有定位孔，上下设置的安装板13的定位孔内安装有同一个定位销（图未示出）。

本实施例中，通过设置的定位孔以及配套使用的定位销，在半导体器件、散热器4及绝缘件9在压接过程中，通过安装定位销，确保整个组件的所有半导体器件、散热器4和绝缘件9的圆心在同一直线上，受力均匀。

所述压接组件14的底部安装有滚子轴承12。

本实施例中，通过设置的滚子轴承12，方便功率模块后期拆装维护时的移动和搬运。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于器件直串的三电平功率模块结构，其特征在于，包括：

框架（15）和多组压接组件（14）；

每组所述压接组件（14）由电力电子器件与散热器（4）通过连接件压接为一个整体而形成；

在多组压接组件（14）中，每两组压接组件（14）以上下对称的形式组装为一个整体后安装于框架（15）内；

每组压接组件（14）中的所述电力电子器件包括多只半导体器件、多只二极管器件（5）和两只压接电阻（6）；

多只半导体器件中，每三只半导体器件串联，每只所述二极管器件（5）与其对应的半导体器件反并联，形成三电平电气结构；

每组压接组件（14）的最上端和最下端各有一只压接电阻（6），最上端和最下端的压接电阻（6）与二极管器件（5）一起通过水冷散热器直接压接；

所述半导体器件置于二极管器件（5）和压接电阻（6）的前列；

位于前列的所述半导体器件与位于后列的所述二极管器件（5）通过第二铜排（8）相连。

2.根据权利要求1所述的基于器件直串的三电平功率模块结构，其特征在于：

上下两组压接组件（14）之间通过第三铜排（10）进行电气连接，所述第三铜排（10）可拆卸的连接于上下两组压接组件（14）之间。

3.根据权利要求1所述的基于器件直串的三电平功率模块结构，其特征在于：

所述散热器（4）包括连接于上下两组压接组件（14）之间的水冷管道，所述水冷管道采用转接水管（11），所述水冷管道搭配活接套筒连接于上下两组压接组件（14）之间。

4.根据权利要求1所述的基于器件直串的三电平功率模块结构，其特征在于：压接所述电力电子器件和散热器（4）的压力为36~44kN。

5.根据权利要求1所述的基于器件直串的三电平功率模块结构，其特征在于：

所述二极管器件（5）与所述半导体器件反并联形成的反并联结构的两极分别压接一个散热器（4）。

6.根据权利要求5所述的基于器件直串的三电平功率模块结构，其特征在于：

每组所述反并联结构之间连接有绝缘件（9）。

7.根据权利要求1所述的基于器件直串的三电平功率模块结构，其特征在于：

每组所述压接组件（14）中的所述连接件包括四个拉杆（2）和两个安装板（13）；

所述拉杆（2）的两端分别通过螺母与两个安装板（13）连接；

所述电力电子器件和散热器（4）固定于两个安装板（13）之间。

8.根据权利要求7所述的基于器件直串的三电平功率模块结构，其特征在于：

所述连接件还包括缓冲件（1），所述缓冲件（1）位于所述电力电子器件与两个安装板（13）接触的位置。

9.根据权利要求7或8所述的基于器件直串的三电平功率模块结构，其特征在于：

每个所述安装板（13）在相同位置上开设有定位孔，上下设置的安装板（13）的定位孔内安装有同一个定位销。

10.根据权利要求1所述的基于器件直串的三电平功率模块结构，其特征在于：所述压接组件（14）的底部安装有滚子轴承（12）。

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