CN117458227A - 一种带电流约束的三电平逆变器叠层铜排 - Google Patents
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Abstract
现有叠层铜排技术对换流过程中的高频电流不做约束，发散式的高频电流产生较大的寄生电感。本发明公开了一种带电流约束的三电平逆变器叠层铜排，属于电平PWM整流技术领域，应用于PrimePACK™3封装IGBT模块FF1000R17IE4，叠层母排划分为五层，从上到下依次是X叠层、Y叠层、母线正叠层、母线中点叠层、母线负叠层，每个叠层分别开有高频电流路径约束槽，对每一层高频电流路径分别进行约束设计。本发明的设计在合理叠层、合理设计各层形状的基础上对每一层叠层铜排都进行高频电流路径的约束，有效的降低了NPC三电平逆变器叠层铜排寄生电感。
Description
技术领域
本发明涉及三电平PWM整流技术领域，具体涉及一种带电流约束的三电平逆变器叠层铜排。
背景技术
NPC三电平PWM整流器自身固有四条换流回路，特别是两条大换流回路，包含的器件和铜排多，不合理的铜排设计会使得寄生电感很大， 开关管动作使换流进行会引起较大的尖峰电压叠加在开关器件上造成开关器件损坏或者寿命降低。
现有NPC三电平逆变器叠层铜排设计对杂散电感的抑制效果有限，许多大功率变换器多额外增加吸收电路吸收杂散电感引起的电压尖峰。现有叠层铜排技术对换流过程中的高频电流不做约束，发散式的高频电流产生较大的寄生电感。
发明内容
本发明目的是提供一种带电流约束的三电平逆变器叠层铜排，能够对高频镜像电流路径进行有效约束，从而降低杂散电感。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种带电流约束的三电平逆变器叠层铜排，与PrimePACK™3封装IGBT模块FF1000R17IE4通过螺丝拧接，叠层母排划分为五层，从上到下依次是X叠层、Y叠层、母线正叠层、母线中点叠层、母线负叠层，每个叠层分别开有高频电流路径约束槽。
X叠层包括：与最右侧IGBT连接的端子101、端子102，与中间IGBT连接的端子103、端子104，与IGBT无电气连接关系的方孔105-115；方孔105-109竖向排列在X叠层最左侧，端子103、方孔111、端子104、方孔110竖向排列在中间，方孔端子101-102、方孔112-115竖向排列在最右侧，X叠层高频电流路径约束槽116以X叠层右边沿为起点，经过端子102的上切线，再向上经过端子104上切线，以S形将端子104、方孔111、端子103依次隔开，终点为端子103上切线和方孔111左切线交点处。
Y叠层包括：与最左侧IGBT连接的端子201、端子202，与中间IGBT连接的端子203、端子204，与IGBT无电气连接关系的方孔205-215；端子201-202、方孔205-208竖向排列在Y叠层最左侧，方孔210、端子203、方孔209、端子204竖向排列在Y叠层中间，方孔211-215竖向排列在最右侧，Y叠层高频电流路径约束槽216以Y叠层左边沿为起点，经过端子202上切线，再向上经过端子204上切线、右切线，以S形将方孔209、端子203、方孔210依次隔开，终点为方孔210左侧与中心位置水平线交点。
母线正叠层包括：与最右侧IGBT连接的端子301、端子302，与母线电容正连接的端子303-306，外接端子307-310，与IGBT无电气连接关系的方孔311-322，与母线电容无电气连接关系的圆孔323-334；方孔311-315竖向排列在母线正叠层下部最左侧，方孔316-319竖向排列在母线正叠层下部中间，方孔320、端子301、方孔321、端子302、方孔322竖向排列在母线正叠层下部最右侧，圆孔323-330分为竖向两列在母线正叠层上部左侧，圆孔331、端子304、圆孔332、端子303，圆孔333、端子305、圆孔334、端子306形成两列在母线正叠层上部右侧，母线正叠层高频电流路径约束槽335居中竖直设置，起点为母线正叠层上边沿，终点到端子303中心水平线。
母线中点叠层包括：与右侧IGBT连接的端子401、端子402，与左侧IGBT连接的端子403、端子404，外接端子413-416，与母线电容中点连接的端子405-412；与IGBT无电气连接关系的方孔417-426，与母线电容无电气连接关系的圆孔427-434；方孔419、端子403、方孔418、端子404、方孔417竖向排列在母线中点叠层下部最左侧，方孔420-423竖向排列在母线中点叠层下部中间，端子402、方孔426、端子401、方孔425、方孔424竖向排列在母线中点叠层下部最右侧，圆孔和端子405-412位于母线中点叠层上部，从左到右依次排为四列：端子405、圆孔427、端子409、圆孔428为一列，端子406、圆孔430、端子410、圆孔429为一列，端子407、圆孔431、端子411、圆孔432为一列，端子408、圆孔434、端子412、圆孔433为一列，母线中点叠层高频电流路径约束槽435居中竖直设置，起点为母线中点叠层上边沿，终点到端子432中心水平线。
母线负叠层包括：与左侧IGBT连接的端子501、端子502，外接端子507-510，与母线电容负连接的端子503-506，与IGBT无电气连接关系的方孔511-522，与母线电容无电气连接关系圆孔523-534；端子502、方孔511、端子501、方孔512、方孔513竖向排列在母线负叠层下部最左侧，方孔514-517竖向排列在母线负叠层下部中间，方孔518-522竖向排列在母线负叠层下部最右侧，圆孔523、端子504、圆孔527、端子503，圆孔524、端子505、圆孔528、端子506形成两列在母线负叠层上部左侧，圆孔525-532分为竖向两列在母线负叠层上部右侧，母线负叠层高频电流路径约束槽533居中竖直设置，起点为圆孔533上边沿切线，终点到端子506中心水平线。
为了绝缘考虑，还在叠层之间及上下表面设置绝缘纸。
进一步，在各个通孔处也设置环形绝缘装置，以满足电气绝缘。
优选的，绝缘装置为环氧板，方孔设置方环形环氧板，圆孔处设置圆环形环氧板。
本发明的优点在于：提供了一种带电流约束的三电平逆变器叠层铜排，在合理叠层、合理设计各层形状的基础上对每一层叠层铜排都进行高频电流路径的约束设计，有效的降低了NPC三电平逆变器叠层铜排寄生电感。
附图说明
图1为本发明带电流约束的三电平逆变器叠层铜排；
图2为本发明X叠层；
图3为本发明Y叠层；
图4为本发明母线正叠层；
图5为本发明母线中点叠层；
图6为本发明母线负叠层；
图7为本发明在PrimePACK™3封装IGBT模块FF1000R17IE4的应用示意图；
图8为常规NPC逆变器叠层铜排Ansysy仿真图；
图9 为本发明NPC逆变器叠层铜排Ansysy仿真图；
图10为常规NPC逆变器叠层铜排的关断电压尖峰结果示意图；
图11为本发明逆变器叠层铜排的关断电压尖峰结果示意图。
具体实施方式
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、完整地描述。
本发明公开了一种带电流约束的三电平逆变器叠层铜排，请参照图1，适用于PrimePACK™3封装IGBT模块FF1000R17IE4，叠层母排划分为五层，从上到下依次是X叠层、Y叠层、母线正叠层、母线中点叠层、母线负叠层，每个叠层分别开有高频电流路径约束槽。
请参照图2，X叠层包括：与最右侧IGBT连接的端子101、端子102，与中间IGBT连接的端子103、端子104，与IGBT无电气连接关系的方孔105-115；方孔105-109竖向排列在X叠层最左侧，端子103、方孔111、端子104、方孔110竖向排列在中间，方孔端子101-102、方孔112-115竖向排列在最右侧，X叠层高频电流路径约束槽116以X叠层右边沿为起点，经过端子102的上切线，再向上经过端子104上切线，以S形将端子104、方孔111、端子103依次隔开，终点为端子103上切线和方孔111左切线交点处。
请参照图3，Y叠层包括：与最左侧IGBT连接的端子201、端子202，与中间IGBT连接的端子203、端子204，与IGBT无电气连接关系的方孔205-215；端子201-202、方孔205-208竖向排列在Y叠层最左侧，方孔210、端子203、方孔209、端子204竖向排列在Y叠层中间，方孔211-215竖向排列在最右侧，Y叠层高频电流路径约束槽216以Y叠层左边沿为起点，经过端子202上切线，再向上经过端子204上切线、右切线，以S形将方孔209、端子203、方孔210依次隔开，终点为方孔210左侧与中心位置水平线交点。
请参照图4，母线正叠层包括：与最右侧IGBT连接的端子301、端子302，与母线电容正连接的端子303-306，外接端子307-310，与IGBT无电气连接关系的方孔311-322，与母线电容无电气连接关系的圆孔323-334；方孔311-315竖向排列在母线正叠层下部最左侧，方孔316-319竖向排列在母线正叠层下部中间，方孔320、端子301、方孔321、端子302、方孔322竖向排列在母线正叠层下部最右侧，圆孔323-330分为竖向两列在母线正叠层上部左侧，圆孔331、端子304、圆孔332、端子303，圆孔333、端子305、圆孔334、端子306形成两列在母线正叠层上部右侧，母线正叠层高频电流路径约束槽335居中竖直设置，起点为母线正叠层上边沿，终点到端子303中心水平线。
请参照图5，母线中点叠层包括：与右侧IGBT连接的端子401、端子402，与左侧IGBT连接的端子403、端子404，外接端子413-416，与母线电容中点连接的端子405-412；与IGBT无电气连接关系的方孔417-426，与母线电容无电气连接关系的圆孔427-434；方孔419、端子403、方孔418、端子404、方孔417竖向排列在母线中点叠层下部最左侧，方孔420-423竖向排列在母线中点叠层下部中间，端子402、方孔426、端子401、方孔425、方孔424竖向排列在母线中点叠层下部最右侧，圆孔和端子405-412位于母线中点叠层上部，从左到右依次排为四列：端子405、圆孔427、端子409、圆孔428为一列，端子406、圆孔430、端子410、圆孔429为一列，端子407、圆孔431、端子411、圆孔432为一列，端子408、圆孔434、端子412、圆孔433为一列，母线中点叠层高频电流路径约束槽435居中竖直设置，起点为母线中点叠层上边沿，终点到端子432中心水平线。
请参照图6，母线负叠层包括：与左侧IGBT连接的端子501、端子502，外接端子507-510，与母线电容负连接的端子503-506，与IGBT无电气连接关系的方孔511-522，与母线电容无电气连接关系圆孔523-534；端子502、方孔511、端子501、方孔512、方孔513竖向排列在母线负叠层下部最左侧，方孔514-517竖向排列在母线负叠层下部中间，方孔518-522竖向排列在母线负叠层下部最右侧，圆孔523、端子504、圆孔527、端子503，圆孔524、端子505、圆孔528、端子506形成两列在母线负叠层上部左侧，圆孔525-532分为竖向两列在母线负叠层上部右侧，母线负叠层高频电流路径约束槽533居中竖直设置，起点为圆孔533上边沿切线，终点到端子506中心水平线。
叠层之间及上下表面设置绝缘纸，方孔设置方环形环氧板，圆孔处设置圆环形环氧板，满足电气绝缘。
应用状态请参照图7，模块700、800、900为IGBT模块FF1000R17IE4，电容601到608为母线电容。模块700的701端子与X叠层的端子101、102拧接；模块700的702、704端子与母线正叠层的端子301、302拧接；模块700的703、705端子与母线中点叠层的端子401、402拧接。
模块800的802、804端子与X叠层的端子103、104拧接；模块800的803、805端子与Y叠层的端子203、204拧接；
模块900的901端子与Y叠层的端子201、202拧接；模块900的902、904端子与母线中点叠层的端子404、403拧接；模块900的903、905端子与母线负叠层的端子501、502拧接；
母线电容601、603、605、607的上端子依次与母线中点叠层的端子408、407、406、405拧接；母线电容602、604、606、608的上端子依次与母线中点叠层的端子412、411、410、409拧接；母线电容601、602、603、604的下端子依次与母线正叠层的端子305、306、304、303拧接；母线电容605、606、607、608的下端子依次与母线负叠层的端子505、506、504、503拧接。
Ansysy仿真图显示本发明叠层铜排寄生电感磁场明显减小，仿真结果数据请参照图8-9,常规NPC逆变器叠层铜排Ansysy仿真的设计寄生电感64.1nH，本发明NPC逆变器叠层铜排Ansysy仿真的设计寄生电感为17.0 nH，结果显示降低47.1nH，相同条件下在NPC逆变器上实测，请参照图10和图11，图10为现有技术，图11为本发明的三电平逆变器叠层铜排，可以看出，同一开关管上的关断电压尖峰△Y相比于现有技术，本方案能够减小256V-156V=100V。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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。
Claims (9)
1.一种带电流约束的三电平逆变器叠层铜排，其特征在于，与PrimePACK™3封装IGBT模块FF1000R17IE4通过螺丝拧接，叠层母排划分为五层，从上到下依次是X叠层、Y叠层、母线正叠层、母线中点叠层、母线负叠层，每个叠层分别开有高频电流路径约束槽。
2.根据权利要求1所述带电流约束的三电平逆变器叠层铜排，其特征在于，X叠层包括：与最右侧IGBT连接的端子（101）、端子（102），与中间IGBT连接的端子（103）、端子（104），与IGBT无电气连接关系的方孔（105）-（115）；方孔（105）-（109）竖向排列在X叠层最左侧，端子（103）、方孔（111）、端子（104）、方孔（110）竖向排列在中间，方孔端子（101）-（102）、方孔（112）-（115）竖向排列在最右侧，X叠层高频电流路径约束槽（116）以X叠层右边沿为起点，经过端子（102）的上切线，再向上经过端子（104）上切线，以S形将端子（104）、方孔（111）、端子（103）依次隔开，终点为端子（103）上切线和方孔（111）左切线交点处。
3.根据权利要求1所述带电流约束的三电平逆变器叠层铜排，其特征在于，Y叠层包括：与最左侧IGBT连接的端子（201）、端子（202），与中间IGBT连接的端子（203）、端子（204），与IGBT无电气连接关系的方孔（205）-（215）；端子（201）-（202）、方孔（205）-（208）竖向排列在Y叠层最左侧，方孔（210）、端子（203）、方孔（209）、端子（204）竖向排列在Y叠层中间，方孔（211）-（215）竖向排列在最右侧，Y叠层高频电流路径约束槽（216）以Y叠层左边沿为起点，经过端子（202）上切线，再向上经过端子（204）上切线、右切线，以S形将方孔（209）、端子（203）、方孔（210）依次隔开，终点为方孔（210）左侧与中心位置水平线交点。
4.根据权利要求1所述带电流约束的三电平逆变器叠层铜排，其特征在于，母线正叠层包括：与最右侧IGBT连接的端子（301）、端子（302），与母线电容正连接的端子（303）-（306），外接端子（307）-（310），与IGBT无电气连接关系的方孔（311）-（322），与母线电容无电气连接关系的圆孔（323）-（334）；方孔（311）-（315）竖向排列在母线正叠层下部最左侧，方孔（316）-（319）竖向排列在母线正叠层下部中间，方孔（320）、端子（301）、方孔（321）、端子（302）、方孔（322）竖向排列在母线正叠层下部最右侧，圆孔（323）-（330）分为竖向两列在母线正叠层上部左侧，圆孔（331）、端子（304）、圆孔（332）、端子（303），圆孔（333）、端子（305）、圆孔（334）、端子（306）形成两列在母线正叠层上部右侧，母线正叠层高频电流路径约束槽（335）居中竖直设置，起点为母线正叠层上边沿，终点到端子（303）中心水平线。
5.根据权利要求1所述带电流约束的三电平逆变器叠层铜排，其特征在于，母线中点叠层包括：与右侧IGBT连接的端子（401）、端子（402），与左侧IGBT连接的端子（403）、端子（404），外接端子（413）-（416），与母线电容中点连接的端子（405）-（412）；与IGBT无电气连接关系的方孔（417）-（426），与母线电容无电气连接关系的圆孔（427）-（434）；方孔（419）、端子（403）、方孔（418）、端子（404）、方孔（417）竖向排列在母线中点叠层下部最左侧，方孔（420）-（423）竖向排列在母线中点叠层下部中间，端子（402）、方孔（426）、端子（401）、方孔（425）、方孔（424）竖向排列在母线中点叠层下部最右侧，圆孔和端子（405）-（412）位于母线中点叠层上部，从左到右依次排为四列：端子（405）、圆孔（427）、端子（409）、圆孔（428）为一列，端子（406）、圆孔（430）、端子（410）、圆孔（429）为一列，端子（407）、圆孔（431）、端子（411）、圆孔（432）为一列，端子（408）、圆孔（434）、端子（412）、圆孔（433）为一列，母线中点叠层高频电流路径约束槽（435）居中竖直设置，起点为母线中点叠层上边沿，终点到端子（432）中心水平线。
6.根据权利要求1所述带电流约束的三电平逆变器叠层铜排，其特征在于，母线负叠层包括：与左侧IGBT连接的端子（501）、端子（502），外接端子（507）-（510），与母线电容负连接的端子（503）-（506），与IGBT无电气连接关系的方孔（511）-（522），与母线电容无电气连接关系圆孔（523）-（534）；端子（502）、方孔（511）、端子（501）、方孔（512）、方孔（513）竖向排列在母线负叠层下部最左侧，方孔（514）-（517）竖向排列在母线负叠层下部中间，方孔（518）-（522）竖向排列在母线负叠层下部最右侧，圆孔（523）、端子（504）、圆孔（527）、端子（503），圆孔（524）、端子（505）、圆孔（528）、端子（506）形成两列在母线负叠层上部左侧，圆孔（525）-（532）分为竖向两列在母线负叠层上部右侧，母线负叠层高频电流路径约束槽（533）居中竖直设置，起点为圆孔（533）上边沿切线，终点到端子（506）中心水平线。
7.根据权利要求1-6任一所述带电流约束的三电平逆变器叠层铜排，其特征在于，叠层之间及上下表面设置绝缘纸。
8.根据权利要求2-6任一所述带电流约束的三电平逆变器叠层铜排，其特征在于，在各个通孔处设置环形绝缘装置，以满足电气绝缘，所述通孔包括方孔或圆孔。
9.根据权利要求8所述带电流约束的三电平逆变器叠层铜排，其特征在于，所述绝缘装置为环氧板。
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