CN1199274A - 带有电力半导体开关母线系统的转换模块 - Google Patents

Abstract

本发明讲述的为带母线系统的转换模块,母线系统为多个电力半导体开关所用,优选地,供IGBT电力半导体模块(IPM)所用。电力半导体开关成对排列时,彼此相对或相背而立,并相互靠近且平行,便可制成极紧凑又节省空间的转换模块。这样还有电感极小、桥臂间不易耦合的特性,也就是说换向电路以及并联电力半导体模块之间的电感极小。半导体引用了典型的实施方案,其中,交流电通过两个或四个电力半导体开关组成的桥电路馈给单相或两相电路。

Description

带有电力半导体开关母线系统的转换模块

                         技术领域

本发明涉及电力电子领域。根据权利要求1与10的前序部分，它建立在一种转换模块与转换器的基础上。

                         先有技术

本发明涉及到用于大容量转换器的转换模块。转换模块由若干电力半导体开关通过母线系统的方式构成。该母线系统在诸如“GTO-Hochleistungsstromrichter fur Triebfahrzeuge mitDrehstromantrieb”(GTO大容量转换器采用三相发动机来牵引车辆)的文章有过叙述，ABB技术4/1995，第4～13页。电能通过一种DC中介电路供给电力驱动机车，在输入侧，DC中介电路与一DC电网相连，或通过干线转换器与一AC电网相连，通常情况下，利用一种多相驱动转换器，可在输出侧为三相异步牵引电机提供幅值与频率都可变的电功率。母线系统组成了干线转换器-或架空DC电网-与电力半导体开关或驱动转换器各模块之间的电气节点。这样可能十分复杂，可能会限制实现该电气开关系统，而且将导致相当高的成本。

在电力半导体开关的发展过程中，已将常规晶闸管或栅极关断晶闸管(GTO)改进为IGBT(绝缘栅极双极晶体管)。IGBT通常集成为一个模块。由于电流及功率较大，多数模块作并联连接。对于不同功率的转换器类型，可以找到相应的母线系统，母线系统允许多相转换器设计为标准型，可按比例缩放且电感较低。

在早期的两个德国专利申请中(申请号为19600367.9及19612839.0)，该问题通过电力半导体模块在扁平状DC电极板及平行相线母线的上方组成一种二维排列而得以解决，这样没有什么优点。在扁平模块狭长的一边，沿其纵向带有插入式触头，这些模块便可插入两排母线的突缘里，该突缘起到配套连接作用，且同相线母线平行。相邻最近的模块间彼此互转180度并通过桥电路相互联接起来。由此以形成半桥或桥臂对，也就是说，这些模块联结在极性相反的DC电极板上，然后将半个周期的反极性电流馈至公共相线母线上。相反地，下一组相邻的模块也沿相同方向排列，而且并联起来，起到功率划分作用。

这种结构仍然存在着缺点，譬如，对称性不够好，电感不够理想，特别是结构较为复杂。模块间的电流流径途径较长，且有不同路数，便导致了电流不对称与模块负荷的不均匀。随着功率级或每相模块数量的增加，导致部分优化用电增多，功率额定值便降低了。这种排列还在设计方面带来一些问题。各种型号需要大量不同的部件且装配较为复杂。由于正负极节点彼此靠近且相互渗透，因此需特别注意绝缘隔离的最小柔量值以及漏电距离。此外，对于各种应用及功率级，需要制定金属板的剪制尺寸，还要逐个地搭配元件。

根据DE 4402425A1的发明，先有技术为，沿着相线母线将许多由半导体开关元件组成的桥臂对并联起来。每个桥臂元件作首尾相连排列，或彼此相对，两者可为一样类型，由纵向剖面可看出，它们保持相互接触并由螺丝拧紧。其一个显著的缺点在于，为减小电感，相线母线在末端折叠后再平行返回。

                        发明概述

因而，本发明的目的就是为转换器提供一种新型的母线系统，其特征在于，设计简便，空间节省，装配复杂性降低，而且对称性改善，电感较低且电流容量大。根据本发明权利要求1的特征，可以达到上述目的。

具体地说，本发明的实质就在于优选地采用插入式电力半导体开关，这些开关成对地同DC中介电路的正负极节点及相线母线连结起来，且在排列时，其前侧或后侧彼此相对，相靠颇近。由此，负载电流与换向电流所流经的途径均为对称状，而且设计的电感较低。同时，提供各种转换模块方案，由于模块为标准化设计，所以在装配时比较简单，而且可按照需要的额定值进行简捷的搭配。

第一种典型的实施方案为一种单相的转换模块，它包含两个电力半导体开关，其前侧或后侧彼此相对而构成一个桥电路。

另一种典型的实施方案为一种单相的转换模块，它包括四个电力半导体开关，其中每两个开关元件为彼此相对且并联为一桥臂，两个桥臂侧面毗邻，也就是说，在相线母线的方向上有一个偏差。

最后一种典型的实施方案为一种两相的转换模块，它包括四个电力半导体开关，其中每两个开关元件在水平平行的位置上形成一个桥臂对，并且两个桥臂对沿中心而成镜像布置，它们给不同的两相供电。

根据本发明的母线系统有一个优点，即电力半导体开关元件布置高度均匀，使得各元件的负载电流变得均匀了，由此，总的电流值允许得到增加。

尤其有利的是，由于电力半导体开关元件距离公共的栅极驱动电子设备较近，所以并联的电力半导体开关元件可以完全不受干扰而得到控制。

另外一个优点为，采用少量的标准元件及插入式电力半导体开关元件，可以实现转换模块的简洁标准化设计。

                        附图简述

参考附图及下文详述很容易就能对本发明及其各种优点得到更完全的理解，其中：

附图1为一种电力半导体开关或电力半导体模块的透视图，它们带有伸长的插入式触头(先有技术)；

附图2为本发明第一种转换模块的下视平面简图；

附图3为附图2所示的第一种转换模块，沿着线A-A的剖面图，而且上面插有电力半导体模块；

附图4为本发明第二种转换模块的下视平面简图；

附图5为附图4所示的第二种转换模块沿着线B-B的剖面图，而且上面插有电力半导体模块；

附图6为本发明第三种转换模块的下视平面简图。

                     优选实施方案叙述

现参考附图，其中，参考数字指示的为几个视图的同一部件或相应的部件，附图1为一种电力半导体开关或电力半导体模块1，具体的说，为一种“智能电力模块”或IPM，它们可用于转换器、电力转换器或变换器等。典型地，电力半导体开关可同电路元件一起装于模块箱2中。该开关通过一种可见的且带DC端子的长形插头3(DC输入)以及一种插头3(相输出)与线连接起来，相输出插头3由绝缘板4掩蔽住，模块的顶部与底部分别指的是前侧与后侧，或称为正面。电力半导体由栅极电子设备或一种栅极驱动器驱动，在此没有表明。装设的模块可为不同性能的电力半导体，优选地，采用IGBT。为了开断大电流及大功能，需要由母线系统联接大量的模块才能达到动力牵引的目的。在IGBT的发展过程中，其开关容易可以再度提高，因此，将来并联的模块数量可以减少。

附图2公布本发明母线系统的第一种典型实施方案，设计时每相采用数量最少的两个电力半导体模块，并在开关特性、节省空间及设计的简易性方面进行了优化。在平面视图的左手侧，有两个母线形式的正极节点6及负极节点7，它们用来与DC中介电路相连，且位于中心位置以及纵向的两侧，此外，还有第一种突缘9与10、第二种突缘11，突缘9与10分别为正极与负极节点，而突缘11则作为相线节点8，在平面视图的右手侧，有相线节点或相输出母线8，它由右端伸至转换模块之外。第一种及第二种突缘的作用均为固定电力半导体开关并与之保持接触。突缘9、10、11优选地在右角有个突起，并且在排列时与纵向侧面平行，于是各开关彼此相对且相互靠近，即其前侧或后侧彼此相对。

沿A-A的剖面(附图3)讲述了本发明的排列情况。正极节点6与负极节点7的横断面基本上呈“L”形，而相线母线8的横断面基本呈“W”形，该剖面图也阐述了它与两个电力半导体模块的相互关系。对于相线母线8，其中心脊可表示得多一些或更少些，甚至也可以去掉而成为一种“U”形剖面。所有带剖面的元件同支座12一起，通过绝缘器件固定于底板5上，以形成一个紧凑的部件，绝缘器件在图中没有表示出来。具体地讲，支座与绝缘器件也可直接集成在底板上。在带电部件6、7、8之间，可采用空气、气体、固体绝缘材料或它们的相互组合来作为绝缘介质，其最小间隔取决于适当的绝缘距离及漏感距离。表面可以但也不必涂有绝缘材料。最后，由上而下插入两个电力半导体模块1，便形成了一种紧凑而机械强度高的转换模块。

该种设计排列在许多方面具有高度的优越性。电流路径极宽而短，且实际上，两个电力半导体开关元件的尺寸大小是一样的。它们不会封闭任何区域以产生电感，并且方向相反的电流是互相靠近的。具体地讲，采取这些措施后不但能获得较大的电流容量，而且在换向电流中的电感极低，约25nH。此处的换向指的是开关过程，有时为微秒级，通过这种方式，电力半导体为了相互释放而切换高频电流。

附图4讲述了第二种典型的实施方案，附图5为其沿B-B的相关剖面图。此处，正极节点6与负极节点7的横断面基本呈“U”形，其纵向的两侧带有第一种突缘9、10，而相线节点8的横断面也是基本呈“W”或“U”形，其纵向的两则带有两个突缘11。该种转换模块有四个地方可供电力半导体开关安装。每两个电力半导体开关均为相对布置，即前侧或后侧彼此相对，而且作并联连结。它们通过桥电路与毗邻的开关对在侧边连结起来。

在这种设计排列中，对称性有所降低，这是由于正极节点6要通过突缘9将电源供给距后部较远的电力半导体开关对。于是需经过一块扁平状馈电板从下部连接起来。但是，换向电路的电感典型地约为50nH，所以其值总可做得很小。另一个优点为，由于带来的危险尖峰电压可由极短的电缆线路13进行强烈抑制，所以并联的电力半导体开关元件均可由同一栅极驱动器来驱动。

附图6讲述了一种极为简洁的设计排列，它可提供两相电源。该设计排列建立在附图4与5的基础上，方法为沿着中心线及栅极馈电线13将相线母线8分隔开来。这样，相线母线14与15只有一半的宽度，在突缘16与17的范围内，它们的横断面分别呈半“W”形或“U”形。两个相线母线沿纵向平行布置，并且相互靠近。水平偏置于同一纵向侧的电力半导体开关与不同的“U”形断面6、7保持接触，然后分别组成一种半桥同相线节点14、15相接。如同第二种典型实施方案中的方法一样，换流电流沿纵向流经各母线，但每个半桥都是独立的。

在所有相关例子中，本发明的母线系统其显著优点为设计十分经济。例如，采用的少数元件可由铝材挤压或黄铜弯曲而制成，生产时所需的作用力极小。机械耐力同样就有一个较好的柔量，该母线系统也适用于KA级的大电流。在定标功率时，各个紧凑的转换模块并排地集成于一起且相靠极近(附图2-6)，无需采用任何器件便可互联成更大的单元。

根据本发明的转换模块其特征在于电感极小。因此，开关的波形侧面可以做得极陡且开关频率能达到很高，电力半导体的负载以及对电网的影响都比较小。此外，在所有实施方案中，电力半导体开关带来的额定功能减小只是微乎其微。这是由桥臂的高度对称性来实现的。同时，若电力半导体作并联连结，则可消除额定功率的降低，这是由于，并联模块之间的母线系统电感极小，而设计的栅极驱动线又极短，所以并联的模块其栅极间的潜在区别达到了最小的程度。

所有典型实施方案的一个特别有利的特性就是，采用了插入式电力半导体开关或电力半导体模块。第一种突缘及第二种突缘就是为电力半导体开关的插入提供了空间。

在上述例子中，正极节点6与负极节点7可以颠倒。设计DC节点6、7与相线节点8时也比较灵活。它们可以互换(例如，参考附图3)。第一种突缘与第二种突缘改变原来的位置，电力半导体模块在安装时旋转180度，且相线节点8在变宽后由DC节点下部导出。

本发明还可实现其它一些方案，譬如，可将许多而非一个半导体开关沿着纵向并联起来。采用较长的突缘或多个突缘便可容易地实现上述目的，这些电力半导体开关水平并排而立，连接办法同前文。这样，三种实施方案(附图2-6)都允许划分功率。同样，在划分功率时，许多不同的转换模块可通过相线节点8、14、15而互联到一块。

总之，本发明为提供一种母线系统，采用该母线系统，转换模块具有最佳的开关特性，而且空间节省，能实现标准化设计。

显然，根据上述讲义，本发明可进行较大的修改与变更。因此应当理解，本发明可根据此处详述以外的方法得以实现。但它依然属于附属权利要求范围之内。

              代号清单1  电力半导体开关或电力半导体模块2  模块箱3  插入式触头4  绝缘板5  底板6  正极节点7  负极节点8  相线节点9  第一种突缘(正极)10  第一种突缘(负极)11  第二种突缘(相线)12  支座13  栅极馈电线14  相线节点115  相线节点216  第二种突缘(第1相)17  第二种突缘(第2相)

Claims (10)

1.一种带有电力半导体开关(1)及母线系统的转换模块，它包含一个正极节点(6)、负极节点(7)以及一母线形式的相线节点(8、14、15)，这些节点为彼此上下叠放，相互之间由绝缘器件隔开，并且安装在底板(5)上，其中

a)正极节点(6)与负极节点(7)为母线形式，且在一纵侧上至少有一个第一种突缘(9，10)，

b)每相节点(8，14，15)在其纵向侧至少有一个第二种突缘(11，17，18)，

c)第一种突缘及第二种突缘的作用为支撑电力半导体开关并与之保持电接触，

d)在正极/负极/相线节点相对的纵向侧，每两个电力半导体开关分别组成一对，且其前侧或后侧彼此相对。

2.根据权利要求1的转换模块，其特征在于，

a)各母线按照正极/负极/相线节点或负极/正极/相线节点的顺序由上至下彼此重叠在一块，

b)第一种突缘(9，10)与第二种突缘(11，16，17)沿着母线的方向延伸，且基本上垂直向上突出，

c)各对电力半导体开关与其输出相线排列在一起，且彼此相对，

d)具体地讲，电力半导体开关可通过插入的方法进行安装。

3.根据权利要求2的转换模块，其特征在于，

a)正极节点(6)与负极节点(7)的横断面基本呈“L”形，

b)两个“L”形剖面(6，7)彼此隔行，其第一种突缘(9，10)分布在相对的纵向侧，

c)相线节点(8)的横断面呈“W”或“U”形，它的两个突缘(11)分布在纵向两侧，

d)形如“W”或“U”的剖面(8)装于“L”形剖面(6，7)之间，这样，第二种突缘(11)便邻近第一种突缘(9，10)而呈纵向排列，

e)各电力半导体开关对通过一种半桥电路连接起来。

4.根据权利要求3的转换模块，其特征在于，

a)正极节点(6)与负极节点(7)都有一个且只有一个第一种突缘(9，10)，

b)相线节点(8)有两个且只有两个第二种突缘，

c)有两个且只有两个电力半导体互相保持接触。

5.根据权利要求2的转换模块，其特征在于，

a)正极节点(6)与负极节点(7)的横断面基本呈第一种“U”形，且纵向两侧带有第一种突缘(9，10)，

b)两个第一种“U”形剖面(6，7)其中一个装于另一个之后，在纵向方向上距后侧较远的这种剖面包含有一块扁平的馈电板，使之同DC中介电路保持接触，

c)相线节点(8)的横断面呈“W”形或第二种“U”形，在其两侧带有第二种突缘(11)，

d)“W”形或第二种“U”形断面(8)装在两个第一种“U”形断面(6，7)之间，这样，其突缘(11)便靠在第一种“U”形断面的突缘(9，10)旁边，呈纵向排列，

e)由偶数数目的第一种“U”形断面连接起来的各对电力半导体开关组成一种并联电路，而由奇数数目的第一种“U”形断面连接起来的各对开关则联接成一种半桥电路。

6.根据权利要求5的转换模块，其特征在于，

a)正极节点(6)与负极节点(7)各有两个且只有两个互对的突缘(9，10)分布于纵向两侧，

b)相线节点(8)有两个且只有两个突缘(11)，

c)有两对且只有两对电力半导体开关保持相互接触。

7.根据权利要求2的转换模块，其特征在于，

a)正极节点(6)与负极节点(7)的横断面基本呈“U”形，其第一种突缘(9，10)分布于纵向两侧，

b)两个“U”形断面其中一个装于另一个之后，在纵向方向上距后侧较远的这种剖面包含有一块扁平的馈电板，使之同DC中介电路保持接触，

c)沿纵向排列的两个相线节点(14，15)肩并肩相互靠近，且横断面均匀半“W”形，

d)每个半“W”形剖面在其纵侧上都有第二种突缘(16，17)，且与其它相线节点相对隔开，

e)每个半“W”形剖面(14，15)装于“U”形剖面(6，7)之间，这样，其第二种突缘(16，17)便相邻于“U”形断面的第一种突缘(9，10)呈纵向布置，

f)分布于同一纵侧的电力半导体与不同的“U”形剖面保持接触，以形成一个半桥，并且同一个且只有一个相线节点(14，15)相联结。

8.根据权利要求7的母线系统，其特征在于，

a)正极节点(6)与负极节点(7)均有两个且只有两个突缘(9，10)，

b)每个相线节点(14，15)有两个且只有两个突缘(16，17)，

c)有四个且只有四个电力半导体开关保持接触。

9.根据权利要求1-8之一的转换模块，其特征在于，

a)正极节点(6)、负极节点(7)以及相线节点(8，14，15)从上至下紧密地集成在一起，使得电感最小，

b)空气、气体或固体绝缘材料，或者这些物质的组合形成绝缘介质。

10.一种转换器，它带有一种中介电路以及一些桥臂与之相连，在输出侧还有相线节点，其中

a)中介电路与相线节点之间的电气节点包括有上述权利要求之一的转换模块，

b)具体地讲，根据相线节点的数目以及转换器所需的功率，或者根据并联电力半导体开关或电力半导体模块的数目，可采用上述权利要求之一的母线将一些转换模块互联起来。

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