CN1289475A - 功率转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及由IGBT型静态开关组成的、用直流电源电压(Ucat)供电的功率转换器,它至少有一个直接固定在散热组件(14)上的IGBT模块(10),散热组件本身与散热片(0)或类似件连接,其特征在于,在散热组件(14)和散热片(0)之间设置一层绝缘(13),其上固定一个或几个IGBT模块(10)的散热组件(14)与一中间电位连接,中间电位处于散热片(0)电位和功率转换器电源电压(+Ucat)的高点之间。
Description
本发明的主题
本发明涉及一种功率转换器或例如由静态开关构成的转换器模块装置，静态开关本身包括一组半导体。功率转换器的例子有削波器和换流器。
背景技术
换流器、特别是电压换流器，用于将直流电压转换为交流电压。
一个特别重要的应用领域是同步或异步机器的变速控制。
在这种情况下，必须向负载提供一种三相系统，其电压尽可能接近频率和振幅可调的平衡正弦波三相系统，而负载可用一台同步或异步电机的各个相来表示。电压换流器是可以达到上述目的的装置，并且它一般采用例如可控硅整流器、GTO等的功率元件组装而成。
近来出现了一种新型静态开关，它可用术语“IGBT”(绝缘门双极场效应晶体管)来定义。这类装置是可控元件，从该意义上说，可在任何时候，通过在其控制范围内调节电压，给开关施加所要求的电流，而对于例如由GTO或类似件代表的老一代开关，则只能决定其点火时间和熄火时间。
这意味着，根据现有技术，即在仅使用GTO型半导体来实现换流器的情况下，在没有一个可控制其端头过电压的辅助保护电路(减振电路)时，换流器就不能使用。事实上，如果不这样，由于线路干扰电感产生的感应过压，它们在第一次转换时就会被毁坏。
相反，在用IGBT半导体实现开关的情况下，可以不用保护电路。事实上，通过尽快完成电流的开关以减少损耗并且避免形成禁止的过压，就没有必要添加该保护电路。
然而，为了能够达到其极限并且最大限度地利用IGBT元件，线路的电感必须降至很低的值，而用例如用于GTO型半导体的传统壳体，这是很难实现的。
IGBT半导体习惯上以模块形式布置。在实践中，人们在同一个壳体内安放IGBT半导体及其非并行的二极管。壳体的结构应该还能使壳体的干扰电感最小化，并且能够采用母线进行内部连接，这将使线路的干扰电感最小化。
根据现有技术，这些模块包括一个底板，用于以机械方式安装在散热组件上。底板与半导体、因而也与功率和控制接线端电绝缘。这样，模块可固定在本身接地的散热组件上。
模块的绝缘必须与其设计所用的网路的电压相符。在一特殊例子中，3300伏的IGBT模块和二极管目前具有与1500伏DC网路相匹配的绝缘。
然而，在使用3000伏DC的额定电源电压的情况下，可以发现，该绝缘以及电压强度不足。特别在有关电压强度方面，人们已经提出将半导体串联来解决该问题。
但半导体串联只能解决电压强度问题，而不能解决IGBT模块的绝缘问题。为了能够在不需特别小心的情况下在3000伏DC的网路上使用，应该使用带有为此而设计的绝缘的IGBT模块。
本发明的目的
本发明的第一个目的在于，在使用的IGBT模块的电源电压绝缘强度明显低于转换器工作的实际电源电压的情况下，解决上述绝缘不足的问题。特别是，本发明在于提出一种转换器，它可将电压为1500伏DC的绝缘IGBT用于额定电源电压为3000伏DC的情况。
本发明的第二个目的在于提出一种装置，它可在IGBT模块或与功率转换器绝缘的散热组件出现绝缘故障的情况下，减小转换器的损坏。
本发明的第三个目的在于提出一种IGBT模块或与功率转换器绝缘的散热组件的绝缘故障的检测方法。
其它的目的及优点将在下面的描述中体现。本发明的主要特征
本发明涉及一种功率转换器，例如用直流电源电压(Ucat)供电的电压换流器，该转换器由IGBT型静态开关构成，静态开关至少有一个直接固定在散热组件上的IGBT模块，散热组件本身与散热片或类似件连接，其特征在于，在散热组件和散热片之间设置一层绝缘，其上固定一个或几个IGBT模块的该散热组件与中间电位连接，中间电位处于散热片电位和功率转换器电源电压(Ucat)高点之间。
可以用非常简单的方法将几个IGBT模块安排在与散热片绝缘的同一台散热组件上。
根据一种优选的实施形式，通过电阻分压器实现中间电位。
根据一种特别优选的实施方式，接上一个电压限制器，它可在例如IGBT模块过压的情况下限制电压。
本发明还涉及一种IGBT模块或散热组件的绝缘故障检测方法，其特征在于，中间电位通过一个与阻抗串联的电压源获得，并被测量和与其理论值对比。
附图说明
图1示出了现有技术中使用的功率转换器模块的立体图。
图2a和2b示出了根据本发明的IGBT模块以及功率转换器模块的剖视示意图。
图3示出了根据本发明的功率转换器模块的实施例的立体图。
图4示出了功率转换器模块的第二种实施形式的立体图，功率转换器模块含有2×3个IGBT。
图5示出了工作原理及在绝缘的输热管式模块中的应用。
图6示出了一台用于绝缘击穿检测的装置。
图7示出了可以连接在例如图3和图4所示的转换器模块上的限制器模块的立体图。
本发明的优选实施方式
如上所述，习惯上由削波器和换流器构成的功率转换器均为采用静态开关的装置。这些开关本身由一组半导体如可控硅整流器、GTO、IGBT等组成。
用传统方式，这些功率转换器必须使用一台散热组件以排出转换器工作中产生的热量。该散热组件本身以传统方式，可以通过绝缘管，与散热片或具有相同功能的所有其它系统连接。这种散热组件的例子在图4和图5中描述。
根据现有技术以及图1所示，转换器通过几个最好为GTO型的传统开关52实现，通过绝缘的输热管散热。绝缘的输热管由代替散热组件的蒸发组件54构成，每一个都通过管子51与散热片O连接。
可看到一堆不同的开关52和有连续输热管的蒸发组件54。该堆通过适当的装置53(夹子)保持受压状态。
绝缘的输热管51的另一头与以示意方式、用0示出的散热片连接。
本发明旨在提出一种装置，它采用IGBT模块，同时能在电源电压明显高于为IGBT模块设计的绝缘电压时解决绝缘强度问题。目前，IGBT元件具有适合1500伏DC网路的绝缘，而在某些使用中，人们使用3000伏DC的网路电压。
图2a示出了IGBT模块的原理。一个IGBT模块传统上包括几个置于底板11上的半导体21。习惯上设置一层绝缘12以使不同的半导体21以及控制和连接端4与底板11绝缘。
图2b以示意性的剖视图形式示出了根据本发明的转换器模块，它包括一个或几个固定在散热组件14上的IGBT模块或壳体10，散热组件本身与散热片0连接，以排出IGBT壳体工作中产生的热量。
根据本发明的第一个重要特征，在散热片0和散热组件14之间设置了IGBT模块10的外部辅助绝缘13。
根据本发明的另一个重要特征，上面固定一个或几个IGBT模块10的散热组件14与一中间电位连接，该中间电位在散热片电位0，一般为接地(0伏)，和功率转换器电源的高电位(+Ucat)之间。
这可很好地保证IGBT模块的绝缘，使其自身的绝缘不致负载过度。
另外，该辅助绝缘在尺寸上不必承受整个网路的电压，而仅承受中间电位和接地(0伏)之间的电位差。
图3示出了包括2×2个IGBT模块的三级换流器的立体图。
根据该实施方式，有两对IGBT模块，一边是101、102，另一边是103、104，它们相对而置，并且固定在输热管的同一蒸发组件14上，蒸发组件本身与整个散热片0绝缘。这种分布可简化和方便安装，并且尽可能减少使用空间。该模块形成一个三级换流器的分支。
图4示出了一模块的立体图，它构成一个含2×3个IGBT模块的三级换流器的两个分支。
根据该优选实施方式，将如图4所示的三个模块与一个变阻器制动削波器模块(未示出)连接。在不必采用变阻器制动功能的情况下，可以用例如图7所示的限制器模块取代制动削波器模块。
图5示出了根据本发明的装置的工作原理，用于例如图3所示的绝缘的输热管式转换器模块的特殊实施例中。
散热组件为输热管式，其冷凝器(用一组散热片0表示)与接地电位连接，而IGBT模块则固定在蒸发组件14上。根据本发明，在冷凝器0和蒸发组件14之间设置一层绝缘13。蒸发组件14应通过电阻分压器使电压为转换器输入电压的一半。
转换器的输出电压随构成转换器的静态开关的状态而变化，并且处于转换器低电压0和转换器电源电压Ucat之间。同样，半导体接线端的电压也在转换器电源电压Ucat和0之间。相反，施加在IGBT模块的绝缘13上的电压将处于[-Ucat/2]和[+Ucat/2]之间，而以绝对值表示时，将在0和Ucat/2之间。
图6示出如何进行绝缘击穿的检验。在IGBT模块或者甚至输热管的绝缘被击穿的情况下，输热管的蒸发组件电位不再仅仅由电阻分压器(R1,R2)来确定。它首先与绝缘击穿前通过电阻分压器获得的电位不同。为此，只需测量蒸发组件的电位值并与其理论值对比即可，理论值可通过例如性能相同但未与输热管的蒸发组件连接的电阻分压器(R3,R4)获得，如图5详细示出的。这可方便地检测绝缘故障。
图7示出了可与例如图3和图4所示的一个或几个模块连接的削波器模块，用以限制冷凝器输入电压。应该注意，该削波器不带散热组件。散热组件被一个上面固定有不同IGBT模块的板所取代。该板有利地与本发明的电位装置连接。
Claims (8)
1．功率转换器，由直流电源电压(Ucat)供电，由IGBT型静态开关组成，它至少有一个直接固定在散热组件(14)上的IGBT模块(10)，散热组件本身与散热片(0)或类似件连接，其特征在于，在散热组件(14)和散热片(0)之间设置一层绝缘(13)，其上固定有一个或几个IGBT模块(10)的散热组件(14)与一中间电位连接，中间电位处于散热片(0)的电位和功率转换器电源电压(+Ucat)的高点之间。
2．根据权利要求1的功率转换器，其特征在于，散热组件(14)的中间电位是散热片(0)电位和功率转换器电源电压(+Ucat)高点的平均值。
3．根据权利要求1或2的功率转换器，其特征在于，散热片(0)接地。
4．根据上述权利要求之一的功率转换器，其特征在于，散热组件(14)的中间电压通过电阻分压器(R1,R2)来实现。
5．根据上述权利要求之一的功率转换器，其特征在于，构成转换器静态开关的多个IGBT模块(10)置于同一散热组件(14)上。
6．根据权利要求5的功率转换器，其特征在于，在同一散热组件(14)上安排两对IGBT模块(101,102和103,104)，两两相对而置，散热组件(14)是输热管式蒸发组件。
7．根据权利要求5的功率转换器，其特征在于，电压削波器(20)与IGBT模块(10)连接。
8．根据上述权利要求之一的功率转换器的绝缘故障的检测方法，其特征在于，对最好通过电阻分压器(R1,R2)获得的中间电位进行测量，并与最好通过另一电阻(R3,R4)获得的其理论值进行对比。
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