CN201418024Y - 半桥功率模块及其构成的背靠背型变流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型的半桥功率模块，由IGBT功率子模块、驱动子模块、支撑电容子模块、吸收电容子模块和冷却装置构成，所述各子模块集成为一个模块，形成一个完整的接收脉冲和返回故障的功率执行器件，具有很高的通用性，可以用来搭建各种电力电子拓扑。同时，由于半桥功率模块的模块化，在由所述半桥功率模块组成的功率单元出现故障时，仅需将出故障的半桥功率模块拆卸修理，修理相对方便。

Description

半桥功率模块及其构成的背靠背型变流器

技术领域

本实用新型涉及一种半桥功率模块及其构成背靠背型变流器。

背景技术

由于采用了电力电子变换器，变速恒频发电的电气系统具有最大风力捕获效率高、电能质量好、刚性机械系统动作少、机械寿命长等优点，因此变速恒频发电适合用于1MW以上大功率机组，是现今大容量风力发电系统中的主流技术和发展方向。变速恒频发电系统主要有两种类型：双馈型风力发电系统和同步直驱风力发电系统。其中常用的同步直驱风力发电系统中变流器主要采用背靠背结构，将发电机发出的全部功率变换成恒压、恒频(50Hz)的功率送至电网。

现有大多数功率单元都为模块化结构，上述模块化的功率单元将所有的功率元件都集中在一个模块上，形成完整的、固定的拓扑结构，比如授权公告号为CN2591859Y的实用新型专利，就公开了一种改进型模块化功率单元，其主要由壳体、散热器、大功率器件和控制电路板组成，在所述壳体的底座上固定有电解电容，电容与电容之间采用大面积的母排连接；在所述壳体四周支架的顶部固定有散热器；在散热器上安装有大功率器件；大功率器件与安装在所述底座上的电解电容通过母排连接；在所述支架的四周安装有可拆装的侧板。上述文献中公开的所述功率单元具有特定的拓扑结构，所以其只能按照设计目的用于特定用途，不能根据需要组建需要的其他电力电子拓扑，其通用性很低。而事实上，所述模块化的功率单元可由若干组成完全相同的小结构单元构成。

另外，上述文件中公开的模块化的功率单元使用在风力发电设备中时，由于风力发电设备中的功率单元都安装在支架的下面，所述支架下面的空间狭小，当上述模块化的功率单元出故障时，由于空间狭小不利于在支架下面直接维修，需要把整个所述模块化的功率单元先拆卸后再修理，同样由于空间狭小的原因所述模块化的功率单元整体拆卸比较困难，维修不方便。

再有，由于现有技术中的模块化功率单元都采用风冷的方式进行冷却，又因为风冷的效率比较低，要将所述功率单元及时冷却，往往需要体积庞大的散热器、复杂的风冷通道和大功率冷却风机，这使得所述功率单元的体积大大增加，尤其不适用于大功率的风力发电设备，由于所述风力发电设备中功率单元的元器件发热量很大，所述功率单元的空间狭小，冷却用空气在所述功率单元的狭小空间内温度上升很高，起不到及时冷却所述功率单元的作用，因此需要一个高效的冷却装置。

实用新型内容

为此，本实用新型所要解决的是现有技术中模块化功率单元通用性差和维修不方便的技术问题，提供一种模块化的半桥功率模块。

为解决上述技术问题，本实用新型的一种半桥功率模块，由以下部分构成，

IGBT功率子模块，由两个IGBT功率子模块单元串联连接构成，其中每个所述IGBT功率子模块单元由一个IGBT和一个二极管反并联连接构成，所述IGBT功率子模块单元的串联连接点形成交流端子，所述IGBT功率子模块的其他对外连接端形成正、负端子；

驱动子模块，与所述IGBT功率子模块连接，用于驱动所述IGBT功率子模块工作；

支撑电容子模块，所述支撑电容子模块的输入和输出端并联在所述IGBT功率子模块的正、负端子上，用于变流器直流侧能量存储交换；

吸收电容子模块，所述吸收电容子模块的输入和输出端并联在所述IGBT功率子模块的正、负端子上，用于吸收所述IGBT功率子模块关断产生的过电压；

冷却装置，冷却所述半桥功率模块。

所述IGBT功率子模块各元器件通过IGBT层叠复合母排相互连接；

所述支撑电容子模块各元器件通过支撑电容层叠复合母排相互连接；

所述吸收电容子模块各元器件通过吸收电容复合母排相互连接；

所述IGBT层叠复合母排及所述支撑电容层叠复合母排均为有多层导体层及设置在个导体层之间的绝缘层构成，所述各导体层之间的连接关系使得各层电流所产生的磁场和相应的磁通相互抵消。

所述吸收电容母排位于所述IGBT母排压接有所述IGBT功率子模块单元的一侧，所述支撑电容母排位于所述IGBT母排未压接有所述IGBT功率子模块单元的一侧。

所述冷却装置包括一个固定于所述IGBT功率子模块上、冷却所述IGBT功率子模块的液体冷却装置。

所述液体冷却装置为与所述IGBT功率子模块导热接触的水冷板。

所述水冷板为内腔板翅式换热器或平面盘管式换热器。

所述冷却装置还包括用于冷却所述半桥功率模块的风冷装置。

同时，提供一种背靠背型变流器，每个所述变流器包括电机侧三相滤波单元、与所述电机侧三相滤波单元相连的电机侧接触器单元、与所述电机侧接触器单元相连的电机侧功率单元、与所述电机侧功率单元相连的电网侧功率单元和控制所述变流器单元工作的数字控制单元，所述电机侧功率单元和所述电网侧功率单元均由半桥功率模块插接构成。

所述数字控制单元包括位于每个所述变流器单元的与上位机通讯的独立通讯主控板，以及位于所述电机侧功率单元的整流数字控制板和位于所述电网侧功率单元的逆变数字控制板。

所述电网侧功率单元连接有去除开关频率附近的高次谐波信号的三相T型LCL正弦波滤波器。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本实用新型的半桥功率模块，由IGBT功率子模块、驱动子模块、支撑电容子模块、吸收电容子模块和冷却装置构成，所述各子模块集成为一个模块，形成一个完整的接收脉冲和返回故障的功率执行器件，具有很高的通用性，可以用来搭建各种电力电子拓扑。同时，由于半桥功率模块的模块化，在由所述半桥功率模块组成的功率单元出现故障时，仅需将出故障的半桥功率模块拆卸修理，修理相对方便。通过使用多组层叠复合母排，使得在特定的狭小空间内的所述半桥功率模块各子模块之间的绝缘性能相对好，发热小，寄生电感小，可靠性大大提高。同时，所述吸收电容复合母排位于所述IGBT层叠复合母排压接有所述IGBT功率子模块单元的一侧，所述支撑电容层叠复合母排位于所述IGBT层叠复合母排未压接有所述IGBT功率子模块单元一侧的布置方式，使得构成所述半桥功率模块的各组件的布置尽可能紧凑，有效减小所述半桥功率模块的体积。所述半桥功率模块还包括一个固定于所述IGBT功率子模块上、冷却所述IGBT功率子模块的液体冷却装置，相比于现有技术中体积庞大的风冷装置，在相同冷却效率前提下，所述液体冷却装置体积小，可大大缩小所述半桥功率模块的体积，满足风力发电设备中工作环境狭小的特殊要求。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中

图1为本实用新型一个实施例的背靠背型变流器结构图；

图2为本实用新型一个实施例半桥功率模块电气图；

图3为由图2所示半桥功率模块连接的双向全控三相桥式拓扑图；

图3a为半桥功率模块主视图；

图3b为半桥功率模块左视图；

图3c为半桥功率模块俯视图。

图中附图标记表示为：1-变流器，11-电机侧三相滤波单元，12-电机侧接触器单元，13-电机侧功率单元，14-电网侧功率单元，131-IGBT功率子模块，132-驱动子模块，133-支撑电容子模块，134-吸收电容子模块，231-IGBT层叠复合母排，233-支撑电容层叠复合母排，234-吸收电容复合母排，2-水冷板，131′-IGBT功率子模块各元器件，133′-支撑电容子模块各元器件，134′-吸收电容子模块各元器件。

具体实施方式

参见图1所示，作为发电机的并网变流器使用，所述并网变流器由两台功率等级相同的背靠背型变流器并联组成，所述并网变流器电机侧分别连接于永磁同步发电机内两套功能等同的同槽但互相绝缘的三相电枢绕组端子上，所述变流器网侧均通过660V/35KV变压器接入电网；所述变流器通过CAN(控制器局域网，英文全称为Controller Area Network)总线与上位机通讯。

所述变流器由电机侧功率单元13(即整流子单元)和网侧功率子单元14(即逆变子单元)两大部分组成，通过中间直流环节相连，所述整流子单元和所述逆变子单元均为三相电压型且采用PWM(脉宽调制，英文全称为Pulse Width Modulation)矢量控制。

每个所述变流器包括电机侧三相滤波单元11、与所述电机侧三相滤波单元11相连的电机侧接触器单元12、与所述电机侧接触器单元12相连的电机侧功率单元13、与所述电机侧功率单元13相连的电网侧功率单元14，和统一控制所述变流器工作的数字控制单元。

所述电网侧功率单元14连接有三相T型LCL(电感-电容-电感)正弦波滤波器，有效滤除由于PWM调制产生的开关频率附近高次谐波。所述三相T型LCL正弦波滤波器与LC滤波器或单L滤波器相比，对开关频率附近高次谐波相同衰减效果下，显著降低了总电感量，降低了体积和成本，改善了波形质量。所述三相T型LCL正弦波滤波器通过空气断路器与变压器绕组初级连接。

所述数字控制单元包括位于所述每个变流器的独立通讯主控板，以及位于所述电机侧功率单元13的整流数字控制板和位于所述电网侧功率单元14的逆变数字控制板，所述独立通讯主控板实现与上位机的通讯，所述整流数字控制板和所述逆变数字控制板在所述独立通讯主控板控制下实现整流、逆变功能。

参见图2和图3所示，所述电机侧功率单元13和所述电网侧功率单元14均为双向全控三相桥式拓扑；所述双向全控三相桥式拓扑由三个半桥功率模块连接而成，当所述功率单元出现故障时，只需把出故障的所述半桥功率模块拆卸下来修理，无需将整个所述功率单元都拆卸下来，维修非常方便，在维修的同时，可用一个完好的所述半桥功率模块替换出故障的所述半桥功率模块，保证所述功率单元继续正常工作；每个所述半桥功率模块由两个半桥功率模块单元串联连接构成呈半桥结构的IGBT(绝缘栅双极型晶体管，英文全称为Insulated Gate Bipolar Transistor)功率子模块131，每个所述半桥功率模块单元一个IGBT(即绝缘栅双极型晶体管)和一个二极管反并联连接构成、驱动所述IGBT功率子模块131工作的驱动子模块132、用于变流器直流侧能量存储交换的支撑电容子模块133、吸收IGBT关断产生的过电压的吸收电容子模块134。所述IGBT功率子模块131、所述支撑电容子模块133和所述吸收电容子模块134并联，输出正、负输出端子和交流端子；三个所述半桥功率模块的所述正、负输出端子并联构成所述双向全控三相桥式拓扑的正、负输出端子和三个交流端子；所述电机侧功率单元13和所述电网侧功率单元14的正、负输出端子相连，构成所述背靠背型变流器的三相输入用交流端子和三相输出用交流端子。

参见图2所示，J1、J2为安装在两个IGBT上的驱动子模块，驱动供电出线为15V和15VD，驱动脉冲输入光纤为G1和G2，IGBT故障输出光纤为F1和F2，P1和P2为温度传感器引线输出。

参见图3a、图3b、图3c所示，作为本实用新型的一个优选实施例，所述半桥功率模块集成在一组复合母排上，所述复合母排包括IGBT层叠复合母排231、支撑电容层叠复合母排233、吸收电容复合母排234；所述支撑电容层叠复合母排233用于连接所述支撑电容子模块133各元器件，并引出正负两端子与IGBT层叠复合母排231的正负端子连接在一起形成所述半桥功率模块的正、负输出端子；所述IGBT层叠复合母排231直接压接在IGBT功率子模块端子上，使两个IGBT串联连接呈半桥结构，本实用新型的所述压接指通过螺栓固定连接，其中，所述两个IGBT串联的连接点形成交流端子，所述IGBT功率子模块的输入和输出端形成正、负端子；所述吸收电容子模块134的各吸收电容通过所述吸收电容复合母排234连接构成，并且所述吸收电容复合母排234和所述吸收电容相对于所述吸收电容的中轴线呈轴对称，所述吸收电容复合母排234的两端子就近压接在所述IGBT层叠复合母排231的正负端子上；所述驱动子模块132直接安装在IGBT功率子模块131上，所述驱动子模块132输入驱动脉冲输入和故障输出均为光纤接口，所述光纤接口均从所述半桥功率模块的接口面板上引出。本实用新型中所述层叠复合母排为一种多层复合结构连接排，具有可重复电气性能、低阻抗、抗干扰、可靠性好、节省空间、装配简洁快捷等特点，是优选的大功率模块化连接结构部件。所述层叠复合母排由多层直流导体层平行重合布置而成的母排，所述多层导体层的布置保证通过所述多层导体层的电流大小相等且极性相反，进而使得产生的磁场和相应的磁通互相抵消，使得所述层叠复合母排的寄生电感很小，很好的解决了IGBT功率回路关断过电压、电磁兼容问题和绝缘等问题。以由两层导体层构成的吸收电容复合母排234为例，所述两层导体层平行重合设置，从位于所述吸收电容复合母排234同一个面上的所述两层导体层分别引出正端子和负端子，由于流过所述正端子和负端子的电流大小相等且方向相反，所以流过所述两层导体层的电流大小相等、方向相反，其产生的磁场大小相等、方向相反，相应的其产生的磁场和相应的磁通互相抵消。所述层叠复合母排的使用，使得在特定的狭小空间内的所述半桥功率模块各子模块之间的绝缘性能相对好，发热小，寄生电感很小，可靠性大大提高。

所述IGBT层叠复合母排231将直流正负和交流铜排压制成薄片，两侧分别接IGBT功率子模块各元器件131′和吸收电容复合母排234，支撑电容层叠复合母排233将直流正负压制成薄片，一侧接12个电解电容。这样，就将各个部件紧凑地结合在一起，留出正负和交流电气接口。与传统方式布局及连接的电路结构相比，在保证电气绝缘性能满足标准的同时，极大地减小了电路中寄生参数，提高了系统的性能与电气可靠性，有效地减小了所述半桥功率模块所占体积。

所述半桥功率模块内同时集成了水冷系统，用体积很小的正方薄铝板液冷散热器替代体积庞大的风冷散热器，该水冷板2安装在半桥功率模块正中央，两端分别有进水接口和出水接口(参见图3a中箭头所示接口)，其水冷板2为平面盘管式换热器(亦可采用内腔板翅式换热器)，冷板表面和主要发热元件IGBT功率子模块的基板紧固在一起，用于带走其运行时产生的主要热量。与采用风冷形式的同类系统相比，具有更加优良的散热效果，省去了复杂的风路通道和大功率冷却风机，使整个模块的体积、工作噪声与震动大大减小。

为了便于带走运行时支撑电容子模块133和其他辅助部件产生的热量，所述半桥功率模块采用四周密闭、中空通风的箱体结构，在电解电容和尼龙绝缘支柱所处的空间采用上下中空的通风设计(如3c俯视图所示)。通过在半桥功率模块下部安装冷却风机和空液换热器，利用空气循环将电解电容和其他辅助部件的热量带走。

半桥功率模块内部的电器元件与水冷结构件的安装十分方便。水冷板2与支撑电容层叠复合母排233共同安装在模块内部支撑板的两侧(见俯视图3c与左视图3b)，所述IGBT层叠复合母排231安装于主视图3a中的IGBT功率子模块各元器件131′之上，吸收电容复合母排234上安装吸收电容，所述吸收电容复合母排234则直接安装于所述IGBT层叠复合母排231上，俯视图3c中清晰地反映出了它们之间的空间关系。

集成模块对外部的电气与水路接口安装更加简单、方便。电气外部接口的强电部分只有三块功率母排，弱电部分采用航空插头为IGBT驱动电路供电，并将温度传感器的信号线引出；水路接口采用标准接头，只有进水和出水两个接口。

所述半桥功率模块，集成了IGBT功率子模块131、驱动子模块132、支撑电容子模块133、吸收电容子模块134与水冷系统，形成一个相对完整的接收脉冲和返回故障的功率执行器件，具有很高的通用性，可以方便地组建各种电力电子拓扑。克服了现有技术中的模块化功率单元拓扑结构固定，通用性差的缺点。所述半桥功率模块内部电气参数(如电流等级、电压等级、吸收参数和电解电容参数等)可根据需要调整，所述半桥功率模块外部接口齐全便于扩展。这种模块化的集成设计，通用性较强，通过外部母排的简单搭接，可组建多种电力电子拓扑。

作为本实用新型的其他实施例，所述IGBT功率子模块131、所述驱动子模块132、所述支撑电容子模块133和所述吸收电容子模块134也可采用其他已知的方式模块化，不限于通过所述层叠复合母排连接，同样能实现本实用新型的目的，处于本实用新型的保护范围之内。

作为本实用新型的其他实施例，所述水冷板可以用其他的液体冷却装置代替。所述支撑电容子模块133也可由电解电容以外的其他种类电容器搭接而成，比如空气介质电容器等。

所述半桥功率模块集成在一组复合母排上的结构使得所述半桥功率模块的电气一次、二次回路设计符合国际规范；相对于直接用元件搭建的半桥功率模块，本实用新型的所述半桥功率模块的集成度更高，大大增强了所述半桥功率模块的模块化和通用性，使得所述半桥功率模块的可靠性大大增加。

本实用新型以背靠背型变流器的1MW变流器柜体为例，所述变流器柜体由五个子柜组成，分别是：电机侧功率柜，电网侧功率柜，开关柜，滤波柜和数字控制系统柜。所述电机侧功率柜内设置有电机侧功率单元13，所述电网侧功率柜内设置有电网侧功率单元14，所述数字控制系统柜内设置有数字控制单元。所述开关柜包含电机侧接触器单元12、电网侧空气断路器、预充电回路、交直流快速熔断器和辅助继电器。除快速熔断器外其余均受控于数字控制单元，负责功率主回路的投入、切出和投入前直流侧的预先充电功能，网侧空气断路器还可为系统提供过流保护功能。辅助继电器为系统中的开入开出量提供中转功能。

所述变流器柜体中的功率单元(包括电机侧功率单元13和电网侧功率单元14)由三个所述半桥功率模块搭接而成。所述功率单元是整个变流器系统的功率执行机构，它接收数字控制系统发送来的光纤驱动脉冲，向数字控制系统回送IGBT过流与否状态信号和温度值，同时水冷板2对IGBT进行冷却。所述半桥功率模块搭接的具体描述见上文，此不赘述。

所述数字控制系统柜主要包含数字控制板，直流供电电源，电量及其它传感检测单元。其核心处理器由DSP(信号数字处理器，英文全称为DigitalSignal Processor)+FPGA(现场可编程门阵列，英文全称为Field-Programmable Gate Array)组成，具有以下资源：十六路AD(模数)采样及调理通道，六路PWM脉冲光纤输出，六路故障信号光纤输入，各八路开入、开出量控制，各三路过压过流硬件保护，水循环系统水压监控，十六路系统各部件温度采集监控，与上位机的232串口通讯和与风塔塔基控制系统的CAN总线通讯。数字控制系统对外接口采用光电隔离和数字量开入开出继电器中转；PWM驱动脉冲和故障信号采用光信号传输，有较强抗干扰能力。

所述变流器还包括冷却所述电机侧功率单元13、所述电网侧功率单元14和所述滤波子单元的水冷装置。所述水冷装置为设置在整个所述变流器内的闭式循环水冷装置，发热量最大的功率模块和LCL滤波器主要靠水冷板2冷却，同时每个子柜中均有功率不大的风机和水换热器，封闭在柜体内的循环风路将柜内没有被水冷板2完全带走的热量带至换热器，再由流经换热器中冷却水将热量带出柜体外，保证变流柜内的温升不会过高。每个子柜均设计有温度传感器和自己独立的风路及水冷换热回路，各子柜之间热量不会发生交换而互相影响。这种以水冷为主的混合冷却方式较之单风冷系统不仅冷却效果优良，且不需要自配体积庞大的散热器和大功率风机。

上述实施例以同步直驱风力发电系统为例，当然本实用新型的所述半桥功率模块也可作为并网设备用于双馈型风力发电系统，亦可用于采用背靠背双PWM变流器的电力传动领域，或者用于组建其他各种电力电子拓扑，通用性很高。在此不再赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种半桥功率模块，其特征在于：由以下部分构成，

IGBT功率子模块，由两个IGBT功率子模块单元串联连接构成，其中每个所述IGBT功率子模块单元由一个IGBT和一个二极管反并联连接构成，所述IGBT功率子模块单元的串联连接点形成交流端子，所述IGBT功率子模块的其他对外连接端形成正、负端子；

驱动子模块，与所述IGBT功率子模块连接，用于驱动所述IGBT功率子模块工作；

支撑电容子模块，所述支撑电容子模块的输入和输出端并联在所述IGBT功率子模块的正、负端子上，用于变流器直流侧能量存储交换；

吸收电容子模块，所述吸收电容子模块的输入和输出端并联在所述IGBT功率子模块的正、负端子上，用于吸收所述IGBT功率子模块关断产生的过电压；

冷却装置，冷却所述半桥功率模块。

2.根据权利要求1所述的半桥功率模块，其特征在于：

所述IGBT功率子模块各元器件通过IGBT层叠复合母排相互连接；

所述支撑电容子模块各元器件通过支撑电容层叠复合母排相互连接；

所述吸收电容子模块各元器件通过吸收电容复合母排相互连接；

所述IGBT层叠复合母排及所述支撑电容层叠复合母排均为有多层导体层及设置在个导体层之间的绝缘层构成，所述各导体层之间的连接关系使得各层电流所产生的磁场和相应的磁通相互抵消。

3.根据权利要求2所述的半桥功率模块，其特征在于：所述吸收电容母排位于所述IGBT母排压接有所述IGBT功率子模块单元的一侧；所述支撑电容母排位于所述IGBT母排未压接有所述IGBT功率子模块单元的一侧。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的半桥功率模块，其特征在于：所述冷却装置包括一个固定于所述IGBT功率子模块上、冷却所述IGBT功率子模块的液体冷却装置。

5.根据权利要求4所述的半桥功率模块，其特征在于：所述液体冷却装置为与所述IGBT功率子模块导热接触的水冷板。

6.根据权利要求5所述的半桥功率模块，其特征在于：所述水冷板为内腔板翅式换热器或平面盘管式换热器。

7.根据权利要求4所述的半桥功率模块，其特征在于：所述冷却装置还包括用于冷却所述半桥功率模块的风冷装置。

8.一种背靠背型变流器，每个所述变流器包括电机侧三相滤波单元、与所述电机侧三相滤波单元相连的电机侧接触器单元、与所述电机侧接触器单元相连的电机侧功率单元、与所述电机侧功率单元相连的电网侧功率单元和控制所述变流器单元工作的数字控制单元，其特征在于：所述电机侧功率单元和所述电网侧功率单元均由三个如权利要求1-7任意一项所述的半桥功率模块插接构成。

9.根据权利要求8所述的变流器，其特征在于：所述数字控制单元包括位于每个所述变流器单元的与上位机通讯的独立通讯主控板，以及位于所述电机侧功率单元的整流数字控制板和位于所述电网侧功率单元的逆变数字控制板。

10.根据权利要求8所述的变流器，其特征在于：所述电网侧功率单元连接有去除开关频率附近的高次谐波信号的三相T型LCL正弦波滤波器。

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