CN201956887U

CN201956887U - 一种用于大功率变频器的功率模块

Info

Publication number: CN201956887U
Application number: CN2011200224061U
Authority: CN
Inventors: 杨涛; 李国栋; 尹传涛
Original assignee: 712th Research Institute of CSIC
Current assignee: Wuhan Changhai electric propulsion and chemical power supply Co., Ltd.
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2021-01-24

Abstract

本实用新型涉及一种用于大功率变频器的功率模块，特别适于用作中压大功率船舶大功率变频器的水冷功率模块。它包括一个框架及模块器件;在框架后端板上竖向安装有电流连接插件，前端板安装有高压隔离电源模块;所述的模块器件包括功率组件，还有限流电阻，限流电感;所述功率组件输出引线与电流连接插件连接，箝位电容通过母排直接安装连接在功率组件上;用于散热器冷却水进出的分水管直接固定在框架上;框架下板或上板两外侧面上各固定一个用于安装框架的滑轨。本实用新型具有功率密度大、结构紧凑、满足正面维护、可靠性高和可维修性好等优点。

Description

一种用于大功率变频器的功率模块

技术领域

本实用新型涉及一种用于大功率变频器的功率模块，它是大功率变频器中点箝位式三电平逆变器的一个桥臂，为中压大功率变频器水冷功率模块，属于电力推进技术领域，特别适于用作船舶大功率变频器的水冷功率模块。

背景技术

随着电力电子技术及系统集成技术的飞速发展，电力推进技术，特别是船舶综合电力推进技术备受关注。船舶综合电力推进有着传统推进方式所不可比拟的优点，在军民用船舶中的应用也越来越多，大功率推进变频器是船舶综合电力推进系统的核心设备之一，而目前，在现有技术中，虽然中压大功率变频器在工业生产中应用比较广泛，技术也日趋成熟，但常规的大功率变频器体积大，且不能满足象船舶这类环境下的正面维修及经济合理使用等要求，在例似船舶环境条件下的应用领域也受到很大限制。

发明内容

本实用新型的一个目的是：克服现有技术的中压大功率变频器在体积、功率密度及可维修性等方面的局限性，提供了一种在保证可靠性和可维修性的前提下，具有结构紧凑、功率密度大等特点的用于大功率变频器的功率模块。

本实用新型的另一个目的是：提供一种用功率模块组成用于大功率变频器的中点箝位式三电平逆变器。

本发明通过以下技术方案实现：

一种用于大功率变频器的功率模块，它包括一个框架及框架正面和框架反面内对应各安装的一套模块器件; 框架一端为后端，相对的一端为前端，在框架后端板上竖向安装有电流连接插件，在框架前端板内侧安装有高压隔离电源模块;所述的模块器件包括功率组件，还有在框架上板的绝缘板上固定的与电流连接插件及功率组件连接的限流电阻; 在框架下部的支架上安装的限流电感;该限流电感一侧引线通过软母排与电流连接插件连接，另一侧引线与固定在框架上板和框架下板之间的功率组件连接;所述功率组件输出引线与电流连接插件连接，箝位电容通过母排直接安装连接在功率组件上; 用于散热器冷却水进出的分水管直接固定在框架上; 框架下板或上板两外侧面上各固定一个用于安装框架的滑轨。

在上述方案的基础上进一步的技术方案是：

所述的用于大功率变频器的功率模块，其两套功率组件中每1套连接 2个箝位电容，3个电流连接插件，l个限流电感，3个限流电阻;两套功率组件共用l套为 IGCT提供电源的高压隔离电源模块和一套用于散热器冷却水进出的分水管。

所述的用于大功率变频器的功率模块，其电流连接插件有四套，每套由插头和插座组成，其中上面三套为电流输入端，最下面一套为电流输出端。

所述的用于大功率变频器的功率模块，其分水管有两根，直接固定在框架的前端上方，其中一根为进水管，另外一根为出水管；分水管的一端通过水嘴用细软管与功率组件的水冷散热器、限流电感、限流电阻连接，另外一端通过接头用带快插接头的软管与水冷系统的主水管相连。

所述的用于大功率变频器的功率模块，其限流电感与功率组件用母排连接，限流电阻与功率组件用16 mm²高压电缆连接，高压隔离电源模块输出端与功率组件中的IGCT用1 mm²高压电缆连接。

所述的用于大功率变频器的功率模块，其高压隔离电源模块输入端通过电缆与外部220V的工频交流电源连接，功率组件中的IGCT通过光纤与外部电路连接，同时状态信号通过光纤连接方式反馈给外部电路。

所述的用于大功率变频器的功率模块，其功率组件包括组件上底板和组件下底板，以及组件上底板与组件下底板之间安装的构件，包括：绝缘子，水冷散热器，IGCT，二级管; 连接与锁紧组件上底板与组件下底板的是支撑杆。

一种用上述的功率模块组装成用于大功率变频器的中点箝位式三电平逆变器，它是由三个用于大功率变频器的功率模块并联组成。

本实用新型优点是：具有功率密度大、结构紧凑、满足正面维护、可靠性高和可维修性好等优点，具体而言，有以下特点：

1、采用了stack压装技术，保证了每个功率组件结构紧凑；各功率器件接触面保持恒定、均匀的压力，增强功率组件工作稳定性。

2、通过精密高强度滑轨与柜体连接，能够快速的从柜体插入和抽出，便于安装及检修。另外，功率模块采用高压大电流连接器技术，使模块与直流侧及输出侧母排可以快速且可靠的结合及分离。

3、把水冷系统和结构设计巧妙的结合起来，实现了分支水管和功率组件的一体化设计，使模块结构变得更加紧凑。功率器件采用双面冷却，增强了器件的散热效果和工作稳定性。

附图说明

图1是本实用新型功率模块的主视示意图

图2是图1的右视图，即框架正面A的示意图；

图3是图1的左视图，即框架反面B的示意图;

图4是框架正面A的功率组件3a压装结构示意图；

图5是框架反面B的功率组件3b压装结构示意图;

图6是中点箝位式三电平逆变器电气原理图。

图中各附图标记的构件名称为：

A—框架正面; B—框架反面; Aa、Bb—模块器件;

1—框架; 1.1—框架前端板; 1.2—框架后端板; 1.3a、1.3b—框架上板; 1.4a、1.4b—框架下板; 1.5—绝缘板; 2—分水管;

3a、3b—功率组件; 3a.1、3b.1—组件上底板; 3a.2、3b.2—绝缘子; 3a.3、3b.3—水冷散热器; 3a.4、3b.4—IGCT; 3a.5、3b.5—二极管; 3a.6、3b.6—组件下底板; 3a.7、3b.7—支撑杆; 4a、4b—箝位电容; 5a、5b—限流电阻; 6a、6b—限流电感; 6.1—支架; 7—电流连接插件; 8a、8b—滑轨 ; 9—高压隔离电源模块。

具体实施方式

结合附图和实施例对功率模块的工作过程说明如下：

如图所示，一种用于大功率变频器的功率模块，它有一个框架1，其框架正面A安装一套模块器件Aa，框架反面B内安装一套模块器件Bb; 框架1一端为后端，相对的一端为前端，在框架后端板1.2上竖向安装有电流连接插件7，在框架前端板1.1内侧安装有高压隔离电源模块9; 所述框架正面A的模块器件Aa有一个功率组件3a，还有在框架上板1.3a的绝缘板1.5上固定的与电流连接插件7及功率组件3a连接的限流电阻5a; 在框架1下部的支架6.1上安装的限流电感6a; 该限流电感6a一侧引线通过软母排与电流连接插件7连接，另一侧引线与固定在框架上板1.3a和框架下板1.4a之间的功率组件3a连接; 所述功率组件3a输出引线与电流连接插件7连接，箝位电容4a通过母排直接安装连接在功率组件3a上; 用于散热器冷却水进出的分水管2直接固定在框架1上; 框架下板1.4a或上板1.3a侧面上固定一个用于安装框架1的滑轨8a。与上述结构相同的是：所述框架反面B的模块器件Bb有一个功率组件3b ，还有在框架上板1.3b的绝缘板1.5上固定的与电流连接插件7及功率组件3b连接的限流电阻5b; 在框架1下部的支架6.1上安装的限流电感6b; 该限流电感6b一侧引线通过软母排与电流连接插件7连接，另一侧引线与固定在框架上板1.3b和框架下板1.4b之间的功率组件3b连接; 所述功率组件3b输出引线与电流连接插件7连接，箝位电容4b通过母排直接安装连接在功率组件3b上; 用于散热器冷却水进出的分水管2直接固定在框架1上; 框架下板1.4b或上板1.3b侧面上固定一个用于安装框架1的滑轨8b。

两套功率组件3a、3b，其中每1套连接 2个箝位电容，3个电流连接插件，l个限流电感，3个限流电阻;两套功率组件3a、3b共用l套为IGCT驱动电路提供电源的高压隔离电源模块9和一套用于散热器冷却水进出的分水管2，限流电感6a、6b均为高压水冷电感, 限流电阻5a、5b均为高压低感水冷电阻。电流连接插件7有四套，每套由插头和插座组成，其中上面三套为电流输入端，下面一套为电流输出端，电流连接插件7最大载流可达1000A。分水管2有两根，直接固定在框架1的前端上方，其中一根为进水管，另外一根为出水管；分水管2的一端通过水嘴用细软管与功率组件3a、3b的水冷散热器、限流电感6a、6b、限流电阻5a、5b连接，另外一端通过接头用带快插接头的软管与水冷系统的主水管相连。限流电感6a、6b与功率组件3a、3b 用母排对应分别连接，限流电阻5a、5b与功率组件3a、3b用16 mm²高压电缆对应分别连接，高压隔离电源模块9输出端与功率组件3a、3b中的IGCT用1 mm²高压电缆连接。高压隔离电源模块9输入端通过电缆与外部220V的工频交流电源连接，功率组件3a、3b中的IGCT通过光纤与外部电路连接，同时状态信号通过光纤连接方式反馈给外部电路。功率组件3a具有组件上底板3a.1和组件下底板3a.6，以及组件上底板与组件下底板之间安装的构件，该所安装的构件为绝缘子3a.2，水冷散热器3a.3，IGCT3a.4，二级管3a.5; 连接与锁紧组件上底板3a.1与组件下底板3a.6的是支撑杆3a.7。同样：功率组件3b具有组件上底板3b.1和组件下底板3b.6，以及组件上底板与组件下底板之间安装的构件，该所安装的构件为绝缘子3b.2，水冷散热器3b.3，IGCT3b.4，二级管3b.5; 连接与锁紧组件上底板3b.1与组件下底板3b.6的是支撑杆3b.7。

用上述的功率模块组装成用于大功率变频器的中点箝位式三电平逆变器，它是由三个用于大功率变频器的功率模块并联组成。

对本实用新型结构原理，工作方式及效果进一步说明如下：

单个功率模块装配完成后，由三组该功率模块以共直流母线的连接方式组成一种中点箝位式三电平逆变器。输入的交流电经前端整流器整流后，由柜体内公共直流母线提供给各逆变模块。功率模块后端上面三个高压电流连接插件的插头通过软连接母排与公共直流母线搭接，然后由对应的电流连接插件通过母排经限流电感后将电流引入逆变功率组件。逆变后的电流通过母排经功率模块后端下面一个电流连接插件输出，经滤波后给负载电机供电。

如图4、5所示，功率组件的组件下底板上面是器件自动调平装置，它可以保证功率组件在压装过程中，绝缘子、水冷散热器、IGCT、二极管及组件上底板始终与组件下底板平行。组件上底板下面是压力锁紧装置，它可以保证功率组件压装完成后，功率组件内始终保持一定的压力。压力锁紧装置和器件自动调平装置使各功率器件接触面保持恒定、均匀的压力，减小了功率器件的接触电阻和接触热阻，增加了功率组件工作稳定性。

本实用新型大功率变频器的功率模块用作船舶大功率变频器逆变器，其直流侧母线电压可达6000V，输出侧电压可达3300V，通过多种形式的模块匹配组合，可以满足多种不同功率等级船用大功率推进变频器的要求。

图6是中点箝位式三电平逆变器电气原理图，它由三个本实用新型所涉及的功率模块组成。每个功率模块中：二极管DS1、D1和IGCT T1、T2在功率组件3a中，二极管DS2、D2和IGCT T3、T4在功率组件3b中，功率组件3a、3b共直流中点O和交流输出U；CS1、CS2分别为箝位电容4a、4b，L1、L2分别为限流电感6a、6b，RS1、RS2分别为限流电阻5a、5b；P、O、N、U分别代表框架后端板1.2上从上至下的四套电流连接插件。

Claims

1.一种用于大功率变频器的功率模块，其特征在于，它包括一个框架(1)及框架正面（A）和框架反面（B）内对应各安装的一套模块器件（Aa、Bb）; 框架(1)一端为后端，相对的一端为前端，在框架后端板（1.2）上竖向安装有电流连接插件（7），在框架前端板（1.1）内侧安装有高压隔离电源模块(9);所述的模块器件（Aa、Bb）包括功率组件(3a、3b），还有在框架上板(1.3a、1.3b)的绝缘板（1.5）上固定的与电流连接插件（7）及功率组件(3a、3b）连接的限流电阻(5a、5b); 在框架(1)下部的支架（6.1）上安装的限流电感(6a、6b);该限流电感(6a、6b)一侧引线通过软母排与电流连接插件（7）连接，另一侧引线与固定在框架上板（1.3a、1.3b）和框架下板（1.4a、1.4b）之间的功率组件(3a、3b)连接;所述功率组件(3a、3b)输出引线与电流连接插件（7）连接，箝位电容(4a、4b)通过母排直接安装连接在功率组件(3a、3b)上; 用于散热器冷却水进出的分水管(2)直接固定在框架(1)上; 框架下板（1.4a、1.4b）或上板（1.3a、1.3b）两外侧面上各固定一个用于安装框架(1)的滑轨(8a、8b)。

2.根据权利要求1所述的用于大功率变频器的功率模块，其特征在于，两套功率组件(3a、3b)，其中每1套连接 2个箝位电容，3个电流连接插件，l个限流电感，3个限流电阻;两套功率组件(3a、3b)共用l套为 IGCT提供电源的高压隔离电源模块(9)和一套用于散热器冷却水进出的分水管(2)。

3.根据权利要求1所述的用于大功率变频器的功率模块，其特征在于，所述的电流连接插件（7）有四套，每套由插头和插座组成，其中上面三套为电流输入端，最下面一套为电流输出端。

4.根据权利要求1所述的用于大功率变频器的功率模块，其特征在于，所述的分水管(2)有两根，直接固定在框架(1)的前端上方，其中一根为进水管，另外一根为出水管；分水管(2)的一端通过水嘴用细软管与功率组件(3a、3b)的水冷散热器、限流电感(6a、6b)、限流电阻(5a、5b)连接，另外一端通过接头用带快插接头的软管与水冷系统的主水管相连。

5.根据权利要求1所述的用于大功率变频器的功率模块，其特征在于，限流电感(6a、6b)与功率组件(3a、3b) 用母排连接，限流电阻(5a、5b)与功率组件(3a、3b)用16 mm²高压电缆连接，高压隔离电源模块(9)输出端与功率组件(3a、3b)中的IGCT用1 mm²高压电缆连接。

6.根据权利要求1所述的用于大功率变频器的功率模块，其特征在于，高压隔离电源模块(9)输入端通过电缆与外部220V的工频交流电源连接，功率组件(3a、3b)中的IGCT通过光纤与外部电路连接，同时状态信号通过光纤连接方式反馈给外部电路。

7.根据权利要求1所述的用于大功率变频器的功率模块，其特征在于，功率组件(3a、3b)包括组件上底板（3a.1、3b.1）和组件下底板（3a.6、3b.6），以及组件上底板与组件下底板之间安装的构件，包括：绝缘子（3a.2、3b.2），水冷散热器（3a.3、3b.3），IGCT（3a.4、3b.4），二级管（3a.5、3b.5）; 连接与锁紧组件上底板（3a.1、3b.1）与组件下底板（3a.6、3b.6）的是支撑杆（3a.7、3b.7）。

8.一种用上述任何一个权利要求所述的功率模块组装成用于大功率变频器的中点箝位式三电平逆变器，其特征在于，由三个用于大功率变频器的功率模块并联组成。