CN204030936U - 一种igbt三电平功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种IGBT三电平功率模块，该模块可应用于大功率风力发电机组的变流器中。该模块使用的IGBT封装形式为压接式封装，采用NPC三电平单相电路拓扑，模块内部集成有母线支撑电容、IGBT驱动电路、母线泻放电路、直流取电电路等。模块整体不需要外部供电，可自给自足维持IGBT驱动电路的供电需求。同时模块内部具有多项保护措施，如IGBT过流保护、IGBT过压保护、短路检测保护、门触发驱动电源检测保护、脉冲宽度检测保护、过温保护等。同时模块还提供温度采集的模拟量供机组使用。

Description

一种IGBT三电平功率模块

技术领域

本实用新型涉及一种IGBT三电平功率模块。

背景技术

随着人类社会的进步，生产力的发展，人类与自然之间的矛盾也逐步加剧，能源逐步成为制约社会进步的主要问题之一。目前使用的常规能源以煤、石油、天然气为主，均为不可再生的矿石资源，随着时间推移必将渐渐枯竭。因此，世界各国已越来越重视可再生能源的开发利用。可再生能源包括太阳能，风能，生物质能，水能等等，均可永续利用。其中，太阳能和风能作为新能源的代表，资源潜力大，清洁无污染，近年来越来越受到世界各国的重视，我国在十二五规划中明确提出将新能源产业作为重点发展对象。相比而言，风能技术是新能源发电技术中技术最为成熟，最具开发规模的发电方式之一。在有些发达国家，风电已成为电网中不可或缺的一部分，其发电量占国家总发电量的10-20％，据权威预测，到2020年，风电将成为世界最重要的能源之一。

而将目光投向国内，我国的风能资源十分丰富，具风能资源初步统计显示，中国陆上离地10米以上风能总储量约为43亿千瓦，可开发容量约为2.5亿千瓦。目前，中国已建成数个百万千瓦风电基地，发展十分迅速，2009年新增风电装机容量约为1303万千瓦，位居世界第一。而随着风力发电技术的发展，风电机组容量正迅速增大，国际上目前运行的风电系统大多都为兆瓦级系统，并且均已商业化，国内主流风电机组也正逐步向兆瓦级机组转移。从未来的发展趋势看，风电机组单机容量将向更大型化发展。目前风电机组单机容量一般为1.5兆瓦到3兆瓦，风电机组的电网侧电压为690V。通过对风电市场的观察如果继续增加风电机组的单机容量则需要将风电机组的电网侧电压提高至3.3kV。而目前的风电机组中变流器使用的半导体器件很难达到该电压等级。所以需要寻求一种新的电路拓扑解决该问题。

1981年，日本长岗大学Nabae等提出二极管中点钳位(neutral-point-clamped，NPC)型三电平结构以来，三电平逆变器在中高压变频调速、有源电力滤波装置、电力系统无功补偿和风力发电等领域得到了广泛应用。与传统两电平结构相比，三电平结构具有如下优点：1)每个功率管上只承受一半的直流侧电压；2)在相同的开关频率下，输出电压、电流谐波含量小；3)在每个功率管导通和关断过程中，功率管只承担一半的直流侧电压，因此器件开关损耗低。

对于三电平功率模块的结构，主要研究方向是使提高散热性能、保护性能、使用稳定性等多种性能，并且减少体积和减少成本。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种三电平功率模块，用以解决现有三电平功率模块体积大、散热性能不佳的问题。

为实现上述目的，本实用新型的方案包括：

一种IGBT三电平功率模块，为一相的上下桥臂部分，包括第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)、第四开关管(T4)，第一二极管(D1)、第二二极管(D2)，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)，第一电容(C1)、第二电容(C2)；IGBT三电平功率模块包括箱体(1)，箱体中依次并列间隔固定设置第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)，以及第三开关管(T3)、第四开关管(T4)；所述第一二极管(D1)、第二二极管(D2)之间设有中心点连接铜排(10)；第二开关管(T2)与第一二极管(D1)之间设有第一绝缘件(3)，第三开关管(T3)与第二二极管(D2)之间均设有第二绝缘件(4)；第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第一绝缘件(3)、第一二极管(D1)之间均设有散热板；第二二极管(D2)、第二绝缘件(4)、第三开关管(T3)、第四开关管(T4)之间也设有散热板；第一开关管(T1)与箱体外壁，第四开关管(T4)与箱体外壁之间也设有散热板。

箱体(1)安装有盖板(13)，盖板(13)上安装有各开关管对应的驱动电路模块(5、6、7、8)以及直流取电模块(9)；所述驱动电路模块靠近对应开关管的散热板位置。

第一电阻(R1)、第二电阻(R2)，第一电容(C1)、第二电容(C2)位于箱体外部，并列设置，并且通过中心点连接铜排(10)连接；第一电阻R1、第二电阻R2分别位于第一电容C1、第二电容C2下方。

第一二极管(D1)与第一绝缘件(3)间安装的散热器与第一开关管(T1)与第二开关管(T2)间安装的散热器底部有铜排(11)短接；第二二极管(D2)与第二绝缘件(4)间安装的水冷散热器与第三开关管(T3)与第四开关管(T4)间安装的水冷散热器底部有铜排(11)短接。

所述第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)、第四开关管(T4)为压接式IGBT；第一二极管(D1)、第二二极管(D2)为压接式二极管。

所述散热板为水冷散热板。

本实用新型的目的提供一种单相的IBGT三相功率模块，能够适应于风力发电要求，同时保证在相同的开关频率下，输出电压、电流谐波含量小，减少电网污染。本实用新型采用压接式IGBT和压接式二极管，按照特定的组合顺序和水冷散热器、绝缘件的配合使用，通过压接工艺使其成为一个完整的NPC三电平单相电路拓扑。同时模块内部集成有母线支撑电容、IGBT驱动电路、母线泻放电路、直流取电电路，使模块完成，达到安装简单、维护方便的目的，其结构紧凑，布局合理，节省空间而且散热性能好。

驱动电路模块和直流取电模块均设置在箱体外侧，方便进行拆装。散热器采用水冷散热器，驱动电路模块安装于IGBT临近的水冷散热器上方。

附图说明

图1是本实用新型实施例的IGBT三电平功率模块电气原理图；

图2是本实用新型实施例的IGBT三电平功率模块前视图(去掉箱体前面板)；

图3是图2的俯视图(去掉箱体盖板)；

1箱体，2散热板，3第一绝缘件，4第二绝缘件，5、6、7、8驱动电路模块，9直流取电模块，10中心连接点连接铜排，11第一连接铜排，12第二连接铜排，13盖板。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1所示的一种IGBT三电平功率模块，为单相的上下桥臂部分，包括第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4(T1、T2、T3、T4均为IGBT)，第一二极管D1、第二二极管D2，第一电阻R1、第二电阻R2，第一电容C1、第二电容C2；T1、T2、D1、R1、C1属于上桥臂，T3、T4、D2、R2、C2属于下桥臂。T1、T2分别用于连接直流母线，T2、T3连接点用于连接交流侧。第一电阻R1、第二电阻R2构成泻放回路。

IGBT三电平功率模块包括箱体1，箱体中依次并列间隔固定设置第一开关管T1、第二开关管T2、第一二极管D1、第二二极管D2，以及第三开关管T3、第四开关管T4；所述第一二极管D1、第二二极管D2之间设有中心点连接铜排10；第二开关管T2与第一二极管D1之间设有第一绝缘件3，第三开关管T3与第二二极管D2之间均设有第二绝缘件4；第一开关管T1、第二开关管T2、第一绝缘件3、第一二极管D1之间均设有散热板；第二二极管D2、第二绝缘件4、第三开关管T3、第四开关管T4之间也设有散热板；第一开关管T1与箱体外壁，第四开关管T4与箱体外壁之间也设有散热板(图中仅标识了一个散热板2)。

箱体1的盖板上安装驱动电路模块5、6、7、8以及直流取电模块。

第一电阻R1、第二电阻R2，第一电容C1、第二电容C2位于箱体外部，C1、C2并列设置，通过中心点连接铜排10连接。第一电阻R1、第二电阻R2分别位于第一电容C1、第二电容C2下方。

具体的，本实施例的IGBT三电平功率模块结构如图2、图3所示，上述开关管、二极管均为压接式结构；电容C1、C2为金属薄膜电容。如图2，压接式IGBT和压接式二极管的压接顺序为T1、T2、D1、D2、T3、T4。散热板采用水冷散热器。T1左侧与压接组件间安装一块水冷散热器，T1与T2间安装一块水冷散热器，T2与绝缘件1间安装一块水冷散热器，D1与绝缘件1间安装一块水冷散热器，D1与D2间安装中心点连接铜排，D2与绝缘件2间安装一块水冷散热器，T3与绝缘件2间安装一块水冷散热器，T3与T4间安装一块水冷散热器，T4右侧与压接组件间安装一块水冷散热器。D1与第一绝缘件3间安装的水冷散热器与T1与T2间安装的水冷散热器底部有铜排11短接。D2与第二绝缘件4间安装的水冷散热器与T3与T4间安装的水冷散热器底部有铜排12短接。

IGBT驱动电路模块和直流取电回路的安装位置。IGBT驱动电路的门极、集电极、发射极与IGBT的门极、集电极、发射极间采用同轴线连接，且线外有磁环，防止电磁误操作的发生。同时驱动电路模块集成了IGBT过流保护、IGBT过压保护、短路检测保护、门触发驱动电源检测保护、脉冲宽度检测保护。

直流取电模块由母线支撑电容的正负极进行供电，当母线支撑电容电压达到300V以上时，直流取电电源模块启动，为驱动回路提供+24V输出。

直流取电回路输入端与正负母线即C1的正极与C2间负极连接。输出端与各水冷散热器上方的驱动电路模块的电源输入端连接，为驱动电路模块提供+24V电源。同时直流取电安装模块中引出过温信号和温度测量模拟量信号。过温信号使用温度继电器用U行绝缘件固定在陶瓷片上陶瓷片与水冷散热器接触面用导热硅脂涂匀后用螺丝紧固在水冷散热器上。温度测量模拟量信号使用热电偶用U行绝缘件固定在陶瓷片上陶瓷片与水冷散热器接触面用导热硅脂涂匀后用螺丝紧固在水冷散热器上。

温度采集使用热敏电阻，过温保护使用温度继电器，两者均安装在水冷板上。由于压接式IGBT的水冷散热器需要导电所以水冷散热器中存在较高的电压，为此热敏电阻与温度继电器均不能直接安装在水冷散热器上方，中间需要增加陶瓷片且热敏电阻与温度继电器与陶瓷片间需要U型固定架进行固定。

图3是压接式IGBT的三电平功率模块俯视布置图，该图标明金属薄膜电容C1、C2的位置。C1的负极与C2间正极短接，其短接的中点与压接模块中的中心点连接铜排10连接。C1的正极与T1左侧与压接组件间安装的水冷散热器连接。C2的负极与T4右侧与压接组件间安装的水冷散热器连接。

金属薄膜电容C1、C2的的下方安装有泻放回路R1、R2。R1一端与直流母线正极连接，R1另一端与R2的一端短接并连接到电容中心点。R2的另一端与直流母线负极连接。

本实用新型所述的母线支撑电容采用两个金属薄膜电容，两个电容串联使用，同时引出正负极和电容串联中心点以供开关元件使用。同时电容正负连接高阻值的水冷厚膜电阻，形成母线泻放回路，使模块在不进行操作时，尽快泻放电容电压，确保维护安全。电容串联中心点除与开关元件连接外，还需要与模块整体接地连接在一起，减少模块整体的对地的悬浮电压。

功率模块对外提供过温保护接口和温度采集的模拟量传输。模块整体由4路光纤控制IGBT的导通与关断，同时模块对外提供4路光纤反馈信号，供判断IGBT在运行过程中是否出现故障，由光纤反馈的故障有IGBT过流保护、IGBT过压保护、短路检测保护、门触发驱动电源检测保护、脉冲宽度检测保护。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种IGBT三电平功率模块，为一相的上下桥臂部分，包括第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)、第四开关管(T4)，第一二极管(D1)、第二二极管(D2)，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)，第一电容(C1)、第二电容(C2)；其特征在于： 

IGBT三电平功率模块包括箱体(1)，箱体中依次并列间隔固定设置第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)，以及第三开关管(T3)、第四开关管(T4)；所述第一二极管(D1)、第二二极管(D2)之间设有中心点连接铜排(10)；第二开关管(T2)与第一二极管(D1)之间设有第一绝缘件(3)，第三开关管(T3)与第二二极管(D2)之间均设有第二绝缘件(4)；第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第一绝缘件(3)、第一二极管(D1)之间均设有散热板；第二二极管(D2)、第二绝缘件(4)、第三开关管(T3)、第四开关管(T4)之间也设有散热板；第一开关管(T1)与箱体外壁，第四开关管(T4)与箱体外壁之间也设有散热板。 

2.根据权利要求1所述的一种IGBT三电平功率模块，其特征在于，箱体(1)安装有盖板(13)，盖板(13)上安装有各开关管对应的驱动电路模块(5、6、7、8)以及直流取电模块(9)；所述驱动电路模块靠近对应开关管的散热板位置。 

3.根据权利要求2所述的一种IGBT三电平功率模块，其特征 在于，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)，第一电容(C1)、第二电容(C2)位于箱体外部，并列设置，并且通过中心点连接铜排(10)连接；第一电阻(R1)、第二电阻(R2)分别位于第一电容(C1)、第二电容(C2)下方。 

4.根据权利要求3所述的一种IGBT三电平功率模块，其特征在于，第一二极管(D1)与第一绝缘件(3)间安装的散热器与第一开关管(T1)与第二开关管(T2)间安装的散热器底部有铜排(11)短接；第二二极管(D2)与第二绝缘件(4)间安装的水冷散热器与第三开关管(T3)与第四开关管(T4)间安装的水冷散热器底部有铜排(11)短接。 

5.根据权利要求1所述的一种IGBT三电平功率模块，其特征在于，所述第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)、第四开关管(T4)为压接式IGBT；第一二极管(D1)、第二二极管(D2)为压接式二极管。 

6.根据权利要求1所述的一种IGBT三电平功率模块，其特征在于，所述散热板为水冷散热板。