CN211018625U - 分体式三并联igbt功率组件、变流器以及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

公开一种分体式三并联IGBT功率组件、变流器以及风力发电机组。分体式三并联IGBT功率组件包括：电容池、L型复合母排、功率单元及凸字型复合母排；电容池安装于L型复合母排的第一端，功率单元经由凸字型复合母排与L型复合母排的第二端电连接，且功率单元垂直于电容池；凸字型复合母排上凸出的一侧依次设有三对第一直流连接端，非凸出的一侧设有一对第二直流连接端，各第一直流连接端到第二直流连接端的电流路径长度相等；功率单元包括三个并联的IGBT模块，各IGBT模块的直流端分别与一对第一直流连接端连接；各IGBT模块的交流端并联连接到功率单元的总交流输出端。分体式三并联IGBT功率组件具有理想均流设计效果。

Description

分体式三并联IGBT功率组件、变流器以及风力发电机组

技术领域

本实用新型涉及一种分体式三并联IGBT功率组件，更具体地讲，涉及一种具有理想均流设计效果的分体式三并联IGBT功率组件。

背景技术

随着技术的发展，IGBT功率组件广泛应用于各种电子装置中。为了便于维护，IGBT功率组件中的功率单元和直流支撑电容通常具有能够物理上分隔开的形式(即，分体式电容池方案)，从而达到降低功率单元的体积和重量以便于维护的目的。

然而，将功率单元和直流支撑电容物理上分隔开会不可避免地带来直流回路杂散电感提高的问题，这将增加IGBT的过电压应力。特别的，当IGBT 采用并联技术方案时，如果不能实现理想的均流效果，将会放大IGBT的过电压应力水平，导致需要限制IGBT的电流，使得IGBT电流利用率下降，系统容量下降并且提高了成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有理想均流设计效果的分体式三并联 IGBT功率组件。

根据本实用新型构思的一个实施例，提供一种分体式三并联IGBT功率组件，所述分体式三并联IGBT功率组件包括：电容池、L型复合母排、功率单元及凸字型复合母排；所述电容池安装于所述L型复合母排的一端，所述功率单元经由所述凸字型复合母排与所述L型复合母排的另一端电连接，且所述功率单元垂直于所述电容池；所述凸字型复合母排上凸出的一侧依次设有三对第一直流连接端，非凸出的一侧设有一对第二直流连接端，各所述第一直流连接端到第二直流连接端的电流路径长度相等；所述功率单元包括三个并联的IGBT模块，各所述IGBT模块的直流端分别与一对所述第一直流连接端连接；各所述IGBT模块的交流端并联连接到所述功率单元的总交流输出端。

可选地，所述分体式三并联IGBT功率组件还包括：L型接头，所述凸字型复合母排通过所述L型接头与所述L型复合母排连接；其中，所述L型接头的一侧与所述凸字型复合母排平行连接，另一侧与所述L型复合母排平行连接。

可选地，所述分体式三并联IGBT功率组件还包括三个交流铜排，分别连接一个所述IGBT模块的交流端。

可选地，位于中间的IGBT模块的交流铜排通过Z型母排分别与两侧的 IGBT模块的交流铜排连接，位于两侧的IGBT模块的交流铜排分别通过汇流母排与所述总交流输出端连接；其中，三个所述交流铜排到所述总交流输出端的电流路径长度相等。

可选地，所述分体式三并联IGBT功率组件还包括一汇流母排，所述汇流母排上开有槽孔；三个所述交流铜排通过母排垂直连接所述汇流母排，且三个所述交流铜排与所述汇流母排构成山型结构；其中，三个所述交流铜排到所述总交流输出端的电流路径长度相等。

可选地，所述分体式三并联IGBT功率单元及凸字型复合母排的数量为多个，各所述功率单元分别通过一个所述凸字型复合母排与所述L型复合母排的所述第二端连接。

可选地，多个所述功率单元的厚度之和不大于所述电容池的宽度。

根据本实用新型构思的一个实施例，提供一种变流器，所述变流器包括如上所述的分体式三并联IGBT功率组件。

可选地，所述分体式三并联IGBT功率组件中包括三个功率单元，各所述功率单元分别通过一个所述凸字型复合母排与L型复合母排的所述第二端连接，组成三相变流器。

根据本实用新型构思的一个实施例，提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括如上所述的变流器。

通过将IGBT模块的电流路径长度设计为彼此相等，实现了交流阻抗的相一致，以及直流阻抗的相一致，这样使得三并联IGBT模块的总的阻抗相等，实现了三并联IGBT电流的理想均流设计效果。此外，通过设计电容池和功率单元的布置，使得功率密度得到提高。

附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本实用新型实施例的以上和/或其他方面将变得清楚和更容易理解，其中：

图1是示出根据本实用新型实施例的分体式三并联IGBT功率组件的正视图；

图2是示出根据本实用新型实施例的多个功率单元和多个凸字型复合母排的安装示意图；

图3是示出根据本实用新型实施例的L型接头的侧视图；

图4是示出根据本实用新型第一实施例的交流端与总交流输出端之间的连接结构的正视图；

图5是示出根据本实用新型第二实施例的交流端与总交流输出端之间的连接结构的正视图。

附图标记说明：

100，分体式三并联IGBT功率组件

110，电容池

120，L型复合母排

121，L型复合母排的第一端、第一部分或长端

122，L型复合母排的第二端、第二部分或短端

130，功率单元

131、132和133，IGBT模块

134，直流端

135，交流端

140，凸字型复合母排

141，一对第一直流连接端

142，一对第二直流连接端

145，功率单元和凸字型复合母排的封装

150，总电流输出端

160，L型接头

161，L型接头的第一侧、第一部分或长端

162，L型接头的第二侧、第二部分或短端

170，交流铜排

172，Z型母排

174，汇流母排

176，母排

178，槽孔

L，IGBT模块的长度

W1，IGBT模块的宽度

W2，电容池的宽度

H，多个IGBT模块的厚度

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本实用新型构思的实施例。

图1是示出根据实施例的分体式三并联IGBT功率组件的正视图。

参照图1，分体式三并联绝缘栅极晶体管(IGBT)功率组件100(在下文中，简称为功率组件100)可包括：电容池110、L型复合母排120、功率单元130及凸字型复合母排140。在一个示例中，功率组件100可应用于变流器。然而，示例不限于此，功率组件100可应用于各种器件中。在一个示例中，包含功率组件100的变流器可应用于风力发电机组。然而，示例不限于此，包含功率组件100的变流器可应用于各种设备中。本实用新型对功率组件100和包含功率组件100的变流器的具体应用不做具体限制。

L型复合母排120可采用L型的结构形式。具体地讲，L型复合母排120 可包括第一部分121和第二部分122，第一部分121和第二部分122彼此连接从而构成L型的结构形式。

电容池110可安装于(即，连接到或电连接到)L型复合母排120的第一端或第一部分121。电容池110可包括多个电容器，因此电容池110又可称为电容器组。在功率组件100应用于变流器的情况下，电容池110可包括变流器的多个直流支撑电容。如图1所示，电容池110的多个电容器可统一安装到(即，全部连接到或全部电连接到)L型复合母排120的第一端或第一部分121上。例如，在采用L型的结构形式的L型复合母排120具有长端121 和短端122的情况下，L型复合母排120的长端121可安装有(即，连接有或电连接有)电容池110的多个电容器，L型复合母排120的短端122可通过凸字型复合母排140与功率单元130相连接。然而，示例不限于此。

功率单元130可经由凸字型复合母排140与L型复合母排120的第二端或第二部分122电连接。如上所述，功率单元130可经由凸字型复合母排140 与L型复合母排120的短端122相连接。此外，如图1所示，功率单元130 可被安装为(即，设置为或布置为)垂直于电容池110。也就是说，功率单元130的长度方向(即，IGBT模块的长度L的方向)和宽度(即，IGBT模块的宽度W1的方向)方向形成的平面垂直于电容池110中的电容器组所形成的平面或者垂直于L型复合母排120的第二端或第二部分122的平面，并且功率单元130的厚度方向与电容池110平行。在一个优选实施例中，如图 1所示，功率单元130的长度方向和宽度方向形成的平面垂直于电容池110，并且功率单元130的长度方向和厚度方向均与电容池110平行，功率单元130 的宽度方向垂直于电容池110，从而提高功率组件100的功率密度。

功率单元130可包括三个并联的IGBT模块131、132和133。如图1所示，三个并联的IGBT模块131、132和133可彼此并排布置。在一个示例中，各IGBT模块131、132和133的直流端134可分别与一对第一直流连接端141 连接，各IGBT模块131、132和133的交流端135可并联连接到功率单元130 的总交流输出端150。

凸字型复合母排140上凸出的一侧可依次设有三对第一直流连接端141，并且每对第一直流连接端141可包括两个端子(未示出)。三对第一直流连接端141中的中间的一对第一直流连接端141可相对于位于两侧的第一直流连接端141向外凸出，从而三对第一直流连接端141可构成凸字型结构。此外，凸字型复合母排140上未凸出的一侧可设有一对第二直流连接端142。在一个优选示例中，各第一直流连接端141到第二直流连接端142的电流路径长度D可彼此相等，这样使得三个并联IGBT模块131、132和133的直流侧换流回路的杂散电感的大小基本一致，一方面保证了三并联IGBT模块的电压应力一致，另一方面使得三并联IGBT模块的直流侧的阻抗相等。

如上所述，由于电容池110采用复合母排的结构，并且与IGBT模块131、 132和133的直流端134连接的凸字型复合母排140也采用复合母排的结构，因此IGBT模块131、132和133与电容池110连接的直流回路杂散电感最小，从而降低了IGBT模块的电压应力。

图2是示出根据实施例的多个功率单元和多个凸字型复合母排的安装示意图。

参照图2，功率单元130及凸字型复合母排140的数量可以为多个。在功率单元130及凸字型复合母排140的数量为多个的情况下，功率单元130 的数量与凸字型复合母排140的数量可以彼此相等并且彼此一一对应，从而各功率单元130可分别通过相应的一个凸字型复合母排140与L型复合母排 120的第二端或第二部分122连接。

如图2所示，附图标号145表示如图1所示的一个功率单元130和对应的一个凸字型复合母排140的封装145。换言之，多个功率单元130可通过多个凸字型复合母排140统一安装在(即，连接到)L型复合母排120的第二端或第二部分122(例如，短端)。例如，多个封装145可统一安装在(即，全部连接到或全部电连接到)L型复合母排120的第二端或第二部分122。在这种情况下，多个功率单元130(或者，多个封装145)的厚度H之和可不大于电容池110的宽度W2，从而在充分利用空间的同时避免功率组件100 的尺寸增大。在一个优选示例中，功率单元130及凸字型复合母排140的数量可以分别为三个。在这种情况下，可形成三相功率单元与一个直流电容池连接的结构(即，三个独立的功率单元130(三相)共用同一个电容池110)，从而形成分体式结构方案。

图3是示出根据实施例的L型接头的侧视图。

参照图1和图3，功率组件100还可包括L型接头160，凸字型复合母排 140可通过L型接头160与L型复合母排120连接。L型接头160可包括第一侧161和第二侧162，第一侧161和第二侧162彼此连接从而形成L型形状。在一个示例中，L型接头160的第一侧161可与凸字型复合母排140平行连接(即，第一侧161与凸字型复合母排140平行)，L型接头160的第二侧162可与L型复合母排120平行连接(即，第二侧162与L型复合母排120 的第二端或第二部分122平行)。例如，在L型接头160具有长端161和短端 162的情况下，L型接头160的长端161可与凸字型复合母排140的第二直流连接端142平行连接，L型接头160的短端162可与L型复合母排120的短端122平行连接。因此，通过以上结构，可通过L型接头160将凸字型复合母排140与L型复合母排120连接，从而当拆除L型接头160与L型复合母排120电连接后，即可实现功率单元130和电容池110的物理分离，方便进行功率单元130的单独维护。

图4是示出根据第一实施例的交流端与总交流输出端之间的连接结构的正视图。

参照图4，功率组件100还可包括汇流母排174和三个交流铜排170。三个交流铜排170可分别连接一个IGBT模块的交流端135。因此，三个IGBT 模块131、132和133的交流端135可通过三个交流铜排170连接到总交流输出端150。在该连接结构中，位于两侧的IGBT模块131和133的交流铜排 170与汇流母排174之间的距离可相等，位于中间的IGBT模块132的交流铜排170可比位于两侧的IGBT模块131和133的交流铜排170更靠近汇流母排174。

如图4所示，位于中间的IGBT模块132的交流铜排170可通过Z型母排172分别与两侧的IGBT模块131和133的交流铜排170连接，位于两侧的IGBT模块131和133的交流铜排170可分别通过汇流母排174与总交流输出端150连接。在一个示例中，位于两侧的IGBT模块131和133的交流铜排170可经由母排176连接到汇流母排174。

在一个优选示例中，三个交流铜排170到总交流输出端150的电流路径长度可彼此相等。

例如，如图4所示，假设IGBT模块131的交流铜排170距离汇流母排 174的电流路径长度为X。对称地，假设IGBT模块133的交流铜排170距离汇流母排174的电流路径长度为X。此外，假设汇流母排174的电流路径长度为2X，并且总交流输出端150位于汇流母排174的中间。

对于两侧的IGBT模块131和133，IGBT模块131的交流铜排170距离总交流输出端150的电流路径长度为2X，IGBT模块133的交流铜排170距离总交流输出端150的电流路径长度为2X。

对于中间的IGBT模块132，可将Z型母排172的电流路径长度设计为 2X。在这种情况下，IGBT模块132的交流铜排170距离总交流输出端150 的电流路径长度为(2X+X+X)/2＝2X。因此，通过以上结构和设计，IGBT模块 131、132和133的交流铜排170距离总交流输出端150的电流路径长度均为 2X。当采用相同规格的交流铜排170并且母排176的宽度保持一致时，即可保证IGBT模块131、132和133的交流侧的均流效果。

应理解，以上关于汇流模块174的总电流路径长度的假设仅是说明性的，示例不限于此。例如，汇流模块174的总电流路径长度可以为其他值，只要保证Z型母排172的电流路径长度被设计为等于IGBT模块131或133的交流铜排170距离总交流输出端150的电流路径长度即可。

图5是示出根据第一实施例的交流端与总交流输出端之间的连接结构的正视图。

参照图5，与图4相同的是，功率组件100还可包括汇流母排174和三个交流铜排170。三个交流铜排170可分别连接一个IGBT模块的交流端135。因此，三个IGBT模块131、132和133的交流端135可通过三个交流铜排170 连接到总交流输出端150。

然而，参照图5，与图4不同的是，三个交流铜排170均可通过母排176 垂直连接到汇流母排174，且三个交流铜排170可与汇流母排174构成山型结构。在该山型结构中，位于两侧的IGBT模块131和133的交流铜排170 与汇流母排174之间的距离可相等，位于中间的IGBT模块132的交流铜排 170可比位于两侧的IGBT模块131和133的交流铜排170更靠近汇流母排 174。

此外，与图4不同的是，汇流母排174上还可开有槽孔178。槽孔178 被设计为使得从位于中间的IGBT模块132的交流铜排170经由母排176流到汇流母排174的电流必须绕着槽孔178向两边流动，以此增加位于中间的IGBT模块132的交流铜排170与总交流输出端150的电流路径长度。如图5 所示，槽孔178位于汇流母排174的正中心位置，即，槽孔178的上下边缘距离汇流母排174的最长端的距离相等，槽孔178的左右边缘距离位于两侧的IGBT模块131和133的交流铜排170的中心线距离相等。槽孔178的宽度可以被设计为很小，使得槽孔178的宽度不影响汇流母排174的等效宽度。例如，槽孔178的宽度可以是1mm。然而，示例不限于此。

在一个优选示例中，三个交流铜排170到总交流输出端150的电流路径长度可被彼此相等。

例如，如图5所示，假设IGBT模块131的交流铜排170距离汇流母排 174的电流路径长度为X，IGBT模块131的交流铜排170的中心线距离槽孔 178的左边缘的电流路径长度为Y。对称地，假设IGBT模块133的交流铜排 170距离汇流母排174的电流路径长度也为X，IGBT模块133的交流铜排170 的中心线距离槽孔178的右边缘的电流路径长度也为Y。此外，假设汇流母排174的总电流路径长度为2Z，并且总交流输出端150位于汇流母排174的中间。

对于两侧的IGBT模块131和133，IGBT模块131的交流铜排170距离总交流输出端150的电流路径长度为X+Y+Z/2，IGBT模块133的交流铜排 170距离总交流输出端150的电流路径长度为X+Y+Z/2。

对于中间的IGBT模块132，IGBT模块132的交流铜排170距离总交流输出端150的电流路径长度为((Z/2+Z/2)+(Z/2+Z/2))/2＝Z。

因此，将IGBT模块131和133的交流铜排170距离总交流输出端150 的电流路径长度设计为与IGBT模块132的交流铜排170距离总交流输出端 150的电流路径长度相等，即可保证三个交流铜排170到总交流输出端150 的电流路径长度可被彼此相等。也就是说，将X+Y+Z/2设计为等于Z(即， X+Y＝Z/2)，即可保证三个交流铜排170到总交流输出端150的电流路径长度可被彼此相等。

因此，通过以上结构和设计，IGBT模块131、132和133的交流铜排170 距离总交流输出端150的电流路径长度均相等。当采用相同规格的交流铜排 170并且母排176的宽度保持一致时，即可保证IGBT模块131、132和133 的交流侧的均流效果。

通过将IGBT模块131、132和133的电流路径长度设计为彼此相等，实现了交流阻抗的相一致，以及直流阻抗的相一致，这样使得三并联IGBT模块的总的阻抗相等，实现了三并联IGBT电流的理想均流设计效果。此外，通过设计电容池110和功率单元130的布置，使得功率密度得到提高。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本实用新型，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (10)

1.一种分体式三并联IGBT功率组件(100)，其特征在于，所述分体式三并联IGBT功率组件(100)包括：电容池(110)、L型复合母排(120)、功率单元(130)及凸字型复合母排(140)；

所述电容池(110)安装于所述L型复合母排(120)的一端(121)，所述功率单元(130)经由所述凸字型复合母排(140)与所述L型复合母排(120)的另一端(122)电连接，且所述功率单元(130)垂直于所述电容池(110)；

所述凸字型复合母排(140)上凸出的一侧依次设有三对第一直流连接端(141)，非凸出的一侧设有一对第二直流连接端(142)，各所述第一直流连接端(141)到第二直流连接端(142)的电流路径长度相等；

所述功率单元(130)包括三个并联的IGBT模块(131，132，133)，各所述IGBT模块的直流端(134)分别与一对所述第一直流连接端(141)连接；各所述IGBT模块的交流端(135)并联连接到所述功率单元(130)的总交流输出端(150)。

2.根据权利要求1所述的分体式三并联IGBT功率组件(100)，其特征在于，所述分体式三并联IGBT功率组件(100)还包括：L型接头(160)，所述凸字型复合母排(140)通过所述L型接头(160)与所述L型复合母排(120)连接；

其中，所述L型接头(160)的一侧(161)与所述凸字型复合母排(140)平行连接，另一侧(162)与所述L型复合母排(120)平行连接。

3.根据权利要求1所述的分体式三并联IGBT功率组件(100)，其特征在于，所述分体式三并联IGBT功率组件(100)还包括三个交流铜排(170)，分别连接一个所述IGBT模块的交流端(135)。

4.根据权利要求3所述的分体式三并联IGBT功率组件(100)，其特征在于，

位于中间的IGBT模块(132)的交流铜排(170)通过Z型母排(172)分别与两侧的IGBT模块(131，133)的交流铜排(170)连接，位于两侧的IGBT模块(131，131)的交流铜排(170)分别通过汇流母排(174)与所述总交流输出端(150)连接；其中，三个所述交流铜排(170)到所述总交流输出端(150)的电流路径长度相等。

5.根据权利要求3所述的分体式三并联IGBT功率组件(100)，其特征在于，所述分体式三并联IGBT功率组件(100)还包括一汇流母排(174)，所述汇流母排(174)上开有槽孔(178)；

三个所述交流铜排(170)通过母排(176)垂直连接所述汇流母排(174)，且三个所述交流铜排(170)与所述汇流母排(174)构成山型结构；其中，三个所述交流铜排(170)到所述总交流输出端(150)的电流路径长度相等。

6.根据权利要求1所述的分体式三并联IGBT功率组件(100)，其特征在于，所述功率单元(130)及凸字型复合母排(140)的数量为多个，各所述功率单元(130)分别通过一个所述凸字型复合母排(140)与所述L型复合母排(120)的另一端(122)连接。

7.根据权利要求6所述的分体式三并联IGBT功率组件(100)，其特征在于，多个所述功率单元(130)的厚度之和不大于所述电容池(110)的宽度。

8.一种变流器，其特征在于，所述变流器包括如权利要求1所述的分体式三并联IGBT功率组件(100)。

9.根据权利要求8所述的变流器，其特征在于，所述分体式三并联IGBT功率组件(100)中包括三个功率单元(130)，各所述功率单元(130)分别通过一个所述凸字型复合母排(140)与L型复合母排(120)的另一端(122)连接，组成三相变流器。

10.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如权利要求8所述的变流器。

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