CN216699800U - 一种高压变频器功率单元装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高压变频器功率单元装置，包括：集成式功率器件，集成式功率器件集成整流功率器件和两个逆变功率器件，且所述逆变功率器件配设有门极适配板和吸收电容；第一PCB板，第一PCB板集成功率单元控制板、所述门极适配板、所述吸收电容和旁路继电器；支撑电容组件和电源板；所述支撑电容组件和所述电源板连接于所述第一PCB板上；所述集成式功率器件上设有插针式对接端子，所述第一PCB板上设有插针孔，所述插针式对接端子插入所述插针孔内并焊接固定。本实用新型具有结构简洁、紧凑，方便组装，有利于提高功率密度和可靠性等优点。

Description

一种高压变频器功率单元装置

技术领域

本实用新型涉及变频器技术领域，尤其涉及一种高压变频器功率单元装置，适用于级联型高压变频器的功率单元。

背景技术

高压变频器在冶金、化工、电力、市政供水和采矿等行业中广泛应用，能显著的降低工业生产能耗。功率单元做为高压变频器的核心部件，对变频器的体积大小、功率密度、可靠性和成本占据主导影响。

高压变频器功率单元典型电路拓扑如图1所示。外部输入的三相交流由6个二极管构成的三向整流桥整流成直流，经过中间支撑电容器组件的滤波和稳压后，输送给由4个IGBT(insulated gate bipolar transistor,绝缘栅双极型晶体管)组成的单H桥逆变电路，在功率单元控制板的驱动与控制下，逆变成频率和幅值可变的交流。基于该电路拓扑，目前高压变频器功率单元架构方案基本如专利文献CN 213094065U所示：采用一个独立的三相整流桥功率器件与两个逆变功率器件，按一定布局方式安装在散热器上，整流功率器件直流输出端子与逆变功率器件输入端子采用铜排进行连接，逆变功率器件通常还组装有门极适配板与吸收电容；中间直流支撑电容的电容器，通常采用正负铜排、绝缘层压合形式低感母排来降低杂感，并通过引出的正、负直流端子与主功率器件(整流功率器件、逆变功率器件)直流回路相连；电源板、功率单元控制板、旁路功能器件、温度传感器等部件都是分散布置，靠大量线束相互连接。

为满足功率单元简易、轻便、高功率密度、高可靠性、低成本、易维护的发展趋势，现有高压变频器功率单元架构方案，存在以下不足：

1)独立、分散布局的整流功率器件、逆变功率器件，所需散热器体积更大，整流与逆变间也还需要额外铜排来连接，布局分散，紧凑性差，组装也更复杂、耗时。

2)功率单元控制板、旁路功能器件、主功率器件三者间还需要借助大量的线缆进行转接，线束布局更复杂，组装更耗时，驱动信号也容易受干扰，可靠性差。

3)只能在散热器台面上额外安装温度继电器或温度传感器来做过温保护功能。

高压变频器功率单元在传统架构方案下，仅仅依靠优化结构布局、降低物料成本等常规举措，已经很难实现功率单元的功率密度与可靠性持续提升、成本持续降低。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简洁、紧凑，方便组装，有利于提高功率密度和可靠性的高压变频器功率单元装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种高压变频器功率单元装置，包括：

集成式功率器件：集成整流功率器件和两个逆变功率器件，且所述逆变功率器件配设有门极适配板和吸收电容；

第一PCB板(Printed Circuit Board，印刷电路板，下同)：集成功率单元控制板、所述门极适配板、所述吸收电容和旁路继电器；

支撑电容组件和电源板；

所述支撑电容组件和所述电源板连接于所述第一PCB板上；

所述集成式功率器件上设有插针式对接端子，所述第一PCB板上设有插针孔，所述插针式对接端子插入所述插针孔内并焊接固定。

作为上述技术方案的进一步改进：所述集成式功率器件还集成有温度传感器。

作为上述技术方案的进一步改进：所述集成式功率器件安装于一散热基板上，所述散热基板上设有散热翅片，所述第一PCB板位于所述集成式功率器件远离所述散热基板的一侧。

作为上述技术方案的进一步改进：所述支撑电容组件位于所述第一PCB板下方，所述散热基板下方安装有放电电阻。

作为上述技术方案的进一步改进：所述支撑电容组件包括支撑电容器及设于支撑电容器上方的低感母排，所述低感母排通过直流连接母排组件与所述第一PCB板连接。

作为上述技术方案的进一步改进：所述低感母排包括第二PCB板及分层铺设于第二PCB板的正负极铜箔。

作为上述技术方案的进一步改进：所述第一PCB板与所述散热基板之间设有绝缘支撑柱。

作为上述技术方案的进一步改进：所述第一PCB板前侧自上而下依次设有光纤接口、级联输出母排组件和三相交流输入母排组件，所述旁路继电器和所述电源板设于所述第一PCB板后侧且旁路继电器位于电源板上方。

作为上述技术方案的进一步改进：还包括壳体，所述壳体前侧与所述支撑电容组件对应处设有第一进风口且与所述散热翅片对应处设有第二进风口，壳体后侧与所述支撑电容组件对应处设有第一出风口且与所述散热翅片对应处设有第二出风口。

作为上述技术方案的进一步改进：所述壳体包括主体框架、及设于主体框架上的可拆卸顶板和可拆卸侧板，所述旁路继电器和所述电源板均位于所述可拆卸侧板与所述第一PCB板之间。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型公开的高压变频器功率单元装置，相比传统的功率单元一个整流功率器件、两个逆变功率器件分散式布局架构方案，采用集成式功率器件，集成整流和两个逆变单一功率器件，不再需要用铜排连接整流输出与逆变输入接口，部件数量减少，结构布局简洁、紧凑，可靠性更高；将传统分散布局的门极适配板、吸收电容、旁路继电器与功率单元控制板做集成化设计，并采用焊接各接口端子的板载形式与集成式功率器件连接，功率单元结构布局更为简洁、紧凑，传统方案的直流电压采集线束、交流输入缺相检测线束、功率器件驱动线束、旁路功能连接线束都不再需要，电气部件分散程度降低，连接铜排数少，整个功率单元线束大幅度减少，功率密度与可靠性得以显著提升，生产组装、维护更加便捷、高效，整体成本也大幅降低。

进一步地，集成式功率器件集成温度传感器，不需要单独在散热器上安装温度传感器，也不需要温度采样线束，功率器件过温保护更准确。

附图说明

图1是高压变频器功率单元主电路拓扑图。

图2是本实用新型高压变频器功率单元装置的立体结构示意图。

图3是本实用新型高压变频器功率单元装置的前视结构示意图。

图4是本实用新型高压变频器功率单元装置的后视结构示意图。

图5是本实用新型中的壳体分解后的结构示意图。

图6是本实用新型中的集成式功率器件和第一PCB板分解后的结构示意图。

图7是本实用新型中的支撑电容组件的立体结构示意图。

图中各标号表示：1、集成式功率器件；11、插针式对接端子；2、第一PCB板；21、光纤接口；22、级联输出母排组件；23、三相交流输入母排组件；24、插针孔；3、壳体；31、第一进风口；32、第二进风口；33、第一出风口；34、第二出风口；35、主体框架；36、可拆卸顶板；37、可拆卸侧板；38、出风口风道支架；39、底板；4、旁路继电器；5、支撑电容组件；51、支撑电容器；52、低感母排；53、直流连接母排组件；54、第二PCB板；6、电源板；7、散热基板；71、散热翅片；72、绝缘支撑柱；8、放电电阻。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

图2至图7示出了本实用新型高压变频器功率单元的一种实施例，本实施例的高压变频器功率单元装置，主要包括壳体3和电气部分。

壳体3的正面与背面设置了功率单元主要对外接口。光纤通信、级联输出、三相交流输入等接口由上到下布置于壳体3正面上方左侧，相对应的，壳体3正面上方右侧布置有第二进风口32，用于散热器的散热冷却；正面中部偏下布置了警示标牌；正面下方则设置了用于支撑电容组件5散热冷却的第一进风口31，优选的第一进风口31包括多个腰圆形散热孔，散热孔采用倾斜45°等间距阵列布置，提升支撑电容组件5的散热效率，并与警示标识等一同提升了功率单元整体工业设计的美观性与辨识度。壳体3背面主要是设计了与变频器机组相连的第二出风口34、第一出风口33。外部冷却空气通过第一进风口31进入壳体3内部，吸收支撑电容组件5产生的热量，然后从背面的第一出风口33排出；外部冷却空气通过第二进风口32进入壳体3内部，吸收散热器的散热翅片71等的热量，然后从背面的第二出风口34排出，有利于集成式功率器件1散热降温。

壳体3作为功率单元内部器件与电路连接的机械载体，主要包括主体框架35、出风口风道支架38、底板39、可拆卸顶板36和左侧的可拆卸侧板37。壳体3各部件结构形式简单，优选的均通过常规的钣金件折弯、冲孔工艺加工而成。为尽可能减少壳体3的零部件数量，同时又便于生产组装和维护，主体框架35采用一体式的U形框架，U形框架开口朝向左侧，将不需要拆卸的底板39、出风口风道支架38与U形框架采用铆钉连接，而需要拆卸以维护功率单元的顶板和左侧板等部件则采用螺栓连接方式。壳体3整体结构合理、机械强度高，方便后续功率单元维护。

功率单元电气部分主要包含第一PCB板2、集成式功率器件1、散热器、放电电阻8、电源板6、三相交流输入母排组件23、级联输出母排组件22、直流连接母排组件53、支撑电容组件5。电源板6与集成式功率器件1一左一右布置于第一PCB板2的两侧，散热器的散热翅片71位于集成式功率器件1的右侧，支撑电容组件5则紧挨着集成式功率器件1直流接口布置于下方，三相交流输入母排组件23与级联输出母排组件22则是紧挨着集成式功率器件1对应接口端子布置于前侧。功率单元电气件布局简洁、紧凑，输入、输出对外接口布局合理，交、直流转接排连接路径短、结构简单。散热基板7作为集成式功率器件1安装与散热载体，前端与壳体3的前面板通过共用母排支撑绝缘子来固定，后端通过出风口风道支架38固定于壳体3上。

集成式功率器件1用于将三相输入电源整流成直流，并进一步将直流逆变输出成频率、幅值可变的交流。不同于传统一个三相整流桥功率器件与两个逆变功率器件分散式布局架构方案，本实用新型提出集成式功率器件1，采用集成整流、逆变和温度检测功能的单一功率器件，该集成式功率器件1将驱动控制、三相交流输入、整流输出、逆变输入、交流输出、温度信号等接口通过器件内部引出的插针式对接端子11布置在四周。功率器件采用单一集成式封装方案，整流输出与逆变输入之间不再需要传统分散布局方式下的连接铜排，结构布局更简洁、紧凑，电路连接可靠性更高。

第一PCB板2用于实现功率单元与上层机组控制器通讯、驱动功率器件的开通关断，实时保护功率器件和其他相关部件。本实用新型第一PCB板2将传统分散布局的门极适配板、降低过电压的吸收电容、旁路继电器4、主电路交直流接口与功率单元控制板做集成设计。同时受益于集成式功率器件1采用整流、逆变集成化的封装方案和插针式对接端子11，功率单元第一PCB板2采用锡焊端子的板载形式与集成式功率器件1相连，并合理布置若干绝缘支撑柱72来进行第一PCB板2的辅助固定，避免第一PCB板2受力变形而损坏。第一PCB板2的光纤接口21、级联输出接口、三相交流输入接口从上至下依次布置于前侧，通过壳体3开设的接口孔、级联输出母排组件22、三相交流输入母排组件23引出到功率单元正面；直流端接口设计在第一PCB板2下方，通过直流连接母排组件53与支撑电容组件5接口互联；旁路继电器4紧挨着级联输出接口布置在第一PCB板2上方。第一PCB板2与集成式功率器件1采用板载式的集成设计方案后，第一PCB板2对外线束只剩一组与电源板6互联的正负电源输入线，传统方案的温度采样线束、直流电压采集线束、交流输入缺相检测线束、功率器件驱动线束、旁路功能连接线束都不再需要，通过第一PCB板2内部电路即可实现互联。

放电电阻8用于功率单元支撑电容组件5均压与维护时快速放电，布置在散热基板7下侧边，以便尽可能减短与支撑电容组件5的电缆连接长度。

电源板6紧挨着第一PCB板2，优选通过支撑柱等固定于壳体3的可拆卸侧板37上，电源板6从下方的支撑电容组件5取能，然后转换成15V直流电源供给第一PCB板2。

支撑电容组件5包括支撑电容器51和低感母排52，通过支撑电容器51尾部的螺纹杆安装在壳体3的底板39上。进一步地，该低感母排52不同于传统正负铜板加绝缘层压合的设计方案，而是采用在第二PCB板54上分层铺设正、负极铜箔的工艺方案，使得低感母排52结构设计更简单、成本更低。支撑电容组件5在低感母排52设计有正负接口端子，通过直流连接母排组件53与上方第一PCB板2直流接口端子相连，可对中间回路直流电压起到稳压作用。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种高压变频器功率单元装置，其特征在于：包括：

集成式功率器件(1)：集成整流功率器件和两个逆变功率器件，且所述逆变功率器件配设有门极适配板和吸收电容；

第一PCB板(2)：集成功率单元控制板、所述门极适配板、所述吸收电容和旁路继电器(4)；

支撑电容组件(5)和电源板(6)；

所述支撑电容组件(5)和所述电源板(6)连接于所述第一PCB板(2)上；

所述集成式功率器件(1)上设有插针式对接端子(11)，所述第一PCB板(2)上设有插针孔(24)，所述插针式对接端子(11)插入所述插针孔(24)内并焊接固定。

2.根据权利要求1所述的高压变频器功率单元装置，其特征在于：所述集成式功率器件(1)还集成有温度传感器。

3.根据权利要求1所述的高压变频器功率单元装置，其特征在于：所述集成式功率器件(1)安装于一散热基板(7)上，所述散热基板(7)上设有散热翅片(71)，所述第一PCB板(2)位于所述集成式功率器件(1)远离所述散热基板(7)的一侧。

4.根据权利要求3所述的高压变频器功率单元装置，其特征在于：所述支撑电容组件(5)位于所述第一PCB板(2)下方，所述散热基板(7)下方安装有放电电阻(8)。

5.根据权利要求4所述的高压变频器功率单元装置，其特征在于：所述支撑电容组件(5)包括支撑电容器(51)及设于支撑电容器(51)上方的低感母排(52)，所述低感母排(52)通过直流连接母排组件(53)与所述第一PCB板(2)连接。

6.根据权利要求5所述的高压变频器功率单元装置，其特征在于：所述低感母排(52)包括第二PCB板(54)及分层铺设于第二PCB板(54)的正负极铜箔。

7.根据权利要求3所述的高压变频器功率单元装置，其特征在于：所述第一PCB板(2)与所述散热基板(7)之间设有绝缘支撑柱(72)。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的高压变频器功率单元装置，其特征在于：所述第一PCB板(2)前侧自上而下依次设有光纤接口(21)、级联输出母排组件(22)和三相交流输入母排组件(23)，所述旁路继电器(4)和所述电源板(6)设于所述第一PCB板(2)后侧且旁路继电器(4)位于电源板(6)上方。

9.根据权利要求8所述的高压变频器功率单元装置，其特征在于：还包括壳体(3)，所述壳体(3)前侧与所述支撑电容组件(5)对应处设有第一进风口(31)且与所述散热翅片(71)对应处设有第二进风口(32)，壳体(3)后侧与所述支撑电容组件(5)对应处设有第一出风口(33)且与所述散热翅片(71)对应处设有第二出风口(34)。

10.根据权利要求9所述的高压变频器功率单元装置，其特征在于：所述壳体(3)包括主体框架(35)、及设于主体框架(35)上的可拆卸顶板(36)和可拆卸侧板(37)，所述旁路继电器(4)和所述电源板(6)均位于所述可拆卸侧板(37)与所述第一PCB板(2)之间。

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