CN219437472U - 功率组件和三电平变流器 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种功率组件和三电平变流器。所述功率组件包括：IGBT模块，包括一个或多个IGBT单元，每个所述IGBT单元包括具有第一热损耗的第一组IGBT和具有第二热损耗的第二组IGBT，其中，所述第一热损耗大于所述第二热损耗；以及液冷板，所述IGBT模块布置在所述液冷板上，所述液冷板包括第一流道和沿着冷却液流动路径布置在所述第一流道的下游的第二流道，其中，所述第一流道设置在所述第一组IGBT的下方，并且所述第二流道设置在所述第二组IGBT的下方。通过采用上述功率组件，能够优化IGBT模块的散热方案，提升液冷板的散热效率，减小IGBT运行温度差异。

Description

功率组件和三电平变流器

技术领域

本公开涉及功率组件的设计，更具体地涉及功率组件和包括该功率组件的三电平变流器，更特别地涉及功率组件中IGBT模块的散热结构。

背景技术

对于MW级别以上的三电平风电变流器，目前通常采用IGBT(绝缘栅极晶体管)多重化并联的方案，来构成高功率密度的IGBT模块，从而提高风电变流器的功率等级。IGBT的冷却一般采用液冷板冷却，即，将IGBT安装在液冷板上，设计液冷板流道并且在流道中输入冷却液，达到给IGBT散热的效果。

对于并联IGBT来说，不同的液冷板设计会影响IGBT的运行温度。如果IGBT的散热不均衡，会导致并联IGBT间不均衡电流的存在，加快器件的损坏速度，降低变流器的性能和可靠性，增加其运行维护成本。因此，液冷板的设计对IGBT模块和变流器的稳定运行至关重要。

现有液冷板散热方案通常采用并联流道设计，如图2所示，冷却液从液冷板30的冷却液入口37进入，通过连接冷却液入口37的一条主流道以及从主流道分支的多个彼此并联的冷却流道31、32、33、34、35和36到达各IGBT区域以按IGBT数量均匀分配流量，然后各个冷却流道31、32、33、34、35和36通过另一条主流道汇集并且从液冷板30的冷却液出口38流出。然而，当各个IGBT热损耗不同时，该方案可能无法达到理想的散热效率，将会导致各个IGBT间运行温度差异大，从而导致IGBT均流性能差。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述以及其他问题，本公开旨在提供一种功率组件，旨在优化液冷板冷却IGBT模块的散热方案，提高散热效率，减小各个IGBT间的温度差异，提升IGBT模块的均流特性和变流器的可靠性。

根据本公开的一方面，提供一种功率组件，包括：IGBT模块，包括一个或多个IGBT单元，每个所述IGBT单元包括具有第一热损耗的第一组IGBT和具有第二热损耗的第二组IGBT，其中，所述第一热损耗大于所述第二热损耗；以及液冷板，所述IGBT模块布置在所述液冷板上，所述液冷板包括第一流道和沿着冷却液流动路径布置在所述第一流道的下游的第二流道，其中，所述第一流道设置在所述第一组IGBT的下方，并且所述第二流道设置在所述第二组IGBT的下方。

优选地，所述第一流道可与所述第二流道串联地流体连通。

优选地，所述第一组IGBT可包括一个或多个IGBT，并且所述第一流道可包括与所述IGBT的个数对应的单个冷却流道或多个并联分支冷却流道。

优选地，所述第二组IGBT可包括一个或多个IGBT，并且所述第二流道可包括与所述IGBT的个数对应的单个冷却流道或多个并联分支冷却流道。

优选地，所述功率组件可用于三电平变流器，每个所述IGBT单元可包括用于产生三电平的3个IGBT，其中，每个所述IGBT单元中的所述第一组IGBT可包括2个IGBT，并且每个所述IGBT单元中的所述第二组IGBT可包括1个IGBT；并且其中，所述第一流道可包括彼此并联的两个分支冷却流道以分别冷却所述第一组IGBT中的2个IGBT，所述第二流道可包括单个冷却流道以冷却所述第二组IGBT中的1个IGBT，其中，经过所述两个分支冷却流道的冷却液可分别流入所述单个冷却流道中。

优选地，所述功率组件可用于三电平变流器，每个所述IGBT单元可包括用于产生三电平的3个IGBT，其中，每个所述IGBT单元中的所述第一组IGBT可包括1个IGBT，并且每个所述IGBT单元中的所述第二组IGBT可包括2个IGBT；并且其中，所述第一流道可包括单个冷却流道以冷却所述第一组IGBT中的1个IGBT，所述第二流道可包括彼此并联的两个分支冷却流道以分别冷却所述第二组IGBT中的2个IGBT，其中，经过所述单个冷却流道的冷却液可分支地流入所述两个分支冷却流道中。

优选地，所述IGBT模块中的全部IGBT可呈单排或双排地布置在所述液冷板上。

优选地，所述第一流道和所述第二流道可在第一方向上彼此间隔开地布置并且沿横向于所述第一方向的第二方向延伸，所述第一流道和所述第二流道中的冷却液的流动方向总体上可沿所述第二方向同向流动。

优选地，所述IGBT模块可布置在所述液冷板的彼此相对的两个表面上。

根据本公开的另一方面，提供一种三电平变流器，包括根据上述功率组件。

通过采用本公开提供的上述功率组件，充分利用液冷板的冷却液流场自身的热分布梯度特性来针对各个IGBT间的不同热损耗，从而优化IGBT模块的散热方案，提升液冷板的散热效率，减小IGBT(并联或串联)运行温度差异。

由此，进而能够提高IGBT模块的均流特性，降低IGBT模块的故障率。

此外，还能够提高功率组件、包括该功能组件的风电变流器(特别是三电平变流器)的可靠性。进一步地，通过散热方案的优化，可以实现大电流功率等级的风电变流器。

附图说明

图1示出了根据本实用新型的实施例的液冷板和IGBT模块的布局示意图；

图2示出了现有技术中的液冷板的冷却流道的示意图；

图3示出了根据本实用新型的实施例的液冷板的冷却流道的示意图；以及

图4示出了液冷板的两个表面安装IGBT模块的示意图。

附图标记说明：

100-功率组件；200-IGBT模块；300-液冷板；10-IGBT单元；20-IGBT单元；30-液冷板；31-冷却流道；32-冷却流道；33-冷却流道；34-冷却流道；35-冷却流道；36-冷却流道；37-冷却液入口；38-冷却液出口；301-第一冷却流道；302-第二冷却流道；303-第三冷却流道；304-第四冷却流道；305-第五冷却流道；306-第六冷却流道；312-中间流道；332-中间流道；345-中间流道；365-中间流道；310-冷却液入口；320-冷却液出口；311-主流入流道；321-主流出流道。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本实用新型的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本实用新型造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

如图1所示，本公开提供的功率组件100可包括一个或多个IGBT模块200，每个IGBT模块200可包括一个或多个IGBT单元10、20，每个IGBT单元10、20可包括一个或多个IGBT。在本公开中，优选地，选用PP3封装的IGBT模块，这种封装方式可以实现高功率IGBT模块，进而可以实现大电流功率等级的风电变流器。

图1中示例性地示出了IGBT模块200，优选为三电平风电变流器IGBT模块，IGBT模块200包括2个IGBT单元10、20，并且每个IGBT单元10、20各自包括3个IGBT，即，IGBT单元10包括IGBT1、IGBT2和IGBT3，并且IGBT单元20可包括IGBT4、IGBT5和IGBT6。然而，本公开不限于此，IGBT模块200的数量、每个IGBT模块200中包括的IGBT单元的数量以及每个IGBT单元中包括的IGBT的数量可根据IGBT模块的拓扑结构以及变流器所需功率来确定。

对于三电平风电变流器IGBT模块而言，每个IGBT单元中的各个IGBT的热损耗不同。例如，以图1所示的示例性功率组件100为例，在IGBT单元10中，IGBT1和IGBT3的热损耗功率较大，而IGBT2的热损耗功率较小，同样地，在IGBT单元20中，IGBT4和IGBT6的热损耗功率较大，而IGBT5的热损耗功率较小。

因此，本公开提出利用液冷板的冷却液流场自身的热分布梯度特性来针对IGBT的不同热损耗，从而优化IGBT模块的散热方案，提升液冷板的散热效率，减小IGBT运行温度差异。

总体而言，可以根据IGBT的热损耗，对每个IGBT单元中的各个IGBT进行分组，液冷板中的冷却液在对一部分IGBT冷却之后，温度会有所上升，也就是说，在冷却液流动路径中，下游流道的冷却液的温度会比上游流道的冷却液的温度高，也就是说，冷却液流场自身存在特定的热分布梯度。本公开巧妙地利用这一点，利用温度较低的冷却液来冷却热损耗较高的IGBT分组，并且利用温度相对升高的冷却液来冷却热损耗较低的IGBT分组，很显然温度角度的冷却液的冷却效果更优，由此可以减小各个IGBT间的温度差异，进而提升IGBT模块的均流特性和变流器的可靠性。

例如，在公开的示例性实施例中，每个IGBT单元10、20可包括具有第一热损耗的第一组IGBT和具有第二热损耗的第二组IGBT，第一热损耗可大于第二热损耗。另外，IGBT模块200可布置在液冷板300上，液冷板300可包括第一流道和沿着冷却液流动路径布置在第一流道的下游的第二流道，并且第一流道可设置在第一组IGBT的下方，以利用温度相对较低的冷却液来冷却热损耗较高的第一组IGBT，并且第二流道设置在第二组IGBT的下方，以利用温度相对升高的冷却液来冷却热损耗相对较低的第二组IGBT，最终达到各个IGBT之间的温度均布。

优选地，第一流道可与第二流道串联地流体连通。流过第一流道的冷却液在对第一组IGBT进行冷却之后，温度升高，接着进入与第一流道串联的第二流道。

此外，根据IGBT模块的拓扑结构，第一组IGBT可包括一个或多个IGBT，对应地，第一流道可包括与IGBT的个数对应的单个冷却流道或多个并联分支冷却流道，使得每个IGBT处布置有对应的流道。

此外，第二组IGBT可包括一个或多个IGBT，对应地，第二流道可包括与IGBT的个数对应的单个冷却流道或多个并联分支冷却流道，使得每个IGBT处布置有对应的流道。

由此，采用冷却流道串并联组合的方式来对IGBT模块进行冷却，相比于传统上按IGBT数量均匀分配流量并联散热的方案而言(如图2所示)，能够与实现良好的温度均衡。

更具体地，如图1和图3所示，本公开的功率组件100用于三电平变流器，每个IGBT单元10、20包括用于产生三电平的3个IGBT。每个IGBT单元10、20中的第一组IGBT包括2个IGBT，并且每个IGBT单元10、20中的第二组IGBT包括1个IGBT。也就是说，IGBT单元10中的第一组IGBT包括热损耗相对较高的IGBT1和IGBT3，并且第二组IGBT包括热损耗相对较低的IGBT2，而IGBT单元20中的第一组IGBT包括热损耗相对较高的IGBT4和IGBT6，并且第二组IGBT包括热损耗相对较低的IGBT5。

对应地，对于每个IGBT单元10和20而言，第一流道可包括彼此并联的两个分支冷却流道以分别冷却第一组IGBT中的2个IGBT，即IGBT1、IGBT3和IGBT4、IGBT6，第二流道包括单个冷却流道以冷却第二组IGBT中的1个IGBT，即IGBT2和IGBT5，其中经过两个分支冷却流道的冷却液分别流入单个冷却流道中。

更具体地，如图3所示，液冷板300中可形成有冷却液入口310、连接冷却液入口310的主流入流道311、连接主流入流道311的上述第一流道，主流入流道311分支成4个分支冷却流道，作为第一流道，即彼此并联的第一冷却流道301、第三冷却流道303、第四冷却流道304和第六冷却流道306，如图3中空心箭头所示，以分别对应地冷却热损耗相对较高的IGBT1、IGBT3、IGBT4和IGBT6。这里，四个冷却流道采用并联流道的结构形式，可通过四个冷却流道均匀分布流道，穿过四个热损耗相对较高的IGBT底部进行散热。

之后，第一冷却流道301和第三冷却流道303中的冷却液(例如可经由中间流道312和332)分别流入第二冷却流道302，并且第四冷却流道304和第六冷却流道306中的冷却液(例如可经由中间流道345和365)分别流入第五冷却流道305，这里第二冷却流道302和第五冷却流道305即为上述第二流道，以冷却热损耗相对较低的IGBT2，如图3中的实心箭头所示。这里采用串联流道的结构形式，流入第二冷却流道302和第五冷却流道305中在对前序IGBT进行散热之后温度相对升高，由此接着冷却热损耗相对较低的IGBT。因此，结合IGBT模块自身布局和热损耗特性，将冷却流道进行并联和串联结合的方式进行分配，使各个IGBT的温度均衡，达到良好的均流效果。

之后，第二冷却流道302和第五冷却流道305连接到主流出流道321，并连接到冷却液出口320。

如上示例，根据IGBT的热损耗，每个IGBT单元中包括热损耗相对较高的两个IGBT，因此采用先并联后串联的冷却方案，然而，根据IGBT中的热损耗特性，例如每个IGBT单元中也可能仅包括一个热损耗相对较高的IGBT，而包括两个或多个热损耗相对较低的IGBT，在这种情况下，可以采用先串联后并联的方式，即，使第二流道包括彼此并联的多个流道。

具体地，图中未示出，功率组件100可用于三电平变流器，每个IGBT单元10、20可包括用于产生三电平的3个IGBT，每个IGBT单元10、20中的第一组IGBT可包括1个IGBT，并且每个IGBT单元10、20中的第二组IGBT可包括2个IGBT。对应地，上述第一流道可包括单个冷却流道以冷却第一组IGBT中的1个IGBT，第二流道可包括彼此并联的两个分支冷却流道以分别冷却第二组IGBT中的2个IGBT，其中，经过单个冷却流道的冷却液分支地流入两个分支冷却流道中。

以上以每个IGBT单元包括3个IGBT为例进行描述，但应理解，本公开提供的串并联冷却流道的结构形式以及利用流场自身温度梯度来用于冷却不同热损耗的IGBT以达到各IGBT温度均衡的构思还可应用于包括其他IGBT数量的IGBT单元。

优选地，如图1所示，IGBT模块200中的全部IGBT可呈单排地布置在液冷板300上。然而，可选地，IGBT模块200中的全部IGBT也可呈双排地或三排以上地布置。

对应地，液冷板300中的各个流道也可呈单排布置，如图3所示，第一流道(即，第一冷却流道301、第三冷却流道303、第四冷却流道304和第六冷却流道306)和第二流道(即，第二冷却流道302和第五冷却流道305)在第一方向上彼此间隔开地布置并且沿横向于第一方向的第二方向延伸，第一流道和第二流道中的冷却液的流动方向总体上沿第二方向同向流动。

然而，根据IGBT的布局，可以对应地调整液冷板300中的各个冷却流道的布局。

此外，液冷板300可在单一平面安装IGBT模块200，也可以在多个平面安装IGBT模块200，如图4所示，IGBT模块200可布置在液冷板300的彼此相对的两个表面上。

通过采用本公开提供的上述功率组件，充分利用液冷板的冷却液流场自身的热分布梯度特性来针对各个IGBT间的不同热损耗，从而优化IGBT模块的散热方案，提升液冷板的散热效率，减小IGBT(并联或串联)运行温度差异。

由此，进而能够提高IGBT模块的均流特性，降低IGBT模块的故障率。

此外，还能够提高功率组件、包括该功能组件的风电变流器(特别是三电平变流器)的可靠性。进一步地，通过散热方案的优化，可以实现大电流功率等级的风电变流器。

上面对本申请的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本申请的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种功率组件，其特征在于，包括：

IGBT模块(200)，包括一个或多个IGBT单元(10、20)，每个所述IGBT单元(10、20)包括具有第一热损耗的第一组IGBT和具有第二热损耗的第二组IGBT，其中，所述第一热损耗大于所述第二热损耗；以及

液冷板(300)，所述IGBT模块(200)布置在所述液冷板(300)上，所述液冷板(300)包括第一流道和沿着冷却液流动路径布置在所述第一流道的下游的第二流道，

其中，所述第一流道设置在所述第一组IGBT的下方，并且所述第二流道设置在所述第二组IGBT的下方。

2.根据权利要求1所述的功率组件，其特征在于，所述第一流道与所述第二流道串联地流体连通。

3.根据权利要求1所述的功率组件，其特征在于，所述第一组IGBT包括一个或多个IGBT，并且所述第一流道包括与所述IGBT的个数对应的单个冷却流道或多个并联分支冷却流道。

4.根据权利要求1所述的功率组件，其特征在于，所述第二组IGBT包括一个或多个IGBT，并且所述第二流道包括与所述IGBT的个数对应的单个冷却流道或多个并联分支冷却流道。

5.根据权利要求1所述的功率组件，其特征在于，所述功率组件用于三电平变流器，每个所述IGBT单元(10、20)包括用于产生三电平的3个IGBT，

其中，每个所述IGBT单元(10、20)中的所述第一组IGBT包括2个IGBT，并且每个所述IGBT单元(10、20)中的所述第二组IGBT包括1个IGBT；并且

其中，所述第一流道包括彼此并联的两个分支冷却流道以分别冷却所述第一组IGBT中的2个IGBT，所述第二流道包括单个冷却流道以冷却所述第二组IGBT中的1个IGBT，其中，经过所述两个分支冷却流道的冷却液分别流入所述单个冷却流道中。

6.根据权利要求1所述的功率组件，其特征在于，所述功率组件用于三电平变流器，每个所述IGBT单元(10、20)包括用于产生三电平的3个IGBT，

其中，每个所述IGBT单元(10、20)中的所述第一组IGBT包括1个IGBT，并且每个所述IGBT单元(10、20)中的所述第二组IGBT包括2个IGBT；并且

其中，所述第一流道包括单个冷却流道以冷却所述第一组IGBT中的1个IGBT，所述第二流道包括彼此并联的两个分支冷却流道以分别冷却所述第二组IGBT中的2个IGBT，其中，经过所述单个冷却流道的冷却液分支地流入所述两个分支冷却流道中。

7.根据权利要求1所述的功率组件，其特征在于，所述IGBT模块(200)中的全部IGBT呈单排或双排地布置在所述液冷板(300)上。

8.根据权利要求1所述的功率组件，其特征在于，所述第一流道和所述第二流道在第一方向上彼此间隔开地布置并且沿横向于所述第一方向的第二方向延伸，所述第一流道和所述第二流道中的冷却液的流动方向总体上沿所述第二方向同向流动。

9.根据权利要求1所述的功率组件，其特征在于，所述IGBT模块(200)布置在所述液冷板(300)的彼此相对的两个表面上。

10.一种三电平变流器，其特征在于，包括根据权利要求1至9中的任一项所述的功率组件。