TW201318550A - 一種大功率高壓變頻器功率單元 - Google Patents

Abstract

本發明提供了一種大功率高壓變頻器功率單元，包括：整流模組，用於對三相交流輸入電壓進行整流，以獲得直流電壓；IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor；絕緣閘雙極性電晶體)逆變橋，其連接至電容器，用於將該直流電壓轉換為頻率、幅值和相位均可調的交流電壓；旁路模組，其與IGBT逆變橋連接，用於在IGBT逆變橋工作異常時提供旁路功能；以及熱管散熱器，其具有散熱基板，且其兩側均放置有大功率高壓變頻器的功率器件。

Description

一種大功率高壓變頻器功率單元

本發明係有關於電力電子器件的變頻技術，特別係有關於一種大功率高壓變頻器功率單元。

隨著現代電力電子技術和微電子技術的快速發展，高壓大功率變頻調速裝置的應用領域和範圍也越來越廣泛，如石油化工、市政供水、冶金鋼鐵、電力能源等行業的各種風機、水泵、壓縮機、軋鋼機等。
在習知技術中，功能相對獨立的功率單元是級聯型高壓變頻器的重要組成部分，也是實現高壓變頻調速的關鍵部分，其不僅要考慮散熱通風，還要考慮結構是否緊湊、佈局是否合理、安裝維護是否方便等諸多方面。
當前，大功率高壓變頻器在散熱設計上，絕大多數採用鋁擠型散熱器，將所有的功率器件放置在散熱器上，該結構使得其散熱要求很高，在採用大型散熱器的情形下，往往造成模組間距離較大，佈局鬆散，進而造成這些功率器件與電容器之間的電氣連接配合不便。尤其是在逆變橋中的每一逆變橋臂由多個IGBT並聯構成時，散熱要求更高。此外，鋁擠型散熱器體積大、重量重，系統成本較高。
有鑑於此，如何設計一種新型的大功率高壓變頻器功率單元，在實現各功率器件有效散熱的同時，還可使結構更加緊湊、運行可靠，維護更加便捷，是業內相關技術人員亟待解決的一項課題。

本發明內容之一目的是在提供一種新型的大功率高壓變頻器功率單元。
為達上述目的，本發明內容之一技術樣態係關於一種大功率高壓變頻器功率單元，大功率高壓變頻器功率單元包括一功率器件子單元和一電容子單元。該功率器件子單元包括一整流模組、一IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)逆變橋、一旁路模組和一熱管散熱器。其中，該整流模組用以對三相交流輸入電壓進行整流，以獲得一直流電壓。該IGBT逆變橋電性連接至電容器，用以將該直流電壓轉換為頻率、幅值和相位均可調的交流電壓。該旁路模組與該IGBT逆變橋相連接，用以在該IGBT逆變橋工作異常時提供旁路功能。該熱管散熱器具有一散熱基板，並且該散熱基板的兩側均放置有大功率高壓變頻器功率單元的功率器件。該電容子單元包括電容器與機殼，其電性連接至該整流模組和該IGBT逆變橋，用以對整流後的直流電進行濾波，再將濾波處理後的直流電輸送給該IGBT逆變橋。
該功率器件子單元中，IGBT逆變橋設置於該散熱基板的一側，以及整流模組和旁路模組設置於該散熱基板的另一側。
該散熱基板包括一進風端和一出風端，該整流模組位於該進風端，以及該旁路模組位於該出風端。
在一實施例中，該IGBT逆變橋包括2個橋臂，且每一橋臂具有並聯連接的複數個IGBT。
該電容子單元與該IGBT逆變橋緊鄰設置，以縮短電能量的傳送距離從而降低電路中的雜散電感。該IGBT逆變橋更包括一IGBT匯流排，該電容子單元更包括一電容匯流排，並且該IGBT與該電容器通過該IGBT匯流排和該電容子單元的電容匯流排進行電氣連接。該電容子單元可拆卸地固定連接至該功率器件子單元。此連接方式可以將功率單元簡單方便的拆分為兩個獨立子單元，兩個子單元的重量基本相等，均約為整個功率單元的一半。兩個子單元之間僅用數個螺絲相連，非常容易拆分與組合，這樣就會使其生產、安裝、維護與拆卸更加方便。
該大功率高壓變頻器功率單元更包括一控制模組，並且該控制模組對應的印刷線路板四周均設置金屬鈑金件，以封閉該印刷線路板從而實現電磁遮罩。
採用本發明的大功率高壓變頻器功率單元，將其各功能模組（整流模組、逆變模組和旁路模組）的功率器件分別放置于熱管散熱器的散熱基板兩側，不僅可利用熱管散熱器良好的導熱性來提升系統的散熱效率，還可將功率器件集中放置從而使結構更加緊湊。此外，將整流模組放置在散熱基板的進風一側也可有利於快速散熱，以降低功率器件的工作溫度。此外，電容子單元與IGBT逆變橋緊鄰設置，通過各自的匯流排進行電氣連接後可顯著地降低電路的雜散電感。

下面參照附圖，對本發明的具體實施方式作進一步的詳細描述。
為了使本揭示內容之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下該各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。
其中圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本發明造成不必要的限制。
如前所述，習知技術中的大功率高壓變頻器在散熱設計時，絕大多數採用鋁擠型散熱器，不僅體積大、重量大、成本高，而且所有的功率器件放置在該散熱器時，相鄰的功率器件之間距離較大，佈局鬆散，極易造成功率器件與電容器的電氣連接線路上雜散電感增加。為了有效解決這一缺陷，第1圖繪示依據本發明的一個方面的大功率高壓變頻器功率單元的電路結構示意圖。參照第1圖，該大功率高壓變頻器功率單元包括整流模組101、電容器103、IGBT逆變橋105、旁路模組107和熱管散熱器(未繪示)。其中，將該整流模組101、IGBT逆變橋105、旁路模組107和熱管散熱器的組合稱為功率器件子單元，將電容器103及其外殼等稱為電容子單元。
具體地，整流模組101對三相交流輸入電壓進行整流，從而將該交流輸入轉換為直流輸入。另外，為了對主電路中的電流進行限流保護，在變頻器的交流輸入端與整流模組101之間還可設置熔斷器，當電路中的電流高於熔斷器的額定電流時，對電路進行斷路保護。電容器103電性連接至整流模組101，用以對整流後的直流電壓進行濾波處理，再將濾波處理後的直流電輸送給IGBT逆變橋105。
IGBT逆變橋105電性連接至電容器，用以將該直流電壓轉換為頻率、幅值和相位均可調的交流電壓。需要指出的是，IGBT逆變橋105與電容器103電性連接時，IGBT逆變橋105中每一橋臂上的IGBT與電容器103之間的電氣走線距離應當盡可能地設置為較短，以避免IGBT與電容器的連接線路上的雜散電感增加，進而有利於持續保證電路的可靠性和運行的穩定性。此外，為提升IGBT逆變橋105的耐壓值或系統電流值，可使用多個IGBT串聯或並聯的方式來實現，並且在IGBT串聯或並聯時，應當適應性地調整散熱器的散熱規格，以滿足IGBT串聯工作或並聯工作時更大的散熱量以及對溫度一致性的要求。
旁路模組107與IGBT逆變橋105相連接，用以在IGBT逆變橋105工作異常時提供旁路功能。例如，當IGBT逆變橋工作異常時，旁路模組107可投入該主電路，以給系統能量提供通路，從而保證變頻器仍可以正常工作。在一具體實施例中，當整流模組101和IGBT逆變橋105正常工作或從故障狀態恢復至正常工作狀態時，旁路模組不工作或從主電路中切出；以及當整流模組101和IGBT逆變橋105從正常工作狀態變化至故障狀態時，旁路模組投入至該主電路並開始工作，此時整流模組101和IGBT逆變橋105均不工作。
本發明的大功率高壓變頻器更包括一熱管散熱器（未繪示），該熱管散熱器具有一散熱基板，並且該散熱基板的兩側均放置有該變頻器的功率器件。與習知技術不同的是，本發明的功率器件分別放置于熱管散熱器的散熱基板的兩側，因而在功率器件數量相同的情形下，可至少節約20%的佈設空間。另外，在進行功率器件的排布時，還可側重於將電容器與IGBT逆變橋中的IGBT間的電氣連接距離盡可能縮小，從而減小電路中的雜散電感。
在一實施例中，IGBT逆變橋包括2個橋臂，且每一橋臂具有並聯連接的多個IGBT。較佳地，IGBT逆變橋包括一第一橋臂和一第二橋臂，並且第一橋臂中IGBT相交的節點電性連接至變頻器的交流輸出端之第一端子，第二橋臂中IGBT相交的節點電性連接至變頻器的交流輸出端之第二端子。與此同時，第一橋臂上的該節點以及第二橋臂上的該節點連接至旁路模組107，以提供旁路功能。較佳地，為提高功率單元的電流值，該逆變橋臂均由4個IGBT並聯連接所構成，並且這些IGBT的柵極控制信號均來自於同一控制信號。
在另一實施例中，整流模組101為一三相不控整流橋。
在另一實施例中，旁路模組107是由一個單相不控整流橋及一個晶閘管構成。
第2A圖繪示第1圖中的大功率高壓變頻器功率單元在安裝機殼時的立體安裝狀態圖，第2B圖繪示第1圖的大功率高壓變頻器功率單元拆分為電容子單元與功率器件子單元的示意圖，以及第2C圖繪示第1圖中的大功率高壓變頻器功率單元在移除機殼時的立體安裝狀態圖。參照第2A~2C圖，元件符號“1”代表機殼，元件符號“2”代表熱管散熱器，元件符號“3代表熔斷器，元件符號“4”代表輸入銅排，元件符號“5代表整流模組，元件符號“6”代表控制模組，元件符號“9”代表絕緣子，元件符號“10”代表電容器，元件符號“11”代表電容匯流排，元件符號“12”代表旁路模組。應當理解的是，第2A圖和第2C圖中的整流模組5、電容器10、IGBT逆變橋7、旁路模組12與第1圖中的整流模組101、電容器103、IGBT逆變橋105和旁路模組107相同或相似，為描述方便起見，此處不再贅述，並以引用方式結合於此。
如第2A圖和第2C圖所示，三相交流輸入經由熔斷器3接入整流模組5，然後整流模組5輸出的直流電壓通過電容匯流排11傳遞至電容器10。本發明的大功率高壓變頻器功率單元包括整流模組5、IGBT逆變橋7、旁路模組12和熱管散熱器2。當熱管散熱器2的散熱基板沿豎直方向放置時，將整流模組5和旁路模組12放置在該散熱基板左側，以及將IGBT逆變橋7放置在該散熱基板右側。並且，由於該IGBT逆變橋7於工作時有高頻控制信號，而整流模組5和旁路模組12有低頻信號，當IGBT逆變橋與整流模組、旁路模組分置於散熱基板兩側後，可有效防止高頻信號對低頻信號產生干幹擾。此外，絕緣子9安裝於變頻器功率單元的下端，以電性隔離變頻器功率單元的電子部件的電位與機殼電位，並能夠承受電壓和一定的機械應力。
在一具體實施例中，該散熱基板包括一進風端（也可稱為迎風側）和一出風端（也可稱為背風側），其中，將整流模組5放置在散熱基板的進風端，而將旁路模組12放置在散熱基板的出風端。這是因為，在變頻器正常工作情形下，整流模組和IGBT逆變橋正常工作而旁路模組不工作，該設置方式可靈活地將散熱要求較高的整流模組優先地位於進風端，從而降低整流二極體的工作溫度，保證電路整體運行的可靠性和穩定性。
在另一具體實施例中，電容器為多個電解電容串並聯連接，例如，由電容匯流排將不同的電解電容進行串聯、並聯連接。
在另一具體實施例中，位於散熱基板另一側的IGBT逆變橋7與電容子單元10緊鄰設置，以縮短電能量的傳送距離從而降低電路中的雜散電感。
此外，該大功率高壓變頻器更包括一控制模組6，且控制模組6對應的印刷線路板四周均設置金屬鈑金件，只預留進線和出線的空間，通過封閉印刷線路板來保證控制模組6在強電磁干擾下也能夠可靠地正常工作。
第3圖繪示第1圖中的大功率高壓變頻器功率單元的IGBT的佈局示意圖。參照第3圖，該大功率高壓變頻器功率單元更包括一IGBT匯流排8和一電容匯流排11，並且IGBT逆變橋7的IGBT與電容子單元10的電容器通過IGBT匯流排8和電容匯流排11進行電氣連接。由此可知，IGBT與電容器之間的電氣連接距離較小，從而可顯著降低電路中的雜散電感，以便提升電路的可靠性和穩定性。
在一實施例中，為了更便捷地維護或更換功率器件，該電容子單元設置為可拆卸地固定連接至功率器件子單元。此連接方式可以將功率單元簡單方便的拆分為兩個獨立子單元，兩個子單元的重量基本相等，均約為整個功率單元的一半。兩個子單元之間僅用螺絲相連，非常容易拆分與組合，這樣就會使其生產、安裝、維護與拆卸更加方便。
採用本發明的大功率高壓變頻器功率單元，將其各功能模組（整流模組、逆變模組和旁路模組）的功率器件分別放置于熱管散熱器的散熱基板兩側，不僅可利用熱管散熱器良好的導熱性來提升系統的散熱效率，還可將功率器件集中放置從而使結構更加緊湊。此外，將整流模組放置在散熱基板的進風一側也可有利於快速散熱，以降低功率器件的工作溫度。此外，電容器與IGBT逆變橋緊鄰設置，通過各自的匯流排進行電氣連接後可顯著地降低電路的雜散電感。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

101．．．整流模組

103．．．電容器

105．．．IGBT逆變橋

107．．．旁路模組

1．．．機殼

2．．．熱管散熱器

3．．．熔斷器

4．．．輸入銅排

5．．．整流模組

6．．．控制模組

7．．．IGBT逆變橋

8．．．IGBT匯流排

9．．．絕緣子

10．．．電容器

11．．．電容匯流排

12．．．旁路模組

讀者在參照附圖閱讀了本發明的具體實施方式以後，將會更清楚地瞭解本發明的各個方面。其中，
第1圖繪示依據本發明的一個方面的大功率高壓變頻器功率單元的電路結構示意圖；
第2A圖繪示第1圖的大功率高壓變頻器功率單元在安裝機殼時的立體安裝狀態圖；
第2B圖繪示第1圖的電容子單元與功率器件子單元的拆分效果圖；
第2C圖繪示第1圖的大功率高壓變頻器功率單元在移除機殼時的立體安裝狀態圖；以及
第3圖繪示第1圖的大功率高壓變頻器功率單元的IGBT的佈局示意圖。

2．．．熱管散熱器

5．．．整流模組

6．．．控制模組

8．．．IGBT匯流排

9．．．絕緣子

10．．．電容器

11．．．電容匯流排

12．．．旁路模組

Claims (8)

1. 一種大功率高壓變頻器功率單元，包含：
   一功率器件子單元，包含：
   一整流模組，用以對一三相交流輸入電壓進行整流，以獲得一直流電壓；
   一IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor；絕緣閘雙極性電晶體)逆變橋，電性連接至電容器，用以將該直流電壓轉換為頻率、幅值和相位均可調的一交流電壓；
   一旁路模組，與該IGBT逆變橋相連接，用以在該IGBT逆變橋工作異常時提供旁路功能；及
   一熱管散熱器，具有一散熱基板，並且該散熱基板的兩側均放置有該大功率高壓變頻器功率單元的功率器件；及
   一電容子單元，包含電容器與機殼，該電容子單元電性連接至該整流模組和該IGBT逆變橋，用以對整流後的該直流電壓進行濾波，再將濾波處理後的該直流電輸壓送給該IGBT逆變橋。
2. 如請求項1所述之大功率高壓變頻器功率單元，其中，在該功率器件子單元中，該IGBT逆變橋設置於該散熱基板的一側，以及該整流模組和該旁路模組設置於該散熱基板的另一側。
3. 如請求項2所述之大功率高壓變頻器功率單元，其中，該散熱基板包括一進風端和一出風端，該整流模組位於該進風端，以及該旁路模組位於該出風端。
4. 如請求項2所述之大功率高壓變頻器功率單元，其中，該IGBT逆變橋包括二橋臂，且每一該些橋臂具有並聯連接的複數個絕緣閘雙極性電晶體(IGBTs)。
5. 如請求項1所述之大功率高壓變頻器功率單元，其中，該電容子單元與該IGBT逆變橋緊鄰設置，以縮短電能量的傳送距離，從而降低電路中的雜散電感。
6. 如請求項5所述之大功率高壓變頻器功率單元，其中，該IGBT逆變橋更包括一IGBT匯流排，該電容子單元更包括一電容匯流排，並且該IGBT與該電容子單元的電容器通過該IGBT匯流排和該電容匯流排進行電氣連接。
7. 如請求項5所述之大功率高壓變頻器功率單元，其中，該電容子單元可拆卸地固定連接至該功率器件子單元。
8. 如請求項1所述之大功率高壓變頻器功率單元，其中，更包括一控制模組，並且該控制模組對應的一印刷線路板四周均設置有一金屬鈑金件，以封閉該印刷線路板，從而實現電磁遮罩。